Tài liệu 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

LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành luận văn này, trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các quý Thầy Cô trong khoa xây dựng cầu đường, Phòng Đào tạo Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm hết sức quý báu trong suốt quá trình học tập tại trường. Bằng tất cả tấm lòng, tôi cũng xin gửi đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp lời cảm ơn và những tình cảm chân thành nhất, những người đã khuyến khích, hỗ trợ, động viên, tạo điều kiện cho tôi theo hết khóa học đào tạo cao học và hoàn thành luận văn. Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS. Đỗ Việt Hải đã tận tình hướng C C dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. R L . T Xin chân thành cám ơn! U D TÓM TẮT LUẬN VĂN “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” Học viên: Hoàng Ngọc Hoài Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 85.80.205 Khóa: K36 (2018-2019) Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Đề tài đã nghiên cứu thành phần cấp phối chế tạo vật liệu UHPC có sử dụng một số nguồn cốt liệu chính ở trong nước trên cơ sở kế thừa kết quả các nghiên cứu đã công bố gần đây. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu UHPC hoàn toàn có thể chế tạo sử dụng một số nguồn cốt liệu sẵn có ở trong nước. Tác giả đã tiến hành chế tạo mẫu thí nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi thép đến tính chất cơ học vật liệu UHPC. Kết quả thí nghiệm cho thấy, việc sử dụng cốt sợi thép với hàm lượng 2% thể tích đạt hiệu quả tối ưu nhất. Đề tài cũng đánh giá đặc điểm hiện trạng giao thông tỉnh Thừa Thiên Huế, qua đó đề xuất nghiên cứu ứng dụng vật liệu UHPC cho kết cấu tấm đan chắn rác, kết quả nghiên cứu đã đạt được như sau: Giảm 25% khối lượng vật liệu sử dụng khi ứng dụng vật liệu UHPC. Giảm 20% chiều dày tiết diện tấm chắn rác so với vật liệu BTCT thông thường. Tăng 31% diện tích thoát nước dẫn đến khả năng thoát nước tốt hơn so với tấm chắn rác bằng BTCT thông thường. Ngoài ra, khi sử dụng vật liệu BTCT thường, khả năng chế tạo chỉ phù hợp cho loại đan chắn rác đơn (loại 1). Khi tăng kích thước để chế tạo loại đan đôi (loại 2) thì khó đảm bảo khả năng chịu lực hoặc tiết diện rất lớn, hiệu quả thoát nước không cao. Vì vậy, việc ứng dụng vật liệu UHPC trong trường hợp này là phù hợp. C C R L . T U D Từ Khóa: Bê tông chất lượng siêu cao. Abstract: “ A RESEARCH ON COMPONENTS OF ULTRA-HIGH PERFORMANCE CONCRETE (UHPC) FOR THE APPLICATION OF TRANSPORTATION STRUCTURES IN THUA THIEN HUE PROVINCE” This research studied the composition of UHPC materials using some of the main aggregate materials in the country based on the results of recently published studies. The results show that UHPC materials can be manufactured by using some of the aggregate materials available in the country. The author generated samples in the laboratory to study the effects of the steel fiber content on the mechanical properties of UHPC materials. The experimental results show that the use of steel fiber reinforced with 2% volume content reaches the best efficiency. This research also assesses the characteristics of the current transportation system in Thua Thien Hue province, thereby proposing conducting a research about the application of UHPC materials for structures of trash screens. The results are as follows: reducing 25% in the weight of materials when applying UHPC materials; Reducing 20% in the thickness of the cross section of the trash screen comparing with reinforced concrete materials; Increasing 31% in the drainage area that leads to better drainage than reinforced concrete screens. In addition, reinforced concrete materials are only suitable for single-type trash weaving (Type 1). For manufacturing the double knit type (Type 2), the larger size is required that leads to unsecure capacity and larger cross sections, the low drainage efficiency as wells. In this case, therefore, the application of UHPC materials for the transportation system in Thua Thien Hue province, particularly in structures of trash screens is appropriate. C C R L . T U D Key words: Ultra High Performance MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................................... 