Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu thành phần, tính chất của bê tông cốt liệu nhẹ dùng trong xây dựng cầu ở Việt Nam

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

Đặng Thùy Chi

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ DÙN

Ngành:

Kỹ thuật Xây dựng công trình giao t

Chuyên ngành: Xây dựng Cầu hầm
Mã số:

62.58.02.05

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2017



- 25 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

[1]. Đặng Thùy Chi (2013), “Thực trạng phát triển và nhu cầu sử
dụng bê tông cốt liệu nhẹ trong xây dựng cầu ở Việt Nam”,
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, số 42, 6/2013.
[2]. Đặng Thùy Chi (2014), Nghiên cứu thành phần và tính chất
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
của bê tông cốt liệu nhẹ sử dụng trong kết cấu cầu, Đề tài
NCKH cấp trường mã số T2014-VKTXD-06, Chủ nhiệm đề
1: GS.TS. Phạm Duy Hữu
tài
[3]. Đặng Thùy Chi, Phạm Duy Hữu, Thái Khắc Chiến (2015),
2: GS. Eric Garcia-Diaz
“Nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực
để ứng dụng trong kết cấu cầu ở Việt Nam”, Tạp chí Giao
thông vận tải, số 5/2015.
Phản biện 1: GS.TSKH. Nguyễn Thúc Tuyên
[4]. Thái Khắc Chiến, Phạm Duy Hữu, Đặng Thùy Chi (2016),
“Ảnh hưởng của keramzit đến cường độ chịu nén của bê tông
Phản biện 2: GS.TSKH. Nguyễn Như Khải
nhẹ”, Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, số 50, 2/2016
[5]. Đặng Thùy Chi (2016), Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng
Phản biện 3: GS.TSKH. Nguyễn Đông Anh
xử nén của bê tông keramzit, Đề tài NCKH cấp trường mã số
T2016-VKTXD-15, Chủ nhiệm đề tài
[6]. Chi Thuy Dang, Huu Duy Pham, Ha Thanh Le, Eric GarciaLuận án sẽ bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án cấp Trường theo Quyết định Số …/QĐ-ĐHGTVT ngày tháng 11 Diaz
năm 2017
(2016), “A study on high strength lightweight aggregate
họp tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải,
th
concrete”, The 7 International Conference of Asian Concrete
Federation (ACF), Hanoi, 11/2016
[7]. Thuy Chi Dang, Duy Huu Pham (2016), “Effiency of type and
vào hồi
ngàythángnăm
content of lightweight aggregates on strength of lightweight


aggregate concretes”, The International Conference on
Sustainable in Civil Engineering (ICSCE), Hanoi, 11/2016
Có thể tìm hiểu Luận án tại thư viện:
1. Thư viện Quốc gia
2. Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải


- 24 -

-1-

cầu giản đơn mặt cắt

MỞ ĐẦU

chữ T, nhịp 18m bằng
bê tông cốt thép; qua
đó, đánh giá sơ lược
hiệu quả kỹ thuật khi
thay thế bê tông nặng
thông

thường

bằng

BTCLN có cùng cường
độ nén.

2. Những đóng góp về
mặt thực tiễn
• Trên cơ sở kết quả về vật
liệu, thành phần của

1. Đ
ặt
v

n
đ

n
g
hi
ê
n
c

u
liệu nhẹ. Từ đó, đề xuất
phương pháp thiết kế
thành phần bê tông cốt
liệu nhẹ.

BTCLN, chế tạo thành

• Đề tài đã đề xuất các công

công BTCLN chịu lực

thức tính các đặc trưng

có cường độ đặc trưng

cơ học của bê tông cốt

lên tới hơn 60 MPa, độ

liệu

chảy cao, đáp ứng yêu

cường độ chịu nén của

cầu sử dụng trong các

BTCLN.

nhẹ

thông

qua

kết cấu chịu lực nói

• Nghiên cứu thực nghiệm

chung và công trình cầu

ứng xử uốn của dầm bê

nói riêng.

tông cốt thép chế tạo

• Kết hợp các mô hình cơ

bằng bê tông cốt liệu

học của phương pháp

nhẹ chịu lực và bước

đồng nhất hóa vật liệu

đầu đánh giá khả năng

composit xây dựng một

ứng dụng vật liệu này

phương pháp dự báo

trong kết cấu cầu.

cường độ bê tông cốt


3. Hướ
ng
nghi
ên
cứu
tiếp
• Mở rộng
chương
trình
nghiên
cứu
thực
nghiệm
trên
nhiều
loại cốt
liệu nhẹ
để
khẳng
định
các kết
luận về
các tính
chất cơ
học của
BTCLN
chịu
lực.
• Nghiên
cứu một
số tính
chất
khác
của
BTCLN

chịu lực
như khả

chịu lực của vật liệu
này.



tông

truyền

thống là vật liệu có

năng

khối lượng thể tích

dính

lớn (khoảng 2200 –

bám với

2600 kg/m ), tùy theo

cốt

loại và lượng cốt liệu

thép,

sử dụng.

quan hệ

trọng lượng của bê

ứng suất

tông đi khoảng 25%,



có thể giảm bớt trọng

biến

3

Nếu giảm

dạng

lượng bản thân của kết

khi chịu

cấu một cách đáng kể.

