Luận văn thạc sĩ chuyên đề: Bê tông cát

Tài liệu là nghiên cứu so sánh các chỉ tiêu cơ lý của bê tông như tính công tác, cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, modul đàn hồi giữa BTXM sử dụng cát mịn không có cốt liệu đá so với BTXM thông thường.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

- -LÊ HẢI THẠCH

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CÔNG TÁC, CƯỜNG

ĐỘ CHỊU ÉP CHẺ VÀ MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG

XI MĂNG SỬ DỤNG CÁT MỊN QUẢNG BÌNH

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

MÃ SỐ: 60.58.02.05 CHUYÊN SÂU: VẬT LIỆU XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN TIẾN DŨNG

HÀ NỘI - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Học viên cam kết đã tự nghiên cứu và thực hiện đề tài này, bằng kinhnghiệm làm việc thực tiễn và kiến thức chuyên môn được đào tạo trong quátrình học Đại học và chương trình Cao học tại trường Đại học giao thông vậntải Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn nguồn rõ ràng và

có độ chính xác trong phạm vi hiểu biết của tôi Mọi sao chép không hợp lệ,

vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2017

Học viên

Lê Hải Thạch

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân tôi cònnhận được sự động viên, giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè, đồngnghiệp và gia đình Cho phép tôi gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầygiáo, cô giáo trường Đại Học Giao Thông Vận Tải, Bộ môn Vật liệu xâydựng, thầy PGS.TS Nguyễn Thanh Sang đã tận tình dạy bảo, giúp đỡ trongsuốt thời gian học tập tại trường

Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Tiến Dũng,người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ hết sức tận tình và hiệu quả trong quátrình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình

và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạnchế Kính mong được sự chia sẻ và những ý kiến quý báu của các thầy, cô vàcác bạn

Trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2017

Học viên

Lê Hải Thạch

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

1. Tính cấp thiết của đề tài 1

2. Mục đích nghiên cứu 2

3. Đối tượng nghiên cứu 2

4. Phạm vi nghiên cứu 2

5. Phương pháp nghiên cứu 3

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

7. Kết cấu luận văn 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG CÁT MỊN 4

1.1 Khái niệm và phân loại 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Phân loại 5

1.2 Nguyên tắc cấu tạo bê tông cát 6

1.3 Các tính chất của bê tông cát 9

1.3.1 Tính công tác 10

1.3.2 Tính chất cơ học của bê tông cát 10

1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cát trên thế giới 12

1.5 Tình hình nghiên cứu bê tông cát ở Việt Nam 22

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO, THIẾT KẾ

THÀNH PHẦN BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG CÁT MỊN QUẢNG

BÌNH 24

2.1 Vật liệu chế tạo bê tông cát 24

2.1.1 Xi măng 24

2.1.2 Cốt liệu 26

2.1.2.1.Cát thô 27

2.1.2.2 Cát mịn 29

2.1.3 Phụ gia khoáng 38

2.1.4 Phụ gia hóa học 39

2.1.5 Nước 42

2.2 Thiết kế thành phần bê tông sử dụng cát mịn Quảng Bình 43

2.3 Kế hoạch thực nghiệm 50

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TÍNH CÔNG TÁC, CƯỜNG ĐỘ CHỊU ÉP CHẺ VÀ MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG CÁT MỊN QUẢNG BÌNH 56

3.1 Nghiên cứu tính công tác của bê tông sử dụng cát mịn Quảng Bình 56

3.2 Cường độ chịu nén của bê tông sử dụng cát mịn Quảng Bình 57

3.3 Cường độ chịu ép chẻ của bê tông sử dụng cát mịn Quảng Bình 61

3.4 Mô đun đàn hồi của bê tông sử dụng cát mịn Quảng Bình 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật của xi măng Bút Sơn PC40 25

Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm cát thô Vĩnh Phúc (theo TCVN 7572-2006) 28

Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu chính của các mỏ cát mịn ở Việt Nam 31

Bảng 2.4 Thống kê sơ bộ trữ lượng cát một số tỉnh duyên hải Miền Trung .32 Bảng 2.5 Thành phần hạt của cát hạt mịn Quảng Bình (theo TCVN 7572-2006) 33

Bảng 2.6 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cát thô và cát mịn 34

Bảng 2.7 Kết quả tính toán hỗn hợp cốt liệu cho bê tông sử dụng cát mịn 35

Quảng Bình (Theo TCVN 7572-2006) 35

Bảng 2.8 Các chỉ tiêu kỹ thuật của cốt liệu lớn 37

Bảng 2.9 Thành phần hóa học của tro bay 39

Bảng 2.10 Đặc tính kỹ thuật của phụ gia hóa dẻo Viscocrete 3000-10 42

Bảng 2.11 Thành phần thiết kế bê tông sử dụng cát mịn Quảng Bình và bê tông đối chứng 49

Bảng 3.1 Độ sụt của các hỗn hợp bê tông 56

Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén FC40, NC40 57

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén FC50, NC50 58

Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu ép chẻ mẫu BT FC40 và NC40 61

Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu ép chẻ mẫu BT FC50 và NC50 61

Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi của bê tông 65

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Thành phần vật liệu theo thể tích đặc của bê tông thường, bê tông

cường độ cao, bê tông cát có đá dăm và bê tông cát không có đá dăm 5

Hình 1.2 Thành phần vật liệu theo thể tích đặc của bê tông thường, bê tông cát và vữa xi măng cát 8

Hình 1.3 Đường bê tông cát: La teste et Le Pyla, ở tỉnh Aquitaine 13

Hình 1.4 Ngọn đèn biển ở cảng Said bằng bê tông cát đặc 18

Hình 1.5 Đường tàu điện ngầm St Petersburg 19

Hình 1.6 Bê tông cát dùng các công trình xây dựng, giao thông 20

Hình 1.7 Bê tông cát dùng cho các công trình ngầm, điêu khắc 21

Hình 2.1 Xi măng Bút Sơn PC40 25

Hình 2.2 Cát thô Vĩnh phúc 27

Hình 2.3 Biểu đồ thành phần hạt của cát thô Vĩnh Phúc 29

Hình 2.4 Cát trắng Lý Trạch - Quảng Bình 33

Hình 2.5 Biểu đồ thành phần hạt của cát mịn 34

Hình 2.6 Biểu đồ cấp phối cát phối trộn 36

Hình 2.7 Đá dăm 5-20 37

Hình 2.8 Thành phần cấp phối đá 5-20 37

Hình 2.9 Thành phần hóa học tro bay Vũng Áng 40

Hình 2.10 Đường biểu diễn thành phần hạt của tro bay Vũng Áng 40

Hình 2.11 Thành phần cỡ hạt tro bay Vũng Áng 41

Hình 2.12 Phụ gia Viscocrete 3000-10 42

Hình 2.13 Trộn mẫu thử 51

Hình 2.14 Đúc mẫu thử 51

Hình 2.15 Bảo dưỡng mẫu thử 52

Hình 2.16 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén 53

Hình 2.17 Dạng vết nứt sau khi nén 53

Hình 2.18 Thí nghiệm xác định cường độ chịu ép chẻ 54

Hình 2.19 Dạng vết nứt sau khi ép chẻ 55

Hình 2.20 Thí nghiệm mô đun đàn hồi 55Hình 3.1 Thí nghiệm tính công tác của hỗn hợp bê tông 56Hình 3.2 Tương quan giữa cường độ chịu nén của bê tông cát và bê tôngthường cường FC40 và NC40 59Hình 3.3 Tương quan giữa cường độ chịu nén của bê tông cát và bê tôngthường FC50 và NC50 59Hình 3.4 Biểu đồ phát triển cường độ chịu nén của bê tông sử dụng cát mịnQuảng Bình và bê tông đối chứng 60Hình 3.5 Biểu đồ phát triển cường độ chịu ép chẻ của bê tông sử dụng cátmịn Quảng Bình và bê tông thường 62Hình 3.6 Tương quan cường độ chịu ép chẻ của bê tông sử dụng cát mịnQuảng Bình và bê tông thường (FC40 và NC40) 63Hình 3.7 Tương quan cường độ chịu ép chẻ của bê tông sử dụng cát mịnQuảng Bình và bê tông thường (FC50 và NC50) 63Hình 3.8 Biểu đồ tương quan mô đun đàn hồi của bê tông sử dụng cát mịnQuảng Bình và bê tông thường ở 28 ngày tuổi 66

