Ảnh Hưởng Của Các Loại Cốtsợi Khác Nhau Đến Cường Độ Chịu Nén Của Bêtông Cường Độ Siêucao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

NGUYỄN CÔNG QUANG

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC LOẠI CỐT SỢI KHÁC
NHAU ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ
TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO UHPC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

NGUYỄN CÔNG QUANG

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC LOẠI CỐT SỢI KHÁC
NHAU ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ
TÔNG CƯỜNG ĐỘ SIÊU CAO UHPC
NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MÃ SỐ: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. LÊ HỒNG AN

TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2021


i

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gởi lời cám ơn đến thầy TS. Lê Hồng An đã hướng dẫn tơi để
hồn thành luận văn này. Đồng thời tôi cũng gởi lời cám ơn đến tất cả các thầy
cô khoa KTXD đã cung cấp cho tơi nhiều kiến thức bổ ích.
TP HCM, ngày 01 tháng 12 năm 2021
Học viên

Nguyễn Công Quang


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tơi tên Nguyễn Cơng Quang đã hồn thành luận văn thạc sĩ với tiêu đề
“Ảnh hưởng của các loại cốt sợi khác nhau đến cường độ chịu nén của bê
tông cường độ siêu cao UHPC” xin cam kết:
1. Luận văn thạc sĩ này chính là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá nhân
tôi dưới sự hướng dẫn khoa học trực tiếp của thầy TS. Lê Hoàng An.
2. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được cơng bố

trong bất kì cơng trình nào khác.
3. Luận văn này được sự hỗ trợ kinh phí thực hiện và phân tích thí nghiệm,
đồng thời cũng là kết quả đào tạo thạc sĩ bởi đề tài Nafosted mã số
107.01-2019.325.

TP Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 12 năm 2021
Học viên

Nguyễn Công Quang


iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................I
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................... II
DANH MỤC BẢNG..................................................................................................... V
DANH MỤC HÌNH.................................................................................................... VII
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT................................................................................. VIIIII
MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1
1. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.................................................................................1
2. MỤC TIÊU...................................................................................................................... 1
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.............................................................. 2
4. PHƯƠNG THỨC NGHIÊN CỨU.................................................................................2
5. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TẾ...........................................................3
6. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN.......................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG.............................................................................4
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG UHPC......................................................................................4
1.1.1. Lịch sử UHPC............................................................................................ 4
1.1.2. Thành phần vật liệu UHPC........................................................................ 6

1.1.3. Một số tính chất của UHPC....................................................................... 7
1.1.3.1 Độ chảy lan (Workability)........................................................................ 7
1.1.3.2 Ứng xử chịu nén........................................................................................8
1.1.3.3 Ứng xử chịu uốn và kéo trực tiếp........................................................... 10
1.1.4. Ứng dụng của UHPC............................................................................... 12
1.2 VAI TRÒ CỦA CỐT SỢI TRONG BÊ TƠNG........................................................15
1.3 TĨM LƯỢC CÁC NGHIÊN CỨU TƯƠNG TỰ.....................................................20
CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT THÍ NGHIỆM NÉN......................................................... 30
2.1 THÀNH PHẦN VẬT LIỆU.......................................................................................30
2.2 QUY TRÌNH TRỘN UHPC VÀ UHPFRC.............................................................. 35
2.3 CHẾ TẠO MẪU THÍ NGHIỆM................................................................................40


iv
2.4 CHUẨN BỊ VÀ LẮP ĐẶT THÍ NGHIỆM...............................................................42
2.5 QUY TRÌNH TEST.................................................................................................... 42
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM................................................ 49
3.1.

KẾT QUẢ ĐO ĐẠC FC VÀ E...............................................................................49

3.2

HÌNH DẠNG PHÁ HOẠI..................................................................................... 53

3.3

TÁC ĐỘNG CÁC LOẠI CỐT SỢI...................................................................... 55

3.4

TÁC ĐỘNG CỦA VF.............................................................................................60

3.5

ĐÁNH GIÁ MƠ HÌNH DỰ ĐỐN E..................................................................63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................................69
KẾT LUẬN....................................................................................................................... 69
KIẾN NGHỊ.......................................................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................ 71


