Vật liệu mới trong xây dựng công trình giao thông

Các vật liệu tiên tiến hiện nay là: Bê tông hiện đại bê tông cường độ cao và rất cao, bê tông chất lượng cao, bê tông tự đầm và bê tông cốt sợi; thép có cường độ cao, bền thời tiết, thép

GS.TS PHẠM DUY HỮU (CHỦ BIÊN) ØL XS PGS.TS ĐÀO VĂN ĐÔNG, TS PHẠM DUY ANH

TS NGUYEN TIEN DUNG, TS NGUYEN DINH HAI

VAT LIEU MOI

TRONG XAY DUNG CONG TRINH GIAO THONG

TRUONG BAI HOC GIAO THONG VAN FAT PHAN HIEU TAI THANH PHO HO CHI MINH

MO DAU

Bê tông, thép, bê tông asphalt va vật liệu polyme là bốn vật liệu chính được sử dụng để xây dựng các công trình giao thông, nhà cửa và công trình thủy, nhờ chúng mà con người đã xây dựng được nhiều công trình vĩ đại trên toàn thế giới Tuy nhiên nhiều công trình cũng đã bị hư hỏng và phải đỡ bỏ Lý do chính là do sự hư hỏng của vật liệu

dưới tác dụng của tải trọng, thiên nhiên và môi trường Nguyên nhân chính của sự hư

hỏng vật liệu do hiện tượng nứt, suy giảm tính năng và tác dụng của ăn mòn

Vấn đề độ bền và tuổi thọ của vật liệu và tuổi thọ khai thác của công trình đang được cả thế giới quan tâm

Một trong những phương án tiên tiến để tăng độ bền của vật liệu là tìm kiếm các vật liệu mới, cải tiến các tính năng của vật liệu truyền thống để tăng cường chất lượng của vật liệu Các biện pháp chính là thay đổi thành phần, cấu trúc của vật liệu và thêm vào đó các vật liệu mới hoặc các thành phần mới để đạt được các tính năng tiên tiến

hơn so với vật liệu cũ

Sự phát triển của vật liệu mới sẽ dẫn đến các mô hình vật liệu mới, mô hình tính toán mới và cho phép sáng tạo ra các kết cấu tiên tiến Để xây dựng các kết cấu này đòi hỏi những công nghệ tiên tiến ra đời Hệ thống vật liệu mới- kết cấu mới- công nghệ mới cho phép con người sáng tạo ra các công trình có công năng tốt hơn, mỹ thuật hơn

và có tuổi thọ khai thác đến 100 năm và lớn hơn

Trong ngành xây dựng cầu đường các vật liệu mới cũng đang phát triển rất mạnh

Cuốn sách này trình bày các kết quả nghiên cứu về vật liệu tiên tiến trong thời gian gần

đây Các vật liệu tiên tiến hiện nay là: Bê tông hiện đại (bê tông cường độ cao và rất cao, bê tông chất lượng cao, bê tông tự đầm và bê tông cốt sợi); thép có cường độ cao, bền thời tiết, thép chịu nhiệt độ cao; các hỗn hợp asphalt (bê tông asphalt, bê tông polyme asphalt tăng nhám, bê tông asphalt màu) Ngoài ra sự phát triển của vật liệu polyme, vật liệu hỗn hợp, vật liệu sợi thủy tỉnh, sợi các bon, vật liệu nano, vật liệu thân thiện với môi trường (vật liệu xanh) và tận dụng các phế thải vào làm vật liệu cũng đã đảm bảo được áp dụng cho các công trình cầu, đường mang lại kết quả rất rõ ràng Trong cuốn sách này các vật liệu được trình bày theo thứ tự: Thành phần, cấu trúc, tính năng, mô hình vật liệu và khả năng ứng dụng

GS.TS Phạm Duy Hữu chủ biên và viết chương 1, 3, 4, 6, 8; PGS.TS Đào Văn Đông

viết chương 9; TS Phạm Duy Anh viết chương 7 & chương 10; TS Nguyễn Tiến

Dũng viết chương 5; TS Nguyễn Đình Hải viết chương 2

Trong quá trình biên soạn chúng tôi đã nhận được nhiều tài liệu từ các trường đại

học hàng đầu ở Nga, Pháp, Nhật Bản, Anh, Mỹ và cập nhật các kết quả nghiên cứu tại Đại học Giao thông vận tải, Đại học Xây dựng, Viện Khoa học xây dựng công nghệ,

Hội bê tông Việt Nam

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học và các cơ quan trên đã cung cấp các thông tin quý giá

Trong quá trình biên soạn, do thời gian còn hạn chế, cuốn sách còn nhiều thiếu sót,

rất mong nhận được các đóng góp để sách ngày càng hoàn chỉnh hơn

Các tác giả

Chương 1 -

CAC YEU CAU CHUNG DOI VỚI BÊ TÔNG XI MĂNG P0ÚC LĂNG

1.1 Khái quát

Bê tông xi măng portland có thành phần là xi măng, cốt liệu nhỏ, cốt liệu thô, các

chất phụ gia và nước Bê tông cần thỏa mãn các yêu cầu về cường độ, tính công tác,

đặc tính kết cấu và có độ bền khi chịu tác động của thời tiết và tác động của tải trọng

đặc biệt (động đất, gió, tải trọng lặp)

Bê tông xi măng portland theo TCVN và ACI được phân cấp theo cường độ nén đặc trưng ở tuổi 28 ngày Tính công tác của bê tông phải đảm bảo tính dễ thi công

(năng lượng tối thiểu) được quy định trong tiêu chuẩn kỹ thuật của dự án, hoặc trong các quy định đặc biệt Bê tông truyền thống có cường độ từ 15-20MPa Bê tông thường có cường độ nén từ 20-50MPa, bê tông chất lượng cao và rất cao có cường độ nén từ 50-200MPa Trong các trường hợp đặc biệt có thể yêu cầu tuổi 3, 7, 28 hoặc

56 ngày Bê tông có ba trạng thái (ướt, mềm, cứng rắn) và ở từng trạng thái có những yêu cầu riêng :

1.2 Yêu cầu vật liệu

Để có bê tông đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật thì chất lượng vật liệu thành phần phải

được chú ý đầu tiên Các yêu cầu về tính chất cơ học, hóa học và vật lý được quy định

cụ thể cho từng vật liệu dùng để chế tạo bê tông Thành phan, loại, tính chất của các vật liệu thành chế tạo phải phù hợp với kết cấu và công nghệ chế tạo bê tông

1.2.1 Xi măng

Xi măng poóc lăng phải phù hợp với yêu cầu tiêu chuẩn quốc gia hoặc theo các tiêu

chuẩn quốc tế khác Cường độ chịu nén theo ngày, cường độ chịu kéo, thành phần khoáng vật, thời gian ninh kết, tính ổn định thẻ tích và độ bền là những yêu cầu chính

LJ Vicat là người đầu tiên đặt nền móng cho khoa học về xi măng Năm 1811 Jamel

Frost và năm 1824 Joseph Aspdin đã nhận được bằng sáng chế về xi măng portland

Tại nước ta xi măng portland thông thường được quy định theo AASHTO M85 hoặc

TCVN 2682 Loại xi măng đặc biệt phù hợp với các yêu cầu trong các quy định đặc biệt

Các loại xi măng phổ biến trên thế giới được giới thiệu ở bảng 1.1 Xi măng có

nhiều loại vì vậy tùy tính chất công trình cần chọn loại xi măng thích hợp Lượng xi

măng sử dụng phải lớn hơn lượng xi măng tối thiểu và nhỏ hơn lượng xi măng tối đa

do tiêu chuẩn quy định để sản xuất được bê tông có độ dẻo và tính công tác quy định

mà không vượt hàm lượng nước tối đa Lượng xi măng tối thiểu là 300kg/mỶ Lượng xi

măng tối đa là 500kg/mỶ bê tông Khi dùng các phụ gia phải khẳng định tính tương

thích của phụ gia đôi với xi măng để tránh các hiệu ứng phụ gây hại cho bê tông

Bảng 1.1 Tổng hợp về các loại xi măng trên thế giới

1.2.2 Cốt liệu :

Cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ phải đảm bảo cường độ, thành phần hạt, đường kính

lớn nhất, độ sạch theo tiêu chuẩn của Việt Nam và quốc tế đã được quy định trong các

khung tiêu chuẩn của dự án

Nên sử dụng thể tích cốt liệu lớn nhiều nhất có thể và đường kính cốt liệu lớn nhỏ

nhất có thể để đảm bảo cơ tính và độ đồng nhất của bê tông

Ti lệ các khối lượng của cốt liệu nhỏ và lớn được lập theo khối lượng xi măng dựa

trên việc sử dụng cát thiên nhiên, cát xay hoặc cốt liệu tái chế có mô đun độ lớn trong phạm vi 2,6-3,2

Khối lượng cốt liệu được tính bằng kilôgam và không được thay đổi trong khi tiến hành dự án xây dựng

Khối lượng theo mẻ của các cốt liệu đã được thiết kế cần được hiệu chỉnh khối

Ngoài các yêu cầu trên, nước để bảo dưỡng bê tông không được chứa các tạp chất với lượng đủ để làm mất màu bê tông hoặc ăn mòn bề mặt

1.2.4 Phụ gia

Có thể sử dụng một loại phụ gia hoặc một phụ gia tổng hợp để điều chỉnh nhiều tính chât của bê tông Phụ gia tăng dẻo, phụ gia giảm nước và làm chậm rắn chắc là các

loại phụ gia được dùng rộng rãi nhất đối với bê tông xi măng portland, bê tông ứng suất

trước, các kết cầu đúc sẵn và ống bê tông cốt thép Lượng phụ gia sử dụng phải phù hợp với liều lượng đo nhà sản xuất quy định, với sự chấp thuận của kỹ sư bê tông

Các phụ gia hoá chất, khi sử dụng phải phù hợp với các yêu cầu của AASHTO MI94

Không được dùng các hoá chất phụ gia đặc biệt để thay xi măng, các phụ gia chứa

CT quá 1% theo khối lượng không được sử dụng trong bê tông ứng suất trước và bê tông cốt thép Phụ gia để hút không khí, để giảm tỉ lệ nước - xi măng, để làm chậm hoặc làm tăng nhanh thời gian đông cứng, hoặc để tăng nhanh sự phát triển cường độ phải được sử dụng với tỉ lệ liều lượng do nhà sản suất khuyến cáo và quyết định thông qua các thử nghiệm hợp pháp

Liều lượng các phụ gia phải được cân đong chính xác cho từng mẻ bê tông bằng

các phương pháp được chấp thuận

Phụ gia pha chế ở dạng lỏng, phải có đủ khả nang dé đổ một lần toàn bộ khối lượng cần thiết cho một mẻ trộn Phụ gia lỏng được trộn đều vào nước trước khi đổ vào một

mẻ trộn Nếu dùng nhiều hơn một loại phụ gia lỏng, mỗi loại phải được pha chế bằng

thiết bị riêng để chúng không chịu ảnh hưởng lẫn nhau

1.3 Yêu cầu về chất lượng bê tông theo 3 trạng thái

1.3.1 Yêu cầu đối với bê tông tươi

Sau khi nhào trộn bê tông ở trạng thái tươi cần có độ dẻo nhất định để đảm bảo tính công tác cũng như vận chuyển Bê tông tươi cần đảm bảo độ đồng nhất không phân

tang va phân ly Độ dẻo, không phân ly, không phân tầng là những chỉ tiêu chất lượng

chính đảm bảo việc đổ khuôn, đầm chắc bê tông dễ dàng nhất mà vẫn tạo ra được bê

tông có độ chặt cần thiết Do yêu cầu có thể sử dụng các loại phụ gia để điều chỉnh độ sụt và thời gian giữ độ sụt, thời gian rắn chắc, ninh kết

