TechNOTE này được các kỹ sư vật liệu của công ty cổ phần Homemec dịch từ Hiệp hội Bê tông Cốt Sợi Thủy Tinh Quốc tế (GRCA) nhằm cung cấp thông tin so sánh giữa Bê tông Cốt Sợi Thủy Tinh (GRC hoặc GFRC) và sự phát triển gần đây của Bê tông Hiệu Suất Siêu Cao (UHPC).
GRCA Technical Working Group
Đây là tài liệu techNOTE thứ mười tám trong loạt ghi chú kỹ thuật đề cập đến các khía cạnh của công nghệ bê tông cốt sợi thủy tinh (GRC / GFRC).
Bê tông cốt sợi thủy tinh (GRC hay GFRC) đã được sản xuất thương mại từ đầu những năm 1970. Tính cả thời gian nghiên cứu và phát triển, ngành công nghiệp này đã có hơn 50 năm kinh nghiệm. GRC hiện được sử dụng tại hơn 100 quốc gia trên toàn thế giới, chủ yếu trong các ứng dụng trang trí (phổ biến nhất là các tấm ốp mặt tiền), nhưng cũng được sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật.
Sự phát triển của Bê tông Hiệu Suất Siêu Cao (UHPC) mới xuất hiện gần đây hơn. Trong khoảng 20 năm qua, nhiều loại UHPC khác nhau đã được phát triển, và chúng cũng có thể được sử dụng để tạo nên các công trình kiến trúc ấn tượng.
UHPC sử dụng kỹ thuật đóng gói hạt dày đặc, kết hợp với cốt sợi và tỷ lệ nước/xi măng cực thấp để đạt được độ bền và mật độ rất cao. Mặc dù phân loại chính xác của UHPC chưa được xác định rõ ràng trên các khu vực khác nhau, nhưng nói chung, UHPC nên có độ bền nén tối thiểu là 150 MPa cho các ứng dụng kết cấu hoặc 120 MPa cho các ứng dụng trang trí.
UHPC ban đầu được phát triển cho các mục đích kết cấu và đã được sử dụng rộng rãi tại Hoa Kỳ trong các ứng dụng về đường bộ, chẳng hạn như lớp phủ đường và mối nối giãn nở, nhờ vào độ bền cao và khả năng thấm nước rất thấp, đặc biệt hữu ích ở những nơi có khí hậu khắc nghiệt. Ở Hoa Kỳ và nhiều nơi khác, UHPC còn được sử dụng để chế tạo dầm bê tông cho các cây cầu, mặc dù chủ yếu nó được dùng như lớp phủ bề mặt để giảm lượng UHPC cần thiết và do đó giảm chi phí. Gần đây, UHPC cũng đã được sử dụng trong các ứng dụng trang trí.
Mặc dù hai loại vật liệu này có tính chất và phương pháp sản xuất rất khác nhau, nhưng có một số điểm tương đồng giữa UHPC và GRC, điều này có thể gây nhầm lẫn:
Cả hai vật liệu đều có hàm lượng xi măng cao – GRC thường được làm với tỷ lệ cát-xi măng là 1:1; UHPC cũng tương tự.
Cả hai đều sử dụng sợi để gia cường – GRC sử dụng sợi thủy tinh kháng kiềm (AR), trong khi UHPC có thể kết hợp sợi hữu cơ, kim loại hoặc sợi thủy tinh.
Tính chất của UHPC
Một nhược điểm lớn của hầu hết các hỗn hợp UHPC là chúng có độ nhớt cao và chỉ có thể sử dụng trong các ứng dụng đổ khuôn, điều này khiến việc tạo ra các hình dạng phức tạp trở nên khó khăn hơn so với các quy trình phun, thường yêu cầu khuôn kín và phức tạp. Điều này là do hầu hết các hỗn hợp UHPC có tính chất phi Newton, nghĩa là chúng cứng lại khi chịu áp lực và rất khó để bơm, đòi hỏi thiết bị chuyên dụng. Do đó, việc phun lớp “phủ mặt” (face-coats) lên các tấm UHPC cũng trở nên khó khăn.
Ngoài ra, bản chất của UHPC đòi hỏi việc kiểm soát chặt chẽ kích thước hạt, các loại phụ gia và quy trình trộn, điều này yêu cầu mức độ kiểm soát nguyên liệu cao mà không phải nhà sản xuất bê tông nào cũng có khả năng thực hiện. Vì lý do này, hầu hết các hỗn hợp UHPC phải được cung cấp cho nhà sản xuất dưới dạng các công thức pha trộn sẵn, điều này thường làm tăng đáng kể chi phí.
