Ứng xử cấu kiện chịu lực dọc trục sử dụng bê tông thường và cường độ siêu cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
- -oAo- -

PHẠM ĐỨC THUẬN

ỨNG XỬ CẤU KIỆN CHỊU LựC DỌC TRỤC
SỬ DỤNG BÊ TÔNG THƯỜNG VÀ CƯỜNG ĐỘ
SIÊU CAO

Chuyên ngành: Xây Dựng Dân Dụng Và Công Nghiệp Mã số ngành:
605820

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp.Hồ Chí Minh, Tháng 08-2014


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC sĩ
Họ tên học viên: PHẠM ĐỨC THUẬN

MSHV: 12210265

Ngày, tháng, năm sinh: 31/01/1985

Nơi sinh: Phú n

Chun ngành: Xây Dựng Cơng Trình DD Và CN

Mã sô : 605820

I. TÊN ĐÈ TÀI: ứng xử cấu kiện chịu lực dọc trục sử dụng bê tông thường và cường độ
siêu ca
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DƯNG:
-

Khảo sát thực nghiệm cột bê tông liên hợp chịu nén làm bằng bê tơng thường và
cường
độ siêu cao

-

Mơ phỏng phân tích ứng xử của các mẫu trong trường hợp có thay dơi về thông số
vật
- Đánh giá khả năng ứng dụng trong cột chịu lực và gia cường cọc khoan nhối
liệu khác nhau
III.
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 24/06/2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014
V. CÁN Bộ HƯỚNG DẪN : TS. BÙI ĐỨC VINH

Tp. HCM, ngày 19 tháng 09 năm 2014
HỘI ĐÒNG NGÀNH

CÁN BỌ HƯỚNG DẨN
(Họ*’ ’

(Họtên
tênvà
và ch 4 ký)
(Họ

1

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY
XÂY DựNG
DựNG
(Họ tên và chữ ký)

TS. NGUYỄN MINH TÂM



CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM

Cán bộ hưóng dẫn khoa học 1: TS. BÙI ĐỨC VINH

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. NGUYỄN MINH LONG

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. HỒ HỮU CHỈNH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 31 tháng 08 năm 2014.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. TRẦN CAO THANH NGỌC
2. TS. NGUYỄN HỒNG ÂN
3. TS. BÙI ĐỨC VINH
4. TS. NGUYỀN MINH LONG
5. TS. HỒ HỮU CHỈNH
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG

Tbtrh Kk

TRƯỞNG KHOA

TS. NGUYỄN TÂM



Lời cảm ơn
"Không phải là thất bại! Tất cả chỉ là thử thách
No Failure! All Are Challenges" Chung Ju Yung
(Founder of Hyundai Group)
Tôi chân thành gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn là TS. Bùi Đức Vinh. Với
sự nhiệt tình, tận tâm hướng dẫn của thầy đã giúp đỡ tơi rất nhiều trong q trình
làm luận văn từ cách thức tìm kiếm tài liệu cho đến việc trình bày một bài luận văn
sao cho khoa học. Thầy đã truyền cho tơi tính kiên trì, chịu khó học hỏi và biết cố
gắng hết mình mà một người nghiên cứu phải có.
Đồng thời tơi xin cảm ơn q thầy cô trong bộ môn khoa kỹ thuật xây dựng đã
truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức chuyên ngành trong quá trình học tập tại trường
đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh.

Tiếp theo tơi cũng gởi lời cảm ơn đến tất cả anh em trong Cơng ty Hồng Vinh, đến
tất cả những người anh chị cũng như những người bạn của tôi đã giúp đỡ tôi rất
nhiều trong quá trình làm thí nghiệm tại cơng ty Hồng Vinh.
Cuối cùng con cảm ơn Ba Mẹ đã tạo mọi điều kiện để tơi hồn thành bài luận văn
này.
Chân thành cảm ơn tất cả mọi người.
Phạm Đức Thuận

6


TÓM TẮT
Nghiên cứu thực nghiệm khảo sát ứng xử của cấu kiện chịu lực dọc trục sử dụng bê
tông cường độ thường-NSC và bê tông cường độ cao HPC (cột liên hợp NSCUHPC). Bên cạnh đó đề tài cũng tiến hành mô phỏng số để khảo sát các các trường
hợp nhóm mẫu mà thực nghiệm khơng thực hiện được. Kết quả đạt được cho thấy
khả năng chịu lực dọc trục của cột liên hợp NSC-HPC phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích
giữa vùng lõi HPC với diện tích vùng NSC xung quanh, dạng phân bố lõi HPC trên
bề mặt, cường độ của NSC và cường độ của lõi HPC.
Từ khóa: cột,liên hợp, HPC, NSC, tải trọng dọc trục