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

Phát triển hệ thống đường ôtô đóng vai trò quan trọng đến sự phát triểnngành giao thông vận tải Để phát triển đường bộ cần nghiên cứu sử dụng vậtliệu truyền thống và nghiên cứu ứng dụng các vật liệu mới Bê tông xi măng

và bê tông nhựa là hai vật liệu chính để xây dựng đường ôtô và các công trìnhxây dựng khác Việc sử dụng vật liệu địa phương để làm giảm chi phí xâydựng là xu hướng của thế giới và của Việt Nam Bê tông xi măng dùng nhiềucốt liệu lớn mang lại các lợi thế về cơ học và độ bền, nhưng thường phải khaithác cốt liệu lớn từ các mỏ đá Bê tông cát không sử dụng cốt liệu lớn là mộtloại vật liệu có thể tận dụng được cát sẵn có ở các vùng nhiều cát, vì vậy đượccoi là một loại vật liệu địa phương và ít gây tác động bất lợi đến môi trường

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay bê tông xi măng là vật liệu quan trọng chiếm một khối lượngrất lớn trong các công trình xây dựng (xây dựng đường, cầu, nhà cửa…)Trong thành phần của bê tông xi măng thông thường hiện nay nói chung gồm

xi măng, nước, cốt liệu nhỏ, cốt liệu lớn (đá dăm, sỏi), phụ gia Hỗn hợp cốtliệu (nhỏ, lớn) được kết hợp với nhau theo tỷ lệ thích hợp - phù hợp cấp vùngtiêu chuẩn thành phần hạt trong tiêu chuẩn - nhằm đạt được độ đặc lớn nhất.Tuy nhiên, ở một số vùng, nguồn vật liệu cốt liệu lớn khan hiếm hoặc có chiphí khai thác tương đối lớn trong khi có nguồn cát dồi dào, dễ dàng khai thác.Mặt khác, theo tiêu chuẩn yêu cầu kỹ thuật về cốt liệu cho bê tông (TCVN

7570 : 2006) cát chế tạo bê tông thường có kích thước hạt chủ yếu (90-100%)

từ 0,14 ÷ 5mm với mô đun độ lớn từ 2,0÷3,2, Bởi vậy một lượng lớn cát trong

tự nhiên không đạt các chỉ tiêu này và không được sử dụng để chế tạo bê tôngthường, hoặc chỉ được chế tạo vữa và bê tông cấp thấp có phạm vi áp dụnghẹp Vấn đề đặt ra là làm thế nào để tận dụng có hiệu quả nguồn vật liệu cátsẵn có ở từng địa phương

Bê tông xi măng sử dụng cát mịn (hay còn gọi là bê tông cát) là một

loại bê tông xi măng chỉ sử dụng cốt liệu nhỏ Hỗn hợp cốt liệu nhỏ này đượctạo nên bởi các loại cát có mô đun độ lớn khác nhau trên cở sở tối ưu hoá độđặc Đây là một loại vật liệu mới cần được nghiên cứu để đưa ra ứng dụngthực tế phù hợp với đặc điểm của từng công trình ở các địa phương khác nhau.

Hiện nay ở các tỉnh ven biển nói chung và khu vực tỉnh Quảng Bình nóiriêng, việc tìm kiếm, khai thác đá dăm có thành phần hạt đạt tiêu chuẩn để chếtạo bê tông thường đang gặp nhiều khó khăn Việc ứng dụng bê tông hạt mịn

sẽ tận dụng được nguyên liệu cát sẵn có tại địa phương và đem lại hiệu quảkinh tế bởi yếu tố tại chỗ và dễ dàng khai thác, vận chuyển

Xuất phát từ điều kiện thực tế đó, đề tài “Nghiên cứu thành phần, tính công tác, cường độ chịu ép chẻ và mô đun đàn hồi của bê tông xi măng sử dụng cát mịn Quảng Bình” nhằm nghiên cứu chế tạo, đánh giá

một số đặc tính kỹ thuật quan trọng của bê tông sử dụng nguồn cát mịn tạitỉnh Quảng Bình

2 Mục đích nghiên cứu

Trên cơ sở nhu cầu vận tải, khả năng đáp ứng của vật liệu trong nước,

đề tài sẽ nghiên cứu chế tạo bê tông xi măng trên cơ sở tận dụng nguồn vậtliệu cát mịn ở địa phương

Thiết kế thành phần bê tông xi măng sử dụng cát mịn trên cơ sở nghiêncứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

Xác định được một số chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của bê tông xi măng sửdụng cát mịn Quảng Bình: tính công tác, cường độ chịu ép chẻ và mô đun đàn hồi

Đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của bê tông sử dụng cát mịnQuảng Bình

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là vật liệu cát mịn khu vực QuảngBình và bê tông sử dụng cát mịn Quảng Bình

4 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu một số chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của bê tông có cường độ

chịu nén 40 - 50 MPa sử dụng cát mịn Quảng Bình: bao gồm tính công tác,cường độ chịu ép chẻ và mô đun đàn hồi.

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài là nghiên cứu lý thuyếtkết hợp với thực nghiệm

Các tiêu chuẩn thiết kế và yêu cầu kỹ thuật của bê tông xi măng tại ViệtNam là tiêu chí đánh giá mức độ phù hợp của sản phẩm thu được

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Thiết kế thành phần bê tông cát sử dụng cát thô và cát mịn làm cốt liệucho bê tông sẽ tận dụng được ngồn vật liệu cát mịn sẵn có tại Quảng Bình,giảm thiểu mức độ khai thác đá tự nhiên, điều này sẽ đem lại hiệu quả kinh tế

và có ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường

7 Kết cấu luận văn

Ngoài mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn kết cấugồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về bê tông xi măng sử dụng cát mịn

Chương 2: Nghiên cứu vật liệu chế tạo, thiết kế thành phần bê tông xi măng sử dụng cát mịn Quảng Bình

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định tính công tác, cường độ chịu ép chẻ và mô đun đàn hồi của bê tông xi măng sử dụng cát mịn Quảng Bình

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG

CÁT MỊN 1.1 Khái niệm và phân loại

1.1.1 Khái niệm

Bê tông là loại vật liệu đá nhân tạo nhận được bằng cách đổ khuôn vàlàm rắn chắc một hỗn hợp hợp lý bao gồm chất kết dính, nước, cốt liệu (cát,sỏi hay đá dăm) và phụ gia [16]

Bê tông cát là loại vật liệu đá nhân tạo nhận được sau khi tạo hình vàlàm rắn chắc hỗn hợp hợp lý bao gồm: cát thô, cát mịn, chất độn mịn, ximăng, nước, một hoặc nhiều loại phụ gia

Theo một số tác giả, khi có trộn thêm đá dăm (hoặc sỏi) với tỷ lệ Đ/Cdưới 0,7 (Đ: đá, C: cát) vẫn được coi là bê tông sử dụng cát mịn: khi đó gọi là

bê tông sử dụng cát mịn nặng Hay nói khác đi ta sử dụng một loại cốt liệu cócấp phối liên tục có cỡ hạt từ 0 đến 9.75mm khi mà tỷ số khối lượng giữa cáchạt lớn hơn 5mm và các sử dụng cát mịn hơn 5mm dưới 0,7 [19], [21]

