Mẫu slide luận văn thạc sỹ kỹ thuật

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU
CAO TRONG THIẾT KẾ DẦM CẦU CHỮ I

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS PHẠM DUY ANH
NGƯỜI THỰC HIỆN: KHUẤT VĂN SƠN

HÀ NỘI, THÁNG 11-2015

1


TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Bê tông cường độ siêu sao là một loại vật liệu mới, được

nghiên cứu và ứng dụng thử nghiệm ở các nước tiên tiến
trên thế giới trong vài thập kỷ gần đây. Hiện nay trên thế
giới đang từng bước ứng dụng thử nghiệm trong nhiều
công trình cầu, các công trình đặc biệt khác nhằm nâng
cao khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu công trình.
Ở Việt Nam, nhiều công trình cầu, đường hiện đại đang

được xây dựng, nên việc nghiên cứu phát triển một loại
vật liệu bê tông mới có cường độ siêu cao để tăng khả
năng chịu lực, độ bền của công trình là vấn đề cần thiết.
2


TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Chúng ta có thể nghĩ đến khả năng nghiên cứu chế tạo

và ứng dụng bê tông cường độ siêu cao từ các vật liệu ở

Việt Nam để có thể áp dụng thay thế cho một số dạng kết
cấu cầu, đường bộ hiện nay và các kết cấu của công
trình nhà cao tầng, các công trình đặc biệt khác.
Do đó việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ

siêu cao trong thiết kế kết cấu của công trình nói chung
và dầm cầu chữ I nói riêng là có ý nghĩa khoa học và
thực tiễn.

3


MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu ứng dụng các lý thuyết tính toán về các đặc

tính cơ học, vật liệu chế tạo, để thiết kế cấp phối bê tông
cường độ siêu cao ứng dụng trong thiết kế dầm cầu chữ
I tại Việt Nam
Phân tích, đánh giá được ưu nhược điểm của dầm cầu

chữ I ứng dụng bê tông cường độ siêu cao so với các
loại dầm cầu bê tông khác

4


CẤU TRÚC LUẬN VĂN
 Phần mở đầu
 Chương 1: Tổng quan về các nghiên cứu và ứng dụng bê

tông cường độ siêu cao trong thiết kế thiết kế dầm cầu
 Chương 2: Các đặc tính cơ học của bê tông cường độ

siêu cao
 Chương 3: Giải pháp thiết kế bản mặt cầu dầm cầu chữ I

ứng dụng bê tông cường độ siêu cao.
 Kết luận và kiến nghị

5


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN
CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ
SIÊU CAO TRONG THIẾT KẾ DẦM CẦU
 Khái niệm chung về bê tông.
 Nhược điểm của BTXM thường và những biện pháp khắc

phục.
 Phương pháp xác định cường độ chịu nén của BTXM.
 Khái niệm bê tông cường độ cao và siêu cao.
 So sánh BTCĐSC với BTCĐC và bê tông thường
 Ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trên thế giới
 Các công trình nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao

đã được công bố ở Việt Nam

6

KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BÊ TÔNG
- Bê tông được chế tạo từ hỗn hợp vật liệu được lựa chọn hợp

lý gồm các thành phần: Cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, chất kết
dính, nước và phụ gia.
- Cát và đá dăm là thành phần vật liệu khoáng, đóng vai trò bộ

khung chịu lực
- Hỗn hợp xi măng và nước là thành phần hoạt tính trong bê

tông, lấp đầy lỗ rỗng giữa các cốt liệu và dính kết cốt liệu
thành một khối đá và được gọi là bê tông.
- Các chất phụ gia làm tính chất của bê tông trở nên đa dạng

và đáp ứng được các yêu cầu của bê tông và kết cấu bê tông.
- Bê tông cần thỏa mãn yêu cầu về cường độ, tính công tác,

