Nghiên cứu sử dụng cát đồi tại các xã vùng đông thành phố tam kỳ tỉnh quảng nam để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông

Bê tông là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới hiện nay Sau nước bê tông được đặt ở vị trí thứ hai Việc sử dụng cát sông là rất cần thiết trong chế tạo bê tông Cát là vật liệu xây dựng bê tông cơ bản cần thiết với số lượng lớn Trong luận văn này tác giả sử dụng cát ở các cồn trong luận văn gọi là cát đồi để thay thế cát sông có thể được sử dụng làm cốt liệu mịn thay thế trong vữa và bê tông Tác giả đã khảo sát thí nghiệm các tính chất của bê tông như cường độ nén của bê tông bằng cách thay thế cát sông bởi cát đồi ở các mức khác nhau 15 25 và 35 Kết quả đã chứng minh rằng chúng ta có thể thay thế cát sông bằng cát cồn đến tỷ lệ 25 75 cát sông sẽ tạo ra bê tông có cường độ nén phù hợp

PHẦN CÁT SÔNG TRONG CHẾ TẠO BÊ TÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD và CN

Mã ngành: 85.80.201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Người hướng dẫn: PGS.TS ĐẶNG CÔNG THUẬT

Đà Nẵng, Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân

dụng & Công nghiệp với đề tài: "Nghiên cứu sử dụng cát đồi tại các xã vùng Đông – Tam Kỳ, tỉnh Quảng Nam để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông" là

công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực Tất cả các trích dẫn

đã được ghi rõ nguồn gốc

Học viên

Nguyễn Thành Đức

đã khảo sát, thí nghiệm các tính chất của bê tông như cường độ nén của bê tông bằng cách thay thế cát sông bởi cát đồi ở các mức khác nhau (15%, 25% và 35%) Kết quả

đã chứng minh rằng, chúng ta có thể thay thế cát sông bằng cát cồn đến tỷ lệ 25% (75% cát sông) sẽ tạo ra bê tông có cường độ nén phù hợp

RESEARCH ON THE USING OF DUNE SAND IN EASTERN

COMMUNES, TAM KY CITY, QUANG NAM PROVINCE TO REPLACE A

PART OF RIVER SAND IN CONCRETE MANUFACTURING

Summary:

The most widely used material in this world is concrete After water, concrete is placed in second position The use of natural sand in conventional concrete has become of vital importance which is scarce to obtain Sand is basic concrete making construction material required in large quantities Dune sand is one among such materials to replace river sand which can be used as an alternative fine aggregate in mortars and concrete An attempt had been made in the present investigation to discuss the properties of concrete such as compressive strength of concrete which is prepared

by replacing natural sand with dune sand at different replacement levels (15%, 25% and 35%) The results have predicted that replacement of river sand with dune sand in order of 25% will produce concrete of satisfactory compressive strength

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Nội dung nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

7 Cấu trúc của luận văn 4

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ CÁC VẬT LIỆU CẤU THÀNH 5

1.1 Tổng quan về bê tông và các vật liệu cấu thành 5

1.1.1 Tổng quan về bê tông 5

1.1.2 Tính chất cơ học của bê tông 7

1.1.3 Co ngót của bê tông 8

1.1.4 Các vật liệu cấu thành 9

1.2 Nguyên lý hình thành bê tông thông qua phản ứng thủy hóa của xi măng 13

1.2.1 Giai đoạn hòa tan 14

1.2.2 Giai đoạn hóa keo 15

1.2.3 Giai đoạn kết tinh 15

1.3 Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng và khai thác sử dụng cát mịn để chế tạo bê tông xi măng 15

1.3.1 Các nghiên cứu ứng dụng cát mịn có nguồn gốc từ cát biển để chế tạo bê tông xi măng 15

1.3.2 Khai thác sử dụng cát mịn có nguồn gốc từ cát biển để chế tạo bê tông xi măng 18

1.3.3 Ảnh hưởng của cát hạt mịn có nguồn gốc từ cát biển trong quá trình chế tạo, sử dụng bê tông xi măng 19

1.4 Nhận xét chương 1 20

CHƯƠNG 2 ĐẶC TÍNH CƠ LÝ, HÓA HỌC CỦA CÁT ĐỒI CỠ HẠT NHỎ

VÀ CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG 21

2.1 Tổng quan về cát đồi ven biển miền Trung và cát đồi vùng Đông, Tam Kỳ 21

2.1.1 Tổng quan về cát đồi ven biển miền Trung Việt Nam 21

2.1.2 Đặc điểm cát đồi khu vực vùng Đông Tam Kỳ 21

2.2 Các chỉ tiêu cần xác định đối với cát đồi 22

2.3 Phương pháp xác định cường độ nén của bê tông 22

2.3.1 Tiêu chuẩn và thiết bị thí nghiệm 22

2.3.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông 25

2.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến cường độ nén của bê tông 27

2.4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng muối chứa trong cát đồi 27

2.4.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ cát đồi thay thế cát sông trong hỗn hợp bê tông 27

2.4.3 Mác xi măng và tỷ lệ X/N 27

2.4.4 Hàm lượng và tính chất của cốt liệu 29

2.4.5 Cấu tạo của bê tông 30

2.4.6 Phụ gia tăng dẻo 30

2.4.7 Phụ gia đông kết nhanh 30

2.4.8 Cường độ bê tông tăng theo thời gian 30

2.4.9 Điều kiện môi trường bảo dưỡng 31

2.4.10 Điều kiện thí nghiệm 31

2.5 Nhận xét chương 2 31

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG CÁT ĐỒI VÙNG ĐÔNG, TAM KỲ ĐỂ THAY THẾ MỘT PHẦN CÁT SÔNG TRONG THÀNH PHẦN CẤP PHỐI 32

3.1 Mục đích thí nghiệm 32

3.2 Xác định các chỉ tiêu của các thành phần cấp phối 32

3.2.1 Xi măng 32

3.2.2 Cốt liệu nhỏ (cát) 33

3.3 Tính toán thành phần cấp phối cho các hỗn hợp bê tông cấp bền B20 46

3.4 Quy trình đúc mẫu 47

3.4.1 Tính toán liều lượng vật liệu cho mẻ trộn 47

3.4.2 Trộn hỗn hợp bê tông và xác định độ sụt 48

3.4.3 Chọn khuôn đúc và tiến hành đúc mẫu 48

3.4.4 Quy trình bảo dưỡng mẫu 49

3.5 Quy trình nén mẫu và kết quả thí nghiệm 49

3.5.1 Quy trình nén mẫu 49

3.5.2 Kết quả thí nghiệm - Cường độ nén ở tuổi t = 3, 7, 14, 28, 60 ngày 50

3.6 So sánh kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của mẫu bê tông 52

3.6.1 Đối với cát đồi Vạn Ninh, Khánh Hòa 52

3.6.2 Đối với cát đụn ven biển Đà Nẵng 53

3.7 Nhận xét chương 3 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

1 Kết luận 58

2 Kiến nghị 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nước trộn vữa (mg/l) 12

Bảng 1.2 Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nước dùng để rửa cốt liệu và bảo dưỡng bê tông (mg/l) 13

Bảng 1.3 Yêu cầu về thời gian đông kết của xi măng và cường độ chịu nén của vữa 13 Bảng 3.1 So sánh chỉ tiêu chất lượng của xi măng Sông Gianh PCB40 với TCVN.32 Bảng 3.2 Các tính chất cơ lý của cát sông Tam Kỳ 34

Bảng 3.3 Thành phần hạt của cát sông Tam Kỳ 33

Bảng 3.4 Hàm lượng muối trong các mẫu cát đồi vùng Đông - Tam Kỳ theo kết quả kiểm nghiệm của Phòng Thí nghiệm thuộc Đài Khí tượng - thủy văn Khu vực Trung Trung Bộ .36

Bảng 3.5 Các tính chất cơ lý của cát đồi Tam Phú, mẫu M1 - vị trí 1 37

Bảng 3.6 Thành phần hạt của cát đồi Tam Phú, mẫu M3 - vị trí 3 37

Bảng 3.7 Các tính chất cơ lý của hỗn hợp cát 01 (85% cát sông + 15% cát đồi) 39

Bảng 3.8 Thành phần hạt của hỗn hợp cát 01 (85% cát sông + 15% cát đồi) 39

Bảng 3.9 Các tính chất cơ lý của hỗn hợp cát 02 (75% cát sông + 25% cát đồi) 40

Bảng 3.10 Thành phần hạt của hỗn hợp cát 02 (75% cát sông + 25% cát đồi) 41

Bảng 3.11 Các tính chất cơ lý của hỗn hợp cát 03 (65% cát sông + 35% cát đồi) 40

Bảng 3.12 Thành phần hạt của hỗn hợp cát 03 (65% cát sông + 35% cát đồi) 41

Bảng 3.13 Các tính chất cơ lý của đá dăm 1x2 cm – mỏ đá Chu Lai 44

Bảng 3.14 Thành phần hạt của đá dăm 1x2cm - mỏ đá Chu Lai 45

Bảng 3.15 Thành phần cấp phối các hỗn hợp bê tông 47

Bảng 3.16 Thành phần vật liệu cho một mẻ trộn ứng với từng loại cấp phối 47

Bảng 3.17 Độ sụt của các cấp phối bê tông thí nghiệm 48

Bảng 3.18 Cường độ nén trung bình của các mẫu thử 50

Bảng 3.19 Tỉ lệ (%) cường độ chịu nén của các mẫu có sử dụng cát đồi so với mẫu đối chứng chỉ dùng cát sông 50

Bảng 3.20 Cường độ nén trung bình của các mẫu thử sử dụng cát đồi Vạn Ninh 50

Bảng 3.21 Cường độ nén trung bình của các mẫu thử sử dụng cát đụn ven biển Đà Nẵng 51

