Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu độ bền thấm nước và thấm ion clo clorua của bê tông cốt liệu nhẹ ứng dụng trong dự đoán tuổi thọ kết cấu cầu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:132

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu độ bền thấm nước và thấm ion clo clorua của bê tông cốt liệu nhẹ ứng dụng trong dự đoán tuổi thọ kết cấu cầu" là xác định đặc tính độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ; Xây dựng các mô hình tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu sử dụng bê tông nhẹ; Đánh giá tuổi thọ khai thác của kết cấu mặt cầu sử dụng bê tông nhẹ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu độ bền thấm nước và thấm ion clo clorua của bê tông cốt liệu nhẹ ứng dụng trong dự đoán tuổi thọ kết cấu cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------o0o------- LÊ QUANG VŨ NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN THẤM NƯỚC VÀ THẤM ION CLO CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ ỨNG DỤNG TRONG DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ KẾT CẤU CẦU LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------o0o------- LÊ QUANG VŨ NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN THẤM NƯỚC VÀ THẤM ION CLO CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ ỨNG DỤNG TRONG DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ KẾT CẤU CẦU Chuyên ngành: XÂY DỰNG CẦU HẦM Mã số: 9.58.02.05.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1- PGS.TS. TRẦN THẾ TRUYỀN 2- PGS.TS. ĐỖ ANH TÚ Hà Nội - 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nghiên cứu sinh Lê Quang Vũ
ii LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS. Trần Thế Truyền và PGS.TS. Đỗ Anh Tú, là những người thầy đã tận tình hướng dẫn và định hướng khoa học; tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, chỉ dẫn tận tình và đã đóng góp các ý kiến quý báu để giúp tôi thực hiện luận án này. Trong quá trình làm luận án, tác giả đã nhận được sự hỗ trợ và giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô giáo, các nhà khoa học thuộc Bộ môn Cầu Hầm, Bộ môn Vật liệu Xây dựng - Trường Đại học Giao thông vận tải. Tác giả cảm ơn GS.TS. Trần Đức Nhiệm, PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long, PGS.TS. Bùi Tiến Thành, TS. Thái Khắc Chiến, TS. Đặng Thùy Chi, PGS.TS. Nguyễn Trung Hiếu đã động viên và hỗ trợ tác giả trong suốt quá trình học tập. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Giao thông Vận tải, Lãnh đạo Khoa Công Trình, Bộ môn Cầu Hầm, Phòng Đào tạo Sau đại học, Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng, Phòng Thí nghiệm và Kiểm định Công trình (Đại học Xây dựng), Phòng Thí nghiệm công trình (Đại học Thủy Lợi) đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu tại Hà Nội. Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình người thân đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập nghiên cứu. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh Lê Quang Vũ
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... II MỤC LỤC ............................................................................................................... III DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................... VII DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... X DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................................... XII MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .......................................................................... 1 2. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN ................................................................................. 3 3. ĐỐI TƯỢNG VA PHẠM VI NGHIÊN CỨU ........................................................ 3 3.1. Đối tượng nghiên cứu .........................................................................................3 3.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................3 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................................................................... 3 5. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚİ CỦA LUẬN ÁN ....................................................... 3 CHƯƠNG I ................................................................................................................ 5 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐỘ BỀN BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ ....................................................... 