Đề tài nghiên cứu lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần, thí nghiệm các tính chất cơ học của bê tông cường độ siêu cao từ 120 – 140MPa. Phân tích uốn kết cấu dầm, dầm cầu và từ đó định hướng sử dụng trong kết cấu.
Sử dụng phương pháp lý thuyết và thực nghiệm để xác định về thành phần, các tính năng cơ học của bê tông cường độ siêu cao. Thực nghiệm các tổ hợp dầm và vận dụng các công thức lý thuyết trên thế giới để tìm ra hệ số
K trong công thức tính cường độ chịu uốn. Sử dụng các phương pháp phân
tích ứng xử uốn của dầm cầu khi sử dụng bê tông cường độ siêu cao để tính
toán và đề nghị chiều cao dầm cầu.
1.5. Kết luận chương 1
Trong vòng vài thập kỉ qua một trong những bước đột phá của ngành bê tông là nghiên cứu tìm ra bê tông cường độ siêu cao. Đây là một loại vật liệu công nghệ cao,các quy tắc công nghệ mới liên quan mật thiết đến thành phần của nó, đến các ứng xửcơ học của loại vật liệu này.
Một kho lưu trữ lớn kiến thức về vật liệu, về các thiết kế hoàn thiện, các công trình kết cấu sử dụng bê tông cường độsiêu caođang được thực hiện. Các kiến nghị kỹ thuật tạm thời đã được công bốở Pháp, Mỹvà Đức. Một số ứng dụng đầu tiên ởChâu Âu, Châu Á và ở Mỹ đã chứng minh những lợi ích lớn lao của bê tông cường độ siêu cao về chi phí xây dựng, tính bền vững và tuổi thọ công trình.
Với những ưu điểm vượt trội của loại vật liệu mới này, cho phép chúng ta có những suy nghĩ về việc nghiên cứu bê tông cường độ siêu caotừ các vật liệu thành phần trong nước. Việc nghiên cứu bê tông cường độ siêu cao với vật liệu tại Việt Nam trên cơ sở tham khảo những kết quả nghiên cứu của các
nước trên thế giới sẽ mở ra một hướng đi mới trong ngành vật liệu xây dựng, bỡi vì bê tông cường độ siêu caomang lại các ưu điểm sau:
- Độ dai: khả năng hỗ trợ sức chịu tải kể cả sau khi xuất hiện vết nứt (kết cấu vẫn còn khả năng tăng sức chịu tải).
- Siêu cường độ nén: cường độ nén có thể đạt được từ 100 đến >200MPa.
- Cường độ chịu kéo khi uốn tăng caocó thểlên đến 40MPa đây là điểm khắc phục nhược điểm lớn nhất của các cấu kiện bê tông
- Khảnăng chống thấm Ion Clo cao. - Khảnăng chịu mài mòn, va đập cao.
- Giảm thiểuhàm lượng cốt thép thường và cốt thép cấu tạo trong kết cấu công trình.
- Giảm thiểu đến mức tối đa từ biến và co ngót của kết cấu trong quá trình bê tông đông kết.
