Nghiên cứu chế tạo Bê tông chất lượng siêu cao sử dụng phụ gia khoáng và chất liệu sẵn có ỏ VN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

NGUYỄN CÔNG THẮNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO
SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG VÀ VẬT LIỆU SẴN CÓ Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - NĂM 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Nguyễn Công Thắng

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO
SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG VÀ VẬT LIỆU SẴN CÓ Ở VIỆT NAM
CHUYÊN NGÀNH: VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU XD
MÃ SỐ: 62520309

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Phạm Hữu Hanh
2. PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn

HÀ NỘI - NĂM 2016

-ii-

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................... I
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ I
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ VIII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................................... IX
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 1
1. GIỚI THIỆU ................................................................................................................... 1
2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .................................................................................. 2
3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ........................................................................................... 4
4. PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................. 4
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN ..................................................................... 5
6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ............................................................... 6
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO ................... 7
1.1

1.2

1.3

GIỚI THIỆU VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO ................................. 7
1.1.1

Khái niệm về bê tông chất lƣợng siêu cao ...................................................... 7

1.1.2

Vật liệu chế tạo bê tông chất lƣợng siêu cao................................................. 10

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG BTCLSC TRÊN THẾ GIỚI ..... 13
1.2.1

Tình hình nghiên cứu bê tông chất lƣợng siêu cao trên thế giới ................... 13

1.2.2

Tình hình sử dụng bê tông chất lƣợng siêu cao trên thế giới ........................ 17

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG BTCLSC Ở VIỆT NAM ........... 20
1.3.1

Tình hình nghiên cứu về bê tông chất lƣợng siêu cao ở Việt Nam ............... 20

1.3.2

Tình hình sử dụng bê tông chất lƣợng siêu cao ở Việt Nam ......................... 21

1.4

BTCLSC TRONG XÂY DỰNG PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG .......................... 21

1.5

ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN .............................................. 25

CHƢƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC TRONG VIỆC CHẾ TẠO BÊ TÔNG CHẤT
LƢỢNG SIÊU CAO................................................................................ 27
2.1

GIỚI THIỆU.......................................................................................................... 27

2.2

CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC SỬ DỤNG PGK SF và GBFS TRONG
BTCLSC ................................................................................................................. 31
2.2.1

Vai trò của phụ gia khoáng trong BTCLSC .................................................. 31

2.2.2

Ảnh hƣởng của sự kết hợp giữa SF và GBFS trong BTCLSC ..................... 35


-iii-

2.3

VAI TRÕ CỦA CỐT SỢI TRONG BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO . 40
2.3.1

Vai trò của sợi trong việc nâng cao tính chất cơ học trong BTCLSC ........... 40

2.3.2

Vai trò của sợi trong việc hạn chế nứt trong BTCLSC ................................. 43

CHƢƠNG 3 VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 47

3.1

3.2

3.3

VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU................................................ 47
3.1.1

Cốt liệu mịn ................................................................................................... 47

3.1.2

Xi măng ......................................................................................................... 47

3.1.3

Phụ gia khoáng .............................................................................................. 48

3.1.4

Cốt sợi thép phân tán ..................................................................................... 50

3.1.5

Phụ gia siêu dẻo ............................................................................................ 50

3.1.6

Nƣớc .............................................................................................................. 51

CÁC PHƢƠNG PHÁP SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU ........................... 51
3.2.1

Các phƣơng pháp nghiên cứu tiêu chuẩn ...................................................... 51

3.2.2

Các phƣơng pháp nghiên cứu phi tiêu chuẩn ................................................ 54

QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO VÀ BẢO DƢỠNG ...................................................... 58
3.3.1

Quá trình trộn và đúc mẫu ............................................................................. 58

3.3.2

Quá trình bảo dƣỡng ..................................................................................... 58

CHƢƠNG 4 NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHẤT KẾT DÍNH SỬ DỤNG
HỖN HỢP PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME VÀ XỈ LÕ CAO HẠT HÓA ..... 60

4.1

4.2

ẢNH HƢỞNG CỦA PGK ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA CKD ...................... 60
4.1.1

Ảnh hƣởng của GBFS đến lƣợng Ntc và thời gian đông kết của CKD ......... 60

4.1.2

Điểm bão hòa phụ gia siêu dẻo của hồ CKD ................................................ 61

4.1.3

Ảnh hƣởng của PGK ở tỷ lệ N/CKD khác nhau đến độ nhớt của hồ CKD .. 62

ẢNH HƢỞNG CỦA PGK ĐẾN QUÁ TRÌNH THỦY HÓA CỦA XI MĂNG 68
4.2.1

Mức độ thủy hóa của xi măng sử dụng PGK ................................................ 68

4.2.2

Ảnh hƣởng của PGK đến hàm lƣợng Ca(OH)2 trong đá xi măng................. 74

CHƢƠNG 5 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO . 78
5.1

THIẾT KẾ THÀNH PHẦN HẠT TRONG BTCLSC ....................................... 78
5.1.1

Mô hình lèn chặt dạng nén - Mô hình De Larrard ........................................ 79

5.1.2

Tính toán độ lèn chặt của hỗn hợp hạt theo mô hình của De Larrard ........... 81

-iv-

5.2

THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO ............. 84
5.2.1

Tính toán thành phần bê tông chất lƣợng siêu cao ........................................ 84

5.2.2

Cấp phối sơ bộ sử dụng trong nghiên cứu..................................................... 85

5.2.3

Kết quả thí nghiệm sơ bộ bê tông chất lƣợng siêu cao ................................. 86

5.2.4

Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm ..................................... 90

CHƢƠNG 6 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CHẤT
LƢỢNG SIÊU CAO ............................................................................. 99
6.1

CẤP PHỐI BÊ TÔNG SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU ............................ 99

6.2

QUÁ TRÌNH THỦY HÓA VÀ VI CẤU TRÖC CỦA BTCLSC ...................... 99

6.3

6.4

6.2.1

Ảnh hƣởng của GBFS đến hàm lƣợng Ca(OH)2 trong BTCLSC ................. 99

6.2.2

Sự phân bố lỗ rỗng trong BTCLSC............................................................. 101

MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG VÀ BTCLSC ............... 102
6.3.1

Tính công tác của hỗn hợp bê tông ............................................................. 102

6.3.2

Cƣờng độ nén của BTCLSC ....................................................................... 103

6.3.3

Cƣờng độ uốn và độ bền dẻo dai của BTCLSC .......................................... 108

6.3.4

Mô đun đàn hồi của BTCLSC ..................................................................... 112

6.3.5

Cƣờng độ ép chẻ và cƣờng độ kéo khi bửa của BTCLSC .......................... 113

6.3.6

Biến dạng co ngót trong BTCLSC .............................................................. 114

MỘT SỐ CHỈ TIÊU VỀ ĐỘ BỀN LÂU CỦA BTCLSC ................................. 121
6.4.1

Mức độ thấm ion clo của BTCLSC............................................................. 121

6.4.2

Xác định khả năng ăn mòn cốt thép ............................................................ 122

6.5

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO BTCLSC .................................................... 124

6.6

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM KẾT CẤU TẤM ................. 125
6.6.1

Các thông số đầu vào .................................................................................. 125

6.6.2

Kết quả thí nghiệm ...................................................................................... 126

6.6.3

Đánh giá kết quả thí nghiệm tấm BTCLSC ................................................ 127

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................... 130
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ............................................ 133
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 134
PHỤ LỤC ....................................................................................................................... PL1


-v-

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
1
2

KÍ HIỆU
ACI

Ý NGHĨA
Viện bê tông Mỹ (American Concrete Institute)

