7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT
1.2.1 Tình hình nghiên cứu VHSC
-Về mặt cường độ: Năm 1930, VHSC nghiên cứu đầu tiên ở Nhật Bản Yoshida [133]
cường độ nén đạt được 102 MPa ở tuổi 28 ngày. Nghiên cứu của tác giả kết hợp phương pháp nén và rung ép làm đặc chắc cấu trúc bê tông, tại thời điểm đó chưa có PGK hoạt tính và phụ gia hóa dẻo nên phương pháp này khó thi công thực tế. Năm 1934, Menzel công bố đã chế tạo được bê tông có cường độ nén tới 130MPa. Tuy nhiên vấn đề thì công loại bê tông tại thời điểm đó không khả thi do công nghệ quá phức tạp cộng thêm giá thành quá cao và các công trình cũng chưa có yêu cầu về loại bê tông này. Ngày nay sự xuất hiện của các loại phụ gia khoáng hoạt tính cao như SF,
RHA... và phụ gia siêu dẻo việc chế tạo bê tông VHSC có cường độ từ 100-150 MPa trở nên dễ dàng hơn, điển hình như các nghiên cứu [18] [126] [132] [139] [28, 58, 91, 110]...
-Về phương pháp thiết kế thành phần bê tông : Năm 2013, Belaoura Mebarek và các cộng sự [91] đã nghiên cứu chế tạo VHSC sử dụng cốt liệu địa phương và cường độ nén ở tuổi 28 và 91 ngày đạt tương ứng 100 MPa và 120 MPa. Tác giả đã đưa ra được phương pháp thiết kế thành phần VHSC theo “phương pháp hệ số dư vữa” và sử dụng PGK là SF. Tác giả đã đánh giá được cường độ bê tông ở các thời gian dưỡng hộ khác nhau với tỷ lệ N/CKD khác nhau, tuy nhiên việc kết hợp PGK SF và FA chưa được đề cập đến. Việc sử dụng cốt sợi thép cũng như khả năng ứng xử của bê tông trên kết cấu cũng chưa được nghiên cứu.
Tác giả Chan [35] đã sử dụng phương pháp “lượng nước tự do” tối thiểu cần phản ứng hết với xi măng để thiết kế thành phần VHSC, cường độ nén ở tuổi 28 ngày có thể đạt 120 MPa ở tuổi 28 ngày. Nghiên cứu này đã sử dụng PGSD để giảm tỷ lệ N/CKD xuống thấp và cho rằng tỷ lệ N/CKD thấp nhất là 0,22. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này không đề cập đến việc sử dụng PGK mịn. Thực tế việc sử dụng PGK kết hợp với PGSD có thể giảm được tỷ lệ N/CKD xuống rất thấp (< 0,22).
De Larrard [40] đưa ra phương pháp thực nghiệm tính toán thành phần bê tông Nghiên cứu này sử dụng vật liệu cát nghiền, cốt liệu có kích thước lớn nhất 12,5 mm có thể chế tạo được bê tông có cường độ nén đạt 130 MPa. Cơ sở của phương pháp này tiến hành rất nhiều kết quả thực nghiệm và điều chỉnh các thành phần vật liệu, tác giả đã giảm được lượng nước nhào trộn xuống rất thấp (122 lít). Đặc biệt hơn tác
giả đưa ra công thức tính cường độ bê tông khi có mặt SF.
.
=
[1 +
măng (N/X) nhỏ hơn 0,4. Tuy nhiên phương pháp này cũng tồn tại nhược điểm là:
theo công thức trên khi hàm lượng SF càng lớn thì cường độ bê tông càng cao. Điều này chưa chắc đã đúng trên hệ bê tông có tỷ lệ N/CKD thấp vì SF gây ra hiện tượng vón tụ hoặc SF “dư thừa” làm giảm cường độ bê tông. Một nhược điểm nữa của phương pháp này là khi sử dụng PGK khác ngoài SF sẽ không tính toán được cường độ bê tông.
Phương pháp thiết kế theo ACI [12, 22] Viện bê tông Mỹ thống kê một số cấp phối sử dụng trong các công trình thực tế cường độ bê tông có thể đạt được > 100 MPa. Tuy nhiên thực tế theo phương pháp ACI thiết kế với tỷ lệ N/CKD= 0,25 cường độ lớn nhất đạt 82,7 MPa.