v

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1 Cấp phối đề xuất cho UHPC và UHPFRC sử dụng sợi thép (gồm sợi thẳng
micro và sợi thép móc hai đầu).......................................................................................32
Bảng 2. 2 Cấp phối đề xuất cho UHPC và UHPFRC sử dụng sợi PP...........................32
Bảng 2. 3 Cấp phối đề xuất cho UHPC và UHPFRC sử dụng sợi PVA....................... 33
Bảng 2. 4 Cấp phối đề xuất cho UHPC và UHPFRC sử dụng sợi Basalt..................... 34
Bảng 2. 5 Cấp phối đề xuất cho UHPC và UHPFRC sử dụng sợi hỗn hợp (hybrid
fibers).............................................................................................................................. 34
Bảng 2. 6 Quy trình cơ bản trộn UHPC......................................................................... 37
Bảng 2. 7 Số lượng các loại mẫu hình trụ trịn 100x200 mm........................................ 40
Bảng 2. 8 Quy đổi kết quả fc của UHPC theo mẫu [22]................................................ 44
Bảng 3. 1 Kết quả đo fc................................................................................................... 50
Bảng 3. 2 Kết quả đo ra E...............................................................................................51
Bảng 3. 3 Một số kết quả và yêu cầu về fc, E của UHPC trong các nghiên cứu trước..52
Bảng 3. 4 Các mơ hình dự đoán E của UHPC............................................................... 64

Bảng 3. 5 So sánh kết quả dự đốn E của UHPC từ mơ hình và thí nghiệm................ 64


vi

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Lịch sử của UHPC theo tỉ lệ N/X...................................................................5
Hình 1.2: Quy định về vật liệu của UHPC.....................................................................7
Hình 1.3: Độ chảy lan của UHPC và hình ảnh cốt sợi bên trong UHPC...................... 8
Hình 1.4: Độ phát triển fc của UHPC theo thời gian..................................................... 8
Hình 1.5: Đường cong quan hệ lực – biến dạng của UHPC khi ứng xử chịu nén...... 10
Hình 1.6: Thí nghiệm uốn ba điểm (hoặc bốn điểm) dầm UHPC............................... 11
Hình 1.7: Thí nghiệm kéo trực tiếp UHPC.................................................................. 12
Hình 1.8: Một số ứng dụng của bê tơng UHPC........................................................... 15
Hình 1.9: Một số loại sợi thơng dụng cho bê tơng UHPC...........................................17
Hình 1.10: Vai trị của sợi kích thước nhỏ và lớn trong việc ngăn chặn vết nứt.........19
Hình 1.11: Tác động của sợi đến ứng xử chịu kéo và chịu nén của UHPC................ 20
Hình 1.12: Ảnh hưởng của Vf đến fc UHPC (Trần Bá Việt và cộng sự 2015)......... 21
Hình 1.13: Tác động của Vf và hình dạng sợi thép đến fc UHPC (Wu và cộng sự
2016)............................................................................................................................. 22
Hình 1.14: Tác động của Vf và hình dạng sợi thép đến fc của UHPC (Ren và cộng sự
2018)............................................................................................................................. 23
Hình 1.15: Tác động của Vf và hình dạng sợi thép đến fc của UHPC (Yoo và cộng
sự 2013).........................................................................................................................24
Hình 1.16: Tác động của hình dạng, kích thước và Vf đến fc của UHPC (Yoo và
cộng sự 2017)................................................................................................................25
Hình 1.17: Các loại sợi tổng hợp và sợi thép trong Guler et al. (2018)...................... 25
Hình 1.18: Tác động của Vf sợi đến đường cong σ– ε của UHPC trong Abbas et al.
(2015)............................................................................................................................ 26
Hình 1.19: Thí nghiệm của An và Fehling 2017..........................................................27

Hình 1.20: Tác động của Paschalis và Lampropoulos (2017)..................................... 28
Hình 1.21: Tác động của Gesoglu và cộng sự (2016................................................... 29
Hình 2. 1 Các thành phần vật liệu chính để chế tạo UHPC và UHPFRC.....................31
Hình 2. 2 Các loại cốt sợi dùng trong nghiên cứu............................................................35
Hình 2. 3 Máy trộn UHPC loại nhỏ có cánh quay cưỡng bức........................................36
Hình 2. 4 Quy trình trộn bê tơng UHPC và UHPFRC.................................................... 40


vii
Hình 2. 5 Q trình đúc bê tơng UHPC và UHPFRC mẫu trụ trịn 100x200 mm.......41
Hình 2. 6 Tháo mẫu và ngâm bảo dưỡng.......................................................................... 42
Hình 2. 7 Mài phẳng hai đầu của mẫu...............................................................................43
Hình 2. 8 Máy nén mẫu hình trụ 100x200 mm................................................................ 45
Hình 2. 9 Thí nghiệm nén và sử dụng bộ gá để đo mơ đun đàn hồi.............................. 45
Hình 3. 1 Hình dạng kiểu phá hoại của các mẫu hình trụ............................................55
Hình 3. 2 Tác động các loại sợi khác nhau đến fc........................................................ 57
Hình 3. 3 Tác động các loại sợi khác nhau đến E của UHPC..................................... 58
Hình 3. 4 Tác động các loại sợi khác nhau đến fc của UHPFRC với Vf 2%...............59
Hình 3. 5 Tác động các loại sợi khác nhau đến fc của UHPFRC với Vf 2%...............60
Hình 3. 6 Tác động của Vf............................................................................................62


viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
UHPC (Ultra-high performance concrete): Bê tông cường độ siêu cao
UHPFRC (Ultra-high performance fiber reinforced concrete): Bê tơng cường độ siêu
cao có gia cường cốt sợi
HSC (High strength concrete): Bê tông cường độ cao
NSC (Normal strength concrete): Bê tông thường

