Luận văn thạc sĩ cầu đường Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần cấp phối cốt liệu đến đặc trưng cường độ của bê tông xi măng

Do đó dẫn đến tính cấp thiết để nghiên cứu ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu đến cường độ của BTXM.Từ đó có thể đưa ra được vật liệu cấp phối phù hợp với điều kiện chịu lực thực tế của kết

Trang 1

Bộ giáo dục và đào tạo trường đại học giao thông vận tải

KS Nguyễn hữu hanh

Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần cấp phối cốt liệu đến đặc trưng cường độ của btxm

Luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật

Hà nội - 2005

Trang 2

Luận án thạc sỹ KHKT Mục lục

MụC LụC

Mục lục 1

Chương 1 4

Phần mở đầu 4

1.1 Mục đích nghiên cứu 4

1.2 Nội dung nghiên cứu 5

1.3 Đối tượng nghiên cứu 6

1.4 Phương pháp nghiên cứu 6

Chương 2 7

Tổng quan về cấp phối 7

2.1 Mở đầu 7

2.2 Lý thuyết về cấp phối 7

2.2.1 Đường cong cấp phối lý tưởng của Fuller 8

2.2.2 Công thức của Talbot 8

2.2.3 Lý thuyết của Weymouth 9

2.2.4.Lý thuyết của N.N Ivanov ( Liên Xô) 10

2.3 Việc sử dụng cấp phối với các chất kết dính khác nhau 2.3.1 Hỗn hợp dùng đất làm chất kết dính 12

2.3.2 Hỗn hợp bê tông nhựa 12

2.3.3 Hỗn hợp bê tông xi măng 14

2.3.3.1 Phương pháp thực nghiệm về thành phần bê tông 14

2.3.3.2 Phương pháp lý thuyết về thành phần bê tông 16

2.3.3.3 Việc sử dụng cấp phối cốt liệu cho thiết kế BTXM ở Việt Nam 18

2.4 Kết luận 21

Chương 3 23

tổng quan về bê tông xi măng 23

3.1 Khái niệm chung 23

3.2 Hỗn hợp BTXM 25

3.2.1 Mở đầu 25

3.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến hỗn hợp BTXM 25

3.2.2.1 ảnh hưởng của hàm lượng nước ban đầu 25

3.2.2.2 ảnh hưởng của loại, lượng dùng và tính chất của xi măng 27

3.2.2.3 ảnh hưởng của hàm lượng và tính chất cốt liệu 28

3.2.2.4 ảnh hưởng của gia công chấn động 28

Trang 3

3.3 Cấu trúc và cường độ của BTXM 29

3.3.1 Cấu trúc vi mô của BTXM 29

3.3.1.1.Cấu trúc cốt liệu lớn 30

3.3.1.2 Cấu trúc vi mô của đá xi măng 31

3.3.1.3 Cấu trúc vùng tiếp giáp giữa hồ xi măng và cốt liệu 33

3.3.2 Các giai đoạn hình thành cấu trúc vi mô của hỗn hợp bê tông 34

3.3.3 Trên cơ sở cấu trúc vi mô đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới yêu cầu cường độ của bê tông 34

3.3.3.1 Xét yếu tố cường độ ở dạng cấu trúc vi mô của bê tông 34

3.3.3.2 Các hướng kỹ thuật làm tăng cương độ lực dính ( RD) 36

3.3.3.3 Các hướng kỹ thuật làm tăng cương độ vữa của xi măng 38

3.3.4 Cường độ của bê tông 38

3.3.4.1 Xác đinh cường độ của bê tông 38

3.3.4.2 Các loại cường độ của bê tông 39

3.3.4.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông 41

1 Cường độ đá xi măng 41

2 Độ đặc và đặc tính cấu trúc của bê tông 43

3 Chất lượng cốt liệu 44

4 Mức độ sử dụng phụ gia 45

5 Các phụ gia Silíc siêu mịn 45

3.4 Chọn cấp phối bê tông 45

3.4.1 Khái niệm chung 45

3.4.2 Chọn cấp phối hợp lý của cốt liệu 46

3.5 Kết luận 48

Chương 4 50

kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong phòng về ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu đến đặc trưng cường độ của btxm 50

4.1 mở đầu 50

4.2 mục đích và phương pháp nghiên cứu 50

4.3 Kết quả thí nghiệm 52

4.3.1 Kết quả thí nghiệm vật liệu đầu vào 52

4.3.1.1 Chất kết dính( xi măng ) 53

4.3.1.2 Nước 54

4.3.1.3 Cốt liệu nhỏ ( cát ) 54

4.3.1.4 Cốt liệu lớn ( đá dăm ) 55

4.3.2 Kết qủa thực hiện các thí nghiệm 57

4.3.2.1 Thí nghiệm theo phương pháp của Bôlômây- Skrămtaev sử dụng các loại cấp phối đá 1x2 ; đá 2x4 và hỗn hợp đá 1x2 & 2x4 cho BTXM 250# và 300# 57

Trang 4

1 Thiết kế thành phần BTXM 250# và 300#, đá 1x2 57

2 Thiết kế thành phần BTXM 250# và 300#, đá 2x4 58

3 Thiết kế thành phần BTXM 250# và 300#, đá 1x2 & đá 2x4 59

4 Thí nghiệm kiểm tra 61

5 Kết luận 62

4.3.2.2 Thí nghiệm theo phương pháp biến đổi hàm lượng cốt liệu sử dụng đá dăm 2x4 cho mác BTXM 250# và 300# 62

1 Thiết kế thành phần BTXM 63

3 Kết luận 66

4.3.2.3 Thí nghiệm theo phương pháp thay đổi hàm lượng thoi dẹt sử dụng cấp phối đá 2x4 cho mác BTXM 250# và 300# 66

3 Kết luận 68

4.3.2.4 Thí nghiệm theo phương pháp sử dụng CPDD (Base) cho mác BTXM 250# và 300# 68

3 Kết luận 71

Chương 5 72

kết luận và kiến nghị 72

5.1 ý nghĩa khoa học của đề tài 72

5.2 Kiến nghị 74

5.3.Một số tồn tại của đề tài 74

5.4.Hướng nghiên cứu tiếp theo 74

5.5.Lời cảm ơn 75

Tài liệu tham khảo 76 Phụ lụ 1

Các hình ảnh trong quá trình đi lấy mẫu và thí nghiệm trong phòng

Phụ lụ 2

Các kết quả thí nghiệm chi tiết trong quá trình nghiên cứu trong phòng

Trang 5

Luận án Thạc sỹ KHKT Chương1 : Phần mở đầu

Chương 1

Phần mở đầu 1.1 mục đích nghiên cứu

Việt Nam đang trong thời ký công nghiệp hoá và hiện đại hóa đất nước và trong những năm vừa qua chúng ta đã đạt được những thành tựu đáng kể

Đặc biệt là kinh tế đã phát triển vượt bậc Để đạt được những sự tăng trưởng

đó Việt Nam đã đầu tư không ngừng vào cơ sở hạ tầng Các đô thị mọc lên với một tốc độ chóng mặt Đường xá, cầu cống, thuỷ lợi, thuỷ điện,sân bay v.v cũng liên tục được cải tạo, làm mới trên khắp mọi miền của tổ quốc Chính những sự đầu tư đó đã dẫn đến nhu cầu sử dụng vật liệu xây dựng là rất cao, đặc biệt là bê tông xi măng (BTXM) Sản phẩm bê tông được sử dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực Hiện ở khắc các làng quê đang rộ lên phong trào " Bê tông hoá đường làng", Chính phủ đang thực hiện các chương trình xoá đói giảm nghèo hay chương trình 135 ưu tiên phát triền các khu vực

đặc biệt khó khăn Chính vì vậy nhu cầu sử dụng BTXM và đặc biệt là cốt liệu( chiếm 80% theo khối lượng bê tông) cho BTXM là rất lớn

Như chúng ta đã biết trong thành phần bê tông xi măng, lượng dùng nước lượng xi măng, quan hệ của tỷ lệ Nước / Xi măng với cường độ của BTXM cũng như các nghiên cứu về Xi măng và ảnh hưởng của nó đến cường độ của BTXM từ trước đến nay đều đã được tiến hành nghiên cứu kỹ hoàn thiện Nhưng lượng cốt liệu lớn chiếm khoảng 80% khối lượng một m3 bê tông và

là khung chịu lực của kết cấu thì lại chưa được nghiên cứu đầy đủ.Ta biết rằng trong lý thuyết tính toán đều nghiên cứu sử dụng các loại đường công cấp phối liên tục như phương trình Fuller hay phương trình Bôlômây Để đáp ứng được thành phần cấp phối hạt theo các phương trình trên trong thực tế là rất phức tạp, đòi hỏi những tiêu chuẩn rất khắt khe cả trong khâu thiết kế và sản xuất Việc này gây rất nhiều khó khăn khi phải thi công các công trình ngoài hải đảo hay trên biên cương, miền núi.Và trong nhiều trường hợp việc yêu cầu cấp phối bê tông xi măng đạt chuẩn là không cần thiết, gây lãng phí như một số các công trình đương BTXM, tường chắn trọng lực, móng mố cầu ở ngoài hải đảo biên cương hay trong các đường làng, ngõ xóm, đường cấp thấp hay ở các bộ phận kết cấu chịu lực không quan trọng, trong khi ta

có thể tận dụng vật liệu địa phương như đá thải hỗn hợp hoặc các loại cấp phối gián đoạn

Có một thưc tế là tuy trong lý thuyết tính toán cốt liệu của BTXM được yêu

Trang 6

Luận án Thạc sỹ KHKT Chương1 : Phần mở đầu

đá dăm 1x2, đá 2x4 lại không đạt được điều kiện trên mà chỉ nằm trong một miền giơi hạn quy định trong TCVN 1771- 1987, kết quả thực tế cho thấy cường độ yêu cầu vẫn đạt yêu cầu.Từ đó đặt ra vấn đề là ta có thể mở rộng thêm việc sử dụng nhiều loại cấp phối khác nhau hay hàm lượng cốt liệu thay

đổi để sử dụng chế tạo BTXM Điều này có ý nghĩa khoa học to lớn Vì ta biết rằng cốt liệu chiếm 80% khối lượng trong mộ m3 bê tông, do đó nếu ta mở rộng phạm vi sử dụng cấp phối ví dụ như có thể sử dụng các loại cấp phối không tiêu chuẩn, cấp phối có hàm lượng thoi dẹt cao so với yêu cầu hoặc cấp phối đá dăm loại 1( Base- loại đang được sử dụng trong lớp móng đương

ô tô cấp cao) thậm chí cả đá thải hỗn hợp để chế tạo BTXM, các loại cấp phối này có giá thành thấp hơn rất nhiều so với đá 1x2 hoặc 2x4 và nếu cường độ BTXM khi sử dụng các loại cấp phối này vẫn đạt yêu cầu thì việc

sử dụng cấp phối này có thể giảm được giá thành công trình đặc biệt công trình ở những vùng miền núi hay ngoài biên cương hải đảo Do đó dẫn đến tính cấp thiết để nghiên cứu ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu đến cường độ của BTXM.Từ đó có thể đưa ra được vật liệu cấp phối phù hợp với điều kiện chịu lực thực tế của kết cấu công trình, giảm được những lãng phí không cần thiết.Vì vậy tác giả tiến hành thực hiện đề tài:

