EBOOK - BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO

EBOOK - BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO

Viện khoa học và công nghệ xây dựng giao thông

Trường ñại học GTVT Huuphamduy@gmail.com

LỜI NÓI ðẦU

Trong những năm gần ñây bê tông cường ñộ cao ñã chiếm một vị trí quan trọng trong các công trình xây dựng cầu, ñường, nhà và công trình thuỷ có quy mô lớn

Cuốn sách này giới thiệu các kết quả nghiên cứu của Việt Nam, Pháp, Anh, Nga, Mỹ, Nhật Bản về bê tông cường ñộ cao

Các vấn ñề chính ñược trình bày trong cuốn sách này là cấu trúc, cường ñộ, biến dạng, phương pháp thiết kế thành phần và khả năng ứng dụng của bê tông cường ñộ cao

Sách ñược dùng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh và làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư xây dựng và cán bộ nghiên cứu

PGS.TS Phạm Duy Hữu - Chủ biên và viết các chương 1, 2, 3, 4, 5, 6 Tham gia viết chương 6 là Th.s Nguyễn Long

Các tác giả xin cảm ơn sự ñóng góp ý kiến quý báu của các chuyên gia xây dựng và giao thông trong quá trình biên soạn cuốn sách này Xin ñặc biệt cảm ơn Trường cầu ñường Paris và Trường ñại học Tokyo ñã cung cấp nhiều cho chúng tôi nhiều tài liệu quý báu về bê tông cường ñộ cao

Cuốn sách ñược viết lần ñầu rất mong nhận ñược các ý kiến ñóng góp của người ñọc

Các tác giả

CÁC TỪ CHÌA KHÓA

Phạm Duy Hữu, bê tông cường ñộ cao, cấu trúc, cường ñộ bê tông, ñộ sụt bê tông, mô ñun ñàn hồi, cốt liệu lớn, muội silic, ñộ bền, thiết kế thành phần, ứng dụng, cầu, ñường, co ngót, từ biến

Chương 1 CÁC KHÁI QUÁT VỀ BÊ TÔNG CƯỜNG ðỘ CAO

1 Về bê tông cường ñộ cao và bê tông chất lượng cao:

Bê tông là một loại vật liệu chủ yếu của thế kỷ 20 ñược chế tạo từ hỗn hợp vật liệu ñược lựa chọn hợp lý gồm các thành phần: Cốt liệu lớn (ñá dăm hoặc sỏi), cốt liệu nhỏ (cát), chất kết dính (ximăng…), nước và phụ gia Cát và ñá dăm là thành phần vật liệu khoáng vật, ñóng vai trò bộ khung chịu lực Hỗn hợp xi măng và nước (hồ ximăng) là thành phần hoạt tính trong bê tông, nó bao bọc xung quanh cốt liệu, lấp ñầy lỗ rỗng giữa các cốt liệu và khi hồ xi măng rắn chắc, nó dính kết cốt liệu thành một khối ñá và ñược gọi là bê tông Các chất phụ gia rất phong phú

và chúng làm tính chất của bê tông trở nên ña dạng và ñáp ứng ñược các yêu cầu ngày càng phát triển của bê tông và kết cấu bê tông

Ngày nay bê tông là một trong những loại vật liệu ñang ñược sử dụng rất rộng rãi trong xây dựng, xây dựng cầu, ñường Tỷ lệ sử dụng bê tông trong xây dựng nhà chiếm khoảng 40%, xây dựng cầu ñường khoảng 15% tổng khối lượng bê tông

Bê tông có cường ñộ chịu nén cao, mô ñun ñàn hồi phù hợp với kết cấu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực

Bê tông bền nước và ổn ñịnh với các tác ñộng của môi trường

Công nghệ bê tông ổn ñịnh ngày càng phát triển

Giá thành của bê tông hợp lý do tận dụng ñược các nguyên vật liệu ñịa phương,

vì vậy kết cấu bê tông chiếm 60% các kết cấu xây dựng

Nhược ñiểm cơ bản của bê tông là có cường ñộ chịu kéo chưa cao và khối lượng công trình bê tông cốt thép còn lớn Cường ñộ chịu nén của bê tông thường chỉ ñạt tối ña 50 MPa và ñộ sụt tối ña 7 cm

Con ñường phát triển của bê tông là cải tiến cấu trúc, thành phần, cải tiến công nghệ bằng cách sử dụng các phụ gia, các chất hỗ trợ công nghệ (bảo dưỡng, trợ bơm ) và các phương pháp công nghệ mới ñể tìm ra các bê tông chất lượng cao Các bê tông chất lượng cao phải ñáp ứng các yêu cầu về cường ñộ, tính dễ ñổ và tính kinh tế Những tính chất ñược cải tiến làm chất lượng hơn hẳn bê tông truyền thống (cường ñộ, biến dạng, dễ ñổ ) Những tính chất ñặc biệt này tạo ra khả năng sáng tạo ra các kết cấu xây dựng và công nghệ xây dựng mới

Bê tông chất lượng cao bao gồm 5 loại bê tông như sau:

- Bê tông siêu dẻo: là loại bê tông có thành phần cốt liệu và xi măng truyền thống và phụ gia siêu dẻo Loại bê tông này có tỷ lệ N/X khoảng 0,38-0,42, ñộ sụt ñạt ñến 15-20 cm có cường ñộ ñạt ñến 60 MPa và có cường ñộ sớm (R7=0,85R28),

ñộ sụt từ 10 –20 cm, giữ ñược ít nhất 45 phút

- Bê tông cường ñộ cao có thành phần như bê tông siêu dẻo có tỷ lệ sử dụng N/X gần ñến 0,25, có sử dụng phụ gia siêu mịn là tro nhẹ hoặc hạt silic siêu mịn ðây là loại bê tông có cường ñộ chịu nén ñến 80 hoặc 100 MPa

- Bê tông siêu nhẹ có cường ñộ tương tự như bê tông thường, khối lượng ñơn

vị thấp ñến 0,8 g/cm3

- Bê tông tự ñầm: Có thành phần cốt liệu lớn ít, tăng thêm các chất bột và sử dụng phụ gia siêu dẻo ñặc biệt Bê tông có khả năng tự ñầm, trong quá trình thi công không cần sử dụng các thiết bị ñầm Loại bê tông này cho phép thi công các công trình có khối lượng rất lớn (20.000 m3 trở lên ) không cần bố trí mối nối, không cần ñầm Sử dụng bê tông tự ñầm tiết kiệm ñược nhân công, thời gian và không gây ồn

- Bê tông cốt sợi: Trong thành phần có thêm sợi (kim loại, polyme, các sợi khác) Bê tông cốt sợi cải thiện ñộ dẻo của bê tông, tăng cường khả năng chống nứt cho bê tông ở trạng thái mềm và trạng thái chịu lực

2 ðịnh nghĩa bê tông cường ñộ cao

2.1 ðịnh nghĩa bê tông cường ñộ cao:

Bê tông chất lượng cao là một thế hệ bê tông mới có thêm các phẩm chất ñược cải thiện thể hiện sự tiến bộ trong công nghệ vật liệu – kết cấu xây dựng Xét

về cường ñộ chịu nén thì ñó là bê tông cường ñộ cao.( High Strength concrete)

Bê tông chất lượng cao ñược gọi tắt theo người Anh là HPC (High Performace concretes), theo người Pháp là BHP (BET0NS A HAUTE PERORMANCES ) Bê tông cường ñộ cao (High Performace concretes) là loại bê tông có cường ñộ chịu nén tuổi 28 ngày, nhỏ hơn hơn 60 MPa, với mẫu thử hình trụ có D = 15 cm , H = 30cm

Cường ñộ sau 24 giờ Rb ≥ 35 MPa , sau 28 ngày cường ñộ nén R28≥ 60 MPa Mẫu thử ñược chế tạo, dưỡng hộ, thử, theo các tiêu chuẩn hiện hành

Thành phần bê tông cường ñộ cao có thể dùng hoặc không dùng muội silic hoặc dùng kết hợp với xỉ lò cao Khi sử dụng muội silic chất lượng bê tông ñược nâng cao hơn

Tiêu chuẩn của Bắc Mỹ qui ñịnh bê tông cường ñộ cao là loại bê tông có R28

≥ 42MPa

Theo CEB FIP qui ñịnh bê tông cường ñộ cao có cường ñộ nén sau 28 ngày tối thiểu là fc28 ≥ 60 MPa Tất cả các loại bê tông cường ñộ cao ñều dùng tỷ lệ N/X thấp (0,25 – 0,35)

Ngày nay trình ñộ kiến thức về loại bê tông này ñã cho phép ứng dụng bê tông chất lượng cao trong công trình lớn, chủ yếu ở ba lĩnh vực: Các ngôi nhà nhiều tầng, các công trình biển và các công trình giao thông (cầu, ñường, hầm) Các ñặc tính cơ học mới của bê tông cường ñộ cao cho phép người thiết kế sáng tạo ra loại kết cấu mới có chất lượng cao hơn

2.2 Các nghiên cứu về bê tông cường ñộ cao

Trong khoảng 15 năm gần ñây các sản phẩm bê tông có cường ñộ ngày càng cao hơn, ñạt cường ñộ từ 60 ñến 140MPa ðặc biệt bê tông cường ñộ siêu cao (Ultra High Strength Concrete) với cường ñộ lên ñến 300MPa (40’000 psi) ñã ñược chế tạo trong phòng thí nghiệm

Bê tông cường ñộ cao bắt ñầu ñược sử dụng vào thập kỷ 70, khi ñó một loại bê tông có cường ñộ chịu nén cao hơn hẳn các loại bê tông trước ñó ñược dùng làm cột trong một số toà nhà cao tầng tại Mỹ, Pháp Các công trình từ bê tông cường ñộ cao ñã ñược xây dựng tại Na Uy Các công trình cầu ñường tại Pháp, Nga ñã ñạt ñược các thành công nổi bật Gần ñây bê tông cường ñộ cao ñược sử dụng rộng rãi trong xây dựng cầu với nhiều ñặc tính quan trọng như: cường ñộ cao, ñộ bền cao , giúp tạo ra các kết cấu nhịp lớn hơn Hiện nay, bê tông với cường ñộ 98 ñến 112 MPa ñã ñược sản xuất công nghiệp và ñược sử dụng trong ngành công nghiệp xay dựng ở Mỹ, Nga, Na Uy, Pháp Các nước như Anh, ðức, Thuỵ ðiển, Italia, Nhật

Bản, Trung Quốc và Việt Nam ñã bắt ñầu áp dụng bê tông cường ñộ cao trong xây dựng nhà, cầu, ñường, thuỷ lợi

Trong những năm gần ñây, ñã có rất nhiều chương trình tầm cỡ quốc gia nghiên cứu các tính chất cơ học của bê tông tại nhiều nước khác nhau trên thế giới Trong

ñó những chương trình nghiên cứu ñáng chú ý gồm có: nghiên cứu của Trung tâm khoa học kỹ thuật về vật liệu xi măng chất lượng cao (ACBM – Mỹ), Chương trình nghiên cứu ñường ôtô (SHRP); Mạng lưới trung tâm chuyên gia của CANAðA với Chương trình về bêtông tính năng cao; Hội ñồng hoàng gia Nauy với chương trình nghiên cứu khoa học và công nghiệp; Chương trình quốc gia Thuỵ ðiển về HPC; Chương trình quốc gia Pháp tên là “Những con ñường mới cho bêtông”; và

