Nghiên cứu ứng dụng bê tông siêu tính năng - UHPC cho xây dựng cầu tại Việt Nam (P1)
Nghiên cứu bê tông siêu tính năng (UHPC) ứng dụng cho kết cấu xây dựng là lĩnh vực nghiên cứu được nhiều sự quan tâm trên thế giới cũng như ở Việt Nam. UHPC là công nghệ mới, cho phép chế tạo dầm cầu với kích thước mỏng, nhẹ, kháng ăn mòn, tuổi thọ cao, giảm chi phí bảo trì tối đa và cho phép đẩy nhanh tiến độ thi công. Bài trình bày những nghiên cứu về UHPC và đề xuất một số dạng mặt cắt dầm ứng dụng cho cầu.
1. TỔNG QUAN
Trong khoảng 30 năm gần đây, tại các nước có nền công nghiệp phát triển cũng như ở Việt Nam ta, đã có nhiều nghiên cứu về bê tông cường độ cao và siêu cao. Đặc biệt là UHPC - một loại bê tông mà cường độ chịu nén có thể lên đến 200 Mpa. Bê tông này được bổ sung cốt sợi thép, sợi tổng hợp hay sợi lai Hybrid vào hỗn hợp thành phần để tạo ra UHPC không chỉ có cường độ chịu nén siêu cao mà còn có các tính năng vượt trội khác như: cường độ chịu kéo, Modul đàn hồi, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn.
Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng bị ảnh hưởng nhiều của thuỷ triều và cũng là vùng có nguy cơ môi trường nước bị nhiễm mặn và phèn. Cùng với đó là nhu cầu xây dựng hạ tầng giao thông nông thôn là rất lớn. Vì vậy, Ngân hàng Thế giới - viện trợ ODA 3 bên qua WB của chính phủ Nhật Bản, thông qua chương trình tài trợ dự án LRAMP, đã chọn cầu Từ Ô tại tỉnh Trà Vinh để hỗ trợ xây mới theo công nghệ sử dụng UHPC. Thông qua đó, có thể đưa ra các đánh giá về khả năng thiết kế, chế tạo, xây dựng, sử dụng và bảo trì các kết cầu cầu UHPC.
2. TÀI LIỆU, TIÊU CHUẨN ÁP DỤNG
- TCVN 1651:2018, thép cốt bê tông.
- TCVN 2682:2009, xi măng Poóc lăng - yêu cầu kỹ thuật.
- TCVN 4506:2012, nước cho bê tông và vữa - yêu cầu kỹ thuật.
- TCVN 8826:2011, phụ gia hoá học cho bê tông.
- TCVN 8827:2020, phụ gia khoáng hoạt tính cao dùng cho bê tông và vữa - Silica Fume và tro trấu nghiền mịn.
- TCVN 9036:2011, nguyên liệu để sản xuất thuỷ tinh - cát - yêu cầu kỹ thuật.
- TCVN 11586:2016, xỉ hạt lò cao nghiền mịn dùng cho bê tông và vữa.
- TCVN 11823-3:2017, thiết kế cầu đường bộ.
- TCVN 12392:2018, sợi cho bê tông.
- TCCS 02:2017/IBST, bê tông tính năng siêu cao UHPC - hướn dẫn thiết kế kết cấu.
- NF P18-470:2017, concrete - ultra-high performance fibrereinforced concrete - specifications, performance, production and conformity.
- NF P18-710:2016, national addition to Eurocode 2 - design of concrete structures: specific rules for ultra-high performance fibrereinforced concrete.
- NF P18-451:2018, concrete - execution of concrete structures - specific rules for ultra-high performance fibre-reinforced concrete.
- ASTM C230/C230M-21, standard specification for flow table for use in tests of hydraulic cement.
- ASTM A416/A416M-16, standard specification for lowrelaxation, seven-Wire steel strand for prestressed concrete.
- ASTM C469/C469M-14e1, standard test method for static Modulus of elasticity and Poisson's ratio of concrete in compression.
- ACF 04:2020, materials UHPC - technicals specification.
- K-UHPC:2014, design guidelines for UHPC.
3. VẬT LIỆU CHẾ TẠO UHPC
- Xi măng PC40 phù hợp với TCVN 2682:2009.
- Silica Fume phù hợp với TCVN 8827:2020.
- Xỉ GGBS phù hợp với TCVN 11586:2016.
- Cát thạch anh phù hợp với TCVN 9036:2011 và ACF 04 :2020.
- Sợi thép mạ đồng cường độ cao phù hợp với TCVN 12392:2018.
- Phụ gia siêu dẻo gốc PCE phù hợp với TCVN 8826:2011 và ACF 04:2020.
- Nước trộn phù hợp với TCVN 4506:2012.
3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến tính công tác của hỗn hợp UHPC
3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến sự phát triển cường độ chịu nén của UHPC
3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến sự phát triển cường độ chịu uốn của UHPC
3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến sự phát triển cường độ chịu kéo của UHPC
Sử dụng mẫu thử có kích thước kéo 5x10x50 cm, kết quả được thể hiện qua bảng và biểu đồ sau.
