BÊ TÔNG CƯỜNG độ CAO bê TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO

Kích thước này là quá nhỏ để có ảnh hưởng bất lợi đến cường độ và tính chống thấm của bê tông, tuy nhiên sự thay đỏi lượng nước trong các lỗ rỗng này có ảnh hưởng lớn đến co ngót và từ b

BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO,

BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO

Nội dung

Các khái niệm

Cấu trúc bê tông cường độ cao (HSC),

bê tông chất lượng cao (HPC)

Vật liệu chế tạo HSC, HPC

Thiết kế thành phần HSC, HPC

HIGH PERFORMANCE

CONCRETE

Busan Lotte World Tower

is a 110- floor , 510.1 m (1,674 ft) supertall skyscrape

r project in Busan , South Korea The tower is planned

on a site next to dong station on Busan Subway Line 1 and completion is expected in

Nampo-2015 at earliest, when it will

2015 at earliest, when it will become the fifth tallest building in the world after Burj Khalifa , Shanghai Tower , Abraj Al Bait Towers , and One World Trade

Center [4]

Grande Arche, Paris-la-Défense, France 1989:

Các khái niệm

• Bê tông cường độ cao:High Strength Concrete

– Bắc Mỹ: fc’28 ≥42 MPa (6000psi);

– CEB-FIP: fck’28 ≥60 MPa (8700psi);

– ACI363:2010: : fc’28 ≥ 55 MPa (8000psi).

• Bê tông chất lượng cao: High Performance Cn

– Tính công tác tốt;

– Cường độ cao; (sau 24h >35MPa., 28n >70MPa)

– Độ bền với môi trường: (chống thấm, chống ăn

mòn, chịu băng giá, chịu tác động hóa học, chịu

lửa, mài mòn…)

• Bê tông thường

(fck,cube ≤ 60 N/mm²)

• Bê tông cường độ cao

(60 N/mm² ≤ fck,cube ≤ 100 N/mm²) Bê tông cường độ cao

Bê tông siêu cường độ

150 200 250

Sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông

• Bê tông siêu cường độ

Lịch sử về sự phát triển HPC

• HPC thực sự được bắt đầu sử dụng xây dựng đường hầm qua núi đá ở gần Denver (thủ phủ của Colorado);

• Những năm thập kỷ 80, bắt đầu phát triển và sư dụng HPC do đứng trước thách thức về độ bền và tuổi thọ ngắn của các kết cấu;

• Ở Mỹ, SHRP đã có dự án nghiên cứu HPC 1987, FHWA có chương trình mục tiêu quốc gia năm 1993

về ứng dụng HPC cho cầu; Năm 1996 AASHTO thành lập đội dẫn đầu về phát triển công nghệ HPC trong xây dựng đường và cầu;

Lịch sử về độ bền bê tông xi măng

Concrete strength

Cement

conctent

Concrete strength

Cement

conctent

Concrete strength

Cement

conctent

Concrete strength

Cement

conctent

Durability

Cement conctent

W/C

W/C ratio

Concrete strength

Concrete strength

Concrete strength

W/C ratio

• Một số định nghĩa HPC:

High Value Concrete

Một số ứng dụng xây dựng

Cấu trúc bê tông

• Bê tông là một vật liệu composit có 3 pha:

– Cấu trúc cốt liệu;

– Cấu trúc đá xi măng;

– Cấu trúc vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu và đá xm.

• Mỗi pha là một hệ đa pha

• Mỗi pha là một hệ đa pha

• Cấu trúc có thể thay đổi theo: thời gian, nhiệt

độ, độ ẩm của môi trường

• Tuy nhiên xét về mặt vĩ mô có thể coi vật liệu

bê tông là đồng nhất, đẳng hướng khi tính toánkết cấu bê tông cốt thép

Đá XM

Cốt liệu

Vùng chuyển tiếp

Lỗ rỗng, nước

Cấu tạo lớp

Lỗ rỗng, nước Tinh thể Ca(OH)2 Sợi gel C-S-H Ettringite

Chiều dày

5 -100 µm

Nguồn: Mehta P.K [1]

• Canxium silicat hydrat: Chiếm khoảng 50-60% thể

tích đá xi măng, đóng vai trò quan trọng nhất quyết định chất lượng đá xi măng Kích thước rất nhỏ và

có xu hướng kết tụ Cấu trúc của C-S-H có thể được

mô tả bởi mô hình của Powers-Brunauer hoặc mô hình Feldman- Sereda.

