Nguyễn Quang Chiêu Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bμi viết nμy giới thiệu tóm tắt công nghệ sản xuất bê tông BT cường độ cao bằng cách sử dụng các vật liệu độn xi măng vμ p
Trang 1Bê tông cường độ cao
Thiết kế hỗn hợp bê tông cường độ cao
PGS Nguyễn Quang Chiêu
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bμi viết nμy giới thiệu tóm tắt công nghệ sản xuất bê tông (BT) cường độ cao bằng
cách sử dụng các vật liệu độn xi măng vμ phụ gia giảm nước - một trong những tiến bộ kỹ thuật về bê tông xi măng (BTXM) đã được áp dụng rộng rãi ở các nước phát triển từ những năm 1970
Summary: This article introduce briefly the technology for hight-intensity concrete production by
means of materials mixed with cement and additives, which is one of the technological advances on concrete production, widely applied in developed countries since the 1970s.
Từ những năm 1970, đã có nhiều tiến bộ
trong công nghệ chế tạo hỗn hợp BTXM Một
trong những tiến bộ này là sản xuất được các hỗn
hợp bê tông cường độ rất cao bằng cách sử dụng
các vật liệu trộn xi măng và phụ gia giảm nước
I Vật liệu độn xi măng
I.1 Các loại vật liệu trộn với xi măng thường
dùng là puzowlan, chủ yếu là tro bay, xỉ lò cao
dạng hạt và khói silice
Puzơlan là vật liệu silice - alumin hoặc silice
sau khi nghiền và trộn với nước, sẽ phản ứng với
Ca(OH2) có trong bê tông tạo thành hỗn hợp có
tính chất xi măng Có 3 loại puzơlan được ghi
trong quy định sử dụng trong bê tông:
- Loại N: Puzơlan thiên nhiên như đá phiến
silice, thuỷ tinh núi lửa, diatomit
- Loại F: Tro bay, là phụ phẩm thu được từ
quá trình đốt than cám anthracite
- Loại C: Tro bay, là phụ phẩm thu được từ
quá trình đốt than nâu
Tro bay được sử dụng rộng rãi là các phụ
phẩm thu được từ các nhà máy nhiệt điện mà
chất đốt là tham cám anthracite
Xỉ lò cao dạng hạt là phụ phẩm của việc
luyện thép, cũng có tính chất xi măng
Khói silice là vật liệu đặc biệt mịn, kích cỡ
chỉ bằng 1% cỡ hạt trung bình của XM Khói silice
có các tính chất xi măng và tính chất puzơlanic, lắp đầy kẽ hở giữa các hạt xi măng, tạo thành các hỗn hợp có ít lỗ rỗng chứa khí và nước nhất
Sử dụng các vật liệu này nhằm thay thế một phần xi măng trong bê tông vừa giảm được giá thành, vừa làm sạch môi trường
I.2 Các vật liệu độn xi măng ảnh hưởng
nhiều đến các tính chất của BTXM Tro bay và các puzolan khác cải thiện tính dễ thi công và việc hoàn thiện bê tông cũng như giảm sự nổi nước và sự phân tầng của hỗn hợp bê tông Sự hydrat hoá của bê tông phát triển chậm, tăng thời gian ngưng kết và thời gian đông cứng nhưng giảm sự toả nhiệt khi thuỷ hoá Cường độ phát triển với tốc độ chậm, đạt cường độ sau 90 ngày, nhưng có thể đạt cường độ cuối cùng rất cao (đến 100 MPa) Độ thấm của bê tông giảm, cải thiện độ bền chống ăn mòn sunfat, độ bền đối với các phản ứng kiềm và chống ăn mòn cốt thép Xỉ