7


ABSTRACT
Experimental study surveyed the behavior of structures under axial force using
normal-strength concrete -NSC and high performance concrete-HPC (NSC- UHPC
composite column). Besides, the topic also carried out numerical simulations to
investigate the circumstances that the experimental study did not perform. Results
obtained showed that the axial bearing capacity of NSC-HPC composite comlumn
depends on the ratio between the area of UHPC core with the surrounding area of

NSC, HPC core distribution form on the surface, the compressive strength of NSC
as well as HPC.
Keywords: column, composite, HPC, high performance concrete, NSC, normal
strenght concrete, axial load.


Lời cam đoan
Tôi tác giả của luận văn này cam đoan rằng.

■

Luận văn này là nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự
hướng dẫn của TS. Bùi Đức Vinh.

■

Các số liệu, kết quả thực nghiệm và mơ phỏng số được trình bày trong luận
văn này là trung thực và chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào.

■

Các giá trị tham khảo là chính xác, khơng có chỉnh sửa.

■

Tơi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình trước hội đồng khoa học.
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 08 năm 2014
Học viên

Phạm Đức Thuận

Mục lục
Trang


Danh sách hình vẽ
1.1 (a) Cầu vượt dành cho người đi bộ -Canada,(b)Trạm thu phí Milau-Pháp 1
1.2
1.3..............................................................................................................................
4.1 Vết nứt phát triển tại thời điểm phá hủy (trái) và trích đoạn phóng to
1.4..............................................................................................................................
1.5..............................................................................................................................

Danh sách bảng

1.6

3.1
3.2..............................................................................................................................


3.3

Chương 1

3.4

Giới thiệu
1.1 Kết cấu sử dụng bê tông thường và cường độ cao Động lực nghiên cứu

3.5

Bê tông cường độ cao (HPC) là phát triển mới nhất trong lĩnh vực cơng nghệ

vật liệu bê tơng, nó được ứng dụng trong các cơng trình xây dựng cầu đường, dân
dụng và các cơng trình hạ tầng. Nhiều cơng trình sử dụng vật liệu HPC đã được xây

3.1

(a)

(b)

HÌNH 1.1: (a) Cầu vượt dành cho người đi bộ -Canada,(b)Trạm thu phí Milau-Pháp

dựng tại Canada ,trạm thu phí Milau tại Pháp, Tháp đơi Petronas- Malaysia,... (Hình
1.1) và (Hình 1.2)
3.7

3.6

Việc sử dụng HPC trong cấu kiện kết cấu mạng lại rất nhiều lợi ích vì HPC có

nhiều tính năng ưu việt như:

3.8
3.9

(a) (b)

11


3.10
3.11
3.12

HÌNH 1.2: (a) Tháp đơi Petronas-Malaysia,(b)Tịa nhà Two Union Square- Mỹ

Khả năng chịu lực và độ tin cậy cao: HPC là loại vật liệu có các ưu điểm về

đặc trưng cơ lý như : cường độ chịu nén, kéo cũng như mô đun đàn hồi cao (Cường
độ chịu nén 70MPa^150MPa, cường độ chịu kéo

>

6MPa và mô đun đàn hồi >

40GPa). Trong khi đó vật liệu bêtơng thường phổ biến sử dụng hiện nay chỉ có cường

độ chịu kéo nén tương đối. Như vậy, so với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu bêtơng
cốt thép thuần t thì việc sử dụng giải pháp kết cấu có sử dụng HPC đảm bảo tăng
khả năng chịu lực và độ tin cậy của kết cấu.
3.13

