CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ 1. Khái quát về bê tông nhẹ 1. Sơ lược về lịch sử phát triển Bê tông nhẹ không phải là một phát minh mới trong công nghệ bê tông. Bê tông nhẹ từng được sử dụng trong các Kim tự tháp của người Maya ở Mehico [45].
Người Hy Lạp và La Mã cổ đại đã sử dụng đá bọt trong xây dựng nhà thờ St Sofia ở Istanbul, Thổ Nhĩ Kỳ thế kỷ thứ 4 sau CN. Cầu máng Pont du Gard (Hình 1. 1) dài 50 km đưa nước từ sông Eure ở Uzès, đến Nîmes, xây năm 14 sau CN. Ba công trình bằng bê tông nhẹ tiêu biểu xây dựng bởi Đế chế La Mã là Cảng Cosa, đền Pantheon và đấu trường La Mã Coliseum [25].
Cầu Pont du Gard (Pháp) Cảng Cosa xây dựng khoảng năm 273 trước CN, sử dụng bê tông nhẹ nguồn gốc núi lửa. Cảng nằm ở bờ biển phía Tây, Italia, trong suốt hai thiên niên kỷ, chịu các tác động tự nhiên mà chỉ một bề mặt bị ăn mòn. Đền Pantheon, đường kính 43,3m, hoàn thành năm 27 trước CN chế tạo từ bê tông nhẹ. Công trình vẫn còn trong trạng thái hoàn toàn tốt và cho đến ngày hôm nay vẫn được sử dụng trong các hoạt động tôn giáo.
Đấu trường La Mã Coliseum xây dựng năm 75 – 80 sau CN, là một nhà hát khổng lồ với sức chứa 50 000 khán giả. Móng được đổ bằng bê tông nhẹ dùng xỉ núi lửa. Các bức tường sử dụng cốt liệu rỗng, gạch vỡ. Khoảng không giữa các tường xây bằng khối đá xây túp rỗng.
Sau khi đế chế La Mã sụp đổ, việc sử dụng bê 7 tông nhẹ trở nên hạn chế cho đến thế kỷ 20 khi cốt liệu nhân tạo mới, chế tạo từ sét nở được sử dụng phổ biến. Cốt liệu nhẹ là sự khác biệt chủ yếu giữa bê tông thường và bê tông nhẹ. Ban đầu các loại cốt liệu nhẹ tự nhiên được sử dụng như đá bọt, xỉ núi lửa. Cốt liệu nhân tạo được sản xuất từ các vật liệu thô có tính nở như đất sét, đá phiến sét… hoặc các thải phẩm công nghiệp như tro bay, tro đáy lò, xỉ lò cao… Qui trình làm nở cốt liệu trong lò nung được phát triển bởi Stephen Hayde vào đầu những năm 1900 ở Mỹ.
Những năm đầu của thế kỷ 20, Mỹ, Nga (Liên Xô cũ), Nhật Bản, Đan Mạch, Anh và một số nước khác đã triển khai nghiên cứu để phát triển cốt liệu nhẹ nhân tạo và tận dụng hết mức cốt liệu nhẹ thiên nhiên, cũng như các phế thải công nghiệp. Tòa nhà chọc trời đầu tiên được xây dựng bằng BTCLN là khách sạn Park Plaza (Hình 1. 2) ở St Louis, Pháp năm 1929 với 28 tầng [61]. Năm 1937, BTCLN được sử dụng làm mặt đường của cây cầu San Francisco – Oakland, Mỹ.
Cầu Tacoma – Narrows bị sập, thay thế bằng cầu treo khác năm 1950. Kết cấu bê tông nhẹ được sử dụng để thiết kế thêm các làn đường phụ mà không cần thay trụ cầu mới [25]. Khách sạn Park Plaza (Pháp) Năm 1964 Chicago (Mỹ) đã xây dựng toà tháp đôi Marina 64 tầng. Tại Sidney, Australia năm 1968, người ta đã hoàn thành một ngôi nhà 50 tầng cao 183 m với 8 tầng trên cùng sử dụng BTCLN cường độ bình quân đạt 32 MPa [61].
Việc tăng các công trình xây dựng ngoài khơi dẫn đến bắt buộc sử dụng BTCLN do yêu cầu về tỉ trọng thấp, nhu cầu cải thiện cường độ tăng lên. Điều này dẫn tới phát triển việc phát triển BTCLN cường độ cao, đặc biệt là ở Na Uy. Cầu Stolma (Na Uy) Cầu Stolma, Na Uy (Hình 1. 3) dài 467m, nhịp lớn nhất 301m là nhịp đúc hẫng lớn nhất thế giới xây dựng bằng BTCLN cường độ cao, KLTT 1940kg/m3 [56].
