Nghiên cứu chế tạo Bê tông chất lượng siêu cao sử dụng phụ gia khoáng và chất liệu sẵn có ỏ VN

GIỚI THIỆU Trong vài thập kỷ qua đã có sự tiến bộ vượt bậc trong khoa học và công nghệ bê tông, một trong những bước ngoặt đó là sự nghiên cứu và phát triển loại bê tông chất lượng siêu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

NGUYỄN CÔNG THẮNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO

SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG VÀ VẬT LIỆU SẴN CÓ Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - NĂM 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Nguyễn Công Thắng

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO

SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG VÀ VẬT LIỆU SẴN CÓ Ở VIỆT NAM

CHUYÊN NGÀNH: VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU XD

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU I LỜI CAM ĐOAN I DANH MỤC CÁC BẢNG VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ IX

MỞ ĐẦU 1

1 GIỚI THIỆU 1

2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 2

3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 4

4 PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN 5

6 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO 7

1.1 GIỚI THIỆU VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO 7

1.1.1 Khái niệm về bê tông chất lượng siêu cao 7

1.1.2 Vật liệu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao 10

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG BTCLSC TRÊN THẾ GIỚI 13

1.2.1 Tình hình nghiên cứu bê tông chất lượng siêu cao trên thế giới 13

1.2.2 Tình hình sử dụng bê tông chất lượng siêu cao trên thế giới 17

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG BTCLSC Ở VIỆT NAM 20

1.3.1 Tình hình nghiên cứu về bê tông chất lượng siêu cao ở Việt Nam 20

1.3.2 Tình hình sử dụng bê tông chất lượng siêu cao ở Việt Nam 21

1.4 BTCLSC TRONG XÂY DỰNG PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG 21

1.5 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 25

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC TRONG VIỆC CHẾ TẠO BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO 27

2.1 GIỚI THIỆU 27

2.2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC SỬ DỤNG PGK SF và GBFS TRONG BTCLSC 31

2.2.1 Vai trò của phụ gia khoáng trong BTCLSC 31

2.2.2 Ảnh hưởng của sự kết hợp giữa SF và GBFS trong BTCLSC 35

2.3 VAI TRÕ CỦA CỐT SỢI TRONG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO 40

2.3.1 Vai trò của sợi trong việc nâng cao tính chất cơ học trong BTCLSC 40

2.3.2 Vai trò của sợi trong việc hạn chế nứt trong BTCLSC 43

CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47

3.1 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 47

3.1.1 Cốt liệu mịn 47

3.1.2 Xi măng 47

3.1.3 Phụ gia khoáng 48

3.1.4 Cốt sợi thép phân tán 50

3.1.5 Phụ gia siêu dẻo 50

3.1.6 Nước 51

3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 51

3.2.1 Các phương pháp nghiên cứu tiêu chuẩn 51

3.2.2 Các phương pháp nghiên cứu phi tiêu chuẩn 54

3.3 QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO VÀ BẢO DƯỠNG 58

3.3.1 Quá trình trộn và đúc mẫu 58

3.3.2 Quá trình bảo dưỡng 58

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHẤT KẾT DÍNH SỬ DỤNG HỖN HỢP PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME VÀ XỈ LÕ CAO HẠT HÓA 60

4.1 ẢNH HƯỞNG CỦA PGK ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA CKD 60

4.1.1 Ảnh hưởng của GBFS đến lượng Ntc và thời gian đông kết của CKD 60

4.1.2 Điểm bão hòa phụ gia siêu dẻo của hồ CKD 61

4.1.3 Ảnh hưởng của PGK ở tỷ lệ N/CKD khác nhau đến độ nhớt của hồ CKD 62

4.2 ẢNH HƯỞNG CỦA PGK ĐẾN QUÁ TRÌNH THỦY HÓA CỦA XI MĂNG 68 4.2.1 Mức độ thủy hóa của xi măng sử dụng PGK 68

4.2.2 Ảnh hưởng của PGK đến hàm lượng Ca(OH)2 trong đá xi măng 74

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO 78 5.1 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN HẠT TRONG BTCLSC 78

5.1.1 Mô hình lèn chặt dạng nén - Mô hình De Larrard 79

5.1.2 Tính toán độ lèn chặt của hỗn hợp hạt theo mô hình của De Larrard 81

5.2 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO 84

5.2.1 Tính toán thành phần bê tông chất lượng siêu cao 84

5.2.2 Cấp phối sơ bộ sử dụng trong nghiên cứu 85

5.2.3 Kết quả thí nghiệm sơ bộ bê tông chất lượng siêu cao 86

5.2.4 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm 90

CHƯƠNG 6 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO 99

6.1 CẤP PHỐI BÊ TÔNG SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 99

6.2 QUÁ TRÌNH THỦY HÓA VÀ VI CẤU TRÖC CỦA BTCLSC 99

6.2.1 Ảnh hưởng của GBFS đến hàm lượng Ca(OH)2 trong BTCLSC 99

6.2.2 Sự phân bố lỗ rỗng trong BTCLSC 101

6.3 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG VÀ BTCLSC 102

6.3.1 Tính công tác của hỗn hợp bê tông 102

6.3.2 Cường độ nén của BTCLSC 103

6.3.3 Cường độ uốn và độ bền dẻo dai của BTCLSC 108

6.3.4 Mô đun đàn hồi của BTCLSC 112

6.3.5 Cường độ ép chẻ và cường độ kéo khi bửa của BTCLSC 113

6.3.6 Biến dạng co ngót trong BTCLSC 114

6.4 MỘT SỐ CHỈ TIÊU VỀ ĐỘ BỀN LÂU CỦA BTCLSC 121

6.4.1 Mức độ thấm ion clo của BTCLSC 121

6.4.2 Xác định khả năng ăn mòn cốt thép 122

6.5 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO BTCLSC 124

6.6 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM KẾT CẤU TẤM 125

6.6.1 Các thông số đầu vào 125

6.6.2 Kết quả thí nghiệm 126

6.6.3 Đánh giá kết quả thí nghiệm tấm BTCLSC 127

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 133

TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 PHỤ LỤC PL1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 ACI Viện bê tông Mỹ (American Concrete Institute)

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

Society for Testing and Materials)

3 AFGC-SETRA Hiệp hội xây dựng Pháp (Association Française de

Génie Civil - Service d'études techniques des routes et autoroutes)

4 BTCLSC Bê tông chất lƣợng siêu cao

14 Ca(OH)2 - (CH) Canxi hyđrôxit

15 C/CL Tỷ lệ cát trên cốt liệu theo khối lƣợng

16 C/CKD Tỷ lệ cát trên chất kết dính theo khối lƣợng

21 CPM Mô hình lèn chặt dạng nén (Compressive Packing

Model)

22 CRC Hợp chất composit dạng nén (Compact Reinforced

Composites)

26 DSP Hệ bê tông dạng nén sử dụng các hạt mịn (Densified

with Small Particles)

32 GBFS/CKD Tỷ lệ xỉ trên chất kết dính, theo khối lượng

34 HPC Bê tông chất lượng cao (High Performance Concrete)

36 MDF Hệ bê tông không chứa khuyết tật lớn (Macro-Defect

Free)

39 MSFRC Bê tông cốt sợi thép đa tỷ lệ (Multi-scale fiber

reinforced concrete)

42 N/CKD Tỷ lệ nước trên chất kết dính theo khối lượng

43 N/XM Tỷ lệ nước trên xi măng theo khối lượng

44 N/GBFS Tỷ lệ nước trên xỉ theo khối lượng

45 ITZ Vùng chuyển tiếp/tiếp xúc giữa đá xi măng với cốt liệu

(Interfacial Transition Zone)

52 RPC Bê tông bột hoạt tính (Reactive Powder Concrete)

53 SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy)

54 SF Silica fume

55 SF/CKD Tỷ lệ silica fume trên chất kết dính, theo khối lượng

57 UHPC Bê tông chất lượng siêu cao (Ultra High Performance

Concrete)

60 Wn Lượng nước liên kết hóa học (Non-evaporable water)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh một số tính chất của BTCLSC với BTT và BTCLC [47, 53] 7

Bảng 1.2 Tổng năng lượng và vật liệu cho cột bê tông cốt thép theo cấp cường độ nén của bê tông (NED = 40 MN, l = 3.50m) [88] 24

Bảng 3.1 Tính chất cơ lý của cát sử dụng trong nghiên cứu 47

Bảng 3.2 Tính chất cơ lý của xi măng sử dụng trong nghiên cứu 48

Bảng 3.3 Tính chất và thành phần hạt của SF sử dụng trong nghiên cứu 48

Bảng 3.4 Các tính chất của GBFS sử dụng trong nghiên cứu 49

Bảng 3.5 Thành phần hóa của xi măng và phụ gia khoáng hoạt tính 49

Bảng 3.6 Các tính chất kỹ thuật của sợi thép sử dụng trong nghiên cứu 50

Bảng 4.1 Tỷ lệ thành phần vật liệu thí nghiệm hồ CKD 63

Bảng 5.1 Hệ số nén K ứng với PGK và mô hình khác nhau [66] 81

Bảng 5.2 Tỷ lệ thành phần cấp phối bê tông 85

Bảng 5.3 Giá trị mã hoá và giá trị thực nghiệm của các nhân tố 91

Bảng 5.4 Ma trận quy hoạch thực nghiệm 91

Bảng 5.5 Các cấp phối thí nghiệm và kết quả nghiên cứu 92

Bảng 5.6 Tỷ lệ thành phần vật liệu tối ưu tính toán theo lý thuyết và thực nghiệm 96

Bảng 6.1 Tỷ lệ thành phần vật liệu sử dụng trong nghiên cứu 99

Bảng 6.2 Kết quả đo độ thấm ion clo và mác bê tông tương ứng 121

Bảng 6.3 Cấp phối bê tông đối chứng 122

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

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

thép với cùng tải trọng [108] 9

Hình 1.2 So sánh chi phí tổng thể khi sử dụng BTT và BTCLSC [50] 9

Hình 1.3 Cầu đi bộ BTCLSC ở Sherbrooke, Quebec, Canada năm 1997 [83] 18

Hình 1.4 Hệ thống dầm tháp làm mát nhà máy điện hạt nhân Cattenom [90, 105] 18 Hình 1.5 Cầu bắc qua sông Perak, Perak, Malaysia 19

Hình 1.6 Chiều cao dầm bê tông BTCLSC và BTT [105] 19

Hình 1.7 Các yếu tố của sự phát triển bền vững [98] 22

Hình 1.8 Sự phát triển bền vững trong công nghệ bê tông theo Mehta [73] 22

Hình 1.9 BTCLSC hướng tới xây dựng bền vững [109] 23

Hình 1.10 Mặt cắt của cột và cường độ chịu nén của bê tông cốt thép theo cấp cường độ bê tông [88] 24