• Canxium sulfo-aluminates: chiếm từ 15-20% thể

Phần đặc đá xi măng

• Canxium sulfo-aluminates: chiếm từ 15-20% thể

tích của đá ximăng Ban đầu tồn tại ở dạng

C6AS3H32, tinh thể dạng hình kim Sau đó có thể chuyển sang dạng C4AS H18 tinh thể dạng tấm sáu cạnh.

• Hạt xi măng chưa thuỷ hoá: do thiếu nước, phần

lõi của các hạt xi măng chưa thuỷ hoá tồn tại trong

đá xi măng với kích thước vào khoảng 15-20 µm.

• Khoảng trống giữa các lớp C-S-H (lỗ rỗng gel): Theo Powers kích

thước khoảng trống này là 18A o và C-S-H có độ rỗng là 28%, còn theo Feldman- Sereda thì kích thước khoảng trống này vào khoảng 5-25 A o Kích thước này là quá nhỏ để có ảnh hưởng bất lợi đến cường độ và tính chống thấm của bê tông, tuy nhiên sự thay đỏi lượng nước trong các lỗ rỗng này có ảnh hưởng lớn đến co ngót và từ biến của bê tông.

• Lỗ rỗng mao quản: Thể tích và kích thước các lỗ rỗng mao quản được

quyết định bởi tỷ lệ N/XM và mức độ thuỷ hoá của xi măng Trong đá xi măng được thuỷ hoá tốt và tỷ lệ N/XM thấp các mao quản có kích thước

Phần rỗng đá xi măng

măng được thuỷ hoá tốt và tỷ lệ N/XM thấp các mao quản có kích thước

là 10-50 nm, còn khi tỷ lệ N/XM cao nó có kích thước vào khoảng 5µm Sự phân bố và kích thước, chứ không phải tổng thể tích, của các

3-lỗ rống là thông số tốt nhất để dự đoán các đặc trưng kỹ thuật của bê tông Các lỗ rỗng có kích thước >50 nm có ảnh hưởng lớn đến cường

độ và tính chống thấm, các lỗ rỗng có kích thước <50 nm có ảnh hưởng lớn đến co ngót và từ biến của bê tông.

• Lỗ rỗng do túi khí: Thường có dạng hình cầu, có kích thước trung bình

khoảng 3 mm Các lỗ rỗng do phụ gia cuốn khí có kích thước vào khoảng 0,2-0,5 mm Các lỗ rông do túi khí, vì có kích thước lớn, có ảnh hưởng lớn đến cường độ và tính chống thấm của bê tông.

• Nước trong mao quản: Nằm trong các mao quản có kích thước lớn hơn

50 A o Gồm 2 loại :

- Nước tự do nằm trong các mao quản có kích thước lớn hơn 50nm,

sự thay đổi của nó không gây ra sự biến đổi thể tích của đá xi măng.

- Nước bị giữ bởi sức căng mao quản trong các mao mạch có kích thước bé hơn 50nm, sự thay đổi của lượng nước này sẽ gây ra co ngót đối với bê tông.

• Nước hấp thụ: Là luợng nuớc nằm sát bề mặt của pha rắn và được giữ

bởi lực liên kết hydro, có chiều dày vào khoảng 6 lớp phân tử nước (15Ao) Lượng nước này sẽ bị mất đi khi độ ẩm của đá xi măng đạt

Nước trong đá xi măng

(15Ao) Lượng nước này sẽ bị mất đi khi độ ẩm của đá xi măng đạt khoảng 30% Sự thay đổi lượng nước này là nguyên nhân chủ yếu gây ra

co ngót của bê tông.

• Nước trong khoảng trống giữa các lớp gel C-S-H: Là lượng nước liên

quan đến cấu trúc của C-S-H Là các lớp đơn phân tử của nước nằm giữa các lớp C-S-H và được kìm giữ mạnh mẽ bởi các liên kết hydro Lượng nước này chỉ bị mất đi khi bê tông bị khô rất mạnh ( độ ẩm < 11%).

• Nước liên kết hoá học: Nước nằm trong các sản phẩm C-S-H, không bị

mất đi khi bê tông bị khô, nó chỉ được giải phóng khi bê tông bị nung Luợng nuớc này không ảnh hưởng đến co ngót nhưng có ảnh hưởng đến

từ biến của bê tông.

Các vùng lỗ rỗng của các sản phẩm

Cỡ lỗ rỗng trong bê tông

Cấu trúc lỗ rỗng

Cấu trúc vùng chuyển tiếp

• Do hiện tượng tách nước bên trong (hiệu ứng thành cục bộ), một lớp nước mỏng bao xung quanh bề mặt hạt cốt liệu, vùng này có tỷ lệ N/XM cao.