Chất độn mịn là một thành phần cốt liệu quan trọng dùng cho bê tôngnày, chất độn mịn có vai trò là kéo dài dải cấp phối cốt liệu của cát, chất độnmịn là cốt liệu mịn chèn đầy vào các lỗ hổng giữa các hạt cát, để tăng độ đặccho khung cốt liệu của bê tông sử dụng cát mịn

Bê tông sử dụng cát mịn là bê tông sử dụng cát mịn không cốt liệu lớn,thành phần cốt liệu chỉ có cát (cỡ hạt ≤5mm)

So sánh thành phần vật liệu theo thể tích đặc của bê tông thường, bêtông cường độ cao, bê tông cát có đá dăm và bê tông cát không có đá dămđược trình bày ở Hình 1.1:

Hình 1.1 Thành phần vật liệu theo thể tích đặc của bê tông thường, bê tông cường độ cao, bê tông cát có đá dăm và bê tông cát không có đá dăm 1.1.2 Phân loại

 Phân loại theo cường độ của bê tông sử dụng cát mịn

Bê tông sử dụng cát mịn thường: có cường độ chịu nén (Rb) từ 20 đến

45 MPa

Bê tông sử dụng cát mịn chất lượng cao (có cường độ chịu nén cao(Rb>45MPa), khả năng chống thấm ion Clo tốt, khả năng chống mài mòntốt…)

 Phân loại theo tính chất sử dụng

Bê tông sử dụng cát mịn tự đầm: bê tông sử dụng cát mịn chảy, dùng để

đổ các cấu kiện phức tạp khó đầm lèn

Bê tông sử dụng cát mịn có cốt sợi: trộn cốt sợi (sợi thép, sợi các bon,sợi thủy tinh, sợi thực vật) để tăng cường sức kháng kéo cho bê tông

Bê tông sử dụng cát mịn làm đường: ngoài khả năng chịu nén, còn phải

có khả năng chịu kéo khi uốn cao, thông thường cường độ chịu kéo uốn của

bê tông này >4.0 MPa và khả năng chịu mài mòn tốt.

Bê tông sử dụng cát mịn thủy công phải có khả năng chống thấm tốt, íttỏa nhiệt có thể dùng để làm các tấm chắn sóng ở các vùng biển

Bê tông sử dụng cát mịn dùng để sửa chữa, là loại bê tông có độ dẻocao, có thể bơm vá vào các vết nứt lớn của kết cấu bê tông

 Phân loại theo chất độn mịn

Bê tông sử dụng cát mịn dùng chất độn mịn là các loại bột mịn (filler)trơ như các loại bột đá, bột cát nghiền [19] (điển hình bột đá vôi), loại bột nàychỉ có nhiệm vụ lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cát

Bê tông sử dụng cát mịn dùng chất độn mịn là các bột mịn hoạt tính (cókhả năng phản ứng với Ca(OH)2 ở điều kiện thường) Loại bột này có thể làmuội silic (SF), tro bay (FA), tro trấu (RHA), xỉ lò cao Các loại bột này đều

có xu thế cải thiện cấu trúc giữa phần đá xi măng và cát làm tăng độ đặc vùngnày Đây là cở sở để chế tạo bê tông sử dụng cát mịn chất lượng cao

 Phân loại theo tỷ lệ đá dăm trộn vào

- Bê tông sử dụng cát mịn có cốt liệu lớn: Lượng hạt (cỡ hạt >5mm)chiếm đến 30% khối lượng của cát (cỡ hạt <5mm)

- Bê tông sử dụng cát mịn không có cốt liệu lớn, thành phần cốt liệu chỉ

có cát (cỡ hạt <5mm)

1.2 Nguyên tắc cấu tạo bê tông cát

Bê tông cát được phân biệt với bê tông thường là có liều lượng cát lớn,không có đá dăm hoặc có nhưng liều lượng nhỏ và có thêm chất độn mịn đểcải thiện cấp phối hạt của cốt liệu Liều lượng cát cho bê tông cát thường bằng1300kg -1700kg cho 1m3 bê tông; với bê tông thường thì liều lượng của cátchỉ khoảng 500kg - 800kg

Trong thực tế vật liệu bê tông cần có độ đặc cao, vì đó là đặc điểmchính của cấu tạo bê tông Nguyên lý đầu tiên của vật liệu bê tông là cố gắngtái tạo lại một khối đá từ các loại cốt liệu [4], [5] Độ đặc chắc của hỗn hợpnhư vậy được tạo nên sẽ được điều hòa bởi dải cấp phối của nó, nghĩa là phụ

thuộc vào cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu.

Nguyên tắc đó được ứng dụng cho bê tông cát; đó là dịch chuyển dảicốt liệu so với bê tông thường (không dùng cốt liệu lớn chỉ dùng cốt liệu nhỏ)bằng cách tận dụng nguồn cát phong phú ở một số vùng giàu cát Cát ở đâyphù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam về cát xây dựng cỡ hạt từ 0 - 5mm, tuynhiên theo tài liệu [28] khuyên nên dùng cát có mô đun độ lớn theo tiêu chuẩncốt liệu nhỏ cho bê tông thường với sai khác có thể chọn ±20% Vậy với môđun độ lớn cát dùng cho bê tông thường từ 2 - 3.3, thì mô đun độ lớn cát cóthể sử dụng cho bê tông cát từ 1.6 - 3.5 Vì thế cát được sử dụng cho bê tôngcát có giới hạn mô đun độ lớn rộng hơn và có thể tận dụng được các loại cátmịn ở một số vùng, mà hiện nay chưa dùng cho bê tông xi măng thôngthường Việc phối hợp cốt liệu cát thô (có Mk> 2) theo TCVN 7570:2006; cátmịn (Mk< 2) đồng thời “nhỏ hóa” dải cấp phối cốt liệu bằng cách tận dụnghạt mịn trong cát (<75µm) và chất độn mịn (chủ yếu các hạt nhỏ hơn 75µm)

để làm tăng độ đặc và cải thiện tính dễ thi công của hỗn hợp bê tông

Cần phân biệt bê tông cát với vữa xi măng cát Thành phần của vữa xâydựng xi măng cát có lượng xi măng cao hơn và không có chất độn mịn Để cócấp phối vữa xây (bao gồm xi măng PCB40 và cát thô (Mk>2) đạt cường độchịu nén 15MPa: thành phần của vữa xi măng cát sử dụng cát thô có Mk> 2

và lượng xi măng phải dùng đến khoảng 420kg - 460kg, khi chế tạo vữa sửdụng cát có mô đun càng nhỏ, thì lượng xi măng càng tăng lên và rất lớn(>525kg) Bê tông cát dùng chất độn mịn để giảm lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu

và làm giảm liều lượng xi măng cần thiết để lấp đầy như vữa xi măng Nhưvậy khi thay đổi thành phần cấp phối và sử dụng bột mịn thì bê tông cát cóthành phần khác hẳn so với vữa xi măng cát Điều khác biệt là lượng xi măngchỉ bằng 60% -70% so với vữa xi măng cát

So sánh thành phần vật liệu của bê tông thường, bê tông cát và vữa ximăng cát được trình bày ở Hình 1.2