8 MỞ ĐẦU.......... ………………………………………………………………………………10 1.Lý do chọn đề tài: .................................................................................................................. 10 2.Mục tiêu nghiên cứu: ............................................................................................................. 10 3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ........................................................................................ 11 4.Phương pháp nghiên cứu: ...................................................................................................... 11 5.Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài: ................................................................... 11 6.Cấu trúc luận văn: ……………………… ………………………………………..11 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VẬT LIỆU UHPC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM. ................................................................................................................. 3 1.1.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO TRONG LĨNH VỰC GIAO THÔNG TRÊN THẾ GIỚI ...............................................3 C C 1.2.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO TRONG LĨNH VỰC GIAO THÔNG GIỚI Ở VIỆT NAM .........................................11 R L . T CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN CỐT LIỆU VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG CỐT SỢI ĐẾN CƯỜNG ĐỘ UHPC................................................... 17 U D 2.1.TỔNG QUÁT VỀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO ........................................................................................................................ 17 2.2.VẬT LIỆU CHẾ TẠO............................................................................................. 17 2.2.1.Xi măng ......................................................................................................................... 17 2.2.2.Các phụ gia hóa học ..................................................................................................... 18 2.2.3.Muội silic ....................................................................................................................... 20 2.2.4.Cốt liệu lớn .................................................................................................................... 21 2.2.4.1.Nguồn gốc của cốt liệu ......................................................................................21 2.2.4.2.Thành phần cấp phối của cát Quartz ................................................................ 22 2.2.5.Bột Quartz ..................................................................................................................... 23 2.2.6.Sợi thép .......................................................................................................................... 25 2.3.TỶ LỆ THÀNH PHẦN CỐT LIỆU ĐIỂN HÌNH UHPC TRÊN THẾ GIỚI .........26 2.4.QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM TÍNH CHẤT CƠ HỌC VẬT LIỆU UHPC .............27 2.4.1.Vật liệu thí nghiệm ....................................................................................................... 27 2.4.2.Quy trình thí nghiệm .................................................................................................... 