Nghiên cứu sự làm việc của dầm bê tông cốt thép sử dụng tro bay và xỉ lò cao làm chất kết dính geopolymer

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Phạm Quang Đạo

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA
DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG TRO BAY VÀ
XỈ LÒ CAO LÀM CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội, năm 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Phạm Quang Đạo

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA
DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG TRO BAY VÀ
XỈ LÒ CAO LÀM CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng
Mã số:

9580201

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. PHẠM THANH TÙNG
2. GS.TS. NGÔ ĐỨC TUẤN

Hà nội, năm 2021


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Hà Nội, ngày 18 tháng 02 năm 2021
Tác giả luận án

Phạm Quang Đạo


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

x

DANH MỤC HÌNH VẼ

xii

MỞ ĐẦU
1.

Lý do lựa chọn đề tài .....................................................................................2

2.

Mục đích nội dung nghiên cứu......................................................................3

3.

Đối tượng phạm vi nghiên cứu......................................................................3

4.

Cơ sở khoa học của luận án...........................................................................4

5.

Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................4

6.

Những đóng góp mới của luận án .................................................................4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GPC VÀ SỰ LÀM VIỆC
CỦA DẦM GPC CỐT THÉP
1.1

Giới thiệu về bê tông geopolymer .................................................................6

1.1.1

Khái niệm bê tông geopolymer ................................................................6

1.1.2

Thành phần vật liệu của chất kết dính geopolymer .................................. 8

1.1.3

Ứng dụng bê tơng geopolymer trên thế giới ..........................................11

1.1.4

Nghiên cứu ứng dụng bê tông geopolymer tại Việt Nam ......................13

1.2

Kết quả nghiên cứu về chế tạo và đặc trưng cơ học của GPC ....................14

1.2.1

Cấp phối và chế tạo vật liệu ...................................................................14

1.2.2

Quan hệ cường độ chịu nén và chịu kéo ................................................17

1.2.3

Mô đun đàn hồi và hệ số poisson ...........................................................19

1.2.4

Quan hệ ứng suất - biến dạng .................................................................20


iii

1.2.5
1.3

Đặc trưng cơ học dài hạn và độ bền vững ..............................................22
Kết quả nghiên cứu về lực dính và ứng xử của dầm GPC cốt thép ............23

1.3.1

Nghiên cứu về lực dính giữa bê tông và cốt thép ...................................23

1.3.2

Nghiên cứu của về sự làm việc của dầm GPC cốt thép .........................24

1.4

Lý thuyết tính tốn về sự làm việc trên tiết diện thẳng góc của dầm OPC cốt

thép

26

1.4.1

Mơ hình quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu OPC .......................26

1.4.2

Lý thuyết tính toán trên TDTG của dầm BTCT theo TCVN 5574: 2018

[15]

29

1.5

Nhận xét chương 1 ......................................................................................34

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ ĐẶC
TRƯNG CƠ HỌC BÊ TÔNG GEOPOLYMER
Nguyên tắc xây dựng cấp phối ....................................................................35
2.2

Phương pháp xác định đặc trưng cơ học của vật liệu .................................38

2.3

Vật liệu chế tạo GPC. ..................................................................................39

2.3.1

Vật liệu chế tạo chất kết dính .................................................................39

2.3.2

Cốt liệu ...................................................................................................41

2.4

Thực nghiệm khảo sát cấp phối chế tạo GPC .............................................42

2.4.1

Xây dựng cấp phối khảo sát chế tạo GPC ..............................................42

2.4.2

Qui trình chế tạo vật liệu GPC ...............................................................43

2.4.3

Kết quả khảo sát cấp phối chế tạo GPC .................................................44

2.5

Thực nghiệm xác định đặc trưng cơ học của bê tơng. ................................46

2.5.1

Qui trình thí nghiệm đặc trưng cơ học GPC...........................................46

2.5.2

Cường độ chịu nén .................................................................................48


iv

2.5.3

Cường độ chịu kéo .................................................................................48

2.5.4

Mô đun đàn hồi.......................................................................................49

2.5.5

Quan hệ ứng suất biến dạng của GPC ....................................................51

2.6

Nhận xét chương 2 ......................................................................................53

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC TRÊN TIẾT DIỆN
THẲNG GÓC CỦA DẦM GPC CỐT THÉP
3.1

Quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu GPC .........................................54

3.1.1

Nguyên tắc lựa chọn mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng.................54

3.1.2

Đề xuất mơ hình quan hệ ứng suất - biến dạng cho GPC ......................55

3.1.3

Mơ đun đàn hồi và hệ số pốt-xơng .......................................................57

3.2

Các giai đoạn làm việc trên tiết diện thẳng góc của dầm GPC cốt thép ..... 57

3.2.1

Giai đoạn đàn hồi và tiết diện chưa nứt..................................................58

3.2.2

Giai đoạn sau khi nứt..............................................................................58

3.2.3

Giai đoạn phá hoại ..................................................................................58

3.3

Mô men kháng nứt của dầm GPC cốt thép .................................................59

3.3.1

Xây dựng cơng thức tính mơ men kháng nứt .........................................60

3.3.2

Đề xuất hệ số 𝜸𝜸 xét đến biến dạng dẻo vùng kéo của bê tơng GPC ......62

3.4

Tính tốn khả năng chịu lực trên tiết diện thẳng góc của dầm GPC cốt thép
63

3.4.1

Phương pháp tính theo biến dạng phi tuyến ...........................................63