Như vậy bê tông cường độ siêu cao là bước đột phá trong công nghệ
vật liệu xây dựng nói chung và bê tông nói riêng. Sản phẩm của nó chắc chắn sẽ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như thay thế các mặt sàn cầu cũ đã hư hỏng, làm mặt cầu lắp ghép kết hợp với dầm bê tông dự ứng lực để đẩy nhanh tiến độ thi công và tuổi thọ công trình, sử dụng làm dầm cầu; Sử
dụng trong cột, sàn của các tòa cao ốc, làm mặt đường cao tốc, mặt đường
băng sân bay, sử dụng trong các đê, đập thủy lợi, trong các môi trường có mức độ xâm thực, ăn mòn lớn…
Nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ siêu cao với các vật liệu tại Việt Nam để thay thế cho một số hạng mục kết cấu cầu, đường bộ hiện nay
đang dùng bê tông truyền thống cấp 40-70MPa và từng bước nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ siêu cao trong một số hạng mục kết cấu công trình cầu, đường hiện đại, trong các công trình kỹ thuật quân sự và các công trình
CHƯƠNG 2
VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO
2.1. Tổng quát về thiết kế thành phần bê tông cường độ siêu cao
Trong 10 năm gần đây công nghệ bê tông đã có những bước tiến rất
nhanh. Bê tông chất lượng cao (HPC) đã dần thay thế bê tông truyền thống
(NC) trong các công trình xây dựng [1]. Bê tông cường độ siêu caocó độ bền
cao và có cường độ nén từ 120 đến >150MPa thi công và bảo dưỡng trong
điều kiện bình thường đã được tiến hành nghiên cứu ở Canada 38, Đan
Mạch 40 Đức 28, 36, Mỹ 45, 49. Trung Quốc[50], 52 và Anh [44] Pháp 42... Các kết quả nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao bao gồm
lựa chọn vật liệu,thiết kế thành phần,xác định các tính năng, xác định mô hình
cơ học vật liệu phục vụ thiết kế kết cấu,các thử nghiệm trên kết cấu thật và đã
bước đầu áp dụng trong các kết cấu nhà,bến cảng, cầuvà các công trình đặc
biệt khác.
Bê tông cường độ siêu cao là một loại vật liệu trên cơ sở chất dính kết xi măng. Nguyên tắc cơ bản để cải thiện tính chất của bê tông là giảm các
khuyết tật, giảm thiểu tối đa các vết vi nứt và lỗ rỗng mao quản, trong bê tông. Các nghiên cứu đầu tiên về bê tông này ở Pháp và Canada38 sử dụng xi măng trong khoảng 900-1200 kg/m3.
2.2. Vật liệu chế tạo
Trong chương này, Nghiên cứu sinh trình bày các nghiên cứu về vật
liệu để chế tạo bê tông cường độ siêu cao như: xi măng, cốt liệu, bột, muội silic, nước, chất siêu dẻo, sợi thép.
2.2.1. Xi măng
Các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao trên thế giới thường sử
dụng xi măng PCA 42,5 ; PCA 52,5; PCA 62,5 loại I và loại III. Trên thế giới,
loại.Nghiên cứu sinh sử dụng xi măng Pooclăng loại I là PC40 để làm vật liệu nghiên cứu là phù hợp với quốc tế và thực tếở xi măng Việt Nam.
Xi măng có thành phần khoáng theo ASTM như ở bảng 2.1 :
Bảng 2.1: Thành phần khoáng vậtcủa xi măng (%) theo ASTM
ASTM Nhóm C3S C2S C3A C4AF N1 55 16 11 7 N2 44 26 5 15 N3 63 10 10 8 N4 25 47 4 15 N5 40 40 4 9
Trong đó: Nhóm 1 và 2 là xi măng tiêu chuẩn,chế độ nhiệt bình thường
Nhóm 3 là nhóm cần lưu ý về chế độ nhiệt
Nhóm 4 và 5 dùng cho kết cấu bê tông đặc biệt (ít tỏa nhiệt)
Chất kết dính (xi măng) có vai trò chủ chốt trong việc liên kết các loại
vật liệu rời rạc thành khối bê tông đồng nhất. Tuy vậy, nếu quá nhiều xi măng
sẽ làm bê tông có cường độ thấp, độ bền không tốt và ảnh hưởng đến môi
trường. Việc nghiên cứu bê tôngcường độ siêu cao gắn liền với việc giảm lượng xi măng trong hỗn hợp và thay vào đó là những phụ gia khoáng với cỡ
hạt siêu nhỏ.
Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 phổ biến ở Việt Nam được
ghi ở bảng 2.2 .
Bảng 2.2: Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 Việt Nam
Loại C3S C2S C3A C4AF Hoàng Thạch 56 18 10 10 Bỉm Sơn 67 8 5 15 Chinfon 51 23 8 10 Bút Sơn 51 24 8.5 11 Nghi Sơn 52 29 6 10
Luận án sử dụng loại xi măng PC40-Bút Sơn, thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN có đặc tính kĩ thuật sau:
-Khốilượng riêng 3,13 g/cm3.