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu đến đặc trưng cường độ của BTXM

1.2.Nội dung nghiên cứu

Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu đến đặc trưng cường

độ của bê tông xi măng, trong chương 2 tác giả sẽ tiến hành nghiên cứu tổng quan lý thuyết về cấp phối để thấy rõ được việc nghiên cứu các đường cong cấp phối lý tưởng của các tác giả và việc ứng dụng nó đối với từng loại chất kết dính khác nhau, đặc biệt là chất kết dính dùng xi măng( BTXM) Trong chương 3, tác giả trình bầy tổng quan lý thuyết về BTXM, như quá trình thuỷ hóa của xi măng, quá trình rắn chắc và hình thành cấu trúc của

bê tông, các nhân tố ảnh hưởng đên hỗn hợp bê tông và cường độ bê tông, các tính chất cơ bản của bê tông, các phương pháp thiết kế bê tông Sau

đó trong chương 4 tác giả sẽ tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để xác định quan hệ giữa cấp phối cốt liệu đến cường độ tương ứng Trước tiên tác giả sẽ tiến hành thiết kế và thí nghiệm theo phương pháp của Bôlômây- Xkrămtaev, sau đó sẽ tiến hành thay đổi hàm lượng cốt liệu, kích thước cốt liệu, hàm lượng thoi dẹt, trên cở sở lý thuyết thể tích tuyệt đối để tính toán thiết kế thành phần bê tông xi măng.Sau đó thí nghiệm đúc mẫu để xác định sự biến đổi đặc trưng cường độ tương ứng.Từ đó đưa ra kết luận và kiến nghị

Trang 7

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu sử dụng các loại cấp phối cốt liệu để chế tạo BTXM

- Phạm vi nghiên cứu: Trong thời gian quy định của luận án ( 6 tháng), phạm vi nghiên cứu được giới hạn sử dụng một mỏ đá Sunway của Hà Tây

Trang 8

Luận án Thạc sỹ KHKT Chương 2 : Tổng quan về cấp phối

Cấp phối liên tục là cấp phối có tỷ lệ đường kính các cấp hạt bằng 2( lần):

Cấp phối hạt gián đoạn là cấp phối bỏ đi một số cấp hạt trung gian và phối hợp với nhau, tỷ lệ đường kính các cấp hạt bằng 6 - 8 (lần)

ở Việt Nam, bộ sàng tiêu chuẩn để phân cấp cốt liệu lớn và bé có kích thước các mắt sàng tăng hoặc giảm dần với tỷ lệ là 2 Cụ thể kích thước mắt sàng tiêu chuẩn của Việt Nam là: 0,15; 0,3; 0,6; 1,2; 2,5; 5; 10; 20; 40;

Cấp phối hạt của hỗn hợp cốt liệu được xác định bởi cấp phối hạt của từng loại cốt liệu( lớn và bé ) và tỷ lệ phối hợp giữa chúng Một cấp phối hỗn hợp lý tưởng cần có đồng thời thể tích rỗng bé nhất và tổng tỷ diện bé nhất Tuy vậy khó có thể đạt được một cấp phối như thế vì để giảm thể tích rỗng giữa các hạt cần có một lượng khá lớn các hạt mịn và như vậy sẽ làm tăng tổng tỷ diện của hỗn hợp cốt liệu

2.2 Lý thuyết vể cấp phối

ở nhiều nước, đã có nhiều người nghiên cứu thành phần hạt của cáp phối sỏi sạn hay cấp phối bê tông nhựa, bê tông xi măng theo các dạng

đường cong liên tục khác nhau Việc nghiên cứu một phần dựa trên cơ sở lý thuyết, còn phần lớn dựa trên cơ sở thực nghiệm

2

3

2 2

d d d

8 _ 6

3

2 2

d d d

Trang 9

2.2.1.Đường cong cấp phối lý tưởng của Fuller

Fuller sau nhiều năm nghiên cứu đã rút ra kết luận: Đường cong của cấp phối có dạng càng gần với đường parabôn, thì cấp phối đó có độ chặt càng lớn

Đường cong cấp phối lý tưởng có dạng sau:

y2 = p.x Trong đó: Y - Thành phần hạt lọt qua các lỗ sàng( % ):

y2 = 523.x

Từ công thức trên có thể tính được tỷ lệ % lọt qua các lỗ sàng khác nhau

2.2.2.Công thức cấp phối của Talbot

Theo sự nghiên cứu của Talbot, nếu cấp phối phù hợp với công thức sau thì đạt được độ chặt lớn nhất:

P =(d/D)n x 100 Trong đó: P - Tỷ lệ % thành phần hạt lọt qua lỗ sàng;

Trang 10

2.2.3.Lý thuyết của Weymouth

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

Theo Weymouth

Không gian có thể chiếm (%)

Thể tích thực tế chiếm(%)

Tỉ lệ % lọt qua

lỗ sàng

Tỉ lệ % lọt qua lỗ sàng

Trang 11

Qua bảng trên ta thấy: Kết quả của 3 lý thuyết trên chênh nhau rất nhỏ

2.2.4 Lý thuyết cấp phối tốt nhất của B.B Okhônina và N.N Ivanov (

Liên Xô )

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

a).Độ rỗng của các cấp phối làm bằng một số thành phần hạt ( ví dụ cát

và đá dăm ), trong đó các hạt có kích cỡ gần nhau và chênh nhau 2 lần, sẽ như nhau khi tỉ 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

b).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 loại 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- 32 mm, 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 - 2 mm bằng 43% khối lượng của hạt 16 - 32 mm, khối lượng của hạt 0.06 - 0.12 mm bằng 43% khối lượng của hạt 1 2 mm và

cứ như thế

c).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 ( hạt to hơn )

d).Nếu ta chộn thêm vào cấp phối trên( theo b,c ) bất kỳ loại hạt trung gian nào, thì độ rỗng sẽ tăng lên Nhưng, nếu chộn thêm vào cấp phối loại vật liệu mà thành phần vả tỉ lệ khối lượng các loại hạt giống nhau như cấp phối đó, thì độ rỗng của nó sẽ không thay đổi

e).Từ mục b,c có thể dẽ dàng thấy rằng: Các loại hạt có kích thước chênh nhau 16 lần và 4 lần, thỉ 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

Trang 12

Nếu cấp phối mà các loại hạt có kích thước chênh nhau 16 lần và K= 0.25- 0.43- 0.50, thì cấp phối mà các loại hạt có kích thước chênh nhau 2 lần sẽ có

K = 4 0 24 - 4 0 43- 4 0 50 = 0.7- 0.81 - 0.84

Giáo sư N.N Ivanov đã áp dụng phạm vi của hệ số K trên vào việc chọn thành phần cấp phối hạt của bê tông nhựa, thấy rằng độ rỗng chỉ thay đổi tối đa 1.5% Nếu mở rộng thêm K = 0.65 - 0.90, thì độ rỗng chỉ thay đổi khoảng 2% Dựa vào nguyên tắc đó và dựa vào thí nghiệm, giáo sư N.N Ivanov đã định ra đường cong giới hạn của câp phối Bất kỳ một cấp phối nào có đường cong năm trong phạm vi giới hạn đó đều có độ chặt tương đối lớn Qua nhiều lần thí nghiệm, đã xác nhận rằng: Nói chung, tất cả các

đường cong của cấp phối đất, đá hay cấp phối bê tông nhựa hay BTXM nằm trong phạm vi của đường cong giới hạn đều cho kết quả hoàn toàn thoả mãn

Nhưng cường độ của câp phối không chỉ quyết định ở độ chặt mà còn quyết định ở lực dính và hệ số ma sát Vì vậy, quan trọng không phải chỉ là

độ rỗng nhỏ nhất mà còn là độ lớn của vật liệu và hàm lượng các loại hạt nhỏ( chất kết dính ) Các loại hạt nhỏ sẽ có ảnh hưởng khác nhau khi dùng

nó vào trong cấp phối đất, đá hay trong cấp phối có chất liên kết gia cố Khi cốt liệu chủ yếu to, thì hệ số ma sát sẽ tăng; vì thế, cốt liệu của cấp phối càng lớn, thì môđun biến dạng của nó càng cao Vì vậy, trong nhiều trường hợp, có thể sử dụng hợp lý cấp phối không liên tục, trong đó các loại vật liệu hạt chèn lỗ rỗng nhỏ hơn 6- 8 lần các thành phần hạt lớn nhất Nhưng khi vận chuyển loại cấp phối không liên tục này( đặc biệt khi không

có chất kết dính), thì dễ có hiện tượng phân tầng

đường cong cấp phối tốt nhất

Trang 13

2.3 Việc sử dụng cấp phối với các chất kết dính khác nhau

Trên đây là các lý thuyết về cấp phối tốt nhất và nó đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực xây dựng khác nhau từ trứơc đến nay Tuỳ thuộc vào chất kết dính mà ta có các sản phẩm khác nhau trong xây dựng đường

ô tô từ cấp thấp đến cấp cao hoặc trong các lĩnh vực xây dựng khác Như:

2.3.1.Hỗn hợp dùng đất làm chất kết dính

Việt Nam từ lâu đã sử dụng câp phối để làm mặt đường và móng đường

và đã lập thành quy trình kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt đường cấp phối 22TCN 07 - 77, trong đó sử dụng lý thuyết tốt nhất của N.N Ivanov và

có xét đến điều kiện khí hậu của Việt Nam và lưu ý đối với những cấp phối

mà trong đó đất được làm chất dính kết, thì ngoài việc chọn cấp phối hợp lý với vật liệu hạt sắc cạnh, lớn nhất có thể, ta còn phải xác định hàm lượng

đất dính cần thiết và đủ để dính kết các cốt liệu( trong đó có xét đến điều kiện khí hâụ ) Vì nếu hàm lượng đất dính quá nhiều sẽ làm cho cấp phối mất tính dính khi ẩm ướt và làm giảm hệ số ma sát và mô đun biến dạng của cấp phối.Do đó có thể phân chia làm 2 loại cấp phối chủ yếu sau:

- Cấp phối dùng để rải lớp dưới của mặt đường hay móng đường: Trong trường hợp này, lớp cấp phối không chịu tác dụng trực tiếp của bánh xe, lực ngang rất nhỏ, nên yêu cầu về độ ổn định với quan trọng hơn là yêu cầu về lực dính.Do đó khi thi công, nên dùng loại cấp phối có cốt liệu to, đồng đều

và cần phải khống chế chặt chẽ các thành phần hạt nhỏ

- Cấp phối dùng để rải mặt đường: Trong trường hợp này lớp cấp phối chịu tác dụng trực tiếp của bánh xe và của ngoại giới, nên cần phải có lực dính nhất định để chống lực ngang Vì vậy trong cấp phối phải có tỉ lệ hạt nhỏ và đất dính nhất định, nhiều hơn so với loại cấp phối dùng làm lớp móng

