Thiết kế thành phần bê tông cường độ cao, tính năng cao có khả năng giảm co ngót

 104 
Thiết kế thành phần bê tông cường độ cao, 
tính năng cao có khả năng giảm co ngót 
Nguyễn Quang Phú1,2, Jiang lin hua1, 
LIU Jiaping3, Tian Qian3 
Tóm tắt: Bê tông cường độ cao, tính năng cao luôn luôn được sản xuất với tỷ lệ nước/chất kết 
dính (W/B) trong khoảng 0.2 đến 0.4; khi mà cốt liệu thông thường được sử dụng. Để đảm bảo tỷ lệ 
W/B thấp và duy trì tốt tính công tác của bê tông thì cần thiết phải dùng phụ gia giảm nước 
(HRWR). Khi đó thường không thể sản xuất bê tông có cường độ nén trên 80 MPa; để tăng tính năng 
và cường độ của bê tông thì các phụ gia khoáng như Silica Fume, Fly Ash, Slag được sử dụng là cần 
thiết. Tuy nhiên khi bê tông có tỷ lệ nước/chất kết dính (W/B) thấp thì không tránh khỏi co ngót do 
sự thay đổi thể tích gây nên bởi hiện tượng co khô, tự co, phản ứng hóa học và sự thay đổi của nhiệt 
độ. Vì vậy bài viết này thiết kế một số cấp phối bê tông cường độ cao, tính năng cao có sử dụng phụ 
gia giảm co ngót (SRA) với mục đích giảm co ngót cho bê tông. 
I. Tổng quan: 
Thiết kế thành phần bê tông là sự lựa chọn 
thành phần vật liệu thích hợp (xi măng, phụ gia, 
cát, đá, nước) đảm bảo cường độ yêu cầu và các 
tính năng bền lâu của bê tông; một vài nhân tố 
quyết định những đặc tính này như sau: 
- Chất lượng xi măng. 
- Thành phần của xi măng và các vật liệu kết 
dính khác liên quan đến nước trong hỗn hợp (tỷ 
lệ W/B). 
- Cường độ và độ sạch của cốt liệu (cát vá đá). 
- Sự tương tác và gắn kết giữa xi măng và cốt 
liệu. 
- Thành phần cấp phối của các loại vật liệu 
hợp lý. 
- Thời gian tạo hình và làm chặt bê tông tươi 
phải hợp lý. 
- Điều kiện bảo dưỡng bê tông không dưới 
10oC trong khi bê tông phát triển cường độ. 
- Hàm lượng CaCl2 không vượt quá 0,15% trong 
bê tông cốt thép và 1% cho lớp bê tông bảo vệ. 
1. Khoa Vật liệu Xây dựng, trường Đại học Hồ Hải, TP. 
Nam Kinh, Trung Quốc 
2. Bộ môn Vật liệu Xây dựng - Khoa Cụng trỡnh - Đại 
học Thủy lợi, Việt Nam 
3. Viện nghiên cứu Vật liệu, Tỉnh Giang Tô, TP. Nam 
Kinh, Trung Quốc 
II. Lựa chọn cường độ yêu cầu khi 
thiết kế thành phần bê tông: 
Cường độ nén trung bình của bê tông thí 
nghiệm nên vượt cường độ nén thiết kế đã đưa ra 
đảm bảo một sự dự trữ cao, nhằm giảm các khả 
năng cho những thí nghiệm có kết quả thấp hơn 
so với cường độ nén thiết kế yêu cầu. 