Chương trình bêtông mới của Nhật Bản

Các nghiên cứu về bê tông cường ñộ cao ñã khẳng ñịnh việc sử dụng bê tông cường ñộ cao cho phép tạo ra các sản phẩm có tính kinh tế hơn, cung cấp khả năng giải quyết ñược nhiều vấn ñề kỹ thuật hơn hoặc vừa ñảm bảo cả hai yếu tố trên do khi sử dụng bê tông cường ñộ cao có các ưu ñiểm sau:

- Giảm kích thước cấu kiện, kết quả là tăng không gian sử dụng và giảm khối lượng bê tông sử dụng, kèm theo rút ngắn thời gian thi công

- Giảm khối lượng bản thân và các tĩnh tải phụ thêm làm giảm ñược kích thước móng

- Tăng chiều dài nhịp và giảm số lượng dầm với cùng yêu cầu chịu tải

- Giảm số lượng trụ ñỡ và móng do tăng chiều dài nhịp

- Giảm chiều dày bản, giảm chiều cao dầm

Cần tiếp tục nghiên cứu về cường ñộ chịu kéo, cắt và biến dạng của bê tông cường ñộ cao trong ñiều kiện khí hậu Việt Nam

3 Phân loại bê tông cường ñộ cao:

Có thể phân loại bê tông cường ñộ cao theo cường ñộ, thành phần vật liệu chế tạo và theo tính dễ ñổ

3.1 Phân loại theo cưòng ñộ nén

Căn cứ vào cường ñộ nén ở ngày 28 mẫu hình trụ D=15 cm, H=30 cm có thể chịa

bê tông thành 3 loại sau:

30 – 50

60 – 80

100 – 150

Bê tông thường

Bê tông cường ñộ cao

Bê tông cường ñộ rất cao

3.2 Phân loại theo thành phần chế tạo

Bêtông cường ñộ cao không sử dụng muội silic: là loại bê tông cường ñộ cao khi sử dụng bột silic siêu mịn, có thể sử dụng tro bay

Bê tông cường ñộ cao sử dụng muội silic: trong thành phần có lượng muội silic

từ 5 – 15% so với lượng xi măng

Bê tông cường ñộ cao cốt sợi kim loại là bê tông cường ñộ cao có hoặc không có muội silic nhưng có thành phần sợi kim loại Các loại bê tông cường ñộ cao trên ñược sử dụng trong các kết cáu khác nhau và cho các tính năng khác nhau Tất nhiên khi tính toán thiết kế lên kết cấu và thiết kế thi công cũng có những lưu ý khác nhau

Bê tông cường ñộ cao không dùng muội silic cho cường ñộ cao, ñộ dẻo lớn nhưng cường ñộ chịu nén chỉ ñạt ñến 60 MPa

Bê tông cường ñộ cao dùng muội silic khó thi công hơn nhưng cho cưòng ñộ ñến 100 MPa, co ngót bê tông và từ biến giảm, ứng sử về biến dạng và cường ñộ khác với bê tông cờng ñộ cao không dùng muội silic nhất là ứng sử khi phá hoại (có thể dòn hơn, vỡ vụn)

Bê tông cường ñộ cao sợi kim loại: có cường ñộ như hai loại trên nhưng có ñộ dẻo cơ học cao hơn ðảm bảo không bị phá hoại ñột ngột và cải tiến khả năng chịu kéo và chống nứt của bê tông cờng ñộ cao Loại bê tông cường ñộ cao cốt sợi thường ñược dùng ở các công trình biển bến cảng, sân bay, công trình thể thao

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 ðịnh nghĩa bê tông cường ñộ cao?

2 Khái quát về tính năng ñược cải tiến?

3 Phạm vi ứng dụng?

Chương 2

CẤU TRÚC BÊ TÔNG CƯỜNG ðỘ CAO

1 Mở ñầu:

Bê tông cường ñộ cao (CðC) là một trong những bê tông chất lượng cao, ñó

là một thế hệ sau của các vật liệu cho kết cấu mới Theo qui ước bê tông CðC là bê tông có cường ñộ nén ở 28 ngày >60 MPa Bê tông CðC có thành phần là hỗn hợp cốt liệu thông thường và vữa chất kết dính ñược cải thiện bằng cách dùng một vài sản phẩm mới có phẩm chất ñặc biệt như chất siêu dẻo và muội silic

Chương này trình bày một cách tổng quan về các vật liệu này, nguyên tắc phối hợp, logic công thức của chúng và gắn các tính chất cơ bản với cấu trúc của chúng

2 Nguyên tắc phối hợp và công thức thành phần:

Trong thực tế bê tông cần có ñộ ñặc rất cao, vì ñó là ñặc ñiểm chính của cấu tạo bê tông Ý kiến ñầu tiên của vật liệu bê tông là cố gắng tái tạo lại một khối ñá

ñi từ các loại cốt liệu ðộ ñặc chắc của hỗn hợp như vậy ñược tạo nên sẽ ñược ñiều hoà bởi dải cấp phối của nó, nghĩa là phụ thuộc ñối với ñộ lớn cực ñại của cốt liệu Kích cỡ của cốt liệu lớn khoảng 20-25mm Các hạt nhỏ, do ñặc tính vật lý bề mặt gây nên sự vón tụ tự nhiên của các hạt xi măng Sự vón tụ hạt xi măng càng ít chất lượng bê tông càng cao (vì ñộ dẻo, cường ñộ )

Từ ý tưởng ñó những nghiên cứu ñầu tiên là sử dụng một vài sản phẩm hữu

cơ ñể khôi phục xi măng lơ lửng trong nước ở thành phần hạt ban ñầu của bê tông (bao gồm từ 1-80 µm) Sau ñó có thể làm cho các tinh thể của hỗn hợp dài ra bằng cách thêm vào một sản phẩm cực mịn, có phản ứng hoá học, nó tiến tới lấp ñầy các

khe của ựống hạt mà xi măng không lọt ựược Muội silic sản phẩm phụ của công nghiệp ựiện luyện kim, sản xuất silicon đó là sản phẩm tốt ựược dùng phổ biến ựể chế tạo bê tông cường ựộ cao

Việc áp dụng các nguyên tắc ựơn giản nêu trên cho phép ựưa ra công thức bê tông CđC Công thức thành phần tổng quát của bê tông CđC là:

đ=1000-1200 kg; C=600-700 kg; X=400-520 kg; MS=5-15%; tỷ lệ N/X 0,35; chất siêu dẻo từ 1 Ờ 1,5 lắt/100 kg XM và một phần chất làm chậm (đ- ựá; X-

=0,25-xi măng; C- cát; N- nước; MS- muội silic)

Các thành phần truyền thống (cốt liệu, xi măng và hỗn hợp) phải có phẩm chất tốt, có sự lựa chọn chặt chẽ cần thiết nếu muốn vượt quá 100 Mpa về cường

ựộ trung bình ở 28 ngày Ngoài ra do sự giảm tỷ lệ N/X mà có thể chuyển bê tông

xi măng cường ựộ cao (cường ựộ nén từ 50 ựến 80 MPa) sang bê tông cường ựộ rất cao CđRC

Mục tiêu của các nghiên cứu hiện ựại là cải thiện cấu trúc của vữa xi măng

ựể ựạt ựến ựộ rỗng ựá xi măng nhỏ nhất, ựồng thời cải thiện cấu trúc chung ựể bê tông có ựộ rỗng nhỏ nhất, khi ựó bê tông sẽ có cường ựộ chịu nén là lớn nhất Con ựường ựó chỉ cho phép tăng cường ựộ nén , tuy nhiên cường ựộ kéo ựược tăng chậm hơn để cải thiện khả năng chịu kéo của bê tông phải sử dụng các vật liệu mới là cốt sợi kim loại, cốt sợi pôlime hoặc cốt sợi các bon

Về mặt cấu trúc, bê tông xi măng poóc lăng là một vật liệu không ựồng nhất

và rỗng Lực liên kết các cốt liệu (cát và ựá) ựược tạo ra do hồ xi măng cứng Cấu trúc của hồ xi măng là những hyựrat khác nhau trong ựó nhiều nhất là các silicát thủy hóa C-S-H dạng sợi và Ca(OH)2 kết tinh dạng tấm lục giác khối, chồng lên nhau và các hạt xi măng chưa ựược thủy hoá độ rỗng của vữa xi măng poóc lăng

là 25 ựến 30% về thể tắch với N/X = 0,5 Thể tắch rỗng này gồm hai loại: (a) lỗ rỗng của cấu trúc C-S-H, kắch thước của nó khoảng vài mm, (b) lỗ rỗng mao quản giữa các hyựrát, bọt khắ, khe rỗng; kắch thước của chúng khoảng vài mm ựến vài

mm Khi bê tông chịu lực trong cấu trúc xuất hiện vết nứt cũng làm tăng ựộ rỗng của bê tông

Sự yếu về ựặc tắnh cơ học của bê tông là do ựộ rỗng mao quản và nước cho thêm vào bê tông ựể tạo tắnh công tác của bê tông tươi Sự cải thiện cường ựộ có thể ựạt ựược nhờ nhiều phương pháp làm giảm ựộ rỗng (nén, ép, rung ), giảm tỉ lệ N/X (phụ gia) và sử dụng sản phẩm mới là xi măng không có lỗ rỗng lớn và xi măng có hạt siêu mịn ựồng nhất Loại thứ nhất chứa pôlime, loại thứ hai chứa muội silic (xi măng cường ựộ cao)

Mối quan hệ trên có thể tạo ra những loại bê tông cường ñộ cao bằng cách cải tiến cấu trúc của vữa xi măng làm ñặc vữa xi măng, cải thiện ñộ dính kết của xi măng - cốt liệu và các giải pháp công nghệ khác

3 Cấu trúc của vữa xi măng

ðể cải tiến cấu trúc của bê tông ñầu tiên cải tiến cấu trúc của vữa xi măng

Có thể cải tiến cấu trúc vữa xi măng bằng cách làm ñặc vữa xi măng, giảm lượng nước thừa (tỷ lệ N/X nhỏ) sử dụng phụ gia siêu dẻo và các biện pháp công nghệ rung ép ñặc biệt

3.1 Vữa xi măng cường ñộ cao

Làm nghẽn lỗ rỗng mao quản hay loại bớt nước nhờ ñầm chặt hoặc giảm tỉ

lệ X/N nhờ phụ gia là các phương pháp làm ñặc vữa xi măng, làm cho nó ñồng nhất hơn và có cấu trúc ñặc biệt hơn vữa xi măng thông thường Vữa xi măng cường ñộ cao cũng có thể ñạt ñược bằng cách sử dụng xi măng có cường ñộ cao hơn

3.2 Vữa xi măng với tỉ lệ N/X nhỏ

Féret, năm 1897, ñã biểu thị cường ñộ nén của vữa xi măng bằng công thức sau:

3.3 Vữa xi măng có phụ gia giảm nước :

Phụ gia siêu dẻo gốc naphtalene sulphonate, mêlamine, lignosulphonate hoặc viseo sử dụng ñể phân bố tốt hơn các hạt cốt liệu cho phép giảm nước ñến 30% và tỉ lệ N/X = 0.21 Những nghiên cứu về cộng hưởng từ tính hạt nhân proton

