Tài liệu Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao sử dụng phụ gia khoáng và vật liệu sẵn có ở việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGUYỄN CÔNG THẮNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG VÀ VẬT LIỆU SẴN CÓ Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Nguyễn Công Thắng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG VÀ VẬT LIỆU SẴN CÓ Ở VIỆT NAM CHUYÊN NGÀNH: VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU XD MÃ SỐ: 62520309 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Phạm Hữu Hanh 2. PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn HÀ NỘI - NĂM 2016 LỜI NÓI ĐẦU Qua đây tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Phạm Hữu Hanh và PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn đã hết lòng giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả xin chân thành cảm ơn trƣờng Đại học Xây dựng, khoa Vật liệu xây dựng, khoa Sau đại học, Phòng thí Nghiệm Vật liệu xây dựng (LASXD115), Bộ môn Vật liệu xây dựng, Bộ môn Công Nghệ vật liệu xây dựng, Bộ môn Hóa, Phòng thí Nghiệm Công Trình (LASXD125) đã giúp đỡ trong thời gian qua. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Công ty Cổ Phần Bê tông Công Nghệ Cao Nucetech, Viện Khoa học công nghệ xây dựng, Viện Vật liệu xây dựng, Phòng vật liệu - Viện Hàn Lâm Khoa học Việt Nam đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong quá trình tiến hành nghiên cứu của luận văn. Xin chân thành cảm ơn toàn thể bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện, động viên, khích lệ tôi hoàn thành luận án này. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình tôi đã luôn sát cánh, giúp đỡ tôi trong thời gian qua. Tác giả luận án -i- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả đƣợc trình bày trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án -ii- MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................... I LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ I DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................................... IX MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 1 1. GIỚI THIỆU ................................................................................................................... 1 2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .................................................................................. 2 3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ........................................................................................... 4 4. PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................. 4 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN ..................................................................... 5 6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ............................................................... 6 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO ................... 7 1.1 1.2 1.3 GIỚI THIỆU VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO ................................. 7 1.1.1 Khái niệm về bê tông chất lƣợng siêu cao ...................................................... 7 1.1.2 Vật liệu chế tạo bê tông chất lƣợng siêu cao................................................. 10 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG BTCLSC TRÊN THẾ GIỚI ..... 13 1.2.1 Tình hình nghiên cứu bê tông chất lƣợng siêu cao trên thế giới ................... 13 1.2.2 Tình hình sử dụng bê tông chất lƣợng siêu cao trên thế giới ........................ 17 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG BTCLSC Ở VIỆT NAM ........... 20 1.3.1 Tình hình nghiên cứu về bê tông chất lƣợng siêu cao ở Việt Nam ............... 20 1.3.2 Tình hình sử dụng bê tông chất lƣợng siêu cao ở Việt Nam ......................... 21 1.4 BTCLSC TRONG XÂY DỰNG PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG .......................... 21 1.5 ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN .............................................. 25 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC TRONG VIỆC CHẾ TẠO BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO................................................................................ 27 2.1 GIỚI THIỆU.......................................................................................................... 27 2.2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC SỬ DỤNG PGK SF và GBFS TRONG BTCLSC ................................................................................................................. 31 2.2.1 Vai trò của phụ gia khoáng trong BTCLSC .................................................. 