KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG SỐ 69 (6/2020) 29 BÀI BÁO KHOA HỌC SỬ DỤNG CỐT SỢI THÉP VÀ PHỤ GIA KHOÁNG SIÊU MỊN ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO Nguyễn Quang Phú1 Tóm tắt Sử dụng cốt[.]
BÀI BÁO KHOA HỌC SỬ DỤNG CỐT SỢI THÉP VÀ PHỤ GIA KHỐNG SIÊU MỊN ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TƠNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO Nguyễn Quang Phú1 Tóm tắt: Sử dụng cốt sợi thép, phụ gia khoáng siêu mịn phụ gia siêu dẻo chế tạo bê tông chất lượng siêu cao có tính cơng tác tốt, cường độ nén cao phù hợp cho thi cơng cơng trình giao thông xây dựng đặc biệt quan trọng Khi thay chất kết dính (10÷30)% Silica fume, xỉ lị cao hoạt hóa 25%, cốt sợi thép 1,5%, kết hợp lượng dùng phụ gia siêu dẻo hợp lý chế tạo bê tơng có cường độ nén đạt 100MPa; bê tông thiết kế đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cho thi công cơng trình xây dựng giao thơng Việt Nam Từ khóa: Bê tơng chất lượng siêu cao; Silica fume; Xỉ lò cao; Cốt sợi thép; Phụ gia siêu dẻo ĐẶT VẤN ĐỀ * Bê tông truyền thống với cường độ chịu nén từ 20÷40 MPa sử dụng cơng trình xây dựng từ cuối năm 1800, phát triển từ đời xi măng Pooclăng vào năm 1824, với vật liệu thành phần xi măng Pooclăng, nước, cát sỏi đá dăm Bê tông cường độ cao với cường độ chịu nén lên đến 60 MPa nghiên cứu, phát triển giới từ năm đầu 1900 với xuất loại phụ gia giảm nước, tăng dẻo phụ gia khoáng silica fume hạt siêu mịn thành phần Cho tới cuối năm 1980, loạt cơng trình nhà cao tầng sử dụng bê tơng cường độ cao từ 80÷130 MPa hồn thành (Eng Pshtivan, 2011) Bê tơng cường độ cao sử dụng rộng rãi xây dựng cầu nhà cao tầng Tuy nhiên loại bê tơng tồn nhược điểm giịn chịu uốn, chịu kéo Ngày nay, cơng trình cao tầng, đường cao tốc, cầu cao hay cơng trình ngồi khơi phổ biến, chúng cần loại vật liệu có khả chịu tải lớn, chịu mài mịn, va đập cao đồng thời có tuổi thọ lâu dài mà bê tơng truyền thống khơng cịn đáp ứng Từ cấp thiết đó, bê tơng chất lượng siêu cao nghiên cứu ứng dụng với hy vọng thay số hạng mục kết cấu cầu, đường cao sử dụng Bộ mơn Vật liệu xây dựng, Khoa Cơng trình bê tơng truyền thống từ 40÷70 MPa bước nghiên cứu ứng dụng bê tông chất lượng siêu cao số hạng mục kết cấu cơng trình cầu, đường đại, cơng trình kỹ thuật qn cơng trình đặc biệt khác (De Larrard F, Sedran T, 1994; Hartmann J, Graybeal B 2001) Về cốt liệu để chế tạo bê tông chất lượng siêu cao cần có độ đặc cao, cốt liệu yêu cầu có khả chống lại thay đổi thời tiết, khả chống lại tác động nứt, vỡ hay kéo đứt, bám dính tốt hay khả gắn kết tốt với chất kết dính, có khả chống thấm, chống lại hao mòn gây ma sát mài mịn hạt Do đó, với loại cốt liệu thơng thường khó đáp ứng để chế tạo bê tông chất lượng siêu cao, cần thiết phải sử dụng loại cốt liệu đặc biệt khác, cát quartz có cường độ độ đặc cao Tại Việt Nam, cát quartz khai thác phổ biến từ việc nghiền nhỏ đá quartz số mỏ đá như: Thanh Sơn - Phú Thọ, Tiến Sơn - Hịa Bình, Xn Lộc - Đồng Nai, Phú Yên Để tăng khả kháng uốn, kháng nứt cho bê tông chất lượng siêu cao, cần thiết phải sử dụng loại cốt sợi thiết kế Phạm vi nghiên cứu đề tài sử dụng số vật liệu có sẵn thị trường nước xi măng PC40, phụ gia khoáng siêu mịn Silica fume, kết hợp xỉ lò cao hoạt