27 2.4.2.1.Thí nghiệm nén mẫu hình trụ ................................................................................... 27 2.4.2.2.Thí nghiệm uốn 3 điểm có sẵn vết nứt .................................................................... 29 2.5.KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TÍNH CHẤT CƠ HỌC VẬT LIỆU UHPC .................30 2.5.1 Thí nghiệm nén mẫu hình trụ khi xử lý số liệu đo bằng strain gauges:.................................................................................................................38 2.5.2 Thí nghiệm uốn 3 điểm có sẵn vết nứt:…………………………………..39 2.5.3 Tổng hợp kết quả thí nghiệm:…………………………………………….39 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG VẬT LIỆU UHPC CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU VỰC TỈNH THỪA THIÊN HUẾ. ......................................................................................................................... 32 3.1.ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG KẾT CẤU CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG TỈNH THỪA THIÊN HUẾ. .................................................................................................................32 3.1.1.Hiện trạng hệ thống giao thông .................................................................................. 32 3.1.2.Quy hoạch phát triển kết cấu hạ tầng giao thông đường bộ.................................... 37 3.1.3.Đánh giá nhu cầu ứng dụng vật liệu UHPC cho kết cấu công trình giao thông khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế ............................................................................................... 38 C C R L . T 3.2.LỰA CHỌN KẾT CẤU ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÍNH HIỆU QUẢ KHI ỨNG DỤNG VẬT LIỆU UHPC. .................................................................................................................40 3.2.1. Đặc điểm và tình hình sử dụng vật liệu cho hệ thống thoát nước đô thị thành phố Huế hiện nay:…………………………………………………………………..…40 U D 3.2.2.Kích thước chính tấm chắn rác bằng bê tông cốt thép thường: .............................. 42 3.2.3.Đề xuất kích thước chính tấm chắn rác bằng UHPC: .............................................. 43 3.2.3.1.Tấm chắn rác loại 1: Có kích thước tương đương với tấm chắn rác hiện đang sử dụng. .............................................................................................................43 3.2.3.2.Tấm chắn rác loại 2: Có kích thước mở rộng so với tấm chắn rác hiện đang sử dụng. .............................................................................................................43 3.3.MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU BẰNG MÔ HÌNH SỐ. .................44 3.3.1.Phương pháp phân tích: ............................................................................................... 44 3.3.2.Mô hình hóa phần tử hữu hạn: .................................................................................... 44 3.3.3.Các bước thực hiện: ..................................................................................................... 45 3.3.3.1. Tham chiếu: ....................................................................................................45 3.3.3.2. Phần tiền xử lý: .............................................................................................. 45 3.3.3.3. Xây dựng mô hình hình học và chia lưới: ......................................................47 3.3.3.4. Khai báo vật liệu ............................................................................................ 49 3.3.3.5. Điều kiện biên và tải trọng ............................................................................60 3.3.4.Phần xử lý kết quả: ....................................................................................................... 