Mở đầu Bê tông tính năng siêu cao (Ultra High Performance Concrete – UHPC) là một thế hệ bê tông mới với nhiều tính năng vƣợt trội so với bê tông truyền thống và bê tông cƣờng độ cao. Nó xuất phát từ ý tƣởng phát triển một loại bê tông hạt mịn vào đầu những năm 1980, với vữa xi măng rất đặc và đồng nhất để ngăn ngừa sự phát triển của các vết nứt vi mô trong quá trình kết cấu chịu lực. Ban đầu cỡ hạt đƣợc giới hạn dƣới 1mm và độ đặc cao đạt đƣợc nhờ sử dụng các loại phụ gia khoáng hoạt tính và trơ nên nó còn đƣợc gọi là bê tông bột hoạt tính (Reactive Powder Concrete – RPC) [2]. Đặc điểm nổi bật của UHPC là cƣờng độ chịu nén trên 140MPa, cƣờng độ chịu kéo uốn trên 15MPa, khả năng hấp thụ năng lƣợng (hay sức kháng va chạm) và khả năng chịu tải trọng lặp lớn, và đặc biệt có độ bền rất cao.
Các đặc tính này đạt đƣợc nhờ việc tối ƣu hoá thành phần và sử dụng tỷ lệ nƣớc / chất kết dính (N/CKD) thấp để có đƣợc độ đặc cao. Đồng thời việc sử dụng cốt sợi tăng cƣờng cho UHPC nâng cao đáng kể khả năng chịu kéo, độ dai, khả năng hấp thụ năng lƣợng… Các nghiên cứu đầu tiên nhằm phát triển ứng dụng UHPC trong kết cấu bắt đầu vào khoảng năm 1985 [2]. Kết cấu đầu tiên sử dụng UHPC tại cầu bộ hành Sherbrook, vùng Quebec, Canada hoàn thành vào tháng 7 năm 1997 [3]. Ứng dụng công nghiệp đầu tiên của UHPC đƣợc sử dụng tại nhà máy điện hạt nhân Civaux và Cattenom (nƣớc Pháp năm 1997 – 1998) để thay thế các dầm cầu bằng thép nối giữa các tháp giải nhiệt [4].
Yếu tố quyết định sử dụng UHPC trong dự án Civaux và Cattenom không phải vì cƣờng độ siêu cao của UHPC mà vì độ bền của vật liệu với mong muốn công trình có tuổi thọ khai thác rất dài cùng với chi phí bảo trì và sửa chữa nhỏ. Điều này cho thấy vật liệu có thể đƣợc định nghĩa theo những đặc tính nổi bật khác thay vì đặc tính cƣờng độ cao của nó. Do đó thuật ngữ ―Bê tông tính năng siêu cao‖ (Ultra high performance concrete) đƣợc sử dụng thay thế cho thuật ngữ ―Bê tông cƣờng độ siêu cao‖ (Ultra high strength concrete)[4]. -2- Năm 2001, những cây cầu trên đƣờng ô tô đầu tiên sử dụng UHPC đƣợc xây dựng trên tuyến đƣờng Bourg-lès-Valence tại vùng Drôme, nƣớc Pháp.
Cầu sử dụng dầm giản đơn có chiều dài 20,5 và 22,5m bằng UHPC cốt sợi thép dự ứng lực kéo trƣớc [5]. Năm 2002, những khuyến nghị đầu tiên về ứng dụng của UHPC trong kết cấu đã đƣợc xuất bản tại Pháp trong đó đã đề cập đến những tính chất cơ học, độ bền và thiết kế kết cấu. Đến nay đã có nhiều chƣơng trình nghiên cứu về UHPC tại nhiều nƣớc trên thế giới về đầy đủ các vấn đề nhƣ : thành phần, các tính chất kỹ thuật, công nghệ chế tạo, thiết kế kết cấu và ứng dụng [6]. Cũng đã có nhiều công trình ứng dụng UHPC đƣợc thực hiện tại nhiều nƣớc trên thế giới trong đủ các lĩnh vực xây dựng nhƣ công trình giao thông, công trình dân dụng, công trình công nghiệp, công trình cấp – thoát nƣớc,.
