nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối bê tông mác tới 70 mpa sử dụng trong xây dựng công trình thủy lợi

Do vậy, nhằm làm giảm chiều dày của kết cấu thì việc nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối bê tông cường độ cao mác tới 70MPa sử dụng trong các kết cấu đặc biệt cho công trình thủy lợi

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

TRỊNH BÁ BIỂN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI

BÊ TÔNG MÁC TỚI 70 MPA SỬ DỤNG TRONG XÂY

DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội, 2013

TRỊNH BÁ BIỂN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI

BÊ TÔNG MÁC TỚI 70 MPA SỬ DỤNG TRONG XÂY

DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian thu thập tài liệu, nghiên cứu và thực hiện, đến nay Luận

văn thạc sĩ chuyên nghành xây dựng công trình thuỷ “Nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối bê tông mác tới 70MPa sử dụng trong xây dựng công trình thủy lợi” đã hoàn thành theo đề cương được duyệt

Trước hết tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các Thầy, cô giáo Trường Đại học Thủy lợi, sự giúp đỡ nhiệt tình của Khoa Công trình, Bộ môn Vật liệu Xây dựng đã quan tâm giúp đỡ, tạo mọi điều kiện cho tác giả trong quá trình học tập

và thực hiện luận văn này

T ác giả xin trân trọng cảm ơn PGS TS Hoàng Phó Uyên đã trực tiếp tận

tình hướng dẫn, cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn

Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến các cán bộ, nhân viên phòng thí nghiệm và nghiên cứu vật liệu xây dựng – Viện Thủy Công vì sự giúp đỡ nhiệt tình và hiệu quả trong suốt thời gian thực hiện luận văn này

Tác giả xin cảm ơn Gia đình, các bạn bè đồng nghiệp đã hết sức giúp đỡ động viên về tinh thần và vật chất để tác giả đạt được kết quả hôm nay

Trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn, tác giả khó tránh khỏi những thiếu sót và rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các Thầy, cô và cán

bộ đồng nghiệp đối với bản luận văn

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 16 tháng 05 năm 2013 Tác giả

Tr ịnh Bá Biển

LỜI CAM ĐOAN

riêng tôi Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào

Tác giả

Tr ịnh Bá Biển

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU ……… ……… 1

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ……… 1

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ……… 3

III CƠ SỞ KHOA HỌC……… 3

IV CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………… 4

V DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC……… 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM 5

1.1.Khái niệm về bê tông cường độ cao……… 5

1.2.Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ cao trên thế giới……… 7

1.3.Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ cao tại Việt Nam……… 13

1.4 Ưu, nhược điểm của bê tông cường độ cao……… 15

1.5.Thành phần và cấu trúc của bê tông cường độ cao ……… 17

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……… 20

2.1.Phương pháp nghiên cứu……… 20

2.1.1.Các phương pháp nghiên cứu tính chất vật liệu sử dụng ………… 20

2.1.2.Các phương pháp nghiên cứu tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông cường độ cao……… 21

2.2.Lựa chọn nguyên vật liệu sử dụng trong nghiên cứu……… 26

2.2.1 Xi măng……… 26

2.2.2.Cốt liệu nhỏ……… 27

2.2.3.Cốt liệu lớn……… 29

2.2.4.Phụ gia khoáng hoạt tính ……… 30

2.2.5.Phụ gia siêu dẻo……… 35

2.2.6.Nước ……… 37

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU……… 38

3.1.Yêu cầu về chất lượng của vật liệu……… 38

3.1.1.Yêu cầu về chất lượng của xi măng……… 38

3.1.2.Yêu cầu về chất lượng của cốt liệu……… 39

3.1.3.Yêu cầu về chất lượng của phụ gia siêu dẻo 46 3.2.Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng dùng phụ gia siêu dẻo đến tính công tác của hỗn hợp bê tông ……… 47

3.3.Thiết kế thành phần bê tông cường độ cao Dmax=10 mm……… 51

3.3.1.Khảo sát thiết kế thành phần bê tông cường độ cao……… 51

3.3.2.Thiết kế thành phần BTCĐC với Dmax = 10mm theo ACI 211.4R-08……… 58

3.4.Các tính chất, chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp bê tông và bê tông cường độ cao……… 77

3.4.1.Nghiên cứu tính công tác của hỗn hợp bê tông cường độ cao…… 77

3.4.2.Nghiên cứu các tính chất của bê tông cường độ cao đã rắn chắc… 79 3.4.3.Nghiên cứu công nghệ chế tạo bê tông cường độ cao……… 81

3.5.Đề xuất các phương án sử dụng bê tông cường độ cao trong xây dựng thủy lợi……… 84

KẾT LUẬN CHUNG……… 85

KIẾN NGHỊ……… 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 87

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1: Một số công trình sử dụng bê tông cường độ cao……… 9

B ảng 1.2: Một số công trình sử dụng bê tông cường độ cao……… 10

Bảng 1.3: Một số cầu được thi công bằng bê tông cường độ cao ở Nhật

Bảng 1.4: Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Mỹ……… 11

Bảng 1.5: Một số cầu thì công bằng bê tông cường độ cao ở Pháp…… 12

Bảng 1.6: Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Na Uy…… 12

Bảng 2.1: Các thí nghiệm theo tiêu chuẩn sử dụng nghiên cứu tính chất

Bảng 2.2: Các thí nghiệm theo tiêu chuẩn nghiên cứu tính chất của hỗn

Bảng 2.3: Kết quả thí nghiệm các tính chất cơ lý của Xi măng………… 26

Bảng 2.4: Kết quả tính chất cơ bản của cát vàng Sông Lô……… 28

Bảng 2.5: Kết quả thí nghiệm các tính chất cơ lý của đá dăm………… 29

Bảng 2.6: Tính chất và thành phần hạt của Silicafume……… 33

Bảng 2.7: Thành phần hạt của tro bay nhiệt điện……… 35

Bảng 2.8: Một số tính chất của Glenium®ACE 388 SureTec sử dụng… 37

B ảng 3.1 Sự phụ thuộc độ xốp vào kiểu sắp xếp của hạt……… 44

Bảng 3.2: Sự phụ thuộc của độ rỗng vào sự phối hợp các cấp hạt…… 45

Bảng 3.3 : Kết quả khảo sát điểm bão hòa PGSD của vữa……… 48

Bảng 3.4 :Cỡ hạt lớn nhất đề xuất của cốt liệu thô……… 51

Bảng 3.5: Thể tích đề nghị của cốt liệu thô trên một đơn vị thể tích bê

tông……… 52

Bảng 3.6: Lượng dùng nước sơ bộ và hàm lượng khí của hỗn hợp bê tông sử dụng cốt liệu nhỏ có độ rỗng là 35% 52

Bảng 3.7: Tỷ lệ N/XM lớn nhất khuyến cáo cho bê tông cường độ cao 53

Bảng 3.8: Thể tích hồ trong hỗn hợp bê tông 58

Bảng 3.9: Cấp phối thăm dò thành phần bê tông Dmax=10……… 60

Bảng 3.10: Kết quả thí nghiệm thăm dò bê tông Dmax=10 cm………… 60

Bảng 3.11: Bảng mã hoá các giá trị thí nghiệm bậc một hai mức tối ưu 61

Bảng 3.12: Kế hoạch thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu……… 62

