Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học của bê tông cường độ siêu cao và ứng dụng trong kết cấu cầu" do nghiên cứu sinh Nguyễn Lộc Kha thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, chuyên ngành Xây dựng Cầu hầm (mã số: 62.01), dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS. Phạm Duy Hữu và PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long (bảo vệ năm 2013, niên khóa nghiên cứu sinh 2010 – 2014).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Bê tông cường độ siêu cao (Ultra-High Performance Concrete - UHPC / UHSFRC) là loại vật liệu gốc xi măng có cường độ chịu nén đạt từ 100 MPa đến trên 200 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn đạt tới 40 MPa, khả năng chịu cắt, chịu va đập, chịu tải trọng lặp và độ bền xâm thực vượt trội so với bê tông truyền thống. Trên thế giới, các tiêu chuẩn thiết kế và quy trình công nghệ tạm thời đã được nghiên cứu, công bố tại Pháp (SETRA/AFGC), Đức (DIN, DAfStB) và Hoa Kỳ (FHWA).

Tại Việt Nam, hạ tầng giao thông đòi hỏi các giải pháp kết cấu nhịp có khả năng chịu lực lớn, độ bền cao và giảm trọng lượng bản thân. Các công trình cầu đường bộ trong nước chủ yếu sử dụng bê tông cường độ thông thường từ 40 MPa đến 70 MPa. Một số nghiên cứu bước đầu trong nước trước năm 2013 sử dụng cốt liệu thô kích thước lớn ($D = 8\text{ mm}$), sợi thép cường độ thông thường ($f_y \le 1000\text{ MPa}$), hoặc dùng tro bay, tro trấu và chỉ đánh giá cường độ chịu nén đơn thuần. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là:

  1. Chưa có cấp phối bê tông cường độ siêu cao đạt cường độ 120 – 140 MPa được chế tạo hoàn toàn từ nguồn nguyên vật liệu sẵn có tại Việt Nam (kết hợp cát thạch anh, bột thạch anh mịn, muội silic và sợi thép cường độ cao).
  2. Chưa có số liệu thực nghiệm đầy đủ về ứng xử cơ học (cường độ nén, kéo uốn, mô đun đàn hồi, quan hệ ứng suất – biến dạng và ứng suất – độ mở rộng vết nứt) của vật liệu sản xuất tại Việt Nam.
  3. Chưa xác định và hiệu chỉnh hệ số thực nghiệm $K$ trong công thức tính toán khả năng chịu uốn của cấu kiện dầm bê tông cốt thép sử dụng bê tông cường độ siêu cao chế tạo trong nước.
  4. Chưa phân tích định lượng khả năng giảm chiều cao và trọng lượng của dầm cầu nhịp lớn (như dầm chữ I) khi áp dụng bê tông cường độ siêu cao cấp 130 MPa.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 3 mục tiêu cụ thể:

  1. Lựa chọn nguồn nguyên vật liệu trong nước, ứng dụng lý thuyết độ đặc tối ưu để nghiên cứu chế tạo thành công bê tông cường độ siêu cao đạt cường độ chịu nén từ 120 MPa đến 140 MPa.
  2. Thực hiện chương trình thí nghiệm uốn các tổ hợp dầm bê tông cốt thép sử dụng bê tông cường độ siêu cao, từ đó xác định lại hệ số thực nghiệm $K$ trong công thức lý thuyết tính cường độ chịu kéo khi uốn và khả năng chịu uốn của dầm.
  3. Phân tích ứng xử uốn của dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông cường độ siêu cao cấp 130 MPa, từ đó đề xuất chiều cao và kích thước mặt cắt ngang hợp lý cho kết cấu dầm cầu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Bê tông cường độ siêu cao chế tạo từ vật liệu nội địa đạt cường độ chịu nén 120 – 140 MPa và kết cấu dầm bê tông cốt thép, dầm cầu dự ứng lực sử dụng loại bê tông này.
  • Phạm vi không gian và nguồn mẫu: Vật liệu chế tạo gồm xi măng Pooclăng PC40 Bút Sơn, đá thạch anh khai thác tại mỏ Thanh Sơn – Phú Thọ (nghiền thành cát thạch anh và bột thạch anh), phụ gia siêu dẻo Sika ViscoCrete 3000-20 và muội silic (Silica Fume) của Sika Việt Nam, kết hợp cốt sợi thép cường độ cao.
  • Phạm vi nội dung và kỹ thuật:
    • Về cơ học vật liệu: Tập trung nghiên cứu thành phần cấp phối, độ chảy lan hỗn hợp, cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và mô đun đàn hồi. Các chỉ tiêu về co ngót, từ biến và độ khuếch tán ion Clo được tổng hợp từ lý thuyết và tài liệu quốc tế, không thực nghiệm trực tiếp trong khuôn khổ luận án.
    • Về kết cấu dầm: Tập trung phân tích ứng xử chịu uốn của dầm dưới tác dụng của tải trọng tĩnh tiêu chuẩn (thí nghiệm uốn 4 điểm trên 9 mẫu dầm). Các tác động của tải trọng động, tải trọng lặp và mỏi chưa nằm trong phạm vi giải quyết của luận án.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về bê tông cường độ siêu cao:

Các nghiên cứu quốc tế

  • Pháp: Các cơ quan nghiên cứu như SETRA/AFGC, AFREM, Civaux và Cattenom phát triển các hướng dẫn thiết kế năm 2002. F. de Larrard (1991) đề xuất mô hình lý thuyết về độ đặc tối ưu của hỗn hợp hạt. Pháp đã ứng dụng vật liệu này xây dựng hai cây cầu nhịp 20,5 m và 22,5 m tại Bourg-lès-Valence (2001, 2004) và mái che trạm thu phí Millau (2004). Công nghệ Ductal (2005) công bố các kết quả giảm đáng kể trọng lượng trên một mét dài của dầm cầu so với bê tông truyền thống.
  • Hoa Kỳ: Cục Đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) cùng các tác giả như Friedland, Imam et al. nghiên cứu các mô hình tính toán dầm mặt cắt chữ I, chữ T, chữ $\Pi$ và tấm bản mặt cầu lắp ghép. Chiếc cầu dầm I đầu tiên xây dựng năm 2005, cầu thứ hai năm 2006 và mở rộng năm 2008. Kết quả của FHWA cho thấy dầm chữ I nhịp 30 m bằng bê tông cường độ siêu cao có thể giảm chiều cao 50 cm và giảm hơn 50% trọng lượng bản thân so với dầm truyền thống; bản mặt cầu lắp ghép nhẹ hơn 30%. Tiêu chuẩn ACI-544 đưa ra phương pháp phân tích dầm bê tông cốt sợi.
  • Đức: Hiệp hội DAfStB tổ chức hội thảo chuyên đề năm 2003 và Viện Tiêu chuẩn Đức (DIN) xây dựng hệ thống quy chuẩn kỹ thuật, ứng dụng xây cầu bộ hành và xe đạp năm 2004 dài 135 m (nhịp lớn nhất 40 m) với kích thước hạt cốt liệu tối đa $2\text{ mm}$. DIN và DAfStB đề xuất giới hạn biến dạng nén $3,5‰$, biến dạng kéo tính toán thiên về an toàn $15‰$ (giới hạn kéo $25‰$).
  • Các quốc gia khác: Đan Mạch nghiên cứu từ năm 1990 và ứng dụng năm 2004 trong các kết cấu chịu lực; Hàn Quốc xây dựng cầu bộ hành tại Seoul năm 2002; Canada xây dựng cầu Sherbrooke năm 1999, 2000; Trung Quốc nghiên cứu năm 2004 cho dự án tháp cao tầng tại Thượng Hải; Iran (2008) ứng dụng vật liệu làm boongke quân sự chịu tải trọng nổ và va đập.

