CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU Bê tông tính năng siêu cao (Ultra High Performance Concrete - UHPC) là bước phát triển mới trong công nghệ vật liệu bê tông. Với các tính năng vượt trội của mình, UHPC có thể sử dụng cho các công trình đặc biệt như bản sàn cầu, kho chứa, các tấm tường mỏng hoặc cột chịu tải trọng lớn [1]. Lịch sử phát triển của bê tông tính năng siêu cao Bê tông cường độ cao (High strength concrete – HSC) phát triển từ thập niên 1970, được ứng dụng cho các cột nhà cao tầng thay thế cho bê tông thường (Normal concrete – NSC) đang được sử dụng trong thời kỳ đó. Với sự phát triển của công nghệ sản xuất phụ gia và việc sử dụng các phụ gia hoạt tính như silica fume đã góp phần tăng cường độ chịu nén của bê tông lên đến 150 MPa [2].
Các tính năng khác của bê tông như độ chảy, mô đun đàn hồi, cường độ chịu uốn, khả năng chống thấm và độ bền cũng được cải thiện rõ rệt so với bê tông thường. Ngoài ra, HSC còn đáp ứng được các yêu cầu sau [3]: Dễ dàng tạo khuôn và dầm chặt mà không bị phân tầng hay tách lớp; Đặc tính cơ học bền với thời gian; Bê tông phát triển cường độ sớm; Độ đặc sít cao; Có khả năng ổn định thể tích; Bền với môi trường. Lịch sử hình thành và phát triển của bê tông được trình bày trong Hình 1. Việc phát triển công nghệ vật liệu trong những năm 2000 đã giúp cho việc ứng dụng HSC vào các công trình một cách rộng rãi.
Việc thêm các loại sợi như sợi thép, sợi polypropylen hoặc sợi cacbon đã làm tăng tính dẻo cho vật liệu bê tông có cường độ chịu nén lên đến 200 MPa, còn được gọi tên là bê tông tính năng siêu cao (Ultra - High Performance Concrete – UHPC) hoặc bê tông cốt sợi tính năng siêu cao (Ultra - High Performance Fiber Reinforced Concrete – UHPFRC). Hiện nay, theo tiêu chẩn ASTM C1856/1856M-17 [4], UHPC được định nghĩa là loại bê tông có cường độ chịu nén lớn hơn hoặc bằng 120 MPa (tương đương với 17000psi). 1 UHPC không những có cường độ chịu nén cao mà còn đạt nhiều tính năng quan trọng khác như: độ bền trong môi trường xâm thực mạnh, tính thấm rất thấp, ổn định thể tích tốt, có tính lưu động cao, dễ tạo hình, đổ khuôn, liên kết tốt với các bề mặt xung quanh [5]–[7]. Với những ưu điểm này, có thể ứng dụng UHPC cho các công trình cao tầng chịu tải trọng động, giảm kích thước các cấu kiện, giảm chiều dày bản sàn, chiều cao dầm cũng như tăng chiều dài nhịp.
Tuy nhiên loại bê tông này chưa thể ứng dụng rộng rãi vì giá thành sản xuất bê tông còn cao, dẫn đến chi phí đầu tư ban đầu tăng cao. Việc lựa chọn thành phần cấp phối bê tông hợp lý sẽ giúp nâng cao chất lượng vật liệu và giảm giá thành sản phẩm. Lịch sử phát triển của UHPC [7] Các tính chất nổi bật của UHPC thường được biết tới như cường độ chịu nén từ 120 MPa đến hơn 200 MPa, cường độ kéo từ 8-30 MPa, mô đun đàn hồi cao (> 45 GPa), ứng xử tuyến tính của vật liệu đến hơn 80% giới hạn bền nén, cấu trúc đặc sít rất cao [4], [7], [8]. Việc đưa bê tông tính năng siêu cao ứng dụng vào thực tế sản xuất sẽ giúp tạo ra một loại bê tông mới, vừa đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, khả năng chịu lực và đảm bảo được tính kinh tế.