hóa cơng ty Hịa Phát, cát quartz lấy từ mỏ đá Hịa Bình, cốt sợi thép phụ gia siêu dẻo hệ để chế tạo bê tơng chất lượng siêu cao có KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 29 cường độ nén ≥ 100 MPa, cường độ uốn cao, khả chống thấm chống mài mòn tốt VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 2.1 Xi măng Xi măng sử dụng thí nghiệm xi măng Pooclăng PC40 Chinfon - Hải Phòng đạt yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 2682:2009 Kết thí nghiệm tiêu lý xi măng bảng Bảng Kết thí nghiệm số tiêu lý xi măng STT Chỉ tiêu thí nghiệm Khối lượng riêng Độ mịn (Lượng sót sàng 0,09) Lượng nước tiêu chuẩn Thời gian bắt đầu đông kết Thời gian kết thúc đông kết Độ ổn định thể tích Giới hạn bền nén tuổi ngày Giới hạn bền nén tuổi 28 ngày Đơn vị g/cm3 % % phút phút mm N/mm2 N/mm2 2.2 Cát quartz Cát quartz sử dụng đề tài nghiền từ đá quartz mỏ đá Tiến Sơn - Hòa Bình, Kết TNo 3,12 3,2 28,2 110 305 2,2 34,0 52,5 sau phân cỡ hạt cát có kích thc t 100 ữ 600 àm, cỏc ch tiờu c lý cát thể bảng Bảng Các tiêu lý cát quartz STT Chỉ tiêu thí nghiệm Khối lượng riêng Khối lượng thể tích xốp Độ rỗng Hàm lượng bụi, bùn, sét Độ ẩm Tạp chất hữu Đơn vị g/cm3 g/cm3 % % % - Kết thí nghiệm 2,68 1,48 44,8 1,0 Đạt = 10 mm, tiêu lý đá dăm đạt TCVN 7570:2006 bảng 2.3 Đá dăm Đề tài sử dụng đá dăm để chế tạo mẫu bê tông đối chứng so sánh với BTCLSC, đá dăm có Dmax Bảng Các tính chất lý đá dăm STT Chỉ tiêu thí nghiệm Khối lượng riêng Khối lượng thể tích xốp Khối lượng thể tích lèn chặt Hàm lượng bụi, bùn, sét Độ hút nước Thành phần hạt 2.4 Cát tự nhiên Đề tài sử dụng cát vàng để chế tạo mẫu bê tông đối chứng so sánh với BTCLSC, cát thí nghiệm 30 Đơn vị Kết thí nghiệm g/cm3 g/cm3 g/cm3 % 2,75 1,48 1,66 0,65 % - 0,49 Đạt đạt TCVN 7570:2006, tiêu lý cát thể bảng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) Bảng Các tính chất lý cát tự nhiên STT Chỉ tiêu thí nghiệm Khối lượng riêng Khối lượng thể tích xốp Độ rỗng Hàm lượng bụi, bùn, sét Mơ đun độ lớn Tạp chất hữu Thành phần hạt Đơn vị g/cm3 g/cm3 % % - 2.5 Nước Nước sử dụng để trộn bảo dưỡng bê tông nước sinh hoạt lấy phịng thí nghiệm phù hợp tiêu chuẩn TCVN 4506: 2012 2.6 Phụ gia khoáng Kết thí nghiệm 2,62 1,53 41,6 1,65 2,66 Đạt Đạt 2.6.1 Silica fume Phụ gia khoáng sử dụng Silica fume thay phần xi măng cấp phối bê tơng thiết kế Các tính chất lý Silica fume đảm bảo yêu cầu kỹ thuật theo ASTM C 1240-00 trình bày bảng Bảng Tính chất lý Silica fume STT Chỉ tiêu Khối lượng riêng Độ ẩm Hàm lượng nung Hàm lượng SiO2 Hàm lượng SO3 Hàm lượng CaO Hàm lượng Cl- Đơn vị Kết g/cm3 % % % % % % 2,42 1,76 2,80 89,5 0,05 0,66 0,01 2.6.2 Xỉ lị cao hoạt hóa Xỉ lị cao hoạt hóa nghiền mịn mua từ cơng ty Hịa Phát (khu cơng nghiệp luyện gang Yêu cầu kỹ thuật ASTM C 1240-00 ≤ 6,0 SiO2 ≥ 85,0 < 2,0 < 1,0 < 0,3 thép Hịa Phát - Kinh Mơn - Hải Dương), xỉ có tiêu lý thỏa mãn theo TCVN 11586:2016 thể bảng Bảng Tính chất xỉ lị cao hoạt hóa STT Chỉ tiêu Khối lượng riêng Chỉ số hoạt tính với xi măng MKN Độ mịn 2.7 Phụ gia hóa học Để hỗn hợp bê tơng có tính cơng tác khả đầm chặt tốt hỗn hợp bê tông thiết kế không phép xảy tượng phân tầng tách nước, nghiên cứu chế tạo BTCLSC sử dụng phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao gốc Đơn