KẾT CẤU BÊ TÔNG SỢI THÉP TRẦN BÁ VIỆT

Bê tông chất lượng siêu cao (UHPFRC) được coi là một sản phẩm mang tính bước ngoặt của sự phát triển mới đối với công nghệ xây dựng nói chung và công nghệ bê tông nói riêng. Loại bê tông này đã được nghiên cứu từ đầu những năm 90 của thế kỷ 20 ở Pháp và Canada 40, với các đặc tính vượt trội so với bê tông thường như có tỷ lệ NCKD rất thấp, thường từ 0,155 0.22, có cường độ nén rất cao (thường lớn hơn 150 MPa), cường độ uốn lớn (khi sử dụng cốt sợi) trên 20 MPa, môđun đàn hồi cao từ 5060 GPa, độ thấm thấp và độ bền rất cao 24. Các công thức về tính toán cũng như các hướng dẫn thiết kế và kỹ thuật xây dựng đã được công bố ở Pháp, Mỹ và Đức. Một số ứng dụng đầu tiên ở Cananda, Châu Âu, Châu Á và ở Mỹ đã chứng minh những lợi ích của loại vật liệu mới này về chi phí, tính bền vững và nhiều tính năng ưu việt khác

CHUYÊN ĐỀ 5 KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP: VẬT LIỆU VÀ ỨNG DỤNG

TRONG CÁC CÔNG TRÌNH VIỄN THÔNG

1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về các ứng dụng bê tông chất lượng siêu cao:

Bê tông chất lượng siêu cao (UHPFRC) được coi là một sản phẩm mang tính bướcngoặt của sự phát triển mới đối với công nghệ xây dựng nói chung và công nghệ bêtông nói riêng Loại bê tông này đã được nghiên cứu từ đầu những năm 90 của thế kỷ

20 ở Pháp và Canada [40], với các đặc tính vượt trội so với bê tông thường như có tỷ

lệ N/CKD rất thấp, thường từ 0,155 - 0.22, có cường độ nén rất cao (thường lớn hơn

150 MPa), cường độ uốn lớn (khi sử dụng cốt sợi) trên 20 MPa, môđun đàn hồi cao từ50-60 GPa, độ thấm thấp và độ bền rất cao [24] Các công thức về tính toán cũng nhưcác hướng dẫn thiết kế và kỹ thuật xây dựng đã được công bố ở Pháp, Mỹ và Đức.Một số ứng dụng đầu tiên ở Cananda, Châu Âu, Châu Á và ở Mỹ đã chứng minhnhững lợi ích của loại vật liệu mới này về chi phí, tính bền vững và nhiều tính năng ưuviệt khác

Bê tông chất lượng siêu cao có 7 thành phần là: Xi măng, nước, cốt liệu nhỏ (cátquartz), phụ gia siêu dẻo, Silicafume, các bột khoáng có độ cứng lớn và cốt sợi thépcường độ cao.[32]

Các lý thuyết mới về thành phần hạt theo độ đặc tối ưu đã được Larrard trình bày[27]

Các lý thuyết về cấp phối hạt tối ưu đã được Schmidt [39] và Fuller [35] trình bày.Các hướng dẫn thiết kế đã được SETRA/AFGC (Pháp) công bố [34]

Các hướng dẫn thiết kế và công nghệ chế tạo đã được nghiên cứu và khuyến cáobởi RILEM, DIN (Đức) [25]

Các thí nghiệm về định lượng lại mô hình vật liệu đã được FHWA (Hoa Kỳ) [38]

và Hàn Quốc [36] thực hiện và trình bày

Các nghiên cứu về bê tông chất lượng siêu cao vẫn còn đang phát triển và cáchướng dẫn, khuyến cáo cho từng khu vực, cho từng điều kiện vật liệu và phương phápchế tạo vật liệu cũng như các phương pháp thí nghiệm cụ thể Như vậy có thể nói rằnghiện nay trên thế giới các nghiên cứu tính năng và phạm vi sử dụng của bê tông chấtlượng siêu cao vẫn còn mang tính thời sự

1.1.1 Các ứng dụng của bê tông chất lượng siêu cao ở Hoa Kỳ:

Chiếc cầu dầm I đầu tiên ở Hoa Kỳ được khai thông năm 2005, cầu thứ 2 có kếtcấu nhịp bằng bê tông chất lượng siêu cao đưa vào khai thác thử nghiệm năm 2006 vàmột số cầu khác khánh thành năm 2008

Theo các nghiên cứu ở Cục đường độ Hoa Kỳ (FHWA) cho thấy chiều cao củadầm cầu khi sử dụng bê tông chất lượng siêu cao giảm đi khá nhiều so với so với dầmcầu sử dụng bê tông truyền thống Với dầm I dài 30m dự ứng lực sử dụng bê tông chấtlượng siêu cao thì chiều cao dầm cầu giảm 50cm so với dầm cầu chữ I dự ứng lực sửdụng bê tông truyền thống và trọng lượng trên 1 mét dài cũng giảm hơn một nửa Điềunày hết sức có ý nghĩa đối với yếu tố thẩm mỹ quan kiến trúc và kinh tế - kỹ thuât,

nhất là đối với công trình cầu trong đô thị như Hình 1.1

Hình 1.1: Tương quan về chiều cao và trọng lượng giữa dầm bê tông truyền thống và dầm bê

tông chất lượng siêu cao [2]

Ngoài ra, FHWA (Cục đường bộ Hoa Kỳ) còn tập trung vào phát triển bê tông mặtcầu thành các mô-đun có thể lắp ghép tại chổ một cách nhanh chóng Những tính năngvượt trội của bê tông chất lượng siêu cao đã tạo điều kiện thiết kế được cấu kiện mặtcầu có độ bền chắc cao hơn mặt cầu bê tông đổ tại chỗ thông thường mà tuổi thọ lạicao hơn đáng kể và đặc biệt có thể thi công lắp ghép một cách nhanh chóng Theonghiên cứu của FHWA thì một tấm panel mặt cầu bằng bê tông chất lượng siêu cao cóbiểu hiện tốt hơn hẳn các tính năng tương đương so với các bản mặt cầu bê tông đổ tạichỗ thông thường, còn trọng lượng của nó thì nhẹ hơn 30% Sử dụng mặt cầu bằng bêtông chất lượng siêu cao có trọng lượng nhẹ hơn dẫn đến làm tăng khả năng chịu tảicủa cầu cũ do giảm trọng lượng bản thân, giảm đáng kể thời gian thi công, giảm lượngnhân công, hiệu quả kinh tế cao

