Luận án Nghiên cứu thành phần, tính chất của bê tông cốt liệu nhẹ dùng trong xây dựng cầu ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẶNG THÙY CHI NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ DÙNG TRONG XÂY DỰNG CẦU Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI-2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẶNG THÙY CHI NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ DÙNG TRONG XÂY DỰNG CẦU Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG MÃ SỐ: 62-58-02-05 Hướng dẫn khoa học: GS. Phạm Duy Hữu - ĐH Giao thông vận tải GS. Eric Garcia-Diaz – ĐH Mỏ Alès, CH Pháp HÀ NỘI-2017 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Tác giả Đặng Thùy Chi iii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian dài khảo cứu tài liệu, nghiên cứu thí nghiệm và tổng hợp, luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu thành phần, tính chất của bê tông cốt liệu nhẹ dùng trong công trình cầu ở Việt Nam» đã hoàn thành. Để đạt được kết quả này, tôi xin chân thành cảm ơn Giáo sư, Tiến sĩ Phạm Duy Hữu, người đã trực tiếp hướng dẫn, đưa ra hướng nghiên cứu, đóng góp nhiều ý kiến quí báu và sửa chữa từng câu chữ để luận án được hoàn thành. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Giáo sư Eric Garcia-Diaz, người đã tận tình hướng dẫn và cung cấp cho tôi nhiều tài liệu quí giá để hoàn thành luận án này, cho dù có một khoảng cách khá xa về địa lý. Để đạt được kết quả này, ngoài sự nỗ lực phấn đấu của bản thân, còn có sự giúp đỡ của cá nhân, tập thể, cơ quan hữu quan. Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp ở bộ môn Vật liệu xây dựng, các đồng nghiệp ở Khoa Kỹ thuật xây dựng, Đại học Giao thông vận tải đã hết lòng giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi cũng xin được cảm ơn sự giúp đỡ của Ban Giám Hiệu, trường ĐH Công nghệ Giao thông vận tải; lãnh đạo và các anh chị em thí nghiệm viên ở các phòng thí nghiệm Công trình - Đại học Công Nghệ GTVT, phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng – Đại học Thủy Lợi và phòng thí nghiệm Bê tông – Viện Khoa học xây dựng đã giúp đỡ tôi thực hiện các thí nghiệm trong quá trình nghiên cứu. Với tình cảm chân thành, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến PGS. TS. Nguyễn Ngọc Long, Hiệu trưởng trường Đại học Giao thông vận tải, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Bộ môn Cầu hầm đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án này. iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... ii LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... iii MỤC LỤC ............................................................................................................. iv DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... xi DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. xv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................... xix MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................. 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................. 3 4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ................................................. 4 6. Những đóng góp mới của luận án .............................................................. 4 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ ............................... 6 1.1. Khái quát về bê tông nhẹ ........................................................................... 6 1.1.1. Sơ lược về lịch sử phát triển ...................................................................... 6 1.1.2. Khái niệm và phân loại bê tông nhẹ ........................................................... 8 1.2. Vật liệu chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ ........................................................ 10 1.2.1. Nguồn gốc, phương pháp sản xuất cốt liệu nhẹ ........................................ 10 1.2.1.1. Cốt liệu tự nhiên................................................................................... 10 1.2.1.2. Cốt liệu nhân tạo .................................................................................. 11 1.2.2. Các tính chất cơ lý của cốt liệu nhẹ ......................................................... 13 1.2.2.1. Độ rỗng và vi cấu trúc ......................................................................... 13 1.2.2.2. Khối lượng thể tích............................................................................... 14 1.2.2.3. Độ hút nước ......................................................................................... 16 1.2.2.4. Các tính chất cơ học của cốt liệu nhẹ ................................................... 17 1.3. Các tính chất của bê tông cốt liệu nhẹ ...................................................... 18 1.3.1. Khối lượng thể tích .................................................................................. 18 v 1.3.2. Cường độ nén .......................................................................................... 18 1.3.3. Mô đun đàn hồi ....................................................................................... 21 1.3.4. Hệ số giãn nở nhiệt .................................................................................. 22 1.3.5. Từ biến và co ngót ................................................................................... 22 1.3.6. Độ bền ..................................................................................................... 24 1.4. Bê tông cốt liệu nhẹ trong xây dựng cầu .................................................. 24 1.4.1. BTCLN trong các tiêu chuẩn thiết kế cầu ................................................ 25 1.4.1.1. Tiêu chuẩn Việt Nam và Mỹ ................................................................. 25 1.4.1.2. Tiêu chuẩn châu Âu.............................................................................. 26 1.4.2. Ưu nhược điểm của BTCLN khi sử dụng trong xây dựng cầu ................. 27 1.4.3. Các khuyến cáo khi ứng dụng BTCLN trong công trình cầu .................... 29 1.5. Tình hình nghiên cứu và sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ ở Việt Nam .......... 29 1.6. Kết luận chương ...................................................................................... 32 CHƯƠNG 2 - VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ.................................................................................................... 33 2.1. Vật liệu chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ ........................................................ 