Bê tông siêu cường độ trong xây dựng

MỤC LỤC CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG II: TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ BÊ TÔNG SIÊU 1 2.1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG SIÊU CƯỜNG ĐỘ (UHPFRC) 1 2.2. VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ TÔNG SIÊU CƯỜNG ĐỘ 3 2.2.1. Nguyên tắc chế tạo 3 2.2.2. Xi măng 4 2.2.3. Cốt liệu lớn 5 2.2.4. Sợi thép 6 2.2.5. Muội silic (micro silica) 6 2.2.6. Bột khoáng 7 2.2.7. Phụ gia siêu dẻo 8 2.3. ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA BÊ TÔNG SIÊU CƯỜNG ĐỘ 9 2.3.1. Cường độ nén uốn 9 2.3.2. Modun đàn hồi 11 2.3.3. Độ bền của UHPFRC 11 CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ MỘT VÀI ỨNG DỤNG UHPFRC CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH ĐẶC BIỆT 13 3.1. Cầu WILD – Völkermarkt ( Áo ) 13 3.2. Cầu Log Čezsoški – Soča river, Slovenia 17 3.3. Một số công trình khác trên thế giới sử dụng UHPFRC 20 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 21

MỤC LỤC CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU CHƯƠNG II: TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ BÊ TÔNG SIÊU 2.1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG SIÊU CƯỜNG ĐỘ (UHPFRC) .1 2.2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ TÔNG SIÊU CƯỜNG ĐỘ 2.2.1 Nguyên tắc chế tạo .3 2.2.2 Xi măng 2.2.3 Cốt liệu lớn 2.2.4 Sợi thép 2.2.5 Muội silic (micro silica) 2.2.6 Bột khoáng 2.2.7 Phụ gia siêu dẻo 2.3 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA BÊ TƠNG SIÊU CƯỜNG ĐỘ 2.3.1 Cường độ nén uốn 2.3.2 Modun đàn hồi .11 2.3.3 Độ bền UHPFRC 11 CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ MỘT VÀI ỨNG DỤNG UHPFRC CHO KẾT CẤU CƠNG TRÌNH ĐẶC BIỆT .13 3.1 Cầu WILD – Völkermarkt ( Áo ) 13 3.2 Cầu Log Čezsoški – Soča river, Slovenia 17 3.3 Một số cơng trình khác giới sử dụng UHPFRC .20 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN .21 CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU Ngày nay, với tiến vượt bậc khoa học kỹ thuật nói chung, khoa học cơng nghệ vật liệu đà chiếm lĩnh đỉnh cao trí tuệ lồi người Những thành tựu khoa học cơng nghệ vật liệu có bước phát triển quan trọng tạo nhiều loại vật liệu có tính ưu việt ứng dụng lĩnh vực đời sống.Việc sử dụng vật liệu cho thích hợp với yêu cầu điều kiện làm việc vấn đề quan trọng Mỗi loại vật liệu lại có đặc điểm riêng tính chất giá thành để lựa chọn vật liệu cho phù hợp, đáp ứng yêu cầu đặt vấn đề không đơn giản Các nhà khoa học vật liệu liên tục nghiên cứu tìm tòi phát minh nhiều loại vật liệu làm biến đổi sâu sắc loại vật liệu truyền thống, làm cho chúng ưu việt hơn, kinh tế Có loại vật liệu biến tính để áp dụng chi tiết, kết cấu làm việc điều kiện khắc nghiệt đòi hỏi độ bền cao tác động nước biển, phóng xạ, chất ăn mòn đặc biệt…Song song với phát triển mạnh mẽ ngành công nghệ vật liệu thép, vật liệu composit, v v cơng nghệ vật liệu bê tơng có bước tiến vượt bậc Một thành tựu đáng ý giải pháp vật liệu cho tương lai cơng nghệ BÊ TƠNG SIÊU CƯỜNG ĐỘ (UHPFRC) CHƯƠNG II: TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ BÊ TÔNG SIÊU CƯỜNG ĐỘ 2.1.Tổng quan bê tông siêu cường độ (UHPFRC) Bê tông siêu cường độ (Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete -UHPFRC) loại vật liệu nghiên cứu phát triển giới từ năm 1990, UHPFRC có cường độ cao từ 100 ÷ 200 MPa, độ bền cao ổn định lâu dài Bê tông siêu cường độ (UHPFRC) có thành phần xi măng, cát quarzt, sợi thép, bột quarzt chất siêu dẻo Phân loại bê tông