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

Đặng Thùy Chi

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÊ
TÔNG CỐT LIỆU NHẸ DÙNG TRONG XÂY DỰNG
CẦU Ở VIỆT NAM

Ngành:

Kỹ thuật Xây dựng công trình giao thông

Chuyên ngành: Xây dựng Cầu hầm
Mã số:

62.58.02.05

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2017


- 25 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

[1].

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

[2].

1: GS.TS. Phạm Duy Hữu
2: GS. Eric Garcia-Diaz

Phản biện 1: GS.TSKH. Nguyễn Thúc Tuyên

[3].

[4].

Phản biện 2: GS.TSKH. Nguyễn Như Khải
Phản biện 3: GS.TSKH. Nguyễn Đông Anh

Luận án sẽ bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án cấp Trường theo

[5].

[6].

Quyết định Số …/QĐ-ĐHGTVT ngày tháng 11 năm 2017
họp tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải,
vào hồi

ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu Luận án tại thư viện:
1. Thư viện Quốc gia

2. Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải

[7].

Đặng Thùy Chi (2013), “Thực trạng phát triển và nhu cầu sử
dụng bê tông cốt liệu nhẹ trong xây dựng cầu ở Việt Nam”,
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, số 42, 6/2013.
Đặng Thùy Chi (2014), Nghiên cứu thành phần và tính chất
của bê tông cốt liệu nhẹ sử dụng trong kết cấu cầu, Đề tài
NCKH cấp trường mã số T2014-VKTXD-06, Chủ nhiệm đề
tài
Đặng Thùy Chi, Phạm Duy Hữu, Thái Khắc Chiến (2015),
“Nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực
để ứng dụng trong kết cấu cầu ở Việt Nam”, Tạp chí Giao
thông vận tải, số 5/2015.
Thái Khắc Chiến, Phạm Duy Hữu, Đặng Thùy Chi (2016),
“Ảnh hưởng của keramzit đến cường độ chịu nén của bê tông
nhẹ”, Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, số 50, 2/2016
Đặng Thùy Chi (2016), Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng
xử nén của bê tông keramzit, Đề tài NCKH cấp trường mã số
T2016-VKTXD-15, Chủ nhiệm đề tài
Chi Thuy Dang, Huu Duy Pham, Ha Thanh Le, Eric GarciaDiaz (2016), “A study on high strength lightweight aggregate
concrete”, The 7th International Conference of Asian Concrete
Federation (ACF), Hanoi, 11/2016
Thuy Chi Dang, Duy Huu Pham (2016), “Effiency of type and
content of lightweight aggregates on strength of lightweight
aggregate concretes”, The International Conference on
Sustainable in Civil Engineering (ICSCE), Hanoi, 11/2016



- 24 -

-1-

cầu giản đơn mặt cắt chữ T, nhịp 18m bằng bê tông cốt thép; qua đó,

MỞ ĐẦU

đánh giá sơ lược hiệu quả kỹ thuật khi thay thế bê tông nặng thông
thường bằng BTCLN có cùng cường độ nén.

1. Đặt vấn đề nghiên cứu
Bê tông truyền thống là vật liệu có khối lượng thể tích lớn

2. Những đóng góp về mặt thực tiễn
Trên cơ sở kết quả về vật liệu, thành phần của BTCLN, chế tạo

(khoảng 2200 – 2600 kg/m3), tùy theo loại và lượng cốt liệu sử dụng.

thành công BTCLN chịu lực có cường độ đặc trưng lên tới hơn 60

Nếu giảm trọng lượng của bê tông đi khoảng 25%, có thể giảm bớt

MPa, độ chảy cao, đáp ứng yêu cầu sử dụng trong các kết cấu chịu

trọng lượng bản thân của kết cấu một cách đáng kể. Bê tông cốt liệu

lực nói chung và công trình cầu nói riêng.

nhẹ có khối lượng thể tích dưới 1900 kg/m3, có cường độ tương




đương bê tông thường có thể khắc phục hạn chế của bê tông truyền



Kết hợp các mô hình cơ học của phương pháp đồng nhất hóa vật

liệu composit xây dựng một phương pháp dự báo cường độ bê tông

thống và đem lại hiệu quả kinh tế cao.

cốt liệu nhẹ. Từ đó, đề xuất phương pháp thiết kế thành phần bê tông

Trên thực tế, bê tông cốt liệu nhẹ đã được sử dụng thành công và

cốt liệu nhẹ.

phổ biến trong xây dựng nói chung và xây dựng cầu nói riêng từ hơn



70 năm qua trên thế giới [2], tuy nhiên vẫn hoàn toàn mới mẻ trên thị

Đề tài đã đề xuất các công thức tính các đặc trưng cơ học của bê

tông cốt liệu nhẹ thông qua cường độ chịu nén của BTCLN.

trường Việt Nam. Việc nghiên cứu thành phần, tính chất bê tông cốt




Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép

liệu nhẹ chịu lực để ứng dụng trong kết cấu cầu có ý nghĩa khoa học

chế tạo bằng bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực và bước đầu đánh giá khả

và thực tiễn hết sức to lớn, mở ra hướng mới trong việc tìm kiếm vật

năng ứng dụng vật liệu này trong kết cấu cầu.

liệu thay thế cốt liệu bê tông truyền thống cũng như khả năng ứng

3. Hướng nghiên cứu tiếp

dụng các kết cấu nhẹ hơn, vượt được khẩu độ dài hơn trong kết cấu



cầu.

Mở rộng chương trình nghiên cứu thực nghiệm trên nhiều loại

cốt liệu nhẹ để khẳng định các kết luận về các tính chất cơ học của

2. Những nội dung cần giải quyết

BTCLN chịu lực.




