nghiên cứu chế tạo bê tông tính năng cao ứng dụng trong các công trình thủy lợi

Nếu việc giảm tỷ lệ này không vượt quá giới hạn của bê tông dẻo, phù hợp với công nghệ chế tạo thì chúng đồng thời cho kết quả cường độ cao và các tính năng yêu cầu khác cũng cao.. Bê tô

cô giáo và bạn bè đồng nghiệp cùng với sự nỗ lực không ngừng của bản thân,

luận văn thạc sỹ với đề tài “Nghiên cứu chế tạo bê tông tính năng cao ứng dụng trong các công trình thủy lợi” đã hoàn thành

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Quang Phú đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học Thủy lợi, Phòng đào tạo Đại học và Sau đại học, Khoa Công trình cùng toàn thể các thầy cô giáo đã giảng dạy, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn

Lời cảm ơn chân thành xin được gửi tới các bạn bè đồng nghiệp, cơ quan đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cũng như hỗ trợ tác giả hoàn thành luận văn

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia đình đã ủng hộ, động viên tác giả về mọi mặt trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

Học viên

Nguyễn Thái Huy

Tôi là Nguyễn Thái Huy Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chưa từng được người nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ

Nguyễn Thái Huy

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 2

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

4 Kết quả dự kiến đạt được 3

5 Nội dung của luận văn 3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 4

1.1 Khái niệm về bê tông và bê tông tính năng cao 4

1.1.1 Khái niệm về bê tông 4

1.1.2 Khái niệm về bê tông tính năng cao 6

1.2 Tình hình sử dụng bê tông và bê tông tính năng cao trên thế giới 8

1.2.1 Tình hình sử dụng bê tông 8

1.2.2 Tình hình sử dụng bê tông tính năng cao 10

1.3 Tình hình sử dụng bê tông và bê tông tính năng cao tại Việt Nam 15

1.3.1 Tình hình sử dụng bê tông ở Việt Nam 15

1.3.2 Tình hình sử dụng bê tông tính năng cao ở Việt Nam 16

CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG TÍNH NĂNG CAO 22

2.1 Các yêu cầu kỹ thuật và các tiêu chuẩn 22

2.1.1 Các yêu cầu kỹ thuật 22

2.1.1.1 Xi măng 24

2.1.1.2 Phụ gia khoáng hoạt tính 25

2.1.1.3 Phụ gia hóa học 34

2.1.1.4 Cốt liệu thô 38

2.1.1.5 Cốt liệu mịn 39

2.1.1.6 Nước 40

2.1.2 Các tiêu chuẩn 40

2.2 Các bước thiết kế thành phần bê tông tính năng cao 43

2.2.1 Chọn độ sụt 43

2.2.2 Lựa chọn kích thước tối đa của cốt liệu 43

2.2.3 Xác định khối lượng nước và hàm lượng không khí 43

2.2.4 Lựa chọn tỷ lệ N/CKD 44

2.2.4.1 Công thức để xác định quan hệ giữa cường độ nén và tỷ lệ N/CKD 46

2.2.4.2 Xác định tỷ lệ N/CKD bằng các bảng tra của các tiêu chuẩn 49

2.2.5 Tính toán hàm lượng vật liệu kết dính 50

2.2.5.1 Chất kết dính chỉ có xi măng 50

2.2.5.2 Chất kết dính bao gồm xi măng và muội silic 50

2.2.5.3 Chất kết dính bao gồm xi măng và tro bay 51

2.2.5.4 Chất kết dính là xi măng+MS+FA 52

2.2.6 Xác định thành phần cốt liệu thô (đá) 53

2.2.7 Cốt liệu mịn - Hàm lượng cát 54

2.2.8 Định tỷ lệ các phụ gia hóa học 55

2.2.8.1 Các chất giảm nước và chất làm chậm đông cứng 55

2.2.8.2 Các chất giảm nước mạnh (PGSD) 55

2.2.9 Các hỗn hợp thử nghiệm 56

2.2.10 Lựa chọn các tỷ lệ trộn hợp lý 58

CHƯƠNG III ỨNG DỤNG THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG TÍNH NĂNG CAO CHO MỘT SỐ HẠNG MỤC CỦA CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI 59

3.1 Một số ứng dụng bê tông tính năng cao trong các công trình thủy lợi 59

3.2 Vật liệu và thiết kế cấp phối HPC thí nghiệm 62

3.2.1 Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm 62

3.2.1.1 Xi măng 62

3.2.1.2 Phụ gia khoáng 62

3.2.1.3 Cốt liệu nhỏ 62

3.2.1.4 Cốt liệu lớn 63

3.2.1.5 Phụ gia hóa học 63

3.2.1.6 Nước trộn bê tông 64

3.2.2 Thiết kế thành phần cấp phối HPC 64

3.3 Các kết quả thí nghiệm 65

3.3.1 Kết quả thí nghiệm độ sụt và khối lượng đơn vị của hỗn hợp

bê tông 65

3.3.2 Kết quả thí nghiệm cường độ nén 66

3.3.3 Kết quả thí nghiệm cường độ kéo 67

3.3.4 Kết quả thí nghiệm môđun đàn hồi 69

3.3.5 Kết quả về quá trình phát triển cường độ 71

3.4 Nhận xét các kết quả thí nghiệm 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tòa nhà Scotra Plaza Toront - Thụy Sĩ 12

Hình 1.2 Cầu vượt biển bắc qua vịnh Giao Châu - Trung Quốc 12

Hình 1.3 Tòa nhà Keangnam 71 tầng cao 336m 18

Hình 1.4 Hầm Thủ Thiêm ở TP Hồ Chí Minh 18

Hình 1.5 Hầm thủy điện Hòa Bình 21

Hình 1.6 Cửa van cung tràn - Nhà máy thủy điện Ba Đạt 21

Hình 2.1 Quan hệ giữa cường độ bê tông với tỷ lệ CKD/N 47

Hình 2.2 Quan hệ giữa cường độ bê tông với tỷ lệ N/CKD 48

Hình 3.1 Dốc nước thủy điện Sơn La 60

Hình 3.2 Cánh tràn piano thủy điện Văn Phong - Bình Định 60

Hình 3.3 Mặt tràn thủy điện Nậm Chiến - Sơn La 61

Hình 3.4 Đập Thảo Long - Thừa Thiên Huế 61

Hình 3.5 Kết quả kiểm tra cường độ nén của bê tông với N/CKD=0,4 67

Hình 3.6 Kết quả kiểm tra cường độ nén của bê tông với N/CKD=0,22 67

Hình 3.7 Kết quả kiểm tra cường độ kéo của bê tông với N/CKD=0,4 68

Hình 3.8 Kết quả kiểm tra cường độ kéo của bê tông với N/CKD=0,22 69

Hình 3.9 Kết quả kiểm tra môđun đàn hồi của bê tông với N/CKD=0,4 70

Hình 3.10 Kết quả kiểm tra môđun đàn hồi của bê tông với N/CKD=0,22 70

Hình 3.11 Quá trình phát triển cường độ nén theo thời gian với N/CKD=0,4 71

Hình 3.12 Quá trình phát triển cường độ nén theo thời gian với N/CKD=0,22 71

Hình 3.13 Quá trình phát triển cường độ kéo theo thời gian với N/CKD=0,4 72

Hình 3.14 Quá trình phát triển cường độ kéo theo thời gian với N/CKD=0,22 72

Hình 3.15: Biến thiên về độ sụt so với mẫu đối chứng 73

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số quy định về cấp độ chất lượng của bê tông tính năng cao 7

Bảng 1.2 Một số hỗn hợp bê tông cường độ cao điển hình được sử dụng 10

Bảng 1.3 Một số cầu được thi công bằng bê tông cường độ cao ở Nhật 13

Bảng 1.4 Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Mỹ 14

Bảng 1.5 Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Pháp 14

Bảng 1.6 Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Na Uy 14

Bảng 2.1 Thành phần khoáng vật xi măng Việt Nam 25

Bảng 2.2 Phân loại phụ gia khoáng và các yêu cầu kỹ thuật cơ bản của phụ gia bê tông theo ASTM C618 27