-Lượng nước tiêu chuẩn 28 %
-Độ ổn định thể tích 2,2mm
-Độ mịn (lượng sót trên sàng 0,08mm) là 3,7%
-Thời gian bắt đầu đông kết 120 phút,kết thúc đông kết 216 phút
-Cường độ kéo uốn 3 ngày 5,87 MPa và cường độ chịu nén 22,2 MPa -Cường độ kéo uốn 7 ngày 6,5 MPa và cường độ chịu nén 30 MPa -Cường độ kéo uốn 28 ngày 7 MPa và cường độ chịu nén 43 MPa
2.2.2. Các phụ gia hóa học
Các phụ gia hóa học nói chung đều được sản xuất từ lignin sunphonat,
các axít cacbonxilic (phenol cao phân tử) được hydrat hóa, các nhóm hydrat – cacbon, Melamin, Naptalin. Việc chọn loại và liều lượng cần tiến hành bằng
các thực nghiệm. Các phụ gia hóa học này góp phần tăng đáng kể cường độ
nén, kiểm soát tốc độ đông kết bê tông, thúc đẩy nhanh cường độ, cải thiện
khả năng làm việc và độ bền theo thời gian của bê tông.
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 hoặc tăng độ sụt từ 3-4 lần nếu giữ nguyên cường độ. Ở Việt
Nam các chất này gọi là các phụ gia siêu dẻo đã được dùng phổ biến trong các
công trình cầu lớn với liều lượng từ 0,5-3 lít/100kg xi măng.
Phụ gia siêu dẻo:
Có 5 loại phụ gia siêu dẻo thuộc 3 thế hệ: thế hệ 1 là A, thế hệ 2 là B và thế hệ 3 là C.
+ A- Ligno Sul phonates (LS):
Là phụ gia siêu dẻo thế hệ 1 từ các chất cao phân tử tự nhiên Lignin (từ
gỗ và senlulo), độ giảm nước tối đa là 10%, có thể làm chậm đông kết, độ sụt
giảm 30% sau 30 phút, lượng dùng ≈ 2,5% lượng xi măng
+ B1-Polime gốc sulphonat melamin:
Phụ gia siêu dẻo gốc URE và Phormadehyd có tác dụng giảm nước tối đa đến 25%, lượng dùng từ 1,5-2,5%khối lượng xi măng, giảm độ sụt đến 50% sau 40 phút và cho cường độ sớm (R3 = 0,85R28), thời gian thi công
ngắn, tỷ lệ N/X < 0,4 và phù hợp với khí hậu nóng.
+ B2 – Naphthalen Sulphonat Polycondesat :
Nguồn gốc từ than đá, giảm nước tối đa 25%, lượng dùng 1,5-2,5% khối lượng xi măng, giảm độ sụt đến 50% sau 50 phút.
+ B3 – Chất siêu dẻo thế hệ thứ hai: Vinylcopolyme: Thành phần chính là : Sunfonat Vinylcopolyme (dầu thô)
Giảm nước tối đa đến 30%, lượng dùng 1,5-2% khối lượng xi măng, giảm độ sụt ban đầu đến 50% sau 100 phút, tạo ra độ sụt đến 22
cm, kéo dài thời gian thi công.
+ C – Chất siêu dẻo thế hệ ba: PolyCarboxylat (PC):
Gốc Polyme cao phân tử tổng hợp, giảm nước tới 40 % (tỷ lệ N/X có
thể đến 0,27), bê tông có thể đạt đến độ sụt 22 cm, cho cường độ cao, duy trì
được tính công tác trong thời gian dài.
