Nghiên cứu ứng dụng bê tông tự rèn trong xây dựng đường otô, sân bay

Nghiên cứu ứng dụng bê tông tự rèn trong xây dựng đường otô, sân bay

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊTÔNG TỰ LÈN TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ, SÂN BAY

A STUDY ABOUT APPLICATION OF SELF-COMPACTING CONCRETE FOR HIGHWAY & RUNWAY

SVTH: LÊ HỒNG ANH-NGUYỄN TUẤN VIỆT

03X3A, Khoa XDCĐ, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHĐN

GVHD: GVC.ThS NGUYỄN BIÊN CƯƠNG

Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách Khoa

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu thiết kế cấp phối Bêtông tự lèn SCC (Self Compacting Concrete) với đầy đủ các tính chất cơ lý (tính công tác của hỗn hợp bêtông SCC cũng như tính chất cơ lý của bêtông) thoả mãn các yêu cầu khi áp dụng vào thi công mặt đường bêtông xi măng trong xây dựng đường ô tô, sân bay

ABSTRACT

This report discusses about designing aggregate gradation of SCC (Self-Compacting Concrete) with suitable physical-mechanical characteristics such as properties in the fresh state and in the hardening state of SCC to satisfy the demands for applications in Highway and Runway

1 Mở đầu

1.1 Đặt vấn đề

Phát triển mặt đường BTXM là một định hướng trong tương lai gần cho đường trục ô

tô và đường sân bay ở việt nam Tuy nhiên, thiết bị san rải và đầm nén loại mặt đường này hiện nay rất đắt Nếu tuyến có quy mô, khối lượng nhỏ, thường thì phương án mặt đường BTXM khó được lựa chọn

Trên thế giới, việc ứng dụng SCC (Self-Compacting Concrete) trong lĩnh vực xây dựng hiện nay không phải là mới SCC đã được sử dụng trong hàng loạt các công trình xây dựng lớn trên thế giới như cầu Akagashi, cầu Ritto trên tuyến đường cao tốc mới Meishin-Nhật Bản hay ở trong nước gần đây nhất là chung cư Trung Hoà (công ty VINACONEX thi công) Việc nghiên cứu ứng dụng thành công SCC làm mặt đường BTXM cho phép mở rộng phạm vi

áp dụng loại mặt đường này trong điều kiện nước ta mà không nhất thiết phải nhập những thiết

bị thi công đặc chủng, tốn kém kinh phí

1.2 Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu thiết kế cấp phối SCC có đầy đủ các tính chất: tính công tác của hỗn hợp bêtông SCC cũng như tính chất cơ lý của

bêtông, thoả mãn các yêu cầu để ứng dụng thi

công mặt đường bêtông xi măng trong đường ô

tô – sân bay Cụ thể là:

- Độ chảy xoè SF= 650÷760 (mm)

- Thời gian độ chảy xoè đạt 500mm

T 500 = 3÷7 (s)

- BT SCC: thiết kế bêtông

M55/6,5;M60/7,0

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về cốt liệu, cấp

phối, hỗn hợp SCC, tính chất SCC vă câc phương phâp thử nghiệm cần thiết

1.4 Phương phâp nghiín cứu

Phương phâp tính toân lý thuyết kết hợp thực nghiệm trong phòng (thí nghiệm câc chỉ tiíu cơ lý vật liệu, hỗn hợp vă tính chất SCC)

2 Nội dung nghiín cứu

2.1 Tổng quan về Bítông tự lỉn SCC

Bí tông tự lỉn SCC (Self-compacting concrete) lă bí tông có khả năng chảy dưới trọng lượng bản thđn vă lăm đầy hoăn toăn cốp pha thậm chí trong cả những nơi dầy đặc cốt thĩp mă không cần bất cứ tâc động cơ học năo mă vẫn đảm bảo tính đồng nhất

SCC có câc đặc điểm tương đối giống câc loại BTXM thông thường, được chế tạo từ câc vật liệu cấu thănh như chất kết dính xi măng, cốt liệu, nước vă phụ gia

