I. MỞ ĐẦU Bê tông cường độ rất cao là loại bê tông có cường độ chịu nén từ 150 - 200 MPa (UHPC) và có độ bền rất cao. Bê tông cường độ rất cao được nghiên cứu tại Mỹ, Đức, Pháp, Nhật Bản, Hàn Quốc trong những năm 2000 đến nay [1], [2], [3]. Ở Nhật Bản và Mỹ đã ứng dụng trong các kết cấu dầm cầu. Ở Đức đã chế tạo các sản phẩm đúc sẵn trong nhà máy để phục vụ cho các kết cấu cầu. Các hướng dẫn thiết kế và công nghệ đã được nghiên cứu và khuyến cáo bởi RILEM, DIN, các hướng dẫn của Hiệp hội dự ứng lực Nhật Bản. Trong thời gian gần đây các báo cáo của Hội Kỹ sư xây dựng Pháp [4] và các phân tích của Uỷ ban đường cao tốc Hoa Kỳ cũng đã được trình bày [5]. Từ các tài liệu này cho thấy vấn đề nghiên cứu về bê tông cường độ rất cao là vấn đề được thế giới quan tâm nhất trong các kết cấu cầu hiện đại. II. NGHIÊN CỨU CÔNG THỨC BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO Công thức thành phần bê tông cường độ rất cao bao gồm 7 thành phần: xi măng, nước, cốt liệu nhỏ, phụ gia siêu dẻo, phụ gia muội silíc, các bột khoáng có độ cứng lớn và cốt sợi thép. Các loại bột khoáng này thường được chế tạo từ đá quắc, có đường kính từ 5 - 100m, khối lượng riêng từ 2,65 - 2,75. Thành phần SO 2 chiếm từ 95 - 99,5%. Theo nghiên cứu của chúng tôi thì loại khoáng này đã được tìm thấy ở phía Bắc Việt Nam. Tỷ lệ N/X là yếu tố rất quan trọng để giảm lỗ rỗng trong bê tông. Để đạt được bê tông cường độ rất cao cần sử dụng tỷ lệ này từ 0,2 – 0,22. Tuy nhiên do lượng xi măng sử dụng quá lớn nên cần hạn chế co ngót của bê tông bằng cách dưỡng hộ nhiệt ở nhiệt độ 80 - 90 o C ở thời gian thích hợp. NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO TRONG KẾT CẤU CẦU NCS. PHẠM DUY ANH Bộ môn Công trình GTTP Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải ThS. NGUYỄN LỘC KHA Ban Quản lý Công trình – Tỉnh Đồng Nai Tóm tắt: Bài báo giới thiệu các các kết quả nghiên cứu về thành phần bê tông cường độ rất cao từ 150 - 200 MPa. Trong đó đặc biệt lưu ý các tính chất cơ học và khả năng ứng dụng của bê tông cường độ đến 150 MPa trong kết cấu cầu. Summary: This paper introduces investigated results in ultra high strength concrete with compressive strength of 150 - 200 MPa. Mechanical properties and applicability of the concrete with the compressive strength up to 150 MPa in bridge structures are specially paid attentions. Silicafume vẫn sử dụng các loại thông thường với thành phần SiO 2 khoảng 96%, đường kính 0,1 mm. Muội silíc bao gồm các hạt silíc siêu mịn có tỉ lệ diện tích bề mặt 20000 m 2 /kg, có đường kính khoảng 1m (nhỏ hơn khoảng 100 lần so với hạt xi măng). Muội silic làm tăng phản ứng Puzolan dựa trên Ca(OH) 2 và lỗ rỗng ở đá xi măng trong bê tông. Để tăng độ dẻo của bê tông trong thành phần có thêm các sợi thép dài 13 - 15 mm, đường kính 0,2 mm, cường độ chịu kéo 2500 MPa. Tỷ lệ theo thể tích của sợi thép khoảng 5 - 7%, khối lượng riêng của sợi thép 7,8 g/cm 3 . Nếu lấy xi măng bằng 1 đơn vị thì khối lượng Silicafume: 0,12; Cát 1,1; Sợi thép 0,3; Chất siêu dẻo 0,018; Tỷ lệ N/X = 0,2. Hàm lượng xi măng thông thường từ 700 - 1000 kg. Bột quắc 0,11 – 0,14. Về nguyên tắc cấu trúc, các chất muội silíc hạn chế sự vón cục của hạt xi măng khi thuỷ hoá, làm tăng tốc độ thuỷ hoá xi măng và vì vậy có thể sử dụng bê tông với tỉ lệ N/X rất thấp từ 0,19 - 0,22. Khi sử dụng bê tông có tỉ lệ N/X thấp và xi măng được thuỷ hoá gần như hoàn toàn, độ rỗng của hồ xi măng rất nhỏ. Bột quắc rất cứng tạo ra độ bền vững cao cho cấu trúc cốt liệu. Cấu trúc của UHPC chuyển từ cấu truc kết tinh sang cấu trúc vô định hình. Bê tông có sự thay đổi căn bản về mặt cấu trúc