Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

Lê Việt Hùng
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG NHẸ CƯỜNG ĐỘ CAO
SỬ DỤNG HẠT VI CẦU RỖNG TỪ TRO BAY (CENOSPHERES)
Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
Mã số: 9520309

LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Hà Nội - Năm 2023


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

Lê Việt Hùng
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG NHẸ CƯỜNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG
HẠT VI CẦU RỖNG TỪ TRO BAY (CENOSPHERES)
Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu
Mã số: 92520309

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn
2. PGS.TS. Lê Trung Thành

Hà Nội - Năm 2023


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận án

NCS. Lê Việt Hùng


ii

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn
và PGS.TS. Lê Trung Thành đã hết lòng giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và
nghiên cứu.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, Khoa Vật
liệu xây dựng, Phịng Quản lý đào tạo, Phịng Thí nghiệm xi măng và bê tông - Viện
Vật liệu xây dựng (LAS XD 1133), Bộ môn Vật liệu xây dựng, Bộ mơn Cơng nghệ
Vật liệu xây dựng, Phịng Thí nghiệm cơng trình (LAS XD 125) - Trường Đại học
Xây dựng Hà Nội, Phịng thí nghiệm LAS-XD 28 - Cơng ty Bê tông Xuân Mai đã
giúp đỡ trong thời gian qua.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Vật liệu xây dựng đã tận tình giúp đỡ và
tạo điều kiện cho tơi trong quá trình tiến hành nghiên cứu của luận án. Tơi xin chân
thành cảm ơn tồn thể bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện, động viên, khích lệ tơi
hồn thành luận án này.
Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình tơi đã ln sát cánh, giúp
đỡ tôi trong thời gian qua.

Tác giả luận án

NCS. Lê Việt Hùng


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ vii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..............................................................................x
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .....................................................xv
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1.

LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI .......................................................................1

2.

MỤC ĐÍCH NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.....................................................3

3.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ..............................................3
3.1 Đối tượng nghiên cứu ....................................................................................3
3.2 Phạm vi nghiên cứu .......................................................................................3

4.

CỞ SỞ KHOA HỌC......................................................................................3

5.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................4

6.

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI ..........................................................................4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHẸ VÀ BÊ TÔNG NHẸ SỬ DỤNG
CENOSPHERE ...........................................................................................................6
1.1

TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHẸ KẾT CẤU ...........................................6

1.1.1

Khái niệm và phân loại về bê tơng nhẹ...................................................6

1.1.2

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông nhẹ kết cấu .........................7

1.1.3

Bê tông nhẹ cường độ cao và các ứng dụng của nó .............................10

1.1.4

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tơng nhẹ tại Việt Nam .............11

1.2

BÊ TƠNG NHẸ SỬ DỤNG CENOSPHERE .............................................13

1.2.1

Giới thiệu về bê tông nhẹ sử dụng cenosphere .....................................13

1.2.2

Hạt vi cầu rỗng từ tro bay (Cenosphere)...............................................15

1.2.3

Một số tính chất của bê tông nhẹ cenosphere .......................................20

1.2.4

Nhận xét chung .....................................................................................29

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ LỰA CHỌN VẬT LIỆU, XÂY DỰNG MƠ
HÌNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN VÀ THIẾT KẾ CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC 32
2.1

CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHO FAC-HSLWC .........33

2.1.1

Cơ sở khoa học lựa chọn cốt liệu cho FAC-HSLWC ...........................33

2.1.2

Cơ sở khoa học sử dụng PGK cho FAC-HSLWC ................................35


iv

2.1.3

Cơ sở khoa học dùng cốt sợi phân tán polypropylene ..........................39

2.2 CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ ĐỐN CƯỜNG ĐỘ
CHỊU NÉN CHO FAC-HSLWC...........................................................................40
2.2.1

Một số mơ hình dự đốn cường độ bê tơng ..........................................40

2.2.2

Một số mơ hình dự đốn cường độ với bê tơng cốt liệu nhẹ ................43

2.2.3 Hướng đề xuất xây dựng mơ hình dự đốn cường độ chịu nén cho hệ
FAC-HSLWC đề xuất........................................................................................46
2.3 CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH
PHẦN CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC ...............................................................46
2.3.1

Các phương pháp thiết kế cấp phối bê tông và bê tông nhẹ .................46

2.3.2 Hướng đề xuất xây dựng phương pháp thiết kế cấp phối cho FACHSLWC đề xuất .................................................................................................50
CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..........51
3.1

VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU .......................................51

3.1.1

Xi măng.................................................................................................51

3.1.2

Silica fume ............................................................................................51

3.1.3

Xỉ hạt lò cao nghiền mịn .......................................................................52

3.1.4

Cenosphere ............................................................................................54

3.1.5

Cốt liệu cát ............................................................................................55

3.1.6

Phụ gia siêu dẻo ....................................................................................57

3.1.7

Sợi Polypropylene (sợi PP) ...................................................................58

3.1.8

Nước trộn ..............................................................................................58

3.2

PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ............................................................58

3.2.1

Các phương pháp thí nghiệm theo tiêu chuẩn ......................................58

3.2.2

Các phương pháp thí nghiệm phi tiêu chuẩn ........................................62

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CHO FACHSLWC .....................................................................................................................69
4.1 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THÀNH PHẦN CKD PHÙ HỢP CHO FACHSLWC .................................................................................................................69
4.1.1

Lựa chọn thành phần CKD theo độ lèn chặt tối ưu ..............................69

4.1.2 Lựa chọn thành phần CKD theo phương pháp tối ưu tính cơng tác và
cường độ chịu nén ..............................................................................................71
4.2

THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC....................75

4.2.1

Lựa chọn kích thước hạt cốt liệu cát cho FAC-HSLWC ......................75


v

4.2.2

Lựa chọn tỷ lệ cốt liệu/CKD cho FAC-HSLWC ..................................77

4.2.3

Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ CKD và cốt liệu theo phương pháp đúc mẫu
80

4.2.4

Thí nghiệm kiểm chứng thành phần cấp phối cơ sở của FAC-HSLWC
86

CHƯƠNG 5 XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘ VÀ PHƯƠNG
PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC .................................................88
5.1 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA FACHSLWC .................................................................................................................88
5.1.1

Ảnh hưởng của cường độ đá CKD .......................................................89

5.1.2

Ảnh hưởng của hàm lượng hồ CKD .....................................................90

5.1.3

Ảnh hưởng của tỷ lệ FAC/CL ...............................................................97

5.1.4

Ảnh hưởng của Dmax cốt liệu .................................................................99

5.1.5

Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi PP..............................100

5.1.6

Nghiên cứu tốc độ phát triển cường độ chịu nén theo thời gian .........102

5.1.7

Kiểm tra sự phù hợp của mơ hình đề xuất ..........................................102

5.2 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI CHO FACHSLWC ...............................................................................................................103
5.2.1

Nguyên tắc chung ...............................................................................103

