nghiên cứu ảnh hởng của tỷ lệ n/x
v hm lợng muội silic đến chất lợng
Bê Tông Cờng Độ Cao


pgs. ts Phạm duy hữu
Bộ môn Vật liệu xây dựng - ĐH GTVT
Tóm tắt: Bi báo trình by về vai trò của tỷ lệ N/X v sử dụng muội silic đến chất lợng
của bê tông cờng độ cao; các đặc tính cơ bản của bê tông cờng độ cao v áp dụng bê tông
cờng độ cao.
Su mmary: The report prointed out the role W/C ratio and using silica fume to affect
quality of high - strength concrete; base characteritics of high - stength concrete and the
applications of ones.
1. Mở đầu
Bê tông chất lợng cao là một thế hệ bê
tông mới thể hiện sự tiến bộ trong công nghệ
vật liệu kết cấu xây dụng. Xét về cờng độ
chịu nén thì đó là bê tông cờng độ cao.
Tuy nhiên loại bê tông này có nhiều
phẩm chất đợc cải thiện nên gọi là bê tông
chất lợng cao.
Bê tông chất lợng cao đợc gọi tắt theo
tiếng Anh là HPC (High Performace con-
cretes). Theo tiếng Pháp là BHP (BET0NS A
HAUTE PERORMANCES) là loại bê tông có
cờng độ chịu nén tuổi 28 ngày, lớn hơn
60 MPa, với mẫu thử hình trụ có D = 15 cm,
H = 30 cm. Tốc độ phát triển cờng độ theo
thời gian nh sau:
Sau 24 giờ R
b

35 MPa, sau 28 ngày
cờng độ nén R
28
60 MPa. Mẫu thử đợc
chế tạo, dỡng hộ, thử, theo các tiêu chuẩn
hiện hành.
Thành phần bê tông có thể dùng hoặc
không dùng muội silic. Khi sử dụng muội silic
về chất lợng bê tông đợc nâng cao hơn.
Tiêu chuẩn của Bắc Mỹ quy định: R
28

42 MPa.
Theo CEB. FIP quy định cờng độ nén
sau 28 ngày tối thiểu là fc
28
60 MPa. Tất cả
các loại bê tông cờng độ cao đều dùng tỷ lệ
N/X thấp.
Ngày nay trình độ kiến thức về loại bê
tông này đã cho phép ứng dụng bê tông chất
lợng cao trong công trình lớn, chủ yếu ở ba
lĩnh vực: Các ngôi nhà nhiều tầng, các công
trình biển và các công trình giao thông (cầu,
đờng, hầm). Các đặc tính cơ học mới của bê
tông cờng độ cao cho phép ngời thiết kế
sáng tạo ra loại kết cấu mới có chất lợng cao
hơn.
1.1. Bê tông cờng độ cao không có
muội silic (loại 1)

Bê tông cờng độ cao loại 1 đợc tạo
thành theo hớng giảm tối đa tỷ lệ N/X; N/X
có thể chỉ còn là 0,21. Khi đó ta có thể giảm
tối đa lợng nớc thừa trong bê tông, vì vậy bê
tông sẽ có độ rỗng là nhỏ nhất và độ đặc là
cao nhất. Bê tông sẽ trở nên rất khô, để đảm

bảo độ công tác phải thêm vào bê tông các
phụ gia siêu dẻo với thành phần từ 1 - 1,5
lít/100 kg, phụ gia siêu dẻo có thể gốc
Naflalen Sunfua, linô sunfat hoặc các gốc
khác.
Phụ gia này cho phép bớt nớc từ 0,2
0,3 lần và với xi măng mác 550 của Pháp
hoặc Mỹ có thể chế tạo bê tông có mác M 70
MPa. Và xi măng PC 40 Việt Nam có thể có
thể chế tạo bê tông M 60 MPa [3].
Để thực hiện cơ chế giảm độ rỗng có thể
dùng các phụ gia Polime hai hoặc ba thành
phần, có thể hoà tan trong nớc, cho phép có
đợc bê tông M60 - M70 và có độ chống thấm
đến B 28 [2].
1.2. Bê tông cờng độ cao sử dụng
muội silic
Bê tông cờng độ cao sử dụng muội silic
có tỷ lệ N/X thấp (có thể đến 0,23), để cải tiến
độ công tác có thể sử dụng phụ gia siêu dẻo
và chất làm chậm. Tuy nhiên để cải thiện cấu
trúc bê tông nhằm cải thiện chất lợng bê
tông phải đa vào bê tông phụ gia muội silic.