3.4.2

Phương pháp tính theo nội lực giới hạn .................................................68

3.5

Kiểm chứng công thức đề xuất cho dầm GPC cốt thép ..............................70

3.5.1

Kiểm tính mơ men kháng nứt .................................................................71

3.5.2

Kiểm tính khả năng chịu lực ..................................................................71


v

3.6

Nhận xét chương 3 ......................................................................................72

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG SỐ SỰ
LÀM VIỆC CỦA DẦM GPC CỐT THÉP
4.1

Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc của dầm GPC cốt thép ....................73

4.1.1

Mục tiêu nghiên cứu ...............................................................................73

4.1.2

Thiết kế mơ hình thí nghiệm ..................................................................73

4.1.3

Thí nghiệm các đặc trưng cơ học của vật liệu ........................................79

4.1.4

Trình tự và xử lý kết quả thí nghiệm dầm ..............................................80

4.1.5

Đánh giá kết quả thí nghiệm...................................................................82

4.2

Mơ phỏng số sự làm việc của dầm GPC cốt thép .......................................97

4.2.1

Xây dựng mơ hình số dầm GPC cốt thép bằng phương pháp PTHH .... 97

4.2.2

Phân tích kết quả mơ phỏng số.............................................................100

4.3

So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng số sự làm việc của dầm GPC cốt

thép

104

4.3.1

Về ứng xử của vật liệu bê tông và cốt thép trên TDTG .......................105

4.3.2

Về mô men kháng nứt và khả năng chịu lực ........................................106

4.4

Nhận xét Chương 4 ...................................................................................107

KẾT LUẬN
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ

110

TÀI LIỆU THAM KHẢO

111

PHỤ LỤC A

PL1

PHỤ LỤC B

PL27

PHỤ LỤC C

PL98

PHỤ LỤC D

PL100

PHỤ LỤC E

PL105


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Chữ cái Latinh viết hoa
Kí hiệu
M

(1/r)
ACI 318:2019
Hoặc ACI 318
BFS

Diễn giải

Hệ số mô men khả năng chịu lực dầm
Độ cong dầm
Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tơng của
Viện bê tơng của Hoa Kỳ
Xỉ lị cao

BTCT

Bê tơng cốt thép

CHH

Chất hoạt hóa

CKD

Chất kết dính

Cov

Hệ số biến động

Eb
EC2

Mơ đun đàn hồi bê tông
Tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép của
châu Âu
Mơ đun đàn hồi trung bình của bê tơng
Tro bay

Ecm
FA
GGBFS
GP
GPC

Xỉ lị cao nghiền mịn
Chất kết dính geopolymer
Bê tơng geopolymer

L

Chiều dài hình học của dầm

L0

Nhịp tính tốn của dầm

LVDT

Chuyển vị kế

M

Mô men uốn

Mcrc

Mô men kháng nứt

Mgh

Khả năng chịu lực trên tiết diện thẳng góc

N

Hệ tiêu chuẩn tham
chiếu

Khối lượng nước

TCVN 5574: 2018
EC2


vii

OPC

Bê tông xi măng

P
Pcrc

Lực tập trung
Tải trọng gây nứt

Pu

Tải trọng phá hoại

Rb

Cường độ chịu nén tính tốn của bê tơng

TCVN 5574:2018

Rbt

Cường độ chịu kéo tính tốn của bê tơng ở
TTGH I
Cường độ chịu kéo tính tốn của bê tơng ở
TTGH II
Cường độ chịu kéo trung bình của bê tơng

TCVN 5574:2018

Rbt,ser
Rbtm
TB
TCVN 5574: 2018

TCVN 5574:2018

Trung bình

TDTG

Tiêu chuẩn Việt Nam – Thiết kế kết cấu bê

tơng cốt thép
Tiết diện thẳng góc

TTGH I

Trạng thái giới hạn I

TTGH II

Trạng thái giới hạn II

USBT

Ứng suất bê tơng

USCT

Ứng suất cốt thép

Z

TCVN 5574:2018

Cánh tay địn nội ngẫu lực trên tiết diện dầm
BTCT

Chữ cái Latinh viết thường
Kí hiệu

Diễn giải

a

Khoảng cách từ trọng tâm cốt thép chịu kéo
đến thớ ngoài cùng bê tông chịu kéo trên tiết
diện
Bề rộng khe nứt

acrc
b
fy

Chiều cao tiết diện dầm
Giới hạn chảy của cốt thép

Hệ tiêu chuẩn tham
chiếu


viii

f’c

Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông

fc

Ứng suất nén của bê tông

fck

Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông

EC2

fck

Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông

EC2

fcm

Cường độ chịu nén trung bình của bê tơng

EC2

fct

Cường độ chịu kéo dọc trục

fct,sp

ACI 318

Cường độ chịu kéo ép chẻ

fr

Cường độ chịu kéo uốn

fu

Giới hạn bền của cốt thép

h

Chiều cao tiết diện dầm

h0

Chiều cao làm việc của dầm

x

Chiều cao vùng nén của bê tơng

y

Chuyển vị dầm

Chữ cái cái Hy lạp
Kí hiệu

Diễn giải

ν bt

Hệ số đàn hồi của bê tông

εb

Biến dạng bê tơng chịu nén

ε bu

Biến dạng của thớ ngồi cùng bê tông vùng
nén tiết diện dầm
Biến dạng đàn hồi bê tông khi chịu kéo

