Tóm tắt: Bê tông cường độ cao ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng ở nước ta. Hiện nay, để xác định cường độ chịu nén của bê tông cường độ cao trên các mẫu đúc khác mẫu chuẩn và mẫu khoan đang sử dụng các hệ số chuyển đổi quy định trong tiêu chuẩn quốc gia. Tuy nhiên, các hệ số này có sự khác biệt đáng kể với thực tế. Nghiên cứu trình bày trong bài báo này đã cho thấy tỷ lệ cường độ chịu nén xác định trên mẫu lập phương (a150) so với mẫu trụ (D150H300) là 1,13; mẫu lập phương so với mẫu khoan (D57H57) là 0,98 và mẫu trụ so với mẫu khoan là 0,87. Mức độ chênh lệch cường độ chịu nén khi chuyển đổi theo tiêu chuẩn và theo hệ số thực nghiệm khi sử dụng mẫu khoan đường kính nhỏ trong thực nghiệm ở mức 18,1 % với mẫu lập phương và 26,1 % với mẫu trụ. Qua đó đã đề xuất nghiên cứu quy mô lớn hơn nhằm soát xét bổ sung các tiêu chuẩn quốc gia hiện hành.
1. Mở đầu
Ngay từ khi bê tông bắt đầu được sử dụng rộng rãi vào giữa thế kỷ XIX cho đến nay, cường độ bê tông đã được liên tục nâng. Tại Hoa Kỳ, nếu vào những năm 1950, bê tông có cường độ chịu nén 35 MPa đã được coi là bê tông cường độ cao thì đến những năm 1960 cùng với sự xuất hiện của phụ gia siêu dẻo, giá trị cường độ đã được nâng lên 41-52 MPa. Năm 1976 lần đầu tiên bê tông với cường độ chịu nén 62 MPa được sử dụng cho nhà cao tầng thì đến nay bê tông cường độ trên 100 MPa trở lên đã khá phổ biến trong các công trình [1, 2].
Bê tông cường độ cao có cấu trúc đồng nhất hơn so với bê tông thông thường vì bê tông cường độ cao ưu tiên sử dụng cốt liệu có kích thước nhỏ hơn, thể tích vữa xi măng trong bê tông lớn hơn, nhờ sử dụng phụ gia siêu dẻo nên lượng nước trộn giảm đáng kể, hàm lượng bọt khí thấp, bọt khí có kích thước nhỏ và được phân bố đồng đều hơn [1]. Với cấu trúc như vậy nên các đặc tính về biến dạng và phá huỷ của bê tông cường độ cao cũng có sự khác biệt nhất định. Điều này cũng ảnh hưởng đến công tác thí nghiệm xác định cường độ của bê tông. Thí nghiệm nén bê tông cường độ cao với cấu trúc đồng nhất có thể được thực hiện trên các mẫu có kích thước nhỏ hơn do ít chịu ảnh hưởng của kích thước hạt lớn nhất của cốt liệu. Sử dụng mẫu nhỏ hơn cũng cho phép thử nghiệm bê tông có cường độ cao hơn trên cùng một máy nén.
Trong công trình, bê tông cường độ cao thường được sử dụng trong các kết cấu chịu lực với hàm lượng thép khá dày. Trong nhiều trường hợp, khi kiểm tra đánh giá bê tông trên kết cấu, không thể lấy mẫu khoan mà không ảnh hưởng đến thép. Do đó việc sử dụng các mẫu kích thước nhỏ là một vấn đề thực tế cần quan tâm. Tuy nhiên, một số nghiên cứu trên thế giới [3, 4] cho thấy việc sử dụng các mẫu kích thước nhỏ có ảnh hưởng nhất định đến kết quả xác định cường độ và mức độ biến động kết quả thử.
