Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tổ hợp phụ gia khoáng từ tro bay, silica fume và nano silica cùng với sợi thép phân tán đến một số tính chất của bê tông cường độ siêu cao như cường độ chịu nén và chịu uốn, tính thấm nước và biến dạng co ngót,... Qua đây có những phân tích, đánh giá kết quả có được và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.
Nghiên cứu ảnh hưởng tổ hợp phụ gia khoáng sợi đến số tính chất bê tơng cường độ siêu cao Research on the impact of combination of mineral and fiber additives to some properties of ultra high strength concrete Đỗ Trọng Toàn, Vũ Hải Nam, Trần Sinh Tóm tắt Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng tổ hợp phụ gia khoáng từ tro bay, silica fume nano silica với sợi thép phân tán đến số tính chất bê tông cường độ siêu cao cường độ chịu nén chịu uốn, tính thấm nước biến dạng co ngót, Qua có phân tích, đánh giá kết có đề xuất hướng nghiên cứu Từ khóa: Bê tơng cường độ siêu cao (UHSC); tổ hợp phụ gia khoáng; sợi thép phân tán Abstract This paper presents the research results on the impact of combination of mineral additives from fly ash, silica fume and nano silica with scattered steel fibers to some properties of ultra-high strength concrete such as compressive strength and bending strength, water permeability and deformation, shrinkage Thereof, the obtained results are analyzed and evaluated and continued research directions are proposed Keywords: Ultra High Strength Concrete (UHSC); mineral additives; scattered steel fibers Đặt vấn đề Trong cơng trình xây dựng, bê tông loại vật liệu sử dụng phổ biến chiếm 60% khối lượng cơng trình Hiện Việt Nam cơng trình xây dựng dân dụng thường sử dụng bê tông với cường độ nén 20 ÷ 40 MPa, nên kích thước kết cấu lớn Bên cạnh đó, với q trình hội nhập kinh tế quốc tế nhu cầu phát triển xây dựng giới Việt Nam lớn, đặc biệt phát triển công trình nhà cao tầng, siêu cao tầng, kết cấu chịu ăn mòn, mài mòn, bể xử lý khí thải hạt nhân, kết cấu vỏ mỏng, cầu dân sinh, … đòi hỏi phát triển vật liệu bê tông cường độ siêu cao (UHSC) Việc sử dụng vật liệu yếu tố quan trọng định đến chất lượng bê tông Thực tế cho thấy, thành phần chế tạo xi măng, cốt liệu nước kết hợp sử dụng thêm loại phụ gia khoáng sợi để nâng cao chất lượng cho bê tông, đặc biệt loại bê tơng đòi hỏi chất lượng cao UHSC Việc kết hợp nhiều loại phụ gia khoáng với tạo thành tổ hợp với sợi thép tiết kiệm chi phí vật liệu đầu vào, cải thiện cường độ, tính chống thấm, biến dạng, … Vật liệu sử dụng phương pháp nghiên cứu 2.1 Vật liệu sử dụng - Xi măng sử dụng nghiên cứu xi măng Nghi Sơn PCB40, tính chất lý xi măng thỏa mãn TCVN 2682-2009; - Cát trắng mịn sử dụng thỏa mãn TCVN 7570-2006; - Sử dụng phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate hệ thứ mức độ giảm nước phụ gia 40% Tổ hợp phụ gia khoáng tro bay (FA), silica fume (SF) nano silica (NS) có số hoạt tính tính chất phù hợp; - Sợi thép sử dụng có tiết diện tròn, chiều dài 13 mm, đường kính 0,2 mm; - Nước sử dụng đề tài đáp ứng yêu cầu kĩ thuật TCVN 4506 - 2012 nước trộn vữa bê