Nghiên cứu bê tông cường độ cao mác lớn hơn 800 có tính dẻo cao để phục vụ các công trình đặc biệt chịu tải trọng lớn

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------

LÊ VĂN HẢI CHÂU

ĐỀ TÀI :

NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO
MÁC LỚN HƠN 800 - CÓ TÍNH DẺO CAO ĐỂ PHỤC VỤ
CÁC CÔNG TRÌNH ĐẶC BIỆT CHỊU TẢI TRỌNG LỚN

Chuyên ngành: VẬT LIỆU VÀ CẤU KIỆN XÂY DỰNG
Mã số ngành : 2.15.06

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2004


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
BỘ MÔN VẬT LIỆU XÂY DỰNG – KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH
Cán bộ chấm nhận xét 1

:

Cán bộ chấm nhận xét 2

:

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA.
Ngày

tháng

năm 2004


Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------- --------------------------NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: LÊ VĂN HẢI CHÂU
Ngày, tháng, năm sinh: 01/10/1968

Phái : Nam
Nơi sinh: Thừa Thiên-HUẾ

Chuyên ngành: VẬT LIỆU VÀ CẤU KIỆN XÂY DỰNG Mã số: 2.15.06
I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO MÁC LỚN HƠN 800 CÓ TÍNH
DẺO CAO ĐỂ PHỤC VỤ CÁC CÔNG TRÌNH ĐẶC BIỆT CHỊU TẢI
TRỌNG LỚN
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Xác định loại đá thích hợp để chế tạo bê tông cường độ cao mác lớn hơn 800

Dùng phương pháp phân tích hiện đại để khảo sát xác định thành phần khoáng
của đá
2. Nghiên cứu tính chất của hỗn hợp đá dăm thích hợp cho bê tông cường độ cao
3. Vai trò của phụ gia khoáng Silicafume và phụ gia siêu dẻo để nâng cao cường
độ đá xi măng, tăng cường liên kết ở vùng truyền bề mặt của cốt liệu và đá xi
măng (dùng phương pháp phân tích hiện đại)
4. Nghiên cứu vùng truyền bề mặt của cốt liệu và đá xi măng ảnh hưởng đến
tính chất phát triển cường độ của bê tông cường độ cao (dùng phương pháp
phân tích hiện đại)
5. Thiết kế thành phần nguyên vật liệu của hỗn hợp bê tông và nghiên cứu mối
quan hệ giữa các thành phần đến các tính chất của bê tông cường độ cao mác
lớn hơn 800 (dùng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và các phương pháp
tính toán cấp phối)
6. Thực nghiệm các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông cường độ cao mác
lớn hơn 800.


III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
: 09/02/2004
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU Ï:
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BM QUẢN LÝ NGÀNH

TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH PGS.TS PHAN XUÂN HOÀNG TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông

qua.
Ngày tháng
năm 2004
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi chân thành cảm ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn - TS.
Nguyễn Văn Chánh, người đã đưa ra những gợi ý hình thành ý tưởng của đề tài
và hướng dẫn tôi thực hiện hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết
ơn chân thành đến quý Thầy - Cô đã cống hiến nhiều thời gian, công sức, tâm
huyết và sự tận tình để truyền đạt những kiến thức rất bổ ích và cần thiết trong
suốt quá trình học tập.

Tôi ghi nhận sự quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của các Thầy
- Cô trong Bộ môn Vật liệu xây dựng, Phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng,
Phòng thí nghiệm thạch học thuộc viện dầu khí Việt nam, Phòng thí nghiệm
chuyên sâu trường đại học Cần thơ để tôi hoàn thành các nghiên cứu thực
nghiệm.

Cuối cùng tôi xin cám ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã giúp đỡ,
động viên để tôi có thêm nghị lực hoàn thành luận văn thạc só này.
Tháng 12 năm 2004
Tác giả


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tên đề tài:
Nghiên cứu bê tông cường độ cao mác lớn hơn 800 có tính dẻo cao để

phục vụ các công trình đặc biệt chịu tải trọng lớn.
1.Tính cấp thiết của đề tài
Có rất loại vật liệu dùng trong ngành xây dựng hiện đại, nhưng không có
vật liệu nào vượt qua bê tông về sức chịu lực, giá trị và tính đa dạng của nó. Bê
tông là loại vật liệu đã được sử dụng rất phổ biến và cũng sẽ là loại vật liệu
không thể thiếu được trong giai đọan sắp đến. Vì thế xu hướng trên thế giới và ở
Việt nam là ngày càng nâng cao chất lượng của bê tông mà đặc biệt là về chỉ
tiêu cường độ để nâng cao chất lượng công trình xây dựng. Do đó, nghiên cứu
chế tạo một loại bê tông có tính ưu việt hơn bê tông thông thường là cần thiết và
cấp bách trong giai đọan hiện nay.
2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu bê tông mác lớn hơn 800 và hỗn hợp bê tông có tính dẻo phù
hợp điều kiện chế tạo và thi công tại Việt nam
3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở tài liệu đã tổng quan được.
Thực nghiệm theo các phương pháp tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn.
4. Những đóng góp của luận văn
- Tổng quan được tình hình nghiên cứu bê tông cường độ cao trên thế giới
và trong nước.
- Nghiên cứu lọai cốt liệu và phương pháp thiết kế cấp phối hạt cốt liệu sử
dụng cho bê tông cường độ cao.
- Nghiên cứu thiết kế cấp phối bê tông cường độ cao theo phương pháp
quy hoạch thực nghiệm.


