Nghiên cứu nguyên nhân và đề xuất giải pháp nâng cao khả năng chống nứt ở tuổi sớm trong bê tông xỉ khối lớn

Header Page 1 of 145.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

BÁO CÁO TÓM TẮT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP
NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG NỨT Ở TUỔI SỚM
TRONG BÊ TÔNG XỈ KHỐI LỚN

Mã số: Đ2015-02-128

Chủ nhiệm đề tài: TS. Huỳnh Phương Nam

i

Footer Page 1 of 145.

Đà Nẵng, 9/2016


Header Page 2 of 145.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

BÁO CÁO TÓM TẮT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP
NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG NỨT Ở TUỔI SỚM
TRONG BÊ TÔNG XỈ KHỐI LỚN

Mã số: Đ2015-02-128

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài

Footer Page 2 of 145.

i

Chủ nhiệm đề tài


Header Page 3 of 145.
DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI

Chủ nhiệm đề tài
GV.TS. Huỳnh Phương Nam
Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

Thành viên tham gia
GV.ThS. Đỗ Thị Phượng

Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường
Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

GV.KS. Nguyễn Văn Quang

Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường
Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

Footer Page 3 of 145.

ii


Header Page 4 of 145.

MỤC LỤC

MỤC LỤC .................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................ vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... vii
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .............................................. viii
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS ........................................ x
MỞ ĐẦU...................................................................................................... 1
1. Đặt vấn đề ............................................................................................. 1
2. Mục tiêu của đề tài ................................................................................ 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 2
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................... 2
4.1 Cách tiếp cận ................................................................................... 2
4.2 Phương pháp nghiên cứu................................................................. 2
5. Ý nghĩa của đề tài ................................................................................. 3
6. Cấu trúc đề tài ....................................................................................... 3
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XỈ LÒ CAO ........................... 5
1.1 Giới thiệu ............................................................................................ 5
1.2 Ảnh hưởng của xỉ lị cao đến các tính chất của hỗn hợp bê tơng và bê

tơng ........................................................................................................... 5
1.2.1 Tính cơng tác................................................................................ 5
1.2.2 Cường độ nén ............................................................................... 5
1.2.3 Mô đun đàn hồi ............................................................................ 5
1.2.4 Từ biến và co ngót........................................................................ 5
1.2.5 Nhiệt thủy hóa .............................................................................. 5
1.2.6 Tính thấm ..................................................................................... 5
1.2.7 Ăn mịn sunphát ........................................................................... 5
1.2.8 Phản ứng kiềm - cốt liệu (kiềm - silic) ......................................... 5
i
Footer Page 4 of 145.


Header Page 5 of 145.
1.3 Tình hình sử dụng xỉ lị cao trên thế giới ............................................ 5
1.4 Tình hình nghiên cứu và sử dụng xỉ lò cao ở Việt Nam ..................... 7
1.5 Kết luận chương 1 và mục tiêu của đề tài ........................................... 8
Chương 2 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SÓNG ÂM ĐỂ NGHIÊN CỨU
VẾT NỨT TRONG BÊ TÔNG KHỐI LỚN Ở TUỔI SỚM ................... 9
2.1 Kỹ thuật sóng âm (acoustic emission - AE) ........................................ 9
2.1.1 Giới thiệu ..................................................................................... 9
2.1.2 Thuật ngữ và định nghĩa .............................................................. 9
2.1.3 Ứng dụng kỹ thuật AE trong nghiên cứu bê tông ...................... 10
(1) AE cho bê tông ở tuổi sớm ........................................................ 10
(2) AE cho bê tơng đã đóng rắn....................................................... 11
2.1.4 Sự tắt dần của sóng AE .............................................................. 11
2.2 Thiết kế thí nghiệm ........................................................................... 11
2.2.1 Chế độ dưỡng hộ nhiệt ............................................................... 11
2.2.2 Hệ thống AE ............................................................................... 12
2.2.3 Thanh truyền sóng ...................................................................... 12

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo AE và biện pháp xử lý .......... 13
2.3.1 Loại bỏ tiếng ồn ......................................................................... 13
(1) Tiếng ồn do điện áp không ổn định ............................................... 13
(2) Tiếng ồn vật lý ............................................................................... 13
2.3.2 Loại bỏ ma sát giữa bê tơng và thành khn ............................. 15
2.4 Thanh truyền sóng ............................................................................ 15
2.5 Kết nối cảm biến với thanh truyền sóng ........................................... 16
2.6 Kết luận chương 2 ............................................................................. 17
Chương 3 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ KÉO TRỰC TIẾP
CỦA BÊ TÔNG ......................................................................................... 18
3.1 Đặt vấn đề ......................................................................................... 18

Footer Page 5 of 145.

ii


Header Page 6 of 145.

3.2 Thí nghiệm xác định cường độ kéo trực tiếp .................................... 18
3.2.1 Các khó khăn chính cần khắc phục ............................................ 18
3.2.2 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ........................................................... 18
3.2.3 Bộ gá dùng trong thí nghiệm kéo trực tiếp ................................ 19
3.2.4 Dán mẫu vào bộ gá..................................................................... 19
3.2.5 Vật liệu sử dụng và cấp phối thiết kế ......................................... 20
3.3 Kết quả và bàn luận .......................................................................... 21
3.3.1 Cường độ kéo trực tiếp............................................................... 21
3.3.2 Cường độ kéo khi ép chẻ ........................................................... 21
3.3.3 Tương quan giữa cường độ kéo trực tiếp và cường độ kéo khi ép
chẻ ....................................................................................................... 22

3.4 Kết luận chương 3 ............................................................................. 23

Chương 4 PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN GÂY NỨT TRONG BÊ
TÔNG XỈ KHỐI LỚN Ở TUỔI SỚM VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP HẠN
CHẾ