Bảng 3.13: Cấp phối thí nghiệm bậc một hai mức tối ưu……… 62

Bảng 3.14: Kết quả thí nghiệm bậc một hai mức tối ưu……… 63

Bảng 3.15: Thí nghiệm tìm miền dừng……… 66

Bảng 3.16: Kế hoạch thí nghiệm bậc hai tâm xoay 66

Bảng 3.17 : Ma trận kế hoạch thí nghiệm bậc hai tâm xoay……… 67

Bảng 3.18: Cấp phối bê tông theo kế hoạch thí nghiệm bậc hai tâm xoay 68 Bảng 3.19: Kết quả thí nghiệm bậc hai tâm xoay……… 68

Bảng 3.20: Kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối hợp lý của bê tông CĐC……… 76

Bảng 3.21: Thành phần cấp phối và độ sụt của hỗn hợp bê tông Dmax=10mm……… 77

Bảng 3.22: Tính chất của bê tông cường độ cao Dmax=10 và mẫu đối chứng……… 79

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1: Các giai đoạn phát triển của công nghệ bê tông trên thế giới

[2, 7]……… 5

Hình 2.1: Dụng cụ để xác định độ chảy xòe của hỗn hợp bê tông tự đầm 22 Hình 2.2: Sơ đồ phương pháp xác định độ chảy của bê tông hạt mịn… 25

Hình 2.3: Hình dạng silicafume……… 31

Hình 2.4: Vùng chuyển tiếp trong bê tông có silicafume……… 32

Hình 2.5: Vùng chuyển tiếp trong bê tông không có silicafume……… 32

Hình 3.1: Các kiểu sắp xếp của hạt cốt liệu 43 Hình 3.2: Biểu đồ quan hệ giữa độ chảy của vữa với lượng dùng phụ gia siêu dẻo……… 48

Hình 3.3: Biểu đồ quan hệ giữa độ chảy của vữa với tỷ lệ C/CKD…… 49

Hình 3.4.: Côn thử độ chảy loang……… 50

Hình 3.5: Đo độ chảy loang của vữa……… 50

Hình 3.6: Máy trộn Ele……… 50

Hình 3.7: Giao diện chính của phần mềm Design-Expert® 7.1………… 70

Hình 3.8: Nội dung kế hoạch bậc 2 tâm xoay……… 71

Hình 3.9: Điền thông tin hàm mục tiêu……… 71

Hình 3.10: Điền giá trị hàm mục tiêu……… 72

Hình 3.11..: Phương trình hồi quy……… 72

Hình 3.12: Kiểm tra tính tương hợp của mô hình……… 73

Hình 3.13: Mặt biểu diễn quan hệ R28 và các tỷ lệ N/CKD, C/CL…… 74

Hình 3.14: Đường đồng mức biểu diễn quan hệ R28 và các tỷ lệ N/CKD, C/CL……… 74

Hình 3.15: Ảnh hưởng của N/CKD đến cường độ R28 khi C/CL = 0.35 75 Hình 3.16: Ảnh hưởng của C/CL đến cường độ R28 khi N/CKD = 0.22 75 Hình 3.17: Thí nghiệm tính công tác HHBT……… 78

Hình 3.18: Nén mẫu xác định cường độ……… 80

Hình 3.19: Mẫu sau khi nén……… 80

Hình 3.20: Thiết bị đo mài mòn……… 80

Hình 3.21: Thùng và cánh khuấy……… 80

Hình 3.22: Mẫu trước khi mài mòn……… 81

Hình 3.23: Mẫu sau khi mài mòn……… 81

Hình 3.24: Sơ đồ dây chuyền công nghệ chế tạo bê tông Dmax = 10 82

Hình 3.25: Quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp leo dốc………… 90

PCB : Xi măng Pooclăng hỗn hợp-Blended Porland Cements

ai % : Lượng sót riêng biệt

Ai % : Lượng sót tích lũy

ρv : Khối lượng thể tích

ρ : Khối lượng riêng

Rn : Cường độ chịu nén

Ru : Cường độ chịu uốn

Rk : Cường độ chịu kéo

Rx : Cường độ chịu nén của xi măng

σ : Khoảng quy hoạch

MỞ ĐẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

hết các công trình xây dựng Bê tông có rất nhiều ưu điểm nhưng nổi trội nhất là

địa phương, chính vì vậy nó là loại vật liệu chiếm ưu thế lớn nhất trong xây dựng dân dụng, công nghiệp, giao thông và công trình thủy lợi Tuy nhiên, hiện nay ở nước ta chất lượng các công trình thi công từ bê tông cốt thép vẫn đang còn là một vấn đề phải quan tâm hàng đầu của các nhà quản lý nhất là trong ngành thủy lợi Các kết quả kiểm tra đánh giá chất lượng các công trình thủy lợi bằng BT và BTCT như đập tràn, mố tiêu năng, cống ngầm, cống dưới đê, cống ngăn mặn, kè sông, kè biển, v.v… cho thấy, hầu hết những công trình chịu tác động của các tác nhân xâm thực chỉ sau một thời gian đưa vào sử dụng đã thấy dấu hiệu của xâm thực bê tông và cốt thép, (bề mặt bê tông bị thấm tiết vôi, bị rỗ, bê tông dọc theo

công trình chỉ sau khoảng 10 năm đi vào hoạt động BT và BTCT đã bị xâm thực nghiêm trọng, cường độ bê tông bị suy giảm đáng kể Kết cấu cửa van, cửa van

bảo vệ cốt thép tối thiểu a ≥ 5cm thì mới chống được xâm thực Vấn đề đặt ra là: các kết cấu trên vì yêu cầu của lớp bảo vệ cốt thép như vậy sẽ không đảm bảo được chiều dày thiết kế ví dụ cửa van cống bằng bê tông cốt thép, thành của đập xà lan

di động chỉ có chiều dầy từ 10 đến 15 cm

Do vậy, nhằm làm giảm chiều dày của kết cấu thì việc nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối bê tông cường độ cao (mác tới 70MPa) sử dụng trong các kết cấu đặc biệt cho công trình thủy lợi giữ ngọt ngăn mặn, vùng chua phèn là rất cần thiết

Bê tông cường độ cao là loại bê tông phải đảm bảo 3 yêu cầu: Có cường độ

bê tông thường gồm có cốt liệu lớn (sỏi, đá dăm), cốt liệu nhỏ (cát), chất kết dính, nước, phụ gia siêu dẻo và phụ gia khoáng hoạt tính

Việc sử dụng phụ gia siêu dẻo cho phép giảm tỷ lệ N/X trong khi vẫn đảm bảo bê tông có độ lưu động cao, dễ tạo hình lèn chặt, bên cạnh đó phụ gia khoáng hoạt tính cao có trong bê tông cho phép giảm lượng dùng xi măng cải thiện tính cộng tác của hỗn hợp bê tông, tăng độ đặc chắc, tăng cường độ và độ bền lâu của

bê tông

Phụ gia khoáng Silicafume là loại phụ gia khoáng hoạt tính cao siêu mịn Có khả năng đặc biệt làm tăng mạnh cường độ của bê tông Hiện nay trên thế giới, sự

có mặt của Silicafume trong bê tông đã nâng giới hạn cường độ nén của bê tông từ

lai gần Ngoài khả năng tăng cường độ, sự có mặt của Silicafume trong bê tông còn tạo ra một loạt giá trị gia tăng khác làm cho việc sử dụng vật liệu bê tông ngày càng trở lên hiệu quả hơn Đây là loại phụ gia khoáng có hoạt tính cao phù hợp với

còn cao phần nào làm hạn chế việc sử dụng phụ gia này

Phụ gia khoáng hoạt tính tro bay nhiệt điện, trung bình, mỗi ngày nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 (Hải Dương) thải ra 3000 tấn tro xỉ, trong đó khoảng 20 – 30