-Về vai trị của PGK trong bờ tơng: Sarkar và Aùtcin [18] đó nghiờn cứu chế tạo bờ tông cường độ rất cao sử dụng SF. Bê tông có tỷ lệ N/CKD= 0,24, cường độ nén bê tông đạt 113 MPa. Nghiên cứu này đã sử dụng phương pháp phân tích hiện đại chụp
vi cấu trúc, XRD để nghiên cứu hàm lượng hợp lý SF trong bê tông dựa trên quá trình thủy hóa và vi cấu trúc. Tác giả đã chỉ ra trong vòng 28 ngày hầu hết các hạt SF siêu mịn đã được phản ứng puzơlanic hết tạo thành sản phẩm C-S-H là một yếu tố quan trọng góp phần nâng cao cường độ của bê tông. Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu của tác giả vẫn còn ở giai đoạn đầu của công nghệ VHSC chỉ dừng lại ở PGK SF và chưa kết hợp với các loại PGK khác (FA hoặc GGBFS). Tác giả chưa nghiên cứu tối ưu hóa thành phần hạt, tối ưu hóa thành phần bê tông, chưa đưa cốt sợi vào để nâng cao khả năng chịu uốn trong VHSC.
Nghiên cứu của De Larrard [39] đánh giá sự ảnh hưởng của kích thước hạt siêu mịn để chế tạo VHSC và khẳng định việc sử dụng SF siêu mịn kết hợp với xi măng aluminat góp phần cải thiện cường độ của bê tông. Hàm lượng SF tối ưu trong khoảng từ 20÷25%CKD.
Nghiên cứu của Detwiler và Mehta [41] đánh giá vai trò vật lý và hóa học của SF tại tỷ lệ N/CKD=0,25÷0,5. Tại tỷ lệ N/CKD=0,25 khi sử dụng SF có thể chế tạo được bê tông có cường độ nén 108,9 MPa ở tuổi 28 ngày. Nghiên cứu của tác giả sử dụng bột các bon để đánh giá hiệu ứng vật lý và hóa học của SF. Kết quả của tác giả cho rằng hiệu ứng vật lý của SF góp phần cải thiện cường độ tốt hơn so với hiệu ứng hóa
học ở tuổi sau 7 ngày. Tuy nhiên khi giảm tỷ lệ N/CKD xuống thấp (<0,25) liệu quy luật trên thay đổi như thế nào vẫn cần được đặt ra nghiên cứu. Đây là một vấn đề đưa ra để giải quyết của luận án.
Nghiên cứu của Wee [126] đã đánh giá ảnh hưởng của PGK SF và GGBFS đến tính công tác và cường độ nén bê tông > 100 MPa tại tỷ lệ N/CKD=0,3. Tác giả tập trung giải quyết mối quan hệ giữa mẫu hình trụ so với hình lập phương khi chế tạo VHSC. Cường độ nén mẫu lập phương kích thước 150×150×150 mm cao hơn khoảng 5÷10% khi so sánh với mẫu trụ kích thước 100×200 mm.
Năm 1999, tác giả Xincheng [132] nghiên cứu về bê tông cường độ đạt 90÷150 MPa sử dụng PGK SF. Tác giả đã nghiên cứu chế tạo bê tông có cường độ > 100 MPa, sử dụng xi măng cường độ tuổi 28 ngày đạt 54 MPa, 65,6 MPa, 74,9 MPa, PGK hoạt tính SF, GGBFS, FA, đá bazan có cường độ đá gốc 230 MPa, đá vôi có cường độ đá gốc 154,7 MPa, độ nén dập 10,3 % và kích thước hạt lớn nhất 20 mm, phụ gia siêu dẻo. Tác giả đã đưa ra một bức tranh tổng thể về hệ VHSC/ UHPC, nghiên cứu ảnh hưởng của xi măng, hàm lượng các PGK đến các tính chất của bê tông như : cường độ, biến dạng co ngót, tính chống thấm. Tuy nhiên tác giả chưa nghiên cứu tối ưu hóa thành phần hạt cho VHSC, ảnh hưởng sự có mặt của sợi thép đến các tính chất của bê tông đặc biệt là cường độ chịu uốn của bê tông.