Nghiên cứu tổng quan về bê tông cốt liệu nhẹ;



Nghiên cứu một số tính chất khác của BTCLN chịu lực như khả



Nghiên cứu vật liệu, phương pháp chế tạo;

năng dính bám với cốt thép, quan hệ ứng suất – biến dạng khi chịu



Nghiên cứu thiết kế thành phần của BTCLN;

nén



Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hai đặc tính quan trọng



Cần nghiên cứu sức kháng cắt, khả năng chịu va chạm của cấu

nhất của BTCLN là khối lượng thể tích và cường độ chịu nén;


kiện bê tông cốt thép nhằm hoàn thiện các hiểu biết về ứng xử trong



Nghiên cứu các tính chất cơ học và độ bền của BTCLN chịu lực;

kết cấu chịu lực của vật liệu này.



Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép sử dụng


-2-

BTCLN chịu lực. Qua đó, đánh giá khả năng ứng dụng vật liệu

- 23 -

5.4.2.2 Kiểm tra độ võng của mặt cắt giữa nhịp

này trong công trình cầu.
3. Phương pháp nghiên cứu

Kết quả tính toán độ võng ở mặt cắt giữa nhịp do hoạt tải gây ra
được tổng hợp trong bảng 5.15.

Nghiên cứu lý thuyết để định hướng và dự kiến kết quả đạt được,


Bảng 5. 3. Tổng hợp độ võng

dùng thực nghiệm để kiểm chứng.

Độ võng (mm)

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Độ võng do hoạt tải

Kết quả nghiên cứu đã bước đầu làm rõ tính khả thi về mặt chế
tạo bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực có cường độ tới 60 MPa và phân tích

Dầm T18-T145

Dầm T18-N128

4,5

6,7

Độ võng cho phép [fv] = L/800 = 22,25mm. Cả hai dầm đều đạt
yêu cầu về độ võng.

một số tính chất cơ học của BTCLN chịu lực. Ngoài ra, kết quả

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP

nghiên cứu đã góp phần xây dựng một phương pháp mới thiết kế


1. Những đóng góp của Luận án về mặt khoa học

thành phần BTCLN. Các kết quả có được của luận án có khả năng áp



dụng vào thực tế xây dựng các công trình giao thông ở Việt Nam.

sét nở keramzit. Loại bê tông nhẹ chế tạo được có KLTT nhỏ hơn

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ

Đề tài đã nghiên cứu chế tạo BTCLN chịu lực trên cơ sở vật liệu

2000 kg/m3 và đạt được cường độ chịu nén từ 30 - 60 MPa.

1.1. Khái quát về bê tông nhẹ



1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển

cũng như khối lượng thể tích của bê tông nhẹ; đồng thời đề xuất công

Bê tông nhẹ đã được sử dụng từ thời cổ đại. Sau khi đế chế La Mã

Luận án đã phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến đến cường độ

thức thực nghiệm mô tả quan hệ giữa hai đại lượng này.


sụp đổ, việc sử dụng bê tông nhẹ trở nên hạn chế cho đến thế kỷ 20



khi cốt liệu nhân tạo mới được sử dụng phổ biến. BTCLN cường độ

công thức dự báo cường độ của BTCLN trên cơ sở các mô hình cơ

cao đã được sử dụng trong nhiều công trình từ nhà cao tầng, cầu lớn

học. Từ đó đề xuất một phương pháp thiết kế thành phần BTCLN.

cho đến các công trình ở ngoài khơi [25], [45], [57], [62].



1.1.2 Khái niệm và phân loại bê tông nhẹ

nghiên cứu và phân tích. Từ đó đề xuất các công thức thực nghiệm

Nhìn chung, bê tông được xem là nhẹ khi có khối lượng thể tích
3

Đề tài đã sử dụng phương pháp đồng nhất hóa vật liệu để đề xuất

Một số tính chất cơ học và độ bền của BTCLN chịu lực đã được

xác định mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo khi bửa, cường độ chịu

nhỏ hơn 2000 kg/m . Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-2013 [48], bê


kéo khi uốn theo cường độ chịu nén của BTCLN. Đề tài cũng đánh

tông nhẹ được phân loại theo khối lượng thể tích thành 6 cấp từ D1,0

giá sơ lược về độ chống thấm và thấm ion clo của vật liệu BTCLN.

đến D2,0 hoặc theo cường độ chịu nén thành 14 cấp từ LC8/9 đến



LC80/88. Theo ACI 213R-87 [24], bê tông nhẹ được chia làm 3 loại

tạo từ BTCLN. Từ các kết luận ban đầu về ứng xử của kết cấu

Luận án đã nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép chế

BTCLN. Đề tài cũng đã thực hiện phân tích số ứng xử uốn của dầm


- 22 -

-3-

b, bw là bề rộng bản cánh và sườn dầm, mm

bê tông nhẹ kết cấu, bê tông nhẹ cường độ thấp và bê tông nhẹ khối

hf là chiều dày cánh chịu nén, mm


lượng thể tích nhỏ.

ds là khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trọng tâm cốt thép chịu