% là than chưa cháy, còn lại là tro bay rất mịn Do hàm lượng than chưa cháy thấp nên khó tận thu làm nhiên liệu đốt, mà thường được thải thẳng ra hồ chứa Cùng với lượng tro xỉ tương đương của nhiệt điện Phả Lại 1, mỗi ngày 2 nhà máy này đang xả lượng chất thải khổng lồ vào môi trường Theo dự báo đến năm 2020 sẽ có thêm 28 nhà máy nhiệt điện đốt than đi vào hoạt động Lúc đó, lượng tro xỉ thải ra hàng năm vào khoảng 60 triệu tấn Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng loại vật liệu này đang được xúc tiến mạnh mẽ, Trong những năm qua, đã có nhiều kết quả của các công trình khoa học nghiên cứu về ứng dụng tro tuyển Phả Lại và Silicafume trong bê tông đã đem lại kết quả tốt, tạo ra các loại bê tông đặc biệt, với tính chất đặc trưng Tuy nhiên khả năng của 2 loại phụ gia này trong việc cải thiện các tính chất của bê tông cường độ cao còn phải tiếp tục nghiên cứu Vì vậy luận văn đã đi nghiên cứu và ứng dụng hỗn hợp phụ gia khoáng 2 thành phần tro tuyển

Phả Lại và Silicafume trong bê tông cường độ cao để tạo ra loại bê tông cường độ cao đáp ứng nhu cầu ngày cao của ngành xây dựng dân dụng, công nghiệp, giao

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

bê tông cường độ cao đến 70MPa sử dụng cho các kết cấu đặc biệt trong công trình thủy lợi (Kết cấu cửa van, kết cấu chống mài mòn, công trình ven biển, mố tiêu năng, bê tông sửa chữa…)

III CƠ SỞ KHOA HỌC

Việc nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao dựa trên một số cơ sở:

 Nâng cao chất lượng cấu trúc vĩ mô

Cốt liệu phải được chọn từ các loại đá có độ đặc chắc cao, cường độ lớn và quan trọng là có độ ổn định và đồng đều chất lượng cao Để đảm bảo điều này thì

tiến hành khảo sát và nghiên cứu

Thành phần hạt cốt liệu phải hợp lý đảm bảo độ rỗng nhỏ nhất, độ đặc cao nhất, cấu trúc hỗn hợp ổn định và có cường độ cao Hình dạng hạt cốt liệu đồng đều, hàm lượng hạt thoi, dẹt có cường độ yếu ít sẽ tạo khung cấu trúc ổn định, tạo thuận lợi khi thi công

Thiết kế cấp phối bê tông tối ưu bằng việc sử dụng thành phần các nguyên vật liệu hợp lý kết hợp với các biện pháp thi công phù hợp sẽ nâng cao cường độ cũng như đảm bảo các tính chất yêu cầu của bê tông Ngoài ra có thể sử dụng biện pháp dưỡng hộ đặc biệt nhằm đảm bảo cho quá trình phát triển cường độ của bê tông diễn ra thuận lợi, qua đó nâng cao cường độ bê tông

 Nâng cao chất lượng cấu trúc vi mô

Xi măng là thành phần quan trọng góp phần tạo nên cường độ của bê tông

Hồ xi măng đóng vai trò là chất kết dính, liên kết các hạt cốt liệu rời rạc Hoạt tính của xi măng càng cao thì bê tông có cường độ càng cao Do đó, việc sử dụng xi măng mác cao trong thiết kế thành phần của bê tông là cần thiết

Việc sử dụng các loại xi măng cường độ cao đồng thời sử dụng các loại phụ gia khoáng hoạt tính, phụ gia siêu mịn sẽ làm tăng độ đặc của đá, chất kết dính do sản phẩm thủy hóa xi măng lớn lấp đầy lỗ rỗng Hàm lượng lỗ rỗng trong cấu trúc

đá xi măng rất nhỏ sẽ làm tăng cường độ kéo, cường độ nén và tính mềm dẻo cho

bê tông

Phụ gia siêu dẻo giúp cho hỗn hợp bê tông có tỷ lệ N/CKD nhỏ nhưng vẫn đảm bảo tính công tác, kiểm soát được quá trình vận chuyển, đổ khuôn Lượng nước gần như chỉ đủ để thủy hóa nên hàm lượng lỗ rỗng trong cấu trúc đá chất kết dính và đá bê tông giảm tối thiểu, lỗ rỗng có kích thước rất nhỏ Các khoáng silicát được thủy hóa triệt để

IV CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.Cách tiếp cận

- Dựa trên tình hình nhu cầu cụ thể ứng dụng bê tông mác cao tại Việt Nam, và các tài liệu trong và ngoài nước liên quan để đề ra mục tiêu và hướng nghiên cứu

2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tiêu chuẩn: Khảo sát các tính chất của vật liệu, tính chất của

vữa và bê tông theo TCVN, TCXDVN, TCN, ASTM…

- Phương pháp phi tiêu chuẩn: Sử dụng một số phương pháp thí nghiệm tự

đề xuất để nghiên cứu

- Dùng phương pháp quy hoạch thực nghiệm: để nghiên cứu ảnh hưởng của

các yếu tố thành phần đến các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông

V DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

- Thí nghiệm các tính chất và chỉ tiêu cơ lý của vật liệu trên

- Thiết kế được thành phần cấp phối bê tông và bê tông có cường độ tới 70MPa

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM

1.1 K hái niệm về bê tông cường độ cao

Cho đến nay bê tông đã trở thành một loại vật liệu không thể thiếu trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, các công trình giao thông và thuỷ lợi cũng như nhiều công trình xây dựng khác Các yêu cầu về chủng loại cũng như chất lượng đối với bê tông cũng ngày được nâng cao Một trong các yêu cầu đó là yêu cầu về cường độ của bê tông

Cường độ chịu nén là một trong những tính chất cơ lý quan trọng của bê tông

và là cơ sở thiết kế các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép Tính toán lý thuyết cũng như thực tế sử dụng cho thấy nâng cao cường độ bê tông sử dụng trong các kết cấu

bê tông cốt thép giúp nâng cao hiệu quả sử dụng của bê tông và mở ra hướng sử dụng bê tông trong các kết cấu đặc biệt

Hướng nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ cao đã được tập trung phát triển trên thế giới từ những năm giữa thế kỷ XX và đạt được những thành tựu đáng

kể Đồ thị trên hình 1.1 cho thấy cường độ bê tông sử dụng ngày càng được nâng cao Khái niệm bê tông cường độ cao cũng ngày càng được mở rộng

Hình 1.1: Các giai đoạn phát triển của công nghệ bê tông trên thế giới [2, 7]

0 20 40 60 80 100

Hiện nay các nước trong cộng đồng chung Châu Âu thống nhất coi bê tông C67 trở lên (cường độ nén trung bình ở tuổi 28 ngày đạt 85 -90 MPa) là bê tông cường độ cao, cũng trong tiêu chuẩn này người ta phân loại bê tông đến cấp C115 (độ nén trung bình ở tuổi 28 ngày khoảng 150MPa)

Ở Liên Bang Nga bê tông B50 được coi là bê tông cường độ cao [2, 7] Tuy nhiên ở Nga người ta mới chỉ phân loại cho bê tông B80 [2, 10]

Năm 1980, trong hội thảo ở Chicago, bê tông cường độ cao được xem là các loại bê tông có cường độ ở độ tuổi 28 ngày đạt 46 MPa đến 76 MPa Trong khi đó theo hiệp hội kỹ sư Xây dựng Nhật Bản, bê tông được coi là có cường độ cao là khi cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày nằm trong phạm vi từ 60 – 80 MPa