HPC (High performance concrete): Bê tông chất lượng cao
PGSD: Phụ gia siêu dẻo
PGK: Phụ gia khoáng
XM: Xi măng
CKD: Chất kết dính
CL: Cốt liệu
TC: Tiêu chuẩn
TN: Thí nghiệm
N/X: Tỉ lệ nước trên xi măng
fc : Sức kháng nén
E: Mô đun đàn hồi
US: Ứng suất
BD: Biến dạng
ST : Sợi thép thẳng ; SH: Sợi thép móc hai đầu
SB: Sợi Basalt
SPVA: Sợi tổng hợp Polyvinyl Alcohol
SPP: Sợi tổng hợp Polypropylene
SHH: Sợi hỗn hợp.


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cần thiết của đề tài
Bê tơng cốt sợi đã bắt đầu được áp dụng trong các công trình như sàn nhà cơng
nghiệp chống rung, cấu kiện đúc sẵn giảm hàm lượng thép chủ. Sợi có tác dụng ngăn
chặn vết nứt vi mô và kiềm chế sự phát triển của các vết nứt, từ đó làm tăng độ dẻo
dai của bê tông, chuyển bê tông từ phá hoại giịn sang phá hoại dẻo. Trên thị trường
hiện nay có ba loại sợi phổ biến bao gồm sợi tổng hợp, sợi thép và sợi tự nhiên.
Thông thường sợi tổng hợp (sợi thủy tinh, sợi PP, sợi PVA...) và sợi thép (thép mạ

đồng, thép móc hai đầu...) có tác dụng tốt hơn sợi tự nhiên về khả năng tăng sức
kháng chịu kéo và uốn cho bê tông. Bê tông UHPC là loại bê tông thế hệ mới với sự
kết hợp tối ưu hóa các hạt cốt liệu và phụ gia giảm nước siêu dẻo để tạo nên sức
kháng cơ học và độ bền vượt trội hoàn toàn khi so sánh với các loại bê tông thường.
Sau dự án gia cường mặt cầu liên hợp thép – bê tông bằng lớp mỏng UHPC thì đã bắt
đầu có rất nhiều sự quan tâm đến loại bê tông mới này ở Việt Nam. Đối với UHPC,
việc gia cường sợi rất quan trọng vì bản thân UHPC có cường độ chịu nén rất cao cho
nên phá hoại ở trạng thái cực hạn khi chịu lực rất giịn. Do đó, sợi được sử dụng cho
UHPC nhằm làm giảm phá hoại giòn và tăng sức kháng chịu nén, chịu kéo và uốn.
Mặt khác, do việc sử dụng phụ gia siêu dẻo nên UHPC có độ tự lèn rất cao, vì thế rất
thuận lợi cho việc thêm sợi vào trong hỗn hợp bê tông tươi để tạo nên hỗn hợp đồng
nhất, tránh hiện tượng sợi vón cục cục bộ. Các nghiên cứu đa phần chỉ tập trung
nhiều về sợi thép, các loại sợi khác cũng như việc phối sợi hỗn hợp vẫn đang là chủ
đề nghiên cứu khá mới, số lượng nghiên cứu công bố khá hạn chế. Chính vì thế trong
hiểu biết của học viên trong suốt q trình tìm hiểu về bê tơng UHPC, tác động của
các kiểu sợi khác nhau, thể tích sợi, việc phối sợi đến các chỉ tiêu cơ học cũng như độ
bền của UHPC là cần thiết. Do đó học viên sẽ nghiên cứu: Ảnh hưởng của các loại
cốt sợi khác nhau đến cường độ chịu nén của bê tông cường độ siêu cao UHPC.
2. Mục tiêu
Nghiên cứu đo cường độ chịu nén một trục và đánh giá tác động của các loại sợi
khác nhau, các thể tích sợi khác nhau cho bê tơng UHPC có fc trung bình 120 MPa
trong điều kiện chế tạo và vật liệu tại Việt Nam. Đề tài có tính thực tiễn cao và tính


2
mới cao do chưa có nhiều nghiên cứu tương tự ở Việt Nam. Mục tiêu của đề tài là tập
trung giải quyết vấn đề như sau:
(1)

Các đặc điểm tiêu biểu của UHPC;

(2)

Thu thập các hướng nghiên cứu tương tự;

(3)