Công năng sử dụng hiệu quả: Đối với các công trình nhà nhiều tầng, khi

chiều cao nhà càng cao và nhịp khung càng lớn thì nội lực dọc trục trong cột và
mômen trong dầm càng lớn, lực dọc trong cột có thể lên đến 3000 tấn đối với cơng
trình nhà cao hơn 30 tầng. Như vậy, nếu chỉ sử dụng giải pháp kết cấu bêtơng cốt

thép thơng thường thì kích thước tiết diện yêu cầu của cột là rất lớn vì thực tế cấp độ
bền của bêtơng sử dụng phổ biến cho xây dựng nhà nhiều tầng ở Việt Nam hiện nay
vào khoảng B25 đến B40, tương ứng với cường độ chịu nén tính tốn khoảng 155 đến
215daN/cm . Chẳng hạn khi sử dụng giải pháp kết cấu bêtông cốt thép thường thì kích
2

thước tiết diện cột u cầu cho nhà cao 40 tầng là khoảng 1:5m

X

1:5m ; tuy nhiên

kích thước này sẽ giảm xuống nếu có sử dụng HPC. Do đó, nếu ứng dụng giải pháp
sử dụng vật liệu HPC trong các cấu kiện cơng trình sẽ làm cho cơng trình gọn nhẹ và
tăng khơng gian sử dụng. Bên cạnh đó, vật liệu HPC có khả năng đạt cường độ
mong muốn một cách nhanh chóng. Chính sự phát tiển nhanh về cường độ này mà
giúp cho HPC có cường độ ban đầu đạt được và độ bền cao hơn nhiều so với bê tơng
thường, điều này cho phép có thể sử dụng biện pháp dự ứng lực ngay ở giai đoạn
đầu dẫn đến thời gian thi công giảm so với việc sử dụng bê tơng thường. Do có sự
cải thiện trong cấu trúc vật liệu làm cho bê tông cường độ cao có khả năng chống
thấm cao hơn so với bê tơng thường. Khơng chỉ vậy, nhờ tính lưu động cao mà HPC
có thể dễ dàng lấp đầy các kết cấu cơng trình cho dù nó có hình dạng phức tạp, giúp
thuận lợi cho q trình thi cơng. Tuy nhiên, để sản xuất bêtông đạt được cường độ
cao như vậy và đảm bảo được mức độ tin cậy, thì quy trình sản xuất và kiểm tra chất
lượng yêu cầu phải được thực hiện rất nghiêm ngặt về thời gian và công nghệ kỹ
1
2


thuật.

3.14

Hiệu quả kinh tế : So với việc chỉ sử dụng kết bê tơng thường thuần t, thì

việc sử dụng giải pháp kết cấu có sử dụng bê tơng cường độ mang lại hiệu quả về
một số mặt: làm giảm lượng cốt thép trong cấu kiện do cường độ chịu kéo của HPC
khá cao, chi phí để bảo dưỡng cấu kiện giảm xuống do khả năng đạt cường độ ổn
định cũng như khả năng chống thấm cao của vật liệu HPC, đồng thời do giảm tiết
diện của cấu kiện công trình nên khối lượng tồn bộ cơng trình có thể giảm xuống
dẫn đến tải trọng tác dụng lên phần móng giảm khiến cho chi phí cho phần kết cấu
móng được giảm đi. Do đó, mặc dù về chi phí của vật liệu HPC còn khá cao nhưng
với việc ứng dụng HPC ngày cang tăng thì giá thành của nó chắc chắn sẽ được giảm,
khơng chỉ vậy nếu sử dụng nó trong các chi tiết kết cấu cụ thể thì vẫn mang lại hiệu
quả kinh tế.
3.15

Tuy nhiên, hiện tại HPC vẫn cịn có chi phí khá cao, nên người ta có xu

hướng sử dụng kết hợp giữa HPC và NSC trong một số trường hợp cụ thể, vừa để
tăng khả năng chịu lực của kết cấu mà chi phí có thể chấp nhận được.
3.16

Việc tìm kiếm những ứng dụng cho HPC hiện nay vẫn cịn là một thách thức

vì giá thành vật liệu cao của nó. Do đó, người ta chỉ sử dụng HPC trong một số chi
tiết kết cấu của cơng trình như bọc bên ngồi cấu kiện [11], lõi cứng dạng tập trung
hoặc phân tán cho cấu kiện chịu lực dọc trục (Hình 1.3), hoặc sử dụng HPC trong
các chi tiết liên kết để tăng khả năng chịu lực của kết cấu.