Đây là những hạt silic có d
s
= 0,01d
x
(trong đó
d
x
- đờng kính hạt xi măng). Muội silic cải
thiện chất lợng vữa xi măng thông qua cơ
chế vật lý là phân tán đều trong hỗn hợp và
chống vón cục hạt xi măng khi thuỷ hoá, cơ
chế hoá học là những phản ứng Puzơlan với
CaO tự do và cải tiến cấu trúc của C - H - S
chuyển từ kết tinh dạng sợi sang dạng vô định
hình. Lực dính bám ở vùng tiếp giáp giữa vữa
XM và cốt liệu đợc cải thiện, co ngót từ biến
giảm chất lợng bê tông đợc cải thiện. Bê
tông loại này đợc ngời Châu Âu gọi là bê
tông chất lợng cao.
2. Nghiên cứu về vật liệu chế tạo
Bê tông truyền thống có cấu tạo gồm 4
thành phần: cốt liệu lớn (đá) và cốt liệu nhỏ
(cát), xi măng, phụ gia và nớc.
Bê tông cờng độ cao bao gồm 7 thành
phần: xi măng, nớc, cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ,
phụ gia siêu dẻo, phụ gia muội silíc (hoặc tro
bay) và các chất làm chậm rắn chắc. Cốt liệu
bê tông có thể dùng các cốt liệu truyền thống
theo TCVN.
Muội silíc (MS) bao gồm các hạt silíc siêu

mịn có tỉ lệ diện tích bề mặt 20 000 m
2
/kg, có
đờng kính khoảng1m (nhỏ hơn khoảng 100
lần so với hạt xi măng). Hàm lợng MS = 5 -
15% (X). Khi tăng hàm lợng mội silic cờng
độ bê tông có thể đạt đến 100 - 150 MPa.
Hàm lợng xi măng Poóc lăng từ PC 40
trở lên từ 400 - 550 kg/m
3
bê tông, cốt liệu mịn
thông thờng là cát tự nhiên có mô đun độ lớn
M
k
từ 2,8 - 3,2 phù hợp với tiêu chuẩn Việt
Nam hoặc Quốc tế.
Cốt liệu thô cho bê tông cờng độ cao
nên chọn từ 9,5 mm - 25,4 mm (theo tiêu
chuẩn Mỹ) và từ 10 - 20 mm theo tiêu chuẩn
Việt Nam, có cờng độ lớn hơn khoảng 1,2 lần
cờng độ bê tông yêu cầu. Tuy nhiên các tiêu
chuẩn Quốc tế không có quy định cụ thể về
vấn đề này.
Trong bê tông cờng độ cao do lợng
phụ gia muội si líc (MS) lớn nên thay lợng
xi măng bằng lợng chất kết dính (CKD),
CKD = X + MS.
Tỉ lệ nớc xi măng hoặc tỉ lệ N/C KD
thờng là từ 0,23 - 0,35. Độ sụt của bê tông
theo Côn Abram yêu cầu từ 10 đến 20 cm. Để

đạt đợc độ sụt này phải sử dụng phụ gia siêu
dẻo với hàm lợng khoảng 1 - 2 % xi măng và
đợc xác định thông qua mẻ trộn thử.
Một số công thức bê tông cờng độ cao
đã đợc nghiên cứu và ứng dụng ở Mỹ, Pháp
và Việt Nam (bảng1) [1, 4, 5].
Các công thức bê tông này đã đợc thiết
kế theo ACI 363 - R và đã đợc đa vào sử
dụng từ 5 - 8 năm.