Chế tạo bê tông UHPC và UHPFRC sử dụng sợi thép (sợi thẳng micro fiber,
sợi hooked end móc hai đầu), sợi tổng hợp gồm sợi PP, Basalt và sợi PVA,
có sức chịu nén trung bình cao hơn 120 MPa;

(4)

Đánh giá kết quả đo đạc từ thí nghiệm;

(5)

Khảo sát ảnh hưởng và so sánh sự khác nhau của việc phối sợi (hybrid fiber)
so với trường hợp dùng chỉ một loại sợi;

(6)

Đánh giá sự phù hợp của các mơ hình dự đốn mơ đun đàn hồi thu thập
được.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng chính
 Thí nghiệm và đánh giá fc và E của bê tơng UHPC C120 có sợi và khơng sợi;
 UHPC và UHPFRC được thiết kế cấp phối có fc lớn hơn 120 MPa;
 Sợi thép (sợi thẳng mạ đồng, sợi móc hai đầu) và sợi tổng hợp (PVA, PP,

Basalt).
Phạm vi chính
 Tác động các loại sợi khác nhau và Vf sợi 1%, 2% đến fc;
 So sánh fc của UHPFRC với UHPC trong các trường hợp loại sợi và hàm
lượng sợi khác nhau;
 Đánh giá mơ hình dự đoán E của UHPC và UHPFRC.
4. Phương thức nghiên cứu
 Thu thập, phân tích và tổng hợp tài liệu: tìm dữ liệu và các tài liệu tham
khảo về UHPC, tác động của sợi và vai trò của sợi, tập trung vào ứng xử chịu
nén của UHPC, các TCVN và quốc tế về UHPC.


3
 Thực nghiệm: Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm ở phịng thí nghiệm bao
gồm: (1) Chế tạo bê tơng UHPC và UHPFRC với các vật liệu địa phương với
hàm lượng sợi 0, 1 và 2% cho hai trường hợp chỉ dùng 1 loại sợi và trộn các
loại sợi khác nhau với nhau; (2) Chế tạo các mẫu hình trụ trịn 100x200 mm;
(3) Thí nghiệm fc và E của UHPC có sợi và khơng có sợi.
5. Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tế
Một số ý nghĩa của hướng nghiên cứu này là:
 Chế tạo được UHPC có sợi (1% và 2%) và khơng có sợi (0%) có fc trung
bình khoảng 120 MPa trên cơ sở vật liệu ở Việt Nam;
 Thí nghiệm nén để đánh giá được ảnh hưởng của các loại sợi khác nhau
và hàm lượng sợi đến fc và E.;
 Tác động phối sợi so với việc chỉ dùng một loại sợi với cùng một hàm
lượng sợi như nhau;
 Căn cứ tham khảo quan trọng cho các kĩ sư khi quyết định sử dụng các
loại cốt sợi hiện có trên thị trường Việt Nam.
6. Bố cục của luận văn
Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận thì bao gồm 3 chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Khảo sát thí nghiệm nén
Chương 3: Đánh giá kết quả thí nghiệm


4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Giới thiệu chung UHPC
1.1.1. Lịch sử UHPC
Bê tông cường độ cao (High strength concrete – HSC) ra đời từ năm 1970 khi
mà bê tơng có sức kháng chịu nén cao được sử dụng cho nhà cao tầng. HSC được chế
tạo giống bê tông thường (Normal strength concrete – NSC) nhưng thành phần vật
liệu được chọn lọc kĩ càng hơn. Đi cùng sự phát triển của các công nghệ chế tạo phụ
gia siêu dẻo (PGSD) và phụ gia khống (PGK) đặc biệt là silicafume thì bê tơng có
thể có sức kháng chịu nén lớn hơn 120MPa [1]. Hơn nữa với PGSD và PGK thì bê
tơng được nâng cao một số tính chất cơ bản của nó như độ chảy lan cao, mô đun đàn
hồi cao, sức kháng uốn cao, tính thấm nhỏ và độ bền tốt hơn so với NSC. Chính vì
thế khái niệm bê tơng chất lượng cao (tên tiếng anh là High performance concrete HPC) đã được áp dụng rộng rãi, bên cạnh tiêu chí cường độ (nén, kéo, uốn) cao thì
khái niệm này gắn liền với độ bền cao. Bê tông cường độ siêu cao (tên tiếng anh là
Ultra-high performance concrete - UHPC) là một sự phát triển của HPC với các tiêu
chí cơ bản sau vốn được cải tiến so với loại bê tông NSC [1-5]:
- Dễ thi công với độ chảy lớn, độ đồng nhất cao và không bị phân tầng
- Đặc tính cơ học theo thời gian
- Sự hình thành cường độ sớm
- Độ dẻo dai
- Sự ổn định của thể tích bê tơng
- Sức kháng làm việc của bê tông khi chịu ảnh hưởng của một số yếu tố mơi
trường làm việc của nó.
Sự bật lên của cơng nghệ chế tạo vật liệu trong những năm 2000 đã thúc đẩy

