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
Ngành:
Kỹ thuật Xây dựng công trình giao thông
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].
2. Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải
[7].
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.
Đặng Thùy Chi (2014), Nghiên cứu thành phần và tính chất
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
tài
Đặng Thùy Chi, Phạm Duy Hữu, Thái Khắc Chiến (2015),
“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.
Thái Khắc Chiến, Phạm Duy Hữu, Đặng Thùy Chi (2016),
“Ảnh hưởng của keramzit đến cường độ chịu nén của bê tông
nhẹ”, Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, số 50, 2/2016
Đặng Thùy Chi (2016), Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng
xử nén của bê tông keramzit, Đề tài NCKH cấp trường mã số
T2016-VKTXD-15, Chủ nhiệm đề tài
Chi Thuy Dang, Huu Duy Pham, Ha Thanh Le, Eric GarciaDiaz (2016), “A study on high strength lightweight aggregate
concrete”, The 7th International Conference of Asian Concrete
Federation (ACF), Hanoi, 11/2016
Thuy Chi Dang, Duy Huu Pham (2016), “Effiency of type and
content of lightweight aggregates on strength of lightweight
aggregate concretes”, The International Conference on
Sustainable in Civil Engineering (ICSCE), Hanoi, 11/2016
đương bê tông thường có thể khắc phục hạn chế của bê tông truyền
Kết hợp các mô hình cơ học của phương pháp đồng nhất hóa vật
liệu composit xây dựng một phương pháp dự báo cường độ bê tông
thống và đem lại hiệu quả kinh tế cao.
cốt liệu nhẹ. Từ đó, đề xuất phương pháp thiết kế thành phần bê tông
Trên thực tế, bê tông cốt liệu nhẹ đã được sử dụng thành công và
cốt liệu nhẹ.
phổ biến trong xây dựng nói chung và xây dựng cầu nói riêng từ hơn
70 năm qua trên thế giới [2], tuy nhiên vẫn hoàn toàn mới mẻ trên thị
Đề tài đã đề xuất các công thức tính các đặc trưng cơ học của bê
tông cốt liệu nhẹ thông qua cường độ chịu nén của BTCLN.
trường Việt Nam. Việc nghiên cứu thành phần, tính chất bê tông cốt
Nghiên cứu tổng quan về bê tông cốt liệu nhẹ;
Nghiên cứu một số tính chất khác của BTCLN chịu lực như khả
Nghiên cứu vật liệu, phương pháp chế tạo;
năng dính bám với cốt thép, quan hệ ứng suất – biến dạng khi chịu
Nghiên cứu thiết kế thành phần của BTCLN;
nén
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hai đặc tính quan trọng
Cần nghiên cứu sức kháng cắt, khả năng chịu va chạm của cấu
nhất của BTCLN là khối lượng thể tích và cường độ chịu nén;
Bảng 5. 3. Tổng hợp độ võng
dùng thực nghiệm để kiểm chứng.
Độ võng (mm)
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Độ võng do hoạt tải
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
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.
một số tính chất cơ học của BTCLN chịu lực. Ngoài ra, kết quả
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP
nghiên cứu đã góp phần xây dựng một phương pháp mới thiết kế
sụp đổ, việc sử dụng bê tông nhẹ trở nên hạn chế cho đến thế kỷ 20
khi cốt liệu nhân tạo mới được sử dụng phổ biến. BTCLN cường độ
công thức dự báo cường độ của BTCLN trên cơ sở các mô hình cơ
cao đã được sử dụng trong nhiều công trình từ nhà cao tầng, cầu lớn
học. Từ đó đề xuất một phương pháp thiết kế thành phần BTCLN.
cho đến các công trình ở ngoài khơi [25], [45], [57], [62].
1.1.2 Khái niệm và phân loại bê tông nhẹ
nghiên cứu và phân tích. Từ đó đề xuất các công thức thực nghiệm
Nhìn chung, bê tông được xem là nhẹ khi có khối lượng thể tích
3
Đề tài đã sử dụng phương pháp đồng nhất hóa vật liệu để đề xuất
Một số tính chất cơ học và độ bền của BTCLN chịu lực đã được
xác định mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo khi bửa, cường độ chịu
nhỏ hơn 2000 kg/m . Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-2013 [48], bê
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 = 1.c
Cốt liệu nhẹ có thể có nguồn gốc tự nhiên (đá bọt, đá núi lửa, xỉ
1 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
bay, xỉ lò cao, tro đáy lò nở..).
