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



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

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


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


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


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)

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


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


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


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

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)



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



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

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

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

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

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


 Khảo sát và nghiên cứu lựa chọn nguyên vật liệu ở Việt Nam để chế tạo
BTCLSC.


-5-

 Nghiên cứu thiết kế tối ƣu thành phần hạt cho BTCLSC sử dụng tổ hợp PGK
GBFS và SF.
 Nghiên cứu thiết kế thành phần BTCLSC sử dụng tổ hợp PGK GBFS và SF.
 Nghiên cứu sự tác động tƣơng hỗ giữa GBFS và SF đến độ nhớt và mức độ
thủy hóa của hồ CKD và đá xi măng.
 Nghiên cứu sự tác động tƣơng hỗ giữa GBFS và SF đến tính công tác, cƣờng
độ nén của BTCLSC, từ đó xác định cấp phối và tỷ lệ hợp lý PGK để chế tạo
BTCLSC.
 Nghiên cứu các tính chất của BTCLSC nhƣ cƣờng độ nén, biến dạng co ngót,
thủy hóa và vi cấu trúc với các điều kiện dƣỡng hộ khác nhau.
 Nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thép phân tán đến các tính chất của
BTCLSC nhƣ tính công tác, biến dạng co ngót, khả năng chống nứt, cƣờng độ
uốn, cƣờng độ nén, độ bền dẻo dai, cƣờng độ ép chẻ, mô đun đàn hồi của
BTCLSC.
 Nghiên cứu sự làm việc của tấm mỏng sử dụng BTCLSC.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN

Kết quả nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa khoa học về mặt lý thuyết và thực tiễn, cụ
thể:
Việc sử dụng kết hợp giữa phụ PGK hoạt tính GBFS, SF với PGSD sẽ giảm lƣợng
nƣớc nhào trộn (N/CKD giảm). Đây là yếu tố quan trọng cải thiện tính công tác,
tăng độ đồng nhất của hỗn hợp bê tông và làm tăng độ đặc chắc cho cấu trúc của bê
tông, tăng cƣờng độ, độ bền lâu cho bê tông. Trên cơ sở đó, luận án đánh giá đƣợc
vai trò của PGK và tác động tƣơng hỗ giữa các loại PGK này ở tỷ lệ hợp lý trong

hàm lƣợng GBFS, tỷ lệ Cát/Chất kết dính (C/CKD). Trên cơ sở đó, luận án
chứng minh đƣợc sự ảnh hƣởng tƣơng hỗ giữa PGK GBFS và SF đến các tính
chất của hỗn hợp hồ CKD và BTCLSC nhƣ: tính công tác, mức độ thủy hóa của
xi măng, biến dạng co ngót và cƣờng độ nén.
 Luận án đã xác định đƣợc vai trò của sợi thép phân tán đến các tính chất cơ lý

của BTCLSC sử dụng tổ hợp tối ƣu PGK SF và GBFS nhƣ: cƣờng độ nén, độ
bền dẻo dai, cƣờng độ ép chẻ, mô đun đàn hồi. Đồng thời, luận án đã đánh giá
đƣợc vai trò của sợi thép phân tán đến khả năng chống nứt do biến dạng co ngót
của BTCLSC. Trên cơ sở đó đã xây dựng đƣợc phƣơng trình thực nghiệm thể
hiện mối quan hệ giữa hàm lƣợng sợi thép và ứng suất sinh ra trong bê tông.


-7-

Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO

1.1

GIỚI THIỆU VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO

1.1.1 Khái niệm về bê tông chất lƣợng siêu cao
BTCLSC là loại bê tông đƣợc chế tạo từ hỗn hợp gồm cát quắc, xi măng, SF, nƣớc
và PGSD với tỷ lệ N/CKD rất thấp (thƣờng nhỏ hơn 0,25 tính theo khối lƣợng) [69,
100]); trong đó lƣợng dùng chất kết dính tƣơng đối cao, khoảng 900 - 1000 kg/m3;
lƣợng dùng SF thƣờng là 150-250 kg/m3 (10-30% so với khối lƣợng xi măng) [80].
Sản phẩm tạo thành có cƣờng độ nén lớn hơn 150MPa, có thể đạt đến 250 MPa, có
cƣờng độ uốn lớn (khi sử dụng cốt sợi phân tán) và độ bền lâu cao [20]. Điểm khác
biệt về tính chất của BTCLSC so với bê tông thƣờng và bê tông cƣờng độ cao có
thể thấy ở Bảng 1.1 [47, 53].