tông 2.2 Phương pháp nghiên cứu - Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm - Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tìm phương trình hồi quy cấp phối thí nghiệm - Sử dụng phương pháp thí nghiệm theo tiêu chuẩn Việt Nam nước - Sử dụng phương pháp phi tiêu chuẩn khác ThS Đỗ Trọng Toàn Khoa Xây dựng Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: trongtoan007@gmail.com TS Vũ Hải Nam Trung tâm Bê tông xi măng Viện Vật liệu xây dựng Email: namvlxd@gmail.com Trần Sinh Sinh viên Khoa Xây dựng Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: transinh9595@gmail.com Kết nghiên cứu 3.1 Lựa chọn biến tỷ lệ sử dụng qui hoạch thực nghiệm Dựa theo tài liệu tham khảo q trình thí nghiệm thăm dò phòng thí nghiệm đề tài lựa chọn biến tỷ lệ sử dụng qui hoạch thực nghiệm sau: - X1 (nano silica-NS): tỷ lệ sử dụng 1% ÷ 2% so với xi măng; - X2 (tỷ lệ nước/chất kết dính-N/CKD): tỷ lệ sử dụng 0,15 ÷ 0,2 so với chất kết dính; - X3 (tỷ lệ dùng sợi thép - Sợi): chọn tỷ lệ sử dụng 1% ÷ 3% so với thể tích bê tông 3.2 Kết đánh giá quy hoạch thực nghiệm Tính tốn thành phần bê tơng dựa sở quy hoạch thực nghiệm tính theo nguyên tắc thể tích tuyệt đối, kết cho bảng Trên sở kết thí nghiệm thu theo kế hoạch thực nghiệm bảng 1, tính tốn thống kê theo phương pháp hồi quy với mức có nghĩa hệ số phương trình p=0,05 bậc tự lặp f2=5 Trong trình tính tốn sử dụng phần mềm Design Expert 7.1, phần mềm Excel, Maple 17 để xử lý số liệu ta thu phương trình hồi quy mơ tả quan hệ nhân tố ảnh hưởng gồm có tỉ lệ N/CKD, S¬ 27 - 2017 KHOA H“C & CôNG NGHê Bng 1: Cp phi thớ nghim v kt xác định cường độ chịu nén Biến mã STT Tỷ lệ thành phần cấp phối Cường độ chịu nén, MPa x1 x2 x3 NS N/CKD Sợi Rn1 Rn3 Rn7 Rn28 -1 -1 -1 0,150 1,000 81,9 104,1 132,1 161,7 -1 -1 0,150 1,000 86,5 109,9 139,5 170,8 -1 -1 0,200 1,000 67,8 86,2 109,3 133,9 1 -1 0,200 1,000 70,5 89,6 113,7 139,2 -1 -1 1 0,150 3,000 105,5 134,0 170,0 208,2 -1 0,150 3,000 110,2 140,1 177,7 217,6 -1 1 0,200 3,000 85,4 108,5 137,7 168,6 1 0,200 3,000 92,3 117,3 148,8 182,2 -1,68 0 0,66 0,175 2,000 87,8 111,6 141,6 173,3 10 1,68 0 2,34 0,175 2,000 92,1 117,1 148,6 181,9 11 -1,68 1,5 0,133 2,000 107,4 136,4 173,1 211,9 12 1,68 1,5 0,217 2,000 77,0 97,9 124,1 152,0 13 0 -1,68 1,5 0,175 0,318 72,0 91,5 116,1 142,2 14 0 1,68 1,5 0,175 3,682 100,8 128,2 162,6 199,1 15 0 1,5 0,175 2,000 86,5 110 139,5 170,8 16 0 1,5 0,175 2,000 87,4 111,1 140,8 172,5 17 0 1,5 0,175 2,000 89,8 114,1 144,8 177,3 18 0 1,5 0,175 2,000 88,2 112,1 142,2 174,2 19 0 1,5 0,175 2,000 83,5 106,1 134,6 164,9 20 0 1,5 0,175 2,000 85,7 108,9 138,1 169,1 hàm lượng NS, hàm lượng sợi thép tới hàm mục tiêu dạng biến mã sau: Λ = Y 171,59 + 6,39 X − 28,97 X + 32,87 X + 0,17 X X + 3,07 X X − −5,5 X X + 3,63 X 12 + 7,98 X 22 − 3,39 X 32 Kiểm tra tính tương hợp mơ hình qua chuẩn số Fisher với mức có nghĩa 0,05 phần mềm Design Expert 7.1 cho kết mơ hình tương hợp với tranh thực nghiệm Trong UHSC yếu tố ảnh hưởng có tương tác qua lại với nhau, xét với hai yếu tố cố định hàm lượng của yếu tố thứ 3, thay đổi hai yếu tố ảnh