ĐẶT VẤN ĐỀ Trong xu thế phát triển toàn diện về kinh tế, xã hội cũng như trên con đường hội nhập với các nước khu vực và thế giới, nước ta đã và đang có những bước chuyển mình mạnh mẽ. Trong những năm gần đây các khu đô thị mới, các nhà cao tầng, các công trình cầu giao thông đã và đang được xây dựng ngày càng nhiều. Dự báo trong thời gian tới sẽ có sự phát triển nhanh và đột phá. Sự phát triển trên đòi hỏi ngành xây dựng, nhất là ngành sản xuất vật liệu xây dựng, cụ thể là bê tông phải đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao không những về số lượng, chủng loại mà còn về tính năng và chất lượng bê tông phục vụ cho các công trình trong nước.
Tuy nhiên, thực tế ở Việt Nam, các nhà thầu thi công chỉ chú ý về mặt cường độ của bê tông mà không quan tâm đến chất lượng của nguyên vật liệu cấu thành tạo nên bê tông, cũng như quá trình thi công bê tông. Điều này dẫn đến hiện tượng bê tông thường bị nứt, bị ăn mòn, không có tuổi thọ lâu dài và công trình xuống cấp trầm trọng. Vì vậy, đòi hỏi phải có các loại bê tông chất lượng phục vụ cho những mục đích đặc biệt như: thi công các kết cấu tầng hầm, bản mỏng; các kết cấu chịu va chạm; sửa chữa, phục hồi kết cấu, kết cấu bền nứt, chống thấm. Các loại bê tông này phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật như: có cường độ cao và phát triển cường độ nhanh, độ linh động cao và khả năng lắp đầy khuôn cao, ổn định kích thước tốt, độ bám dính cao, không phân tầng tách nước, không rạn nứt, bền khí hậu, kháng va đập, chịu rung động, có khả năng bảo vệ cốt thép, chống thấm.
Và loại bê tông đó chính là bê tông chất lượng cao. Bê tông chất lượng cao có các tính chất vượt trội và khả năng thi công dễ dàng hơn bê tông thường. Chính vì thế, vấn đề nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng cao trên cơ sở sử dụng nguyên vật liệu có sẵn trong nước cũng như sản xuất tại thị trường Việt Nam đang là vấn đề cần thiết và cấp bách trong ngành xây dựng hiện nay.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Sự phát triển về cường độ của bê tông Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu bê tông chất lượng cao đã thể hiện sự phát triển vượt bậc trong công nghệ chế tạo và sản xuất bê tông. Bê tông chất lượng cao là bê tông có độ bền lâu hơn so với bê tông thông thường do khắc phục những khuyết điểm tiêu biểu của bê tông thường.
Tuy nhiên, mặt hạn chế của nó trong ứng dụng thực tiễn là chi phí cao. Do đó, trong suốt 150 năm qua, các công trình xây dựng phổ biến thường thi công bằng bê tông thông thường, có cường độ thấp hơn nhiều so với sự phát triển cường độ của nó. Để khắc phục nhược điểm này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện tối ưu hóa trong việc thiết kế bê tông chất lượng cao. Việc này chỉ có thể được thực hiện tối ưu khi hiểu biết và nắm vững những đặc trưng kỹ thuật, khả năng ứng xử của hệ nguyên vật liệu cũng như ứng dụng loại bê tông này vào các hình dạng, tiết diện mới.
Vì thế, việc ứng dụng bê tông chất lượng cao cũng như những vật liệu có chất lượng cao đã trở nên phổ biến hơn trong thực tiễn.2 Thành phần hệ nguyên vật liệu và cấp phối của bê tông chất lượng cao 1.1 Thành phần bê tông chất lượng cao a. Cát Cát đóng vai trò là bộ khung xương linh động trong pha nền. Thông thường, sử dụng cát thạch anh để chế tạo bê tông do nó là thành phần trơ, không có phản ứng hóa học trong quá trình hydrat hóa của xi măng ở nhiệt độ thường. Xi măng Để chế tạo bê tông chất lượng cao, thường sử dụng xi măng Portland hay những loại xi măng tương tự khác.