lò cao dạng hạt cũng có phản ứng tương tự đối với bê tông, tuy nhiên sự phân tầng và nổi nước
có thể nghiêm trọng hơn
II Bê tông cường độ cao II.1 Bảng 1 là hệ thống phân cấp kiến nghị
của bê tông thông thường và bê tông cường độ cao cùng một số thành phần và đặc tính của chúng
Bảng 2 là một số hỗn hợp bê tông cường độ cao điển hình được sử dụng trong một số công trình xây dựng gần đây
Trang 2Bảng 1
Phân cấp cường độ bê tông
Thông số Bê thông thường Bê tông
cường độ cao
Bê tông cường độ rất cao
Bê tông cường độ
đặc biệt cao
* WRA - Water reducing admixture: phụ gia giảm nước; HRWR - High-rangge water reduceing: phụ gia siêu dẻo
** Cũng có thể chứa tro bay
Bảng 2
Các công trình xây dựng Thành phần của
bê tông Quảng trường tháp nước
Chicago 1975
Cầu Joigtly, Pháp 1989
Nhà cao tầng Larentienne Canada, 1984
Scotra Plaza Toronto 1987
Two Union Square 1988
II.2 Các vật liệu, cũng như quá trình rải hỗn
hợp bê tông cường độ cao phải được khống chế
chặt chẽ
Để đảm bảo dính bám tốt giữa xi măng và
đá, cốt liệu thô thường dùng là đá dăm hạt nhỏ
Cốt liệu có Dmax = 9,5 mm hoặc 12,5 mm nói
chung dính bám tốt với xi măng Cốt liệu nhỏ phải
có môđuyn độ mịn giữa 2,5 và 3,2 và phải hạn
chế hàm lượng các hạt nhỏ hơn 150 μm và 300
μm để giảm lượng nước yêu cầu Dùng cát thiên
nhiên thường cho cường độ cao hơn so với dùng
cát nghiền
Để đảm bảo độ dễ thi công của hỗn hợp bê
tông khi tỷ lệ N/vật liệu XM thấp phải dùng phụ
gia giảm nước (WRA) hoặc phụ gia siêu dẻo
(HRWR) Để bảo đảm thời gian hoàn thiện đối với
hỗn hợp bê tông khô, thường dùng phụ gia làm
chậm ngưng kết
II.3 Để chọn tỷ lệ phối hợp của bê tông tro
bay cường độ cao ở trong phòng thí nghiệm, có thể sử dụng phương pháp của Viện bê tông Mỹ trong tiêu chuẩn ACI 211 - 4R - 93 Trình tự thiết
kế hỗn hợp bê tông cường độ cao theo phương pháp ACI như sau:
- Xác định cường độ thiết kế trung bình yêu cầu: Cường độ này phải lớn hơn cường độ
yêu cầu của đề án là 10 MPa để đảm bảo hệ số vượt cường độ cần thiết
- Chọn độ sụt thiết kế: Với bê tông dùng
phụ gia siêu dẻo, đề nghị dùng độ sụt 25 ữ 50
mm (trước khi trộn phụ gia) Với các bê tông khác
độ sụt phải là 50 ữ 100 mm
- Chọn cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu: Với
bê tông cường độ yêu cầu đến 60 MPa có thể dùng cốt liệu với Dmax = 19 mm hoặc 25 mm Với
bê tông cường độ cao hơn, đề nghị dùng cốt liệu
Trang 3có Dmax = 9,5 mm hoặc 12,5 mm Ngoài ra Dmax
không được lớn hơn 1/5 chiều rộng của khuôn
