Báo cáo khoa học: "phân tích một số cơ sở lý thuyết để nâng cao c-ờng độ chịu nén của bê tông chất lượng cao" pdf

Các cơ sở lý thuyết được tóm tắt như sau: cải thiện cường độ vùng chuyển tiếp; cải thiện cường độ đá xi măng; sử dụng cốt liệu có chất lượng tốt.. Bởi vì, cường độ chịu nén phụ thuộc vào

phân tích một số cơ sở lý thuyết để nâng cao cường độ chịu nén của bê tông chất lượng cao

NCS mai đình lộc PGS TS phạm duy hữu

Bộ môn Vật liệu xây dựng Khoa Công trình - Trường Đại học GTVT

Tóm tắt: Bμi báo trình bμy các phân tích, lập luận vμ một số kết quả thí nghiệm kiểm

chứng qua đó xác định các cơ sở lý thuyết để nâng cao cường độ chịu nén của bê tông chất lượng cao Các cơ sở lý thuyết được tóm tắt như sau: cải thiện cường độ vùng chuyển tiếp; cải thiện cường độ đá xi măng; sử dụng cốt liệu có chất lượng tốt

Summary: This paper analyzes some theoretical foundations to explain how to increase

compressive strength - the most important property of high performance concrete Some results of confirmative tests are also presented The theoretical foundations are improving the strength of the transition, improving the strength of hydrated cement paste and using strong aggregates

i mở đầu

Cho đến nay, các tiến bộ trong lĩnh vực bê tông chất lượng cao là thành quả của các nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với các nghiên cứu lý thuyết Cũng giống như các vấn đề khác trong công nghệ bê tông, các kết quả thực nghiệm sẽ đòi hỏi có các nghiên cứu khoa học đầy

đủ hơn để làm sáng tỏ về mặt lý thuyết và ngược lại, các nghiên cứu lý thuyết cũng đòi hỏi có các nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng

Hiện nay, đã có thể giải thích một cách tốt hơn các tính chất của bê tông chất lượng cao trên cơ sở các nguyên tắc khoa học, cho dù vẫn còn khá nhiều khía cạnh của bê tông chất lượng cao chưa thể giải thích một cách đầy đủ và chi tiết Tuy việc lựa chọn vật liệu và xác định thành phần bê tông chất lượng cao không còn hoàn toàn theo chủ nghĩa kinh nghiệm, nhưng trong thực tế quá trình thực hiện các công việc trên vẫn được hướng dẫn bởi nhiều kết quả của thực nghiệm có sẵn

Việc nghiên cứu tìm ra các quy tắc chung để điều chỉnh quá trình lựa chọn vật liệu và tính toán thiết kế thành phần bê tông chất lượng cao là hết sức cần thiết Vấn đề đầu tiên đặt ra cho các kỹ sư bê tông và các nhà khoa học là phải xác định được một hệ thống vật liệu phù hợp, để

có thể đạt được một tỷ lệ nước/ chất dính kết (N/CDK) đủ nhỏ nhưng vẫn đảm bảo được tính

công tác của bê tông Việc chế tạo bê tông chất lượng cao sẽ phức tạp hơn nhiều so với bê tông truyền thống, bởi lẽ các tính chất của bê tông chất lượng cao không chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ N/CDK (thông số cơ bản để điều chỉnh các tính chất cuả bê tông thường) mà còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác, trong đó cấu trúc vi mô của bê tông là một trong những yếu tố cơ bản nhất

Mặc dù cường độ chịu nén không phải là chỉ tiêu duy nhất tạo nên sự tiến bộ của bê tông chất lượng cao nhưng nó vẫn là chỉ tiêu đầu tiên và quan trọng nhất mà người kỹ sư phải hướng tới Bởi vì, cường độ chịu nén phụ thuộc vào cấu trúc vi mô của bê tông và do đó nó có quan hệ rất chặt chẽ với các tính chất khác của bê tông như mô đun đàn hồi, độ bền… hơn nữa có thể nói rằng lịch sử phát triển bê tông chất lượng cao bắt đầu từ sự phát triển của bê tông cường độ cao