Bảng 2.3 Yêu cầu về thành phần hóa học của tro bay loại F và loại C 28

Bảng 2.4 Phân loại phụ gia hóa học theo ASTM C494 35

Bảng 2.5 Các tiêu chuẩn thí nghiệm các đặc tính của bê tông 40

Bảng 2.6 Các tiêu chuẩn thí nghiệm các cấp độ đặc tính đối với HPC 41

Bảng 2.7 Dự tính lượng nước trộn cần thiết và hàm lượng không khí của bê tông tươi trên cơ sở sử dụng cát có độ rỗng 35% 44

Bảng 2.8 Quan hệ giữa cường độ nén và tỷ lệ CKD/N 47

Bảng 2.9 Giá trị tối đa N/CKD khuyên dùng đối với bê tông được sản xuất có chất giảm nước cao (HRWR) 49

Bảng 2.10 Các giá trị khuyên dùng cho phần thay thế tro 51

Bảng 2.11 Đường kính lớn nhất của cốt liệu thô (đá) 54

Bảng 2.12 Thể tích của đá được đầm chặt trên một đơn vị thể tích bê tông, m3/1m3 bê tông (Vđ) 54

Bảng 3.1 Thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ lý của xi măng 62

Bảng 3.2 Thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ lý của các phụ gia khoáng 62

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu nhỏ 63

Bảng 3.4 Các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu lớn 63

Bảng 3.5 Các thuộc tính của phụ gia hóa học 63

Bảng 3.6 Thành phần cấp phối HPC dùng trong thí nghiệm 65

Bảng 3.7 Kết quả kiểm tra bê tông tươi 65

Bảng 3.8 Kết quả kiểm tra cường độ nén của bê tông 66

Bảng 3.9 Kết quả kiểm tra cường độ kéo của bê tông 68

Bảng 3.10 Kết quả kiểm tra môđun đàn hồi của bê tông 70

Bê tông tính năng cao Chất giảm nước bậc cao Mêta caolanh

Muội silic

Tỷ lệ nước trên xi măng

Tỷ lệ nước trên chất kết dính Phụ gia khoáng hoạt tính Chất giảm nước mạnh

Xỉ lò cao dạng hạt Silica fume

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bê tông là loại vật liệu xây dựng có nhiều ưu điểm và thuộc loại vật liệu bền vững Trong số các loại vật liệu xây dựng công trình, nó chiếm vị trí đặc biệt Vị trí đặc biệt của bê tông không chỉ vì nó được dùng phổ biến mà điều quan trọng hơn là do tính năng kỹ thuật và phẩm chất của nó Phẩm chất

ấy không bị dừng lại mà ngày càng được cải thiện nâng cao không ngừng

Trước những yêu cầu ngày càng cao của thực tế sản xuất thì cường độ

cơ học thuần túy của bê tông không còn là chuẩn mực duy nhất đối với vật liệu bê tông ngoài cường độ cao, bê tông còn cần phải có một số đặc tính khác, kể cả tính thẩm mĩ mà trước đây xem là phụ có thể trở thành quan trọng

Bê tông tính năng cao là loại bê tông đồng thời phải có cường độ cao

và một tổ hợp các tính chất khác nhằm đảm bảo cho bê tông đạt chất lượng cao và có độ bền lâu như:

Tính dễ đầm, dễ đổ

Độ bền

Cường độ ở tuổi ít ngày

Tính ổn định thể tích

Các tính chất ổn định theo thời gian

Độ bền trong môi trường khắc nghiệt

Trong công nghệ chế tạo bê tông người ta có thể giảm tỷ lệ N/X để nâng cao cường độ nén Nếu việc giảm tỷ lệ này không vượt quá giới hạn của

bê tông dẻo, phù hợp với công nghệ chế tạo thì chúng đồng thời cho kết quả cường độ cao và các tính năng yêu cầu khác cũng cao

Riêng trong lĩnh vực xây dựng các công trình thủy lợi, hiện nay rất nhiều hạng mục công trình cần sử dụng bê tông có tính năng cao mà việc sử

dụng bê tông thông thường không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật, chính vì vậy việc sử dụng bê tông tính năng cao là rất cần thiết Lựa chọn vật liệu phù hợp để sản xuất bê tông tính năng cao không những mang lại hiệu quả kinh tế cao mà còn đảm bảo được chất lượng công trình

Các loại vật liệu dùng để chế tạo bê tông tính năng cao cần được lựa chọn và phân tích Trong việc sử dụng vật liệu để chế tạo, ngoài các thành phần cơ bản như xi măng, cát, đá, nước thì phụ gia hóa học đóng vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế và thi công Yêu cầu đặt ra là dùng vật liệu như thế nào để chế tạo bê tông tính năng cao đáp ứng được những yêu cầu

kỹ thuật nhất định, qua đó đề xuất các phương án thiết kế cấp phối một cách

hợp lý Do vậy, đề tài “Nghiên cứu chế tạo bê tông tính năng cao ứng dụng trong các công trình thủy lợi” là một nhiệm vụ hết sức cần thiết

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Tổng hợp và thu thập tài liệu về các kết quả nghiên cứu của bê tông tính năng cao

- Phân tích các kết quả đã nghiên cứu

- Thí nghiệm trong phòng và phân tích các kết quả

4 Kết quả dự kiến đạt được

Đề xuất loại vật liệu sử dụng trong thiết kế cấp phối bê tông tính năng cao và thiết kế một số cấp phối HPC có sử dụng phụ gia giảm co ngót để đảm bảo một số yêu cầu kỹ thuật đề ra

5 Nội dung của luận văn

Mở đầu

Chương I: Tổng quan

1.1 Khái niệm về bê tông và bê tông tính năng cao

1.2 Tình hình sử dụng bê tông và bê tông tính năng cao trên thế giới 1.3 Tình hình sử dụng bê tông và bê tông tính năng cao ở Việt Nam Chương II: Vật liệu và phương pháp thiết kế thành phần bê tông tính năng cao

2.1 Các yêu cầu kỹ thuật

2.2 Các bước thiết kế thành phần HPC

Chương III: Ứng dụng thiết kế thành phần bê tông tính năng cao cho một

số hạng mục của các công trình thủy lợi

3.1 Một số ứng dụng bê tông tính năng cao trong các công trình thủy lợi

3.2 Vật liệu và thiết kế cấp phối HPC thí nghiệm

3.3 Các kết quả thí nghiệm

3.4 Nhận xét các kết quả thí nghiệm

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm về bê tông và bê tông tính năng cao

1.1.1 Khái niệm về bê tông

Bê tông là loại vật liệu đá nhân tạo nhận được bằng cách đổ khuôn và làm rắn chắc một hỗn hợp hợp lý bao gồm chất kết dính, nước, cốt liệu (cát, sỏi hay đá dăm) và phụ gia Thành phần hỗn hợp bê tông phải đảm bảo sao cho sau một thời gian rắn chắc phải đạt được những tính chất cho trước như cường độ, độ chống thấm v.v

Hỗn hợp nguyên liệu mới nhào trộn gọi là hỗn hợp bê tông hay bê tông tươi

Hỗn hợp bê tông sau khi cứng rắn và chuyển sang trạng thái đá được gọi là bê tông

Trong bê tông, cốt liệu đóng vai trò là bộ khung chịu lực Hồ chất kết dính bao bọc xung quanh hạt cốt liệu, chúng là chất bôi trơn, đồng thời lấp đầy khoảng trống và liên kết giữa các hạt cốt liệu Sau khi cứng rắn, hồ chất kết dính gắn kết các hạt cốt liệu thành một khối tương đối đồng nhất và được gọi là bê tông