Thử nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông hiện được quy định trong TCVN 3118:2022 với mẫu đúc và TCVN 12252:2022 đối với mẫu khoan, cắt từ kết cấu. Theo TCVN 3118:2022 có thể sử dụng mẫu lập phương kích thước cạnh 70 mm, 100 mm với hệ số chuyển đổi về mẫu lập phương tiêu chuẩn cạnh 150 mm tương ứng bằng 0,85 và 0,95. Hệ số chuyển đổi từ mẫu trụ D100H200 và mẫu D150H300 về mẫu tiêu chuẩn tương ứng là 1,16 và 1,20. Các hệ số này chênh lệch đáng kể so với hệ số chuyển đổi xác định qua thí nghiệm thực tế với bê tông cường độ cao [5, 6, 7].
Với mẫu khoan, việc xác định cường độ chịu nén theo TCVN 12252:2020 cần tính đến hai hệ số η₁ và β. Trong đó, hệ số β chuyển đổi kết quả nén tính đến tỷ lệ chiều cao trên đường kính mẫu khoan (h/d) và hệ số η₁ tính đến đường kính mẫu trụ và cường độ bê tông sau khi hiệu chỉnh theo tỷ lệ h/d. Với mẫu có đường kính trên 90 mm hệ số η₁ được lấy bằng 1,00 cho mọi mức cường độ. Tuy nhiên, khi giảm đường kính mẫu xuống đến 50±6 mm, η₁ tăng khi cường độ đến 35 MPa và giảm nhanh khi cường độ trên 35 MPa. Điều này có nghĩa là cường độ chuyển đổi về mẫu chuẩn lớn hơn cường độ xác định trên mẫu khoan với bê tông cường độ thấp và sẽ nhỏ hơn cường độ xác định trên mẫu khoan với bê tông cường độ cao. Ngoài ra, trong khi hệ số η₁ được quy định cho từng mức cường độ cách nhau 10 MP khi giá trị cường độ nhỏ hơn 55 MPa thì η₁ lại có giá trị cố định khi cường độ lớn hơn 55 MPa. Các hệ số này cần được kiểm tra và cập nhật số liệu dựa trên các nghiên cứu mới nhất với đối tượng bê tông cường độ cao.
Nghiên cứu này được thực hiện tại Viện Chuyên ngành Bê tông – Viện KHCN Xây dựng nhằm đóng góp thêm các số liệu thực tế về hệ số chuyển đổi cường độ xác định trên mẫu khoan kích thước nhỏ với đối tượng là bê tông cường độ cao, đồng thời đề xuất kiến nghị đối với việc áp dụng TCVN 12252:2020.
2. Vật liệu và phương pháp
Bê tông cường độ cao trong nghiên cứu được chế tạo với các vật liệu tại nhà máy của công ty Vietnam VG Industry. Chất kết dính sử dụng bao gồm xi măng Nghi Sơn PC50 kết hợp với phụ gia khoáng hoạt tính là xỉ lò cao nghiền S95 Hòa Phát hoặc silicafume. Tính chất của xi măng và phụ gia khoáng được trình bày tại Bảng 1, Bảng 2 và Bảng 3.
Cốt liệu lớn cho bê tông là đá dăm với Dmax=20 mm, khối lượng riêng 2,77 g/cm³, khối lượng thể tích khô 2,73 g/cm³, khối lượng thể tích xốp 1490 kg/m³, độ hút nước 0,6 %, cốt liệu lớn bao gồm 58,8 % cỡ hạt 10-20 mm và 38,1 % cỡ hạt 5-10 mm.
Cốt liệu nhỏ cho bê tông bao gồm cát sông và cát nghiền. Cát sông có khối lượng riêng 2,65 g/cm³, khối lượng thể tích 2,61 g/cm³, khối lượng thể tích xốp 1530 kg/m³, độ hút nước 0,5 %, mô đun độ lớn 2,4.
