Một số kết quả Nghiên cứu thực nghiệm về cường độ Của bê tông tính năng cao có cường độ chịu nén mẫu trụ 110 MPa ĐƯợC CHế TạO Từ vật liệu ở miền Bắc Việt nam Ks.. Phạm Duy Hữu Trường Đ
Trang 1Một số kết quả Nghiên cứu thực nghiệm về cường độ
Của bê tông tính năng cao có cường độ chịu nén
mẫu trụ 110 MPa ĐƯợC CHế TạO Từ vật liệu ở miền Bắc Việt nam
Ks Mai Đình lộc
GS TS Phạm Duy Hữu
Trường Đại Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bμi báo trình bμy một số kết quả thí nghiệm xác định các hμm quan hệ giữa các
trị số cường độ của bê tông với một số yếu tố cơ bản lμ tỷ lệ nước/chất dính kết, tỷ lệ muội
silíc/xi măng vμ tuổi của bê tông đã được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải trong
khuôn khổ của các nghiên cứu thực nghiệm về các trị số cường độ của bê tông tính năng cao
có cường độ chịu nén mẫu trụ đến 110 MPa Bμi báo cũng góp phần xác định khả năng chế tạo
bê tông tính năng cao với các vật liệu sẵn có ở miền Bắc Việt Nam
Các kết quả nghiên cứu cho thấy, các hμm quan hệ lμ phù hợp với lý thuyết chung về bê
tông vμ có thể áp dụng được cho việc tính toán thμnh phần bê tông tính năng cao Các kết quả
nμy cũng chỉ ra rằng, với các vật liệu như đá dăm, cát, xi măng, phụ gia hoạt tính, phụ gia siêu
dẻo hiện có, nếu được lựa chọn đúng đắn vμ có công nghệ nhμo trộn thích hợp, việc chế tạo bê
tông có cường độ chịu nén mẫu trụ đạt 110 MPa lμ khả thi
Summary: The paper presents the relation functions between the strength of concrete
and some basic parameters, such as the water-cementitious materials ratio, silica fume-cement
ratio and age of cement as a part of the results from an experimental research on strength of
high-performance concrete with compressive strength of cylindrical specimens up to 110 MPa
carried out at the University of Transport and Communications The paper also makes a
contribution to determining the feasibility of high-performance concrete production using
materials available in North Vietnam
The results of the experiments show that above-mentioned relation functions are in
accordance with the concrete theory and can be used to determine the mixing proportion for
high-performance concrete Another conclusion is that it is feasible to use common materials
available in North Vietnam such as aggregates, cements, superplasticizers and supplementary
cementing materials, when properly selected and mixed, to produce concrete with compressive
strength of cylindrical specimens up to 110 MPa
CT 2
i Đặt vấn đề
Hiện nay trên thế giới bê tông tính năng cao đã dược nghiên cứu và sử dụng trong xây
dựng nhà cao tầng, công trình giao thông và các công trình biển ở Mỹ bê tông có cường độ
chịu nén đến 112 MPa đã được sử dụng có hiệu quả trong xây dựng ở một số nước và vùng
lãnh thổ khác như Anh, Canađa, Na uy, Thụy Điển, Pháp, ý, Nhật Bản, Hồng Công và Hàn
Quốc các loại bê tông có cường độ cao (f’c đến 83 MPa) đang được nghiên cứu và áp dụng
trong thực tế [2] ở Việt Nam, trong khoảng 5 năm gần đây, các nghiên cứu về bê tông cường
độ cao đã được triển khai trong các phòng thí nghiệm ở Trường Đại học Giao thông Vận tải,
Viện Khoa học và Công nghệ xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, Viện Khoa học vật
