ts Phạm duy hữu Bộ môn Vật liệu xây dựng - ĐH GTVT Tóm tắt: Bμi báo trình bμy về vai trò của tỷ lệ N/X vμ sử dụng muội silic đến chất lượng của bê tông cường độ cao; các đặc tính cơ bả
Trang 1nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ n/x
vμ hμm lượng muội silic đến chất lượng
Bê Tông Cường Độ Cao
pgs ts Phạm duy hữu
Bộ môn Vật liệu xây dựng - ĐH GTVT
Tóm tắt: Bμi báo trình bμy về vai trò của tỷ lệ N/X vμ sử dụng muội silic đến chất lượng
của bê tông cường độ cao; các đặc tính cơ bản của bê tông cường độ cao vμ áp dụng bê tông cường độ cao
Su mmary: The report prointed out the role W/C ratio and using silica fume to affect
quality of high - strength concrete; base characteritics of high - stength concrete and the applications of one’s
1 Mở đầu
Bê tông chất lượng cao là một thế hệ bê
tông mới thể hiện sự tiến bộ trong công nghệ
vật liệu – kết cấu xây dụng Xét về cường độ
chịu nén thì đó là bê tông cường độ cao
Tuy nhiên loại bê tông này có nhiều
phẩm chất được cải thiện nên gọi là bê tông
chất lượng cao
Bê tông chất lượng cao được gọi tắt theo
tiếng Anh là HPC (High Performace
con-cretes) Theo tiếng Pháp là BHP (BET0NS A
HAUTE PERORMANCES) là loại bê tông có
cường độ chịu nén tuổi 28 ngày, lớn hơn
60 MPa, với mẫu thử hình trụ có D = 15 cm,
H = 30 cm Tốc độ phát triển cường độ theo
thời gian như sau:
Sau 24 giờ Rb ≥ 35 MPa, sau 28 ngày
cường độ nén R28 ≥ 60 MPa Mẫu thử được
chế tạo, dưỡng hộ, thử, theo các tiêu chuẩn
hiện hành
Thành phần bê tông có thể dùng hoặc
không dùng muội silic Khi sử dụng muội silic
về chất lượng bê tông được nâng cao hơn
Tiêu chuẩn của Bắc Mỹ quy định: R28 ≥
42 MPa
Theo CEB FIP quy định cường độ nén sau 28 ngày tối thiểu là fc28 ≥ 60 MPa Tất cả các loại bê tông cường độ cao đều dùng tỷ lệ N/X thấp
Ngày nay trình độ kiến thức về loại bê tông này đã cho phép ứng dụng bê tông chất lượng cao trong công trình lớn, chủ yếu ở ba lĩnh vực: Các ngôi nhà nhiều tầng, các công trình biển và các công trình giao thông (cầu,
đường, hầm) Các đặc tính cơ học mới của bê tông cường độ cao cho phép người thiết kế sáng tạo ra loại kết cấu mới có chất lượng cao hơn
1.1 Bê tông cường độ cao không có muội silic (loại 1)
Bê tông cường độ cao loại 1 được tạo thành theo hướng giảm tối đa tỷ lệ N/X; N/X
có thể chỉ còn là 0,21 Khi đó ta có thể giảm tối đa lượng nước thừa trong bê tông, vì vậy bê tông sẽ có độ rỗng là nhỏ nhất và độ đặc là cao nhất Bê tông sẽ trở nên rất khô, để đảm
Trang 2bảo độ công tác phải thêm vào bê tông các
phụ gia siêu dẻo với thành phần từ 1 - 1,5
lít/100 kg, phụ gia siêu dẻo có thể gốc
Naflalen Sunfua, linô sunfat hoặc các gốc
khác
Phụ gia này cho phép bớt nước từ 0,2 –
0,3 lần và với xi măng mác 550 của Pháp
hoặc Mỹ có thể chế tạo bê tông có mác M 70