vị g/cm3 % % cm2/g Kết 2, 97 108,6 0,91 3600 Polycacboxylate (PC), Grace ADVA 181 với lượng dùng thơng qua thí nghiệm cụ thể 2.8 Cốt sợi thép Cốt sợi thép sử dụng đề tài sợi Dramix OL13/0,2 đạt tiêu chuẩn ASTM A820-01, tính chất lý sợi thể bảng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 31 Bảng Các tính chất lý cốt sợi thép Dramix OL13/0,2 STT Tính chất Thơng số kĩ thuật Thẳng Trịn 13 0,2 65 2750 Hình dạng sợi Tiết diện ngang Chiều dài L (mm) Đường kính D (mm) Tỉ lệ hướng sợi (L/D) Lực kéo đứt (MPa) THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1 Thiết kế cấp phối bê tơng thí nghiệm Sử dụng phương pháp thiết kế thành phần bê tông chất lượng siêu cao theo tiêu chuẩn ACI 211-4R:1993 (phương pháp Viện bê tông Mỹ) Dựa loại vật liệu nghiên cứu để chế tạo BTCLSC với yêu cầu mẫu đối chứng có cường độ nén tuổi 28 ngày đạt M100, thay đổi lượng dùng Silica Fume (SF) để thay xi măng thành phần chất kết dính, giữ nguyên lượng phụ gia siêu dẻo thành phần vật liệu khác bê tông Tất cấp phối sử dụng hàm lượng xỉ lị cao hoạt hóa (GBFS) 25%CKD, hàm lượng phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao ADVA 181 1,1 lít/100kg CKD, hàm lượng cốt sợi thép 1,5% chất kết dính (Eng Pshtiwan N Shakor & Prof S S Pimplikar, 2011); tỷ lệ C/CKD = 0,85 (De Larrard F, Sedran T, 1994) Trong thí nghiệm, tỷ lệ N/CKD = 0,18 với tỷ lệ SF thay xi măng lượt 10%; 20% 30%CKD Kết thiết kế thành phần vật liệu cho cấp phối BTCLSC bảng Bảng Thành phần vật liệu cho 1m3 BTCLSC Cấp phối Xi măng (kg) Silica fume (kg) Xỉ lò cao (kg) Cát quartz (kg) Cốt sợi thép (kg) Nước (lít) CP1 CP2 CP3 CP4 885 767 649 531 118 236 354 295 295 295 295 1003 1003 1003 1003 17,7 17,7 17,7 17,7 212,4 212,4 212,4 212,4 3.2 Thí nghiệm xác định hàm lượng SF hợp lý Hình Biểu đồ độ sụt mẫu bê tơng thí nghiệm Để tìm hàm lượng SF hợp lý thành phần BTCLSC, đề tài tiến hành thí nghiệm so 32 Phụ gia ADVA 181 (lít) 12,98 12,98 12,98 12,98 Tỉ lệ N/CKD 0,18 0,18 0,18 0,18 sánh độ sụt cường độ nén tuổi 28 ngày tất cấp phối bê tông thiết kế bảng Kết thí nghiệm độ sụt cường độ nén tuổi 28 ngày cấp phối bê tơng thể hình hình Nhận xét: Kết nghiên cứu cho thấy, sử dụng SF thay xi măng 10% 20%.CKD tính cơng tác hỗn hợp bê tơng tăng so với mẫu đối chứng (CP1) Sự cải thiện tính cơng tác hỗn hợp bê tơng có mặt SF hiệu ứng điền đầy Tuy vậy, tăng hàm lượng dùng SF, tỷ diện SF lớn, khoảng 18.000 ÷ 20.000 m2/kg, nên cần lượng nước lớn để KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) thấm ướt bề mặt hạt SF hiệu ứng bù đắp lại hiệu ứng có lợi SF Điều thấy rõ hàm lượng SF tăng lên 30% tính cơng tác hỗn hợp bê tơng giảm; qua thí nghiệm nhận thấy hỗn hợp BTCLSC sử dụng 10÷20% có tính cơng tác tốt Hình Biểu đồ cường độ nén mẫu bê tông tuổi 28 ngày Nhận xét: Khi tăng tỷ lệ Silica fume, cường độ nén BTCLSC tăng lên, tăng 26%; 32% 24% so với mẫu đối chứng hàm lượng SF thay xi măng tương ứng 10%; 20% 30% Khi tỷ lệ Silica fume vượt 20%, cường độ BTCLSC có xu hướng giảm, điều thực tế phản ứng pozzolanic không hết với thành phần hoạt tính SiO2VĐH hiệu ứng điền đầy phụ gia Silica fume chưa triệt để Như vậy, từ kết thí nghiệm độ sụt cường độ nén BTCLSC cho thấy tỷ lệ SF thay xi măng tối ưu từ (10 ÷ 20)%CKD, hỗn hợp bê tơng cho tính