Betong hat min chat luong cao
-
Upload
hanoi-vietnam -
Category
Documents
-
view
631 -
download
1
Transcript of Betong hat min chat luong cao
Đề tài nghiên cứu Bê tông hạt mịn chất
lượng cao
1
MỤC LỤC Trang
Lời cam đoan...……………………………………………………………………...... 1 Lơì cảm ơn ……………………………..…...……………...………………………...5 Mục lục……………………………………………………………………………...... 3 Danh mục các ký hiệu và cụm từ viết tắt…...……………...………………………...5 Danh mục các bảng biểu…...………………………………………………….….....6 Danh mục các hình vẽ và đồ thị…………...……………….………………….….....7 Phần mở đầu………………………………………………...….…………………..….8 Chương 1. Tổng quan về bê tông hạt mịn chất lượng cao dùng cho sân bay ... 13
1.1. Mở đầu ...................................................................................................... 13 1.2. Tổng quan về bê tông chất lượng cao ...................................................... 13 1.3. Tổng quan về bê tông hạt mịn chất lượng cao ......................................... 16 1.4. Tổng quan về bê tông hạt mịn chất lượng cao dùng cho sân bay ............ 20
1.4.1. Giới thiệu sân bay và đường băng sân bay ..................................... 20 1.4.2. Ưu điểm khi sử dụng bê tông hạt mịn làm lớp phủ mỏng .............. 21 1.4.3. Nhược điểm của lớp phủ mỏng bê tông hạt mịn ............................ 22 1.4.4. Các đặc điểm của mặt đường sân bay và mặt đường ô tô .............. 23 1.4.5. Yêu cầu khi sử dụng bê tông làm lớp mặt đường sân bay ............. 23 1.4.6. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới ............................ 26 1.4.7. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam ............................. 29
Chương 2. Cơ sở khoa học sử dụng bê tông hạt mịn cho đường sân bay ......... 32 2.1. Tương tác giữa cốt sợi và vật liệu bê tông ............................................... 32 2.2. Tính chất của bê tông hạt mịn cốt sợi ...................................................... 34
2.2.1. Tính chất của hỗn hợp bê tông ....................................................... 34 2.2.2. Tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao cốt sợi ................... 34
2.3. Cơ sở khoa học sử dụng bê tông hạt mịn cho đường sân bay .................. 37 2.3.1. Cấu trúc bê tông hạt mịn chất lượng cao ........................................ 37 2.3.2. Lựa chọn vật liệu chế tạo bê tông hạt mịn ..................................... 44
2.4. Thiết kế thành phần bê tông hạt mịn chất lượng cao ............................... 56 2.4.1. Lý thuyết về thiết kế thành phần hạt .............................................. 56 2.4.2. Thiết kế thành phần bê tông hạt mịn cường độ cao ....................... 59
Chương 3. Nghiên cứu tính chất của vật liệu sử dụng ........................................ 63 3.1. Cốt liệu ..................................................................................................... 63
2
3.2. Xi măng .................................................................................................... 64 3.3. Phụ gia khoáng mịn .................................................................................. 65
3.3.1. Silicafume ....................................................................................... 65 3.3.2. Tro bay nhiệt điện ........................................................................... 66
3.4. Phụ gia siêu dẻo ........................................................................................ 66 3.5. Cốt sợi....................................................................................................... 68
Chương 4. Nghiên cứu ảnh hưởng vật liệu đến tính chất bê tông hạt mịn ...... 70 4.1. Thiết kế sơ bộ thành phần bê tông hạt mịn .............................................. 70 4.2. Lập quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu ................................................. 71
4.2.1. Chọn hàm mục tiêu ......................................................................... 71 4.2.2. Các nhân tố ảnh hưởng ................................................................... 71 4.2.3. Kế hoạch thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu ............................. 71 4.2.4. Thí nghiệm tìm miền dừng ............................................................. 74 4.2.5. Kế hoạch thực nghiệm bậc hai tâm xoay ....................................... 75 4.2.6. Khảo sát ảnh hưởng của lượng sợi đến tính chẩt bê tông .............. 83
Chương 5. Nghiên cứu các tính chất và công nghệ chế tạo bê tông hạt mịn .... 83 5.1. Nghiên cứu các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông ...................... 83
5.1.1. Nghiên cứu tính công tác hỗn hợp bê tông hạt mịn ...................... 84 5.1.2. Nghiên cứu các tính chất cơ học của bê tông hạt mịn ................... 85
5.2. Nghiên cứu công nghệ chế tạo bê tông hạt mịn ....................................... 90 5.2.1. Quá trình nhào trộn hỗn hợp bê tông ............................................. 91 5.2.2. Quá trình thi công hỗn hợp bê tông ................................................ 92 5.2.3. Quá trình dưỡng hộ bê tông ............................................................ 93
Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 95 Phụ lục .................................................................................................................. 959
3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT
BT : Bê tông
BTCT : Bê tông cốt thép
BTCLC : Bê tông chất lượng cao
BTCS : Bê tông cốt sợi
BTHM : Bê tông hạt mịn
BTXM : Bê tông xi măng
C : Cát
CH : Hyđrôxít canxi
CKD : Chất kết dính (xi măng + silicafume + tro bay)
C-S-H : Hyđrô silicát canxi
HHBT : Hỗn hợp bê tông
HMA : Hot mix Asphalt
ICAO : Tổ chức Hàng không dân dụng quốc tế
(International Civil Aviation Organization)
N : Nước
XN : Tỷ lệ nước trên xi măng
PCB : Xi măng Pooclăng hỗn hợp – Blended Porland Cements
PC : Xi măng Pooclăng – Porland Cements
PCC : Bê tông xi măng – Porland Cement Concrete
PG : Phụ gia siêu dẻo
PP : Sợi polypropylene
RPC : Bê tông bột mịn
SF : Silicafume
TB : Tro bay nhiệt điện
TWT : Thin Whitetopping
UTW : Ultra thin Whitetopping
X : Xi măng
4
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1. Thành phần cấp phối của hỗn hợp bê tông Ductal. 28Bảng 1.2. Các tính chất cơ học của Ductal. 28Bảng 1.3. Các công trình xây dựng sử dụng sản phẩm Ductal. 29Bảng 2.1. Các đặc tính điển hình của một số sợi dùng trong bê tông. 48Bảng 2.2. Quan hệ giữa kiểu sắp xếp và độ rỗng giữa các hạt. 58Bảng 3.1. Tính chất vật lý của cát vàng. 65Bảng 3.2. Bảng thành phần hạt của cát. 65Bảng 3.3. Tính chất cơ lý của xi măng Bút Sơn PC40. 66Bảng 3.4. Nguồn gốc các loại phụ gia khoáng mịn. 67Bảng 3.5. Tính chất và thành phần hạt của silicafume Elkem. 68Bảng 3.6. Tính chất và thành phần hạt của tro bay nhiệt điện Phả Lại. 68Bảng 3.7. Thông số kỹ thuật của sợi PP. 71Bảng 4.1. Các tỷ lệ vật liệu sử dụng. 72Bảng 4.2. Cấp phối sơ bộ của hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao. 72Bảng 4.3. Mã hóa các biến số và các điểm quy hoạch thực nghiệm. 74Bảng 4.4. Cấp phối bê tông hạt mịn theo quy hoạch thực nghiệm bậc nhất. 74Bảng 4.5. Kết quả cường độ nén của bê tông ở tuổi 14 ngày quy hoạch bậc nhất. 74
Bảng 4.6. Quan hệ giữa cường độ bê tông tỷ lệCKD
C và XN . 76
Bảng 4.7. Mã hóa các biến số và các điểm quy hoạch thực nghiệm. 77Bảng 4.8. Cấp phối thực nghiệm bậc hai. 78Bảng 4.9. Kết quả thí nghiệm độ chảy và cường độ nén theo quy hoạch bậc hai. 78Bảng 4.10. Kết quả kiểm tra hệ số phương trình hồi quy cường độ bê tông. 79Bảng 4.11. Kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối hợp lý của bê tông hạt mịn. 83Bảng 4.12. Kết quả khảo sát lượng dùng cốt sợi polypropylene 83Bảng 5.1. Cấp phối của các mẫu bê tông thí nghiệm. 85Bảng 5.2. Kết quả thí nghiệm tính công tác của hỗn hợp bê tông hạt mịn. 86Bảng 5.3. Các tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao. 87Bảng 5.4. Kết quả cường độ kháng trượt của mẫu bê tông. 90Bảng 5.5. Kết quả cường độ bám dính nền của mẫu bê tông. 91
5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1. Đường cong quan hệ giữa tải trọng và độ võng của bê tông cốt sợi 13
Hình 1.1. Lớp phủ bê tông dùng trong sân bay hàng không tại Ford Terminal. 29
Hình 1.2. Lớp UTW và TWT được ứng dụng ở Williamsburg – Mỹ. 31
Hình 1.3. Máy bay Boeing 777ER trên sân bay Nội Bài 32
Hình 1.4. Sân bay Đà Nẵng 32
Hình 2.1. Mô hình sự kéo tuột cốt sợi tại bề mặt liên kết của sợi và đá xi măng 35
Hình 2.2. Thí nghiệm xác định cường độ kéo khi uốn của bê tông 39
Hình 2.3. Quan hệ giữa ứng suất uốn và độ võng của bê tông dùng cốt sợi 39
Hình 2.4. Sơ đồ ứng suất và biến dạng của bê tông cốt sợi 45
Hình 2.5. Sợi PP sử dụng để chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao 49
Hình 2.6. Sự hình thành của vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu khi. 54
Hình 2.7. Cơ chế hoá dẻo của phụ gia hoá học. 56
Hình 2.8. Cơ chế hoá dẻo do cuốn khí. 58
Hình 2.9. Các kiểu sắp xếp của hạt. 59
Hình 2.10. Lỗ rỗng giữa các hạt vật liệu. 60
Hình 3.1. Biểu đồ thành phần hạt của cát. 66
Hình 4.1. Bề mặt biểu hiện sự phụ thuộc của tỷ lệ CKD
C và XN đến độ chảy. 81
Hình 4.2. Bề mặt biểu hiện sự phụ thuộc của CKD
C và XN đến cường độ nén. 81
Hình 4.3. Ảnh hưởng của biến mã đến tính chất của bê tông. 82
Hình 5.1. Biểu đồ sự phát triển cường độ nén của bê tông vào thời gian. 88
Hình 5.2. Mô hình thí nghiệm xác định cường độ kháng trượt của bê tông. 89
Hình 5.3. Cấu tạo của mẫu thí nghiệm kháng trượt. 89
Hình 5.4. Quy trình chế tạo mẫu thử. 90
Hình 5.5. Đúc mẫu thí nghiệm. 90
Hình 5.6. Mẫu bê tông thí nghiệm. 91
Hình 5.7.Thí nghiệm xác định cường độ bám dính nền. 91
Hình 5.8. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất bê tông hạt mịn chất lượng cao. 92
6
PHẦN MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Bê tông và bê tông cốt thép (BTCT) đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trong
xây dựng cơ bản, phục vụ cho nhiều ngành kinh tế quốc dân cũng như trong xây dựng
dân dụng, công nghiệp, thủy lợi, cầu đường,… Trong đó bê tông là một trong những
loại vật liệu xây dựng được sử dụng với khối lượng lớn nhất, chúng chiếm đến trên 80%
khối lượng của các công trình xây dựng. Và theo thống kê của Hiệp hội bê tông thì hàng
năm trên toàn thế giới sử dụng khoảng 2,5 tỷ m3 bê tông các loại.