24

4.1 Giới thiệu .......................................................................................... 24
4.2 Cơ sở lý luận và các tham số nghiên cứu.......................................... 25
4.2.1 Cơ sở lý luận .............................................................................. 25
4.2.2 Mơ hình cản ở cấp độ trung bình và các tham số chính ............. 27
4.3 Chương trình thí nghiệm ................................................................... 30
4.3.1 Vật liệu sử dụng và cấp phối thiết kế ......................................... 30
4.3.2 Thí nghiệm AE ........................................................................... 31
4.3.3 Thí nghiệm đo co ngót thực (net shrinkage) của vữa ................. 32
4.3.4 Thí nghiệm đo hệ số giãn nở nhiệt của vữa và đá dăm .............. 32
4.3.5 Thí nghiệm đo cường độ kéo trực tiếp ....................................... 33
4.4 Kết quả thí nghiệm và bàn luận ........................................................ 33
4.4.1 Đặc điểm biến dạng của bê tông ở tuổi sớm .............................. 33

Footer Page 6 of 145.

iii


Header Page 7 of 145.

4.4.2 Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt và biến dạng tự sinh ................ 34
4.4.3 Ảnh hưởng của kích thước của cốt liệu lớn ............................... 39

4.5 Các giải pháp hạn chế hiện tượng nứt trong bê tông xỉ khối lớn ở tuổi
sớm.......................................................................................................... 42
4.6 Kết luận chương 4 ............................................................................. 43
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 45
1. Kết luận............................................................................................... 45
2. Kiến nghị ............................................................................................ 46

Footer Page 7 of 145.

iv


Header Page 8 of 145.

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Nguồn AE và q trình thu nhận sóng. .......................................... 9
Hình 2.2 Hệ thống AE điển hình................................................................. 10
Hình 2.3 Định nghĩa các tham số của một tín hiệu sóng AE [30]. .............. 10
Hình 2.7 Chế độ dưỡng hộ nhiệt. ................................................................ 12
Hình 2.8 Cảm biế
..................................................... 12
Hình 2.11 Bố trí mẫu thí nghiệm trong buồng điều nhiệt ........................... 14
Hình 2.12 Tín hiệu AE trong hai trường hợp có giảm chấn và khơng có
giảm chấn ............................................................................................ 14
Hình 2.14 Ảnh hưởng của tấm nhựa Teflon đến số tín hiệu AE. ................ 15
Hình 2.17 Cấu tạo thanh truyền sóng.......................................................... 16
Hình 2.19 Hệ thống thí nghiệm AE. ........................................................... 17
Hình 3.1 Bộ gá thí nghiệm kéo trực tiếp bê tơng. ....................................... 19
Hình 3.4 Mẫu thí nghiệm được lắp hồn chỉnh vào máy kéo. .................... 19

Hình 3.6 Cường độ kéo trực tiếp và cường độ kéo ép chẻ của vữa và bê
tơng. .................................................................................................... 22
Hình 3.7 Tương quan giữa cường độ kéo trực tiếp và cường độ kéo khi ép
chẻ. ...................................................................................................... 22
Hình 4.1 Sự phát triển cường độ kéo của bê tơng với các mức độ cản khác
nhau..................................................................................................... 26
Hình 4.2 Mơ hình cản ở cấp độ trung bình trong bê tơng. .......................... 27
Hình 4.3 Hệ thống AE................................................................................. 31
Hình 4.4 Chế độ nhiệt mơ phỏng dưỡng hộ nhiệt ẩm. ................................ 31
Hình 4.5 Lắp cảm biến đo co ngót thực của vữa. ....................................... 32
Hình 4.6 Đo CTE của đá dăm. .................................................................... 33
Hình 4.7 Biến dạng của mẫu bê tơng (C-O-L20-30). ................................. 34
Hình 4.9 Co ngót thực (net shrinkage) của vữa. ......................................... 34
Hình 4.8 Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của vữa và đá dăm. ........................... 34
Hình 4.10 Số tín hiệu AE tích lũy trong các loại bê tơng. .......................... 36
Hình 4.11 Quan hệ giữa nhiệt độ, tổng biến dạng và AE hit trong bê tơng
C-S-L20-30 ở vịng gia nhiệt thứ nhất (hình trên) và vịng gia nhiệt thứ
hai (hình dưới). ................................................................................... 37
Hình 4.12 Cường độ kéo của vữa và bê tông (Dmax = 20mm). ................... 38
Hình 4.13 Quan hệ giữa tổn thất cường độ và số tín hiệu AE tích lũy. ....... 39
Hình 4.14 Co ngót thực của bê tơng dùng đá vơi và đá andesite. ............... 40
Hình 4.15 Cường độ kéo của vữa và bê tơng với Dmax khác nhau. ............. 40
Hình 4.16 Quan hệ giữa tổn thất cường độ kéo và số tín hiệu AE trong bê
tơng với các kích thước đá dăm khác nhau ......................................... 41

Footer Page 8 of 145.

v

Header Page 9 of 145.

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thành phần hóa học và tính chất vật lý của các chất kết dính..... 20
Bảng 3.2 Thành phần khống chính của xi măng. ...................................... 20
Bảng 3.3 Các cấp phối bê tông và vữa. ....................................................... 20
Bảng 3.4 Cường độ chịu kéo trực tiếp của vữa........................................... 21
Bảng 3.5 Cường độ chịu kéo trực tiếp của bê tông. .................................... 21
Bảng 4.1 Cấp phối bê tông và vữa. ............................................................. 30

Footer Page 9 of 145.

vi


Header Page 10 of 145.

