Bê tông cường độ siêu cao UHPC (ultrahigh performance concrete ) là sự phát triển cao cấp hơn của bê tông cốt sợi truyền thống. Khác với bê tông GFRC quan tâm đế khả năng chịu uốn để chế tạo các sản phẩm trang trí, bê tông UHPC quan tâm nhiều đến tính năng chịu nén của vật liệu. Vào đầu những năm 1970 các chuyên gia dự đoán rằng giới hạn thực tế của bê tông trộn sẵn chắc chắn không vượt qua được sức chịu tải là 11.000 psi. Tuy nhiên, đến nay đã có nhiều công trình sử dụng bê tông với cường độ chịu nén lên đến trên 20.000 psi.Để đạt được điều này, bê tông UHPC tối ưu hóa hầu hết các thành phần tạo lên bê tông thông thường. Ngoài việc lựa chọn xi măng portland chất lượng cao, thì thành phần cốt liệu của bê tông cũng được kiểm soát chặt chẽ. Khi lựa chọn cốt liệu cho bê tông UHPC , nhà sản xuất xem xét sức mạnh của cốt liệu, kích thước tối ưu của cốt liệu, mối liên kết giữa bột xi măng và cốt liệu, đặc tính bề mặt của cốt liệu. Điều này được thể hiện rõ qua các điểm sau:1: Kích thước và đường kính hạt của cốt liệuBê tông UHPC đa phần có kích thước hạt của cốt liệu được khống chế. Trong đó cốt liệu chính là silica có kích thước micromet, việc giảm kích thước hạt của cốt liệu chính làm cho khả năng liên kết của xi măng với cốt liệu tăng lên. Giảm lỗ rỗng trong quá trình diễn ra phản ứng thủy hóa xi măng.2: Phụ giaCác loại phụ gia thông dụng như giảm nước, siêu hóa dẻo được tính toán tỉ mỉ. Bên cạnh đó còn bổ xung thêm tro bay và các loại phụ gia hóa học khác.3: Pha gia cường kết hợp cùng với cốt liệu bên cạnh kết cấu thép chịu tải.Người ta sử dụng pha gia cường bằng sợi hóa học , sợi thép kết hợp cùng với kết cấu thép truyền thống trong bê tông để cải thiện khả năng chịu nén của bê tông UHPC. Các pha gia cường là sợi có đường kính, kích thước và hình thái phức tạp để tăng cường khả năng liên kết đa hướng của hỗn hợp bê tông.Ngày nay trên thế giới, các công trình cao ốc hàng trăm tầng đều phổ biến sử dụng bê tông cường độ siêu cao UHPC. Nhờ khả năng chịu tải lớn, chuyển tải hiệu quả, bê tông UHPC cũng làm giảm tổng trọng lượng của công trình và giảm tổng chi phí cho việc xây dựng kết cấu.
Bê Tơng Cường Độ Cao Mr Trần Đình Nguyễn Vũ BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO NGHI SON CEMENT CORPORATION HCMC Branch- Technical Dept Trần Đình Nguyễn Vũ Mở đầu Bê tông cường độ cao nhà khoa học xây dựng quan tâm từ lâu Từ thập niên 1950, người ta bắt đầu nghiên cứu tăng mác bê tông để đáp ứng yêu cầu ngày cao kết cấu cho nhà cao tầng, dầm cầu nhịp lớn… Ở Chicago, đầu năm 1960 người Mỹ sản xuất bê tông mác 42 MPa cho cao ốc 40 tầng Đầu thập niên 1970, đạt mác bê tông 60 MPa, ngày cải tiến Năm 1989 bê tông thương phẩm đạt mác 96 MPa cho cột tầng 1-6 nhà cao tầng Hiện nay, bê tông cường độ cao sử dụng rộng rãi xây dưng Phạm vi báo cáo xin giới thiệu khái niệm tiêu kỹ thuật bê tông cường độ cao/ chất lượng cao nước giới Hình -1: Sân vận động Fukuoka Dome Trang 26 Bê Tông Cường Độ Cao Mr Trần Đình Nguyễn Vũ I Định nghĩa bê tông cường độ cao/chất lượng cao “Bê tông cường độ cao/chất lượng cao” gì? Bê tơng chất lượng cao tạo thành cách cải thiện số đặc tính, tính chất kỹ thuật bê tơng thơng thường Những tính chất “Cường độ”, “Độ linh động” “Độ bền” Riêng cường độ chịu nén bê tông 60 MPa, gọi bê tông cường độ cao Trên giới, cụm từ “Bê