Ứng dụng bê tông tính năng siêu cao cho dự án xây dựng cầu dân sinh và quản lý tài sản đường địa phương ở thái nguyên luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng cầu hầm

Giới thiệu chung bê tông tính năng siêu cao Trong vài thập kỷ qua Ďã có sự tiến bộ vượt bậc trong khoa học và công nghệ bê tông, một trong những bước ngoặc Ďó là sự nghiên cứu và phát t

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHẠM HOÀNG SƠN

ỨNG DỤNG BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO CHO

DỰ ÁN XÂY DỰNG CẦU DÂN SINH VÀ QUẢN LÝ TÀI SẢN ĐƯỜNG ĐỊA PHƯƠNG Ở THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh - 2020

ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHẠM HOÀNG SƠN

ỨNG DỤNG BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO CHO

DỰ ÁN XÂY DỰNG CẦU DÂN SINH VÀ QUẢN LÝ TÀI SẢN ĐƯỜNG ĐỊA PHƯƠNG Ở THÁI NGUYÊN

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

MÃ SỐ: 9.58.02.05 CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS BÙI TIẾN THÀNH

TP Hồ Chí Minh - 2020

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam Ďoan:

(i) Luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của tôi,

(ii) Số liệu trong luận văn Ďƣợc Ďiều tra trung thực,

(iii) Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020

Học viên

Phạm Hoàng Sơn

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học giao thông vận tải,

Ďến nay tôi Ďã hoàn thành luận văn thạc sĩ với Ďề tài “Ứng dụng bê tông tính năng sıêu cao cho dự án xây dựng cầu dân sinh và quản lý tàı sản Ďường Ďịa phương ở Tháı Nguyên”

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Bùi Tiến Thành Ďã dành

nhiều thời gian và tâm huyết tận tình hướng dẫn và chỉ bảo trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện Ďề tài

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu nhà trường, các thầy cô trong bộ môn Cầu – Hầm và các thầy cô giáo trong trường Ďã tận tình giảng dạy và giúp

Ďỡ trong suốt thời gian tôi học tập tại trường

Do thời gian có hạn và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học chưa nhiều nên luận văn còn nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận Ďược Ďóng góp ý kiến phê bình của các thầy cô giáo, các nhà khoa học và bạn bè học viên Ďể bài luận văn Ďược hoàn thiện hơn

Một lần nữa tôi xin trân trọng cảm ơn./

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020

Học viên

Phạm Hoàng Sơn

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Đối tượng nghiên cứu 2

3 Phạm vi nghiên cứu 2

4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Kết cấu của luận văn: 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO 4

1.1 Giới thiệu tổng quan về bê tông tính năng siêu cao 4

1.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng UHPC trên thế giới và Việt Nam 9

1.3 Hiệu quả sử dụng bê tông tính năng siêu cao trong xây dựng phát triển bền vững 16

CHƯƠNG 2: THÀNH PHẦN, CƠ SỞ KHOA HỌC CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT VẬT LIỆU BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO 21

2.1.Cơ sở khoa học chế tạo bê tông chất lượng siêu cao 21

2.1.1 Giảm kích thước lớn nhất của cốt liệu để tăng độ đồng nhất cấu trúc bê tông 21

2.1.2 Tăng độ đặc chắc cấu trúc bê tông bằng cách tối ưu hóa thành phần hạt 22

2.1.3 Tăng độ đặc chắc cấu trúc bê tông bằng việc sử dụng các hạt siêu mịn 23

2.1.4 Cải thiện vi cấu trúc bê tông bằng cách áp dụng biện pháp dưỡng hộ nhiệt ẩm 26 2.1.5 Tăng độ bền dẻo dai bằng cách sử dụng cốt sợi phân tán 27

2.2 Ứng xử cơ học của UHPC 28

2.3 Co ngót và từ biến của bê tông tính năng siêu cao 30

2.3.1 Co ngót 30

2.3.2 Từ biến 31

2.4 Thành phần vật liệu chế tạo bê tông tính năng siêu cao 31

2.4.1 Xi măng 31

2.4.2 Cát 33

2.4.3 Phụ gia siêu dẻo 34

2.4.4 Phụ gia khoáng 35

iv

2.4.5 Cốt sợi 38

2.5.Vai trò của các vật liệu chế tạo bê tông tính năng siêu cao 39

2.5.1 Vai trò của phụ gia khoáng trong UHPC 39

2.5.2 Vai trò của cốt sợi trong UHPC 44

2.6 Nguyên lý và cách tính toán dầm về sử dụng UHPC 50

2.6.1 Trạng thái giới hạn sử dụng 50

2.6.2 Trạng thái giới hạn cường độ 51

2.7 Cấp phối bê tông và hàm lượng cốt sợi cho các cầu ở Thái Nguyên 57

2.8 So sánh và đánh giá về tính kỹ thuật và tính kinh tế giữa UHPC và bê tông truyền thống trong xây dựng cầu: 58

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO TRONG XÂY DỰNG CẦU DÂN SINH VÀ QUẢN LÝ TÀI SẢN ĐƯỜNG ĐỊA PHƯƠNG Ở THÁI NGUYÊN 62

3.1 Điều kiện tự nhiên, xã hội tại Thái Nguyên phù hợp ứng dụng bê tông tính năng siêu cao 62

3.1.1 Điều kiện tự nhiên 62

3.1.2 Điều kiện kinh tế xã hội 66

3.2.Ứng dụng bê tông tính năng siêu cao trong dự án xây dựng cầu dân sinh và quản lý tài sản đường địa phương tại Thái Nguyên 68

3.2.1 Giới thiệu về dự án thực hiện 68

3.2.2 Thành phần cấp phối bê tông tính năng siêu cao được sử dụng trong dự án xây dựng cầu dân sinh và quản lý tài sản đường địa phương tại Thái Nguyên 72

3.2.3 Công nghệ thi công dầm T kép UHPC tại các cầu Thái Nguyên 74

3.3 Các điểm cần hoàn thiện công nghệ khi ứng dụng UHPC cho các cầu tại Thái Nguyên 78

3.3.1 Ván khuôn 78

3.3.2 Phương pháp trộn, đổ UHPC 79

3.3.3 Sản phẩm dầm cầu UHPC sau khi hoàn thành 80

3.3.4 Đánh giá quá trình thi công dầm UHPC tại Thái Nguyên 83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

v

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 So sánh kích thước dầm UHPC, thép, bê tông dự ứng lực và bê tông

thường với cùng loại tải trọng 8

Hình 1.2 So sánh chi phí tổng thể khu sử dụng bê tông thường và UHPC 8

Hình 1.3.Cầu Ďi bộ UHPC ở Sherbrooke, Quebec, Canada năm 1997 11

Hình 1.4 Cầu bắc qua sông Perak, Perak, Malaysia 11

Hình 1.5.Cầu WILD – Völkermarkt ( Áo ) sử dụng UHPC 11

Hình 1.6 Hệ thống dầm tháp làm mát nhà máy Ďiện hạt nhân Cattenom Ďược thay thế bằng UHPC so với dầm thông thường 12

Hình 1.7.Cầu Log Čezsoški – Soča river, Slovenia sử dụng UHPC 12

Hình 1.8.Các thí nghiệm dầm bê tông cường Ďộ siêu cao của FHWA 13

Hình 1.9.Mái nhà cửa sổ Millau bằng UHPC năm 2004 14

Hình 1.10.Thử nghiệm khả năng chịu công phá của UHPC 14

Hình 1.11 Các yếu tố của sự phát triển bền vững 17

Hình 1.12 Sự phát triển bền vững trong công nghệ bê tông theo Mehta 17

Hình 1.13 UHPC hướng tới xây dựng bền vững 18

Hình 2.2 Cấu trúc vi mô của bê tông tính năng siêu cao và bê tông cường Ďộ cao, bê tông thường 24

Hình 2.3 Sự phân bố kích thước lỗ rỗng của bê tông thường, bê tông cường Ďộ cao và bê tông tính năng siêu cao 24

