Kỹ thuật Bê tông cường độ cao: Phần 1

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:69

Thêm vào BST

Báo xấu

202
lượt xem 50
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu Bê tông cường độ cao giới thiệu các kết quả nghiên cứu của Việt Nam, Pháp, Anh, Nga, Mỹ, Nhật Bản về cấu trúc, cường độ, biến dạng, phương pháp thiết kế thành phần và khả năng ứng dụng của bê tông cường độ cao. Với phần 1, Tài liệu giới thiệu đến bạn đọc 4 chương đầu. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung Tài liệu để có thêm Tài liệu phục vụ nhu cầu học tập và nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật Bê tông cường độ cao: Phần 1

PGS. TS. PHẠM DUỴ HỮU (Chủ biên) ThS. NGUYỄN LONG BÊ TÔNG CƯÒNG Đ ộ CAO ■ (Tái bản) NHÀ XUẤT BẢN XẢY DỰNG HÀ N Ộ I - 2 0 1 1
LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây bêtông cường độ cao dã chiếm một vị trí quan trong trong các công trinh xây dựng cầu, đường, nhà và công trình thuỷ có quy mô lớn . Cuốn sách này giới thiệu các kết quả nghiên cứu của Việt N a m , Pháp, A n h , N ga , Mỹ, N hậ t Bản về bêtông cường độ cao. Các vấn đề chính được trình bày trong cuốn sách này là cấu trúc, cường độ, biến dạng, phương pháp thiết k ế thành phần và khả năng ứng dụng của bêtông cường độ cao. Sách được dùng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh và làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư xây dựng và cán bộ nghiên cứu. PG S.TS. Phạm Duy Hữu - Chủ biên và viết các chương 1, 2, 3, 4, 5 , 6. T ham gia viết chương 6 là ThS. Nguyễn Long. Tác giả xin cảm ơn sự đóng góp ý kiến quý báu của các chuyên gia xây dựng và giao thông trong quá trinh biên soạn cuốn sách n ày . X in đặc biệt cảm ơn Trường cầu đường Paris và Trường đại học Tokyo đã cung cấp cho chúng tôi nhiều tài liệu hổ ích về bêtông cường độ cao. Cuốn sách được viết lần đầu nên chắc khó tránh khỏi thiếu sót. R ấ t mong nhận được những góp ý, phê bình của bạn dọc cho nội d u n g cuốn sách được hoàn thiện hơn trong lần tái bản . Các tác g iả 3
Chương 1 KHÁI QUÁT VỂ BÊTÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO 1. Bétớng cường độ cao và bètòng chát lượng cao Bctôiìíi là một loại vậl liệu chủ yếu cím thế ký XX, dược chế tạo từ hỗn hợp vật liệu với sự lựa chọn họp lý gồm các thành phấn: Cốt liệu lớn (đá dâm hoặc sói), cốt liệu nhỏ (cát), chất kết đính (ximăn«...). I1ƯỚC và phụ gia. Cát và đá dăm là thành phần vật liệu khoánu vật, đóng vai trò bộ khung ch Ị11 lực. Hỗn hợp ximăng và nước (hồ xiinăng) là thành phần hoạt tính tronu bêtỏng, 11Ó bao bọc xunc quanh cốt liệu, lấp đầy lỗ rỗng giữa cúc CỐI liệu và khi hổ xiniăng rán chăc sẽ dính kết cốt liệu thành một khối đá được gọi là bctòng. Các chát phụ iiia rất pliony phú và chúng làm lính chất của bêtông trờ nèn đa dạnụ và đáp ứnu đirợc các vêu cáu Iicày cà nu phát triển của bctỏng và kết cấu bêtỏng. Ngày nay bêtông là một tronu những loại vật liệu dang được sử dụng rất rộng rãi trong xây dựim nha. xây dựiìg cầu, dtioim. Tỷ lộ sứ dụiiú hôtông irơng xây đựng nhà chiếm khoáng 40%, xây dưng cáu dườim khoáng 15% tổng khối lượng bêtông. Bêtông có líu đicm: - Có cường độ chịu nén cao, móđun đàn hổi phù hợp với kết cấu bêtông cốt thép và bctòng cốt thcp dự ứng lực. - Bển nước và ổn định với các tác động của môi trường. - Cóng nghệ bêlông ổn định niỉày cànc phát triển. - Giá thành cúa bêtỏng hợp lý do tận dụng dược các nguyên vật liệu địa phương, vì vậy kết cấu bctông chiếm 609r các kết cấu xây dựng. Nhược đicm cư bán cùa bẽtõnc là có cườna độ chịu kéo chưa cao và khối lượng công trình bêlỏng cốt thép còn lớn. Cưừnc độ chịu nén của bêtôna thường chí dạt tối đa 50MPa và độ sụt tối đa 7 cm. Con đường phát triến của bèlỏng là cái liến cấu trúc, thành phần, cải tiến công nghệ bảng cách sử dụng các phụ íiia, các chất hỗ trợ công nghẹ (báo dưỡng, trợ bơm...) và các phương pháp công nghệ mới đê tìm la các bêtôns chất lượng cao. Các bêtông chất lượng cao phái đáp ứng các ycu cầu ve cường độ, tính còng tác và tính kinh tế. Những tính chất được cái tiến làm chất hrơne hơn hán bètông truyền thống (cường độ, biến dạng, dễ đố...). Những tính chất đặc biệt nàv tạo ra khá năim sán” tạo ra các kết cấu xây dựng và CỎIIÍI nghệ xây dựn" mới. 5
Bẽtõnu chất Iượníi cao bao 60 MPa. Tai cá các loại bèlỏne cưừnu độ cao đéu ciùnu ly lệ N/X ỉhâp (0,25 - 0,35). 6
