Thiết kế cấp phối bê tông tính năng cao sử dụng Silica Fume và phụ gia siêu dẻo

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 50 (9/2015) 44
THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG TÍNH NĂNG CAO SỬ DỤNG 
SILICA FUME VÀ PHỤ GIA SIÊU DẺO 
Nguyễn Quang Phú1 
Tóm tắt: Ngày nay, bê tông tính năng cao được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp xây dựng 
trên toàn thế giới. Để sản xuất bê tông tính năng cao với thành phần vật liệu thông thường, chúng ta 
cần sử dụng các loại phụ gia khoáng như Silica Fume, Tro bay và Metakaolanh và những loại phụ gia 
siêu dẻo để tăng tính công tác cho bê tông. Việc sử dụng các loại phụ gia khoáng trong bê tông không 
chỉ giúp tăng cường độ mà còn làm tăng độ bền cho bê tông. Cường độ nén được thí nghiệm để tìm ra 
lượng dùng phụ gia khoáng tối ưu (Silica Fume ở mức 0; 5; 10; 15; 20 và 25% sau 7 ngày và 28 ngày 
dưỡng hộ). Việc khảo sát này nhằm mục đích đưa ra một cấp phối bê tông tính năng cao thiết kế bằng 
việc sử dụng phụ gia khoáng Silica Fume và phụ gia siêu dẻo. 
Từ khóa: Bê tông tính năng cao; Silica Fume; Phụ gia siêu dẻo; Cường độ nén. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ1 
Bê tông tính năng cao có các đặc tính và khả 
năng xây dựng vượt trội so với bê tông thông 
thường. Các vật liệu thông thường và đặc biệt 
được sử dụng để sản xuất ra loại bê tông được 
thiết kế đặc biệt này phải đạt được các yêu cầu 
về sự kết hợp các tính năng cao. Bê tông tính 
năng cao được chế tạo bởi những thành phần vật 
liệu có chất lượng cao, cần được chọn lựa một 
cách cẩn thận và tối ưu hóa trong thiết kế. Bê 
tông tính năng cao có tỉ lệ nước/xi măng thấp, từ 
0.2 đến 0.45. Phụ gia siêu dẻo thường được sử 
dụng để làm cho những loại bê tông này dẻo 
hơn và tăng tính công tác của bê tông. Bê tông 
tính năng cao hầu hết có cường độ và tính bền 
cao hơn bê tông thông thường. 
Có rất nhiều phương pháp thiết kế cấp phối cho 
bê tông tính năng cao. Các phương pháp được đề 
xuất bởi ACI, Aitcin (Aitcin, 1998), Laskar và 
Talukdar (Laskar và Talukdar, 2008) là một số 
phương pháp được lựa chọn. Trong các phương 
pháp trên, điều quan trọng đầu tiên được đưa ra 
là việc lựa chọn tỷ lệ nước/chất kết dính (W/B) 
cho cường độ bê tông thiêt kế nhất định, mặc dù 
tỷ lệ W/B không phải là một yếu tố dự báo tốt về 
cường độ nén của bê tông tính năng cao, việc sử 
dụng các phụ gia như Silica Fume kết hợp với 
1 Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi, Việt Nam. 
một lượng phụ gia siêu dẻo phù hợp là cách 
thường dùng để chế tạo bê tông tính năng cao. 
VinayagamP (VinayagamP, 2012) đã tiến 
hành thí nghiệm với Silica Fume thay thế xi 
măng từ 0 đến 15% và phụ gia siêu dẻo cho bê 
tông tính năng cao. Các hỗn hợp bê tông tính 
năng cao được kiểm tra thực nghiệm cho tính 
công tác, cường độ nén, khả năng chịu kéo và 
uốn thì kết quả thí nghiệm của các hỗn hợp bê 
tông thiết kế này là rất tốt, đảm bảo các tính 
năng yêu cầu của bê tông đặt ra. 
