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 DÙNG TRONG XÂY
DỰNG CẦU Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI-2017


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
DÙNG TRONG XÂY DỰNG CẦU Ở
VIỆT NAM
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG
MÃ SỐ: 62-58-02-05

Hướng dẫn khoa học:
GS. Phạm Duy Hữu - ĐH Giao thông vận tải

2.

Mục đích nghiên cứu ................................................................................. 3

3.

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

4.

Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 3

5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ................................................. 4

6.

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

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ ............................... 6
1.1. Khái quát về bê tông nhẹ ........................................................................... 6
1.1.1. Sơ lược về lịch sử phát triển ...................................................................... 6
1.1.2. Khái niệm và phân loại bê tông nhẹ ........................................................... 8
1.2. Vật liệu chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ ........................................................ 10
1.2.1. Nguồn gốc, phương pháp sản xuất cốt liệu nhẹ ........................................ 10
1.2.1.1. Cốt liệu tự nhiên................................................................................... 10
1.2.1.2. Cốt liệu nhân tạo.................................................................................. 11
1.2.2. Các tính chất cơ lý của cốt liệu nhẹ ......................................................... 13
1.2.2.1. Độ rỗng và vi cấu trúc ......................................................................... 13

2.1.1.5. Độ bền khi nén trong xi lanh (độ nén giập) .......................................... 37
2.1.2. Cát .......................................................................................................... 38
2.1.2.1. Xác định thành phần hạt của cát .......................................................... 38
2.1.2.2. Khối lượng riêng, khối lượng thể tích và độ hút nước........................... 39
2.1.2.3. Khối lượng thể tích xốp và độ hổng ...................................................... 39
2.1.3. Xi măng .................................................................................................. 40
2.1.4. Phụ gia khoáng ........................................................................................ 41
2.1.5. Nước ....................................................................................................... 41
2.1.6. Phụ gia dẻo.............................................................................................. 41


vi

2.2. Phương pháp chế tạo mẫu thử BTCLN .................................................... 41
2.2.1. Chuẩn bị vật liệu ..................................................................................... 41
2.2.2. Nhào trộn hỗn hợp................................................................................... 42
2.2.2.1. Qui trình 1 ........................................................................................... 43
2.2.2.2. Qui trình 2 ........................................................................................... 43
2.2.3. Đổ mẫu và đầm nén ................................................................................. 44
2.2.4. Bảo dưỡng ............................................................................................... 45
CHƯƠNG 3 – NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CỐT LIỆU
NHẸ ...................................................................................................................... 46
3.1. Các phương pháp thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ ...................... 46
3.1.1. Phương pháp ACI 211.2 – 98 .................................................................. 46
3.1.2. Phương pháp của Chandra và Berntsson .................................................. 49
3.1.1.1. Nguyên tắc thiết kế ............................................................................... 49
3.1.1.2. Các bước tính toán ............................................................................... 49
3.1.3. Phương pháp của Bazenov ...................................................................... 52
3.1.4. Phân tích ưu nhược điểm các phương pháp ............................................. 57
3.2. Phương pháp đồng nhất hóa vật liệu composit và mô hình dự báo cường độ

3.3.5.1. Kết quả thí nghiệm độ sụt ..................................................................... 79
3.3.5.2. Kết quả thí nghiệm khối lượng thể tích của bê tông nhẹ ....................... 80
3.3.5.3. Kết quả thí nghiệm cường độ nén ngày 28 của bê tông nhẹ .................. 81
3.4. Phân tích ảnh hưởng của thành phần đến các tính chất của BTCLN ........ 83
3.4.1. Khối lượng thể tích của bê tông ............................................................... 83
3.4.1.1. Ảnh hưởng loại cốt liệu đến khối lượng thể tích của BTCLN ................ 83
3.4.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ cốt liệu đến KLTT của BTCLN .............................. 84
3.4.2. Cường độ chịu nén của BTCLN .............................................................. 85
3.4.2.1. Ảnh hưởng loại cốt liệu đến cường độ chịu nén của BTCLN ................ 85
3.4.2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ cốt liệu đến cường độ chịu nén của BTCLN .......... 86
3.4.2.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ N/CKD đến cường độ chịu nén của BTCLN .......... 87
3.4.3. Quan hệ giữa cường độ chịu nén và KLTT của BTCLN .......................... 88
3.5. Kết luận chương ...................................................................................... 88
CHƯƠNG 4 – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT CỦA BÊ
TÔNG CỐT LIỆU NHẸ CHỊU LỰC .................................................................... 90
4.1. Kế hoạch thí nghiệm ............................................................................... 90