chất lượng của bê tông lên cao và giảm được giá thành sản xuất nhiều. Do đó bê tơng
chất lượng cao HPC đã được sử dụng thi công rộng rãi. Với cơng nghệ bảo dưỡng
trong điều kiện nhiệt độ thì sức kháng chịu nén của bê tơng có thể hơn 200 MPa. Tuy
nhiên bê tông lúc này trở nên rất giòn do năng lượng phá hủy khi chịu nén là cực kì
lớn. Do đó cốt sợi được thêm vào bê tơng có sức kháng chịu nén cao để cải thiện
được độ dẻo dai của nó. Hình 1.1 mơ tả quan hệ cường độ nén của bê tông phát triển


5
theo tỉ lệ nước trên xi măng (N/X). Có thể thấy bê tơng cường độ càng cao thì tỉ lệ
N/X càng nhỏ. Do đó việc dùng các PGSD khi tỉ lệ N/X nhỏ là cần thiết vì các phụ
gia này có chức năng giảm nước và tăng cường độ chảy lan của bê tông tươi, đảm
bảo độ dẻo sệt đủ để tự chảy và luôn đồng nhất, không phân tầng.
Một vài loại UHPC đã được cung cấp ở các quốc gia khác nhau. Một vài sản
phẩm được chế tạo từ UHPC đã được thương mại hóa. Ví dụ như Ceracem/BSI (công
ty Sika), CRC (Compact reinforced composite) do công nghệ của CRC, MSCC
(Multi-scale cement composite) chế tạo bởi phịng thí nghiệm cầu đường của Pháp,
và bê tơng hoạt tính cao RPC (Reactive powder concrete) của công ty Larfarge với
tên gọi thương mại là DUCTAL [1, 4, 5]. Tất cả các loại UHPC nói trên được thiết kế
cấp phối với mục đích đạt được sức kháng nén cao và việc tăng sức kháng kéo và uốn
chỉ là tiêu chí thứ hai. Tuy nhiên loại bê tơng có sử dụng cốt sợi đã được phát triển
thay vì chỉ hướng đến tiêu chí cường độ nén cao như các loại ở trên thì tiêu chí đạt
được sức kháng khi chịu kéo và khả năng biến dạng khi kéo cao mới là tiêu chí quan
trọng nhất. Loại bê tông cốt sợi này thường được gọi là bê tông dẻo (Ductile concrete)
hay bê tông chất lượng cao có gia cường cốt sợi (High performance fiber reinforced
cementitious composite – HPFRCC). Bê tơng UHPC có sử dụng cốt sợi gia cường
cũng là một dạng của loại bê tông này với tên gọi viết tắt UHPFRC [1, 25].

Hình 1. 1 Lịch sử của UHPC theo tỉ lệ N/X [1]

6
1.1.2. Thành phần vật liệu UHPC
Trên cơ sở nguyên tắc tối ưu hóa thành phần hạt và cấp phối thì các thành phần
vật liệu cơ bản của UHPC thường bao gồm: xi măng (cement), silicafume, bột cát
nghiền (crushed quarzt), cát hạt mịn (sand), cốt liệu thô (coarse aggregate), phụ gia
siêu dẻo (superplasticizer), và nước (xem trong hình 1.2a) [1, 4, 5, 7, 44]. Điều đáng
chú ý đó chính là tỉ lệ N/X của UHPC thấp so với NSC và nằm trong khoảng 0.15 –
0.25 [1, 5]. Kích thước hạt cốt liệu, thơng thường UHPC sử dụng hạt cốt liệu có size
nhỏ, hạn chế các hạt thô để tạo ra độ rỗng và độ chặt khít nhỏ nhất. Hình 1.2(b) mơ tả
kích thước của các vật liệu thường được áp dụng cho UHPC. Có nhiều cấp phối
UHPC nhưng đều tuân theo quy tắc sau:
- Tăng cường độ đồng nhất của cấp phối với việc giảm các cốt liệu thô
- Tăng cường độ chặt khít bằng cách tối ưu hóa thành phần hạt thơng qua các
loại vật liệu dạng bột có kích thước nhỏ
- Cải thiện tính chất của hồ xi măng bằng cách thêm vào các loại phụ gia
khoáng như silicafume và giảm tỉ lệ N/X
- Tăng cường vi cấu trúc bằng cách bảo dưỡng nhiệt
- Tăng độ dẻo dai bằng cách thêm cốt sợi

