Một số kết quả Nghiên cứu thực nghiệm về cờng độ Của bê tông tính năng cao có cờng độ chịu nén mẫu trụ 110 MPa ĐƯợC CHế TạO Từ vật liệu ở miền Bắc Việt nam Ks. Mai Đình lộc GS. TS. Phạm Duy Hữu Trờng Đại Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bi báo trình by một số kết quả thí nghiệm xác định các hm quan hệ giữa các trị số cờng độ của bê tông với một số yếu tố cơ bản l tỷ lệ nớc/chất dính kết, tỷ lệ muội silíc/xi măng v tuổi của bê tông đã đợc thực hiện tại Trờng Đại học Giao thông Vận tải trong khuôn khổ của các nghiên cứu thực nghiệm về các trị số cờng độ của bê tông tính năng cao có cờng độ chịu nén mẫu trụ đến 110 MPa. Bi báo cũng góp phần xác định khả năng chế tạo bê tông tính năng cao với các vật liệu sẵn có ở miền Bắc Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, các hm quan hệ l phù hợp với lý thuyết chung về bê tông v có thể áp dụng đợc cho việc tính toán thnh phần bê tông tính năng cao. Các kết quả ny cũng chỉ ra rằng, với các vật liệu nh đá dăm, cát, xi măng, phụ gia hoạt tính, phụ gia siêu dẻo hiện có, nếu đợc lựa chọn đúng đắn v có công nghệ nho trộn thích hợp, việc chế tạo bê tông có cờng độ chịu nén mẫu trụ đạt 110 MPa l khả thi. Summary: The paper presents the relation functions between the strength of concrete and some basic parameters, such as the water-cementitious materials ratio, silica fume-cement ratio and age of cement as a part of the results from an experimental research on strength of high-performance concrete with compressive strength of cylindrical specimens up to 110 MPa carried out at the University of Transport and Communications. The paper also makes a contribution to determining the feasibility of high-performance concrete production using materials available in North Vietnam. The results of the experiments show that above-mentioned relation functions are in accordance with the concrete theory and can be used to determine the mixing proportion for high-performance concrete. Another conclusion is that it is feasible to use common materials available in North Vietnam such as aggregates, cements, superplasticizers and supplementary cementing materials, when properly selected and mixed, to produce concrete with compressive strength of cylindrical specimens up to 110 MPa. CT 2 i. Đặt vấn đề Hiện nay trên thế giới bê tông tính năng cao đã dợc nghiên cứu và sử dụng trong xây dựng nhà cao tầng, công trình giao thông và các công trình biển. ở Mỹ bê tông có cờng độ chịu nén đến 112 MPa đã đợc sử dụng có hiệu quả trong xây dựng. ở một số nớc và vùng lãnh thổ khác nh Anh, Canađa, Na uy, Thụy Điển, Pháp, ý, Nhật Bản, Hồng Công và Hàn Quốc các loại bê tông có cờng độ cao (fc đến 83 MPa) đang đợc nghiên cứu và áp dụng trong thực tế [2]. ở Việt Nam, trong khoảng 5 năm gần đây, các nghiên cứu về bê tông cờng độ cao đã đợc triển khai trong các phòng thí nghiệm ở Trờng Đại học Giao thông Vận tải, Viện Khoa học và Công nghệ xây dựng, Trờng Đại học Xây dựng Hà Nội, Viện Khoa học vật liệu v.v Các kết quả nghiên cứu có đợc trong phòng thí nghiệm cho thấy đã có thể sản xuất bê tông cờng độ cao với điều kiện vật liệu và công nghệ hiện có ở Việt Nam. Việc