BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐẶNG VĂN SỸ

NGHIÊN CỨU LỚP MẶT CẦU BẰNG BÊ TÔNG TÍNH
NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP
(UHPFRC) TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐẶNG VĂN SỸ

NGHIÊN CỨU LỚP MẶT CẦU BẰNG BÊ TÔNG TÍNH
NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP
(UHPFRC) TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG
Ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình đặc biệt
Mã số: 62.58.02.06

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS.TS. Phạm Duy Hữu
TS. Trần Việt Hùng

HÀ NỘI, 2017


i

LỜI CÁM ƠN
Luận án này được thực hiện tại Bộ môn Công trình giao thông thành phố và
Công trình thủy, Khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông vận tải dưới sự hướng
dẫn của GS.TS. Phạm Duy Hữu và TS. Trần Việt Hùng.
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết hơn sâu sắc tới GS.TS. Phạm Duy Hữu và TS.
Trần Việt Hùng đã tận tình hướng dẫn khoa học trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cám ơn quý thầy cô giáo trong Bộ môn Công trình giao thông
thành phố và Công trình thủy - Trường Đại học Giao thông vận tải đã động viên, giúp
đỡ và tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cám ơn phòng Đào tạo sau đại học trường Đại học Giao thông
vận tải đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập tại trường.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Vật liệu xây dựng, Phòng Thí nghiệm vật liệu
xây dựng, Trung tâm khoa học công nghệ Giao thông vận tải - Trường Đại học Giao
thông vận tải đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm.
Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình và người thân đã giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.
Hà Nội, ngày 05 tháng 9 năm 2017
Tác giả

Đặng Văn Sỹ


ii

LỜI CAM ĐOAN


Tác giả luận án xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả.
Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và chưa được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)
đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả

Đặng Văn Sỹ


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................................... ii 
MỤC LỤC ................................................................................................................................. iii 
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................................x 
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................................1 
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG
CỐT SỢI VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRÊN BẢN THÉP TRỰC
HƯỚNG .......................................................................................................................................5 
1.1. Mở đầu ................................................................................................................ 5 
1.2. Thành phần, tính năng của UHPFRC.............................................................. 5 
1.2.1. Thành phần của UHPFRC ............................................................................ 5 
1.2.2. Tính năng cơ học của UHPFRC ................................................................... 9 
1.2.3. Tính năng về độ bền của UHPFRC ............................................................ 15 
1.3. Mô hình ứng xử uốn thiết kế của UHPFRC .................................................. 17 
1.3.1. Chỉ dẫn thiết kế UHPFRC của AFGC [23]: ............................................... 18 
1.3.2. Chỉ dẫn của Hội kỹ sư xây dựng Nhật bản JSCE [65] ............................... 19 
1.3.3. Chỉ dẫn thiết kế của Australia..................................................................... 20 
1.3.4. Hướng dẫn tính toán ở Mỹ.......................................................................... 20 

1.3.5. Các nghiên cứu trong nước ......................................................................... 21 
1.4. Lớp phủ mặt cầu bản thép trực hướng bằng bê tông cốt sợi ....................... 23 
1.4.1. Giới thiệu về mặt cầu trực hướng và lớp phủ mặt cầu ............................... 23 
1.4.2. Ứng dụng mặt cầu trực hướng .................................................................... 25 
1.4.3. Các hư hỏng của mặt cầu thép trực hướng ................................................. 28 
1.4.4. Các mô hình sử dụng lớp phủ mặt cầu bằng bê tông cốt sợi ...................... 30 
1.4.5. Các nghiên cứu về lớp phủ bê tông cốt sợi trên bản thép trực hướng ........ 33 
1.5. Xác định vấn đề nghiên cứu của Luận án ...................................................... 37 
1.5.1. Nhận xét ...................................................................................................... 37 
1.5.2. Các vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu....................................................... 39 
1.6. Kết luận chương 1 ............................................................................................ 39 


iv

CHƯƠNG 2 THÀNH PHẦN VÀ TÍNH NĂNG CỦA BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU
CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI ..............................................................................................40 
2.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 40 
2.2. Vật liệu chế tạo ................................................................................................. 40 
2.2.1. Xi măng ...................................................................................................... 40 
2.2.2. Phụ gia siêu dẻo .......................................................................................... 41 
2.2.3. Muội silic .................................................................................................... 42 
2.2.4. Cát ............................................................................................................... 42 
2.2.5. Bột quartz.................................................................................................... 43 
2.2.6. Sợi thép ....................................................................................................... 43 
2.3. Thiết kế thành phần UHPFRC-V ................................................................... 44 
2.3.1. Mục tiêu thiết kế thành phần UHPFRC-V.................................................. 44 
2.3.2. Phương pháp thiết kế dựa trên lý thuyết tối ưu độ đặc ............................... 44 
2.3.3. Tính toán lựa chọn hỗn hợp bê tông ........................................................... 47 
2.4. Chế tạo UHPFRC-V......................................................................................... 49 

2.4.1.Thành phần cấp phối cho một mẻ trộn ........................................................ 49 
2.4.2.Trình tự và thời gian trộn ............................................................................. 49 
2.4.3. Bảo dưỡng bê tông ...................................................................................... 50 
2.4.4. Nội dung và số lượng mẫu thí nghiệm ....................................................... 50 
2.5. Thí nghiệm xác định tính năng cơ học của UHPFRC-V .............................. 51 
2.5.1. Phương pháp thí nghiệm ............................................................................. 51 
2.5.2. Kết quả thí nghiệm...................................................................................... 54 
2.6. Xác định ứng xử kéo uốn của UHPFRC-V .................................................... 59 
2.6.1. Phân tích ngược xác định ứng xử kéo uốn của UHPFRC-V ...................... 59 
2.6.2. Mô hình ứng xử kéo uốn của UHPFRC-V: ................................................ 70 
2.6.3. Mô hình ứng xử nén của UHPFRC-V ........................................................ 71 
2.6.4. Phân tích bằng phương pháp PTHH ........................................................... 72 
2.7. Kết luận chương 2 ............................................................................................ 75 


v

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN ÂM CỦA UHPFRCV TRÊN BẢN THÉP ..............................................................................................................77 
3.1. Mở đầu .............................................................................................................. 77 
3.2. Mô hình ứng dụng UHPFRC-V trên mặt cầu trực hướng ........................... 77 
3.3. Lựa chọn mô hình thí nghiệm ......................................................................... 78 
3.4. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ................................................................................ 80 
3.4.1. Vật liệu chế tạo ........................................................................................... 80 
3.4.2. Chế tạo mẫu thí nghiệm .............................................................................. 81 
3.5. Phương pháp và trình tự thí nghiệm .............................................................. 83 
3.5.1. Thiết bị thí nghiệm...................................................................................... 83 
3.5.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm:........................................................................... 85 
3.5.3. Tiến trình thí nghiệm .................................................................................. 86 
3.6. Kết quả thí nghiệm ........................................................................................... 86 
3.6.1. Quan sát ứng xử của mẫu bằng trực quan .................................................. 86 