hưởng tới hàm mục tiêu khảo sát miền nghiên cứu yếu tố lại, thấy rõ ảnh hưởng thơng qua không gian đồ thị x0y Xét trường hợp hai yếu tố đầu vào tỷ lệ N/CKD hàm lượng NS, tương quan ảnh hưởng hai thành phần với thể vị trí đặc biệt hệ ta cố định hàm lượng sợi thép vị trí tâm kế hoạch Nhận xét chung: Cả ba yếu tố (N/CKD, NS, hàm lượng sợi thép) ảnh hưởng đến phát triển cường độ cho bê tông Khi ba yếu tố thay đổi cường độ bê tơng thay đổi theo Hàm lượng nanosilica ảnh hưởng tỷ lệ thuận với cường độ chịu nén bê tông Khi hàm lượng nanaosilica bê tông tăng, phản ứng puzzơlan hàm lượng SiO2 hoạt tính bê tơng tăng, làm giảm lượng C-H sinh q trình thủy hóa xi măng tạo khống C-S-H có cường độ cao Bên cạnh phản ứng puzzơlan, nanosilica cho vào giúp điền đầy vào khoảng trống bê tơng tạo cho bê tơng có cấu trúc đặc Tỷ lệ N/CKD ảnh hưởng lớn lên hàm mục tiêu cường độ Khi hàm lượng nước bê tông giảm, cường độ bê tông tăng Do chế tạo bê tông, việc giảm lượng nước sử dụng cho cấp phối bê tông giúp tăng cường độ cho bê tông Sợi thép sử dụng bê tông liên kết vùng đá xi Bảng 2: Tỷ lệ thành phần vật liệu tối ưu từ phương pháp quy hoạch thực nghiệm Kí hiệu mẫu C/X FA/X SF/X TUT 0,70 0,10 0,07 NS (%X) THÉP/V (%V) PGSD/CKD (%CKD) N/CKD 1,00 3,00 1,40 0,15 Bảng 3: Cấp phối lựa chọn cho 1m bê tơng thí nghiệm Kí hiệu mẫu C (kg) FA (kg) SF (kg) Ns (kg) THÉP (kg) PGSD (kg) N (kg) X (kg) V (m3) TUT 819 117 82 12 236 19 195 1169 10 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG 250 70 215 60 176.5 138.5 150 56.7 57.2 28 60 50 Cường độ uốn, MPa Cường độ nén, MPa 200 218.3 105.5 100 39.6 40 30 33.4 25.8 20 50 10 28 60 Ngày tuổi Hình Cường độ chịu nén mẫu thí nghiệm tuổi đến 60 ngày Hình Điện lượng truyền qua mẫu thí nghiệm theo thời gian măng bê tông, giúp tải trọng tác dụng vào cấu trúc bê tông phân bố khắp cấu trúc Cường độ bê tông tăng mạnh hàm lượng sợi thép sử dụng tăng Tuy hàm lượng sợi thép sử dụng lớn bê tông bị phân tầng sợi thép cuộn thành búi chìm xuống đáy kết cấu 3.3 Kết nghiên cứu ảnh hưởng đến số tính chất bê tơng cường độ siêu cao 3.3.1 Ảnh hưởng tổ hợp phụ gia khoáng sợi thép đến cường độ chịu nén chịu uốn Nhận xét: Kết xác định cường độ chịu nén uốn mẫu bê tông thí nghiệm cho thấy cường độ bê tơng phát triển nhanh cho cường độ cao Trong cường độ chịu nén bê tông đạt 215MPa tuổi nén 28 ngày Bê tông phát triển cường độ không nhiều từ 28 đến 60 ngày tuổi tăng từ 215MPa lên 218,3MPa Cường độ chịu uốn tuổi ngày đạt 25,2MPa, đạt yêu cầu đề với UHSC 15MPa Cường độ chịu uốn bê tông đạt 56,7MPa tuổi 28 ngày Bê tông sử dụng cốt sợi tổ hợp phụ gia khoáng cho phép kết cấu chịu lực làm việc thời gian ngắn sau thi cơng UHSC thích hợp với cơng trình u cầu thời gian thi cơng, cơng trình quân sự, cầu cảng hay bể chứa chất thải nguy hiểm Tuy với chi phí ban đầu tương đối cao xét lợi ích khả chịu lực hay thời gian sử dụng đánh giá hiệu lâu dài UHSC lựa Ngày tuổi Hình Cường độ chịu uốn mẫu thí nghiệm tuổi đến 60 ngày Hình Xác định co ngót mẫu thí nghiệm tuổi 1, 3, 7, 14, 28 ngày chọn hợp lý 3.3.2 Ảnh hưởng tổ hợp phụ gia khoáng sợi