1.2. Vật liệu chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ

kéo, mm

1.2.1 Nguồn gốc và phương pháp sản xuất cốt liệu nhẹ

a là chiều cao khối ứng suất tương đương a = 1.c

Cốt liệu nhẹ có thể có nguồn gốc tự nhiên (đá bọt, đá núi lửa, xỉ

1 là hệ số chuyển đổi ứng suất khối

núi lửa, đá vôi, vỏ cọ...) hoặc nhân tạo bằng cách xử lý nhiệt các vật

c là khoảng cách từ mép trên của dầm đến trục trung hòa

liệu có tính nở (keramzit, aglôpôrit, peclit, vermiculite, thủy tinh, tro

Bảng 5. 13. Tổng hợp sức kháng uốn

bay, xỉ lò cao, tro đáy lò nở..).
1.2.2 Các tính chất cơ lý của cốt liệu nhẹ

Dầm T18-

Dầm T18-


T145

N128

- Độ rỗng và vi cấu trúc: độ rỗng cốt liệu nhẹ lớn hơn nhiều so với

Sức kháng uốn danh định Mn

4101,0

3594,5

cốt liệu thông thường. Kích thước và sự phân bố của các lỗ rỗng có

Sức kháng uốn tính toán Mr = Mn

3690,9

3235,0

ảnh hưởng đến khối lượng thể tích xốp và khả năng chịu lực của các

Mô men uốn (kNm)

Từ Bảng 5. 2 và Bảng 5. , cho thấy ở mặt cắt giữa nhịp cả hai
dầm T145 và N128 đều có sức kháng uốn danh định lớn hơn mô men

cốt liệu nhẹ nhân tạo, đặc biệt quyết định độ hút nước của cốt liệu.
- Khối lượng thể tích: khối lượng thể tích xốp của cốt liệu nhẹ


uốn tính toán. Cả hai dầm đều đạt yêu cầu về sức kháng uốn theo

thường biến đổi từ 350 – 1100 kg/m3 [89].

AASHTO 2007 và 22TCN 272-05.

- Độ hút nước: độ hút nước 24h của đá phiến sét nở dao động từ 10 –

Bảng 5.14. So sánh sức kháng uốn của hai dầm
Dầm T18-

Dầm T18-

T145

N128

Sức kháng uốn tính toán Mr

3690,9

3235,0

Mô men uốn do tĩnh tải

1732,6

1278,7


1958,2

1956,3

Mô men (kNm)

Mô men uốn cho phép do hoạt tải
[Mh] = Mr - Mt

Bảng 5.14 cho thấy hai dầm có sức kháng uốn dự trữ cho hoạt tải
[Mh] là xấp xỉ nhau.

20% theo khối lượng trong khi của cốt liệu từ sét nở biến đổi từ 15 31% [44].
- Tính chất cơ học: mô đun đàn hồi tương đương của cốt liệu nhẹ
biến đổi từ 2 đến 17GPa [71].
1.3. Các tính chất của bê tông cốt liệu nhẹ
- Khối lượng thể tích: ngoài KLTT của cốt liệu, KLTT của bê tông
còn phụ thuộc vào cấp phối cốt liệu, độ ẩm cốt liệu, hàm lượng khí,
hàm lượng xi măng, tỉ lệ N/CKD, phụ gia hóa học và phụ gia
khoáng… cũng như phương pháp đầm nén, điều kiện bảo dưỡng…
- Cường độ nén: phụ thuộc vào đặc trưng của cốt liệu, chất lượng của
vữa và sự tương thích về độ cứng giữa hai pha cốt liệu và vữa.


4 ---21

- Mô đun đàn hồi: nhỏ hơn so với bê tông truyền thống do mô đun
đàn hồi của cốt liệu nhẹ thấp hơn của cốt liệu nặng thông thường.
- Hệ số giãn nở nhiệt: thấp, thường lấy bằng 8×10–6/°C [28], [67].
- Từ biến: có thể cao hơn so với bê tông thường do cốt liệu có độ

300

cứng thấp hơn và tỉ lệ vữa xi măng nhiều hơn
4 x định
1860 co ngót của BTCLN cấp từ
- Co ngót: EN 1992-1-1 [28] qui

LC20/22 trở lên cầnHình
được 5.
tính
lên ngang
20% socầu
với bê tông thường có
1. tăng
Mặt cắt
cùng
50%toán
với BTCLN cấp từ LC16/18 trở xuống.
5.4.2 cường
Kết độ
quảvàtính
-5.4.2.1
Độ bền:
việc
dụng
cốt uốn
liệu nhẹ
không
hưởng
Kiểm

trasửsức
kháng
của mặt
cắtảnh
giữa
nhịp
ịp đến độ bền ở
tuổi
củakháng
bê tông,
rỗng
liệu
chung
Kiểmmuộn
tra sức
uốn do
củađộ
mặt
cắt của
giữacốt
nhịp
Mnhìn
Mn là không
u ≤ M
liên
tụcđóvà không
đến độuốn
thấm
củađịnh
bê tông.

Trong
M làảnh
môhưởng
men kháng
danh
n

1.4. BTCLN trong
dựng
cầu  = 0,9
là hệxây
số sức
kháng
1.4.1Mô
BTCLN
trong
cáccắt
tiêu
chuẩn
men uốn
ở mặt
giữa
nhịpthiết
dướikế
táccầu
động củủa tĩnh tải, hoạt
Mục được
này tổng
các qui
định

về BTCLN trong xây dựng cầu
tải được
tổng hợp
hợp trong
bảng
5.12.
của các tiêu chuẩn
Mỹ và
tích sự khác biệt
Bảng Việt
5. 2. Nam,
Tổng hợp
môchâu
men Âu,
uốnn phân
tính toán
so với bê tông nặng thông thường.
Tải trọng (kNm)
Dầm T18-T145
Dầm
m T18-N128
T18
1.4.2 Ưu nhược điểm khi sử dụng BTCLN trong xây dựng cầu
Mô men uốn do tĩnh tải
1732,6
1278,7
Ưu điểm: giảm trọng lượng bản thân cầu, sử dụng cần cẩu với
Mô men uốn do hoạt tải
1552,5
1507,4