Níĩày nay kiến thức về loại hètông này đã cho phcp ứng dụng bêtông chất lượng cao trong công trình lớn, chú yếu O' ha lĩnh vực: Các nuôi nhà nhiều tầng, các công trình biển và các cỏnq trình ui ao thòim (cầu, diròrns, hầm). Các đặc tính cơ học mới của bêtông cườns đỏ cao cho phcp nmrời thiết kế sáng tạo ra lơại kết cấu mới có chất lượng cao hơn. 2.2. C ác n g h iên cứu vế bétùng cường độ cao Trorm khoáng 15 nàni ỉĩần đày các sán phấm bêlôno có cường độ ngày càng cao hơn, đạt cườiitt độ từ 60 đến 140 MPa. Đặc biệt bctôns cường độ siêu cao (Ultra High Sircneth Concrctc) với cường dò lên dến 300 MPa (40.000 psi) đã được chế tạo trong phòntt thí nchiệm. Bètòng cườnu độ cao bắt đầu đươc sử ílụns vào thập kỷ 70, khi dó một loại bêtông có cường độ chịu nén cao hơn hán các loại bêtoníí trước đó dược dùng làm cột trong một số toà Iilià cao lầng tại Mỹ, Pháp. Các CỎI1ỈI trình lừ hêtông cường dộ cao dã được xây dựng tai Na Uy. Các công trình cầu dường tại Pháp, Nua đã dạt được các thành còng nổi bật. Gần đây bêtông cườna độ cao được sử dụng rộnq rãi tron Sỉ xây dựng cầu với nhiều đặc lính quan trọng như: cường độ cao, độ bổn cao..., SIlúp tạo ra các kết cấu nhịp lớn hơn. Hiện nay, bctôniĩ với cườne độ 98 đòn 1 12 MPa dã được sán xuất công nghiệp và được sir dụng trong ngành cônii nghiệp xây dựng ở Mỹ, Nga, Na Uy, Pháp. Các nước như Anh, Đức, Thụy Điên, [talìa, Nhật Bán. Trung Ọuốc và Việt Nam đã hắt đầu áp dụng bélòrm cường đô cao ironi’ xây clưne nhà, cầu, đường, thuv lơi. V- c. * . 1 ■ Trone những năm gấn dây, dã cỏ rất nhiều chương trình tám cỡ quốc gia nghiên cứu các tính chất cơ học của bctỏng tại nhiều nước khác nhau trên thế giới. Trong đó những cluiơnti trình nehiên cứu dánỉĩ chú ý gồm có: nshiên cứu của Trung tâm khoa học kỹ thuật về vật liệu xiniãng chất lưựnc cao (ACBM - Mỹ), Chương trình nghiên cứu đường ỏtô (SHRP); M ạng lưới trung tâm chuyên gia của Canađa với Chương trình về bètông tính năng cao; Hội đồng hoàng iiia Na Uy với chương trình nghiên cứu khoa học và công nuhiộp; Chương trình quốc gia Thụy Đicn vổ HPC; Chương trình quốc gia Pháp tên là “ Nlũrng con đường mới cho bctỏng”; và Chương trình bêtông mới của Nhật Bán. Các nghiên cứu về bẽtỏng cườns dớ cao dã kháng định việc sử dụng bêtông cường độ cao cho phép tạo r;t các sản phẩm có tính kinh tế hơn, cung cấp khá năng giải quyết dược nhiều vấn đề kv thuật hơn hoặc vừa đàm bảo cả hai yếu tô trên do khi sử dụng bêtons cường độ cao có các ưu diêm sau: - Giám kích thước cấu kiện, kết quá là tăng không gian sử dụng và giảm khối lượng bêtỏn
Cần tiếp tục nghiên cứu về cưònq độ chịu kéo, cắt và biến dạng của bêtông cườne đỏ cao trong điều kiện khí hậu Việt Nam. 3. Phàn loại bétồng cường độ cao Có thê phàn loại bêtông cường đô cao theo cưòng độ, thành phần vật liệu chế tạo và theo tính công tác. 3.1. Phàn loại theo cường độ nén Căn cứ vào cường độ nén ở ngày 28 mẫu hình trụ D = 15cm, H = 30cm có thế chia bêtông thành 3 loại sau: Cường độ nén, MPa Loại bêtông 15 -25 Bêtông truyền thống 3 0 -50 Bêtổng thường 60-80 Bẽtổng cường độ cao Ỉ00 - 150 Bêtông cường độ rất cao 3.2. Phân loại theo thành phần ché tạo Bêtòng cường độ cao không sử dụng muội silic: là loại bêiỏng cường độ cao không sử dụng bột silic siêư mịn, có thế sử dụng tro huy. Bêtông cường độ cao sử dụng muội silic: trong thành phần có lượng muội silic lừ 5 - 15% so với lượng ximăng. Bêtông cường độ cao cốt sợi kim loại là bctông cườnc độ cao có hoặc không có nuiộị silic nhưng có thành phần sợi kim loại. Các loại hêtòng cường độ cao trên được sử dụng trong các kết câu khác nhau và cho các tính năng khác nhau. Tất nhiên khi tính toán thiết k ế lên kết cấu và thiết k ế thi công cũng có những lưu ý khác nhau. Bêtông cường độ cao không dùng muội silic cho cường độ cao, độ déo lớn nhưng cường độ chịu nén chí đạt đến 60 MPa. B êtông cường độ cao dùnq muội silic khó thi c ô n g hơn n hư n g c h o cường độ đén 100 M Pa, co ngót bêtông và từ biên giảm, ứng xử về biến dạng và c ườn Sĩ độ khác với bêtồng cường độ cao không dùng muội silic nhất là ứnụ xử khi phá hoại (có thỏ giòn hơn, vữ vụn). Bêtông cường độ cao sợi kim loại: có cường đõ ỊỊhư hai loại trên nhưng có độ dẻo cư học cao hơn. Đám báo khôns bị phá hoại đột imột và cài tiến khá năng chịu kéo và chố nc nứt của bêtông cườiiiỉ độ cao. Loại bêtông cường độ cao cốt sợi thưừniỉ được dùng ờ các công trình biến bến cảng, sàn bay, công trình thc thao. 8