đặc tính kết cấu và độ bền do tác động của thời tiết, v.v…
7


NHƯỢC ĐIỂM CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG
THƯỜNG VÀ NHỮNG BIỆN PHÁP KHẮC
PHỤC
- Trong bê tông thường, vùng dính bám giữa đá xi măng và cốt liệu

thường là vùng yếu. Để cải thiện cường độ, độ bền, tính chống
thấm của bê tông người ta tìm cách loại bỏ bớt những vùng này
thông qua việc sử dụng các chất độn hạt mịn có kích thước rất nhỏ.
- Các phụ gia siêu dẻo là các hợp chất polimer có khả năng ngăn

cản sự tiếp xúc của nước với các chất kết dính qua đó tăng tạm
thời tính công tác của bê tông. Việc sử dụng các hợp chất này giúp
tạo ra bê tông có cường độ cao và tính thấm nước thấp.

8


NHƯỢC ĐIỂM CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG
THƯỜNG VÀ NHỮNG BIỆN PHÁP KHẮC
PHỤC
- Pozzolan tự nhiên, tro bay, muội silic và xỉ lò cao là các chất độn

hạt mịn đôi khi được dùng để thay thế một phần và/hoặc tăng
thêm một số đặc tính của bê tông. Việc sử dụng bột silic mịn hơn
xi măng hàng trăm lần tạo ra một cấu trúc bê tông có độ đặc cao
và làm tăng cường độ chịu nén của nó. Ngoài ra, các chất
pozzolans còn phản ứng với hydroxit canxi có cường độ thấp để
biến chúng thành các hydoxit silicat canxi có cường độ cao.
- Việc sử dụng hợp lý các chất phụ gia siêu dẻo tính năng cao

cùng với các chất độn siêu mịn có thể tạo ra các hỗn hợp bê tông
có cấu trúc tối ưu với cường độ chịu nén cao. Các bê tông này
không chỉ có độ bền cơ học mà còn độ bền hóa học, tuổi thọ cũng
như độ chống thấm cao.
9


PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU
NÉN CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG

- Người ta thường sử dụng cường độ chịu nén để phân cấp bê tông

được sử dụng trong kết cấu. Cường độ chịu nén của bê tông
được xác định bằng thí nghiệm.
- Theo tiêu chuẩn 22 TCN 272 - 05, đối với bê tông được dùng trong

các công trình cầu, cường độ chịu nén được xác định theo tiêu
chuẩn ASTM C-39 với việc nén đến phá hoại mẫu thử hình trụ có
đường kính 150 mm và chiều cao 300 mm. Bê tông khi thí nghiệm
có tuổi 28 ngày và được bảo dưỡng trong điều kiện chuẩn.

Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông xi măng
10


KHÁI NIỆM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO VÀ
SIÊU CAO
- Bê tông cường độ cao (High Strength Concrete - HSC) là loại

bê tông có cường độ chịu nén ngày thứ 28 từ 42 đến 100
Mpa, sử dụng tỷ lệ N/X thấp, các khoáng siêu mịn, các chất
siêu dẻo và các cốt liệu truyền thống.
- Bê tông cường độ siêu cao (BTCĐSC) là loại bê tông có

cường độ chịu nén ngày thứ 28 từ 100 ÷ 200 MPa, độ bền cao
và sự ổn định lâu dài. BTCĐSC có 7 thành phần chủ yếu là: xi
măng, nước, cốt liệu nhỏ, phụ gia siêu dẻo, muội silic, các bột
khoáng có độ cứng lớn và các cốt sợi thép cường độ cao.

