Chương 1: Tổng quan về bê tông tính năng siêu cao. Chương 2: Tính chất vật liệu và thành phần của bê tông tính năng siêu cao phù hợp với Ďiều kiện tại Thái Nguyên. Chương 3: Ứng dụng bê tông tính năng siêu cao trong xây dựng cầu dân sinh và phƣơng pháp quản lý tài sản Ďƣờng Ďịa phƣơng ở Thái Nguyên. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO 1.
Giới thiệu tổng quan về bê tông tính năng siêu cao 1. Giới thiệu chung bê tông tính năng siêu cao Trong vài thập kỷ qua Ďã có sự tiến bộ vƣợt bậc trong khoa học và công nghệ bê tông, một trong những bƣớc ngoặc Ďó là sự nghiên cứu và phát triển loại bê tông tính năng siêu cao (Ultra High Performance Concrete), một thế hệ bê tông mới với những Ďặc tính vƣợt trội: Ďộ chảy cao, cƣờng Ďộ nén rất cao (thƣờng lớn hơn 150 MPa), cƣờng Ďộ uốn lớn (khoảng 15-45MPa khi sử dụng cốt sợi), Ďộ rỗng rất thấp và Ďộ bền lâu rất cao. Điều này Ďã tạo cho bê tông tính năng siêu cao trở thành một trong những loại vật liệu tiềm năng Ďối với xây dựng phát triển bền vững và hiệu quả cao về kinh tế trong các ứng dụng Ďặc thù nhƣ kết cấu vỏ mỏng, nhà siêu cao tầng, cầu nhịp lớn, kết cấu bền vững với môi trƣờng biển, xây dựng bể chứa phế thải hạt nhân. Bê tông tính năng siêu cao là một loại vật liệu mới Ďƣợc nghiên cứu và phát triển trên thế giới từ năm 1990, Đặc tính của bê tông này là có cƣờng Ďộ chịu nén từ 100 Ďến 200MPa, khả năng chịu uốn, cắt tăng cao, khả năng chịu tác Ďộng va chạm, chịu tải trọng lặp rất lớn và Ďặc biệt là có Ďộ bền và sự ổn Ďịnh lâu dài.
Bê tông cƣờng Ďộ siêu cao là một loại vật liệu công nghệ cao, các quy tắc công nghệ mới liên quan Ďến thành phần của nó. Các ứng xử cơ học, các công thức về tính toán cũng nhƣ các hƣớng dẫn thiết kế và kỹ thuật xây dựng Ďã Ďƣợc công bố ở Pháp, Mỹ và Đức. Một số ứng dụng Ďầu tiên ở Cananda, Châu Âu, Châu Á và ở Mỹ Ďã chứng minh những lợi ích của loại vật liệu mới này về chi phí, tính bền vững và nhiều tính năng ƣu việt khác. Tuy nhiên, cần phải nghiên cứu thêm nhiều Ďể Ďi Ďến những ứng dụng phổ biến thƣờng xuyên dựa trên các quy Ďịnh kỹ thuật toàn diện.
Xét về khía cạnh vật liệu chế tạo, loại bê tông này Ďƣợc chế tạo từ hỗn hợp bao gồm: cát quắc (kích thƣớc 100-600µm), xi măng, silicafume, nƣớc và phụ gia siêu dẻo. Trong Ďó, lƣợng xi măng khoảng 900-1000 kg/m3 [80], Ďây là nhƣợc Ďiểm lớn nhất của loại bê tông này, sẽ làm tăng giá thành ban Ďầu của sản 4 phẩm, ảnh hƣởng Ďến một số tính chất kỹ thuật và môi trƣờng. Để khắc phục, việc nghiên cứu sử dụng các loại phụ gia khoáng (PGK) thay thế một phần xi măng trong chế tạo bê tông tính năng siêu cao sẽ là hƣớng Ďi triển vọng Ďạt Ďƣợc hiệu quả về các mặt kinh tế, kỹ thuật và môi trƣờng Xét về mặt kỹ thuật, PGK hoạt tính thƣờng chứa một hàm lƣợng lớn SiO 2 vô Ďịnh hình có khả năng phản ứng với Ca(OH)2 sinh ra trong quá trình thuỷ hoá xi măng, Ďể tạo ra các sản phẩm dạng C-S-H có cƣờng Ďộ cao, bền vững với môi trƣờng. Bên cạnh Ďó, một số PGK khi thay một phần xi măng, sẽ cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông, giảm lƣợng nƣớc nhào trộn, Ďồng thời có thể nâng cao Ďộ Ďặc chắc cho bê tông, sẽ làm tăng cƣờng Ďộ cũng nhƣ khả năng chống thấm của bê tông.
