nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối bê tông mác tới 70 mpa sử dụng trong xây dựng công trình thủy lợi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI





TRỊNH BÁ BIỂN





NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI
BÊ TÔNG MÁC TỚI 70 MPA SỬ DỤNG TRONG XÂY
DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI





LUẬN VĂN THẠC SĨ




Hà Nội, 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI



TRỊNH BÁ BIỂN



NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI
BÊ TÔNG MÁC TỚI 70 MPA SỬ DỤNG TRONG XÂY
DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Mã số: 60 – 58 – 40

LUẬN VĂN THẠC SĨ




Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. Hoàng Phó Uyên



Hà Nội, 2013

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian thu thập tài liệu, nghiên cứu và thực hiện, đến nay Luận
văn thạc sĩ chuyên nghành xây dựng công trình thuỷ “Nghiên cứu thiết kế thành
phần cấp phối bê tông mác tới 70MPa sử dụng trong xây dựng công trình thủy
lợi” đã hoàn thành theo đề cương được duyệt.
Trước hết tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các Thầy, cô giáo Trường
Đại học Thủy lợi, sự giúp đỡ nhiệt tình của Khoa Công trình, Bộ môn Vật liệu Xây
dựng đã quan tâm giúp đỡ, tạo mọi điều kiện cho tác giả trong quá trình học tập
và thực hiện luận văn này.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS. TS. Hoàng Phó Uyên đã trực tiếp tận
tình hướng dẫn, cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận
văn.
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến các cán bộ, nhân viên phòng
thí nghiệm và nghiên cứu vật liệu xây dựng – Viện Thủy Công vì sự giúp đỡ nhiệt
tình và hiệu quả trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Tác giả xin cảm ơn Gia đình, các bạn bè đồng nghiệp đã hết sức giúp đỡ
động viên về tinh thần và vật chất để tác giả đạt được kết quả hôm nay.
Trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn, tác giả khó tránh khỏi
những thiếu sót và rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các Thầy, cô và cán
bộ đồng nghiệp đối với bản luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 16 tháng 05 năm 2013
Tác giả



Trịnh Bá Biển


LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Trịnh Bá Biển, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của
riêng tôi. Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa
được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào.
Tác giả


Trịnh Bá Biển

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU …………………………… …………………………… 1
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ……………………………………. 1
II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ……………… 3
III. CƠ SỞ KHOA HỌC………………………………………………… 3
IV. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………… 4
V. DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC………………………………… 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM
5
1.1.Khái niệm về bê tông cường độ cao……………………………… 5
1.2.Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ cao trên thế
giới………
7
1.3.Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ cao tại Việt
Nam………
13
1.4. Ưu, nhược điểm của bê tông cường độ cao………………………… 15
1.5.Thành phần và cấu trúc của bê tông cường độ cao ………………… 17
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………. 20
2.1.Phương pháp nghiên cứu……………………………………………. 20
2.1.1.Các phương pháp nghiên cứu tính chất vật liệu sử dụng …………
20
2.1.2.Các phương pháp nghiên cứu tính chất của hỗn hợp bê tông và bê
tông cường độ cao……………………………………………………….

21
2.2.Lựa chọn nguyên vật liệu sử dụng trong nghiên cứu………………
26

2.2.1. Xi măng…………………………………………………………. 26
2.2.2.Cốt liệu nhỏ…………………………… 27
2.2.3.Cốt liệu lớn……………………………… 29
2.2.4.Phụ gia khoáng hoạt tính ………………… 30



2.2.5.Phụ gia siêu dẻo…………………………………………………… 35
2.2.6.Nước ……………………… 37
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU……………………………… 38
3.1.Yêu cầu về chất lượng của vật liệu………………………………… 38
3.1.1.Yêu cầu về chất lượng của xi măng……………………………… 38
3.1.2.Yêu cầu về chất lượng của cốt liệu……………………………… 39
3.1.3.Yêu cầu về chất lượng của phụ gia siêu dẻo 46
3.2.Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng dùng phụ gia siêu dẻo đến tính
công tác của hỗn hợp bê tông ……………………………………
47
3.3.Thiết kế thành phần bê tông cường độ cao D
max
=10 mm………
51
3.3.1.Khảo sát thiết kế thành phần bê tông cường độ cao………………
51
3.3.2.Thiết kế thành phần BTCĐC với D
max
= 10mm theo ACI 211.4R-
08…………………………………………………………………………
58
3.4.Các tính chất, chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp bê tông và bê tông cường
độ cao…………………………………………………………………….

77
3.4.1.Nghiên cứu tính công tác của hỗn hợp bê tông cường độ cao…….
77
3.4.2.Nghiên cứu các tính chất của bê tông cường độ cao đã rắn chắc….
79
3.4.3.Nghiên cứu công nghệ chế tạo bê tông cường độ cao…………….
81
3.5.Đề xuất các phương án sử dụng bê tông cường độ cao trong xây
dựng thủy lợi…………………………………………………………
84
KẾT LUẬN CHUNG…………………………………………………… 85
KIẾN NGHỊ…………………………………………………………… 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………… 87


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1: Một số công trình sử dụng bê tông cường độ cao…………….
9
Bảng 1.2: Một số công trình sử dụng bê tông cường độ cao…………….
10
Bảng 1.3: Một số cầu được thi công bằng bê tông cường độ cao ở Nhật
Bản………………………………………………………………………
11
Bảng 1.4: Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Mỹ……….
11
Bảng 1.5: Một số cầu thì công bằng bê tông cường độ cao ở Pháp……
12
Bảng 1.6: Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Na Uy……
12

