CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO SỬ DỤNG TRO BAY HÀM LƯỢNG LỚN 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG Bê tông chất lượng siêu cao (Ultra-High Performance Concrete- UHPC) là một thế hệ bê tông mới với các đặc tính vượt trội về tính công tác, cường độ, và độ bền lâu [128]. Thực tế có thể thấy đặc tính bê tông UHPC có sự kết hợp các đặc tính của một số loại bê tông đặc biệt khác như bê tông tự đầm (Self-Compacting Concrete- SCC), bê tông cốt sợi thép (Fiber-Reinforced Concrete- FRC) và bê tông chất lượng cao (High- Performance Concrete- HPC) (Hình 1. Thông thường, thuật ngữ bê tông UHPC được sử dụng để mô tả hỗn hợp gồm cát quắc mịn có đường kính hạt < 0,6mm, xi măng, SF, cốt sợi thép, phụ gia siêu dẻo với tỷ lệ nước/chất kết dính (N/CKD) rất thấp. Về khía cạnh tính chất, định nghĩa về bê tông UHPC có khác nhau ở một số nước, chẳng hạn theo đề xuất của Pháp thì bê tông UHPC có thể được định nghĩa với cường độ nén lớn hơn 150 MPa [8], còn theo tiêu chuẩn của ASTM C1856 của Mỹ, bê tông UHPC được định nghĩa có cường độ nén 120 MPa [10].
Xuất phát từ những đề xuất, khuyến nghị và tiêu chuẩn còn chưa thống nhất của nhiều nước, thuật ngữ bê tông UHPC đề xuất sử dụng trong luận án này có cường độ nén ≥ 120 MPa phù hợp với điều kiện nguồn nguyên vật liệu địa phương và khả năng chế tạo tại Việt Nam hiện nay. Cho đến nay, có một số loại bê tông UHPC đã được phát triển ở nhiều quốc gia khác nhau và bởi các nhà sản xuất khác nhau như Ceracem1, BSI1, bê tông cốt sợi dạng nén (Compact Reinforced Composite- CRC), hỗn hợp xi măng cốt sợi thép đa tỷ lệ (Multi- Scale Steel Fiber Cement Composite- MSCC) và bê tông bột hoạt tính (Reactive Powder Concrete- RPC) [92, 113, 147]. Ở châu Á, Malaysia đã phát triển mạnh mẽ và thành công về công nghiệp-thương mại với tên sản phẩm của bê tông UHPC là Dura vào cuối năm 2010 [92].1 Khái niệm về UHPC với các đặc tính tổ hợp của một số loại bê tông khác - Ưu, nhược điểm của bê tông UHPC: 7 Trong hai thập kỷ qua, bê tông UHPC đã được nghiên cứu và ứng dụng cho các sản phẩm kết cấu và kiến trúc ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, công nghệ bê tông vượt trội này còn rất nhiều rào cản để đưa bê tông UHPC vào ứng dụng đại trà do chi phí ban đầu cao và còn thiếu các tiêu chuẩn thiết kế.
Hơn nữa, khi chỉ xét đến chi phí đầu tư ban đầu lớn và tiêu thụ năng lượng bê tông UHPC cao khiến sản phẩm khó cạnh tranh với hệ bê tông thường và bê tông cường độ cao ở các ứng dụng thông thường. Do đó cần có các nghiên cứu để giảm chi phí và cải thiện tính bền vững của bê tông UHPC, đồng thời phải tìm các ứng dụng đặc thù sẽ cho phép sử dụng rộng hơn hệ bê tông này trong tương lai. Việc phát triển ứng dụng bê tông UHPC cần xem xét tới bức tranh tổng thể về chi phí và môi trường theo thời gian và tuổi thọ công trình, lúc đó bê tông UHPC sẽ có ưu điểm lớn hơn và dễ dàng được đưa vào ứng dụng thực tế ngày càng nhiều hơn nữa. Một trong những ưu điểm chính của bê tông UHPC là độ bền lâu rất cao.