Theo Imam M Friedland chủ nhiệm chương trình nghiên cứu về cầu và các kếtcấu cầu của Cục đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) cho rằng: “Việc nghiên cứu và ứng dụngcác loại vật liệu mới có hiệu năng cao hơn, đó là những vật liệu có thể tạo ra những tácđộng cực kỳ quan trọng tới hiệu quả năng lực chịu tải của công trình cầu và đưa đếntổng mức chi phí cho vòng đời của công trình thấp hơn thì bê tông chất lượng siêu cao

là một trong những vật liệu mới, tiến bộ có tiềm năng như thế” [37] Các hình ảnh thiết

kế và sản xuất mặt cầu từ bê tông chất lượng siêu cao được sản xuất trong nhà máy và

lắp ghép cho một số cây cầu trên các tuyến đường cao tốc ở Hoa Kỳ, như ở Hình 1.2.

Hình 1.2 Thiết kế mặt cầu lắp ghép từ bê tông chất lượng siêu cao[2]

Hình ảnh thi công thay thế các mặt cầu cũ bằng các mô đun mặt cầu sử dụng bê

tông chất lượng siêu cao đúc ở công xưởng và lắp ghép tại công trường như Hình 1.3

Hình 1.3 Thi công mặt cầu lắp ghép và mối nối mặt cầu bằng bê tông

chất lượng siêu cao tại công trường [2]

Cục đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) cũng đã có nhiều nghiên cứu và thí nghiệm dầmcầu có mặt cắt chữ I và chữ bằng bê tông chất lượng siêu cao để đưa vào sử dụngthay thế cho các dầm bê tông truyền thống, hình 1.4

Hình 1.4: Các thí nghiệm dầm bê tông chất lượng siêu cao của FHWA [2]

Hình ảnh một số công trình cầu được xây dựng ở Hoa Kỳ sử dụng bê tông chất

lượng siêu cao do FHWA thiết kế như hình 1.5

Hình 1.5 Cầu đường ô tô năm 2005 và cầu dàn thép mặt sàn là bê tông chất lượng siêu cao

lắp ghép năm 2006 [2]

1.1.2 Các nghiên cứu và ứng dụng về bê tông chất lượng siêu cao ở nước ngoài:

Hội nghiên cứu và thí nghiệm vật liệu xây dựng Pháp, hội kỹ sư xây dựng Pháp(SETRA/AFREM; Cattennom và Civaux) cũng là một trong những cơ quan tiên phongtrong việc nghiên cứu về bê tông chất lượng siêu cao [13] Các cơ quan này đã nghiêncứu và ứng dụng cho cầu ô tô và đưa vào sử dụng đầu tiên năm 2001 và từ đó đến nayviệc ứng dụng bê tông chất lượng siêu cao với những giải pháp công nghệ khác nhau

đã được phát triển như chế tạo những cấu kiện đúc sẵn dùng cho các kết cấu cầu dựứng lực, tăng cường, sửa chữa mặt cầu hỏng bằng những tấm sàn bê tông chất lượngsiêu cao; hay việc sử dụng bê tông chất lượng siêu cao cho những cột chịu tải trọnglớn và những tòa nhà chọc trời (Schmidt) [20] Năm 2001 và năm 2004 tại Pháp đãứng dụng bê tông chất lượng siêu cao xây dựng hai cây cầu nhịp dài 20,5m và 22,5m ởBoufg – Valence Theo “Ductal - 2005” thì trọng lượng trên một đơn vị mét dài của

các dầm cầu cùng khẩu độ và tải trọng thì dầm cầu bằng bê tông chất lượng siêu caokhá nhẹ so với dầm cầu bằng bê tông truyền thống (kết quả này cũng tương thích nhưnhững kết quả đã được nghiên cứu ở Hoa Kỳ).

Tại Đức có tổ chức tiêu chuẩn “DAFSTB; DIN” ngày càng nghiên cứu và ứngdụng sâu rộng bê tông chất lượng siêu cao Các hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật và cácgiải pháp nâng cao chất lượng sử dụng đã được pháp triển Cây cầu đầu tiên được xâydựng năm 2004 dành cho người đi bộ và xe đạp với chiều dài 135m và nhịp tối đa 40mbao gồm các cấu kiện đúc sẵn từ bê tông chất lượng siêu cao với kích thước hạt lớnnhất trong bê tông là 2mm [26]

Năm 2003, hội thảo ở Đức đã báo cáo những bí quyết về công nghệ và kinhnghiệm về bê tông chất lượng siêu cao trên toàn thế giới Báo cáo này cũng đã đề cậpđến các tiêu chuẩn thiết kế, những hướng dẫn về kết cấu xây dựng khi sử dụng bê tôngchất lượng siêu cao; những yêu cầu về vật liệu, về thiết kế và các kiến nghị khi nghiêncứu và ứng dụng bê tông chất lượng siêu cao Những nghiên cứu về bê tông chất lượngsiêu cao đầu tiên ở Đan Mạch được bắt đầu từ năm 1990 và đặt biệt đưa vào ứng dụngnăm 2004 chủ yếu ở các ngành an ninh và quân sự [20]

Hàn Quốc đã nghiên cứu bê tông chất lượng siêu cao và ứng dụng cho cầu người

đi bộ năm 2002 ở Seoul [36] Nhật Bản cũng là một trong những nước đi tiên phongtrong việc nghiên cứu bê tông chất lượng siêu cao và ứng dụng trong cầu đường bộ từnăm 2004 [20]