Hình 2.4 Thí nghiệm Ďộ khuếch tán ion Clo trong các loại bê tông 25

Hình 2.6 Sự thay Ďổi kích thước lỗ rỗng ở Ďiều kiện dưỡng hộ nhiệt khác nhau 27

Hình 2.7 Mức Ďộ phản ứng puzơlanic ở Ďiều kiện dưỡng hộ khác nhau 27

Hình 2.8 Quan hệ ứng suất – Ďộ mở rộng vết nứt của bê tông tính năng siêu cao 28

Hình 2.9 Quan hệ ứng suất – Ďộ mở rộng vết nứt theo DIN 29

Hình 2.10 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông tính năng siêu cao theo SETTRA 29

vi

Hình 2.11 Quan hệ ứng suất – biến dạng Ďặc trưng theo DIN 30

Hình 2.12 Quan hệ ứng suất – biến dạng vùng nén 30

Hình 2.13 Xi măng sử dụng trong chế tạo UHPC 32

Hình 2.14 Cát quắc sử dụng trong chế tạo UHPC 33

Hình 2.15 Phụ gia siêu dẻo sử dụng trong chế tạo UHPC 35

Hình 2.16 Silixafum sử dụng trong chế tạo UHPC 36

Hình 2.17 Tro bay 37

Hình 2.18 Tro trấu 37

Hình 2.19 Xỉ lò cao 38

Hình 2.20 Xỉ lò cao hoạt hóa nghiền mịn 38

Hình 2.21 Cốt sợi trong UHPC 38

Hình 2.22 Sự phát triển cấu trúc và hình thành các sản phẩm thủy hóa của xi măng theo thời gian 40

Hình 2.23 Sự hình thành các sản phẩm thủy hóa của hạt xi măng theo thời gian 41

Hình 2.24 Mô hình Ďộ lèn chặt có thể khi phối hợp hai loại cốt liệu mịn và thô 42

Hình 2.25 Kết quả Ďo Ďộ Ďặc của hỗn hợp cốt liệu theo nghiên cứu của Mc Geary (r1/r2 là tỷ lệ kích thước hạt mịn/kích thước hạt thô) 43

Hình 2.26 Vai trò của PGK với hiệu ứng hóa học và hiệu ứng Ďiền Ďầy trong bê tông 43

Hình 2.27 Đặc tính cường Ďộ uốn của bê tông thường, BTCS và UHPC 44

Hình 2.28 Ứng xử cơ học của bê tông cốt sợi khi chịu kéo [85, 104] 45

a - Bê tông cốt sợi thế hệ 1; b - Bê tông cốt sợi thế hệ 2 45

Hình 2.29 Sự tương tác giữa sợi và cốt liệu 46

Hình 2.30 Sự truyền tải trọng của sợi qua vết nứt trong UHPC 47

Hình 2.31 Mô hình hóa về quá trình hình thành vết nứt: a) giai Ďoạn Ďầu; b) xuất hiện vi vết nứt; c) xuất hiện vết nứt Ďầu tiên; d, e,f) các vết nứt tiếp tục hình thành và phát triển (mở rộng) 48

vii

Hình 2.32 Sự hình thành vết nứt dưới tải trọng uốn: a) một sợi Ďơn bắc cầu qua

vết nứt; b) một nhóm sợi phân bố tự nhiên và truyền tải trọng qua vết nứt 50

Hình 3.1 Bản Ďồ tự nhiên khu vực Thái Nguyên 65

Hình 3.4 Mặt cắt ngang cầu Làng Cỏ và Khe Dợn 70

Hình 3.5 Mặt cắt ngang dầm T kép UHPC 16m 71

Hình 3.6 Mặt cắt ngang cầu Từ Ô 71

Hình 3.7 Mặt cắt ngang dầm T kép UHPC 20m 72

Hình 3.8 Sơ Ďồ các phiến dầm UHPC cầu Từ Ô 75

Hình 3.9 Máy trộn UHPC 77

Hình 3.10 Một số hình ảnh chế tạo dầm T kép UHPC 16m cầu Làng Cỏ 77

Hình 3.11 Một số hình ảnh chế tạo dầm T kép UHPC 20m cầu Từ Ô 78

Hình 3.12 Hiện tượng sứt vỡ dầm UHPC do chưa hoàn thiện công nghệ 79

Hình 3.13 Đưa các thành cấp phối vào cối trộn bằng thủ công 80

Hình 3.15 Hiện tượng UHPC phân tầng dầm UHPC 80

Hình 3.16 Hiện tượng nứt bề mặt dầm tại một số vị trí dầm thí nghiệm 81

Hình 3.17 Hiện tượng nứt chân chim mặt dầm UHPC 82

Hình 3.18 Hiện tượng nứt bề mặt trên UHPC 82

Hình 3.19 Hiện tượng nứt bề mặt tại các sườn dầm Ďầu 82

Hình 3.20 Nứt tại vị trí phân tầng của dầm UHPC 82

Hình 3.21 Hiện tượng lộ cốt thép dầm UHPC 83

Hình 3.22 Các phiến dầm cầu Ďược chế tạo từ UHPC trong xưởng 83

Hình 3.23 Vận chuyển, cầu lắp dầm cầu Làng Cỏ 84

Hình 3.24 Vận chuyển, cầu lắp dầm cầu Khe Dợn 84

Hình 3.25 Liên kết cứng dầm với mố cầu, trụ cầu tại cầu Làng Cỏ 84

Hình 3.26 Cầu Làng Cỏ trước khi sơn bề mặt bê tông 85

Hình 3.27 Cầu Làng Cỏ sau khi sơn bề mặt bê tông 86

Hình 3.28 Cầu Khe Dợn trước khi sơn bề mặt bê tông 86

Hình 3.29 Cầu Khe Dợn trước khi sơn bề mặt bê tông 86

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh một số tính chất của UHPC với BTT và BTCLC 6

Bảng 2.1 Tính chất cơ lý của xi măng sử dụng chế tạo bê tông tính năng siêu cao 32 Bảng 2.2 Tính chất cơ lý của cát quắc sử dụng chế tạo bê tông tính năng siêu cao 34 Bảng 2.3 Tính chất cơ lý của cốt sợi sử dụng chế tạo bê tông tính năng siêu cao 39 Bảng 3.1 Tổng hợp một số mỏ vật liệu xây dựng tại Thái Nguyên 64

ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ACI : Viện bê tông Mỹ (American Concrete Institute)

ASTM : Tiêu chuẩn của Mỹ về thí nghiệm Vật liệu (American Society

for Testing and Materials) BTCLC : Bê tông chất lƣợng cao

BTCS : Bê tông cốt sợi

GFSB : Xỉ lò cao hoạt hóa nghiền mịn

RHA : Tro trấu

SCC : Bê tông tự Ďầm (Seft Compacting Concrete)

1

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam nhu cầu xây dựng ngày càng gia tăng, các công trình ngày càng thanh mảnh, có tính kiến trúc cao nên Ďòi hỏi phải có loại bê tông tính năng cao Các loại bê tông này phải Ďảm bảo các yêu cầu kỹ thuật như cường Ďộ cao, Ďộ dẻo dai cao, ổn Ďịnh kích thước, bám dính tốt, không phân tầng, không tách nước, không rạn nứt, chịu uốn, chịu cắt, chịu kéo Bê tông tính năng siêu cao – UHPC (UHPC: Ultra - high performance concrete) là bê tông có cường Ďộ trên 120MPa, modul Ďàn hồi trên 4,4GPa, với

Ďộ co thấp và khả năng kháng nứt cao, khả năng chống ăn mòn cốt thép cao do

Ďộ Ďặc chắc cao dẫn tới hệ số thấm clo thấp Ngoài ra UHPC còn có tính công tác cao thường Ďạt tới mức Ďộ bê tông tự chảy – SCC Trên nền bê tông UHPC khi bổ sung sợi thép mảnh sẽ tạo ra bê tông cường Ďộ siêu cao – UHPSFC (UHPSFC: Ultra - high performance steel fiber reinforced concrete) có tính chất còn tốt hơn UHPC Ďó là khả năng dẻo dai rất cao, cường Ďộ kéo uốn trên 30MPa, cường Ďộ kéo trực tiếp trên 8MPa, khả năng kháng nứt và hạn chế mở rộng vết nứt rất tốt Trên thế giới việc ứng dụng UHPC và UHPSFC Ďã tiến hành khoảng 15 năm trước, Ďến nay Ďã Ďược ứng dụng trong nhiều công trình và

có các tiêu chuẩn ứng dụng của ACI Mỹ, Hội bê tông Anh, hội kỹ sư Nhật Bản JSCE, Viện kỹ thuật xây dựng quốc gia Hàn Quốc KICT,

Mặc dù Ďã Ďược phát triển từ lâu, nhưng bê tông tính năng siêu cao lại chưa Ďược áp dụng nhiều tại Việt Nam do tính chất về các loại vật liệu chế tạo bê tông tại Việt Nam tại từng vùng miền là khác nhau, Ďòi hỏi cần phải có nghiên cứu kỹ lưỡng

