Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học của bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN LỘC KHA

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CƠ HỌC
BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO VÀ ỨNG DỤNG
TRONG KẾT CẤU CẦU

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU
HẦM MÃ SỐ: 62.58.25.01

TÓM TẮC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ
THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS-TS. Phạm Duy Hữu
2. PGS-TS. Nguyễn Ngọc Long

HÀ NỘI - 2013



2
MỞ ĐẦU
Bê tông cường độ siêu sao là một loại vật liệu mới, được nghiên cứu
và ứng dụng thử nghiệm ở các nước tiên tiến trên thế giới trong vài thập kỷ
gần đây. Đặc tính của loại bê tông này là có cường độ chịu nén rất cao có thể
lên đến từ 100 -:- >200MPa, khả năng chịu kéo khi uốn lên đến 40MPa,
khả năng chịu cắt tăng cao, khả năng chịu tác động va chạm, chịu tải trọng
lặp rất lớn và đặc biệt là có độ bền và sự ổn định lâu dài. Hiện nay trên thế
giới đang từng bước ứng dụng thử nghiệm trong nhiều công trình cầu, nhà
cao tầng, các công trình đặc biệt khác nhằm nâng cao khả năng chịu lực và
độ bền của kết cấu công trình.
Ở Việt Nam, đang phát triển cơ sở hạ tầng, nhiều công trình cầu,
đường hiện đại đang được xây dựng, nên việc nghiên cứu phát triển một loại
vật liệu bê tông mới có cường độ siêu cao để tăng khả năng chịu lực, độ bền
của công trình là vấn đề cần thiết.
Chúng ta có thể nghĩ đến khả năng nghiên cứu chế tạo và ứng dụng
bê tông cường độ siêu cao từ các vật liệu ở Việt Nam để có thể áp dụng thay
thế cho một số dạng kết cấu cầu, đường bộ hiện nay và từng bước nghiên cứu
ứng dụng bê tông cường độ siêu cao này trong thiết kế một số các kết cấu của
công trình cầu, đường, các nhà cao tầng, các công trình đặc biệt khác.
Đó chính là lý do Nghiên cứu sinh chọn đề tài để nghiên cứu.
Tên đề tài “Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học của bê tông cường độ
siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu”.
Mục đích nghiên cứu:
Hướng lý thuyết: Lý thuyết thành phần hạt đạt độ chặt tối ưu đã được Larard
trình bày. Các hướng dẫn tính toán thành phần theo cấp phối tối ưu của Fuller
năm 1997. Các nghiên cứu thực nghiệm định lượng được thực hiện bỡi
SETRA/AFGC năm 2002; phương pháp thiết kế theo DIN; phương pháp thiết
kế theo ACI-544… Các lý thuyết này nghiên cứu sinh sử dụng trong nghiên
cứu của mình
Hướng thực nghiệm: Định lượng lại thông qua thực nghiệm và từ thực
nghiệm xác định lại các hệ số của các công thức. Đây cũng là một hướng
được một số nước như Hàn Quốc, Mỹ thực hiện. Hướng và mục đích của
nghiên cứu sinh thực hiện; tức là tiến hành theo hướng định lượng lại mô
hình vật liệu từ các điều kiện vật liệu ở Việt Nam thông qua các thí nghiệm
và cũng từ các thí nghiệm xác định lại công thức tính cường độ chịu kéo khi
uốn nhằm tạo ra các thông số phục vụ tính toán kết cấu.
Đối tượng nghiên cứu: Từ vật liệu trong nước, nghiên cứu thực nghiệm xác
định mô hình vật liệu và chế tạo ra bê tông cường độ siêu cao có cường độ


120 -:- 140MPa và ứng dụng trong kết cấu cầu.


Phạm vi nghiên cứu: Định lượng lại mô hình vật liệu thông qua thí nghiệm,
Phân tích thực nghiệm ứng xử uốn của dầm để tìm công thức t, phân
tích ứng xử uốn dầm cầu để xác định chiều cao mới của dầm cầu. Nghiên
cứu sinh chỉ nghiên cứu dầm cầu dưới tác dụng của tải trọng tỉnh, các tải
trọng động, tải trọng lặp chưa đề cập trong luận án này.
Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài:
- Về lý thuyết: Nghiên cứu ứng dụng các lý thuyết tính toán về độ đặc tối ưu
để thiết kế cấp phối bê tông cường độ siêu cao. Phân tích ứng xử uốn của
dầm và dầm cầu để tìm ra công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn t
và chiều cao dầm cầu.
- Về thực nghiệm: Tìm kiếm vật liệu, chế tạo ra cấp phối vật liệu bê tông
cường độ siêu cao từ 120 -140MPa với vật liệu trong nước. Từ thực nghiệm
nêu lên các đặc trưng cơ học của bê tông cường độ siêu và đề xuất công thức
tính cường độ chịu kéo khi uốn t; phân tích ứng xử uốn của dầm cầu và
đề xuất chiều cao dầm cầu
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ
TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1.1.Các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận án đã
được công bố trên thế giới
Bê tông cường độ siêu cao là một loại vật liệu mới được nghiên cứu
và phát triển trên thế giới từ năm 1990. Các ứng xử cơ học, các công thức về
tính toán cũng như các hướng dẫn thiết kế và kỹ thuật xây dựng đã được
công bố ở Pháp, Mỹ và Đức. Một số ứng dụng đầu tiên ở Cananda, Châu Âu,
Châu Á và ở Mỹ đã chứng minh những lợi ích của loại vật liệu mới này về
chi phí, tính bền vững và nhiều tính năng ưu việt khác.
Với những ưu điểm vượt trội của bê tông này, cho phép chúng ta có
những suy nghĩ về việc nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao từ các vật liệu
thành phần trong nước, trên cơ sở tham khảo những kết quả nghiên cứu của
các nước trên thế giới, sẽ mở ra một hướng đi mới trong ngành vật liệu xây
dựng và kết cấu công trình
1.2. Các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao ở Hoa Kỳ, ở Châu Âu
và Châu Á
Các lý thuyết mới về thành phần hạt theo độ đặc tối ưu đã được
Larrard trình bày
Các lý thuyết về cấp phối hạt tối ưu đã được Schmidt và Fuller trình
bày. Các hướng dẫn thiết kế đã được SETRA / AFGC công bố
Các hướng dẫn thiết kế và công nghệ chế tạo đã được nghiên cứu và
khuyến cáo bởi RILEM, DIN;
Các thí nghiệm về định lượng lại mô hình vật liệu đã được FHWA
(Hoa Kỳ) và Hàn Quốc thực hiện.


