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
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.51 MB, 80 trang )
..
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
HOÀNG NGỌC HOÀI
C
C
NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN CẤP PHỐI BÊ TÔNG CHẤT
LƯỢNG SIÊU CAO (UHPC) PHỤC VỤ ỨNG DỤNG CHO
KẾT CẤU CƠNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU VỰC
R
L
.
T
U
D
TỈNH THỪA THIÊN HUẾ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng – Năm 2019
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 CƠNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU VỰC
C
C
R
L
.
T
TỈNH THỪA THIÊN HUẾ
U
D
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng
Mã số: 85.80.205
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐỖ VIỆT HẢI
Đà Nẵng – Năm 2019
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan luận văn này hồn tồn do tơi thực hiện. Các đoạn trích
dẫn và số liệu sử dụng trong luận văn đều được dẫn nguồn có độ chính xác cao
nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi.
Đà Nẵng, ngày 16 tháng 12 năm 2019
Tác giả luận văn
C
C
Hoàng Ngọc Hoài
U
D
R
L
.
T
LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành
đến tất cả các quý Thầy Cô trong khoa xây dựng cầu đường, Phòng Đào tạo Đại
học Bách Khoa Đà Nẵng, những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và
kinh nghiệm hết sức quý báu trong suốt quá trình học tập tại trường.
Bằng tất cả tấm lịng, tơi cũng xin gửi đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp lời
cảm ơn và những tình cảm chân thành nhất, những người đã khuyến khích, hỗ trợ,
động viên, tạo điều kiện cho tơi theo hết khóa học đào tạo cao học và hồn thành
luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS. Đỗ Việt Hải đã tận tình hướng
C
C
dẫn tơi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
R
L
.
T
Xin chân thành cám ơn!
U
D
TÓM TẮT LUẬN VĂN
“NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN CẤP PHỐI BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG
SIÊU CAO (UHPC) PHỤC VỤ ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU CƠNG
TRÌNH GIAO THƠNG KHU VỰC TỈNH THỪA THIÊN HUẾ”
Học viên: Hoàng Ngọc Hoài Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình
giao thơng Mã số: 85.80.205 Khóa: K36 (2018-2019) Trường Đại học Bách khoa
– Đại học Đà Nẵng
Đề tài đã nghiên cứu thành phần cấp phối chế tạo vật liệu UHPC có sử
dụng một số nguồn cốt liệu chính ở trong nước trên cơ sở kế thừa kết quả các
nghiên cứu đã công bố gần đây. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu UHPC hồn
tồn có thể chế tạo sử dụng một số nguồn cốt liệu sẵn có ở trong nước. Tác giả đã
tiến hành chế tạo mẫu thí nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi
thép đến tính chất cơ học vật liệu UHPC. Kết quả thí nghiệm cho thấy, việc sử
dụng cốt sợi thép với hàm lượng 2% thể tích đạt hiệu quả tối ưu nhất. Đề tài cũng
đánh giá đặc điểm hiện trạng giao thơng tỉnh Thừa Thiên Huế, qua đó đề xuất
nghiên cứu ứng dụng vật liệu UHPC cho kết cấu tấm đan chắn rác, kết quả nghiên
cứu đã đạt được như sau: Giảm 25% khối lượng vật liệu sử dụng khi ứng dụng
vật liệu UHPC. Giảm 20% chiều dày tiết diện tấm chắn rác so với vật liệu BTCT
thông thường. Tăng 31% diện tích thốt nước dẫn đến khả năng thoát nước tốt
hơn so với tấm chắn rác bằng BTCT thơng thường. Ngồi ra, khi sử dụng vật liệu
BTCT thường, khả năng chế tạo chỉ phù hợp cho loại đan chắn rác đơn (loại 1).
Khi tăng kích thước để chế tạo loại đan đơi (loại 2) thì khó đảm bảo khả năng chịu
lực hoặc tiết diện rất lớn, hiệu quả thốt nước khơng cao. Vì vậy, việc ứng dụng
vật liệu UHPC trong trường hợp này là phù hợp.
C
C
R
L
.
T
U
D
Từ Khóa: Bê tông chất lượng siêu cao.
