Nghiên cứu thành phần cấp phối bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) phục vụ ứng dụng cho kết cấu công trình giao thông khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HOÀNG NGỌC HOÀI

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN CẤP PHỐI BÊ TÔNG CHẤT
LƯỢNG SIÊU CAO (UHPC) PHỤC VỤ ỨNG DỤNG CHO
KẾT CẤU CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU VỰC
TỈNH THỪA THIÊN HUẾ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông
Mã số
: 85.80.205

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐỖ VIỆT HẢI

Phản biện 1: TS. NGUYỄN VĂN MỸ

Phản biện 2: TS. NGUYỄN THẾ DƯƠNG

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
Thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông họp tại Trường Đại
học Bách Khoa vào ngày 21 tháng 12 năm 2019.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin-Học liệu, ĐHĐN tại trường ĐHBK
- Thư viện Khoa Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) là loại vật liệu mới, được
nghiên cứu và áp dụng thử nghiệm ở các nước tiên tiến trên thế giới
trong vài thập kỷ gần đây. Đặc tính quan trọng của loại vật liệu này là:
cường độ chịu nén rất cao, có thể từ 120MPa đến hơn 200MPa; khả
năng chịu kéo uốn có thể đạt tới hơn 40MPa; khả năng chịu tác động
va chạm, chịu tải trọng lặp và chống thấm cao; độ bền và độ ổn định
lâu dài. Do đó loại vật liệu này rất phù hợp với kết cấu cầu có yêu cầu
về cường độ cao, tuổi thọ dài và giảm thiểu được trọng lượng kết cấu.
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều công trình cầu ứng dụng
loại vật liệu mới này.Tại Việt Nam, vật liệu UHPC cũng được nghiên
cứu trong khoảng 10 năm trở lại đây, đã chế tạo thành công vật liệu
UHPC sử dụng nguồn cốt liệu địa phương, đã thiết kế, thi công thí
điểm dầm cầu UHPC cho người đi bộ và xe thô sơ, khổ cầu 2.2m,
chiều dài nhịp 18m tại nhiều địa phương khác nhau trong năm 2016,
2017.
Do là loại vật liệu mới, việc đưa vào ứng dụng phổ biến sẽ gặp
nhiều khó khăn như: thiếu thông tin về vật liệu; chưa có đầy đủ quy
trình thiết kế, thi công, nghiệm thu; chưa được kiểm nghiệm nhiều từ
các công trình thực tế đã ứng dụng; chưa có đánh giá tính ưu việt của
vật liệu UHPC cho từng yếu tố kiến trúc, kết cấu, môi trường, chi phí
đầu tư, tuổi thọ khai thác; chưa đánh giá trữ lượng nguồn cung ứng vật

liệu tại từng địa phương.
Xuất phát từ các yêu cầu trên, việc lựa chọn và thực hiện đề
tài “Nghiên cứu thành phần cấp phối bê tông chất lượng siêu cao
(UHPC) phục vụ ứng dụng cho kết cấu công trình giao thông khu vực
tỉnh Thừa Thiên Huế” là rất cần thiết và cấp bách.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
a. Mục tiêu tổng quát:
Nghiên cứu thành phần cấp phối vật liệu UHPC.
Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài.
b. Mục tiêu cụ thể:
Xác định các loại thành phần cốt liệu trong nước để chế tạo
vật liệu UHPC.
Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi thép đến cường


2
độ vật liệu UHPC.
Đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu UHPC phù hợp cho kết
cấu công trình giao thông trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Bê tông chất lượng siêu cao (UHPC).
Các loại thành phần cấp phối chế tạo vật liệu UHPC.
Đặc điểm Kết cấu công trình giao thông ở khu vực tỉnh Thừa
Thiên Huế.
4. Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu thực nghiệm thông qua mẫu chế tạo trong phòng
thí nghiệm.
Nghiên cứu lý thuyết sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn.
Sử dụng các phương pháp lý thuyết tính toán để đánh giá các
kết quả phân tích.

5. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài:
Xác định thành phần cốt liệu chế tạo vật liệu UHPC.
Làm cơ sở lựa chọn hàm lượng cốt sợi tối ưu cho vật liệu
UHPC.
Đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu UHPC phù hợp cho kết
cấu công trình giao thông trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế.
6. Cấu trúc luận văn:
Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan vật liệu UHPC trên thế giới
và ở Việt Nam.
Chương 2: Nghiên cứu thành phần cốt liệu và ảnh hưởng của
hàm lượng cốt sợi đến cường độ UHPC.
Chương 3: Nghiên cứu đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu
UHPC cho kết cấu công trình giao thông khu vực tỉnh Thừa Thiên
Huế.


CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VẬT LIỆU UHPC
TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM.
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ
TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO TRONG LĨNH VỰC
GIAO THÔNG TRÊN THẾ GIỚI:
Thực tế về bức tranh nghiên cứu về bê tông cho thấy rằng,
công nghệ bê tông có bước phát triển chậm trước những năm 1960 với
cường độ nén lớn nhất từ 15-20MPa. Bằng việc phát hiện và ứng dụng
các loại phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia siêu dẻo đã đánh dấu một
bước tiến lớn trong công nghệ bê tông. Đầu những năm 1970 với việc
sử dụng phụ gia giảm nước, cường độ nén của bê tông đã có bước phát
triển lớn, đạt từ 60-80MPa với tỷ lệ N/CKD = 0.3[1].
Vào năm 1990 các nghiên cứu ứng dụng loại bê tông hạt mịn

với mục đích để hạn chế các vết nứt nhỏ của các kết cấu mỏng khi chịu
tải trọng đã được triển khai tại phòng thí nghiệm Bouygues của Pháp.
Từ đây, thuật ngữ về UHPC đã được sử dụng trên thế giới, với cường
độ nén yêu cầu lớn hơn 150Mpa [2].
Trong giai đoạn từ 1992 - 1994 đã có sự liên kết giữa các
công ty của Pháp đó là công ty Rhodia, Lafarge and Bouygues của
Pháp, để phát triển và ứng dụng thương mại các sản phẩm của UHPC
với tên thương mại là “Ductal”..
Cục đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) bắt đầu nghiên cứu UHPC
từ năm 2001 tới nay đã đạt được những bước tiến lớn trong việc đưa
công nghệ bê tông tiên tiến UHPC đến với ngành công nghiệp bê tông
và ngành giao thông vận tải. Chiếc cầu đầu tiên của Hoa Kỳ sử dụng
UHPC với kết cấu dầm chữ I hoàn thành năm 2008, cũng trong thời
điểm này một cây cầu khác với bản mặt được làm bằng UHPC được
đưa vào sử dụng. Với yêu cầu nâng cao chất lượng cũng như đảm bảo
an toàn trong ngành giao thông vận tải, FHWA đã đề ra các mục tiêu
nghiên cứu, cụ thể như sau [9]:
−
Đánh giá khả năng ứng dụng UHPC trong ngành giao thông
vận tải.
−
Xác định các tính năng kỹ thuật của các kết cấu khi sử dụng
UHPC.


−

Hỗ trợ để triển khai triệt để các dự án nghiên cứu về UHPC
mà FHWA đang triển khai, với các nghiên cứu ban đầu chủ
yếu tập trung vào các tính chất cơ lý của UHPC, đánh giá

được độ bền trên cơ sở đó xác định tuổi thọ của công trình,
so sánh hiệu quả kinh tế, kỹ thuật, môi trường khi sử dụng
UHPC so với bê tông dự ứng lực thông thường.
Từ năm 2004 FHWA đã thiết kế, xây dựng và thử nghiệm
các kết cấu dầm và bản mặt lắp ghép bằng UHPC. Kết quả nghiên cứu
cho thấy, trọng lượng trên một đơn vị mét dài của các dầm cầu có cùng
khẩu độ và tải trọng khi chế tạo bằng UHPC nhẹ hơn nhiều so với dầm
chế tạo bằng bê tông truyền thống. Chiều cao của dầm UHPC cũng
thấp hơn nhiều, với dầm dài 30 m khi chế tạo bằng bê tông truyền
thống chiều cao là 1.5m trong khi đó dầm UHPC chiều cao là 1m .
Trong những năm gần đây các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ đã
nỗ lực nghiên cứu chế tạo các cấu kiện mặt cầu với tiêu chí tăng tuổi
thọ, đẩy nhanh tiến độ thi công.
Đến nay nghiên cứu ứng dụng UHPC phát triển đến nhiều
lĩnh vực xây dựng, mặc dù trên thế giới chưa ban hành tiêu chuẩn
chung về thiết kế, thi công UHPC.
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ
TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO TRONG LĨNH VỰC GIAO
THÔNG GIỚI Ở VIỆT NAM:
Ở Việt Nam các nghiên cứu về UHPC còn mới mẻ, các kết
quả nghiên cứu được công bố chưa nhiều. Các tác giả Nguyễn Văn
Tuấn, Phạm Hữu Hanh, Nguyễn Công Thắng -Trường ĐH Xây dựng
đã tiến hành nghiên cứu khả năng chế tạo UHPC ở Việt Nam với quy
mô đề tài cấp Trường năm 2006 [16-18]. Các tác giả cho rằng UHPC
hoàn toàn có thể chế tạo được trong điều kiện vật liệu hiện có ở Việt
Nam.
Việc nghiên cứu và phát triển UHPC cũng đạt được kết quả
khả quan ở một vài đơn vị khác. Năm 2009, các tác giả Nguyễn Văn
Chánh và các cộng sự - Trường ĐH Bách khoa Tp. HCM [20] thực
hiện nghiên cứu tổng quan về UHPC.