Bảng 2.1: Các thí nghiệm theo tiêu chuẩn sử dụng nghiên cứu tính chất
vật liệu……………………………………………………………………

20
Bảng 2.2: Các thí nghiệm theo tiêu chuẩn nghiên cứu tính chất của hỗn
hợp bê tông và bê tông…………………………………………………

21
Bảng 2.3: Kết quả thí nghiệm các tính chất cơ lý của Xi măng………….
26
Bảng 2.4: Kết quả tính chất cơ bản của cát vàng Sông Lô………………
28
Bảng 2.5: Kết quả thí nghiệm các tính chất cơ lý của đá dăm…………
29
Bảng 2.6: Tính chất và thành phần hạt của Silicafume………………….
33
Bảng 2.7: Thành phần hạt của tro bay nhiệt điện………………………
35
Bảng 2.8: Một số tính chất của Glenium
®
ACE 388 SureTec sử dụng….
37
Bảng 3.1 Sự phụ thuộc độ xốp vào kiểu sắp xếp của hạt……………….
44
Bảng 3.2: Sự phụ thuộc của độ rỗng vào sự phối hợp các cấp hạt……
45
Bảng 3.3 : Kết quả khảo sát điểm bão hòa PGSD của vữa………………
48
Bảng 3.4 :Cỡ hạt lớn nhất đề xuất của cốt liệu thô…………………….
51

Bảng 3.5: Thể tích đề nghị của cốt liệu thô trên một đơn vị thể tích bê


tông………………………………………………………………………
52
Bảng 3.6: Lượng dùng nước sơ bộ và hàm lượng khí của hỗn hợp bê tông
sử dụng cốt liệu nhỏ có độ rỗng là 35%
52
Bảng 3.7: Tỷ lệ N/XM lớn nhất khuyến cáo cho bê tông cường độ cao
53
Bảng 3.8: Thể tích hồ trong hỗn hợp bê tông
58
Bảng 3.9: Cấp phối thăm dò thành phần bê tông D
max
=10……………….
60
Bảng 3.10: Kết quả thí nghiệm thăm dò bê tông Dmax=10 cm………….
60
Bảng 3.11: Bảng mã hoá các giá trị thí nghiệm bậc một hai mức tối ưu
61
Bảng 3.12: Kế hoạch thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu……………
62
Bảng 3.13: Cấp phối thí nghiệm bậc một hai mức tối ưu………………
62
Bảng 3.14: Kết quả thí nghiệm bậc một hai mức tối ưu………………….
63
Bảng 3.15: Thí nghiệm tìm miền dừng…………………………………
66
Bảng 3.16: Kế hoạch thí nghiệm bậc hai tâm xoay
66

Bảng 3.17 : Ma trận kế hoạch thí nghiệm bậc hai tâm xoay……………
67
Bảng 3.18: Cấp phối bê tông theo kế hoạch thí nghiệm bậc hai tâm xoay
68
Bảng 3.19: Kết quả thí nghiệm bậc hai tâm xoay………………………
68
Bảng 3.20: Kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối hợp lý của bê tông
CĐC……………………………………………………………………….

76
Bảng 3.21: Thành phần cấp phối và độ sụt của hỗn hợp bê tông
D
max
=10mm………………………………………………………………

77
Bảng 3.22: Tính chất của bê tông cường độ cao D
max
=10 và mẫu đối
chứng……………………………………………………………………….

79


DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: Các giai đoạn phát triển của công nghệ bê tông trên thế giới
[2, 7]…………………………………………………………………….
5
Hình 2.1: Dụng cụ để xác định độ chảy xòe của hỗn hợp bê tông tự đầm

22
Hình 2.2: Sơ đồ phương pháp xác định độ chảy của bê tông hạt mịn…
25
Hình 2.3: Hình dạng silicafume………………………………………
31
Hình 2.4: Vùng chuyển tiếp trong bê tông có silicafume……………….
32
Hình 2.5: Vùng chuyển tiếp trong bê tông không có silicafume………
32
Hình 3.1: Các kiểu sắp xếp của hạt cốt liệu
43
Hình 3.2: Biểu đồ quan hệ giữa độ chảy của vữa với lượng dùng phụ
gia siêu dẻo……………………………………………………………….
48
Hình 3.3: Biểu đồ quan hệ giữa độ chảy của vữa với tỷ lệ C/CKD…….
49
Hình 3.4.: Côn thử độ chảy loang……………………………………….
50
Hình 3.5: Đo độ chảy loang của vữa…………………………………….
50
Hình 3.6: Máy trộn Ele………………………………………………….
50
Hình 3.7: Giao diện chính của phần mềm Design-Expert® 7.1…………
70
Hình 3.8: Nội dung kế hoạch bậc 2 tâm xoay…………………………
71
Hình 3.9: Điền thông tin hàm mục tiêu………………………………….
71
Hình 3.10: Điền giá trị hàm mục tiêu……………………………………
72

Hình 3.11 : Phương trình hồi quy………………………………………
72
Hình 3.12: Kiểm tra tính tương hợp của mô hình……………………….
73













Hình 3.13: Mặt biểu diễn quan hệ R28 và các tỷ lệ N/CKD, C/CL…….
74
Hình 3.14: Đường đồng mức biểu diễn quan hệ R28 và các tỷ lệ
N/CKD, C/CL……………………………………………………………
74
Hình 3.15: Ảnh hưởng của N/CKD đến cường độ R28 khi C/CL = 0.35
75
Hình 3.16: Ảnh hưởng của C/CL đến cường độ R28 khi N/CKD = 0.22
75
Hình 3.17: Thí nghiệm tính công tác HHBT…………………………….
78
Hình 3.18: Nén mẫu xác định cường độ…………………………………
80