Các nghiên cứu tại Việt Nam

Từ năm 2008, một số cơ sở đào tạo và nghiên cứu bắt đầu tiếp cận:

  • Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao nhưng sử dụng cốt liệu thô kích thước lớn ($D = 8\text{ mm}$) và sợi thép thông thường có giới hạn chảy $f_y \le 1000\text{ MPa}$.
  • Trường Đại học Xây dựng nghiên cứu sử dụng tro bay, tro trấu thay thế một phần xi măng, không sử dụng cốt sợi thép và chỉ khảo sát cường độ nén.
  • Nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông Vận tải tiếp cận theo hướng không dùng tro bay, tro trấu mà sử dụng hoàn toàn cát thạch anh và bột thạch anh nghiền mịn kết hợp muội silic và sợi thép cường độ cao.

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án định vị nghiên cứu theo hướng thực nghiệm - định lượng: chuyển giao và hiệu chỉnh các lý thuyết quốc tế (Larrard, Fuller, SETRA/AFGC, DIN, ACI-544) vào điều kiện công nghệ và vật liệu tại Việt Nam. Trọng tâm là thiết kế cấp phối tối ưu nhóm C3, thực nghiệm uốn 9 dầm để xác định hệ số $K$ phục vụ tính toán kết cấu, và thiết kế thử nghiệm dầm I dự ứng lực $L = 33\text{ m}$, $h = 1,10\text{ m}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  1. Lý thuyết độ đặc tối ưu của hỗn hợp hạt: Dựa trên nghiên cứu của F. de Larrard (1991) và mô hình cấp phối hạt tối ưu Fuller (1997). Nguyên lý cốt lõi là lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt xi măng và cát bằng các hạt siêu mịn (muội silic và bột thạch anh), chuyển cấu trúc đá xi măng từ dạng kết tinh sang dạng vô định hình đặc sít, triệt tiêu vi nứt tại vùng tiếp giáp giữa cốt liệu và vữa xi măng. Độ dày lớp vữa tối đa $e_m$ liên hệ với đường kính hạt lớn nhất $D$ qua công thức: $$e_m \le D \left( \sqrt[3]{\frac{g^}{g}} - 1 \right)$$ Trong đó $g^$ là thể tích đặc của cốt liệu, $g$ là thể tích cốt liệu thực tế. Khi chọn $e_m = 0,1\text{ mm}$ thì đường kính cốt liệu lớn nhất được giới hạn $D = 0,5\text{ mm}$.
  2. Lý thuyết tính toán uốn kết cấu bê tông cốt sợi: Vận dụng hướng dẫn tính toán của SETRA/AFGC (Pháp), tiêu chuẩn DIN (Đức), tiêu chuẩn ACI-544 và mô hình của Imam et al. để xây dựng quan hệ ứng suất – biến dạng ($\sigma - \epsilon$), ứng suất – độ võng ($\sigma - \delta$) và ứng suất – độ mở rộng vết nứt ($\sigma - w$, CMOD).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm:
    • Thí nghiệm thành phần hóa học, khoáng vật và tính chất vật lý của xi măng, muội silic, cát và bột thạch anh.
    • Trộn thử nghiệm các mẻ cấp phối, đo độ chảy lan của hỗn hợp tươi bằng côn thử.
    • Chế tạo và thí nghiệm ép nén mẫu lăng trụ/lập phương, thí nghiệm uốn 4 điểm mẫu lăng trụ để xác định mô đun đàn hồi ($E$), cường độ chịu nén và cường độ kéo uốn theo tiêu chuẩn châu Âu và ASTM.
    • Đúc và thí nghiệm phá hoại chịu uốn 9 dầm bê tông cốt thép kích thước lớn trên hệ thống gia tải thủy lực, đo độ võng, biến dạng thớ nén/kéo và độ mở rộng vết nứt (CMOD).
  • Phương pháp phân tích giải tích và thống kê: Sử dụng phương pháp thống kê toán học để xử lý số liệu thực nghiệm, khớp nối đường cong quan hệ tải trọng – độ võng, từ đó xác định lại hệ số thực nghiệm $K$ trong công thức tính momen kháng uốn.
  • Phương pháp tính toán kết cấu công trình: Ứng dụng quy trình tính toán thiết kế cầu theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 kết hợp mô hình vật liệu bê tông cường độ siêu cao để kiểm toán dầm chữ I dự ứng lực.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thực nghiệm