theo cường độ tỷ lệ N/X: - Bê tông thường (NC): cấp cường độ nhỏ 40 MPa, N/X = 0,40,6 Bê tông cường độ cao, chất lượng cao (HSC/HPC): cấp cường độ nhỏ 100 MPa, tỷ lệ N/X = 0,30,4 Bê tông chất lượng cao (UHPC): cấp cường 200 MPa, tỷ N/X = 0,20,25 Bê tông siêu cường độ cốt sợi thép (UHPFRC): cấp cường độ nhỏ 200MPa, tỷ lệ N/X = 0,20,25 hàm lượng cốt sợi thép từ 12% Bảng 2.1: Các tính UHPFRC bê tông thường Tính Đơn vị UHPFRC Bê tơng thường Cường độ nén MPa 160÷250 ~ 40 Mơ đun đàn hồi GPa 48÷60 ~ 35 Cường độ kéo MPa 9÷20 ~3 Biến dạng % 0,05÷0,2 Vết nứt đề tiên MPa 7÷16 ~3 Để chế tạo loại vật liệu có tuổi thọ cao, tìm kiếm loại kết cấu có chiều cao thấp so với kết cấu cũ nên việc nghiên cứu thành phần vật liệu bê tông quan trọng Thành phần chủ yếu bao gồm thành phần: Xi măng, nước, cốt liệu nhỏ, phụ gia siêu dẻo, muội silic, bột khống có độ cứng lớn cốt sợi thép cường độ cao Hình 1: hình ảnh bê tơng siêu cường độ UHPFRC Hình 2: hình ảnh thành phần sợi thép mẫu bị phá hoại Phân tích đánh giá số kết nghiên cứu ứng dụng bê tông siêu cường độ cho kết cấu cơng trình đặc biệt Bê tơng UHPFRC sử dụng cơng trình giới chủ yếu cơng trình cầu, nhà cao tầng cơng trình đòi hỏi độ bền cao tác động yếu tố môi trường khắc nghiệt 2.2 Vật liệu chế tạo bê tông siêu cường độ UHPFRC 2.2.1 Nguyên tắc chế tạo Nguyên tắc để cải thiện tính chất bê tơng tăng độ đặc vữa xi măng cải tiến vùng tiếp giáp đá xi măng hạt cốt liệu Với bê tơng UHPFRC tỷ lệ N/X từ 0.2 đến 0.25 Với RPC tỷ lệ N/X từ 0.17 Trang đến 0.19 Chất kết dính bê tông UHPFRC bao gồm xi măng, muội silic dần thay bột quartz có đường kính trung bình 10 μm Cốt liệu lớn thường dùng cát quartz có cỡ hạt lớn từ 0.5 đến 1mm - Nâng cao tính đồng bê tông cách giới hạn lượng cốt liệu thô - Cải thiện tính chất vữa cách cho thêm phụ gia puzzolan, ví dụ muội silic Hiệu thay đổi muội silic bê tông cho pu zơ lan phản ứng với Ca(OH)2 lấp đầy vào lỗ rỗng hạt xi măng hạt vật liệu thành phần khác Với bê tông sử dụng loại xi măng pooclăng thông thường, lượng muội silic 18%, so với khối lượng, xi măng đủ để phản ứng hết với Ca(OH)2 tạo xi măng thủy hóa Tuy nhiên, để chèn kín lỗ rỗng muội silic tối ưu khoảng 30% so với lượng xi măng Chúng ta biết vùng chuyển tiếp đá xi măng hạt cốt liệu thường la nơi bắt đầu vết vi nứt khác tính chất học vật lý chúng Kích thước lớn cốt liệu UHPFRC khuyến cáo cần phải nhỏ 600µm Hình 3: Cấu trúc đặc UHPFRC muội silic tối ưu khoảng 30% so với lượng xi măng Do hàm lượng muội silic UHPFRC thường khoảng 25-30% so với khối lượng xi măng - Nâng cao độ đặc hỗn hợp bột Hỗn hợp có phân bố kích thước rộng có độ rỗng hạt nhỏ Điều có nghĩa hỗn hợp bột phối hợp từ số loại bột - Cải thiện tính chất vữa cách giảm tỉ lệ N/CKD - Nâng cao cấu trúc vi mô bê tông cách xử lý nhiệt sau ninh kết Từ năm 1994 nghiên cứu mạnh mẽ thực Pháp Canada Lượng dùng xi măng loại bê tông UHPFRC nằm khoảng 900 – 1000 Kg/m3 - Nâng cao độ đặc bê tông tối ưu hóa thành phần hỗn hợp kết hợp việc sử dụng cơng nghệ trộn bảo dưỡng thích hợp - Tăng cường độ dẻo độ dai bê tông cách sử dụng sợi thép chất lượng cao kích thước nhỏ (d, l) hàm lượng hợp lý -6 % theo thể tích 2.2.2 Xi măng -Xi măng thường phân loại theo tiêu chuẩn ASTM, chia làm loại.Thông thường UHPFRC thường sử dụng xi măng nhóm I với cấp xi măng 42,5 52,5 Mpa Ở Việt Nam thường chế tạo xi măng PC40 vật liệu lựa chọn xi măng PC40 - Xi măng Pooc Lăng chất kết dính vơ rắn nước cứng rắn bền nước, chứa 70- đến 80% silicat canxi 15% aluminat canxi, sản phẩm thu từ trình nghiền mịn