ñã chứng minh rằng phụ gia hấp thụ trên các hạt xi măng tạo thành những màng, trong ñó các phân tử nước vẫn chuyển ñộng mạnh Dưới tác ñộng của màng cộng với sự phân tán của các hạt rắn hạt xi măng tạo ra một ñộ lưu biến tốt hơn Cường

ñộ nén 200 MPa nhận ñược trong các loại vữa dùng phụ gia siêu dẻo ðộ rỗng là 5% về thể tích, vữa ñồng nhất và bề mặt vô ñịnh hình ðộ sụt bê tông ño bằng côn Abram có thể ñạt tối ña ñến 20 cm, trung bình là 10 - 12 cm

3.4 Vữa xi măng chịu ép lớn và rung ñộng

Vữa xi măng có cường ñộ nén 600 MPa ñã ñạt ñược nhờ lực ép lớn ở nhiệt

ñộ cao (1020 MPa, 1500C) Tổng lỗ rỗng chỉ còn 2% Phần lớn các hyñrát ñược chuyển thành là gen ðộ thủy hoá của xi măng là 30% và silicát C-S-H gồm cả hạt

xi măng, anhyñrit như một chất keo giữa các hạt cốt liệu Các hyñrát của xi măng

và các hạt clinke ñồng thời tạo ra cường ñộ cao cho vữa ñông cứng Sự rung ñộng loại bỏ các bọt khí tạo ra khi nhào trộn

3.5 Vữa xi măng sử dụng các hạt siêu mịn

Hệ thống hạt siêu mịn ñược người ðan - Mạch ñề xuất ñầu tiên Hệ thống này gồm xi măng poóc lăng, muội silic và phụ gia tạo ra cường ñộ cao tới 270 MPa Muội silic là những hạt cầu kích thước trung bình 0.5 mm, chui vào trong các không gian rỗng kích thước từ 30 - 100 mm ñể lại bởi các hạt xi măng Trước hết, muội silic ñóng vai trò vật lý, là các hạt mịn Mặt khác chúng chống vón cục hạt xi măng, phân tán hạt xi măng làm xi măng dễ thủy hoá, làm tăng tỉ lệ hạt xi măng ñược thủy hoá

Trong quá trình thủy hoá, muội silic tạo ra những vùng hạt nhân cho sản phẩm thủy hoá xi măng (Mehta) và sau một thời gian dài, phản ứng như một pu -

zô - lan, tạo thành một silicát thủy hoá C-S-H có ñộ rỗng nhỏ hơn là C-S-H của xi măng poóc lăng và có cấu trúc vô ñịnh hình

Cấu trúc vữa xi măng poóc lăng có N/X = 0,5 bao gồm (1) C-S-H sợi, (2) Ca(OH)2, (3) lỗ rỗng mao quản

Cấu trúc vữa xi măng có muội silic bao gồm (1) Ca(OH)2, (2) C-S-H vô ñịnh hình, (3) lỗ rỗng rất ít

a Cấu trúc của muội silic b Cấu trúc của hồ xi măng

Hình 2.1 Cấu trúc của muội silic và xi măng

Hình 2.2 Sơ ñồ hệ thống hạt xi măng-Hạt siêu mịn

3.6 Vữa xi măng pôlime

Khi làm ñặc vữa xi măng, tạo ra khả năng tăng cường ñộ nén của bê tông bằng cách bịt các lỗ rỗng bằng vật liệu pôlime thích hợp

Trong vữa xi măng ñộ rỗng thấp, một pôlyme tan trong nước (xenlulô hyñrô propylmethyl hoặc polyvinylacetat thủy phân) phân tán và bôi trơn các hạt xi măng trong vữa xi măng Pôlyme tạo thành một gen cứng Khi ninh kết và rắn chắc, pôlyme không thủy hoá trong khi ñó, xi măng thủy hoá Trong vật liệu ñông cứng, pôlyme vẫn liên kết tốt với các hạt xi măng và ñộ rỗng cuối cùng dưới 1% về thể tích

Hỗn hợp vữa xi măng pôlyme gồm: 100 phần xi măng (về khối lượng), 7 phần pôlyme và 10 phần nước

Cấu trúc vi mô gần với cấu trúc vữa xi măng có tỉ lệ N/X thấp Tính chất chủ yếu là một gen ñặc và vô ñịnh hình bao quanh các hạt clinke Các tinh thể Ca(OH)2

ở dạng lá mỏng phân tán trong vữa, trái với các tinh thể lớn chất ñống trong vữa xi măng poóc lăng thường Khoảng không gian rất hẹp dành cho sự tạo thành các tinh thể lớn tránh ñược sự hình thành các sợi dài theo mặt thớ của các tấm Ca(OH)2chồng lên nhau Cường ñộ là 150 MPa ứng với sự vắng mặt của các lỗ rỗng mao quản và vết nứt

Vữa xi măng pôlyme có thể ñược ñổ khuôn, ép, ñịnh hình như các vật liệu dẻo Nó có thể ñưa vào trong các vật liệu composit chứa cát, bột kim loại, sợi ñể tăng ñộ bền và cường ñộ chống mài mòn

4 Cấu trúc của bê tông cường ñộ cao (CðC)

4.1 Cấu trúc của cốt liệu bê tông cường ñộ cao

Sử dụng các cốt liệu truyền thống và vữa xi măng chất lượng ñể tạo ra bê tông cường ñộ cao

Ba ñặc tính của vật liệu ảnh hưởng ñến cấu trúc của bê tông cường ñộ cao là thành phần và cấu trúc vi mô của hồ xi măng, bản chất của liên kết giữa hồ xi măng - cốt liệu và chất lượng của cốt liệu trong ñiều kiện công nghệ và môi trường

ít biến ñổi Cấu trúc bê tông cường ñộ cao cũng gồm ba cấu trúc con tương tự như

bê tông xi măng Phần ñược cải tiến nhiều nhất là cấu trúc của hồ xi măng và cấu trúc của vùng tiếp giáp giữa hồ và cốt liệu Cấu trúc cốt liệu về cơ bản là không biến ñổi Có lẽ ñây là vùng cấu trúc bảo thủ nhất

Cấu trúc của cốt liệu lớn tạo nên khung chịu lực cho bê tông, nó phụ thuộc vào cường ñộ bản thân cốt liệu lớn, tính chất cấu trúc(diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu) và cường ñộ liên kết giữa các hạt Thông thường, cường ñộ bản thân cốt liệu

có cấp phối hạt hợp lý ñã giải quyết ñược các lỗ rỗng trong bê tông và tăng diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu (giữa các hạt với nhau và các hạt xung quanh một hạt) Trong bê tông cường ñộ cao nên sử dụng các cốt liệu truyền thống và các chỉ dẫn chặc chẽ hơn

4.2 Cấu trúc của hồ xi măng

Lỗ rỗng luôn tồn tại trong cấu trúc của hồ xi măng và ảnh hưởng rất lớn tới tính bền của cấu trúc này Các lỗ rỗng tồn tại dưới hai dạng: lỗ rỗng mao dẫn và lỗ rỗng trong khoảng giữa các hạt xi măng

Lỗ rỗng mao dẫn tạo ra do lượng nước dư thừa ñể lại các khoảng không trong hồ xi măng ðể hạn chế ñộ rỗng trong bê tông thì tỷ lệ N/X thích hợp là một vấn ñề quan trọng Trong bê tông cường ñộ cao tỷ lệ N/X ñược hạn chế dưới 0,35

mà kết hợp sử dụng phụ gia siêu dẻo ñể giải quyết tính công tác cho bê tông Kết quả là tăng khối lượng các sản phẩm hydrat trong quá trình thuỷ hoá xi măng, ñồng thời giảm ñáng kể tỷ lệ các lỗ rỗng mao quản trong bê tông

Hiện tượng vón cục các hạt xi măng và bản thân kích thức hạt xi măng vẫn lớn và tạo ra ñộ rỗng ñáng kể cho bê tông Một sản phẩm siêu mịn, ít có phản ứng hoá học (muội silic, tro bay) ñược bổ sung vào thành phần của bê tông cường ñộ cao Lượng hạt này sẽ lấp ñầy lỗ rỗng mà hạt xi măng không lọt vào ñược ðồng thời với kích thước nhỏ hơn hạt xi măng nhiều, nó bao bọc quanh hạt xi măng tạo thành lớp ngăn cách không cho các hạt xi măng vón tụ lại với nhau

4.3 Cấu trúc vùng tiếp xúc hồ xi măng – cốt liệu

Cấu trúc của vùng tiếp xúc hồ xi măng - cốt liệu có ý nghĩa quyết ñịnh cho loại bê tông cường ñộ cao Cấu trúc thông thường của bê tông gồm ba vùng: cấu trúc cốt liệu, cấu trúc hồ xi măng và cấu trúc vùng tiếp xúc hồ xi măng - cốt liệu Vùng tiếp xúc hồ xi măng - cốt liệu trong bê tông thường, gọi là “vùng chuyển tiếp”, vùng này có cấu trúc kết tinh, rỗng nhiều hơn và cường ñộ nhỏ hơn vùng hồ

do ở vùng này chứa nước tách ra khi hồ xi măng rắn chắc Ở vùng này còn chứa các hạt xi măng chưa thủy hoá và các hạt CaO tự do

Các ñặc tính của vùng liên kết hồ xi măng - cốt liệu trong bê tông thường gồm mặt nứt, vết nứt, cấu trúc C-S-H và bề mặt các hyñrat Ví dụ các vết nứt xuất hiện bao quanh các hạt silic và phát triển vượt qua hồ xi măng Trên mặt trượt của cốt liệu, các hyñrat gồm tấm Ca(OH)2 và các sợi silicát (sợi C-S-H) Chúng chỉ ñược liên kết rất yếu vào cốt liệu và tách ra dễ dàng Sự kết tinh có ñịnh hướng Ca(OH)2 cũng quan sát thấy trên các hạt cốt liệu silic

Vùng liên kết giữa hồ xi măng - cốt liệu có ñộ rỗng lớn và ñã ñược cải thiện nhờ muội silic Biến ñổi cấu trúc của bê tông theo cường ñộ phát triển theo ba cấp

ñộ sau:

Trong bê tông thường vùng liên kết xi măng - cốt liệu là vùng tiếp xúc rỗng

có các mặt nứt và các vết nứt Cấu trúc C - H - H có dạng sợi

Vùng tiếp xúc hồ xi măng - cốt liệu ở bê tông cường ñộ cao có cấu trúc

C-S-H vô ñịnh hình và tinh thể Ca(OC-S-H)2 ñịnh hướng (P) trên các hạt cứng, các vết nứt giảm rõ ràng

Vùng tiếp xúc của bê tông cường ñộ cao tỉ lệ N/X ≤ 0,3, do tỉ diện tích hạt muội silic rất cao nên vùng này không chứa nước, không tồn tại CaO tự do, vữa xi măng có ñộ ñặc rất lớn và lực dính bám với cốt liệu cao

Bê tông cường ñộ rất cao vùng liên kết chuyển thành ñá, hồ xi măng - cốt liệu ñồng nhất Không có vết nứt trên bề mặt