đối trọng nhỏ hơn hay có thể chia thành các khối đúc lớn.
Mô men uốn tổng cộng
3285,1
2786,1
Nhược điểm: đắt hơn, yêu cầu lượng xi măng lớn hơn để đạt đến
Mô men kháng uốn danh định đượcc tính theo công th
thức:
cùng cường độ và đòi hỏi cẩn trọng hơn khi vận chuyển và lắp đặt.

 a hf 
 vàa yếu

BTCLN
M n  cũng
AS f y giòn
,85 f làm
'c bgiảm
 bw sức
1h fchịu
 các tác
 nhân
(5.12)hóa
 d s    0hơn,
2
2 2 


học, dù cường độ của BTCLN cao hơn so với bê tông thường.
TrongCác
đó: khuyến cáo khi ứng dụng BTCLN trong công trình cầu

1.4.3
2
As làPhần
diện tích
thép
chịu
kéo,
này cốt
trình
bày
một
sốmm
khuyến cáo khi sử dụng BTCLN
fy là giới
hạntrình
chảycầu,
củachủ
cốt yếu
théplàchịu
trong
công
cáckéo,
lưu MPa
ý về cốt thép do ảnh hưởng

fc’là cốt
cường
chịu
đặc
trưng

củachặn
bê tông
tuổi
i 28
MPa
của
liệuđộnhẹ
yếunén
dẫn
đến
không
được
sự
lanngày,
truyền
vết nứt


- 20 -

-5-

đi xuống của biểu đồ tải trọng – độ võng). Đây là dạng phá hoại điển

và làm giảm cường độ chịu kéo.

hình của dầm bê tông nặng thông thường.

1.5. Tình hình nghiên cứu và sử dụng BTCLN ở Việt Nam


Sức kháng uốn của dầm BTCLN tính từ tiêu chuẩn AASHTO có

Các nghiên cứu về cốt liệu và BTCLN được tiến hành bởi một số

thể được sử dụng để nhận được đánh giá an toàn cho kết cấu chịu

tác giả như: Nguyễn Đình Nghị và cộng sự (1995) [13], Nguyễn Văn
Chánh, Lê Phúc Lâm (2005) [3], Nguyễn Mạnh Kiểm, Cao Duy Tiến

uốn.

(1985) [11], Nguyễn Tiến Đích, Nguyễn Đăng Do (2001) [5],
Nguyễn Văn Đỉnh (2001) [6], Nguyễn Duy Hiếu (2009) [8] đã mở
đầu cho các nghiên cứu về loại vật liệu này tuy nhiên khối lượng còn
hạn chế. Gần đây một số đơn vị trong nước đã nghiên cứu sản xuất
BTCLN chịu lực, ứng dụng trong một số công trình sử dụng bê tông
nhẹ cường độ 20-25 MPa [8].

Hình 5. 9. Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng của các dầm thí

Chương 2: VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ

nghiệm

TẠO BTCLN

5.4. Phân tích sức kháng uốn của dầm cầu BTCLN cấp 40 MPa
theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2007 (22 TCN 272-05)
5.4.1


Vật liệu và kích thước hình học của kết cấu nhịp

Phân tích hai dầm cầu bê tông cốt thép mặt cắt chữ T, chiều dài

2.1. Vật liệu chế tạo BTCLN
Phần này trình bày các tiêu chuẩn và kết quả thí nghiệm các tính
chất đặc trưng của các vật liệu sử dụng trong nghiên cứu để chế tạo
BTCLN. Cốt liệu nhẹ sử dụng là 4 loại sỏi keramzit có KLTT từ 0,97

18m, có cùng cường độ chịu nén đặc trưng là 40 MPa; bằng bê tông

– 1,38 g/cm3.

nặng thông thường có KLTT là 2400 kg/m3 và BTCLN có KLTT

2.2. Phương pháp chế tạo mẫu thử BTCLN

bằng 1700 kg/m3.

2.2.1 Chuẩn bị vật liệu

Bảng 5. 1. Đặc tính của các dầm BTCT tính toán

Cốt liệu nhẹ sau khi sấy khô 24h, được để nguội trong điều kiện
nhiệt độ phòng. Sau đó, được lắc đều trong vòng 5 phút, với lượng

Kí hiệu

Chiều cao (mm)


fc’ (MPa)

Cốt thép dọc chủ

T18-T145

1450

40

1428

nước bằng độ hút nước 24h trong một thùng nhựa bịt kín

T18-N128

1280

40

1428

2.2.2 Nhào trộn hỗn hợp

Kết cấu nhịp cầu có mặt cắt ngang gồm 5 dầm T18 (hình 5.11).
Hoạt tải thiết kế HL93 theo AASHTO 2007 (22 TCN 272-05).
9000

Hai qui trình nhào trộn đã được thử nghiệm.



-6-

- 19 -

- Qui trình 1: ban đầu nhào trộn hỗn hợp vữaa xi măng – cát bằng máy
trộn vữa (hình 2.9), sau đó hỗn hợp vữa và cốt liệuu ẩm được nhào

5.3.1

Vật liệu và thành phần BTCLN và mẫu dầm thí nghiệm

BTCLN dùng để đúc dầm là loại LC50 chế tạo từ sỏi STL 5/20,

trộn bằng tay trong vòng 5 phút trước khi đổ khuôn.

với thành phần và các tính chất cơ học được lấy theo kết quả thí

- Qui trình 2: ban đầu xi măng, cát và muội silic đượ
ợc trộn khô, sau

nghiệm ở chương 4 và trình bày trong Error! Not a valid

đó thêm nước và phụ gia dẻo; cuối cùng cốt liệu ẩm
m được
đư thêm vào

bookmark self-reference..
Bảng 5. 1. Thành phần và tính chất của bê tông dầm thí nghiệm


máy trộn bê tông kiểu cưỡng bức (hình 2.10).

