Tài liệu Nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối bê tông mác tới 70 mpa sử dụng trong xây dựng công trình thủy lợi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TRỊNH BÁ BIỂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI BÊ TÔNG MÁC TỚI 70 MPA SỬ DỤNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội, 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TRỊNH BÁ BIỂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI BÊ TÔNG MÁC TỚI 70 MPA SỬ DỤNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 60 – 58 – 40 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Hoàng Phó Uyên Hà Nội, 2013 LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian thu thập tài liệu, nghiên cứu và thực hiện, đến nay Luận văn thạc sĩ chuyên nghành xây dựng công trình thuỷ “Nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối bê tông mác tới 70MPa sử dụng trong xây dựng công trình thủy lợi” đã hoàn thành theo đề cương được duyệt. Trước hết tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các Thầy, cô giáo Trường Đại học Thủy lợi, sự giúp đỡ nhiệt tình của Khoa Công trình, Bộ môn Vật liệu Xây dựng đã quan tâm giúp đỡ, tạo mọi điều kiện cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này. Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS. TS. Hoàng Phó Uyên đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến các cán bộ, nhân viên phòng thí nghiệm và nghiên cứu vật liệu xây dựng – Viện Thủy Công vì sự giúp đỡ nhiệt tình và hiệu quả trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Tác giả xin cảm ơn Gia đình, các bạn bè đồng nghiệp đã hết sức giúp đỡ động viên về tinh thần và vật chất để tác giả đạt được kết quả hôm nay. Trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn, tác giả khó tránh khỏi những thiếu sót và rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các Thầy, cô và cán bộ đồng nghiệp đối với bản luận văn. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 16 tháng 05 năm 2013 Tác giả Trịnh Bá Biển LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Trịnh Bá Biển, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. Tác giả Trịnh Bá Biển MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ……………………………..……………………………........ 1 I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ……………………………………. 1 II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ………………................. 3 III. CƠ SỞ KHOA HỌC………………………………………………… 3 IV. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………….. 4 V. DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC………………………………….. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM.. 5 1.1.Khái niệm về bê tông cường độ cao………………………………..... 5 1.2.Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ cao trên thế giới………................................................................................................ 7 1.3.Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ cao tại Việt Nam………................................................................................................ 13 1.4. Ưu, nhược điểm của bê tông cường độ cao………………………… 15 1.5.Thành phần và cấu trúc của bê tông cường độ cao ………………… 17 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………. 20 2.1.Phương pháp nghiên cứu……………………………………………. 