II.1. Dựa vào kinh nghiệm: 
Cường độ yêu cầu trung bình nén lớn hơn [1]: 
f’cr = f’c + 1.34s (MPa) (1) 
f’cr = 0.90f’c + 2.33s (MPa) (2) 
Trong đó: 
s = 
2/1
21
2
22
2
11
2
))(1())(1(
nn
snsn
f’c - Cường độ nén thiết kế 
s - Độ lệch chuẩn của mẫu, psi 
s1, s2 - Độ lệch tiêu chuẩn của đợt kiểm tra 1 
và 2, psi 
n1, n2 - Số mẫu thí nghiệm của mỗi đợt kiểm tra 
Nếu số mẫu kiểm tra 15 < n < 30, giá trị s 
trong công thức (1) và (2) nhân với hệ số biến 
đổi cho ở bảng sau: 
 105
Bảng 1-1: Hệ số thay đổi độ lệch chuẩn s khi 
số mẫu thí nghiệm nhỏ hơn 30 
Số mẫu kiểm tra Hệ số thay đổi 
<15 Sử dụng bảng 1-2 
15 1.16 
20 1.08 
25 1.03 
≥30 1.00 
Bảng 1-2: Cường độ trung bình yêu cầu khi 
số liệu thí nghiệm không đủ để thiết lập độ lệch 
chuẩn s (số mẫu <15) 
Cường độ thiết kế 
f’c [psi (MPa)] 
Cường độ yêu cầu 
f’cr [psi (MPa)] 
<3000 (20.7) +1000 (6.9) 
3000-5000 (20.7-34.5) +1200 (8.28) 
>5000 (34.5) +1400 (9.66) 
* 1000 psi = 6.9 MPa 
Lấy f’cr lớn hơn so với tính toán từ công thức 
(1) và (2) để thiết kế thành phần bê tông 
II.2. Dựa vào tỷ lệ cơ bản cuả các mẻ trộn 
trong phòng: 
f’cr = 
9.0
65.9' cf (MPa) - Mẫu hỡnh trụ (3) 
f’cr =
9.0
6.11' cf (MPa)-Mẫu hình lập phương (4) 
III. Lựa chọn vật liệu: 
1. Xi măng và các loại vật liệu kết dính khác: 
Cần xác định loại xi măng; cường độ nén 
trung bình của xi măng; các chỉ tiêu cơ lý: thời 
gian đông kết, lượng nước tiêu chuẩn, khối 
lượng riêng, khối lượng đơn vị. 
Trong thành phần của bê tông cường độ cao - 
tính năng cao, nhất thiết phải có một số vật liệu 
phụ gia khoỏng như: silica fume, slag và fly ash 
[1], [2], [3]. Những loại vật liệu này cần biết được tỷ 
lệ các thành phần oxyt và hàm lượng nước yêu 
cầu, khối lượng riêng, khối lượng đơn vị. 
2. Cốt liệu: 
a- Cốt liệu thô (đá): 
Sử dụng các loại cốt liệu đặc chắc, cứng, tối 
thiểu bằng cường độ của đá xi măng: Khi cường độ 
bê tông cao, cỡ của cốt liệu nên giảm; giới hạn cỡ 
đá khoảng 3/4 in. (19 mm) với cường độ bê tông 
đạt 9000 psi (62 MPa); với cường độ cao hơn, giới 
hạn cỡ của đá nên sử dụng khoảng 1/2 3/8 in. 
(12.7  9.5 mm). Ngoài phạm vi 20000  30000 psi 
(138  207 MPa), cỡ của đá không nên vượt 3/8 in. 
(9.5 mm) trong các kết cấu thành phần. 
b- Cốt liệu mịn (cát) 
Cát dùng cho bê tông phải sạch, không lẫn 
tạp chất hữu cơ, bụi, sét, bùn. Cát có cấp phối 
tốt, có mô đun độ lớn đạt từ 2.5  3.2 
3. Nước: 
Lượng nước yêu cầu của bê tông phụ thuộc vào 
độ rỗng của cát. Độ rỗng của cát cơ bản là 0,35 và 
nên được điều chỉnh cho các độ rỗng khác. Giả sử 
độ rỗng của cát là rc% được tính toán như sau: 
rc% = [1 - 
a
ok


]x100 (5) 
Lượng nước trộn được điều chỉnh theo sự 
thay đổi của độ rỗng: 
A (kg/m3) = 4.7(rc -35) (6) 
4. Phụ gia: 
Hỗn hợp bê tông cường độ cao cần lượng 
chất kết dính lớn, khi đó lượng nước dùng yêu 
cầu sẽ cao, nhưng nếu lượng nước vượt quá giới 
hạn thì lại làm giảm cường độ và ảnh hưởng đến 
tính bền lâu của bê tông. Do vậy phụ gia giảm 
nước bắt buộc được dùng trong bê tông cường 
độ cao, tính năng cao: phụ gia giảm nước bậc 
cao (HRWR) được sử dụng. 
Để chống co ngót của bê tông cường độ cao - 
tính năng cao, cần pha thêm phụ gia giảm co 
ngót hoặc phụ gia nở với hàm lượng phù hợp. 
