Bê tông - Phần 1 ppsx

Đại cương Bê tông được tạo thành bởi các vật liệu chủ yếu sau đây: chất dính kết xi măng, bitum v.v… nước, cát, sỏi.. Xi măng trộn với nước tạo thành vữa, vữa này bao bọc các hạt cát và

Chương 5

Bê tông

Đ5.1 Đại cương

Bê tông được tạo thành bởi các vật liệu chủ yếu sau đây: chất dính kết (xi măng, bitum v.v…) nước, cát, sỏi Khi dùng chất dính kết là xi măng, được bê tông xi măng hoặc gọi tắt là bê tông; khi dùng chất dính kết là bitum được gọi là bê tông bitum hoặc còn gọi là bê tông alphan Trong chương này chỉ đề cập đến bê tông xi măng

Bê tông là vật liệu tổ hợp của nhiều loại vật liệu khác nhau Lượng xi măng chiếm khoảng 8 ữ 15% và cốt liệu (cát và đá) khoảng 80 ữ 85% khối lượng bê tông

Xi măng là thành phần hoạt tính của bê tông, còn cốt liệu là bộ phận xương cốt Xi măng trộn với nước tạo thành vữa, vữa này bao bọc các hạt cát và đá, lấp đầy các lỗ rỗng

và làm cho hỗn hợp bê tông* có độ chảy nhất định Vữa xi măng cứng rắn lại gắn kết các hạt cốt liệu với nhau và làm cho bê tông cứng như đá, vì vậy người ta thường gọi bê tông

là đá nhân tạo

Để điều chỉnh các tính chất của bê tông và hỗn hợp bê tông người ta trộn thêm vào

bê tông các phụ gia hóa học khác nhau Các phụ gia này làm cho bê tông cứng nhanh hơn hoặc cứng chậm lại, tăng độ dẻo, cường độ, tính chống thấm của bê tông v.v…

Bê tông là một loại vật liệu xây dựng quan trọng, được dùng rộng rãi trong xây dựng dân dụng và công nghiệp vì các lý do sau đây:

- Giá thành bê tông không cao, vì có tới 80 ữ 90% là cốt liệu lấy từ đá thiên nhiên hoặc các phế phẩm công nghiệp (xỉ than, bã quặng v.v…)

- Có thể chế tạo được các loại bê tông có những đặc tính khác nhau

- Có thể gia công thành các kết cấu bền vững có hình dạng và kích thước bất kỳ;

- Có thể cơ giới hóa hoàn toàn việc sản xuất bê tông, hạ giá thành kết cấu

Ngoài ra có thể chế tạo được các kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước

*

Bê tông mới trộn còn ở trạng thái dẻo gọi là hỗn hợp bê tông, bê tông đã khô cứng thường gọi tắt là bê tông

I Phân loại

Bê tông được phân loại như sau:

1 Phân loại theo khối lượng thể tích

- Bê tông đặc biệt nặng, có khối lượng thể tích lớn hơn 2500 kg/m3;

- Bê tông nặng, có khối lượng thể tích từ 1800 ữ 2500 kg/m3

;

- Bê tông nhẹ, có khối lượng thể tích từ 500 ữ 1800 kg/m3;

- Bê tông đặc biệt nhẹ, có khối lượng thể tích nhỏ hơn 500kg/m3;

Bê tông nặng thông thường (bê tông thường) có khối lượng thể tích từ 2100 ữ 2500 kg

được dùng nhiều nhất trong xây dựng Bê tông này được chế tạo bằng cốt liệu đá đặc chắc (đá granit, đá vôi, điabazơ, v.v…) Bê tông hơi nhẹ có khối lượng thể tích bằng

1800 ữ 2000 kg/m3, chế tạo từ đá dăm có khối lượng thể tích bằng 1600 ữ 1900 kg/m3, hoặc là bê tông không cát (chỉ có vữa xi măng và cốt liệu thô) có độ rỗng lớn

Bê tông nhẹ chế tạo bằng cốt liệu rỗng (kêzămzit, agloporit, xỉ, đá bọt, v.v…) Bê tông nhẹ làm giảm khối lượng của kết cấu, hạ giá thành xây dựng và vì vậy đang được phát triển mạnh

2 Phân loại theo công dụng của bê tông

- Bê tông thông thường dùng cho kết cấu bê tông cốt thép (móng cột, dầm, sàn, cầu

và các loại kết cấu khác);

- Bê tông thủy công dùng cho đập, cống, âu thuyền, lớp phủ mái kênh, công trình dẫn nước v.v…

- Bê tông làm kết cấu bao che (bê tông nhẹ dùng cho tường nhà);