Trang 2liệu v.v… Các kết quả nghiên cứu có được trong phòng thí nghiệm cho thấy đã có thể sản xuất
bê tông cường độ cao với điều kiện vật liệu và công nghệ hiện có ở Việt Nam
Việc ứng dụng bê tông cường độ cao để xây dựng công trình ở Việt Nam còn rất hạn chế, mới chỉ có một số công trình nhà cao tầng (khu đô thị Trung Hòa) và công trình cầu lớn (cầu
Kiền, cầu Bãi Cháy v.v ) có sử dụng bê tông với cường độ chịu nén đến 60 MPa Việc nghiên
cứu một cách đầy đủ bê tông có cường độ chịu nén đến 110 MPa nhằm khuyến khích việc áp
dụng rộng rãi hơn bê tông tính năng cao, để nâng cao khả năng chịu lực, độ bền lâu và tuổi thọ
của các công trình xây dựng là rất cần thiết Trong những năm gần đây, nhóm nghiên cứu tại
Trường Đại học Giao thông Vận tải đang tập trung nghiên cứu các vấn đề về cường độ, biến
dạng và độ bền của của bê tông có cường độ chịu nén mẫu trụ đến 110 MPa, sử dụng các loại
vật liệu ở Miền Bắc Mục đích nghiên cứu là tìm ra những quy luật chung có đủ độ tin cậy, phục
vụ cho việc thiết kế thành phần và chế tạo bê tông, thiết kế, thi công và quản lý chất lượng các
công trình có sử dụng các loại bê tông này Nội dung bài báo chỉ trình bày một số kết quả
nghiên cứu về cường độ trong đề tài nghiên cứu nói trên
II Nội dung
Trên cơ sở các nghiên cứu lý thuyết và các thí nghiệm kiểm chứng về các nguyên tắc chế tạo bê tông tính năng cao, nhằm nâng cao cường độ nén của bê tông mà vẫn đảm bảo được
các tính chất cơ bản khác của bê tông và của hỗn hợp bê tông mà chúng tôi đã trình bày trong
một bài báo gần đây [3], các nguyên tắc đó có thể được tóm tắt như sau: “giảm thiểu độ rỗng
trong cấu trúc (vi mô và vĩ mô) của bê tông; nâng cao cường độ đá xi măng và vùng chuyển tiếp
bằng cách sử dụng tỷ lệ N/CDK thấp, sử dụng phụ gia khoáng siêu mịn, sử dụng phụ gia siêu
dẻo thế hệ mới; giảm tỷ lệ nền/cốt trong cấu trúc bê tông nhằm giảm thiểu lượng dùng xi măng
và do đó giảm thiểu giá thành, co ngót và từ biến của bê tông; lựa chọn cốt liệu có chất lượng tốt
CT 2
Các nghiên cứu thực nghiệm với quy mô lớn hơn nhằm kiểm tra và nghiên cứu chi tiết hơn
về các tính chất của bê tông tính năng cao đã được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Vật liệu Xây
dựng và Phòng Thí nghiệm Công trình (VILAS 047) của Trường Đại học Giao thông Vận tải
2.1 Lựa chọn vật liệu
Vật liệu chế tạo bê tông tính năng cao đã được nhiều tác giả phân tích và trình bày trong các tài liệu [1, 2, 4, 6, 7] Trên cơ sở các yêu cầu vật liệu đã được khuyến cáo và căn cứ vào kết
quả khảo sát thực tế nguồn vật liệu hiện có ở miền Bắc Việt Nam chúng tôi đã chọn các loại vật
liệu sau để tiến hành thí nghiệm chế tạo bê tông:
Xi măng Bút Sơn PC40 Lô 4A04 Cát vàng Việt Trì, Mk = 3,2
Nước sinh hoạt
Phụ gia hoạt tính: Sikacrete PP1 (SIKA Việt Nam)
Trang 3Phụ gia siêu dẻo: Viscocrete 3400 (SIKA Việt Nam)
2.2 Kế hoạch thí nghiệm
Với mục đích khảo sát sự thay đổi các trị số cường độ của bê tông theo các yếu tố ảnh
hưởng, qua phân tích mức độ ảnh hưởng của các yếu tố, ba yếu tố sau đây đã được chọn để
khảo sát:
Tỷ lệ Nước/chất dính kết (N/CDK)
Tỷ lệ Muội si líc/ Xi măng (MS/XM)
Tuổi của bê tông (T)