11

SO SÁNH BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
VỚI BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO VÀ BT
THƯỜNG
Theo tỷ lệ N/X:
- Bê tông thường: N/X = 0,4 - 0,6.
- Bê tông cường độ cao: N/X = 0,3 - 0,4.
- Bê tông cường độ siêu cao: N/X = 0,2 - 0,25.
Tính năng

Đơn vị

BTCĐSC

Bê tông thường

Cường độ nén

Mpa

100÷200

~ 40

Mô đun đàn hồi

Gpa

48÷60

~ 35

Cường độ kéo

Mpa

9÷20

~3

Biến dạng

%

0,05÷0,2

0

7÷16

~3

Vết nứt đầu tiên Mpa

Các tính năng của BTCĐSC và bê tông thường

12

ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
TRÊN THẾ GIỚI
- Cầu WILD (Áo): là một dự án thí điểm thi công theo phân đoạn
kết hợp với xoay kết cấu vòm lắp ghép từ hai phía. Vì vậy, các
đặc tính nhanh chóng đông kết và cấu trúc bền vững của bê tông
cường độ siêu cao đã được sử dụng.

13


ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
TRÊN THẾ GIỚI
- Cầu Log Čezsoški (Slovenia): có chiều dài 65m, sau một
khoảng thời gian dài được khai thác đã bị xuống cấp nên đã
được tăng cường sửa chữa bằng cách phủ lên toàn bộ mặt
cầu một lớp bê tông cường độ siêu cao.

14


ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
TRÊN THẾ GIỚI
- Một số công trình khác trên thế giới sử dụng loại vật liệu mới
BTCĐSC:
+ Mái che nhà ga xe lửa tại Calgary, Alberta, Canada
+ Cầu Glenmore/Legsby tại Calgary, Alberta, Canada
+ Kết cấu mái tại nhà ga Milau – Pháp
+ Cầu đi bộ tại Seoul, Hàn Quốc
+ Cầu Cat Point Creek, Mỹ

15


CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VỀ BÊ
TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO ĐÃ ĐƯỢC
CÔNG BỐ Ở VIỆT NAM
- Để chế tạo bê tông tự đầm cường độ siêu cao thì:

+ Các tác giả trường ĐH Bách Khoa, ĐHQG HCM sử dụng cốt
liệu nhỏ là cát tự nhiên và cát nhân tạo, sử dụng cốt liệu lớn là
đá dăm đến 10mm và phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate.
+ Các tác giả trường ĐH Xây dựng sử dụng Silica Fume và xỉ lò
cao để thay thế một phần xi măng và dùng kết hợp hai loại
phụ gia SF và BFS.
+ GS.TS. Phạm Duy Hữu ở trường Đại học Giao thông vận tải
Hà Nội sử dụng cốt liệu nhỏ là bộ Quaz và cát Quaz.
16


CHƯƠNG II: CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA
BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
 Đặc tính vật liệu của bê tông BTCĐSC.
 Đặc tính kết cấu của bê tông BTCĐSC.

17


ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
1. Độ đặc của bê tông cường độ siêu cao
- Độ đặc sít của cấu trúc: Bê tông cường độ

siêu cao có độ đặc sít rất cao so với bê tông
truyền thống và bê tông cường độ cao.
- Lỗ rỗng chứa nước trong bê tông cường độ siêu cao: bê
tông cường độ siêu cao có độ rỗng khá thấp so với bê tông
thường và bê tông cường độ cao

Độ
rỗng
chứa

Bê
Bê
tông
tông
thườn cường
g
độ cao

BT
cường
độ siêu
cao

BT cốt
sợi
cường
độ siêu
cao

18

ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
2. Co ngót và từ biến của bê tông cường độ siêu cao
- Co ngót: Khi không có xử lý nhiệt, thì bê tông cường độ
siêu cao có ứng xử gần giống như bê tông cường độ cao
(HSC); còn khi có xử lý nhiệt thì co ngót rất nhỏ gần như
bằng 0.
- Từ biến: Khi có xử lý nhiệt, từ biến giảm mạnh, khi không
có xử lý nhiệt từ biến của bê tông cường độ siêu cao nhỏ
hơn nhiều so với từ biến của bê tông truyền thống.