Abstract:
“ A RESEARCH ON COMPONENTS OF ULTRA-HIGH PERFORMANCE CONCRETE (UHPC) FOR THE APPLICATION OF TRANSPORTATION STRUCTURES IN THUA THIEN HUE PROVINCE”
This research studied the composition of UHPC materials using some of
the main aggregate materials in the country based on the results of recently published studies. The results show that UHPC materials can be manufactured by
using some of the aggregate materials available in the country. The author generated samples in the laboratory to study the effects of the steel fiber content on the
mechanical properties of UHPC materials. The experimental results show that the
use of steel fiber reinforced with 2% volume content reaches the best efficiency.
This research also assesses the characteristics of the current transportation system
in Thua Thien Hue province, thereby proposing conducting a research about the
application of UHPC materials for structures of trash screens. The results are as
follows: reducing 25% in the weight of materials when applying UHPC materials;
Reducing 20% in the thickness of the cross section of the trash screen comparing
with reinforced concrete materials; Increasing 31% in the drainage area that leads
to better drainage than reinforced concrete screens. In addition, reinforced concrete materials are only suitable for single-type trash weaving (Type 1). For manufacturing the double knit type (Type 2), the larger size is required that leads to
unsecure capacity and larger cross sections, the low drainage efficiency as wells.
In this case, therefore, the application of UHPC materials for the transportation
system in Thua Thien Hue province, particularly in structures of trash screens is
appropriate.
C
C
R
L
.
T
U
D
Key words: Ultra High Performance
MỤC LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................................... 8
MỞ ĐẦU.......... ………………………………………………………………………………10
1.Lý do chọn đề tài: .................................................................................................................. 10
2.Mục tiêu nghiên cứu: ............................................................................................................. 10
3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ........................................................................................ 11
4.Phương pháp nghiên cứu: ...................................................................................................... 11
5.Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài: ................................................................... 11
6.Cấu trúc luận văn: ……………………… ………………………………………..11
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VẬT LIỆU UHPC TRÊN THẾ GIỚI
VÀ Ở VIỆT NAM. ................................................................................................................. 3
1.1.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO
TRONG LĨNH VỰC GIAO THƠNG TRÊN THẾ GIỚI ...............................................3
C
C
1.2.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO
TRONG LĨNH VỰC GIAO THÔNG GIỚI Ở VIỆT NAM .........................................11
R
L
.
T
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN CỐT LIỆU VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA
HÀM LƯỢNG CỐT SỢI ĐẾN CƯỜNG ĐỘ UHPC................................................... 17
U
D
2.1.TỔNG QUÁT VỀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
........................................................................................................................ 17
2.2.VẬT LIỆU CHẾ TẠO............................................................................................. 17
2.2.1.Xi măng ......................................................................................................................... 17
2.2.2.Các phụ gia hóa học ..................................................................................................... 18
2.2.3.Muội silic ....................................................................................................................... 20
2.2.4.Cốt liệu lớn .................................................................................................................... 21
2.2.4.1.Nguồn gốc của cốt liệu ......................................................................................21
2.2.4.2.Thành phần cấp phối của cát Quartz ................................................................ 22
2.2.5.Bột Quartz ..................................................................................................................... 23
2.2.6.Sợi thép .......................................................................................................................... 25
2.3.TỶ LỆ THÀNH PHẦN CỐT LIỆU ĐIỂN HÌNH UHPC TRÊN THẾ GIỚI .........26
2.4.QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM TÍNH CHẤT CƠ HỌC VẬT LIỆU UHPC .............27
2.4.1.Vật liệu thí nghiệm ....................................................................................................... 27
2.4.2.Quy trình thí nghiệm .................................................................................................... 27
2.4.2.1.Thí nghiệm nén mẫu hình trụ ................................................................................... 27
2.4.2.2.Thí nghiệm uốn 3 điểm có sẵn vết nứt .................................................................... 29
2.5.KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TÍNH CHẤT CƠ HỌC VẬT LIỆU UHPC .................30
2.5.1 Thí nghiệm nén mẫu hình trụ khi xử lý số liệu đo bằng strain
gauges:.................................................................................................................38
2.5.2 Thí nghiệm uốn 3 điểm có sẵn vết nứt:…………………………………..39
2.5.3 Tổng hợp kết quả thí nghiệm:…………………………………………….39
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG VẬT LIỆU
UHPC CHO KẾT CẤU CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG KHU VỰC TỈNH THỪA
THIÊN HUẾ. ......................................................................................................................... 32
3.1.ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG KẾT CẤU CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG TỈNH THỪA
THIÊN HUẾ. .................................................................................................................32
3.1.1.Hiện trạng hệ thống giao thông .................................................................................. 32
3.1.2.Quy hoạch phát triển kết cấu hạ tầng giao thông đường bộ.................................... 37
3.1.3.Đánh giá nhu cầu ứng dụng vật liệu UHPC cho kết cấu công trình giao thơng
khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế ............................................................................................... 38
C
C
R
L
.