Tính chất của GRC
So với UHPC, GRC có thể được sản xuất bằng phương pháp đúc, nhưng quan trọng hơn, nó có thể được phun, điều này loại bỏ nhu cầu sử dụng các khuôn kín hoặc khuôn đôi, do đó giúp giảm chi phí và đơn giản hóa quy trình sản xuất. GRC cũng chỉ sử dụng rất ít vật liệu (cát, xi măng, nước, sợi thủy tinh kháng kiềm AR và các phụ gia), mà ngoại trừ sợi thủy tinh, các vật liệu này thường có sẵn tại địa phương. Điều này làm cho việc tiếp cận, cân và trộn vật liệu trở nên đơn giản và tiết kiệm hơn.
So sánh các tính chất giữa GRC và UHPC
| Thuộc tính | Đơn vị | GRC (Phun) | UHPC Trang trí | UHPC Kết cấu |
|---|---|---|---|---|
| Độ bền nén | MPa | 50-80 | 130+ | 150+ |
| Độ bền uốn (MOR) | MPa | 20-30 | 15-25 | 40-50 |
| Mô đun đàn hồi | GPa | 10-20 | 45-55 | 50-60 |
| Khối lượng riêng | kg/m³ | 1900-2100 | 2350-2400 | 2400-2550 |
| Phương pháp sản xuất | Phun hoặc đúc | Chủ yếu đúc | Chỉ đúc | |
| Tiêu chuẩn quốc tế | EN 1169, EN 1170 1-8, EN 15191, GRCA & ASTM standards | ASTM standards, tiêu chuẩn khác đang phát triển | ASTM standards, tiêu chuẩn khác đang phát triển |
Các yếu tố thiết kế
Khi xem xét các tính chất quan trọng nhất cho các tấm ốp kiến trúc, chẳng hạn như độ bền uốn và tính dẻo dai, ưu điểm chính của GRC phun (Cấp 18, với đặc tính độ bền uốn >18MPa) là tính dẻo dai của nó, đảm bảo việc phá vỡ không giòn. Điều này chỉ có thể sánh được với một số công thức UHPC kết cấu, có cốt thép với hàm lượng sợi thép cao. Tuy nhiên, các sợi thép này có thể thấy được trên bề mặt của sản phẩm hoàn thiện, điều này là một nhược điểm lớn trong các ứng dụng trang trí. Do đó, hầu hết các công thức UHPC dành cho kiến trúc đều sử dụng sợi thủy tinh hoặc sợi hữu cơ để giảm thiểu sự nhìn thấy trên bề mặt. Những loại này có xu hướng thể hiện sự phá vỡ giòn hơn và tương tự hơn với GRC trộn sẵn.
Khi quyết định lựa chọn vật liệu, nên xem xét các câu hỏi sau:
- Các chi tiết có hình dạng như thế nào? Việc đúc chúng có thực tế không, hay có hiệu quả hơn nếu phun?
- Việc đặt các mối cố định sẽ diễn ra như thế nào và ở đâu? Có bao nhiêu mối cố định cần thiết? Điều này có thực tế không khi xét đến phương pháp sản xuất?
- Việc phá vỡ giòn có chấp nhận được cho ứng dụng không?
- Các tính chất cơ học (độ bền uốn và độ bền nén) cần thiết để đạt được kích thước mục tiêu của các chi tiết là gì?
- Có bất kỳ yêu cầu cụ thể nào cần được đáp ứng không, chẳng hạn như khả năng chống chịu băng giá-tan chảy, hoặc khả năng chống nổ?
Trong một số trường hợp, hiệu suất của GRC có thể được cải thiện hơn nữa nhờ việc bổ sung các phụ gia đặc biệt hoặc pozzolan, hoặc việc lựa chọn cát với các cấp độ kỹ thuật cao hơn. Sự phát triển của các composite GRC hiệu suất cao đang tiếp tục diễn ra – những sản phẩm này có tiềm năng mang lại nhiều lợi ích tương tự UHPC, mà không gặp phải một số nhược điểm của UHPC.
