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

NGUYỄN LỘC KHA

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

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU
HẦM MÃ SỐ: 62.58.25.01

TÓM TẮC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ
THUẬT

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

HÀ NỘI - 2013


2
MỞ ĐẦU
Bê tông cường độ siêu sao là một loại vật liệu mới, được nghiên cứu
và ứng dụng thử nghiệm ở các nước tiên tiến trên thế giới trong vài thập kỷ
gần đây. Đặc tính của loại bê tông này là có cường độ chịu nén rất cao có thể
lên đến từ 100 -:- >200MPa, khả năng chịu kéo khi uốn lên đến 40MPa,
khả năng chịu cắt tăng cao, khả năng chịu tác động va chạm, chịu tải trọng
lặp rất lớn và đặc biệt là có độ bền và sự ổn định lâu dài. Hiện nay trên thế
giới đang từng bước ứng dụng thử nghiệm trong nhiều công trình cầu, nhà

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


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


Hình 1.4: Mái nhà cửa sổ Millau năm
2004

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


1.3.Các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận án đã
được công bố ở Việt Nam
Ở Việt Nam: bê tông cường độ siêu cao là một đề tài còn khá mới.
Đến năm 2008 mới được một số nhà khoa học ở các trường ĐH Giao thông
Vận tải; ĐH Xây dựng; ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh… bắt đầu nghiên
cứu về bê tông này. Các nghiên cứu nêu trên được xem là những nghiên cứu
ban đầu về bê tông siêu cường độ ở Việt Nam.
Như vậy bê tông cường độ siêu cao đối với Thế giới và Việt Nam
vẫn còn mang tính thời sự rất lớn, cần thiết có nhiều nghiên cứu để chế tạo ra
bê tông này từ vật liệu trong nước góp phần bổ sung hoàn thiện hệ thống lý
luận, tính toán và từng bước đưa vào ứng dụng thử nghiệm cho một số công
trình xây dựng.
1.4..Mục tiêu của đề tài
Từ vật liệu trong nước, theo các hướng dẫn của thế giới; nghiên cứu
chế tạo ra bê tông cường độ siêu cao từ 120 -:- 140MPa. Nghiên cứu thực
nghiệm uốn của dầm bê tông cốt thép sử dụng bê tông cường độ siêu cao để
xác định hệ số K trong công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn. Phân tích
ứng xử uốn của dầm cầu sử dụng bê tông cường độ siêu cao từ đó đề xuất
chiều cao của dầm cầu.
1.5.Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần, thí nghiệm các
tính chất cơ học của bê tông cường độ siêu cao từ 120 – 140MPa. Phân tích

100
0,315
67,1
0,14
41,6
0,075
13,9
Bột Quartz được nghiền nhỏ từ đá Quartz Thanh Sơn-Phú Thọ với đường
kính khoảng 27,9m như hình 2.3.

Hình 2.3: Bột Quartz

Hình 2.2: Cát Quartz

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

Hình 2.4: Sợi thép


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


Thọ, muội Silic và phụ gia siêu dẻo của hãng Sika Việt Nam, sợi thép Dramix
được nhập từ Thượng Hải Trung Quốc. Đánh giá về nguồn cung cấp vật liệu

Bột Quartz Q2, kg/m
280
150
120
3
Sợi thép, kg/m
160
170
160
Chất siêu dẻo, kg
16
17
18
Nước, lít
160
170
170
Tỷ lệ N/X
0,20
0,20 0,20

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

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

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


- Cường độ chịu kéo uốn lớn nhất (ứng với mômen uốn lớn nhất) thông
thường ứng với biến dạng là 3‰ .
- Cường độ chịu kéo khi uốn ở thời điểm biến dạng tối đa ứng với độ võng
của dầm thí nghiệm là 10mm, thí nghiệm cường độ kéo uốn được thực hiện
theo Tiêu chuẩn của Châu Âu (RILEM).


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

Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm uốn 4 điểm

b. Thu thập kết quả
Các số liệu trong khi thí nghiệm cần được thực hiện với tần số 5 Hz.
Các số liệu cần thu thập là:
+ Độ võng
+ Lực

29/3/2011

64,00
1/4/2011

50,50
6/4/2011

Hình 3.3: Thí nghiệm độ chảy lan
Hình 3.2: Mẻ trộn thử
Bảng 3.2: Kết quả cường độ chịu nén
Ký
Cường độ chịu nén (MPa)
Ngày
Stt hiệu
đúc
R3
TB3
S3
R7
TB7
S7 R 28 TB28 S28
mẫu
C11 29/3 65,89
109,89
134,70