Thành phần của hỗn hợp bê tông/1m3
Tỉ lệ

X

N

N/CKD (kg) (kg)
0,24

587

155

MS

S

C

Tính chất bê tông
fc ’

Ec

fr

(kg)


(kg) (kg) (MPa) (GPa) (MPa)

58,7

486

639

57,5

24,3

4,7

Các mẫu thí nghiệm được chuẩn bị là ba dầm bê tông cốt thép
giản đơn có khẩu độ 1400 mm và mặt cắt hình chữ nhật có kích

Hình 2.9. Trộn vữa bằng máy trộn

Hình 2.10. Trộnn bê tông bbằng

kiểu hành tinh

máy trộn kiểuu cưỡng
cư
bức

2.2.3 Đổ mẫu, đầm nén và bảo dưỡng


thước 125 x 230 mm.
Các dầm được tiến hành thí nghiệm uốn 4 điểm, chiều dài nhịp
(khoảng cách giữa hai gối đỡ) được ấn định là 1200 mm (hình 5.7).

Qui trình đổ mẫu, đầm nén và bảo dưỡng
ng thông thường
thư125 2như
với
8
0,5P

0,5P

30

bê tông truyền thống.
230

230

6a100
170

28

212

30 70

6a100


12x100
1400

70 30

30

Chương 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PH
PHẦN BTCLN
212
3.1. Các phương pháp thiết kế thành phần
n BTCLN
30 65 30

Phần này tổng hợp các phương pháp thiết kế thành phần
ph bê tông
Hình 5.7. Cấu tạo chi tiết mẫu dầm thí nghiệm

của ACI 211-2 [28], Chandra-Bertsson
Bertsson [45] và Bazenov [2].
3.2. Phương pháp đồng nhất hóa vật liệu composit và mô hình d
dự
báo cường độ bê tông
Giả thiết bê tông là vật liệu hỗn hợp đàn hồi,
i, đồng
đ
nhất, đẳng
hướng gồm 3 pha: cốt liệu, hồ xi măng và cát. Mỗii pha thành ph
phần

cũng là một vật liệu đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướ
ớng. Đồng nhất
hóa là phương pháp xác định ứng xử cơ học đồng nhấtt ccủa vật liệu bê

5.3.2

Kết quả thí nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCLN

Đường cong tải trọng - độ võng (hình 5.9) của các dầm BTCLN
cho thấy dưới tác dụng tải trọng ngắn hạn dầm chế tạo từ BTCLN có
cùng một xu hướng (ban đầu tuyến tính, tiếp theo là cốt thép bắt đầu
chảy và cuối cùng phá hủy bê tông do vỡ bê tông đặc trưng bởi vùng


- 18 -

-7-

Quan hệ giữa cường độ kéo uốn fr và cường độ nén fc trên cơ sở
thực nghiệm có thể được đề xuất như sau:
fr = 0,68

(4.15)

4.5. Độ chống thấm nước và thấm ion clo của BTCLN chịu lực

tông từ các đặc trưng cơ học của các thành phần, tỉ lệ cũng như các
tính chất về hình thái và bề mặt của chúng.
3.2.1 Các phương pháp đơn giản để đồng nhất hóa vật liệu
- Mô hình Voigt (mô hình song song): coi biến dạng tại mọi điểm


Kết quả thí nghiệm độ chống thấm BTCLN cho thấy loại bê tông

trong vật liệu là như nhau. Tensơ độ cứng đồng nhất Cv* của vật liệu

LC40 bị nước thấm qua ở áp lực 12 atm, đạt được cấp chống thấm

là trung bình cộng theo thể tích (c1, c2) của các tensơ độ cứng (C1, C2)

B10. Trong khi hai loại LC50 và LC60 áp lực nước lớn hơn 12 atm,

của các pha.

mẫu vẫn chưa bị nước thấm qua, đạt được cấp chống thấm lớn nhất
B12. Kết quả này cũng tương tự như bê tông nặng thông thường.

Cv* = c1 C1) + c2C2) = C(1) + c2 (C(2) – C(1))
- Mô hình Reuss (mô hình nối tiếp): coi trường ứng suất trong vật

Mức độ thấm ion clo tăng từ 166 đến 193C khi cường độ chịu

liệu composit 2 pha là đồng nhất. Tensơ độ mềm tương đương SR*

nén trung bình giảm từ 69 xuống 50 MPa. Mức độ thấm rất thấp

của vật liệu được tính bằng trung bình cộng theo thể tích (c1, c2) của

tương đương giá trị trung bình đo được trên các loại bê tông nặng

các tensơ độ mềm (S1, S2) của các pha.


cường độ nén bằng 80 MPa [14], [66].

SR* = c1S(1) + c2S(2) = S(1) + c2(S(2) - S(1))

Chương 5: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ UỐN

- Giới hạn của Hashin – Strikman [56]: biểu diễn theo mô đun nén K,

CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG BTCLN

mô đun cắt G và tỉ lệ thể tích hai pha đã được thiết lập với trường

5.1. Cơ sở lý thuyết ứng xử uốn của cấu kiện chịu uốn
Phần này tóm tắt lại các giả thiết để xây dựng điều kiện tương
thích về biến dạng, các điều kiện cân bằng được khi tính toán sự làm

hợp vật liệu n pha đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng. Cân bằng giữa
K và G dẫn tới biểu thức tính mô đun đàn hồi tổng cộng E* của vật

5.2. Phương pháp phân tích dầm BTCLN chịu uốn thuần túy

liệu composit hai pha với Vg là tỉ lệ thể tích của cốt liệu [61].
(1  Vg ) Eg  (1 Vg )Em
E* =
(3.13)
Em
(1  Vg ) Eg  (1  Vg )Em

theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2007


3.2.2 Mô hình nối tiếp/song song để dự báo cường độ của BTCLN

việc của dầm bê tông cốt thép.