5.2.2

Các bước thiết kế cấp phối FAC-HSLWC .........................................104

CHƯƠNG 6. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA FAC-HSLWC ............108
6.1

TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊ TƠNG FAC-HSLWC .......................108

6.1.1

Tính cơng tác ......................................................................................108

6.1.2

Độ nhớt ...............................................................................................111

6.1.3

Độ tách nước .......................................................................................111

6.1.4

Độ phân tầng .......................................................................................112

6.1.5

Hàm lượng bọt khí ..............................................................................112

6.1.6

Thời gian đơng kết ..............................................................................113

6.2

MỨC ĐỘ THỦY HÓA VÀ VI CẤU TRÚC ............................................115

6.2.1

Hàm lượng CH ....................................................................................115

6.2.2

Vi cấu trúc của FAC-HSLWC ............................................................118

6.3

TÍNH CHẤT CƠ LÝ .................................................................................122

6.3.1

Khối lượng thể tích và cường độ chịu nén..........................................122


vi

6.3.2

Cường độ chịu nén ở điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm khác nhau ..........124

6.3.3

Cường độ chịu kéo khi uốn .................................................................126

6.3.4

Mô đun đàn hồi và hệ số poatxon .......................................................128

6.4

ĐỘ BỀN LÂU ...........................................................................................131

6.4.1

Độ co khô ............................................................................................131

6.4.2

Độ hút nước ........................................................................................134

6.4.3

Độ bền chống thấm ion clo .................................................................135

6.4.4

Khả năng bền sun phát ........................................................................136

6.5 KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA TẤM SÀN BTCT SỬ DỤNG FACHSLWC ...............................................................................................................138
KẾT LUẬN .............................................................................................................140

KẾT LUẬN .........................................................................................................140
KIẾN NGHỊ .........................................................................................................141
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ...........................142
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................143
PHỤ LỤC 1 - KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CHẤT KẾT DÍNH CHO CHẾ TẠO FACHSLWC .................................................................................................................PL-1
PHỤ LỤC 2 - KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HỖN HỢP BÊ TƠNG VÀ BÊ TƠNG FACHSLWC .................................................................................................................PL-2
PHỤ LỤC 3 - KẾT QUẢ PHÂN TÍCH PHƯƠNG SAI CÁC MƠ HÌNH CHO CÁC
TÍNH CHẤT CỦA CHẤT KẾT DÍNH VÀ FAC-HSLWC ...............................PL-16
PHỤ LỤC 4 - HỆ SỐ QUY ĐỔI CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA FAC-HSLWC VỚI
MẪU THÍ NGHIỆM CĨ KÍCH THƯỚC KHÁC MẪU LẬP PHƯƠNG TIÊU
CHUẨN 15x15x15 CM ......................................................................................PL-19
PHỤ LỤC 5 - KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA TẤM SÀN BTCT SỬ DỤNG FACHSLWC ...............................................................................................................PL-21
5.1

MƠ TẢ CẤU KIỆN BTCT THÍ NGHIỆM ..........................................PL-21

5.2

SƠ ĐỒ VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ..................................................PL-23

5.3

ỨNG XỬ KHI CHỊU TẢI TRỌNG CỦA TẤM SÀN THÍ NGHIỆM .PL-24

5.3.1

Quan hệ giữa tải trọng và độ võng ..................................................PL-24

5.3.2

Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng của bê tông ...........................PL-26

5.4

KẾT LUẬN ...........................................................................................PL-29


vii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Yêu thuật với bê tông nhẹ kết cấu của một số tiêu chuẩn ...........................7
Bảng 1.2 Thống kê một số kết quả nghiên cứu về bê tông cốt liệu nhẹ trên thế giới .9
Bảng 1.3 Thành phần hóa của một số loại FAC [56] ................................................17
Bảng 1.4 Một số tính chất vật lý của FAC [90] ........................................................19
Bảng 1.5 Tổng hợp kết quả nghiên cứu về hệ vật liệu chất kết dính xi măng sử dụng
cenosphere .................................................................................................................22
Bảng 3.1 Tính chất cơ lý của xi măng PC50 Nghi Sơn ............................................51
Bảng 3.2 Thành phần hóa của xi măng PC50 Nghi Sơn ...........................................51
Bảng 3.3 Thành phần hóa của SF..............................................................................52
Bảng 3.4 Tính chất và thành phần hạt của SF ...........................................................52
Bảng 3.5 Thành phần hóa của GGBFS sử dụng trong nghiên cứu ...........................53
Bảng 3.6 Tính chất cơ lý của GGBFS sử dụng trong nghiên cứu ............................53
Bảng 3.7 Thành phần hạt của GGBFS sử dụng trong nghiên cứu ............................53
Bảng 3.8 Thành phần hóa của cenosphere sử dụng trong nghiên cứu ......................54
Bảng 3.9 Tính chất cơ lý của cenosphere sử dụng cho nghiên cứu ..........................54
Bảng 3.10 Thành phần hạt của các cenosphere sử dụng trong nghiên cứu ..............55
Bảng 3.11 Tính chất vật lý của các mẫu cát sử dụng trong nghiên cứu ...................56
Bảng 3.12 Phân bố thành phần cỡ hạt của các mẫu cát sử dụng trong nghiên cứu ..56
Bảng 3.13 Tổng hợp thành phần cỡ hạt các vật liệu dạng hạt sử dụng cho chế tạo
FAC- HSLWC ...........................................................................................................56

Bảng 3.14 Tính chất của phụ gia hóa học cho bê tông sử dụng trong nghiên cứu ...57
Bảng 3.15 Thông số kỹ thuật của sợi PP ..................................................................58
Bảng 3.16 Phương pháp tiêu chuẩn xác định tính chất của vật liệu sử dụng trong
nghiên cứu .................................................................................................................59
Bảng 3.17 Phương pháp tiêu chuẩn áp dụng xác định tính chất của FAC- HSLWC
trong nghiên cứu........................................................................................................60
Bảng 3.18 Hệ số nén K với các quá trình lèn chặt khác nhau[38] ............................67
Bảng 3.19 Quy trình bảo dưỡng nhiệt ẩm .................................................................68
Bảng 4.1 Độ lèn chặt của hệ CKD gồm XM kết hợp với GGBFS và SF .................69
Bảng 4.2 Cấp phối và kết quả thí nghiệm CKD theo mơ hình thiết kế tối ưu D ......71
Bảng 4.3 Thành phần CKD tối ưu theo mơ hình thực nghiệm cường độ chịu nén của
CKD và lựa chọn tỷ lệ thành phần CKD hợp lý .......................................................74