52 3.3.4.1. Chuyển vị lớn nhất theo phương Y .................................................................53 3.3.4.2. Ứng suất lớn nhất theo phương thứ 2 ............................................................ 54 3.3.4.3. Ứng suất lớn nhất trong cốt thép ...................................................................55 3.3.4.4. Đường cong quan hệ tải trọng – độ võng : ....................................................56 3.4. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA VIỆC ỨNG DỤNG VẬT LIỆU UHPC CHO TẤM CHẮN RÁC. ........................................................................................................56 KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 59 C C U D R L . T MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1-1. Cầu đi bộ Sherbrooke, Quebec, Canada (1997) [5] ............................ 4 Hình 1-2. Cầu Millau, Pháp (2004) [6] ................................................................ 5 Hình 1-3. Chiều cao dầm bê tông UHPC và bê tông thông thường [10] ............. 6 Hình 1-4. Cầu Mars Hill, Iowa trong quá trình lắp ghép và hoàn thiện.............. 7 Hình 1-5. Cầu BOURG LÈS VALENCE sử dụng UHPC ..................................... 8 Hình 1-6. Thi công các tấm panel mặt cầu Kaag, Sassenheim tại Hà Lan [7] .... 9 Hình 1-7. Cầu bắc qua sông Perak, Perak, Malaysia ........................................ 10 Hình 1-8. Bể xử lý nước thải lắp đặt sẵn sử dụng tại nhà máy lọc dầu Nghi Sơn [24] ...................................................................................................................... 12 Hình 1-9. Quá trình chế tạo, thử nghiệm và ứng dụng cừ UHPC ...................... 13 C C Hình 1-10. Cầu Đập Đá, tỉnh Hậu Giang sử dụng vật liệu UHPC .................... 14 R L . T Hình 1-11. Cầu Năng An – Xuân Hồi, tỉnh Ninh Bình sử dụng vật liệu UHPC . 15 Hình 1-12. Cầu An Thượng, tỉnh Hưng Yên sử dụng vật liệu UHPC ................. 16 Hình 2-1. Sơ đồ sản xuất Silica Fume................................................................. 20 U D Hình 2-2. Mỏ Quartzit Thanh Sơn – Phú Thọ..................................................... 22 Hình 2-3. Cát Quartz ........................................................................................... 23 Hình 2-4. Bột Quartz ........................................................................................... 25 Hình 2-5. Sợi thép ............................................................................................... 26 Hình 2-6. Kích thước mẫu hình trụ ..................................................................... 28 Hình 2-7. Bố trí thí nghiệm nén mẫu hình trụ..................................................... 28 Hình 2-8. Kích thước mẫu thí nghiệm 3 điểm uốn .............................................. 29 Hình 2-9. Bố trí thí nghiệm uốn 3 điểm .............................................................. 29 Hình 3-1. Bản đồ hiện trạng giao thông tỉnh Thừa Thiên Huế........................... 32 Hình 3-2. Đan thu nước và nắp hố ga bằng gang đúc........................................ 41 Hình 3-3. Đan thu nước và nắp hố ga bằng BTCT truyền thống ....................... 41 Hình 3-4. Một số hiện tượng hư hỏng kết cấu BTCT .......................................... 41 Hình 3-5. Cấu tạo tấm chắn rác bê tông cốt thép thường .................................. 42 Hình 3-6. Cấu tạo tấm chắn rác UHPC loại 1 ................................................... 43 Hình 3-7. Cấu tạo tấm chắn rác UHPC loại 2 ................................................... 43 Hình 3-8. Đặc trưng hình học của phần tử SOLID65 ........................................ 46 Hình 3-9. Đặc trưng hình học của phần tử LINK180 ......................................... 47 Hình 3-10. Mô hình 3-D chia lưới phần tử hữu hạn ........................................... 