Tổng quan luận án

Trong xu thế phát triển của ngành xây dựng hiện đại tại Việt Nam, nhu cầu thi công các công trình đặc biệt như nhà siêu cao tầng, cầu nhịp lớn và các kết cấu vỏ mỏng ngày càng gia tăng. Đối với các kết cấu đòi hỏi khả năng chịu lực cao và tuổi thọ kéo dài, bê tông cường độ cao (HSC) thông dụng với dải cường độ nén từ 50 đến 70 MPa hiện nay chưa đáp ứng tối ưu các yêu cầu kỹ thuật. Mặt khác, bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) với cường độ chịu nén từ 150 MPa trở lên lại sử dụng hàm lượng chất kết dính rất lớn (từ 800 đến 1000 kg/m³), dẫn đến giá thành sản xuất cao và gây khó khăn cho việc ứng dụng đại trà trong điều kiện thực tế. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ rất cao (Very High Strength Concrete – VHSC) có cường độ nén từ 100 đến 150 MPa từ các nguồn nguyên vật liệu sẵn có trong nước là định hướng kỹ thuật có tính cấp thiết cao.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về hệ bê tông VHSC còn tương đối hạn chế. Phần lớn các trạm trộn bê tông thương phẩm chỉ cung cấp bê tông có cường độ nén khoảng 50–70 MPa. Nguồn xi măng công nghiệp được sử dụng phổ biến nhất là xi măng Pooclăng mác PC40 và PC50, trong khi các công trình nghiên cứu VHSC trên thế giới thường sử dụng xi măng mác cao có cường độ 28 ngày lớn hơn 52,5–65,6 MPa. Đồng thời, phụ gia khoáng hoạt tính cao như silica fume (SF) có giá thành cao gấp 5–10 lần so với xi măng, làm gia tăng chi phí sản phẩm. Việc nghiên cứu kết hợp silica fume với tro bay (FA) – một nguồn phế thải công nghiệp từ các nhà máy nhiệt điện – nhằm thay thế một phần xi măng không chỉ giải quyết bài toán giảm giá thành sản xuất mà còn giảm phát thải khí CO2 và giải quyết vấn đề môi trường hướng tới phát triển bền vững.

Mục đích nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể: Nghiên cứu sử dụng tổ hợp phụ gia khoáng silica fume, tro bay và phụ gia siêu dẻo để chế tạo bê tông cường độ rất cao (VHSC) đạt độ chảy cao từ 550 đến 850 mm, cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày đạt từ 100 MPa trở lên (≥ 100 MPa) và cường độ chịu uốn lớn hơn 10 MPa (> 10 MPa) trên cơ sở các nguồn vật liệu sẵn có ở Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án được xác định theo văn bản gồm:

  1. Đối tượng nghiên cứu:

    • Hỗn hợp bê tông có độ chảy loang cao, cường độ nén bê tông đạt từ 100 đến 150 MPa.
    • Bê tông sử dụng phụ gia khoáng silica fume (SF), tro bay (FA) và các vật liệu sẵn có ở Việt Nam.

  2. Phạm vi nghiên cứu:

    • Cốt liệu lớn: Sử dụng đá bazan có kích thước hạt lớn nhất Dmax = 10 ÷ 20 mm.
    • Phụ gia khoáng: Hỗn hợp phụ gia khoáng tro bay (FA) và silica fume (SF).
    • Đặc tính hỗn hợp bê tông: Độ chảy loang đạt từ 550 đến 850 mm.
    • Cường độ chịu nén: Đạt trong khoảng 100 ÷ 150 MPa.
    • Điều kiện thực nghiệm: Nghiên cứu được tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong chương tổng quan, tác giả đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu về bê tông cường độ rất cao trên thế giới và tại Việt Nam:

  • Về lịch sử phát triển cường độ và vật liệu chế tạo: Khái niệm bê tông cường độ rất cao được nghiên cứu từ sớm trên thế giới. Năm 1930 tại Nhật Bản, Yoshida đã chế tạo bê tông đạt cường độ nén 102 MPa ở tuổi 28 ngày bằng phương pháp kết hợp nén và rung ép. Năm 1934, Menzel công bố chế tạo thành công bê tông đạt 130 MPa. Đến giai đoạn phát triển của phụ gia siêu dẻo và phụ gia khoáng siêu mịn, Sarkar và Aïtcin (1990) đã sử dụng silica fume kích thước hạt <1 µm với tỷ lệ N/CKD = 0,24 để đạt cường độ nén 113 MPa. Wee (1995) kết hợp SF và xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (GGBFS) đạt 100 MPa tại tỷ lệ N/CKD = 0,3. Xincheng Pu (1999) sử dụng SF (kích thước 0,1–0,2 µm) kết hợp xi măng cường độ 54–74,9 MPa đạt 140 MPa, và khi kết hợp SF cùng FA đạt 141 MPa ở tuổi 90 ngày. Zain (2000) nghiên cứu hệ phụ gia khoáng GGBFS+FA và SF+FA trong điều kiện dưỡng hộ nhiệt độ 20–50°C đạt cường độ trên 100 MPa. Kwan (2000) nghiên cứu hàm lượng SF từ 0–15% kết hợp 25% FA đạt cường độ nén cực đại 127,2 MPa. Vinayagam (2012) xác định hàm lượng SF tối ưu 10% kết hợp phụ gia siêu dẻo cho bê tông M100 đạt cường độ 110 MPa ở tỷ lệ N/CKD = 0,25. Daoud (2014) đề xuất kết hợp 10–15% SF và FA cho bê tông đập thủy điện đạt 110 MPa ở tỷ lệ N/CKD = 0,22. K. Wan (2004) tại Hồng Kông khuyến nghị thể tích hồ hợp lý từ 32,5–35%, tỷ lệ N/CKD từ 0,20–0,24, hàm lượng SF từ 10–20% và FA từ 15–25%.