- Nghiên cứu cấu trúc của bê tông cường độ cao có sử dụng phụ gia
khóang họat tính và phụ gia siêu dẻo theo phương pháp cấu trúc hiện đại.
- Nêu được các yêu cầu kỹ thuật nguyên vật liệu, quy trình kỹ thuật, các
tính chất của BTCĐC mác lớn hơn 800 có tính dẻo cao để đưa vào áp dụng cho
các công trình đặc biệt chịu tải trọng và độ bền vững cao.

5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn bao gồm phần mở đầu, 5 chương, phần kết luận và tài liệu tham khảo,
gồm 124 trang thuyết minh, 38 hình vẽ, 53 bảng biểu và 11 hình chụp.


Luận văn tốt nghiệp Cao học

1

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn
Tóm tắt luận án
Mục lục

1

Mở đầu

8

Chương 1 Tổng quan tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ cao

10

1.1 Một số đặc tính được cải tiến của bê tông cường độ cao

10

1.2 Tình hình nghiên cứu bê tông cường độ cao trên thế giới

11

1.3 Tình hình nghiên cứu bê tông cường độ cao tại Việt nam

18

1.4 Một số công trình ứng dụng bê tông cường độ cao

24

1.5 Kết luận

26

1.6 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

27

1.7 Nhiệm vụ nghiên cứu

27

1.8 Ý nghóa khoa học và thực tiễn của đề tài

27

Chương 2 Cơ sở khoa học liên quan của đề tài nghiên cứu

29

2.1 Lý thuyết vùng truyền bề mặt giữa cốt liệu và nền đá xi măng của bê tông
cường độ cao

29

2.2 Các biện pháp chủ yếu nâng cao cường độ bê tông

34

2.3 Vai trò và yêu cầu của nguyên vật liệu thành phần

36

2.4 Phương pháp nghiên cứu

41

2.5 Kết luận

58

Chương 3 Nghiên cứu tính chất kỹ thuật của nguyên vật liệu và thiết kế cấp phối cở
hạt cát – đá dùng để chế tạo bê tông cường độ cao

59

3.1 Nghiên cứu tính chất kỹ thuật của nguyên vật liệu sử dụng để chế tạo bê tông

cường độ cao

59

3.2 Thiết kế cấp phối cỡ hạt của cát và đá dăm dùng cho bê tông cường độ cao 66
3.3 Kết luận

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

75

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

2

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

Chương 4 Thiết kế cấp phối bê tông cường độ cao và tối ưu hóa bằng phương pháp
quy hoạch thực nghiệm

76

4.1 Thiết kế bê tông cường độ cao theo phương pháp ACI 211-91

76

4.2 Thiết kế cấp phối bê tông cường độ cao theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm

79
4.3 Kết quả thực nghiệm

82

4.4 Kết luận

100

Chương 5 Nghiên cứu cấu trúc và tính chất kỹ thuật của bê tông cường độ cao 101
5.1 Đặt vấn đề

101

5.2 Tính chất của nguyên vật liệu sử dụng

101

5.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên vật liệu thành phần đến tính dẻo của hỗn hợp
bê tông cường độ cao

103

5.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên vật liệu thành phần đến cường độ của bê
tông cường độ cao

109

5.5. Nghiên cứu sự hình thành cấu trúc của bê tông cường độ cao

115

5.6 Kết luận

118

Kết luận của đề tài

120

Kiến nghị

121

Tài liệu tham khảo

122

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Cấp phối thành phần của bê tông cường độä cao ở Pháp

12

Bảng 1.2 Cấp phối thành phần của bê tông cường độä cao ở Mỹ

12

Bảng 1.3 So sánh hiệu quả tiết kiệm cốt thép trong cấu kiện khi sử dụng bê tông
cường độ cao