3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến Modul đàn hồi của UHPC
UHPC có mô dul đàn hồi thể hiện khả năng biến dạng dưới tải trọng khác biệt rất lớn so với bê tông thường.
3.6 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến khả năng chống mài mòn của UHPC
Các kết quả thử nghiên cứu độ mài mòn của UHPC với các hàm lượng sợi thép khác nhau được trình bày trong Bảng 6 dưới dây.
UHPC khi có hàm lượng cốt sợi thép từ 2 - 3%, khả năng chống mài mòn tăng lên. Còn nếu so với bê tông thường độ mài mòn khoảng 0.4 g/cm², thì khả năng chống mài mòn tăng khoảng 300 - 350%.
3.7 Khả năng chống thấm của UHPC
Kết quả trong Bảng 7 thể hiện UHPC có thể chịu được áp lực thấm trên 20 MPa. Cấp chống thấm đạt được >20 MPa, cho thấy bê tông UHPC có thể chống xâm nhập Clo rất tốt, có nghĩa là khả năng chống ăn mòn Clo rất cao.
(Còn nữa)
VLXD.org (TH/ TC Xây dựng)
Trong khoảng 30 năm gần đây, tại các nước có nền công nghiệp phát triển cũng như ở Việt Nam ta, đã có nhiều nghiên cứu về bê tông cường độ cao và siêu cao. Đặc biệt là UHPC - một loại bê tông mà cường độ chịu nén có thể lên đến 200 Mpa. Bê tông này được bổ sung cốt sợi thép, sợi tổng hợp hay sợi lai Hybrid vào hỗn hợp thành phần để tạo ra UHPC không chỉ có cường độ chịu nén siêu cao mà còn có các tính năng vượt trội khác như: cường độ chịu kéo, Modul đàn hồi, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn.
Hình 1. UHPC có nhiều ưu điểm khi sử dụng trong sản xuất dầm cầu.
Theo nghiên cứu của Kim Jee-sang và cộng sự (TLTK [2]) thì cấu trúc của UHPC là vô cùng đặc chắc. Các kết quả nghiên cứu còn chỉ ra rằng, nếu một loại bê tông có cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày đạt trên 120 MPa thì sự ăn mòn cốt sợi thép sẽ được giới hạn ở bề mặt bên ngoài của bê tông. Kể cả khi những sợi thép gần bề mặt kết cấu bị ăn mòn cũng không có sự lan truyền ăn mòn vào trong sâu tới 5mm phía dưới bề mặt.
Hình 2. Các thế hệ UHPC đã được nghiên cứu trên toàn Thế giới.
Các thí nghiệm về mức độ thấm Clo đã được thực hiện trong các loại bê tông thường (NC), bê tông chất lượng cao (HPC) và bê tông siêu tính năng (UHPC) bởi các nhà nghiên cứu trên thế giới (TLTK [3] và TLTK [4]), kết quả cho thấy UHPC có mức độ thấm Ion Clo rất nhỏ so với 2 loại bê tông còn lại (hệ số thấm Clo nhỏ hơn 45 lần so với bê tông thường). Hay nói cách khác, khả năng bảo vệ cốt thép trong UHPC cao hơn rất nhiều so với các loại bê tông khác. Điều đó có nghĩa là, nếu so về tuổi thọ với bê tông thường thì UHPC tăng lên nhiều lần và khi với cường độ trên 150 MPa thì tuổi thọ của kết cấu có chiều dày lớp bảo vệ >20 mm cho tuổi thọ trên 150 năm. Đặc điểm này còn được thể hiện rõ nét hơn khi sử dụng kết cấu tại môi trường biển.Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng bị ảnh hưởng nhiều của thuỷ triều và cũng là vùng có nguy cơ môi trường nước bị nhiễm mặn và phèn. Cùng với đó là nhu cầu xây dựng hạ tầng giao thông nông thôn là rất lớn. Vì vậy, Ngân hàng Thế giới - viện trợ ODA 3 bên qua WB của chính phủ Nhật Bản, thông qua chương trình tài trợ dự án LRAMP, đã chọn cầu Từ Ô tại tỉnh Trà Vinh để hỗ trợ xây mới theo công nghệ sử dụng UHPC. Thông qua đó, có thể đưa ra các đánh giá về khả năng thiết kế, chế tạo, xây dựng, sử dụng và bảo trì các kết cầu cầu UHPC.
Tham số so với bê tông thường
Hình 3. Khả năng chống ăn mòn Clo của UHPC so với NC và HPC (TLTK [3]).
Hình 4. So sánh mức độ thấm ion Clo của UHPC so với NC và HPC (TLTK [4]).
2. TÀI LIỆU, TIÊU CHUẨN ÁP DỤNG
- TCVN 1651:2018, thép cốt bê tông.