tông Chất lượng cao” thường sử dụng cho “Bê tơng Độ bền cao” Cịn “cường độ cao” tập hợp bê tông chất lượng cao * “Cường độ cao” tùy thuộc vào loại vật liệu sử dụng phương pháp thi công Bê tông cường độ cao/chất lượng cao BT phù hợp cho yêu cầu cụ thể kết cấu cơng trình Phân loại bê tơng chất lượng cao Cường độ chịu nén (MPa) Phân loại bê tông CLC 50 I 75 II 100 III 125 IV 150 V AG: Cốt liệu CH: Ca(OH)2 Một số hình ảnh bê tông thông thường Và bê tông chất lượng cao kính hiển vi II Nén mẫu mác cao Nguyên lý yêu cầu hỗn hợp bê tông mác cao Bê tông mác cao cần đảm bảo độ linh động phù hợp điều kiện đổ bê tơng Bê tơng mác cao thường có độ đặc cao vi cấu trúc, đòi hỏi cấp phối hạt thiết kế liên tục từ nhỏ đến hạt lớn Các nguyên tắc bản: giảm thiểu lỗ rỗng vữa xi măng/ chất kết dính; giảm thiểu vi nứt vữa xi măng; gia tăng độ đồng hỗn hợp; giảm thiểu vi nứt chỗ tiếp giáp vữa cốt Trang 27 Bê Tông Cường Độ Cao Mr Trần Đình Nguyễn Vũ liệu (vùng chuyển tiếp) Thiết kế bê tông mác cao, đặc biệt mác siêu cao yêu cầu phải sử dụng phụ gia khống silica fume, xỉ lị cao, tro bay… phụ gia hóa học giảm nước bậc cao Bê tơng mác cao thường có hàm lượng chất kết dính lớn nên nhiệt thủy hóa cao co ngót lớn, ta phải có biện pháp phù hợp để giảm thiểu tác hại (dùng nước đá, tưới nước hạ nhiệt độ cốt liệu, che chắn, bảo dưỡng sớm, dùng phụ gia bù co ngót…) Xi măng • Nên chọn xi măng có mác cao Ví dụ: Mác 54-62 MPa C3S 56~68% khoáng C2S 20~22% C3A 6~ 10% C4AF 3~ 8% Trong đó, bê tơng mác siêu cao, C3S + C2S ≥ 80%, C3A thấp tốt để tránh tượng độ sụt nhanh bê tông Ở thời điểm ban đầu, C3A kết hợp với thạch cao tạo thành ettringite, dạng hình kim làm hạn chế tính lưu biến bê tơng Độ mịn cao: 3.800~4.400 cm2/g, thúc đẩy q trình hydrat hóa Nhưng phải kiểm sốt tỏa nhiệt xi măng Hàm lượng xi măng giữ tối đa 550 kg (kiểm soát lưu biến tỏa nhiệt) Hàm lượng CaOf ; MgO, Na2O K2O…thấp Nước phụ gia hóa học Khối lượng đơn vị nước xi măng ảnh hưởng đến tính chất quan trọng độ linh động, cường độ, độ bền bê tông Về bản, để tăng mác bê tông, quan trọng phải giảm lượng nước dùng Bê tông với khối lượng đơn vị nước sử dụng thấp có ưu điểm sau: a) Ít phân tầng, b) Kinh tế, c) Độ bền khả chống thấm cao, d) Giảm co ngót khơ v.v Cường độ nén (MPa) 50 75 100 125 150 N/CKD tham khảo, max 0.50 0.35 0.30 0.25 0.20 Tuy nhiên, việc giảm tỷ lệ N/XM gây hiệu ứng xấu khả chảy bê tông tươi Việc sử dụng phụ gia giúp cải thiện tính chất Sử dụng phụ gia siêu dẻo gốc naphtalen sulfonate, melamin, lignosulfonate, polycarboxilic ether để phân bố tốt hạt cốt liệu giảm lượng nước sử dụng đáng kể Có thể dùng kết hợp phụ gia kéo dài thời gian đông kết để ngăn ngừa tượng độ sụt nhanh Phụ gia hấp thụ hạt XM tạo thành màng, phân tử nước chuyển động mạnh Dưới tác động màng cộng với phân tán hạt XM tạo độ lưu biến tốt Một số loại phụ gia hóa học cịn làm tích điện âm làm đẩy hạt xi măng xa nhau, kéo dài thời gian ninh kết giúp bê tơng giữ tính cơng tác Trang 28 Bê Tơng Cường Độ Cao Mr Trần Đình Nguyễn Vũ Tinh thể C3S clinker Sơ đồ-1 Quan hệ liều lượng phụ gia thời gian ninh kết Thí nghiệm đo lường tính tương thích phụ gia hóa học với xi măng/CKD a) Thử nghiệm côn: đo độ chảy (minislump) vữa theo thời gian Nếu độ chảy nhanh phụ gia khơng tương thích b) Thử nghiệm chảy phểu: vữa chảy khỏi phểu thời gian 60~90 