Ở Việt Nam xu hướng phát triển loại bê tông chất lượng siêu
cao trong tương lai là rất lớn. Hiện nay, có một số công bố về việc ứng
dụng UHPC trong thực tế cụ thể như sau:
− Năm 2014 nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Xây dựng đã
có ứng dụng đầu tiên là sử dụng UHPC để chế tạo bể xử lý nước thải
lắp đặt sẵn tại nhà máy lọc dầu Nghi Sơn .
−
Năm 2016 nhóm nghiên cứu tại Đại học Xây dựng tiếp tục
có nghiên cứu và ứng dụng sản phẩm Bê tông chất lượng siêu cao chế
sản phẩm cọc cừ bê tông để thay cho cọc cừ lasen thép. Sản phẩm cọc
cừ này đã được chế tạo và ứng dụng thành công tại dự án Rừng Dương,
Vũng Tàu với trên 6000m dài cừ bê tông chất lượng siêu cao .
−
Gần đây năm 2017 nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu và ứng
dụng hệ bê tông chất lượng siêu cao để chế tạo tấm vỏ đài tưởng niệm
liệt sỹ trung đoàn 207 tại Ấp Đá Biên, Long An. Bê tông chất lượng
siêu cao được sử dụng trong công trình có cường độ nén đạt trên 120
MPa và cường độ uốn đạt trên 12MPa chế tạo các tấm ốp ngoài tạo ra
hình dáng kiến trúc theo thiết kế. Sản phẩm có kích thước về chiều dài
lớn nhất đến gần 6m. Đây là sản phẩm có xét đến cả tính mỹ thuật và
kiến trúc nên việc nghiên cứu, chế tạo và kiểm soát chất lượng sản
phẩm phức tạp hơn so với các sản phẩm kết cấu thông thường.
−
Năm 2016 nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Công Nghệ
Xây dựng có ứng dụng đầu tiên về việc sử dụng UHPC để chế tạo cầu
cho người đi bộ với nhịp chính cầu Đập Đá tại khu vực 4, Phường III,
thành phố Vị Thanh, Hậu Giang. Cầu có chiều dài nhịp là 18m, chiều
rộng 2.2m tải trọng, hoạt tải phân bố 300 kG/cm2.

− Năm 2017 nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Công Nghệ
Xây Dựng tiếp tục có ứng dụng về việc sử dụng UHPC để chế tạo cầu
cho người đi bộ, cầu Năng An - Xuân Hồi - Ninh Bình với các thông
số kỹ thuật cơ bản như sau:
• Dầm cầu UHPC
• Kích thước sườn chính: bxhxL = 120x350x12000 mm
• Kích thước sườn phụ: 80x100x2200 mm
• Kích thước bản mặt: hxBxL = 35x2200x12000mm


• Tải trọng: người đi bộ, hoạt tải phân bố 300 kG/cm2 , hoạt tải
tập trung 500kg.
− Năm 2019, Trường Đại học Xây dựng đã nghiên cứu, thiết kế,
xây dựng và chuyển giao thành công cầu dân sinh An Thượng tại tỉnh
Hưng Yên bằng vật liệu UHPC [25, 26].
Trong tương lai gần việc sử dụng UHPC ở Việt Nam sẽ
không thể chỉ tập trung vào các ứng dụng trong xây dựng dân dụng
mà còn được ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực cầu đường bởi vì loại vật
liệu này có thể là các giải pháp mới cho các lĩnh vực ứng dụng. Đặc
biệt là khi UHPC được sử dụng kết hợp với các vật liệu khác để tạo ra
một loại vật liệu composite mới với các ưu điểm vượt trội về cường
độ và độ bền.
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN CỐT LIỆU VÀ
ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG CỐT SỢI ĐẾN CƯỜNG
ĐỘ UHPC
2.1. TỔNG QUÁT VỀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG
CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO:
2.2. VẬT LIỆU CHẾ TẠO:
2.2.1. Xi măng:
Trong thành phần chế tạo vật liệu UHPC, xi măng là chất kết