Một số quốc gia khác cũng đang nghiên cứu và sử dụng bê tông chất lượng siêucao trong các kết cấu nhà như Canada năm 2000 [24] và đặc biệt là Trung Quốc năm

2004 bắt đầu nghiên cứu sử dụng bê tông chất lượng siêu cao để lập dự án thiết kế tòanhà có chiều cao đến 1km ở Thượng Hải [40] Các nước Trung Đông đặt biệt là Irannăm 2008 đã nghiên cứu và ứng dụng bê tông chất lượng siêu cao trong các công trìnhquân sự, trong các Bongke

Các hướng dẫn thiết kế và công nghệ chế tạo đã được nghiên cứu và khuyến cáobởi RILEM; DIN (Đức); hiệp hội dự ứng lực Nhật Bản (JSCE); hội kỹ sư xây dựngPháp (SETRA/AFGC); cục đường bộ Hoa Kỳ (FHWA)…

Như vậy, có thể nói rằng hiện nay trên thế giới nghiên cứu về tính năng, phạm vi

sử dụng của bê tông chất lượng siêu cao vẫn còn tính thời sự rất lớn

Các hình ảnh tiêu biểu cho việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông chất lượng siêu

cao trong các công trình ở Châu Âu và Châu Á như Hình 1.6 đến 1.7

Hình 1.6 Cầu cho người đi bộ ở Seoul – Hàn Quốc năm 2002[2]

Hình 1.7 Cầu Bourg – lès – Vabence, France bằng BTCLSC năm 2004[2]

1.1.3 Các công trình nghiên cứu về bê tông chất lượng siêu cao ở Việt Nam:

Đại học Xây dựng đã có 4 đề tài nghiên cứu về loại bê tông mới này và nội dung chínhnhư sau:

chất lượng của bê tông cường độ cao dùng để sửa chữa và xây dựng cầu

đã nghiên cứu chế tạo được bê tông chất lượng siêu cao sử dụng vật liệu sẵn có

ở Việt Nam đạt cường độ nén trên 150MPa

Đến năm 2008 tại trường Đại học Giao thông Vận tải đã có 4 đề tài nghiên cứu

về loại bê tông này và nội dung chính như sau:

công nghệ bê tông cường độ rất cao trong kết cấu cầu, đề tài đã tập trung chútrọng đến các tính chất cơ học và khả năng ứng dụng của bê tông cường độ đến140MPa trong kết cấu

năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép với bê tông cốt sợi thép siêu cường độ(UHPC)

Lộc Kha (2012) đã nghiên cứu công nghệ chế tạo bê tông chất lượng siêu cao

và ứng dụng trong kết cấu cầu và nhà cao tầng

Viện KHCN Xây dựng dưới sự trợ giúp kỹ thuật của Viện Kỹ thuật Xây dựngHàn Quốc đã chế tạo bê tông UHPFRC cường độ 200 MPa trong phòng thí nghiệm vàtrong thực tiễn đã đã nghiên cứu được dầm cầu nông thôn bằng UHPFRC cấp cường

độ 150 MPa cho phiến dầm L12, B2,2m cho kết quả thử nghiệm vượt yêu cầu thiết kế.Nội dung mà các đề tài nêu trên hướng đến việc nghiên cứu sử dụng các loại vậtliệu trong nước để chế tạo UHPFRC Từ đó, bước đầu đưa loại bê tông này áp dụngvào trong kết cấu cầu và kết cấu nhà cao tầng Các nghiên cứu này được xem là nhữngnghiên cứu ban đầu về UHPFRC ở Việt Nam

Qua những đề tài trên có thể thấy rằng việc nghiên cứu về tính công tác, độ comềm, co khô, hàm lượng sợi tối ưu và hệ số bảo dưỡng ở điều kiện khí hậu Việt Nam

và các chỉ tiêu về độ bền lâu chống thấm, chống ăn mòn, bảo vệ cốt thép và sợi thép làchưa được đề cập nhiều Vì vậy cần thiết phải có những nghiên cứu bước đầu về cáctính chất này để góp phần bổ sung hoàn thiện hệ thống lý luận, tính toán và từng bướcđưa vào ứng dụng thử nghiệm UHPFRC vào một số công trình xây dựng ở Việt Nam

1.2 Chế tạo bê tông chất lượng siêu cao theo lý thuyết tối ưu về độ đặc:

Nguyên tắc cơ bản để cải thiện các tính chất của bê tông là tăng độ đặc của vữa ximăng và cải tiến vùng tiếp giáp giữa đá xi măng và hạt cốt liệu Với bê tông chấtlượng siêu cao tỷ lệ N/X từ 0,155 đến 0,22 Chất kết dính bao gồm xi măng,Silicafume Cốt liệu mịn thường được dùng là cát Quartz có cỡ hạt từ 0,5 đến 1mm.Ngoài ra còn có bột nghiền từ cát Quartz có đường kính trung bình là 10 - 30μm Thiết

kế hỗn hợp bê tông chất lượng siêu cao thường được sử dụng phương pháp lý thuyết điđôi với thực nghiệm Lý thuyết tối ưu độ đặc được sử dụng phổ biến ở Pháp và Mỹ ỞĐức và Anh sử dụng phổ biến lý thuyết về đường cong cấp phối tối ưu

a Tối ưu hóa bằng việc sử dụng mô hình độ đặc

Khái niệm độ đặc cao được xem là một giải pháp để đạt được vật liệu tính chấtlượng siêu cao Việc tối ưu hóa độ đặc hỗn hợp cấp phối bê tông chất lượng siêu caođược thực hiện với sự trợ giúp của mô hình toán học, cùng với việc thí nghiệm Môhình này giải quyết vật liệu ở trạng thái mới, nhằm tìm ra được một tỷ lệ hỗn hợp vậtliệu bê tông chất lượng siêu cao có được mật độ đặc tốt nhất của các hạt

