Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng vật liệu bê tông chất lượng siêu cao cho kết cấu nhịp cầu. Gồm các nội dung chính: Tổng quan về vật liệu UHPC; Tổng quan tình hình nghiên cứu, ứng dụng vật liệu UHPC trên thế giới và ở Việt Nam; Tổng quan nghiên cứu phương pháp xác định sức kháng uốn dầm UHPC; Tổng quan nghiên cứu các dạng 6 đường quan hệ ứng suất – biến dạng áp dụng cho thiết kế uốn dầm UHPC; Nghiên cứu phương pháp phân tích ứng xử dầm UHPC bằng mô hình số. Trên cơ sở đó, đề xuất nội dung cần nghiên cứu của luận án. Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu.
Gồm các nội dung chính: Cơ sở lý thuyết và phương pháp xây dựng biểu đồ đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo và nén cho vật liệu UHPC; Cơ sở lý thuyết và phương pháp xây dựng công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL; Phương pháp mô hình số PTHH để mô phỏng sự làm việc của dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn và so sánh với kết quả tính toán sức kháng uốn, kết quả nghiên cứu thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu của chương này làm cơ sở cho nghiên cứu các chương tiếp theo. Chương 3: Xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng và đề xuất công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL. Gồm các nội dung chính: Xử lý số liệu thí nghiệm uốn để xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng; Xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng UHPC phục vụ thiết kế; Xác định sức kháng uốn dầm UHPC DƯL bằng phương pháp phân tích mặt cắt; Xây dựng công thức xác định vị trí trục trung hoà và sức kháng uốn danh định của dầm UHPC DƯL.
Kết quả nghiên cứu của chương này là xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng UHPC, xây dựng công thức tính toán sức kháng uốn và được kiểm chứng thông qua các nghiên cứu thực nghiệm được công bố trong thời gian gần đây. Chương 4: Mô hình số kết cấu uhpc bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Gồm các nội dung chính: Kết quả mô hình số mẫu hình trụ thí nghiệm nén vật liệu UHPC; Kết quả mô hình số mẫu dầm thí nghiệm uốn vật liệu UHPC; Mô hình mẫu dầm UHPC DƯL tiết diện chữ I và chữ T. Kết quả nghiên cứu mô hình số được so sánh với kết quả thực nghiệm, qua đó đề xuất áp dụng mô hình số phù hợp khi phân tích kết cấu bằng vật liệu UHPC.
Chương 5: Áp dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế uốn dầm cầu bằng vật liệu UHPC DƯL. Gồm các nội dung chính: Chọn kết cấu cầu phục vụ nghiên cứu; Kết quả tính toán sức kháng uốn dầm bằng công thức đề xuất; Kết quả phân tích khả năng chịu uốn dầm bằng mô hình số đề xuất; Đánh giá kết quả từ công thức và mô hình số dầm UHPC DƯL. Phụ lục: Trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên các mẫu thí nghiệm UHPC. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO CHO KẾT CẤU NHỊP CẦU 1.
Tổng quan về vật liệu UHPC 1. Khái niệm vật liệu UHPC Vật liệu UHPC là một sản phẩm bê tông thế hệ mới, thành phần vật liệu chính bao gồm xi măng Poóc lăng, cát nghiền mịn, bột quắc, silica fume, phụ gia siêu dẻo, sợi thép và nước [86, 95]. UHPC thể hiện tính chất cơ học vượt trội với cường độ chịu nén lớn hơn 120 MPa [29], cường độ chịu kéo khi uốn lên đến 50 MPa [50], cường độ chịu kéo dọc trục từ 6 ÷ 12 MPa [41], mô đun đàn hồi từ 42 ÷ 55 GPa [1, 50]. Ngoài ra, UHPC có độ đặc chắc, tính dẻo dai cao, khả năng chống ăn mòn tốt giúp tăng độ bền và tuổi thọ công trình.