Hooton (Hooton, 1993) đã tiến hành các thí 
nghiệm bằng việc thay thế xi măng bằng Silica 
Fume và thí nghiệm nghiên cứu tính chất cơ lý 
và độ bền của bê tông khi đóng băng và băng 
tan, độ bền Sunphát và phản ứng kiềm-silica. 
Qua thí nghiệm thấy rằng, với việc thay thế 15% 
Silica fume, với liều lượng dùng phụ gia siêu 
dẻo hợp lý cho cấp phối bê tông có tỷ lệ W/B = 
0.35 thì cường độ nén ở tuổi 28 ngày là cao 
nhất, đạt được các yêu cầu về tính bền đặt ra của 
bê tông thiết kế. 
Yogendran và Langan (Yogendran và Langan, 
1982) đã khảo sát về bê tông cường độ cao sử 
dụng Silica Fume với tỷ lệ nước/chất kết dính là 
0,34 (W/B = 0,34) và tỷ lệ thay thế của Silica 
fume từ 0 đến 25%, với lượng thay đổi phụ gia 
siêu dẻo. Kết quả thí nghiệm cho thấy lượng dùng 
thay thế Silica Fume tối đa 15% là hợp lý nhất. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 50 (9/2015) 45 
Annadurai và Ravichandran (Annadurai và 
Ravichandran, 2014) đã tiến hành thí nghiệm 
đối với cấp phối bê tông cường độ cao thiết kế 
với các loại phụ gia; một số tỷ lệ dùng phụ gia 
siêu dẻo khác nhau với một khoảng từ 0,6 ÷ 
0,9%, với mức tăng cho mỗi cấp phối thí 
nghiệm là 0,1%. Kết quả thí nghiệm cho thấy 
việc bổ sung Silica Fume tăng cường độ nén và 
giảm độ sụt của bê tông. 
Trong nghiên cứu đã sử dụng các loại vật 
liệu trong nước đang được thi công rộng rãi cho 
một số công trình để thiết kế thành phần bê tông 
HPC kết hợp phụ gia khoáng là Silica Fume và 
phụ gia siêu dẻo với lượng dùng hợp lý, nhằm 
mục đích tăng cường độ và độ bền cho bê tông 
sử dụng. 
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 
Thiết kế thành phần bê tông tính năng cao 
theo ACI, qua đó thay đổi lượng dùng Silica 
Fume (SF) để thay thế xi măng trong thành phần 
bê tông (phụ gia khoáng SF thay thế lần lượt là 
5%; 10%; 15%; 20% và 25%) và giữ nguyên 
lượng phụ gia siêu dẻo và các thành phần vật 
liệu khác của bê tông. Các thí nghiệm được tiến 
hành trên bê tông tính năng cao cho bê tông đối 
chứng mác 60 MPa. Qua các thí nghiệm tìm ra 
tỷ lệ thay thế SF hợp lý nhất, đảm bảo bê tông 
HPC có cường độ và tính bền cao. 
3. VẬT LIỆU VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 
3.1. Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm 
Xi măng Pooc lăng PC40 Chinfon - Hải Phòng 
đạt cường độ nén 49,5MPa, thỏa mãn tiêu chuẩn 
TCVN 2682:2009. Cốt liệu mịn (cát) sử dụng cát 
sông Hồng; Cốt liệu thô (đá dăm) sử dụng kết hợp 
32% đá có Dmax = 10mm và 68% đá có Dmax = 
20mm (theo khối lượng) có sẵn tại phòng thí 
nghiệm Vật liệu xây dựng - Viện Thủy công thỏa 
mãn tiêu chuẩn TCVN 7570:2006. Kết quả thí 
nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của xi măng, cát, đá 
được thể hiện trong Bảng 1, 2 và 3 tương ứng. 