• Mô hình độ đặc của hỗn hợp cát

Mô hình độ đặc mới: Mô hình chất huyền phù thể rắn (Model of Solid SuspensionsMooney/SSM) Mô hình này của Mooney xem xét độ đặc ngẫu nhiên của các hạt nhưchất huyền phù có độ đặc cao Theo mô hình này (SSM), mối quan hệ giữa hàm lượngthể rắn của một chất huyền phù đơn phân tán và độ đặc tương đối của nó là:

(1)Trong đó: ɸ là độ đặc ngẫu nhiên; β là độ đặc tối đa

riêng của nó yi(t) (với ) Độ đặc riêng β(t) được xác định bằng côngthức:

(5)

Sự cải tiến mang tính quyết định của mô hình ban đầu cho phép mô hình chấthuyền phù thể rắn (SSM) cũng có thể được sử dụng để dự đoán hàm lượng thể rắn của

(5) bởi độ đặc mới này Có thể áp dụng các lý thuyết trên như sau:

Thứ nhất, độ đặc tiêu chuẩn sẽ được chọn, phụ thuộc vào phương pháp sản xuất.Thứ hai, độ rỗng tối thiểu sẽ được chú ý, tiêu chí này dẫn đến việc xác định tỉ lệSilicafume/xi măng Tuy nhiên, bất kỳ gia số nào của thành phần khối lượng cốt liệuthay đổi sẽ làm thay đổi độ rỗng thành phần cũng như độ rỗng tổng thể của hỗn hợpvật liệu Như vậy để đảm bảo có được hỗn hợp vật liệu tốt nhất có một độ rỗng tổngthể tối thiểu thì phương pháp tiếp cận đầu tiên là kiểm tra các lần trộn khác nhau củacác thành phần hỗn hợp với sự điều chỉnh các gia số của các thành phần trong tổ hợpvật liệu Từ đó sẽ có một hỗn hợp vật liệu với độ rỗng tối thiểu và cũng để nhấn mạnhảnh hưởng tương ứng của mỗi thông số vật liệu thành phần của hỗn hợp

b Các nguyên tắc chính để tạo ra thành phần bê tông chất lượng siêu cao

Theo tài liệu [27] có các nguyên tắc phổ biến được dùng là:

Chúng ta đã biết rằng vùng tiếp giáp giữa đá xi măng và các hạt cốt liệu thường là nơibắt đầu các vết vi nứt do sự khác nhau về các tính chất cơ học và vật lý của chúng.Kích thước lớn nhất của cốt liệu trong bê tông chất lượng siêu cao đã được khuyến cáo

là cần phải nhỏ hơn 600μm

- Cải thiện các tính chất của vữa bằng cách cho thêm phụ gia, ví dụ nhưSilicafume Hiệu quả thay đổi của Silicafume trong bê tông được cho là do thành phần

măng hoặc các hạt vật liệu thành phần khác

- Cải thiện tính chất của hỗn hợp bê tông bằng cách giảm tỉ lệ N/CKD.

mà có sự phân bố kích thước rộng thì có độ rỗng giữa các hạt nhỏ

Từ năm 1994 đến nay hàng loạt các nghiên cứu đã được thực hiện ở Pháp và Canadavới lượng dùng xi măng trong loại bê tông chất lượng siêu cao đầu tiên nằm trong

kết hợp với việc sử dụng công nghệ trộn cũng như bảo dưỡng

cao và kích thước nhỏ (d = 0,2mm, l = 13mm) với một hàm lượng hợp lý theo thể tích

bê tông

c Thành phần hạt đảm bảo độ đặc cao phù hợp cấp phối hạt tối ưu

Để giải quyết vấn đề này có thể đi theo hướng sau:

Đối chiếu hỗn hợp vật liệu được nghiên cứu bằng phương pháp tối ưu hóa độ đặctheo phương pháp mô hình chất huyền phù thể rắn (SSM) và phương pháp tối ưu hóacấp phối hạt bê tông (Optimization Method of Coordination) của Fuller, Papovic,

Hình 1.8: Cấu trúc đặc chắc của UHPFRC

1.3 Sự làm việc đồng thời của cốt sợi thép và nền bê tông chất lượng siêu cao:

Bản chất của sự tăng cường cốt sợi thép phân tán trong hỗn hợp bê tông nhằm hạnchế sự phát triển những vết nứt nhỏ Phần lớn những sợi thép thường được uốn quăn,làm lượn sóng hoặc làm cho đầu thanh các neo để đảm bảo dính bám tốt hơn với bêtông, đôi khi những sợi có dạng lưỡi liềm Hàm lượng sợi trong hỗn hợp, thường biếnđổi từ 0.25 ÷ 2% theo thể tích

Mặt khác, các sợi được được phân bố không liên tục và ngẫu nhiên trong đá ximăng cả ở những vùng chịu nén và chịu kéo của một bộ phận kết cấu Chúng có thểnâng cao độ cứng và điều chỉnh vết nứt thông qua việc ngăn chặn các vi vết nứt lanchuyền và mở rộng và còn tăng độ dai do khả năng hấp thụ năng lượng của chúng

• Mô hình làm việc của sợi thép và nền bê tông (sự làm việc đồng thời của hệ compozit).