Dữ liệu đầu vào bao gồm:

  • Xi măng Pooclăng PC40 Bút Sơn thí nghiệm theo TCVN.
  • Cát và bột thạch anh khai thác từ mỏ Quartzit Thanh Sơn – Phú Thọ kiểm tra theo TCVN 6927-2001.
  • Phụ gia siêu dẻo Sika ViscoCrete 3000-20 đạt ASTM C494 loại G.
  • Muội silic Sika đạt tiêu chuẩn ASTM C1240-93 và EN 13263.
  • Cốt sợi thép cường độ cao có đường kính $0,2\text{ mm}$, chiều dài $13 – 15\text{ mm}$, cường độ kéo $2000\text{ MPa}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về các nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trên thế giới và Việt Nam

Chương 1 tổng thuật lịch sử phát triển, bản chất cấu trúc và phạm vi áp dụng của bê tông cường độ siêu cao. Luận án phân tích 4 đặc điểm cơ bản tạo nên tính năng của vật liệu: tỷ lệ Nước/Chất kết dính rất thấp ($0,20 – 0,25$); khả năng chèn khe của các hạt siêu mịn; sử dụng hàm lượng lớn phụ gia siêu dẻo thế hệ mới; và bổ sung cốt sợi thép cường độ cao (hàm lượng $2 – 3%$ thể tích).

Bảng 1: So sánh thành phần vật liệu bê tông cường độ siêu cao điển hình giữa Châu Âu và Hoa Kỳ (theo tài liệu tổng quan trong luận án)

Thành phần vật liệu Châu Âu ($\text{kg/m}^3$) Cục Đường bộ Hoa Kỳ - FHWA ($\text{kg/m}^3$) Tỷ lệ khối lượng theo FHWA (%)
Xi măng Pooclăng 900 – 1200 850 – 1000 28,5
Cát Thạch anh (Quartz) 1000 – 1050 1020 40,8
Muội silic (Silica Fume) 170 – 200 231 9,3
Bột đá Thạch anh (Quartz) 160 – 200 211 8,4
Cốt sợi thép cường độ cao 200 – 250 156 6,2
Phụ gia siêu dẻo 35 – 45 30,7 1,2
Nước 190 – 220 109 4,4
Tỷ lệ Nước / Xi măng 0,20 – 0,22 – –

Bảng 2: Độ rỗng chứa nước và hệ số khuếch tán ion Clo của các loại bê tông (theo SETRA/AFGC)

Chỉ tiêu kỹ thuật Bê tông thường Bê tông cường độ cao (HPC) Bê tông cường độ rất cao Bê tông cường độ siêu cao cốt sợi
Độ rỗng chứa nước (%) 12 – 16 9 – 12 6 – 9 1,5 – 6
Hệ số khuếch tán ion Clo ($\text{m}^2/\text{s}$) – – – $2 \cdot 10^{-14}$

Về co ngót và từ biến: Khi có xử lý nhiệt, co ngót riêng của vật liệu xấp xỉ bằng 0 và hệ số từ biến $K = 0,2$. Khi không xử lý nhiệt, co ngót tổng là $550\ \mu\text{m/m}$, hệ số từ biến $K = 0,6$; nhờ mô đun đàn hồi đạt tới $E = 50.000\text{ MPa}$ (so với bê tông thường $35.000\text{ MPa}$) nên biến dạng từ biến tổng thể giảm rõ rệt.

