Bê tông cường độ siêu cao

Bê tông cường độ siêu cao UHPC (ultrahigh performance concrete ) là sự phát triển cao cấp hơn của bê tông cốt sợi truyền thống. Khác với bê tông GFRC quan tâm đế khả năng chịu uốn để chế tạo các sản phẩm trang trí, bê tông UHPC quan tâm nhiều đến tính năng chịu nén của vật liệu. Vào đầu những năm 1970 các chuyên gia dự đoán rằng giới hạn thực tế của bê tông trộn sẵn chắc chắn không vượt qua được sức chịu tải là 11.000 psi. Tuy nhiên, đến nay đã có nhiều công trình sử dụng bê tông với cường độ chịu nén lên đến trên 20.000 psi.Để đạt được điều này, bê tông UHPC tối ưu hóa hầu hết các thành phần tạo lên bê tông thông thường. Ngoài việc lựa chọn xi măng portland chất lượng cao, thì thành phần cốt liệu của bê tông cũng được kiểm soát chặt chẽ. Khi lựa chọn cốt liệu cho bê tông UHPC , nhà sản xuất xem xét sức mạnh của cốt liệu, kích thước tối ưu của cốt liệu, mối liên kết giữa bột xi măng và cốt liệu, đặc tính bề mặt của cốt liệu. Điều này được thể hiện rõ qua các điểm sau:1: Kích thước và đường kính hạt của cốt liệuBê tông UHPC đa phần có kích thước hạt của cốt liệu được khống chế. Trong đó cốt liệu chính là silica có kích thước micromet, việc giảm kích thước hạt của cốt liệu chính làm cho khả năng liên kết của xi măng với cốt liệu tăng lên. Giảm lỗ rỗng trong quá trình diễn ra phản ứng thủy hóa xi măng.2: Phụ giaCác loại phụ gia thông dụng như giảm nước, siêu hóa dẻo được tính toán tỉ mỉ. Bên cạnh đó còn bổ xung thêm tro bay và các loại phụ gia hóa học khác.3: Pha gia cường kết hợp cùng với cốt liệu bên cạnh kết cấu thép chịu tải.Người ta sử dụng pha gia cường bằng sợi hóa học , sợi thép kết hợp cùng với kết cấu thép truyền thống trong bê tông để cải thiện khả năng chịu nén của bê tông UHPC. Các pha gia cường là sợi có đường kính, kích thước và hình thái phức tạp để tăng cường khả năng liên kết đa hướng của hỗn hợp bê tông.Ngày nay trên thế giới, các công trình cao ốc hàng trăm tầng đều phổ biến sử dụng bê tông cường độ siêu cao UHPC. Nhờ khả năng chịu tải lớn, chuyển tải hiệu quả, bê tông UHPC cũng làm giảm tổng trọng lượng của công trình và giảm tổng chi phí cho việc xây dựng kết cấu.

BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO

NGHI SON CEMENT CORPORATION HCMC Branch- Technical Dept

Trần Đình Nguyễn Vũ

Mở đầu

Bê tông cường độ cao đã và đang được các nhà khoa học và xây dựng quan tâm từ rất lâu Từ thập niên 1950, người ta đã bắt đầu nghiên cứu tăng mác bê tông để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của kết cấu cho nhà cao tầng, dầm cầu nhịp lớn… Ở Chicago, đầu các năm 1960 người Mỹ sản xuất

bê tông mác 42 MPa cho cao ốc 40 tầng Đầu thập niên 1970, đạt mác bê tông 60 MPa, và ngày càng cải tiến Năm 1989 bê tông thương phẩm đạt mác 96 MPa cho các cột tầng 1-6 của nhà cao tầng

Hiện nay, bê tông cường độ cao được sử dụng rộng rãi trong xây dưng Phạm vi báo cáo này xin giới

thiệu các khái niệm cơ bản và chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông cường độ cao/ chất lượng cao ở các nước

trên thế giới

Hình -1: Sân vận động Fukuoka Dome

<Bê tông có cường độ cao, độ chảy cao được dùng chế tạo bệ chịu lực của hệ mái di đông>