47 Hình 3-10. Mô hình 3-D cốt thép ........................................................................ 48 Hình 3-12. Mô hình 3-D chia lưới phần tử hữu hạn ........................................... 48 Hình 3-13. Mô hình 3-D cốt thép ........................................................................ 49 Hình 3-14. Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông .................. 50 Hình 3-15. Mô hình phá hủy của bê tông ........................................................... 50 Hình 3-16. Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của cáp dự ứng lực...... 52 Hình 3-17. Chuyển vị theo phương thẳng đứng, (a) loại 1; (b) loại 2 ............... 53 Hình 3-18. Ứng suất chính lớn nhất, (a) loại 1; (b) loại 2 ................................. 54 Hình 3-19. Ứng suất lớn nhất trong cốt thép, (a) loại 1; (b) loại 2.................... 55 C C Hình 3-20. Đường cong quan hệ tải trọng – độ võng, (a) loại 1; (b) loại 2....... 56 U D R L . T MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1. Đặc tính của dầm UHPC sử dụng cho cầu BOURG LES VALENCE . 7 Bảng 1-2. Một số tính chất của UHPC của dầm cầu BOURG LÈS VALENCE sau 12 năm sử dụng [12]....................................................................................... 8 Bảng 2-1. Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 Việt Nam ....................... 18 Bảng 2-2. Các tính năng của phụ gia ................................................................. 19 Bảng 2-3. Tiêu chuẩn ASTM về muội silic (ASTM C1240-93) ........................... 21 Bảng 2-4. Thành phần hóa học của đá Quartz ................................................... 22 Bảng 2-5. Thành phần cấp phối hạt của cát Quarzt ........................................... 23 C C Bảng 2-6. Thành phần hóa học của bột Quartz .................................................. 24 Bảng 2-7. Thành phần cốt liệu UHPC điển hình trên thế giới [33] ................... 26 R L . T Bảng 2-8. Cấp phối bê tông UHPC .................................................................... 27 Bảng 2-9. Tính chất cốt sợi thép ......................................................................... 27 U D Bảng 2-10. Bảng tính chất vật liệu bê tông UHPC ............................................. 31 Bảng 3-1. Thống kê cầu trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế ............................... 33 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT KÍ HIỆU Ý NGHĨA Viện bê tông Mỹ (American Concrete Institute) Tiêu chuẩn của Mỹ về thí nghiệm Vật liệu (American Society forxây Testing Materials) Hiệp hội dựngand Pháp (Association Française 1 ACI 2 ASTM 3 AFGCSETRA 4 UHPC de Génie Civil - Service d'études techniques des routes et autoroutes) Bê tông chất lượng siêu cao 5 6 BTCLC BTCS Bê tông chất lượng cao Bê tông cốt sợi 7 8 9 BTCT BTDƯL BT Bê tông cốt thép Bê tông dự ứng lực Bê tông 10 BTT 11 BSI 12 TCVN 13 UHPC Bê tông thường Bê tông công nghiệp đặc biệt (Special Industrial Concrete) Tiêu chuẩn Việt Nam Bê tông chất lượng siêu cao (Ultra High Performance Concrete) U D R L . T C C 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài: Bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) là loại vật liệu mới, được nghiên cứu và áp dụng thử nghiệm ở các nước tiên tiến trên thế giới trong 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; khả năng chịu kéo uốn có thể đạt tới hơn 40MPa; khả năng chịu tác động va chạm, chịu tải trọng lặp và chống thấm cao; độ bền và độ ổn định lâu dài. Do đó loại vật liệu này rất phù hợp với kết cấu cầu có yêu cầu về cường độ cao, tuổi thọ dài và giảm thiểu được trọng lượng kết cấu. C C Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều công trình cầu ứng dụng loại vật liệu mới này.Tại Việt Nam, vật liệu UHPC cũng được nghiên cứu trong khoảng 10 năm trở lại đây, đã chế tạo thành công vật liệu