Thách thức và ứng dụng của UHPC Mặc dù UHPC là bước nhảy vọt về công nghệ vật liệu bê tông với các tính năng về mặt cơ lý và độ bền hơn hẳn các loại bê tông truyền thống hay bê tông tính năng cao. Thách thức lớn nhất của nó chính là chi phí sản xuất, với giá thành vật liệu cao hơn bê tông 2 truyền thống từ 5-10 lần, UHPC chỉ có thể được áp dụng đối với một số trường hợp cụ thể nhất định và đi kèm với giải pháp tổng thể hợp lý. Một số ứng dụng điển hình của UHPC trong công trình được minh họa dưới đây. Cải tạo mặt cầu Thăng Long-Hà Nội, 2020-2021 Hình 1.
Cầu Thăng Long sau khi được cải tạo [9] Công trình cải tạo mặt cầu Thăng Long (Hình 1.2) được triển khai từ tháng 08/2020 đến tháng 01/2021 chính thức hoàn thành và đưa vào sử dụng, lớp bê tông nhựa liên kết với bản thép mặt cầu đã được thay thế bởi lớp UHPC dày 60mm, giữa chúng được liên kết với nhau bởi các các liên kết chống cắt. Trên bề mặt lớp UHPC được trải một lớp thảm bê tông nhựa nóng Polymer để tạo độ êm thuận lợi cho các phương tiện qua lại. Cho đến nay đây là công trình lớn nhất ứng dụng UHPC với hơn 10,000 m3 được thi công. Mặt dựng công trình WINK Hotel, 75 Nguyễn Bỉnh Khiêm –Tp HCM Một ứng dụng điển hình khác của UHPC đó là các hạng mục trang trí trong công trình.3 thể hiện một tấm mặt dựng bằng bê tông UHPC có kích thước 7.0m, dày 60mm với 60% diện tích được đục lỗ.
Điểm đặc biệt ở hạng mục này yêu cầu độ bền vững hơn 70 năm, kết cấu vững chắc chống rung lắc và có độ ổn định cao. Dựa trên các mẫu thực nghiệm, cuối cùng tấm tường trang trí bằng UHPC đã được chấp nhận. Đến nay đã có hàng ngàn mét vuông hạng mục kết cấu mặt dựng bằng UHPC được lắp đặt trên các công trình cả nước. Tấm tường trang trí bằng UHPC UHPC cho chế tạo máy công cụ Hình 1.
Khung máy phay CNC bằng UHPC [10] Một ứng dụng ngoài xây dựng của UHPC là lĩnh vực chế tạo máy công cụ, đối với các loại máy có kích thước lớn như máy mài đường ray tàu điện, máy phay CNC, máy tiện CNC khổ lớn. Việc dùng gang đúc các khối đế máy dần được thay thế bởi UHPC, vật 4 liệu này hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn cho chế tạo trong cơ khí.4 thể hiện khung máy phay CNC được chế tạo bởi tập đoàn RAMF-Đức. Công trình quân sự Hình 1. Một số công trình quân sự [11]–[13] Bên cạnh các công trình dân sự thì các ứng dụng cho công trình quốc phòng cũng là mối quan tâm lớn của giới quân sự.
Ở những khu vực biển đảo với điều kiện xây dựng khó khăn, chi phí cho việc vận chuyển, xây dựng, bảo trì công trình lớn hơn rất nhiều so với chi phí về vật liệu. Do đó ngoài tính năng về chịu lực, độ bền, UHPC cho phép chế tạo các mô đun kết cấu lắp ghép với trọng lượng nhẹ hơn giúp cho việc xây dựng các công trình quân sự trở nên dễ dàng và tiết kiệm ngân sách nhiều hơn. Động lực cho nghiên cứu UHPC được coi là vật liệu mới so với chiều dài lịch sử phát triển của bê tông truyền thống, việc tìm kiếm các ứng dụng và làm cho nó trở nên phổ biến hơn, công trình bền vững hơn là ước muốn của các nhà nghiên cứu và kỹ sư xây dựng. Những câu hỏi sau đây luôn xuất hiện, nó là động lực hình thành các ý tưởng cho nghiên cứu này.