viii

4.2. Vật liệu, thành phần và phương pháp chế tạo BTCLN chịu lực ............... 91
4.2.1. Vật liệu sử dụng ...................................................................................... 91
4.2.2. Thành phần của bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực .......................................... 92
4.2.3. Phương pháp chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực .................................. 92
4.3. Khối lượng thể tích, cường độ chịu nén của BTCLN chịu lực ................. 93
4.3.1. Xác định KLTT và cường độ chịu nén của BTCLN chịu lực ................... 93
4.3.2. Kết quả thí nghiệm KLTT và cường độ chịu nén của BTCLN chịu lực ... 94
4.3.3. Phân tích kết quả thí nghiệm KLTT và cường độ chịu nén của BTCLN chịu
lực


5.2. Phương pháp phân tích dầm BTCLN chịu uốn thuần túy theo tiêu chuẩn
AASHTO LRFD 2007 .................................................................................... 121
5.2.1. Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2007 trong tính toán
kết cấu bê tông cốt thép .................................................................................. 121
5.2.2. Phân tích các giai đoạn làm việc của dầm BTCLN chịu uốn thuần túy theo
tiêu chuẩn AASHTO....................................................................................... 122
5.3. Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCLN ......................... 124
5.3.1. Vật liệu và thành phần BTCLN chế tạo dầm thí nghiệm ........................ 124
5.3.2. Mẫu dầm thí nghiệm ............................................................................. 125
5.3.3. Thiết bị thí nghiệm ................................................................................ 126
5.3.4. Qui trình thí nghiệm .............................................................................. 127
5.3.5. Kết quả thí nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCLN khi chịu tác dụng của tải
trọng ngắn hạn ................................................................................................ 128
5.3.5.1. Kết quả thí nghiệm ............................................................................. 128
5.3.5.2. Kiểu phá hoại ..................................................................................... 129
5.3.5.3. Ứng xử nứt ......................................................................................... 130
5.3.5.4. Mô men chảy dẻo ............................................................................... 130
5.3.5.5. Mô men tới hạn và sức kháng uốn ...................................................... 131
5.3.5.6. Độ võng dưới tác dụng của tải trọng khai thác ................................... 132
5.4. Phân tích sức kháng uốn của dầm cầu BTCLN cấp 40 MPa theo tiêu chuẩn
AASHTO LRFD 2007 (22 TCN 272-05) ........................................................ 133
5.4.1. Vật liệu và kích thước hình học của kết cấu nhịp ................................... 133
5.4.1.1. Vật liệu làm kết cấu nhịp .................................................................... 133
5.4.1.2. Kích thước hình học kết cấu nhịp ....................................................... 134
5.4.2. Tải trọng thiết kế ................................................................................... 135
5.4.3. Kết quả tính toán ................................................................................... 136
5.4.3.1. Kiểm tra sức kháng uốn của mặt cắt giữa nhịp ................................... 136


x

vữa khác nhau ....................................................................................................... 20
Hình 1. 10. Cơ chế vùng tiếp xúc đá xi măng – cốt liệu theo Zhang và Gjørv [83]. 21
Hình 1. 13. Đá bazan bọt ở Quảng Hiệp, Đắc Lắc ................................................. 30

Hình 2. 1. Sỏi SBL 10/20 (trái) và SBN 2,5/10 (phải) ......................................... 34
Hình 2. 2. Sỏi STL 5/20 (trái) và STL 2,5/5 (phải) ................................................ 34
Hình 2. 3. Thí nghiệm xác định độ bền khi nén trong xi lanh ................................. 37
Hình 2. 4. Cát sử dụng ........................................................................................... 38
Hình 2. 5. Thành phần hạt của cát sử dụng ............................................................ 39
Hình 2. 6. Muội silic sử dụng ................................................................................ 41
Hình 2. 7. Cốt liệu để nguội sau khi sấy (trái) và trộn ẩm (phải) trước khi đổ bê tông
.............................................................................................................................. 42
Hình 2. 8. Bề mặt cốt liệu nhẹ sau khi được trộn ẩm .............................................. 42
Hình 2. 9. Trộn vữa bằng máy trộn kiểu hành tinh ................................................. 43
Hình 2. 10. Trộn hỗn hợp bê tông bằng máy trộn cưỡng bức ................................. 44
Hình 2. 11. Qui trình trộn hỗn hợp bê tông ............................................................ 44
Hình 2. 12. Khuôn đúc bê tông .............................................................................. 44