Hình 3.19: Mẫu sau khi nén……………………………………………
80
Hình 3.20: Thiết bị đo mài mòn…………………………………………
80
Hình 3.21: Thùng và cánh khuấy………………………………………
80
Hình 3.22: Mẫu trước khi mài mòn……………………………………
81
Hình 3.23: Mẫu sau khi mài mòn……………………………………….
81
Hình 3.24: Sơ đồ dây chuyền công nghệ chế tạo bê tông Dmax = 10
82
Hình 3.25: Quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp leo dốc…………
90


DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
BT : Bê tông
BTCT : Bê tông cốt thép
C : Cát
Đ : Đá
N : Nước
TB : Tro bay
X : Xi măng
PGSD : Phụ gia siêu dẻo
CL : Cốt liệu
CLL : Cốt liệu lớn
N/X M : Tỷ lệ Nước trên Xi măng
C/CKD : Tỷ lệ Cát trên chất kết dính
C/CL : Tỷ lệ Cát trên Cốt liệu

N/CKD : Tỷ lệ Nước trên Chất kết dính
C/(XM+TB+SF) : Tỷ lệ Cát trên Xi măng+Tro bay+ Silicafume
CKD : Chất kết dính
CP1 : Cấp phối 1
CP2 : Cấp phối 2
…………………………….
CP13 : Cấp phối 13
HQTN : Hồi quy thực nghiệm
PC : Xi măng Pooclăng-Porland Cements


PCB : Xi măng Pooclăng hỗn hợp-Blended Porland Cements
ASTM : Tiêu chuẩn Mỹ-American Society of Testing and Materials
TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam
a
i
% : Lượng sót riêng biệt
A
i
% : Lượng sót tích lũy
ρ
v
: Khối lượng thể tích
ρ

: Khối lượng riêng
R
n
: Cường độ chịu nén
R

u
: Cường độ chịu uốn
R
k
: Cường độ chịu kéo
R
x
: Cường độ chịu nén của xi măng
σ : Khoảng quy hoạch


1


MỞ ĐẦU
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.
Bê tông, bê tông cốt thép là một loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong hầu
hết các công trình xây dựng. Bê tông có rất nhiều ưu điểm nhưng nổi trội nhất là
cường độ chịu nén, tuổi thọ cao, dễ tạo hình và tận dụng được nguồn vật liệu tại
địa phương, chính vì vậy nó là loại vật liệu chiếm ưu thế lớn nhất trong xây dựng
dân dụng, công nghiệp, giao thông và công trình thủy lợi. Tuy nhiên, hiện nay ở
nước ta chất lượng các công trình thi công từ bê tông cốt thép vẫn đang còn là một
vấn đề phải quan tâm hàng đầu của các nhà quản lý nhất là trong ngành thủy lợi.
Các kết quả kiểm tra đánh giá chất lượng các công trình thủy lợi bằng BT và
BTCT như đập tràn, mố tiêu năng, cống ngầm, cống dưới đê, cống ngăn mặn, kè
sông, kè biển, v.v… cho thấy, hầu hết những công trình chịu tác động của các tác
nhân xâm thực chỉ sau một thời gian đưa vào sử dụng đã thấy dấu hiệu của xâm
thực bê tông và cốt thép, (bề mặt bê tông bị thấm tiết vôi, bị rỗ, bê tông dọc theo
các thanh cốt thép bị nứt do cốt thép bị xâm thực nở thể tích, v.v…). Có những
công trình chỉ sau khoảng 10 năm đi vào hoạt động BT và BTCT đã bị xâm thực

nghiêm trọng, cường độ bê tông bị suy giảm đáng kể. Kết cấu cửa van, cửa van
phai phao cho các cống ngăn mặn, nếu sử dụng bê tông thường thì chiều dày lớp
bảo vệ cốt thép tối thiểu a ≥ 5cm thì mới chống được xâm thực. Vấn đề đặt ra là:
các kết cấu trên vì yêu cầu của lớp bảo vệ cốt thép như vậy sẽ không đảm bảo được
chiều dày thiết kế ví dụ cửa van cống bằng bê tông cốt thép, thành của đập xà lan
di động chỉ có chiều dầy từ 10 đến 15 cm
Do vậy, nhằm làm giảm chiều dày của kết cấu thì việc nghiên cứu thiết kế
thành phần cấp phối bê tông cường độ cao (mác tới 70MPa) sử dụng trong các kết
cấu đặc biệt cho công trình thủy lợi giữ ngọt ngăn mặn, vùng chua phèn là rất cần
thiết.
Bê tông cường độ cao là loại bê tông phải đảm bảo 3 yêu cầu: Có cường độ
cao, tính công tác tốt và có độ bền lâu. Thành phần bê tông cường độ cao cũng như