εbt ,el

Hệ tiêu chuẩn tham
chiếu
TCVN 5574:2018

εs

Biến dạng cốt thép chịu kéo

ξR

Hệ số giới hạn chiều cao vùng nén

TCVN 5574:2018

αR

TCVN 5574:2018

ε b1

Hệ số giới hạn mô men khả năng chịu lực
theo phương pháp vùng nén chữ nhật
Biến dạng giới hạn của bê tông vùng nén

εb2

Biến dạng cực hạn của bê tông vùng nén

TCVN 5574:2018

ε bt 2

Biến dạng cực hạn của bê tông vùng kéo

TCVN 5574:2018

TCVN 5574:2018


ix

Biến dạng giới hạn của bê tông vùng kéo

TCVN 5574:2018
TCVN 5574:2018

µ

Hệ số tính tốn mơ men kháng uốn đàn hồi
dẻo của tiết diện dầm bê tông cốt thép
Hệ số qui đổi chiều cao vùng nén chữ nhật
qui đổi
Hàm lượng cốt thép dọc chịu kéo của dầm

σb

Ứng suất bê tông

σs

Ứng suất cốt thép

ε bt1 ( ε bt ,el )
γ

β


x

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tiêu chuẩn tro bay theo TCVN 10302 - 2014 [19] ..................................... 9
Bảng 1.2 Yêu cầu kỹ thuật của xỉ hạt lò cao theo TCVN 11586:2016 [21] .............10
Bảng 1.3. Thành phần hóa của tro bay theo Rangan [46] .........................................14
Bảng 1.4. Cấp phối GPC tro bay theo Rangan [46] ..................................................14
Bảng 1.5. Cấp phối GPC theo Lee (2013) [49] .........................................................15
Bảng 1.6. Cấp phối GPC theo Nath & Sarker (2014) [55] .......................................15
Bảng 1.7. Cấp phối GPC theo Thomas [74] .............................................................16

Bảng 1.8. Cường độ kéo ép chẻ bê tông GPC theo [46] ...........................................17
Bảng 1.9. Công thức thực nghiệm cường độ chịu kéo ..............................................18
Bảng 1.10. Mô đun đàn hồi và hệ số poisson của GPC theo Rangan [46] ...............19
Bảng 1.11. Công thức thực nghiệm mô đun đàn hồi ................................................19
Bảng 1.12. Trị số thực nghiệm biến dạng của GPC ..................................................21
Bảng 1.13. Mô men kháng nứt, KNCL của dầm GPC cốt thép [73] ........................24
Bảng 2.1. Cấp phối cơ sở để khảo sát chế tạo GPC ..................................................37
Bảng 2.2. Tiêu chuẩn và qui cách mẫu thí nghiệm ...................................................38
Bảng 2.3. Thành phần hạt của tro bay nhiệt điện Phả Lại ........................................39
Bảng 2.4. Thành phần hóa của vật liệu tro bay Phả Lại ..........................................39
Bảng 2.5. Thành phần hạt của xỉ lò cao S95 Hòa Phát .............................................40
Bảng 2.6. Thành phần hóa của vật liệu xỉ lị cao S95 Hịa Phát ..............................40
Bảng 2.7. Tính chất cơ lý cơ bản của cốt liệu ...........................................................41
Bảng 2.8. Kết quả phân tích thành phần hạt của cát vàng sông Lô ..........................41
Bảng 2.9. Kết quả phân tích thành phần hạt của đá dăm Kiện Khê..........................41
Bảng 2.10. Cấp phối nhóm I khảo sát tỷ lệ N/CKD của GPC ..................................42
Bảng 2.11. Cấp phối nhóm II khảo sát CHH/CKD của GPC ...................................43
Bảng 2.12. Cường độ chịu nén của cấp phối khảo sát của GPC ...............................44
Bảng 2.13. Cường độ chịu nén sau 28 ngày tuổi của GPC .......................................48
Bảng 2.14. Cường độ chịu kéo thực nghiệm của GPC .............................................48
Bảng 2.15. Mô đun đàn hồi thực nghiệm của GPC ..................................................50


xi

Bảng 2.16. Trị số thực nghiệm biến dạng ε b 0 của GPC khi chịu nén........................52
Bảng 2.17. Trị số thực nghiệm biến dạng 𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀 của GPC khi chịu kéo ......................52

Bảng 3.2. Biến dạng đàn hồi của các cấp cường độ GPC .........................................62
Bảng 3.3. Khảo sát hệ số ε bu cho các cấp cường độ bê tơng.....................................66

