Nghiên Cứu Thành Phần Cấp Phối Bê Tông Chất Lượng Siêu Cao ...

Tải bản đầy đủ (.pdf) (26 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Thạc sĩ - Cao học
>>
3. Kỹ thuật

Nghiên cứu thành phần cấp phối bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) phục vụ ứng dụng cho kết cấu công trình giao thông khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.1 MB, 26 trang )

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAHOÀNG NGỌC HOÀINGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN CẤP PHỐI BÊ TÔNG CHẤTLƯỢNG SIÊU CAO (UHPC) PHỤC VỤ ỨNG DỤNG CHOKẾT CẤU CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU VỰCTỈNH THỪA THIÊN HUẾChuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thôngMã số: 85.80.205TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬTĐà Nẵng - Năm 2019Công trình được hoàn thành tạiTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOANgười hướng dẫn khoa học: TS. ĐỖ VIỆT HẢIPhản biện 1: TS. NGUYỄN VĂN MỸPhản biện 2: TS. NGUYỄN THẾ DƯƠNGLuận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệpThạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông họp tại Trường Đạihọc Bách Khoa vào ngày 21 tháng 12 năm 2019.Có thể tìm hiểu luận văn tại:- Trung tâm Thông tin-Học liệu, ĐHĐN tại trường ĐHBK- Thư viện Khoa Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông1MỞ ĐẦU1. Lý do chọn đề tài:Bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) là loại vật liệu mới, đượcnghiên cứu và áp dụng thử nghiệm ở các nước tiên tiến trên thế giớitrong vài thập kỷ gần đây. Đặc tính quan trọng của loại vật liệu này là:cường độ chịu nén rất cao, có thể từ 120MPa đến hơn 200MPa; khảnăng chịu kéo uốn có thể đạt tới hơn 40MPa; khả năng chịu tác độngva chạm, chịu tải trọng lặp và chống thấm cao; độ bền và độ ổn địnhlâu dài. Do đó loại vật liệu này rất phù hợp với kết cấu cầu có yêu cầuvề cường độ cao, tuổi thọ dài và giảm thiểu được trọng lượng kết cấu.Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều công trình cầu ứng dụngloại vật liệu mới này.Tại Việt Nam, vật liệu UHPC cũng được nghiêncứu trong khoảng 10 năm trở lại đây, đã chế tạo thành công vật liệuUHPC sử dụng nguồn cốt liệu địa phương, đã thiết kế, thi công thíđiểm dầm cầu UHPC cho người đi bộ và xe thô sơ, khổ cầu 2.2m,chiều dài nhịp 18m tại nhiều địa phương khác nhau trong năm 2016,2017.Do là loại vật liệu mới, việc đưa vào ứng dụng phổ biến sẽ gặpnhiều khó khăn như: thiếu thông tin về vật liệu; chưa có đầy đủ quytrình thiết kế, thi công, nghiệm thu; chưa được kiểm nghiệm nhiều từcác công trình thực tế đã ứng dụng; chưa có đánh giá tính ưu việt củavật liệu UHPC cho từng yếu tố kiến trúc, kết cấu, môi trường, chi phíđầu tư, tuổi thọ khai thác; chưa đánh giá trữ lượng nguồn cung ứng vậtliệu tại từng địa phương.Xuất phát từ các yêu cầu trên, việc lựa chọn và thực hiện đềtài “Nghiên cứu thành phần cấp phối bê tông chất lượng siêu cao(UHPC) phục vụ ứng dụng cho kết cấu công trình giao thông khu vựctỉnh Thừa Thiên Huế” là rất cần thiết và cấp bách.2. Mục tiêu nghiên cứu:a. Mục tiêu tổng quát:Nghiên cứu thành phần cấp phối vật liệu UHPC.Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài.b. Mục tiêu cụ thể:Xác định các loại thành phần cốt liệu trong nước để chế tạovật liệu UHPC.Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi thép đến cường2độ vật liệu UHPC.Đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu UHPC phù hợp cho kếtcấu công trình giao thông trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:Bê tông chất lượng siêu cao (UHPC).Các loại thành phần cấp phối chế tạo vật liệu UHPC.