MPa Và xi măng PC 40 Việt Nam có thể có
thể chế tạo bê tông M 60 MPa [3]
Để thực hiện cơ chế giảm độ rỗng có thể
dùng các phụ gia Polime hai hoặc ba thành
phần, có thể hoà tan trong nước, cho phép có
được bê tông M60 - M70 và có độ chống thấm
đến B 28 [2]
1.2 Bê tông cường độ cao sử dụng
muội silic
Bê tông cường độ cao sử dụng muội silic
có tỷ lệ N/X thấp (có thể đến 0,23), để cải tiến
độ công tác có thể sử dụng phụ gia siêu dẻo
và chất làm chậm Tuy nhiên để cải thiện cấu
trúc bê tông nhằm cải thiện chất lượng bê
tông phải đưa vào bê tông phụ gia muội silic
Đây là những hạt silic có ds = 0,01dx (trong đó
dx - đường kính hạt xi măng) Muội silic cải
thiện chất lượng vữa xi măng thông qua cơ
chế vật lý là phân tán đều trong hỗn hợp và
chống vón cục hạt xi măng khi thuỷ hoá, cơ
chế hoá học là những phản ứng Puzơlan với
CaO tự do và cải tiến cấu trúc của C - H - S
chuyển từ kết tinh dạng sợi sang dạng vô định
hình Lực dính bám ở vùng tiếp giáp giữa vữa
XM và cốt liệu được cải thiện, co ngót từ biến
giảm chất lượng bê tông được cải thiện Bê
tông loại này được người Châu Âu gọi là bê
tông chất lượng cao
2 Nghiên cứu về vật liệu chế tạo
Bê tông truyền thống có cấu tạo gồm 4
thành phần: cốt liệu lớn (đá) và cốt liệu nhỏ
(cát), xi măng, phụ gia và nước
Bê tông cường độ cao bao gồm 7 thành phần: xi măng, nước, cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, phụ gia siêu dẻo, phụ gia muội silíc (hoặc tro bay) và các chất làm chậm rắn chắc Cốt liệu
bê tông có thể dùng các cốt liệu truyền thống theo TCVN
Muội silíc (MS) bao gồm các hạt silíc siêu mịn có tỉ lệ diện tích bề mặt 20 000 m2/kg, có
đường kính khoảng1μm (nhỏ hơn khoảng 100 lần so với hạt xi măng) Hàm lượng MS = 5 - 15% (X) Khi tăng hàm lượng mội silic cường
độ bê tông có thể đạt đến 100 - 150 MPa
Hàm lượng xi măng Poóc lăng từ PC 40 trở lên từ 400 - 550 kg/m3 bê tông, cốt liệu mịn thông thường là cát tự nhiên có mô đun độ lớn
Mk từ 2,8 - 3,2 phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam hoặc Quốc tế
Cốt liệu thô cho bê tông cường độ cao nên chọn từ 9,5 mm - 25,4 mm (theo tiêu chuẩn Mỹ) và từ 10 - 20 mm theo tiêu chuẩn Việt Nam, có cường độ lớn hơn khoảng 1,2 lần cường độ bê tông yêu cầu Tuy nhiên các tiêu chuẩn Quốc tế không có quy định cụ thể về vấn đề này
Trong bê tông cường độ cao do lượng phụ gia muội si líc (MS) lớn nên thay lượng
xi măng bằng lượng chất kết dính (CKD), CKD = X + MS
Tỉ lệ nước xi măng hoặc tỉ lệ N/C KD thường là từ 0,23 - 0,35 Độ sụt của bê tông theo Côn Abram yêu cầu từ 10 đến 20 cm Để
đạt được độ sụt này phải sử dụng phụ gia siêu dẻo với hàm lượng khoảng 1 - 2 % xi măng và
được xác định thông qua mẻ trộn thử
Một số công thức bê tông cường độ cao
đã được nghiên cứu và ứng dụng ở Mỹ, Pháp
và Việt Nam (bảng1) [1, 4, 5]