Bảng 3.4. Hệ số tính tốn Mgh cho các cấp cường độ bê tơng ..................................67
Bảng 3.5. Hệ số β qui đổi chiều cao vùng nén chữ nhật ...........................................69
Bảng 3.6. So sánh KNCL theo phương pháp nội lực giới hạn và biến dạng phi tuyến
...................................................................................................................................70
Bảng 3.7. So sánh kết quả thực nghiệm của Sumajouw với công thức M crc ............71
Bảng 3.8. So sánh kết quả thực nghiệm của Sumajouw với công thức M gh ............71
Bảng 4.1. Thành phần cấp phối của bê tông GPC (1m3) ..........................................75
Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm mẫu cơ bản GPC .......................................................79
Bảng 4.3. Kết quả xác định đặc trưng cơ học của cốt thép .......................................79
Bảng 4.5. Khả năng chịu lực và biến dạng tương ứng khi dầm bị phá hoại ............80
Bảng 4.6. Biến dạng thực nghiệm của bê tơng, cốt thép nhóm dầm D3..................87
Bảng 4.7. Giá trị thực nghiệm mô men và độ cong của dầm ....................................88
Bảng 4.8. Mô men kháng nứt thực nghiệm và so sánh .............................................90
Bảng 4.9. Khả năng chịu lực thực nghiệm và so sánh. .............................................91
Bảng 4.10. Độ cong dầm D1 .....................................................................................92
Bảng 4.11. Độ cong dầm D2 .....................................................................................93
Bảng 4.12. Độ cong dầm D3 .....................................................................................94
Bảng 4.18. Các thông số thực nghiệm của GPC trong mô phỏng số ABAQUS ......99
Bảng 4.13. So sánh độ cong thực nghiệm và mô phỏng số ....................................106
Bảng 4.14. So sánh mô men kháng nứt, khả năng chịu lực thực nghiệm và mô phỏng
số .............................................................................................................................106


xii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các dạng cấu trúc cơ bản của geopolymer [39] ..........................................7
Hình 1.2. GPC làm kết cấu mặt đường [45].............................................................11
Hình 1.3. GPC làm bản mặt cầu [50] .......................................................................12

Hình 1.4. GPC làm tường chắn [45].........................................................................12
Hình 1.5. GPC làm bể nước [45] ..............................................................................12
Hình 1.6. Ứng dụng GPC trong cơng trình nhà cửa [50] ..........................................13
Hình 1.7. Ảnh hưởng của xỉ lị cao đến tính năng của GPC [55] ............................16
Hình 1.8. Quan hệ cường độ chịu kéo – cường độ chịu nén [70] .............................17
Hình 1.9. Cường độ ép chẻ và cường độ chịu nén GPC [72] ...................................18
Hình 1.10. Quan hệ ứng suất - biến dạng GPC tro bay [46] .....................................20
Hình 1.11. Quan hệ US-BD của GPC tro bay và xỉ lò cao Thomas [74] ................21
Hình 1.12. Quan hệ US-BD của GPC tro bay và xỉ lò cao theo Maranan [52] ........ 21
Hình 1.13. Quan hệ ứng suất - biến dạng GPC tro bay [46] .....................................22
Hình 1.14. Đường cong ứng suất–biến dạng cơ sở của OPC khi nén và kéo ........... 26
Hình 1.15. Mơ hình Hognestad [48] .........................................................................27
Hình 1.16. Mơ hình Kent và Park [48] .....................................................................27
Hình 1.17. Mơ hình Scott điều chỉnh [71] ................................................................28
Hình 1.18. Mơ hình Todeschini [76].........................................................................28
Hình 1.19. Mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông theo Popovics [64] 29
Hình 1.20. Quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu [15] ......................................30
Hình 1.21. Sơ đồ ứng suất biến dạng tại tiết diện chưa nứt theo TCVN 5574:2018 31
Hình 1.22. Quan hệ US-BD của bê tơng và cốt thép theo TCVN 5574:2018 .......... 32
Hình 1.23. Sơ đồ ứng suất - biến dạng phương pháp vùng nén qui đổi chữ nhật .....33
Hình 2.1. Mẫu tro bay loại F .....................................................................................39
Hình 2.2. Mẫu xỉ lị cao nghiền mịn S95 ..................................................................40
Hình 2.3. Đường cong cấp phối hạt của cát ..............................................................42
Hình 2.4. Đường cong cấp phối hạt của đá ...............................................................42
Hình 2.5. Hỗn hợp GPC sau khi trộn ........................................................................44


xiii

Hình 2.6. Thí nghiệm đo độ sụt.................................................................................44

Hình 2.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD đến cường độ chịu nén của GPC................45
Hình 2.8. Ảnh hưởng của CHH/CKD đến cường độ chịu nén .................................46
Hình 2.9. Hình ảnh thí nghiệm đặc trưng cơ học của bê tơng GPC..........................47
Hình 2.10. Cường độ chịu kéo dọc trục ....................................................................50
Hình 2.11. Cường độ chịu kéo uốn và ép chẻ ...........................................................50
Hình 2.12. Quan hệ mơ đun đàn hồi và cường độ chịu nén ......................................51
Hình 2.13. Biểu đồ ứng suất – biến dạng của GPC ..................................................52
Hình 3.1. So sánh quan hệ US – BD thực nghiệm của GPC với mơ hình của OPC. 56
Hình 3.2. Quan hệ ứng suất - biến dạng phi tuyến đề xuất cho bê tông GPC .......... 56
Hình 3.3. Quan hệ US - BD của GPC từ 20÷50 MPa ...............................................57
Hình 3.4. Mơ hình ứng suất – biến dạng khi tính tốn hình thành khe nứt ..............59
Hình 3.5. Mơ hình ứng suất - biến dạng của tiết diện bê tơng trước khi nứt ............60
Hình 3.6. Sơ đồ ứng suất - biến dạng mơ hình phi tuyến .........................................63
Hình 3.7. Sơ đồ tính tích phân chia nhỏ Newton-Cotes ...........................................65
Hình 3.8. Ứng suất vùng nén của bê tơng 20 MPa ...................................................66
Hình 3.9. Ứng suất vùng nén của bê tơng 30 MPa ...................................................66
Hình 3.10. Ứng suất vùng nén của bê tơng 40 MPa .................................................66
Hình 3.11. Ứng suất vùng nén của bê tơng 50 MPa .................................................66
Hình 3.12. Khảo sát hệ số mơ men M theo trị số ε bu .............................................67
Hình 3.13. Sơ đồ ứng suất biến dạng tính Mgh theo vùng nén chữ nhật qui đổi ....... 68
Hình 4.1. Mơ hình thí nghiệm ..................................................................................74
Hình 4.2. Bản vẽ cốt thép dầm ..................................................................................76
Hình 4.3. Sơ đồ lắp đặt phiến đo biến dạng của cốt thép chịu kéo, nén ...................77
Hình 4.4. Chủng loại phiến đo biến dạng bê tơng và cốt thép ..................................78
Hình 4.5. Ván khuôn dầm và cốt thép được gắn phiến đo biến dạng .......................78
Hình 4.6. Đúc bê tơng mẫu thí nghiệm .....................................................................79
Hình 4.7. Thí nghiệm kéo thép xác định đặc trưng cơ học của thép ........................80
Hình 4.8. Lắp đặt thí nghiệm và kết nối thiết bị đo ..................................................81