Hình 1.2 Thành phần vật liệu theo thể tích đặc của bê tông thường, bê

tông cát và vữa xi măng cát

* Bê tông thường: đá dăm (sỏi), cát thô, xi măng, nước, có thể có phụ gia

* Bê tông cát: cát thô, cát mịn, chất độn mịn, xi măng, nước, có thể có phụgia

* Vữa xây: cát thô (hoặc cát mịn), xi măng, nước, có thể có phụ gia

Như vậy về cơ bản nguyên tắc tổ chức cấp phối cốt liệu cho bê tông cátcũng là nguyên tắc chung về cấp phối cốt liệu cho một loại bê tông, chứkhông phải là vữa Hỗn hợp cốt liệu của bê tông cát là một cấp phối cốt liệu

có dải hạt liên tục từ 0 5mm có thành phần từ ba cỡ hạt cát thô từ 0.63mm 5mm; cát mịn 0.075mm - 0.63, chất độn mịn (<0.075mm) Đây là một nguyêntắc thông thường của bê tông chỉ có điều các cỡ hạt trong hỗn hợp cốt liệuđược dần “nhỏ hóa”, theo đúng xu thế chung về các loại bê tông hiện đại ngày nay

-Nguyên tắc chèn đầy khung cốt liệu cũng là nguyên tắc chung của cácloại bê tông hiện nay Với bê tông cát hỗn hợp cát là hỗn hợp ban đầu (là bộkhung cốt liệu) có một độ rỗng tính toán dựa vào dải cấp phối d/D, sau đóđược lấp đầy lỗ rỗng khung trên đây bằng hỗn hợp (xi măng+chất độn mịn, kể

cả hạt mịn của cát) nhưng vẫn đảm bảo hỗn hợp dễ thi công Tuy nhiên khi cónhiều hạt mịn, thì có thể cải thiện được độ đặc, nhưng khả năng linh động củahỗn hợp sẽ kém đi, điều này cũng không lo ngại như quan điểm trước đây, vìhiện nay có nhiều loại phụ gia hóa dẻo và siêu dẻo

 Thiết kế thành phần bê tông cát của Pháp

Ở Pháp bê tông cát được quan tâm và nghiên cứu vào những năm

1970-1980, ứng dụng đầu tiên vào năm 1980 do trung tâm thí nghiệm cầu đườngBordeaux thực hiện Dự án quốc gia về bê tông cát ở Pháp đã được hình thànhtrong khuôn khổ “Dự án quốc gia nghiên cứu và phát triển bê tông cát” từnăm 1990 [26], [28] và sau đó đã ban hành tiêu chuẩn về bê tông cát Standard

NF P18-500 (năm 1995)

Quan điểm của Caquot về thiết kế thành phần bê tông, dựa trên nguyêntắc tối ưu độ chặt của khung cốt liệu, trong đó độ chặt là tỉ lệ của thể tích rắntrên tổng thể tích và tương ứng với phần bù đơn vị của độ rỗng [26], [28]

Vấn đề thiết kế thành phần bê tông cát được tiếp cận từ việc tối ưu hóa

độ chặt của hỗn hợp cốt liệu Từ một loại cát cấp phối cho trước, lượng hạtmịn thêm vào để giảm thiểu độ rỗng của hỗn hợp cát - hạt mịn

Trong đa số trường hợp đánh giá cường độ xuất phát từ quan điểm tối

ưu hoá lượng bột mịn Có nghĩa là sự tối ưu kinh tế cùng với sự giảm thiểucát với một lượng lớn xi măng gắn kết Dù sao, luôn cần xem xét lựa chọnmột hàm lượng khác của xi măng Sự tăng lượng bột mịn là cần thiết để giảmlượng xi măng và tính đến độ hoạt tính của bột có khả năng giảm cường độ.Ngược lại, sự tăng lượng xi măng và giảm bột mịn sẽ có ảnh hưởng trực tiếpđến sự tăng cường độ của bê tông cát Do đó, việc tính toán dựa trên khả năngtăng đặc của khung cốt liệu với một thành phần hỗn hợp bê tông cụ thể vớiliều lượng xi măng nhỏ nhất, nhưng đạt cường độ yêu cầu

Phương pháp thiết kế lý thuyết này tương đối đơn giản và hiệu quả Tuynhiên nó còn những hạn chế, do có nhiều giả thiết Dù vậy nó là một cơ sở tốt

để tính toán thành phần bê tông cát, thành phần thiết kế lý thuyết cần đượcthực hiện và chỉnh lý bằng thực nghiệm

1.3 Các tính chất của bê tông cát

Các tính chất của bê tông cát bao gồm tính công tác, các tính chất cơhọc và các tính chất về độ bền của bê tông cát

1.3.1 Tính công tác

Một trong các đặc tính của bê tông cát là cần nhiều nước hơn bê tôngthường: điều này cho thấy qua giá trị của tỉ lệ N/X lớn hơn 0,4 - 0,5 tuỳ theocấp của bê tông Với bê tông cát tỷ lệ N/X có thể nhỏ hơn 0,4 khi tỷ lệ N/Xnhỏ cần phải sử dụng phụ gia siêu dẻo Đặc tính này là do tỉ diện tích bề mặtlớn của cốt liệu trong hỗn hợp bê tông cát [18]

Khi hỗn hợp bê tông cát và hỗn hợp bê tông thường có cùng một độdẻo như nhau, do bê tông cát có cỡ hạt nhỏ hơn nên việc trộn, đổ (hoặc bơm),đầm và hoàn thiện hỗn hợp bê tông cát dễ dàng hơn so với hỗn hợp bê tôngthường Vì vậy, khi sử dụng bê tông cát có thể tiết kiệm được năng lượng khitrộn, đổ, đầm và hoàn thiện

1.3.2 Tính chất cơ học của bê tông cát

 Cường độ chịu nén:

Với lượng xi măng không đổi, cường độ có thể khác nhau phụ thuộcmột số yếu tố: độ mịn của chất độn, tỷ lệ nước/xi măng, cấp phối cốt liệu, tínhchất của loại xi măng và một số yếu tố khác

Do bê tông cát sử dụng các bột mịn làm vai trò cốt liệu nhỏ, nên cóhiệu quả trong việc tăng độ chặt, tạo ra cường độ bê tông tương đương với bêtông thường [4], [28]

Bê tông cát có cường độ chịu nén từ 15 MPa đến 40MPa và trongnhững trường hợp đặc biệt có thể có cường độ cao hơn [1], [5], [7], [15].Lượng xi măng tương tự như bê tông thường Thí nghiệm cường độ chịu nén

và kéo bửa bê tông cát mẫu hình trụ tiêu chuẩn có kích thước d =150 mm và h

=300 mm theo các phép thử thông thường

 Cường độ chịu ép chẻ:

Cường độ chịu ép chẻ của bê tông cát đạt 2,0MPa đến 4,0MPa tùy theocấp bê tông Mô đun đàn hồi của bê tông cát thấp đạt khoảng 20Gpa đến34Gpa, thấp hơn so với bê tông thường cùng cấp cường độ chịu nén [28]

Công thức tính đổi từ cường độ nén để tính các yếu tố khác chưa cónhiều Nên nội dung luận án dựa vào kết quả thực nghiệm để đưa ra một sốmối quan hệ đó trên cơ sở các vật liệu hiện có ở Việt Nam

 Tính dính bám cốt thép:

Tính dính bám với cốt thép của bê tông cát giống như bê tông thường[28]

 Tính mỏi:

Ứng xử mỏi của bê tông cát là quan trọng khi thiết kế đường

Các phép đo thực hiện cho thấy bê tông cát có một ứng xử tương tựnhững vật liệu sử dụng chất kết dính thủy lực làm vật liệu xây dựng đường

 Co ngót và từ biến:

Theo nghiên cứu tài liệu [14], [16], về co ngót và từ biến của bê tôngcát và bê tông thường: với co ngót do thoát nước (co ngót tự khô) Khi vậtliệu bê tông được cô lập với môi trường bên ngoài, thì co ngót hay quá trình

tự khô của bê tông cát gần giống với bê tông thường Nếu bê tông cát làmviệc trong môi trường thông thường, thì co ngót của bê tông cát lớn hơn đáng

kể so với bê tông thường Hiện tượng này là do sự phân bố các hạt cốt liệutrong bê tông và lỗ rỗng khác nhau Nghiên cứu về cấu trúc bê tông cát có độrỗng từ 11-13%, đặc hơn so với bê tông thường, tuy nhiên sự phân bố các lỗrỗng lớn hơn do có nhiều hạt cốt liệu hơn nên khi khô nước làm cho thay đổithể tích cao hơn so với bê tông thường Hiện tượng co ngót do bay hơi nướccủa bê tông cát có thể hạn chế được bằng lựa chọn chế độ bảo dưỡng thíchhợp

Co ngót dẻo của bê tông xi măng thường xảy qua các giai đoạn: giaiđoạn A (từ 0 - 1 giờ) chưa co ngót, thể tích vật liệu hơi 11ang một ít; giai đoạn

B (từ 1 - 5 giờ) co ngót phát triền nhiều nhất và có tốc độ khá cao; giai đoạn C(từ 5 - 24 giờ) co ngót chậm lại vật liệu không co ngót tự do như giai đoạn B,tổng giá trị tích lũy nhiều hơn nên dễ hình thành vết nứt ở những vị trí đạt đến

cường độ chịu kéo Rk Co ngót dẻo của bê tông cát cao hơn so với bê tôngthường Một trong những biện pháp hạn chế co ngót xảy ra trong bê tông cát

là chú ý bảo dưỡng ở giai đoạn từ 1 - 5 giờ; hoặc có thể thay thế bột đá vôibằng tro bay hoặc phụ gia khoáng hoạt tính khác để tăng độ kín cho mối tiếpgiáp giữa cốt liệu và đá xi măng từ đó cải thiện được tác động co ngót của bêtông cát

Về từ biến của bê tông cát [18], [28] do mô đun đàn hồi khác nhau nên

từ biến của bê tông cát và bê tông thường xảy ra khác nhau Thông thường từbiến của bê tông cát cao hơn khoảng 20% so với từ biến của bê tông thường.Tuy nhiên khi cường độ càng cao, thì từ biến của bê tông càng nhỏ

1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cát trên thế giới

 Tình hình nghiên cứu về bê tông cát trên thế giới:

Để giảm thiểu lượng cốt liệu lớn (đá dăm hoặc sỏi) trong thành phầncủa bê tông xi măng truyền thống và tăng độ đồng nhất của bê tông, bê tôngcát đã được nghiên cứu, ứng dụng trong xây dựng ở nhiều quốc gia Ở trungtâm châu Âu (từ Bỉ cho đến thành phố St Petersburg của Nga) rất hiếm sỏi, vìvậy chủ yếu nhập đá dăm từ các nơi khác (ví dụ như vùng Scandinivia), chonên nhiều nước ở châu Âu đã nghiên cứu về bê tông cát [27], [28], [33], [40]

để khắc phục những khó khăn về nguồn cốt liệu lớn

Bê tông xi măng có cốt liệu nhiều cát hay hoàn toàn bằng cát được bắtđầu áp dụng ở Nga từ năm 1941, xây dựng đường tàu điện ngầm ở thành phố

St Petersburg bằng bê tông cát [28] (Hình 1.3), tuy nhiên các nghiên cứu sửdụng bê tông cát của Nga ở thời điểm đó chưa sử dụng bột mịn, nên coi nhưvữa cường độ cao

Ở Đức đã nghiên cứu và sử dụng bê tông giàu cát (có tới 80% cát nêngọi là bê tông cát) bắt đầu từ năm 1971, để tận dụng một lượng cát cồn mịn ởnhiều vùng trên lãnh thổ nước Đức; có đến một phần ba diện tích dư thừa cátcồn (chiếm hơn 70% cát và sỏi chiếm nhỏ hơn 30%) [28] Các nghiên cứu ởĐức chỉ ra rằng bê tông giàu cát, nhưng chủ yếu là tận dụng nguồn cát phong

phú của nước Đức Tài liệu [43] đã đưa ra kết quả nghiên cứu bê tông tự đầmgiàu cát cường độ chịu nén đạt đến 50MPa Đây là báo cáo hội thảo quốc tế

về chuyên đề bê tông tự đầm năm 2001 ở Nhật Bản

Ở Pháp bê tông cát được quan tâm và nghiên cứu vào những năm

1970-1980, ứng dụng đầu tiên vào năm 1980 do trung tâm thí nghiệm cầu đườngBordeaux thực hiện Dự án quốc gia về cát ở Pháp đã được hình thành trongkhuôn khổ “Dự án quốc gia Nghiên cứu và Phát triển cát” [28](SABLOCRETE) bắt đầu từ 1998 với sự hợp tác của Nga, Algeri, Maroc

Hình 1.3 Đường bê tông cát: La teste et Le Pyla, ở tỉnh Aquitaine.

Dự án này là một trong những nghiên cứu qui mô lớn nhất về bê tôngcát trên thế giới Nghiên cứu đã đưa ra một số luận điểm về thành phần bêtông cát, các tính chất cơ bản dựa vào các thực nghiệm và một số ứng dụngcủa bê tông cát ở Pháp Ở Pháp đã sử dụng bê tông cát để làm đường “La teste

et Le Pyla” ở tỉnh Aquitaine (trung tâm Bourdoux), tây Nam nước Pháp (Hình1.3)

Boudaoud và Breysse năm 2002 nghiên cứu ảnh hưởng của phụ giakhoáng trộn thêm khi nghiền klinke đến các tính chất của bê tông cát Theonghiên cứu khi nghiền thêm phụ gia khoáng cho phép giảm lượng xi măng.Các thành phần khác nhau của cát mịn được nghiền cùng để chế tạo bê tông

cát Độ mịn của chất kết dính khi nghiền cũng ảnh hưởng đến các tính chấtcủa bê tông cát Nghiên cứu cũng đã đánh giá và mô hình hóa một vài thông

số ảnh hưởng đến tính chất cơ học của bê tông như: độ mịn, tỷ lệ chất độnthêm, tỷ lệ N/CKD và mức độ hoạt tính của chất kết dính

Bigas và Gallias [30] nghiên cứu về ảnh hưởng cốt liệu rất mịn đếncường độ của bê tông hạt nhỏ Bột quartz được sử dụng với các tỉ diện tích bềmặt khác nhau gồm: 9930, 5840, 3060 và 179 cm2/g, được trộn vào cốt liệu có

cỡ hạt từ 0.5mm-6mm với tỷ lệ là 36.65% khối lượng của cốt liệu Nghiêncứu đã tiến hành thí nghiệm 11 cấp phối cốt liệu được chế tạo trên đây vớichất kết dính (90% xi măng+10% muội silic) và phụ gia siêu dẻo Kết quảnghiên cứu chỉ ra rằng: cốt liệu rất mịn làm giảm đáng kể lượng nước yêu cầucủa bê tông, và có sự ảnh hưởng do góc cạnh không đều của cốt liệu nghiềnđến các tính chất của bê tông Khi sử dụng cốt liệu rất mịn làm tăng cường độcủa bê tông do giảm tỷ lệ N/CKD và cũng cải thiện được vùng tiếp giáp giữachất dính kết và cốt liệu Khi sử dụng cốt liệu rất mịn làm giảm đáng kể chấtkết dính nhưng liều lượng cốt liệu rất mịn phải sử dụng nhiều (150-300kg/m3) Bột có độ mịn cao (đến 5000cm2/g), có thể tăng cường độ, vì làmgiảm lượng nước yêu cầu và cải thiện mối tiếp giáp giữa chất dính kết và cốtliệu Bột rất mịn cho phép làm giảm độ rỗng của bê tông và có tính công táctốt hơn, đặc biệt là đối với hỗn hợp nghèo xi măng Đây là loại bê tông có thểđạt cường độ cao nhờ tỷ diện bề mặt lớn, làm tăng diện tiếp xúc giữa xi măng

và cốt liệu

Bédérina và các cộng sự [39] năm 2005 nghiên cứu ảnh hưởng củathành phần bột đá vôi đến tính dẻo và cường độ của bê tông cát ở Algeria.Nghiên cứu đã sử dụng cát bồi mịn (có Mk= 1.18) và cát sông (Mk= 2.45) trộnvới nhau theo một tỷ lệ nhất định để chế tạo bê tông cát, nhờ đó đã thúc đẩyviệc sử dụng vật liệu địa phương trong xây dựng công trình Khi xét ảnhhưởng của bột đá vôi đến tính chất của bê tông cát, nghiên cứu của Bédérina