Theo quan điểm của Pháp, bê tông cường độ cao là bê tông có phụ gia giảm nước và cường độ nén từ 50 – 80 MPa Bê tông cường độ rất cao là bê tông có thêm phụ gia giảm nước và có độ nén trên 80MPa Theo định nghĩa của viện bê tông Mỹ

tạo trên cơ sở các vật liệu truyền thống

Trong quy phạm kết cấu bê tông Úc (AS 3600) định nghĩa bê tông cường độ thường là bê tông có cường độ đặc trưng của mẫu trụ ở tuổi 28 ngày nhỏ hơn hoặc bằng 50 MPa, bê tông cường độ cao theo định nghĩa này là các loại bê tông có cường độ trên 50 MPa

Còn theo quan điểm của FIP-CEB 1990 bê tông cường độ cao là bê tông có cường độ từ 60 MPa trở lên

Như vậy không tồn tại một giá trị cố định về cường độ để bê tông được đánh giá là có cường độ cao Tuy nhiên có thể thấy rằng, bê tông với cường độ chịu nén

rãi

Theo Mailer, chất lượng của bê tông phụ thuộc vào độ đặc chắc của nó Bê tông càng đặc chắc thì cường độ và khả năng chống thấm càng cao, độ bền lâu càng lớn Độ đặc chắc của bê tông tỷ lệ nghịch với tỷ lệ N/XM Do đó bê tông có tỷ lệ N/XM càng thấp chất lượng càng cao với điều kiện là khi tạo hình hỗn hợp bê tông phải được sự lèn chặt

So với bê tông thông dụng, trong thành phần bê tông chất lượng cao còn có một cấu tử không thể thiếu là phụ gia siêu dẻo, được dùng để cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông mà không cần tăng lượng nước nhào trộn Theo Aitcin, tỷ lệ N/XM = 0,4 là giá trị để phân biệt giữa bê tông thông dụng và bê tông cường độ cao Với tỷ lệ N/XM < 0,4 sẽ không thể chế tạo được bê tông lưu động nếu như không sử dụng phụ gia siêu dẻo Hơn nữa, tỷ lệ N/XM này rất gần với giá trị tỷ lệ N/XM lý thuyết cần thiết để xi măng thủy hóa hoàn toàn Một thành phần khác thường được sử dụng trong bê tông cường độ cao là phụ gia khoáng hoạt tính có tác dụng giảm lượng dùng xi măng, cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông, tăng độ đặc chắc và độ bền của bê tông

Các nguyên tắc để chế tạo bê tông cường độ cao:

phẩm thủy hóa và giảm kích thước lỗ rỗng Các lỗ rỗng trong đá xi măng có kích thước lớn hớn 50µm, nhất là khi chúng tập trung tại một khu vực sẽ có ảnh hưởng rất xấu đến cường độ của bê tông

đồng nhất vi cấu trúc

giảm tỷ lệ N/XM, dùng phụ gia siêu mịn silicafume, sử dụng cốt liệu bé hơn để phân bố nước đồng đều

Hiện nay, bê tông cường độ cao đã và đang được sử dụng rất nhiều trong các công trình như: nhà cao tầng, cầu nhịp lớn, đường băng sân bay, đường cao tốc và các kết cấu công trình biển, công trình thủy lợi

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ cao trên thế giới

Từ những năm 70 của thế kỷ XX, bê tông cường độ cao được các nước phát triển rất quan tâm nghiên cứu và ứng dụng Các nghiên cứu về công nghệ bê tông cường độ cao được công bố từ trước những năm 80 Một số quốc gia coi đây là chương trình trọng điểm, là yếu tố đảm bảo việc phát triển ngành xây dựng, thủy

lợi và giao thông Chính phủ các nước này đã thành lập và tài trợ cho một số tổ chức với mục đính nghiên cứu, đánh giá và phát triển công nghệ bê tông cường độ cao Cho đến nay trên thế giới các tổ chức chuyên nghiên cứu về bê tông có cường

độ cao vẫn hoạt động có hiệu quả và ngày càng phát triển Các nước đầu tiên thành lập được các tổ chức nghiên cứu về bê tông cường độ cao, và vẫn đang hoạt động cho tới nay bao gồm Canađa, Pháp, Trung Quốc, Mỹ và một số quốc gia khác

Ở Canađa, từ năm 1990, Chính Phủ đã cho thành lập tổ chức Chuyên nghiên cứu về bê tông cường độ cao có trụ sở đặt tại Trường đại học University of Shebrooke Các nghiên cứu cho phép chế tạo bê tông với cường độ nén tuổi 28 ngày đạt tới 120 MPa Các kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng trong xây dựng nhà cao tầng, dầm cầu có nhịp lớn, mặt đường cao tốc…

Ở Trung Quốc bê tông cường độ cao với cường độ nén ở tuổi 28 ngày đạt 70

chóng sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nhà cao tầng (trên 20 tầng), cầu vượt sông dành cho đường sắt,… Trong các công trình này, bê tông sử dụng có cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày đạt từ 50 – 80 MPa, phổ biến nhất là 60 MPa

Ở Pháp chương trình quốc gia mang tên “Những hướng đi mới cho bê tông”

đã được thành lập từ năm 1986 Đây là chương trình liên kết giữa 30 hội viên của ngành công nghiệp bê tông và viện nghiên cứu Một trong những kết quả mà chương trình này mang lại là việc ứng dụng bê tông cường độ cao vào xây dựng cây cầu Joigny Bridge Đây là lần đầu tiên bê tông cường độ cao được sử dụng cho một công trình cầu trên biển nhờ đó mà chiều dài kết cấu nhịp có thể đạt tời 150m [10]

Từ những năm 90 trở lại đây có nhiều công trình tầm cỡ quốc gia tại Mỹ nghiên cứu về công nghệ và các tính chất cơ lý của bê tông cường độ cao Đặc biệt

là dự án nghiên cứu về xi măng cường độ cao để chế tạo bê tông cường độ cao của

nghiên cứu về bê tông cường độ cao dùng cho đường ô tô cao tốc của Strategic

Nhìn chung, ở những nước phát triển bê tông cường độ cao được sử dụng nhiều trong xây dựng nhà cao tầng, cầu và kết cấu đặc biệt như cảng nổi, tháp truyền hình Trong xây dựng bê tông cường độ cao được dùng cho các kết cấu cột của nhà cao tầng Từ năm 1965 ở Chicago đã khởi công nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ 51,7 MPa cho cột nhà cao 50 tầng trở lên Đến năm 1972 rất nhiều công trình nhà cao tầng đã được xây dựng với các cột sử dụng bê tông với cường độ chịu nén thiết kế là 62 MPa Năm 1976 trong công trình River Plaza đã sử dụng bê tông cường độ cao 75,8 MPa vào năm 1986 một số ngôi nhà ở trung tâm Chicago thi công bê tông có cường độ 82,8 Mpa và cột của 6 tầng dưới nhà Ras-Ionton có cường độ nén trên 96,5 MPa Toà tháp đôi Petronas cao 452m đó sử dụng bê tông cấp C60 và C80 để thi công các kết cấu dầm và cột Một số công trình đã sử dụng

bê tông cường độ cao có cường độ từ 40 – 60 MPa được liệt kê trong bảng 1.1 [20]

Bảng 1.1: Một số công trình sử dụng bê tông cường độ cao

TT Tên công trình Địa điểm Năm Số tầng Cường độ bê

tông, MPa

Nhìn chung giai đoạn những năm 80 của thời kỳ đánh dấu bước phát triển mới của bê tông cường độ cao Trong những năm trước đó, cường độ bê tông sử dụng cho công trình chủ yếu đạt mức 40 – 60 MPa Trong những năm sau này bê tông cường độ cao đã đạt được bước phát triển mới trong nghiên cứu và ứng dụng

Bê tông với cường độ trên 60 MPa đã được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều công trình (bảng 1.2.)