1

3


3.19
3.20

3.17
3.18 HÌNH 1.3: Biện pháp xử lý khuyết tật bằng cách sử dụng HPC

Tại Việt nam, một trong những ứng dụng của bê tông cường độ cao là xử lý

khuyết tật trong cọc khoan nhồi (Hình 1.4), đồng thời làm tăng khả năng chịu lực
của cọc khoan nhồi. Mặc dù việc ứng dụng HPC kết hợp với NSC trong cấu kiện
chịu tải trọng dọc trục đã có trong thực tế, tuy nhiên cho đến thời điểm này vẫn chưa
có một cơ sở lý thuyết tính tốn cụ thể sự làm việc đồng thời giữa HPC và NSC.
3.21

Trong nghiên cứu này sẽ khảo sát thực nghiệm sự làm việc của cấu kiện được

làm bằng NSC và HPC chịu tải trọng dọc trục bao gồm: cơ chế và phân bố truyền
lực giữa hai loại bê tông, khả năng chịu lực tới hạn của cấu kiện bị khuyết tật được
gia cường, tỉ lệ hợp lý của HPC và NSC trên tiết diện cấu kiện.

1
4


3.22
3.23

3.24

HÌNH 1.4: Cọc khoan nhồi khuyết tật được rửa sạch (trái) và Khuyết tật cọc khoan
nhồi ( phải)

Kết quả của nghiên cứu sẽ cung cấp hiểu biết sâu hơn về cơ chế làm việc của

cấu kiện composite NSC-HPC chịu lực dọc, các dữ liệu thí nghiệm sẽ được dùng để
hiệu chỉnh các mơ hình mơ phỏng. Từ kết quả thực nghiệm kết hợp với mô phỏng sẽ
xây dựng một mô hình thực nghiệm cho phép dự đốn khả năng chịu lực của cấu
kiện composite hay ứng dụng trong tính tốn xử lý cọc khoan nhồi.

1.2 Mục tiêu và đối tương khảo sát của đề tài
3.25

Đề tài khảo sát ứng xử làm việc của cấu kiện chịu lực dọc trục sử dụng NSC

và HPC với các lõi HPC phân tán bên trong cấu kiện. Chương trình thí nghiệm sẽ
được tiến hành với các lõi HPC với các trường hợp: lõi tập trung, lõi dạng phân tán,
và lõi được đúc sẵn nhằm đánh giá các yếu tố liên quan đến cơ chế truyền lực, dạng
phá hoại và khả năng chịu lực của cấu kiện có sử dụng HPC.
3.26

Mỗi nhóm thí nghiệm được thay đổi các thơng số mục tiêu. Bên cạnh đó kết

quả thí nghiệm sẽ tham chiếu với kết quả mơ phỏng, được thực hiện bới tác giả khác,
mô phỏng sự làm việc của cấu kiện chịu lực dọc trục sử dụng NSC- HPC, nhằm
1
5

đánh giá những yếu tố mà thí nghiệm khơng thực hiện được.
3.27

Với những vấn đề được trình bày ở phía trước, đề tài tiến hành khảo sát ứng

xử của cấu kiện chịu lực dọc trục sử dụng bê tông thường và bê tông cường độ cao,
bao gồm những vấn đề sau:

•

Cơ chế và phân bố truyền lực giữa hai loại bê tơng NSC và HPC.

•

Khả năng chịu lực tới hạn của cấu kiện có sử dụng HPC dạng lõi tập trung và
phân tán.

•

Xây dựng một mơ hình thực nghiệm cho phép dự đoán khả năng chịu lực của
cấu kiện composite.

3.28

Để đánh giá khả năng ứng xử của kiện, một chương trình thí nghiệm được đặt

ra xét tới ảnh hưởng của một số thông số. Các thông số bao gồm: đường kính lõi, tỷ
lệ diện tích HPC so với NSC trên một mặt cắt tiết diện, cách thức phân bố và hình
thức chế tạo lõi HPC.

3.29

Chương trình thí nghiệm sẽ được tiến hành với 4 mẫu khác nhau (trong 3

trường hợp) nhằm xác định cơ chế truyền lực và mối quan hệ làm việc giữa NSC và
HPC trong cấu kiện.
3.30

•

3.31

Trường hợp nhóm mẫu đối chứng:
Mẫu 1: Cột bê tơng cốt thép sử dụng bê tơng thường-NSC
Trường hợp nhóm mẫu có khuyết tật và được xử lý bằng bê tông cường độ

cao HPC rót vào:
•

Mẫu 2: Cột bê tơng cốt thép có khuyết tật bên trong và được rót vữa HPC vào
để xử lý khuyết tật, dạng lõi tập trung

1
6


•

Mẫu 3: Cột bê tơng cốt thép có khuyết tật bên trong và được rót vữa HPC vào
để xử lý khuyết tật, HPC dạng lõi phân tán trên bề mặt tiết diện.

