Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay tại nhà máy nhiệt điện số 3 duyên hải, trà vinh đến một số tính chất của btxm làm mặt đường ô tô đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

Qua nghiên cứu thực nghiệm trong phòng cho thấy khi sử dụng hàm lượng tro bay hợp lý sẽ mang lại những hiệu quả về kinh tế - kỹ thuật - môi trường Khi sử dụng từ 10-20% tro bay thay thế

Sinh viên thực hiện

Võ Minh Khoa Lớp: Cầu đường Anh K56 Khoa: Công trình

Trịnh Văn Hòa Lớp: Cầu đường Anh K56 Khoa: Công trình Cao Nguyễn Vĩnh Khang Lớp: Cầu đường Anh K56 Khoa: Công trình

Vũ Duy Thanh Lớp: Cầu đường Anh K56 Khoa: Công trình

Võ Thanh Dũng Lớp: Cầu đường bộ 2 K56 Khoa: Công trình

Giảng viên hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Đức Trọng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Võ Minh Khoa Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh

Lớp: Cầu đường Anh K56 Khoa: Công trình Năm thứ 4/4,5 năm Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Trịnh Văn Hòa Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh

Lớp: Cầu đường Anh K56 Khoa: Công trình Năm thứ 4/4,5 năm Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Cao Nguyễn Vĩnh Khang Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh

Lớp: Cầu đường Anh K56 Khoa: Công trình Năm thứ 4/4,5 năm Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Vũ Duy Thanh Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh

Lớp: Cầu đường Anh K56 Khoa: Công trình Năm thứ 4/4,5 năm Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Võ Thanh Dũng Nam, Nữ: Nam Dân Tộc: Kinh Lớp: Cầu đường bộ 2 K56 Khoa: Công trình Năm thứ 4/4,5 năm Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Giảng viên hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Đức Trọng

PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay tại nhà máy nhiệt điện số 3 – Duyên Hải, Trà Vinh đến một số tính chất của bê tông xi măng làm mặt đường ô tô”

- Sinh viên thực hiện:

Võ Minh Khoa Lớp: Cầu đường Anh K56, Khoa: Công trình

Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4,5

Cao Nguyễn Vĩnh Khang Lớp: Cầu đường Anh K56, Khoa: Công trình

Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4,5

Trịnh Văn Hòa Lớp: Cầu đường Anh K56, Khoa: Công trình

Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4,5

Vũ Duy Thanh Lớp: Cầu đường Anh K56, Khoa: Công trình

Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4,5

Võ Thanh Dũng Lớp: Cầu đường bộ 2 K56, Khoa: Công trình

Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4,5

- Người hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Đức Trọng

Nghiên cứu sử dụng tro bay thay thế xi măng trong xây dựng mặt đường ôtô, có ý nghĩa về lý thuyết, thực tiễn, góp phần xây dựng bộ tiêu chuẩn kỹ thuật và giảm thiểu tác động đến môi trường trong điều kiện nước ta có hàng triệu tấn tro bay thải ra mỗi năm từ các nhà máy nhiệt điện

4 Kết quả nghiên cứu:

Việc nghiên cứu sử dụng tro bay trong sản xuất BTXM trên thế giới và tại Việt Nam đã chứng minh những hiệu quả tích cực Qua nghiên cứu thực nghiệm trong phòng cho thấy khi sử dụng hàm lượng tro bay hợp lý sẽ mang lại những hiệu quả về kinh tế - kỹ

thuật - môi trường

Khi sử dụng từ 10-20% tro bay thay thế xi măng đã cải thiện đáng kể các tính chất của bê tông làm mặt đường ô tô, đặc biệt là Ru, Rec và E Vì thế nên sử dụng là từ 10-20% tro bay trong thành phần chất kết dính để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật làm đường ô tô

5 Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

Kết quả thực nghiệm cho thấy BTXM sử dụng hàm lượng tro bay hợp lý sẽ mang lại hiệu quả về kinh tế cho công trình và đặc biệt là giảm nguy cơ gây ô nhiễm môi trường

6 Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài:

Đề xuất sử dụng tro bay với hàm lượng 20% để thay thế xi măng trong bê tông làm mặt đường ô tô vì ở hàm lượng này, BTXM không những vẫn đảm bảo được các yêu cầu về

kỹ thuật như bê tông không dùng tro bay mà còn tạo được hiệu quả kinh tế cho công trình

Tp.Hồ Chí Minh, Ngày 16 tháng 4 năm 2019

Sinh viên chịu trách nhiệm chính

thực hiện đề tài

(ký, họ và tên)

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU I DANH MỤC HÌNH ẢNH II DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT III

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Bố cục của đề tài 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG TRO BAY TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 4

1.1 Tổng quan về bê tông xi măng tro bay 4

1.1.1 Giới thiệu chung 4

1.1.2 Các ưu điểm của bê tông xi măng tro bay 5

1.1.4 Vật liệu chế tạo BTXM 12

1.2 Các nghiên cứu và ứng dụng tro bay trong sản xuất bê tông xi măng 17

1.2.1 Trên thế giới 17

1.2.2 Tại Việt Nam 18

1.3 Các yêu cầu mặt đường bê tông xi măng 20

1.4 Kết luận chương 1 22

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TİÊU KỸ THUẬT CỦA BÊ TÔNG Xİ MĂNG TRO BAY 23

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông xi măng 23

2.1.1 Xi măng 23

2.1.2 Thành phần hạt cốt liệu 23

2.1.3 Thể tích các lỗ rỗng trong bê tông: 24

2.1.4 Tỷ lệ nước/xi măng: 24

2.1.5 Ảnh hưởng do công tác trộn và đầm nén hỗn hợp bê tông 24

2.2 Lý thuyết về cấp phối 24

2.3 Các phương pháp thiết kế thành phần BTXM 28

2.3.1 Thiết kế thành phần bê tông theo phương pháp thể tích tuyệt đối dùng công thức Bolomey- Skramtaev 28

2.3.2 Thiết kế thành phần bê tông theo TCXDVN 322:2004 29

2.3.3 Thiết kế thành phần bê tông theo quyết định số 778/1998/QĐ-BXD: 29

2.4 Các phương pháp xác định các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp bê tông xi măng 30

2.4.1 Xác định độ sụt của hỗn hợp bê tông 30

2.4.2 Xác định độ công tác của hỗn hợp bê tông 32

2.4.3 Xác định khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông 34

2.4.4 Xác định khối lượng riêng, độ chặt và độ rỗng của bê tông 35

2.4.5 Xác định độ chống thấm của bê tông 36

2.4.6 Xác định cường độ chịu nén của bê tông 38

2.4.7 Xác định cường độ chịu kéo khi uốn và kéo dọc trục của bê tông 39

2.4.8 Xác định lực liên kết giữa bê tông và cốt thép 41

2.3.9 Xác định độ co ngót của bê tông 42

2.4.10 Xác định cường độ ép chẻ 44

2.4.11 Xác định Module đàn hồi khi nén tĩnh của bê tông 46

2.5 Kết luận chương 2 49

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG TRO BAY ĐỂ CHẾ TẠO BÊ

TÔNG XI MĂNG LÀM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 50

3.1 Đặt vấn đề 50

3.2 Phương pháp và kế hoạch thực nghiệm 50

3.3 Vật liệu chế tạo bê tông xi măng 51

3.3.1 Xi măng 51

3.3.2 Tro bay 53

3.3.3 Cốt liệu 53

3.3.4 Phụ gia 56

3.4 Kết quả thực nghiệm và đánh giá 56

3.4.1 Độ sụt 56

3.4.2 Cường độ chịu nén 57

3.4.3 Cường độ chịu kéo khi uốn 59

3.4.4 Cường độ ép chẻ 62

3.3.5 Module đàn hồi 65

3.5 Quan hệ giữa cường độ chịu nén Rn với cường độ chịu kéo uốn Ru và cường độ chịu ép chẻ Rec 66

3.6 Đánh giá hiệu quả kinh tế 67

3.7 Kết luận chương 3 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

1 Kết luận 71

2 Kiến nghị 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng Portland hỗn hợp (PCB)

Bảng 1.2: Thành phần hạt của đá theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006

Bảng 1.3: Thành phần hạt của cát theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006

Bảng 1.4: Hàm lượng các tạp chất trong cát theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006

Bảng 1.5: Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây

Bảng 1.6: Trị số tính toán của các loại BTXM trong xây dựng đường ôtô

Bảng 1.7: Các chỉ tiêu cơ lý và độ sụt của BTXM mặt đường ô tô

Bảng 2.1: Kích thước và hệ số chuyển đổi

Bảng 3.1: Thành phần vật liệu chế tạo bê tông xi măng

Bảng 3.2: Các đặc tính cơ bản của xi măng đa dụng Insee Power-S

Bảng 3.3: Các chỉ tiêu cơ bản của tro bay loại F lấy từ nhà máy nhiệt điện số 3 – Duyên Hải, Trà Vinh

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Quá trình phản ứng trong bê tông xi măng không sử dụng tro bay