cơng tác tốt nhất, cường độ nén bê tơng phù hợp Vì vậy, để đáp ứng hiệu mặt kinh tế kỹ thuật, đề tài sử dụng cấp phối BTCLSC với hàm lượng SF thay xi măng 10%CKD để làm thí nghiệm so sánh với bê tơng chế tạo sử dụng đá dăm cát tự nhiên thay cho cát quartz 3.3 Thí nghiệm so sánh đánh giá số tiêu kỹ thuật BTCLSC Đề tài tiến hành nghiên cứu số tiêu kỹ thuật mẫu BTCLSC với cấp phối CP2, đồng thời so sánh với mẫu bê tông sử dụng cốt liệu đá dăm cát tự nhiên (CP0) thay cho cát quartz, cấp phối bê tơng thể bảng Bảng Thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông nghiên cứu Cấp phối XM (kg) SF (kg) GBFS (kg) CP0 CP2 767 767 118 118 295 295 Cốt liệu Đá dăm (kg) 1079 - Cát tự nhiên (kg) 658 - Tiến hành thí nghiệm độ sụt, cường độ nén tuổi 28 ngày độ mài mịn mẫu bê tơng CP0, sau so sánh với tiêu kỹ thuật Cát quartz (kg) 1003 Cốt sợi thép (kg) N (lít) Phụ gia ADVA 181 (lít) 17,7 17,7 212,4 212,4 12,98 12,98 mẫu BTCLSC CP2 chọn trên, cho ta kết bảng 10 Bảng 10 So sánh độ sụt cường độ nén cấp phối bê tông Cấp phối CP0 CP2 Cốt liệu Đá dăm, cát tự nhiên Cát quartz Độ sụt (cm) 22,6 16,5 Nhận xét: Dựa vào kết bảng 10 cho thấy, thay cốt liệu đá dăm cát tự nhiên cho cốt liệu cát quartz độ sụt hỗn hợp bê tông cấp phối CP0 cao, điều dễ nhận thấy cốt liệu tự nhiên đá dăm cát tự nhiên có Rn, 28 ngày, MPa 91,7 134,2 Độ mài mịn (%) 2,68 0,95 kích thước hạt lớn cát quartz, khả hút nước thấp nhiều, với tỷ lệ N/CKD PGSD cấp phối CP0 cho độ sụt cao nhiều Tuy nhiên cường độ nén cấp phối CP0 sau KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 33 28 ngày tuổi đạt Rn < 100MPa, giảm đến 31,7% so với cường độ nén BTCLSC (CP2) Lý đá dăm cốt liệu lớn, dễ bị nứt gãy chịu tải trọng, thân cốt liệu đá dăm đặc chịu lực thấp cát quartz nhiều; bên cạnh lỗ rỗng vùng chuyển tiếp đá xi măng cốt liệu đá dăm lớn nhiều so với cốt liệu có cát quartz, khả gắn kết đá xi măng cốt liệu đá dăm Việc sử dụng cát quartz với kích thước hạt nhỏ làm cho khả gắn kết với đá xi măng tốt hơn, bê tông đặc cho cường độ cao Cấp phối CP2 sử dụng cát quartz có độ mài mịn thấp so với sử dụng cốt liệu thông thường (CP0), qua nhận thấy BTCLSC đáp ứng yêu cầu xây dựng cho cơng trình có chất lượng tính bền cao KẾT LUẬN Dựa vào số kết thí nghiệm thực cho thấy với loại vật liệu nghiên cứu có thị trường nước hồn tồn chế tạo BTCLSC với cường độ nén >100MPa, khả chống mài mòn tốt Từ mở triển vọng ngành sản xuất bê tông nước ta, nhằm đáp ứng xây dựng cơng trình đặc biệt cơng trình chịu phóng xạ, nhà siêu cao tầng, đường cao tốc, cầu cao hay cơng trình ngồi khơi, chúng cần loại vật liệu có khả chịu tải lớn, chịu mài mịn, va đập cao, đồng thời có tuổi thọ lâu dài mà bê tơng truyền thống khơng cịn đáp ứng Với loại vật liệu sử dụng nghiên cứu, để chế tạo BTCLSC có cường độ cao khả chịu mài mòn tốt, thiết phải sử dụng phụ gia khống siêu mịn SF, bên cạnh cần kết hợp sử dụng xỉ lị cao hoạt hóa để tăng tính cơng tác cho hỗn hợp BTCLSC, tăng độ đặc tối đa cho bê tông để đạt cường độ độ bền tốt cho BTCLSC Để tăng khả va đập, tăng khả kháng nứt, kháng uốn tốt, giảm co ngót cho BTCLSC, cốt sợi thép thành phần vật liệu thiếu thiết kế BTCLSC Khi sử dụng cốt sợi thép thành phần BTCLSC độ sụt hỗn hợp bê tông đối chứng giảm mạnh Bên cạnh