- Bê tông làm sàn, vỉa hè, lớp phủ mặt đường và sân bay;

- Bê tông có công dụng đặc biệt, ví dụ: bê tông chịu nhiệt, bê tông chịu axit, bê tông chống phóng xạ

Do yêu cầu sử dụng khác nhau nên cần có các loại bê tông, có tính chất khác nhau

Bê tông dùng cho các kết cấu bê tông cốt thép thường phải có cường độ quy định, chủ yếu là cường độ nén Bê tông dùng cho công trình thủy lợi phải có độ đặc chắc cao, tính chống thấm tốt, cường độ đảm bảo, độ co nhỏ, có khả năng chống được tác dụng tiết vôi của nước thấm vào bê tông, chống được xâm thực của nước khoáng và phát nhiệt ít khi cứng hóa Bê tông dùng cho sàn mặt đường và sân bay phải có độ mài mòn nhỏ, cường

độ uốn cao

Bê tông dùng để xây dựng các công trình thủy công có thể phân loại theo các cách sau đây:

- Phân theo vị trí của bê tông đối với mực nước:

- Bê tông thường xuyên nằm dưới nước;

- Bê tông ở vùng mực nước thay đổi;

- Bê tông trên khô (nằm ở trên phạm vi mực nước thay đổi)

Phân theo hình khối của kết cấu:

- Bê tông khối lớn

- Bê tông khối nhỏ

Phân theo vị trí của bê tông ở trong kết cấu khối lớn:

- Bê tông ở ngoài mặt;

- Bê tông ở bên trong

Phân theo cột nước tác dụng lên công trình:

- Bê tông chịu áp lực nước;

- Bê tông không chịu áp lực nước

II Cấu tạo và cấu trúc

Bê tông là vật liệu đá nhân tạo có cấu trúc phức tạp, được tạo nên từ 3 thành phần sau đây:

- Cốt liệu với hình dạng, kích thước cỡ hạt, độ đặc chắc, cường độ khác nhau

- Chất kết dính;

- Hệ thống mao quản lớn, các lỗ rỗng trong đó chứa không khí, hơi nước hoặc nước Các tính chất cơ lý của bê tông không phải chỉ do tính chất và tỷ lệ phối hợp của các thành phần hợp thành quyết định, mà còn do cấu trúc của bê tông được hình thành trong quá trình chế tạo quyết định Mặt khác các tính chất đó còn phụ thuộc một phần vào cấu tạo của bê tông và đặc biệt là bề mặt tiếp xúc giữa hạt cốt liệu và đá xi măng cũng như diện tích tiếp xúc giữa chúng

Có hai loại cấu trúc trong bê tông: cấu trúc thô và cấu trúc hiển vi Cấu trúc thô bao gồm hai thành phần: đá xi măng và cốt liệu trong đó lỗ rỗng đóng vai trò quan trọng Cấu trúc hiển vi là cấu trúc của xi măng

Gần đây người ta đã dùng kính phóng đại, với độ phóng đại khác nhau, để nghiên cứu cấu trúc của bê tông Khi phóng đại 45 lần ta thấy những hạt đá vôi và cả những hạt cát Trong phần vữa ở chỗ tiếp giáp với cốt liệu to có hiện ra các lỗ rỗng tròn

Khi soi bằng kính phóng đại 90 và 160 lần trong đó ta thấy cả những hạt xi măng chưa thủy hóa và sự tiếp xúc của đá xi măng với các hạt cốt liệu

Khi dùng kính hiển vi điện tử, với độ phóng đại 160 lần thấy rõ các hạt xi măng và phần xi măng đã thủy hóa bao quanh các hạt đó

Đá xi măng là một thể rắn phức

tạp, thành phần không đồng nhất, về

mặt cấu tạo nhiều lỗ rỗng li ti và những

mao quản chứa đầy không khí, nước

hoặc hơi nước tùy theo tuổi bê tông và

điều kiện bảo dưỡng

Sự tồn tại đồng thời 3 thể rắn, lỏng,

khí trong đá xi măng có thể coi là hệ ba

pha với bề mặt phân chia rất tinh tế, vì

vậy đá xi măng có tính "nhạy cảm" với

sự biến đổi trạng thái ẩm của môi

trường, liên quan đến tính biến dạng thể

tích của đá xi măng và bê tông (co ngót,

nở thể tích, và có tính bền vững tương

đối yếu ở các môi trường xâm thực)

Trong đá xi măng có các thành phần sau đây:

1 Các hyđra mới tạo thành dưới dạng gen và tinh thể

- Thành phần cấu trúc dạng gen được tạo nên từ những hạt canxi hyđrô silicat có độ phân tán (độ lớn bằng 50 - 200Å, 1Å = 10-8cm) quyết định quá trình phát triển cường độ chậm chạp và lâu dài có liên hệ chặt chẽ với nước hấp phụ và tính biến dạng dẻo