IV. Các bước thiết kế thành phần hỗn 
hợp bê tông: 
Để thiết kế thành phần bê tông cường độ cao 
- tính năng cao, cần thực hiện theo các bước sau 
đây[1, 4, 6]: 
1. Lựa chọn độ sụt và cường độ yêu cầu. 
 106 
2. Lựa chọn kích thước lớn nhất của cốt liệu. 
3. Lựa chọn lượng cốt liệu thô (đá). 
4. Thiết lập lượng nước và hàm lượng khí 
chứa trong bê tông. 
5. Lựa chọn tỷ lệ nước/xi măng (W/C) . 
6. Tính toán lượng xi măng cần thiết. 
7. Tính toán lượng chất kết dính (xi măng + 
phụ gia khoáng) cần thiết 
8. Tính tỷ lệ của hỗn hợp bê tông khi chưa kể 
phụ gia. 
9. Tính tỷ lệ của hỗn hợp bê tông có cả phụ gia. 
10. Tiến hành trộn mẫu thử cho mỗi cấp phối 
đã thiết kế từ bước 1 đến bước 9. 
11. Điều chỉnh thành phần bê tông để đạt được 
độ lưu động yêu cầu bằng cách điều chỉnh các 
thành phần vật liệu và hàm lượng phụ gia HRWR. 
12. Lựa chọn hỗn hợp tối ưu nhất đạt cường 
độ yêu cầu và các yêu cầu kỹ thuật khác. 
V. áp dụng tính toán: 
1. Yêu cầu: Thiết kế cấp phối cho bê tông 
cường độ cao - tính năng cao (HS-HPC) có 
cường độ nén thết kế ở tuổi 28 ngày đạt 40, 60, 
80, 100 MPa; có khả năng chống co ngót cao. 
Vật liệu dùng trong tính toán và thí nghiệm có 
tại phòng thí nghiệm vật liệu của Viện nghiên 
cứu vật liệu mới Jiangsu Bote New Materials - 
BST - Trung Quốc có các chỉ tiêu cơ lý như sau: 
- Xi măng: 
+ Cường độ nén tại 7 ngày đạt 49.7 MPa, 28 
ngày: 60.1 MPa 
+ Thời gian đông kết ban đầu: 110 phút, cuối 
cùng: 210 phút 
+ Khối lượng riêng: 3.15 (g/cm3) 
- Phụ giá khoáng: Gồm silica fume, fly ash 
và slag. Tỷ lệ % các oxyt cơ bản như sau: 
Bảng 1-3: Thành phần hóa học và chỉ tiêu cơ lý của silica fume, fly ash và slag 
Chỉ tiêu Silica fume Fly ash Slag 
SiO2 93.15 54.75 34.60 
Al2O3 0.97 29.87 15.11 
Fe2O3 1.01 4.45 1.32 
CaO 0.43 23.4 36.50 
MgO 0.88 2.7 8.21 
SO3 0.5 0.6 0.75 
a (g/cm
3) 2.20 2.39 2.78 
Diện tích bề mặt (Blaine) (m2/kg) 24000 452 820 
- Đá dăm: 
+ Khối lượng riêng: 2.76 (g/cm3) 
+ Khối lượng đơn vị: 1.70 (g/cm3) 
+ Độ ẩm 0.5% 
+ Đường kính lớn nhất: 10 mm và 20 mm 
+ Thành phần cấp phối và độ sạch đạt yêu cầu 
- Cát: 
+ Khối lượng riêng: 2.66 (g/cm3) 
+ Khối lượng đơn vị: 1.65 (g/cm3) 
+ Độ ẩm: 1.5% 
+ Mô đun độ lớn: Ml = 2.92 
+ Thành phần cấp phối và độ sạch đạt yêu cầu 
- Nước: Dùng nước máy sinh hoạt để trộn bê 
tông 
- Các phụ gia: 
+ Phụ gia giảm nước (HRWR): Dùng loại 
JMSBT-PCA(I) 
+ Phụ gia chống co ngót: JMSBT-SRA 
Tất cả các loại phụ gia này đều được sản xuất 
tại Viện nghiên cứu vật liệu mới - TP. Nam Kinh 
- Trung Quốc (Jiangsu Bote Advanced Materials 
- BST). 