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và kỹ thuật trên tất cả
các mặt của đời sống xã hội thì ngành công nghiệp xây dựng nói chung và công nghiệp
bê tông nói riêng đã và đang tạo nên những bước phát triển to lớn cho phép chúng ta tạo
ra được nhiều hơn nữa những công trình kiến trúc mang tính đột phá, những công trình
mang tính thế kỉ và những công trình đặc biệt có ý nghĩa quan trọng trong các hoạt động
kinh tế, chính trị, xã hội, quốc phòng và an ninh,… Chất lượng các công trình phụ thuộc
rất nhiều vào độ bền các kết cấu bê tông hay chính là chất lượng bê tông sử dụng. Với
việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật vào trong công nghệ chế tạo bê tông, cho
phép chúng ta tạo ra những kết cấu bê tông, bê tông cốt thép và bê tông cốt sợi phân tán
có chất lượng cao, bê tông màu trang trí cường độ lớn [1] tăng tuổi thọ cho công trình.
Tuy nhiên trong điều kiện công nghệ và môi trường ở Việt Nam hiện nay, nhiều
công trình hoặc các bộ phận kết cấu của công trình đã phát sinh vết nứt ngay trong giai
đoạn thi công hoặc chỉ sau một thời gian sử dụng rất ngắn. Do đó, nhu cầu phòng tránh
và xử lý các dạng vết nứt phát sinh trong quá trình thi công và khai thác sử dụng các
công trình bê tông là rất quan trọng. Theo [8], có rất nhiều nguyên nhân gây ra hiện
tượng nứt nẻ, phá hoại kết cấu bê tông như: Do bê tông là vật liệu giòn, khả năng chịu
kéo rất kém; do co khô; do từ biến hoặc tại các lớp phủ mỏng, các vị trí đặc biệt trong
kết cấu chịu các ứng suất phức tạp làm cho vật liệu bê tông thường không đủ khả năng
chịu lực.
Để giải quyết vấn đền này, người ta đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau
như: Căng kéo cốt thép dự ứng lực, dùng phụ gia chống co ngót hay bố trí các loại cốt
7
thép đặc biệt tại các vị trí cần thiết,… Tuy nhiên, các giải pháp này không phù hợp với
các lớp bê tông phủ mỏng và siêu mỏng trên bề mặt của các kết cấu. Một giải pháp được
nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm đó là tăng cường tính chất của bê tông bằng
các loại vật liệu phân tán dạng sợi.
Sợi được sử dụng để gia cường bê tông có rất nhiều loại như: Sợi thép, sợi các
bon, sợi thủy tinh, sợi polyme, sợi thực vật,… Trong đó, sợi polyme tổng hợp là một lựa
chọn có nhiều ưu điểm hơn cả vì giá thành rẻ hơn so với sợi các bon, sợi thủy tinh; khả
năng phân tán của chúng lớn hơn so với sợi thép, sợi thực vật và chúng không làm giảm
tính công tác của hỗn hợp bê tông. Chính vì những ưu điểm đó mà chủng loại bê tông
cốt sợi polyme đã được ứng dụng rất rộng rãi trên thế giới.
Khi trộn vào bê tông một lượng cốt sợi phân tán sẽ thu được một loại bê tông cốt
sợi đồng đều và đa hướng. Kết quả đã nghiên cứu [8] cho thấy, cường độ kháng kéo,
kháng uốn, cường độ chống va đập, mài mòn,… của bê tông đều tăng lên rõ rệt so với
bê tông thường.
Sử dụng bê tông cốt sợi làm lớp phủ mặt đường, vỉa hè, lớp phủ trên bề mặt kết
cấu đã mang lại nhiều hiệu quả to lớn, có thể giảm được chiều dày kết cấu; tạo ra các kết
cấu mỏng hơn, ít khe nối, ít bị nứt hơn mà niên hạn sử dụng dài, chi phí bảo dưỡng ít,
rất thích hợp để làm lớp tăng cường trên mặt đường bê tông hiện hữu hoặc làm các lớp
phủ bề mặt của kết cấu công trình xây dựng và công trình giao thông.
Bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cốt sợi nhân tạo khi dùng làm mặt đường
sân bay có nhiều đặc điểm vượt trội là:
− Có khả năng tạo cấu trúc hạt nhỏ đặc chắc, đồng nhất cao.
− Cường độ nén cao, cường độ kéo khi uốn khá cao, tính mềm dẻo, khả năng
kháng nứt khi chịu tải trọng và bền trong môi trường.
− Tỷ lệ CKD
N thấp nhưng vẫn đảm bảo tính công tác tốt, khả năng dễ tạo hình
của hỗn hợp bê tông cũng như quá trình vận chuyển hỗn hợp bê tông dễ dàng,
không bị phân tầng tách lớp nhờ việc sử dụng phụ gia siêu dẻo có độ hoạt tính dẻo
cao, giảm lượng dùng nước lớn.
8
− Sau khi đóng rắn, bê tông có độ ổn định thể tích, độ co ngót thấp và có khả
năng làm việc kết hợp, liên kết tốt với các vật liệu khác.
− Phương pháp thi công, chế tạo và sử dụng đa dạng: Có thể thi công bằng
phun bắn, bơm đổ trực tiếp hoặc sử dụng hỗn hợp khô trộn sẵn đảm bảo chất lượng
cao và kiểm soát chất lượng dễ dàng.
− Có khả năng sử dụng để thi công kết cấu vỏ mỏng có mật độ cốt thép dày,
các lớp mỏng và siêu mỏng không có cốt thép và những giải pháp mặt bằng kiến
trúc đa dạng.
2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu là nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn Dmax = 5mm, cường
độ nén lớn hơn 60MPa, cường độ uốn lớn, độ chảy cao sử dụng cho mặt đường sân bay
trên cơ sở nguồn nguyên vật liệu, thiết bị sẵn có và phù hợp với khí hậu của Việt Nam.
3. Cơ sở khoa học và thực tiễn Theo [10], [16], [19] bê tông là loại vật liệu composite không đồng nhất gồm ba
thành phần pha:
− Cốt liệu (cát vàng và cốt sợi phân tán).
− Đá xi măng được tạo thành khi hồ xi măng rắn chắc.
− Vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu, cốt sợi và đá xi măng. Sự phá huỷ bê tông dưới tác động của tải trọng sẽ bắt đầu ở bộ phận yếu nhất của
một trong ba pha trên. Do đó, cơ sở khoa học để chế tạo bê tông chất lượng cao là phải
tìm giải pháp để nâng cao chất lượng của ba thành phần pha này.
a) Cơ sở khoa học
Quá trình nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao dựa trên một số cơ sở khoa học sau:
− Nâng cao chất lượng của bộ khung cốt liệu
Một trong những yếu tố quyết định đến các tính chất cơ lý của bê tông phải đề cập đến là chất lượng và độ đồng nhất của bộ khung cốt liệu.
Cốt liệu phải được lựa chọn từ các loại đá có độ đặc chắc lớn, cường độ cao và
quan trọng là có độ ổn định và đồng nhất cao. Theo nhiều nghiên cứu [9], [13] để
9
nâng cao chất lượng và độ đồng nhất của bộ khung cốt liệu cần phải giảm đường kính của cốt liệu, bê tông hạt mịn đảm bảo được yêu cầu này.
Thành phần hạt cốt liệu phải đảm bảo độ rỗng nhỏ nhất, độ đặc cao nhất, cấu
trúc hỗn hợp ổn định và có cường độ cao. Khi bộ khung cốt liệu có hình dạng hạt
cốt liệu đồng đều, hàm lượng hạt dẹt cường độ yếu ít, sẽ tạo thành cấu trúc bộ khung cốt liệu ổn định, tạo điều kiện thuận lợi khi thi công kết cấu.
Thành phần hạt cốt liệu nhỏ sẽ cho phép thi công tạo hình các kết cấu có chiều dày mỏng, các lớp mặt bao phủ mỏng trên bề mặt công trình.
− Nâng cao chất lượng của đá xi măng
Theo [10], cường độ của đá xi măng phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Độ rỗng: Các lỗ rỗng trong đá xi măng có kích thước lớn hơn 50 μm, nhất là khi
chúng tập trung tại một khu vực sẽ có ảnh hưởng xấu đến cường độ.
+ Kích thước hạt: Nói chung, cường độ của pha tinh thể tăng lên khi giảm kích thước hạt tinh thể. Ở đây đá xi măng được coi là vật liệu có cấu trúc tinh thể.
+ Độ đồng nhất: Trong vật liệu nhiều pha sự không đồng nhất về mặt cấu trúc là nguyên nhân làm giảm cường độ.
Như vậy, để nâng cao cường độ của đá xi măng thì cần phải cải thiện cấu trúc của
đá xi măng bằng cách tác động vào ba yếu tố nói trên.
Việc sử dụng các loại xi măng cường độ cao, cùng với các loại phụ gia khoáng
hoạt tính, phụ gia siêu mịn đã góp phần làm tăng độ đặc của đá chất kết dính do các sản
phẩm thủy hóa của xi măng lấp đầy lỗ rỗng. Hàm lượng lỗ rỗng gel, lỗ rỗng mao quản trong cấu trúc đá xi măng nhỏ, đây là cơ sở để tạo ra bê tông cường độ cao.
Cấu trúc hồ xi măng đã thủy hóa được xem như là pha đơn tinh thể tạo nên các
thuộc tính đặc, cứng và giòn của bê tông. Với cấu trúc bê tông cốt liệu hạt mịn làm giảm
khoảng cách giữa các thành phần, làm tăng cường độ của đá xi măng.
− Nâng cao cường độ vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu.
Trong hỗn hợp bê tông sau khi tạo hình thường xuất hiện một lớp nước trên bề
mặt bê tông. Đó là do các hạt cốt liệu nặng hơn có xu hướng chìm xuống đáy, còn nước
nhẹ hơn nổi lên trên bề mặt. Hiện tượng này gọi là sự tách nước. Nước cũng có thể tụ
10
tập ở dưới các hạt cốt liệu lớn hoặc các thanh cốt thép, gây ra hiện tượng tách nước bên
trong. Kết quả là tỷ lệ XN của hồ xi măng ở vùng chuyển tiếp cao hơn nhiều so với tỷ lệ
XN của hồ xi măng ở những vùng khác cách xa bề mặt cốt liệu.
Theo [10] trong bê tông thông dụng, vùng chuyển tiếp thường có chiều dày trong
khoảng 50 ÷ 100μm, chứa các lỗ rỗng tương đối lớn và các tinh thể lớn của sản phẩm
thuỷ hoá nên có cường độ thấp hơn so với đá xi măng ở khu vực cách xa cốt liệu. Do đó
khi bê tông chịu các tải trọng, ứng suất sinh ra sẽ làm xuất hiện những vết nứt trước tiên
ở vùng chuyển tiếp.
Khi trong vùng chuyển tiếp còn hiện diện các lỗ rỗng lớn và các vết nứt tế vi, thì
cường độ của cốt liệu sẽ không có tác dụng hữu ích gì đến cường độ của bê tông, vì lúc
đó hiệu ứng truyền ứng suất giữa đá xi măng và cốt liệu rất nhỏ.
Trong cấu trúc của bê tông chất lượng cao có tỷ lệ XN nhỏ do sử dụng các loại phụ
gia giảm nước tầm cao và sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn sẽ cải thiện cấu
trúc vùng chuyển tiếp, giảm chiều dày, tăng độ đặc chắc, giảm các lỗ rỗng có hại và từ
đó làm tăng cường độ của bê tông.