Sự khâc nhau cơ bản trong công nghệ thi công SCC lă không có công đoạn tạo chấn động lỉn chặt bí tông Ðể lăm đầy cốp pha bằng

trọng lượng bản thđn nó, SCC cần đạt khả năng

chảy cao đồng thời không bị phđn tầng Vì vậy đặc

trưng cơ bản của loại bí tông năy lă sự cđn bằng

giữa độ chảy vă sự không phđn tầng của hỗn hợp

bí tông Ðể đạt được điều năy, SCC cần có câc yíu

cầu sau:

- Sử dụng phụ gia siíu dẻo để đạt khả năng

chảy dẻo cao của hỗn hợp bí tông

- Sử dụng hăm lượng lớn phụ gia mịn để tăng độ linh động của vữa xi măng

- Hăm lượng cốt liệu lớn trong bí tông ít hơn so với bí tông thông thường

Nguyín tắc thiết kế thănh phần SCC

ĐẠT

THÀNH PHẦN BÊTÔNG TỰ LÈN

Yêu cầu thiết kế bêtông

- Tính công tác của hỗn hợp bêtông

- Mức độ tự lèn của nhóm hỗn hợp bêtông

- Tính chất cơ lý của bêtông

Cấu trúc cấu kiện Phương pháp thi công Điều kiện môi trường

Trộn hỗn hợp bêtông

Tính chất cơ lý của bêtong

(2) Kích thước lớn nhất của cốt liệu, tỉ lệthể tích cốt liệu lớn nhất trong hỗn hợp bêtông (6) Hàm lượng bột, ximăng, phụ gia mịn

(8) Hàm lượng cốt liệu nhỏ

Hỗn hợp bêtông

(7) Phụ gia siêu dẻo

(3) Hàm lượng nước

(4) Tỉ lệ Nước/Ximăng+PG mịn

(5) Tỉ lệ Nước/Ximăng

(1) Nguyên vật liệu

THIẾT KẾ THÀNH PHẦN

ĐẠT

KHÔNG

ĐẠT

KHÔNG ĐẠT

Hình 1 Nguyín tắc thiết kế thănh phần bítông tự lỉn SCC

Theo giáo sư Okamura và Ozawa, khi thiết kế thành phần SCC cần sử dụng các nguyên tắc sau:

- Tỷ lệ nước/bột thấp

- Hàm lượng phụ gia siêu dẻo cao

- Hàm lượng cốt liệu lớn tối thiểu

Các yêu cầu khác tương tự như với bêtông thường

Phương pháp thiết kế thành phần SCC

Hiện nay, có nhiều phương pháp thiết kế thành phần SCC được đưa ra trên thế giới Trong số đó có 2 phương pháp thiết kế thành phần SCC thường được áp dụng là:

- Phương pháp thiết kế thành phần SCC của Hiệp Hội Bêtông Nhật Bản (JSCE) và EFNARC (Anh)

- Phương pháp thiết kế của giáo sư Okamura (Nhật Bản)

Theo phương pháp thiết kế của JSCE & EFNARC thì quá trình thiết kế thành phần

SCC được JSCE thiết lập năm 1998 và EFNARC năm 2002 (điều chỉnh năm 2005), dựa trên các kinh nghiệm nghiên cứu cũng như thực tế tại các công trường ở Nhật Bản và Châu Âu, được trình bày tóm tắt ở Hình 2

Hình 2 Quy trình thiết kế SCC theo JSCE Hình 3 Quy trình thiết kế SCC theo

Hàm lượng khí 4-7%

Quan hệ tỷ lệ thể tích CLL: 0,50

Lượng CLL cho 1 m 3 bêtông

Tỉ lệ thể tích CLN trong thể tích vữa: 0,4

Hàm lượng cốt liệu nhỏ CLN

Kiểm tra đạt độ xoè vữa bằng 245mm

Tỉ lệ Nước/Bột

Kiểm tra:

Đạt độ xoè vữa bằng 245 mm Thời gian chảy qua phễu V: 10 giây

Hàm lượng phụ gia

Lượng cốt liệu lớn cho 1m3 bêtông

Thể tích tuyệt đối CLL: 0,28-0,35 m3

Ðường kính hạt lớn nhất Dmax: 20-25 mm

Hàm lượng nước: 150-210 lít

Tỉ lệ N/B: 28-37% theo khối lượng

0,85-1,10 theo thể tích Hàm lượng Bột: 380-600 kg Hàm lượng khí: 4,5%

Hàm lượng CLN Hàm lượng phụ gia siêu dẻo

Phương pháp thiết kế thành phần của giáo sư OKAMURA và các đồng nghiệp: GS Okamura là một trong những người tiên phong nghiên cứu về SCC tại Nhật Bản Phương pháp thiết kế thành phần của ông được đưa ra từ năm 1993 và trình bày tóm tắt ở Hình 3

