Nghiên Cứu Chế Tạo Bê Tông Nhẹ Cường Độ Cao Sử Dụng Hạt Vi Cầu Rỗng Từ Tro Bay

Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao từ hạt vi cầu rỗng cenospheres, ứng dụng trong xây dựng bền vững và tiết kiệm năng lượng.

• Tác giả: Lê Việt Hùng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn
• Trường học: Trường Đại Học Xây Dựng Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vật Liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Bê Tông Nhẹ Cường Độ Cao Từ Hạt Vi Cầu Rỗng Tro Bay
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHẸ VÀ BÊ TÔNG NHẸ SỬ DỤNG CENOSPHERE
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHẸ KẾT CẤU
• 1.1.1. Khái niệm và phân loại về bê tông nhẹ
• 1.1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông nhẹ kết cấu
• 1.1.3. Bê tông nhẹ cường độ cao và các ứng dụng của nó
• 1.1.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông nhẹ tại Việt Nam
• 1.2. BÊ TÔNG NHẸ SỬ DỤNG CENOSPHERE
• 1.2.1. Giới thiệu về bê tông nhẹ sử dụng cenosphere
• 1.2.2. Hạt vi cầu rỗng từ tro bay (Cenosphere)
• 1.2.3. Một số tính chất của bê tông nhẹ cenosphere
• 1.2.4. Nhận xét chung
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ LỰA CHỌN VẬT LIỆU, XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN VÀ THIẾT KẾ CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC
• 2.1. CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHO FAC-HSLWC
• 2.1.1. Cơ sở khoa học lựa chọn cốt liệu cho FAC-HSLWC
• 2.1.2. Cơ sở khoa học sử dụng PGK cho FAC-HSLWC
• 2.1.3. Cơ sở khoa học dùng cốt sợi phân tán polypropylene
• 2.2. CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CHO FAC-HSLWC
• 2.2.1. Một số mô hình dự đoán cường độ bê tông
• 2.2.2. Một số mô hình dự đoán cường độ với bê tông cốt liệu nhẹ
• 2.2.3. Hướng đề xuất xây dựng mô hình dự đoán cường độ chịu nén cho hệ FAC-HSLWC đề xuất
• 2.3. CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC
• 2.3.1. Các phương pháp thiết kế cấp phối bê tông và bê tông nhẹ
• 2.3.2. Hướng đề xuất xây dựng phương pháp thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC đề xuất
• 3. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU
• 3.1.1. Xỉ hạt lò cao nghiền mịn
• 3.1.2. Phụ gia siêu dẻo
• 3.2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3.2.1. Các phương pháp thí nghiệm theo tiêu chuẩn
• 3.2.2. Các phương pháp thí nghiệm phi tiêu chuẩn
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC
• 4.1. NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THÀNH PHẦN CKD PHÙ HỢP CHO FAC-HSLWC
• 4.1.1. Lựa chọn thành phần CKD theo độ lèn chặt tối ưu
• 4.1.2. Lựa chọn thành phần CKD theo phương pháp tối ưu tính công tác và cường độ chịu nén
• 4.2. THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC
• 4.2.1. Lựa chọn kích thước hạt cốt liệu cát cho FAC-HSLWC
• 4.2.2. Lựa chọn tỷ lệ cốt liệu/CKD cho FAC-HSLWC
• 4.2.3. Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ CKD và cốt liệu theo phương pháp đúc mẫu
• 4.2.4. Thí nghiệm kiểm chứng thành phần cấp phối cơ sở của FAC-HSLWC
• 5. CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC
• 5.1. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA FAC-HSLWC
• 5.1.1. Ảnh hưởng của cường độ đá CKD
• 5.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng hồ CKD
• 5.1.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ FAC/CL
• 5.1.4. Ảnh hưởng của Dmax cốt liệu
• 5.1.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi PP
• 5.1.6. Nghiên cứu tốc độ phát triển cường độ chịu nén theo thời gian
• 5.1.7. Kiểm tra sự phù hợp của mô hình đề xuất
• 5.2. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI CHO FAC-HSLWC
• 5.2.1. Nguyên tắc chung
• 5.2.2. Các bước thiết kế cấp phối FAC-HSLWC
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1 - KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CHẤT KẾT DÍNH CHO CHẾ TẠO FAC-HSLWC
• PHỤ LỤC 2 - KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HỖN HỢP BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG FAC-HSLWC
• PHỤ LỤC 3 - KẾT QUẢ PHÂN TÍCH PHƯƠNG SAI CÁC MÔ HÌNH CHO CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHẤT KẾT DÍNH VÀ FAC-HSLWC
• PHỤ LỤC 4 - HỆ SỐ QUY ĐỔI CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA FAC-HSLWC VỚI MẪU THÍ NGHIỆM CÓ KÍCH THƯỚC KHÁC MẪU LẬP PHƯƠNG TIÊU CHUẨN 15x15x15 CM
• PHỤ LỤC 5 - KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA TẤM SÀN BTCT SỬ DỤNG FAC-HSLWC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Bê Tông Nhẹ Cường Độ Cao Cenosphere

Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao (HSLWC) sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC) đang thu hút sự quan tâm lớn. Vật liệu này hứa hẹn giải quyết bài toán về trọng lượng và cường độ, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xây dựng. Cenosphere (FAC) là sản phẩm phụ của quá trình đốt than, có cấu trúc rỗng, giúp giảm đáng kể trọng lượng của bê tông. Việc tận dụng FAC không chỉ giảm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa thành phần cấp phối, xây dựng mô hình dự đoán cường độ và đánh giá các tính chất cơ lý của FAC-HSLWC. Mục tiêu cuối cùng là tạo ra một loại bê tông nhẹ có cường độ cao, bền vững, đáp ứng yêu cầu của các công trình xây dựng hiện đại.

1.1. Định Nghĩa và Phân Loại Bê Tông Nhẹ Kết Cấu

Bê tông nhẹ kết cấu là loại bê tông có khối lượng thể tích nhỏ hơn bê tông thường, thường dưới 2000 kg/m3, nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu về cường độ và độ bền. Có nhiều cách phân loại bê tông nhẹ, dựa trên phương pháp tạo rỗng, loại cốt liệu sử dụng, hoặc cường độ. Việc sử dụng Cenosphere là một trong những phương pháp hiệu quả để sản xuất bê tông nhẹ kết cấu. Việc hiểu rõ các định nghĩa và phân loại là cơ sở quan trọng để lựa chọn vật liệu và thiết kế cấp phối phù hợp. Theo EN 206-1, cấp cường độ và khối lượng thể tích khô của bê tông nhẹ được quy định rõ ràng.

1.2. Tình Hình Nghiên Cứu và Ứng Dụng Bê Tông Nhẹ Trên Thế Giới

Trên thế giới, bê tông nhẹ đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều thập kỷ. Nhiều công trình cao tầng, cầu đường, và kết cấu đặc biệt đã sử dụng bê tông nhẹ để giảm tải trọng, tăng khả năng chịu lực, và cải thiện hiệu quả năng lượng. Các nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các loại cốt liệu nhẹ mới, tối ưu hóa thành phần cấp phối, và nâng cao độ bền của bê tông. Theo thống kê, nhiều kết quả nghiên cứu về bê tông cốt liệu nhẹ đã được công bố, chứng minh tiềm năng to lớn của vật liệu này. Việc ứng dụng PGK (Phụ gia khoáng hoạt tính) cũng góp phần cải thiện tính chất của bê tông nhẹ.

II. Thách Thức Chế Tạo Bê Tông Nhẹ Cường Độ Cao từ Cenosphere

Việc chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao từ Cenosphere đặt ra nhiều thách thức về mặt kỹ thuật. Một trong những khó khăn lớn nhất là đảm bảo sự phân tán đồng đều của FAC trong hỗn hợp bê tông, tránh hiện tượng vón cục, ảnh hưởng đến cường độ và độ bền. Bên cạnh đó, việc kiểm soát độ hút nước của FAC cũng rất quan trọng để đảm bảo tính công tác của hỗn hợp và chất lượng của bê tông. Ngoài ra, việc lựa chọn các loại phụ gia phù hợp để cải thiện tính chất của chất kết dính và tăng cường liên kết giữa FAC và đá xi măng cũng là một yếu tố then chốt. Cần có các nghiên cứu sâu rộng về tương tác giữa các thành phần vật liệu để giải quyết các thách thức này.