3.32

Trường hợp nhóm mẫu tăng cường khả năng chịu lực bằng lõi bê tơng cường

độ cao HPC đúc sẵn:
•

Mẫu 4: Cột bê tơng cốt thép có sử dụng lõi HPC dạng tập trung được đúc sẵn
được đúc sẵn sau đó đưa vào lồng thép và đổ bê tơng NSC xung quanh.

1.3 Ý nghĩa đề tài
3.33

Dựa vào những kết quả những nghiên cứu trước đây và những ứng dụng thực

tế của loại vật liệu này, ta có thể thấy được rằng HPC là vật liệu có nhiều ưu điểm:
khả năng chịu kéo nén cao, khả năng chống cháy tốt, tối ưu hóa tiết diện kết cấu dẫn
đến thẩm mỹ kiến trúc cũng như lợi ích về kinh tế... Do đó ngày nay, bê tông cường
độ cao đã được ứng dụng nhiều nơi trên thế giới và từng bước được ứng dụng vào
các cơng trình tại Việt Nam. Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có có một cơ sở lý thuyết
tính toán cụ thể cho sự làm việc đồng thời giữa HPC và NSC khi chịu tải trọng dọc
trục. Do đó kết quả từ thí nghiệm của nghiên cứu này sẽ được dùng để hiệu chỉnh
các mơ hình mơ phỏng tính tốn, cũng như sẽ có những hiểu biết sâu hơn về cơ chế
làm việc của cấu kiện composite HPC-NSC chịu lực dọc trục. Từ kết quả thí nghiệm
và mơ phỏng, sẽ xây dựng một mơ hình thực nghiệm cho phép dự đoán khả năng
chịu lực cấu kiện composite.
3.34

Qua bài khảo sát này, với những kết quả thu được từ thí nghiệm và mô phỏng

số được thực hiện bởi tác giả khác sẽ góp phần nào bổ sung thêm những luận điểm,
kiến thức mới và là nguồn dữ liệu bổ ích phục vụ cho những nghiên cứu tiếp theo
trong lĩnh vực này.

1.4 Cấu trúc của ln văn
3.35
(1)
là
Cấu
phần
trúc
giới
của
thiệu.
luận
văn
Trong
bao
chương
gồm
6Atena.
chương.
2
(2),
tổng
Chương
quan
1các
về

vật luận
trình
liệu
bày.
HPC
Q
và
trình
những
khảo
đặc
tính
sát
thực
cơ
học
nghiệm
của
nó
và
sẽ
phân
được
tích
chương
quả
3thu
3đổi
và
chương

sẽ
được
4bằng
(4).
nêu
ởchương
chi
tiết
lần
lượt
theo,
trong
chương
5
(5),
cách
thay
sẽ
tiến
hành
các
khảo
thơng
sát
số
các
về
vật
nhóm
liệu

mẫu
thơng
thí
nghiệm
qua
mơ
bằng
phỏng
kết
phần
sẽ
tử
được
hữu
trình
hạn
bày
phần
ở
mềm
6tiếp
(6).
Và
cuối
cùng,
1
7


3.36

Chương 2

3.37

Tong quan

2.1 Giới thiêu
3.38

Bê tông cường độ cao (hay bê tông hiệu năng cao -HPC) là một trong những sản

phẩm của sự phát triển ngành vật liệu bê tông, được nghiên cứu từ những năm 90 và được
ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới. Trước thời điểm này, người ta đã tạo ra những loại bê
tơng có cường độ cao hơn bình thường và cường độ chịu nén có thể đạt tới 100MPa chẳng
hạn như : HSC (high strenght concrete)...Tuy nhiên hạn chế của những loại bê tông này là
chúng rất dòn. Bởi vậy người ta đã tiến hành nghiên cứu nhằm cải thiện mặt hạn chế này,
tăng độ dẻo dai độ bền cho bê tơng. Từ đó HPC ra đời và trở nên phổ biến rộng rãi và được
áp dụng ở nhiều lĩnh vực trong xây dựng. Hình 2.1 cho ta thấy được quá trình phát triển
cường độ bê tông cùng với sự sự phát triển của công nghệ vật liệu và việc ứng dụng khả
năng chịu lực của bê tơng trong thực tế cơng trình hiện nay.
3.39

Cốt liệu sử dụng trong bê tông thường tạo thành một bộ khung vững chắc và truyền

lực thông qua bê mặt tiếp xúc của các hạt cốt liệu. Khi lực nén được đặt vào, lực cắt và ứng
suất kéo phát triển ở bề mặt tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu dẫn đến hình thành nên các vết
nứt nhỏ. Trong HPC, kích thước hạt cốt liệu là nhỏ, cốt liệu sử dụng là ở dạng bột nghiền
và chúng là thành phần của một ma

3.40
3.413.42
HÌNH 2.1: Lịch sử phát tiển của cường độ bẽ tơng qua hơn 100 năm [1]
3.43

trận liên tục, do đó ứng suất được truyền đi bởi cả các hạt cốt liệu và các ma trận

xung quanh tạo sự phân bố đồng đều hơn (Hình 2.2).