Một số ví dụ về cấp phối SCC đã được sử dụng ở Nhật Bản (J), Châu Âu (E) và Hoa

Kỳ (U) được thể hiện ở các Bảng 1

Bảng1 Một số cấp phối SCC đã được sử dụng tại Nhật Bản, Châu Âu và Hoa Kỳ

Bột đá vôi, kg 0 0 0 245 0 0 0 0 0

Trong đó:

+ *: đơn vị ml

+ ***: cấp phối 1 sử dụng xi măng Portland toả nhiệt thấp

+ *1: cấp phối sử dụng cho bêtông làm bể chứa LNG

+ *2: cấp phối sử dụng cho bêtông móng giếng chìm khối lớn của cầu

+ *3: cấp phối sử dụng cho kết cấu bêtông cốt thép

+ HRWR: phụ gia siêu dẻo giảm nước mức độ cao

+ VMA: phụ gia điều chỉnh độ nhớt

Nhận xét và đề xuất phương pháp thiết kế cấp phối:

Phương pháp thiết kế thành phần theo EFNARC tương đối rõ ràng với các chỉ tiêu cụ

thể hơn so với phương pháp thiết kế thành phần theo giáo sư Okamura

Với phương pháp VMA-type sử dụng hàm lượng lớn phụ gia điều chỉnh độ nhớt Loại

phụ gia này có giá thành đắt, do đó sẽ tăng chi phí khi áp dụng vào xây dựng

Từ những nhận xét trên, đề xuất phương pháp thiết kế thành phần theo EFNARC kết

hợp phương pháp Powder-type (sử dụng hàm lượng bột đá vôi lớn kết hợp silicafume) nhằm

giảm giá thành, tạo cho SCC có tính ứng dụng cao vào xây dựng đường ô tô

2.2 Lựa chọn, thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu

Nguyên vật liệu để chế tạo SCC gồm xi măng, silica fume, bột đá vôi, cốt liệu nhỏ, cốt

liệu lớn và phụ gia siêu dẻo

- Xi măng: đề xuất sử dụng XM Nghi sơn PCB40

- Phụ gia mịn làm đầy: nhằm giảm giá thành,nâng cao khả năng ứng dụng SCC, đề tài

sử dụng 2 loại sau:

- Bột đá vôi Nghệ An

- Silica fume PP1: cung cấp bởi SIKA, γ sf x =2g/cm 3

- Cốt liệu mịn (cát): đề xuất dùng cát Tuý Loan

- Cốt liệu thô: đề xuất dùng loại đá Phước Tường Dmax10

- Phụ gia siêu dẻo: sử dụng Viscocre HE10-AT cung cấp bởi SIKA, liều dùng 1,1%

Các loại vật liệu thành phần trên có các chỉ tiêu cơ lý đạt yêu cầu dùng cho BTXM,

được kiểm chứng tại PTN VLXD và PTN cầu-đường trường ĐHBK – ĐHĐN

2.3 Lựa chọn phương pháp chế bị mẫu và thí nghiệm

Các phương pháp thí nghiệm xác định các tính chất cơ bản của hỗn hợp SCC được

trình bày ở bảng 2

Bảng 2.Các phương pháp thí nghiệm hỗn hợp SCC

Tính chất hỗn hợp SCC Thí nghiệm kiểm tra

Khả năng chảy SF Thí nghiệm độ chảy xoè SF

Tính nhớt Thí nghiệm thời gian độ chảy xoè đạt 500mm T500

Khả năng chảy qua cốt thép Thí nghiệm hộp L (hoặc vòng J)

Khả năng chống phân tầng Thí nghiệm phễu V sau 5phút

Hình5 Thí nghiệm chảy xoè-kiểm tra khả năng chảy và độ nhớt của hỗn hợp SCC

Do tính chất của đường BTXM là bố trí rất ít cốt thép hoặc có bố trí nhưng không đáng

kể nên chọn tính công tác chính của hỗn hợp SCC là khả năng chảy SF & tính nhớt

Thí nghiệm cường độ chịu nén và cường đọ chịu kéo của mẫu BTXM nên sử dụng các mẫu dầm 15x15x60