Chương 2 CẤU TRÚC BÊTÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO 1. Mử đầu Bctông cường độ cao (BT CĐC) là một trong những bêtông chất lượng cao, đó là một tho' hệ sau của các vật liệu cho kết cấu mới. Theo quy ước BT CĐC là bêtông có cường độ nén ử 28 ngày > 60 MPa. BT CĐC có thành phần là hỗn hợp cốt liệu thông thường và chất kết dính được cải thiện bằng cách dùng một vài sán phẩm mới có phẩm chất đặc biột như chất siêu deo và muội silic. Chương này trình bày một cách tổng quan vé các vật liệu này, nguyên tắc phối hợp, lôgic công thức cùa chúng và gán các lính chất cơ bản với cấu trúc của chúng. 2. N guyên tác phôi hợp và cóng thức thành phần Trong thực té bétóng cẩn co dộ dặc rát cao, vì do ỉà dậc điểm chính của càu tạo bêlông. Ý kiến đầu ticn của vậí liệu bctông là cố gắng tái tạo lại một khối đá từ các loại CÒI liêu. Đ ộ đặc chắc của hỏn hợp tạo ra sỗ được đicu hoà bởi dải cấp phối của nó, nghĩa là phụ thuộc vào tlộ lớn cực đai của cốt liệu. Kích cỡ cúa cốt liệu lớn khoảng 20-25mm. Ciíc hạt nhỏ, do đặc tính vật Iv bc mạt, eây nên sự vón tụ tự nhiên của các hạt ximăng. Sự vón tụ hạt ximãng càng ít, chất Iượnc bêtông cànu cao (độ dẻo, cường độ...). Từ ý tưởng đó. nhữne nghiên cứu đầu tiên là sử dụng một vài sản phẩm hữu cơ đê khôi phục ximăng lơ lừng tron
Các thành phẩn truyền thống (cốỉ liệu, xirnăns, và hỗn hựp) phái có phẩm chất iốt, có sự lựa chọn chặt chõ cần thiết nếu muốn vượt quá 100 MPa vổ cuờne độ trung bình ỏ' 2S imày. Nuoài ra do sự giám tý iệ N/X mà có thỏ chuyến bctỏne ximãng cườns* độ cao (cườim đô nén từ 50 đến 80 MPa) sanc hctone cirờn
5.2. Vừa x im á n g với tí lệ N iX n h ỏ Férct, nãm 1897. đã biếu thị cườiìii dỏ nén của vữa ximàng bằng công thức sau: Rb = A. |X/(X + N + K )|: Với X, N, K tương ứniỉ là thê tích của ximăng, nước và không khí. Theo công thức này. sự Sĩiĩim tỉ lệ N/X dẫn đến tăng cườne độ vữa ximãng. Tuv nhiên có một giới hạn của tí lẹ này, licn quan tính cỏnu tác cùa bctông tươi, Vì nếu dùim lượng nước quá Ihấp sẽ khó tạo ra độ dẻo đủ cho vữa ximãns. Cấu trúc của loại vữa xiinăng này sẽ có độ rỗne nhỏ hơn và Urựne nước thừa ít hơn. Như vậy, khả nărm tách nước khi rắn chắc là thấp (klìónu tách nước trcn mặt bctỏne). 3.3. Vữa x im â n g có p h ụ gia giấm nước Phụ ííia sicu deo eốc naplìíalcn suníonaU inelamin, limiosuníonat hoặc viseo sử dụng đế phân bố tốt hơn các hạt cối liệu cho phép giam nước đến 30% và tí ]ệ N/X = 0,21. N hững nghicn cứu vé c ộne lurừniĩ từ tính hạt nhân proton đà chứng m inh rằne phụ gia hấp thụ trên cấc hạt xim ăna tạo thành nhữnu màng, trong đó các phân từ nước vẩn chuycn đ ộnc mạnh. Dưới tác độim của m àng cộng với sự phân lán của các hạt rán hạt x im ă n s lạo ra độ kru hiến tốt han. Cưừnc độ nén 200 MPa nhận dược trone các loai vữa dùng phụ gia siêu đeo. Đ ộ rỗnu là 5% vé thế tích, vữa đổng Iìhất và bể mật vô định hình. Đ ỏ sut bclònu đo bàniĩ côĩi Abram có thể đạt tối đa ứốn 20 cm , trunu hình là 10 - 12 cm. 3.4. Vữa x im â n g c h ịu ép Um và ru n g độn g Vữa ximărìíi có cirờim clộ nén 600 MPu đà clat được nhờ lực ép lớn ở nhiệt độ cao (1020 MPa, 150°C). Tổnu lỏ rồng chi còn 2%. Phán lớn các hyđrát dược chuyển thành là ỉỉel. Đỏ thủy hoá của xiniãim là 30c/f và silicát C-S-H ụổm cá hạt ximăng, anhyđrit như một chất kco giữa các hạt cốt liệu. Cấc hyđrát của ximãng và các hạt clinke đồng thời tạo ra cườim dộ cao cho vữa dỏne cứim. Sự rưns tlộne loại bỏ các bọt khí tạo ra khi nhào trộn. 3.5. Vừa Xỉ'măng s ử d ụ n g các h ạ t siêu m ịn Hệ thống hạt siêu mịn được người Đan Mạch đề xuất đầu tiên. Hệ thống này gồm xim ăne poóclăng, muội silic và phụ gia tạo ra cường độ cao tới 270 MPa. Muội silic là nhữne hạt cầu kích thưóc tru nu bình 0,5 |am, chui vào troim các khône gian rỗng kích thước tù 30 - 100 |am đó lại bới các hạt ximãng. Trước hct, muội siỉic đóníĩ vai trò vật lý, là các hạt mịn. Mặt khác chúne chốne vón cục hạt ximăne. phân tán hạt ximãnẹ làm xiniănu dẻ íhúv hoa, làm tảne li lô hạt xim ăne dược thúy hoá. Tronu quá uình ihủv hoá. muội silic tạo ra nhữns vùng hạt nhân cho sàn phám thủy hoá ximãnu (Mchía) và sau một Ihòi uian dài, phan ứna nhơ ĩììột pu/ơlan, tạo thành một silicát ilúiy hoá C-S-H có độ rỏiiu nho hơn là C-S-H cua ximăne poóclăng và có cấu trúc vò dinh hình.