1.2.2 Các tính chất cơ lý của cốt liệu nhẹ
Dầm T18-
Dầm T18-
uốn tính toán. Cả hai dầm đều đạt yêu cầu về sức kháng uốn theo
thường biến đổi từ 350 – 1100 kg/m3 [89].
AASHTO 2007 và 22TCN 272-05.
- Độ hút nước: độ hút nước 24h của đá phiến sét nở dao động từ 10 –
Bảng 5.14. So sánh sức kháng uốn của hai dầm
Dầm T18-
Dầm T18-
T145
N128
Sức kháng uốn tính toán Mr
3690,9
3235,0
Mô men uốn do tĩnh tải
1732,6
1278,7
300
cứng thấp hơn và tỉ lệ vữa xi măng nhiều hơn
4 x định
1860 co ngót của BTCLN cấp từ
- Co ngót: EN 1992-1-1 [28] qui
LC20/22 trở lên cầnHình
được 5.
tính
lên ngang
20% socầu
với bê tông thường có
1. tăng
Mặt cắt
cùng
50%toán
với BTCLN cấp từ LC16/18 trở xuống.
5.4.2 cường
Kết độ
quảvàtính
-5.4.2.1
Độ bền:
việc
dụng
cốt uốn
liệu nhẹ
không
hưởng
Kiểm
Trong
M làảnh
môhưởng
men kháng
danh
n
1.4. BTCLN trong
dựng
cầu = 0,9
là hệxây
số sức
kháng
1.4.1Mô
BTCLN
trong
cáccắt
tiêu
chuẩn
men uốn
ở mặt
giữa
nhịpthiết
dướikế
táccầu
động củủa tĩnh tải, hoạt
Mục được
này tổng
các qui
định
đối trọng nhỏ hơn hay có thể chia thành các khối đúc lớn.
Mô men uốn tổng cộng
3285,1
2786,1
Nhược điểm: đắt hơn, yêu cầu lượng xi măng lớn hơn để đạt đến
Mô men kháng uốn danh định đượcc tính theo công th
thức:
cùng cường độ và đòi hỏi cẩn trọng hơn khi vận chuyển và lắp đặt.
a hf
vàa yếu
BTCLN
M n cũng
AS f y giòn
,85 f làm
'c bgiảm
bw sức
1h fchịu
các tác
nhân
(5.12)hóa
d s 0hơn,
2
2 2
học, dù cường độ của BTCLN cao hơn so với bê tông thường.
TrongCác
đó: khuyến cáo khi ứng dụng BTCLN trong công trình cầu
củachặn
bê tông
tuổi
i 28
MPa
của
liệuđộnhẹ
yếunén
dẫn
đến
không
được
sự
lanngày,
truyền
vết nứt
- 20 -
-5-
đi xuống của biểu đồ tải trọng – độ võng). Đây là dạng phá hoại điển
và làm giảm cường độ chịu kéo.
hình của dầm bê tông nặng thông thường.
1.5. Tình hình nghiên cứu và sử dụng BTCLN ở Việt Nam
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
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
18m, có cùng cường độ chịu nén đặc trưng là 40 MPa; bằng bê tông
– 1,38 g/cm3.
nặng thông thường có KLTT là 2400 kg/m3 và BTCLN có KLTT
2.2. Phương pháp chế tạo mẫu thử BTCLN
bằng 1700 kg/m3.
2.2.1 Chuẩn bị vật liệu
Bảng 5. 1. Đặc tính của các dầm BTCT tính toán
Cốt liệu nhẹ sau khi sấy khô 24h, được để nguội trong điều kiện
nhiệt độ phòng. Sau đó, được lắc đều trong vòng 5 phút, với lượng
Kí hiệu
Chiều cao (mm)
-6-
- 19 -
- Qui trình 1: ban đầu nhào trộn hỗn hợp vữaa xi măng – cát bằng máy
trộn vữa (hình 2.9), sau đó hỗn hợp vữa và cốt liệuu ẩm được nhào
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,
trộn bằng tay trong vòng 5 phút trước khi đổ khuôn.
với thành phần và các tính chất cơ học được lấy theo kết quả thí
- Qui trình 2: ban đầu xi măng, cát và muội silic đượ
ợc trộn khô, sau
nghiệm ở chương 4 và trình bày trong Error! Not a valid
đó thêm nước và phụ gia dẻo; cuối cùng cốt liệu ẩm
m được
đư thêm vào
bookmark self-reference..