UHPC sử dụng nguồn cốt liệu địa phương, đã thiết kế, thi công thí điểm 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. R L . T U D Do là loại vật liệu mới, việc đưa vào ứng dụng phổ biến sẽ gặp nhiều khó khăn như: thiếu thông tin về vật liệu; chưa có đầy đủ quy trình thiết kế, thi công, nghiệm thu; chưa được kiểm nghiệm nhiều từ các công trình thực tế đã ứng dụng; chưa có đánh giá tính ưu việt của vật liệu UHPC cho từng yếu tố kiến trúc, kết cấu, môi trường, chi phí đầu tư, tuổi thọ khai thác; chưa đánh giá trữ lượng nguồn cung ứng vật liệu tại từng địa phương. Xuất phát từ các yêu cầu trên, việc lựa chọn và thực hiện đề tài “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” 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. 2 b. Mục tiêu cụ thể: Xác định các loại thành phần cốt liệu trong nước để chế tạo vật liệu UHPC. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi thép đến cường độ vật liệu UHPC. Đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu UHPC phù hợp cho kết cấu 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 Thừa Thiên Huế. 4. Phương pháp nghiên cứu: C C Nghiên cứu thực nghiệm thông qua mẫu chế tạo trong phòng thí nghiệm. R L . T Nghiên cứu lý thuyết sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn. Sử dụng các phương pháp lý thuyết tính toán để đánh giá các kết quả phân tích. U D 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 liệu UHPC. Đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu UHPC phù hợp cho kết cấu 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 giới và ở Việt Nam. Chương 2: Nghiên cứu thành phần cốt liệu và ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi đến cường độ UHPC. Chương 3: Nghiên cứu đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu UHPC cho kết cấu công trình giao thông khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế. 3 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VẬT LIỆU UHPC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM. 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO TRONG LĨNH VỰC GIAO 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 với cường độ nén lớn nhất từ 15-20MPa. Bằng việc phát hiện và ứng dụng các loại phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia siêu dẻo đã đánh dấu một bước tiến lớn trong công nghệ bê tông. Đầu những năm 1970 với việc sử dụng phụ gia giảm nước, cường độ nén của bê tông đã có bước phát triển lớn, đạt từ 60-80MPa với tỷ lệ N/CKD = 0.3[1]. C C R L . T Vào năm 1990 các nghiên cứu ứng dụng loại bê tông hạt mịn với mục đích để hạn chế các vết nứt nhỏ của các kết cấu mỏng khi chịu tải 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 cường độ nén yêu cầu lớn hơn 150Mpa [2]. U D Trong giai đoạn từ 1992 - 1994 đã có sự liên kết giữa các công ty của Pháp đó là công ty Rhodia, Lafarge and Bouygues của Pháp, để phát triển và ứng dụng thương mại các sản phẩm của UHPC với tên thương mại là “Ductal”. Ban đầu các sản phẩm này được sử dụng chủ yếu cho ầm cầu đúc sẵn, tấm lát mặt cầu, nhà chờ xe buýt... Hiện nay, UHPC đã được sử dụng trong một số công trình như: sửa chữa các kết cấu làm việc trong môi trường ăn mòn, mài mòn, sử dụng cho mặt sàn các công trình có yêu cầu độ cứng lớp mặt lớn. Một bước ngoặt lớn khác là năm 1997, khi Richard và Cheyrezy [3] nâng được giá trị cường độ nén của bê tông lên đến 800MPa với một số công nghệ đặc biệt khi chế tạo, bảo dưỡng và vật liệu sử dụng. Việc ứng dụng UHPC đầu tiên được công nhận là sản phẩm của Richard và Cheyrezy [4]. Sản phẩm của nhóm nghiên cứu là ứng dụng UHPC chế tạo cầu người đi bộ dự ứng lực, đúc sẵn ở Sherbrooke, Quebec - Canada năm 1997 (hình 1.1). 