Hiện nay, khi quan sát bằng kính hiển vi ñiện tử quét (MEB) một vài mảnh

bê tông cường ñộ cao ñã cứng rắn, thấy rằng bê tông CðC và CðRC có cấu trúc rất ñặc, chủ yếu vô ñịnh hình và bao gồm một thể tích không bình thường của các hạt không có nước, ñó là phần còn lại của xi măng chưa liên kết do thiếu nước sử dụng ñược Ngoài ra, các mặt tiếp xúc vữa xi măng/cốt liệu rất ít rỗng và không thể hiện sự tích tụ thông thường của các tinh thể vôi ðiều ñó là do hoạt ñộng của muội silic bắt nguồn từ phản ứng pôzulan giữa silic và vôi tự do sinh ra bởi xi măng khi thủy hoá Việc ño ñộ xốp bằng thủy ngân chỉ ra sự mất ñi của ñộ xốp mao quản Cuối cùng người ta có thể ño ñược ñộ ẩm của môi trường trong các lỗ

rỗng của bê tông theo tuổi của vật liệu Trong khi ñối với bê tông thông thường luụn luụn bằng 100% (khi không có sự trao ñổi với môi trường xung quanh), nó giảm tới 75% ở tuổi 28 ngày ñối với bê tông cường ñộ cao

Cuối cùng, từ các nhận ñịnh khác nhau cho phép trình bày về cấu trúc của bê tông cường ñộ cao như sau:

- Tỉ lệ phần hồ xi măng trong bê tông giảm ñi, các hạt không ñược thủy hoá ñược bổ sung vào thành phần cốt liệu của bê tông ñã cứng rắn Như vậy trong bê tông cường ñộ cao không nhất thiết phải dùng lượng xi măng cao (X = 380 - 450 kg/m3 với cường ñộ nén của xi măng từ 400 -500 daN/cm2 )

- Hồ xi măng có ñộ rỗng tổng cộng nhỏ

- Rất ít nước tự do, các lỗ rỗng nhỏ nhất cũng bị bão hoà nước

- Các mặt tiếp giáp hồ xi măng - cốt liệu ñã ñược cải thiện và hóa ñá, từ ñó mất ñi một vùng thường yếu về cơ học của bê tông Cường ñộ bê tông tăng lên Vết nứt của bê tông khi phá hoại sẽ ñi qua các hạt cốt liệu

- Hàm lượng vôi tự do nhỏ

- Trong bê tông xuất hiện trạng thái ứng suất mới ñược minh hoạ một cách

vĩ mô bằng co ngót nội tại và chắc chắn nó sinh ra một sự siết chặt mạnh vào các cốt liệu, làm tăng lực dính giữa cốt liệu và hồ xi măng, cải tiến cường ñộ chịu kéo

và mô ñun ñàn hồi cho bê tông cường ñộ cao

5 Cấu trúc của bê tông cường ñộ rất cao (CðRC)

Bê tông cường ñộ rất cao, cường ñộ nén từ 100 ÷ 150 MPa tạo thành từ:

- 400 - 500 kg xi măng poóc lăng mác 55 + (15 ÷ 20)% muội silic

- 1 ÷ 4 % phụ gia siêu dẻo , 0,3 - 0,4 % chất làm chậm

- N/X = 0,16 - 0,18; N = 100 lít/m3

Sự phá hủy của bê tông CðRC cho thấy vữa xi măng ñã chuyển thành ñá do

sự ñông ñặc rất cao của vữa xi măng khác với vữa xi măng có ñộ rỗng xung quanh cốt liệu của bê tông thường ðiều này ñược thể hiện qua nghiên cứu [4], trong ñó

ta không thể quan sát ñược vết nứt cũng như sự ñịnh hướng tinh thể Ca(OH)2 ở mặt tiếp xúc Nứt vi mô và nứt vi mô cơ học của bê tông CðRC có thể ñược ñánh giá bằng kính hiển vi và thường ít hơn so với bê tông truyền thống

ðặc tính cấu trúc rất quan trọng là vữa xi măng có cấu trúc vô ñịnh hình và ñồng nhất Vữa xi măng có ñộ rỗng nhỏ hơn bê tông xi măng poóc lăng, do tăng ñược mức hoạt tính pu zô lan của muội silic Muội silic phản ứng lý học nhờ dạng hạt cực mịn và phản ứng hoá học nhờ ñộ hoạt tính của muội si líc với vôi ðộ rỗng

của bê tông dùng muội silic ñược ño bằng rỗng kế thuỷ ngân có thể thấy ñộ rỗng giảm từ 50-60% …

Lượng tối ưu của muội silic là 15 ÷ 20% khối lượng xi măng Với số lượng lớn hơn, ví dụ 40%, bê tông trở nên giòn và các hạt silic vẫn chưa thủy hoá

6 Các kết quả thực nghiệm về cải tiến cấu trúc bê tông

Các kết quả nghiên cứu trong năm gần ñây ở Pháp và ở trường ðại học GTVT Hà Nội ñã ñạt ñược các kết quả về bê tông cường ñộ cao có cải tiến cấu trúc bằng cách dùng muội si lic, chất siêu dẻo, lượng nước rất ít và cốt liệu ñịa phương

Các kết quả nghiên cứu ñã ñạt ñược các bê tông có mác từ M60, M70, M100 ghi ở bảng dưới ñây:

2.1 Bê tông M60 (mẫu hình trụ D = 15cm) có ñộ dẻo lớn ở Việt Nam

70 36.000 5.5

1265

652

421 42.1

112 7.59 1.8 0.266

101 50.400 7,5

Rk , MPa

Bê tông cường ñộ cao có thể ñạt ñược bằng cách sử dụng các vật liệu Việt Nam và có ñiều chỉnh lại cấu trúc của bê tông bằng cách sau: Sử dụng tỷ lệ N/X thấy khoảng: 0.25-0.3, lượng muội silic chiếm 8-10% lượng xi măng Hàm lượng

xi măng từ 380-450 kg (xi măng PC40), phụ gia siêu hoá dẻo làm chậm ninh kết

Bê tông cường ñộ cao sẽ có cấu trúc vữa xi măng vô ñịnh hình và ñồng nhất Cường ñộ bê tông có thể ñạt từ M70-M90 với công nghệ thay ñổi không nhiều

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 So sánh cấu trúc bê tông thường với bê tông cường ñộ cao?

2 Vai trò của tỷ lệ N/X và khoáng siêu mịn ñến cấu trúc?

3 Con ñường ñể cải tiến cấu trúc?

Chương 3 CÁC TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CƯỜNG ðỘ CAO

1 Mở ñầu

Bê tông cường ñộ cao tồn tại ở ba trạng thái: ướt, mềm và cứng rắn (rắn chắc) tính chất của bê tông cường ñộ cao ở trạng thái còn ướt là tính dễ ñổ (ñộ sụt) hoặc còn gọi là tính công tác Tuy sử dụng lượng xi măng cao, tỷ lệ N/X thấp nhưng ñộ sụt của bê tông cường ñộ cao vẫn ñạt từ 10-20 cm, giữ ñược ít nhất là 45 phút Ở trạng thái mềm tính co ngót thấp và ổn ñịnh thể tích cao so với bê tông thường

Các tính chất của bê tông cường ñộ cao khi rắn chắc như cường ñộ biến dạng, mô ñun ñàn hồi ñược thể hiện theo tỷ số với cường ñộ nén ñơn trục của mẫu thử hình trụ có kích thước 15x30 cm hoặc mẫu thử hình lập phương 15x15x15 cm (theo tiêu chuẩn Anh) tuổi 28 ngày Ngoài ra các tính chất khác như cường ñộ chịu

kéo, co ngót, từ biến, sự dắnh bám với cốt thép cũng ựược xét trong quan hệ với cường ựộ nén

2 Cường ựộ chịu nén bê tông cường ựộ cao:

2.1 Cường ựộ chịu nén

Cường ựộ chịu nén của bê tông là tắnh chất quan trọng ựể ựánh giá chất lượng của bê tông mặc dù trong một số trường hợp thì ựộ bền và tắnh chống thấm còn quan trọng hơn Cường ựộ của bê tông liên quan trực tiếp ựến cấu trúc của hồ

xi măng ựã ựông cứng, cấu trúc của bê tông Cường ựộ nén của bê tông phụ thuộc rất lớn vào tỷ lệ nước/ximăng trong bê tông Tỷ lệ nước/xi măng lại ảnh hưởng rất lớn ựến các ựộ bền, ựộ ổn ựịnh thể tắch và nhiều tắnh chất khác liên quan ựến ựộ rỗng của bê tông Do ựó cường ựộ chịu nén của bê tông ựược qui ựịnh sử dụng trong thiết kế, hướng dẫn công nghệ và ựánh giá chất lượng bê tông

Cường ựộ nén của bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

Chất lượng và hàm lượng của các vật liệu chế tạo bê tông: cốt liệu, xi măng

và các phụ gia; Qui trình, thiết kế thành phần và thời gian nhào trộn hỗn hợp vật liệu; Môi trường sản xuất và khai thác bê tông

Các tắnh chất của các vật liệu thành phần ảnh hưởng ựến cường ựộ bê tông là: Chất lượng của cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn; Hồ xi măng và tắnh dắnh bám của

hồ xi măng với cốt liệu (tắnh chất của vùng chuyển tiếp)

Những yếu tố này ảnh hướng ựến cấu trúc vĩ mô và vi mô của bê tông, bao gồm: ựộ rỗng, kắch thước và hình dạng lỗ rỗng, sự phân bố các lỗ rỗng, hình thái của sản phẩm thuỷ hoá và sự dắnh bám giữa các hạt rắn

Cường ựộ nén là tắnh chất sử dụng quan trọng nhất của vật liệu đó cũng là tắnh chất mà sự cải thiện của nó là li kỳ nhất: người ta ựã có thể thực hiện ở phòng thắ nghiệm, sử dụng thành phần tối ưu bê tông có thể ựạt cường ựộ bê tông vượt quá 200 MPa Tuy nhiên trong thực tế không yêu cầu về cường ựộ quá cao và giá thành của bê tông là quá ựắt (do sử dụng nhiều muội silic và chất siêu dẻo) Chế tạo loại bê tông dễ ựổ với các cốt liệu thông thường, giá thành không quá cao, cường ựộ nằm trong khoảng từ 60 ựến 120 MPa, sẽ có ý nghĩa thực tế cao hơn, ựiều ựó cũng thể hiện một bước tiến lớn so với bê tông thường (bảng 3.1.)