Ưu điểm và nhược điểm của GRC và UHPC
| GRC / GFRC | UHPC Trang trí | UHPC kết cấu | |
| Có thể đúc (Castable) | | | |
| Có thể phun (Sprayable) | | | |
| Tính chất không giòn (Non-brittle Behaviour) | | | |
| Gia cường phi kim loại (Non-Metallic Reinforcement) | | | |
| Sử dụng nguyên liệu sẵn có tại địa phương (Uses locally available raw materials) | * | | |
| Sử dụng cho ứng dụng kết cấu (Used for structural applications) | ** | ** | |
| Tiêu chuẩn quốc tế (International Standards) | | | |
“*Ngoại trừ sợi thủy tinh kháng kiềm (AR).
**Cả hai vật liệu đều có thể được sử dụng trong các ứng dụng kết cấu hạn chế, nhưng nhìn chung chỉ được sử dụng cho mục đích trang trí.”
Tác động của cường độ lên khả năng bơm
Độ bền nén (MPa)
Hình 1: Ảnh hưởng của Cường độ lên Khả năng Bơm
Hình 2: Lắp đặt lớp phủ UHPC (Nguồn: Cục Quản lý Đường cao tốc Liên bang) (3)
Hình 3: Nhà ga xe lửa ở Kénitra, Morocco – UHPC trang trí (Nguồn: Bearch) (4)
Hình 4: Tấm chắn nắng ở Casablanca, Morocco – UHPC trang trí (Nguồn: Bearch) (4)
Hình 5: Sân bay Mumbai (Terminal 2), Ấn Độ – GRC phun (Sprayed GRC)
Hình 6: Tuyến Elizabeth, London, Vương quốc Anh – GRC phun (Sprayed GRC)
Hình dáng uốn lượn được tạo ra nhờ quy trình phun GRC, mà không cần sử dụng khuôn kín.
Kết luận, cả hai vật liệu đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Cường độ cao hơn của UHPC có thể tạo cơ hội để thiết kế các tiết diện mỏng hơn, nhưng độ dày lại có thể bị chi phối bởi các yếu tố thực tiễn, do đó lợi thế này có thể không thực sự khả thi. Trong một số ứng dụng khác, cường độ cao hơn có thể không cần thiết. Trong những trường hợp như vậy, GRC có thể là lựa chọn ưu tiên hơn. Cuối cùng, miễn là các đặc tính về cường độ và các yếu tố khác được biết rõ, đáng tin cậy và có thể sử dụng, các kỹ sư có thể thiết kế với hầu hết các loại vật liệu, và yếu tố chính cần cân nhắc sau đó là chi phí.
Ngoài ra, cần lưu ý rằng các Tiêu chuẩn Quốc tế, Bộ quy tắc thực hành, và hướng dẫn ngành dành cho UHPC và UHPFRC còn khá hạn chế. Trong khi đó, GRC, là một vật liệu được công nhận, sử dụng và áp dụng phổ biến hơn, có tài liệu đầy đủ về các tiêu chuẩn này. Hơn nữa, khả năng của GRC tiếp tục đáp ứng các tiêu chuẩn cụ thể của dự án do các nhà cung cấp bảo hiểm và bảo hành độc lập hàng đầu đặt ra.
Các nghiên cứu trường hợp khác thể hiện sự sáng tạo và niềm tin của các kiến trúc sư, nhà thiết kế và kỹ sư trong việc tích hợp GRC vào môi trường xây dựng, dựa trên các đặc tính hiệu suất đã biết, có thể được xem trên trang web của GRCA tại https://www.grca.online/case-studies.
Any recommendations contained herein are intended only as a general guide and, before being used in connection with any report or specification, they shall be
reviewed with regard to the full circumstances of such use. Although The International Glassfibre Reinforced Concrete Association (GRCA) ensures every care has been taken in the preparation of this document, no liability for negligence or otherwise can be accepted by GRCA, or the members of its working parties, its servants, or agents. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior permission in writing of GRCA.
Erik Pram Nielsen, BB Fiberbeton
Suhas Borse, Al Tasnim
Technical Working Group for this publication:
Richard Lavery, Power-Sprays Ltd Beni Kohen, Fibrobeton
techNOTE 18 References:
- American Concrete Institute. PRC-239-18: Ultra-High Performance Concrete: An Emerging Technology Report.
- Federal Highway Administration. A State-Of-The-Art Report for The Bridge Community.
[Online] https://www.fhwa.dot.gov/publications/research/infrastructure/structures/hpc/13060/index.cfm.
- Federal Highway Administration. Ultra-High Performance Concrete for Bridge Deck Overlays. [Online] https://www.fhwa.dot.gov/publications/research/infrastructure/bridge/17097/index.cfm.
- Bearch. [Online] https://www.bearch.ma/.