2.1. Ảnh Hưởng của Cenosphere Đến Tính Chất Bê Tông

Hạt vi cầu rỗng tro bay (FAC), mặc dù có ưu điểm về giảm trọng lượng, nhưng cũng có thể ảnh hưởng đến một số tính chất của bê tông. Việc sử dụng FAC có thể làm giảm cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, và mô đun đàn hồi của bê tông. Điều này đòi hỏi cần có các biện pháp để bù đắp sự suy giảm cường độ này, chẳng hạn như sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính (PGK) hoặc cốt sợi phân tán. Nghiên cứu cho thấy thành phần hóa học của FAC có ảnh hưởng lớn đến tính chất của bê tông. Cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố này để đảm bảo chất lượng của bê tông.

2.2. Bài Toán Tối Ưu Hóa Cấp Phối và Thành Phần Vật Liệu

Để đạt được bê tông nhẹ cường độ cao từ Cenosphere, cần có phương pháp tối ưu hóa cấp phối và thành phần vật liệu một cách khoa học. Việc xác định tỷ lệ tối ưu giữa xi măng, FAC, cốt liệu, nước, và phụ gia là rất quan trọng. Cần xem xét đến các yếu tố như độ lèn chặt của hỗn hợp, tính công tác, và khả năng phát triển cường độ theo thời gian. Các phương pháp thiết kế cấp phối truyền thống có thể không phù hợp với FAC-HSLWC, do đó cần có các nghiên cứu để xây dựng phương pháp thiết kế cấp phối riêng biệt. Việc sử dụng mô hình toán học và thực nghiệm có thể giúp tìm ra thành phần tối ưu.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu và Vật Liệu Chế Tạo FAC HSLWC

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp thực nghiệm và mô phỏng để đánh giá các tính chất của FAC-HSLWC. Các thí nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế để đảm bảo tính chính xác và tin cậy của kết quả. Các phương pháp thí nghiệm bao gồm: thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, mô đun đàn hồi, độ co ngót, độ thấm nước, và khả năng chống thấm ion clo. Bên cạnh đó, các phương pháp phân tích vi cấu trúc như kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích nhiệt vi sai (DTA) cũng được sử dụng để nghiên cứu cơ chế tác động của FAC và các loại phụ gia. Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm xi măng PC50, FAC, xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GGBFS), silica fume (SF), cát, và sợi polypropylene (PP).

3.1. Vật Liệu Sử Dụng Xi Măng Cenosphere PGK và Cốt Liệu

Việc lựa chọn vật liệu chất lượng cao là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng của FAC-HSLWC. Xi măng PC50 được sử dụng làm chất kết dính chính, kết hợp với phụ gia khoáng hoạt tính (PGK) như xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GGBFS) và silica fume (SF) để tăng cường độ bền và độ đặc chắc của bê tông. Hạt vi cầu rỗng tro bay (FAC) được sử dụng để giảm trọng lượng của bê tông. Cát được lựa chọn với thành phần hạt phù hợp để đảm bảo tính công tác của hỗn hợp. Sợi polypropylene (PP) được sử dụng để cải thiện khả năng chống nứt và độ dẻo của bê tông.

3.2. Phương Pháp Thí Nghiệm Tiêu Chuẩn và Phi Tiêu Chuẩn

Nghiên cứu áp dụng cả phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn để đánh giá các tính chất của FAC-HSLWC. Các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn được thực hiện theo các quy trình được quy định trong các tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và quốc tế (ASTM, EN). Các phương pháp thí nghiệm phi tiêu chuẩn được sử dụng để nghiên cứu các tính chất đặc biệt của FAC-HSLWC, chẳng hạn như độ nhớt của hỗn hợp bê tông, hàm lượng bọt khí, và tốc độ phát triển cường độ theo thời gian. Bảng 16 tổng hợp các phương pháp tiêu chuẩn xác định tính chất của vật liệu. Bảng 17 tổng hợp các phương pháp tiêu chuẩn áp dụng xác định tính chất của FAC-HSLWC trong nghiên cứu.