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sự phá hoại mẫu thử 7

Hình 1.2 Độ co ngót của đá xi măng, vữa, bê tông 9

Hình 1.3 Phạm vi thành phần hạt cho phép của cát dùng chế tạo bê tông 10

Hình 2.1 Cát đồi khu ven biển Miền Trung 20

Hình 2.2 Cát đồi khu vực Tam Phú - Tam Kỳ- Quảng Nam 22

Hình 2.3 Máy trộn bê tông 300 lít 23

Hình 2.4 Dưỡng hộ bê tông 24

Hình 2.5 Bộ côn thử độ sụt 24

Hình 2.6 Máy nén mẫu bê tông 25

Hình 2.7 Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào lượng nước nhào trộn [6] 28

Hình 3.1 Cát sông Tam Kỳ 34

Hình 3.2 Thành phần hạt của cát sông Tam Kỳ 35

Hình 3.3 Lấy mẫu cát đồi Tam Phú tại thực địa 35

Hình 3.4 Mẫu cát đồi vùng Đông, Tam Kỳ gửi Phòng Thí nghiệm thuộc Đài Khí tượng - Thủy văn Khu vực Trung Trung Bộ 36

Hình 3.5 Mẫu cát đồi vùng Đông Tam Kỳ – vị trí 3 37

Hình 3.6 Thành phần hạt của cát đồi vùng Đông, Tam Kỳ ( vị trí 3) 38

Hình 3.7 Thành phần hạt của hỗn hợp cát 01 (85% cát sông + 15% cát đồi 40

Hình 3.8 Thành phần hạt của hỗn hợp cát 02 (75% cát sông + 25% cát đồi) 40

Hình 3.9 Thành phần hạt của hỗn hợp cát 03 (65% cát sông + 35% cát đồi) 41

Hình 3.10 Đá dăm 1x2 cm – mỏ Chu lai sử dụng để chế tạo mẫu 44

Hình 3.11 Thành phần hạt của đá dăm 1x2 cm – mỏ đá Chu Lai 45

Hình 3.12 Khuôn đúc mẫu và mẫu đúc 49

Hình 3.13 Sự phát triển cường độ theo thời gian khi thay thế cát sông bằng cát đồi Tam Kỳ, Quảng Nam 49

Hình 3.14 Sự phát triển cường độ theo thời gian khi thay thế cát sông bằng cát đồi Vạn Ninh, Khánh Hòa 51

Hình 3.15 Sự phát triển cường độ theo thời gian khi thay thế cát sông bằng cát ven biển Đà Nẵng 52

Hình 3.16 So sánh cường độ bê tông ở 28 ngày tuối ở các nghiên cứu khác nhau 53

Đến năm 2030, Quảng Nam trở thành một trong những tỉnh phát triển của vùng

và cả nước, hội tụ những yếu tố của nền kinh tế tri thức với các ngành định hướng phát triển mạnh về công nghệ tiên tiến, dịch vụ chất lượng cao, nông nghiệp công nghệ cao và môi trường an toàn, bền vững; hình thành được một hệ thống kết cấu hạ tầng kinh tế - xã hội đồng bộ, hoàn thiện và hiện đại

Để đạt mục tiêu đề ra, thời gian tới, Quảng Nam sẽ tập trung phát triển công nghiệp - xây dựng; Trong đó, tập trung phát triển cụm ngành động lực lợi thế của tỉnh, đảm bảo năng lực cạnh tranh và tăng trưởng kinh tế bền vững gắn liền với các trung tâm đô thị Khai thác tối đa các cơ hội từ sự liên kết phát triển của vùng Kinh

tế trọng điểm miền Trung và các xu hướng phát triển kinh tế trong nước, thế giới; đầu tư hoàn chỉnh mạng lưới hạ tầng khung với đầy đủ các hạ tầng sân bay, cảng biển; kết nối đồng bộ giữa các cụm công nghiệp, các trung tâm đô thị và vùng nguyên liệu để hướng tới phát triển công nghiệp bền vững; Tiếp tục xây dựng Khu kinh tế mở Chu Lai theo mô hình khu kinh tế tổng hợp, bao gồm các khu công nghiệp, khu chế xuất Như vậy, có thể nhận thấy trong thời gian tới trên địa bàn tỉnh Quảng Nam việc đầu tư xây dựng các công trình hạ tầng sẽ càng tăng cao, nhu cầu

về vật liệu xây dựng là rất lớn

Bê tông là loại vật liệu phổ biến thường được sử dụng cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép, các loại kết cấu này chiếm đến 60% các loại kết cấu xây dựng Bê tông truyền thống với thành phần gồm: cốt liệu lớn (đá dăm, sỏi), cốt liệu nhỏ (cát sông, suối), xi măng, nước và có thể có phụ gia Cường độ chịu nén là chỉ tiêu đặc trưng đánh giá chất lượng của bê tông Hiện nay, bê tông truyền thống được phổ biến cho các công trình xây dựng Tuy nhu cầu sử dụng bê tông truyền thống cho các công trình xây dựng là rất lớn, nhưng hiện nay đang có những trở ngại cho việc đáp ứng nhu cầu số lượng được cung cấp, nhất là không đáp ứng đủ nhu cầu cát sông dùng cho chế tạo bê tông Theo quy hoạch phát triển vật liệu xây dựng tỉnh Quảng Nam

đến năm 2020, định hướng đến năm 2030 được UBND tỉnh Quảng Nam phê duyệt tại Quyết định số 400/QĐ-UBND ngày 27/01/2014, nhu cầu cát xây dựng (kể cả cát dùng chế tạo bê tông) cho toàn tỉnh từ 2,55 - 3,94 triệu m3/năm [2], chỉ tập trung tại một số địa phương và dần bị hạn chế, giảm về lượng khai thác

Tam Kỳ là thành phố trung tâm tỉnh lỵ của tỉnh Quảng Nam, thành phố đạt tiêu chuẩn đô thị loại 2 vào năm 2016, với tốc độ đô thị hóa nhanh, công trình xây dựng nhiều, nhưng là địa phương khan hiếm nguồn cát sông dùng trong xây dựng, nhất là cát dùng cho chế tạo hỗn hợp bê tông Do trữ lượng, sản lượng khai thác cát sông, suối trên địa bàn rất ít ỏi nên nguồn cát phục vụ xây dựng chủ yếu được vận chuyển

từ địa phương khác, kể cả ngoại tỉnh; chất lượng cát ngày càng kém, nhất là hàm lượng bùn, bụi bẩn trong cát ngày càng cao, bên cạnh đó, việc khai thác quá mức từ nguồn cát từ sông, suối đang gây ra quá nhiều hệ lụy về môi trường, đặc biệt là vấn

đề sạt lở hai bên bờ sông suối Vì vậy, cần thiết phải tìm kiếm và nghiên cứu sử dụng nguồn cát khác cát truyền thống, như cát đồi tại khu vực các xã vùng Đông của thành phố (Tam Phú, Tam Thăng, Tam Thanh) để thay thế một phần cát sông (suối) dùng trong chế tạo bê tông, nhằm tận dụng nguồn vật liệu dồi dào sẵn có tại địa phương, giảm bớt chi phí xây dựng công trình, giảm bớt áp lực của việc phải sử dụng toàn bộ cát sông (suối) trong việc chế tạo bê tông, từ đó giảm bớt những hệ lụy về môi trường của việc khai thác cát từ sông, suối

Do đó, đề tài “Nghiên cứu sử dụng cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam Kỳ, tỉnh Quảng Nam để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông” nhằm tiến hành nghiên cứu sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông sử dụng xi măng PCB40 với vật liệu được khai thác tại chỗ, sẽ là tiền đề cho việc thiết kế thành phần cấp phối chính xác cho bê tông khi sử dụng cát đồi để thay thế một phần cát sông (suối), góp phần trong việc sử dụng tiết kiệm, hiệu quả nguồn tài nguyên cát sông, cát suối ngày càng khan hiếm, đáp ứng nhu cầu xây dựng ngày càng lớn của khu vực thành phố Tam Kỳ nói riêng và tỉnh Quảng Nam nói chung

2 Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu cường độ của bê tông khi sử dụng cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam Kỳ (gồm Tam Phú, Tam Thăng, Tam Thanh) để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông theo những tỉ lệ nhất định Thông qua các nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định cường độ chịu nén theo thời gian trong điều kiện bảo dưỡng chuẩn tại phòng thí nghiệm

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Hỗn hợp bê tông khi sử dụng cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam Kỳ để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông

- Phạm vi nghiên cứu: Xác định cường độ chịu nén theo thời gian trong các điều kiện bảo dưỡng chuẩn tại phòng thí nghiệm của bê tông khi sử dụng cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam Kỳ để thay thế một phần cát sông với những hàm lượng thay thế nhất định để chế tạo bê tông có cấp độ bền B20, với mốc thời gian khảo sát: 3, 7, 14,

28, 60 ngày kể từ ngày đúc mẫu bê tông Nghiên cứu 03 cấp phối bê tông có thay thế cát sông bằng cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam Kỳ với các tỷ lệ thay thế 15%, 25% và 35% Sử dụng xi măng PCB 40 Sông Gianh; cát vàng sông Tam Kỳ; cát đồi vùng Đông - Tam Kỳ (khu vực xã Tam Phú); đá dăm 1x2 cm (mỏ đá Chu Lai, Núi Thành – Quảng Nam); nước máy (nguồn nhà máy nước Tam Kỳ)

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về bê tông

- Tổng quan về nguồn cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam Kỳ

- Nghiên cứu tận dụng nguồn cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam Kỳ để thay thế một phần cát sông với những hàm lượng nhất định trong việc chế tạo hỗn hợp bê tông

- Thí nghiệm tính chất cơ lý, hóa học của cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam

Kỳ

- Đánh giá tính khả thi của việc sử dụng cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam

Kỳ để thay thế cát sông với những hàm lượng nhất định trong việc chế tạo hỗn hợp

bê tông

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết

- Khảo sát thực nghiệm bằng cách dần thay thế cát sông bằng cát đồi khu vực các xã Vùng Đông - Tam Kỳ với những hàm lượng nhất định trong việc chế tạo hỗn hợp bê tông

