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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013


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

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

Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2013
Tác giả

Nguyễn Lộc Kha


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.....................................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ......................................................................................... x
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...............................................................................xiii
MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG
CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM .......................................... 4
1.1. Các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận án đã được công
bố trên thế giới................................................................................................ 4
1.1.1. Mở đầu: ........................................................................................................... 4
1.1.2. Các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao ở Hoa Kỳ x45x; x48x; x49x ........ 5
1.1.3. Các nghiên cứu và ứng dụng về bê tông cường độ siêu cao ở Châu Âu và
Châu Á............................................................................................................ 9
1.1.4. Các vật liệu chế tạo của bê tông cường độ siêu cao ....................................... 13
1.1.5. Các ứng xử cơ học của bê tông cường độ siêu cao ........................................ 17
1.1.6. Độ đặc và độ khuếch tán Ion Clo của bê tông cường độ siêu cao ................. 20
1.1.7. Co ngót và từ biến của bê tông cường độ siêu cao......................................... 22
1.1.7.1. Co ngót ....................................................................................................... 22
1.1.7.2. Từ biến: ...................................................................................................... 23

BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO ................................................................................ 52
3.1. Mở đầu ............................................................................................................. 52
3.1.1. Cường độ chịu nén ........................................................................................ 52
3.1.2. Ứng xử kéo khi uốn ....................................................................................... 53
3.1.3. Quy trình thí nghiệm uốn mẫu lăng trụ và phân tích ..................................... 54
3.1.4. Kích thước mẫu (theo tiêu chuẩn Châu Âu) .................................................. 54
3.2. Chế tạo các mẻ trộn thử .................................................................................... 57
3.2.1. Kế hoạch thí nghiệm...................................................................................... 57
3.2.2. Hỗn hợp bê tông thử nghiệm ......................................................................... 58
3.3. Các kết quả thí nghiệm ..................................................................................... 60


v
3.3.1. Kết quả thử nghiệm độ chảy lan, cường độ chịu nén theo bảng 3.6; 3.7; 3.8 và
các hình 3.3; 3.4; 3.5; 3.6 ................................................................................ 60
3.3.2. Kết quả thử nghiệm cường độ chịu kéo - uốn ................................................ 63
3.3.3. Thử nghiệm Mô đun đàn hồi ......................................................................... 70
3.3.4. Kết luận về khả năng chịu nén, kéo khi uốn và mô đun đàn hồi của bê tông
cường độ siêu cao ........................................................................................... 73
3.4. Qui trình chế tạo bê tông cường độ siêu cao ..................................................... 73
3.4.1. Giới thiệu....................................................................................................... 73
3.4.2. Trình tự và thời gian trộn............................................................................... 74
3.4.3. Vận chuyển bê tông cường độ siêu cao ......................................................... 76
3.4.4. Đổ và đầm chắc ............................................................................................. 76
3.4.5. Dưỡng hộ bê tông .......................................................................................... 77
3.5. Kết luận chương 3 ............................................................................................ 78
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 ................................................................................................................... 79
4.1. Đặt vấn đề nghiên cứu ...................................................................................... 79

4.8.3. Tính toán kết quả theo ACI-544 x23xvà Imam et al x43x, x49x ..................... 104
4.8.4. So sánh khả năng chịu uốn của dầm thí nghiệm với khả năng chịu uốn của
dầm khi tính theo ACI-544 x23x và Imam et al x43x, x49x ............................. 105
4.8.5. Tính toán lại hệ số K trong công thức 4-1 từ kết quả thí nghiệm ................. 105
4.9. Xây dựng các biểu đồ (x - x) ; (x-x) ; (x - w) từ kết quả thí nghiệm theo các
hướng dẫn của SETRA / AFGCx42x ............................................................. 109
4.9.1. Xây dựng biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng (x - x)bê tông vùng nén của
các dầm thí nghiệm,hình 4.10 ....................................................................... 109
4.9.2. Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa ứng suất – biến dạng vùng kéo (x - x) của các
dầm thí nghiệm,hình 4.11 ............................................................................. 110
4.9.3. Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa ứng suất – độ võng (x - x) của các dầm thí
nghiệm, hình 4.12 ......................................................................................... 110
4.9.4. Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa ứng suất – độ mở rộng vết nứt (x-w) của các
dầm thí nghiệm, hình 4.13 ............................................................................ 111


