Nghiên Cứu Chế Tạo Bê Tông Cường Độ Rất Cao Dùng Hỗn Hợp Phụ Gia Khoáng Tại Việt Nam

Chuyên khảo phân tích Luanaju văn seljfb, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Tác giả: Lưu Văn Sáng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Hữu Hanh
• Trường học: Trường Đại học Xây dựng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Bê Tông Cường Độ Rất Cao Tại Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Chế Tạo Bê Tông Cường Độ Rất Cao Tại Việt Nam

Bê tông cường độ rất cao (VHSC) đang trở thành một trong những giải pháp quan trọng cho các công trình xây dựng hiện đại tại Việt Nam. Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo và ứng dụng bê tông VHSC, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong ngành xây dựng. Bê tông VHSC không chỉ có cường độ nén vượt trội mà còn có khả năng chống chịu tốt với các tác động môi trường. Việc nghiên cứu và phát triển loại bê tông này sẽ mở ra nhiều cơ hội cho các công trình xây dựng lớn và phức tạp.

1.1. Khái Niệm Về Bê Tông Cường Độ Rất Cao

Bê tông cường độ rất cao (VHSC) được định nghĩa là loại bê tông có cường độ nén từ 100 đến 150 MPa. Loại bê tông này thường được chế tạo từ các vật liệu chất lượng cao và phụ gia khoáng hoạt tính như silica fume và tro bay. Sự kết hợp này giúp cải thiện đáng kể các tính chất cơ lý của bê tông, từ đó nâng cao khả năng chịu lực và độ bền lâu dài.

1.2. Tình Hình Nghiên Cứu Bê Tông Cường Độ Rất Cao Tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu về bê tông cường độ rất cao còn khá mới mẻ. Hiện nay, chỉ một số ít nhà máy có khả năng sản xuất bê tông với cường độ nén khoảng 50-70 MPa. Việc nghiên cứu và phát triển bê tông VHSC sẽ giúp nâng cao chất lượng công trình và đáp ứng nhu cầu xây dựng hiện đại.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Bê Tông Cường Độ Rất Cao

Mặc dù bê tông cường độ rất cao có nhiều ưu điểm, nhưng việc chế tạo và ứng dụng loại bê tông này cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là chi phí sản xuất cao do yêu cầu về vật liệu và công nghệ chế tạo. Ngoài ra, việc sử dụng các phụ gia khoáng cũng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả kinh tế.

2.1. Chi Phí Sản Xuất Bê Tông Cường Độ Rất Cao

Chi phí sản xuất bê tông VHSC thường cao hơn so với bê tông thông thường do yêu cầu về vật liệu chất lượng cao và quy trình sản xuất phức tạp. Việc sử dụng silica fume và tro bay có thể giúp giảm chi phí, nhưng cần phải cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo chất lượng.

2.2. Khó Khăn Trong Việc Ứng Dụng Công Nghệ Mới

Việc áp dụng công nghệ mới trong sản xuất bê tông VHSC còn gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là trong việc đào tạo nhân lực và trang bị thiết bị hiện đại. Điều này đòi hỏi sự đầu tư lớn và thời gian để đạt được hiệu quả mong muốn.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Bê Tông Cường Độ Rất Cao Tại Việt Nam

Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ rất cao tại Việt Nam được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau. Các phương pháp này bao gồm thí nghiệm tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn nhằm đánh giá các tính chất cơ lý của bê tông. Việc lựa chọn vật liệu và tỷ lệ phối trộn cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được cường độ mong muốn.

3.1. Phương Pháp Thí Nghiệm Tiêu Chuẩn

Các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn được áp dụng để xác định các tính chất cơ lý của bê tông như cường độ nén, độ bền kéo và độ co ngót. Những kết quả này sẽ giúp đánh giá chính xác chất lượng của bê tông VHSC.

3.2. Phương Pháp Thiết Kế Thành Phần Bê Tông

Thiết kế thành phần bê tông là một bước quan trọng trong quá trình chế tạo VHSC. Việc tối ưu hóa tỷ lệ các thành phần như cốt liệu, xi măng và phụ gia khoáng sẽ giúp nâng cao cường độ và tính chất của bê tông.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Bê Tông Cường Độ Rất Cao

Bê tông cường độ rất cao có nhiều ứng dụng trong các công trình xây dựng hiện đại như nhà cao tầng, cầu lớn và các kết cấu chịu lực cao. Việc sử dụng bê tông VHSC không chỉ giúp tiết kiệm vật liệu mà còn nâng cao độ bền và tuổi thọ của công trình.