Các hình ảnh từ 1.1 -:-1.6 giới thiệu các kết cấu cầu, nhà và các ứng
dụng trong quân sự điển hình

Hình 1.1: So sánh về trọng lượng và chiều cao của dầm bê tông cường độ siêu cao và
bê tông truyền thống

Hình 1.2: Các cầu sử dụng bê tông cường độ siêu cao mặt cắt dầm chữ T và chữ
ở
Mỹ

Hình 1.3:Cầu người đi bộ ở Seoul Hàn
Quốc năm 2002

Hình 1.5: Cầu Bourg –lès – Valence,
France năm 2004

Hình 1.4: Mái nhà cửa sổ Millau năm
2004

Hình 1.6: Thử nghiệm khả năng chịu
công phá sử dụng trong quân sự Iran


1.3.Các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận án đã
được công bố ở Việt Nam
Ở Việt Nam: bê tông cường độ siêu cao là một đề tài còn khá mới.
Đến năm 2008 mới được một số nhà khoa học ở các trường ĐH Giao thông
Vận tải; ĐH Xây dựng; ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh… bắt đầu nghiên
cứu về bê tông này. Các nghiên cứu nêu trên được xem là những nghiên cứu
ban đầu về bê tông siêu cường độ ở Việt Nam.
Như vậy bê tông cường độ siêu cao đối với Thế giới và Việt Nam
vẫn còn mang tính thời sự rất lớn, cần thiết có nhiều nghiên cứu để chế tạo ra
bê tông này từ vật liệu trong nước góp phần bổ sung hoàn thiện hệ thống lý
luận, tính toán và từng bước đưa vào ứng dụng thử nghiệm cho một số công
trình xây dựng.
1.4..Mục tiêu của đề tài
Từ vật liệu trong nước, theo các hướng dẫn của thế giới; nghiên cứu
chế tạo ra bê tông cường độ siêu cao từ 120 -:- 140MPa. Nghiên cứu thực
nghiệm uốn của dầm bê tông cốt thép sử dụng bê tông cường độ siêu cao để
xác định hệ số K trong công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn. Phân tích
ứng xử uốn của dầm cầu sử dụng bê tông cường độ siêu cao từ đó đề xuất
chiều cao của dầm cầu.
1.5.Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần, thí nghiệm các
tính chất cơ học của bê tông cường độ siêu cao từ 120 – 140MPa. Phân tích
uốn kết cấu dầm, dầm cầu và từ đó định hướng sử dụng trong kết cấu. Sử
dụng phương pháp lý thuyết và thực nghiệm để xác định về thành phần, các
tính năng cơ học của bê tông cường độ siêu cao và công thức tính cường độ
chịu kéo khi uốn và chiều cao dầm cầu.
Chương 2: VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN
BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
2.1 Vật liệu chế tạo:
2.1.11/ Xi măng, phụ gia siêu dẻo và muội Silic
Nghiên cứu sinh sử dụng xi măng PC40-Bút Sơn loại I phù hợp với
quốc tế và thực tế xi măng ở Việt nam
Luận án sử dụng phụ gia Policacbol silat của hãng Sika Việt Nam với
kí hiệu 3000-20 các tính năng phù hợp tiêu chuẩn ASTM C494 loại C
Luận án sử dụng muội Silic do Sika Việt Nam bán trên thị trường
cũng có tính năng đảm bảo các tiêu chuẩn ASTM 1230-95a, hình 2.1


Hình 2.1: Muội silic

2.1.2Cốt liệu lớn và bột quarzt
Cốt liệu lớn: Sử dụng cát quarzt được nghiền ra từ đá quarzt tại mỏ
Thanh Sơn-Phú Thọ theo các tiêu chuẩn hướng dẫn của quốc tế. Nghiên cứu
sinh đã khai thác chế tạo cát Quartz (là vật chất dạng hạt lớn nhất trong cấp
phối bê tông) đường kính lớn nhất là 0,6 mm, thành phần cấp phối như bảng
2.1 và hình 2.2
Bảng 2.1: Thành phần cấp phối hạt của cát
Quarzt

Cỡ sàng (mm)
Lượng lọt trên sàng i, A%
0,63
100
0,315
67,1
0,14
41,6
0,075
13,9
Bột Quartz được nghiền nhỏ từ đá Quartz Thanh Sơn-Phú Thọ với đường
kính khoảng 27,9m như hình 2.3.

