Bê tông mới cho công trình biển đảo

Ngọc Lâm

Bê tông là vật liệu xây dựng quen thuộc với chúng ta gần trăm năm nay. Các công trình lớn nhỏ, từ nhà cao tầng đến nhà dân cao 3-4 tầng đều phải sử dụng các loại bê tông, bê tông cốt thép. Đến mức người ta ví von, thành phố là “rừng bê tông”. Và khoa học, công nghệ về bê tông ngày càng phát triển. Nhiều loại bê tông mới ra đời với các tính năng ngày càng ưu việt. Chúng tôi xin giới thiệu hai loại bê tông mới đó là Bê tông tính năng cao - HPC và  bê tông tính năng siêu cao - UHPC

Đổ bê tông UHPC trên mặt cầu Thăng Long

Đổ bê tông UHPC trên mặt cầu Thăng Long

Bê tông tính năng cao hay còn gọi là bê tông hiệu năng cao – HPC (High Performance Concrete) là một loại bê tông xi măng với các đặc tính
cơ bản như: cường độ chịu nén cao, mô đun đàn hồi cao, bền vững - ổn định dưới các tác động xâm thực bất lợi của môi trường… và nhiều đặc tính khác, rất hiệu ích trong xây dựng. HPC sử dụng các loại xi măng có phẩm chất cao hay các loại chất kết dính tổng hợp, các loại phụ gia biến tính. Các loại HPC cũng được áp dụng trong xây dựng hầm, cầu đường bộ. Sử dụng HPC trong xây dựng cầu cho phép làm cho kết cấu giảm tiết diện, giảm được tĩnh tải, vượt được nhịp lớn hơn và rút ngắn được thời gian thi công. Việc ứng dụng các loại HPC có các tính năng cao phù hợp để tạo ra các sản phẩm mới từ HPC, thay thế các loại vật liệu xây dựng truyền thống, có chất lượng cao, bền vững hơn dưới tác động của môi trường, đảm bảo mỹ quan và có giá cả hợp lý.
Bê tông tính năng siêu cao (Ultra-high performance Concrete hay viết tắt
là UHPC): là loại bê tông thế hệ mới với nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các
loại bê tông truyền thống xét về mặt cường độ nén, đặc biệt là cường độ kéo, cũng như độ bền. UHPC đã được nghiên cứu và phát triển cũng như ứng dụng trên khắp thế giới hơn 40 năm tính đến thời điểm hiện tại.

Máy trộn cấp phối UHPC

Máy trộn cấp phối UHPC

Các quốc gia có quan điểm định nghĩa về UHPC khác nhau, tuy nhiên định nghĩa UHPC trong nghiên cứu của Graybeal (2005) có thể bao quát và tạo ra một khái niệm được sử dụng nhiều nhất: UHPC là một loại vật liệu bê tông composite gốc xi măng được tối ưu hóa các thành phần hạt cốt liệu với tỉ lệ nước/xi măng nhỏ hơn 0,25 dẫn đến sự giảm thiểu lỗ rỗng và làm mật độ phân bố của các vi cấu trúc trở nên dày đặc, đồng thời sử dụng hàm lượng cốt sợi phân tán để tăng tính dẻo khi chịu kéo uốn. Trên cơ sở đó, UHPC có thể đạt được những tính năng vượt trội so với bê tông thông thường. Đặc tính cơ học cơ bản nhất của UHPC bao gồm cường độ chịu nén lớn hơn 150 MPa, cường độ chịu kéo trực tiếp sau nứt lớn hơn 7MPa. Ngoài ra UHPC còn được đặc trưng bởi độ cứng và độ bền cực kỳ cao. Thông thường, cường độ chịu nén của UHPC nằm trong khoảng 150 – 250 MPa, tuy nhiên tùy theo điều kiện bảo dưỡng nhiệt, cường độ chịu nén của UHPC có thể cao hơn 250 MPa và thậm chí đạt tới 800 MPa. Mô đun đàn hồi của UHPC nằm trong khoảng 45 - 55 GPa và có thể cao hơn tùy thuộc vào thành phần hạt cốt liệu. Cốt sợi được thêm vào và làm việc như sợi gia cường để đảm bảo tính dẻo của bê tông UHPC (lúc này gọi là UHPFRC - Ultra high performance fiber reinforced concrete), nhưng vẫn gọi tắc là UHPC. Thành phần cốt sợi tối ưu cho UHPC thường là 2%. Với sự kết hợp của cốt sợi, khả năng chịu kéo và chịu uốn của UHPC được tăng lên nhiều lần so với bê tông thông thường. Cường độ chịu kéo trực tiếp của UHPC nằm trong khoảng 7 - 12 MPa, trong khi đó cường độ chịu uốn trong thí nghiệm uốn (3 điểm hoặc 4 điểm) của dầm UHPC dao động từ 15 - 40 MPa. Bên cạnh đó, UHPC có độ chảy rất cao, điều này rất thuận lợi cho việc thi công đổ bê tông tạo các cấu kiện mà không cần tác động của đầm rung. Cấp phối cơ bản điển hình của UHPC bao gồm: cát mịn, bột quắc, silicafume, xi măng cường độ cao, sợi gia cường, phụ gia siêu dẻo và nước trên cơ sở nguyên lý lấp đầy lỗ rỗng và tối ưu hóa thành phần hạt.

