CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BTCĐC Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI 1.1 Định nghĩa BTCĐC. Theo Tiêu chuẩn Mỹ ACI 116R - 00 [36], BTCĐC (high strength concrete) là bê tông có cường độ bằng hoặc lớn hơn 6000 psi (41 MPa) được xác định theo mẫu hình trụ có kích thước đường kính × chiều cao = 15 × 30 cm (Nếu quy đổi ra mẫu lập phương theo TCVN 3118 : 1993 [30] với hệ số tăng là 1,2 sẽ được 41 × 1,2 = 49,2 MPa, coi như 50 MPa). Quy định đó cũng phù hợp với quy định của Liên Xô cũ [46].2 Khái niệm và phân loại BTCĐC. Trong những năm 70 của thế kỷ 20 BTT có độ dẻo nhất định được chế tạo với 4 thành phần cơ bản (xi măng, cát, đá và nước) và tỷ lệ N/X > 0,4; nên cường độ bê tông chỉ đạt được không quá 50 MPa.
Về sau để xây dựng những công trình quan trọng yêu cầu bê tông có cường độ cao hơn bằng cách giảm lượng nước trộn (giảm tỷ lệ N/X) và chế tạo được bê tông cứng (khô). Khi đó phải áp dụng công nghệ đầm đặc biệt mới đảm bảo bê tông đặc chắc. Về sau nhờ sự ra đời của các loại phụ gia siêu dẻo: Naptalen focmaldehit sunfonat và Melamin focmaldehit sunfonat (ở Nhật và ở Đức vào thập kỷ 70 của thế kỷ 20) và phụ gia khoáng siêu mịn silica fume (ở Na uy vào thập kỷ 80 của thế kỷ 20), người ta đã chế tạo được BTCĐC với độ dẻo yêu cầu và với tỷ lệ N/CKD thấp. Theo thời gian mác bê tông sử dụng ngày càng cao hơn.
Theo ACI 363 [39] bê tông được phân theo cường độ chịu nén như trong bảng 1.1: Phân loại bê tông theo cường độ nén Bê tông Bê tông Bê tông Các yếu tố thông BTCĐC cường độ cường độ thường rất cao siêu cao Cường độ nén, MPa < 41 41 – 100 100 – 150 > 150 Tỷ lệ N/X (hoặc > 0,4 0,3 – 0,4 0,25 – 0,3 < 0,25 N/CKD) Không nhất Phụ gia hóa Siêu dẻo Siêu dẻo Siêu dẻo thiết Không nhất Tro bay, xỉ lò cao Siliaca Phụ gia khoáng Silica fume thiết hoặc Silica fume fume Thông báo của hội thảo khoa học quốc tế ở Ryan Megeredy phân ra 5 loại BTCĐC theo cường độ nén như trong bảng 1.2: Phân loại BTCĐC. Loại bê tông I II III IV V Cường độ nén, MPa 50 75 100 125 150 BTCĐC thường có các tính chất khác cũng cao như tính chống thấm, chống ăn mòn, xói mòn,… Khi đó được gọi là bê tông chất lượng cao (BTCLC) hoặc bê tông tính năng cao (BTTNC - High performance concrete) .3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTCĐC trên thế giới và ở Việt Nam.1 Trên thế giới: Trên thế giới BTCĐC đã bắt đầu được nghiên cứu và ứng dụng vào đầu những năm 70 của thế kỷ trước. Năm 1980 ở Pháp có chương trình nghiên cứu quốc gia về BTCĐC, sau đó có nhiều chương trình nghiên cứu tầm cỡ khác ở 6 các nước Mỹ, Na Uy, Canada, Đức, Nhật Bản, Úc, Hàn Quốc, Trung Quốc, Đài Loan,… Nhiều hội nghị quốc tế về BTCĐC đã được tổ chức và các thông tin khoa học về BTCĐC được quảng bá rộng rãi. Theo tài liệu ACI 363 [39], ban đầu BTCĐC sử dụng chủ yếu cho các công trình nhà cao tầng và cầu nhịp lớn.
