BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO

PGS. TS. PHẠM DUỴ HỮU (Chủ biên)
ThS. NGUYỄN LONG

BÊ TÔNG
CƯÒNG Đ ộ CAO
■

(Tái bản)

NHÀ XUẤT BẢN XẢY DỰNG
HÀ N Ộ I - 2 0 1 1


LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây bêtông cường độ cao dã chiếm một vị trí quan
trong trong các công trinh xây dựng cầu, đường, nhà và công trình thuỷ có quy
mô lớn .
Cuốn sách này giới thiệu các kết quả nghiên cứu của Việt N a m , Pháp, A n h ,
N ga , Mỹ, N hậ t Bản về bêtông cường độ cao.
Các vấn đề chính được trình bày trong cuốn sách này là cấu trúc, cường độ,
biến dạng, phương pháp thiết k ế thành phần và khả năng ứng dụng của
bêtông cường độ cao.
Sách được dùng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên, học viên cao học,
nghiên cứu sinh và làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư xây dựng và cán bộ
nghiên cứu.
PG S.TS. Phạm Duy Hữu - Chủ biên và viết các chương 1, 2, 3, 4, 5 , 6.
T ham gia viết chương 6 là ThS. Nguyễn Long.
Tác giả xin cảm ơn sự đóng góp ý kiến quý báu của các chuyên gia xây
dựng và giao thông trong quá trinh biên soạn cuốn sách n ày . X in đặc biệt cảm
ơn Trường cầu đường Paris và Trường đại học Tokyo đã cung cấp cho chúng

tôi nhiều tài liệu hổ ích về bêtông cường độ cao.
Cuốn sách được viết lần đầu nên chắc khó tránh khỏi thiếu sót. R ấ t mong
nhận được những góp ý, phê bình của bạn dọc cho nội d u n g cuốn sách được
hoàn thiện hơn trong lần tái bản .

Các tác g iả

3


Chương 1

KHÁI QUÁT VỂ BÊTÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO

1. Bétớng cường độ cao và bètòng chát lượng cao
Bctôiìíi là một loại vậl liệu chủ yếu cím thế ký XX, dược chế tạo từ hỗn hợp vật liệu
với sự lựa chọn họp lý gồm các thành phấn: Cốt liệu lớn (đá dâm hoặc sói), cốt liệu nhỏ
(cát), chất kết đính (ximăn«...). I1ƯỚC và phụ gia. Cát và đá dăm là thành phần vật liệu
khoánu vật, đóng vai trò bộ khung ch Ị11 lực. Hỗn hợp ximăng và nước (hồ xiinăng) là
thành phần hoạt tính tronu bêtỏng, 11Ó bao bọc xunc quanh cốt liệu, lấp đầy lỗ rỗng giữa
cúc CỐI liệu và khi hổ xiniăng rán chăc sẽ dính kết cốt liệu thành một khối đá được gọi là
bctòng. Các chát phụ iiia rất pliony phú và chúng làm lính chất của bêtông trờ nèn đa
dạnụ và đáp ứnu đirợc các vêu cáu Iicày cà nu phát triển của bctỏng và kết cấu bêtỏng.
Ngày nay bêtông là một tronu những loại vật liệu dang được sử dụng rất rộng rãi
trong xây dựim nha. xây dựiìg cầu, dtioim. Tỷ lộ sứ dụiiú hôtông irơng xây đựng nhà
chiếm khoáng 40%, xây dưng cáu dườim khoáng 15% tổng khối lượng bêtông. Bêtông
có líu đicm:
- Có cường độ chịu nén cao, móđun đàn hổi phù hợp với kết cấu bêtông cốt thép và
bctòng cốt thcp dự ứng lực.
- Bển nước và ổn định với các tác động của môi trường.

- Cóng nghệ bêlông ổn định niỉày cànc phát triển.
- Giá thành cúa bêtỏng hợp lý do tận dụng dược các nguyên vật liệu địa phương, vì
vậy kết cấu bctông chiếm 609r các kết cấu xây dựng.
Nhược đicm cư bán cùa bẽtõnc là có cườna độ chịu kéo chưa cao và khối lượng công
trình bêlỏng cốt thép còn lớn. Cưừnc độ chịu nén của bêtôna thường chí dạt tối đa 50MPa
và độ sụt tối đa 7 cm.
Con đường phát triến của bèlỏng là cái liến cấu trúc, thành phần, cải tiến công nghệ
bảng cách sử dụng các phụ íiia, các chất hỗ trợ công nghẹ (báo dưỡng, trợ bơm...) và các
phương pháp công nghệ mới đê tìm la các bêtôns chất lượng cao. Các bêtông chất lượng
cao phái đáp ứng các ycu cầu ve cường độ, tính còng tác và tính kinh tế. Những tính chất
được cái tiến làm chất hrơne hơn hán bètông truyền thống (cường độ, biến dạng, dễ
đố...). Những tính chất đặc biệt nàv tạo ra khá năim sán” tạo ra các kết cấu xây dựng và
CỎIIÍI nghệ xây dựn" mới.
5


Bẽtõnu chất Iượníi cao bao <}ổm 5 loại bêtôrm như sau:
- Bclóng siêu dẻo: là loại bêtông có thành phán gồm CỐI liệu, ximănu truyền tliốnu và phu
gia siêu deo. Loại hêtông này có tỷ lệ N/X khoáng 0.38 - 0,42, độ sụt đạt đến 15 - 20cm. co
cườnc độ đai đến 60 MPa và có cường độ sớm (R 7 - 0 ,8 5 R ts), eiữ được íl nhất 45 plìút.
- Bêíông cường độ cao: có thành phán như bẻtông siêu dẻo. tý lệ sư dụng N/X iian
đến 0,25, có sử dụng phụ eia siêu mịn là tro hav hoặc hạt silic siêu mịn. Đay là loai
bctỏimcr có cơờnucr đò chiu nén đến s o hoặc 100 MPa.
•

■

- Bctònu siéu nhẹ: có cirờns đô tương tự như bêtông thirờne, khối lượng

thế tích Iliãp

đến 0 ,8 s/cnv\
- Bctõng íự dầm: có thành phán cốt liệu lớn ít, táng thêm cấc chất bội và sửclụnu phu
gia sicu dẻo đặc biệt. Bêtông có khả năng lự đầm nên trong quá trình thi cône khónc cấn
sử dụng các thiết bị đầm. Loại bêtỏng này cho phép thi công các công trình có kliôi
lượn lĩ rất lớn (20.000 n r trơ lên) khỏng cấn bỏ trí mối nối, khỏng can đầm. Sử dụni’
bctône tự dám tiết kiệm được nhân côns, thời gian và không gây ổn.
- Bctòng cốt sợi: trong thành phán có thêm sợi (kim loại, pỏlymc, các sợi khác),
Bẽtong cóì sợi cái thiện độ dco cúa bêtỏni^ tảng cường kha Iiăniĩ chốnu nứt cho bólònẹ u
trạng thái mểm và trang thái chịu lực.
2, Định nghĩa bêtỏng cường độ cao
2.1. Đ ịn h n g h ĩa bètôỉìg cườ ng độ cao
Bctôns chất lượng cao là một thố hệ bétône mới có thcm các pham chất dược cái
ihiện ihế hiện sự tiến bộ trons cônu nahệ vạt liệu - kct cấu xây dựnu. Xét vềcườnc đo
chịu ncn thì đó là bctô ns cường độ cao (Hich Strcnsth Concrctc).
Bêtònụ chất ỉirơnn cao dược aọi íãl Ihco neười Ánh la HPC (Hisĩh Performanc<*
Coneretes), íhco người Phấp là BHP (Bétons a Hautc Períormances). Bêtónu cuờnu đo
cao (H id i Performance Concrctes) là loại bctỏnu có cuòìm độ chịu nén tuổi 28 ngày
không nho hơn 60 MPa, với mẫu thử hình tru có D = I5cm. H - 3()cm.
Cườnií độ sau 24 uiò' R h > 35 MPa, sau 28 ngày cường đỏ nén R ->8 > 60 MPa Mẫu ihtr
(iươc chè lao, dưỡnc hộ, thử ihco các tiêu chuán hiên hành.
Thành phấn bètòmi ciĩờne đồ cao có the dù nu hoặc khỏnc: đìum muội silic hoặc đùtv/
kết họp với xí lò cao. Khi sử cỉụrm muôi silic chấí lương bêtỏim được nân lĩ cao h()’n.
Tiêu chnan cua Bác Mỹ quy định bctỏng cường độ cao ià loại bótỏiìíĩ cỏ R 2N > 42 MPa.
'Ilìco CHB . FIP quy định bciỏns cường độ cao có cưòtm độ nén sau 2X nuà) toi thiếu lí)
fc:s > 60 MPa. Tai cá các loại bèlỏne cưừnu độ cao đéu ciùnu ly lệ N/X ỉhâp (0,25 - 0,35).
6


