nghiên cứu ảnh hởng của tỷ lệ n/x v hm lợng muội silic đến chất lợng Bê Tông Cờng Độ Cao pgs. ts Phạm duy hữu Bộ môn Vật liệu xây dựng - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo trình by về vai trò của tỷ lệ N/X v sử dụng muội silic đến chất lợng của bê tông cờng độ cao; các đặc tính cơ bản của bê tông cờng độ cao v áp dụng bê tông cờng độ cao. Su mmary: The report prointed out the role W/C ratio and using silica fume to affect quality of high - strength concrete; base characteritics of high - stength concrete and the applications of ones. 1. Mở đầu Bê tông chất lợng cao là một thế hệ bê tông mới thể hiện sự tiến bộ trong công nghệ vật liệu kết cấu xây dụng. Xét về cờng độ chịu nén thì đó là bê tông cờng độ cao. Tuy nhiên loại bê tông này có nhiều phẩm chất đợc cải thiện nên gọi là bê tông chất lợng cao. Bê tông chất lợng cao đợc gọi tắt theo tiếng Anh là HPC (High Performace con- cretes). Theo tiếng Pháp là BHP (BET0NS A HAUTE PERORMANCES) là loại bê tông có cờng độ chịu nén tuổi 28 ngày, lớn hơn 60 MPa, với mẫu thử hình trụ có D = 15 cm, H = 30 cm. Tốc độ phát triển cờng độ theo thời gian nh sau: Sau 24 giờ R b 35 MPa, sau 28 ngày cờng độ nén R 28 60 MPa. Mẫu thử đợc chế tạo, dỡng hộ, thử, theo các tiêu chuẩn hiện hành. Thành phần bê tông có thể dùng hoặc không dùng muội silic. Khi sử dụng muội silic về chất lợng bê tông đợc nâng cao hơn. Tiêu chuẩn của Bắc Mỹ quy định: R 28 42 MPa. Theo CEB. FIP quy định cờng độ nén sau 28 ngày tối thiểu là fc 28 60 MPa. Tất cả các loại bê tông cờng độ cao đều dùng tỷ lệ N/X thấp. Ngày nay trình độ kiến thức về loại bê tông này đã cho phép ứng dụng bê tông chất lợng cao trong công trình lớn, chủ yếu ở ba lĩnh vực: Các ngôi nhà nhiều tầng, các công trình biển và các công trình giao thông (cầu, đờng, hầm). Các đặc tính cơ học mới của bê tông cờng độ cao cho phép ngời thiết kế sáng tạo ra loại kết cấu mới có chất lợng cao hơn. 1.1. Bê tông cờng độ cao không có muội silic (loại 1) Bê tông cờng độ cao loại 1 đợc tạo thành theo hớng giảm tối đa tỷ lệ N/X; N/X có thể chỉ còn là 0,21. Khi đó ta có thể giảm tối đa lợng nớc thừa trong bê tông, vì vậy bê tông sẽ có độ rỗng là nhỏ nhất và độ đặc là cao nhất. Bê tông sẽ trở nên rất khô, để đảm bảo độ công tác phải thêm vào bê tông các phụ gia siêu dẻo với thành phần từ 1 - 1,5 lít/100 kg, phụ gia siêu dẻo có thể gốc Naflalen Sunfua, linô sunfat hoặc các gốc khác. Phụ gia này cho phép bớt nớc từ 0,2 0,3 lần và với xi măng mác 550 của Pháp hoặc Mỹ có thể chế tạo bê tông có mác M 70 MPa. Và xi măng PC 40 Việt Nam có thể có thể chế tạo bê tông M 60 MPa [3]. Để thực hiện cơ chế giảm độ rỗng có thể dùng các phụ gia Polime hai hoặc ba thành phần, có thể hoà tan trong nớc, cho phép có đợc bê tông M60 - M70 và có độ chống thấm đến B 28 [2]. 