ASTM

Tiêu chuẩn của Mỹ về thí nghiệm Vật liệu (American
Society for Testing and Materials)

3

AFGC-SETRA

4

BTCLSC

Hiệp hội xây dựng Pháp (Association Française de
Génie Civil - Service d'études techniques des routes et
autoroutes)
Bê tông chất lƣợng siêu cao

5

BTCLC

Bê tông chất lƣợng cao

6

BTCS

Bê tông cốt sợi

7

BTCT

Bê tông cốt thép

8

BTDƢL

Bê tông dự ứng lực

9

BT

Bê tông

10

BTT

Bê tông thƣờng

11

BSI

Bê tông công nghiệp đặc biệt (Special Industrial
Concrete)

12

BJH

Barrett-Joyner-Hanlenda

13

C

Cát

14

Ca(OH)2 - (CH)

Canxi hyđrôxit

15

C/CL

Tỷ lệ cát trên cốt liệu theo khối lƣợng

16

C/CKD

Tỷ lệ cát trên chất kết dính theo khối lƣợng

17

CKD

Chất kết dính

18

CL

Cốt liệu

19

CP

Cấp phối

20

CPTU

Cấp phối tối ƣu

21

CPM

Mô hình lèn chặt dạng nén (Compressive Packing
Model)

22

CRC

Hợp chất composit dạng nén (Compact Reinforced
Composites)

23

C-S-H

Hyđrôsilicat canxi

24

CS

Co hóa học (Chemical Shrinkage)

25

D

Độ chảy của hỗn hợp bê tông


-vi-

26

DSP

Hệ bê tông dạng nén sử dụng các hạt mịn (Densified
with Small Particles)

27

Đ

Đá dăm

28

ĐC

Mẫu đối chứng

29

FA

Tro bay (Fly Ash)

30

FHWA

Cục đƣờng bộ Hoa Kỳ (Federation Highway Agency)

31

GBFS

Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn

32

GBFS/CKD

Tỷ lệ xỉ trên chất kết dính, theo khối lƣợng

33

HHBT

Hỗn hợp bê tông

34

HPC

Bê tông chất lƣợng cao (High Performance Concrete)

35

LS

Bột đá vôi (Lime Stone)

36

MDF

Hệ bê tông không chứa khuyết tật lớn (Macro-Defect
Free)

37

MKN

Mất khi nung

38

MK

Mêta caolanh (Meta kaolin)

39

MSFRC

Bê tông cốt sợi thép đa tỷ lệ (Multi-scale fiber
reinforced concrete)

40

N

Nƣớc

41

NC

Bê tông thƣờng

42

N/CKD

Tỷ lệ nƣớc trên chất kết dính theo khối lƣợng

43

N/XM

Tỷ lệ nƣớc trên xi măng theo khối lƣợng

44

N/GBFS

Tỷ lệ nƣớc trên xỉ theo khối lƣợng

45

ITZ

Vùng chuyển tiếp/tiếp xúc giữa đá xi măng với cốt liệu
(Interfacial Transition Zone)

46

PC

Xi măng poóclăng (Portland Cement)

47

PCB

Xi măng poóclăng hỗn hợp

48

PGK

Phụ gia khoáng

49

PGSD

Phụ gia siêu dẻo

50

RHA

Tro trấu (Rice Husk Ash)

51

RH

Độ ẩm tƣơng đối (Relative Humidity)

52

RPC

Bê tông bột hoạt tính (Reactive Powder Concrete)

53

SEM

Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy)


-vii-

54

SF

Silica fume

55

SF/CKD

Tỷ lệ silica fume trên chất kết dính, theo khối lƣợng

56

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

57

UHPC

Bê tông chất lƣợng siêu cao (Ultra High Performance
Concrete)

58

XM

Xi măng

59

XRD

Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction)

60

Wn

Lƣợng nƣớc liên kết hóa học (Non-evaporable water)


-viii-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 So sánh một số tính chất của BTCLSC với BTT và BTCLC [47, 53]................... 7
Bảng 1.2 Tổng năng lƣợng và vật liệu cho cột bê tông cốt thép theo cấp cƣờng độ nén của
bê tông (NED = 40 MN, l = 3.50m) [88] .............................................................. 24
Bảng 3.1 Tính chất cơ lý của cát sử dụng trong nghiên cứu .............................................. 47
Bảng 3.2 Tính chất cơ lý của xi măng sử dụng trong nghiên cứu ....................................... 48
Bảng 3.3 Tính chất và thành phần hạt của SF sử dụng trong nghiên cứu ........................... 48
Bảng 3.4 Các tính chất của GBFS sử dụng trong nghiên cứu ............................................. 49
Bảng 3.5 Thành phần hóa của xi măng và phụ gia khoáng hoạt tính .................................. 49
Bảng 3.6 Các tính chất kỹ thuật của sợi thép sử dụng trong nghiên cứu ............................ 50
Bảng 4.1 Tỷ lệ thành phần vật liệu thí nghiệm hồ CKD ..................................................... 63
Bảng 5.1 Hệ số nén K ứng với PGK và mô hình khác nhau [66] ....................................... 81
Bảng 5.2 Tỷ lệ thành phần cấp phối bê tông ....................................................................... 85
Bảng 5.3 Giá trị mã hoá và giá trị thực nghiệm của các nhân tố ........................................ 91
Bảng 5.4 Ma trận quy hoạch thực nghiệm ......................................................................... 91
Bảng 5.5 Các cấp phối thí nghiệm và kết quả nghiên cứu .................................................. 92
Bảng 5.6 Tỷ lệ thành phần vật liệu tối ƣu tính toán theo lý thuyết và thực nghiệm ........... 96
Bảng 6.1 Tỷ lệ thành phần vật liệu sử dụng trong nghiên cứu. ........................................... 99
Bảng 6.2 Kết quả đo độ thấm ion clo và mác bê tông tƣơng ứng ..................................... 121
Bảng 6.3 Cấp phối bê tông đối chứng ............................................................................... 122


-ix-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 So sánh kích thƣớc dầm BTCLSC, thép, bê tông dự ứng lực và bê tông cốt
thép với cùng tải trọng [108] .......................................................................9
Hình 1.2 So sánh chi phí tổng thể khi sử dụng BTT và BTCLSC [50] ....................9
Hình 1.3 Cầu đi bộ BTCLSC ở Sherbrooke, Quebec, Canada năm 1997 [83] ........18
Hình 1.4 Hệ thống dầm tháp làm mát nhà máy điện hạt nhân Cattenom [90, 105] 18
Hình 1.5 Cầu bắc qua sông Perak, Perak, Malaysia .................................................19
Hình 1.6 Chiều cao dầm bê tông BTCLSC và BTT [105] .......................................19
Hình 1.7 Các yếu tố của sự phát triển bền vững [98] ...............................................22
Hình 1.8 Sự phát triển bền vững trong công nghệ bê tông theo Mehta [73] ............22
Hình 1.9 BTCLSC hƣớng tới xây dựng bền vững [109] ..........................................23
Hình 1.10 Mặt cắt của cột và cƣờng độ chịu nén của bê tông cốt thép theo cấp
cƣờng độ bê tông [88] ...........................................................................24
Hình 2.1 Mô tả tải trọng truyền qua a) BTT và b) BT CLSC [58] ..........................27
Hình 2.2 Vai trò của hạt siêu mịn đến việc cải thiện cấu trúc của BTCLSC [101] .29
Hình 2.3 Sự thay đổi kích thƣớc lỗ rỗng ở điều kiện dƣỡng hộ nhiệt khác nhau ...30
Hình 2.4 Mức độ phản ứng puzơlanic ở điều kiện dƣỡng hộ khác nhau [38].........30
Hình 2.5 Sự phát triển cấu trúc và hình thành các sản phẩm thủy hóa của xi măng
theo thời gian [64] ......................................................................................31
Hình 2.6 Sự hình thành các sản phẩm thủy hóa của hạt xi măng theo thời gian .....32
Hình 2.7 Mô hình độ lèn chặt có thể khi phối hợp hai loại cốt liệu mịn và thô .......33
Hình 2.8 Kết quả đo độ đặc của hỗn hợp cốt liệu theo nghiên cứu của Mc Geary
(r1/r2 là tỷ lệ kích thƣớc hạt mịn/kích thƣớc hạt thô) [60] .......................34
Hình 2.9 Vai trò của PGK với hiệu ứng hóa học và hiệu ứng điền đầy trong BT ...34
Hình 2.10 Ảnh chụp SEM của SF ............................................................................35
Hình 2.11 Đặc tính cƣờng độ uốn của BTT, BTCS và BTCLSC [78] ....................40
Hình 2.12 Ứng xử cơ học của bê tông cốt sợi khi chịu kéo [85, 104] ....................41
Hình 2.13 Sự tƣơng tác giữa sợi và cốt liệu [104] ..................................................42
Hình 2.14 Sự truyền tải trọng của sợi qua vết nứt trong BTCLSC [57] .................43