- Thành phần cấu trúc tinh thể của đá xi măng được tạo nên từ mầm kết tinh, nó quyết định sự phát triển nhanh của cường độ và tính chất đàn hồi Mầm kết tinh đóng vai trò bộ xương trong đá xi măng và được phân bố trong môi trường các thành phần cấu trúc dạng gen Tỷ lệ về số lượng giữa hai thành phần (dạng gen và dạng tinh thể) liên quan chặt chẽ với thành phần khoáng vật ban đầu của xi măng và quyết định những tính chất cơ lý và biến dạng của nó

2 Cốt liệu và vi cốt liệu, gồm phần còn lại của các hạt xi măng chưa phản ứng với nước và hạt phụ gia vô cơ nghiền mịn cho vào khi nghiền clanhke cũng như khi chế tạo hỗn hợp bê tông

Thành phần này đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cấu trúc đá xi măng, chúng có kích thước khác nhau, chiếm một khối lượng lớn và làm cho đá xi măng có cấu trúc tương tự như bê tông, vì vậy mà V.N.Djung gọi đá xi măng là bê tông hạt mịn

3 Các loại lỗ rỗng lớn, nhỏ và mao quản

Thể tích của chúng chiếm khoảng 25 ữ 40% thể tích chung của đá xi măng Thể tích

và tính chất của phần rỗng này ảnh hưởng lớn đến tính chất của đá xi măng Căn cứ vào cấu tạo, kích thước và nguyên nhân hình thành mà có các cách phân loại khác nhau

Hình 5.1. Cấu trúc của đá xi măng qua kính hiển vi điện tử có cường độ phóng đại 16000 lần

- Theo kích thước lỗ rỗng trong đá xi măng:

+ Lỗ rỗng nhỏ, đường kính d < 100 Å;

+ Lỗ rỗng trung bình, có d = 1000 ữ 2000Å

+ Lỗ rỗng lớn, có d > 2000Å hay 0,2μ

- Theo nguyên nhân hình thành:

- Lỗ rỗng dạng gen là loại lỗ rỗng bé nhất trong đá xi măng (đường kính bằng

10 ữ 50, có khi tới 100Å), được hình thành do nước hấp phụ (nằm trong lớp vỏ các chất thủy hóa dạng gen) bốc hơi sinh ra;

- Lỗ rỗng nhỏ và kín có kích thước bằng 100 ữ 1000Å Về kích thước nó ở dạng trung gian giữa lỗ rỗng dạng gen và lỗ rỗng mao quản;

- Lỗ rỗng mao quản tạo nên phần thể tích rỗng chủ yếu trong đá xi măng, nó có kích thước tương đối lớn Sự xuất hiện của chúng liên quan đến lượng dùng nước ban

đầu trong hỗn hợp Lượng nước này thường nhiều gấp 1,5 ữ 2 lần lượng nước liên kết hóa học cần cho quá trình rắn chắc lâu dài của đá xi măng

Nước nhào trộn phân bố trên bề mặt hạt xi măng, chiếm đầy khoảng không gian giữa chúng và khi bốc hơi để lại trong cấu trúc đá xi măng một hệ thống lỗ rỗng thông nhau, tạo nên loại lỗ rỗng mao quản Loại lỗ rỗng này ảnh hưởng không tốt đến tính chất của bê tông, làm giảm độ đặc chắc, tính chống thấm và cường độ Có thể làm giảm thể tích rỗng loại này bằng cách giảm lượng dùng nước ban đầu trong hỗn hợp bê tông

Bê tông là vật liệu tổ hợp như vậy (kết cấu cuội kết), nên có đặc điểm là không đồng nhất về mặt kết cấu và tính chất cơ lý đàn hồi của các thành phần tạo nên nó Đó cũng chính là nguyên nhân xuất hiện nội ứng suất gây ra vết nứt khi bê tông bị co ngót, nở và biến dạng vì nhiệt độ, ảnh hưởng bất lợi đến các tính chất kỹ thuật của bê tông

Đặc trưng quan trọng của kết cấu bê tông là độ đặc và độ rỗng Đặc trưng này quyết định toàn bộ các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông như cường độ, tính bền, khả năng chống xâm thực hóa học, tính thấm nước, tính truyền nhiệt, khối lượng thể tích v.v…