• Có độ rỗng lớn;

• Tinh thể Ettringite hạt lớn;

• Các tinh thể dạng tấm của Ca(OH)2 xếp thành các lớp mỏng định hướng vuông góc với bề mặt hạt cốt liệu;

• Chứa các hạt xi măng chưa thuỷ hoá và CaO tự do;

• Đây là vùng yếu nhất trong bê tông, chiều dày khoảng

5 đến 100 µm tuỳ theo tỷ lệ N/XM.

Sự phát triển cấu trúc trong quá trình thủy hóa xi măng

Fss = Aluminoferite canxi; Nguồn: [2]

Cải thiện cấu trúc → HPC

• Nhờ sử dụng phụ gia giảm nước và phụ giakhoáng vô cơ siêu mịn nên cấu trúc đá xi măngtrong bê tông chất lượng cao trở nên đặc chắc,chủ yếu vô định hình và chứa một thể tích khálớn các hạt xi măng khan

lớn các hạt xi măng khan

• Vùng tiếp xúc rất ít rỗng và hoá đá, không có

sự tích tụ của vôi tự do và sự tách nước bêntrong của bê tông

• Lượng nước tự do và hấp thụ trong các lỗ rỗngrất ít nên bê tông co ngót và từ biến ít

Các nguyên tắc cơ bản HPC

Cải thiện cường độ vùng chuyển tiếp

Cải thiện cường độ đá xi măng

Sử dụng cốt liệu chất lượng cao

Sử dụng cốt liệu chất lượng cao

Cải thiện công nghệ sản xuất, thi công

Cải thiện cường độ vùng chuyển tiếp

• Khi tỷ lệ N/CKD =0.4-0.7, cường độ bê tông

thấp hơn cường độ vữa xi măng cùng tỷ lệ;

• Giảm tỷ lệ N/CKD;

• Chất siêu mịn làm đầy và hoạt tính puzolan;

• Chất siêu mịn làm đầy và hoạt tính puzolan;

• Phụ gia giảm nước mức độ cao đến 40%;

Cải thiện cường độ đá xi măng

• Các nguyên tắc ứng xử của vật liệu dòn, chẳng hạn như gốm, có thể được sử dụng để xác định quan hệ cấu trúc- tính chất của bê tông chất lượng cao.

• Sự phụ thuộc của cường độ chịu kéo vào độ rỗng:

S=So.e -bp

• Sự phụ thuộc của cường độ chịu nén với độ rỗng :

• Sự phụ thuộc của cường độ chịu nén với độ rỗng :

fc’= fo’ (1-p) m

p- hệ số rỗng; b- hệ số phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của lỗ rỗng; m- hệ số phụ thuộc lực liên kết giữa các tinh thể, hình dạng và kích thước của các hạt, lỗ rỗng, vết rạn khuyết tật và hàm lượng tạp chất.

Sử dụng cốt liệu chất lượng cao

• Cải thiện chất lượng cốt liệu trong HPC cầnđược quan tâm đặc biệt Nếu không, khi vùngchuyển tiếp và đá xi măng đã được cải thiệncường độ, cốt liệu lại trở thành “mắt xích” yếunhất trong bê tông

nhất trong bê tông

• Cải thiện chất lượng cốt liệu:

– Lựa chọn loại đá gốc;

– Giảm Dmax;

– Tối ưu hoá thành phần hạt;

– Giảm hàm lượng tạp chất.

Cải thiện công nghệ

• Sản xuất: Định lượng tốt, Kiểm soát độ ẩm cốt liệu, lắp các xi lô phụ gia khoáng;

• Thi công: vận chuyển, đổ bê tông, đầm, hoàn thiện và bảo dưỡng

• Định lượng

Xi lô chứa xi măng, phụ gia khoáng

Buildings with HSC

Bridge with HSC

Bridge with HSC (cont.)

Taipei

101

Cốt liệu – Aggregate

• Tạo bộ khung cấu trúc, giảm co ngót, từ biến;

• Yêu cầu kỹ thuật:

– Cần được nghiền từ đá gốc đặc chắc, có cường

độ và tính đồng nhất cao;

– Nên Dmax nhỏ (nên <25mm);Thành phần hạt đảm

– Nên Dmax nhỏ (nên <25mm);Thành phần hạt đảm bảo cấp phối;

– Các tính chất vật lý: Khối lượng đơn vị,cường độ, tính chất nhiệt, mài mòn, độ rỗng;

– Các tính chất hóa học:

• Hàm lượng chất có hại: <75µm, hạt nhẹ mềm, hữu cơ

• Phản ứng kiềm cốt liệu

Độ đặc cốt liệu - Packing density

Yêu cầu xi măng

• Xi măng Pooc lăng đạt tiêu chuẩn C150

– Độ mịn Blaine : 3000-4000cm 2 /g; rắn nhanh có thể dùng đến 4500cm 2 /g;

– Hạn chế hàm lượng C3A; (nên <5.5%);

• Xi măng Pooc lăng theo TCVN (gt)

• Xi măng Pooc lăng theo TCVN (gt)

– TCVN 2682:2009: Xi măng pooc lăng

– TCVN 6260:2009: Xi măng pooc lăng hỗn hợp

Dự báo nhu cầu xi măng

QĐ 1488/TTg, 29/8/11

Phụ gia Nguồn

gốc

Thành phần

Kích thước hạt

Hiệu quả

chính

Ghi chú

Tro bay

Tro đáy lò hoặc muội ống khói nhà máy nhiệt

Hoạt tính

pu zơ lan giảm luợng vôi tự do

Class F: S+A +F > 70 % Class C: S+A +F =50- 70%

Hoạt tính pu zơ

Bê tông CĐC

Phụ gia khoỏng – Mineral Admixtures Rf Concrete Handbook

Muội si líc

Sản phẩm phụ trong lò hồ quang khi sản xuất silic

Chất độn, thay thế một phần xi măng

Có 3 cấp 80,100,120.

Luợng dùng khoảng 40%

Chủ yếu ảnh hưởng đến sự phát triển

Biểu đồ thành phần hóa học

Các loại phụ gia khoáng thông dụng

• Tài liệu cơ bản Rf: Concrete Construction

Engineering Handbook

• Phụ gia hoạt tính Puzolan:

– Tro bay FA - Fly ash ; Fly Ash1 (EN) , 2

– Muội silic SF- Silicafume ; Silicafume(EN P1), P2

– Xỉ lò cao nghiền GGBF– Slag ; ACI233 ;

– Mê ta cao lanh

– Tro trấu - RHA

Chất kết dính thay thế

Phân bố cỡ hạt

Một số phụ gia

Fly Ash

Nhà máy tuyển tro VINA F&C, Phả lại

Slag

Silicafume

Loại phụ gia Thành phần ặc điểm Hiệu quả Ghi chú

Phụ gia ciêu dẻo

LS Ligno sulfonate

Sản xuất từ gỗ và xen lu lô, không chứa clo

Giảm nước đến 10%, chậm ninh kết, giảm SN 30%

sau 30’

Thế hệ 1 Luợng dùng 2,5%

Phụ gia siêu dẻo

SMF

Sulfonated melamine formaldehyde

Sản xuất từ ure và formaldehyde,

Giảm nước đến 25%, giảm SN

Thế hệ 2 Luợng dùng

Phụ gia húa học Chemical Admixtures Rf: Con Handbook

SMF formaldehyde

rất ít clo (0,005%)

25%, giảm SN 50% sau 40’

Luợng dùng 1,5-2,5%

Phụ gia siêu dẻo

SNF

Sulfonated naphthalene formaldehyde

Sản xuất từ than

đá, rất ít clo

Giảm nước đến 25%, giảm SN 50% sau 50’

Thế hệ 2 Luợng dùng 1,5-2,5%

Phụ gia siêu dẻo

SVC

Sulfonated vinyl copolymer

Sản xuất từ dầu

thô

Giảm nước đến 30%, giảm SN 50% sau 100’

Thế hệ 2 Luợng dùng 1,5-2,0%

Phụ gia siêu dẻo Carboxyl acrylic ester Cao phân tử tổng Giảm nước đến Thế hệ 3

Phụ gia hóa học theo C494

• Tùy khuyến cáo của nhà sử dụng để sử dụng hàm lượng phụ gia thích hợp;

• Chú ý nồng độ phụ gia khi tính toán thành

phần phụ gia cho thêm trong hỗn hợp bê tông;

• Sử dụng HRWR: Loại F theo C494, Loại G

giảm nước và chậm ninh kết, giảm nước mức 20-30%;

• Accelerating: C949 loại C Đông cứng nhanh;

• Retarder: Chất chống giảm sụt nhanh

Vật liệu chế tạo phù hợp

+ Xi măng chất lượng cao

+ Đá dăm có độ chịu lực cao.

+ Sử dụng phụ gia siêu dẻo và phụ

+ Vận chuyển đảm bảo thời gian.

+ Dưỡng hộ ở độ ẩm và nhiệt độ phù hợp

+ Đầm chắc đảm bảo độ đặc

Bê tông chất lượng cao

Dạng kết cấu có thể sử dụng bê tông hợp lý

+ Kết cấu cột và dầm có độ mảnh lớn.