I Định nghĩa bê tông cường độ cao/chất lượng cao

“Bê tông cường độ cao/chất lượng cao” là gì? Bê tông chất lượng cao được tạo thành bằng cách cải thiện một số đặc tính, tính chất kỹ thuật của bê tông thông thường

Những tính chất đó có thể là “Cường độ”, “Độ linh động” và “Độ bền” Riêng cường độ chịu nén của bê tông trên 60 MPa, hiện nay được gọi là bê tông cường độ cao

Trên thế giới, cụm từ “Bê tông Chất lượng cao” thường được sử dụng cho “Bê tông Độ bền cao” Còn “cường độ cao” có thể là một tập hợp con của bê tông chất lượng cao

* “Cường độ cao” tùy thuộc vào các loại vật liệu sử dụng và phương pháp thi công

Bê tông cường độ cao/chất lượng cao là BT phù hợp cho từng yêu cầu cụ thể của kết cấu công trình

 Phân loại bê tông chất lượng cao

Cường độ chịu nén (MPa) 50 75 100 125 150

Phân loại bê tông CLC I II III IV V

Một số hình ảnh bê tông thông thường

Và bê tông chất lượng cao dưới kính hiển vi Nén mẫu mác cao

II Nguyên lý và yêu cầu cơ bản của hỗn hợp bê tông mác cao

AG: Cốt liệu CH: Ca(OH)2

liệu (vùng chuyển tiếp) Thiết kế bê tông mác cao, đặc biệt đối với mác siêu cao yêu cầu phải sử dụng phụ gia khoáng như silica fume, xỉ lò cao, tro bay… và phụ gia hóa học giảm nước bậc cao Bê tông mác cao thường có hàm lượng chất kết dính lớn nên nhiệt thủy hóa cao và co ngót lớn, ta phải

có biện pháp phù hợp để giảm thiểu các tác hại này (dùng nước đá, tưới nước hạ nhiệt độ cốt liệu, che chắn, bảo dưỡng sớm, dùng phụ gia bù co ngót…)

1 Xi măng

• Nên chọn xi măng có mác cao Ví dụ: Mác 54-62 MPa

C3S 56~68%

khoáng C2S 20~22%

C3A 6~ 10%

C4AF 3~ 8%

Trong đó, đối với bê tông mác siêu cao, C3S + C2S ≥ 80%, và C3A càng thấp càng tốt để tránh hiện tượng mất độ sụt nhanh của bê tông Ở thời điểm ban đầu, C3A kết hợp với thạch cao tạo thành ettringite, dạng hình kim sẽ làm hạn chế tính lưu biến của bê tông

Độ mịn cao: 3.800~4.400 cm2/g, thúc đẩy quá trình hydrat hóa Nhưng phải kiểm soát sự tỏa nhiệt của xi măng

Hàm lượng xi măng giữ tối đa 550 kg (kiểm soát lưu biến và tỏa nhiệt)

Hàm lượng CaOf ; MgO, Na2O và K2O…thấp

2 Nước và phụ gia hóa học

Khối lượng đơn vị nước và xi măng ảnh hưởng đến các tính chất quan trọng như là độ linh động, cường độ, và độ bền của bê tông Về cơ bản, để tăng mác bê tông, quan trọng nhất là phải giảm lượng nước dùng Bê tông với khối lượng đơn vị nước sử dụng thấp có những ưu điểm sau: a) Ít phân tầng, b) Kinh tế, c) Độ bền và khả năng chống thấm cao, d) Giảm co ngót khô v.v

Cường độ nén (MPa) 50 75 100 125 150 N/CKD tham khảo, max 0.50 0.35 0.30 0.25 0.20

Tuy nhiên, việc giảm tỷ lệ N/XM có thể gây hiệu ứng xấu về khả năng chảy của bê tông tươi Việc

sử dụng phụ gia giúp cải thiện tính chất này

Sử dụng phụ gia siêu dẻo gốc naphtalen sulfonate, melamin, lignosulfonate, polycarboxilic ether để phân bố tốt hơn các hạt cốt liệu và giảm lượng nước sử dụng đáng kể Có thể dùng kết hợp phụ gia kéo dài thời gian đông kết để ngăn ngừa hiện tượng mất độ sụt nhanh

