Sử dụng sợi thép cho bê tông xi măng (BTXM) cốt sợi thép đều làm tăng cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và độ mài mòn. Nội dung của bài báo trình bày kết quả nghiên cứu sử dụng loại sợi thép phù hợp áp dụng cho tấm BTXM mặt đường ô tô, sân bay. Ngày nhận bài: 19/9/2025; Ngày sửa bài: 30/9/2025; Ngày chấp nhận đăng: 10/10/2025
http://doi.org/10.64588/jc.06.10.2025
Tóm tắt
BTXM cốt sợi thép có thể ứng dụng cho tấm mặt đường ô tô, sân bay. Sử dụng sợi thép cho BTXM cốt sợi thép đều làm tăng cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và độ mài mòn. Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả khi sử dụng sợi thép cần xem xét đồng thời nhiều yếu tố, trong đó yếu tố ảnh hưởng quan trọng là lựa chọn loại sợi thép phù hợp để đảm bảo khả năng phân tán tốt, tăng cường độ dẻo dai và hạn chế nứt trong kết cấu bê tông. Nội dung của bài báo trình bày kết quả nghiên cứu sử dụng loại sợi thép phù hợp áp dụng cho tấm BTXM mặt đường ô tô, sân bay.
Từ khóa: Bê tông cốt sợi thép; bê tông xi măng; loại sợi thép; cường độ chịu nén; cường độ kéo khi uốn; độ mài mòn; đường ô tô; đường sân bay.
Abstract
Steel fiber reinforced cement concrete can be applied to the pavement of automobiles and airports. Using steel fibers for steel fiber reinforced cement concrete increases the compressive strength, tensile strength when bending and abrasion resistance. However, to achieve efficiency when using steel fibers, it is necessary to consider many factors at the same time, in which the important influencing factor is choosing the right type of steel fiber to ensure good dispersion, increase toughness and limit cracking in concrete structures. The content of this article presents the results of research on using the right type of steel fiber applied to cement concrete slabs of automobiles and airports.
Keywords: Steel fiber reinforced concrete; cement concrete; steel fiber type; compressive strength; flexural strength; abrasion; highway; airport road.
1. Đặt vấn đề
Hiện nay, xây dựng mặt đường BTXM đang là xu hướng của các nước đang phát triển trên thế giới trong đó có Việt Nam. Mặt đường BTXM với nhiều ưu điểm vượt trội như cường độ, độ bền cao, ổn định với nước, hao mòn ít, tuổi thọ khai thác dài, công tác duy tu bảo dưỡng ít và đơn giản [1] là loại mặt đường phù hợp cho các công trình: Mặt đường cấp cao, mặt đường tại các khu vực trạm thu phí, bến xe, bãi đỗ xe, đường đô thị; đường cất hạ cánh, đường lăn, sân đỗ máy bay…
Trong các loại mặt đường BTXM, kết cấu phân tấm đổ tại chỗ hiện đang được áp dụng nhiều nhất cho các công trình. Quá trình thiết kế, thi công và khai thác chúng đang được áp dụng các tiêu chuẩn TCCS 39:2022/TCĐBVN [2], TCCS 40:2022/TCĐBVN [3], TCCS 24:2018/CHK [4] và quyết định liên quan đến Quyết định số 778/1998/QĐ-BXD [5].
Tuy nhiên, trong bối cảnh lưu lượng và tải trọng xe ngày càng tăng, đặc biệt tại các cảng hàng không và các tuyến đường chịu tải trọng nặng, mặt đường BTXM truyền thống đã xuất hiện tình trạng hư hỏng như nứt dọc, nứt ngang tấm, bong tróc bề mặt hoặc phụt bùn. Những hư hỏng này không chỉ giảm tuổi thọ công trình mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn giao thông và hiệu quả khai thác.
Vì vậy, tấm BTXM cần có chất lượng cao hơn để đáp ứng với tải trọng, lưu lượng xe và máy bay ngày càng tăng. Một trong những giải pháp tăng cường khả năng chịu lực của bê tông thông qua việc thay đổi một số tính chất cơ lý của vật liệu là bổ sung sợi vào bê tông. Đó là ý tưởng đang được quan tâm nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam, giúp bê tông cải thiện một số tính chất như tăng cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, độ dẻo dai cho bê tông, tăng khả năng chịu va đập, tăng khả năng chống nứt do tác dụng của tải trọng, từ biến, co ngót và các tính chất khác.