đã chỉ ra rằng khi sử dụng bột đá vôi 100kg-150kg cho 1m3 bê tông cát đưa

đến độ đặc cao, tính công tác đạt yêu cầu và cường độ bê tông cát cao hơn sovới khi sử dụng liều lượng bột đá vôi khác

Omoregie và Alutu [41] nghiên cứu ảnh hưởng của tổ hợp phân bố kích

cỡ hạt, thông số cấp phối đến cường độ, mô đun độ lớn của cát (Fm) cho thấyrằng hầu hết các loại cát ở trung tâm Negeria là không đạt tiêu chuẩn do cấpphối kém Do vậy, việc phối hợp cát có cấp phối tốt hơn ở các con sông để sửdụng chúng chế tạo các bê tông cát Tuy nhiên, cần quan tâm đến độ ẩm thực

tế và độ ẩm tốt nhất để đạt được tỷ lệ N/X là tối ưu

Jiong Hu năm 2005 [38] đã nghiên cứu ảnh hưởng cốt liệu đến tínhchất chảy của vữa ở đại học Iowa (USA) Nghiên cứu thực hiện 5 kích thướchạt cốt liệu khác nhau với 3 cấp phối cốt liệu mịn, 166 mẻ trộn vữa với các tỷ

lệ C/X, N/X khác nhau Nghiên cứu chỉ rằng tỷ lệ N/X, độ xốp, kích thước hạtcốt liệu và thể tích cốt liệu ảnh hưởng đến khả năng chảy của vữa Khi lượngcốt liệu thấp (C/X = 1), thì kích thước hạt cốt liệu ảnh hưởng không đáng kểđến khả năng chảy của vữa, nhưng khi lượng cốt liệu cao hay tăng (C/X = 3),thì kích cỡ cốt liệu ảnh hưởng lớn đến khả năng chảy của vữa; khi cốt liệu có

độ xốp cao, thì cho vữa có tính chảy thấp

Bonavetti và Iassar [31] đã nghiên cứu ảnh hưởng của lượng bột đátrong cát ở Argentina Nghiên cứu thay thế từ 0-20% cát bằng bột đá từ 3 loạiđá: đá quart, đá granit, đá vôi Kết quả nghiên cứu khuyến cáo có thể cải thiệnđược cường độ của vữa ở tuổi sớm đối với bột đá là đá vôi, trong khi đólượng nước yêu cầu và độ rỗng tăng lên khi liều lượng bột đá tăng lên Cường

độ chịu nén và kéo uốn của mẫu vữa có lượng bột đá tăng lên so với mẫukhông có lượng bột đá

Rahir và Marar [44] đã nghiên cứu ảnh hưởng của bột đá đến tính chấtcủa bê tông ở Thổ Nhĩ Kỳ và chỉ ra rằng lượng bột đá (≤75µm) ở trong đánghiền hoặc cát nghiền Liều lượng bột đá được thay cho cốt liệu nhỏ đượckhảo sát trong nghiên cứu này là 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30% so với khối lượngcủa cốt liệu nhỏ Kết quả thực nghiệm cho thấy độ sụt và lượng không khí

trong bê tông giảm, khi liều lượng bột tăng, cường độ chịu nén cũng như kéouốn cao nhất với liều lượng bột đá là 10%, khả năng chống va chạm của bêtông cao nhất với liều lượng là 5%, khả năng hút nước của bê tông thấp nhấtvới liều lượng bột đá 15%

Benaissa và các cộng sự [27] nghiên cứu cấu trúc của bê tông cát chothấy rằng bê tông cát có cấu trúc đặc chắc hơn so với bê tông thường ở vùngtiếp giáp đá xi măng và cốt liệu Bê tông thường có lỗ rỗng vĩ mô (600-1300A0); còn bê tông cát không có, vì vậy độ đồng nhất của bê tông cát cao hơn sovới bê tông thường

Năm 2000, Cisse và Laquerbe [32] nghiên cứu tính chất cơ học của bêtông cát sử dụng phụ gia tro trấu ở Senegal để tận dụng vật liệu địa phươngtrong xây dựng Cát đụn màu đỏ là nguồn vô tận (chiếm đến 70%) lãnh thổnước này, được sử dụng để làm cốt liệu Nghiên cứu này sử dụng tro trấudạng nghiền và không nghiền Dạng không nghiền có hạt lớn để làm vi cốtliệu và hoạt tính nhỏ Còn tro trấu nghiền nhỏ ngoài việc sử dụng làm vi cốtliệu còn có tác dụng hoạt tính tốt cho bê tông cát Cường độ của bê tông cáttăng gấp 2 lần khi sử dụng tro trấu nghiền nhỏ so với loại không nghiền.Nghiên cứu đã so sánh giá thành của các loại chất độn mịn (bột đá vôi, đábazan, bột cát kết, bột đá phiến silic và tro trấu) cho loại bê tông này, kết quảchỉ ra rằng khi sử dụng phụ gia khoáng RHA dạng nghiền mịn cho giá thành

rẻ nhất và có cường độ đạt được cao nhất

Kim và các cộng sự [40] nghiên cứu tính chất nứt gãy của bê tông sửdụng cát nghiền từ đá vôi ở Hàn Quốc cho thấy rằng khi sử dụng kết hợp cátnghiền từ đá vôi và cát sông, thì cải thiện được cường độ của bê tông Cátnghiền từ đá có hàm lượng hạt bột (<75µm) chiếm đến 3% là tốt nhất choviệc tăng cường độ Năng lượng gây nứt của bê tông sử dụng cát nghiền caohơn một ít so với năng lượng gây nứt của bê tông sử dụng cát sông, điều nàycòn phụ thuộc hàm lượng hạt rất mịn, hàm lượng hạt này có xu hướng cảithiện mối kết dính xi măng và cốt liệu

Wu Lixian [45] nghiên cứu độ bền nứt của bê tơng cát đá vơi nghiền ởHàn Quốc cho thấy rằng khi cỡ hạt của cát tăng lên thì tăng tính giịn của bêtơng, bởi vì các hạt cát lớn làm cho vùng cĩ thể gây nứt rộng hơn Nănglượng gây nứt Gf, năng lượng nứt dẻo Gef, độ giịn Bc liên quan đến kích cỡhạt cát và tỷ lệ N/phần đặc Đây là nghiên cứu về bê tơng thường nhưng đềcấp đến cát nghiền từ đá vơi để so sánh với cát sơng, và nêu lên ưu điểm cátnghiền so với cát sơng.