4.1. Ứng Dụng Trong Các Công Trình Xây Dựng

Bê tông VHSC được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng lớn như nhà cao tầng và cầu. Nhờ vào cường độ cao, loại bê tông này giúp giảm thiểu kích thước kết cấu mà vẫn đảm bảo an toàn và độ bền.

4.2. Kết Quả Nghiên Cứu Về Bê Tông Cường Độ Rất Cao

Các nghiên cứu cho thấy bê tông VHSC có khả năng chịu lực tốt hơn so với bê tông thông thường. Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ nén có thể đạt từ 100 đến 150 MPa, đáp ứng tốt yêu cầu của các công trình hiện đại.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Bê Tông Cường Độ Rất Cao Tại Việt Nam

Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ rất cao tại Việt Nam đang mở ra nhiều cơ hội cho ngành xây dựng. Với những ưu điểm vượt trội, bê tông VHSC hứa hẹn sẽ trở thành lựa chọn hàng đầu cho các công trình lớn trong tương lai. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm chi phí.

5.1. Tương Lai Của Bê Tông Cường Độ Rất Cao

Với sự phát triển của công nghệ và vật liệu, bê tông cường độ rất cao sẽ ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện tính chất và giảm chi phí sản xuất.

5.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Mới

Cần nghiên cứu thêm về các loại phụ gia khoáng mới và công nghệ chế tạo bê tông VHSC để nâng cao hiệu quả và tính bền vững. Việc áp dụng các công nghệ xanh trong sản xuất bê tông cũng cần được xem xét.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO 1.1 GIỚI THIỆU VỀ BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO 1.1 Khái niệm bê tông cường độ rất cao Bê tông cường độ rất cao (Very High Strength Concrete-VHSC) là loại bê tông có cường độ nén rất cao từ 100÷150 MPa [48, 74, 94, 103, 132]. Trong thành phần bê tông bao gồm xi măng, cát, đá, phụ gia khoáng, phụ gia siêu dẻo và nước, trong đó tỷ lệ nước/ chất kết dính (N/CKD) thường nhỏ hơn 0,3 (tính theo khối lượng). Khái niệm này được Hiệp hội Xi măng thế giới đưa ra như sau (Bảng 1.1 Phân loại bê tông theo Hiệp hội Xi măng thế giới [103] Loại Bê tông Bê tông cường Bê tông cường Bê tông cường Đặc tính thường độ cao độ rất cao độ siêu cao Cường độ, MPa <50 50-100 100-150 >150 Tỷ lệ N/CKD >0,45 0,45-0,3 0,3-0,25 <0,25 Hóa dẻo/ Siêu Siêu dẻo Phụ gia hóa học - Siêu dẻo dẻo Silica fume/ tro Silica fume/ Phụ gia khoáng - Tro bay tro bay bay Hệ số thấm > 10 -10 10 -11 10-12 <10-13 1.2 Ưu, nhược điểm của bê tông cường độ rất cao 1.1 Ưu điểm - HHBT có đồng nhất cao, cường độ nén rất cao, cường độ kéo khi uốn khá lớn, bê tông có độ bền lâu trong môi trường xâm thực cao. - Bê tông có tỷ lệ N/CKD thấp khi kết hợp với PGK thì HHBT vẫn đảm bảo tính công tác, khả năng dễ tạo hình của hỗn hợp bê tông cũng như quá trình vận chuyển hỗn hợp bê tông dễ dàng và không bị phân tầng tách nước.

- Công nghệ chế tạo đơn giản và sử dụng đa dạng: có thể thi công thủ công/ cơ giới bảo đảm chất lượng cao và kiểm soát chất lượng dễ dàng và có thể ứng dụng trong thi công các kết cấu vách, cột, nơi có mật độ cốt thép dày và những giải pháp mặt bằng kiến trúc đa dạng. Quá trình kiểm soát chất lượng dễ dàng. - Cường độ rất cao cho phép giảm kích thước kết cấu mà vẫn đảm bảo khả năng chịu lực. Kết quả là cùng một khả năng chịu lực nhưng lượng vật liệu sử dụng ít hơn.