Càng về sau BTCĐC càng được sử dụng rộng rãi hơn và cường độ đạt được càng cao hơn. Những năm gần đây đã đạt được bê tông cường độ rất cao và bê tông cường độ siêu cao. Năm 1994 ở Mỹ đã dùng bê tông đạt cường độ 131 MPa, ở Nhật Bản xây dựng cầu bằng bê tông có cường độ 100 MPa, ở Bỉ dùng bê tông có cường độ 110 MPa. Còn ở Thụy Điển đã chế tạo dầm bê tông cốt thép ứng suất trước với bê tông đạt cường độ 143 MPa.
Năm 2001 ở Canada xây dựng si lô chứa xi măng dùng bê tông đạt cường độ tới 220 MPa.2 Ở Việt Nam: Ở Việt Nam cho đến năm 1990 các kết cấu công trình bằng bê tông cốt thép vẫn chủ yếu dùng mác bê tông 30 MPa. Một vài công trình đặc biệt như khu di tích Lăng Chủ tich Hồ Chí Minh, khách sạn Thăng Long 11 tầng, cầu Thăng Long, cầu Chương Dương dùng bê tông mác tới 40 MPa. Về sau các cầu lớn có khẩu độ từ 30 đến 50m như: cầu Phú Lương (Hải Dương), cầu Tân Đệ (Thái Bình), cầu Sông Gianh (Quảng Bình), cầu Tuần (Huế), cầu Tuyên Sơn (Đà Nẵng), cầu Mỹ Thuận (Tiền Giang), cầu Rạch Miễu (Bến Tre), cầu Cần Thơ (Cần Thơ),… cùng với các nút giao thông quan trọng và cầu vượt ở đô thị đã dùng bê tông cường độ tới 50 – 60 MPa. Nhiều nhà máy xi măng ở nước ta đã sản xuất được xi măng mác 40, 50 và có khả năng sản xuất mác 60, đã tạo điều kiện thuận lợi cho sản xuất BTCĐC.
Trên đường Láng – Hòa Lạc có trạm trộn BTCĐC của Tập đoàn Nam Cường đã cung cấp bê tông tươi cường độ cao cho một số công trình có nhu cầu. Các công trình thủy lợi cho đến nay vẫn chủ yếu dùng bê tông mác thường. Tuy nhiên trước xu hướng ngày càng sử dụng nhiều BTCĐC ở các 7 ngành giao thông, xây dựng ở nước ta, chắc chắn rằng trong tương lai ngành thủy lợi sẽ sử dụng BTCĐC cho các kết câu, bộ phận công trình có yêu cầu và đặc biệt cho các công trình ven biển chịu tác động ăn mòn của nước biển và nước chua phèn. Hiện nay ở nhiều viện nghiên cứu khoa học và trường đại học có liên quan đến xây dựng ở nước ta đã và đang nghiên cứu BTCĐC, cả bê tông cường độ rất cao, siêu cao và đạt được kết quả tốt.4 Vật liệu dùng cho BTCĐC.
Nguyên vật liệu dùng để chế tạo BTCĐC gồm: Xi măng, cốt liệu, nước, phụ gia dẻo cao hoặc siêu dẻo (giảm nước mức độ cao), phụ gia khoáng hoạt tính chất lượng cao.1 Xi măng: Dùng xi măng mác cao từ mác 40 trở lên, có độ mịn cao. Ở nước ta đã sản xuất xi măng mác 50 (MPa), trong tương lai sẽ sản xuất xi măng mác 60 (theo phương hướng phát triển khoa học công nghệ của Bộ Xây dựng), còn ở nước ngoài đã sản suất xi măng mác đến 80, thậm chí còn cao hơn.2 Cốt liệu: Dùng cốt liệu lớn đặc chắc, cường độ cao. Tiêu chuẩn ACI 363 [39] đã khuyến cáo như sau: nên chọn loại cốt liệu lớn có cường độ cao, nhưng kích thước lớn nhất (đường kính danh nghĩa lớn nhất) - D max thường nhỏ hơn so với cốt liệu trong BTT và thường không quá 25 mm. Nên dùng cát hạt thô, có mô đun độ lớn trong khoảng 2,6 – 3,5.3 Phụ gia khoáng hoạt tính có độ mịn cao: Do hàm lượng xi măng trong BTCĐC khá lớn có thể từ 400 – 595 kg/m3, nên bê tông co ngót nhiều và tốn xi măng.