Bảng 1. Tính chất cơ lý của xi măng 
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thử Đơn vị Kết quả TNo 
1 Khối lượng riêng TCVN: 4030-2003 g/cm3 3,12 
2 Độ mịn (Lượng sót trên sàng 0,09) nt % 3,2 
3 Lượng nước tiêu chuẩn TCVN: 6017-1995 % 28,2 
4 
Thời gian bắt đầu đông kết nt phút 110 
Thời gian kết thúc đông kết nt phút 305 
5 Độ ổn định thể tích nt mm 2,2 
6 
Giới hạn bền nén tuổi 3 ngày TCVN: 6016-1995 N/mm2 34,0 
Giới hạn bền nén tuổi 28 ngày nt N/mm2 49,5 
Bảng 2. Tính chất cơ lý của cát 
STT Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả TNo 
1 Khối lượng riêng g/cm3 2,67 
2 Khối lượng thể tích xốp g/cm3 1,61 
3 Độ hổng % 39,7 
4 Hàm lượng bụi, bùn, sét % 0,96 
5 Mô đun độ lớn - 3,06 
6 Tạp chất hữu cơ - Đạt 
7 Thành phần hạt - Đạt 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 50 (9/2015) 46
Bảng 3. Tính chất cơ lý của đá dăm 
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả TNo 
1 Khối lượng riêng g/cm3 2,75 
2 Khối lượng thể tích xốp g/cm3 1,68 
3 Hàm lượng bụi, bùn, sét % 0,58 
4 Hàm lượng thoi dẹt % 18,2 
5 Hàm lượng hạt mềm yếu % 1,10 
6 Độ hút nước % 0,43 
7 Thành phần hạt - Đạt 
Phụ gia khoáng sử dụng Silica fume thay 
thế thành phần xi măng trong các cấp phối bê 
tông thiết kế. Các tính chất kỹ thuật của 
Silica fume được phân tích tại Viện Khoa học 
Công nghệ xây dựng (IBST), kết quả như 
Bảng 4. 
Bảng 4. Tính chất kỹ thuật của Silica fume 
STT Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả 
Yêu cầu kỹ thuật 
ASTM C 1240-00 
1 Khối lượng riêng g/cm3 2,40 
2 Độ ẩm % 2,76 
3 Hàm lượng mất khi nung % 2,82 ≤ 6,0 
4 Hàm lượng SiO2 % 88,15 SiO2 ≥ 85,0 
5 Hàm lượng SO3 % 0,05 < 2,0 
6 Hàm lượng CaO % 0,66 < 1,0 
6 Hàm lượng Cl- % 0,01 < 0,3 
Phụ gia hóa học là phụ gia siêu dẻo AM S40 
gốc Sulphonated naphthalene formaldehyde được 
sử dụng có tác dụng tăng tính công tác của hỗn 
hợp bê tông, giảm lượng dùng nước và tăng độ 
đặc của bê tông. 
3.2. Thiết kế cấp phối HPC 
Thiết kế cấp phối bê tông tính năng cao theo 
phương pháp ACI. Để đạt được cường độ cao với 
tỷ lệ nước/chất kết dính thấp và để đạt được tính 
công tác tốt thì phụ gia siêu dẻo được sử dụng hợp 
lý. Thành phần vật liệu của bê tông thí nghiệm 
được thể hiện trong Bảng 5. Trong thí nghiệm, tỷ 
lệ nước/chất kết dính thí nghiệm là 0,28 và liều 
lượng của phụ gia siêu dẻo AM-S40 là 5,5 lít/m3 
bê tông. Lượng phụ gia khoáng Silica fume thay 
thế lần lượt là 0; 5; 10; 15; 20 và 25%. 
