BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI
Phạm Sỹ Đồng
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CỐT SỢI
CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO HÀM LƯỢNG TRO BAY LỚN
SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH Ở VIỆT NAM
Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu
Mã số: 9520309
LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Hà Nội – Năm 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI
Phạm Sỹ Đồng
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CỐT SỢI
CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO HÀM LƯỢNG TRO BAY LỚN
SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH Ở VIỆT NAM
Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu
Mã số: 9520309
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn
2. PGS.TS. Lê Trung Thành
Hà Nội – Năm 2022
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án
NCS. Phạm Sỹ Đồng
ii
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn và PGS.TS.
Lê Trung Thành đã hết lòng giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn trong suốt quá trình học tập
và nghiên cứu.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, Khoa Vật liệu xây
dựng, Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Khoa đào tạo Sau Đại học, Bộ môn
Vật liệu xây dựng, Bộ môn Công Nghệ vật liệu xây dựng, Bộ môn Sức bền vật liệu, Bộ
môn Hóa, Phòng thí nghiệm và nghiên cứu VLXD (LAS XD 115), Phòng thí nghiệm và
kiểm định công trình (LAS XD 125), đã tạo điều kiện và giúp đỡ trong thời gian qua.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn sự góp ý quý báu và giúp đỡ của GS.TS. Trần Minh Tú,
TS. Nguyễn Công Thắng, TS. Cù Việt Hưng, PGS.TS. Bùi Hùng Cường- Trường Đại
học Xây dựng Hà Nội, GS.TS. Yang Keun Hyeok- Trường Đại học Kyonggi, Hàn Quốc.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Phòng thí nghiệm thuộc Dự án SATREPS, Viện Khoa
học công nghệ xây dựng, Viện Vật liệu xây dựng, Phòng Vật liệu - Viện Hàn Lâm Khoa
học Việt Nam đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong quá trình tiến hành
nghiên cứu thực nghiệm của luận án.
Xin chân thành cảm ơn toàn thể bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện tôi hoàn thành
luận án này.
Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình tôi đã luôn sát cánh, động viên, khích
lệ, giúp đỡ tôi trong thời gian qua.
Tác giả luận án
NCS. Phạm Sỹ Đồng
iii
MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................................iii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1
1.
Lý do lựa chọn đề tài ........................................................................................................... 1
2.
Mục đích nội dung nghiên cứu ............................................................................................ 2
3.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 3
4.
Cơ sở khoa học .................................................................................................................... 4
5.
Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................................... 4
6.
Ý nghĩa khoa học của luận án ............................................................................................. 4
7.
Những đóng góp mới của luận án ....................................................................................... 5
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO SỬ
DỤNG TRO BAY HÀM LƯỢNG LỚN ................................................................................... 6
1.1 KHÁI NIỆM CHUNG .......................................................................................................... 6
1.2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ CẤP PHỐI ĐIỂN HÌNH .......................................................... 8
1.2.1 Cốt liệu (cát quắc) ...................................................................................................... 8
1.2.2 Xi măng ...................................................................................................................... 8
1.2.3 Phụ gia khoáng ........................................................................................................... 9
1.2.4 Phụ gia siêu dẻo........................................................................................................ 10
1.2.5 Cốt sợi thép .............................................................................................................. 11
1.2.6 Cấp phối điển hình ................................................................................................... 13
1.3 NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG UHPC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
.................................................................................................................................................. 14
1.3.1 Nghiên cứu và ứng dụng bê tông UHPC trên thế giới ............................................. 14