17

Bảng 1.4 Hiệu quả kinh tế khi sử dụng bê tông cường độ cao

17

Bảng 1.5 Mối quan hệ giữa Rn/ Rx và N/X

18

Bảng 1.6 So sánh cường độ chịu nén của bê tông sử dụng tro trấu và silicafume

20

Bảng 1.7 Thành phần nguyên vật liệu cho bê tông mác 600 và 800

22

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

3

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

Bảng 1.8 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông mác 600 và 800

23

Bảng 1.9 Một số cầu lớn trên thế giới đã dùng bê tông cường độ cao

24

Bảng 2.1 Độ sụt đề nghị cho một số lọai công trình

43

Bảng 1.2 Lượng nước trộn sơ bộ tương ứng với độ sụt và kích thước cở hạt lớn nhất
của đá dăm

45

Bảng 2.3 Mối quan hệ giữa tỉ lệ N/X hoặc CKD/X với cường độ nén của bê tông 47
Bảng 2.4 Thể tích của đá dăm ứng với mỗi đơn vị thể tích bê tông theo kích thước cở
hạt lớn nhất của đá dăm và mô đun độ lớn của cát

49

Bảng 2.5 Khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông ứng với kích thước cở hạt lớn nhất
của đá dăm

51

Bảng 2.6 Ma trận thực nghiệm yếu tố toàn phần

56

Bảng 2.7 Ma trận quy hoạch trực giao cấp 2, ba yếu tố

57

Bảng 3.1 Tính chất vật lý của cát

59

Bảng 3.2 Thành phần hạt của cát

60

Bảng 3.3 Thành phần khóang vật của đá

61

Bảng 3.2 Tính chất vật lý của đá

62

Bảng 3.5 Thành phần hạt của đá

62

Bảng 3.6 Các chỉ tiêu của xi măng

63

Bảng 3.7 Thành phần hóa học của phụ gia silicafume

64

Bảng 3.8 Cấp phối cỡ hạt của cát, đá dăm và thành phần hạt theo yêu cầu

68

Bảng 3.9 Thành phần hạt của cát và đá dăm theo phương pháp đồ thị

70

Bảng 3.10 Phần trăm lọt sàng của cát và đá dăm

72

Bảng 3.11 Xác định thành phần cở hạt của cát và đá dăm

72

Bảng 3.12 Thành phần hạt của cát và đá dăm theo phương pháp số học

73

Bảng 3.13 Thành phần cở hạt của cát và đá dăm cho bê tông cường độ cao

74

Bảng 4.1 Cấp phối sơ bộ thiết kế theo ACI 211-91

78

Bảng 4.2 Mã hóa các giá trị thí nghiệm

79

Bảng 4.3 Kế hoạch thí nghiệm

80

Bảng 4.4 Ma trận thành phần bê tông thực nghiệm

81

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

4

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén bê tông 3 ngày tuổi

82

Bảng 4.6 Ma trận kết quả thí nghiệm cường độ bê tông ở 3 ngày tuổi

84

Bảng 4.7 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén bê tông 7 ngày tuổi

88

Bảng 4.8 Ma trận kết quả thí nghiệm cường độ bê tông ở 7 ngày tuổi

90

Bảng 4.9 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén bê tông 28 ngày tuổi

94

Bảng 4.10 Ma trận kết quả thí nghiệm cường độ bê tông ở 28 ngày tuổi

96

Bảng 4.11 Thành phần nguyên vật liệu cho 1m3 bê tông cường độ cao

100

Bảng 5.1 Thành phần cấp phối của mẫu thí nghiệm nghiên cứu tính dẻo và cường độ
chịu nén của bê tông cường độ cao

102

Bảng 5.2 Kết quả thí nghiệm độ sụt của các cấp phối bê tông cường độ cao

103

Bảng 5.3 Kết quả thí nghiệm độ sụt của BTCĐC khi thay đổi tỉ lệ N/CKD103
Bảng 5.4 Kết quả thí nghiệm độ sụt của BTCĐC khi thay lượng xi

105

Bảng 5.5 Kết quả thí nghiệm độ sụt của BTCĐC khi thay đổi hàm lượng SF

106

Bảng 5.6 Kết quả thí nghiệm độ sụt của BTCĐC khi thay đổi hàm lượng SP

107

Bảng 5.7 Tính công tác và khối lượng thể tích của bê tông

108

Bảng 5.8 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của các cấp phối BTCĐC

109

Bảng 5.9 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của BTCĐC khi thay đổi tỉ lệ
N/CKD

109

Bảng 5.10 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của BTCĐC khi thay đổi lượng xi
măng

110

Bảng 5.11 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của BTCĐC khi thay đổi hàm lượng
SF

111

Bảng 5.12 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của BTCĐC khi thay đổi hàm
lượng SP

112

Bảng 5.13 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông ở các ngày tuổi 113

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

5

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Các đặc tính cơ học của bê tông cường độ cao