clinker -Xi măng có thành phần hóa khống theo ASTM sau : Bảng 2.2: Thành phần khoáng vật (%) theo ASTM ASTM Nhóm N1 N2 N3 N4 C3S C2S C3A C4AF 55 44 63 25 16 26 10 47 11 10 15 15 Trong đó: Nhóm xi măng tiêu chuẩn,chế độ nhiệt bình thường Nhóm nhóm cần lưu ý chế độ nhiệt Nhóm dùng cho kết cấu bê tơng đặc biệt (ít tỏa nhiệt) Chất kết dính có vai trò chủ chốt việc liên kết loại vật liệu rời rạc thành khối bê tơng đồng Tuy q nhiều chất kết dính làm bê Trang tơng có cường độ thấp độ bền không tốt, ảnh hưởng đến môi trường Việc sản xuất bê tông cường độ cao gắn liền với việc giảm lượng chất kết dính hỗn hợp thay vào phụ gia khống với cỡ hạt nhỏ 2.2.3 Cốt liệu lớn Để chế tạo bê tông siêu cường độ, từ năm 1999 đến người ta thường sử dụng cát quartz Việc sử dụng cát quart với kích thước hạt nhỏ làm cho Tính chất cát Quarzt: Cát quarzt dùng để chế tạo UHPFRC loại cát có đường kính định sau nghiền mịn đá quarzt gốc sàng với kích thước nhỏ tùy theo yêu cẩu thí nghiệm mà người ta có kích thước hạt cát quart riêng Ví dụ với nghiên cứu F de Larard T.Sedran cát quarzt gồm loại nằm cỡ sàng sau : tính đặc bê tông tăng cao, cường độ bê tông đồng thời cải thiện đáng kể giảm hàm lượng chất kết dính Hình 4: Cát quarzt dùng để chế tạo UHPFRC Bảng 2.3:Cấp phối cốt liệu cát (% lọt sang) T(um) Sand S125 Sand S250 Sand S4000 63 0 80 13 0 100 56 0 125 100 2 160 100 19 16 200 100 53 43 250 100 100 80 315 100 100 96 400 100 100 100 Cát quarzt có tỉ trọng khối 2680 kg/m3 2.2.4 Sợi thép Theo báo cáo thành phần UHPFRC châu Âu cho thấy sợi thép làm tăng tính dẻo dai UHPFRC, hấp thụ lượng tải trọng va chạm tăng cường khả chịu lực sau vết nứt Người ta khuyến cáo sử dụng sợi thép có đường kính 0,25 mm chiều dài 17 mm., giới hạn chảy 200Mpa Hình 5: Sợi thép cốt liệu chế tạo UHPFRC Theo nghiên cứu Thổ Nhĩ Kỳ đề nghị sử dụng sợi thép L = 6mm D = 0,15 mm, khối lượng riêng 7,85g/cm3, giới hạn chảy 2250 Mpa Theo nghiên cứu Thuỵ Sỹ đề nghị sử dụng sợi thép L = 25 mm đường kính D = 0,16 mm Theo tài liệu uỷ ban đường cao tốc hoa kỳ vào tháng năm 2005 sợi thép sử dụng công ty Bekaert có đường kính 0,2 mm, dài 12,7 mm có giới hạn chảy 2600 Mpa Sợi thép loại Dramix kí hiệu OL13-20 có đường kính kính D = 0,2 mm chiều dài L = 13 mm, thuộc loại chất lượng cao Giới hạn chảy 2000 Mpa Sợi thép chế tạo phù hợp với tiêu chuẩn ISO 9001 với giá thành 2,2 USD/kg Hàm lượng sợi thép cho UHPFRC 200 2/1000 theo thể tích Với UHPFRC 500-800 hàm lượng sợi thép 6% theo thể tích Thành phần hố học sợi thép giới thiệu theo bảng sau : Trang Bảng 2.3: Thành phần hóa học sợi thép Thành phần hoá học Hàm lượng (%) Carbon Silicon Mangan Phot 0,69-0.79 0.15-0.30 0.40-0.60 Sulfur �0.025 �0.08 �0.003 �0.025 Chromium Aluminum 2.2.5 Muội silic (micro silica) Là sản phẩm phụ lấy từ trình nung thạch anh với than đá lò hồ quang điện ngành sản xuất silicon hợp kim thép silicon khói có hàm lượng dioxit silicon vơ định hình cao chứa tinh thể hình cầu mịn thu từ khí khỏi lò Muội silic có hàm lượng oxit silic độ mịn cực cao nên vật liệu có hiệu tính Pozzolanic cao Khói oxit silic phản ứng với đá vơi q trình hydrat hóa xi măng để tạo hợp chất kết dính bền vững-CSH (can xi oxit silic hydrat) Tính sẵn có hỗn hợp khử nước phạm vi cao làm thuận tiện việc sử dụng khói oxit silic vật liệu kết dính bê tơng để tạo cường độ cao Hàm lượng khói oxit silic thông thường nằm phạm vi từ 5-15% lượng xi măng Cơ chế lấp đầy lỗ rỗng hạt xi măng độ rỗng gel đá xi măng thể qua đường kính hạt phụ gia khống siêu mịn Ở đây, có đường kính hạt nhỏ d