1.3.2 Nghiên cứu và ứng dụng bê tông UHPC ở Việt Nam .............................................. 19
1.4 TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG UHPC .................................... 23
1.4.1 Tính công tác ............................................................................................................ 23
1.4.2 Tính chất cơ học ....................................................................................................... 23
1.4.3 Co ngót ..................................................................................................................... 26
1.4.4 Độ bền lâu ................................................................................................................ 26
1.5 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG UHPC SỬ DỤNG TRO BAY HÀM LƯỢNG LỚN
.................................................................................................................................................. 27
1.5.1 Phát triển bền vững bê tông...................................................................................... 27
1.5.2 Tiềm năng sử dụng tro bay hàm lượng lớn chế tạo bê tông UHPC ......................... 29
iv
1.6 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ............................................................ 33
CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ KHOA HỌC CHẾ TẠO BÊ TÔNG CỐT SỢI CHẤT LƯỢNG SIÊU
CAO HÀM LƯỢNG TRO BAY LỚN .................................................................................... 34
2.1 NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG HVFA UHPC ........................ 34
2.1.1 Giảm kích thước lớn nhất của cốt liệu ..................................................................... 34
2.1.2 Tối ưu thành phần hạt............................................................................................... 35
2.1.3 Tăng độ đặc chắc bằng việc sử dụng hạt siêu mịn ................................................... 36
2.1.4 Cải thiện vi cấu trúc bằng biện pháp dưỡng hộ nhiệt ẩm ......................................... 37
2.1.5 Nâng cao độ bền dẻo dai cho bê tông....................................................................... 38
2.1.6 Cơ sở khoa học sử dụng HVFA trong bê tông ......................................................... 40
2.2 NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG HVFA UHPC THEO
THỜI GIAN .............................................................................................................................. 46
2.3 NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA CẤU KIỆN DẦM BÊ TÔNG HVFA UHPC . 47
2.3.1 Một số lý thuyết tính toán dầm bê tông UHPC ........................................................ 48
2.3.2 Thiết lập công thức lý thuyết tính để tính toán tải trọng phá hoại dầm bê tông HVFA
UHPC ................................................................................................................................ 51
2.3.3 Sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ABAQUS mô phỏng theo thí nghiệm
thực để tính toán tải trọng phá hoại dầm bê tông HVFA UHPC ...................................... 51
CHƯƠNG 3 : VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................ 53
3.1 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU .............................................................. 53
3.1.1 Cốt liệu (cát quắc) .................................................................................................... 53
3.1.2 Xi măng .................................................................................................................... 53
3.1.3 Phụ gia khoáng ......................................................................................................... 54
3.1.4 Phụ gia siêu dẻo........................................................................................................ 55
3.1.5 Cốt sợi thép .............................................................................................................. 56
3.1.6 Nước ......................................................................................................................... 56
3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU ........................................... 56
3.2.1 Các phương pháp nghiên cứu tiêu chuẩn ................................................................. 56
3.2.2 Các phương pháp nghiên cứu phi tiêu chuẩn ........................................................... 59
3.3 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG HVFA
UHPC ....................................................................................................................................... 62
3.3.1 Phương pháp thiết kế tối ưu thành phần hạt bê tông HVFA UHPC ........................ 64
3.3.2 Phương pháp thiết kế thành phần bê tông HVFA UHPC......................................... 67
v
3.3.3 Tính toán thành phần bê tông HVFA UHPC ........................................................... 70