Trong cấp phối, ngoài việc khống chế các thành phần hạt ra, còn phải tuỳ điều kiện khí hậu và vị trí lớp cấp phối mà khống chế chỉ số dẻo và giới hạn nhão

2.3.2 Hỗn hợp bê tông nhựa

Thành phần câp phối của bê tông nhựa đã được nghiên cứu từ lâu Có nhiều phương pháp chọn cấp phối cho bê tông nhựa, nhưng đều thông nhất trên một nguyên tắc cơ bản là bảo đảm cho cốt liệu khoáng vật đạt được độ chặt lớn nhất và bảo đảm độ rỗng còn dư của hỗn hợp bê tông nhựa đạt

được trị số quy định

Trang 14

Giáo sư N.N Ivanốp đề nghị nên dùng cấp phối hỗn hợp bê tông nhựa, trong đó kích thước của mỗi cỡ hạt tuần tự giảm đi 2 lần và hệ số khối lượng giảm dần lấy từ 0.65 - 0.9 Đường cong của cấp phối của hỗn hợp có độ chặt tốt nhất có dạng:

Trong đó: a - khối lượng của cỡ hạt đầu tiên ( cỡ hạt lớn nhất);

ở các nước phương tây phương pháp thịnh hành để chọn cấp phối cho

bê tông nhựa là đường cong câp phối theo phương trình của Talbot P

=(d/D)n x 100, trong đó số mũ n lấy bằng 1/ 1.5 ữ 1/3 cho 2 đường cong giới hạn trên và giới hạn dưới của phạm vi cấp phối sử dụng cho bê tông nhựa Trong những năm gần đây ở Mỹ, Đức và Pháp có xu hướng dùng đường cong giới hạn của cấp phối chứa hàm lượng hạt nhỏ ít hơn và hàm lượng hạt lớn nhiều hơn so với đường cong của Fuller để đảm bảo độ bám giữa bánh xe và mặt đường ở Anh cấp phối của bê tông nhựa chọn khác với quan điểm của các nước trên Các nhà nghiên cứu của Anh cho rằng để mặt đường bê tông nhựa được lâu bền, điều quan trọng là mặt đường bê tông nhựa phải không thấm nước Vì thế xu hướng ở Anh là dùng cấp phối chứa ít lưọng hạt lớn để chế tạo bê tông nhựa và để tăng cường sức bám giữa bánh xe và mặt đường

ở miền bắc nước ta, vào mùa hè từ tháng 5 đến tháng 9 mặt đường bê tông nhựa vừa chịu tác động của nhiệt độ cao ( nhiệt độ mặt đường lên đến 60- 70oC) vừa chịu tác dụng thường xuyên của nươc mưa, vì thế thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông nhựa phải làm thế nào để có thể chịu đựng

được cả 2 điều kiện bất lợi trên Theo công trình nghiên cứu của tác giả

1

) 1 ( 100

−

k k a

Trang 15

Trần Đình Bửu( một số vấn đề về tính chất cơ - lý- hóa có kể đến tính lưu biến của bê tông nhựa dùng ở miền khí hậu nóng và mưa nhiều- luận án phó tiến sĩ ) thì cấp phối bê tông nhựa hạt nhỏ , chứa lượng đá dăm từ 35 -

45 %( cỡ hạt > 5mm) và lượng bột khoáng từ 6 - 10% để làm lớp trên của mặt đường Với loại hỗn hợp này các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa khi chịu tác động đồng thời và lâu dài của nước và nhiệt độ đạt được các trị số tốt nhất, rất phù hợp với các điều kiện khí hậu của nước ta

2.3.3.Hỗn hợp bê tông xi măng

Bê tông xi măng là vật liệu đá nhân tạo sử dụng chất kết dính vô cơ với các thành phần khác nhau như cốt liệu lớn, nhỏ, nước và có thể có cả phụ gia Các thành phần này khi phối hợp nhào chộn theo theo các tỷ lệ khác nhau cùng với phương pháp chế tạo thích hợp sẽ cho loại bê tông có những tính chất phù hợp BTXM được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực như giao thông, xây dựng, thuỷ lợi, thuỷ điện Chính vì vậy mà từ trước đến nay, có rất nhiều tác giả nghiên cứu về BTXM dựa trên các phương pháp thực nghiệm và lý thuyết về thành phần bê tông

2.3.3.1.Các phương pháp thực nghiệm thành phần bê tông

1.Nghiên cứu của Feret

Feret ( người Pháp) đã tiến hành các nghiên cứu quan trọng( 1892- 1896) và tầm quan trọng của nó có tác dụng quyết định đối với phát minh các định luật về bê tông

Nghiên cứu này rất rộng chủ yếu trên độ chặt của cát và của vữa, nước,

sự so sánh cường độ của các loại vữa, làm rõ ảnh hưởng của tính chất của cát và thành phần; nó cho phép lập ra một mối quan hệ giữa cường độ và lượng nước của hỗn hợp

Feret đã nghiên cứu trên các hỗn hợp của 3 loại cát: to G, vừa M, nhỏ F, với biểu đồ tam giác của các hỗn hợp

Trong một tam giác cân có đỉnh là G, M, F một điểm P xác định hỗn hợp của các đường song song được dẫn từ P trên cạnh của tam giác GMF, Feret đã tìm thấy rằng một hỗn hợp ba thành phần bằng nhau có độ đặc chắc khoảng 0.61 và rằng độ đặc chắc cực đại (0.64) đã đạt đựoc đối với một hỗn hợp không bao gồm các hạt trung bình, còn các hạt mịn và các hạt lớn có tỷ lệ tương ứng là 1/3 và 2/3

Như vậy, Feret đã làm rõ sự vượt trội của cấp phối không liên tục và điều kiện cần thiết để có một hỗn hợp đồng nhất hoàn toàn Ngoài ra Feret còn cho thấy rằng độ rỗng sinh ra do nước trộn bốc hơi không cần thiết cho sự

Trang 16

đông kết sẽ lớn hơn với cát mịn Khi nghiên cứu về cường độ và độ đặc bền vững của vữa Feret đã kết luận hỗn hợp không có hạt trung bình cho độ chặt lớn nhất

2.Phương pháp mô đunđộ nhỏ của ABRAMS

Năm 1918 một phương pháp có hệ thống để tính toán các công thức của các hỗn hợp bê tông đã được công bố bởi ABRAMS Đặc tính của phương pháp này là nó hầu như hoàn toàn thực hiện và được dựa trên một số lớn các thí nghiệm

a Tỉ lệ nước / xi măng - Quy luật về cường độ

ABRAMS đề ra giả thiết một hỗn hợp bê tông phải được phối hợp, sao cho nó dễ đổ trong các điều kiện nào đó đã cho và rằng nó phải thể hiện cường độ nén xác định Ông ta đưa ra quy luật về cường độ bê tông theo cách sau:

Quan hệ tìm được với cường độ nén có thể viết dưới dạng:

Trong đó: Rjb : Cường độ nén ở tuổi xem xét, j : ngày tuổi bê tông N\X : Tỉ lệ nước / ximăng theo trọng lượng

A : Hằng số thực nghiệm

B : Hằng số phụ thuộc đặc tính của vật liệu, đặc biệt của xi

măng và tuổi khi thí nghiệm

b Công thức của lượng nước cần thiết của ABRAMS

Một khi đã xây dựng được công thức thực nghiệm biểu thị quan hệ giữa cường độ và tỷ lệ N / X, thì phải xác tỷ lệ xi măng / cốt liệu nó sẽ cho tỷ lệ nước / xi măng hơn mức nước cần thiết

Để làm việc này ABRAMS đã lập công thức cho lượng cần thiết có sự liên quan của yếu tố thành phần hạt được gọi là mô đun độ nhỏ

Công thức đối với nước cần thiết là:

Trong đó E : Thể tích nước ( N ), C : Thể tích xi măng ( X )

P : Tỷ lệ nước / xi măng đối với độ sụt thông thường ( N/X )

(N/X) 1.26

0.3n p

2

3 ' D

Mn

C

[ ]N X x x

jb

B

A B

Trang 17

Trong trường hợp thông thường có hai loại cốt liệu:

Sau đó thêm nhiều nhất sỏi ướt phù hợp với thể tích đổ tạo được sự làm

ướt đầy đủ, cho phép đổ khuôn đầy, với việc thi công dễ dàng trong điều kiện ở công trường Như vậy bê tông đặc ít cát nhất

Để xác định liều lượng yêu cầu, luôn xác định trước và nội dung cao hơn liều lượng tìm được băng phương pháp này, người ta thay thể tích rỗng có

điều chỉnh, tương ứng bằng một thể tích thực tế của cát ướt

Để kiểm tra, tiến hành trộn một mẻ bê tông với thành phần đã xác định;

đánh giá chất lượng của sản phẩm so với chất lượng mong muốn và bằng cách đo tỷ trọng của bê tông tươi

2.3.3.2.Phương pháp lý thuyết về thành phần bê tông

Chúng ta đã được biết các phương pháp xác định thành phần bê tông chủ yếu là thực nghiệm và kinh nghiệm Nhưng có nhiều ý kiến , ý định cho thành phần lý thuyết của bê tông Chúng ta sẽ xem xét một vài phương pháp

1.Phương pháp Fuller và Thompson

Phương pháp này đã được xếp loại là phương pháp kinh nghiệm

Trang 18

Nhưng nó có cơ sở là phương pháp lý thuyết và điều đó giải thích vị trí mà chúng đã giành cho nó Fuller- Thompson bằng các thí nghiệm đã đi đến kết luận là tồn tại một vài đường cong hạt lý tưởng Họ đã thấy rằng các đường cong này là các thành phần elíp ở phần thấp nhất và sau đó tiếp tục là đoạn tiếp tuyến với đoạn cong đó

Sau đó Fuller- Thompson đã phát hiện là các đường cong thành phần hạt gần với hình parabon mà phương trình là:

Hoặc bằng công thức đơn giản hóa: MFn= 3 log ( 10D) 0.95r

Như vậy mô đun độ nhỏ của cát ảnh hưởng lớn đến thành phần của bê tông

2.2 Công thức thành phần hạt của Bolomey

Bolomey đã nhận thấy rằng các hỗn hợp đạt được bằng phương pháp của Fuller cho bê tông tương đối cứng, ông đã đề nghị sự cải biên sau đây

đối với parabon Fuller:

Pt = f + (1- f )(d / D )1/2

Trong đó f là một hằng số kinh nghiệm, các ký hiệu khác có cùng ý nghĩa như ở công thức của Fuller Giá trị của f được chọn sao cho nó càng

Trang 19

lớn khi mức độ dễ đổ mong muốn càng tốt, sao cho người ta có được những

tỷ lệ lớn nhất trong các cỡ hạt bé nhất

Phương trình trên có thể áp dụng cho bình thường cho tất cả các vật liệu rắn tạo nên hỗn hợp Nhưng trong thực tế đường cong thành phần hạt của xi măng là không thể biến đổi Bolomey cũng chỉ áp dụng quan hệ này cho các hạt lớn hơn 0.1 mm

