phân tích một số cơ sở lý thuyết để nâng cao
cờng độ chịu nén của bê tông chất lợng cao

NCS. mai đình lộc
PGS. TS. phạm duy hữu

Bộ môn Vật liệu xây dựng
Khoa Công trình - Trờng Đại học GTVT

Tóm tắt: Bi báo trình by các phân tích, lập luận v một số kết quả thí nghiệm kiểm
chứng qua đó xác định các cơ sở lý thuyết để nâng cao cờng độ chịu nén của bê tông chất
lợng cao. Các cơ sở lý thuyết đợc tóm tắt nh sau: cải thiện cờng độ vùng chuyển tiếp; cải
thiện cờng độ đá xi măng; sử dụng cốt liệu có chất lợng tốt.
Summary: This paper analyzes some theoretical foundations to explain how to increase
compressive strength - the most important property of high performance concrete. Some
results of confirmative tests are also presented. The theoretical foundations are improving the
strength of the transition, improving the strength of hydrated cement paste and using strong
aggregates.

i. mở đầu
Cho đến nay, các tiến bộ trong lĩnh vực bê tông chất lợng cao là thành quả của các
nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với các nghiên cứu lý thuyết. Cũng giống nh các vấn đề khác
trong công nghệ bê tông, các kết quả thực nghiệm sẽ đòi hỏi có các nghiên cứu khoa học đầy
đủ hơn để làm sáng tỏ về mặt lý thuyết và ngợc lại, các nghiên cứu lý thuyết cũng đòi hỏi có
các nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng.
Hiện nay, đã có thể giải thích một cách tốt hơn các tính chất của bê tông chất lợng cao
trên cơ sở các nguyên tắc khoa học, cho dù vẫn còn khá nhiều khía cạnh của bê tông chất
lợng cao cha thể giải thích một cách đầy đủ và chi tiết. Tuy việc lựa chọn vật liệu và xác định
thành phần bê tông chất lợng cao không còn hoàn toàn theo chủ nghĩa kinh nghiệm, nhng
trong thực tế quá trình thực hiện các công việc trên vẫn đợc hớng dẫn bởi nhiều kết quả của

Trên cơ sở các phân tích về cấu trúc của bê tông tìm ra các quy luật chi phối chất lợng bê
tông (trớc hết là cờng độ). Các quy luật này đợc đề nghị trên cơ sở các nghiên cứu lý thuyết
và đã đợc kiểm chứng qua thực nghiệm. Các cơ sở lý thuyết để nâng cao cờng độ của bê
tông bao gồm:
2.1. Cải thiện cờng độ vùng chuyển tiếp
Cờng độ vùng chuyển tiếp phụ thuộc vào tỷ lệ N/CDK. Khi tỷ lệ N/CDK vào khoảng
0.4 - 0.7 (bê tông thờng), các kết quả thực nghiệm đã cho thấy rằng cờng độ chịu nén của bê
tông thờng thấp hơn cờng độ chịu nén đợc dự đoán bởi các quan hệ cờng độ - độ rỗng của
hồ hoặc vữa xi măng có cùng tỷ lệ N/CDK. Để giải thích sự ứng xử bất thờng này thì sự hình
thành vùng chuyển tiếp trong cấu trúc của bê tông đã đợc viện dẫn nh là một lý do chủ yếu.
Trong quá trình nhào trộn và đầm chặt, các hạt cốt liệu thô, tuỳ theo kích thớc, hình dạng và
đặc trng bề mặt của chúng, sẽ làm giảm sự phân bố đồng nhất của nớc trong bê tông tơi.
Do hiệu ứng thành cục bộ của các hạt cốt liệu lớn, nớc có xu hớng tách ra và tích luỹ trên bề
mặt của các hạt cốt liệu lớn [1]. Kết quả là tỷ lệ N/CDK ở vùng gần với các hạt cốt liệu cao hơn
so với phần còn lại của đá xi măng, do đó cấu trúc của vùng chuyển tiếp đợc đặc trng bởi sự
có mặt của các lỗ rỗng lớn và các tinh thể lớn của các sản phẩm thuỷ hoá. Hiện tợng này là

nguyên nhân gây ra sự không đồng nhất về mặt cấu trúc của vùng chuyển tiếp - yếu tố có ảnh
hởng hết sức quan trọng đến cờng độ bê tông.
Sự khác nhau về cấu trúc của vùng chuyển tiếp so với phần đá xi măng xung quanh đóng
vai trò rất quan trọng trong việc xác định cờng độ của bê tông theo lý thuyết phá huỷ dây xích.
Trong bê tông thờng, kích thớc vùng chuyển tiếp vào khoảng 0.05 đến 0.1mm, chứa các lỗ
rỗng tơng đối lớn và các tinh thể lớn của các sản phẩm thuỷ hoá, do đó theo lý thuyết khi bê
tông chịu tác dụng của ngoại lực các vết nứt đầu tiên sẽ hình thành và phát triển tại vùng chuyển
tiếp. Trong bê tông thờng, do tỷ lệ N/CDK khá lớn, các ứng suất kéo phát sinh do biến dạng co
ngót khô và co ngót nhiệt là đủ lớn để tạo ra các vết vi nứt ở vùng chuyển tiếp ngay cả khi bê
tông cha chịu lực. Sự phá huỷ bê tông khi chịu lực xẩy ra do sự lan truyền và hợp nhất các vết
nứt trong vùng chuyển tiếp và trong bê tông [3].
Có thể nói rằng, khi tỷ lệ N/CDK trong khoảng từ 0.5 - 0.7, do có cấu trúc vi mô yếu, vùng
chuyển tiếp đã trở thành yếu tố làm cho bê tông không còn ứng xử nh một vật liệu com - po - zít