3.44
3.453.46
HÌNH 2.2: Mơ tả q trình truyền lực qua a. Bẽ tông thường ,b. HPC [1]

2.2 Vật liêu HPC
3.47

Phần này sẽ giới thiệu chi tiết về vật liệu HPC và các đặc tính cơ học của vật liệu

này:

2.2.1 Các chủng loại HPC
3.48

Hiện nay các chủng loại HPC đã được phát triển ở các nước khác nhau và bởi các


công ty khác nhau. Sự khác biệt giữa các loại HPC là do chủng loại và số lượng sợi thép
được sử dụng. Có 4 loại HPC chính là Ceracem/BSI, CRC (compact reinforced composites)
[12], MSCC (multi -scale cement composite), và RPC ( reactive powder concrete).

3.49

Ceracem/BSI bao gồm các hạt cốt liệu, chúng được loại bỏ trong các chủng loại

HPC khác. Cả hai loại CRC và MSCC đều sử dụng một lượng lớn các sợi thép với kích
thước khác nhau nhiều hơn so với sợi thép được sử dụng trong RPC [13]. RPC trở thành
loại HPC đi đầu,nó được sản xuất và thương mại hóa dưới cái tên Ductal bởi các cơng ty
của Pháp như Lafarge, Boygues và Rhodia.
3.50

Trong số các loại này, RPC là chủng loại HPC thông dụng nhất hiện nay và được sử

dụng rộng rãi trong thực tế cũng như trong các phịng thí nghiệm cũng như các nghiên cứu.

2.2.2 Th ành phần vật liệu HPC
3.51

Các nguyên tắc cơ bản cấu tạo giúp HPC có cường độ cao bao gồm: [14] [1] [3] [15]

•

Tăng cường tính đồng nhất của cốt liệu, loại bỏ các cốt liệu thơ;

•

Tăng cường mật độ liên kết khép kín bằng cách tối ưu hóa hỗn hợp cốt liệu dạng hạt
thông quá sự tham gia của cốt liệu dạng bột;

•

Cải thiện tính chất của vữa bằng cách thêm vào hỗn hợp phụ gia poz- zolan,silica
fume, tro bay..;

•

Cải thiện tính chất của vữa bằng cách giảm tỷ lệ nước và chất kết dính(chất kết dính
ở đây là xi măng), tỷ lệ này là khoảng 0.2 : 0.1;

•

3.52

Tăng cường cấu trúc vi mơ bằng cách thực hiện việc xử lý nhiệt;
Thành phần của HPC bao gồm: xi măng, phụ gia silica fume, bột thạch anh, cát

thạch anh, phụ gia siêu dẻo và nước (Hình 2.3):


3.53
3.553.54 HÌNH 2.3: Th ành phần vật liệu của HPC [2]
3.56

Xi măng: [2] [1] Xi măng Portland hoặc các loại xi măng tương tự có thể dùng để

làm HPC. Xi măng sử dụng phải có độ mịn trung bình và có hàm lượng C3S (slicat canxi)
và C3A ( aluminat canxi) thấp (xi măng bền sunphát) đặc biệt là C3A để làm giảm lượng
nước cho việc hình thành ettringite và nhiệt của q trình thủy phân xi măng.
3.57

Cát: Cát đóng vai trò giảm tỷ lệ khối lượng vữa trong điều kiện đã đủ độ linh động,