Các công thức bê tông này đã được thiết
kế theo ACI 363 - R và đã được đưa vào sử dụng từ 5 - 8 năm
Trang 3Bảng 1
TT
Công thức
bê tông
Chỉ tiêu
70 MPa USA
110 MPa USA
80 MPa Pháp
80 MPa V.Nam
2 Xi măng loại I, lg/m 3 360 564 421 575
3 Tro bay loại C, kg/m 3 150 0 0 0
5 Cốt liệu lớn kg/m 3 1052 1068 1265 1160
6 Cốt liệu nhỏ kg/m 3 683 593 652 640
8 Phụ gia siêu dẻo
10 R28 ngày - MPa 79,5 118 80 86
11 R56 ngày - MPa 89,0 121 91,5 93
3 Các tính chất cơ học bê tông
cường độ cao có sử dụng muội silíc
3.1 Cường độ - biểu đồ hàm số
biến dạng
Bê tông cường độ cao có cường độ chịu
nén tối đa từ 60 - 100 MPa Khi tăng cường độ
nén, cường độ kéo cũng tăng tuy nhiên tốc độ
tăng chậm hơn Tỷ lệ Rk/Rb = 1/1,5 Môđun
đàn hồi của bê tông cũng tăng đáng kể Các
thí nghiệm cho thấy biến dạng dài hạn cuối
cùng giảm đáng kể (εt) chỉ còn khoảng 0,40 -
0,5 biến dạng theo thời gian của bê tông
thường Khi nén chống cắt Gc tăng không
đáng kể Quan hệ giữa cường độ và biến dạng
được mô hình hoá bằng biểu đồ hình 1 (BAEL
- Pháp)
Hình 1 Quan hệ cường độ vμ biến dạng bê tông
CĐC theo đề nghị của BAEL
Mô đun đàn hồi của bê tông cường độ cao có quan hệ với cường độ chịu nén theo công thức như sau:
Ebj = 11000(Rbj)1/3 (Pháp) hoặc:
Ej = 3320 R + 690 , MPa bj
(ACI 318) Mẫu hình trụ;
Rbj cường độ chịu nén bê tông ở ngày thứ j;
E = 9500.RB0,30, MPa
Mẫu lập phương (NS 3475)
Sự cải thiện về cơ học của bê tông cường
độ cao là cường độ chịu nén cao, biến dạng cuối cùng nhỏ Các chỉ tiêu về cường độ chịu kéo, khả năng chống cắt tăng không lớn Tuy nhiên trị số RK đạt đến 6,5 MPa và mô đun
đàn hồi đạt đến 50.000 MPa cũng là đáng kể.Vì vậy, các hướng dẫn thiết kế cho tính toán BTCT truyền thống không dùng để thiết
kế kết cấu bê tông cốt thép dùng bê tông cường độ cao, cần thiết có những điều chỉnh
về cơ học vật liệu và phương pháp tính cho thích hợp Lý do là biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng (εđã thay đổi [5] Dạng biểu đồ vẫn một hình Parabol và một hình chữ nhật(xem hình 1)
Trị số εb1 = 2.10 -3, trị số ε2 có biến đổi:
ε 2 =(4,5ư0,025Rbj).10ư3
≈ 3 - 3,5.10-3
σ b
λfci/1,5
Trị số 0,8yu để tính ứng suất cho bê tông thường Khi bê tông có Rbj ≥ 60 MPa thì chỉ còn là: λ.yu trong đó:
cj
f 025 , 0 5 , 4
7 , 0 1
ư
ư
= λ
Khi fcj là 60, 70, 80 thì tỷ số λ = 0,77; 0,75; 0,72
10 -3 ε b
Trang 4Cường độ chịu kéo giới hạn phụ thuộc
vào cường độ chịu nén bê tông, có thể tính
theo công thức sau:
Rkj = 0,6 + 0,06 Rbj khi Rbj ≤ 60MPa
Rkj = 0,275 (Rbj) 2/3 khi Rbj ≥ 60 MPa
Các tính chất cơ học trên tạo ra mô hình
cơ học để thiét kế kết cấu BTCT dùng bê tông
cường độ cao
4 Phương pháp lựa chọn tỷ lệ N/X
vμ lượng muội silic
Phương pháp thiết kế thành phần có thể
tiến hành theo TCN của ngành GTVT 2001;
hoặc AIC 363R - 1992 hoặc theo các phương
pháp theo TCVN nhưng cần cải tiến một chút