11

Hình 1.2 nh hưởng kích thước cở hạt lớn nhất của đá dăm đến cường độ chịu nén
của bê tông

13

Hình 1.3 nh hưởng của tỉ lệ N/CKD đến cường độ chịu nén của bê tông 14
Hình 1.4 Mối quan hệ giữa cường độ chịu kéo và chịu nén của bê tông

15

Hình 1.5 So sánh hiệu quả của cấu kiện khi sử dụng bê tông cường độ cao

16

Hình 1.6a Tòa nhà Wacker Drive áp dụng BTCĐC

25

Hình 1.6b Tòa tháp đôi Petronas áp dụng BTCĐC

25

Hình 1.6c Cầu Akashi Kaikyo áp dụng BTCĐC

25

Hình 2.1 Mô hình cốt liệu trong vật liệu nền đá xi măng

30

Hình 2.2 Cơ chế truyền lực 3 chiều khi bê tông chịu nén

32

Hình 2.3 Giản đồ đường cong ứng suất biến dạng của mẫu bê tông lập phương trong
thí nghiệm nén một trục. Đường cong được chia làm hai vùng trước và sau đỉnh

32

Hình 2.4 Cơ chế giải thích sự phá hủy liên kết

33

Hình 2.5 Các dạng vết nứt của bê tông

34

Hình 2.6 Sơ đồ các biện pháp nâng cao cường độ của bê tông

35

Hình 3.1 Biểu đồ thành phần hạt của cát

60

Hình 3.2 Cấu trúc bên trong của đá

61

Hình 3.3 Biểu đồ thành phần hạt của đá

63

Hình 3.4 Phương pháp đồ thị dùng để kết hợp cát và đá dăm

68

Hình 3.5 Biểu đồ cấp phối cỡ hạt của cát, đá dăm cho bê tông cường độ cao

74

Hình 4.1 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ chịu nén 3 ngày với tỉ lệ C/C+Đ và tỉ lệ
N/CKD

85

Hình 4.2 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ nén 3 ngày với hàm lượng SF và tỉ lệ
N/CKD

86

Hình 4.3 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ nén 3 ngày với tỉ lệ C/C+Đ và tỉ lệ N/CKD
87

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

6

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

Hình 4.4 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ nén 3 ngày với hàm lượng SF và tỉ lệ
N/CKD

87

Hình 4.5 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ chịu nén 7 ngày với tỉ lệ C/C+Đ và tỉ lệ
N/CKD

91

Hình 4.6 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ nén 7 ngày với hàm lượng SF và tỉ lệ
N/CKD

92

Hình 4.7 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ nén 7 ngày với tỉ lệ C/C+Đ và N/CKD 93
Hình 4.8 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ nén 7 ngày với hàm lượng SF và tỉ lệ
N/CKD

93

Hình 4.9 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ chịu nén 28 ngày với tỉ lệ C/C+Đ và tỉ lệ
N/CKD

97

Hình 4.10 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ chịu nén 28 ngày với hàm lượng SF và tỉ
lệ N/CKD

98

Hình 4.11 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ chịu nén 28 ngày với tỉ lệ C/C+Đ và tỉ lệ
N/CKD

99

Hình 4.12 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ chịu nén 28 ngày với hàm lượng SF và tỉ
lệ N/CKD

99

Hình 5.1 nh hûng của tỉ lệ N/CKD đến độ sụt của hỗn hợp BTCĐC

104

Hình 5.2 nh hûng của lượng xi măng đến độ sụt của hỗn hợp BTCĐC

105

Hình 5.3 nh hûng của hàm lượng SF đến độ sụt của hỗn hợp BTCĐC

106

Hình 5.4 nh hûng của hàm lượng SP đến độ sụt của hỗn hợp BTCĐC

107

Hình 5.5 Tổn thất độ sụt theo thời gian

108

Hình 5.6 nh hûng của tỉ lệ N/CKD đến cường độ chịu nén của BTCĐC

110

Hình 5.7 nh hûng của lượng xi măng đến cường độ chịu nén của BTCĐC

111

Hình 5.8 nh hûng của hàm lượng SF đến cường độ chịu nén của BTCĐC

112

Hình 5.9 nh hûng của hàm lượng SP đến cường độ chịu nén của BTCĐC

113

Hình 5.10 Sự phát triển cường độ bê tông theo thời gian

114

Hình 5.11 Bề mặt của mẫu bê tông trên kính hiển vi điện tử phân cực

115

Hình 5.12 Cấu trúc bên trong của bê tông

117

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

7

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

CÁC KÝ HIỆU
ASTM

: American Society of Testing and Material

ACI

: The American concrete Institute

BTCĐC

: Bê tông cường độ cao

C

: Cát

CKD

: Chất kết dính

Đ

: Đá

E

: Mô đun đàn hồi

Gc

: Mô đun chống cắt

Mđl

: Mô đun độ lớn

MKN

: Mất khi nung

N

: Nước

Pu

: Puzơlăng (pozzolan)