mẫu, hoặc 1/3 chiều dày tấm, hoặc 3/4 khoảng
cách giữa các thanh cốt thép
Hình 1
- Chọn tỷ lệ gần đúng của cốt liệu thô,
lượng nước trộn và lượng khí từ bảng 3
- Chọn tỷ lệ N/XM theo hình 1 Giá trị tỷ lệ
N/XM cho cường độ thiết kế trung bình phải dẫn
đến kết quả là các cường độ của các mẻ trộn thí
nghiệm phải cao hơn 10% so với cường độ trung
bình trên Đó là do cường độ trung bình thu được
từ các mẻ trộn thí nghiệm, theo kinh nghiệm
thường cao hơn khoảng 10% cường độ trung bình
của hỗn hợp này khi thi công tại hiện trường
Các số liệu trong hình 1 là cường độ ở 28
ngày tuổi Trị số lớn nhất quy định của tỷ lệ N/XM
có thể tăng khoảng 0,02 với các cường độ cao
hơn và khoảng 0,04 với các cường độ thấp hơn
đối với cường độ bê tông dự tính ở 56 ngày tuổi
- Xác định lượng tro bay sử dụng: Với tro
bay loại F, đề nghị sử dụng 15 ữ 20% vật liệu
xi măng tổng cộng và 20 ữ 35% đối với tro bay loại C
- Tính lượng cốt liệu thô, nước, vật liệu XM, tro bay vμ XM theo yêu cầu cho
1 m3 bê tông Số lượng vật liệu khác có thể xác định từ lượng nước, tỷ lệ N/vật liệu XM
và tỷ lệ% tro bay
- Tính thể tích cốt liệu nhỏ yêu cầu
từ tổng thể tích các thành phần trên đây và của khí tù Sử dụng trọng lượng riêng của
nó để xác định khối lượng của cốt liệu nhỏ yêu cầu
- Nếu sử dụng phụ gia siêu dẻo
(HRWR) thì số lượng yêu cầu dựa trên quy
định của nhà chế tạo - lượng nước trộn sử dụng phải được giảm theo lượng phụ gia
sử dụng
Bảng 3
Các tỷ lệ gần đúng của hỗn hợp bêtông cường độ cao
Cốt liệu thô (m 3 /m 3 BT) 0,65 0,68 0,72 0,75
Nước trộn (kg/m 3 BT) khi độ sụt:
- 25 ữ 50 mm
- 50 ữ 75 mm
- 75 ữ 100 mm
184
190
196
175
184
190
169
175
181
166
172
178 Hàm lượng khí tù (%)
- Có phụ gia siêu dẻo
- Không có phụ gia siêu dẻo
3,0 2,5
2,5 2,0
2,0 1,5
1,5 1,0
- Tính toán các số lượng của hỗn hợp trộn thử, hiệu chỉnh lượng nước trộn theo thể tích
của HRWR
- Hiệu chỉnh các số lượng của hỗn hợp
theo độ ẩm của cốt liệu Nếu cốt liệu không bão hoà thì phải thêm nước Nếu cốt liệu có nước mặt thì phải bớt nước
- Trộn các vật liệu theo từng mẻ Thí
nghiệm độ sụt (trước và sau khi cho HRWR), độ
dễ thi công, độ cứng và đúc các mẫu hình trụ để thí nghiệm cường độ
- Phân tích các kết quả của hỗn hợp thí nghiệm, hiệu chỉnh
các tỷ lệ phối hợp Nếu cần rồi làm lại các thí nghiệm Sau khi có một hỗn hợp chấp nhận được thì tính toán các tỷ lệ sản xuất
III Ví dụ áp dụng
Thiết kế một hỗn hợp bê tông ở trong phòng thí nghiệm
với các vật liệu và quy định kỹ thuật sau:
- Cường độ tối thiểu yêu cầu ở
28 ngày tuổi: 45 MPa
- Tro bay sử dụng, loại F, trọng lượng riêng 2,25 g/cm3: 20%
- Sử dụng phụ gia siêu dẻo (HRWR);