− Sử dụng sợi polypropylene nhằm mục đích nâng cao khả năng chống nứt,
tăng tính dẻo và cải thiện độ bền của bê tông
So với cốt thép liên tục, cốt sợi polypropylene có khả năng chịu kéo còn hạn chế,
nhưng chúng lại thể hiện được nhiều ưu điểm trong một số trường hợp sau:
+ Trong các vật liệu dạng tấm mỏng vì không gian hạn chế, không thể dùng các
thanh cốt thép thông thường. Do đó, sợi polypropylene phân tán ngẫu nhiên được sử
dụng dưới dạng vật liệu gia cường cho bê tông là thích hợp hơn cả. Trong trường hợp
này, sợi có tác dụng tăng cường độ và tăng độ bền (độ dẻo dai) của bê tông.
+ Vai trò của cốt sợi trong kết cấu là khống chế đường nứt, cải thiện tình hình làm
việc của kết cấu sau khi nứt gãy, tăng năng lực hấp thu năng lượng. Trong trường hợp
11
này sợi không thay thế được cốt thép thông thường, do đó không có tác dụng cải thiện
được cường độ.
Theo [8], quan hệ giữa tải trọng và độ võng của vật liệu bê tông cốt sợi được thể
hiện trên đồ thị hình 1.
Bª t«ng cã hμm lù¬ng cèt sîi cao
Bª t«ng th−êng
P
T¶i
trän
g
ε§é vâng Bê tông có hàm lượng cốt sợi cao
§é vângT
¶i tr
äng
Bª t«ng th−êng
Bª t«ng cã hμm l−îng cèt sîi thÊp
P
ε Bê tông có hàm lượng cốt sợi thấp
Hình 1. Đường cong quan hệ giữa tải trọng và độ võng của bê tông cốt sợi Do cốt sợi polypropylene phân tán có rất nhiều ưu điểm nên bê tông hạt mịn chất
lượng cao sử dụng cốt sợi polypropylene có thể chế tạo các tấm mỏng, ít khe nối, có độ
bền cao hơn mà thời gian sử dụng dài, chi phí bảo dưỡng thấp, rất thích hợp để làm các
lớp phủ tăng cường trên mặt đường bê tông hiện hữu.
b) Cơ sở thực tiễn của tác giả
Hiện nay đã có một số công trình khoa học nghiên cứu về chủng loại bê tông chất
lượng cao sử dụng phụ gia siêu dẻo, phụ gia khoáng mịn,… Tuy nhiên, các tác giả chưa
nghiên cứu tổng quát về loại bê tông hạt mịn chất lượng cao, dùng cốt sợi
polypropylene để chế tạo các kết cấu có chiều dày nhỏ, làm các lớp phủ mỏng tăng
cường trong các công trình mặt cầu, mặt đường ô tô, mặt đường sân bay.
Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo loại bê tông hạt mịn chất lượng cao với tính công
tác tốt, cường độ nén và cường độ uốn lớn từ các loại vật liệu có sẵn ở Việt Nam dùng
trong các công trình mặt đường sân bay có ý nghĩa thực tiễn to lớn:
− Chế tạo kế cấu bê tông có chiều dày mỏng dùng trong những công trình hạ
tầng sân - đường của Cảng hàng không như:
+ Phần kết cấu ở hai đầu của đường băng.
12
+ Vị trí giao nhau giữa đường băng và đường lăn.
+ Sân đỗ máy bay.
+ Hangar của sân bay.
+ Bề mặt kết cấu của các khu vực chịu tác dụng phụt của động cơ phản lực và tác
dụng của nhiên liệu.
− Sử dụng để chế tạo các lớp phủ tăng cường trên mặt đường băng sân bay.
− Sử dụng để duy tu, sửa chữa các hư hỏng của công trình.
− Sử dụng để thi công các kết cấu vỏ mỏng không có cốt thép thay thế cho bê
tông lưới thép.
5. Phương pháp nghiên cứu Quá trình nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao, tác giả dựa trên cơ
sở của phương pháp tiêu chuẩn Việt Nam và các phương pháp phi tiêu chuẩn bao gồm:
− Xác định tính chất của cốt liệu theo TCVN 7570 : 2006 và TCVN 7572 : 2006.
− Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử HHBT và bê tông hạt mịn chất lượng cao theo TCVN 3105: 1993.
− Xác định độ sụt của HHBT theo TCVN 3106 : 1993.
− Xác định khối lượng thể tích HHBT theo TCVN 3108 : 1993.
− Xác định độ mài mòn của bê tông theo TCVN 3114 : 1993.
− Xác định cường độ nén của bê tông theo TCVN 3118 : 1993.
− Xác định cường độ kéo khi uốn của bê tông theo TCVN 3119 : 1993.
− Xác định mô đun đàn hồi theo TCVN 3121 : 1993.
− Xác định cường bám dính nền theo TCXD 236 : 1999.
Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của tỷ lệ các vật liệu thành phần đến tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông hạt mịn chất lượng cao, tác giả đã sử dụng phương pháp toán quy hoạch thực nghiệm.
Ngoài ra, tác giả còn xây dựng mô hình thực nghiệm phi tiêu chuẩn để đánh giá cường độ kháng trượt của bê tông hạt mịn chất lượng cao.
6. Những đóng góp mới
− Về lý thuyết:
13
+ Hoàn thiện thêm lý thuyết về cấu trúc loại vật liệu mới, bê tông hạt mịn chất
lượng cao có dùng cốt sợi polypropylene, khác so với cấu trúc bê tông thường.
+ Làm phong phú thêm các kết quả về đặc điểm, tính chất của hỗn hợp bê tông và
bê tông hạt mịn chất lượng cao đặc biệt là các tính chất của loại bê tông này có cốt sợi
phân tán sử dụng trong các kết cấu mỏng.
− Về ứng dụng:
+ Bằng thực nghiệm, tác giả đã cho thấy có thể sử dụng lên đến 60% lượng tro
bay nhiệt điện thay cho xi măng để chế tạo bê tông chất lượng cao có cường độ nén đạt
trong khoảng 60MPa ÷ 90MPa.
+ Bằng thử nghiệm, tác giả đã xác định được cường độ kháng trượt và lực dính kết
giữa lớp bê tông cũ với lớp bê tông mới.
7. Kết cấu của tài liệu Tài liệu được trình bày trên 98 trang giấy A4, gồm phần mở đầu và 05 chương:
Chương 1. Tổng quan về bê tông hạt mịn chất lượng cao cho mặt đường sân bay. Chương 2. Cơ sở khoa học sử dụng bê tông hạt mịn chất lượng cao cho sân bay. Chương 3. Nghiên cứu các tính chất của vật liệu sử dụng. Chương 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu đến tính chất bê tông hạt mịn chất
lượng cao. Chương 5. Nghiên cứu các tính chất và công nghệ chế tạo bê tông hạt mịn chất
lượng cao. Tài liệu tham khảo. Phụ lục.
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG
CAO DÙNG CHO MẶT ĐƯỜNG SÂN BAY
1.1. MỞ ĐẦU
Vận tải hàng không là một ngành vận tải mới và phát triển rất nhanh. Nếu tính từ
khi mở tuyến đường bay đầu tiên từ Paris ÷ London vào năm 1919 đến nay thì ngành
vận tải hàng không mới hơn 80 tuổi [9]. Nếu tính từ chuyến bay thương mại đầu tiên
14
xuyên Đại Tây Dương và Thái Bình Dương tiến hành năm 1945 đến nay thì các chuyến
bay hành khách quy mô toàn cầu mới hơn nửa thế kỷ.
Tuy nhiên, do những lợi thế của vận tải hàng không (nhanh chóng, thuận tiện và
tương đối an toàn) nên số hành khách đi máy bay tăng rất nhanh: Theo [9] vào năm
1950 số hành khách đi máy bay là 31 triệu người trên toàn thế giới, đến năm 1998 chỉ
tính riêng số hành khách đi qua sân bay Atlanta (bang Georgia Mỹ) đã tăng lên đến 73,5
triệu người. Cùng với việc tăng số lượng hành khách, khối lượng hàng hóa vận chuyển
bằng đường không cũng tăng lên tương ứng. Khả năng vận chuyển và tốc độ của máy
bay thương mại cũng phát triển rất nhanh.
Cùng với sự phát triển của vận tải hàng không, việc xây dựng các cảng hàng
không mà trước hết là công tác xây dựng sân - đường bay cũng không ngừng phát triển.
Vận tải hàng không không có biên giới. Vì vậy, những yêu cầu cơ bản đối với mặt
đường của các cấp sân bay giống nhau được xây dựng để phục vụ khai thác các máy
bay hiện đại một cách an toàn đều phải theo đúng những quy định của Tổ chức Hàng
không dân dụng quốc tế (ICAO).
Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa của nước ta hiện nay, ngành vận
tải hàng không đang được chú trọng xây dựng và phát triển. Mặc dù còn nhiều khó khăn
nhưng ngành Hàng không dân dụng Việt Nam đã và đang khai thác nhiều loại máy bay
hiện đại như B747, B767, A320, A321,… Thị trường hàng không của nước ta đã không
ngừng mở rộng và kết nối với nhiều quốc gia trên toàn thế giới. Các cảng hàng không
Nội Bài, Tân Sơn Nhất, Đà Nẵng và một số sân bay khác đã và đang được nâng cấp, cải
tạo theo công nghệ hiện đại, đáp ứng các yêu cầu của ICAO. Xu hướng và nhu cầu phát
triển vận tải hàng không trên thế giới ngày một tăng, trong khi nhà nước ta hiện nay mới
chỉ có khỏang 10% các sân bay đã có là sử dụng được. Vì vậy, để phục vụ cho cuộc
phát triển kinh tế và củng cố quốc phòng, nhiệm vụ xây dựng các công trình hàng không
của chúng ta trong thế kỷ XXI là rất to lớn.
15
1.2. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO
Bê tông chất lượng cao là loại bê tông không những có cường độ cao mà còn được
đặc trưng bởi sự vượt trội so với bê tông thông dụng về các tính năng khác như: Độ lưu
động cao hơn, mô đun đàn hồi lớn hơn, cường độ chịu uốn cao hơn, độ thấm nước thấp
hơn, khả năng chịu mài mòn lớn hơn và độ bền cao hơn. Có thể chế tạo bê tông chất
lượng cao từ chính các nguyên vật liệu dùng để chế tạo bê tông thông dụng, tức là từ xi
măng pooclăng, cát, đá dăm và nước. Sự khác nhau là ở chỗ bê tông chất lượng cao
được chế tạo với tỷ lệ nước trên xi măng (XN ) thấp hơn so với bê tông thường.
So với bê tông thông dụng, trong thành phần của bê tông chất lượng cao còn có
một cấu tử không thể thiếu là phụ gia siêu dẻo [12], [13], [14] được dùng để cải thiện
tính công tác của hỗn hợp bê tông mà không cần tăng lượng nước nhào trộn. Hơn nữa,
tỷ lệ XN này rất gần với giá trị tỷ lệ
XN lý thuyết, cần thiết để xi măng pooclăng thuỷ
hoá hoàn toàn. Một thành phần khác thường sử dụng trong bê tông chất lượng cao là
phụ gia khoáng hoạt tính cao, có tác dụng giảm lượng dùng xi măng, cải thiện tính công
tác của hỗn hợp bê tông, tăng độ đặc chắc và độ bền của bê tông.
Ngày nay, bê tông chất lượng cao là hướng nghiên cứu chủ đạo của nhiều nước
trên thế giới. Nếu như mối quan tâm của bê tông cường độ cao là giá trị cường độ có thể
đạt được thì bê tông chất lượng cao cần phải quan tâm đến nhiều chỉ tiêu khác như [12]:
- Dễ tạo hình và đầm chặt mà không bị phân tầng. - Có các tính chất cơ học lâu dài. - Có cường độ sớm. - Có độ dai. - Ổn định thể tích. - Bền vững trong môi trường sử dụng.