Xét về mặt kinh tế - môi trƣờng, PGK là sản phẩm phụ của các nhà máy, khi không Ďƣợc sử dụng Ďúng cách sẽ trở thành các phế thải gây ô nhiễm môi trƣờng. Do vậy, việc nghiên cứu sử dụng PGK thay thế một phần xi măng là một hƣớng nghiên cứu phù hợp Ďể chế tạo UHPC không chỉ cải thiện tính chất kỹ thuật, giảm giá thành cho sản phẩm bê tông, mà còn giảm ô nhiễm môi trƣờng, góp phần vào mục tiêuphát triển xây dựng bền vững. Hiện nay, UHPC Ďã Ďƣợc ứng dụng rất rộng rãi ở các nƣớc châu Âu, châu Mỹ, Úc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Malaysia,.Trong khi Ďó ở Việt Nam chƣa có công bố chính thức về việc ứng dụng UHPC trong thời gian qua. Các nghiên cứu ứng dụng loại bê tông cƣờng Ďộ cao/chất lƣợng cao ở Việt Nam hiện nay chƣa Ďạt Ďƣợc kỳ vọng về cƣờng Ďộ/chất lƣợng.
Do vậy, việc nghiên cứu chế tạo UHPC sử dụng vật liệu sẵn có ở Việt Nam là sự Ďón Ďầu và là vấn Ďề cấp thiết. Khái niệm, ưu, nhược Ďiểm của bê tông tính năng siêu cao: UHPC là loại bê tông Ďƣợc chế tạo từ hỗn hợp gồm cát quắc, xi măng, SF, nƣớc và PGSD với tỷ lệ N/CKD rất thấp (thƣờng nhỏ hơn 0,25 tính theo khối lƣợng); trong Ďó lƣợng dùng chất kết dính tƣơng Ďối cao, khoảng 900 - 1000 kg/m3;lƣợng dùng SF thƣờng là 150-250 kg/m3 (10-30% so với khối lƣợng xi măng). Sản phẩm tạo thành có cƣờng Ďộ nén lớn hơn 150MPa, có thể Ďạt Ďến 250 5 MPa, cócƣờng Ďộ kéo uốn lớn (khi sử dụng cốt sợi phân tán) và Ďộ bền lâu cao. Điểm khác biệt về tính chất của UHPC so với bê tông thƣờng và bê tông cƣờng Ďộ cao có thể thấy ở Bảng 1.
So sánh một số tính chất của UHPC với bê tông thường và bê tông chất lượng cao Đặc điểm BTT BTCLC UHPC 1. Đặc tính của vật liệu 1. Kích thước lớn nhất cốt liệu 19. Tỷ lệ N/X, theo khối lượng 0.
Khối lượng thể tích (kg/m3) 2000 - 2800 2320 -2760 2800 2. Cường độ chịu nén (Mpa) < 60 60 – 100 > 150 2. Mô đun đàn hồi (Gpa) 30 < 45 45– 70 <900 (không sợi) 2. Năng lượng phá hủy (J/m2) 30-200 <150 >10000 (có sợi) 3.
Chiều sâu thấm ion clo 23 (mm) 3. Chiều sâu cacbonat sau 3 7 năm (mm) (200C, RH ≥ 65%) 3. Thấm ion clo (culong) >2000 Hiện nay, có rất nhiều quan Ďiểm khác nhau về khái niệm loại bê tông này, mặc dùvề tính chất kỹ thuật, UHPC Ďƣợc các tác giả Ďề cập Ďến tƣơng Ďối thống 6 nhất. Thuật ngữ “Bê tông chất lƣợng siêu cao”, theo Sadrekarimi, Ďây không phải là bê tông, bởi vì không có cốt liệu lớn trong hỗn hợp.
Theo Blais và Couture thì thuật ngữ “bê tông” Ďƣợc sử dụng nhiều hơn và hợp lý hơn khi sử dụng thuật ngữ là “vữa”, Ďặc biệt khi sử dụng thêm cốt sợi thì Ďộ bền dẻo dai (flexural toughness) Ďã Ďƣợc cải thiện rõ rệt. Với tính chất kỹ thuật vƣợt trội và nhìn từ góc Ďộ sử dụng (thay thế bê tông), nên theo tác giả việc dùng thuật ngữ “bê tông” hợp lý hơn. Ƣu Ďiểm của bê tông tính năng siêu cao: Với Ďặc thù cấu trúc hạt nhỏ khá Ďồng nhất và rất Ďặc chắc, nên UHPC có các tính chất cơ lý vƣợt trội so với bê tông thƣờng và bê tông chất lƣợng cao nhƣ: Cƣờng Ďộ siêu cao (Rn ≥150MPa, Ru ≥15MPa); Độ bền dẻo dai cao (gấp 50 lần so với mẫu Ďối chứng); Chống thấm rất tốt; Độ bền lâu cao,… Điều này, cho phép khi thiết kế cùng một khả năng chịu lực, kết cấu có tiết diện nhỏ hơn, nên lƣợng dùng vật liệu ít hơn, tải trọng bản thân kết cấu giảm hơn. Hiệu quả này của UHPC có thể thấy qua sự so sánh với một số loại bê tông và thép thông thƣờng sử dụng Ďể chế tạo dầm dự ứng lực, nhƣ minh họa ở Hình 1.