đồng thời nó tăng thêm cường độ cho vữa xi măng cũng như tạo ra sự liên kết bề mặt giữa
hồ vữa và các hạt cốt liệu trở nên tốt hơn. Đường kính của hạt cát thơng thường là nhỏ hơn
1mm. Kích thước hạt của Silica fume, cát, xi măng phải được tối ưu hóa để đạt được một

hỗn hợp có độ đặc cao và khả năng thẩm thấu thấp.
3.58

Bột thạch anh: Bởi vì khơng phải tất cả xi măng đều bị thủy phân , do đó một số

lượng xi măng có thể được thay thế bằng bột thạch anh. Theo thí nghiệm của Ma va
Schneider [16] cho thấy rằng tới 30% số lượng xi măng có thể được thay thế bởi bột thạch

anh mà khơng làm giảm đi cường độ chịu nén vật liệu. Bên cạnh việc giảm số lượng xi
măng cần thiết, bột thạch anh còn giúp cải thiện khả năng linh động của hỗn hợp HPC. Đặc
tính lưu động được cải thiện có thể là do thành phần hạt của bột thạch anh là khá nhỏ hơn
so với xi măng.
3.59

Silaca fume: silica fume hay cịn gọi là muội silic có cấu tạo rất nhỏ là các hạt silica

thủy tinh rất mịn có dạng hình cầu. Kích thước hạt của chúng từ 0.1 đến 2 ^m, nhỏ hơn kích
thước của hạt xi măng tới hơn 100 lần . Silica fume có 3 chức năng chính trong HPC :


•

Lấp đầy chỗ trống giữa các hạt thô, cỡ lớn;

•

Làm giảm sự ma sát giữa các hạt góc cạnh do hình dạng cầu khơng hồn hảo của
chúng;

•

Tạo ra phản ứng thủy phân thứ cấp bởi phản ứng puzzolan với Ca(OH)2 tạo ra từ
phản ứng thủy phân xi măng.

3.60

Silica fume có hàm lượng dioxit silic và độ mịn cực cao nên là vật liệu có hiệu ứng

Puzzolani. Phản ứng puzzolan là phản ứng của thủy phân silica với Ca(OH)2 được tạo ra từ
quá trình thủy phân xi măng [16]. Ca(OH)2 phản ứng tạo ta chuỗi C-S-H(canxi silicat
hydrat) [17]. Silica fume làm tăng chiều dài chuỗi C-S- H được tạo ra trong q trình thủy
phân, do đó làm tăng cường độ của bê tông. Theo Ma va Schneider [16],Ma va cộng sự [18]
hàm lượng Silica fume có thể lên tới 25% tổng lượng xi măng sử dụng để đạt được hỗn hợp
gắn kết chặt chẽ nhất. Và một vài thí nghiệm khác được thực hiện và cho thấy rằng cường
độ nén lớn nhất có thể đạt được với hàm lượng Silica fume là 30%.
3.61

Theo Schmidt [19] Silica fume sử dụng để làm HPC phải tinh khiết với hàm lượng

carbon thấp, bởi vì carbon làm tằng lượng nước cần thiết và làm giảm độ linh động của hỗn
hợp vữa HPC.
3.62

Phụ gia siêu dẻo: Phụ gia siêu dẻo dựa trên gốc polyme cao phân tử tổng hợp như

polycarboxylates và polycarboxylathers,nó làm giảm lượng nước rất cao có thể lên tới 40%.
Loại phụ gia đặc biệt này phân tách các hạt xi măng và silica fume, độ sụt cao có thể lên tới
22cm, giúp cho bê tơng có cường độ cao, đảm bảo khả năng thi cơng được linh hoạt trong

thời gian dài.
3.63

Nước: Nước đóng vai trò quang trọng trong phản ứng thủy phân của xi măng. Tỷ lệ

nước/xi măng (w/c) ảnh hưởng đến độ xốp và có tác động đáng kể đến cường độ chịu nén
của kết cấu. Mục tiêu của hỗn hợp HPC không phải là giảm lượng nước mà là tối ưu hóa độ
chặt tương đối.
3.64

Với sự phát triển của ngành vật liệu, thì việc ứng dụng đưa vào vữa bê tơng những

loại vật liệu dạng bột thay thế cho xi măng hay còn gọi là vật liệu "phủ đầy" như : bột tro


bay, pozzolan tự nhiên, silicafume, bột thạch anh... ngày càng trở nên phổ biến nhất là dùng
trong bê tông cường độ cao. Thì khái niệm tỷ w/b ( tỷ lệ nước/vật liệu xi măng) được đưa
ra.
3.65

Theo Aìtcin [3] thì hỗn hợp HPC phải có tỷ lệ w/b <0.4. Một số thí nghiệm thực hiện

bởi các tác giả khác cũng xác định được tỷ lệ w/b thơng thường có giá trị từ 0.25 đến 0.35
(Hình 2.4).