1.2. Bê tông cờng độ cao sử dụng muội silic Bê tông cờng độ cao sử dụng muội silic có tỷ lệ N/X thấp (có thể đến 0,23), để cải tiến độ công tác có thể sử dụng phụ gia siêu dẻo và chất làm chậm. Tuy nhiên để cải thiện cấu trúc bê tông nhằm cải thiện chất lợng bê tông phải đa vào bê tông phụ gia muội silic. Đây là những hạt silic có d s = 0,01d x (trong đó d x - đờng kính hạt xi măng). Muội silic cải thiện chất lợng vữa xi măng thông qua cơ chế vật lý là phân tán đều trong hỗn hợp và chống vón cục hạt xi măng khi thuỷ hoá, cơ chế hoá học là những phản ứng Puzơlan với CaO tự do và cải tiến cấu trúc của C - H - S chuyển từ kết tinh dạng sợi sang dạng vô định hình. Lực dính bám ở vùng tiếp giáp giữa vữa XM và cốt liệu đợc cải thiện, co ngót từ biến giảm chất lợng bê tông đợc cải thiện. Bê tông loại này đợc ngời Châu Âu gọi là bê tông chất lợng cao. 2. Nghiên cứu về vật liệu chế tạo Bê tông truyền thống có cấu tạo gồm 4 thành phần: cốt liệu lớn (đá) và cốt liệu nhỏ (cát), xi măng, phụ gia và nớc. Bê tông cờng độ cao bao gồm 7 thành phần: xi măng, nớc, cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, phụ gia siêu dẻo, phụ gia muội silíc (hoặc tro bay) và các chất làm chậm rắn chắc. Cốt liệu bê tông có thể dùng các cốt liệu truyền thống theo TCVN. Muội silíc (MS) bao gồm các hạt silíc siêu mịn có tỉ lệ diện tích bề mặt 20 000 m 2 /kg, có đờng kính khoảng1m (nhỏ hơn khoảng 100 lần so với hạt xi măng). Hàm lợng MS = 5 - 15% (X). Khi tăng hàm lợng mội silic cờng độ bê tông có thể đạt đến 100 - 150 MPa. Hàm lợng xi măng Poóc lăng từ PC 40 trở lên từ 400 - 550 kg/m 3 bê tông, cốt liệu mịn thông thờng là cát tự nhiên có mô đun độ lớn M k từ 2,8 - 3,2 phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam hoặc Quốc tế. Cốt liệu thô cho bê tông cờng độ cao nên chọn từ 9,5 mm - 25,4 mm (theo tiêu chuẩn Mỹ) và từ 10 - 20 mm theo tiêu chuẩn Việt Nam, có cờng độ lớn hơn khoảng 1,2 lần cờng độ bê tông yêu cầu. Tuy nhiên các tiêu chuẩn Quốc tế không có quy định cụ thể về vấn đề này. Trong bê tông cờng độ cao do lợng phụ gia muội si líc (MS) lớn nên thay lợng xi măng bằng lợng chất kết dính (CKD), CKD = X + MS. Tỉ lệ nớc xi măng hoặc tỉ lệ N/C KD thờng là từ 0,23 - 0,35. Độ sụt của bê tông theo Côn Abram yêu cầu từ 10 đến 20 cm. Để đạt đợc độ sụt này phải sử dụng phụ gia siêu dẻo với hàm lợng khoảng 1 - 2 % xi măng và đợc xác định thông qua mẻ trộn thử. Một số công thức bê tông cờng độ cao đã đợc nghiên cứu và ứng dụng ở Mỹ, Pháp và Việt Nam (bảng1) [1, 4, 5]. Các công thức bê tông này đã đợc thiết kế theo ACI 363 - R và đã đợc đa vào sử dụng từ 5 - 8 năm. Bảng 1 TT Công thức bê tông Chỉ tiêu 70 MPa USA 110 MPa USA 80 MPa Pháp 80 MPa V.Nam 1 Nớc kg/m 3 166 144 122 163 2 Xi măng loại I, lg/m 3 360 564 421 575 3 Tro bay loại C, kg/m 3 150 0 0 0 4 Silika fume, kg/m 3 0 89 42 57,5 5 Cốt liệu lớn kg/m 3 1052 1068 1265 1160 6 Cốt liệu nhỏ kg/m 3 683 593 652 640 7 Chất làm