Chương 2: Vật liệu chế tạo và thiết kế thành phần bê tông cường độ siêu cao

Chương 2 trình bày chi tiết kết quả khảo sát, thí nghiệm lựa chọn vật liệu trong nước và quy trình thiết kế cấp phối:

  • Xi măng: Sử dụng PC40 Bút Sơn có khối lượng riêng $3,13\text{ g/cm}^3$, lượng nước tiêu chuẩn $28%$, độ ổn định thể tích $2,2\text{ mm}$, độ mịn sót sàng $0,08\text{ mm}$ là $3,7%$, thời gian đông kết bắt đầu 120 phút, kết thúc 216 phút. Cường độ nén ở 3, 7 và 28 ngày lần lượt là $22,2\text{ MPa}$, $30\text{ MPa}$ và $43\text{ MPa}$; cường độ kéo uốn tương ứng là $5,87\text{ MPa}$, $6,5\text{ MPa}$ và $7,0\text{ MPa}$. Thành phần khoáng gồm: $\text{C}_3\text{S} = 51%$, $\text{C}_2\text{S} = 24%$, $\text{C}_3\text{A} = 8,5%$, $\text{C}_4\text{AF} = 11%$.
  • Phụ gia siêu dẻo: Sika ViscoCrete 3000-20 gốc Polycarboxylate thế hệ 3, dạng lỏng màu nâu nhạt, độ pH $4,50 – 6,50$, liều lượng dùng $0,7 – 2,5\text{ lít}/100\text{kg}$ chất kết dính, cho phép giảm nước tới $40%$.
  • Muội silic: Sản phẩm của Sika Việt Nam có hàm lượng $\text{SiO}_2 > 85%$, diện tích bề mặt riêng $> 15\text{ m}^2/\text{g}$, khối lượng riêng $2200\text{ kg/m}^3$, thỏa mãn ASTM C1240.
  • Cốt liệu thạch anh: Đá khai thác từ mỏ Quartzit Thanh Sơn – Phú Thọ được phân tích thành phần hóa học theo TCVN 6927-2001.

Bảng 3: Thành phần hóa học của đá Thạch anh (mỏ Quartzit Thanh Sơn – Phú Thọ)

Chỉ tiêu khoáng hóa Hàm lượng (%) Phương pháp thử nghiệm
$\text{SiO}_2$ 98,55 TCVN 6927-2001
$\text{Al}_2\text{O}_3$ 0,32 TCVN 6927-2001
$\text{Fe}_2\text{O}_3$ 0,10 TCVN 6927-2001
$\text{K}_2\text{O}$ 0,09 TCVN 6927-2001
$\text{CaO}$ 0,05 TCVN 6927-2001
$\text{Na}_2\text{O}$ 0,03 TCVN 6927-2001
$\text{MgO}$ 0,02 TCVN 6927-2001
$\text{SO}_3$ 0,00 TCVN 6927-2001

Đá Quartzit được nghiền thành cát thạch anh có kích thước hạt $D \le 0,5\text{ mm}$ và bột thạch anh mịn chèn kẽ, đáp ứng mô hình cấp phối hạt tối ưu Fuller và lý thuyết độ đặc của Larrard.

Chương 3: Thí nghiệm cường độ nén, uốn và mô đun đàn hồi của bê tông cường độ siêu cao

Chương 3 trình bày quy trình chế tạo các mẻ trộn thử nghiệm, đánh giá tính công tác và các chỉ tiêu cơ học chính:

  • Tính công tác: Đánh giá thông qua thí nghiệm độ chảy lan của hỗn hợp bê tông tươi sau khi trộn.
  • Cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi: Thí nghiệm nén mẫu lăng trụ và mẫu lập phương, kiểm tra sự phát triển cường độ theo thời gian và theo tỷ lệ Nước/Chất kết dính. Kết quả xác lập cấp phối tối ưu nhóm mẫu C3 đạt cường độ chịu nén trung bình trong khoảng 120 – 140 MPa, mô đun đàn hồi $E$ đạt khoảng $45.000 – 50.000\text{ MPa}$.
  • Cường độ chịu kéo khi uốn: Thí nghiệm uốn 4 điểm mẫu lăng trụ theo tiêu chuẩn châu Âu. Kết quả ghi nhận quan hệ tải trọng – độ võng, xác định cường độ kéo khi xuất hiện vết nứt đầu tiên, cường độ kéo uốn cực đại và cường độ kéo uốn tại độ võng quy ước $10\text{ mm}$. Sợi thép phân tán trong bê tông đóng vai trò truyền ứng suất qua khe nứt, giúp vật liệu duy trì khả năng chịu lực sau nứt mà không bị phá hoại giòn.
  • Quy trình công nghệ chế tạo: Luận án chuẩn hóa trình tự nạp liệu, thời gian trộn cưỡng bức, công nghệ vận chuyển, đổ, đầm chắc và chế độ dưỡng hộ nhiệt ẩm.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm và phân tích ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép và dầm cầu sử dụng bê tông cường độ siêu cao

Chương 4 là nội dung ứng dụng kết cấu với hai phần nghiên cứu chính:

  1. Thực nghiệm uốn 9 dầm bê tông cốt thép sử dụng bê tông cường độ siêu cao:
    • Chế tạo 9 dầm thí nghiệm với các hàm lượng cốt thép dọc chịu kéo khác nhau, sử dụng bê tông nhóm cấp phối C3.
    • Tiến hành gia tải tĩnh theo sơ đồ uốn 4 điểm, đo đạc độ võng tại giữa nhịp, ứng suất thớ nén, thớ kéo và độ mở rộng vết nứt danh định ($w$, CMOD).
    • Thiết lập các đường cong thực nghiệm: tải trọng – độ võng ($P - \delta$), ứng suất – biến dạng vùng nén ($\sigma - \epsilon$), ứng suất – biến dạng vùng kéo ($\sigma - \epsilon$), và ứng suất – độ mở rộng vết nứt ($\sigma - w$) theo chỉ dẫn của SETRA/AFGC.
    • Phân tích momen uốn thí nghiệm ($M_{tn}$) và đối chiếu với công thức tính toán theo ACI-544 và Imam et al. Từ dữ liệu đo đạc thực tế, tác giả tính toán hiệu chỉnh lại hệ số thực nghiệm $K$ trong công thức tính khả năng chịu uốn (công thức 4-1), tạo cơ sở tính toán cho kết cấu dầm dùng vật liệu Việt Nam.
  2. Phân tích ứng xử uốn của dầm cầu dự ứng lực cấp 130 MPa:
    • Áp dụng số liệu thực nghiệm để phân tích sức kháng uốn và sức kháng cắt của dầm chữ I dự ứng lực khẩu độ nhịp $L = 33\text{ m}$, chiều cao $h = 1,10\text{ m}$.
    • Tính toán đặc tính hình học mặt cắt đầu dầm và giữa dầm, sơ đồ bố trí cáp dự ứng lực cường độ cao dọc dầm.
    • Kiểm toán độ võng do tĩnh tải và hoạt tải theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05, chứng minh kết cấu dầm chữ I $h = 1,10\text{ m}$ bằng bê tông cường độ siêu cao cấp 130 MPa hoàn toàn đáp ứng các điều kiện về trạng thái giới hạn sử dụng và trạng thái giới hạn cường độ, cho phép giảm đáng kể chiều cao dầm so với dầm bê tông cốt thép dự ứng lực thông thường cùng khẩu độ.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  1. Ứng dụng thành công lý thuyết độ đặc tối ưu của F. de Larrard và mô hình cấp phối hạt Fuller vào việc tối ưu hóa thành phần cấp hạt mịn trong điều kiện nguồn vật liệu khoáng thạch anh tại Việt Nam.
  2. Thiết lập được hệ thống biểu đồ quan hệ ứng xử cơ học thực nghiệm của bê tông cường độ siêu cao sản xuất tại Việt Nam, bao gồm quan hệ ứng suất – biến dạng ($\sigma - \epsilon$), ứng suất – độ võng ($\sigma - \delta$) và ứng suất – độ mở rộng vết nứt ($\sigma - w$) theo phương pháp khuyến nghị của SETRA/AFGC và DIN.
  3. Xác định và hiệu chỉnh chính xác hệ số thực nghiệm $K$ trong công thức tính toán khả năng chịu uốn của dầm bê tông cường độ siêu cao có xét đến sự tham gia chịu lực của cốt sợi thép sau khi nứt.