Níĩày nay kiến thức về loại hètông này đã cho phcp ứng dụng bêtông chất lượng cao

trong công trình lớn, chú yếu O' ha lĩnh vực: Các nuôi nhà nhiều tầng, các công trình biển
và các cỏnq trình ui ao thòim (cầu, diròrns, hầm). Các đặc tính cơ học mới của bêtông
cườns đỏ cao cho phcp nmrời thiết kế sáng tạo ra lơại kết cấu mới có chất lượng cao hơn.
2.2. C ác n g h iên cứu vế bétùng cường độ cao
Trorm khoáng 15 nàni ỉĩần đày các sán phấm bêlôno có cường độ ngày càng cao hơn,
đạt cườiitt độ từ 60 đến 140 MPa. Đặc biệt bctôns cường độ siêu cao (Ultra High
Sircneth Concrctc) với cường dò lên dến 300 MPa (40.000 psi) đã được chế tạo trong
phòntt thí nchiệm.
Bètòng cườnu độ cao bắt đầu đươc sử ílụns vào thập kỷ 70, khi dó một loại bêtông có
cường độ chịu nén cao hơn hán các loại bêtoníí trước đó dược dùng làm cột trong một số
toà Iilià cao lầng tại Mỹ, Pháp. Các CỎI1ỈI trình lừ hêtông cường dộ cao dã được xây dựng
tai Na Uy. Các công trình cầu dường tại Pháp, Nua đã dạt được các thành còng nổi bật.
Gần đây bêtông cườna độ cao được sử dụng rộnq rãi tron Sỉ xây dựng cầu với nhiều đặc
lính quan trọng như: cường độ cao, độ bổn cao..., SIlúp tạo ra các kết cấu nhịp lớn hơn.
Hiện nay, bctôniĩ với cườne độ 98 đòn 1 12 MPa dã được sán xuất công nghiệp và được
sir dụng trong ngành cônii nghiệp xây dựng ở Mỹ, Nga, Na Uy, Pháp. Các nước như
Anh, Đức, Thụy Điên, [talìa, Nhật Bán. Trung Ọuốc và Việt Nam đã hắt đầu áp dụng
bélòrm cường đô cao ironi’ xây clưne nhà, cầu, đường, thuv lơi.
V-

c.

*

.

1

■

Trone những năm gấn dây, dã cỏ rất nhiều chương trình tám cỡ quốc gia nghiên cứu
các tính chất cơ học của bctỏng tại nhiều nước khác nhau trên thế giới. Trong đó những
cluiơnti trình nehiên cứu dánỉĩ chú ý gồm có: nshiên cứu của Trung tâm khoa học kỹ
thuật về vật liệu xiniãng chất lưựnc cao (ACBM - Mỹ), Chương trình nghiên cứu đường
ỏtô (SHRP); M ạng lưới trung tâm chuyên gia của Canađa với Chương trình về bètông
tính năng cao; Hội đồng hoàng iiia Na Uy với chương trình nghiên cứu khoa học và công
nuhiộp; Chương trình quốc gia Thụy Đicn vổ HPC; Chương trình quốc gia Pháp tên là
“ Nlũrng con đường mới cho bctỏng”; và Chương trình bêtông mới của Nhật Bán.
Các nghiên cứu về bẽtỏng cườns dớ cao dã kháng định việc sử dụng bêtông cường độ
cao cho phép tạo r;t các sản phẩm có tính kinh tế hơn, cung cấp khá năng giải quyết
dược nhiều vấn đề kv thuật hơn hoặc vừa đàm bảo cả hai yếu tô trên do khi sử dụng
bêtons cường độ cao có các ưu diêm sau:
- Giám kích thước cấu kiện, kết quá là tăng không gian sử dụng và giảm khối lượng
bêtỏn <4 sử cỉụns, kèm theo rút ngắn thời gian thi còng.
- Cìiám khối lượn í: bàn thân và các tĩnh lái phụ thêm làm giảm được kích thước móng.
- Tãnu chiểu dài nhịp và íĩiáin sò lươim dầm với eùim ycu cầu chịu tài.
- Giám sò lượnu trự dỏ' và móng do tăníi chiổLi dài nhịp.
- Giám chicu dày bán. giám chiều cao dầm.
7


Cần tiếp tục nghiên cứu về cưònq độ chịu kéo, cắt và biến dạng của bêtông cườne đỏ
cao trong điều kiện khí hậu Việt Nam.
3. Phàn loại bétồng cường độ cao
Có thê phàn loại bêtông cường đô cao theo cưòng độ, thành phần vật liệu chế tạo và
theo tính công tác.
3.1. Phàn loại theo cường độ nén
Căn cứ vào cường độ nén ở ngày 28 mẫu hình trụ D = 15cm, H = 30cm có thế chia
bêtông thành 3 loại sau:
Loại bêtông

Cường độ nén, MPa
15 -25

Bêtông truyền thống

3 0 -50
60-80

Bêtổng thường
Bẽtổng cường độ cao

Ỉ00 - 150

Bêtông cường độ rất cao

3.2. Phân loại theo thành phần ché tạo
Bêtòng cường độ cao không sử dụng muội silic: là loại bêiỏng cường độ cao không sử
dụng bột silic siêư mịn, có thế sử dụng tro huy.
Bêtông cường độ cao sử dụng muội silic: trong thành phần có lượng muội silic lừ
5 - 15% so với lượng ximăng.
Bêtông cường độ cao cốt sợi kim loại là bctông cườnc độ cao có hoặc không có nuiộị
silic nhưng có thành phần sợi kim loại. Các loại hêtòng cường độ cao trên được sử dụng
trong các kết câu khác nhau và cho các tính năng khác nhau. Tất nhiên khi tính toán
thiết k ế lên kết cấu và thiết k ế thi công cũng có những lưu ý khác nhau.
Bêtông cường độ cao không dùng muội silic cho cường độ cao, độ déo lớn nhưng
cường độ chịu nén chí đạt đến 60 MPa.
B êtông cường độ cao dùnq muội silic khó thi c ô n g hơn n hư n g c h o cường độ đén
100 M Pa, co ngót bêtông và từ biên giảm, ứng xử về biến dạng và c ườn Sĩ độ khác với
bêtồng cường độ cao không dùng muội silic nhất là ứnụ xử khi phá hoại (có thỏ giòn

hơn, vữ vụn).
Bêtông cường độ cao sợi kim loại: có cường đõ ỊỊhư hai loại trên nhưng có độ dẻo cư
học cao hơn. Đám báo khôns bị phá hoại đột imột và cài tiến khá năng chịu kéo và
chố nc nứt của bêtông cườiiiỉ độ cao. Loại bêtông cường độ cao cốt sợi thưừniỉ được dùng
ờ các công trình biến bến cảng, sàn bay, công trình thc thao.

8


Chương 2

CẤU TRÚC BÊTÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO

1. Mử đầu
Bctông cường độ cao (BT CĐC) là một trong những bêtông chất lượng cao, đó là một
tho' hệ sau của các vật liệu cho kết cấu mới. Theo quy ước BT CĐC là bêtông có cường
độ nén ử 28 ngày > 60 MPa. BT CĐC có thành phần là hỗn hợp cốt liệu thông thường và
chất kết dính được cải thiện bằng cách dùng một vài sán phẩm mới có phẩm chất đặc
biột như chất siêu deo và muội silic.
Chương này trình bày một cách tổng quan vé các vật liệu này, nguyên tắc phối hợp,
lôgic công thức cùa chúng và gán các lính chất cơ bản với cấu trúc của chúng.
2. N guyên tác phôi hợp và cóng thức thành phần
Trong thực té bétóng cẩn co dộ dặc rát cao, vì do ỉà dậc điểm chính của càu tạo
bêlông. Ý kiến đầu ticn của vậí liệu bctông là cố gắng tái tạo lại một khối đá từ các loại
CÒI liêu. Đ ộ đặc chắc của hỏn hợp tạo ra sỗ được đicu hoà bởi dải cấp phối của nó, nghĩa
là phụ thuộc vào tlộ lớn cực đai của cốt liệu. Kích cỡ cúa cốt liệu lớn khoảng 20-25mm.
Ciíc hạt nhỏ, do đặc tính vật Iv bc mạt, eây nên sự vón tụ tự nhiên của các hạt ximăng.
Sự vón tụ hạt ximãng càng ít, chất Iượnc bêtông cànu cao (độ dẻo, cường độ...).
Từ ý tưởng đó. nhữne nghiên cứu đầu tiên là sử dụng một vài sản phẩm hữu cơ đê
khôi phục ximăng lơ lừng tron