* Theo quan điểm của trường Đại học Tokyo (Nhật Bản) thì bê tông chất lượng
cao cần thỏa mãn các yêu cầu:
- Dễ tạo hình .
- Hỗn hợp dẻo cao với mức độ phân tầng thấp.
16
- Không bị phá huỷ sớm do co ngót và do ứng suất nhiệt thấp.
- Có cường độ lâu dài và ít bị thấm.
* Theo tài liệu [10], [15] có một số nguyên tắc chế tạo bê tông chất lượng cao:
- Tăng cường độ của đá xi măng, đá chất kết dính: Bằng cách sử dụng các loại xi
măng cường độ cao, xi măng siêu mịn hoặc có thể kết hợp sử dụng các loại phụ gia
khoáng mịn để tăng cường độ của đá chất kết dính.
- Tăng cường độ của khung cốt liệu bằng cách lựa chọn các loại cốt liệu có chất
lượng tốt, thành phần hạt tối ưu và đồng thời kết hợp với việc giảm kích thước của hạt
cốt liệu nhằm mục đích đồng nhất vi cấu trúc.
- Tăng cường độ của vùng tiếp xúc nhờ việc giảm tỷ lệ XN bằng cách dùng phụ
gia giảm nước tầm cao, sử dụng phụ gia siêu mịn silicafume và tro bay nhiệt điện để
tăng cường độ của vùng chuyển tiếp.
- Lựa chọn biện pháp thi công tốt.
* Theo [12], [13], [14] việc sử dụng bê tông cường độ cao có những ưu điểm sau:
- Cường độ cao.
- Mô đun đàn hồi lớn .
- Cường độ ban đầu cao.
- Giảm được tải trọng chết của công trình.
- Nhanh chóng đạt được mức độ từ biến cuối cùng.
- Hiệu quả kinh tế khi sử dụng.
Từ những hiệu quả mang lại, bê tông chất lượng cao đã được ứng dụng rất rộng rãi
ở Việt Nam và các nước trên thế giới. Chúng được ưu tiên sử dụng trong các công trình:
Nhà cao tầng và chọc trời, cầu nhịp lớn, mặt đường cao tốc, mặt đường sân bay,…
1.3. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO
Bê tông sử dụng cốt liệu mịn (bê tông hạt mịn - BTHM) đã được nghiên cứu rất
lâu trên thế giới với nhiều mục đích khác nhau.
17
Bê tông hạt mịn (đường kính hạt Dmax ≤ 5mm) hay có thể gọi là bê tông hạt cát đã
có lịch sử phát triển từ rất sớm. Năm 1853, kỹ sư Francois Coignet đã đưa ra loại “bê
tông đặc” cho kết cấu cột đổ tại chỗ chính là tiền thân của bê tông hạt mịn. BTHM là
một hỗn hợp không có đá bao gồm cát, tro bay, xỉ than, đất sét nung, vôi thuỷ tự nhiên
và hàm lượng nước thấp; một dãy nhà vẫn còn ở số 72 phố Charles – Michels, Sanit –
Denis phía Bắc Paris cũng được xây dựng bằng loại bê tông này. Sau đó, hỗn hợp này
sử dụng trong nhiều công trình xây dựng và hệ thống thoát nước, tường chắn ở quảng
trường Trocadero ở Paris và hệ thống kênh thoát nước Vanne trong con đường qua rừng
Fontainebleau.
Theo [12], năm 1918 một thí nghiệm độc đáo đã được Nicolas De Rochefort làm
tại Saint – Peterburg (Nga). Thí nghiệm đã nghiền lẫn cát và clanhke theo tỷ lệ bằng
nhau, sau đó trộn sản phẩm này với cát theo tỷ lệ 1 (sản phẩm nghiền) và 3 (cát). Cường
độ nhận được bằng cường độ của hỗn hợp cát – xi măng rất giàu xi măng (1 xi măng và
2 cát). Thí nghiệm này cũng được giáo sư viện sĩ Rehbinder thực hiện lại như là một cơ
sở của những nghiên cứu riêng của ông về bê tông cát và cơ cấu bí ẩn của quá trính
nghiền hỗn hợp cát – clanhke.
Theo [12], ở nước Nga có lượng cát lớn nhưng hàm lượng sỏi cuội và đá tảng
khan hiếm trên diện rộng. Từ năm 1941 đã không ngừng chế tạo bê tông có thành phần
cát và một hay hai loại chất kết dính (xi măng, vôi) như: Đường sân bay quân sự Pevec
và Arkangelsk, nút giếng dầu cạn, đường ô tô và đường cao tốc Serpukov - Toula, nhà
mái xếp, kết cấu lắp ghép ở thành phố Nadym (Siberia) hầm và tàu điện ngầm vòm
mảnh. Gần đây (2007) những nghiên cứu của trường Đại học Xây dựng Matxcơva đã đề
xuất công nghệ chế tạo bê tông hạt mịn trên cơ sở cát thạch anh không dùng cốt liệu lớn
làm các blốc móng, tấm ốp lòng kênh, viên vỉa hè, bậc thềm và các chế phẩm kích
thước nhỏ khác.
Một dạng của bê tông hạt mịn là xi măng lưới thép, còn gọi là bê tông lưới thép có
cường độ chịu nén và chịu kéo đều cao (nhờ độ cứng tiết diện lớn nên khả năng chịu lực
cao) được dùng phổ biến trong những kết cấu không gian đan thành lưới mắt cáo có độ
18
lớn 10mm và có thể bố trí nhiều lớp lưới cốt thép trong một cấu kiện. Cỡ hạt lớn nhất
của cốt liệu không lớn hơn 3mm và hỗn hợp cần có tính công tác tốt.
Vữa bơm (có thể coi là bê tông hạt mịn) và việc bơm vữa dùng trong các công
nghệ chế tạo dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực. Trong dầm cầu bê tông cốt thép dự
ứng lực thi công theo phương pháp căng sau: Bó cốt thép dự ứng lực được luồn vào các
ống gel hoặc rãnh chừa sẵn. Sau khi đã căng kéo các bó cốt thép, sẽ tiến hành bơm vữa
vào các ống gel, rãnh. Vữa bơm vào rãnh nhằm bảo vệ cốt thép khỏi bị rỉ và tạo sự kết
dính tốt của cốt thép và bê tông khi làm việc.
Bê tông cốt thép dự ứng lực là một loại kết cấu xây dựng được làm bằng 2 loại vật
liệu: Bê tông và cốt thép cường độ cao, rất khác nhau, rất xa về chỉ tiêu cơ lý. Yêu cầu
chịu lực của kết cấu đòi hỏi hai loại vật liệu này phải liên kết chặt chẽ với nhau. Các bó
thép sau khi căng kéo có bơm vữa sẽ được dính kết chặt chẽ với bê tông. Nó không
những tăng thêm tính chống nứt của bê tông mà còn làm tăng khả năng chịu tải trọng
của kết cấu. Do đó, bơm vữa là một bước thi công quan trọng có liên quan mật thiết đến
tuổi thọ và năng lực chịu tải trọng của công trình.
Theo [12], bê tông hạt mịn có nhiều đặc điểm khác với bê tông thường như:
+ Có tổng tỷ diện tích cốt liệu cao nên thể tích rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn. Do
đó, cần tăng hàm lượng hồ xi măng trong hỗn hợp so với bê tông thường.
+ Có độ rỗng cấu tạo nhỏ và có sự phân bố đều đặn của các hạt cốt liệu do đó
giảm được ứng suất tập trung tại chỗ tiếp xúc giữa đá xi măng với cốt liệu.
Tuy nhiên, việc chế tạo bê tông hạt mịn chỉ sử dụng cát làm cốt liệu trước đây gặp
nhiều khó khăn do độ rỗng của hỗn hợp chỉ thuần tuý cát sẽ lớn, bề mặt riêng của cốt
liệu (cát) cũng sẽ tăng lên cần phải tăng lượng dùng xi măng để lấp đầy các lỗ rỗng, bao
bọc các hạt cốt liệu để tăng cường độ và độ lưu động của hỗn hợp bê tông. Ngoài ra,
loại bê tông này cũng cần lượng nước nhiều hơn để đạt độ lưu động cần thiết - việc này
sẽ làm tăng độ rỗng của bê tông. Việc tăng nước và xi măng cũng dẫn tới việc tăng độ
co ngót của bê tông.
Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật nhiều loại vật liệu, phụ gia, công
nghệ mới được áp dụng rất hiệu quả cho bê tông. Việc thêm vào bê tông cốt liệu nhỏ
chất độn mịn và phụ gia siêu dẻo đã cho phép giảm đến mức tối thiểu lượng nước và xi
19
măng đồng thời làm hạn chế đến mức tối đa sự co ngót. Với sự khắc phục hiệu quả này
đã xuất hiện nhiều loại bê tông hạt mịn chất lượng cao có những ưu điểm sau đây:
+ Có khả năng tạo ra cấu trúc hạt nhỏ đồng nhất chất lượng cao.
+ Nâng cao hiệu quả biến đổi vật liệu bằng các phụ gia hoá học và phụ gia
khoáng.
+ Tính xúc biến cao có khả năng biến đổi hỗn hợp bê tông.
+ Tính công nghệ cao, có khả năng tạo hình các kết cấu bằng phương pháp rót,
dập khuôn, ép đùn, phun vẩy,…
+ Hỗn hợp không bị phân tầng, tách nước trong quá trình vận chuyển và sử dụng.
+ Sau khi đóng rắn, bê tông có độ co ngót thấp, ổn định thể tích.
+ Bê tông có cường độ cao, liên kết tốt với bê tông cũ hay cốt thép.
+ Dễ vận chuyển, trong đó kể cả vận chuyển trong đường ống.
+ Có khả năng sử dụng rộng rãi hỗn hợp khô đảm bảo chất lượng cao.
+ Có khả năng thu được những vật liệu có những tổ hợp tính chất đa dạng.
+ Có khả năng thu được những giải pháp mặt bằng - kiến trúc mới: kết cấu vách
và lớp mỏng, các kết cấu hỗn hợp từ nhiều vật liệu khác nhau,…
Bê tông bột mịn (Reactive powder concrete - RPC) là một dạng mới của bê tông
hạt mịn chất lượng cao (Ultra high performance concrete). Thành phần phổ biến của bê
tông bột mịn gồm: Bột cát thạch anh rất mịn, xi măng, silicafume, nước, phụ gia siêu
dẻo, cốt sợi phân tán được nhào trộn với nhau theo tỷ lệ nhất định trong đó tỷ lệ XN rất
thấp (khoảng 0,2). Sản phẩm bê tông bột mịn có thể được chưng hấp ở nhiệt độ cao và
độ ẩm lớn hoặc dưỡng hộ tự nhiên thường có cường độ nén cực cao (> 150 MPa),
cường độ uốn khá cao (20 ÷ 50MPa), đặc tính mềm dẻo cao. Việc nghiên cứu RPC ban
đầu ở phòng thí nghiệm Bouygues của Pháp trong những năm 1990. Nhưng việc ứng
dụng RPC đầu tiên được công nhận là sản phẩm của Richard và Cheyrezy (Canada).
Sản phẩm của nhóm nghiên cứu là ứng dụng RPC chế tạo cầu bê tông hạt mịn dự ứng
lực đúc sẵn cho người đi bộ ở Sherbrooke, Quebec – Canada năm 1997.
20
Một ứng dụng rất to lớn của bê tông hạt mịn chất lượng cao có dùng cốt sợi đó là
chế tạo các lớp phủ tăng cường có chiều dày rất nhỏ (Thin and Ultra thin Whitetopping)
trên mặt đường cao tốc, trên cầu hoặt trên mặt đường sân bay.