Trong trường hợp này đối với một thành phần xi măng X theo trọng lượng, ngưòi ta đạt được:

P = ( Pt- X) / (1- X)

P : Thành phần trọng lượng của riêng cốt liệu có đường kính d, trong khi

đó Pt biểu thị thành phần thành phần trọng lượng của tất cả chất răn, trong

đó có xi măng(X)

BOLOMEY đã cho các giá trị của f mà người ta đánh giá là thích hợp và

được trình bầy trong bảng sau:

Cốt liệu loại bê tông Các giá trị của f

2.3.3.3 Việc sử dụng cấp phối cốt liệu cho thiết kế BTXM ở Việt Nam

a Lý thuyết cấp phối

ở Việt Nam về lý thuyết cũng dùng các phương trình đường cong cấp phối liên tục của Fuller và Bôlômây Hàm lượng các hạt trong một cấp phối liên tục có thể xác định theo các phương trình sau:

Trang 20

và di

Sau khi thí nghiệm xác định đường kính lớn nhất Dmax và đường kính nhỏ nhất Dmin của cốt liệu Dmax tương ứng với cỡ sàng có lượng sót tích luỹ nhỏ hơn và gần với 5% nhất Dmin tương ứng với cỡ sàng có lượng sót tích luỹ gần với 95% nhất Các trị số lý thuyết trên có thể lẻ, cho phép lấy các trị số tròn số phù hợp với cỡ sàng thí nghiệm Với tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN- 1771-87) quy định lượng sót tích luỹ là gần 10% Lượng sót tích luỹ của cốt liệu lớn( đá, sỏi) theo tiêu chuẩn TCVN- 1771-87 nằm trong phạm

Trang 21

Tuy nhiên tuỳ theo thoả thuận giữa các bên có thể cung cấp đá dăm, có

cỡ hạt từ 3→ 10mm; 15→ 20mm; 25→ 40mm và cỡ hạt lớn hơn 70 mm Theo sự thoả thuận giữa các bên, cho phép cung cấp đá dăm, sỏi và sỏi dăm ở dạng hỗn hợp hai hoặc hơn hai cỡ hạt tiếp giáp nhau

Thành phần hạt của mỗi cỡ hạt hoặc hỗn hợp vài cỡ hạt phải có đường biểu diễn thành phần hạt nằm trong vùng giới hạn của biểu đồ sau:

Ngoài TCVN 1771- 1987, trong các tiêu chuẩn quốc tế phạm vi quy định thành phần hạt được lập cho từng đường kính hạt lớn nhất khác nhau và

được kiểm tra trên toàn bộ giải hạt giống như kiểm tra cát

Thành phần hạt đá( sỏi ) theo ASTM Kích thước lỗ

sàng

2 in

50

1.5 in 37.5

3/8 in 9.5

N o 4 4.75

N o 8 2.36mm

2 in-N o 4

50 4.75 mm

95-100 - 37-70 - 10-30 - 0-5 1.5 in- N o 4

37.5-4.75mm 100 95-100 - 35-70 - 10-30 0-5

1 in- N o 4

25-4.75mm

100 95-100 90-100 25-60 - 0-10 0-5 1/2 in- N o 4

Trang 22

Đối với cát, TCVN 338-346-86 quy định thành phần phải nằm trong phạm vi cho phép theo bảng sau:

Cỡ sàng(mm) 5 2.5 1.2 0.6 0.3 0.15 Sót sàng tích luỹ

No4 (4.75)

No8 (2.36)

No16 (1.18)

No50 (0.9)

No100 (0.15) Lượng lọt sàng

- Việc ứng dụng các đường cong cấp phối tốt nhất của giáo sư N.N Ivalop trong thiết kế bê tông nhựa tông nhựa lảy sinh vấn đề là các loại hỗn hợp

bê tông nhựa có cấp phối hạt như nghiên cứu của Ivalop chứa quá nhiều bột khoáng, do đó chứa quá nhiều chất liên kết asphan Lượng chất liên kết

Miền giới hạn cấp phối hạt của cát

Trang 23

asphan này ngoài việc kêt dính các cốt liệu khoáng vật và lấp các lỗ rỗng của hỗn hợp còn thừa nhiều, do đó sẽ đẩy các hạt cát và các viên đá dăm

xa nhau ra, làm cho bê tông nhựa có độ dẻo lớn và tính chịu cắt kém.Chính vì vậy mà ở các nước khác như Mỹ, Đức, Pháp có xu hướng dùng đường cong giới hạn của cấp phối chứa hàm lượng hạt nhỏ ít hơn và hàm lượng hạt lớn nhiều hơn so với đường cong của Ivalop hay của Fuller để đảm bảo

độ bám giữa bánh xe và mặt đường

- Ngoài ra tác giả còn nhận thấy là ở mỗi quy trình hay quy định lại yêu cầu một hàm lượng thoi dẹt khác nhau, như trong TCVN 1771- 1987 hàm lượng hạt thoi dẹt không được vượt quă 35%, trong chỉ dẫn kỹ thuật " Chọn thành phần bê tông các loại " số 778/1998/QĐ-BXD của Bộ Xây dựng thì quy định hàm lượng thoi dẹt phải dưới 15% và trong sổ tay tư vấn giám sát chất lượng XDCT giao thông của Viện khoa học công nghệ - Bộ giao thông vận tải thì lại quy đinh hàm lượng này không quă 25% Từ đấy đặt ra vấn đề phải nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng thoi dẹt đến đặc trưng cường độ của BTXM

Như vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu đến cường độ của BTXM đối với từng loại vật liệu cụ thể ở Việt Nam là rất cần thiết

Trang 24

Luận văn Thạc sỹ KHKT Chương 3 : Tổng quan về BTXM

Chương 3

Tổng quan về bê tông xi măng 3.I.Khái niệm chung

Bê tông xi măng là vật liệu đá nhân tạo nhận được bằng cách tạo hình và làm rắn chắc hỗn hợp được lựa chọn hợp lý của xi măng, nước, cốt liệu( cát, sỏi hay đá dăm) và phụ gia Các thành phần này khi phối hợp nhào chộn theo theo các tỷ lệ khác nhau cùng với phương pháp chế tạo thích hợp sẽ cho loại bê tông có những tính chất phù hợp Ngay từ khi xuất hiện, Bê tông

đã có những ưu điểm nổi trội so với những loại vật liệu khác:

- Bê tông có cường độ chịu nén cao, dính bám tốt với thép và có cùng hệ

số giãn nở vì nhiệt băng với thép, chính vì vậy mà chúng bỗsung cho nhau trong bê tông cốt thép, tạo nên rất nhiều ứng dụng quan trọng trong xây dựng Ngoài ra có thể chế tạo được bê tông có những yêu cầu tính chất kỹ thuật mong muốn như cường độ, khối lượng thể tích, cũng như các tính chất

đặc biệt khác

- Giá thành hợp lý, bền vững, và ổn định với nước, nhiệt độ, độ ẩm

- Với tốc độ phát triển như hiện nay cho thấy: Công nghệ chế tạo bê tông hoàn toàn có thể tự động hóa

- Có thể sử dụng vật liệu địa phương đơn giản, dễ kiếm, giá thành rẻ

- Sản phẩm bê tông được sử dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực

Tuy vậy, bê tông cũng tồn tại một số nhược điểm như : Khi chế tạo bê tông khối lớn, do lượng xi măng dùng nhiều nên xuất hiện ứng suất nhiệt, làm giảm chất lượng bê tông, cường độ chịu kéo của bê tông nhỏ, bê tông có cường độ nén cao thì thường rất nặng.Ngoài ra bê tông còn cách âm, cách nhiệt kém

Ngày nay BTXM càng trở lên phổ biến và được ứng dụng trong rất nhiều các công trình như: Cầu đường, nhà dân dụng, nhà công nghiệp, bến cảng, sân bay, các công trình thuỷ lợi Tuỳ theo từng lĩnh vực mà có các yêu cầu

về BTXM khác nhau, như:

- Bê tông có yêu cầu đồng thời cường độ nén và uốn ( bê tông làm đường, sân bay và một số kết cấu xây dựng khác ), với bê tông này thường chỉ nên dùng hỗn hợp bê tông có độ sụt thấp ( hợp lý ĐS= 2 4, max ĐS= 8 )

Trang 25

- Bê tông có yêu cầu đồng thời cường độ nén và độ chống thấm( như bê tông dùng trong xây dựng dân dụng, xây dựng thuỷ điện ), loại bê tông này thường yêu cầu độ sụt thấp và sử dụng phụ gia để hạ bớt lượng dùng nước

- Bê tông có yêu cầu đồng thời cường độ nén và và độ mài mòn ( bê tông

bó vỉa, tấm lát hè, đường, cầu thang, nền sàn nhà công nghiệp và một số kết cấu xây dựng khác ), với bê tông này thường chỉ định mác bê tông có độ mài mòn theo phân câp, thường mác tử 30- 50 (Mpa), yêu tiên sử dụng cốt liệu lớn chịu mài món như dăm granit, sử dụng đá vôi và xi măng có cường độ cao, độ sụt thấp để làm tăng mật độ vật liệu chống mòn( ĐS < 10, hợp lý

ĐS= 2 - 4 )

- Bê tông có yêu cầu đồng thời cường độ nén và không co ngót ( như bê tông chèn bu lông,bản mã, đệm máy, lấp đầy các vết rỗ thấm )là bê tông có thêm phụ gia chống co ngót

- Bê tông vận chuyển bằng bơm: Yêu câu của loại bê tông này là độ sụt cao ( ĐS= 12 - 18), hỗn hợp bê tông phải đồng đêu (hàm lượng thoi dẹt < 15

%) đường kính cốt liệu thường khống chế nhỏ hơn 1/3 đường kính ống bơm

- Bê tông yêu cầu thời gian thi công kéo dài: Thường sử dụng phụ gia dẻo hoá có khả năng kéo dài tổn thất độ sụt cho bê tông Tuy nhiên trong điều kiện thi công kéo dài, việc lập phương án vật liệu hợp lý để kéo dài tổn thất

độ sụt đem lại hiệu quả kinh tế hơn

- Bê tông yêu cầu tháo ván khuôn sớm: Thường yêu tiên như tăng cường

độ bê tông bằng cách sử dụng phụ gia, tăng mác xi măng hoặc tăng lượng xi măng Dùng thành phần bê tông đạt mác thiết kế kết hợp với mốt số biện pháp công nghệ như phủ bạt, che ni lông khi trời nắng

Ngoài ra còn có các loại bê tông đăc biệt như: Bê tông chịu nhiệt, chịu axit,

bê tông chống phóng xạ, bê tông cốt liệu bé (dùng cho các kết cấu mái, vòm yêu câu bê tông có cường độ cao và cốt liệu bé 5- 7 mm), bê tông xi măng pôlime (Nâng cao tính chịu kéo, độ đặc chắc, tính chống thấm đồng thời giảm

được tính dòn), Bê tông cấp phối đá hộc (sử dụng cho cac công trình thuỷ

điện )