xiv

Hình 4.9. Các giai đoạn làm việc của dầm khi chịu uốn...........................................82
Hình 4.10. Mẫu dầm đạt tới phá hoại........................................................................83
Hình 4.11. Mơ men - độ cong nhóm dầm D1 ...........................................................85
Hình 4.12. Mơ men - USBT nhóm dầm D1 .............................................................85
Hình 4.13. Mơ men - USCT nhóm dầm D1 ...............................................................85
Hình 4.14. Mơ men - độ cong nhóm dầm D2 ...........................................................85
Hình 4.15. Mơ men - USBT nhóm dầm D2 ..............................................................86
Hình 4.16. Mơ men - USCT nhóm dầm D2 ..............................................................86
Hình 4.17. Mơ men - độ cong nhóm dầm D3 ...........................................................86
Hình 4.18. Mơ men - USBT nhóm dầm D3 ..............................................................87
Hình 4.19. Mơ men – USCT nhóm dầm D3 .............................................................87
Hình 4.20. Biểu đồ xác định mơ men kháng nứt dầm D1.........................................89
Hình 4.21. Biểu đồ xác định mơ men kháng nứt dầm D2.........................................89
Hình 4.22. Biểu đồ xác định mơ men kháng nứt dầm D3.........................................89
Hình 4.23. Biểu đồ mơ men - độ cong các dầm D1 ..................................................92
Hình 4.24. Biểu đồ mơ men - độ cong các dầm D2 ..................................................93
Hình 4.25. Biểu đồ mô men - độ cong các dầm D3 ..................................................94
Hình 4.26. Thiết bị đo bề rộng khe nứt (extensometer) ............................................94
Hình 4.27. Bề rộng khe nứt các dầm D1 ...................................................................95
Hình 4.28. Bề rộng khe nứt các dầm D2 ...................................................................96
Hình 4.29. Bề rộng khe nứt các dầm D3 ...................................................................96
Hình 4.30. Mơ hình phần tử hữu hạn 3D cho bê tơng cốt thép của nhóm dầm D1 .. 98
Hình 4.31. Đường cong ứng suất – biến dạng của vật liệu khi chịu kéo và nén số trong nghiên cứu này.
Do vậy, kích thước lưới chia 30 mm được lựa chọn sử dụng để mô phỏng các dầm GPC
cốt thép.


Hình 4.32. Khảo sát ảnh hưởng của

kích cỡ lưới chia

Mơ men (KNm)

101

Độ cong (1/mm)

4.2.2.2 Kết quả phân tích tải trọng - độ cong dầm GPC cốt thép chịu uốn
Hình 4.33 trình bày so sánh về mối quan hệ mơ men – độ cong giữa kết quả phân
tích số và kết quả thực nghiệm của các nhóm dầm D1, D2 và D3. Từ biểu đồ cho thấy
về tổng thể các kết quả mối quan hệ mô men uốn - độ cong của mơ hình số và thực
nghiệm có sự tương đồng cao. Mơ hình số có thể mơ phỏng chính xác ba giai đoạn
tương ứng trong ứng xử của dầm bê tông GPC cốt thép khi chịu uốn, đàn hồi khi bê
tông chưa nứt, sau khi bê tông nứt do ứng suất kéo và chảy dẻo của cốt thép chịu uốn.

(a)

TN
MP

Mô men (KNm)

(b)

Mô phỏng FE

TN
MP

Độ cong (1/mm)


102
(c)

Mơ men (KNm)

TN
MP

Mơ phỏng FE

TN
MP

Độ
Độcong
cong(1/mm)
(1/mm)

Hình 4.33. So sánh kết quả mơ phỏng số với thực nghiệm của các dầm
(a) nhóm dầm D1, (b) nhóm dầm D2, (c) nhóm dầm D3
Kết quả so sánh về quan hệ mô men – độ cong giữa mơ phỏng số và thực nghiệm
đối với nhóm dầm như sau. Dầm D1: kết quả mô phỏng số và thí nghiệm lần lượt là:
điểm bê tơng nứt do ứng suất kéo (14,4; 7,7E-7) và (13,7; 7,5E-7); điểm cốt thép chảy
dẻo lần lượt là (21,2; 7,21E-5) và (21,5; 7,33E-6). Dầm D2: kết quả mơ phỏng số và
thí nghiệm lần lượt là: điểm bê tông nứt do ứng suất kéo từ (15,3; 8,2E-7) và (15,0;
7,8E-7); điểm cốt thép chảy dẻo lần lượt là (42,7; 1,1E-5) và (42,3; 1,2E-5); Dầm D3:
kết quả mơ phỏng số và thí nghiệm lần lượt là: điểm bê tông nứt do ứng suất kéo từ