Cát nghiền có khối lượng riêng 2,64 g/cm³, khối lượng thể tích 2,61 g/cm³, khối lượng thể tích xốp 1420 kg/m³, độ hút nước 0,2 %, mô đun độ lớn 3,1. Cát sông và cát nghiền có thành phần hạt phù hợp với yêu cầu theo TCVN 7570:2006 và TCVN 9205:2012.
Phụ gia hoá học được VGSI phối trộn từ phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate và phụ gia điều chỉnh để hỗn hợp bê tông đạt các tính chất yêu cầu. Hỗn hợp bê tông được định lượng và trộn tại trạm trộn của nhà máy sử dụng máy trộn cưỡng bức dung tính 2 m³. Các mẫu bê tông bao gồm mẫu lập phương cạnh 150 mm (Cub) và mẫu trụ đường kính 150 mm chiều cao 300 mm (Cyl) được lấy từ các mẻ trộn khác nhau, được đổ, đầm và dưỡng hộ theo TCVN 3105:2022. Số lượng mẫu trụ được đúc gấp đôi cho mỗi mẻ để khoan lấy mẫu khoan (Cor) theo TCVN 12252:2020. Các mẫu khoan có đường kính 57 mm, mẫu được cắt và làm mặt để có chiều cao 57 mm.
Xử lý số liệu cường độ mẫu khoan được thực hiện theo TCVN 12252:2020 và theo hệ số thực nghiệm chuyển đổi cường độ trong nghiên cứu này.
3. Kết quả và bình luận
Trong nghiên cứu đã sử dụng 02 cấp phối bê tông cường độ cao sử dụng phụ gia khoáng là xỉ lò cao nghiền và silicafume. Hỗn hợp bê tông được thiết kế đạt mác độ sụt D1 (độ sụt 10-40 mm). Thành phần bê tông được trình bày tại Bảng 4.
Theo chương trình thí nghiệm, với mỗi thành phần đã lấy 6 mẻ trộn để có được 6 cặp tổ mẫu. Mỗi tổ mẫu gồm 3 viên. Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông xác định theo mẫu đúc và mẫu khoan được trình bày tại Bảng 5 và Bảng 6.
Các kết quả tại Bảng 5 cho thấy cường độ chịu nén của các tổ mẫu lập phương nằm trong khoảng 81,6 MPa đến 98,MPa, của các tổ mẫu trụ nằm trong khoảng từ 70,2 MPa đến 88,5 MPa đáp ứng tiêu chí bê tông cường độ cao. Tính toán hệ số biến động cường độ trong các tổ mẫu được thực hiện cho từng loại mẫu tham khảo hướng dẫn của GOST 10180- 2012 “Concretes. Methods for strength determination using reference specimens”. Kết quả cho thấy hệ số biến động cường độ trong tổ mẫu lập phương là 1,4 % và trong tổ mẫu trụ là 1,7 %. Các giá trị này nhỏ hơn 5 % và được đánh giá là công tác thí nghiệm đảm bảo chất lượng tốt. Với kết quả này theo GOST 10180-2012 tổ mẫu chỉ cần bao gồm 2 viên mẫu.
Đánh giá biến động trong sản xuất được thực hiện thông qua hệ số biến động trong sản xuất. Độ lệch chuẩn trong sản xuất ( Ssx ) được tính toán dựa trên độ lệch chuẩn trong thí nghiệm ( Stn ) và độ lệch chuẩn chung ( S ) theo công thức 1. Trong đó độ lệch chuẩn chung được tính bằng độ lệch chuẩn giữa các tổ mẫu thí nghiệm cùng hình dạng kích thước. Kết quả tính toán trình bày tại Bảng 7.
Có thể thấy từ kết quả tại Bảng 7 rằng quá trình sản xuất hỗn hợp bê tông cường độ cao khá ổn định.