Benạssa và các cộng sự [27] nghiên cứu về từ biến và co ngĩt của bêtơng cát ở Pháp theo dự án “Sablocrete” cho thấy rằng từ biến của bê tơng cátgần giống từ biến của bê tơng, nhưng ngược lại từ biến khơ của bê tơng cátkhác khá lớn so với từ biến khơ của bê tơng thường Tuy nhiên, khi xảy ra từbiến khơ khơng xảy ra các vết nứt

Okpala [34] nghiên cứu gạch xi măng cát (cĩ thể coi là bê tơng cát) sửdụng tro trấu ở Nigeria Tro trấu để thay thế xi măng dùng làm gạch xi măngvới tỷ lệ X/C là 1:6 thì cĩ thể thay thế đến 40% RHA, tỷ lệ X/C là 1/8 thì cĩthể thay thế 30% RHA Khả năng hút nước của khối gạch xi măng cát tănglên khi tăng lượng RHA nhưng tính dẫn nhiệt lại giảm

Hua và các cộng sự [37] nghiên cứu về tấm bê tơng cát mỏng cĩ khảnăng chịu kéo cao ở Pháp Nghiên cứu cải thiện tính năng của bê tơng cátbằng cách đưa thêm các thành phần khác (polymer và bột mịn) làm tăngcường vùng tiếp giáp giữa đá xi măng và các hạt cát

Năm 2009, dự án án Dubai City [31] đã sử dụng loại bê tơng xi măng

cĩ dùng đến cát đụn (cát bồi) từ 300kg - 400 kg cho 1m3 bê tơng cường độchịu nén mẫu lập phương đạt 45MPa

Ở Mỹ, theo (ACI 506.1R-98) Bê tơng phun cốt sợi (Fiber ReinforcedShotcrete) dùng cốt liệu nhỏ cĩ thành phần trong 1m3 bê tơng như sau: ximăng 446 - 558kg, Cát 1483 - 1679kg, sợi thép 39 - 157kg, phụ gia cĩ nhiềuloại, tỷ lệ N/X là 0,40 - 0,45 Đây chính là thành phần của bê tơng cát, vậy bêtơng phun trong một số trường hợp được coi là bê tơng cát

Như vậy các nghiên cứu và ứng dụng của bê tông cát đã được triển khai

ở nhiều quốc gia trên thế giới và nó đã mang lại hiệu quả kinh tế trong xâydựng ở những vùng lãnh thổ có nhiều cát Khi sử dụng bê tông cát tức là “nhỏhóa” đường kính D của hỗn hợp cốt liệu, hay nói cách khác làm đồng nhấthóa hỗn hợp cốt liệu, từ đó làm giảm năng lượng để trộn, đổ bê tông cũng nhưđầm bê tông Năng lượng sử dụng càng ngày càng khan hiếm dần, vì vậy tiếtkiệm năng lượng đó là một trong những xu thế phát triển của toàn cầu Sửdụng bê tông cát trong xây dựng cũng là một trong các nguyên tắc tận dụngvật liệu địa phương

 Một số ứng dụng của bê tông cát trên thế giới:

Năm 1869 ở Ai cập, ngọn đèn biển cao 52m (Hình 4) ở cảng Said đượcxây dựng bằng bê tông cát [28]

Hình 1.4 Ngọn đèn biển ở cảng Said bằng bê tông cát đặc

Hình 1.5 Đường tàu điện ngầm St Petersburg

Một số ứng dụng bê tông cát để xây dựng theo dự án phát triển cát ởPháp dùng trong công trình xây dựng, giao thông được trình bày ở (Hình 1.6)

Bê tông cát đã được sử dụng ở các nhóm công trình:

- Công trình ngầm, tấm bê tông lắp ghép, các cấu kiện đường ống chếtạo sẵn) Bê tông cát dùng trong xây dựng nhà Ống dẫn bằng bê tông cát chếtạo sẵn đường kính 300-1000mm được sản suất ở nhà máy BCL vùng Mont-de-Marsan, tỉnh Landes, Pháp; Bê tông cát dùng để xây lâu đài Latresne

1) Block màu BIACOLOR xây dựng

công trình thể thao Valenciennes

(2) Pannen bằng bê tông cát

(3) Mặt đường bê tông cát (4) Mặt đường bê tông cát cốt thép

liên tục

Hình 1.6 Bê tông cát dùng các công trình xây dựng, giao thông

1) Khối chắn sóng ACCROPODES

bằng bê tông cát, kè đê biển

(2) Sửa chữa lớp vỏ đường hầm bằng

bê tông cát, Bordeax

(3) Đường ống bằng bê tông cát, Mont

de Marsan, Tỉnh Landes, Pháp

(4) Tượng Beethoven

Hình 1.7 Bê tông cát dùng cho các công trình ngầm, điêu khắc

- Làm kè, đập, tấm lát vỉa hè, bê tông cát đầm bằng lu làm móngđường Bê tông cát được làm gia cố taluy ở quốc lộ 10, Lormont, tỉnhGinronde; Bê tông cát được dùng để lát mái taluy; Bê tông cát dùng để làm

lớp sửa chữa cho đường hầm ở Bordeax [26].

- Bê tông cát dùng trong các công trình chắn sóng cửa sông ở Hình 6

Bê tông cát để chế tạo các khối chắn sóng ACCROPODES

Ngoài ra, bê tông cát còn dùng trong cả công trình ngầm, điêu khắcHình 7

1.5 Tình hình nghiên cứu bê tông cát ở Việt Nam

Ở Việt Nam bê tông cát bắt đầu được nghiên cứu từ thập kỷ 70 của thế

kỷ trước Đề tài nghiên cứu bê tông cát mịn của Viện khoa học CNXD [6]cũng đã có nghiên cứu việc sử dụng cát mịn (có Mk< 2) để thay thế cho cátvàng ở một số vùng hiếm cát thô trong bê tông, tài liệu này là cơ sở khoa họccho nghiên cứu bê tông cát tại Việt Nam

Một số nghiên cứu bê tông dùng cát mịn khác như tài liệu [12] nghiêncứu chế tạo bê tông hạt mịn là một tập hợp vật liệu có khả năng tối ưu hóathành phần trong điều kiện Việt Nam Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

và mô hình hóa bê tông hạt nhỏ giúp phân tích một vài chỉtiêu chất lượng của

bê tông hạt nhỏ khi sử dụng cát tự nhiên và cát hỗn hợp Nghiên cứu phân tích

sự ảnh hưởng đồng thời của thành phần hạt và phụ gia đến tính chất kỹ thuật

và cường độ của bê tông hạt nhỏ

Tác giả Hoàng Minh Đức [9] đã nghiên cứu sử dụng cốt liệu nhỏ trongsản xuất các cấu kiện cỡ nhỏ, sử dụng trong điều kiện khí hậu Việt Nam Tácgiả Vũ Duy [6] nghiên cứu độ bền, độ biến dạng và tính chống nứt của dầmsiêu tĩnh từ bê tông cát khi chất tải ngắn hạn và dài hạn làm rõ mức phân bốnội lực tương ứng với các mức khác nhau của chất tải Đưa ra kiến nghị thực

tế và tính toán cấu tạo của dầm siêu tĩnh từ bê tông cát

Tác giả Nguyễn Thanh Sang [23] luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu thành

phần, tính chất cơ học và khả năng ứng dụng bê tông cát để xây dựng đường

ô tô ở Việt Nam” Trong nghiên cứu này, tác giả đã tập trung giải quyết các

vấn đề chính như: nghiên cứu về vật liệu chế tạo thành phần của bê tông cát:Cát có mô đun độ lớn Mk= 1,6 ÷1,8; nghiên cứu thực nghiệm về các tính chất

cơ học đặc trưng sử dụng trong tính toán và thi công kết cấu đường ô tô:cường độ chịu nén đạt từ 30 MPa - 40 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn đạt từ4,0 MPa – 5,5 MPa, mô đun đàn hồi đạt từ 24 – 30GPa Đề xuất một số kếtcấu áo đường ô tô bằng bê tông cát, sử dụng cho các vùng nhiều cát hiếm đá dăm.