3.3.4 Quy trình trộn và bão dưỡng HVFA UHPC............................................................. 70
3.3.5 Cấp phối bê tông HVFA UHPC ............................................................................... 71
CHƯƠNG 4 : NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI CHẤT LƯỢNG
SIÊU CAO SỬ DỤNG HÀM LƯỢNG TRO BAY LỚN ........................................................ 73
4.1 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PGK SF VÀ FA ĐẾN HÀM LƯỢNG Ca(OH)2
TRONG ĐÁ CKD CỦA BÊ TÔNG UHPC ............................................................................. 73
4.1.1 Ảnh hưởng của SF đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá CKD .................................... 73
4.1.2 Ảnh hưởng của FA đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá CKD ................................... 75
4.1.3 Ảnh hưởng của hỗn hợp SF và FA đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá CKD ........... 76
4.2 NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG HVFA
UHPC ....................................................................................................................................... 78
4.2.1 Tính công tác của hỗn hợp bê tông UHPC............................................................... 78
4.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng SF đến cường độ nén của bê tông UHPC ..................... 80
4.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến cường độ nén của bê tông UHPC .................... 81
4.2.4 Ảnh hưởng của sự kết hợp giữa SF và FA đến cường độ nén của bê tông UHPC .. 82
4.2.5 Ảnh hưởng của thời gian bảo dưỡng nhiệt từ 1 đến 7 ngày đến cường độ nén 28 ngày
........................................................................................................................................... 88
4.2.6 Ảnh hưởng của kích thước mẫu đến cường độ nén của bê tông HVFA UHPC....... 92
4.2.7 Mô đun đàn hồi của bê tông HVFA UHPC ............................................................. 93
4.2.8 Cường độ ép chẻ của bê tông HVFA UHPC............................................................ 93
4.2.9 Cường độ kéo khi uốn của bê tông HVFA UHPC ................................................... 94
4.3 NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ NÉN CỦA BÊ TÔNG
HVFA UHPC THEO THỜI GIAN .......................................................................................... 96
4.3.1 Giới thiệu chung ....................................................................................................... 96
4.3.2 Mô hình dự báo cường độ nén bê tông theo fib 2010 .............................................. 97
4.3.3 Phương trình thực nghiệm để phát triển cường độ nén .......................................... 102
4.3.4 Hiệu chuẩn các mô hình được đề xuất ................................................................... 109
4.3.5 Phát thải CO2 của bê tông HVFA UHPC ............................................................... 109
4.3.6 Kết luận .................................................................................................................. 111
CHƯƠNG 5 : NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG HVFA UHPC ........ 113
5.1 GIỚI THIỆU CHUNG...................................................................................................... 113
5.2 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÔ HÌNH CẤU KIỆN DẦM BÊ TÔNG HVFA UHPC CỐT
THÉP ...................................................................................................................................... 114
vi
5.3 THÍ NGHIỆM UỐN 4 ĐIỂM DẦM BÊ TÔNG UHPC ĐỂ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG
CHỊU LỰC, BIẾN DẠNG ..................................................................................................... 115
5.4 CÔNG TÁC GIA TẢI THÍ NGHIỆM UỐN CÁC DẦM BÊ TÔNG UHPC CỐT THÉP
................................................................................................................................................ 116
5.5 DỰ ĐOÁN TẢI TRỌNG THÍ NGHIỆM DẦM BÊ TÔNG UHPC CỐT THÉP THEO MÔ
HÌNH LÝ THUYẾT ĐỀ XUẤT ............................................................................................ 121
5.6 DỰ ĐOÁN TẢI TRỌNG PHÁ HOẠI CỦA DẦM BÊ TÔNG HVFA UHPC BẰNG
ABAQUS ................................................................................................................................ 125
5.6.1 Phương pháp phần tử hữu hạn FEM ...................................................................... 125
5.6.2 Mô hình vật liệu ..................................................................................................... 126
5.6.3 Loại phần tử, chia lưới mô hình, liên kết giữa bê tông và cốt thép ........................ 127
5.6.4 Kết quả mô phỏng số.............................................................................................. 128
KẾT LUẬN ........................................................................................................................... 131