2. Kết quả tính toán thí nghiệm cho các cấp 
phối bê tông: 
 107
Bảng 1-4: Thành phần vật liệu cho các cấp phối bê tông 
Vật liệu C40 C60 C80 C100 
Fly Ash (kg/m3) 100 115 133 155 
Silica Fume (kg/m3) 0 0 80 93 
Slag (kg/m3) 100 115 0 0 
Xi măng (kg/m3) 200 230 317 372 
Đá (kg/m3) 1110 1365 1123 1150 
Cát (kg/m3) 740 696.5 659.4 630 
Nước (kg/m3) 160 147 138 136.4 
HRWR (kg/m3) 2.80 5.52 9.54 15.5 
JMSBT-SRA (kg/m3) 8.0 9.2 10.6 12.4 
Bảng 1-5: Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của bê tông tươi 
Chỉ tiêu C40 C60 C80 C100 
Có 
SRA 
Không 
có SRA 
Có 
SRA 
Không 
có SRA 
Có 
SRA 
Không 
có SRA 
Có 
SRA 
Không 
có SRA 
 0b (g/cm
3) 2.27 2.38 2.35 2.42 2.43 2.46 2.49 2.52 
Độ sụt (cm) 22.0 21.4 21.2 20.5 16.8 15.5 14.8 14.2 
Hàm lượng khí (%) 3.50 3.20 3.00 2.70 2.40 2.20 1.80 1.70 
Bảng 1-6: Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông 
Ngày nén 
C40 C60 C80 C100 
Có SRA Không 
có SRA 
Có SRA Không 
có SRA 
Có SRA Không 
có SRA 
Có SRA Không 
có SRA 
3 18.73 21.42 28.37 28.84 45.55 47.10 54.02 62.35 
7 36.24 37.50 44.10 45.86 62.34 68.07 69.08 75.69 
28 56.79 57.94 72.06 83.28 94.49 101.32 99.05 106.49 
90 68.62 71.93 75.67 87.15 96.68 103.55 100.18 112.26 
* Dự đoán cường độ bê tông cho những ngày tuổi lớn hơn 28 ngày: 
Quan hệ f'c- t (C40: without SRA)
y = 14.755Ln(x) + 7.0778
R2 = 0.9921
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 20 40 60 80 100
Thời gian (ngày)
C
ư
ờ
n
g
 đ
ộ
 (
M
P
a )
Series1
Log. (Series1)
Quan hệ f'c- t (C40: with SRA)
y = 14.568Ln(x) + 5.4836
R2 = 0.9816
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 20 40 60 80 100
Thời gian (ngày)
C
ư
ờ
n
g
 đ
ộ
 (
M
P
a )
Series1
Log. (Series1)
 108 
Quan hệ f'c- t (C60: without SRA)
y = 18.321Ln(x) + 11.465
R2 = 0.9301
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 20 40 60 80 100
Thời gian (ngày)
C
ư
ờ
n
g
 đ
ộ
 (
M
P
a )
Series1
Log. (Series1)
Quan hệ f'c- t (C60: with SRA)
y = 14.6Ln(x) + 15.352
R2 = 0.9333
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 20 40 60 80 100
Thời gian (ngày)
C
ư
ờ
n
g
 đ
ộ
 (
M
P
a )
Series1
Log. (Series1)
Quan hệ f'c- t (C80: without SRA)
y = 17.361Ln(x) + 32.803
R2 = 0.9135
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100
Thời gian (ngày)
C
ư
ờ
n
g
 đ
ộ
 (
M
P
a)
Series1
Log. (Series1)
Quan hệ f'c- t (C80: with SRA)
y = 15.961Ln(x) + 31.364
R2 = 0.9188
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100
Thời gian (ngày)
C
ư
ờ
n
g
 đ
ộ
 (
M
P
a)
Series1
Log. (Series1)
Quan hệ f'c- t (C100: without SRA)
y = 15.6Ln(x) + 46.78
R2 = 0.9501
0
20
40
60
80
100
120
140
0 20 40 60 80 100
Thời gian (ngày)
C
ư
ờ
n
g
 đ
ộ
 (
M
P
a)
Series1
Log. (Series1)
Quan hệ f'c- t (C100: with SRA)
y = 14.498Ln(x) + 41.162
R2 = 0.9105
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100
Thời gian (ngày)
C
ư
ờ
n
g
 đ
ộ
 (
M
P
a)
Series1
Log. (Series1)
VI. Kết luận: 
+ Khi bê tông sử dụng phụ gia giảm co ngót 
(SRA) thì tính năng của bê tông tươi: độ sụt và 
độ hàm khí tăng hơn so với bê tông không có 
SRA, còn khối lượng đơn vị thấp hơn. 