Cấu trúc vưa xiinăng poóclăng có N/X = 0,5 bao gồm ( I ) C-S-H sợi, (2) C a(O H )2 (3) lỗ rỗng m ao quản . Cấu trúc vữa xim ăng có muội silic bao gồm (1) Ca(O H )2, (2) C-S-H vô định hình (3) ỗ rỗng rất ít. (t) b) Hình 2.1. Cấu trúc của muội silic và .xitnủns* a. Càn Ị rúc (lia muội siĩic; h, Câu t r ú c nia hồ .xiỉỉỉãỉiiỉ DSP - hệ thống hạt xi mãim và muội silic Hạt ximăng Hạt siêu mịn H ình 2.2. Sơ dồ ỉiệ ĩhỏỊiạ hạr .ximữỉìiỊ-Hụt siêu mịn 12
3.6. Vữa xim ăn g pôlim e Khi làm đặc vữa ximăng, tạo ra khả năng tăng cường độ nén của bêtông bằng cách bịt các lỗ rỗng bằng vật liệu pôlime thích hợp. T rong vữa ximăng độ rỗng thấp, một pôlyme tan trong nước (xenlulô hyđrô propylmethyl hoặc polyvinylaxetat thủy phân) phân tán và bôi trơn các hạt xim ăng trong vữa ximăng. Pôlyme tạo thành một gel cứng. Khi ninh kết và rắn chắc, pôlym e không thủy hoá, trong khi đó ximăng thủy hoá. Trong vật liệu dông cứng, pôlym e vẫn liên kết tốt với các hạt xim ăng và độ rỗng cuối cùng dưới 1% về thể tích. Hỗn hợp vữa ximăng pôlyme gồm: 100 phần ximăng (về khối lượng), 7 phần pôlym e và 10 phần nước. Cấu trúc vi m ô gần với cấu trúc vữa ximăng có tỉ lệ N/X thấp. Tính chất chủ yếu là một gel đặc và vô định hình bao quanh các hạt clinke. Các tinh thể C a(O H )2 ở dạng lá m ỏng phân tán trong vữa, trái với các tinh thể lớn chất đống trong vữa xim ăng poóclăng thường. Khoảng không gian rất hẹp dành cho sự tạo thành các tinh thể lớn tránh được sự hình thành các sợi dài theo mặt thớ của các tấm Ca(OH)? chổng lên nhau. Cường độ i 50 MPa ứng với sự vắng m ặt của các lỗ rồng m ao quản và vết nứt. Vữa xim ăng pôlyme có thể được đổ khuôn, ép, định hình như các vật liệu dẻo. N ó có thổ đưa vào trong các vật liệu compozit chứa cát, bột kim loại, sợi để tăng độ bền và cường độ chống mài mòn. 4. C ấu trúc của bêtông cường độ cao 4.1. Cấu trúc của cốt liệu bêtông cường độ cao Sử dụng các cốt liệu truyền thống và vữa ximãng chất lượng để tạo ra B T CĐC. Ba đặc tính của vật liệu ảnh hưởng đến cấu trúc của BT CĐC là thành phần và cấu trúc vi m ô của hồ ximăng, bản chất của liên kết giữa hồ ximăng - cốt liệu và chất lượng của cốt liệu trong điều kiện công nghệ và môi trường ít biến đổi. Cấu trúc BT C Đ C cũng gồm b a cấu trúc con tương tự như bêtông ximăng. Phần được cải tiến nhiều nhất là cấu trúc của hồ ximãng và cấu trúc của vùng tiếp giáp giữa hồ và cốt liệu. Cấu trúc cốt liệu về cơ bản là không biến đổi. Có lẽ đây là vùng cấu trúc bảo thủ nhất. Cấu trúc của cốt liệu lớn tạo nên khung chịu lực cho bêtông, nó phụ thuộc vào cường độ bản thân cốt liệu lớn, tính chất cấu trúc (diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu) và cường độ liên kết giữa các hạt. Thông thường, cường độ bản thân cốt liệu có cấp phối hạt hợp lý đã giải quyết được các lỗ rỗng trong bêtông và tăng diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu (giữa các hạt với nhau và các hạt xung quanh một hạt). Trong BT C Đ C nên sử dụng các cốt liệu truyền thống và các chí dẫn chặt chẽ hơn. 13
4.2. Cấu trúc của h ồ xim ăn g Lỗ rỗng luôn tồn tại trong cấu trúc của hồ ximăng và ảnh hưởng rất lớn tới tính bền của cấu trúc này. Các lỗ rỗng tồn tại dưới hai dạng: lỗ rỗng m ao dẫn và lỗ rỗng trong khoảng giữa các hạt ximăng. Lỗ rỗng m ao dẫn tạo ra do lượng nước dư thừa để lại các khoảng không trong hổ ximăng. Đ ể hạn c h ế độ rỗng trong bêtông thì tỷ lệ N /X thích hợp là m ột vấn đề quan trọng. Trong BT CĐC tỷ lệ N/X được hạn c h ế dưới 0,35 mà kết hợp sử dụng phụ gia siêu dẻo để giải quyết tính công tác cho bêtông. Kết quả là tăng khối lượng các sản phẩm hyđrat trong quá trình thuỷ hoá xim ăng, đồng thời giảm đáng kể tỷ lệ các lỗ rỗng m ao quản trong bêtông. Hiện tượng vón cục các hạt xim ăng và bản thân kích thước hạt xim ăng vẫn lớn và tạo ra độ rỗng đáng kể cho bètông. M ột sản phẩm siêu mịn, ít có phản ứng