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ............................................... 133
vii
Stt
1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu
Ý nghĩa
ACI
Viện bê tông Mỹ (American Concrete Institute)
2
ASTM
3
AFGC-SETRA
Tiêu chuẩn của Mỹ về thí nghiệm Vật liệu (American
Society for Testing and Materials)
Hiệp hội xây dựng Pháp (AssociationFrançaise de Génie
Civil - Service d'étudestechniquesdes routeset
autoroutes)
4
5
BTCLSC
BTCLC
Bê tông chất lượng siêu cao
Bê tông chất lượng cao
6
7
BTCS
BTCT
Bê tông cốt sợi
Bê tông cốt thép
8
9
BTDƯL
BT
Bê tông dự ứng lực
Bê tông
10
11
BTT
BSI
Bê tông thường
Bê tông công nghiệp đặc biệt (Special Industrial
Concrete)
12
13
C
Ca(OH)2 - (CH)
Cát
Canxi hyđrôxit
14
C/CL
Tỷ lệ cát trên cốt liệu theo khối lượng
15
16
17
18
19
C/CKD
CKD
CL
CP
CPTU
Tỷ lệ cát trên chất kết dính theo khối lượng
Chất kết dính
Cốt liệu
Cấp phối
Cấp phối tối ưu
20
CPM
Mô hình lèn chặt dạng nén (Compressive Packing
21
CRC
Model)
Hợp chất composit dạng nén (Compact Reinforced
Composites)
22
23
24
C-S-H
CS
D
Hyđrôsilicat canxi
Co hóa học (Chemical Shrinkage)
Độ chảy của hỗn hợp bê tông
25
DSP
26
Đ
Hệ bê tông dạng nén sử dụng các hạt mịn (Densified with
Small Particles)
Đá dăm
viii
27
28
29
30
31
32
33
ĐC
FA
FA/CKD
fc
fc’
fy
FHWA
Mẫu đối chứng
Tro bay (Fly Ash)
Tỷ lệ tro bay trên chất kết dính, theo khối lượng
Cường độ chịu nén của bê tông
Cường độ chịu nén của bê tông tuổi 28 ngày
Cường độ chảy của cốt thép
Cục đường bộ Hoa Kỳ(Federation Highway Agency)
34
35
GBFS
HHBT
Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn
Hỗn hợp bê tông
36
HPC
Bê tông chất lượng cao (High Performance Concrete)
37
38
39
HSC
HVFA
HVFAC
Bê tông cường độ cao (High Strength Concrete)
Hàm lượng tro bay cao
Bê tông hàm lượng tro bay lớn
40
LS
Bột đá vôi (Lime Stone)
41
42
LDVT
MDF
Cảm biến đo chuyển vị
Hệ bê tông không chứa khuyết tật lớn (Macro-Defect
43
44
MKN
MK
Free)
Mất khi nung
Mêta caolanh (Meta kaolin)
45
MSFRC
Bê tông cốt sợi thép đa tỷ lệ (Multi-scale fiber reinforced
concrete)
46
47
48
Mu
N
N/CKD
Moment chịu uốn của dầm
Nước
Tỷ lệ nước trên chất kết dính theo khối lượng
49
50
51
N/XM
OC
ITZ
52
PC
Tỷ lệ nước trên xi măng theo khối lượng
Bê tông thường (Odinary Concrete)
Vùng chuyển tiếp/tiếp xúc giữa đá xi măng với cốt liệu
(Interfacial Transition Zone)
Xi măng poóclăng (Portland Cement)
53
54
55
PCB
PGK
PGSD
Xi măng poóclăng hỗn hợp
Phụ gia khoáng
Phụ gia siêu dẻo
56
57
58
RHA
RH
Rk
Tro trấu (Rice Husk Ash)
Độ ẩm tương đối (Relative Humidity)
Cường độ chịu kéo của bê tông
ix
59
60
61
62
63
64
65
Rku
RPC
SEM
SF
SF/CKD
TCVN
TG
Cường độ chịu kéo uốn của bê tông
Bê tông bột hoạt tính (Reactive Powder Concrete)
Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy)
Silica fume
Tỷ lệ silica fume trên chất kết dính, theo khối lượng
Tiêu chuẩn Việt Nam
Nhiệt vi sai trọng lượng
66
67
TGA
UHPC
Phân tích nhiệt vi sai trọng lượng
Bê tông chất lượng siêu cao (Ultra High Performance
Concrete)
68
UHPFRC
69
XM
Bê tông cốt sợi chất lượng siêu cao (Ultra High
Performance Fiber Reinforcement Concrete)
Xi măng
70
XRD
Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction)
71
Wn
Lượng nước liên kết hóa học (Non-evaporable water)
x
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Cấp phối hỗn hợp bê tông UHPC thương mại điển hình ....................13
Bảng 1.2 Yêu cầu vật liệu bê tông UHPC theo NF P18-470 [65] ......................15
Bảng 1.3 Một số công trình bê tông UHPC trên thế giới....................................18
Bảng 1.4 Một số công trình ứng dụng bê tông UHPC tại Việt Nam ..................21
Bảng 1.5 Phân loại hàm lượng FA để thay thế xi măng [143] ...........................32
Bảng 3.1 Tính chất cơ lý của cát sử dụng trong nghiên cứu ...............................53
Bảng 3.2 Tính chất cơ lý của xi măng sử dụng trong nghiên cứu ......................53
Bảng 3.3 Tính chất và thành phần hạt của SF sử dụng trong nghiên cứu ..........54
Bảng 3.4 Các tính chất của FA sử dụng trong nghiên cứu .................................54
Bảng 3.5 Thành phần hóa của xi măng và phụ gia khoáng hoạt tính .................55
Bảng 3.6 Các tính chất kỹ thuật của sợi thép sử dụng trong nghiên cứu ............56
Bảng 3.7 Tính chất cơ lý của vật liệu sử dụng trong nghiên cứu .......................56
Bảng 3.8 Bảng các tính chất thí nghiệm đề xuất đối với hỗn hợp bê tông và bê
tông ................................................................................................................................57
Bảng 3.9 Hệ số nén K ứng với PGK và mô hình khác nhau [18] .......................66
Bảng 3.10 Cấp phối bê tông chất lượng siêu cao sử dụng trong nghiên cứu .....71
Bảng 4.1 Cường độ nén cao nhất trong 28 ngày của bê tông UHPC với N/CKD
khác nhau. ......................................................................................................................91
Bảng 4.2 Cường độ nén của mẫu lập phương bê tông HVFA UHPC hàm lượng