3.6.2. Biểu đồ tải trọng - biến dạng kéo lớn nhất của UHPFRC-V ...................... 88 
3.6.3. Biểu đồ tải trọng - độ võng: ........................................................................ 92 
3.6.4. Quan hệ tải trọng - bề rộng vết nứt ............................................................. 94 
3.6.5. Quan hệ giữa tải trọng - biến dạng mặt bên của mẫu ................................. 98 
3.7. Mô hình ứng xử uốn của UHPFRC-V trên bản thép.................................... 99 
3.7.1. Phân tích ngược bằng phương pháp giải tích ............................................. 99 
3.7.2. Kiểm chứng mô hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn ...................... 106 
3.8. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 108 
CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG CÓ
LỚP PHỦ BẰNG UHPFRC-V ........................................................................................... 110 
4.1. Mở đầu ............................................................................................................ 110 
4.2. Cơ chế ứng xử cơ học, phương pháp tính toán, phân tích kết cấu OSD... 110 
4.2.1. Các cơ chế ứng xử của kết cấu OSD ........................................................ 111 
4.2.2. Phương pháp phân tích kết cấu mặt cầu thép trực hướng......................... 113 
4.3. Các trạng thái giới hạn .................................................................................. 115 
4.3.1. Trạng thái giới hạn mỏi. ........................................................................... 115 
4.3.2. Trạng thái giới hạn của UHPFRC-V [23]................................................. 116 


vi

4.4. Ứng xử của UHPFRC-V trên OSD bằng phương pháp giải tích .............. 118 
4.4.1. Mô men âm trên mặt cầu trực hướng do tải trọng khai thác .................... 119 
4.4.2. Mô men gây nứt của mặt cắt..................................................................... 121 
4.4.3. Ứng suất, biến dạng trên mặt cắt liên hợp bản thép - UHPFRC-V. ......... 124 
4.5. Phân tích ứng xử kết cấu OSD có lớp phủ bằng UHPFRC-V ................... 126 
4.5.1. Mục tiêu phân tích .................................................................................... 126 
4.5.2. Giới thiệu phần mềm, lựa chọn phần tử. .................................................. 127 
4.5.3 Mô hình, vật liệu, điều kiện biên ............................................................... 127 
4.5.4. Kết quả phân tích ...................................................................................... 132 

4.6. Kết luận chương 4 .......................................................................................... 136 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 138 
1. Những kết quả đạt được của luận án: ............................................................. 138 
2. Những đóng góp mới của luận án .................................................................... 139 
3. Hạn chế của đề tài: ............................................................................................ 139 
4. Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo ............................................................ 139 
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ .................................................i 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................... ii 


vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU
Tiếng Anh
ACI

: (American Society for Testing and Materials) Hội thí nghiệm và vật liệu
Mỹ

AFGC

: (Association Francaise de Genie Civil) Hiệp hội Kỹ sư xây dựng Pháp;

ASTM

: (American Society for Testing and Materials), Hiệp hội Thí nghiệm vật
liệu Mỹ

CEB


: (Fédération Internationale de la Précontraninte) Hiệp hội quốc tế về dự
ứng lực

DIN

: (Deutsches Institut fyr Normung) Viện tiêu chuẩn Đức

EA

: (Epoxy Asphalt) Bê tông nhựa epoxy

ECC

: (Engineered Cementitious Composite) Bê tông có chất kết dính tổng hợp,
sợi polymer

FHWA

: (Feleral Highway Administration) Cục đường bộ liên bang - Mỹ

FRC

: (Fiber Reinforced Concrete) bê tông cốt sợi;

FRD

: (Fibre Reinforced Densit) Bê tông cốt sợi thương mại Densit®

HPC


: (High Performance Concretes): Bê tông chất lượng cao

JSCE

: (Japan Society of Civil Engineers) Hội Kỹ sư xây dựng Nhật Bản

MA

: (Mastic Asphalt) Mastic nhựa

OSD

: (Orthotropic Steel Deck) Bản thép trực hướng

RILEM

: (International Union of Laboratories and Experts in Contruction
Materials) Hiệp hội quốc tế các phòng thí nghiệm và chuyên gia trong
lĩnh vực vật liệu xây dựng

SF

: (Silica fume) Muội silic

SFRC

: (Steel Fiber Reinforced Concrete) Bê tông cốt sợi thép

UHPC


: (Ultra High Performance Concretes): Bê tông tính năng siêu cao

UHPFRC

: (Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete): Bê tông tính năng
siêu cao gia cường cốt sợi;

ULS

: (Ultimate Limit State) trạng thái giới hạn cường độ


viii

Tiếng Việt
BQ
KQTN
MS
N/X
N/CKD
PC
PVA
Q
SD
S50
S50.0
S60
S70
SU1, SU2;


: Bột quartz
: Kết quả thí nghiệm
: Muội silic
: Tỷ lệ nước trên xi măng
: Tỷ lệ nước trên chất kết dính
: Xi măng pooc lăng
: Sợi Poly-Vinyl-Alcohol,
: Quartz
: Siêu dẻo
: Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V là 50mm;
: Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V là 50mm không bố trí cốt thép.
: Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V là 60mm;
: Mẫu thử có chiều dày lớp UHPFRC-V là 70mm;
SU3; SU4; SU4; SU5; SU6 - Ký hiệu các mẫu thử UHPFRC-V trong thí
nghiệm uốn 4 điểm.
TCVN
: Tiêu chuẩn Việt Nam;
ST
: Sợi thép
TCN
: Tiêu chuẩn ngành
TTGH
: Trạng thái giới hạn
UHPFRC-V : Bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi đề xuất của Luận án
X
: Xi măng
Danh mục các ký hiệu




: Ký hiệu cho các giá trị biến dạng

i

: Biến dạng kéo ở thớ i

el ; uel

: Biến dạng giới hạn đàn hồi; Biến dạng giới hạn đàn hồi tính toán

lim ; u,lim

: Biến dạng giới hạn; biến dạng giới hạn tính toán

1%

: Biến dạng1%;

max

: Biến

K

: hệ số xét đến phân tán cốt sợi;

Kt

: Hệ số điều chỉnh kích thước mẫu chịu uốn;


cf

: hệ số an toàn khi tính toán;

fctfk

: Giá trị đặc trưng của cường độ kéo lớn nhất sau nứt

fctk,el

: Giá trị đặc trưng của cường độ chịu kéo giới hạn đàn hồi

fctf,1%,k

: Giá trị đặc trưng cường độ chịu kéo sau nứt ứng với biến dạng 1%.

dạng lớn nhất tương ứng với vị trí xuất hiện vết nứt cục bộ


ix

fct,fm

: là ứng suất chịu kéo lớn nhất trung bình sau nứt của UHPFRC-V

fcm

: Cường độ chịu nén trung bình

fcd


: Cường độ nén thiết kế của UHPFRC

fck

: Cường độ chịu nén đặc trưng

fc’

: Cường độ chịu nén của bê tông

fct

: Cường độ chịu kéo đặc trưng

E

: Mô đun đàn hồi tính toán

Ec

: Mô đun đàn hồi đặc trưng

Ecm

: Mô đun đàn hồi trung bình

c

: Hệ số tính toán của bê tông theo AFGC và EN 1992-1.1


w

: Ký hiệu bề rộng vết nứt trong bê tông

Leq

: Chiều dài đặc trưng chuyển đổi quan hệ biến dạng - bề rộng vết nứt theo
JSCE [65].