20 2.1.1.Các phương pháp nghiên cứu tính chất vật liệu sử dụng ………… 20 2.1.2.Các phương pháp nghiên cứu tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông cường độ cao………………………………………………………. 21 2.2.Lựa chọn nguyên vật liệu sử dụng trong nghiên cứu……………….. 26 2.2.1. Xi măng…………………………………………………………. 26 2.2.2.Cốt liệu nhỏ……………………………........................................... 27 2.2.3.Cốt liệu lớn………………………………........................................ 29 2.2.4.Phụ gia khoáng hoạt tính …………………...................................... 30 2.2.5.Phụ gia siêu dẻo…………………………………………………… 35 2.2.6.Nước ………………………............................................................. 37 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU……………………………….. 38 3.1.Yêu cầu về chất lượng của vật liệu………………………………….. 38 3.1.1.Yêu cầu về chất lượng của xi măng……………………………….. 38 3.1.2.Yêu cầu về chất lượng của cốt liệu……………………………….. 39 3.1.3.Yêu cầu về chất lượng của phụ gia siêu dẻo 46 3.2.Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng dùng phụ gia siêu dẻo đến tính công tác của hỗn hợp bê tông ……………………………………...... 47 3.3.Thiết kế thành phần bê tông cường độ cao Dmax=10 mm……… 51 3.3.1.Khảo sát thiết kế thành phần bê tông cường độ cao……………… 51 3.3.2.Thiết kế thành phần BTCĐC với Dmax = 10mm theo ACI 211.4R08………………………………………………………………………… 3.4.Các tính chất, chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp bê tông và bê tông cường 58 độ cao……………………………………………………………………. 77 3.4.1.Nghiên cứu tính công tác của hỗn hợp bê tông cường độ cao……. 77 3.4.2.Nghiên cứu các tính chất của bê tông cường độ cao đã rắn chắc…. 79 3.4.3.Nghiên cứu công nghệ chế tạo bê tông cường độ cao……………. 81 3.5.Đề xuất các phương án sử dụng bê tông cường độ cao trong xây dựng thủy lợi………………………………………………………… 84 KẾT LUẬN CHUNG…………………………………………………… 85 KIẾN NGHỊ……………………………………………………………... 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………….. 87 DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Một số công trình sử dụng bê tông cường độ cao……………. 9 Bảng 1.2: Một số công trình sử dụng bê tông cường độ cao……………. 10 Bảng 1.3: Một số cầu được thi công bằng bê tông cường độ cao ở Nhật Bản……………………………………………………………………….. 11 Bảng 1.4: Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Mỹ………. 11 Bảng 1.5: Một số cầu thì công bằng bê tông cường độ cao ở Pháp……... 12 Bảng 1.6: Một số cầu thi công bằng bê tông cường độ cao ở Na Uy…… 12 Bảng 2.1: Các thí nghiệm theo tiêu chuẩn sử dụng nghiên cứu tính chất vật liệu…………………………………………………………………… 20 Bảng 2.2: Các thí nghiệm theo tiêu chuẩn nghiên cứu tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông…………………………………………………... 21 Bảng 2.3: Kết quả thí nghiệm các tính chất cơ lý của Xi măng…………. 26 Bảng 2.4: Kết quả tính chất cơ bản của cát vàng Sông Lô……………… 28 Bảng 2.5: Kết quả thí nghiệm các tính chất cơ lý của đá dăm………….. 29 Bảng 2.6: Tính chất và thành phần hạt của Silicafume…………………. 33 Bảng 2.7: Thành phần hạt của tro bay nhiệt điện……………………….. 35 Bảng 2.8: Một số tính chất của Glenium® ACE 388 SureTec sử dụng…. 37 Bảng 3.1 Sự phụ thuộc độ xốp vào kiểu sắp xếp của hạt………………. 44 Bảng 3.2: Sự phụ thuộc của độ rỗng vào sự phối hợp các cấp hạt…….. 45 Bảng 3.3 : Kết quả khảo sát điểm bão hòa PGSD của vữa……………… 48 Bảng 3.4 :Cỡ hạt lớn nhất đề xuất của cốt liệu thô……………………. 