-x-

Hình 2.15 Mô hình hóa về quá trình hình thành vết nứt: a) giai đoạn đầu;
b)
xuất hiện vi vết nứt; c) xuất hiện vết nứt đầu tiên; d, e,f) các vết nứt tiếp
tục hình thành và phát triển (mở rộng) [29, 72] ....................................44
Hình 2.16 Sự hình thành vết nứt dƣới tải trọng uốn: a) một sợi đơn bắc cầu qua vết
nứt; b) một nhóm sợi phân bố tự nhiên và truyền tải trọng qua vết nứt ....45
Hình 3.1 Sự phân bố cỡ hạt GBFS qua phân tích SEM ...........................................49
Hình 3.2 Thành phần hạt của các vật liệu sử dụng trong nghiên cứu ......................50
Hình 3.3 Sợi thép Dramix OL 13/0,2 sử dụng trong nghiên cứu .............................50
Hình 3.4 Sơ đồ và thiết bị thí nghiệm côn Marsh đo độ nhớt ..................................52
Hình 3.5 Hệ thống thí nghiệm độ co nội sinh của BTCLSC trong nghiên cứu ......53
Hình 3.6 Mẫu BTCLSC thí nghiệm co ngót hạn chế RING TEST .........................53
Hình 3.7 Mô hình thiết bị đo độ nhớt của hồ xi măng với nhớt kế kiểu rung
V-10 (Vibro viscometer) .........................................................................55
Hình 3.8 Thí nghiệm phân tích DTA/TG .................................................................56
Hình 3.9 Đƣờng cong TG/DTG điển hình đối với mẫu đá XM trong nghiên cứu ..57
Hình 3.10 Phƣơng pháp hình học đƣợc sử dụng để xác định hàm lƣợng CH từ
đƣờng cong mất khối lƣợng trong phân tích nhiệt [115, 27] ...................57
Hình 3.11 Quy trình trộn hỗn hợp BTCLSC sử dụng trong nghiên cứu ..................58
Hình 3.12 Quá trình dƣỡng hộ mẫu bê tông .............................................................59
Hình 4.1 Ảnh hƣởng của GBFS đến lƣợng nƣớc tiêu chuẩn, thời gian đông kết của
hồ CKD (gồm xi măng, GBFS, và nƣớc) ................................................61
Hình 4.2 Điểm bão hòa PGSD của hồ sử dụng 30% GBFS và N/CKD=0,18 ........61
Hình 4.3 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng PGK và tỷ lệ N/CKD đến điểm bão hòa PGSD
của hồ CKD................................................................................................62
Hình 4.4 Ảnh hƣởng của hỗn hợp PGK GBFS và SF đến độ nhớt và thời gian chảy

của hồ CKD................................................................................................64
Hình 4.5 Ảnh hƣởng của hỗn hợp PGK GBFS và SF đến độ nhớt và thời gian chảy
của hồ CKD................................................................................................65
Hình 4.6 Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt GBFS đến độ nhớt và thời gian chảy của
hồ CKD ......................................................................................................66
Hình 4.7 Sự phân bố của các loại nƣớc trong đá xi măng trong quan hệ với RH ....68


-xi-

Hình 4.8 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng SF đến Wn của hồ CKD khi N/CKD=0,16 ....69
Hình 4.9 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng SF đến Wn của hồ CKD khi N/CKD=0,25 ....69
Hình 4.10 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến Wn khi N/CKD=0,16..................70
Hình 4.11 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến Wn khi N/CKD=0,25..................70
Hình 4.12 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến Wn (N/CKD=0,16, SF=10%) .....70
Hình 4.13 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến Wn (N/CKD=0,25, SF=10%) .....70
Hình 4.14 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến Wn khi mẫu đƣợc bảo dƣỡng ở
điều kiện tiêu chuẩn, SF=10% ..................................................................71
Hình 4.15 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến Wn khi mẫu đƣợc bảo dƣỡng ở
điều kiện nhiệt ẩm, SF=10% ....................................................................71
Hình 4.16 Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt GBFS đến Wn ........................................72
Hình 4.17 Đƣờng cong TG-DSC với mẫu ĐC ở tuổi 3 ngày (27oC) ......................75
Hình 4.18 Đƣờng mất trọng lƣợng của đá xi măng ..................................................75
Hình 4.19 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến hàm lƣợng Ca(OH)2 ở điều kiện
bảo dƣỡng tiêu chuẩn................................................................................ 75
Hình 4.20 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến hàm lƣợng Ca(OH)2 ở điều kiện
bảo dƣỡng nhiệt ẩm .................................................................................. 76
Hình 5.1 Ảnh hƣởng của một số hiệu ứng trong hỗn hợp hạt [40] ..........................80
Hình 5.2 Độ lèn chặt của hỗn hợp hạt gồm: Cát - CKD (CKD = XM + SF) ..........82
Hình 5.3 Độ lèn chặt của hỗn hợp hạt gồm: Cát - Xi măng - GBFS........................82

Hình 5.4 Độ lèn chặt của hỗn hợp hạt gồm: Cát - CKD ..........................................83
Hình 5.5 Bề mặt không gian và đƣờng đồng mức về độ lèn chặt của hỗn hợp hạt..83
Hình 5.6 Ảnh hƣởng của SF và GBFS đến độ chảy của hỗn hợp BTCLSC ............86
Hình 5.7 Ảnh hƣởng của SF+GBFS đến tính công tác của hỗn hợp BTCLSC ......87
Hình 5.8 Ảnh hƣởng giữa tỷ lệ C/CKD đến độ chảy của hỗn hợp BTCLSC ..........87
Hình 5.9 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng SF đến cƣờng độ nén BTCLSC .....................88
Hình 5.10 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến cƣờng độ nén BTCLSC .............88
Hình 5.11 Ảnh hƣởng của tỷ lệ C/CKD đến cƣờng độ nén của BTCLSC ...............89
Hình 5.12 Bề mặt không gian thể hiện mối quan hệ giữa X1 và X2 đến cƣờng độ
nén của BTCLSC, (tại X3=0)....................................................................93