(16,7; 8,0E-7) và (16,3; 8,7E-7); điểm cốt thép chảy dẻo lần lượt là (83,4; 1,4E-5) và
(84,2; 1,4E-5).
4.2.2.3 Kết quả phân tích ứng suất
Ứng xử khi dầm bị nứt do ứng suất kéo và khi cốt thép chảy dẻo của dầm GPC cốt
thép chịu uốn như sau.
(i) Nứt trong bê tơng
Q trình hình thành vết nứt do ứng suất kéo trong bê tông của nhóm dầm D3 tại
độ cong của dầm là 6,0E-7 (trước điểm nứt) và 8,0E-7 (tại điểm nứt) được mô tả trên
Hình 4.34. Tại độ cong của dầm 6,0E-7 (bước gia tải 13), khơng có vết nứt nào xảy ra,
tuy nhiên tại độ cong của dầm 8,0 E-7 (bước gia tải 14) có thể dễ dàng nhận thấy hai
vết nứt xảy ra đối xứng giữa hai điểm chịu tải ở đáy dầm. Kết quả mơ phỏng số này có
mối tương đồng với sự chuyển đổi từ ứng xử đàn hồi sang ứng xử sau khi nứt do ứng


103
suất kéo trong bê tông trong kết quả thực nghiệm quan hệ mơ men – độ cong của nhóm
dầm D3 trên Hình 4.34c.
(ii) Cốt thép chảy dẻo
Hình 4.56 trình bày ứng suất Von Mises của cốt thép ở bước gia tải 14 tương ứng
độ cong dầm 8,0E-7 và bước gia tải 36 tương ứng độ cong dầm 1,4E-5. Có thể quan sát
trên Hình 4.35 (hình trên), có hai vùng ứng suất cao của cốt thép lớp dưới, nằm chính
xác tại các vùng nứt của dầm GPC được trình bày trên Hình 4.35 (hình dưới) ở bước gia
tải 14. Nguyên nhân là do khi các dầm GPC đạt đến trạng thái nứt do ứng suất kéo ở
đáy dầm, tải trọng tác dụng chủ yếu sẽ do cốt thép lớp dưới chịu. Tuy nhiên, ứng suất
Von Mises ở bước gia tải 14 là 101 MPa thấp hơn ứng suất chảy dẻo của cốt thép lớp
dưới là 415,6 MPa (kết quả thí nghiệm kéo thép). Điều này cho thấy cốt thép vẫn làm
việc trong giai đoạn đàn hồi tại bước gia tải này, chưa chảy dẻo. Tại độ cong của dầm
1,4E-5 (bước gia tải 36), là điểm chảy dẻo cốt thép trong kết quả thực nghiệm quan hệ
mô men – độ cong của nhóm dầm D3. Từ kết quả mơ phỏng số, Hình 4.35 (hình dưới),
cũng chỉ ra rằng một phần đáng kể các cốt thép lớp dưới cùng đạt đến ứng suất chảy dẻo

415,6 MPa, xác lập trạng thái chảy dẻo của cốt thép trùng khớp với các kết quả thực
nghiệm.
4.2.2.4 Kết quả mô phỏng vết nứt dầm
So sánh giữa các dạng vết nứt từ kết quả của mô phỏng số và kết quả thực nghiệm
được trình bày trên Hình 4.36. Về tổng thể, kết quả so sánh có sự tương đồng cao về
quá trình hình thành và phát triển vết nứt giữa các mơ hình phần tử hữu hạn và kết quả
thực nghiệm.
Kết quả phân tích số chỉ ra số lượng vết nứt tăng khi hàm lượng cốt thép tăng (4,
5 và 7 lần lượt đối với nhóm dầm D1, D2 và D3). Mô phỏng số cũng cho thấy khoảng
cách trung bình giữa các vết nứt giảm từ nhóm dầm D1 đến D3. Đồng thời, các vết nứt
thẳng góc (do mơ men uốn) xuất hiện trước tiên, với sự gia tăng tải trọng tác dụng dẫn
đến nhiều vùng nứt xuất hiện hơn như thể hiện trên Hình 4.36. Đặc biệt, ở các cấp gia
tải cao hơn, các vùng nứt lan ra bên ngồi vùng mơ men uốn thuần túy (bên ngồi hai
điểm gia tải), dẫn đến các dạng vết nứt xiên, có thể dễ dàng quan sát được trên Hình
4.36.