Mặc dù có nhiều chƣơng trình nghiên cứu, phát triễn cũng nhƣ ứng dụng UHPC đã triển khai tại nhiều nƣớc trên thế giới, nhƣng đến nay chƣa có định nghĩa thống nhất về UHPC. Theo Hiệp hội Xây dựng Pháp (Association Française de Génie Civil - AFGC), bê tông tính năng siêu cao cốt sợi (UHPFRC) là những vật liệu từ đá xi măng, có cƣờng độ chịu nén đặc trƣng lớn từ 150 MPa đến 250 MPa và có chứa thành phần cốt sợi thép [7]. Theo Cục đƣờng cao tốc liên bang thuộc Bộ Giao thông Vận tải Mỹ (Federal Highway Administrion – FHWA), UHPC đƣợc định nghĩa là một loại vật liệu hỗn hợp xi măng bao gồm các thành phần đƣợc lựa chọn tối ƣu về thành phần hạt với tỷ lệ nƣớc / chất kết dính nhỏ hơn 0,25 và hàm lƣợng cao cốt sợi tăng cƣờng phân tán. Các đặc trƣng cơ học của UHPC bao gồm cƣờng độ chịu nén trên 21,7 ksi (150 MPa), cƣờng độ chịu kéo trên 0,72 ksi (5MPa).
UHPC có cấu trúc lỗ rỗng không liên tục nhằm giảm sự thâm nhập của chất lỏng, làm tăng đáng kể độ bền so với bê tông truyền thống và bê tông tính năng cao [8]. Các nghiên cứu về UHPC đã công bố * Các báo cáo về UHPC trên thế giới Châu Âu là nơi đầu tiên trên thế giới nghiên cứu và phát triển về UHPC. Năm 1994, De Larrard báo cáo chế tạo đƣợc UHPC có cƣờng độ vƣợt quá 150 MPa bằng cách tối ƣu hoá vật liệu với thành phần hạt đạt độ đặc cao và sử dụng hạt siêu mịn. Năm 1995, -3- Rechard và Cheyrezy báo cáo có thể đạt cƣờng độ 550 MPa ở áp suất thƣờng và xử lý nhiệt 250 OC, và với áp suất cao có thể đạt đƣợc cƣờng độ chịu nén đến 810 MPa [6][9].
Năm 2002 những khuyến nghị đầu tiên về về ứng dụng của UHPC trong kết cấu đƣợc Hiệp hội Xây dựng Pháp xuất bản. Năm 2004 Hội nghị quốc tế về UHPC đầu tiên đƣợc tổ chức tại Đại học Kassel, nƣớc Đức và đến năm 2016 đã có 4 kỳ Hội nghị Quốc tế về UHPC đƣợc tổ chức tại đây. Từ năm 2009, Hội nghị quốc tế về bê tông tính năng siêu cao cốt sợi (International Symposium on Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete)đƣợc tổ chức định kỳ 4 năm / lần tại thành phố cảng Marseille với sự tài trợ chính của FIB, RILEM và AFGC. Năm 2016 Hội nghị Quốc tế về UHPC lần đầu tiên đƣợc tổ chức tại nƣớc Mỹ do Đại học bang Iowa tổ chức.
Các hội nghị quốc tế này quy tập hàng trăm báo cáo khác nhau về UHPC từ nhiều nƣớc trên thế giới với đầy đủ cácchủ đề nhƣ: thành phần và các tính chất kỹ thuật của vật liệu cũng nhƣ ứng xử kết cấu khi sử dụng UHPC. Các báo cáo về UHPC cho thấy các tính chất thiết yếu của UHPC, cũng nhƣ các nguyên lý thiết kế cho các trạng thái chịu lực cơ bản nhƣ: nén, kéo, uốn, cắt. đã đƣợc nghiên cứu tƣơng đối đầy đủ. Các nghiên cứu về sức kháng va chạm của UHPC đã đƣợc thực hiện với nghiên cứu của Bindiganvile cùng cộng sự (2002) [10], của Sandy Leonhardt cùng cộng sự (2012) [11], nghiên cứu của R.Yu cùng cộng sự (2014) [12], nghiên cứu của N.
Các nghiên cứu này đã cho thấy sự vƣợt trội về sức kháng va chạm của UHPC so với bê tông thƣờng do sử dụng thành phần cốt sợi trong UHPC. Tuy nhiên đến nay việc ứng dụng UHPC chủ yếu áp dụng cho các dự án thử nghiệm do chủ đầu tƣ và kỹ sƣ xây dựng còn thiếu kinh nghiệm về UHPC cũng nhƣ giá thành vật liệu và công nghệ sản xuất quá cao. * Các báo cáo về UHPC tại Việt Nam Nghiên cứu về UHPC tại Việt Nam bắt đầu vào khoảng năm 2006 tại trƣờng Đại học Xây dựng và tại trƣờng Đại học Giao thông Vận tải. Phạm Duy Hữu và cộng sự nghiên cứu tại trƣờng Đại học Giao thông Vận tải đã báo cáo chế tạo đƣợc UHPC có cƣờng độ đến 140 MPa [14].
