Luận án Tiến sĩ: Đáp ứng tải trọng va đập của kết cấu tấm bê tông tính năng siêu cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHU THỊ HẢI VINH ĐÁP ỨNG TẢI TRỌNG VA ĐẬP CỦA KẾT CẤU TẤM LÀM BẰNG BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023 VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY CHU THI HAI VINH RESPONSE OF PLATE STRUCTURE MADE OF ULTRA- HIGH PERFORMANCE CONCRETE SUBJECTED TO IMPACT LOAD A dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy HO CHI MINH CITY - 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHU THỊ HẢI VINH ĐÁP ỨNG TẢI TRỌNG VA ĐẬP CỦA KẾT CẤU TẤM LÀM BẰNG BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp Mã số chuyên ngành: 9580201 Phản biện độc lập: PGS.

Nguyễn Lan Phản biện độc lập: PGS. Trần Tuấn Kiệt Phản biện: PGS. Lê Anh Thắng Phản biện: PGS. Nguyễn Minh Long Phản biện: PGS.

Bùi Quốc Bảo NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. Bùi Đức Vinh 2. Nguyễn Viết Tuệ LỜI CAM ĐOAN Tác giả 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 không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.

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 luận án Chu Thị Hải Vinh i TÓM TẮT Bê tông tính năng siêu cao (UHPC) là vật liệu thế hệ mới với nhiều tính năng vượt trội về khả năng chịu lực siêu cao và rất bền với môi trường làm việc có yếu tố xâm thực mạnh. Các nội dung chính của nghiên cứu này là tiền đề cơ bản hướng đến các ứng dụng cho các công trình chịu tải trọng đặc biệt như tải trọng va đập, tải trọng nổ. Công thức thành phần vật liệu UHPC được phát triển dựa trên nguồn nguyên liệu có sẵn trong nước.

Cấp phối được tính toán, lựa chọn tối ưu hóa bằng phương pháp độ chặt (packing density) và khảo sát thực nghiệm trên cả hai pha: cốt liệu và pha hồ. Pha cốt liệu bao gồm cát, đá nghiền CS-3, đá nghiền CS-5; pha hồ gồm có xi măng, silica fume, bột cát thạch anh và xỉ lò cao. Việc sử dụng xỉ lò cao với tỷ lệ 20% khối lượng xi măng đã giúp bê tông phát triển cường độ sớm với fc_7d xấp xỉ 90% fc_28d. Cường độ nén của mẫu đạt 130-150 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn đạt 12÷29 MPa, cường độ chịu kéo trực tiếp đạt 7-8 MPa.

Ngoài ra, vi cấu trúc của pha hồ cũng được quan sát bằng kính hiển vi điện tử ở các độ phân giải khác nhau và cấu trúc nhiều lớp của tinh thể C-S-H được nhìn thấy rõ hơn ở các độ phóng đại 10,000 lần và 15,000 lần. Kết quả của nghiên cứu này về phần vật liệu đã góp phần phát triển và tối ưu hóa thành phần bê tông UHPC, việc sử dụng xỉ lò cao thay thế một phần bột cát thạch anh không những giúp nâng cao chất lượng của bê tông mà còn giúp giảm giá thành sản phẩm và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Chương trình khảo sát thực nghiệm để đánh giá các đặc trưng cơ học và tính chất của hỗn hợp UHPC được tiến hành trên các nhóm mẫu với các tỉ lệ sợi thép lần lượt 0%, 1.5% theo thể tích bê tông. Các thí nghiệm nén dọc trục, thí nghiệm uốn dầm RILEM và thí nghiệm kéo trực tiếp đã được triển khai với tổng cộng hơn 120 mẫu các loại.

Kết quả cho thấy cường độ chịu nén của các nhóm cấp phối khác nhau đạt khoảng 118÷151 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn đạt 9÷29 MPa và cường độ chịu kéo trực tiếp đạt từ 7 ÷ 8 MPa. Việc tăng hàm lượng sợi thép trong các nhóm mẫu giúp tăng khả năng hấp thụ và lan truyền năng lượng trong bê tông cốt sợi. Để đánh giá khả năng chịu lực va đập của tấm UHPC, khảo sát thực nghiệm với mô hình thí nghiệm tấm UHPC có kích thước (50050080)mm với hàm lượng sợi thép tương ii ứng 1.0 % được thiết kế và chế tạo. Ứng xử của tấm khi chịu tải trọng va đập với vật nặng hình trụ tròn có khối lượng là 16kg, 25kg và 33kg.

Các đại lượng gia tốc, biến dạng được đo đạc và quan sát trong suốt quá trình thí nghiệm. Kết quả ghi nhận thể hiện vùng diện tích hấp thụ xung lực tăng lên, bề rộng vết nứt trên bề mặt tấm giảm dần khi tăng hàm lượng sợi và tăng cường độ chịu nén của bê tông. Có thể thấy rằng, sợi thép đóng vai trò quan trọng trong việc giảm bề rộng vết nứt và ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng chịu lực của tấm so với 2 yếu tố còn lại là cường độ chịu nén của bê tông và cốt thép trong tấm. Phân tích ứng xử của tấm bằng mô phỏng số được thực hiện bằng bài toán Explicit Dynamic trong phần mềm ANSYS-AUTODYN.