1.4. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO DÙNG
CHO MẶT ĐƯỜNG SÂN BAY
1.4.1. Giới thiệu sân bay và đường băng sân bay
Theo tài liệu [9] có thể chia thành ba loại sân bay khác nhau đó là:
− Sân bay dân dụng được sử dụng cho các hoạt động vận tải, dịch vụ hàng
không hoặc du lịch. Các sân bay dân dụng phục vụ cho vận tải hàng không được gọi
là cảng hàng không.
− Sân bay quân sự là vị trí cất – hạ cánh của các phi đội máy bay chiến đấu
hoặc khi cần để tập hợp lại các phi đội máy bay chiến đấu. Vì vậy, chúng không
được sử dụng thường xuyên.
− Sân bay kỹ thuật thường ở ngay tại các nhà máy chế tạo hoặc sửa chữa máy
bay và là sân bay thí nghiệm cho các máy bay bay thử.
Sự phân biệt giữa ba loại sân bay này không phải luôn rõ ràng, bởi vì trong thực tế
một sân bay thường đảm nhiệm nhiều chức năng.
Bộ phận chính của cảng hàng không đó là sân – đường, nơi dành cho máy bay cất
cánh, hạ cánh, lăn bánh và có cả chỗ đỗ máy bay, phục vụ máy bay. Các bộ phận chính
của sân – đường bay bao gồm: đường băng, đường lăn, sân đỗ và các dải bảo hiểm.
Theo [9], đường băng là bộ phận sử dụng để cất – hạ cánh trong sân bay. Trên các
sân bay có số lần cất – hạ cánh máy bay lớn thì yêu cầu phải làm đường băng có bề mặt
cứng chắc, có khả năng tiếp nhận tốt tải trọng của bánh máy bay.
Mặt đường băng phải có độ dốc ngang bảo đảm thoát nước tốt. Hai bên đường
băng phải bố trí hệ thống thoát nước để nước thoát ra khỏi khu vực bay. Mặt cắt dọc của
đường băng phải đảm bảo tầm nhìn và độ bằng phẳng theo yêu cầu của chuyên môn,
những chỗ đổi dốc phải bố trí đường cong đứng.
21
Theo thống kê, ở các nước trên thế giới cũng như tại Việt Nam thường có hai loại
vật liệu chính thường để dùng làm mặt đường sân bay đó là: Bê tông xi măng được
dùng làm mặt đường cứng và vật liệu bê tông át phan rải nóng làm mặt đường mềm.
Lớp bê tông xi măng (Portland cement Concret - PCC) được đổ lên trên kết cấu
mặt đường bê tông át phan rải nóng (hot mix asphalt - HMA) được gọi là bê tông lớp
phủ mặt đường (whitetopping). Theo [25], lớp phủ này có độ bền trên 80 năm và được
chia thành 3 loại chính:
− Lớp phủ thông thường: Đây là một lớp bê tông rải mỏng có chiều dày
khoảng 200 mm hoặc lớn hơn tùy thuộc vào thiết kế và lực liên kết giữa lớp PCC và
lớp HMA bên dưới.
− Lớp phủ mỏng (Thin whitetopping - TWT) có chiều dày từ 100 ÷ 200 mm.
− Lớp phủ siêu mỏng (Ultra thin whitetopping - UTW) có chiều dày nhỏ hơn
100 mm. Lớp phủ này có yêu cầu phải liên kết tốt với lớp bê tông át phan bên dưới.
Lớp bê tông hạt mịn chất lượng cao dùng để chế tạo các lớp phủ mỏng, được sử
dụng trong nhiều công trình như:
+ Chế tạo các bộ phận hạ tầng của sân – đường bay, bao gồm: Đường băng,
đường lăn, sân đỗ máy bay và các dải bảo hiểm.
+ Làm lớp mặt đối với các loại mặt đường ô tô, bãi đỗ và sân bay.
+ Lớp mặt tăng cường cho các loại mặt đường đã hết tuổi thọ như: Mặt đường bê
tông át phan, mặt đường bê tông xi măng.
1.4.2. Các ưu điểm khi sử dụng bê tông hạt mịn làm lớp phủ mỏng
Theo [25], [29] khi sử dụng bê tông hạt mịn chất lượng cao làm lớp phủ mỏng có
các ưu điểm chính sau:
− Tuổi thọ tương đối cao, cao hơn mặt đường bê tông át phan. Tuỳ theo cấp
hạng đường và tiêu chí đánh giá của từng nước nhưng nói chung tuổi thọ của mặt
đường bê tông xi măng (BTXM) được lấy vào khoảng 20 ÷ 50 năm, Trung Quốc
lấy 45 năm. Tuổi thọ thực tế của mặt đường BTXM nhiều khi lớn hơn dự kiến khi
thiết kế có thể đạt đến 80 năm [25]
22
− Cường độ mặt đường BTXM cao và không thay đổi theo nhiệt độ như mặt
đường nhựa, thích hợp với tất cả các loại xe, ổn định cường độ đối với điều kiện độ
ẩm cao và nhiệt độ lớn, cường độ không những không bị giảm mà có giai đoạn còn
tăng theo thời gian (không bị hiện tượng lão hoá như mặt đường bê tông át phan).
− Có khả năng chống bào mòn, ma sát giữa giữa bề mặt bánh xe với mặt
đường bê tông xi măng cao hơn nhiều so với mặt đường bê tông nhựa, đặc biệt là
khi thời tiết mưa ẩm.
− Chi phí duy tu, bảo dưỡng thấp.
Do thời gian sử dụng tương đối dài, chi phí duy tu bảo dưỡng thấp nên tổng giá
thành xây dựng và khai thác của mặt đường bê tông xi măng thấp hơn so với mặt đường
bê tông át phan.
1.4.3. Nhược điểm của lớp phủ mỏng bê tông hạt mịn chất lượng cao
− Bề mặt lớp phủ thông thường tồn tại các khe nối, vừa làm phức tạp thêm cho
việc thi công và duy tu, bảo dưỡng, vừa tốn kém, lại vừa ảnh hưởng đến chất lượng
vận hành, khai thác. Khe nối lại là chỗ yếu nhất của mặt đường BTXM, khiến cho
chúng dễ bị phá hoại ở cạnh và góc tấm.
− Móng đường BTXM yêu cầu có độ bằng phẳng cao, chất lượng đồng đều và
liên tục. Không được xây dựng mặt đường BTXM trên nền đường có cốt còn tiếp
tục lún như đi qua vùng đất yếu.
− Xây dựng mặt đường BTXM chất lượng cao cho các tuyến đường cấp cao và
đường cao tốc đòi hỏi phải có thiết bị thi công đồng bộ, hiện đại và quy trình công
nghệ thi công chặt chẽ.
− Chi phí xây dựng ban đầu đối với mặt đường BTXM thường cao hơn so với
các loại mặt đường khác.
1.4.4. Các đặc điểm của mặt đường sân bay và mặt đường ô tô
Mạng lưới đường ô tô của mỗi nước có những quy định riêng về trọng lượng của
trục bánh thiết kế, phụ thuộc vào điều kiện kinh tế, xã hội và điều kiện tự nhên của mỗi
nước. Theo [22] tải trọng trục bánh thiết kế của nước ta là 100kN (hoặc một bánh kép
50kN) với áp lực hơi trong bánh xe là 0,65MPa.
23
Với sân bay, do việc vận tải hàng không không có biên giới, hệ thống sân - đường
của sân bay phải tuân thủ các quy định của Tổ chức Hàng không dân dụng quốc tế
(ICAO). Tải trọng trên một càng bánh máy bay có thể lớn hơn 900kN (máy bay Boeing
747) với áp lực hơi trong bánh 1,25MPa (có thể lên đến 1,5 hoặc 1,6 MPa).
Tốc độ lớn nhất của ô tô vận tải trên tất cả các loại mặt đường ôtô của các nước
thường không quá 60km/h. Trên sân bay, tốc độ của máy bay lại phụ thuộc vào kết cấu
của bộ phận sân - đường: Mặt đường băng có chất lượng cao thì cho phép các máy bay
cất – hạ cánh với tốc độ lớn và số lần cất – hạ cánh cũng tăng lên. Vì vậy, phải tiêu
chuẩn hóa việc thiết kế và khai thác mặt đường sân bay theo các quy định của ICAO.
Do tải trọng thẳng đứng của bánh máy bay rất lớn nên chiều dày mặt đường sân
bay thường lớn hơn nhiều so với chiều dày mặt đường ôtô. Tải trọng ngang tác dụng
trên mặt đường sân bay cũng lớn hơn rất nhiều so với trên đường ôtô. Vì vậy, nếu thi
công lớp dính bám trong kết cấu mặt đường mềm sân bay không tốt thì thường xuất
hiện sự trượt của lớp mặt trên lớp móng tại các khu vực chịu các tải trọng lớn và các
đoạn đường hãm phanh.
Từ đó, với kết cấu mặt đường mềm của đường ô tô cấp cao người ta thường làm
thành làn xe riêng cho các loại xe tải vì có nguy cơ hình thành vệt lún bánh xe trên làn
xe này. Trong sân bay, nguy cơ này chỉ xuất hiện trên đường lăn, vì máy bay lăn với tốc
độ thấp và vệt bánh luôn tác dụng qua cùng một chỗ.
Theo [9], [22] để chịu được tác dụng của các tải trọng lớn và các ứng suất tiếp lớn
của bánh máy bay, người ta thường dùng vật liệu bê tông xi măng chất lượng cao để
làm các kết cấu mặt đường cứng của sân bay, hoặc có thể dùng chúng để làm mặt
đường cứng ở hai đầu đường băng tại các sân bay quân sự vì phải chịu tác dụng nhiệt
của các động cơ phản lực.
1.4.5. Các yêu cầu khi sử dụng bê tông làm lớp mặt đường sân bay
Theo các tài liệu [9], [22], khi sử dụng bê tông xi măng làm lớp phủ mặt đường
sân bay cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
− Bảo đảm cho máy bay lăn bánh an toàn và thuận lợi. Chức năng này đòi hỏi
lớp mặt phải bảo đảm được các yêu cầu về cường độ và độ ổn định dưới tác dụng
của tải trọng cũng như phải thoả mãn các yêu cầu về độ nhám và độ bằng phẳng.
24
− Bảo vệ nền móng dưới tác dụng của nước và độ ẩm. Yêu cầu này đòi hỏi lớp
mặt phải không thấm nước và phải có một chiều dày tối thiểu bảo đảm không xuất
hiện đường nứt dưới tác dụng của tải trọng hoặc do sự truyền nứt từ lớp móng cứng.
− Yêu cầu về cường độ, chống hiện tượng hình thành các vệt lún bánh xe và
hiện tượng mỏi: Do tần suất tác dụng của máy bay tại một vị trí nhỏ hơn nhiều so
với đường ô tô nên yêu cầu chỉ tiêu này không khắt khe như với mặt đường ô tô.
Tuy nhiên, mặt đường sân bay chịu tải trọng lớn hơn nên phải sử dụng hỗn hợp bê
tông nhựa có độ dãn dài khi phá hoại cao hơn so với bê tông nhựa của đường ô tô.
− Yêu cầu về độ nhám: Do số lần hạ cánh của sân bay không lớn nên yêu cầu
đối với độ nhám không cao như đối với mặt đường ô tô, vì bánh máy bay ít làm hao
mòn và trơn nhẵn cốt liệu. Độ nhám (độ bám giữa bánh máy bay và mặt đường) của
mặt đường khô và sạch thường là phù hợp với yêu cầu. Tuy nhiên, khi mặt đường bị
ướt thì thường không đủ độ nhám và mặt đường trở nên trơn trượt.