Hình 2.3: Bột Quartz

Hình 2.2: Cát Quartz

2.1.3/ Sợi thép
Sử dụng sợi thép của hãng BeKeart Đức, sợi thép loại Dramix kí hiệu
là OL13-20 có đường kính D = 0,2 mm chiều dài L = 13 mm. Giới hạn
chảy là
2.000 MPa, với hàm lượng là 2% theo thể tích, như ở hình 2.4

Hình 2.4: Sợi thép


Như vậy các vật liệu chính được sử dụng trong bê tông bê tông cường
độ siêu cao và các thí nghiệm sau này là Xi măng PC 40 Bút Sơn. Cát Quartz
và bột Quartz được chế tạo từ đá Quartz khai thác từ mỏ đá Thanh Sơn –Phú


Thọ, muội Silic và phụ gia siêu dẻo của hãng Sika Việt Nam, sợi thép Dramix
được nhập từ Thượng Hải Trung Quốc. Đánh giá về nguồn cung cấp vật liệu
cho thấy rằng có đủ nguồn vật liệu có sẵn ở Việt Nam phù hợp với các tiêu
chuẩn quốc tế để chế tạo bê tông cường độ siêu cao.
2.22/ Chế tạo bê tông cường độ siêu cao theo lý thuyết tối ưu về độ
đặc 2.2.1/ Mở đầu
Trong luận án, lý thuyết tối ưu hóa độ đặc của Mooney và Larrad
được sử dụng nghiên cứu tính toán chính, lý thuyết về đường cong cấp phối
tối ưu Fuller sẽ được xem xét đối chiếu.
2.2.2Tính toán lựa chọn hỗn hợp bê tông
Từ lý thuyết tối ưu hóa độ đặc của Mooney, theo các hướng dẫn của
Thomson, Larard nghiên cứu sinh đã tiến hành tính toán và đã thiết lập được
3 công thức bê tông được kí hiệu như sau: C1, C2, C3 như ở bảng 2.2
Bảng 2.2: Công thức thiết kế bê tông cường độ siêu cao
Thành phần
C1
C2
C3
3
Xi măng Bút sơn PC40, kg/m
800
850
900
3
Muội silic (25%X), kg/m
195,5 195,5 207
3
Cát Quartz Q1, kg/m
900
935
977
3
Bột Quartz Q2, kg/m
280
150
120
3
Sợi thép, kg/m
160
170
160
Chất siêu dẻo, kg
16
17
18
Nước, lít
160
170
170
Tỷ lệ N/X
0,20
0,20 0,20

Biểu đồ phân bố thành phần hạt với cỡ hạt lớn nhất là 0,6mm, cỡ hạt
nhỏ nhất là 0,00001mm theo hình 2.5.

Hình 2.5: Biểu đồ thành phần hạt của các cốt liệu

2.2.3Kiểm tra cấp phối
Căn cứ vào các công thức bê tông, lập nên đường cấp phối của bê
tông và đối chiếu với đường cấp phối tối ưu của Fuller theo biểu đồ hình 2.6


Hình 2.6: Cấp phối của bê tông cường độ siêu cao đối chiếu với cấp phối Fuller

Kết quả kiểm tra đối chiếu cấp phối thiết kế C1, C2, C3 cho thấy
rằng các cấp phối được thiết kế rất sát với cấp phối theo công thức của Fuller.
Nghiên cứu ở chương 2 đã đạt được kết quả sau
- Đã khai thác và chế tạo cát và bột quartz theo tiêu chuẩn.
- Đã lựa chọn được các loại xi măng, muội Silic, sợi thép phù hợp với
bê tông cường độ siêu cao
- Sử dụng mô hình tối ưu hoá độ đặc đã thiết kế được thành phần bê
tông C1, C2, C3.
- Kiểm tra thành phần cấp phối hạt phù hợp với các nghiên cứu của
Pháp và lý thuyết cấp phối tối ưu của Fuller.
Chương 3: THÍ NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ NÉN, UỐN VÀ MÔ ĐUN ĐÀN
HỒI CỦA BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
3.1/ Mở đầu
Trong chương này, Nghiên cứu sinh trình bày thí nghiệm cường độ
chịu nén, cường độ chịu kéo đặc trưng và mô đun đàn hồi của bê tông cường
độ siêu cao.
3.1.1/ Cường độ chịu nén
Cường độ chịu nén được xác định với bê tông ở 3, 7, 28 ngày tuổi.
Theo thì các mẫu hình trụ có kích thước d=10cm, h =20cm để xác định
cường độ chịu nén. Mẫu được bảo dưỡng trong điều kiện bình thường.
3.1.2/ Ứng xử kéo khi uốn
Ứng xử kéo khi uốn của vật liệu được đặc trưng bằng 3 giá trị thí
nghiệm như sau:
- Cường độ kéo khi uốn đàn hồi của bê tông cường độ siêu cao (ftj). Giá trị
này ứng với phần biến dạng đàn hồi ở thời điểm xuất hiện vết nứt đầu tiên
với biến dạng tương đối là 1‰ . Trị số độ mở rộng vết nứt là 0,05mm, độ
võng trong phạm vi 1mm.
- Cường độ chịu kéo uốn lớn nhất (ứng với mômen uốn lớn nhất) thông
thường ứng với biến dạng là 3‰ .
- Cường độ chịu kéo khi uốn ở thời điểm biến dạng tối đa ứng với độ võng
của dầm thí nghiệm là 10mm, thí nghiệm cường độ kéo uốn được thực hiện
theo Tiêu chuẩn của Châu Âu (RILEM).