T
3.2.LỰA CHỌN KẾT CẤU ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÍNH HIỆU QUẢ KHI ỨNG DỤNG VẬT
LIỆU UHPC. .................................................................................................................40
3.2.1. Đặc điểm và tình hình sử dụng vật liệu cho hệ thống thốt nước đơ thị thành phố
Huế hiện nay:…………………………………………………………………..…40
U
D
3.2.2.Kích thước chính tấm chắn rác bằng bê tơng cốt thép thường: .............................. 42
3.2.3.Đề xuất kích thước chính tấm chắn rác bằng UHPC: .............................................. 43
3.2.3.1.Tấm chắn rác loại 1: Có kích thước tương đương với tấm chắn rác hiện đang sử
dụng.
.............................................................................................................43
3.2.3.2.Tấm chắn rác loại 2: Có kích thước mở rộng so với tấm chắn rác hiện đang sử
dụng.
.............................................................................................................43
3.3.MƠ HÌNH HĨA VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU BẰNG MƠ HÌNH SỐ. .................44
3.3.1.Phương pháp phân tích: ............................................................................................... 44
3.3.2.Mơ hình hóa phần tử hữu hạn: .................................................................................... 44
3.3.3.Các bước thực hiện: ..................................................................................................... 45
3.3.3.1. Tham chiếu: ....................................................................................................45
3.3.3.2. Phần tiền xử lý: .............................................................................................. 45
3.3.3.3. Xây dựng mơ hình hình học và chia lưới: ......................................................47
3.3.3.4. Khai báo vật liệu ............................................................................................ 49
3.3.3.5. Điều kiện biên và tải trọng ............................................................................60
3.3.4.Phần xử lý kết quả: ....................................................................................................... 52
3.3.4.1. Chuyển vị lớn nhất theo phương Y .................................................................53
3.3.4.2. Ứng suất lớn nhất theo phương thứ 2 ............................................................ 54
3.3.4.3. Ứng suất lớn nhất trong cốt thép ...................................................................55
3.3.4.4. Đường cong quan hệ tải trọng – độ võng : ....................................................56
3.4.
ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA VIỆC ỨNG DỤNG VẬT LIỆU UHPC CHO
TẤM CHẮN RÁC. ........................................................................................................56
KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 59
C
C
U
D
R
L
.
T
MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Cầu đi bộ Sherbrooke, Quebec, Canada (1997) [5] ............................ 4
Hình 1-2. Cầu Millau, Pháp (2004) [6] ................................................................ 5
Hình 1-3. Chiều cao dầm bê tơng UHPC và bê tơng thơng thường [10] ............. 6
Hình 1-4. Cầu Mars Hill, Iowa trong q trình lắp ghép và hồn thiện.............. 7
Hình 1-5. Cầu BOURG LÈS VALENCE sử dụng UHPC ..................................... 8
Hình 1-6. Thi cơng các tấm panel mặt cầu Kaag, Sassenheim tại Hà Lan [7] .... 9
Hình 1-7. Cầu bắc qua sơng Perak, Perak, Malaysia ........................................ 10
Hình 1-8. Bể xử lý nước thải lắp đặt sẵn sử dụng tại nhà máy lọc dầu Nghi Sơn
[24] ...................................................................................................................... 12
Hình 1-9. Quá trình chế tạo, thử nghiệm và ứng dụng cừ UHPC ...................... 13
C
C
Hình 1-10. Cầu Đập Đá, tỉnh Hậu Giang sử dụng vật liệu UHPC .................... 14
R
L
.