Trên cơ sở những nghiên cứu của thế giới và Việt nam về bê tông cát vàlựa chọn khu vực tiêu biểu ở Việt Nam là tỉnh Quảng bình nơi có trữ lượng

cát mịn lớn, tác giả chọn tên luận án có nội dung như sau: “Nghiên cứu

thành phần, tính công tác, cường độ chịu ép chẻ và mô đun đàn hồi của bê tông xi măng sử dụng cát mịn Quảng Bình” Để sử dụng được bê tông cát ở

Việt nam hiện nay, trong nghiên cứu này tác giả tập trung giải quyết các vấn

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO, THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG CÁT MỊN

QUẢNG BÌNH 2.1 Vật liệu chế tạo bê tông cát

Nguyên vật liệu để chế tạo bê tông bao gồm: xi măng, cát thô, cát mịn,phụ gia siêu dẻo, phụ gia khoáng mịn và siêu mịn Với đặc điểm hỗn hợp cốtliệu như trên, bê tông cát dễ đảm bảo tính đồng nhất khi nhào trộn, dễ tạohình và đầm chặt khi thi công, qua đó giảm thiểu năng lượng cần thiết trongdây truyền công nghệ thi công [5], [18]

2.1.1 Xi măng

Giống như bê tông thường, xi măng sử dụng để chế tạo bê tông cátcũng như xi măng dùng chế tạo bê tông thường Ở Việt Nam, hiện nay cónhiều loại xi măng có thể được sử dụng để chế tạo bê tông cho các công trìnhxây dựng tùy theo kết cấu công trình và điều kiện môi trường xây dựng côngtrình Hai loại xi măng được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là xi măngpoóclăng và xi măng poóclăng hỗn hợp Các yêu cầu kỹ thuật của xi măngpoóclăng được qui định trong tiêu chuẩn (TCVN 2682:2009) và các yêu cầu

kỹ thuật của xi măng poóclăng hỗn hợp được qui định trong tiêu chuẩn(TCVN 6260:2009)

Xi măng sử dụng trong đề tài là xi măng Bút Sơn PC40 được mua từnhà máy xi măng Bút Sơn (Thanh Sơn, Kim Bảng, Hà Nam)

Các chỉ tiêu kỹ thuật của xi măng Bút Sơn PC40 được ghi trong Bảng2.1 và thoả mãn TCVN 2682:2009

Hình 2.1 Xi măng Bút Sơn PC40 Bảng 2.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật của xi măng Bút Sơn PC40

Tên chỉ tiêu Giá trị Yêu cầu Phương pháp thí

≥21

≥40

TCVN 6016-95

Thời gian ninh kết, phút

Bắt đầu, không nhỏ hơn

Kết thúc, không lớn hơn

110 200

≥45

≤375

TCVN 6017-95

Hàm lượng anhydric sunphuric

(SO3), % không lớn hơn 1.86 ≤3.5

-Lượng nước tiêu chuẩn, % 28

-2.1.2 Cốt liệu

Cốt liệu duy nhất trong bê tông sử dụng cát mịn là cát Kích thước, tínhchất bề mặt hạt và lượng dùng cát cho 1m3 bê tông là nhân tố quan trọng trongchất lượng bê tông, ảnh hưởng trực tiếp tới cường độ nén của bê tông Cácloại cát có cỡ từ 0/D (D=5mm) đều có thể dùng làm cốt liệu cho bê tông hạtmịn, nếu cát đảm bảo độ sạch và cấp phối hạt theo tiêu chuẩn quy định Vềnguồn gốc cát, có thể lấy từ cát sông, cát bồi, cát biển, cát nghiền hoặc có thểdùng đá mạt 0-5 từ các cơ sở sản xuất đá dăm nếu đạt yêu cầu về thành phầnhạt

Cốt liệu (chủ yếu là cát) chiếm tới 6085% tổng thể tích của bê tônghạt mịn Loại cốt liệu, thành phần hạt của cát trên ảnh hưởng đến các tính chấtcủa bê tông hạt mịn như: tính công tác của hỗn hợp bê tông hạt mịn, cường

độ, tính chống thấm, độ bền Tùy theo loại cát và địa phương, giá thành của

bê tông hạt mịn cũng khác nhau Bởi vậy thiết kế hỗn hợp cốt liệu là một khâuquan trọng khi lựa chọn tối ưu hỗn hợp bê tông hạt mịn Nguyên tắc xác địnhthành phần của hỗn hợp cốt liệu: dùng đường cong cấp phối lý tưởng hoặcdùng giá trị độ đặc của hỗn hợp cốt liệu

Mô đun độ lớn cát dùng cho bê tông sử dụng cát mịn không được saikhác giá trị mô đun độ lớn theo tiêu chuẩn cốt liệu nhỏ cho bê tông là ±20%.Theo [1] mô đun độ lớn cát thiên nhiên dùng cho bê tông thường từ 2,6 - 3,2

Vì trong thành phần của bê tông sử dụng cát mịn có bột mịn, do vậy bê tông

sử dụng cát mịn dùng cát mịn ở một số vùng nếu đảm bảo độ sạch có thể sửdụng

Theo quy định của Pháp bê tông sử dụng cát mịn có cỡ hạt làd=0,08mm đến D=5mm

Trong nghiên cứu này chọn cỡ hạt cốt liệu là d=0,075mm đến D=5mm(TCVN 7570:2006)

Cốt liệu cát thô và cát mịn được sử dụng trong chế tạo bê tông cát:

2.1.2.1 Cát thô

Cát thô đóng vai trò làm cốt liệu chính trong thành phần của bê tông sửdụng cát mịn Thành phần hạt của cát thô được quy định theo TCVN7570:2006 Cát thô có cỡ hạt chiếm chủ yếu từ 0,63mm -5mm khoảng lớnhơn 50% và có mô đun độ lớn Mk> 2 Các yêu cầu khác về chất lượng cátphải thỏa mãn các tiêu chuẩn theo ASTM C33 hoặc TCVN 7570:2006

Đề tại lựa chọn cát thô là loại cát tại Vĩnh Phúc:

Hình 2.2 Cát thô Vĩnh phúc Xác định thành phần hạt của cát:

Phương pháp thí nghiệm: Theo TCVN 7572-2006

Trình tự thí nghiệm: Cân 2000g cát đã sàng qua sàng 5 mm sau đó sàngqua bộ sàng tiêu chuẩn, cân lượng sót trên từng sàng chính xác đến 1g và tínhtoán

Công thức xác định: Lượng sót riêng trên từng sàng i (ai) tính bằngphần trăm khối lượng chính xác 0,1% theo công thức:

100%

i i

m

a

m

Trong đó: ai: Lượng sót riêng trên sàng có kích thước mắt sàng i, %;

a5: Lượng sót trên sàng có kích thước mắt sàng 5 mm, %

Hình 2.3 Biểu đồ thành phần hạt của cát thô Vĩnh Phúc.

Thành phần hóa học của cát chủ yếu là ôxít SiO2 ngoài ra còn có ôxít

Fe2O3 MgO, Al2O3… là nguyên nhân chủ yếu gây cho cát có các màu sắc khácnhau

Các loại cát mịn có mô đun độ lớn trong khoảng từ 0,352,00 Thườnggặp nhất từ 1,0 đến 1,5 Lượng bùn bụi sét chứa trong cát ở hầu hết các nơiđều nằm trong phạm vi cho phép Hàm lượng mica trong đa số cát đều nằmtrong phạm vi cho phép

Hàm lượng hạt dưới sàng 0,14 trong cát mịn thường nhiều hơn so vớicát vàng, gây nên diện tích bề mặt của cát lớn Đây là đặc tính quan trọng cầnphải quan tâm khi nghiên cứu sử dụng, đặc biệt là trong thiết kế cấp phối bê