Nói tóm lại, ngày nay bê tông xi măng đã được sử dụng rất linh hoạt như yêu cầu chông thấm, chống mài mòn, chống co ngót Bê tông có yêu cầu

đồng thời cường độ nén và uốn, bê tông cấp phối đá nhỏ cho đến cấp phối

đã hộc, từ bê tông cốt liệu đặc cho đến bê tông cốt liệu rỗng Tuy nhiên việc nghiên cứu ảnh hưởng của các loại cấp phối đến đặc trưng cường độ của bê tông lại chưa được nghiên cứu đầy đủ

Trang 26

Việc xác định tỷ lệ cấp phối và yêu cầu chất lưọng của hỗn hợp bêtông nhằm đảm bảo các tính năng kỹ thuật của bêtông ở những tuổi nhất định còn phải thoả mãn những yêu cầu công nghệ sản xuất , liên quan đến việc lựa chọn thiết bị tạo hình , đổ khuôn , đầm chặt và các chế độ công tác khác Bất cứ loại hỗn hợp bêtông nào và việc tạo hình sản phẩm theo phương pháp công nghệ nào , hỗn hợp bêtông cũng cần thoả mãn hai yêu cầu sau: 1.Tính đồng nhất của hỗn hợp bêtông có được khi nhào trộn phải được duy trì trong quá trình vận chuyển , đổ khuôn và đầm chặt Nó đảm bảo cho hỗn hợp bêtông có sự liên kết nội bộ tốt , không bị phân tầng tách nước

2.Tính công tác tốt (hay tính đổ khuôn ) phù hợp với phương pháp và điều kiện thành hình sản phẩm Hỗn hợp bêtông có tính công tác tốt sẽ dễ dàng

và nhanh chóng lấp đầy khuôn giữ được sự liên kết toàn khối và đồng nhất về mặt cấu tạo của bêtông

Tính công tác của hỗn hợp bêtông thể hiện khả năng lưu động (chảy) và mức độ dẻo của hỗn hợp tức là khả năng chảy lấp đầy khuôn một cách liên tục và không rạn nứt bề mặt hỗn hợp

Để đảm bảo các tính chất trên của hỗn hợp bê tông thì cần thiết phải nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến chúng

3.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến tính chất của hỗn hợp bê tông

Tính chất của hỗn hợp bê tông chịu ảnh hưởng của các nhân tố sau:

- Hàm lượng nước ban đầu của hỗn hợp

- Lương dụng xi măng và tính chất hồ xi măng

- Cấp phối hạt của hỗn hợp cốt liệu và tính chất cốt liệu

- Chất phụ gia hoạt tính bề mặt

- Tác dụng của gia công chấn động

3.2.2.1 ảnh hưởng của hàm lượng nước ban đầu

Lượng nước nhào chộn có ảnh hưởng đến những đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bê tông

Trang 27

Giả thiết lượng nước ban đầu trông hỗn hợp bê tông bé, nước chỉ đủ bao bọc mặt ngoài hạt xi măng và tạo lên màng nước hấp phụ Màng nước này liên kết rất chắc với hạt xi măng, có tính đàn hồi, tính chịu kéo, cường độ chống cắt và độ nhớt

Nếu lượng nước tăng lên, màng nước hấp phụ tăng lên, màng nước hấp phụ tăng lên và do sức căng bề mặt của nước( lực mao dẫn ) nước sẽ dịch chuyển trong các đường mao quản làm cho hỗn hợp bê tông có tính dẻo Tiếp tục tăng lượng nươc sẽ hình thành tự do phân bố vào các ống mao quản thông nhau, cũng như các hốc rỗng và có thể dịch chuyển dễ dàng dưới tác dụng của trọng lực Phần thừa của nước tự do sẽ thấm vào trong các khe nứt của các hạt rắn làm dày thêm lượng nước bọc quanh chúng Lực hút phân tử sẽ giảm đáng kể, lực mao dẫn mất đi, độ nhớt của hồ xi măng cũng như của hỗn hợp bê tông giảm đi nhanh chóng Đối với mỗi hỗn hợp bê tông tồn tại một giới hạn trên của lượng nước tự do mà với giới hạn đó, mối liên kết trong hỗn hợp không bị phá hoại, hỗn hợp không bị phân tầng, tách nước, có những tính chất của thể dẻo Giới hạn đó gọi là khả năng giữ nước của hỗn hợp bê tông Nó phụ thuộc vào khả năng giữ nước của chất kết dính và các thành phần nghiền mịn khác của hỗn hợp và các hàm lượng cuả chúng Theo

số liệu của I.N Nakhơverđốp thì khả năng giữ nước của xi măng pooclăng không vượt quá 1.65 lượng nước tiêu chuẩn

Khi lượng nước tự do vượt quá khả năng giữ nước của hỗn hợp sẽ xẩy ra hiện tượng phân tầng và tách ra lượng nước thừa Theo định luật Stok, vận tốc lắng xuống của hạt phụ thuộc vào kích thước hạt rắn và khối lượng riêng của chúng Cùng với sự lắng xuống của các hạt cốt liệu, nước là một thành phần nhẹ nhất sẽ nổi lên trên, làm cho lớp trên sản phẩm bão hoà nước, trở lên xốp, yếu

Trong quá trình trầm lắng, do sự xích lại gần nhau của những hạt rắn, nước thoát ra có xu hướng dâng lên, chảy quanh hạt cốt liệu tạo nên một mạng lưới các đường mao quản thông nhau trong bê tông

Dưới những hạt cốt liệu lớn và những thanh cốt thép, nước có thể được tập trung và giữ lại tạo lên những hốc nước, sau đó sẽ bốc hơi để lại những hốc khí làm giảm bề mặt tiếp xúc giữa đá xi măng với cốt liệu và cốt thép, làm giảm lực dính giữa chúng Những đường mao quản và hốc rỗng thông nhau tạo lên những đường lọc nước làm giảm tính chống thấm của bê tông.Quá trình trầm lắng có thể điều chỉnh được bằng cách giảm lượng dùng nước ban

đầu trong hỗn hợp mà không làm sấu đi tính công tác và khả năng tạo hình nhờ lựa chọn vật liệu thành phần làm giảm lượng cần nước của hỗn hợp

Trang 28

3.2.2.2 ảnh hưởng của loại, lượng dùng và tính chất của xi măng

Nếu trong hỗn hợp bê tông có một lượng hồ xi măng đủ để bao bọc các hạt cốt liệu và lấp đầy phần rỗng cốt liệu làm cho các hạt cốt liệu có cơ hội tiếp xúc nhau, lực ma sát khô sẽ giảm, tính lưu động của hỗn hợp sẽ tăng; nếu lượng hồ xi măng ít, lực ma sát khô tăng, hỗn hợp sẽ kém lưu động Tuy nhiên không thể tăng lượng dùng xi măng lên nhiều quá vì giá thành bê tông

sẽ đắt

Mặt khác, với cùng một lượng nước nhào trộn, người ta thấy với một lượng

xi măng thay đổi trong phạm vi từ 250 - 400 kg/m3 bê tông, tính công tác của

bê tông không bị thay đổi đáng kể và khi tăng lượng dùng xi măng quá 400 kg/m3 độ nhớt của hồ xi măng tăng, tính lưu động của hỗn hợp bê tông hạ thấp và khi đó muốn tính lưu động không đổi phải tăng lượng dùng nước Tính lưu động của hỗn hợp bê tông cũng thay đổi phụ thuộc vào loại xi măng và các loại phụ gia vô cơ nghiền mịn trong xi măng Ví dụ: so với xi măng poóclăng thì xi măng poóc lăngpudơlan và poóclăng xỉ quạng có độ nhớt của hồ xi măng lớn hơn nên để hỗn hợp bê tông có cùng một độ lưu

động phải dùng nước nhiều hơn

Chỉ tiêu tổng hợp thể hiện mức độ ảnh hưởng của xi măng đối với tính chất của hỗn hợp bê tông là lượng nước tiêu chuẩn của xi măng Khi xi măng có lượng nước tiêu chuẩn lớn thì với một lượng nước nhào trộn nhất định, độ nhớt của hồ xi măng sẽ tăng và độ lưu động của hỗn hợp bê tông sẽ kém Lượng nước tiêu chuẩn thay đổi phụ thuộc vào độ mịn và thành phần khoáng vật của xi măng( thể hiện qua khối lượng riêng ρx của xi măng) Giả thiết hạt xi măng có dạng hình cầu thể tích là π/6.∆3 và khối lượng mỗi hạt là:

m = π/6.∆3 ρx

Số hạt xi măng trong một đơn vị khối lượng:

N = 1/(π/6.∆3 ρx) Diện tích xung quanh của toàn bộ hạt xi măng trong một đơn vị khối lượng là:

Sxq = π.∆2.N=6/(∆ ρx) Như vậy khi ρx tăng, số hạt xi măng trong một đơn vị khối lượng giảm, tổng diện tích xung quanh giảm, lượng nước tiêu chuẩn sẽ giảm

Khi độ mịn xi măng tăng, tức ∆ giảm, tổng diện tích xung quanh tăng, lượng nước tiêu chuẩn tăng và do đó với một lượng nước nhào trộn nhất định,

Trang 29

độ nhớt của hồ xi măng và của hỗn hợp bê tông tăng, tính lưu động kém Nhưng khi độ mịn xi măng tăng đến mức độ cao ( ví dụ lọt qua sàng 10000 lỗ/ cm2) thì quá trình thuỷ hoá của xi măng xẩy ra nhanh và triệt để hơn, quá trình hoá keo tăng nhanh( lượng hạt keo lớn) làm độ nhớt hồ xi măng và hỗ hợp bê tông giảm, tăng tính lưu động, tuy nhiên để đạt tới độ mịn này năng lượng nghiền lớn, tốn kém

3.2.2.3 ảnh hưởng của hàm lượng và tính chất cốt liệu

Cốt liệu( nhỏ và lớn ) chiếm một khối lượng và thể tích lớn trong hỗn hợp

đến tính lưu động của hỗn hợp bê tông Hỗn hợp bê tông từ sỏi cuội có hình dáng hạt tròn, bề mặt nhẵn, với cùng một lượng nước nhào trộn sẽ có tính lưu

động lớn hơn hỗn hợp bê tông đá dăm có nhiều hạt dẹt, bề mặt nhám ráp, hoặc để đạt cùng mứu độ lưu động có thể giảm lượng nước nhào trộn từ 5 - 15% đối với cuội sỏi

Hàm lượng cát trong hỗn hợp cốt liệu (mức ngậm cát) ảnh hưởng lớn đến tính chất của hỗn hợp bê tông Hỗn hợp bê tông có một hàm lượng cát tối ưu

đảm bảo cho bê tông đạt được yêu cầu tính công tác, độ đặc chắc và cường

độ với lượng dùng xi măng và nước bé nhất, hoặc với lượng dùng nước nhào trộn không đổi, hỗn hợp bê tông có hàm lượng cát tối ưu sẽ đạt tính lưu động tốt nhất