5 1.1. BÊ TÔNG CỐT LİỆU NHẸ VÀ ỨNG DỤNG ................................................... 5 1.1.1. Đặc điểm chung của bê tông cốt liệu nhẹ ......................................................5 1.1.2. Các đặc trưng cơ lý của bê tông cốt liệu nhẹ ................................................7 1.1.3. Ứng dụng bê tông cốt liệu nhẹ trên thế giới và ở Việt Nam ......................13 1.2. CÁC NGHİÊN CỨU VỀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG CỐT LİỆU NHẸ ........... 18 1.2.1. Nghiên cứu độ bền của bê tông ....................................................................18 1.2.2. Nghiên cứu độ bền của bê tông cốt liệu nhẹ ...............................................19 1.3. THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO ĐỘ BỀN ...................... 30 1.3.1. Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo độ bền ............................................30 1.3.2. Mô hình tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép .....................31 1.3.3. Ngưỡng nồng độ clo gây ăn mòn thép trong bê tông ................................38
iv 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG I ................................................................................... 38 CHƯƠNG II ............................................................................................................ 40 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ THẤM NƯỚC VÀ THẤM ION CLO CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ....................................................... 40 2.1. CÔNG TÁC CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM .......................................................... 40 2.1.1. Vật liệu chế tạo bê tông .................................................................................40 2.1.2. Thí nghiệm xác định một số chỉ tiêu kĩ thuật của vật liệu chế tạo bê tông ...................................................................................................................................42 2.1.3. Thiết kế thành phần cấp phối bê tông thí nghiệm .....................................48 2.1.4. Thí nghiệm kiểm tra cường độ BTCLN thiết kế ........................................52 2.2. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ THẤM NƯỚC CỦA BÊ TÔNG .................... 53 2.2.1. Thí nghiệm đo độ thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ chịu ảnh hưởng của tải trọng nén trước ..................................................................................................53 2.2.2. Thí nghiệm đo độ thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ chịu ảnh hưởng của tải trọng nén trực tiếp .............................................................................................58 2.3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ THẤM İON CLO CỦA BÊ TÔNG ............... 63 2.3.1. Thí nghiệm xác định độ thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ chịu nén trước .........................................................................................................................63 2.3.2. Thí nghiệm xác định độ thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ chịu nén trực tiếp ............................................................................................................................68 2.4. QUAN HỆ GIỮA HỆ SỐ THẤM NƯỚC VÀ HỆ SỐ KHUẾCH TÁN ION CLO CỦA BÊ TÔNG ........................................................................................................ 72 2.4.1. Công thức lý thuyết của Banthia .................................................................72 2.4.2. Tính hệ số Ck cho loại bê tông thí nghiệm ..................................................73 2.4.3. So sánh kết quả dựa trên công thức của Banthia và kết quả thí nghiệm74 2.4.4. Đề xuất công thức xác định hệ số khuếch tán ion clo từ hệ số thấm nước khi xét đến ứng suất trong bê tông ........................................................................75 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG II .................................................................................. 75 CHƯƠNG III ........................................................................................................... 78 XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔİ THỌ CỦA KẾT CẤU SỬ DỤNG BÊ TÔNG CỐT LİỆU NHẸ ......................................................................................... 78