1-XO |im). Sau đó có thế làm cho các tinh thể của hỗn hợp dài ra bằng cách thêm vào

một sán phấm cực mịn, có phán ứng hoá học, nó ticn tới lấp đầy các khe cíia đống
hạt mà ximănsỉ k h ô n s lọt dược. Muội silic, sản phẩm phụ của công nghiệp điện luyện
kim sán xuất Silicon, dược dùníí phổ biến đế c h ế tạo BT CĐC.
Việc áp dụng các neuycn tắc đơn gián nêu trên cho phép đưa ra công thức BT CĐC.
Công thức thành phần tốnn quát của BT CĐC là:

Đ = 1000 - 1200 kg; c = 600 - 700 kg; X = 400 - 520 kg; MS = 5 - 15%; tỷ lệ
N/X = 0,25 - 0,35; chãi sicu déo từ 1 - 1 , 5 lít/100 kg XM và một phần chất làm chậm
(Đ - đá; X - xiinãnu; c - cát; N - nước; MS - muội silic).

9


Các thành phẩn truyền thống (cốỉ liệu, xirnăns, và hỗn hựp) phái có phẩm chất iốt, có
sự lựa chọn chặt chõ cần thiết nếu muốn vượt quá 100 MPa vổ cuờne độ trung bình ỏ' 2S
imày. Nuoài ra do sự giám tý iệ N/X mà có thỏ chuyến bctỏne ximãng cườns* độ cao
(cườim đô nén từ 50 đến 80 MPa) sanc hctone cirờnMục ÚCII cúa các nghiên cứu hiện dai là cài thiện cấu trúc cúa vữa xim ăng để dạt đốn
độ rỗng đá xiniăns nhò nhất, đồnc thòi cài thiện cấu trúc chun ” đê bẽtông có độ rỗnu
nhò nhất, khi đó bêtông sẽ có cường dỏ chịu nén là lớn nhất. Con đườns đó chi cho phép
tăng cườns độ nén, tuy nhicn cườnc độ kéo được tăng chậm hơn. Đế cài thiện khá năng
chịu kéo của bêtông phái sử dụng các vật liệu mới là cốt sợi kim loại, cốt sợi pỏlimc
hoặc cốt sợi cácbon.
Vc mặt cấu trúc, bctông ximăng poóđăng là một vật liệu không đổng nhất và rỗng.
Lực liên két các cốt liệu (cái và đá) được tạo ra do hổ ximăng cứníĩ. Cấu Iriíc của liổ
ximãng là những hyđrat khác nhau tron” dó nhiều nhất là các silicát thủy hóa C-S-H
dạng sợi và Ca(OH)i kết tinh dan 2 tấm lục LIlác khối, chổng lẽn nhau và các hạt ximãng
chưa dược thúy hoá. Độ rỗns cùa vữa ximãng poóclăng là 25 đốn 30% về thế tích với

N/X = 0,5. Tliế tích rỏne này gổm hai loại: (a) lỗ rỗna của cấu trúc C-S-H, kích thước
cù a n ó k h o á n o vài Ị.II11, ( b ) lỗ r ỗ n e m a o qu á n gi ữa c á c hyđ rát, bọt k h í , k h e rỗim; kí ch

thước cúa chúníĩ khoáng vài Ị.II11 đến vài min. Khi bêtônu chịu lực trong cấu trúc xuất
hiên vết núi cũne làm tãne dò rỗne của hclóiiR.
Sự yếu vc đặc tính cơ học của bctỏim là do độ rỗng mao quản và nước cho thỏm vào
bctòim đc tạo tính côniĩ tác của bètỏim tưưi. Sự cài thiện cườnu độ có thể dạt đuợc nhờ
các phirơne pháp làm eiảm độ rỏns (nén, ép, rung), giâm tỉ lộ N/X (phụ eia) và sử dụng
sản plìẩm mới là ximăim khône có lồ rỗng lớn và ximãim có hụt siêu mịn đồng nhất.
Loại íhứ nhất chứa pôlime, loại thứ hai chứa muội silic (ximãng cường độ cao).
Mối quan hệ trcn có thể lạo ra nluìns loại BT CĐC bằim cách cải ticYì cấu trúc CĨUÌ
vữa ximãng làm đặc vữa ximănu, cái ihiện độ dính kết cua ximãng - cốt liệu và các siái
phấp cỏnc nghệ khác.
3. Cáu trúc của vữa xim ãng
Đc cái tiến cấu trúc của bêtôns, trước hết cấn cải tiến cấu trúc của vữa ximăng. Có
thể thực hiện bànc cách làm đặc vữa ximãne, eiám lượng nước thừa (tý lệ N/X nhỏ), sử
dụne phụ nia sicu dẻo và các biện pháp còng nehẹ rung ép đặc biệí.
3.1. Vữa x i m á n g cườ ng độ cao
Làm nshcn lỗ rỗng m ao quán hav loại bớt nước nhò’ đẩm chật hoặc eiám tí lộ X/N
nhờ phụ eia là cấc phươim phấp làm đậc vừa ximărm, làm cho nó clổiìg nhất hơn và có
cấu 1rúc đặc biệt hơn vữa ximănu ihỏne tlurừim. Vữa xim ãnc cườne độ cao cũne có thê
dạt được hảng cách sử dựng ximănc cỏ cườnu độ cao hơn.
10


5.2. Vừa x im á n g với tí lệ N iX n h ỏ
Férct, nãm 1897. đã biếu thị cườiìii dỏ nén của vữa ximàng bằng công thức sau:
Rb = A. |X/(X + N + K )|:
Với X, N, K tương ứniỉ là thê tích của ximăng, nước và không khí. Theo công thức
này. sự Sĩiĩim tỉ lệ N/X dẫn đến tăng cườne độ vữa ximãng. Tuv nhiên có một giới hạn

của tí lẹ này, licn quan tính cỏnu tác cùa bctông tươi, Vì nếu dùim lượng nước quá Ihấp
sẽ khó tạo ra độ dẻo đủ cho vữa ximãns. Cấu trúc của loại vữa xiinăng này sẽ có độ rỗne
nhỏ hơn và Urựne nước thừa ít hơn. Như vậy, khả nărm tách nước khi rắn chắc là thấp
(klìónu tách nước trcn mặt bctỏne).
3.3. Vữa x im â n g có p h ụ gia giấm nước
Phụ ííia sicu deo eốc naplìíalcn suníonaU inelamin, limiosuníonat hoặc viseo sử dụng
đế phân bố tốt hơn các hạt cối liệu cho phép giam nước đến 30% và tí ]ệ N/X
N hững nghicn cứu vé c ộne lurừniĩ từ tính hạt nhân proton đà chứng

= 0,21.

m inh rằne phụ

gia hấp thụ trên cấc hạt xim ăna tạo thành nhữnu màng, trong đó các phân từ nước
vẩn chuycn đ ộnc mạnh. Dưới tác độim của m àng cộng với sự phân lán của các hạt
rán hạt x im ă n s lạo ra độ kru hiến tốt han. Cưừnc độ nén 200 MPa nhận dược trone
các loai vữa dùng phụ gia siêu đeo. Đ ộ rỗnu là 5% vé thế tích, vữa đổng Iìhất và bể
mật vô định hình. Đ ỏ sut bclònu đo bàniĩ côĩi Abram có thể đạt tối đa ứốn 20 cm ,
trunu hình là 10 - 12 cm.
3.4. Vữa x im â n g c h ịu ép Um và ru n g độn g
Vữa ximărìíi có cirờim clộ nén 600 MPu đà clat được nhờ lực ép lớn ở nhiệt độ cao
(1020 MPa, 150°C). Tổnu lỏ rồng chi còn 2%. Phán lớn các hyđrát dược chuyển thành là
ỉỉel. Đỏ thủy hoá của xiniãim là 30c/f và silicát C-S-H ụổm cá hạt ximăng, anhyđrit như
một chất kco giữa các hạt cốt liệu. Cấc hyđrát của ximãng và các hạt clinke đồng thời tạo
ra cườim dộ cao cho vữa dỏne cứim. Sự rưns tlộne loại bỏ các bọt khí tạo ra khi nhào trộn.
3.5. Vừa Xỉ'măng s ử d ụ n g các h ạ t siêu m ịn
Hệ thống hạt siêu mịn được người Đan Mạch đề xuất đầu tiên. Hệ thống này gồm
xim ăne poóclăng, muội silic và phụ gia tạo ra cường độ cao tới 270 MPa. Muội silic là
nhữne hạt cầu kích thưóc tru nu bình 0,5 |am, chui vào troim các khône gian rỗng kích
thước tù 30 - 100 |am đó lại bới các hạt ximãng. Trước hct, muội siỉic đóníĩ vai trò vật lý,

là các hạt mịn. Mặt khác chúne chốne vón cục hạt ximăne.

phân tán hạt ximãnẹ làm

xiniănu dẻ íhúv hoa, làm tảne li lô hạt xim ăne dược thúy hoá.
Tronu quá uình ihủv hoá. muội silic tạo ra nhữns vùng hạt nhân cho sàn phám thủy
hoá ximãnu (Mchía) và sau một Ihòi uian dài, phan ứna nhơ ĩììột pu/ơlan, tạo thành một
silicát ilúiy hoá C-S-H có độ rỏiiu nho hơn là C-S-H cua ximăne poóclăng và có cấu trúc
vò dinh hình.


