Mở đầu Bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi (UHPFRC) là một loại vật liệu được nghiên cứu và phát triển trên thế giới từ năm 1990, đặc tính của bê tông này là có cường độ nén từ 100 đến hơn 200MPa [70, trang 355]; [71, trang 212, 16] khả năng chịu uốn, cắt cao, khả năng chịu tác động va chạm, chịu tải trọng lặp rất lớn và có độ bền và sự ổn định lâu dài hơn so với bê tông truyền thống. Với hướng nghiên cứu của luận án, để có cơ sở cho việc tính toán, thiết kế thành phần và ứng dụng UHPFRC trên mặt cầu trực hướng (OSD), chương này sẽ trình bày tổng quan về các vấn đề: - Thành phần và tính năng UHPFRC; - Mô hình ứng xử của UHPFRC sử dụng trong thiết kế, tính toán; - Các nghiên cứu, ứng dụng bê tông cốt sợi, UHPFRC trên bản thép trực hướng. Thành phần, tính năng của UHPFRC 1. Thành phần của UHPFRC Vật liệu chủ yếu để chế tạo UHPFRC gồm: Cát quartz, bột quartz, muội silic, xi măng, sợi thép, phụ gia siêu dẻo và nước.
Trải qua hơn 25 năm phát triển, đến nay bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi trên thế giới được nghiên cứu, ứng dụng dưới 2 dạng: Dạng thứ nhất là các sản phẩm thương mại; dạng thứ hai là UHPFRC sử dụng các loại vật liệu địa phương với thành phần được nghiên cứu, lựa chọn từ các vật liệu sẵn có của một số nước. Thành phần của UHPFRC trên thế giới - UHPFRC thương mại Ở các nước Châu Âu, Nam Mỹ thường sử dụng các sản phẩm UHPFRC thương mại như: Ductal®, BSI®, CRC®, CEMTECmultiscale®, BCV®. Trong đó bê tông Ductal® được sử dụng phổ biến nhất. Thành phần và tính năng chủ yếu của 5 loại UHPFRC thương mại được Camacho giới thiệu ở Bảng 1.
UHPFRC thương mại sử dụng một tỷ lệ N/X thấp, từ 0,16 ÷ 0,25. Lượng xi măng từ 746 kg/m3 ÷ 1050 kg/m3. Muội silic khoảng (15÷ 32,43) % khối lượng xi măng. Cát trong cấp phối của Ductal® và CEMTECmultiscale® sử dụng loại cát mịn, với cỡ hạt < 0,6mm.
Cường độ nén của UHPFRC thương mại ở 28 ngày tuổi, tuỳ theo điều kiện bảo dưỡng mà giá trị này nằm trong khoảng 120 ÷ 300 MPa. Thành phần và tính năng của các UHPFRC thương mại [30] Ductal® BSI® CRC® CEMTECmultiscale® BCV® 3 Loại kg/m Loại kg/m3 Loại kg/m3 Loại kg/m3 Loại kg/m3 Xi măng PC 746 1114 Chất kết CEM I 52,5 1050 Muội silic - 242 169 dính 930 - 275 (binder) 2115 Bột quartz - 224 - - Cát (mm) 0,1 - 0,6 1066 0÷6 1072 0÷5 1325 <0.5 730 2÷3 Nước N/X 0,19 N/X 0,19 N/X 0,16 N/X 0,181 N/X 0,25 Phụ gia Chryso 9 SIKA 40 - Chryso 35 - 21,5 (Admixture) Sợi 13/0,2 161 20/0,3 234 12/0,4 130-300 10/0.2 470 156 Độ chảy xoè 700 640 - 750 (mm) fct,28 (MPa) 8 8,8 - 8 0 0 fcm,7 20 101 20 165 - 98 0 0 124/ 0 0 0 0 0 0 130/ fcm,28 20 /90 20 199 20 /90 150/ 300 20 168 20 /90 198 150 - UHPFRC sử dụng vật liệu sẵn có ở một số nước khác Cho đến nay có rất nhiều công bố liên quan đến việc lựa chọn các loại vật liệu, thành phần của UHPFRC từ các vật liệu địa phương. Giá trị cường độ nén của các UHPFRC dạng này thường từ (100 ÷ 200) MPa, tùy theo điều kiện bảo dưỡng. + Nghiên cứu của Camacho và cộng sự (2012) [30]: Camacho và cộng sự (2012) đã giới thiệu 28 loại cấp phối UHPFRC sử dụng 2 loại xi măng CEM I 52.5 và CEM I 42,5 N với lượng xi măng sử dụng (700 ÷ 1000) kg/m3; 3 loại cát (0 ÷ 0,6) mm, (0 ÷ 2) mm và (2 ÷ 3) mm, được phối hợp với nhau tạo ra độ đặc lớn nhất cho bê tông; muội silic với hàm lượng (10 ÷ 25)% xi măng.