Bê tông là loại vật liệu giòn, cường độ chịu nén lớn, cường độ chịu kéo chỉ bằng 1/15 đến 1/10 cường độ chịu nén Để khắc phục nhược điểm này người ta thường đặt cốt thép vào để tăng cường khả năng chịu kéo của bê tông trong các kết cấu chịu uốn, chịu kéo Loại bê tông này gọi là bê tông cốt thép Vì bê tông và cốt thép có lực bám dính tốt, có hệ số dãn nở nhiệt xấp xỉ nhau, nên chúng có thể làm việc đồng thời Nếu cốt thép được bảo vệ chống

gỉ tốt thì sẽ cùng với bê tông tạo nên loại vật liệu có tuổi thọ cao Cốt thép đặt trong bê tông có thể ở trạng thái thường, hoặc ở trạng thái ứng suất trước (dự ứng lực)

Chất kết dính có thể là xi măng các loại, thạch cao, vôi và cũng có thể

là chất kết dính hữu cơ (polime)

Trong bê tông xi măng cốt liệu thường chiếm 80 - 85%, còn xi măng chiếm 10 - 20% khối lượng

Bê tông và bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong xây dựng vì chúng có những ưu điểm như: Cường độ chịu lực cao, có thể chế tạo được những loại bê tông có cường độ, hình dạng và tính chất khác nhau Giá thành

rẻ, khá bền vững và ổn định đối với mưa nắng, nhiệt độ, độ ẩm

Tuy vậy bên cạnh đó chúng cũng tồn tại những nhược điểm như: Nặng (ρv =2200 - 2400kg/m3), cách âm, cách nhiệt kém (λ=1,05 -1,5kCal/m.0C.h), khả năng chống ăn mòn yếu

Để phân loại bê tông thường dựa vào những đặc điểm sau:

Theo dạng chất kết dính phân ra: Bê tông xi măng, bê tông silicat

(chất kết dính là vôi), bê tông thạch cao, bê tông chất kết dính hỗn hợp, bê tông polime, bê tông dùng chất kết dính đặc biệt

Theo dạng cốt liệu phân ra: Bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng,

bê tông cốt liệu đặc biệt (chống phóng xạ, chịu nhiệt, chịu axit)

Theo khối lượng thể tích phân ra:

Bê tông đặc biệt nặng (ρv > 2500 kg/m3), chế tạo từ cốt liệu đặc biệt, dùng cho những kết cấu đặc biệt

Bê tông nặng (ρv = 2200 - 2500 kg/m3), chế tạo từ cát, đá, sỏi thông thường dùng cho kết cấu chịu lực

Bê tông tương đối nặng (ρv = 1800 - 2200 kg/m3), dùng chủ yếu cho kết cấu chịu lực

Bê tông nhẹ (ρv = 500 - 1800 kg/m3), trong đó gồm có bê tông nhẹ cốt liệu rỗng (nhân tạo hay thiên nhiên), bê tông tổ ong (bê tông khí và bê tông bọt), chế tạo từ hỗn hợp chất kết dính, nước, cấu tử silic nghiền mịn và chất

tạo rỗng, và bê tông hốc lớn (không có cốt liệu nhỏ)

Bêtông đặc biệt nhẹ cũng là loại bê tông tổ ong và bê tông cốt liệu rỗng nhưng có ρv < 500 kg/m3

Do khối lượng thể tích của bê tông biến đổi trong phạm vi rộng nên độ rỗng của chúng cũng thay đổi đáng kể, như bê tông tổ ong dùng để cách nhiệt

có r =70 - 85%, bê tông thủy công có r = 8 - 10%

Theo công dụng phân ra:

Bê tông thường dùng trong các kết cấu bê tông cốt thép (móng, cột, dầm, sàn)

Bê tông thủy công, dùng để xây đập, âu thuyền, phủ lớp mái kênh, các công trình dẫn nước

Bê tông dùng cho mặt đường, sân bay, lát vỉa hè

Bê tông dùng cho kết cấu bao che (thường là bê tông nhẹ)

Bê tông có công dụng đặc biệt như bê tông chịu nhiệt, chịu axit, bê tông chống phóng xạ

1.1.2 Khái niệm về bê tông tính năng cao

Bê tông tính năng cao được gọi tắt là HPC (High Performace Concrete)

là loại bê tông ngoài có cường độ chịu nén cao thì tính chống thấm, chống xâm thực, chống mài mòn cũng cao

Bê tông tính năng cao được nghiên cứu từ những năm 1970 đến nay và ngày càng được áp dụng trong các công trình biển và các công tình giao thông vận tải (cầu, đường, hầm) Đây là một dạng bê tông mới cho phép người thiết

kế nghĩ đến kết cấu mới có khối lượng công trình nhỏ hơn nhưng đảm bảo chất lượng cao hơn Trong thực tế loại bê tông này có tính khả thi, sử dụng xi măng và cốt liệu thông thường, hồ xi măng được cải thiện bằng cách cho thêm một vài chất siêu mịn gốc silic và cá chất siêu dẻo

Trên thế giới, bê tông tính năng cao còn được định nghĩa theo các tiêu chí khác nhau Theo ACI và NIST có quy định về khả năng thi công, các tính chất cơ học dài hạn (từ biến, co ngót) được cải thiện đáng kể, có cường độ sớm, độ bền cao, có tuổi thọ lâu dài trong các môi trường khắc nhiệt

Các nhà khoa học Nhật Bản cho rằng bê tông tự đầm cũng là loại tính năng cao [3]

Hiếm có tài liệu phân loại chất lượng tương đối chi tiết như quy định của Hiệp hội giao thông Mỹ Theo tài liệu này, bê tông tính năng cao đã phân

ra thành 4 cấp với các chỉ tiêu chất lượng như bảng 1.1

Tuy nhiên với điều kiện khí hậu như ở nước ta thì các tiêu chí thứ nhất

và thứ 2 liên đến độ bền băng giá không cần quan tâm đến Và với những kết cấu không chịu mài mòn thì chỉ tiêu thứ 3 cũng có thể bỏ qua Các chỉ tiêu còn lại là rất cần thiết và thường có quan hệ gần gũi với nhau

Theo báo cáo kết quả đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng bê tông chất lượng cao” của Thái Duy Sâm [9] thì bê tông tính năng cao được quy định về các cấp độ chất lượng như trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Một số quy định về cấp độ chất lượng của bê tông tính năng cao

ASTM C1202

- 40 của thế kỷ XIX công nghiệp sản xuất xi măng pooclăng ra đời đã tạo ra một bước chuyển biến cơ bản trong xây dựng Cho đến những năm 70 - 80 của thế kỷ XX bê tông cốt thép mới được sử dụng nhiều trong lĩnh vực xây

dựng Loại vật liệu này có nhiều tính ưu việt đã phát triển nhanh chóng và chiếm vị trí quan trọng trong các loại vật liệu xây dựng

Trong quá trình nghiên cứu và thực tiễn sử dụng người ta ngày càng hoàn thiện các phương pháp tính toán kết cấu, ngày càng phát huy được tính

ưu việt và hiệu quả sử dụng chúng Những năm đầu thế kỷ XX cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn ra đời Việc sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn bằng thủ công đã dần được thay thế bằng các các phương pháp cơ giới

Việc nghiên cứu thành công dây chuyền công nghệ sản xuất các cấu kiện bê tông cốt thép và được đưa vào sản xuất đã tạo điều kiện ngày càng nhiều các nhà máy cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn

Những thập niên vừa qua, các thành tựu về nghiên cứu lý luận cũng như về các phương pháp tính toán bê tông và bê tông cốt thép trên thế giới ngày càng thúc đẩy ngành công nghiệp sản xuất cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn phát triển Đặc biệt là thành công của việc nghiên cứu bê tông cốt thép ứng suất trước và ứng dụng nó vào sản xuất cấu kiện bê tông là một thành tựu hết sức to lớn Nó cho phép tận dụng tốt các ưu điểm của bê tông mác cao với cốt thép có cường độ cao tiết kiệm được bê tông, cốt thép Nhờ đó có thể thu nhỏ kích thước cấu kiện, giảm nhẹ được khối lượng, nâng cao khả năng chịu lực và khả năng chống nứt của cấu kiện bê tông cốt thép