chậm 1,01 1,47 0 0 8 Phụ gia siêu dẻo L/m 3 2,54 10,12 4,21 6,65 9 Tỉ lệ N/X 0,33 0,22 0,26 0,26 10 R28 ngày - MPa 79,5 118 80 86 11 R56 ngày - MPa 89,0 121 91,5 93 3. Các tính chất cơ học bê tông cờng độ cao có sử dụng muội silíc 3.1. Cờng độ - biểu đồ hàm số biến dạng Bê tông cờng độ cao có cờng độ chịu nén tối đa từ 60 - 100 MPa. Khi tăng cờng độ nén, cờng độ kéo cũng tăng tuy nhiên tốc độ tăng chậm hơn. Tỷ lệ R k /R b = 1/1,5. Môđun đàn hồi của bê tông cũng tăng đáng kể. Các thí nghiệm cho thấy biến dạng dài hạn cuối cùng giảm đáng kể ( t ) chỉ còn khoảng 0,40 - 0,5 biến dạng theo thời gian của bê tông thờng. Khi nén chống cắt G c tăng không đáng kể. Quan hệ giữa cờng độ và biến dạng đợc mô hình hoá bằng biểu đồ hình 1 (BAEL - Pháp). Hình 1. Quan hệ cờng độ v biến dạng bê tông CĐC theo đề nghị của BAEL. Mô đun đàn hồi của bê tông cờng độ cao có quan hệ với cờng độ chịu nén theo công thức nh sau: E bj = 11000(R bj ) 1/3 (Pháp) hoặc: E j = 3320 bj R + 690 , MPa (ACI 318). Mẫu hình trụ; R bj cờng độ chịu nén bê tông ở ngày thứ j; E = 9500. , MPa 30,0 B R Mẫu lập phơng (NS 3475) Sự cải thiện về cơ học của bê tông cờng độ cao là cờng độ chịu nén cao, biến dạng cuối cùng nhỏ. Các chỉ tiêu về cờng độ chịu kéo, khả năng chống cắt tăng không lớn. Tuy nhiên trị số R K đạt đến 6,5 MPa và mô đun đàn hồi đạt đến 50.000 MPa cũng là đáng kể.Vì vậy, các hớng dẫn thiết kế cho tính toán BTCT truyền thống không dùng để thiết kế kết cấu bê tông cốt thép dùng bê tông cờng độ cao, cần thiết có những điều chỉnh về cơ học vật liệu và phơng pháp tính cho thích hợp. Lý do là biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng (đã thay đổi [5]. Dạng biểu đồ vẫn một hình Parabol và một hình chữ nhật(xem hình 1). Trị số b1 = 2.10 -3 , trị số 2 có biến đổi: 3 bj2b 10).R025,05,4( = 3 - 3,5.10 -3 b f ci /1,5 0 1 Trị số 0,8y u để tính ứng suất cho bê tông thờng. Khi bê tông có R bj 60 MPa thì chỉ còn là: .y u trong đó: cj f025,05,4 7,0 1 = Khi f cj là 60, 70, 80 thì tỷ số = 0,77; 0,75; 0,72. 2 3 4 b1 b2 10 -3 b Cờng độ chịu kéo giới hạn phụ thuộc vào cờng độ chịu nén bê tông, có thể tính theo công thức sau: R kj = 0,6 + 0,06 R bj khi R bj 60MPa R kj = 0,275 (R bj ) 2/3 khi R bj 60 MPa Các tính chất cơ học trên tạo ra mô hình cơ học để thiét kế kết cấu BTCT dùng bê tông cờng độ cao. 4. Phơng pháp lựa chọn tỷ lệ N/X v lợng muội silic Phơng pháp thiết kế thành phần có thể tiến hành theo TCN của ngành GTVT 2001; hoặc AIC 363R - 1992 hoặc theo các phơng pháp theo TCVN nhng cần cải tiến một chút công thức dự báo cờng độ bê tông. Công thức Bôlômây - Ckram - ta - ép có thể đợc cải tiến một chút công thức sau: R b = A 1 .R x . K S + 5,0 N X Hệ số K M xét đến mức độ tăng cờng độ do ảnh hởng của muội si líc. Hệ số A = 0,45 với cốt liệu tốt, A = 0,4 với cốt liệu đạt yêu cầu. Các biện pháp tính toán khác vẫn áp dụng nh