2

bê tông thường gồm có cốt liệu lớn (sỏi, đá dăm), cốt liệu nhỏ (cát), chất kết dính,
nước, phụ gia siêu dẻo và phụ gia khoáng hoạt tính.
Việc sử dụng phụ gia siêu dẻo cho phép giảm tỷ lệ N/X trong khi vẫn đảm
bảo bê tông có độ lưu động cao, dễ tạo hình lèn chặt, bên cạnh đó phụ gia khoáng
hoạt tính cao có trong bê tông cho phép giảm lượng dùng xi măng cải thiện tính
cộng tác của hỗn hợp bê tông, tăng độ đặc chắc, tăng cường độ và độ bền lâu của
bê tông.
Phụ gia khoáng Silicafume là loại phụ gia khoáng hoạt tính cao siêu mịn. Có
khả năng đặc biệt làm tăng mạnh cường độ của bê tông. Hiện nay trên thế giới, sự
có mặt của Silicafume trong bê tông đã nâng giới hạn cường độ nén của bê tông từ
50 – 60 MPa lên tới 130 – 150 MPa và còn có khả năng nâng cao hơn trong tương
lai gần. Ngoài khả năng tăng cường độ, sự có mặt của Silicafume trong bê tông còn
tạo ra một loạt giá trị gia tăng khác làm cho việc sử dụng vật liệu bê tông ngày
càng trở lên hiệu quả hơn. Đây là loại phụ gia khoáng có hoạt tính cao phù hợp với
bê tông cường độ cao hiện nay. Tuy nhiên giá thành loại phụ gia này ở Việt Nam

còn cao phần nào làm hạn chế việc sử dụng phụ gia này.
Phụ gia khoáng hoạt tính tro bay nhiệt điện, trung bình, mỗi ngày nhà máy
nhiệt điện Phả Lại 2 (Hải Dương) thải ra 3000 tấn tro xỉ, trong đó khoảng 20 – 30
% là than chưa cháy, còn lại là tro bay rất mịn. Do hàm lượng than chưa cháy thấp
nên khó tận thu làm nhiên liệu đốt, mà thường được thải thẳng ra hồ chứa. Cùng
với lượng tro xỉ tương đương của nhiệt điện Phả Lại 1, mỗi ngày 2 nhà máy này
đang xả lượng chất thải khổng lồ vào môi trường. Theo dự báo đến năm 2020 sẽ có
thêm 28 nhà máy nhiệt điện đốt than đi vào hoạt động. Lúc đó, lượng tro xỉ thải ra
hàng năm vào khoảng 60 triệu tấn. Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng loại vật
liệu này đang được xúc tiến mạnh mẽ, Trong những năm qua, đã có nhiều kết quả
của các công trình khoa học nghiên cứu về ứng dụng tro tuyển Phả Lại và
Silicafume trong bê tông đã đem lại kết quả tốt, tạo ra các loại bê tông đặc biệt, với
tính chất đặc trưng. Tuy nhiên khả năng của 2 loại phụ gia này trong việc cải thiện
các tính chất của bê tông cường độ cao còn phải tiếp tục nghiên cứu. Vì vậy luận
văn đã đi nghiên cứu và ứng dụng hỗn hợp phụ gia khoáng 2 thành phần tro tuyển

3

Phả Lại và Silicafume trong bê tông cường độ cao để tạo ra loại bê tông cường độ
cao đáp ứng nhu cầu ngày cao của ngành xây dựng dân dụng, công nghiệp, giao
thông và thủy lợi của Vịêt Nam.
II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI.
- Dùng vật liệu sẵn có tại Việt Nam để nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối
bê tông cường độ cao đến 70MPa sử dụng cho các kết cấu đặc biệt trong công trình
thủy lợi (Kết cấu cửa van, kết cấu chống mài mòn, công trình ven biển, mố tiêu
năng, bê tông sửa chữa…)
III. CƠ SỞ KHOA HỌC
Việc nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao dựa trên một số cơ sở:
 Nâng cao chất lượng cấu trúc vĩ mô
Cốt liệu phải được chọn từ các loại đá có độ đặc chắc cao, cường độ lớn và

quan trọng là có độ ổn định và đồng đều chất lượng cao. Để đảm bảo điều này thì
đường kính cốt liệu phải giảm xuống, do vậy đề tài đã lựa chọn D
max
= 10 mm để
tiến hành khảo sát và nghiên cứu.
Thành phần hạt cốt liệu phải hợp lý đảm bảo độ rỗng nhỏ nhất, độ đặc cao
nhất, cấu trúc hỗn hợp ổn định và có cường độ cao. Hình dạng hạt cốt liệu đồng
đều, hàm lượng hạt thoi, dẹt có cường độ yếu ít sẽ tạo khung cấu trúc ổn định, tạo
thuận lợi khi thi công.
Thiết kế cấp phối bê tông tối ưu bằng việc sử dụng thành phần các nguyên
vật liệu hợp lý kết hợp với các biện pháp thi công phù hợp sẽ nâng cao cường độ
cũng như đảm bảo các tính chất yêu cầu của bê tông. Ngoài ra có thể sử dụng biện
pháp dưỡng hộ đặc biệt nhằm đảm bảo cho quá trình phát triển cường độ của bê
tông diễn ra thuận lợi, qua đó nâng cao cường độ bê tông.
 Nâng cao chất lượng cấu trúc vi mô
Xi măng là thành phần quan trọng góp phần tạo nên cường độ của bê tông.
Hồ xi măng đóng vai trò là chất kết dính, liên kết các hạt cốt liệu rời rạc. Hoạt tính
của xi măng càng cao thì bê tông có cường độ càng cao. Do đó, việc sử dụng xi
măng mác cao trong thiết kế thành phần của bê tông là cần thiết