2.4 Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của SCC

Các cấp phối nghiên cứu thể hiện ở Bảng 3

Bảng 3 Các cấp phối SCC nghiên cứu

CP 1 (M55/6,5) CP 2 (M60/7,0) Khối lượng cốt liệu lớn (Đ) kg/m3 728,73 728,73 Hàm lượng bột (B=SF+XM) kg/m3 500,00 528,00 Hàm lượng silica fume (SF) kg/m3 45,45 48,00 Hàm lượng ximăng (XM) kg/m3 454,55 480,00

Hàm lượng bột đá vôi (BĐ) kg/m3 90,91 96,00

Kết quả thí nghiệm khảo sát các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp SCC, tính chất của SCC được thể hiện ở Bảng 4

Bảng 4 Tính công tác của hỗn hợp SCC và cường độ SCC

Cấp Phối

SCC

Tính công tác

Cường độ R7

Cường độ R14

Cường độ R21

Cường độ R28

SF (mm) T(s) 500 (Mpa) Rn (Mpa)Rku (Mpa)Rn (Mpa)Rku (Mpa)Rn (Mpa) Rku (Mpa)Rn (Mpa)Rku

CP 1

M55/6,5 725 6 51,90 6,86 62,28 8,04 65,15 8,27 65,96 8,52

CP 2

M60/7,0 710 7 59,98 8,58 70,47 9,12 72,62 9,58 73,42 9,82

3 Kết luận

n Đề tài đã đạt được mục tiêu đề ra là thiết kế được các cấp phối SCC dùng trong xây dựng đường như đã đề cập ở mục 1.2

o Chỉ tiêu quan trọng đối với mặt đường BTXM là giá trị cường độ kéo khi uốn Rku

cao, ở các ngày tuổi cấp phối nghiên cứu đều đạt Rku=(10÷15)%Rn, thoả mãn yêu cầu về cường độ đối với mặt đường BTXM dùng cho đường ô tô – sân bay

Những hạn chế của đề tài: đề tài chưa nghiên cứu được các tính chất quan trọng khác của

SCC: tính co ngót, hệ số giãn nở vì nhiệt, hàm lượng cuốn khí Các giá trị cường độ SCC thí

nghiệm được vẫn cao, vượt hơn nhiều so với mục tiêu ban đầu đề ra, từ đó dẫn tới các cấp

phối thu được có thể chưa đảm bảo tính kinh tế

Kiến nghị hướng phát triển của đề tài : cần tiếp tục mở rộng phạm vi nghiên cứu cấp phối nhằm đáp ứng đủ các yêu cầu về cấp và mác BTXM cho nhiều cấp hạng đường khác nhau

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] EFNARC (2002,2005), The European Guidelines for Self-Compacting Concrete,

www.efnarc.org

[2] Hajime Okamura and Masahiro Ouchi (2003), Self-Compacting Concrete, Japan Concrete

Institute

[3] Test Methods for Self-Consolidating Concrete, www.graceconstruction.com

[4] Ouchi, Nakamura, Osterson, Hallberg, and Lwin (2003), Applications of Self-Compacting

Concrete in Japan, Europe and The United States

[5] Dr.R.Sri Ravindraraja, D Siladyi and B Adamopoulos, Development of High-Strength

Self-Compacting Concrete with reduced segregation potential

[6] ACI 211.4R-93 (reapproved 1998), Guide for Selecting Proportions for High-Strength

Concrete with Porland Cement and Fly Ash

[7] Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng , Công Nghệ Bêtông Tự Lèn

[8] Bộ Xây Dựng (2000), Chỉ Dẫn Kỹ Thuật Thiết Kế Thành Phần Bêtông Các Loại, NXB Xây Dựng, Hà Nội

[9] Phạm Duy Hữu, Ngô Xuân Quảng (2004), Vật Liệu Xây Dựng, NXB Giao Thông Vận

Tải, Hà Nội

[10] Phùng Văn Lư, Phạm Duy Hữu, Phan Khắc Trí (2001), Vật Liệu Xây Dựng, NXB Giáo Dục, Hà Nội