Thái Nguyên là một vùng kinh tế Ďang phát triển mạnh, việc xây dựng các cầu dân sinh Ďang Ďược Ďầu tư Ďể tương xứng với sự phát triển kinh tế của vùng, giúp Ďỡ việc Ďi lại của người dân trên Ďịa bàn tỉnh Việc xây dựng Ďòi hỏi phải thực hiện nhanh, chất lượng Ďảm bảo, yêu cầu về nguyên, nhiên vật liệu có thể lấy tại Ďịa phương Bên cạnh Ďó việc xây dựng nhiều các tuyến Ďường dân sinh

2

dẫn Ďến yêu cầu tất yếu cần phải quản lý tốt các tài sản này, nhằm Ďảm bảo hoạt Ďộng của các tuyến Ďường cũng như giữ gìn tài sản của Ďịa phương

Xuất phát từ lý do trên, cho việc hoàn thiện luận văn tốt nghiệp của mình; tôi

quyết Ďịnh chọn Ďề tài:“Ứng dụng bê tông tính năng siêu cao cho dự án xây dựng cầu dân sinh và quản lý tài sản đường địa phương ở Thái Nguyên”

Đề tài nhằm Ďi sâu nghiên cứu và phân tích các ưu, nhược Ďiểm của bê tông tính năng siêu cao ứng dụng cho cầu dân sinh tại Thái Nguyên

2 Đối tượng nghiên cứu

 Nghiên cứu tính chất ứng dụng và thành phần tính chất của bê tông tính năng siêu cao ứng dựng tại Thái Nguyên

 Nghiên cứu Ďánh giá khả năng ứng dụng, hiệu quả việc sử dụng bê tông

tính năng siêu cao trong xây dựng cầu dân sinh

3 Phạm vi nghiên cứu

 Phạm vi nghiên cứu chung về bê tông tính năng siêu cao

 Phạm vi nghiên cứu chi tiết Ďánh giá khả năng ứng dụng của bê tông tính năng siêu cao Ďối với dự án xây dựng cầu dân sinh và quản lý tài sản Ďường Ďịa phương tại Thái Nguyên

4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

 Nghiên cứu về các Ďặc tính của bê tông tính năng siêu cao gồm:

+ Thành phần cấp phối, tính chất của bê tông tính năng siêu cao

+ Ưu, nhược Ďiểm của bê tông tính năng siêu cao

+ Các ảnh hưởng của tính chất vật liệu Ďến chất lượng của bê tông tính năng siêu cao

 Nghiên cứu áp dụng bê tông tính năng siêu cao vào xây dựng cầu dân sinh tại Thái nguyên

5 Phương pháp nghiên cứu

 Luận văn nghiên cứu lý thuyết về bê tông tính năng siêu cao và các biện pháp quản lý tại Ďịa phương

3

 Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với công trình áp dụng thực tế Ďể chứng minh Ďược các luận Ďiểm Ďưa ra

6 Kết cấu của luận văn:

Ngoài phần mở Ďầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn có kết cấu gồm 03 chương:

 Chương 1: Tổng quan về bê tông tính năng siêu cao

 Chương 2: Tính chất vật liệu và thành phần của bê tông tính năng siêu

cao phù hợp với Ďiều kiện tại Thái Nguyên

 Chương 3: Ứng dụng bê tông tính năng siêu cao trong xây dựng cầu dân

sinh và phương pháp quản lý tài sản Ďường Ďịa phương ở Thái Nguyên

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO

1.1 Giới thiệu tổng quan về bê tông tính năng siêu cao

1.1.1 Giới thiệu chung bê tông tính năng siêu cao

Trong vài thập kỷ qua Ďã có sự tiến bộ vượt bậc trong khoa học và công nghệ bê tông, một trong những bước ngoặc Ďó là sự nghiên cứu và phát triển loại

bê tông tính năng siêu cao (Ultra High Performance Concrete), một thế hệ bê tông mới với những Ďặc tính vượt trội: Ďộ chảy cao, cường Ďộ nén rất cao (thường lớn hơn 150 MPa), cường Ďộ uốn lớn (khoảng 15-45MPa khi sử dụng cốt sợi), Ďộ rỗng rất thấp và Ďộ bền lâu rất cao Điều này Ďã tạo cho bê tông tính năng siêu cao trở thành một trong những loại vật liệu tiềm năng Ďối với xây dựng phát triển bền vững và hiệu quả cao về kinh tế trong các ứng dụng Ďặc thù như kết cấu vỏ mỏng, nhà siêu cao tầng, cầu nhịp lớn, kết cấu bền vững với môi trường biển, xây dựng bể chứa phế thải hạt nhân

Bê tông tính năng siêu cao là một loại vật liệu mới Ďược nghiên cứu và phát triển trên thế giới từ năm 1990, Đặc tính của bê tông này là có cường Ďộ chịu nén từ 100 Ďến 200MPa, khả năng chịu uốn, cắt tăng cao, khả năng chịu tác Ďộng va chạm, chịu tải trọng lặp rất lớn và Ďặc biệt là có Ďộ bền và sự ổn Ďịnh lâu dài Bê tông cường Ďộ siêu cao là một loại vật liệu công nghệ cao, các quy tắc công nghệ mới liên quan Ďến thành phần của nó Các ứng xử cơ học, các công thức về tính toán cũng như các hướng dẫn thiết kế và kỹ thuật xây dựng Ďã Ďược công bố ở Pháp, Mỹ và Đức Một số ứng dụng Ďầu tiên ở Cananda, Châu

Âu, Châu Á và ở Mỹ Ďã chứng minh những lợi ích của loại vật liệu mới này về chi phí, tính bền vững và nhiều tính năng ưu việt khác Tuy nhiên, cần phải nghiên cứu thêm nhiều Ďể Ďi Ďến những ứng dụng phổ biến thường xuyên dựa trên các quy Ďịnh kỹ thuật toàn diện

Xét về khía cạnh vật liệu chế tạo, loại bê tông này Ďược chế tạo từ hỗn hợp bao gồm: cát quắc (kích thước 100-600µm), xi măng, silicafume, nước và phụ gia siêu dẻo Trong Ďó, lượng xi măng khoảng 900-1000 kg/m3 [80], Ďây là nhược Ďiểm lớn nhất của loại bê tông này, sẽ làm tăng giá thành ban Ďầu của sản

5

phẩm, ảnh hưởng Ďến một số tính chất kỹ thuật và môi trường Để khắc phục, việc nghiên cứu sử dụng các loại phụ gia khoáng (PGK) thay thế một phần xi măng trong chế tạo bê tông tính năng siêu cao sẽ là hướng Ďi triển vọng Ďạt Ďược hiệu quả về các mặt kinh tế, kỹ thuật và môi trường

Xét về mặt kỹ thuật, PGK hoạt tính thường chứa một hàm lượng lớn SiO2

vô Ďịnh hình có khả năng phản ứng với Ca(OH)2 sinh ra trong quá trình thuỷ hoá

xi măng, Ďể tạo ra các sản phẩm dạng C-S-H có cường Ďộ cao, bền vững với môi trường Bên cạnh Ďó, một số PGK khi thay một phần xi măng, sẽ cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông, giảm lượng nước nhào trộn, Ďồng thời có thể nâng cao Ďộ Ďặc chắc cho bê tông, sẽ làm tăng cường Ďộ cũng như khả năng chống thấm của bê tông

Xét về mặt kinh tế - môi trường, PGK là sản phẩm phụ của các nhà máy, khi không Ďược sử dụng Ďúng cách sẽ trở thành các phế thải gây ô nhiễm môi trường Do vậy, việc nghiên cứu sử dụng PGK thay thế một phần xi măng là một hướng nghiên cứu phù hợp Ďể chế tạo UHPC không chỉ cải thiện tính chất kỹ thuật, giảm giá thành cho sản phẩm bê tông, mà còn giảm ô nhiễm môi trường, góp phần vào mục tiêuphát triển xây dựng bền vững

Hiện nay, UHPC Ďã Ďược ứng dụng rất rộng rãi ở các nước châu Âu, châu

Mỹ, Úc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Malaysia, Trong khi Ďó ở Việt Nam chưa có công bố chính thức về việc ứng dụng UHPC trong thời gian qua Các nghiên cứu ứng dụng loại bê tông cường Ďộ cao/chất lượng cao ở Việt Nam hiện nay chưa Ďạt Ďược kỳ vọng về cường Ďộ/chất lượng Do vậy, việc nghiên cứu chế tạo UHPC sử dụng vật liệu sẵn có ở Việt Nam là sự Ďón Ďầu và là vấn Ďề cấp thiết