6 Nghiên cứu của Yamamoto [135] chỉ ra rằng việc sử dụng VHSC cho phép giảm được kích thước các cấu kiện trong các công trình nhà siêu cao tầng; điều này cho phép các kỹ sư có thể áp dụng các cấu kiện đúc sẵn trong việc thi công các công trình nhà siêu cao tầng quản lý chất lượng được dễ dàng, rút Hình 1.1 Lượng khí thải CO2 từ thành phần vật liệu sử dụng trên một đơn vị chiều dài ngắn thời gian thi công, điều này cũng cột [135] làm giảm lượng bê tông sử dụng, kéo theo giảm lượng dùng vật liệu và đặc biệt giảm rất lớn lượng dùng xi măng từ đó giảm được lượng phát thải CO2 sinh ra trong quá trình sản xuất xi măng, mang đến hiệu quả rất lớn về môi trường hướng đến phát triển bền vững (Hình 1. Ngoài ra việc sử dụng các phụ gia khoáng như FA, GGBFS… (phế thải trong nhà máy nhiệt điện, luyện kim) thay thế một phần xi măng sẽ vừa giảm giá thành sản phẩm, nâng cao hiệu quả kinh tế, đồng thời còn làm giảm lượng phế thải ra ngoài môi trường và góp phần phát triển xây dựng bền vững.2 Nhược điểm Trong VHSC thường sử dụng lượng dùng chất kết dính lớn dẫn đến co ngót lớn, giá thành vật liệu cao vì vậy cần thiết phải sử dụng các PGK có thể thay thế một phần xi măng và nâng cao hiệu quả về mặt kỹ thuật và môi trường. Do bê tông VHSC có những yêu cầu đặc thù về vật liệu chế tạo, vì vậy trong điều kiện Việt Nam vấn đề lựa chọn nguồn nguyên liệu địa phương để chế tạo VHSC là cần thiết. Hiện nay trên thế giới chưa thống nhất về phương pháp thiết kế thành phần bê tông, chưa có tiêu chuẩn ban hành VHSC vì vậy việc thiết kế và ứng dụng VHSC gặp nhiều khó khăn trong thực tế.3 Vật liệu chế tạo bê tông cường độ rất cao VHSC 1.1 Xi măng Xi măng là thành phần quan trọng góp phần tạo nên cường độ của bê tông, trong đó 7 hồ xi măng đóng vai trò là chất kết dính, liên kết các hạt cốt liệu rời rạc.

Hoạt tính của xi măng càng cao thì bê tông có cường độ càng cao, vì vậy việc sử dụng xi măng mác cao trong chế tạo VHSC là cần thiết. Trên thế giới loại xi măng thường dùng để chế tạo VHSC là loại xi măng có cường độ chịu nén sau 28 ngày lớn hơn 50MPa, điển hình như ở Trung Quốc sử dụng xi măng có cường độ 54 MPa và 65,6 MPa [132], châu Âu sử dụng xi măng có cường độ nén >52,5 MPa [17]. Trong khi đó ở nước ta xi măng công nghiệp được sử dụng phổ biến lớn nhất là PC40, PC50 (cường độ 40÷60 MPa). Tuy nhiên trong chế tạo VHSC cần giảm tỷ lệ N/CKD xuống thấp để đảm bảo cấu trúc đặc chắc của đá xi măng vì vậy vấn đề cần thiết phải nghiên cứu đặt ra đó là sử dụng xi măng PC40 ở Việt Nam để chế tạo VHSC.2 Cốt liệu nhỏ ( cát ) Cấu trúc, bề mặt, kích thước và lượng dùng cốt liệu nhỏ (CLN) là nhân tố quan trọng trong thiết kế thành phần VHSC, ảnh hưởng trực tiếp đến tới cường độ nén của bê tông.

CLN có vai trò kết hợp với chất kết dính để tạo thành hỗn hợp vữa lấp đầy phần rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn, làm tăng độ đặc và tính đồng nhất hỗn hợp bê tông. Theo báo cáo của Volkov [125] và ACI [16] cho rằng cát thô với mô đun độ lớn ≥ 3,0 là cốt liệu phù hợp trong chế tạo bê tông có cường độ lớn hơn 100 MPa. Điều này được giải thích do cát thô có tỉ diện bề mặt nhỏ sẽ giảm lượng nước nhào trộn mà vẫn đạt được tính công tác cần thiết, giúp tăng độ đặc chắc của bê tông, giảm diện tích phần tiếp giáp giữa đá xi măng và phần cốt liệu. Cát phải có cường độ cao, không lẫn bụi, bùn, sét, chất hữu cơ và những tạp chất khác.

Ở Việt Nam, nguồn CLN rất đa dạng và phong phú vì vậy vấn đề đặt ra là đối với các loại CLN với mô đun độ lớn <3 có thể chế tạo được VHSC hay không? 1.3 Cốt liệu lớn Cốt liệu lớn là thành phần cơ bản của bê tông, đóng vai trò là bộ khung chịu lực. Đối với bê tông thông thường cường độ của cốt liệu không ảnh hưởng đến chất lượng bê tông do cường độ của cốt liệu luôn cao hơn cường độ của đá xi măng. Trong VHSC cốt liệu lớn sử dụng được lựa chọn trên các đặc điểm đó là: cường độ và mô đun đàn hồi, hình dạng hạt, bề mặt hạt, kích thước lớn nhất của cốt liệu…Đây là điểm khác 8 biệt của VHSC so với bê tông UHPC ở Việt Nam. - Cường độ và mô đun đàn hồi của cốt liệu: Nghiên cứu của Wee [126] khẳng định các loại đá có khối lượng thể tích lớn, cường độ đá gốc cao đạt yêu cầu chế tạo VHSC bao gồm đá bazan, đá granit, đá vôi cường độ cao.