Độ dẻo của bê tông thường được xác định bằng côn Abram với bê tông dẻo và bằng dụng cụ đo độ cứng với bê tông cứng (độ sụt ~ 0 cm) Với bê tông dẻo hoặc siêu dẻo, độ dẻo xác định theo độ sụt, được thử theo côn Abram biến đổi từ 4-10cm và 15- 20cm Với bê tông cứng, độ dẻo được xác định bằng thời gian để có thể đầm chắc bê

tông tính bằng giây Độ dẻo của bê tông cứng khoảng 60-120 giây (bê tông siêu cứng đầm chắc bằng lu chắn động dùng trong xây dựng đường)

Các loại bê tông dẻo và siêu dẻo thường có tỉ lệ N/X = 0,3 - 0,4 và có sử dụng phụ gia dẻo hoặc siêu dẻo, trong trường hợp đặc biệt có thể dùng N/X đến 0,25 Độ sụt

thường từ 8-20cm Với bê tông tự đầm cần xác định độ chảy lan (D> 65cm) và thời

gian chảy trong dụng cụ thí nghiệm

Yêu cầu sau khi trộn xong bê tông phải có độ dẻo phù hợp với yêu cầu về độ dẻo

và phải giữ được độ dẻo trong thời gian thi công, tối thiểu là 60 phút Mức độ giảm độ

déo trong thời gian trên không nên quá 10% Ở trạng thái ướt bê tông cần giữ nước, tốc

độ bay hơi chậm đẻ tránh gây nứt ở trạng thái ướt

Đảm bảo được các yêu cầu trên là rất khó khăn và phải được kiểm tra thường

xuyên trong quá trình chế tạo bê tông Đảm bảo các yêu cầu trên chắc chắn sẽ tạo ra bê

tông có chất lượng cao

1.3.2 Yêu cầu đối với bê tông ở trạng thái mềm

Bê tông cần tránh bị tác động cơ học gây nứt Ở trạng thái này việc bảo dưỡng cần phải được tiên hành chặt chẽ đê phát triển cường độ, tránh co ngót lớn gây nứt (do mat nước)

Cần che chắn bê tông để chống lại tác dụng của ánh sáng

Cần quan tâm đến tốc độ gió, nhiệt độ, độ ẩm khi bảo dưỡng bê tông

1.3.3 Yêu cầu đối với bê tông cứng

Yêu cẩu về Cường độ-biến dang

Cường độ nén là yêu cầu quan trọng và tối thiểu đối với bê tông ở trạng thái cứng

rắn Cường độ bê tông phụ thuộc vào tỉ lệ N/X, công nghệ chế tạo bê tông, thành phần

và chất lượng thi công bê tông Từ cường độ nén có thể dự đoán cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi và các tính chất khác của bê tông

Khi chất lượng bê tông được chỉ định bằng cường độ nén, cần xác định chất lượng

bằng cách thử các mẻ thử đối với các vật liệu đã được thiết kế chính xác với các thiết bị

trộn và các phương thức thi công dự định cho dự án Việc đỗ bê tông có cường độ quy

định không bắt đầu cho tới nhà thầu sản xuất một mẻ thử theo thiết kế hỗn hợp được sử dụng và phù hợp với các yêu cầu về cường độ mẻ thử Cường độ bê tông có thể xác

định từ số trung bình trên 3 mẫu hình trụ (d = 15cm, h = 30cm) hoặc hình lập phương

có kích thước 15cm Cường độ nén trung bình của ba mẫu thử bê tông đúc liên tiếp, phải bằng hoặc lớn hơn cường độ nén quy định ở tuổi 28 ngày hoặc ở tuổi quy định cụ

thể là 3, 7, 14 hoặc 90 ngày không có quá một trong các mẫu thử có cường độ nhỏ hơn cường độ quy định và mẫu thử đó phải có cường độ ít nhất bằng 90% cường độ quy

định thử nghiệm theo AASHTO hoặc theo tiêu chuẩn quốc gia

Cường độ bê tông khi ép chẻ, kéo uốn (mô đun gãy) mô đun đàn hồi được xác định

từ các thử nghiệm tại công trình

Có thể sử dụng phương pháp không phá hoại mẫu để tham khảo và nghiên cứu

Biến dạng do từ biến và co ngót cần được thí nghiệm để đảm bảo thiết kế với thi

công là chính xác

Yêu cầu về độ bên

Ngoài ba yêu cầu trên bê tông đặc biệt phải thoả mãn các yêu cầu về độ bền Khi

kết cấu xây dựng làm việc trong môi trường ăn mòn Yêu cầu về độ bền được thể hiện

qua 4 dạng: Độ chống thắm nước, khí; Độ chống thấm ion Clo; Độ nở do cacbonat hóa,

phản ứng kiềm cốt liệu hoặc tấn công sunphat Bê tông sử dụng cho cầu lớn thi công

theo phương pháp đồ hãng thường yêu cầu có cường độ cao ở tuổi sớm (3,7 ngày)

Bê tông trong các công trình thủy công thường yêu cầu độ chống thâm cao Bê tông

ở các khu vực nối ghép cần không co ngót hoặc nở khi rắn chắc Bê tông ở những kết cấu quá nhiều cốt thép hoặc kết cấu có nhiều góc cạn

h không có khả năng đầm chắc cần có tính tự đặc (gọi là bê tông tự đầm) Để tăng

độ dẻo dai cho bê tông có thể sử dụng thêm cốt sợi.

Ghương2

CẤU TRÚC, CƯỜNG ĐỘ VÀ ĐỘ BỀN CUA BE TONG

Cường độ bê tông phụ thuộc vào cấu trúc của bê tông (độ đặc) Nâng cao trình độ công nghệ, lựa chọn hợp lý thành phần bê tông sẽ có cấu trúc hợp lý, độ đặc và cường

độ bê tong cao Như vậy giữa cấu trúc, cường độ và độ bền bê tông có mối liên hệ chặt chẽ Cải tiến cấu trúc sẽ dẫn đến những cải thiện về cường độ và các tính năng cao của

bê tông giúp cho bê tông thường tiến đến bê tông chất lượng cao

2.1 Cấu trúc của bê tông

2.1.1 Khái quát

Bê tông là một vật liệu composit không đồng nhất, các tính chất của nó phụ thuộc vào ba cấp cầu trúc sau: :

- C4p độ vĩ mô (macro): Xét ở mặt kết cấu, xét các ứng xử cơ học để suy ra cường

độ của vật liệu Bê tông được xem là hệ 3 pha: cốt liệu, hồ xi măng và cầu trúc vùng

chuyển tiếp (theo lý thuyết đa cấu trúc của V.I.Xalomatov, Larrad) Khi tính toán theo

mô hình cấu trúc này có thể giả thiết bê tông là vật liệu đàn hỏi và tính toán theo các công thức của sức bền vật liệu

- Cấp độ meso: ở tỉ lệ milimét trong đó các hạt cát được phân biệt với các hat xi

măng và hạt cốt liệu Việc quan sát trên kính hiển vi hoặc kính hiển vi điện tử quét với

độ phóng đại nhỏ (300 + 1000 lần) cho phép quan sát các khuyết tật của cấu trúc là các

vết nứt và các vùng bị phá hủy Tại cấp độ này ứng xử của bê tông được xem như là phi tuyên

- Cấp độ vi mô (micro): ở tỉ lệ 1/100 mm có thể quan sát các hydrat (CSH, CH, CH Sulfo - aluminat), các hạt clinke chưa thủy hóa, các vết nứt vi mô, sự định hướng của

các hạt CH trong vùng chuyển tiếp, mặt tiếp xúc giữa xi măng và cốt liệu, sự biến đổi

của các hydrat trong môi trường xâm thực (ettrigit thứ cấp, phản ứng kiềm cốt liệu)

2.1.2 Cấu trúc cốt liệu lớn

Cấu trúc cốt liệu lớn tạo nên bộ khung chịu lực, nó phụ thuộc cường độ bản thân

cốt liệu lớn, tính chất cấu trúc (diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu) và cường độ liên kết

giữa các hạt Trong việc chế tạo hỗn hợp bê : tông luôn mong muốn xây dựng được một

mô hình hỗn hợp bê tông trong đó các hạt cốt liệu lớn tiếp xúc nhiều chiều với nhau và

có hồ kết dính vữa xi măng liên kết giữa chúng Xây dựng mô hình này nhằm đưa cấu

trúc cốt liệu lớn trở thành cấu trúc chính, quyết định tính chất cấu trúc vi mô của bê

tông và quyết định tính chất chịu lực hỗn hợp của bê tông Lúc này cấu trúc của vữa xỉ 10

măng chuyển xuống thứ yếu và chỉ có tính chất liên kết Về mặt chịu lực khi đó vữa xỉ

măng chỉ chịu lực tương tác do liên kết giữa các hạt cốt liệu lớn trong bộ khung mà không chịu lực nội tại trong lòng nó Cách xây dựng mô hình cấu trúc bê tông như vậy

có khả năng tạo ra bê tông cường độ rất cao và giảm được những tác động vô cùng phức tạp của cấu trúc hồ kết dính vữa xi măng với tính chất cấu trúc vi mô của bê tông Tuy nhiên, mô hình đưa ra này chỉ thuần tuý lý thuyết mà rất khó hay thậm chí không

có khả năng tạo được trên thực tế nhưng nó đưa ra nguyên tắc cho tất cả các công nghệ

bê tông là tăng độ mạnh của cấu trúc bộ xương khung cốt liệu trên cơ sở:

+ Tăng diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu lớn (giữa hai hạt với nhau và của các hạt xung quanh một hạt)

+ Không gian trống trong bộ khung xương là nhỏ nhất (độ đặc là cao nhất)

+ Chiều dày của liên kết hồ xi măng với các hạt cốt liệu là hiệu quả (chỉ nhằm mục đích liên kết)

Vậy các yếu tố ảnh hưởng cơ bản tới cấu trúc bê tông là cốt liệu (kích thước, tính chất

bề mặt) bê tông và tuân theo điều kiện, phương pháp thiết kế thành phần bê tông (cấp

phối), đặc tính kỹ thuật của cốt liệu, kỹ thuật tác động cơ học, ngoài ra có một yếu tố quan trọng đó là tính linh động của dung dịch hồ vữa xi măng (khi dung dịch vữa xi măng càng

linh động dẻo thì cấu trúc cốt liệu lớn càng mạnh) Nhưng toàn bộ tinh chất phức tạp trong cấu trúc vi mô của bê tông lại nằm ở liên kết giữa vữa xi măng với các hạt cốt liệu

2.1.3 Cấu trúc vi mô của đá xi măng

Các hạt xi măng khi thuỷ hoá bao quanh các hạt là lớp nước và quá trình thủy hoá thực hiện dần từ ngoài hạt vào bên trong ngay tức khắc tạo lớp màng kết dính bao quanh hạt xi măng mà bản chất là liên kết ion giữa phần tử hỗn hợp xi măng và phân tử nước, lớp màng này dày lên theo thời gian thủy hoá và ngoài nó là lớp nước tự do Tuy nhiên, lớp màng liên kết này lại cản trở sự thâm nhập của nước và cùng với thời gian

tính linh động của các phân tử nước và xỉ măng giảm dần do vậy làm giảm dần tốc độ

thủy hoá Lớp liên kết hạt xi măng - nước dầy dần cùng với nó lớp nước tự do bao ngoài hạt xi măng mỏng dần, thêm vào đó sự linh động của các hạt xi măng phần do màng nước gây tính nhớt cho các hạt (có thể tính nhớt này được bổ sung do tác động của phụ gia) phan do tac động của việc trộn hay tác động cơ học có điều kiện gần nhau dần dần hình thành liên kết và xoá bỏ ranh giới giữa các hạt xi măng Màng liên kết xỉ măng nước bao quanh các hạt cốt liệu nhỏ và kéo chúng vào hình thành cấu trúc hồ kết

dính vữa xi măng Có thể mô tả tóm tắt cấu trúc vi mô của vữa xỉ măng trong hỗn hợp

bê tông như sau:

Các hạt xi măng liên kết với nước (loại liên kết ion) tạo nên lớp dính (bao quanh hạt và dày theo tiến trình thủy hoá) làm cơ sở để liên kết các hạt xi măng với nhau (liên kết cơ học) xoá bỏ ranh giới các hạt và đồng thời chúng còn liên kết cơ học với cốt liệu nhỏ (cát) tạo nên cấu trúc con vữa xi măng liên kết cấu kết dần và tạo nên cấu trúc ổn

11

định có tính chất cơ lý Nhưng phản ứng thuỷ hoá vẫn tiếp tục xảy ra, do vậy trong cầu

trúc vẫn tồn tại bộ phận lõi hạt là khối xi măng khan và không gian, giữa các hạt xi

măng liên kết là khoảng rỗng có chứa nước

Các yếu tố tham gia vào cấu trúc:

+ Vai trò của hạt cát: Mới nhìn có thể nghĩ sự tham gia của hạt cát là thừa, nhưng

nó lại có vai trò hết sức quan trọng trong phần tăng cường ổn định không gian của các hạt xi măng liên kết, nó có tác dụng như chất hoạt tính tăng cường sự linh động của các hạt xi măng và phần tử nước kích thích quá trình thuỷ hoá, đồng thời dưới tác động của

cơ học và sự linh động của bản thân trong dung dịch huyền phù (giai đoạn nước liên kết keo giữa các hạt xi măng) làm giảm bớt sự cản trở của màng liên kết xi măng nước

tạo cho sự thâm nhập của phần tử nước vào bên trong hạt để thủy hoá tiếp Do đó tác

dụng cuối cùng là giảm lượng lỗ rỗng trong cấu trúc, tăng độ bền, khả năng chịu lực của cấu trúc

+ Các hạt xi măng thủy hoá: Tuy rằng lực dính kết các hạt xi măng tuỳ thuộc phần lớn vào loại xi măng (hàm lượng các thành phần trong xi măng), nhưng mức độ linh động của các hạt xi măng - nước phá vỡ thế cân bằng tạm thời làm cho các hạt xít nhau

hơn tạo nên thế cân bằng ổn định hơn và giảm các lỗ rỗng, lực dính các hạt cũng cao

hơn Thời điểm và khoảng thời gian tác động cơ học có ảnh hưởng tới lực dính này Ngoài ra tốc độ, mức độ phản ứng thuỷ hoá ảnh hưởng tới hàm lượng hạt xi măng được thủy hoá, mong muốn hết thời gian bảo dưỡng bê tông hoặc thời gian bắt đầu chịu lực thì hàm lượng xỉ măng trong lõi hạt xi măng chưa được thủy hoá là nhỏ nhất Đây cũng

là một yếu tố để tăng cường độ của đá xi măng

Một số đặc điểm của phản ứng thuỷ hoá hạt xi măng

Tính chất cấu trúc vữa - xi măng được biểu hiện qua liên kết giữa các hạt xi mang

và hàm lượng hạt xi măng được thuỷ hoá Lỗ rỗng trong cấu trúc là luôn luôn tổn tại ngay cả khi lượng nước sử dụng là tối thiểu (chỉ cần cho thuỷ hoá toàn bộ lượng xi măng), lượng 16 rỗng này sẽ tăng một cách tự nhiên theo mức độ tăng hàm lượng nước ngoài thủy hoá và sự tăng hàm lượng xi măng cũng như kích thước hạt xi măng

Cấu trúc vi mô của vữa xi măng đóng vai trò quan trọng trong tạo lập cấu trúc bê

tông và trong bê tông cường độ cao tác động của nó với tính chất cấu trúc bê tông còn hơn cả tác động của cấu trúc cốt liệu lớn

Muốn tăng cường độ của cấu trúc này phải tăng độ linh động của bản thân các hạt

xi mang, tác động cơ học hợp lý để tăng khả năng xếp xít của các hạt xi măng làm giảm hàm lượng lỗ rỗng tự nhiên Giảm tối đa lượng nước thừa không cần cho thủy hoá cho toàn bộ xi măng, giảm lượng bọt khí tạo thành, kích thích phản ứng thuỷ hoá sao cho hàm lượng lõi xi măng khan của hạt là ít nhất khi hết giai đoạn bảo dưỡng và sử dụng

các chât kêt dính phụ: muội silic, tro bay, tro trấu để lắp đầy các khoảng trống giữa

các hạt xi măng cũng như tạo ra các phản ứng pozzolanic

12

2.1.4 Cấu trúc vùng tiếp giáp giữa hồ xi măng và cốt liệu

Ở vùng tiếp giáp giữa vữa xi măng và cốt liệu tồn tại các lớp vữa xi măng áp sát bề mặt cốt liệu, các vùng chứa nước do sự tách nước bên trong của vữa xi măng, các lỗ rỗng do nước bốc hơi và các hạt CaO tự do còn lại

Ở vùng này tồn tại lực dính giữa đá xi măng và cốt liệu Cấu trúc tốt nhất ở vùng tiếp giáp tạo ra lực dính kết tối đa và có lỗ rỗng tối thiểu Sự thay đổi độ ẩm ở vùng này chính là nguyên nhân gây ra các biến dạng theo thời gian cho bê tông Loại bê tông

được thiết kế với tỉ lệ N/X thấp, nhào trộn hợp lý, và đầm chắc hợp lý sẽ tạo ra vùng

tiếp giáp tốt nhất và tạo ra lực dính cao nhất Vùng tiếp giáp này là vùng quan trọng nhưng yếu nhất của cấu trúc bê tông Với bê tông truyền thống vết nứt đầu tiên trong bê tông xuất hiện tại đây và phát triển trong cấu trúc hồ xi măng đã đông cứng Với bê tông cường độ cao do lượng nước sử dụng ít hơn và do tác động của muội Silíc, cấu

trúc vùng tiếp giáp được cải thiện đáng kẻ, không có CaO tự do, độ ẩm thấp, lực dính

được nâng cao, tạo ra chất lượng mới cho bê tông xi măng

2.2 Cường độ của bê tông

2.2.1 Cường độ chịu nén của bê tông

Cường độ chịu nén của bê tông là một trong những tính chất quan trọng nhất của bê tông, là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng của bê tông mặc dù trong một số trường hợp thì độ bền và tính chống thấm còn quan trọng hơn Có thể nói cường độ là bức tranh tổng quát về chất lượng của bê tông vì cường độ của bê tông liên quan trực tiếp đến cấu trúc của hồ xi măng đã đông cứng, cấu trúc của bê tông Mặc dù cường độ không trực tiếp đánh giá các tính chất khác như độ bền, độ ỗn định của bê tông, nhưng cường độ phụ thuộc rất lớn vào tỉ lệ nước/xi măng trong bê tông Mà tỉ lệ

nước/xi măng lại ảnh hưởng rất lớn đến độ bền, độ ổn định thể tích và nhiều tính chất

khác liên quan đến độ rỗng của bê tông Do đó cường độ chịu nén của bê tông được sử

dụng để quy định, điều chỉnh và đánh giá chất lượng bê tông Cường độ chịu nén của

bê tông biến đổi trong phạm vi rộng từ 15 - 250 MPa Bê tông truyền thống có cường

độ là 15 - 50 MPa Bê tông chất lượng cao có cường độ từ 60 - 100 MPa Bê tông cường độ rất cao có cường độ từ 100 - 250 MPa (xem hình 2.1)

Cường độ chịu nén của bê tông được xác định trên mẫu bê tông tiêu chuẩn, được bảo đưỡng 28 ngày trong điều kiện tiêu chuẩn

Theo tiêu chuẩn của Việt Nam, mẫu tiêu chuẩn để xác định cường độ bê tông là mẫu hình hộp lập phương có cạnh 150x150x150mm, bảo dưỡng trong điều kiện t = 20- 25°C, W = 90 - 100%

Theo ACI thì mẫu tiêu chuẩn để xác định cường độ bê tông là mẫu hình trụ tròn có kích thước: d = 6 in và h = 12 in (~150x300mm), và được bảo dưỡng ẩm

13

*Eè tông thường = (& Á 60 Nà") Ẫ

*Ee tông cường độ cao i

($ONAmmt 4 &S 1OO Ninh) 3

*Eê tòng cường độ rút cao Som

(i> LO0N dam) Ệ

và tỉ lệ N/X theo công thức sau:

Công thức của Rene Feret thiết lập năm 1896 về quan hệ giữa cường độ và tỉ lệ của xi măng với nước trong bê tông như sau

Có thể nói một cách khác là thông qua tỉ lệ N/X có thể xác định được độ rồng của

xi măng đông cứng tại các thời điểm của quá trình hydrát hoá Do đó cả tỉ lệ N/X và độ

đầm chặt đều ảnh hưởng đến thẻ tích lỗ rỗng trong bê tông, và điều này giải thích vì

sao có thể tích không khí trong bê tông ở công thức Feret

Trong thực tế thì tỉ lệ N/X là một yếu tố quan trọng nhất đối với cường độ của bê tông đầm chặt hoàn toàn Gilkey đã phát biểu như sau: ““Với một loại xi măng nhất định

và cốt liệu hợp lý, một hỗn hợp của xi măng, cốt liệu và nước (với các điều kiện nhào

trộn, đỗ và kiểm tra như nhau) có thể phát triển cường độ được thì chịu ảnh hưởng của các yêu tô sau:

a Tỉ lệ nước/xi măng

b Tỉ lệ xi măng/cốt liệu

c Cường độ, đặc tính bề mặt, hình dạng, cường độ và độ cứng của hạt cốt liệu

d Kích thước lớn nhất của hạt cốt liệu

Ta có thể coi yếu tố (b) và (d) là không quan trọng bằng yếu tố (a) khi sử dụng cốt liệu có kích thước lớn nhất khoảng 40 mm Tuy nhiên, các yếu tố này vẫn được nêu ra vì: như Walker và Bloem đã chỉ ra là “cường độ của bê tông là kết quả của: cường độ

của vữa; sự dính kết giữa vữa và các hạt cốt liệu; cường độ của hạt cốt liệu, thể hiện

bằng khả năng chống lại các ứng suất tác dụng lên nó”

Khi tỉ lệ N/X < 2,5 tác giả Bolomey đề nghị công thức:

N R,= Ar,( 2 — 05}

Trong đó:

Ry - Cường độ bê tông;

A - Hệ số thực nghiệm xét đến chất lượng cốt liệu;

R; - Cường độ xi măng

Khi xét X/N > 2,5 CKrataep (Nga) đề nghị công thức

15

R, = ARy{X4 05),

Trong đó: A; - Hệ số thực nghiệm

Khi tỉ lệ X/N = 2,6 hay tỉ lệ N/X = 0,38 là tỉ lệ quá trình thuỷ hoá xi măng đạt tối

đa đến 100% Khi tỉ lệ X/N > 2,6 cường độ bê tông vẫn tăng nhưng không theo quy

luật cũ mà tốc độ tăng chậm hơn

Trong thực tế nếu tỉ lệ N/X là cố định nhưng lượng nước để pha trộn tăng lên bê

tông ít bị thay đổi cường độ, nhưng độ dẻo và tính dễ đổ có phần thay đỏi Lượng nước

trong hỗn hợp bê tông phụ thuộc vào kích cỡ của cốt liệu và tính dễ đỗ yêu cầu đã được nêu trong các tiêu chuẩn

Tỉ lệ gel/khoảng trồng (gel/space ratio):

Thông thường, cường độ tại bất cứ tỉ lệ N/X nào cũng phụ thuộc vào: mức độ hydrat hoá của xi măng và các tính chất hoá học, lý học của nó; nhiệt độ xảy ra hydrat hoá; thành phần không khí của bê tông; và cả sự thay đổi của tỉ lệ N/X hữu ích và sự

hình thành vết nứt do mắt nước Thành phần xi măng trong hỗn hợp và tính chất của

mặt tiếp xúc giữa xi măng và cốt liệu cũng có liên quan

Do đó sẽ đúng hơn nếu ta coi cường độ liên quan tới sự tập trung của các chất cứng của quá trình hydrát hoá xi măng vào những vị trí thích hợp với chúng Powers đã xác