1.1.2 Khái niệm, ưu, nhược Ďiểm của bê tông tính năng siêu cao:

UHPC là loại bê tông Ďược chế tạo từ hỗn hợp gồm cát quắc, xi măng, SF, nước và PGSD với tỷ lệ N/CKD rất thấp (thường nhỏ hơn 0,25 tính theo khối lượng); trong Ďó lượng dùng chất kết dính tương Ďối cao, khoảng 900 - 1000 kg/m3;lượng dùng SF thường là 150-250 kg/m3 (10-30% so với khối lượng xi măng)

Sản phẩm tạo thành có cường Ďộ nén lớn hơn 150MPa, có thể Ďạt Ďến 250

2 Tính chất cơ lý (tuổi 28 ngày)

2.1 Khối lượng thể tích (kg/m 3

) 2000 - 2800 2000 -

2800 2320 -2760

2.2 Cường độ chịu nén (Mpa) < 60 60 – 100 > 150

2.3 Cường độ kéo (Mpa) < 3 < 5 > 8

2.4 Mô đun đàn hồi (Gpa)  30 < 45 45– 70

2.5 Năng lượng phá hủy (J/m 2

) 30-200 <150

<900 (không sợi)

>10000 (có sợi)

Hiện nay, có rất nhiều quan Ďiểm khác nhau về khái niệm loại bê tông này, mặc dùvề tính chất kỹ thuật, UHPC Ďược các tác giả Ďề cập Ďến tương Ďối thống

7

nhất Thuật ngữ “Bê tông chất lượng siêu cao”, theo Sadrekarimi, Ďây không phải là bê tông, bởi vì không có cốt liệu lớn trong hỗn hợp Theo Blais và Couture thì thuật ngữ “bê tông” Ďược sử dụng nhiều hơn và hợp lý hơn khi sử dụng thuật ngữ là “vữa”, Ďặc biệt khi sử dụng thêm cốt sợi thì Ďộ bền dẻo dai (flexural toughness) Ďã Ďược cải thiện rõ rệt Với tính chất kỹ thuật vượt trội và nhìn từ góc Ďộ sử dụng (thay thế bê tông), nên theo tác giả việc dùng thuật ngữ

“bê tông” hợp lý hơn

Ưu Ďiểm của bê tông tính năng siêu cao: Với Ďặc thù cấu trúc hạt nhỏ khá Ďồng nhất và rất Ďặc chắc, nên UHPC có các tính chất cơ lý vượt trội so với bê tông thường và bê tông chất lượng cao như: Cường Ďộ siêu cao (Rn ≥150MPa,

Ru ≥15MPa); Độ bền dẻo dai cao (gấp 50 lần so với mẫu Ďối chứng); Chống thấm rất tốt; Độ bền lâu cao,… Điều này, cho phép khi thiết kế cùng một khả năng chịu lực, kết cấu có tiết diện nhỏ hơn, nên lượng dùng vật liệu ít hơn, tải trọng bản thân kết cấu giảm hơn Hiệu quả này của UHPC có thể thấy qua sự so sánh với một số loại bê tông và thép thông thường sử dụng Ďể chế tạo dầm dự ứng lực, như minh họa ở Hình 1.1 Vật liệu này có tiềm năng cạnh tranh với vật liệu thép Các tính chất của UHPC có thể Ďược tối ưu khi sử dụng kết hợp với biện pháp dùng cốt thép ứng suất trước, khi Ďó sẽ phát huy Ďược tối Ďa khả năng chịu uốn của UHPC Việc sử dụng cốt sợi thép phân tán trong hỗn hợp UHPC, trong một số trường hợp, cho phép loại bỏ Ďược những thanh cốt thép chịu uốn

và chịu cắt Với các ưu Ďiểm Ďã Ďược phân tích ở trên, UHPC có khả năng ứng dụng có hiệu quả cho các kết cấu trong công trình Đặc biệt có hiệu quả khi sử dụng cho kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọng cao, hay các tác Ďộng bất thường của ngoại lực cao như: Ďộng Ďất, thiên tai, khủng bố UHPC cũng phát huy hiệu quả tốt, khi sử dụng cho các công trình chịu tác Ďộng xâm thực mạnh như: công trình biển, thủy công, hóa chất, hay bể chôn phế thải hạt nhân…

UHPC sẽ phát huy hiệu quả hơn, khi Ďược xem xét và Ďánh giá tổng thể, về tiết kiệm chi phí bảo trì và có tuổi thọ dài hơn so với các kết cấu bê tông thông thường Điều này Ďược minh họa ở Hình 1.2

8

Hình 1 1 So sánh kích thước dầm UHPC, thép, bê tông dự ứng lực và bê

tông thường với cùng loại tải trọng

Hình 1 2 So sánh chi phí tổng thể khu sử dụng bê tông thường và UHPC

Nhược Ďiểm của UHPC: Theo các phân tích của Semioli, nhược Ďiểm lớn nhất của UHPC là chi phí Ďầu tư ban Ďầu cao Đồng thời UHPC còn tương Ďối mới với ngành công nghiệp xây dựng với các tiêu chuẩn thiết kế, tính toán, tài liệu hướng dẫn sử dụng chưa Ďược thống nhất Do vậy cho Ďến nay, ứng dụng về loại vật liệu này vẫn còn hạn chế, chủ yếu là các dự án thử nghiệm Việc thiết

kế kết cấu sử dụng UHPC vẫn chưa Ďược tối ưu và hiệu quả, kết quả là các chi phí ban Ďầu vẫn cao hơn so với bê tông thường Các nhà sản xuất hi vọng rằng, khi UHPC Ďược nghiên cứu ứng dụng rộng rãi, trở nên phổ biến hơn trong thực

tế, sẽ làm giảm chi phí sử dụng khi tính toán tổng thể có Ďến vòng Ďời và tuổi

9

thọ công trình (Hình 1.2) Trong khi UHPC có cường Ďộ nén, cường Ďộ uốn và

Ďộ bền dẻo dai rất cao, cho phép giảm tối Ďa kích thước của kết cấu, thì việc thiết kế kết cấu sử dụng UHPC vẫn phải Ďảm bảo các yêu cầu tối thiểu về chiều dày, kích thước của kết cấu Ďể vẫn Ďảm bảo Ďược các yêu cầu về khả năng chống va Ďập, Ďộ biến dạng, Điều Ďó sẽ khắc phục Ďược hạn chế về chi phí Ďầu

tư ban Ďầu của UHPC

1.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng UHPC trên thế giới và Việt Nam

1.2.1 Tình hình nghiên cứu và sử dụng UHPC trên thế giới

Trước những năm 1960, công nghệ bê tông có bước phát triển chậm, cường

Ďộ nén lớn nhất từ 15-20MPa Bằng việc nghiên cứu và ứng dụng các loại PGK hoạt tính, PGSD Ďã Ďánh dấu một bước tiến lớn trong công nghệ bê tông Đầu những năm 1970 với việc sử dụng phụ gia giảm nước, cường Ďộ nén của bê tông

Ďã Ďược nâng lên 50-80MPa với tỷ lệ N/CKD = 0,30 Cùng với sự phát triển về khoa học công nghệ của PGSD, kết hợp với việc sử dụng PGK siêu mịn, UHPC

Ďã và Ďang Ďược nghiên cứu, phát triển và ứng dụng trong thực tế Một trong những bước ngoặt rất lớn Ďược Ďánh dấu trong sự phát triển này là năm 1997, khi Richard và Cheyrezy nâng Ďược giá trị cường Ďộ nén của bê tông lên Ďến 800MPa với một số công nghệ Ďặc biệt khi chế tạo, bảo dưỡng và vật liệu sử dụng

UHPC Ďã và Ďang Ďược nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới, tuy nhiên Ďến nay vẫn có các mảng nghiên cứu chưa Ďược thống nhất chẳng hạn chưa có một phương pháp thiết kế thành phần hạt, thành phần bê tông cụ thể Ďược Ďưa

ra Bên cạnh Ďó, việc sử dụng PGK mịn trong UHPC như là một yêu cầu bắt buộc nhằm cải thiện các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông như tính công tác, Ďộ Ďặc chắc, Với hướng này, việc tính toán thành phần hạt của bê tông trở nên phức tạp hơn nhiều do số lượng cấu tử của hệ tăng lên Mặt khác, sự kiểm soát về kích thước và phân tán các hạt mịn do các PGK mịn (<100 m) có năng lượng bề mặt lớn, rất dễ hình thành cấu trúc vón tụ với kích thước không ổn Ďịnh Điều này, Ďang có rất nhiều nghiên cứu Ďể Ďưa ra chỉ dẫn và Ďề xuất về