Sợi thép Dramix® đường kính 0,38 mm. Kết quả nghiên cứu cho thấy với lượng xi măng (700 ÷ 900) kg/m3, muội silic từ (10 ÷ 25)% khối lượng xi măng và trong điều kiện bảo dưỡng trong phòng (không bảo dưỡng nhiệt) cường độ nén của bê tông đạt (101 ÷ 138) MPa. + Nghiên cứu của Park và cộng sự (2008) [60]: Park và cộng sự (2008) đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần vật liệu đến cường độ nén của UHPFRC trên 18 loại cấp phối khác nhau [60]. Vật liệu sử dụng gồm: Xi măng pooc lăng (800÷1000) kg/m3; muội silic (0 ÷ 35%) khối lượng xi măng; 2 loại cát có cỡ hạt (0,3÷0,5) mm và (0,17÷0,3) mm; bột nghiền 2 loại, với cỡ hạt trung bình tương ứng là 100µm và 13 µm, (1 ÷ 1,3) khối lượng xi măng và sợi thép đường kính 0,2mm, chiều dài 13mm, cường độ kéo 2500 MPa hàm lượng 2% theo thể tích của bê tông, tỷ lệ N/CKD từ 0,16 ÷ 0,24.
Từ kết quả nghiên cứu, các tác giả đề xuất một tỷ lệ tối ưu của cấp phối chế tạo UHPFRC (Hình 1. 7 Sợi thép Nước 2% thể tích Xi măng (0,25) (1,0) Siêu dẻo (0,016) Ghi chú: tỷ lệ theo khối lượng xi măng, riêng sợi thép Bột mịn lấy theo thể tích của bê tông (0,3) Muội silic (0,25) Cát (1,1) Hình 1. Thành phần tối ưu UHPFRC [60] + Nguyên cứu của Fidjestol và cộng sự (2012): Nghiên cứu 31 cấp phối UHPFRC từ các vật liệu sẵn có ở Na Uy. Vật liệu thành phần gồm: xi măng CEM I- 42,5 N hoặc CEM I- 52,5.
Cát với cỡ hạt lớn nhất được sử dụng là 0,5 mm, một số cấp phối sử dụng đến cỡ hạt 1mm. Khối lượng chất kết dính (750 ÷ 1100) kg/m3. Tỷ lệ N/CKD từ (0,16 ÷ 0,2); hàm lượng muội silic (20 ÷ 30) % khối lượng xi măng; sợi thép 2% thể tích của bê tông. Cường độ nén của các mẫu thử hình lập phương cạnh 50 mm ở 28 ngày, không được bảo dưỡng nhiệt: (101 ÷ 146,3) MPa.
Các mẫu được bảo dưỡng nhiệt, cường độ nén đều đạt trên 150 MPa [38]. + Nguyên cứu của Cwirzen và cộng sự (2008): Nghiên cứu 4 thành phần cấp phối UHPC sử dụng xi măng pooc lăng CEM I 42,5 N khối lượng (800 ÷ 1000) kg/m3, hàm lượng muội silic 25% khối lượng xi măng với các tỷ lệ N/X thay đổi (0,22 ÷ 0,26) để nghiên cứu ảnh hưởng của bảo dưỡng nhiệt đến cường độ của bê tông. Kết quả nghiên cứu cho thấy các mẫu không được bảo dưỡng nhiệt có cường độ nén từ (132 ÷138) MPa, các mẫu được bảo dưỡng nhiệt, cường độ nén từ 171 đến 183 MPa [34]. Thành phần UHPFRC ở Việt Nam Ở Việt Nam, cũng đã có các nghiên cứu liên quan đến loại vật liệu UHPFRC, các nghiên cứu này đã nghiên cứu và thiết kế thành phần cũng như đánh giá một số tính năng của UHPFRC chế tạo từ vật liệu sẵn có ở Việt Nam 2, 3, 4, 7 9, 10, 13.