50%FA ...........................................................................................................................92
Bảng 4.3 Cường độ nén của mẫu trụ tròn bê tông HVFA UHPC hàm lượng
50%FA ...........................................................................................................................92
Bảng 4.4 Mô đun đàn hồi của bê tông HVFA UHPC hàm lượng 50%FA .........93
Bảng 4.5 Cường độ ép chẻ của bê tông HVFA UHPC hàm lượng 50%FA .......94
xi
Bảng 4.6 Cường độ kéo khi uốn của bê tông HVFA UHPC hàm lượng 50%FA
.......................................................................................................................................95
Bảng 4.7 Bảng hệ số hiệu chỉnh ........................................................................103
Bảng 4.8 Bảng tham số ảnh hưởng độ dốc Sl ...................................................107
Bảng 4.9 Tổng hợp các giá trị thống kê được xác định từ việc so sánh các thí
nghiệm và dự báo. .......................................................................................................109
Bảng 4.10 Mức phát thải CO2 của nguyên liệu được sử dụng để tính toán lượng
khí thải CO2 của bê tông HVFA UHPC [87, 138]. .....................................................110
Bảng 5.1 Cấp phối bê tông thử nghiệm với hàm lượng sợi khác nhau từ 0-3%
.....................................................................................................................................115
Bảng 5.2 Các cấp gia tải thí nghiệm .................................................................116
Bảng 5.3 Bảng số liệu hình thành và phát triển vết nứt dầm ............................119
Bảng 5.4 Tính khả năng kháng uốn của dầm bê tông UHPC với hàm lượng sợi 03% ................................................................................................................................123
xii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Khái niệm về UHPC với các đặc tính tổ hợp của một số loại bê tông
khác ..................................................................................................................................6
Hình 1.2 Ứng xử cơ học của bê tông cốt sợi khi chịu kéo ..................................11
Hình 1.3 Một số loại sợi dùng cho BTCS ...........................................................12
Hình 1.4 Hình ảnh cốt sợi thép phân tán và tính chất “bắc cầu” qua vết nứt .....13
Hình 1.5 Một số ứng dụng bê tông UHPC theo các ưu điểm đặc thù về độ bền lâu,
tính thẩm mỹ, và chất lượng (cường độ cao và nhẹ) .....................................................14
Hình 1.6 Sự tăng trưởng của xi măng được sản xuất trong hơn 65 năm qua .....28
Hình 1.7 Phát triển bền vững của bê tông theo quan điểm của Mehta [23]........28
Hình 2.1 Mô tả tải trọng truyền qua: a) BTT; b) bê tông UHPC [60]. ...............35
Hình 2.2 Sự phân bố của các cấp hạt trong hỗn hợp ..........................................35
Hình 2.3 Vai trò của hạt siêu mịn đến việc cải thiện cấu trúc của UHPC ..........36
Hình 2.4 Sự thay đổi kích thước lỗ rỗng ở điều kiện dưỡng hộ nhiệt khác nhau
[53].................................................................................................................................37
Hình 2.5 Mức độ phản ứng puzơlanic ở điều kiện dưỡng hộ khác nhau [53] ....37
Hình 2.6 Đặc tính cường độ uốn của BTT, BTCS và bê tông UHPC [35].........39
Hình 2.7 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ uốn của bê tông
UHPC[4] ........................................................................................................................39
Hình 2.8 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến khả năng chống nứt của bê tông
UHPC [4] .......................................................................................................................39
Hình 2.9 Hình ảnh vi cấu trúc của FA hình thành trong (a) quá trình phản ứng, và
(b) giai đoạn đóng rắn....................................................................................................41
Hình 2.10 Hình ảnh FA theo công nghệ (a) đốt than phun, (b) đốt tầng sôi ......42
Hình 2.11 Mô hình lý thuyết tính toán theo AASHTO LFRD ...........................48
xiii
Hình 2.12 Mô hình lý thuyết tính toán theo Hiệp hội Đường cao tốc Hoa Kỳ
(FHWA) .........................................................................................................................49
Hình 2.13 Mô hình lý thuyết tính toán theo tiêu chuẩn thiết kế cầu của Canada
.......................................................................................................................................49
Hình 2.14 Mô hình lý thuyết tính toán theo Hiệp hội kỹ sư dân dụng Pháp
(AFGC/SETRA) ............................................................................................................50
Hình 2.15 Mô hình lý thuyết tính toán theo Hiệp hội kỹ sư xây dựng Nhật Bản
(JSCE) ............................................................................................................................50