Khi quan sát mặt phá huỷ của mẫu thử bê tông thường, ta có thể thấy sự phá huỷ phát triển qua phần đá xi măng hoặc qua vùng tiếp giáp giữa đá xi măng với hạt cốt liệu (mặt phá huỷ cắt qua đá xi măng và men theo bề mặt của các hạt cốt liệu) vì đây là hai pha yếu nhất trong bê tông thường Mặt phá huỷ luôn đi qua phần yếu nhất trong bê tông Vì vậy, để nâng cao cường

độ chịu nén của bê tông, cần phải có sự quan tâm đặc biệt đến việc nâng cao cường độ của các pha yếu trong cấu trúc bê tông bắt đầu từ vùng yếu nhất đó là vùng chuyển tiếp và sau đó là đá

xi măng Cũng cần phải nhấn mạnh rằng, do sự phá huỷ của bê tông là theo dạng "phá huỷ dây xích" nên trong khi các tính chất khác của bê tông chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ thể tích và tính chất của các bộ phận thì cường độ và sự phá huỷ của bê tông lại phụ thuộc chủ yếu vào cường

độ của bộ phận yếu nhất (cho dù bộ phận này chiếm tỷ lệ thể tích rất nhỏ trong cấu trúc của bê tông) Và chúng ta hiểu rằng cường độ của bê tông chính là cường độ của bộ phận yếu nhất trong bê tông

ii nội dung

Trên cơ sở các phân tích về cấu trúc của bê tông tìm ra các quy luật chi phối chất lượng bê tông (trước hết là cường độ) Các quy luật này được đề nghị trên cơ sở các nghiên cứu lý thuyết

và đã được kiểm chứng qua thực nghiệm Các cơ sở lý thuyết để nâng cao cường độ của bê tông bao gồm:

2.1 Cải thiện cường độ vùng chuyển tiếp

Cường độ vùng chuyển tiếp phụ thuộc vào tỷ lệ N/CDK Khi tỷ lệ N/CDK vào khoảng 0.4 - 0.7 (bê tông thường), các kết quả thực nghiệm đã cho thấy rằng cường độ chịu nén của bê tông thường thấp hơn cường độ chịu nén được dự đoán bởi các quan hệ cường độ - độ rỗng của

hồ hoặc vữa xi măng có cùng tỷ lệ N/CDK Để giải thích sự ứng xử bất thường này thì sự hình thành vùng chuyển tiếp trong cấu trúc của bê tông đã được viện dẫn như là một lý do chủ yếu Trong quá trình nhào trộn và đầm chặt, các hạt cốt liệu thô, tuỳ theo kích thước, hình dạng và

đặc trưng bề mặt của chúng, sẽ làm giảm sự phân bố đồng nhất của nước trong bê tông tươi

Do “hiệu ứng thành” cục bộ của các hạt cốt liệu lớn, nước có xu hướng tách ra và tích luỹ trên bề mặt của các hạt cốt liệu lớn [1] Kết quả là tỷ lệ N/CDK ở vùng gần với các hạt cốt liệu cao hơn

so với phần còn lại của đá xi măng, do đó cấu trúc của vùng chuyển tiếp được đặc trưng bởi sự

có mặt của các lỗ rỗng lớn và các tinh thể lớn của các sản phẩm thuỷ hoá Hiện tượng này là

nguyên nhân gây ra sự không đồng nhất về mặt cấu trúc của vùng chuyển tiếp - yếu tố có ảnh hưởng hết sức quan trọng đến cường độ bê tông