Ngày nay ở những nước phát triển, cùng với sự phát triển của khoa học

kỹ thuật thì việc công nghiệp hoá ngành xây dựng, cơ giới hoá thi công, lắp ghép cấu kiện bằng bê tông tông cốt thép và bê tông ứng suất trước cũng được nghiên cứu, phát triển và được sử dụng rộng rãi Đặc biệt là trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp, với các cấu kiện đúc sẵn ngày càng phong phú đa dạng như: cột điện, dầm mái, dàn mái, ống nước, panen, cọc móng… đáp ứng đầy đủ và kịp thời các đòi hỏi của quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá ngày nay

1.2.2 Tình hình sử dụng bê tông tính năng cao

Theo tài liệu nghiên cứu của PSG.TS Phạm Duy Hữu [2, 3] tổng kết kết quả nghiên cứu của các nước trên thế giới và Việt Nam cho thấy thì bê tông cường độ cao đã được sử dụng từ năm 1975 tại Mỹ cho việc xây dựng các nhà cao tầng Năm 1975 - 1976, các ngôi nhà từ 43 - 76 tầng đều dùng bê tông 62MPa, từ năm 1976 - 1990, các ngôi nhà ở Chicago với số tầng 50 - 70 được sử dụng bê tông 80MPa Tương tự các ngôi nhà cao tầng ở Pháp, Đức (từ 40 tầng) đều sử dụng bê tông với từ 70 - 90MPa Trong xây dựng cầu từ năm 1970 đến nay ở nhiều công trình trên nhiều quốc gia đã áp dụng bê tông cường độ cao Bê tông cường độ cao thường được sử dụng cho các dầm cầu

bê tông dư ứng lực với mục đích giảm tải trọng bản thân dầm và tăng chiều dài kết cấu nhịp Năm 1970, ở Nhật Bản bê tông phổ biến (600 - 1200) kg/cm2 Ở Pháp năm 1989 bê tông cầu là (60 - 80)MPa Các cầu ở Đức, Hà Lan, Mỹ, Trung Quốc đều đã sử dụng bê tông với cường độ nén khoảng từ 60MPa đến 100MPa Các cấu kiện bê tông và bê tông lắp ghép trong kết cấu

hạ tầng đô thị cũng đều sử dụng bê tông có cường độ nén không nhỏ hơn 20MPa [2]

Theo [1] đưa ra một số hỗn hợp bê tông cường độ cao điển hình sử dụng trong công trình xây dựng được liệt kê trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Một số hỗn hợp bê tông cường độ cao điển hình được sử dụng

trong công trình xây dựng

Thành phần

của bê tông

Các công trình xây dựng Quảng

trường tháp nước Chicago

1975

Cầu Joigtly, Pháp

1989

Nhà cao tầng Larentien

ne, Canada

1984

Scotra Plaza Toronto

1987

Two Union Square

1988

Thành phần

của bê tông

Các công trình xây dựng Quảng

trường tháp nước Chicago

1975

Cầu Joigtly, Pháp

1989

Nhà cao tầng Larentien

ne, Canada

1984

Scotra Plaza Toronto

1987

Two Union Square

Hình 1.1 Tòa nhà Scotra Plaza Toront - Thụy Sĩ

Hình 1.2 Cầu vượt biển bắc qua vịnh Giao Châu - Trung Quốc

Do có cường độ cao nên bê tông cường độ cao sẽ giúp giảm tiết diện cột chịu lực, tăng không gian sử dụng trong công trình nhà cao tầng Tuy nhiên cùng với quá trình phát triển và nhu cầu của các ngành công nghiệp, bê tông cường độ cao đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong thi công các công trình trọng điểm

Bê tông cường độ cao được sử dụng nhiều trong các dầm có khẩu độ lớn, các dầm bê tông dư ứng lực, các kết cấu neo của cầu treo với nhịp lớn Ở Nhật Bản, cầu Akaski - Kaikio có chiều dài nhịp kỷ lục thế giới là 1991m Một số cầu đường sắt được đúc bằng bê tông có cường độ tới 76MPa trong khi đó một số nơi ở Mỹ như Huntington, West Virginia, Ohio bê tông cường

độ cao dùng cho cầu có cường độ nén đạt 55MPa Một số cầu ở Nhật Bản được thi công bằng bê tông cường độ cao được liệt kê trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Một số cầu được thi công bằng bê tông cường độ cao ở Nhật

đường Năm Nhịp, m

Cường độ nén, MPa

Bảng 1.4 Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Mỹ

TT Tên cầu Địa điểm Năm Nhịp, m Cường độ nén, MPa

Ở Pháp, bê tông có cường độ 60 MPa lần đầu tiên được sử dụng để xây dựng cầu Joigny, sau đó loại bê tông này trở thành sự lựa chọn cho một loạt các cầu khác Danh mục một số cầu đã sử dụng bê tông có cường độ 60MPa được trình bày trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Pháp

TT Tên cầu Loại đường Năm Nhịp, m Cường độ nén, MPa

Ở Na Uy, việc sử dụng bê tông cường độ cao có tỷ lệ N/X nhỏ hơn 0,4 được phổ biến từ sau năm 1989 cho rất nhiều các cầu đường bộ

Bảng 1.6 Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Na Uy

TT Tên cầu Loại đường Năm Nhịp, m Cường độ nén, MPa

Năm 1995 trên biển Bắc, đế giàn khoan khai thác dầu Troll bằng bê tông cốt thép cao 370m đã sử dụng bê tông cấp C80 (105MPa) với khối lượng khoảng 245.000m3 Ở Thượng Hải cũng sử dụng bê tông cường độ 60MPa để xây dựng tháp truyền hình

Từ những phân tích trên cho thấy bê tông cường độ cao được sử dụng hầu hết trong các kết cấu xây dựng như: kết cấu chịu lực của các nhà cao tầng, dầm cầu có khẩu độ lớn, các công trình ngoài biển và trong các điều kiện làm việc rất khác nhau

Các nghiên cứu về bê tông cường độ cao đã khẳng định việc sử dụng bê tông cường độ cao cho phép tạo ra các sản phẩm có tính kinh tế hơn, cung cấp khả năng giải quyết được nhiều vấn đề kỹ thuật hơn hoặc đảm bảo cả hai yếu

tố trên Các nghiên cứu của nước ngoài cho thấy có thể tiết kiệm được 30% khối lượng bê tông, giảm 30% trọng lượng kết cấu, giảm 10 - 15% tổng giá trị công trình Kết cấu bản bê tông cốt thép dư ứng lực có thể giảm 30% chiều cao, 40% khối lượng xây lắp