Nghiên cứu của Kjellen [71] đánh giá ảnh hưởng của SF đến sự phát triển cường độ của bê tông HSC và VHSC. Nghiên cứu này đã đánh giá ảnh hưởng mức thay thế SF là 10% XM ở các tỷ lệ N/CKD=0,25÷0,4 trong thời gian từ 1 ngày đến 4 năm. Kết quả cho thấy có thể đạt được cường độ 108,7 MPa ở tuổi 28 ngày khi giảm tỷ lệ N/CKD=0,3 và sử dụng 5%SF, nghiên cứu cho thấy xuất hiện sự suy giảm cường độ đối với mẫu có chứa 10%SF trong khoảng từ 3÷9 tháng. Sau 9 tháng cường độ tiếp tục tăng, cường độ bê tông sau 4 năm đạt được 147,4 MPa tại tỷ lệ N/CKD=0,25.
Nghiên cứu của Kwan [75] (Hình 1.7) đánh giá khả năng chế tạo bê tông cường độ cao khi sử dụng SF. Hàm lượng SF sử dụng từ 0÷15% kết hợp 25%FA. Tỷ lệ N/CKD
trong khoảng từ 0,22÷0,32.
Nghiên cứu của tác giả khẳng định việc sử dụng SF làm tăng cường độ bê tông và tính công tác của HHBT. Cường độ nén lớn nhất đạt được là 127,2 MPa.
Nghiên cứu của Vinayagam
[124] đã đánh giá khả năng sử
Độ sụt, mm
Cường độ nén 28 ngày, MPa
Hình 1.7 Ảnh hưởng hàm lượng SF đến cường độ nén VHSC [75]
dụng SF kết hợp với PGSD để chế tạo bê tông M80 và M100. Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng SF sử dụng thay thế XM hợp lý nhất khi kết hợp với PGSD là 10% cho cường độ nén, cường độ uốn và mô đun đàn hồi đạt cao nhất. Cường độ nén cao nhất đạt được là 110 MPa tại tỷ lệ N/CKD=0,25.
Nghiên cứu của Daoud [38] đánh giá khả năng chế tạo bê tông có cường độ 100 MPa dùng cho đập thủy điện ở Sudan trong điều kiện phòng thí nghiệm. Tác giả đề xuất nên kết hợp SF và FA để chế tạo VHSC. Hàm lượng SF, FA sử dụng thay thế xi măng từ 10- 15%. Kết quả nghiên cứu cho thấy: cường độ nén đạt được là 110 MPa tại tỷ lệ N/CKD=0,22 và đề xuất tối ưu hóa hàm lượng PGSD và PGK để góp phần giảm giá thành loại bê tông này. Nghiên cứu của K.Wan [74] cũng đánh giá sự phát triển VHSC ở Hồng Kông. Kết quả đánh giá cho thấy để chế tạo VHSC có cường độ nén > 100 MPa thì lượng hồ sử dụng không quá 35% theo thể tích bê tông. Thể tích hồ sử dụng hợp lý là 32,5÷35%. Tỷ lệ N/CKD tốt nhất trong khoảng 0,2÷0,24, lượng dùng PGK hợp lý là 10÷20% đối với SF và 15÷25% đối với FA khi thay thế XM.
Nghiên cứu của Mahmud [86] đã đánh giá khả năng sử dụng RHA để chế tạo VHSC sử dụng tỷ lệ N/CKD=0,25 và lượng dùng CKD=550 kg/m3. Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng 10÷15%RHA để chế tạo được VHSC có cường độ 100 MPa ở tuổi 28 ngày. Khi sử dụng 20%RHA để đạt cường độ 100 MPa phải tăng thời gian dưỡng hộ lên 180 ngày.
Về điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao: Nghiên cứu của Bamonte [27] đã đánh giá tính chất cơ lý của VHSC có cường độ nén 120 MPa ở nhiệt độ cao từ 250÷750oC. Nghiên
cứu của tác giả khẳng định đặc tính cường độ khi phá hoại ở nhiệt độ cao giống với bê tông thường. Mức độ truyền nhiệt của VHSC thấp hơn nhiều so với BT thường.