Hình 2.1 Mô tả tải trọng truyền qua a) BTT và b) BT CLSC [58] 27

Hình 2.2 Vai trò của hạt siêu mịn đến việc cải thiện cấu trúc của BTCLSC [101] 29 Hình 2.3 Sự thay đổi kích thước lỗ rỗng ở điều kiện dưỡng hộ nhiệt khác nhau 30

Hình 2.4 Mức độ phản ứng puzơlanic ở điều kiện dưỡng hộ khác nhau [38] 30

Hình 2.5 Sự phát triển cấu trúc và hình thành các sản phẩm thủy hóa của xi măng theo thời gian [64] 31

Hình 2.6 Sự hình thành các sản phẩm thủy hóa của hạt xi măng theo thời gian 32

Hình 2.7 Mô hình độ lèn chặt có thể khi phối hợp hai loại cốt liệu mịn và thô 33

Hình 2.8 Kết quả đo độ đặc của hỗn hợp cốt liệu theo nghiên cứu của Mc Geary (r1/r2 là tỷ lệ kích thước hạt mịn/kích thước hạt thô) [60] 34

Hình 2.9 Vai trò của PGK với hiệu ứng hóa học và hiệu ứng điền đầy trong BT 34

Hình 2.10 Ảnh chụp SEM của SF 35

Hình 2.11 Đặc tính cường độ uốn của BTT, BTCS và BTCLSC [78] 40

Hình 2.12 Ứng xử cơ học của bê tông cốt sợi khi chịu kéo [85, 104] 41

Hình 2.13 Sự tương tác giữa sợi và cốt liệu [104] 42

Hình 2.14 Sự truyền tải trọng của sợi qua vết nứt trong BTCLSC [57] 43

Hình 2.15 Mô hình hóa về quá trình hình thành vết nứt: a) giai đoạn đầu; b)

xuất hiện vi vết nứt; c) xuất hiện vết nứt đầu tiên; d, e,f) các vết nứt tiếp

tục hình thành và phát triển (mở rộng) [29, 72] 44

Hình 2.16 Sự hình thành vết nứt dưới tải trọng uốn: a) một sợi đơn bắc cầu qua vết nứt; b) một nhóm sợi phân bố tự nhiên và truyền tải trọng qua vết nứt 45

Hình 3.1 Sự phân bố cỡ hạt GBFS qua phân tích SEM 49

Hình 3.2 Thành phần hạt của các vật liệu sử dụng trong nghiên cứu 50

Hình 3.3 Sợi thép Dramix OL 13/0,2 sử dụng trong nghiên cứu 50

Hình 3.4 Sơ đồ và thiết bị thí nghiệm côn Marsh đo độ nhớt 52

Hình 3.5 Hệ thống thí nghiệm độ co nội sinh của BTCLSC trong nghiên cứu 53

Hình 3.6 Mẫu BTCLSC thí nghiệm co ngót hạn chế RING TEST 53

Hình 3.7 Mô hình thiết bị đo độ nhớt của hồ xi măng với nhớt kế kiểu rung

V-10 (Vibro viscometer) 55

Hình 3.8 Thí nghiệm phân tích DTA/TG 56

Hình 3.9 Đường cong TG/DTG điển hình đối với mẫu đá XM trong nghiên cứu 57

Hình 3.10 Phương pháp hình học được sử dụng để xác định hàm lượng CH từ đường cong mất khối lượng trong phân tích nhiệt [115, 27] 57

Hình 3.11 Quy trình trộn hỗn hợp BTCLSC sử dụng trong nghiên cứu 58

Hình 3.12 Quá trình dưỡng hộ mẫu bê tông 59

Hình 4.1 Ảnh hưởng của GBFS đến lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết của hồ CKD (gồm xi măng, GBFS, và nước) 61

Hình 4.2 Điểm bão hòa PGSD của hồ sử dụng 30% GBFS và N/CKD=0,18 61

Hình 4.3 Ảnh hưởng của hàm lượng PGK và tỷ lệ N/CKD đến điểm bão hòa PGSD của hồ CKD 62

Hình 4.4 Ảnh hưởng của hỗn hợp PGK GBFS và SF đến độ nhớt và thời gian chảy của hồ CKD 64

Hình 4.5 Ảnh hưởng của hỗn hợp PGK GBFS và SF đến độ nhớt và thời gian chảy của hồ CKD 65

Hình 4.6 Ảnh hưởng của kích thước hạt GBFS đến độ nhớt và thời gian chảy của hồ CKD 66

Hình 4.7 Sự phân bố của các loại nước trong đá xi măng trong quan hệ với RH 68

Hình 4.8 Ảnh hưởng của hàm lượng SF đến Wn của hồ CKDkhi N/CKD=0,16 69

Hình 4.9 Ảnh hưởng của hàm lượng SF đến Wn của hồ CKD khi N/CKD=0,25 69

Hình 4.10 Ảnh hưởng của hàm lượng GBFS đến Wn khi N/CKD=0,16 70

Hình 4.11 Ảnh hưởng của hàm lượng GBFS đến Wn khi N/CKD=0,25 70

Hình 4.12 Ảnh hưởng của hàm lượng GBFS đến Wn (N/CKD=0,16, SF=10%) 70

Hình 4.13 Ảnh hưởng của hàm lượng GBFS đến Wn (N/CKD=0,25, SF=10%) 70

Hình 4.14 Ảnh hưởng của hàm lượng GBFS đến Wn khi mẫu được bảo dưỡng ở điều kiện tiêu chuẩn, SF=10% 71

Hình 4.15 Ảnh hưởng của hàm lượng GBFS đến Wn khi mẫu được bảo dưỡng ở điều kiện nhiệt ẩm, SF=10% 71

Hình 4.16 Ảnh hưởng của kích thước hạt GBFS đến Wn 72

Hình 4.17 Đường cong TG-DSC với mẫu ĐC ở tuổi 3 ngày (27oC) 75

Hình 4.18 Đường mất trọng lượng của đá xi măng 75

Hình 4.19 Ảnh hưởng của hàm lượng GBFS đến hàm lượng Ca(OH)2 ở điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn 75

Hình 4.20 Ảnh hưởng của hàm lượng GBFS đến hàm lượng Ca(OH)2 ở điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm 76

Hình 5.1 Ảnh hưởng của một số hiệu ứng trong hỗn hợp hạt [40] 80

Hình 5.2 Độ lèn chặt của hỗn hợp hạt gồm: Cát - CKD (CKD = XM + SF) 82

Hình 5.3 Độ lèn chặt của hỗn hợp hạt gồm: Cát - Xi măng - GBFS 82

Hình 5.4 Độ lèn chặt của hỗn hợp hạt gồm: Cát - CKD 83

Hình 5.5 Bề mặt không gian và đường đồng mức về độ lèn chặt của hỗn hợp hạt 83

Hình 5.6 Ảnh hưởng của SF và GBFS đến độ chảy của hỗn hợp BTCLSC 86

Hình 5.7 Ảnh hưởng của SF+GBFS đến tính công tác của hỗn hợp BTCLSC 87

Hình 5.8 Ảnh hưởng giữa tỷ lệ C/CKD đến độ chảy của hỗn hợp BTCLSC 87

Hình 5.9 Ảnh hưởng của hàm lượng SF đến cường độ nén BTCLSC 88

Hình 5.10 Ảnh hưởng của hàm lượng GBFS đến cường độ nén BTCLSC 88

Hình 5.11 Ảnh hưởng của tỷ lệ C/CKD đến cường độ nén của BTCLSC 89

Hình 5.12 Bề mặt không gian thể hiện mối quan hệ giữa X1 và X2 đến cường độ nén của BTCLSC, (tại X3=0) 93

Hình 5.13 Bề mặt không gian thể hiện mối quan hệ giữa X1 và X3 đến cường độ

nén của BTCLSC, (tại X2=0) 94

Hình 5.14 Bề mặt không gian thể hiện mối quan hệ giữa X2 và X3 đến cường độ nén của BTCLSC, (tại X1=0) 94

Hình 5.15 Đường đồng mức thể hiện mối quan hệ giữa X2 và X3 đến cường độ nén của BTCLSC, (tại X1=0) 95

Hình 6.1 Ảnh hưởng của hỗn hợp PGK GBFS và SF đến hàm lượng Ca(OH)2 trong BTCLSC ở điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn 100

Hình 6.2 Ảnh hưởng của hỗn hợp PGK GBFS và SF đến hàm lượng Ca(OH)2 trong BTCLSC ở điều kiện bảo dưỡng nhiệt ẩm 100

Hình 6.3 Sự phân bố cấu trúc rỗng của BTCLSC ở tuổi 07 ngày 101

Hình 6.4 Sự phân bố cấu trúc rỗng của BTCLSC ở tuổi 28 ngày 101

Hình 6.5 Tính công tác của hỗn hợp BTCLSC 103

Hình 6.6 Ảnh hưởng của hàm lượng GBFS đến cường độ nén 3-120 ngày của BTCLSC ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn (27±2ºC, RH ≥ 95%) 104

Hình 6.7 Ảnh hưởng của hàm lượng GBFS đến cường độ nén 3-120 ngày của BTCLSC ở điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm (90±5ºC, RH ≥ 95%) 104

Hình 6.8 Ảnh hưởng của PGK đến cường độ nén 3-120 ngày của BTCLSC ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn (27±2ºC, RH ≥ 95%) 105

Hình 6.9 Ảnh hưởng của PGK đến cường độ nén 3-120 ngày của BTCLSC ở điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm (90±5ºC, RH ≥ 95%) 105

Hình 6.10 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ nén 3-120 ngày của BTCLSC ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn (t = 27±2ºC, RH≥95%) 108

Hình 6.11 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ nén 3-120 ngày của BTCLSC ở điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm (90±5ºC, RH≥95%) 108

Hình 6.12 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ uốn 7 và 28 ngày của BTCLSC ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn (27±2ºC, RH≥95%) 109

Hình 6.13 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ uốn 7 và 28 ngày của BTCLSC ở điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm (90±5ºC, RH≥ 95%) 109

Hình 6.14 Thí nghiệm uốn và độ bền dẻo dai của BTCLSC 110

Hình 6.15 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến độ bền dẻo dai của BTCLSC ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn (27 ± 2ºC, RH≥95%) 110

Hình 6.16 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến độ bền dẻo dai của BTCLSC ở

điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm (90±5ºC, độ ẩm ≥95%) 111

Hình 6.17 Thí nghiệm mô đun đàn hồi của BTCLSC 112

Hình 6.18 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến E của BTCLSC 112

Hình 6.19 Thí nghiệm ép chẻ của BTCSCLSC 113

Hình 6.20 Ảnh hưởng của sợi thép đến cường độ ép chẻ của BTCLSC 114

Hình 6.21 Ảnh hưởng của hàm lượng GBFS và điều kiện dưỡng hộ đến độ co nội sinh của BTCLSC 115