TCVN. Các phơng pháp thiết kế đều dựa trên giả thiết về thể tính tuyệt đối. Theo các kết quả thực nghiệm [2] thì MS = (5 - 7%).X thì có thể chọn K Bê tông cờng độ cao có cờng độ chịu nén cao, cờng độ chịu kéo và mô đun đàn hồi tăng, co ngót từ biến giảm Vì vậy bê tông cờng độ cao đợc dùng chủ yếu 3 lĩnh vực xây dựng nh sau: S = 1,1. Và khi MS = (8 - 10%).X thì có thể chọn K S = 1,15. Khi MS = (10 - 15%).X thì có thể chọn K Các ngôi nhà từ 43 - 76 tầng ở Bắc Mỹ đều dùng bê tông 62 MPa. Các ngôi nhà ở Chicago từ năm 1976 - 1990, tầng từ 50 - 70 cờng độ bê tông đến 80 MPa. Các ngôi nhà ở Tôkiô, Cleveland vào năm 1990 - 1995 cờng độ bê tông đến 97 MPa. Sự phân phối cờng độ bê tông theo tầng nh sau: Tầng 0 đến tầng 25 bê tông 75 - 90 MPa, kích thớc cột 48 x 48 in, 18 x 54 in. Tầng 25 - 40 bê tông 60MPa. Tầng 60 - 75 bê tông 40 MPa, S = 1,8. Hệ số K S chính xác có thể phải làm theo nhiều thực nghiệm. - Để xác định tỷ lệ N/X theo ACI 363 - R: Căn cứ vào R y/c của bê tông (R y/c = 1,1Rb) và đờng kính lớn nhất cốt liệu, M k của cát để chọn tỷ lệ X/N theo bảng có sẵn. - Xác định tỷ lệ X/N theo công thức TCVN cải tiến: Căn cứ vào chất lợng cốt liệu xác định A, căn cứ vào Rx và dự kiến hàm lợng MS có thể tính ra tỷ lệ N/X hoặc N/CKD. - Xác định hàm lợng muội silic: MS Hàm lợng muội silic có thể chọn 3 trị số (5 - 7 - 9%)X nếu R by/c 70 MPa (mẫu hình trụ D = 15 cm, H = 30 cm). Hàm lợng MS = (7 - 9 - 11%).X nếu R y/c > 70 MPa. Tiến hành làm thí nghiệm xác định tuổi 1, 3, 7, 28, 90 ngày. Căn cứ vào số liệu đó để quyết định hàm lợng MS cần dùng. Các kết quả ghi ở bảng (1) đợc lựa chọn theo nguyên tắc trên. Các vật liệu khác đợc lựa chọn nh đối với bê tông truyền thống (R b 50 MPa). 5. ứng dụng bê tông Cờng Độ cao vo công trình xây dựng v giao thông kích thớc cột 18 x 24 in. Các ngôi nhà ở Pháp, Đức khoảng 40 tầng đều dùng bê tông M70 - M90 ở những tầng từ 0 đến 20. Kết cấu chung của các ngôi nhà là khung, cột bê tông M 80 trở lên và sử dụng kết hợp với sàn bê tông DUL mác 50. Trong xây dựng cầu từ năm 1970 đến nay đã áp dụng bê tông cờng độ cao cho các cầu lớn BTCT dự ứng lực: Năm 1970 ở Nhật, mác bê tông phổ biến là 60 MPa. ở Pháp năm 1989 mác bê tông là 60 MPa. Các đờng cao tốc đến Akkăgawa, Octanabe ở Nhật Bản dùng bê tông 70MPa. Các cầu của Đức, Hà Lan vào năm 1992 - 1995 đã dùng bê tông 60 - 80MPa, kết cấu ở Pháp chủ yếu dùng M80 - 100. Từ các nghiên cứu trong nớc và trên thế giới đã cung cấp đủ các cơ sở khoa học để áp dụng bê tông cờng độ cao vào xây dựng nhà và công trình giao thông. Loại bê tông này có triển vọng và nên áp dụng sớm. Giá thành vật liệu bê tông tăng khoảng 15%, tuy nhiên tổng giá thành công trình có thể giảm so với khi sử dụng bê tông thông thờng. Trong ứng dụng bê tông cờng độ cao cần tránh khuynh hớng dùng bê tông cờng độ cao cho các dạng kết cấu cũ. Việc đó không mang lại hiệu