  • Về phương pháp thiết kế cấp phối: De Larrard (1999) đề xuất mô hình tương tác hạt và công thức thực nghiệm dự báo cường độ bê tông khi có mặt silica fume. Belaoura Mebarek và các cộng sự (2013) thiết kế VHSC theo phương pháp hệ số dư vữa đạt 100 MPa (28 ngày) và 120 MPa (91 ngày). Chan (2000) áp dụng phương pháp lượng nước tự do tối thiểu để đạt cường độ 120 MPa tại tỷ lệ N/CKD = 0,22. Viện Bê tông Hoa Kỳ (ACI 211.4R, ACI 363R) cung cấp các chỉ dẫn thiết kế cấp phối cường độ cao nhưng chủ yếu đạt cường độ tối đa 82,7 MPa khi tỷ lệ N/CKD = 0,25.

  • Về cơ chế và hiệu ứng của phụ gia khoáng: Goldman và Bentur (1993) đã phân tách vai trò của phụ gia khoáng thành hiệu ứng vật lý (điền đầy – filler effect) và hiệu ứng hóa học (puzơlanic effect). Detwiler và Mehta (1989) nghiên cứu vai trò vật lý và hóa học của SF ở tỷ lệ N/CKD = 0,25–0,50 bằng cách sử dụng bột than trơ. Wesche (1991), Fraay (1989), Takemoto và Uchikawa (1980) phân tích chi tiết động học phản ứng thủy hóa của tro bay trong môi trường kiềm (pH > 13) và sự thúc đẩy thủy hóa khoáng C3S. Isaia và các cộng sự (2003) nghiên cứu định lượng tác dụng tương hỗ của hệ phụ gia khoáng hỗn hợp trong bê tông cường độ cao.

  • Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam: Các nghiên cứu trong nước trước đây tập trung vào bê tông cường độ cao HSC dải 50–80 MPa (Nguyễn Văn Chánh, Phan Ngọc Vinh) hoặc bê tông chất lượng siêu cao UHPC cường độ > 150 MPa không sử dụng đá dăm (Nguyễn Văn Tuấn, Phạm Hữu Hanh, Nguyễn Công Thắng). Nghiên cứu về dải cường độ 100–120 MPa chỉ có một số khảo sát bước đầu sử dụng đơn phụ gia SF hoặc xi măng PC60 (Trần Đức Nhiệm, Hoàng Minh Đức), chưa khảo sát toàn diện hệ chất kết dính hỗn hợp và chưa đánh giá sự làm việc trên kết cấu dầm có cốt liệu lớn.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết:

  1. Thiếu các nghiên cứu mang tính hệ thống về việc chế tạo VHSC (100–150 MPa) từ xi măng thương mại thông dụng PC40 Bút Sơn và cốt liệu đá bazan sẵn có tại Việt Nam.
  2. Chưa có đánh giá định lượng phân tách rõ ràng giữa vai trò vật lý (điền đầy) và vai trò hóa học (puzơlanic) của silica fume và tro bay ở dải tỷ lệ nước/chất kết dính rất thấp (N/CKD ≤ 0,22).
  3. Thiếu cơ sở thực nghiệm định lượng về hiệu ứng tương hỗ giữa tổ hợp hai phụ gia khoáng SF và FA trong hệ chất kết dính và hệ bê tông VHSC có tỷ lệ N/CKD thấp.
  4. Chưa xây dựng được quy trình thiết kế cấp phối tối ưu hóa thành phần hạt kết hợp công cụ quy hoạch thực nghiệm toán học cho VHSC và chưa đánh giá ứng xử cơ học thực tế của kết cấu dầm bê tông cốt thép/cốt sợi VHSC.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án được xây dựng dựa trên các khung lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chuyên sâu:

  • Khung lý thuyết và khái niệm cốt lõi:

    • Khái niệm VHSC theo phân loại của Hiệp hội Xi măng thế giới: Là loại bê tông có cường độ nén 100–150 MPa, tỷ lệ N/CKD từ 0,25–0,30 (hoặc thấp hơn), sử dụng phụ gia siêu dẻo và tổ hợp phụ gia khoáng hoạt tính.
    • Cơ sở nâng cao cường độ bê tông: Tập trung vào ba khâu chính gồm nâng cao cường độ đá chất kết dính (giảm tỷ lệ N/CKD bằng phụ gia siêu dẻo, tăng độ đặc chắc), nâng cao chất lượng cốt liệu (đá bazan cường độ cao, độ nén dập < 9%, bề mặt sạch, hạn chế hạt thoi dẹt), và tăng cường độ vùng chuyển tiếp (ITZ) giữa đá xi măng và cốt liệu nhờ phản ứng puzơlanic tiêu thụ Ca(OH)2 và hiệu ứng điền đầy của hạt siêu mịn.
    • Lý thuyết thiết kế và tối ưu hóa thành phần hạt: Phân tích sự khác biệt giữa phương pháp khô và phương pháp ướt đối với vật liệu kết dính mịn (< 100 µm do ảnh hưởng của lực Van der Waals và lực hút tĩnh điện theo Pietsch và Kwan). Áp dụng mô hình đóng gói nén của De Larrard cho khung cốt liệu để kiểm soát hiệu ứng tường chắn và hiệu ứng lỏng lẻo.
    • Cơ chế tăng cường độ uốn bằng cốt sợi thép phân tán thế hệ 2: Khả năng truyền ứng suất qua vết nứt từ pha nền sang sợi, hiệu ứng bắc cầu kiểm soát quá trình mở rộng vết nứt và tăng năng lượng hấp thụ phá hủy.
    • Khung phân tích hiệu ứng vật lý – hóa học của Goldman và Bentur: Sử dụng bột trơ kích thước tương đương (bột ôxit titan TiO2) để cô lập hiệu ứng điền đầy vật lý, từ đó định lượng mức độ đóng góp của phản ứng puzơlanic.
    • Mô hình định lượng hiệu quả tương hỗ của Isaia: Đánh giá chỉ số hiệu ứng tổng (Total Effect – TE) của tổ hợp (SF + FA) so với tổng tác động riêng rẽ của từng phụ gia khoáng đơn lẻ.

  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

    • Thí nghiệm tiêu chuẩn: Tuân thủ các tiêu chuẩn TCVN, ASTM (như ASTM C494 đối với phụ gia hóa học), BS (BS 812 đối với cốt liệu) và hướng dẫn của AFGC đối với các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu, hỗn hợp bê tông và bê tông đóng rắn.
    • Phương pháp phi tiêu chuẩn và phân tích hóa lý hiện đại:
      • Phương pháp đo độ lèn chặt của hỗn hợp hạt theo phương pháp khô và phương pháp ướt (xác định lượng cần nước tối thiểu).
      • Đo độ nhớt của hồ chất kết dính và đo độ chảy loang của hỗn hợp bê tông bằng nón tiêu chuẩn.
      • Đo biến dạng co ngót nội sinh của bê tông theo thời gian.
      • Phân tích đường kính và phân bố thể tích lỗ rỗng bằng phương pháp hấp phụ khí đẳng nhiệt BJH.
      • Phân tích nhiệt vi sai DTA/TGA nhằm định lượng hàm lượng canxi hydroxit Ca(OH)2 và hàm lượng nước liên kết hóa học trong đá xi măng.
      • Đánh giá độ bền lâu thông qua phương pháp đo dòng thấm ion clo gia tốc và đo mức độ ăn mòn cốt thép.
      • Tối ưu hóa cấp phối bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc hai (phương pháp bề mặt đáp ứng).
      • Thử nghiệm gia tải uốn dầm bê tông cốt thép quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng hệ thống cảm biến và bộ thu thập số liệu tự động (Data logger) để đo độ võng, biến dạng tương đối của bê tông vùng nén và cốt thép vùng kéo.

  • Nguồn tư liệu và vật liệu sử dụng trong nghiên cứu:

    • Xi măng: Xi măng Pooclăng PC40 thương phẩm của Nhà máy xi măng Bút Sơn.
    • Phụ gia khoáng hoạt tính: Silica fume (SF) siêu mịn nhập khẩu và tro bay (FA) tuyển chọn từ nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam.
    • Phụ gia trơ: Bột ôxit titan (TiO2) có kích thước hạt mịn dùng để làm đối chứng vật lý.
    • Cốt liệu: Cát vàng tự nhiên (mô đun độ lớn được kiểm tra thực nghiệm); cốt liệu lớn là đá bazan nghiền sạch có kích thước Dmax = 10–20 mm.
    • Phụ gia hóa học: Phụ gia siêu dẻo thế hệ mới gốc polycarboxylate (Glenium ACE 388).
    • Cốt sợi: Sợi thép cường độ cao có hai đầu móc.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về bê tông cường độ rất cao

Chương này trình bày toàn diện bức tranh khoa học và thực tiễn về bê tông cường độ rất cao (VHSC) trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả phân tích khái niệm VHSC theo các tổ chức khoa học quốc tế, nhấn mạnh dải cường độ nén từ 100 đến 150 MPa và tỷ lệ N/CKD thường nhỏ hơn 0,30.