Đặc điểm Kết cấu công trình giao thông ở khu vực tỉnh ThừaThiên Huế.4. Phương pháp nghiên cứu:Nghiên cứu thực nghiệm thông qua mẫu chế tạo trong phòngthí nghiệm.Nghiên cứu lý thuyết sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn.Sử dụng các phương pháp lý thuyết tính toán để đánh giá cáckết quả phân tích.5. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài:Xác định thành phần cốt liệu chế tạo vật liệu UHPC.Làm cơ sở lựa chọn hàm lượng cốt sợi tối ưu cho vật liệuUHPC.Đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu UHPC phù hợp cho kếtcấu công trình giao thông trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế.6. Cấu trúc luận văn:Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn gồm 3 chương:Chương 1: Nghiên cứu tổng quan vật liệu UHPC trên thế giớivà ở Việt Nam.Chương 2: Nghiên cứu thành phần cốt liệu và ảnh hưởng củahàm lượng cốt sợi đến cường độ UHPC.Chương 3: Nghiên cứu đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệuUHPC cho kết cấu công trình giao thông khu vực tỉnh Thừa ThiênHuế.CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VẬT LIỆU UHPCTRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM.1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊTÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO TRONG LĨNH VỰCGIAO THÔNG TRÊN THẾ GIỚI:Thực tế về bức tranh nghiên cứu về bê tông cho thấy rằng,công nghệ bê tông có bước phát triển chậm trước những năm 1960 vớicường độ nén lớn nhất từ 15-20MPa. Bằng việc phát hiện và ứng dụngcác loại phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia siêu dẻo đã đánh dấu mộtbước tiến lớn trong công nghệ bê tông. Đầu những năm 1970 với việcsử dụng phụ gia giảm nước, cường độ nén của bê tông đã có bước pháttriển lớn, đạt từ 60-80MPa với tỷ lệ N/CKD = 0.3[1].Vào năm 1990 các nghiên cứu ứng dụng loại bê tông hạt mịnvới mục đích để hạn chế các vết nứt nhỏ của các kết cấu mỏng khi chịutải trọng đã được triển khai tại phòng thí nghiệm Bouygues của Pháp.Từ đây, thuật ngữ về UHPC đã được sử dụng trên thế giới, với cườngđộ nén yêu cầu lớn hơn 150Mpa [2].Trong giai đoạn từ 1992 - 1994 đã có sự liên kết giữa cáccông ty của Pháp đó là công ty Rhodia, Lafarge and Bouygues củaPháp, để phát triển và ứng dụng thương mại các sản phẩm của UHPCvới tên thương mại là “Ductal”..Cục đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) bắt đầu nghiên cứu UHPCtừ năm 2001 tới nay đã đạt được những bước tiến lớn trong việc đưacông nghệ bê tông tiên tiến UHPC đến với ngành công nghiệp bê tôngvà ngành giao thông vận tải. Chiếc cầu đầu tiên của Hoa Kỳ sử dụngUHPC với kết cấu dầm chữ I hoàn thành năm 2008, cũng trong thờiđiểm này một cây cầu khác với bản mặt được làm bằng UHPC đượcđưa vào sử dụng. Với yêu cầu nâng cao chất lượng cũng như đảm bảoan toàn trong ngành giao thông vận tải, FHWA đã đề ra các mục tiêunghiên cứu, cụ thể như sau [9]:−Đánh giá khả năng ứng dụng UHPC trong ngành giao thôngvận tải.−Xác định các tính năng kỹ thuật của các kết cấu khi sử dụngUHPC.−Hỗ trợ để triển khai triệt để các dự án nghiên cứu về UHPCmà FHWA đang triển khai, với các nghiên cứu ban đầu chủyếu tập trung vào các tính chất cơ lý của UHPC, đánh giáđược độ bền trên cơ sở đó xác định tuổi thọ của công trình,so sánh hiệu quả kinh tế, kỹ thuật, môi trường khi sử dụngUHPC so với bê tông dự ứng lực thông thường.Từ năm 2004 FHWA đã thiết kế, xây dựng và thử nghiệmcác kết cấu dầm và bản mặt lắp ghép bằng UHPC. Kết quả nghiên cứucho thấy, trọng lượng trên một đơn vị mét dài của các dầm cầu có cùngkhẩu độ và tải trọng khi chế tạo bằng UHPC nhẹ hơn nhiều so với dầmchế tạo bằng bê tông truyền thống. Chiều cao của dầm UHPC cũngthấp hơn nhiều, với dầm dài 30 m khi chế tạo bằng bê tông truyềnthống chiều cao là 1.5m trong khi đó dầm UHPC chiều cao là 1m .Trong những năm gần đây các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ đãnỗ lực nghiên cứu chế tạo các cấu kiện mặt cầu với tiêu chí tăng tuổithọ, đẩy nhanh tiến độ thi công.