Cầu Raftsundet, Na Uy khánh thành năm 1998, có tổng chiều dài 711m, nhịp chính dài 298m. Cầu được xây dựng hầu hết bằng bê tông cường độ cao cấp 65, riêng 224m giữa nhịp chính làm bằng bê tông nhẹ cường độ 60 MPa [52]. Khái niệm và phân loại bê tông nhẹ Nhìn chung, bê tông được xem là nhẹ khi có khối lượng thể tích nhỏ hơn 2000 kg/m3. Việc giảm khối lượng thể tích của bê tông được thực hiện bằng cách thay thế một lượng vật liệu rắn trong bê tông bằng không khí.
Việc tăng hàm lượng khí (lỗ rỗng) trong bê tông sẽ song hành với việc giảm cường độ của vật liệu. Có 3 cách để đưa không khí vào bê tông: - trong vữa (bê tông khí hay bê tông bọt) - giữa các hạt cốt liệu lớn (bê tông cấu tạo hốc hoặc bê tông không có cát) - và bên trong cốt liệu (bê tông cốt liệu nhẹ). Theo giáo trình Vật liệu xây dựng [9], bê tông nhẹ có thể phân loại theo mục đích sử dụng như sau: - Bê tông nhẹ chịu lực: có khối lượng thể tích từ 1400-1800 kg/m3 và cường độ chịu nén từ 15-40 MPa - Bê tông nhẹ chịu lực – cách nhiệt: có khối lượng thể tích từ 500-1400 kg/m3 và cường độ chịu nén từ 3,5-10 MPa - Bê tông nhẹ cách nhiệt: có khối lượng thể tích từ 300 - 500 kg/m3 Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-2013 [22], bê tông nhẹ có thể được phân loại theo khối lượng thể tích (Bảng 1. 1) hay theo cấp cường độ chịu nén (Bảng 1.
Phân loại bê tông nhẹ theo khối lượng thể tích theo EN 206-2013 Loại D1,0 D1,2 D1,4 D1,6 D1,8 D2,0 Khối lượng ≥ 800 > 1000 > 1200 > 1400 > 1600 > 1800 thể tích ≤ 1000 ≤ 1200 ≤ 1400 ≤ 1600 ≤ 1800 ≤ 2000 Bảng 1. Phân loại bê tông nhẹ theo cấp cường độ chịu nén EN 206-2013 Cấp cường độ Cường độ đặc trưng tối thiểu Cường độ đặc trưng tối thiểu chịu nén mẫu hình trụ (N/mm2) mẫu lập phươnga (N/mm2) LC8/9 8 9 LC12/13 12 13 LC16/18 16 18 LC20/22 20 22 LC25/28 25 28 LC30/33 30 33 LC35/38 35 38 LC40/44 40 44 LC45/50 45 50 LC50/55 50 55 LC55/60 55 60 LC60/66 60 66 LC70/77 70 77 LC80/88 80 88 (a) Các giá trị khác có thể được sử dụng nếu quan hệ giữa chúng và cường độ mẫu hình trụ chuẩn được thiết lập với đủ tài liệu và độ chính xác. Theo ACI 213R-87 [24], bê tông nhẹ được phân loại như Bảng 1. Phân loại bê tông nhẹ theo ACI 213R-87 Phân loại b (kg/m3) fc’ (MPa) Bê tông nhẹ kết cấu (chịu lực) 1350 - 1900 > 17 Bê tông nhẹ cường độ thấp 800 - 1350 7 - 17 Bê tông nhẹ KLTT nhỏ 300 - 800 <7 10 Tuy nhiên, ACI 213R-03 [25] chỉ đưa ra khái niệm về bê tông nhẹ chịu lực hay bê tông nhẹ kết cấu mà không phân loại vật liệu này.
Theo đó, bê tông nhẹ chịu lực được định nghĩa là bê tông có KLTT từ 1120 – 1920 kg/m3 và cường độ chịu nén ngày 28 tối thiểu là 17 MPa, sản xuất từ cốt liệu nhẹ hoặc từ hỗn hợp cốt liệu nhẹ và cốt liệu thường. Tóm lại, bê tông nhẹ chịu lực (bê tông nhẹ kết cấu) có cường độ cao, có thể sử dụng để sản xuất các cấu kiện BTCT hoặc BTCT dự ứng lực, được chế tạo từ các loại cốt liệu nhẹ chính là đối tượng nghiên cứu của luận án. Vật liệu chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ Vật liệu chế tạo BTCLN cũng bao gồm các thành phần cơ bản là cốt liệu, chất kết dính, nước và phụ gia (nếu cần). Nguồn gốc, phương pháp sản xuất cốt liệu nhẹ 1.