51 Bảng 3.5: Thể tích đề nghị của cốt liệu thô trên một đơn vị thể tích bê tông……………………………………………………………………….. 52 Bảng 3.6: Lượng dùng nước sơ bộ và hàm lượng khí của hỗn hợp bê tông sử dụng cốt liệu nhỏ có độ rỗng là 35%.............................................. 52 Bảng 3.7: Tỷ lệ N/XM lớn nhất khuyến cáo cho bê tông cường độ cao... 53 Bảng 3.8: Thể tích hồ trong hỗn hợp bê tông............................................. 58 Bảng 3.9: Cấp phối thăm dò thành phần bê tông Dmax=10………………. 60 Bảng 3.10: Kết quả thí nghiệm thăm dò bê tông Dmax=10 cm…………. 60 Bảng 3.11: Bảng mã hoá các giá trị thí nghiệm bậc một hai mức tối ưu... 61 Bảng 3.12: Kế hoạch thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu……………... 62 Bảng 3.13: Cấp phối thí nghiệm bậc một hai mức tối ưu……………….. 62 Bảng 3.14: Kết quả thí nghiệm bậc một hai mức tối ưu…………………. 63 Bảng 3.15: Thí nghiệm tìm miền dừng………………………………….. 66 Bảng 3.16: Kế hoạch thí nghiệm bậc hai tâm xoay.................................... 66 Bảng 3.17 : Ma trận kế hoạch thí nghiệm bậc hai tâm xoay…………….. 67 Bảng 3.18: Cấp phối bê tông theo kế hoạch thí nghiệm bậc hai tâm xoay 68 Bảng 3.19: Kết quả thí nghiệm bậc hai tâm xoay……………………… 68 Bảng 3.20: Kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối hợp lý của bê tông CĐC………………………………………………………………………. 76 Bảng 3.21: Thành phần cấp phối và độ sụt của hỗn hợp bê tông Dmax=10mm……………………………………………………………….. 77 Bảng 3.22: Tính chất của bê tông cường độ cao Dmax=10 và mẫu đối chứng………………………………………………………………………. 79 DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Các giai đoạn phát triển của công nghệ bê tông trên thế giới [2, 7]……………………………………………………………………. 5 Hình 2.1: Dụng cụ để xác định độ chảy xòe của hỗn hợp bê tông tự đầm 22 Hình 2.2: Sơ đồ phương pháp xác định độ chảy của bê tông hạt mịn…... 25 Hình 2.3: Hình dạng silicafume………………………………………... 31 Hình 2.4: Vùng chuyển tiếp trong bê tông có silicafume………………. 32 Hình 2.5: Vùng chuyển tiếp trong bê tông không có silicafume……….. 32 Hình 3.1: Các kiểu sắp xếp của hạt cốt liệu 43 Hình 3.2: Biểu đồ quan hệ giữa độ chảy của vữa với lượng dùng phụ gia siêu dẻo………………………………………………………………. 48 Hình 3.3: Biểu đồ quan hệ giữa độ chảy của vữa với tỷ lệ C/CKD……. 49 Hình 3.4.: Côn thử độ chảy loang………………………………………. 50 Hình 3.5: Đo độ chảy loang của vữa……………………………………. 50 Hình 3.6: Máy trộn Ele…………………………………………………. 50 Hình 3.7: Giao diện chính của phần mềm Design-Expert® 7.1………… 70 Hình 3.8: Nội dung kế hoạch bậc 2 tâm xoay…………………………... 71 Hình 3.9: Điền thông tin hàm mục tiêu…………………………………. 71 Hình 3.10: Điền giá trị hàm mục tiêu…………………………………… 72 Hình 3.11..: Phương trình hồi quy……………………………………… 72 Hình 3.12: Kiểm tra tính tương hợp của mô hình………………………. 73 Hình 3.13: Mặt biểu diễn quan hệ R28 và các tỷ lệ N/CKD, C/CL……. 74 Hình 3.14: Đường đồng mức biểu diễn quan hệ R28 và các tỷ lệ N/CKD, C/CL…………………………………………………………… 74 Hình 3.15: Ảnh hưởng của N/CKD đến cường độ R28 khi C/CL = 0.35 75 Hình 3.16: Ảnh hưởng của C/CL đến cường độ R28 khi N/CKD = 0.22 75 Hình 3.17: Thí nghiệm tính công tác HHBT……………………………. 78 Hình 3.18: Nén mẫu xác định cường độ………………………………… 80 Hình 3.19: Mẫu sau khi nén…………………………………………….. 80 Hình 3.20: Thiết bị đo mài mòn………………………………………… 80 Hình 3.21: Thùng và cánh khuấy……………………………………….. 80 Hình 3.22: Mẫu trước khi mài mòn……………………………………... 