Xi măng sử dụng với hàm lượng C3S và C3A không được quá nhiều. Ngoài ra, loại xi măng ít co ngót cũng được dùng làm tham khảo vì để chế tạo bê tông chất lượng cao, hàm lượng xi măng sẽ nhiều dẫn đến bê tông co ngót lớn. 3 Đối với bê tông chất lượng cao, do hàm lượng nước thấp nên không phải tất cả những hạt xi măng cũng có thể hydrat hóa được. Trong khi những hạt xi măng hydrat hóa đóng vai trò như một tác nhân dính kết thì những hạt xi măng chưa hydrat hóa lại đóng vai trò như một tác nhân gia cường module đàn hồi trong pha nền.
Muội silic Muội silic là những hạt silic rất nhỏ, có dạng hình cầu. Muội silic có ba vai trò trong bê tông chất lượng cao: + Lấp đầy các lỗ rỗng giữa những hạt lớn hơn (xi măng). + Nâng cao tính nhớt của hỗn hợp. +Tạo ra sản phẩm CSH thứ cấp bởi phản ứng pozzolana.
Phản ứng pozzolana là phản ứng của muội silic tác dụng với những sản phẩm hydrat hóa Ca(OH)2 được tạo ra từ quá trình hydrat hóa của xi măng portland. Hàm lượng muội silic làm tăng lượng CSH tạo ra trong quá trình hydrat hóa; vì thế làm tăng cường độ cho bê tông. Muội silic sử dụng nên tinh khiết với hàm lượng cacbon thấp vì carbon làm tăng mức độ yêu cầu nước và làm giảm tính công tác. Muội silic ở dạng huyền phù không nên dùng do thông thường, lượng nước trong huyền phù nhiều, vượt quá mức lượng nước yêu cầu trong hỗn hợp bê tông chất lượng cao.
Phụ gia siêu dẻo Phụ gia siêu dẻo là phụ gia giảm nước mạnh, dựa trên gốc polymer hữu cơ dùng để phân tán những hạt xi măng và muội silic, cải thiện khả năng tự chảy của hỗn hợp bê tông chất lượng cao. Vì thế, khi sử dụng phụ gia siêu dẻo, cho phép dùng tỷ lệ nước/xi măng thấp hơn và tỷ lệ nước/bột thấp hơn (bột bao gồm muội silic và xi măng) mà vẫn đảm bảo tính công tác cho hỗn hợp. Do bê tông chất lượng cao có tỷ lệ nước/xi măng thấp hơn và tỷ lệ nước/bột thấp hơn nên hàm lượng tối ưu của phụ gia siêu dẻo tương đối cao, chiếm khoảng 1,6 % so với hàm lượng xi măng. Nước Tỷ lệ nước/xi măng là một yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông.
Mục tiêu để chế tạo bê tông chất lượng cao là không tối thiểu hàm lượng nước nhưng 4 phải tối ưu mức độ đặc chắc. Tuy nhiên, ứng với tỷ lệ nước/xi măng này không tạo ra mức độ đặc chắc là tối ưu (hình 1. Khi tỷ lệ nước/bột tăng từ 0,08 đến 0,13, nước thay thế chỗ của khí nên không làm tăng thể tích hỗn hợp. Nếu tỷ lệ nước/bột tăng tiếp tục thì nước thêm vào làm tăng thể tích và vì vậy làm giảm độ đặc chắc của hỗn hợp.1, đường thẳng đi xuống thể hiện tính công tác tốt hơn so với đường thẳng đi lên; vì thế, tỷ lệ nước/xi măng tối ưu được chọn nghiêng về giá trị cao hơn để đảm bảo rằng tỷ lệ nước/xi măng của hỗn hợp thực tế cao hơn so với mức độ tối thiểu so với lý thuyết.1 Mối quan hệ giữa mức độ đặc chắc với tỷ lệ nước/bột (Richard và Cheyrezy 1995) [1] Qua đó, Richard và Cheyrezy đã nhận định tỷ lệ nước/xi măng của bê tông chất lượng cao tối ưu là 0,14.