và trở nên rất đồng nhất, cấu trúc ở vùng tiếp giáp không tồn tại sẽ tạo ra bê tông có cường độ rất cao. Xi măng: Các nhà máy xi măng ở Việt Nam thường chế tạo xi măng theo tiêu chuẩn Việt Nam. Cường độ chịu nén tối đa là 50MPa. Xi măng có thành phần khoáng vật chủ yếu là C 3 S (đến 65%). Các loại xi măng này phù hợp tiêu chuản ASTM nhóm 1. Theo các thí nghiệm ở nước ngoài thường dùng xi măng có cường độ nén đến 60 MPa hoặc sử dụng các xi măng đã pha 20% Silicafume. Các chất siêu dẻo: Chất siêu dẻo thế hệ 3 (Polycarboxylate agent) phụ gia siêu dẻo cho phép tạo ra độ sụt bê tông từ 15 - 22 cm, thời gian giữa độ sụt từ 1 - 4 giờ và có thể tăng cường độ giảm nước từ 30 - 40%. Trường Đại học Giao thông Vận tải đã nghiên cứu về sự tương thích của các phụ gia Polycarboxylate với loại xi măng Việt Nam (Chinh fong, Bỉm Sơn, Bút Sơn) cho kết quả về sự phát triển cường độ độ sụt. Thành phần của bê tông cường độ rất cao có thể biến đổi trong phạm vi sau: Xi măng: 800 - 1000 kg; Silicafume: 170 - 200 kg; Cát (0 - 5mm): 1000 - 1050 kg; Sợi thép: 200 - 250 kg; Bột quắc: 160 - 200 kg; Chất siêu dẻo: 35 - 45 kg; Nước: 190 - 220 lít; Tỷ lệ N/XM: 0,2 - 022. III. CÁC ĐẶC TÍNH BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO Bê tông cường độ rất cao có cường độ chịu nén đến 150 - 200 MPa và độ bền cao. Khi tăng cường độ nén, cường độ kéo cũng tăng tuy nhiên tốc độ tăng chậm hơn. Giá trị đặc trưng của cường độ chịu kéo khi uốn có thể đạt đến từ 26 - 30 MPa (cũng cần tăng 2,5 - 3 lần so với bê tông thường). Môđun đàn hồi của bê tông cường độ rất cao cũng tăng đáng kể. Giá trị này từ 42000 - 60000 MPa (tăng 1,5 - 2 lần so với bê tông thường). Các thí nghiệm cho thấy biến dạng khi nén cuối cùng vẫn ở trị số 0,0035 như đối với bê tông thường. Như vậy tuy tăng cường độ nén lên rất cao nhưng do sự hoạt động của cốt sợi thép nên bê tông cường độ rất cao không bị phá hoại giòn mà vẫn ứng xử nén theo các quy luật của bê tông. Mô hình ở vùng nén của mặt cắt vẫn là 1 = 0,002 và 2 = 0,0035. Giá trị cường độ nén: 150 MPa. Các thí nghiệm uốn cho thấy ở vùng kéo giá trị của biến dạng cuối cùng 0,007 và cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông có thể sử dụng trong thiết kế kết cấu đến 10 MPa. Mô đun đàn hồi: Giá trị của mô đun đàn hồi vẫn lấy theo các công thức truyền thống: E bj = 1100 (R cj ) 1/3 , MPa (RILEM) hoặc 6903320 cjÑ fE , MPa (ACI 318). Trong đó f cj cường độ chịu nén bê tông ở ngày thứ j. Trong các tính toán kết cấu có thể xét đến cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông cường độ rất cao ở vùng kéo. Các đặc tính của bê tông khi tính toán kết cấu như sau: Cường độ chịu nén ở 28 ngày: 150 – 200 MPa Cường độ chịu kéo tính toán trước nứt: 8 – 10 MPa Cường độ chịu kéo tính toán sau nứt: 9 – 11 MPa Mô đun đàn hồi: 45000 – 60000 MPa Giá trị biến dạng lớn nhất, mm: 1 Có thể tham khảo các tính năng của bê tông UHPC và tiêu chuẩn thí nghiệm ở bảng 1. Bảng 1. Các tính năng của bê tông UHPC chế tạo tại phòng nghiên cứu của UB đường cao tốc Mỹ IV. ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO TRONG XÂY DỰNG CẦU Bê tông cường độ rất cao được ứng dụng trong các kết cấu cầu hoàn toàn hoặc trong các kết cấu cầu cần tăng cường khả năng chịu va đập cho các trụ hoặc các gờ chắn bánh xe. Ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ rất cao tiết diện hình chữ nhật và chữ I đã được phân tích. Việc thiết kế một dầm chữ I từ bê tông cường độ rất cao dự ứng lực chịu uốn chỉ yêu cầu hai yếu tố. Thứ nhất: Cần xác định đúng quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông cường độ rất cao cho mặt cắt ngang. Thứ hai: Các trạng thái về ứng xử uốn trước nứt, sau nứt ở trạng thái khai thác hoặc trạng thái cực hạng cần phải thông qua các thí nghiệm. Về mặt cấu tạo các cốt thép dự ứng lực và cốt thép thường vẫn cần bố trí đầy đủ giá trị của cường độ chịu kéo khi uốn cần đảm bảo các cốt sợi trong quá trình khai thác không bị kéo tuột. Về nguyên tắc thiết kế cần tuân thủ theo Các tính năng của UHPC Trị số Cường độ chịu nén, ASTM C39, 28 ngày Mô đun đàn hồi, ASTM C469 Cường độ ép bửa ASTM 496 Cường độ chịu kéo khi uốn ASTM C1018 Năng lượng chịu uốn ASTM C1018 Tổng co ngót Độ thấm Cloritde ASTM C1202, 28 ngày Phản ứng kiềm silic 193 MPa 52000 MPa 11,7 MPa 9,0 MPa I 30 = 53 850 s 76 Culom Không có 3 điểm sau: Thứ nhất: Giá trị cường độ chịu nén tính toán lấy bằng 0,8 lần cường chịu nén đặc trưng; Thứ hai: Hệ số an toàn lấy bằng 1,3 theo hướng dẫn của RILEM; Thứ ba: Bê tông cường độ rất cao có thể được giả định có ứng xử đàn hồi dẻo và có xét đến cường độ chịu kéo khi uốn đã được xác định qua thí nghiệm. Dầm cầu đầu tiên bằng bê tông cường độ rất cao đã được chế tạo với khẩu độ nhịp 22m có tiết diện hình chữ , chiều cao dầm 0,9m (Đức, Mỹ). Tại Nhật Bản đã ứng dụng các cầu bê tông dự ứng lực bằng bê tông cường độ rất cao (UHPC) kết quả cho thấy các tiết diện đã được giảm và các vết nứt co ngót cũng được giảm. Bê tông cường độ rất cao co ngót thấp đã được sử dụng cho hai cầu nhịp liên tục ở Tokyo với tổng chiều dài nhịp là 170m và chiều rộng hiệu quả là 8m. Trong cây cầu này đã sử dụng công nghệ dự ứng lực ngoài xa trọng tâm và các thanh chống để tăng độ cứng cho dầm. Sườn dầm được sử dụng trước ở trong nhà máy và vận chuyển đến công trường. Phần bản các ụ chuyển hướng cáp dự ứng lực ngoài, dầm ngang trên trụ được đổ ở công trường. III. KẾT LUẬN Qua phân tích ở trên có thể đi đến các kết luận sau: - Nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ rất cao đang là vấn đề thời sự của thế giới và đã đạt được các kết quả đáng tin cậy để chúng ta có thế nghĩ đến khả năng nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam. - Thành phần của bê tông cường độ rất cao đã có tại Việt Nam và như vậy khả năng chế tạo thành công loại bê tông này là hiện thực. - Các tính chất của bê tông UHPC là thích hợp với các phương pháp thiết kế đàn hồi thông dụng. Như vậy việc thiết kế kết cấu cầu không gặp những khó khăn quá lớn về phần mềm thiết kế. Kiến nghị: Nên phát triển loại bê tông này trong kết cấu cầu tại Việt Nam. Tài liệu tham khảo [1]. Ultra - High perrfomance concrete: Research, Development and Application in Europe. Michael Schmidl - Kassel - 2004. [2]. The Effect of Ground Quartz Sand’s Particle Size on the Mechanical Proterties of Ultra - High perrfomance Cementitionus Composites. Korea – 2008. [3]. Influence of additions on uldtra high perfomance concrete - grain size optimization. K.Droll - USA 2004. [4]. Ultra - High perrfomance Fibre - Reinforced - AFGC – 2002. [5]. Structural Behavior of Ultra - High perrfomance Concrete Pretressed I - Girders US - 2005 . CÁC ĐẶC TÍNH BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO Bê tông cường độ rất cao có cường độ chịu nén đến 150 - 200 MPa và độ bền cao. Khi tăng cường độ nén, cường độ kéo cũng tăng tuy nhiên tốc độ tăng chậm. I. MỞ ĐẦU Bê tông cường độ rất cao là loại bê tông có cường độ chịu nén từ 150 - 200 MPa (UHPC) và có độ bền rất cao. Bê tông cường độ rất cao được nghiên cứu tại Mỹ, Đức, Pháp,. của bê tông bằng cách dưỡng hộ nhiệt ở nhiệt độ 80 - 90 o C ở thời gian thích hợp. NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO TRONG KẾT CẤU CẦU NCS. PHẠM DUY ANH Bộ môn Công