QHTN

: Quy hoạch thực nghiệm

Rn

: Cường độ chịu nén của bê tông

Rx

: Cường độ chịu nén của xi măng

Rk

: Cường độ chịu kéo của bê tông

SF

: Silicafume

SP

: Superplasticizer ( phụ gia siêu dẻo)

SN

: Độ sụt

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt nam

TPH

: Thành phần hạt

X

: Xi măng

εt

: Biến dạng dài hạn

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

122

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

DANH MỤC NHỮNG CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CÓ

LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN

1. Lê Văn Hải Châu, Nguyễn Văn Chánh: Thiết kế cấp phối bê tông cường độ
cao mác 600 – 800. Hội nghị khoa học trẻ Bách khoa lần 4. 2003
2. Nguyễn Văn Chánh, Lê Văn Hải Châu, Nguyễn Thị Hoàng Yến:
Superplasticizer and Mineral admixture in concrete. Proceeding of International
symposium on Advanced and Engineering. May-2004, Pukyyong National Univ.
and HCMUT

HVTH: LEÂ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

8

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

MỞ ĐẦU
Bê tông là một loại vật liệu chủ yếu của thế kỷ XX, được chế tạo từ hỗn
hợp vật liệu với sự lựa chọn hợp lý gồm các thành phần: Cốt liệu lớn (đá dăm),
cốt liệu nhỏ (cát), chất kết dính, nước và phụ gia. Cát và đá dăm đóng vai trò bộ
khung chịu lực. Hỗn hợp xi măng và nước (hồ xi măng) là thành phần hoạt tính
trong bê tông, nó bao bọc xung quanh cốt liệu, lấp đầy lỗ rỗng giữa các cốt liệu
và khi hồ xi măng rắn chắc sẽ dính kết cốt liệu thành một khối đá được gọi là bê
tông. Các chất phụ gia rất phong phú, chúng làm tính chất của bê tông trở nên đa
dạng, đáp ứng được các yêu cầu ngày càng phát triển của bê tông và kết cấu bê
tông .

Ngày nay bê tông là một trong những loại vật liệu đang được sử dụng rất
rộng rãi trong xây dựng nhà, xây dựng cầu, đường. Tỷ lệ sử dụng bê tông trong
xây dựng nhà chiếm khoảng 40%, xây dựng cầu đường chiếm khoảng 15%. Bê
tông có những ưu điểm [12]:
- Có cường độ chịu nén cao, modul đàn hồi phù hợp với kết cấu bê tông
cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực.
- Bền nước và ổn định với các tác động của môi trường.
- Công nghệ bê tông ổn định ngày càng phát triển.
- Giá thành của bê tông hợp lý do tận dụng được các nguyên vật liệu địa
phương, vì vậy kết cấu bê tông chiếm 60% kết cấu xây dựng.
Nhược điểm cơ bản của bê tông là có cường độ chịu kéo chưa cao và khối
lượng công trình bê tông cốt thép còn lớn. Cường độ chịu nén của bê tông thường
chỉ đạt tối đa 40MPa.
Con đường phát triển của bê tông là cải tiến cấu trúc, thành phần, cải tiến
công nghệ bằng cách sử dụng phụ gia, các chất hỗ trợ công nghệ (bảo dưỡng, trợ
bơm…) và các phương pháp công nghệ mới để tìm ra các loại bê tông chất lượng
HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

9

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

cao. Bê tông chất lượng cao phải đáp ứng các yêu cầu về cường độ, tính công tác
và tính kinh tế. Những tính chất được cải tiến làm chất lượng bê tông hơn hẳn bê
tông truyền thống (cường độ, biến dạng, dễ đổ …). Những tính chất đặc biệt này

dẫn đến khả năng sáng tạo ra các kết cấu xây dựng và công nghệ xây dựng
mới.[12]
Định nghóa về bê tông cường độ cao (BTCĐC) liên tục thay đổi theo sự
tiến bộ của công nghệ bê tông, đòi hỏi bê tông phải dễ dàng phát triển đến một
cường độ cao hơn ngay cả khi sử dụng phương pháp xây dựng truyền thống.
Những năm 20, bê tông có cường độ cao hơn 21MPa đã được xem là BTCĐC.
Những năm 50 là 35MPa. Đến cuối những năm 70 là 40MPa, và gần đây 60MPa
được xem là các giới hạn tối thiểu của BTCĐC.
Ngày nay kiến thức về loại bê tông này đã cho phép ứng dụng bê tông
chất lượng cao trong công trình lớn, chủ yếu ở 3 lónh vực: Nhà cao tầng, các công
trình biển và công trình giao thông (cầu, đường, hầm). Các đặc tính cơ học mới
của bê tông cường độ cao cho phép người thiết kế sáng tạo ra loại kết cấu mới có
chất lượng cao hơn.

