Luận án Nghiên cứu đặc trưng co ngót của bê tông sử dụng cát mịn phối trộn cát nghiền từ đá trong xây dựng cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN ĐỨC DŨNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG CO NGÓT CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG CÁT MỊN PHỐI TRỘN CÁT NGHIỀN TỪ ĐÁ TRONG XÂY DỰNG CẦU LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI – NĂM 2022 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN ĐỨC DŨNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG CO NGÓT CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG CÁT MỊN PHỐI TRỘN CÁT NGHIỀN TỪ ĐÁ TRONG XÂY DỰNG CẦU Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số: 958.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1: PGS.TS. NGUYỄN DUY TIẾN 2: TS. THÁI KHẮC CHIẾN HÀ NỘI – NĂM 2022 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nghiên cứu sinh NGUYỄN ĐỨC DŨNG iii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hƣớng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Duy Tiến, TS. Thái Khắc Chiến đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô bộ môn Cầu Hầm, bộ môn Vật liệu Xây dựng và khoa Đào tạo Sau đại học trƣờng Đại học Giao thông vận tải đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ và hƣớng dẫn trong suốt thời gian tác giả nghiên cứu tại Bộ môn và khoa. Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể các thầy, cô trƣờng Đại học Giao thông vận tải đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu và có giá trị cho nội dung đề tài luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn các bạn bè, đồng nghiệp tận tình giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình tác giả học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thành viên gia đình đã thông cảm tạo điều kiện và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. iv MỤC LỤC Trang MỤC LỤC ................................................................................................................... iv DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... x DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ............................................... xiv MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ BIẾN DẠNG CO NGÓT CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG CÁT MỊN PHỐI TRỘN CÁT NGHIỀN TỪ ĐÁ ......................... 7 1.1. Giới thiệu về vật liệu cát hỗn hợp phối trộn cát nghiền với cát mịn ..................... 7 1.2. Các nghiên cứu về bê tông sử dụng cát mịn phối trộn cát nghiền trên thế giới .... 8 1.2.1 Ảnh hƣởng của tỉ lệ phối trộn cát nghiền với cát sông đến tính năng cơ học và biến dạng co ngót của bê tông ...................................................................................... 9 1.2.2 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng bột đá đến đặc trƣng cơ học và biến dạng co ngót của bê tông .................................................................................................................. 13 1.2.3 Ảnh hƣởng của đá gốc sản xuất cát nghiền đến đặc trƣng cơ học và co ngót của bê tông ........................................................................................................................ 15 1.3 Các nghiên cứu cƣờng độ và biến dạng co ngót của bê tông sử dụng cát mịn phối trộn cát nghiền ở Việt Nam ....................................................................................... 19 1.4 Các nghiên cứu xác định ảnh hƣởng của biến dạng co ngót đến độ cong/độ võng của dầm bê tông cốt thép ........................................................................................... 24 1.5 Kết luận chƣơng 1 ................................................................................................ 27 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU BIẾN DẠNG CO NGÓT CỦA BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG CÁT MỊN PHỐI TRỘN CÁT NGHIỀN TỪ ĐÁ ........... 30 2.1 Co ngót bê tông .................................................................................................... 30 2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến biến dạng co ngót của bê tông ................................... 32 2.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến biến dạng co ngót của bê tông có sử dụng cát mịn phối trộn cát ghiền .............................................................................................................. 37 2.4 Một số mô hình dự báo biến dạng co ngót của bê tông theo các tiêu chuẩn hiện hành ............................................................................................................................ 39 2.4.1 Tiêu chuẩn Việt Nam 11823:2017 ................................................................... 39 2.4.2 Tiêu chuẩn ACI 209.2R .................................................................................... 40 2.4.3 Tiêu chuẩn châu Âu CEB FIP 2010 ................................................................. 