Bảng 1.1 tổng hợp phân loại bê tông theo Hiệp hội Xi măng thế giới:

Loại đặc tính Bê tông thường Bê tông cường độ cao (HSC) Bê tông cường độ rất cao (VHSC) Bê tông cường độ siêu cao (UHPC)
Cường độ nén (MPa) < 50 50 – 100 100 – 150 > 150
Tỷ lệ N/CKD > 0,45 0,45 – 0,30 0,30 – 0,25 < 0,25
Phụ gia hóa học - Hóa dẻo / Siêu dẻo Siêu dẻo Siêu dẻo
Phụ gia khoáng - Tro bay Silica fume / Tro bay Silica fume / Tro bay
Hệ số thấm (m/s) > 10⁻¹⁰ 10⁻¹¹ 10⁻¹² < 10⁻¹³

Ưu điểm nổi bật của VHSC được luận án chỉ ra là khả năng giảm đáng kể kích thước tiết diện cấu kiện chịu lực trong các công trình nhà siêu cao tầng, từ đó giảm tổng khối lượng bê tông sử dụng, giảm lượng dùng xi măng và cắt giảm lượng phát thải CO2 theo nghiên cứu của Yamamoto [135]. Bên cạnh đó, các chỉ tiêu về độ bền lâu của VHSC vượt trội so với bê tông thường và bê tông HSC.

Bảng 1.2 tổng hợp các chỉ số độ bền lâu của VHSC theo AFGC (M. Schmidt biên dịch):

Chỉ tiêu độ bền Bê tông thường (OPC) Bê tông HSC Bê tông VHSC Bê tông UHPC
Độ rỗng bão hòa nước (%) 14 – 20 10 – 13 6 – 9 1,5 – 5
Độ thấm oxy (m²) 10⁻¹⁶ 10⁻¹⁷ 10⁻¹⁸ < 10⁻¹⁹
Hệ số khuếch tán ion Cl⁻ (m²/s) - 2.10⁻¹⁴ Thấp hơn HSC Rất thấp
Hàm lượng Ca(OH)2 tự do (kg/m³) 76 86 66 0

Chương 1 cũng điểm lại các công trình thực tế ứng dụng VHSC trên thế giới từ giữa thế kỷ 20, tiêu biểu như Tòa nhà Bắc Kinh 2 (1959, 100 MPa), Tòa nhà La Laurentienne tại Canada (1983, 120 MPa), Tòa tháp Ocean Pacific tại Hoa Kỳ (1988, 130 MPa), Tòa nhà BFS Frankfurt tại Đức (1993, 113 MPa), Tòa tháp Odakyu tại Nhật Bản (135 MPa), Cầu đi bộ Montjuic tại Tây Ban Nha (1992, 100 MPa), Cầu Takenaka tại Nhật Bản (1993, 100 MPa). Tại Việt Nam, nghiên cứu về VHSC mới bắt đầu ở giai đoạn sơ khởi, chưa có hệ thống dữ liệu hoàn chỉnh về cấp phối sử dụng cốt liệu địa phương và làm việc kết cấu, đặt ra yêu cầu phải triển khai đề tài luận án.

Chương 2: Cơ sở khoa học chế tạo VHSC

Chương 2 tập trung xây dựng nền tảng lý thuyết cho việc nâng cao cường độ bê tông và cơ chế hoạt động của các thành phần vi cấu trúc:

  1. Cơ sở nâng cao cường độ đá chất kết dính: Sử dụng phụ gia siêu dẻo giảm mạnh tỷ lệ N/CKD nhằm tăng độ đặc chắc của hồ xi măng, kết hợp các hạt phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn để điền đầy lỗ rỗng mao quản và tăng sinh pha gel C-S-H.
  2. Nâng cao chất lượng cốt liệu và vùng tiếp xúc (ITZ): Đảm bảo cốt liệu đá bazan có độ nén dập thấp (< 9%), Dmax từ 10–20 mm, bề mặt nhám sạch nhằm tăng liên kết cơ học. Phụ gia khoáng siêu mịn giúp làm giảm chiều dày vùng chuyển tiếp ITZ (vốn có chiều dày 50–100 µm trong bê tông thường), làm giảm kích thước tinh thể Ca(OH)2 định hướng yếu tại bề mặt cốt liệu.
  3. Cơ sở tối ưu hóa thành phần hạt: Đánh giá chi tiết cơ chế vón tụ của các hạt mịn (< 100 µm) do lực tĩnh điện và lực liên kết phân tử. Luận giải nguyên nhân phương pháp đo độ lèn chặt khô đánh giá thấp độ đặc của chất kết dính so với phương pháp ướt (do phương pháp ướt có nước bôi trơn và sự hỗ trợ phân tán của phụ gia siêu dẻo). Đối với khung cốt liệu, luận án vận dụng mô hình lèn chặt nén của De Larrard để xử lý hiệu ứng tương tác hạt.
  4. Cơ sở sử dụng cốt sợi thép: Phân tích cơ chế làm việc của sợi thép phân tán thế hệ 2 (đường kính < 0,3 mm, chiều dài < 20 mm) trong việc kiểm soát ba vùng nứt (vùng vi nứt, vùng cầu nối và vùng lực kéo tự do), nâng cao cường độ chịu kéo khi uốn và độ bền dẻo dai sau nứt.
  5. Động học phản ứng của SF và FA: Trình bày các phương trình phản ứng hòa tan và tạo gel C-S-H của SF theo Langana và Grutzeck, khẳng định 1/2 lượng SF phản ứng trong 1 ngày và 2/3 lượng SF phản ứng trong 3 ngày đầu. Đối với tro bay, phân tích cơ chế giải phóng kiềm, tăng độ pH dung dịch lỗ rỗng (> 13) sau 7 ngày để hòa tan pha thủy tinh của FA, đồng thời thúc đẩy quá trình thủy hóa của khoáng C3S (Takemoto, Uchikawa).

Chương 3: Vật liệu sử dụng và các phương pháp nghiên cứu

Chương này trình bày chi tiết các đặc tính kỹ thuật của hệ vật liệu và thiết kế quy trình thực nghiệm:

  • Tính chất nguyên vật liệu: Xi măng PC40 Bút Sơn có các chỉ tiêu cơ lý và thành phần hóa đạt chuẩn; phụ gia khoáng silica fume có hàm lượng vô định hình cao; tro bay tuyển đạt độ mịn tiêu chuẩn; bột ôxit titan TiO2 có độ mịn tương đương phụ gia khoáng dùng làm chất trơ đối chứng; cốt liệu cát vàng sạch; cốt liệu lớn đá dăm bazan được sàng lọc loại bỏ hạt thoi dẹt; phụ gia siêu dẻo Glenium ACE 388 gốc polycarboxylate; sợi thép cường độ cao có ngàm móc.
  • Quy trình phương pháp thực nghiệm:
    • Phương pháp xác định độ lèn chặt theo phương pháp ướt (thông qua điểm bão hòa lượng nước cần thiết và độ nhớt hồ).
    • Phương pháp đo co ngót nội sinh của bê tông trong điều kiện cách ẩm.
    • Phân tích nhiệt vi sai DTA/TGA để đo hàm lượng Ca(OH)2 dư và lượng nước liên kết.
    • Phương pháp BJH xác định đường kính và thể tích lỗ rỗng trung bình của đá xi măng.
    • Phương pháp gia tốc xác định độ thẩm thấu ion clo và mức độ ăn mòn cốt thép.
    • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc hai với ma trận biến mã và biến thực để tối ưu hóa cấp phối bê tông M100.
    • Phương pháp thử nghiệm uốn dầm bê tông cốt thép/cốt sợi trong phòng thí nghiệm (bố trí tải trọng, đầu đo chuyển vị LVDT và Data logger).

Chương 4: Vai trò của phụ gia khoáng Silica Fume và tro bay trong hệ chất kết dính

Chương 4 khảo sát thực nghiệm trên hệ hồ và vữa chất kết dính (CKD):

  • Tính công tác và điểm bão hòa phụ gia siêu dẻo: Xác định hàm lượng phụ gia siêu dẻo tối ưu tại các tỷ lệ N/CKD từ 0,18 đến 0,22. Sự có mặt của tro bay dạng hạt cầu giúp cải thiện tính chảy của hồ, trong khi SF làm tăng độ nhớt và đòi hỏi lượng phụ gia siêu dẻo cao hơn để đạt cùng độ linh động.
  • Phát triển cường độ nén của đá chất kết dính:
    • Khảo sát ảnh hưởng của đơn phụ gia SF (từ 0 đến 15%) và đơn phụ gia FA (từ 0 đến 30%) tại tỷ lệ N/CKD = 0,22. SF làm tăng nhanh cường độ ở tuổi sớm (3–7 ngày), trong khi FA đóng góp cường độ rõ rệt ở tuổi muộn (28–90 ngày).
    • Khảo sát các tổ hợp phụ gia khoáng (10% SF + FA) và (20% FA + SF): Kết quả cho thấy tổ hợp phụ gia khoáng làm tăng cường độ nén tổng thể và mức tăng cường độ tính trên 1% hàm lượng xi măng cao hơn so với việc sử dụng đơn lẻ từng loại phụ gia.
  • Đánh giá hàm lượng Ca(OH)2 và lượng nước liên kết: Phân tích nhiệt DTA/TGA chứng minh hàm lượng Ca(OH)2 tự do trong mẫu chất kết dính chứa tổ hợp SF-FA giảm mạnh sau 28 ngày do phản ứng puzơlanic tiêu thụ CH để tạo thêm gel C-S-H; đồng thời lượng nước liên kết hóa học tăng lên đáng kể.
  • Phân tích vi cấu trúc lỗ rỗng: Kết quả đo hấp phụ BJH ở tuổi 28 ngày chỉ ra rằng sự kết hợp SF và FA làm giảm mạnh thể tích các lỗ rỗng mao quản có đường kính lớn (> 50 nm) và chuyển dịch cấu trúc sang các lỗ rỗng gel siêu mịn (< 10 nm), làm tăng độ đặc khít của đá chất kết dính.