104

Bước gia tải 13: Độ cong 6e-7

Bước gia tải 14: Độ cong 8e-7

Hình 4.34. Quá trình hình thành vết nứt do ứng suất kéo trong mô phỏng số dầm
Bước gia tải 13 (hình trên) và 14 (hình dưới)
Bước gia tải 14: Độ cong 8e-7

Bước gia tải 36: Độ cong 1,4e-5

Hình 4.35. Biểu đồ ứng suất Von Mises (MPa) của mô phỏng số nhóm dầm D3

ở bước gia tải 14 (hình trên) và 36 (hình dưới)

So sánh về dạng vết nứt cho thấy chỉ có sự khác biệt nhỏ giữa kết quả phân tích số
và thực nghiệm. Trong kết quả của mơ hình số, hai vết nứt đầu tiên (1 và 2) của tất cả
các nhóm dầm ln xảy ra gần các điểm gia tải. So sánh với kết quả thực nghiệm, vết
nứt thứ nhất và vết nứt thứ hai xuất hiện lần lượt tại các điểm giữa và điểm gia tải đối
với nhóm dầm D1 và D3, các vị trí đối diện ngược lại được ghi nhận cho nhóm dầm D2,
như minh họa trên Hình 4.36.
4.3 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng số sự làm việc của dầm GPC cốt
thép
Mô phỏng số ứng xử chịu uốn của dầm GPC cốt thép đã được thực hiện với các
số liệu đầu vào của mơ hình vật liệu bê tơng dựa trên quan hệ ứng suất – biến dạng của
GPC và các đặc trưng cơ học thực nghiệm. Bằng phương pháp phần tử hữu hạn và kỹ
thuật mô phỏng tiên tiến trên phần mềm Abaqus, phân tích mơ phỏng số cho kết quả so
sánh với số liệu thực nghiệm như dưới đây.


105

(a) Nhóm
dầm D1

(b) Nhóm
dầm D2

(c) Nhóm
dầm D3

a) Nhóm dầm D1; b) Nhóm dầm D2; c) Nhóm dầm D3.
(Các số thứ tự trên hình là thứ tự xuất hiện của các vết nứt)

Hình 4.36. So sánh về các dạng vết nứt của mô phỏng số với thực nghiệm.
4.3.1 Về ứng xử của vật liệu bê tông và cốt thép trên TDTG
So sánh kết quả mô phỏng số và thực nghiệm về mối quan hệ mô men – độ cong
cho thấy sự thống nhất về ứng xử chịu uốn của dầm GPC cốt thép khi đều trải qua các
giai đoạn như đàn hồi chưa nứt, sau khi nứt và giai đoạn tiến đến trạng thái phá hoại


106
trên tiết diện thẳng góc. Trị số ứng suất của cốt thép và biến dạng của dầm tại các trạng
thái khi dầm nứt hoặc cốt thép bắt đầu chảy dẻo từ kết quả mô phỏng số đều phù hợp
với giá trị đo đạc từ thực nghiệm. Ngoài ra, độ cong của dầm được phân tích trong mơ
phỏng số so với thực nghiệm có độ chênh lệch từ 3% đến 9% cho các nhóm dầm, trung
bình là 7% (Bảng 4.13). Điều này chứng tỏ rằng: quan hệ ứng suất – biến dạng đã đề
xuất cho vật liệu GPC là phù hợp.
Bảng 4.13. So sánh độ cong thực nghiệm và mô phỏng số
Dầm
D1
D2
D3
TB

Cấp tải
trọng
85%
85%
85%

Mô men tác
dụng

M (kNm)
19,8
38,7
76,7

TN

1
 
r

1
 
r

(Thực nghiệm)
6,43E-06
9,57E-06
1,25E-05

(1/ r )crc

MP

TN

(Mô phỏng số)
6,21E-06
8,75E-06
1,15E-05

MP
(1/ r )crc

1,03
1,09
1,09
1,07

4.3.2 Về mô men kháng nứt và khả năng chịu lực
Từ kết quả thực nghiệm trong Bảng 4.8, Bảng 4.9 và số liệu từ biểu đồ quan hệ
mơ men – độ cong từ phân tích mơ phỏng số (Hình 4.33) cho thấy: nếu tính trung bình
tính cho cả 3 nhóm dầm thì tỷ số của mơ men kháng nứt thực nghiệm so với mô phỏng
số là 0,98 lần và tỷ số tương ứng của khả năng chịu lực là 0,99, nếu tính riêng cho từng
nhóm dầm thì mức độ chênh lệch của số liệu mô phỏng số so với kết quả thực nghiệm
trong khoảng 5%. Cụ thể được tổng hợp trong Bảng 4.14 dưới đây.
Bảng 4.14. So sánh mô men kháng nứt, khả năng chịu lực thực nghiệm và mô phỏng số
Dầm

D1
D2
D3
TB

Mô men kháng nứt (KNm)
Thực
nghiệm
TN
M crc

Mô phỏng số
MP
M crc

13,7
15,3
16,3

14,4
15,0
16,7

Khả năng chịu lực (kNm)

Tỷ số

Thực
nghiệm
MP
M gh

Mô phỏng số
MP
M gh

TN
M crc
MP
M crc

MP
M gh

23,6

22,4

47,2
90,3

49,5
93,3

0,95
1,02
0,98
0,98

1,05
0,95
0,97
0,99

TN
M gh

Do vậy, mơ hình vật liệu của GPC đã đề xuất và phương pháp mô phỏng bằng
phần tử hữu hạn đã sử dụng là một cơng cụ chính xác và hiệu quả cho việc mơ phỏng
ứng xử chịu uốn của dầm GPC cốt thép để đánh giá về mô men kháng nứt, khả năng
chịu lực và biến dạng.

107
4.4 Nhận xét Chương 4
Từ kết quả thực nghiệm và mô phỏng số sự làm việc của dầm GPC cốt thép rút ra
các nhận xét như sau:
i.