Bảng 1
TT
Công thức
bê tông

Chỉ tiêu
70
MPa
USA
110
MPa
USA
80
MPa
Pháp
80
MPa
V.Nam
1 Nớc kg/m
3

166 144 122
163
2 Xi măng loại I, lg/m
3
360 564 421
575
3 Tro bay loại C, kg/m
3
150 0 0
0
4 Silika fume, kg/m
3
0 89 42
57,5
5 Cốt liệu lớn kg/m
3
1052 1068 1265
1160
6 Cốt liệu nhỏ kg/m
3
683 593 652
640
7 Chất làm chậm 1,01 1,47 0
0
8
Phụ gia siêu dẻo
L/m
3
2,54 10,12 4,21
6,65

9 Tỉ lệ N/X 0,33 0,22 0,26
0,26
10 R28 ngày - MPa 79,5 118 80
86
11 R56 ngày - MPa 89,0 121 91,5
93
3. Các tính chất cơ học bê tông
cờng độ cao có sử dụng muội silíc
3.1. Cờng độ - biểu đồ hàm số
biến dạng
Bê tông cờng độ cao có cờng độ chịu
nén tối đa từ 60 - 100 MPa. Khi tăng cờng độ
nén, cờng độ kéo cũng tăng tuy nhiên tốc độ
tăng chậm hơn. Tỷ lệ R
k
/R
b
= 1/1,5. Môđun
đàn hồi của bê tông cũng tăng đáng kể. Các
thí nghiệm cho thấy biến dạng dài hạn cuối
cùng giảm đáng kể (
t
) chỉ còn khoảng 0,40 -
0,5 biến dạng theo thời gian của bê tông
thờng. Khi nén chống cắt G
c
tăng không
đáng kể. Quan hệ giữa cờng độ và biến dạng
đợc mô hình hoá bằng biểu đồ hình 1 (BAEL
- Pháp).








Hình 1. Quan hệ cờng độ v biến dạng bê tông
CĐC theo đề nghị của BAEL.
Mô đun đàn hồi của bê tông cờng độ
cao có quan hệ với cờng độ chịu nén theo
công thức nh sau:
E
bj
= 11000(R
bj
)
1/3
(Pháp)
hoặc:
E
j
= 3320
bj
R
+ 690 , MPa
(ACI 318). Mẫu hình trụ;
R
bj
cờng độ chịu nén bê tông ở

ngày thứ j;
E = 9500. , MPa
30,0
B
R
Mẫu lập phơng (NS 3475)
Sự cải thiện về cơ học của bê tông cờng
độ cao là cờng độ chịu nén cao, biến dạng
cuối cùng nhỏ. Các chỉ tiêu về cờng độ chịu
kéo, khả năng chống cắt tăng không lớn. Tuy
nhiên trị số R
K
đạt đến 6,5 MPa và mô đun
đàn hồi đạt đến 50.000 MPa cũng là đáng
kể.Vì vậy, các hớng dẫn thiết kế cho tính
toán BTCT truyền thống không dùng để thiết
kế kết cấu bê tông cốt thép dùng bê tông
cờng độ cao, cần thiết có những điều chỉnh
về cơ học vật liệu và phơng pháp tính cho
thích hợp. Lý do là biểu đồ quan hệ ứng suất -
biến dạng (đã thay đổi [5]. Dạng biểu đồ vẫn
một hình Parabol và một hình chữ nhật(xem
hình 1).
Trị số
b1
= 2.10
-3
, trị số
2
có biến đổi:


3
bj2b
10).R025,05,4(

=
3 - 3,5.10
-3

b
f
ci
/1,5
0
1
Trị số 0,8y
u
để tính ứng suất cho bê tông
thờng. Khi bê tông có R
bj
60 MPa thì chỉ
còn là: .y
u
trong đó:
cj
f025,05,4
7,0
1

=


Khi f
cj
là 60, 70, 80 thì tỷ số = 0,77;
0,75; 0,72.
2 3 4

b1

b2
10
-3

b

Cờng độ chịu kéo giới hạn phụ thuộc
vào cờng độ chịu nén bê tông, có thể tính
theo công thức sau:
R
kj
= 0,6 + 0,06 R
bj
khi R
bj
60MPa
R
kj
= 0,275 (R
bj
)

2/3
khi R
bj
60 MPa
Các tính chất cơ học trên tạo ra mô hình
cơ học để thiét kế kết cấu BTCT dùng bê tông
cờng độ cao.
4. Phơng pháp lựa chọn tỷ lệ N/X
v lợng muội silic
Phơng pháp thiết kế thành phần có thể
tiến hành theo TCN của ngành GTVT 2001;
hoặc AIC 363R - 1992 hoặc theo các phơng
pháp theo TCVN nhng cần cải tiến một chút
công thức dự báo cờng độ bê tông. Công
thức Bôlômây - Ckram - ta - ép có thể đợc
cải tiến một chút công thức sau:
R
b
= A
1
.R
x
. K
S