ứng dụng bê tông cờng độ cao để xây dựng công trình ở Việt Nam còn rất hạn chế, mới chỉ có một số công trình nhà cao tầng (khu đô thị Trung Hòa) và công trình cầu lớn (cầu Kiền, cầu Bãi Cháy v.v ) có sử dụng bê tông với cờng độ chịu nén đến 60 MPa. Việc nghiên cứu một cách đầy đủ bê tông có cờng độ chịu nén đến 110 MPa nhằm khuyến khích việc áp dụng rộng rãi hơn bê tông tính năng cao, để nâng cao khả năng chịu lực, độ bền lâu và tuổi thọ của các công trình xây dựng là rất cần thiết. Trong những năm gần đây, nhóm nghiên cứu tại Trờng Đại học Giao thông Vận tải đang tập trung nghiên cứu các vấn đề về cờng độ, biến dạng và độ bền của của bê tông có cờng độ chịu nén mẫu trụ đến 110 MPa, sử dụng các loại vật liệu ở Miền Bắc. Mục đích nghiên cứu là tìm ra những quy luật chung có đủ độ tin cậy, phục vụ cho việc thiết kế thành phần và chế tạo bê tông, thiết kế, thi công và quản lý chất lợng các công trình có sử dụng các loại bê tông này. Nội dung bài báo chỉ trình bày một số kết quả nghiên cứu về cờng độ trong đề tài nghiên cứu nói trên. II. Nội dung Trên cơ sở các nghiên cứu lý thuyết và các thí nghiệm kiểm chứng về các nguyên tắc chế tạo bê tông tính năng cao, nhằm nâng cao cờng độ nén của bê tông mà vẫn đảm bảo đợc các tính chất cơ bản khác của bê tông và của hỗn hợp bê tông mà chúng tôi đã trình bày trong một bài báo gần đây [3], các nguyên tắc đó có thể đợc tóm tắt nh sau: giảm thiểu độ rỗng trong cấu trúc (vi mô và vĩ mô) của bê tông; nâng cao cờng độ đá xi măng và vùng chuyển tiếp bằng cách sử dụng tỷ lệ N/CDK thấp, sử dụng phụ gia khoáng siêu mịn, sử dụng phụ gia siêu dẻo thế hệ mới; giảm tỷ lệ nền/cốt trong cấu trúc bê tông nhằm giảm thiểu lợng dùng xi măng và do đó giảm thiểu giá thành, co ngót và từ biến của bê tông; lựa chọn cốt liệu có chất lợng tốt và giảm D max của cốt liệu. CT 2 Các nghiên cứu thực nghiệm với quy mô lớn hơn nhằm kiểm tra và nghiên cứu chi tiết hơn về các tính chất của bê tông tính năng cao đã đợc thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Vật liệu Xây dựng và Phòng Thí nghiệm Công trình (VILAS 047) của Trờng Đại học Giao thông Vận tải. 2.1. Lựa chọn vật liệu Vật liệu chế tạo bê tông tính năng cao đã đợc nhiều tác giả phân tích và trình bày trong các tài liệu [1, 2, 4, 6, 7]. Trên cơ sở các yêu cầu vật liệu đã đợc khuyến cáo và căn cứ vào kết quả khảo sát thực tế nguồn vật liệu hiện có ở miền Bắc Việt Nam chúng tôi đã chọn các loại vật liệu sau để tiến hành thí nghiệm chế tạo bê tông: Xi măng Bút Sơn PC40 Lô 4A04 . Cát vàng Việt Trì, Mk = 3,2. Đá dăm mỏ Hòa Thạch (Hà Tây), đá granit R n = 130 MPa. D max = 12,5 mm và D max = 9,5 mm. Nớc sinh hoạt. Phụ gia hoạt tính: Sikacrete PP1 (SIKA Việt Nam). Phụ gia siêu dẻo: Viscocrete 3400 (SIKA Việt Nam). 