Phân tích kết quả thí nghiệm: Khi thay thế một phần xi măng bằng bột hoạt tính cờng độ
chịu nén của bê tông tăng từ 11 đến 28%, tuy mức độ tăng không lớn nhng có thể thấy rằng sự
tăng cờng độ này là do vùng chuyển tiếp đã đợc cải thiện, bởi vì, về mặt lý thuyết, nếu có
cùng tỷ lệ N/CDK thì cờng độ đá xi măng trong bê tông có sử dụng bột hoạt tính không thể cao
hơn so với bê tông thờng (do lợng dùng nớc nh nhau và hoạt tính của chất bột không bằng
hoạt tính của xi măng nên lợng nớc thừa sẽ tăng lên dẫn đến độ rỗng của đá xi măng cũng
tăng lên). Kết quả thí nghiệm cũng chứng tỏ rằng, với lợng nớc không đổi, khi lợng bột hoạt
tính thay thế > 10% thì việc tăng hàm lợng bột hoạt tính đã làm giảm cờng độ bê tông, có thể
hiểu rằng lúc này hiệu quả cải thiện cờng độ vùng chuyển tiếp của bột hoạt tính không còn
đợc phát huy mà ngợc lại việc tăng hàm lợng bột hoạt tính đã làm giảm cờng độ đá xi
măng. Sẽ rõ ràng hơn nếu có điều kiện quan sát sự thay đổi cấu trúc vùng chuyển tiếp bằng
kính hiển vi có độ phóng đại lớn.
Mức độ ảnh hởng của bột hoạt tính sẽ tăng lên khi kết hợp với việc sử dụng phụ gia hoá
dẻo để giảm lợng nớc trong bê tông và có công nghệ nhào trộn bê tông thích hợp, khi đó
lợng dùng có hiệu quả của bột hoạt tính có thể lớn hơn. Với bê tông sử dụng phụ gia siêu dẻo,
tỷ lệ N/CDK bằng 0.23 - 0.39 và sử dụng công nghệ nhào trộn thông thờng lợng dùng hiệu
quả của bột hoạt tính là 10 - 15%, con số này với bê tông sử dụng phụ gia siêu dẻo, có tỷ lệ
N/CDK nhỏ hơn 0.23 và sử dụng quy trình công nghệ nhào trộn đặc biệt (bê tông có cờng độ
siêu cao) có thể lên tới 30% [4].
2.2. Cải thiện cờng độ đá xi măng
ở mức độ đơn giản nhất, đá xi măng rắn chắc có thể coi nh một vật liệu kết tinh đơn pha
và do đó các nguyên tắc cơ bản trong ứng xử của vật liệu dòn, chẳng hạn nh gốm, có thể đợc
sử dụng một cách khá hiệu quả để xác định quan hệ cấu trúc - tính chất của bê tông thờng [4].
Điều này càng đúng cho bê tông chất lợng cao vì bê tông chất lợng cao có cấu trúc vi mô gần
với gốm hơn là bê tông thờng.
Hiện nay cha có những nghiên cứu đặc biệt về lý thuyết để xác định ảnh hởng của vi cấu
trúc đến cờng độ chịu nén của vật liệu rỗng. Tuy nhiên, từ các kết quả nghiên cứu thực
nghiệm, nhiều nhà khoa học đã cho rằng quan hệ giữa cờng độ chịu nén với hệ số rỗng của
vật liệu rỗng có thể đợc biểu diễn theo công thức sau [4] :