giây phù hợp (tương thích) Cốt liệu lớn Sử dụng cốt liệu để giảm thiểu vùng chuyển tiếp, vùng yếu cấu trúc bê tơng mác cao • Trên mặt trượt cốt liệu, hydrate gồm Ca(OH)2; sợi C-S-H liên kết yếu vào cốt liệu Hiện tượng phân tầng lỗ rỗng mao dẫn bê tông, tượng giảm sd SF Trang 29 Bê Tông Cường Độ Cao 1: Cốt liệu 2: C-S-H Mr Trần Đình Nguyễn Vũ 3: lỗ rỗng 4: Ca(OH)2 5: vi nứt • Trên mặt trượt cốt liệu, hydrate gồm Ca(OH)2; sợi C-S-H liên kết yếu vào cốt liệu dễ tạo lỗ rỗng, vi nứt • Mơ đun đàn hồi đá ảnh hưởng đến cường độ bê tơng chất lượng cao, đá có mơ đun đàn hồi thấp dẫn đến độ kết dính hệ bê tông thấp Đá sử dụng bê tông mác cao thường có Dmax nhỏ để tạo đồng bê tơng chảy qua kết cấu có mật độ cốt thép dày Trong trình chảy, cốt liệu thô không bị chặn lại cốt thép Dmax cốt liệu thô Cường độ lập phương/ cường độ trụ Dmax (mm) Nhỏ 75/62,5 19~25 Từ 75/62,5 đến 125/104 12,7~16,5 Lớn 125/104 9,5~12,7 Chú ý: mác đá phải cao để không bị phá vỡ trước phá vỡ vùng chuyển tiếp vữa Chú ý: Công nghệ sản xuất đá xây dựng nước ta chưa tâm sản xuất đá cho bê tông chất lượng cao: đá có mác cao (180 MPa trở lên) khơng nghiền thành hạt ovan mà tạo thành nhiều hạt thoi dẹt Ngược lại, đá hạt ovan đẹp, Dmax nhỏ lại có mác thấp (chỉ khoảng 80~120 MPa) Cốt liệu nhỏ Cát có mơ đun độ lớn từ 2,5 đến 3,2 Hàm lượng cát bê tông cường độ cao tính tốn theo ngun lý thể tích tuyệt đối, Vac = 1000 – Vad – Van – Vkk – VAX – VAK Trong đó: Vad ;Van ; Vkk ; VAX ; VAK thể tích đặc đá, nước, khơng khí, xi măng vật liệu khống Cho bê tông mác 80 MPa trở lên, Mô đun độ lớn cát tối ưu: 2,8 đến 3,0 Phụ gia khống hoạt tính Các loại phụ gia hoạt tính sử dụng cho bê tông mác cao: - Silica fume (SF): lý thuyết 18% SF (trên khối lượng xi măng) đủ để tác dụng hết với hydroxit canxi, sản phẩm q trình hydrat hóa xi măng Về hiệu ứng lấp đầy, 25% SF đủ cho hỗn hợp hạt mịn đặc Thực tế thường dùng 5~15% lý kinh tế tính lưu động bê tông SF giúp tăng cường độ bê tông đáng kể nhờ hiệu ứng lấp đầy tác dụng với dẫn xuất Ca(OH)2 tạo khoáng C-S-H đặc Sử dụng SF bê tơng có tính dẻo dính cao, tăng công suất trộn máy bê tông cần lượng nước dùng cao hơn, sử dụng phụ gia giảm nước phù hợp Khi sử dụng SF cần lưu ý đặc tính tỏa nhiệt cao Tuổi bê tơng sử dụng SF để đạt mác tối ưu 7-91 ngày Trang 30 Bê Tông Cường Độ Cao Mr Trần Đình Nguyễn Vũ SF có kích cỡ 0,1~1 µm, hàm lượng SiO2 cao, có tính bền sulfate bền Clo (mơi trường biển) - Tro bay: (Fly ash-FA): đặc tính hạt trịn, kích cỡ nhỏ xi măng chút (độ mịn 3.800~4.200 cm2/g) Nếu sử dụng tro bay cường độ sớm bê tơng khơng cao, khống SiO2 kết hợp dẫn xuất hydroxit canxi tạo khoáng cho cường độ trễ cao Sử dụng tro bay giúp độ linh động bê tơng tăng, giúp giảm nước cho độ sụt bê tơng Khuyến cáo sử dụng tro bay cho bê tông tự lèn Đối với bê tông mác cao, nên kết hợp tro bay với silica fume để đạt mác tối ưu - Xỉ lò cao: độ mịn từ 4.000~6000 cm2/g Đặc tính: xỉ trộn trước xi măng trộn vào bê tông tươi với hàm lượng cao (30-70% tổng CKD), cho cường độ sớm thấp cường độ sau cao Các khống xỉ SiO2-Al2O3-CaO Có thể kết hợp với SF để đạt cường độ sớm Bột quartz nghiền mịn, meta kaolanh, tro trấu phụ gia khuyết khích sử dụng, để đạt phương diện: lấp đầy hoạt tính tính lưu động Hình ví dụ phối hạt mịn: 100g xi măng (CEM I-42,5R), 30g SF (0,1~1µm) 42,8g bột quartz (