Chương 5: Thiết kế thành phần bê tông và nghiên cứu một số tính chất VHSC

Chương 5 là chương thực nghiệm cốt lõi của luận án, giải quyết toàn diện bài toán cấp phối, tính chất cơ lý, độ bền lâu và ứng xử kết cấu:

  • Thiết kế cấp phối và tối ưu hóa thành phần hạt:
    • Xây dựng mô hình hỗn hợp 3 cấu tử (CKD – Cát – Đá bazan) đạt độ lèn chặt lớn nhất.
    • Sử dụng công cụ toán quy hoạch thực nghiệm bậc hai để thiết lập phương trình hồi quy mô tả mối quan hệ giữa các biến số thành phần đến hàm mục tiêu (độ chảy loang và cường độ nén 28 ngày). Từ đó, xác định thành phần cấp phối tối ưu cho bê tông VHSC mác M100 với tỷ lệ N/CKD = 0,18–0,22.
  • Nghiên cứu tính chất hỗn hợp và bê tông đóng rắn:
    • Độ chảy loang của hỗn hợp bê tông đạt từ 550 đến 850 mm, đảm bảo tính tự lèn và không phân tầng tách nước.
    • Co ngót nội sinh: Tỷ lệ N/CKD thấp làm tăng co ngót nội sinh ở tuổi sớm. Việc bổ sung tro bay giúp giảm đáng kể mức độ co ngót nội sinh của bê tông so với mẫu chỉ sử dụng silica fume.
  • Định lượng vai trò vật lý và hóa học của SF và FA: Thí nghiệm đối chứng với bột trơ TiO2 ở tỷ lệ N/CKD = 0,18 chứng minh:
    • Đối với silica fume: Hiệu ứng điền đầy vật lý chiếm ưu thế ở giai đoạn đầu, sau đó hiệu ứng puzơlanic hóa học phát triển mạnh từ 7 đến 28 ngày, đóng góp lớn vào sự gia tăng cường độ nén.
    • Đối với tro bay: Hiệu ứng vật lý (dạng hạt cầu điền đầy và giảm ma sát) đóng vai trò chính ở tuổi sớm, trong khi hiệu ứng hóa học puzơlanic đóng góp vào cường độ tăng dần sau 28 ngày.
  • Định lượng hiệu ứng tương hỗ (Synergistic Effect): Kết quả tính toán theo mô hình Isaia khẳng định tồn tại hiệu ứng tương hỗ dương giữa SF và FA trên hệ bê tông VHSC. Tổ hợp SF-FA giúp tối ưu hóa đồng thời tính công tác, giảm co ngót nội sinh và nâng cao cường độ nén ở tuổi 28 ngày cao hơn tổng tác động độc lập của từng phụ gia.
  • Tính chất độ bền lâu: Thử nghiệm cho thấy bê tông VHSC có độ rỗng bão hòa nước thấp (dưới 8%), hệ số thấm khí rất nhỏ, khả năng chống thấm ion clo gia tốc ở mức cao và mức độ bảo vệ cốt thép chống ăn mòn vượt trội.
  • Ảnh hưởng của cốt sợi thép: Bổ sung sợi thép làm giảm nhẹ độ chảy của hỗn hợp nhưng làm tăng đáng kể cường độ chịu uốn (> 10 MPa), cải thiện vượt bậc độ bền dẻo dai sau nứt, tăng mô đun đàn hồi và chuyển đổi trạng thái phá hoại từ giòn sang dẻo.
  • Ứng xử cơ học trên kết cấu dầm:
    • Tiến hành chế tạo và thử nghiệm uốn dầm bê tông cốt thép M100 không sợi và dầm bê tông cốt sợi VHSC.
    • Biểu đồ tải trọng – độ võng và phân tích biến dạng tương đối (vùng nén bê tông và vùng kéo cốt thép) cho thấy dầm sử dụng bê tông cốt sợi VHSC có khả năng chịu tải giới hạn cao hơn, kiểm soát độ mở rộng vết nứt tốt hơn và tăng đáng kể độ cứng tổng thể của cấu kiện.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới cụ thể:

  1. Chế tạo thành công bê tông cường độ rất cao (VHSC) sử dụng nguồn xi măng Pooclăng thương phẩm PC40 Bút Sơn, tổ hợp phụ gia khoáng silica fume – tro bay và cốt liệu đá bazan (Dmax = 10–20 mm) sẵn có tại Việt Nam. Bê tông đạt các chỉ tiêu kỹ thuật: độ chảy loang hỗn hợp 550 ÷ 850 mm, cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày ≥ 100 MPa và cường độ chịu uốn > 10 MPa.
  2. Xây dựng hoàn chỉnh quy trình thiết kế cấp phối VHSC dựa trên phương pháp tối ưu hóa thành phần hạt kết hợp công cụ toán quy hoạch thực nghiệm bậc hai, cho phép xác định chính xác tỷ lệ phối liệu hợp lý giữa chất kết dính, cát và đá dăm.
  3. Đánh giá và định lượng được vai trò vật lý (điền đầy) và vai trò hóa học (puzơlanic) của từng loại phụ gia khoáng SF và FA trong việc cải thiện vi cấu trúc và cường độ chịu lực của bê tông ở dải tỷ lệ nước/chất kết dính rất thấp (N/CKD ≤ 0,22) thông qua phương pháp đối chứng bột trơ TiO2.
  4. Chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của hiệu ứng tương hỗ giữa tổ hợp silica fume và tro bay trên hệ bê tông VHSC có tỷ lệ N/CKD thấp; làm rõ cơ chế tương hỗ trong việc vừa duy trì tính công tác cao, giảm co ngót nội sinh vừa nâng cao cường độ nén và độ đặc chắc vi cấu trúc.
  5. Đánh giá ứng xử cơ học của bê tông cốt sợi VHSC trên cấu kiện dầm thực tế, khẳng định vai trò của sợi thép phân tán trong việc tăng cường khả năng chịu lực của vùng nén bê tông, tăng khả năng chống nứt và độ dẻo dai của kết cấu.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Khuyến nghị ứng dụng cấp phối tối ưu kết hợp SF và FA để sản xuất bê tông mác M100 trong các nhà máy đúc sẵn và trạm trộn thương phẩm tại Việt Nam nhằm hạ giá thành sản phẩm so với việc chỉ dùng đơn phụ gia SF hoặc sản xuất UHPC.
  • Đề xuất áp dụng kết cấu dầm, cột và vách bê tông cốt sợi VHSC trong các công trình nhà siêu cao tầng và cầu nhịp lớn nhằm thu hẹp tiết diện kết cấu, giảm tải trọng bản thân và tăng tuổi thọ công trình.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Toàn bộ các khảo sát thực nghiệm cấp phối và thử nghiệm cấu kiện dầm mới chỉ được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn, chưa tiến hành thử nghiệm trộn và đổ bê tông ở quy mô công trường thực tế với khối lượng lớn.
  • Cốt liệu lớn trong nghiên cứu chỉ giới hạn trên đá dăm bazan, chưa mở rộng khảo sát so sánh với các nguồn đá tự nhiên khác phổ biến tại Việt Nam như đá granit hoặc đá vôi cường độ cao.
  • Nghiên cứu chỉ sử dụng một loại phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate cụ thể (Glenium ACE 388), chưa khảo sát mức độ tương thích của các dòng phụ gia hóa học thế hệ mới khác trên thị trường.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Triển khai sản xuất thử nghiệm cấp phối VHSC ở quy mô công nghiệp tại các trạm trộn bê tông thương phẩm để đánh giá sự biến động về tính công tác trong quá trình vận chuyển và thi công thực tế.
  • Nghiên cứu độ bền lâu dài hạn của kết cấu VHSC trong môi trường biển và môi trường xâm thực thực tế tại các vùng ven biển Việt Nam.
  • Mở rộng nghiên cứu khả năng chịu tải trọng động đất và tính năng chống cháy ở nhiệt độ cao của các kết cấu cột, vách chịu lực sử dụng bê tông cốt sợi VHSC.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho nhiều đối tượng trong lĩnh vực xây dựng và vật liệu:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Vật liệu xây dựng, Công nghệ Vật liệu xây dựng: Có thể tham khảo phương pháp luận tối ưu hóa thành phần hạt (phương pháp ướt và mô hình De Larrard), phương pháp tách biệt vai trò vật lý – hóa học bằng bột trơ TiO2, kỹ thuật phân tích nhiệt DTA/TGA và phân tích lỗ rỗng BJH.
  • Kỹ sư công nghệ tại các doanh nghiệp bê tông thương phẩm và cấu kiện đúc sẵn: Tham khảo quy trình thiết kế cấp phối, ma trận quy hoạch thực nghiệm và tỷ lệ phối trộn tối ưu tổ hợp SF-FA để chế tạo bê tông mác M100–M120 từ nguồn xi măng PC40 thông dụng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Tham khảo các thông số cơ lý thực nghiệm (cường độ nén, cường độ uốn, mô đun đàn hồi, biểu đồ ứng suất – biến dạng và ứng xử uốn dầm) để phục vụ tính toán thiết kế các cấu kiện chịu lực cho nhà siêu cao tầng và cầu nhịp lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án định nghĩa bê tông cường độ rất cao (VHSC) dựa trên những tiêu chí kỹ thuật cụ thể nào? Trả lời: Căn cứ theo phân loại của Hiệp hội Xi măng thế giới và tài liệu tổng thuật trong luận án, VHSC là loại bê tông có cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày nằm trong khoảng từ 100 đến 150 MPa, tỷ lệ nước/chất kết dính (N/CKD) từ 0,25 đến 0,30 (hoặc thấp hơn), bắt buộc sử dụng phụ gia siêu dẻo giảm nước tầm cao kết hợp phụ gia khoáng hoạt tính (silica fume, tro bay), có độ rỗng bão hòa nước từ 6–9% và hệ số thấm khoảng 10⁻¹² m/s.

