Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định quan hệ toán học giữa mô đun của cát và cấp phối đến độ dẻo của hỗn hợp và cường độ đặc trưng của vữa đóng rắn, từ đó xác định được mức độ ảnh hưởng của các biến và định hướng thành phần tối ưu cho vữa theo yêu cầu thiết kế.
Trang 1S¬ 28 - 2017
KHOA H“C & C«NG NGHª
Ảnh hưởng của mô đun độ lớn của cát
và thành phần vật liệu đến tính chất của vữa xây dựng
Effect of modulus of sand and material composition to properties of mortar
Nguyễn Duy Hiếu, Trương Thị Kim Xuân
Tóm tắt
Tính chất của vữa xây dựng không chỉ phụ thuộc cấp phối của nó mà còn chịu ảnh hưởng của mô đun độ lớn của cát Theo đó, khi tính toán
và chọn cấp phối vữa để đạt độ dẻo của hỗn hợp và cường độ thiết kế cần quan tâm đến mô đun của cát Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định quan hệ toán học giữa mô đun của cát và cấp phối đến độ dẻo của hỗn hợp và cường độ đặc trưng của vữa đóng rắn, từ đó xác định được mức độ ảnh hưởng của các biến và định hướng thành phần tối
ưu cho vữa theo yêu cầu thiết kế.
Từ khóa: Cường độ (Rn); Độ dẻo (D); Mô
đun độ lớn của cát (Mđl); Tỷ lệ nước–xi măng (N/X); Tỷ lệ xi măng-cát (X/C)
Abstract
The properties of mortar not only depend
on its material composition but also on the modulus of sand, accordingly when calculating and selecting motar aggregate
to achieve the plasticity of the mixture and the designed strength of the mortar should pay attention to the modulus of sand This paper presents the results of empirical studies that determine the mathematical relationship between component, modulus of sand, the plasticity of the mixtures and the strength
of the harded mortar, thus identifying the degree of the influence of the variables and the optimum component orientation for the mortar according to the design
requirements.
Keywords: Compressive strength; Plasticity;
Fine modulus of sand; Ratio of water to cement; Ratio of sand to cement
PGS.TS Nguyễn Duy Hiếu
Khoa Xây dựng Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: hieunduynghau@gmail.com
ThS Trương Thị Kim Xuân
Khoa Xây dựng Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: hoangan6869@gmail.com
1 Đặt vấn đề
Hỗn hợp vữa là một hệ đa phân tán nhiều cấu tử nhận được sau khi trộn hỗn hợp xi măng và cốt liệu nhỏ với nước, có thể xem hỗn hợp vữa như một hệ gồm hai pha là hồ xi măng và cốt liệu; tính chất của vữa phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất của vật liệu thành phần [2] Việc cho cốt liệu nhỏ (cát) vào hồ xi măng gây ảnh hưởng quan trọng đến tính chất của vữa, mô đun độ lớn của cát ảnh hưởng quyết định đến bề mặt riêng của nó, qua
đó gây tác động đến những lớp hồ xi măng gần nhất
Việc lựa chọn được vật liệu và cấp phối vữa phù hợp, độ lưu động và cường độ của vữa đạt yêu cầu ở mức cao, tạo tiền đề để đảm bảo tốt nhất các tính năng làm việc của vữa trên kết cấu công trình là rất quan trọng Mô tả được những tính chất của hỗn hợp vữa, cường độ của vữa và sự phụ thuộc của chúng vào các yếu tố khác nhau, điều khiển được quá trình chế tạo, phương pháp thi công và cứng rắn của vữa là một vấn đề rất quan trọng Đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của vật liệu và cấp phối đến các tính chất của vữa xây dựng [2], và trên cơ sở đó đã hình thành các tiêu chuẩn khác nhau về
Bảng 1 Thành phần hạt của các loại cát sử dụng.