Bảng 3.1 Sự diễn biến của các tắnh chất cơ học của bê tông cường ựộ cao

1 ngày

3 ngày

7 ngày

14 ngày

28 ngày

90 ngày

1 năm

Cường ñộ chịu nén của bê tông cường ñộ cao ñược xác ñịnh trên mẫu bê tông tiêu chuẩn, ñược bảo dưỡng 28 ngày trong ñiều kiện tiêu chuẩn, theo tiêu chuẩn Việt Nam hoặc Quốc Tế thích hợp

Theo tiêu chuẩn của Việt Nam, mẫu tiêu chuẩn ñể xác ñịnh cường ñộ bê tông là mẫu hình hộp lập phương có cạnh 150x150x150 mm, bảo dưỡng trong ñiều kiện t = 20-25oC, W = 90 - 100% Hoặc mẫu hình trụ D = 15, H =30 cm, lấy mẫu

và bảo dưỡng theo TCVN

Theo ACI thì mẫu tiêu chuẩn ñể xác ñịnh cường ñộ bê tông cường ñộ cao là mẫu hình trụ tròn có kích thước: d = 6 in và h = 12 in (150x300 mm), và ñược bảo dưỡng ẩm

Cường ñộ chịu nén của bê tông cường ñộ cao hiện nay theo qui ñịnh của ACI (Mỹ) từ 42MPa (6000 psi) ñến 138 MPa (20'000 psi) Ở Việt Nam và châu Âu thường qui ñịnh có cường ñộ khoảng 60 - 80 MPa

2.2 Tốc ñộ tăng cường ñộ chịu nén theo thời gian

Bê tông cường ñộ cao có tốc ñộ tăng cường ñộ ở các giai ñoạn ñầu cao hơn

so với bê tông thường, nhưng ở các giai ñoạn sau sự khác nhau là không ñáng kể Parrott ñã báo cáo các tỉ số ñiển hình của cường ñộ sau 7 ngày ñến 28 ngày là 0,8 - 0,9 ñối với bê tông có cường ñộ cao, từ 0,7 - 0,75 ñối với bê tông thường, trong khi

ñó Carrasquillo, Nilson và Slate ñã tìm ra ñược tỉ số ñiển hình của cường ñộ sau 7 ngày là 0,6 ñối với bê tông có cường ñộ thấp, 0,65 ñối với bê tông có cường ñộ trung bình và 0,73 ñối với bê tông có cường ñộ cao Tốc ñộ cao hơn của sự hình thành cường ñộ của bê tông cường ñộ cao ở các giai ñoạn ñầu là do sự tăng nhiệt

ñộ xử lý trong mẫu bê tông vì nhiệt của quá trình hidrát hoá, khoảng cách giữa các hạt ñã ñược hidrát hoá trong bê tông cường ñộ cao ñã ñược thu lại và tỉ số nước/ xi măng thấp nên lỗ rỗng do nước thuỷ trong bê tông cường ñộ cao là thấp hơn

Sự tăng cường ñộ nhanh hơn nhiều so với bê tông cổ ñiển (bảng 3.1.), là do sự xích gần sớm của các hạt bê tông tươi, cũng như là vai trò làm ñông cứng của muội silic Sự phát triển sớm của cường ñộ trong thực tế phụ thuộc vào bản chất (hàm lượng Aluminat, ñộ mịn) và lượng dùng xi măng, hàm lượng có thể có của chất làm chậm ninh kết, cũng như là chắc chắn phụ thuộc vào nhiệt ñộ của bê tông

Quan hệ giữa bê tông chịu nén ở ngày thứ j (fcj) và cường ñộ bê tông ngày

28 (fc28) có thể sử dụng công thức BAEL và BPEL (Pháp) như sau:

fcj = 0,685 log (j’+1)fc28 hoặc công thức ở dạng tuyến tính như sau:

Hình 3.1 Quan hệ giữa cường ñộ và thời gian

j f

bj b

j f

+

−

trong ñó: b = 0,95

Vậy 28

'95,04,

j

j f

Hình 3.2 Quan hệ ứng suất biến dạng của 4 loại bê tông

Trên hình 3.2 là quan hệ giữa ứng suất theo chiều trục và biến dạng ñối với

bê tông có cường ñộ nén lên tới 105 MPa Dạng ñồ thị ở phía tăng của ñường cong ứng suất – biến dạng khá tuyến tính và dốc ñối với bê tông cường ñộ cao, biến dạng tương ñương ứng với ñiểm ứng suất lớn nhất cao hơn ñối với bê tông cường

ñộ cao ðối với bê tông cường ñộ cao ñộ dốc ở phía giảm trở nên dốc hơn (ðể có ñược những số liệu của phía giảm ñường cong ứng suất – biến dạng, nói chung cần

phải tránh sự tương tác lẫn nhau của hệ thống kiểm tra mẫu thử) ðiều này cũng cho thấy ñộ dai của bê tông cường ñộ cao thấp hơn so với bê tông truyền thống

ðộ ròn của bê tông cường ñộ cao

ðối với kim loại và ñặc biệt là thép, sự phát triển cường ñộ luôn luôn ñi ñôi với ñộ ròn lớn hơn ðiều ñó ñược thể hiện bằng các dạng phá hoại ñặc biệt và bằng

ñộ dai (ñại lượng biểu thị khả năng của vật liệu chống lại sự lan truyền của vết nứt)

và tốc ñộ phá hoại Chúng ta quan sát ba dạng này ñối với bê tông chất lượng cao

và rất cao

Các dạng phá hoại:

Các bề mặt vỡ của bê tông bê tông cường ñộ cao là ñặc trưng tiêu biểu của vật liệu Các vết nứt ñi qua không phân biệt hồ và cốt liệu (hình 3.3) Như vật sự phá huỷ của bê tông cường ñộ cao có quan hệ gần gũi với dạng chẻ theo thớ của kim loại ròn Với bê tông thường vết nứt có ñi qua biên cốt liệu không ñi qua cốt liệu

Vết nứt của bê tông thường Vết nứt của bê tông cường ñộ cao

Hình 3.3 Các dạng vết nứt Không phải là giống nhau khi người ta quan tâm ñến ñộ dai hoặc nhân tố ñộ mạnh của ứng suất cực hạn Khi ño thông số này trên ba loại bê tông, là bê tông thường, bê tông cường ñộ cao không có muội silic và bê tông cường ñộ cao Các giá trị tìm ñược lần lượt bằng 2,16; 2,55; 2,85 MPa trong khi ñó năng lượng phá vỡ ñược xác ñịnh ở mức ñộ 131; 135; 152 J/m2 ðiều ñó có nghĩa là ñể lan truyền trong bê tông cường ñộ cao một vết nứt có chiều dài và môi trường xung quanh ñã cho cần thiết năng lượng gia tải lớn hơn so với bê tông thông thường Nguyên nhân

cơ bản là sự tăng mật ñộ của hồ và cải thiện liên kết giữa hai pha hồ và cốt liệu

Tuy nhiên cũng nhận thấy rằng ñộ dai còn tăng lên không nhanh bằng tốc ñộ tăng cường ñộ kéo và mô ñun Có thể giải thích hiện tượng này nhờ các quan niệm dùng công thức cổ ñiển xuất phát từ cơ học phá huỷ về giá trị với ứng suất phẳng:

Kd = (E.Gd)1/2

trong ñó Kd là ñộ dai, Gd là năng lượng riêng của sự phá hoại và E là mô ñun ñàn hồi

Cho rằng năng lượng phá hoại Gd là tổng số của năng lượng cần thiết ñể phá hoại hồ và năng lượng phá hoại cốt liệu Gd ñược cân bằng bởi các thể tích, khi ñó

ta có:

Gd = (1-g) Gh + gGcl trong ñó: g là thể tích của cốt liệu

Gh = 1,2 J/m2 ñối lại Gcl = 152 J/m2 (số liệu thực nghiệm)

Thực chất có thể bỏ qua Gh (vì giá trị quá nhỏ) trong biểu thức năng lượng phá hoại bê tông Vì vậy bê tông ñối chứng và bê tông cường ñộ cao có cùng năng lượng phá hoại, từ ñó có ñịnh luật:

Kd = (g GdE)1/2

2.4 Hoạt ñộng của nén ñơn trục:

Hoạt ñộng nén ñơn trục của bê tông cường ñộ cao cho phép ta xem xét tốc

ñộ phá hoại của bê tông cường ñộ cao Hoạt ñộng nén ñơn trục của bê tông cường

ñộ cao vẫn tuân theo qui luật truyền thống của bê tông theo ñịnh luật Sargin Trước khi phá hoại quan hệ ứng suất - biến dạng rất tuyến tính, ở ñỉnh của ứng suất, biến dạng dẻo chỉ bằng 15% của biến dạng tổng cộng, trong khi ñó ñối với mẫu ñối chứng là 29% Theo ñịnh nghĩa của Rosi thì bê tông cường ñộ cao sẽ ròn hơn

Sự dãn dài ở ñỉnh của ứng suất sẽ lớn hơn một chút so với bê tông thông thường (ở ñây 2,1 thay cho 1,8.103) Các biến dạng ngang về ñịnh lượng là cùng loại so với biến dạng của ñối chứng, tuy nhiên tăng thể tích ít hơn (biến dạng thể tich εv) (Hình 3.4)

Hình 3.4 Các dạng biến dạng

Có thể giải thích hoạt ñộng ñó bằng hai cách:

- Theo quan ñiểm về năng lượng, người ta thấy rằng năng lượng phá hoại vật liệu tăng lên ít so với cường ñộ nén của nó Kết quả là diện tích ñường cong không thể tỉ lệ với ứng suất cực ñại Phần “ñỉnh sau” như vậy bắt buộc càng giảm ñi với tỉ

lệ thích hợp

- Theo quan ñiểm cục bộ có thể giải thích bằng mô hình uốn dọc tạo thành nứt dọc của vật liệu, tương tự như các vết nứt của lực cắt Lúc phá hoại lực cắt lớn nhất theo góc của các vết nứt này với hướng nén Theo các quan niệm cổ ñiển của Mohr, người ta thấy:

θ = (1/2) Arctg2 (ft/fc)1/2 trong ñó ft và fc biểu thị cường ñộ kéo và cường ñộ nén của vật liệu

Cường ñộ kéo tăng không nhanh bằng cường ñộ nén, θ giảm ñi ñối với các giá trị lớn của fc Mặt khác, các mặt phá hoại rất nhắn, và những vết nứt này chỉ có thể lấy lại lực bằng ma sát, nhờ một trạng thái ứng suất ngang Từ ñó bê tông cường ñộ cao chịu nén ñơn trục, sinh ra sự giảm mạnh lực sau khi ñạt ñược trị số cực ñại (Hình 3.5.)