2000 - 2800
60 – 100
8
45– 70
10000 (có sợi)

20-25
23

10-15
8

2-6
1

7


thuật ngữ “bê tông” đƣợc sử dụng nhiều hơn và hợp lý hơn khi sử dụng thuật ngữ là
“vữa”, đặc biệt khi sử dụng thêm cốt sợi thì độ bền dẻo dai (flexural toughness) đã
đƣợc cải thiện rõ rệt. Với tính chất kỹ thuật vƣợt trội và nhìn từ góc độ sử dụng
(thay thế bê tông), nên theo tác giả việc dùng thuật ngữ “bê tông” hợp lý hơn.
Việt Nam, đến nay chƣa có khái niệm cụ thể thống nhất về loại bê tông này. Trên cơ
sở các khái niệm và các quan điểm về BTCLSC trên thế giới, tác giả đề xuất sử
dụng khái niệm chung về loại bê tông này: BTCLSC là loại bê tông có độ chảy cao,
cường độ nén rất cao (lớn hơn 150 MPa), với cường độ uốn lớn (đặc biệt khi sử
dụng cốt sợi), độ thấm thấp và độ bền lâu cao.
+ Ưu điểm của BTCLSC
Với đặc thù cấu trúc hạt nhỏ khá đồng nhất và rất đặc chắc, nên BTCLSC có các
tính chất cơ lý vƣợt trội so với bê tông thƣờng và bê tông chất lƣợng cao nhƣ:
cƣờng độ siêu cao (Rn ≥150MPa, Ru ≥15MPa); độ bền dẻo dai cao (gấp 50 lần so
với mẫu đối chứng); chống thấm rất tốt; độ bền lâu cao… Điều này, cho phép khi
thiết kế cùng một khả năng chịu lực, kết cấu có tiết diện nhỏ hơn, nên lƣợng dùng
vật liệu ít hơn, tải trọng bản thân kết cấu giảm hơn. Hiệu quả này của BTCLSC có
thể thấy qua sự so sánh với một số loại bê tông và thép thông thƣờng sử dụng để
chế tạo dầm dự ứng lực, nhƣ minh họa ở Hình 1.1. Vật liệu này dƣờng nhƣ là có
tiềm năng cạnh tranh với vật liệu thép. Các tính chất của BTCLSC có thể đƣợc tối
ƣu khi sử dụng kết hợp với biện pháp dùng cốt thép ứng suất trƣớc, khi đó sẽ phát
huy đƣợc tối đa khả năng chịu uốn của BTCLSC. Việc sử dụng cốt sợi thép phân
tán trong hỗn hợp BTCLSC, trong một số trƣờng hợp, cho phép loại bỏ đƣợc những
thanh cốt thép chịu uốn và chịu cắt. Với các ƣu điểm đã đƣợc phân tích ở trên,
BTCLSC có khả năng ứng dụng có hiệu quả cho các kết cấu trong công trình. Đặc
biệt có hiệu quả khi sử dụng cho kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọng cao, hay các tác
động bất thƣờng của ngoại lực cao nhƣ: động đất, thiên tai, khủng bố... BTCLSC
cũng phát huy hiệu quả tốt, khi sử dụng cho các công trình chịu tác động xâm thực
mạnh nhƣ: công trình biển, thủy công, hóa chất, hay bể chôn phế thải hạt nhân…



110

466

528

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]

Hình 1.2 So sánh chi phí tổng thể khi sử dụng BTT và BTCLSC [50]
+ Nhược điểm của BTCLSC
Theo các phân tích của Semioli [94], nhƣợc điểm lớn nhất của BTCLSC là chi phí
đầu tƣ ban đầu cao. Đồng thời BTCLSC còn tƣơng đối mới với ngành công nghiệp
xây dựng với các tiêu chuẩn thiết kế, tính toán, tài liệu hƣớng dẫn sử dụng chƣa
đƣợc thống nhất. Do vậy cho đến nay, ứng dụng về loại vật liệu này vẫn còn hạn
chế, chủ yếu là các dự án thử nghiệm. Việc thiết kế kết cấu sử dụng BTCLSC vẫn
chƣa đƣợc tối ƣu và hiệu quả, kết quả là các chi phí ban đầu vẫn cao hơn so với bê