Hình 1.2: Quá trình phản ứng trong bê tông xi măng có sử dụng tro bay

Hình 2.1 : Bộ dụng cụ thí nghiệm độ sụt của hỗn hợp bê tông

Hình 2.2: Thiết bị thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông

Hình 2.3: Thiết bị thí nghiệm cường độ chịu kéo uống của bê tông

Hình 2.4: Thí nghiệm xác định cường độ ép chẻ của mẫu bê tông

Hình 2.5: Bố trí thiết bị thí nghiệm Module đàn hồi cho bê tông

Hình 3.1: Xi măng đa dụng INSEE Power-S

Hình 3.2: Biểu đồ thành phần hạt của đá 5x20

Hình 3.3: Kiểm tra độ sụt của hỗn hợp bê tông

Hình 3.4: Cường độ chịu nén của các tổ mẫu ở tuổi 7, 28 và 56 ngày

Hình 3.5: So sánh cường độ nén của các tổ mẫu ở 7 ngày tuổi

Hình 3.6: So sánh cường độ nén của các tổ mẫu ở 28 ngày tuổi

Hình 3.7: So sánh cường độ nén của các tổ mẫu ở 56 ngày tuổi

Hình 3.8: Cường độ chịu kéo khi uốn của các tổ mẫu ở tuổi 7, 28 và 56 ngày

Hình 3.9: So sánh cường độ kéo khi uốn của các tổ mẫu ở 7 ngày tuổi

Hình 3.10: So sánh cường độ kéo khi uốn của các tổ mẫu ở 28 ngày tuổi

Hình 3.11: So sánh cường độ kéo khi uốn của các tổ mẫu ở 56 ngày tuổi

Hình 3.12: Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi uốn

Hình 3.13: Thí nghiệm xác định cường độ ép chẻ của mẫu

Hình 3.14: Cường độ chịu ép chẻ của các tổ mẫu ở tuổi 7, 28 và 56 ngày

Hình 3.15: So sánh cường độ ép chẻ của các tổ mẫu ở 7 ngày tuổi

Hình 3.16: So sánh cường độ ép chẻ của các tổ mẫu ở 28 ngày tuổi

Hình 3.17: So sánh cường độ ép chẻ của các tổ mẫu ở 56 ngày tuổi

Hình 3.18: So sánh độ lớn Module đàn hồi của các tổ mẫu ở 28 ngày tuổi

Hình 3.19: Biểu đồ tương quan giữa cường độ chịu nén Rn và cường độ chịu uốn RuHình 3.20: Biểu đồ tương quan giữa cường độ chịu nén Rn và cường độ chịu ép chẻ Rec

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AASHTO: American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp hội những người làm đường bộ và vận tải Mỹ)

ACAA: American Coal Ash Association (Hiệp hội tro bay Mỹ)

ACI: American Concrete Institute (Viện bê tông Mỹ)

ASTM: American Society for Testing and Materials (Hiệp hội thí nghiệm vật liệu Mỹ) BTXM: Bê tông xi măng

CHS: Các khoáng silicat bền nước

CKD: Chất kết dính

Dmax: Cỡ hạt danh định lớn nhất

Eđh: Module đàn hồi

F: Khối lượng tro bay trong bê tông

W/C: Water/Cement (nước/ xi măng)

XM/N: Xi măng/ nước

FC: Fly Ash Cement Concrete (Bê tông xi măng tro bay)

GTVT: Giao thông vận tải

N/X: Tỷ lệ nước/xi măng

N/CKD: Tỷ lệ nước/chất kết dính

PC: Portland Cement Concrete (bê tông xi măng Portland thông thường không tro bay) PCB: Portland Cement Blended (xi măng Portland hỗn hợp)

Rec: Cường độ ép chẻ bê tông

Rn: Cường độ chịu nén bê tông

Rku: Cường độ chịu kéo uốn bê tông

TB: Tro bay

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

TCN: Tiêu chuẩn ngành

VLXD: Vật liệu xây dựng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bê tông xi măng là vật liệu được sử dụng phổ biến trên thế giới Hiện nay theo tính toán thì mỗi năm trên thế giới sản suất khoảng 1.7x109 tấn bê tông, tương đương 6km3 bê tông xi măng mỗi năm và 1m3 bê tông trên đầu người là khối lượng bê tông khổng lồ cho việc xây dựng cơ sở hạ tầng Đối với ngành giao thông đường bộ, ở nhiều quốc gia phát triển như Mỹ, Đức, Nhật Bản, Trung Quốc, mặt đường BTXM được xây dựng chiếm tỷ lệ lớn trên các đường cao tốc và đường trục chính do việc sử dụng mặt đường bê tông xi măng

đã thể hiện rõ nhiều ưu điểm vượt trội so với mặt đường bê tông nhựa như độ bền và tuổi thọ mặt đường cao; chịu được tải trọng nặng nên không bị sụt, lún; độ ma sát mặt đường cao đảm bảo tính an toàn; mặt đường bê tông xi măng ít phải bảo dưỡng, duy tu và sửa chữa Ở Việt Nam, BTXM ngày càng được sử dụng nhiều để làm mặt đường ô tô với tổng chiều dài lên tới 1113 km và còn tiếp tục tăng, mặt đường bê tông xi măng rất phù hợp để sử dụng ở những vùng đất thấp hay ngập nước, điển hình như vùng đồng bằng sông Cửu Long Bên cạnh đó, Thủ tướng chính phủ còn đang có chính sách khuyến khích sử dụng bê tông xi măng do nguồn cung xi măng hiện đang rất dư thừa

Dù rằng ở thời điểm hiện tại lượng xi măng đang trong trạng thái dồi dào, tuy nhiên để sản xuất ra nguồn xi măng đủ để cung cấp cho ngành xây dựng trong tương lai với nhu cầu khổng lồ như vậy, đòi hỏi phải tiêu thụ rất nhiều năng lượng, từ đó dẫn đến nhiều thách thức cho môi trường như phát sinh khí thải, khói bụi và gây ra hiệu ứng nhà kính Trong quá trình sản xuất xi măng, ngành công nghiệp vật liệu này đã thải ra môi trường một lượng rất lớn khí CO2, đây là một trong những nguyên nhân chính làm biến đổi khí hậu

Trong khi đó, hàng năm ở nước ta có hàng chục nhà máy nhiệt điện và gang thép đã thải ra hàng triệu tấn tro bay và dự kiến đến năm 2020 là 7.6 triệu tấn Với lượng tro bay rất lớn, nếu không được tái sử dụng có hiệu quả thì sẽ lãng phí nguồn tài nguyên và ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống Hiện nay, việc sử dụng chất kết dính thay thế một phần

xi măng trong bê tông là một xu thế của khoa học thế giới Tro bay là một phụ phẩm trong các nhà máy nhiệt điện với những ưu điểm như rẻ tiền, nguồn cung dồi dào và có nhiều tính

chất tương đồng với xi măng trong bê tông nên tro bay được đánh giá là phù hợp để thay thế

xi măng trong bê tông và giúp giải quyết được bài toán về kinh tế và môi trường trong khi vẫn đảm bảo được các yếu tố kỹ thuật cho bê tông Các nghiên cứu về bê tông thường có thể

sử dụng tro bay đến 25 theo khối lượng xi măng, và các nghiên cứu gần đây đã dùng đến

50 tro bay thay thế chất kết dính Theo các tài liệu, việc sử dụng tro bay để thay thế một phần xi măng trong BTXM truyền thống có thể làm tăng độ bền của bê tông lên từ 1,15 đến

2 lần, điều này góp phần quan trọng trong việc giảm khối lượng xi măng, từ đó làm giảm đáng kể lượng khí thải CO2 Bên cạnh đó, bê tông xi măng tro bay có lượng nhiệt thủy hóa thấp, nhờ đó làm giảm khả năng xảy ra nứt trên mặt đường do tác dụng của nhiệt độ và co ngót ở giai đoạn tuổi sớm so với BTXM Portland truyền thống

Hiện nay, ở Việt Nam đã có nhiều đề tài nghiên cứu về bê tông xi măng sử dụng tro bay nhưng các đề tài này vẫn còn khá tổng quát và chưa có nhiều đề tài nghiên cứu chi tiết

về ảnh hưởng của tro bay tại các nhà máy nhiệt điện đến một số tính chất của bê tông xi măng làm mặt đường ô tô Kết hợp với các phân tích đã nêu trên, có thể thấy rằng việc nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay tại nhà máy nhiệt điện đến một số tính chất của bê tông xi măng làm mặt đường ô tô là cần thiết, có ý nghĩa về lý thuyết, thực tiễn, góp phần xây dựng

bộ tiêu chuẩn kỹ thuật và giảm thiểu tác động đến môi trường trong điều kiện nước ta có hàng triệu tấn tro bay thải ra mỗi năm từ các nhà máy nhiệt điện

2 Mục tiêu nghiên cứu

Phân tích và nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay loại F (màu vàng) tại nhà máy nhiệt điện số 3 Duyên Hải, Trà Vinh đến các tính chất của bê tông xi măng trong xây dựng đường

ô tô

Xác định được hàm lượng tro bay hợp lý có thể sử dụng thay thế xi măng trong bê tông làm mặt đường ô tô Đánh giá hiệu quả kinh tế khi sử dụng tro bay để thay thế xi măng làm bê tông cho mặt đường ô tô

3 Phạm vi nghiên cứu

Sử dụng vật liệu tro bay loại F (màu vàng) lấy tại nhà máy nhiệt điện số 3 – Duyên Hải, Trà Vinh trong sản xuất BTXM có cường độ chịu nén là 36 MPa Các chỉ tiêu được đề

cập trong nghiên cứu là độ sụt, cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, cường độ chịu

ép chẻ và module đàn hồi

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp đọc tài liệu, phân tích và đánh giá

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để xác định các tính chất của bê tông xi măng, từ đó nêu ra các kết luận cần thiết

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG TRO BAY

TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1 Tổng quan về bê tông xi măng tro bay