Cốt liệu tự nhiên Nguồn gốc núi lửa: dung nham núi lửa nóng chảy có thể chứa không khí, khí ga và khi nguội đi, nó đông cứng lại thành một khối đá túp nhẹ, xốp, rỗng, hoạt tính. Loại vật liệu này được gọi là đá núi lửa, đá bọt hay xỉ núi lửa. - Đá bọt có tỉ trọng thấp do sự có mặt của các bong bóng khí trong dung nham nóng chảy thấm nhập vào trong quá trình nguội, có lỗ rỗng nhỏ và thông nhau. Đá bọt có kích thước từ 5 – 30 mm và KLTT trung bình là 500 kg/m3, có lỗ rỗng lớn (chiếm khoảng 80%).
Do có lỗ rỗng kín nên đá bọt có độ hút nước nhỏ, hệ số truyền nhiệt thấp (từ 0,12 – 0,2 Kcal/m.h) nên là vật liệu cách nhiệt tốt. Cường độ chịu nén của đá bọt từ 1,2 – 3 MPa. - Xỉ núi lửa tương tự nhưng sẫm màu hơn đá bọt, tạo nên trong quá trình tự làm chặt của tro núi lửa hoặc do cát và tro núi lửa rơi vào dung nham nóng chảy sinh ra. Xỉ núi lửa có lớp vỏ lớn hơn và hình dạng đồng đều hơn nhưng không thông nhau.
KLTT từ 700 – 1400 kg/m3, cường độ chịu nén đạt từ 6 – 10 MPa, hệ số truyền nhiệt trung bình là 0,3 Kcal/m. Nguồn gốc hữu cơ: đá vôi vỏ sò, vỏ cọ… - Đá vôi vỏ sò là loại đá rỗng có KLTT từ 600 – 1500 kg/m3, cường độ chịu 11 nén đạt từ 0,4 – 13 MPa. - Vỏ cọ cứng, dạng mảnh vỡ nhận được từ quá trình chiết xuất dầu, sau khi sàng bỏ một lượng lớn các hạt mịn và sấy khô trước khi dùng. Nhìn chung, cốt liệu nhẹ tự nhiên tương đối rỗng, có thể làm tăng sự ăn mòn của bê tông.
Việc sử dụng cho các bộ phận bên ngoài của công trình có thể tạo nên các vấn đề về ăn mòn cốt thép. Đá bọt Vỏ cọ Diatomit Xỉ núi lửa Hình 1. Một số loại cốt liệu nhẹ tự nhiên [90] 1. Cốt liệu nhân tạo Cốt liệu nhân tạo được sản xuất bằng cách xử lý nhiệt các vật liệu có đặc tính nở.
Các tính chất của cốt liệu phụ thuộc vật liệu đầu vào và quá trình sản xuất. Các vật liệu này có thể chia thành ba nhóm: Cốt liệu nhẹ nhân tạo đi từ đất sét hay á sét,. có thể là keramzit, aglôpôrit, peclit, vermiculit. Phổ biến nhất và có chất lượng cao là keramzit.
- Keramzit (sét nở) là những hạt sỏi gốm thường có hình cầu hoặc hình bầu dục, được sản xuất bằng cách nung nở phồng đất sét dễ chảy. Sét khô và nở trong lò quay ở nhiệt cao khoảng 1100 – 1200°C cho sản phẩm cuối cùng có bề mặt gốm cứng. Đặc điểm cơ bản của sỏi keramzit là cấu tạo lỗ rỗng nhỏ và phần lớn ở dạng kín. Nhờ cấu tạo ở dạng hạt như vậy nên keramzit dù có độ rỗng lớn, khối lượng thể tích nhỏ từ 500 – 1200 kg/m3, vẫn có độ hút nước nhỏ.
12 - Agloporit là cốt liệệu rỗng sản xuất từ đấtt sét, á sét nung cùng với v tro xỉ nhiệt điện. Khác vớii keramzit, agloporit có nhiều lỗ rỗng ng thông nhau, trên bề b mặt nhiều lỗ khối lượng thể tích từ 700 – 1500 kg/m3.