Các công trình được sử dụng bê tông UHPC sẽ có tuổi thọ dài hơn nhiều với chi phí bảo trì và sửa chữa thấp hơn trong tương lai so với hệ kết cấu của bê tông thường hoặc bê tông cường độ cao. Với các ứng dụng của bê tông UHPC trong vài năm qua, kỹ thuật, kỹ năng và kiến thức thực nghiệm về thiết kế và xây dựng các kết cấu bê tông UHPC đã dần đạt được. Tuy nhiên cũng cần phải củng cố nhiều hơn nữa các bằng chứng khoa học về các tính năng ưu việt của UHPC và chia sẻ thông tin, phổ biến rộng rãi để ngày càng mở rộng hơn nữa khả năng ứng dụng của loại bê tông này. Trong thực tế, các hướng dẫn thiết kế và xây dựng các công trình bê tông UHPC khác với các quy định truyền thống đối với bê tông cốt thép thông thường, và phải được phát triển dựa trên kinh nghiệm và kiến thức trước đây thu được từ nghiên cứu thử nghiệm và tính toán của các nhà khoa học.
Cho đến nay, số lượng kiến trúc sư, kỹ sư và chuyên gia đầu ngành có thể hiểu biết đầy đủ tính năng của UHPC để ứng dụng cụ thể vào các nội dung thiết kế và xây dựng công trình vẫn còn khá hạn chế. Các khuyến nghị quốc tế khác nhau được tạo ra do sự đa dạng về kinh nghiệm bê tông UHPC ở các quốc gia khác nhau. Do sự quan tâm và ứng dụng ngày càng tăng của bê tông UHPC, các quốc gia như Pháp, Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, Đức và Thụy Sĩ đã có những nỗ lực tiêu chuẩn hóa. Vào giữa năm 2016, Pháp đã công bố tiêu chuẩn quốc gia đầu tiên đối với bê tông UHPC.
- Sơ lược lịch sử phát triển của bê tông UHPC: Trong những thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu ngày càng tăng sự quan tâm trong việc phát triển các hệ vật liệu chất lượng siêu cao gốc xi măng, chẳng hạn hệ bê tông không chứa khuyết tật lớn (Macro-Defect Free- MDF) [47], hệ bê tông dạng nén sử dụng hạt mịn (Densified with Small Particle- DSP) [41],. Năm 1993, Richard và đồng nghiệp [27, 128] trong phòng thí nghiệm của Bouygues ở Pháp đã sử dụng các thành phần siêu mịn và hoạt hóa để phát triển hệ bê tông bột hoạt tính (Reactive Powder Concrete- RPC) 8 thông qua bảo dưỡng nhiệt. RPC là một vật liệu xây dựng tương đối mới và tiên tiến, được đặc trưng bởi tỷ lệ Nước/Chất kết dính (N/CKD) rất thấp (dưới 0,2), hàm lượng CKD cao, sử dụng bột quắc siêu mịn, phụ gia siêu dẻo và cốt sợi [49]. Sau đó, de Larrard và Sedran [16] đã giới thiệu thuật ngữ bê tông chất lượng siêu cao (UHPC).
Nhận thấy các ứng dụng tiềm năng của bê tông UHPC trong xây dựng, các nước phát triển đã xây dựng các chỉ dẫn, các tiêu chuẩn kỹ thuật cho bê tông UHPC bao gồm vật liệu, thiết kế, thi công và nghiệm thu loại bê tông này, tuy vậy phải mãi gần đây Pháp mới đưa ra tiêu chuẩn chính thức đầu tiên năm 2016, và gần đây nhất năm 2017 Mỹ đưa ra tiêu chuẩn ASTM C1856 về phương pháp thử với khái niệm bê tông UHPC là một hỗn hợp xi măng có cường độ nén tối thiểu là 120 MPa, thường bao gồm sợi và có các đặc tính khác được đánh giá theo tiêu chuẩn quốc gia với các yêu cầu về cường độ, độ bền dẻo dai [10]. Do chi phí cao liên quan đến lượng dùng xi măng và SF cao và cát quắc nghiền mịn, các phụ gia khoáng như tro bay và xỉ, và cát tự nhiên thường được sử dụng để chế tạo bê tông UHPC. Trong khi đó, việc bảo dưỡng ở nhiệt độ cao và hàm lượng sợi thép lớn sẽ hạn chế ứng dụng của bê tông UHPC, giảm tính bền vững và tăng chi phí. Do đó, ngày càng có nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng các nguyên liệu thô và công nghệ phổ biến để sản xuất bê tông UHPC để tạo thuận lợi cho các ứng dụng rộng rãi của nó.2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ CẤP PHỐI ĐIỂN HÌNH 1.1 Cốt liệu (cát quắc) Cốt liệu thô thường sử dụng là cát quắc vì vật liệu này có độ cứng lớn, độ hút nước bề mặt thấp, hình dạng hạt, cũng như khả năng liên kết tốt với đá xi măng.