Phụ gia hấp thụ trên các hạt XM tạo thành những màng, trong đó các phân tử nước vẫn chuyển động mạnh Dưới tác động của màng cộng với sự phân tán của các hạt XM tạo ra độ lưu biến tốt hơn Một

số loại phụ gia hóa học còn làm tích điện âm làm đẩy các hạt xi măng ra xa nhau, kéo dài thời gian ninh kết giúp bê tông giữ được tính công tác

Sơ đồ-1 Quan hệ liều lượng phụ gia và thời gian ninh kết

Thí nghiệm đo lường tính tương thích của phụ gia hóa học với xi măng/CKD

a) Thử nghiệm trong côn: đo độ chảy (minislump) của vữa theo thời gian Nếu độ chảy mất nhanh

thì phụ gia không tương thích b) Thử nghiệm chảy trong phểu: vữa chảy ra khỏi phểu trong thời

gian 60~90 giây là phù hợp (tương thích)

3 Cốt liệu lớn

Sử dụng cốt liệu để giảm thiểu vùng chuyển tiếp, là vùng yếu nhất trong cấu trúc bê tông mác

cao

• Trên mặt trượt của cốt liệu, các hydrate gồm tấm Ca(OH)2; các sợi C-S-H được liên kết yếu

Tinh thể C3S trong clinker

Hiện tượng phân tầng và lỗ rỗng mao dẫn

1: Cốt liệu 2: C-S-H 3: lỗ rỗng 4: Ca(OH)2 5: vi nứt

• Trên mặt trượt của cốt liệu, các hydrate gồm tấm Ca(OH)2; các sợi C-S-H được liên kết yếu vào cốt liệu và dễ tạo lỗ rỗng, vi nứt

• Mô đun đàn hồi của đá ảnh hưởng đến cường độ bê tông chất lượng cao, đá có mô đun đàn hồi thấp dẫn đến độ kết dính của hệ bê tông thấp

Đá sử dụng trong bê tông mác cao thường có Dmax nhỏ để tạo sự đồng nhất của bê tông khi chảy qua các kết cấu có mật độ cốt thép dày Trong quá trình chảy, cốt liệu thô không bị chặn lại bởi cốt thép

Dmax của cốt liệu thô

Cường độ lập phương/

cường độ trụ

Dmax (mm)

Nhỏ hơn 75/62,5

Từ 75/62,5 đến 125/104

Lớn hơn 125/104

19~25 12,7~16,5 9,5~12,7

Chú ý: Công nghệ sản xuất đá xây dựng ở nước ta chưa chú tâm sản xuất đá cho bê tông chất lượng

cao: đá có mác cao (180 MPa trở lên) không được nghiền thành hạt ovan mà tạo thành nhiều hạt thoi dẹt Ngược lại, đá hạt ovan đẹp, Dmax nhỏ lại có mác thấp (chỉ khoảng 80~120 MPa)

4 Cốt liệu nhỏ

Cát có mô đun độ lớn từ 2,5 đến 3,2

Hàm lượng cát trong bê tông cường độ cao được tính toán theo nguyên lý thể tích tuyệt đối, Vac = 1000 – Vad – Van – Vkk – VAX – VAK

Trong đó: Vad ;Van ; Vkk ; VAX ; VAK là thể tích đặc của đá, nước, không khí, xi măng và vật liệu khoáng

Cho bê tông mác 80 MPa trở lên, Mô đun độ lớn của cát tối ưu: 2,8 đến 3,0

5 Phụ gia khoáng hoạt tính

Các loại phụ gia hoạt tính có thể sử dụng cho bê tông mác cao:

- Silica fume (SF): trên lý thuyết 18% SF (trên khối lượng xi măng) là đủ để tác dụng hết với hydroxit canxi, sản phẩm của quá trình hydrat hóa xi măng Về hiệu ứng lấp đầy, 25% SF đủ cho hỗn hợp hạt mịn đặc chắc Thực tế thường dùng 5~15% vì các lý do kinh tế và tính lưu động của bê tông SF giúp tăng cường độ bê tông đáng kể nhờ hiệu ứng lấp đầy và tác dụng với dẫn xuất Ca(OH)2tạo khoáng C-S-H đặc chắc Sử dụng SF bê tông có tính dẻo dính cao, tăng công suất trộn của máy và bê tông cần lượng nước dùng cao hơn, do đó sử dụng phụ gia giảm nước là phù hợp Khi sử dụng SF cần lưu ý đặc tính tỏa nhiệt cao Tuổi bê tông sử dụng SF để đạt mác tối ưu là 7-91 ngày