Bảng 5. Thành phần vật liệu của các cấp phối bê tông thí nghiệm 
Cấp phối W/B XM Cát Đá dăm Nước AM-S40 Silica fume 
(kg) (kg) (kg) (lít) (lít) (kg) 
CP1 0,28 515,00 775 1050 144 5,5 0,00 
CP2 0,28 489,25 775 1050 144 5,5 25,75 
CP3 0,28 463,50 775 1050 144 5,5 51,50 
CP4 0,28 437,75 775 1050 144 5,5 77,25 
CP5 0,28 412,00 775 1050 144 5,5 103,00 
CP6 0,28 386,25 775 1050 144 5,5 128,75 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 50 (9/2015) 47 
3.3. Kết quả thí nghiệm cho các cấp phối 
HPC 
Kiểm tra độ sụt của các hỗn hợp bê tông theo 
tiêu chuẩn, sau đó đúc mẫu bảo dưỡng trong 
điều kiện môi trường tiêu chuẩn để kiểm tra 
cường độ nén ở tuổi 7 và 28 ngày. Các mẫu thí 
nghiệm được đúc trên hai loại mẫu khác nhau: 
mẫu lập phương (LP): 15x15x15cm và mẫu 
hình trụ kích thước D15xH30cm. Kết quả thí 
nghiệm được thể hiện trên Bảng 6. 
Bảng 6. Kết quả thí nghiệm độ sụt và cường độ cho các cấp phối bê tông HPC 
Cấp phối Độ sụt Cường độ nén 7 ngày (MPa) Cường độ nén 28 ngày (MPa) 
Mẫu LP Mẫu trụ Mẫu LP Mẫu trụ 
CP1 95 52,9 42,4 60,2 48,1 
CP2 83 56,5 44,6 63,6 50,2 
CP3 78 59,1 46,2 66,5 51,9 
CP4 72 60,0 50,3 71,8 56,7 
CP5 66 59,5 46,7 67,8 53,3 
CP6 60 57,6 43,8 64,2 49,8 
Nhận xét: 
+ Khi giữ nguyên các thành phần vật liệu 
trong cấp phối bê tông, hàm lượng Silica fume 
thay thế xi măng tăng lên, thì độ sụt của hỗn 
hợp bê tông giảm xuống. Do độ mịn của Silica 
fume rất cao (khoảng 20.000 m2/kg), nên độ hút 
nước nhiều hơn, làm giảm độ sụt của hỗn hợp 
bê tông. 
+ Thay thế 15% Silica fume (CP4) thì cường 
độ của bê tông ở 7 và 28 ngày tuổi là cao nhất 
(71,8 MPa), sau đó cường độ giảm dần khi hàm 
lượng Silica fume thay thế tăng lên. Điều này có 
thể do thực tế là phản ứng pozzolanic không hết 
với thành phần hoạt tính SiO2 và hiệu ứng điền 
đầy của phụ gia Silica fume chưa triệt để. 
4. KẾT LUẬN 
Trên cơ sở của các kết quả thí nghiệm có thể 
đưa ra các kết luận sau đây: 
+ Quy trình thiết kế cấp phối cho bê tông tính 
năng cao sử dụng Silica fume và phụ gia siêu 
dẻo được xây dựng theo phương pháp ACI là 
hợp lý, ngoài ra còn có thể tham khảo thêm một 
số phương pháp thiết kế khác về bê tông tính 
năng cao đã được nghiên cứu. 
+ Hàm lượng Silica fume thay thế xi măng 
trong thành phần của bê tông tính năng cao tăng 
lên thì tương ứng làm tăng cường độ nén bê 
tông, hàm lượng Silica fume tăng lên đến 15% 
(CP4) thì cường độ nén của bê tông cao nhất, 
tuy nhiên sau đó giảm dần khi hàm lượng Silica 
fume tăng lên (CP5 và CP6). Do đó sự thay thế 
tối ưu của Silica fume là 15%. 
+ Tỷ lệ cường độ nén của bê tông tính năng 
cao với các mẫu được đúc bằng mẫu lập phương 
so với các mẫu hình trụ ở 7 ngày và 28 ngày là 
từ 1,26 đến 1,28. Vì vậy khi sử dụng mẫu thí 
nghiệm cường độ nén của bê tông không đúng 
với mẫu chuẩn (Lập phương: 15x15x15cm) thì 
kết quả thí nghiệm cần nhân với hệ số hiệu 
chỉnh đó. 