81 Hình 3.23: Mẫu sau khi mài mòn………………………………………. 81 Hình 3.24: Sơ đồ dây chuyền công nghệ chế tạo bê tông Dmax = 10..... 82 Hình 3.25: Quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp leo dốc………… 90 DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT BT : Bê tông BTCT : Bê tông cốt thép C : Cát Đ : Đá N : Nước TB : Tro bay X : Xi măng PGSD : Phụ gia siêu dẻo CL : Cốt liệu CLL : Cốt liệu lớn N/X M : Tỷ lệ Nước trên Xi măng C/CKD : Tỷ lệ Cát trên chất kết dính C/CL : Tỷ lệ Cát trên Cốt liệu N/CKD : Tỷ lệ Nước trên Chất kết dính C/(XM+TB+SF) : Tỷ lệ Cát trên Xi măng+Tro bay+ Silicafume CKD : Chất kết dính CP1 : Cấp phối 1 CP2 : Cấp phối 2 ……………………………. CP13 : Cấp phối 13 HQTN : Hồi quy thực nghiệm PC : Xi măng Pooclăng-Porland Cements PCB : Xi măng Pooclăng hỗn hợp-Blended Porland Cements ASTM : Tiêu chuẩn Mỹ-American Society of Testing and Materials TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam ai % : Lượng sót riêng biệt Ai % : Lượng sót tích lũy ρv : Khối lượng thể tích ρ : Khối lượng riêng Rn : Cường độ chịu nén Ru : Cường độ chịu uốn Rk : Cường độ chịu kéo Rx : Cường độ chịu nén của xi măng σ : Khoảng quy hoạch 1 MỞ ĐẦU I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI. Bê tông, bê tông cốt thép là một loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các công trình xây dựng. Bê tông có rất nhiều ưu điểm nhưng nổi trội nhất là cường độ chịu nén, tuổi thọ cao, dễ tạo hình và tận dụng được nguồn vật liệu tại địa phương, chính vì vậy nó là loại vật liệu chiếm ưu thế lớn nhất trong xây dựng dân dụng, công nghiệp, giao thông và công trình thủy lợi. Tuy nhiên, hiện nay ở nước ta chất lượng các công trình thi công từ bê tông cốt thép vẫn đang còn là một vấn đề phải quan tâm hàng đầu của các nhà quản lý nhất là trong ngành thủy lợi. Các kết quả kiểm tra đánh giá chất lượng các công trình thủy lợi bằng BT và BTCT như đập tràn, mố tiêu năng, cống ngầm, cống dưới đê, cống ngăn mặn, kè sông, kè biển, v.v… cho thấy, hầu hết những công trình chịu tác động của các tác nhân xâm thực chỉ sau một thời gian đưa vào sử dụng đã thấy dấu hiệu của xâm thực bê tông và cốt thép, (bề mặt bê tông bị thấm tiết vôi, bị rỗ, bê tông dọc theo các thanh cốt thép bị nứt do cốt thép bị xâm thực nở thể tích, v.v…). Có những công trình chỉ sau khoảng 10 năm đi vào hoạt động BT và BTCT đã bị xâm thực nghiêm trọng, cường độ bê tông bị suy giảm đáng kể. Kết cấu cửa van, cửa van phai phao cho các cống ngăn mặn, nếu sử dụng bê tông thường thì chiều dày lớp bảo vệ cốt thép tối thiểu a ≥ 5cm thì mới chống được xâm thực. Vấn đề đặt ra là: các kết cấu trên vì yêu cầu của lớp bảo vệ cốt thép như vậy sẽ không đảm bảo được chiều dày thiết kế ví dụ cửa van cống bằng bê tông cốt thép, thành của đập xà lan di động chỉ có chiều dầy từ 10 đến 15 cm.. Do vậy, nhằm làm giảm chiều dày của kết cấu thì việc nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối bê tông cường độ cao (mác tới 70MPa) sử dụng trong các kết cấu đặc biệt cho công trình thủy lợi giữ ngọt ngăn mặn, vùng chua phèn là rất cần thiết. Bê tông cường độ cao là loại bê tông phải đảm bảo 3 yêu cầu: Có cường độ cao, tính công tác tốt và có độ bền lâu. Thành phần bê tông cường độ cao cũng như 2 bê tông thường gồm có cốt liệu lớn (sỏi, đá dăm), cốt liệu nhỏ (cát), chất kết dính, nước, phụ gia siêu dẻo và phụ gia khoáng hoạt