vii
4.10. Phân tích ứng xử uốn của dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông cường độ siêu
cao. ............................................................................................................... 112
4.10.1. Các tiêu chuẩn viện dẫn ............................................................................. 112
4.10.2. Các phương pháp phân tích ứng xử uốn dầm cầu bằng bê tông cường độ siêu
cao trên thế giới ............................................................................................ 113
4.10.3. Các số liệu từ thực nghiệm phục vụ cho việc phân tích ứng xử uốn của dầm
cầu dự ứng lực bằng bê tông cốt sợi thép cường độ siêu cao ........................ 121
4.10.4. Khả năng chống cắt của bê tông cốt sợi thép cường độ siêu cao ............... 122
4.10.5. Phân tích sức kháng uốn của dầm cầu bê tông cốt sợi thép cường độ siêu cao
dự ứng lực cấp 130MPa ................................................................................ 123
4.10.6. Mô tả mặt cắt ngang dầm I (theo bảng 4.14 và 4.15) ................................. 125
4.10.7. Vật liệu chế tạo dầm(bảng 4.16) ................................................................ 126
4.11. Kết luận chương 4 ........................................................................................ 133

Bảng 3.4: Thành phần vật liệu chế tạo ............................................................................... 58
Bảng 3.5: Thành phần trộn mẫu thí nghiệm....................................................................... 59
Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm độ chảy lan ......................................................................... 60
Bảng 3.7: Kết quả cường độ chịu nén ................................................................................ 61
Bảng 3.8: Cường độ trung bình của các nhóm mẫu .......................................................... 62
Bảng 3.9: Quan hệ giữa tải trọng và độ võng..................................................................... 65
Bảng 3.10: Cường độ chịu kéo khi uốn khi xuất hiện các vết nứt đầu tiên ...................... 66
Bảng 3.11: Cường độ chịu kéo khi uốn lớn nhất ............................................................... 67
Bảng 3.12: Cường độ chịu kéo khi uốn ứng với độ võng 10mm ...................................... 68


ix
Bảng 3.13: Quan hệ giữa cường độ và biến dạng của bê tông cường độ siêu cao ........... 69
Bảng 3.14: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi bê tông cường độ siêu cao .................... 72
Bảng 3.15: Thành phần cơ bản của bê tông cấp phối C3 .................................................. 73
Bảng 4.1: Cấu tạo, diện tích và tỉ lệ hàm lượng cốt thép chịu kéo .................................... 83
Bảng 4.2: Cường độ chịu nén và Mô đun đàn hồi của bê tông cường độ siêu cao
nhóm mẫu C3 ..................................................................................................... 84
Bảng 4.3: Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông cường độ siêu cao ............................. 84
Bảng 4.4:Số liệu kết quả thí nghiệm của các dầm. ............................................................ 88
Bảng 4.5: Bảng tổng hợp số liệu thí nghiệm tải trọng - độ võng ...................................... 91
Bảng 4.6: Tổng hợp Mô men và cường độ giới hạn kéo uốn tại 3 thời điểm ................... 92
Bảng 4.7: Kết quả thực nghiệm và tính toán các giá trị tại các điểm độ mở rộng vết
nứtdanh định đặc trưng (CMOD) ...................................................................... 98
Bảng 4.8: Kết quả tính toán các hệ số của công thức 4-1 ................................................ 103
Bảng 4.9: Kết quả tính toán theo thí nghiệm, theo Imam và ACI-544 ........................... 104
Bảng 4.10: Đối chiếu momen kháng uốn từ thực nghiệm với momen kháng uốn tính
toán theo Imam và ACI-544............................................................................. 105
Bảng 4.11: Kết quả tính toán thực nghiệm tại các điểm danh định đặc trưng ................ 106
Bảng 4.12: Các giá trị tính toán của bê tông cường độ 130MPa..................................... 121