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AE : Acoustic emission
CKD: Chất kết dính
CTE: Cofficient of thermal expansion
GGBFS: Ground granulated blast furnace slag
HAC: High alite cement
LWA: Saturated fine lightweight aggregate
N/CKD: Nước/Chất kết dính
NS: Net shrinkage
OPC: Ordinary Portland cement
SP: Super plasticize

Footer Page 10 of 145.

vii


Header Page 11 of 145.

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Thơng tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu nguyên nhân và đề xuất giải pháp nâng cao
khả năng chống nứt ở tuổi sớm trong bê tông xỉ khối lớn
- Mã số: Đ2015-02-128
- Chủ nhiệm: TS. Huỳnh Phương Nam
- Thành viên tham gia: ThS. Đỗ Thị Phượng, KS. Nguyễn Văn Quang
- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
- Thời gian thực hiện: 12 tháng (từ 1/10/2015 đến 30/9/2016)
2. Mục tiêu:
- Đề xuất phương pháp phân tích sự nứt trong bê tơng ở tuổi sớm
- Phân tích được nguyên nhân gây ra hiện tượng nứt ở tuổi sớm trong
bê tông xỉ khối lớn.
- Đề xuất các biện pháp nâng cao khả năng chống nứt của bê tông xỉ
khối lớn.
3. Tính mới và sáng tạo:
- Áp dụng kỹ thuật sóng âm để xác định sự xuất hiện và phát triển
của vết nứt trong bê tông ở tuổi sớm (bê tơng chưa đóng rắn) bằng cách đề
xuất một thanh truyền sóng cắm vào hỗn hợp bê tơng.

- Đề xuất phương pháp thí nghiệm cường độ kéo trực tiếp của bê tơng
và vữa
- Kết hợp kỹ thuật sóng âm, thí nghiệm cường độ kéo trực tiếp và và
một số thí nghiệm tính chất cơ lý khác để phân tích các nguyên nhân gây
nứt trong bê tông khối lớn ở tuổi sớm.

Footer Page 11 of 145.

viii


Header Page 12 of 145.

4. Tóm tắt kết quả nghiên cứu:
- Đề xuất giải pháp cho việc ứng dụng sóng âm để phân tích vết nứt
trong bê tơng ở tuổi sớm, trong đó bao gồm việc xử lý nhiễu trong q trình
đo;
- Đề xuất phương pháp thí nghiệm đo cường độ kéo trực tiếp của bê
tông và vữa, kết quả được kiểm chứng với cường độ kéo khi ép chẻ cho
thấy phương pháp này có độ tin cậy cao;
- Phân tích nguyên nhân gây nứt và đề xuất các giải pháp hạn chế nứt
trong bê tông xỉ khối lớn ở tuổi sớm.

5. Tên sản phẩm:
- Báo cáo phân tích nguyên nhân gây nứt và biện pháp hạn chế nứt
trong bê tông xỉ khối lớn.
- 02 bài báo trên kỷ yếu hội thảo quốc tế
- 01 bài báo trên kỷ yếu hội thảo quốc gia
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng
áp dụng:

Kết quả nghiên cứu có thể được chuyển giao cho đơn vị thiết kế, thi
cơng, giám sát để có giải pháp hợp lý giảm thiểu hiện tượng nứt trong bê
tông xỉ khối lớn.

Cơ quan Chủ trì

Đà Nẵng, ngày 16 tháng 09 năm 2016
Chủ nhiệm đề tài

TS. Huỳnh Phương Nam

Footer Page 12 of 145.

ix


Header Page 13 of 145.

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information:
Project title: Improvement of crack resistance of massive concrete
using slag in early ages - factors and solutions
Code number: Đ2015-02-128
Project Leader: Dr. Huynh Phuong Nam
Coordinators: MSc. Do Thi Phuong, Eng. Nguyen Van Quang
Implementing institution: The University of Danang - University of
Science and Technology
Duration: from October 1st, 2015 to September 30th, 2016
2. Objectives:

- Propose a method to determine microcracking in concrete at early
ages;
- Analyze the factors affecting on microcracking of massive slag
concrete in early ages;
- Propose the solutions to improve microcracking resistance ability of
massive slag concrete.
3. Creativeness and innovativeness:
- Application of acoustic emission (AE) technique to detect damage
in concrete at early ages by using a waveguide embedded into concrete;
- Propose a method to measure direct tensile strength of concrete and
mortar;
- Analyze the factors influencing microcracking in massive concrete

Footer Page 13 of 145.

x


Header Page 14 of 145.
at early ages by combining AE technique, direct tensile strength and other
physical and mechanical properties.
4. Research results:
- Apply technique to detect damage in concrete at early ages,
including the elimination of noise during the test;
- Propose a method to measure direct tensile strength of concrete and
mortar that confirmed by splitting tensile strength;
- Analyze the factors influencing microcracking in massive concrete
at early ages and propose the solutions to improve microcracking resistance
ability of massive slag concrete.
5. Products:

- Report on analyzing of factors affecting microcracking and propose
the solutions to improve microcracking resistance ability of massive slag
concrete.
- 02 papers in the proceedings of international conference
- 01 paper in the proceedings of national conference
6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:
The research results can be transferred to consulting company, executing
company to apply for massive slag concrete structures.

Footer Page 14 of 145.

xi


Header Page 15 of 145.