tính. Việc sử dụng phụ gia siêu dẻo cho phép giảm tỷ lệ N/X trong khi vẫn đảm bảo bê tông có độ lưu động cao, dễ tạo hình lèn chặt, bên cạnh đó phụ gia khoáng hoạt tính cao có trong bê tông cho phép giảm lượng dùng xi măng cải thiện tính cộng tác của hỗn hợp bê tông, tăng độ đặc chắc, tăng cường độ và độ bền lâu của bê tông. Phụ gia khoáng Silicafume là loại phụ gia khoáng hoạt tính cao siêu mịn. Có khả năng đặc biệt làm tăng mạnh cường độ của bê tông. Hiện nay trên thế giới, sự có mặt của Silicafume trong bê tông đã nâng giới hạn cường độ nén của bê tông từ 50 – 60 MPa lên tới 130 – 150 MPa và còn có khả năng nâng cao hơn trong tương lai gần. Ngoài khả năng tăng cường độ, sự có mặt của Silicafume trong bê tông còn tạo ra một loạt giá trị gia tăng khác làm cho việc sử dụng vật liệu bê tông ngày càng trở lên hiệu quả hơn. Đây là loại phụ gia khoáng có hoạt tính cao phù hợp với bê tông cường độ cao hiện nay. Tuy nhiên giá thành loại phụ gia này ở Việt Nam còn cao phần nào làm hạn chế việc sử dụng phụ gia này. Phụ gia khoáng hoạt tính tro bay nhiệt điện, trung bình, mỗi ngày nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 (Hải Dương) thải ra 3000 tấn tro xỉ, trong đó khoảng 20 – 30 % là than chưa cháy, còn lại là tro bay rất mịn. Do hàm lượng than chưa cháy thấp nên khó tận thu làm nhiên liệu đốt, mà thường được thải thẳng ra hồ chứa. Cùng với lượng tro xỉ tương đương của nhiệt điện Phả Lại 1, mỗi ngày 2 nhà máy này đang xả lượng chất thải khổng lồ vào môi trường. Theo dự báo đến năm 2020 sẽ có thêm 28 nhà máy nhiệt điện đốt than đi vào hoạt động. Lúc đó, lượng tro xỉ thải ra hàng năm vào khoảng 60 triệu tấn. Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng loại vật liệu này đang được xúc tiến mạnh mẽ, Trong những năm qua, đã có nhiều kết quả của các công trình khoa học nghiên cứu về ứng dụng tro tuyển Phả Lại và Silicafume trong bê tông đã đem lại kết quả tốt, tạo ra các loại bê tông đặc biệt, với tính chất đặc trưng. Tuy nhiên khả năng của 2 loại phụ gia này trong việc cải thiện các tính chất của bê tông cường độ cao còn phải tiếp tục nghiên cứu. Vì vậy luận văn đã đi nghiên cứu và ứng dụng hỗn hợp phụ gia khoáng 2 thành phần tro tuyển 3 Phả Lại và Silicafume trong bê tông cường độ cao để tạo ra loại bê tông cường độ cao đáp ứng nhu cầu ngày cao của ngành xây dựng dân dụng, công nghiệp, giao thông và thủy lợi của Vịêt Nam. II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI. - Dùng vật liệu sẵn có tại Việt Nam để nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối bê tông cường độ cao đến 70MPa sử dụng cho các kết cấu đặc biệt trong công trình thủy lợi (Kết cấu cửa van, kết cấu chống mài mòn, công trình ven biển, mố tiêu năng, bê tông sửa chữa…) III. CƠ SỞ KHOA HỌC Việc nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao dựa trên một số cơ sở:  Nâng cao chất lượng cấu trúc vĩ mô Cốt liệu phải được chọn từ các loại đá có độ đặc chắc cao, cường độ lớn và quan trọng là có độ ổn định và đồng đều chất lượng cao. Để đảm bảo điều này thì đường kính cốt liệu phải giảm xuống, do vậy đề tài đã lựa chọn Dmax = 10 mm để tiến hành khảo sát và nghiên cứu. Thành phần hạt cốt liệu phải hợp lý đảm bảo độ rỗng nhỏ nhất, độ đặc cao nhất, cấu trúc hỗn hợp ổn định và có cường độ cao. Hình dạng hạt cốt liệu đồng đều, hàm lượng hạt thoi, dẹt có cường độ yếu ít sẽ tạo khung cấu trúc ổn định, tạo thuận lợi khi thi công. Thiết kế cấp phối bê tông tối ưu bằng việc sử dụng thành phần các nguyên vật liệu hợp lý kết hợp với các biện pháp thi công phù hợp sẽ nâng cao cường độ cũng như đảm bảo các tính chất yêu cầu của bê tông. Ngoài ra có thể sử dụng biện pháp dưỡng hộ đặc biệt nhằm đảm bảo cho quá trình phát triển cường độ của bê tông diễn ra thuận lợi, qua đó nâng cao cường độ bê tông.  