Về bê tông cường độ cao và chất lượng cao Bê tông là một loại vật liệu chủ yếu của thế kỷ 20 được chế tạo từ hỗn hợp vật liệu được lựa chọn hợp lý gồm các thành phần: Cốt liệu lớn đá dă
Trang 1Chương 1 Các khái quát về bê tông cường độ cao
và chất lượng cao Các từ khóa: Bê tông cường độ cao, chất lượng cao, cấu trúc, cường độ, độ bền, ứng xử cơ học, ứng dụng, phát triển
1 Về bê tông cường độ cao và chất lượng cao
Bê tông là một loại vật liệu chủ yếu của thế kỷ 20 được chế tạo từ hỗn hợp vật liệu được lựa chọn hợp lý gồm các thành phần: Cốt liệu lớn (đá dăm hoặc sỏi), cốt liệu nhỏ (cát), chất kết dính (ximăng…), nước và phụ gia Cát và đá dăm là thành phần vật liệu khoáng, đóng vai trò bộ khung chịu lực Hỗn hợp xi măng và nước (hồ ximăng) là thành phần hoạt tính trong bê tông, nó bao bọc xung quanh cốt liệu, lấp đầy lỗ rỗng giữa các cốt liệu và khi hồ xi măng rắn chắc, nó dính kết cốt liệu thành một khối đá và được gọi là bê tông Các chất phụ gia rất phong phú và chúng làm tính chất của bê tông trở nên đa dạng và đáp ứng được các yêu cầu ngày càng phát triển của bê tông và kết cấu bê tông
Ngày nay bê tông là một trong những loại vật liệu đang được sử dụng rất rộng rei trong xây dựng, xây dựng cầu, đường Tỷ lệ sử dụng bê tông trong xây dựng nhà chiếm khoảng 40%, xây dựng cầu đường khoảng 15% tổng khối lượng bê tông
Bê tông có cường độ chịu nén cao, mô đun đàn hồi phù hợp với kết cấu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực
Bê tông bền nước và ổn định với các tác động của môi trường
Công nghệ bê tông ổn định ngày càng phát triển
Giá thành của bê tông hợp lý do tận dụng được các nguyên vật liệu địa phương, vì vậy kết cấu bê tông chiếm 60% các kết cấu xây dựng
Nhược điểm cơ bản của bê tông là có cường độ chịu kéo chưa cao và khối lượng công trình bê tông cốt thép còn lớn Cường độ chịu nén của bê tông thường chỉ đạt tối đa 50 MPa và độ sụt tối đa 7 cm
Con đường phát triển của bê tông là cải tiến hệ thống cấu trúc, thành phần, công nghệ bằng cách sử dụng các phụ gia, các chất hỗ trợ công nghệ (bảo dưỡng, trợ bơm ) và các phương pháp công nghệ mới để tìm ra các bê tông chất lượng cao Các bê tông chất lượng cao phải đáp ứng các yêu cầu về cường độ, độ bền, tính dễ
đổ và tính kinh tế Những tính chất được cải tiến làm chất lượng hơn hẳn bê tông truyền thống (cường độ, biến dạng, dễ đổ ) Những tính chất đặc biệt này tạo ra khả năng sáng tạo ra các kết cấu xây dựng và công nghệ xây dựng mới Tổng quát
về hệ thống phát triển HPC sẽ bao gồm ba bộ phận là vật liệu mới có tính năng
Trang 2Bê tông chất lượng cao bao gồm 5 loại bê tông như sau:
- Bê tông cường độ cao siêu dẻo: là loại bê tông có thành phần cốt liệu và xi măng truyền thống và phụ gia siêu dẻo Loại bê tông này có tỷ lệ N/X khoảng 0,35- 0,40, độ sụt đạt đến 15 - 20 cm, giữ được ít nhất 60 phút Cường độ đạt đến 70 MPa
và có cường độ sớm (R7 = 0,85R28) Đây là loại bê tông được sử dụng chủ yếu trong các kết cấu cầu đường ở Việt Nam
- Bê tông chất lượng cao (HPC): có sử dụng N/X gần đến 0,25, phụ gia siêu mịn là tro nhẹ hoặc muội silic siêu mịn Đây là loại bê tông có cường độ chịu nén
đến 80 hoặc 100 MPa và có các đặc tính vật lý và cơ học được cải tiến dẫn đến độ bền cao và tuổi thọ khai thác đến 100 năm
- Bê tông siêu nhẹ: có cường độ tương tự như bê tông thường, khối lượng đơn
vị thấp đến 0,8 g/cm3
- Bê tông tự đầm: thành phần cốt liệu lớn ít, tăng thêm các chất bột và sử dụng phụ gia siêu dẻo đặc biệt Bê tông có khả năng tự đầm, trong quá trình thi công không cần sử dụng các thiết bị đầm Loại bê tông này cho phép thi công các công trình có khối lượng rất lớn (20.000 m3 trở lên ) không cần bố trí mối nối, không cần