xii

Hình 2. 13. Bảo dưỡng bê tông .............................................................................. 45

Hình 3. 1. Mô hình Voigt (V) ................................................................................ 59
Hình 3. 2. Mô hình Reuss (R) ................................................................................ 59
Hình 3. 3. Mô hình song song/nối tiếp thích hợp cho bê tông nặng ........................ 61
Hình 3. 4. Mô hình composit cốt liệu nhẹ/vữa cho BTCLN sử dụng cát thường .... 62
Hình 3. 5. Vật rắn không đồng nhất gồm đá xi măng M và một loại cốt liệu G chịu
một trường ứng suất dọc trục không đổi  = 0 ..................................................... 63
Hình 3. 6. Vật rắn không đồng nhất (trái) và đồng nhất tương đương (phải) .......... 64

thí nghiệm ........................................................................................................... 104
Hình 4. 10. Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi bửa BTCLN................................ 105
Hình 4. 11. Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn BTCLN................................ 106
Hình 4. 12. Mẫu thử BTCLN sau khi phá hoại do ép chẻ ..................................... 109
Hình 4. 13. Quan hệ giữa cường độ chịu kéo bửa và cường độ nén của bê tông ... 110
Hình 4. 14. Quan hệ giữa cường độ kéo bửa và cường độ nén BTCLN của các tác
giả khác nhau ...................................................................................................... 111
Hình 4. 15. Quan hệ giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén của bê tông .......... 112
Hình 4. 16. Quan hệ giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén BTCLN của các tác
giả khác nhau ...................................................................................................... 113
Hình 4. 17. Mẫu thử độ chống thấm .................................................................... 113
Hình 4. 18. Thí nghiệm xác định độ chống thấm của BTCLN ............................. 114
Hình 4. 19. Mẫu BTCLN thử độ thấm ion clo...................................................... 114
Hình 4. 20. Thí nghiệm xác định độ thấm ion clo của BTCLN ............................ 115

Hình 5. 1. Sự phân bố biến dạng của bê tông trong mặt cắt dầm .......................... 120
Hình 5. 2. Ứng suất và hợp lực ............................................................................ 120
Hình 5. 3. Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép ở giai đoạn I ............................. 122
Hình 5. 4. Mặt cắt tính đổi ................................................................................... 123
Hình 5. 5. Trạng thái ứng suất – biến dạng của mặt cắt ở giai đoạn phá hoại ....... 124
Hình 5. 6. Quá trình đúc mẫu dầm thí nghiệm ..................................................... 125
Hình 5. 7. Cấu tạo chi tiết mẫu dầm thí nghiệm ................................................... 126
Hình 5. 8. Thiết lập thí nghiệm ............................................................................ 127
Hình 5. 9. Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng của các dầm thí nghiệm .............. 128
Hình 5. 10. Kiểu phá hoại của dầm BTCLN ........................................................ 130


xiv

Hình 5. 11. Mặt cắt ngang cầu ............................................................................. 134

.............................................................................................................................. 47
Bảng 3. 3. Mối quan hệ giữa tỉ lệ N/X và cường độ chịu nén của BT..................... 48
Bảng 3. 4. Thể tích cốt liệu lớn trong 1m3 bê tông ................................................. 48
Bảng 3. 5. Ước tính sơ bộ KLTT của hỗn hợp bê tông sử dụng cốt liệu lớn nhẹ và
cốt liệu mịn thông thường ...................................................................................... 49