Phần này trình bày các nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn

De Larrard [92] đã kết hợp 2 mô hình Voigt và Reuss thành một

AASHTO 2007 [67] trong tính toán kết cấu bê tông cốt thép và phân

mô hình có khả năng dự báo tốt ứng xử của BTCLN (hình 3.4).

tích các giai đoạn làm việc của dầm BTCLN chịu uốn thuần túy theo

Mô đun đàn hồi của vùng song song E* = (1 – g2/3)Ev + g2/3Ecl

tiêu chuẩn AASHTO.

Trong đó Ev , Ecl là mô đun đàn hồi của vữa và CLN

5.3. Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCLN

Ứng suất trong vùng nối tiếp: σ =

/

/

σ


Khi ứng suất  đạt tới giá trị giới hạn thì  = Rb (cường độ chịu nén


-8-

- 17 -

của bê tông); v = Rv (cường độ chịu nén của vữa):
2/3

Rb = [1 – (1 -

)g ].Rv

Trong nghiên cứu này, quan hệ giữa cường độ kéo bửa fct và

(3.14)

cường độ nén fc có thể mô tả bằng phương trình 4.13. Kết quả cũng
rất khớp so với đề xuất của ACI 318-2011 và EN 1992-1-2004.
fct = 0,23

(4.13)

Hình 3.4. Mô hình nối tiếp/song song
3.2.3 Mô hình biến động để dự báo cường độ vữa xi măng - cát
Xét một phần tử đặc trưng V, bao gồm đá xi măng M và cốt liệu
cầu G, chịu một trường ứng suất dọc trục không đổi σ = σo. Hai pha


Hình 4. 14. Quan hệ giữa cường độ kéo bửa và cường độ nén

đồng nhất và đẳng hướng, có ứng xử đàn hồi tuyến tính với mô đun

BTCLN của các tác giả khác nhau
Kết quả thí nghiệm cho thấy khi cường độ chịu nén trung bình

đàn hồi Em và Eg. Liên kết giữa hai pha là lý tưởng.
Tính đến sự không tương

tăng từ 50,3 lên 69,4 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn trung bình

thích về độ cứng giữa cốt liệu

tăng lên tương ứng từ 4,85 lên 5,77 MPa. Có thể nhận xét rằng

và đá xi măng, Shink [95] đưa

BTCLN chế tạo từ cốt liệu thô nhẹ và cát thường có cường độ chịu

vào một trường biến dạng 

kéo khi uốn thấp hơn của bê tông nặng, giá trị trung bình bằng 0,73

trên thể tích cốt liệu bằng cách

lần so với bê tông cường độ cao có cùng cường độ nén.

cho vật rắn đồng nhất tương


Hình 3.6. Vật rắn không đồng nhất
(trái) và đồng nhất (phải)

đương chịu cùng một trường
ứng suất và biến dạng nhận

được như vật rắn không đồng nhất (Hình 3.6).
σ = σo + σp = Em(ε – ε*) = Em (εo + εp)
o

p

trên M = V - G
*

= Em (ε + ε – ε )
o

o

p

p

Biết σ = Emε => σ = Em(ε

trên G

(3.17)


ε ) trên V. Sự biến động εp thường

được xác định nhờ nhân tố S trên ε : εp = Sε

Hình 4. 15. Quan hệ giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén của bê
tông


- 16 -

-9-

Bảng 4. 10. So sánh mô đun đàn hồi của BTCLN thí nghiệm và các

S là ten xơ định vị ứng suất và biến dạng độc lập với tính chất cơ học

Cường
độ chịu

KLTT,

nén,

kg/m3

MPa

tài liệu tham khảo

của cốt liệu (Eshelby [49]).


Độ lệch giữa giá trị mô đun đàn hồi thực

Trong trường hợp N hạt cốt liệu, sử dụng phương pháp cộng tương
đương. Biết tổng các biến động của trường ứng suất bằng 0:

nghiệm và tài liệu tham khảo, %
Thực

ACI

EN

NS

Zhang

nghiệm

318

1992-1

3473

và Gjorv

69,4

1989


100

+ 17.3

+ 18.7

- 2.6

- 13.9

59,7

1890

100

+ 7.5

+ 9.3

- 8.0

- 17.0

50,3

1731

100


+ 7.2

+ 8.1

- 5.1

- 8.7

Từ kết quả thực nghiệm, đề xuất công thức tính mô đun đàn hồi
của BTCLN theo cường độ chịu nén và KLTT của bê tông như sau:
Ec = 10350

,

(

)

,

(4.9)

4.4. Cường độ chịu kéo của BTCLN chịu lực
Khi cường độ chịu nén trung bình tăng từ 50,3 lên 69,4 MPa,
cường độ ép chẻ trung bình tăng từ 3,30 lên 4,12 MPa. BTCLN chế

Vg(σp)G+(1 Vg)(σp)M= 0.
Và giả thiết (σp)G = (σp)M+ σpG = (σp)M + Em(S-1)*
Tính được ứng suất lớn nhất đặt vào đá xi măng và cốt liệu theo

cường độ nén của cốt liệu, fcg,và của đá xi măng fcm:
σoM = [1
o

σ

G

VgEm(S

= [1 + (1

Với α = (1

Vg)(Eg

1)α 1(Em
1

Vg)Em(S
Em)S

Cường độ nén của vữa

Eg)E

1)α (Em
Vg(Em

1

m

] 1fcm

Eg)E

1

(3.37)
1

m

] fcg

Eg) + Em
o

Rv = min[σ M, σoG]

(3.39)

3.2.4 Áp dụng mô hình biến động và mô hình nối tiếp/song song
để tính cường độ BTCLN
- Xác định gần đúng các đặc trưng của hồ xi măng theo công thức
của Marchand và đồng sự [93]:

tạo từ cốt liệu thô nhẹ và cát thường có cường độ chịu kéo bửa thấp

Eh = 3136 + 43742log(X/N)


(3.40)

hơn của bê tông nặng, giá trị trung bình bằng 0,88 lần so với bê tông

Rh = (Eh

(3.41)

cường độ cao có cùng cường độ nén.