3.1.3/ Quy trình thí nghiệm uốn mẫu trụ và phân tích
Hai loại thí nghiệm được đề xuất trên thế giới.
Kiểu 1: Thí nghiệm uốn 4 điểm trên mẫu lăng trụ không có khấc cho phép
suy ra cường độ chịu kéo sau khi điều chỉnh một số quan hệ hiệu ứng tỉ lệ.
Kiểu 2: Thí nghiệm uốn 3 điểm trên mẫu lăng trụ có khấc, áp dụng phương
pháp phân tích ngược theo hướng dẫn của RILEM.
Nghiên cứu sinh chọn phương pháp thí nghiệm uốn bốn điểm trên mẫu dầm
theo hướng dẫn của Châu Âu (hình 3.1)
3.1.4/ Kích thước mẫu (theo tiêu chuẩn Châu Âu)
Các mẫu hình lăng trụ mặt cắt vuông cạnh a và chiều dài 4*a, với
a=15cm. Mẫu thử có kích thước: 15*15*60 (cm)
a. Thiết bị thí nghiệm
Trong thí nghiệm uốn 4 điểm theo các hướng dẫn của Châu Âu, thiết
bị đo cần được cố định trên mẫu bằng một bộ phận đặc biệt để đo độ võng
thực của mẫu khi thí nghiệm (hình 3.1).

Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm uốn 4 điểm

b. Thu thập kết quả
Các số liệu trong khi thí nghiệm cần được thực hiện với tần số 5 Hz.
Các số liệu cần thu thập là:
+ Độ võng
+ Lực
+ Biểu đồ tải trọng – độ võng
c. Tính toán độ mở rộng vết nứt, biến dạng…
Biết độ võng f0 ứng với đoạn cuối của vùng đàn hồi, độ mở rộng vết
nứt (w) được đánh giá qua quan hệ độ võng theo hướng dẫn của (SETRA –
AFGC):
3.2/ Chế tạo các mẫu thí nghiệm
3.3/ Các kết quả thí nghiệm:
+ Kết quả thử nghiệm độ chảy lan, cường độ chịu nén theo bảng
3.1; 3.2 ; 3.3 và các hình 3.2 ; 3.3


10
Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm độ chảy lan

Ký hiệu mẫu thử
Độ sụt của bê
tông (cm)
Độ chảy lan (cm)
Ngày đúc mẫu

C1
24,00

C2
29,00

C3
27,00

45,00
29/3/2011

64,00
1/4/2011

50,50
6/4/2011

Hình 3.3: Thí nghiệm độ chảy lan
Hình 3.2: Mẻ trộn thử
Bảng 3.2: Kết quả cường độ chịu nén

Cường độ chịu nén (MPa)
Ngày
Stt hiệu
đúc
R3
TB3
S3
R7
TB7
S7 R 28 TB28 S28
mẫu
C11 29/3 65,89
109,89
134,70

C1

C2

C3

C12

29/3

66,53

100,63

C13

29/3

C14

29/3

71,72 69,77
74,65

C15

29/3

72,48

102,36

119,79

C16

29/3

67,36

113,69

128,90

C21

1/4

68,55

111,47

121,36

C22

1/4

67,89

106,34

128,63

C23

1/4

71,66

C24

1/4

75,12

C25

1/4

78,34

115,31

124,36

C26

1/4

74,35

105,73

134,80

C31

6/4

82,42

115,51

142,56

C32

6/4

80,23

C33

6/4

77,64

C34

6/4

86,62

72,65

84,75

3,32

3,69

5,07

122,63

101,23 106,59
126,90 127,59
5,33
5,22
111,76
132,63

115,19 112,46
137,24 130,01
5,28
5,73
120,69
133,68

112,36 113,06
132,21 139,21
5,57
6,21
105,61
129,38
122,38

144,77


11
C35

6/4

91,65

107,34

145,61

C36

6/4

89,92

115,18

140,74

Ri: Cường độ nén ngày thứ i
TBi: Cường độ nén trung bình ngày thứ i
Si: Độ lệch chuẩn theo cường độ nén ngày thứ i
Bảng 3.3: Cường độ trung bình của các nhóm mẫu
Cường độ trung bình Độ lệch chuẩn Biến dạng tương đối
Nhóm
(MPa)
(S)
(‰ )
C1
C2

127,59
130,01

5,22
5,73

4,02
3,55

C3
139,21
5,21
3,75
Từ kết quả thử cường độ nén của ba cấp phối C1, C2, C3 xây dựng được
các biểu đồ thể hiện các quan hệ (cường độ – thời gian); (cường độ - tỉ lệ
nước/chất kết dính) theo hình 3.4 ; 3.5:
MPa
160
140

100

C1
C2
C3

120

80

60

3

7

28

Ngày

40

150 MPa

20

100

3
7

0

50

28

0
0.196

Hình 3.4: Quan hệ giữa cường độ chịu
nén theo thời gian

0.205

0.223

N/CKD

Hình 3.5: Quan hệ giữa cường độ chịu
nén với tỷ lệ N/CKD của C3

+Kết quả thử nghiệm cường độ chịu kéo - uốn
Thí nghiệm uốn 4 điểm được thực hiện tại trường Đại Học Giao
thông Vận tải. Trình tự thí nghiệm uốn tuân thủ theo hướng dẫn của RILEM,
hình 3.6.