dính cơ bản. Các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao trên thế
giới thường sử dụng xi măng PCA 42,5 ; PCA 52,5; PCA 62,5 loại I
và loại III. Các nghiên cứu trong nước đã chỉ ra rằng, xi măng
Pooclăng loại I PC40 hoàn toàn có thể sử dụng để chế tạo UHPC.
Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 phổ biến ở Việt Nam
được ghi ở bảng 2.1 [32].
2.2.2. Các phụ gia hóa học:
Các phụ gia hóa học nói chung đều được sản xuất từ lignin
sunphonat, các axít cacbonxilic (phenol cao phân tử) được hydrat hóa,
các nhóm hydrat – cacbon, Melamin, Naptalin. Việc chọn loại và liều
lượng cần tiến hành bằng các thực nghiệm. Các phụ gia hóa học này
góp phần tăng đáng kể cường độ nén, kiểm soát tốc độ đông kết bê
tông, thúc đẩy nhanh cường độ, cải thiện khả năng làm việc và độ
bền theo thời gian của bê tông.


2.2.3. Muội silic:
Muội silic là một sản phẩm phụ được lấy ra từ quá trình nung
thạch anh với than đá trong các lò hồ quang điện của ngành sản xuất
silicon và các hợp kim thép silicon, khói bay ra có hàm lượng dioxit
silic vô định hình cao và chứa các tinh thể hình cầu rất mịn.
2.2.4. Cốt liệu lớn:
Cốt liệu lớn sử dụng phổ biến để chế tạo UHPC là cát
Quartz được nghiền từ đá Quarzt.
2.2.4.1. Nguồn gốc của cốt liệu :
Khi bắt đầu nghiên cứu về bê tông chất lượng cao và bê tông
cường độ siêu cao, người ta đã sử dụng các loại cát thạch anh có đường
kính từ 0,5-8 mm. Có nhiều tác giả đã tìm kiếm các loại cốt liệu khác
để thay thế với các đường kính khác nhau mà chủ yếu là sử dụng cát
nghiền từ đá Bazan với đường kính đến 1mm.

2.2.4.2. Thành phần cấp phối của cát Quartz :
Tuỳ theo yêu cầu về cường độ của bê tông mà đường kính
lớn nhất của cốt liệu có thể thay đổi.Theo 33 khi phân tích về tối ưu
độ chặt của bê tông, F.de Larrard cho rằng đường kính lớn nhất của
cốt liệu có ảnh hưởng rất quan trọng đến độ đặc tối ưu của hỗn hợp
cốt liệu, do đó sẽ ảnh hưởng đến cường độ nén của bê tông.
2.2.5. Bột Quartz:
Hàm lượng xi măng trong các nghiên cứu đầu tiên về bê tông
3
cường độ siêu cao trên thế giới khoảng từ 900 đến 1.200kg/m . Bột
thạch anh với đường kính trung bình từ 3μm đến 4μm đã được sử
dụng để lấp đầy các lỗ rỗng cực nhỏ. Các hạt của nó lấp đầy các
khoảng trống giữa các hạt xi măng và cùng với muội silic làm cho
đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu trở nên liên tục và làm
cho độ đặc của hỗn hợp được tăng lên. Nếu như độ đặc của muội
silic bình thường là 0,64, thì sau khi sử dụng thêm bột thạch anh, độ
đặc có thể tăng lên dến 0,716 33.
2.2.6. Sợi thép :
Theo báo cáo tổng quan về thành phần bê tông cường
độ siêu cao ở Châu Âu 29,[36] cho thấy rằng sợi thép sẽ làm tăng
độ dai chobê tông cường độ siêu cao, hấp thụ năng lượng do tải trọng


và tăng cường khả năng chịu lực sau khi xuất hiện vết nứt đầu tiên. Các
nghiên cứu trên thế giới cho thấy độ dai của bê tông cường độ siêu cao
phụ thuộc vào cường độ chịu kéo của sợi thép. Với bê tông thông
thường, thường dùng các sợi thép có giới hạn chảy <800MPa.
Bê tông cốt sợi cường độ cao thì dùng các sợi thép có giới hạn chảy
khoảng 1.000MPa.
Các nghiên cứu ở trong nước sử dụng sợi thép loại Dramix