thép đến mức độ thấm ion clo Kết tính tốn thấm ion theo phương pháp điện lượng cấp phối bê tơng rút từ phương trình hồi quy thực nghiệm xác định theo TCVN 9337-2012 Từ kết thu theo thí nghiệm thấm ion clo ta thấy cấp phối tối ưu có mức độ thấm ion clo nằm khoảng 100 culông Việc sử dụng sợi thép cấu trúc bê tông cho phép dòng điện truyền qua sợi thép kết đo thấm ion clo sợi thép nhỏ Kết cho thấy UHSC sử dụng tổ hợp phụ gia khoáng sợi thép khơng có cường độ cao mà có độ đặc lớn Từ tăng khả chống thấm giảm thiểu khả ăn mòn vào bên bê tông làm giảm nguy gây ăn mòn cốt thép bê tơng Độ đặc lớn cho phép UHSC chế tạo từ tổ hợp phụ gia khống sợi thép làm việc kết cấu chịu ăn mòn cao mơi trường biển, lò hạt nhân bể chứa rác thải nguy hại 3.3.3 Ảnh hưởng tổ hợp phụ gia khoáng sợi thép đến biến dạng co ngót mẫu trụ Mục đích thí nghiệm nhằm đánh giá biến đổi chiều cao mẫu trụ bê tơng có kích thước 150x75mm theo thời gian, hỗn hợp bê tơng rót tự lèn đầy khn (không chấn động) bảo dưỡng điều kiện nhiệt độ tiêu chuẩn, chờ S¬ 27 - 2017 11 KHOA HC & CôNG NGHê n hn hp bờ tụng đơng kết (khoảng ÷ 12 giờ) bắt đầu lắp đồng hồ đo biến dạng co ngót, qua đánh giá biến dạng bê tông từ hỗn hợp bê tông đông kết tới trạng thái đá xi măng tuổi dài ngày Phương pháp dựa theo tiêu chuẩn ASTM-C1090-01 Kết theo dõi thay đổi chiều cao mẫu trụ đánh giá theo tuổi bê tông 1, 3, 7, 14 28 ngày trình bày theo hình Qua trình theo dõi co ngót UHSC nhóm nghiên cứu nhận thấy bê tơng có mức độ co ngót nhỏ Sợi thép sử dụng cấu trúc bê tông sợi cứng, sợi thép liên kết với vùng đá xi măng cản co tốt Thời gian co ngót mạnh diễn giai đoạn từ ngày tới tuổi 14 ngày Trong giai đoạn từ co mềm đến độ tuổi ngày khoảng thời gian bê tông co nhiều chiếm 80% chiều dài co bê tơng vòng 28 ngày tuổi Từ 14 ngày tuổi đến 28 ngày tuổi bê tơng co ngót chậm, thay đổi không đáng kể Kết luận kiến nghị Chế tạo UHSC đạt cường độ nén 150MPa cường độ uốn 15MPa sử dụng tổ hợp phụ gia khoáng bao gồm SF, NS, FA sợi thép Trong phạm vi nghiên cứu, đề tài chế tạo thành công UHSC đạt cường độ nén uốn lớn 215MPa 56,7MPa điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn Kết thấm ion clo cho thấy UHSC sử dụng tổ hợp phụ gia khống sợi thép có mức độ thấm ion clo không đáng kể (nhỏ 100culong) biến dạng co ngót bê tơng nhỏ (nhỏ 0,65 mm/m) Việc sử dụng tổ hợp phụ gia khoáng sợi thép chế tạo bê tơng nói chung bê tơng cường độ siêu cao nói riêng hồn tồn áp dụng cho cơng trình có u cầu đặc biệt cơng trình dân dụng (cầu có nhịp lớn, kết cấu mỏng, cầu dân sinh, cầu vượt khu đô thị hay nhà cao tầng khác, …) 4.2 Kiến nghị Đề tài thiết lập phương trình hồi quy thực nghiệm mơ tả ảnh hưởng thành phần cấp phối đến cường độ nén uốn UHSC tuổi 28 ngày, đưa cấp phối cho 1m3 bê tông bảng Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng tổ hợp phụ gia khống sợi thép đến số tính chất khác UHSC tính cơng tác, khả giữ độ lưu động, modun đàn hồi, độ bền lâu, … Đặc biệt nghiên cứu ứng dụng vào kết cấu cụ thể thực tế Việc sử dụng tổ hợp phụ gia khống cấp phối khơng giúp bê tơng đạt cường độ cao mà cải thiện