1.1.1 Giới thiệu chung

Tro bay là một loại khoáng hoạt tính pozzolan tồn tại dưới dạng hạt mịn thu được từ quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá trong các nhà máy nhiệt điện chạy than, là phế thải thoát ra từ buồng đốt qua ống khói nhà máy Tro bay được tận thu từ ống khói qua hệ thống nồi hơi tinh luyện loại bỏ bớt các thành phần carbon chưa cháy hết Thành phần của tro bay thường chứa các silic oxit, nhôm oxit, canxi oxit, sắt oxit, magie oxit và lưu huỳnh oxit, ngoài ra có thể chứa một lượng than chưa cháy Cũng giống như các phụ gia khoáng hoạt tính cho bê tông khác như muội silic, tro bay là một loại pozzolan nhân tạo với thành phần chính tạo hiệu ứng pozzolan là các silic oxit, nhôm oxit chứa trong tro bay

Đối với ngành xây dựng, tro bay được biết đến như là một loại khoáng hoạt tính pozzolan dùng làm phụ gia cho chế tạo bê tông Theo ACI 232R, bê tông xi măng tro bay (Fly ash Concrete - FC) được hiểu là bê tông xi măng Portland trong đó có sử dụng tro bay với một hàm lượng nhất định để thay thế một phần chất kết dính xi măng Portland Trong lịch sử phát triển của ngành, tro bay đã được sử dụng trong BTXM với các hàm lượng khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của công trình Ở mức độ thông thường,

để đáp ứng các yêu cầu về cường độ kết cấu thì tỷ lệ tro bay chiếm từ 15-30 khối lượng chất kết dính; ở hàm lượng cao hơn là từ 30-50 dùng cho các công trình thủy điện và đập nhằm kiểm soát nhiệt độ trong các kết cấu bê tông khối lớn Trong những năm gần đây đã phát triển những loại bê tông có hàm lượng tro bay rất cao trên 50 dùng cho các kết cấu công trình yêu cầu đòi hỏi về độ bền cao Các nghiên cứu của Owen và của Jiang cùng cộng

sự đã chỉ ra rằng mức độ tổn thất về độ sụt của bê tông xi măng tro bay thường nhỏ hơn, điều này rất phù hợp với điều kiện thi công ở nhiệt độ cao ở nước ta Theo Mehta, sử dụng tro bay trong bê tông còn có các tác dụng giảm sự co ngót, giảm nứt do nhiệt và tăng độ bền chống thấm nước

Tại Trà vinh hiện nay có đến 4 nhà máy nhiệt điện, khi đi vào hoạt động, nhà máy sẽ tăng cường năng lực cung ứng điện phục vụ phát triển kinh tế - xã hội khu vực đồng bằng

sông Cửu Long Theo thống kê của Sở Tài Nguyên và Môi trường Tỉnh Trà Vinh th ì mỗi năm lượng tro xỉ ra môi trường lên đến 1.6 triệu tấn Đến năm 2020 nếu vận hành 4 nhà máy nhiệt điện tại Duyên Hải thì lượng tro, xỉ mỗi năm 2.8 triệu tấn Mặc dù được gọi là phế phẩm của nhà máy nhiệt điện và gây ô nhiễm môi trường nhưng đây lại là nguồn vật liệu quý cho mặt đường bê tông xi măng bởi vì nó cải thiện một số tính năng công tác và độ bền cho bê tông

1.1.2 Các ưu điểm của bê tông xi măng tro bay

Trong báo cáo khoa học “Fly ash in concrete – a literature study of advantages and disadvantages” (tạm dịch: Tro bay trong bê tông – một nghiên cứu về các ưu điểm và nhược điểm” của mình, V.M.Malhotra và P.K.Mehta đã tiến hành nghiên cứu và so sánh những điểm khác biệt trong tính chất của bê tông tro bay hàm lượng cao với bê tông xi măng Portland truyền thống và đã đưa ra được những ưu – nhược điểm của loại vật liệu này

1.1.2.1 Tính kinh tế

Với xu hướng phát triển của ngành năng lượng trên toàn cầu trong tương lai là một phần năng lượng điện sẽ được sản xuất từ các nhà máy nhiệt điện Điều này mở ra một hy vọng rằng sẽ có rất nhiều tro bay có sẵn trong tương lai Tuy nhiên, xử lý tro bay bằng phương pháp chôn lấp theo cách thường làm từ trước đến nay hoàn toàn không hề thân thiện với môi trường Lượng tro bay sản xuất ra trên toàn thế giới xấp xỉ hơn 600 triệu tấn hằng năm, và chỉ có khoảng 10 lượng tro bay được sử dụng trong bê tông Theo Wikipedia,

65 lượng tro bay được tạo ra từ các nhà máy nhiệt điện trong trạng thái sẵn sàng bị chôn lấp mà không hề được tận dụng Chính vì điều này đã góp phần làm cho giá thành của tro bay giảm đi đáng kể Xét về giá thành vật liệu trên thị trường hiện nay, tro bay loại F có giá dao động từ 300đ đến 680đ/kg, trong khi đó xi măng Portland có giá vào khoảng 1300đ đến 1500đ/kg Nếu chỉ cần sử dụng tro bay thay thế 30 khối lượng xi măng thì chúng ta đã có thể tiết kiệm được đến 20 chi phí cho việc sử dụng chất kết dính Như vậy rõ ràng rằng bài toán về kinh tế trong ngành xây dựng có thể được giải quyết một phần nào đó nhờ vào việc ứng dụng tro bay thay thế cho xi măng trong bê tông

1.1.2.2 Môi trường

Trong quá khứ, tro bay chủ yếu được xả vào môi trường tự nhiên hoặc tồn tại dưới dạng bụi mịn trong không khí, nhưng ngày nay tro bay được chôn lấp hoặc lưu giữ trong các nhà máy năng lượng Công dụng của tro bay như một phần thay thế clinker trong xi măng hoặc bổ sung tro bay trực tiếp vào bê tông sẽ giải quyết vấn đề về môi trường cho các nhà máy nhiệt điện Tro bay thay thế cho xi măng cũng sẽ mang lại lợi ích cho môi trường bằng cách giảm phát thải CO2 trong quá trình sản xuất xi măng và tiết kiệm năng lượng khi tro bay làm giảm đi sự tiêu tốn năng lượng để sản xuất xi măng Việc sản xuất ra 1 tấn xi măng

sẽ phát thải ra khoảng 1 tấn khí CO2

Một lợi ích khác nữa là việc giảm thiểu các kim loại độc trong tro bay khi được thải vào các bể chứa hoặc chôn lấp Tro bay có thể chứa một lượng kim loại độc rất nhỏ có thể lọc được Sự kết hợp của tro bay trong bê tông có thể giải quyết vấn đề này bởi vì các sản phẩm hydrat hóa của cả xi măng Portland truyền thống và xi măng Portland hỗn hợp có thể tạo thành các phức hợp liên kết vĩnh viễn các chất độc hại do tro bay thải ra

1.1.2.3 Độ linh động

Tro bay cải thiện khả năng làm việc của bê tông Độ linh động đề cập tới sự dễ dàng khi xử lý, đổ và hoàn thiện của bê tông tươi hoặc bê tông dẻo Bê tông tro bay dễ thi công hơn so với bê tông xi măng Portland truyền thống ở cùng độ sụt Ở cùng một độ sụt, lượng nước ít hơn sẽ làm bê tông cố kết hơn và làm giảm khả năng phân tầng Lượng hạt mịn sẽ tăng và làm bê tông linh động hơn và cố kết hoàn chỉnh hơn

Theo ACI, các hạt tro bay lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu và hình dạng hạt hình cầu hoạt động như một chất bôi trơn trong ống bơm Việc bơm bê tông và vấn đề bê tông lấp đầy ván khuôn trở nên dễ dàng hơn Sự phân tầng và các khoảng trống trong hỗn hợp giảm đi vì độ kết dính và độ linh động của vữa bê tông tăng lên

1.1.2.4 Tính háu nước

Tính háu nước và khả năng làm việc được điều chỉnh bởi thành phần hạt và độ mịn bề mặt Theo nhiều kết quả của nghiên cứu, bê tông tro bay thường cần ít nước hơn so với bê tông Portland truyền thống ở cùng một độ sụt Dù rằng tro bay mịn hơn nhiều so với xi măng và độ mịn tăng thường làm tăng tính háu nước của hỗn hợp bê tông nhưng nhờ vào

hình dạng hạt hình cầu và nhẵn của tro bay đã làm giảm ma sát giữa các hạt và bù đắp lại cho các hiệu ứng bôi trơn trong bê tông xi măng nhều nước Như vậy, việc sử dụng tro bay

để thay thế một phần xi măng Portland thường sẽ làm giảm tính háu nước của bê tông

1.1.2.5 Nhiệt thủy hóa

Bê tông hàm lượng lớn tro bay được sử dụng trong báo cáo của Malhotra và Mehta cho thấy sự gia tăng nhiệt độ tự phát khá thấp Trong các khối bê tông lớn với kích thước 3.05x3.05x3.05m, nhiệt độ cao nhất ở giữa khối đạt 54oC (tăng 35oC từ nhiệt độ ban đầu khi

đổ là 19oC) Bê tông kết hợp xi măng Portland ASTM loại I có nhiệt độ tăng 65oC Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự gia tăng nhiệt độ tự phát của bê tông tro bay thấp hơn khoảng 15-25°C so với bê tông thương phẩm không có tro bay Đây rõ ràng là một lợi thế trong công tác bảo dưỡng và vận chuyển bê tông