Hình 3.5 Sự giảm cường ñộ ñột ngột khi nén

Khi thí nghiệm các dầm nhiều cốt thép dạng phá hoại của dầm là dạng phá hoại ở thớ nén, các biến dạng của cốt thép ở thớ nén vượt quá 0,4% trị số qui ñịnh

Khi thí nghiệm các kết cấu dầm ít cốt thép, cường ñộ bê tông cao dẫn tới việc tăng ñộ dãn dài Sự cải thiện ñộ dính kết giữa bê tông và cốt thép làm cốt thép

bị dẻo hoá sẽ lớn hơn trong bê tông cường ñộ cao

Sự không phù hợp nhau giữa hai cách thí nghiệm, hình trụ chịu nén và dầm chịu uốn - có lẽ có hai nguyên nhân: Nguyên nhân thứ nhất là do sự hạn chế bởi phần còn lại của kết cấu trên vùng ñã vượt qua giới hạn biến dạng về nén Thật vậy vết nứt ñược ñịnh vị ở ñầu trong mẫu hình trụ và phần còn lại ñi xuống của ñường cong phù hợp với sự trượt tăng dần của hai khối bê tông là hai phần của dầm Vì vậy vết vỡ phát triển khó khăn ở trong dầm; có thể sinh ra trượt trong vùng bị nén

Sơ ñồ duy nhất lúc ñó có thể là sơ ñồ của hình 3.6

Hình 3.6 Các dạng phá hoại khi uốn

Chính khi ñó xuất hiện nguyên nhân không hoà hợp thứ hai, do các cốt thép ñai

ðể kết luận người ta có thể ñề xuất các yếu tố sau ñây:

- ðối với việc tính uốn quan ñiểm cổ ñiển bao gồm dùng một ñường cong thực nghiệm (ứng suất - biến dạng) như là qui luật hoạt ñộng của bê tông với một phần “dịu ñi” ðường cong ñạt ñược trên một mẫu nén ñơn trục ðối với bê tông cường ñộ cao phải làm ngược lại và lựa chọn các ñịnh luật qui ước, gắn nó vào những kết quả vi mô của thí nghiệm uốn Quan hệ ứng suất biến dạng hiện nay lựa chọn là mô hình, hình bình hành Có thể phù hợp với các ñiều kiện là cấu kiện chứa hàm lượng tối thiểu cốt thép ñai

- ðối với những tính toán phá hoại khi nén ít lệch tâm, các tính toán mới ñây ñang ñược triển khai có lẽ là dựa trên cơ học ứng suất khối hơn là trên cơ học của môi trường liên tục

Bê tông cường ñộ cao tỏ ra có ít vết nứt bên trong hơn là bê tông có cường

ñộ thấp với một biến dạng theo một trục Sự tăng tương ñối trong biến dạng mặt bên là ít ñối với bê tông cường ñộ cao Sự giãn nở mặt bên tương ñối thấp hơn trong phạm vi không ñàn hồi có thể là do các ảnh hưởng của ứng suất theo chiều trục của mẫu sẽ khác nhau một cách tỉ lệ ñối với bê tông cường ñộ cao Ví dụ ảnh hưởng của vòng cốt thép ñược thực nghiệm cho thấy là khác nhau trong bê tông cường ñộ cao Tính hiệu quả của sự tăng cứng dạng xoắn ốc là ít trong bê tông cường ñộ cao

3 Cường ñộ chịu kéo

3.1 Tổng quát

Cường ñộ chịu kéo của bê tông khống chế vết nứt và ảnh hưởng ñến các tính chất khác của bê tông như: ñộ cứng, khả năng dính bám với cốt thép, ñộ bền Cường ñộ chịu kéo còn liên quan ñến ứng xử của bê tông dưới tác dụng của lực cắt

Bê tông có cường ñộ cao thì cường ñộ chịu kéo cũng cao hơn Tất cả các thử nghiệm mẫu ñều xác nhận ñiều ñó từ 30 -:- 60% tuỳ theo thành phần của bê tông cường ñộ cao Việc cải thiện chất lượng của vùng chuyển tiếp giữa hồ xi măng và cốt liệu có thể ñóng vai trò quan trọng trong việc gia tăng này

Tuy nhiên cường ñộ chịu kéo của bê tông cường ñộ cao tăng chậm hơn so với tốc ñộ tăng cường ñộ chịu nén (ftj/fcj =1/15-:-1/20 ) trị số chịu kéo khi biến dạng ñến 6 MPa là có ý nghĩa sử dụng có lợi cho kết cấu

Cường ñộ chịu kéo của bê tông ñược xác ñịnh bằng thí nghiệm kéo dọc trục hoặc thí nghiệm gián tiếp như kéo uốn, kéo bửa

3.2 Cường ñộ chịu kéo dọc trục

Cường ñộ chịu kéo dọc trục của bê tông rất khó xác ñịnh, do ñó các số liệu rất hạn chế và thường rất khác nhau Nhưng người ta cho rằng cường ñộ chịu kéo dọc trục của bê tông bằng khoảng 10% cường ñộ chịu nén

Các nghiên cứu của trường ñại học Delft trên mẫu ñường kính 120mm (4.7 inch), chiều dài 300mm (11.8 inch), có cùng cường ñộ với ñiều kiện bảo dưỡng khác nhau Kết quả cho thấy cường ñộ chịu kéo của mẫu ñược bảo dưỡng ẩm cho kết quả cao hơn khoảng 18% so với mẫu bảo dưỡng khô Các nghiên cứu khác tại Trường ðại học Northwestern với các loại bê tông khác nhau có cường ñộ ñến 48MPa cho thấy cường ñộ chịu kéo dọc trục có thể biểu diễn theo cường ñộ chịu nén như sau:

f’t = 6.5 f (psi) c'

hay: f’t = 0.54 f c' (Mpa)

Theo tiêu chuẩn Anh (BS 8007: 1987) thì:

f’t = 0.12 (f’c)0.7 Chưa có số liệu nào về cường ñộ chịu kéo dọc trục của bê tông có cường ñộ chịu nén ñạt 55Mpa

3.3 Cường ñộ chịu kéo gián tiếp

Cường ñộ chịu kéo gián tiếp ñược xác ñịnh thông qua thí nghiệm kéo bửa (splitting tension - ASTM C496) hoặc thí nghiệm kéo uốn (ASTM C78)

- Cường ñộ kéo bửa (f ct )

Theo ACI 363, cường ñộ kéo bửa của bê tông nặng có quan hệ với cường ñộ chịu nén theo công thức [6]:

fct = 7.4 f (psi) với bê tông có cường ñộ 3000 – 12000 psi c'

hay: fct = 0.59 f (MPa) với bê tông có cường ñộ 21 – 83 MPa c'

Theo Shah và Ahmad thì công thức là:

fct = 4.34(f’c)0.55 (psi) với bê tông có cường ñộ < 1200 (psi) hay: fct = 0.462(f’c)0.55 (MPa) với bê tông có cường ñộ < 83MPa

Cường ñộ chịu kéo của bê tông dùng muội silíc cũng có quan hệ với cường

ñộ chịu nén như ñối với các loại bê tông khác

- Cường ñộ kéo uốn:

Cường ñộ chịu kéo uốn ñược xác ñịnh bằng thí nghiệm uốn mẫu dầm tiêu chuẩn Các kết quả thí nghiệm cho thấy cường ñộ kéo uốn bằng khoảng 15% cường ñộ chịu nén của bê tông ðối với bê tông cường ñộ cao ACI kiến nghị:

fr = k f (psi) (ACI 363) c'

hay: fr = 0.94 f (MPa) với bê tông có cường ñộ chịu nén ≤ 83 MPa c'

Các kết quả thí nghiệm uốn một trục và hai trục cho thấy cường ñộ chịu kéo uốn một trục cao hơn cường ñộ chịu kéo uốn hai trục khoảng 38%

ðối với bê tông dùng muội silic, tỉ lệ giữa cường ñộ chịu kéo và cường ñộ chịu nén cũng tương tự như các loại bê tông cường ñộ cao khác

4 Mô ñun ñàn hồi

Khi tính toán biến dạng ñàn hồi tuyến tính của kết cấu bê tông ñều phải chọn một giá trị của mô ñun ñàn hồi Như vậy, môñun ñàn hồi chính là một ñặc tính chỉ dẫn trực tiếp về ñộ cứng của kết cấu bê tông Mô ñun ñàn hồi lớn thì ñộ cứng kết cấu lớn và kết cấu càng ít bị biến dạng

Mô ñun ñàn hồi của bê tông cường ñộ cao lớn hơn so với bê tông thường, tuy nhiên, mô ñun ñàn hồi chịu kéo tăng yếu hơn Thật vậy, người ta có thể trông ñợi vào những mô ñun cao hơn 20 ÷ 40% ñối với bê tông cường ñộ cao tuỳ theo thành phần của nó và bản chất của loại cốt liệu

Mô ñun ñàn hồi của bê tông chịu ảnh hưởng lớn của các vật liệu thành phần và

tỷ lệ phối hợp các vật liệu Việc tăng cường ñộ chịu nén kèm theo mô ñun ñàn hồi cũng tăng, ñộ dốc của biểu ñồ σ~ε tăng lên ðối với bê tông có khối lượng thể tích

từ 1440 ñến 2320 kg/m3, và cường ñộ < 42MPa (6000psi) thì quan hệ giữa mô ñun ñàn hồi và cường ñộ có thể biểu diễn theo công thức [5]:

Ec = 0,0143×γ1.5× f (MPa) 'cðối với bê tông có cường ñộ > 42MPa, tốc ñộ tăng mô ñun ñàn hồi chậm hơn ACI 363 kiến nghị công thức quan hệ Ec ~ f'c ñược biểu diễn theo công thức:

Ec = (3,32 f +6895)×'c

5 1

Ec = γ2.5( f )'c 0.315 (psi)

Ec = 0.0125.γ2.5( f )'c 0.315

(MPa) Biều đồ quan hệ giữa mơ đun đàn hồi và cường độ chịu nén của bê tơng cường

độ cao với cường độ bê tơng đến 117 MPa

Năm 1934, Thoman và Raeder cho biết các giá trị mơdun đàn hồi được xác định như là độ dốc của đường tiếp tuyến với đường cong ứng suất - sức căng trong nén đơn trục ở 25% của ứng suất tối đa từ 4.2 x 106 đến 5.2 x 106 psi (29 đến 39 GPa) đối với bê tơng cĩ cường độ nén nằm trong phạm vi từ 10,000 psi (69 MPa) tới 11,000 psi (76 MPa)

Mối tương quan giữa mơ đun đàn hồi Ec và cường độ nén f c ' đối với bê tơng cĩ

trọng lượng thơng thường

Theo ACI 318 là Ec=33wc(f’c)3/2 psi

hoặc Ec = 40,000 fc' + 1.0 x 106 psi

ðối với: 3000 psi < f c' < 12,000 psi

MPa'

fE

( c = 3320 c + 6900

ðối với: 21 MPa < f c ' < 83 MPa )

Các phương trình thực nghiệm khác để dự đốn mơ đun đàn hồi đã được đề xuất Sai số từ các giá trị dự đốn phụ thuộc rất nhiều vào các đặc tính và các tỉ lệ của cốt liệu thơ

Biểu ựồ 3.7 Quan hệ giữa mô ựun ựàn hồi và cường ựộ chịu nén của bê tông cường ựộ cao

Khi tốc ựộ biến dạng tăng thì kết quả mô ựun ựàn hồi cũng tăng Trên cơ sở các kết quả thực nghiệm ựối với bê tông có cường ựộ ựến 48 MPa, Shah và Ahmad kiến nghị công thức xác ựịnh mô ựun ựàn hồi dưới khi tốc ựộ biến dạng nhanh như sau:

Các nhân tố khác của cốt liệu ảnh hưởng tới mô ựun ựàn hồi của bê tông là: kắch thước hạt max, hình dáng, cấu trúc bề mặt, cấp phối hạt, và mô ựun ựàn hồi của ựá gốc Chúng có thể ảnh hưởng tới những vết nứt vi mô ở khu vực chuyển tiếp và vì vậy ảnh hưởng tới hình dạng của ựường cong biến dạng - ứng suất

- đá xi măng

Mô ựun ựàn hồi của ựá xi măng bị ảnh hưởng bởi chắnh lỗ rỗng của nó Các nhân tố có thể ựiều chỉnh lỗ rỗng trong xi măng là: tỉ lệ Nước/ xi măng, hàm lượng khắ, phụ gia khoáng, và mức ựộ thuỷ hoá của xi măng

- Vùng chuyển tiếp

Nói chung, vùng lỗ rỗng, vết nứt vi mô, và xu thế kết tinh calcium hydroxide là tương ựối phổ biến ở vùng chuyển tiếp hơn so với chất kết dắnh xi măng rời vì vậy chúng giữ một vai trò quan trọng trong việc xác ựịnh mối quan hệ ứng suất Ờ biến dạng trong bê tông