viii

Bảng 4.4 Cấp phối và kết quả thí nghiệm theo mơ hình thiết kế tối ưu D-Optimal .78
Bảng 4.5 Thành phần hỗn hợp vật liệu tối ưu theo mơ hình thực nghiệm và lựa chọn
tỷ lệ thành phần vật liệu hợp lý cho chế tạo FAC-HSLWC .....................................79
Bảng 4.6 Cấp phối thí nghiệm xây dựng mơ hình hồi quy cường độ chịu nén theo các
tỷ lệ vật liệu khô của FAC-HSLWC .........................................................................82
Bảng 4.7 Thành phần hỗn hợp vật liệu tối ưu theo mơ hình thực nghiệm và lựa chọn
tỷ lệ thành phần vật liệu hợp lý cho chế tạo FAC-HSLWC .....................................84
Bảng 4.8 Thành phần cấp phối FAC-HSLWC cơ sở theo phương pháp tối ưu thành
phần hạt .....................................................................................................................86
Bảng 4.9 Thành phần cấp phối FAC-HSLWC cơ sở sau hiệu chỉnh ........................87
Bảng 4.10 Kết quả thí nghiệm cấp phối FAC-HSLWC cơ sở ..................................87
Bảng 6.1 Thành phần cấp phối vật liệu của FAC-HSLWC cho khảo sát các tính chất
của hỗn hợp bê tơng ................................................................................................110
Bảng 6.2 Tiêu chuẩn đánh giá độ chống thấm của bê tông thơng qua RCPT và BERT

.................................................................................................................................136
Bảng PL 1.1 Kết quả thí nghiệm độ chảy xòe và cường độ chịu nén của CKD có thành
phần khác nhau sử dụng cho FAC-HSLWC .........................................................PL-1
Bảng PL 2.1 Bảng quy hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm cho xây dựng mơ
hình cường độ chịu nén theo tỷ lệ vật liệu khô của FAC-HSLWC ......................PL-2
Bảng PL 2.2 Cấp phối và kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của hệ số dư hồ CKD (K d)
đến cường độ chịu nén của FAC-HSLWC............................................................PL-5
Bảng PL 2.3 Cấp phối và kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của Dmax cốt liệu đến cường
độ chịu nén của FAC-HSLWC .............................................................................PL-6
Bảng PL 2.4 Cấp phối và kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ FAC/CL đến cường
độ chịu nén của FAC-HSLWC .............................................................................PL-7
Bảng PL 2.5 Cấp phối và kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của cường độ CKD đến
cường độ chịu nén của FAC-HSLWC ..................................................................PL-8
Bảng PL 2.6 Cấp phối và kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của hàm lượng sợi PP đến
cường độ chịu nén của FAC-HSLWC ................................................................PL-10
Bảng PL 2.7 Cấp phối và một số tính chất của hỗn hợp bê tơng FAC-HSLWC ...PL11
Bảng PL 2.8 Tính chất của hỗn hợp bê tơng FAC-HSLWC...............................PL-12
Bảng PL 2.9 Tính chất cơ lý của FAC-HSLWC đóng rắn.................................PL-13
Bảng PL 2.10 Tính chất về độ bền lâu của FAC-HSLWC đóng rắn .................PL-14
Bảng PL 2.11 Cường độ chịu nén của FAC-HSLWC được bảo dưỡng ở điều kiện
dưỡng hộ nhiệt ẩm khác nhau .............................................................................PL-15


ix

Bảng PL 3.1 Phân tích phương sai của mơ hình thực nghiệm tính cơng tác của CKD
.............................................................................................................................PL-16
Bảng PL 3.2 Phân tích phương sai của mơ hình cho cường độ chịu nén R28 của CKD
.............................................................................................................................PL-16
Bảng PL 3.3 Phân tích phương sai của mơ hình cho độ lèn chặt của hỗn hợp vật liệu

cho chế tạo FAC-HSLWC ..................................................................................PL-16
Bảng 3.4 Phân tích phương sai của mơ hình cho cường độ chịu nén 28 ngày của FACHSLWC với các tỷ lệ vật liệu khô - trường hợp N/CKD=0,5 ............................PL-17
Bảng 3.5 Phân tích phương sai của mơ hình cho cường độ chịu nén 28 ngày của FACHSLWC với các tỷ lệ vật liệu khô - trường hợp N/CKD=0,4 ............................PL-17
Bảng 3.6 Phân tích phương sai của mơ hình cho cường độ chịu nén 28 ngày của FACHSLWC với các tỷ lệ vật liệu khô - trường hợp N/CKD=0,3 ............................PL-18
Bảng PL 4.1 Kết quả thí nghiệm tính toán hệ số qui đổi cường độ chịu nén của FACHSLWC với các mẫu thí nghiệm có kích thước khác mẫu lập phương tiêu chuẩn
15x15x15 cm .......................................................................................................PL-19
Bảng PL 5.1 Thành phần cấp phối bê tông dùng chế tạo tấm sàn BTCT thử nghiệm
.............................................................................................................................PL-21
Bảng PL 5.2 Một số tính chất của bê tông chế tạo tấm sàn BTCT thử nghiệm ..PL-22
Bảng PL 5.3 Đặc trưng vật liệu cho chế tạo tấm sàn panel ................................PL-22
Bảng PL 5.4 Đặc trưng ứng xử làm việc của các tấm sàn thí nghiệm ................PL-25
Bảng PL 5.5 Các giá trị biến dạng tương đối của bê tông ở các trạng thái làm việc đặc
trưng của các tấm sàn BTCT thí nghiệm ............................................................PL-27


x

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Hình dạng cấu trúc cơ bản của bê tơng nhẹ .................................................7
Hình 1.2 Qui định cấp cường độ và KLTT khô của bê tông nhẹ theo EN 206-1 [27]8
Hình 1.3 Hạt cenosphere và cấu trúc bê tơng chứa cenosphere điển hình [118] ......14
Hình 1.4 Sơ đồ công nghệ thu hồi cenosphere theo phương pháp ướt và khơ [104] 15
Hình 1.5 Biều đồ 3 cấu tử thể hiện thành phần hóa của cenosphere của 209 mẫu tro
bay a) biều đồ đầy đủ b) phóng đại vùng biểu đồ chứa cenosphere .........................17
Hình 1.6 Mơ hình cấu trúc thành phần pha (tinh thể và vơ định hình) của FAC [90]
...................................................................................................................................18
Hình 1.7 Hình ảnh chụp SEM của các hạt FAC [56] ................................................18
Hình 1.8 Quan hệ giữa đường kính hạt cenosphere và chiều dày lớp vỏ [105] ........18
Hình 1.9 Hình ảnh chụp SEM vùng ITZ của hạt FAC với đá xi măng bảo dưỡng điều
kiện thơng thường .....................................................................................................20

