CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu chung Bê tông chất lượng cao - High-Performance Concrete (HPC) là một trong những loại bê tông đầy triển vọng của thế kỷ 21, với các tính chất đặc biệt như độ chảy cao, cường độ cao, độ thấm thấp và độ bền cao. Sự ra đời của bê tông chất lượng cao và thậm chí siêu cao đã đánh dấu một bước ngoặt trong công nghệ bê tông với các tính chất đặc biệt về cường độ, độ bền, và độ ổn định thể tích [1][2]. Theo [3] [4], sự ra đời của HPC là bước đột phá trong công nghệ vật liệu nói chung và bê tông nói riêng vì chính loại bê tông này đã làm thay đổi các quan điểm cũng như chỉ dẫn trong thiết kế trên nhiều lĩnh vực tiềm năng như: • Dùng thay thế cho vật liệu bề mặt: do cường độ cao, khả năng chịu mài mòn lớn, nên loại bê tông này được sử dụng để chế tạo các bunker chứa xi măng, đường ống dẫn nước chịu xói mòn lớn, bề mặt đập tràn thủy điện, mặt cầu. • Dùng cho các công trình ngoài biển: dàn khoan, trụ của tua bin gió … • Dùng để chế tạo các kết cấu đúc sẵn: dầm cầu, tấm lát mặt đường … Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về phụ gia khoáng (PGK) sử dụng trong HPC với mục đích giảm lượng nước và lượng xi măng, đồng thời cải thiện tính công tác và chất lượng của bê tông.
Việc nghiên cứu chế tạo HPC với mục đích giảm lượng dùng xi măng trong hỗn hợp mà thay vào đó là việc sử dụng PGK hoạt tính với hàm lượng hợp lý, đó là hướng nghiên cứu mà rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước đang quan tâm. Có thể thấy từng loại PGK đã được nghiên cứu trên thế giới cũng như trong nước như: • Silicafume: đây là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất silic hoặc hợp kim ferosilic được ngưng tụ từ khói thải nên chứa các hạt ôxit silic có kích thước rất nhỏ, cỡ micromet, hàm lượng SiO2 trên 85% [5]. Các kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng FA trong HPC sẽ làm giảm lượng nước cần dùng, tăng tính công tác cho hỗn hợp bê tông. Ở điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm, có thể sử dụng đến 30% FA (theo khối lượng chất kết dính) khi kết hợp với silica fume để chế tạo HPC [9].
HVTH: PHẠM MINH TÂM 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ • Tro trấu (Rice Husk Ash – RHA): Đây là sản phẩm của quá trình đốt trấu có hàm lượng SiO2 rất lớn, có thể đạt trên 95%, trong khi hàm lượng các bon thấp [10][11] Sản phẩm RHA sau khi nghiền có chứa các hạt siêu mịn với kích thước hạt tương tự như hạt SF. Do cấu trúc rỗng xốp, khi sử dụng RHA trong chế tạo HPC yêu cầu lượng nước và hàm lượng phụ gia siêu dẻo (PGSD) lớn hơn. Tuy nhiên, khá khó để phát triển việc sản xuất RHA ở mức độ sản xuất công nghiệp. Để hạn chế nhược điểm này, có thể sử dụng kết hợp giữa RHA với phụ gia khoáng khác như FA hoặc xỉ lò cao hoạt hóa nghiền mịn nhằm cải thiện tính chất hỗn hợp bê tông, đồng thời vẫn tăng hiệu quả khi sử dụng PGK [11].
• Xỉ lò cao hoạt hóa nghiền mịn (Ground Grannulated Blast Furnace Slag – GGBFS): Xỉ lò cao là sản phẩm phế thải của quá trình luyện thép và là một loại chất kết dính tương tự như hạt xi măng [12][13]. Với đặc tính bề mặt đặc chắc, trơn nhẵn không hút nước, sử dụng GGBFS trong HPC sẽ cải thiện tính công tác, giảm nhiệt lượng hydrat hóa và tăng độ bền cho bê tông. Việc tăng độ mịn của GGBFS sẽ làm tăng cường độ của HPC [6]. Tương tự FA, việc sử dụng GGBFS trong HPC sẽ làm giảm cường độ ở tuổi sớm; tuy nhiên, cường độ ở tuổi lâu dài ngày càng tăng [6][9][7][14].