4 C C Hình 1-1. Cầu đi bộ Sherbrooke, Quebec, Canada (1997) [5] R L . T Ở Pháp, hiệp hội xây dựng (AFGC/SETRA) đi đầu trong việc nghiên cứu về UHPC. Các nghiên cứu và ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, cho cầu dự ứng lực, các công trình mang tính thẩm mỹ, nhà máy điện hạt nhân. Sản phẩm UHPC “Ductal” được sản xuất bởi Lafarge - Pháp được sử dụng rất rộng trong những công trình chịu tải lớn, những kết cấu nhà chọc trời. Một trong những công trình mang tính thế kỷ của nước Pháp ứng dụng loại bê tông UHPC là cây cầu cạn Millau (Hình1.2). Đây là một cầu bắc qua thung lũng của sông Tarn gần Millau ở miền nam nước Pháp. Cầu này do kiến trúc sư người Anh Norman Foster và kỹ sư về cầu người Pháp Michel Virlogeux thiết kế và bắt đầu đưa vào thi công ngày 10/10/2001. Đây là cây cầu cao nhất thế giới, với đỉnh cao nhất của một cột của nó là 343m, cao hơn tháp Eiffel (hình 1.2). U D 5 C C Hình 1-2. Cầu Millau, Pháp (2004) [6] R L . T Tại Đức người ta đã ứng dụng UHPC trong các kết cấu cầu, sử dụng công nghệ đúc sẵn trong nhà máy và lắp ráp. Những nghiên cứu đầu tiên ở Đan Mạch chủ yếu trong lĩnh vực an ninh và quân sự. Ở Seoul Hàn Quốc [7] đã nghiên cứu và ứng dụng cho cầu người đi bộ và cầu ô tô năm 2002. Ở Nhật Bản có rất nhiều nghiên cứu và ứng dụng UHPC cho cầu đường bộ, trong các kết cấu chịu ăn mòn. Ở Nhật Bản và Trung Quốc [8], các nghiên cứu về UHPC rất nhiều. Trên thực tế đã có rất nhiều ý tưởng được đưa ra, như dự án "nhà siêu cao tầng – Sky City 1000” với sự nghiên cứu và liên kết của 97 công ty Nhật Bản, thiết kế một thành phố với những tòa nhà với chiều cao hàng ngàn mét và tuổi thọ là 1000 năm. Công ty Taisei tại Nhật Bản đã nêu ra một ý tưởng về những tòa nhà siêu cao tầng, dự án“X-SEED4000”; đó là thiết kế một thành phố với những tòa nhà cao 4000 m và đường kính của nền móng sẽ rộng 6000 m. Hiện nay tòa nhà Bionic tại Hồng Kông, Trung Quốc đã được quy hoạch với chiều cao là 1180 m. U D Cục đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) bắt đầu nghiên cứu UHPC từ năm 2001 tới nay đã đạt được những bước tiến lớn trong việc đưa công nghệ bê tông tiên tiến UHPC đến với ngành công nghiệp bê tông và ngành giao thông vận tải. Chiếc cầu đầu tiên của Hoa Kỳ sử dụng UHPC với kết cấu dầm chữ I hoàn thành năm 2008, cũng trong thời điểm này một cây cầu khác với bản mặt được làm bằng UHPC được đưa vào sử dụng. Với yêu cầu nâng cao chất lượng cũng như đảm bảo an toàn trong ngành giao thông vận tải, FHWA đã đề ra các mục tiêu nghiên cứu, cụ thể như sau [9]: 6  Đánh giá khả năng ứng dụng UHPC trong ngành giao thông vận tải.  Xác định các tính năng kỹ thuật của các kết cấu khi sử dụng UHPC.  Hỗ trợ để triển khai triệt để các dự án nghiên cứu về UHPC mà FHWA đang triển khai, với các nghiên cứu ban đầu chủ yếu tập trung vào các tính chất cơ lý của UHPC, đánh giá được 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 dụng UHPC so với bê tông dự ứng lực thông thường. Từ năm 2004 FHWA đã thiết kế, xây dựng và thử nghiệm các kết cấu dầm và bản mặt lắp ghép bằng UHPC. Kết quả nghiên cứu cho thấy, trọng lượng trên một đơn vị mét dài của các dầm cầu có cùng khẩu độ và tải trọng khi chế tạo bằng UHPC nhẹ hơn nhiều so với dầm chế tạo bằng bê tông truyền thống. Chiều cao của dầm UHPC cũng thấp hơn nhiều, với dầm dài 30 m khi chế tạo bằng bê tông truyền thống chiều cao là 1.5m trong khi đó dầm UHPC chiều cao là 1m (hình1.3). C C Trong những năm gần đây các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ đã nỗ lực nghiên cứu chế tạo các cấu kiện mặt cầu với tiêu chí tăng tuổi thọ, đẩy nhanh tiến độ thi công. Theo các nghiên cứu của FHWA, các tấm mặt cầu chế tạo bằng UHPC có các chỉ tiêu cơ lý tốt hơn so với bê tông truyền thống, chiều cao giảm đi đáng kể, đồng thời trọng lượng của nó nhẹ hơn khoảng 30%. Khi đó sẽ giảm thời gian thi công, giảm chi phí nhân công, đồng thời sẽ làm tăng khả năng chịu tải của cầu cũ, làm tăng hiệu quả kinh tế. R L . T U D Hình 1-3. Chiều cao dầm bê tông UHPC và bê tông thông thường [10] Cầu Mars