- Tổng hợp, phân tích đánh giá, rút ra kết luận

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Từ kết quả nghiên cứu có thể áp dụng vào việc chế tạo những cấu kiện, sản phẩm bê tông sử dụng cát đồi thay thế một phần cát sông, góp phần giảm giá thành, đẩy nhanh tiến độ thi công xây dựng công trình; đồng thời, việc thay thế thành công một phần cát sông bằng cát đồi trong chế tạo bê tông sẽ góp phần vào việc sử dụng cát sông có hiệu quả, tiết kiệm, giảm thiểu tác động xấu đến môi trường do việc khai thác quá mức nguồn cát sông đang ngày càng cạn kiệt

7 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo trong luận văn gồm có các chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về bê tông và các vật lıệu cấu thành

Chương 2: Đặc tính cơ lý, hóa học của cát đồı cỡ hạt nhỏ và cường độ chịu nén của bê tông

Chương 3: Thực nghıệm xác định cường độ chịu nén của bê tông sử dụng cát đồı tạı các xã vùng đông- tam kỳ để thay thế một phần cát sông trong thành phần cấp phốı

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ CÁC VẬT LIỆU CẤU THÀNH

1.1 Tổng quan về bê tông và các vật liệu cấu thành

1.1.1 Tổng quan về bê tông

Bê tông là một hỗn hợp được tạo thành từ cát, đá, xi măng, nước… Trong đó cát

và đá chiếm 80% - 85%, xi măng chiếm 8% - 15%, còn lại là khối lượng của nước, ngoài ra còn có chất phụ gia thêm vào để đáp ứng yêu cầu cần thiết Có nhiều loại bê tông tùy thuộc vào thành phần của hỗn hợp trên Mỗi thành phần cát, đá, xi măng … khác nhau sẽ tạo thành nhiều Mác bê tông khác nhau [3]

1.1.1.1 Phân loại bê tông

a) Phân loại theo dạng chất kết dính:

Bê tông xi măng, bê tông silicat (chất kết dính là vôi), bê tông thạch cao, bê tông chất kết dính hỗn hợp, bêtông polime, bê tông dùng chất kết dính đặc biệt

Do khối lượng thể tích của bê tông biến đổi trong phạm vi rộng nên độ rỗng của chúng cũng thay đổi đáng kể, như bê tông tổ ong dùng để cách nhiệt có r = 70 - 85%,

bê tông thủy công r = 8 - 10%

Phân loại theo công dụng:

Bê tông thường dùng trong các kết cấu bê tông cốt thép (móng, cột, dầm, sàn)

Bê tông thủy công, dùng để xây đập, âu thuyền, phủ lớp mái kênh, các công trình dẫn nước

Bê tông dùng cho mặt đường, sân bay, lát vỉa hè

Bê tông dùng cho kết cấu bao che (thường là bê tông nhẹ)

Bê tông có công dụng đặc biệt như bê tông chịu nhiệt, chịu axit, bê tông chống phóng xạ

Trong phạm vi chương trình ta chỉ chủ yếu nghiên cứu về bê tông nặng dùng chất kết dính xi măng

b)Phân loại theo dạng cốt liệu:

Bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng, bê tông cốt liệu đặc biệt (chống phóng

xạ, chịu nhiệt, chịu axit)

c) Phân loại theo khối lượng thể tích:

Bê tông đặc biệt nhẹ cũng là loại bê tông tổ ong và bê tông cốt liệu rỗng nhưng

có ρv< 500 kg/m3

1.1.1.2 Cấu tạo và cấu trúc

Hỗn hợp bê tông là hỗn hợp chứa các thành phần chủ yếu là xi măng, nước, cát, cốt liệu lớn (đá, sỏi) Ngày nay khi đa số bê tông tươi đều có sử dụng các chất phụ gia thì phụ gia trở thành thành phần quan trọng trong hỗn hợp bê tông, có tác động đến cấu trúc của hỗn hợp bê tông

Khi nhào trộn các thành phần khoáng vật của xi măng sẽ xảy ra phản ứng thủy hóa, các chất cấu thành trên xi măng và trở thành hỗn hợp chất kết dính gốc trong hỗn hợp bê tông và Ca(OH)2 và trở thành hỗn hợp chất kết dính gốc trong hỗn hợp bê tông Dung dịch 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 chui vào kẽ hở của các hạt cốt liệu này và chúng tạo ra cấu trúc hỗn hợp bê tông hoàn chỉnh

- Có thể phân cấu trúc hỗn hợp bê tông 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 môi trường liên kết các hạt cốt liệu lớn trong cấu trúc bộ xương khung)

Cấu trúc tiếp giáp giữa hồ xi măng và bề mặt cốt liệu lớn (vùng tiếp giáp cốt liệu): Với các khung xương cốt liệu lớn được biểu hiện qua lực dính vữa xi măng lên bề mặt các hạt cốt liệu lớn (lực dính này chỉ hình thành khi kết thúc quá trình ninh kết 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 các vết nứt và các vùng ứng suất cục

bộ đầu tiên trong bê tông khi chịu lực và chịu tác động của các yếu tố môi trường gây

ăn mòn với bê tông

1.1.2 Tính chất cơ học của bê tông

Cường độ của bê tông là chỉ tiêu quan trọng thể hiện khả năng chịu lực của vật liệu Cường độ của bê tông phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của nó Với bê tông, cần xác định cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo [4]

1.1.2.1 Cường độ chịu nén

Cường độ chịu nén của bê tông là khả năng chịu ứng suất nén của mẫu bê tông Mẫu có thể chế tạo bằng các cách khác nhau: lấy hỗn hợp bê tông đã được nhào trộn

để đúc mẫu hoặc dùng thiết bị chuyên dùng khoan lấy mẫu từ kết cấu có sẵn Mẫu để

đo cường độ có kích thước 150x150x150 mm, được thực hiện theo điều kiện chuẩn trong thời gian 28 ngày

Bê tông thông thường có R = 5÷30 MPa Bê tông có R > 40MPa là loại cường độ cao Hiện nay, người ta đã chế tạo được các loại bê tông đặc biệt có R ≥ 80MPa Khi bị nén, ngoài biến dạng co ngắn theo phương tác dụng lực, bê tông còn bị nở ngang Thông thường chính sự nở ngang quá mức làm cho bê tông bị nứt và bị phá vỡ Nếu hạn chế được mức độ nở ngang của bê tông có thể làm tăng khả năng chịu nén của nó Trong thí nghiệm nếu không bôi trơn mặt tiếp xúc giữa mẫu thử và bàn nén thì tại đó sẽ xuất hiện lực ma sát có tác dụng cản trở sự nở ngang, kết quả mẫu bị phá hoại theo hình tháp đối đỉnh như hình 1.2b Nếu bôi trơn mặt tiếp xúc để bê tông tự do nở ngang thì khi biến dạng ngang quá mức trong mẫu sẽ xuất hiện các vết nứt dọc và sự phá hoại xảy ra như trên hình 1.2c Cường độ của mẫu được bôi trơn thấp hơn cường

độ của mẫu khối vuông có ma sát Điều này có thể giải thích là do ma sát làm cản trở biến dạng ngang, với mẫu khối khi cạnh a tăng thì R giảm và cường độ của mẫu hình trụ thấp hơn cường độ của mẫu khối vuông

1 - Mẫu; 2 - Bàn máy nén; 3 - Ma sát; 4 - Bê tông bị ép vụn;

5 - Hình tháp phá hoại 6 - Vết nứt dọc trong mẫu

1.1.2.2 Cường độ chịu uốn

Cường độ chịu uốn là một thông số đo cường độ chịu kéo của bê tông Nó được

đo trên cơ sở uốn dầm bê tông Thông thường cường độ chịu uốn bằng khoảng 10-20 phần trăm cường độ chịu nén của bê tông, tùy thuộc vào kích thước, hình dạng của các loại cốt liệu

Tuy nhiên việc xác định mối quan hệ giữa cường độ chịu uốn và cường độ chịu nén của bê tông một cách chính xác nhất là thông qua việc thực hiện thí nghiệm mẫu

1.1.3 Co ngót của bê tông

Co ngót là hiện tượng bê tông giảm thể tích khi khô cứng trong không khí Hiện tượng co ngót liên quan đến quá trình thủy hóa xi măng, đến sự bốc hơi lượng hơi nước thừa khi bê tông khô cứng Co ngót xảy ra chủ yếu trong giai đoạn khô cứng đầu tiên của bê tông Trong điều kiện bình thường, sau vài năm thì biến dạng tỉ đối do co ngót có thể đạt đến (3÷5)10-4 Độ co ngót phát triển mạnh trong thời kỳ đầu và giảm dần theo thời gian sau đó tắt hẳn [4]

Co ngót của bê tông có mấy dạng cơ bản sau:

- Hiện tượng tự co (Autogenous shrinkage): Xảy ra do quá trình hydrat hóa của

Bê tông bị co ngót do nhiều nguyên nhân, trước hết là sự mất nước trong các gel

đá xi măng Khi mất nước các mầm tinh thể xích lại gần nhau và đồng thời các gel cùng dịch chuyển làm cho bê tông bị co Quá trình cacbonat hóa hyđrôxi can xi trong

đá xi măng cũng là nguyên nhân gây ra co ngót, co ngót còn là hậu quả của việc giảm thể tích tuyệt đối của hệ xi măng - nước Ngoài ra, độ co ngót còn phụ thuộc vào chế

độ bảo dưỡng, khi bảo dưỡng nhiệt ẩm độ co ngót xảy ra mạnh và nhanh chóng hơn trong điều kiện thường nhưng trị số cuối cùng lại nhỏ hơn 10 - 15%; nhiệt độ chưng hấp càng cao, độ co ngót cuối cùng càng nhỏ