Hình 1.10 Quan hệ cường độ chịu nén/KLTT và cường độ chịu kéo khi uốn của bê
tông nhẹ sử dụng FAC [125] .....................................................................................26
Hình 1.11 Độ hút nước của bê tơng FAC và bê tơng thường [21] ............................27
Hình 2.1 Cường độ chịu nén 28 ngày của LWAC với Dmax cốt liệu khác nhau [114]
...................................................................................................................................34
Hình 2.2 Ảnh hưởng của PGK đến tính chất cùng ITZ bề mặt cốt liệu và đá xi măng
(a) cải thiện kích thước lỗ rỗng; (b) cải thiện độ cứng[43] .......................................36
Hình 2.3 Ảnh hưởng của PGK đến vi cấu trúc tại vùng liên kết giữa đá xi măng và bề
mặt cốt liệu trong bê tơng [43] ..................................................................................36
Hình 2.4 Phân bố của các hạt siêu mịn trong cấu trúc của bê tơng cốt liệu nhỏ.......37
Hình 2.5 Co ngót của bê tơng cốt sợi tính năng cao sử dụng sợi PP ở trạng thái khơ
a) và ẩm b) [108] .......................................................................................................40
Hình 3.1 Hình ảnh mẫu SF (trái) và các hạt SF qua chụp SEM (phải) .....................52
Hình 3.2 Biểu đồ thành phần hạt của SF...................................................................52
Hình 3.3 Hạt xỉ lị cao (a) khi chưa nghiền (b) đã được nghiền mịn ........................53
Hình 3.4 Phân bố thành phần hạt (trái) và hình dạng hạt (phải) của GGBFS sử dụng
trong nghiên cứu........................................................................................................53
Hình 3.5 Mẫu cenosphere và hình dạng của nó qua chụp SEM ...............................54
Hình 3.6 Phân bố thành phần cỡ hạt cenosphere ......................................................55
Hình 3.7 Hình ảnh mẫu cát và hình dạng hạt của nó ................................................55
Hình 3.8 Thành phần hạt của các vật liệu sử dụng trong nghiên cứu .......................57


xi

Hình 3.9 Hình ảnh mẫu sợi PP sử dụng trong nghiên cứu ........................................58
Hình 3.10 Thiết bị xác định độ nhớt hỗn hợp FAC-HSLWC ...................................62
Hình 3.11 Thiết bị phân tích DTA/TG sử dụng trong nghiên cứu ............................63
Hình 3.12 Đường cong DTG/TG điển hình của mẫu đá xi măng trong nghiên cứu 63
Hình 3.13 Phương pháp hình học xác định CH trong mẫu đá xi măng từ đường cong

DTA/TG[48, 85] .......................................................................................................63
Hình 3.14 Thiết bị kính hiển vi điện tử sử dụng cho nghiên cứu .............................65
Hình 3.15 Ảnh hưởng của một số hiệu ứng trong hỗn hợp hạt [38] .........................66
Hình 3.16 Sơ đồ quy trình trộn hỗn hợp FAC-HSLWC ...........................................68
Hình 4.1 Độ lèn chặt của CKD bao gồm xi măng và PGK với loại và tỷ lệ khác nhau
...................................................................................................................................69
Hình 4.2 Biều đồ đường đồng mức độ lèn chặt với hệ CKD 3 cấu tử (XM-SF-GGBFS)
và biểu đồ quan hệ tỷ lệ XM, GGBFS, SF với độ lèn chặt .......................................70
Hình 4.3 Bề mặt biểu diễn và đường đồng mức mơ hình tính cơng tác của CKD ...72
Hình 4.4 Bề mặt biểu diễn và đường đồng mức mơ hình quan hệ giữa R28 và thành
phần của CKD ...........................................................................................................73
Hình 4.5 Ảnh hưởng Dmax cốt liệu đến lượng dùng PGSD để đảm bảo tính cơng tác
của HHBT .................................................................................................................76
Hình 4.6 Ảnh hưởng của Dmax cốt liệu đến độ phân tầng của HHBT .......................76
Hình 4.7 Ảnh hưởng Dmax cốt liệu đến cường độ chịu nén của FAC-HSLWC ........77
Hình 4.8 Bề mặt biểu diễn và đường đồng mức mơ hình quan hệ giữa độ lèn chặt và
tỷ lệ thành phần vật liệu của FAC-HSLWC .............................................................79
Hình 4.9 Bề mặt biểu diễn quan hệ của R28 với tỷ lệ vật liệu của FAC-HSLWC ....83
Hình 4.10 Quan hệ giữa tỷ lệ CKD/VLK và R28 của FAC-HSLWC........................85
Hình 4.11 Quan hệ giữa hàm lượng hồ CKD và R28 của FAC-HSLWC..................85
Hình 4.12 Quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD và hàm lượng CKD tối ưu cho cường độ chịu
nén của FAC-HSLWC ..............................................................................................85
Hình 5.1 Bề mặt biểu diễn quan hệ tỷ lệ N/CKD và Rckd đến cường độ chịu nén 28
ngày của FAC-HSLWC ............................................................................................90
Hình 5.2 Mơ hình giả định cấu trúc hỗn hợp bê tông FAC-HSLWC cho xác định
BPT............................................................................................................................92
Hình 5.3 Mơ tả khái niệm MPT trong hệ bê tông cốt liệu (a) Trạng thái lèn chặt khô
của cốt liệu dưới tải trọng; (b) Trạng thái cốt liệu khi điền hồ xi măng [38] ...........93
Hình 5.4 Quan hệ giữa Kd và R28 của FAC-HSLWC với tỷ lệ N/CKD và FAC/CL
khác nhau...................................................................................................................95

xii

Hình 5.5 Quan hệ giữa Kd và R28 của FAC-HSLWC với tỷ lệ FAC/CL=0 và N/CKD
khác nhau...................................................................................................................95
Hình 5.6 Quan hệ giữa Kd và KKd của FAC-HSLWC với tỷ lệ FAC/CL=0 .............95
Hình 5.7 Quan hệ giữa BPT và R28 của FAC-HSLWC với tỷ lệ N/CKD khác nhau
...................................................................................................................................96
Hình 5.8 Quan hệ giữa MPT và R28 của FAC-HSLWC với tỷ lệ N/CKD khác nhau
...................................................................................................................................97
Hình 5.9 Quan hệ giữa tỷ lệ FAC/CL và R28 của FAC-HSLWC .............................98
Hình 5.10 Quan hệ giữa KFAC và tỷ lệ FAC/CL của FAC-HSLWC .........................98
Hình 5.11 Quan hệ giữa Dmax cốt liệu và R28 của FAC-HSLWC .........................100
Hình 5.12 Quan hệ giữa KDmax và Dmax cốt liệu của FAC-HSLWC .......................100
Hình 5.13 Quan hệ giữa hàm lượng sợi và R28 của FAC-HSLWC ........................101
Hình 5.14 Quan hệ giữa hàm lượng sợi và hệ số Ks của FAC-HSLWC ................101
Hình 5.15 So sánh cường độ chịu nén tuổi 28 ngày của FAC-HSLWC với nhóm cấp
phối có tỷ lệ N/CKD, FAC/CL khác nhau ..............................................................103
Hình 5.16 So sánh cường độ chịu nén ở các tuổi khác nhau của FAC-HSLWC với
CKD khác nhau a) CKD gồm XM+SF+GGBFS b) CKD gồm XM+GGBFS .......103
Hình 5.17 Sơ đồ các bước thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC ...........................105
Hình 6.1 Thí nghiệm xác định độ chảy xịe của hỗn hợp bê tơng FAC-HSLWC ..109
Hình 6.2 Tính cơng tác của hỗn hợp bê tơng FAC-HSLWC ..................................109
Hình 6.3 Lượng PGSD để đạt cùng độ chảy xịe 180±5 mm của HHBT ...............109
Hình 6.4 Độ chảy xịe và độ nhớt của hỗn hợp bê tơng FAC-HSLWC ..................111
Hình 6.5 Độ phân tầng của HHBT FAC-HSLWC khi chịu tác động rung ............112
Hình 6.6 Hàm lượng bọt khí của hỗn hợp bê tơng FAC-HSLWC .........................113
Hình 6.7 Hình ảnh phân bố của bọt khí trong cấu trúc của bê tơng với hàm lượng
FAC thay thế cát khác nhau ....................................................................................113