Hình 6.22 Ảnh hưởng của PGK SF và GBFS đến độ co nội sinh của BTCLSC ở điều kiện dưỡng hộ khác nhau 116

Hình 6.23 Độ co của mẫu BTCLSC với hàm lượng sợi thép phân tán khác nhau 117 Hình 6.24 Biểu đồ biến dạng của vành thép trong thí nghiệm RING TEST 118

Hình 6.25 Nứt do biến dạng co ngót của mẫu BTCLSC 119

Hình 6.26 Áp lực của bê tông tác dụng lên vòng thép 119

Hình 6.27 Ứng suất của vòng thép trong thí nghiệm co ngót hạn chế 119

Hình 6.28 Ứng suất lớn nhất của vòng thép khi mẫu bê tông bắt đầu nứt tương ứng với hàm lượng sợi thép sử dụng khác nhau 120

Hình 6.29 Mối quan hệ giữa mác bê tông và độ thấm ion clo 122

Hình 6.30 Cấu tạo và sơ đồ thí nghiệm mẫu theo phương pháp gia tốc 123

Hình 6.31 Sự phát triển gỉ cốt thép trong BTCLSC so với mẫu đối chứng 123

Hình 6.32 Mẫu thí nghiệm 123

Hình 6.33 Máy đo thấm ion clo 123

Hình 6.34 Sơ đồ công nghệ chế tạo BTCLSC 124

Hình 6.35 Mô hình tính toán và lưới chia phần tử hữu hạn 125

Hình 6.36 Thí nghiệm kết cấu tấm BTCLSC 126

Hình 6.37 Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của tấm khi P=13kN 127

Ghi chú: Trong luận án số thập phân trong hình vẽ dùng dấu chấm thay cho dấu phảy

MỞ ĐẦU

1 GIỚI THIỆU

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

chất lượng siêu cao - BTCLSC (Ultra High Performance Concrete), một thế hệ bê

tông mới với những đặc tính vượt trội: độ chảy cao, cường độ nén rất cao (thường lớn hơn 150 MPa), cường độ uốn lớn (khoảng 15-45MPa khi sử dụng cốt sợi), độ rỗng rất thấp và độ bền lâu rất cao [20, 34, 65, 68, 78, 80] Điều này đã tạo cho BTCLSC trở thành một trong những loại vật liệu tiềm năng đối với xây dựng phát triển bền vững và hiệu quả cao về kinh tế trong các ứng dụng đặc thù như kết cấu

vỏ mỏng, nhà siêu cao tầng, cầu nhịp lớn, kết cấu bền vững với môi trường biển, xây dựng bể chứa phế thải hạt nhân

Xét về khía cạnh vật liệu chế tạo, loại bê tông này được chế tạo từ hỗn hợp bao gồm: cát quắc (kích thước 100-600µm), xi măng, silica fume, nước và phụ gia siêu dẻo Trong đó, lượng xi măng khoảng 900-1000 kg/m3

[80], đây là nhược điểm lớn nhất của loại bê tông này, sẽ làm tăng giá thành ban đầu của sản phẩm, ảnh hưởng đến một số tính chất kỹ thuật và môi trường [109] Để khắc phục, việc nghiên cứu

sử dụng các loại phụ gia khoáng (PGK) thay thế một phần xi măng trong chế tạo BTCLSC sẽ là hướng đi triển vọng đạt được hiệu quả về các mặt kinh tế, kỹ thuật

cho sản phẩm bê tông, mà còn giảm ô nhiễm môi trường, góp phần vào mục tiêu phát triển xây dựng bền vững.

Hiện nay, BTCLSC đã được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước châu Âu, châu Mỹ,

Úc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Malaysia Trong khi đó ở Việt Nam chưa có công bố chính thức về việc ứng dụng BTCLSC trong thời gian qua Các nghiên cứu ứng dụng loại bê tông cường độ cao/chất lượng cao ở Việt Nam hiện nay chưa đạt được

kỳ vọng về cường độ/chất lượng Do vậy, việc nghiên cứu chế tạo BTCLSC sử dụng vật liệu sẵn có ở Việt Nam là sự đón đầu và là vấn đề cấp thiết Đây chính là hướng đi chính và xuyên suốt trong nghiên cứu của luận án

2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong công trình xây dựng, bê tông là loại vật liệu được sử dụng với khối lượng rất lớn, chiếm trên 60% khối lượng các kết cấu công trình Hiện nay, ở Việt Nam các công trình xây dựng dân dụng thường sử dụng bê tông với cường độ nén là 20 - 40 MPa, nên kích thước kết cấu lớn Một số công trình cao tầng đã sử dụng bê tông chất lượng cao có cường độ nén đến 80MPa (toà tháp Keangnam, tổ hợp chung cư cao tầng Victoria Văn Phú, Lotte ) Bên cạnh đó, cùng với quá trình hội nhập kinh

tế quốc tế, nhu cầu phát triển xây dựng trên thế giới cũng như ở Việt Nam là rất lớn Đặc biệt sự phát triển của các công trình như nhà siêu cao tầng, các kết cấu chịu ăn mòn, mài mòn như giàn khoan, bể xử lý phế thải hạt nhân, các kết cấu vỏ mỏng , đòi hỏi sự phát triển loại vật liệu mới, chẳng hạn BTCLSC Do đó, nghiên cứu chế tạo bê tông có cường độ nén cao (lớn hơn 150 MPa), cường độ uốn cao (lớn hơn 15 MPa) là cần thiết

Mặc dù có nhiều tính chất vượt trội, BTCLSC vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như lượng dùng xi măng rất lớn, độ co ngót cao, lượng dùng phụ gia siêu dẻo (PGSD) và silica fume (SF) lớn Điều này ảnh hưởng rất lớn đến giá thành ban đầu của sản phẩm và tính bền vững trong xây dựng Do đó, việc nghiên cứu sử dụng PGK thay thế một phần xi măng chế tạo BTCLSC để giảm giá thành sản phẩm, tăng

độ bền lâu cho bê tông và tăng tính bền vững trong xây dựng có ý nghĩa vô cùng to lớn Trong số các loại PGK thì xỉ lò cao hạt hóa (GBFS) được đánh giá là vật liệu

có tiềm năng để thay thế một phần xi măng trong BTCLSC [104, 112] đạt hiệu quả

về kỹ thuật, về kinh tế và môi trường Xét về mặt kỹ thuật, GBFS với thành phần khoáng chủ yếu là pha thủy tinh (trên 95%), chứa hàm lượng SiO2 hoạt tính lớn, có khả năng phản ứng với Ca(OH)2 (CH) sinh ra trong quá trình thủy hóa của xi măng,

để tạo thành các sản phẩm C-S-H có cấu trúc đặc chắc và bền vững hơn [113, 112] Bên cạnh đó, GBFS có bề mặt hạt phẳng mịn nên việc sử dụng PGK này sẽ cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông, giảm lượng nước nhào trộn, và từ đó làm tăng cường độ cũng như khả năng chống thấm của bê tông [89] Tuy vậy, một trong những nhược điểm lớn khi sử dụng GBFS với hàm lượng lớn là dễ gây ra hiện tượng tách nước [67] Do đó, GBFS nên sử dụng kết hợp với vật liệu mịn có bề mặt riêng lớn khác, chẳng hạn SF, sẽ khắc phục được nhược điểm này Hơn nữa, việc kết hợp với PGK mịn khác như SF còn có tác dụng cải thiện độ đặc chắc và tăng cường độ của bê tông [107] Xét về mặt kinh tế - môi trường, theo thống kê [4], hàng năm ước tính các nhà máy luyện gang, thép trên cả nước thải ra khoảng 1 triệu tấn, trong đó xỉ lò cao chiếm khoảng 400 ngàn tấn và điều này sẽ ảnh hưởng rất lớn đến môi trường Việc nghiên cứu sử dụng GBFS với vai trò là PGK nhằm chế tạo BTCLSC sẽ góp phần làm giảm giá thành, giảm ô nhiễm môi trường, đồng thời nâng cao tính chất kỹ thuật của BTCLSC là cần thiết

Bên cạnh đó, bê tông thông thường làm việc tốt ở trạng thái nén, khả năng chịu kéo khi uốn và độ bền dẻo dai thấp Để giải quyết vấn đề này người ta đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như: sử dụng lưới thép, căng kéo cốt thép dự ứng lực hay

bố trí các loại cốt thép đặc biệt tại các vị trí cần thiết,… Tuy nhiên, các hướng này hiệu quả chưa cao, đặc biệt là với các công trình như nhà siêu cao tầng, cầu nhịp lớn, các kết cấu vỏ mỏng Một trong những biện pháp đã được áp dụng hiệu quả trên thế giới đó là sử dụng bê tông cốt sợi chất lượng siêu cao nhằm tăng cường độ uốn, tăng chiều dài nhịp, cũng như khả năng kháng nứt cho kết cấu Ở Việt Nam, các nghiên cứu sử dụng sợi thép phân tán trong bê tông thường và bê tông chất lượng cao đã được nghiên cứu nhiều, tuy nhiên việc xác định ảnh hưởng của sợi thép phân tán đến một số tính chất cơ lý của BTCLSC như: cường độ nén, cường độ

uốn, cường độ ép chẻ, mô đun đàn hồi cũng như như vai trò của sợi đến khả năng hạn chế nứt chưa được nghiên cứu

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trên, việc nghiên cứu sử dụng vật liệu và đặc biệt với PGK sẵn có ở Việt Nam, để chế tạo BTCLSC với các tính chất vượt trội như cường

độ nén lớn hơn 150MPa, cường độ uốn lớn hơn 15MPa (khi sử dụng cốt sợi thép phân tán), độ bền lâu lớn là rất cần thiết

3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu sử dụng tổ hợp phụ gia khoáng GBFS và SF để chế tạo BTCLSC có độ lưu động lớn, cường độ nén lớn hơn 150MPa, cường độ uốn lớn hơn 15MPa trên cơ sở vật liệu Việt Nam

4 PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

4.1 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:

 Hỗn hợp bê tông có độ lưu động lớn (được đánh giá thông qua đường kính trung bình của độ chảy loang của hỗn hợp bê tông trong khoảng 200-230 mm)

 Sử dụng tổ hợp PGK GBFS và SF

 Cường độ nén của bê tông ≥ 150 MPa

 Cường độ uốn khi sử dụng cốt sợi thép phân tán ≥ 15MPa

 Điều kiện dưỡng hộ: điều kiện tiêu chuẩn (272oC, độ ẩm  95%) và điều kiện nhiệt ẩm (905oC, độ ẩm  95%)

4.2 Nội dung nghiên cứu

Từ mục tiêu nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu đặt ra, luận án tập trung thực hiện các nội dung nghiên cứu chủ yếu như sau:

 Nghiên cứu tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTCLSC trên thế giới và ở Việt Nam để xây dựng các vấn đề khoa học cần giải quyết

 Khảo sát và nghiên cứu lựa chọn nguyên vật liệu ở Việt Nam để chế tạo BTCLSC

 Nghiên cứu thiết kế tối ưu thành phần hạt cho BTCLSC sử dụng tổ hợp PGK GBFS và SF

 Nghiên cứu thiết kế thành phần BTCLSC sử dụng tổ hợp PGK GBFS và SF

 Nghiên cứu sự tác động tương hỗ giữa GBFS và SF đến độ nhớt và mức độ thủy hóa của hồ CKD và đá xi măng

 Nghiên cứu sự tác động tương hỗ giữa GBFS và SF đến tính công tác, cường

độ nén của BTCLSC, từ đó xác định cấp phối và tỷ lệ hợp lý PGK để chế tạo BTCLSC

 Nghiên cứu các tính chất của BTCLSC như cường độ nén, biến dạng co ngót, thủy hóa và vi cấu trúc với các điều kiện dưỡng hộ khác nhau

 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép phân tán đến các tính chất của BTCLSC như tính công tác, biến dạng co ngót, khả năng chống nứt, cường độ uốn, cường độ nén, độ bền dẻo dai, cường độ ép chẻ, mô đun đàn hồi của BTCLSC

 Nghiên cứu sự làm việc của tấm mỏng sử dụng BTCLSC

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN

Kết quả nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa khoa học về mặt lý thuyết và thực tiễn, cụ thể:

Việc sử dụng kết hợp giữa phụ PGK hoạt tính GBFS, SF với PGSD sẽ giảm lượng nước nhào trộn (N/CKD giảm) Đây là yếu tố quan trọng cải thiện tính công tác, tăng độ đồng nhất của hỗn hợp bê tông và làm tăng độ đặc chắc cho cấu trúc của bê tông, tăng cường độ, độ bền lâu cho bê tông Trên cơ sở đó, luận án đánh giá được vai trò của PGK và tác động tương hỗ giữa các loại PGK này ở tỷ lệ hợp lý trong BTCLSC Điều này, có ý nghĩa rất lớn về mặt lý thuyết và ứng dụng thực tiễn, đặc biệt với hệ bê tông có tỷ lệ N/CKD rất thấp

Nghiên cứu và chứng minh cơ sở khoa học về vai trò của sợi thép phân tán trong việc cải thiện độ bền uốn, kéo của BTCLSC, tăng độ bền dẻo dai và hạn chế nứt do biến dạng co ngót trong BTCLSC

Việc nghiên cứu sử dụng vật liệu sẵn có (phế thải công nghiệp GBFS phối hợp với

SF, PGSD, cốt sợi thép) trong điều kiện chế tạo ở Việt Nam để chế tạo BTCLSC sẽ

góp phần làm giảm giá thành, nâng cao tính chất kỹ thuật cho sản phẩm bê tông, nâng cao ý nghĩa xây dựng bền vững Từ đó sẽ mở rộng thêm khả năng ứng dụng BTCLSC vào thực tế xây dựng ở nước ta

6 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

 Luận án đã nghiên cứu sử dụng chất kết dính gồm xi măng PC40 với tổ hợp PGK GBFS của Việt Nam và SF theo tỷ lệ hợp lý để chế tạo thành công BTCLSC với các tính chất vượt trội như: cường độ nén trên 150 MPa và có thể đạt đến 200MPa khi sử dụng biện pháp dưỡng hộ nhiệt ẩm; cường độ uốn đạt đến15 MPa (khi sử dụng cốt sợi thép phân tán); độ bền dẻo dai gấp 50 lần so với bê tông thường

 Luận án đã khẳng định việc ứng dụng lý thuyết về mô hình dạng nén do tác giả

De Larrard đề xuất có thể sử dụng để tính toán tối ưu thành phần hạt cho BTCLSC, đặc biệt đối với các hạt mịn và siêu mịn (<100 m) Trên cơ sở phân tích thành phần hạt của vật liệu sử dụng, đề tài đã tính toán độ lèn chặt với thành phần hạt hợp lý trong hỗn hợp để thiết lập cơ sở cho thiết kế cấp phối BTCLSC

 Luận án thông qua hàm hồi quy thực nghiệm đã xây dựng được mối quan hệ giữa cường độ nén của BTCLSC với các yếu tố ảnh hưởng như: tỷ lệ N/CKD, hàm lượng GBFS, tỷ lệ Cát/Chất kết dính (C/CKD) Trên cơ sở đó, luận án chứng minh được sự ảnh hưởng tương hỗ giữa PGK GBFS và SF đến các tính chất của hỗn hợp hồ CKD và BTCLSC như: tính công tác, mức độ thủy hóa của

xi măng, biến dạng co ngót và cường độ nén

 Luận án đã xác định được vai trò của sợi thép phân tán đến các tính chất cơ lý của BTCLSC sử dụng tổ hợp tối ưu PGK SF và GBFS như: cường độ nén, độ bền dẻo dai, cường độ ép chẻ, mô đun đàn hồi Đồng thời, luận án đã đánh giá được vai trò của sợi thép phân tán đến khả năng chống nứt do biến dạng co ngót của BTCLSC Trên cơ sở đó đã xây dựng được phương trình thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng sợi thép và ứng suất sinh ra trong bê tông

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO

1.1 GIỚI THIỆU VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO

1.1.1 Khái niệm về bê tông chất lượng siêu cao

BTCLSC là loại bê tông được chế tạo từ hỗn hợp gồm cát quắc, xi măng, SF, nước

và PGSD với tỷ lệ N/CKD rất thấp (thường nhỏ hơn 0,25 tính theo khối lượng) [69, 100]); trong đó lượng dùng chất kết dính tương đối cao, khoảng 900 - 1000 kg/m3; lượng dùng SF thường là 150-250 kg/m3

(10-30% so với khối lượng xi măng) [80] Sản phẩm tạo thành có cường độ nén lớn hơn 150MPa, có thể đạt đến 250 MPa, có cường độ uốn lớn (khi sử dụng cốt sợi phân tán) và độ bền lâu cao [20] Điểm khác biệt về tính chất của BTCLSC so với bê tông thường và bê tông cường độ cao có thể thấy ở Bảng 1.1 [47, 53]

Chiều sâu cacbonat sau 3

năm, (mm) (20o

Hiện nay, có rất nhiều quan điểm khác nhau về khái niệm loại bê tông này, mặc dù

về tính chất kỹ thuật, BTCLSC được các tác giả đề cập đến tương đối thống nhất

Thuật ngữ “Bê tông chất lượng siêu cao”, theo Sadrekarimi [92], đây không phải là

bê tông, bởi vì không có cốt liệu lớn trong hỗn hợp Theo Blais và Couture [83] thì thuật ngữ “bê tông” được sử dụng nhiều hơn và hợp lý hơn khi sử dụng thuật ngữ là

“vữa”, đặc biệt khi sử dụng thêm cốt sợi thì độ bền dẻo dai (flexural toughness) đã được cải thiện rõ rệt Với tính chất kỹ thuật vượt trội và nhìn từ góc độ sử dụng (thay thế bê tông), nên theo tác giả việc dùng thuật ngữ “bê tông” hợp lý hơn

Việt Nam, đến nay chưa có khái niệm cụ thể thống nhất về loại bê tông này Trên cơ

sở các khái niệm và các quan điểm về BTCLSC trên thế giới, tác giả đề xuất sử

dụng khái niệm chung về loại bê tông này: BTCLSC là loại bê tông có độ chảy cao,

cường độ nén rất cao (lớn hơn 150 MPa), với cường độ uốn lớn (đặc biệt khi sử dụng cốt sợi), độ thấm thấp và độ bền lâu cao

+ Ưu điểm của BTCLSC

Với đặc thù cấu trúc hạt nhỏ khá đồng nhất và rất đặc chắc, nên BTCLSC có các tính chất cơ lý vượt trội so với bê tông thường và bê tông chất lượng cao như: cường độ siêu cao (Rn ≥150MPa, Ru ≥15MPa); độ bền dẻo dai cao (gấp 50 lần so với mẫu đối chứng); chống thấm rất tốt; độ bền lâu cao… Điều này, cho phép khi thiết kế cùng một khả năng chịu lực, kết cấu có tiết diện nhỏ hơn, nên lượng dùng vật liệu ít hơn, tải trọng bản thân kết cấu giảm hơn Hiệu quả này của BTCLSC có thể thấy qua sự so sánh với một số loại bê tông và thép thông thường sử dụng để chế tạo dầm dự ứng lực, như minh họa ở Hình 1.1 Vật liệu này dường như là có tiềm năng cạnh tranh với vật liệu thép Các tính chất của BTCLSC có thể được tối

ưu khi sử dụng kết hợp với biện pháp dùng cốt thép ứng suất trước, khi đó sẽ phát huy được tối đa khả năng chịu uốn của BTCLSC Việc sử dụng cốt sợi thép phân tán trong hỗn hợp BTCLSC, trong một số trường hợp, cho phép loại bỏ được những thanh cốt thép chịu uốn và chịu cắt Với các ưu điểm đã được phân tích ở trên, BTCLSC có khả năng ứng dụng có hiệu quả cho các kết cấu trong công trình Đặc biệt có hiệu quả khi sử dụng cho kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọng cao, hay các tác động bất thường của ngoại lực cao như: động đất, thiên tai, khủng bố BTCLSC cũng phát huy hiệu quả tốt, khi sử dụng cho các công trình chịu tác động xâm thực mạnh như: công trình biển, thủy công, hóa chất, hay bể chôn phế thải hạt nhân…

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

+ Nhược điểm của BTCLSC

Theo các phân tích của Semioli [94], nhược điểm lớn nhất của BTCLSC là chi phí đầu tư ban đầu cao Đồng thời BTCLSC còn tương đối mới với ngành công nghiệp xây dựng với các tiêu chuẩn thiết kế, tính toán, tài liệu hướng dẫn sử dụng chưa được thống nhất Do vậy cho đến nay, ứng dụng về loại vật liệu này vẫn còn hạn chế, chủ yếu là các dự án thử nghiệm Việc thiết kế kết cấu sử dụng BTCLSC vẫn chưa được tối ưu và hiệu quả, kết quả là các chi phí ban đầu vẫn cao hơn so với bê

tông thường Các nhà sản xuất hi vọng rằng, khi BTCLSC được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi, trở nên phổ biến hơn trong thực tế, sẽ làm giảm chi phí sử dụng khi tính toán tổng thể có đến vòng đời và tuổi thọ công trình (Hình 1.2) Trong khi BTCLSC có cường độ nén, cường độ uốn và độ bền dẻo dai rất cao, cho phép giảm tối đa kích thước của kết cấu, thì việc thiết kế kết cấu sử dụng BTCLSC vẫn phải đảm bảo các yêu cầu tối thiểu về chiều dày, kích thước của kết cấu để vẫn đảm bảo được các yêu cầu về khả năng chống va đập, độ biến dạng Điều đó sẽ khắc phục được hạn chế về chi phí đầu tư ban đầu của BTCLSC