Sợi thép có thể hoạt động ở hai quy mô trong quá trình nứt của pha hồ xi măng.Trước tiên ở quy mô vi cấu trúc do các hiện tượng hóa lý xảy ra trong quá trình thủyhóa, xuất hiện một mạng vết nứt cực nhỏ Nếu lượng sợi thép có đầy đủ trong thể tíchcủa phần hồ thì mỗi vi nứt có thể vắt qua một hoặc nhiều sợi Tác dụng của các sợithép làm ổn định các vết nứt cực nhỏ, làm chậm quá trình hư hỏng của vật liệu và hạnchế sự hình thành của vết nứt lớn hơn Ở quy mô kết cấu các sợi thép hoạt động nhưcác vi cốt thép cho phép tránh được sự mở rộng vết nứt bằng cách chuyển các tải trọng

từ mép nọ sang mép kia của vết nứt, ở quy mô này sợi thép cải biến khả năng hút nănglượng của kết cấu bởi vậy thay đổi quá trình phá hủy làm cho vật liệu chuyển từ pháhoại giòn sang phá hoại dẻo Sợi thép có tác dụng khâu các vết nứt ở mức độ vật liệu

và kết cấu rõ ràng Rõ ràng tỷ lệ sợi thép càng cao thì tác dụng càng lớn Tuy nhiên,sợi thép sẽ làm thay đổi cấu tạo hồ xi măng và ảnh hưởng đến tính dễ đổ của hỗn hợp

bê tông nên việc chọn chiều dài sợi thép phải đảm bảo sự gia cường về mặt cơ học vàtính dễ đổ của hỗn hợp bê tông Do đó, chất lượng của hỗn hợp bê tông cốt sợi thépchất lượng siêu cao phụ thuộc vào sự tổ hợp sợi thép, hồ và sự phân bố của sợi théptrong pha xi măng

Như vậy, khả năng làm việc của bê tông và cốt sợi thép phụ thuộc vào loại, dạng,đặc tính, cơ tính của sợi và cường độ của bê tông Lực phát sinh trong từng sợi riêng lẻkhông chỉ phụ thuộc vào cường độ sợi và khả năng neo chặt mà còn phụ thuộc vàocường độ của bê tông bao bọc nó Khả năng chuyển tại trọng của các sợi phụ thuộcvào mô đun đàn hồi của sợi thép Nếu mô đun đàn hồi của sợi lớn hơn mô đun đàn hồicủa hồ lúc nứt thì sợi có tác dụng hạn chế biến dạng tương ứng với một độ mở rộngvết nứt nhỏ Ngược lại nếu mô đun đàn hồi của sợi nhỏ hơn mô đun đàn hồi của phần

hồ thì việc hạn chế các vết nứt không thể được Khi đá xi măng bị nứt thì tải trọng đặtvào được truyền cho các cốt sợi thép và khi đó cốt sợi thép đóng vai trò là cầu nối vàhạn chế việc mở rộng vết nứt Như vậy, khi lựa chọn các loại sợi thép thì tùy theo mụcđích sử dụng việc xem xét mô đun đàn hồi của sợi là rất quan trọng

Bentur và Mindess đã phát triển mối quan hệ giữa khả năng kéo đứt trung bình vàcường độ dính bám bề mặt với đá xi măng của sợi theo chiều dài sợi tiêu chuẩn vàchứng minh rằng cường độ của vật liệu tăng liên tục theo chiều dài sợi Sự tăng này làđáng kể do khả năng chịu kéo tuột có thể đạt đến giá trị lớn nhất sau đó giảm xuống docường độ dính bám tăng vượt quá một giá trị tiêu chuẩn Sự mất mát khả năng kéo tuột

có thể giảm đến một giá trị khoảng l =10 mm trong hỗn hợp đá xi măng…

Ngoài ra, ảnh hưởng đầu tiên của sợi trong composit là tính dễ đổ, sợi có khuynhhướng làm cho phần hồ trở nên cứng hơn Việc sử dụng các chất siêu dẻo với hàmlượng cao hơn là thích hợp Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng để duy trì tính dễ đổ cầnxem xét tối ưu (giảm) bộ xương của cốt liệu và tỷ lệ giữa sợi và cốt liệu

1.4 Đặc tính kỹ thuật của UHPFRC:

1.4.1 Cường độ nén, uốn:

Cường độ chịu nén cao nằm giữa 150 MPa và 250 MPa chủ yếu phụ thuộc vào tỷ

lệ N/XM, thể tích nước trên cốt liệu mịn hệ số N/Fv = N/ tổng thể tích (Xi măng +silica + chất độn) của vữa và kích thước hạt của cốt liệu dẫn đến một biến dạng đànhồi tuyến tính lên đến khoảng 95% tổng tải trọng phá hoại Điều đó có nghĩa là Bêtông cường độ siêu cao không có cốt sợi thì nó là vật liệu giòn rất dễ gãy, mô đun đànhồi tương đối cao, cường độ chịu kéo của vữa không sợi là khoảng 5 MPa Sử dụngnhững sợi thép với mô đun đàn hồi đủ cao, cường độ vữa không đổi hoặc tăng, trongkhi cường độ chịu kéo được cải thiện đáng kể Bornemann et al, 2001; Fehling vàBunje, 2004 đã cho thấy cường độ chịu kéo khi uốn của mẫu dầm 40/40/160mm đượclàm từ những hạt mịn UHPFRC (M1Q) với 2,5% thể tích hàm lượng sợi thép ngắn(chiều dài 6–9mm, đường kính 0,15mm) đã lên đến 36 MPa, mà của mẫu dầm150/150/700mm được làm từ UHPFRC không có sợi thép thì cường độ chịu kéo khiuốn chỉ đạt 22 MPa Điều đó có nghĩa cường độ chịu kéo khi uốn của UHPFRC tăngmạnh khi tăng cường cốt sợi được đưa vào tính toán trong cấp phối Cường độ chịukéo khi uốn chủ yếu phụ thuộc vào cường độ bê tông, loại và số lượng sợi được sửdụng

Hình 1.9: Thí nghiệm uốn tấm tròn UHPFRC [BT siêu cường độ trong XD]

Sự định hướng và phân bố của các sợi bên trong vữa và hình dạng mẫu thử sửdụng, các yếu tố kết cấu sản phẩm với bê tông cụ thể có thể bị ảnh hưởng đáng kể.Theo quy định các kết quả thí nghiệm của hỗn hợp UHPFRC không có cốt sợi đáng kểcũng được chấp nhận Do đó số kết quả thí nghiệm đặc trưng phải được tăng lên đểcho phép tính to chính xác độ lệch chuẩn