41 2.4.4 Tiêu chuẩn EUROCODE 2 .............................................................................. 42 2.4.5 Tiêu chuẩn Anh quốc BS 8110 ......................................................................... 42 2.4.6 Tiêu chuẩn Xây dựng Nga ................................................................................ 43 2.4.7 Tiêu chuẩn Úc AS 3600 ................................................................................... 43 2.4.8 Tiêu chuẩn Nhật Bản JCSE 2007 ..................................................................... 44 2.4.9. Tiêu chuẩn ngành 22 TCN 272-05 .................................................................. 44 v 2.4.10 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 ....................................................... 45 2.4.11 Phân tích, đánh giá các mô hình tính toán biến dạng co ngót ......................... 45 2.4.12 Nhận xét về mô hình dự báo co ngót ............................................................... 46 2.5 Phƣơng pháp thực nghiệm xác định biến dạng co ngót của bê tông theo các tiêu chuẩn hiện hành .......................................................................................................... 46 2.6 Xây dựng công thức dự báo biến dạng co ngót của bê tông từ kết quả thực nghiệm ........................................................................................................................ 48 2.7 Ảnh hƣởng của co ngót đến biến dạng dài hạn của dầm bê tông cốt thép ........... 51 2.7.1 Ảnh hƣởng của biến dạng co ngót đến độ võng của dầm bê tông cốt thép ....... 52 2.7.2 Phân tích ảnh hƣởng của biến dạng dài hạn đến sự hình thành và phát triển độ vồng của dầm Super T ................................................................................................ 53 2.8. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................... 53 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA TÍNH CHẤT VẬT LIỆU CÁT MỊN PHỐI TRỘN CÁT NGHIỀN ĐẾN CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ HỌC VÀ BIẾN DẠNG CO NGÓT CỦA BÊ TÔNG TỪ ĐÁ ........................................................................................................................ 56 3.1 Kết quả khảo sát một số mỏ cát mịn và cát nghiền khu vực đồng bằng sông Cửu Long ............................................................................................................................ 56 3.1.1 Kết quả khảo sát các mỏ cát mịn ....................................................................... 56 3.1.2 Kết quả khảo sát các mỏ cát nghiền ................................................................. 57 3.2 Kết quả phối trộn cát nghiền với cát mịn thành cát hỗn hợp................................ 58 3.3 Thiết kế thành phần bê tông ................................................................................. 59 3.3.1 Phƣơng pháp tính toán ...................................................................................... 59 3.3.2 Vật liệu sử dụng ................................................................................................. 59 3.3.3 Xác định cấp phối tối ƣu theo lý thuyết Fuller .................................................. 60 3.4 Công tác thí nghiệm các đặc trƣng cƣờng độ bê tông .......................................... 61 3.5 Kết quả thí nghiệm ............................................................................................... 63 3.5.1 Ảnh hƣởng của tỉ lệ trộn CN/CM đến các đặc trƣng cơ học của bê tông ......... 63 3.5.2 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng bột đá đến các đặc trƣng cơ học của bê tông ......... 63 3.5.3 Ảnh hƣởng của đá gốc sản xuất cát nghiền ....................................................... 64 3.6 Phân tích kết quả thí nghiệm ............................................................................... 65 3.6.1 Phân tích ảnh hƣởng của tỉ lệ trộn cát nghiền/cát mịn đến các đặc trƣng cơ học của bê tông .................................................................................................................. 65 3.6.2 Phân tích ảnh hƣởng của hàm lƣợng bột đá đến các đặc trƣng cơ học của bê tông ............................................................................................................................. 66 3.6.3 Phân tích ảnh hƣởng của đá gốc sản xuất cát nghiền đến các các đặc trƣng cơ học của bê tông ........................................................................................................... 66 3.7 Thiết lập phƣơng trình quan hệ giữa các tính chất của vật liệu với tính năng cơ học của bê tông ........................................................................................................... 67 vi 3.7.1 Phƣơng trình quan hệ giữa tỉ lệ trộn cát nghiền/cát mịn với các tính năng cơ học của bê tông .................................................................................................................. 