Nâng cao chất lượng cấu trúc vi mô Xi măng là thành phần quan trọng góp phần tạo nên cường độ của bê tông. Hồ xi măng đóng vai trò là chất kết dính, liên kết các hạt cốt liệu rời rạc. Hoạt tính của xi măng càng cao thì bê tông có cường độ càng cao. Do đó, việc sử dụng xi măng mác cao trong thiết kế thành phần của bê tông là cần thiết 4 Việc sử dụng các loại xi măng cường độ cao đồng thời sử dụng các loại phụ gia khoáng hoạt tính, phụ gia siêu mịn sẽ làm tăng độ đặc của đá, chất kết dính do sản phẩm thủy hóa xi măng lớn lấp đầy lỗ rỗng. Hàm lượng lỗ rỗng trong cấu trúc đá xi măng rất nhỏ sẽ làm tăng cường độ kéo, cường độ nén và tính mềm dẻo cho bê tông. Phụ gia siêu dẻo giúp cho hỗn hợp bê tông có tỷ lệ N/CKD nhỏ nhưng vẫn đảm bảo tính công tác, kiểm soát được quá trình vận chuyển, đổ khuôn. Lượng nước gần như chỉ đủ để thủy hóa nên hàm lượng lỗ rỗng trong cấu trúc đá chất kết dính và đá bê tông giảm tối thiểu, lỗ rỗng có kích thước rất nhỏ. Các khoáng silicát được thủy hóa triệt để. IV. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.Cách tiếp cận. - Dựa trên tình hình nhu cầu cụ thể ứng dụng bê tông mác cao tại Việt Nam, và các tài liệu trong và ngoài nước liên quan để đề ra mục tiêu và hướng nghiên cứu. 2. Phương pháp nghiên cứu. - Phương pháp tiêu chuẩn: Khảo sát các tính chất của vật liệu, tính chất của vữa và bê tông theo TCVN, TCXDVN, TCN, ASTM… - Phương pháp phi tiêu chuẩn: Sử dụng một số phương pháp thí nghiệm tự đề xuất để nghiên cứu. - Dùng phương pháp quy hoạch thực nghiệm: để nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố thành phần đến các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông. V. DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC. - Tìm được các vật liệu phù hợp để chế tạo bê tông mác tới 70MPa. - Thí nghiệm các tính chất và chỉ tiêu cơ lý của vật liệu trên. - Lựa chọn được phương pháp thiết kế bê tông cường độ cao. - Thiết kế được thành phần cấp phối bê tông và bê tông có cường độ tới 70MPa. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM 1.1. Khái niệm về bê tông cường độ cao. Cho đến nay bê tông đã trở thành một loại vật liệu không thể thiếu trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, các công trình giao thông và thuỷ lợi cũng như nhiều công trình xây dựng khác. Các yêu cầu về chủng loại cũng như chất lượng đối với bê tông cũng ngày được nâng cao. Một trong các yêu cầu đó là yêu cầu về cường độ của bê tông. Cường độ chịu nén là một trong những tính chất cơ lý quan trọng của bê tông và là cơ sở thiết kế các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép. Tính toán lý thuyết cũng như thực tế sử dụng cho thấy nâng cao cường độ bê tông sử dụng trong các kết cấu bê tông cốt thép giúp nâng cao hiệu quả sử dụng của bê tông và mở ra hướng sử dụng bê tông trong các kết cấu đặc biệt. Hướng nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ cao đã được tập trung phát triển trên thế giới từ những năm giữa thế kỷ XX và đạt được những thành tựu đáng kể. Đồ thị trên hình 1.1 cho thấy cường độ bê tông sử dụng ngày càng được nâng cao. Khái niệm bê tông cường độ cao cũng ngày càng được mở rộng 160 140 MPa 120 100 80 60 40 20 0 1964 1968 1972 1984 1992 Hình 1.1: Các giai đoạn phát triển của công nghệ bê tông trên thế giới [2, 7] 6 Hiện nay các nước trong cộng đồng chung Châu Âu thống nhất coi bê tông C67 trở lên (cường độ nén trung bình ở tuổi 28 ngày đạt 85 -90 MPa) là bê tông cường độ cao, cũng trong tiêu chuẩn này người ta phân loại bê tông đến cấp C115 (độ nén trung bình ở tuổi 28 ngày khoảng 150MPa). Ở Liên Bang Nga bê tông B50 được coi là bê tông cường độ cao [2, 7]. Tuy nhiên ở Nga người ta mới chỉ phân loại cho bê tông B80 [2, 10]. Năm 1980, trong hội thảo ở Chicago, bê tông cường độ cao được xem là các loại bê tông có cường độ ở độ tuổi 28 ngày đạt 46 MPa đến 76 MPa. Trong khi đó theo hiệp hội kỹ sư Xây dựng Nhật Bản, bê tông được coi là có cường độ cao là khi cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày nằm trong phạm vi từ 60 – 80 MPa. Theo quan điểm của Pháp, bê tông cường độ cao là bê tông có phụ gia giảm nước và cường độ nén từ 50 – 80 MPa. Bê tông cường độ rất cao là bê tông có thêm phụ gia giảm nước và có độ nén trên 80MPa. Theo định nghĩa của viện bê tông Mỹ [17, 18], bê tông cường độ cao là bê tông có độ nén lớn hơn 41 MPa và được chế tạo trên cơ sở các vật liệu truyền thống. Trong quy phạm kết cấu bê tông Úc (AS 3600) định nghĩa bê tông cường độ thường là bê tông có cường độ đặc trưng của mẫu trụ ở tuổi 28 ngày nhỏ hơn hoặc bằng 50 MPa, bê tông cường độ cao theo định nghĩa này là các loại bê tông có cường độ trên 50 MPa. Còn theo quan điểm của FIP-CEB 1990 bê tông cường độ cao là bê tông có cường độ từ 60 MPa trở lên. Như vậy không tồn tại một giá trị cố định về cường độ để bê tông được đánh giá là có cường độ cao. Tuy nhiên có thể thấy rằng, bê tông với cường độ chịu nén 60 – 80 MPa được xếp loại là bê tông cường độ cao và đã được ứng dụng khá rộng rãi. Theo Mailer, chất lượng của bê tông phụ thuộc vào độ đặc chắc của nó. Bê tông càng đặc chắc thì cường độ và khả năng chống thấm càng cao, độ bền lâu càng lớn. Độ đặc chắc của bê tông tỷ lệ nghịch với tỷ lệ N/XM. Do đó bê tông có tỷ lệ N/XM càng thấp chất lượng càng cao với điều kiện là khi tạo hình hỗn hợp bê tông phải được sự lèn chặt. 7 So với bê tông thông dụng, trong thành phần bê tông chất lượng cao còn có một cấu tử không thể thiếu là phụ gia siêu dẻo, được dùng để cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông mà không cần tăng lượng nước nhào trộn. Theo Aitcin, tỷ lệ N/XM = 0,4 là giá trị để phân biệt giữa bê tông thông dụng và bê tông cường độ cao. Với tỷ lệ N/XM < 0,4 sẽ không thể chế tạo được bê tông lưu động nếu như không sử dụng phụ gia siêu dẻo. Hơn nữa, tỷ lệ N/XM này rất gần với giá trị tỷ lệ N/XM lý thuyết cần thiết để xi măng thủy hóa hoàn toàn. Một thành phần khác thường được sử dụng trong bê tông cường độ cao là phụ gia khoáng hoạt tính có tác dụng giảm lượng dùng xi măng, cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông, tăng độ đặc chắc và độ bền của bê tông. Các nguyên tắc để chế tạo bê tông cường độ cao:  Tăng cường độ của hồ xi măng thủy hóa bằng cách giảm kích thước sản phẩm thủy hóa và giảm kích thước lỗ rỗng. Các lỗ rỗng trong đá xi măng có kích thước lớn hớn 50µm, nhất là khi chúng tập trung tại một khu vực sẽ có ảnh hưởng rất xấu đến cường độ của bê tông.  