1.1.2.6 Tính chống thấm

Tính chống thấm được định nghĩa là hệ số đại diện cho khả năng chống lại sự thấm của nước truyền qua một mẫu bê tông bão hòa dưới áp lực thủy lực được duy trì bên ngoài Tính chống thấm tỉ lệ thuận với độ bền, tính chống thấm càng cao thì độ bền của bê tông càng cao Thử nghiệm đã chỉ ra rằng bê tông được cân đối hợp lý bằng cách sử dụng kết hợp tro bay, các phụ gia giảm nước bình thường hoặc cao, và các phụ gia không khí có khả năng tạo ra mức độ thấm thấp tương tự như bê tông biến đổi latex và silica

Tính thấm của bê tông bị chi phối bởi nhiều yếu tố như lượng vật liệu xi măng, hàm lượng nước, cấp phối cốt liệu, độ chặt và hiệu quả hóa rắn Khi bê tông tro bay được xử lý đúng cách, các sản phẩm phản ứng của tro bay sẽ lấp đầy một phần vào các không gian ban đầu bị chiếm chỗ trong quá trình trộn nước, do đó làm giảm tính thấm của bê tông đối với nước và các hóa chất mạnh

Độ thấm của bê tông hàm lượng lớn tro bay được được thử nghiệm trong báo cáo là rất thấp Thử nghiệm tấm bê tông dày 50 mm trong điều kiện dòng chảy không đồng trục với

áp suất đơn trục 2.7MPa cho thấy độ thấm nhỏ hơn hoặc bằng 10-13m/s

Các mẫu bê tông được bảo dưỡng ở 20°C, độ thấm của bê tông tro bay (50 tro bay loại F) thấp hơn so với bê tông cấp tương đương không có tro bay Khi nhiệt độ hóa rắn giảm xuống 5°C, độ thấm của bê tông tro bay có biểu hiện tăng lên và có rất ít sự khác biệt

giữa bê tông tro bay và bê tông đối chứng Tính thấm của bê tông tro bay rõ ràng nhạy hơn với thời gian bảo dưỡng khi bảo dưỡng ở nhiệt độ thấp hơn

1.1.2.7 Khả năng chống ăn mòn cốt thép

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra rằng bê tông tro bay khối lượng lớn

có thể cung cấp sự bảo vệ tuyệt vời cho khả năng chống ăn mòn cốt thép Sau 6 tháng trong dung dịch Natri Clorua 3.4 , không có sự ăn mòn đáng kể trong bê tông chỉ với 13mm lớp phủ bê tông bao bọc cốt thép Bê tông với hàm lượng lớn tro bay tốt hơn bê tông thường không có tro bay, và tương đương với bê tông xi măng Portland hiệu suất cao với tỉ lệ N/X = 0.32 và khối lượng riêng 376 kg/m3

Bởi vì tính thấm của bê tông tro bay giảm đi, sự xâm nhập của Clorua vào bê tông cũng sẽ bị giảm và quá trình khởi đầu của sự ăn mòn có thể chậm hơn nhiều lần so với bê tông thông thường

1.1.2.8 Cường độ

Trong bê tông thông thường, cường độ uốn đạt giá trị tối đa trong khoảng từ 14 đến 28 ngày Trong bê tông tro bay khối lượng lớn, cường độ không ngừng tăng theo tuổi do phản ứng pozzolanic của tro bay, và tăng cường liên kết giữa các hạt xi măng và cốt liệu

Do phản ứng pozzolanic chậm, cường độ ở tuổi muộn của bê tông sử dụng tro bay với

tỉ lệ cao sẽ cho những hiệu quả tích cực Tỷ số của cường độ uốn và cường độ nén tương đương với bê tông truyền thống

Mẫu bê tông lấy từ một khối lớn làm từ bê tông sử dụng tro bay qua thí nghiệm đã cho kết quả cường độ nén 110MPa sau 10 năm tiếp xúc với môi trường ngoài trời Điều này chứng tỏ tiềm năng tăng cường độ về sau trong loại bê tông này

1.1.2.9 Bảo dưỡng

Việc bảo dưỡng bê tông tro bay khối lượng lớn là rất quan trọng Điều cần thiết nhất là

bê tông này được bảo vệ khỏi khô sớm bằng cách bảo dưỡng trong thời gian thích hợp Nói chung, thời gian bảo dưỡng từ 7 ngày là đủ

Cường độ ở tuổi 28 ngày khá bằng nhau giữa bê tông dùng 50 tro bay loại F và bê tông không có tro bay khi được xử lý ẩm ở 20°C sau 3 ngày trở lên (bê tông có cường độ

ước tính đạt 25MPa và 45MPa sau 28 ngày) Khi được xử lý ẩm trong 1 ngày, bê tông có

50 tro bay có cường độ thấp hơn bê tông thường

Đối với các mẫu được bảo dưỡng ở 20°C, độ thấm của bê tông tro bay loại F (50 tro bay) thấp hơn so với bê tông cấp tương đương không có tro bay Những cải tiến được cho

là do tro bay tác dụng nhiều hơn khi thời gian bảo dưỡng ẩm tăng lên và khi cấp cường độ của bê tông tăng lên Khi nhiệt độ hóa rắn giảm xuống 5°C, độ thấm của bê tông tro bay được quan sát là tăng lên và ở đó có rất ít sự khác biệt giữa tro bay và bê tông đối chứng 1.1.3 Sự hình thành cường độ trong BTXM sử dụng tro bay

1.1.3.1 Quá trình phản ứng trong bê tông xi măng tro bay

Trong hỗn hợp xi măng và tro bay bên cạnh bốn pha khoáng vật chính của xi măng gồm C3S, C2S, C3A và C4AF còn có thêm các thành phần oxit được bổ sung từ các thành phần hóa học chính của tro bay gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 và CaO Tỷ lệ giữa các thành phần hóa học trong hỗn hợp phụ thuộc vào loại xi măng, tro bay và tỷ lệ tro bay/chất kết dính Quá trình phản ứng hóa học trong BTXM tro bay diễn ra khá phức tạp, bao gồm các phản ứng thủy hóa và các phản ứng Pozzolan Trong hỗn hợp, các thành phần khoáng của xi măng sẽ tham gia các phản ứng thủy hóa trước sau đó mới đến các phản ứng Pozzolan

a Quá trình phản ứng thuỷ hoá

Các phản ứng thuỷ hoá xảy ra giữa các thành phần khoáng của xi măng với nước:

- 2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (1.1)

- 2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.2H2O + Ca(OH)2 (1.2)

- 3CaO.Al2O3 + 6H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O (1.3)

- 4CaO.Al2O3.Fe2O3 + mH2O = 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.nH2O (1.4) Kết quả của quá trình thủy hóa sẽ tạo thành các khoáng silicat bền nước và canxi hyđroxit Ca(OH)2 kém bền được giải phóng ra Trong bê tông Portland thông thường, Ca(OH)2 có ảnh hưởng xấu tới tính chất của bê tông, làm cho bê tông bị xốp, tạo sự phát triển các cấu trúc vi nứt, làm yếu liên kết với cốt liệu và làm ảnh hưởng đến độ bền của bê tông

Trong giai đoạn đầu tro bay hầu như không có hoạt tính, mà đóng vai trò như một vật liệu trơ chèn lấp trong các lỗ rỗng hỗn hợp Theo thời gian, quá trình thủy hóa vẫn tiếp tục

làm cho môi trường có tính kiềm tăng dần lên (nồng độ ion OH- tăng), nhờ đó đã kích hoạt các tính chất thủy lực tiềm ẩn trong tro bay để tạo ra các phản ứng Pozzolan

b Quá trình phản ứng Pozzolan

Các phản ứng Pozzolan được xảy ra giữa các thành phần hoạt tính trong tro bay (SiO2,

Al2O3) với Ca(OH)2 và nước:

- 2SiO2 + 3Ca(OH)2 = 3CaO.2iO2.3H2O (C3S2H3) (1.5)

- Al2O3 + CaSO4.2H2O + 3Ca(OH)2 + 7H2O = 4CaO.Al2O3.SO3.12H2O(C4ASH12)

- Al2O3 + 4Ca(OH)2 + 9H2O = 4CaO.Al2O3.13H2O(C4AH13) (1.7)

Quá trình phản ứng trong hỗn hợp bê tông xi măng thông thường được mô tả tóm tắt theo sơ đồ và trong hỗn hợp bê tông xi măng có sử dụng tro bay theo sơ đồ Kết quả của quá trình phản ứng Pozzolan đã chuyển hóa thành phần Ca(OH)2 thành các sản phẩm CSH (C3S2H3, C4ASH12, C4AH13) bền vững, có tác dụng tăng khả năng chống thấm, chống ăn mòn, chịu nhiệt độ và tăng thêm cường độ cho bê tông Điều này cho thấy rằng nhiều loại BTXM khi sử dụng tro bay hợp lý có thể cải thiện các đặc tính cơ lý tốt hơn so với bê tông

xi măng thông thường Do quá trình phản ứng Pozzolan, các hạt tro bay mất dạng hình cầu ban đầu và dần dần được bao phủ bởi một lớp sản phẩm mới và sau sáu tháng thì không còn xác định được hình dạng ban đầu

Quá trình phản ứng thủy hóa xi măng đã bao gồm các chuỗi phản ứng vốn phức tạp, khi có thêm tro bay thì các quá trình phản ứng lại càng diễn ra phức tạp hơn Hoạt động của các hạt tro bay làm ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa xi măng nhưng không phải tất cả các hạt tro bay đều tham gia phản ứng, mà chỉ một phần hoạt tính nhất định