Kích thước lỗ sàng, mm
Cát vàng, C1 Cát vàng, C2 Lượng sót
riêng biệt, % Lượng sót tích lũy, % riêng biệt, %Lượng sót Lượng sót tích lũy, %
Bảng 2 Tính chất cơ lý của các loại cát sử dụng.
Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị Phương pháp thí nghiệm
Cát C1 Cát C2
Khối lượng riêng g/cm3 2.67 2.67 TCVN 7572-4:2006 Khối lượng thể tích xốp kg/m3 1484 1526 TCVN 7572-6:2006
Độ hút nước % 0.5 0.83 TCVN 7572-4:2006
Mô đun độ lớn, Mđl - 1.20 2.80 TCVN 7572-2:2006 Hàm lượng bùn, sét % 0.4 1.07 TCVN 7572-8:2006
Bảng 3 Tính chất cơ lý của xi măng Vicem Bút Sơn PCB30.
3 Lượng sót sàng trên sàng No009 % 4,2
5 Thời gian bắt đầu đông kết Phút 125
Thời gian kết thúc đông kết 220
6 Cường độ chịu nén tuổi 3 ngày MPa 22,8 Cường độ chịu nén tuổi 28 ngày 39,0
Trang 218 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG
vữa xây dựng [5], [9], [10]; Tuy nhiên những công trình này
có hạn chế là chỉ được thực hiện bằng phương pháp thực
nghiệm cổ điển, dĩ nhiên không thể mô tả đầy đủ và định
lượng đủ độ tin cậy các mối tương quan trong hệ Bởi vậy,
hiện nay việc lựa chọn cấp phối vữa xi măng - cát chủ yếu
là tra theo bẳng có sẵn, hoặc tính toán sơ bộ lượng dùng xi
măng sau đó tra bảng tìm cốt liệu [1], [2] Những bảng tra này
được tổng kết từ các thực nghiệm chỉ có ý nghĩa nhất định
khi điều kiện thực tế gần với điều kiện thí nghiệm, do đó để tối
ưu được cấp phối vữa từ bảng tra là khó thực hiện, mặt khác
trong các bảng tra thường không đưa ra lượng dùng nước
Những hạn chế nêu trên có thể được giải quyết nhờ xây
dựng hàm hồi quy toán học mô tả sự phụ thuộc của tính chất
vữa theo các biến cơ bản phản ánh bản chất cốt liệu và cấp
phối vữa Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, có
thể thiết lập các hàm hồi quy mô tả mức độ và quy luật ảnh
hưởng của cấp phối (qua tỷ lệ X/C và N/X) và tính chất của
cốt liệu (qua mô đun độ lớn của cát Mđl) đến độ lưu động và
cường độ đặc trưng của vữa
2 Chương trình thực nghiệm
2.1 Vật liệu sử dụng
- Xi măng PCB30 Vicem Bút Sơn, tính chất cơ lý như
bảng 3, thỏa mãn TCVN 6260: 2009 [7]
- Nước sạch dùng cho sinh hoạt, thỏa mãn tiêu chuẩn
TCVN 4506: 2012 [8]
- Cát tự nhiên (cát vàng) thỏa mãn yêu tiêu chuẩn TCVN
7570:2006 [6], mô đun độ lớn và tính chất cơ lý như bảng 1
và bảng 2
Từ hai loại cát này tính toán và chế tạo được hỗn hợp cát
có Mđl trong khoảng 1.2 – 2.8
2.2 Thiết lập ma trận thực nghiệm
Trên cơ sở các nghiên cứu đã có, định hướng sử dụng phương pháp toán quy hoạch thực nghiệm bậc hai tâm xoay [3] Bằng lý thuyết và khảo sát thăm dò, đã lựa chọn các biến độc lập và xác định được khoảng biến thiên phù hợp của chúng Ba biến thực là: tỷ lệ xi măng - cát theo thể tích xốp (Z1=Vox/Voc) khoảng biến thiên: 0,25 – 0,33; tỷ lệ nước - xi măng theo khối lượng (Z2=N/X) khoảng biến thiên 0,9 - 1,0;