4

Việc sử dụng các loại xi măng cường độ cao đồng thời sử dụng các loại phụ
gia khoáng hoạt tính, phụ gia siêu mịn sẽ làm tăng độ đặc của đá, chất kết dính do
sản phẩm thủy hóa xi măng lớn lấp đầy lỗ rỗng. Hàm lượng lỗ rỗng trong cấu trúc
đá xi măng rất nhỏ sẽ làm tăng cường độ kéo, cường độ nén và tính mềm dẻo cho
bê tông.
Phụ gia siêu dẻo giúp cho hỗn hợp bê tông có tỷ lệ N/CKD nhỏ nhưng vẫn
đảm bảo tính công tác, kiểm soát được quá trình vận chuyển, đổ khuôn. Lượng
nước gần như chỉ đủ để thủy hóa nên hàm lượng lỗ rỗng trong cấu trúc đá chất kết

dính và đá bê tông giảm tối thiểu, lỗ rỗng có kích thước rất nhỏ. Các khoáng silicát
được thủy hóa triệt để.
IV. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.Cách tiếp cận.
- Dựa trên tình hình nhu cầu cụ thể ứng dụng bê tông mác cao tại Việt
Nam, và các tài liệu trong và ngoài nước liên quan để đề ra mục tiêu và hướng
nghiên cứu.
2. Phương pháp nghiên cứu.
- Phương pháp tiêu chuẩn: Khảo sát các tính chất của vật liệu, tính chất của
vữa và bê tông theo TCVN, TCXDVN, TCN, ASTM…
- Phương pháp phi tiêu chuẩn: Sử dụng một số phương pháp thí nghiệm tự
đề xuất để nghiên cứu.
- Dùng phương pháp quy hoạch thực nghiệm: để nghiên cứu ảnh hưởng của
các yếu tố thành phần đến các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông.
V. DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.
- Tìm được các vật liệu phù hợp để chế tạo bê tông mác tới 70MPa.
- Thí nghiệm các tính chất và chỉ tiêu cơ lý của vật liệu trên.
- Lựa chọn được phương pháp thiết kế bê tông cường độ cao.
- Thiết kế được thành phần cấp phối bê tông và bê tông có cường độ tới
70MPa.

5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ
TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM
1.1. Khái niệm về bê tông cường độ cao.
Cho đến nay bê tông đã trở thành một loại vật liệu không thể thiếu trong các
công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, các công trình giao thông và thuỷ
lợi cũng như nhiều công trình xây dựng khác. Các yêu cầu về chủng loại cũng như
chất lượng đối với bê tông cũng ngày được nâng cao. Một trong các yêu cầu đó là

yêu cầu về cường độ của bê tông.
Cường độ chịu nén là một trong những tính chất cơ lý quan trọng của bê tông
và là cơ sở thiết kế các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép. Tính toán lý thuyết cũng
như thực tế sử dụng cho thấy nâng cao cường độ bê tông sử dụng trong các kết cấu
bê tông cốt thép giúp nâng cao hiệu quả sử dụng của bê tông và mở ra hướng sử
dụng bê tông trong các kết cấu đặc biệt.
Hướng nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ cao đã được tập trung phát
triển trên thế giới từ những năm giữa thế kỷ XX và đạt được những thành tựu đáng
kể. Đồ thị trên hình 1.1 cho thấy cường độ bê tông sử dụng ngày càng được nâng
cao. Khái niệm bê tông cường độ cao cũng ngày càng được mở rộng

Hình 1.1: Các giai đoạn phát triển của công nghệ bê tông trên thế giới
[
2, 7
]

0
20
40
60
80
100
120
140
160
1964 1968 1972 1984 1992
MPa


6

Hiện nay các nước trong cộng đồng chung Châu Âu thống nhất coi bê tông
C67 trở lên (cường độ nén trung bình ở tuổi 28 ngày đạt 85 -90 MPa) là bê tông
cường độ cao, cũng trong tiêu chuẩn này người ta phân loại bê tông đến cấp C115
(độ nén trung bình ở tuổi 28 ngày khoảng 150MPa).
Ở Liên Bang Nga bê tông B50 được coi là bê tông cường độ cao [2, 7]. Tuy
nhiên ở Nga người ta mới chỉ phân loại cho bê tông B80 [2, 10].
Năm 1980, trong hội thảo ở Chicago, bê tông cường độ cao được xem là các
loại bê tông có cường độ ở độ tuổi 28 ngày đạt 46 MPa đến 76 MPa. Trong khi đó
theo hiệp hội kỹ sư Xây dựng Nhật Bản, bê tông được coi là có cường độ cao là khi
cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày nằm trong phạm vi từ 60 – 80 MPa.
Theo quan điểm của Pháp, bê tông cường độ cao là bê tông có phụ gia giảm
nước và cường độ nén từ 50 – 80 MPa. Bê tông cường độ rất cao là bê tông có thêm
phụ gia giảm nước và có độ nén trên 80MPa. Theo định nghĩa của viện bê tông Mỹ
[17, 18], bê tông cường độ cao là bê tông có độ nén lớn hơn 41 MPa và được chế
tạo trên cơ sở các vật liệu truyền thống.
Trong quy phạm kết cấu bê tông Úc (AS 3600) định nghĩa bê tông cường độ
thường là bê tông có cường độ đặc trưng của mẫu trụ ở tuổi 28 ngày nhỏ hơn hoặc
bằng 50 MPa, bê tông cường độ cao theo định nghĩa này là các loại bê tông có
cường độ trên 50 MPa.
Còn theo quan điểm của FIP-CEB 1990 bê tông cường độ cao là bê tông có
cường độ từ 60 MPa trở lên.
Như vậy không tồn tại một giá trị cố định về cường độ để bê tông được đánh
giá là có cường độ cao. Tuy nhiên có thể thấy rằng, bê tông với cường độ chịu nén
60 – 80 MPa được xếp loại là bê tông cường độ cao và đã được ứng dụng khá rộng
rãi.
Theo Mailer, chất lượng của bê tông phụ thuộc vào độ đặc chắc của nó. Bê
tông càng đặc chắc thì cường độ và khả năng chống thấm càng cao, độ bền lâu càng
lớn. Độ đặc chắc của bê tông tỷ lệ nghịch với tỷ lệ N/XM. Do đó bê tông có tỷ lệ
N/XM càng thấp chất lượng càng cao với điều kiện là khi tạo hình hỗn hợp bê tông

phải được sự lèn chặt.