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

10

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

Chương 1

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG
BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO
1.1.

Một số đặc tính được cải tiến của bê tông cường độ cao [12]
Bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén và nhiều tính chất khác được

cải thiện như: Modul đàn hồi cao hơn, cường độ chịu kéo cao, từ biến thấp hơn bê
tông thường.
Cường độ chịu nén là một trong những tính chất quan trọng nhất của bê
tông. Cường độ chịu nén tuổi 28 ngày được dùng như chỉ tiêu để đánh giá chất
lượng của bê tông. Cường độ chịu nén của BTCĐC hiện nay đã sử dụng từ
42MPa đến 138MPa và thường dùng bê tông có cường độ 84MPa. Theo tiêu
chuẩn của Mỹ và Anh, cường độ chịu nén được xác định bằng mẫu tiêu chuẩn
hình trụ tròn 150 x 300mm. Theo tiêu chuẩn Việt nam, cường độ chịu nén được
xác định trên mẫu hình hộp lập phương 150 x 150 x 150mm.
Cường độ chịu kéo khống chế vết nứt của bê tông, đồng thời còn ảnh
hưởng đến một số tính chất khác như: độ cứng, độ bền của bê tông, khả năng
bám dính với cốt thép… Bê tông có cường độ cao thì cường độ chịu kéo cũng cao
hơn từ 30 – 60% tùy theo thành phần BTCĐC, nhưng tốc độ tăng cường độ chịu
kéo chậm hơn cường độ chịu nén. Cường độ chịu kéo có thể được xác định trực
tiếp hoặc gián tiếp (thông qua cường độ chịu kéo bửa (ASTM C496), hoặc kéo
uốn (ASTM C78)).
Các nghiên cứu cũng cho thấy cường độ bê tông tăng thì modul đàn hồi
tăng đáng kể từ 20 – 40% tùy theo thành phần của nó và bản chất loại cốt liệu.
Biến dạng dài hạn cuối cùng giảm đáng kể ( ε t ) chỉ còn khoảng 0,4 – 0,5 biến

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

11

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

dạng theo thời gian của bê tông thường. Tuy nhiên modul chống cắt Gc tăng
không nhiều.
Các tính chất cơ học được cải tiến như vậy dẫn đến khả năng ứng dụng
BTCĐC sẽ ngày càng nhiều. Những ứng dụng chính là các công trình lớn đòi hỏi
cường độ nén cao và các kết cấu bê tông dự ứng lực (cầu, hầm, nhà, cảng lớn).

3.0

Tỉ lệ

2.5

BT thường

2.0

BT CĐC

1.5
1.0
0.5

Chỉ tiêu

0.0

Rn

Rk

E

Gc

εett

Hình 1.1 Các đặc tính cơ học của BTCĐC
1.2. Tình hình nghiên cứu bê tông cường độ cao trên thế giới
BTCĐC đã được nghiên cứu từ những năm 1970 của thế kỷ 20. Điển hình
cho loại BTCĐC được áp dụng cho các công trình ở Pháp, Mỹ, Canada có thể
tham khảo ở bảng 1.1 [12]
Bê tông cường độ cao được gọi tắt là HSC (High Strength concrete) là loại
bê tông có cường độ chịu nén cao, ở tuổi 28 ngày cường độ chịu nén phải lớn hơn
60 MPa với mẫu thử hình trụ có D=15cm, H=30cm. Các quy định cụ thể về cường
độ theo các tiêu chuẩn sau: Sau 4 giờ cường độ nén lớn hơn hoặc bằng
(Rn ≥ ) 2500Psi (17,5 MPa), sau 24 giờ Rn ≥ 5000 Psi (35 MPa) sau 28 ngày

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

12

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

Rn ≥ 8700 Psi (70 MPa). Các mẫu thử dưỡng hộ trong môi trường có độ ẩm ≥
80%. Tỉ lệ N/X phải ≤ 0,35.[22]
Bảng 1.1.Cấp phối thành phần của BTCĐC ở Pháp
Stt

Chỉ tiêu

N0 1

N0 2

1

Nước (kg/m3)

165

122

2

Xi măng loại I (kg/m3)

451

421

3

Tro bay loại C (kg/m3)

-

0

4

Silicafume (kg/m3)

-

42,1

5

Cốt liệu lớn (kg/m3)

1030

1265

6

Cốt liệu nhỏ (kg/m3)