-xii-

Hình 5.13 Bề mặt không gian thể hiện mối quan hệ giữa X1 và X3 đến cƣờng độ
nén của BTCLSC, (tại X2=0)....................................................................94
Hình 5.14 Bề mặt không gian thể hiện mối quan hệ giữa X2 và X3 đến cƣờng độ
nén của BTCLSC, (tại X1=0)....................................................................94
Hình 5.15 Đƣờng đồng mức thể hiện mối quan hệ giữa X2 và X3 đến cƣờng độ nén
của BTCLSC, (tại X1=0) ..........................................................................95
Hình 6.1 Ảnh hƣởng của hỗn hợp PGK GBFS và SF đến hàm lƣợng Ca(OH)2
trong BTCLSC ở điều kiện bảo dƣỡng tiêu chuẩn ..................................100
Hình 6.2 Ảnh hƣởng của hỗn hợp PGK GBFS và SF đến hàm lƣợng Ca(OH)2
trong BTCLSC ở điều kiện bảo dƣỡng nhiệt ẩm .....................................100
Hình 6.3 Sự phân bố cấu trúc rỗng của BTCLSC ở tuổi 07 ngày ..........................101
Hình 6.4 Sự phân bố cấu trúc rỗng của BTCLSC ở tuổi 28 ngày ..........................101
Hình 6.5 Tính công tác của hỗn hợp BTCLSC ......................................................103
Hình 6.6 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến cƣờng độ nén 3-120 ngày của
BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ tiêu chuẩn (27±2ºC, RH ≥ 95%)...........104
Hình 6.7 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến cƣờng độ nén 3-120 ngày của

BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ nhiệt ẩm (90±5ºC, RH ≥ 95%) .............104
Hình 6.8 Ảnh hƣởng của PGK đến cƣờng độ nén 3-120 ngày của BTCLSC ở điều
kiện dƣỡng hộ tiêu chuẩn (27±2ºC, RH ≥ 95%) ......................................105
Hình 6.9 Ảnh hƣởng của PGK đến cƣờng độ nén 3-120 ngày của BTCLSC ở điều
kiện dƣỡng hộ nhiệt ẩm (90±5ºC, RH ≥ 95%) ........................................105
Hình 6.10 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép đến cƣờng độ nén 3-120 ngày của
BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ tiêu chuẩn (t = 27±2ºC, RH≥95%) .....108
Hình 6.11 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép đến cƣờng độ nén 3-120 ngày của
BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ nhiệt ẩm (90±5ºC, RH≥95%) .............108
Hình 6.12 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép đến cƣờng độ uốn 7 và 28 ngày của
BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ tiêu chuẩn (27±2ºC, RH≥95%) ...........109
Hình 6.13 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép đến cƣờng độ uốn 7 và 28 ngày của
BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ nhiệt ẩm (90±5ºC, RH≥ 95%) ............109
Hình 6.14 Thí nghiệm uốn và độ bền dẻo dai của BTCLSC .................................110
Hình 6.15 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép đến độ bền dẻo dai của BTCLSC ở
điều kiện dƣỡng hộ tiêu chuẩn (27 ± 2ºC, RH≥95%) ............................110


-xiii-

Hình 6.16 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép đến độ bền dẻo dai của BTCLSC ở
điều kiện dƣỡng hộ nhiệt ẩm (90±5ºC, độ ẩm ≥95%) ...........................111
Hình 6.17 Thí nghiệm mô đun đàn hồi của BTCLSC ............................................112
Hình 6.18 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép đến E của BTCLSC .....................112
Hình 6.19 Thí nghiệm ép chẻ của BTCSCLSC......................................................113
Hình 6.20 Ảnh hƣởng của sợi thép đến cƣờng độ ép chẻ của BTCLSC ................114
Hình 6.21 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS và điều kiện dƣỡng hộ đến độ co nội
sinh của BTCLSC ..................................................................................115
Hình 6.22 Ảnh hƣởng của PGK SF và GBFS đến độ co nội sinh của BTCLSC ở
điều kiện dƣỡng hộ khác nhau ................................................................116

Hình 6.23 Độ co của mẫu BTCLSC với hàm lƣợng sợi thép phân tán khác nhau 117
Hình 6.24 Biểu đồ biến dạng của vành thép trong thí nghiệm RING TEST .........118
Hình 6.25 Nứt do biến dạng co ngót của mẫu BTCLSC ........................................119
Hình 6.26 Áp lực của bê tông tác dụng lên vòng thép ...........................................119
Hình 6.27 Ứng suất của vòng thép trong thí nghiệm co ngót hạn chế ...................119
Hình 6.28 Ứng suất lớn nhất của vòng thép khi mẫu bê tông bắt đầu nứt tƣơng ứng
với hàm lƣợng sợi thép sử dụng khác nhau ...........................................120
Hình 6.29 Mối quan hệ giữa mác bê tông và độ thấm ion clo ...............................122
Hình 6.30 Cấu tạo và sơ đồ thí nghiệm mẫu theo phƣơng pháp gia tốc ................123
Hình 6.31 Sự phát triển gỉ cốt thép trong BTCLSC so với mẫu đối chứng ...........123
Hình 6.32 Mẫu thí nghiệm......................................................................................123
Hình 6.33 Máy đo thấm ion clo ..............................................................................123
Hình 6.34 Sơ đồ công nghệ chế tạo BTCLSC........................................................124
Hình 6.35 Mô hình tính toán và lƣới chia phần tử hữu hạn ...................................125
Hình 6.36 Thí nghiệm kết cấu tấm BTCLSC .........................................................126
Hình 6.37 Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của tấm khi P=13kN.......127
Ghi chú: Trong luận án số thập phân trong hình vẽ dùng dấu chấm thay cho dấu phảy


-1-

MỞ ĐẦU
1. GIỚI THIỆU

Trong vài thập kỷ qua đã có sự tiến bộ vƣợt bậc trong khoa học và công nghệ bê
tông, một trong những bƣớc ngoặt đó là sự nghiên cứu và phát triển loại bê tông
chất lƣợng siêu cao - BTCLSC (Ultra High Performance Concrete), một thế hệ bê
tông mới với những đặc tính vƣợt trội: độ chảy cao, cƣờng độ nén rất cao (thƣờng
lớn hơn 150 MPa), cƣờng độ uốn lớn (khoảng 15-45MPa khi sử dụng cốt sợi), độ
rỗng rất thấp và độ bền lâu rất cao [20, 34, 65, 68, 78, 80]. Điều này đã tạo cho