7

So với bê tông thông dụng, trong thành phần bê tông chất lượng cao còn có
một cấu tử không thể thiếu là phụ gia siêu dẻo, được dùng để cải thiện tính công tác
của hỗn hợp bê tông mà không cần tăng lượng nước nhào trộn. Theo Aitcin, tỷ lệ
N/XM = 0,4 là giá trị để phân biệt giữa bê tông thông dụng và bê tông cường độ
cao. Với tỷ lệ N/XM < 0,4 sẽ không thể chế tạo được bê tông lưu động nếu như
không sử dụng phụ gia siêu dẻo. Hơn nữa, tỷ lệ N/XM này rất gần với giá trị tỷ lệ
N/XM lý thuyết cần thiết để xi măng thủy hóa hoàn toàn. Một thành phần khác
thường được sử dụng trong bê tông cường độ cao là phụ gia khoáng hoạt tính có tác
dụng giảm lượng dùng xi măng, cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông, tăng độ
đặc chắc và độ bền của bê tông.
Các nguyên tắc để chế tạo bê tông cường độ cao:
 Tăng cường độ của hồ xi măng thủy hóa bằng cách giảm kích thước sản
phẩm thủy hóa và giảm kích thước lỗ rỗng. Các lỗ rỗng trong đá xi măng có kích
thước lớn hớn 50µm, nhất là khi chúng tập trung tại một khu vực sẽ có ảnh hưởng
rất xấu đến cường độ của bê tông.
 Tăng cường độ nén bằng cách giảm kích thước hạt của khung cốt liệu,
đồng nhất vi cấu trúc.
 Tăng cường độ của vùng tiếp xúc giữa cốt liệu và hồ xi măng nhờ việc
giảm tỷ lệ N/XM, dùng phụ gia siêu mịn silicafume, sử dụng cốt liệu bé hơn để
phân bố nước đồng đều.
 Lựa chọn vật liệu có chất lượng cao và có biện pháp thi công tốt.
Hiện nay, bê tông cường độ cao đã và đang được sử dụng rất nhiều trong các
công trình như: nhà cao tầng, cầu nhịp lớn, đường băng sân bay, đường cao tốc và
các kết cấu công trình biển, công trình thủy lợi

1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ cao trên thế giới.

Từ những năm 70 của thế kỷ XX, bê tông cường độ cao được các nước phát
triển rất quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. Các nghiên cứu về công nghệ bê tông
cường độ cao được công bố từ trước những năm 80. Một số quốc gia coi đây là
chương trình trọng điểm, là yếu tố đảm bảo việc phát triển ngành xây dựng, thủy

8

lợi và giao thông. Chính phủ các nước này đã thành lập và tài trợ cho một số tổ
chức với mục đính nghiên cứu, đánh giá và phát triển công nghệ bê tông cường độ
cao. Cho đến nay trên thế giới các tổ chức chuyên nghiên cứu về bê tông có cường
độ cao vẫn hoạt động có hiệu quả và ngày càng phát triển. Các nước đầu tiên thành
lập được các tổ chức nghiên cứu về bê tông cường độ cao, và vẫn đang hoạt động
cho tới nay bao gồm Canađa, Pháp, Trung Quốc, Mỹ và một số quốc gia khác.
Ở Canađa, từ năm 1990, Chính Phủ đã cho thành lập tổ chức Chuyên nghiên
cứu về bê tông cường độ cao có trụ sở đặt tại Trường đại học University of
Shebrooke. Các nghiên cứu cho phép chế tạo bê tông với cường độ nén tuổi 28 ngày
đạt tới 120 MPa. Các kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng trong xây dựng nhà cao
tầng, dầm cầu có nhịp lớn, mặt đường cao tốc…
Ở Trung Quốc bê tông cường độ cao với cường độ nén ở tuổi 28 ngày đạt 70
– 75 MPa bắt đầu sử dụng vào cuối năm 1970. Loại bê tông này đã được nhanh
chóng sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nhà cao tầng (trên 20 tầng), cầu
vượt sông dành cho đường sắt,… Trong các công trình này, bê tông sử dụng có
cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày đạt từ 50 – 80 MPa, phổ biến nhất là 60 MPa.
Ở Pháp chương trình quốc gia mang tên “Những hướng đi mới cho bê tông”
đã được thành lập từ năm 1986. Đây là chương trình liên kết giữa 30 hội viên của
ngành công nghiệp bê tông và viện nghiên cứu. Một trong những kết quả mà
chương trình này mang lại là việc ứng dụng bê tông cường độ cao vào xây dựng cây
cầu Joigny Bridge. Đây là lần đầu tiên bê tông cường độ cao được sử dụng cho một
công trình cầu trên biển nhờ đó mà chiều dài kết cấu nhịp có thể đạt tời 150m [10].
Từ những năm 90 trở lại đây có nhiều công trình tầm cỡ quốc gia tại Mỹ

nghiên cứu về công nghệ và các tính chất cơ lý của bê tông cường độ cao. Đặc biệt
là dự án nghiên cứu về xi măng cường độ cao để chế tạo bê tông cường độ cao của
trung tâm Technology of Advance Cement – Based Materrials, Hoa Kỳ, dự án
nghiên cứu về bê tông cường độ cao dùng cho đường ô tô cao tốc của Strategic
Highway Research Program- Hoa Kỳ.