Lf

: Chiều dài cốt sợi thép

fck

: Cường độ chịu nén đặc trưng



: Ký hiệu ứng suất kéo trong UHPFRC-V

i

: Ứng suất kéo ở thớ i

i

: Là độ cong của mặt cắt ở bước tải i


c

: Chiều cao trục trung hòa của mặt cắt

i

: Là hệ số xác định chiều cao trục trung hòa ở bước thứ i

cc

: Hệ số có tính đến những ảnh hưởng lâu dài đối với cường độ nén và các
tác động tiêu cực do tải trọng tác dụng

Mcr
M

-

: Mô men gây nứt
: Mô men âm

Mi

: Mô men ở bước tải thứ i

[50].75

: Mẫu thử có chiều dày lớp phủ 75mm, trong nghiên cứu của Morakoshi
[50]


12PL+70EA : Mặt cầu bản thép dày 12mm, lớp phủ bằng EA dày 70mm
12PL+EA : Bản thép dày 12mm có lớp phủ bằng epoxy asphalt
12PL+MA : Bản thép dày 12mm có lớp phủ bằng mastic asphalt
12PL+UHPFRC-V: Bản thép dày 12mm có lớp phủ bằng UHPFRC-V
14PL+EA : Bản thép dày 14mm có lớp phủ bằng epoxy asphalt
14PL+MA : Bản thép dày 14mm có lớp phủ bằng mastic asphalt
14PL+UHPFRC-V: Bản thép dày 14mm có lớp phủ bằng UHPFRC-V


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần và tính năng của các UHPFRC thương mại [30] .................... 6 
Bảng 1.2. Thành phần cấp phối UHPC [2] ................................................................. 8 
Bảng 1.3. Giá trị hệ số poisson [45] .......................................................................... 12 
Bảng 1.4. Hệ số giãn nở nhiệt của UHPC [45] ......................................................... 13 
Bảng 1.5. Tổng hợp các tính năng cơ học của UHPC [45] ....................................... 15 
Bảng 2.1. Yêu cầu thiết kế thành phần UHPFRC của luận án.................................. 40 
Bảng 2.2. Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 (Bút Sơn) ............................. 40 
Bảng 2.3. Các đặc tính kỹ thuật của xi măng PC40 - Bút Sơn ................................. 41 
Bảng 2.4. Mô tả sản phẩm SikaViscocret3000-20M ................................................ 41 
Bảng 2.5. Các chỉ tiêu của muội silic theo ASTM C1240 ........................................ 42 
Bảng 2.6. Thành phần hóa học của đá Quartz .......................................................... 43 
Bảng 2.7. Cỡ hạt của cát Quartz ............................................................................... 43 
Bảng 2.8. Thành phần hạt của bột Quartz nghiền ..................................................... 43 
Bảng 2.9. Các đặc trưng vật lý của vật liệu chế tạo UHPFRC-V ............................. 45 
Bảng 2.10. Thành phần UHPFRC thiết kế theo độ đặc tối ưu .................................. 48 
Bảng 2.11. Bảng tính độ đặc các cấp phối ................................................................ 48 
Bảng 2.12. Thành phần UHPFRC-V theo tỷ lệ khối lượng xi măng ........................ 49 
Bảng 2.13. Thành phần cấp phối cho một mẻ trộn 60 lít .......................................... 49 

Bảng 2.14. Độ chảy lan của các mẻ trộn thử nghiệm ............................................... 50 
Bảng 2.15. Nội dung thí nghiệm ............................................................................... 51 
Bảng 2.16. Số mẫu thí nghiệm .................................................................................. 51 
Bảng 2.17. Hệ số phân phối student [23] .................................................................. 51 
Bảng 2.18. Cường độ nén 7 ngày của UHPFRC-V .................................................. 55 
Bảng 2.19. Cường độ nén 28 ngày của UHPFRC-V ................................................ 55 
Bảng 2.20. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi ....................................................... 55 
Bảng 2.21. Bảng tính giá trị đặc trưng mô đun đàn hồi ............................................ 56 
Bảng 2.22. Cường độ chịu kéo uốn ứng với vết nứt đầu tiên ................................... 58 
Bảng 2.23. Kết quả phân tích ngược các mẫu SU1; SU2; SU3 ................................ 67 
Bảng 2.24. Kết quả phân tích ngược các mẫu SU4; SU5; SU6 ................................ 67 
Bảng 2.25. Tổng hợp kết quả phân tích ngược ......................................................... 68 
Bảng 2.26. Hệ số tương quan giữa cường độ kéo sau nứt và cấp bê tông ................ 69 


xi

Bảng 2.27. Kết quả phân tích thí nghiệm uốn 4 điểm bằng PTHH .......................... 74 
Bảng 3.1. Thời gian cho phép thi công của keo epoxy ............................................. 81 
Bảng 3.2. Nội dung thí nghiệm uốn mẫu bản liên hợp ............................................. 81 
Bảng 3.3. Ứng suất - biến dạng vết nứt đầu tiên và thời điểm vết nứt mở rộng ....... 90 
Bảng 3.4. Tải trọng, mô men âm trung bình ở trạng thái khởi điểm vết nứt ............ 91 
Bảng 3.5. So sánh mô men gây nứt thí nghiệm với mô men khai thác .................... 92 
Bảng 3.6 . Tải trọng tương ứng với các bề rộng vết nứt khác nhau.......................... 96 
Bảng 3.7. So sánh với nghiên cứu của Murakoshi [50] ............................................ 97 
Bảng 3.8. So sánh mẫu có và không bố trí cốt thép .................................................. 97 
Bảng 3.9. Mô men âm thí nghiệm theo bề rộng vết nứt trên UHPFRC-V ............... 98 
Bảng 3.10. Hệ số chiết giảm cường độ của UHPFRC-V trên bản thép .................. 108 
Bảng 4.1. Các cơ chế ứng xử của kết cấu cầu thép trực hướng [36] ...................... 111 
Bảng 4.2 Bề rộng vết nứt cho phép của UHPFRC [23] .......................................... 117 