T
Hình 1-11. Cầu Năng An – Xuân Hồi, tỉnh Ninh Bình sử dụng vật liệu UHPC . 15
Hình 1-12. Cầu An Thượng, tỉnh Hưng Yên sử dụng vật liệu UHPC ................. 16
Hình 2-1. Sơ đồ sản xuất Silica Fume................................................................. 20
U
D
Hình 2-2. Mỏ Quartzit Thanh Sơn – Phú Thọ..................................................... 22
Hình 2-3. Cát Quartz ........................................................................................... 23
Hình 2-4. Bột Quartz ........................................................................................... 25
Hình 2-5. Sợi thép ............................................................................................... 26
Hình 2-6. Kích thước mẫu hình trụ ..................................................................... 28
Hình 2-7. Bố trí thí nghiệm nén mẫu hình trụ..................................................... 28
Hình 2-8. Kích thước mẫu thí nghiệm 3 điểm uốn .............................................. 29
Hình 2-9. Bố trí thí nghiệm uốn 3 điểm .............................................................. 29
Hình 3-1. Bản đồ hiện trạng giao thơng tỉnh Thừa Thiên Huế........................... 32
Hình 3-2. Đan thu nước và nắp hố ga bằng gang đúc........................................ 41
Hình 3-3. Đan thu nước và nắp hố ga bằng BTCT truyền thống ....................... 41
Hình 3-4. Một số hiện tượng hư hỏng kết cấu BTCT .......................................... 41
Hình 3-5. Cấu tạo tấm chắn rác bê tông cốt thép thường .................................. 42
Hình 3-6. Cấu tạo tấm chắn rác UHPC loại 1 ................................................... 43
Hình 3-7. Cấu tạo tấm chắn rác UHPC loại 2 ................................................... 43
Hình 3-8. Đặc trưng hình học của phần tử SOLID65 ........................................ 46
Hình 3-9. Đặc trưng hình học của phần tử LINK180 ......................................... 47
Hình 3-10. Mơ hình 3-D chia lưới phần tử hữu hạn ........................................... 47
Hình 3-10. Mơ hình 3-D cốt thép ........................................................................ 48
Hình 3-12. Mơ hình 3-D chia lưới phần tử hữu hạn ........................................... 48
Hình 3-13. Mơ hình 3-D cốt thép ........................................................................ 49
Hình 3-14. Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tơng .................. 50
Hình 3-15. Mơ hình phá hủy của bê tơng ........................................................... 50
Hình 3-16. Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của cáp dự ứng lực...... 52
Hình 3-17. Chuyển vị theo phương thẳng đứng, (a) loại 1; (b) loại 2 ............... 53
Hình 3-18. Ứng suất chính lớn nhất, (a) loại 1; (b) loại 2 ................................. 54
Hình 3-19. Ứng suất lớn nhất trong cốt thép, (a) loại 1; (b) loại 2.................... 55
C
C
Hình 3-20. Đường cong quan hệ tải trọng – độ võng, (a) loại 1; (b) loại 2....... 56
U
D
R
L
.
T
MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1. Đặc tính của dầm UHPC sử dụng cho cầu BOURG LES VALENCE . 7
Bảng 1-2. Một số tính chất của UHPC của dầm cầu BOURG LÈS VALENCE
sau 12 năm sử dụng [12]....................................................................................... 8
Bảng 2-1. Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 Việt Nam ....................... 18
Bảng 2-2. Các tính năng của phụ gia ................................................................. 19
Bảng 2-3. Tiêu chuẩn ASTM về muội silic (ASTM C1240-93) ........................... 21
Bảng 2-4. Thành phần hóa học của đá Quartz ................................................... 22
Bảng 2-5. Thành phần cấp phối hạt của cát Quarzt ........................................... 23
C
C
Bảng 2-6. Thành phần hóa học của bột Quartz .................................................. 24
Bảng 2-7. Thành phần cốt liệu UHPC điển hình trên thế giới [33] ................... 26
R
L
.