+ Tỷ lệ phần trăm thay thế của xi măng bằng 
Silica fume tăng thì tính công tác của hỗn hợp 
bê tông giảm khi giữ nguyên các thành phần vật 
liệu khác trong cấp phối của bê tông. Vì vậy, 
cần có sự lựa chọn cường độ thiết kế hợp lý và 
phù hợp với công trình xây dựng để có biện 
pháp điều chỉnh thành phần vật liệu một cách 
hợp lý. 
+ Thành phần bê tông được thiết kế với các 
loại vật liệu trong nước hiện đang được sử dụng 
cho các công trình xây dựng; mác bê tông thiết 
kế phù hợp với yêu cầu tăng cường độ và tính 
bền của bê tông các công trình xây dựng, vì vậy 
kết quả thí nghiệm có thể là tài liệu tham khảo 
cho các công trình bê tông có mác thiết kế phù 
hợp trong khoảng 60 đến 70MPa. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 50 (9/2015) 48 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Giáo trình Vật liệu xây dựng - Đại học Thủy lợi. 
TCVN 2682:2009. Xi măng Pooc lăng - Yêu cầu kỹ thuật. 
TCVN 4506:2012. Nước cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật. 
TCVN 7570:2006. Cốt liệu dùng cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật. 
TCVN: 6016-1995. Xi măng - Phương pháp thử - Xác định độ bền. 
TCVN: 6017-1995. Xi măng - Phương pháp thử - Xác định thời gian đông kết và độ ổn định thể 
tích của xi măng. 
Annadurai and A. Ravichandran (2014), “Development of mix design for high strength concrete 
with Admixtures”, IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, vol.10, issues-5, pp.22-27. 
Islam Laskar and S. Talukdar (2008). “A New Mix Design Method For High Performance Concrete”, 
Asian Journal of Civil Engineering (Building and Housing), Vol.9, No.1, pp.15-23, 2008. 
ACI, 234R-96 (1996), “Guide for the use of silica fume in concrete”, Reported by ACI, Committee, 
234, pp.1-51. 
Aitcin. P.C. (1998), “High performance concrete", E & FN Spon, London, 1998. 
ASTM C 1240-00. Standard Specification for Silica Fume Used in Cementitious Mixtures. 
Hooton R.D (1993), “Influence of silica fume replacement of cement on physical properties and 
resistance to Sulphate attack, Freezing and Thawing, and alkali-silica reactivity", ACI Material 
Journal, No.2, pp.143-151. 
P.Vinayagam (2012), “Experimental Investigation on high performance concrete Using Silica Fume 
and Superplasticizer”, International journal of Computer and Communication Engineering, Vol.1, 
No.2, pp. 168-171. 
Patil Shreekedar.A and Kumbhar. P.D (2013), “Study on effect of mineral admixtures in mix 
proportioning of HPC”, International Journal of Research in Advent Technology, Vol.1, Issue.5, 
pp.499-504. 
V. Yogendran, B.W.Langan, M.N. Haque, M.A. Ward (1982), “Silica fume in high strength 
concrete”, ACI Mater. J.84 (2), pp.124-129. 
Abstract: 
MIX DESIGN OF HIGH PERFORMANCE CONCRETE USING SILICA FUME 
AND SUPER-PLASTICIZER 
High Performance Concrete (HPC) now a days used widely in the construction industry world-
wide. To produce HPC with normal ingredients we use mineral admixtures like Silica fume, Fly 
ash and Metakaoline and workable agents Super-plasticizers are also used. The usage of mineral 
admixtures in the concrete not only enhances its strength properties but also durability. The 
compressive strength are investigating finding the optimum use of mineral admixture (Silica fume of 
levels 0; 5; 10; 15; 20 and 25% at 7 days and 28 days of curing). The present investigation aims to 
give design mix for HPC by using Silica Fume and Super-plasticizers. 
Keywords: High Performance Concrete; Silica Fume; Super-plasticizer; Compressive strength. 
BBT nhận bài: 13/8/2015 
Phản biện xong: 10/9/2015