Hình 1.1: Quá trình phản ứng trong bê tông xi măng không sử dụng tro bay

Hình 1.2: Quá trình phản ứng trong bê tông xi măng có sử dụng tro bay 1.1.3.2 Mức độ phản ứng Pozzolan tro bay

Trong giai đoạn đầu, tro bay chủ yếu có tác dụng vật lý lấp đầy lỗ rỗng và tham gia vào sự hình thành sản phẩm phức hợp Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O Theo các nhà nghiên cứu, với BTXM nhiều tro bay, chỉ một phần tro bay tham gia phản ứng, còn lại phần lớn không phản ứng, ngay cả sau thời gian dài hỗn hợp được bảo dưỡng Hỗn hợp BTXM nhiều tro bay được coi như là một loại vật liệu composite với hạt tro bay có tác dụng như là hạt siêu nhỏ lấp đầy lỗ rỗng trong hỗn hợp

Trong hỗn hợp bê tông xi măng Portland thông thường, để phản ứng thủy hóa diễn ra đầy đủ, với lượng C3S và C2S điển hình thì cần khoảng 20-25 lượng nước và tạo ra 20-

25 lượng Ca(OH)2 Trong nghiên cứu của các tiến sĩ về vậy liệu xây dựng tại Mỹ, với hỗn hợp BTXM tro bay, lượng Ca(OH)2 giảm đi theo việc tăng lượng tro bay và tuổi bê tông, điều này chứng tỏ quá trình phản ứng Pozzolan đã hấp thụ Ca(OH)2

1.1.3.3 Mức độ phản ứng thủy hóa xi măng

Đối với BTXM tro bay thì không thể xác định trực tiếp mức độ thủy hóa xi măng vì quá trình phản ứng Pozzolan hấp thụ một phần Ca(OH)2 và H2O Vì vậy, trong bài báo cáo của mình về “Hiệu quả của tro bay trong bê tông theo ngày tuổi”, tiến sĩ Babu của đại học Rao đã xây dựng công thức xác định mức độ thủy hóa xi măng có xét đến ảnh hưởng của tro bay như sau:

aX = a (1.8) Trong đó: aX – mức độ thủy hóa xi măng trong BTXM tro bay;

a, b – các hằng số thực nghiệm;

k – hệ số hiệu quả tro bay

1.1.4 Vật liệu chế tạo BTXM

Để có bê tông đảm bảo các yêu cầu về tính năng và chất lượng thì vật liệu phải là yếu

tố được ưu tiên chú ý đầu tiên Yêu cầu về vật liệu được quy định cho từng loại vật liệu chế tạo bê tông với các yêu cầu khác nhau về tính chất cơ học, hóa học và vật lý Bên cạnh đó còn phải cân nhắc lựa chọn vật liệu theo thành phần, phân loại, tính chất thích hợp với kết cấu và công nghệ chế tạo và mục đích sử dụng bê tông

1.1.4.1 Xi măng

Trên thị trường hiện nay phổ biến nhất là hai loại xi măng Portland thông thường có dạng là PCB và PC Ngoài ra còn có một số chủng loại xi măng đặc chủng bao gồm: xi măng bền sulfat, xi măng dãn nở, xi măng ít toả nhiệt, xi măng tro bay,… Xi măng dùng để chế tạo bê tông xi măng có thể sử dụng loại xi măng Portland (PC) phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 2682:1999 hoặc xi măng Portland hỗn hợp (PCB) phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 6260:2009

Bảng 1.1: Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng poóc lăng hỗn hợp (PCB)

2 Thời gian đông kết, min

Bắt đầu, không nhỏ hơn 45

5 Hàm lượng anhydric sunphuric

(SO3), , không lớn hơn 13

6 Độ nở autoclave, , không lớn hơn 14

1.1.4.2 Cốt liệu lớn

Cốt liệu lớn có hình dạng hạt hợp lý và thành phần hạt phải nằm trong giới hạn đường bao cấp phối tiêu chuẩn, không chứa quá nhiều các tạp chất Hàm lượng cỡ hạt các loại phải đảm bảo vừa có đủ các hạt lớn để làm khung chịu lực cho bê tông, vừa có đủ các hạt nhỏ để hỗn hợp làm việc theo nguyên tắc hạt nhỏ chèn vào khe rỗng giữa các hạt lớn và tạo ra độ đặc lớn nhất

Thành phần hạt cốt liệu lớn dùng chế tạo bê tông xi măng biểu thị bằng lượng sót tích lũy trên các sàng, đáp ứng các yêu cầu qui định trong tiêu chuẩn TCVN 7570:2006

Bảng 1.2: Thành phần hạt của đá theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006

Độ hao mòn khi va đập trong máy đo độ hao mòn Los Angeles không được vượt quá

30 khối lượng khi làm đường cấp III trở lên và 35 khi làm đường từ cấp IV trở xuống và sân bãi

Hàm lượng hạt thoi dẹt không được vượt quá 15 khối lượng đối với bê tông cấp cao hơn B30 và không vượt quá 35 đối với bê tông cấp B30 và thấp hơn

1.1.4.3 Cốt liệu nhỏ

Yêu cầu chất lượng cốt liệu nhỏ của bê tông xi măng: cát phải sạch, không chứa nhiều chất độc hại và tạp chất hữu cơ Cát thô có module độ lớn trong khoảng từ 2.0 đến 3.3,

cát mịn có module độ lớn trong khoảng 0.7 đến 2.0 Hình dạng hạt của cốt liệu nhỏ có ảnh hưởng lớn đến khả năng đầm chặt và tính chất của bê tông Cát có góc cạnh, nhất là có nhiều hạt dẹt hoặc cát có cấp phối không tốt thì sẽ tạo ra nhiều lỗ rỗng có thể tích lớn trong hỗn hợp

Thành phần hạt của cát, biểu thị qua lượng sót tích lũy trên sàng, nằm trong phạm vi quy định trong bảng 1.3 (trích từ tiêu chuẩn TCVN 7570:2006)

Bảng 1.3: Thành phần hạt của cát theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006

Kích thước lỗ sàng

Lượng sót tích lũy trên sàng,

% khối lượng

Cát thô Cát mịn 2,5 mm 0-20 0 1,25 mm 15-45 0-15

630 µm 35-70 0-35

315 µm 65-90 5-65

140 µm 90-100 65-90 Lượng qua sàng 140 µm,

không lớn hơn 10 35 Hàm lượng các tạp chất (sét cục và các tạp chất dạng cục, bùn, bụi và sét) trong cát được quy định trong bảng 1.4 (trích từ tiêu chuẩn TCVN 7570:2006)

Bảng 1.4: Hàm lượng các tạp chất trong cát theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006

Sét cục và các tạp chất

dạng cục Không được có 0.25 0.5 Hàm lượng bùn, bụi và

1.1.4.4 Nước

Nước dùng trộn bê tông xi măng không được có dầu, hàm lượng clorit có trong nước không được vượt quá 1g/lít, hàm lượng sulfat không được vượt quá 1.3g/lít

1.1.4.5 Phụ gia

Phụ gia là chất được bổ sung vào bê tông hoặc vữa bên cạnh nước, xi măng và cốt liệu với mục đích cải thiện tính chất của bê tông hoặc vữa Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại phụ gia với nhiều công dụng và chức năng khác nhau như:

- Cải thiện tính chất và khả năng làm việc của bê tông

- Đẩy nhanh quá trình đông kết, khô cứng

- Bảo dưỡng bê tông và vữa tự nhiên trong không khí

- Tác động không thấm nước/chống thấm

- Tăng độ bền cho bê tông hoặc vữa

- Bù đắp và làm giảm sự co ngót trong quá trình hỗn hợp bê tông hoặc vữa đông kết và hóa cứng

- Tác động đến màu sắc cho bê tông và vữa

- Giảm sự mất nước trong quá trình thủy hóa, đông kết, khô cứng của vữa hoặc bê tông

Các yêu cầu kỹ thuật đối với phụ gia hoá học:

- Phụ gia hoá học phải đáp ứng các yêu cầu tính năng tương ứng với mỗi loại phụ gia

đó về hàm lượng nước, độ sụt, thời gian ninh kết và cường độ của bê tông dùng phụ gia Đặc biệt cường độ của bê tông ở tuổi dài ngày (6 tháng và 1 năm) khi dùng phụ gia không được thua kém cường độ cơ học ở tuổi 28 và 90 ngày

- Khi có những yêu cầu đặc biệt về hàm lượng khí và độ co ngót thì phụ gia hoá học khi dùng cho bê tông phải thoả mãn các giá trị sau:

+ Hàm lượng khí của bê tông đối chứng và bê tông có dùng phụ gia không được vượt quá 3 đối với bê tông thường , hoặc 7 đối với bê tông cuốn khí

+ Độ co ngót của bê tông dùng phụ gia ở tuổi 28 ngày không được vượt quá 800 µm (0,8mm) và 135 so với độ co ngót của mẫu bê tông đối chứng

Bên cạnh đó, phụ gia hoá học phải có độ đồng nhất cao và không nên chứa ion clo (một tác nhân làm tăng nhanh sự ăn mòn cốt thép trong bê tông) Ngoài ra còn có cả yêu cầu

về độ đồng nhất của phụ gia khoáng hoạt tính nghiền mịn, các chỉ tiêu này các nhà sản xuất phải đảm bảo và cung cấp

1.1.4.6 Tro bay

Tro bay được xem như một loại phụ gia khoáng hoạt tính Tro bay dùng cho bê tông

và vữa xây cần đáp ứng chỉ tiêu chất lượng quy định tại bảng 1.5 (trích từ tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10302:2014 về phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng)