mô đun độ lớn của cát (Z3= Mdl) khoảng biến thiên là 1,50 - 2,50 Các hàm hồi quy thực nghiệm quan tâm gồm: độ lưu động của hỗn hợp vữa (độ chảy D); cường độ nén tuổi 28 ngày (Rn28) Các cấp phối vữa được tính toán trên cơ sở các biến thực và phương trình thể tích tuyệt đối của vữa, trình bày trong bảng 4
3 Kết quả nghiên cứu và luận bàn
Kết quả thí nghiệm độ chảy và cường độ vữa được tập hợp trong bảng 5
Sử dụng phần mềm Maple 11.0 đã xác định được các hàm hồi quy tương hợp theo biến mã (chỉ bao gồm các hệ
số có nghĩa):
Hàm hồi quy về độ chảy của hỗn hợp vữa:
D = 142 + 21,61x1 + 15,72x2 + 31,08x3 + 14,14x3 (1) Hàm hồi quy về cường độ nén của vữa:
Rn28 = 7,8 + 1,48x1 +1,29x3 - 0,51x1 - 0,65x2 (2) Trong đó, quan hệ giữa biến mã và biến thực như sau:
Z1 = 0,04x1 + 0,29; Z2 = 0,1x2 + 1,0; Z3 = 0,5x3 + 2,0 Trên cơ sở hàm (1) và (2) xây dựng được các bề mặt biểu hiện quan hệ giữa hàm mục tiêu và các cặp biến khác nhau như hình 1 và hình 2 Theo đó biến x3 (hay Mđl) có ảnh
Bảng 4 Ma trận quy hoạch thực nghiệm và cấp phối vữa
Trang 3S¬ 28 - 2017
hưởng đồng biến (phi tuyến) lớn đến độ chảy của vữa, còn
biến x1 (hay Vox/Voc) và x2 (hay N/X) ảnh hưởng tuyến tính
đồng biến đến hàm mục tiêu ở mức độ thấp hơn biến x3;
cường độ nén của vữa đồng biến với x3 hay Z3, và có cực trị
so với các biến x1, x2 (hay Z1, Z2)
Căn cứ kết quả này còn có thể tối ưu cấp phối vữa theo
các mục tiêu độ chảy hoặc cường độ, cũng như có thể tính
toán hay lựa chọn được sơ bộ Z1 và Z2 theo Z3 (mô đun độ
lớn của cát) và cường độ vữa, từ đó xác định cấp phối sơ bộ
theo mô đun độ lớn của cát và mác vữa thiết kế Bảng 6 thể
hiện các giá trị thích hợp của Z1 và Z2 theo Z3 đối với các mác
vữa từ M5 đến M10
4 Kết luận
Mô đun độ lớn của cát (trong phạm vi nghiên cứu) ảnh hưởng đồng biến và phi tuyến đến độ lưu động của hỗn hợp vữa, ảnh hưởng đồng biến và bậc nhất đến cường độ của vữa, trong đó mô đun độ lớn của cát có ảnh hưởng lớn hơn
so với tỷ lệ nước – xi măng và tỷ lệ xi măng – cát; trong miền biến thiên của các biến, không tồn tại ảnh hưởng chéo giữa các biến đến hàm mục tiêu
Bằng kết quả này có thể lựa chọn thành phần hợp lý của vữa xây dựng theo yêu cầu thiết kế về độ lưu động và cường
độ nén (hay mác vữa), trong đó có kể đến mô đun độ lớn của cát
Bảng 5 Kết quả thí nghiệm độ chảy của hỗn hợp vữa và cường độ vữa
N x1 x2 x3 Z1 Z2 Z3 Độ chảy, D (mm) Cường độ nén, R
n28 (MPa)
Bảng 6 Định hướng cấp phối vữa theo mác vữa và mô đun độ lớn của cát
Trang 420 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG
Hình 1 Bề mặt biểu hiện độ chảy của hỗn hợp vữa theo các biến
Hình 2 Bề mặt biểu hiện cường độ nén của vữa theo các biến
Tài liệu tham khảo
1 Nguyễn Bá Đỗ, Nguyễn Thọ Linh, Sổ tay dùng vữa, Nhà xuất bản
khoa học và kỹ thuật, Hà Nội – 2009.