1.3 Tình hình sử dụng bê tông và bê tông tính năng cao tại Việt Nam

1.3.1 Tình hình sử dụng bê tông ở Việt Nam

Ở nước ta, trong những năm qua, nền kinh tế đã phát triển một cách mạnh mẽ Từ những thành tựu phát triển kinh tế đó đã đẩy mạnh tốc độ xây dựng công nghiệp và dân dụng, để đáp ứng về nhà ở, nhà làm việc, các công trình xây dựng cơ bản giao thông vận tải… đó là việc xây dựng một cơ sở hạ tầng hiện đại, thuận tiện đáp ứng các yêu cầu cấp thiết cho sự phát triển của kinh tế xã hội cho hiện tại và tương lai Việt Nam là một nước đang trong giai đoạn phát triển với dân số gần 90 triệu dân, tiềm năng phát triển rất lớn Vì vậy trước mắt phải xây dựng một cơ sở hạ tầng hoàn chỉnh hơn để đáp ứng tốc độ phát triển của đất nước để làm được điều này ngành xây dựng công

nghiệp dân dụng và ngành sản xuất vật liệu xây dựng cần thiết phải đi trước một bước trong quá trình phát triển Trong đó ngành sản xuất vật liệu xây dựng phải được ưu tiên đầu tư phát triển mạnh hơn Vì vậy trong những năm qua Đảng và Nhà nước ta đã có những chính sách đầu tư phát triển hợp lý cho ngành vật liệu xây dựng đã và đang sản xuất các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng hiện đại công suất lớn ngang tầm với các nước trong khu vực và các nước phát triển trên thế giới Cùng với sự phát triển của ngành xây dựng, nhu cầu về các loại sản phẩm bê tông và bê tông cốt thép cho các ngành xây dựng

cơ bản rất lớn

Nhằm thoả mãn nhu cầu đó, ngành vật liệu xây dựng cần ưu tiên phát triển theo chiều sâu, đổi mới trang thiết bị, công nghệ sản xuất tiên tiến Theo định hướng này ngành sản xuất bê tông và cấu kiện bê tông đúc sẵn đã và đang được nhà nước đầu tư thích đáng và đạt được một số kết quả khả quan Các cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng cơ sở hạ tầng Để đáp ứng được nhu cầu này cần thiết phải xây dựng các nhà máy sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn nhằm đáp ứng được tốc độ phát triển cơ sở hạ tầng của nước ta

1.3.2 Tình hình sử dụng bê tông tính năng cao ở Việt Nam

Ở Việt Nam trong giai đoạn trước 1990, bê tông trong các kết câu bê tông cốt thép thường dùng có cường độ là 20MPa Đến năm 1990 các kết cấu

bê tông cốt thép chủ yếu sử dụng bê tông có cường độ đến 30MPa Một số công trình đặc biệt quan trọng dùng bê tông có cường độ đến 40MPa như Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh, Khách sạn Thăng Long 11 tầng, cầu Thăng Long, Cầu Chương Dương

Cho tới nay cường độ bê tông trung bình được sử dụng phổ biến trong các công trình đã được nâng cao đáng kể Trong đó, các công trình vốn nước

ngoài hoặc do nước ngoài đầu tư và các công trình giao thông đi đầu trong việc sử dụng các loại bê tông có cường độ cao đến 60MPa

Các nhà máy Xi măng Tam Điệp, Hải Phòng mới được thiết kế theo công nghệ Đan Mạch đề dùng bê tông cấp A, B, C tương đương bê tông mác M60, M50 và M40 của Việt Nam Một số công trình nhà cao tầng do nước ngoài đầu tư đã sử dụng bê tông cường độ cao M50 cho kết cấu chịu lực như khách sạn Lê Lai 14 tầng ở thành phố Hồ Chí Minh do Hồng Kông đầu tư xây dựng Hỗn hợp bê tông cho công trình này được cung cấp bởi công ty Quen Hing (Hồng Kông) sử dụng xi măng Yu Feng Brand (Trung Quốc) Công trình Hà Nội Tower Center do công ty Sanyong làm chủ thầu, hỗn hợp bê tông do công ty Chèm cung cấp

Một số cầu vượt sông được xây dựng mới gần đây như cầu Mỹ Thuận, cầu Quăng cũng sử dụng bê tông M50 các kết cấu chịu lực chính như trụ, dầm ứng lực

Một số công trình nhà cao tầng ở các thành phố lớn (Hà Nội, Hồ Chí Minh, Đà Nẵng), các công trình cầu có chiều dài nhịp L > 30m, hầm qua đèo Hải Vân hay hầm Thủ Thiêm tại TP Hồ Chí Minh Và còn hơn thế nữa, nhiều hạng mục công trình (cọc móng, ống li tâm…) được xây dựng ở các tỷnh phía Nam đã sử dụng bê tông có cường độ tới 80MPa và cá biệt tới 90MPa Công

ty bê tông 620 và Công ty TNHH sản xuất và xây dựng Phan Vũ là hai đơn vị tiêu biểu về sản xuất cấu kiện bê tông cường độ cao… Riêng ở Công ty TNHH sàn xuất và xây dựng Phan Vũ, sản lượng cấu kiện cọc móng bê tông mác 80MPa tới 3.000m3/tháng Trong thời gian tới sẽ có công trình cần bê tông mác tới 70 - 80MPa, như Tháp truyền hình, dầm cầu khẩu độ lớn v.v…

Hình 1.3 Tòa nhà Keangnam 71 tầng cao 336m

Hình 1.4 Hầm Thủ Thiêm ở TP Hồ Chí Minh

Để đáp ứng nhu cầu ngày một gia tăng, các nghiên cứu phục vụ sản xuất bê tông cường độ cao trên cơ sở vật liệu hiện có của Việt Nam đã trở thành một trong những hướng trọng tâm của ngành xậy dựng Việt Nam nói chung và của ngành công nghiệp bê tông nói riêng

Theo hướng này, một số nhóm tác giả đã triển khai nghiên cứu khả năng chế tạo bê tông cường độ cao ở Việt Nam Bước đầu đã khẳng định được khả năng sử dụng nguồn vật liệu trong nước để chế tạo loại bê tông này Tuy nhiên nguyên vật liệu để chế tạo bê tông cường độ cao như xi măng, phụ gia khoáng hoạt tính, phụ gia siêu dẻo, cốt liệu phải đáp ứng yêu cầu chất lượng cao hơn so với bê tông thông thường

Ở Việt Nam mác bê tông thường được sử dụng nhiều trong thực tế xây dựng là M25 - M40 và một số ít công trình xây dựng có sử dụng bê tông mác M50, M60

Trong hơn 3 thập kỷ qua, bê tông mác M40 đã được xem là bê tông cường độ cao, trong lĩnh vực cường độ thì lĩnh vực xây dựng giao thông, đặc biệt là các công trình cầu bắt buộc phải dùng bê tông cường độ cao Khi đó chúng ta mới chỉ sản xuất được xi măng P400 (tương đương với PC30 hiện nay) nên thực tế phải dùng xi măng ngoại để xây dựng

Các lĩnh vực xây dựng khác như xây dựng dân dụng, xây dựng công nghiệp và xây dựng thủy lợi trừ một số ít công trình như Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh, khách sạn Thăng Long 11 tầng, dùng bê tông mác M30 - M40 Hoặc một vài công trình nhà cao tầng do nước ngoài đầu tư xây dựng như Khách sạn Lê Lai (14 tầng) ở thành phố Hồ Chí Minh do Hồng Kông đầu tư xây dựng, công trình tháp Hà Nội (Hà Nội Tower) do công ty Sanyong làm chủ đầu tư, đã sử dụng bê tông mác M50, còn lại hầu hết vẫn sử dụng bê tông mác M20 - M30

Trong vòng 40 - 50 năm mác bê tông cho chế tạo dầm trong xây dựng cầu vẫn không có biến đổi nào, hầu hết là bê tông mác M30 - M40, chỉ một số

ít cầu có mác M50

Hiện nay một số cầu đang xây dựng có khẩu độ sẽ tăng từ 30m lên 130 như cầu Thanh Trì, cầu Bãi Cháy… và có thể tăng đến 300m hoặc 450m (cầu Cần Thơ) Cường độ bê tông sử dụng cũng được tăng thêm một chút

Hy vọng trong tương lai yêu cầu về bê tông cường độ cao sẽ tăng do việc xây dựng các cầu lớn có khẩu độ tăng

Về bê tông mặt đường, Nhà nước ta có chủ trương chuyển một phần kết cấu mặt đường bê tông asphan sang mặt đường bê tông xi măng Đặc biệt mặt đường cấp cao và mặt đường ở những vùng hay lũ lụt, đường lớn kết hợp với yêu cầu quân sự có thể làm sân bay dã chiến khi cần hoặc loại xe nặng