5 Hệ số Poisson

Các số liệu thực nghiệm về các giá trị của tỉ số Poisson ựối với bê tông cường ựộ cao là rất hạn chế Shidelervà Carrasquillo ựã báo cáo các giá trị của tỉ số Poisson ựối với bê tông cường ựộ cao dùng cốt liệu nhẹ có cường ựộ nén tới 10,570 psi (73 MPa) sau 28 ngày là 0,2 không tắnh ựến tuổi cường ựộ nén và hàm lượng ẩm Mặt khác, Perenchio và Kliegerựã báo cáo các giá trị tỉ số Poisson của bê tông

có trọng lượng thông thường với cường ựộ nén nằm trong phạm vi từ 8000 ựến

116000 psi (55 - 80 MPa) là từ 0,20 - 0,28 Họ kết luận rằng hệ số Poisson có khuynh hướng giảm khi tỉ lệ nước - xi măng tăng Kaplan ñã tìm ra các giá trị cho

tỉ số Poisson của bê tông từ 0,23 ñến 0,32 ñược xác ñịnh bằng cách dùng phép ño ñộng học là không phụ thuộc vào cường ñộ nén cốt liệu thô, ñối với bê tông có cường ñộ ñến 11500 psi (79 MPa)

Trên cơ sở các thông tin có sẵn, hệ số Poisson của bê tông cường ñộ cao trong phạm vi ñàn hồi dường như có thể tương ñương với giá trị của bê tông truyền thống

6 Mô dun gãy

Các giá trị ñược báo cáo của nhiều nhà nghiên cứu về mô ñun gãy của hai loại

bê tông có trọng lượng nhẹ và bê tông có trọng lượng thông thường nằm trong phạm vi từ 7.5 fc' ñến 12 fc'

psi'f.'

fr = 117 c

ðối với 3000 psi < f c ' < 12,000 psi

MPa f

f r' = 0.94 c'

ðối với 21 MPa < f c ' < 83 MPa

7 Cường ñộ mỏi (ñộ bền mỏi)

Các số liệu về quan hệ mỏi của bê tông cường ñộ cao là rất hạn chế Bennett và Muir ñã nghiên cứu cường ñộ mỏi bằng cách nén ñồng trục một khối bê tông cường ñộ cao có kích thước 4" (102 mm) có cường ñộ nén tới 11.155 psi (76.9 MPa) và nhận ra rằng sau một triệu chu trình cường ñộ của mẫu thử chịu tải trọng lặp lại khác nhau từ 66 - 71% so với cường ñộ tĩnh cho một mức ứng suất tối thiểu

là 1250 psi (8.6 MPa) Giá trị thấp hơn ñược tìm thấy ñối với bê tông cường ñộ cao

và ñối với bê tông ñược làm bằng cốt liệu thô có kích thước nhỏ, nhưng phần tăng thực tế của sự khác nhau là rất nhỏ

8 Khối lượng ñơn vị

Giá trị ño ñược của khối lượng ñơn vị của bê tông có cường ñộ cao lớn hơn chút

ít so với bê tông có cường ñộ thấp ñược cùng làm từ một loại nguyên vật liệu (γ = 2,4÷2,5 g/m3)

9 Các ựặc tắnh về nhiệt

Các ựặc tắnh về nhiệt của bê tông cường ựộ cao nằm trong phạm vi ựúng ựối với

bê tông có cường ựộ thấp Các ựại lượng ựo ựược là nhiệt lượng riêng, tắnh dẫn nhiệt, ựộ dẫn nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt, hệ số khuyếch tán

10 Co ngót

Chắnh sự co ngót do khô là ựáng quan tâm và lo lắng đó là sự co ngót của một mẫu ựược tháo khuôn ở 24 giờ sau khi ựược làm khô ở trong phòng với ựộ ẩm tương ựối 50ổ10% và nhiệt ựộ 20ổ10C ựược khống chế độ co ngót do khô ựược lấy một cách quy ước bằng hiệu số giữa ựộ co tổng cộng và ựộ co của cùng một mẫu không bị mất nước chút nào

Trong khi ựộ co ngót nôi sinh cuối cùng gần gấp ựôi, ựộ co khô giảm ựi, vật liệu chỉ bao gồm rất ắt nước tự do sau khi thuỷ hoá độ co tổng cộng của bê tông cường

ựộ cao ựược ựo trên các mẫu φ16 cm, vào khoảng hai lần nhỏ hơn trên những mẫu

bê tông ựối chứng Chú ý ựến những ựộng học ựặc biệt nhanh của ựộ co của bê tông bê tông cường ựộ cao, nó có thể tạo ra các sai số trong trường hợp so sánh trên các thắ nghiệm ngắn ngày

Có nên lo ngại ảnh hưởng của ựộ co nội tại của bê tông cường ựộ cao ựối với qui

mô của kết cấu không? đối với các công trình cầu hầm, phần lớn của biến dạng này xảy ra sau khi tháo ván khuôn và khi ựó các ảnh hưởng của nó giống như ảnh hưởng của một biến dạng thuần nhất do nhiệt Các ựiểm tiếp xúc của kết cấu với nền ựược dự kiến ựể loại biến dạng ựó không cần cấu tạo ựặc biệt

Bảng 3.2 Các số liệu thắ nghiệm co ngót bê tông thường và bê tông cường ựộ

ðộ co ngót tổng cộng (µµµµm/m) Bê tông ñối

Trong các thí nghiệm này cái chắn ñộ ẩm cũng không hiệu quả như trong các phép ño co ngót, vì không có một lá nhôm ñặt ở giữa hai lớp nhựa Từ biến riêng của ñối chứng như vậy có thể ñược ñánh giá hơi quá mức tuy nhiên bê tông cường

ñộ cao thể hiện một từ biến giống nhau trên hai mẫu Như vậy nó không bị ảnh hưởng bởi giả tượng trên ñây

Từ biến của bê tông cường ñộ cao ñược ñặc trưng cuối cùng bởi:

- Một ñộng học nhanh (ở 7 ngày gia tải, một tỷ lệ 67% của biến dạng ở một năm

ñã ñược thực hiện trong khi ñối chứng chỉ có 41%)

- Một biên ñộ rất yếu (Kn≤ 0,60, hai ngày gia tải ðiều này có thể là ít thuận lợi ñối với các gia tải ở tuối ít ngày

- Một sự ủộc lập với cỏc tỏc dụng của ủộ ẩm và của dạng hỡnh học của kết cấu, một cái lợi thực tế đối với người thiết kế các kết cấu sử dụng các vật liệu, tạo sự tin cậy vào sự hợp thức cho tớnh toỏn của họ

12 Sự dớnh kết với thộp thụ ủộng

Về vấn ủề này tài liệu cũn chưa cú nhiều lắm Rosenberg và những người khỏc trỡnh bày cỏc kết quả thớ nghiệm nhụ lờn (ống tuýp cú thành phần nhẵn ủặt vào trong một hỡnh trụ bằng bờ tụng cường ủộ cao) trờn hai loại bờ tụng cú và khụng muội silic Sự dớnh kết trung bỡnh tăng lờn 40%, ủối với một tăng thờm cường ủộ nộn khoảng 50% Burger ủó so sỏnh sự dớnh kết của vật liệu với tỷ lệ nước/xi măng khụng ủổi Khi ủú cũng vậy cú và khụng cú muội silic Sự dớnh kết biến ủổi trong một tỷ số 3,2 và 1,5 lần lượt ủối với cỏc thớ nghiệm trờn hồ tinh (N/X=0,20) trờn vữa (N/X=0,30) và trờn bờ tụng (N/X=0,35) Wecharatana và những người khỏc cũng tiến hành những thớ nghiệm trờn một loại bờ tụng BHP cú cường ủộ trung bỡnh năm vào khoảng 75 và 80 MPa, nhưng khụng cú bờ tụng ủối chứng, so sỏnh với cỏc thớ nghệm tỡm thấy trong tài liệu, chỳng ghi lại sự hoạt ủộng của mối liờn

hệ rất kộm tức là những sự trượt yếu hơn trước khi giảm lực dớnh kế Cuối cựng Lorran và những người khỏc là tỏc giả của cỏc tài liệu hoàn chỉnh hơn lớp phủ bằng một mẫu ủược ủổ trong một hỡnh trụ bằng kim loại làm nhiệm vụ của vỏn khuụn và thớ nghiệm kộo, trong ủú người ta rỳt trờn cốt thộp ủược gắn trong một hỡnh trụ bằng bờ tụng bởi hai ủầu của chỳng Sự dớnh kết thể hiện mối tương quan tốt với cường ủộ kộo của bờ tụng Cỏc thụng số lực cực ủại, ủộ cứng, tớnh hồi phục hoạt ủộng theo một hướng cú lợi khi tuổi của bờ tụng, chiều dài tiếp xỳc của bờ tụng cốt thộp hoặc cỏc tỉ số chất dớnh kết/nước tăng lờn

Những lực cắt ủạt ủược trong dầm bằng bờ tụng cường ủộ cao lớn hơn nhiều so với cỏc lực cắt ủạt ủược trong dầm ủối chứng Thể hiện một hiệu ứng tỉ lệ khỏ lớn

cú lẽ cú thể giải thớch ủược bằng co ngút nội tại, nú tạo nờn một sự xiết chặt càng lớn khi tỉ lệ % của thộp trong dầm càng nhỏ

Với sự dớnh kết của cỏc cốt thộp lớn là thấp hơn sự dớnh kết của cỏc cốt thộp nhỏ, tuy nhiờn người ta cú thể ghi nhận với sự gần ủỳng ủầu tiờn là tỉ số cỏc lực cắt trung bỡnh (giỏ trị trung bỡnh của cỏc ứng suất ủối với sự trượt bằng 10 và 100àm, ủối với cỏc tập hợp cỏc ủường kớnh thử) là như tỉ số của cường ủộ kộo, ủú cũn là kết quả cổ ủiển của cỏc loại bờ tụng thụng thường, cú thể nội suy ủược cho bờ tụng cường ủộ cao

Một hiệu quả tức thỡ của sự cải thiện lực dớnh kết là giảm tương quan cỏc chiều

dài neo Ngoài ra một tác dụng thuận lợi phát sinh từ ñó ñể ñịnh kích thước các dầm bê tông cốt thép bị uốn, khi sự nứt nẻ ñược ñánh giá là có hại hoặc rất có hại Thật vậy trong các trường hợp như vậy người thiết kế tiến tới giảm ứng suất làm việc của cốt thép ñể hạn chế ñộ mở của các vết nứt của bê tông thường Một tính toán so sánh khi ñó chỉ ra là trong một tấm ñan bị uốn theo một hướng ñược ñịnh kích thước ñể chịu ñược tải trọng ñã cho, ñối với tấm ñan bằng bê tông cường ñộ cao, cho cốt thép làm việc ở cực ñại vẫn ñạt ñược ñộ mở rộng lý thuyết của vết nứt nhỏ hơn vết nứt của kết cấu tương tự bằng bê tông thường

Việc sử dụng bê tông cường ñộ cao ñồng thời thể hiện bằng việc giảm chiều dày của tấm ñan và giảm tiết diện thép ñể có ñược tổng giá cả vật liệu tại chỗ rẻ hơn