Tăng cường độ nén bằng cách giảm kích thước hạt của khung cốt liệu, đồng nhất vi cấu trúc.  Tăng cường độ của vùng tiếp xúc giữa cốt liệu và hồ xi măng nhờ việc giảm tỷ lệ N/XM, dùng phụ gia siêu mịn silicafume, sử dụng cốt liệu bé hơn để phân bố nước đồng đều.  Lựa chọn vật liệu có chất lượng cao và có biện pháp thi công tốt. Hiện nay, bê tông cường độ cao đã và đang được sử dụng rất nhiều trong các công trình như: nhà cao tầng, cầu nhịp lớn, đường băng sân bay, đường cao tốc và các kết cấu công trình biển, công trình thủy lợi.... 1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ cao trên thế giới. Từ những năm 70 của thế kỷ XX, bê tông cường độ cao được các nước phát triển rất quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. Các nghiên cứu về công nghệ bê tông cường độ cao được công bố từ trước những năm 80. Một số quốc gia coi đây là chương trình trọng điểm, là yếu tố đảm bảo việc phát triển ngành xây dựng, thủy 8 lợi và giao thông. Chính phủ các nước này đã thành lập và tài trợ cho một số tổ chức với mục đính nghiên cứu, đánh giá và phát triển công nghệ bê tông cường độ cao. Cho đến nay trên thế giới các tổ chức chuyên nghiên cứu về bê tông có cường độ cao vẫn hoạt động có hiệu quả và ngày càng phát triển. Các nước đầu tiên thành lập được các tổ chức nghiên cứu về bê tông cường độ cao, và vẫn đang hoạt động cho tới nay bao gồm Canađa, Pháp, Trung Quốc, Mỹ và một số quốc gia khác. Ở Canađa, từ năm 1990, Chính Phủ đã cho thành lập tổ chức Chuyên nghiên cứu về bê tông cường độ cao có trụ sở đặt tại Trường đại học University of Shebrooke. Các nghiên cứu cho phép chế tạo bê tông với cường độ nén tuổi 28 ngày đạt tới 120 MPa. Các kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng trong xây dựng nhà cao tầng, dầm cầu có nhịp lớn, mặt đường cao tốc… Ở Trung Quốc bê tông cường độ cao với cường độ nén ở tuổi 28 ngày đạt 70 – 75 MPa bắt đầu sử dụng vào cuối năm 1970. Loại bê tông này đã được nhanh chóng sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nhà cao tầng (trên 20 tầng), cầu vượt sông dành cho đường sắt,… Trong các công trình này, bê tông sử dụng có cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày đạt từ 50 – 80 MPa, phổ biến nhất là 60 MPa. Ở Pháp chương trình quốc gia mang tên “Những hướng đi mới cho bê tông” đã được thành lập từ năm 1986. Đây là chương trình liên kết giữa 30 hội viên của ngành công nghiệp bê tông và viện nghiên cứu. Một trong những kết quả mà chương trình này mang lại là việc ứng dụng bê tông cường độ cao vào xây dựng cây cầu Joigny Bridge. Đây là lần đầu tiên bê tông cường độ cao được sử dụng cho một công trình cầu trên biển nhờ đó mà chiều dài kết cấu nhịp có thể đạt tời 150m [10]. Từ những năm 90 trở lại đây có nhiều công trình tầm cỡ quốc gia tại Mỹ nghiên cứu về công nghệ và các tính chất cơ lý của bê tông cường độ cao. Đặc biệt là dự án nghiên cứu về xi măng cường độ cao để chế tạo bê tông cường độ cao của trung tâm Technology of Advance Cement – Based Materrials, Hoa Kỳ, dự án nghiên cứu về bê tông cường độ cao dùng cho đường ô tô cao tốc của Strategic Highway Research Program- Hoa Kỳ.