Sự co của mạng tinh thể bị cốt liệu cản trở gây ra ứng suất kéo ban đầu trong đá

xi măng Sự co không đều trong khối bê tông hoặc co ngót bị ngăn trở làm phát sinh ứng suất kéo và có thể làm bê tông bị nứt Bê tông bị nứt làm giảm cường độ, độ

Ghi chú:

1- Co ngót của đá xi măng 2- Co ngót của vữa 3- Co ngót của bê tông

Hình 1.2 Độ co ngót của đá xi măng, vữa, bê tông

Trị số co ngót phụ thuộc vào lượng, loại xi măng, lượng nước, tỷ lệ cát trong hỗn hợp cốt liệu và chế độ bảo dưỡng Độ co ngót trong đá xi măng lớn hơn trong hỗn hợp

và bê tông (Biểu đồ 1.1)

1.1.4 Các vật liệu cấu thành

1.1.4.1 Xi măng

Xi măng là thành phần chất kết dính để liên kết các hạt cốt liệu với nhau tạo ra cường độ cho bê tông Chất lượng và hàm lượng xi măng là yếu tố quan trọng quyết định cường độ cho bê tông Hiện nay có rất nhiều loại xi măng để sản xuất bê tông như

xi măng pooc lăng, xi măng pooc lăng bền sunfat, xi măng pooc lăng xỉ, xi măng pooc lăng puzolan Việc lựa chọn mác xi măng là rất quan trọng khi thiết kế thành phần cấp phối của bê tông đểvừa đảm bảo các yêu cầu thiết kế, vừa đảm bảo tính kinh tế Yêu cầu kỹthuật của xi măng được quy định theo TCVN 2682 : 2009 [5] Để có loại

bê tông có chất lượng tốt, nên sử dụng loại xi măng có mác tỷ lệ thuận với mác bê tông cần đạt Lượng xi măng dùng phải lớn hơn lượng xi măng tối thiểu và nhỏ hơn lượng

xi măng tối đa do tiêu chuẩn quy định để sản xuất được bê tông có độ dẻo và tính công tác quy định mà không vượt hàm lượng nước tối đa Lượng xi măng tối thiểu là 300 kg/m3, lượng xi măng tối đa là 500 kg/m3

Hình 1.3 Phạm vi thành phần hạt cho phép của cát dùng chế tạo bê tông

Nếu cát có thành phần hạt hợp lý sẽ tiết kiệm được xi măng, cường độ bê tông sẽ cao Thành phần hạt của cát được xác định thông qua thí nghiệm lượng hạt lọt qua các sàng tiêu chuẩn: theo TCVN 7570:2006 [7] là các sàng có kích thước lỗ 5 mm, 2,5

mm, 1,25 mm, 0,63 mm, 0,315 mm, 0,14 mm Khi thiết kế cấp phối, cỡ hạt của cát phải thỏa mãn đường cong thực nghiệm nằm trong phạm vi cho phép ở biểu đồ thành

phần hạt theo quy định TCVN 7570:2006 (Biểu đồ 1.2)

1.1.4.3 Cốt liệu lớn (Đá dăm, sỏi)

Cốt liệu lớn có thể sử dụng là sỏi hoặc đá dăm Sỏi là cốt liệu cần nhiều nước, tốn

xi măng, dễ đầm, dễ đổ nhưng lực dính bám với vữa xi măng nhỏ nên cường độ bê tông sỏi thấp hơn bê tông đá dăm Do đó trong xây dựng các kết cấu công trình thường

sử dụng cốt liệu lớn là đá dăm Cốt liệu lớn thường có kích thước: 5 ÷ 70 mm (TCVN

Chất lượng của đá dăm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của bê tông Do đó yêu cầu hàm lượng hạt dẹt không được vượt quá 25%, lượng hạt yếu và phong hóa không vượt quá 10% theo khối lượng, còn lượng tạp chất bên trong chủ yếu là đất sét, bụi, bùn, tạp chất hữu cơ, muối, đá silic vô định hình và đá diệp thạch silic thường phải rất nhỏ (< 2%), theo TCVN 7572:2006 [9]

Thành phần của đá dăm được xác định thông qua thí nghiệm sàng đá trên bộ sàng tiêu chuẩn có kích thước lỗ sàng là 70 mm, 40 mm, 20 mm, 10 mm và 5 mm (theo TCVN 7570:2006 [10]), từ đó xác định đường kính hạt lớn nhất tương ứng với cỡ sàng

có lượng sót tích lũy nhỏ hơn và gần 5% nhất và hạt nhỏ nhất của cốt liệu tương ứng với cỡ sàng có lượng sót tích lũy gần 95%, từ thí nghiệm này xây dựng biểu đồ thành phần hạt, nếu nằm trong phạm vi cho phép thì cấp phối đạt yêu cầu

Sau khi sàng phân tích và tính kết quả lượng sót tích lũy, vẽ đường biểu diễn cấp phối hạt Nếu đường biểu diễn cấp phối hạt nằm trong phạm vi cho phép thì đạt tiêu chuẩn về thành phần hạt

1.1.4.4 Nước

Tiêu chuẩn TCVN 4506:2012 [10] yêu cầu nước trộn bê tông, rửa cốt liệu và bảo dưỡng bê tông cần có chất lượng thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Không chứa váng dầu hoặc váng mỡ;

- Lượng tạp chất hữu cơ không lớn hơn 15 mg/l;

- Độ pH không nhỏ hơn 4 và không lớn hơn 12,5;

- Không có màu

Theo mục đích sử dụng, hàm lượng muối hòa tan, lượng ion sunfat, lượng ion clo

và cặn không tan không được lớn hơn các giá trị quy định trong Mục 1, Bảng 1.1 (đối với nước trộn bê tông) và Mục 2, Bảng 1.1 (đối với nước dùng để rửa cốt liệu và bảo dưỡng bê tông)

Bảng 1.1 Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn

không tan trong nước trộn vữa (mg/l)

Mục đích sử dụng Hàm lượng tối đa cho phép

Muối hòa tan

Ion Sunfat (SO42-)

Ion Clo (Cl-)

Cặn không tan

1 Nước trộn bê tông và nước trộn

vữa bơm bảo vệ cốt thép cho các kết

cấu bê tông cốt thép ứng lực trước

2 Nước trộn bê tông và nước trộn

vữa chèn mối nối cho các kết cấu bê

tông cốt thép

3 Nước trộn bê tông cho các kết cấu

bê tông không cốt thép Nước trộn

vữa xây dựng và trát

+ Chú thích 1: Khi sử dụng xi măng cao nhôm làm chất kết dính cho bê tông, nước dùng cho tất cả các phạm vi sử dụng đều phải theo quy định của Mục 1, Bảng 1.1 + Chú thích 2: Trong trường hợp cần thiết, có thể sử dụng nước có hàm lượng ion clo vượt quá qui định của Mục 2, Bảng 1.1 để trộn bê tông cho kết cấu bê tông cốt thép, nếu tổng hàm lượng ion clo trong bê tông không vượt quá 0,6 kg/m3

+ Chú thích 3: Trong trường hợp nước dùng để trộn vữa xây, trát các kết cấu có yêu cầu trang trí bề mặt hoặc ở phần kết cấu thường xuyên tiếp xúc ẩm thì hàm lượng ion clo được khống chế không quá 1.200 mg/L

Bảng 1.2 Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn

không tan trong nước dùng để rửa cốt liệu và bảo dưỡng bê tông (mg/l)

Mục đích sử dụng

Hàm lượng tối đa cho phép

Muối hòa tan

Ion Sunfat (SO42-)

Ion Clo (Cl-)

Cặn không tan

1 Nước bảo dưỡng bê tông các kết cấu có yêu

cầu trang trí bề mặt Nước rửa, tưới ướt và

2 Nước bảo dưỡng bê tông các kết cấu không

có yêu cầu trang trí bề mặt (trừ công trình xả

3 Nước tưới ướt mạch ngừng trước khi đổ

tiếp bê tông tưới ướt các bề mặt bê tông trước

khi chèn khe nối Nước bảo dưỡng bê tông

trong các công trình xả nước và làm nguội bê

tông trong các ống xả nhiệt của khối lớn

Chú thích: Khi sử dụng xi măng cao nhôm làm chất kết dính cho bê tông và vữa, nước dùng để rửa cốt liệu và bảo dưỡng bê tông phải theo quy định của Mục 1, Bảng 1.2

Bảng 1.3 Yêu cầu về thời gian đông kết của xi măng và cường độ chịu nén của vữa

Thời gian đông kết của xi măng, min

- Bắt đầu, không nhỏ hơn

- Kết thúc, không lớn hơn

45

420 Cường độ chịu nén của vữa tại tuổi 7 ngày không nhỏ

Chú thích: Mẫu đối chứng sử dụng nước sinh hoạt (đạt yêu cầu QCVN 02:2009/BYT) được tiến hành song song và dùng cùng loại xi măng với mẫu thử

1.2 Nguyên lý hình thành bê tông thông qua phản ứng thủy hóa của xi măng

Khi nhào trộn xi măng với nước sẽ xảy ra phản ứng thủy hóa của xi măng Pooc lăng, ở giai đoạn đầu xảy ra quá trình tác dụng nhanh của khoáng alit với nước tạo ra hyđrosilicat canxi và hyđroxit canxi Vì đã có hyđroxit canxi tách ra từ khoáng alit nên khoáng belit thuỷ hoá chậm hơn alit và tách ra ít Ca(OH)2 hơn:

Hyđrosilicat canxi hình thành khi thuỷ hoá hoàn toàn đơn khoáng silicat tri canxi