Cấu trúc vưa xiinăng poóclăng có N/X = 0,5 bao gồm ( I ) C-S-H sợi, (2) C a(O H )2 (3)
lỗ rỗng m ao quản .
Cấu trúc vữa xim ăng có muội silic bao gồm (1) Ca(O H )2, (2) C-S-H vô định hình (3)
ỗ rỗng rất ít.

(t)

b)

Hình 2.1. Cấu trúc của muội silic và .xitnủns*
a. Càn Ị rúc (lia muội siĩic; h, Câu t r ú c nia hồ .xiỉỉỉãỉiiỉ
DSP - hệ thống hạt xi mãim
và muội silic

Hạt ximăng

Hạt siêu mịn

H ình 2.2. Sơ dồ ỉiệ ĩhỏỊiạ hạr .ximữỉìiỊ-Hụt siêu mịn

12


3.6. Vữa xim ăn g pôlim e
Khi làm đặc vữa ximăng, tạo ra khả năng tăng cường độ nén của bêtông bằng cách bịt
các lỗ rỗng bằng vật liệu pôlime thích hợp.
T rong vữa ximăng độ rỗng thấp, một pôlyme tan trong nước (xenlulô hyđrô
propylmethyl hoặc polyvinylaxetat thủy phân) phân tán và bôi trơn các hạt xim ăng trong
vữa ximăng. Pôlyme tạo thành một gel cứng. Khi ninh kết và rắn chắc, pôlym e không
thủy hoá, trong khi đó ximăng thủy hoá. Trong vật liệu dông cứng, pôlym e vẫn liên kết
tốt với các hạt xim ăng và độ rỗng cuối cùng dưới 1% về thể tích.
Hỗn hợp vữa ximăng pôlyme gồm: 100 phần ximăng (về khối lượng), 7 phần pôlym e
và 10 phần nước.
Cấu trúc vi m ô gần với cấu trúc vữa ximăng có tỉ lệ N/X thấp. Tính chất chủ yếu là
một gel đặc và vô định hình bao quanh các hạt clinke. Các tinh thể C a(O H )2 ở dạng lá
m ỏng phân tán trong vữa, trái với các tinh thể lớn chất đống trong vữa xim ăng poóclăng
thường. Khoảng không gian rất hẹp dành cho sự tạo thành các tinh thể lớn tránh được sự
hình thành các sợi dài theo mặt thớ của các tấm Ca(OH)? chổng lên nhau. Cường độ
i 50 MPa ứng với sự vắng m ặt của các lỗ rồng m ao quản và vết nứt.
Vữa xim ăng pôlyme có thể được đổ khuôn, ép, định hình như các vật liệu dẻo. N ó có
thổ đưa vào trong các vật liệu compozit chứa cát, bột kim loại, sợi để tăng độ bền và
cường độ chống mài mòn.
4. C ấu trúc của bêtông cường độ cao
4.1. Cấu trúc của cốt liệu bêtông cường độ cao
Sử dụng các cốt liệu truyền thống và vữa ximãng chất lượng để tạo ra B T CĐC.
Ba đặc tính của vật liệu ảnh hưởng đến cấu trúc của BT CĐC là thành phần và cấu
trúc vi m ô của hồ ximăng, bản chất của liên kết giữa hồ ximăng - cốt liệu và chất lượng
của cốt liệu trong điều kiện công nghệ và môi trường ít biến đổi. Cấu trúc BT C Đ C cũng
gồm b a cấu trúc con tương tự như bêtông ximăng. Phần được cải tiến nhiều nhất là cấu

trúc của hồ ximãng và cấu trúc của vùng tiếp giáp giữa hồ và cốt liệu. Cấu trúc cốt liệu
về cơ bản là không biến đổi. Có lẽ đây là vùng cấu trúc bảo thủ nhất.
Cấu trúc của cốt liệu lớn tạo nên khung chịu lực cho bêtông, nó phụ thuộc vào cường
độ bản thân cốt liệu lớn, tính chất cấu trúc (diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu) và cường
độ liên kết giữa các hạt. Thông thường, cường độ bản thân cốt liệu có cấp phối hạt hợp
lý đã giải quyết được các lỗ rỗng trong bêtông và tăng diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu
(giữa các hạt với nhau và các hạt xung quanh một hạt). Trong BT C Đ C nên sử dụng các
cốt liệu truyền thống và các chí dẫn chặt chẽ hơn.
13


4.2. Cấu trúc của h ồ xim ăn g
Lỗ rỗng luôn tồn tại trong cấu trúc của hồ ximăng và ảnh hưởng rất lớn tới tính bền
của cấu trúc này. Các lỗ rỗng tồn tại dưới hai dạng: lỗ rỗng m ao dẫn và lỗ rỗng trong
khoảng giữa các hạt ximăng.
Lỗ rỗng m ao dẫn tạo ra do lượng nước dư thừa để lại các khoảng không trong hổ
ximăng. Đ ể hạn c h ế độ rỗng trong bêtông thì tỷ lệ N /X thích hợp là m ột vấn đề quan
trọng. Trong BT CĐC tỷ lệ N/X được hạn c h ế dưới 0,35 mà kết hợp sử dụng phụ gia siêu
dẻo để giải quyết tính công tác cho bêtông. Kết quả là tăng khối lượng các sản phẩm
hyđrat trong quá trình thuỷ hoá xim ăng, đồng thời giảm đáng kể tỷ lệ các lỗ rỗng m ao
quản trong bêtông.
Hiện tượng vón cục các hạt xim ăng và bản thân kích thước hạt xim ăng vẫn lớn và tạo
ra độ rỗng đáng kể cho bètông. M ột sản phẩm siêu mịn, ít có phản ứng hoá học (muội
silic, tro bay) được bổ sung vào thành phần của BT CĐC. Lượng hạt này sẽ lấp đầy lỏ
rỗng mà hạt ximăng không lọt vào được. Đ ồng thời với kích thước nhỏ hơn hạt ximãng
nhiều, nó bao bọc quanh hạt xim ăng tạo thành lớp ngăn cách không cho các hạt ximàng
vón tụ lại với nhau.
4.3. Cấu trúc vùng tiếp xúc h ồ xỉm ăng - cốt liệu
Cấu trúc của vùng tiếp xúc hồ xim ăng - cốt liệu có ý nghĩa quyết định cho loại
BT CĐC. Cấu trúc thông thường của bêtông gồm ba vùng: cấu trúc cốt liệu, cấu trúc hổ

ximăng và cấu trúc vùng tiếp xúc hồ xim ăng - cốt liệu. V ùng tiếp xúc hồ xim ăng - côt
liệu trong bêtông thường, gọi là “vùng chuyển tiếp”, vùng này có cấu trúc kết tinh, rỗng
nhiều hơn và cường độ nhỏ hơn vùng hồ do ở vùng này chứa nước tách ra khi hồ ximăng
rắn chắc. Ớ vùng này còn chứa các hạt xim ăng chưa thủy hoá và các hạt CaO tự do.
Các đặc tính của vùng liên kết hồ xim ăng - cốt liệu trong bêtông thường gồm mặt
nứt, vết nứt, cấu trúc C-S-H và bề m ặt các hyđrat. Ví dụ các vết nứt xuất hiện bao quanh
các hạt silic và phát triển vượt qua hồ ximăng. Trên mặt trượt của cốt liệu, các hyđrat
gồm tấm Ca(OH)o và các sợi silicát (sợi C-S-H). Chúng chỉ được liên kết rất yếu vào cốt
liệu và tách ra dễ dàng. Sự kết tinh có định hướng C a(O H ), cũng quan sát thấy trên các
hạt cốt liệu silic.
Vùng liên kết giữa hồ xim ãng - cốt liệu có độ rỗng lớn và đã được cải thiện nhờ muội
silic. Biến đổi cấu trúc của bêtông theo cường độ phát triển theo ba cấp độ sau:
-