đó, tỷ lệ N/CKD BTCLSC thấp, để đảm bảo tính cơng tác hỗn hợp BTCLSC bắt buộc phải sử dụng phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao TÀI LIỆU THAM KHẢO ASTM A820-01, “Sợi thép cho bê tông Yêu cầu kỹ thuật” TCVN 11586:2016, “Xỉ lị cao hoạt hố nghiền mịn cho bê tơng vữa” TCVN 2682:2009, “Xi măng Pclăng u cầu kỹ thuật” TCVN 3106:2007, “Hỗn hợp bê tông nặng Phương pháp thử độ sụt” TCVN 3118:2012, “Bê tông nặng Phương pháp xác định cường độ nén” TCVN 7570:2006, “Cốt liệu cho bê tông vữa Yêu cầu kĩ thuật” ASTM C 1240 -00, “Standard Specification for Silica Fume Used in Cementitious Mixtures” De Larrard F, Sedran T (1994), "Optimization of ultra-high-performance concrete by the use of a packing model", Cement and Concrete Research 24(6), p 997-1009 Eng Pshtivan N Shakor, Prof.S.S Pimplikar (2011), “Glass Fiber Reinforced Concrete Use in Construction”, International Journal of Technology and Engineering System: Jan - Mach 2011, Vol.2, No.2 Hartmann J, Graybeal B (2001), "Testing of ultra-high performance concrete girders, Proc PCI annual convention", Oct Reno NV, USA Jacques Resplendino, Jérôme Petitjean (2003), Ultra-High Performance Concrete: First Recommendations and Examples of Application, ISHPC Jones M, Zheng L, Newlands M (2002), "Comparison of particle packing models for proportioning concrete constitutents for minimum voids ratio", Materials and Structures 35(5), p 301-309 34 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) Kollmorgen G.A (2004), “Impact of Age and Size on the Mechanical Behavior of an UltraHigh Performance Concrete”, Michigan Technological University Abstract: USING OF STEEL FIBER AND ULTRA-FINE MINERAL ADDITIVES TO MANUFACTURE THE ULTRA HIGH PERFORMANCE CONCRETE Using of steel fiber and ultra-fine mineral additives with superplasticizer to manufacture the Ultra High Performance Concrete component with good workability, very high compressive strength, suitable for the especially important transports and constructions When replacing the binder with (10÷30)% Silica fume and 25% Blast Furnace Granulated Slag, and the steel fiber with the content of 1,5%, combined using of reasonable superplasticizer, the concrete will be manufactured with compressive strength over 100MPa; the designed concrete to meet the technical requirements for constructions and transports in Vietnam Keywords: Ultra High Performance Concrete (UHPC); Silica fume (SF); Blast Furnace Granulated Slag (BFGS); Steel fiber; Superplasticizer Ngày nhận bài: 23/4/2020 Ngày chấp nhận đăng: 18/5/2020 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 35 ... chất kết dính, giữ nguyên lượng phụ gia siêu dẻo thành phần vật liệu khác bê tông Tất cấp phối sử dụng hàm lượng xỉ lị cao hoạt hóa (GBFS) 25%CKD, hàm lượng phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao... mòn tốt, thiết phải sử dụng phụ gia khống siêu mịn SF, bên cạnh cần kết hợp sử dụng xỉ lị cao hoạt hóa để tăng tính cơng tác cho hỗn hợp BTCLSC, tăng độ đặc tối đa cho bê tông để đạt cường độ độ... qua thí nghiệm cụ thể 2.8 Cốt sợi thép Cốt sợi thép sử dụng đề tài sợi Dramix OL13/0,2 đạt tiêu chuẩn ASTM A820-01, tính chất lý sợi thể bảng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020)