- Cốt liệu thô (đá dăm) với các thông số sau:
Trang 4+ Dmax = 19 mm
+ Dung trọng khô: 1650 kg/m3
+ Trọng lượng riêng: 2,63 g/cm3
+ Độ hút nước: 1,4%
- Cốt liệu nhỏ (cát) với các thông số sau:
+ Trọng lượng riêng: 2,67 g/cm3
+ Độ hút nước: 1,2%
Hãy tính toán số lượng yêu cầu của các vật
liệu cho 0,03 m3 hỗn hợp
Với đầu bμi như trên, quá trình tính toán
như sau:
- Cường độ thiết kế trung bình ở 28 ngày tuổi
= 45 + 10 = 55 MPa (cường độ kỳ vọng trung
bình ở trong phòng thí nghiệm > 10%)
- Độ sụt thiết kế phải 25 ữ 50 mm (trước khi
cho phụ gia siêu dẻo)
- Chọn cỡ hạt 19 mm là cỡ hạt thích hợp với
bê tông 45 MPa
Các tỷ lệ sử dụng lấy theo bảng 3, cụ thể
như sau:
+ Cốt liệu thô: 0,72 m3/m3 BT
+ Nước: 169 kg/m3 BT
+ Khí tù: 2%
Theo hình 1, trị số của tỷ lệ N/vật liệu
XM = 0,4 với cường độ bê tông 55 MPa, cốt liệu
có đường kính Dmax = 19 mm và có sử dụng
HRWR (cường độ kỳ vọng trung bình trong phòng
thí nghiệm với tỷ lệ này sẽ là 55 MPa + 10% =
60,5 MPa)
- Hàm lượng tro bay loại F lấy bằng 20% là
chấp nhận được
- Các số lượng sử dụng cho 1 m3 hỗn hợp là:
+ Cốt liệu thô: 0,72 x 1650 = 1188 kg/m3
+ Nước 169 kg/m3
+ Vật liệu XM 109 kg/0,4 = 422 kg/m3
Trong đó tro bay 20% x 422 kg = 84 kg
Xi măng 422 - 84 = 338 kg
Khí tù: 2%
- Thể tích các thành phần trên đây chiếm
chỗ:
+ Cốt liệu thô 1188 kg/(2,62 x 1000 kg/m3) =
0,452 m3
+ Nước: 169 kg/1000 kg/m = 0,169 m + Tro bay 84 kg/(2,25 x 1000 kg/m3) = 0,037 m3
+ Xi măng 338 kg/(3,15 x 1000 kg/m3) = 0,107 m3
+ Khí tù: 2% x 1 m3 = 0,020 m3
+ Tổng cộng: 0,785 m3
Từ đó, thể tích yêu cầu của cốt liệu nhỏ là
1 - 0,785 = 0,215 m3
Và khối lượng của cốt liệu nhỏ là: 0,215 x (2,67 x 1000 kg/m3) = 574 kg
- Tỷ lệ của HRWR theo quy định của nhà chế tạo là 900 ml/100 kg XM, từ đó có thể tính
được: 900 ml/100 kg x 338 kg = 3042 ml hay 3,042 lít cho 1 m3 bê tông
- Số lượng các vật liệu cho mẻ trộn 0,03 m3
là:
+ Cốt liệu thô: 0,03 x 1188 kg = 35,6 kg + Cốt liệu nhỏ: 0,03 x 574 kg = 17,2 kg + Tro bay: 0,03 x 84 kg = 2,52 kg + Xi măng: 0,03 x 338 kg = 10,14 kg + HRWR: 0,03 x 3042 ml = 91 ml = 0,091 kg + Nước: 0,03 x 169 kg - 0,091 kg = 4,98 kg
- Các thí nghiệm cho thấy cốt liệu nhỏ chứa 6% nước, còn cốt liệu thô ở trạng thái khô Nước thừa của cốt liệu nhỏ = 6,2 - 1,2 = 5% và lượng nước thừa: 0,05 x 17,2 = 0,86 kg
- Lượng nước yêu cầu phải tăng thêm cho cốt liệu thô là = 0,014 x 35,6 = 0,5 kg
- Lượng cốt liệu nhỏ yêu cầu là: 17,2 + (0,062 x 17,2) = 18,3 kg
- Lượng cốt liệu thô yêu cầu là: 35,6 kg
Từ đó số lượng cuối cùng của các vật liệu cho một mẻ trộn là:
+ Cốt liệu thô: 35,6 kg + Cốt liệu nhỏ: 18,3 kg + Nước: 4,62 kg + Tro bay: 2,52 kg + Xi măng:10,14 kg + HRWR: 91 ml ♦