nén

Bê tông cốt liệu nhẹ
có khối lượng thể tích

• Cần

3

nghiên

dưới 1900 kg/m , có

cứu sức

cường

kháng

đương bê tông thường

cắt, khả
năng
chịu va
chạm
của cấu
kiện bê
tông cốt
thép

tương

có thể khắc phục hạn
chế của bê tông truyền
thống và đem lại hiệu
quả kinh tế cao.
Trên thực tế, bê
tông cốt liệu nhẹ đã
được sử dụng thành
công và phổ biến trong
xây dựng nói chung và

nhằm

xây dựng cầu nói riêng

hoàn

từ hơn 70 năm qua trên

thiện
các hiểu
biết

độ

về

ứng xử
trong
kết cấu

thế giới [2], tuy nhiên
vẫn hoàn toàn mới mẻ
trên thị

trường Việt

Nam. Việc nghiên cứu
thành phần, tính chất
bê tông cốt liệu nhẹ


chịu

ứng

lực để

dụng

ứng

các kết

thiết kế thành phần của
BTCLN;
• Nghiên cứu các yếu tố

dụng

cấu

ảnh hưởng đến hai

trong

nhẹ

đặc tính quan trọng

kết cấu

hơn,

nhất của BTCLN là

cầu có

vượt

ý

được

nghĩa

khẩu

khoa

độ dài

học và

hơn

thực

trong

tiễn

kết cấu

hết sức

cầu.

to lớn,

2. Nhữ
ng
nội
dun
g
cần
giải
quy
ết

mở ra
hướng
mới
trong
việc
tìm
kiếm
vật
liệu
thay
thế cốt
liệu bê
tông
truyền
thống
cũng
như
khả
năng

• Nghiên
cứu
tổng
quan về
bê tông
cốt liệu
nhẹ;
• Nghiên
cứu vật
liệu,
phương
pháp
chế tạo;
• Nghiên
cứu

khối lượng thể tích và
cường độ chịu nén;
• Nghiên cứu các tính chất
cơ học và độ bền của
BTCLN chịu lực;
• Nghiên cứu ứng xử uốn
của dầm bê tông cốt
thép sử dụng


-2-

BTCLN chịu lực. Qua đó, đánh giá khả năng ứng dụng vật liệu
này trong công trình cầu.
3. Phương pháp nghiên cứu

- 23 -

5.4.2.2 Kiểm tra độ võng của mặt cắt giữa nhịp
Kết quả tính toán độ võng ở mặt cắt giữa nhịp do hoạt tải gây ra
được tổng hợp trong bảng 5.15.

Nghiên cứu lý thuyết để định hướng và dự kiến kết quả đạt
được, dùng thực nghiệm để kiểm chứng.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Kết quả nghiên cứu đã bước đầu làm rõ tính khả thi về mặt chế
tạo bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực có cường độ tới 60 MPa và phân
tích một số tính chất cơ học của BTCLN chịu lực. Ngoài ra, kết
quả nghiên cứu đã góp phần xây dựng một phương pháp mới

Bảng 5. 3. Tổng hợp độ võng
Độ võng (mm)
Độ võng do hoạt tải

Dầm T18-T145

Dầm T18-N128

4,5

6,7

Độ võng cho phép [fv] = L/800 = 22,25mm. Cả hai dầm đều đạt
yêu cầu về độ võng.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP
1. Những đóng góp của Luận án về mặt khoa học

thiết kế thành phần BTCLN. Các kết quả có được của luận án có

• Đề tài đã nghiên cứu chế tạo BTCLN chịu lực trên cơ sở vật liệu sét

khả năng áp dụng vào thực tế xây dựng các công trình giao thông ở

nở keramzit. Loại bê tông nhẹ chế tạo được có KLTT nhỏ hơn

Việt Nam.

2000 kg/m và đạt được cường độ chịu nén từ 30 - 60 MPa.

3

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ

• Luận án đã phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến đến cường độ cũng

1.1. Khái quát về bê tông nhẹ

như khối lượng thể tích của bê tông nhẹ; đồng thời đề xuất công

1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển

thức thực nghiệm mô tả quan hệ giữa hai đại lượng này.

Bê tông nhẹ đã được sử dụng từ thời cổ đại. Sau khi đế chế La

• Đề tài đã sử dụng phương pháp đồng nhất hóa vật liệu để đề xuất

Mã sụp đổ, việc sử dụng bê tông nhẹ trở nên hạn chế cho đến thế

công thức dự báo cường độ của BTCLN trên cơ sở các mô hình cơ

kỷ 20 khi cốt liệu nhân tạo mới được sử dụng phổ biến. BTCLN

học. Từ đó đề xuất một phương pháp thiết kế thành phần BTCLN.

cường độ cao đã được sử dụng trong nhiều công trình từ nhà cao

• Một số tính chất cơ học và độ bền của BTCLN chịu lực đã được

tầng, cầu lớn cho đến các công trình ở ngoài khơi [25], [45], [57],

nghiên cứu và phân tích. Từ đó đề xuất các công thức thực nghiệm

[62].

xác định mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo khi bửa, cường độ chịu

1.1.2 Khái niệm và phân loại bê tông nhẹ

kéo khi uốn theo cường độ chịu nén của BTCLN. Đề tài cũng đánh

Nhìn chung, bê tông được xem là nhẹ khi có khối lượng thể tích

giá sơ lược về độ chống thấm và thấm ion clo của vật liệu BTCLN.

nhỏ hơn 2000 kg/m . Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-2013 [48],

• Luận án đã nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép chế tạo

bê tông nhẹ được phân loại theo khối lượng thể tích thành 6 cấp từ

từ BTCLN. Từ các kết luận ban đầu về ứng xử của kết cấu

D1,0 đến D2,0 hoặc theo cường độ chịu nén thành 14 cấp từ

BTCLN. Đề tài cũng đã thực hiện phân tích số ứng xử uốn của dầm

3

LC8/9 đến LC80/88. Theo ACI 213R-87 [24], bê tông nhẹ được
chia làm 3 loại


- 22 -

-3-

b, bw là bề rộng bản cánh và sườn dầm, mm

bê tông nhẹ kết cấu, bê tông nhẹ cường độ thấp và bê tông nhẹ khối

hf là chiều dày cánh chịu nén, mm

lượng thể tích nhỏ.

ds là khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trọng tâm cốt thép chịu