hoá học (muội silic, tro bay) được bổ sung vào thành phần của BT CĐC. Lượng hạt này sẽ lấp đầy lỏ rỗng mà hạt ximăng không lọt vào được. Đ ồng thời với kích thước nhỏ hơn hạt ximãng nhiều, nó bao bọc quanh hạt xim ăng tạo thành lớp ngăn cách không cho các hạt ximàng vón tụ lại với nhau. 4.3. Cấu trúc vùng tiếp xúc h ồ xỉm ăng - cốt liệu Cấu trúc của vùng tiếp xúc hồ xim ăng - cốt liệu có ý nghĩa quyết định cho loại BT CĐC. Cấu trúc thông thường của bêtông gồm ba vùng: cấu trúc cốt liệu, cấu trúc hổ ximăng và cấu trúc vùng tiếp xúc hồ xim ăng - cốt liệu. V ùng tiếp xúc hồ xim ăng - côt liệu trong bêtông thường, gọi là “vùng chuyển tiếp”, vùng này có cấu trúc kết tinh, rỗng nhiều hơn và cường độ nhỏ hơn vùng hồ do ở vùng này chứa nước tách ra khi hồ ximăng rắn chắc. Ớ vùng này còn chứa các hạt xim ăng chưa thủy hoá và các hạt CaO tự do. Các đặc tính của vùng liên kết hồ xim ăng - cốt liệu trong bêtông thường gồm mặt nứt, vết nứt, cấu trúc C-S-H và bề m ặt các hyđrat. Ví dụ các vết nứt xuất hiện bao quanh các hạt silic và phát triển vượt qua hồ ximăng. Trên mặt trượt của cốt liệu, các hyđrat gồm tấm Ca(OH)o và các sợi silicát (sợi C-S-H). Chúng chỉ được liên kết rất yếu vào cốt liệu và tách ra dễ dàng. Sự kết tinh có định hướng C a(O H ), cũng quan sát thấy trên các hạt cốt liệu silic. Vùng liên kết giữa hồ xim ãng - cốt liệu có độ rỗng lớn và đã được cải thiện nhờ muội silic. Biến đổi cấu trúc của bêtông theo cường độ phát triển theo ba cấp độ sau: - Trong bêtông thường vùng liên kết xim ăng - cốt liệu là vùng tiếp xúc rỗng có các mặt nứt và các vết nứt. Cấu trúc c - H - H có dạng sợi. 14
Vùng tiếp xúc hồ xim ăng - cốt liệu ợ BT CĐC có cấu trúc C-S-H vô định hình và tinh thể Ca(O H )i định hướng (P) trên các hạt cứng, các vết nứt giảm rõ ràng. V ùng tiếp xúc của BT CĐC tỉ lộ N/X < 0,3, do tỉ diện tích hạt muội silic rất cao nên vùng này không chứa nước, không tồn tại CaO tự do, vữa xim ăng có độ đặc rất lớn và lực dính bám với cốt liệu cao. Bêtông cường độ rất cao vùng liên kết chuyển thành đá, hồ xim ăng - cốt liệu đồng nhất. Không có vết nứt trên bề mặt. Hiện nay, khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (MEB) một vài mảnh BT CĐC đã cứng rắn, thấy rằng BT CĐC và CĐRC có cấu trúc rất đặc, chủ yếu vô định hình và bao gồm một thể tích không bình thường của các hạt không có nước, đó là phần còn lại của ximăng chưa thủy hóa do thiếu nước sử dụng. Ngoài ra, các m ặt tiếp xúc vữa ximãng/cốt liệu rất ít rỗng và không thể hiện sự tích tụ thông thường của các tinh thể vôi. Điều đó là do hoạt động của muội silic bắt nguồn từ phản ứng puzơlan giữa silic và vôi tự do sinh ra bởi xim ăng khi thủy hoá. Việc đo độ xốp bằng thủy ngân chỉ ra sự mất đi của độ xốp m ao quản. Cuối cùng người ta có thế đo được độ ẩm của môi trường trong các lỗ rỗng của bêtông theo tuổi của vật liệu. Trong khi đối với bêtông thông thường luôn luôn bằng 1 0 0 % (khi không có sự trao đổi với môi trường xung quanh), nó giảm tới 75% ở tuổi 28 ngày đối với BT CĐC. Cuối cùng, từ các nhận định khác nhau cho phép trình bày về cấu trúc của BT CĐC như sau: - Tỉ lệ phần hồ xim ăng trong bêtông giảm đi, các hạt chưa thủy hoá được bổ sung vào thành phần cốt liệu của bêtông đã cứng rắn. Như vậy trong BT CĐC không nhất thiết phải dùng lượng xim ãng cao (X = 380 - 450 kg/m 3 với cường độ nén của xim ăng từ 400 -500 daN /cm 2). - Hồ xim ăng có độ rỗng tổng cộng nhỏ. - Rất ít nước tự do, các lổ rỗng nhỏ nhất cũng bị bão hoà nước. - Các mặt tiếp giáp hồ ximăng - cốt liệu đã được cải thiện và hóa đá, từ đó mất đi một vùng thường yếu về cơ học của bêtông. Cường độ bêtông tăng lên. Vết nứt của bêtông khi phá hoại sẽ đi qua các hạt cốt liệu. - Hàm lượng vôi tự do nhỏ. - Trong bêtô n g xuất hiện trạn« thái ứng suất mới được m in h hoạ m ột cách vĩ m ô bằng co ngót nội tại và chắc chắn nó sinh ra một sự xiết chật m ạn h vào các cốt liệu, làm tănc lực dính giữa cốt liệu và hồ xim ăne, cái tiến cường độ chịu kéo và m ỏđun đàn hổi cho BT CĐC. 15