13 Các tính chất khác

Cường ñộ mài mòn là ñối tượng của một vài tài liệu xuất bản liên quan ñến cách cải thiện khả năng của mặt bê tông chống lại sự xâm thực cơ học cục bộ Như vậy Holland ñã nghiên cứu một vật liệu dùng cho bể tràn của ñập (ñập Kinzua - USA) trong trường hợp nước lên nó bị chảy rất mạnh có chức phù sa và các mảnh khác

Bê tông có sợi ñã tỏ ra không có phẩm chất tốt hơn bê tông thường, cuối cùng ñã chọn bê tông cường ñộ cao, theo chủ nhiệm công trình thì bê tông này ñạt mọi yêu cầu Gjover ñã quan tâm ñến loại vật liệu này dùng cho lớp phủ mặt ñường và ñã thử một loại tổ hợp có ñường ñộ khác nhau trên một vòng quay thử ñộ mỏi Chuẩn mực về phẩm chất là bề dày của phần vật liệu ñược nhổ từ vật liệu theo số chu kỳ,

sự tương quan, (ngược lại) của yếu tố này với cường ñộ nén là khá tốt, với bê tông cường ñộ cao có cường ñộ 150 MPa, hoạt ñộng của nó so sánh ñược với khối ñá Granit, do chất lượng liên kết tốt hơn giữa hồ và cốt liệu

Như ñã nêu ở trên, các kết cấu bằng bê tông có cường ñộ rất cao tiến gần ñến các kết cấu bằng kim loại một cách logic bởi hình thể, tính nhẹ nhàng và mềm dẻo của chúng Khi ñó có thể là các vấn ñề về mỏi xuất hiện, một vài tài liệu nói về vấn

ñề này, ñược nghiên cứu ñặc biệt ñể áp dụng trong xây dựng khai thác dầu khí ngoài khơi Về mặt kéo cũng như nén phẩm chất của bê tông cường ñộ cao hình như không khác bê tông cổ ñiển, ñối với các tỉ lệ ứng suất làm việc/ứng suất phá hoại có thể tương ñương

14 Mô hình hoá vật liệu ñể áp dụng cho thiết kế các kết cấu

Trong phần này mô tả tổng hợp các tính chất của bê tông cường ñộ cao gắn với tinh thần của những qui tắc của BAEL/BPEL, các qui tắc ñó ñã ñược mở rộng cho

bê tông cường ñộ cao (fc 28 ≥ 60 MPa), làm cơ sở cho các tính toán kết cấu bê tông

cốt thép và bê tông cốt thép DƯL sử dụng bê tông cường ñộ cao

14.1 Mô hình biểu ñồ ứng suất - biến dạng

Về biến dạng cần xem xét ñến việc tính toán các biến dạng tức thời và biến dạng về sau bởi sự co , từ biến của các bê tông có cường ñộ chịu nén cao từ 60 ñến

80 MPa Các biểu ñồ ñược xây dựng trên cơ sở các hiểu biết hiện nay về BCðC và không áp dụng ñối với bê tông xử lý nhiệt Các bê tông ñặc biệt sẽ phải xem xét sau

Khi tính toán giới hạn sử dụng, thông thường chỉ cần chọn mô hình ñàn hồi và tuyến tính ðối với bê tông cường ñộ cao, mô ñun ñàn hồi và mô ñun tiếp tiếp tuyến ban ñầu ñược coi là như nhau do ñường biến dạng có ñộ dốc lớn

Khi tính toán giới hạn biến dạng cuối (εb2), bê tông chịu biến dạng lớn thì ứng lực phải chịu sẽ ñạt tối ña bằng ứng suất nén của bê tông và rồi giảm cho tới khi bị ngắt cường ñộ nén (ñiều này phụ thuộc vào grañien của biến dạng và việc có hay không có cốt thép ñai) Kể từ thời ñiểm lực tác dụng, trường của biến dạng không còn ñồng nhất nữa Bề mặt của bê tông bị bóc ở chỗ biến dạng lớn nhất và việc ngắt diễn ra bởi việc ñịnh vị các biến dạng trong các bề mặt trơn Sau ñó, khả năng chịu tải của kết cấu không còn phụ thuộc vào ứng suất ban ñầu của bê tông nữa

ðể ñơn giản, ta coi rằng ứng xử của vật liệu có thể ñược mô tả qua biểu thức ứng suất - biến dạng, ngay cả sau khi cho lực tác dụng Trong trường hợp thông thường, nếu không cần tính toán cụ thể, chi tiết các biến dạng, ta có thể chấp nhận biểu ñồ parabol - tứ giác trong ñó phần nằm ngang trải dài trên các hoành ñộ từ εb2ñến εb2 với (Hình 3.8.)

εb1 = 2.10-3

εb2 = (4,5 – 0,025 fcj) 10-3Khi cần tính toán chính xác các biến dạng, nhất là trong các tính toán ñộ bền vững về hình dạng, thì mô hình parabol - tứ giác chưa ñủ Lúc này cần xét ñến tính không ñàn hồi của BCðC và sử dụng các mô hình phi tuyến

σ 0,8 f ci

Hình 3.8: Biểu ñồ quan hệ cường ñộ – biến dạng theo ñề nghị BAEL Trị số cường ñộ chịu nén của bê tông cường ñộ cao ñược ký hiệu là R’bt và ñược tính như sau:

R’bt= 0,8

b bt

R

γ

θ.trong ñó: cường ñộ chịu nén Rbt ñược thí nghiệm ở ngày t (37, 14 hoặc lớn hơn) với mẫu hình trụ D =15, H=30 mm, ñược chế tạo theo tiêu chuẩn Việt Nam hoặc TSTM 39 với bê tông tiêu chuẩn tuổi 28 ngày, cường ñộ bê tông tiêu chuẩn là R’bñược tính theo công thức sau:

R’bt = 0,8

5 , 1

b

R

Theo ñề nghị của Pháp: R’bt= 0,8

b bt

R

γ

θ.trong ñó: γb = 1,5

θ = 0,8 hoặc 1

Trị số moñun ñàn hồi có thể lấy theo BAEL, BPEL

Ebt = 11.000 Rbt1/3, MPa Hoặc theo ACI 318

Ebt = 15.000 Rbt1/2, daN/cm2Trong trường hợp ñơn giản hoá biểu ñồ Parabol-tứ giác có thể chuyển biểu ñồ ñường thẳng cho bê tông thường (hình 3.9.) thành biểu ñồ ñường thẳng cho bê tông cường ñộ cao (hình 3.10.) như sau:

5 , 1

85 ,

Cường ñộ tính toán của bê tông cường ñộ cao ký hiệu R’bt ñược tính theo công thức sau:

5 , 1

.

t b

- Sự co nội sinh hay co do khô tự nhiên, gây ra do việc bê tông cứng dần lên

- Sự co do sự sấy khô, gây ra do sự trao ñổi nước giữa chất liệu trong bê tông và môi trường bên ngoài Chú ý rằng, ñộ co do bị sấy khô này có thể là số âm ( trong trường hợp này bê tông bị phồng lên )

Như vậy, tổng ñộ co là phép cộng của hai loại ñộ co nói trên

Trong trường hợp các khối bê tông ñặc, nhiệt cũng có thể ảnh hưởng ñáng

kể ñến ñộ co nội sinh hay ñộ co do khô

Tính ñộng của ñộ co nội sinh phụ thuộc vào tốc ñộ phản ứng hydrat hoá Khi tính toán mức ñộ co, trước tiên, người ta dựa vào tốc ñộ cứng của vật liệu và như vậy phải tính ñến các ñặc tính của từng loại bê tông Tỷ số fc (t) fc28, tuổi của bê tông non, ñược coi là biến kiểm tra trước 28 ngày Vì vậy, ñối với khối bê tông ñặc

có ñộ ñông cứng nhanh hơn thì tuổi bê tông có ảnh hưởng lớn ñến ñộ co nội sinh Sau 28 ngày, ñộ co nội sinh ñược tính căn cứ vào thời gian

- Nếu fc(t)fc28 ≥ 0,1 thì có thể tính ñộ co theo ñề nghị của Pháp như sau:

5 28

c

) c 28

c 28 c

f

f 2 , 2 )(

20 f

) f , t

- Với t > 28 ngày thì,

εr0(t,fc28) = (fc28 - 20) [2,8 - 1,1exp(-1/96)].106Trong trường hợp ứng suất thực tế ñến 28 ngày rõ ràng cao hơn ñặc tính ứng suất yêu cầu, sẽ chỉ cho phép ước tính ñộ co nội sinh

Bê tông cường ñộ cao chịu sự sấy khô tự nhiên ðộ ẩm trong của nó, nếu không có sự trao ñổi nước với môi trường bên ngoài, sẽ giảm dần theo thời gian và trong vòng vài tuần sẽ ổn ñịnh ở giá trị thấp (trong khi mà ứng suất nén ñến 28 ngày thì tăng) Sự co do khô sấy thường có tính ñộng chậm hơn và phụ thuộc vào

sự chênh lệch giữa ñộ ẩm trong và ñộ ẩm ngoài môi trường,

Sự co do khô sẽ nhanh hơn nếu bê tông có kích thích của silic Các công thức cho phép tính toán theo ñề nghị của Pháp như sau:

*Bê tông không có kích thích của silic

10

75046

0

⋅

−+

⋅+

=

tt

t,t

pf

,xpf

Kp,ptttE

m

h c

c b

u uv uv

* Bê tông có kích thích của silic

28

8,2

75046

0

−+

++

=+++

t t

t t

p f

n xp t

K p t t t E

m

h c

c h

c uv

Với K (fc28) = 18 nếu 40 MPa < fc28 < 57 MPa

K ( fc28) = 30 - 0,21 fc28 nếu fc28 = 57MPa

Trong các trường hợp thông thường người ta dự tính ñộ giảm của sự co ngót

có các khung thép gắn liền Tổng ñộ co ñược tính trong khoảng thời gian từ khi ñổ

bê tông ñến một thời ñiểm xác ñịnh nào ñó

Trong ñó n = 15 khi 40 ≤ fc28 < 60 MPa

cd+

+

=

Trong trường hợp tính gần ñúng có thể tham khảo số liệu sau:

εco ngót= 2.10-4 với khí hậu rất ẩm;

εco ngót= 4.10-4 với khí hậu nóng và khô;

Với ñiều kiện Việt Nam có thể εco ngót= 3.10-4

- Từ biến tự nhiên xuất hiện khi bê tông không trao ñổi ẩm với môi trường bên ngoài Hiện tượng này về mặt nguyên tắc ñộc lập với kích cỡ của kết cấu

- Từ biến khô trong khi bê tông chịu tải, phụ thuộc vào kích cỡ của kết cấu Biên ñộ từ biến tự nhiên cuối cùng phụ thuộc vào ứng lực tác dụng, vào moñun ñàn hồi ñến 28 ngày của bê tông Ei28, và ñối với các bê tông có kích thích của silic, nó còn phụ thuộc vào ứng suất của bê tông vào thời ñiểm chịu tải t chịu tải lúc còn non và có kích thích của silic thì tính ñộng càng nhanh Biến dạng từ biến tự nhiên xuất hiện trong khoảng thời gian (t1, t), t1 có thể ñược tính toán bởi các biểu thức sau:

- ðối với bê tông không có kích thích của silic

12

1 12

28 1

)(1,3exp10,0

4,1,,,,

c c b

c tp

f

t f t

t E

t t E

t t

σε