IV. Nghiên Cứu Lựa Chọn Cấp Phối Cho Bê Tông FAC HSLWC Tối Ưu

Nghiên cứu tập trung vào việc lựa chọn thành phần chất kết dính (CKD) phù hợp cho FAC-HSLWC. Các thí nghiệm được thực hiện để xác định tỷ lệ tối ưu giữa xi măng, GGBFS, và SF, đảm bảo độ lèn chặt tối ưu và cường độ chịu nén cao nhất. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt cốt liệu cát đến tính chất của FAC-HSLWC. Việc lựa chọn tỷ lệ cốt liệu/CKD cũng được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo tính công tác và cường độ của bê tông. Mục tiêu là tìm ra thành phần cấp phối cơ sở của FAC-HSLWC có khả năng đáp ứng các yêu cầu về cường độ, độ bền, và tính kinh tế.

4.1. Lựa Chọn Thành Phần Chất Kết Dính CKD Phù Hợp

Việc lựa chọn thành phần chất kết dính (CKD) đóng vai trò then chốt trong việc quyết định tính chất của FAC-HSLWC. Nghiên cứu sử dụng mô hình thiết kế tối ưu D-Optimal để lựa chọn thành phần CKD. Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá độ lèn chặt của hệ CKD gồm xi măng kết hợp với GGBFS và SF. Bảng 1 cho thấy độ lèn chặt của hệ CKD. Kết quả cho thấy việc sử dụng kết hợp GGBFS và SF có thể cải thiện đáng kể độ lèn chặt và cường độ của CKD.

4.2. Thiết Kế Cấp Phối Kích Thước Hạt Cốt Liệu Cát và Tỷ Lệ

Sau khi lựa chọn thành phần CKD tối ưu, bước tiếp theo là thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC. Nghiên cứu tập trung vào việc lựa chọn kích thước hạt cốt liệu cát và tỷ lệ cốt liệu/CKD phù hợp. Ảnh hưởng của Dmax (kích thước hạt lớn nhất) của cốt liệu đến tính công tác, độ phân tầng, và cường độ chịu nén của FAC-HSLWC được khảo sát. Kết quả cho thấy việc lựa chọn kích thước hạt cốt liệu cát và tỷ lệ cốt liệu/CKD phù hợp có thể cải thiện đáng kể tính chất của FAC-HSLWC.

V. Xây Dựng Mô Hình Dự Đoán Cường Độ và Thiết Kế Cấp Phối FAC HSLWC

Mục tiêu quan trọng của nghiên cứu là xây dựng mô hình dự đoán cường độ chịu nén của FAC-HSLWC dựa trên các yếu tố ảnh hưởng như cường độ đá CKD, hàm lượng hồ CKD, tỷ lệ FAC/CL, và Dmax cốt liệu. Mô hình này sẽ giúp các nhà thiết kế và thi công dự đoán cường độ của FAC-HSLWC một cách chính xác, từ đó tối ưu hóa thành phần cấp phối và giảm chi phí. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng đề xuất phương pháp thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC dựa trên các nguyên tắc chung và các bước thiết kế cụ thể.

5.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Cường Độ Chịu Nén FAC HSLWC

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của FAC-HSLWC, bao gồm cường độ đá CKD, hàm lượng hồ CKD, tỷ lệ FAC/CL, Dmax cốt liệu, và hàm lượng cốt sợi PP. Nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của từng yếu tố này đến cường độ chịu nén của FAC-HSLWC. Kết quả cho thấy cường độ đá CKD và hàm lượng hồ CKD có ảnh hưởng lớn nhất đến cường độ chịu nén của FAC-HSLWC. Ngoài ra, nghiên cứu còn kiểm tra sự phù hợp của mô hình đề xuất.