Bảng 1.5: Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây

Chỉ tiêu Loại tro bay Lĩnh vực sử dụng - Mức

1 Tổng hàm lượng ôxit SiO2 + Al2O3 +

Fe2O3, khối lượng, không nhỏ hơn

F

C

70

45

2 Hàm lượng lưu huỳnh, hợp chất lưu

huỳnh tính quy đổi ra SO3, khối lượng,

3 Hàm lượng canxi ôxit tự do CaOtd, %

khối lượng, không lớn hơn

4 Hàm lượng mất khi nung MKN, khối

lượng, không lớn hơn

5 Hàm lượng kiềm có hại (kiềm hòa tan),

khối lượng, không lớn hơn

10 Hoạt độ phóng xạ tự nhiên Aeff, (Bq/kg)

của tro bay dùng:

- Đối với công trình nhà ở và công cộng,

- Đối với công trình công nghiệp, đường đô

thị và khu dân cư, không lớn hơn 740

* Khi đốt than Antraxit, có thể sử dụng tro bay với hàm lượng mất khi nung tương ứng: lĩnh vực C tới 12 ; lĩnh vực D tới 10 , theo thỏa thuận hoặc theo kết quả thử nghiệm được chấp nhận

1.2 Các nghiên cứu và ứng dụng tro bay trong sản xuất bê tông xi măng

1.2.1 Trên thế giới

Trên thế giới, BTXM tro bay được sử dụng đa dạng cho nhiều loại công trình Các quốc gia phát triển luôn khuyến khích sử dụng tro bay xỉ than từ nhà máy nhiệt điện trong xây dựng đường xá và đôi khi là điều kiện bắt buộc Đơn cử như tại Pháp có đến 99 lượng tro bay xỉ than thải ra được tái sử dụng, tại Nhật Bản, con số này là 80 , tại Hàn Quốc là 85% Trong lĩnh vực xây dựng đường ô tô, đã có nhiều kết quả nghiên cứu và công trình về

bê tông xi măng sử dụng tro bay và ứng dụng của loại vật liệu này, tiêu biểu như sau:

- Theo các báo cáo tại Hội nghị tro bay thế giới năm 2015 được tổ chức bởi Hiệp hội tro bay Mỹ (ACAA), ở nhiều nước trên thế giới khối lượng tro bay thải ra từ các nhà máy nhiệt điện là rất lớn lên tới hàng triệu tấn mỗi năm Trong khi đó lượng tiêu thụ tro bay trung bình ở các nước chưa tới 50% con số này, trong đó sử dụng cho bê tông 13,1 triệu tấn chủ yếu cho xây dựng mặt đường ô tô Tro bay bắt đầu được sử dụng trong xây dựng trong các công trình nền móng đường bộ và đường cao tốc từ những năm 1950 Đến năm 1974, cơ quan quản lý đường bộ liên bang Mỹ (FHWA) bắt đầu đưa ra các khuyến khích sử dụng tro bay để thay thế một phần xi măng trong bê tông nếu có thể để làm mặt đường ô tô Năm

1983, Cơ quan bảo vệ Môi trường Mỹ đã đưa ra các chỉ dẫn cho BTXM tro bay nhằm khuyến khích sử dụng tro bay với khối lượng lớn trong xây dựng đường [1]

- Năm 2001, bê tông có sử dụng tro bay đã được dùng để xây dựng mặt đường ô tô trong khu công nghiệp sản xuất ô tô ở Alabama (Mỹ) [2]

- Từ năm 1962, Hiệp hội AASHTO đã đưa vào chương trình nghiên cứu ứng dụng tro bay trong xây dựng mặt đường cao tốc và xem đây như là một loại vật liệu mới đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật khắt khe của đường cao tốc và giá thành rẻ Để việc sử dụng tro bay trong bê tông được rộng rãi, AASHTO đã xây dựng tiêu chuẩn AASHTO M26-295 trong đó đặc biệt chú trọng đến việc quy định các thành phần khoáng vật tro bay (loại C và F) và hàm lượng tổn thất khi nung, chỉ những tro bay được lấy trực tiếp từ ống khói qua lọc tĩnh điện hoặc sau khi đã tuyển chọn lại đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật thì mới được sử dụng cho bê tông [3]

- Về các tiêu chuẩn thi công mặt đường BTXM sử dụng tro bay, một số các tiêu chuẩn

đã và đang hiện hành như tiêu chuẩn FHWA-IF-03-019 của Cơ quan quản lí đường bộ liên bang Mỹ; IRD:15-2011 của Cơ quan quản lí đường bộ Ấn Độ; JSCE-SSCS của Hiệp hội kỹ

sư xây dựng Nhật Bản đã đưa ra các hướng dẫn về chế tạo hỗn hợp và thi công mặt đường BTXM trong đó tro bay được sử dụng như là một thành phần của hỗn hợp chất kết dính bên cạnh xi măng Portland thông thường [4]

- Từ năm 2002 đến 2005, dự án đường ở Ropar ở Ấn Độ được xây dựng rộng 7m dày

300 mm làm bằng bê tông với hàm lượng tro bay là 50 so với chất kết dính, tỷ lệ N/X bằng 0,32; cường độ nén ở 28 ngày đạt 41,6 MPa, cường độ kéo uốn đạt 7,6 MPa

- Ngoài ra, còn nhiều các công trình tiêu biểu đã sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng như đập Tomisato cao 111m ở Nhật Bản được xây dựng từ những năm 1950 đã sử dụng 60 tro bay thay thế xi măng; Trung Quốc đưa tro bay vào công trình xây dựng đập thủy điện từ những năm 1980; Công trình Azure trị giá 100 triệu USD hoàn thành năm 2005

đã sử dụng 35 tro bay thay thế xi măng

1.2.2 Tại Việt Nam

Ở Việt Nam, bắt đầu từ những năm 90 của thế kỷ XX, tro bay bắt đầu được nghiên cứu

và sử dụng làm phụ gia để sản xuất xi măng Sau đó, tro bay được sử dụng nhiều cho bê tông khối lớn trong các đập thủy lợi, thủy điện, sản xuất vật liệu xây dựng như vữa xây trộn sẵn và gạch không nung Trong lĩnh vực công trình giao thông, tro bay và tro xỉ đã có những ứng dụng để làm vật liệu cho móng và mặt đường Tiêu biểu có các nghiên cứu và công trình ứng dụng như sau:

- Năm 1991, giải pháp hữu ích “Đề xuất một loại bê tông sử dụng tro bay Phả Lại thay thế một phần xi măng theo tỷ lệ 30 tro bay với 70 xi măng so với khối lượng xi măng cần cho cấp phối BTXM thương phẩm mác tương đương” [5]

- Công trình nghiên cứu của PGS Nguyễn Quang Chiêu và GS Nguyễn Xuân Đào: Khả năng Pozzolan hóa của tro bay khi gia cố với vôi đã cho phép sử dụng làm chất liên kết các hỗn hợp đá hoặc cát để làm các lớp móng đường Hỗn hợp gồm 80% tro bay và 20% vôi

để làm chất liên kết đá và cát làm mặt đường, sau một năm cường độ nén của vật liệu đạt được cao nhất là 23,5 MPa, cường độ kéo uốn là 2,6 MPa Khi dùng làm lớp móng thì hỗn

hợp chất kết dính gồm 90-95% tro bay và 5-10 vôi có cường độ nén 9 MPa, cường độ kéo uốn 0,8 MPa [6]

- Công trình nghiên cứu của GS Phạm Duy Hữu và các cộng sự – Trường Đại học GTVT: trong các kết quả nghiên cứu bê tông cường độ cao cho thấy việc tro bay được sử dụng trong sản xuất BTXM đạt tới cường độ 60 MPa và làm giảm được lượng nước yêu cầu, giảm sự tỏa nhiệt và giảm chi phí sản xuất bê tông Lượng tro bay thay thế xi măng phụ thuộc vào loại tro bay sử dụng Đối với tro bay loại F là từ 15 ÷25 , đối với tro bay loại C

là từ 20-35 Đối với bê tông cần tăng cường độ bền trong môi trường nước biển thì có thể

sử dụng kết hợp 5-7 muội silic với 10-15% tro bay trong bê tông [7]

- Công trình nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay trong công trình giao thông do PGS.TS Nguyễn Thanh Sang và cộng sự thực hiện: tro bay được ứng dụng chế tạo bê tông cát với hàm lượng lớn để làm lớp móng mặt đường ô tô mang lại giá trị lớn về mặt kinh tế

và môi trường Tỷ lệ tro bay/chất kết dính sử dụng lên tới 30-50 đáp ứng các yêu cầu về cường độ nén, kéo và Module đàn hồi [8]

- Trong “Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến một một số tính chất cơ lý của bê tông đầm lăn sử dụng xỉ thép trong xây dựng đường ô tô ở Bà Rịa – Vũng Tàu”, tiến

sĩ Nguyễn Đức Trọng đã cho thấy rằng có thể sử dụng đến 30% tro bay để thay thế xi măng trong thành phần của bê tông đã đem lại những hiệu quả về kinh tế - kỹ thuật cho BTXM làm mặt đường ô tô [9]

- Công trình nghiên cứu xử lý tro Cao Ngạn làm nguyên liệu sản xuất bê tông và xi măng do TS Lương Đức Long và cộng sự thực hiện: tro bay Cao Ngạn sau khi xử lý có thể

sử dụng làm chất phụ gia cho xi măng, bê tông để làm lớp móng của kết cấu áo đường [10]