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Xỉ lò cao (blast furnace slag) là phế phẩm trong quá trình sản xuất gang
thép với khoảng 300 kg xỉ được thải ra trên mỗi tấn gang và khoảng 130 kg
trên mỗi tấn thép. Về mặt hóa học, xỉ là một hỗn hợp gồm vơi, silic ơ xít và
nhơm ơ xít - những ơ xít giống như thành phần hóa học chính của xi măng
pooclăng nhưng khác về tỷ lệ [1]. Việc sử dụng riêng biệt xi măng pooclăng và
xỉ có được 2 thuận lợi chính: có thể tối ưu hóa độ mịn của mỗi loại vật liệu và
thành phần phối liệu có thể được điều chỉnh một cách linh hoạt tùy vào từng
yêu cầu cụ thể. Sản phẩm chủ yếu trong q trình thủy hóa xỉ cũng tương tự
như sản phẩm trong q trình thủy hóa xi măng pooclăng - calcium-silicate
hydrate (CSH) - thành phần chính tạo ra cường độ cho đá xi măng.
Sản xuất xi măng xỉ có thể tiết kiệm tài nguyên và năng lượng dẫn đến
giảm tải ô nhiễm mơi trường vì xi măng xỉ được sản xuất đơn giản bằng cách

trộn xi măng pooclăng thông thường với xỉ dưới dạng bột. Lượng khí CO2 thải
ra của xi măng chứa 45% xỉ là 412 kg/tấn trong khi xi măng pooclăng thông
thường là 730 kg/tấn. Như vậy giảm được 44% khí CO2 khi dùng xi măng xỉ
thay bằng dùng xi măng pooclăng thơng thường vì cần ít lượng đá vơi nung
hơn.
Xỉ có khả năng cải thiện nhiều tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông.
Wood (1981) đã chứng minh độ lưu động và tính dễ đầm của hỗn hợp bê tông
xỉ tăng lên đáng kể so với bê tông thường [2]. Nghiên cứu của Roy and Idorn
(1982) [3] cho thấy cường độ bê tông xỉ tăng nhanh khi được dưỡng hộ ở nhiệt
độ cao. Ngược lại, khi được dưỡng hộ trong điều kiện thường hoặc nhiệt độ
thấp, cường độ của bê tông xỉ phát triển chậm trong thời gian đầu. Tuy nhiên,
về lâu dài, cường độ nén của bê tơng xỉ có thể vượt trên cường độ nén của bê
tông thường theo nghiên cứu của viện bê tơng Hoa Kì (ACI) [4]. Cũng theo
ACI, khả năng chống ăn mòn sulfate và hạn chế phản ứng kiềm - cốt liệu của
bê tông xỉ tăng lên đáng kể. Tuy nhiên, từ biến và độ co ngót của bê tơng xỉ
cao hơn bê tông thường.
Với nhiều ưu điểm như đã nêu, bê tông xỉ hiện nay đang được sử dụng ở
nhiều nước trên thế giới, điển hình là Nhật Bản, Thái Lan. Việc sử dụng bê
tông xỉ cũng đem lại lợi ích to lớn về mơi trường do tận dụng được nguồn vật
liệu phế phẩm. Ở Việt Nam, xỉ lò cao cũng đang được nghiên cứu để làm vật
liệu thay thế một phần xi măng khi được nghiền mịn trong bê tông xi măng [5]

Footer Page 15 of 145.

1


Header Page 16 of 145.

hay một phần cốt liệu trong bê tông nhựa [6]. Tuy nhiên, thời gian gần đây,

một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng các vết nứt nhỏ rất dễ xuất hiện trong bê tông
xỉ ở tuổi sớm ngay khi chưa chịu tải trọng tác dụng do sự biến dạng không
đồng đều của các thành phần trong bê tông xỉ dưới sự thay đổi của nhiệt độ [7].
Chính những vết vi nứt này là nguyên nhân gây ra sự xuất hiện các vết nứt lớn
trong bê tông xỉ sau một thời gian sử dụng. Do đó, việc tìm ra nguyên nhân và
đề xuất các giải pháp nâng cao khả năng chống nứt ở bê tông xỉ khối lớn cho
các cơng trình sẽ xây dựng là một nhu cầu hết sức cấp thiết hiện nay.
2. Mục tiêu của đề tài
Trước tiên, nhóm tác giả phát triển kỹ thuật sóng âm để đánh giá vết nứt
trong bê tơng ở tuổi sớm và phương pháp xác định cường độ chịu kéo trực tiếp
của bê tơng; sau đó tìm ra các ngun nhâ n chính gây nứt trong bê tơng xỉ
khối lớn ở tuổi sớm bằng kỹ thuật sóng âm, cường độ chịu kéo trực tiếp của bê
tông kết hợp với các thí nghiệm cơ lý khác.
Trên cơ sở phân tích nguyên nhân gây nứt, nhóm tác giả sẽ đề xuất một số
giải pháp để có thể nâng cao khả năng chống nứt của bê tông xỉ khối lớn ở tuổi
sớm.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là bê tơng xỉ khối lớn.
Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu về vi nứt của bê tơng xỉ với 2 tỷ lệ
nước/chất kết dính (N/CKD) là 0,3 và 0,5 sử dụng 2 loại đá dăm là andesite và
đá vơi ở cấp độ cản trung bình, chưa xét đến cản ở cấp độ lớn.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
4.1 Cách tiếp cận
Nghiên cứu bê tông khối lớn thông qua việc nghiên cứu các mẫu bê tơng
có kích thước nhỏ được mơ phỏng giống như trạng thái làm việc của bê tông
khối lớn bằng buồng biến đổi nhiệt độ.
4.2 Phương pháp nghiên cứu
Nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với
thực nghiệm.
- Nghiên cứu lý thuyết về các đặc tính của bê tơng xỉ, phương pháp thiết

kế cấp phối bê tông.
- Nghiên cứu thực nghiệm mô phỏng quá trình tăng và giảm nhiệt độ
trong bê tơng khối lớn bằng một chế độ gia nhiệt hợp lý trong buồng biến đổi