Tác giả Zai [139] đã nghiên cứu tính chất cơ lý của VHSC sử dụng các PGK khác nhau và các chế độ dưỡng hộ khác trong khoảng nhiệt độ từ 20oC÷50oC. PGK sử dụng SF, FA, GGBFS. Kết quả của tác giả cho thấy cường độ nén bê tông có thể đạt được > 100 MPa ở tuổi 7 ngày với mẫu chứa SF. Cường độ nén và mô đun đàn hồi cao nhất đối với mẫu chứa SF trong điều kiện dưỡng hộ ngâm nước và bọc kín ở nhiệt độ 350C.
- Độ bền của VHSC: Tác giả Albert [20] đã nghiên cứu so sánh khả năng chịu thời tiết của VHSC so với bê tông thường. Nghiên cứu này khẳng định khi sử dụng 15%SF sau 7 ngày có thể chế tạo được VHSC. Việc sử dụng SF góp phần cải thiện bề mặt vùng chuyển tiếp (ITZ). Sau 28 ngày các hạt cát thạch anh và các hạt clanhke không thủy hóa liên kết với nhau bởi thành phần chủ yếu là C-S-H. Dưới điều kiện thời tiết
ngâm trong nước và tiếp xúc với khí Nitơ trong vòng 2 tháng, chiều dày lớp bị ăn mòn của VHSC là 300 àm thấp hơn rất nhiều so với bờ tụng thường là 800 àm trong cựng một điều kiện. Tại vùng tiếp giáp giữa lõi bê tông và phần bị phong hóa vẫn tồn tại các hạt clanhke chưa thủy hóa. Nghiên cứu của tác giả khẳng định độ rỗng thấp của VHSC không chỉ có lợi cho cường độ nén mà còn có lợi cho độ bền của bê tông.
Tác giả Hamoush [56] đã nghiên cứu về độ bền của VHSC. Kết quả nghiên cứu cho thấy VHSC không bị ảnh hưởng đáng kể theo kích thước, mặt cắt, hệ số Poát xông khi chu kỳ đóng và tan băng tăng lên. Sự suy giảm khối lượng của VHSC là rất ít khi tăng chu kỳ đóng băng/tan băng. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng VHSC có độ bền lâu rất tốt (độ bền >85%). Việc sử dụng SF làm giảm kích thước lỗ rỗng mao quản và tăng độ bền của VHSC.
Nghiên cứu của Kim [70] đánh giá khả năng chống cháy của VHSC và HSC đối với kết cấu cột. Kết quả nghiên cứu cho thấy VHSC có khả năng chống cháy là 180 phút. Khả năng chống cháy của VHSC khi bổ sung cốt thép dự ứng lực gấp 4 lần so với cốt thép thông thường.
- Tính chất co ngót của bê tông: Nghiên cứu của Yoo [136] so sánh đánh giá co nội
sinh của bê tông HSC, VHSC và UHPC sử dụng FA và GGBFS với tỷ lệ N/CKD<
0,3. Kết quả nghiên cứu khẳng định ở tuổi sớm ngày co nội sinh tăng khi giảm tỷ lệ N/CKD, đặc biệt khi tỷ lệ N/CKD< 0,2 độ co nội sinh từ 7 đến 60 ngày tăng khoảng 67÷89,5%. Điều này chứng tỏ rằng co ngót ở tuổi sớm ngày tăng lên khi giảm tỷ lệ N/CKD xuống thấp. Việc bổ sung FA, xỉ lò cao làm giảm co nội sinh và mức độ giảm co thấp hơn khi N/CKD giảm. Ở tỷ lệ N/CKD =0,12 sự giảm co của FA là rất nhỏ. Điều này cho thấy ở tỷ lệ N/CKD rất thấp (N/CKD=0,12) thì FA không có hiệu quả trong việc giảm co nội sinh.
Như vậy có thể thấy tổng thể các nghiên cứu về VHSC trên thế giới chỉ tập trung vào khả năng chế tạo loại bê tông này từ các PGK hoạt tính như SF, FA, GGBFS để đạt cường độ >100 MPa.Tuy nhiên xét về góc độ đóng góp của các PGK này trong việc cải tạo và nâng cao cường độ của BT cũng như hiệu quả tương hỗ của tổ hợp PGK thì lại ít được đề cập đến. Đây là vấn đề cần được đặt ra nghiên cứu và làm rõ trong luận án này.