67 3.7.2 Phƣơng trình quan hệ giữa hàm lƣợng bột đá với các tính năng cơ học của bê tông ............................................................................................................................. 68 3.8 Nội dung thí nghiệm biến dạng co ngót bê tông .................................................. 69 3.8.1 Kế hoạch thí nghiệm .......................................................................................... 69 3.8.2 Buồng khí hậu .................................................................................................... 72 3.8.3 Mẫu thí nghiệm biến dạng co ngót .................................................................... 73 3.8.4 Quy trình đo biến dạng co ngót ......................................................................... 74 3.8.5 Tính toán kết quả ............................................................................................... 74 3.9 Kết quả thí nghiệm co ngót ................................................................................. 74 3.9.1 Nhóm 1: Biến dạng co ngót của các tổ mẫu thay đổi tỉ lệ phối trộn CN/CM ... 74 3.9.2 Nhóm 2: Biến dạng co ngót của các tổ mẫu thay đổi hàm lƣợng bột đá .......... 75 3.9.3 Nhóm 3: Biến dạng co ngót của các tổ mẫu thay đổi loại đá gốc sản xuất cát nghiền .................................................................................................................... 76 3.9.4 Nhóm 4: Biến dạng co ngót của các tổ mẫu đƣợc so sánh với mẫu đối chứng bê tông sử dụng cát vàng sông Lô ................................................................................... 77 3.9.5 Nhóm 5: Biến dạng co ngót của các tổ mẫu đƣợc so sánh với các tiêu chuẩn hiện hành ..................................................................................................................... 79 3.9.6 Nhóm 6: Ảnh hƣởng của biến dạng co ngót đến sự làm việc của kết cấu bê tông .................................................................................................................................... 79 3.10 Phân tích, đánh giá ảnh hƣởng của tính chất vật liệu đến biến dạng co ngót .... 81 3.10.1 Nhóm 1: Ảnh hƣởng của tỉ lệ phối trộn CN/CM ............................................. 81 3.10.2 Nhóm 2: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng bột đá .................................................... 83 3.10.3 Nhóm 3: Ảnh hƣởng của đá gốc sản xuất cát nghiền ..................................... 85 3.11 Nhóm 4: So sánh biến dạng do co ngót của bê tông cát mịn phối trộn cát nghiền với bê tông vàng sông Lô ........................................................................................... 87 3.12 Nhóm 5: So sánh kết quả nghiên cứu với các tiêu chuẩn hiện hành .................. 89 3.13 Nhóm 6: Ảnh hƣởng của ứng suất do co ngót đến kết cấu bê tông ................... 90 3.14 Xây dựng công thức xác định biến dạng co ngót bê tông có sử dụng cát mịn phối trộn cát ghiền ...................................................................................................... 93 3.14.1 Xây dựng công thức theo tiêu chuẩn CEB FIP 2010 ...................................... 93 3.14.2 Xây dựng công thức theo tiêu chuẩn ACI 209.2R .......................................... 95 3.15 Kết luận chƣơng 3 .............................................................................................. 97 CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA CO NGÓT ĐẾN BIẾN DẠNG DÀI HẠN CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ..................................... 100 4.1 Nghiên cứu thực nghiệm xác định độ võng dài hạn của dầm BTCT do biến dạng co ngót của bê tông ................................................................................................... 100 4.1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................ 100 vii 4.1.2 Xây dựng mô hình thí nghiệm ......................................................................... 100 4.1.3 Chế tạo mẫu thí nghiệm ................................................................................... 101 4.1.4 Bố trí dụng cụ đo ............................................................................................. 102 4.1.5 Các bƣớc tiến hành thí nghiệm ........................................................................ 103 4.1.6 Xử lý kết quả thí nghiệm ................................................................................. 103 4.1.7 Đánh giá kết quả đo theo các tiêu chuẩn tính toán hiện hành ......................... 104 4.2 Xây dựng công thức quan hệ giữa mô đun đàn hồi với biến dạng co ngót và độ võng .......................................................................................................................... 108 4.2.1 Lập công thức theo phƣơng pháp lực nén tƣơng đƣơng ................................. 108 4.2.2 Kết quả tính toán ứng suất kéo tại đáy dầm .................................................... 