Footer Page 16 of 145.
2


Header Page 17 of 145.

nhiệt
- Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng kỹ thuật sóng âm (acoustic emission
technique) để phân tích định tính và định lượng các vết nứt phát sinh trong bê
tông tuổi sớm
- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá cường độ chịu kéo trong bê tơng bằng
thí nghiệm kéo trực tiếp.
5. Ý nghĩa của đề tài
- Đề xuất một phương pháp mới (phương pháp sóng âm) xác định và phân
tích vết nứt trong bê tơng ở tuổi sớm.
- Đưa ra cách tiếp cận mới về ảnh hưởng của vật liệu thành phần đến tính
bền vững của cơng trình xây dựng bằng bê tông xi măng. Nếu các đơn vị liên
quan làm tốt khâu lựa chọn vật liệu đầu vào thì bê tơng sẽ bền vững hơn theo
thời gian, từ đó nâng cao tuổi thọ của cơng trình và giảm đáng kể chi phí duy
tu bảo dưỡng.
6. Cấu trúc đề tài
Tồn bộ đề tài được trình bày trong 4 chương. Ngồi phần "Mở đầu",
trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu thì nội dung chủ yếu được trình bày
từ Chương 1 đến Chương 4, và Kết luận & kiến nghị.
Những kiến thức liên quan đến đề tài được nghiên cứu trong Chương 1,
"Tổng quan về bê tông xỉ". Các tính chất cơ lý chủ yếu của bê tơng dùng xỉ lị

cao nghiền mịn và tình hình sử dụng bê tông xỉ ở Việt Nam và trên thế giới là
những nội dung chính của chương.
Chương 2, "Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật sóng âm để phân tích vết nứt
trong bê tơng ở tuổi sớm", trình bày về kỹ thuật sóng âm và các ứng dụng của
nó trong đánh giá chất lượng hỗn hợp bê tông và bê tông. Trong chương này,
các tác giả tập trung vào việc phát hiện và loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng đến độ
chính xác của kết quả đo sóng âm trong bê tơng và nghiên cứu áp dụng kỹ
thuật sóng âm cho bê tơng ở tuổi sớm.
Chương 3, "Cường độ kéo trực tiếp của bê tơng", đề xuất một phương
pháp thí nghiệm mới để xác định cường độ kéo của bê tông - cường độ kéo
trực tiếp (hiện nay vẫn chưa ban hành thành tiêu chuẩn). Cường độ kéo trực
tiếp được sử dụng trong nghiên cứu vì nó phản ảnh chính xác hơn trạng thái
làm việc của bê tông khi chịu kéo. Các kết quả cường độ kéo trực tiếp được so
sánh với cường độ kéo khi bị ép chẻ của bê tông (đã được viết thành tiêu
chuẩn) để đánh giá độ tin cậy của phương pháp.

Footer Page 17 of 145.

3


Header Page 18 of 145.

Sử dụng kỹ thuật sóng âm kết hợp với thí nghiệm cường độ kéo trực tiếp
và một số phép đo khác, các nguyên nhân chủ yếu gây nứt cho bê tông xỉ khối
lớn đã được làm rõ trong Chương 4, "Phân tích các nguyên nhân chủ yếu gây
nứt trong bê tông xỉ khối lớn ở tuổi sớm và đề xuất giải pháp hạn chế". Để mô
phỏng q trình nhiệt trong bê tơng khối lớn, một chế độ nhiệt thích hợp được
áp dụng cho mẫu thí nghiệm hình trụ có đường kính 10cm và chiều cao 20cm.
Biến dạng nhiệt của vữa xi măng và bê tơng, kích thước và loại cốt liệu lớn là

những vấn đề được đề cập chính trong chương 4. Trên cơ sở phân tích các
ngun nhân gây nứt chủ yếu, nhóm tác giả đã đề xuất một số giải pháp để hạn
chế hiện tượng nứt trong bê tông xỉ khối lớn.

Footer Page 18 of 145.
4


Header Page 19 of 145.

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XỈ LỊ CAO

1.1 Giới thiệu
Xỉ lị cao (blast furnace slag) là phế phẩm của quá trình sản xuất gang
thép với sản lượng khoảng 300 kg xỉ trên mỗi tấn gang thép. Về mặt hóa học,
xỉ là hỗn hợp của vơi, ô xít silic và ô xít nhôm, những thành phần ô xít tương
tự như xi măng nhưng với một hàm lượng khác [8]. Xỉ lò cao dạng hạt
(granulated blast furnace slag) là vật liệu dạng hạt thủy tinh được tạo ra bằng
cách làm lạnh xỉ lị cao nóng chảy đột ngột trong nước. Xỉ lò cao nghiền mịn
(ground granulated blast furnace slag - xỉ) là xỉ lò cao được nghiền đến độ mịn
thích hợp và là vật liệu có thể thủy hóa [9].
Việc sử dụng xỉ và xi măng pooclăng một cách riêng biệt có hai lợi ích
sau: có thể đạt được độ mịn tối ưu của mỗi loại và tỉ lệ phối trộn có thể điều
chỉnh tùy thuộc vào từng u cầu cụ thể.
Sản phẩm thủy hóa chính của xỉ về cơ bản giống hệt như sản phẩm thủy
hóa của xi măng, calcium-silicate hydrate (CSH) - thành phần chính tạo ra
cường độ cho đá xi măng. Trong quá trình thủy hóa, xỉ tương tác với KOH và
Ca(OH)2 để tạo ra CSH bổ sung. Nói chung, q trình thủy hóa của xỉ khi làm