Các nguyên tắc chế tạo và ưu, nhược điểm của UHPC Cường độ, độ bền và tính dẻo dai cao của UHPC đạt được dựa trên các nguyên tắc sau [78, 79]: 1. Tỷ lệ N/CKD rất thấp, thường khoảng từ 0,15 đến 0,25, giúp giảm thiểu độ rỗng và tạo tính gián đoạn giữa các lỗ rỗng. Nhờ đó, hạn chế quá trình xâm thực của môi trường vào bên trong bê tông. Độ đặc chắc cao nhờ vào sử dụng các cốt liệu mịn, lượng nước trong thành phần UHPC giảm.
Sử dụng vật liệu đồng nhất, cường độ cao và đường kính cốt liệu giảm để chế tạo UHPC, trên nguyên tắc số lượng các vết nứt vi mô xuất hiện giữa các bề mặt cốt liệu và cường độ chịu nén tỷ lệ với đường kính cốt liệu. Việc sử dụng chất phụ gia trước hết để cung cấp khả năng tự đầm chặt với tỷ lệ N/CKD thấp, sau đó hầu hết lượng nước sẽ tham gia vào phản ứng thủy hóa xi măng, làm giảm rất nhiều thể tích lỗ rỗng và làm tăng cường độ chịu nén UHPC. Sử dụng cốt sợi thép để kiềm chế sự phát triển của cả vết nứt vi mô và vết 8 nứt vĩ mô, sau đó làm tăng độ dẻo dai, độ bền kéo, uốn và cường độ chịu cắt cho UHPC. Sử dụng nguyên tắc bảo dưỡng nhiệt ẩm để đạt được giá trị cường độ cao.
Các ưu điểm đáng chú ý nhất của UHPC là độ bền uốn, cường độ chịu nén, độ dẻo dai, độ cứng và khả năng chịu nhiệt, chống va đập cao, bền với môi trường. Ngoài ra UHPC cũng cung cấp chất lượng bề mặt cao cho các cấu kiện đúc sẵn [79]. Khả năng tự đầm cũng là điểm quan trọng ở trạng thái mới trộn, nó cho phép điều khiển hướng cốt sợi trong suốt quá trình đổ bê tông. Nhược điểm chính của UHPC là chi phí đầu tư ban đầu tính trên một mét khối UHPC cao hơn nhiều so với bê tông thông thường, nhưng đối với nhiều ứng dụng trở nên cạnh tranh được do khối lượng vật liệu yêu cầu cho các cấu kiện kết cấu nhỏ hơn nhiều so với bê tông thông thường [78].
Việc giảm khối lượng vật liệu sử dụng vì những lý do sau đây: không sử dụng cốt thép cấu tạo nên có thể giảm được chiều dày bảo vệ cốt thép dẫn đến tiết diện mảnh hơn và có thể mở rộng nhiều loại mặt cắt kết cấu tối ưu hơn. Ngoài ra, chiều dày lớp bảo vệ cốt thép dự ứng lực được giảm nhờ vào khả năng chống thấm của vật liệu, đồng thời khả năng chịu kéo – nén cao cho thấy khối lượng vật liệu cần thiết ít hơn. Điều này làm giảm trọng lượng bản thân kết cấu, và trong nhiều trường hợp có thể giảm một phần ba tĩnh tải [31]. Bên cạnh đó, các tiêu chuẩn, lý thuyết tính toán UHPC hiện vẫn chưa được thống nhất rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam.
Có thể tìm thấy được những ứng dụng điển hình của UHPC nhằm giảm từ 50% đến 75% trọng lượng bản thân kết cấu so với bê tông thông thường [23, 32, 57, 59, 65, 78]. Việc giảm trọng lượng kết cấu giúp cho quá trình vận chuyển và lắp đặt cấu kiện trở nên đơn giản và gọn nhẹ hơn, nhờ vậy kết cấu UHPC trở nên hiệu quả, đẹp và kinh tế hơn, sự hài hòa này được gọi là nghệ thuật kết cấu “structural art” [33]. Sự hình thành và phát triển của vật liệu UHPC UHPC là loại vật liệu hỗn hợp chất kết dính xi măng, được xem là sản phẩm công nghệ bê tông sáng tạo nhất trong vòng 30 năm qua [96]. UHPC gia cường cốt sợi được xem là tổ hợp của ba công nghệ bê tông: bê tông tự đầm (self-compacting concrete - SCC), bê tông cốt sợi (fiber reinforced concrete - FRC) và bê tông chất lượng cao (high-performance concrete - HPC) như trình bày ở Hình 1.