10

nguyên tắc thiết kế thành phần hạt cho UHPC Brouwers và cộng sự Ďã nghiên cứu và chỉ ra có thể sử dụng mô hình cải tiến của Andreasen & Andersen Ďể tính toán thành phần hạt cho UHPC Khi xét Ďến sự ảnh hưởng của các hiệu ứng tương tác giữa hạt, De Larrard và các cộng sự Ďã Ďưa ra mô hình tính toán Ďộ lèn chặt của hỗn hợp hạt khi sử dụng các hạt siêu mịn trong UHPC, các tác giả khẳng Ďịnh có thể sử dụng mô hình tính toán theo lý thuyết Ďể thiết kế thành phần hạt cho UHPC Một số nghiên cứu khác Ďã dựa trên lượng hồ tối thiểu Ďể thiết kế thành phần UHPC trong Ďó hàm lượng hồ CKD lựa chọn lớn hơn 15%

Ďộ rỗng của cát ở trạng thái tự nhiên Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu ban Ďầu này chủ yếu mang tính Ďịnh hướng, chưa có lý thuyết thống nhất về thiết kế thành phần hạt của loại bê tông này Trong nghiên cứu này, Ďề tài Ďề xuất và lựa chọn mô hình tính toán thành phần hạt UHPC theo mô hình của De Larrard do

có kể Ďến sự tương tác giữa các cấp hạt cốt liệu

Sự ra Ďời của UHPC Ďã làm thay Ďổi nhiều quan Ďiểm cũng như chỉ dẫn trong thiết kế Cho Ďến hiện nay UHPC Ďã và Ďang bắt Ďầu Ďược ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: kiến trúc, xây dựng, cầu Ďường, công trình biển, an ninh quốc phòng cụ thể có thể thấy như:

- Dùng cho lớp mặt: Do có cường Ďộ cao, khả năng chịu mài mòn lớn nên loại bê tông này Ďược sử dụng Ďể chế tạo các bunke chứa xi măng, Ďường ống dẫn nước chịu xói mòn lớn, bề mặt Ďập tràn thuỷ Ďiện, mặt cầu

- Dùng Ďể sửa chữa các trụ cầu, các Ďập chắn sóng , Ďồng thời có thể dùng

Ďể thay thế các mặt sàn cầu cũ Ďã hư hỏng, làm mặt cầu lắp ghép kết hợp với dầm bê tông dự ứng lực Ďể Ďẩy nhanh tiến Ďộ thi công

- Dùng cho các công trình ngoài biển: Dàn khoan, trụ của tua bin gió

- Dùng Ďể chế tạo các kết cấu Ďúc sẵn: Dầm cầu, tấm sàn

11

.Cầu Ďi bộ UHPC ở Sherbrooke,

Quebec, Canada năm 1997

Hình 1.1 Cầu bắc qua sông Perak,

Perak, Malaysia

Hình 1.2.Cầu WILD – Völkermarkt ( Áo ) sử dụng UHPC

- Từ năm 2001 Ďến nay, Cục Ďường bộ Hoa Kỳ (FHWA) Ďã Ďạt Ďược những bước tiến lớn trong việc nghiên cứu và ứng dụng UHPC trong ngành giao thông vận tải Chiếc cầu Ďầu tiên của Hoa Kỳ sử dụng UHPC với kết cấu dầm chữ I hoàn thành năm 2008 FHWA Ďã triển khai, với các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các tính chất cơ lý của UHPC, Ďánh giá Ďược Ďộ bền cơ học trên

cơ sở Ďó xác Ďịnh tuổi thọ của công trình, so sánh hiệu quả kinh tế, kỹ thuật, môi trường khi sử dụng UHPC so với bê tông dự ứng lực thông thường Các kết quả thử nghiệm cho thấy, trọng lượng trên một Ďơn vị mét dài của dầm cầu có cùng khẩu Ďộ và tải trọng khi chế tạo bằng UHPC nhẹ hơn nhiều so với dầm chế tạo

12

bằng bê tông thường Chiều cao của dầm UHPC cũng thấp hơn nhiều, với dầm dài 30m khi chế tạo bằng bê tông thường chiều cao là 1,5m trong khi Ďó dầm UHPC chiều cao là 1m Theo các nghiên cứu của FHWA, các tấm mặt cầu chế tạo bằng UHPC có các tính chất cơ lý tốt hơn so với bê tông thường, chiều cao giảm Ďi Ďáng kể, Ďồng thời trọng lượng của nó giảm hơn khoảng 30% Khi Ďó sẽ giảm thời gian thi công, giảm chi phí nhân công, Ďồng thời vẫn Ďảm bảo khả năng chịu tải của cầu

Hình 1.3 Hệ thống dầm tháp làm mát nhà máy Ďiện hạt nhân Cattenom Ďược

thay thế bằng UHPC so với dầm thông thường

Hình 1.4.Cầu Log Čezsoški – Soča river, Slovenia sử dụng UHPC

Ngoài ra, FHWA (Cục Ďường bộ Hoa Kỳ) còn tập trung vào phát triển bê tông mặt cầu thành các mô-Ďun có thể lắp ghép tại chổ một cách nhanh chóng Những tính năng vượt trội của bê tông cường Ďộ siêu cao Ďã tạo Ďiều kiện thiết

kế Ďược cấu kiện mặt cầu có Ďộ bền chắc cao hơn mặt cầu bê tông Ďổ tại chỗ

13

thông thường mà tuổi thọ lại cao hơn Ďáng kể và Ďặc biệt có thể thi công lắp ghép một cách nhanh chóng Theo nghiên cứu của FHWA thì một tấm panel mặt cầu bằng bê tông cường Ďộ siêu cao có biểu hiện tốt hơn hẳn các tính năng tương Ďương so với các bản mặt cầu bê tông Ďổ tại chổ thông thường, còn trọng lượng của nó thì nhẹ hơn 30% Sử dụng mặt cầu bằng bê tông cường Ďộ siêu cao

có trọng lượng nhẹ hơn dẫn Ďến làm tăng khả năng chịu tải của cầu cũ do giảm trọng lượng bản thân, giảm Ďáng kể thời gian thi công, giảm thời gian phong tỏa giao thông, giảm lượng nhân công, xe máy trên công trường như vậy hiệu quả kinh tế rất cao

Hình 1.5.Các thí nghiệm dầm bê tông cường Ďộ siêu cao của FHWA

Theo Imam M Friedland chủ nhiệm chương trình nghiên cứu về cầu và các kết cấu cầu của Cục Ďường bộ Hoa Kỳ (FHWA) cho rằng: “Việc nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu mới có hiệu năng cao hơn, Ďó là những vật liệu có thể tạo ra những tác Ďộng cực kỳ quan trọng tới hiệu quả năng lực chịu tải của công trình cầu và Ďưa Ďến tổng mức chi phí cho vòng Ďời của công trình thấp hơn thì

bê tông cường Ďộ siêu cao là một trong những vật liệu mới, tiến bộ có tiềm năng như thế”

14

Hình 1.6.Mái nhà cửa sổ Millau bằng UHPC năm 2004

Một số quốc gia khác cũng Ďang nghiên cứu và sử dụng bê tông cường Ďộ siêu cao trong các kết cấu nhà như Canada năm 2000 và Ďặc biệt là Trung Quốc năm 2004 bắt Ďầu nghiên cứu sử dụng bê tông cường Ďộ siêu cao Ďể lập dự án thiết kế tòa nhà có chiều cao Ďến 1km ở Thượng Hải Các nước Trung Đông Ďặt biệt là Iran năm 2008 Ďã nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường Ďộ siêu cao trong các công trình quân sự, trong các Bongke,

Hình 1.7.Thử nghiệm khả năng chịu công phá của UHPC

Đến nay, nghiên cứu ứng dụng UHPC phát triển Ďến nhiều lĩnh vực xây dựng, mặc dù trên thế giới chưa ban hành tiêu chuẩn chung về thiết kế, thi công UHPC Chỉ dẫn cho thiết kế thi công sử dụng UHPC trong các kết cấu, có thể tham khảo một số tài liệu của một số tổ chức trên thế giới như: Chỉ dẫn thiết kế

15

và thi công UHPC của Hiệp hội xây dựng Pháp AFGC/SETRA; Chỉ dẫn thiết kế

và thi công UHPC của Viện Bê tông Nhật Bản năm 2004; Chỉ dẫn thiết kế và các hướng dẫn thực hành UHPC tại Đức năm 2013