việc chung với xi măng ở nhiệt độ thường là một phản ứng gồm hai giai đoạn:
trong giai đoạn đầu, xỉ phản ứng chủ yếu với KOH và giai đoạn sau chủ yếu
với Ca(OH)2.
1.2 Ảnh hưởng của xỉ lị cao đến các tính chất của hỗn hợp bê tơng và bê
tơng
1.2.1 Tính cơng tác
1.2.2 Cường độ nén
1.2.3 Mơ đun đàn hồi
1.2.4 Từ biến và co ngót
1.2.5 Nhiệt thủy hóa
1.2.6 Tính thấm
1.2.7 Ăn mịn sunphát
1.2.8 Phản ứng kiềm - cốt liệu (kiềm - silic)
1.3 Tình hình sử dụng xỉ lò cao trên thế giới
Xỉ lò cao (GGBS) được sử dụng như một dạng chất kết dính thủy lực

Footer Page 19 of 145.

5


Header Page 20 of 145.

được phát hiện vào năm 1862 tại Đức. Cũng tại đây, năm 1865, chất kết dính
hỗn hợp vôi – xỉ bắt đầu được sản xuất và đưa vào kinh doanh. Năm 1880, lần
đầu tiên xỉ được sử dụng làm phụ gia khoáng trong xi măng.
Ở Châu Âu, xỉ đã được đưa vào sử dụng trong xây dựng khoảng trên 100
năm. Ở Tây Âu, lượng xỉ chiếm khoảng 20% tổng lượng xi măng được tiêu
thụ. Giữa năm 1955 và 1995, khoảng 1,1 tỉ tấn xi măng được sản xuất tại Đức,
trong đó khoảng 150 triệu tấn xỉ lò cao (Geiseler, 1995). Ở Hà Lan, lượng xỉ

chiếm lên tới 60% tổng lượng xi măng tiêu thụ vào năm 2004 [2.6]. Năm 2006,
khoảng 2 triệu tấn xỉ được thải ra ở Anh. Trên 400.000 tấn xỉ cũng được thải ra
ở Ireland vào năm 2008. Tại đây, người ta đã chế tạo bê tông với lượng xỉ thay
thế xi măng lên tới 50%. [14]
Ở Bắc Mỹ, xỉ được sử dụng trong bê tông khoảng 50 năm trở lại đây
(Yazdani, 2002). Tại New York, bê tông xỉ được xây dựng trung tâm thương
mại thế thới World Trade Centre, chiếm khoảng 40% xỉ. Vỉa hè sân bay
Minneapolis được xây dựng bởi bê tông chứa 35% xỉ. Một dự án khác là bể cá
lớn nhất thế giới Georgia Aquarium ở Atlanta được xây dựng bởi bê tơng có
20-70% xỉ. Nhà ga sân bay Terminal Expansion sử dụng bê tông chứa hàm
lượng xỉ 30%. The Air Train nối sân bay quốc tế New York cùng với Long
Island Rail Road cũng sử dụng bê tông xỉ với hàm lượng xỉ từ 20-30% [13]
Ở Nam Phi, người ta đã thay thế 50% xỉ trong xi măng. Năm 1951, người
ta đã sử dụng xi măng xỉ để xây dựng đập Bort-les-Orgues với 660.000 m3 bê
tông [9].
Ở các nước Đông Nam Á, Trung Quốc và Hồng Kông, xỉ được sử dụng
chế tạo bê tông trong khoảng năm 1990. Tại Trung Quốc, ước tính tổng sản
lượng xỉ thải ra khoảng 100 triệu tấn năm 2007 (Chen, 2006). Tại đây, xỉ được
sử dụng rộng rãi trong các dự án xây dựng lớn như đầm Three Gorger,
đường sắt cao tốc Bắc Kinh – Thượng Hải, cầu băng qua vịnh Hàng Châu.
Lượng xỉ dùng thay thế xi măng trong bê tông khoảng 40% (tạp chí xi măng
Trung quốc, 2009). Ở Hồng Kơng, xỉ được sử dụng làm bê tông xây dựng cầu
Thanh Mã, với tuổi thọ là 120 năm. Trong bê tông này, xỉ được thay thế từ
59-65%, với tỷ lệ nước/(xi măng+xỉ+silica fume) khoảng 0,39 [13].
Xỉ lò cao được ứng dụng nhiều nhất tại Nhật Bản và Trung Quốc. Tại
Nhật, từ những năm đầu thế kỷ 20 công nghệ luyện thép hiện đại bất đầu phát
triển. Sản lượng xỉ gang, thép hàng năm tại Nhật đạt khoảng 24 triệu tấn, trong
đó sử dụng cho ngành xi măng trong nước khoảng 10 triệu tấn, xuất khẩu sang

Footer Page 20 of 145.

6


Header Page 21 of 145.