Hình 3.1 Thành phần hạt của các vật liệu nghiên cứu ........................................55
Hình 3.2 Sợi thép Dramix OL 13/0,20 sử dụng trong nghiên cứu .....................56
Hình 3.3 Thí nghiệm phân tích TGA ..................................................................60
Hình 3.4 Đường cong TG/DTG điển hình đối với mẫu đá xi măng trong nghiên
cứu .................................................................................................................................60
Hình 3.5 Phương pháp hình học được sử dụng để xác định hàm lượng CH từ
đường cong mất khối lượng trong phân tích nhiệt [22, 75] ..........................................61
Hình 3.6 Thiết kế thành phần UHPC do Le T.T đề xuất [29] ............................63
Hình 3.7 Thiết kế thành phần UHPFRC do Meng, W. đề xuất ..........................64
Hình 3.8 Ảnh hưởng của một số hiệu ứng trong hỗn hợp hạt [14, 15] ...............66
Hình 3.9 Phương pháp đề xuất thiết kế cấp phối bê tông HVFA UHPC ...........68
Hình 3.10 Mối quan hệ giữa độ lèn chặt và tỷ lệ C/(C+CKD), XM/CKD = 0-0,9,
SF/CKD = 0,1-0,3, FA/CKD = 0-0,8. ...........................................................................69
Hình 3.11 Quy trình trộn hỗn hợp UHPC ...........................................................70
Hình 4.1 Ảnh hưởng của SF đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá CKD ở điều kiện
bảo dưỡng tiêu chuẩn, tỷ lệ N/CKD = 0,16 ...................................................................74
Hình 4.2 Ảnh hưởng của SF đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá CKD ở điều kiện
bảo dưỡng nhiệt ẩm, tỷ lệ N/CKD = 0,16 .....................................................................74
xiv
Hình 4.3 Ảnh hưởng của FA đến hàm lượng CH trong đá CKD ở điều kiện bảo
dưỡng tiêu chuẩn, tỷ lệ N/CKD = 0,16..........................................................................75
Hình 4.4 Ảnh hưởng của FA đến hàm lượng CH trong đá CKD ở điều kiện bảo
dưỡng nhiệt ẩm, tỷ lệ N/CKD = 0,16 ............................................................................75
Hình 4.5 Ảnh hưởng của tổ hợp 10% SF và (30-70)% FA đến hàm lượng CH
trong đá CKD ở điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn, tỷ lệ N/CKD = 0,16 ........................76
Hình 4.6 Ảnh hưởng của tổ hợp 10% SF và (30-70)% FA đến hàm lượng CH
trong đá CKD ở điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm, tỷ lệ N/CKD = 0,16 ...........................76
Hình 4.7 Ảnh hưởng của PGK đến hàm lượng CH trong đá CKD ở điều kiện bảo
dưỡng thường và bảo dưỡng nhiệt ẩm ở tuổi 28 ngày ..................................................77
Hình 4.8 Tác dụng tương hỗ của PGK SF và FA đến hàm lượng CH trong đá
CKD ở điều kiện bảo dưỡng thường ở tuổi 28 ngày .....................................................77
Hình 4.9 Tác dụng tương hỗ của PGK SF và FA đến hàm lượng CH trong đá
CKD ở điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm ở tuổi 28 ngày...................................................78
Hình 4.10 Quan hệ giữa lượng PGSD và PGK theo khối lượng CKD, độ chảy hỗn
hợp bê tông từ 200-250 mm, N/CKD = 0,16 ................................................................79
Hình 4.11 Biểu đồ quan hệ giữa độ chảy và hàm lượng sợi ...............................79
Hình 4.12 Ảnh hưởng của hàm lượng SF đến cường độ nén của bê tông UHPC
.......................................................................................................................................81
Hình 4.13 Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến cường độ nén của bê tông UHPC
.......................................................................................................................................82
Hình 4.14 Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến sự phát triển cường độ nén của bê
tông ở các tuổi khác nhau, với SF = 10%, (a) 272oC, (b) 905oC ..............................83
Hình 4.15 Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến cường độ nén của bê tông UHPC
với các tỷ lệ N/CKD khác nhau ở điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn. .............................85
Hình 4.16 Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến cường độ nén của bê tông UHPC
với các tỷ lệ N/CKD khác nhau ở điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm .................................86
xv
Hình 4.17 Ảnh hưởng của thời gian bảo dưỡng nhiệt khác nhau từ 1-7 ngày đến
cường độ nén 28 ngày của UHPC sử dụng hàm lượng FA và N/CKD khác nhau .......89
Hình 4.18 Ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD đến cường độ nén 28 ngày điển hình của
bê tông UHPC với 30% FA. ..........................................................................................89
Hình 4.19 Mối quan hệ giữa cường độ nén tuổi 28 ngày cao nhất của bê tông
UHPC với hàm lượng FA ..............................................................................................91
Hình 4.20 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ kéo uốn và độ võng dầm tuổi 28 ngày