Hình 3.6: Thí nghiệm uốn và dạng phá hoại mẫu

Kết quả thí nghiệm được trình bày ở trong bảng 3.4, hình 3.7


12

Bảng 3.4: Quan hệ giữa tải trọng và độ võng

Độ võng

(mm)

Tải trọng P (kN)
PM1

PM2

PM3

PM4

PM5

PM6


0,00
0,20
0,22
0,25
0,30
0,40
0,50
0,70
1,00
2,00
3,00
5,00
10,00

0,000
75,470
80,303
83,865
94,039
107,520
112,862
115,152
119,094
89,969
66,949
29,939
12,134

0,000
70,637
78,777
82,974
100,653
119,094
122,910
123,673
123,673
79,413
57,029
32,864
11,116

0,000
112,226
118,204
126,598
142,750
162,209
179,124
205,196
210,284
159,792
103,959
57,029
8,191

0,000
80,176
94,421
107,775
148,219
207,995
227,199
247,930
291,554
219,000
143,667
106,000
42,420

0,000
73,181
76,361
80,558
90,351
106,249
118,077
126,216
126,343
90,732
73,181
51,051
22,817

0,000
97,091
101,161
106,884
119,475
126,343
128,251
132,066
132,066
78,014
59,446
29,558
9,336

Hình 3.7: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng

Quan hệ giữa cường độ và độ mở rộng vết nứt, biến dạng… trong
trường hợp uốn 4 điểm được tính theo hướng dẫn của SETRA/AFGC, kết quả
ở bảng 3.5
Bảng 3.5: Quan hệ giữa cường độ và biến dạng của bê tông cường độ siêu cao

Mẫu

C1

Độ
võng
(mm)

Độ mở rộng vết
nứt W (mm)

Biến
dạng
o
( /oo)

Tải
trọng
P(kN)

Cường độ
chịu kéo
khi uốn
Ru (MPa)

Cường độ
đặc trưng
0,7265xRu
(MPa)

0,092

0,05

0,2

73,47

9,80

7,12

0,2

0,18

2

79,50

10,60

7,70

0,3

0,30

3

122,68

16,36

11,88

0,9

1,02

10

97,74

13,03

9,47

2,12

2,48

25

84,17

11,22

8,15

2,55

3,00

32

0,00

0,00

0,00


C2

C3

0,092

0,05

0,2

85,05

11,34

8,24

0,2

0,18

2

88,51

11,80

8,57

0,3

0,30

3

129,20

17,23

12,52

0,9

1,02

10

110,42

14,72

10,70

2,12

2,48

25

84,23

11,23

8,16

2,55

3,00

32

0,00

0,00

0,00

0,092

0,05

0,2

90,47

12,06

8,76

0,2

0,18

2

126,26

16,83

12,23

0,3

0,30

3

251,19

33,49

24,33

0,9

1,02

10

210,67

28,09

20,41

2,12
2,48
25 159,74
21,30
15,47
+ Mô hình ứng suất biến dạng
Xây dựng biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng theo hướng dẫn Châu
Âu (SETRA/AFGC) cho nhóm mẫu C3 làm cơ sở cho việc phân tích kết cấu,
hình 3.8.

Hình 3.8: Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất - biến dạng của bê tông cường độ
siêu cao nhóm mẫu C3 lập theo hướng dẫn của SETRA/AFGC

+Thử nghiệm Mô đun đàn hồi
- Thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh và hệ số Poisson của bê tông cường độ siêu
cao theo tiêu chuẩn ASTM mẫu kích thước D=15cm, h=30. Thiết bị thí
nghiệm là máy nén đến 150 tấn (1500 kN), theo hình 3.9

Hình 3.9: Thí nghiệm mô đun đàn hồi


Kết quả trung bình thí nghiệm được trình bày trong bảng 3.6
Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi

Nhóm mẫu thử
Cường độ nén (MPa)
E (Mpa)
1/3
E= 9200 x f

C1
127,59
46500

C2
130,01
47200

C3
139,21
49300

46085

46449

47565

Sai số

1,009

1,016

1,038

cj

+Bình luận kết quả
1/3
Căn cứ vào kết quả thí nghiệm thì thấy rằng : E= 9200 x f c
j
Hệ số K0 =9200, nằm trong khoảng hướng dẫn của các tiêu chuẩn
Châu Âu
+Kết luận về khả năng chịu nén, kéo khi uốn và mô đun đàn hồi
của bê tông cường độ siêu cao
Với 3 thành phần bê tông đã thực hiện cho thấy cấp phối C3 (theo bảng
3.7) có cường độ nén cao nhất là 139,2 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn đặc
trưng lớn nhất là 24,22MPa
Bảng 3.7: Thành phần của bê tông cấp phối C3