Để khắc phục điều đó, cần phải thay thế một phần xi măng bằng phụ gia khoáng hoạt tính có độ mịn như xi măng hoặc mịn 8 hơn như: tro bay, tro trấu, meta cao lanh hoặc silica fume. Có thể dùng kết hợp hai trong số các loại phụ gia đó. Silica fume và tro bay là hai loại phụ gia khoáng hoạt tính được dùng phổ biến nhất.1 Tro bay: Tro bay là phụ gia khoáng thu được khi đốt than cám ở nhà máy nhiệt điện. Tro bay bay lên, được lắng đọng bằng phương pháp tĩnh điện hoặc cơ học ở ống khói.
Đây là một loại phụ gia khoáng hoạt tính phổ biến nhất và kinh tế nhất, vì là phế liệu dạng hạt mịn, nên không cần phải nghiền. Tro bay được sử dụng từ rất sớm trong ngành sản xuất xi măng và bê tông. Hạt tro bay có dạng hình cầu, kích thước tương tự hạt xi măng. Thành phần hóa học của tro bay chủ yếu là các oxit SiO 2 , Al 2 O 3 và một số oxit khác; ngoài ra, còn có một hàm lượng than chưa cháy lẫn trong tro bay.
Hàm lượng than chưa cháy có ảnh hưởng xấu đến chất lượng của tro bay, nên trong tiêu chuẩn Mỹ ASTM C 618 [42] quy định hàm lượng than chưa cháy nhỏ hơn 6% (nhưng cũng ghi chú là hàm lượng than chưa cháy có thể cao hơn, nếu qua thí nghiệm thực tế trong bê tông thấy rằng vẫn dùng được). Ở nước ta mới ban hành TCVN 10302 : 2014 về tro bay [17]. Hàm lượng tro bay trong BTT khoảng 15 - 30% của khối lượng chất kết dính. Khi tro bay lẫn xỉ nghiền mịn thì gọi là tro xỉ.
Tro xỉ cũng được sản xuất làm phụ gia cho bê tông và được sử dụng phụ gia khoáng cho xi măng ở nhà máy xi măng Hoàng Thạch… Tro bay có hạt tròn dễ trơn trượt, nên làm tăng độ lưu động của hỗn hợp bê tông hoặc giảm lượng nước trộn, nếu không yêu cầu tăng độ sụt. Tro bay có hoạt tính trung bình do có một hàm lượng SiO 2 hoạt tính chỉ khoảng 70%. Hình ảnh các hạt tro bay được biểu thị trong hình 1.1:Hình dạng các hạt tro bay. Theo thành phần hóa học tro bay nhiệt điện chính là một loại puzơlan nhân tạo.
Trong tro bay chứa một hàm lượng lớn oxit silic và nhôm silic hoạt tính có khả năng tương tác với Ca(OH) 2 sinh ra sau khi các thành phần khoáng của xi măng thủy phân thủy hóa. Khối lượng riêng của tro bay bằng khoảng 2,3 kg/dm3, nhỏ hơn khối lượng riêng của xi măng pooc lăng (khoảng 3,1 kg/dm3); vì vậy khi dùng tro bay thay thế một phần xi măng theo thể tích tuyệt đối trong bê tông, thì khối lượng thể tích của bê tông có tro bay sẽ nhỏ hơn một chút so với khối lượng thể tích của bê tông chỉ có xi măng. Độ hút ẩm của bê tông có tro bay cao hơn và độ sụt của hỗn hợp bê tông cũng lớn hơn. Bê tông pha tro bay tỏa nhiệt ít hơn và có tính bền sunfat cao hơn bê tông dùng toàn xi măng.2 Silica fume (muội silic): Silica fume là một loại phụ gia khoáng hoạt tính cao được dùng làm phụ gia cho bê tông chất lượng cao.
Đây là một loại phụ gia khoáng được nghiên cứu và sử dụng nhiều ở nước ta [2, 3, 5, 7, 9, 43]. Về nguồn gốc, muội silic là phế liệu của sản suất silic và ferosilic từ thạch anh có độ tinh khiết cao và than đá trong lò cung lửa điện ngập. Khí SiO bay ra được oxi hóa và ngưng tụ thành các hạt SiO 2 hình cầu cực nhỏ ở dạng vô định hình, nên có hoạt tính rất cao và tác dụng với vôi rất mạnh. Như vậy độ mịn của muội silic được 10 hình thành tự nhiên, chứ không phải do nghiền.
