BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Ngô Văn Thức NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC VÀ ĐẶC ĐIỂM PHÁ HỦY CỦA BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG NANO SILICA ỨNG DỤNG TRONG CÔNG TRÌNH CẦU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Ngô Văn Thức NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC VÀ ĐẶC ĐIỂM PHÁ HỦY CỦA BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG NANO SILICA ỨNG DỤNG TRONG CÔNG TRÌNH CẦU Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Chuyên ngành : Xây dựng Cầu Hầm Mã số : 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. Bùi Tiến Thành GS. Nguyễn Viết Trung Hà Nội – 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong các công trình khác. Tác giả luận án Ngô Văn Thức ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập và nỗ lực nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông Vận tải, với sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân, nghiên cứu sinh đã hoàn thành luận án “Nghiên cứu tính chất cơ học và đặc điểm phá hủy của bê tông cường độ cao sử dụng nano silica ứng dụng trong công trình cầu”. Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Bùi Tiến Thành và cố GS. Nguyễn Viết Trung. Nghiên cứu sinh xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến các thầy hướng dẫn đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong quá trình học tập, nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn đến quý giáo sư, nhà khoa học, thầy cô giáo và đồng nghiệp đã đóng góp các ý kiến quý báu trong thời gian học tập và hoành thành luận án. Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu, Khoa Công Trình, Phòng Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Trung tâm khoa học Công nghệ, Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng của Trường Đại học Giao thông Vận tải đã luôn ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin dành lời cảm ơn gửi đến Phòng thí nghiệm Bộ môn Xây dựng Công trình ngầm và Mỏ - Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Trung tâm thí nghiệm Đường bộ cao tốc - Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải đã hỗ trợ nghiên cứu sinh trong quá trình thí nghiệm. Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các thành viên gia đình đã luôn thông cảm, đồng hành và chia sẻ những khó khăn trong suốt chặng đường học tập và hoàn thành luận án. Trân trọng cảm ơn! Hà Nội - 2021 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . ii MỤC LỤC . iii DANH MỤC BẢNG . xi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU . xiii MỞ ĐẦU . Đặt vấn đề nghiên cứu . Mục tiêu nghiên cứu . Đối tượng nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu . Phương pháp nghiên cứu . Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu . TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG SỬ DỤNG NANO SILCIA VÀ PHÁ HỦY TRONG BÊ TÔNG. Giới thiệu về ứng dụng công nghệ nano trong bê tông . Tổng quan về bê tông cường độ cao sử dụng nano silica . Một số ứng dụng bê tông cường độ cao sử dụng vật liệu nano . Ảnh hưởng của nano silica đến các tính năng của bê tông. Tổng quát về hàm lượng nano silica sử dụng trong bê tông . Tình hình nghiên cứu sử dụng nano silica trong bê tông tại Việt Nam . Tổng quan về cơ học phá hủy trong bê tông . Khái niệm về cơ học phá hủy . Phá hủy trong bê tông . Phương pháp thí nghiệm các tham số phá hủy của bê tông. Các mô hình phá hủy trong bê tông . Nghiên cứu về cơ học phá hủy bê tông tại Việt Nam . Kết luận chương 1 . XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CHỦ YẾU BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG NANO SILICA . Vật liệu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng nano silica . Cốt liệu lớn. Cốt liệu nhỏ . Phụ gia siêu dẻo . Thiết kế thành phần BTCĐC sử dụng nano silica . Các yêu cầu khi thiết kế bê tông cường độ cao sử dụng nano silica . Thiết kế thành phần bê tông cường độ cao sử dụng nano silica . Thí nghiệm một số tính chất cơ học chủ yếu BTCĐC sử dụng NS . Kế hoạch thí nghiệm . Chuẩn bị mẫu thí nghiệm . Thí nghiệm cường độ nén BTCĐC sử dụng NS. Thí nghiệm cường độ kéo khi uốn BTCĐC sử dụng NS . Thí nghiệm mô đun đàn hồi BTCĐC sử dụng NS . Kết luận chương 2 . THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM PHÁ HỦY BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG NANO SILICA . Đề cương thí nghiệm . Mục đích thí nghiệm . Cơ sở thí nghiệm . Phương pháp thí nghiệm . Các đặc trưng phá hủy bê tông . Năng lượng phá hủy. Chiều dài đặc trưng . Độ mở rộng miệng vết nứt (CMOD) . Thí nghiệm các tham số và đặc điểm phá