Bảng 1.2: Một số công trình sử dụng bê tông cường độ cao

TT Tên công trình Địa điểm Năm Số tầng Cường độ bê

tông, MPa

lực, tăng không gian sử dụng trong công trình nhà cao tầng Tuy nhiên cùng với quá trình phát triển và nhu cầu của các ngành công nghiệp, bê tông cường độ cao đang càng ngày được sử dụng rộng rãi trong thi công các công trình giao thông, thủy lợi quan trọng

Bê tông cường độ cao được sử dụng nhiều nhất trong các dầm cầu có khẩu

độ lớn, các dầm bê tông dự ứng lực, các kết cấu neo của cầu treo với nhịp lớn Ở Nhật Bản cầu Akaski – Kaikio có chiều dài nhịp kỷ lục thế giới là 1991m Một số cầu đường sắt được đúc bằng bê tông có cường độ tới 76 MPa trong khi đó một số nơi ở Mỹ như Huntington, West Virginia, Ohio bê tông cường độ cao dùng cho cầu

có cường độ nén đạt 55 MPa Một số cầu ở Nhật Bản được thi công bằng bê tông

cường độ cao được liệt kê trong bảng 1.3 [18]

Bảng 1.3: Một số cầu được thi công bằng bê tông cường độ cao ở Nhật Bản

TT Tên công trình Loại đường Năm Nhịp,

(m)

Cường độ bê tông, MPa

Bảng 1.4: Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Mỹ

TT Tên công trình Địa điểm Năm Nhịp,

m

Cường độ bê tông, MPa

Theo [18], ở Mỹ, Nếu trước những năm 80, bê tông cường độ cao được sử dụng chủ yếu trong xây dựng nhà cao tầng thì sau những năm 80 trở lại đây, bê tông cường độ cao được coi như một loại vật liệu không thể thiếu trong ngành xây dựng cầu đường Cùng với việc sử dụng bê tông cường độ cao, các kết cấu với nhịp dài vài trăm mét đã được ứng dụng trong các công trình cầu điển hình ở Mỹ có sử dụng

bê tông cường độ cao

Ở pháp, bê tông có cường độ 60MPa lần đầu tiên được sử dụng để xây dựng cầu Joigny sau đó loại bê tông này trở thành sự lựa chọn cho một loạt các cầu khác, một số cầu điển hình sử dụng bê tông có cường độ 60 MPa được trình bày trong bảng 1.5

Bảng 1.5: Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Pháp

Ở Na Uy, việc sử dụng bê tông cường độ cao có tỷ lệ N/X nhỏ hơn 0,4 được

phổ biến từ sau năm 1989 cho rất nhiều các cầu đường bộ (bảng 1.6.)

Bảng 1.6: Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Na Uy

Năm 1995 trên biển Bắc, đế giàn khoan khai thác dầu Troll bằng bê tông cốt thép cao 370m đã sử dụng bê tông cấp C80 (105MPa) với khối lượng khoảng 245.000m3 [28] Ở Thượng Hải cũng sử dụng bê tông cường độ 60 MPa để xây dựng tháp truyền hình

Từ những phân tích trên cho thấy bê tông cường độ cao được sử dụng hầu hết trong các kết cấu xây dựng như: Kết cấu chịu lực của nhà cao tầng, dầm cầu có khẩu độ lớn, các công trình thủy lợi ngoài biển và trong các điều kiện làm việc rất khác nhau

1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ cao tại Việt Nam

Ở Việt Nam trong giai đoạn trước 1990, bê tông trong các kết cấu bê tông cốt thép thường dùng có cường độ là 20MPa Đến năm 1990 các kết cấu bê tông cốt thép chủ yếu sử dụng bê tông có cường độ đến 30 MPa Một số công trình đặc biệt quan trọng dùng bê tông có cường độ đến 40 MPa như Lăng Chủ Tịch Hồ Chí Minh, Khách sạn Thăng Long 11 tầng, cầu Thăng Long, cầu Chương Dương Cho tới nay cường độ bê tông trung bình được sử dụng phổ biến trong các công trình đã được nâng cao đáng kể Trong đó, các công trình vốn nước ngoài hoặc

do nước ngoài đầu tư và các công trình giao thông là khu vực đi đầu trong việc sử dụng bê tông có cường độ cao đến 60 MPa

Các nhà máy xi măng Tam Điệp, Hải Phòng mới được thiết kế theo công nghệ của Đan Mạch đều dùng bê tông cấp A, B, C hay C45, C40 và C35 – tương đương bê tông mác M60 (60 MPa), M50 (50MPa) và M40 (40MPa) của Việt Nam Một số công trình nhà cao tầng do nước ngoài đầu tư đã sử dụng bê tông cường độ cao mác M50 cho kết cấu chịu lực như khách sạn Lê Lai 14 tầng ở Thành Phố Hồ Chí Minh do Hồng Kông đầu tư xây dựng Công ty Quen Hing Hồng Kông cung cấp hỗn hợp bê tông trong đó sử dụng xi măng Yu Feng Brand Trung Quốc Công trình Hà Nội Tower Center do công ty Sanyong làm chủ thầu, hỗn hợp bê tông do công ty bê tông Chèm cung cấp Một số cầu vượt sông được xây dựng mới gần đây

các kết cấu chịu lực chính như trụ, dầm dự ứng lực

Một số bộ phận kết cấu công trình thủy lợi được xây dựng gần đây như cửa

Ngọc Hùng Nghĩa Hưng – Nam Định do Viện Thủy Công thiết kế cũng được sử dụng bê tông cường độ cao

Để đáp ứng nhu cầu ngày một gia tăng, các nghiên cứu phục vụ sản xuất bê tông cường độ cao trên cơ sở vật liệu hiện có của Việt Nam đã trở thành một trong các hướng trọng tâm của ngành xây dựng Việt Nam nói chung và của ngành công nghiệp bê tông nói riêng

Theo hướng này một số nhóm tác giả đã triển khai nghiên cứu khả năng chế tạo bê tông cường độ cao ở Việt Nam [2, 7, 9, 10] Bước đầu, các tác giả đã khẳng định được khả năng sử dụng nguồn nguyên vật liệu trong nước để chế tạo loại bê tông này Tuy nhiên, nguyên vật liệu hiện có để chế tạo bê tông cường độ cao như

xi măng, phụ gia khoáng hoạt tính, phụ gia siêu dẻo, cốt liệu phải đáp ứng yêu cầu chất lượng cao hơn so với bê tông thông thường

Để chế tạo bê tông cường độ cao cần phải có xi măng cường độ cao Tuy nhiên trong điều kiện Việt Nam loại xi măng phổ biến trên thị trường hiện nay là PC40 và PCB40 nên việc nghiên cứu sử dụng loại xi măng này để chế tạo bê tông cường độ cao là bước đi rất cần thiết Theo [9, 10], có thể dùng xi măng PC40 hoặc PCB40 thoả mãn tiêu chuẩn TCVN 2682:1999 và TCVN 6260:1997 do các nhà máy xi măng sản xuất như xi măng Bút Sơn, Hoàng Thạch, Nghi Sơn hay Chinfon