Do đó nâng cao độ đặc chắc của bê tông là một biện pháp quan trọng hàng đầu để nâng cao phẩm chất của bê tông Độ đặc chắc của bê tông thường bằng 0,85 ữ 0,90 cũng có thể đạt tới 0,93 ữ 0,95, nhưng khó có thể nâng cao hơn nữa Vì không thể tránh được những mao quản trong đá xi măng và một lượng không khí nhất định lẫn vào trong quá trình chế tạo bê tông

Thể tích khi xâm nhập vào bê tông phụ thuộc vào tính chất của các thành phần vật liệu Khi cỡ hạt trung bình của cốt liệu giảm, nhất là khi hàm lượng hạt mịn của cát tăng

và độ cứng của hỗn hợp bê tông lớn, thì độ rỗng tăng

Khi đầm chặt một phần không khí xâm nhập sẽ thoát ra, nhưng vẫn còn lại một phần khoảng 2 ữ 3% thể tích bê tông Lượng bọt khí này tuy không nhiều nhưng thường phân bố trên bề mặt của hai pha vữa xi măng và cốt liệu, nên làm giảm đáng kể cường

độ nén và cường độ kéo của bê tông (mỗi phần trăm bọt khí có thể giảm 5 ữ 10% cường

độ nén của bê tông) Có thể làm giảm lượng khí này bằng phương pháp hút chân không

để đẩy khí và nước thừa ra ngoài; làm cho kết cấu bê tông đặc chắc hơn

Người ta thấy rằng cường độ của vật liệu đá, trong đó có bê tông phụ thuộc vào khối lượng thể tích của chúng và có thể biểu thị bằng biểu thức sau đây:

n 1 1

R=R ⎛⎜ γ ⎞⎟

γ

⎝ ⎠ Trong đó:

R1- cường độ của vật liệu có khối lượng thể tích γ1;

n - chỉ số, phụ thuộc vào cấu trúc của vật liệu;

R- cường độ của vật liệu có khối lượng thể tích γ

n 1

R

A=

γ thì R = Aγ

n

Biểu thức này chứng tỏ rằng cường độ của vật liệu có lỗ rỗng như bê tông tỷ lệ với khối lượng thể tích (độ đặc)

Khi xét đến độ đặc, độ rỗng của bê tông, cần đặc biệt chú ý đến tính chất kết cấu của phần rỗng đó như hình dạng, kích thước lỗ rỗng, sự phân bố trong kết cấu bê tông, tính chất kín hở, thông nhau của các lỗ rỗng đó

Kích thước và cấu tạo lỗ rỗng quyết định bởi dạng liên kết của nước trong phần rỗng và khả năng thoát nước trong bê tông Lỗ rỗng hở thông nhau và những mao quản

ảnh hưởng xấu đến tính chất bê tông Những lỗ rỗng kín là những bọt khí không thông nhau không gây nên ảnh hưởng bất lợi, có khi lại có lợi vì làm cho bê tông nhẹ hơn

Độ đặc của bê tông (đ) biến hóa theo thời gian rắn chắc và rất khó xác định một cách chính xác

Thường xác định đ bằng tổng thể tích của thành phần cứng rắn trong một đơn vị thể tích bê tông:

đ

1000

α +

Trong đó:

γx, γc, γđ, γp - khối lượng riêng của xi măng, cát, đá, phụ gia trong bê tông;

α(X + P) - lượng nước liên kết hóa học, không bốc hơi

Trị số α thay đổi theo tuổi bê tông như sau:

Ngày 7 28 90 300

α 0,12 0,15 0,19 0,25

Đ5.2 bê tông nặng

I Vật liệu chế tạo

1 Xi măng và vật liệu hỗn hợp

Khi chọn loại xi măng cần căn cứ vào tính chất xâm thực của môi trường xung quanh công trình các chỉ tiêu kỹ thuật cụ thể đối với bê tông xây dựng công trình đó

Việc sử dụng mác xi măng để sản xuất mác bê tông tương ứng hay nói một cách khác nên sử dụng tỷ lệ b

x

R

R (trong đó Rb - cường độ bê tông, Rx - mác xi măng) cần được quy định cụ thể để đảm bảo các yêu cầu kinh tế và kỹ thuật

Quan hệ giữa cường độ bê tông, mác xi măng, tỷ lệ N/X và chất lượng vật liệu chế tạo bê tông, theo B.G.Xkrămtaev có thể biểu thị bằng công thức sau:

R

1, 2

R ≤ cho ta:

b x

R

AR

Như vậy nói chung lượng xi măng phụ thuộc vào tỷ lệ b

x

R

R ; lượng nước (N) và phẩm chất cốt liệu

Ví dụ: dùng cốt liệu có phẩm chất trung bình (A = 0,6) và lượng nước trộn bằng

170kg/m3, khi đó:

b x

R

0, 6R

X = 85 + 282 b

x

R R