C1

C2

119,79

C16

29/3

67,36

113,69

128,90

C21

1/4

68,55

111,47

121,36

C22

1/4

67,89

106,34


105,73

134,80

C31

6/4

82,42

115,51

142,56

C32

6/4

80,23

C33

6/4

77,64

C34

6/4


5,57
6,21
105,61
129,38
122,38

144,77


11
C35

6/4

91,65

107,34

145,61

C36

6/4

89,92

115,18

140,74


140

100

C1
C2
C3

120

80

60

3

7

28

Ngày

40

150 MPa

20

100



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


12

Bảng 3.4: Quan hệ giữa tải trọng và độ võng

Độ võng

(mm)

Tải trọng P (kN)
PM1

PM2

PM3

PM4

PM5

PM6


0,00
0,20
0,22
0,25

122,910
123,673
123,673
79,413
57,029
32,864
11,116

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

0,000
80,176
94,421
107,775
148,219
207,995
227,199
247,930

59,446
29,558
9,336

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

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

Mẫu

C1

Độ
võng
(mm)

Độ mở rộng vết
nứt W (mm)

Biến
dạng
o
( /oo)

Tải
trọng
P(kN)


10,60

7,70

0,3

0,30

3

122,68

16,36

11,88

0,9

1,02

10

97,74

13,03

9,47

2,12

0,05

0,2

85,05

11,34

8,24

0,2

0,18

2

88,51

11,80

8,57

0,3

0,30

3

129,20


3,00

32

0,00

0,00

0,00

0,092

0,05

0,2

90,47

12,06

8,76

0,2

0,18

2

126,26


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

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

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

Hình 3.9: Thí nghiệm mô đun đàn hồi


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

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

C1
127,59

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

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

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

3.44/ Một số nhận xét
Với vật liệu trong nước đã sản xuất được bê tông cường độ siêu cao
với các tính năng sau :
- Độ chảy lan của hỗn hợp thử nghiệm từ 45 – 64 cm, phù hợp với
các yêu cầu quốc tế độ chảy lan >50cm.

Imam như hình 4.1)

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

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

a

e

a

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

(4-1)
(4-2)


+ Theo ACI thì sử dụng K=0,00772.

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

Tai2t2ro0ng P (KN)
200

Tong hop

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

140
120
100
80
60
40
20
0
0

2

4

6

8

10

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


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


tự như các dầm bê tông cốt thép truyền thống. Tuy nhiên, sau khi nứt với các
dầm bê tông truyền thống là một quá trình giảm nhanh chóng về độ cứng của
dầm và các vết nứt nhanh chóng phát triển sâu vào vùng nén của bê tông dẫn
đến phá hoại dầm đột ngột, nhanh chóng. Còn dầm bê tông cường độ siêu cao
thì độ võng tiếp tục phát triển nhưng chậm hơn và tải trọng vẫn còn tăng và
sau đó gần như là đường nằm ngang không suy giảm đột ngột, điều này thể
hiện năng lượng được cốt sợi thép hấp thụ làm dầm vẫn còn khả năng chịu
lực không đứt gãy đột ngột.
Ứng xử khi chịu uốn của dầm bê tông cường có gia cường thép vùng kéo
sau khi nứt tải trọng còn tiếp tục tăng, khả năng chịu kéo tăng, độ võng tiếp
tục phát triển và dầm không bị phá hoại đột ngột. Điều đó chứng tỏ các dầm
bê tông cường độ siêu cao thì có độ dai cao hơn. Các dạng biểu đồ và các trị

công thức tính t
4.8.2Tính toán điều chỉnh hệ số K trong công thức 4-1 từ kết quả thí
nghiệm
Từ công thức (4-1):
a
Mn –Æs .fy.(d
–

suy ra: ot =
a

h

e

2

)

(4-2)

b.(h–e).(2+ – )
2

2

Và từ công thức tính t = K . ( lf /df) . f .Fbe (MPa)
(4-3)
(4-4)
Suy ra: Ktn=t/f.Fbe.

thiết kế dựa trên hướng dẫn bỡi SETRA/AFGC; phương pháp tính theo tiêu


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

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

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

a

r

r

r


Đặc tính vật liệu

a

−

(4-5)

Bảng 4.5: Đặc tính dầm tính toán
Ký
D33-40 D33-70 D33-130
Đơn vị
hiệu (h=1650) (h=1650) (h=1650)
3
Kg/m
2500
2500
2500
yc
Mpa
40
70
130
f c'

Tỷ trọng của bê tông
CĐ chịu nén
Cường độ chịu kéo
khi uốn khi xuất hiện Mpa
vết nứt bê tông


8,50