1.2. Vật liệu chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ

kéo, mm

1.2.1 Nguồn gốc và phương pháp sản xuất cốt liệu nhẹ

a là chiều cao khối ứng suất tương đương a = β1.c

Cốt liệu nhẹ có thể có nguồn gốc tự nhiên (đá bọt, đá núi lửa, xỉ

β1 là hệ số chuyển đổi ứng suất khối

núi lửa, đá vôi, vỏ cọ...) hoặc nhân tạo bằng cách xử lý nhiệt các vật

c là khoảng cách từ mép trên của dầm đến trục trung hòa

liệu có tính nở (keramzit, aglôpôrit, peclit, vermiculite, thủy tinh, tro

Bảng 5. 13. Tổng hợp sức kháng uốn
Mô men uốn (kNm)
Sức kháng uốn danh định Mn

bay, xỉ lò cao, tro đáy lò nở..).
Dầm T18-

T145

N128

- Độ rỗng và vi cấu trúc: độ rỗng cốt liệu nhẹ lớn hơn nhiều so với

4101,0

3594,5

cốt liệu thông thường. Kích thước và sự phân bố của các lỗ rỗng có

Sức kháng uốn tính toán Mr =
3690,9
3235,0
φM
n
Từ Bảng 5. 2 và Bảng 5. , cho thấy ở mặt cắt giữa nhịp cả hai
dầm T145 và N128 đều có sức kháng uốn danh định lớn hơn mô
men

1.2.2 Các tính chất cơ lý của cốt liệu nhẹ

Dầm T18-

ảnh hưởng đến khối lượng thể tích xốp và khả năng chịu lực của các
cốt liệu nhẹ nhân tạo, đặc biệt quyết định độ hút nước của cốt liệu.
- Khối lượng thể tích: khối lượng thể tích xốp của cốt liệu nhẹ
3

uốn tính toán. Cả hai
dầm đều đạt yêu cầu về
sức kháng uốn theo

thường
biến đổi
từ 350 –
1100
kg/m

AASHTO 2007 và
22TCN 272-05.

uốn dự trữ cho hoạt tải

Bảng 5.14.
So sánh sức
kháng uốn
của hai dầm
Mô men (kNm)
Sức kháng uốn tính toán Mr
Mô men uốn do tĩnh tải
Mô men uốn cho phép do hoạt tải
[Mh] = Mr - Mt
Bảng 5.14 cho thấy
hai dầm có sức kháng

[89].

[Mh] là xấp xỉ nhau.


- Độ hút nước: độ hút

liệu,

KLTT của bê

nước 24h của đá phiến

tông còn phụ thuộc

sét nở dao động từ 10

vào cấp phối cốt liệu,



khối

độ ẩm cốt liệu, hàm

lượng trong khi của

lượng khí, hàm lượng

cốt liệu từ sét nở biến

xi

đổi từ 15 - 31% [44].

N/CKD, phụ gia hóa

20%

theo

- Tính chất cơ học: mô

tỉ

lệ



phụ

gia

đun đàn hồi tương

khoáng…

cũng

như

đương của cốt liệu

phương pháp đầm nén,

nhẹ biến đổi từ 2 đến

điều kiện bảo dưỡng…

17GPa [71].
1.3. Các tính chất của
bê tông cốt liệu
nhẹ
- Khối lượng thể tích:
ngoài KLTT của cốt

học

măng,

- Cường độ nén: phụ
thuộc vào đặc trưng
của cốt liệu, chất lượng
của vữa và sự tương
thích về độ cứng giữa
hai pha cốt liệu và vữa.


--241--

- Mô đun đàn hồi: nhỏ hơn so với bê tông truyền thống do mô đun
đàn hồi của cốt liệu nhẹ thấp hơn của cốt liệu nặng thông thường.
- Hệ số giãn n ởnhiệt: th ấp, thường lấy bằng 8×10–6/°C [28], [67].
- Từ biến: có thể cao hơn so ới
v bê tông thường do cốt liệu có độ
300

cứng thấp hơn và tỉ lệ vữa xi măng nhi ều hơn
địnhco ngót của BTCLN cấp từ
- Co ngót: EN 1992-1-1 [28] q4 xui1860
LC20/22 trở lên cầnHđưìnợhc 5tí.n1h. tMănặgt clêắnt n2g0a
%ngsocầvuới bê tông thường có c5ù.4n.g2 cườKnếgt
đqộuảvàtí5n0h%továớni BTCLN cấp từ LC16/18 trở xuống.
- Đ ộ b ề n: v iệ c sử d ụ n g c ố t li ệu n hẹ
5. 4. 2. 1 K iể m t ra sứ c k h á n g u ố n củ a
kh ô n g ả n h h ư ở n g đến độ bền ở
m ặ t c ắt g i ữ a n h ị p
t u ổ i m u ộn c ủ a b ê tô n g , d o đ ộ r ỗn g
K i ể m t ra sứ c k h á ng u ố n c ủa m ặ t cắ t
c ủ a cố t l iệ u nh ìn c hung là không
g iữ a n hị p M
≤ φ M
u
n
lTiêronntgụcđóvà
kh
ông
ản
h


n
g
đ
ế
n
độ
n
M
là m ô m e n k h á ng uốthnấdmanchủađịbnêhtông.
1.4. BTCLN

φ = 0,9

tr o n g x â y d ự
φ l à h ệ s ố s ứ c
n g c ầ u
k há n g
B T C L N t r on g c á c t i êu c h u ẩ n th i ế
1.4.1M ô m e n u ố n ở m ặ t c ắ t gi ữ a n h ịp d ư
t
k ế cầ u

i t ác đ ộng
của
tĩnh
tải,
hoạt
tải
M

c
n
à
y
t

n
g
h

đ ượ c đ ư ợ c t ổ n g
h ợpp
tcráocngqubiảđnịgn5h.1v2ề. BTCLN trong xây dựng cầu của
các tiêu cBhảunẩng V5.iệ2t. NTổanmg, hMợỹp vmàôcmhâeun
Âuốun, ptíhnâhntotíácnh sự khác biệt so với bê tông nặng
thông thường.
Tải trọng (kNm)
Dầm T18-T145 Dầm T18-N128
1.4.2 Ưu nhược điểm khi sử dụng BTCLN trong xây dựng cầu
Mô men uốn do tĩnh tải
1732,6
1278,7
Ưu điểm: giảm trọng lượng bản thân cầu, sử dụng cần cẩu với
Mô men uốn do hoạt tải
1552,5
1507,4
đối trọng nhỏ hơn hay có thể chia thành các khối đúc lớn.
3285,1
2786,1
Mô men uốn tổng cộng
Nhược điểm: đắt hơn, yêu cầu lượng xi măng lớn hơn để đạt đến
cùng
 khi
a vận chuyển và lắp đặt.
 cường độ và đòia hỏi cẩn trọng hơn