Hệ số biến động không phụ thuộc nhiều vào hình dạng mẫu thí nghiệm mức chênh lệch dưới 1 %. Hệ số biến động phụ thuộc chủ yếu vào thành phần bê tông. Hỗn hợp bê tông sử dụng silicafume có hệ số biến động cao hơn, có khả năng là do việc phân tán đồng đều silicafume dạng viên nén gặp nhiều khó khăn hơn so với việc phân tán hạt xỉ nghiền không bị nén và có kích thước lớn hơn.
Hệ số thực nghiệm chuyển đổi cường độ giữa mẫu lập phương và mẫu trụ được tính toán dựa trên các cặp cường độ tổ mẫu xác định trên mẫu lập phương và mẫu trụ tại Bảng 5 và mẫu khoan tại Bảng 6 theo hướng dẫn tại Phụ lục B của TCVN 3118:2022. Kết quả được trình bày tại Bảng 8.
Kết quả thu được tại Bảng 8 cho thấy hệ số biến động của hệ số chuyển đổi xác định cho thành phần SL và SF là 3,3 % và 8,7 %, tổng hợp cho cả hai thành phần là 6,3 %. Giá trị này nhỏ hơn giới hạn 15 % trong TCVN 3118:2022 để có thể áp dụng hệ số chuyển đổi. Giá trị hệ số chuyển đổi thu với thành phần SL và SF là 1,14 và 1,12. Giá trị tính chung cho cả hai thành phần là 1,13 được khuyến cáo sử dụng trong thực tế. Mức có nghĩa của hệ số chuyển đổi được tính toán so sánh với hệ số chuyển đổi bằng 1,2 quy định trong TCVN 3118:2022. Mức có nghĩa của hệ số chuyển đổi 1,13 xác định được có giá trị từ 2,90 lớn hơn 1,4 cho thấy sự khác biệt là có nghĩa và có thể sử dụng hệ số chuyển đổi thực nghiệm này.
Kết quả này là phù hợp với các nghiên cứu [7, 8] cho thấy khi cường độ bê tông càng cao thì hệ số chuyển đổi giữa mẫu lập phương và mẫu trụ càng giảm. Hệ số chuyển đổi cường độ mẫu khoan về mẫu đúc được xác định cho từng thành phần và tổng quát cho cả hai thành phần. Hệ số biến động thu được đều nhỏ hơn 15 %. Với hệ số chuyển đổi từ mẫu khoan không xác định mức có nghĩa vì tiêu chuẩn không quy định giá trị tham chiếu. Hệ số chuyển đổi từ mẫu khoan về mẫu lập phương và mẫu trụ đề xuất áp dụng tương ứng bằng 0,98 và 0,87.
Để so sánh đánh giá hệ số chuyển đổi xác định được với các quy định hiện hành, đã tiến hành khoan lấy mẫu từ một sản phẩm và tiến hành chuyển đổi theo quy định của TCVN 12252:2022, TCVN 3118:2022 và theo các hệ số xác định được. Các mẫu khoan cũng có đường kính và chiều cao bằng 57 mm. Kết quả thí nghiệm và tính toán chuyển đổi được trình bày tại Bảng 9.
Cường độ mẫu khoan trình bày trong Bảng 9 được xác định bằng tỷ lệ giữa tải trọng phá huỷ trên diện tích chịu lực. Chuyển đổi cường độ về mẫu lập phương cạnh 150 mm trước tiên được thực hiện theo TCVN 12252:2020. Với mẫu có đường kính 57 mm chiều cao 57 mm và cường độ trên 55 MPa, hệ số chuyển đổi tra bảng β=1 và η₁=0,83. Để chuyển đổi kết quả về cường độ mẫu trụ D150H300 có thể tham khảo hệ số α=1,2 quy định tại TCVN 3118:2022. Như vậy, khi chuyển đổi về mẫu trụ đã áp dụng hệ số β. η₁/ α=0,69. Chuyển đổi từ mẫu lập phương về mẫu trụ cũng có thể thực hiện với hệ số chuyển đổi xác định thực nghiệm bằng 1,13 theo Bảng 8. Khi đó hệ số chuyển đổi tổng hợp bằng β. η₁/ 1,13=0,73.