công thức dự báo cường độ bê tông Công
thức Bôlômây - Ckram - ta - ép có thể được
cải tiến một chút công thức sau:
Rb = A1.Rx KS ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
, 0 N X
Hệ số KM xét đến mức độ tăng cường độ
do ảnh hưởng của muội si líc
Hệ số A= 0,45 với cốt liệu tốt, A = 0,4 với
cốt liệu đạt yêu cầu Các biện pháp tính toán
khác vẫn áp dụng như TCVN Các phương
pháp thiết kế đều dựa trên giả thiết về thể tính
tuyệt đối
Theo các kết quả thực nghiệm [2] thì
MS = (5 - 7%).X thì có thể chọn K
Bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén cao, cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi tăng, co ngót từ biến giảm Vì vậy bê tông cường độ cao được dùng chủ yếu 3 lĩnh vực xây dựng như sau:
S = 1,1
Và khi MS = (8 - 10%).X thì có thể chọn
KS = 1,15
Khi MS = (10 - 15%).X thì có thể chọn
K
Các ngôi nhà từ 43 - 76 tầng ở Bắc Mỹ
đều dùng bê tông 62 MPa Các ngôi nhà ở Chicago từ năm 1976 - 1990, tầng từ 50 - 70 cường độ bê tông đến 80 MPa Các ngôi nhà
ở Tôkiô, Cleveland vào năm 1990 - 1995 cường độ bê tông đến 97 MPa Sự phân phối cường độ bê tông theo tầng như sau: Tầng 0
đến tầng 25 bê tông 75 - 90 MPa, kích thước cột 48 x 48 in, 18 x 54 in Tầng 25 - 40 bê tông 60MPa Tầng 60 - 75 bê tông 40 MPa,
S = 1,8
Hệ số KS chính xác có thể phải làm theo
nhiều thực nghiệm
- Để xác định tỷ lệ N/X theo ACI 363 - R:
Căn cứ vào Ry/c của bê tông (Ry/c = 1,1Rb) và
đường kính lớn nhất cốt liệu, Mk của cát để chọn tỷ lệ X/N theo bảng có sẵn
- Xác định tỷ lệ X/N theo công thức TCVN cải tiến: Căn cứ vào chất lượng cốt liệu xác định A, căn cứ vào Rx và dự kiến hàm lượng MS có thể tính ra tỷ lệ N/X hoặc N/CKD
- Xác định hàm lượng muội silic: MS Hàm lượng muội silic có thể chọn 3 trị số (5 - 7 - 9%)X nếu Rby/c ≤ 70 MPa (mẫu hình trụ
D = 15 cm, H = 30 cm)
Hàm lượng MS = (7 - 9 - 11%).X nếu
Ry/c > 70 MPa
Tiến hành làm thí nghiệm xác định tuổi
1, 3, 7, 28, 90 ngày
Căn cứ vào số liệu đó để quyết định hàm lượng MS cần dùng
Các kết quả ghi ở bảng (1) được lựa chọn theo nguyên tắc trên
Các vật liệu khác được lựa chọn như đối với bê tông truyền thống (Rb ≤ 50 MPa)
5 ứng dụng bê tông Cường Độ cao vμo công trình xây dựng
vμ giao thông
Trang 5kích thước cột 18 x 24 in Các ngôi nhà ở
Pháp, Đức khoảng 40 tầng đều dùng bê tông
M70 - M90 ở những tầng từ 0 đến 20 Kết cấu
chung của các ngôi nhà là khung, cột bê tông
M 80 trở lên và sử dụng kết hợp với sàn bê
tông DUL mác 50
Trong xây dựng cầu từ năm 1970 đến
nay đã áp dụng bê tông cường độ cao cho các
cầu lớn BTCT dự ứng lực: Năm 1970 ở Nhật,
mác bê tông phổ biến là 60 MPa ở Pháp
năm 1989 mác bê tông là 60 MPa Các đường
cao tốc đến Akkăgawa, Octanabe ở Nhật Bản
dùng bê tông 70MPa Các cầu của Đức,
Hà Lan vào năm 1992 - 1995 đã dùng bê tông