Chú ý: mác của đá phải cao để không bị phá vỡ trước khi phá vỡ vùng chuyển tiếp và vữa

- Tro bay: (Fly ash-FA): đặc tính hạt tròn, kích cỡ nhỏ hơn xi măng một chút (độ mịn 3.800~4.200

cm2/g) Nếu chỉ sử dụng tro bay thì cường độ sớm của bê tông không cao, khoáng SiO2 kết hợp dẫn xuất hydroxit canxi tạo khoáng cho cường độ trễ cao Sử dụng tro bay giúp độ linh động của bê tông tăng, có thể giúp giảm một ít nước cho cùng một độ sụt bê tông Khuyến cáo sử dụng tro bay cho bê tông tự lèn Đối với bê tông mác cao, nên kết hợp tro bay với silica fume để đạt mác tối ưu

- Xỉ lò cao: độ mịn từ 4.000~6000 cm2/g Đặc tính: xỉ có thể trộn trước trong xi măng hoặc trộn vào

bê tông tươi với hàm lượng cao (30-70% trên tổng CKD), cho cường độ sớm thấp nhưng cường độ sau cao Các khoáng chính của xỉ là SiO2-Al2O3-CaO Có thể kết hợp với SF để đạt cường độ sớm Bột quartz nghiền mịn, meta kaolanh, tro trấu là những phụ gia được khuyết khích sử dụng, để đạt

cả các phương diện: lấp đầy và hoạt tính và tính lưu động

Hình dưới đây là một ví dụ về phối hạt mịn: 100g xi măng (CEM I-42,5R), 30g SF (0,1~1µm) và 42,8g bột quartz (<10 µm)

Silica fume Meta kaoline Xỉ lò cao Tro bay

6 Mô đun đàn hồi của bê tông

Mô đun đàn hồi là tỷ số lực nén trên sức căng tương ứng của vật liệu

SF có kích cỡ 0,1~1 µm, hàm lượng SiO2 cao, có tính bền sulfate và bền Clo (môi trường biển)

gây lực tập trung ở vùng chuyển tiếp và gây vi nứt, có thể làm giảm mác bê tông

Ecm = Ec0 k [fcm /10]1/3

Trong đó: Ecm: ME của bê tông

Fcm: cường độ chịu nén của bê tông

Ec0 : 20.500 N/mm2

k = 1~1,2

7 Sự co ngót của bê tông

7.1 Co ngót bê tông: Sau khi đổ bê tông, trong 24 giờ đầu bê tông có sự ổn định về thể tích Sau đó

do hiệu ứng kéo dài thời gian đông kết của phụ gia siêu dẻo đối với quá trình hydrat hóa của xi măng, bê tông bắt đầu co ngót Sự co ngót có thể là tổng của hai biến dạng trái chiều:

◊ Co ngót hóa học do quá trình hydrat hóa của xi măng

◊ Giãn nở nhiệt khi nhiệt độ bê tông tăng lên

Vài giờ sau, giãn nở nhiệt có phần trội hơn, dẫn đến kết quả bê tông giãn nở nhẹ Sau đó nhiệt độ bê tông giảm dần, trong khi co ngót hóa học vẫn tiếp diễn, phá vỡ sự cân bằng và bê tông lại co ngót

Nghiên cứu thực nghiệm: Xem xét bảng cấp phối trên và biểu đồ co ngót, nhận thấy rằng

mẫu M1 co ngót nhiều nhất do có nhiều CKD nhất (xi măng 665 kg và SF 200 kg) Mẫu M2 co ngót nhiều thứ nhì do có CKD cao (xi măng 609 kg và SF 183 kg) Mẫu M6 co ngót ít nhất do có CKD ít nhất (480 kg xi măng và 144 kg SF)