5. Cấu trúc của bêtỏng cường độ rất cao Bêtông cường độ rất cao (CĐRC), cường độ nén từ 100 4- 150 MPa tạo thành từ: - 400 - 500 kg ximăng poóclăng mác 55 + (15 -T- 20)% m uội silic. - 1 -í- 4 % phụ gia siêu dẻo, 0,3 - 0,4 % chất làm chậm. - N/X = 0,16 - 0,18; N = 100 lít/m 3 Sự phá hủy của BT C Đ R C cho thấy vữa ximăng đã chuyển thành đá do sự đông đặc rất cao của vữa xim ăng khác với vữa xim ăng có độ rỗng xung quanh cốt liệu của bêtông thường. Điều này được thể hiện qua nghiên cứu [4], trong đó ta không thể quan sát được vết nứt cũng như sự định hướng tinh thể C a(O H )2 ở mặt tiếp xúc. Nứt vi m ô và nứt vi m ô cơ học của BT CĐ RC có thể được đánh giá bằng kính hiển vi và thường ít hơn so với bêtông truyền thống. Đặc tính cấu trúc rất quan trọng là vữa ximăng có cấu trúc vô định hình và đồng nhất. Vữa ximăng có độ rỗng nhỏ hơn bêtông xim ăng poóclăng, do tăng được mức hoạt tính puzơlan của muội silic. Muội silic phản ứng lý học nhờ dạng hạt cực m ịn và phản ứng hoá học nhờ độ hoạt tính của muội silic với vôi. Độ rỗng của bêtông dùng muội silic được đo bằng rỗng k ế thuỷ ngân giảm từ 50-60%... Lượng tối ưu của muội silic là 15 -7- 20% khối lượng ximăng. Với số lượng lớn hơn, VI dụ 40%, bêtông trở nên giòn và các hạt silic vẫn chưa thủy hoá. 6. Các kết quả thực nghiệm về cải tiến cấu trúc bêtông Các kết quả nghiên cứu trong năm gần đây ở Pháp và ở trường Đại học G T V T Hà Nội đã đạt được thành công đáng kể về BT CĐC có cải tiến cấu trúc bằng cách dùng muội silic, chất siêu dẻo, lượng nước rất ít và cốt liệu địa phương. Đối với bêtông có mác từ M60, M70, M 100, các kết quả được ghi ở các bảng dưới đây: B ảng 2.1. Bêtỏng M 60 (m ẫu hình trụ D = 15cm) có độ dẻo lớn ở V iệt Nam Thành phần Pháp Việt Nam Nước lít 154 165 Ximăng C50 kg 400 500 Cát kg 750 650 Đá (4-22 mm) kg 1175 1150 Cường độ MPa R 2g = 58,7 R 90 = 62,8 Muội silíc % 5 6 Chất siêu dẻo lít 4,2 5 16
Bảng 2.2. Bêtông M 70, M 100. Đ ộ sụt 18 cm M70 MI 00 M70 Thành phần Đơn vị (Pháp) (Pháp) (Việt Nam) Đá (5-20 mm) kg 1107 1265 1150 Cát 0,5 kg 767 652 660 XM kg 366 421 465 Muội silic kg 40 42,1 45 Nước lít 161 112 130 Siêu dẻo R b lít 9,08 7,59 6,75 Chất làm chậm lít 1,7 1,8 1,4 Tý Ịệ N/X 0,44 0,266 0,28 Cường độ 28 ngày MPa 70 101 73,5 F MPa 36,000 50,400 38,000 dàn hoi MPa 5,5 7,5 8,0 BT C Đ C có thể đạt được bằng cách sử d ụ n g các vật liệu V iệt N am và có điều c h in h lại cấu trúc củ a bêtôn g bằng cách sau: Sử d ụng tỷ lệ N/X trong khoảng: 0,25 - ơ,3, lượng m uội silìc c h iế m 8-10% lượng x im ã n g . H àm lượng x im ã n g từ 3X0 - 4 5 0 kg (ximăng PC40), phụ gia siêu hoá dẻo làm chậm ninh kết. BT CĐC sẽ có cấu trúc vữa ximăng vô định hình và đồng nhất. Cường độ bêtông có thể đạt từ M70 - M 90 với công nghệ thay đổi không nhiều. 17
Chưưng 3 CÁC TÍNH CHẤT CỦA BÊTÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO 1. Mở đầu BT CĐC tồn tại ở ba trạng thái: ướt, mềm và cứng rắn (rắn chác), tính chấl của BT CĐC ở trạng thái còn ướt là tính dễ đổ (độ sụt) hoặc còn gọi là tính công tác. Tuy sú dụng lượng xim ăng cao, tỷ lệ N/X thấp nhưng độ sụt của BT C Đ C vẫn đạt từ 10-20 cm, giữ được ít nhất là 45 phút, ở trạng thái m ềm , tính co ngót thấp và ổn định thê tích cao so với bẻtỏng thường. Các tính chất của BT CĐC khi rắn chắc như cường độ biến dạng, m ôđun dàn hổi được: thế hiện theo tỷ lệ với cường độ nén đơn trục của mẫu thử hình trụ có kích thước 15 X 30 cm hoặc mẫu thử hình lạp phương 15 X 15 X 15 cm (theo Ticu chuẩn Anh) tuổi 28 ngày. Ngoài ra các tính chất khác như cường độ chịu kéo, co ngót, từ biến, sự dính bám với eôì thép cũng được xét trong quan hệ với cường độ nén. 2. Cường độ chịu nén BT CĐC 2.1. Cường độ chịu nén Cường độ chịu