2. Tại sao tác giả lựa chọn kết hợp đồng thời silica fume và tro bay thay vì sử dụng đơn lẻ một loại phụ gia khoáng? Trả lời: Việc sử dụng đơn lẻ silica fume làm tăng giá thành sản xuất (SF đắt gấp 5–10 lần xi măng) và dễ gây vón tụ, tăng độ nhớt và tăng co ngót nội sinh ở tỷ lệ N/CKD thấp. Ngược lại, nếu chỉ dùng tro bay thì phản ứng puzơlanic diễn ra chậm ở tuổi sớm. Sự kết hợp giữa SF (hạt siêu mịn, phản ứng nhanh ở 1–3 ngày đầu) và FA (hạt hình cầu giúp tăng độ chảy, giảm nhu cầu nước, giảm co ngót và phản ứng puzơlanic kéo dài) tạo ra hiệu ứng tương hỗ, vừa tối ưu hóa tính công tác, giảm co ngót nội sinh, tăng cường độ nén vừa hạ giá thành và giảm phát thải CO2.

3. Phương pháp nào được sử dụng để phân tách và định lượng vai trò vật lý (điền đầy) và vai trò hóa học (puzơlanic) của phụ gia khoáng? Trả lời: Luận án áp dụng phương pháp định lượng của Goldman và Bentur (1993). Tác giả sử dụng bột trơ ôxit titan (TiO2) có phân bố kích thước hạt tương đương với phụ gia khoáng để chế tạo mẫu đối chứng. Mức tăng cường độ của mẫu chứa TiO2 so với mẫu xi măng thuần túy đại diện cho hiệu ứng điền đầy vật lý; sự chênh lệch cường độ giữa mẫu chứa phụ gia hoạt tính (SF hoặc FA) và mẫu chứa TiO2 phản ánh phần đóng góp của phản ứng puzơlanic hóa học.

4. Cốt sợi thép phân tán có vai trò cụ thể như thế nào đối với tính chất cơ lý và ứng xử kết cấu của bê tông VHSC? Trả lời: Cốt sợi thép phân tán thế hệ 2 đóng vai trò bắc cầu qua các vết nứt, tiếp nhận và truyền ứng suất từ pha nền đá xi măng khi xuất hiện vết nứt. Sợi thép làm tăng cường độ chịu uốn của bê tông lên trên 10 MPa, tăng đáng kể độ bền dẻo dai và năng lượng hấp thụ phá hủy. Khi thử nghiệm trên kết cấu dầm, sợi thép giúp tăng khả năng chịu lực của vùng bê tông chịu nén, hạn chế sự mở rộng của vết nứt và giảm độ võng của dầm.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Lưu Văn Sáng đã giải quyết thành công bài toán công nghệ chế tạo bê tông cường độ rất cao (VHSC) đạt cường độ nén ≥ 100 MPa và cường độ uốn > 10 MPa từ nguồn xi măng PC40 Bút Sơn, đá bazan và tổ hợp phụ gia khoáng silica fume – tro bay sẵn có tại Việt Nam. Công trình có đóng góp khoa học quan trọng trong việc định lượng vai trò vật lý, vai trò hóa học và chứng minh thực nghiệm hiệu ứng tương hỗ của hệ phụ gia khoáng hỗn hợp ở dải tỷ lệ nước/chất kết dính thấp. Đồng thời, việc tối ưu hóa cấp phối bằng quy hoạch thực nghiệm và kiểm chứng ứng xử chịu lực trên kết cấu dầm đã khẳng định tính khả thi trong việc ứng dụng hệ bê tông này vào các công trình nhà siêu cao tầng và cầu nhịp lớn tại Việt Nam.