Bảng 5. 1. Thành phần và tính chất của bê tông dầm thí nghiệm
(kg) (kg) (MPa) (GPa) (MPa)
58,7
486
639
57,5
24,3
4,7
Các mẫu thí nghiệm được chuẩn bị là ba dầm bê tông cốt thép
giản đơn có khẩu độ 1400 mm và mặt cắt hình chữ nhật có kích
Hình 2.9. Trộn vữa bằng máy trộn
Hình 2.10. Trộnn bê tông bbằng
kiểu hành tinh
máy trộn kiểuu cưỡng
cư
bức
2.2.3 Đổ mẫu, đầm nén và bảo dưỡng
12x100
1400
70 30
30
Chương 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PH
PHẦN BTCLN
212
3.1. Các phương pháp thiết kế thành phần
n BTCLN
30 65 30
Phần này tổng hợp các phương pháp thiết kế thành phần
ph bê tông
Hình 5.7. Cấu tạo chi tiết mẫu dầm thí nghiệm
của ACI 211-2 [28], Chandra-Bertsson
Bertsson [45] và Bazenov [2].
3.2. Phương pháp đồng nhất hóa vật liệu composit và mô hình d
dự
báo cường độ bê tông
Giả thiết bê tông là vật liệu hỗn hợp đàn hồi,
i, đồng
đ
nhất, đẳng
hướng gồm 3 pha: cốt liệu, hồ xi măng và cát. Mỗii pha thành ph
phần
Kết quả thí nghiệm độ chống thấm BTCLN cho thấy loại bê tông
trong vật liệu là như nhau. Tensơ độ cứng đồng nhất Cv* của vật liệu
LC40 bị nước thấm qua ở áp lực 12 atm, đạt được cấp chống thấm
là trung bình cộng theo thể tích (c1, c2) của các tensơ độ cứng (C1, C2)
B10. Trong khi hai loại LC50 và LC60 áp lực nước lớn hơn 12 atm,
của các pha.
mẫu vẫn chưa bị nước thấm qua, đạt được cấp chống thấm lớn nhất
B12. Kết quả này cũng tương tự như bê tông nặng thông thường.
Cv* = c1 C1) + c2C2) = C(1) + c2 (C(2) – C(1))
- 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.
3.2.2 Mô hình nối tiếp/song song để dự báo cường độ của BTCLN
việc của dầm bê tông cốt thép.
Phần này trình bày các nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn
De Larrard [92] đã kết hợp 2 mô hình Voigt và Reuss thành một
AASHTO 2007 [67] trong tính toán kết cấu bê tông cốt thép và phân
mô hình có khả năng dự báo tốt ứng xử của BTCLN (hình 3.4).
tích các giai đoạn làm việc của dầm BTCLN chịu uốn thuần túy theo
Mô đun đàn hồi của vùng song song E* = (1 – g2/3)Ev + g2/3Ecl
tiêu chuẩn AASHTO.
Trong đó Ev , Ecl là mô đun đàn hồi của vữa và CLN
5.3. Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCLN
Ứng suất trong vùng nối tiếp: σ =
/
/
σ
Hình 4. 14. Quan hệ giữa cường độ kéo bửa và cường độ nén
đồng nhất và đẳng hướng, có ứng xử đàn hồi tuyến tính với mô đun
BTCLN của các tác giả khác nhau
Kết quả thí nghiệm cho thấy khi cường độ chịu nén trung bình
đàn hồi Em và Eg. Liên kết giữa hai pha là lý tưởng.
Tính đến sự không tương
tăng từ 50,3 lên 69,4 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn trung bình
thích về độ cứng giữa cốt liệu
tăng lên tương ứng từ 4,85 lên 5,77 MPa. Có thể nhận xét rằng
và đá xi măng, Shink [95] đưa
BTCLN chế tạo từ cốt liệu thô nhẹ và cát thường có cường độ chịu
vào một trường biến dạng
kéo khi uốn thấp hơn của bê tông nặng, giá trị trung bình bằng 0,73
trên thể tích cốt liệu bằng cách
lần so với bê tông cường độ cao có cùng cường độ nén.
cho vật rắn đồng nhất tương
ε ) trên V. Sự biến động εp thường
được xác định nhờ nhân tố S trên ε : εp = Sε
Hình 4. 15. Quan 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 các
S là ten xơ định vị ứng suất và biến dạng độc lập với tính chất cơ học
Cường
độ chịu
KLTT,
nén,
kg/m3
MPa
tài liệu tham khảo
của cốt liệu (Eshelby [49]).