quả rõ ràng do mô hình làm việc của kết cấu không thoả đáng. Xu thế sử dụng bê tông cờng độ cao trong cầu là sử dụng các kết cấu dạng hộp mỏng,kết cấu dàn bê tông cốt thép dự ứng lực, dạng dầm chữ T có khẩu độ lớn hơn. Theo kết quả nghiên cứu cho thấy có thể tiết kiệm đợc 30% khối lợng bê tông, giảm 30% trong lợng kết cấu, giảm 10 - 15% tổng giá trị công trình. Các cầu bản BTCT dự ứng lực có thể giảm 30% chiều cao, có thể giảm khối lợng xây lắp đến 40 % (Việt Nam,Thụy Sỹ, Bỉ, Đức ) [6]. Các dạng kết cấu cầu, kết cấu cầu bản có lỗ BTCT dự ứng lực kéo sau khẩu độ 20 M, tải trọng H30. Có chiều cao chỉ còn 0,65 0,75 m [6] đã đợc sử dụng tốt ở Việt Nam. Có thể cải tiến mặt cắt ngang theo hớng tăng khoảng cách các dầm chịu lực và tăng chiều dày bản. Theo mặt cắt ngang BT CĐC cho phép tăng không gian của các phòng mà vẫn giữ đợc chiều dày của sàn không tăng. Trong xây dựng đờng ôtô, các kết cấu đờng hiện đại có sử dụng cốt thép đều dùng bê tông M 60 70. Nh vậy, ứng dụng bê tông cờng độ cao trong xây dựng nhà và cầu đờng quy mô lớn là rất có hiệu quả. Tuy nhiên cũng cần lu ý BT CĐC chịu nhiệt kém hơn BT thờng và độ dai cũng kém hơn. 6. Kết luận Bê tông cờng độ cao có cờng độ nén cao, cờng độ nén bằng khoảng 1/15 cờng độ kéo, mô đun đàn hồi có thể đạt đến 45.000 MPa, có ngót và từ biến đều nhỏ so với bê tông truyền thống. Khai thác các u điểm trên cho phép thiết kế các công trình lớn và có chất lợng cao. Nên áp dụng BTCĐC vào các kết cấu BTCT dự ứng lực và các kết cấu cầu chiều cao kiến trúc thấp, đòi hỏi thanh mảnh, các kết cấu cột chịu nén cao, chịu tải trọng động lớn. Tài liệu tham khảo [1] Phạm Duy Hữu. Vật liệu xây dựng mới. NXB GT, 2002. [2] Phạm Duy Hữu - Bê tông cờng độ cao. Báo cáo đề tài NCKH cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo, 1999. [3] High perrfomance concrete: properties and applications. S. P. Shah, 1995 - USA. [4] State of the Report on high - Strength concrete (Báo cáo trình độ phát triển khoa học kỹ thuật về bê tông cờng độ cao) - ACI-363-92-1988. [5] Fracois de Larrad. Extension du domaine dapplication des reglements de calcul BAEL/BPEL aux betons à 80 MPa. LCPC Paris 1996. [6] Proposition d annexe beton à hantes Performances du Règlement BAEL. L.P.C - Paris - 2000 Ă . bê tông M60 - M70 và có độ chống thấm đến B 28 [2]. 1.2. Bê tông cờng độ cao sử dụng muội silic Bê tông cờng độ cao sử dụng muội silic có tỷ lệ N/X thấp (có thể đến 0,23), để cải tiến độ. trình by về vai trò của tỷ lệ N/X v sử dụng muội silic đến chất lợng của bê tông cờng độ cao; các đặc tính cơ bản của bê tông cờng độ cao v áp dụng bê tông cờng độ cao. Su mmary: The report. nghiên cứu ảnh hởng của tỷ lệ n/x v hm lợng muội silic đến chất lợng Bê Tông Cờng Độ Cao pgs. ts Phạm duy hữu Bộ môn Vật liệu xây dựng - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo trình by về vai trò của tỷ