định được mối liên quan giữa sự phát triển cường độ và tỉ lệ Gel/khoảng trồng Ti sé

này được định nghĩa là tỉ số giữa thể tích của vữa xi măng đã hydrát hoá với tổng thể

tích của xi măng hydrát hoá và các lỗ rỗng mao dẫn

Chúng ta biết rằng xi măng khi hydrát hoá sẽ chiếm thẻ tích gấp 2 lần thể tích thật của nó Các sản phẩm của quá trình hydrát hoá của 1ml xi măng sẽ chiếm khoảng 2,06

ml; mặc dù không phải tất cả đều tạo thành gel nhưng ta có thể coi xấp xỉ là như thế

Thể tích gel là 2,06cv,œ, và tổng không gian cần thiết cho gel là cv,œ + wọ Do đó, tỉ số

c: Khối lượng xi măng;

vạ: Thể tích khối lượng thẻ tích đơn vị của xi mang;

Wo: Thé tích của nước nhào trộn;

ơ: Hệ số tỉ lỆ phần xi mang hydrat hoa

Lay thé tích một đơn vị khối lượng đặc của xi măng khô là 0.319 ml/g thi ti sd

gel/khoang trồng trở thành:

16

với loại xi măng và loại mẫu đã sử dụng '

: Anh huong dé rong:

Cường độ của bê tông về cơ bản là một hàm của thể tích lỗ rỗng có trong nó Quan

hệ giữa cường độ và tổng thẻ tích lỗ rỗng không phải là một đặc trưng duy nhất có ở bê

tông mà nó cũng được tìm thấy trong các vật liệu giòn khác Mô hình chung này là nhằm đề hiểu rõ vai trò của độ rỗng đối với cường độ của bê tông và cũng chỉ ra rất rõ

tại sao bê tông khi đầm chặt, tức là có độ rỗng rất nhỏ, lại có cường độ rất cao

Nói một cách chính xác, cường độ của bê tông bị ảnh hưởng bởi thể tích của tất cả

các lỗ rỗng trong bê tông như: không khí bị lẫn vào, lỗ rỗng cuốn khí, các lỗ rỗng mao dẫn, các lỗ rỗng gel

Ảnh hưởng của thể tích lỗ rỗng đến cường độ có thẻ biểu diễn bằng hàm số sau:

f, = f.0(1—P)" hoge f= fod”

Trong đó:

p: Độ rỗng, là tỉ số giữa thể tích của các lỗ rỗng và tổng thể tích của bê tông;

f.: Cường độ của bê tông với độ rỗng p; PRL OALHSE Slag teu NAN Fal f,,o: Cường độ khi độ rỗng bằng 0; THƯ VIỆN

của bê tông, nhưng biết về ảnh hưởng của độ rỗng đến cường độ của hỗn hợp xi măng

là rât có giá trị

Một quan hệ tuyến tính giữa cường độ và độ rỗng, trong phạm vi từ khoảng 5 đến

28%, đã được thiết lập bởi Rossler và Odler Anh hưởng của các lỗ rỗng có đường kính

nhỏ hơn 20 nm (nano mét) được bỏ qua Kết quả là ngoài tổng độ rỗng thì sự phân bố

cũng như kích cỡ lỗ rỗng cũng ảnh hưởng đến cường độ của bê tông Nói chung, với

một độ rỗng cho trước thì các lỗ rỗng càng nhỏ sẽ dẫn tới cường độ của hỗn hợp xi

măng càng cao

17

Ảnh hưởng của cốt liệu:

Trong bê tông tỉ lệ thể tích cốt liệu thường chiếm từ 50 + 70% Tỉ lệ thành phần cốt

liệu, loại cốt liệu, cấp phối hạt, độ lớn của cốt liệu và đặc trưng bề mặt của hạt cốt liệu

có ảnh hưởng đến cường độ và cường độ chống nứt của bê tông

Cốt liệu lớn có cấp phối hạt hợp lý sẽ đảm bảo các hạt sắp xếp chặt chẽ, độ rỗng

của bê tông nhỏ và như vậy cường độ bê tông cao

Kích thước lớn nhất của cốt liệu cũng có ảnh hưởng khác nhau đến cường độ của

bê tông Nếu kích thước cốt liệu lớn thì tỷ điện bề mặt nhỏ sẽ tiết kiệm xi măng, cường

độ chịu nén có thể tăng

Cốt liệu có nguồn gốc là đá Granit cho cường độ bê tông cao hơn khi cốt liệu là đá

vôi hoặc đá trầm tích

Khi tỉ lệ thể tích cốt liệu trong bê tông biến đổi từ 40 - 80% thì cường độ chịu nén

và chịu kéo đều tăng

Bên cạnh thể tích thì hình dạng và kích cỡ của chúng cũng là những yếu tố quan trọng Hình dáng của các hạt cốt liệu và mô đun đàn hồi của chúng ảnh hưởng đến phân

bố ứng suất và do đó ảnh hưởng đến tập trung ứng suất trong bê tông

Hạt cốt liệu càng lớn thì sự cản trở co ngót của xi măng càng lớn sẽ gây ra nội ứng suất trong hồ xi măng và tạo ra các vi vết nứt trong bê tông trước khi khai thác Đây là

một yếu tố nguy hiểm đối với bê tông chất lượng cao Xu thế hiện nay là giảm dần đường

kính lớn nhất của cốt liệu để tăng độ đồng nhất và khả năng chống nứt cho bê tông

, Dac trưng bề mặt của cột, nh hưởng đến lực liên kết giữa cốt liệu với đá xi mile, Bê tông dùng sỏi tròn trơn i ết; nứt xảy ra ở ứng suất thấp hơn so với dùng đá dam có dạng hat mhafn rap, igéc canh vi sự liên kết cơ học chịu ảnh hưởng của tính chất

bể mặt và hình dạng hạt cốtliệu lớn '

-„2,2,3 Cường độ chị kéo-

Cuong độ chịu kéo của bê tông liên quan đến khả năng khống chế vết nứt và gây ảnh hưởng đên các tính chât khác của bê tông như: độ cứng, khả năng dính bám với cốt thép, độ bền Ngoài ra cường độ chịu kéo còn liên quan đến ứng xử của bê tông khi chịu cắt

Bê tông có chất lượng cảng cao thì cường độ chịu kéo cũng cao hơn Tắt cả các thử

nghiệm đều xác nhận mức độ tăng cường độ kéo từ 30 - 50% tuỳ theo thành phần của

bê tông chất lượng cao Việc cải thiện chất lượng của vùng chuyển tiếp giữa hồ xi

măng và cốt liệu có thể đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện này

Tuy nhiên cường độ chịu kéo của bê tông chất lượng cao tăng một phần rất nhỏ so với việc tăng cường độ chịu nén

Cường độ chịu kéo của bê ‘tong được xác định bằng thí nghiệm kéo dọc trục hoặc thí nghiệm gián tiếp như kéo uốn, kéo bửa

18

Cường độ chịu kéo dọc trục:

Cường độ chịu kéo đọc trục của bê tông bằng khoảng 10% cường độ chịu nén

Quan hệ giữa cường độ chịu kéo f, và cường độ chịu nén f có thể biểu diễn theo

dạng sau:

f=k.@)"

trong đó hệ số k và n được xác định bằng thực nghiệm

n= 1⁄2 -3/4 Các nghiên cứu cua ACI (American Concrete Institute) đề nghị công thức:

f=0.3.)?2

Các nghiên cứu của trường đại học Delft trên mẫu đường kính 120mm (4.7 inch),

chiều dài 300mm (11.8 inch), có cùng cường độ với điều kiện bảo dưỡng khác nhau

Kết quả cho thấy cường độ chịu kéo của mẫu được bảo dưỡng 4m cho kết quả cao hơn khoảng 18% so với mẫu bảo dưỡng khô Các nghiên cứu khác tại Trường Đại học Northwestem với các loại bê tông khác nhau có cường độ đến 48 MPa cho thấy cường

độ chịu kéo dọc trục có thẻ biểu diễn theo cường độ chịu nén như sau:

t=6.5 Vi (psi)

hay: £.=0.54-| 7 (MPa)

Theo tiêu chuẩn Anh (BS 8007: 1987) thì:

f=0.12 (27

Cường độ chịu kéo gián tiếp:

Cường độ chịu kéo gián tiếp được xác định thông qua thí nghiệm kéo bửa (splitting tension - ASTM C496) hoặc thí nghiệm kéo uén (ASTM C78)

- Cường độ kéo khi thí nghiệm ép chẻ (f)

Theo ACI 363, cường độ kéo bửa của bê tông nặng có quan hệ với cường độ chịu nén theo công thức:

fer = 1.4.) f, (psi) với bê tông có cường độ 3000 - 12000 psi

hay: f¿= 0.59 af (MPa) voi bê tong có cường độ 21 - 83 MPa

Theo Shah và Ahmad thì công thức là:

fr =4.34(P.)°°> (psi) với bê tông có cường độ < 1200 (psi)

hay: f„ = 0.462(f.)°°Š (MPa) với bê tông có cường độ < 83MPa

Cường độ chịu kéo của bê tông dùng muội silíc cũng có quan hệ với cường độ chịu

19

nén như đối với các loại bê tông khác

- Cường độ kéo uốn:

Cường độ chịu kéo uốn hay còn gọi là mô đun phá hoại (modulus of rupture)

được xác định bằng thí nghiệm uốn mẫu dầm tiêu chuẩn Các kết quả thí nghiệm

cho thấy cường độ kéo uốn bằng khoảng 15% cường độ chịu nén của bê tông Quan

hệ giữa cường độ kéo uốn với cường độ chịu nén của bê tông có thể được biêu diễn

theo công thức:

f=k Jf (psi)

trong đó hệ số k nằm trong khoảng 7.5 + 12 (ACI code)

(hệ số: k = 0.623 + 0.996 trong trường hợp dùng đơn vị MPa)

ACI 363 kiến nghị đối với bê tông có cường độ chịu nén < 83MPa thì hệ số k=11.7:

2.2.4 Đánh giá cường độ của bê tông

Cường độ bê tông trong các dự án xây dựng cần phải được đánh giá chất lượng

thông qua cường độ nén, cường độ trung bình, độ lệch chuẩn, độ phân tán và cường độ

đặc trưng Giá trị của cường độ đặc trưng là cơ sở để đánh giá cường độ bê tông và phân cập bê tông

Trình tự đánh giá cường độ bê tông như sau:

- Lấy tổ mẫu thử hỗn hợp bê tông, dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn (1 tổ gồm

3 mâu)

_ - Cường độ từng mau bé tong (Rj) là kết quả thí nghiệm cường độ từng mẫu thử ở

tudi quy dinh (3, 7,14, 28, 56 ngay) Két quả của một phép thử là trung bình của ít nhất

là 2 mẫu thử (thường là trung bình số học của 3 mẫu thử)

$ ®

Cường độ trung binh: R, = a sn: s6 lugng két qua thir (n > 30)

20

Tiêu chuẩn đảm bảo chất lượng của bê tông: Các tiêu chuẩn Việt Nam đã quy định

tiêu chuẩn đảm bảo chất lượng bê tông mẫu hình lập phương với xác suất đảm bảo là

95% Tiêu chuẩn Việt Nam phù hợp với Tiêu chuẩn châu Âu, Tiêu chuẩn Anh,

Cannada, Trung Quốc và Nga Các Tiêu chuẩn của Mỹ ACI 318, ACI 211, ACI 214 quy định các đánh giá chất lượng bê tông cho các mẫu thử hình trụ