- Công trình nghiên cứu và ứng dụng bê tông chất lượng cao do TS Thái Duy Sâm và cộng sự thực hiện tại Viện Vật liệu xây dựng: Tro bay Phả Lại 29 được nghiên cứu sử dụng

30 xi măng, tro bay kết hợp phụ gia siêu dẻo có thể chế tạo bê tông chất lượng cao và cường độ cao đạt 70 MPa với các thành phần vật liệu trong nước Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng cho nhiều loại công trình xây dựng trong đó có mặt đường ô tô cấp cao [11]

1.3 Các yêu cầu mặt đường bê tông xi măng

Theo quy định tạm thời thiết kế mặt đường bê tông xi măng thì cường độ kéo uốn thiết

kế yêu cầu (fr) của tấm BTXM được quy định như sau:

- fr ≥ 5.0MPa : đối với BTXM mặt đường cao tốc, đường cấp I, cấp II và các đường có cấp quy mô giao thông nặng, rất nặng, cực nặng

- fr ≥ 4.5MPa : đối với đường các cấp khác, các đường có quy mô giao thông cấp trung bình và các đường có quy mô giao thông cấp nhẹ nhưng có xe nặng với trục đơn

Bảng 1.6: Trị số tính toán của các loại BTXM trong xây dựng đường ôtô Cường độ kéo

Bảng 1.7: Các chỉ tiêu cơ lý và độ sụt của BTXM mặt đường ô tô

Các chỉ tiêu

Trị số yêu cầu

Phương pháp thử

Công nghệ ván khuôn trượt (tốc độ rải từ 0.5- 2.0m/phút)

Ván khuôn cố định Công nghệ ván

khuôn ray và các công nghệ thi công liên hợp khác

Công nghệ thi công đơn giản

Từ các yêu cầu trong tiêu chuẩn hiện hành nhận thấy các tính chất của bê tông xi măng làm mặt đường như: cường độ chịu kéo uốn, khả năng chịu mài mòn và độ sụt của bê tông được yêu cầu khá chặt chẽ và mang tính đặc thù của bê tông làm đường ô tô Các tính chất này không giống với quy định đối với bê tông sử dụng trong các ngành xây dựng cơ bản khác

1.4 Kết luận chương 1

Xu hướng sử dụng BTXM làm mặt đường ô tô trên thế giới và ở Việt Nam ngày càng tăng, đặc biệt đối với các đường cấp cao và đường trục chính Đối với mặt đường BTXM, tính năng chính cần phải đáp ứng là cường độ kéo uốn và độ bền nhiệt nhằm đảm bảo khả năng chịu lực và độ bền khai thác Ở Việt Nam hiện nay, tro bay sau khi tuyển đã đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật (ASTM C618) và có thể sử dụng để thay thế xi măng trong bê tông

Tro bay có kích cỡ hạt đặc trưng và các đặc điểm thành phần khoáng vật cùng các thành phần hóa học chính gồm oxit SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO có ảnh hưởng lớn đến khả năng Pozzolan hóa, chi phối sự phát triển cường độ và một số tính chất của BTXM tro bay Tro bay có cỡ hạt càng nhỏ thì khả năng hoạt động hóa học càng mạnh và độ linh động càng cao

Quá trình phản ứng diễn ra trong hỗn hợp BTXM tro bay là một quá trình phức tạp gồm 2 chuỗi phản ứng gồm các phản ứng thuỷ hoá và các phản ứng Pozzolan Kết quả của quá trình phản ứng Pozzolan là sự chuyển hóa thành phần Ca(OH)2 kém bền vững thành các chất khoáng silicat mới có tính bền vững giúp cho bê tông tăng thêm cường độ, tăng khả năng chống thấm và chống ăn mòn Bên cạnh đó tro bay còn có tác dụng giảm nhiệt thủy hóa, tăng độ bền chịu nước và tác động tích cực đến môi trường bằng việc làm giảm lượng khí thải CO2 do quá trình sản xuất xi măng ra môi trường

Ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Canada, Ấn độ, Hàn Quốc, việc nghiên cứu tro bay trong BTXM rất phát triển và đã được ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực xây dựng đường ô tô Ở Việt Nam, các nghiên cứu về bê tông sử dụng tro bay vẫn còn khá mới mẻ và chưa được ứng dụng nhiều vào thực tế

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ

TİÊU KỸ THUẬT CỦA BÊ TÔNG Xİ MĂNG TRO BAY 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông xi măng

2.1.1 Xi măng

Yếu tố đầu tiên ảnh hưởng đến cường độ bê tông đó là chất lượng xi măng, đây là thành phần quan trọng và chiếm tỉ lệ nhiều nhất trong hỗn hợp bê tông, nếu xi măng không đảm bảo chất lượng sẽ làm giảm khả năng kết dính, quá trình đông cứng diễn ra chậm hơn ảnh hưởng đến cường độ bê tông

Nhiều thông số liên quan đến thành phần của từng khoáng xi măng và tỷ lệ của chúng trong xi măng có thể ảnh hưởng đến tốc độ phát triển cường độ và đạt được cường độ cuối cùng, bao gồm các yếu tố sau:

- Hàm lượng khoáng alit: do alit là khoáng xi măng hoạt tính đóng góp đáng kể vào cường độ của bê tông, hàm lượng khoáng alit cao thì bê tông sớm đạt cường độ hơn Tuy nhiên, điều này cần phải có đủ điều kiện như phụ thuộc vào điều kiện nung trong lò quay và hàm lượng alit có trong xi măng

- Hàm lượng sulfat trong xi măng: sulfat trong xi măng sẽ làm chậm quá trình hydrat hóa Nếu không đủ sulfat, hiện tượng đông kết nhanh có thể xảy ra và ngược lại, nếu có quá nhiều sulfat có thể gây nên đông kết giả trong hỗn hợp bê tông

- Độ mịn và sự phân bố kích thước hạt của xi măng: độ mịn của xi măng sẽ ảnh hưởng đến tốc độ thủy hóa xi măng Xi măng nghiền mịn hơn sẽ dẫn đến phản ứng nhanh hơn Độ mịn thường được biểu hiện bằng tổng diện tích bề mặt hạt Tuy vậy nhưng yếu tố này ảnh hưởng không nhiều, điều quan trọng là sự phân bố kích thước hạt của xi măng

2.1.2 Thành phần hạt cốt liệu

Độ cứng, độ sạch và sự phối hợp các thành phần hạt của các thành phần khác như sỏi,

đá, cát, không đạt tiêu chuẩn cũng là tác nhân ảnh hưởng đến cường độ của bê tông Các tạp chất như bùn, bụi, sét bẩn có trong cốt liệu sẽ tác động rất lớn đến các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu Hàm lượng tạp chất quá cao sẽ gây ra những phản ứng không mong muốn trong hỗn hợp bê tông, từ đó làm thay đổi các tính chất của bê tông

2.1.3 Thể tích các lỗ rỗng trong bê tông:

Lỗ rỗng trong bê tông có thể chứa không khí hoặc bị lấp đầy bởi nước Lỗ rỗng khí là một ví dụ rõ ràng và dễ nhìn thấy của lỗ mao quản trong bê tông Điều này ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất của bê tông nhưng rõ ràng nhất là bê tông càng xốp thì cường độ càng thấp

2.1.4 Tỷ lệ nước/xi măng:

Tỉ lệ nước/xi măng được xác định bằng khối lượng nước chia cho khối lượng xi măng trong hỗn hợp Tỷ lệ nước/xi măng được viết tắt là “W/C” (Water/Cement) Theo lý thuyết, trong hỗn hợp bê tông có tỉ lệ W/C lớn hơn 0,4 thì toàn bộ lượng xi măng có thể phản ứng với nước để tạo ra sản phẩm thủy hóa xi măng Đối với các trường hợp tỉ lệ W/C quá lớn hoặc quá nhỏ, nếu nhiều nước dễ làm hỗn hợp này bị loãng lâu đóng chắc, đồng thời độ xốp của hồ xi măng trong bê tông cũng tăng, ngược lại nếu quá ít nước thì sẽ không đủ để sinh

ra phản ứng thủy hóa tác dụng đến xi măng, không tạo được độ dẻo đúng tiêu chuẩn đề ra và làm giảm cường độ của bê tông

2.1.5 Ảnh hưởng do công tác trộn và đầm nén hỗn hợp bê tông

Chất lượng của việc nhào trộn bê tông kém, độ đầm chắc của bê tông khi đổ vào khuôn không đảm bảo, các điều kiện bảo dưỡng sau khi trộn bê tông không đúng tiêu chuẩn hay những sai sót do con người trong quá trình đổ và đầm bê tông cũng gây ảnh hưởng đến cường độ bê tông

2.2 Lý thuyết về cấp phối

2.2.1 Lý thuyết cấp phối lý tưởng của Fuller và Thompson

Bằng nghiên cứu thực nghiệm, Fuller-Thompson đã đi đến kết luận tồn tại một số thành đường cong thành phần hạt lý tưởng Ban đầu họ cho rằng các đường cong là một phần của elip (ở vùng kích thước hạt nhỏ) và sau đó là đoạn chuyển tiếp với đường cong đó Phương trình elip có dạng như sau:

(2.1)

1)(

)(

2

2 0 2

x x

Trong đó: a, b là trục của elip có trị số phụ thuộc kích cỡ và hình dạng hạt

y là vật liệu lọt qua sàng x (mm) Sau đó thì Fuller và Thompson đã phát hiện các đường thành phần hạt gần với hình parabol hơn, phương trình chung là :