100
+ 17.3
+ 18.7
- 2.6
- 13.9
59,7
1890
100
+ 7.5
+ 9.3
- 8.0
- 17.0
50,3
1731
100
cường độ nén của cốt liệu, fcg,và của đá xi măng fcm:
σoM = [1
o
σ
G
VgEm(S
= [1 + (1
Với α = (1
Vg)(Eg
1)α 1(Em
1
Vg)Em(S
Em)S
Cường độ nén của vữa
Eg)E
1)α (Em
Vg(Em
1
(3.40)
hơn của bê tông nặng, giá trị trung bình bằng 0,88 lần so với bê tông
Rh = (Eh
(3.41)
cường độ cao có cùng cường độ nén.
(3.38)
1702)/322
- 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 BTCLN từ mô hình nối tiếp/song song
(3.14) khi biết mô đun đàn hồi Ecl có thể tính được nhờ quan hệ đề
xuất bởi Bremner và Holm [34]: Ecl = 0,008
Hình 4. 13. Quan hệ giữa cường độ chịu kéo bửa và cường độ nén
của bê tông
Trong đó cl là khối lượng riêng (KLTT hạt) của cốt liệu (kg/m3)
3.3. Sử dụng mô hình biến động và mô hình nối tiếp/song song để
thiết kế thành phần BTCLN
4.3. Mô đun đàn hồi của BTCLN chịu lực
X = CKD/(1 +
);
MS =
.X
Trong đó m là hàm lượng muội silic
Mô đun đàn hồi của BTCLN LC60 là 27,1 GPa; LC50 là 25,4
GPa và LC40 là 20,6 GPa; nhỏ hơn so với của bê tông truyền thống
vì cốt liệu nhẹ yếu hơn cốt liệu nặng thông thường.
- Tính lượng cốt liệu nhẹ S = Vs.s
Trong đó Vs là thể tích cốt liệu nhẹ
s là khối lượng riêng (KLTT hạt) của cốt liệu nhẹ
- Tính lượng cát C theo nguyên tắc thể tích tuyệt đối:
C = (1000 – Vs –
–
– N – Vk). c
Trong đó Vk là thể tích khí cuốn
Bước 3: Tính các đặc trưng cơ học của vữa và bê tông
Từ tỉ lệ giữa các thành phần tính được cường độ và mô đun đàn
hồi của vữa, cường độ nén của bê tông theo các công thức ở mục 3.2.
6
6
6
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 hình
phương pháp ở mục 3.3.2. Thành phần hồ xi măng và vữa xi măng –
nối tiếp/song song và được nhào trộn theo qui trình 2 ở chương 2.
cát qui đổi được tính toán theo nguyên tắc giữ nguyên tỉ lệ N/CKD.
Thành phần của ba loại bê tông có cường độ chịu nén đặc trưng là
3.3.4 Kết quả thực nghiệm thành phần bê tông
Kết quả thí nghiệm độ sụt của tất cả các hỗn hợp đều lớn hơn 20
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
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)
2057
1964
1871
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
trưng của BTCLN LC60 là 62,6 MPa; LC50 là 57,5 MPa và LC40 là
45,7 MPa. Các đường phá hoại bê tông đều đi xuyên qua cốt liệu với
tất cả các cấp phối bê tông (hình 4.6). Điều này có thể được giải thích
là do liên kết tốt giữa cốt liệu và đá xi măng cũng như khả năng chịu
lực thấp của cốt liệu rỗng.
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.
tạo được bê tông nhẹ. Khi dùng sỏi SBL10/20 và STN2,5/5, KLTT
của bê tông phần lớn nhỏ hơn 2000 kg/m3 hay có thể chế tạo được bê
tông thỏa mãn tiêu chí thiết kế về KLTT.
Khi tỉ lệ thể tích tuyệt đối của cốt liệu giảm xuống 0,2 m3/m3 bê
tông, phần lớn KLTT của bê tông vượt quá 2000 kg/m3. Khi tăng thể
tích lên 0,35, KLTT của bê tông phần lớn giảm xuống dưới 1900
kg/m3 với mọi loại cốt liệu. Khi cần thiết kế bê tông có yêu cầu chặt
chẽ về KLTT, có thể xem xét thành phần xung quanh tỉ lệ này.
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
Chỉ tiêu thí nghiệm
Hình 3.15. Ảnh hưởng của loại
Hình 3.16. Ảnh hưởng của loại
cốt liệu đến cường độ của BTN
150x300
15
15
15
Mô đun đàn hồi
150x300
15
15
15
Cường độ chịu kéo bửa
150x300
6
6
6
Cường độ chịu kéo uốn