làm boongke trong các căn cứ quân sự của Iran năm 2008 ..................... 13
Hình 1.15: Sợi thép được sử dụng phổ biến trong BTCĐSC .................................. 16
Hình 1.16: Các thành phần vật liệu chủ yếu của BTCĐSC........................................ 16
Hình 1.17: cấu trúc của các vật liệu chèn lấp lỗ rỗng của bê tông cường độ siêu cao .. 16
Hình 1.18: Sự phân bố thành phần hạt của bê tông cường độ siêu cao ................... 17
Hình 1.19: Ảnh hưởng của các loại sợi đến cường độ của BTCĐSC...................... 17
Hình 1.20: Quan hệ ứng suất – độ mở rộng vết nứt của bê tông cường độ siêu
cao theo SETRA/AFGC .......................................................................... 18
Hình 1.21: Quan hệ ứng ứng suất – độ mở rộng vết nứt theo DIN ......................... 19
Hình 1.22: Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông cường độ siêu cao theo
SETRA/AFGC (Pháp) ............................................................................. 19


xi
Hình 1.23: Quan hệ ứng suất – biến dạng đặc trưng theo DIN ............................... 20
Hình 1.24: Quan hệ ứng suất – biến dạng vùng nén ............................................... 20
Hình 1.25: Cấu trúc vi mô của bê tông cường độ siêu cao và bê tông cường độ cao ... 21
Hình 1.26: Sự phân bổ kích thước lỗ rỗng của bê tông thường, bê tông cường
độ cao và bê tông cường độ siêu cao ....................................................... 21
Hình 1.27: Thí nghiệm độ khuếch tán Ion Clo bê tông thường, bê tông cường
độ cao và bê tông cường độ siêu cao ....................................................... 22
Hình 2.1: Sơ đồsản xuất Silica Fume ...................................................................... 32
Hình 2.2: Biểu đồ phân tích thành phần hóa học các khoáng siêu mịn ................... 33
Hình 2.3: Muội silic ................................................................................................ 34
Hình 2.4: Mỏ Quartzit Thanh Sơn – Phú Thọ ......................................................... 34
Hình 2.5: Cát Quartz ............................................................................................... 37
Hình 2.6: Bột Quartz............................................................................................... 38
Hình 2.7: Sợi thép ................................................................................................... 40
Hình 2.8: Biểu đồ thành phần hạt của các cốt liệu tính toán ................................... 50
Hình 2.9: Cấp phối hạt của bê tông thiết kế đối chiếu với cấp phối Fuller ............. 51

Hình 4.13: Biểu đồ quan hệ ứng suất – độ mở rộng vết nứt (x-w) của các tổ hợp
dầm thí nghiệm...................................................................................... 111
Hình 4.14: Biểu đồ xác định hệ số β ..................................................................... 116
Hình 4.15: Biểu đồ khối ứng suất của bê tông thường .......................................... 118
Hình 4.16: Biểu đồ khối ứng suất của bê tông cốt sợi cường độ cao HPC............ 118
Hình 4.17: Biểu đồ ứng xử ứng suất – biến dạng dọc trục từ kết quả thức
nghiệm để thiết kế uốn cho dầm I bê tông cường độ siêu cao ............... 122
Hình 4.18: Sơ đồ bố trí cáp dọc dầm h=1,1m ....................................................... 128
Hình 4.19: Các đặc trưng hình học mặt cắt đầu dầm h=1,1m ............................... 128
Hình 4.20: Các đặc trưng hình học mặt cắt giữa dầm h=1,1m .............................. 129
Hình 4.21: Sơ đồ tính độ võng của dầm theo TCN 272-05 ................................... 129
Hình 4.22: Biểu đồ xMn/Mu khi cấp bê tông và chiều cao dầm thay đổi ............ 132
Hình 4.23: Biểu đồ xVn/Vu khi cấp bê tông và chiều cao dầm thay đổi ............. 132


xiii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BTCT

: Bê tông cốt thép

BTCĐSC

: Bê tông cường độ siêu cao

TCN

: Tiêu chuẩn ngành



: International Union of Laboratories and Experts in Contruction
Materials, Systems and Structures (Hiệp hội quốc tế các phòng thí
nghiệm và chuyên gia về vật liệu xây dựng, hệ thống, kết cấu)