xvi

Bảng 3. 6. Hệ số a, b trong phương trình (3.1) ....................................................... 50
Bảng 3. 7. Cường độ nén tối thiểu của cốt liệu lớn ................................................ 52
Bảng 3. 8. Lượng dùng xi măng (kg/m3 BT) với cốt liệu rỗng có Dmax = 20 mm, cát
nặng, độ cứng hỗn hợp bê tông 5 – 8s. ................................................................... 53
Bảng 3. 9. Hệ số thay đổi lượng dùng xi măng khi có sự thay đổi mác xi măng, Dmax
của cốt liệu, loại cát và độ lưu động của hỗn hợp bê tông ...................................... 53
Bảng 3. 10. Lượng dùng nước ban đầu (l/m3 BT) để chế tạo hỗn hợp bê tông dùng
cát nặng và cốt liệu lớn .......................................................................................... 54
Bảng 3. 11. Mật độ thể tích của CLL với BTN dùng cát nặng ............................ 55
Bảng 3. 12. Mật độ thể tích tối ưu của cốt liệu lớn ................................................. 56
Bảng 3. 13. Lượng nước nhào trộn [23] ................................................................. 71
Bảng 3. 14. Thành phần BTCLN dùng sỏi STL 5/20 ............................................. 74
Bảng 3. 15. Thành phần qui đổi của vữa dùng sỏi STL 5/20 và các đặc trưng cơ học
tính toán bằng mô hình biến động .......................................................................... 74
Bảng 3. 16. Cường độ tính toán theo mô hình nối tiếp/song song của BTCLN dùng
sỏi STL 5/20 .......................................................................................................... 75
Bảng 3. 17. Thành phần BTCLN dùng sỏi SBN 2,5/10 .......................................... 75
Bảng 3. 18. Thành phần qui đổi vữa dùng sỏi SBN 2,5/10 và các đặc trưng cơ học
tính toán bằng mô hình biến động .......................................................................... 76
Bảng 3. 19. Cường độ tính toán theo mô hình nối tiếp/song song của BTCLN dùng
sỏi SBN 2,5/10 ...................................................................................................... 76

Bảng 4. 12. Cường độ chịu kéo khi uốn của BTCLN chịu lực ............................. 107
Bảng 4. 13. Ước tính cường độ chịu kéo của BTCLN .......................................... 109
Bảng 4. 14. Kết quả thí nghiệm độ chống thấm của BTCLN chịu lực .................. 115
Bảng 4. 15. Kết quả thí nghiệm độ thấm ion của BTCLN chịu lực ...................... 116

Bảng 5. 1. Thành phần và các đặc tính của bê tông sử dụng trong thí nghiệm ...... 125
Bảng 5. 2. Cấu tạo, diện tích và đặc trưng cơ học của cốt thép chế tạo dầm ......... 126
Bảng 5. 3. Kết quả thí nghiệm theo các giai đoạn chịu lực ................................... 129
Bảng 5. 4. So sánh mô men gây nứt thực nghiệm và tính toán ............................. 130
Bảng 5. 5. So sánh mô men chảy dẻo mặt cắt giữa nhịp thực nghiệm và tính toán131
Bảng 5. 6. So sánh mô men tới hạn thực nghiệm và tính toán .............................. 131
Bảng 5. 7. So sánh độ võng giữa nhịp thực nghiệm và tính toán .......................... 132


xviii

Bảng 5. 8. Đặc tính của các dầm BTCT tính toán ................................................ 133
Bảng 5. 9. Các đặc tính của bê tông làm dầm kết cấu nhịp................................... 133
Bảng 5. 10. Kích thước mặt cắt ngang dầm ......................................................... 135
Bảng 5. 11. Tải trọng thiết kế .............................................................................. 135
Bảng 5. 12. Tổng hợp mô men uốn tính toán ....................................................... 136
Bảng 5. 13. Tổng hợp sức kháng uốn................................................................... 137
Bảng 5. 14. So sánh sức kháng uốn của hai dầm .................................................. 137
Bảng 5. 15. Tổng hợp độ võng............................................................................. 138


xix

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials

CLN

: Cốt liệu nhẹ

CN

: Công nguyên

EN

: EuroNorm (Tiêu chuẩn Châu Âu)

GTVT

: Giao thông vận tải

KHCN

: Khoa học công nghệ

KLTT

: Khối lượng thể tích

LC

: Light concrete (Bê tông nhẹ)