v 3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ.................................................................................................... 78 3.2. GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU .............................................................. 78 3.3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CỐT LIỆU NHẸ ............................................................................................ 79 3.3.1. Khái niệm tuổi thọ sử dụng ..........................................................................79 3.3.2. Tuổi thọ sử dụng theo tác động của sự xâm nhập clo ................................80 3.3.3. Các tham số của mô hình .............................................................................82 3.3.4. Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép cốt liệu nhẹ theo tiêu chí khởi đầu ăn mòn cốt thép .................................................................87 3.3.5. Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép cốt liệu nhẹ theo tiêu chí ăn mòn cốt thép có xét đến trạng thái ứng suất của bê tông .........89 3.4. MÔ HÌNH DỰ BÁO TUỔI THỌ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CỐT LIỆU NHẸ CÓ XÉT ĐẾN LÍ THUYẾT XÁC SUẤT ....................................................... 90 3.4.1. Lý thuyết xác suất hư hỏng và tuổi thọ dài hạn .........................................90 3.4.2. Phương pháp thiết kế xác suất .....................................................................92 3.4.3. Thiết kế theo nguyên tắc làm việc trong trường hợp R và S có phân phối chuẩn ........................................................................................................................93 3.4.4. Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ có xét đến tính bất định của các tham số đầu vào ...................93 3. KẾT LUẬN CHƯƠNG III.................................................................................... 94 CHƯƠNG IV ........................................................................................................... 96 TÍNH TOÁN DỰ BÁO TUỔİ THỌ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CỐT LIỆU NHẸ CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG ĐỒNG THỜI CỦA HIỆU ỨNG TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG CỦA MÔI TRƯỜNG ................................................. 96 4.1. KẾT CẤU BẢN BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ ĐỀ XUẤT DÙNG THAY THẾ CHO TÀ VẸT GỖ TRÊN CẦU ĐƯỜNG SẮT ....................................................... 96 4.1.1. Kết cấu bản bê tông cốt liệu nhẹ cốt thép thay thế cho tà vẹt gỗ trên cầu đường sắt ..........................................................................................................96 4.1.2. Phân tích ứng xử của kết cấu bản bê tông cốt liệu nhẹ .............................98 4.2. TÍNH TOÁN DỰ BÁO TUỔİ THỌ KẾT CẤU BẢN BÊ TÔNG CỐT LİỆU NHẸ THAY THẾ CHO TÀ VẸT GỖ TRÊN MẶT CẦU ĐƯỜNG SẮT ............ 100
vi 4.2.1. Tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu bản bê tông cốt liệu nhẹ mặt cầu đường sắt với mô hình xác định. ......................................................................................100 4.2.2. Tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu bản bê tông cốt liệu nhẹ mặt cầu đường sắt với mô hình xác suất........................................................................................103 4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG IV .............................................................................. 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 108 1. KẾT LUẬN ......................................................................................................... 108 2. KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ......................................... 111 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU SINH ..... 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 113 TIẾNG VIỆT ........................................................................................................... 113 TIẾNG ANH ........................................................................................................... 114
vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 - Vật liệu bê tông cốt liệu nhẹ ...................................................................... 5 Hình 1.2 - Quan hệ giữa tỉ lệ N/CKD và cường độ nén của các loại vữa khác nhau [42] (Leca, Liapor, Ulopor, Embra, Liaver là tên các loại sỏi nhẹ thương mại hiện có trên thị trường, chủ yếu ở châu Âu) ....................................... 9 Hình 1.3 - Quan hệ giữa KLTT sau khi tháo khuôn và cường độ nén của các loại vữa khác nhau [42] ......................................................................................... 10 Hình 1.4 - Cơ chế vùng tiếp xúc đá xi măng - cốt liệu theo Zhang và Gjørv [65] .. 10 Hình 1.5 - Gạch bê tông nhẹ .................................................................................... 14 Hình 1.6 - Cầu Greenland (1996) ............................................................................ 15 Hình 1.7 - Cầu Lewis & Clark (1996) ...................................................................... 15 Hình 1.8 - Đá bazan bọt ở Quảng Hiệp, Đắc Lắc .................................................... 16 Hình 1.9 - Ảnh hưởng của độ rỗng, dạng - kích thước đường rỗng và tính liên thông của các lỗ rỗng đến độ thấm của bê tông (Scrivener (2001)) ................. 20 Hình 1.10 - Khả năng hút nước của bê tông cốt liệu nhẹ (LWC) so với bê tông thường (NC) ......................................................................................................... 21 Hình 1.11 – Độ thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ theo chiều sâu từ bề mặt (Salem N & al (2016) [52] ................................................................................... 22 Hình 1.12 - Vùng xâm nhập cacbonat hóa đến cốt thép .......................................... 24 Hình 1.13 - Các dạng mặt cắt cácbonat hóa gặp phải trong thực tế ....................... 25 Hình 1.14 - Ảnh hưởng của môi trường đến tốc độ cacbonat hóa. .......................... 27 Hình 1.17 - Tuổi thọ sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép: Mô hình hai giai đoạn của Tuuti 1980 [62] ................................................................................. 33 Hình 1.18 - Các sự kiện liên quan đến tuổi thọ sử dụng .......................................... 33 Hình 1.19 - Ảnh hưởng của màng và sơn phủ bề mặt .............................................. 37 Hình 2.1 - Thí nghiệm khối lượng cát lèn chặt ......................................................... 41 Hình 2.2 - Sỏi Keramzit phục vụ đổ bê tông ............................................................ 42 Hình 2.3 - Biểu đồ cấp phối cát ............................................................................... 44 Hình 2.4 - Cấp phối hạt cát sau điều chỉnh.............................................................. 45 Hình 2.5 - Đường cong cấp phối của sỏi keramzit................................................... 46 Hình 2.6 - Giao diện chương trình RLaShi 1.0 ........................................................ 50 Hình 2.7 - Giao diện chương trình RLaShi 1.0 - Thông số vật liệu ......................... 51
viii Hình 2.8 - Giao diện chương trình RLaShi 1.0 - Lựa chọn tham số ........................ 51 Hình 2.9 - Giao diện chương trình RLaShi 1.0 - Thành phần vật liệu..................... 51 Hình 2.10 - Giao diện chương trình RLaShi 1.0 - Kết quả tính toán ....................... 52 Hình 2.11 - Thí nghiệm nén bê tông theo ASTM - C39 ............................................ 53 Hình 2.12 - Cắt mẫu thí nghiệm thấm thấm nước từ mẫu trụ và xử lý mẫu ............ 54 Hình 2.13 - Bố trí đo thấm nước trong phòng thí nghiệm ........................................ 54 Hình 2.14 - Gia tăng độ thấm nước K theo áp lực nước tương ứng với các cấp tải trọng ......................................................................................................... 57 Hình 2.15 - Gia tăng độ thấm nước K theo áp lực nước với các cấp tải trọng 0P; 0.3P; 0.5P ................................................................................................ 57 Hình 2.16 - Gia tăng độ thấm nước K theo ứng suất tương đối /max ................... 58 Hình 2.17 - Buồng đo thấm nước mẫu bê tông chịu tải trọng nén trực tiếp ........... 59 Hình 2.18 - Đồng hồ đo áp lực nén của tải trọng và áp lực nước vào .................... 59 Hình 2.19 - Cân điên tử kết nối với máy tính và bình hứng nước ............................ 59 Hình 2.20 - Máy tính với phần mềm Hyper Terminal tự động ghi số liệu về lưu lượng nước thoát ra khi thấm qua mẫu thí nghiệm............................................ 59 Hình 2.21 - Toàn cảnh bố trí thiết bị đo độ thấm nước của bê tông chịu tải trọng nén trực tiếp .................................................................................................... 59 Hình 2.22 - Biểu đồ hệ số độ thấm K thay đổi theo thời gian với cấp ứng suất max = 0.6 ......................................................................................................... 