Bảng 4.3. Bảng tính giá trị biến dạng, chiều rộng vết nứt ở các TTGH ................. 118 
Bảng 4.4. Mô men âm tính toán trên kết cấu mặt cầu............................................. 121 
Bảng 4.5. Mô men gây nứt của mặt cắt................................................................... 122 
Bảng 4.6. Hệ số an toàn với các trường hợp cấu tạo mặt cầu khác nhau ............... 123 
Bảng 4.7. Ứng suất lớn nhất trên bản thép 12mm với các lớp phủ khác nhau ....... 125 
Bảng 4.8. Biến dạng kéo lớn nhất trên lớp phủ....................................................... 125 
Bảng 4.9. Đặc trưng vật liệu của lớp phủ bằng EA, MA ........................................ 131 
Bảng 4.10. Biến dạng lớn nhất ở mặt trên của lớp phủ........................................... 132 
Bảng 4.11. Ứng suất lớn nhất trên bản thép, đường hàn......................................... 132 
Bảng 4.12. Ứng suất lớn nhất trên bản thép, đường hàn khi không có lớp phủ ..... 132 
Bảng 4.13. So sánh ứng suất trên bản thép ............................................................. 133 
Bảng 4.14. So sánh ứng suất trên đường hàn .......................................................... 133 
Bảng 4.15. Biến dạng lớn nhất ở mặt trên của lớp phủ........................................... 135 
Bảng 4.16. Ứng suất lớn nhất trên bản thép ............................................................ 135 
Bảng 4.17. So sánh ứng suất trên bản thép ............................................................. 136 


xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Thành phần tối ưu UHPFRC [60]...............................................................................7 
Hình 1.2. Ứng xử kéo lý tưởng của UHPFRC biến dạng cứng [41].......................................11 
Hình 1.3. Các loại ứng xử kéo của một UHPFRC: a) Loại 3; b) loại 2; c) loại 1 ..................12 
Hình 1.4. Mô hình ứng xử nén của UHPFRC theo AFGC .....................................................18 
Hình 1.5. Mô hình ứng xử kéo của UHPFRC loại 3................................................................19 
Hình 1.6. Mô hình ứng xử của UHPFRC, Nhật Bản, [65] ......................................................20 
Hình 1.7. Mô hình vật liệu đề xuất Gowripalan và Gilbert [40] .............................................20 
Hình 1.8. Ứng xử UHPC theo mô hình của Aaleti [18] ..........................................................21 
Hình 1.9. Sơ đồ thử nghiệm uốn bản UHPFRC [13] ...............................................................21 
Hình 1.10. Sơ đồ thí nghiệm ứng xử uốn của dầm UHPFRC [5] ...........................................22 

Hình 1.11. Mô hình tính toán UHPFRC, Nguyễn Lộc Kha [5] ..............................................22 
Hình 1.12 Ứng dụng UHPFRC xây dựng cầu dân sinh ở Việt Nam ......................................23 
Hình 1.13. Mặt cắt ngang điển hình của mặt cầu trực hướng..................................................24 
Hình 1.14. Dạng cầu dầm hở - bản thép trực hướng [36] ........................................................26 
Hình 1.15. Dạng kết cấu nhịp dầm hộp đôi, cầu San Mateo-Hayward [36] ..........................26 
Hình 1.16. Thi công thay thế mặt cầu treo Lions Gate, Canada [36]......................................27 
Hình 1.17. Các dạng hư hỏng ở mặt cầu trực hướng [64] .......................................................29 
Hình 1.18. Các loại vết nứt trong kết cấu mặt cầu thép trực hướng [29] ................................30 
Hình 1.19. Mô hình 1, sử dụng bê tông cốt sợi thép SFRC [50] .............................................30 
Hình 1.20. Mặt cắt ngang bản mặt cầu Caland, Hà Lan [77] ..................................................31 
Hình 1.21. Thi công lớp phủ mặt cầu Caland, Hà Lan [37] ....................................................31 
Hình 1.22: Ứng dụng UHPFRC ở cầu Illzach - Pháp [44] ......................................................32 
Hình 1.23. Mô hình ứng dụng UHPFRC trên bản thép trực hướng [68]................................32 
Hình 1.24. Kết quả thí nghiệm kéo trực tiếp [46].....................................................................33 
Hình 1.25. Thí nghiệm uốn 3 điểm mẫu liên hợp bản thép - UHPC [46] ..............................34 
Hình 1.26. Thí nghiệm uốn mẫu liên hợp của Murakoshi [50] ...............................................34 
Hình 1.27. Mô hình thí nghiệm uốn lớp phủ [73] ....................................................................35 
Hình 1.28. Biểu đồ tải trọng - độ võng; tải trọng - tách lớp [73] .............................................35 
Hình 1.29. Thí nghiệm mỏi [37] ................................................................................................36 
Hình 1.30. Mẫu thí nghiệm tải trọng bánh xe ...........................................................................36 
Hình 1.31. Kết quả thí nghiệm tải trọng bánh xe [50]..............................................................36 


xiii

Hình 1.32. Kích thước mẫu thí nghiệm tải trọng bánh xe [56]................................................37 
Hình 1.33. Sơ đồ thí nghiệm tải trọng bánh xe [56] .................................................................37 
Hình 2.1. SikaViscocret3000-20M............................................................................................41 
Hình 2.2. Muội silic Sikacrete PP1............................................................................................42 
Hình 2.3. Bột Quartz ..................................................................................................................43 

Hình 2.4. Sơ đồ khối thiết kế thành phần UHPFRC-V ............................................................47 
Hình 2.5. Trộn bê tông tính năng siêu cao bằng máy trộn cưỡng bức ....................................49 
Hình 2.6. Thí nghiệm mô đun đàn hồi ......................................................................................52 
Hình 2.7. Sơ đồ thí nghiệm uốn 4 điểm ....................................................................................53 
Hình 2.8. Chuẩn bị khuôn, đúc mẫu..........................................................................................53 
Hình 2.9. Thí nghiệm uốn 4 điểm, dạng phá hoại mẫu ............................................................54 
Hình 2.10. Các dạng phá hoại mẫu nén ....................................................................................54 
Hình 2.11. Biểu đồ tải trọng - độ võng từ thí nghiệm uốn 4 điểm ..........................................56 
Hình 2.12. Sơ đồ xác định ứng suất khởi điểm vết nứt fct,el .....................................................57 
Hình 2.13. Biểu đồ tải trọng - độ võng đại diện .......................................................................58 
Hình 2.14. Giới hạn biểu đồ ứng suất - biến dạng trong phân tích ngược ..............................59 
Hình 2.15. Phân bố ứng suất, biến dạng trên mặt cắt ...............................................................61 
Hình 2.16. Biểu đồ mô men đơn vị, sử dụng tính độ võng của dầm.......................................63 
Hình 2.17. Phân bố mô men, độ cong trong dầm thí nghiệm ..................................................63 
Hình 2.18. Sơ đồ khối tính biểu đồ mô men - độ cong ............................................................64 
Hình 2.19. Sơ đồ khối phân tích ngược tìm quan hệ ứng suất - biến dạng .............................66 
Hình 2.20. Các thanh scroll điều chỉnh biểu đồ ứng suất - biến dạng giả định ......................67 
Hình 2.21. Biểu đồ ứng suất - biến dạng mẫu SU1, SU2; SU3, SU4 .....................................68 
Hình 2.22. Sơ đồ ứng suất - biến dạng mẫu SU5, SU6............................................................69 
Hình 2.23. Biểu đồ ứng suất - biến dạng trung bình, đặc trưng của 6 mẫu ............................69 
Hình 2.24. Mô hình ứng xử kéo uốn của UHPFRC-V ............................................................71 
Hình 2.25. Mô hình ứng xử nén của UHPFRC [23] ................................................................72 
Hình 2.26. Mô hình ứng xử nén của UHPFRC-V....................................................................72 
Hình 2.27. Mô hình vật liệu của UHPFRC-V trong Midas FEA ............................................73 
Hình 2.28. Kết quả mô hình thí nghiệm uốn 4 điểm bằng Midas FEM .................................75 
Hình 3.1. Mô hình ứng dụng UHPFRC-V trên bản thép trực hướng .....................................78 
Hình 3.2. Mô hình thí nghiệm bản liên hợp chịu mô men âm.................................................79 