BTCLSC trở thành một trong những loại vật liệu tiềm năng đối với xây dựng phát
triển bền vững và hiệu quả cao về kinh tế trong các ứng dụng đặc thù nhƣ kết cấu
vỏ mỏng, nhà siêu cao tầng, cầu nhịp lớn, kết cấu bền vững với môi trƣờng biển,
xây dựng bể chứa phế thải hạt nhân...
Xét về khía cạnh vật liệu chế tạo, loại bê tông này đƣợc chế tạo từ hỗn hợp bao
gồm: cát quắc (kích thƣớc 100-600µm), xi măng, silica fume, nƣớc và phụ gia siêu
dẻo. Trong đó, lƣợng xi măng khoảng 900-1000 kg/m3 [80], đây là nhƣợc điểm lớn
nhất của loại bê tông này, sẽ làm tăng giá thành ban đầu của sản phẩm, ảnh hƣởng
đến một số tính chất kỹ thuật và môi trƣờng [109]. Để khắc phục, việc nghiên cứu
sử dụng các loại phụ gia khoáng (PGK) thay thế một phần xi măng trong chế tạo
BTCLSC sẽ là hƣớng đi triển vọng đạt đƣợc hiệu quả về các mặt kinh tế, kỹ thuật
và môi trƣờng.
Xét về mặt kỹ thuật, PGK hoạt tính thƣờng chứa một hàm lƣợng lớn SiO2 vô định
hình có khả năng phản ứng với Ca(OH)2 sinh ra trong quá trình thuỷ hoá xi măng,
để tạo ra các sản phẩm dạng C-S-H có cƣờng độ cao, bền vững với môi trƣờng [89].
Bên cạnh đó, một số PGK khi thay một phần xi măng, sẽ cải thiện tính công tác của
hỗn hợp bê tông, giảm lƣợng nƣớc nhào trộn, đồng thời có thể nâng cao độ đặc chắc
cho bê tông, sẽ làm tăng cƣờng độ cũng nhƣ khả năng chống thấm của bê tông [89].
Xét về mặt kinh tế - môi trƣờng, PGK là sản phẩm phụ của các nhà máy, khi không
đƣợc sử dụng đúng cách sẽ trở thành các phế thải gây ô nhiễm môi trƣờng. Do vậy,
việc nghiên cứu sử dụng PGK thay thế một phần xi măng là một hƣớng nghiên cứu
phù hợp để chế tạo BTCLSC không chỉ cải thiện tính chất kỹ thuật, giảm giá thành


-2-

cho sản phẩm bê tông, mà còn giảm ô nhiễm môi trƣờng, góp phần vào mục tiêu
phát triển xây dựng bền vững.
Hiện nay, BTCLSC đã đƣợc ứng dụng rất rộng rãi ở các nƣớc châu Âu, châu Mỹ,
Úc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Malaysia...Trong khi đó ở Việt Nam chƣa có công bố

chính thức về việc ứng dụng BTCLSC trong thời gian qua. Các nghiên cứu ứng
dụng loại bê tông cƣờng độ cao/chất lƣợng cao ở Việt Nam hiện nay chƣa đạt đƣợc
kỳ vọng về cƣờng độ/chất lƣợng. Do vậy, việc nghiên cứu chế tạo BTCLSC sử
dụng vật liệu sẵn có ở Việt Nam là sự đón đầu và là vấn đề cấp thiết. Đây chính là
hƣớng đi chính và xuyên suốt trong nghiên cứu của luận án.
2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong công trình xây dựng, bê tông là loại vật liệu đƣợc sử dụng với khối lƣợng rất
lớn, chiếm trên 60% khối lƣợng các kết cấu công trình. Hiện nay, ở Việt Nam các
công trình xây dựng dân dụng thƣờng sử dụng bê tông với cƣờng độ nén là 20 - 40
MPa, nên kích thƣớc kết cấu lớn. Một số công trình cao tầng đã sử dụng bê tông
chất lƣợng cao có cƣờng độ nén đến 80MPa (toà tháp Keangnam, tổ hợp chung cƣ
cao tầng Victoria Văn Phú, Lotte...). Bên cạnh đó, cùng với quá trình hội nhập kinh
tế quốc tế, nhu cầu phát triển xây dựng trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam là rất lớn.
Đặc biệt sự phát triển của các công trình nhƣ nhà siêu cao tầng, các kết cấu chịu ăn
mòn, mài mòn nhƣ giàn khoan, bể xử lý phế thải hạt nhân, các kết cấu vỏ mỏng...,
đòi hỏi sự phát triển loại vật liệu mới, chẳng hạn BTCLSC. Do đó, nghiên cứu chế
tạo bê tông có cƣờng độ nén cao (lớn hơn 150 MPa), cƣờng độ uốn cao (lớn hơn 15
MPa) là cần thiết.
Mặc dù có nhiều tính chất vƣợt trội, BTCLSC vẫn còn tồn tại một số nhƣợc điểm
nhƣ lƣợng dùng xi măng rất lớn, độ co ngót cao, lƣợng dùng phụ gia siêu dẻo
(PGSD) và silica fume (SF) lớn... Điều này ảnh hƣởng rất lớn đến giá thành ban đầu
của sản phẩm và tính bền vững trong xây dựng. Do đó, việc nghiên cứu sử dụng
PGK thay thế một phần xi măng chế tạo BTCLSC để giảm giá thành sản phẩm, tăng
độ bền lâu cho bê tông và tăng tính bền vững trong xây dựng có ý nghĩa vô cùng to
lớn. Trong số các loại PGK thì xỉ lò cao hạt hóa (GBFS) đƣợc đánh giá là vật liệu


-3-

có tiềm năng để thay thế một phần xi măng trong BTCLSC [104, 112] đạt hiệu quả
về kỹ thuật, về kinh tế và môi trƣờng. Xét về mặt kỹ thuật, GBFS với thành phần
khoáng chủ yếu là pha thủy tinh (trên 95%), chứa hàm lƣợng SiO2 hoạt tính lớn, có
khả năng phản ứng với Ca(OH)2 (CH) sinh ra trong quá trình thủy hóa của xi măng,
để tạo thành các sản phẩm C-S-H có cấu trúc đặc chắc và bền vững hơn [113, 112].
Bên cạnh đó, GBFS có bề mặt hạt phẳng mịn nên việc sử dụng PGK này sẽ cải
thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông, giảm lƣợng nƣớc nhào trộn, và từ đó làm
tăng cƣờng độ cũng nhƣ khả năng chống thấm của bê tông [89]. Tuy vậy, một trong
những nhƣợc điểm lớn khi sử dụng GBFS với hàm lƣợng lớn là dễ gây ra hiện
tƣợng tách nƣớc [67]. Do đó, GBFS nên sử dụng kết hợp với vật liệu mịn có bề mặt
riêng lớn khác, chẳng hạn SF, sẽ khắc phục đƣợc nhƣợc điểm này. Hơn nữa, việc
kết hợp với PGK mịn khác nhƣ SF còn có tác dụng cải thiện độ đặc chắc và tăng
cƣờng độ của bê tông... [107]. Xét về mặt kinh tế - môi trƣờng, theo thống kê [4],
hàng năm ƣớc tính các nhà máy luyện gang, thép trên cả nƣớc thải ra khoảng 1 triệu
tấn, trong đó xỉ lò cao chiếm khoảng 400 ngàn tấn và điều này sẽ ảnh hƣởng rất lớn
đến môi trƣờng. Việc nghiên cứu sử dụng GBFS với vai trò là PGK nhằm chế tạo
BTCLSC sẽ góp phần làm giảm giá thành, giảm ô nhiễm môi trƣờng, đồng thời
nâng cao tính chất kỹ thuật của BTCLSC là cần thiết.
Bên cạnh đó, bê tông thông thƣờng làm việc tốt ở trạng thái nén, khả năng chịu kéo
khi uốn và độ bền dẻo dai thấp. Để giải quyết vấn đề này ngƣời ta đã sử dụng nhiều
phƣơng pháp khác nhau nhƣ: sử dụng lƣới thép, căng kéo cốt thép dự ứng lực hay
bố trí các loại cốt thép đặc biệt tại các vị trí cần thiết,… Tuy nhiên, các hƣớng này
hiệu quả chƣa cao, đặc biệt là với các công trình nhƣ nhà siêu cao tầng, cầu nhịp
lớn, các kết cấu vỏ mỏng... Một trong những biện pháp đã đƣợc áp dụng hiệu quả
trên thế giới đó là sử dụng bê tông cốt sợi chất lƣợng siêu cao nhằm tăng cƣờng độ
uốn, tăng chiều dài nhịp, cũng nhƣ khả năng kháng nứt cho kết cấu. Ở Việt Nam,
các nghiên cứu sử dụng sợi thép phân tán trong bê tông thƣờng và bê tông chất
lƣợng cao đã đƣợc nghiên cứu nhiều, tuy nhiên việc xác định ảnh hƣởng của sợi
thép phân tán đến một số tính chất cơ lý của BTCLSC nhƣ: cƣờng độ nén, cƣờng độ