31 2.2.2 Ảnh hƣởng của sự kết hợp giữa SF và GBFS trong BTCLSC ..................... 35 -iii- 2.3 VAI TRÕ CỦA CỐT SỢI TRONG BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO . 40 2.3.1 Vai trò của sợi trong việc nâng cao tính chất cơ học trong BTCLSC ........... 40 2.3.2 Vai trò của sợi trong việc hạn chế nứt trong BTCLSC ................................. 43 CHƢƠNG 3 VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 47 3.1 3.2 3.3 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU................................................ 47 3.1.1 Cốt liệu mịn ................................................................................................... 47 3.1.2 Xi măng ......................................................................................................... 47 3.1.3 Phụ gia khoáng .............................................................................................. 48 3.1.4 Cốt sợi thép phân tán ..................................................................................... 50 3.1.5 Phụ gia siêu dẻo ............................................................................................ 50 3.1.6 Nƣớc .............................................................................................................. 51 CÁC PHƢƠNG PHÁP SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU ........................... 51 3.2.1 Các phƣơng pháp nghiên cứu tiêu chuẩn ...................................................... 51 3.2.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu phi tiêu chuẩn ................................................ 54 QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO VÀ BẢO DƢỠNG ...................................................... 58 3.3.1 Quá trình trộn và đúc mẫu ............................................................................. 58 3.3.2 Quá trình bảo dƣỡng ..................................................................................... 58 CHƢƠNG 4 NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHẤT KẾT DÍNH SỬ DỤNG HỖN HỢP PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME VÀ XỈ LÕ CAO HẠT HÓA ..... 60 4.1 4.2 ẢNH HƢỞNG CỦA PGK ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA CKD ...................... 60 4.1.1 Ảnh hƣởng của GBFS đến lƣợng Ntc và thời gian đông kết của CKD ......... 60 4.1.2 Điểm bão hòa phụ gia siêu dẻo của hồ CKD ................................................ 61 4.1.3 Ảnh hƣởng của PGK ở tỷ lệ N/CKD khác nhau đến độ nhớt của hồ CKD .. 62 ẢNH HƢỞNG CỦA PGK ĐẾN QUÁ TRÌNH THỦY HÓA CỦA XI MĂNG 68 4.2.1 Mức độ thủy hóa của xi măng sử dụng PGK ................................................ 68 4.2.2 Ảnh hƣởng của PGK đến hàm lƣợng Ca(OH)2 trong đá xi măng................. 74 CHƢƠNG 5 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO . 78 5.1 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN HẠT TRONG BTCLSC ....................................... 78 5.1.1 Mô hình lèn chặt dạng nén - Mô hình De Larrard ........................................ 79 5.1.2 Tính toán độ lèn chặt của hỗn hợp hạt theo mô hình của De Larrard ........... 81 -iv- 5.2 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO ............. 84 5.2.1 Tính toán thành phần bê tông chất lƣợng siêu cao ........................................ 84 5.2.2 Cấp phối sơ bộ sử dụng trong nghiên cứu..................................................... 85 5.2.3 Kết quả thí nghiệm sơ bộ bê tông chất lƣợng siêu cao ................................. 86 5.2.4 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm ..................................... 90 CHƢƠNG 6 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO ............................................................................. 99 6.1 CẤP PHỐI BÊ TÔNG SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU ............................ 99 6.2 QUÁ TRÌNH THỦY HÓA VÀ VI CẤU TRÖC CỦA BTCLSC ...................... 99 6.3 6.4 6.2.1 Ảnh hƣởng của GBFS đến hàm lƣợng Ca(OH)2 trong BTCLSC ................. 99 6.2.2 Sự phân bố lỗ rỗng trong BTCLSC............................................................. 101 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG VÀ BTCLSC ............... 102 6.3.1 Tính công tác của hỗn hợp bê tông ............................................................. 102 6.3.2 Cƣờng độ nén của BTCLSC ....................................................................... 103 6.3.3 Cƣờng độ uốn và độ bền dẻo dai của BTCLSC .......................................... 108 6.3.4 Mô đun đàn hồi của BTCLSC ..................................................................... 