hủy BTCĐC sử dụng NS . Chuẩn bị mẫu thí nghiệm . Thiết bị thí nghiệm . Tiến hành thí nghiệm . Phân tích kết quả thí nghiệm . Đặc điểm phá hủy BTCĐC sử dụng NS . Ảnh hưởng của nano silica đến năng lượng phá hủy . Ảnh hưởng của nano silica đến chiều dài đặc trưng . Tính toán chiều dài vết nứt . Độ mở rộng đầu vết nứt (độ mở rộng vết nứt danh định) BTCĐC sử dụng NS . Luật mềm hóa của BTCĐC sử dụng NS . Kết luận chương 3 . NGHIÊN CỨU SỨC KHÁNG LAN TRUYỀN NỨT VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG NANO SILICA TRONG KẾT CẤU CẦU . Nghiên cứu sức kháng nứt BTCĐC sử dụng nano silica . Cường độ chống nứt khởi đầu và cường độ chống nứt dính kết . Tiếp cận xác định đường cong sức kháng lan truyền nứt KR. Sức kháng lan truyền nứt BTCĐC sử dụng nano silica. Tiêu chuẩn lan truyền vết nứt dựa trên KR . Xác định độ dự trữ cường độ sau nứt kết cấu BTCĐC sử dụng NS . Tiếp cận tính toán độ dự trữ cường độ kết cấu bê tông sau nứt . Xác định độ dự trữ cường độ sau nứt kết cấu BTCĐC sử dụng NS 120 4. Ứng dụng BTCĐC sử dụng NS trong vùng neo chịu tải cục bộ. Đặc điểm kết cấu vùng neo . Phân tích ứng xử vùng neo dự ứng lực dầm cầu BTCĐC sử dụng NS . Hiệu quả kinh tế kỹ thuật BTCĐC sử NS ứng dụng trong công trình cầu 131 4. Kết luận chương 4 . 132 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 133 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA NGHIÊN CỨU SINH . 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 151 PHỤ LỤC II . 159 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Ứng dụng công nghệ nano trong ngành vật liệu xây dựng [47] . Quan hệ kích thước và diện tích bề mặt vật liệu trong bê tông [91]. Vữa xi măng phụ gia nano sửa chữa công trình cầu đường (BASF) . Nhà thờ Jubilee - Rome (1996) . Cầu Gartnerplatzbrucke - Đức (2007) . Cầu Iowa - Hoa Kỳ (2006) . Đường hầm Umberto I – Rome (2007) . Tòa nhà Philharmonie de Paris (2015). Sơ đồ ảnh hưởng của NS trong vữa và bê tông cường độ cao [83] . Ảnh hưởng của NS đến độ sụt của hỗn hợp bê tông [110] . Ảnh hưởng của NS đến thời gian bắt đầu (a) và kết thúc (b) đông kết của BTCĐC [51] . Ảnh SEM cấu trúc của bê tông thường (a) và bê tông có thành phần NS (b) [35]. Ảnh hưởng NS đến cường độ kéo khi uốn BTCĐC ở 7 ngày tuổi (a) và 28 ngày tuổi (b) [76] . Ảnh hưởng của NS đến khả năng chống thấm clorua của BTCĐC sử dụng tro bay [113] . Các chế độ phá hủy cơ bản [57] . Quá trình phá hủy bê tông dưới tác dụng của ứng suất kéo [101] . Quan hệ ứng suất - biến dạng bê tông thường và bê tông cường độ cao [13] . Quan hệ tải trọng - biến dạng xét đến sự ảnh hưởng của các hạt mịn [102] . Mô hình thí nghiệm kéo dọc trục [82] . Mô hình thí nghiệm uốn ba điểm dầm có rãnh [56] . Mô hình thí nghiệm kéo khi ép chẻ [56] . Các hình dạng mẫu thí nghiệm tách (a) lập phương – đúc mẫu, (b) và (c) mẫu trụ tròn – lõi khoan từ kết cấu [82] . Mô hình thí nghiệm tách nêm [82]. Đường cong phi tuyến cho mô hình nứt dính kết . Định nghĩa của mô hình nứt dính kết [57] . Đường cong ứng suất cho mô hình dãy nứt [36] . Mô hình nứt 2 tham số [36]. Mô hình hiệu ứng kích thước [16][36] . Ba giai đoạn của quá trình lan truyền nứt theo mô hình double-K [103] . Ảnh quét SEM của nano silica . Kết quả soi XRD của nano silica . Sàng và phối trộn thành phần hạt đá theo tiêu chuẩn ASTM C33 . Biểu đồ đường cong cấp phối của đá theo ASTM C33 . Thí nghiệm thành phần hạt cát . Biểu đồ cấp thành phần hạt cát theo ASTM C33. Phụ gia khoáng gốc silica fume hãng Sika . Phụ gia siêu dẻo Sika ViscoCrete 3000-20M . Cân và khuấy đều nano silica với nước . Chuẩn bị vật liệu cho một mẻ trộn . Xác định độ sụt của hỗn hợp BTCĐC sử dụng NS . Trộn, đúc và đầm chặt mẫu . Bảo dưỡng mẫu BTCĐC sử dụng NS . Thí nghiệm cường độ nén BTCĐC sử dụng NS . Ảnh hưởng của NS đến cường độ nén của BTCĐC . Biểu đồ phân tích phần dư thống kê kết quả thí nghiệm Rn . Biểu đồ ảnh hưởng tương tác các yếu tố đến Rn . Thí nghiệm cường độ kéo khi uốn BTCĐC sử dụng NS . Ảnh hưởng của NS đến cường độ kéo khi uốn của BTCĐC . Biểu đồ phân tích phần dư thống kê thí nghiệm Rku . Biểu đồ ảnh hưởng tương tác các yếu tố đến Rku. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi BTCĐC sử dụng NS . Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi BTCĐC sử dụng NS . Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và tỉ lệ NS . Sơ đồ thí nghiệm uốn ba điểm trên mẫu dầm có rãnh . Công phá hủy là diện tích dưới đường cong tải trọng – độ võng (p − δ) . Mô tả CMOD trong thí nghiệm uốn ba điểm [68] . Quan hệ độ mở rộng miệng vết nứt (CMOD) và độ mở rộng vết nứt tương ứng x (COD) [66] . Luật mềm hóa song tuyến của bê tông.