đầm Sử dụng bê tông tự đầm tiết kiệm được nhân công, thời gian và không gây ồn
- Bê tông cốt sợi: trong thành phần có thêm sợi (kim loại, polyme, các sợi khác) Bê tông cốt sợi cải thiện độ dẻo của bê tông, tăng cường khả năng chống nứt cho bê tông ở trạng thái mềm và trạng thái chịu lực
Bê tông HPC được phát triển trên thế giới từ những năm 70 Từ năm 2000 HPC đe
được nghiên cứu tại các trường đại học và các Viện nghiên cứu ở Việt Nam
2 Định nghĩa bê tông cường độ cao và chất lượng cao
2.1 Định nghĩa bê tông chất lượng cao
Bê tông chất lượng cao là một thế hệ bê tông mới có thêm các phẩm chất
được cải thiện thể hiện sự tiến bộ trong công nghệ vật liệu và kết cấu xây dựng Xét
về cường độ chịu nén thì đó là bê tông cường độ cao.(High Strength concrete), xét tổng thể các tính năng thì gọi là bê tông chất lượng cao
Bê tông chất lượng cao được gọi tắt theo người Anh là HPC (High Performace concretes), theo người Pháp là BHP (BET0NS A HAUTE PERORMANCES ) Bê tông cường độ cao (High Strength concrete) là loại bê tông
có cường độ chịu nén tuổi 28 ngày, lớn hơn 60 MPa, với mẫu thử hình trụ có D =
15 cm , H = 30cm Cường độ chịu nén sau 24 giờ ≥ 35 MPa , cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày≥ 60 MPa Mẫu thử được chế tạo, dưỡng hộ, thử, theo các tiêu chuẩn hiện hành
Trang 3Thành phần bê tông cường độ cao có thể dùng hoặc không dùng muội silic hoặc dùng kết hợp với tro bay Khi sử dụng muội silic chất lượng bê tông được nâng cao hơn
Tiêu chuẩn của Bắc Mỹ qui định bê tông cường độ cao là loại bê tông có cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày ≥ 42 MPa
Theo CEB.FIP qui định bê tông chất lượng cao có cường độ nén sau 28 ngày tối thiểu là 60 MPa và có các tính năng vật lý và cơ học cao
Ngày nay trình độ kiến thức về loại bê tông này đe cho phép ứng dụng bê tông chất lượng cao trong công trình lớn, chủ yếu ở ba lĩnh vực: các ngôi nhà nhiều tầng, các công trình biển và các công trình giao thông (cầu, đường, hầm) Các đặc tính cơ học mới của bê tông cường độ cao cho phép người thiết kế sáng tạo ra loại kết cấu mới có chất lượng cao hơn
2.2 Các nghiên cứu về bê tông cường độ cao và chất lượng cao
Trong khoảng 15 năm gần đây các sản phẩm bê tông có cường độ ngày càng cao hơn, đạt cường độ từ 60 đến 140 MPa Đặc biệt bê tông cường độ siêu cao (Ultra High Strength Concrete) với cường độ lên đến 300MPa (40.000 psi) đe được chế tạo trong phòng thí nghiệm
Bê tông cường độ cao bắt đầu được sử dụng vào thập kỷ 70, khi đó một loại bê tông có cường độ chịu nén cao hơn hẳn các loại bê tông trước đó được dùng làm cột trong một số toà nhà cao tầng tại Mỹ Các công trình ngoài biển từ bê tông chất lượng cao đe được xây dựng tại Na Uy Các công trình cầu đường tại Pháp, Nga, Nhật Bản từ bê tông chất lượng cao đe đạt được các thành công nổi bật Gần đây bê tông chất lượng cao được sử dụng rộng rei trong xây dựng cầu với nhiều đặc tính quan trọng như: cường độ cao, độ bền cao , giúp tạo ra các kết cấu nhịp lớn hơn Hiện nay, bê tông với cường độ 98 đến 112 MPa đe được sản xuất công nghiệp và
được sử dụng trong ngành công nghiệp xây dựng ở Mỹ, Nga, Na Uy, Pháp Các nước như Anh, Đức, Thuỵ Điển, Italia, Nhật Bản, Trung Quốc và Việt Nam đe bắt