112 6.3.5 Cƣờng độ ép chẻ và cƣờng độ kéo khi bửa của BTCLSC .......................... 113 6.3.6 Biến dạng co ngót trong BTCLSC .............................................................. 114 MỘT SỐ CHỈ TIÊU VỀ ĐỘ BỀN LÂU CỦA BTCLSC ................................. 121 6.4.1 Mức độ thấm ion clo của BTCLSC............................................................. 121 6.4.2 Xác định khả năng ăn mòn cốt thép ............................................................ 122 6.5 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO BTCLSC .................................................... 124 6.6 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM KẾT CẤU TẤM ................. 125 6.6.1 Các thông số đầu vào .................................................................................. 125 6.6.2 Kết quả thí nghiệm ...................................................................................... 126 6.6.3 Đánh giá kết quả thí nghiệm tấm BTCLSC ................................................ 127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................... 130 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ............................................ 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 134 PHỤ LỤC ....................................................................................................................... PL1 -v- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT 1 2 KÍ HIỆU ACI Ý NGHĨA Viện bê tông Mỹ (American Concrete Institute) ASTM Tiêu chuẩn của Mỹ về thí nghiệm Vật liệu (American Society for Testing and Materials) 3 AFGC-SETRA 4 BTCLSC Hiệp hội xây dựng Pháp (Association Française de Génie Civil - Service d'études techniques des routes et autoroutes) Bê tông chất lƣợng siêu cao 5 BTCLC Bê tông chất lƣợng cao 6 BTCS Bê tông cốt sợi 7 BTCT Bê tông cốt thép 8 BTDƢL Bê tông dự ứng lực 9 BT Bê tông 10 BTT Bê tông thƣờng 11 BSI Bê tông công nghiệp đặc biệt (Special Industrial Concrete) 12 BJH Barrett-Joyner-Hanlenda 13 C Cát 14 Ca(OH)2 - (CH) Canxi hyđrôxit 15 C/CL Tỷ lệ cát trên cốt liệu theo khối lƣợng 16 C/CKD Tỷ lệ cát trên chất kết dính theo khối lƣợng 17 CKD Chất kết dính 18 CL Cốt liệu 19 CP Cấp phối 20 CPTU Cấp phối tối ƣu 21 CPM Mô hình lèn chặt dạng nén (Compressive Packing Model) 22 CRC Hợp chất composit dạng nén (Compact Reinforced Composites) 23 C-S-H Hyđrôsilicat canxi 24 CS Co hóa học (Chemical Shrinkage) 25 D Độ chảy của hỗn hợp bê tông -vi- 26 DSP Hệ bê tông dạng nén sử dụng các hạt mịn (Densified with Small Particles) 27 Đ Đá dăm 28 ĐC Mẫu đối chứng 29 FA Tro bay (Fly Ash) 30 FHWA Cục đƣờng bộ Hoa Kỳ (Federation Highway Agency) 31 GBFS Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn 32 GBFS/CKD Tỷ lệ xỉ trên chất kết dính, theo khối lƣợng 33 HHBT Hỗn hợp bê tông 34 HPC Bê tông chất lƣợng cao (High Performance Concrete) 35 LS Bột đá vôi (Lime Stone) 36 MDF Hệ bê tông không chứa khuyết tật lớn (Macro-Defect Free) 37 MKN Mất khi nung 38 MK Mêta caolanh (Meta kaolin) 39 MSFRC Bê tông cốt sợi thép đa tỷ lệ (Multi-scale fiber reinforced concrete) 40 N Nƣớc 41 NC Bê tông thƣờng 42 N/CKD Tỷ lệ nƣớc trên chất kết dính theo khối lƣợng 43 N/XM Tỷ lệ nƣớc trên xi măng theo khối lƣợng 44 N/GBFS Tỷ lệ nƣớc trên xỉ theo khối lƣợng 45 ITZ Vùng chuyển tiếp/tiếp xúc giữa đá xi măng với cốt liệu (Interfacial Transition Zone) 46 PC Xi măng poóclăng (Portland Cement) 47 PCB Xi măng poóclăng hỗn hợp 48 PGK Phụ gia khoáng 49 PGSD Phụ gia siêu dẻo 50 RHA Tro trấu (Rice Husk Ash) 51 RH Độ ẩm tƣơng đối (Relative Humidity) 52 RPC Bê tông bột hoạt tính (Reactive Powder Concrete) 53 SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) -vii- 54 SF Silica fume 55 SF/CKD Tỷ lệ silica fume trên chất kết dính, theo khối lƣợng 56 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 57 UHPC Bê tông chất lƣợng siêu cao (Ultra High Performance Concrete) 58 XM Xi măng 59 XRD Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction) 60 Wn Lƣợng nƣớc liên kết hóa học (Non-evaporable water) -viii- DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 So sánh một số tính chất của BTCLSC với BTT và BTCLC [47, 53]................... 7 Bảng 1.2 Tổng năng lƣợng và vật liệu cho cột bê tông cốt thép theo cấp cƣờng độ nén của bê tông (NED = 40 MN, l = 3.50m) [88] .............................................................. 24 Bảng 3.1 Tính chất cơ lý của cát sử dụng trong nghiên cứu .............................................. 47 Bảng 3.2 Tính chất cơ lý của xi măng sử dụng trong nghiên cứu ....................................... 48 Bảng 3.3 Tính chất và thành phần hạt của SF sử dụng trong nghiên cứu ........................... 