Trong bêtông thường vùng liên kết xim ăng - cốt liệu là vùng tiếp xúc rỗng có các

mặt nứt và các vết nứt. Cấu trúc c - H - H có dạng sợi.
14


Vùng tiếp xúc hồ xim ăng - cốt liệu ợ BT CĐC có cấu trúc C-S-H vô định hình và tinh
thể Ca(O H )i định hướng (P) trên các hạt cứng, các vết nứt giảm rõ ràng.
V ùng tiếp xúc của BT CĐC tỉ lộ N/X < 0,3, do tỉ diện tích hạt muội silic rất cao nên
vùng này không chứa nước, không tồn tại CaO tự do, vữa xim ăng có độ đặc rất lớn và
lực dính bám với cốt liệu cao.
Bêtông cường độ rất cao vùng liên kết chuyển thành đá, hồ xim ăng - cốt liệu đồng
nhất. Không có vết nứt trên bề mặt.
Hiện nay, khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (MEB) một vài mảnh BT CĐC
đã cứng rắn, thấy rằng BT CĐC và CĐRC có cấu trúc rất đặc, chủ yếu vô định hình và
bao gồm một thể tích không bình thường của các hạt không có nước, đó là phần còn lại

của ximăng chưa thủy hóa do thiếu nước sử dụng. Ngoài ra, các m ặt tiếp xúc vữa
ximãng/cốt liệu rất ít rỗng và không thể hiện sự tích tụ thông thường của các tinh thể
vôi. Điều đó là do hoạt động của muội silic bắt nguồn từ phản ứng puzơlan giữa silic và
vôi tự do sinh ra bởi xim ăng khi thủy hoá. Việc đo độ xốp bằng thủy ngân chỉ ra sự mất
đi của độ xốp m ao quản. Cuối cùng người ta có thế đo được độ ẩm của môi trường trong
các lỗ rỗng của bêtông theo tuổi của vật liệu. Trong khi đối với bêtông thông thường
luôn luôn bằng 1 0 0 % (khi không có sự trao đổi với môi trường xung quanh), nó giảm tới
75% ở tuổi 28 ngày đối với BT CĐC.
Cuối cùng, từ các nhận định khác nhau cho phép trình bày về cấu trúc của BT CĐC
như sau:
- Tỉ lệ phần hồ xim ăng trong bêtông giảm đi, các hạt chưa thủy hoá được bổ sung vào
thành phần cốt liệu của bêtông đã cứng rắn. Như vậy trong BT CĐC không nhất thiết
phải dùng lượng xim ãng cao (X = 380 - 450 kg/m 3 với cường độ nén của xim ăng từ
400 -500 daN /cm 2).
- Hồ xim ăng có độ rỗng tổng cộng nhỏ.
- Rất ít nước tự do, các lổ rỗng nhỏ nhất cũng bị bão hoà nước.
- Các mặt tiếp giáp hồ ximăng - cốt liệu đã được cải thiện và hóa đá, từ đó mất đi một
vùng thường yếu về cơ học của bêtông. Cường độ bêtông tăng lên. Vết nứt của bêtông
khi phá hoại sẽ đi qua các hạt cốt liệu.
- Hàm lượng vôi tự do nhỏ.
- Trong bêtô n g xuất hiện trạn« thái ứng suất mới được m in h hoạ m ột cách vĩ m ô
bằng co ngót nội tại và chắc chắn nó sinh ra một sự xiết chật m ạn h vào các cốt liệu,
làm tănc lực dính giữa cốt liệu và hồ xim ăne, cái tiến cường độ chịu kéo và m ỏđun
đàn hổi cho BT CĐC.
15


5. Cấu trúc của bêtỏng cường độ rất cao
Bêtông cường độ rất cao (CĐRC), cường độ nén từ 100 4- 150 MPa tạo thành từ:
- 400 - 500 kg ximăng poóclăng mác 55 + (15 -T- 20)% m uội silic.

- 1 -í- 4 % phụ gia siêu dẻo, 0,3 - 0,4 % chất làm chậm.
- N/X = 0,16 - 0,18; N = 100 lít/m 3
Sự phá hủy của BT C Đ R C cho thấy vữa ximăng đã chuyển thành đá do sự đông đặc
rất cao của vữa xim ăng khác với vữa xim ăng có độ rỗng xung quanh cốt liệu của bêtông
thường. Điều này được thể hiện qua nghiên cứu [4], trong đó ta không thể quan sát được
vết nứt cũng như sự định hướng tinh thể C a(O H )2 ở mặt tiếp xúc. Nứt vi m ô và nứt vi m ô
cơ học của BT CĐ RC có thể được đánh giá bằng kính hiển vi và thường ít hơn so với
bêtông truyền thống.
Đặc tính cấu trúc rất quan trọng là vữa ximăng có cấu trúc vô định hình và đồng nhất.
Vữa ximăng có độ rỗng nhỏ hơn bêtông xim ăng poóclăng, do tăng được mức

hoạt tính

puzơlan của muội silic. Muội silic phản ứng lý học nhờ dạng hạt cực m ịn và phản ứng
hoá học nhờ độ hoạt tính của muội silic với vôi. Độ rỗng của bêtông dùng muội silic
được đo bằng rỗng k ế thuỷ ngân giảm từ 50-60%...
Lượng tối ưu của muội silic là 15 -7- 20% khối lượng ximăng. Với số lượng lớn hơn, VI
dụ 40%, bêtông trở nên giòn và các hạt silic vẫn chưa thủy hoá.
6. Các kết quả thực nghiệm về cải tiến cấu trúc bêtông
Các kết quả nghiên cứu trong năm gần đây ở Pháp và ở trường Đại học G T V T Hà Nội
đã đạt được thành công đáng kể về BT CĐC có cải tiến cấu trúc bằng cách dùng muội
silic, chất siêu dẻo, lượng nước rất ít và cốt liệu địa phương.
Đối với bêtông có mác từ M60, M70, M 100, các kết quả được ghi ở các bảng dưới đây:
B ảng 2.1. Bêtỏng M 60 (m ẫu hình trụ D = 15cm) có độ dẻo lớn ở V iệt Nam
Thành phần

Pháp

Việt Nam

Nước

lít

154

165

Ximăng C50

kg

400

500

Cát

kg

750

650

Đá (4-22 mm)

kg

1175

1150

Cường độ

MPa

R 2g = 58,7

R 90 = 62,8

Muội silíc

%

5

6

Chất siêu dẻo

lít

4,2

5

16


Bảng 2.2. Bêtông M 70, M 100. Đ ộ sụt 18 cm

Đơn vị

M70
(Pháp)

MI 00
(Pháp)

M70
(Việt Nam)

Đá (5-20 mm)

kg

1107

1265

1150

Cát 0,5

kg

767

652

660

XM

kg

366

421

465

Muội silic

kg

40

42,1

45

Nước

lít

161

112

130

Siêu dẻo R b

lít

9,08

7,59

6,75

Chất làm chậm

lít

1,7

1,8

1,4

0,44

0,266

0,28

Thành phần

Tý Ịệ N/X

Cường độ 28 ngày

MPa

70

101

73,5

F

MPa

36,000

50,400

38,000

MPa

5,5

7,5

8,0

dàn hoi

BT C Đ C có thể đạt được bằng cách sử d ụ n g các vật liệu V iệt N am và có điều
c h in h lại cấu trúc củ a bêtôn g bằng cách sau: Sử d ụng tỷ lệ N/X trong khoảng:
0,25 - ơ,3, lượng m uội silìc c h iế m 8-10% lượng x im ã n g . H àm lượng x im ã n g từ
3X0 - 4 5 0 kg (ximăng PC40), phụ gia siêu hoá dẻo làm chậm ninh kết. BT CĐC sẽ có
cấu trúc vữa ximăng vô định hình và đồng nhất. Cường độ bêtông có thể đạt từ
M70 - M 90 với công nghệ thay đổi không nhiều.