ở trạng thái cân bằng với dung dịch bão hoà hyđroxit canxi Tỷ lệ CaO/SiO2 trong các

hyđrosilicat trong hồ xi măng có thể thay đổi phụ thuộc vào thành phần vật liệu, điều kiện rắn chắc và các yếu tố khác Phần chứa alu mô chủ yếu trong xi măng là aluminat tricanxi 3CaO.Al2O3, đây là phần hoạt động nhất Ngay sau khi trộn với nước, trên bề mặt các hạt xi măng đã có lớp sản phẩm xốp, không bền có tinh thể dạng tấm mỏng lục giác của 4CaO.Al2O3.9H2O và 2CaO.Al2O3.8H2O Cấu trúc dạng tơi xốp này làm giảm độ bền nước của xi măng Dạng ổn định của nó là hyđro aluminat 6 nước có tinh thể hình lập phương (3CaO.Al2O3.6H2O)

Để làm chậm quá trình đông kết khi nghiền clinke cần cho thêm một lượng đá thạch cao (3% ÷ 5% so với khối lượng xi măng) Sunfat canxi sẽ đóng vai trò là chất hoạt động hóa học của xi măng, tác dụng với aluminattricanxi ngay từ đầu để tạo thành sunfoaluminat canxi ngậm nước (khoáng etringit), 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

Trong dung dịch bão hoà Ca(OH)2, ngay từ đầu etringit sẽ tách ra ở dạng keo phân tán mịn đọng lại trên bề mặt 3CaO.Al2O3 làm chậm sự thuỷ hoá của nó và kéo dài thời gian đông kết của xi măng Sự kết tinh của Ca(OH)2 từ dung dịch quá bão hoà

sẽ làm giảm nồng độ hyđroxit canxi trong dung dịch và etringit chuyển sang tinh thể dạng sợi, tạo ra cường độ ban đầu cho xi măng Etringit có thể tích lớn gấp 2 lần so với thể tích các chất tham gia phản ứng, có tác dụng chèn lấp lỗ rỗng của đá xi măng, làm cường độ và độ ổn định của đá xi măng tăng lên Cấu trúc của đá xi măng cũng sẽ tốt hơn do hạn chế được những chỗ yếu của hyđroaluminat canxi Sau đó etringit còn tác dụng với 3CaO.Al2O3 còn lại sau khi đã tác dụng với đá thạch cao để tạo ra muối kép của sunfat, 3CaO.Al2O3.CaSO4.18H2O

Feroaluminat tetracanxi tác dụng với nước tạo ra hyđroaluminat và hyđroferit canxi 3CaO.Al2O3.6H2O, CaO.Fe2O3.nH2O

Quá trình rắn chắc của xi măng: khi xi măng rắn chắc, các quá trình vật lý và hoá

lý phức tạp đi kèm theo các phản ứng hoá học có một ý nghĩa rất lớn và tạo ra sự biến đổi tổng hợp, khiến cho xi măng khi nhào trộn với nước, lúc đầu chỉ là hồ dẻo và sau biến thành đá cứng có cường độ Tất cả các quá trình tác dụng tương hỗ của từng khoáng với nước để tạo ra những sản phẩm mới xảy ra đồng thời, xen kẽ và ảnh hưởng lẫn nhau Các sản phẩm mới cũng có thể tác dụng tương hỗ với nhau và với các khoáng khác của clinke để hình thành những liên kết mới Do đó, hồ xi măng là một

hệ rất phức tạp cả về cấu trúc thành phần cũng như sự biến đổi Để giải thích quá trình rắn chắc người ta thường dùng thuyết của Baikov–Rebinder Theo thuyết này, quá trình rắn chắc của xi măng được chia làm 3 giai đoạn:

1.2.1 Giai đoạn hòa tan

Khi nhào trộn xi măng với nước, các thành phần khoáng của clinke sẽ tác dụng với nước ngay trên bề mặt hạt xi măng Những sản phẩm mới tạo được như Ca(OH)2, CaO.Al2O3.6H2O sẽ tan ra nhưng vì độ tan của chúng không lớn và lượng nước có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên quá bão hòa

1.2.2 Giai đoạn hóa keo

Trong dung dịch quá bão hoà, các sản phẩm Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O mới tạo thành sẽ không tan nữa mà tồn tại ở trạng thái keo Còn các sản phẩm etringit, CSH vốn không tan nên vẫn tồn tại ở thể keo phân tán Nước vẫn tiếp tục mất đi (bay hơi, phản ứng với xi măng), các sản phẩm mới tiếp tục tạo thành, tỷ lệ rắn/lỏng ngày một tăng, hỗn hợp mất dần tính dẻo, các sản phẩm ở thể keo liên kết với nhau thành thể ngưng keo

1.2.3 Giai đoạn kết tinh

Nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mất đi, các sản phẩm mới ngày càng nhiều Chúng kết tinh lại thành tinh thể rồi chuyển sang thể liên tinh làm cho cả hệ thống hoá cứng và cường độ tăng

1.3 Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng và khai thác sử dụng cát mịn để chế tạo bê tông xi măng

Các nghiên cứu về địa chất và tiến hóa cổ địa lý cho thấy rằng cát đồi có cỡ hạt nhỏ có nguồn gốc từ cát biển, thành tạo do quá trình biển thoái, cách xa bờ biển ngày nay và đã được rửa mặn theo thời gian từ rất lâu Cát đồi có cỡ hạt nhỏ là cát mịn, có

cỡ hạt hầu hết lọt qua sàng 1,25 mm, thành phần hạt thường tập trung chủ yếu ở một

cỡ hạt đồng đều nhau, hàm lượng bùn bụi sét rất thấp [11]

1.3.1 Các nghiên cứu ứng dụng cát mịn có nguồn gốc từ cát biển để chế tạo

bê tông xi măng

1.3.1.1 Các nghiên cứu ứng dụng ở nước ngoài

Đầu thế kỷ 20, nhà khoa học người Anh K.Niuman giới thiệu một số vấn đề về khai thác vật liệu từ biển (cát, sỏi biển) làm cốt liệu cho bê tông, đồng thời Hội bê tông xi măng nước Anh cũng đã ra thông báo một chuyên đề về vật liệu cát sỏi khai thác ở biển [12]

Năm 1946, tại Hội nghị khoa học quốc tế ở Lisbone - Bồ Đào Nha, nhà khoa học Pháp A.M.Fernades đã đề cập tới vấn đề sử dụng cát sỏi biển để chế tạo bê tông xi măng Năm 1954, ở Anh, nhà khoa học D.Narvar đã công bố kết quả bê tông phẩm chất tốt chế tạo bằng san hô, cát, nước biển trong tạp chí xây dựng công trình dân

dụng Năm 1956, Hội quốc gia về cát sỏi nước Mỹ đã ra thông báo về sử dụng cát sỏi biển để chế tạo bê tông Năm 1964, ở Ấn Độ, trong tạp chí bê tông đã có bài báo khoa học tập hợp và phân tích nhiều ý kiến khác nhau về việc dùng cát, sỏi biển, nước biển

để chế tạo bê tông xi măng Năm 1965, ở Liên Xô cũ, hai nhà khoa học F.M Ivanov

và V.C Glabkov đã công bố kết quả nghiên cứu dùng cát biển ở Hắc Hải để đổ bê tông thủy công, đặc biệt đã nghiên cứu về ảnh hưởng của hàm lượng vỏ sò hến trong cát biển đối với tính chất của vữa và bê tông xi măng Năm 1973, ở Hà Lan đã công bố tài liệu nghiên cứu dùng cát sỏi biển để chế tạo bê tông xi măng Trong chiến tranh thế giới lần thứ II, Mỹ đã xây dựng nhiều công trình bằng bê tông xi măng sử dụng cát biển ở các vùng ven biển và vùng đảo cho mục đích quân sự [12]

1.3.1.2 Các nghiên cứu ứng dụng ở trong nước

Với đường bờ biển dài, trữ lượng cát mịn sông, biển ở Việt Nam là rất dồi dào và

đa dạng, nhu cầu xây dựng các công trình ven biển sử dụng bê tông xi măng cũng ngày càng tăng, vì vậy các đề tài nghiên cứu sử dụng cát đen, cát mịn sông đã được nhiều trường Đại học như Bách Khoa, Xây dựng, Giao thông, Thuỷ lợi nghiên cứu, riêng các nghiên cứu về cát hạt mịn có nguồn gốc từ cát biển đến nay vẫn còn ít Từ năm 1962, Viện Kỹ thuật Giao thông Vận tải (nay là Viện khoa học công nghệ Giao thông Vận tải) đã tổng quan một số tài liệu nghiên cứu chủ yếu của Pháp về sử dụng cát hạt mịn

có nguồn gốc từ cát biển để làm bê tông xi măng Sau đó, đã tiến hành thí nghiệm đúc mẫu bê tông xi măng sử dụng cát hạt mịn có nguồn gốc từ cát biển và nước biển để kiểm tra cường độ của bê tông xi măng ở các độ tuổi từ 7 ngày cho đến 6 tháng Một

số kết luận và kiến nghị bước đầu về sử dụng vật liệu này để chế tạo bê tông xi măng

đã được giới thiệu ở thông tin khoa học kỹ thuật ở Bộ Thuỷ Lợi và được báo cáo trong Hội nghị Bê tông và bê tông cốt thép miền Bắc lần thứ nhất (năm 1970) [12]

Trong các năm 1968 - 1969, Viện nghiên cứu khoa học thuỷ lợi và trường Đại học Thuỷ lợi kết hợp với Cục Hải quân nghiên cứu dùng cát hạt mịn có nguồn gốc từ cát biển Quảng Ninh để chế tạo bê tông và vữa Do hoàn cảnh chiến tranh, thiết bị phân tán, việc thí nghiệm gặp nhiều khó khăn nên chưa đạt được kết quả yêu cầu [15] Trong vài năm gần đây, nhiều cơ quan, tổ chức, nhà khoa học đã nghiên cứu bê tông xi măng sử dụng cát hạt mịn và đã có kết quả nhất định, điển hình như các đề tài:

- Đề tài “Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cát mịn và phụ gia khoáng hỗn hợp từ xỉ lò cao hoạt hóa và tro trấu” của tác giả Ngọ Văn Toản (Viện Khoa học Công nghệ xây dựng) đăng trên Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng - số 4/2014 [11]