Nước, kg (cuối cùng)
Xi măng
Cát quarts d=0,6mm (khô)
Bột quart d=27m (khô)
Muội silic d=1m
Sợi thép d=0,2mm
Chất siêu dẻo

217,57 kg
900 kg
910 kg
120 kg
207 kg
160 kg
22,46kg

3.44/ Một số nhận xét
Với vật liệu trong nước đã sản xuất được bê tông cường độ siêu cao
với các tính năng sau :
- Độ chảy lan của hỗn hợp thử nghiệm từ 45 – 64 cm, phù hợp với
các yêu cầu quốc tế độ chảy lan >50cm.
- Cường độ chịu nén của bê tông cường độ siêu cao thử nghiệm đạt
từ 125,6 đến 139,2 MPa ở 28 ngày tuổi. Với biến dạng tương đối đạt xấp xỉ
3,5‰ .
- Cường độ chịu kéo khi uốn ở vết nứt đầu tiên: từ 9,8 – 12,06 MPa ;
Cường độ chịu kéo uốn lớn nhất : từ 16,36 – 33,49 MPa. Cường độ chịu kéo
uốn với độ võng 10mm : từ 2,03 - 3,9 MPa. Cường độ đặc trưng đàn hồi : từ
7,12 – 8.76 MPa. Cường độ đặc trưng lớn nhất : từ 11,8 – 24,22MPa.


- Mô đun đàn hồi thí nghiệm đạt : 46,2 – 49,3 GPa. Trị số này nằm
trong khoảng từ 45 – 55 GPa theo các thí nghiệm quốc tế.
- Mô hình ứng suất – biến dạng phục vụ cho tính toán được lập theo
hướng dẫn của Châu Âu cho nhóm mẫu C3 (hình 3.8)
Chương 4 : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH ỨNG
XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ DẦM CẦU SỬ DỤNG
BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
4.1/ Đặt vấn đề nghiên cứu
Kết quả nghiên cứu của ACI-544 thì mô tả cường độ chịu kéo khi uốn của bê
tông cốt sợi thông thường cấp 40MPa,
Kết quả nghiên cứu của Imam et al (1995) tính cường độ chịu kéo khi uốn bê
tông cốt sợi thép cường độ cao (HPC) cấp bê tông <100MPa.
Như vậy với dầm bê tông cường độ siêu cao, cường độ chịu nén từ 120 -140
MPa, thì sử dụng công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn như thế nào là
phù hợp?. Nghiên cứu này nhằm từ thực nghiệm và áp dụng các lý thuyết tính
toán để đánh giá và tìm ra sự phù hợp của công thức tính cường độ chịu kéo
khi uốn () của bê tông cường độ siêu cao.
4.2/ Cơ sở nghiên cứu phân tích ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép với
bê tông cường độ siêu cao.
Chọn phương pháp nghiên cứu từ tiêu chuẩn ACI-544. và Imam et al (1995).
(Biểu đồ ứng suất - biến dạng tính toán đã được xây dựng theo ACI -544 và
Imam như hình 4.1)

Hình 4.1: Biểu đồ tính toán kết cấu dầm chịu uốn theo ACI -544

(a): Biểu đồ phân bố lực ; (b): Biểu đồ ứng suất; (c): Biểu đồ biến dạng
Theo ACI-544, công thức tính Mô men uốn của dầm bê tông cốt sợi thép như
sau, công thức 4.1
a

a

e

a

Mn = As . fy . (d − ) + ot . b. (ℎ − e). ( + − )
2
2
2
2
Với t = K.( lf /df)f Fbe
t: Cường độ chịu kéo sau khi nứt của bê tông cốt sợi
thép.
Trong đó:

(4-1)
(4-2)


+ Theo ACI thì sử dụng K=0,00772.
+ Theo Imam et al (1995) thì sử dụng K=0,0138.
Như vậy, đối với bê tông cốt sợi thép cường độ siêu cao được nghiên cứu cấp
bê tông >130 MPa thì nên xác định lại một trị số K* cho phù hợp hay nói
cách khác tìm t phù hợp.
4.33/ Chuẩn bị mẫu dầm thí nghiệm
Trong phần thí nghiệm của chương này, cấp phối bê tông được sử dụng là
cấp phối bê tông nhóm C3 đã sử dụng và mô tả trong chương 2 và 3
Sản xuất 9 mẫu dầm có tiết diện hình chữ nhật theo tiêu chuẩn ACI 544 với
kích thước: b=125mm; h=250mm; l=2400mm gồm 3 tổ hợp mẫu:
*Tổ hợp 1: gồm 3 dầm, sử dụng 2 thanh cốt thép 12mm, ký hiệu lần
lượt là 2D12 - 1; 2D12 - 2 và 2D12 - 3.
*Tổ hợp 2: gồm 3 dầm, sử dụng 2 thanh cốt thép , ký hiệu lần lượt
là 2D16
- 1; 2D16 - 2 và 2D16 - 3.
*Tổ hợp 3: gồm 3 dầm, sử dụng 2 thanh cốt thép 20mm, ký hiệu lần
lượt là 2D20 - 1; 2D20 - 2 và 2D20 - 3. Cấu tạo dầm và sơ đồ thí nghiệm
như hình
4.2 và 4.3

Hình 4.2: Sơ đồ cấu tạo và thí nghiệm 9 dầmHình 4.3: Các dầm đã hoàn thiện trước khi thí n