9

Nhìn chung, ở những nước phát triển bê tông cường độ cao được sử dụng
nhiều trong xây dựng nhà cao tầng, cầu và kết cấu đặc biệt như cảng nổi, tháp
truyền hình. Trong xây dựng bê tông cường độ cao được dùng cho các kết cấu cột
của nhà cao tầng. Từ năm 1965 ở Chicago đã khởi công nghiên cứu chế tạo bê tông
cường độ 51,7 MPa cho cột nhà cao 50 tầng trở lên. Đến năm 1972 rất nhiều công
trình nhà cao tầng đã được xây dựng với các cột sử dụng bê tông với cường độ chịu
nén thiết kế là 62 MPa. Năm 1976 trong công trình River Plaza đã sử dụng bê tông
cường độ cao 75,8 MPa vào năm 1986 một số ngôi nhà ở trung tâm Chicago thi
công bê tông có cường độ 82,8 Mpa và cột của 6 tầng dưới nhà Ras-Ionton có
cường độ nén trên 96,5 MPa. Toà tháp đôi Petronas cao 452m đó sử dụng bê tông
cấp C60 và C80 để thi công các kết cấu dầm và cột. Một số công trình đã sử dụng
bê tông cường độ cao có cường độ từ 40 – 60 MPa được liệt kê trong bảng 1.1 [20]
Bảng 1.1: Một số công trình sử dụng bê tông cường độ cao
TT Tên công trình Địa điểm Năm Số tầng
Cường độ bê
tông, MPa
1
SE. Finacial Center
Miami
1982
53
48,3

2
Petrocanada
Calgary
1982
34
50,0
3
Lake Point Tower
Chicago
1965
70
51,7
4
Texas commerce Tower
Houston
1981
75
51,7
5
Helmsley Palace Hotel
New York
1978
53
55,2
6
City Certer Project
Minneaplis
1981
52
55,2

7
Collins Place
Melbrune

44
55,2
8
Lanrimer Place
Denver
1980
31
55,2

Nhìn chung giai đoạn những năm 80 của thời kỳ đánh dấu bước phát triển
mới của bê tông cường độ cao. Trong những năm trước đó, cường độ bê tông sử
dụng cho công trình chủ yếu đạt mức 40 – 60 MPa. Trong những năm sau này bê
tông cường độ cao đã đạt được bước phát triển mới trong nghiên cứu và ứng dụng.

10

Bê tông với cường độ trên 60 MPa đã được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều công
trình (bảng 1.2.).

Bảng 1.2: Một số công trình sử dụng bê tông cường độ cao
TT Tên công trình Địa điểm Năm Số tầng
Cường độ bê
tông, MPa
1
Royal Bank Plaza
Toronto

1975
43
60,7
2
Richmond – Adelaide
Toronto
1978
33
60,7
3
900N.Michigan Annex
Chicago
1986
15
96,6
4
River Plaza
Chicago
1976
56
62,1
5
Scotia Plaza
Toronto
1988
68
69,0
6
Water tower Plaza
Chicago

1975
79
62,1
7
Columbia Center
Seatle
1983
76
65,5
8
Interfirt Plaza
Dallas
1983
72
68,9
9
Eugene Terrace
Chicago
1987
44
75,8
10
225W. Wacker Driver
Chicago
1988
30
96,5

Do có cường độ cao nên bê tông cường độ cao sẽ giúp giảm tiết diện cột chịu
lực, tăng không gian sử dụng trong công trình nhà cao tầng. Tuy nhiên cùng với quá

trình phát triển và nhu cầu của các ngành công nghiệp, bê tông cường độ cao đang
càng ngày được sử dụng rộng rãi trong thi công các công trình giao thông, thủy lợi
quan trọng.
Bê tông cường độ cao được sử dụng nhiều nhất trong các dầm cầu có khẩu
độ lớn, các dầm bê tông dự ứng lực, các kết cấu neo của cầu treo với nhịp lớn. Ở
Nhật Bản cầu Akaski – Kaikio có chiều dài nhịp kỷ lục thế giới là 1991m. Một số
cầu đường sắt được đúc bằng bê tông có cường độ tới 76 MPa trong khi đó một số
nơi ở Mỹ như Huntington, West Virginia, Ohio bê tông cường độ cao dùng cho cầu
có cường độ nén đạt 55 MPa. Một số cầu ở Nhật Bản được thi công bằng bê tông
cường độ cao được liệt kê trong bảng 1.3. [18]

11


Bảng 1.3: Một số cầu được thi công bằng bê tông cường độ cao ở Nhật Bản
TT Tên công trình Loại đường Năm
Nhịp,
(m)
Cường độ bê
tông, MPa
1
Nitta
Cao tốc
1968
30
59
2
Kaminoshima
Cao tốc
1970

86
59
3
2nd Ayaragigawa
Cao tốc
1973
50
60
4
Iwahana
Cao tốc
1973
45
89
5
Ootanable
Đường sắt
1973
24
79
6
Fukamitsu Highway
Cao tốc
1974
26
69
7
Akkagawa
Đường sắt
1976

46
79
8
Funkamitsu
Cao tốc
1974
25,9
68,9
9
Kaminoshina
Cao tốc
1970
85,9
58,6
10
Ootanabe
Cao tốc
1973
24,1
78,6
11
Akkagawa
Cao tốc
1976
45,7
78,6