kí hiệu là OL13-20 có đường kính D = 0,2 mm chiều dài L =
13mm, giới hạn chảy là 2.000MPa thuộc loại chất lượng cao như ở
hình 2.5.
2.3. TỶ LỆ THÀNH PHẦN CỐT LIỆU ĐIỂN HÌNH UHPC
TRÊN THẾ GIỚI :
Thành phần cốt liệu điển hình sử dụng trên thế giới như ở
bảng 2.7
Bảng 2-1. Thành phần cốt liệu UHPC điển hình trên thế giới
[33]
Tỷ lệ % theo khối
Thành phần vật liệu
Kg/m3
lượng
Xi măng
600 - 1000
27 - 40
Silica fume
50 - 300
10 - 20
Cát
1000 - 2000
39 - 41
Bột quartz
0 - 300
0 - 10
Sợi thép
0 - 250
0-8
Phụ gia siêu dẻo
10 - 70

0.5 - 1.5
Nước
110 - 260
5-8
Kích thước lớn nhất của cốt
0.15 – 0.6
liệu (mm)
Tỷ lệ N/X, theo khối lượng
0.14 – 0.25
2.4. QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM TÍNH CHẤT CƠ HỌC VẬT
LIỆU UHPC:
2.4.1. Vật liệu thí nghiệm:
Thành phần vật liệu của bê tông cường độ siêu cao (UHPC)
sử dụng trong thí nghiệm này được thể hiện chi tiết trong Bảng 2.9.


Cốt sợi thép sử dụng có đường kính là 0.2 mm, chiều dài là 13 mm với
các tính chất được thể hiện trong Bảng 2.10.
Bảng 2-2. Cấp phối bê tông UHPC
Hàm
Lượng vật liệu tính cho một m3 , kg
lượng
Silica
Cát
Nước
Xi măng
SD (%)
cốt sợi
fume
quartz

1.5%
165
902
226
1130
40
2.0%
163
895
224
1120
39.8
2.5%
162
886
222
1109
39.5
Bảng 2-3. Tính chất cốt sợi thép
Tỉ
𝑔
số
𝑑𝑓 (𝑚𝑚) 𝐿𝑓 (𝑚𝑚) 𝐿 / 𝐷( 3 ) 𝑓𝑡 (𝑀𝑃𝑎) 𝐸𝑓 (𝐺𝑃𝑎) Ảnh
𝑓
𝑐𝑚
𝑑𝑓
0.2

13.0

65.0

7.9

2500

200

Ghi chú: 𝑑𝑓 đường kính cốt sợi; 𝐿𝑓 chiều dài cốt sợi; 𝑓𝑡 cường độ kéo
của cốt sợi và 𝐸𝑓 mô đun đàn hồi của cốt sợi
2.4.2. Quy trình thí nghiệm
2.4.2.1. Thí nghiệm nén mẫu hình trụ
Bố trí thí nghiệm
Lắp đặt thiết bị đo như hình 2.7 bao gồm: 3 lá điện trở (strain
gauges) nhằm xác định biến dạng theo phương dọc và ngang trong quá
trình nén mẫu.


Hình 2-1. Bố trí thí nghiệm nén mẫu hình trụ
2.4.2.2. Thí nghiệm uốn 3 điểm có sẵn vết nứt
Bố trí thí nghiệm
Lắp đặt thiết bị đo như hình 2.9 bao gồm: 1 thiết bị cảm biến
đo võng (LVDT) để xác định độ võng dầm tại giữa nhịp.

Hình 2-2. Bố trí thí nghiệm uốn 3 điểm
2.5. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TÍNH CHẤT CƠ HỌC
VẬT LIỆU UHPC:
2.5.1 Thí nghiệm nén mẫu hình trụ khi xử lý số liệu đo
bằng strain gauges:

E
Tổ hợp

Mẫu Fmax (Mpa) Ev (Mpa) Eh (Mpa)

LVDT

p

(Mpa)