DIN

: Deutsches Institut fyr Normung (Viện tiêu chuẩn Đức)

CMOD

: Biến dạng hoặc độ nở rộng vết nứt danh định

FHWA

: The Feleral Highway Administration and Department of
Transportation. US (Cục đường bộ Hoa Kỳ)

UHSFRC

: Ultra-High Steel Fibre Reinforced Concrete

AFGC

: Association Francaise de Genie Civil (hội Kỹ sư Xây dựng Pháp)

HPC

: High Performance Concrete (Bê tông chất lượng cao)


nghiên cứu. 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: Khi nghiên cứu vấn đề mới thì có thể đi theo
một trong hai hướng như sau:
Hướng lý thuyết: Nghiên cứu đề ra một lý thuyết mới về bê tông
cường độ siêu cao. Về vấn đề này lý thuyết thành phần hạt đạt độ chặt tối ưu
đã được Larard đề cập năm 1991 x33x, x34x. Sau đó các hướng dẫn thành phần


2

theo cấp phối tối ưu của Fuller năm 1997 x26x. Các nghiên cứu thực nghiệm
định lượng để đưa ra các hướng dẫn tính toán được thực hiện bỡi
SETRA/AFGC (Pháp) năm 2002 x42x; phương pháp thiết kế theo DIN (Đức)
x24x; phương pháp thiết kế theo phân tích thực nghiệm ACI-544 x23x… Các
lý thuyết này nghiên cứu sinh sử dụng trong nghiên cứu của mình
Hướng thực nghiệm: Với điều kiện thi công, điều kiện về nhiệt độ,
điều kiện về tình hình vật liệu của mỗi khu vực, địa phương…Tùy theo
phương pháp tính khác nhau thì cần thiết định lượng lại cho chính xác thông
qua thực nghiệm và cũng từ thực nghiệm xác định các hệ số của các công
thức nhờ vào phương pháp thống kê. Đây cũng là một hướng được một số
nước thực hiện như Hàn Quốc x43x, Mỹ x45x, x49x… Đây là hướng thực hiện
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. Thông qua thí nghiệm các tổ hợp dầm xác định lại hệ số K trong

các công thức lý thuyết tính cường độ chịu kéo khi uốn của kết cấu dầm từ
loại vật liệu Việt Nam nhằm tạo ra các thông số phục vụ tính toán kết cấu.
Đối tượng nghiên cứu: Từ vật liệu trong nước,nghiên cứu thực

tên đề tài
* Chương 1: Trình bày tổng quan về các nghiên cứu và ứng dụng bê

tông cường độ siêu cao trên Thế giới và Việt Nam.
* Chương 2: Nghiên cứu, tính toán thành phần cấp phối từ vật liệu
trong nước. Từ đó tìm ra thành phần cấp phối của bê tông cường độ siêu cao
với cường độ 120 – 140MPa.
* Chương 3: Chế tạo mẫu và thực hiện thí nghiệm để xác định các tính
năng cơ lý như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, mô đun đàn
hồi…của vật liệu bê tông cường độ siêu cao
* 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. Từ thực
nghiệm và phân tích, xác định lại công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn
của bê tông cường độ siêu cao trong kết cấu dầm chịu uốn xt và chiều cao
dầm cầu
*Phần kết luận, kiến nghị: Trình bày kết luận trong quá trình nghiên
cứu, nêu kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo.


4

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
1.1.1. Mở đầu:
Bê tông cường độ siêu cao là một loại vật liệu mới được nghiên cứu và
phát triển trên thế giới từ năm 1990, Đặc tính của bê tông này là có cường độ