48 Bảng 3.4 Các tính chất của GBFS sử dụng trong nghiên cứu ............................................. 49 Bảng 3.5 Thành phần hóa của xi măng và phụ gia khoáng hoạt tính .................................. 49 Bảng 3.6 Các tính chất kỹ thuật của sợi thép sử dụng trong nghiên cứu ............................ 50 Bảng 4.1 Tỷ lệ thành phần vật liệu thí nghiệm hồ CKD ..................................................... 63 Bảng 5.1 Hệ số nén K ứng với PGK và mô hình khác nhau [66] ....................................... 81 Bảng 5.2 Tỷ lệ thành phần cấp phối bê tông ....................................................................... 85 Bảng 5.3 Giá trị mã hoá và giá trị thực nghiệm của các nhân tố ........................................ 91 Bảng 5.4 Ma trận quy hoạch thực nghiệm ......................................................................... 91 Bảng 5.5 Các cấp phối thí nghiệm và kết quả nghiên cứu .................................................. 92 Bảng 5.6 Tỷ lệ thành phần vật liệu tối ƣu tính toán theo lý thuyết và thực nghiệm ........... 96 Bảng 6.1 Tỷ lệ thành phần vật liệu sử dụng trong nghiên cứu. ........................................... 99 Bảng 6.2 Kết quả đo độ thấm ion clo và mác bê tông tƣơng ứng ..................................... 121 Bảng 6.3 Cấp phối bê tông đối chứng ............................................................................... 122 -ix- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 So sánh kích thƣớc dầm BTCLSC, thép, bê tông dự ứng lực và bê tông cốt thép với cùng tải trọng [108] .......................................................................9 Hình 1.2 So sánh chi phí tổng thể khi sử dụng BTT và BTCLSC [50] ....................9 Hình 1.3 Cầu đi bộ BTCLSC ở Sherbrooke, Quebec, Canada năm 1997 [83] ........18 Hình 1.4 Hệ thống dầm tháp làm mát nhà máy điện hạt nhân Cattenom [90, 105] 18 Hình 1.5 Cầu bắc qua sông Perak, Perak, Malaysia .................................................19 Hình 1.6 Chiều cao dầm bê tông BTCLSC và BTT [105] .......................................19 Hình 1.7 Các yếu tố của sự phát triển bền vững [98] ...............................................22 Hình 1.8 Sự phát triển bền vững trong công nghệ bê tông theo Mehta [73] ............22 Hình 1.9 BTCLSC hƣớng tới xây dựng bền vững [109] ..........................................23 Hình 1.10 Mặt cắt của cột và cƣờng độ chịu nén của bê tông cốt thép theo cấp cƣờng độ bê tông [88] ...........................................................................24 Hình 2.1 Mô tả tải trọng truyền qua a) BTT và b) BT CLSC [58] ..........................27 Hình 2.2 Vai trò của hạt siêu mịn đến việc cải thiện cấu trúc của BTCLSC [101] .29 Hình 2.3 Sự thay đổi kích thƣớc lỗ rỗng ở điều kiện dƣỡng hộ nhiệt khác nhau ...30 Hình 2.4 Mức độ phản ứng puzơlanic ở điều kiện dƣỡng hộ khác nhau [38].........30 Hình 2.5 Sự phát triển cấu trúc và hình thành các sản phẩm thủy hóa của xi măng theo thời gian [64] ......................................................................................31 Hình 2.6 Sự hình thành các sản phẩm thủy hóa của hạt xi măng theo thời gian .....32 Hình 2.7 Mô hình độ lèn chặt có thể khi phối hợp hai loại cốt liệu mịn và thô .......33 Hình 2.8 Kết quả đo độ đặc của hỗn hợp cốt liệu theo nghiên cứu của Mc Geary (r1/r2 là tỷ lệ kích thƣớc hạt mịn/kích thƣớc hạt thô) [60] .......................34 Hình 2.9 Vai trò của PGK với hiệu ứng hóa học và hiệu ứng điền đầy trong BT ...34 Hình 2.10 Ảnh chụp SEM của SF ............................................................................35 Hình 2.11 Đặc tính cƣờng độ uốn của BTT, BTCS và BTCLSC [78] ....................40 Hình 2.12 Ứng xử cơ học của bê tông cốt sợi khi chịu kéo [85, 104] ....................41 Hình 2.13 Sự tƣơng tác giữa sợi và cốt liệu [104] ..................................................42 Hình 2.14 Sự truyền tải trọng của sợi qua vết nứt trong BTCLSC [57] .................43 -x- Hình 2.15 Mô hình hóa về quá trình hình thành vết nứt: a) giai đoạn đầu; b) xuất hiện vi vết nứt; c) xuất hiện vết nứt đầu tiên; d, e,f) các vết nứt tiếp tục hình thành và phát triển (mở rộng) [29, 72] ....................................44 Hình 2.16 Sự hình thành vết nứt dƣới tải trọng uốn: a) một sợi đơn bắc cầu qua vết nứt; b) một nhóm sợi phân bố tự nhiên và truyền tải trọng qua vết nứt ....45 Hình 3.1 Sự phân bố cỡ hạt GBFS qua phân tích SEM ...........................................49 Hình 3.2 Thành phần hạt của các vật liệu sử dụng trong nghiên cứu ......................50 Hình 3.3 Sợi thép Dramix OL 13/0,2 sử dụng trong nghiên cứu .............................50 Hình 3.4 Sơ đồ và thiết bị thí nghiệm côn Marsh đo độ nhớt ..................................52 Hình 3.5 Hệ thống thí nghiệm độ co nội sinh của BTCLSC trong nghiên cứu ......53 Hình 3.6 Mẫu BTCLSC thí nghiệm co ngót hạn chế RING TEST .........................53 Hình 3.7 Mô hình thiết bị đo độ nhớt của hồ xi măng với nhớt kế kiểu rung V-10 (Vibro viscometer) .........................................................................55 Hình 3.8 Thí nghiệm phân tích DTA/TG .................................................................56 Hình 3.9 Đƣờng cong TG/DTG điển hình đối với mẫu đá XM trong nghiên cứu ..57 Hình 3.10 Phƣơng pháp hình học đƣợc sử dụng để xác định hàm lƣợng CH từ đƣờng cong mất khối lƣợng trong phân tích nhiệt [115, 27] ...................57 Hình 3.11 Quy trình trộn hỗn hợp BTCLSC sử dụng trong nghiên cứu ..................58 Hình 3.12 Quá trình dƣỡng hộ mẫu bê tông .............................................................59 Hình 4.1 Ảnh hƣởng của GBFS đến lƣợng nƣớc tiêu chuẩn, thời gian đông kết của hồ CKD (gồm xi măng, GBFS, và nƣớc) ................................................61 Hình 4.2 Điểm bão hòa PGSD của hồ sử dụng 30% GBFS và N/CKD=0,18 ........61 Hình 4.3 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng PGK và tỷ lệ N/CKD đến điểm bão hòa PGSD của hồ CKD................................................................................................62 Hình 4.4 Ảnh hƣởng của hỗn hợp PGK GBFS và SF đến độ nhớt và thời gian chảy của hồ CKD................................................................................................64 Hình 4.5 Ảnh hƣởng của hỗn hợp PGK GBFS và SF đến độ nhớt và thời gian chảy của hồ CKD................................................................................................65 Hình 4.6 Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt GBFS đến độ nhớt và thời gian chảy của hồ CKD ......................................................................................................66 Hình 4.7 Sự phân bố của các loại nƣớc trong đá xi măng trong quan hệ với RH ....68 -xi- Hình 4.8 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng SF đến Wn của hồ CKD khi N/CKD=0,16 ....69 Hình 4.9 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng SF đến Wn của hồ CKD khi N/CKD=0,25 ....69 Hình 4.10 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến Wn khi N/CKD=0,16..................70 Hình 4.11 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến Wn khi N/CKD=0,25..................70 Hình 4.12 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến Wn (N/CKD=0,16, SF=10%) .....70 Hình 4.13 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến Wn (N/CKD=0,25, SF=10%) .....70 Hình 4.14 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến Wn khi mẫu đƣợc bảo dƣỡng ở điều kiện tiêu chuẩn, SF=10% ..................................................................71 Hình 4.15 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến Wn khi mẫu đƣợc bảo dƣỡng ở điều kiện nhiệt ẩm, SF=10% ....................................................................71 Hình 4.16 Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt GBFS đến Wn ........................................72 Hình 4.17 Đƣờng cong TG-DSC với mẫu ĐC ở tuổi 3 ngày (27oC) ......................75 Hình 4.18 Đƣờng mất trọng lƣợng của đá xi măng ..................................................75 Hình 4.19 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến hàm lƣợng Ca(OH)2 ở điều kiện bảo dƣỡng tiêu chuẩn................................................................................ 75 Hình 4.20 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến hàm lƣợng Ca(OH)2 ở điều kiện bảo dƣỡng nhiệt ẩm .................................................................................. 76 Hình 5.1 Ảnh hƣởng của một số hiệu ứng trong hỗn hợp hạt [40] ..........................80 Hình 5.2 Độ lèn chặt của hỗn hợp hạt gồm: Cát - CKD (CKD = XM + SF) ..........82 Hình 5.3 Độ lèn chặt của hỗn hợp hạt gồm: Cát - Xi măng - GBFS........................82 Hình 5.4 Độ lèn chặt của hỗn hợp hạt gồm: Cát - CKD ..........................................83 Hình 5.5 Bề mặt không gian và đƣờng đồng mức về độ lèn chặt của hỗn hợp hạt..83 Hình 5.6 Ảnh hƣởng của SF và GBFS đến độ chảy của hỗn hợp BTCLSC ............86 Hình 5.7 Ảnh hƣởng của SF+GBFS đến tính công tác của hỗn hợp BTCLSC ......87 Hình 5.8 Ảnh hƣởng giữa tỷ lệ C/CKD đến độ chảy của hỗn hợp BTCLSC ..........87 Hình 5.9 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng SF đến cƣờng độ nén BTCLSC .....................88 Hình 5.10 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến cƣờng độ nén BTCLSC .............88 Hình 5.11 Ảnh hƣởng của