I. MỞ ĐẦU
Bê tông cường độ rất cao là loại bê tông
có cường độ chịu nén từ 150 - 200 MPa
(UHPC) và có độ bền rất cao.
Bê tông cường độ rất cao được nghiên
cứu tại Mỹ, Đức, Pháp, Nhật Bản, Hàn Quốc
trong những năm 2000 đến nay [1], [2], [3]. Ở
Nhật Bản và Mỹ đã ứng dụng trong các kết
cấu dầm cầu. Ở Đức đã chế tạo các sản phẩm
đúc sẵn trong nhà máy để phục vụ cho các kết
cấu cầu. Các hướng dẫn thiết kế và công nghệ
đã được nghiên cứu và khuyến cáo bởi
RILEM, DIN, các hướng dẫn của Hiệp hội dự
ứng lực Nhật Bản. Trong thời gian gần đây
các báo cáo của Hội Kỹ sư xây dựng Pháp [4]
và các phân tích của Uỷ ban đường cao tốc
Hoa Kỳ cũng đã được trình bày [5]. Từ các tài
liệu này cho thấy vấn đề nghiên cứu về bê
tông cường độ rất cao là vấn đề được thế giới
quan tâm nhất trong các kết cấu cầu hiện đại.
II. NGHIÊN CỨU CÔNG THỨC BÊ
TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO
Công thức thành phần bê tông cường độ
rất cao bao gồm 7 thành phần: xi măng, nước,
cốt liệu nhỏ, phụ gia siêu dẻo, phụ gia muội
silíc, các bột khoáng có độ cứng lớn và cốt sợi
thép.
Các loại bột khoáng này thường được chế
tạo từ đá quắc, có đường kính từ 5 - 100m,
khối lượng riêng từ 2,65 - 2,75. Thành phần
SO2 chiếm từ 95 - 99,5%. Theo nghiên cứu
của chúng tôi thì loại khoáng này đã được tìm
thấy ở phía Bắc Việt Nam.
Tỷ lệ N/X là yếu tố rất quan trọng để
giảm lỗ rỗng trong bê tông. Để đạt được bê
tông cường độ rất cao cần sử dụng tỷ lệ này từ
0,2 – 0,22. Tuy nhiên do lượng xi măng sử
dụng quá lớn nên cần hạn chế co ngót của bê
tông bằng cách dưỡng hộ nhiệt ở nhiệt độ
80 - 90oC ở thời gian thích hợp.
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ
BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO TRONG KẾT CẤU CẦU
NCS. PHẠM DUY ANH
Bộ môn Công trình GTTP
Khoa Công trình
Trường Đại học Giao thông Vận tải
ThS. NGUYỄN LỘC KHA
Ban Quản lý Công trình – Tỉnh Đồng Nai
Tóm tắt: Bài báo giới thiệu các các kết quả nghiên cứu về thành phần bê tông cường độ rất
cao từ 150 - 200 MPa. Trong đó đặc biệt lưu ý các tính chất cơ học và khả năng ứng dụng của bê
tông cường độ đến 150 MPa trong kết cấu cầu.
Summary: This paper introduces investigated results in ultra high strength concrete with
compressive strength of 150 - 200 MPa. Mechanical properties and applicability of the concrete
with the compressive strength up to 150 MPa in bridge structures are specially paid attentions.
Silicafume vẫn sử dụng các loại thông
thường với thành phần SiO2 khoảng 96%,
đường kính 0,1 mm. Muội silíc bao gồm các
hạt silíc siêu mịn có tỉ lệ diện tích bề mặt
20000 m2/kg, có đường kính khoảng 1m
(nhỏ hơn khoảng 100 lần so với hạt xi măng).
Muội silic làm tăng phản ứng Puzolan dựa
trên Ca(OH)2 và lỗ rỗng ở đá xi măng trong bê
tông.
Để tăng độ dẻo của bê tông trong thành
phần có thêm các sợi thép dài 13 - 15 mm,
đường kính 0,2 mm, cường độ chịu kéo 2500
MPa. Tỷ lệ theo thể tích của sợi thép khoảng
5 - 7%, khối lượng riêng của sợi thép
7,8 g/cm3. Nếu lấy xi măng bằng 1 đơn vị thì
khối lượng Silicafume: 0,12; Cát 1,1; Sợi thép
0,3; Chất siêu dẻo 0,018; Tỷ lệ N/X = 0,2.
Hàm lượng xi măng thông thường từ
700 - 1000 kg. Bột quắc 0,11 – 0,14.