17


Chưưng 3

CÁC TÍNH CHẤT CỦA BÊTÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO

1. Mở đầu
BT CĐC tồn tại ở ba trạng thái: ướt, mềm và cứng rắn (rắn chác), tính chấl của
BT CĐC ở trạng thái còn ướt là tính dễ đổ (độ sụt) hoặc còn gọi là tính công tác. Tuy sú
dụng lượng xim ăng cao, tỷ lệ N/X thấp nhưng độ sụt của BT C Đ C vẫn đạt từ 10-20 cm,
giữ được ít nhất là 45 phút, ở trạng thái m ềm , tính co ngót thấp và ổn định thê tích cao
so với bẻtỏng thường.
Các tính chất của BT CĐC khi rắn chắc như cường độ biến dạng, m ôđun dàn hổi được:
thế hiện theo tỷ lệ với cường độ nén đơn trục của mẫu thử hình trụ có kích thước 15
cm hoặc mẫu thử hình lạp phương 15

X

15

X

X

30

15 cm (theo Ticu chuẩn Anh) tuổi 28 ngày.

Ngoài ra các tính chất khác như cường độ chịu kéo, co ngót, từ biến, sự dính bám với eôì
thép cũng được xét trong quan hệ với cường độ nén.
2. Cường độ chịu nén BT CĐC
2.1. Cường độ chịu nén
Cường độ chịu nén của bêtông là tính chất quan trọng để đánh giá chất lượng của
bêtông, mặc dù trong một số trường hợp thì độ bển và tính chống thấm còn quan Iiọnu
hơn. Cường độ của bêtônQ liên quan trực tiếp đến cấu trúc của hồ xim ãng đã đỏnu cứng,
cấu trúc ciia bêtỏng. Cường độ ncn của bêtông phụ thuộc rất lớn vào tỷ lệ N/X bẽtôim
Tý lệ N/X ảnh hưởng rất lớn đến độ bền, độ ổn định thế tích và nhiều tính chất khác liên
quan đến độ rỗng của bctông. Do đó cường độ chịu nén cúa bctông dược C|iiy định sử
dụng trong thiết kế, hướng dãn cône nghệ và đánh giá chất lượng bctỏiig.
Cường độ nén của bêtô ng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Chất krợns và hàm
lượng của các vật liệu c h ế tạo bêtông: côi liệu, x im ăn g và các phụ gia; Quy trình,
thiết k ế thành phần và thời gian nhào trộn hỗn hợp vật liệu; M ỏi inrờ nc sán xuất VÌI
khai thác bêtông.
Các tính chất của các vật liệu thành phần ảnh hưởng đến cườns độ bêtỏng là: Chất
lượng của cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn; Hồ xim ãng và tính dính bám cúa hổ ximăne với
cốt liệu (tính chất của vùng chuyên tiếp).

18


Nlhữnc yêu tố này ành hướna dến cấu 1rúc vĩ mò và vi mô của bêtông, bao gồm: độ
rỗng, kích thước và hình dạng lỗ rỗng, sự phân bô các lỗ rỗng, hình thái của sản phám

thuý lioá và sự dính bám giữa các hạt răn.
Cườns độ nén là tính chất sử tlụnc quan Irọng nhất của vật liệu. Đó cũng là tính chất
mà sự cái thiện của nó là ly kỳ nhất: rnurời ta đã có thể thực hiện ở phòng thí nghiệm, sử
(iụns thành phần tối ưu bêtôns có thc dạt cường độ bêỉỏng vượt quá 200 MPa. Tuy nhiên
trong thực tế khôns yêu cầu về cường độ quá cao và giá thành của bêtông quá đắt (do sử
clụns nhiổu muội silic và chất siêu dco). Việc chế tạo loại bêtông dễ đố với các cốt liệu
thõng thường, giá thành không quá cao, cường độ năm trong khoáng từ 60 đến 120 MPa,
sẽ c ó

ý nghĩa thực tế cao hơn, điéu dó cũng đã thc hiện một bước tiến lớn so với bêtòng

thường (báng 3.1).
Báng 3.1. Sự diễn biến của các tính chất co học của BT CĐC

Chí tiéu

^

7

14

28

90

365

27,2

7"> 1

85,6

85,6

92,6

101,0

1 14,1

■>1

5.4

6.4

6.4

6,1

52,4

53,4

53,6

56,X

_

Cường độ nén trung bình (MPa)
Cườim độ nén ché (MPa)
Mỏđun dàn hồi (CiPa)
Đê giái thích các cường độ

L

4K,7
34.1)
- L

c;io

—

này, mó tá vạt

1

3

;^ ị
ị■ruK1 1

Ngày

l ý SƯ

phá hoại bêtồng chịu nén, xuất

hiện bởi sự uốn dọc liên tục. Sứ dụng mội kết cấu dầm đế m ô hình hoá bêtông, người ta
dỗ dàng chứng minh cườnu độ nén phái phát tricn theo bình phương độ đặc của hồ
ximãng đã cứng rán - được xác định bằnH lí lệ thế tích cửa pha rắn, trong khi cường độ
kéo chí phát triến theo luỹ thừa của dại lươn? này (định luật Feret). Điều này gần như
được chứng minh trong thực tế.
Cường độ chịu nén cúa BT CĐC được xác định trcn m ẫu bêtông tiêu chuẩn, được
bào dưỡng 28 ngày trong điểu kiện tiéu chuẩn, theo Tiêu chuẩn Việt N am hoặc quốc
tế thích hợp.
Theo Tiêu chuẩn Việt Nam, mẫu liêu chuân dc xác định cường độ bêtông là mẫu hình
hộp làp phươne có cạnh 150x150x150 min. bao đưữne trong điều kiện t = 20-25°C,
w = 90 - 100%. Hoặc mẫu hình trụ D = 15, H = 30 cm. lây mẫu và bảo dưỡng theo TCVN.
Theo ACI thì m ẫu tiêu chuán đẽ xác dinh cuòìì”o dỏ BT C Đ C là mầu hình tru tròn có
.

kích thước: d = 6 in và h = 12 in (150x300 mni), và được bảo dưỡng ám.
Cường độ chịu nén của BT CĐC hiện nav theo quy định của ACI (Mỹ) từ 42 MPa
(6000 psi) đến 138 MPa (20'00ơ psi). ở Việt Nam và chau Âu thường quy định có
cường đò khoáns 60 - 80 MPa.

19


2.2. Tốc độ tăng cường độ chịu nén theo thời gian
BT CĐC có tốc độ tăng cường độ ờ các giai đoạn đầu cao hơn so với bêtông thường,
nhưng ở các giai đoạn sau sự khác nhau là không đáng kể. Parrott đã báo cáo các ti sổ
điển hình của cường độ sau 7 ngày đến 28 ngày là 0,8 - 0,9 đối với bètỏng có cường độ
cao, từ 0,7 - 0,75 đối với bêtông thường, trong khi đó Carrasquillo, Nilson và Slate đã
tìm ra được tỉ số điển hình của cường độ sau 7 ngày là 0,6 đối với bêtông có cường độ

thấp, 0,65 đối với bêtông có cường độ trung bình và 0,73 đối với bêtông có cường độ
cao. Tốc độ cao hơn của sự hình thành cường độ của BT CĐC ở các giai đoạn đầu là do
sự tăng nhiệt độ xử lý trong mẫu bêtông vì nhiệt cúa quá trình hydrát hoá, khoảng cách
giữa các hạt đã được hyđrát hoá trong BT C Đ C đã được thu lại và tí số N/X thấp nên lồ
rồng do nước thuỷ hóa trong BT CĐC là thấp hon.
Sự tăng cường độ nhanh hơn nhiều so với bêtỏng cổ điển (hình 3.1), do sự xích gần
sớm của các hạt bêtông tươi, cũng như là vai trò làm đông cứng của muội silic. Sự phát
triển sớm của cường độ trong thực tế phụ thuộc vào bản chất (hàm lượng aluminat, độ
mịn) và lượng dùng xiinăng, hàm lượng có thê có của chất làm chậm ninh kết, cũng như
là chắc chắn phụ thuộc vào nhiệt độ của bêtông.
Quan hệ giữa bêtông chịu nén ở ngày thứ j (fCj) và cường độ bètông ngày 28

(ft i 8) có

thể sử dụng công thức BAEL và BPEL (Pháp) như sau:
fcj = 0,685 l g ( j + l)fc2íí

(3-1)

hoặc công thức ở dạng tuyến tính như sau:
(3-2)
Ả fc/fc28
b = 0,80

0 1

7

14 28

56

90

180

365

Hình 3.1. Quan lìệ iỊÌữa cườm* (íộ vủ tlìời ỳiiìi

20


trong đó:

a = 28(1 - b)
0 < j < 28

CJ

j
28(1 - b) + bj

28

(3-3)

trong đó: b = 0,95
J
l,4 + 0,95j

Vây

(3-4)

khi j tiến tới oo cường độ bêtông cũng chi tăng theo cỏng thức sau:
fcoo= 1>2 fc2ịị
Cường đ ộ chịu k éo tại ngày j cũng có q u a n hệ với cường độ c h ịu nén tại n gày j
nh ư sau:

hoặc
hẹ số

f(| = 0,6 + 0,06 fcj

(3-5)

f„ = kk(ftj)w

(3-6)

k k = 0,3 theo BAEL-BPEL.
kk = 0,24 theo CEBIT.