tỷ lệ C/CKD đến cƣờng độ nén của BTCLSC ...............89 Hình 5.12 Bề mặt không gian thể hiện mối quan hệ giữa X1 và X2 đến cƣờng độ nén của BTCLSC, (tại X3=0)....................................................................93 -xii- Hình 5.13 Bề mặt không gian thể hiện mối quan hệ giữa X1 và X3 đến cƣờng độ nén của BTCLSC, (tại X2=0)....................................................................94 Hình 5.14 Bề mặt không gian thể hiện mối quan hệ giữa X2 và X3 đến cƣờng độ nén của BTCLSC, (tại X1=0)....................................................................94 Hình 5.15 Đƣờng đồng mức thể hiện mối quan hệ giữa X2 và X3 đến cƣờng độ nén của BTCLSC, (tại X1=0) ..........................................................................95 Hình 6.1 Ảnh hƣởng của hỗn hợp PGK GBFS và SF đến hàm lƣợng Ca(OH)2 trong BTCLSC ở điều kiện bảo dƣỡng tiêu chuẩn ..................................100 Hình 6.2 Ảnh hƣởng của hỗn hợp PGK GBFS và SF đến hàm lƣợng Ca(OH)2 trong BTCLSC ở điều kiện bảo dƣỡng nhiệt ẩm .....................................100 Hình 6.3 Sự phân bố cấu trúc rỗng của BTCLSC ở tuổi 07 ngày ..........................101 Hình 6.4 Sự phân bố cấu trúc rỗng của BTCLSC ở tuổi 28 ngày ..........................101 Hình 6.5 Tính công tác của hỗn hợp BTCLSC ......................................................103 Hình 6.6 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến cƣờng độ nén 3-120 ngày của BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ tiêu chuẩn (27±2ºC, RH ≥ 95%)...........104 Hình 6.7 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS đến cƣờng độ nén 3-120 ngày của BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ nhiệt ẩm (90±5ºC, RH ≥ 95%) .............104 Hình 6.8 Ảnh hƣởng của PGK đến cƣờng độ nén 3-120 ngày của BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ tiêu chuẩn (27±2ºC, RH ≥ 95%) ......................................105 Hình 6.9 Ảnh hƣởng của PGK đến cƣờng độ nén 3-120 ngày của BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ nhiệt ẩm (90±5ºC, RH ≥ 95%) ........................................105 Hình 6.10 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép đến cƣờng độ nén 3-120 ngày của BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ tiêu chuẩn (t = 27±2ºC, RH≥95%) .....108 Hình 6.11 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép đến cƣờng độ nén 3-120 ngày của BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ nhiệt ẩm (90±5ºC, RH≥95%) .............108 Hình 6.12 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép đến cƣờng độ uốn 7 và 28 ngày của BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ tiêu chuẩn (27±2ºC, RH≥95%) ...........109 Hình 6.13 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép đến cƣờng độ uốn 7 và 28 ngày của BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ nhiệt ẩm (90±5ºC, RH≥ 95%) ............109 Hình 6.14 Thí nghiệm uốn và độ bền dẻo dai của BTCLSC .................................110 Hình 6.15 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép đến độ bền dẻo dai của BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ tiêu chuẩn (27 ± 2ºC, RH≥95%) ............................110 -xiii- Hình 6.16 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép đến độ bền dẻo dai của BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ nhiệt ẩm (90±5ºC, độ ẩm ≥95%) ...........................111 Hình 6.17 Thí nghiệm mô đun đàn hồi của BTCLSC ............................................112 Hình 6.18 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép đến E của BTCLSC .....................112 Hình 6.19 Thí nghiệm ép chẻ của BTCSCLSC......................................................113 Hình 6.20 Ảnh hƣởng của sợi thép đến cƣờng độ ép chẻ của BTCLSC ................114 Hình 6.21 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng GBFS và điều kiện dƣỡng hộ đến độ co nội sinh của BTCLSC ..................................................................................115 Hình 6.22 Ảnh hƣởng của PGK SF và GBFS đến độ co nội sinh của BTCLSC ở điều kiện dƣỡng hộ khác nhau ................................................................116 Hình 6.23 Độ co của mẫu BTCLSC với hàm lƣợng sợi thép phân tán khác nhau 117 Hình 6.24 Biểu đồ biến dạng của vành thép trong thí nghiệm RING TEST .........118 Hình 6.25 Nứt do biến dạng co ngót của mẫu BTCLSC ........................................119 Hình 6.26 Áp lực của bê tông tác dụng lên vòng thép ...........................................119 Hình 6.27 Ứng suất của vòng thép trong thí nghiệm co ngót hạn chế ...................119 Hình 6.28 Ứng suất lớn nhất của vòng thép khi mẫu bê tông