Chuyển đổi về mẫu lập phương và mẫu trụ còn được thực hiện theo hệ số chuyển đổi thực nghiệm tại Bảng 8 với Cub/Cor=0,98 và Cyl/Cor=0,87.
Số liệu tại Bảng 9 cho thấy giá trị cường độ thu được khi chuyển đổi theo hệ số thực nghiệm cao hơn so với khi chuyển đổi theo các hệ số quy định trong tiêu chuẩn TCVN 12252:2020 và TCVN 3118:2022.
Mức độ chênh lệch cường độ khi chuyển đổi mẫu khoan trong Bảng 9 ở mức 18 % với mẫu lập phương và 26 % với mẫu trụ. Giá trị cường độ chuyển đổi theo hệ số thực nghiệm sẽ phản ánh chính xác hơn cường độ thực tế của bê tông trên cấu kiện. Trong trường hợp này, nếu sử dụng các số liệu chuyển đổi theo tiêu chuẩn để tính toán đánh giá kết cấu có thể sẽ dẫn đến nhận định sai về khả năng chịu lực, gây lãng phí. Cũng lưu ý rằng TCVN 12252:2020 được biên soạn trên cơ sở tham khảo GOST 28570-90 của Liên bang Nga. Tuy nhiên, năm 2019, LB Nga đã công bố bản cập nhật là GOST 28570-2019 với một số sửa đổi nhất định. Ngoài ra GOST 31914-2012 “High-strength heavy-weight and fine-graine concretes for situ-casting structures. Rules for control and quality assessment” cũng khuyến cáo sử dụng hệ số thực nghiệm và có một số điều chỉnh về hệ số đối với mẫu kích thước nhỏ.
Các hệ số thực nghiệm trong nghiên cứu này mang tính định hướng và phù hợp với các thành phần bê tông tương tự trong thực nghiệm cũng như mẫu khoan kích thước tương tự do các hệ số này mới chỉ được xây dựng dựa trên số liệu thí nghiệm hạn chế sử dụng hai thành phần bê tông. Để có căn cứ điều chỉnh, nâng cao độ chính xác của các hệ số trên cần thực hiện nghiên cứu quy mô lớn hơn, sử dụng nhiều thành phần bê tông cường độ cao với các nguồn vật liệu đa dạng hơn.
4. Kết luận
Trên cơ sở các nghiên cứu đã tiến hành có thể rút ra một số kết luận và kiến nghị sau: Có sự chênh lệch giữa giá trị cường độ chịu nén khi xác định trên các mẫu đúc có kích thước khác nhau và mẫu khoan. Bằng thực nghiệm với bê tông cường độ cao, đã xác định được tỷ lệ cường độ xác định trên mẫu lập phương a150 so với mẫu trụ D150H300 là 1,13, mẫu lập phương so với mẫu khoan D57H57 là 0,98, mẫu trụ so với mẫu khoan là 0,87.
Các hệ số thực nghiệm chuyển đổi cường độ có khác biệt đáng kể so với các hệ số chuyển đổi quy định trong các tiêu chuẩn quốc gia hiện hành, dẫn đến việc cường độ mẫu khoan bê tông cường độ cao chuyển đổi về cường độ mẫu tiêu chuẩn theo hướng dẫn trong tiêu chuẩn hiện hành có giá trị thấp hơn đáng kể so với cường độ thực tế. Để khắc phục tình trạng trên, nên thực hiện nghiên cứu chuyên sâu quy mô lớn hơn để làm cơ sở soát xét, bổ sung các tiêu chuẩn quốc gia hiện hành nhằm nâng cao độ chính xác khi đánh giá bê tông cường độ cao.
Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2024