Đến nay nghiên cứu ứng dụng UHPC phát triển đến nhiềulĩnh vực xây dựng, mặc dù trên thế giới chưa ban hành tiêu chuẩnchung về thiết kế, thi công UHPC.1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊTÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO TRONG LĨNH VỰC GIAOTHÔNG GIỚI Ở VIỆT NAM:Ở Việt Nam các nghiên cứu về UHPC còn mới mẻ, các kếtquả nghiên cứu được công bố chưa nhiều. Các tác giả Nguyễn VănTuấn, Phạm Hữu Hanh, Nguyễn Công Thắng -Trường ĐH Xây dựngđã tiến hành nghiên cứu khả năng chế tạo UHPC ở Việt Nam với quymô đề tài cấp Trường năm 2006 [16-18]. Các tác giả cho rằng UHPChoàn toàn có thể chế tạo được trong điều kiện vật liệu hiện có ở ViệtNam.Việc nghiên cứu và phát triển UHPC cũng đạt được kết quảkhả quan ở một vài đơn vị khác. Năm 2009, các tác giả Nguyễn VănChánh và các cộng sự - Trường ĐH Bách khoa Tp. HCM [20] thựchiện nghiên cứu tổng quan về UHPC.Ở Việt Nam xu hướng phát triển loại bê tông chất lượng siêucao trong tương lai là rất lớn. Hiện nay, có một số công bố về việc ứngdụng UHPC trong thực tế cụ thể như sau:− Năm 2014 nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Xây dựng đãcó ứng dụng đầu tiên là sử dụng UHPC để chế tạo bể xử lý nước thảilắp đặt sẵn tại nhà máy lọc dầu Nghi Sơn .−Năm 2016 nhóm nghiên cứu tại Đại học Xây dựng tiếp tụccó nghiên cứu và ứng dụng sản phẩm Bê tông chất lượng siêu cao chếsản phẩm cọc cừ bê tông để thay cho cọc cừ lasen thép. Sản phẩm cọccừ này đã được chế tạo và ứng dụng thành công tại dự án Rừng Dương,Vũng Tàu với trên 6000m dài cừ bê tông chất lượng siêu cao .−Gần đây năm 2017 nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu và ứngdụng hệ bê tông chất lượng siêu cao để chế tạo tấm vỏ đài tưởng niệmliệt sỹ trung đoàn 207 tại Ấp Đá Biên, Long An. Bê tông chất lượngsiêu cao được sử dụng trong công trình có cường độ nén đạt trên 120MPa và cường độ uốn đạt trên 12MPa chế tạo các tấm ốp ngoài tạo rahình dáng kiến trúc theo thiết kế. Sản phẩm có kích thước về chiều dàilớn nhất đến gần 6m. Đây là sản phẩm có xét đến cả tính mỹ thuật vàkiến trúc nên việc nghiên cứu, chế tạo và kiểm soát chất lượng sảnphẩm phức tạp hơn so với các sản phẩm kết cấu thông thường.−Năm 2016 nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Công NghệXây dựng có ứng dụng đầu tiên về việc sử dụng UHPC để chế tạo cầucho người đi bộ với nhịp chính cầu Đập Đá tại khu vực 4, Phường III,thành phố Vị Thanh, Hậu Giang. Cầu có chiều dài nhịp là 18m, chiềurộng 2.2m tải trọng, hoạt tải phân bố 300 kG/cm2.− Năm 2017 nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Công NghệXây Dựng tiếp tục có ứng dụng về việc sử dụng UHPC để chế tạo cầucho người đi bộ, cầu Năng An - Xuân Hồi - Ninh Bình với các thôngsố kỹ thuật cơ bản như sau:• Dầm cầu UHPC• Kích thước sườn chính: bxhxL = 120x350x12000 mm• Kích thước sườn phụ: 80x100x2200 mm• Kích thước bản mặt: hxBxL = 35x2200x12000mm• Tải trọng: người đi bộ, hoạt tải phân bố 300 kG/cm2 , hoạt tảitập trung 500kg.