+ Kết cấu liên hợp.

+Chống tác động của môi trường và khí hậu tốt + Co ngót, từ biến ít

+Cường độ cao, mô đuyn đàn hồi lớn + Tính công tác tốt.

+Chống mài mòn và chống suy giảm chất lượng tốt + Có tính kinh tế

Có khả năng chịu mài mòn và chống suy giảm chất lượng

Có khả năng chịu tác động của khí hậu

• Cốt liệu có độ chịu lực cao

Các yếu tố cơ bản của HPC

suy giảm chất lượng

HPC

Có tính kinh tế

• Thành phần cốt liệu hợp lý

• Quản lý chất lượng tốt

• Lượng xi măng tối thiểu

• Giảm Dmax cốt liệu

Có các đặc tính

kỹ thuật chủ yếu chất lượng cao

và môi trường

• Tỷ lệ N/CDK thấp, vữa có CL tốt

• Hàm lượng xi măng và CDK tối ưu

• Cốt liệu có độ chịu lực cao

• Độ rỗng nhỏ

Cường độ của

BTXM

Cường độ chịu nén Cường độ chịu kéo

Cường độ chịu kéo trực tiếp (dọc trục)

Cường độ chịu kéo

gián tiếp

Cường độ kéo uốn Cường độ ép chẻ

Các yếu tố ảnh hưởng cường độ

Cường độ của bê tông

Thông số tải trọng + Trạng thái chịu lực + Tốc độ tăng tải

Lỗ rỗng cốt liệu

Lỗ rỗng cốt liệu Cường độ đá xi măng

+ Mức độ thủy hóa, bảo dưỡng + Phản ứng hóa học giữa cốt liệu

và đá xi măng

Ả nh hưởng tỷ lệ N/X và chế độ đầm

đế n cường độ của bê tông

Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén

hồ xi măng và tỷ lệ Gel/khoảng trống

Một số mối quan hệ thực nghiệm giữa

cường độ kéo uốn cường độ nén

• Shideler 1957; Parrott 1969; Dewar 1964;

Kaplan 1959b; Burg and Ost 1994; Iravani

1996; Mokhtarzadeh and French 2000a;

Legeron and Paultre 2000:

• ACI318-05:

• Carrasquillo (1982):

• Mokhtarzadeh and French 2000a:

Một số mối quan hệ thực nghiệm giữa cường độ kéo bửa và cường độ nén

• ACI318-05:

• Carrasquillo (1981):

• Mokhtarzadeh and French 2000a:

Mô đun đàn hồi của HPC

• Mô đun đàn hồi động

• Mô đun đàn hồi tĩnh

Mô đun đàn hồi cát tuyến

Mô đun đàn hồi dây cung

• Mô đun đàn hồi tĩnh Mô đun đàn hồi dây cung

Mô đun đàn hồi tiếp tuyến

Mô đun đàn hồi tĩnh,

mô đun đàn hồi động

~Ed

Ec

Quan hệ giữa σ-ε của đá gốc, đá xi

măng và bê tông

Mô hình lý thuyết tính toán mô đun đàn

hồi của bê tông

Một số mô hình lý thuyết tính toán mô

đ un đàn hồi của bê tông

Một số công thức thực nghiệm của mô

đ un đàn hồi bê tông HPC

đ un đàn hồi bê tông HPC

• In 1934, Thoman and Raeder: 25% (29 to

36 Gpa) cho fc’ 69 to 76 MPa;

• Ahmad and Shah 1985; Smith 1964;Freedman 1971; Teychenné 1978; Ahmad 1981; Burg

and Ost 1994; Zia 1993a,b; Iravani 1996;

and Ost 1994; Zia 1993a,b; Iravani 1996;

Myers and Carrasquillo 1998; Mokhtarzadeh and French 2000a Ec = 31 to 52 GPa (HPCs);

• Martinez et al 1982:

• FIP-CEB (1990):

Công thức thực nghiệm (tiếp)

• Cook (1989):

• Ahmad and Shah (1985):

• Một n/c theo điều kiện bảo dưỡng:

Các yếu tố ảnh hưởng đến mô đun

đ àn hồi

Ả nh hưởng của cốt liệu thô đến mô đun

đ àn hồi

Ả nh hưởng loại cốt liệu thô đến mô

đ un đàn hồi

Một số kết quả Nghiên cứu về BTCLC

của Đại học GTVT

Một số kết quả Nghiên cứu về BTCLC

của Đại học GTVT