Theo nhiều kết quả nghiên cứu gần đây trên thế giới về ảnh hưởng của đá vôi đến cường độ chịu nén, độ thấm nước, độ hấp thụ, sự thẩm thấu nhanh ion clo đối với bê tông ở độ tuổi 28, 90 và 180 ngày. Kết quả nghiên cứu cho thấy, bê tông ximăng Portland - đá vôi (PLC) với tỷ lệ 10% đá vôi đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật và chất lượng như bê tông xi măng Portland thông dụng; cũng như tính ưu việt về kinh tế và môi trường do giảm lượng khí CO2 phát ra [15]. Hơn nữa, tại nước ta, đá vôi được đánh giá là một trong 45 loại khoáng sản có trữ lượng lớn và phân bố rộng khắp cả nước, có đến 125 mỏ khoáng đá vôi đã được tìm kiếm và thăm dò, trữ lượng ước tính đạt 13 tỷ tấn, tài nguyên dự báo khoảng 120 tỷ tấn, phân bố tập trung ở các tỉnh phía Bắc và cực Nam [16]. ➢ Vì thế, tác giả quyết định thực hiện nghiên cứu chế tạo HPC sử dụng bột đá vôi với mục đích có thể tạo ra một loại HPC mới vừa có thể đạt được cường độ cao lại vừa đem lại những lợi ích như: khả năng sản xuất rộng rãi từ các vật HVTH: PHẠM MINH TÂM 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ liệu tại địa phương, giá thành giảm so với HPC trước đây cũng như chung tay bảo vệ môi trường.
Hơn thế nữa, HPC có cấu trúc hạt mịn và độ đặc chắc rất cao, nên có những ưu điểm vượt trội như: độ bền chịu mài mòn rất lớn, tương đương với đá bazan, thép đặc biệt và các vật liệu gốm công nghệ cao…[17]. Vào năm 2000, Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng Pháp (AFGC-SETRA) tiến hành khảo sát chất lượng công trình tại hai nhà máy điện hạt nhân Cettenom và Civiaux ở Pháp, kết quả cho thấy trên 2000 dầm HPC được sử dụng trước đó không bị ảnh hưởng dưới tác động của môi trường ăn mòn [15] [18]. Trong những năm gần đây, công ty Dura Technology Sdn Bhd – Malaysia đã nỗ lực nghiên cứu chế tạo và ứng dụng HPC vào thực tế, đến nay HPC đã được sử dụng nhiều tại Malaysia trong các công trình cầu, công trình chịu ăn mòn và các công trình kiến trúc khác [4]. Hơn nữa, ưu thế khi sử dụng dầm HPC tại khu vực nền đất yếu là khả năng giảm được chiều cao và khối lượng của kết cấu dầm [17].
Do đó, khối lượng các dầm HPC nhẹ hơn hẳn so với dầm bê tông ứng suất trước, dẫn đến giá thành kết cấu phần dưới có thể giảm đáng kể. Vì thế, so với bê tông thông thường và bê tông chất lượng cao, HPC dù rất khó có thể cạnh tranh được trong các ứng dụng thông thường, đặc biệt là giá thành đầu tư ban đầu nhưng cần chú ý rằng một trong những mục tiêu trong nghiên cứu và phát triển HPC là hướng tới thay thế một phần của vật liệu thép và sử dụng trong các môi trường đặc thù như: vùng đất yếu và xâm thực mặn. ➢ Do đó, bước tiếp theo trong đề tài luận văn, tác giả đã thực hiện chế tạo dầm chữ T sử dụng HPC chứa bột đá vôi để thông qua việc thí nghiệm, mô phỏng và nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dầm có thể xem xét và đề xuất khả năng loại bỏ thép trong dầm. HVTH: PHẠM MINH TÂM 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ 1.2 Mục tiêu nghiên cứu ➢ Tạo ra loại HPC mới sử dụng bột đá vôi có thể đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật cũng như đem lại những lợi ích về hiệu quả kinh tế, có thể sản xuất rộng rãi nhờ các nguyên liệu sẵn có tại địa phương, cũng như đem lại những lợi ích về môi trường.