12 nước khoảng 4 triệu tấn. Lượng xi măng xỉ chiếm khoảng 5% tổng lượng xi
măng tiêu thụ ở trước những năm 70, tăng từ từ vào những năm 80, và đạt
khoảng 25% vào những năm 2000, lượng tiêu thụ xi măng xỉ của Nhật năm
2004 khoảng 15 triệu tấn [17]. Sự kết hợp của xỉ lị cao, xi măng, silica fume
chế tạo bê tơng cường độ cao ứng dụng xây dựng trung tâm Scotia Plaza,
Tonronto và tháp Society, Cleveland, Ohio [9]. Theo [9], xỉ lò cao còn kết hợp
với tro bay và xi măng chế tạo bê tông khối lớn, ứng dụng xây dựng các cơng
trình hầm.
Xỉ lị cao cịn được sử dụng chế tạo bê tông nhẹ, tự lèn [19]. Với hàm
lượng xỉ thay thế 30% (so với xi măng), đã chế tạo được bê tơng có cường độ
khoảng từ 50MPa đến 55MPa.
1.4 Tình hình nghiên cứu và sử dụng xỉ lị cao ở Việt Nam
Từ năm 1985, TISCO đã triển khai sản xuất xỉ hạt hóa dựa trên phương
pháp làm lạnh đột ngột bằng nước từ nhiệt độ 1400 oC - 1500oC xuống mức
30oC - 40oC. Hàng năm TISCO tiêu thụ đến 90% lượng xỉ sản xuất ra, phần
lớn dùng làm phụ gia cho xi măng, vật liệu xây dựng, vật liệu cách âm, vật liệu
cách nhiệt…, trong đó tới 60% dùng làm phụ gia cho xi măng.
Viện Vật liệu xây dựng đã nghiên cứu sử dụng xỉ lị cao hạt hóa TISCO
để sản xuất xi măng ít tỏa nhiệt (2004) [22]. Năm 2005, Viện Vật liệu xây
dựng đã phối hợp với công ty Lafarge Việt Nam nghiên cứu sử dụng hai loại xỉ
hạt lò cao Fukuyama và Kurashiki của Nhật làm phụ gia cho sản xuất xi măng
PCB40 tại Việt Nam [23].
Cũng trên cơ sở xỉ lị cao hạt hóa nghiền mịn, silicafume, người ta đã chế
tạo ra bê tông cường độ siêu cao [24]. Bình thường, để chế tạo bê tơng này,

cần sử dụng một lượng lớn xi măng, khoảng 900-1000 kg/m3. Nhưng tác giả
đã chỉ ra tổng hàm lượng xi măng có thể thay thế bằng hỗn hợp xỉ lị cao và
silica fume lên tới 55%, và chế tạo được bê tơng có cường độ nén lên tới hơn
150 MPa.
Sử dụng xỉ lò cao làm tăng khả năng chịu uốn, chịu nén, mô đun đàn hồi
và khả năng chống thấm ion clo của bê tông [27]. Các tác giả đã tập trung
nghiên cứu đặc tính thẩm thấu ion clo và khả năng liên kết ion clo trong cấu
trúc bê tông. Với bê tơng có cường độ nén 45MPa, hàm lượng xỉ lị cao thay
thế xi măng PC50 từ 0-50% thì hệ số khuếch tán ion clo của bê tông giảm dần
và hàm lượng ion clo liên kết trong bê tông tăng tương ứng. Có thể sử dụng xỉ
lị cao thay thế xi măng PC50 với hàm lượng 30- 40% để tăng khả năng chống

Footer Page 21 of 145.

7


Header Page 22 of 145.

thẩm thấu ion clo mà vẫn không ảnh hưởng đến cường độ bê tông thiết kế.
Trong thành phần xỉ thép có nhiều khống chất, trong đó khống chất
chính lại là thành phần của xi măng nên hồn tồn có thể tái chế sử dụng xỉ
thay thế xi măng trong chế tạo bê tơng. Ngồi ra, có thể sử dụng xỉ thép làm
cốt liệu cho bê tông [28]
Với kết quả nghiên cứu trên, quá trình phát triển cường độ từ 28-90 ngày
rất khả quan (tăng 20-30%), cho thấy sự hứa hẹn độ bền của bê tông xỉ. Ưu
việt hơn là bê tơng xỉ ít bị thấm hơn, đặc biệt khi lượng xỉ chiếm 50%.
Như vậy, theo các nghiên cứu trên, phế thải xỉ có thể sử dụng làm phụ gia
khống trong bê tơng, làm cốt liệu cho bê tông. Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ
tập trung vào hướng tìm ra thành phần xỉ hợp lý trong bê tơng, những nghiên

cứu về tính chất của bê tơng xỉ còn hạn chế, chưa đầy đủ và đồng bộ.
1.5 Kết luận chương 1 và mục tiêu của đề tài
Có thể thấy rằng, giống như các nước phát triển trên thế giới, sử dụng bê
tông xỉ sẽ là xu hướng tất yếu của Việt Nam trong tương lai vì bê tơng xỉ vừa
giải quyết tốt vấn đề môi trường, mặt khác, cũng cải thiện đáng kể một số tính
chất cơ lý của hỗn hợp bê tông và bê tông, đặc biệt là khả năng chống ăn mòn
clo nên rất phù hợp cho việc xây dựng các cơng trình chịu ảnh hưởng của
khơng khí biển như Việt Nam. Tuy nhiên, các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, kết
cấu bê tông xỉ khối lớn có khả năng bị nứt cao hơn bê tơng thường, thậm chí
ngay ở tuổi sớm. Điều này làm tuổi thọ của cơng trình bị suy giảm và tốn chi
phí sửa chữa, gia cường.
Chính vì vậy, mục tiêu của đề tài là nghiên cứu một phương pháp để xác
định sự hình thành và phát triển vết nứt trong bê tơng xỉ khối lớn ở tuổi sớm,
đồng thời đánh giá khả năng kháng nứt của bê tông xỉ sát với trạng thái làm
việc thực tế. Từ đó, phân tích các ngun nhân gây nứt ở tuổi sớm và đề xuất
các giải pháp nhằm giảm thiểu hiện tượng nứt trong bê tông xỉ khối lớn.

Footer Page 22 of 145.
8


Header Page 23 of 145.