a) Các thành phần vật liệu cơ bản của UHPC


7

b) Quy định về kích cỡ hạt cơ bản
Hình 1. 2 Quy định về vật liệu của UHPC [1, 7, 9]
Việc áp dụng nguyên tắc tăng độ đồng nhất của cấp phối sẽ tạo ra cường độ
chịu nén cực kì cao tuy nhiên độ dẻo dai của bê tông sẽ khơng được cải thiện. UHPC
có thể được bảo dưỡng trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc dưới áp lực để đạt cường độ

chịu nén rất cao (hiện nay trong phòng thí nghiệm ở Pháp có thể đạt đến 800 MPa, ở
Nhật là 400 MPa). Bảo dưỡng UHPC dưới áp lực cao tăng cường độ chặt bằng cách
giảm bọt khí, giảm nước và co ngót hóa học. Bảo dưỡng nhiệt độ thì làm tăng quy
trình thủy hóa XM cũng như phản ứng puzzolanic cũng như điều chỉnh cấu trúc vi
mô sau q trình thủy hóa. Việc sử dụng cốt sợi theo nguyên tắc cuối cùng với mục
đích tăng độ dẻo và sức kháng chịu kéo. Thông thường trong thưc tế các nghiên cứu
hay các cơng trình thực tế đều sử dụng các loại sợi khác nhau cho UHPC.
1.1.3. Một số tính chất của UHPC
1.1.3.1. Độ chảy lan (Workability)
Độ chảy lan của bê tông tươi UHPC thường được kiểm tra trước khi đúc mẫu
bằng các phương pháp dùng côn, hộp chữ U hoặc dụng cụ bàn rung. Thơng thường
UHPC có độ xịe (slump flow) khoảng từ 600 – 1000 mm cho nên rất thuận lợi đúc
các cấu kiện mà không cần đầm rung như bê tơng thường NSC [1-5]. Ngồi ra hỗn
hợp bê tông tươi UHPC phải đảm bảo không được phân tầng ngay cả khi sử dụng cốt
liệu thơ. Tính cơng tác cao đảm bảo cho UHPC đúc được nhiều loại khn. Độ xịe
của hỗn hợp bê tơng tươi UHPC tùy thuộc vào các nhân tố như: tỉ lệ N/X, tỉ lệ nước
trên bột khoáng, loại và hàm lượng PGSD, hàm lượng sợi và loại sợi sử dụng,
phương pháp trộn. Theo các nghiên cứu trước việc thêm PGSD và loại PGSD ảnh
hưởng nhiều đến độ xòe của UHPC. Chẳng hạn như trong quá trình trộn UHPC thì


8
phụ gia siêu dẻo được thêm vào hỗn hợp khi trộn nhiều lần với nước sẽ tăng độ xòe
25-30% so với khi thêm một lần với nước. Bên cạnh đó việc sử dụng cốt sợi sẽ làm
giảm độ xòe của UHPC rất nhiều. Chính vì thế người ta ln ln chọn hàm lượng
sợi hợp lí để tránh hiện tượng vón cục sợi cục bộ trong hỗn hợp bê tông tươi. Hình
1.3 mơ tả độ xịe của UHPC và hình ảnh cốt sợi bên trong UHPC.

Hình 1. 3 Độ chảy lan của UHPC và hình ảnh cốt sợi bên trong UHPC [4]
1.1.3.2. Ứng xử chịu nén

Bê tơng UHPC thơng thường có sức kháng khi chịu nén lớn hơn 120 MPa (các
TC của châu Á) và lớn hơn 150 MPa (các TC của Mỹ hoặc châu Âu) [1, 44]. Mô đun
(E) đàn hồi của UHPC tùy theo cốt liệu sử dụng mà trong đoạn từ 40 – 65 GPa [1].
Mẫu TN để xác định sức kháng chịu nén và mô đun (E) đàn hồi của UHPC là mẫu
hình trụ 100x200 mm hoặc 150x300mm. Độ phát triển sức kháng chịu nén và mô
đun (E) đàn hồi của UHPC được xem xét trong quãng thời gian trước - sau khi được
bảo dưỡng.

Hình 1. 4 Độ phát triển fc của UHPC theo thời gian [5, 7]