của bê tông UHPC với hàm lượng FA 50% ..................................................................95
Hình 4.21 Phát triển cường độ nén theo mô hình ở điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn
.....................................................................................................................................100
Hình 4.22 Phát triển cường độ nén theo mô hình ở điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm
.....................................................................................................................................101
Hình 4.23 Phân tích hồi quy cho cường độ nén 28 ngày của bê tông UHPC ...107
Hình 4.24 Mô hình hóa Sl trong công thức (1) để dự báo sự phát triển cường độ
nén ...............................................................................................................................108
Hình 4.25 Phát thải CO2 của bê tông UHPC với các hàm lượng FA khác nhau
trong các điều kiện bảo dưỡng khác nhau ...................................................................111
Hình 5.1 Kích thước dầm bê tông UHPC và bố trí thép ...................................115
Hình 5.2 Sơ đồ thí nghiệm và bố trí các điểm đo dầm bê tông HVFA UHPC .116
Hình 5.3 Dầm bê tông HVFA UHPC 0% cốt sợi .............................................117
Hình 5.4 Dầm bê tông HVFA UHPC 1% cốt sợi .............................................118
Hình 5.5 Dầm bê tông HVFA UHPC 2% cốt sợi .............................................118
Hình 5.6 Dầm bê tông HVFA UHPC 3% cốt sợi .............................................119
Hình 5.7 Hình ảnh đo vết nứt dầm 0,1,2,3% sợi thép .......................................120
Hình 5.8 Quan hệ tải trọng và độ võng dầm bê tông HVFA UHPC 0,1,2,3% sợi
thép ..............................................................................................................................120
xvi
Hình 5.9 Mặt cắt tính toán của dầm bê tông UHPC .........................................122
Hình 5.10 Mô hình ABAQUS dầm HVFA UHPC ...........................................126
Hình 5.11 Các đường cong quan hệ giữa (a) ứng suất nén – biến dạng, (b) ứng
suất nén – biến dạng ngoài đàn hồi, (c) ứng suất kéo – biến dạng, (d) ứng suất kéo – biến
dạng ngoài đàn hồi của bê tông HVFA UHPC sử dụng hàm lượng cốt sợi 2%, (e) ứng
suất kéo – biến dạng của thép ......................................................................................127
Hình 5.12 Chia lưới mô hình dầm HVFA UHPC .............................................128
Hình 5.13 Mô hình theo ABAQUS nghiên cứu ứng xử dầm HVFA UHPC ....128
Hình 5.14 Biểu đồ quan hệ độ võng và biến dạng dầm HVFA UHPC (2% sợi
thép) .............................................................................................................................129
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Trong vài thập kỷ gần đây, quy mô và tốc độ xây dựng đặc biệt là các công trình cầu
đường, nhà cao tầng, nhà siêu cao tầng sử dụng các kết cấu vỏ mỏng, kết cấu có tuổi thọ
cao, kết cấu thân thiện với môi trường ngày càng phát triển trên thế giới cũng như tại
Việt Nam. Bê tông là loại vật liệu được sử dụng rất phổ biến với khối lượng lớn, chiếm
khoảng 60% khối lượng các kết cấu công trình xây dựng. Theo kết quả khảo sát của
trường Đại học Xây dựng Hà Nội, bê tông được sử dụng cho công trình ở nước ta hiện
nay phổ biến vẫn là bê tông thường với cường độ nén 15-30MPa cho công trình thấp
tầng và 30-50 MPa cho nhà cao tầng và các công trình cầu hầm lớn. Với sự phát triển
mạnh mẽ của khoa học hiện đại và xu thế chung của thế giới đòi hỏi chất lượng cho bê
tông trong công trình xây dựng ngày càng cần được nâng cao. Tuy nhiên, thông thường
nâng cao cường độ chịu nén cho bê tông thì khả năng chịu kéo, uốn khi bê tông biến
dạng cũng tăng không đáng kể. Các loại bê tông thường, bê tông cường độ cao vẫn chưa
đáp ứng hết được nhu cầu sử dụng trong các công trình xây dựng có yêu cầu kỹ thuật
cao về kết cấu chịu lực.
Bê tông chất lượng siêu cao (Ultra-High Performance Concrete - UHPC) là một sản
phẩm bê tông thế hệ mới được nghiên cứu và phát triển trên thế giới từ những năm 1990
với các đặc tính vượt trội về cả tính công tác, tính chất cơ học và độ bền lâu so với bê
tông thường và bê tông cường độ cao. Bên cạnh đó loại bê tông này còn có khả năng
uốn và kéo (do có cốt sợi phân tán) không kém gì các loại vật liệu đàn-dẻo hay hoàn
toàn có thể so sánh được với bê tông cốt thép. Các ứng dụng thực tế của bê tông UHPC
cũng đã thực hiện đối với kết cấu cầu, kết cấu vỏ mỏng, kết cấu vượt nhịp lớn... ở một
số nước trên thế giới. Hiện nay, các nghiên cứu về bê tông UHPC vẫn đang được tiếp
tục triển khai ở nhiều đơn vị nghiên cứu khác nhau trên thế giới trong đó có Việt Nam.
Tuy vậy các nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam chưa nhiều, do đó việc nghiên cứu chế
tạo bê tông UHPC sử dụng cho kết cấu công trình ở Việt Nam là hướng đi khoa học tiên
tiến và rất cấp thiết.