Kết quả mô phỏng số ứng xử chịu uốn phù hợp với kết quả thực nghiệm của các
dầm với các giai đoạn làm việc trên tiết diện thẳng góc của dầm như: đàn hồi trước
khi nứt, sau khi nứt và sau khi cốt thép chảy dẻo đến khi dầm phá hoại. Mô phỏng
số cho thấy ứng suất của vật liệu ở trạng thái khi nứt hoặc khi cốt thép chảy dẻo
và biến dạng của dầm phù hợp với kết quả thực nghiệm. Vì vậy, quan hệ ứng suất
– biến dạng đã đề xuất cho GPC là phù hợp với đặc tính của vật liệu GPC.

ii.

Mô men kháng nứt của dầm GPC cốt thép với hệ số mô men kháng đàn hồi dẻo
theo công thức đề xuất (3.16) phù hợp với kết quả thực nghiệm và có thể xác định
bằng phân tích bằng mơ phỏng số dựa trên mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng
của GPC.

iii.

Khả năng chịu lực của dầm GPC cốt thép theo phương pháp nội lực giới hạn vùng
nén chữ nhật qui đổi phù hợp với kết quả thực nghiệm và có thể xác định bằng
phân tích bằng mơ phỏng số dựa trên mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng của
GPC.

108

KẾT LUẬN
I. Kết luận
Với nội dung nghiên cứu thực nghiệm xây dựng cấp phối chế tạo ở điều kiện không
dưỡng hộ nhiệt và xác định các đặc trưng cơ học chủ yếu của vật liệu GPC; nghiên cứu
lý thuyết sự làm việc trên tiết diện thẳng góc và kiểm chứng bằng thực nghiệm kết hợp
mô phỏng số các dầm GPC cốt thép, rút ra các kết luận sau:
1. Xây dựng được cấp phối chế tạo bê tông GPC cường độ chịu nén trung bình đến
50MPa từ hỗn hợp tro bay và xỉ lị cao là nguồn vật liệu sẵn có trong nước. Với tỷ
lệ xỉ lò cao thay thế tro bay hợp lý và sử dụng chất hoạt hóa kiềm dạng bột khô đã
chế tạo được GPC ở điều kiện không dưỡng hộ nhiệt.
2. Thiết lập được quan hệ giữa các đặc trưng cơ học chủ yếu của bê tông GPC gồm
cường độ chịu nén - cường độ chịu kéo, cường độ chịu nén - mô đun đàn hồi và
mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu được điều chỉnh phù hợp với
sự làm việc trên tiết diện thẳng góc của cấu kiện chịu uốn.
3. Đề xuất được cơng thức gần đúng tính tốn mơ men kháng nứt có xét đến biến
dạng khơng đàn hồi của bê tơng GPC và qui trình tính tốn khả năng chịu lực theo
phương pháp nội lực giới hạn của dầm GPC cốt thép phù hợp với tiêu chuẩn TCVN
5574:2018.
4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số bằng phương pháp PTHH đã
kiểm chứng được quan hệ ứng suất – biến dạng đề xuất cho vật liệu GPC. Ngoài
ra, số liệu thực nghiệm về biến dạng và sự mở rộng khe nứt của dầm GPC cốt thép
đã được khảo sát đo đạc là dữ liệu thực nghiệm có giá trị cho các nghiên cứu tiếp
theo.
II. Kiến nghị
Từ kết quả nghiên cứu của luận án, các đặc trưng cơ học chủ yếu và quan hệ ứng
suất biến dạng đã được xây dựng. Tiêu chuẩn TCVN 5574:2018 đã được vận dụng để

109
xây dựng qui trình tính tốn trên tiết diện thẳng góc của dầm GPC cốt thép. Do vậy, để
xây dựng bộ số liệu về đặc trưng cơ học và hoàn thiện cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế
kết cấu bằng vật liệu GPC, kiến nghị cần tiến hành thử nghiệm chế tạo GPC rộng rãi
hơn để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng của thành phần của tro bay, xỉ lò cao từ các nguồn
vật liệu khác ở trong nước. Từ đó xây dựng hệ thống tài liệu kỹ thuật và tiêu chuẩn về
thí nghiệm vật liệu và tiêu chuẩn thiết kế kết cấu sử dụng vật liệu GPC.
III. Hướng nghiên cứu tiếp theo
Luận án đã nghiên cứu được cấp phối chế tạo vật liệu GPC ở điều kiện không cần
dưỡng hộ nhiệt từ nguồn vật liệu tro bay và xỉ lò cao trong nước. Mối quan hệ giữa các
đặc trưng cơ học chủ yếu, quan hệ ứng suất biến dạng đã được xây dựng, qui trình tính
tốn sự làm việc trên tiết diện thẳng góc của dầm GPC cốt thép đã được đề xuất. Do
vậy, các hướng nghiên cứu tiếp theo cần được ưu tiên để hoàn thiện cơ sở khoa học cho
vật liệu và kết cấu GPC như sau:
- Nghiên cứu đề xuất qui trình tính tốn biến dạng của dầm GPC cốt thép phù hợp
với tiêu chuẩn TCVN 5574:2018.
- Nghiên cứu kết cấu bê tông GPC sử dụng cốt sợi GFRP ứng dụng trong cơng trình
hạ tầng ven biển để phát huy ưu điểm là tính chất bền vững của vật liệu GPC.