1.2.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng UHPC tại Việt Nam

Ở Việt Nam các nghiên cứu về UHPC còn mới mẻ, các kết quả nghiên cứu Ďược công bố chưa nhiều Các tác giả Nguyễn Văn Tuấn, Phạm Hữu Hanh, Nguyễn Công Thắng -Trường ĐH Xây dựng Ďã tiến hành nghiên cứu khả năng chế tạo BT CLSC ở Việt Nam với quy mô Ďề tài cấp Trường năm 2006 [14] Các tác giả cho rằng UHPC hoàn toàn có thể chế tạo Ďược trong Ďiều kiện vật liệu hiện có ở Việt Nam Năm 2013, tác giả Lê Trung Thành [13] Ďã công bố kết quả về nâng cao Ďộ bền dẻo dai cho bê tông khi sử dụng cốt sợi, trong Ďó Ďã so sánh giữa hệ bê tông thường, BTCLC và UHPC, kết quả cho thấy UHPC có Ďộ bền dẻo dai vượt trội so với bê tông thường Gần Ďây (năm 2015), tác giả Văn Viết Thiên Ân Ďã công bố kết quả về nâng cao Ďộ bền của UHPC sử dụng trong môi trường axit sunfuric [1] Kết quả Ďã khẳng Ďịnh, UHPC sử dụng PGK SF hoặc hỗn hợp RHA+GBFS Ďã cải thiện khả năng chống ăn mòn của UHPC so với hỗn hợp bê tông chỉ sử dụng GBFS Đến nay, các nghiên cứu về UHPC tại Việt Nam Ďã Ďạt Ďược cường Ďộ nén ở tuổi 28 ngày Ďạt trên 200MPa sử dụng xi măng PC40

Việc nghiên cứu và phát triển UHPC cũng Ďạt Ďược kết quả khả quan ở một vài Ďơn vị khác Năm 2009, các tác giả Nguyễn Văn Chánh và các cộng sự - Trường ĐH Bách khoa Tp HCM thực hiện nghiên cứu tổng quan về UHPC Sản phẩm là UHPC với cường Ďộ Ďạt 150MPa sử dụng cốt sợi thép phân tán và bảo dưỡng nhiệt ẩm Năm 2011, tác giả Phạm Duy Hữu và các cộng sự - Trường ĐH Giao thông vận tải [5] tiến hành Ďề tài nghiên cứu cấp Bộ trọng Ďiểm về công nghệ chế tạo bê tông cường Ďộ siêu cao ứng dụng trong kết cấu cầu và nhà cao tầng Kết quả trong nghiên cứu Ďã Ďạt Ďược cường Ďộ nén ở tuổi 28 ngày khoảng 140MPa Trong những năm gần Ďây (2015), tác giả Trần Bá Việt và cộng sự - Viện KHCN Xây dựng [17] Ďã nghiên cứu và chế tạo thành công UHPC ở Ďiều

16

kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn Ďạt cường Ďộ nén Ďạt 150MPa sử dụng PGK tro trấu ở Việt Nam

Với những ưu Ďiểm vượt trội của loại vật liệu mới UHPC, cho phép chúng

ta có những hướng nghiên cứu UHPC từ vật liệu Ďịa phương Hiện nay, các nghiên cứu về UHPC mới chỉ quan tâm Ďến khả năng chế tạo cũng như về công nghệ trong Ďiều kiện Việt Nam Các nghiên cứu sử dụng PGK thay thế xi măng

Ďể chế tạo UHPC còn mới Do vậy, Ďây là hướng nghiên cứu cần Ďược quan tâm Hiện nay, ở Việt Nam chưa có các công bố về việc ứng dụng UHPC trong thực tế Tuy nhiên, xu hướng phát triển loại bê tông này ở Việt Nam trong tương lai là rất lớn Bằng việc kết hợp giữa UHPC với các vật liệu khác Ďể tạo ra vật liệu dạng composite có các tính chất vượt trội về: Ďộ bền lâu, cường Ďộ cao, chống thấm, chống mài mòn… Điều này, không chỉ cho khả năng thiết kế và xây dựng các kết cấu kích thước lớn, các kết cấu mảnh mai trong lĩnh vực xây dựng mà còn ứng dụng trong các lĩnh vực khác như: cơ khí; an ninh quốc phòng

Theo nghiên cứu dự báo tuổi thọ của các kết cấu UHPC sẽ vượt quá 100 năm mà không cần bảo dưỡng, Ďiều này sẽ Ďem lại hiệu quả cao về kinh tế, kỹ thuật và môi trường Trong tương lai gần, ở Việt Nam tùy thuộc vào phạm vi, mục Ďích khác nhau mà UHPC có thể Ďược sử dụng khác nhau Ďể: Ďáp ứng yêu cầu về kiến trúc, Ďộ bền lâu, tải trọng tác dụng

Như vậy, xét trong Ďiều kiện nghiên cứu ở Việt Nam Ďến nay các tác giả Ďang Ďi theo hai hướng chính: (1) là khả năng chế tạo UHPC sử dụng vật liệu sẵn có và trong Ďiều kiện chế tạo ở Việt Nam; (2) nghiên cứu sử dụng PGK là tro trấu Ďể chế tạo UHPC Hiện nay, hướng nghiên cứu sử dụng các phế thải công nghiệp với vai trò là PGK hoặc tổ hợp các PGK, chẳng hạn PGK SF và GBFS nhằm chế tạo UHPC trong Ďiều kiện Việt Nam chưa Ďược nghiên cứu

1.3 Hiệu quả sử dụng bê tông tính năng siêu cao trong xây dựng phát triển bền vững

17

Khái niệm "phát triển bền vững" Ďược khái niệm Ďơn giản là Ďảm bảo cho mọi người có cuộc sống tốt hơn không chỉ ngày hôm nay mà cho cả trong tương lai

Sự phát triển bền vững cần Ďạt Ďược 3 yếu tố, Ďó là Ďảm bảo về vấn Ďề môi trường, kinh tế và xã hội Sự giao thoa của 3 yếu tố này sẽ Ďảm bảo Ďược sự phát triển bền vững, Ďiều này Ďược mô tả ở Hình 1.7.Đối với lĩnh vực bê tông, theo Mehta , công nghệ bê tông là một công nghệ xanh chỉ khi Ďạt Ďược các tiêu chí

về phát triển bền vững

Hình 1.8 Các yếu tố của sự phát triển

bền vững

Hình 1.9 Sự phát triển bền vững trong công nghệ bê tông theo

Mehta

Như vậy, với cùng khả năng chịu lực cần lựa chọn các kết cấu có kích thước nhỏ nhất Khi Ďó lượng bê tông sử dụng trong kết cấu là ít nhất, sử dụng lượng xi măng trong bê tông là ít nhất, Ďồng thời lượng clanhke sử dụng trong xi măng là nhỏ nhất Mặc dù, các so sánh về hiệu quả của UHPC với bê tông thường chưa nhiều Tuy nhiên, hầu hết các nhà nghiên cứu trên thế giới Ďều khẳng Ďịnh rằng, UHPC với ưu thế vượt trội về nhiều mặt như: Cường Ďộ nén và cường Ďộ uốn Ďều rất cao, cho phép giảm kích thước kết cấu, giảm lượng dùng vật liệu, giảm tải cho công trình; Ďộ bền dẻo dai cao, khả năng chống thấm và chống mài mòn rất tốt, làm tăng tuổi thọ, tiết kiệm chi phí bảo trì và sửa chữa cho các công trình Những ưu Ďiểm này của UHPC, Ďang hướng tới xây dựng phát triển bền vững và Ďược thể hiện ở những Ďiểm như:

18

- Chế tạo các kết cấu mảnh hơn, mở rộng Ďược không gian sử dụng

- Vật liệu sử dụng ít hơn, tiết kiệm Ďược vật liệu tự nhiên, khi Ďó sẽ giảm Ďáng kể ảnh hưởng Ďến môi trường của quá trình khai thác các loại vật liệu thô

- Giảm Ďược phế thải ra môi trường Ďặc biệt là phế thải khi phá dỡ kết cấu

- Giảm Ďược thời gian thi công, lắp dựng, giảm chi phí vận chuyển, do kích thước của các kết cấu nhỏ, nên chi phí vận chuyển sẽ giảm, tiếng ồn và lượng khí thải sinh ra trong quá trình vận chuyển cũng giảm theo