-4-

uốn, cƣờng độ ép chẻ, mô đun đàn hồi cũng nhƣ nhƣ vai trò của sợi đến khả năng
hạn chế nứt chƣa đƣợc nghiên cứu.
Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trên, việc nghiên cứu sử dụng vật liệu và đặc biệt với
PGK sẵn có ở Việt Nam, để chế tạo BTCLSC với các tính chất vƣợt trội nhƣ cƣờng
độ nén lớn hơn 150MPa, cƣờng độ uốn lớn hơn 15MPa (khi sử dụng cốt sợi thép
phân tán), độ bền lâu lớn là rất cần thiết.
3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu sử dụng tổ hợp phụ gia khoáng
GBFS và SF để chế tạo BTCLSC có độ lƣu động lớn, cƣờng độ nén lớn hơn
150MPa, cƣờng độ uốn lớn hơn 15MPa trên cơ sở vật liệu Việt Nam.
4. PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

4.1 Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:
 Hỗn hợp bê tông có độ lƣu động lớn (đƣợc đánh giá thông qua đƣờng kính
trung bình của độ chảy loang của hỗn hợp bê tông trong khoảng 200-230 mm).
 Sử dụng tổ hợp PGK GBFS và SF.
 Cƣờng độ nén của bê tông ≥ 150 MPa
 Cƣờng độ uốn khi sử dụng cốt sợi thép phân tán ≥ 15MPa.
 Điều kiện dƣỡng hộ: điều kiện tiêu chuẩn (272oC, độ ẩm  95%) và điều kiện
nhiệt ẩm (905oC, độ ẩm  95%).
4.2 Nội dung nghiên cứu
Từ mục tiêu nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu đặt ra, luận án tập trung thực hiện
các nội dung nghiên cứu chủ yếu nhƣ sau:
 Nghiên cứu tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTCLSC trên thế
giới và ở Việt Nam để xây dựng các vấn đề khoa học cần giải quyết.

 Khảo sát và nghiên cứu lựa chọn nguyên vật liệu ở Việt Nam để chế tạo
BTCLSC.


-5-

 Nghiên cứu thiết kế tối ƣu thành phần hạt cho BTCLSC sử dụng tổ hợp PGK
GBFS và SF.
 Nghiên cứu thiết kế thành phần BTCLSC sử dụng tổ hợp PGK GBFS và SF.
 Nghiên cứu sự tác động tƣơng hỗ giữa GBFS và SF đến độ nhớt và mức độ
thủy hóa của hồ CKD và đá xi măng.
 Nghiên cứu sự tác động tƣơng hỗ giữa GBFS và SF đến tính công tác, cƣờng
độ nén của BTCLSC, từ đó xác định cấp phối và tỷ lệ hợp lý PGK để chế tạo
BTCLSC.
 Nghiên cứu các tính chất của BTCLSC nhƣ cƣờng độ nén, biến dạng co ngót,
thủy hóa và vi cấu trúc với các điều kiện dƣỡng hộ khác nhau.
 Nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép phân tán đến các tính chất của
BTCLSC nhƣ tính công tác, biến dạng co ngót, khả năng chống nứt, cƣờng độ
uốn, cƣờng độ nén, độ bền dẻo dai, cƣờng độ ép chẻ, mô đun đàn hồi của
BTCLSC.
 Nghiên cứu sự làm việc của tấm mỏng sử dụng BTCLSC.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN

Kết quả nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa khoa học về mặt lý thuyết và thực tiễn, cụ
thể:
Việc sử dụng kết hợp giữa phụ PGK hoạt tính GBFS, SF với PGSD sẽ giảm lƣợng
nƣớc nhào trộn (N/CKD giảm). Đây là yếu tố quan trọng cải thiện tính công tác,
tăng độ đồng nhất của hỗn hợp bê tông và làm tăng độ đặc chắc cho cấu trúc của bê
tông, tăng cƣờng độ, độ bền lâu cho bê tông. Trên cơ sở đó, luận án đánh giá đƣợc
vai trò của PGK và tác động tƣơng hỗ giữa các loại PGK này ở tỷ lệ hợp lý trong

BTCLSC. Điều này, có ý nghĩa rất lớn về mặt lý thuyết và ứng dụng thực tiễn, đặc
biệt với hệ bê tông có tỷ lệ N/CKD rất thấp.
Nghiên cứu và chứng minh cơ sở khoa học về vai trò của sợi thép phân tán trong
việc cải thiện độ bền uốn, kéo của BTCLSC, tăng độ bền dẻo dai và hạn chế nứt do
biến dạng co ngót trong BTCLSC.
Việc nghiên cứu sử dụng vật liệu sẵn có (phế thải công nghiệp GBFS phối hợp với
SF, PGSD, cốt sợi thép) trong điều kiện chế tạo ở Việt Nam để chế tạo BTCLSC sẽ


-6-

góp phần làm giảm giá thành, nâng cao tính chất kỹ thuật cho sản phẩm bê tông,
nâng cao ý nghĩa xây dựng bền vững. Từ đó sẽ mở rộng thêm khả năng ứng dụng
BTCLSC vào thực tế xây dựng ở nƣớc ta.
6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

 Luận án đã nghiên cứu sử dụng chất kết dính gồm xi măng PC40 với tổ hợp
PGK GBFS của Việt Nam và SF theo tỷ lệ hợp lý để chế tạo thành công
BTCLSC với các tính chất vƣợt trội nhƣ: cƣờng độ nén trên 150 MPa và có thể
đạt đến 200MPa khi sử dụng biện pháp dƣỡng hộ nhiệt ẩm; cƣờng độ uốn đạt
đến15 MPa (khi sử dụng cốt sợi thép phân tán); độ bền dẻo dai gấp 50 lần so
với bê tông thƣờng.
 Luận án đã khẳng định việc ứng dụng lý thuyết về mô hình dạng nén do tác giả
De Larrard đề xuất có thể sử dụng để tính toán tối ƣu thành phần hạt cho
BTCLSC, đặc biệt đối với các hạt mịn và siêu mịn (<100 m). Trên cơ sở phân
tích thành phần hạt của vật liệu sử dụng, đề tài đã tính toán độ lèn chặt với
thành phần hạt hợp lý trong hỗn hợp để thiết lập cơ sở cho thiết kế cấp phối
BTCLSC.
 Luận án thông qua hàm hồi quy thực nghiệm đã xây dựng đƣợc mối quan hệ
giữa cƣờng độ nén của BTCLSC với các yếu tố ảnh hƣởng nhƣ: tỷ lệ N/CKD,

hàm lƣợng GBFS, tỷ lệ Cát/Chất kết dính (C/CKD). Trên cơ sở đó, luận án
chứng minh đƣợc sự ảnh hƣởng tƣơng hỗ giữa PGK GBFS và SF đến các tính
chất của hỗn hợp hồ CKD và BTCLSC nhƣ: tính công tác, mức độ thủy hóa của
xi măng, biến dạng co ngót và cƣờng độ nén.
 Luận án đã xác định đƣợc vai trò của sợi thép phân tán đến các tính chất cơ lý

của BTCLSC sử dụng tổ hợp tối ƣu PGK SF và GBFS nhƣ: cƣờng độ nén, độ
bền dẻo dai, cƣờng độ ép chẻ, mô đun đàn hồi. Đồng thời, luận án đã đánh giá
đƣợc vai trò của sợi thép phân tán đến khả năng chống nứt do biến dạng co ngót
của BTCLSC. Trên cơ sở đó đã xây dựng đƣợc phƣơng trình thực nghiệm thể
hiện mối quan hệ giữa hàm lƣợng sợi thép và ứng suất sinh ra trong bê tông.