61 Hình 2.23 - Biểu đồ hệ số độ thấm K thay đổi theo thời gian với cấp ứng suất max = 0.7 ......................................................................................................... 61 Hình 2.24 - Gia tăng hệ số thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ K theo ứng suất trong bê tông ..................................................................................................... 63 Hình 2.25 - Chế tạo mẫu và tiến hành thí nghiệm ................................................... 64 Hình 2.26 - Độ thấm clo của bê tông nhẹ 30 MPa theo ứng suất nén trước trong bê tông .......................................................................................................... 66 Hình 2.27 - Độ thấm clo trung bình của 6 mẫu bê tông nhẹ 30 MPa theo ứng suất nén trước trong bê tông. .......................................................................... 66 Hình 2.28 - Thay đổi hệ số khuếch tán ion clo theo ứng suất nén trước trong bê tông cốt liệu nhẹ C30 ....................................................................................... 67
ix Hình 2.29 - Quy luật gia tăng của hệ số khuếch tán ion clo theo ứng suất nén trước của mẫu bê tông cốt liệu nhẹ C30 ........................................................... 68 Hình 2.30 - Lắp đặt khung gia tải ............................................................................ 69 Hình 2.31 - Kết nối máy đo điện lượng thấm qua bê tông với máy tính .................. 69 Hình 2.32 - Quan hệ của độ thấm ion clo qua bê tông với cấp ứng suất nén bê tông cốt liệu nhẹ ............................................................................................... 72 Hình 2.33 - Biểu đồ quan hệ hệ số khuếch tán ion clo dựa trên lý thuyết Banthia và kết quả thí nghiệm của bê tông cốt liệu nhẹ C30..................................... 75 Hình 3.1 - Định nghĩa tuổi thọ sử dụng và kéo dài tuổi thọ sử dụng ....................... 79 Hình 3.2 - Quan niệm về tuổi thọ sử dụng (theo Tuutti, 1980) [62] ........................ 81 Hình 4.1 - Bố trí cốt thép bản bê tông cốt liệu nhẹ .................................................. 96 Hình 4.2 - Mặt cắt điển hình của bản bê tông cốt liệu nhẹ LWC ............................. 97 Hình 4.3 - Kết cấu bản bê tông cốt liệu nhẹ đề xuất thay thế tà vẹt gỗ trên cầu đường sắt ................................................................................................................. 97 Hình 4.4 - Lưới phần tử hữu hạn .............................................................................. 98 Hình 4.5 - Trường ứng suất: Mặt cắt ngang của bản bê tông cốt liệu nhẹ LWC. ... 99 Hình 4.6 - Trạng thái dẻo của các phần tử đặc. ...................................................... 99 Hình 4.7 - Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng giữa nhịp của bản mặt cầu (Tải trọng lên đến 400 kN tương đương 2 lần tải trọng cuối cùng của T22) 100 Hình 4.8 - Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ với tuổi thọ công trình theo ứng suất nén trước ................................................................................. 102 Hình 4.9 - Quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ với tuổi thọ công trình theo ứng suất nén trực tiếp ............................................................................ 102 Hình 4.10 - Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán D đến xác suất sự cố ăn mòn ......... 104 Hình 4.11 - Ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ h đến xác suất sự cố ăn mòn ........................................................................................................ 105 Hình 4.12 - Ảnh hưởng của nồng độ clorua tới hạn Ccr đến xác suất sự cố ăn mòn ........................................................................................................ 105 Hình 4.13 - Ảnh hưởng của nồng độ clorua bề mặt bê tông CS đến xác suất sự cố ăn mòn ........................................................................................................ 106 Hình 4.14 - Ảnh hưởng của hệ số tuổi n đến xác suất sự cố ăn mòn ..................... 106
x DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 - Phân loại bê tông nhẹ theo khối lượng thể tích theo EN 206-2013.......... 6 Bảng 1.2 - Phân loại bê tông nhẹ theo cấp cường độ chịu nén EN 206-2013 ........... 7 Bảng 1.3 - Phân loại bê tông nhẹ theo ACI 213R-03 ................................................. 7 Bảng 1.4 - Tốc độ tích lũy và nồng độ lớn nhất của clo bề mặt ............................... 37 Bảng 2.1 - Các tính chất cơ lý của xi măng Vicem PC40 ........................................ 40 Bảng 2.2 - Thành phần hóa học của xi măng Vicem PC40 ...................................... 40 Bảng 2.3 - Thành phần khoáng vật của xi măng Vicem PC40 ................................. 41 Bảng 2.4 - Bảng thành phần hạt của cát .................................................................. 44 Bảng 2.5 - Bảng thành phần hạt của cát sau điều chỉnh .......................................... 45 Bảng 2.6 - Đối với cốt liệu lớn là sỏi keramzit ......................................................... 46 Bảng 2.7 - Khối lượng thể tích của cốt liệu nhẹ xem xét .......................................... 47 Bảng 2.8 - Lượng nước nhào trộn ............................................................................ 49 Bảng 2.9 - Thành phần hỗn hợp vật liệu cho 1m3 bê tông cốt liệu nhẹ cấp 30Mpa xét tới ảnh hưởng của độ ẩm và độ hút nước cốt liệu. .................................. 52 Bảng 2.10 - Kết quả thí nghiệm cường độ nén theo ASTM-C39 .............................. 52 Bảng 2.11 - Kết quả hệ số thấm trong thí nghiệm .................................................... 56 Bảng 2.12 - Kết quả hệ số thấm nước K(m/s) theo cấp tải trọng tác dụng .............. 62 Bảng 2.13 - Mức độ thấm ion clo ............................................................................. 64 Bảng 2.14 - Kết quả thí nghiệm độ thấm ion clo của bê tông nhẹ 30 Mpa .............. 65 Bảng 2.15 - Hệ số khuyếch tán clorua tính theo điện lượng từ thí nghiệm thấm nhanh ................................................................................................................. 67 Bảng 2.16 - Kết quả thí nghiệm độ thấm ion clo của mẫu bê tông C30, có xét đến trạng thái ứng suất nén trực tiếp ............................................................ 70 Bảng 2.17 - Hệ số khuếch tán ion clo ở trạng thái không chịu tải của bê tông C30 73 Bảng 2.18 - Hệ số thấm nước theo các cấp áp lực của bê tông (C30) chịu tải trọng nén trực tiếp ............................................................................................. 73 Bảng 2.19 - Giá trị hệ số khuếch tán được tính theo hệ số thấm nước theo Ck (Bê tông C30) ......................................................................................................... 74 Bảng 2.20 - Hệ số khuếch tán ion clo theo các cấp ứng suất của bê tông (C30) theo lý thuyết và thí nghiệm ............................................................................. 74
xi Bảng 3.1 - Tóm tắt các tiêu chuẩn xác định giới hạn tối đa cho phép của nồng độ ion clo trong vữa và bê tông dự ứng lực ........................................................ 85 Bảng 4.1 - Bảng thông số đầu vào .......................................................................... 101 Bảng 4.2 - Bảng tham số đầu vào ........................................................................... 103
xii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ cái viết tắt, kí hiệu Ý nghĩa AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp hội các Viên chức Đường bộ và Vận tải Mỹ) ACI American Concrete Institute (Viện Bê tông Mỹ) ASTM American Society for Testing and Materials (Tiêu chuẩn Mỹ về Thí nghiệm Vật liệu) BT Bê tông BTCT Bê tông cốt thép BTN Bê tông nhẹ BTCLN Bê tông cốt liệu nhẹ C Cát CL Cốt liệu CLN Cốt liệu nhẹ DƯL Dự ứng lực IC Ion clo (Ion Chloride), Cl- EN EuroNorm (Tiêu chuẩn Châu Âu) N/CKD Nước/chất kết dính N/X Nước/xi măng N Nước X Xi măng PTHH Phần tử hữu hạn PGSD Phụ gia siêu dẻo TTH Trục trung hòa TCN Tiêu chuẩn ngành TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
xiii KLTT Khối lượng thể tích KCBT Kết cấu bê tông LWC Light weight concrete (Bê tông nhẹ)
1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng bê tông nhẹ (Light Weight Concrete - LWC) trong xây dựng nói chung, xây dựng cầu đường và cầu đường sắt nói riêng đã được ứng dụng tương đối nhiều trên thế giới, đặc biệt là tại Mỹ và châu Âu. Mỹ và châu Âu đã có tiêu chuẩn tính toán cho LWC. Các công trình cầu sử dụng bê tông nhẹ có thể kể đến là Cầu New Eidsvoll Sund ở Nauy (1992), cầu Grenland (1996), cầu Lewis & Clark (1996) Mỹ… Việc sử dụng bê tông nhẹ làm kết cấu mặt cầu trong thiết kế mới hay sửa chữa nâng cấp các cầu cũ đã được thực hiện tương đối nhiều ở Mỹ, có thể kể đến cầu Coleman, cầu Jame River, cầu Woodrow Wilson.... Thực tế áp ứng dụng bê tông nhẹ trong xây dựng các công trình ở các nước trên thế giới cho thấy các ưu điểm nổi bật như: Giảm trọng lượng bản thân của kết cấu cầu, do đó nâng cao năng lực khai thác của hoạt tải; Giảm chi phí cẩu lắp và vận