Chế tạo bê tông UHPC thông thường cần một lượng chất kết dính lớn (khoảng 800-1000
kg/m3), vì vậy việc nghiên cứu sử dụng một số phế thải (công, nông nghiệp) thay thế xi
măng để chế tạo bê tông UHPC có ý nghĩa rất to lớn về môi trường và phát triển bền
vững loại vật liệu này. Trong các phế thải sử dụng với vai trò là phụ gia khoáng cho chế
tạo xi măng và bê tông thì tro bay (FA) được đánh giá là một trong những phụ gia khoáng
tiềm năng nhất. Đặc biệt, khi sử dụng FA với hàm lượng lớn trong chế tạo UHPC sẽ giải
quyết đồng thời được 2 mục tiêu đó là về kỹ thuật và về kinh tế - môi trường. Xét về
mặt kỹ thuật, thì FA có thành phần hoá học với tổng hàm lượng các ôxyt (SiO2+ Al2O3+
2
Fe2O3) lớn hơn 70% (FA loại F theo ASTM C618 [3]). Các oxyt hoạt tính này có khả
năng phản ứng với sản phẩm thuỷ hoá của xi măng (phản ứng pozơlanic) tạo ra các sản
phẩm dạng C-S-H có cường độ cao, bền với môi trường hơn. Bên cạnh đó, với hình
dạng đặc trưng là các hạt hình cầu, mịn nên việc dùng FA trong bê tông giống như vai
trò của các chất bôi trơn (hiệu ứng ổ bi), từ đó làm tăng tính dẻo cho hỗn hợp bê tông,
giảm lượng nước nhào trộn, tăng độ đặc cho bê tông, dẫn đến làm tăng cường độ cũng
như khả năng chống thấm của bê tông. Xét về mặt kinh tế - môi trường, việc sử dụng
FA từ chỗ là phế thải công nghiệp thành nguyên liệu để chế tạo bê tông chất lượng cao
góp phần quan trọng trong việc bảo vệ môi trường cũng như việc phát triển kinh tế xã
hội của đất nước. Bên cạnh đó, xét theo điều kiện thực tế ở Việt Nam hiện nay về các
nguồn phụ gia khoáng thì FA có nguồn cung cấp dồi dào, và cũng là một vấn đề môi
trường lớn nhất cần giải quyết.
Việt Nam hiện nay sự phát triển lĩnh vực năng lượng (với tổng công suất điện từ 60 GW
năm 2020 tăng lên 96 GW và 130 GW đến năm 2025 và 2030 theo quy hoạch phát triển
điện lực quốc gia, QĐ 428/QĐ-TTg, năm 2016) thì nhiệt điện từ than vẫn đóng góp phần
lớn (42-49%) nguồn năng lượng điện quốc gia. Nếu tính theo định mức tiêu thụ là 0,5
kg than/kWh và tỷ lệ tro, xỉ trong than dùng cho nhiệt điện là 30% thì tổng lượng tro, xỉ
thải ra tương ứng năm 2025 và 2030 là 14,4 và 19,5 triệu tấn. Bên canh đó, tổng lượng
FA hiện đang tồn tại các bãi chứa khoảng hơn 80 triệu tấn, đến năm 2025 là 200 triệu
tấn và đến năm 2030 sẽ là 320 triệu tấn nếu không được xử lý, sẽ tạo ra những thách
thức cho đất nước vì phải sử dụng diện tích đất rất lớn để làm bãi chứa và nhiều áp lực
môi trường khác, nguy cơ các nhà máy phải dừng sản xuất do không có đủ bãi chứa là
một thực tế. So với nguồn các phế thải khác có thể sử dụng làm phụ gia khoáng cho xi
măng và bê tông ở Việt Nam như xỉ gang, thép - phế thải công nghiệp (khoảng 12 triệu
tấn/năm-2020), tro trấu - phế thải nông nghiệp (43,5 triệu tấn thóc sinh ra khoảng 1,72
triệu tấn tro) thì việc nghiên cứu sử dụng FA là tiềm năng và hiệu quả nhất.
Trên thực tế, việc nghiên cứu sử dụng FA chế tạo bê tông UHPC cũng đã được thực
hiện, tuy vậy cho đến nay chỉ rất ít các nghiên cứu đã công bố về khả năng sử dụng FA
hàm lượng lớn (High-Volume Fly Ash- HVFA với hàm lượng FA lớn hơn 50% theo
lượng dùng chất kết dính) do việc thay thế xi măng bằng FA thường gây ra bất lợi lớn
làm giảm cường độ của bê tông ở tuổi sớm. Xuất phát từ tình hình nghiên cứu FA chế
tạo bê tông UHPC trên thế giới và điều kiện thực tiễn ở Việt Nam về sự phát triển bê
tông UHPC trong bối cảnh lượng phế thải FA nhiệt điện của nước ta phát sinh rất nhiều,
nghiên cứu sinh đã đề xuất đề tài nghiên cứu Tiến sĩ là “Nghiên cứu chế tạo bê tông
cốt sợi chất lượng siêu cao hàm lượng tro bay lớn sử dụng cho kết cấu công trình
ở Việt Nam”.
2. Mục đích nội dung nghiên cứu
- Xem thêm -
.PDF 
162 
1 
116 