2.2. Kế hoạch thí nghiệm Với mục đích khảo sát sự thay đổi các trị số cờng độ của bê tông theo các yếu tố ảnh hởng, qua phân tích mức độ ảnh hởng của các yếu tố, ba yếu tố sau đây đã đợc chọn để khảo sát: Tỷ lệ Nớc/chất dính kết (N/CDK) Tỷ lệ Muội si líc/ Xi măng (MS/XM) Tuổi của bê tông (T) Để lập kế hoạch thí nghiệm và xử lý số liệu, phơng pháp thực nghiệm theo quy hoạch (thực nghiệm chủ động) đã đợc sử dụng. Phạm vi biến thiên, mức cơ sở (mức cơ bản), khoảng biến thiên và ký hiệu biến mã của các biến khảo sát nh sau: Biến thực Phạm vi biến thiên Mức cơ sở Khoảng biến thiên Biến mã hóa N/CDK từ 0,22 đến 0,3 0,26 0,04 X 1 MS/XM từ 0,08 đến 0,14 0,11 0,03 X 2 Lg(T) từ 0,477 đến 1,447 1,0 0,477 X 3 Ghi chú: Lg(T) biến xét đến tuổi của bê tông thí nghiệm, với T = 3, 10, 28 ngy. Sử dụng thiết kế xấp xỉ bậc 2 - thiết kế hợp tử tại tâm quay đợc với 3 biến, ta có ma trận quy hoạch thực nghiệm trình bày trên bảng 1. CT 2 Dạng tổng quát của phơng trình hồi quy cần tìm là: y o = b o + b 1 X 1 + b 2 X 2 + b 3 X 3 + b 12 X 1 X 2 + b 13 X 1 X 3 + b 23 X 2 X 3 + b 11 X 1 2 + b 22 X 2 2 + b 33 X 3 2 Trên cơ sở ma trận quy hoạch thực nghiệm và phơng pháp lựa chọn thành phần bê tông theo hớng dẫn của ACI 363 [7], thành phần bê tông thí nghiệm đợc xác định và trình bày trên bảng 2. Bảng 1. Ma trận quy hoạch thực nghiệm-thiết kế hợp tử tại tâm quay đợc cho ba biến Giá trị biến mã hóa Giá trị biến thực Thí nghiệm X 1 X 2 X 3 N/CDK MS/XM Lg(T) 1 1 1 1 0,3 0,14 1,43 2 1 1 -1 0,3 0,14 0,47 3 1 -1 1 0,3 0,08 1,43 4 -1 1 1 0,22 0,14 1,43 5 1 -1 -1 0,3 0,08 0,47 6 -1 1 -1 0,22 0,14 0,47 7 -1 -1 1 0,22 0,08 1,43 8 -1 -1 -1 0,22 0,08 0,47 9 1,682 0 0 0,33 0,11 0,95 10 0 1,682 0 0,26 0,16 0,95 11 0 0 1,682 0,26 0,11 1,78 12 -1,682 0 0 0,19 0,11 0,95 13 0 -1,682 0 0,26 0,06 0,95 14 0 0 -1,682 0,26 0,11 0,12 15 0 0 0 0,26 0,11 0,95 B¶ng 2. Thμnh phÇn bª t«ng thÝ nghiÖm theo quy ho¹ch Sè Tû lÖ Tû lÖ Ngµy Thµnh phÇn bª t«ng (tÝnh cho 1 m 3 ) TN N/DK MS/X TN §¸ C¸t CDK XM Muéi N−íc P.gia KLBT (kg) (kg) (kg) (kg) (kg) (lÝt) (lÝt) (kg) 1 0,30 0,14 28 1070 737 467 409 57 140 4,094 2,418 2 0,30 0,14 3 1070 737 467 409 57 140 4,094 2,418 3 0,30 0,08 28 1070 744 467 432 35 140 4,321 2,425 4 0,22 0,14 28 1070 646 591 518 73 130 7,775 2,445 5 0,30 0,08 3 1070 744 467 432 35 140 4,321 2,425 6 0,22 0,14 3 1070 646 591 518 73 130 7,775 2,445 7 0,22 0,08 28 1070 655 591 547 44 130 8,207 2,454 8 0,22 0,08 3 1070 655 591 547 44 130 8,207 2,454 9 0,33 0,11 10 1070 751 440 397 44 145 3,968 2,410 10 0,26 0,16 10 1070 698 519 447 72 135 5,363 2,428 11 0,26 0,11 56 1070 705 519 468 51 135 5,613 2,435 12 0,19 0,11 10 1070 606 655 590 65 125 8,853 2,465 13 0,26 0,06 10 1070 712 519 491 29 135 5,889 2,442 14 0,26 0,11 3 1070 705 519 468 51 135 5,613 2,435 15 0,26 0,11 10 1070 705 519 468 51 135 5,613 2,435 CT 2 2.3. Thí nghiệm Với thành phần bê tông đã xác định, tiến hành nhào trộn hỗn hợp bê tông bằng máy trộn bê tông loại cỡng bức có dung tích thùng trộn 180 lít. Trên cơ sở tham khảo một số tài liệu liên quan [1, 6, 7] và tiến hành các mẻ trộn thí nghiệm đã xác định đợc quy trình nhào trộn hỗn hợp bê tông, kết quả trình bày trong bảng 3. Đúc mẫu, bảo dỡng và thí nghiệm theo kế hoạch, áp dụng các tiêu chuẩn thí nghiệm nh đợc trình bày trong bảng 4. Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu kỹ thuật đợc trình bày trong bảng 5. Bảng 3. Quy trình nho trộn hỗn hợp bê tông Thứ tự Vật liệu và liều lợng Thời gian trộn Ghi chú 1 Cát + xi măng 30 giây 2 Muội si líc 30 giây 3 Đá dăm 1 phút 4 1/3 nớc 1 phút 30 giây 5 2/3 nớc + phụ gia hóa dẻo 2 phút 30 giây Có thể thay đổi Tổng thời gian trộn 6 phút Bảng 4. Các tiêu chuẩn thí nghiệm đã áp dụng CT 2 Thứ tự Chỉ tiêu xác định Tiêu chuẩn thí nghiệm 1 Đúc mẫu và bảo dỡng ASTM C192/C192M-02 2 Độ sụt của hỗn hợp bê tông tơi ASTM C143/C143M-00 3 Cờng độ chịu nén ASTM C39/C39M-01 4 Cờng độ ép chẻ ASTM C496-96 5 Mô đun đàn hồi tĩnh ASTM C469-02 6 Cờng độ kéo uốn ASTM C78-02 Bảng 5. Kết quả thí nghiệm theo quy hoạch SN Rn Ru Rkb TN X1 X2 X3 (cm) (MPa) (MPa) (MPa) Rn/Ru Rn/Rkb Ru/Rkb 1 0,30 0,14 1,43 14 83,42 12,48 5,97 6,68 13,97 2,09 2 0,30 0,14 0,47 14 67,75 8,76 5,01 7,73 13,51 1,75 3 0,30 0,08 1,43 16 85,77 10,52 7,03 8,16 12,20 1,50 4 0,22 0,14 1,43 10 99,27 15,71 6,45 6,32 15,39 2,44 5 0,30 0,08 0,47 16 73,22 8,36 5,19 8,76 14,12 1,61 6 0,22 0,14 0,47 10 86,62 10,75 5,80 8,06 14,94 1,85 7 0,22 0,08 1,43 12 98,51 15,23 7,13 6,47 13,82 2,14 8 0,22 0,08 0,47 12 71,34 10,94 6,70 6,52 10,65 1,63 9 0,33 0,11 0,95 18 72,85 7,74 6,25 9,41 11,66 1,24 10 0,26 0,16 0,95 15 78,32 10,78 6,78 7,27 11,55 1,59 11 0,26 0,11 1,76 15 103,04 14,87 6,69 6,93 15,40 2,22 12 0,19 0,11 0,95 8 94,36 11,37 7,00 8,30 13,49 1,63 13 0,26 0,06 0,95 15 73,60 10,46 6,97 7,04 10,57 1,50 14 0,26 0,11 0,12 15 75,30 10,62 5,73 7,09 13,13 1,85 15 0,26 0,11 0,95 15 84,17 11,04 6,72 7,62 12,52 1,64 2.4. Xử lý kết quả thí nghiệm Trên cơ sở kết quả thí nghiệm, việc xác định hàm hồi quy (mô hình toán học) của các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông đợc tiến hành theo các bớc sau: - Kiểm tra sự phù hợp của các kết quả thí nghiệm (kiểm tra sự đồng nhất của phơng sai các kết quả thí nghiệm) theo tiêu chuẩn Kochran. - Tính toán xác định các hệ số của phơng trình hồi quy và kiểm tra sự tồn tại của các hệ số theo tiêu chuẩn Student. - Kiểm tra sự phù hợp của hàm hồi quy theo tiêu chuẩn Fisher. CT 2 Kết quả tính toán, xử lý đã cho các hàm hồi quy thực nghiệm nh sau: Hàm cờng độ nén mẫu trụ: * Dạng biến mã: Y 1 = 84,11 - 6,99 X 1 + 5,87 X 3 (1a) * Dạng biến thực: R n = 117,9 - 174,8 (N/CDK) + 12,5 lg(T) (1b) Hàm cờng độ kéo uốn: * Dạng biến mã: Y 2 = 11,03 - 1,344 X 1 + 1,607 X 3 + 0,689(X 3 ) 2 (2a) * Dạng biến thực: R u = 19,55 - 33,6(N/CDK) - 2,33 lg(T) + 3 (lg(T)) 2 (2b) Hàm cờng độ kéo bửa: * Dạng biến mã: Y 3 = 6.72 - 0.298 X 1 - 0.224 X 2 + 0.396 X 3 (3a) * Dạng biến thực: R kb = 8,7 - 7,45(N/CDK) - 7,47(M/XM) + 0,825 lg(T) (3b) 2.5. Phân tích kết quả Phân tích kết quả thu đợc ở bảng 5 và các hàm hồi quy cho phép rút ra các nhận xét sau: Trong phạm vi biến đổi của các biến đã lựa chọn, các loại bê tông với cờng độ chịu nén mẫu trụ đạt từ 73 MPa đến 101 MPa có cờng độ kéo uốn đạt từ 7,74 MPa đến 15,71 MPa và cờng độ kéo bửa đạt từ 5,01 MPa đến 7,03 MPa. Các trị số này đều cao hơn khoảng 3 lần so với các trị số tơng ứng của bê tông thờng. Mức độ biến đổi của cờng độ chịu nén lớn hơn nhiều so với mức độ biến đổi của cờng độ kéo uốn và cờng độ kéo bửa, hay nói cách khác, các biến đợc khảo sát nói trên có mức độ ảnh hởng (độ nhạy) đối với cờng độ chịu nén lớn hơn so với mức độ ảnh hởng (độ nhạy) đối với cờng độ chịu uốn và cờng độ kéo bửa. Điều này là phù hợp với lý thuyết chung về bê tông. Các tỷ số Rn/Ru