Md = A f

−

0,85 f '
b

b β h

hf 


(5.12)


g−iảm )sức c hịu −các t ác nhân hóa

BTCLN cũng giòn và yế+u



hơn, làm(
n

S

y



s

2 

c

w

1 f

2



2

học, dù cường đ ộ của B TCLN cao hơn so với bêtông thường.
1T.r4o.n3gCđáóc: khuyến cáo khi ứng dụng BTCLN trong công
2

As làPdhiầện
tnícàhy
ctốrìtnthhébpàcyhịmu
trình
cầu
ộktéos,ốmkmhuyến cáo khi sử dụng BTCLN tfryolnàg

độ chịu nén đặc trưng của bê tông tuổi 28 ngày,
icớlàôicường
nhgạntrìcnhhảycầcuủ,acchốủt ythếéuplàchcịáuckléưou, Mý
MPa
Pvềa cốt thép do ảnh hưởng cfcủa cốt liệu nhẹ yếu dẫn đến không
chặn được sự lan truyền vết nứt


- 20 -

-5-

đi xuống của biểu đồ tải trọng – độ võng). Đây là dạng phá hoại

và làm giảm cường độ chịu kéo.

điển hình của dầm bê tông nặng thông thường.

1.5. Tình hình nghiên cứu và sử dụng BTCLN ở Việt Nam

Sức kháng uốn của dầm BTCLN tính từ tiêu chuẩn AASHTO

Các nghiên cứu về cốt liệu và BTCLN được tiến hành bởi một

có thể được sử dụng để nhận được đánh giá an toàn cho kết cấu

số tác giả như: Nguyễn Đình Nghị và cộng sự (1995) [13], Nguyễn
Văn Chánh, Lê Phúc Lâm (2005) [3], Nguyễn Mạnh Kiểm, Cao

chịu uốn.

Duy Tiến (1985) [11], Nguyễn Tiến Đích, Nguyễn Đăng Do
(2001) [5],
Nguyễn Văn Đỉnh (2001) [6], Nguyễn Duy Hiếu (2009) [8] đã mở
đầu cho các nghiên cứu về loại vật liệu này tuy nhiên khối lượng
còn hạn chế. Gần đây một số đơn vị trong nước đã nghiên cứu sản
xuất BTCLN chịu lực, ứng dụng trong một số công trình sử dụng bê

Hình 5. 9. Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng của các dầm

tông nhẹ cường độ 20-25 MPa [8].

thí nghiệm

Chương 2: VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ

5.4. Phân tích sức kháng uốn của dầm cầu BTCLN cấp 40 MPa

TẠO BTCLN

theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2007 (22 TCN 272-05)
5.4.1

Vật liệu và kích thước hình học của kết cấu nhịp

Phân tích hai dầm cầu bê tông cốt thép mặt cắt chữ T, chiều dài
18m, có cùng cường độ chịu nén đặc trưng là 40 MPa; bằng bê tông
3

nặng thông thường có KLTT là 2400 kg/m và BTCLN có KLTT

2.1. Vật liệu chế tạo BTCLN
Phần này trình bày các tiêu chuẩn và kết quả thí nghiệm các tính
chất đặc trưng của các vật liệu sử dụng trong nghiên cứu để chế tạo
BTCLN. Cốt liệu nhẹ sử dụng là 4 loại sỏi keramzit có KLTT từ
0,97
3

3

– 1,38 g/cm .

bằng 1700 kg/m .
Bảng 5. 1. Đặc tính của các dầm BTCT tính toán

2.2. Phương pháp chế tạo mẫu thử BTCLN
2.2.1 Chuẩn bị vật liệu

Kí hiệu

Chiều cao (mm)

fc’ (MPa)

Cốt thép dọc chủ

T18-T145

1450

40

14φ28

Cốt liệu nhẹ sau khi sấy khô 24h, được để nguội trong điều kiện

T18-N128

1280

40

14φ28

nhiệt độ phòng. Sau đó, được lắc đều trong vòng 5 phút, với lượng

Kết cấu nhịp cầu có mặt cắt ngang gồm 5 dầm T18 (hình 5.11).
Hoạt tải thiết kế HL93 theo AASHTO 2007 (22 TCN 272-05).

nước bằng độ hút nước 24h trong một thùng nhựa bịt kín
2.2.2 Nhào trộn hỗn hợp
Hai qui trình nhào trộn đã được thử nghiệm.
9000


-6-

- Qui trình 1: ban đầu nhào trộn hỗn hợp vữa xi măng – cát bằng máy
trộn vữa (hình 2.9), sau đó hỗn hợp vữa và cốt liệu ẩm được nhào
trộn bằng tay trong vòng 5 phút trước khi đổ khuôn.
- Qui trình 2: ban đầu xi măng, cát và muội silic được trộn khô, sau
đó thêm nước và phụ gia dẻo; cuối cùng cốt liệu ẩm được thêm vào
máy trộn bê tông kiểu cưỡng bức (hình 2.10).