- Đề tài “Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng phụ gia khoáng siêu mịn và cát hạt mịn” của tác giả Nguyễn Quang Phú (Bộ môn Vật liệu xây dựng, Trường Đại học Thủy lợi) đăng trên Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường - số 57 (6/2017) [13]

- Đề tài “Nghiên cứu sử dụng cát mịn thay thế cát thô chế tạo bê tông tự lèn cường độ cao” của nhóm tác giả Trần Đức Trung, Bùi Danh Đại, Lưu Quang Sáng (Khoa Vật liệu xây dựng, Trường Đại học Xây dựng) đăng trên Tạp chí KHCN Xây dựng số 15/3-2013 [14]

- Năm 2018, đề tài tốt nghiệp cao học của tác giả Lê Thành Đức “Nghiên cứu sử

dụng cát đồi Vạn Ninh - Khánh Hòa để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông” đã tiến hành nghiên cứu sử dụng cát đồi Vạn Ninh - Khánh Hòa để thay thế một

phần cát sông (sông Cái Nha trang) trong chế tạo bê tông Nghiên cứu thành phần hạt của cát đồi Vạn Ninh - Khánh Hòa cho thấy, cát đồi Vạn Ninh - Khánh Hòa có đường thành phần hạt không đáp ứng Tiêu chuẩn để chế tạo bê tông, thành phần hạt của cát mịn Vạn Ninh, Khánh Hòa nằm ngoài phạm vi giới hạn của cát sử dụng để chế tạo bê tông, do cát rất mịn, hầu hết là cỡ hạt nhỏ [22]

Để có thể sử dụng loại cát mịn này trong chế tạo bê tông, tác giả đã tiến hành phối trộn cát đồi Vạn Ninh - Khánh Hòa với cát sông theo các tỉ lệ % cát đồi/cát sông lần lượt là: 15/85; 20/80; 25/75 để được hỗn hợp cát có thành phần hạt đáp ứng các Tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành để chế tạo bê tông Từ các hỗn hợp cát đã phối trộn, tác giả đã tiến hành chế tạo bê tông với thành phần cấp phối gồm xi măng, đá dăm theo tiêu chuẩn và hỗn hợp cát phối trộn như đã trình bày ở trên (bê tông cấp bền B20) Chế tạo mẫu tiêu chuẩn, bảo dưỡng trong các điều kiện tiêu chuẩn và tiến hành thí nghiệm xác định cường độ và sự phát triển cường độ của bê tông ở các ngày tuổi:

3, 7, 14, 28, 60 và 90 Qua thí nghiệm cho thấy cường độ chịu nén của bê tông có phối trộn cát đồi theo những tỉ lệ nhất định phát triển theo quy luật tương tự cấp đối chứng không sử dụng cát đồi (100% cát sông), tuy nhiên cường độ 28 ngày, nhìn chung, nhỏ hơn so với cường độ 28 ngày của cấp phối đối chứng, càng tăng tỉ lệ cát đồi thay thế cát sông thì cường độ càng giảm, điều này có thể giải thích được là do ảnh hưởng của cát mịn, đường kính nhỏ trong thành phần cấp phối tăng Thí nghiệm cường độ 60 và

90 ngày cho thấy tốc độ phát triển cường độ chịu nén của các cấp phối có cát đồi tăng không đáng kể và cũng thấp hơn so với cấp phối chuẩn, chưa thấy sự suy giảm cường

độ của bê tông do ảnh hưởng của hàm lượng ion clorua và ion sun phát

Tác giả đã đề xuất tỷ lệ thay thế hợp lý cát sông bằng cát đồi ở mức tối đa có thể

(cấp phối 20% cát đồi và 80% cát sông) để chế tạo hỗn hợp vữa bê tông với cùng một lượng đá dăm, xi măng, nước như cấp phối đối chứng không sử dụng cát đồi (100% cát sông) nhưng vẫn đảm bảo đạt được cường độ chịu nén yêu cầu thiết kế của bê tông

ở tuổi 28 ngày (Ryc28 = 25,0 MPa)

- Năm 2019 đề tài tốt nghiệp cao học của Nguyễn Ánh Dương “Nghiên cứu sử

dụng cát đụn ven biển Đà Nẵng thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông”, tác

giả đã tiến hành thực nghiệm và đề xuất tỷ lệ thay thế hợp lý cát sông bằng cát đụn ven biển Đà Nẵng ở mức tối đa có thể (cấp phối 20% cát đụn ven biển và 80% cát sông) để chế tạo hỗn hợp vữa bê tông với cùng một lượng đá dăm, xi măng, nước như cấp phối đối chứng không sử dụng cát đồi (100% cát sông) nhưng vẫn đảm bảo đạt được cường

độ chịu nén yêu cầu thiết kế của bê tông ở tuổi 28 ngày (Ryc28 = 25,0 MPa) [23] Qua kết quả nghiên cứu của 2 luận văn thạc sĩ này cho thấy, hoàn toàn có thể sử dụng cát mịn ven biển để chế tạo bê tông, tuy nhiên, đây chỉ là nghiên cứu đối với cát mịn có tính chất địa phương Tùy thuộc vào đặc điểm của các mịn ở các địa phương khác nhau mà kết quả nghiên cứu có thể có những kết quả khác nhau

1.3.2 Khai thác sử dụng cát mịn có nguồn gốc từ cát biển để chế tạo bê tông xi măng

1.3.2.1 Khai thác sử dụng cát mịn có nguồn gốc từ cát biển làm bê tông xi măng

Trong tương lai, các nước này vẫn tiếp tục khai thác một lượng lớn cát, sỏi biển phục vụ cho các công trình xây dựng Cụ thể, theo dự báo, nhu cầu khai thác cát, sỏi biển cho các nước Châu Âu cho đến năm 2025 của Hiệp hội nghiên cứu và thông tin công nghiệp xây dựng (Construction Industry Research and Information Association – CIRIA) và Viện nghiên cứu địa chất (British Geological Survey – BGS) của nước Anh như sau: từ 1992 đến 2006, nước Anh cần khai thác khoảng 315 triệu tấn cát biển (khoảng 21 triệu tấn mỗi năm); từ năm 2000 đến 2020, Hà Lan cần khai thác khoảng

23 triệu tấn cát biển để chế tạo bê tông và 53 triệu tấn cát biển để san lấp mặt bằng Một số nước khác như Ấn Độ, Đài Loan cũng đã tiến hành khai thác cát biển để phục

vụ cho xây dựng cơ sở hạ tầng như đổ bê tông, san lấp mặt bằng [12]

1.3.2.2 Khai thác sử dụng cát mịn có nguồn gốc từ cát biển làm bê tông xi măng

ở Việt Nam

Ở Việt Nam, cát hạt mịn có nguồn gốc từ cát biển cũng đã bắt đầu được khai thác

để phục vụ cho xây dựng từ thời kỳ Pháp, Mỹ xâm lược và cai trị miền Nam, đó là việc sử dụng cát gia cố xi măng, bitum để làm móng mặt đường sân bay như ở sân bay Phú Bài (Huế), sân bay Chu Lai (Quảng Nam - Đà Nẵng) và dùng làm móng mặt đường bê tông nhựa trên Quốc lộ 1A (đoạn qua thị xã Vĩnh Điện, tỉnh Quảng Nam; đoạn qua thị xã Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi) [12]

Trong thời gian gần đây, nhiều địa phương ven biển ở nước ta đã tiến hành khai thác cát hạt mịn có nguồn gốc từ cát biển để san lấp mặt bằng nhằm hạ giá thành xây dựng như Quảng Ninh, Vũng Tàu, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Quảng Ngãi; ở một số nơi, người dân đã khai thác cát hạt mịn có nguồn gốc từ cát biển trộn vữa xây, trát hoặc đúc gạch táp lô để xây nhà ở gia đình với loại nhà giản đơn [12]

1.3.3 Ảnh hưởng của cát hạt mịn có nguồn gốc từ cát biển trong quá trình chế tạo, sử dụng bê tông xi măng

Để chế tạo bê tông cường độ cao, người ta thường sử dụng cốt liệu có chất lượng cao, cụ thể là cốt liệu có cấp phối hạt hợp lý, cốt liệu lớn có cường độ cao, ít tạp chất bụi bùn, cốt liệu nhỏ là cát thô có mô đun độ lớn 2,6 - 3,5 Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7570:2006 [10] “Cốt liệu cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật” thì cát dùng cho bê tông và vữa được phân ra thành cát thô có mô đun độ lớn từ lớn hơn 2,0 đến 3,3 và cát mịn có mô đun độ lớn từ 0,7 đến 2,0 và có cỡ hạt hầu hết lọt qua sàng 1,25mm Theo tiêu chuẩn này, cát mịn có thể được sử dụng để chế tạo bê tông đến cấp bền B25 Do đó, cát hạt mịn không đạt yêu cầu kỹ thuật để chế tạo bê tông cường độ cao

Đối với một hỗn hợp vữa bê tông có tỷ lệ N/X và tính công tác nhất định thì việc

sử dụng cát thô sẽ làm giảm được lượng dùng xi măng so với trường hợp dùng cát mịn Ngược lại, với một lượng dùng xi măng đã cho thì hỗn hợp bê tông sử dụng cát thô có thể đạt tính công tác yêu cầu với một lượng nước nhào trộn ít hơn, dẫn tới tỷ lệ N/X thấp hơn nên cường độ của bê tông sẽ cao hơn

Như vậy, với cát hạt mịn có nguồn gốc từ cát biển, mang các đặc trưng mô đun nhỏ, cỡ hạt hầu hết lọt qua sàng 1,25mm, thành phần hạt khá đồng đều, hàm lượng muối trong cát có thể cao hơn cát sông nên khi chế tạo hỗn hợp bê tông có cần lượng nước và xi măng nhiều hơn; đồng thời do lượng muối trong cát sẽ làm cho chất lượng

sử dụng tiết kiệm, hiệu quả nguồn tài nguyên cát sông ngày càng khan hiếm

Trong chương 2 tác giả sẽ trình bày cơ sở khoa học cũng như phân tích các kết quả sử dụng cát mịn của các nghiên cứu trước đây để sản xuất bê tông ở cả trong và ngoài nước nhằm làm cơ sở cho việc nghiên cứu thực nghiệm ở chương 3 để xác định cường độ của bê tông xi măng sử dụng cát đồi vùng Đông – Tam Kỳ (với nhiều tỷ lệ thay thế) trong thành phần cấp phối