Bên cạnh đó, một trong những khó khăn khác khi sử dụng BTCLSC là yêu cầu rất cao về chất lượng vật liệu đầu vào, do vậy loại bê tông này phù hợp hơn cho các kết cấu đúc sẵn được sản xuất trong nhà máy hơn là dùng đổ trực tiếp tại công trường

1.1.2 Vật liệu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao

Như đã đề cập ở phần đầu về hỗn hợp BTCLSC thông thường bao gồm cát, xi măng, SF, PGSD và nước Tuy vậy sự khác biệt về vai trò và yêu cầu của các nguyên vật liệu chế tạo này (so với nguyên vật liệu chế tạo bê tông thường) có thể thấy như sau:

- Xi măng: Trong BTCLSC, lượng dùng xi măng rất lớn (khoảng 900-1000

kg/m3), tỷ lệ N/CKD rất thấp vì vậy việc lựa chọn xi măng khi xét đến yếu tố ảnh hưởng tới tính công tác của hỗn hợp bê tông là rất quan trọng Bên cạnh đó, do lượng dùng xi măng lớn, nên quá trình thủy hóa sẽ tỏa lượng nhiệt lớn, gây ra sự chênh lệch ứng suất nhiệt lớn và có thể gây nứt kết cấu bê tông Do vậy, lựa chọn

xi măng có hàm lượng C3A thấp sẽ có hiệu quả giảm lượng cần nước ban đầu và nhiệt thủy hóa, góp phần cải thiện tính công tác cho hỗn hợp bê tông Trong chế tạo BTCLSC, xi măng được lựa chọn cũng rất đa dạng Trên thế giới, xi măng CEM loại I và II trong các nghiên cứu và ứng dụng BTCLSC [79] Ở Việt Nam, các nghiên cứu [5, 8, 10, 14] đều khẳng định rằng xi măng pooclăng PC40 hoàn toàn có thể sử dụng để chế tạo BTCLSC

- Cát: Cát quắc thường được lựa chọn để chế tạo BTCLSC do có cường độ rất cao,

có sự liên kết rất tốt với đá xi măng Kích thước lớn nhất của cốt liệu trong chế tạo BTCLSC nên được giới hạn là 0,6mm để giảm thiểu các khuyết tật lỗ rỗng, các vết nứt cấu trúc của vùng tiếp xúc giữa cốt liệu và vật liệu nền [20, 63] Do kích thước lớn nhất của cốt liệu giảm sẽ làm tăng tỷ diện tích bề mặt của cốt liệu

và lượng hồ xi măng cần thiết để bao bọc các hạt cốt liệu tăng, do vậy lượng xi măng sử dụng trong BTCLSC là rất lớn Hiện nay đã có một số nghiên cứu sử dụng cốt liệu thô với đường kính lớn nhất của cốt liệu đến 8mm để chế tạo BTCLSC [56, 71], tuy nhiên khi đó yêu cầu rất lớn về đặc tính của cốt liệu như hình dạng hạt, có cường độ của cốt liệu

- Phụ gia siêu dẻo: Trong BTCLSC có lượng dùng CKD rất lớn và tỷ lệ N/CKD

rất thấp, mà hỗn hợp BTCLSC đòi hỏi độ chảy cao Do đó, phụ gia siêu dẻo với lượng dùng rất lớn được sử dụng trong chế tạo BTCLSC Tuy vậy, lượng PGSD dùng không nên sử dụng quá lớn do có thể ảnh hưởng đến tính công tác và thời gian đông kết của bê tông Hiện nay, loại PGSD thế hệ mới chẳng hạn loại polycarboxylate Ether đang được sử dụng phổ biến để nâng cao hiệu quả giảm nước đồng thời vẫn đảm bảo được độ chảy của HHBT

- Phụ gia khoáng: Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về PGK sử

dụng trong bê tông, các PGK hoạt tính mịn có thể giúp cải thiện chất lượng của

bê tông nhờ các hiệu ứng vật lý như: nâng cao độ đặc chắc, cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông…, hoặc các hiệu ứng hóa học thông qua các phản ứng puzơlanic giữa PGK và sản phẩm thủy hóa của xi măng Bên cạnh đó, việc sử dụng đồng thời PGK và PGSD có thể giảm tỷ lệ N/CKD xuống rất thấp Kết quả

là tạo ra sản phẩm có cấu trúc đặc chắc cao, độ rỗng rất nhỏ, tính chất cơ lý rất cao Việc thay thế một phần xi măng bằng PGK hoạt tính sẽ đem lại hiệu quả cao

về kinh tế, kỹ thuật và môi trường Thông thường PGK hoạt tính được lựa chọn bao gồm: Silica fume (SF), tro bay (FA), xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (GBFS), tro trấu (RHA), Mêta cao lanh (MK) Ảnh hưởng của PGK đối với các tính chất của bê tông được xét đến như sau:

Silica fume: đây là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất silic hoặc hợp kim

ferosilic được ngưng tụ từ khói thải nên chứa các hạt ôxit silic có kích thước rất nhỏ, cỡ micromet, hàm lượng SiO2 trên 85% SF là các hạt hình cầu có đường kính cỡ hạt từ 0,03-0,3 m, nhỏ hơn đường kính trung bình của hạt xi măng khoảng 100 lần Thực tế thấy rằng, SF là thành phần rất quan trọng trong BTCLC

và BTCLSC Ảnh hưởng có lợi của silica fume đối với các tính chất của BTCLSC được tạo nên bởi ba hiệu ứng chính [19, 93]: điền đầy vào khoảng trống giữa các hạt có kích thước lớn hơn để tăng độ lèn chặt cho hỗn hợp hạt, đóng vai trò của các chất bôi trơn để cải thiện tính công tác cho hỗn hợp vữa và

bê tông và có khả năng tác dụng với Ca(OH)2 để tạo thành các sản phẩm bền S-H Tùy thuộc vào loại xi măng và tỷ lệ N/CKD mà SF thường được sử dụng trong bê tông với hàm lượng từ 10-30% theo khối lượng xi măng với mục đích tăng độ lèn chặt cho hỗn hợp hạt và hạn chế hàm lượng CH trong đá xi măng [41,

C-55, 71, 79, 84]

Tuy nhiên, việc sử dụng SF trong BTCLSC có nhược điểm là hàm lượng sử dụng lớn, giá thành cao và nguồn cung cấp không ổn định và hạn chế, đặc biệt là ở các nước đang phát triển Do vậy, việc nghiên cứu sử dụng kết hợp với PGK khác để thay thế hoặc giảm hàm lượng SF trong BTCLSC là rất cần thiết

Tro bay: Các nghiên cứu cho thấy, có thể sử dụng FA để thay thế một phần xi

măng hoặc SF trong BTCLSC [86, 113] Khi sử dụng FA thì cường độ bê tông ở tuổi ban đầu thấp, cường độ tăng ở tuổi dài ngày Các kết quả cho thấy việc sử dụng FA trong BTCLSC giảm lượng cần nước, tăng tính công tác cho hỗn hợp

bê tông, ở điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm có thể sử dụng đến 30%FA kết hợp với

SF để chế tạo BTCLSC [11] Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất khi sử dụng FA là việc khống chế hàm lượng MKN, kích thước hạt, thành phần hóa, khoáng sẽ ảnh hưởng rất lớn đến tính công tác, lượng nước yêu cầu và cường độ của bê tông

Tro trấu: Đây là sản phẩm của quá trình đốt trấu và sản phẩm thu được là RHA

với hàm lượng SiO2 rất lớn có thể đạt trên 95% và hàm lượng các bon thấp [24, 107] Theo các tác giả [24, 107] RHA hoàn toàn có thể sử dụng để thay thế SF trong BTCLSC không những cải thiện các tính chất cơ lý mà còn giảm rất lớn độ

co nội sinh trong BTCLSC Do RHA có cấu trúc rỗng xốp nên khi sử dụng trong BTCLSC yêu cầu lượng cần nước và hàm lượng PGSD rất lớn, đồng thời rất khó

để phát triển ở dạng sản xuất công nghiệp Để hạn chế nhược điểm này có thể sử dụng kết hợp giữa RHA với PGK khác như FA, GBFS vừa cải thiện tính chất của hỗn hợp bê tông đồng thời vẫn tăng hiệu quả khi sử dụng PGK này [24]

Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn: Xỉ lò cao là một loại chất kết dính thủy lực [96,

102], là thải phẩm của quá trình luyện gang, xỉ được làm lạnh đột ngột bằng nước

áp lực cao từ nhiệt độ 1400-1500oC xuống mức 30-40oC, sản phẩm thu được là hỗn hợp các hạt màu trắng đục kích thước < 5mm Thành phần hóa, GBFS bao gồm các oxit chính sau: CaO, SiO2, Al2O3, MgO, và một vài oxit khác như: SO3, FeO hay Fe2O3, TiO2, K2O, Na2O So sánh về thành phần với clanhke xi măng

thì GBFS có hàm lượng CaO thấp hơn, hàm lượng SiO2, Al2O3, MgO cao hơn GBFS với hàm lượng pha thủy tinh lớn (trên 90%) và khi tiếp xúc với môi trường thích hợp sẽ kích hoạt phản ứng thủy hóa của GBFS để tạo ra các sản phẩm dạng C-S-H có cường độ cao, bền với môi trường, đặc biệt tăng khả năng chống ăn mòn cho bê tông [113, 112] Với đặc tính bề mặt phẳng mịn, khi sử dụng trong BTCLSC sẽ làm tăng tính công tác, giảm nhiệt thủy hóa và tăng độ bền cho bê tông Việc tăng độ mịn của GBFS sẽ làm tăng cường độ của BTCLSC, đồng thời khi có sự kết hợp với SF thì có thể sử dụng đến 30% hàm lượng GBFS để chế tạo BTCLSC [103] Ở điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm, có thể

sử dụng đến 60% hàm lượng GBFS cường độ của BTCLSC có thể đạt đến 200MPa [112] Khi sử dụng GBFS trong BTCLSC sẽ làm giảm cường độ ở tuổi sớm, tuy nhiên cường độ ở tuổi dài ngày tăng [104, 112, 9]

- Cốt sợi: trong BTCLSC sợi thép được sử dụng để tăng liên kết gữa các thành

phần trong cấu trúc, sẽ tăng cường độ uốn, chống nứt và tăng độ bền dẻo dai của

bê tông Loại sợi thép phổ biến trong chế tạo BTCLSC là loại có đường kính trung bình là 0,2mm, chiều dài 13mm, cường độ kéo trên 2000MPa với hàm lượng từ 1-10%