Actin còn cho rằng không như bê tông thường, UHPC có thể Ďược tái sử dụng một vài lần trước khi sử dụng làm lớp subbase cho Ďường Việc tái sử dụng này có thể nhận thấy không phải tất cả xi măng trong UHPC Ďều thủy hóa hết trong quá trình Ďóng rắn và các hạt xi măng chưa thủy hóa này sẽ tiếp tục thủy hóa trong bê tông

Hình 1.10 UHPC hướng tới xây dựng bền vững

Theo Mehta ,xét theo khía cạnh vật liệu chế tạo, sự phát triển bền vững Ďối với UHPC có thể xem xét trên 3 khía như sau:

- Giảm lượng bê tông chế tạo

- Giảm lượng dùng xi măng trong bê tông

- Giảm lượng clanhke trong chế tạo xi măng

19

Thực tế cho thấy rằng, việc sử dụng UHPC có thể chế tạo các kết cấu có kích thước nhỏ hơn và kết quả là sử dụng lượng vật liệu ít hơn, tổng lượng xi măng sử dụng có thể bằng hay thậm chí thấp hơn so với bê tông thường Theo Walraven tổng lượng cốt liệu (bao gồm cả cốt liệu thô và cốt liệu mịn) sử dụng trong UHPC có thể giảm khoảng 30% so lượng cốt liệu sử dụng trong bê tông thường (trong UHPC không sử dụng cốt liệu lớn)

Xét theo khía cạnh năng lượng chế tạo thì tổng năng lượng chế tạo UHPC gần như không thay Ďổi so với bê tông cốt thép cấp C40/50 và C80/95, nhưng tổng lượng vật liệu sử dụng cho cột bê tông cốt thép với cùng tải trọng lại giảm Ďáng kể, thậm chí giảm Ďến 60% so với bê tông cốt thép cấp C40/50, mặc dù lượng xi măng sử dụng trong UHPC có thể gấp 2 lần (Bảng 1.2) Điều này có ý nghĩa rất lớn trong xây dựng phát triển bền vững

Việc giảm lượng bê tông sẽ kéo theo lượng xi măng cần thiết sử dụng trong

bê tông Việc sản xuất xi măng sẽ ảnh hưởng rất lớn Ďến môi trường, Theo Mehta Ďể sản xuất mỗi tấn xi măng sẽ thải ra môi trường khoảng 1 tấn CO2 Lượng CO2 thải ra từ việc sản xuất xi măng theo dự tính khoảng 5-7% tổng lượng CO2 toàn cầu Đây là một trong những nguyên nhân làm biến Ďổi khí hậu toàn cầu, làm trái Ďất nóng lên gây hiệu ứng nhà kính Do vậy, việc nghiên cứu

sử dụng PGK thay thế từng phần xi măng trong UHPC vừa có ý nghĩa về khoa học, Ďồng thời có ý nghĩa rất to lớn về môi trường, kinh tế

Kết luận, kiến nghị

Như vậy, cùng với xu hướng phát triển khoa học công nghệ cũng như sự tăng dân số mạnh mẽ, thì nhu cầu về các công trình cao tầng không ngừng tăng lên, kéo theo nhu cầu càng cao về chất lượng vật liệu sử dụng UHPC sẽ là loại vật liệu Ďáp ứng Ďược nhu cầu này Ở Việt Nam, các nghiên cứu về UHPC chưa nhiều Để Ďáp ứng nhu cầu ngày càng cao về công nghệ xây dựng cũng như về chất lượng công trình việc nghiên cứu ứng dụng UHPC là rất cần thiết Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng PGK thay thế từng phần xi măng trong UHPC, không những nâng cao Ďược Ďặc tính kỹ thuật, mà còn Ďảm bảo Ďược các yếu tố chính trong xây dựng phát triển bền vững về Môi trường - Kinh tế - Xã hội

20

21

CHƯƠNG 2: THÀNH PHẦN, CƠ SỞ KHOA HỌC CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT VẬT LIỆU BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO

2.1.Cơ sở khoa học chế tạo bê tông chất lượng siêu cao

Một trong những Ďặc Ďiểm của UHPC là Ďộ Ďặc chắc rất cao, kết quả là cường Ďộ nén của bê tông rất lớn, thường lớn hơn 150MPa và Ďộ bền lâu của bê tông Ďược cải thiện tốt hơn rất nhiều so với bê tông thường Để nâng cao chất lượng cho UHPC, hiện nay một số nguyên tắc sau thường Ďược áp dụng:

- Giảm kích thước lớn nhất của cốt liệu Ďể tăng Ďộ Ďồng nhất cấu trúc bê tông

- Tăng Ďộ Ďặc chắc cấu trúc bê tông bằng cách tối ưu hóa thành phần hạt

- Tăng Ďộ Ďặc chắc cấu trúc bê tông bằng việc sử dụng các hạt siêu mịn

- Cải thiện vi cấu trúc bê tông bằng cách áp dụng biện pháp dưỡng hộ nhiệt

ẩm

- Tăng Ďộ bền dẻo dai bằng cách sử dụng cốt sợi phân tán

Chi tiết các nguyên tắc này Ďược phân tích như sau:

2.1.1 Giảm kích thước lớn nhất của cốt liệu Ďể tăng Ďộ Ďồng nhất cấu trúc bê tông

Trong bê tông thông thường, cốt liệu lớn Ďóng vai trò là bộ khung chịu lực, giữa các hạt cốt liệu là vùng Ďá xi măng và liên kết với các cốt liệu qua bề mặt của các cốt liệu So với Ďá xi măng ở các vùng khác, cấu trúc của Ďá xi măng ở vùng tiếp xúc (ITZ) giữa cốt liệu và Ďá xi măng có Ďộ rỗng lớn hơn và sản phẩm thủy hóa ở dạng tinh thể hạt thô, chủ yếu là hyĎrôxit canxi và ettringite Chiều dày vùng ITZ thường khoảng 50-100 µm, chứa các lỗ rỗng tương Ďối lớn, các vết nứt tế vi, và các tinh thể lớn của sản phẩm thuỷ hoá nên có cường Ďộ thấp hơn so với Ďá xi măng ở khu vực cách xa cốt liệu, dẫn tới hiệu ứng truyền ứng suất giữa Ďá xi măng và cốt liệu rất nhỏ, do Ďó làm giảm ảnh hưởng có lợi của cường Ďộ của cốt liệu Ďến cường Ďộ của bê tông

22

Hình 2.1 Mô tả tải trọng truyền qua a) bê tông thường và b) UHPC

Như vậy, Ďối với bê tông thông thường khi có tải trọng tác dụng thì ứng suất kéo và ứng suất cắt phát triển tại bề mặt chuyển tiếp giữa cốt liệu và Ďá xi măng, sự phá hủy cấu trúc Ďầu tiên thường xảy ra ở vùng ITZ này Do Ďó, việc nâng cao cường Ďộ vùng ITZ sẽ Ďóng góp vào việc nâng cao cường Ďộ của bê tông Điều này có thể Ďược thực hiện khi giảm kích thước lớn nhất của cốt liệu Đối với UHPC, kích thước của cốt liệu (lớn nhất là 600µm) giảm xuống khoảng

30 lần so với bê tông thông thường (khoảng 20mm) Kích thước này sẽ giúp giảm thiểu Ďược các khuyết tật như các lỗ rỗng cũng như các vết nứt, làm tăng

Ďộ Ďặc chắc và cường Ďộ vùng ITZ Vì vậy, tải trọng sẽ truyền Ďều qua các hạt trong hỗn hợp thay vì truyền qua các hạt cốt liệu lớn, khi Ďó sẽ làm giảm chênh lệch ứng suất giữa các hạt cốt liệu và Ďá xi măng Đồng thời, lực sẽ Ďược phân

bố Ďều trên các hạt, sẽ làm giảm chênh lệch về ứng suất kéo và ứng suất cắt trên

và lấy Ďầy khoảng trống của các hạt lớn, hạt nhỏ hơn lại Ďiền Ďầy vào lỗ rỗng giữa các hạt lớn hơn làm giảm lỗ rỗng và tăng Ďộ Ďặc cho hỗn hợp hạt

0,1-De Larrard

2.1.3 Tăng Ďộ Ďặc chắc cấu trúc bê tông bằng việc sử dụng các hạt siêu mịn

Nhiền nghiên cứu ở Mỹ, Pháp và Đức cho thấy bê tông tính năng siêu cao

có Ďộ Ďặc xít rất cao so với bê tông thường và bê tông cường Ďộ cao Nhờ sự thay Ďổi cấu trúc của vật liệu nên làm bê tông tính năng siêu cao chuyển từ kết tinh sang cấu trúc vô Ďịnh hình, gần như triệt tiêu các vết nứt vi mô xuất hiện các vùng tiếp giáp vật liệu trong quá trình bê tông Ďông kết, làm cho bê tông tính năng siêu cao trở nên bền hơn