Trong các loại sợi như: Sợi thép, sợi thủy tinh, sợi polyester, sợi polypropylene… thì loại sợi thép được sử dụng nhiều nhất. Bê tông cốt sợi thép (BTCST) là loại vật liệu tiên tiến, mang nhiều triển vọng ứng dụng trong xây dựng hiện đại ở nước ngoài và Việt Nam vì có nhiều tính năng nổi trội hơn so với bê tông thường [6]. Trong đó, rõ rệt nhất là BTCST có cường độ chịu kéo khi uốn cao hơn 70 - 80% so với bê tông không sợi (BTKS) [7].
Ở Việt Nam hiện tại đã có một số nghiên cứu lý thuyết và thí nghiệm trong phòng về BTXM cốt sợi thép. Tác giả Nguyễn Thanh Bình [8] đã nghiên cứu so sánh 4 loại sợi thép trên các nền bê tông mác 300, 500, 700 và 800 cho kết cấu BTCST. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi sử dụng loại sợi thép có tỷ lệ hướng sợi cao và hàm lượng sợi hợp lý sẽ tạo ra BTCST đạt cường độ chịu kéo uốn từ 100 - 195 daN/cm2. Tác giả Nguyễn Cao Sơn đã nghiên cứu BTCST 2D có cường độ chịu nén 50 MPa với hàm lượng cốt sợi 0,5 đến 2,5% theo thể tích áp dụng cho công trình xây dựng dân dụng, kết quả cho thấy hàm lượng sợi từ 1% đến 1,5% đạt kết quả tốt nhất cả về tính công tác, cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo khi uốn tăng 20 - 60% [9]. Năm 2023, tác giả Trần Thị Thu Hà [10], Bộ môn Đường bộ, Trường Đại học GTVT thực hiện nghiên cứu thăm dò tại Phòng thí nghiệm LAS1256. Kết quả thí nghiệm cho thấy, đưa cốt sợi thép Dramix 3D vào bê tông M350 với tỷ lệ 1,5% theo khối lượng thể tích bê tông, cường độ chịu kéo khi uốn BTCS tăng hơn 13%, cường độ chịu nén tăng khoảng 22%. Như vậy, loại sợi thép trong BTCST ảnh hưởng nhiều đến cường độ chịu kéo khi uốn và một số đặc trưng cơ học khác của chúng.
Bài báo này trình bày nội dung nghiên cứu lựa chọn loại sợi phù hợp áp dụng cho tấm BTXM mặt đường ô tô, sân bay.
2. Thành phần cấp phối BTCS thép và BTKS đối chứng
Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm: Hình 1, Hình 2 và Hình 3.
- Xi măng: PC40 Vicem Bút Sơn, đáp ứng TCVN 2682:2020.
- Cát: Cát sông Lô có mô-đun độ lớn là 2,52, đáp ứng TCVN 7570:2006.
- Đá dăm: Đá vôi Transmeco, Hà Nam có dmax= 20 mm, tỷ lệ cỡ hạt: d=5 - 10 mm và d=10 - 20 mm là 40% và 60%, đáp ứng theo TCVN 7570:2006.
- Phụ gia siêu dẻo giảm nước Sika ViscoCrete -300-20M.
- Sợi thép: Sợi thép Dramix 3D và sợi thép 2D.
- Nước: Theo TCXDVN 302:2004.
Bảng 1. Thông số kỹ thuật của sợi thép
Theo tác giả Nguyễn Quang Chiêu, lượng sợi thép thường dùng cho bê tông sợi thép làm đường vào khoảng 70 - 80 kg/m3 [11]. Theo tác giả Nguyễn Viết Trung, giới hạn hàm lượng sợi thép trong ứng dụng phổ biến là vào khoảng 50 - 100 kg/m3 phụ thuộc vào phương pháp, thi công và kiểu sợi [12]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi chọn khối lượng sợi thép đưa vào bê tông là 77 kg/m3 (~ 1% theo thể tích).
Các thí nghiệm xác định ảnh hưởng của cốt sợi thép đến đặc tính cường độ của BTXM được tiến hành trên nền của bê tông mác 350, đưa sợi thép vào hỗn hợp bê tông thì hàm lượng của các vật liệu thành phần cơ bản là không thay đổi: Giữ nguyên hàm lượng xi măng, hàm lượng cốt liệu to - nhỏ và tỷ lệ N/X.