Vì vậy, khi xây dựng và khai thác mặt đường sân bay cần đặc biệt chú ý đến độ
nhám khi mặt đường ẩm ướt. Để vận hành an toàn, mặt đường sân bay phải đủ độ bám
để hãm phanh khi máy bay hạ cánh (hoặc hãm phanh trong trường hợp việc cất cánh bị
gián đoạn vì lý do kỹ thuật) và để quay bánh khi máy bay tiếp đất lúc hạ cánh.
Do đó, để đạt được độ nhám vĩ mô trên mặt đường bê tông xi măng cần phải xẻ
rãnh tạo nhám. Ở mặt đường sân bay vai trò của độ nhám vi mô không rõ ràng.
− Tính không thấm nước: Nước làm giảm sức chịu tải của kết cấu mặt đường.
Do điều kiện thoát nước của mặt đường sân bay khó khăn hơn so với mặt đường ô
tô (khoảng cách thoát nước xa, thời gian thoát nước mặt trên đường băng lâu) làm
cho tính không thấm nước trở thành một yêu cầu chính đối với mặt đường sân bay
đó là điểm ưu tiên để bảo đảm chất lượng. Muốn vậy, hỗn hợp bê tông nhựa phải có
độ chặt và độ dễ thi công cao.
− Độ bằng phẳng: Theo [9] kiến nghị của Tổ chức Hàng không dân dụng quốc
tế (ICAO) thì bề mặt đường băng không được gồ ghề làm giảm hiệu quả của việc
hãm phanh hoặc có hại cho việc cất cánh và hạ cánh của máy bay. Trên đường lăn
25
của sân bay, do tốc độ lăn bánh của máy bay thấp hơn (20 ÷ 60km/h) nên yêu cầu
về độ bằng phẳng chỉ xấp xỉ với độ bằng phẳng của đường ô tô.
- Bảo đảm sự toàn vẹn của lớp mặt: Dưới tác dụng lực của máy bay (ứng suất do
tải trọng gây ra, do nhiên liệu rơi vãi hoặc do sự phụt của động cơ phản lực) và của môi
trường khí hậu (tác dụng của nhiệt độ, độ ẩm và áp suất), mặt đường có thể bị phá hoại
dưới các hình thức:
+ Nứt và rạn vỡ làm cho mặt đường bị thấm nước.
+ Biến dạng (lún, sệ, vệt bánh,…).
Những hư hỏng này làm cho lớp mặt mất tính toàn khối, vật liệu bị bong bật, có
khả năng gây ra những tai nạn nghiêm trọng khi chúng bị động cơ phản lực hút vào.
Vì vậy để bảo đảm sự toàn vẹn của lớp mặt đường trong các công trình cần phải:
+ Sử dụng vật liệu ổn định với tác dụng của xăng dầu để làm lớp mặt của sân đỗ
máy bay, là nơi máy bay đỗ lâu dài và kết hợp với việc bảo dưỡng, sửa chữa. Với đường
băng và đường lăn vấn đề này không cần đặt ra. Có nhiều biện pháp để chống lại tác
dụng ăn mòn của xăng dầu, mà đơn giản nhất là làm sân đỗ bằng bê tông xi măng.
+ Bảo đảm cường độ, chịu được tác động do lực phụt và nhiệt độ của động cơ
máy bay. Đặc biệt với động cơ cánh quạt, vật liệu có thể bị cánh quạt hút văng mạnh
vào máy bay. Vì vậy, yêu cầu vật liệu bê tông làm lớp mặt phải có đủ lực dính với lớp
nền móng.
+ Bảo đảm ổn định dưới tác động của môi trường. Do diện tích lớn hơn, độ dốc
nhỏ hơn, việc thoát nước khó hơn, tần suất tác dụng máy bay ít hơn, cũng như không
được cây cối, nhà cửa che chắn nắng gió,... cho nên ảnh hưởng của các điều kiện khí
hậu và môi trường đối với mặt đường sân bay lớn hơn so với mặt đường ô tô.
Hiện nay với công nghệ bê tông tiên tiến, việc nghiên cứu chế tạo lớp phủ mỏng
bằng bê tông để tăng cường các tính chất cơ học, tăng độ nhám và tuổi thọ của mặt
đường đang được rất nhiều nhà khoa học quan tâm. Loại bê tông sử dụng cho kiểu kết
cấu này thường là bê tông hạt mịn chất lượng cao, có cường độ nén cao, cường độ chịu
kéo khi uốn lớn, có khả năng chống nứt, ổn định thể tích và liên kết rất tốt với lớp bề
mặt kết cấu hiện hữu.
26
1.4.6. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông hạt mịn chất lượng cao
ở các nước trên thế giới
Theo [30], một loại bê tông hạt mịn chất lượng cao, sử dụng cốt sợi phân tán, có cường độ cực cao, đã được công ty Bouygues Lafarge Rhodia sản xuất có tên là Ductal.
Ductal là sản phẩm bê tông hạt mịn chất lượng cao, dùng cốt sợi, có các đặc điểm:
− Có cường độ nén rất cao.
− Cường độ kéo trực tiếp cao, mô đun đàn hồi cao.
− Có tính mềm dẻo và có độ bền cao. Thành phần cấp phối của hỗn hợp bê tông và các tính chất của loại bê tông này
được nêu trong bảng 1.1 và bảng 1.2.
Bảng 1.1. Thành phần cấp phối của hỗn hợp bê tông Ductal (Ductal mix design)
Vật liệu Đơn vị Giá trị các đại lượng
Xi măng kg/m3 710
Silicafume kg/m3 230
Bột cát Quắc kg/m3 210
Cát kg/m3 1020
Sợi kg/m3 40 ÷ 160
Phụ gia siêu dẻo kg/m3 13
Nước trộn kg/m3 140
Bảng 1.2. Các tính chất cơ học của Ductal
Chỉ tiêu Đặc trưng cơ học ở tuổi 28 ngày
Ductal – FM Ductal - FO
Dung trọng (kg/m3) 2500 2500
Cường độ nén (MPa) 150 ÷ 180 100 ÷ 120
Cường độ uốn (MPa) 32 24
Cường độ kéo trực tiếp (MPa) 8 6
Mô đun đàn hồi (MPa) 50 000 50 000
Hệ số nở nhiệt (m/m) 12.10-6 12.10-6
27
Bảng 1.3. Các công trình xây dựng sử dụng sản phẩm Ductal Tên công trình Quốc gia Năm xây dựng
Cầu bộ hành Sherbrooke Canada 1997 Dầm của nhà máy Điện hạt nhân Cattenom
Pháp 1997 ÷ 1998
Martel tree Boulogne, Pháp 1998 Rhodia panels Pháp 2000 Cầu bắc qua sông Seonyu Hàn Quốc 2001 ÷2002 Shower cabins Pháp 2002 ÷2003 Nhà bảo tàng Sofia Queen Madrid – Tây Ban Nha 2003 Cầu Shepherds Australia 2003 ÷2004 Nhà máy điện Eraring Australia 2004 Nhà ga xe lửa Papatoetoe New Zealand 2005
Theo [23], lần đầu tiên lớp phủ bằng bê tông (Concrete Pavement) được dùng
trong mặt đường sân bay hàng không từ năm 1927 ÷ 1928 tại Ford Terminal in
Dearborn, Michigan - Mỹ. Trong thời gian đó, lớp phủ bê tông được dùng rất phổ biến
trong nhiều công trình xây dựng như: Mặt đường cao tốc, mặt đường băng sân bay,…
và đã mang lại nhiều hiệu quả to lớn.
Hình 1.1. Lớp phủ bê tông dùng trong sân bay hàng không tại Ford Terminal in
Dearborn, Michigan – Mỹ. Theo [25], bê tông hạt mịn được sử dụng rộng rãi để chế tạo lớp kết cấu UTW
nhằm phục hồi bất kỳ một khu vực nơi đó bị rửa trôi, lượn sóng của lớp át phan bị
khuyết tật. UTW phổ biến nhất với chiều dày 50 ÷ 200 mm nằm trên lớp HMA. Hiện
28
nay, kỹ thuật này đựơc phát triển cho lớp mặt đường nhỏ, khu vực đỗ xe, sân bay nhẹ.
UTW làm tăng đáng kể chức năng của lớp mặt. UTW được nghiên cứu và sử dụng
nhiều nhất là ở Bắc Mỹ, đặc biệt là Hoa Kỳ [25].
Việc áp dụng đầu tiên của lớp UTW ở đường Luisville ở bang Kentucky năm
1991 và từ đó đã gần 200 dự án ở 28 bang của nước Mỹ. Số liệu thực nghiệm chỉ ra
rằng trong hầu hết các trường hợp thời gian xây dựng ngắn hơn và lâu hơn mới cần sửa
chữa so với bê tông át phan truyền thống. So sánh giá thành lớp bê tông có chiều dày từ
50 ÷ 100 mm rẻ hơn từ 25 ÷ 50% so với lớp bê tông át phan 50 ÷ 75 mm truyền thống
và tuổi thọ gấp 2 lần bê tông át phan.
Đến năm 1999, UTW mới được dùng làm đường chính ở Michigan (Mỹ) nhưng
đã được sử dụng ở đường địa phương như: Tháng 9/1996 đoạn đường vận chuyển tới
công ty thép và trạm trộn bê tông ở Traverse City, tháng 10/1996 ở Coolidge Yard Bus
Terminal, Detroit; tháng 10/1997 ở Washtenaw County.
Khoa giao thông Minnesota cũng đã thiết lập dự án nghiên cứu lớp Whitetopping
cực mỏng ở đoạn ngã ba US-169 sông Elk để nghiên cứu cả về thiết kế và chất lượng
của lớp UTW. Trong đó hỗn hợp bê tông có sử dụng sợi polypropylene hay polyolefin.
Vào năm 1998 với sự giúp đỡ của các Bang, ban quản lý đường và hiệp hội đường
bê tông của Mỹ đã cho thí nghiệm để nghiên cứu trên đoạn dường dài 14,6m với kết cấu
là lớp bê tông xi măng cực mỏng đổ lên trên lớp mặt đường bê tông át phan ở McLean,
Virginia với chiều dày 50 ÷ 100 mm. Mục đích của nghiên cứu: Xác định tính chất của
UTW dưới điều kiện tác động của nhiệt độ và tải trọng bánh xe; nghiên cứu đặc điểm
thiết kế dựa trên tính chất của UTW; xác định sự phản ứng của mặt đường với sự phát
triển của mô hình cơ học.
Lớp phủ bề mặt với vật liệu là bê tông xi măng có cốt sợi phân tán, có thể dùng
chế tạo lớp mặt đường, nơi mà các loại vật liệu làm đường truyền thống thường bị hư
hỏng do bị xô đẩy, nứt vỡ hoặc bị các tác động co ngót biến dạng. UTW tốt nhất dùng
cho đường giao cắt và sửa đường. UTW sẽ giảm chi phí, tăng độ bền, tăng tuổi thọ của
mặt đường. Thi công lớp UTW dễ dàng: Đầu tiên là chế tạo khuôn đường với chiều sâu
100 mm và làm sạch. Sau đó đổ bê tông trực tiếp lên bê tông át phan với việc sử dụng
29
phương pháp làm chặt bằng rung truyền thống. Hỗn hợp bê tông tươi có thể được hoàn
thiện bằng cào hoặc chổi, có thể đặt trực tiếp cảm biến kiểm tra giao thông ở bề mặt lớp
khuôn phía dưới bê tông UTW bằng cách này tránh được ứng suất bên ngoài. Vì mặt
đường cứng không bị lún, dồn hoặc rửa trôi. Cuối cùng, tiến hành tạo các khe rãnh nhỏ
trên mặt đường bằng thiết bị tạo khe, rãnh để tạo hình kết cấu.