xiv


Hình 3.3. Chuẩn bị bề mặt bản thép ..........................................................................................82 
Hình 3.4. Hình ảnh đúc, bảo dưỡng mẫu ..................................................................................83 
Hình 3.5. Thiết bị thí nghiệm .....................................................................................................84 
Hình 3.6. Bộ gối uốn, thanh neo mẫu thí nghiệm uốn .............................................................85 
Hình 3.7. Sơ đồ, hình ảnh gán thiết bị đo lên mẫu ...................................................................85 
Hình 3.8. Gắn thiết bị đo lên mẫu..............................................................................................85 
Hình 3.9. Vị trí xuất hiện các vết nứt trên mẫu.........................................................................87 
Hình 3.10. Các dạng mặt cắt phá hoại mẫu ..............................................................................88 
Hình 3.11. Biểu đồ tải trọng - biến dạng mặt trên của UHPFRC-V .......................................89 
Hình 3.12. Biểu đồ tải trọng - biến dạng trung bình ở mép trên UHPFRC-V........................90 
Hình 3.13. Tải trọng, mô men âm trung bình ở trạng thái khởi điểm vết nứt ........................91 
Hình 3.14. Tải trọng, mô men âm ở trạng thái vết nứt bắt đầu mở rộng ................................91 
Hình 3.15. Biểu đồ tải trọng - độ võng của các tổ mẫu............................................................93 
Hình 3.16. Sơ đồ tính toán bề rộng vết nứt từ giá trị độ võng .................................................95 
Hình 3.17. Biểu đồ tải trọng - bề rộng vết nứt ..........................................................................95 
Hình 3.18. So sánh với kết nghiên cứu thực nghiệm của Murakoshi [50] .............................96 
Hình 3.19. Mô men âm theo bề rộng vết nứt ............................................................................98 
Hình 3.20. Bố trí lá dán đo biến dạng mặt bên của mẫu ..........................................................98 
Hình 3.21. Biểu đồ tải trọng - biến dạng mặt bên.....................................................................99 
Hình 3.22. Sơ đồ tính khi TTH qua chỗ tiếp giáp: thép - UHPFRC-V ............................... 101 
Hình 3.23: Sơ đồ tính toán khi TTH qua UHPFRC-V ......................................................... 102 
Hình 3.24. Sơ đồ tính toán khi TTH qua bản thép ................................................................ 103 
Hình 3.25. Sơ đồ tính toán khả năng chịu uốn âm của mặt cắt liên hợp.............................. 105 
Hình 3.26. Mô hình ứng xử của UHPFRC-V trên bản thép ................................................. 106 
Hình 3.27. Mô hình mẫu thí nghiệm bằng Midas FEA ........................................................ 106 
Hình 3.28. Phân tích mẫu liên hợp bản thép - UHPFRC-V bằng Midas FEA.................... 107 
Hình 3.29. So sánh kết quả tính toán và thí nghiệm mẫu bản liên hợp................................ 107 
Hình 4.1. Mức thiết kế thích hợp cho các chi tiết mặt cầu trực hướng [36] ........................ 114 
Hình 4.2. Sơ đồ tính mô men âm lớn nhất trên lớp phủ mặt cầu.......................................... 119 

Hình 4.3. Sơ đồ ứng suất, biến dạng của mặt cắt tính đổi khi nứt........................................ 122 
Hình 4.4. Mô men gây nứt của mặt cầu - mô men âm do tải trọng khai thác ..................... 123 
Hình 4.5. Sơ đồ tính ứng suất, biến dạng trên mặt cắt bản thép - UHPFRC-V................... 124 


xv

Hình 4.6. Ứng suất lớn nhất trên bản thép trực hướng.......................................................... 126 
Hình 4.7. Kích thước, hình dạng mẫu phân tích.................................................................... 128 
Hình 4.8. Mô hình đường hàn liên kết giữa bản thép và sườn dọc ...................................... 129 
Hình 4.9. Cấu tạo mặt cắt ngang mặt cầu sườn hở................................................................ 129 
Hình 4.10. Mô hình kết cấu mặt cầu trực hướng sườn hở .................................................... 130 
Hình 4.11. Mô hình tải trên kết cấu bản thép trực hướng ..................................................... 131 
Hình 4.12. Biến dạng lớn nhất trên lớp phủ với các loại lớp phủ khác nhau ...................... 132 
Hình 4.13. Ứng suất lớn nhất trên bản thép với các lớp phủ khác nhau .............................. 133 
Hình 4.14. Ứng suất lớn nhất trên đường hàn với các lớp phủ khác nhau .......................... 133 
Hình 4.15. Ứng suất trên bản thép, đường hàn với các trường hợp lớp phủ ....................... 134 
Hình 4.16. Biến dạng lớn nhất trên lớp phủ với các loại lớp phủ khác nhau ...................... 135 
Hình 4.17. Ứng suất lớn nhất trên đường hàn với các lớp phủ khác nhau .......................... 135 


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Trong cầu thép, đặc biệt là các công trình cầu vượt nhịp lớn, cầu di động thì mặt
cầu bản thép trực hướng (OSD) là một sự lựa chọn được ưu tiên vì các lý do: Hệ thống
OSD có trọng lượng bản thân nhỏ, độ cứng lớn; tiến độ thi công nhanh. Ngoài ra mặt
cầu trực hướng cũng là một giải pháp tốt cho việc thay thế hệ thống mặt cầu cũ nhằm
nâng cao khả năng chịu tải và kéo dài tuổi thọ khai thác.