cuốn vào khi nhào trộn. Nói cách khác cờng độ đá xi măng phụ thuộc vào lợng dùng nớc, xi
măng và lợng khí cuốn vào khi nhào trộn. Quan hệ này đã đợc Féret đa ra từ năm 1892 [1]
công thức này đã cho thấy rằng để tăng cờng độ đá xi măng thì cần phải giảm tỷ lệ N/XM. Nh
vậy, để tăng cờng độ của đá xi măng (và của bê tông xi măng) cần phải giảm tối đa độ rỗng
của đá xi măng tức là phải giảm đến mức thấp nhất có thể lợng khí cuốn vào khi nhào trộn và
tỷ lệ N/XM nhng vẫn phải đảm bảo tính công tác tốt của hỗn hợp bê tông tơi. Chính vì lý do
này mà việc sử dụng các loại phụ gia hoá dẻo để chế tạo bê tông chất lợng cao trở thành một
yêu cầu có tính bắt buộc.
Giảm kích thớc các hạt cấu trúc trong đá xi măng: Việc giảm tỷ lệ N/CDK làm cho các sản
phầm tạo ra do quá trình thuỷ hoá có cấu trúc hạt mịn. Các sản phẩm C - S - H đặc sít và có
cấu trúc tơng tự nh thuỷ tinh có độ đặc cao. Khi tỷ lệ N/XM rất thấp đá xi măng không còn
chứa các khối tinh thể dạng tấm sáu cạnh của thạch cao, các tinh thể hình kim dài của ettringite
hay các sợi mảnh dài của C - S - H nh của bê tông thờng.
Giảm sự không đồng nhất trong cấu trúc của đá xi măng: Các túi khí nhỏ bị cuốn vào trong
quá trình nhào trộn là nguyên nhân đầu tiên tạo nên sự không đồng nhất trong cấu trúc của đá
xi măng và điều này cần phải đợc hạn chế đến mức thấp nhất trong bê tông cờng độ cao. Tuy
nhiên cũng cần phải chú ý rằng một hàm lợng khí vào khoảng 2 - 3% là rất có lợi cho công tác
đổ khuôn và hoàn thiện bê tông.
Xu hớng kết tụ, vón cục một cách tự nhiên của các xi măng khi nhào trộn với nớc cũng là
một nguyên nhân gây nên sự không đồng nhất trong cấu trúc bê tông và cần phải đợc xử lý
nhằm tăng khả năng khuyếch tán của các hạt xi măng. Vì vậy, việc sử dụng các loại phụ gia
siêu dẻo để tăng độ khuyếch tán của các hạt xi măng là hết sức cần thiết [5].
Nh vậy để cải thiện cờng độ đá xi măng trong bê tông, theo hớng giảm độ rỗng đá xi
măng, có thể thực hiện bằng cách: sử dụng phụ gia hoá dẻo để giảm tỷ lệ N/CDK và sử dụng
chất độn siêu mịn để lấp đầy các lỗ rỗng trong đá xi măng.

Kết quả thí nghiệm tại Trờng Đại học GTVT vào tháng 4 năm 2004 đã cho thấy việc sử
dụng đồng thời phụ gia siêu dẻo và bột hoạt tính đã nâng cao đáng kể cờng độ chịu nén của
bê tông (Bảng 2).
Bảng 2. Kết quả thí nghiệm cờng độ bê tông sử dụng phụ gia siêu dẻo v muội si líc

sử dụng đá dăm có Dmax nhỏ là rất cần thiết. Với bê tông có cờng độ yêu cầu Ryc > 80MPa
thì cần sử dụng đá dăm có Dmax 12,5mm.
III. Kết luận

Qua các phân tích trên có thể kết luận các yếu tố cơ bản cần quan tâm để nâng cao cờng
độ của bê tông chất lợng cao là:
1. Sử dụng tỷ lệ N/CDK thấp (dới 0.35).
2. Sử dụng xi măng có hoạt tính cao.
3. Sử dụng chất độn vô cơ hoạt tính siêu mịn và các chất dính kết phụ thêm.
4. Sử dụng phụ gia giảm nớc mức độ cao (phụ gia siêu dẻo).
5. Sử dụng cốt liệu sạch từ các loại đá gốc có cờng độ cao.
6. Giảm Dmax của cốt liệu lớn và tối u hoá thành phần hạt của hỗn hợp cốt liệu.
Trong các yếu tố trên, các yếu tố 1, 3, 4 và 5 đã và đang đợc quan tâm nghiên cứu ở Việt
Nam. Các yếu tố 2 và 6 cha đợc quan tâm nhiều và do đó cha có các kết quả mong muốn
và cần đợc nghiên cứu tiếp tục. Tuy nhiên, công nghệ thi công cũng là một yếu tố có ảnh
hởng rất lớn đến chất lợng bê tông. Vấn đề này cần đợc tiếp tục nghiên cứu để có thể xây
dựng một công nghệ thi công phù hợp nhất cho bê tông chất lợng cao, đặc biệt là trong điều
kiện thi công trong môi trờng nhiệt ẩm nh ở Việt nam.
Tài liệu tham khảo
[1]. E G Nawy Fundamentals of High Performance Concrete Second Edition. John Wiley & Sons, Inc., 2001.
[2]. Ultra High Performance Concrete - Proceedings of International on Ultra High Performance Concrete
Kassel. Germany September 13 -15, 2004.
[3]. A M Neville Properties of Concrete John Wiley & Son, Inc.,1998.
[4]. P C Aitcin High-performance Concrete E & FN Spon. 1998.
[5]. Viện sỹ GS. TSKH. IU.M.Bazenov, PGS. TS. Bạch Đình Thiên, TS. Trần Ngọc Tính. "Công nghệ bê
tông" NXB Xây dựng, Hà nội, 2004