CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG SIÊU TÍNH NĂNG GIA CỐ CỐT SỢI THÉP 1.1 Tổng quan về vật liệu bê tông siêu tính năng gia cố cốt sợi 1.1 Định nghĩa UHPFRC. Hiện nay chưa có định nghĩa thống nhất về vật liệu bê tông siêu tính năng gia cố cốt sợi thép. Ở các nước, các tác giả có những định nghĩa khác nhau. Tuy nhiên, bê tông siêu tính năng gia cố cốt sợi có những đặc tính cơ bản như một số định nghĩa được sử dụng rộng rãi như sau: Theo Ủy ban Viện bê tông Hòa Kỳ (Committee of American Concrete Institue -ACI), bê tông siêu tính năng là loại bê tông có cường độ chịu nén lớn hơn 150 MPa với các yêu cầu cụ thể về độ bền, độ bền kéo, khả năng hấp thụ năng lượng; cốt sợi thường được trộn vào để đạt được những yêu cầu nhất định nào đó [21].
Theo định nghĩa của Cục quản lý đường cao tốc liên bang Mỹ (Federal Highway Administration - FHWA) về bê tông siêu tính năng (ultra-high-performance concrete – UHPFRC): UHPFRC là vật liệu composite gốc xi măng bao gồm các vật liệu dạng hạt mịn với đường cong cấp phối tối ưu, được gia cường bởi các sợi thép siêu nhỏ rời rạc có cường độ rất cao và tỷ lệ nước/ximăng (N/X) rất nhỏ (N/X < 0,25). UHPFRC bền hơn đáng kể so với bê tông thông thường (NC) và bê tông cường độ cao (high- performance concrete –HPC) do các lỗ rỗng giảm và không liên tục (tức là độ đồng nhất cao), dẫn tới làm giảm sự xâm nhập của vật liệu có hại như các ion clorua và sunfat. UHPFRC là một loại vật liệu xây dựng có độ bền cao, dễ uốn và bền vững được pha chế bằng cách kết hợp xi măng poóc lăng, silica fume, cát rửa/sàng mịn, phụ gia siêu dẻo, nước và sợi thép. UHPFRC là hỗn hợp gốc xi măng cực kỳ đồng nhất mà không cần sử dụng cốt liệu thô có thể đạt cường độ nén trên 150 MPa [22,23].
Theo Naaman và Wille [24], định nghĩa ngắn gọn về bê tông siêu tính năng như sau: Bê tông siêu tính năng (ultra-high performance concrete – UHPC) là bê tông gốc thủy hóa xi măng với cường độ chịu nén ít nhất là 150 MPa. Hay, bê tông siêu tính năng gia cố 4 cốt sợi (Ultra-high-performance fiber-reinforced concrete – UHPFRC) là vật liệu UHPC trộn thêm cốt sợi để tăng đáng kể các tính chất cơ học cụ thể nào đó, v.2 Nguyên tắc chế tạo vật liệu UHPFRC. UHPC được chế tạo trên nguyên tắc hạn chế tối thiểu các điểm yếu của vật liệu như các vết nứt nhỏ, lỗ rỗng để có khả năng đạt được khả năng chịu lực siêu việt [25]. Theo Richard và Cheyrezy (1994 và 1995), Bonneau và cộng sự (1996) và các khuyến nghị tạm thời của AFGC cho bê tông cốt sợi hiệu suất cực cao (2002), UHPC được chế tạo và hình thành dựa trên bốn nguyên tắc có thể được tóm tắt như sau: Tối ưu hóa cấp phối hạt để cải thiện độ đồng nhất và đạt được hỗn hợp siêu độ đặc chắc.
Tỷ lệ N/X cực thấp, do đó giảm được tỷ lệ lỗ rỗng và mao mạch, kích thước lỗ rỗng, các vấn đề hư hỏng của bê tông, ví dụ: cacbonat hóa, cải thiện khả năng chống thấm và dẫn tới độ bền và cường độ cao. Các cốt sợi siêu nhỏ cường độ cao được trộn vào để tăng cường độ độ bền kéo, tăng khả năng chống va đập và mài mòn. Được bảo dưỡng trong điều kiện đặc biệt (nhiệt độ và độ ẩm cao) ngay sau khi chế tạo giúp tăng tốc độ co ngót khô và ướt, cải thiện các đặc tính tổng thể của vật liệu, dẫn tới sự ổn định về thể tích, độ rão nhỏ và độ co ngót không đáng kể.3 Lịch sử phát triển của UHPFRC. Rất khó để thống kê một cách đầy đủ, rõ ràng về lịch sử hình thành, sự phát triển của vật liệu UHPFRC.