E

/E

LVDT

v

1

118.72

36.73

222.36

0.165

18.31 0.4985

2

108.58

36.93

204.06

0.181

21.21 0.5743

3

114.38

38.96

201.41

0.193

14.10 0.3619

CP2

1
2

3

127.95
114.78
116.76

40.61
39.94
38.21

163.4
220.05
178.69

0.249
0.182
0.214

18.01 0.4435
15.31 0.3833
17.24 0.4512

CP2.5

1
2
3

122.05
121.29

100.75

42.93
45.72
43.87

190.66
170.21
181.61

0.225
0.269
0.242

20.28 0.4724
14.86 0.3250
18.03 0.4110

CP1.5

2.5.2 Thí nghiệm uốn 3 điểm có sẵn vết nứt:
Kết quả thí uốn 3 điểm có sẵn vết nứt được lấy theo kết thí
nghiệm của nhóm nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng bê tông
chất lượng siêu cao (UHPC) cho kết cấu hạ tầng kỹ thuật thoát nước
đô thị” mã số: DHH 2019-02-115. Do vậy, từ đó ta bảng số liệu Các
giá trị cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn và mô đun đàn hồi trong
bảng được làm tròn để đưa vào xác định sức kháng uốn theo lý thuyết:
2.5.3 Tổng hợp kết quả thí nghiệm:
Kết quả thí nghiệm tính chất cơ học vật liệu UHPC thể hiện
ở bảng 2.10. Các giá trị cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn và mô

đun đàn hồi trong bảng được làm tròn để đưa vào xác định sức kháng
uốn theo lý thuyết.
Bảng 2-4. Bảng tính chất vật liệu bê tông UHPC
Cường độ
Cường độ
Mô đun
Hệ số
Hàm lượng
chịu nén
chịu kéo
đàn hồi
poisson
cốt sợi (%)
fc′ (Mpa)
ft (Mpa)
E (Gpa)
1.5%
114
5.5
42
0.20
2.0%
120
6
42
0.22
2.5%
115
6.5
42

0.25


Từ kết quả thí nghiệm cho thấy thành phần vật liệu UHPC
có hàm lượng cốt sợi 2.0% có cường độ chịu nén tốt, vì vậy kiến nghị
sử dụng thành phần vật liệu này để nghiên cứu trong đề tài với các chỉ
tiêu cụ thể như sau:
- Mô đun đàn hồi của bê tông: 42 GPa
- Hệ số Poisson: 0.22
- Cường độ chịu nén: 120 Mpa
- Cường độ chịu kéo: 6 MPa
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ỨNG
DỤNG VẬT LIỆU UHPC CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH
GIAO THÔNG KHU VỰC TỈNH THỪA THIÊN HUẾ.
3.1. ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG KẾT CẤU CÔNG TRÌNH
GIAO THÔNG TỈNH THỪA THIÊN HUẾ:
3.1.1. Hiện trạng hệ thống giao thông:
a) Hiện trạng đường bộ
Theo số liệu thu thập và kết quả khảo sát thực tế, tổng chiều
dài của mạng lưới đường bộ trên địa bàn tỉnh 2.809 tuyến/4.791,2 Km
gồm:
- Đường bê tông xi măng:
1.226,5 Km.
- Đường bê tông nhựa:
562,9 Km.
- Đường đá dăm láng nhựa:
659,8 Km.
- Đường cấp phối :
923,4 Km.
- Loại khác:

1.418,7 Km.
b) Hiện trạng cầu
Theo số liệu thu thập và kết quả khảo sát thực tế, tổng số cầu
nằm trên đường Quốc lộ, đường tỉnh địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế là
64 cầu với tổng chiều dài cầu là: 3.970,16 md, trong đó:
+ Đường nội thị có 50 cầu, tổng chiều dài 3.367,56 md.
+ Đường Tỉnh lộ: 14 cầu, chiều dài 602,6 md
Số liệu thống kê các cầu tỉnh Thừa Thiên Huế xem bảng 3.1.
3.1.2. Quy hoạch phát triển kết cấu hạ tầng giao thông
đường bộ:
1. Quy hoạch mạng lưới giao thông đường bộ:
a) Giao thông đối ngoại:
+ Hệ thống quốc lộ:


b) Hệ thống đường tỉnh:
c) Bổ sung đường tuần tra biên giới:
d) Điều chỉnh quy hoạch các cầu vượt sông lớn và cầu trung:
3.1.3. Đánh giá nhu cầu ứng dụng vật liệu UHPC cho kết cấu công
trình giao thông khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế:
Từ số liệu hiện trạng và kết quả quy hoạch phát triển kết cấu hạ
tầng giao thông đường bộ tỉnh Thừa Thiên Huế cho thấy nhu cầu phát
triển kết cấu hạ tầng giao thông ở khu vực này là rất lớn. Vì vậy, việc
nghiên cứu ứng dụng một loại vật liệu mới để phục vụ nhu cầu này là
rất cần thiết.
- Ngoài mục đích ứng dụng vật liệu UHPC cho kết cấu công
trình cầu, việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu UHPC trong kết cấu hạ
tầng kỹ thuật đô thị cũng là vấn đề cấp thiết hiện nay, đặc biệt là đối
với các bộ phận kết cấu chịu tải trọng trực tiếp như kết cấu hệ thống
thoát nước đô thị.