Hill là cầu đầu tiên trên cao tốc sử dụng UHPC (hình 1.13). Với dầm chữ I nhịp dài 33 m cao 1.07 m (với bê tông truyền thống cao 1.57 m). Khi thi công người ta cũng đã loại bỏ được các thanh cốt thép chịu cắt đồng thời vẫn đảm bảo khả năng chịu lực. 7 C C R L . T U D Hình 1-4. Cầu Mars Hill, Iowa trong quá trình lắp ghép và hoàn thiện Cây cầu sử dụng bê tông UHPC đầu tiên ở Pháp là cầu BOURG LES VALENCE BRIDGES (hình 1.5) với thông số như trong bảng 1.1. Cây cầu này được hoàn thành năm 2002 bởi công ty Eiffage của Pháp. Trong quá trình thi công đã sử dụng hệ lắp ghép gồm các dầm và tấm mặt cầu bằng UHPC, quá trình này đã kết hợp được các tính năng vượt trội như cường độ rất cao, độ bền theo thời gian lớn, trọng lượng nhẹ và như vậy sẽ cho phép tạo điều kiện để thiết kế được các cấu kiện có độ bền cao hơn việc đổ bê tông tại chỗ và đặc biệt có thể thi công lắp ghép nhanh chóng, hạn chế đến mức thấp nhất thời gian phong tỏa giao thông, giảm lượng nhân công, như vậy sẽ tăng rất lớn hiệu quả về kinh tế. Một số tính chất của dầm UHPC sử dụng trong cầu BOURG LES VALENCE, cụ thể [11]: Bảng 1-1. Đặc tính của dầm UHPC sử dụng cho cầu BOURG LES VALENCE Tính chất của dầm Thông số kỹ thuật của dầm UHPC 8 Chiều dài dầm 20.50 m và 22.50 m Chiều cao dầm 0.90 m Chiều rộng dầm 2.40 m Độ dày mặt cắt dầm 11 cm Trọng lượng dầm 37 T Tính chất vật liệu UHPC Cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi 175 MPa Cường độ chịu kéo 9.1 MPa Mô đun đàn hồi 64 GPa C C R L . T U D Hình 1-5. Cầu BOURG LÈS VALENCE sử dụng UHPC Sau 12 năm sử dụng và tiếp xúc với các tác động của môi trường, François Toutlemonde đã tiến hành đánh giá lại kết cấu dầm cầu UHPC, các kết quả cho thấy, bề mặt của dầm có xuất hiện hiện tượng gỉ của sợi thép, tuy nhiên, khi khoan mẫu để xác định cường độ, mô đun đàn hồi, mức độ thấm ion clo của mẫu tại hiện trường cho thấy, cường độ nén và mô đun đàn hồi của UHPC tăng khoảng 20% so với, cụ thể kết quả UHPC sau 12 năm được trình bày ở bảng 1.2. Bảng 1-2. Một số tính chất của UHPC của dầm cầu BOURG LÈS VALENCE sau 12 năm sử dụng [12] 9 STT Độ rỗng, % Hàm lượng ion clo, % E, GPa Rn, MPa 1 8.2 <0.01 270 73.6 2 7.8 <0.01 271.3 73.9 3 6.8 <0.01 250.2 72.5 4 7.6 <0.01 5 11.8 <0.01 Trung bình 7.6 73.3 263.8 Ở Hà Lan, vào năm 2002 người ta sử dụng UHPC dùng để thay thế bê tông thông thường cho lớp mặt cầu: cầu Kaag, Sassenheim được đưa vào sử dụng, sau khi thay các tấm sàn bằng gỗ (có kích thước dày 115mm, rộng 320 mm) bằng các tấm panel bê tông (có kích thước dày 45mm, rộng 7.25 mm). Các tấm panel đúc sẵn này sử dụng UHPC, có cường độ nén ở tuổi 1 ngày là 90 MPa và cường độ nén ở tuổi 28 ngày lớn hơn 180 MPa, đây là sản phẩm của công ty bê tông Hurks Beton. Công tác thi công các tấm panel mặt cầu được thể hiện trên Hình1.6. C C R L . T U D Hình 1-6. Thi công các tấm panel mặt cầu Kaag, Sassenheim tại Hà Lan [7] Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu Malaysia đã nỗ lực nghiên cứu chế tạo và ứng dụng UHPC vào thực tế. Nổi bật là sản phẩm với tên thương mại là DURA®, đây là sản phẩm do công ty Dura Technology Sdn Bhd - Malaysia 10 nghiên cứu và chế tạo. Đến nay, UHPC đã được sử dụng trong rất nhiều công trình và nhiều lĩnh tại Malaysia như: Công trình cầu, công trình chịu ăn mòn, các công trình kiến trúc...[13]. Một trong những công trình mang tính đột phá là cây cầu bắc qua sông Perak, với chiều dài nhịp 100m, chiều rộng là 5m (hình 1.7). Đây được đánh giá là cây cầu nhịp đơn dài nhất thế giới khi sử dụng UHPC với Rn đạt 186MPa. C C R L . T U D Dầm cao 4.0m, bề rộng bản cánh 5.0m Hình 1-7. Cầu bắc qua sông Perak, Perak, Malaysia Đến nay nghiên cứu ứng dụng UHPC phát triển đến nhiều lĩnh vực xây dựng, mặc dù trên thế giới chưa ban hành tiêu chuẩn chung về thiết kế, thi công UHPC. Chỉ dẫn cho thiết kế thi công sử dụng UHPC trong các ứng dụng kết cấu