Quan sát dưới kính hiển vi cho thấy cấu trúc của bê tông tính năng siêu cao rất Ďặc sít thể hiện sự liên kết rất tốt giữa vữa và cốt liệu thô hơn hẳn bê tông thường và bê tông cường Ďộ cao

24

Hình 2.2 Cấu trúc vi mô của bê tông tính năng siêu cao

và bê tông cường Ďộ cao, bê tông thường

Các lỗ rỗng khí của bê tông cường Ďộ siêu cao Ďược thể hiện bởi những lỗ rổng mao quản Ďược thể hiện trong hình dưới Ďây thông qua thí nghiệm thấm của thủy ngân Kết quả thí nghiệm cho thấy bê tông tính năng siêu cao có Ďộ rỗng khá thấp so với bê tông tường và bê tông cường Ďộ cao

Hình 2.3 Sự phân bố kích thước lỗ rỗng của bê tông thường, bê tông cường

Ďộ cao và bê tông tính năng siêu cao

Bê tông tính năng siêu cao có tính chống thấm rất tốt, Ďược thể hiện trong bảng sau:

Hình 2.4 Thí nghiệm Ďộ khuếch tán ion Clo trong các loại bê tông

Khi sử dụng các hạt siêu mịn trong bê tông UHPC, các hạt này có tác dụng nâng cao tính công tác cho hỗn hợp bê tông, tăng Ďộ Ďặc chắc, cường Ďộ của Ďá

xi măng và cải thiện cấu trúc vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu và Ďá xi măng Theo Wee và các cộng sự việc sử dụng PGK mịn kết hợp với PGSD có ảnh hưởng rất tốt Ďến tính công tác, tăng Ďộ Ďặc chắc cấu trúc của bê tông, từ Ďó làm giảm Ďộ rỗng, tăng cường Ďộ cho bê tông

Hình 2.5 Vai trò của hạt siêu mịn Ďến việc cải thiện cấu trúc của UHPC

26

Thông thường, khi sử dụng các phụ gia khoáng mịn sẽ có tác dụng cả về vật lý (hiệu ứng Ďiền Ďầy, bôi trơn) và hóa học (phản ứng puzơlanic) Tuy vậy, các phụ gia khoáng mịn khác nhau có hiệu ứng tác dụng khác nhau cải thiện tính chất của UHPC Đây thực sự là một vấn Ďề lớn trong nghiên cứu về UHPC Ďối với các phụ gia khoáng có sẵn ở Việt Nam với các Ďặc tính riêng và ảnh hưởng

cụ thể trong hệ bê tông này Từ Ďó có thể Ďánh giá khả năng sử dụng và Ďánh giá mức Ďộ cải thiện các tính chất UHPC khi dùng các phụ gia khoáng này ở Việt Nam

2.1.4 Cải thiện vi cấu trúc bê tông bằng cách áp dụng biện pháp dưỡng hộ nhiệt ẩm

Khi dưỡng hộ nhiệt ẩm (khoảng 90oC) sẽ làm tăng tốc Ďộ phản ứng puzơlanic, làm thay Ďổi cấu trúc của sản phẩm thủy hóa Ở nhiệt Ďộ lớn hơn

250oC, hình thành khoáng xonotlite ở dạng tinh thể, ổn Ďịnh, làm giảm kích thước lỗ rỗng và tăng cường Ďộ UHPC (xonotlite - C6S6H có cấu trúc tinh thể nhỏ, Ďộ Ďặc chắc cao, cao hơn so với tinh thể C-S-H)

Ưu Ďiểm của dưỡng hộ nhiệt ẩm [20]

- Cải thiện vi cấu trúc và phát triển cường Ďộ nén của bê tông ở tuổi sớm ngày, bê tông có thể Ďạt trên 80% cường Ďộ cuối cùng sau khi dưỡng hộ nhiệt

- Cường Ďộ nén và cường Ďộ kéo sau khi dưỡng hộ nhiệt cao hơn khoảng 20% so với bê tông dưỡng hộ thường sau 28 ngày

- Giảm co ngót và giảm từ biến sau khi dưỡng hộ nhiệt, tổng Ďộ co sau khi dưỡng hộ nhiệt bằng “0”

- Ở nhiệt Ďộ cao quá trình thủy hóa của xi măng xảy ra nhanh hơn Ďồng thời thúc Ďẩy quá trình phản ứng puzơlanic giữa PGK và CH sinh ra trong quá trình thủy hóa của xi măng, làm tăng Ďộ Ďặc chắc, tăng cường Ďộ và Ďộ bền lâu cho bê tông

27

Hình 2.6 Sự thay Ďổi kích thước lỗ

rỗng ở Ďiều kiện dưỡng hộ nhiệt khác

nhau

Hình 2.7 Mức Ďộ phản ứng puzơlanic ở Ďiều kiện dưỡng hộ

Zanni cũng chỉ ra rằng, khi dưỡng hộ nhiệt ẩm sẽ thúc Ďẩy quá trình thủy hóa của xi măng, tăng Ďộ Ďặc cấu trúc và cường Ďộ UHPC Ở Ďiều kiện dưỡng

hộ nhiệt ẩm, mức Ďộ thủy hóa tăng tương ứng theo thời gian dưỡng hộ từ 8 Ďến 48h Theo Acker việc bảo dưỡng ở nhiệt Ďộ 90oC không những giảm co ngót và

từ biến trong UHPC mà còn thúc Ďẩy quá trình phản ứng puzơlanic và quá trình này Ďặc biệt phù hợp với hỗn hợp có sử dụng GBFS với hàm lượng lớn

2.1.5 Tăng Ďộ bền dẻo dai bằng cách sử dụng cốt sợi phân tán

Áp dụng bốn nguyên tắc Ďầu tiên (1-4) sẽ làm tăng Ďáng kể cường Ďộ nén của bê tông, tuy nhiên cường Ďộ uốn của bê tông không Ďược cải thiện nhiều so với bê tông thường Nguyên tắc thứ 5 sử dụng thêm cốt sợi không những làm tăng cường Ďộ nén mà còn cải thiện rất lớn cường Ďộ uốn, Ďộ bền dẻo dai cho UHPC Bên cạnh Ďó, khi sử dụng các biện pháp công nghệ khác như kết hợp dưỡng hộ nhiệt ẩm và sử dụng áp lực nén khi tạo hình trong quá trình Ďông kết của bê tông sẽ làm tăng Ďáng kể cường Ďộ nén của bê tông, có thể Ďạt từ 200-

28

250MPa, và khi dưỡng hộ ở Ďiều kiện nhiệt Ďộ và áp suất cao, cốt liệu sử dụng

là kim loại thì cường Ďộ nén của bê tông có thể Ďạt Ďến 800 MPa

2.2 Ứng xử cơ học của UHPC

Nhiều nghiên cứu ở Mỹ, Pháp và Đức Ďã xây dựng nên các biểu Ďồ về các ứng xử của bê tông tính năng siêu cao như quan hệ giữa cường Ďộ - biến dạng; quan hệ giữa ứng suất – biến dạng; quan hệ giữa ứng suất – Ďộ mở rộng vết nứt Báo cáo của Đức (DafStb) Ďã xây dựng nên biểu Ďồ ứng suất – biến dạng

và tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn Ở Đức Ďang xem xét quan hệ ứng suất – biến dạng ở các giá trị giới hạn của bê tông tính năng siêu cao là 0.35% cho vùng nén, biến dạng 0.25% cho vùng bê tông chịu kéo và Ďề xuất sác Ďịnh

29

với bê tông thường Điều này Ďược lý giả do các sợi thép cường Ďộ cao trong bê tông hấp thụ năng cượng và kìm hãm sự mở rộng của các vết nứt và làm cho kết cấu vẫn còn tăng khả năng chịu lực Các cổ chức tiêu chuẩn của Đức (DIN) Ďang nghiên cứu tính toán ở Ďộ mở rộng vết nứt là 0.5mm và 3.5mm nhằm khai thác tối Ďa năng lực phục vụ của bê tông cốt sợi thép cường Ďộ siêu cao này như hình dưới Ďây:

Hình 2.9 Quan hệ ứng suất – Ďộ mở rộng vết nứt theo DIN

Hình 2.10 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông tính năng siêu cao theo