3.66

3.67 HÌNH 2.4: Đường cong quan hệ giữa W/B và cường độ chịu nén của mẫu lăng trụ
3.68 HPC-100x200mm [3]

2.2.3 Đặc tính cơ học của vật liệu
2.2.3.1
3.69

Cường độ chịu kéo

NSC có khả năng chịu kéo thấp, thơng thường cường độ chịu kéo của nó vào khoảng

2.1:4.8 MPa, vì vậy sự tham gia của cường độ chịu kéo bị bỏ qua khi thực hiện việc thiết kế

kết cấu cho cấu kiện cơng trình. Theo tcin [3] thì cường độ chịu kéo của HPC trong
khoảng 5.5:6.2 MPa.

2.2.3.2
3.70

Cường độ chịu nén

Cường độ chịu nén là một tính chất quang trọng việc thiết kế. Nó cũng là tính chất

được khảo sát nhiều nhất, cường độ chịu nén của HPC được xác định tương tự như với
NSC, cường độ ở thời điểm 28 ngày.
3.71

Cường độ chịu nén của HPC theo thời gian được khảo sát thơng qua một loạt các thí

nghiệm bao gồm: cường độ, module đàn hồi, khả năng biến dạng nén cả trước và sau khi
dưỡng hộ. (Hình 2.5) mô tả phổ phát triển cường độ của mẫu thí nghiệm hình lăng trụ với
kích thước ^100x200mm. Chúng ta có thể thấy rằng cường độ nén của HPC đạt được hơn
65%f (từ 80 đến 120MPa) chỉ sau 3 ngày từ ngày đúc mẫu thí nghiệm. Cường độ tăng chậm
c28

trong khoảng thời gian từ 7-14 ngày và đạt khoảng 80:90%. Sau 28 ngày kể từ ngày đúc
mẫu, cường độ đo được tăng xấp xỉ khoảng 15%. Ngoài ra, sự phát triển cường độ của hai
hỗn hợp HPC có hàm lượng silicafume 18% và 30% so với hỗn hợp xi măng sử dụng hầu
như là giống nhau. Do đó có thể nói việc giảm một lượng lớn siliacafume sử dụng trong
hỗn hợp không ảnh hưởng đáng kể đối với sự phát triển cường độ chịu nén.
3.72

Trong thực tế, sự phát triển cường độ nhanh của HPC thuận lợi cho việc sửa chữa

cải thiện kết cấu hiện hữu, đặc biệt là kết cấu đang ở giai đoạn làm việc. Sự phát triển
cường độ của HPC có thể được dự đốn bằng cách sử dụng phương


3.73
3.74

3.75

Concrete age (days)

HÌNH 2.5: Cường độ chịu nén mẫu lăng trụ (trái),Cường độ chịu nén của HPC tính
theo cơng thức MC90 và theo thực nghiệm (phải) [2]

trình MC — 2010 [20]

fct = exp

3.77

f

c,28d

3.76(2.1)

Trong đó:

•

fct: là cường độ chịu nén của bê tông ở ngày tuổi là t từ thời điểm sau khi đúc;

•

fc, d : là cường độ chịu nén của bê tơng ở thời điểm 28 ngày tuổi;

•

s: là hệ số phụ thuộc vào chủng loại xi măng, s = 0.2 cho loại xi măng phát triển

28

cường độ nhanh chóng.
3.78

Cũng trong một nghiên cứu khác của Graybeal [21], thơng qua việc thí nghiệm gần

1000 mẫu thí nghiệm lăng trụ khác nhau (trong điều kiện không xử lý nhiệt):
/ t - 0; 9 \ - l 3 )
0 6

f

ct

=

1—
exp

f

c,28d

(2.2)

3.79
3.80 Chú ý rằng, sự phát triển cường độ chịu nén phụ thuộc vào điều kiện mơi trường đúc

mẫu thí nghiệm, do đó các cơng thức trên khơng áp dụng cho tất cả các trường hợp.
2.2.3.3Biến dạng giới hạn
3.81

ứng suất - biến dạng của bê tông, dưới tác dụng của tải trọng nén dọc trục phản ánh

sự phát triển của các vết nứt li ti dưới sự tăng dần của ứng suất nén. ở cấp tải thấp, biến

dạng tăng tỷ lệ với nhau và nó được biểu thị ở nhánh tuyến tính của đồ thị ứng suất- biến
dạng (Hình2.6). Trạng thái phi tuyến thường bắt đầu xảy ra khi vết nứt đầu tiên xuất hiện.