Hình 6.8 Thời gian đơng kết của hỗn hợp bê tơng FAC-HSLWC .........................114
Hình 6.9 Đường cong TG của các mẫu FAC-HSLWC với CKD chứa hàm lượng PGK
khác nhau được bảo dưởng ở điều kiện tiêu chuẩn .................................................115
Hình 6.10 Hàm lượng CH trong các mẫu FAC-HSLWC dưỡng hộ tiêu chuẩn tính
tốn từ đường cong DTG a) so với khối lượng mẫu phân tích b) so với khối lượng xi
măng ........................................................................................................................116
Hình 6.11 Đường cong TG của các mẫu FAC-HSLWC với CKD chứa hàm lượng
PGK khác nhau được dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 70 oC (trái) và ở 90 oC (phải) ............117


xiii

Hình 6.12 Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm đến hàm lượng CH trong mẫu
FAC-HSLWC ..........................................................................................................117
Hình 6.13 Hàm lượng CH trong các mẫu FAC-HSLWC dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 70 oC
và 90 oC ...................................................................................................................118
Hình 6.14 Hình ảnh chụp SEM vi cấu trúc của mẫu FAC-HSLWC dưỡng hộ tiêu
chuẩn ở tuổi 3 ngày .................................................................................................119
Hình 6.15 Hình ảnh chụp SEM vi cấu trúc của FAC-HSLWC dưỡng hộ ở điều kiện
tiêu chuẩn ở tuổi 28 ngày ........................................................................................119
Hình 6.16 Hình ảnh chụp SEM vi cấu trúc của mẫu FAC-HSLWC dưỡng hộ nhiệt
ẩm ở 70 oC ở tuổi 28 ngày .......................................................................................120
Hình 6.17 Hình ảnh chụp SEM vi cấu trúc của mẫu FAC-HSLWC dưỡng hộ nhiệt
ẩm ở 90 oC ở tuổi 28 ngày .......................................................................................121
Hình 6.18 Hình ảnh chụp SEM vi cấu trúc của mẫu FAC-HSLWC dưỡng hộ
autoclave ở tuổi 28 ngày .........................................................................................122
Hình 6.19 KLTT, cường độ chịu nén và cường độ riêng của FAC-HSLWC .........123
Hình 6.20 Ảnh hưởng của chế độ dưỡng hộ nhiệt ẩm đến cường độ chịu nén tuổi 3
và 28 ngày của FAC-HSLWC a) nhóm cốt liêu cát thay thế bởi FAC b) nhóm CKD
sử dụng SF và GGBFS ............................................................................................125

Hình 6.21 Cường độ chịu kéo khi uốn của FAC-HSLWC .....................................127
Hình 6.22 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo khi uốn của
FAC-HSLWC ..........................................................................................................128
Hình 6.23 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi và hệ số poatxon của FAC-HSLWC
.................................................................................................................................129
Hình 6.24 Mơ đun đàn hồi của FAC-HSLWC a) với tỷ lệ FAC khác nhau b) với CKD
chứa PGK là SF và GGBFS ....................................................................................129
Hình 6.25 Quan hệ giữa mơ đun đàn hồi và KLTT của FAC-HSLWC .................130
Hình 6.26 Mơ đun đàn hồi và cường độ chịu nén từ kết quả thí nghiệm, cơng thức
theo ACI 318, EC2-1992.........................................................................................130
Hình 6.27 Mơ đun đàn hồi và hệ số poatxon của FAC HSLWC a) với tỷ lệ FAC khác
nhau b) với CKD chứa SF và GGBFS ....................................................................131
Hình 6.28 Độ co khơ của FAC-HSLWC a) với tỷ lệ FAC/CL và b) với CKD chứa
PGK khác nhau .......................................................................................................132
Hình 6.29 Độ co khơ của FAC-HSLWC với tỷ lệ N/CKD khác nhau ..................133
Hình 6.30 Độ co khơ của FAC-HSLWC sử dụng hàm lượng sợi PP khác nhau ....134
Hình 6.31 Độ hút nước tồn phần của FAC-HSLWC ...........................................135


xiv

Hình 6.32 Khả năng chống thấm ion clo và điện trở suất khối của các cấp phối FACHSLWC a) với tỷ lệ FAC/cốt liệu khác nhau b) CKD chứa SF và GGBFS ..........136
Hình 6.33 Quan hệ giữa RCPT và BERT của FAC-HSLWC ................................136
Hình 6.34 Độ nở sun phát theo thời gian của FAC-HSLWC a) với tỷ lệ FAC/CL khác
nhau b) với CKD chứa SF và GGBFS ....................................................................137
Hình 6.35 Sơ đồ thí nghiệm và hình ảnh thực tế bố trí hệ gia tải và thiết bị thí nghiệm
tấm sàn.....................................................................................................................139
Hình PL 5.1 Cấu tạo tấm sàn BTCT thử nghiệm ................................................PL-22
Hình PL 5.2 Sơ đồ thí nghiệm tấm sàn panel đặc ...............................................PL-23
Hình PL 5.3 Hình ảnh bố trí hệ gia tải và thiết bị thí nghiệm tấm sàn panel đặc ...PL23

Hình PL 5.4 Sơ đồ bố trí hệ gia tải và thiết bị thử nghiệm tấm sàn panel đặc ...PL-23
Hình PL 5.5 Quan hệ tải trọng – độ võng của các tấm sàn .................................PL-25
Hình PL 5.6 Phá hủy bê tơng của các tấm sàn thí nghiệm ..................................PL-26
Hình PL 5.7 Quan hệ tải trọng – biến dạng kéo, nén của bê tông trên các tấm sàn
BTCT thí nghiệm ................................................................................................PL-27
Hình PL 5.8 Sơ đồ vết nứt trên các mẫu sàn thí nghiệm ....................................PL-28
Hình PL 5.9 Quan hệ tải trọng – bề rộng vết nứt của 3 tấm sàn thí nghiệm .......PL-28


xv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa

BERT

Thử nghiệm điện trở suất khối (Bulk Electric Resistivity Test)