Các nghiên cứu tại trƣờng Đại học Xây dựng đã báo cáo chế tạo đƣợc UHPC có cƣờng độ ở tuổi 28 ngày trên 200 MPa sử dụng xi măng PC40 khi -4- bảo dƣỡng nhiệt ẩm [15]. Năm 2013, tác giả Nguyễn Lộc Kha đã báo các một số nghiên cứu về thành phần và các tính chất cơ học của UHPC [16]. Tác giả Nguyễn Công Thắng đã báo cáo chế tạo thành công UHPC sử dụng phụ gia khoáng và vật liệu có sẵn ở Việt Nam [17].Nghiên cứu về độ bền của UHPC tác giả Văn Viết Thiên Ân thực hiện để đánh giá ảnh hƣởng của phụ gia tro trấu hoạt tính trong UHPC khi làm việc trong môi trƣờng axit Sunphuric [18]. Gần đây tại Việt Nam cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng UHPC.
Tác giả Trần Bá Việt và cộng sự thực hiện nghiên cứu ứng dụng thành công UHPC cho một số cầu giao thông nông thôn. Tác giả Đặng Văn Sỹ đã nghiên cứu phát triển bản mặt cầu bằng UHPC cho hệ thống mặt cầu bản thép trực hƣớng ở Việt Nam [19]. Nhóm nghiên cứu tại trƣờng Đại học Xây dựng đang triển khai nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một số kết cấu cầu quy mô nhỏ và trung bình sử dụng UHPC. Tại Việt Nam đến nay chƣa có báo cáo nào về sức kháng va chạm của UHPC.
CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA UHPC 1. Nguyên tắc chế tạo UHPC Công nghệ bê tông xi măng đã đạt đƣợc nhiều tiến bộ trong khoảng 6 thập kỷ gần đây, nhƣng thực sự phát triển mạnh từ đầu những năm 1970 với sự ra đời của phụ gia siêu dẻo. Ý tƣởng sản xuất bê tông có cƣờng độ rất cao và có cấu trúc vi mô đặc biệt đặc xuất hiện từ những năm 1980 [4].Nhờ sự phát triển của chất phụ gia siêu dẻo, các thử nghiệm đã có những bƣớc tiến đột phá docó thể sản xuất bê tông có hàm lƣợng lớn các hạt siêu mịn đƣợc lèn chặt tối ƣu cùng với tỷ lệ nƣớc / chất kết dính rất thấp (chỉ khoảng 0,2) mà vẫn đảm bảo độ chảy cao. Sự tiến bộ trong quan niệm mới về thành phần UHPC đã tạo ra những đột phá trong công nghệ bê tông.
Trên cơ sở này đã cho phép chế tạo bê tông có cƣờng độ chịu nén đến 200MPa và hàm lƣợng cốt sợi theo thể tích đến 2,5% (175 kg/m3 bê tông). Để chế tạo bê tông có cƣờng độ chịu nén trong phạm vi 150 -200 MPa cần tuân thủ các nguyên tắc quan trọng sau [4]: - Cỡ hạt lớn nhất cần nhỏ hơn so với bê tông truyền thống để tăng diện tiếp xúc và giảm sự tập trung ứng suất giữa các hạt. Cỡ hạt lớn nhất trong UHPC thƣờng nhỏ hơn -5- 2mm. Hiện nay, một số loại UHPC có cỡ hạt lớn nhất đến 8mm cũng đang đƣợc phát triển.
- Cốt liệu có thành phần hạt tối ƣu để đạt độ đặc cao khi lèn chặt với sự hỗ trợ của các vật liệu siêu mịn. Độ đặc cao sẽ làm giảm ứng suất trên mặt tiếp xúc giữa các hạt và đảm bảo các vết nứt vi mô chỉ bắt đầu hình thành ở mức ứng suất cao. Với cấu trúc vi mô rất đặc giúp bê tông không chỉ có cƣờng độ rất cao mà còn có độ bền rất cao dƣới tác động của các yếu tố bên ngoài nhƣ ion Clo, kiềm,. - Sử dụng lƣợng xi măng (chất kết dính) lớn để đảm bảo nƣớc phản ứng hoàn toàn.