2.3 Độ bền của bê tông

2.3.1 Mở dầu

Vào những năm 1930,sau khi hàng loạt công trình bê tông bị hư hại thì thế giới

nhận ra rằng: mặc dù cường độ chịu nén được coi là thước đo của chất lượng của bê

tông, nhưng điều đó không có nghĩa rằng bê tông có cường độ cao luôn là bê tông bền Các yếu tố môi trường cũng ảnh hưởng rất lớn đến độ bền của bê tông Do vậy cả hai yếu tố cường độ và độ bền đều phải được xem xét trong các giai đoạn thiết kế, thi công, khai thác và bảo trì Để nghiên cứu về độ bền cần xem xét các mối quan hệ giữa cường

độ và độ bền

Ngày nay dé phát triển nhanh cường độ của bê tông, người ta sẽ sử dụng tỉ lệ N/X thấp, tăng lượng xi măng và giảm lượng nước Việc làm này sẽ tạo ra loại bê tông co

ngót nhiệt, co ngót khô, mô đun đàn hỏi cao hơn và hệ số từ biến thấp hơn so với bê

tông truyền thống Như vậy khi bê tông đạt cường độ cao sớm thì dễ xuất hiện vết nứt

hơn là bê tông có cường độ trung bình và thấp Do đó để đảm bảo độ bền lâu dài ngoài việc tăng cường độ thì cần cân nhắc để sử dụng lượng xi mang ít nhất có thể Các vẫn

đề về thay đổi thể tích của bê tông cũng ảnh hưởng rất lớn đến độ bền Sự thẩm thấu

21

dẫn đến sự thay đổi thể tích Thẻ tích thay đổi sẽ tao ra các vết nứt Các vết nứt sẽ làm cho bê tông tính thấm cao hơn và do đó tạo ra một vòng tuần hoàn làm cho bê tông bị

suy thoái, nứt và cuối cùng là bị phá hoại

2.3.2 Định nghĩa độ bền

Độ bền của bê tông xi măng được định nghĩa là khả năng chống các tác động của

thời tiết, tấn công từ hóa chất, mài mòn, hoặc bất cứ quá trình nào khác gây nguy hại cho bê tông Bê tông bền sẽ giữ được hình thức ban đầu, chất lượng và khả năng phục

vụ khi tiếp xúc với môi trường

Khi thiết kế một hỗn hợp bê tông hoặc một kết cấu bê tông, điều kiện tiếp xúc

mà bê tông phải chịu sẽ được đánh giá ngay từ đầu Trước đây người ta cho rằng bê tông cường độ cao sẽ dẫn đến độ bền cao cho công trình Từ năm 1980 thì hàm mục tiêu khi thiết kế bê tông là độ bền cao, cường độ cao chỉ là một điều kiện bắt buộc để đạt được độ bền cao

Hiện nay, bê tông cũng bắt đầu được sử dụng ngay cả trong những môi trường rất

khắc nghiệt Do vậy các thiết kế có tính tới độ bền của công trình xây dựng hiện đại đã

trở nên quan trọng hơn nhiều so với trước đây

Tác động của tỉ sé N/X:

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự thay đồi về thể tích sẽ gây ra các vết nứt và các vết nứt là nguyên nhân chính gây ra sự tan rã của bê tông Hơn thế nữa, sự thâm thấu là yếu tố đóng góp cho sự thay đổi thể tích và tỉ lệ W/C cao cũng là nguyên nhân cơ làm cho bê tông có độ thấm cao Do đó, khi bê tông có W/C cao —> độ thấm cao — thay đổi thể tích —> các vết nứt —› sự tan rã —>hư hại của bê tông là một quá trình tuần hoàn

trong bê tông Vì vậy, để có được bê tông có độ đặc cao độ thấm thấp tức là bê tông

bền thì việc sử dụng tỉ lệ W/C thấp là yêu cầu cơ bản

Bê tông được thiết kế với tỉ lệ W/C thấp và cao có cấu trúc vi mô thay đổi rất lớn

Với tỉ lệ W/C thấp, độ thấm có thể giảm đến mức mà bê tông không cho phép thấm

nước Điều này không có nghĩa là chúng không còn những kết nối giữa các mao mạch,

mà các mao mạch này là rất nhỏ nên nước không thé di qua Khi thử nghiệm đẻ kiểm

tra độ thấm ion clorua trên những loại bê tông này, người ta thấy rằng các ion clorua

khuếch tán chậm hơn 10-50 lần so với những loại bê tông sử dụng tỉ lệ W/C cao

Thực tế cho thay bé tong str dung ti 1¢ W/C thấp ít nhạy cảm với các nguyên nhân gây

giảm độ bền của bê tông như sự hòa tan, tấn công hóa học từ bên ngoài và các tác động có hại khác Các báo cáo cũng chỉ ra rằng cốt thép trong bê tông cốt thép không bị ăn mòn nếu lớp bê tông bảo vệ sử dụng tỉ lệ W/C rất thấp Từ đây ta thấy rằng cách tốt nhất để bảo

vệ cót thép khỏi sự ăn mòn là sử dụng tỉ lệ W/C thấp và chiều dày bê tông bảo vệ đầy đủ, thay vì sử dụng tỉ lệ W/C cao và sau đó bảo vệ thép bằng cách phủ epoxy

Trên thực tế, trong nhiều năm, gần như không thể giảm tỉ lệ W/C xuống dưới 0,4 Tình trạng này đã thay đổi trong 15 năm qua với sự ra đời của phụ gia hóa dẻo Việc sử 22

dụng phụ gia siêu dẻo đã làm nên cuộc cách mạng về công nghệ và khoa học trong sản

xuất bê tông bền do giảm được tỉ lệ W/C Các phụ gia siêu dẻo hiện đại ngày nay có thể

giảm tỉ lệ W/C xuống 0,25 hoặc thậm chí thấp hơn 0,20 Công nghệ này là sự đột phá, kết hợp với việc sử dụng muội silic và các chất kết dính phụ thêm, đã hình thành nên

một thế hệ bê tông cường độ cao mới, và thường được gọi là bê tông siêu tính năng

(siêu bền)

2.3.3 Thấm thấu

Một điểm quan trọng đáng xem xét là tính thẩm thấu của bê tông vì sẽ nó tác động

lớn và trực tiếp vào độ bên

Thẩm thấu của vữa xi măng:

Độ thẩm thấu là rất nhỏ nếu vữa xi măng không bị nứt Khi tỉ lệ N/X < 0.4 thì có thé coi độ thẩm thấu bằng 0 Khi tỉ lệ N/X đến 0.7 thì hệ số thẩm thấu có thể tăng 100

lần và đạt tới con số 120.10''“m/s Do đó nhiều tiêu chuẩn đã quy định tỉ lệ N/X tối đa

là 0.45 (TCN 272-05) Hiện nay các tiêu chuẩn đều kiến nghị sử dụng tỉ lệ N/X là 0.4

trong các thiết kế kết cấu có xét đến độ bền

Độ thắm nước của bê tông

Độ thắm nước và thể tích lỗ rỗng được thí nghiệm theo ASTM C 642

Độ thấm nước được mô tả theo định luật Darcy như sau:

L - Độ sâu của mẫu, m;

H - Chiều cao cột nước, m

Độ thấm nước phụ thuộc vào tỉ lệ N/X, thành phần của bê tông Bê tông không có hiện tượng thâm nước khi tỉ lệ N/X < 0.3

Dưới tác dụng của hơi nước áp suất cao thúc day su két hợp của Ca(OH); và muội silic tạo CSH làm cho bê tông có khả năng tự lành vết nứt

Liên hệ giữa thẩm thấu, thay đổi thể tích và vết nứt:

_ Khả năng thẩm thấu, thay đổi thể tích và nứt bê tông sẽ dẫn đến suy giảm độ

bền của bê tông và kết cấu bê tông Độ thấm của bê tông thường được coi là các

nguyên nhân chính của sự giảm độ bền Nhưng thực tế, sự thay đổi thể tích diễn ra

trong những loại bê tông không thấm nước do nhiệt hydrat hóa hoặc phản ứng bên

trong cũng có thể ảnh hưởng đến độ bền của bê tông Những vết nứt nhỏ trong khu

23

vực chuyển tiếp, ngay cả khi bê tông ban đầu không thấm, có thể bắt đầu chu kỳ suy

thoái trong quá trình đỗ bê tông Vì vậy, ba yên tố, đều có ảnh hưởng đến độ bền

của bê tông và kết cấu bê tông

Trong các nghiên cứu về độ bền của bê tông, người ta có thể đi qua con đường thẩm thấu, thay đổi thể tích hoặc nghiên cứu các vết nứt Bằng cách làm theo bất kỳ

một trong những cách trên, có thể nghiên cứu về toàn bộ các khía cạnh của độ bền của

bê tông Ở đây, chúng ta sẽ nghiên cứu theo khía cạnh "vết nứt trong bê tông" để thảo luận và mô tả các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến độ bền của bê tông

2.4 Các yếu tố gây nứt trong bê tông 2

Neville đã tổng hợp và đưa ra bảng trình bày về các loại vết nứt cũng như nguyên

nhân gây ra từng loại vết nứt (Bảng 2.1), đồng thời chỉ rõ vị trí mà từng loại vết nứt có khả năng xuất hiện (Hình 2.3)

Theo các nghiên cứu của Mercer LB về phân loại vết nứt bê tông đã từng bước và mô

tả các vết nứt trong bê tông có ảnh hưởng như thế nào đến độ bền của bê tông bảng 2.2

Bảng 2.1 Phân loại vết nứt và nguyên nhân gây nứt

A Quá nhiều cốt | Mặt cắt

théi P cao Điều id

& Fie 8 5 Đỉnh Do tách kiệnco | Giảm sự | 10 phút

n Hiệu ứngvòm Ï cặt Í nước quả | ngốtkhổ | tích | đến3

Be ak Ranh mức sớm nước giờ

c Thay doi chiéu xã bên nhanh

Co E Ngâu nhiên cất, Tách Cải thiện 30 phút

Các Nguyên | Nguyên Biện Thời

loại Ký Vi tri/phan Loai Buyer euy phap gian

vet hiệu vùng ket cau k eins sửa xuât

ee ngoai day ra lớn 4 4

tuổi Hạn chếbên | Bản Tưng nhanh | hoặc giữ | hoặc 3

sớm | H trong dây | THIẾU để lớn nhiệt | tuần

Giảm Một

ngót Tường Mắi nối Ặ I am ve

khô | I Sotảa | mắphẹp | C580, TA |

đài mỏng lực vượt quá | nước; cải hoặc

Chống lại ván ` khuôn Cải thiện | ngày

Buổi khuôn ườnE | không | Ba | lácbảo | thỉnh

nhỏ K Lớp mặt bê : Ban ‘ Trát bang kết thúc | nhiều h

ứng ., | Phản ứng nguyên

côt liệu được liệt

Loại trừ Bon Sử dụng | nguyên denn

noch | N Ban kim loại | được liệt | SP bàn xoa | nhân | đc"

.,, | Dong tan 2

nứt D P biên hủy cốt thước

cua ban te iệu của côt liệu a as

25

đo kéo uốn Các vất sứt

Vật liệu không bền Xi măng

Nhiều bùn, đất

Co ngót nhiệt lâu

ngày Nhiệt | *nive bydrat noaa | Nhiệt hydrat hóaa

thép là vấn đề cần phải đặc biệt chú ý trong thiết kế đảm bảo độ bền

2.5 Độ bền hoá học

Khi chịu tác động của mốt số loại chất hóa học, bê tông có thể bị thay đổi về thể

tích và do đó gây nứt cho bê tông Các tác động hoá học chính gây nguy hại cho bê tông là:

- _ Ảnh hưởng của carbondioxide gây cacbonat hoá và ăn mòn

- Tac động của axit

Tác động của ion clo thông qua sự khuếch tán ion clo và gây ăn mòn cốt thép Tác động của sunphat và ăn mòn