745

652

7

Chất làm chậm

4,5

0

8

Phụ gia siêu dẻo l/m3

11,25

4,21

9

Tỉ lệ N/X

0,37

0,26

10

Rn 28 ngày – MPa

80

70

11

Rn 56 ngày – MPa

85

91,5

Bảng 1.2 Cấp phối thành phần của BTCĐC ở Mỹ
Stt

Chỉ tiêu

N0 1

N0 2

N0 3

N0 4

70MPa

110MPa

80MPa

140MPa

1

Nước (kg/m3)

166

144

148

130

2

Xi măng loại I (kg/m3)

360

564

357

513

3

Tro bay loại C (kg/m3)

150

0

149

4

Silicafume (kg/m3)

0

89

0

43

5

Cốt liệu lớn (kg/m3)

1052

1068

1183

1080

6

Cốt liệu nhỏ (kg/m3)

683

593

604

685

7

Chất làm chậm

1,01

1,47

1,01

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

13

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

8

Phụ gia siêu dẻo l/m3

2,54

20,12

2,55

15,7

9

Tỉ lệ N/X

0,33

0,22

0,29

0,25

10

Rn 28 ngày – MPa

79,5

118

85,8

119

11

Rn 56 ngày – MPa

89,0

121

92,4

125

A.Samad[22] đã thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của kích thước cỡ hạt lớn
nhất của đá dăm đến cường độ chịu nén của bê tông được thực hiện cho hai loại
đá có Dmax = 10 mm (3/8 in) và 25 mm (1 in), với tỉ lệ N/X = 0,32. Các kết quả
cho thấy cường độ chịu nén ứng với loại đá có Dmax =10 mm đều lớn hơn so với
loại đá Dmax=25 mm
Rn(psi)
Đá ximăng
Cường độ chịu nén (psi)

Dmax = 10mm

Dmax = 25mm

Tuổi bê tông ( ngày)
Hình 1.2 nh hưởng kích thước cỡ hạt lớn nhất của
đá dăm đến cường độ chịu nén bê tông[22]

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

14

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

Bên cạnh các khảo sát về kích thước cỡ hạt của đá dăm, tỉ lệ N/X cũng là
yếu tố quan trọng, các nghiên cứu của Smad được thực hiện với nhiều tỉ lệ N/X
khác nhau đồng thời có và không sử dụng phụ gia, ngoài các chất bổ sung như
silica fume, tro bay cũng được đưa vào. Hình 1.3 biểu diễn kết quả cường độ chịu
nén tương ứng với các tỉ lệ N/X. Từ kết quả này cho thấy việc giảm tỉ lệ N/X dẫn
đến tăng cường độ cho bê tông, tuy nhiên nếu sử dụng tỉ lệ N/X thấp và đưa
thêm vào phụ gia siêu dẻo thì sẽ hiệu quả hơn về mặt cường độ và độ lưu động
cho hỗn hợp bê tông. Theo S. Amad việc đưa các chất bổ sung như silica fume
hay tro bay với kích thước hạt rất mịn đã làm giảm kích thước các lỗ rỗng mao
quản bên trong, phân bố vật liệu trở nên đồng nhất và đặc chắc hơn làm cho
cường độ gia tăng đánh kể. Một nghiên cứu khác của Yogenendram chỉ ra rằng

nếu tăng quá nhiều lượng silica sume (SF) thì sẽ ảnh hưởng đến các yếu tố khác,

Cường độ chịu nén (ksi)

lượng SF nên dùng trong khoảng 5-15%.

Bresler, B. and Bertero 1975
Ansari 1987
ACI 363 1984
ACI 363 1987
Ahmad 1985
Ahmad 1979
Carrasquillo 1981
Ahmad 1982
Ahmad 1981

SN=0
Tỉ lệ N/ CKD

Hình 1.3. nh hưởng của tỉ lệ N/CKD đến cường độ chịu nén bê tông[22]
T
ính chất cường độ chịu kéo của bê tông được Cook, Cornenlissen và các tác giả
khác nghiên cứu, do khó khăn về thí nghiệm kéo trực tiếp cho nên các dữ liệu về
cường độ chịu kéo trực tiếp chỉ có được cho đến loại bê tông có cường độ 55MPa,

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13

Luận văn tốt nghiệp Cao học

15

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

các tác giả đã đề nghị công thức quan hệ giữa cường độ chịu nén và kéo như sau:
Rk = 6.5 Rn . Dựa vào các kết quả thí nghiệm uốn và nén bửa hình 1.4 Smad và

Ahah đã đề nghị công thức cho cường độ chịu kéo trượt và kéo uốn tương ứng
như sau: Rk = 4.34( Rn )0.55 với ( Rn < 83MPa ) và Rk = 11.7 R n . Hai ông cũng đưa ra
công thức biểu diễn mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén như

(

Rn

)

0.315

psi , trong đó ω = 151 pcf .