Loại phụ gia đặc biệt này có thể thay đổi cấu tạo phân tử để phụ gia
phù hợp với các yêu cầu đặc biệt. Với bê tông cường độ siêu cao thường dùng chất phụ gia siêu dẻo loại PC (phụ gia siêu dẻo thế hệ thứ 3); với bê tông tự đầm có thể dùng loại cải tiến là: Polyme Viscocrete (PV)
Các phụ gia siêu dẻo có thể thí nghiệm theo tiêu chuẩn Anh – BS 5075; ASTM – C494. Ở Việt Nam có thể chọn các chất siêu dẻo chế tạo trong nước
và các sản phẩm của Sika, của Đức, Ý, của Mỹ.
Luận án sử dụng phụ gia PolyCarboxylat của hãng Sika Việt Nam
với kí hiệu 3000-20 (chất siêu dẻo thế hệ thứ 3) với các tính năng nhưtrong bảng 2.3:
Bảng 2.3: Các tính năng của phụ gia
Mô tả sản phẩm
SikaViscocret3000-20 là chất hoá dẻo công nghệ cao gốc polyme thế hệ thứ 3 với hiệu quả tạo độchảy và giúp
bê tông bơm được dễ dàng
Sika Viscocret 3000-20 phù hợp với tiêu chuẩn ASTM C494 loại G
Gốc Polycarboxylat cải tiến trong nước Dạng./Màu Chất lỏng/Màu nâu nhạt
Đóng gói Thùng 5/25/2000 lít
Điều kiện lưu trữ Lưu trữ trong điều kiện khô ráo,tránh ánh nắng mặt trời trực tiếp và nhiệu độ từ +5C và 30C
Thời hạn sử dụng 6 tháng nếu lưu trữđúng cách trong bao bì nguyên chưa mở
Độ pH 4,50 ÷ 6,50 Liều lượng thông
thường
0,7÷2,5 lit/100g chất kết dính
2.2.3. Muội silic
Muội silic là một sản phẩm phụ được lấy ra từ quá trình nung thạch anh
với than đá trong các lò hồ quang điện của ngành sản xuất silicon và các hợp
kim thép silicon, khói bay ra có hàm lượng dioxit silic vô định hình cao và chứa các tinh thể hình cầu rất mịn.
Muộisilic gồm các hạt thủy tinh rất mịn với một diện tích bề mặt lên tới
20.000 m2/kg khi được đo bằng phương pháp hấp thụ Nitơ. Sự phân bố bề
mặt kích thước hạt của một loại muội silic điển hình cho thấy hầu hết các hạt đều nhỏ hơn 1m với đường kính trung bình khoảng 0,1m nhỏ hơn kích thước của hạt xi măng gấp 100 lần. Trọng lượng riêng của muội silic phổ biến
là 2,2g/cm3, nhưng cũng có thể cao hơn 2,5g/cm3. Khối lượng thể tích được
lựa chọn từ 160-320kg/m3.
Muộisilic vì có hàm lượng dioxit silic và độ mịn cực cao nên là vật liệu
có hiệu ứng Puzolanic cao. Muộisilic phản ứng vớiCa(OH)2 trong quá trình
hydrat hóa xi măng để tạo ra hợp chất kết dính bền vững-CSH (canxi Silicat hydrat). Muội silic được sử dụng làm phụ gia cho bê tông cường độ cao và bê
tông cường độ si vi từ 5-15% lư Sơ đ Các thành ph trình bày Các chỉ tiêu k Hàm lượng SiO Hàm lượng SiO Free CaO (%) Free SiO Độẩm (%) Lượng m Diện tích b Độ hoạt hóa P tuổi 7 ngày (%) Độ hoạt hóa P tuổi 28 ngày (%) Độ mịn ( Khối lượ
ờng độ siêu cao. Hàm lượng muội 15% lượng xi măng.