Thành phần cấp phối bê tông nghiên cứu và được ký hiệu trong Bảng 2 như sau: CP35 là BTKS mác 350; A, B là BTCS thép: Với A là sợi thép Dramix 3D, B là sợi thép 2D.
Bảng 2. Thành phần cấp phối BTKS và BTCS thép mác 350
3. Phương pháp thí nghiệm
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết về BTXM làm mặt đường ô tô, sân bay và kết hợp thí nghiệm trong phòng nhằm xác định, đánh giá, so sánh một số tính chất cơ lý của BTCST và bê tông truyền thống. Nhóm nghiên cứu tiến hành thí nghiệm xác định cường độ chịu nén [13], cường độ chịu kéo khi uốn [14], xác định độ mài mòn [15] với hai loại bê tông này ở 7 ngày và 28 ngày tuổi - mẫu được bảo dưỡng ngâm trong bể nước.
Các công tác chế bị và thí nghiệm mẫu bê tông được thực hiện tại Phòng thí nghiệm công trình Vilas 047, Trung tâm Khoa học Công nghệ GTVT, Trường Đại học GTVT.
4. Kết quả thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, độ mài mòn của của BTCST và BTKS ở độ tuổi 7 ngày và 28 ngày ở như sau:
Bảng 3. Cường độ chịu nén của BTKS và BTCST ở tuổi 7 và 28 ngày
Kết quả thí nghiệm ở Hình 11 cho thấy ở tuổi 7 ngày mẫu BTCST Dramix 3D (CP35A) tăng khoảng 3,5% và mẫu dùng sợi thép 2D (CP35B) tăng 2,6% so với mẫu đối chứng (CP35). Đến 28 ngày tuổi, mức gia tăng cường độ rõ rệt hơn: CP35A đạt mức 10,2%, trong khi CP35B đạt 9,9%.
Nhật xét: Ảnh hưởng của loại sợi đến cường độ chịu nén của BTCST không nhiều, với BTCST 28 ngày tuổi Rn28, chỉ tăng 9,9 - 10,2% cho hai loại sợi 2D và Dramix 3D.
Bảng 4. Cường độ chịu kéo khi uốn của BTKS và BTCST ở tuổi 7 và 28 ngày
Đối với kết quả thí nghiệm Hình 12 cho thấy cường độ chịu kéo khi uốn của BTCST có sự gia tăng rõ rệt so với mẫu đối chứng. Ở tuổi 7 ngày, CP35A tăng 59,4%, trong khi CP35B chỉ tăng 24,5%. Đến tuổi 28 ngày, cường độ kéo uốn của CP35A tăng 64,6%, với CP35B tăng 26,2% so với BTKS.
Nhật xét: Loại sợi thép ảnh hưởng nhiều đến cường độ chịu kéo uốn. Với BTCST sử dụng loại sợi Dramix 3D cho Rku 28 ngày tuổi cao hơn nhiều khi sử dụng sợi 2D. Theo nhóm nghiên cứu, BTXM M350 sử dụng đá có Dmax 19 mm thì ảnh hưởng của loại sợi đến Rku lớn hơn. Loại sợi Dramix 3D có móc neo hai đầu, chiều dài sợi lớn hơn Dmax cấp phối. Như vậy, Rku của BTCST cao hơn hẳn Rku của BTCST sử dụng loại sợi trơn 2D có chiều dài sợi ngắn, tỷ lệ hướng sợi nhỏ hơn.
Bảng 5. Độ mài mòn của BTKS và BTCST ở tuổi 28 ngày
Đối với kết quả thí nghiệm xác định độ mài mòn ở 28 ngày tuổi (Hình 13) cho thấy độ mài mòn của CP35A giảm 46,7% và CP35B giảm 29,4% so với CP35.
Nhật xét: Kết quả thí nghiệm cho thấy BTCST sử dụng sợi Dramix 3D cho độ mài mòn thấp hơn khi sử dụng sợi 2D trơn.
5. Kết luận
Trong nghiên cứu này, chúng tôi mới sử dụng hai loại sợi thép có cùng tỷ lệ đưa vào bê tông là 77 kg/m3 cho BTXM M350 là loại BTXM dùng khá phổ biến trong đường ô tô, sân bay.
Kết quả thí nghiệm cho thấy, BTCST sử dụng sợi thép Dramix 3D có cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn cao nhất và độ mài mòn giảm đáng kể so với BTCST sử dụng sợi thép 2D tròn hơn.