cường độ tuổi ngắn ngày Khi kết hợp nanosilica với phụ gia khoáng giúp nâng cao chất lượng cho UHSC Hiện nay, nước ta chưa có đề tài nghiên cứu ảnh hưởng nanosilica đến tính chất UHSC, bước tiến đề tài Đánh giá tính kinh tế tổ hợp phụ gia khoáng sợi thép chế tạo loại bê tông thị trường Việt Nam./ 4.1 Kết luận Nghiên cứu ứng xử học UHSC sử dụng hàm lượng sợi thép phân tán khác như: từ biến, trình phát triển mở rộng vết nứt, khả chịu va đập toán dao động kết cấu để hướng tới kết cấu đặc biệt chịu tác động nổ, va đập mạnh Tài liệu tham khảo ASTM-C1090-01: Tiêu chuẩn - Phương pháp thử - Đo thay đổi chiều cao mẫu trụ hỗn hợp vữa sử dụng chất kết dính xi măng TCVN 9337-2012: Bê tông nặng - Xác định độ thấm ion clo phương pháp đo điện lượng TCVN 7572-2006: Cốt liệu cho bê tông vữa - Phương pháp thử TCVN 4506-2012: Nước cho bê tông vữa - Yêu cầu kĩ thuật TCVN 10302:2014: Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tơng vữa xây xi TCVN 3121-11:2003: Vữa xây dựng - Phương pháp thử, Phần 11: Xác định cường độ uốn nén vữa đóng rắn TCVN 2682-2009: Xi măng Poóc lăng - Yêu cầu kĩ thuật Phạm Duy Hữu; Nguyễn Ngọc Long; Đào Văn Đông; Phạm Duy Anh, “Bê tông cường độ cao chất lượng cao” Nguyễn Minh Tuyển, 2005 “Quy hoạch thực nghiệm”, Nhà xuất Khoa Học Công Nghệ 12 T„P CHŠ KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG 10 Vn Vit Thiờn Ân, 2013 “Characteristics of Rice Husk Ash and Application in Ultra - High Performance Concrete”, Luận án Tiến Sỹ, Trường Đại học Xây Dựng, Hà Nội 11 Bùi Danh Đại, 2010 “Phụ gia khống hoạt tính cao cho bê tơng chất lượng cao”, Bài giảng dành cho Cao học Vật liệu Xây dựng, Trường Đại học Xây Dựng, Hà Nội 12 Nguyễn Công Thắng, 2016 “Nghiên cứu chế tạo bê tơng chất lượng siêu cao sử dụng phụ gia khống vật liệu sẵn có Việt Nam”, Viện Khoa Học Công Nghệ Vật Liệu Xây Dựng, 13 Phạm Duy Hữu, Nguyễn Ngọc Long, Phạm Hoàng Kiên, Nguyễn Thanh Sang, 2011 “Nghiên cứu cơng nghệ chế tạo bê tơng có cường độ siêu cao ứng dụng kết cấu cầu nhà cao tầng”, Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp bộ, B2010-04130-TĐ, Đai học Giao Thông Vận Tải 14 Trần Bá Việt, Uông Hồng Sơn, 2015 “Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng sợi thép tro trấu đến bê tông cường độ siêu cao – UHPSFC”, Tạp trí xây dựng, Bộ xây dựng, Số 15 Peter Buitelaar, 2004 “Ultra High Performance Concrete: Developments And Application During 25 year”, International Symposium on UHPC, Kassel, Germany ... phân tầng sợi thép cuộn thành búi chìm xuống đáy kết cấu 3.3 Kết nghiên cứu ảnh hưởng đến số tính chất bê tông cường độ siêu cao 3.3.1 Ảnh hưởng tổ hợp phụ gia khoáng sợi thép đến cường độ chịu... nghiệm mơ tả ảnh hưởng thành phần cấp phối đến cường độ nén uốn UHSC tuổi 28 ngày, đưa cấp phối cho 1m3 bê tông bảng Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng tổ hợp phụ gia khoáng sợi thép đến số tính chất khác... cường độ chịu nén uốn mẫu bê tơng thí nghiệm cho thấy cường độ bê tông phát triển nhanh cho cường độ cao Trong cường độ chịu nén bê tơng đạt 215MPa tuổi nén 28 ngày Bê tông phát triển cường độ