9
Hình 1.4 mơ tả độ tiến triển sức kháng chịu nén của UHPC với các hàm lượng
silicafume theo ngày. Có thể thấy sau 3 ngày thì sức kháng nén của UHPC đạt 65%
sức kháng nén tiêu chuẩn 28 ngày. Sau đó sức kháng nén tăng chậm trong khoảng
80-90% sức kháng nén tiêu chuẩn 28 ngày trong vòng 7 đến 14 ngày. Sau 28 ngày thì
sức kháng nén fc tăng trung bình khoảng 15%. Hình 1.4 mơ tả độ tiến triển sức kháng
nén fc của UHPC với hàm lượng silicafume khác nhau. Có thể thấy hàm lượng
silicafume khơng tác động đến sự phát triển sức kháng nén fc. Trong thực tế độ tiến
triển sức kháng nén fc rất quan trọng với việc sản xuất các cấu kiện đúc sẵn và các
cấu kiện dự ứng lực trước, hoặc các kết cấu gia cường sửa chữa bằng UHPC vì yêu
cầu thời gian tháo dỡ ván khuôn và thi công nhanh. Như vậy, UHPC là VL để đáp
ứng được yêu cầu này.
Ứng xử khi chịu lực nén của UHPC được khảo sát thông qua đường cong của
quan hệ ứng suất (US)- biến dạng (BD) của mẫu UHPC hình trụ (150x300 mm hoặc
100x200 mm) dưới tác dụng của lực nén đúng tâm. Hình 1.5 mơ tả thí nghiệm nén
mẫu UHPC và đường cong đặc trưng US – BD của mẫu hình trụ UHPC khi thí
nghiệm nén mẫu. Ứng xử khi chịu lực nén của bê tông phản ánh sự độ phát triển vết
nứt vi mô trong bê tông khi sức kháng chịu nén tăng dần. Hình 1.5(b) mơ tả đường
cong US – BD của UHPC. Có thể thấy Ứng xử khi chịu lực nén của UHPC tuyến

tính đến khi fc đạt 70-80% fc tối đa của mẫu không bảo dưỡng. Các nghiên cứu của
các tác giả khác thì chỉ ra rằng giai đoạn tuyến tính này diễn ra đến khi fc đạt 80-90%
fc tối đa của mẫu được bảo dưỡng. Hình 1.5(c) so sánh ứng xử chịu nén của UHPC so
với NSC và HSC. Giai đoạn ứng xử tuyến tính trước khi đạt ứng suất nén cực đại của
UHPC khá dài hơn so với NSC và HSC. Hình 1.5(d) mơ tả hệ số nở hơng (Poisson)
của UHPC so sánh với NSC và HSC. Trong giai đoạn tuyến tính hệ số Poisson của
UHPC là 0.21 gần tương tự như hệ số Poisson của NSC và HSC. Tuy nhiên qua giai
đoạn tuyến tính thì hệ số Poisson của UHPC lại tăng chậm hơn NSC và HSC.


10

a) Mẫu nén

b) Đường cong US – BD

c) So sánh với NSC và HSC

d) Hệ số nở hơng của UHPC

Hình 1. 5 Đường cong quan hệ lực – biến dạng của UHPC khi ứng xử chịu nén [8]
1.1.3.3. Ứng xử chịu uốn và kéo trực tiếp
Sức kháng chịu uốn của UHPC thường được đo đạc từ TN uốn 3 điểm (hoặc thí
nghiệm uốn 4 điểm) của dầm có khắc khấc (notched beam) theo tiêu chuẩn RILEM
TC 162-TDF, hoặc thí nghiệm uốn 3 điểm của dầm theo ASTM [44, 45]. Cường độ
chịu uốn trung bình của UHPC nằm trong khoảng 10 – 30 MPa, phụ thuộc vào thành
phần cốt liệu và hàm lượng sợi, cũng như là tỉ số ảnh hưởng chiều dài sợi/đường kính
sợi. Sự kết hợp giữa sợi có chiều dài ngắn và chiều dài dài sẽ đảm bảo được độ chảy
lan và làm tăng cường độ kháng uốn.

11

Hình 1. 6 Thí nghiệm uốn ba điểm (hoặc bốn điểm) dầm UHPC [4, 9]
Hình 1.6 mơ tả hình ảnh TN uốn ba điểm và bốn điểm cũng như kết quả đường
cong đặc trưng tương quan giữa sức kháng uốn và chuyển vị. Có thể thấy UHPC có
cốt liệu mịn cho cường độ chịu uốn lớn hơn so với UHPC có cốt liệu thơ. Khi tăng


12
chiều dài sợi và thể tích sợi thì sức kháng chịu uốn tăng. Đường cong biểu thị quan
hệ giữa sức kháng uốn và chuyển vị uốn được đặc trưng bởi ba giai đoạn: (1) Giai
đoạn tuyến tính đến khi nứt; (2) Giai đoạn tăng cứng đến khi đạt cường độ uốn tối đa;
(3) Giai đoạn mềm hóa, lúc này cường độ uốn bắt đầu giảm với sự lan truyền của vết
nứt.
Cường độ khi chịu lực kéo trực tiếp của UHPC thường nằm trong khoảng 5-20
MPa với thể tích sợi tăng từ 0% đến 2%. Hình 1.7 mơ tả thí nghiệm kéo trực tiếp mẫu
hình lăng trụ UHPC (kích thước 40x40x80 mm) để đo mối tương quan giữa ứng suất
kéo và độ lan vết nứt. Có thể thấy trong hình 1.7 thì UHPC khơng có sợi ứng xử rất
giịn và bị phá hoại đột ngột. Trong khi đó với mẫu UHPFRC có sợi thì sẽ tăng được
độ dẻo dai của sợi và cường độ chịu kéo tăng gấp đôi so với UHPC.