+ Khi sử dụng phụ gia giảm nước (HRWR: 
JMSBT-PCA(I)), tính công tác của bê tông rất 
cao, độ sụt của bê tông đạt từ 14 cm (C100) đến 
22 cm (C40) mà bê tông thông thường với tỷ lệ 
W/B thấp (W/B = 0.22  0.40) không thể đạt 
được độ sụt đó. 
+ Với bê tông tính năng cao có pha thêm phụ 
gia khoáng (silica fume, slag, fly ash) thì thời 
gian đầu cường độ phát triển chậm hơn so với bê 
tông thường (do lượng xi măng giảm đi và thay 
bằng phụ gia khoáng), sau tăng nhanh và đạt 
cường độ rất cao. Tuy nhiên, khi bê tông có phụ 
gia giảm co ngót (SRA) thì thời gian đầu cường 
độ bê tông tăng nhanh hơn , nhưng giai đoạn sau 
cường độ tăng chậm và có giá trị thấp hơn so với 
bê tông không có SRA. 
Do đó với HS-HPC có tỷ lệ W/B thấp thì phụ 
gia khoáng (silica fume, slag, fly ash) và 
HRWR là cần thiết trong thiết kế thành phần 
cấp phối. Tuy nhiên hàm lượng phụ gia khoáng 
như thế nào là tối ưu nhất sẽ được đề cập ở các 
nghiên cứu tiếp theo. 
+ Từ các dự đoán cường độ bê tông ở các tuổi 
lớn hơn 28 ngày có hệ số hồi quy R2>0.9, đảm 
bảo độ tin cậy cho dự đoán kết quả cường độ bê 
tông. Qua đó ta có thể tính toán tiết kiệm được 
vật liệu sử dụng một cách hiệu quả nhất mà vẫn 
đảm bảo cường độ thiết kế yêu cầu. 
+ Ngoài ra, tính bền, tính co ngót của bê tông 
cường độ cao - tính năng cao, biện pháp giảm co 
ngót và các tính năng kỹ thuật có liên quan đến 
co ngót sẽ được đề cập ở bài viết sau. 
 109
Tài liệu tham khảo: 
[1]. Dr. Edward G.Nawy, P.E., C.Eng, fundamentals of high performance concrete. 
[2]. S. Newbolds, J.Olek, 2002, influence of curing conditions on strength properties and 
maturity development of concrete. 
[3]. J.Olek, A.Lu, X.Feng, B.Magee, 2002, Performance related specifications for concrete bridge 
superstructures, volume 2: High performance concrete. 
[4]. ACI 363R-92, State-of-art report on high strength concrete. 
[5]. Kenneth W.Meeks, Nicholas J.Carino, Curing of high performance concrete: Report of the 
stated-of-the-art. 
[6]. ACI Committee 211, “Guide for selecting proportions for high strength concrete with 
Portland cement and Fly ash (ACI 211.4R), American concrete institute, Detroit, 1993. 
[7]. ACI Committee 209, "Prediction of Creep, Shrinkage, and Temperature Effects in Concrete 
Structures", in ACI Manual of Concrete Practice. American Concrete Institute: Farmington Hills, 
MI. 1997, p. 209R.1-209R.47. 
{8]. HPC Bridge views, No.4, July/August 1999, published by the Federal Highway 
Administration and National concrete bridge council. 
[9]. Một số tiêu chuẩn ACI, ASTM, AASHTO T & M. 
Abstract: 
Proportion of high strength, high performance concrete 
with capability to reduce shrinkage 
 High strength, high performance concrete mixtures are usually produced with water/binder 
(W/B) ratios in the range of 0.2  0.4, where normal density aggregates are used. To achieve this 
low W/B ratio and maintain proper workability it is necessary to use water reducing admixtures. 
Often this is not sufficient to produce very high strength concrete mixes with compressive strength 
above 80 MPa and therefore, it is necessary to add mineral admixtures such as silica fume, fly ash, 
and slag are used in order to increase the high performance of concrete. However, when concrete 
have low water to binder ratio the shrinkage don’t avoid because the volume changes occur in 
concrete as a result of drying, self-desiccation, chemical reactions, and temperature change. For 
this reason, in this report some mixes of HS-HPC are designed with shrinkage reducing admixture 
(SRA) to aim reducing shrinkage of concrete. 
Keyword: High strength (HS), high performance concrete (HPC), silica fume (SF), fly ash (FA), 
slag, shrinkage reducing admixture (SRA)