- TCVN 2682:2009, xi măng Poóc lăng - yêu cầu kỹ thuật.
- TCVN 4506:2012, nước cho bê tông và vữa - yêu cầu kỹ thuật.
- TCVN 8826:2011, phụ gia hoá học cho bê tông.
- TCVN 8827:2020, phụ gia khoáng hoạt tính cao dùng cho bê tông và vữa - Silica Fume và tro trấu nghiền mịn.
- TCVN 9036:2011, nguyên liệu để sản xuất thuỷ tinh - cát - yêu cầu kỹ thuật.
- TCVN 11586:2016, xỉ hạt lò cao nghiền mịn dùng cho bê tông và vữa.
- TCVN 11823-3:2017, thiết kế cầu đường bộ.
- TCVN 12392:2018, sợi cho bê tông.
- TCCS 02:2017/IBST, bê tông tính năng siêu cao UHPC - hướn dẫn thiết kế kết cấu.
- NF P18-470:2017, concrete - ultra-high performance fibrereinforced concrete - specifications, performance, production and conformity.
- NF P18-710:2016, national addition to Eurocode 2 - design of concrete structures: specific rules for ultra-high performance fibrereinforced concrete.
- NF P18-451:2018, concrete - execution of concrete structures - specific rules for ultra-high performance fibre-reinforced concrete.
- ASTM C230/C230M-21, standard specification for flow table for use in tests of hydraulic cement.
- ASTM A416/A416M-16, standard specification for lowrelaxation, seven-Wire steel strand for prestressed concrete.
- ASTM C469/C469M-14e1, standard test method for static Modulus of elasticity and Poisson's ratio of concrete in compression.
- ACF 04:2020, materials UHPC - technicals specification.
- K-UHPC:2014, design guidelines for UHPC.
3. VẬT LIỆU CHẾ TẠO UHPC
- Xi măng PC40 phù hợp với TCVN 2682:2009.
- Silica Fume phù hợp với TCVN 8827:2020.
- Xỉ GGBS phù hợp với TCVN 11586:2016.
- Cát thạch anh phù hợp với TCVN 9036:2011 và ACF 04 :2020.
- Sợi thép mạ đồng cường độ cao phù hợp với TCVN 12392:2018.
- Phụ gia siêu dẻo gốc PCE phù hợp với TCVN 8826:2011 và ACF 04:2020.
- Nước trộn phù hợp với TCVN 4506:2012.
Hình 5. Cát thạch anh tại vùng biển Cam Ranh.
Hình 6. Sợi thép (>2800 MPa).
3. CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ UHPC3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến tính công tác của hỗn hợp UHPC
Bảng 1. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến độ chảy xoè của hỗn hợp UHPC
Hình 7. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến độ chảy xoè của hỗn hợp UHPC.
Hình 8. Thử nghiệm độ chảy xòe với cone ASTM C230.
3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến sự phát triển cường độ chịu nén của UHPC
Bảng 2. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ chịu nén, mẫu D10xH20cm
Hình 9. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ nén theo thời gian.
3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến sự phát triển cường độ chịu uốn của UHPC
Bảng 3. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ chịu uốn, mẫu 10x10x40 cm
Hình 10. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ chịu uốn, mẫu 10x10x40 cm tại R28.
3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến sự phát triển cường độ chịu kéo của UHPC
Sử dụng mẫu thử có kích thước kéo 5x10x50 cm, kết quả được thể hiện qua bảng và biểu đồ sau.
Bảng 4. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến cường độ kéo tại theo thời gian
Hình 11. Ảnh hưởng hàm lượng sợi thép đến phát triển cường độ chịu kéo theo thời gian.
3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến Modul đàn hồi của UHPC
UHPC có mô dul đàn hồi thể hiện khả năng biến dạng dưới tải trọng khác biệt rất lớn so với bê tông thường.
Bảng 5. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến Modul đàn hồi
Hình 12. Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến Modul đàn hồi.
3.6 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến khả năng chống mài mòn của UHPC
Các kết quả thử nghiên cứu độ mài mòn của UHPC với các hàm lượng sợi thép khác nhau được trình bày trong Bảng 6 dưới dây.
Bảng 6. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến độ mài mòn
UHPC khi có hàm lượng cốt sợi thép từ 2 - 3%, khả năng chống mài mòn tăng lên. Còn nếu so với bê tông thường độ mài mòn khoảng 0.4 g/cm², thì khả năng chống mài mòn tăng khoảng 300 - 350%.
3.7 Khả năng chống thấm của UHPC
Bảng 7. Kết quả xác định khả năng chống thấm của UHPC
Kết quả trong Bảng 7 thể hiện UHPC có thể chịu được áp lực thấm trên 20 MPa. Cấp chống thấm đạt được >20 MPa, cho thấy bê tông UHPC có thể chống xâm nhập Clo rất tốt, có nghĩa là khả năng chống ăn mòn Clo rất cao.
(Còn nữa)
VLXD.org (TH/ TC Xây dựng)