chuyển các cấu kiện đúc sẵn do trọng lượng kết cấu được giảm bớt. Điều này thuận tiện cho thi công lao lắp và giảm giá thành xây dựng. Tăng độ bền của kết cấu do dính kết giữa cốt liệu và đá xi măng tốt; Giảm được hiệu ứng tập trung ứng suất thường được tạo ra xung quanh các hạt cốt liệu đối với bê tông thường. Giảm các đường nứt vi mô do co ngót và từ biến gây ra. Tăng độ bền của bê tông do giảm được các đường nứt vi mô; Cải thiện khả năng chống thấm nhập của các ion clo. Minh chứng về hàm lượng ion Cl- sau 23 năm khai thác của các nhà nghiên cứu của Mỹ cho thấy: Theo khi chiều dày lớp bê tông tăng lên hàm lượng ion Cl- giảm đi so với bê tông thường Hiện nay ở Việt Nam, việc ứng dụng bê tông nhẹ trong xây dựng các công trình nhà cửa đã được thực hiện tương đối nhiều; bước đầu đã có các nghiên cứu ứng dụng trong xây dựng giao thông, đặc biệt là xây dựng các bộ phận kết cấu cầu. Một số công trình điển hình như Khách sạn Fortuna Hà nội, Trung thâm thể thao Long Biên hay Hà nội Club do công ty Cổ phần sản xuất bê tông nhẹ Thiên Giang thực hiện. Công trình nhà 7 tầng nhà số 132 Khuất Duy Tiến; nhà 6 tầng số 130 phố Giảng Võ; khách sạn 11 tầng phố Hàng Thùng; sàn 200 m2 nhà hàng Xanh Plat số 10 Phạm Ngọc Thạch… do Công ty Xây dụng và Phát triển hạ tầng Đô thị Hà Nội (CiCo) thực hiện. Các kết quả thu được rất khả quan và được Bộ Xây dựng đánh giá rất cao. Tuy nhiên trong ngành xây dựng giao thông nói chung, xây dựng kết cấu công trình cầu nói riêng thì đây còn là vấn đề cần được nghiên cứu áp dụng. Thiết kế thành phần cấp phối của bê tông nhẹ và thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý của bê tông nhẹ đã được nhiều nghiên cứu đề cập. Các kết quả đã cho thấy nhưng điểm giống và khác biệt của bê tông nhẹ so với bê tông thường cùng cấp cường độ chịu
2 nén. Tuy vậy, độ bền lâu của bê tông nhẹ, của kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nhẹ vẫn là câu hỏi cần được trả lời, đặc biệt là với các loại bê tông nhẹ được sản xuất trong điều kiện Việt Nam và các kết cấu sử dụng bê tông nhẹ khai thác trong điều kiện khí hậu thời tiết ở Việt Nam. Đánh giá độ bền của bê tông nhẹ và kết cấu sử dụng bê tông nhẹ đã được một số nghiên cứu trên thế giới thực hiện. Về nguyên tắc, các phương pháp đo đạc đánh giá tính thấm nước, thấm clo của bê tông nhẹ cũng như dự đoán tuổi thọ các kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nhẹ được thực hiện giống như đối với bê tông thường. Tuy vậy, các kết quả thu được độ phân tán lớn, nguyên nhân chính là do thành phần cốt liệu khác nhau, tuổi bê tông khác nhau, dạng mẫu và phương pháp thí nghiệm khác nhau. Đánh giá độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ và kết cấu sử dụng bê tông nhẹ hiện là một vấn đề rất mới ở Việt Nam; đặc biệt là có xét đến ảnh hưởng của yếu tố tải trọng. Cho đến nay chưa có một nghiên cứu nào thực hiện về vấn đề này. Cần thiết phải có các nghiên cứu đánh giá độ bền lâu của kết cấu bê tông nhẹ nhằm bổ sung cơ sở dữ liệu cho công tác thiết kế của các kết cấu bê tông nhẹ sử dụng trong xây dựng dân dụng và xây dựng giao thông. Từ các kết quả thí nghiệm đánh giá độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông nhẹ, có thể xây dựng các mô hình dự báo tuổi thọ các kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông nhẹ theo tiêu chí ăn mòn cốt thép. Từ những đòi hỏi cấp thiết và ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất được mô hình đánh giá ảnh hưởng của tải trọng đến độ thấm của bê tông cốt liệu nhẹ và ứng dụng trong dự báo tuổi thọ công trình bằng bê tông cốt thép nói chung và các công trình cầu nói riêng, đặc biệt là phù hợp với triết lý thiết kế cầu theo xác suất của tiêu chuẩn thiết kế cầu Việt Nam, đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu độ bền thấm nước và thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ ứng dụng trong dự đoán tuổi thọ kết cấu cầu” được lựa chọn làm đề tài luận án. Nội dung luận án gồm 4 chương, mở đầu, kết luận và kiến nghị - Mở đầu - Chương 1: Tổng quan về bê tông cốt liệu nhẹ, các nghiên cứu liên quan đến độ bền của bê tông cốt liệu nhẹ và các kết cấu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ. - Chương 2: Thí nghiệm phân tích độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ. - Chương 3: Xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ của kết cấu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ. - Chương 4: Tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông cốt thép cốt liệu nhẹ có xét đến ảnh hưởng đồng thời của hiệu ứng tải trọng và tác động của môi trường.