Nghiên cứu của Sviridov [115] cho rằng để chế tạo bê tông có cường độ nén >150 MPa thì độ nén dập trong xi lanh của đá không vượt quá 6%. Đối với VHSC có cường độ 110 MPa, độ nén dập không được vượt quá 9%. - Hình dạng hạt và đặc tính bề mặt hạt: Theo Xincheng [132] hình dạng hạt cốt liệu sử dụng cho VHSC nên gần với hình cầu. Các hạt thoi dẹt cần phải được loại bỏ vì ảnh hưởng lớn đến tính công tác, cường độ và độ bền của bê tông.

Ngoài ra bề mặt hạt cốt liệu phải được làm sạch, không bị lẫn tạp chất bụi bùn sét. - Kích thước lớn nhất hạt cốt liệu: Về nguyên tắc, kích thước lớn nhất (Dmax) của hạt cốt liệu giảm sẽ cho cường độ bê tông cao hơn khi giữ nguyên cường độ cốt liệu. Tùy theo cường độ của cốt liệu người ta lựa Dmax của cốt liệu để chế tạo VHSC. Điển hình như nghiên cứu của Zain [139] sử dụng CLL có Dmax=19 mm để chế tạo VHSC.

Edward [96] và Sviridov [115] cho rằng Dmax của hạt cốt liệu cho VHSC/ UHPC tốt nhất từ 10÷14 mm. Vấn đề nghiên cứu đặt ra trong điều kiện Việt Nam sử dụng loại CLL có Dmax bằng bao nhiêu để phù hợp chế tạo VHSC? 1.4 Phụ gia khoáng hoạt tính Hầu hết các loại PGK sử dụng trong bê tông đều là các sản phẩm phụ của các ngành công nghiệp [87]. Thông thường PGK hoạt tính được lựa chọn bao gồm: Silica fume (SF), tro bay (FA), xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (GGBFS), tro trấu (RHA), Mêta cao lanh (MK). Trong các nghiên cứu về VHSC thường sử dụng SF mục đích tăng độ đặc chắc và tăng cường độ cho bê tông.

Tuy nhiên, do giá thành của SF cao gấp 5÷10 lần XM làm tăng giá thành của VHSC và có thể gấp đôi so với HSC. Vì vậy khi chế tạo VHSC người ta thường kết hợp SF với một loại PGK khác vừa cải thiện tính chất kỹ thuật đồng thời làm giảm giá thành cho bê tông. Việc sử dụng PGK để chế tạo VHSC phải kể đến các nghiên cứu: Tác giả Sarkar và Aïtcin [18] đã nghiên cứu sử dụng SF có kích thước hạt <1 µm để 9 chế tạo được bê tông cường độ nén bê tông đạt 113 MPa. Nghiên cứu của Wee [126] sử dụng SF và GGBFS có thể chế tạo bê tông có cường độ nén đến 100 MPa.

Nghiên cứu của Xincheng Pu [132] sử dụng SF với kích thước hạt từ 0,1÷0,2 µm có thể chế tạo được bê tông có cường độ nén đạt được 140 MPa, sử dụng kết hợp SF và FA thì chế tạo được bê tông có cường độ ở tuổi 90 ngày đạt đến 141 MPa. Nghiên cứu của Zain [139] đã đánh giá khả năng chế tạo VHSC với cường độ nén ≥100 MPa, tác giả sử dụng PGK GGBFS+FA và SF+FA trong điều kiện dưỡng hộ nhiệt độ 20÷50oC và một số nghiên cứu thực tế ứng dụng SF trong các công trình có cường độ từ 100÷130 MPa [28, 58, 91, 110]. Ở Việt Nam, đã có một số nghiên cứu tổ hợp PGK để chế tạo bê tông UHPC như tổ hợp SF + GGBFS, mẫu bê tông chế tạo có cường độ nén > 150 MPa [3]. Vấn đề cần thiết đặt ra nghiên cứu trong điều kiện Việt Nam nên lựa chọn hệ PGK nào để chế tạo VHSC? 1.5 Phụ gia hóa học Để chế tạo được VHSC thì phụ gia hoá học là vật liệu bắt buộc sử dụng với mục đích giảm tỷ lệ N/CKD đồng thời vẫn đảm bảo tính công tác cho HHBT.