3.2. LỰA CHỌN KẾT CẤU ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÍNH HIỆU QUẢ
KHI ỨNG DỤNG VẬT LIỆU UHPC:
3.2.1. Đặc điểm và tình hình sử dụng vật liệu cho hệ thống thoát
nước đô thị thành phố Huế hiện nay:
Trên các trục đường giao thông hiện nay, đặc biệt là các trục
đường trong đô thị, việc đầu tư hoàn chỉnh hệ thống thoát nước là rất
cần thiết. Hệ thống công trình thoát nước bao gồm 3 bộ phận chính là:
hệ thống ống cống, hố ga, và họng thu nước. Các kết cấu này ngoài
yêu cầu về khả năng chịu lực còn đòi hỏi có độ bền cao, đặc biệt là
nắp hố ga và kết cấu lưới chắn rác họng thu nước.
Việc sử dụng vật liệu bê tông cốt thép truyền thống đối với một
số bộ phận kết cấu công trình thoát nước cho thấy dễ bị hư hỏng bởi
tác dụng trực tiếp của tải trọng xe. Đối với vật liệu gang đúc, đảm bảo
khả năng chịu lực và độ bền cao tuy nhiên nhược điểm là kinh phí cao
và dễ bị mất mát nếu không được bảo vệ.
Để khắc phục nhược điểm của 2 loại vật liệu trên, việc
nghiên cứu ứng dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) cho kết cấu
hạ tầng kỹ thuật thoát nước là rất cần thiết.


Trong đề tài luận văn sẽ chọn kết cấu tấm chắn rác để nghiên
cứu so sánh với tấm chắn rác bằng bê tông cốt thép thường, cụ thể như
sau:
- Thiết kế ứng dụng tấm chắn rác loại 1 có kích thước tương
ứng với tấm đan bằng BTCT thông thường sử dụng trong hệ thống
thoát nước đô thị thành phố Huế để so sánh các chỉ tiêu và đánh giá
tính hiệu quả của việc ứng dụng UHPC.
- Thiết kế ứng dụng tấm chắc rác loại 2 có kích thước lớn hơn
so với tấm chắn rác thông thường bằng bê tông cốt thép.
3.2.2. Kích thước chính tấm chắn rác bằng bê tông cốt

thép thường:
Kết cấu tấm chắn rác bằng vật liệu bê tông cốt thép thường
đang được ứng dụng khá rộng rải cho hệ thống thoát nước đô thị thành
phố Huế hiện nay. Tuy nhiên, vấn đề hạn chế về khả năng chịu lực vì
vậy tấm chắn rác loại này có tiết diện thô và khả năng thoát nước kém
(hình 3.5).

Hình 3-1. Cấu tạo tấm chắn rác bê tông cốt thép thường
3.2.3. Đề xuất kích thước chính tấm chắn rác bằng UHPC:
3.2.3.1. Tấm chắn rác loại 1: Có kích thước tương đương
với tấm chắn rác hiện đang sử dụng.
Trên cơ sở kích thước tấm chắn rác bằng bê tông cốt thép
thường. Kích thước tấm chắn rác bằng vật liệu UHPC được đề xuất
như hình 3.6 dưới đây:


Hình 3-2. Cấu tạo tấm chắn rác UHPC loại 1
3.2.3.2. Tấm chắn rác loại 2: Có kích thước mở rộng so với
tấm chắn rác hiện đang sử dụng.
Trên cơ sở kích thước tấm chắn rác bằng bê tông cốt thép
thường và kích thước tấm chắc rác bằng gang đúc loại đôi. Kích thước
tấm chắn rác bằng vật liệu UHPC được đề xuất như hình 3.7 dưới đây:

Hình 3-3. Cấu tạo tấm chắn rác UHPC loại 2
3.3. MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU BẰNG
MÔ HÌNH SỐ.
3.3.1. Phương pháp phân tích:
- Phương pháp phần tử hữu hạn, mô phỏng kết cấu không
gian ba chiều xét đến sự làm việc (phi tuyến) và cơ chế phá
hủy của bê tông.