+ 5,0
N
X
Hệ số K
M
xét đến mức độ tăng cờng độ
do ảnh hởng của muội si líc.
Hệ số A

= 0,45 với cốt liệu tốt, A = 0,4 với
cốt liệu đạt yêu cầu. Các biện pháp tính toán
khác vẫn áp dụng nh TCVN. Các phơng
pháp thiết kế đều dựa trên giả thiết về thể tính
tuyệt đối.
Theo các kết quả thực nghiệm [2] thì
MS = (5 - 7%).X thì có thể chọn K

Bê tông cờng độ cao có cờng độ chịu
nén cao, cờng độ chịu kéo và mô đun đàn
hồi tăng, co ngót từ biến giảm Vì vậy bê tông
cờng độ cao đợc dùng chủ yếu 3 lĩnh vực
xây dựng nh sau:
S
= 1,1.
Và khi MS = (8 - 10%).X thì có thể chọn
K
S
= 1,15.
Khi MS = (10 - 15%).X thì có thể chọn
K


Các ngôi nhà từ 43 - 76 tầng ở Bắc Mỹ
đều dùng bê tông 62 MPa. Các ngôi nhà ở
Chicago từ năm 1976 - 1990, tầng từ 50 - 70
cờng độ bê tông đến 80 MPa. Các ngôi nhà
ở Tôkiô, Cleveland vào năm 1990 - 1995
cờng độ bê tông đến 97 MPa. Sự phân phối
cờng độ bê tông theo tầng nh sau: Tầng 0
đến tầng 25 bê tông 75 - 90 MPa, kích thớc
cột 48 x 48 in, 18 x 54 in. Tầng 25 - 40 bê
tông 60MPa. Tầng 60 - 75 bê tông 40 MPa,
S
= 1,8.
Hệ số K
S
chính xác có thể phải làm theo
nhiều thực nghiệm.
- Để xác định tỷ lệ N/X theo ACI 363 - R:
Căn cứ vào R
y/c
của bê tông (R
y/c
= 1,1Rb) và
đờng kính lớn nhất cốt liệu, M
k
của cát để
chọn tỷ lệ X/N theo bảng có sẵn.
- Xác định tỷ lệ X/N theo công thức
TCVN cải tiến: Căn cứ vào chất lợng cốt liệu
xác định A, căn cứ vào Rx và dự kiến hàm

lợng MS có thể tính ra tỷ lệ N/X hoặc N/CKD.
- Xác định hàm lợng muội silic: MS
Hàm lợng muội silic có thể chọn 3 trị số
(5 - 7 - 9%)X nếu R
by/c
70 MPa (mẫu hình trụ
D = 15 cm, H = 30 cm).
Hàm lợng MS = (7 - 9 - 11%).X nếu
R
y/c
> 70 MPa.
Tiến hành làm thí nghiệm xác định tuổi
1, 3, 7, 28, 90 ngày.
Căn cứ vào số liệu đó để quyết định hàm
lợng MS cần dùng.
Các kết quả ghi ở bảng (1) đợc lựa chọn
theo nguyên tắc trên.
Các vật liệu khác đợc lựa chọn nh đối
với bê tông truyền thống (R
b
50 MPa).
5. ứng dụng bê tông Cờng Độ cao
vo công trình xây dựng
v giao thông

kích thớc cột 18 x 24 in. Các ngôi nhà ở
Pháp, Đức khoảng 40 tầng đều dùng bê tông
M70 - M90 ở những tầng từ 0 đến 20. Kết cấu
chung của các ngôi nhà là khung, cột bê tông
M 80 trở lên và sử dụng kết hợp với sàn bê

tông DUL mác 50.
Trong xây dựng cầu từ năm 1970 đến
nay đã áp dụng bê tông cờng độ cao cho các
cầu lớn BTCT dự ứng lực: Năm 1970 ở Nhật,
mác bê tông phổ biến là 60 MPa. ở Pháp
năm 1989 mác bê tông là 60 MPa. Các đờng
cao tốc đến Akkăgawa, Octanabe ở Nhật Bản
dùng bê tông 70MPa. Các cầu của Đức,
Hà Lan vào năm 1992 - 1995 đã dùng bê tông
60 - 80MPa, kết cấu ở Pháp chủ yếu dùng
M80 - 100.