Về nguyên tắc cấu trúc, các chất muội
silíc hạn chế sự vón cục của hạt xi măng khi
thuỷ hoá, làm tăng tốc độ thuỷ hoá xi măng và
vì vậy có thể sử dụng bê tông với tỉ lệ N/X rất
thấp từ 0,19 - 0,22. Khi sử dụng bê tông có tỉ
lệ N/X thấp và xi măng được thuỷ hoá gần
như hoàn toàn, độ rỗng của hồ xi măng rất
nhỏ. Bột quắc rất cứng tạo ra độ bền vững cao
cho cấu trúc cốt liệu. Cấu trúc của UHPC
chuyển từ cấu truc kết tinh sang cấu trúc vô
định hình. Bê tông có sự thay đổi căn bản về
mặt cấu trúc và trở nên rất đồng nhất, cấu trúc
ở vùng tiếp giáp không tồn tại sẽ tạo ra bê
tông có cường độ rất cao.
Xi măng: Các nhà máy xi măng ở Việt
Nam thường chế tạo xi măng theo tiêu chuẩn
Việt Nam. Cường độ chịu nén tối đa là
50MPa. Xi măng có thành phần khoáng vật
chủ yếu là C3S (đến 65%). Các loại xi măng
này phù hợp tiêu chuản ASTM nhóm 1. Theo
các thí nghiệm ở nước ngoài thường dùng xi
măng có cường độ nén đến 60 MPa hoặc sử
dụng các xi măng đã pha 20% Silicafume.
Các chất siêu dẻo: Chất siêu dẻo thế hệ
3 (Polycarboxylate agent) phụ gia siêu dẻo
cho phép tạo ra độ sụt bê tông từ 15 - 22 cm,
thời gian giữa độ sụt từ 1 - 4 giờ và có thể
tăng cường độ giảm nước từ 30 - 40%.
Trường Đại học Giao thông Vận tải đã
nghiên cứu về sự tương thích của các phụ gia
Polycarboxylate với loại xi măng Việt Nam
(Chinh fong, Bỉm Sơn, Bút Sơn) cho kết quả
về sự phát triển cường độ độ sụt.
Thành phần của bê tông cường độ rất cao
có thể biến đổi trong phạm vi sau:
Xi măng: 800 - 1000 kg;
Silicafume: 170 - 200 kg;
Cát (0 - 5mm): 1000 - 1050 kg;
Sợi thép: 200 - 250 kg;
Bột quắc: 160 - 200 kg;
Chất siêu dẻo: 35 - 45 kg;
Nước: 190 - 220 lít;
Tỷ lệ N/XM: 0,2 - 022.
III. CÁC ĐẶC TÍNH BÊ TÔNG CƯỜNG
ĐỘ RẤT CAO
Bê tông cường độ rất cao có cường độ
chịu nén đến 150 - 200 MPa và độ bền cao.
Khi tăng cường độ nén, cường độ kéo cũng
tăng tuy nhiên tốc độ tăng chậm hơn. Giá trị
đặc trưng của cường độ chịu kéo khi uốn có
thể đạt đến từ 26 - 30 MPa (cũng cần tăng
2,5 - 3 lần so với bê tông thường). Môđun đàn
hồi của bê tông cường độ rất cao cũng tăng
đáng kể. Giá trị này từ 42000 - 60000 MPa
(tăng 1,5 - 2 lần so với bê tông thường).
Các thí nghiệm cho thấy biến dạng khi
nén cuối cùng vẫn ở trị số 0,0035 như đối với
bê tông thường. Như vậy tuy tăng
cường độ nén lên rất cao nhưng do
sự hoạt động của cốt sợi thép nên
bê tông cường độ rất cao không bị
phá hoại giòn mà vẫn ứng xử nén
theo các quy luật của bê tông. Mô
hình ở vùng nén của mặt cắt vẫn là
1 = 0,002 và 2 = 0,0035. Giá trị
cường độ nén: 150 MPa. Các thí
nghiệm uốn cho thấy ở vùng kéo
giá trị của biến dạng cuối cùng
0,007 và cường độ chịu kéo khi uốn của bê
tông có thể sử dụng trong thiết kế kết cấu đến
10 MPa.
Mô đun đàn hồi: Giá trị của mô đun đàn
hồi vẫn lấy theo các công thức truyền thống:
Ebj = 1100 (Rcj ) 1/3 , MPa (RILEM)
hoặc 6903320 cjÑ fE , MPa (ACI 318).
Trong đó fcj cường độ chịu nén bê tông ở
ngày thứ j.
Trong các tính toán kết cấu có thể xét đến
cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông cường
độ rất cao ở vùng kéo.
Các đặc tính của bê tông khi tính toán kết
cấu như sau:
Cường độ chịu nén ở 28 ngày:
150 – 200 MPa
Cường độ chịu kéo tính toán trước nứt:
8 – 10 MPa
Cường độ chịu kéo tính toán sau nứt:
9 – 11 MPa
Mô đun đàn hồi: 45000 – 60000 MPa
Giá trị biến dạng lớn nhất, mm: 1
Có thể tham khảo các tính năng của bê
tông UHPC và tiêu chuẩn thí nghiệm ở bảng 1.