Sự khác nhau về cấu trúc của vùng chuyển tiếp so với phần đá xi măng xung quanh đóng vai trò rất quan trọng trong việc xác định cường độ của bê tông theo lý thuyết phá huỷ dây xích Trong bê tông thường, kích thước vùng chuyển tiếp vào khoảng 0.05 đến 0.1mm, chứa các lỗ rỗng tương đối lớn và các tinh thể lớn của các sản phẩm thuỷ hoá, do đó theo lý thuyết khi bê tông chịu tác dụng của ngoại lực các vết nứt đầu tiên sẽ hình thành và phát triển tại vùng chuyển tiếp Trong bê tông thường, do tỷ lệ N/CDK khá lớn, các ứng suất kéo phát sinh do biến dạng co ngót khô và co ngót nhiệt là đủ lớn để tạo ra các vết vi nứt ở vùng chuyển tiếp ngay cả khi bê tông chưa chịu lực Sự phá huỷ bê tông khi chịu lực xẩy ra do sự lan truyền và hợp nhất các vết nứt trong vùng chuyển tiếp và trong bê tông [3]

Có thể nói rằng, khi tỷ lệ N/CDK trong khoảng từ 0.5 - 0.7, do có cấu trúc vi mô yếu, vùng chuyển tiếp đã trở thành yếu tố làm cho bê tông không còn ứng xử như một vật liệu com - po - zít thực thụ (liên kết giữa hai pha cốt liệu và đá xi măng yếu) Do đó, khi mà vùng chuyển tiếp vẫn còn có độ rỗng lớn và các vết vi nứt vẫn còn xuất hiện thì cường độ của cốt liệu vẫn chưa có vai trò đáng kể trong việc tạo ra cường độ cho bê tông, do vùng chuyển tiếp yếu có tác dụng không

đáng kể trong việc truyền ứng suất từ đá xi măng sang các hạt cốt liệu và ngược lại

Từ các phân tích trên có thể thấy rằng, nguyên tắc đầu tiên để có bê tông chất lượng cao là cải thiện cấu trúc và cường độ vùng chuyển tiếp sao cho nó không còn là “mắt xích yếu nhất” trong bê tông, do đó không còn là vùng đầu tiên bị phá hoại khi bê tông chịu lực Việc giảm tỷ lệ N/CDK và sử dụng các loại bột siêu mịn hoạt tính (muội si - líc, tro bay, meta caolanh…) nhằm giảm kích thước và tăng cường độ của vùng chuyển tiếp trở thành yêu cầu bắt buộc đầu tiên trong việc chế tạo bê tông chất lượng cao

Kết quả thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật liệu Xây dựng tháng 3 năm 2004 đã cho thấy việc sử dụng các loại bột siêu mịn hoạt tính đã góp phần cải thiện cường độ vùng chuyển tiếp, do đó đã nâng cao cường độ bê tông (Bảng 1)

Bảng 1 Kết quả thí nghiệm bê tông sử dụng bột hoạt tính thay thế một phần xi măng

Muội si líc H∙ng SIKA

Tro tuyển Phả Lại Thành phần

bê tông

Mẫu đối chứng (0%)

Phân tích kết quả thí nghiệm: Khi thay thế một phần xi măng bằng bột hoạt tính cường độ

chịu nén của bê tông tăng từ 11 đến 28%, tuy mức độ tăng không lớn nhưng có thể thấy rằng sự tăng cường độ này là do vùng chuyển tiếp đã được cải thiện, bởi vì, về mặt lý thuyết, nếu có cùng tỷ lệ N/CDK thì cường độ đá xi măng trong bê tông có sử dụng bột hoạt tính không thể cao hơn so với bê tông thường (do lượng dùng nước như nhau và hoạt tính của chất bột không bằng hoạt tính của xi măng nên lượng nước thừa sẽ tăng lên dẫn đến độ rỗng của đá xi măng cũng tăng lên) Kết quả thí nghiệm cũng chứng tỏ rằng, với lượng nước không đổi, khi lượng bột hoạt tính thay thế > 10% thì việc tăng hàm lượng bột hoạt tính đã làm giảm cường độ bê tông, có thể hiểu rằng lúc này hiệu quả cải thiện cường độ vùng chuyển tiếp của bột hoạt tính không còn