Với BTCST kiến nghị lựa chọn loại sợi thép cho tấm BTXM mặt đường ô tô, sân bay là sợi thép Dramix 3D.
Kết quả thí nghiệm cho thấy, BTXM có cốt liệu lớn là Dmax 19 mm kết hợp sợi thép Dramix 3D với hình dạng móc neo và chiều dài sợi hợp lý để làm “cầu nối” giữa các hạt cốt liệu làm tăng khả năng liên kết cơ học, đã phát huy hiệu quả bền lâu trong việc cải thiện cấu trúc nền xi măng, hạn chế sự tách sợi khỏi ma trận khi chịu tác động mài mòn. Trong khi đó, sợi thép 2D do kích thước và hình dạng hạn chế nên không có khả năng neo giữ và khi trộn hỗn hợp đôi khi có hiện tượng sợi bị vón cục, không phân tán tốt bằng sợi thép Dramix 3D.
Hiện tại, chúng ta chưa có quy định kỹ thuật cho loại sợi này, với kết quả nghiên cứu trên hy vọng giúp cho tư vấn thiết kế và nhà quản lý có định hướng tốt khi lựa chọn loại sợi cho tấm BTXM làm mặt đường ô tô, sân bay. Kết quả nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm công trình Vilas 047 của Trường Đại học Giao thông vận tải về BTCST hy vọng có những đóng góp bước đầu cho việc sử dụng loại sợi thép phù hợp cho tấm BTXM mặt đường tại Việt Nam.
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Giao thông vận tải trong Đề tài mã số T2025-CT-033.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Quang Chiêu (2010), Mặt đường bê tông xi măng, NXB. GTVT.
[2]. TCCS 39:2022/TCĐBVN, Thiết kế mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối trong xây dựng công trình giao thông.
[3]. TCCS 40:2022/TCĐBVN, Thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông xi măng trong xây dựng công trình giao thông.
[4]. TCCS 24:2018/CHK, Tiêu chuẩn kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông xi măng sân bay.
[5]. Quyết định số 778/1998/QĐ-BXD: Chỉ dẫn kỹ thuật chọn thành phần bê tông các loại.
[6]. Nguyễn Trịnh Trọng Phụng, Lã Văn Chăm, Lương Xuân Chiểu, Nguyễn Chí Công (2024), Bê tông cốt sợi thép phân tán và định hướng nghiên cứu áp dụng cho tấm bê tông xi măng mặt đường ô tô, sân bay, Tạp chí GTVT, số tháng 10.
[7]. Nguyễn Thanh Bình (2007), Nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi thép cường độ chịu uốn cao trong điều kiện Việt Nam, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng.
[8]. TS. Nguyễn Thanh Bình (2011), Ảnh hưởng của cường độ bê tông và loại sợi thép đến hiệu quả sử dụng sợi thép trong bê tông cốt sợi thép, Tạp chí KHCN Xây dựng, số 3.
[9]. Nguyễn Cao Sơn (2019), Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi đến tính công tác và cường độ chịu kéo uốn của bê tông cốt sợi thép, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học GTVT, Hà Nội.
[10]. Trần Thị Thu Hà (2023), Sử dụng bê tông cốt sợi thép trong xây dựng mặt đường có nhiều tải trọng nặng trên địa bàn tỉnh Hà Nam, Tạp chí Khoa học GTVT, Trường Đại học GTVT, số 05.
[11]. Nguyễn Quang Chiêu (2008), Bê tông cốt sợi và bê tông sợi thép, NXB. GTVT.
[12]. PGS.TS Nguyễn Viết Trung, TS Nguyễn Ngọc Long (2005), ThS Phạm Duy Anh, Bê tông cốt sợi thép, NXB. Xây dựng.
[13]. PGS.TS Nguyễn Viết Trung, TS Nguyễn Ngọc Long (2005), ThS Phạm Duy Anh, Bê tông cốt sợi thép, NXB. Xây dựng.
[14]. Bộ Khoa học và Công nghệ (2022), TCVN 3118-2022: Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén.
[15]. Bộ Khoa học và Công nghệ (2022), TCVN 3119-2022: Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ kéo khi uốn.
[16]. Bộ Khoa học và Công nghệ (2022), TCVN 3114-2022: Bê tông nặng - Phương pháp xác định độ mài mòn.