Các phản ứng kiềm cốt liệu làm mắt ổn định thể tích tạo ra vết nứt và ăn mòn,

27

2.5.1 Sự tấn công của sulfat

Sự tấn công của sulfat vào bê tông thông thường sẽ gây ra các phản ứng hóa học tạo ra các sản phẩm mới làm gia tăng thể tích và qua đó gây ra các vết nứt trong bê tông làm cho bê tông bị hư hại Sự tấn công sulfat xảy ra khi bê tông tiếp xúc trực tiếp với đất hay nước ngằm chứa ion sulfat hoặc trong bản thân bê tông tồn tại sẵn các ion sulfat Có ba loại hình ăn mòn sulfat chủ yêu:

An mon sulfat cô điển: Tạo thành ettringite gây trương nở thể tích, phản ứng này do

bê tông tiếp xúc với ion sulfat từ môi trường bên ngoài (tấn công sulfat ngoài) có thể từ đất hoặc nước ngầm có chứa ion sulfat Hình thức ăn mòn sulfat cổ điển được đặc trưng bởi phản ứng hóa học sau

3CaO.AlạO¿ + 3CaSO, (aq) = 3CaO.A1,03.3CaSO,.32H,0 (ettringite)

Các yếu tố chính ảnh hưởng tới ăn mòn sulfat cổ điển

* Nong độ sulfat;

* Khả năng hòa tan của sunfat;

+ Nước ngầm di chuyển;

+ Tính thấm của bê tông;

s Chu kỳ ướt và khô;

s Bốc hơi;

+ Mức độ cacbonat hóa trước khi tiếp xúc

An mon sulfat thaumasite (TSA): Xay ra & nhiét 46 thấp, là sự kết hợp giữa tấn công sulfat và sự có mặt của cacbonat Nhiệt độ có thể hình thành thaumasite là dưới

15°C va lý tưởng nhất là ở 5°C Phản ứng hóa học sự hình thành thaumasite

3Ca?* + SiO?” + CO?” + SO2” + 15H,O — 3CaO.SiO,.CO,.SO,.15H,O

Các yếu tố chính ảnh hưởng tới ăn mòn thaumasite

+ Nong độ sunfat và/hoặc sunfua trong lòng dat;

* Nước ngầm chuyển động;

* Sự hiện diện của cacbonat;

* Nhiệt độ thấp

Sự hình thành etrigite muộn (DEF): ettringite hinh thành do phản ứng của một số

chất trong bê tông và nguồn sulfat sẵn có trong bê tông Ettringite được hình thành trong quá trình hydrat hóa trong bê tông dẻo, ngoại trừ trong các tình huống có nhiệt độ 28

cao Nó không ổn định ở nhiệt độ vượt quá khoảng 70°C Nhiệt độ cao hơn có thể xuất

hiện trong thời gian bảo dưỡng bê tông khối lớn hoặc thông qua hơi nước nóng dùng để bảo dưỡng Trong một số trường hợp cụ thể ettringite không hình thành Sulfat thay vì hấp thụ calcium silicate hydrate, hình thành một lượng nhỏ của monosulfat và một số

có thể đi vào dung dịch trong dung dịch lỗ rỗng Hàm lượng oxit nhôm của calcium

silicate hydrat cũng trở nên tăng cao Các pha này không ôn định ở nhiệt độ môi trường

xung quanh Vì vậy, khi bê tông hạ nhiệt độ, tinh thể ettringite có thể bắt đầu hình thành trong cấu trúc hồ Điều này chỉ xảy ra trong bê tông ướt Sự giãn nở hồ xi măng

có thể dẫn đến sự hình thành vết nứt sau đó Hobbs (1999b) báo cáo rằng các vết nứt

thường có chiều rộng đồng nhất và tỉ lệ theo chiều rộng với các hạt cốt liệu hợp ở chung quanh Các vết nứt có thể lắp đầy bởi ettringite

Sự xuất hiện khả năng hình thành ettringite muộn được xác định trên nhiệt độ trong

quá trình hydrat hóa và độ ẩm sẵn có trong sử dụng

Các yếu tô ảnh hưởng chính tới sự hình thành ettringite muộn là:

* Nhiệt độ không khí trong quá trình hydrat hóa;

* Kích thước và dạng của khối đỗ;

* Hàm lượng xi măng;

* Hóa học và độ mịnxi măng

Nhìn chung để ăn mòn sulfat có thể xảy ra thì nồng độ sulfat phải đạt một ngưỡng giới hạn nào đó, 1000PPM được coi là mức độ nghiêm trọng vừa phải và 2000PPM được cho là rất nghiệm trọng, đặc biệt nếu muối M,SO„ chiếm ưu thế

Để khắc cải thiện chất lượng bê tông trước tấn công sulfat có một số biện pháp sau:

- Sử dụng xỉ măng bên sulfat

- Giảm tỉ lệ N/CKD

- Tao bot khi

- Sử dung chất độn mịn hoạt tính pozzolanic

- Bảo dưởng bằng hơi nước áp lực cao

- Sử dụng xi măng giàu nhôm

2.5.2 Phản ứng kiỀm-cốt liệu

Phản ứng kiềm cốt liệu (alkali-silica reaction - ASR), được biết đến như là “ung thư của bê tông”, là một phản ứng hóa học xảy ra trong bê tông giữa hồ xi măng có độ kiềm cao và các tỉnh thể silic vô định hình có trong cốt liệu khi có mặt của độ a âm Phản ứng này gây ra trương nở thể tích của cốt liệu bang việc hình thành gel C-S-H nở Sản phẩm này sẽ gia tăng thể tích so với sản phẩm gốc khi có mặt của nước và gây ra áp lực trong vật liệu dẫn tới lực ép và làm suy giảm cường độ của bê tông cuối cùng làm cho

bê tông bị hư hại

Phản ứng kiềm cốt liệu có thể gây ra các vết nứt nghiệm trọng trong bê tông, thể

hiện trên các hư hại kết cấu và đôi khi dẫn tới phá hoại một phần công trình Phản ứng

này xảy ra theo hai giai đoạn

Giai đoạn 1: Kiềm + Silic hoạt hóa — Gel kiém-silic

Giai đoạn 2: Gel kiềm - silic + hơi 4m — San pham trương nở thể tích

Hiện tượng này lần đầu tiên được đề cập tới trong cá nghiên cứu được công bố trên tạp chí Stantan vào năm 1940,từ đó đến nay, qua nhiều nghiên cứu chứng minh phản

ứng này đã được công nhận là một trong những nguyên nhân chính gây nứt bê tông Những phản ứng này được được gọi là kiềm-silic xảy ra đưới điều kiện thuận lợi của

độ ẩm và nhiệt độ gây ra các lỗ rỗng và vết nứt Chiều rộng vết nứt khoảng từ 0,1 mm

đến 10 mm

Hiện tượng này được xem như là một trường hợp hiếm vào năm 1940 thì ngày nay

đã được công nhận là một trong hiện tượng phổ biến Cốt liệu dùng trong bê tông xỉ măng cần được thử nghiệm để phát hiện xu hướng của phản ứng kiềm-cốt liệu

Khi các nhà cong nghé bé tong hiện nay lưu ý ý hơn về ASR, nhà sản xuất xỉ măng

đã chú ý hơn về hàm lượng kiềm nhằm hạn chế ASR Thường thì hàm lượng kiềm được khống chế nhỏ hơn 0,6% theo khối lượng xi măng Hàm lượng kiềm khoảng

0,6% có thể được coi như một chỉ số cao của xi măng kiềm

Người ta đã chỉ ra phản ứng kiềm-silic diễn ra khi nồng độ ‹ của ion OH' cao, và giá

trị pH tương đối cao trong nước Độ pH của nước trong lỗ rỗng phụ thuộc vào hàm 30

lượng kiềm của xi măng Xi măng kiềm có thể dẫn đến độ pH trong khoảng 13,5-13,9

và xi măng hàm lượng kiềm thấp có độ pH khoảng 12,7-13,1 Sự gia tăng độ pH là 1,0

đã làm tăng gấp 10 nồng 46 ion OH’ Do dé xi măng có nồng độ kiềm thấp sẽ có giá trị

độ pH thấp và được xem là an toàn để chống lại các phản ứng với cốt liệu

Kiềm không chỉ đến từ xi măng mà còn đến từ cát có chứa natri clorua, phụ gia, nước trộn, xâm nhập của nước biển, tro bay, xỉ lò cao và muối làm tan băng được trộn lẫn vào bê tông Tiêu chuẩn của Anh 5328: phần 1: 1091 quy định hàm lượng kiềm tối

da 3,0 kg trong 1 mỶ bê tông

2.5.3 Tấn công của axit

Bê tông xi măng Portland khi chịu tác động của axit thì các thành phần của nó sẽ bị

từ từ hòa tan hoặc nhanh chóng bị tan rã Tốc độ gây hư hại thì phụ thuộc vào loại và

nồng độ axit Một số axit, chẳng hạn như axit oxalic và axit photphoric thì vô hại

Thành phần dễ bị tổn thương nhất của xi măng đã thủy hóa là Ca(OH);, nhưng CSH

cũng có thể bị tấn công Cốt liệu có nguồn gốc silic thì bền với axit hơn so với cốt liệu có

nguồn gốc bazơ Bê tông cũng có thể bị tấn công bởi các chất lỏng có giá trị pH nhỏ hơn 6,5 Khi chất lỏng có độ pH nhỏ hơn 5,5 thì tác hại của nó đối với bê tông sẽ nghiệm trọng

Với dung dịch có độ pH dưới 4,5 thì tác hại của nó khi tiếp xúc với bê tông là rất nghiêm

trọng Khi bê tông bắt đầu tiếp xúc với axit, các thành phần của bê tông sẽ dần dần bị hòa

tan, cuối cùng sẽ bị phá hủy và rửa trôi đi Đặc biệt, khi bê tông bị axit sulfuric tấn công,

calcium sulphatehình thành sẽ phản ứng với canxi aluminate trong xi mang dé tạo thành canxi sulphoaluminate, các tỉnh thể này có thể gây ra sự giãn nở và co ngót của bê tông Nếu các axit hoặc muối hòa tan có thể tiếp xúc với cốt thép thông qua các vết nứt hoặc lỗ

rỗng trong bê tông, hiện tượng ăn mòn cốt thép sẽ xảy ra

2.5.4 Bê tông trong nước biển

Số lượng lớn các kết cấu bê tông cốt thép tiếp xúc với nước biển trực tiếp hoặc gián

tiếp Các kết cầu bê tông cốt thép vùng biển sẽ chịu nhiều tác động vật lý và hóa học đồng thời dẫn tới bị suy thoái Các tác động có thể là ăn mòn clorua trong cốt thép, đóng băng và tan băng, muối, thời tiết, mài mòn bằng cát, sóng biển, thủy triều v.v

Nước biển thường chứa 3,5 % muối theo trọng lượng Nông độ ion của Na” và CI"

tương đối cao, lần lượt là 11.000 và 20.000 mg / lít Nước biển cũng chứa Mg?” và

SO/?, với nồng độ lần lượt là 1400 và 2700 mg / lít Độ pH của nước biển thay đổi từ

7,5 đến 8,4 Giá trị trung bình đo được là 8,2 Ngoài ra trong nước biển cũng chứa một

hàm lượng CO; nhất định

Chúng ta đã biết răng magnesium sulphate phản ứng với hydroxitcanxi trong xi

măng Portland để hình thành sulfat canxi, đồng thời kết tủa hydroximagié MgSO, cũng sẽ phản ứng với canxi ngậm nước aluminate để hình thành canxi sulphoaluminate

Những phản ứng trên đều chủ yếu là do sự tắn công hoá học từ nước biển vào bê tông

Dễ dàng quan sát thấy rằng sự suy thoái của bê tông trong nước biển thường không

31

phải do sự co ngót thường thấy trong bê tông khi tiếp xúc với sulphate, mà nghiêng về

sự sự xói mòn, mắt mát của các thành phần từ khối lượng gốc của bê tông

Nói chung, trong bê tông sẽ xảy ra nhiều phản ứng hóa học đồng thời khi chịu tác động của nước biển Khi lượng bê tông không quá lớn tiếp xúc với nước biển sẽ dễ bị hòa tan hơn là bị giãn nở, trong khi đó cấu trúc lớn như bức tường, bến cảng có chịu ảnh hưởng của sự giãn nở Tỉ lệ tấn công hóa học là khá cao ở các vùng ôn đới