đầu áp dụng bê tông chất lượng cao trong xây dựng nhà, cầu, đường, thuỷ lợi Trong những năm gần đây, đe có rất nhiều chương trình tầm cỡ quốc gia nghiên cứu các tính chất cơ học của bê tông HPC tại nhiều nước trên thế giới Trong đó những chương trình nghiên cứu đáng chú ý gồm có: nghiên cứu của Trung tâm khoa học kỹ thuật về vật liệu xi măng chất lượng cao (ACBM – Mỹ), Chương trình nghiên cứu đường ôtô (SHRP); Mạng lưới trung tâm chuyên gia của CANADA với Chương trình về bêtông tính năng cao; Hội đồng Hoàng gia Nauy với chương trình nghiên cứu khoa học và công nghiệp bê tông; Chương trình quốc gia Thuỵ Điển về
Trang 4HPC; Chương trình quốc gia Pháp tên là “Những con đường mới cho bê tông”; và
Chương trình bêtông mới của Nhật Bản
Các nghiên cứu về bê tông chất lượng cao đe khẳng định việc sử dụng bê tông chất lượng cao cho phép tạo ra các sản phẩm có tính kinh tế hơn, cung cấp khả năng giải quyết được nhiều vấn đề kỹ thuật hơn hoặc vừa đảm bảo cả hai yếu tố trên do khi sử dụng bê tông chất lượng cao có các ưu điểm sau:
- Giảm kích thước cấu kiện, kết quả là tăng không gian sử dụng và giảm khối lượng bê tông sử dụng, kèm theo rút ngắn thời gian thi công;
- Giảm khối lượng bản thân và các tĩnh tải phụ thêm làm giảm được kích thước móng;
- Tăng chiều dài nhịp và giảm số lượng dầm với cùng yêu cầu chịu tải;
- Giảm số lượng trụ đỡ và móng do tăng chiều dài nhịp;
- Giảm chiều dày bản, giảm chiều cao dầm;
Cần tiếp tục nghiên cứu về cường độ chịu kéo, cắt và biến dạng của bê tông chất lượng cao trong điều kiện khí hậu Việt Nam
3 Phân loại bê tông cường độ cao và chất lượng cao
Có thể phân loại bê tông chất lượng cao theo cường độ, thành phần vật liệu chế tạo và theo tính dễ đổ
3.1 Phân loại theo cường độ nén
Căn cứ vào cường độ nén ở ngày 28 mẫu hình trụ D =15 cm, H=30 cm có thể chịa bê tông thành 4 loại sau:
Bảng 1: Phân loại bê tông theo cường độ chịu nén
15 ữ 25
30 ữ 50
60 ữ 80
100 ữ 150
Bê tông truyền thống
Bê tông thường
Bê tông cường độ cao
Bê tông cường độ rất cao
Bê tông truyền thống và bêtông thường được áp dụng chủ yếu trong xây dựng cầu đường ở Việt Nam Bêtông cường độ cao đe được nghiên cứu và có đủ điều kiện để phát triển ở Việt Nam
3.2 Phân loại theo thành phần vật liệu chế tạo
- Bêtông cường độ cao không sử dụng muội silic: là loại bêtông không sử dụng silic siêu mịn, chỉ cần giảm tỷ lệ N/X và sử dụng các chất siêu dẻo tăng tính công tác
- Bêtông chất lượng cao sử dụng muội silic: trong thành phần có lượng muội silic từ (5 ữ 15) % so với lượng xi măng và chất siêu dẻo
Trang 5- Bê tông chất lượng cao sử dụng tro bay: loại bê tông này sử dụng tro bay với liều lượng từ (15 ữ 30) % so với lượng xi măng để tăng độ bền nước, giảm nhiệt độ của bê tông tươi và giảm giá thành của bê tông
- Bê tông chất lượng cao hỗn hợp: để đảm bảo chất lượng của bê tông và giảm giá thành có thể sử dụng kết hợp cả tro bay và muội silic với các liều lượng tối ưu
- Bê tông cường độ cao cốt sợi: là bê tông cường độ cao có hoặc không có muội silic nhưng có thành phần cốt sợi Cốt sợi có thể là kim loại, sợi thủy tinh, sợi carbon hoặc các loại sợi khác tùy theo yêu cầu về tính năng và giá thành
Các loại bê tông trên được sử dụng trong các kết cấu khác nhau và cho các tính năng khác nhau Tuy nhiên, khi tính toán thiết kế kết cấu và thiết kế thi công cũng
có những lưu ý khác nhau
Trong thực tế các quy luật về bê tông chất lượng cao thường được thành lập trên cơ sở các quy luật của bê tông cường độ thấp Vì vậy cần lưu ý khi sử dụng các công thức này, nếu cần thiết thì phải tiến hành các thử nghiệm thích hợp với vật liệu và phạm vi sử dụng
Câu hỏi:
1 Phân biệt bê tông thường và bê tông cường độ cao?
2 Các khác biệt giữa bê tông cường độ cao và bê tông chất lượng cao?
3 Phạm vi sử dụng của 3 loại bê tông trên?