2.3. Các dạng p h á hoại khi nén
Độ dai của BT C Đ C biểu thị khá nàng làm việc của bêtông sau khi đạt đến ứng suất
tối đa. Độ dai được thể hiện ở độ dốc của đường cong quan hệ ứng suất biến dạng sau
khi đạt cường độ.

Hình 3.2. Quan hệ ửiìi; suất hiến clựnq của 4 loại bêtông

N- Bêtông thường; HR- BêtôiiỊỊ t ưừinị độ cao; THR- Bêlô/ìiỊ cường độ rất cao
21


Trên hình 3.2 là quan hệ giữa ứng suất theo chiểu trục và biến dạng đối với bêtông có
cường độ nén lên tới 105 MPa. Dạng đồ thị ở phía tăng của đường cong ứng suất - biến
dạng khá tuyến tính và dốc đối với BT CĐC, biến dạng tương đương ứng với điểm ứng
suất lớn nhất cao hem đối với BT CĐC. Đối với BT CĐC độ dốc ở phía giảm trở nên dốc
hơn. (Để có được những số liệu của phía giảm đường cong ứng suất - biến dạng, nói
chung cần phải tránh sự tương tác lẫn nhau của hệ thống kiểm tra mẫu thử). Điều này
cũng cho thấy độ dai của BT CĐC thấp hơn so với bêtông truyền thống.
Đ ộ ẹiòn của B T CĐC:
Đối với kim loại và đặc biệt là thép, sự phát triển cường độ luôn luôn đi đôi với độ
giòn lớn hơn. Điều đó được thể hiện bằng các dạng phá hoại đặc biệt và bằng độ dai (dại
lượng biểu thị khả năng của vật liệu chống lại sự lan truyền của vết nứt) và tốc độ phá
hoại. Chúng ta quan sát ba dạng này đối với bêtông chất lượng cao và rất cao.
C ác dụng p h á hoại:
Các bề m ặt vỡ của bêtông BT CĐC là đặc trưng tiêu biểu của vật liệu. Các vết nứt đi
qua không phân biệt hồ và cốt liệu (hình 3.3). N hư vậy sự phá huỷ của BT CĐC có quan
hệ gần gũi với dạng chẻ theo thớ của kim loại giòn. Với bêtông thường vết nứt đi qưa
biên cốt liệu mà không đi qua cốt liệu.

Hỉnh 3.3. Các dạng vết lún
Không phải là giống nhau khi người ta quan tâm đến độ dai hoặc nhân tố độ mạnh
của ứng suất cực hạn. Khi đo thông số này trên ba loại bêtông: bêtông thường, BT CĐC
không có muội silic và BT CĐC. Các giá trị tìm được lần lượt bằng 2,16; 2,55; 2,85 MPa
trong khi đó năng lượng phá vỡ được xác định ở mức độ 131; 135; 152 J/m 2. Điều đó có
nghĩa là để lan truyền trong BT CĐC một vết nứt có chiều dài và môi trường xung quanh
đã cho cần thiết năng lượng gia tải lớn hơn so với bêtông thông thường. Nguyên nhân cơ
bản là sự tăng m ật độ của hồ và cải thiện liên kết giữa hai pha hồ và cốt liệu.

22


Tuy nhiên cũng nhận thấy rằng độ dai còn tãng lên không nhanh bằng tốc độ tăng
cường độ kéo và môđun. Có thể giải thích hiện tượng này nhờ các quan niệm dùng công
thức cổ điển xuất phát từ cơ học phá huý về giá trị với ứng suất phẳng:
Kd = (E.G d) ,/2
trong đó: Kd là độ dai, G d là nărm lượn? riêng của sự phá hoại và E là m ôđun đàn hồi.
Cho rằng năng lượng phá hoại Gd là tổng của năng lượng cần thiết để phá hoại hồ và
nàng lượng phá hoại cốt liệu G d được cân bằng bởi các thể tích, khi đó ta có:
Gd = (1 - g) G h + gG tl
trong đó: g là thê tích của cốt liệu.
G h = 1,2 J / n r đối lại Gcl = 152 J/m 2 (số liệu thực nghiệm)
Thực chất có thể bỏ qua G h (vì giá trị quá nhỏ) trong biểu thức năng lượng phá
hoại bêtô ng. Vì vậy bêtông đối chứns và BT C Đ C có cùng năn g lượng phá hoại, từ
đó có định luât:
K,I = (gGc|E ) 1/2
2.4. H o ạ t động của nén đơn trục
Hoạt động nén đơn trục của RT CĐC
cho phép ta xem xét tốc độ phá hoại của
BT CĐC. Hoạt động nén dơn trục của
BT CĐC vẫn tuân theo quy luật truyền
thống của bêtông theo định luật Sargin.
Trước khi phá hoại quan hệ ứng suất - biến
dạng tuyến tính, ở đỉnh của ứng suất, biến
dạng dẻo chỉ bằng 15% của biến dạng
tổng cộng, trong khi đó đối với mẫu đối
chứng là 29% . T heo định nghĩa của Rosi
thì BT C Đ C sẽ giòn hơn.
Sư dãn dài ở đỉnh của ứng suất sẽ lớn

hơn m ột chút so với bêtônq thòng thường
(ở đây 2 , 1.10 3 thay cho 1,8.10')- Các biến
d ạn g ng ang về định lượng là cùng loại so
với biến dạng của đối chứng, tuy nhiên
tăng thể tích ít hơn (biến dạng thể tích e v)
(hình 3.4).

Hình 3.4. Các dụng biến dạng

23


Có thể giải thích hoạt động đó bằng hai cách:
- Theo quan điểm về năng lượng, người ta thấy rằng năng lượng phá hoại vật liệu tãng
lên ít so với cường độ nén của nó. Kết quả là diện tích đường cong không thể tỉ lệ với
ứng suất cực đại. Phần "đỉnh sau" như vậy bắt buộc càng giảm đi với tỉ lệ thích hợp
(hình 3.5).
- Theo quan điểm cục bộ có thể giải thích bằng m ô hình uốn dọc tạo thành nứt dọc
của vật liệu, tương tự như các vết nứt của lực cắt. Lúc phá hoại lực cắt lớn nhất theo góc
của các vết nứt này với hướng nén. Theo các quan niệm cổ điển của Mohr, người ta thấy:
e = ( l / 2 ) arctg 2 (ft/f c) ,/2
trong đó: ft và fc biểu thị cường độ kéo và cường độ nén của vật liệu.
Cường độ kéo tăng không nhanh bằng cường độ nén, 9 giảm đi đố! với các giá trị lớn
của fc. Mặt khác, các mặt phá hoại rất ngắn, và những vết nứt này chỉ có thể lấy lại lực
bằng m a sát, nhờ một trạng thái ứng suất ngang. Từ đó BT C Đ C chịu nén đon trục, sinh
ra sự giảm mạnh lực sau khi đạt được trị số cực đại (hình 3.5).

0

0,6

1,2

1,8

H ình 3.5. Sự ẹiảm cườnạ độ dột ngột khi nén
Khi thí nghiệm các dầm nhiều cốt thép, dạng phá hoại của dầm là dạng phá hoại ở
thớ nén, các biến dạng của cốt thép ở thớ nén vượt quá 0,4% trị số quy định.
Khi thí nghiệm các kết cấu dầm ít cốt thép, cường độ bêtông cao dẫn tới việc tăng độ
dãn dài. Sự cải thiện độ dính kết giữa bêtông và cốt thép làm cốt thép bị dẻo hoá sẽ lớn
hơn trong BT CĐC.
Sự không phù hợp nhau giữa hai cách thí nghiệm, hình trụ chịu nén và dầm chịu uốn có thể có hai nguyên nhàn: Nguyên nhân thứ nhất là do sự hạn chê bởi phần còn lại của
kết cấu trên vùng đã vượt qua giới hạn biến d ạ n s về nén. Thật vậy vết nứt được định vị ở
24


đầu trong m ẫu hình trụ và phần còn lại đi xuống của đường cong phù hợp với sự trượt
tăng dần của hai khối bêtông là hai phần của dầm. Vì vậy vết vỡ phát triển khó khãn ở
trong dầm , có thể sinh ra trượt trong vùng bị nén. Sơ đồ duy nhất lúc đó có thể ỉà sơ đồ
cùa hình 3.6.