được phát huy mà ngược lại việc tăng hàm lượng bột hoạt tính đã làm giảm cường độ đá xi măng Sẽ rõ ràng hơn nếu có điều kiện quan sát sự thay đổi cấu trúc vùng chuyển tiếp bằng kính hiển vi có độ phóng đại lớn

Mức độ ảnh hưởng của bột hoạt tính sẽ tăng lên khi kết hợp với việc sử dụng phụ gia hoá dẻo để giảm lượng nước trong bê tông và có công nghệ nhào trộn bê tông thích hợp, khi đó lượng dùng có hiệu quả của bột hoạt tính có thể lớn hơn Với bê tông sử dụng phụ gia siêu dẻo,

tỷ lệ N/CDK bằng 0.23 - 0.39 và sử dụng công nghệ nhào trộn thông thường lượng dùng hiệu quả của bột hoạt tính là 10 - 15%, con số này với bê tông sử dụng phụ gia siêu dẻo, có tỷ lệ N/CDK nhỏ hơn 0.23 và sử dụng quy trình công nghệ nhào trộn đặc biệt (bê tông có cường độ siêu cao) có thể lên tới 30% [4]

2.2 Cải thiện cường độ đá xi măng

ở mức độ đơn giản nhất, đá xi măng rắn chắc có thể coi như một vật liệu kết tinh đơn pha

và do đó các nguyên tắc cơ bản trong ứng xử của vật liệu dòn, chẳng hạn như gốm, có thể được

sử dụng một cách khá hiệu quả để xác định quan hệ cấu trúc - tính chất của bê tông thường [4]

Điều này càng đúng cho bê tông chất lượng cao vì bê tông chất lượng cao có cấu trúc vi mô gần với gốm hơn là bê tông thường

Hiện nay chưa có những nghiên cứu đặc biệt về lý thuyết để xác định ảnh hưởng của vi cấu trúc đến cường độ chịu nén của vật liệu rỗng Tuy nhiên, từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, nhiều nhà khoa học đã cho rằng quan hệ giữa cường độ chịu nén với hệ số rỗng của vật liệu rỗng có thể được biểu diễn theo công thức sau [4] :

vào lực liên kết giữa các tinh thể vật liệu, hình dạng và kích thước của các lỗ rỗng và vết rạn khuyết tật, kích thước các hạt và hàm lượng tạp chất

Nói chung, cường độ chịu nén của vật liệu giảm xuống khi kích thước lỗ rỗng và kích thước hạt của vật liệu tăng Các nghiên cứu quan hệ vi cấu trúc - tính chất của gốm cũng cho thấy rằng, bên cạnh kích thước lỗ rỗng, kích thước hạt và sự không đồng nhất còn có nhiều yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến cường độ của vật liệu

Để cải thiện cường độ của vùng đá xi măng cần phải quan tâm đặc biệt đến các vấn đề sau:

- Độ rỗng của đá xi măng: một số lượng lớn các lỗ rỗng vμ đặc biệt lμ khi tập trung vμo một vùng sẽ lμm cường độ bê tông giảm rất lớn

- Kích thước hạt: Cường độ bê tông tăng lên khi giảm kích thước các hạt trong cấu trúc của

đá xi măng

- Sự không đồng nhất: với vật liệu có cấu trúc đa pha sự không đồng nhất trong cấu trúc vi mô chính lμ nguyên nhân chủ yếu lμm suy giảm cường độ

Như vậy, để cải thiện cường độ của đá xi măng có thể theo các hướng sau:

Giảm thiểu độ rỗng của đá xi măng: Cường độ đá xi măng phụ thuộc vào độ rỗng của nó