Tuy nhiên, theo Naaman và Wille [24], có thể liệt kê lại quá trình hình thành, phát triển của vật liệu UHPFRC thông qua sự hình thành của bốn vật liệu thành phần chính của hỗn hợp và sự kết hợp giữa các yếu tố này: vữa xi măng, cốt sợi, lực dính giữa vữa xi măng và cốt sợi và sản phẩm UHPFRC. Thời gian hình thành và những tiến bộ quan trọng trong sự phát triển của vữa bê tông và cốt sợi từ những năm 1960, chủ yếu là ở Châu Âu hoặc Hoa Kỳ, được thống kê trong Bảng 1. Sự hình thành và phát triển cũng có thể xảy ra tương tự ở một số nơi khác, nhưng có thể chậm hơn (hoặc sớm hơn) trong việc áp dụng vào thực tế.1 Sự phát triển theo thời gian của hỗn hợp bê tông và cốt sợi từ những năm 1960 [24] Thập Hỗn hợp xi măng và bê tông Fiber niên 1970’s Hiểu biết rõ hơn về phản ứng thủy hóa; cấu trúc Cốt sợi trơn; cường độ thường keo Sợi thủy tinh Hiểu biết hơn về quá trình co ngót, độ bền mỏi, đô Sợi tổng hợp xốp, … Bê tông cường độ cao, đến 50 MPa trong thực tế Phát triển các giải pháp giảm nước trong be tông Công nghệ tiên tiến trong xử lý bê tông và điều kiện bảo dướng 1980’s Tăng cường phát triển các chất phụ gia hóa học: Cốt sợi thép có móc 2 đầu HWRA, v. (Hooked-end): cường độ Tăng cường sử dụng tro bay và silica fume, và các thường và cường độ cao chất phụ gia khoáng khác, v.
Cốt sợi tổng hợp có mô đun đàn Tăng độ chảy/độ sụt(bê tông tự chảy chảy) hổi thấp (PP, nylon, etc.) Giảm tỷ lệ N/XM; Tăng cường sử dụng sợi thủy Xuất hiện thuật ngữ Bê tông cường độ cao: lên đến tinh 60 MPa; cường độ cao đặc biệt: lên đến 80 MPa; Cốt sợi siêu nhỏ cường độ cao kỳ đặc biệt (cốt liệu đặc biệt và bảo Sợi polyme hiệu suất cao dưỡng): lên đến 120 MPa (carbon, Spectra, Kevlar, v.) Thuật ngữ Bê tông hiệu suất Cao: bê tông cường độ cao với các đặc tính độ bền được cải thiện. 1990’s Gia tăng sự phát triển các chất phụ gia hóa học: Loại cốt sợi thép xoắn (không bị chất siêu dẻo; chất tạo độ nhớt; v. duỗi thẳng khi kéo nhổ) Tăng cường sử dụng các vật liệu kết dính khác để Sợi PVA với liên kết hóa học thay thế xi măng với bê tông UHPC: độ đặc chắc cao, bổ sung các hạt siêu mịn; Cải thiện tính sẵn có của sợi độ rỗng nhỏ; tỷ lệ N/x nhỏ; tổng hợp. Bê tông tự cố kết; bê tông tự đầm lèn; 2000’s Gia tăng sự phát triển của UHPC / UHP-FRC độc Sợi thép cường độ cực cao: trơn quyền và không độc quyền hoặc có gờ với đường kính thấp UHPC: nâng cao hiểu biết về độ đặc chắc cao; ứng đến 0,12 mm và cường độ lên dụng của các khái niệm công nghệ nano trong bê đến 3400 MPa tông.