- 19 -

5.3.1

Vật liệu và thành phần BTCLN và mẫu dầm thí nghiệm

BTCLN dùng để đúc dầm là loại LC50 chế tạo từ sỏi STL 5/20,
với thành phần và các tính chất cơ học được lấy theo kết quả thí
nghiệm ở chương 4 và trình bày trong

Error! Not a valid

bookmark self-reference..
Bảng 5. 1. Thành phần và tính chất của bê tông dầm thí
nghiệm


3

Thành phần của hỗn hợp bê tông/1m
Tỉ lệ

X

N/CKD (kg)
0,24

587

N

MS

(kg)

(kg)

155

58,7

S

C

Tính chất bê tông
f c’

Ec

(kg) (kg) (MPa) (GPa)
486 639
57,5
24,3

fr
(MPa)
4,7

Các mẫu thí nghiệm được chuẩn bị là ba dầm bê tông cốt thép
Hình 2.10. Trộn bê tông

Hình 2.9. Trộn vữa bằng máy

bằng máy trộn kiểu cưỡng

trộn kiểu hành tinh

0,

5P

thước 125 x 230 mm.
Các dầm được tiến hành thí nghiệm uốn 4 điểm, chiều dài nhịp

bức

2.2.3 Đổ mẫu, đầm nén và bảo dưỡng
Qui trình đ ổ mẫu, đ ầm nén và bảo dưỡng
thông
2φ8

giản đơn có khẩu độ 1400 mm và mặt cắt hình chữ nhật có kích

0,5P

hường như với

(khoảng cách giữa hai gối đỡ) được ấn định là 1200 mm (hình 5.7).

125

2φ8
bê tông truyền
230
thống.
30
φ6a100
170
Chương 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH30 PHẦN B2φT12CLN
3.1. Các phương pháp thiết kế thàn h phần BTCLN
23
0

φ6

2φ12

30 70

12x100
1400

a100

70 30

30 65 30

Phần này tổng hợp các phương pháp thiết kế thành phần bê tông
của ACI 211-2 [28], Chandra-Bertsson [45] và Bazenov [2].
3.2. Phương pháp đồng nhất hóa vật liệu composit và mô hình dự
báo cường độ bê tông

Hình 5.7. Cấu tạo chi tiết mẫu dầm thí nghiệm
5.3.2

Kết quả thí nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCLN

Đường cong tải trọng - độ võng (hình 5.9) của các dầm BTCLN

Giả thiết bê tông là vật liệu hỗn hợp đàn hồi, đồng nhất, đẳng

cho thấy dưới tác dụng tải trọng ngắn hạn dầm chế tạo từ BTCLN có

hướng gồm 3 pha: cốt liệu, hồ xi măng và cát. Mỗi pha thành phần

cùng một xu hướng (ban đầu tuyến tính, tiếp theo là cốt thép bắt đầu

cũng là một vật liệu đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng. Đồng nhất

chảy và cuối cùng phá hủy bê tông do vỡ bê tông đặc trưng bởi

hóa là phương pháp xác định ứng xử cơ học đồng nhất của vật liệu

vùng




- 18 -

Quan hệ giữa cường độ kéo uốn fr và cường độ nén fc trên cơ sở
thực nghiệm có thể được đề xuất như sau:
fr = 0,68 ƒfc
(4.15)
4.5. Độ chống thấm nước và thấm ion clo của BTCLN chịu lực

-7-

tông từ các đặc trưng cơ học của các thành phần, tỉ lệ cũng như các
tính chất về hình thái và bề mặt của chúng.
3.2.1 Các phương pháp đơn giản để đồng nhất hóa vật liệu
- Mô hình Voigt (mô hình song song): coi biến dạng tại mọi điểm

Kết quả thí nghiệm độ chống thấm BTCLN cho thấy loại bê

trong vật liệu là như nhau. Tensơ độ cứng đồng nhất Cv* của vật liệu

tông LC40 bị nước thấm qua ở áp lực 12 atm, đạt được cấp chống

là trung bình cộng theo thể tích (c1, c2) của các tensơ độ cứng (C1,

thấm B10. Trong khi hai loại LC50 và LC60 áp lực nước lớn hơn

C2) của các pha.

12 atm, mẫu vẫn chưa bị nước thấm qua, đạt được cấp chống thấm

C v* = c 1 C

lớn nhất B12. Kết quả này cũng tương tự như bê tông nặng thông
thường.

( 1)

( 2)

+ c 2C = C
(1)
C )

(1)

+ c2 (C

(2)



- Mô hình Reuss (mô hình nối tiếp): coi trường ứng suất trong vật

Mức độ thấm ion clo tăng từ 166 đến 193C khi cường độ chịu

liệu composit 2 pha là đồng nhất. Tensơ độ mềm tương đương SR*

nén trung bình giảm từ 69 xuống 50 MPa. Mức độ thấm rất thấp

của vật liệu được tính bằng trung bình cộng theo thể tích (c1, c2) của

tương đương giá trị trung bình đo được trên các loại bê tông nặng

các tensơ độ mềm (S1, S2) của các pha.
SR* = c1S

cường độ nén bằng 80 MPa [14], [66].
Chương 5: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ
UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG BTCLN
5.1. Cơ sở lý thuyết ứng xử uốn của cấu kiện chịu uốn
Phần này tóm tắt lại các giả thiết để xây dựng điều kiện tương
thích về biến dạng, các điều kiện cân bằng được khi tính toán sự làm

(1)

+ c2S

(2)

=S

(1)

+ c2(S

(2)

(1)

-S )

- Giới hạn của Hashin – Strikman [56]: biểu diễn theo mô đun nén K,
mô đun cắt G và tỉ lệ thể tích hai pha đã được thiết lập với trường
hợp vật liệu n pha đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng. Cân bằng giữa
K và G dẫn tới biểu thức tính mô đun đàn hồi tổng cộng E* của vật
liệu composit hai pha với Vg là tỉ lệ thể tích của cốt liệu [61].
v
(3.13)
E
i
5.2. Phương pháp phân
tích các giai đoạn làm
tích dầm BTCLN

việc của dầm BTCLN

chịu uốn thuần túy

chịu uốn thuần túy theo

theo tiêu chuẩn

tiêu chuẩn AASHTO.