Nhóm nghiên cứu đã sưu tập 68 cấp phối từ 59 tài liệu để xác định phạm vi của tỷ lệ nước/bột và tỷ lệ nước/xi măng (bảng 1.1 Phạm vi của tỷ lệ nước/bột, tỷ lệ nước/xi măng của bê tông chất lượng cao Tỷ lệ thành phần Giá trị thấp Giá trị trung bình Giá trị cao Tỷ lệ nước/bột 0,1 0,17 0,25 Tỷ lệ nước/xi măng 0,13 0,22 0,37 5 1. Cấp phối bê tông chất lượng cao điển hình Trong bảng 1.2 đưa ra một cấp phối bê tông chất lượng cao điển hình Bảng 1. Cấp phối bê tông chất lượng cao điển hình Khối lượng Tỷ số thành phần Thành phần % theo thể tích (kg) /xi măng Cát 991 1,430 38,8 Xi măng 693 1,000 22,7 Muội silic 225 0,325 10,6 Bột cát thạch anh 208 0,300 8,1 Sợi 151 0,218 2,0 Phụ gia siêu dẻo 14,4 0,021 1,4 Nước 159 0,229 16,5 1.3 Đặc trưng kỹ thuật của bê tông chất lượng cao 1. Tính công tác Tính công tác của bê tông thường giảm đáng kể khi thêm sợi vào trong hỗn hợp.
Tuy nhiên, do thành phần nguyên liệu có độ mịn cao trong bê tông chất lượng cao nên sự bám dính giữa sợi và cốt liệu không tồn tại như bê tông sử dụng cốt liệu lớn. Vì thế, tính công tác giảm chỉ khi hàm lượng sợi chiếm lớn hơn 2,5 đến 4% theo thể tích (Nielsen 1998 [2], Rossi 2005 [3]). Thực tế, bê tông chất lượng cao có khả năng tự lắp đầy khuôn, chặt, không cần đầm rung trong. Đầm rung ngoài có thể yêu cầu cho một số ứng dụng của bê tông chất lượng cao; đầm rung hoàn toàn trong thời gian ngắn sẽ làm cho vật liệu chảy dễ dàng trong khuôn (FHWA 2002) [4].
Khối lượng thể tích Bảng 1.3 So sánh khối lượng thể tích giữa bê tông chất lượng cao, bê tông cường độ cao và bê tông thường. Loại bê tông Khối lượng thể tích (kg/m3) Bê tông thường 2290 ÷ 2400 Bê tông chất lượng cao 2430 ÷ 2480 Bê tông cường độ cao 2320 ÷ 2760 6 Do bê tông cường độ cao có cấu trúc rất đặc chắc nên khối lượng thể tích cao hơn bê tông chất lượng cao hay bê tông thường, nhưng giá trị này lớn không đáng kể (bảng 1. Cường độ chịu nén Ảnh hưởng của dưỡng hộ nhiệt Bên cạnh tỷ lệ nước/bột thấp, việc ứng dụng dưỡng hộ nhiệt thích hợp để làm giảm lỗ rỗng trong bê tông chất lượng cao có thể làm tăng cường độ chịu nén. Một số tác giả đã nghiên cứu cường độ chịu nén của bê tông chất lượng cao, có và không có dưỡng hộ nhiệt (900C).
Thực nghiệm thấy rằng cường độ chịu nén của bê tông chất lượng cao tăng do quá trình dưỡng hộ nhiệt.2 Sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông chất lượng cao có và không có dưỡng hộ nhiệt (Habel và các cộng sự 2006b [5] và Graybeal 2007 [6]) Theo mô hình: sự phát triển cường độ từ 7 đến 56 ngày là 18% theo Habel và các cộng sự và 26% theo Graybeal. Theo thực tế: sự phát triển cường độ đối với mẫu không dưỡng hộ là 41% và tốc độ phát triển đối với mẫu dưỡng hộ ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với mẫu không dưỡng hộ, cụ thể sự phát triển cường độ từ 7 đến 56 ngày chỉ còn 5% (hình 1.