- Sử dụng phần mềm Ansys Multiphysics/ Mechanic APDL.
3.3.2. Mô hình hóa phần tử hữu hạn:


Hiện nay đã có rất nhiều công cụ hỗ trợ đắc lực để giải quyết
những phương trình phức tạp mà chúng ta không thể giải bằng tay.
Trong bài báo cáo này sẽ sử dụng phần mềm thương mại ANSYS
version 18.2 để giải quyết vấn đề đặt ra.
3.3.3. Các bước thực hiện:
3.3.3.1. Tham chiếu:
3.3.3.2. Phần tiền xử lý:
a. Khai báo phần tử:
rất mạnh của ANSYS so với các phần mềm khác.
❖ Phần tử bê tông:
Trong bài báo này chúng ta chọn phần tử SOLID65 cho vật
liệu bê tông với những đặc tính sau:

Hình 3-4. Đặc trưng hình học của phần tử SOLID65
❖ Phần tử cáp dự ứng lực:
Để đơn giản hóa cho quá trình tính toán mô phỏng thì cốt thép
được mô hình bởi phần tử LINK180 có cấu tạo như sau:

Hình 3-5. Đặc trưng hình học của phần tử LINK180
3.3.3.3. Xây dựng mô hình hình học và chia lưới:
1. Tấm chắn rác loại 1:


Hình 3-6. Mô hình 3-D chia lưới phần tử hữu hạn

Hình 3-7. Mô hình 3-D cốt thép

2. Tấm chắn rác loại 2:


Hình 3-8. Mô hình 3-D chia lưới phần tử hữu hạn

Hình 3-9. Mô hình 3-D cốt thép
Đây là mô hình khá phức tạp và kích thước tương đối lớn nên
để tiết kiệm thời gian tính toán cũng như tài nguyên máy tính thì chỉ
cần chia lưới vừa đủ. Trong mô hình này có ~6200 nút và ~3200 phần
tử.
3.3.3.4. Khai báo vật liệu :
a. Vật liệu UHPC:


Về phần vật liệu tuyến tính thì các thông số sau sẽ được thêm
vào:
Module đàn hồi Young: 42000 MPa
Hệ số Poisson: 0.22
Về phần vật liệu phi tuyến thì quan hệ ứng suất – biến dạng sẽ
được kể đến dựa trên mô hình Multilinear Isotropic Hardening như
bên dưới:
-

Hình 3-10. Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông
Về phần phá hủy của bê tông thì áp dụng mô hình William –
Warnke bằng cách đưa vào bốn hệ số c như sau:

Hình 3-11. Mô hình phá hủy của bê tông

Bảng 3.1: Các thông số phá hủy của bê tông
Hệ số Giá trị
Ghi chú
C1
0.15
Hệ số đại diện cho vết nứt mở do chịu cắt
C2
0.85
Hệ số đại diện cho vết nứt kín do chịu cắt
C3
6 MPa
Ứng suất chịu kéo tới hạn
C4
120 MPa Ứng suất chịu nén tới hạn
b. Vật liệu cốt thép
Cáp dự ứng lực là vật liệu đồng nhất đẳng hướng, tính chất
tuyến tính được đưa vào như sau:
- Module đàn hồi Young: 190000 MPa
- Hệ số Poisson: 0.3

Hình 3-12. Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của cáp dự
ứng lực
3.3.3.5. Điều kiện biên và tải trọng :
3.3.4. Phần xử lý kết quả:


3.3.4.1. Chuyển vị lớn nhất theo phương Y :

(a)

(b)Hình 3-13. Chuyển vị theo phương thẳng đứng, (a) loại 1; (b) loại 2
3.3.4.2. Ứng suất lớn nhất theo phương thứ 2 :

(a)


(b)
Hình 3-14. Ứng suất chính lớn nhất, (a) loại 1; (b) loại 2
3.3.4.3. Ứng suất lớn nhất trong cốt thép :

(a)

(b)


Lực (*10^2N)

Hình 3-15. Ứng suất lớn nhất trong cốt thép, (a) loại 1; (b)
loại 2
3.3.4.4. Đường cong quan hệ tải trọng – độ võng :
700
600
500
400
300
200
100
0
0
2

4
6

Độ võng (mm)

Lực (*10^2N)

(a)
800
600
400

200
0

0

2

4

6

8

Độ võng (mm)
(b)
Hình 3-16. Đường cong quan hệ tải trọng – độ võng, (a) loại
1; (b) loại 2
3.4. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA VIỆC ỨNG DỤNG

VẬT LIỆU UHPC CHO TẤM CHẮN RÁC:
Từ kết quả phân tích cho thấy, việc ứng dụng vật liệu UHPC
cho tấm chắn rác ngoài khai thác được các tính năng ưu việt của loại
vật liệu mới này như cải thiện độ bền, khả năng chịu lực, chống xâm