19


ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
3. Modun đàn hồi: Khi tăng cường độ nén, Môđun đàn hồi cũng tăng đáng kể.
Môđun đàn hồi của bê tông cường độ siêu cao tăng 1,5 - 2 lần so với bê tông
thường.
4. Cường độ chịu kéo, nén của bê tông BTCĐSC: Bê tông cường độ rất cao có
cường độ chịu
nén đến 150 - 200 MPa và độ bền
cao. Khi tăng cường độ nén, cường
độ kéo cũng tăng tuy nhiên tốc độ
tăng chậm hơn.

20


ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC

5. Tính thấm khí: Theo kết quả nghiên cứu của Viện Công
nghệ Liên bang Lausanne, tính thấm khí của tấm được
nghiên cứu với một hệ thống thử nghiệm tính thấm khí
Torrent, Kết quả chỉ ra không có phân bố ưu tiên của giá trị
kT. Rõ ràng là chất lượng của chất nền được phân bố ngẫu
nhiên trong tấm, đặc biệt
là không có gradient
chiều cao có thể được
quan sát thấy.
Độ thấm kT phân bố dọc theo trục dọc của tấm
21


ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
6. Độ khuếch tán Ion Clo: Theo kết quả thí nghiệm tại nhiều
nước, khả năng chống thấm Ion Clo của bê tông cường
độ siêu cao rất tốt so với các loại bê tông truyền thống.
Ở Pháp, kết quả thí nghiệm về hệ số khuếch tán Ion Clo
được thực hiện trong bảng sau:
Bê tông
Hệ số
khuếch

thường
2.10-11

Hệ số khuếch
tán (m2/s)

Bê tông

Bê tông

cường độ

cường độ

cao
2.10-12

siêu cao
2.10-14

tán Ion Clo của các loại bê tông

22


ĐẶC TÍNH KẾT CẤU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
1. Độ bền của BTCĐSC
Độ bền được cải tiến của BTCĐSC để chống lại các loại
khí độc hại, các chất lỏng, clorua, sương giá hay đóng tan
băng được cải thiện bởi độ đặc và cấu trúc hạt của chất
kết dính và vùng tiếp xúc giữa vữa và cốt liệu thô cũng
như cấu trúc đặc hơn của sản phẩm hydrat hóa.
Các chỉ số của độ bền So sánh
Độ xốp

Ít hơn 4÷6 lần

Độ thấm khí

Ít hơn 20÷50 lần

Độ thấm nước 

Ít hơn 7÷10 lần

Độ mài mòn 

Ít hơn 10÷25 lần

Mức độ thấm CO2

Không nhận thấy trong BTCĐSC

So sánh giữa độ bền của BTCĐSC với bê tông thường

23


ĐẶC TÍNH KẾT CẤU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
2. Cường độ nén uốn, kéo uốn
Theo kết quả nghiên cứu ở trường đại học New Mexico State
cho thấy cường độ chịu kéo uốn, nén uốn của bê tông BTCĐSC
có chứa sợi thép lớn hơn 68% so với bê tông BTCĐSC không
chứa sợi thép. Cường độ chịu kéo khi uốn chủ yếu phụ thuộc
vào cường độ bê tông, loại và số lượng sợi được sử dụng.

Thí nghiệm uốn tấm tròn BTCĐSC

24


ĐẶC TÍNH KẾT CẤU CỦA BÊ TÔNG BTCĐSC
3. Sức kháng cắt
Phương trình thiết kế ACI-code giản đơn giả định rằng sức
kháng cắt tỷ lệ thuận với căn bậc 2 của cường độ chịu nén:
Vnorm = (Vu/bd)(fcy)1/2

Tải trọng lý thuyết và thực nghiệm của bê tông BTCĐSC

Kết quả nghiên cứu thể hiện trong bảng trên cho thấy rằng
sức kháng cắt bình thường tăng trung bình 3% bằng tỷ lệ
cốt thép tăng từ 1.2% đến 1.7% trong các dầm.
25