3.2.2.4 ảnh hưởng của gia công chấn động

Gia công chấn động là một phương pháp rất có hiệu quả để nâng cao tính lưu động của hỗn hợp bê tông Nó làm cho hỗn hợp bê tông cứng hoặc ít lưu

động trở lên lưu động, chảy Thực chất của gia công chấn động là là do tác dụng của giao động kích thích ( bàn giao động ) truyền cho các phần tử của của hỗn hợp những xung lực bé nhưng lặp lại thường xuyên và có chu kỳ Dưới tác dụng của xung lực đó, các phần tử của hỗn hợp thực hiện giao động cưỡng bức với biên độ giao động rất bé Vì các phần tử trong hỗn hợp có hình dạng, kích thước, khối lượng và tính chất mặt ngoài khác nhau nên vận tốc giao động khác nhau tạo nên građien vận tốc biến dạng cắt của các phần

tử gần nhau, làm giảm nội lực ma sát giữa chúng, dẫn đến sự phá hoại kết

Trang 30

3.3.cấu trúc và cường độ của bê tông xi măng

Cường độ bê tông phụ thuộc vào độ đặc của bê tông Nâng cao trình độ công nghệ, lựa chọn hợp lý thành phần bê tông sẽ có cấu trúc hợp lý, độ đặc

và cường độ bê tông cao Như vậy giữa cấu trúc và cường độ bê tông có mối liên hệ chặt chẽ Cải tiến cấu trúc sẽ dẫn đến những biến đổi về cường độ bê tông

3.3.1 Cấu trúc vi mô của bê tông

Hỗn hợp bê tông là hỗn hợp chứa các thành phần chủ yếu: xi măng, nước, cát, cốt liệu lớn ( đá, sỏi ) Ngày nay khi đa số bê tông đều có sự tham gia của phụ gia, thì phụ gia trở thành thành phần quan trọng trong hỗn hợp bê tông hiện đại, có tác động đến cấu trúc vi mô của hỗn hợp bê tông Khi nhào trộn các thành phần khoáng vật của xi măng với nhau sẽ xẩy ra phản ứng thuỷ hoá các chất cấu thành nên xi măng( thành phần chính là C3S2, C2S, C3AF, C3A) tạo nên các chất ngậm nước (C2SnH2O, CSH, C3AF.n2H2O, CHF, C3A.n3H2O, CAH và Ca(OH)2) và trở thành hỗn hợp chất kết dính gốc trong hỗn hợp bê tông Dung dịch dính liên kết các cốt liệu nhỏ( cát) tạo nên dung dịch hồ kết dính vữa xi măng( đây là chất kết dính thứ cấp ) Cuối cùng dung dịch hồ kết dính vữa xi măng bị chui vào kẽ hở của các hạt cốt liệu và chúng tạo ra cấu trúc hỗn hợp bê tông hoàn chỉnh Tóm lại có thể phân cấu trúc hỗn hợp thành các cấu trúc con:

- Cấu trúc xương của cốt liệu lớn

- Cấu trúc vi mô của hồ kết dính vữa xi măng ( như là một môi trường liên kết các hạt cốt liệu lớn trong cấu trúc bộ xương khung)

Trang 31

- Cấu trúc tiếp giáp giữa hồ xi măng và bề mặt cốt liệu lớn ( vùng tiếp giáp cốt liệu ): với khung cốt liệu lớn được biểu thị qua lực dính vữa xi măng lên bề mặt các hạt cốt liệu lớn( và lực dính này chỉ hình thành khi kết thúc quá trình ninh kết và hỗn hợp bê tông có cấu trúc ổn định và mất hoàn toàn tính dẻo ).Vùng tiếp giáp này tồn tại các lỗ rỗng do nước tách ra để lại và là vùng yếu nhất trong cấu trúc bê tông Tại đây có thể xuất hiện vết nứt và các vùng ứng suất cục bộ đầu tiên trong bê tông khi chịu lực và khi chịu tác động của các yếu tố môi trường

3.3.1.1 Cấu trúc cốt liệu lớn

Cấu trúc cốt liệu lớn tạo nên khung chịu lực phụ thuộc vào bản thân cốt liệu lớn, tính chất cấu trúc( diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu ) và cường độ liên kết giữa các hạt Tuy nhiên, thường cường độ bản thân của cốt liệu là cao nên ta loại ra khỏi diện yếu tố ảnh hưởng Trong việc chế tạo bê tông người ta luôn mong muốn xây dựng một mô hình hỗn hợp bê tông trong đó các hạt cốt liệu tiếp xúc nhiều chiều với nhau và có hồ kết dính vữa xi măng liên kết giữa chúng Xây dựng mô hình này nhằm đưa cấu trúc cốt liệu lớn trở thành cấu trúc chính, qyết định tính chất cấu trúc vi mô của bê tông và quết

định tính chất chịu lực hỗn hợp của bê tông Lúc này cấu trúc của xi măng xi măng chuyển xuống thứ yếu và chỉ có tính chất liên kết Về mặt chịu lực đó vữa xi măng chỉ chịu lực tương tác liên kết giữa các hạt cốt liệu lớn trong bộ khung mà không chịu lực nội tạng trong lòng nó Cách xây dựng mô hình cấu trúc như vậy có khả năng tạo ra bê tông mác rất cao và giảm đước những tác

động vô cùng phức tạp của cấu trúc hồ kết dính vữa xi măng với tính chất cấu trúc vi mô của bê tông Tuy nhiên, mô hình này chỉ thuần tuý về lý thuyết mà rất khó hay không có khả năng tạo được trên thực tế, nhưng nó đưa ra nguyên tắc cho tất cả các công nghệ là tăng độ mạnh của cấu trúc bộ khung cốt liệu trên cơ sở:

+ Tăng diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu lớn ( giữa hai hạt với nhau và của các hạt xung quanh một hạt)

+ Không gian hở trong bộ khung xương là nhỏ nhất

+ Chiều dày của liên kết hồ xi măng với các hạt cốt liệu là hiệu quả ( chỉ nhằm mục đích liên kết )

Vậy các yếu tố ảnh hưởng cơ bản tới cấu trúc bê tông là cốt liệu( kích thước, tính chất bề mặt ), phương pháp thiết kế thành phần bê tông ( cấp phối ), đặc tính kỹ thuật của cốt liệu, kỹ thuật tác động cơ học, ngoài ra còn có các yếu tố quan trọng đó là tính linh động của dung dịch hồ vữa xi măng( khi dung dịch vữa xi măng càng linh động dẻo thì cấu trúc cốt liệu lớn mạnh)

Trang 32

tử hỗn hợp xi măng và phần tử nước, lớp màng này dày theo thời gian thuỷ hoá và ngoài nó là nước tự do Tuy nhiên, lớp màng liên kết này lại cản trở sự thấm nhập của nước và cùng với thời gian tính linh động của các phần tử và

xi măng giảm dần do vậy làm giảm tốc độ thuỷ hóa Lớp liên kết hạt xi măng- nước dần dần cùng với nó lớp nước tự do bao ngoài hạt xi măng mỏng dần, thêm vào đó sự linh động của các hạt phần do màng nước gây tính nhớt cho các hạt( có thể tính nhớt này được bổ sung do tác động của phụ gia )phần do tác động của việc trộn hay tác động cơ học có điều kiện gần nhau dần dần hình thành liên kết và xoá bỏ liên kết giữa các hạt xi măng Màng liên kết xi măng nước bao quanh các hạt cốt liệu nhỏ và kéo chúng vào hình thành cấu trúc hồ kết dính vữa xi măng Có thể mô tả tóm tắt cấu trúc vi mô vữa xi măng trong hỗn hợp bê tông như sau:

Các hạt xi măng liên kết với nước( loại liên kết ion) tạo nên lớp dính ( bao quanh hạt và dày theo tiến trình thuỷ hoá ) làm cơ sở để liên kết các hạt xi măng với nhau( liên kết cơ học) xoá bỏ ranh giới giữa các hạt và đồng thời chúng cong liên kết cơ học với cốt liệu nhỏ (cát ) tạo nên cấu trúc con vữa xi măng, liên kết cấu kết dần và tạo nên cấu trúc ổn định có tính chất cơ lý Nhưng phản ứng hoá vẫn tiếp tục xẩy ra, do vậy trong cấu trúc bộ phận lõi hạt là khối xi măng khan và không gian giữa các hạt liên kết là khoảng rỗng

có chứa nước Do sự tích tụ các hạt xi măng là các hạt bên trong không thuỷ hoá nên thực ra ở tuổi 28 ngày chỉ có khoảng 32- 40% hạt xi măng đã thuỷ hoá vì vậy chỉ đạt 40 - 80% cường độ

Các yếu tố tham gia vào cấu trúc:

a) Vai trò của hạt cát: Mới nhìn có thể nghĩ sự tham gia của hạt cát là thừa,

nhưng nó lại có vai trò hết sức quan trọng trong phần tăng cường ổn định không gian của các hạt xi măng liên kết, nó có tác dụng như chất hoạt tính tăng cường sự linh động của các hạt xi măng và phần tử nước kích thích quá trình thuỷ hoá, đồng thời dưới tác động của có học và sự linh động của bản thân trong dung dịch huyền phù ( giai đoạn nước liên kết keo giữa các hạt xi măng) làm giảm bớt sự cản trở của màng liên kết xi măng nước tạo cho sự thấm nhập của phân tử nước vào bên trong hạt để thuỷ hoá tiếp Do đó tác

Trang 33

dụng cuối cùng là giảm lượng lỗ rỗng trong cấu trúc, tăng độ bền, khả năng chịu lực của cấu trúc

b) Các hạt xi măng thuỷ hoá: Tuy rằng lực dính kết các hạt xi măng tuỳ

thuộc phần lớn vào loại xi măng( hàm lượng các thành phần trong xi măng), nhưng mức độ linh động của các hạt xi măng- nước phá vỡ thế cân bằng tạm thời làm cho các hạt xít nhau hơn tạo lên thế cân bằng ổn định hơn và giảm các lỗ rỗng, lực dính các hạt cũng cao hơn Thời điểm và khoảng thời gian tác

động cơ học có ảnh hưởng tới lực dính này Ngoài ra tôc độ, mức độ phản ứng thuỷ hoá ảnh hưởng tới hàm lượng hạt xi măng được thuỷ hoá, mong muốn hết thời gian bảo dưỡng bê tông hoặc thời gian bắt đầu chịu lực thì hàm lượng xi măng trong lõi hạt xi măng chưa được thủy hoá là nhỏ nhất Đây cũng là một yếu tố để tăng cường độ của đá xi măng

Một số đặc điểm phản ứng thuỷ hóa xi măng:

- Là loại phản ứng chậm dần và kéo dài rất lâu Một số lý thuyết còn nêu rằng đây là loại phản ứng rất khó kết thúc (điều này là lý giải phần nào cường

độ của bê tôngtăng dần theo thời gian tất nhiên là không xét tới ảnh hưởng của môi trường, điều kiện chịu lực)

- Thông thường theo thí nghiệm thấy rằng lượng xi măng chưa thuỷ hoá sau 28 ngày khoảng 20% hàm lượng toàn bộ hạt