Liệu có thể tạo ra một loại vật liệu UHPC bằng nguyên vật liệu có sẵn với chi phí thấp hơn hay không? 2. Tính năng dẻo dai của UHPC có cải thiện được khả năng chịu lực đập của công trình hay không? 3. UHPC thường mỏng hơn, vậy ứng xử của kết cấu mỏng như thế nào khi chịu tải trọng va đập với các mức tốc độ biến dạng vật liệu khác nhau? 4. Làm thế nào dự đoán một cách định tính và định lượng ứng xử của toàn bộ công trình dưới tác động của tải xung kích? 5 5.
Khả năng ứng dụng UHPC như thế nào? Tính cấp thiết của đề tài Nội dung của luận án là đánh giá ứng xử của kết cấu tấm làm bằng bê tông tính năng siêu cao chịu tải trọng va đập. Bê tông tính năng siêu cao có khả năng cải thiện đáng kể độ bền và khả năng chịu lực của công trình trong suốt vòng đời khai thác. Hiện nay giá thành vật liệu của bê tông UHPC tương đối cao, việc tối ưu hóa thành phần nguyên liệu cũng như sử dụng các loại vật liệu sẵn có ở địa phương sẽ giúp tăng tính hiệu quả về mặt kinh tế. Đồng thời, nghiên cứu này cũng sẽ là tiền đề, cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo ứng dụng cho các kết cấu công trình chuyên dụng như công trình quân sự chịu tải trọng nổ hoặc các công trình dân sự chịu tải trọng đặc biệt.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Tải trọng va đập là dạng tải trọng có thời gian tác dụng ngắn và bất ngờ. Việc cải thiện khả năng chịu lực của kết cấu bằng loại vật liệu bê tông tính năng siêu cao là mục tiêu hướng đến của nghiên cứu này. Các công trình dân sự được xây dựng bằng kết cấu bê tông làm việc trong vùng có mức độ nguy hiểm cao như đập thủy điện, các tường chắn hoặc các công trình quân sự phòng thủ như lô cốt, hầm trú ẩn đều là những kết cấu có khả năng đối mặt với tải trọng nổ hoặc tải trọng va đập do các loại vũ khí tấn công gây ra. Do đó, việc tìm kiếm một loại vật liệu phù hợp cho các loại công trình này cần phải được tiến hành.
Bên cạnh việc nghiên cứu ứng dụng loại vật liệu mới này cho các kết cấu để cải thiện tính năng làm việc thì một vấn đề đặt ra hiện nay là giá thành của bê tông UHPC còn cao, việc ứng dụng rộng rãi loại vật liệu này vào thực tế vẫn còn là thách thức lớn. Để có thể khắc phụ vấn đề này, một trong những nội dung thực nghiệm của luận án là tiến hành tính toán thiết kế tối ưu hóa thành phần cấp phối bê tông sử dụng xỉ lò cao, là phế phẩm của ngành công nghiệp luyện gang thép. Việc thiết kế thành phần cấp phối này vừa có thể giúp giảm giá thành sản phẩm vừa góp phần giảm thiểu tác động ô nhiễm đến môi trường, đó cũng một trong những đóng góp mang ý nghĩa thực tiễn mà đề tài mang lại. 6 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án Mục tiêu nghiên cứu là nhằm phát triển loại vật liệu UHPC và khảo sát ứng xử của tấm làm bằng bê tông tính năng siêu cao chịu tải trọng va đập.
Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài là xác định các tính năng cơ học của bê tông, thiết kế tối ưu thành phần cấp phối của bê tông và khảo sát ứng xử của tấm UHPC chịu tải trọng va đập.