Chương 2

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SÓNG ÂM ĐỂ NGHIÊN CỨU
VẾT NỨT TRONG BÊ TÔNG KHỐI LỚN Ở TUỔI SỚM

2.1 Kỹ thuật sóng âm (acoustic emission - AE)
2.1.1 Giới thiệu

Hiện nay, việc sử dụng sóng âm (acoustic emission - AE) trở nên phổ biến
trong các thí nghiệm không phá hủy nhằm phát hiện và định vị các khuyết tật
hay hư hỏng bên trong kết cấu hoặc cấu kiện chịu các tác động cơ học. AE có thể
cung cấp thơng tin đầy đủ về sự hình thành và phát triển của các hư hỏng đó theo
thời gian.
AE là một kỹ thuật "thụ động" trong việc xác định vết nứt trong vật liệu; và
đây là điều khác biệt rất cơ bản so với các phương pháp không phá hủy khác.
Trong các kỹ thuật như dùng sóng siêu âm, tia X hay các phương pháp khác,
thông tin thu được bằng cách tạo ra một tác động từ bên ngoài vào trong hoặc
trên vật liệu cần đánh giá. Ngược lại, AE dựa vào chính năng lượng phát ra từ
các vết nứt bên trong đối tượng kiểm tra. Khi có vết nứt xuất hiện bên trong vật
liệu, chúng sẽ phát ra âm thanh dưới dạng sóng âm. Các sóng này sẽ truyền đi
trong môi trường liên tục đến bề mặt vật liệu và được ghi nhận bởi các cảm biến
(Hình 2.1). Bằng việc phân tích các tham số của sóng như biên độ, tần số, năng
lượng sóng..., chúng ta có thể hiểu được các đặc tính của vết nứt.

Hình 2.1 Nguồn AE và q trình thu nhận sóng.
Nguồn: , truy cập vào 6/8/2016
2.1.2 Thuật ngữ và định nghĩa
Một hệ thống AE điển hình được mơ tả trên Hình 2.2. Các thuật ngữ
và định nghĩa của chúng được thu thập từ Physical Acoustic Corporation

Footer Page 23 of 145.

9


Header Page 24 of 145.

(PAC) [29]. Các định nghĩa chính của một tín hiệu sóng âm được thể hiện trên

Hình 2.3 [30].

Hình 2.2 Hệ thống AE điển hình.
Nguồn: , truy cập vào 6/8/2016

Hình 2.3 Định nghĩa các tham số của một tín hiệu sóng AE [30].
2.1.3 Ứng dụng kỹ thuật AE trong nghiên cứu bê tông
(1) AE cho bê tông ở tuổi sớm
Bằng cách gắn cảm biến AE trực tiếp vào thùng trộn, nhóm nghiên cứu
của Ohtsu (1995) có thể ước lượng một cách nhanh chóng độ chặt của hỗn hợp

Footer Page 24 of 145.
10


Header Page 25 of 145.

bê tông dựa vào năng lượng AE thu được [31].
AE còn được sử dụng để ước lượng một cách đơn giản mức độ đầm chặt
của bê tơng bởi nhóm nghiên cứu của Kunisue (2002) [31].
(2) AE cho bê tơng đã đóng rắn
Cho đến nay, phần lớn kỹ thuật AE được áp dụng cho bê tông đã đóng rắn.
Nguồn AE của bê tơng đã cứng rắn thơng thường là vết nứt gây ra bởi hư hỏng
nội tại, sự thay đổi nhiệt độ hay ngoại lực tác dụng.
Dựa trên sự khác nhau về thời gian đến của sóng, AE được ứng dụng để
xác định vị trí của vết nứt trong kết cấu bê tông theo một chiều (Heam and
Shield, 1997), hai chiều hoặc ba chiều (Ohtsu, 1995). Nguồn gây sóng AE
được định vị trong dầm bê tơng trong thí nghiệm của Ohtsu (1995) được thể
hiện trên Hình 2.5 [33].
2.1.4 Sự tắt dần của sóng AE

Khi sóng âm truyền qua vật liệu, biên độ của nó sẽ giảm dần. Hiện tượng
này được gọi là sự tắt dần và được minh họa (trong trường hợp tấm thép) trên
Hình 2.6 [35]. Khoảng cách từ nguồn AE càng xa thì biên độ tín hiệu thu được
càng nhỏ.
Nhóm nghiên cứu Aggelis (2005) [36] báo cáo rằng sự tắt dần của sóng
AE tăng khi tần số của sóng tăng. Landis (2008) [37] lưu ý độ ẩm có ảnh
hưởng đến sự tắt dần. Do đó, có thể dự đốn rằng sự tắt dần của sóng âm sẽ
tăng khi bê tơng có tỉ lệ N/CKD cao.
Có thể thấy rằng, kỹ thuật sóng âm được sử dụng rất nhiều trong việc
đánh giá trạng thái của hỗn hợp bê tơng cũng như bê tơng đã đóng rắn. Tuy
nhiên, việc ứng dụng AE để nghiên cứu vết nứt trong bê tơng ở tuổi sớm là rất
khó khăn vì trong giai đoạn này, bê tơng chưa đóng rắn nên khơng thể gắn trực
tiếp cảm biến lên bề mặt của bê tông. Chương này tập trung nghiên cứu
phương pháp ứng dụng AE để khảo sát các vết nứt xuất hiện trong bê tơng
khối lớn ở tuổi sớm.
2.2 Thiết kế thí nghiệm
2.2.1 Chế độ dưỡng hộ nhiệt
Tất cả các mẫu thử đều có hình trụ đường kính 100mm và chiều cao
200mm. Để mô phỏng chế độ nhiệt thực tế phát sinh trong bê tông khối lớn,
các mẫu bê tông nhỏ này ngay sau khi được chế tạo xong được bọc kín, đặt
vào buồng điều nhiệt và chịu một quy trình dưỡng hộ nhiệt như sau: trong 2

Footer Page 25 of 145.
11