60 - 80MPa, kết cấu ở Pháp chủ yếu dùng
M80 - 100
Từ các nghiên cứu trong nước và trên thế giới đã cung cấp đủ các cơ sở khoa học để áp dụng bê tông cường độ cao vào xây dựng nhà
và công trình giao thông Loại bê tông này có triển vọng và nên áp dụng sớm Giá thành vật liệu bê tông tăng khoảng 15%, tuy nhiên tổng giá thành công trình có thể giảm so với khi sử dụng bê tông thông thường
Trong ứng dụng bê tông cường độ cao
cần tránh khuynh hướng dùng bê tông cường
độ cao cho các dạng kết cấu cũ Việc đó
không mang lại hiệu quả rõ ràng do mô hình
làm việc của kết cấu không thoả đáng Xu thế
sử dụng bê tông cường độ cao trong cầu là sử
dụng các kết cấu dạng hộp mỏng,kết cấu dàn
bê tông cốt thép dự ứng lực, dạng dầm chữ T
có khẩu độ lớn hơn Theo kết quả nghiên cứu
cho thấy có thể tiết kiệm được 30% khối lượng
bê tông, giảm 30% trong lượng kết cấu, giảm
10 - 15% tổng giá trị công trình Các cầu bản
BTCT dự ứng lực có thể giảm 30% chiều cao,
có thể giảm khối lượng xây lắp đến 40 % (Việt
Nam,Thụy Sỹ, Bỉ, Đức ) [6] Các dạng kết
cấu cầu, kết cấu cầu bản có lỗ BTCT dự ứng
lực kéo sau khẩu độ 20 M, tải trọng H30 Có
chiều cao chỉ còn 0,65 – 0,75 m [6] đã được
sử dụng tốt ở Việt Nam Có thể cải tiến mặt
cắt ngang theo hướng tăng khoảng cách các
dầm chịu lực và tăng chiều dày bản
Theo mặt cắt ngang BT CĐC cho phép
tăng không gian của các phòng mà vẫn giữ
được chiều dày của sàn không tăng
Trong xây dựng đường ôtô, các kết cấu
đường hiện đại có sử dụng cốt thép đều dùng
bê tông M 60 –70 Như vậy, ứng dụng bê tông
cường độ cao trong xây dựng nhà và cầu
đường quy mô lớn là rất có hiệu quả Tuy nhiên cũng cần lưu ý BT CĐC chịu nhiệt kém hơn BT thường và độ dai cũng kém hơn
6 Kết luận
Bê tông cường độ cao có cường độ nén cao, cường độ nén bằng khoảng 1/15 cường
độ kéo, mô đun đàn hồi có thể đạt đến 45.000 MPa, có ngót và từ biến đều nhỏ so với bê tông truyền thống Khai thác các ưu điểm trên cho phép thiết kế các công trình lớn và có chất lượng cao
Nên áp dụng BTCĐC vào các kết cấu BTCT dự ứng lực và các kết cấu cầu chiều cao kiến trúc thấp, đòi hỏi thanh mảnh, các kết cấu cột chịu nén cao, chịu tải trọng động lớn
Tài liệu tham khảo
[1] Phạm Duy Hữu Vật liệu xây dựng mới NXB GT,
2002
[2] Phạm Duy Hữu - Bê tông cường độ cao Báo
cáo đề tài NCKH cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo,
1999
[3] High perrfomance concrete: properties and applications S P Shah, 1995 - USA
[4] State of the Report on high - Strength concrete (Báo cáo trình độ phát triển khoa học kỹ thuật về
bê tông cường độ cao) - ACI-363-92-1988
[5] Fracois de Larrad Extension du domaine
dapplication des reglements de calcul BAEL/BPEL aux betons à 80 MPa LCPC Paris 1996 [6] Proposition d’ annexe beton à hantes Performances du Règlement BAEL L.P.C - Paris - 2000 Ă