Hiện trạng bề mặt sân bay
Williamsburg County Regional
Quá trình thi công sân bay WilliamsburgCounty Regional bằng lớp Whitetopping
Bề mặt sân bay Williamsburg
County Regional sau khi thi công
Sân bay Savannah-Harding được thi
công bằng lớp Ultra thin Whitetopping Hình 1.2. Lớp UTW và TWT được ứng dụng ở Williamsburg – Mỹ
1.4.7. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông hạt mịn chất lượng cao ở
Việt Nam
Những năm gần đây ở nước ta, hầu hết các dự án đường bộ mới đều được thiết kế
theo tiêu chuẩn mặt đường cao tốc, xe chạy với tốc độ có thể đạt trên 100km/h. Vấn đề
đặt ra chính là tạo nhám cho mặt đường, đảm bảo khai thác an toàn không bị trơn trượt
giữa bánh xe và mặt đường.
30
Mặt đường sân bay được xây dựng để máy bay vận hành trên đó. Yêu cầu mặt
đường sân bay phải đủ sức chịu tải trọng, có bề mặt ổn định, bằng phẳng, độ nhám cao
và không có bụi khi sử dụng.
Hình 1.3. Máy bay Boeing 777ER trên sân bay Nội Bài Hình 1.4. Sân bay Đà Nẵng
Để đáp ứng các yêu cầu đó thì vật liệu chế tạo mặt sân - đường của cảng hành
không phải có những tính chất đặc biệt, chất lượng cao. Những năm gần đây nước ta
một số nhà khoa học tại các trường Đại học, các Viện chuyên ngành đã tiến hành nghiên
cứu nhiều công trình khoa học để áp dụng bê tông cường độ cao, bê tông chất lượng cao
vào trong kết cấu của đường sân bay.
Năm 2007, Công ty Tư vấn và Thiết kế Hàng không Việt Nam đã thiết kế và thi
công các kết cấu của mặt đường sân bay Kiến An (Hải Phòng) bằng bê tông cường độ
cao cốt sợi thép. Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội [21] đã có nhiều tác giả
nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi thép tại phòng Thí nghiệm Công trình của trường.
Bên cạnh đó tại Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng đã có nhiều ứng dụng thực
tế hơn, đó là sử dụng bê tông cốt sợi thép để tu bổ và sửa chữa hư hỏng của các công
trình, ví dụ như: Sử dụng bê tông cốt thép phân tán để tu bổ lớp mặt đường công trình di
tích [1], sửa chữa Hangar máy bay [17].
Qua một số tóm lược trên ta thấy, việc nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất
lượng cao sử dụng cốt sợi phân tán, với tính công tác tốt, cường độ chịu nén cao, cường
độ chịu kéo khi uốn lớn, giá thành hạ từ các nguồn vật liệu sẵn có ở Việt Nam, dùng cho
các công trình đường giao thông, đường sân bay là rất cần thiết.
31
Nhận xét chương 1 Trên cơ sở nghiên cứu tổng hợp và phân tích tình hình ứng dụng bê tông hạt mịn
chất lượng cao ở nước ngoài và triển vọng áp dụng công nghệ bê tông hạt mịn chất
lượng trong nước, có thể rút ra một số Nhận xét sau:
− Việc nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng trong các
công trình giao thông là rất cần thiết, phù hợp với điều kiện Việt Nam, đáp ứng
được yêu cầu cho kết cấu có chiều dày mỏng, lớp phủ mỏng tăng cường trên bề mặt
đường cao tốc, mặt đường băng sân bay.
− Việc sử dụng cốt liệu có kích thước hạt nhỏ, hỗn hợp bê tông có độ linh động
cao, cấu trúc bê tông đặc chắc phù hợp cho kết cấu bao che dạng lớp mỏng, tấm
mỏng không có thanh cốt thép chịu lực trong các lớp mặt đường là giải pháp hiệu
quả nhất để tăng độ bền của các kết cấu.
32
Chương 2. CƠ SỞ KHOA HỌC SỬ DỤNG BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT
LƯỢNG CAO CHO MẶT ĐƯỜNG SÂN BAY
2.1. TƯƠNG TÁC GIỮA CỐT SỢI VÀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG
Việc bổ sung sợi vào trong cấu trúc của bê tông có thể làm thay đổi đáng kể tính
chất của bê tông vì chúng có ảnh hưởng đến tính chất của bê tông cả ở trạng thái dẻo và
trạng thái rắn chắc. Đóng góp chính của cốt sợi polypropylene là sự cải thiện tính chất của bê tông đã cứng rắn.
Theo [16], [19] bê tông là loại vật liệu composite nhiều thành phần có pha nền là
hồ xi măng. Sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền (pha nền) là vấn đề cơ bản quyết định
chất lượng và các tính chất của bê tông cốt sợi. Theo các nghiên cứu [8], [21] các yếu tố ảnh hưởng đến sự tương tác giữa sợi và pha nền hồ xi măng bao gồm:
− Điều kiện, trạng thái của vật liệu nền.
− Cấu trúc, thành phần của vật liệu nền.
− Loại sợi, hình dạng, đặc điểm bề mặt, độ cứng và tính chất của sợi.
− Hướng sợi: Sợi bố trí đẳng hướng hoặc bố trí ngẫu nhiên.
− Tỷ lệ thể tích sợi sử dụng.
− Tính bền của sợi khi làm việc lâu dài trong bê tông cốt sợi.
Hiệu quả chủ yếu của sợi là nâng cao tính chất cơ học của hồ xi măng trong hai
quá trình gồm:
+ Quá trình truyền tải trọng từ vật liệu nền xi măng sang sợi.
+ Ảnh hưởng của cốt sợi đến sự xuất hiện các ứng suất khi tăng tải trọng của vật liệu nền xi măng.
Việc cải biến các khả năng cơ học của bê tông cốt sợi đều thông qua sự tương tác giữa cốt sợi phân tán và đá xi măng.
Theo [10], bê tông nặng là hỗn hợp không đồng nhất của các thánh phần: Xi
măng, cốt liệu, nước và phụ gia. Phản ứng thủy hóa giữa xi măng và nước dẫn đến sự co
ngót rõ rệt của hồ xi măng khi đông cứng. Hàm lượng cốt liệu, cốt sợi hợp lý có hai ưu điểm lớn đó là:
+ Tiết kiệm được khối lượng hồ xi măng.
33
+ Là thành phần chống lại sự co ngót do quá trình xi măng thủy hóa, chống nứt cho bê tông khi bị biến dạng.
Theo [8] đã chỉ ra rằng, trong cấu trúc của bê tông tồn tại những vệt nứt vi mô tại
bề mặt của các phân tử cốt liệu thô có kích thước lớn. Các vết nứt này có thể tồn tại
ngay ở trạng thái không tải.
Khi bê tông bị kéo dưới các tải trọng khác nhau, bao gồm cả quá trình vật liệu bị
mỏi, các vết nứt vi mô sẽ lan rộng theo bề mặt cốt liệu và một phần ở vùng chuyển tiếp
xung quanh hạt cốt liệu.
Khi bổ sung thành phần cốt sợi vào bê tông, khối bê tông trở thành hỗn hợp được
tăng cường. Các loại sợi có tác dụng tăng cường giới hạn chịu kéo, có thể gây ra các vết
nứt vi mô ban đầu trong bê tông. Tuy nhiên, mức độ tăng cường giới hạn chịu kéo còn
phụ thuộc vào số lượng và sự hiệu quả của sợi tại vùng có thể xuất hiện đỉnh vết nứt.
Theo [21] mô phỏng sự tương tác giữa cốt sợi phân tán và vật liệu đá xi măng dựa
trên hình dạng của lực kéo tuột đơn giản (hình 2.1).
ldx Sîi
PPxVËt liÖu ®¸ xi m¨ng
σ(x) + dσ
τ(x)
2r
dx
σ(x)
P(x) P(x) + dP
Trong đó:
P- là lực kéo tuột của sợi ra khỏi vật liệu.
τ(x)- là ứng suất trượt tại mặt phân cách.
σ(x)- là ứng suất dọc theo chiều dài sợi.
Hình 2.1. Mô hình sự kéo tuột cốt sợi tại bề mặt liên kết của sợi và đá xi măng Các quá trình liên quan đến sự tương tác giữa sợi và đá bê tông chủ yếu xảy ra
trong vùng tương đối nhỏ xung quanh sợi và đá xi măng. Tác dụng chủ yếu của cốt sợi
trong bê tông cốt sợi được thể hiện sau khi vật liệu bị nứt. Khi đó chúng sẽ bắc cầu qua
vết nứt và vì vậy ngăn ngừa được sự phá hủy kết cấu. Sự bắc cầu của sợi xuyên qua vết
nứt được đánh giá làm nền tảng cho những dự đoán về tính chất của bê tông cốt sợi
trong vùng đã nứt, qua đó cũng xác định được sự liên quan của cơ chế truyền ứng suất
trượt ma sát và ứng suất đàn hồi.
34
2.2. TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG HẠT MỊN CỐT SỢI
2.2.1. Tính chất của hỗn hợp bê tông
Bê tông cốt sợi khó trộn hơn bê tông thường, những tham số ảnh hưởng đến tính
chất của hỗn hợp bê tông cốt sợi là:
− Loại sợi và hàm lượng sợi.
− Loại cốt liệu lớn, hình dạng và hàm lượng cốt liệu lớn.
− Phương pháp đưa cốt sợi vào trong hỗn hợp bê tông khi trộn.
− Loại và hàm lượng phụ gia siêu dẻo sử dụng.
Tính công tác của hỗn hợp bê tông cốt sợi là một yêu cầu rất quan trọng, quyết
định đến các quá trình trộn, đổ và đầm bê tông. Sợi polypropylene có tính chất là mềm
dẻo, bề mặt trơn nhẵn do đó không làm tổn thất nhiều độ dẻo của hỗn hợp bê tông. Mặt
khác, loại sợi này có đặc điểm là dễ dàng phân tán trong môi trường kiềm của hỗn hợp
bê tông, không bị vón cục hoặc tạo thành những khối cầu trong quá trình trộn.
Do đó bê tông hạt mịn chất lượng cao, sử dụng cốt sợi polypropylene (PP), có tính
công tác tốt, có thể tự lèn chặt vào kết cấu trong quá trình đổ, hoặc có thể thi công bằng
phương pháp bơm bê tông, phun bê tông mà không xảy ra hiện tượng tắc nghẽn vòi
bơm, vòi phun bê tông.
2.2.2. Tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao cốt sợi đã hóa cứng
Cốt sợi PP đã đem lại cho bê tông nhiều tính chất đặc biệt, hệ thống nhiều pha của
bê tông và sợi hình thành hệ thống đàn hồi - dẻo. Ưu điểm chính của hệ thống này là sự
phát triển khả năng chịu tải trước và sau khi hình thành vết nứt trong cấu kiện bê tông,
khác hẳn so với tình trạng của bê tông thường sau khi đã có vết nứt đầu tiên.
Trong các ứng dụng làm mặt đường, mặt sàn, làm cấu kiện đúc sẵn, làm bê tông
phun, các ứng suất trong bê tông được phân bố ngẫu nhiên và bị ảnh hưởng bởi các điều
kiện tác động của ngoại lực. Do đó không thể xác định trường ứng suất thực tế và đặt
một hay hai lớp cốt thép ở những vị trí cố định trong khi ứng suất thay đổi từ trên đỉnh
đến đáy cấu kiện. Các điều kiện đặt tải như tải trọng chu kỳ, biến đổi nhiệt độ, lực cắt,
lực xung kích, co ngót đã phát triển sự phân bố ngẫu nhiên ứng suất trong bê tông.