(3.38)

1702)/322

- Xác định gần đúng các đặc trưng của vữa xi măng từ mô hình biến
động: mô đun đàn hồi tính theo công thức (3.13), cường độ của vữa
tính theo công thức (3.37), (3.38) và (3.39).
- Xác định cường độ của BTCLN từ mô hình nối tiếp/song song
(3.14) khi biết mô đun đàn hồi Ecl có thể tính được nhờ quan hệ đề
xuất bởi Bremner và Holm [34]: Ecl = 0,008

Hình 4. 13. Quan hệ giữa cường độ chịu kéo bửa và cường độ nén
của bê tông

Trong đó cl là khối lượng riêng (KLTT hạt) của cốt liệu (kg/m3)
3.3. Sử dụng mô hình biến động và mô hình nối tiếp/song song để
thiết kế thành phần BTCLN



- 10 -

- 15 -

3.3.1 Vật liệu và phương pháp thí nghiệm
Phần này sử dụng cả bốn loại sỏi và qui trình trộn thứ nhất.
3.3.2 Các bước thiết kế thành phần BTCLN
Bước 1: Lựa chọn các tham số đầu vào
- Tỉ lệ CLN được lựa chọn theo yêu cầu về KLTT của bê tông nhẹ. Tỉ
lệ cốt liệu thường nằm trong khoảng từ 0,2–0,4 thể tích bê tông [45].
- Tỉ lệ N/CKD quyết định cường độ của bê tông. Tỉ lệ N/CKD của bê
Hình 4. 6 Dạng phá hoại BTCLN khi nén dọc trục

tông cường độ cao thường nằm trong khoảng từ 0,25–0,4 [70].
- Chọn lượng nước sử dụng N và lượng phụ gia dẻo: quyết định tính

Kết quả thí nghiệm đã chứng minh cường độ chịu nén lên tới

công tác của bê tông.

hơn 60 MPa có thể đạt được ngay cả khi sử dụng cốt liệu nhẹ và

Bước 2: Tính toán các thành phần

rỗng.

- Tính lượng xi măng X và lượng muội silic MS:
CKD = N : (N/CKD) = X + MS = X +
X


4.3. Mô đun đàn hồi của BTCLN chịu lực

X = CKD/(1 +

);

MS =

.X

Trong đó m là hàm lượng muội silic

Mô đun đàn hồi của BTCLN LC60 là 27,1 GPa; LC50 là 25,4
GPa và LC40 là 20,6 GPa; nhỏ hơn so với của bê tông truyền thống
vì cốt liệu nhẹ yếu hơn cốt liệu nặng thông thường.

- Tính lượng cốt liệu nhẹ S = Vs.s
Trong đó Vs là thể tích cốt liệu nhẹ
s là khối lượng riêng (KLTT hạt) của cốt liệu nhẹ
- Tính lượng cát C theo nguyên tắc thể tích tuyệt đối:
C = (1000 – Vs –

–

– N – Vk). c

Trong đó Vk là thể tích khí cuốn
Bước 3: Tính các đặc trưng cơ học của vữa và bê tông
Từ tỉ lệ giữa các thành phần tính được cường độ và mô đun đàn
hồi của vữa, cường độ nén của bê tông theo các công thức ở mục 3.2.

Bước 4: Thực nghiệm kiểm tra
Sau khi tính toán các đặc trưng cơ học, thành phần bê tông được
kiểm tra điều chỉnh bằng thực nghiệm.

Hình 4. 8. Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén BT
Kết quả thực nghiệm dường như phù hợp nhất với tiêu chuẩn Na
Uy NS 3473-1992 (bảng 4.10). Tiêu chuẩn ACI 318 và EN 1992-1-1
đánh giá quá cao đặc trưng đàn hồi của vật liệu.


- 14 -

- 11 -

Độ chống thấm

150x150

6

6

6

3.3.3 Tính toán thành phần bê tông và các đặc trưng cơ học theo

Độ thấm ion clo

50x100


6

6

6

mô hình nối tiếp/song song và mô hình biến động

Sỏi STL 5/20 được lựa chọn để chế tạo BTCLN chịu lực. Phương

Phần này trình bày kết quả tính toán cường độ BTCLN theo

pháp thiết kế thành phần BTCLN theo mô hình biến động và mô hình

phương pháp ở mục 3.3.2. Thành phần hồ xi măng và vữa xi măng –

nối tiếp/song song và được nhào trộn theo qui trình 2 ở chương 2.

cát qui đổi được tính toán theo nguyên tắc giữ nguyên tỉ lệ N/CKD.

Thành phần của ba loại bê tông có cường độ chịu nén đặc trưng là

3.3.4 Kết quả thực nghiệm thành phần bê tông
Kết quả thí nghiệm độ sụt của tất cả các hỗn hợp đều lớn hơn 20

40, 50 và 60 MPa được trình bày ở bảng 4.2.

cm, thỏa mãn mục tiêu thiết kế đề xuất. KLTT của bê tông tươi đo

Bảng 4. 2. Thành phần BTCLN chịu lực

Loại BTCLN
fc’ (MPa)

LC60

LC50 LC40

được dao động từ 1724 đến 2104 kg/m3. Độ lệch giữa kết quả thực
nghiệm và giá trị tính toán trung bình là 2,9%.