Cẩu lắp dầm cầu UHPC tại huyện Vĩnh Hưng, tỉnh Long An

Cẩu lắp dầm cầu UHPC tại huyện Vĩnh Hưng, tỉnh Long An

Với những ưu điểm như đã đề cập, UHPC đã được sự quan tâm của giới khoa học xây dựng trên toàn thế giới. Nhiều công trình sử dụng các cấu kiện chế tạo từ UHPC đã được thử nghiệm và cho thấy UHPC có thể:
-  Giảm được tiết diện, kích thước kết cấu;
- Tăng rất nhiều khả năng chịu lực;
- Mang lại kiến trúc đẹp và đặc biệt cho kết cấu;
-   Rất phù hợp với các kết cấu đúc sẵn, thi công lắp đặt nhanh;
- Kiểm soát tốt được chất lượng kết cấu;
- Có thể tạo ra được những kết cấu có tính đột phá mới và sáng tạo;
- Giảm được tổng mức đầu tư xây dựng công trình.
Hiện tại, UHPC đã được nghiên cứu ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như ứng dụng trong xây dựng giao thông, tiến hành thi công các cây cầu, ứng dụng của vật liệu UHPC để chế tạo dầm cầu...Và đặc biệt là UHPC có sức kháng cực kỳ cao khi chịu tác động của các yếu tố như xâm thực từ môi trường và thời tiết, nước biển mặn, khí gas, chất lỏng, đóng băng và tan băng, cao hơn rất nhiều so với bê tông thông thường (NSC - Normal strength concrete) và bê tông cường độ cao (HSC - High Strength concrete) bởi cấu trúc đặc sít và vùng chuyển tiếp giữa các cốt liệu, các lỗ rỗng như trong bê tông thường đã được lấp đầy bằng các hạt mịn.Chính vì vậy, UHPC đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển như Đức, Anh… để xây dựng các cầu dân sinh. Ở Việt Nam, các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (IBST) và Hội Bê tông Việt Nam đã chế tạo thành công phiến dầm cầu bê tông ứng suất trước tính năng siêu cao. Kết quả thử tải cho thấy, phiến dầm cầu cấp tải gấp 3,5 lần tải thiết kế mà không xuất hiện vết nứt, đảm bảo yêu cầu thiết kế. Kết cấu UHPC đã được ứng dụng xây dựng thành công các cầu dân sinh và đô thị.

Cẩu lắp dầm cầu UHPC tại huyện Vĩnh Hưng, tỉnh Long An

Mặt cầu được ghép bằng các dầm bê tông UHPC đúc sẵn nên rất mỏng và cường độ chịu lực cao


Tại IBST, UHPC đã được chế tạo đạt cường độ chịu nén lên tới 180 MPa trong phòng thí nghiệm. IBST cũng đã nghiên cứu, chế tạo được phiến dầm bằng UHPC, có nhịp 30m, rộng 4m cho cầu tải trọng 0,65HL93, có cường độ chịu nén đến 150 MPa, được kiểm định đáp ứng yêu cầu thiết kế. IBST đã nghiên cứu sâu về khả năng chống ăn mòn cho UHPC, để chứng minh loại bê tông này phù hợp hơn với công trình cho biển đảo. Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu ứng dụng thành công UHPC sử dụng cho các công trình trên đảo, không chỉ có đặc điểm là cường độ rất cao, có thể tới 150MPa, độ đặc chắc rất cao, mà còn có khả năng chống ăn mòn cao hơn gấp 3-5 lần so với bê tông truyền thống.