Hệ thống OSD đã được sử dụng thành công cho rất nhiều cây cầu trên thế giới,
đặc biệt là ở châu Âu, châu Á và Nam Mỹ. Nhiều trong số các kết cấu cầu hiện đại,
tráng lệ nhất trên thế giới hiện nay sử dụng các hệ thống bản thép trực hướng. Ở Việt
Nam các công trình cầu như: Cầu Thăng Long - Hà Nội, cầu Thuận Phước Đà Nẵng,
cầu Cần Thơ cũng cấu tạo hệ mặt cầu theo dạng này.
Thực tế khai thác cho thấy một số hư hỏng đối với loại mặt cầu này như: Hư
hỏng lớp phủ mặt cầu; các hư hỏng tại các mối hàn, bản thép, sườn... do sự xuống cấp
của vật liệu làm lớp phủ, sự gia tăng của tải trọng xe chạy [7, 44, 50, 51, 73, 77].
Những hư hỏng này làm giảm chất lượng khai thác, giảm khả năng chịu tải và tuổi thọ
của cầu. Vấn đề đặt ra là tìm biện pháp để sửa chữa và kéo dài tuổi thọ các công trình
cầu cũ đã xuất hiện các hư hỏng và đề xuất những cải tiến trong thiết kế đối với các
công trình cầu mới.
Nghiên cứu lựa chọn giải pháp kéo dài thời gian khai thác, giảm thiểu các hư
hỏng nêu trên thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên phạm vi toàn thế giới.
Xu hướng chung là sử dụng bê tông xi măng cốt sợi làm lớp phủ mặt cầu trực hướng
thay thế các lớp phủ truyền thống [44, 46,50, 73, 77, 68].
Bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi (UHPFRC - Ultra High
Performance Fibre Reinforced Concrete) với các tính năng vượt trội so với bê tông
truyền thống đã được phát triển từ những năm 1990, trong những năm gần đây việc
nghiên cứu, ứng dụng trong xây dựng cầu ngày càng được phát triển. Ở Việt Nam
nhiều nghiên cứu chế tạo bê tông này đã được thực hiện [1, 2, 3, 9, 10, 11]. Với các
nguồn vật liệu có sẵn trong nước có thể chế tạo được bê tông có cường độ nén trên
100MPa, cường độ chịu kéo uốn và các chỉ tiêu độ bền cải thiện đáng kể so với các
loại bê tông truyền thống. Những kết quả nghiên cứu bước đầu ở Việt Nam cho thấy


2

tiềm năng của việc ứng dụng bê tông tính năng siêu cao trong thực tiễn tại nước ta nói
chung và trong mặt cầu thép trực hướng nói riêng.

Hiện chưa có nghiên cứu nào ở Việt Nam theo hướng ứng dụng bê tông
UHPFRC-V làm lớp phủ mặt cầu bản thép trực hướng.
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, xác định mô hình vật liệu bê tông tính năng siêu cao
gia cường cốt sợi từ nguồn vật liệu sẵn có trong nước (UHPFRC-V); nghiên cứu ứng xử
uốn của UHPFRC-V trên OSD; đề nghị một loại lớp phủ mặt cầu mới làm tiền đề cho
việc nghiên cứu, ứng dụng vào kết cấu cầu thép trực hướng ở Việt Nam là vấn đề có ý
nghĩa thực tiễn và khoa học. Hiện nay chưa có nghiên cứu liên quan đến hướng ứng
dụng UHPFRC làm lớp phủ mặt cầu trực hướng ở Việt Nam. Do đó luận án lựa chọn đề
tài “Nghiên cứu lớp mặt cầu bằng bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi thép
(UHPFRC) trên bản thép trực hướng” làm đề tài của luận án.
2. Mục đích nghiên cứu
- Lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt
sợi (UHPFRC-V) từ các vật liệu sẵn có ở Việt Nam;
- Xác định mô hình ứng xử nén, kéo uốn của UHPFRC-V phục vụ tính toán
thiết kế kết cấu;
- Phân tích ứng xử uốn của UHPFRC trên bản thép trực hướng, xác định sức
kháng uốn âm của mặt cắt liên hợp bản thép - UHPFRC-V;
- Đánh giá hiệu quả của việc ứng dụng UHPFRC trong việc giảm ứng suất, biến
dạng của mặt cầu trên kết cấu mặt cầu trực hướng;
- Đề xuất mô hình sử dụng UHPFRC-V trên cầu thép trực hướng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của Luận án:
- Bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi từ các vật liệu sẵn có ở Việt Nam;
- Ứng xử uốn cục bộ của kết cấu mặt cầu bản thép trực hướng có lớp phủ bằng
UHPFRC.
Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử nén, kéo uốn của UHPFRC-V trên các mẫu
chuẩn.
- Nghiên cứu thực nghiệm uốn âm trên mẫu bản liên hợp trong phòng thí nghiệm;



3

- Nghiên cứu ứng xử uốn của kết cấu mặt cầu trực hướng có lớp mặt bằng
UHPFRC-V bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
4. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Phương pháp thực nghiệm
- Phương pháp phân tích kết cấu bằng phần tử hữu hạn bằng phần mềm thương
mại Midas Fea.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án
Ý nghĩa khoa học của Luận án:
- Từ kết quả thực nghiệm, xây dựng mô hình ứng xử nén, kéo uốn của UHPFRCV phục vụ tính toán, phân tích kết cấu mặt cầu bản thép trực hướng có lớp phủ bằng
UHPFRC - V.
- Đề xuất mô hình ứng dụng UHPFRC-V trên mặt cầu thép trực hướng ở Việt
Nam và chứng minh được hiệu quả của giải pháp ứng dụng UHPFRC-V trên kết cấu
OSD trong việc giảm ứng suất, biến dạng trên bản thép, đường hàn.
Ý nghĩa thực tiễn của Luận án:
Luận án đề xuất mô hình sử dụng UHPFRC-V trên bản thép trực hướng, làm cơ
sở cho việc nghiên cứu, áp dụng UHPFRC-V trong xây dựng cầu ở Việt Nam.
6. Nội dung luận án
Luận án gồm 4 chương, được tóm tắt như sau:
Chương 1: Tổng quan về bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi và các
nghiên cứu ứng dụng trên bản thép trực hướng.
Chương 1 trình bày các nội dung chính như sau:
- Các nghiên cứu về thành phần, tính năng của UHPFRC trong nước và trên thế giới.
- Mô hình ứng xử uốn, cách xây dựng mô hình ứng xử uốn của UHPFRC.
- Các hư hỏng trên kết cấu OSD, mô hình ứng dụng bê tông xi măng cốt sợi trên
bản thép trực hướng, các nghiên cứu liên quan đến ứng xử của bê tông cốt sợi trên bản

thép trực hướng.
- Xác định các vấn đề luận án cần tập trung nghiên cứu.
Chương 2: Thành phần và tính năng của UHPFRC-V.
Chương này gồm các nội dung:


4

- Lựa chọn thành phần, thiết kế cấp phối UHPFRC-V
- Thí nghiệm độ chảy lan, cường độ nén, mô đun đàn hồi, uốn 4 điểm
- Phân tích ngược xác định ứng xử kéo sau nứt của UHPFRC-V
- Xây dựng mô hình ứng xử nén, kéo uốn của UHPFRC-V
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn âm của UHPFRC-V trên bản thép.
Chương này gồm các nội dung chính:
- Đề xuất mô hình ứng dụng UHPFRC-V trên bản thép trực hướng.
- Thí nghiệm uốn 3 điểm mẫu liên hợp “bản thép - UHPFRC-V” chịu mô men
âm xác định được loại ứng xử, dạng phá hoại của UHPFRC-V trên OSD; các quan hệ
tải trọng - biến dạng kéo lớn nhất trên UHPFRC-V, tải trọng - độ võng
- Phân tích ngược xác định mô hình ứng xử kéo uốn của UHPFRC-V trên bản
thép, xác định hệ số chiết giảm cường độ của UHPFRC-V khi làm việc trên bản thép.
- Kiểm chứng mô hình ứng xử của UHPFRC-V bằng phương pháp PTHH. Đề
xuất mô hình ứng xử của UHPFRC-V để áp dụng trong Chương 4.
Chương 4: Phân tích ứng xử kết cấu bản thép trực hướng có lớp phủ bằng
UHPFRC-V
Chương này gồm các nội dung chính:
- Trình bày cơ chế ứng xử, các phương pháp tính toán, phân tích kết cấu OSD,
lựa chọn mức tính toán phù hợp.
- Tính toán ứng suất trên bản thép, biến dạng kéo trên bản UHPFRC-V chịu tải
trọng khai thác theo 22TCN 272-05 bằng phương pháp giải tích. Kết quả thu được sẽ
là cơ sở để lựa chọn sơ bộ chiều dày lớp UHPFRC-V.