T
Bảng 2-8. Cấp phối bê tơng UHPC .................................................................... 27
Bảng 2-9. Tính chất cốt sợi thép ......................................................................... 27
U
D
Bảng 2-10. Bảng tính chất vật liệu bê tơng UHPC ............................................. 31
Bảng 3-1. Thống kê cầu trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế ............................... 33
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
KÍ HIỆU
Ý NGHĨA
Viện bê tông Mỹ (American Concrete Institute)
Tiêu chuẩn của Mỹ v thớ nghim Vt liu (American
Society
forxõy
Testing
Materials)
Hip hi
dngand
Phỏp
(Association Franỗaise
1
ACI
2
ASTM
3
AFGCSETRA
4
UHPC
de Gộnie Civil - Service d'études techniques des
routes et autoroutes)
Bê tông chất lượng siêu cao
5
6
BTCLC
BTCS
Bê tông chất lượng cao
Bê tông cốt sợi
7
8
9
BTCT
BTDƯL
BT
Bê tông cốt thép
Bê tông dự ứng lực
Bê tông
10
BTT
11
BSI
12
TCVN
13
UHPC
Bê tông thường
Bê tông công nghiệp đặc biệt (Special Industrial
Concrete)
Tiêu chuẩn Việt Nam
Bê tông chất lượng siêu cao (Ultra High Performance
Concrete)
U
D
R
L
.
T
C
C
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.
C
C
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều cơng 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 cơng 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.
R
L
.
T
U
D
Do là loại vật liệu mới, việc đưa vào ứng dụng phổ biến sẽ gặp nhiều khó
khăn như: thiếu thơng tin về vật liệu; chưa có đầy đủ quy trình thiết kế, thi công,
nghiệm thu; chưa được kiểm nghiệm nhiều từ các cơng 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, mơi 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 cơng trình giao thơng 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.
2
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 độ vật liệu
UHPC.
Đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu UHPC phù hợp cho kết cấu cơng
trình giao thơng 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 cơng trình giao thơng ở khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế.
4. Phương pháp nghiên cứu:
C
C
Nghiên cứu thực nghiệm thơng qua mẫu chế tạo trong phịng thí nghiệm.
R
L
.
T
Nghiên cứu lý thuyết sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn.
Sử dụng các phương pháp lý thuyết tính tốn để đánh giá các kết quả phân
tích.
U
D
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 cơng trình
giao thơng 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
cơng trình giao thơng khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế.
3
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 tơng cho thấy rằng, cơng nghệ bê
tơng 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 khống 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 tơng
đã có bước phát triển lớn, đạt từ 60-80MPa với tỷ lệ N/CKD = 0.3[1].
C
C
R
L
.
T
Vào năm 1990 các nghiên cứu ứng dụng loại bê tơng 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].
U
D
Trong giai đoạn từ 1992 - 1994 đã có sự liên kết giữa các cơng ty của Pháp
đó là cơng 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”. Ban đầu các
sản phẩm này được sử dụng chủ yếu cho ầm cầu đúc sẵn, tấm lát mặt cầu, nhà chờ
xe buýt... Hiện nay, UHPC đã được sử dụng trong một số cơng trình như: sửa
chữa các kết cấu làm việc trong mơi trường ăn mịn, mài mịn, sử dụng cho mặt
sàn các cơng trình có u cầu độ cứng lớp mặt lớn. Một bước ngoặt lớn khác là
năm 1997, khi Richard và Cheyrezy [3] nâng được giá trị cường độ nén của bê
tông lên đến 800MPa với một số công nghệ đặc biệt khi chế tạo, bảo dưỡng và
vật liệu sử dụng.
Việc ứng dụng UHPC đầu tiên được công nhận là sản phẩm của Richard
và Cheyrezy [4]. Sản phẩm của nhóm nghiên cứu là ứng dụng UHPC chế tạo cầu
người đi bộ dự ứng lực, đúc sẵn ở Sherbrooke, Quebec - Canada năm 1997 (hình
1.1).
4
C
C
Hình 1-1. Cầu đi bộ Sherbrooke, Quebec, Canada (1997) [5]
R
L
.