Độ rỗng của đá xi măng lại phụ thuộc vào tương quan về lượng dùng nước, xi măng và lượng khí cuốn vào khi nhào trộn Nói cách khác cường độ đá xi măng phụ thuộc vào lượng dùng nước, xi măng và lượng khí cuốn vào khi nhào trộn Quan hệ này đã được Féret đưa ra từ năm 1892 [1] công thức này đã cho thấy rằng để tăng cường độ đá xi măng thì cần phải giảm tỷ lệ N/XM Như vậy, để tăng cường độ của đá xi măng (và của bê tông xi măng) cần phải giảm tối đa độ rỗng của đá xi măng tức là phải giảm đến mức thấp nhất có thể lượng khí cuốn vào khi nhào trộn và

tỷ lệ N/XM nhưng vẫn phải đảm bảo tính công tác tốt của hỗn hợp bê tông tươi Chính vì lý do này mà việc sử dụng các loại phụ gia hoá dẻo để chế tạo bê tông chất lượng cao trở thành một yêu cầu có tính bắt buộc

Giảm kích thước các hạt cấu trúc trong đá xi măng: Việc giảm tỷ lệ N/CDK làm cho các sản

phầm tạo ra do quá trình thuỷ hoá có cấu trúc hạt mịn Các sản phẩm C - S - H đặc sít và có cấu trúc tương tự như thuỷ tinh có độ đặc cao Khi tỷ lệ N/XM rất thấp đá xi măng không còn chứa các khối tinh thể dạng tấm sáu cạnh của thạch cao, các tinh thể hình kim dài của ettringite hay các sợi mảnh dài của C - S - H như của bê tông thường

Giảm sự không đồng nhất trong cấu trúc của đá xi măng: Các túi khí nhỏ bị cuốn vào trong

quá trình nhào trộn là nguyên nhân đầu tiên tạo nên sự không đồng nhất trong cấu trúc của đá

xi măng và điều này cần phải được hạn chế đến mức thấp nhất trong bê tông cường độ cao Tuy nhiên cũng cần phải chú ý rằng một hàm lượng khí vào khoảng 2 - 3% là rất có lợi cho công tác

đổ khuôn và hoàn thiện bê tông

Xu hướng kết tụ, vón cục một cách tự nhiên của các xi măng khi nhào trộn với nước cũng là một nguyên nhân gây nên sự không đồng nhất trong cấu trúc bê tông và cần phải được xử lý nhằm tăng khả năng khuyếch tán của các hạt xi măng Vì vậy, việc sử dụng các loại phụ gia siêu dẻo để tăng độ khuyếch tán của các hạt xi măng là hết sức cần thiết [5]

Như vậy để cải thiện cường độ đá xi măng trong bê tông, theo hướng giảm độ rỗng đá xi măng, có thể thực hiện bằng cách: sử dụng phụ gia hoá dẻo để giảm tỷ lệ N/CDK và sử dụng chất độn siêu mịn để lấp đầy các lỗ rỗng trong đá xi măng

Kết quả thí nghiệm tại Trường Đại học GTVT vào tháng 4 năm 2004 đã cho thấy việc sử dụng đồng thời phụ gia siêu dẻo và bột hoạt tính đã nâng cao đáng kể cường độ chịu nén của

bê tông (Bảng 2)

Bảng 2 Kết quả thí nghiệm cường độ bê tông sử dụng phụ gia siêu dẻo vμ muội si líc

Phân tích kết quả thí nghiệm: Từ kết quả thí nghiệm có thể thấy rằng khi sử dụng phụ gia

siêu dẻo, giảm tỷ lệ N/CDK và dùng muội si líc, hỗn hợp bê tông có tính công tác cao hơn và bê tông có mức tăng cường độ rất lớn Cường độ bê tông tăng là kết quả đồng thời của việc tăng cường độ đá xi măng và tăng cường độ vùng chuyển tiếp do tác dụng kết hợp giữa việc giảm tỷ

lệ N/CDK (giảm lượng nước thừa không tham gia phản ứng thuỷ hoá) và hiệu quả lấp đầy lỗ rỗng trong vùng chuyển tiếp và trong đá xi măng của muội si líc