Nếu UHPFRC có cường độ chịu kéo đáng kể mà không cần bất kỳ sự tăng cường

bổ sung cốt thép thường hỗ trợ như một số thí dụ ứng dụng của Ductal thì hàm lượngsợi thép sử dụng cần đủ cao ( từ 6-7%) để ngăn chặn những phá hoại đột ngột Trongtrường hợp hàm lượng sợi thép khoảng 2,5 – 3% thể tích vẫn đáp ứng được tính côngtác của hỗn hợp bê tông tươi, cường độ chịu uốn và tính dẻo Đối với các ứng dụngkhác hàm lượng sợi thép có thể giảm 1% vẫn có thể đáp ứng các nhu cầu ví dụ vớinhững tấm, dầm và một số bộ phận khác làm từ UHPFRC vẫn đảm bảo đủ cường độ

và hoặc có đủ sự thụ động tăng cường Và trong một số trường hợp sử dụng UHPFRCthậm chí không có sợi thép hoặc các sợi thích hợp khác, ví dụ cho các cột cao haynhững ống thép mỏng được lấp đầy UHPFRC (Tue, Schneider, và Schenk 2004) Qua

đó cho thấy hỗn hợp gồm những sợi thép và những sợi thích hợp khác với các loạikhác nhau về chiều dài và đường kính sẽ kinh tế hơn so với sử dụng một loại sợi thốngnhất

1.4.2 Modun đàn hồi:

Theo những tài liệu đã nghiên cứu và kết quả đã thực nghiệm ở Việt Nam, mô đunđàn hồi của UHPFRC biến đổi từ 46.500 MPa đến 49.300 MPa (46,5 GPa đến 49,3GPa), với cường độ nén của bê tông từ 110 đến 150 MPa theo các kết quả nghiên cứu

ở Đức cũng thông báo là mô đun đàn hồi cũng biến đổi từ 45 đến 50 GPa

1.4.3 Độ bền của UHPFRC

Độ bền được cải tiến của UHPFRC để chống lại các loại khí độc hại, các chất lỏng,Clorua, sương giá hay đóng tan băng được cải thiện bởi độ đặc và cấu trúc hạt của chấtkết dính và vùng tiếp xúc giữa vữa và cốt liệu thô cũng như cấu trúc đặc hơn của sảnphẩm hydrat hóa

Các lỗ rỗng khí của UHPFRC được đặc trưng bởi những lỗ rỗng mao quản, là mộttrong những loại lỗ rỗng có thể nhìn thấy được từ sự phân bố kích thước lỗ rỗng đượcthể hiện trong Hình 9 và được thí nghiệm bởi sự xâm thực của thủy ngân Kết quả là

hệ số khuếch tán Clorua được hiển thị trong Hình 1.10.

Hình 1.10: Sự phân bổ kích thước lỗ rỗng của bê tông thường, HPC và UHPFRC [BT siêu

Hình 1.12: Thử nghiệm với thuốc nổ TNT [BT siêu cường độ trong XD]

Khả năng chịu lực dưới tác dụng của lực nén, các thí nghiệm được thực hiện tạitrường đại học của Kassel cho thấy UHPFRC đã có một ứng xử bền mỏi khá tốt

1.5 Các phụ gia khoáng sử dụng cho UHPFRC:

1.51 Silicafume:

Silicafume gồm các hạt thủy tinh rất mịn với một diện tích bề mặt lên tới 20.000m2/kg khi được đo bằng phương pháp hấp thụ Nitơ Sự phân bố bề mặt kích thước hạtcủa một loại Silicafume điển hình cho thấy hầu hết các hạt đều nhỏ hơn 1µm vớiđường kính trung bình khoảng 0,1µm nhỏ hơn kích thước của hạt xi măng gấp 100lần Trọng lượng riêng của Silicafume phổ biến là 2,2 g/cm3, nhưng cũng có thể caohơn 2,5 g/cm3 Khối lượng thể tích từ 160 - 320 kg/m3

Silicafume có hàm lượng đioxit silic và độ mịn cực cao nên là vật liệu có hiệu ứng

để tạo ra hợp chất kết dính bền vững-CSH (Canxi Silicat hydrat) Silicafume được sửdụng làm phụ gia cho bê tông cường độ cao và bê tông cường độ siêu cao Hàm lượng

Silicafume thông thường nằm trong phạm vi từ 5 -15% lượng xi măng.

Các thành phần hóa học của Silicafume theo tiêu chuẩn C1240 được trình bày ở bảng1.1

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn ASTM C1240 về Silicafume

Các chỉ tiêu kỹ thuật ASTM C1240 EN 13263

Độ mịn (lượng tích lũy trên sàng 45µm) (%) <10

-Khối lượng riêng (kg/m 3 ) 2200

-Cơ chế hoạt động của khoáng siêu mịn:

Hai loại phản ứng hóa học là thủy hóa và Puzơlan

đánh giá thông qua các mẻ trộn trong phòng thí nghiệm để xác định các đường congdùng cho việc lựa chọn khối lượng xi măng và phụ gia khoáng cần thiết để đạt đượcmong muốn.

Theo tài liệu [40] (Larrard) khuyên sử dụng Silicafume trắng, một sản phẩm phụ

m2/g Khối lượng riêng từ 2,2 - 2,4g/cm3

• Cơ chế tác dụng của phụ gia Silicafume

Silicafume thường hoạt động với 2 chức năng:

trong bê tông

Vai trò của CSH là làm tăng cường độ tổng thể, đặc biệt là cường độ cao và độ bềnvững cao cho bê tông ở tuổi sớm ngày

kích thước hạt nhỏ hơn kích thước hạt xi măng 100 - 150 lần, nó lấp đầy các lỗ rỗng

do nước tự do thoát ra trong đệm xi măng Với liều lượng điển hình bằng 8% khốilượng xi măng sẽ có khoảng 100.000 hạt dành cho mỗi hạt xi măng sẽ lấp đầy khônggian chứa nước trong hỗn hợp bê tông Độ siêu mịn cho phép Silicafume lấp đầy các

lỗ rỗng vi mô giữa các hạt xi măng và hiệu quả của vi chất lấp đầy này là làm giảmmạnh khả năng thấm nước và tăng mạnh liên kết giữa cốt liệu với hồ xi măng của bêtông Silicafume so với bê tông thông thường