Kinh nghiệm cho thấy bê tông ở mực nước tiếp xúc (vùng thủy triều, sóng vỗ) thì chịu sự tấn công nghiêm trọng nhất của nước biển Tại mực nước thấp và cao thì

ít bị ảnh hưởng, các bộ phận bên dưới mực nước tiếp xúc thì chịu ảnh hưởng ít nhất Muối kết tỉnh ở phần bê tông ở mực nước cao là nguyên nhân gây ra sự thoái hóa của bê tông

Nước biển thấm vào bê tông chính là nguyên nhân của sự ăn mòn của cốt thép Các

sản phẩm ăn mòn có thể tích lớn vật liệu mà chúng thay thế, do vậy sẽ gây ra áp lực

làm giảm độ bền bê tông cốt thép

Nước biển thường chứa một lượng nhất định bùn cát đặc biệt là phần nước cạn

Các chuyển động của làn sóng mang theo cát sẽ mài mòn bê tông Tác động cơ học của sóng biển cũng góp phần làm giảm độ bên của bê tông

Từ các luận điểm nói trên, các nhà khoa học đã đưa ra một số biện pháp để cải thiện độ bền của bê tông trong nước biển Ngoài loại xi măng với hàm lượng CA thấp, thì cần sử dụng bê tông có tỉ lệ N/X thắp Bê tông với tỉ lệ N/X thấp sẽ làm cho bê tông

không thấm nước, và cũng có rất ít lỗ hỗng mao mạch không giữ nước, để tránh giãn

nở do đóng băng hoặc kết tỉnh muối Cung cấp chiều dày lớp bảo vệ đủ lớn là một điểm quan trọng để tăng độ bền của bê tông cốt thép Sử dụng vật liệu pozzolanic cũng là rất cân thiết đề gia tăng độ bên cho bê tông trong nước biển Cải thiện vị trí mối nối, khớp nối cũng là những điểm giúp nâng cao độ bên của bê tông trong nước biển Đối với các cấu kiện đúc sẵn, việc bảo dưỡng bằng hơi nước áp lực cao cũng giúp cải thiện rõ rệt

độ bền của cấu kiện bê tông cốt thép

2.5.5 Hiện tượng Cacbonat hóa

Vật liệu bê tông thì phần lớn đều tiếp xúc với môi trường bên ngoài Do đó nó chịu

tác động từ CO; có trong không khí Nồng độ khí CO; trong không khí ở các vùng nông

thôn có thể chiếm khoảng 0,03 % theo khói lượng, ở các thành phố lớn hàm lượng có thể

lên đên 0,3 % và đặc biệt nó có thể lên tới 1,0 % tại các vùng ô nhiễm Khí này khi gặp

nước sẽ tạo thành một axit yếu có công thức H;CO; Giá trị pH trong dung dịch lỗ rỗng

của bê tông nói chung dao động từ 12,5-13,5 tùy thuộc vào hàm lượng kiềm trong xi măng Độ kiềm cao tạo thành một lớp mỏng xung quanh cốt thép và bảo vệ nó khỏi tác

Hi, của ôxy và nước Khi thép được đặt trong một môi trường có độ kiềm cao, nó sẽ

ông ăn mòn Điều kiện như vậy được gọi là điều kiện thụ động

Các ion cacbonat của axit HạCO; sẽ tấn công vào thành phần vùng đá xi măng để

32

tạo thành pha rắn can xi cacbonat hoặc CaCO; gây co Ngoài ra độ pH trong dung dịch

lỗ rỗng giảm từ 13 sẽ được giảm xuống còn khoảng 9,0 và có thể xuống tới 8,3 Với giá trị độ pH thấp, các lớp bảo vệ thụ động bị loại bỏ và thép sẽ bị ăn mòn

Sự cacbonat hóa của bê tông là một trong những lý do chính gây ra ăn mòn cốt

thép Tat nhiên, ôxy và độ ẩm là những thành phần khác dẫn đến sự ăn mòn của thép Tốc độ cacbonat hóa phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Độ ẩm tương đối

- Tỉ lệ N/X

- Tinh thấm của bê tông

- Điều kiện che phủ bê tông

- Chiều dày bảo vệ

từ môi trường bên ngoài là cần thiết Tốc độ cacbonat hóa nhanh nhất xảy ra ở độ ẩm

tương đối từ 50 đến 70% Bê tông càng đặc chắc (độ thấm nhỏ) thì càng bền với

cacbonat, do vậy bê tông với tỉ lệ N/X càng thấp thì càng bền trước tác động của CO¿

Chiều dày lớp bê tông bảo vệ càng lớn thì CO; càng khó thâm nhập

Bảng 2.4 Mối quan hệ giữa tỉ lệ N/X, và thời gian

để Cacbonat hóa đạt độ sâu cho trước

Tile NIX Độ sâu (mm)

15 20 3ã 30 0,60 16 29 45 65

xạ X-quang, chụp X- quang nơtron, quang phổ hồng ngoại, và phân tích hóa học Phương pháp đơn giản nhất để là sử dụng chất chỉ thị phenolphtalein axit/base Phenolphtalein được quét lên bề mặt bê tông vừa được cắt nếu bê tông chưa bị CO; tấn công, sẽ hiện ra màu hồng Nếu bê tông bị cacbonat hóa, nó sẽ giữ nguyên không màu

Để mô tả hiện tượng cacbonat hóa trong bê tông thì nhiều mô hình toán học đã được đề xuất cho cả hiện tượng cacbonat hóa trong tự nhiên và mô phỏng trong phòng thí nghiệm Đa phần các mô hình toán học đều dựa trên định luật Fick và cho răng chiều sâu cacbonat hóa thì tỉ lệ thuận với căn bậc hai của thời gian tiếp xúc Và năm

1928 Uchida và Hamada đề xuất công thức

x=Kyt

Trong do:

x = Độ sâu của cacbonat hóa (mm)

Với N/X = 0.45 với t= 15 nam thi x = 15mm

k=Hệ số cacbonat hoá phụ thuộc vào hệ số khuếch tán ion CO; của bê tông, dự trữ

độ kiềm, nồng độ carbondioxide và điều kiện tiếp xúc (mm/năm?”) Thông thường hệ

số K=3 - 4 mm/năm?Š,

2.5.6 Sự tấn công của clorua

Tác động của ion clorua tới bê tông là một vấn đề rất quan trọng cần được xem xét

khi chúng ta nghiên cứu về độ bền của bê tông Tác động từ clorua là đặc biệt quan

trọng đo nó chủ yếu gây ăn mòn cốt thép Các báo cáo thống kê chỉ ra rằng hơn 40% sự

hư hại của kết cấu bê tông cốt thép có nguyên nhân là do cốt thép bị ăn mòn

Trong bê tông lành mạnh thì dung dịch lỗ rỗng có một độ dự trữ kiềm cao qua

đó tạo ra một lớp ôxit bảo vệ (lớp thụ động) trên bề mặt của cốt thép Lớp vỏ này có

thể bị mắt đi khi bê tông bị cacbonat hóa, hoặc do sự hiện diện của clorua cùng với

nước và ôxy Trên thực tế nguyên nhân chính gây ra ăn mòn cốt thép trong tự nhiên

chủ yếu đến từ ion clorua Các sulphates chỉ tấn công bê tông trong khi clorua chủ

yếu tấn công cốt thép

34

Clorua trong bê tông có thể có được cung cấp từ xi măng, cốt liệu hoặc nước nhào trộn Ngoài ra Clorua có thể thâm nhập vào bê tông từ môi trường thông qua hiện tượng khuếch tán Các tiêu chuẩn trước đây quy định hàm lượng clorua tối đa trong xi măng là 0,05 % Nhưng hiện nay hàm lượng clorua cho phép trong xỉ măng đã tăng đến 0,1 % Căn cứ vào nồng độ clorua có trong bê tông, người ta có thể đánh giá nguy cơ ăn mòn cốt thép trong bê tông Theo tiêu chuẩn EN 206.1 tùy thuộc vào hàm lượng clorua

có trong xi măng người ta phân ra các nguy cơ gây ăn mòn như sau (BROWNE -1982): -_ Nguy cơ thấp: ít hơn 0.4% Clorua so với khối lượng xi măng

_~_ Nguy cơ trung bình: từ 0.4-1% Clorua so với khối lượng xi măng

- Nguy co cao: >1% Clorua so với khối lượng xi măng

Để mô tả hiện tượng tấn công của ion clorua vào bê tông người ta sử dụng mô hình được đề xuất bởi Tuutti Để đơn giản hóa sự xâm nhập của ion clorua vào trong bê tông được đánh giá thông qua quá trình khuếch tán một chiều tuân theo định luật khuếch tán thứ hai cua Fick, khi nồng độ clorua C(x, t) thay đổi theo vị trí x và thời gian t như sau:

A = 1.8 néu Cs = 3% theo khối lượng của xi măng

A =2.65 nếu Cs = 4% theo khối lượng của xi mang

Hệ số khuếch tán D được xác định bằng các thực nghiệm hoặc xác định gián tiếp

thông qua phương pháp đo điện lượng ASTM C1202

Hệ số D cũng có thể được xác định thông qua tỉ lệ N/X theo phương trình thực

nghiệm đề xuất bởi Hobbs và Matthews (1998) như sau:

35

Deg = 0.04(1166""*) x 107?

Ví dụ với xi măng Poóc lăng thì D = 1.10"? m’/s Tác gid Polder va Hug (2000) xac

định được D = 3.10'2 m?/s với xi măng Poóc lăng sau 30 năm trên cầu Siemes và các

đồng nghiệp năm 1988 cho rằng với bê tông dùng xi măng Poóc lăng thì D = 1,5.102

m2/s; D = 0,75.10'? m⁄s với bê tông dùng xỉ, D = 0,3.10'? m?/s với bê tông dùng nhiều tro bay Với bê tông cường độ cao (8% muội silic) thì trị số D = 1.10”? mỶ⁄s Với

bê tông UHPC thì D = 1.107? m’/s

Hệ số khuếch tán D còn phụ thuộc vào hàm lượng và loại chất kết dính phụ Việc

bổ sung muội siliccó thể giảm đáng kể trong tính thấm của bê tông và hạn chế việc

khuếch tán Life 365 đưa ra công thức thực nghiệm mối quan hệ giảm hệ số khuếch tán cho bê tông sử dụng muội silic như sau:

Dep = Dyce 5 F (m?/s)

Trong đó:

Degg: Hệ số khuếch tán trong bê tông có muội silic;

Dạc: Hệ số khuếch tán trong bê tông không có muội silic;

SF: Phần trăm muội silic

SF = Mgg/ (Mc+ Msr)

Mg và Mẹ là khối lượng silica fame và khối lượng xi măng trong 1mỶ bê tông Hàm lượng clorua cần thiết để gây ra ăn mòn phụ thuộc vào độ pH của dung dịch

lỗ rỗng trong bê tông Khi độ pH nhỏ hơn 11,5 ăn mòn có thê xảy ra mà không cân có

sự xuât hiện của ion clorua Tại giá trị pH lớn hơn 11,5 đê hiện tượng ăn mòn có thê

xây ra thì cân hàm lượng lớn ion clorua Vì vậy giới hạn hàm lượng clorua gây ăn mòn

thì phụ thuộc vào giá trị pH của dung dịch lỗ rỗng Clorua có thể tồn tại trong bê tông ở

dạng không hòa tan hoặc dưới dạng dung dịch Phân clorua ở dạng dung dịch mới dân đên sự ăn mòn côt thép

Ăn mòn của thép (Chlorua gây r4)

