Tổng quan các đặc tính cơ học của bê tông chất lượng siêu cao UHPC

Khi thêm sợi vào UHPC (UHPFRC), các tính chất ứng xử nén của mẫu trước khi đạt cường độ nén cực đại hầu như không thay đổi so với khi không có sợi, ngoại trừ phá hoại giòn bị ngăn chặn (không có hiện tượng nổ phân mảnh như UHPC không sợi mà là tiếng động phát ra từ việc phát triển các đường nứt. Ngoài ra, đường cong ứng suất - biến dạng khi nén của UHPFRC có xuất hiện giai đoạn ứng xử sau cường độ nén cực đại (post-peak behaviour) (Hình 2.3c). Hình dạng của giai đoạn sau cường độ nén cực đại phụ thuộc vào các yếu tố của loại sợi sử dụng như hàm lượng sợi, loại sợi, đường kính chiều dài sợi.

2.2. Ứng xử kéo
 
Thông thường có 3 phương pháp thí nghiệm cơ bản để xác định khả năng chịu kéo của UHPC: kéo trực tiếp (direct tensile test), ép chẻ (Splitting test) và uốn (flexural test). Trong ba phương pháp trên, phương pháp kéo trực tiếp trên mẫu lăng trụ tiết diện vuông (prism) hoặc tròn (cylinder), mẫu hình xương chó (dog-bone) được coi là phù hợp nhất để quan sát toàn bộ ứng xử chịu kéo của UHPC khi có sử dụng sợi.
  Ở Đức, cụ thể là tại Đại học Kassel, nhóm nghiên cứu của GS. Ekkehard Fehling (nhóm Kassel) đã phát triển phương pháp thí nghiệm kéo trên mẫu lăng trụ tiết diện vuông (40x40x80 mm) cho hai trường hợp (Hình 2.4a, 2.4.b): mẫu không có khấc (prism without notches) ở giữa dùng để xác định khả năng chịu kéo cao nhất của UHPC, mẫu có khắc khấc ở giữa (prism with notches) để quan sát được quan hệ ứng suất - độ mở rộng vết nứt khi chịu kéo, qua đó xác định rõ khả năng làm việc có hiệu của sợi (fiber efficiency). Theo kết quả thí nghiệm kéo trực tiếp tại Kassel, UHPC không sợi có cường độ chịu kéo từ 4 - 10 MPa, trong khi đó UHPFRC có sợi có cường độ chịu kéo từ 7 - 15 MPa tùy thuộc vào thành phần cấp phối và loại sợi. Riêng với UHPFRC, đường cong ứng suất - độ mở rộng vết nứt có giai đoạn ứng xử có hiệu của sợi, nghĩa là sau khi mẫu bị nứt đầu tiên do phá hoại liên kết giữa cốt liệu, thì sợi bắt đầu phát huy tác dụng như một cầu liên kết giữa các vết nứt vi mô và ngăn chặn sự phát triển vết nứt. Thí nghiệm uốn mẫu dầm được coi như là phương án tốt nhất để xác định khả năng chịu kéo của UHPC. Nhóm Kassel đã phát triển thí nghiệm uốn trên mẫu dầm có khắc khấc và không khấc (Hình 2.5a). Qua thí nghiệm uốn cho thấy, cường độ chịu kéo của UHPC không có sợi mẫu dầm 40x40x160 mm nằm trong khoảng 13 - 17 MPa, mẫu dầm 150x150x700 mm nằm trong khoảng 7 - 10 MPa. Đối với UHPFRC, cường độ kéo trong thí nghiệm uốn mẫu cao hơn từ 15 - 40 MPa, tùy thuộc vào loại sợi, hình dáng kích thước sợi, sự phân bố sợi, phương pháp đổ mẫu. Với mẫu dầm có khắc khấc, tương tự như khi kéo trực tiếp, giai đoạn làm việc của sợi sau khi nứt có thể được quan sát trong đường cong ứng suất - độ mở rộng vết nứt. Nghiên cứu cho thấy, hàm lượng sợi và chiều dài sợi ảnh hưởng lớn nhất đến giai đoạn làm việc sau khi đạt được cường độ kéo uốn cao nhất (Hình 2.5b).

2.3. Ứng xử co ngót từ biến Bê tông UHPC được đặc trưng bởi tính tự co ngót lớn ở giai đoạn đầu phát triển cường độ (autogenous shrinkage) do hàm lượng bột khoáng cao, trong khi đó co ngót khô không đáng kể (dry shrinkage). Với tỉ lệ nước/xi măng thấp hơn 0,25, tổng biến dạng co ngót đo được cho cấp phối UHPC phát triển ở Kassel là 0,6 - 0,9 mm/m (Hình 2.6a). Fehling và cộng sự (2014) đo được sự co ngót của UHPC dùng cấp phối M2Q là 0,7 mm/m. Ma (2010) chỉ ra rằng, UHPC dùng cốt liệu thô có khả năng tự co ngót cao hơn 40% so với UHPC dùng cốt liệu mịn (Hình 2.6b). Epper và Mueller (2008) kết luận rằng, dùng UHPFRC với hàm lượng sợi thép khoảng 1% sẽ giảm khả năng tự co ngót từ 10 - 15%. UHPC không bảo dưỡng nhiệt có khả năng từ biến cao hơn so với dự đoán của lý thuyết từ biến (MC90) dùng cho bê tông thường, tuy nhiên từ biến của UHPC thấp hơn so với bê tông cường độ cao HSC. Ma (2010) thí nghiệm đo từ biến của UHPC (Hình 2.7a, 2.7b) trên mẫu lăng trụ tròn 100x300 mm và kết luận rằng từ biến khô của UHPC có giá trị rất thấp nên có thể bỏ qua. Hệ số từ biến (ultimate creep coefficient) giới hạn của UHPC được đề xuất là 0,92, nhỏ hơn rất nhiều so với bê tông thường NSC là từ 2 - 4.

2.4. Độ bền

UHPC có sức kháng cực kì cao khi chịu tác dụng của các yếu tố như xâm thực từ môi trường và thời tiết như nước biển mặn, khí gas, chất lỏng, đóng băng và tan băng nếu so sánh với bê tông NSC và HSC. Nguyên nhân rõ rệt là do cấu trúc đăc sít và vùng chuyển tiêp giữa các cốt liệu, các lỗ rỗng như trong bê tông thường được lấp đầy bởi các hạt mịn. Hình 2.8a, 2.8b mô tả so sánh về độ bền của UHPC trong thí nghiệm khuếch tán clorit và chu kì đóng băng - tan băng so với NSC và HSC (High strength concrete).

3. Kết luận

Qua những trình bày tổng quan về nghiên cứu đặc điểm cơ học của UHPC ở Đức, một số kết luận chung được rút ra như sau:

- Đặc tính cơ học và độ bền của UHPC là vượt trội so với các loại bê tông thông thường;

​- UHPC là loại vật liệu rất tiềm năng và có thể mang lại nhiều kết cấu mới sáng tạo cho nghành công nghiệp xây dựng, độ bền vững cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tác động của hiệu ứng khí thải;

​- Sự lan tỏa và phát triển UHPC ở Việt Nam là rất cần thiết. Tuy nhiên, cần có những dự án thử nghiệm UHPC nhiều hơn nữa, áp dụng các tiêu chuẩn đã ban hành của các quốc gia cũng như tận dụng nguồn kiến thức, kết cấu đã được nghiên cứu trước trên thế giới.

​- Trong tương lai cần có tiêu chuẩn UHPC cho Việt Nam để sớm áp dụng đại trà loại vật liệu mới này.