-7-

Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO

1.1

GIỚI THIỆU VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO

1.1.1 Khái niệm về bê tông chất lƣợng siêu cao
BTCLSC là loại bê tông đƣợc chế tạo từ hỗn hợp gồm cát quắc, xi măng, SF, nƣớc
và PGSD với tỷ lệ N/CKD rất thấp (thƣờng nhỏ hơn 0,25 tính theo khối lƣợng) [69,
100]); trong đó lƣợng dùng chất kết dính tƣơng đối cao, khoảng 900 - 1000 kg/m3;
lƣợng dùng SF thƣờng là 150-250 kg/m3 (10-30% so với khối lƣợng xi măng) [80].
Sản phẩm tạo thành có cƣờng độ nén lớn hơn 150MPa, có thể đạt đến 250 MPa, có
cƣờng độ uốn lớn (khi sử dụng cốt sợi phân tán) và độ bền lâu cao [20]. Điểm khác
biệt về tính chất của BTCLSC so với bê tông thƣờng và bê tông cƣờng độ cao có
thể thấy ở Bảng 1.1 [47, 53].

Bảng 1.1 So sánh một số tính chất của BTCLSC với BTT và BTCLC [47, 53]
Đặc điểm

BTT

BTCLC

BTCLSC

19,0-25,5

9,5-12,5

0,15-0,6

0,40-0,70

0,24-0,35

0,14-0,27

Khối lƣợng thể tích (kg/m3)
Cƣờng độ nén (MPa)
Cƣờng độ kéo (MPa)
Mô đun đàn hồi (GPa)

2000 - 2800
< 60
<3
 30

2000 - 2800
60 – 100
<5
< 45

Năng lƣợng phá hủy (J/m2)

30-200

<150

2320 -2760
> 150
>8
45– 70
<900 (không sợi)
>10000 (có sợi)

20-25
23

10-15
8

2-6
1

7

4

1,5

>2000

500-2000

< 100

Đặc tính của vật liệu
Kích thƣớc lớn nhất cốt liệu
(mm)
Tỷ lệ N/X, theo khối lƣợng
Tính chất cơ lý (tuổi 28 ngày)

Độ bền lâu
Độ rỗng (%)
Chiều sâu thấm ion clo (mm)
Chiều sâu cacbonat sau 3
năm, (mm) (20oC, RH≥ 65%)
Thấm ion clo (culong)


-8-

Hiện nay, có rất nhiều quan điểm khác nhau về khái niệm loại bê tông này, mặc dù
về tính chất kỹ thuật, BTCLSC đƣợc các tác giả đề cập đến tƣơng đối thống nhất.
Thuật ngữ “Bê tông chất lượng siêu cao”, theo Sadrekarimi [92], đây không phải là
bê tông, bởi vì không có cốt liệu lớn trong hỗn hợp. Theo Blais và Couture [83] thì

thuật ngữ “bê tông” đƣợc sử dụng nhiều hơn và hợp lý hơn khi sử dụng thuật ngữ là
“vữa”, đặc biệt khi sử dụng thêm cốt sợi thì độ bền dẻo dai (flexural toughness) đã
đƣợc cải thiện rõ rệt. Với tính chất kỹ thuật vƣợt trội và nhìn từ góc độ sử dụng
(thay thế bê tông), nên theo tác giả việc dùng thuật ngữ “bê tông” hợp lý hơn.
Việt Nam, đến nay chƣa có khái niệm cụ thể thống nhất về loại bê tông này. Trên cơ
sở các khái niệm và các quan điểm về BTCLSC trên thế giới, tác giả đề xuất sử
dụng khái niệm chung về loại bê tông này: BTCLSC là loại bê tông có độ chảy cao,
cường độ nén rất cao (lớn hơn 150 MPa), với cường độ uốn lớn (đặc biệt khi sử
dụng cốt sợi), độ thấm thấp và độ bền lâu cao.
+ Ưu điểm của BTCLSC
Với đặc thù cấu trúc hạt nhỏ khá đồng nhất và rất đặc chắc, nên BTCLSC có các
tính chất cơ lý vƣợt trội so với bê tông thƣờng và bê tông chất lƣợng cao nhƣ:
cƣờng độ siêu cao (Rn ≥150MPa, Ru ≥15MPa); độ bền dẻo dai cao (gấp 50 lần so
với mẫu đối chứng); chống thấm rất tốt; độ bền lâu cao… Điều này, cho phép khi
thiết kế cùng một khả năng chịu lực, kết cấu có tiết diện nhỏ hơn, nên lƣợng dùng
vật liệu ít hơn, tải trọng bản thân kết cấu giảm hơn. Hiệu quả này của BTCLSC có
thể thấy qua sự so sánh với một số loại bê tông và thép thông thƣờng sử dụng để
chế tạo dầm dự ứng lực, nhƣ minh họa ở Hình 1.1. Vật liệu này dƣờng nhƣ là có
tiềm năng cạnh tranh với vật liệu thép. Các tính chất của BTCLSC có thể đƣợc tối
ƣu khi sử dụng kết hợp với biện pháp dùng cốt thép ứng suất trƣớc, khi đó sẽ phát
huy đƣợc tối đa khả năng chịu uốn của BTCLSC. Việc sử dụng cốt sợi thép phân
tán trong hỗn hợp BTCLSC, trong một số trƣờng hợp, cho phép loại bỏ đƣợc những
thanh cốt thép chịu uốn và chịu cắt. Với các ƣu điểm đã đƣợc phân tích ở trên,
BTCLSC có khả năng ứng dụng có hiệu quả cho các kết cấu trong công trình. Đặc
biệt có hiệu quả khi sử dụng cho kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọng cao, hay các tác
động bất thƣờng của ngoại lực cao nhƣ: động đất, thiên tai, khủng bố... BTCLSC
cũng phát huy hiệu quả tốt, khi sử dụng cho các công trình chịu tác động xâm thực
mạnh nhƣ: công trình biển, thủy công, hóa chất, hay bể chôn phế thải hạt nhân…

-9-

BTCLSC sẽ phát huy hiệu quả hơn, khi đƣợc xem xét và đánh giá tổng thể, về tiết
kiệm chi phí bảo trì và có tuổi thọ dài hơn so với các kết cấu bê tông thông thƣờng.
Điều này đƣợc minh họa ở Hình 1.2.