Vật liệu này có tiềm năng cạnh tranh với vật liệu thép. Các tính chất của UHPC có thể Ďƣợc tối ƣu khi sử dụng kết hợp với biện pháp dùng cốt thép ứng suất trƣớc, khi Ďó sẽ phát huy Ďƣợc tối Ďa khả năng chịu uốn của UHPC. Việc sử dụng cốt sợi thép phân tán trong hỗn hợp UHPC, trong một số trƣờng hợp, cho phép loại bỏ Ďƣợc những thanh cốt thép chịu uốn và chịu cắt. Với các ƣu Ďiểm Ďã Ďƣợc phân tích ở trên, UHPC có khả năng ứng dụng có hiệu quả cho các kết cấu trong công trình.
Đặc biệt có hiệu quả khi sử dụng cho kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọng cao, hay các tác Ďộng bất thƣờng của ngoại lực cao nhƣ: Ďộng Ďất, thiên tai, khủng bố. UHPC cũng phát huy hiệu quả tốt, khi sử dụng cho các công trình chịu tác Ďộng xâm thực mạnh nhƣ: công trình biển, thủy công, hóa chất, hay bể chôn phế thải hạt nhân… UHPC sẽ phát huy hiệu quả hơn, khi Ďƣợc xem xét và Ďánh giá tổng thể, về tiết kiệm chi phí bảo trì và có tuổi thọ dài hơn so với các kết cấu bê tông thông thƣờng. Điều này Ďƣợc minh họa ở Hình 1. So sánh kích thước dầm UHPC, thép, bê tông dự ứng lực và bê tông thường với cùng loại tải trọng Hình 1.
So sánh chi phí tổng thể khu sử dụng bê tông thường và UHPC Nhƣợc Ďiểm của UHPC: Theo các phân tích của Semioli, nhƣợc Ďiểm lớn nhất của UHPC là chi phí Ďầu tƣ ban Ďầu cao. Đồng thời UHPC còn tƣơng Ďối mới với ngành công nghiệp xây dựng với các tiêu chuẩn thiết kế, tính toán, tài liệu hƣớng dẫn sử dụng chƣa Ďƣợc thống nhất. Do vậy cho Ďến nay, ứng dụng về loại vật liệu này vẫn còn hạn chế, chủ yếu là các dự án thử nghiệm. Việc thiết kế kết cấu sử dụng UHPC vẫn chƣa Ďƣợc tối ƣu và hiệu quả, kết quả là các chi phí ban Ďầu vẫn cao hơn so với bê tông thƣờng.
Các nhà sản xuất hi vọng rằng, khi UHPC Ďƣợc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi, trở nên phổ biến hơn trong thực tế, sẽ làm giảm chi phí sử dụng khi tính toán tổng thể có Ďến vòng Ďời và tuổi 8 thọ công trình (Hình 1. Trong khi UHPC có cƣờng Ďộ nén, cƣờng Ďộ uốn và Ďộ bền dẻo dai rất cao, cho phép giảm tối Ďa kích thƣớc của kết cấu, thì việc thiết kế kết cấu sử dụng UHPC vẫn phải Ďảm bảo các yêu cầu tối thiểu về chiều dày, kích thƣớc của kết cấu Ďể vẫn Ďảm bảo Ďƣợc các yêu cầu về khả năng chống va Ďập, Ďộ biến dạng,. Điều Ďó sẽ khắc phục Ďƣợc hạn chế về chi phí Ďầu tƣ ban Ďầu của UHPC 1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng UHPC trên thế giới và Việt Nam 1.
Tình hình nghiên cứu và sử dụng UHPC trên thế giới Trƣớc những năm 1960, công nghệ bê tông có bƣớc phát triển chậm, cƣờng Ďộ nén lớn nhất từ 15-20MPa. Bằng việc nghiên cứu và ứng dụng các loại PGK hoạt tính, PGSD Ďã Ďánh dấu một bƣớc tiến lớn trong công nghệ bê tông.