và Rn/Rkb của các loại bê tông thí nghiệm đều cao hơn so với các loại bê tông thông thờng. Cụ thể là, tỷ số Rn/Ru và Rn/Rkb của các loại bê tông thí nghiệm lần lợt là 6,32 - 9,4 và 10,5 - 15,4 so với các giá trị tơng ứng của bê tông thông thờng là 4,5 - 5,5 và 7,0 - 9,5 [5]. Tuy kế hoạch thực nghiệm đã đợc thiết kế bằng phơng pháp thiết kế xấp xỉ bậc 2 với mục đích tìm hàm hồi quy dạng đầy đủ có 9 hệ số, nhng sau khi xử lý và kiểm tra theo tiêu chuẩn Student, các hàm thu đợc đều khá đơn giản và phù hợp với các lý thuyết chung về bê tông. Các hàm này có thể sử dụng thuận tiện khi cần xác định sơ bộ thành phần bê tông tính năng cao. Các hàm hồi quy cho thấy, trong phạm vi biến đổi đã đợc lựa chọn, ảnh hởng của tỷ lệ N/CDK và thời gian đến cờng độ của bê tông là rất lớn. Trong khi đó, ảnh hởng của tỷ lệ MS/XM đến cờng độ bê tông là không đáng kể, điều này có thể đợc giải thích là tỷ lệ MS/XM đợc biến đổi trong phạm vi khá hẹp và trùng với vùng giá trị thích hợp đã đợc một số tác giả khuyến cáo [1, 4, 6, 7]. III. Kết luận CT 2 Trên cơ sở kết quả thí nghiệm và phân tích ở trên có thể bớc đầu kết luận nh sau: - Với vật liệu sẵn có trên thị trờng phía Bắc và công nghệ nhào trộn thông thờng đợc điều chỉnh thích hợp, việc chế tạo các loại bê tông có độ sụt > 8 cm, cờng độ chịu nén mẫu trụ đến 110 MPa và các tính năng khác cao hơn các loại bê tông thông thờng là rất khả thi. - Các ứng xử cơ học của bê tông tính năng cao có sự khác biệt đáng kể so với bê tông thờng. Do đó, việc nghiên cứu để xác định đợc đầy đủ, chính xác và đủ độ tin cậy các tính năng kỹ thuật của bê tông tính năng cao, bao gồm tất cả các đáp ứng cơ học và độ bền lâu, nhằm hiểu rõ và sử dụng đúng các loại bê tông tính năng cao, là hết sức cần thiết và hoàn toàn có thể thực hiện đợc nếu đợc quan tâm đúng mức. Tài liệu tham khảo [1]. E G Nawy, Fundamentals of High Performance Concrete, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., 2001. [2]. S P Shah and S H Ahmad, High Performance Concrete: Properties and applicasions, McGraw-Hill, Inc. 1994. [3]. Mai Đình Lộc, Phạm Duy Hữu Phân tích một số cơ sở lý thuyết để nâng cao cờng độ chịu nén của bê tông tính năng cao Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải- Số 3/2005. [4]. Ultra High Performance Concrete - Proceedings of International on Ultra High Performance Concrete- Kassel, Germany September 13-15, 2004. [5]. A M Neville, Properties of Concrete John Wiley & Son, Inc. ,1998 . [6]. P C Aitcin High-performance Concrete E& FN Spon. 1998 . [7]. Phạm Duy Hữu - Nguyễn Long, Bê tông cờng độ cao Nhà xuất bản Xây dựng, Hà nội 2004Ă . Một số kết quả Nghiên cứu thực nghiệm về cờng độ Của bê tông tính năng cao có cờng độ chịu nén mẫu trụ 110 MPa ĐƯợC CHế TạO Từ vật liệu ở miền Bắc Việt nam Ks. Mai. bê tông đã đợc thực hiện tại Trờng Đại học Giao thông Vận tải trong khuôn khổ của các nghiên cứu thực nghiệm về các trị số cờng độ của bê tông tính năng cao có cờng độ chịu nén mẫu trụ đến 110. thí nghiệm kiểm chứng về các nguyên tắc chế tạo bê tông tính năng cao, nhằm nâng cao cờng độ nén của bê tông mà vẫn đảm bảo đợc các tính chất cơ bản khác của bê tông và của hỗn hợp bê tông