nén của bêtông là tính chất quan trọng để đánh giá chất lượng của bêtông, mặc dù trong một số trường hợp thì độ bển và tính chống thấm còn quan Iiọnu hơn. Cường độ của bêtônQ liên quan trực tiếp đến cấu trúc của hồ xim ãng đã đỏnu cứng, cấu trúc ciia bêtỏng. Cường độ ncn của bêtông phụ thuộc rất lớn vào tỷ lệ N/X bẽtôim Tý lệ N/X ảnh hưởng rất lớn đến độ bền, độ ổn định thế tích và nhiều tính chất khác liên quan đến độ rỗng của bctông. Do đó cường độ chịu nén cúa bctông dược C|iiy định sử dụng trong thiết kế, hướng dãn cône nghệ và đánh giá chất lượng bctỏiig. Cường độ nén của bêtô ng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Chất krợns và hàm lượng của các vật liệu c h ế tạo bêtông: côi liệu, x im ăn g và các phụ gia; Quy trình, thiết k ế thành phần và thời gian nhào trộn hỗn hợp vật liệu; M ỏi inrờ nc sán xuất VÌI khai thác bêtông. Các tính chất của các vật liệu thành phần ảnh hưởng đến cườns độ bêtỏng là: Chất lượng của cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn; Hồ xim ãng và tính dính bám cúa hổ ximăne với cốt liệu (tính chất của vùng chuyên tiếp). 18
Nlhữnc yêu tố này ành hướna dến cấu 1rúc vĩ mò và vi mô của bêtông, bao gồm: độ rỗng, kích thước và hình dạng lỗ rỗng, sự phân bô các lỗ rỗng, hình thái của sản phám thuý lioá và sự dính bám giữa các hạt răn. Cườns độ nén là tính chất sử tlụnc quan Irọng nhất của vật liệu. Đó cũng là tính chất mà sự cái thiện của nó là ly kỳ nhất: rnurời ta đã có thể thực hiện ở phòng thí nghiệm, sử (iụns thành phần tối ưu bêtôns có thc dạt cường độ bêỉỏng vượt quá 200 MPa. Tuy nhiên trong thực tế khôns yêu cầu về cường độ quá cao và giá thành của bêtông quá đắt (do sử clụns nhiổu muội silic và chất siêu dco). Việc chế tạo loại bêtông dễ đố với các cốt liệu thõng thường, giá thành không quá cao, cường độ năm trong khoáng từ 60 đến 120 MPa, sẽ c ó ý nghĩa thực tế cao hơn, điéu dó cũng đã thc hiện một bước tiến lớn so với bêtòng thường (báng 3.1). Báng 3.1. Sự diễn biến của các tính chất co học của BT CĐC Ngày 3 7 14 28 90 365 Chí tiéu ^ _ Cường độ nén trung bình (MPa) 27,2 7"> 1 85,6 85,6 92,6 101,0 1 14,1 Cườim độ nén ché (MPa) ■>1 5.4 6.4 6.4 6,1 ị■ruK1 1 ;^ ị Mỏđun dàn hồi (CiPa) 34.1) 4K,7 52,4 53,4 53,6 56,X L - L — 1 Đê giái thích các cường độ c;io này, mó tá vạt l ý SƯ phá hoại bêtồng chịu nén, xuất hiện bởi sự uốn dọc liên tục. Sứ dụng mội kết cấu dầm đế m ô hình hoá bêtông, người ta dỗ dàng chứng minh cườnu độ nén phái phát tricn theo bình phương độ đặc của hồ ximãng đã cứng rán - được xác định bằnH lí lệ thế tích cửa pha rắn, trong khi cường độ kéo chí phát triến theo luỹ thừa của dại lươn? này (định luật Feret). Điều này gần như được chứng minh trong thực tế. Cường độ chịu nén cúa BT CĐC được xác định trcn m ẫu bêtông tiêu chuẩn, được bào dưỡng 28 ngày trong điểu kiện tiéu chuẩn, theo Tiêu chuẩn Việt N am hoặc quốc tế thích hợp. Theo Tiêu chuẩn Việt Nam, mẫu liêu chuân dc xác định cường độ bêtông là mẫu hình hộp làp phươne có cạnh 150x150x150 min. bao đưữne trong điều kiện t = 20-25°C, w = 90 - 100%. Hoặc mẫu hình trụ D = 15, H = 30 cm. lây mẫu và bảo dưỡng theo TCVN. Theo ACI thì m ẫu tiêu chuán đẽ xác dinh cuòìì”o dỏ BT C Đ C là mầu hình tru tròn có . kích thước: d = 6 in và h = 12 in (150x300 mni), và được bảo dưỡng ám. Cường độ chịu nén của BT CĐC hiện nav theo quy định của ACI (Mỹ) từ 42 MPa (6000 psi) đến 138 MPa (20'00ơ psi). ở Việt Nam và chau Âu thường quy định có cường đò khoáns 60 - 80 MPa. 19
