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 PGS.TS Phạm Hữu Hanh PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn HÀ NỘI - NĂM 2016 -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 GIỚI THIỆU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 4 PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO 1.1 1.2 1.3 GIỚI THIỆU VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO 1.1.1 Khái niệm bê tông chất lƣợng siêu cao 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 giới 13 1.2.2 Tình hình sử dụng bê tông chất lƣợng siêu cao giới 17 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG BTCLSC Ở VIỆT NAM 20 1.3.1 Tình hình nghiên cứu bê tông chất lƣợng siêu cao Việt Nam 20 1.3.2 Tình hình sử dụng bê tông chất lƣợng siêu cao 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 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 GBFS TRONG BTCLSC 31 2.2.1 Vai trò phụ gia khoáng BTCLSC 31 2.2.2 Ảnh hƣởng kết hợp SF GBFS BTCLSC 35 -iii- 2.3 VAI TRÕ CỦA CỐT SỢI TRONG BÊ TÔNG CHẤT LƢỢNG SIÊU CAO 40 2.3.1 Vai trò sợi việc nâng cao tính chất học BTCLSC 40 2.3.2 Vai trò sợi việc hạn chế nứt BTCLSC 43 CHƢƠNG 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 đúc mẫu 58 3.3.2 Quá trình bảo dƣỡng 58 CHƢƠNG 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 GBFS đến lƣợng Ntc thời gian đông kết CKD 60 4.1.2 Điểm bão hòa phụ gia siêu dẻo hồ CKD 61 4.1.3 Ảnh hƣởng PGK tỷ lệ N/CKD khác đến độ nhớt hồ CKD 62 ẢNH HƢỞNG CỦA PGK ĐẾN QUÁ TRÌNH THỦY HÓA CỦA XI MĂNG 68 4.2.1 Mức độ thủy hóa xi măng sử dụng PGK 68 4.2.2 Ảnh hƣởng PGK đến hàm lƣợng Ca(OH)2 đá xi măng 74 CHƢƠNG 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 hỗn hợp hạt theo mô hình 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 sử dụng nghiên cứu 85 5.2.3 Kết thí nghiệm sơ bê tông chất lƣợng siêu cao 86 5.2.4 Lập kế hoạch thực nghiệm tiến hành thí nghiệm 90 CHƢƠNG 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 GBFS đến hàm lƣợng Ca(OH)2 BTCLSC 99 6.2.2 Sự phân bố lỗ rỗng BTCLSC 101 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG VÀ BTCLSC 102 6.3.1 Tính công tác hỗn hợp bê tông 102 6.3.2 Cƣờng độ nén BTCLSC 103 6.3.3 Cƣờng độ uốn độ bền dẻo dai BTCLSC 108 6.3.4 Mô đun đàn hồi BTCLSC 112 6.3.5 Cƣờng độ ép chẻ cƣờng độ kéo bửa BTCLSC 113 6.3.6 Biến dạng co ngót BTCLSC 114 MỘT SỐ CHỈ TIÊU VỀ ĐỘ BỀN LÂU CỦA BTCLSC 121 6.4.1 Mức độ thấm ion clo BTCLSC 121 6.4.2 Xác định khả 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 thí nghiệm 126 6.6.3 Đánh giá kết thí nghiệm 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 KÍ HIỆU ACI Ý NGHĨA Viện bê tông Mỹ (American Concrete Institute) ASTM Tiêu chuẩn Mỹ thí nghiệm Vật liệu (American Society for Testing and Materials) AFGC-SETRA 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 BTCLC Bê tông chất lƣợng cao BTCS Bê tông cốt sợi BTCT Bê tông cốt thép BTDƢL Bê tông dự ứng lực 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 cốt liệu theo khối lƣợng 16 C/CKD Tỷ lệ cát 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 hỗn hợp bê tông -vi- 26 DSP Hệ bê tông dạng nén sử dụng 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 Hoa Kỳ (Federation Highway Agency) 31 GBFS Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn 32 GBFS/CKD Tỷ lệ xỉ 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 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 chất kết dính theo khối lƣợng 43 N/XM Tỷ lệ nƣớc xi măng theo khối lƣợng 44 N/GBFS Tỷ lệ nƣớc xỉ theo khối lƣợng 45 ITZ Vùng chuyển tiếp/tiếp xúc 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 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 số tính chất BTCLSC với BTT BTCLC [47, 53] Bảng 1.2 Tổng lƣợng vật liệu cho cột bê tông cốt thép theo cấp cƣờng độ nén bê tông (NED = 40 MN, l = 3.50m) [88] 24 Bảng 3.1 Tính chất lý cát sử dụng nghiên cứu 47 Bảng 3.2 Tính chất lý xi măng sử dụng nghiên cứu 48 Bảng 3.3 Tính chất thành phần hạt SF sử dụng nghiên cứu 48 Bảng 3.4 Các tính chất GBFS sử dụng nghiên cứu 49 Bảng 3.5 Thành phần hóa xi măng phụ gia khoáng hoạt tính 49 Bảng 3.6 Các tính chất kỹ thuật sợi thép sử dụng 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 mô hình khác [66] 81 Bảng 5.2 Tỷ lệ thành phần cấp phối bê tông 85 Bảng 5.3 Giá trị mã hoá giá trị thực nghiệm nhân tố 91 Bảng 5.4 Ma trận quy hoạch thực nghiệm 91 Bảng 5.5 Các cấp phối thí nghiệm kết nghiên cứu 92 Bảng 5.6 Tỷ lệ thành phần vật liệu tối ƣu tính toán theo lý thuyết thực nghiệm 96 Bảng 6.1 Tỷ lệ thành phần vật liệu sử dụng nghiên cứu 99 Bảng 6.2 Kết đo độ thấm ion clo 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 bê tông cốt thép với tải trọng [108] .9 Hình 1.2 So sánh chi phí tổng thể sử dụng BTT BTCLSC [50] Hình 1.3 Cầu BTCLSC 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 BTT [105] .19 Hình 1.7 Các yếu tố phát triển bền vững [98] .22 Hình 1.8 Sự phát triển bền vững 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 cột cƣờng độ chịu nén bê tông cốt thép theo cấp cƣờng độ bê tông [88] 24 Hình 2.1 Mô tả tải trọng truyền qua a) BTT b) BT CLSC [58] 27 Hình 2.2 Vai trò hạt siêu mịn đến việc cải thiện cấu trúc BTCLSC [101] 29 Hình 2.3 Sự thay đổi kích thƣớc lỗ rỗng điều kiện dƣỡng hộ nhiệt khác 30 Hình 2.4 Mức độ phản ứng puzơlanic điều kiện dƣỡng hộ khác [38] .30 Hình 2.5 Sự phát triển cấu trúc hình thành sản phẩm thủy hóa xi măng theo thời gian [64] 31 Hình 2.6 Sự hình thành sản phẩm thủy hóa hạt xi măng theo thời gian .32 Hình 2.7 Mô hình độ lèn chặt phối hợp hai loại cốt liệu mịn thô .33 Hình 2.8 Kết đo độ đặc hỗn hợp cốt liệu theo nghiên cứu Mc Geary (r1/r2 tỷ lệ kích thƣớc hạt mịn/kích thƣớc hạt thô) [60] .34 Hình 2.9 Vai trò PGK với hiệu ứng hóa học hiệu ứng điền đầy BT 34 Hình 2.10 Ảnh chụp SEM SF 35 Hình 2.11 Đặc tính cƣờng độ uốn BTT, BTCS BTCLSC [78] 40 Hình 2.12 Ứng xử học bê tông cốt sợi chịu kéo [85, 104] 41 Hình 2.13 Sự tƣơng tác sợi cốt liệu [104] 42 Hình 2.14 Sự truyền tải trọng sợi qua vết nứt BTCLSC [57] 43 -PL23- -PL24- -PL25- -PL26- Kết thí nghiệm mô đun đàn hồi -PL27- -PL28- Kết xác định phân bố lỗ rỗng phƣơng pháp BHJ -PL29- -PL30- -PL31- -PL32- -PL33- -PL34- Kết thử thấm ion clo phƣơng pháp điện lƣợng -PL35- Kết thí nghiệm ăn mòn phƣơng pháp gia tốc -PL36- MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM Thí nghiệm tính công tác hỗn hợp BTCLSC Thí nghiệm độ nhớt hồ CKD Phân tích độ rỗng BTCLSC Thí nghiệm uốn - nén mẫu BTCLSC -PL37- Thí nghiệm co tự sinh co hạn chế mẫu BTCLSC Thí nghiệm gia tải kết cấu dạng BTCLSC