bắt đầu nứt tƣơng ứng với hàm lƣợng sợi thép sử dụng khác nhau ...........................................120 Hình 6.29 Mối quan hệ giữa mác bê tông và độ thấm ion clo ...............................122 Hình 6.30 Cấu tạo và sơ đồ thí nghiệm mẫu theo phƣơng pháp gia tốc ................123 Hình 6.31 Sự phát triển gỉ cốt thép trong BTCLSC so với mẫu đối chứng ...........123 Hình 6.32 Mẫu thí nghiệm......................................................................................123 Hình 6.33 Máy đo thấm ion clo ..............................................................................123 Hình 6.34 Sơ đồ công nghệ chế tạo BTCLSC........................................................124 Hình 6.35 Mô hình tính toán và lƣới chia phần tử hữu hạn ...................................125 Hình 6.36 Thí nghiệm kết cấu tấm BTCLSC .........................................................126 Hình 6.37 Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của tấm khi P=13kN.......127 Ghi chú: Trong luận án số thập phân trong hình vẽ dùng dấu chấm thay cho dấu phảy -1- MỞ ĐẦU 1. GIỚI THIỆU Trong vài thập kỷ qua đã có sự tiến bộ vƣợt bậc trong khoa học và công nghệ bê tông, một trong những bƣớc ngoặt đó là sự nghiên cứu và phát triển loại bê tông chất lƣợng siêu cao - BTCLSC (Ultra High Performance Concrete), một thế hệ bê tông mới với những đặc tính vƣợt trội: độ chảy cao, cƣờng độ nén rất cao (thƣờng lớn hơn 150 MPa), cƣờng độ uốn lớn (khoảng 15-45MPa khi sử dụng cốt sợi), độ rỗng rất thấp và độ bền lâu rất cao [20, 34, 65, 68, 78, 80]. Điều này đã tạo cho BTCLSC trở thành một trong những loại vật liệu tiềm năng đối với xây dựng phát triển bền vững và hiệu quả cao về kinh tế trong các ứng dụng đặc thù nhƣ kết cấu vỏ mỏng, nhà siêu cao tầng, cầu nhịp lớn, kết cấu bền vững với môi trƣờng biển, xây dựng bể chứa phế thải hạt nhân... Xét về khía cạnh vật liệu chế tạo, loại bê tông này đƣợc chế tạo từ hỗn hợp bao gồm: cát quắc (kích thƣớc 100-600µm), xi măng, silica fume, nƣớc và phụ gia siêu dẻo. Trong đó, lƣợng xi măng khoảng 900-1000 kg/m3 [80], đây là nhƣợc điểm lớn nhất của loại bê tông này, sẽ làm tăng giá thành ban đầu của sản phẩm, ảnh hƣởng đến một số tính chất kỹ thuật và môi trƣờng [109]. Để khắc phục, việc nghiên cứu sử dụng các loại phụ gia khoáng (PGK) thay thế một phần xi măng trong chế tạo BTCLSC sẽ là hƣớng đi triển vọng đạt đƣợc hiệu quả về các mặt kinh tế, kỹ thuật và môi trƣờng. Xét về mặt kỹ thuật, PGK hoạt tính thƣờng chứa một hàm lƣợng lớn SiO2 vô định hình có khả năng phản ứng với Ca(OH)2 sinh ra trong quá trình thuỷ hoá xi măng, để tạo ra các sản phẩm dạng C-S-H có cƣờng độ cao, bền vững với môi trƣờng [89]. Bên cạnh đó, một số PGK khi thay một phần xi măng, sẽ cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông, giảm lƣợng nƣớc nhào trộn, đồng thời có thể nâng cao độ đặc chắc cho bê tông, sẽ làm tăng cƣờng độ cũng nhƣ khả năng chống thấm của bê tông [89]. Xét về mặt kinh tế - môi trƣờng, PGK là sản phẩm phụ của các nhà máy, khi không đƣợc sử dụng đúng cách sẽ trở thành các phế thải gây ô nhiễm môi trƣờng. Do vậy, việc nghiên cứu sử dụng PGK thay thế một phần xi măng là một hƣớng nghiên cứu phù hợp để chế tạo BTCLSC không chỉ cải thiện tính chất kỹ thuật, giảm giá thành -2- cho sản phẩm bê tông, mà còn giảm ô nhiễm môi trƣờng, góp phần vào mục tiêu phát triển xây dựng bền vững. Hiện nay, BTCLSC đã đƣợc ứng dụng rất rộng rãi ở các nƣớc châu Âu, châu Mỹ, Úc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Malaysia...Trong khi đó ở Việt Nam chƣa có công bố chính thức về việc ứng dụng BTCLSC trong thời gian qua. Các nghiên cứu ứng dụng loại bê tông cƣờng độ cao/chất lƣợng cao ở Việt Nam hiện nay chƣa đạt đƣợc kỳ vọng về cƣờng độ/chất lƣợng. Do vậy, việc nghiên cứu chế tạo BTCLSC sử dụng vật liệu sẵn có ở Việt Nam là sự đón đầu và là vấn đề cấp thiết. Đây chính là hƣớng đi chính và xuyên suốt trong nghiên cứu của luận án. 2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong công trình xây dựng, bê tông là loại vật liệu đƣợc sử dụng với khối lƣợng rất lớn, chiếm trên 60% khối lƣợng các kết cấu công trình. Hiện nay, ở Việt Nam các công trình xây dựng dân dụng thƣờng sử dụng bê tông với cƣờng độ nén là 20 - 40 MPa, nên kích thƣớc kết cấu lớn. Một số công trình cao tầng đã sử dụng bê tông chất lƣợng cao có cƣờng độ nén đến 80MPa (toà tháp Keangnam, tổ hợp chung cƣ cao tầng Victoria Văn Phú, Lotte...). Bên cạnh đó, cùng với quá trình hội nhập kinh tế quốc tế, nhu cầu phát triển xây dựng trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam là rất lớn. Đặc biệt sự phát triển của các công trình nhƣ nhà siêu cao tầng, các kết cấu chịu ăn mòn, mài mòn nhƣ giàn