3 - Kết luận và kiến nghị 2. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN Mục tiêu của luận án là: - Xác định đặc tính độ thấm nước và thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ. - Xây dựng các mô hình tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ. - Đánh giá tuổi thọ khai thác của kết cấu mặt cầu sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ. 3. ĐỐI TƯỢNG VA PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là bê tông sử dụng cốt liệu nhẹ keramzit và các kết cấu sử dụng loại bê tông cốt liệu nhẹ này. Các đặc tính bền thấm nước và thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ và tuổi thọ kết cấu bê tông cốt liệu nhẹ. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Luận án chỉ tập trung nghiên cứu vấn đề tác động ăn mòn thép của ion clo, không đề cập đến ăn mòn bê tông của sunphat. Nghiên cứu các đặc tính bền của bê tông cốt liệu nhẹ được sản xuất trong điều kiện Việt Nam: khả năng chống thấm nước, thấm ion clo trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm và thời gian theo quy định của các tiêu chuẩn thí nghiệm. Dự báo tuổi thọ các kết cấu bê tông cốt thép sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp tổng hợp, phân tích và so sánh. - Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Sử dụng các lý thuyết tiên tiến về độ bền của bê tông để xác định các tương quan (công thức) thực nghiệm và triển khai nghiên cứu thực nghiệm với vật liệu và kết cấu bê tông cốt liệu nhẹ để kiểm chứng. - Mô hình hóa để dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ. 5. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚİ CỦA LUẬN ÁN - Luận án đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm, phân tích tính thấm nước và thấm ion clo qua bê tông cốt liệu nhẹ C30 chịu ảnh hưởng của tải trọng. - Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng cấp tải trọng nén thì độ thấm nước của bê tông tăng đáng kể; đặc biệt sau khi trong bê tông bắt đầu có thay đổi cấu trúc rỗng do
4 tác động của tải trọng nén trước hoặc nén trực tiếp. Một mô hình thí nghiệm thấm nước có xét đến tải trọng nén trực tiếp đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dựa trên các kết quả nghiên cứu trên thế giới gần đây; thiết bị thí nghiệm này đã có các cải tiến để quá trình đo đạc được thuận lợi hơn, đặc biệt là quá trình khống chế tải trọng và ghi nhận số liệu hoàn toàn tự động. - Kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng đáng kể của tải trọng nén đến độ thấm ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ. Một mô hình thí nghiệm thấm ion clo có xét đến tải trọng nén trực tiếp đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dựa trên các kết quả nghiên cứu trên thế giới gần đây; thiết bị thí nghiệm này đã có các cải tiến để quá trình đo đạc được thuận lợi hơn, đặc biệt là quá trình kiểm soát lực nén trong bê tông cốt liệu nhẹ. - Luận án đã đề xuất được mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán ion clo và hệ số thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ. Xác định được hệ số Ck để tính toán hệ số khuếch tán ion clo từ hệ số thấm nước của cùng loại bê tông cốt liệu nhẹ. Từ đó đề xuất công thức tính toán quan hệ giữa hệ số thấm nước và hệ số khuếch tán ion clo của bê tông cốt liệu nhẹ có xét đến ảnh hưởng của ứng suất trong bê tông cho loại bê tông cốt liệu nhẹ xem xét. - Luận án xây dựng được mô hình tính toán dự báo tuổi thọ sử dụng của các kết cấu công trình bê tông cốt liệu nhẹ trong điều kiện Việt Nam có xét đến ảnh hưởng của tải trọng thường xuyên và tải trọng khai thác.
5 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐỘ BỀN BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ 1.1. BÊ TÔNG CỐT LİỆU NHẸ VÀ ỨNG DỤNG 1.1.1. Đặc điểm chung của bê tông cốt liệu nhẹ Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-1:2000 [41] bê tông cốt liệu nhẹ có khối lượng thể tích nhỏ hơn 2.000kg/m3 và cường độ chịu nén dao động từ 8 - 80MPa (mẫu trụ). Bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực theo ACI 213R-03 [25] là bê tông có khối lượng thể tích từ 1.120 - 1.920kg/m3 và cường độ chịu nén ngày 28 ngày tối thiểu là 17MPa. Có thể thấy rằng, khi khối lượng thể tích giảm từ 2.400kg/m3 trong bê tông truyền thống xuống còn 1.900kg/m3 đối với bê tông cốt liệu nhẹ thì có thể giảm bớt trọng lượng bản thân của kết cấu một cách đáng kể, giúp tiết kiệm được cốt thép và cốt thép dự ứng lực, giảm chi phí xây dựng. Hình 1.1 - Vật liệu bê tông cốt liệu nhẹ Nếu sử dụng trong công trình cầu, tĩnh tải bản thân của kết cấu giảm cho phép vượt khẩu độ dài hơn, sử dụng các loại trụ và nền móng đơn giản và giảm tiết diện bề mặt của cấu kiện dầm. Ngoài ra, việc sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ trong sửa chữa và cải tạo cầu thường làm tăng khả năng chịu tải trọng động của các kết cấu cầu cũ. Ví dụ cầu Greenland được xây dựng bằng bê tông cốt liệu nhẹ từ năm 1996.