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG BTCLSC TRÊN THẾ GIỚI

1.2.1 Tình hình nghiên cứu bê tông chất lượng siêu cao trên thế giới

Trước những năm 1960, công nghệ bê tông có bước phát triển chậm, cường độ nén lớn nhất từ 15-20MPa Bằng việc nghiên cứu và ứng dụng các loại PGK hoạt tính, PGSD đã đánh dấu một bước tiến lớn trong công nghệ bê tông Đầu những năm

1970 với việc sử dụng phụ gia giảm nước, cường độ nén của bê tông đã được nâng lên 50-80MPa với tỷ lệ N/CKD = 0,30 [34] Cùng với sự phát triển về khoa học công nghệ của PGSD, kết hợp với việc sử dụng PGK siêu mịn, BTCLSC đã và đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng trong thực tế Một trong những bước ngoặt rất lớn được đánh dấu trong sự phát triển này là năm 1997, khi Richard và Cheyrezy [80] nâng được giá trị cường độ nén của bê tông lên đến 800MPa với một số công nghệ đặc biệt khi chế tạo, bảo dưỡng và vật liệu sử dụng Cho đến nay, các nghiên cứu và ứng dụng BTCLSC có thể được chia làm 2 mảng:

- Nghiên cứu trong điều kiện ph ng th nghiệm

- Ứng dụng trong thực tế

Các nghiên cứu trong ph ng th nghiệm: trên thế giới đã có hai hướng nghiên cứu

và phát triển các dòng sản phẩm BTCLSC [81]:

(1) Dòng sản phẩm MDF (Macro-Defect-Free: hệ bê tông không chứa khuyết tật

lớn) [59], đây là một loại hỗn hợp gồm xi măng và loại polyme đặc biệt, sử dụng

N/XM rất thấp (0,08-0,15) Nguyên tắc thiết kế hệ này là sử dụng polyme để điền đầy vào các lỗ rỗng trong đá xi măng Dòng sản phẩm MDF này có cường độ kéo rất cao (khoảng từ 150 - 200MPa) Tuy nhiên, công nghệ chế tạo rất phức tạp, quá trình sản xuất độc hại, gây ô nhiễm cho môi trường

(2) Dòng sản phẩm DSP (Densified with Small Particles: hệ bê tông dạng nén sử

dụng các hạt mịn) [28] Dòng sản phẩm này được phát triển từ những năm 1967 -

1972 bởi Hans Henrik Bache và cộng sự Các tác giả đã nghiên cứu kết hợp giữa quá trình rung và dùng áp lực để giảm lỗ rỗng trong đá xi măng, kết quả thu được là sản phẩm bê tông có cường độ nén đạt trên 350MPa Đây là một bước ngoặt rất lớn trong quá trình phát triển về khoa học và công nghệ bê tông

Trên cơ sở dòng sản phẩm DSP các nhà khoa học trên thế giới đã tập trung nghiên cứu theo hướng này và tạo ra BTCLSC ngày nay Hiện nay, BTCLSC đã được phát triển ở các nước khác nhau với một số sản phẩm thương mại có thương hiệu trên thế giới Sự khác nhau chính của các loại sản phẩm BTCLSC này theo công bố thường

là về vật liệu sử dụng như: hàm lượng sợi thép, loại và lượng dùng PGK Cho đến nay trên thế giới có 4 loại sản phẩm chính như sau [81, 100]:

- Bê tông công nghiệp đặc biệt BSI (Special Industrial Concrete), được phát triển

bởi nhóm Eiffage ở Pháp vào năm 1996

- Hợp chất composit dạng nén CRC (Compact Reinforced Composites) được phát

triển bởi hãng Aalborg Portland ở Đan Mạch

- Bê tông cốt sợi thép đa tỷ lệ MSFRC (Multi Scale Fiber Reinforced Concrete)

được phát triển bởi phòng thí nghiệm trung tâm về cầu đường ở Pháp (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées)

- Bê tông sử dụng bột hoạt tính RPC (Reactive Powder Concrete), có thể gọi là bê

tông hạt mịn chất lượng cao Trên cơ sở hệ DSP, đầu những năm 1990 Richard

và cộng sự đã phát triển được loại sản phẩm này tại Pháp Từ đây, thuật ngữ về BTCLSC đã được sử dụng trên thế giới, với cường độ nén lớn hơn 150MPa [20]

Trong giai đoạn từ 1992 - 1994 đã có sự liên kết giữa các công ty của Pháp đó là công ty Rhodia, Lafarge và Bouygues của Pháp, để phát triển và ứng dụng các sản phẩm của BTCLSC với tên thương mại là “Ductal” Các sản phẩm này được sử dụng chủ yếu cho dầm cầu đúc sẵn, tấm lát mặt cầu, nhà chờ xe buýt

Một số mảng nghiên cứu trên thế giới được quan tâm trong luận án:

BTCLSC đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới, tuy nhiên đến nay vẫn có các mảng nghiên cứu chưa được thống nhất chẳng hạn chưa có một phương pháp thiết kế thành phần hạt, thành phần bê tông cụ thể được đưa ra Bên cạnh đó, việc sử dụng PGK mịn trong BTCLSC như là một yêu cầu bắt buộc nhằm cải thiện các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông như, tính công tác, độ đặc chắc, Với hướng này, việc tính toán thành phần hạt của bê tông trở lên phức tạp hơn nhiều do

số lượng cấu tử của hệ tăng lên Mặt khác, sự kiểm soát về kích thước và phân tán các hạt mịn do các PGK mịn (<100 m) có năng lượng bề mặt lớn, rất dễ hình thành cấu trúc vón tụ với kích thước không ổn định Điều này, đang có rất nhiều nghiên cứu để đưa ra chỉ dẫn và đề xuất về nguyên tắc thiết kế thành phần hạt cho BTCLSC Brouwers và cộng sự [87] đã nghiên cứu và chỉ ra có thể sử dụng mô hình cải tiến của Andreasen & Andersen để tính toán thành phần hạt cho BTCLSC Khi xét đến sự ảnh hưởng của các hiệu ứng tương tác giữa hạt, De Larrard và các cộng sự [41] đã đưa ra mô hình tính toán độ lèn chặt của hỗn hợp hạt khi sử dụng các hạt siêu mịn trong BTCLSC, các tác giả khẳng định có thể sử dụng mô hình tính toán theo lý thuyết để thiết kế thành phần hạt cho BTCLSC Một số nghiên cứu khác đã dựa trên lượng hồ tối thiểu để thiết kế thành phần BTCLSC trong đó hàm lượng hồ CKD lựa chọn lớn hơn 15% độ rỗng của cát ở trạng thái tự nhiên [24, 104] Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu ban đầu này chủ yếu mang tính định hướng, chưa có lý thuyết thống nhất về thiết kế thành phần hạt của loại bê tông này Trong nghiên cứu này, đề tài đề xuất và lựa chọn mô hình tính toán thành phần hạt BTCLSC theo mô hình của De Larrard do có kể đến sự tương tác giữa các cấp hạt cốt liệu

Để đạt được cường độ nén cao, ngoài việc tối ưu hóa thành phần hạt, việc sử dụng

tỷ lệ N/CKD thấp để hạn chế các lỗ rỗng trong BTCLSC cũng được áp dụng Tuy nhiên, vẫn đảm bảo tính công tác cho hỗn hợp bê tông: có đặc tính độ chảy cao và

có tính tự lèn tốt Do vậy, lý thuyết về tính lưu biến của hỗn hợp BTCLSC sẽ được

đánh giá thông qua lý thuyết của bê tông tự lèn Đối với bê tông tự lèn điều quan trọng nhất để đảm bảo tính tự lèn và không bị phân tầng, tách nước cần phải đánh giá thông qua tính lưu biến của hồ xi măng Các nghiên cứu về xi măng trong bê tông đều chỉ ra rằng, độ nhớt của hồ xi măng phải cao nhưng ứng suất cắt phải thấp [30] Tuy nhiên, các nghiên cứu về độ nhớt trong hồ xi măng với tỷ lệ N/CKD thấp ,

áp dụng cho BTCLSC là chưa nhiều Đây là một trong những nội dung được đặt ra trong nghiên cứu của luận án, đặc biệt đi sâu vào ảnh hưởng tương hỗ của tổ hợp PGK GBFS với SF đến độ nhớt của hồ CKD trong BTCLSC

Trong BTCLSC, quá trình dưỡng hộ nhiệt đóng vai trò rất quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ thủy hóa của xi măng, tốc độ phát triển cường độ và biến dạng

co ngót, khả năng chống thấm của bê tông [79, 113] Theo Acker [77] việc dưỡng

hộ nhiệt ẩm, không những giảm co ngót và từ biến trong BTCLSC mà còn thúc đẩy quả trình phản ứng puzơlanic giữa SF và Ca(OH)2 sinh ra trong quá trình thủy hóa của xi măng, và quá trình này đặc biệt phù hợp với hỗn hợp có sử dụng GBFS với hàm lượng lớn [104, 111] Tác giả Yazici và cộng sự [111] cũng cho thấy, khi sử dụng PGK GBFS hay FA sẽ cải thiện đáng kể cường độ nén của BTCLSC, đặc biệt

là khi áp dụng biện pháp dưỡng hộ chưng áp Với các điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm

và dưỡng hộ chưng áp có thể giảm hàm lượng SF bằng việc tăng hàm lượng GBFS hoặc FA trong BTCLSC Tuy nhiên, các kết quả được nghiên cứu với điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm trong thành phần đều sử dụng bột quắc Đối với BTCLSC khi có

sự kết hợp PGK giữa SF và GBFS với điều kiện dưỡng hộ khác nhau chưa được quan tâm nghiên cứu Vấn đề này cũng được đặt ra trong nghiên cứu của luận án Biến dạng co ngót của bê tông là một trong những vấn đề đã được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới Biến dạng co ngót của bê tông diễn ra rất phức tạp, quá trình này xảy ra ngay khi bê tông không chịu tác dụng của tải trọng cơ học Biến dạng co ngót chịu sự ảnh hưởng chính bởi một số yếu tố như quá trình thủy hóa của xi măng, hàm lượng nước trong hỗn hợp bê tông, các yếu tố môi trường Hiện nay, các nghiên cứu về biến dạng co ngót trong bê tông thường và bê tông cường độ cao đã được công bố nhiều, trong đó khi tỷ lệ N/CKD giảm xuống thì sự ảnh hưởng của co khô giảm xuống và co nội sinh thì tăng lên, tuy nhiên các nghiên cứu về biến dạng

co nội sinh đối với BTCLSC khi sử dụng PGK là GBFS và SF chưa nhiều Bên cạnh đó, thông thường BTCLSC có sử dụng cốt sợi thép phân tán nhằm cải thiện các tính chất cơ lý và hạn chế co ngót, tăng khả năng chống nứt do co ngót của bê

tông, giảm sự phát triển và mở rộng vết nứt Tuy vậy, các nghiên cứu hiện nay về vai trò của sợi thép phân tán đến tương tác giữa các thành phần tạo nên cấu trúc của BTCLSC, giúp giảm co ngót của bê tông chưa được công bố nhiều Do vậy, trong nghiên cứu của luận án cũng được đặt ra đánh giá vai trò của sợi thép phân tán đến khả năng chống nứt cho BTCLSC.