Mặt khác để không quá lạc hậu với trình độ chung trên toàn thế giới nhất thiết chúng ta phải tiến hành nghiên cứu, chế tạo và áp dụng loại bê tông cường độ cao Hiện nay trình độ chung của nước ta sử dụng có hiệu quả bê tông mác đến M50 Với kết quả nghiên cứu đã có trong phòng thí nghiệm, chúng ta có thể sản xuất bê tông cường độ cao M60 - M80 và khả năng sử dụng chúng là khả thi

Tuy nhiên với bê tông mác cao hơn, hiện tại kết quả nghiên cứu còn rất

ít, chưa có cơ sở nghiên cứu hay sản xuất nào đã có kết quả được thử nghiệm Nhưng chắc rằng trong tương lai gần cùng với sự phát triển của đất nước trong xây dựng hiện tại, nhu cầu sử dụng bê tông cường độ cao lớn hơn M80

sẽ được đặt ra Cùng với sự phát triển của công nghệ xây dựng, các công trình

có khẩu độ lớn, các cầu vượt trong thành phố, các loại mặt đường cao tốc và các cao ốc… sẽ được xây dựng Vì thế việc nghiên cứu chế tạo loại bê tông này bằng các nguyên liệu có sẵn trong nước là rất cần thiết

Đối với lĩnh vực thủy lợi, hiện nay bê tông tính năng cao được ứng dụng trong các công trình như:

- Các công trình hầm (tuynen thủy lợi): Để tăng độ bền trong môi trường làm việc phức tạp và tăng tuổi thọ của các công trình

- Các cấu kiện dầm trong nhà máy thủy điện

- Tường ngực của bộ phận nâng đỡ cửa van cung

- Mặt tràn trên dốc nước

- Bộ phận buồng xoắn bê tông trong nhà máy thủy điện

Hình 1.5 Hầm thủy điện Hòa Bình

Hình 1.6 Cửa van cung tràn - Nhà máy thủy điện Ba Đạt

CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN

BÊ TÔNG TÍNH NĂNG CAO 2.1 Các yêu cầu kỹ thuật và các tiêu chuẩn

2.1.1 Các yêu cầu kỹ thuật

HPC là bê tông tính năng cao đáp ứng các tổ hợp tính năng về cường

độ, độ bền và một số yêu cầu khác Bê tông sử dụng các thành phần nguyên liệu, áp dụng các công nghệ trộn, đổ, bảo dưỡng đặc biệt HPC còn có cường

độ sớm, cường độ chịu nén tối thiểu ở tuổi 28 ngày ≥60,0MPa (theo viện bê tông Hoa Kỳ) Độ bền cao hơn bê tông thường tuỳ theo yêu cầu được kiến nghị sử dụng

Các tính chất khác nhau của bê tông HPC ở trạng tươi, trạng thái mềm

và trạng thái đã đóng rắn ảnh hưởng rất nhiều lên tính năng của các kết cấu cầu, nhà và công trình biển

Nhiệt độ bê tông tươi tB<200C nhiệt độ này đảm bảo bê tông khối lớn không bị nứt do nhiệt độ trong giai đoạn đầu (1 - 10 ngày) Mức chênh nhiệt

độ bên ngoài và trong lõi khối bê tông không vượt quá mức chênh nhiệt độ gây nứt

Vì hàm lượng chất kết dính và cốt liệu thô lớn, tỷ lệ N/X thấp nên hỗn hợp sẽ rất khô Bê tông tính năng cao cần sử dụng các chất giảm nước cao (HRWR) với hàm lượng từ 0,7 - 2,0 lit/100kgXM Các chất HRWR còn

có thể giúp bê tông tính năng cao tăng cường độ ở các tuổi (3, 7, 28 ngày) Việc sử dụng HRWR còn đặc biệt thích hợp với việc đổ bê tông trong điều kiện khí hậu nóng

Ở trạng thái tươi, khả năng chảy (độ sụt) là một đặc tính quan trọng, nó thể hiện trạng thái dễ dàng hoặc khó khăn của việc đổ bê tông phụ thuộc vào các thiết bị hiện có Độ sụt được xác định bằng dụng cụ đo độ sụt (côn

Abrams) tại trạng thái trước khi đổ bê tông Độ sụt yêu cầu 18±2cm và phải giữ được tối thiểu là 1giờ Yêu cầu thời gian giữ độ sụt lớn hơn thời gian thi công hoàn thiện kết cấu

Trong xây dựng một số hạng mục công trình cần có những yêu cầu về

độ sụt nhất định đảm bảo khả năng bê tông sẽ lấp đầy được các lỗ rỗng giữa các cốt liệu và cốt thép Dòng chảy lan của bê tông được xác định bằng thí nghiệm đo độ chảy lan của bê tông, trị số này không nhỏ hơn 550mm

Bê tông với khả năng chảy cao thì dễ dàng cho công việc đổ và thuận lợi trong việc loại bỏ các lỗ khí không mong muốn trong bê tông Bê tông cần cho phần kết cấu nên có độ sụt 18 - 20cm và phần mặt cầu nên từ 6 - 10cm Căn cứ vào tính công tác yêu cầu và đặc tính của cốt liệu và đặc tính của kết cấu bê tông người thiết kế quyết định lượng nước cho bê tông

Cường độ và đặc tính cơ học bao gồm: Cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, cường độ kéo bửa, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, biến dạng đài hồi và biến dạng tối đa

Độ bền bao gồm: Khả năng chống thấm khí, nước, chống xâm nhập ion clorua, phản ứng kiềm silic, chịu sulphát, chống tia vật lý, phản ứng cacbon nát hóa

Với bê tông thường độ thấm ion Clo được đo bằng điện lượng (từ 2000

- 4000culông) Với bê tông HPC độ thấm này thường nhỏ hơn 1500culông Các nghiên cứu đã làm các thực nghiệm cho thấy rằng bê tông HPC 80MPa

có độ thấm ion Clo rất thấp (<1000culông) Các chỉ tiêu về độ chống thấm và bền sulfat của HPC đều cao hơn so với bê tông thường Độ bền là yếu tố quan trọng nhất đối với các loại kết cấu để lộ ra ngoài môi trường để đảm bảo tuổi thọ khai thác của kết cấu cầu có thể đến 100 năm

Các đặc tính được xác định bằng cách tiến hành thí nghiệm tiêu chuẩn

và xác định cấp độ tính năng được đề xuất cho mỗi đặc tính Bê tông dùng cho mỗi loại kết cấu có thể cần đến một hoặc nhiều các đặc tính này Với bê

tông làm cầu tính năng về cường độ chịu nén theo tuổi, cường độ chịu kéo khi uốn, môđun đàn hồi là quan trọng Các tính chất và cấp độ của vật liệu cần phải được lựa chọn theo ứng dụng mong muốn và môi trường của bê tông

Các yêu cầu kỹ thuật bê tông HPC như sau [2]:

Các yêu cầu đối với vật liệu:

Bê tông HPC yêu cầu về các chỉ tiêu vật liệu chặt chẽ hơn so với bê tông thường được quy định theo tiêu chuẩn ASTM Các vật liệu chính là: xi măng, các hợp chất hóa học, các vật liệu khoáng siêu mịn, nước, cốt liệu, các

chất tăng dẻo, các chất làm chậm đông kết

2.1.1.1 Xi măng

Tất cả các loại xi măng được sử dụng phải là xi măng Pooclăng thường, các đặc tính kỹ thuật phải đảm bảo theo ASTM C150 Cần có các thí nghiệm xác nhận mức độ ảnh hưởng của chất bột khi sử dụng xi măng PCB40

Khi không cần thiết thì hạn chế sử dụng xi măng kiểu III theo ASTM Lượng xi măng cao có thể dẫn đến nhiệt độ tăng cao trong khối bê tông vì vậy cần quy định lượng xi măng tối đa là 525kg/1m3 bê tông Trong trường hợp cần có cường độ cao hơn nên sử dụng tỷ lệ N/X thấp (từ 0,35 - 0,26) để vẫn đảm bảo được cường độ mà lượng xi măng dùng không quá lớn gây các hiệu ứng phụ không có lợi cho bê tông (toả nhiều nhiệt, từ biến