T
Ở Pháp, hiệp hội xây dựng (AFGC/SETRA) đi đầu trong việc nghiên cứu
về UHPC. Các nghiên cứu và ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, cho cầu dự ứng
lực, các công trình mang tính thẩm mỹ, nhà máy điện hạt nhân. Sản phẩm UHPC
“Ductal” được sản xuất bởi Lafarge - Pháp được sử dụng rất rộng trong những
cơng trình chịu tải lớn, những kết cấu nhà chọc trời. Một trong những cơng trình
mang tính thế kỷ của nước Pháp ứng dụng loại bê tơng UHPC là cây cầu cạn
Millau (Hình1.2). Đây là một cầu bắc qua thung lũng của sông Tarn gần Millau ở
miền nam nước Pháp. Cầu này do kiến trúc sư người Anh Norman Foster và kỹ
sư về cầu người Pháp Michel Virlogeux thiết kế và bắt đầu đưa vào thi công ngày
10/10/2001. Đây là cây cầu cao nhất thế giới, với đỉnh cao nhất của một cột của
nó là 343m, cao hơn tháp Eiffel (hình 1.2).
U
D
5
C
C
Hình 1-2. Cầu Millau, Pháp (2004) [6]
R
L
.
T
Tại Đức người ta đã ứng dụng UHPC trong các kết cấu cầu, sử dụng công
nghệ đúc sẵn trong nhà máy và lắp ráp. Những nghiên cứu đầu tiên ở Đan Mạch
chủ yếu trong lĩnh vực an ninh và quân sự. Ở Seoul Hàn Quốc [7] đã nghiên cứu
và ứng dụng cho cầu người đi bộ và cầu ô tô năm 2002. Ở Nhật Bản có rất nhiều
nghiên cứu và ứng dụng UHPC cho cầu đường bộ, trong các kết cấu chịu ăn mòn.
Ở Nhật Bản và Trung Quốc [8], các nghiên cứu về UHPC rất nhiều. Trên thực tế
đã có rất nhiều ý tưởng được đưa ra, như dự án "nhà siêu cao tầng – Sky City
1000” với sự nghiên cứu và liên kết của 97 công ty Nhật Bản, thiết kế một thành
phố với những tòa nhà với chiều cao hàng ngàn mét và tuổi thọ là 1000 năm. Công
ty Taisei tại Nhật Bản đã nêu ra một ý tưởng về những tịa nhà siêu cao tầng, dự
án“X-SEED4000”; đó là thiết kế một thành phố với những tòa nhà cao 4000 m và
đường kính của nền móng sẽ rộng 6000 m. Hiện nay tịa nhà Bionic tại Hồng
Kơng, Trung Quốc đã được quy hoạch với chiều cao là 1180 m.
U
D
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 tồn trong ngành giao thơng vận tải, FHWA đã đề ra các mục tiêu nghiên
cứu, cụ thể như sau [9]:
6
Đánh giá khả năng ứng dụng UHPC trong ngành giao thơng 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 cơng 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 (hình1.3).
C
C
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. Theo các nghiên cứu của FHWA, các tấm mặt cầu chế tạo bằng UHPC có
các chỉ tiêu cơ lý tốt hơn so với bê tông truyền thống, chiều cao giảm đi đáng kể,
đồng thời trọng lượng của nó nhẹ hơn khoảng 30%. Khi đó sẽ giảm thời gian thi
cơng, giảm chi phí nhân cơng, đồng thời sẽ làm tăng khả năng chịu tải của cầu cũ,
làm tăng hiệu quả kinh tế.
R
L
.
T
U
D
Hình 1-3. Chiều cao dầm bê tông UHPC và bê tông thông thường [10]
Cầu Mars Hill là cầu đầu tiên trên cao tốc sử dụng UHPC (hình 1.13). Với
dầm chữ I nhịp dài 33 m cao 1.07 m (với bê tông truyền thống cao 1.57 m). Khi
thi công người ta cũng đã loại bỏ được các thanh cốt thép chịu cắt đồng thời vẫn
đảm bảo khả năng chịu lực.
7
C
C
R
L
.