-10-

tông thƣờng. Các nhà sản xuất hi vọng rằng, khi BTCLSC đƣợc nghiên cứu ứng
dụng rộng rãi, trở nên phổ biến hơn trong thực tế, sẽ làm giảm chi phí sử dụng khi
tính toán tổng thể có đến vòng đời và tuổi thọ công trình (Hình 1.2). Trong khi
BTCLSC có cƣờng độ nén, cƣờng độ uốn và độ bền dẻo dai rất cao, cho phép giảm
tối đa kích thƣớc của kết cấu, thì việc thiết kế kết cấu sử dụng BTCLSC vẫn phải
đảm bảo các yêu cầu tối thiểu về chiều dày, kích thƣớc của kết cấu để vẫn đảm bảo
đƣợc các yêu cầu về khả năng chống va đập, độ biến dạng... Điều đó sẽ khắc phục
đƣợc hạn chế về chi phí đầu tƣ ban đầu của BTCLSC.
Bên cạnh đó, một trong những khó khăn khác khi sử dụng BTCLSC là yêu cầu rất

BTCLSC [56, 71], tuy nhiên khi đó yêu cầu rất lớn về đặc tính của cốt liệu nhƣ
hình dạng hạt, có cƣờng độ của cốt liệu...
- Phụ gia siêu dẻo: Trong BTCLSC có lƣợng dùng CKD rất lớn và tỷ lệ N/CKD
rất thấp, mà hỗn hợp BTCLSC đòi hỏi độ chảy cao. Do đó, phụ gia siêu dẻo với
lƣợng dùng rất lớn đƣợc sử dụng trong chế tạo BTCLSC. Tuy vậy, lƣợng PGSD
dùng không nên sử dụng quá lớn do có thể ảnh hƣởng đến tính công tác và thời
gian đông kết của bê tông. Hiện nay, loại PGSD thế hệ mới chẳng hạn loại
polycarboxylate Ether đang đƣợc sử dụng phổ biến để nâng cao hiệu quả giảm
nƣớc đồng thời vẫn đảm bảo đƣợc độ chảy của HHBT.
- Phụ gia khoáng: Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về PGK sử
dụng trong bê tông, các PGK hoạt tính mịn có thể giúp cải thiện chất lƣợng của
bê tông nhờ các hiệu ứng vật lý nhƣ: nâng cao độ đặc chắc, cải thiện tính công
tác của hỗn hợp bê tông…, hoặc các hiệu ứng hóa học thông qua các phản ứng
puzơlanic giữa PGK và sản phẩm thủy hóa của xi măng. Bên cạnh đó, việc sử
dụng đồng thời PGK và PGSD có thể giảm tỷ lệ N/CKD xuống rất thấp. Kết quả
là tạo ra sản phẩm có cấu trúc đặc chắc cao, độ rỗng rất nhỏ, tính chất cơ lý rất
cao. Việc thay thế một phần xi măng bằng PGK hoạt tính sẽ đem lại hiệu quả cao
về kinh tế, kỹ thuật và môi trƣờng. Thông thƣờng PGK hoạt tính đƣợc lựa chọn
bao gồm: Silica fume (SF), tro bay (FA), xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (GBFS),
tro trấu (RHA), Mêta cao lanh (MK)... Ảnh hƣởng của PGK đối với các tính chất
của bê tông đƣợc xét đến nhƣ sau:
Silica fume: đây là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất silic hoặc hợp kim
ferosilic đƣợc ngƣng tụ từ khói thải nên chứa các hạt ôxit silic có kích thƣớc rất
nhỏ, cỡ micromet, hàm lƣợng SiO2 trên 85%. SF là các hạt hình cầu có đƣờng
kính cỡ hạt từ 0,03-0,3 m, nhỏ hơn đƣờng kính trung bình của hạt xi măng
khoảng 100 lần. Thực tế thấy rằng, SF là thành phần rất quan trọng trong BTCLC
và BTCLSC. Ảnh hƣởng có lợi của silica fume đối với các tính chất của
BTCLSC đƣợc tạo nên bởi ba hiệu ứng chính [19, 93]: điền đầy vào khoảng
trống giữa các hạt có kích thƣớc lớn hơn để tăng độ lèn chặt cho hỗn hợp hạt,
đóng vai trò của các chất bôi trơn để cải thiện tính công tác cho hỗn hợp vữa và