5.2. Phương Pháp Thiết Kế Cấp Phối Bê Tông Nhẹ Cường Độ Cao

Nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC dựa trên các nguyên tắc chung và các bước thiết kế cụ thể. Phương pháp này bao gồm các bước như lựa chọn vật liệu, xác định thành phần CKD, lựa chọn kích thước hạt cốt liệu cát, xác định tỷ lệ cốt liệu/CKD, và kiểm tra tính chất của hỗn hợp bê tông. Nguyên tắc chung trong thiết kế cấp phối là đảm bảo độ lèn chặt tối ưu, tính công tác tốt, và cường độ chịu nén cao. Bảng 8 và 9 cho thấy thành phần cấp phối FAC-HSLWC cơ sở theo phương án tối ưu.

VI. Nghiên Cứu Tính Chất Cơ Lý và Ứng Dụng Của Bê Tông FAC HSLWC

Nghiên cứu đánh giá các tính chất cơ lý của FAC-HSLWC, bao gồm tính chất của hỗn hợp bê tông, mức độ thủy hóa và vi cấu trúc, cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, mô đun đàn hồi, độ bền chống thấm ion clo, và khả năng bền sun phát. Kết quả cho thấy FAC-HSLWC có tính chất cơ lý tốt, đáp ứng yêu cầu của nhiều ứng dụng trong xây dựng. Ngoài ra, nghiên cứu cũng khảo sát khả năng chịu tải của tấm sàn BTCT sử dụng FAC-HSLWC.

6.1. Tính Chất Hỗn Hợp Bê Tông Độ Lưu Động Bọt Khí Đông Kết

Tính chất của hỗn hợp bê tông FAC-HSLWC có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của bê tông sau khi đóng rắn. Nghiên cứu khảo sát các tính chất của hỗn hợp bê tông, bao gồm độ lưu động, hàm lượng bọt khí, và thời gian đông kết. Kết quả cho thấy việc sử dụng phụ gia siêu dẻo (PGSD) có thể cải thiện đáng kể độ lưu động của hỗn hợp bê tông. Hàm lượng bọt khí được kiểm soát để đảm bảo độ đặc chắc của bê tông. Thời gian đông kết được xác định để đảm bảo quá trình thi công diễn ra thuận lợi.

6.2. Độ Bền Chống Thấm Ion Clo và Khả Năng Bền Sun Phát

Độ bền của FAC-HSLWC trong môi trường khắc nghiệt là một yếu tố quan trọng cần được đánh giá. Nghiên cứu khảo sát độ bền chống thấm ion clo và khả năng bền sun phát của FAC-HSLWC. Kết quả cho thấy FAC-HSLWC có khả năng chống thấm ion clo và bền sun phát tốt, phù hợp với các công trình xây dựng ven biển hoặc trong môi trường có hàm lượng sun phát cao. Điều này chứng tỏ FAC-HSLWC là một vật liệu bền vững và có tuổi thọ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHẸ VÀ BÊ TÔNG NHẸ SỬ DỤNG CENOSPHERE 1.1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHẸ KẾT CẤU 1.1 Khái niệm và phân loại về bê tông nhẹ Theo cấu tạo thành phần của bê tông có thể định nghĩa bê tông nhẹ là loại bê tông được chế tạo bằng cách sử dụng cốt liệu nhẹ hoặc chứa các lỗ rỗng không khí được tạo ra bởi phụ gia tạo khí trong quá trình nhào trộn và trước khi đóng rắn. Theo KLTT có thể định nghĩa bê tông nhẹ là loại có KLTT nhỏ hơn bê tông thông thường. Tuy nhiên giới hạn KLTT cận trên của bê tông nhẹ không thống nhất trong các tiêu chuẩn các nước trên thế giới. Theo TCXD 191:1996 [3], bê tông nhẹ là loại bê tông với KLTT trong nhỏ hơn 1800 kg/m3, được cấu tạo bởi cốt liệu nhẹ như đá bọt, keramzit, agloporit.

Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép của Việt Nam TCVN 5574:2018 quy định bê tông nhẹ là loại có KLTT không quá 2000 kg/m3 [96]. Tiêu chuẩn Châu Âu EN 206-1 [27] qui định giới hạn cận trên của bê tông nhẹ là 2000 kg/m3 trong khi trong tiêu chuẩn của Mỹ như ASTM C125 và ACI 213 thì mức này là 1920 kg/m3. Theo tiêu chuẩn BS EN 13055-1:2002[25] thì bê tông cốt liệu nhẹ là loại bê tông chứa cốt liệu có KLTT không quá 2000 kg/m3 hoặc KLTT xốp (đổ đống) không quá 1200 kg/m3, bao gồm các loại cốt liệu sau: (1) Cốt liệu tự nhiên; (2) Cốt liệu nhân tạo nguồn gốc tự nhiên, chế biến từ phụ phẩm công nghiệp; (3) Phụ phẩm công nghiệp; (4) Cốt liệu tái chế. Tiêu chuẩn Nga GOST 25820-14 Bê tông cốt liệu nhẹ [50] quy định bê tông nhẹ là loại bê tông sử dụng chất kết dính xi măng, cốt liệu lớn vô cơ dạng xốp (tự nhiên hoặc nhân tạo), cốt liệu nhỏ vô cơ xốp hoặc đặc chắc và phụ gia để điều chỉnh tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông.

Như vậy tiêu chuẩn này cũng không đưa ra quy định về KLTT của bê tông nhẹ mà chỉ quy định là cốt liệu lớn hoặc nhỏ phải là loại cốt liệu dạng xốp. Theo TCVN 9029:2017 về Bê tông nhẹ - Sản phẩm bê tông bọt và bê tông khí không chưng áp – Yêu cầu kĩ thuật [1], bê tông nhẹ được định nghĩa là loại bê tông có KLTT khô nhỏ hơn 1800 kg/m3. Theo cấu tạo có thể chia bê tông nhẹ thành 3 nhóm chính (Hình 1. Ngoài cách phân loại trên, bê tông nhẹ còn được phân loại theo công dụng thành các loại như (1) Bê tông nhẹ chịu lực (2) Bê tông nhẹ không chịu lực; (3) Bê tông nhẹ cách nhiệt.

Hiện nay, loại bê tông nhẹ chịu lực hay còn được là bê tông nhẹ kết cấu chủ yếu là các loại bê tông cốt liệu nhẹ. Bê tông tổ ong hiện nay chủ yếu là loại bê tông nhẹ chứa bọt khí 6 như bê tông bọt, bê tông khí, bê tông khí chưng áp. Bê tông nhẹ tổ ong thường được sử dụng làm tường ngoài, tường ngăn, trần ngăn và các kết cấu khác trong công trình với mục đích giảm nhẹ khối lượng công trình và nâng cao khả năng cách nhiệt của kết cấu bao che. Bê tông lỗ rỗng lớn Bê tông tổ ong Bê tông cốt liệu nhẹ Hình 1.1 Hình dạng cấu trúc cơ bản của bê tông nhẹ 1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông nhẹ kết cấu Bê tông nhẹ được sử dụng cho kết cấu chịu lực hiện nay chủ yếu là bê tông cốt liệu nhẹ (BTCLN).

Tiêu chuẩn kỹ thuật đối với bê tông nhẹ cho kết cấu của một số tiêu chuẩn thể hiện trong Bảng 1. Tiêu chuẩn ACI 318-19 qui định bê tông nhẹ kết cấu là loại bê tông cốt liệu nhẹ có cường độ chịu nén từ 17 MPa trở lên, KLTT 1440- 2160 kg/m3. ACI 213-14 quy định bê tông nhẹ kết cấu là bê tông sử dụng cốt liệu nhẹ theo ASTM C330 [18] với KLTT xốp không quá 1120 kg/m3. Tiêu chuẩn Châu Âu EN 206:2013 phân loại bê tông cốt liệu nhẹ theo mối quan hệ giữa KLTT và cường độ chịu nén như thể hiện trong Hình 1.

Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông của Châu Âu EN 1992 (Eurocode 1992) qui định cấp cường độ chịu nén tối thiểu của bê tông nhẹ là LC8/9 tức cường độ chịu nén đặc trưng mẫu trụ 8 MPa và cường độ chịu nén đặc trưng mẫu lập phương là 9 MPa.1 Yêu thuật với bê tông nhẹ kết cấu của một số tiêu chuẩn Tiêu chuẩn KLTT (kg/m3) Cấp cường độ chịu nén 28 ngày TCVN 5574-18 ≤ 2000 Từ cấp B15 trở lên CEB-FIP 2010 800-2000 (trạng thái khô) LC8-LC80 (8-80 MPa) ACI 318-19 1440-2160 (trạng thái khô Cường độ tối thiểu 17 MPa tự nhiên) Cường độ phổ biến 21-35 MPa EN 206-1 ≤ 2000 8-80 MPa (LC8-LC80) JGJ 51-2002 ≤ 1950 (trạng thái khô) 10-38,5 MPa (LC5.0-LC60) 7 Sử dụng cát nhẹ Sử dụng cát thường Khối lượng thể tích (kg/dm3) Hình 1.2 Qui định cấp cường độ và KLTT khô của bê tông nhẹ theo EN 206-1 [27] Bê tông cốt liệu nhẹ có thể được sử dụng cho các ứng dụng kết cấu, với cường độ tương đương với bê tông trọng lượng bình thường. Về cơ bản, việc sử dụng bê tông nhẹ kết cấu mang lại nhiều lợi ích bao gồm: giảm tĩnh tải cho công trình do đó tiết kiệm cho kết cấu nền móng và gia cố, giảm kích thước kết cấu, tăng diện tích hoặc số tầng của công trình; cải thiện tính chất nhiệt; cải thiện khả năng chống cháy; chống động đất, tiết kiệm trong vận chuyển và xử lý các cấu kiện đúc sẵn; giảm ván khuôn. Một ưu điểm của bê tông nhẹ cần phải kể đến là có khả năng chống cháy cao hơn bê tông thường do tính dẫn nhiệt thấp hơn, hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn và tính ổn định nhiệt vốn có của cốt liệu đã được nung nóng đến hơn 1093 °C, như được báo cáo trong ACI 216. Khi độ dày của tấm sàn được xác định bằng khả năng chống cháy chứ không phải theo tiêu chí kết cấu (ví dụ: tấm ghép, tấm waffle), tính năng vượt trội của bê tông nhẹ sẽ làm giảm độ dày của tấm, dẫn đến khối lượng bê tông thấp hơn đáng kể [58].

Đối với mỗi loại cốt liệu nhẹ, sẽ cho khả năng chế tạo ra loại bê tông nhẹ có KLTT và cường độ trong một khoảng nhất định. ACI 213-14 đưa ra khoảng KLTT của bê tông tùy thuộc vào loại cốt liệu nhẹ. Theo đó bê tông nhẹ được chia ra thành 3 loại bê tông KLTT nhẹ, bê tông cường độ trung bình, bê tông kết cấu. Trong đó bê tông KLTT nhẹ có KLTT từ 300 đến 800 kg/m3; bê tông cường độ trung bình có KLTT từ 800 đến 1400 kg/m3 và bê tông kết cấu có KLTT từ 1400 đến 1900 kg/m3.

Bê tông nhẹ kết cấu chủ yếu là loại bê tông sử dụng cốt liệu nhẹ từ đất sét nung, tro bay vê viên nung, xỉ phồng nở, đá phiến sét nở, các loại cốt liệu nung từ lò quay. Ngoài các loại cốt liệu nhẹ phổ biến như đề cập ở trên, hiện nay nhiều loại cốt liệu nhẹ khác cũng đang được nghiên cứu sử dụng cho bê tông nhẹ như bê tông cốt liệu polystyrene (EPS), cốt liệu nhẹ từ vỏ cọ dầu [13], thủy tinh bọt từ thủy tinh tái chế [128]. Nghiên cứu của Yu và ccs sử dụng thủy tinh phồng nở tái chế đạt KLTT tuổi 28 ngày 1280 kg/m3 với độ bền lâu tốt nhưng cường độ chịu nén chỉ đạt đến 23,3 MPa. Bê tông nhẹ sử dụng thủy tinh phồng nở được sử dụng chủ yếu làm vật liệu 8 cách nhiệt với KLTT trong khoảng 1280-1490 kg/m3, cường độ chịu nén tương ứng khoảng 22-31 MPa [93].