Cùng với các biện pháp công nghệ áp dụng trong quá trình chế tạo và bảo dưỡng, việc sử dụng kết hợp PGK GBFS và SF trong BTCLSC có ý nghĩa rất lớn Việc sử dụng hỗn hợp PGK mịn này phụ thuộc vào: độ mịn, thành phần hóa học và khoáng

của PGK Hỗn hợp PGK mịn có thể cải thiện vùng tiếp xúc ITZ (Interfacial

Tranzition Zone) giữa cốt liệu và đá xi măng bao quanh các hạt cốt liệu và làm giảm

lượng Ca(OH)2 (CH) không có tính kết dính ở các vị trí này Khi xác định bằng

phương pháp nhiễu xạ Rơnghen- XRD (X-Ray Diffraction) và hiển vi điện tử quét- SEM (Scanning Electron Microscopy), các kết quả thí nghiệm cho thấy: việc sử

dụng GBFS sẽ làm giảm số lượng và thay đổi sự sắp xếp của các tinh thể CH tại vùng ITZ; đồng thời kích thước của các tinh thể CH cũng nhỏ hơn [51] Theo Brandt [32], phản ứng giữa GBFS và CH sinh ra trong quá trình thủy hóa của xi măng sẽ làm tăng cường độ vùng ITZ giữa cốt liệu và đá xi măng Hiệu quả này thể hiện rõ hơn khi kích thước của hạt GBFS giảm Từ cơ sở lý luận này, luận án cũng đặt ra hướng nghiên cứu ảnh hưởng của tổ hợp PGK GBFS và SF đến mức độ thủy hóa và cấu trúc của đá xi măng với tỷ lệ N/CKD rất thấp, thông qua một số phương pháp phân tích hóa lý hiện đại như DTA/TG, BJH

1.2.2 Tình hình sử dụng bê tông chất lượng siêu cao trên thế giới

Thuật ngữ BTCLSC được phát triển ban đầu ở phòng thí nghiệm Bouygues của Pháp trong đầu những năm 1990 Năm 1997, việc ứng dụng BTCLSC đầu tiên được công nhận là cầu đi bộ sử dụng BTCLSC, đúc sẵn ở Sherbrooke, Quebec - Canada [83], (Hình 1.3) Sự ra đời của BTCLSC đã làm thay đổi nhiều quan điểm cũng như chỉ dẫn trong thiết kế Cho đến hiện nay BTCLSC đã và đang bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: kiến trúc, xây dựng, cầu đường, công trình biển, an ninh quốc phòng [34, 76] cụ thể có thể thấy như:

- Dùng cho lớp mặt: do có cường độ cao, khả năng chịu mài mòn lớn nên loại bê tông này được sử dụng để chế tạo các bunke chứa xi măng, đường ống dẫn nước chịu xói mòn lớn, bề mặt đập tràn thuỷ điện, mặt cầu [75]

Dùng để sửa chữa các trụ cầu,

các đập chắn sóng , đồng thời

có thể dùng để thay thế các mặt

sàn cầu cũ đã hư hỏng, làm mặt

cầu lắp ghép kết hợp với dầm bê

tông dự ứng lực để đẩy nhanh

tiến độ thi công [75] [105]

- Dùng cho các công trình ngoài

biển: dàn khoan, trụ của tua bin

gió [76, 83]

Hình 1.3 Cầu đi bộ BTCLSC ở Sherbrooke,

Quebec, Canada năm 1997 [83]

- Dùng để chế tạo các kết cấu đúc sẵn: dầm cầu, tấm sàn [76, 83] [105]

Ứng dụng công nghiệp đầu tiên là nhà máy điện hạt nhân Cattenom và Civaux ở Pháp vào năm 1997, người ta sử dụng 2 loại BTCLSC là BSI và Ductal để tiến hành thay thế các dầm bê tông cốt thép thông thường ở tháp làm mát của lò phản ứng hạt nhân, khi đó chiều cao của dầm giảm từ 750 mm xuống còn 240 mm, [90, 105] Đến năm 2000 Hiệp hội xây dựng Pháp đã tiến hành khảo sát chất lượng công trình tại 2 nhà máy điện hạt nhân này Kết quả cho thấy, với trên 2000 dầm bê tông BTCLSC được sử dụng trước đó, không bị ảnh hưởng dưới tác động của môi trường

ăn mòn Trong khi đó, với cùng điều kiện môi trường sử dụng các kết cấu bằng thép

đã bị ăn mòn và phá hủy nghiêm trọng

Hình 1.4 Hệ thống dầm tháp làm mát nhà máy điện hạt nhân Cattenom [90, 105]

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu Malaysia đã nỗ lực nghiên cứu chế tạo và ứng dụng BTCLSC vào thực tế Nổi bật là sản phẩm với tên thương mại là DURA®, đây là sản phẩm do công ty Dura Technology Sdn Bhd - Malaysia nghiên

cứu và chế tạo Đến nay, BTCLSC đã

đƣợc sử dụng trong rất nhiều công

trình và nhiều lĩnh tại Malaysia nhƣ:

Công trình cầu, công trình chịu ăn

mòn, các công trình kiến trúc [76]

Một trong những công trình mang tính

đột phá là cây cầu bắc qua sông Perak,

với chiều dài nhịp 100m, chiều rộng là

5m Đây đƣợc đánh giá là cây cầu nhịp

đơn dài nhất thế giới khi sử dụng

với dầm dài 30 m khi chế tạo bằng BTT

chiều cao là 1,5m trong khi đó dầm

BTCLSC chiều cao là 1m (Hình 1.6)

Theo các nghiên cứu của FHWA, các

tấm mặt cầu chế tạo bằng BTCLSC có

các tính chất cơ lý tốt hơn so với BTT,

chiều cao giảm đi đáng kể, đồng thời

trọng lƣợng của nó giảm hơn khoảng

30% Khi đó sẽ giảm thời gian thi công,

Hình 1.6 Chiều cao dầm bê tông

BTCLSC và BTT [105]

giảm chi phí nhân công, đồng thời vẫn đảm bảo khả năng chịu tải của cầu

Đến nay, nghiên cứu ứng dụng BTCLSC phát triển đến nhiều lĩnh vực xây dựng, mặc dù trên thế giới chƣa ban hành tiêu chuẩn chung về thiết kế, thi công BTCLSC

Chỉ dẫn cho thiết kế thi công sử dụng BTCLSC trong các kết cấu, có thể tham khảo một số tài liệu của một số tổ chức trên thế giới như: chỉ dẫn thiết kế và thi công BTCLSC của Hiệp hội xây dựng Pháp AFGC/SETRA [20]; chỉ dẫn thiết kế và thi công BTCLSC của Viện Bê tông Nhật Bản năm 2004 [110]; chỉ dẫn thiết kế và các hướng dẫn thực hành BTCLSC tại Đức năm 2013 [43]

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG BTCLSC Ở VIỆT NAM 1.3.1 Tình hình nghiên cứu về bê tông chất lượng siêu cao ở Việt Nam

Ở Việt Nam các nghiên cứu về BTCLSC còn mới mẻ, các kết quả nghiên cứu được công bố chưa nhiều Các tác giả Nguyễn Văn Tuấn, Phạm Hữu Hanh, Nguyễn Công Thắng -Trường ĐH Xây dựng đã tiến hành nghiên cứu khả năng chế tạo BT CLSC

ở Việt Nam với quy mô đề tài cấp Trường năm 2006 [14] Các tác giả cho rằng BTCLSC hoàn toàn có thể chế tạo được trong điều kiện vật liệu hiện có ở Việt Nam Năm 2013, tác giả Lê Trung Thành [13] đã công bố kết quả về nâng cao độ bền dẻo dai cho bê tông khi sử dụng cốt sợi, trong đó đã so sánh giữa hệ BTT, BTCLC và BTCLSC, kết quả cho thấy BTCLSC có độ bền dẻo dai vượt trội so với

bê tông thường Gần đây (năm 2015), tác giả Văn Viết Thiên Ân đã công bố kết quả

về nâng cao độ bền của BTCLSC sử dụng trong môi trường axit sunfuric [1] Kết quả đã khẳng định, BTCLSC sử dụng PGK SF hoặc hỗn hợp RHA+GBFS đã cải thiện khả năng chống ăn mòn của BTCLSC so với HHBT chỉ sử dụng GBFS Đến nay, các nghiên cứu về BTCLSC tại trường ĐH Xây dựng đã đạt được cường độ nén ở tuổi 28 ngày đạt trên 200MPa sử dụng xi măng PC40 [15]

Việc nghiên cứu và phát triển BTCLSC cũng đạt được kết quả khả quan ở một vài đơn vị khác Năm 2009, các tác giả Nguyễn Văn Chánh và các cộng sự - Trường

ĐH Bách khoa Tp HCM [106] thực hiện nghiên cứu tổng quan về BTCLSC Sản phẩm là BTCLSC với cường độ đạt 150MPa sử dụng cốt sợi thép phân tán và bảo dưỡng nhiệt ẩm Năm 2011, tác giả Phạm Duy Hữu và các cộng sự - Trường ĐH Giao thông vận tải [5] tiến hành đề tài nghiên cứu cấp Bộ trọng điểm về công nghệ chế tạo bê tông cường độ siêu cao ứng dụng trong kết cấu cầu và nhà cao tầng Kết quả trong nghiên cứu đã đạt được cường độ nén ở tuổi 28 ngày khoảng 140MPa Trong những năm gần đây (2015), tác giả Trần Bá Việt và cộng sự - Viện KHCN Xây dựng [17] đã nghiên cứu và chế tạo thành công BTCLSC ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn đạt cường độ nén đạt 150MPa sử dụng PGK tro trấu ở Việt Nam

Với những ưu điểm vượt trội của loại vật liệu mới BTCLSC, cho phép chúng ta có những hướng nghiên cứu BTCLSC từ vật liệu địa phương Hiện nay, các nghiên cứu về BTCLSC mới chỉ quan tâm đến khả năng chế tạo cũng như về công nghệ trong điều kiện Việt Nam Các nghiên cứu sử dụng PGK thay thế xi măng để chế tạo BTCLSC còn mới Do vậy, đây là hướng nghiên cứu cần được quan tâm