2.3 Cải thiện chất lượng cốt liệu

Trong bê tông thường việc lựa chọn cốt liệu có cường độ cao là không thật cần thiết Trong

bê tông cường độ cao, khi đá xi măng và vùng chuyển tiếp đã được cải thiện cường độ, nếu cốt liệu, đặc biệt là cốt liệu lớn, không có cường độ đủ cao thì chính cốt liệu sẽ trở thành “mắt xích” yếu nhất trong bê tông, điều này là không tốt và cũng không phù hợp với triết lý chế tạo bê tông Cốt liệu sử dung trong bê tông là các loại cát, đá tự nhiên hoặc được nghiền từ đá gốc Cường độ của cốt liệu trước hết phụ thuộc vào thành phần khoáng vật và cấu trúc của đá gốc,

lẽ dĩ nhiên chúng ta không thể cải thiện được cường độ đá gốc, chúng phải được sử dụng như chúng vốn có Việc nghiên cứu các loại đá là rất có ý nghĩa vì nó cung cấp những thông tin về cường độ, thành phần khoáng vật của các loại đá giúp cho việc lựa chọn cốt liệu chế tạo bê tông Nói chung nên dùng các loại đá có cấu trúc hạt mịn và độ đồng nhất cao như đá vôi, đá

đô lô mít, đá syenit, đá granit v…[2] Ngoài ra, với ý nghĩa để tăng độ đồng nhất cho bê tông và giảm thiểu hiệu ứng thành cục bộ (giảm thiểu sự tách nước trên bề mặt các hạt cốt liệu lớn) việc

sử dụng đá dăm có Dmax nhỏ là rất cần thiết Với bê tông có cường độ yêu cầu Ryc > 80MPa thì cần sử dụng đá dăm có Dmax ≤ 12,5mm

III Kết luận

Qua các phân tích trên có thể kết luận các yếu tố cơ bản cần quan tâm để nâng cao cường

độ của bê tông chất lượng cao là:

1 Sử dụng tỷ lệ N/CDK thấp (dưới 0.35)

2 Sử dụng xi măng có hoạt tính cao

3 Sử dụng chất độn vô cơ hoạt tính siêu mịn và các chất dính kết phụ thêm

4 Sử dụng phụ gia giảm nước mức độ cao (phụ gia siêu dẻo)

5 Sử dụng cốt liệu sạch từ các loại đá gốc có cường độ cao

6 Giảm Dmax của cốt liệu lớn và tối ưu hoá thành phần hạt của hỗn hợp cốt liệu

Trong các yếu tố trên, các yếu tố 1, 3, 4 và 5 đã và đang được quan tâm nghiên cứu ở Việt Nam Các yếu tố 2 và 6 chưa được quan tâm nhiều và do đó chưa có các kết quả mong muốn

và cần được nghiên cứu tiếp tục Tuy nhiên, công nghệ thi công cũng là một yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bê tông Vấn đề này cần được tiếp tục nghiên cứu để có thể xây dựng một công nghệ thi công phù hợp nhất cho bê tông chất lượng cao, đặc biệt là trong điều kiện thi công trong môi trường nhiệt ẩm như ở Việt nam

Tài liệu tham khảo

[1] E G Nawy “Fundamentals of High Performance Concrete” Second Edition John Wiley & Sons, Inc., 2001

[2] Ultra High Performance Concrete - Proceedings of International on Ultra High Performance Concrete – Kassel Germany September 13 -15, 2004

[3] A M Neville “Properties of Concrete“ John Wiley & Son, Inc.,1998

[4] P C Aitcin “High-performance Concrete” E & FN Spon 1998

[5] Viện sỹ GS TSKH IU.M.Bazenov, PGS TS Bạch Đình Thiên, TS Trần Ngọc Tính "Công nghệ bê

tông" NXB Xây dựng, Hà nội, 2004♦