Khi chế tạo các bê tông có cường độ nén từ 80 - 120MPa thì cần thiết

sử dụng xi măng có cường độ nén đến 60MPa và lớn hơn

Ở Mỹ chế tạo 5 loại xi măng như sau:

+ Loại I: Xi măng tiêu chuẩn

+ Loại II: Xi măng bền sulphate và nhiệt thủy hóa trung bình

+ Loại III: Xi măng cường độ sớm cao

+ Loại IV: Xi măng nhiệt thủy hóa thấp

+ Loại V: Xi măng bền sulphat

Ở châu Âu để chế tạo bê tông chất lượng cao thường dùng xi măng có phụ gia muội silic với liều lượng từ 5 - 10% có cường độ nén từ 88 - 205MPa

2.1.1.2 Phụ gia khoáng hoạt tính

Có thể khẳng định phụ gia khoáng hoạt tính (PGKHT) là không thể thiếu được trong bê tông tính năng cao

Vai trò chính của PGKHT là bổ sung hạt mịn cho bê tông nhằm tăng tính dính kết giữa các hạt rắn, làm giảm nguy cơ tách nước trong bê tông, cải thiện đồng nhất trong bê tông Những ưu điểm này rất có lợi cho bê tông bơm Nhiều trường hợp phải sử dụng PGKHT siêu mịn mới có thể đạt được các yêu cầu kỹ thuật Khái niệm về kích thước hạt nào được coi là siêu mịn cũng còn nhiều khác nhau Nhờ có cấu trúc đặc chắc của bê tông có PGKHT mà cải thiện đáng kể mọi tính chất bê tông, nhất là tính chống xâm thực Trong bê tông cường độ cao dùng PGKHT sẽ tăng khối lượng CKD, tức làm giảm đáng

kể tỷ lệ N/CKD và sẽ làm tăng độ nhớt của bê tông, phần nào ảnh hưởng đến tính thi công bê tông

Phản ứng của thành phần Ca(OH)2 trong xi măng vừa tạo khoáng có cường độ, vừa tăng độ đặc chắc cho bê tông Cải thiện vùng tiếp xúc giữa hồ

xi măng và cốt liệu, tăng cường độ và độ bền lâu cho bê tông Ngoài ra, PGKHT còn có tác dụng khác như giảm phản ứng kiềm - cốt liệu [9]

Phân loại phụ gia khoáng [16]:

Hiện nay phụ gia khoáng bắt đầu được sử dụng phổ biến ở Việt Nam tuy nhiên chưa có tiêu chuẩn quốc gia cho phụ gia khoáng Vì vậy cho đến nay vẫn sử dụng tiêu chuẩn Mỹ ASTM C618 theo đó phụ gia khoáng được phân làm 3 loại như sau:

Loại F: Chủ yếu là tro bay nhiệt điện

Loại N: Chủ yếu là phụ gia khoáng thiên nhiên có xử lý nhiệt hay không qua xử lý nhiệt

Loại C: Chủ yếu là tro bay chứa một hàm lượng lớn CaO (tro bay đốt than nâu) Dưới đây là một số chỉ tiêu cơ bản đối với phụ gia khoáng theo ASTM C618

Bảng 2.2 Phân loại phụ gia khoáng và các yêu cầu kỹ thuật cơ bản của phụ

gia bê tông theo ASTM C618

N F C

Tổng hàm lượng SiO2, Al2O3, Fe2O3, tối thiểu, (% ) 70 70 50

Độ mịn sót sàng 0,045 (sàng ướt), tối đa, (%) 34 34 34

Chỉ số hoạt tính cường độ:

75 75 75 Với xi măng pooclăng, tuổi 7 ngày, tối thiểu, (%)

so với mẫu đối chứng

Với vôi tôi, tuổi 7 ngày, tối thiểu, (KPa) 5500 5500 5500 Với xi măng pooclăng, tuổi 28 ngày, tối thiểu,

Nước yêu cầu, tối đa, (%) so với mẫu đối chứng 115 105 105

Hệ số biến động của khối lượng riêng tối đa so

Hệ số biến động của độ mịn sót sàng 0,045 tối đa

Kết luận: Khi lựa chọn PGKHT để chế tạo HPC cần phải được kiểm tra các đặc tính kỹ thuật để đảm bảo theo ASTM C618

Có nhiều loại PGKHT đã được sử dụng có hiệu quả Sau đây là đặc tính của một số loại có thể áp dụng ở nước ta để chế tạo bê tông tính năng cao

a Tro bay

Tro bay (FA) là sản phẩm sau khi đốt cháy của than nghiền ở các nhà máy nhiệt điện Tro bay là PGKHT loại F hoặc loại C theo tiêu chuẩn ASTM C618-01 Hàm lượng CaO dao động lớn và tác động nhiều đến chất lượng của

tro bay Hầu hết CaO trong tro bay đều ở dạng khoáng tương tự như xi măng, tức cũng có hoạt tính cường độ Hoạt tính puzôlan chính của tro bay là nhờ SiO2 dạng vô định hình Các ôxít SiO2, Al2O3 và Fe2O3 thường từ các khoáng vật smectite, illite, kaolinite… có trong than Phần lớn các hạt là hình cầu Pha thủy tinh được tạo thành trong điều kiện nguội nhanh Độ mịn của tro bay được đánh giá chủ yếu qua sàng 45μm - đây là cỡ hạt có ảnh hưởng lớn tới tính bê tông

Tro bay loại F thường được sản xuất bằng cách thiêu đốt than antraxit hoặc bitum và có đặc tính của puzơlan nhưng ít hoặc không có các đặc tính kết dính Tro bay loại C thường được sản xuất bằng cách đốt cháy than non hoặc than bitum, được cho vào để tăng các đặc tính puzơlan và một số đặc tính kết dính tự sinh

Các đặc tính kỹ thuật của tro bay phải phù hợp với các quy định trong tiêu chuẩn ASTM C618 Các phương pháp lấy mẫu và kiểm tra được trình bày trong tiêu chuẩn ASTM C311 Những biến thiên về đặc tính vật lý hoặc hóa học của các phụ gia khoáng, mặc dù nằm trong phạm vi dung sai về đặc tính kỹ thuật quy định nhưng chúng có thể gây ra sự biến thiên đáng kể cho các đặc tính của bê tông Điều đặc biệt quan trọng là các phụ gia khoáng phải được kiểm tra về chất lượng, tính đồng đều và nghiên cứu cẩn thận các đặc tính tạo ra cường độ và tính tương hợp với các vật liệu khác trong hỗn hợp bê tông trước khi chúng được sử dụng trong thực tế

Yêu cầu thành phần hóa học của 2 loại tro bay được ghi trong bảng 2.3 [16]

Bảng 2.3 Yêu cầu về thành phần hóa học của tro bay loại F và loại C

Thành phần Tro bay loại F Tro bay loại C

Silic đioxit (SiO2) + Nhôm ôxit (Al2O3) + Sắt ôxit

Thành phần Tro bay loại F Tro bay loại C

Ghi chú:

(1) Có thể cho phép giá trị này tới 12%, nếu báo cáo về phẩm chất hoặc

kết quả thí nghiệm chấp nhận được

(2) Chỉ áp dụng khi bê tông dùng cốt liệu có phản ứng kiềm và xi măng có

hàm lượng kiềm đạt tới giới hạn

Trong bê tông, lượng tro bay thêm vào bao giờ cũng bằng hoặc lớn hơn

lượng xi măng bớt đi, do đó thể tích tuyệt đối của chất kết dính (tro bay và xi

măng) thường lớn hơn vì tro bay có khối lượng riêng nhỏ hơn xi măng Chính

vì vậy mà tính dẻo và đặc biệt là tính dính kết được cải thiện Như vậy tro bay

còn có tác dụng như là phụ gia giảm nước cấp thấp Mức độ tổn thất độ sụt

của bê tông có tro bay thường nhỏ hơn, điều này rất phù hợp với điều kiện thi

công ở nhiệt độ cao Qua nhiều báo cáo cho thấy lượng sử dụng tro bay thay

thế xi măng từ 15 đến 40% Ngoài tác dụng của dạng hình cầu, FA còn có tác

dụng hút điện tích trái dấu của các hạt xi măng, tránh được hiện tượng kết

bông mất tính dẻo của hồ xi măng

Ở Việt Nam, mỗi năm thải ra hàng nghìn tấn tro bay và xỉ từ các nhà

máy nhiệt điện: Phả Lại, Na Dương…, trong đó khoảng 76% là tro, còn lại là

xỉ Nhiên liệu chủ yếu là than anthracit từ các mỏ than ở Quảng Ninh Hàm

lượng các ôxít chính như sau:

Với thành phần hóa học như trên thì tro bay ở các nhà máy nhiệt điện Việt Nam thuộc loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618 Lượng mất khi nung từ

25 đến 28% ở dây chuyền 1 và 12 đến 15% ở dây chuyền 2 của nhà máy nhiệt điện Phả Lại Hàm lượng CaO rất thấp, vì vậy hoạt tính cường độ không cao

so với tro bay cùng loại F của nước ngoài Tóm lại FA ở Việt Nam dù có được thì chất lượng cũng không cao, chủ yếu do nguồn than và công nghệ đốt không cho FA có nhiều CaO

b Silica fume

Silica fume (SF) là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất Ferrosilic hoặc silic kim loại Một phần silica fume có thể thay thế được từ 3 đến 4 phần xi măng mà không ảnh hưởng tới cường độ bê tông Chỉ số hoạt tính cường độ với xi măng của SF từ 1,1 đến 1,2 Bởi diện tích bề mặt hạt SF thường lớn, làm lượng nước trộn bê tông tăng nhiều, vì vậy nó thường được dùng kết hợp với phụ gia dẻo Nếu không có phụ gia siêu dẻo thì SF gần như mất tác dụng trong bê tông SF hầu hết ở pha thủy tinh có dạng hình cầu với

bề mặt nhẵn trơn Bề mặt riêng của SF từ 13.000 đến 30.000m2/kg (của xi măng là 300 - 400m2/kg) Tương ứng với nó là kích thước cỡ hạt phổ biến từ 0,05 đến 0,1μm

Trong bê tông thường có vùng chuyển tiếp giữa hồ xi măng và cốt liệu

có chiều dày khoảng 20 đến 50μm, là nơi có cường độ yếu nhất do lắng đọng của nước và hydroxit canxi tách ra SF với vai trò là chất siêu mịn tạo ra một trường vật chất rắn liên tục trong bê tông, có tính puzzolanic cao làm cho cấu trúc bê tông tốt hơn SF còn làm tăng tốc độ thủy hóa của xi măng ở tuổi sớm

SF còn có tiềm năng kết hợp với kiềm trong hệ thống lỗ rỗng, ngăn cản khả năng gây ra phản ứng kiềm - cốt liệu

Tốc độ tổn thất độ sụt của bê tông chứa SF nhanh hơn, vì vậy cần phối hợp với phụ gia chống tổn thất sụt Co ngót dẻo của bê tông có SF tăng, vì vậy cần chú ý bảo dưỡng ẩm nhất trong giai đoạn đầu của bê tông Bê tông chứa SF, lỗ rỗng sẽ được phân tán tốt hơn làm kích thước của nó nhỏ hơn và không liên tục Chính vì vậy mà tính thấm nước giảm và khả năng chống xâm thực tăng

Với nhiều ưu điểm nổi trội, có thể nói SF là nguyên liệu lý tưởng để chế tạo bê tông tính năng cao Tuy giá còn khá cao, nhưng ở Việt Nam silica fume cũng có sẵn trên thị trường

c Tro trấu nghiền mịn

Tro trấu có được từ sản phẩm của đốt trấu trong môi trường ôxy hóa ở nhiệt độ 6000C Khi đốt trấu, các thành phần hữu cơ cháy và bốc hơi để lại silic có cấu trúc mạng xốp Vì vậy tro trấu có diện tích bề mặt riêng rất lớn Đặc điểm này khác với các PGKHT loại khác FA, SF… với cấu trúc đặc chắc Chỉ số hoạt tính cường độ xi măng của tro trấu có cỡ hạt 45μm, tương ứng với bề mặt riêng 7.960cm2/g là 0,95 - 1,1 Lượng dùng nước trong bê tông có tro trấu cũng tăng và gần tương đương với SF Tính giữ nước trong bê tông có tro trấu tốt hơn SF, do cấu trúc dạng xốp và dạng khung Sản lượng lúa ở nước ta lớn nên lượng trấu cũng khá cao Tuy nhiên việc thu gom trấu còn khó khăn, mặt khác nghiền mịn tro trấu tới cỡ hạt nhỏ hơn 45μm cũng không phải đơn giản Vì vậy cũng còn có khó khăn trong quá trình tận dụng nguồn nguyên liệu quý này

d Mêta caolanh

Mêta caolanh (MC) là sản phẩm PGKHT của Viện Vật liệu xây dựng,

MC được chế tạo thành từ khoáng caolinit ở nhiệt độ từ 700 đến 8000C và nghiền mịn để có kích thước hạt nhỏ hơn 45μm Hoạt tính puzôlanic của MC

chủ yếu nhờ oxit Al2O3 và SiO2 hoạt tính Tổng 2 oxit chính này từ 90 đến 95% Chỉ số hoạt tính cường độ xi măng từ 0,92 đến 1,1 Hoạt tính cường độ với vôi tôi tới 10MPa Ở nước ta có sẵn nguồn nguyên liệu cao lanh, công nghệ sản xuất đơn giản, dễ nghiền nên có khả năng sản xuất với khối lượng lớn phục vụ cho việc chế tạo bê tông và vữa tính năng cao Cũng tương tự như

SF, bê tông chứa mêta caolanh cần lượng nước trộn lớn Vì vậy cần phải kết hợp với phụ gia siêu dẻo mới có khả năng cao hiệu quả sử dụng

Nguồn phụ gia khoáng hoạt tính ở nước có nhiều, nhưng chất lượng không cao, chủ yếu do kích thước hạt chưa đủ nhỏ tới mức siêu mịn Bằng nhiều thực nghiệm đã chứng minh rằng có chỉ cho phép chế tạo có cường độ tới 80MPa

Đúc kết từ các tài liệu nghiên cứu có nhận xét sau: Muốn ổn định cường độ nên bê tông lỏng ở mức lớn hơn 80MPa, cần sử dụng PGKHT có chất lượng cao hơn như SF, silica colloid…

e Muội silic

Muội silic và hỗn hợp chứa muội ôxit silic được sử dụng trong bê tông mác cao dùng xi măng PC40 trở lên nhằm tăng khả năng chịu lực, kết cấu chịu mài mòn, giảm độ thấm nước Muội ôxit silic là sản phẩm phụ lấy ra từ quá trình tái sản xuất thạch anh với than đá trong lò hồ quang điện trong ngành công nghiệp sản xuất silicon vô định hình cao và chứa các tinh thể hình cầu rất mịn thu được từ khí thoát ra khỏi lò

Muội silic bao gồm các hạt thủy tinh rất mịn với một diện tích bề mặt lên tới 20.000m2/kg khi được đo bằng kỹ thuật hấp thụ nitơ Sự phân bố về mặt kích thước hạt của một loại khói ôxít silic điển hình cho thấy hầu hết các hạt đều nhỏ hơn 1µm, đường kính trung bình khoảng 0,1µm nhỏ hơn kích