BTCS

Bê tông cốt sợi

BTCT

Bê tông cốt thép

BTN

Bê tông nhẹ

BTT

Bê tông thường

BPT
C

Chiều dày lớp hồ bao bọc quanh hạt cốt liệu (Binder Paste
Thickness)
Cát

CH

Canxi hydroxyt Ca(OH)2

CL

Cốt liệu

C/CL

Tỷ lệ cát/cốt liệu, theo khối lượng

CKD

Chất kết dính

CPM

Mơ hình lèn chặt dạng nén (Compressive Packing Model)

CPT

Chiều dày lớp hồ xi măng (Cement Paste Thickness)

C-S-H

Khoáng canxi silicat hydrate

C-A-H

Khoáng canxi alumina hydrate

DH

Dưỡng hộ

ĐC

Mẫu đối chứng

Ec

Mô đun đàn hồi của bê tông

FA

Tro bay nhà máy nhiệt điện (Fly ash)

FAC

Hạt vi cầu rỗng từ tro bay (Fly ash cenosphere)

FAC/CL

Tỷ lệ hạt vi cầu rỗng từ tro bay / cốt liệu, theo thể tích

FAC LWC

GGBFS

Bê tơng nhẹ sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (Fly ash
cenosphere Lightweight concrete)
Bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay
(Fly ash cenosphere High strength lightweight concrete)
Xỉ hạt lò cao nghiền mịn

HHBT

Hỗn hợp bê tông

HSLWC

Bê tông nhẹ cường độ cao (High strength lightweight concrete)

FAC-HSLWC

xvi

ITZ

Vùng chuyển tiếp giữa các hạt cốt liệu và đá xi măng trong bê
tông (Interfacial Transition Zone)

Kd

Hệ số dư hồ chất kết dính

KLTT

Khối lượng thể tích

KL

Khối lượng

LWC

Bê tơng nhẹ (Lightweight concrete)

LWAC

Bê tông cốt liệu nhẹ (Lightweight aggregate concrete)

MKN

Mất khi nung

MPT

Chiều dày lớp hồ xi măng lớn nhất (Maximum paste thickness)

N

Nước

N/CKD

Tỷ lệ nước/chất kết dính, theo khối lượng

N/X

Tỷ lệ nước/xi măng, theo khối lượng

OPC

Xi măng pc lăng thơng thường (Ordinary Portland cement)

PC

Xi măng poóc lăng (Portland cement)

PD

Độ lèn chặt (Packing density)

PGK

Phụ gia khống

PGSD

Phụ gia siêu dẻo

PP

Polyprolylene

SEM

Kính hiển vi điện tử qt (Scanning Electron Microscopy)

SF

Silica fume

SF/CKD

Tỷ lệ silica fume /chất kết dính, theo khối lượng

SRA

Phụ gia giảm co (Shrinkage Reducing Admixture)

TC

Tiêu chuẩn

Rn

Cường độ chịu nén của bê tông

R28

Cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày

Ru28

Cường độ chịu kéo khi uốn ở tuổi 28 ngày

Re28

Cường độ ép chẻ ở tuổi 28 ngày

RCPT

Phương pháp thử thấm ion clo nhanh (Rapid Chloride
Penetration Test)


xvii

VLK

Hỗn hợp vật liệu ở dạng hạt trong thành phần FAC-HSLWC

XM

Xi măng

XRD

Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction)

% vol.

Tỷ lệ phần trăm tính theo thể tích

% wt.

Tỷ lệ phần trăm tính theo khối lượng

f'c

Cường độ chịu nén bê tông xác định trên mẫu trụ 1530 cm

c

Khối lượng thể tích của bê tơng (kg/m3)

btn

Khối lượng thể tích của bê tơng nhẹ (kg/m3)


1

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI
Trong ngành công nghiệp xây dựng hiện nay, bê tông là loại vật liệu được sử
dụng chủ yếu cho các kết cấu chịu lực trong cơng trình. Tuy nhiên, đặc điểm cố hữu
của bê tơng kết cấu chịu lực là thường có khối lượng thể tích (KLTT) lớn (khoảng
2400 kg/m3) dẫn đến khó khăn khi thiết kế và thi cơng các cơng trình quy mơ lớn vì
kích thước móng, cột, dầm và sàn cơng trình tăng lên đáng kể để có thể chịu lực được
trong cơng trình. Vì vậy, nghiên cứu và ứng dụng bê tông nhẹ cho các kết cấu chịu
lực trong cơng trình đã và đang được tiến hành ở nhiều nơi trên thế giới. Loại bê tông
này vừa đảm bảo cường độ, độ bền như bê tông thông thường, vừa mang lại nhiều lợi
ích như giảm tải trọng cơng trình, giảm kích thước kết cấu, tăng tính cách âm, cách
nhiệt, chống động đất, chống cháy, dễ dàng vận chuyển, thi công, lắp đặt, v.v…
Bê tông cốt liệu nhẹ phụ thuộc nhiều vào loại cốt liệu nhẹ sử dụng. Chúng có
thể được sử dụng làm kết cấu chịu lực (bê tông nhẹ kết cấu) hoặc kết cấu không chịu
lực. Theo ACI 318-14 [17] thì bê tơng nhẹ kết cấu là loại bê tơng cốt liệu nhẹ có
cường độ từ 17 MPa trở lên, tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông của châu Âu (EN
1992 (EuroCode 2 [26]) qui định bê tông nhẹ kết cấu là loại từ LC 8/9 trở lên, tức
cường độ chịu nén đặc trưng mẫu trụ và mẫu lập phương tối thiểu tương ứng là 8
MPa và 9 MPa. Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tơng cốt thép của Việt Nam
TCVN 5574:2018 thì bê tơng nhẹ (bê tơng có KLTT khơng q 2000 kg/m3) sử dụng
cho kết cấu bê tông cốt thép là loại có cấp cường độ B15 trở lên và cấp cường độ từ
B20 trở lên với bê tông ứng suất trước[2].
Bê tông nhẹ kết cấu đã và đang được ứng dụng nhiều trong xây dựng. Lịch sử
sử dụng bê tông nhẹ kết cấu cho thấy, bê tông nhẹ kết cấu đã được sử dụng cho nhiều
cơng trình nhà cao tầng, kết cấu cầu đường, kết cấu nổi ngoài khơi. Theo ACI 21314 [16], các loại bê tông nhẹ kết cấu sử dụng cho các cơng trình thực tế có cường độ
chịu nén chủ yếu trong khoảng 21-35 MPa, đối với kết cấu bê tơng nhẹ ứng suất trước
thì chủ yếu sử dụng loại bê tông nhẹ cường độ cao với cường độ chịu nén 35- 41 MPa
hoặc cao hơn với KLTT phổ biến trong khoảng 1600-1920 kg/m3. Tại Việt Nam chưa
có các ứng dụng bê tơng nhẹ cho kết cấu dự ứng lực. Tiêu chuẩn kỹ thuật đối với bê
tông cho kết cấu dự ứng lực hiện đang áp dụng phổ biến ở nước ta là cường độ chịu

nén không nhỏ hơn 35 MPa ở tuổi cắt cáp dự ứng lực.
Nhìn chung, nghiên cứu phát triển bê tơng nhẹ với tính năng cao, đặc biệt là
bê tơng nhẹ cho chế tạo kết cấu chịu lực, bao gồm cả cho bê tông dự ứng lực vẫn là