1.5.2 Phụ gia khoáng Puzơlan

Trong công nghiệp sản xuất xi măng ngày nay, Puzơlan được sử dụng rộng rãi với

tư cách là một đòi hỏi kỹ thuật, mặt khác là yếu tố làm tăng cao hiệu quả kinh tế củasản xuất, vì nhờ có độ hoạt tính (độ hút vôi) cao, phụ gia Puzơlan được sử dụng để

trong quá trình nung luyện clinker hay sinh ra trong quá trình thuỷ hoá của xi măngtrong khi sử dụng, nhờ đó hạn chế được quá trình toả nhiệt, trương nở thể tích và gâynứt vỡ công trình, đặc biệt các công trình dưới nước

Mặt khác, khi phụ gia Puzơlan tác dụng với các thành phần nói trên dẫn đến sự hìnhthành các khoáng vật kết dính kiểu C-H-S hay C4AH13 hoặc C2ASH8 , lấp đầy cácmao quản trong cốt liệu và vì vậy làm tăng độ chặt sít của kết cấu, tăng độ bền sulfatcủa xi măng

Puzơlan có những tác dụng tốt như sau :

- Giảm độ phân tầng, tiết nước, giảm nhiệt thuỷ hoá và tác hại của cốt liệu cóphản ứng kiềm;

- Tăng độ đặc chắc, tính chống thấm, tính bền của bê tông ở trong nước vàtrong đất có tính chất ăn mòn

1.5.3 Tro trấu:

oxit silic vô định hình có hiệu ứng mạnh tương đương Silicafume

Chỉ số hoạt tính của tro trấu 7 ngày đạt đến 95% và chỉ số hoạt tính 28 ngày có thểlớn hơn 100%

1.6 Phân loại cốt sợi thép, phương pháp chế tạo và tính chất vật lý của sợi thép:

1.6.1 Các loại cốt sợi thép:

Sợi thép dùng làm cốt sợi cho bê tông dưới dạng các đoạn thép có độ dài từ 6,4 -76

mm, có tỷ lệ hướng sợi (chiều dài sợi chia cho đường kính sợi) khoảng từ 20-100, vớimột số loại tiết diện ngang, sợi thép đủ nhỏ để có thể được phân tán một cách ngẫunhiên trong hỗn hợp bê tông khi trộn Thành phần của sợi thép bao gồm thép các bon(thép cacbon thấp, đôi khi có thành phần hợp kim), hoặc thép không rỉ Với những ứngdụng khác nhau có thể yêu cầu những thành phần chế tạo sợi khác nhau Tiêu chuẩnASTM A 820-01 phân loại cho 4 dạng chính của sợi thép dựa vào phương pháp chếtạo: (1) - sợi kéo nguội; (2)- sợi từ tấm cắt ra; (3)- chế tạo từ hỗn hîp thÐp nÊu ch¶y;(4) - c¸c lo¹i sîi kh¸c

1.6.2 Phương pháp chế tạo sợi thép:

Sợi thép dẹt, thẳng có chiều dày từ 0,15-0,64 mm và chiều rộng từ 0,25- 2,03 mm,

được cắt từ tấm hoặc dát mỏng sợi gốc ra (Hình 1.13a).

Sợi thép có gờ, có gai, khía được sản xuất tạo gờ, tạo gai, tạo khía trên toàn chiều

dài (Hình 1.13b) hoặc uốn neo (Hình 1.13c), làm to ra tại đầu mút (Hình 1.13d).

Một số sợi được dính bằng hồ dính hữu cơ thành bó để dễ đóng gói, trong quá trình

trộn các bó sợi tách rời ra thành các sợi riêng rẽ (Hình 1.13c).

hoÆc hoÆc

a Sîi thÐp tr¬n, th¼ng b Sîi thÐp ® îc t¹o gai, xo¾n

c Sîi thÐp ® îc mót

d Sîi thÐp ® îc t¹o gê t¹i ®Çu mót e Sîi thÐp t¹o h×nh theo ph ¬ng

ph¸p dÎo

f Sîi thÐp t¹o h×nh theo ph ¬ng ph¸p nÊu ch¶y

Hình 1.13: H×nh d¹ng sîi thÐp

từng đoạn, được tạo khía thành sợi có gờ (có gai) Có loại sợi thép chế tạo ra các mảnh

vỡ rồi kéo dài ra, loại sợi này có một bề mặt nhám, không đều (Hình 1.13c)

diện ngang có hình lưỡi liềm (Hình 1.13f).

không neo Chỉ dùng với bê tông có cường độ bám dính siêu cao mục tiêu chế tạo rasợi này để dùng cho USPFRC

1.6.3 Tính chất của sợi thép:

Cường độ, độ cứng của sợi và khả năng liên kết bám dính giữa sợi thép với đá ximăng là những tính chất quan trọng của cốt sợi thép Khả năng liên kết bám dính củasợi thép với đá xi măng phụ thuộc vào tính chất hồ xi măng, loại sợi, hình dạng sợi và

bề mặt sợi Sợi thép có cường độ và mô đun đàn hồi cao, chúng được bảo vệ khỏi sự

ăn mòn trong môi trường kiềm của hỗn hợp hồ xi măng Liên kết của sợi với đá ximăng được tăng cường bằng các neo cơ học hoặc bề mặt nhám của sợ1 Cường độchịu kéo tối thiểu, dung sai về độ dài, đường kính được quy định trong tiêu chuẩnASTM A 820-01 và cường độ chảy dẻo chịu kéo của sợi thép thế hệ 1 là ≥ 345 Mpa,sợi thế hệ 2 là ≥ 2000MPa (giới hạn bền)