2 Phùng Văn Lự, Vật liệu và sản phẩm trong xây dựng, NXB Xây
dựng, 2004.
3 Nguyễn Minh Tuyển, Quy hoạch thực nghiệm, NXB khoa học và
kỹ thuật, 2011.
4 TCVN 3121: 2003, Vữa xây dựng – phương pháp thử.
5 TCVN 4314: 2003, Vữa xây dựng – yêu cầu kỹ thuật.
6 TCVN 7570-2006, Cốt liệu cho bê tông và vữa xây dựng – Yêu cầu kỹ thuật.
7 TCVN 6260: 2009, Xi măng pooc lăng hỗn hợp - Yêu cầu kỹ thuật.
8 TCVN 4506: 2012, Nước dùng cho bê tông và vữa xây dựng.
9 ASTM C270, Standard Specification for Mortar for Unit Masonry.
10 EN 998:2003, Specifiction for mortar for masonry.
4 Kết luận
Cùng hàm lượng BĐV sử dụng, bê tông dùng BĐV mịn
hơn (B13, B15) có độ chảy lớn hơn khi dùng BĐV thô hơn
(B44, B47)
BĐV mịn cải thiện cường độ bê tông, mức cải thiện và tuổi cải thiện phụ thuộc độ mịn BĐV BĐV B13, B15 cải thiện cường độ sớm (1, 3 ngày) nhiều hơn BĐV B47, nhưng BĐV B44, B47 lại cho hiệu quả cải thiện mác bê tông (tuổi 28 ngày) tốt hơn./
Tài liệu tham khảo
1 Tăng Văn Lâm (2010), Nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất
lượng cao dùng cho mặt đường sân bay, Luận văn Thạc sỹ,
Trường Đại học Xây dựng, Hà Nội.
2 Phạm Hữu Hanh, Tống Tôn Kiên (2009), Nghiên cứu chế tạo bê
tông hạt mịn sử dụng trong công trình biển, Luận văn thạc sỹ kỹ
thuật, Trường Đại học Xây dựng, Hà Nội.
3 Bazenov, Bạch Đình Thiên, Trần Ngọc Tính (2009), Công nghệ
Bê tông, Chương 12, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội.
4 Bùi Văn Bội, Vũ Đình Đấu (2000), Vi cốt liệu sử dụng trong xi
măng và bê tông, Trường Đại học Xây dựng, Tài liệu giảng dạy
Cao học ngành Vật liệu Xây dựng.
5 Gözde İnan Sezer, Oğuzhan Çopuroğlu, Kambiz Ramyar (2010),
“Microstructure of 2 and 28-day cured Portland limestone
cement pastes “, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences pp 289-294
6 Daimon, Sakai (1998), Limestone Powder Application, Beijing, China.
7 I Soroka, N Setter (1977), “The effect of fillers on strength of cement mortars”, Cement and Concrete Research 7(4),449-456.
8 Nguyễn Như Quý (2003), Nghiên cứu chế tạo bê tông tự lèn từ vật liệu tại chỗ của Việt Nam.
9 Chen Yilan, Wen Ziyum (1998), Research on Activity of Limestone for Cement Admixture, Beijing, China.
10 Lê Xuân Hậu (2016), Nghiên cứu ảnh hưởng của dải hạt cốt liệu mịn đến tính công tác của bê tông, Luận văn Thạc sỹ, Đại học Bách khoa Hà Nội.
Ảnh hưởng của độ mịn của bột đá vôi
(tiếp theo trang 17)