khoan, bể xử lý phế thải hạt nhân, các kết cấu vỏ mỏng..., đòi hỏi sự phát triển loại vật liệu mới, chẳng hạn BTCLSC. Do đó, nghiên cứu chế tạo bê tông có cƣờng độ nén cao (lớn hơn 150 MPa), cƣờng độ uốn cao (lớn hơn 15 MPa) là cần thiết. Mặc dù có nhiều tính chất vƣợt trội, BTCLSC vẫn còn tồn tại một số nhƣợc điểm nhƣ lƣợng dùng xi măng rất lớn, độ co ngót cao, lƣợng dùng phụ gia siêu dẻo (PGSD) và silica fume (SF) lớn... Điều này ảnh hƣởng rất lớn đến giá thành ban đầu của sản phẩm và tính bền vững trong xây dựng. Do đó, việc nghiên cứu sử dụng PGK thay thế một phần xi măng chế tạo BTCLSC để giảm giá thành sản phẩm, tăng độ bền lâu cho bê tông và tăng tính bền vững trong xây dựng có ý nghĩa vô cùng to lớn. Trong số các loại PGK thì xỉ lò cao hạt hóa (GBFS) đƣợc đánh giá là vật liệu -3- có tiềm năng để thay thế một phần xi măng trong BTCLSC [104, 112] đạt hiệu quả về kỹ thuật, về kinh tế và môi trƣờng. Xét về mặt kỹ thuật, GBFS với thành phần khoáng chủ yếu là pha thủy tinh (trên 95%), chứa hàm lƣợng SiO2 hoạt tính lớn, có khả năng phản ứng với Ca(OH)2 (CH) sinh ra trong quá trình thủy hóa của xi măng, để tạo thành các sản phẩm C-S-H có cấu trúc đặc chắc và bền vững hơn [113, 112]. Bên cạnh đó, GBFS có bề mặt hạt phẳng mịn nên việc sử dụng PGK này sẽ cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông, giảm lƣợng nƣớc nhào trộn, và từ đó làm tăng cƣờng độ cũng nhƣ khả năng chống thấm của bê tông [89]. Tuy vậy, một trong những nhƣợc điểm lớn khi sử dụng GBFS với hàm lƣợng lớn là dễ gây ra hiện tƣợng tách nƣớc [67]. Do đó, GBFS nên sử dụng kết hợp với vật liệu mịn có bề mặt riêng lớn khác, chẳng hạn SF, sẽ khắc phục đƣợc nhƣợc điểm này. Hơn nữa, việc kết hợp với PGK mịn khác nhƣ SF còn có tác dụng cải thiện độ đặc chắc và tăng cƣờng độ của bê tông... [107]. Xét về mặt kinh tế - môi trƣờng, theo thống kê [4], hàng năm ƣớc tính các nhà máy luyện gang, thép trên cả nƣớc thải ra khoảng 1 triệu tấn, trong đó xỉ lò cao chiếm khoảng 400 ngàn tấn và điều này sẽ ảnh hƣởng rất lớn đến môi trƣờng. Việc nghiên cứu sử dụng GBFS với vai trò là PGK nhằm chế tạo BTCLSC sẽ góp phần làm giảm giá thành, giảm ô nhiễm môi trƣờng, đồng thời nâng cao tính chất kỹ thuật của BTCLSC là cần thiết. Bên cạnh đó, bê tông thông thƣờng làm việc tốt ở trạng thái nén, khả năng chịu kéo khi uốn và độ bền dẻo dai thấp. Để giải quyết vấn đề này ngƣời ta đã sử dụng nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ: sử dụng lƣới thép, căng kéo cốt thép dự ứng lực hay bố trí các loại cốt thép đặc biệt tại các vị trí cần thiết,… Tuy nhiên, các hƣớng này hiệu quả chƣa cao, đặc biệt là với các công trình nhƣ nhà siêu cao tầng, cầu nhịp lớn, các kết cấu vỏ mỏng... Một trong những biện pháp đã đƣợc áp dụng hiệu quả trên thế giới đó là sử dụng bê tông cốt sợi chất lƣợng siêu cao nhằm tăng cƣờng độ uốn, tăng chiều dài nhịp, cũng nhƣ khả năng kháng nứt cho kết cấu. Ở Việt Nam, các nghiên cứu sử dụng sợi thép phân tán trong bê tông thƣờng và bê tông chất lƣợng cao đã đƣợc nghiên cứu nhiều, tuy nhiên việc xác định ảnh hƣởng của sợi thép phân tán đến một số tính chất cơ lý của BTCLSC nhƣ: cƣờng độ nén, cƣờng độ -4- uốn, cƣờng độ ép chẻ, mô đun đàn hồi cũng nhƣ nhƣ vai trò của sợi đến khả năng hạn chế nứt chƣa đƣợc nghiên cứu. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trên, việc nghiên cứu sử dụng vật liệu và đặc biệt với PGK sẵn có ở Việt Nam, để chế tạo BTCLSC với các tính chất vƣợt trội nhƣ cƣờng độ nén lớn hơn 150MPa, cƣờng độ uốn lớn hơn 15MPa (khi sử dụng cốt sợi thép phân tán), độ bền lâu lớn là rất cần thiết. 3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu sử dụng tổ hợp phụ gia khoáng GBFS và SF để chế tạo BTCLSC có độ lƣu động lớn, cƣờng độ nén lớn hơn 150MPa, cƣờng độ uốn lớn hơn 15MPa trên cơ sở vật liệu Việt Nam. 4. PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4.1 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:  Hỗn hợp bê tông có độ lƣu động lớn (đƣợc đánh giá thông qua đƣờng kính trung bình của độ chảy loang của hỗn hợp bê tông trong khoảng 200-230 mm).  Sử dụng tổ hợp PGK GBFS và SF.  Cƣờng độ nén của bê tông ≥ 150 MPa  Cƣờng độ uốn khi sử dụng cốt sợi thép phân tán ≥ 15MPa.  Điều kiện dƣỡng hộ: điều kiện tiêu chuẩn (272oC, độ ẩm  95%) và điều kiện nhiệt ẩm (905oC, độ ẩm  95%). 4.2 Nội dung nghiên cứu Từ mục tiêu nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu đặt ra, luận án tập trung thực hiện các nội dung nghiên cứu chủ yếu nhƣ sau:  Nghiên cứu tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTCLSC trên thế giới và ở Việt Nam để xây dựng các vấn đề khoa học cần giải quyết.  Khảo sát và nghiên cứu lựa chọn nguyên vật liệu ở Việt Nam để chế tạo BTCLSC.