2.2.2 Lý thuyết cấp phối hạt của Weymouth

Theo kết quả nghiên cứu của Weymouth về cấp phối có độ chặt lớn nhất, cho thấy rằng: lỗ rỗng giữa các vật liệu hạt có kích thước nhất định thường được chêm bởi các vật liệu có kích cỡ nhất định nhỏ hơn ngay sau nó, lỗ rỗng còn lại được chêm bởi những vật liệu

có kích cỡ nhỏ hơn nữa Nhưng kích thước của các vật liệu hạt chêm này không được lớn hơn khe hở giữa các vật liệu hạt lớn hơn, nếu không thì không lọt qua được

Vs = 0.296 x Vs’ (2.3)

Vs’ : Là thể tích tuyệt đối của hạt có kích thước D

Vs : Là thể tích tuyệt đối của hạt có kích thước d

2.2.3 Lý thuyết cấp phối hạt của Bolomey

Bolomey đã nhận thấy rằng các hỗn hợp đạt được bằng phương pháp Fuller cho hỗn hợp bê tông có tính công tác tương đối thấp, ông đề nghị một sự thay đổi đối với parabol của Fuller như sau :

P = 1 / 2

) )(

1 (

D

d f

đường cong thành phần hạt của xi măng là không biến đổi Bolomey cũng chỉ áp dụng quan

hệ này cho các hạt lớn hơn 0,1mm

2.2.4 Lý thuyết cấp phối hạt của Talbol

Theo sự nghiên cứu của Talbot, nếu cấp phối phù hợp với công thức sau thì đạt được

độ chặt lớn nhất:

P = 100.(d/D)n (2.5) Trong đó: P - Lượng lọt qua lỗ sàng (%)

d - Kích thước lỗ sàng

D - Kích thước của hạt lớn nhất

N - Hệ số, thông thường lấy n = 0,30,6

Nếu n = 0,5 và D = 20 mm thì P = 100.(d/20)0.5 = 22,36 d

2.2.5 Lý thuyết cấp phối hạt của B.B.Okhôtina và N.N.Ivanov

Dựa trên cơ sở thực nghiệm, B.B.Okhotina đã xác định được những đặc điểm cơ bản sau:

- Độ rỗng của các cấp phối làm bằng một thành phần hạt (ví dụ cát và đá dăm), trong

đó các hạt có kích cỡ gần nhau và chênh lệch nhau 2 lần, sẽ như nhau khi tỷ lệ khối lượng của các loại hạt trong cấp phối bằng nhau Nói một cách khác, khi cùng tăng hoặc cùng giảm kích thước của tất cả các loại hạt với số lần như nhau, thì độ rỗng sẽ không thay đổi

- Độ rỗng của cấp phối sẽ nhỏ nhất, nếu kích thước các loại hạt chèn vào lỗ rỗng của các loại hạt to hơn lần lượt giảm đi 16 lần và khối lượng của các hạt sau (nhỏ hơn) bằng

43 khối lượng của các loại hạt trước (lớn hơn) Như vậy có nghĩa là: nếu hạt to có kích thước 16-32mm, thì các loại hạt sau có kích thước lần lượt là 1-2, 0.06-0.12, 0.004-0.008mm và khối lượng của hạt 1-2mm bằng 43 khối lượng của hạt 16-32mm, khối lượng của hạt 0.06-0.12mm bằng 43 khối lượng hạt 1-2mm, và cứ tiếp tục thế

- Khi chọn một cấp phối có các loại hạt có kích thước chênh nhau 1/8, 1/4 và 1/2 lần, thì độ rỗng của cấp phối sẽ lớn hơn và khối lượng của vật liệu hạt nhỏ chèn vào sẽ phải tăng lên Như vậy, khi chèn vào lỗ rỗng bằng những loại hạt lần lượt nhỏ đi 8 lần, 4 lần và 2 lần,

thì để cấp phối có độ chặt lớn nhất khối lượng của các loại hạt sau (nhỏ hơn) lần lượt phải bằng 55 , 66 và 81 khối lượng của loại hạt trước (to hơn)

- Nếu ta trộn thêm vào cấp phối trên bất kỳ loại hạt trung gian nào, thì độ rỗng sẽ tăng lên Nhưng nếu trộn thêm vào cấp phối loại vật liệu mà thành phần và tỉ lệ khối lượng các loại hạt giống nhau như cấp phối đó, thì độ rỗng của nó sẽ không thay đổi

- Có thể dễ dàng thấy rằng: Các loại hạt có kích thước chênh nhau 16 lần và 4 lần, thì

tỉ lệ khối lượng là 0.43 (43 ) và 0.43 = 0.66 (66 ) Như vậy, nếu các loại hạt chênh nhau

2 lần, thì tỉ lệ khối lượng của chúng sẽ là 0.66= 0.81 (81%)

+ Gọi k là trị số này, k biểu thị tỷ lệ khối lượng giảm dần của các loại hạt, nên gọi là hệ số khối lượng giảm dần

+ Nếu cấp phối mà các loại hạt có kích thước chênh nhau 16 lần và k=0.25 0.43 0.5, thì cấp phối mà các loại hạt có kích thước chênh nhau 2 lần:

2.2.6 Lý thuyết cấp phối cốt liệu lý tưởng Fuller

Cấp phối cốt liệu được định nghĩa là mối quan hệ giữa kích cỡ sàng tiêu chuẩn Xi và tổng lượng lọt qua sàng này Yi Mối quan hệ này tính toán công thức hay biểu đồ Tối ưu hóa cấp phối cốt liệu có nghĩa là dùng đường cong cấp phối lý tưởng thì cho một hỗn hợp cốt liệu có độ đặc tốt

Đường cong Fuller được biểu thị bằng công thức toán học sau:

YTi = 100.(Xi/Xmax)0.5 (2.6)

Trong đó: YTi : lượng lọt sàng lý tưởng (lý thuyết)

Xmax: kích cỡ lớn nhất cốt liệu (mm)

Đường cong lý tưởng được tính toán bắt đầu từ điểm (XO, 0) vì các hạt nhỏ hơn X0 = 0.075 mm được gọi là bột Do đó để tính toán giá trị này đường cong lý tưởng Fuller có dạng:

YTi = T (Xi - X0)0.5 (2.7)

Trong đó: T là hệ số phụ thuộc vào kính cỡ lớn nhất của cốt liệu và phải quan tâm rằng độ cong đường cong Fuller có thể thay đổi phụ thuộc vào loại cốt liệu Hay nói cách khác đường cong Fuller cho kết quả tốt thì hỗn hợp bê tông có tính cứng tốt Độ cong của đường cong lý tưởng Fuller phụ thuộc vào thành phần của bê tông và loại cốt liệu

YTi = Tn (Xi - X0)n (2.8)

Trong đó:

YTi : độ cong của đường cong lý tưởng

Tn : hệ số, phụ thuộc kích cỡ lớn nhất cốt liệu và bậc của biểu thức

n : Hệ số thực nghiệm lấy : 0.3  0.6

Về lý thuyết ta có thể đạt được cấp phối lý tưởng khi lựa chọn một tỷ lệ hợp lý hỗn hợp cốt liệu, tuy nhiên cách này thì khó khăn và không kinh tế Thực nghiệm ta chuẩn bị sẵn các loại cốt liệu mịn và cốt liệu thô với các cấp phối tỷ lệ khác nhau để pha trộn cho một độ đặc hợp lý và có hiệu quả kinh tế cao

VX + VN + VC + VĐ = 1000 (lít) (2.9) Trong đó :

VX, VN, VC, VĐ: Thể tích hoàn toàn đặc của xi măng, nước, cát, đá trong 1m3 bê tông

5 , 0 



x

n

R A

R N X

5 , 0 



x

b

R A

R N X

5 , 0 1

R N X

2.3.2 Thiết kế thành phần bê tông theo TCXDVN 322:2004

Thực chất của phương pháp này cũng dựa trên cơ sở lý thuyết thể tích tuyệt đối với các bước như sau:

- Bước 1: Chọn độ sụt

- Bước 2: Xác định lượng nước trộn bê tông

- Bước 3: Xác định tỉ lệ X/N

Lựa chọn cường độ bê tông trong phòng thí nghiệm (Rn): Rn = K.Ryc

Trong đó: K là hệ số an toàn, K =1.1 đối với các nơi trộn bê tông có hệ thống tự động cân đong định lượng và có nguồn cung cấp vật liệu tương đối ổn định K = 1.15 ứng với các nơi trộn bê tông phải cân đong thủ công và nguồn cung cấp vật liệu kém ổn định

Tỉ lệ XM/N xác định theo công thức sau:

- Với bê tông thường (XM/N=1.42.5): (2.10)

- Với bê tông cường độ cao (XM/N>2.5): (2.11)

Trong đó : Rn : Cường độ của bê tông tuổi 28 ngày

Rx : Cường độ của xi măng tuổi 28 ngày

A, A’: Hệ số phụ thuộc vào chất lượng cốt liệu

- Bước 4: Xác định lượng xi măng, đá, cát và hiệu chỉnh thành phần cốt liệu theo lượng hạt trên 5mm và độ ẩm

2.3.3 Thiết kế thành phần bê tông theo quyết định số 778/1998/QĐ-BXD:

Thực hiện theo các bước như sau :

- Bước 1: Chọn độ sụt

- Bước 2: Xác định lượng nước trộn bê tông

- Bước 3: Xác định tỉ lệ X/N theo công thức:

+ Với bê tông thường (X/N < 2.5): (2.12)

+ Với bê tông cường độ cao (X/N > 2.5): (2.13)

5,0

R N X