CHƯƠNG 2 ĐẶC TÍNH CƠ LÝ, HÓA HỌC CỦA CÁT ĐỒI CỠ HẠT NHỎ

VÀ CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG

2.1 Tổng quan về cát đồi ven biển miền Trung và cát đồi vùng Đông, Tam Kỳ

2.1.1 Tổng quan về cát đồi ven biển miền Trung Việt Nam

Đồng bằng Duyên hải miền Trung là một dải các đồng bằng kéo dài từ Thanh Hóa đến Bình Thuận Tất cả các đồng bằng miền Trung đều bắt nguồn từ một lịch sử thống nhất liên quan đến quá trình biển tiến - mài mòn mà dấu tích ngày nay là các bậc thềm đánh dấu sự dao động của mực nước qua các thời kỳ băng hà tan Đi từ trong

ra phía biển, địa hình thấp dần và có tuổi trẻ dần Điều đó chứng tỏ địa hình được nâng cao dần và liên tục Bờ biển lùi ra xa tạo nên những cồn cát, những cồn cát này được gió vun lên thành những đồi cát Miền Trung nước ta có diện tích các đồi cát khá lớn trải dài từ tỉnh Quảng Bình đến tỉnh Bình Thuận, chiều cao của những đồi cát này có thể lên đến 50m Tổng diện tích cát đồi của khu vực miền Trung khoảng hơn 400.000ha Cát đồi khu vực miền Trung thường nằm xen kẽ đồng ruộng hoặc gần bờ biển, đa số có hạt mịn, khá đều và trạng thái rời rạc

Hình 2.1 Cát đồi ven biển miền Trung

2.1.2 Đặc điểm cát đồi khu vực vùng Đông Tam Kỳ

Cát đồi vùng Đông Tam Kỳ tập trung ở các xã Tam Phú, Tam Thăng, Tam Thanh, thuộc thành phố Tam Kỳ Tại các khu vực này thường có hiện tượng cát bay, cát chạy, cát nhảy do không có thảm thực vật ở bề mặt, khi mưa to, gió lớn, cát từ trên cao đổ xuống làm lấp vườn tược, nhà cửa, đường xá, sông ngòi, làm cho cây cối không thể phát triển được Cát đồi khu vực này có màu vàng nhạt, độ hạt mịn đến trung, rời rạc, ít bụi bẩn, sáng màu Trữ lượng cát đồi ven biển tại khu vực này khá lớn, khoảng

250 triệu m3 Đây thực sự là nguồn cát rất lớn, kỳ vọng sẽ thay thế cát sông tự nhiên

trong sản xuất bê tông xi măng

Hình 2.2 Cát đồi khu vực Tam Phú – Tam Kỳ – Quảng Nam

2.2 Các chỉ tiêu cần xác định đối với cát đồi

Tùy theo mục đích sử dụng cát đồi mà tiến hành xác định một số hoặc toàn bộ các chỉ tiêu cơ lý của cát theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7570:2006 [7], cụ thể cần xác định:

- Hàm lượng muối có trong cát đồi;

- Thành phần hạt;

- Mô đun độ lớn của cát;

- Khối lượng thể tích xốp;

- Khối lượng riêng;

- Khối lượng thể tích bão hòa;

- Khối lượng thể tích khô;

- Hàm lượng bùn bụi sét;

- Độ hút nước;

- Độ mài mòn

2.3 Phương pháp xác định cường độ nén của bê tông

2.3.1 Tiêu chuẩn và thiết bị thí nghiệm

2.3.1.1 Các tiêu chuẩn sử dụng trong thí nghiệm

Thực hiện các thí nghiệm dựa trên tiêu chuẩn Việt Nam dưới đây:

- TCVN 3105:1993 – Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng – lấy mẫu, chế tạo và bão dưỡng mẫu [15];

- TCVN 3106:1993 - Hỗn hợp bê tông nặng – Phương pháp thử độ sụt [16];

- TCVN 3115:1993 - Bê tông nặng – Phương pháp xác định khối lượng thể tích [17];

- TCVN 3118:1993 - Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ nén [18]

2.3.1.2 Thiết bị sử dụng trong thí nghiệm

Hình 2.3 Máy trộn bê tông 300 lít

c) Dụng cụ đầm bê tông

Sử dụng thanh thép (đầm chọc), bàn vỗ (vỗ mặt)

d) Dưỡng hộ bê tông

Dưỡng hộ bằng cách ngâm mẫu trong nước tại Phòng Thí nghiệm LAS XD

Hình 2.5 Bộ côn thử độ sụt f) Máy nén

Máy nén bê tông có lực nén cao nhất đạt 2000 kN tương đương 200 tấn là thiết bị được dùng phổ biến để nén mẫu bê tông thí nghiệm phục vụ công tác kiểm tra chất lượng công trình xây dựng ở nước ta hiện nay, mẫu nén là mẫu trụ và mẫu lập phương

Hình 2.6 Máy nén mẫu bê tông

Thông số chính của máy nén bê tông 2000 kN: model: TYA – 2000S, xuất xứ: Trung Quốc; hiển thị kết quả bằng đồng hồ điện tử kỹ thuật số; lực nén lớn nhất là

2000 kN; thang đo từ 0 – 2000 kN; độ sai số: 1% Kích thước tấm nén: 220 x 240 mm; khoảng cách lớn nhất giữa hai tấm nén là 310 mm; khoảng di chuyển piston lớn nhất là 40mm; đường kính của piston: Ø250 mm; áp lực bơm: 40PMA; nguồn điện 1 pha 220V; kích thước của máy: dài x rộng x cao = 960 x 480 x 1170 mm; tổng trọng lượng khoảng 700kg Có thể nén được mẫu hình trụ và mẫu hình lập phương

Tiêu chuẩn thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông: TCVN 3118:93 [18]; Tiêu chuẩn thí nghiệm xác định cường độ kéo khi uốn: TCVN 3119:93 [19]

2.3.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông

2.3.2.1 Lấy mẫu và chuẩn bị thí nghiệm

- Chuẩn bị mẫu thử nén theo nhóm mẫu Mẫu nhóm mẫu gồm 3 viên Khi sử dụng bê tông khoan cắt từ kết cấu, nếu không có đủ 3 viên thì được phép lấy 2 viên làm một nhóm mẫu thử

- Việc lấy hỗn hợp bê tông, đúc bảo dưỡng, khoan cắt mẫu bê tông và chọn kích thước viên mẫu thử nén phải được tiến hành theo TCVN 3105:1993 [15]

- Viên chuẩn để xác định cường độ nén của bê tông là viên mẫu lập phương kích thước 150 x 150 x 150 mm Các viên mẫu lập phương kích thước khác viên chuẩn và các viên mẫu trụ sau khi thử nén phải được tính đổi kết quả thử về cường độ viên chuẩn

- Kiểm tra và chọn hai mặt chịu nén của các viên mẫu thử sao cho:

+ Khe hở lớn nhất giữa chúng với thước thẳng đặt áp sát xoay theo các phương không vượt quá 0,05 mm trên 100 mm tính từ điểm tì thước

+ Khe hở lớn nhất giữa chúng với thành thước kẻ góc vuông khi đặt thành kia áp sát các mặt kề bên của mẫu lập phương hoặc các đường sinh của mẫu trụ không vượt quá 1mm trên 100 mm tính từ điểm tì thước trên mặt kiểm tra

+ Đối với các viên mẫu lập phương và các viên nửa dầm đã uốn không lấy mặt tạo bởi đáy khuôn đúc và mặt hở để đúc mẫu làm hai mặt chịu nén

2.3.2.2 Tiến hành thí nghiệm

Mẫu được nén bằng máy nén thuỷ lực dùng để xác định cường độ chịu nén của

bê tông theo TCVN 3118: 993 [18], tốc độ gia tải trung bình là 6±4 kN/s với quy trình như sau:

- Đưa mẫu đã được chuẩn bị vào bàn nén, 2 mặt bên tiếp xúc với 2 mặt bàn nén

Để đảm bảo kích thước bề mặt tiếp xúc giống nhau gữa các mẫu nén, lót tấm đệm truyền tải được làm bằng thép kích thước 150 x 150 mm được sử dụng đặt giữa bề mặt mẫu và mặt bàn nén

- Điều chỉnh 2 bàn nén áp sát mặt mẫu nén

- Đóng khóa dầu thủy lực của máy

- Mở van áp lực, bắt đầu quá trình gia tải, đến lúc mẫu bị phá hoại thì dừng lại, đọc kết quả trên màn hình máy nén

 với A – diện tích tiết diện ngang của mẫu; P là lực phá hoại

Cường độ chịu nén của bê tông được xác định từ các giá trị cường độ trung bình của các viên trong tổ mẫu theo điều 4.3 của TCVN 3118:1993 So sánh các giá trị cường độ nén lớn nhất và nhỏ nhất với cường độ nén trung bình Nếu cả hai giá trị đó đều không chênh lệch nhau quá 15% so với cường độ nén trung bình của các mẫu thì

cháp nhận kết quả Nếu một trong hai giá trị đó lệch quá 15% so với cường độ nén trung bình thì loại bỏ cả hai kết quả lớn nhất và nhỏ nhất Khi đó cường độ nén của bê tông là cường độ nén của một viên mẫu còn lại

2.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến cường độ nén của bê tông

2.4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng muối chứa trong cát đồi