60

50

40

N/CKD

0,24

0,24

0,24

Xi măng (kg)

587

587


587

Nước (kg)

155

155

155

Cát (kg)

844

639

493

Cốt liệu nhẹ (kg)

381

486

591

3.4. Ảnh hưởng của thành phần đến các tính chất của BTCLN

Muội silic (kg)


58,7

58,7

58,7

3.4.1 Khối lượng thể tích của bê tông

Phụ gia dẻo (kg)

8,81

8,81

8,81

KLTT của bê tông chế tạo từ sỏi STL5/20 là khá lớn, biến đổi từ

Nước làm ẩm sỏi (kg)

23,41

29,89

36,36

1926 lên 2093 kg/m3 ; chỉ khi tăng tỉ lệ sỏi lên 0,3 thì mới có thể chế

KLTT BT tươi tính toán (kg/m3)


2057

1964

1871

4.2. KLTT và cường độ chịu nén của BTCLN chịu lực
Cường độ chịu nén của BTCLN cho thấy cường độ chịu nén đặc
trưng của BTCLN LC60 là 62,6 MPa; LC50 là 57,5 MPa và LC40 là
45,7 MPa. Các đường phá hoại bê tông đều đi xuyên qua cốt liệu với
tất cả các cấp phối bê tông (hình 4.6). Điều này có thể được giải thích
là do liên kết tốt giữa cốt liệu và đá xi măng cũng như khả năng chịu
lực thấp của cốt liệu rỗng.

Cường độ chịu nén biến đổi từ 26,2 đến 63 MPa. Hầu hết các kết
quả đều có mức độ sai khác giữa tính toán và thực nghiệm là nhỏ hơn
15%. Giá trị lệch trung bình giữa tính toán theo mô và giá trị thực
nghiệm là 10,1 MPa, tương đương 4,2%. Như vậy, cường độ bê tông
dự báo bằng mô hình tính toán là khá chính xác.

tạo được bê tông nhẹ. Khi dùng sỏi SBL10/20 và STN2,5/5, KLTT
của bê tông phần lớn nhỏ hơn 2000 kg/m3 hay có thể chế tạo được bê
tông thỏa mãn tiêu chí thiết kế về KLTT.
Khi tỉ lệ thể tích tuyệt đối của cốt liệu giảm xuống 0,2 m3/m3 bê
tông, phần lớn KLTT của bê tông vượt quá 2000 kg/m3. Khi tăng thể
tích lên 0,35, KLTT của bê tông phần lớn giảm xuống dưới 1900
kg/m3 với mọi loại cốt liệu. Khi cần thiết kế bê tông có yêu cầu chặt
chẽ về KLTT, có thể xem xét thành phần xung quanh tỉ lệ này.



- 12 -

- 13 -

3.4.3 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và KLTT của BTCLN
Biểu thức quan hệ giữa cường độ nén và KLTT của BTCLN:
fc = 145,8b2 – 473,8b + 412,4

Hình 3.11. Ảnh hưởng của loại

Hình 3.12. Ảnh hưởng của loại

cốt liệu đến KLTT của BTN

cốt liệu đến KLTT của BTN

(N/CKD = 0,24)

(N/CKD = 0,26)

3.4.2 Cường độ chịu nén của BTCLN
Khi KLTT cốt liệu nhẹ tăng từ 0,97 đến 1,38 kg/m3, cường độ

Hình 3.19. Quan hệ giữa cường độ chịu nén và KLTT của BTCLN

chịu nén của bê tông tăng mạnh từ 26 đến 63 MPa. Bê tông dùng sỏi

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT

STN 2,5/5 có cường độ chịu nén tuổi 28 ngày thấp nhất. Ngược lại,


CỦA BTCLN CHỊU LỰC

bê tông sử dụng sỏi STL 5/20 có cường độ chịu nén cao nhất.
Với tỉ lệ thể tích cốt liệu nhẹ là 0,2, tất cả kết quả thử cường độ

Mục đích của chương này là hiểu rõ các giới hạn của BTCLN
chịu lực khi chịu tải cơ học, sự khác biệt về các tính chất đặc trưng

nén của bê tông đều lớn hơn 40 MPa. Ngược lại, ở tỉ lệ thể tích 0,35,

giữa BTCLN và bê tông nặng thông thường.

cường độ bê tông dùng hai loại sỏi Bemes thấp, không đạt mục tiêu

4.1. Vật liệu, thành phần, phương pháp chế tạo BTCLN chịu lực

nghiên cứu. Khi sử dụng thể tích cốt liệu nhẹ bằng 0,28, có thể chế
tạo BTCLN chịu lực với cường độ đạt được hơn 40 MPa.

Số lượng mẫu cho mỗi phép thử được tổng hợp trong Bảng 4. .
Bảng 4. 1. Kế hoạch thí nghiệm các đặc tính của BTCLN chịu lực
Chỉ tiêu thí nghiệm

Hình 3.15. Ảnh hưởng của loại

Hình 3.16. Ảnh hưởng của loại

cốt liệu đến cường độ của BTN


cốt liệu đến cường độ của

(N/CKD = 0,24)

BTN (N/CKD = 0,26)

Kích thước

Tổng số mẫu thử

mẫu (mm)

LC40

LC50

LC60

Khối lượng thể tích

150x300

15

15

15

Cường độ chịu nén


150x300

15

15

15

Mô đun đàn hồi

150x300

15

15

15

Cường độ chịu kéo bửa

150x300

6

6

6

Cường độ chịu kéo uốn


100x100x400

6

6

6