thí nghiệm cụ thể. Nhiều vấn đề lớn như từ biến, co ngót, độ bền… vẫn đangn
được các nước tiên tiến trên thế giớ tiếp tục nghiên cứu. Như v có thể nóicnướivậy
rằng hiện nay trên thế giới các đề tài nghiên cứu về tính năng, phnthphạm vi sử
dụng của bê tông cường độ siêu cao vẫn còn mang tính thời sựaự.
1.1.2. Các nghiên cứu về bê tông cưêcường độ siêu cao ở Hoa Kỳêu
x45x; x48 x49x48x;
Chiếc cầu dầm I đầu tiên ở Hoa K được khai thông năm 200 cầu thứ 2ChiKỳc2005;
có kết cấ nhịp bằng bê tông cường đ siêu cao đưa vào khai thác th nghiệmấung độthử
năm 2006 và một số cầu khác khánh thmthành vào năm 2008
Theo các nghiên cứu ở Cục đưcc đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) cho th chiềuthấy
cao của dầm cầu khi sử dụng bê tông cưadcường độ siêu cao cũng khá hấp dẫn soũng
với dầm cầu sử dụng bê tông truyền thn thống. Với dầm I dài 30m dự ứng lực sửm
dụng bê tông cường độ siêu cao thì chiều cao dầm cầu giảm 50cm so v dầmngcưmvới
cầu chữ I dự ứng lực sử dụng bê tông truy thống và trọng lưdngtruyềnng lượng trên 1 mét
dài cũng giảm hơn một nửa. Điều này là m điều tuyệt vời đố với yếu tố mỹũng gimộtối
quan kiến trúc và kinh tế - kỹ thuật, nh là đối với các công trình c trong đônt, nhấticầu
thị như ở hình 1.1

Hình 1.1: Tương quan về chiều cao và trọng lượng giữa dầm bê tông1.ua
truyền thống và dầm bê tông cường độ siêu caom


6

Ngoài ra, FHWA (Cục đường bộ Hoa Kỳ) còn tập trung vào phát triển
bê tông mặt cầu thành các mô-đun có thể lắp ghép tại chổ một cách nhanh
chóng. Những tính năng vượt trội của bê tông cường độ siêu cao đã tạo điều
kiện thiết kế được cấu kiện mặt cầu có độ bền chắc cao hơn mặt cầu bê tông
đổ tại chổ thông thường mà tuổi thọ lại cao hơn đáng kể và đặc biệt có thể thi
công lắp ghép một cách nhanh chóng. Theo nghiên cứu của FHWA thì một



8

Cụ đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) cũng đã có nhiều nghiên c và thíụcucứu
nghiệm dầm cầu có mặt cắt chữ I và ch x bằng bê tông cường đ siêu cao đểmdchững độ
đưa vào sử dụng thay thế cho các dầ bê tông truyền thống, hình 1.5sầmng,

Hình 1.5: Các thí nghiệm dầm bê tông cư1.mcường độ siêu cao của FHWA
Hình ảnh một số công trình c được xây dựng ở Hoa Kỳ sử dụng bêcầu
tông cường siêu cao do FHWA thiết k như ở hình 1.6; 1.7 và 1.8ngt kế,

Hình 1.6: Cầu đường ô tô năm 2005 và c dàn thép mặt sàn là bê tông1.6ngcầut
cường độ siêu cao lắp ghép năm 2006


9

Hình 1.7: Các cầu sử dụng BTCĐSC mặt cắt dầm chữ T và ch x xây1.7ngchữ
dựng trên đường cao t Hoa Kỳ năm 2008ngtốc

Hình 1.8: Dầm cầu có mặt cắt ch П dùng BTCĐSC do FHWA thi kế1.8chữthiết
1.1.3. Các nghiên cứu và ứng dụng về b tông cường độ si caocbêờngsiêu
ở Châu Âu và Châu Áv
Hộ nghiên cứu và thí nghiệ vật liệu xây dựng Pháp hội kỹ sư xâyộiệmng Pháp,
dựng Pháp (SETRA/AFREM; Cattenom và Civaux x16x, x33x, x34x, x42xngCivaux)
cũng là một trong các cơ quan tiên phong trong vi c nghiên c về bê tôngm tviệccứu
cường độ siêu cao. Các cơ quan này đ nghiên cứu và ứng dụ cho cầu ô tôộđãụng
và đưa vào sử dụng đầu tiên năm 200 và từ đó đến nay vi ứng dụng bês2001nviệc
tông cườ độ siêu cao với những gi pháp công nghệ khác nhau đ đượcờngng giảiđã