Mô hình kết cấu tấm 3D đầy đủ được thiết lập, UHPC được mô tả bằng mô hình vật liệu RHT (RHT constituvive model for conctete) với các thông số dựa trên kết quả thí nghiệm từ Chương 4. Một số thông số được hiệu chỉnh phù hợp theo kết quả thí nghiệm nén trên mẫu trụ. Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương quan về xu hướng giữa thí nghiệm và mô phỏng. Ngoài ra, từ quá trình phân tích mô hình số, có thể quan sát được sự lan truyền ứng suất trong tấm và có thể dự đoán được vùng bê tông bị phá hoại khi chịu tải trọng va đập.

Các kết quả nghiên cứu của luận án đã phát triển thành công được một tập hợp các cấp phối bê tông UHPC có thể ứng dụng ngay cho các công trình xây dựng, với mức chi phí hợp lý và các thông số đặc trưng đầy đủ cho tính toán thiết kế theo một số tiêu chuẩn hiện hành. Phương pháp đo lường ứng suất - biến dạng trong thí nghiệm kéo trực tiếp của bê tông đã được đề xuất, giúp cải thiện về độ ổn định và chính xác của phép đo. Ứng xử cơ bản của tấm UHPC chịu tải trọng va đập đã được đánh giá bằng phương pháp khảo sát thực nghiệm và mô phỏng số. Mối tương quan giữa mô hình và thực nghiệm được xác định, đây cũng là tiền đề để phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

iii ABSTRACT Ultra-High Performance Concrete (UHPC) is a new material with many outstanding features, having a high capacity and being durable in an aggressive environment. The main contents of this study are the basic criteria for applications of structures subjected to special loads, impact loads, and explosive loads. The UHPC composition is developed based on locally available raw materials. The concrete constituent is calculated and optimized by the packing density method and the experiment is investigated in both phases: aggregates and cement paste.

Aggregates include sand, crushed stone CS-3, and crushed stone CS-5. The cementitious phase consists of cement, silica fume, silica powder, and blast furnace slag. The content of blast furnace slag at 20% by weight of cement enhances the development strength at an early age with fc_7d approximately 90% fc_28d. The compressive strength reaches 130-150 MPa, the flexural tensile strength is 12÷29 MPa, and the uniaxial tensile strength is 7- 8MPa.

In addition, the microstructure of hardened cement paste was observed by Scanning Electron Microscope (SEM) with various resolutions, and the multilayered structure of the C-S-H crystal was seen at 10,000 and 15,000. This study has contributed to the UHPC composition, using blast furnace slag to partially replace silica powder not only improves the quality of concrete but also reduces minimizes products and minimizes their negative impact on the environment. An experimental program was conducted to evaluate the mechanical properties of the UHPC mixture with the proportions of steel fibers 0%, 1.5% by volume of concrete, respectively. Uniaxial compression tests, RILEM beam bending tests, and direct tensile tests have been carried out with a total of more than 120 samples of all types.

The results show that the compressive strength is about 118÷151 MPa, the flexural tensile strength is 9÷29 MPa and the direct tensile strength is 7÷8 MPa. Increasing steel fiber content in the concrete enhances the absorption and spread of energy in UHPC. UHPC plates of size (50050080) mm with a steel fiber content of 1.0% respectively were fabricated to evaluate the behavior of the plate under impact iv load. The behavior of the plate subjected to impact load with some cylindrical masses of 16kg, 25kg, and 33kg.

The quantities of acceleration and deformation were measured and observed during the test process. The results show that the shock absorption area increases, and the crack width on the plate surface decreases with increasing the steel fiber content and the compressive strength of concrete. It can be seen that the content of steel fiber is an important factor in reducing the crack width and significantly affects the bearing capacity of the slab compared to the compressive strength and reinforcement in the slab. The analysis by numerical simulation has been performed by Explicit Dynamic in ANSYS-AUTODYN software.

A full 3D plate structure model was established, and UHPC was described by the RHT constitutive model for concrete with parameters based on experimental results from Chapter 4. Some parameters were calibrated according to the compression testing results on the cylindrical sample. The simulation results show a correlation of the trend between the experiment and the simulation. In addition, the stress propagation in the plate can be observed by numerical model and the failure area of the concrete can be predicted when subjected to impact loads.

The results of the dissertation have successfully developed a set of UHPC concrete compositions that can be applied immediately in construction, with reasonable prices and complete parameters for designability according to some current standards. A method of measuring stress-strain in the direct tensile test of concrete has been proposed, which improves the stability and accuracy of the measurement. The basic behavior of the UHPC plate subjected to impact loads has been investigated by the experiment program and numerical simulation. The correlation between the model and the experiment is determined, which is also a premise for the development of further studies.

v LỜI CẢM ƠN Tác giả xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐH Quốc gia Tp Hồ Chí Minh đã hỗ trợ cho nghiên cứu này, và xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Xây dựng Miền Trung đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả học tập và nghiên cứu. Trong quá trình thực hiện luận án, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của TS. Bùi Đức Vinh và GS. Nguyễn Viết Tuệ.

Tác giả xin gửi lời cảm ơn và tri ân sâu sắc đến hai người thầy hướng dẫn của mình. Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, đã có lúc tác giả cảm thấy áp lực và không thể tiếp tục khi gia đình gặp biến cố lớn.