Vật liệu

BTCLSC

Thép

BTDƢL

BTCT

Chiều cao mặt cắt, mm

360

360

700

700

Khối lƣợng, kg/m

141

110

466

528

Hình 1.1 So sánh kích thƣớc dầm BTCLSC, thép, bê tông dự ứng lực và bê tông
cốt thép với cùng tải trọng [108]

Hình 1.2 So sánh chi phí tổng thể khi sử dụng BTT và BTCLSC [50]
+ Nhược điểm của BTCLSC
Theo các phân tích của Semioli [94], nhƣợc điểm lớn nhất của BTCLSC là chi phí
đầu tƣ ban đầu cao. Đồng thời BTCLSC còn tƣơng đối mới với ngành công nghiệp
xây dựng với các tiêu chuẩn thiết kế, tính toán, tài liệu hƣớng dẫn sử dụng chƣa
đƣợc thống nhất. Do vậy cho đến nay, ứng dụng về loại vật liệu này vẫn còn hạn
chế, chủ yếu là các dự án thử nghiệm. Việc thiết kế kết cấu sử dụng BTCLSC vẫn
chƣa đƣợc tối ƣu và hiệu quả, kết quả là các chi phí ban đầu vẫn cao hơn so với bê


-10-

tông thƣờng. Các nhà sản xuất hi vọng rằng, khi BTCLSC đƣợc nghiên cứu ứng
dụng rộng rãi, trở nên phổ biến hơn trong thực tế, sẽ làm giảm chi phí sử dụng khi
tính toán tổng thể có đến vòng đời và tuổi thọ công trình (Hình 1.2). Trong khi
BTCLSC có cƣờng độ nén, cƣờng độ uốn và độ bền dẻo dai rất cao, cho phép giảm
tối đa kích thƣớc của kết cấu, thì việc thiết kế kết cấu sử dụng BTCLSC vẫn phải
đảm bảo các yêu cầu tối thiểu về chiều dày, kích thƣớc của kết cấu để vẫn đảm bảo
đƣợc các yêu cầu về khả năng chống va đập, độ biến dạng... Điều đó sẽ khắc phục
đƣợc hạn chế về chi phí đầu tƣ ban đầu của BTCLSC.
Bên cạnh đó, một trong những khó khăn khác khi sử dụng BTCLSC là yêu cầu rất

cao về chất lƣợng vật liệu đầu vào, do vậy loại bê tông này phù hợp hơn cho các kết
cấu đúc sẵn đƣợc sản xuất trong nhà máy hơn là dùng đổ trực tiếp tại công trƣờng.
1.1.2 Vật liệu chế tạo bê tông chất lƣợng siêu cao
Nhƣ đã đề cập ở phần đầu về hỗn hợp BTCLSC thông thƣờng bao gồm cát, xi
măng, SF, PGSD và nƣớc. Tuy vậy sự khác biệt về vai trò và yêu cầu của các
nguyên vật liệu chế tạo này (so với nguyên vật liệu chế tạo bê tông thƣờng) có thể
thấy nhƣ sau:
- Xi măng: Trong BTCLSC, lƣợng dùng xi măng rất lớn (khoảng 900-1000
kg/m3), tỷ lệ N/CKD rất thấp vì vậy việc lựa chọn xi măng khi xét đến yếu tố ảnh
hƣởng tới tính công tác của hỗn hợp bê tông là rất quan trọng. Bên cạnh đó, do
lƣợng dùng xi măng lớn, nên quá trình thủy hóa sẽ tỏa lƣợng nhiệt lớn, gây ra sự
chênh lệch ứng suất nhiệt lớn và có thể gây nứt kết cấu bê tông. Do vậy, lựa chọn
xi măng có hàm lƣợng C3A thấp sẽ có hiệu quả giảm lƣợng cần nƣớc ban đầu và
nhiệt thủy hóa, góp phần cải thiện tính công tác cho hỗn hợp bê tông. Trong chế
tạo BTCLSC, xi măng đƣợc lựa chọn cũng rất đa dạng. Trên thế giới, xi măng
CEM loại I và II trong các nghiên cứu và ứng dụng BTCLSC [79]. Ở Việt Nam,
các nghiên cứu [5, 8, 10, 14] đều khẳng định rằng xi măng pooclăng PC40 hoàn
toàn có thể sử dụng để chế tạo BTCLSC.
- Cát: Cát quắc thƣờng đƣợc lựa chọn để chế tạo BTCLSC do có cƣờng độ rất cao,
có sự liên kết rất tốt với đá xi măng. Kích thƣớc lớn nhất của cốt liệu trong chế
tạo BTCLSC nên đƣợc giới hạn là 0,6mm để giảm thiểu các khuyết tật lỗ rỗng,
các vết nứt cấu trúc của vùng tiếp xúc giữa cốt liệu và vật liệu nền [20, 63]. Do
kích thƣớc lớn nhất của cốt liệu giảm sẽ làm tăng tỷ diện tích bề mặt của cốt liệu


-11-

và lƣợng hồ xi măng cần thiết để bao bọc các hạt cốt liệu tăng, do vậy lƣợng xi
măng sử dụng trong BTCLSC là rất lớn. Hiện nay đã có một số nghiên cứu sử
dụng cốt liệu thô với đƣờng kính lớn nhất của cốt liệu đến 8mm để chế tạo

BTCLSC [56, 71], tuy nhiên khi đó yêu cầu rất lớn về đặc tính của cốt liệu nhƣ
hình dạng hạt, có cƣờng độ của cốt liệu...
- Phụ gia siêu dẻo: Trong BTCLSC có lƣợng dùng CKD rất lớn và tỷ lệ N/CKD
rất thấp, mà hỗn hợp BTCLSC đòi hỏi độ chảy cao. Do đó, phụ gia siêu dẻo với
lƣợng dùng rất lớn đƣợc sử dụng trong chế tạo BTCLSC. Tuy vậy, lƣợng PGSD
dùng không nên sử dụng quá lớn do có thể ảnh hƣởng đến tính công tác và thời
gian đông kết của bê tông. Hiện nay, loại PGSD thế hệ mới chẳng hạn loại
polycarboxylate Ether đang đƣợc sử dụng phổ biến để nâng cao hiệu quả giảm
nƣớc đồng thời vẫn đảm bảo đƣợc độ chảy của HHBT.
- Phụ gia khoáng: Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về PGK sử
dụng trong bê tông, các PGK hoạt tính mịn có thể giúp cải thiện chất lƣợng của
bê tông nhờ các hiệu ứng vật lý nhƣ: nâng cao độ đặc chắc, cải thiện tính công
tác của hỗn hợp bê tông…, hoặc các hiệu ứng hóa học thông qua các phản ứng
puzơlanic giữa PGK và sản phẩm thủy hóa của xi măng. Bên cạnh đó, việc sử
dụng đồng thời PGK và PGSD có thể giảm tỷ lệ N/CKD xuống rất thấp. Kết quả
là tạo ra sản phẩm có cấu trúc đặc chắc cao, độ rỗng rất nhỏ, tính chất cơ lý rất
cao. Việc thay thế một phần xi măng bằng PGK hoạt tính sẽ đem lại hiệu quả cao
về kinh tế, kỹ thuật và môi trƣờng. Thông thƣờng PGK hoạt tính đƣợc lựa chọn
bao gồm: Silica fume (SF), tro bay (FA), xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (GBFS),
tro trấu (RHA), Mêta cao lanh (MK)... Ảnh hƣởng của PGK đối với các tính chất
của bê tông đƣợc xét đến nhƣ sau:
Silica fume: đây là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất silic hoặc hợp kim
ferosilic đƣợc ngƣng tụ từ khói thải nên chứa các hạt ôxit silic có kích thƣớc rất
nhỏ, cỡ micromet, hàm lƣợng SiO2 trên 85%. SF là các hạt hình cầu có đƣờng
kính cỡ hạt từ 0,03-0,3 m, nhỏ hơn đƣờng kính trung bình của hạt xi măng
khoảng 100 lần. Thực tế thấy rằng, SF là thành phần rất quan trọng trong BTCLC
và BTCLSC. Ảnh hƣởng có lợi của silica fume đối với các tính chất của
BTCLSC đƣợc tạo nên bởi ba hiệu ứng chính [19, 93]: điền đầy vào khoảng
trống giữa các hạt có kích thƣớc lớn hơn để tăng độ lèn chặt cho hỗn hợp hạt,
đóng vai trò của các chất bôi trơn để cải thiện tính công tác cho hỗn hợp vữa và