Để lập kế hoạch thí nghiệm và xử lý số liệu, phương pháp thực nghiệm theo quy hoạch
(thực nghiệm chủ động) đã được sử dụng Phạm vi biến thiên, mức cơ sở (mức cơ bản), khoảng
biến thiên và ký hiệu biến mã của các biến khảo sát như sau:
hóa
Ghi chú: Lg(T) biến xét đến tuổi của bê tông thí nghiệm, với T = 3, 10, 28 ngμy
Sử dụng thiết kế xấp xỉ bậc 2 - thiết kế hợp tử tại tâm quay được với 3 biến, ta có ma trận
Dạng tổng quát của phương trình hồi quy cần tìm là:
Trên cơ sở ma trận quy hoạch thực nghiệm và phương pháp lựa chọn thành phần bê tông
theo hướng dẫn của ACI 363 [7], thành phần bê tông thí nghiệm được xác định và trình bày trên
bảng 2
Bảng 1 Ma trận quy hoạch thực nghiệm-thiết kế hợp tử tại tâm quay được cho ba biến
Thí
Trang 47 -1 -1 1 0,22 0,08 1,43
B¶ng 2 Thμnh phÇn bª t«ng thÝ nghiÖm theo quy ho¹ch
CT 2
Trang 52.3 Thí nghiệm
Với thành phần bê tông đã xác định, tiến hành nhào trộn hỗn hợp bê tông bằng máy trộn
bê tông loại c−ỡng bức có dung tích thùng trộn 180 lít Trên cơ sở tham khảo một số tài liệu liên
quan [1, 6, 7] và tiến hành các mẻ trộn thí nghiệm đã xác định đ−ợc quy trình nhào trộn hỗn hợp
bê tông, kết quả trình bày trong bảng 3 Đúc mẫu, bảo d−ỡng và thí nghiệm theo kế hoạch, áp
dụng các tiêu chuẩn thí nghiệm nh− đ−ợc trình bày trong bảng 4 Kết quả thí nghiệm một số chỉ
tiêu kỹ thuật đ−ợc trình bày trong bảng 5
Bảng 3 Quy trình nhμo trộn hỗn hợp bê tông
Bảng 4 Các tiêu chuẩn thí nghiệm đã áp dụng
CT 2
Bảng 5 Kết quả thí nghiệm theo quy hoạch
TN X1 X2 X3
(cm) (MPa) (MPa) (MPa)
1 0,30 0,14 1,43 14 83,42 12,48 5,97 6,68 13,97 2,09
2 0,30 0,14 0,47 14 67,75 8,76 5,01 7,73 13,51 1,75
3 0,30 0,08 1,43 16 85,77 10,52 7,03 8,16 12,20 1,50
4 0,22 0,14 1,43 10 99,27 15,71 6,45 6,32 15,39 2,44
5 0,30 0,08 0,47 16 73,22 8,36 5,19 8,76 14,12 1,61
6 0,22 0,14 0,47 10 86,62 10,75 5,80 8,06 14,94 1,85
Trang 67 0,22 0,08 1,43 12 98,51 15,23 7,13 6,47 13,82 2,14
8 0,22 0,08 0,47 12 71,34 10,94 6,70 6,52 10,65 1,63
9 0,33 0,11 0,95 18 72,85 7,74 6,25 9,41 11,66 1,24
10 0,26 0,16 0,95 15 78,32 10,78 6,78 7,27 11,55 1,59
12 0,19 0,11 0,95 8 94,36 11,37 7,00 8,30 13,49 1,63
13 0,26 0,06 0,95 15 73,60 10,46 6,97 7,04 10,57 1,50
14 0,26 0,11 0,12 15 75,30 10,62 5,73 7,09 13,13 1,85
15 0,26 0,11 0,95 15 84,17 11,04 6,72 7,62 12,52 1,64
2.4 Xử lý kết quả thí nghiệm
Trên cơ sở kết quả thí nghiệm, việc xác định hàm hồi quy (mô hình toán học) của các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông được tiến hành theo các bước sau:
- Kiểm tra sự phù hợp của các kết quả thí nghiệm (kiểm tra sự đồng nhất của phương sai các kết quả thí nghiệm) theo tiêu chuẩn Kochran
- Tính toán xác định các hệ số của phương trình hồi quy và kiểm tra sự tồn tại của các hệ
số theo tiêu chuẩn Student
- Kiểm tra sự phù hợp của hàm hồi quy theo tiêu chuẩn Fisher
CT 2
Kết quả tính toán, xử lý đã cho các hàm hồi quy thực nghiệm như sau:
Hàm cường độ nén mẫu trụ:
Hàm cường độ kéo uốn:
Hàm cường độ kéo bửa:
2.5 Phân tích kết quả
Phân tích kết quả thu được ở bảng 5 và các hàm hồi quy cho phép rút ra các nhận xét sau: Trong phạm vi biến đổi của các biến đã lựa chọn, các loại bê tông với cường độ chịu nén mẫu trụ đạt từ 73 MPa đến 101 MPa có cường độ kéo uốn đạt từ 7,74 MPa đến 15,71 MPa và cường độ kéo bửa đạt từ 5,01 MPa đến 7,03 MPa Các trị số này đều cao hơn khoảng 3 lần so