7.2 Co ngót tự sinh: Co ngót tự sinh được đo đạc từ thời gian bê tông co ngót lại Co ngót tự sinh trong các mẫu bê tông mác cao lớn hơn nhiều so với bê tông thường

8 Các phương pháp bảo dưỡng bê tông

8.1 Bảo dưỡng bình thường

Bê tông cường độ cao yêu cầu bảo dưỡng sớm hơn và thời gian bảo dưỡng kéo dài càng lâu càng tốt Đặc biệt với các loại bê tông yêu cầu cường độ ở 91 ngày tuổi thì thời gian bảo dưỡng kéo dài tới thời điểm nén mẫu Mẫu trước khi nén được mài phẳng 2 đầu Đo lường co ngót mẫu bê tông mác cao:

M1: cùng tỷ lệ N/X với M2, nhưng hàm lượng vữa cao hơn

M2: cùng tỷ lệ N/X với M1, hàm lượng vữa thấp hơn

M3: tỷ lệ N/CKD cao M4: hàm lượng silica fume cao M5: hàm lượng silica fume thấp

Ở 24 giờ đầu, mẫu bê tông bị co ngót mạnh

do sự mất nước ban đầu, sau đó nhờ qui trình bảo dưỡng mẫu giãn nỡ một ít, sau 28 ngày mẫu co ngót mạnh trở lại nếu để bê tông ngoài trời

Hình trên biểu thị sự thay đổi nhiệt độ ở tâm dầm khối lớn, dầm chữ T, sàn và nhiệt độ môi trường Nhận thấy nhiệt độ tâm dầm khối lớn tăng cao ở 1 và 1,5 ngày đầu Đây là thời điểm khả năng nứt

do chênh lệch nhiệt độ xảy ra cao nhất

8.2 Bảo dưỡng auto clave

Nhiệt độ bảo dưỡng tối ưu là 177o C, tương ứng với áp suất hơi nước 0,8-1,0 MPa

Sd Cát nghiền: Bảo dưỡng hơi nước áp lực cao đạt hiệu quả cao với cát nghiền mịn (fine ground

silica) nhờ phản ứng hóa học giữa silica với Ca(OH)2 sinh ra từ quá trình hydrat hóa của C3S

Độ mịn của cát nghiền ít nhất phải bằng độ mịn xi măng Nếu độ mịn đạt hơn 6000 cm2/g, mác

bê tông tăng từ 7 đến 17% so với cát nghiền có độ mịn 2000 cm2/g

Xi măng giàu C3S đạt hiệu quả cao hơn cho bê tông cường độ cao, bảo dưỡng ở nhiệt độ cao, so với xi măng giàu C2S

8.3 Bảo dưỡng trong thùng đẳng nhiệt

Các mẫu bê tơng được chứa trong các thùng giữ nhiệt Nhờ được đĩng kín, các thùng đẳng nhiệt lưu giữ nhiệt độ do bê tơng tỏa ra trong quá trình hydrat hĩa Nhiệt độ trong thùng cĩ thể đạt đến 60-70oC và nhiệt độ cao trong mơi trường gần bảo hịa sẽ kích thích quá trình hydrat hĩa của hệ CKD

9 Một số cấp phối ví dụ:

9.1 Cấp phối mác 100 Mpa cơng trình nhà cao tầng ở Dubai

Vật liệu C100 khơng cốt

sợi

C100 với 0,91 kg/m3 PPF

C100 với 1,37 kg/m3 PPF

Cát nghiền (kg)

Cát tự nhiên (kg)

600

310

650

260

650

260

theo tuổi

N/mm2

3

28

90

77,5

116

123

74,2

123

129

66,5

101

122 9.2 Cấp phối mác 150 Mpa, công trình nhà cao tầng ở Nhật:

(MPa)

R90 (MPa) Nước Binder Cát Đá

Slump flow: mục tiêu 70 cm (+5; - 10)

Kết quả nén:

Minimum

Maximum

Trung bình

Standard deviation

149 MPa

158 MPa

154 MPa 3,0

159 MPa

168 MPa

164 MPa 2,6

154 MPa

167 MPa

160 MPa 4,1

9.3 Cấp phối mác 200 MPa dùng cốt sợi thép

XM+ SF Cát Đá Nước Cốt sợi thép HRWRA