Các loại bê tông đặc biệt [33] Thế hệ đầu tiên của UHPC là vật liệu CRC (Compact Reinforced Composite) [96], được nhà nghiên cứu người Đan Mạch Hans Hendrik Bache công bố vào năm 1981 [28]. CRC sử dụng bô xít thiêu kết làm cốt liệu và cốt sợi thép được trộn vào để cải thiện tính bền dai cho vật liệu. Tuy nhiên, do vấn đề về tính năng của phụ gia siêu dẻo tại thời điểm đó, CRC khó đạt được tính đồng nhất vì độ sệt của nó. Trên cơ sở vật liệu CRC của Bache, vào năm 1993 tại phòng thí nghiệm Bouygues ở Pháp, hai nhà nghiên cứu Richard và Cheyrezy đã chế tạo thành công vật liệu RPC (Reactive Powder Concrete) và được xem là một trong những loại thuộc nhóm vật liệu UHPC [66].
RPC có cường độ chịu nén trên 150 MPa và được chia thành 2 cấp: RPC200 có cường độ dưới 200 MPa và RPC800 có cường độ từ 200 MPa đến 800 MPa. Ngay sau sự phát triển của vật liệu CRC và RPC, việc nghiên cứu vật liệu mới UHPC được thực hiện ở nhiều quốc gia khác nhau, nhưng để cải thiện tính chất chịu kéo của UHPC vẫn còn là thách thức. Trong trường hợp này, cốt sợi thép được đề nghị sử dụng để đạt độ bền kéo cao hơn cho vật liệu UHPC. Vào năm 2009, tại hội thảo quốc tế về vật liệu UHPC “Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete International Conference”, tổ chức tại Pháp, các tác giả Batoz J.
[30] đã lưu ý rằng công nghệ vật liệu UHPC sẽ mở ra một ứng dụng mới trong bảo vệ môi trường và tính năng siêu bền. Trong hai thập kỷ qua, UHPC đang thu hút sự quan tâm ở nhiều quốc gia khác nhau trong việc ứng dụng cho kết cấu công trình xây dựng dân dụng, cầu, sửa chữa và phục hồi kết cấu, công nghiệp dầu khí, kết cấu ngoài khơi, các kết cấu thủy lực, lớp phủ vật liệu [77]. Trong tất cả những ứng dụng này thì ứng dụng UHPC trong lĩnh vực cầu 10 đường được xem là phổ biến nhất [26]. Ứng dụng vật liệu UHPC cho kết cấu công trình cầu đã được thực hiện ở nhiều quốc gia khác nhau bao gồm Úc, Áo, Canada, Trung Quốc, Cộng hòa Séc, Pháp, Đức, Ý, Nhật Bản, Malaysia, Hà Lan, New Zealand, Slovenia, Hàn Quốc, Thụy Sĩ và Hoa Kỳ [77].
Lĩnh vực nghiên cứu vật liệu UHPC ở Việt Nam đang được quan tâm từ một số viện nghiên cứu, trường Đại học và các nhà khoa học trong nước. Mặc dù những nghiên cứu này đã đạt được một số thành tựu bước đầu, tuy nhiên hầu hết mới chỉ tập trung vào hướng thành phần vật liệu và các ứng xử cơ học của loại vật liệu này. và các cộng sự [5] đã tiến hành nghiên cứu phân tích và đánh giá xu hướng ứng dụng vật liệu UHPC trong xây dựng cầu quy mô nhỏ và trung bình ở Việt Nam.