4.4/ Phương pháp thí nghiệm dầm
Thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm vật liệu trường Đại
học Giao thông Vận tải. Nghiên cứu sinh chọn phương án uốn 4 điểm phù
hợp tiêu chuẩn Châu âu
4.5/ Kết quả thí nghiệm
Từ kết quả thí nghiệm 9 dầm (3 tổ mẫu), xác định được giá trị của
lực và độ võng. Thiết lập biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng (P ) ghi ở hình 4.4 và bảng 4.1


Bảng 4.1: Bảng tổng hợp số liệu thí nghiệm tải trọng - độ võng

Tai2t2ro0ng P (KN)
200

Tong hop

180
160
D20-1 D20-2 D20-3 D16-1 D16-2 D16-3 D12-1 D12-2 D12-3

140
120
100
80
60
40
20
0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

do vong (mm)

Hình 4.4: Biểu đồ tải trọng và độ võng của các dầm thí nghiệm

4.6/ Nhận xét kết quả thí nghiệm:
- Với nhóm 1 (tổ hợp dầm gồm 2 thanh thép 12mm) với tỷ lệ bố trí
thanh cốt thép chịu kéo là 0,723% , tải trọng khi xuất hiện vết nứt đầu tiên
trung bình đạt P=37,741 kN ứng với độ võng trung bình đạt =0,814mm;
Tải trọng lớn nhất trung bình đạt Pmax= 80,262 kN ứng với độ võng đạt
trung bình
=8,626mm; khi kết thúc thí nghiệm =25mm, tải trọng trung bình
đạt P=66,34 kN.
- Với nhóm 2 (tổ hợp dầm gồm 2 thanh thép 16mm) với tỷ lệ bố trí
thanh cốt thép chịu kéo là 1,286% , tải trọng khi xuất hiện vết nứt đầu tiên
trung bình đạt P=37,889 kN ứng với độ võng đạt =0,843mm; Tải trọng
lớn nhất
trung bình đạt Pmax= 110,423 kN ứng với độ võng đạt trung bình
=8,7431mm; khi kết thúc thí nghiệm =25mm, tải trọng trung bình
đạt P=99,95 kN.
- Với nhóm 3 (tổ hợp dầm gồm 2 thanh thép 220mm) với tỷ lệ bố trí
thanh cốt thép chịu kéo là 2,009%, tải trọng khi xuất hiện vết nứt đầu tiên
trung bình đạt P=51,9991 kN ứng với độ võng đạt trung bình
=1,0704mm; Tải trọng lớn nhất trung bình đạt Pmax= 193,1886 kN ứng
với độ võng đạt trung bình =8,7128mm; Khi kết thúc thí nghiệm
=25mm, tải trọng trung bình đạt P=183,12 kN.


- Theo biểu đồ tải trọng - độ võng thực nghiệm, trước khi nứt: mối quan hệ
giữa tải trọng và độ võng của các dầm bê tông cường độ siêu cao cũng tương


tự như các dầm bê tông cốt thép truyền thống. Tuy nhiên, sau khi nứt với các
dầm bê tông truyền thống là một quá trình giảm nhanh chóng về độ cứng của
dầm và các vết nứt nhanh chóng phát triển sâu vào vùng nén của bê tông dẫn
đến phá hoại dầm đột ngột, nhanh chóng. Còn dầm bê tông cường độ siêu cao
thì độ võng tiếp tục phát triển nhưng chậm hơn và tải trọng vẫn còn tăng và
sau đó gần như là đường nằm ngang không suy giảm đột ngột, điều này thể
hiện năng lượng được cốt sợi thép hấp thụ làm dầm vẫn còn khả năng chịu
lực không đứt gãy đột ngột.
Ứng xử khi chịu uốn của dầm bê tông cường có gia cường thép vùng kéo
sau khi nứt tải trọng còn tiếp tục tăng, khả năng chịu kéo tăng, độ võng tiếp
tục phát triển và dầm không bị phá hoại đột ngột. Điều đó chứng tỏ các dầm
bê tông cường độ siêu cao thì có độ dai cao hơn. Các dạng biểu đồ và các trị
số về tải trọng, độ võng cũng có quy luật tương tự như các kết quả nghiên
cứu tại Đức và Hàn Quốc.
4.77/ Tính toán và phân tích kết quả thí nghiệm
Từ độ võng, tải trọng tính toán độ w, Mcr, Rku, 2 theo hướng dẫn
SETRA/AFGC, ghi ở bảng 4.2
Bảng 4.2: Kết quả tính toán các giá trị tại các điểm độ mở rộng vết nứt
danh
định đặc trưng (CMOD)


4.88/ Phân tích công thức tính cường độ chịu kéo khí uốn của dầm ()
4.8.1/ So sánh khả năng chịu uốn của dầm thí nghiệm với dầm khi tính
theo ACI-544 và Imam et al, bảng 4.3
Bảng 4.3: So sánh khả năng chịu uốn

** Theo ACI -544 (n=0,003) t được tính với hệ số K=0,00772.
t = 0.00772.( lf /df)f Fbe =0,00772 . (13/0,2) . 2 . 4,15=4,164 (MPa)
và Mô
men được tính theo công thức 4-1
** Theo tác giả Imam et al 1995 tính cho bê tông cốt sợi thép cường độ cao
(HPC) cấp ≤ 100MPa, với hệ số K=0,0138 và tính được:
t = 0.0138.( lf /df).f .Fbe (MPa) = 0,0138.(13/0,2).2.4,15=7,444
(MPa), mô
men tính theo công thức 4-1