để chế tạo bê tông cường độ cao

chế tạo bê tông cường độ cao Hiện nay, trên thị trường Việt Nam có các loại phụ gia giảm nước do các công ty nước ngoài, liên doanh và trong nước sản xuất đang được sử dụng rộng rãi Các loại phụ gia giảm nước có thành phần chính là ligno sunfonat (LS), melamin fomandehit sunfonic (MFS), naphtalen fomandehit sunfonic (NFS), ponycacboxylat (PC), và một số gốc khác

Phụ gia khoáng hoạt tính có tác dụng làm tăng cường độ của bê tông theo hai

cơ chế Thứ nhất, các hạt khoáng siêu mịn lấp đầy các lỗ trống giữa các hạt xi măng

tham gia phản ứng với Ca(OH)2hình thành trong quá trình thuỷ hoá của xi măng để tạo thành các dạng CHS có độ bazơ thấp, cường độ cao Ngoài ra, việc sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính còn góp phần bổ xung lượng hạt mịn trong hỗn hợp bê tông, giúp cải thiện độ lưu động của hỗn hợp

Các loại phụ gia khoáng hoạt tính mịn hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các công trình gồm các sản phẩm nhập ngoại và trong nước sản xuất bao gồm silica fume, Micros-T, Metakaolanh, tro bay tuyển Phả Lại, xỉ hoạt hoá lò cao Thái Nguyên, và một số loại Puzolan khác

Cốt liệu trong bê tông cường độ cao cần phải có cường độ cao và thành phần cấp phối hạt hợp lý tạo thành bộ khung chịu lực đặc chắc Do vậy, cốt liệu lớn phải

có nguồn gốc từ các loại đá phún xuất phun trào hoặc xâm nhập có cường độ cao như loại đá granit, đá bazan hay đá macma nghiền từ đá nguyên khai đến cỡ hạt hợp

lý Đây là các loại đá có cường độ lớn hơn 100MPa phù hợp cho chế tạo bê tông cường độ cao

Những phân tích trên đây cho thấy các loại vật liệu hiện có trên thị trường xây dựng Việt Nam có thể sử dụng để chế tạo bê tông cường độ cao

1.4 Ưu nhược điểm của bê tông cường độ cao

a) Ưu điểm: Ngoài việc nâng cao cường độ của bê tông, bê tông cường độ

cao còn nâng cao các tính chất khác của bê tông:

thấm nước và khí

phá hoại mạnh, thì nó phải khuyếch tán vào trong bê tông Nhưng khả năng chống thấm nước và thấm khí của bê tông cường độ cao tăng nên đã hạn chế xâm thực của chúng

độ dính bám tăng theo mức độ tăng mác bê tông

đàn hồi của bê tông phụ thuộc vào môđun đàn hồi của đá xi măng và môđun đàn hồi của cốt liệu Mà ta biết rằng môđun đàn hồi của đá xi măng được cải thiện đáng kể

bởi độ đặc chắc của đá xi măng trong bê tông cường độ cao Vì thế môđun đàn hồi của bê tông cường độ cao lớn hơn so với bê tông thường Một số nhà nghiên cứu thực nghiệm đã xác nhận môđun đàn hồi của bê tông thường mác M40 vào khoảng

cường độ cao mác M60 ÷ M70 từ biến nhiệt ẩm thấp hơn bê tông thường, biến dạng

do tải trọng dài ngày cũng thấp chỉ bằng 0,5 lần của bê tông thường

với bê tông cường độ cao M60÷M70 cho thấy độ mở của vết nứt giảm so với bê tông thường ở cùng giá trị ứng suất thử

môi trường như:

tiết diện, tăng độ bền cho cấu kiện

chế của bê tông thường khi thi công các kết cấu khó áp dụng các biện pháp chấn động Một số kết quả nghiên cứu đã khẳng định rằng bê tông có độ lưu động lớn đã đạt được các chỉ tiêu ưu việt là nhờ vào tính chảy dẻo cao không phân tầng và trọng lượng bản thân bê tông có khả năng tự lấp đầy và làm đầy mọi góc cạnh của khuôn kết cấu khi đạt độ chảy yêu cầu ( ≥ 600mm) mà không cần bất kỳ biện pháp gia công chấn động nào trong suốt quá trình thi công

nguyên liệu thiên nhiên một cách hữu ích hơn, tiết kiệm hơn, mặt khác nó giảm thiểu được ô nhiễm tiếng ồn do gia công chấn động với những kết cấu sử dụng bê tông có độ chảy cao

- Sử dụng bê tông cường độ cao tổng giá thành của công trình giảm trên 10% Chính vì vậy việc sử dụng bê tông cường độ cao đem lại hiệu quả rõ ràng cả trên khía cạnh kỹ thuật, kinh tế cũng như môi trường

b) Nhược điểm: Do hiện nay trong tính toán kết cấu các công trình chưa đưa

được các ưu điểm của bê tông cường độ cao dẫn đến khi đưa vào trong các công trình thì giá thành của bê tông tăng lên đáng kể so với bê tông thông thường, điều này dẫn đến quá trình đưa bê tông cường độ cao vào các công trình gặp nhiều khó

khăn

1.5 Thành phần và cấu trúc của bê tông cường độ cao

Bê tông cường độ cao ngoài các thành phần chính là cốt liệu (cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ), xi măng, nước còn có phụ gia siêu dẻo và phụ gia khoáng hoạt tính cao

Sử dụng phụ gia siêu dẻo cho phép giảm tỷ lệ N/X từ đó cải thiện được cấu trúc của bê tông sau rắn chắc trong khi vẫn đảm bảo hỗn hợp bê tông có độ lưu động cao, dễ dàng được nèn chặt khi tạo hình Sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính cho phép cải thiện một số tính chất của hỗn hợp bê tông, tăng cường độ bê tông

Căn cứ vào khái niệm về bê tông, các nhà nghiên cứu cho rằng để chế tạo bê tông cường độ cao theo hướng sử dụng phụ gia siêu dẻo với phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn cần chú ý một số điểm sau:

+ Cốt liệu nên chọn loại có cường độ cao, thành phần cấp phối hạt tối ưu, kích thước lớn nhất của cốt lớn thường nhỏ hơn so với bê tông thông thường Cốt

C33

+ Do lượng chất kết dính cao, nên khả năng nứt nhiệt tăng Do vậy để ngăn chặn khả năng này người ta thường sử dụng thêm các phụ gia khoáng như tro bay (loại F và C), xỉ lò cao nghiền mịn, Silicafume, mê ta cao lanh hay các loại puzolan thiên nhiên

+ Hỗn hợp bê tông cường độ cao cần có tỷ lệ N/CKD thấp, tỷ lệ này nằm trong khoảng 0,22 ÷ 0,35, để đạt được tỷ lệ này cần phải sử dụng các phụ gia giảm nước tầm cao (hay phụ gia siêu dẻo) thoả mãn các yêu cầu của loại F và G trong tiêu chuẩn ASTM C494

+ Tổng lượng chất kết dính sử dụng trong bê tông cường độ cao nằm trong

+ Ngoài ra, cần hạn chế hàm lượng bọt khí trong bê tông càng thấp càng tốt Theo nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới trong các căn cứ vật lý chính để chế tạo bê tông cường độ cao là:

+ Sử dụng xi măng có cường độ cao Tăng lượng dùng chất kết dính tối đa và giảm lượng dùng nước xuống tối thiểu (hạ thẩp tỷ lệ N/X)

tạp chất (rửa sạch);