Ăn mòn của thép trong bê tông là một quá trình điện hóa Khi xuất hiện một sự

chênh lệch điện thế đọc theo cốt thép trong bê tông, thì một cặp pin điện hóa sẽ xuất

hiện Trong thép, một phân sẽ trở thành cực dương và phần khác sẽ trở thành cực âm,

chúng được kết nôi dung dịch điện phân trong lỗ rỗng của bê tông

Các phản ứng tại anot và catote được mô tả như hình 2.6

Phản ứng a-nốt

Fe = Fe?' +2e-

Fe™ + 2 (OH) = Fe (OH); (sit hydroxit)

4 Fe (OH), + O, + 2H;0 + 0; = 4Fe (OH); (sit oxit) 36

Hình 2.6 Mô hình đơn giản mô tả quá trình ăn mòn

Lưu ý rằng không có sự ăn mòn xảy ra khi bê tông khô hoặc khi độ ẩm tương đối nhỏ hơn 60% Hơn nữa hiện tượng ăn mòn cũng không diễn ra nếu bê tông là hoàn toàn chìm trong nước do trong nước hàm lượng O; rất thấp Độ 4m tương đối tối ưu cho sự

ăn mòn là 70 đến 80%

Các sản phẩm của quá trình ăn mòn (gì) có thé tích lớn gấp sáu lần thể tích ban đầu của thép tùy thuộc vào trạng thái ôxy hóa Việc nở về thẻ tích sẽ gây ra luc day trên dấn

tới bê tông sẽ xuất hiện các vết nứt, biến dạng hoặc tách lớp bê tông (xem hình 2.5) Do

các tác động nêu trên, bê tong sé mat đi chất lượng ban đầu của nó, tiết diện mặt cắt ngang của cốt thép dần dần giảm dẫn tới kết cấu bê tông cốt thép dần dần bị suy thoái

Hình 2.7 Các dạng vết nứt và tách lớp bê tông do gï thép

37

Kiểm soát ăn mòn:

Từ khảo sát thực tế và nghiên cứu cho thấy, 40% hư hại của các công trình xây dựng là do sự ăn mòn của cốt thép ở trong bê tông Do đó tăng cường kiểm soát sự ăn mòn của cốt thép là một chủ đề hết sức quan trọng

Trước hết để hạn chế sự ăn mòn cốt thép, cần cải thiện chất lượng lớp bê tông bảo

vệ Đây là một chủ đề nghiên cứu lớn liên quan đến các nguyên tắc của việc lựa chọn thành phần, các bước trong công nghệ sản xuất bê tông Đề tăng chất lượng bê tông thì việc hạ thấp tỉ lệ N/X là một trong những yêu cầu tiên quyết, tuy nhiên việc này sẽ dẫn tới thi công khó khăn và sẽ phải dùng tới phụ gia siêu đẻo Khi bê tông giảm được tỉ lệ N⁄X thì sẽ giảm được độ thâm thấu tuy nhiên điều này vẫn là chưa đủ để tăng độ bền của bê tông, việc sử dụng cac chất kết đính phụ thêm như tro bay, xỉ lò cao nghiền mịn,

muội silic sẽ cải thiện một số tính năng của bê tông và hạn chế ăn mòn cốt thép

Một số biện pháp khác để hạn chế sự ăn mòn của cốt thép trong bê tông

- Phuong pháp luyện kim: Thép có thể có khả năng chống ăn mòn cao hơn bằng cách thay đôi cầu trúc của nó thông qua quá trình luyện kim

- Sử dụng chất ức chế ăn mòn: Ăn mòn có thể được ngăn chặn hoặc trì hoãn bằng cách sử dụng một số hóa chất ức chế ăn mòn như nitrit, phét phat, benzoates v.v Trong số các chất ức chế, các phụ gia được sử dụng rộng rãi nhất thường có gốc nitrit canxi Nó được thêm vào bê tông trong quá trình trộn bê tông, liều lượng thông thường

là 10-30 lítmỶ bê tông phụ thuộc vào hàm lượng clorua có trong bê tông

- Sơn cốt thép: Mục đích của việc phủ lớp sơn vào thanh thép là tạo ra một màng chắn bên tạo rào cản đối với các chất gây ăn mòn Cũng có thể sơn phủ thép bằng nước

xi măng nhằm tiết kiệm và chống gi tạm thời cho cốt thép trong thời gian lưu trữ Ngoài ra người ta cũng có thể dùng epoxy sơn lên bể mặt cốt thép tạo lớp bảo vệ

- Bảo vệ ca-tốt: Là một trong những phương pháp hiệu quả, nỗi tiếng, và sử dụng rong rai dé phòng và chống ăn mòn trong kết cấu bê tông ở các nước phát triển

- Lớp phủ ngoài cho bê tông: Trước đây người ta tin rằng bê tông là một vật liệu có

độ bền cao và không cần bảo vệ hoặc bảo trì Tuy nhiêu, trên thực tế khi xét tới các yếu

tố như ô nhiễm môi trường, khói công nghiệp, ô nhiễm nước ngầm thì bê tông không

còn bên nữa do đó nó cũng cần thêm lớp phủ để bảo vệ khỏi tác động của môi trường đồng thời có thể tăng thêm tính thẩm mỹ cho công trình Bê tông mới chứa khá nhiều

nước trong các cầu trúc lỗ rỗng do đó can phải mat thời gian tương đối lớn để khô Như

vậy không nên phủ lớp epoxy lên các kết cấu bê tông mới do nó sẽ chặn sự trao đổi độ

am với môi trường bên ngoài, độ 4m bị mắc kẹt bên trong bê tông có thể làm giảm độ

bên của bê tông cũng như làm hư hỏng lớp phủ bảo vệ Để có độ bền tốt hơn, bê tông

eden ee vn môi trường", nhưng vẫn cần phải hạn chế nước thâm

ø Ngoài ra epoxy không có khả năng chống tia cực tím khí

38

tiếp xúc ánh sáng mặt trời Do đó, các lớp phủ expoxy không phù hợp trong việc che phủ bảo vệ bê tông Các vật liệu có nguồn gốc acrylics thì cho phép bê tông “thở”, trong khi vẫn bảo vệ bê tông từ các tác nhận gây hại khác từ môi trường, đặc biệt là từ

sự thâm nhập của nước và cacbonat Ngoài ra các vật liệu gốc acrylic cũng có khả năng

chống tia cực tím của mặt trời vì thế các vật liệu này là phù hợp hơn trong sơn phủ bảo

vệ bê tông tăng độ bền cho kết cầu bê tông cốt thép

2.5.7 Thiết kế và chỉ tiết

Để đảm bảo độ bền của kết cấu bê tông cốt thép ngoài việc phải tuân thủ các quy

định về chất lượng của bê tông, cốt thép cũng như áp dụng các biện pháp che phủ để nâng độ bền của kết cấu thì còn phải đảm bảo chiều dày che phủ của bê tông Trong thiết kế kết cấu cần lưu ý đến khoảng cách giữa các thanh thép nhằm tạo không gian cho bê tông có thể di chuyển nhằm tạo ra lớp phủ bê tông bảo vệ cốt thép có chiều dày

đó chiều dày lớp bê tông bảo vệ có thể cho phép đạt 25 mm Đối với các kết cấu móng,

chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu phải là 50 mm Tùy từng điều kiện tiếp xúc với

ăn mòn mà người ta quy định chiều dày tối thiểu của lớp bê tông bảo vệ (tham khảo bảng 2.5)

Bảng 2.5 Chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu

Mức độ ăn mòn Chiều dày lớp bê tông báo vệ tối thiểu (mm)

Cần lưu ý rằng chất lượng của lớp bê tông bao phủ thường kém hơn so với bê tông

vùng khác do tại đây có hiệu ứng thành Hỗn hợp bê tông thường lỏng hơn tại vùng gần

ván khuôn Tại vị trí này thì hàm lượng vữa sẽ nhiều hơn so với vị trí khác Tuy nhiên

khi tỉ lệ N/X thấp thì hiệu ứng thành sẽ ít ảnh hưởng đến độ bền của bê tông Khi bê

tông có độ sụt trên 200 mm (tỉ lệ N/X cao) sẽ làm tăng nguy cơ phân tầng tách lớp dẫn

tới giảm độ bền cho bê tông Để khắc phục hiện tượng này có thể sử dụng phụ gia

39

chống rửa trôi, chống dềnh nước nhằm ngăn chặn hiện tượng phân tầng Ngoài ra có thể áp dụng các biện pháp kỹ thuật để rút nước tại ván khuôn, biện pháp này cho phép giảm tỉ lệ N/X của bê tông tại vùng bảo vệ và nâng cao chất lượng bê tông bề mặt chống lại các tác nhân suy giảm độ bền của bê tông như cacbonat hóa hay xâm nhập ion clorua

Chiều rộng của vết nứt:

Đa số các tiêu chuẩn thiết kế quy định chiều rộng của vết nứt trên bề mặt không được vượt quá 0,3 mm trong trường hợp kết cấu đặt tại những vùng không khắc nghiệt

Khi kết cấu nằm tại những vùng thời tiết khắc nghiệt như thường xuyên tiếp xúc hơi

ẩm, nước ngầm, hoặc vết nứt xuất hiện tại vùng chuyền tiếp thì chiều rộng tối đa của vết nứt cho phép là 0,2mm Trong các vùng môi trường khắc nghiệt bề rộng vết nứt không nên vượt quá 0,1mm

Một số tiêu chuẩn kỹ thuật thì có đưa ra các hạn chế về độ mở rộng vết nứt tại những

vị trí gần cốt thép Liên đoàn quốc tế dự ứng lực - FIP khuyến cáo độ rộng vết nứt trên bề

mặt = 0,004 lần chiều dày lớp bê tông bảo vệ Ví dụ chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 50

mm thì chiều rộng vết nứt trên bề mặt tối đa cho phép là 0,004 x 50 = 0,2 mm

40

Chương 3

BÊ TONG CUONG ĐỘ CAO SOM SIEU DEO (Bê tông cường độ cao khong ding mudi silic)

3.1 Tổng quan về thành phần và tính năng

Bê tông siêu dẻo cường độ cao có thể được coi là loại bê tông cường độ cao thế hệ thứ

nhất (năm 1988) được sử dụng chủ yếu trong các công trình cầu, đường ở Việt Nam

Bê tông siêu dẻo có cường độ cao là loại bê tông có độ sụt từ 8 + 20cm và trong

thành phần có sử dụng phụ gia siêu dẻo, tỉ lệ N/X = 0,4- 0,3 có thể đạt được R„ = 50- 70MPAa và có cường độ sớm (có Rạ hoặc R;> 0,75R¿ạ› Loại bê tông này không sử dụng

các chât khoáng siêu mịn

Loại bê tông có độ sụt lớn (siêu dẻo) thích hợp với công nghệ xây dựng cầu hiện đại (công nghệ đúc đây hoặc hãng) Loại bê tông này hiện nay đã được sử dụng phổ

biến trên thế giới và được sử dụng ở Việt Nam Thành phần chung của bê tông cường

độ cao siêu dẻo có 3 điểm mới như sau:

- Sử dụng xi măng cường độ 60MPa +siêu dẻo+ tỉ lệ N/X = 0,35-0,4

- Sử dụng xi măng PC40 với tỉ lệ N/X = 0,3-0,35+siêu dẻo

- T¡ lệ N/X thấp và chất siêu dẻo tạo ra tính dễ đổ cải thiện độ rắn chắc dẫn đến

cường độ sớm bê tông xi măng (R¿ > 0,75R;s và cường độ 28 ngày từ 50-70MPa)

3.2 Cấu trúc của bê tông siêu dẻo cường độ cao

3.2.1 Cấu trúc của bê tông tươi không có phụ gia siêu dẻo

Thành phần xi măng bao gồm 4 khoáng vật chinh (Bang 3.1)

Bảng 3.1 Thành phần khoáng vật chủ yếu xi măng tiêu chuẩn

41