AASHTO LRFD 2007
Phần này trình bày
các nguyên tắc cơ bản
của

tiêu

AASHTO

2007

chuẩn
[67]

trong tính toán kết cấu
bê tông cốt thép và phân


(1−
Vg )
Eg
+ (
1+
Vg )
Em
3.2.2 Mô hình nối
tiếp/song song để
dự báo cường độ
của BTCLN
De Larrard [92]

Voigt và Reuss thành
một mô hình có khả
năng dự báo tốt ứng xử
của BTCLN (hình 3.4).
Mô đun đàn hồi của
vùng song song E* = (1
2/3
2/3
– g )Ev + g Ecl
Trong đó Ev , Ecl là mô
đun đàn hồi của vữa và
CLN

đã kết hợp 2 mô hình
5.3. Nghiên cứu thực
nghiệm ứng xử
uốn của dầm
BTCLN

Ứng
suất
trong

)E
v
+
E
v2
2 g
/

/

3

3

Ecl

σ

v

vùng nối
tiếp: σ
=

(1–g

Khi ứng
σ đạt tới
giới hạn thì
Rb (cường
nén


-8của bê tông); σv = Rv (cường độ chịu nén của
vữa):

- 17 -

Trong nghiên cứu này, quan hệ giữa cường độ kéo bửa fct và
REclE
cường độ
r) ].
[1 R
nén fc có thể
(1g v
2/
mô tả bằng
(
3
3
phương
.
trình 4.13.
1
Kết quả
4
)
cũng rất
khớp so với
đề xuất của
ACI 3182011 và EN
1992-12004.
3

2

(4.13)
fct = 0,23 ƒfc

Hình 3.4. Mô hình nối tiếp/song song
biến động để dự báo cường độ vữa xi

3.2.3 Mô hình
măng - cát

giữa hai pha là lý
tưởng.

Xét một phần tử

T

đặc trưng V, bao gồm

í

đá xi măng M và cốt

n

liệu cầu G, chịu một

h

trường ứng suất dọc
o

trục không đổi σ = σ .

đ

Hai pha đồng nhất và

ế

đẳng hướng, có ứng

n

xử đàn hồi tuyến tính
với mô đun đàn hồi

s

Em và Eg. Liên kết




c

đ

k



ư

h

t

a

ô
l

v

g

i

à



o

u

ư


t
í

m

c
h

ơ

v



n

à

t

g
t

t
h

n

t

n

c
đ

t



á

r

t

h

ư

í

x



l

c

i

n

i

g



h
m

u

v

ă

b



n

i

b

g

ế



,

n

n

đ


g
S

d

c

h



c



i

n

á

n

n

g

c

g

k

h
ε

g

[

i

9



5

a

]



t
r
ê


trung

bình

tăng từ 50,3

Hình 4. 14. Quan

lên 69,4 MPa,

hệ

cường

giữa

độ

chịu kéo khi

cườn

uốn

g độ

trung

bình tăng lên

kéo
bửa


S trên ε : ε = Sε

xét

rằng BTCLN

BTC

chế tạo từ cốt

LN

liệu thô nhẹ

của

và cát thường

các

có cường độ

tác

chịu kéo khi

giả

uốn thấp hơn

khác

của bê tông

nhau

nặng, giá trị
trung

quả

bình

nghiệm

bằng 0,73 lần

cho thấy khi

so với bê tông

cường

cường độ cao

thí

chịu

độ



nén

cùng

cường độ nén.
c
h

p

4,85 lên 5,77

nén

Kết

o

Biết σ = Emε => σ =
Em(ε
ε ) trên V. Sự biến

tương ứng từ

nhận

g độ

(3.17)
o

động ε thường được
xác định nhờ nhân tố

MPa. Có thể

cườn

ô
o
p
nσ = σ + σ =
=V-G

ứng Hình
suất 3.6.
và được
ồng nhất tương
Vật rắn
kh ng một trường
và đồng n
như vật (trái)
rắ
biến dạng nhận
n không đồng nhất (Hình 3.6).
o

p

o

p

Em(ε – ε*) = Em (ε + ε )
M

trên
*

= Em (ε + ε – ε )

trên G

p

hệ giữa cường độ kéo uốn và cường
độ nén của bê tông


- 16 -

-9-

Bảng 4. 10. So sánh mô đun đàn hồi của BTCLN thí nghiệm và

S là ten xơ định vị ứng suất và biến dạng độc lập với tính chất cơ học

các tài liệu tham khảo

của cốt liệu (Eshelby [49]).
Trong trường hợp N hạt cốt liệu, sử dụng phương pháp cộng tương

Độ lệch giữa giá trị mô đun đàn hồi

Cường
độ chịu

KLTT,

nén,

kg/m

3

MPa

thực nghiệm và tài liệu tham khảo,
Thực

ACI

EN

NS

Zhang

nghiệm

318

1992-1

3473

và Gjorv

69,4

1989

100

+ 17.3

+ 18.7

- 2.6

- 13.9

59,7

1890

100

+ 7.5

+ 9.3

- 8.0

- 17.0

+ 7.2

+ 8.1

- 5.1

- 8.7

50,3

1731

100

p

đương. Biết tổng các biến động của trường ứng suất bằng 0: Vg(σ )G+(1
p

V
p
* g)(σ )M= 0.
G

= (σ )M + Em(S-1)ε
Tính được ứng

suất lớn nhất đặt
1

vào đá xi măng
và cốt liệu theo

cường độ nén của

cốt liệu, fcg,và của
đá xi măng fcm:
σ

o

M

= [1

VgEm(S

1

1)α (Em

1

fcm
(3.37)

Eg)E
m ]
σ

o

G

= [1 + (1

Từ kết quả thực
nghiệm, đề xuất công
thức tính mô đun đàn hồi
của BTCLN theo cường
độ chịu nén và KLTT
của bê tông như sau:

Vg)Em(S
1
(Em
1
1
m ] fcg
Với α = (1

1)α
Eg)E
(3.38)
Vg)(Eg
Em)S
Vg(Em

Eg)
+ Em
GCường độ nén của vữa
o

o

Rv = min[σ M, σ ]
(3.39)


r0,3

E

q

() b 1,5
(4.9)
2

1

4

50

0

3.2.4 Áp dụng mô hình biến
động và mô hình nối
tiếp/song song

0

f
4.4. Cường độ chịu
kéo của BTCLN chịu
lực
Khi

cường

độ

để tính
BTCLN

cường

độ

- Xác định gần đúng
các đặc trưng của hồ

chịu nén trung bình

xi măng theo công

tăng từ 50,3 lên 69,4

thức của Marchand và

MPa, cường độ ép chẻ

đồng sự [93]:
E

lên 4,12 MPa. BTCLN

h

chế tạo từ cốt liệu thô
cường độ chịu kéo bửa
thấp hơn của bê tông
nặng, giá trị trung bình
bằng 0,88 lần so với bê
tông cường độ cao có
cùng cường độ nén.

Quan hệ giữa cường độ chịu kéo
bửa và cường độ
nén của bê tông

R
h

=

trung bình tăng từ 3,30

nhẹ và cát thường có

(
3
.
4
0
)

=
3
1
3
6
+
4
3
7
4
2
l
o
g
(
X
/
N
)

4
1
)
- Xác định gần đúng các
đặc trưng của vữa xi
măng từ mô hình biến
động: mô đun đàn hồi
tính

theo

công

thức

(3.13), cường độ của
vữa tính theo công thức
(3.37), (3.38) và (3.39).
- Xác định cường độ của

(
E

BTCLN từ mô hình

h

(3.14) khi biết mô đun

nối

tiếp/song

song

1
7
0
2
)
/
3
2
2

đàn hồi Ecl có thể tính

(
3
.

nối tiếp/song song để

được nhờ quan hệ đề
c

xuất
1

bởi

Holm

Bremner

[34]:

Ecl


=

2

0,008q
Trong đó ρcl là khối
lượng riêng (KLTT
3 hạt)
của cốt liệu (kg/m )
3.3. Sử dụng mô hình
biến động và mô hình
thiết kế thành phần
BTCLN


- 10 -

3.3.1 Vật liệu và

- 15 -

pháp thí nghiệm

Phphương ần này

bốn loại sỏi và qui trình trộn thứ nhất.

3.3.2 Csử dụng cả ác

hành

phầnN

Bước 1bước thiết kế t

BTCL am số đầu

- Tỉ lệ : Lựa chọn cácnvào

KLTT của bê tông nhẹ. Tỉ

lệ cốt lith CLN được lựa theo yêu cầu về0,4 thể tích bê

[45].

- Tỉ lệ chọ

của bê

ệu

thườngng

khoảng

từttông

Hình 4. 6 Dạng phá hoại BTCLN khi nén dọc trục

nằm tro
tông cường
độ cao thường0,2–
nằm trong khoảng từ 0,25–0,4 [70].

Kết quả thí nghiệm đã chứng minh cường độ chịu nén lên tới

- Chọn lượng nước sử dụng N và lượng phụ gia dẻo: quyết định tính

hơn 60 MPa có thể đạt được ngay cả khi sử dụng cốt liệu nhẹ và

công tác của bê tông.

rỗng.

Bước 2: Tính toán các thành phần
- Tính lượng xi măng X và lượng muội silic MS:
m
CKD = N : (N/CKD) = X + MS = X +
X
X = CKD/(1 +

m

); MS =

m

.X

liệu nhẹ
khối lượng riêng (KLTT hạt) của cốt liệu nh
cát C theo nguyên tắc thể tích tuyệt đối:

qX

GPa và LC40 là 20,6 GPa; nhỏ hơn so với của bê tông truyền thống
100

Trong đó m là hàm
lượng muội silic

Vs.ρs à thể tích cốt

(1000 – Vs –

Mô đun đàn hồi của BTCLN LC60 là 27,1 GPa; LC50 là 25,4

100

cốt liệu nhẹ S =

X

4.3. Mô đun đàn hồi của BTCLN chịu lực

đ

í

ó

n
h

V
s

– N – Vk). ρc
qMS

g

-T

MS



100

l
ư

n
g

l
ρs là

- Tính lượng
C=

T

Trong đó Vk

r

Bước 3: Tính các đặc
trưng cơ học của vữa và
bê tông

o
n


Từ tỉ lệ giữa các
thành phần tính được

vì cốt liệu nhẹ yếu hơn
cốt liệu nặng thông
thường.

cường độ và mô đun
đàn hồi của vữa, cường
độ nén của bê tông theo
các công thức ở mục
3.2.

Bước 4: Thực

nghiệm kiểm tra
Sau khi tính toán
các đặc trưng cơ học,

Hình 4. 8. Quan hệ

thành phần bê tông

giữa mô đun đàn

được

hồi và cường độ

kiểm tra điều

chỉnh
nghiệm.

bằng

thực

chịu nén BT Kết
quả thực nghiệm
dường như phù hợp
nhất với tiêu chuẩn
Na
Uy NS 3473-1992 (bảng
4.10). Tiêu chuẩn ACI
318 và EN 1992-1-1
đánh giá quá cao đặc
trưng đàn hồi của vật
liệu.