+Sử dụng các loại phụ gia giảm nước tầm cao

+Sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính phụ gia siêu mịn

+Tăng khả năng liên kết giữa cốt liệu và đá xi măng

+Sử dụng các biện pháp thi công tốt

Mục tiêu của các nghiên cứu hiện đại là nhằm cải thiện cấu trúc của đá xi măng để đạt được đến độ rỗng đá xi măng nhỏ nhất, đồng thời cải thiện cấu trúc chung để bê tông có độ rỗng nhỏ nhất khi đó bê tông sẽ có cường độ lớn nhất Các phương pháp chủ yếu để cải thiện cấu trúc đá xi măng hiện nay là: làm đặc đá xi măng bằng cách giảm lượng nước tự do (giảm tỷ lệ N/X) nhờ phụ gia siêu dẻo hay các biện pháp dung ép đặc biệt trong quá trình tạo hình

Về mặt cấu trúc bê tông xi măng pooclăng là một loại vật liệu không đồng nhất và rỗng Lực liên kết giữa các hạt cốt liệu (cát, đá) được tạo ra do hồ xi măng rắn chắc Độ rỗng của vữa xi măng pooclăng là 25 – 30% về thể tích khi tỷ lệ N/X = 0,5 Thể tích rỗng này bao gồm: Lỗ rỗng của cấu trúc C-S-H, lỗ rỗng mao quản, bọt khí, khe rỗng hạt cốt liệu Các lỗ rỗng ảnh hưởng rất lớn tới tính bền của cấu trúc bê tông Các lỗ rỗng này tồn tại dưới hai dạng: lỗ rỗng mao quản và lỗ rỗng gel

Lỗ rỗng mao quản được tạo ra do lượng nước tự do bay hơi sau khi bê tông rắn chắc Để hạn chế loại lỗ rỗng này trong bê tông thì tỷ lệ N/X là một vấn đề khó Trong bê tông cường độ cao tỷ lệ N/X được hạn chế dưới 0,35 bằng cách kết hợp sử dụng phụ gia siêu dẻo để giải quyết tính công tác cho bê tông

Bằng cách sử dụng sản phẩm phụ gia khoáng mịn (muội silic, tro bay) có thể cải thiện tốt cấu trúc của đá xi măng Trước hết các sản phẩm này đóng vai trò là các hạt mịn, lượng hạt này sẽ lấp đầy các lỗ rỗng mà các hạt xi măng không lọt vào

được Mặt khác các hạt này còn chống vón các hạt xi măng, phân tán các hạt xi măng làm cho xi măng dễ thuỷ hoá, làm tăng tỷ lệ hạt xi măng được thuỷ hoá Đồng thời trong quá trình thuỷ hoá, chúng tạo ra các trung tâm kết tinh cho sản phẩm thuỷ

trong bê tông do các phản ứng thuỷ hoá clanhke xi măng, tạo ra một lượng đáng kể sản phẩm dạng CSH làm tăng độ đặc đá xi măng

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Ph ương pháp nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu, đề tài đã sử dụng các phương pháp thí nghiệm phân tích hoá lý, cơ lý theo tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn để đánh giá, lựa chọn nguyên vật liệu và nghiên cứu tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông Ngoài ra còn sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của một số nhân tố đến các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông

2.1.1 Các phương pháp nghiên cứu tính chất vật liệu sử dụng

Các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn được sử dụng để xác định các tính chất kỹ thuật của vật liệu sử dụng trong nghiên cứu cũng như các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông Các nghiên cứu này được tiến hành nhằm thu thập thông tin cần thiết trên cơ sở đó lựa chọn nguyên vật liệu sử dụng và đánh giá ảnh hưởng của các nguyên liệu thành phần tới các tính chất cần quan tâm của đối tượng nghiên cứu Các thí nghiệm được sử dụng chủ yếu dựa theo tiêu chuẩn Việt Nam Một số thí nghiệm chưa có trong tiêu chuẩn Việt Nam được thực hiện theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM Danh mục các thí nghiệm theo tiêu chuẩn sử dụng trong nghiên cứu được thống kê trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Các thí nghiệm theo tiêu chuẩn sử dụng nghiên cứu tính chất vật liệu

STT Tên thí nghiệm Tiêu chuẩn

8

Khối lượng riêng, khối lượng thể tích (trạng thái khô và

trạng thái bão hòa), độ hút nước của cốt liệu Phương

pháp thử

TCVN 7572-4:06

2.1.2 Các phương pháp nghiên cứu tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông cường độ cao

Khi nghiên cứu các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông hạt mịn, đề tài

đã sử dụng các phương pháp tiêu chuẩn của Việt Nam và nước ngoài Danh mục các tiêu chuẩn được thống kê ở bảng 2.2

Bảng 2.2: Các thí nghiệm theo tiêu chuẩn nghiên cứu tính chất của hỗn hợp bê tông

và bê tông

18 Bê tông nặng Phương pháp xác định độ mài mòn TCVN 3114:93

Ngoài ra đề tài còn sử dụng một số phương pháp khác chưa được tiêu chuẩn hóa để xác định tính công tác của hỗn hợp bê tông cường độ cao là:

 Phương pháp thử độ chảy xoè - Slump flow test

Độ chảy xoè được dùng để đánh giá dòng chảy tự do của bê tông tự lèn theo phương nằm ngang mà không có vật cản (cốt thép) Nó là ứng dụng đầu tiên tại Nhật Bản cho việc đánh giá bê tông đổ dưới nước Phương pháp thử dựa trên phương pháp thử độ sụt Đây là phép thử đơn giản, thông dụng và cho đánh giá tốt

về khả năng làm đầy Nó không cho biết khả năng của bê tông vượt qua các thanh cốt thép mà không bị tắc nghẽn, nhưng lại đưa ra chỉ báo về sự chống phân tầng

Hình 2.1: D ụng cụ để xác định độ chảy xòe của hỗn hợp bê tông tự đầm

Thiết bị thí nghiệm bao gồm:

• Côn Abrams với kích thước đường kính đáy là 100 mm và đường kính miệng công là 200 mm, chiều cao 300 mm, được trình bày trong hình 2.1

• Tấm đế có cạnh nhỏ nhất là 900 mm với điểm đánh dấu tâm hình trong và vòng tròn đường kính 500 mm

• Bay xúc; xẻng; thước dây và đồng hồ bấm giây

Qui trình thực hiện thí nghiệm như sau:

- Lấy 8 lít bê tông để thí nghiệm

đến vòng chu vi 500 mm Ghi lại thời gian T50

- Đo đường kính cuối cùng theo 2 phương thẳng góc (D1 và D2)

Kết quả thí nghiệm có thể được đánh giá như sau:

- Giá trị độ chảy xoè càng cao, khả năng làm đầy ván khuôn dưới trọng lượng thân càng lớn Giá trị yêu cầu cho bê tông tự lèn ít nhất là 600 mm

thấp nói lên khả năng chảy càng cao Các nghiên cứu của châu Âu khuyến cáo thời gian từ 3 - 7 giây là chấp nhận

hồ xi măng sẽ tách ra ở mép chu vi bê tông

 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm [ Phụ lục 1]

Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tỷ lệ vật liệu thành phần đến tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông cường độ cao, đề tài đã sử dụng phương pháp toán quy hoạch thực nghiệm để nghiên cứu