➢ Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dầm chữ T sử dụng HPC chứa bột đá vôi để có thể xem xét và đề xuất khả năng loại bỏ thép trong dầm. Nhờ đó, góp phần sử dụng dầm HPC trong các môi trường đặc thù như: chịu ăn mòn, hay tại các công trình xây dựng trên đất yếu… 1.3 Ý nghĩa đề tài ➢ Hiện nay, tại Việt Nam, HPC vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trong thực tế vì giá thành cao, nguyên liệu chế tạo đặc thù và quá trình thi công, bảo dưỡng phải đảm bảo những tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt. Việc nghiên cứu một loại HPC sử dụng bột đá vôi đem lại nhiều ý nghĩa về kỹ thuật, kinh tế cũng như môi trường. ➢ Với đường bờ biển dài hơn 3.200 km, nhu cầu xây dựng các tuyến đường ven biển tại Việt Nam ngày càng tăng.
Việc nghiên cứu ứng dụng HPC cho các công trình cầu trên các tuyến đường ven biển là thực sự cần thiết. Do HPC có nhiều tính năng kỹ thuật đặc biệt, độ bền chống xâm thực rất cao [18], sử dụng loại vật liệu này được mong đợi có thể làm gia tăng tuổi thọ cho công trình, giảm chi phí duy tu, sửa chữa, mang lại hiệu quả kinh tế và góp phần cải thiện cơ sở hạ tầng giao thông cho các địa phương dọc bờ biển Việt Nam. HVTH: PHẠM MINH TÂM 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu và ứng dụng HPC trên thế giới 2.1 Công trình nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết Năm 2013, Taylor et al. [19] đã nghiên cứu sử dụng HPC cho thiết kế cầu dầm dự ứng lực trên 2 công trình đã được xây dựng tại Mỹ, đó là cầu Doña Ana Interchange Bridge (Hình 2.1) và cầu Sunland Park River Crossing (Hình 2.2) Chiều dài cầu, khổ cầu và kích thước dầm bê tông dự ứng lực (DUL) truyền thống của 2 cây cầu được thể hiện ở (Hình 2.
Mặt cắt giữa cầu 190mm 1.6m 152mm 6 dầm BT-63 1.03m Khoảng cách giữa 2 dầm là 2.21 m, tổng khoảng cách giữa 6 dầm = 11.03m Dầm BT-63 Dầm BT-63 Đường kính cáp Đường kính cáp dự ứng lực 15mm dự ứng lực 18mm Mặt cắt cuối dầm Mặt cắt giữa dầm Mặt cắt cuối dầm Mặt cắt giữa dầm Hình 2.1 Chiều dài, khổ cầu và thông số của các dầm bê tông DUL tại cầu Doña Ana Interchange Bridge [19] HVTH: PHẠM MINH TÂM 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ Mặt cắt giữa cầu 200 mm 1.03m Khoảng cách giữa 2 dầm 2.08 m , tổng khoảng cách giữa 10 dầm = 18.03m Dầm BT-54 Dầm BT-54 Đường kính cáp Đường kính cáp dự ứng lực 15mm dự ứng lực 18mm Mặt cắt cuối dầm Mặt cắt giữa dầm Mặt cắt cuối dầm Mặt cắt giữa dầm Hình 2.2 Chiều dài, khổ cầu và thông số của các dầm bê tông DUL tại cầu Sunland Park River Crossing [19] Nghiên cứu này áp dụng tính toán theo tiêu chuẩn AASHTO LFD Tiêu chuẩn (AASHTO 2002) [20].