− Năm 2019, Trường Đại học Xây dựng đã nghiên cứu, thiết kế,xây dựng và chuyển giao thành công cầu dân sinh An Thượng tại tỉnhHưng Yên bằng vật liệu UHPC [25, 26].Trong tương lai gần việc sử dụng UHPC ở Việt Nam sẽkhông thể chỉ tập trung vào các ứng dụng trong xây dựng dân dụngmà còn được ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực cầu đường bởi vì loại vậtliệu này có thể là các giải pháp mới cho các lĩnh vực ứng dụng. Đặcbiệt là khi UHPC được sử dụng kết hợp với các vật liệu khác để tạo ramột loại vật liệu composite mới với các ưu điểm vượt trội về cườngđộ và độ bền.CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN CỐT LIỆU VÀẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG CỐT SỢI ĐẾN CƯỜNGĐỘ UHPC2.1. TỔNG QUÁT VỀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNGCƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO:2.2. VẬT LIỆU CHẾ TẠO:2.2.1. Xi măng:Trong thành phần chế tạo vật liệu UHPC, xi măng là chất kếtdính cơ bản. Các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao trên thếgiới thường sử dụng xi măng PCA 42,5 ; PCA 52,5; PCA 62,5 loại Ivà loại III. Các nghiên cứu trong nước đã chỉ ra rằng, xi măngPooclăng loại I PC40 hoàn toàn có thể sử dụng để chế tạo UHPC.Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 phổ biến ở Việt Namđược ghi ở bảng 2.1 [32].2.2.2. Các phụ gia hóa học:Các phụ gia hóa học nói chung đều được sản xuất từ ligninsunphonat, các axít cacbonxilic (phenol cao phân tử) được hydrat hóa,các nhóm hydrat – cacbon, Melamin, Naptalin. Việc chọn loại và liềulượng cần tiến hành bằng các thực nghiệm. Các phụ gia hóa học nàygóp phần tăng đáng kể cường độ nén, kiểm soát tốc độ đông kết bêtông, thúc đẩy nhanh cường độ, cải thiện khả năng làm việc và độbền theo thời gian của bê tông.2.2.3. Muội silic:Muội silic là một sản phẩm phụ được lấy ra từ quá trình nungthạch anh với than đá trong các lò hồ quang điện của ngành sản xuấtsilicon và các hợp kim thép silicon, khói bay ra có hàm lượng dioxitsilic vô định hình cao và chứa các tinh thể hình cầu rất mịn.2.2.4. Cốt liệu lớn:Cốt liệu lớn sử dụng phổ biến để chế tạo UHPC là cátQuartz được nghiền từ đá Quarzt.2.2.4.1. Nguồn gốc của cốt liệu :Khi bắt đầu nghiên cứu về bê tông chất lượng cao và bê tôngcường độ siêu cao, người ta đã sử dụng các loại cát thạch anh có đườngkính từ 0,5-8 mm. Có nhiều tác giả đã tìm kiếm các loại cốt liệu khácđể thay thế với các đường kính khác nhau mà chủ yếu là sử dụng cátnghiền từ đá Bazan với đường kính đến 1mm.2.2.4.2. Thành phần cấp phối của cát Quartz :Tuỳ theo yêu cầu về cường độ của bê tông mà đường kínhlớn nhất của cốt liệu có thể thay đổi.Theo 33 khi phân tích về tối ưuđộ chặt của bê tông, F.de Larrard cho rằng đường kính lớn nhất củacốt liệu có ảnh hưởng rất quan trọng đến độ đặc tối ưu của hỗn hợpcốt liệu, do đó sẽ ảnh hưởng đến cường độ nén của bê tông.2.2.5. Bột Quartz:Hàm lượng xi măng trong các nghiên cứu đầu tiên về bê tông3cường độ siêu cao trên thế giới khoảng từ 900 đến 1.200kg/m . Bộtthạch anh với đường kính trung bình từ 3μm đến 4μm đã được sửdụng để lấp đầy các lỗ rỗng cực nhỏ. Các hạt của nó lấp đầy cáckhoảng trống giữa các hạt xi măng và cùng với muội silic làm chođường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu trở nên liên tục và làmcho độ đặc của hỗn hợp được tăng lên. Nếu như độ đặc của muộisilic bình thường là 0,64, thì sau khi sử dụng thêm bột thạch anh, độđặc có thể tăng lên dến 0,716 33.2.2.6. Sợi thép :Theo báo cáo tổng quan về thành phần bê tông cườngđộ siêu cao ở Châu Âu 29,[36] cho thấy rằng sợi thép sẽ làm tăngđộ dai chobê tông cường độ siêu cao, hấp thụ năng lượng do tải trọngvà tăng cường khả năng chịu lực sau khi xuất hiện vết nứt đầu tiên. Cácnghiên cứu trên thế giới cho thấy độ dai của bê tông cường độ siêu caophụ thuộc vào cường độ chịu kéo của sợi thép. Với bê tông thôngthường, thường dùng các sợi thép có giới hạn chảy