- Đây là loại phản ứng có sinh nhiệt lượng ( chủ yếu là do thành phẩn C3A, C3S thuỷ hoá sinh ra ) Nếu bỏ qua tác động của bên ngoài tổng lượng nhiệt phụ thuộc vào loại xi măng và lượng xi măng

Tốc độ và mức độ của phản ứng thuỷ hoá phụ thuộc vào yếu tố sau: độ mịn của hạt xi măng, nhiệt độ nội tại trong hỗn hợp, tác độnh cơ học( Tuy nhiên nếu thời gian đầm mà lớn lại giảm tốc độ thuỷ hoá), phụ gia tác động, tốc độ tạo nhiệt

c) Các lỗ rỗng trong cấu trúc: Lỗ rỗng luôn tồn tại trong cấu trúc vữa xi

măng và ảnh hưởng rất lớn tới tính bền của cấu trúc này Phải tìm cách giảm tối đa hàm lượng lỗ rỗng Nguyên nhân tạo ra lỗ rỗng:

-Do tính không thể xít được của các hạt xi măng khi liên kết

-Do lượng nước tự do (lượng còn lại sau phản ứng thuỷ hoá và lượng nước

tự do này thường chiếm 10 - 20% tổng lượng nước sử dụng, tuỳ theo lọai bê tông)

- Do hàm lượng bọt khí tạo ra trong quá trình trộn Như vậy nguyên tắc giảm độ rỗng (tăng độ chặt)là:

Trang 34

- Tạo độ linh động cho các hạt xi măng khi thuỷ hoá

- Tác động cơ học hợp lý để giảm trợ lực của liên kết xi măng nước lúc đầu giúp các hạt xít nhau hơn Lỗ rỗng được tồn tại dước hai dạng Lỗ rỗng trong khoảng không giữa các hạt và lỗ rỗng tồn tại dưới dạng các mànglưới mao dẫn

Tính chất cấu trúc vữa - xi măngđược biểu hiện qua liên kết giữa các hạt xi măng và hàm lượng hạt xi măng được thuỷ hoá Lỗ rỗng trong cấu trúc là luôn tồn tại ngay cả khi lượng nước sử dụng là tối thiểu ( chỉ cần cho thuỷ hoá toàn bộ lượng xi măng), lượng lỗ rỗng này sẽ tăng một cách tự nhiên theo mức độ tăng hàm lượng nước ngoài thuỷ hóa và sự tăng hàm lượng cũng như kích thích hạt xi măng

Cấu trúc vi mô của vữa xi măng đóng vai trò quan trọng trong tạo lập cấu trúc bê tông và trong bê tông cường độ cao tác động của nó với tính chất của cấu trúc còn hơn cả tác động của cấu trúc cốt liệu lớn

Muốn tăng độ mạnh của cấu trúc này phải tăng độ linh động của bản thân các hạt xi măng, tác động cơ học hợp lý để tăng khả năng xếp xít của các hạt

xi măng làm giảm hàm lượng lỗ rỗng tự nhiên Giảm tối đa lượng nước thừa không cần cho thuỷ hoá cho toàn bộ xi măng, giảm lượng bọt khí tạo thành, kích thích phản ứng thuỷ hoá sao cho hàm lượng lõi xi mằng khank của hạt là

ít nhất khi hết giai đoạn bảo dưỡng

3.3.1.3 Cấu trúc vùng tiếp giáp giữa hồ xi măng và cốt liệu:

ở vùng tiếp giáp giữa vữa xi măng và cốt liệu tồn tại các lớp vữa xi măng

áp sát bề mặt cốt liệu, các vùng chứa nước do sự tách nước bên trong của vữa xi măng, các lỗ rỗng do nước bốc hơi và các hạt CaO tự do còn lại

ở vùng tồn tại lực dính giữa đá xi măng và cốt liệu Cấu trúc tốt nhất ở vùng tiếo giáp tạo ra lực dính lực dính kết là tối đa và có lỗ rỗng là tối thiểu

Sự thay đổi độ ẩm ở vùng này chính là nguyên nhân gây ra các biến dạng theo thời gian cho bê tông Loại bê tônhg thiết kế với tỷ lệ N/X thấp, được trộn hợp lý, được đầm chắc hợp lý sẽ tạo ra vùng tiếp giáp tốt nhất và tạo ra lực dính cao nhất Vùng tiếp giáp này là vùng quan trọng nhưng yếu nhất của cấu trúc bê tông Với bê tông truyền thống vết nứt đầu tiên trong bê tông xuất hiện tại đây và phát triển trong cấu trúc hồ xi măng đã đông cứng Với bê tông cường độ cao do lượng nước sử dụng ít hơn và do tác động của muội silíc, cấu trúc vùng tiếp giáp được cải thiện đáng kể, không có CaO tự do, độ

ẩm thấp, lực dính được nâng cao, tạo ra chất lượng mới cho bê tông xi măng

Trang 35

3.3.2 Các gian đoạn hình thành cấu trúc vi mô của hỗn hợp bê tông

Có thể chia thành 3 giai đoạn:

- Giai đoạn chưa hình thành cấu trúc: Lúc này bê tông là hỗn hợp biến

động, được tính kể từ thời gian trộn tất cả thành phần của bê tông cho đến khi bắt đầu ninh kết Tính dẻo của hỗn hợp vẫn được bảo toàn, hàm lượng xi măng thuỷ hoá trong giai đoạn này là lớn nhất Các hạt xi măng bắt đầu ninh kết (môi trường tiếp xúc giữa các hạt xi măng chuyển từ dạng huyền phù sang dạng keo) Khi đó lực dính kết giữa các hạt xi măng, các hạt xi măng với hạt cát và cả lực dính của hồ xi măng cũng chưa xuất hiện

- Giai đoạn hình thành cấu trúc không ổn định: Lúc này hỗn hợp bắt đầu phát sinh lực kết dính, nhưng còn nhỏ, đã hình thành cấu trúc cân bằng mới bền vững hơn và làm lực dính phát triển cao hơn Trong giai đoạn này hỗn hợp đã mất dần tính dẻo, hình thành tính chất cơ lý Phần cuối giai đoạn này tính dẻo đả mất, bắt đầu tạo lên tính chất tinh thể ổn định và nếu tác động cơ học sẽ làm phá hoại cấu trúc tinh thể, lực dính giảm nhanh và không còn phát triển được nữa Giai đoạn này tính từ khi bắt đầu ninh kết tới khi kết thúc ninh kết

- Giai đoạn cấu trúc ổn định: Là dạng cấu trúc tinh thể, lực dính phát triển

đều Phản ứng thuỷ hoá vẫn còn nhưng yếu Chỉ còn tác động cấu trúc qua các dưỡng hộ bên ngoài( nhờ nhiệt độ và độ ẩm phát triển đều lực dính và tạo ra ảnh hưởng phụ của ứng suất nhiệt trong hỗn hợp bê tông, kích thích phản ứng thuỷ hoá) Quá trình này bắt đầu từ khi quá trình rắn kết xuất hiện,

bê tông mất hoàn toàn tính dẻo, lực dính chủ yếu bắt đầu trong giai đoạn này

3.3.3 Trên cơ sở cấu trúc vi mô đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới yêu cầu cường độ của bê tông

3.3.3.1 Xét yêu tố cường độ ở dạng cấu trúc vi mô của bê tông

Khảo sát cấu trúc một mẫu bê tông xi măng ta thấy có cốt liệu đá A, màng liên kết vữa xi măng cát B Khi có tải tác dụng, trong A và B đều xuất hiện ứng suất pháp σ và ở tất cả các bề mặt tiếp xúc A,B là σA và σB còn lực dính xuất hiện lực mặt và sinh ra ứng suất bề mặt τba Cường độ giới hạn trong bê tông thường rất cao, do vậy tính chất chịu lực của cấu trúc bê tông phụ thuộc giới hạn cường độ của σBvà τba Các thí nghiệm chỉ ra rằng, điểm yếu nhất trong cấu trúc tập trung ở tập hợp lực dính AB Do vậy, tính chất chịu lực của

bê tông phụ thuộc tính chất dính bám giữa xi măng và cốt liệu lớn(Thí nghiệm cho thấy ở điểm chịu lực cực hạn vết nứt bắt đầu hình thành tại bề mặt AB,

Trang 36

sau đó phát triển qua lớp vữa xi măng giữa các bề mặt AB, cuối cùng mẫu bị phá huỷ

Cường độ giới hạn của ứng suất mặt τba chính là cường độ lực dính Vậy

điểm thú nhất để tác động tăng cường đó là tăng cường độ dính giữa vữa xi măng và cốt liệu lớn Phân tích khi giá trị của tải trọng tác dụng làm cho ứng suất mặt giữa vữa xi măng và cốt liệu đạt giá trị cường độ dính Rd thì bắt đầu xuất hiện các vết nứt mặt trên mặt liên kết Bê tông đã bắt đầu vào giai đoạn phá hoại nhưng vẫn chưa bị phá hoại, nếu tiếp tục tăng tải tới một giá trị nào

đó sinh ra nội ứng suất trong vữa xi măng vượt quá khả năng chịu lực của nó thì phát sinh vết nứt xuyên nối các vết nứt mặt với nhau tạo nên các đường nứt dích dắc trên bề mặt bê tông và làm cho toàn bộ kết cấu bê tông bị phá huỷ

Vì vậy, điểm thứ hai cho việc tác động tăng cường độ của bê tông là tăng cường độ của vữa xi măng Rv

Nhưng ta biết rằng, khi hình thành các vết nứt mặt của kết cấu bê tông làm tính đồng nhất của vữa xi măng giảm, do đó khả năng chịu lực của vữa xi măng lúc này (trong bê tông) nhỏ hơn cường độ của vữa xi măngRv ( khi là mẫu liền khối) và chính khả năng chịu lực của vữa xi măng trong sự tác động của cốt liệu lớn làm giảm tính đồng nhất và cường độ của bê tông Do vậy, về mặt tương quan cường độ của bê tông là giá trị nằm giữa cường độ dính Rd

và cường độ vữa xi măng Rv

Đặc trưng của lực dính:

+ Lực dính là đại lượng đặc trưng cho cấu trúc chịu lực của bản thân vật liệu bê tông

+ Lực dính phát triển chậm (điều đó lý giải tại sao sau 28 ngày cường độ

bê tông vẫn tăng lớn do sự phát triển của lực dính và đặc trưng của phản ứng thuỷ hoá vẫn tiếp tục huỷ hoá lõi xi măng khan làm tăng độ mạnh cấu trúc vữa xi măng)

Sau 70 ngày, cường độ dính Rd và cường độ chịu uốn (nén) của vữa xi măng (R ub, Rnb) xấp xỉ bằng nhau

Giáo sư Oztekin còn đưa ra công thức thực nghiệm nói lên mối quan hệ của các cường độ trên cho các ngày tuổi

Cường độ chịu uốn:

Rub= 0.428Ruv + 0.128 Rd + 0.08(Mpa)

(Hệ số tương quan sai khác thực tế trung bình là 0.983)

Trang 37

Cường độ chịu nén:

Rnb= 0.526Rub + 2.665 Rd + 3.3(Mpa)

(Hệ số tương quan sai khác thực tế trung bình là 0.985)

Tuy nhiên, cường độ lực dính có thể khác nhau tại mỗi mặt liên kết vữa xi măng và cốt liệu lớn Cũng như ngay cả tập hợp vữa xi măng cũng tưởng tượng có vô số mặt phẳng cắt qua nó và mỗi mặt phẳng lại có cường độ chịu lực khác nhau ( tất nhiên lực dính mỗi mặt dính giữa vữa xi măng và cốt liệu cũng khác nhau tuỳ theo diện tích mặt liên kết, lực dính D= RdF, trong đó F là diện tích mặt ngoài của cốt liệu ) , và chắc chắn bê tông bị phá huỷ theo mặt phẳng không gian dích dắc yếu nhất( đó là mặt nối các tập hợp có cường độ chịu lực bé nhất) Chính mặt không gian yếu cục bộ này lại quyết định tới cường độ bê tông và cũng nó chi phối lý luận về việc tăng cường độ cảu vữa

xi măng và cường độ dính

Như vậy, chúng ta có thể tăng cường độ bê tông bằng cách tăng tính liên tục đồng nhất của hỗn hợp bê tông ( có các biểu hiện trực quan qua độ chặt của bê tông)

Tóm lại, xét về mặt cấu trúc và phân tích quá trình hình thành cường độ bê tông, muốn đảm bảo chất lượng bê tông ta phải tác động làm tăng cường độ dính Rd, tăng cường độ vữa xi măng Rv và tăng tính đồng nhất của bê tông

3.3.3.2 Các hướng kỹ thuật làm tăng cường độ dính (Rd)

Cường độ lực dính xuất hiện khi bê tông kết thúc quá trình ninh kết và giá trị của nó tăng dần theo thời gian tới giá trị cực đại của cường độ bê tông nhưng nó cũng giảm dần ở giai đoạn bê tông bị bão hoà theo thời gian sử dụng và điều kiện sử dụng Cường độ dính phụ thuộc vào một số yếu tố sau: Loại xi măng, hình dạng cốt liệu, tính chất bề mặt, tính chất cơ lý mặt cốt liệu( tính chất nhiệt ẩm ), áp lực ép vữa xi măng vào đá

Tất nhiên ta có thể thấy khi sử dụng xi măng cường độ cao, cốt liệu có tổng diện tích bề mặt lớn( cùng đường kính ), tính chất bề mặt nhám và sạch thì tăng cường độ lực dính Rd Nhưng ở đây tập trung xem xét hai nhân tố quan trọng, áp lực ép vữa xi măng và tính chất nhiệt ẩm của cốt liệu

Nếu tạo được lực ép vữa xi măng vào cốt liệu qua thiết bị đầm rung lớn thì

áp lực ép giữa đá và xi măng và cốt liệu sẽ lớn Nhưng nếu thời điểm kết thúc đầm quá dài thì lại có tác dụng ngược lại phá huỷ liên kết mới tạo thành

và làm lực dính không thể phục hồi lại đươc

Tính chất nhiệt ẩm của cốt liệu có liên quan tới sự hình thành và độ lớn của ứng suất nhiệt riêng phát sinh tại lớp vữa tiếp xúc trực tiếp với cốt liệu , ứng

Trang 38

suất nhiệt riêng gây tính không liên tục của vữa xi măng tại bề mặt tiếp xúc

và làm cho liên kết này tiến nhanh hơn tới giới hạn cường độ (cường độ dính giảm ) Bản chất của hiện tượng trên là ở chỗ : cốt liệu đá (thường là đá dạng vôi ) có tính chất hút nước , lượng nước hút tuỳ thuộc tính chất đá , bề mặt có lớp bột bụi bẩn tuy nhiên thường lượng hút nước khoảng 5% Khi chộn vào hỗn hợp bêtông nó bắt đầu hút nước , kết thúc quá trình ninh kết vữa xi măng , cốt liệu mới thực sự xuất hiện và phát triển ổn định , vào lúc này việc hút nước của cốt liệu làm cho xi măng tại lớp vữa lại tiếp tục lại mất nước cho quá trình thuỷ hoá bị chậm lại đột ngột , lõi xi măng khan trong các hạt xi măng của lớp vữa tiếp xúc chiếm hàm lượng lớn hơn bìng thường Lớp vữa tiếp xúc với đá yếu hơn các lớp xa hơn Đó là nguyên nhân dẫn đến cường độ dính suy giảm Ngoài ra , việc hút nước của đá có thể phát sinh ứng nhiệt trong lớp vữa xi măng tiếp xúc do sự tiêp xúc với cốt liệu và lớp vữa xi măng lân cận đó

Ưng suất nhiệt còn phát sinh do sự chênh lệch nhiệt độ của lớp vữa xi măng và cốt liệu Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình thuỷ hoá làm cho nhiệt

độ của lớp vữa xi măng cao hơn cốt liệu có sự truyền nhiệt từ lớp vữa xi măng tiếp xúc cho cốt liệu làm phát sinh sự chênh lệch nhiệt độ giữa cốt liệu và lớp vữa lân cận với lớp tiếp xúc , kết quả là phát sinh ứng suất trong lớp vữa xi mâng tiếp xúc Bản chất ở đây giống với bản chất hiện tượng phát sinh ứng suất riêng tại lớp mặt bêtông tiếp xúc với mội trường , vì ứng suất này kết hợp với sự cản trở sự dịch vị của lớp bêtông do cốt thép mà đã phát sinh ra nứt do

co ngót

Lợi dụng tính chất nhiệt ẩm này vào sự tác động tăng cường độ dính R là làm cho đá no nước trước khi trộn chung các thành phần và có thể phải làm lạnh cốt liệu (khi thời tiết nóng) trước khi trộn tuy nhiên đây chỉ là biện pháp

kỹ thuật nhỏ đơn giản và rất cần thiết

Ngoài ra để tránh xuất hiện điểm trên mặt cốt liệu yếu cục bộ phải đảm bảo sự bao phủ đều trên khắp bề mặt cốt liêụ bằng vữa xi măng Điều này

có được nhờ kỹ thuật trộn và tính linh động của vữa xi măng

Tóm lại , hướng kỹ thuật sẽ là :

+ Tác động cơ học hợp lý

+ Cải thiện tính chất nhiệt ẩm của cốt liệu

+ Tăng tính linh động của các hạt xi măng thuỷ hoá

3.3.3.3 các hướng kỹ thuật tăng cương độ vữa của xi măng

Trang 39

Cường độ vữa xi măng phụ thuộc cường độ xi măng , giảm hàm lượng lõi

xi măng khan chưa được thuỷ hoá

Tuy nhiên giải pháp tăng cường hàm lượng xi măng là giải pháp không hiệu quả , lý do là do tính chất không thể xếp xít nhau của các hạt xi măng tất yếu gây ra các lỗ rỗng trong cấu trúc vữa xi măng Tăng cường độ vữa xi măng cho mục đích tăng cường bê tông Tốt nhất là sử dụng xi măng có chất lượng cao với hàm lượng xi măng hợp lý Điều này còn cho phép giảm các hiệu ứng phụ trong bê tông

3.3.4 cường độ của bê tông

3.3.4.1 Xác định cường độ của bê tông

Thường việc này phải được thực hiện ngay trên mẫu chuẩn Mẫu thử có thể

là mẫu lập phương 15x15x15 cm Kết quả thử trên mẫu này là khá ổn định,

do đã loại trừ ảnh hưởng phá huỷ cục bộ do nở ngang ở các nước châu Âu,

Mỹ, Nhật lại dựa trên cơ sở mẫu trụ 15x30cm hợp lý về mặt chịu lực thực tế Quy trình xác định cường độ trong điều kiện nghiêm ngặt (điều kiện dưỡng

hộ, bề mặt mẫu, số lượng mẫu, cách lấy mẫu trong hỗn hợp, cách gia tăng tải ) và giá trị cường độ là kết quả sự kết hợp các giá trị chịu lực cực hạn và tính sắc suất của kết quả thử Cách đánh giá cường độ qua các bước sau:

- Lấy mẫu thử hỗn hợp bê tông, dưỡng hộ trong điệu kiện tiêu chuẩn

- Tác dụng chịu lực để xác định giá trị cực hạn của cường độ từng mẫu bê tông(Ri)

- Tính các giá trị sắc suất:

+ Cường độ trung bình:

n

R S

n

i i m

n

i

m i R

Trang 40

K - Hệ số an toàn xét đến sự bất lợi do tính không đồng nhất hay không

ổn định trong thi công, loại bỏ tác động bất lợi tạo ra mẫu kém phẩm chất(thường hệ số K≈1,3 và bê tông mác cao thì hệ số K≥1,3 và bê tông mác rất cao thì hệ số K còn lớn hơn nữa)

Cv- Hệ số biến sai nói lên sự biến động về số liệu cường độ của mẫu và cường độ trung bình của lô mẫu Bên trong thì hệ số K biểu hiện trình độ thi công, mức độ ổn định trong chế tạo bê tông Công nghệ càng cao và ổn định thì hệ số Cv càng nhỏ Các quy trình đều quy đinh giới hạn của Cv và với mác bê tông càng cao thì hệ số Cv đòi hỏi càng giảm(đây là vấn đề khó đạt

được ở Việt Nam nếu chúng ta không có công nghệ bê tông mạnh và đồng bộ) và sự tác động của vật liệu bê tông tới công trình càng lớn Khi sản xuất mác bê tông lớn hơn M500, đòi hỏi Cv <0,125 Chú ý ở đây hệ số 1,64 là hệ

số sắc xuất đảm bảo số lượng mẫu có cường độ lớn hơn cường độ trung bình

đạt 95% hay viết RTC = 0,795 Rm (khi lấy Cv = 0,125)

Để tiến hành so sánh khi cần thiết người ta phải tính đổi cường độ hình lập phương và mẫu trụ tròn theo công thức:

Để so sánh và phân loại người ta có khái niệm mác bê tông là giá trị cường

độ chịu nén mẫu tiêu chuẩn (Do vậy sự sai khác về quy định mác bê tông theo TCVN và các nước khác tính đơn giản theo công thức 3)

b Các loại cường độ của bê tông

Các loại cường độ của bê tông được chỉ dẫn trong các quy đinh thiết kế,

được xây dựng trên cơ sở ý tưởng tính toán riêng biệt Do vậy mẫu tiêu chuẩn lại có quy đinh khác nhau về số lượng, đặc điểm của mỗi loại cường độ Với

sự hoàn thiện về mặt lý thuyết thì quy định về cường độ cần cụ thể tạo ra cơ

sở để các tính toán thiết kế giống vơí sự làm việc thực của kết cấu

Cường độ được phân loại như sau:

- Theo trạng thái giới hạn tính toán:

+ Cường độ tiêu chuẩn: RTC( trạng thái giới hạn 2,3)

+ Cường độ tính toán: RTT( trạng thái giới hạn 1)

Định dạng
Số trang	80
Dung lượng	0,91 MB