Sơ đồ phản ứng hóa họcvà sơ đ
SiO
Hình 2.1: Sơ đồ
Các thành phần hóa học của muội Silic
trình bày ở bảng 2.4
Bảng 2.4: Tiêu chu
(Các quy định sau đây đ
tiêu kỹ thuật ng SiO2 ng SiO3 e CaO (%) O2 (%) m (%) ng mất khi nung (%) n tích bề mặt rỗng
t hóa Puzơlan với xi măng
i 7 ngày (%)
t hóa Puzơlan với xi măng
i 28 ngày (%)
(lượng tích lũy trên sàng 45
ợng riêng (kg/m3)
ợng muội silic thông thường nằm trong phạm và sơ đồ sản xuất của Silica Fume
SiO2+2C=Si+2CO
ồsản xuất Silica Fume
ần hóa học của muội Silic theo tiêu chuẩn ASTM
chuẩn ASTM về muội silic
ịnh sau đây được lấy từ ASTM C1240- ASTM C1240
i xi măng Pooclăng ở i xi măng Pooclăng ở
ên sàng 45m) (%) 85,0 <3,0 <6,0 >15 >105 <10 2200 ờng nằm trong phạm ồ sản xuất của Silica Fume:
ẩn ASTM được -93) ASTM C1240 EN 13263 >85,0 <2,0 <1,0 <0,4 <4,0 >15 &<35 >100
Cơ chế hoạt động của khoáng siêu mịn:
Hai loại phản ứng hoá học là thủy hóa và puzơlan
XM + H2O CSH + CH (không bền nước) Si2O + CH + H2O CHS (bền nước)
Phân tích thành phần hóa học của các loại khoáng siêu mịn, hình 2.2
Hình 2.2: Biểu đồ phân tích thành phần hóa học các khoáng siêu mịn
Cơ chế lấp đầy lỗ rỗng của hạt xi măng và độ rỗng trong các gel của đá xi măng thể hiện qua đường kính hạt của phụ gia khoáng siêu mịn. Do đường
kính hạt nhỏ d <1m, nên muội Silic là có hiệu quả nhất.Các phụ gia khoáng và xi măng cần được đánh giá thông qua các mẻ trộn trong phòng thí nghiệm để xác định các đường cong dùng cho việc lựa chọn khối lượng xi măng và phụ gia khoáng cần thiết để đạt được mong muốn
Theo tài liệu 33 (Larrard) khuyên sử dụng muội Silic trắng, một sản phẩm
phụ của việc sản xuất siliconđược chọn với thành phần SiO2 lớn hơn 92,7%, tỷ
diện tích là 14 m2/g, tỷ trọng là 2.350 kg/m3. Theo 29 thì hàm lượng SiO2 chỉ cần
80-99%, Al2O3 là từ 0,5-3%, Fe2O3 là từ 0,1-5%, CaO là từ 0,7-2%,tỷ diện tích từ
16-22 m2/g. Khối lượng riêng từ 2,2 đến 2,4g/cm3.
Luận án sử dụng muội Silic do Sika Việt Nam bán trên thị trường cũng
có tính năng đảm bảo các tiêu chuẩn trênvà phù hợp với tiêu chuẩn ASTM
1230-95a, như trong hình 2.3
80 60 40 20 20 40 60 80 SiO2 CaO Al2O3 80 60 40 20 SiCaFume Fly ahs Slag OPC Mªtacaolanh
2.2.4. Cố Cốt liệu lớn: Luận án s Nghiên c kính lớn chuẩnhư 2.2.4.1. Ngu Khi b siêu cao, mm. Có nhi đường kính khác nhau m đường kính đến 1mm. cường độ si Quartz với kích th cao, ngoài ra hàm lượng chất kết dính Lo
Quartz tại mỏ Thanh S
Hình 2
ốt liệu lớn
ốt liệu lớn: Luận án sử dụng cát
Nghiên cứu sinh đã nghiên cứu các
ớn nhất, cấp phối hạt, nghiền đá hướng dẫn của quốc tế.
Nguồn gốc của cốt liệu
Khi bắt đầu nghiên cứu về bê tông
người ta đã sử dụng các loại cát thạch anh có đ
mm. Có nhiều tác giả đã tìm kiếm các loại cốt liệu khác để thay thế với các