H ình 3.6. Các dan ựphá hoại khi uốn
Chính khi đó xuất hiện nguyên nhân không hoà hợp thứ hai, do các cốt thép đai.
Đế kết luận người ta có thê đề xuất các yếu tố sau đây:
- Đối với việc tính uốn quan điểm cổ điển bao gồm dùng một đường cong thực
nghiệm (ứng suất - biến dạng) như là quy luật hoạt động của bêtông với một phần "dịu
đi". Đường cong đạt được trên một m ẫu nén đơn trục. Đối với BT CĐC phải làm ngược
lại và lựa chọn các định ỉuật quy ước, gắn nó vào những kết quả vi m ô của thí nghiệm
uốn. Quan hệ ứng suất biến dạng hiện nay lựa chọn là mô hình, hình bình hành. Có thể
phù hợp với các điều kiện là cấu kiện chứa hàm lượng tối thiểu cốt thép đai.

- Đối với những tính toán phá hoại khi nén ít lệch tâm, các tính toán mới đây đang
dược triển khai thường là dựa trên cơ học ứng suất khối hơn là trên cơ học của môi
trường liên tục.
BT C Đ C tỏ ra có ít vết nứt bên trong hơn là bêtông có cường độ thấp với biến dạng
theo một trục. Sự tăng tương đối biến dạng mặt bên là ít đối với BT CĐC. Sự giãn nở mặt
bên tương đối thấp hơn trong phạm vi không đàn hồi có thể là do các ảnh hưởng của ứng
suất theo chiều Irục của mẫu sẽ khác nhau một cách tỉ lệ đối với BT CĐC. Ví dụ ảnh
hưởng của vòng cốt thép được thực nghiệm cho thấy là khác nhau trong BT CĐC. Tính
liiệu quả của sự tăng cứng dạng xoắn ốc là ít trong BT CĐC.
3. C ường độ chịu kéo
3.1. T ổn g quát
Cường độ chịu kéo của bêtông kh ố n e chẽ vết nứt và ảnh hưởng đến các tính chất
khác của bêtông như: độ cứng, khả năng dính bám với cốt thép, độ bển. Cường độ chịu
kéo còn liên quan đến ứng xử cửa bêtông dưới tác dụng của lực cắt.
Bètồng có cường độ cao thì cường độ chịu kéo cũng cao hon. Tất cả các thử nghiệm
inảư đều xác nhận điều đó từ 30 -r 60% tuỳ theo thành phần của BT CĐC. Việc cải thiện
25


chất lượng của vùng chuyển tiếp giữa hồ ximăng và cốt liệu có thể đóng vai trò quan
trọng trong việc gia tăng này.
Tuy nhiên cường độ chịu kéo của BT CĐC tăng chậm hơn so với tốc độ tăng cườns
độ chịu nén. (f|j/fcj =1/15 -í- 1/20) trị số chịu kéo khi biến dạng đến 6 MPa ]à có ý nghía
sử dụng có lợi cho kết cấu.
Cường độ chịu kéo của bêtông được xác định bằng thí nghiệm kéo dọc trục hoặc thí
nghiệm gián tiếp như kéo uốn, kéo bửa.
3.2. Cường độ chịu kéo dọc trục
Cường độ chịu kéo dọc trục của bêtòng rất khó xác định, do đó các số liệu rất hạn chế
và thường rất khác nhau; nhưng người ta cho rằng cường độ chịu kéo dọc trục của
bêtông bằng khoảng 10 % cường độ chịu nén.

Các nghiên cứu của trường đại học Delft trên m ẫu đường kính 120mm (4.7 inch),
chiều dài 300m m (11 .8 inch), có cùng cường độ với điều kiện bảo dưỡng khác nhau. Kết
quả cho thấy cường độ chịu kéo của m ẫu được bảo dưỡng ẩm cho kết quả cao hơn
khoảng 18% so với mẫu bảo dưỡng khô. Các nghiên cứu khác tại Trường Đại liọc
Northwestern với các loại bêtòng khác nhau có cường độ đến 48 MPa cho thấy cường độ
chịu kéo dọc trục có thể biểu diễn theo cường độ chịu nén như sau:

hay:

ft' = 6,5 T Í T

(psi)

f;= 0 ,5 4 ự f^ ~

(MPa)

Theo Tiêu chuẩn Anh (BS 8007: 1987) thì:
ft' = 0 ,1 2 ( Q 0-7

Chưa có số liệu nào về cường độ chịu kéo dọc trục của bêtông có cường độ chịu nén
đạt 55 MPa.
3.3. Cường độ chịu kéo gián tiếp
Cường độ chịu kéo gián tiếp được xác định thông qua thí nghiệm kéo bửa (ASTM C496)
hoặc thí nghiệm kéo uốn (ASTM C78).

- Cường độ kéo bửu (fcr)
Theo ACI 363, cường độ kéo bửa của bêtông nặng có quan hộ với cường độ chịu nén
theo công thức [6 ]:

hay:

fcl = 7,4 ,Jĩ^~

(psi) với bêtông có cường độ 3000 - 12000 psi

fcl = 0,59 yjĩ^~

(MPa) với bêtỏng có cường độ 21 - 83 MPa

Theo Shah và A hm ad thì công thức là:
fcl = 4,34( fc! )0'55

26

(psi) với bêtông có cường độ < 12000 psi


hay:

fcl = 0,462( fc' )055 (MPa) với bétòng có cường độ < 83 MPa.

Cường độ chịu kéo của bêtóng dùng muội silíc cũng có quan hệ với cường độ chịu
nén như đối với các loại bêtông khác.
-

Cườnẹ độ kéo uốn:

Cường độ chịu kéo uốn được xác định bằng thí nghiệm uốn mẫu dầm tiêu chuẩn. Các
kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ kéo uốn bằng khoảng 15% cường độ chịu nén của

bêtông. Đối với BT C Đ C ACI kiến nghị:
fr = k. Vfc
hay:

(psi)

(ACI 363)
(MPa) vói bêtôns có cường độ chịu nén < 83 MPa

Các kết quả thí nghiệm uốn một trục và hai trục cho thấy cường độ chịu kéo uốn một
trục cao hơn cường độ chịu kéo uốn hai trục khoảng 38%.
Đối với bêtỏng dùng muội silic, tí lộ giữa cường dộ chịu kéo và cường độ chịu nén
cãtng tương tự như các loại BT CĐC khác.
4. M ôđun đàn hồi
Khi tính toán biến dạng đàn hồi tuyến tính của kct cấu bêtông đều phải chọn một giá
trị của m ôđun đàn hồi. Như vậy, môilun đàn hồi chính là một đặc tính chỉ dẫn trực tiếp
về độ cứng của kết cấu bêtông. Móđun dàn hồi lớn thì độ cứng kết cấu lớn và kết cấu
càng ít bị biến dạng.
M ôđun đàn hồi của BT CĐC lớn hơn so với bêtỏng thường, tuy nhiên, môđun đàn hồi
chịu kéo tăng yếu hơn. Thật vậy, ncười ta có thể trông đợi vào những m ôđun cao hơn
20

40% đối vói BT C Đ C tuỳ theo thành phần của nó và bản chất của loại cốt liệu.
M ôđun đàn hồi của bêtông chịu ảnh hưởng lớn của các vật liệu thành phần và tỷ lệ

phối hợp các vật liệu. Việc tăng cườrm độ chịu nén kèm theo m ôđun đàn hồi cũng tâng,
độ dốc của biểu đồ ơ ~ s tăng lên. Đối với bêtông có khối lượng thể tích từ 1440 đến
2320 k g / m \ và cường độ < 42 MPa (6000psi) thì quan hệ giữa m ôđun đàn hồi và cường
độ có thể biểu diễn theo công thức [5]:
Ec = 0,0143xỵ'

5X

^

(MPa)

Đối với bêtông có cường độ > 42MPa, tốc độ tăn 2 mỏđun đàn hồi chậm hơn. ACI 363
kiến nghị công thức quan hệ Ec ~ fL! được biểu diễn theo công thức:

(MPa)

27