Rk = 4.34(Rn)0.55

Cường độ chịu kéo (psi)

sau: E = ω 2.5

Rk = 7.4

Rn

Rk = 6

Rn

Walker and Bloem
Houk
Grieb and Werner
Carrasquillo
Ahmad

Cường độ chịu nén (psi)
Hình 1.4 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và
cường độ chịu kéo của bê tông[22]

Theo kết quả nghiên cứu[13] cho thấy có thể tiết kiệm được 30% khối
lượng bê tông, giảm 30% trọng lượng kết cấu, giảm 10-15% tổng giá trị công
trình. Các kết cấu bản bê tông cốt thép dự ứng lực có thể giảm 30% chiều cao, có
thể giảm khối lượng xây lắp đến 40%. Cầu bản với cường độ bê tông 35MPa, h =
0,5m, khi Rn = 50MPa thì chiều cao bản chỉ còn h = 0,34m, như vậy có thể giảm
chiều cao kết cấu đến 30%.

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

16

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

Skarendah [23] đã giới thiệu sự so sánh của Breitenbucher hiệu quả về
mặt vật liệu cũng như tiết diện đối với cột khi sử dụng bê tông cường độ 45MPa (
kí hiệu B45) và 85MPa (kí hiệu B85) trên hình (H.1.5) có thể thấy nếu giữ
nguyên tiết diện cột (1,0m x 1,0m) thì tỉ lệ cốt thép sử dụng sẽ giảm từ 4% xuống
còn 1,32%, nghóa là tỉ lệ cốt thép trong cột khi sử dụng bê tông 85MPa giảm tới
gần 70% so với trường hợp sử dụng bê tông 45MPa. Nếu giữ nguyên tỉ lệ cốt thép
là 4% thì với bê tông 85MPa, số lượng thanh thép giảm xuống gần 40% ( từ 64
thanh thép Ø28 còn 40 Ø28 ) do tiết diện cột giảm từ 1,0m x 1,0m xuống còn
1,0m x 0,64m.
B85

B85

1,0m

1,0m

0,64m

1,0m

B45

Hình 1.5: So sánh hiệu quả của cấu kiện khi sử dụng BTCĐC [23]

Hiệp hội Silicafume (SFA) của Mỹ cũng đưa ra những số liệu tính toán đối
với cột bê tông cốt thép với cùng một tải trọng thiết kế khi sử dụng bê tông với
mác khác nhau để trả lời cho câu hỏi: Vì sao lại phải sử dụng bê tông cường độ
cao [21]. Các kết quả trong bảng 1.3 cho thấy sử dụng bê tông mác 55MPa thay
cho mác 40MPa sẽ giảm lượng cốt thép trong cột từ 56Ø36 xuống còn 24Ø29 nếu
giữ nguyên tiết diện cột. Còn nếu sử dụng bê tông mác 85MPa cho phép tiết
kiệm hiệu quả cả cốt thép cũng như không gian sử dụng do tiết diện cột giảm.

Bảng 1.3: So sánh hiệu quả tiết kiệm cốt thép trong cấu kiện khi sử dụng BTCĐC

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

17

Thầy HD: TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

Tải trọng thiết kế : 50 MN
Cường độ
bê tông (MPa)
40

Kích thước cột (m)

Lượng cốt thép

Ghi chú

1,2 x 1,2

56 Ø36

Đối chứng

55

1,2 x 1,2

24 Ø29

Tiết kiệm cốt thép

85

1,2 x 0,75

24 Ø22

85

0,95 x 0,95

24 Ø22

Tiết kiệm không gian
Tiết kiệm cốt thép

Tiết kiệm không gian
Tiết kiệm cốt thép

Bảng 1.4: So sánh hiệu quả kinh tế khi sử dụng BTCĐC
Chi phí ( đô la New Zealand )
Khoản mục

Bê tông thường

BTCĐC

(40MPa)

(70MPa)

600 x 500 mm

450 x 450 mm

8400

6660

1740

-Thép dọc

7120

3210

3910

-Thép đai

13360

9340

4020

Ván khuôn, chống

23760

19440

4320

Tổng

52640

38650

13990

Tiết diện cột
Bê tông

Tiết kiệm

Cốt thép

Tiết kiệm

26%

Hiệp hội xi măng và bê tông New Zealand cũng đã đưa ra số liệu phân
tích so sánh hiệu quả kinh tế khi sử dụng BTCĐC để thi công cột nhà và được
trình bày ở bảng 1.4 [20]. Theo số liệu này thì việc sử dụng bê tông cường độ 70
MPa sẽ giảm tổng chi phí về vật liệu tới hơn 26% so với sử dụng bê tông thông
thường cường độ 40MPa, trong đó hiệu quả nhất là do giảm được chi phí về cốt

HVTH: LÊ VĂN HẢI CHÂU

Lớp VL&CKXD – K.13