Đóng góp về mặt thực tiễn và công nghệ

  1. Chế tạo thành công bê tông cường độ siêu cao đạt cường độ nén 120 – 140 MPa sử dụng hoàn toàn nguồn nguyên liệu nội địa: xi măng Pooclăng PC40 Bút Sơn, cát và bột thạch anh nghiền từ mỏ Quartzit Thanh Sơn – Phú Thọ, phụ gia siêu dẻo Sika ViscoCrete 3000-20 và muội silic Sika.
  2. Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo thực tế từ khâu nghiền tuyển cốt liệu, tỷ lệ cấp phối nhóm C3, trình tự trộn, đúc mẫu, đầm nén đến quy trình bảo dưỡng.
  3. Đề xuất giải pháp thiết kế dầm chữ I bê tông cường độ siêu cao dự ứng lực cấp 130 MPa nhịp $L = 33\text{ m}$ với chiều cao giảm xuống còn $h = 1,10\text{ m}$, giúp giảm tải trọng bản thân kết cấu, tiết kiệm vật liệu và tăng khẩu độ tĩnh không cho công trình cầu.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất áp dụng cấp phối nhóm C3 và quy trình đúc kết cấu cho các cấu kiện công trình cầu đúc sẵn, tấm bản mặt cầu lắp ghép thay thế bản mặt cầu cũ bị hư hỏng.
  • Kiến nghị các cơ quan quản lý chuyên ngành giao thông vận tải từng bước xây dựng chỉ dẫn kỹ thuật thiết kế và thi công bê tông cường độ siêu cao tại Việt Nam dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu cơ học vật liệu mới tập trung vào cường độ chịu nén, kéo uốn và mô đun đàn hồi; các chỉ tiêu dài hạn như độ co ngót, từ biến và khả năng thấm khuếch tán ion Clo chưa được thí nghiệm trực tiếp trên mẫu vật liệu trong nước mà mới dừng ở mức tham khảo số liệu quốc tế.
  • Các thí nghiệm dầm chịu uốn mới dừng lại ở tác dụng của tải trọng tĩnh tiêu chuẩn, chưa khảo sát ứng xử kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động, tải trọng lặp và hiện tượng mỏi.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu về biến dạng co ngót, từ biến dài hạn và thí nghiệm đo độ thấm ion Clo trên các mẫu bê tông cường độ siêu cao chế tạo tại Việt Nam.
  2. Mở rộng chương trình thí nghiệm kết cấu dầm chịu tải trọng động, tải trọng lặp chu kỳ cao và kiểm tra độ bền mỏi.
  3. Nghiên cứu công nghệ thi công mối nối ướt và liên kết lắp ghép giữa các cấu kiện bê tông cường độ siêu cao ngoài hiện trường.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho nhiều đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Xây dựng Cầu hầm, Công trình Giao thông, Vật liệu Xây dựng: Cung cấp phương pháp luận thiết kế thành phần hạt theo lý thuyết độ đặc tối ưu, phương pháp thí nghiệm uốn mẫu lăng trụ xác định CMOD và phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm uốn dầm bê tông cốt sợi.
  • Kỹ sư thiết kế, tư vấn giám sát và chuyên gia kết cấu cầu: Tham khảo số liệu thực tế về kích thước mặt cắt ngang dầm chữ I ($L = 33\text{ m}$, $h = 1,10\text{ m}$), phương pháp bố trí cáp dự ứng lực và công thức tính momen kháng uốn có hiệu chỉnh hệ số $K$.
  • Các đơn vị sản xuất bê tông đúc sẵn và doanh nghiệp xây dựng: Áp dụng công thức cấp phối nhóm C3 sử dụng đá Quartzit Thanh Sơn – Phú Thọ, quy trình trộn cưỡng bức và kỹ thuật đầm nén cấu kiện cường độ siêu cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng loại nguyên vật liệu nào tại Việt Nam để chế tạo bê tông cường độ siêu cao?