Việc lựa chọn kích thước lớn nhất của cốt liệu rất quan trọng để tạo độ đồng nhất của hỗn hợp cũng như tăng khả năng liên kết của vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu và đá xi măng. Thông thường kích thước hạt cốt liệu lớn nhất lựa chọn nhỏ hơn 0,6 mm, để giảm thiểu các khuyết tật như các lỗ rỗng cũng như các vết nứt cấu trúc của vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu và vật liệu nền [8, 19]. Một trong những lưu ý là do lượng dùng chất kết dính tương đối lớn dẫn đến tăng giá thành sản phẩm bê tông UHPC, ảnh hưởng đến môi trường, đồng thời làm tăng độ co ngót của bê tông (do tỷ lệ N/CKD rất thấp) nên có thể sử dụng cốt liệu có đường kính đến 8mm để chế tạo bê tông UHPC [20, 21].2 Xi măng Sử dụng xi măng chế tạo bê tông UHPC thường là xi măng có hàm lượng kiềm thấp, thích hợp với khả năng bền sun phát cao và nhiệt thủy hóa thấp. Loại xi măng này có nhiều ưu điểm bởi vì mặc dù cường độ cao và hàm lượng xi măng nhiều (700-850 9 kg/m3), lượng nước yêu cầu và co ngót hóa học thấp và giảm phản ứng kiềm silic.
Tuy nhiên, khi lựa chọn xi măng cần phải quan tâm đến lượng dùng vì có thể làm ảnh hưởng đến tính công tác do có những loại PGSD phụ thuộc vào loại xi măng lựa chọn. Trong bê tông UHPC, do tỷ lệ N/CKD thấp (thường nhỏ hơn 0,25), lượng xi măng thủy hóa thấp khoảng 30 - 40% [107, 115], lượng xi măng còn lại sẽ đóng vai trò vi cốt liệu trong bê tông và lúc này xi măng trở thành các vi cốt liệu rất “đắt”, điều này mở ra cơ hội cho việc sử dụng các phụ gia khoáng thay thế một phần xi măng. Xét về kích thước hạt, xi măng sử dụng trong bê tông UHPC không yêu cầu quá cao về tỷ diện tích bề mặt bởi vì khi tỷ diện tích bề mặt tăng, thì lượng nước yêu cầu sẽ tăng lên.3 Phụ gia khoáng a. Silica fume Đối với các cấp phối bê tông UHPC điển hình, thành phần nhỏ nhất trong thành phần hạt của bê tông UHPC là SF với cỡ hạt từ 0,1-1 µm.
Việc sử dụng SF, sản phẩm phụ của sản xuất silicon, ferro-silicon, có vai trò là vi cốt liệu lấp đầy khoảng trống giữa các hạt xi măng, làm tăng độ đặc chắc của hệ, đồng thời SF là phụ gia khoáng hoạt tính sẽ tham gia phản ứng puzolanic (tác dụng với Ca(OH)2- sản phẩm thủy hóa của xi măng), tạo ra các sản phẩm C-S-H làm tăng cường độ và độ bền lâu cho bê tông. Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (Ground Granulated Blast Furnace Slag- GBFS) là phế thải của quá trình luyện gang thép và là một loại CKD thủy lực [139]. Xỉ được làm lạnh đột ngột bằng nước áp lực cao từ nhiệt độ 1400 - 1500C xuống mức 30 - 40C, sản phẩm thu được là hỗn hợp các hạt màu trắng đục kích thước < 5mm.