1.3.2 Tình hình sử dụng bê tông chất lượng siêu cao ở Việt Nam

Hiện nay, ở Việt Nam chưa có các công bố về việc ứng dụng BTCLSC trong thực

tế Tuy nhiên, xu hướng phát triển loại bê tông này ở Việt Nam trong tương lai là rất lớn Bằng việc kết hợp giữa BTCLSC với các vật liệu khác để tạo ra vật liệu dạng composite có các tính chất vượt trội về: độ bền lâu, cường độ cao, chống thấm, chống mài mòn… Điều này, không chỉ cho khả năng thiết kế và xây dựng các kết cấu kích thước lớn, các kết cấu mảnh mai trong lĩnh vực xây dựng mà còn ứng dụng trong các lĩnh vực khác như: cơ khí; an ninh quốc phòng

Trên cơ sở các nghiên cứu trên thế giới, với định hướng nghiên cứu tại Việt Nam về BTCLSC, luận án xác định việc ứng dụng BTCLSC trong các lĩnh vực cụ thể là: các kết cấu cầu; chế tạo các tấm sàn đặc biệt trong các tòa nhà cao tầng; các công trình ngoài khơi Theo nghiên cứu [5] dự báo tuổi thọ của các kết cấu BTCLSC sẽ vượt quá 100 năm mà không cần bảo dưỡng, điều này sẽ đem lại hiệu quả cao về kinh tế, kỹ thuật và môi trường Trong tương lai gần, ở Việt Nam tùy thuộc vào phạm vi, mục đích khác nhau mà BTCLSC có thể được sử dụng khác nhau để: đáp ứng yêu cầu về kiến trúc, độ bền lâu, tải trọng tác dụng

Như vậy, xét trong điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam đến nay các tác giả đang đi theo hai hướng chính: (1) là khả năng chế tạo BTCLSC sử dụng vật liệu sẵn có và trong điều kiện chế tạo ở Việt Nam; (2) nghiên cứu sử dụng PGK là tro trấu để chế tạo BTCLSC Hiện nay, hướng nghiên cứu sử dụng các phế thải công nghiệp với vai trò là PGK hoặc tổ hợp các PGK, chẳng hạn PGK SF và GBFS nhằm chế tạo BTCLSC trong điều kiện Việt Nam chưa được nghiên cứu Đây cũng là nội dung chính và xuyên suốt cần giải quyết của luận án

1.4 BTCLSC TRONG XÂY DỰNG PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG

Khái niệm "phát triển bền vững" được khái niệm đơn giản là đảm bảo cho mọi

người có cuộc sống tốt hơn không chỉ ngày hôm nay mà cho cả trong tương lai [98]

Sự phát triển bền vững cần đạt được 3 yếu tố, đó là đảm bảo về vấn đề môi trường, kinh tế và xã hội Sự giao thoa của 3

yếu tố này sẽ đảm bảo được sự phát

triển bền vững, điều này được mô tả ở

Hình 1.7.Đối với lĩnh vực bê tông,

theo Mehta [73], công nghệ bê tông là

một công nghệ xanh chỉ khi đạt được

lượng xi măng trong bê tông là ít nhất,

đồng thời lượng clanhke sử dụng trong

xi măng là nhỏ nhất Mặc dù, các so

sánh về hiệu quả của BTCLSC với bê

tông thường chưa nhiều Tuy nhiên,

hầu hết các nhà nghiên cứu trên thế

giới đều khẳng định rằng, BTCLSC với

ưu thế vượt trội về nhiều mặt như:

Hình 1.8 Sự phát triển bền vững trong

công nghệ bê tông theo Mehta [73] cường độ nén và cường độ uốn đều rất cao, cho phép giảm kích thước kết cấu, giảm lượng dùng vật liệu, giảm tải cho công trình; độ bền dẻo dai cao, khả năng chống thấm và chống mài mòn rất tốt, làm tăng tuổi thọ, tiết kiệm chi phí bảo trì và sửa chữa cho các công trình Những ưu điểm này của BTCLSC, đang hướng tới xây dựng phát triển bền vững và được thể hiện ở những điểm như Hình 1.9[109]:

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

- Vật liệu sử dụng ít hơn, tiết kiệm được vật liệu tự nhiên, khi đó sẽ giảm đáng kể ảnh hưởng đến môi trường của quá trình khai thác các loại vật liệu thô

- Giảm được phế thải ra môi trường đặc biệt là phế thải khi phá dỡ kết cấu

Môi trường

Phát triển bền vững

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

Actin [23] còn cho rằng không như

BTT, BTCLSC có thể được tái sử

dụng một vài lần trước khi sử dụng

làm lớp subbase cho đường Việc tái

sử dụng này có thể nhận thấy không

phải tất cả xi măng trong BTCLSC đều

thủy hóa hết trong quá trình đóng rắn

và các hạt xi măng chưa thủy hóa này

sẽ tiếp tục thủy hóa trong bê tông

Theo Mehta [73], xét theo khía cạnh

vật liệu chế tạo, sự phát triển bền vững

đối với BTCLSC có thể xem xét trên 3

khía như sau:

Hình 1.9 BTCLSC hướng tới xây dựng

bền vững [109]

- Giảm lượng bê tông chế tạo

- Giảm lượng dùng xi măng trong bê tông

- Giảm lượng clanhke trong chế tạo xi măng

Thực tế cho thấy rằng, việc sử dụng BTCLSC có thể chế tạo các kết cấu có kích thước nhỏ hơn và kết quả là sử dụng lượng vật liệu ít hơn, tổng lượng xi măng sử dụng có thể bằng hay thậm chí thấp hơn so với bê tông thường Theo Walraven [58] tổng lượng cốt liệu (bao gồm cả cốt liệu thô và cốt liệu mịn) sử dụng trong BTCLSC có thể giảm khoảng 30% so lượng cốt liệu sử dụng trong bê tông thường (trong BTCLSC không sử dụng cốt liệu lớn)

Theo nghiên cứu của Racky [88], tác giả đã tiến hành so sánh hiệu quả về kinh tế và tính bền vững của BTCLSC, cụ thể với trường hợp chế tạo cột bê tông cao 3.5m với tải trọng thiết kế NED = 40 MN, mật độ cốt thép = 4% với 3 loại bê tông C40/50, C80/95, C180 Với cùng tải trọng thiết kế thì kích thước mặt cắt của các cột tương ứng theo Hình 1.10

Hình 1.10 Mặt cắt của cột và cường độ chịu nén của bê tông cốt thép theo cấp

cường độ bê tông [88]

Xét theo khía cạnh năng lượng chế tạo thì tổng năng lượng chế tạo BTCLSC gần như không thay đổi so với bê tông cốt thép cấp C40/50 và C80/95, nhưng tổng lượng vật liệu sử dụng cho cột bê tông cốt thép với cùng tải trọng lại giảm đáng kể, thậm chí giảm đến 60% so với bê tông cốt thép cấp C40/50, mặc dù lượng xi măng

sử dụng trong BTCLSC có thể gấp 2 lần (Bảng 1.2) [88] Điều này có ý nghĩa rất lớn trong xây dựng phát triển bền vững

Bảng 1.2 Tổng năng lượng và vật liệu cho cột bê tông cốt thép theo cấp cường độ

nén của bê tông (NED = 40 MN, l = 3.50m) [88]

Việc giảm lượng bê tông sẽ kéo theo lượng xi măng cần thiết sử dụng trong bê tông Việc sản xuất xi măng sẽ ảnh hưởng rất lớn đến môi trường, Theo Mehta [73] để sản xuất mỗi tấn xi măng sẽ thải ra môi trường khoảng 1 tấn CO2 Lượng CO2 thải

ra từ việc sản xuất xi măng theo dự tính khoảng 5-7% tổng lượng CO2 toàn cầu [25] Đây là một trong những nguyên nhân làm biến đổi khí hậu toàn cầu, làm trái đất nóng lên gây hiệu ứng nhà kính Do vậy, việc nghiên cứu sử dụng PGK thay thế từng phần xi măng trong BTCLSC vừa có ý nghĩa về khoa học, đồng thời có ý nghĩa rất to lớn về môi trường, kinh tế

Như vậy, cùng với xu hướng phát triển khoa học công nghệ cũng như sự tăng dân

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

1.5 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

BTCLSC không những có cường độ cao, mà còn vượt trội BTT và BTCLC về các tính chất khác như cường độ uốn và độ bền lâu Tuy vậy, BTCLSC cũng tồn tại một

số nhược điểm như lượng dùng xi măng rất lớn, độ co ngót cao (khi bảo dưỡng thường), lượng dùng SF và PGSD lớn Điều này, ảnh hưởng rất lớn đến giá thành ban đầu sản phẩm và tính bền vững trong xây dựng Do đó, việc nghiên cứu sử dụng PGK thay thế một phần xi măng chế tạo BTCLSC, để cải thiện tính chất cơ lý, tăng độ bền lâu, và giảm giá thành trong xây dựng có ý nghĩa vô cùng to lớn

Qua việc phân tích về tổng quan, một số vấn đề cần nghiên cứu trong phạm vi của

đề tài và xét trong điều kiện của Việt Nam như sau:

- Nghiên cứu và phát triển hệ BTCLSC sử dụng vật liệu có sẵn ở Việt Nam

- Nghiên cứu khả năng sử dụng tổ hợp của hai loại PGKGBFS và SF để chế tạo BTCLSC Các yếu tố xem xét chính đối với PGK là hàm lượng, độ mịn, tác động tương hỗ của tổ hợp PGK

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tổ hợp PGK GBFS và SF đến các tính chất của hồ CKD và đá xi măng như độ nhớt, mức độ thủy hóa của xi măng

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tổ hợp PGK GBFS và SF đến các tính chất của hỗn hợp bê tông và BTCLSC như tính công tác, sự phân bố lỗ rỗng cấu trúc, cường độ nén, cường độ uốn, độ bền dẻo dai, khả năng chống ăn mòn

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ như các điều kiện dưỡng hộ (dưỡng hộ tiêu chuẩn, dưỡng hộ nhiệt ẩm) đến việc cải thiện các tính chất của BTCLSC

- Nghiên cứu về độ co nội sinh của BTCLSC sử dụng tổ hợp PGK GBFS và SF

- Nghiên cứu ảnh hưởng của sợi thép phân tán đến một số tính chất cơ lý của hỗn hợp bê tông và BTCLSC Đánh giá về vai trò của sợi thép phân tán đến khả năng chống nứt cho BTCLSC

- Nghiên cứu so sánh và đánh giá hiệu quả kỹ thuật của BTCLSC với BT thường dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về sự làm việc của cấu kiện cơ bản như tấm BTCLSC khi được áp dụng trong công trình thực tế