112 4.2.3 Kết quả tính toán độ võng của dầm theo nguyên lý ứng suất biến dạng ......... 113 4.2.4 Công thức xác định mô đun đàn hồi có hiệu từ kết quả thực nghệm .............. 114 4.3 Phân tích ảnh hƣởng của biến dạng co ngót và trình tự thi công đến biến dạng dài hạn của dầm bê tông dự ứng lực căng trƣớc Super T ............................................... 116 4.3.1 Cấu tạo dầm Super T ....................................................................................... 117 4.3.2 Các thông số về vật liệu đầu vào ..................................................................... 118 4.3.3 Kết quả theo dõi độ vồng các dầm Super T tại hiện trƣờng ............................ 118 4.3.4 Kết quả tính toán độ vồng từ các số liệu đo biến dạng co ngót ....................... 119 4.4 Nghiên cứu tính toán ảnh hƣởng quá trình thi công đến biến dạng dài hạn của dầm Super T.............................................................................................................. 122 4.5. Kết luận chƣơng 4 ............................................................................................. 124 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ...................................................................................... 125 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................................................................ 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 128 PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU .............................................. 136 PHỤ LỤC 2: THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG VÀ CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TÍNH NĂNG CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG ............................................... 146 PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ ĐO BIẾN DẠNG CO NGÓT CỦA BÊ TÔNG .............. 161 PHỤ LỤC 4: THUẬT TOÁN TỐI ƢU HÓA BẦY ĐÀN (PSO) ............................ 182 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Phƣơng pháp thực nghiệm xác định biến dạng co ngót của bê tông trong các tiêu chuẩn hiện hành ............................................................................. 47 Bảng 3.1 Thành phần hạt và mô đun độ lớn của cát .................................................. 58 Bảng 3.2 Bảng phân tích thành phần hạt cốt liệu của các cấp phối BTXM ............... 60 Bảng 3.3 Hệ số bình phƣơng nhỏ nhất theo Fuller ..................................................... 60 Bảng 3.4 Số lƣợng các tổ hợp và các mẫu thí nghiệm ............................................... 61 Bảng 3.5 Thông số các tổ mẫu thí nghiệm ................................................................. 70 Bảng 3.6. Kết quả đo biến dạng co ngót của các tổ mẫu TM1, TM2, TM3, TM4, TM5,TM6, TM7, TM8, TM9 ...................................................................... 75 Bảng 3.7. Kết quả đo biến dạng co ngót của các tổ mẫuTM2, TM13, TM14, TM15, TM5, TM16, TM17, TM18, TM8, TM19, TM20, TM21 ........................... 75 Bảng 3.8. Kết quả đo biến dạng co ngót của các tổ mẫu TM1, TM2, TM3, TM28, TM29, TM30, TM31, TM32, TM3373 ....................................................... 76 Bảng 3.9. Kết quả đo biến dạng co ngót của các tổ mẫu TM4, TM5, TM6; TM34, TM35, TM36 và TM49, TM50, TM51 ....................................................... 76 Bảng 3.10. Kết quả đo biến dạng co ngót của các tổ mẫu TM7, TM8, TM9; TM37, TM38, TM39 và TM52, TM53, TM54 ....................................................... 77 Bảng 3.11. Kết quả đo biến dạng co ngót của các tổ mẫu TM1, TM2, TM3, TM28, TM29, TM30, TM31, TM32, TM33 và TM10 ........................................... 77 Bảng 3.12. Kết quả đo biến dạng co ngót của các tổ mẫu TM4, TM5, TM6, TM34, TM35, TM36, TM49, TM50, TM51 và TM11 ........................................... 78 Bảng 3.13. Kết quả đo biến dạng co ngót của các tổ mẫu TM7, TM8, TM9, TM37, TM38, TM39, TM52, TM53, TM54 và TM12 ........................................... 78 Bảng 3.14 Kết quả đo biến dạng co ngót của các tổ mẫu TM1, TM2, TM3, TM28, TM29, TM30, TM31, TM32, TM33 ........................................................... 79 Bảng 3.15 Kết quả đo biến dạng co ngót của các tổ mẫu TM2, TM13, TM14, TM15, TM40, TM29, TM41, TM42, và TM32, TM55, TM56, TM57 .................. 79 Bảng 3.16 Kết quả đo biến dạng co ngót của các tổ mẫu TM1, TM2, TM3, TM28, TM29, TM30, TM31, TM32, TM33 ........................................................... 80 Bảng 3.17 Kết quả đo biến dạng co ngót của các tổ mẫu TM2, TM13, TM14, TM15, TM40, TM29, TM41, TM42 ....................................................................... 80 Bảng 4.1 Kết quả đo độ võng dầm ........................................................................... 103 Bảng 4.2 Độ võng dầm BTCT tính theo tiêu chuẩn và thực nghiệm ....................... 107 Bảng 4.3 Kết q