33 2.1.1. Cốt liệu nhẹ ............................................................................................. 33 2.1.1.1. Nguồn gốc ............................................................................................ 33 2.1.1.2. Thành phần hạt của cốt liệu nhẹ........................................................... 34 2.1.1.3. Khối lượng riêng, khối lương thể tích và độ hút nước của cốt liệu nhẹ . 35 2.1.1.4. Khối lượng thể tích xốp và độ hổng ...................................................... 36 2.1.1.5. Độ bền khi nén trong xi lanh (độ nén giập) .......................................... 37 2.1.2. Cát .......................................................................................................... 38 2.1.2.1. Xác định thành phần hạt của cát .......................................................... 38 2.1.2.2. Khối lượng riêng, khối lượng thể tích và độ hút nước........................... 39 2.1.2.3. Khối lượng thể tích xốp và độ hổng ...................................................... 39 2.1.3. Xi măng .................................................................................................. 40 2.1.4. Phụ gia khoáng ........................................................................................ 41 2.1.5. Nước ....................................................................................................... 41 2.1.6. Phụ gia dẻo .............................................................................................. 41 vi 2.2. Phương pháp chế tạo mẫu thử BTCLN .................................................... 41 2.2.1. Chuẩn bị vật liệu ..................................................................................... 41 2.2.2. Nhào trộn hỗn hợp ................................................................................... 42 2.2.2.1. Qui trình 1 ........................................................................................... 43 2.2.2.2. Qui trình 2 ........................................................................................... 43 2.2.3. Đổ mẫu và đầm nén ................................................................................. 44 2.2.4. Bảo dưỡng ............................................................................................... 45 CHƯƠNG 3 – NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ ...................................................................................................................... 46 3.1. Các phương pháp thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ ...................... 46 3.1.1. Phương pháp ACI 211.2 – 98 .................................................................. 46 3.1.2. Phương pháp của Chandra và Berntsson .................................................. 49 3.1.1.1. Nguyên tắc thiết kế ............................................................................... 49 3.1.1.2. Các bước tính toán ............................................................................... 49 3.1.3. Phương pháp của Bazenov ...................................................................... 52 3.1.4. Phân tích ưu nhược điểm các phương pháp ............................................. 57 3.2. Phương pháp đồng nhất hóa vật liệu composit và mô hình dự báo cường độ bê tông ............................................................................................................. 58 3.2.1. Các phương pháp đơn giản để đồng nhất hóa vật liệu .............................. 58 3.2.1.1. Mô hình Voigt (mô hình song song) ...................................................... 58 3.2.1.2. Mô hình Reuss (mô hình nối tiếp) ......................................................... 59 3.2.1.3. Giới hạn (biên) của Hashin-Shtrikman (HS) ......................................... 60 3.2.2. Mô hình nối tiếp/song song dự báo cường độ của bê tông cốt liệu nhẹ .... 61 3.2.3. Mô hình biến động dự báo cường độ của vữa xi măng – cát .................... 63 3.2.3.1. Vật rắn không đồng nhất gồm đá xi măng và một loại cốt liệu ............. 63 3.2.3.2. Vật rắn đồng nhất tương đương ........................................................... 64 3.2.3.3. Vật rắn đồng nhất tương đương chứa đá xi măng và N hạt cốt liệu ...... 65 3.2.3.4. Tính toán trường ứng suất nhận được .................................................. 66 3.2.3.5. Mô hình dự báo .................................................................................... 67 vii 3.2.4. Áp dụng mô hình biến động và mô hình nối tiếp/song song để tính cường độ BTCLN ........................................................................................................ 67 3.2.4.1. Xác định gần đúng các đặc trưng của hồ xi măng ................................ 67 3.2.4.2. Xác định các đặc trưng của vữa xi măng .............................................. 68 3.2.4.3. Tính cường độ nén của bê tông cốt liệu nhẹ ......................................... 68 3.3. Sử dụng mô hình biến động và mô hình nối tiếp/song song để thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ .................................................................................. 68 3.3.1. Vật liệu sử dụng ...................................................................................... 68 3.3.2. Phương pháp thí nghiệm .......................................................................... 69 3.3.3. Các bước thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ theo mô hình nối tiếp/song song và mô hình biến động ................................................................ 70 3.3.4. Tính toán thành phần bê tông và các đặc trưng cơ học theo mô hình nối tiếp/song song và mô hình biến động ................................................................ 73 3.3.5. Kết quả thực nghiệm thành phần bê tông ................................................. 79 3.3.5.1. Kết quả thí nghiệm độ sụt ..................................................................... 79 3.3.5.2. Kết quả thí nghiệm khối lượng thể tích của bê tông nhẹ ....................... 80 3.3.5.3. Kết quả thí nghiệm cường độ nén ngày 28 của bê tông nhẹ .................. 81 3.4. Phân tích ảnh hưởng của thành phần đến các tính chất của BTCLN ........ 83 3.4.1. Khối lượng thể tích của bê tông ............................................................... 83 3.4.1.1. Ảnh hưởng loại cốt liệu đến khối lượng thể tích của BTCLN ................ 83 3.4.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ cốt liệu đến KLTT của BTCLN .............................. 84 3.4.2. Cường độ chịu nén của BTCLN .............................................................. 85 3.4.2.1. Ảnh hưởng loại cốt liệu đến cường độ chịu nén của BTCLN ................ 85 3.4.2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ cốt liệu đến cường độ chịu nén của BTCLN .......... 86 3.4.2.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ N/CKD đến cường độ chịu nén của BTCLN .......... 87 3.4.3. Quan hệ giữa cường độ chịu nén và KLTT của BTCLN .......................... 88 3.5. Kết luận chương ...................................................................................... 88 CHƯƠNG 4 – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ CHỊU LỰC .................................................................... 90 4.1. Kế hoạch thí nghiệm ............................................................................... 90 viii 4.2. Vật liệu, thành phần và phương pháp chế tạo BTCLN chịu lực ............... 91 4.2.1. Vật liệu sử dụng ...................................................................................... 91 4.2.2. Thành phần của bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực .......................................... 92 4.2.3. Phương pháp chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực .................................. 92 4.3. Khối lượng thể tích, cường độ chịu nén của BTCLN chịu lực ................. 93 4.3.1. Xác định KLTT và cường độ chịu nén của BTCLN chịu lực ................... 93 4.3.2. Kết quả thí nghiệm KLTT và cường độ chịu nén của BTCLN chịu lực ... 94 4.3.3. Phân tích kết quả thí nghiệm KLTT và cường độ chịu nén của BTCLN chịu lực ............................................................................................................. 97 4.4. Mô đun đàn hồi của BTCLN chịu lực ...................................................... 98 4.4.1. Mô đun đàn hồi của BTCLN chịu lực ...................................................... 98 4.4.2. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi của BTCLN chịu lực ....................... 98 4.4.3. Phân tích kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi của BTCLN chịu lực ....... 100 4.5. Cường độ chịu kéo của BTCLN chịu lực ............................................... 104 4.5.1. Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo của BTCLN ............................ 104 4.5.2. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo của BTCLN chịu lực ................. 106 4.5.3. Diễn giải kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo của BTCLN chịu lực .. 107 4.5.3.1. Quan hệ giữa cường độ chịu kéo khi bửa và cường độ chịu nén của BTCLN ........................................................................................................... 109 4.5.3.2. Quan hệ giữa cường độ chịu kéo khi uốn và cường độ chịu nén của BTCLN ........................................................................................................... 111 4.6. Độ chống thấm nước và độ thấm ion clo của BTCLN chịu lực .............. 113 4.6.1. Thí nghiệm xác định độ chống thấm và thấm ion clo của BTCLN ......... 113 4.6.2. Kết quả thí nghiệm độ chống thấm và độ thấm ion clo của BTCLN chịu lực ........................................................................................................... 115 4.6.3. Diễn giải kết quả thí nghiệm độ chống thấm và độ thấm ion clo của BTCLN chịu lực ............................................................................................. 116 4.7. Kết luận chương .................................................................................... 117 CHƯƠNG 5 - THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ ............................... 119 ix 5.1. Cơ sở lý thuyết ứng xử uốn của cấu kiện chịu uốn ................................. 119 5.1.1. Điều kiện tương thích ............................................................................ 119 5.1.2. Các điều kiện cân bằng .......................................................................... 120 5.2. Phương pháp phân tích dầm BTCLN chịu uốn thuần túy theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2007 .................................................................................... 121 5.2.1. Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2007 trong tính toán kết cấu bê tông cốt thép .................................................................................. 121 5.2.2. Phân tích các giai đoạn làm việc của dầm BTCLN chịu uốn thuần túy theo tiêu chuẩn AASHTO ....................................................................................... 122 5.3. Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCLN ......................... 124 5.3.1. Vật liệu và thành phần BTCLN chế tạo dầm thí nghiệm ........................ 124 5.3.2. Mẫu dầm thí nghiệm ............................................................................. 125 5.3.3. Thiết bị thí nghiệm ................................................................................ 126 5.3.4. Qui trình thí nghiệm .............................................................................. 127 5.3.5. Kết quả thí nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCLN khi chịu tác dụng của tải trọng ngắn hạn ................................................................................................ 128 5.3.5.1. Kết quả thí nghiệm ............................................................................. 128 5.3.5.2. Kiểu phá hoại ..................................................................................... 129 5.3.5.3. Ứng xử nứt ......................................................................................... 130 5.3.5.4. Mô men chảy dẻo ............................................................................... 130 5.3.5.5. Mô men tới hạn và sức kháng uốn ...................................................... 131 5.3.5.6. Độ võng dưới tác dụng của tải trọng khai thác ................................... 132 5.4. Phân tích sức kháng uốn của dầm cầu BTCLN cấp 40 MPa theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2007 (22 TCN 272-05) ........................................................ 133 5.4.1. Vật liệu và kích thước hình học của kết cấu nhịp ................................... 133 5.4.1.1. Vật liệu làm kết cấu nhịp .......................................