Nội dung của quy hoạch thực nghiệm là áp dụng các phương pháp toán học, đặc biệt là phương pháp bình phương bé nhất, lý thuyết thống kê toán, và lý thuyết quy hoạch toán học để lập các phương án thí nghiệm nhằm thu được các số liệu cần

thiết về một hệ thống nào đó rồi xử lý các số liệu đó để xây dựng một mô hình thống kê của hệ thống đó có kèm theo các đánh giá về mức độ tin cậy của các kết quả Trình tự phương pháp quy hoạch thực nghiệm như sau:

quy hoạch

tiêu theo kế hoạch thực nghiệm

(phương trình hồi quy)

khảo sát đến các hàm mục tiêu trên các biểu đồ, bề mặt biểu hiện và các đường đồng mức Từ đó rút ra các nhận xét và kết luận cũng như các quy luật ảnh hưởng của các nhân tố đến hàm mục tiêu Nội dung của phương pháp quy hoạch thực

nghiệm được trình bày ở [Phụ lục 1]

 Phương pháp xác định lượng dùng phụ gia siêu dẻo hợp lý cho hỗn hợp bê tông

Nội dung của phương pháp là khảo sát sự thay đổi độ chảy loang của hỗn hợp cát và chất kết dính bằng côn tiêu chuẩn xác định lượng cần nước của cát Sơ

đồ thí nghiệm như hình 2.2

Côn tiêu chuẩn là hình nón cụt có các kích thước: d = 70 mm, D = 100 mm,

h = 60 mm Độ chảy (D) của bê tông được biểu thị bằng đường kính chảy loang của hỗn hợp bê tông chứa đầy trong côn dưới tác dụng của trọng lực bản thân và độ

D

2+

Hình 2.2 : Sơ đồ phương pháp xác định độ chảy của bê tông hạt mịn

Trình tự thí nghiệm xác định độ chảy loang của vữa như sau:

Chuẩn bị nguyên vật liệu gồm: ximăng, cát, nước, PGSD cho mẻ trộn khoảng 300ml và tiến hành trộn vữa bằng máy trộn vữa Ele kiểu hành tinh Quy trình trộn như sau: cho khoảng 70% lượng nước vào trong cối trộn, sau đó đổ cát vào Khởi động máy trộn ở chế độ trộn chậm, trong lúc trộn cho từ từ silicafume vào trong cối trộn, thời gian trộn từ (1÷1,5) phút Trộn khô hỗn hợp xi măng và tro bay ở ngoài, sau đó đưa vào trong cối trộn, trộn chậm từ (1,5÷2) phút Sau đó hòa nước vào cốc chứa PGSD, sao cho vẫn còn một lượng nước nhất định để tráng cốc

và đổ vào trong cối trộn Tiến hành trộn thêm từ (2÷ 3) phút Vữa trộn xong được

đổ vào côn đặt trên tấm gạch hoa (côn và tấm gạch đã được lau ẩm trước khi đổ vữa vào), tiếp theo dùng thước thép gạt phẳng bằng miệng côn rồi hai tay nhẹ nhàng nhấc côn lên theo phương thẳng đứng để cho vữa trong côn chảy loang trên mặt viên gạch Hỗn hợp vữa chảy có dạng hình tròn, tại mép hình tròn không có hiện tượng tách nước Khi hỗn hợp vữa ngừng chảy thì tiến hành đo hai đường kính vuông góc nhau, lấy giá trị trung bình hai kết quả này và biểu thị độ chảy của hỗn hợp vữa bằng cm

Việc khảo sát độ chảy và xác định điểm bão hoà phụ gia siêu dẻo bằng cách xét độ chảy đảm bảo khả năng tự chảy cho hỗn hợp bê tông hạt mịn (D= 15÷30

cm), hàm lượng bọt khí là ít nhất và quan sát thời điểm xuất hiện hiện tượng tách nước trên bề mặt của hỗn hợp bê tông nhằm đảm bảo cường độ của bê tông sau này

2.2 Lựa chọn nguyên vật liệu sử dụng trong nghiên cứu

2.2.1 Xi măng

Xi măng là thành phần quan trọng góp phần tạo nên cường độ của bê tông

và những tính chất cần được nghiên cứu, thí nghiệm rất cẩn thận

mịn và phụ gia siêu dẻo Khi sử dụng loại xi măng Pooclăng hỗn hợp, thì hàm lượng phụ gia khoáng sẵn có trong thành phần của nó ảnh hưởng tính chất, lượng dùng của các loại phụ gia đưa vào trong bê tông, do đó chúng có thể làm giảm cường độ của bê tông Để tính toán chính xác hơn hàm lượng các phụ gia đưa vào, cũng như nhằm loại bỏ các tác dụng có hại (do các phụ gia khoáng sẵn có trong xi măng) cho bê tông, khi chế tạo bê tông chất lượng cao người ta thường dùng loại xi măng Pooclăng thường (PC)

Xi măng được sử dụng trong đề tài là xi măng Nghi Sơn PC40, tính chất cơ

lý của xi măng Nghi Sơn được đưa ra trong bảng 2.3

Bảng 2.3: Kết quả thí nghiệm các tính chất cơ lý của Xi măng

Tính chất Đơn vị Kết quả Quy phạm Phương pháp thử

Thời gian đông kết

Tính chất Đơn vị Kết quả Quy phạm Phương pháp thử

Nhận xét: Xi măng Nghi Sơn PC40 đạt yêu cầu kỹ thuật theo TCVN

hợp với điều kiện Việt Nam

2.2.2 Cốt liệu nhỏ

bê tông

là nhân tố quan trọng trong chế tạo bê tông cường độ cao, nó ảnh hưởng trực tiếp tới cường độ nén của bê tông Cát có nhiệm vụ kết hợp với phần chất kết dính tạo thành hỗn hợp vữa lấp đầy phần rỗng do cốt liệu lớn để lại, làm chặt và đồng nhất hỗn hợp bê tông tạo khả năng nâng cao cường độ Lượng ngậm nước của cát ảnh hưởng trực tiếp đến hàm lượng nước trộn bê tông Chẳng hạn lượng nước trộn tăng

được dùng trong bê tông chất lượng cao thường được giữ ở trạng thái bão hòa bề mặt (bão hòa nước) với mục đích ổn định lượng nước trộn của bê tông Một số nghiên cứu cho thấy rằng với bê tông có cường độ cao, do hàm lượng chất kết dính

xi măng và phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn lớn Do đó nếu cát có hàm lượng hạt nhỏ nhiều sẽ không có lợi cho cường độ bê tông Hiệp hội cốt liệu quốc gia Mỹ đã khuyến cáo, cốt liệu dùng cho bê tông cường độ cao nên giảm hàm lượng hạt nhỏ (lọt sàng 50 và sàng 100 – ASTM C33) đến mức thấp nhất Tuy nhiên nó vẫn phải phù hợp với đường bao thành phần hạt nhằm duy trì tính công tác tốt cho hỗn hợp

bê tông Một nghiên cứu khác cũng cho thấy, thành phần hạt của cát cũng không ảnh hưởng nhiều đến cường độ bê tông ở tuổi ít ngày Nhưng ở tuổi dài ngày cát có

thành phần hạt liên tục sẽ cho cường độ bê tông cao hơn so với cát có thành phần hạt gián đoạn

Đề tài sử dụng cốt liệu là cát vàng sông Lô, đây là loại cốt liệu phổ biến ở Việt Nam Cát được lấy về sàng loại bỏ các hạt có kích thước lớn hơn 5mm sau đó kiểm tra các tính chất cơ lý Kết quả tính chất của loại cát vàng Sông Lô nghiên cứu

được nêu ở bảng 2.4 như sau:

Bảng 2.4: Kết quả tính chất cơ bản của cát vàng sông Lô

STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả Yêu cầu