Trang 7với các trị số tương ứng của bê tông thường Mức độ biến đổi của cường độ chịu nén lớn hơn
nhiều so với mức độ biến đổi của cường độ kéo uốn và cường độ kéo bửa, hay nói cách khác,
các biến được khảo sát nói trên có mức độ ảnh hưởng (độ nhạy) đối với cường độ chịu nén lớn
hơn so với mức độ ảnh hưởng (độ nhạy) đối với cường độ chịu uốn và cường độ kéo bửa Điều
này là phù hợp với lý thuyết chung về bê tông
Các tỷ số Rn/Ru và Rn/Rkb của các loại bê tông thí nghiệm đều cao hơn so với các loại bê
tông thông thường Cụ thể là, tỷ số Rn/Ru và Rn/Rkb của các loại bê tông thí nghiệm lần lượt là
6,32 - 9,4 và 10,5 - 15,4 so với các giá trị tương ứng của bê tông thông thường là 4,5 - 5,5 và 7,0
- 9,5 [5]
Tuy kế hoạch thực nghiệm đã được thiết kế bằng phương pháp thiết kế xấp xỉ bậc 2 với
mục đích tìm hàm hồi quy dạng đầy đủ có 9 hệ số, nhưng sau khi xử lý và kiểm tra theo tiêu
chuẩn Student, các hàm thu được đều khá đơn giản và phù hợp với các lý thuyết chung về bê
tông Các hàm này có thể sử dụng thuận tiện khi cần xác định sơ bộ thành phần bê tông tính
năng cao
Các hàm hồi quy cho thấy, trong phạm vi biến đổi đã được lựa chọn, ảnh hưởng của tỷ lệ
N/CDK và thời gian đến cường độ của bê tông là rất lớn Trong khi đó, ảnh hưởng của tỷ lệ
MS/XM đến cường độ bê tông là không đáng kể, điều này có thể được giải thích là tỷ lệ MS/XM
được biến đổi trong phạm vi khá hẹp và trùng với vùng giá trị thích hợp đã được một số tác giả
khuyến cáo [1, 4, 6, 7]
III Kết luận
CT 2
Trên cơ sở kết quả thí nghiệm và phân tích ở trên có thể bước đầu kết luận như sau:
- Với vật liệu sẵn có trên thị trường phía Bắc và công nghệ nhào trộn thông thường được
điều chỉnh thích hợp, việc chế tạo các loại bê tông có độ sụt > 8 cm, cường độ chịu nén mẫu trụ
đến 110 MPa và các tính năng khác cao hơn các loại bê tông thông thường là rất khả thi
- Các ứng xử cơ học của bê tông tính năng cao có sự khác biệt đáng kể so với bê tông
thường Do đó, việc nghiên cứu để xác định được đầy đủ, chính xác và đủ độ tin cậy các tính
năng kỹ thuật của bê tông tính năng cao, bao gồm tất cả các đáp ứng cơ học và độ bền lâu,
nhằm hiểu rõ và sử dụng đúng các loại bê tông tính năng cao, là hết sức cần thiết và hoàn toàn
có thể thực hiện được nếu được quan tâm đúng mức
Tài liệu tham khảo
[1] E G Nawy, “Fundamentals of High Performance Concrete”, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., 2001
[2] S P Shah and S H Ahmad, “High Performance Concrete: Properties and applicasions”, McGraw-Hill,
Inc 1994
[3] Mai Đình Lộc, Phạm Duy Hữu “Phân tích một số cơ sở lý thuyết để nâng cao cường độ chịu nén của bê
tông tính năng cao” Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải- Số 3/2005
[4] Ultra High Performance Concrete - Proceedings of International on Ultra High Performance Concrete-
Kassel, Germany September 13-15, 2004
[5] A M Neville, “Properties of Concrete” John Wiley & Son, Inc ,1998
[6] P C Aitcin “High-performance Concrete” E& FN Spon 1998
[7] Phạm Duy Hữu - Nguyễn Long, “ Bê tông cường độ cao” Nhà xuất bản Xây dựng, Hà nội 2004Ă