Ống nano carbon; sợi nano carbon 2010’s Tăng cường hiểu biết về hỗn hợp xi măng ở mức Carbon nano-fibers, graphene, độ nano 6 Mục đích chung của các nhà nghiên cứu là làm sao tăng được cường độ chịu nén của bê tông. Từ những năm 1970, hỗn hợp bê tông với cường độ siêu cao, đến 510 MPa, được báo cáo từ việc chuẩn bị mẫu trong điều kiện đặc biệt về chân không, nhiệt độ và áp suất bảo dưỡng mẫu. Vào những năm 1980, Bache và cộng sự đã công bố vật liệu UHPFRC gia cố cốt sợi và sử dụng tỷ lệ N/X rất thấp, có cường độ > 200 MPa, không cần điều kiện đặc biệt về nhiệt độ và chân không, được gọi tên là “micro-defect-free cement”. Tuy nhiên, những loại bê tông này không dễ để đưa vào ứng dụng do các điều kiện khắt khe về chế tạo và bảo dưỡng.2, tóm tắt các mốc quan trọng khác nhau liên quan đến các loại vật liệu bê tông kết hợp được phát triển từ những năm 1970 đến năm 2011.2 Sự phát triển của bê tông cường độ cao, bê tông cốt sợi tính năng cao từ những năm 1970 (Ở Mỹ và Châu Âu) Năm f’c [MPa] Nguồn Tên Điều kiện đặc biệt 1972 230 Yudenfreund, Vữa (paste); trộn chân Skalny, et al.
không; độ rỗng thấp; mẫu thí nghiệm nhỏ. 1972 510 Roy et al. Vữa; áp suất cao và nhiệt độ (US) bảo dưỡng cao; mẫu thí nghiệm nhỏ. 1981 200 Birchall et al.
MDF (Micro- Vữa; bổ sung polymer; (UK) Defect-Free) Cường độ uốn lên đến 150 Mpa. 1981- 120 - 250 Bache; Hjorth DENSIT; Vữa và bê tông; Điều kiện 1983 (Denmark) COMPRESSIT bảo dưỡng thông thường; sử dụng muội silic siêu mịn. 1980’ 120 - 250 Bache; Young; DSP (Densified Tăng cường độ đặc chắc; ử all Jennings; Small Particles) dụng microsilica; sử dụng Aitcin phụ gia siêu dẻo; (Denmark; US; Canada) 1980’s Lên đến 120 Nhiều tác giả High Strength Bê tông với phụ gia đặc biệt trên ở nhiều Concrete; High và cốt liệu, ứng dụng vào kết nước khác nhau Performance cấu; sử dụng chất siêu dẻo; (Shah; Zia; Concrete bảo dưỡng bình thường; độ Russell; (HSC; HPC) bền tốt hơn. Swamy; Malier; Konig; 7 Năm f’c [MPa] Nguồn Tên Điều kiện đặc biệt Aitcin; Malhotra) 1980’s Lên đến 210 Lankard; SIFCON (Slurry Vữa cát mịn với hàm lượng all Naaman (US) Infiltrated Fiber cốt sợi lớn ( 8-15% thể tích) Concrete) 1987 Lên đến 140 Bache CRC (Compact Bê tông với hàm lượng cốt (Denmark) Reinforced sợi cao sử dụng với cốt thép Concrete) gia cường thông thường.
1987 Khoảng mở Naaman (US) HPFRCC Vữa và bê tông gia cố cốt sợi (High Performance có khả năng tăng cường độ Fiber chịu kéo sau vết nứt đầu tiên Reinforced Cement (strain-hardening). Composites) 1991 Khoảng mở Reinhardt and HPFRCC Hướng tới giảm hàm lượng Naaman (First International cốt sợi mà vẫn tăng được tính (Germany, US) Workshop) năng 1992 Khoảng mở Li and Wu ECC (Engineered Chủ yếu là vữa với sợi tổng (US) Cementitious hợp; khả năng tăng cường độ Composites) chịu kéo sau vết nứt đầu tiên (strain-hardening in tension) 1994 Khoảng 150 De Larrard Ultra-High Tối ưu hóa vật liệu với độ (France) Performance đặc chắc cao và cốt liệu siêu Concrete mịn (UHPC) 1995 Lên đến 800 Richard & RPC (Reactive Vữa và bê tông; Bảo dưỡng Cheyrezy Powder Concrete) với nhiệt độ và áp suất; Khả năng đặc chắc của cốt liệu. 1998 và Lên đến 200 Lafarge; DUCTAL Bảo dưỡng 90oC trong 3 sau đó (Chanvilliard; ngày; Hàm lượng fiber lên Rigaud; đến 6% (Đã được thương Behloul) mại hóa) France 2000 và Lên đến 200 Rossi et al.