- Nghiên cứu của Phạm Duy Hữu và cộng sự (2011, 2012) đã nghiên cứu 3 loại cấp phối UHPFRC: C1; C2; C3 với thành phần cấp phối thể hiện ở Bảng 1. Các loại vật liệu sử dụng gồm: Xi măng PC40 Bút Sơn; muội silic, phụ gia siêu dẻo của Sika Việt Nam, cát quart cỡ hạt lớn nhất 0,6mm và bột quartz [2] [3]. Cường độ nén trên mẫu thử hình trụ 100x200 mm2 từ (125,6 ÷139,2) MPa ở 28 ngày tuổi; cường độ kéo uốn: cường độ kéo uốn ở vết nứt đầu tiên: từ (9,8÷12,06) MPa; cường độ chịu kéo uốn lớn nhất: từ (16,36÷33,49) MPa; cường độ chịu kéo uốn với độ võng 10 mm từ (2,03 ÷ 3,9) MPa; mô đun đàn hồi: (46,2 ÷ 49,3) GPa. Thành phần cấp phối UHPC [2] Tên cấp phối Thành phần C1 C2 C3 3 Xi măng Bút sơn PC40, kg/m 800 850 900 3 Muội silic, kg/m 195,5 195,5 207 3 Cát Quartz Q1, kg/m 900 935 977 3 Bột Quartz Q2, kg/m 280 150 120 3 Sợi thép, kg/m 160 160 160 Phụ gia siêu dẻo, kg 16 17 18 Nước, lít 160 170 180 Tỷ lệ N/X 0,20 0,20 0,20 - Nghiên cứu của Nguyễn Công Thắng và cộng sự (2013): Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng muội silic kết hợp với xỉ lò cao nghiền mịn làm phụ gia khoáng cho UHPC.
Vật liệu được dùng gồm: xi măng pooc lăng Sông Gianh PC40; muội silic dạng hạt rời của hãng Elkem; cốt liệu là cát quartz có đường kính cỡ hạt trung bình khoảng 315μm; phụ gia siêu dẻo (PGSD) sử dụng của hãng BASF có gốc polycarboxylate. Thí nghiệm nén được thực hiện trên mẫu thử 40x40x160 (mm3) cho thấy giá trị cường độ nén của UHPC đạt từ (150 ÷ 153) MPa [10]. - Nghiên cứu của Trần Bá Việt và cộng sự (2015) đã sử dụng cấp phối UHPC gồm: 1000 kg xi măng, 300 kg cát nghiền, 450 kg cát trắng, 300 kg tro bay, 100 kg muội silic, 30 kg siêu dẻo và 215 lít nước cho 1 m3 bê tông. Kết quả thí nghiệm cường độ nén 28 ngày đạt 190 MPa, cường độ kéo trực tiếp đạt 12 MPa ; mô đun đàn hồi 48 GPa [14].
Nhận xét Thành phần chủ yếu của UHPFRC bao gồm: Cát quartz, bột quartz, muội silic, sợi thép, phụ gia siêu dẻo và nước. Trong đó: - Xi măng: Thường sử dụng loại xi măng CEM I 42,5 N (thế giới), PC40 (các nghiên cứu ở Việt Nam); lượng xi măng sử dụng phổ biến (700 ÷ 1100) kg/m3. Xu hướng sử dụng khối lượng xi măng ≤ 900 kg/m3. - Muội silic được sử dụng từ (10÷30)% theo khối lượng xi măng, nhiều nghiên cứu kết luận sử dụng tỷ lệ này 25% là tối ưu [30, 60, 69, 70, 71].
- Cát quartz: Hàm lượng cát theo tỷ lệ cát trên xi măng (C/X) trong khoảng 0,7 ÷ 1,42. Cỡ hạt cát (0 ÷ 0,6) mm. - Bột quartz với cỡ hạt tương đương xi măng, được sử dụng để thay thế một phần xi măng trong hỗn hợp. Thường sử dụng không quá 30% lượng xi măng.
9 - Sợi thép sử dụng từ (0 ÷ 6)% theo thể tích của bê tông. Để đảm bảo tính công tác cho hỗn hợp bê tông đồng thời đảm bảo tính dẻo dai cần thiết, hàm lượng sử dụng tối ưu (theo thể tích) là 2% [40, 60, 65, 73]. - Tỷ lệ N/X thường sử dụng từ 0,16 ÷ 0,24. Từ các nguồn vật liệu sẵn có trong nước: Xi măng PC40, cát quartz, bột quartz, muội silic, siêu dẻo, có thể chế tạo bê tông với cường độ nén trên 100 MPa, cường độ kéo uốn đạt trên 15 MPa.
Các nghiên cứu về ứng xử của UHPFRC theo hướng ứng dụng vào kết cấu ở trong nước còn chưa nhiều và chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu cường độ nén của UHPFRC. Cần có nhiều nghiên cứu về thành phần, tính năng, mô hình ứng xử của vật liệu phục vụ cho việc phát triển loại bê tông này vào thực tiễn ở Việt Nam.