T
U
D
Hình 1-4. Cầu Mars Hill, Iowa trong quá trình lắp ghép và hồn thiện
Cây cầu sử dụng bê tơng UHPC đầu tiên ở Pháp là cầu BOURG LES
VALENCE BRIDGES (hình 1.5) với thông số như trong bảng 1.1. Cây cầu này
được hồn thành năm 2002 bởi cơng ty Eiffage của Pháp. Trong q trình thi cơng
đã sử dụng hệ lắp ghép gồm các dầm và tấm mặt cầu bằng UHPC, q trình này
đã kết hợp được các tính năng vượt trội như cường độ rất cao, độ bền theo thời
gian lớn, trọng lượng nhẹ và như vậy sẽ cho phép tạo điều kiện để thiết kế được
các cấu kiện có độ bền cao hơn việc đổ bê tông tại chỗ và đặc biệt có thể thi cơng
lắp ghép nhanh chóng, hạn chế đến mức thấp nhất thời gian phong tỏa giao thông,
giảm lượng nhân công, như vậy sẽ tăng rất lớn hiệu quả về kinh tế. Một số tính
chất của dầm UHPC sử dụng trong cầu BOURG LES VALENCE, cụ thể [11]:
Bảng 1-1. Đặc tính của dầm UHPC sử dụng cho cầu BOURG LES VALENCE
Tính chất của dầm
Thơng số kỹ thuật của dầm UHPC
8
Chiều dài dầm
20.50 m và 22.50 m
Chiều cao dầm
0.90 m
Chiều rộng dầm
2.40 m
Độ dày mặt cắt dầm
11 cm
Trọng lượng dầm
37 T
Tính chất vật liệu UHPC
Cường độ chịu nén ở 28 ngày
tuổi
175 MPa
Cường độ chịu kéo
9.1 MPa
Mơ đun đàn hồi
64 GPa
C
C
R
L
.
T
U
D
Hình 1-5. Cầu BOURG LÈS VALENCE sử dụng UHPC
Sau 12 năm sử dụng và tiếp xúc với các tác động của mụi trng,
Franỗois Toutlemonde ó tin hnh ỏnh giỏ li kt cấu dầm cầu UHPC, các kết
quả cho thấy, bề mặt của dầm có xuất hiện hiện tượng gỉ của sợi thép, tuy nhiên,
khi khoan mẫu để xác định cường độ, mô đun đàn hồi, mức độ thấm ion clo của
mẫu tại hiện trường cho thấy, cường độ nén và mô đun đàn hồi của UHPC tăng
khoảng 20% so với, cụ thể kết quả UHPC sau 12 năm được trình bày ở bảng 1.2.
Bảng 1-2. Một số tính chất của UHPC của dầm cầu BOURG LÈS VALENCE
sau 12 năm sử dụng [12]
9
STT
Độ rỗng, %
Hàm lượng
ion clo, %
E, GPa
Rn, MPa
1
8.2
<0.01
270
73.6
2
7.8
<0.01
271.3
73.9
3
6.8
<0.01
250.2
72.5
4
7.6
<0.01
5
11.8
<0.01
Trung
bình
7.6
73.3
263.8
Ở Hà Lan, vào năm 2002 người ta sử dụng UHPC dùng để thay thế bê
tông thông thường cho lớp mặt cầu: cầu Kaag, Sassenheim được đưa vào sử dụng,
sau khi thay các tấm sàn bằng gỗ (có kích thước dày 115mm, rộng 320 mm) bằng
các tấm panel bê tơng (có kích thước dày 45mm, rộng 7.25 mm). Các tấm panel
đúc sẵn này sử dụng UHPC, có cường độ nén ở tuổi 1 ngày là 90 MPa và cường
độ nén ở tuổi 28 ngày lớn hơn 180 MPa, đây là sản phẩm của công ty bê tông
Hurks Beton. Công tác thi công các tấm panel mặt cầu được thể hiện trên Hình1.6.
C
C
R
L
.