Lý giải về cường độ thấp của bê tông nhẹ, các nghiên cứu chủ yếu cho rằng do kích thước các lỗ rỗng lớn và cấu trúc rỗng của hạt nhẹ tạo hệ thống lỗ rỗng có kích thước lớn trong cấu trúc của bê tông. Loại bê tông siêu nhẹ (ULWC) trong nghiên cứu của Yu có KLTT khoảng 650-700 kg/m3, độ dẫn nhiệt đạt 0,12 W/(m.K) và cường độ chịu nén 28 ngày đạt khoảng 10-12 MPa.2 dưới đây thống kê kết quả nghiên cứu tính chất của bê tông sử dụng một số loại cốt liệu nhẹ được nghiên cứu và phát triển những năm gần đây [125]. Nhìn chung, các loại bê tông nhẹ cho kết cấu được sử dụng phổ biến hiện nay là bê tông cốt liệu nhẹ như đất sét nung, tro bay vê viên nung, xỉ phồng nở, đá phiến sét nở, các loại cốt liệu nung từ lò quay. Tùy thuộc vào chất lượng, KLTT của cốt liệu nhẹ, cường độ chịu nén của các loại bê tông nhẹ này đạt được cường độ chịu nén phổ biến trong khoảng 20-55 MPa tương ứng với KLTT của bê tông 1440-1920 kg/m3.2 Thống kê một số kết quả nghiên cứu về bê tông cốt liệu nhẹ trên thế giới [125] TLTK Loại cốt Tỷ lệ KLTT KLTT Cường Trạng thái Hệ số liệu/Dmax N/CKD ẩm khô độ chịu mẫu thử dẫn nhiệt (kg/m3) (kg/m3) nén (W/m.K) (MPa) Blanco và Cenosphere/ 0,3 1090- 1050- 5-30,1 Dưỡng ẩm 0,46-0,6 ccs 4 mm 1415 1350 Sấy 100 oC 0,36-0,46 Uycal và Đá bọt - 2270- - - 1,46-0,78 ccs (Pumice)/16mm 1329 Gül và ccs Perlite/16 0,7 1773– 1590– 11,3- - 0,82-1,23 1984 1800 25,1 Topçu và Diatomite/4mm 0,2 - 900 6 0% 0,13 ccs Pumice/4 mm 1500 9 0,44 Mounanga Bọt PU phế 0,6-0,7 1261- 900- 23-3,2 - 1,44-0,31 và ccs thải/10mm 2165 1980 Bão hòa 2,34-0,68 Tangdirolu Perlite/15 mm 0,4- - 1798- 60-80 0% 1,47-1,76 0,65 1883 Sengul và Perlite phồng 0,55 392- 354- 0,1-28,8 0% 0,6-0,13 ccs nở/2–4 mm 1937 1833 Kim và ccs Tro đáy mịn/0.6 0,47 1800- 1500- 22-8 0% 0,54-0,36 mm & 1553 1210 đá sét phổng nở/19 mm Wang & High impact 0,55 - 1980- 37-19 - 0,61-0,27 Meyer polystyrene/ 1560 2.36 mm Huang và Cenosphere/600 0,26 1649- 1483- 44,3- - 0,29-0,37 ccs lm & đuôi quặng 2001 1890 48,1 sắt/300 lm 9 TLTK Loại cốt Tỷ lệ KLTT KLTT Cường Trạng thái Hệ số liệu/Dmax N/CKD ẩm khô độ chịu mẫu thử dẫn nhiệt (kg/m3) (kg/m3) nén (W/m.K) (MPa) Yu và ccs Thủy tinh phồng 0,38- 1280- 1100- 23-30 0% 0,49-0,85 nở/4.0 mm 0,59 1460 1380 Yun và ccs Bọt thủy tinh/ĐK 0,55 2011- 1900- 43,9- - 2,25-1,41 trung bình 65 m 2370 2260 24,6 Gao và ccs Aerogel/4 mm 0,38- 1000- 900- 8,3-60 - 0,26-1,9 0,39 2050 1950 1.3 Bê tông nhẹ cường độ cao và các ứng dụng của nó Theo ACI 213-14 [11] thì bê tông nhẹ cường độ cao (High-Strength Lightweight Concrete- HSLWC) là loại bê tông nhẹ kết cấu có cường độ lớn hơn 40 MPa.