Từ các nghiên cứu trong nớc và trên thế
giới đã cung cấp đủ các cơ sở khoa học để áp
dụng bê tông cờng độ cao vào xây dựng nhà
và công trình giao thông. Loại bê tông này có
triển vọng và nên áp dụng sớm. Giá thành vật
liệu bê tông tăng khoảng 15%, tuy nhiên tổng
giá thành công trình có thể giảm so với khi sử
dụng bê tông thông thờng.
Trong ứng dụng bê tông cờng độ cao
cần tránh khuynh hớng dùng bê tông cờng
độ cao cho các dạng kết cấu cũ. Việc đó
không mang lại hiệu quả rõ ràng do mô hình
làm việc của kết cấu không thoả đáng. Xu thế
sử dụng bê tông cờng độ cao trong cầu là sử
dụng các kết cấu dạng hộp mỏng,kết cấu dàn
bê tông cốt thép dự ứng lực, dạng dầm chữ T
có khẩu độ lớn hơn. Theo kết quả nghiên cứu
cho thấy có thể tiết kiệm đợc 30% khối lợng

bê tông, giảm 30% trong lợng kết cấu, giảm
10 - 15% tổng giá trị công trình. Các cầu bản
BTCT dự ứng lực có thể giảm 30% chiều cao,
có thể giảm khối lợng xây lắp đến 40 % (Việt
Nam,Thụy Sỹ, Bỉ, Đức ) [6]. Các dạng kết
cấu cầu, kết cấu cầu bản có lỗ BTCT dự ứng
lực kéo sau khẩu độ 20 M, tải trọng H30. Có
chiều cao chỉ còn 0,65 0,75 m [6] đã đợc
sử dụng tốt ở Việt Nam. Có thể cải tiến mặt
cắt ngang theo hớng tăng khoảng cách các
dầm chịu lực và tăng chiều dày bản.
Theo mặt cắt ngang BT CĐC cho phép
tăng không gian của các phòng mà vẫn giữ
đợc chiều dày của sàn không tăng.
Trong xây dựng đờng ôtô, các kết cấu
đờng hiện đại có sử dụng cốt thép đều dùng
bê tông M 60 70. Nh vậy, ứng dụng bê tông
cờng độ cao trong xây dựng nhà và cầu
đờng quy mô lớn là rất có hiệu quả. Tuy
nhiên cũng cần lu ý BT CĐC chịu nhiệt kém
hơn BT thờng và độ dai cũng kém hơn.
6. Kết luận
Bê tông cờng độ cao có cờng độ nén
cao, cờng độ nén bằng khoảng 1/15 cờng
độ kéo, mô đun đàn hồi có thể đạt đến 45.000
MPa, có ngót và từ biến đều nhỏ so với bê
tông truyền thống. Khai thác các u điểm trên
cho phép thiết kế các công trình lớn và có
chất lợng cao.
Nên áp dụng BTCĐC vào các kết cấu

BTCT dự ứng lực và các kết cấu cầu chiều
cao kiến trúc thấp, đòi hỏi thanh mảnh, các
kết cấu cột chịu nén cao, chịu tải trọng động
lớn.

Tài liệu tham khảo
[1] Phạm Duy Hữu. Vật liệu xây dựng mới. NXB GT,
2002.
[2] Phạm Duy Hữu - Bê tông cờng độ cao. Báo
cáo đề tài NCKH cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo,
1999.
[3] High perrfomance concrete: properties and
applications. S. P. Shah, 1995 - USA.
[4] State of the Report on high - Strength concrete
(Báo cáo trình độ phát triển khoa học kỹ thuật về
bê tông cờng độ cao) - ACI-363-92-1988.
[5] Fracois de Larrad. Extension du domaine
dapplication des reglements de calcul BAEL/BPEL
aux betons à 80 MPa. LCPC Paris 1996.
[6] Proposition d annexe beton à hantes
Performances du Règlement BAEL. L.P.C -
Paris - 2000
Ă