20
Vậy khả năng chịu uốn thì mô men thực nghiệm lớn hơn mô men tính theo lý
thuyết ACI-544 từ 40% đến 60%; và lớn hơn mô men tính theo Imam từ 10%
- 23%. Điều này cho thấy các kết quả thí nghiệm cho phép điều chỉnh
công thức tính t
4.8.2Tính toán điều chỉnh hệ số K trong công thức 4-1 từ kết quả thí
nghiệm
Từ công thức (4-1):
a
Mn –Æs .fy.(d


suy ra: ot =
a

h

e

2

)

(4-2)

b.(h–e).(2+ – )
2

2

Và từ công thức tính t = K . ( lf /df) . f .Fbe (MPa)
(4-3)
(4-4)
Suy ra: Ktn=t/f.Fbe.
(lf/df)
Kết qủa tính theo các công thức từ (4-1) - (4-4), Các giá trị Mtn ,t, hệ số
Ktn, của các dầm thí nghiệm tại các điểm đặt trưng được trình bày trong bảng
4.4; Bảng 4.4: Kết quả tính toán hệ số K tại các điểm danh định đặc trưng

Giá trị K* trung bình ứng với vết nứt xuất hiện đầu tiên: K*=0,0051. Điều
này chứng tỏ tại điểm xuất hiện vết nứt đầu tiên, cốt sợi tham gia chịu lực rất
nhỏ, mà chủ yếu là bê tông và cốt thép thường.

Giá trị K* trung bình ứng với W=0,3mm; K*=0,01516


Giá trị K* trung bình ứng với W=0,5mm; K*=0,01792
4.9/ Xây dựng các biểu đồ ( - ) ; (-) ; ( - w) từ kết quả thí nghiệm
theo các hướng dẫn của SETRA / AFGC (như các hình 4.5 -:- 4.8)

Hình 4.5: Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng vùng nén các dầm thí nghiệm
Hình 4.6: Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất - độ võ

Hình 4.8: Biểu đồ ứng suất – biến dạng (-) vùng
Hình 4.7: Biểu đồ quan hệ ứng suất
– độ mở rộng vết nứt (-w) của các tổ hợp dầm thí nghiệm

Quan hệ - là các cơ sở để phục vụ cho các tính toán kết cấu theo
hướng dẫn của SETRA/AFGC
4.10/ Ứng dụng phân tích ứng xử uốn của dầm I.33m
4.10.1/ Các phương pháp phân tích ứng xử uốn dầm cầu bằng bê tông
cường độ siêu cao trên thế giới
Trên thế giới hiện nay để tính toán dầm dự ứng lực sử dụng bê tông
gia cường cốt sợi cường độ siêu cao có 3 phương pháp đề xuất: Phương pháp
thiết kế dựa trên hướng dẫn bỡi SETRA/AFGC; phương pháp tính theo tiêu


chuẩn của Đức DIN 1054-1 và phương pháp tính theo tiêu chuẩn của Mỹ
ACI-544.
Khi tính toán có thể sử dụng qui luật (p-w) theo phương pháp của
DIN-1045 (Đức), Hoặc sử dụng quan hệ   ; của SETRA/AFGC
(Pháp);
Hoặc sử dụng biểu đồ ứng suất khối theo ACI -544 của Mỹ.
Biểu đồ ứng suất - biến dạng từ kết quả thí nghiệm được lập để phục
vụ phân tích ứng xử uốn dầm cầu và tính theo ACI -544 với biến dạng cực
đại có thể lấy là 10‰ như hình 4.9

Hình 4.9: Biểu đồ ứng xử ứng suất – biến dạng từ kết quả thức nghiệm

4.10.2/ Phân tích sức kháng uốn của dầm cầu bê tông cường độ siêu cao
dự ứng lực cấp 130MPa
+Công thức tính toán
Mặt cắt hình chữ I chịu uốn dọc trục, phương trình sức kháng uốn danh định của
mặt cắt có thể xác định như sau:
a

a

r

r

r

a

h

e

Mn = Aps . fps . (dp − ) + As . fy . (ds − ) − As . fy . (ds − )
2
2
2
+
a
hf

r

0,8. fc . (b − bw ). 0,65. ℎf . ( −
2

2

) + ot . bw . (ℎ − e). ( +
2

)
Đặc tính dầm tính toán, bảng 4.5

2
+

Đặc tính vật liệu

a



(4-5)

Bảng 4.5: Đặc tính dầm tính toán

D33-40 D33-70 D33-130
Đơn vị
hiệu (h=1650) (h=1650) (h=1650)
3
Kg/m
2500
2500
2500
yc
Mpa
40
70
130
f c'

Tỷ trọng của bê tông
CĐ chịu nén
Cường độ chịu kéo
khi uốn khi xuất hiện Mpa
vết nứt bê tông
Cường độ chịu kéo
khi uốn khi độ mở
MPa
rộng vết nứt bê tông
w=0,3mm

2

D33-130h
(h=1100)
2500
130



0

1,5

3,5

3,5



0

5,0

8,50

8,50


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×