MS


STN

: Sỏi Thiên Giang nhỏ

X

: Xi măng

TCN

: Tiêu chuẩn ngành


xx

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

VLXD

: Vật liệu xây dựng


1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Bê tông truyền thống là vật liệu có khối lượng thể tích lớn (khoảng 2200 – 2600

dựng ở Bắc Mĩ, tối thiểu 100 cái đã xây dựng ở Liên Xô cũ, một số lượng đáng kể
đã được thực hiện ở châu Âu và đặc biệt hơn 2000 cầu nhẹ nhịp ngắn đã được xây
dựng ở Alberta, Canada. Rõ ràng việc sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ trong xây dựng
cầu không phải là mới trên thế giới, tuy nhiên vẫn hoàn toàn mới mẻ trên thị trường
Việt Nam.
Trong những năm gần đây, việc chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ đã bắt đầu được quan
tâm ở nước ta. Tuy nhiên, khả năng chịu lực còn hạn chế nên loại bê tông này chủ
yếu được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt, gạch blôc và các tấm bản dùng trong xây
dựng dân dụng. Trên thực tế, chưa có nghiên cứu và ứng dụng bê tông cốt liệu chịu
lực nhẹ sử dụng trong kết cấu cầu. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu thành phần,
tính chất bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực (bê tông cốt liệu nhẹ cường độ cao) để ứng
dụng trong kết cấu cầu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn hết sức to lớn, mở ra hướng
mới trong việc tìm kiếm vật liệu thay thế cốt liệu bê tông truyền thống cũng như
khả năng ứng dụng các kết cấu nhẹ hơn, vượt được khẩu độ dài hơn trong kết cấu
cầu.
Từ những đòi hỏi cấp thiết trên, đề tài “Nghiên cứu thành phần, tính chất của bê
tông cốt liệu nhẹ dùng trong xây dựng cầu ở Việt Nam” được lựa chọn nghiên
cứu.
Nội dung luận án gồm 5 chương, mở đầu, kết luận và kiến nghị
-

Mở đầu

-

Chương 1: Tổng quan về bê tông cốt liệu nhẹ

-

Chương 2: Vật liệu sử dụng và phương pháp chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ


-

Nghiên cứu xác định các tính chất chủ yếu của bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực.

-

Chứng minh khả năng ứng dụng bê tông cốt liệu nhẹ trong kết cấu chịu lực nói
chung và kết cấu cầu nói riêng ở Việt Nam.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu


Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là bê tông cốt liệu nhẹ gồm các nội dung sau:
-

Nghiên cứu tổng quan về bê tông cốt liệu nhẹ

-

Nghiên cứu vật liệu, phương pháp chế tạo

-

Nghiên cứu thiết kế thành phần của BTCLN

-


5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
-

Đề tài đã nghiên cứu chế tạo BTCLN chịu lực trên cơ sở vật liệu sét nở
keramzit. Loại bê tông nhẹ chế tạo được có KLTT nhỏ hơn 2000 kg/m3 và đạt
được cường độ chịu nén từ 30 - 60 MPa.

-

Luận án đã phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến đến cường độ cũng như khối
lượng thể tích của bê tông nhẹ; đồng thời đề xuất công thức thực nghiệm mô tả
quan hệ giữa hai đại lượng này. Đây là tiền đề để các nghiên cứu và ứng dụng
vật liệu sau này có cơ sở trong việc lựa chọn cốt liệu chế tạo bê tông.

-

Đề tài đã sử dụng phương pháp đồng nhất hóa vật liệu composit để đề xuất
công thức dự báo cường độ của BTCLN trên cơ sở các mô hình cơ học.
Nghiên cứu sinh đã kết hợp các mô hình của Shink và De Larrard đề xuất một
phương pháp thiết kế thành phần BTCLN.

-

Một số tính chất cơ học và độ bền của BTCLN chịu lực đã được nghiên cứu và
phân tích. Đề tài đã đề xuất các công thức thực nghiệm xác định các đặc trưng
cơ học (mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo khi bửa, cường độ chịu kéo khi
uốn) theo cường độ chịu nén của BTCLN. Đề tài cũng đánh giá sơ lược về độ
chống thấm và thấm ion clo của vật liệu BTCLN.

-