- Tính toán ứng suất trên bản thép, ứng suất trên đường hàn liên kết bản thép và
sườn dọc, biến dạng kéo trên bản UHPFRC-V cho 2 dạng kết cấu sườn kín và sườn hở
kích thước thật bằng phương pháp PTHH. Chứng minh hiệu quả của giải pháp ứng
dụng UHPFRC-V trên bản thép trực hướng thay thế các loại lớp phủ truyền thống.


5

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI
VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG
1.1. Mở đầu
Bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi (UHPFRC) là một loại vật liệu được
nghiên cứu và phát triển trên thế giới từ năm 1990, đặc tính của bê tông này là có
cường độ nén từ 100 đến hơn 200MPa [70, trang 355]; [71, trang 212, 16] khả năng
chịu uốn, cắt cao, khả năng chịu tác động va chạm, chịu tải trọng lặp rất lớn và có độ
bền và sự ổn định lâu dài hơn so với bê tông truyền thống.
Với hướng nghiên cứu của luận án, để có cơ sở cho việc tính toán, thiết kế thành
phần và ứng dụng UHPFRC trên mặt cầu trực hướng (OSD), chương này sẽ trình bày
tổng quan về các vấn đề:
- Thành phần và tính năng UHPFRC;
- Mô hình ứng xử của UHPFRC sử dụng trong thiết kế, tính toán;
- Các nghiên cứu, ứng dụng bê tông cốt sợi, UHPFRC trên bản thép trực hướng.
1.2. Thành phần, tính năng của UHPFRC
1.2.1. Thành phần của UHPFRC
Vật liệu chủ yếu để chế tạo UHPFRC gồm: Cát quartz, bột quartz, muội silic, xi
măng, sợi thép, phụ gia siêu dẻo và nước. Trải qua hơn 25 năm phát triển, đến nay bê
tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi trên thế giới được nghiên cứu, ứng dụng
dưới 2 dạng: Dạng thứ nhất là các sản phẩm thương mại; dạng thứ hai là UHPFRC sử
dụng các loại vật liệu địa phương với thành phần được nghiên cứu, lựa chọn từ các vật

liệu sẵn có của một số nước.
1.2.1.1. Thành phần của UHPFRC trên thế giới
- UHPFRC thương mại
Ở các nước Châu Âu, Nam Mỹ thường sử dụng các sản phẩm UHPFRC thương
mại như: Ductal®, BSI®, CRC®, CEMTECmultiscale®, BCV®. Trong đó bê tông
Ductal® được sử dụng phổ biến nhất. Thành phần và tính năng chủ yếu của 5 loại
UHPFRC thương mại được Camacho giới thiệu ở Bảng 1.1 [30]. UHPFRC thương
mại sử dụng một tỷ lệ N/X thấp, từ 0,16 ÷ 0,25. Lượng xi măng từ 746 kg/m3 ÷ 1050
kg/m3. Muội silic khoảng (15÷ 32,43) % khối lượng xi măng. Cát trong cấp phối của
Ductal® và CEMTECmultiscale® sử dụng loại cát mịn, với cỡ hạt < 0,6mm.

Cường độ nén của UHPFRC thương mại ở 28 ngày tuổi, tuỳ theo điều kiện bảo
dưỡng mà giá trị này nằm trong khoảng 120 ÷ 300 MPa.


6

Bảng 1.1. Thành phần và tính năng của các UHPFRC thương mại [30]
Ductal®
BSI®
3
Loại
kg/m Loại
kg/m3

CRC®
Loại
kg/m3

Xi măng


PC

746

1114

Muội silic

-

242

169

Bột quartz

-

224

Cát (mm)

0,1 - 0,6

1066

0÷6

1072


0÷5

0,19

N/X

0,19

N/X

9

SIKA

40

Sợi
13/0,2
Độ chảy xoè
(mm)

161

20/0,3

234

fct,28 (MPa)


8

Nước
N/X
Phụ gia
Chryso
(Admixture)

fcm,7
fcm,28

20

700

0
0

20 /90

0

101
124/
198

20

0


20

0

CEM I 52,5 1050

Chất kết
dính
(binder)

12/0,4

CEMTECmultiscale®
BCV®
Loại
kg/m3 Loại
kg/m3

930

-

275

-

-

1325


<0.5

730

2÷3

0,16

N/X

0,181

N/X

0,25

-

Chryso

35

-

21,5

130-300 10/0.2

2115


470

156

640

-

750

8,8

-

8

165
199

0

20 /90

0

150/ 300 20

0

168


0

20 /90

0

98
130/
150

- UHPFRC sử dụng vật liệu sẵn có ở một số nước khác
Cho đến nay có rất nhiều công bố liên quan đến việc lựa chọn các loại vật liệu,
thành phần của UHPFRC từ các vật liệu địa phương. Giá trị cường độ nén của các
UHPFRC dạng này thường từ (100 ÷ 200) MPa, tùy theo điều kiện bảo dưỡng.
+ Nghiên cứu của Camacho và cộng sự (2012) [30]:
Camacho và cộng sự (2012) đã giới thiệu 28 loại cấp phối UHPFRC sử dụng 2 loại
xi măng CEM I 52.5 và CEM I 42,5 N với lượng xi măng sử dụng (700 ÷ 1000) kg/m3;
3 loại cát (0 ÷ 0,6) mm, (0 ÷ 2) mm và (2 ÷ 3) mm, được phối hợp với nhau tạo ra độ
đặc lớn nhất cho bê tông; muội silic với hàm lượng (10 ÷ 25)% xi măng. Sợi thép
Dramix® đường kính 0,38 mm. Kết quả nghiên cứu cho thấy với lượng xi măng (700 ÷
900) kg/m3, muội silic từ (10 ÷ 25)% khối lượng xi măng và trong điều kiện bảo dưỡng
trong phòng (không bảo dưỡng nhiệt) cường độ nén của bê tông đạt (101 ÷ 138) MPa.
+ Nghiên cứu của Park và cộng sự (2008) [60]:
Park và cộng sự (2008) đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần vật liệu đến
cường độ nén của UHPFRC trên 18 loại cấp phối khác nhau [60]. Vật liệu sử dụng
gồm: Xi măng pooc lăng (800÷1000) kg/m3; muội silic (0 ÷ 35%) khối lượng xi măng;
2 loại cát có cỡ hạt (0,3÷0,5) mm và (0,17÷0,3) mm; bột nghiền 2 loại, với cỡ hạt trung
bình tương ứng là 100µm và 13 µm, (1 ÷ 1,3) khối lượng xi măng và sợi thép đường
kính 0,2mm, chiều dài 13mm, cường độ kéo 2500 MPa hàm lượng 2% theo thể tích

của bê tông, tỷ lệ N/CKD từ 0,16 ÷ 0,24. Từ kết quả nghiên cứu, các tác giả đề xuất
một tỷ lệ tối ưu của cấp phối chế tạo UHPFRC (Hình 1.1).