T
U
D
Hình 1-6. Thi công các tấm panel mặt cầu Kaag, Sassenheim tại Hà Lan [7]
Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu Malaysia đã nỗ lực nghiên
cứu chế tạo và ứng dụng UHPC vào thực tế. Nổi bật là sản phẩm với tên thương
mại là DURA®, đây là sản phẩm do công ty Dura Technology Sdn Bhd - Malaysia
10
nghiên cứu và chế tạo. Đến nay, UHPC đã được sử dụng trong rất nhiều cơng
trình và nhiều lĩnh tại Malaysia như: Cơng trình cầu, cơng trình chịu ăn mịn, các
cơng trình kiến trúc...[13]. Một trong những cơng trình mang tính đột phá là cây
cầu bắc qua sơng Perak, với chiều dài nhịp 100m, chiều rộng là 5m (hình 1.7).
Đây được đánh giá là cây cầu nhịp đơn dài nhất thế giới khi sử dụng UHPC với
Rn đạt 186MPa.
C
C
R
L
.
T
U
D
Dầm cao 4.0m, bề rộng
bản cánh 5.0m
Hình 1-7. Cầu bắc qua sơng Perak, Perak, Malaysia
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. Chỉ dẫn cho thiết kế thi công sử dụng UHPC trong các ứng dụng kết cấu
11
có thể tham khảo một số tài liệu một số tổ chức trên thế giới như: chỉ dẫn thiết kế
và thi công UHPC của Hiệp hội xây dựng Pháp AFGC/SETRA [2, 11, 14], Hiệp
hội xây dựng Nhật Bản năm về chỉ dẫn thiết kế và thi công UHPC, chỉ dẫn thiết
kế cho UHPC của ACI 293-2011 [15].
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 hồn tồn có thể chế tạo được trong điều kiện vật liệu hiện
có ở Việt Nam. Năm 2013, tác giả Lê Trung Thành [17] đã công bố kết quả về
nâng cao độ bền dẻo dai cho bê tông khi sử dụng cốt sợi, trong đó đã so sánh giữa
hệ BTT, BTCLC và UHPC, kết quả cho thấy UHPC có độ bền dẻo dai vượt trội
so với bê tông thường. Gần đây (năm 2015), tác giả Văn Viết Thiên Ân [19] đã
công bố kết quả về nâng cao độ bền của UHPC sử dụng trong môi trường axit
sunfuric. Kết quả đã khẳng định, UHPC sử dụng PGK SF hoặc hỗn hợp
RHA+GBFS đã cải thiện khả năng chống ăn mòn của UHPC so với HHBT chỉ sử
dụng GBFS. Đến nay, các nghiên cứu về UHPC tại trường ĐH Xây dựng đã đạt
được cường độ nén ở tuổi 28 ngày đạt trên 200MPa sử dụng xi măng PC40 [18].
C
C
R
L
.
T
U
D
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.
Sản phẩm là UHPC với cường độ đạt 150MPa sử dụng cốt sợi thép phân tán và
bảo dưỡng nhiệt ẩm. Năm 2011, tác giả Phạm Duy Hữu và các cộng sự - Trường
ĐH Giao thông vận tải [21] tiến hành đề tài nghiên cứu cấp Bộ trọng điểm về
công nghệ chế tạo bê tông cường độ siêu cao ứng dụng trong kết cấu cầu và nhà
cao tầng. Kết quả trong nghiên cứu đã đạt được cường độ nén ở tuổi 28 ngày
khoảng 140MPa. Trong những năm gần đây (2015), tác giả Trần Bá Việt và cộng
sự - Viện KHCN Xây dựng [22, 23] đã nghiên cứu và chế tạo thành công UHPC
ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn đạt cường độ nén đạt 150MPa sử dụng phụ gia
khoáng tro trấu ở Việt Nam.
12
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 cơng 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 (Hình 1.8). Bê tơng đạt cường độ uốn ở tuổi 28
ngày trên 12MPa và cường độ nén trên 120MPa. Khi đó bể xử lý nước
thải với dung tích 1,5 m3 đã tích hợp các thiết bị xử lý nước thải có chiều
dày thành bể chế tạo là 30 mm.
C
C
R
L
.
T
U
D
Hình 1-8. Bể xử lý nước thải lắp đặt sẵn sử dụng tại nhà máy lọc dầu Nghi Sơn
[24]
Năm 2016 nhóm nghiên cứu tại Đại học Xây dựng tiếp tục có nghiên cứu
và ứng dụng sản phẩm Bê tơng 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 tơng chất lượng siêu cao (Hình 1.9).