Hình 1. 7 Thí nghiệm kéo trực tiếp UHPC [1, 5]
1.1.4.

Ứng dụng của UHPC

Do đặc điểm nổi bật của UHPC khi so sánh với bê tông thường cho nên UHPC
đã có nhiều áp dụng thực tế trong xây dựng. Ứng dụng của UHPC rất đa dạng từ gia
cường sửa chữa kết cấu cũ, chế tạo các cấu kiện đúc bê tơng đúc sẵn với kích thước

tiết diện thanh mảnh hơn so với NSC và HSC, hoặc làm vữa liên kết chèn khe. Hơn
nữa UHPC có thể tạo ra các kết cấu liên hợp với NSC hoặc bê tông nhẹ để nâng cao
khả năng chịu tải, giảm tiết diện kích thước kết cấu, giảm tĩnh tải mà giá thành vẫn
phù hợp.
Như vậy UHPC với nhiều tính năng cao rất thuận lợi để có thể đúc được các cấu
kiện mới. Tại Việt Nam, UHPC được nghiên cứu bắt đầu từ khoảng năm 2010 với


13
nhóm của TS. Trần Bá Việt và cộng sự [39, 43, 45]. Nhóm này đã chế tạo thành các
dầm cầu giao thông nông thôn UHPC với giá thành giảm 5-10% so với phương án dầm
truyền thống. UHPC còn được dùng trong chế tạo các cấu kiện lắp ghép cho các cơng
trình biển đảo nhằm chống xâm thực. Một số cấu kiện đại trà khác như tấm chắn rác,
nắp hố ga, mương đúc sẵn... cũng được nghiên cứu thử nghiệm chế tạo bằng UHPC.
Ngoài ra việc ứng dụng UHPC gia cường mặt cầu Thăng Long là một cơng trình lớn
đã được khánh thành gần đây cho thấy UHPC hứa hẹn là một loại vật liệu bê tông tiềm
năng ở Việt Nam trong tương lai gần. Chính vì thế việc nghiên cứu loại bê tơng UHPC
ở Việt Nam là có tính cấp thiết. Hình 1.8 mơ tả một số ứng dụng của UHPC.

(a)

(b)

Cầu Sherbrooke Footbridge –Quebec, Canada, 1996 (web:
/>
Cầu Sakata-Mirai Footbridge, Japan, 2003 (web: />
(c)

Cầu UHPC in Germany: bridge over River Nieste gần Kassel [1]

14

(d)

Vật liệu chèn khe cho cầu Wappello County ở Iowa, Mỹ (web:
)

(e)

Lắp dầm cầu UHPC ở cầu Từ Ô – Trà Vinh (web: uhpc.com.vn)

(f)

Dầm cầu UHPC trước khi lắp đặt (web: uhpc.com.vn)


15

(g)

(h)

Gia cường kết cấu trụ cầu ở Columbia - Canada

Gia cường mặt cầu thép Cầu Thăng Long bằng UHPC (web:
uhpc.com.vn)
Hình 1. 8 Một số ứng dụng của bê tông UHPC

1.2 Vai trị của cốt sợi trong bê tơng

Bê tơng sử dụng cốt sợi đã áp dụng cách đây hơn 60 năm và hiện tại nhiều loại
cốt sợi khác nhau được dùng cho bê tơng. Mục đích chính của cốt sợi đó chính là
việc giảm tính giịn của vữa hồ xi măng [2-7]. Vì bê tơng UHPC có cường độ nén rất
cao cho nên đi kèm với phá hoại rất giòn. Cho nên cốt sợi thường được thêm vào
trong bê tông UHPC với tên gọi là UHPFRC [1, 2, 4]. Cốt sợi tác động đến khả năng
kháng nứt của bê tông, chuyển q trình phá hoại giịn của bê tơng thành phá hoại
dẻo, tạo thành giai đoạn ứng xử sau nứt của bê tông khi chịu nén, kéo, và uốn. Cốt
sợi thông thường được chia thành ba loại khác nhau:
 Sợi thép: sợi thép có móc hai đầu lượn sóng và khơng lượn sóng (hooked end
steel fiber), sợi thép rất nhỏ (micro steel fiber). Thơng thường sợi thép có tác dụng:
- Tăng năng lượng phá hủy từ đó tăng tính dẻo dai khi chịu lực
- Tăng sức kháng chịu nén và sức kháng chịu kéo