7
Nước
(0,25)
Siêu dẻo
(0,016)

Sợi thép
2% thể tích

Bột mịn
(0,3)

Xi măng
(1,0)

Muội silic
(0,25)

Ghi chú: tỷ lệ theo khối
lượng xi măng, riêng sợi thép
lấy theo thể tích của bê tông

Cát (1,1)

Hình 1.1. Thành phần tối ưu UHPFRC [60]
+ Nguyên cứu của Fidjestol và cộng sự (2012): Nghiên cứu 31 cấp phối

UHPFRC từ các vật liệu sẵn có ở Na Uy. Vật liệu thành phần gồm: xi măng CEM I42,5 N hoặc CEM I- 52,5. Cát với cỡ hạt lớn nhất được sử dụng là 0,5 mm, một số cấp
phối sử dụng đến cỡ hạt 1mm. Khối lượng chất kết dính (750 ÷ 1100) kg/m3. Tỷ lệ
N/CKD từ (0,16 ÷ 0,2); hàm lượng muội silic (20 ÷ 30) % khối lượng xi măng; sợi
thép 2% thể tích của bê tông. Cường độ nén của các mẫu thử hình lập phương cạnh 50
mm ở 28 ngày, không được bảo dưỡng nhiệt: (101 ÷ 146,3) MPa. Các mẫu được bảo
dưỡng nhiệt, cường độ nén đều đạt trên 150 MPa [38].
+ Nguyên cứu của Cwirzen và cộng sự (2008): Nghiên cứu 4 thành phần cấp
phối UHPC sử dụng xi măng pooc lăng CEM I 42,5 N khối lượng (800 ÷ 1000) kg/m3,
hàm lượng muội silic 25% khối lượng xi măng với các tỷ lệ N/X thay đổi (0,22 ÷ 0,26)
để nghiên cứu ảnh hưởng của bảo dưỡng nhiệt đến cường độ của bê tông. Kết quả
nghiên cứu cho thấy các mẫu không được bảo dưỡng nhiệt có cường độ nén từ (132
÷138) MPa, các mẫu được bảo dưỡng nhiệt, cường độ nén từ 171 đến 183 MPa [34].
1.2.1.2. Thành phần UHPFRC ở Việt Nam
Ở Việt Nam, cũng đã có các nghiên cứu liên quan đến loại vật liệu UHPFRC, các
nghiên cứu này đã nghiên cứu và thiết kế thành phần cũng như đánh giá một số tính
năng của UHPFRC chế tạo từ vật liệu sẵn có ở Việt Nam 2, 3, 4, 7 9, 10, 13.
- Nghiên cứu của Phạm Duy Hữu và cộng sự (2011, 2012) đã nghiên cứu 3 loại
cấp phối UHPFRC: C1; C2; C3 với thành phần cấp phối thể hiện ở Bảng 1.2. Các loại vật
liệu sử dụng gồm: Xi măng PC40 Bút Sơn; muội silic, phụ gia siêu dẻo của Sika Việt
Nam, cát quart cỡ hạt lớn nhất 0,6mm và bột quartz [2] [3].
Cường độ nén trên mẫu thử hình trụ 100x200 mm2 từ (125,6 ÷139,2) MPa ở 28
ngày tuổi; cường độ kéo uốn: cường độ kéo uốn ở vết nứt đầu tiên: từ (9,8÷12,06)
MPa; cường độ chịu kéo uốn lớn nhất: từ (16,36÷33,49) MPa; cường độ chịu kéo uốn
với độ võng 10 mm từ (2,03 ÷ 3,9) MPa; mô đun đàn hồi: (46,2 ÷ 49,3) GPa.


8

Bảng 1.2. Thành phần cấp phối UHPC [2]
Tên cấp phối

Thành phần
C1
C2
3
Xi măng Bút sơn PC40, kg/m
800
850
3
Muội silic, kg/m
195,5
195,5
3
Cát Quartz Q1, kg/m
900
935
3
Bột Quartz Q2, kg/m
280
150
3
Sợi thép, kg/m
160
160
Phụ gia siêu dẻo, kg
16
17
Nước, lít
160
170
Tỷ lệ N/X

0,20
0,20

C3
900
207
977
120
160
18
180
0,20

- Nghiên cứu của Nguyễn Công Thắng và cộng sự (2013): Trong nghiên cứu
này, tác giả sử dụng muội silic kết hợp với xỉ lò cao nghiền mịn làm phụ gia khoáng cho
UHPC. Vật liệu được dùng gồm: xi măng pooc lăng Sông Gianh PC40; muội silic dạng
hạt rời của hãng Elkem; cốt liệu là cát quartz có đường kính cỡ hạt trung bình khoảng
315μm; phụ gia siêu dẻo (PGSD) sử dụng của hãng BASF có gốc polycarboxylate. Thí
nghiệm nén được thực hiện trên mẫu thử 40x40x160 (mm3) cho thấy giá trị cường độ
nén của UHPC đạt từ (150 ÷ 153) MPa [10].
- Nghiên cứu của Trần Bá Việt và cộng sự (2015) đã sử dụng cấp phối UHPC
gồm: 1000 kg xi măng, 300 kg cát nghiền, 450 kg cát trắng, 300 kg tro bay, 100 kg muội
silic, 30 kg siêu dẻo và 215 lít nước cho 1 m3 bê tông. Kết quả thí nghiệm cường độ nén
28 ngày đạt 190 MPa, cường độ kéo trực tiếp đạt 12 MPa ; mô đun đàn hồi 48 GPa [14].
1.2.1.3. Nhận xét
Thành phần chủ yếu của UHPFRC bao gồm: Cát quartz, bột quartz, muội silic,
sợi thép, phụ gia siêu dẻo và nước. Trong đó:
- Xi măng: Thường sử dụng loại xi măng CEM I 42,5 N (thế giới), PC40 (các
nghiên cứu ở Việt Nam); lượng xi măng sử dụng phổ biến (700 ÷ 1100) kg/m3. Xu
hướng sử dụng khối lượng xi măng ≤ 900 kg/m3.

- Muội silic được sử dụng từ (10÷30)% theo khối lượng xi măng, nhiều nghiên
cứu kết luận sử dụng tỷ lệ này 25% là tối ưu [30, 60, 69, 70, 71].
- Cát quartz: Hàm lượng cát theo tỷ lệ cát trên xi măng (C/X) trong khoảng
0,7 ÷ 1,42. Cỡ hạt cát (0 ÷ 0,6) mm.
- Bột quartz với cỡ hạt tương đương xi măng, được sử dụng để thay thế một phần
xi măng trong hỗn hợp. Thường sử dụng không quá 30% lượng xi măng.