2

một chủ đề luôn được quan tâm nghiên cứu trong lĩnh vực bê tơng trên thế giới nói
chung và Việt Nam nói riêng. Điều này cũng phù hợp với xu hướng chế tạo và ứng
dụng bê tông hiện nay trong các cơng trình xây dựng đó là sử dụng các loại bê tơng
mác cao, bê tơng tính năng cao và bê tơng cốt thép dự ứng lực trong cơng trình xây
dựng. Xu hướng này nhằm mục tiêu nâng cao chất lượng cơng trình, tuổi thọ cơng
trình, tăng tính thẩm mỹ (thơng qua giảm kích thước cấu kiện, đa dạng kiến trúc) và
tăng hiệu quả sử dụng không gian và điều kiện tiện nghi trong cơng trình. Xu hướng
này cũng khơng ngoại lệ tại Việt Nam, cách đây khoảng 10 năm về trước, các cơng
trình xây dựng thơng thường tại Việt Nam chủ yếu sử dụng bê tông mác 200-300 (2030 MPa) và kết cấu bê tông cốt thép thông thường. Nhưng hiện nay, cơng trình nhà
cao tầng và cầu đường thường sử dụng bê tơng mác 30-50 (tính theo MPa), thậm chí
đến 60-80, đặc biệt việc ứng dụng kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực cũng đã trở
nên rất phổ biến hơn. Bê tông sử dụng cho kết cấu dự ứng lực đòi hỏi chất lượng cao
hơn so với bê tông sử dụng cho kết cấu thông thường, cụ thể cường độ chịu nén lớn
hơn 40 MPa, phát triển cường độ nhanh, các chỉ tiêu về chống thấm, hút nước và các
chỉ tiêu về độ bền lâu khác cũng yêu cầu cao hơn so với bê tông thông thường.
Trong khoảng hơn mười năm trở lại đây, sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay
(Fly Ash Cenosphere- FAC) cho chế tạo các loại bê tông nhẹ được nhiều nhà nghiên
cứu quan tâm. Sử dụng FAC làm vật liệu nhẹ cho chế tạo bê tơng có nhiều ưu điểm
như cho cường độ có thể đạt trên 40 MPa, độ hút nước thấp, tương đương với bê tông
thông thường. Loại bê tơng nhẹ này có thể phân loại là bê tông nhẹ cường độ cao với
nhiều ưu điểm vượt trội so với loại bê tông cốt liệu nhẹ truyền thống. Tuy nhiên, việc
nghiên cứu và phát triển bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng FAC hiện nay vẫn còn
hạn chế trên thế giới, đặc biệt ở Việt Nam. FAC có thể thu hồi được từ tro bay các

nhà máy nhiệt điện đốt than phun tại Việt Nam với tỷ lệ 80-85% trong tổng lượng tro
xỉ phát sinh khoảng 17 triệu tấn/năm (năm 2021). Với hàm lượng FAC trong tro bay
trung bình khoảng 0,3-1,5 %[104] thì tổng lượng FAC về lý thuyết có thể thu hồi
được là (32.640-163.200) tấn/năm.
Trên cơ sở yêu cầu từ thực tiễn và các vấn đề khoa học đặt ra đối với việc phát
triển loại bê tông nhẹ cường độ cao, đề tài lựa chọn hướng nghiên cứu chế tạo bê tông
nhẹ sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam. Với định
hướng đó, đề tài luận án được đề xuất là “Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường
độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres)”.


3

2. MỤC ĐÍCH NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro
bay cho kết cấu bê tông chịu lực trong cơng trình xây dựng, đảm bảo cường độ chịu
nén lớn hơn 40 MPa, KLTT không lớn hơn 2000 kg/m3 trên cơ sở các vật liệu sẵn có
ở Việt Nam, trong đó tập trung với loại có KLTT trong khoảng 1300-1600 kg/m3.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1 Đối tượng nghiên cứu
Loại bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay cenosphere
(FAC-HSLWC) với cường độ chịu nén lớn hơn 40 MPa, KLTT không lớn hơn 2000
kg/m3 trên cơ sở các vật liệu sẵn có ở Việt Nam, trong đó tập trung nghiên cứu tính
chất cơ lý, ứng dụng với loại có KLTT trong khoảng 1300-1600 kg/m3.
3.2 Phạm vi nghiên cứu
✓ Lựa chọn vật liệu và thành phần cấp phối cho bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng
hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC-HSLWC) có cường độ chịu nén lớn hơn 40 MPa,
KLTT không lớn hơn 2000 kg/m3 trên cơ sở các vật liệu trong nước.
-

Chất kết dính: xi măng pc lăng và phụ gia khoáng (PGK) gồm silica fume
(SF) và xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GGBFS).

-

Cốt liệu: cát tự nhiên và hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC).

-

Vật liệu khác: phụ gia siêu dẻo, cốt sợi polypropylene (sợi PP).

✓ Xây dựng mơ hình dự đốn cường độ cho FAC-HSLWC.
✓ Xây dựng phương pháp tính tốn thành phần cấp phối cho FAC-HSLWC.
✓ Tính chất kỹ thuật của FAC-HSLWC: tính chất của hỗn hợp bê tơng, tính cơ lý
và độ bền lâu.
✓ Ứng xử của cấu kiện tấm sàn bê tông cốt thép sử dụng FAC-HSLWC.
4. CỞ SỞ KHOA HỌC
✓ Việc nghiên cứu chế tạo FAC-HSLWC dựa trên cơ sở lý thuyết về nâng cao về
cường độ và độ bền lâu của bê tơng trong đó gồm các ngun tắc: tối ưu thành
phần hạt vật liệu thành phần để hỗn hợp vật liệu có độ đặc chắc lớn nhất; tăng
cường sự đồng nhất trong cấu trúc bê tông bằng lựa chọn cỡ hạt cốt liệu lớn nhất
phù hợp; nâng cao cường độ CKD và vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt
liệu; nâng cao cường độ chịu kéo khi uốn, cường độ chịu kéo, khả năng kháng nứt
bằng cốt sợi phân tán.