Tác giả sử dụng xi măng Pooclăng PC40 Bút Sơn, đá Quartzit khai thác từ mỏ Thanh Sơn – Phú Thọ (nghiền thành cát thạch anh có cỡ hạt $D \le 0,5\text{ mm}$ và bột thạch anh siêu mịn), muội silic (Silica Fume) của Sika Việt Nam, phụ gia siêu dẻo thế hệ 3 gốc Polycarboxylate (Sika ViscoCrete 3000-20) và sợi thép cường độ cao (chiều dài $13 – 15\text{ mm}$, đường kính $0,2\text{ mm}$, cường độ chịu kéo $2000\text{ MPa}$).

2. Cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi của bê tông trong nghiên cứu đạt giá trị bao nhiêu?

Cấp phối tối ưu nhóm mẫu C3 chế tạo từ vật liệu trong nước đạt cường độ chịu nén trung bình từ $120\text{ MPa}$ đến $140\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E$ đạt khoảng $45.000 – 50.000\text{ MPa}$.

3. Mục đích của thí nghiệm uốn 9 mẫu dầm bê tông cốt thép trong Chương 4 là gì?

Thí nghiệm uốn tĩnh 4 điểm trên 9 dầm nhằm khảo sát quan hệ giữa tải trọng và độ võng ($P - \delta$), quan hệ ứng suất – biến dạng ($\sigma - \epsilon$), quan hệ ứng suất – độ mở rộng vết nứt ($\sigma - w$), và đo momen uốn thực nghiệm $M_{tn}$. Từ đó, tác giả tính toán hiệu chỉnh lại hệ số thực nghiệm $K$ trong công thức lý thuyết (công thức 4-1) tính khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép sử dụng bê tông cường độ siêu cao.

4. Kết quả phân tích dầm cầu chữ I dự ứng lực khẩu độ 33 m mang lại lợi ích gì về mặt kết cấu?

Khi sử dụng bê tông cường độ siêu cao cấp 130 MPa, dầm chữ I khẩu độ nhịp $L = 33\text{ m}$ chỉ cần chiều cao mặt cắt $h = 1,10\text{ m}$ mà vẫn thỏa mãn đầy đủ các điều kiện về độ võng tĩnh tải, hoạt tải theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 và sức kháng uốn, kháng cắt. Giải pháp này giúp giảm chiều cao kiến trúc của dầm khoảng $50\text{ cm}$ và giảm hơn $50%$ trọng lượng dầm trên mỗi mét dài so với việc dùng bê tông truyền thống.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Lộc Kha đã hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu đề ra trong việc làm chủ công nghệ chế tạo bê tông cường độ siêu cao đạt cường độ 120 – 140 MPa từ nguồn nguyên vật liệu sẵn có tại Việt Nam. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết độ đặc tối ưu và chương trình thực nghiệm trên mẫu vật liệu cũng như trên 9 dầm kết cấu, công trình đã xác lập được các thông số cơ học và hiệu chỉnh hệ số thực nghiệm $K$ phục vụ tính toán kết cấu chịu uốn. Kết quả phân tích dầm cầu chữ I dự ứng lực $L = 33\text{ m}$, $h = 1,10\text{ m}$ chứng minh hiệu quả kỹ thuật trong việc giảm chiều cao dầm, giảm trọng lượng bản thân công trình và cung cấp cơ sở khoa học cho việc áp dụng vật liệu mới trong ngành xây dựng cầu đường tại Việt Nam.