Hàm lượng muối có trong cát đồi sẽ đóng vai trò là chất xúc tác làm tăng nhanh thời gian ninh kết của bê tông trong khoảng thời gian ngắn ban đầu và làm giảm sự phát triển cường độ chịu nén tối đa của bê tông [13]

2.4.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ cát đồi thay thế cát sông trong hỗn hợp bê tông

Do cát đồi là cát hạt mịn, hầu hết cỡ hạt đều lọt qua sàng 1,25 mm và thành phần hạt tập trung ở một cỡ hạt nhất định với tỷ lệ lớn Khi tỷ lệ cát đồi trong hỗn hợp bê tông càng lớn thì lượng nước và xi măng dùng cho hỗn hợp bê tông sẽ tăng hơn so với hỗn hợp bê tông chỉ dùng cát sông, do tỷ diện bề mặt của cốt liệu nhỏ trong hỗn hợp cát sông cát đồi tăng hơn so với tỷ diện bề mặt cốt liệu nhỏ hoàn toàn là cát sông Nếu dùng một lượng nước và xi măng như nhau thì cấp phối bê tông có sử dụng cát đồi thay thế một phần cát sông sẽ có độ sụt thấp hơn độ sụt của hỗn hợp bê tông chỉ dùng cát sông dẫn đến làm giảm độ linh động bê tông tươi Đồng thời, do là cát mịn nên hỗn hợp bê tông có sử dụng cát đồi sẽ đạt cường độ cao hơn hỗn hợp bê tông chỉ sử dụng cát sông trong giai đoạn đầu nhưng càng về sau tại cùng thời điểm ngày tuổi bê tông chỉ sử dụng cát sông sẽ có cường độ cao hơn do tỷ lệ thành phần hạt trong cốt liệu nhỏ hợp lý hơn [13]

2.4.3 Mác xi măng và tỷ lệ X/N

Mác xi măng và tỷ lệ X/N có ảnh hưởng lớn đến cường độ nén của bê tông Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào tỷ lệ X/N thực chất là phụ thuộc vào thể tích rỗng tạo ra do lượng nước dư thừa và được biểu diễn bởi biểu đồ 2.1

Hình 2.7 Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào lượng nước nhào trộn [6]

a – Vùng hỗn hợp bê tông cứng không đầm chặt được;

b – Vùng hỗn hợp bê tông có cường độ và độ đặc cao;

c – Vùng hỗn hợp bê tông dẻo;

d – Vùng hỗn hợp bê tông chảy

Quan sát hình biểu diễn ta dễ dàng nhận thấy:

- Khi lượng nước cho 1m3 bê tông là bé (vùng a) thì khả năng đầm chặt của bê tông sẽ giảm dẫn đến cường độ giới hạn của bê tông khi nén là nhỏ;

- Khi lượng nước cho 1m3 bê tông là phù hợp (vùng b) thì bê tông có độ đặc và cường độ giới hạn của bê tông khi nén là cao;

- Khi lượng nước cho 1m3 bê tông tăng dần (vùng c & d) thì độ linh động của bê tông tăng dần dẫn đến cường độ giới hạn khi nén của bê tông cũng giảm dần

Độ rỗng tạo ra do lượng nước thừa có thể xác định bằng công thức:

- N, X: lượng nước và lượng xi măng trong 1 m3 bê tông, (kg);

- ω: lượng nước liên kết hóa học tính bằng % khối lượng xi măng Ở 28 ngày tuổi lượng nước liên kết hóa học khoảng 15 – 20 %

- Rx: mác của xi măng (daN/cm2);

- Rbt: mác của bê tông yêu cầu ở 28 ngày tuổi (daN/cm2);

- A, A1: các hệ số thực nghiệm xác định từ điều kiện nguyên vật liệu và phương pháp xác định mác xi măng;

- X/N: là tỷ lệ xi măng trên nước

2.4.4 Hàm lượng và tính chất của cốt liệu

Trong bê tông tỷ lệ thể tích cốt liệu thường chiếm từ 50÷70% Tỷ lệ thành phần cốt liệu, loại cốt liệu, cấp phối hạt, độ lớn hạt cốt liệu và đặc trưng bề mặt của hạt cốt liệu có ảnh hưởng đến cường độ và cường độ chống nứt của bê tông

Cốt liệu lớn có cấp phối hạt hợp lý sẽ đảm bảo các hạt sắp xếp chặt chẽ, độ rỗng của bê tông nhỏ và nhau vậy cường độ bê tông sẽ cao

Kích thước lớn nhất của cốt liệu cũng ảnh hưởng khác nhau đến cường độ của bê tông Nếu kích thước cốt liệu lớn thì diện tích bề mặt riêng nhỏ sẽ tiết kiệm xi măng, cường độ chịu nén có thể tăng

Cốt liệu có nguồn gốc là đá Granit cho cường độ bê tông cao hơn so với cốt liệu

Hạt cốt liệu càng lớn thì sự cản trở co ngót của xi măng càng lớn và sẽ gây ra nội

ứng suất trong hồ xi măng và tạo ra các vi vết nứt trong bê tông trước khi khai thác Đây là yếu tố nguy hiểm đối với bê tông chất lượng cao Xu thế hiện nay là giảm dần đường kính lớn nhất của hạt cốt liệu lớn để tăng độ đồng nhất và khả năng chống nứt cho bê tông

Đặc trưng bề mặt cốt liệu ảnh hưởng đến lực liên kết giữa cốt liệu với đá xi măng Bê tông dùng sỏi tròn trơn thì vết nứt xảy ra ở ứng suất thấp hơn so với dùng đá dăm có dạng hạt nhám ráp, góc cạnh vì sự liên kết cơ học chịu ảnh hưởng của tính chất

bề mặt và hình dạng hạt cốt liệu lớn

2.4.5 Cấu tạo của bê tông

Cấu tạo của bê tông biểu thị bằng độ đặc của nó Độ đặc càng cao thì cường độ

bê tông càng lớn Cường độ bê tông phụ thuộc vào mức độ đầm chặt thông qua hệ số lèn K1 được xác định bằng công thức sau:

' ν 1 ν

ρ K ρ

Trong đó:

- ρ : là khối lượng thể tích thực tế của hỗn hợp bê tông sau khi lèn chặt, kg/m ' ν 3;

- ρ : là khối lượng thể tích tính toán của hỗn hợp bê tông, kg/m ν 3;

Thông thường hệ số lèn chặt K1 = 0,9÷0,95, riêng với hỗn hợp bê tông cứng, thi công trong điều kiện phù hợp thì hệ số lèn chặt có thể đạt 0,95 ÷ 0,98

2.4.6 Phụ gia tăng dẻo

Phụ gia tăng dẻo có tác dụng tăng tính dẻo cho bê tông nên có thể giảm bớt lượng nước nhào trộn, do đó cường độ bê tông sẽ tăng lên đáng kể

2.4.7 Phụ gia đông kết nhanh

Phụ gia đông kết nhanh có tác dụng đẩy nhanh quá trình thủy hóa của xi măng nên làm tăng nhanh sự phát triển cường độ bê tông dưỡng hộ trong điều kiện tự nhiên cũng như ngay sau khi dưỡng hộ nhiệt

2.4.8 Cường độ bê tông tăng theo thời gian

Trong quá trình rắn chắc cường độ bê tông không ngừng tăng lên Từ 7 đến 14 ngày đầu cường độ phát triển nhanh, sau 28 ngày chậm dần và có thể tăng đến vài năm gần nhau theo quy luật logarit:

y 28

R lg y

R lg 28 với 3 < y < 90 Trong đó: - Ry, R28: cường độ bê tông ở tuổi y và 28 ngày tuổi, kg/cm2;

- y: tuổi của bê tông, ngày

2.4.9 Điều kiện môi trường bảo dưỡng

Trong môi trường nhiệt độ, độ ẩm cao sự tăng cường độ của bê tông có thể kéo dài trong nhiều năm, còn trong điều kiện khô hanh hoặc nhiệt độ thấp sự tăng cường

độ trong thời gian sau này là không đáng kể Khi dùng hơi nước nóng để bảo dưỡng bê tông làm cho cường độ bê tông tăng rất nhanh trong thời gian vài ngày đầu nhưng sẽ làm cho bê tông trở nên giòn hơn và cường độ cuối cùng thấp hơn so với bê tông được bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn

2.4.10 Điều kiện thí nghiệm

Trong thí nghiệm, nếu không bôi trơn mặt tiếp xúc giữa các mẫu và bàn máy nén thì tại mặt đó sẽ xuất hiện lực ma sát có tác dụng cản trở sự nở ngang và làm tăng cường độ của mẫu so với khi bôi trơn mặt tiếp xuất Ảnh hưởng của lực ma sát giảm dần từ mặt tiếp xúc đến giữa mẫu, vì vậy mẫu khối vuông có kích thước bé sẽ có cường độ cao hơn so với mẫu kích thước lớn và mẫu lăng trụ có cường độ chỉ bằng 0,8 lần cường độ mẫu khối vuông có cùng cạnh đáy

Tốc độ gia tải khi thí nghiệm cũng ảnh hưởng đến cường độ mẫu Khi gia tải rất chậm, cường độ bê tông chỉ đạt 0,85 lần giá trị so với trường hợp gia tải bình thường

2.5 Nhận xét chương 2

Để xác định ảnh hưởng của hàm lượng muối và thành phần hạt trong cát đồi đến cường độ chịu nén của bê tông, tác giả tiến hành đúc mẫu và thí nghiệm nén ở các ngày tuổi 3, 7, 14, 28, 60, 90 nhằm mục đích:

- Xác định sự phát triển cường độ chịu nén của các loại cấp phối bê tông đã chọn theo thời gian;

- Vẽ biểu đồ thể hiện sự phát triển cường độ nén của các mẫu thí nghiệm theo thời gian ứng với từng loại cấp phối đã lựa chọn, từ đó so sánh và đánh giá được ảnh hưởng của hàm lượng muối và thành phần hạt trong cát đồi đến sự phát triển cường độ nén của bê tông