Bảng 1.4: Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Mỹ
TT Tên công trình Địa điểm Năm
Nhịp,

m
Cường độ bê
tông, MPa
1
Tower Road
Washington
1981
49
62
2
East Huntington
W.Virgina
1980
274
55
3
Annacis
Vancouver
-
-
55
4
Braker lane
Texas
1987
26
66
5
Houston
Texac

1981
228,6
41,4
6
Linn Cove Viaduct
California
1979
54,9
41,4
7
Coweman
Washington
-
44,5
48,3
8
Huntington
Virgina
1984
274,3
55,2
9
Tower Road
Washington
1987
49,1
62,1

12

Theo [18], ở Mỹ, Nếu trước những năm 80, bê tông cường độ cao được sử
dụng chủ yếu trong xây dựng nhà cao tầng thì sau những năm 80 trở lại đây, bê tông
cường độ cao được coi như một loại vật liệu không thể thiếu trong ngành xây dựng
cầu đường. Cùng với việc sử dụng bê tông cường độ cao, các kết cấu với nhịp dài
vài trăm mét đã được ứng dụng trong các công trình cầu điển hình ở Mỹ có sử dụng
bê tông cường độ cao.
Ở pháp, bê tông có cường độ 60MPa lần đầu tiên được sử dụng để xây dựng
cầu Joigny sau đó loại bê tông này trở thành sự lựa chọn cho một loạt các cầu khác,
một số cầu điển hình sử dụng bê tông có cường độ 60 MPa được trình bày trong
bảng 1.5.
Bảng 1.5: Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Pháp
TT
Tên cầu
Loại đường
Năm
Nhịp (m)
R
n
(N/mm
2
)
1
Sylans Viaduct
Cao tốc
1986
-
60
2
Re Island
Cao tốc

1987
-
60
3
Pont du Joigny
Cao tốc
1988
46
60
4
Pont du Pertuiset
Cao tốc
1988
110
65
5
Arc sur la Rance
Cao tốc
1989
-
60

Ở Na Uy, việc sử dụng bê tông cường độ cao có tỷ lệ N/X nhỏ hơn 0,4 được
phổ biến từ sau năm 1989 cho rất nhiều các cầu đường bộ (bảng 1.6.).
Bảng 1.6: Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Na Uy
TT
Tên cầu
Loại đường
Năm
Nhịp (m)

R
n
(N/mm
2
)
1
Giske
Cao tốc
1989
52
55
2
Sandhornoya
Cao tốc
1989
154
56
3
Stovset
Cao tốc
1992
220
74
4
Stongsundet
Cao tốc
1990
65
75
5

Boknasundet
Cao tốc
1990
190
60
6
Helgelandsbrua
Cao tốc
1990
425
65


13

Năm 1995 trên biển Bắc, đế giàn khoan khai thác dầu Troll bằng bê tông cốt
thép cao 370m đã sử dụng bê tông cấp C80 (105MPa) với khối lượng khoảng
245.000m
3
[28]. Ở Thượng Hải cũng sử dụng bê tông cường độ 60 MPa để xây
dựng tháp truyền hình.
Từ những phân tích trên cho thấy bê tông cường độ cao được sử dụng hầu
hết trong các kết cấu xây dựng như: Kết cấu chịu lực của nhà cao tầng, dầm cầu có
khẩu độ lớn, các công trình thủy lợi ngoài biển và trong các điều kiện làm việc rất
khác nhau.
1.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ cao tại Việt Nam.
Ở Việt Nam trong giai đoạn trước 1990, bê tông trong các kết cấu bê tông cốt
thép thường dùng có cường độ là 20MPa. Đến năm 1990 các kết cấu bê tông cốt
thép chủ yếu sử dụng bê tông có cường độ đến 30 MPa. Một số công trình đặc biệt
quan trọng dùng bê tông có cường độ đến 40 MPa như Lăng Chủ Tịch Hồ Chí

Minh, Khách sạn Thăng Long 11 tầng, cầu Thăng Long, cầu Chương Dương.
Cho tới nay cường độ bê tông trung bình được sử dụng phổ biến trong các
công trình đã được nâng cao đáng kể. Trong đó, các công trình vốn nước ngoài hoặc
do nước ngoài đầu tư và các công trình giao thông là khu vực đi đầu trong việc sử
dụng bê tông có cường độ cao đến 60 MPa.
Các nhà máy xi măng Tam Điệp, Hải Phòng mới được thiết kế theo công
nghệ của Đan Mạch đều dùng bê tông cấp A, B, C hay C45, C40 và C35 – tương
đương bê tông mác M60 (60 MPa), M50 (50MPa) và M40 (40MPa) của Việt Nam.
Một số công trình nhà cao tầng do nước ngoài đầu tư đã sử dụng bê tông cường độ
cao mác M50 cho kết cấu chịu lực như khách sạn Lê Lai 14 tầng ở Thành Phố Hồ
Chí Minh do Hồng Kông đầu tư xây dựng. Công ty Quen Hing Hồng Kông cung
cấp hỗn hợp bê tông trong đó sử dụng xi măng Yu Feng Brand Trung Quốc. Công
trình Hà Nội Tower Center do công ty Sanyong làm chủ thầu, hỗn hợp bê tông do
công ty bê tông Chèm cung cấp. Một số cầu vượt sông được xây dựng mới gần đây
như cầu Mỹ Thuận, cầu Quăng cũng được sử dụng bê tông mác M50 (50 N/mm
2
)
các kết cấu chịu lực chính như trụ, dầm dự ứng lực.