Bản thân sợi thép là hợp kim hợp kim có khả năng chống ăn mòn cao, sợi thépđược mạ đồng nhằm tránh các tác hại xâm thực, oxy hóa của môi trường

1.7 Tổng quan về khả năng chống ăn mòn của UHPFRC:

Do UHPFRC có độ bền cao nên có thể chống lại các loại khí độc hại, các chấtlỏng, Clorua, sương giá hay đóng tan băng được cải thiện bởi độ đặc và cấu trúc hạtcủa chất kết dính và vùng tiếp xúc giữa vữa và cốt liệu thô cũng như cấu trúc đặc hơncủa sản phẩm hydrat hóa

Bê tông UHPFRC có sợi thép không ảnh hưởng nhiều tới khả năng chịu mài mòncủa bê tông Tuy nhiên, dưới dòng chảy có vận tốc cao tạo nên điều kiện sinh ra lỗrỗng và các lực va chạm lớn do mảnh vụ gây nên, bê tông cốt sợi thép đã cải thiện mộtcách đáng kể khả năng chống tan rã

Bê tông UHPFRC có độ đặc chắc cao, cường độ cao nên ăn mòn sợi thép sẽ đượcgiới hạn ở lớp mỏng bề mặt của bê tông và hiện tượng rỉ sẽ không truyền sâu vào bêtông, thậm chí cả khi bê tông bị bão hoà ion Cl- Vì các sợi thép là ngắn, không liêntục, rời rạc khó chạm vào nhau, nên không có đường dẫn liên tục để truyền các dòng

ăn mòn điện hoá giữa các vùng khác nhau của bê tông Ion Cl- tiếp xúc rất ít với sợithép (đầu vợi thép) nên không có dòng ăn mòn, độ thấm thấp

Thành phần của sợi thép có Mn, Mg (hợp kim cường độ cao) gây ức chế ăn mòn,sợi thép được mạ đồng nên độ pH ít ảnh hưởng.

Môi trường biển Việt Nam có tác động xâm thực mạnh dẫn tới ăn mòn và phá huỷcác công trình bê tông & bê tông cốt thép So với các nước khác, môi trường biển ViệtNam có đặc thù khí hậu nóng ẩm, mưa bão nhiều tạo ra sự ăn mòn mạnh hơn đối vớicông trình Do vậy tính chất chống ăn mòn của UHPFRC phù hợp với khí hậu, vùngbiển, vùng ngập mặn tại miền Nam Việt Nam rất được quan tâm

2 VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ

2.1 Vật liệu:

2.1.1 Xi măng:

Chất kết dính (xi măng) có vai trò chủ chốt trong việc liên kết các loại vật liệu rờirạc thành khối bê tông đồng nhất Tuy vậy, nếu quá nhiều xi măng sẽ làm bê tông cócường độ thấp, độ bền không tốt và ảnh hưởng đến môi trường Việc nghiên cứu bêtông chất lượng siêu cao gắn liền với việc giảm lượng xi măng trong hỗn hợp và thayvào đó là những phụ gia khoáng với cỡ hạt siêu nhỏ

Xi măng PC40 – Nghi Sơn thí nghiệm theo TCVN 2682 – 2009 có đặc tính kỹ thuật sau:

Bảng 2.1 Tính chất cơ lý của xi măng Pooclăng PC40 – Nghi Sơn

Chất làm chậm góp phần kiểm soát quá trình hydrat hóa ban đầu vì vậy nó tạo cho

bê tông tốc độ đông kết mong muốn trong các điều kiện thời tiết được dự kiến trước Các chất giảm nước thông thường ASTM C494 kiểu A có tác dụng làm tăng cường

độ, kéo dài thời gian đông kết, độ sụt của bê tông tăng khoảng 2 lần Chất giảm nước

cao ASTM C494 loại F và G mang lại cường độ cao hơn và sớm hơn

Chất giảm nước cao nhằm mục đích tăng cường độ nếu giữ nguyên độ sụt hoặctăng độ sụt từ 3-4 lần nếu giữ nguyên cường độ Ở Việt Nam các chất này gọi là cácphụ gia siêu dẻo đã được dùng phổ biến trong các công trình cầu lớn với liều lượng từ0,5-3 lít/100kg xi măng

Phụ gia Glenium ® ACE 388 SureTec của hãng BASF (phụ gia siêu dẻo thế hệ thứ 3)đây với các tính năng như trong bảng sau:

Bảng 2.2 Các tính năng của phụ gia

cổ phần IPRO – Việt Nam cung cấp phù hợp với tiêu chuẩn ASTM C1240 – 93 Đượcthể hiện qua bảng sau:

Bảng 2.3 Thành phần hóa của Silicafume

Bảng 2.4 Thành phần hoá học của tro trấu

Thành phần SiO2 Al2O

3

Fe2O3

Hàm lượng, % 90,21 0,68 0,74 1,41 0,59 2,38 0,25 - 3,12

Bảng 2.5 Một số đặc trưng kỹ thuật của tro trấu

Khối lượng thể tích (kg/cm3) Khối lượng riêng(g/cm3) Chỉ số hoạt tính với xi măng ở 7ngày (%)

=1,08 chính vì vậy cần phải nghiên cứu sử dụng tro trấu sao cho phù hợp

2.1.5 Cốt liệu mịn:

Sử dụng cát Quartz với kích thước hạt nhỏ sẽ làm cho tính đặc chắc của bê tôngđược tăng cao, ngoài ra cường độ của bê tông cũng được cải thiện đáng kể và giảm

cao là loại cát có đường kính nhất định sau khi nghiền mịn đá Quartz gốc và sàng vớikích thước nhỏ tùy theo từng yêu cầu của mỗi thí nghiệm mà người ta có kích thướchạt cát Quartz riêng Cát Quartz có nguồn gốc ở Đồng Nai Lý do chọn cát Quartz do

quartz như sau:

Bảng 2.6 Chỉ tiêu kỹ thuật của cát Quartz

STT Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Kết quả Tiêu chuẩn áp dụng

TCVN 4:2006

TCVN 9:2006