Bảng 1. Các tính năng của bê tông UHPC chế tạo
tại phòng nghiên cứu của UB đường cao tốc Mỹ
IV. ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ
RẤT CAO TRONG XÂY DỰNG CẦU
Bê tông cường độ rất cao được ứng dụng
trong các kết cấu cầu hoàn toàn hoặc trong các
kết cấu cầu cần tăng cường khả năng chịu va
đập cho các trụ hoặc các gờ chắn bánh xe. Ứng
xử uốn của dầm bê tông cường độ rất cao tiết
diện hình chữ nhật và chữ I đã được phân tích.
Việc thiết kế một dầm chữ I từ bê tông
cường độ rất cao dự ứng lực chịu uốn chỉ yêu
cầu hai yếu tố.
Thứ nhất: Cần xác định đúng quan hệ
ứng suất biến dạng của bê tông cường độ rất
cao cho mặt cắt ngang.
Thứ hai: Các trạng thái về ứng xử uốn
trước nứt, sau nứt ở trạng thái khai thác hoặc
trạng thái cực hạng cần phải thông qua các thí
nghiệm.
Về mặt cấu tạo các cốt thép dự ứng lực
và cốt thép thường vẫn cần bố trí đầy đủ giá
trị của cường độ chịu kéo khi uốn cần đảm
bảo các cốt sợi trong quá trình khai thác
không bị kéo tuột.
Về nguyên tắc thiết kế cần tuân thủ theo
Các tính năng của UHPC Trị số
Cường độ chịu nén, ASTM C39, 28 ngày
Mô đun đàn hồi, ASTM C469
Cường độ ép bửa ASTM 496
Cường độ chịu kéo khi uốn ASTM C1018
Năng lượng chịu uốn ASTM C1018
Tổng co ngót
Độ thấm Cloritde ASTM C1202, 28 ngày
Phản ứng kiềm silic
193 MPa
52000 MPa
11,7 MPa
9,0 MPa
I30 = 53
850 s
76 Culom
Không có
3 điểm sau:
Thứ nhất: Giá trị cường độ chịu nén tính
toán lấy bằng 0,8 lần cường chịu nén đặc
trưng;
Thứ hai: Hệ số an toàn lấy bằng 1,3 theo
hướng dẫn của RILEM;
Thứ ba: Bê tông cường độ rất cao có thể
được giả định có ứng xử đàn hồi dẻo và có xét
đến cường độ chịu kéo khi uốn đã được xác
định qua thí nghiệm.
Dầm cầu đầu tiên bằng bê tông cường độ
rất cao đã được chế tạo với khẩu độ nhịp 22m
có tiết diện hình chữ , chiều cao dầm 0,9m
(Đức, Mỹ).
Tại Nhật Bản đã ứng dụng các cầu bê
tông dự ứng lực bằng bê tông cường độ rất
cao (UHPC) kết quả cho thấy các tiết diện đã
được giảm và các vết nứt co ngót cũng được
giảm. Bê tông cường độ rất cao co ngót thấp
đã được sử dụng cho hai cầu nhịp liên tục ở
Tokyo với tổng chiều dài nhịp là 170m và
chiều rộng hiệu quả là 8m.
Trong cây cầu này đã sử dụng công nghệ
dự ứng lực ngoài xa trọng tâm và các thanh
chống để tăng độ cứng cho dầm. Sườn dầm
được sử dụng trước ở trong nhà máy và vận
chuyển đến công trường. Phần bản các ụ
chuyển hướng cáp dự ứng lực ngoài, dầm
ngang trên trụ được đổ ở công trường.
III. KẾT LUẬN
Qua phân tích ở trên có thể đi đến các kết
luận sau:
- Nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường
độ rất cao đang là vấn đề thời sự của thế giới
và đã đạt được các kết quả đáng tin cậy để
chúng ta có thế nghĩ đến khả năng nghiên cứu
ứng dụng tại Việt Nam.
- Thành phần của bê tông cường độ rất
cao đã có tại Việt Nam và như vậy khả năng
chế tạo thành công loại bê tông này là hiện
thực.
- Các tính chất của bê tông UHPC là
thích hợp với các phương pháp thiết kế đàn
hồi thông dụng. Như vậy việc thiết kế kết cấu
cầu không gặp những khó khăn quá lớn về
phần mềm thiết kế.
Kiến nghị: Nên phát triển loại bê tông
này trong kết cấu cầu tại Việt Nam.
Tài liệu tham khảo
[1]. Ultra - High perrfomance concrete: Research,
Development and Application in Europe. Michael
Schmidl - Kassel - 2004.
[2]. The Effect of Ground Quartz Sand’s Particle
Size on the Mechanical Proterties of Ultra - High
perrfomance Cementitionus Composites.
Korea – 2008.
[3]. Influence of additions on uldtra high
perfomance concrete - grain size optimization.
K.Droll - USA 2004.
[4]. Ultra - High perrfomance Fibre - Reinforced -
AFGC – 2002.
[5]. Structural Behavior of Ultra - High
perrfomance Concrete Pretressed I - Girders US -
2005