- 14 -

- 11 -

Độ chống thấm

150x150

6

6

6

Độ thấm ion clo

50x100

6

6

6

3.3.3 Tính toán thành phần bê tông và các đặc trưng cơ học theo mô
hình nối tiếp/song song và mô hình biến động

Sỏi STL 5/20 được lựa chọn để chế tạo BTCLN chịu lực. Phương

Phần này trình bày kết quả tính toán cường độ BTCLN theo

pháp thiết kế thành phần BTCLN theo mô hình biến động và mô

phương pháp ở mục 3.3.2. Thành phần hồ xi măng và vữa xi măng –

hình nối tiếp/song song và được nhào trộn theo qui trình 2 ở

cát qui đổi được tính toán theo nguyên tắc giữ nguyên tỉ lệ N/CKD.

chương 2. Thành phần của ba loại bê tông có cường độ chịu nén

Kết quả thí nghiệm độ sụt của tất cả các hỗn hợp đều lớn hơn 20

đặc trưng là 40, 50 và 60 MPa được trình bày ở bảng 4.2.

cm, thỏa mãn mục tiêu thiết kế đề xuất. KLTT của bê tông tươi đo

Bảng 4. 2. Thành phần BTCLN chịu lực
Loại BTCLN

LC60

fc’ (MPa)

3.3.4 Kết quả thực nghiệm thành phần bê tông

LC50 LC40

3

được dao động từ 1724 đến 2104 kg/m . Độ lệch giữa kết quả thực
nghiệm và giá trị tính toán trung bình là 2,9%.

60

50

40

N/CKD

0,24

0,24

0,24

Xi măng (kg)

587

587

587

Nước (kg)

155

155

155

Cát (kg)

844

639

493

Cốt liệu nhẹ (kg)

381

486

591

3.4. Ảnh hưởng của thành phần đến các tính chất của BTCLN

Muội silic (kg)

58,7

58,7

58,7

3.4.1 Khối lượng thể tích của bê tông

Phụ gia dẻo (kg)

8,81

8,81

8,81

KLTT của bê tông chế tạo từ sỏi STL5/20 là khá lớn, biến đổi từ

Nước làm ẩm sỏi (kg)

23,41

29,89

36,36

2057

1964

1871

1926 lên 2093 kg/m ; chỉ khi tăng tỉ lệ sỏi lên 0,3 thì mới có thể chế
tạo được bê tông nhẹ. Khi dùng sỏi SBL10/20 và STN2,5/5, KLTT

3

KLTT BT tươi tính toán (kg/m )

Cường độ chịu nén biến đổi từ 26,2 đến 63 MPa. Hầu hết các
kết quả đều có mức độ sai khác giữa tính toán và thực nghiệm là
nhỏ hơn 15%. Giá trị lệch trung bình giữa tính toán theo mô và
giá trị thực nghiệm là 10,1 MPa, tương đương 4,2%. Như vậy,
cường độ bê tông dự báo bằng mô hình tính toán là khá chính xác.

3

3

4.2. KLTT và cường độ
chịu nén của BTCLN
chịu lực
Cường độ chịu nén
của BTCLN cho
thấy cường độ chịu
nén đặc

của bê tông hay có thể
phần lớn
chế tạo
nhỏ hơn
được bê
2000 kg/m
tông thỏa
mãn tiêu
chí thiết kế
về KLTT.

3

3

trưng của BTCLN LC60
là 62,6 MPa; LC50 là
57,5 MPa và LC40 là

xuyên qua cốt liệu với

45,7 MPa. Các đường

tông (hình 4.6). Điều này

phá hoại bê tông đều đi

có thể được giải thích

tất cả các cấp phối bê


Khi tỉ lệ thể tích
tuyệt đối của cốt liệu
giảm xuống 0,2 m /m

tông, phần lớn KLTT

2000 kg/m . Khi tăng

của bê tông vượt quá

dưới 1900

3

thể tích lên 0,35,
KLTT của bê tông
phần lớn giảm xuống
3

là do liên kết tốt giữa
cốt liệu và đá xi măng
cũng như khả năng chịu
l


với mọi loại cốt liệu. Khi
cần thiết kế bê tông có yêu
cầu chặt

c
h


- 12 -

- 13 -

3.4.3 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và KLTT của BTCLN
Biểu thức quan hệ giữa cường độ nén và KLTT của
2

BTCLN: fc = 145,8ρb – 473,8ρb + 412,4

của loại
Hình 3.11. cốtẢnh
liệu hưởng
đế
(N/C
n KLTT của BTN
3.4.2 Cường
KD = 0,24)

Hình 3.12. Ảnh hưởng của loại của BTN
cốt liệu đến KLTT26)
(N/CKD = 0,

độ chịu nén của BTCLN
3

Khi KLTT cốt liệu nhẹ tăng từ 0,97 đến 1,38 kg/m , cường độ

Hình 3.19. Quan hệ giữa cường độ chịu nén và KLTT của BTCLN

chịu nén của bê tông tăng mạnh từ 26 đến 63 MPa. Bê tông dùng sỏi

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH

STN 2,5/5 có cường độ chịu nén tuổi 28 ngày thấp nhất. Ngược lại,

CHẤT CỦA BTCLN CHỊU LỰC

bê tông sử dụng sỏi STL 5/20 có cường độ chịu nén cao nhất.
Với tỉ lệ thể tích cốt liệu nhẹ là 0,2, tất cả kết quả thử cường độ

Mục đích của chương này là hiểu rõ các giới hạn của BTCLN
chịu lực khi chịu tải cơ học, sự khác biệt về các tính chất đặc trưng

nén của bê tông đều lớn hơn 40 MPa. Ngược lại, ở tỉ lệ thể tích 0,35,

giữa BTCLN và bê tông nặng thông thường.

cường độ bê tông dùng hai loại sỏi Bemes thấp, không đạt mục tiêu

4.1. Vật liệu, thành phần, phương pháp chế tạo BTCLN chịu lực

nghiên cứu. Khi sử dụng thể tích cốt liệu nhẹ bằng 0,28, có thể chế
tạo BTCLN chịu lực với cường độ đạt được hơn 40 MPa.

Số lượng mẫu cho mỗi phép thử được tổng hợp trong Bảng 4.
.
Bảng 4. 1. Kế hoạch thí nghiệm các đặc tính của BTCLN chịu lực


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×