2.2. Tốc độ tăng cường độ chịu nén theo thời gian BT CĐC có tốc độ tăng cường độ ờ các giai đoạn đầu cao hơn so với bêtông thường, nhưng ở các giai đoạn sau sự khác nhau là không đáng kể. Parrott đã báo cáo các ti sổ điển hình của cường độ sau 7 ngày đến 28 ngày là 0,8 - 0,9 đối với bètỏng có cường độ cao, từ 0,7 - 0,75 đối với bêtông thường, trong khi đó Carrasquillo, Nilson và Slate đã tìm ra được tỉ số điển hình của cường độ sau 7 ngày là 0,6 đối với bêtông có cường độ thấp, 0,65 đối với bêtông có cường độ trung bình và 0,73 đối với bêtông có cường độ cao. Tốc độ cao hơn của sự hình thành cường độ của BT CĐC ở các giai đoạn đầu là do sự tăng nhiệt độ xử lý trong mẫu bêtông vì nhiệt cúa quá trình hydrát hoá, khoảng cách giữa các hạt đã được hyđrát hoá trong BT C Đ C đã được thu lại và tí số N/X thấp nên lồ rồng do nước thuỷ hóa trong BT CĐC là thấp hon. Sự tăng cường độ nhanh hơn nhiều so với bêtỏng cổ điển (hình 3.1), do sự xích gần sớm của các hạt bêtông tươi, cũng như là vai trò làm đông cứng của muội silic. Sự phát triển sớm của cường độ trong thực tế phụ thuộc vào bản chất (hàm lượng aluminat, độ mịn) và lượng dùng xiinăng, hàm lượng có thê có của chất làm chậm ninh kết, cũng như là chắc chắn phụ thuộc vào nhiệt độ của bêtông. Quan hệ giữa bêtông chịu nén ở ngày thứ j (fCj) và cường độ bètông ngày 28 (ft i 8) có thể sử dụng công thức BAEL và BPEL (Pháp) như sau: fcj = 0,685 l g ( j + l)fc2íí (3-1) hoặc công thức ở dạng tuyến tính như sau: (3-2) Ả fc/fc28 b = 0,80 0 1 7 14 28 56 90 180 365 Hình 3.1. Quan lìệ iỊÌữa cườm* (íộ vủ tlìời ỳiiìi 20
trong đó: a = 28(1 - b) 0 < j < 28 j (3-3) CJ 28 28(1 - b) + bj trong đó: b = 0,95 Vây J (3-4) l,4 + 0,95j khi j tiến tới oo cường độ bêtông cũng chi tăng theo cỏng thức sau: fcoo= 1>2 fc2ịị Cường đ ộ chịu k éo tại ngày j cũng có q u a n hệ với cường độ c h ịu nén tại n gày j nh ư sau: f(| = 0,6 + 0,06 fcj (3-5) hoặc f„ = kk(ftj)w (3-6) hẹ số k k = 0,3 theo BAEL-BPEL. kk = 0,24 theo CEBIT. 2.3. Các dạng p h á hoại khi nén Độ dai của BT C Đ C biểu thị khá nàng làm việc của bêtông sau khi đạt đến ứng suất tối đa. Độ dai được thể hiện ở độ dốc của đường cong quan hệ ứng suất biến dạng sau khi đạt cường độ. Hình 3.2. Quan hệ ửiìi; suất hiến clựnq của 4 loại bêtông N- Bêtông thường; HR- BêtôiiỊỊ t ưừinị độ cao; THR- Bêlô/ìiỊ cường độ rất cao 21
Trên hình 3.2 là quan hệ giữa ứng suất theo chiểu trục và biến dạng đối với bêtông có cường độ nén lên tới 105 MPa. Dạng đồ thị ở phía tăng của đường cong ứng suất - biến dạng khá tuyến tính và dốc đối với BT CĐC, biến dạng tương đương ứng với điểm ứng suất lớn nhất cao hem đối với BT CĐC. Đối với BT CĐC độ dốc ở phía giảm trở nên dốc hơn. (Để có được những số liệu của phía giảm đường cong ứng suất - biến dạng, nói chung cần phải tránh sự tương tác lẫn nhau của hệ thống kiểm tra mẫu thử). Điều này cũng cho thấy độ dai của BT CĐC thấp hơn so với bêtông truyền thống. Đ ộ ẹiòn của B T CĐC: Đối với kim loại và đặc biệt là thép, sự phát triển cường độ luôn luôn đi đôi với độ giòn lớn hơn. Điều đó được thể hiện bằng các dạng phá hoại đặc biệt và bằng độ dai (dại lượng biểu thị khả năng của vật liệu chống lại sự lan truyền của vết nứt) và tốc độ phá hoại. Chúng ta quan sát ba dạng này đối với bêtông chất lượng cao và rất cao. C ác dụng p h á hoại: Các bề m ặt vỡ của bêtông BT CĐC là đặc trưng tiêu biểu của vật liệu. Các vết nứt đi qua không phân biệt hồ và cốt liệu (hình 3.3). N hư vậy sự phá huỷ của BT CĐC có quan hệ gần gũi với dạng chẻ theo thớ của kim loại giòn. Với bêtông thường vết nứt đi qưa biên cốt liệu mà không đi qua cốt liệu. Hỉnh 3.3. Các dạng vết lún Không phải là giống nhau khi người ta quan tâm đến độ dai hoặc nhân tố độ mạnh của ứng suất cực hạn. Khi đo thông số này trên ba loại bêtông: bêtông thường, BT CĐC không có muội silic và BT CĐC. Các giá trị tìm được lần lượt bằng 2,16; 2,55; 2,85 MPa trong khi đó năng lượng phá vỡ được xác định ở mức độ 131; 135; 152 J/m 2. Điều đó có nghĩa là để lan truyền trong BT CĐC một vết nứt có chiều dài và môi trường xung quanh đã cho cần thiết năng lượng gia tải lớn hơn so với bêtông thông thường. Nguyên nhân cơ bản là sự tăng m ật độ của hồ và cải thiện liên kết giữa hai pha hồ và cốt liệu. 22