4

✓ Mơ hình dự đốn cường độ chịu nén được xây dựng trên cơ sở quy luật về quan
hệ cường độ chịu nén bê tông với cường độ chịu nén xi măng, tỷ lệ N/XM và các

yếu tố chính của cấp phối đến cường độ chịu nén. Mơ hình dự đoán cường độ cho
FAC-HSLWC được thiết lập qua các hàm hồi quy khơng tuyến tính từ các kết quả
thực nghiệm.
✓ Phương pháp thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC được xây dựng trên cơ sở
phương pháp tối ưu thành phần cỡ hạt các vật liệu thành phần, tỷ lệ CKD/CL tối
ưu, cơng thức tính KLTT của bê tơng dựa trên tỷ lệ FAC thay thế cát, mơ hình dự
đốn cường độ chịu nén theo các thông số thành phần cấp phối bê tông được thiết
lập từ kết quả nghiên cứu.
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu sau:
✓ Nghiên cứu lý thuyết: Thu thập các tài liệu kỹ thuật có liên quan để tổng hợp,
phân tích và làm cơ sở cho việc thiết lập chương trình nghiên cứu.
✓ Nghiên cứu thực nghiệm: thực nghiệm theo phương pháp tiêu chuẩn và phương
pháp phi tiêu chuẩn. Phương pháp tiêu chuẩn chủ yếu thực hiện theo các TCVN
và một số tiêu chuẩn phổ biến trên thế giới để xác định các tính chất của vật liệu,
của hỗn hợp bê tơng và bê tông. Các phương pháp phi tiêu chuẩn sử dụng là các
phương pháp được áp dụng phổ biến cho nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu, bê
tông, kết cấu bê tơng như phương pháp chụp kính hiển vi điện từ (SEM), phân
tích nhiệt vi sai (DTA/TGA), phương pháp xác định độ lèn chặt của hỗn hợp vật
liệu, phương pháp xác định độ nhớt của hỗn hợp vữa xi măng.
6. NHỮNG ĐĨNG GĨP MỚI
✓ Đã xây dựng được mơ hình dự báo cường độ chịu nén của FAC-HSLWC có tính
đến các yếu tố chính ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của FAC-HSLWC bao
gồm thành phần CKD (thông qua cường độ CKD), tỷ lệ CKD/cốt liệu, tỷ lệ FAC
thay thế cát, Dmax cốt liệu, hàm lượng sợi PP.
✓ Đã xây dựng được phương pháp thiết kế cấp phối FAC-HSLWC đảm bảo mục
tiêu là cường độ chịu nén từ 40-80 MPa và KLTT 1300-2000 kg/m3.
✓ Đã xác định được một số tính chất kỹ thuật chủ yếu của FAC-HSLWC ứng dụng
cho kết cấu chịu lực bao gồm: (1) các tính cơng tác của HHBT; (2) các tính chất
cơ lý của bê tông (cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, mô đun đàn

hồi, hệ số poatxon; và (3) các tính chất độ bền lầu của bê tơng (độ co khô, độ hút
nước, chống thấm ion clo, bền sun phát).


5

✓ Đã đánh giá khả năng làm việc của tấm sàn BTCT dự ứng lực sử dụng FACHSLWC với tấm sàn BTCT sử dụng bê tông thông thường với cùng cấp cường
độ chịu nén.


6

1CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHẸ VÀ BÊ TÔNG NHẸ
DỤNG CENOSPHERE

SỬ

1.1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHẸ KẾT CẤU
1.1.1 Khái niệm và phân loại về bê tông nhẹ
Theo cấu tạo thành phần của bê tơng có thể định nghĩa bê tông nhẹ là loại bê
tông được chế tạo bằng cách sử dụng cốt liệu nhẹ hoặc chứa các lỗ rỗng khơng khí
được tạo ra bởi phụ gia tạo khí trong q trình nhào trộn và trước khi đóng rắn. Theo
KLTT có thể định nghĩa bê tơng nhẹ là loại có KLTT nhỏ hơn bê tơng thơng thường.
Tuy nhiên giới hạn KLTT cận trên của bê tông nhẹ không thống nhất trong các tiêu
chuẩn các nước trên thế giới. Theo TCXD 191:1996 [3], bê tông nhẹ là loại bê tông
với KLTT trong nhỏ hơn 1800 kg/m3, được cấu tạo bởi cốt liệu nhẹ như đá bọt,
keramzit, agloporit. Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép của Việt
Nam TCVN 5574:2018 quy định bê tông nhẹ là loại có KLTT khơng q 2000 kg/m3
[96]. Tiêu chuẩn Châu Âu EN 206-1 [27] qui định giới hạn cận trên của bê tông nhẹ
là 2000 kg/m3 trong khi trong tiêu chuẩn của Mỹ như ASTM C125 và ACI 213 thì

mức này là 1920 kg/m3. Theo tiêu chuẩn BS EN 13055-1:2002[25] thì bê tơng cốt
liệu nhẹ là loại bê tơng chứa cốt liệu có KLTT khơng q 2000 kg/m3 hoặc KLTT
xốp (đổ đống) không quá 1200 kg/m3, bao gồm các loại cốt liệu sau: (1) Cốt liệu tự
nhiên; (2) Cốt liệu nhân tạo nguồn gốc tự nhiên, chế biến từ phụ phẩm công nghiệp;
(3) Phụ phẩm công nghiệp; (4) Cốt liệu tái chế. Tiêu chuẩn Nga GOST 25820-14 Bê
tông cốt liệu nhẹ [50] quy định bê tông nhẹ là loại bê tơng sử dụng chất kết dính xi
măng, cốt liệu lớn vô cơ dạng xốp (tự nhiên hoặc nhân tạo), cốt liệu nhỏ vô cơ xốp
hoặc đặc chắc và phụ gia để điều chỉnh tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông. Như
vậy tiêu chuẩn này cũng không đưa ra quy định về KLTT của bê tông nhẹ mà chỉ quy
định là cốt liệu lớn hoặc nhỏ phải là loại cốt liệu dạng xốp. Theo TCVN 9029:2017
về Bê tông nhẹ - Sản phẩm bê tông bọt và bê tơng khí khơng chưng áp – u cầu kĩ
thuật [1], bê tông nhẹ được định nghĩa là loại bê tông có KLTT khơ nhỏ hơn 1800
kg/m3.
Theo cấu tạo có thể chia bê tơng nhẹ thành 3 nhóm chính (Hình 1.1): (1) bê
tông cốt liệu nhẹ; (2) bê tông nhẹ chứa lỗ rỗng khí (thường gọi là bê tơng tổ ong); và
(3) bê tông lỗ rỗng lớn (bê tông đã loại bỏ các hạt cốt liệu nhỏ). Ngoài cách phân loại
trên, bê tơng nhẹ cịn được phân loại theo cơng dụng thành các loại như (1) Bê tông
nhẹ chịu lực (2) Bê tông nhẹ không chịu lực; (3) Bê tông nhẹ cách nhiệt. Hiện nay,
loại bê tông nhẹ chịu lực hay cịn được là bê tơng nhẹ kết cấu chủ yếu là các loại bê
tông cốt liệu nhẹ. Bê tông tổ ong hiện nay chủ yếu là loại bê tông nhẹ chứa bọt khí