35
Sự phân bố ngẫu nhiên các loại sợi trong bê tông đảm bảo rằng ứng suất được
phân bố lại trong toàn khối vật liệu nền bê tông. Các vi vết nứt mà có thể phát triển thêm
do ứng suất sẽ bị các sợi ngăn chặn lại trong toàn thể tích vật liệu bê tông cốt sợi của cấu
kiện. Như vậy, các vết nứt nhỏ bị khâu lại trước khi phát triển thành các vết nứt lớn hơn
mà có thể gây hư hại cho kết cấu.
Tính chất của bê tông đông cứng được cải thiện một cách đáng kể thông qua việc
thêm một cách đáng kể thông qua việc thêm vào bê tông một thể tích cốt sợi thích hợp.
Sợi sẽ làm việc có hiệu quả nếu chúng được liên kết theo phương của ứng suất kéo chủ
và nếu khoảng cách giữa các sợi càng nhỏ càng tốt. Nhân tố quan trọng nhất đối với sự
hình thành vết nứt chính là khoảng cách cực đại thực tế giữa các sợi. Như vậy, phân
phối và định hướng sợi phải càng đồng dạng càng tốt bởi vì như vậy sẽ sản sinh tính
đồng nhất vĩ mô và tính chất đẳng hướng trong vật liệu. Đây chính là ảnh hưởng của sợi
phân tán có thể được khai thác trong thực hành, trong khi thực tế không thể thực hiện
được việc kiểm tra toàn diện một kết cấu xây dựng.
Các sợi ảnh hưởng đến cường độ kéo, cường độ cắt và nén, tính chất của vết nứt
và quá trình biến dạng của bê tông. Những sự biến đổi, những thành phần khác trong
quá trình trộn bê tông hoặc quá trình sử dụng bê tông có thể có ảnh hưởng quan trọng
đối với tính chất này. Đặc trưng hình học của những cấu kiện và điều kiện thí nghiệm
cũng có một ảnh hưởng quan trọng và phải được tính đến bằng các hệ số tính toán.
Như bê tông thông thường, những tác động của môi trường ảnh hưởng đáng kể
đến tính chất của bê tông cốt sợi đã đông cứng. Ảnh hưởng này có thế xuất hiện do sự
bốc hơi nước bề mặt, do quá trình rửa trôi bề mặt ngoài, do tải trọng xung kích, tải trọng
lặp hay các tác động hoá học khác. Như vậy, quá trình bảo dưỡng bê tông đông cứng có
một vị trí rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của kết cấu.
a) Ảnh hưởng của sợi đến khả năng phát triển vết nứt của bê tông
Ảnh hưởng quan trọng nhất của sự tồn tại các sợi polypropylene trong vật liệu bê
tông đó là chúng có thể điều khiển quá trình phát triển vết nứt. Chúng làm chậm quá
trình phát triển vết nứt và khi vết nứt đã mở rộng thì chúng có vai trò phân phối lại tải
trọng trong vùng nứt. Như vậy, các sợi polypropylene có ảnh hưởng đáng kể đến trạng
36
thái biến dạng của kết cấu bê tông trước khi xuất hiện vết nứt và sau khi đã xuất hiện vết
nứt. Phạm vi ảnh hưởng đến sự biến dạng của bê tông phụ thuộc vào hình dạng sợi, hàm
lượng sợi và tính chất của tải trọng.
Các sợi polypropylene phân tán cũng cải thiện quá trình phân phối vết nứt. Trong
quá trình chịu tác dụng của tải trọng và ứng suất, số lượng vết nứt tăng trong vật liệu có
tăng thêm nhưng chiều rộng và khoảng cách giữa các vết nứt sẽ giảm đi. Theo [21] việc
tăng cường cốt sợi phân tán chủ yếu làm tăng thêm cường độ sau nứt của bê tông, còn
cường độ trước khi nứt của chúng tăng không đáng kể. Cường độ trước khi nứt của bê
tông chủ yếu phụ thuộc vào số lượng của sợi, không phụ thuộc vào kiểu sợi.
Trạng thái sau phá hủy của bê tông cũng được cải thiện một cách đáng kể. Theo
[21], biến dạng khi phá hủy của bê tông cốt sợi có thể tăng lên tới 10 lần đối với vật liệu
thông thường. Như vậy, với cấu trúc có cốt sợi sẽ làm tăng thêm khả năng làm việc của
kết cấu sau khi phá hủy.
b) Ảnh hưởng của cốt sợi đến khả năng chịu kéo khi uốn của bê tông
Khi vật liệu chịu tải trọng uốn, toàn bộ mặt cắt tiết diện cùng tham gia chịu lực,
biểu đồ biểu diễn quá trình biến dạng là một hình chữ nhật được chia thành hai vùng
gồm vùng kéo và vùng nén.
Theo [21] bê tông cốt sợi có thể làm việc hiệu quả trong trường hợp kết cấu chịu
ứng suất uốn. Với các loại bê tông thường không sử dụng cốt sợi, khi tải trọng uốn tăng
lên, trục trung hòa của tiết diện chịu lực sẽ nâng dần lên, diện tích chịu nén sẽ giảm dần.
Trong thớ chịu kéo, ứng suất kéo đạt đến cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông thì vết
nứt bắt đầu xuất hiện. Chúng được mở rỗng đến giá trị cực đại và kết cấu bị phá hoại.
Nhưng đối với bê tông có sử dụng cốt sợi phân tán, khi ứng suất kéo trong thớ bê
tông chịu kéo đạt đến giá trị cực đại, trong cấu trúc vật liệu cũng bắt đầu xuất hiện vết
nứt. Khi đó cốt sợi phân tán đồng đều trong cấu trúc sẽ không cho vết nứt mở rộng, làm
tăng khả năng chịu kéo của tiết diện và lúc này một sự cân bằng mới được thiết lập
trong vật liệu.
Dựa trên cơ chế này ta thấy, bê tông sử dụng các loại cốt sợi phân tán nói chung
có khả năng chịu tải trọng tốt hơn hẳn so với bê tông thông thường.
37
Theo [21] quan hệ giữa ứng suất uốn và độ võng của bê tông dùng cốt sợi thép
phân tán và bê tông thường không sử dụng cốt sợi được thể hiện như sau:
50 100 100 100 50
400
MÉu bª t«ng
P
100
Hình 2.2. Thí nghiệm xác định cường độ kéo khi uốn của bê tông
§é vâng εT
¶i tr
äng
1
234
P
Hình 2.3. Quan hệ giữa ứng suất uốn và
độ võng của bê tông dùng cốt sợi Dựa vào biểu đồ ta thấy:
− Đường (1) thể hiện sự phá hủy của bê tông thông thường, trong đó sự phá
hủy xảy ra ngay sau khi cường độ vết nứt vượt quá giới hạn cho phép
− Đường (2) thể hiện sự phá hủy của bê tông sử dụng cốt sợi thép có hàm
lượng nhỏ (0,7% thể tích), khả năng liên kết của sợi với nền xi măng kém, sợi có
chiều dài lớn làm cho sợi bị cắt đứt trước khi sợi phát huy được hết khả năng chịu
kéo của nó.
− Đường (3) và (4) thể hiện sự chịu kéo rất tốt của bê tông, trong đó cấu trúc
của bê tông được bổ sung các loại sợi có tính liên kết tốt và khả năng chịu kéo cao
do sợi được bẻ neo hai đầu hoặc được uốn móc.
2.3. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC SỬ DỤNG BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT
LƯỢNG CAO CHO MẶT ĐƯỜNG SÂN BAY
2.3.1. Cấu trúc bê tông hạt mịn chất lượng cao
Bê tông chất lượng cao không chỉ có cường độ nén cao mà còn đạt nhiều tính
năng quan trọng khác như: Độ bền trong môi trường chịu tác động hoá học cao, bền
băng giá, tính thấm rất thấp, ổn định thể tích tốt,… Vì vậy, loại bê tông này đáp ứng đầy
đủ các yêu cầu về mặt vật liệu để xây dựng hoặc sửa chữa các công trình giao thông.
38
Bê tông nói chung và bê tông chất lượng cao nói riêng là một loại vật liệu không
đồng nhất gồm 3 pha: Đá xi măng; cốt liệu và vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu và đá xi
măng. Do vậy, cấu trúc của bê tông do ba pha này hợp thành quyết định đến các tính
chất của bê tông sau này.
2.3.1.1. Cấu trúc thành phần hạt của bê tông hạt mịn chất lượng cao
Cấu trúc hỗn hợp cốt liệu tạo nên khung xương chịu lực cho bê tông [7], [10],
[12], [13], cấu trúc này phụ thuộc vào cường độ bản thân hạt cốt liệu, tính chất cấu trúc
(đặc tính bề mặt hạt, diện tích tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu với đá xi măng và cường độ
liên kết giữa các hạt). Thông thường, cường độ bản thân hỗn hợp cốt liệu có cấp phối
hạt mịn hợp lí đã đồng thời giải quyết được các chức năng:
+ Tăng diện tích tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu.
+ Không gian hở (độ rỗng xốp) trong bộ khung là nhỏ nhất và kích thước lỗ rỗng
xốp bé được phân bố đồng đều.
+ Chiều dày của liên kết hồ xi măng với các hạt cốt liệu là hiệu quả nhất (chỉ
nhằm mục đích liên kết).
Đối với bê tông hạt mịn chất lượng cao việc nghiên cứu lựa chọn một cấp phối
cốt liệu tối ưu đã đảm bảo cho bê tông đồng thời thoả mãn các yêu cầu sau:
- Cường độ của cốt liệu: Trong bê tông thường, vì lượng nước nhào trộn quá lớn
so với lượng nước cần thiết để xi măng thuỷ hoá hoàn toàn nên đá xi măng và vùng
chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu có cấu trúc không đặc chắc, trở thành khâu yếu
nhất trong cấu trúc bê tông. Do đó, việc lựa chọn một loại cốt liệu nhất định có cường
độ cao là không cần thiết.
- Đối với bê tông hạt mịn chất lượng cao, bằng các biện pháp thích hợp có thể làm
cho đá xi măng và vùng chuyển tiếp đạt cường độ rất cao, nên khung cốt liệu có cường
độ thấp thì sẽ là khâu yếu nhất trong cấu trúc bê tông. Điều này tương tự như trong bê
tông nhẹ cốt liệu rỗng. Tuy nhiên, với hỗn hợp cốt liệu mịn, các hạt có kích thước bé
nên độ đồng đều và cường độ tốt tạo khung hỗn hợp cốt liệu có cường độ cao.
- Thành phần hạt của cốt liệu: Cùng với việc tính toán hợp lý thành phần bê tông
đảm bảo các hạt bé, các thành phần hạt mịn và siêu mịn đều đầy lỗ rỗng giữa các hạt lớn
39
và biện pháp thi công tốt sẽ tạo cho loại bê tông hạt mịn có bộ khung cốt liệu chịu lực
ổn định, hàm lượng lỗ rỗng thấp nhất, kích thước lỗ rỗng nhỏ và được phân bố đều, tăng
tính chống thấm và cấu trúc bê tông đồng nhất cao cho bê tông.
- Tính chất bề mặt cốt liệu đã làm tăng cường khả năng liên kết giữa cốt liệu và
các thành phần khác trong hỗn hợp bê tông hạt mịn do kích thước hạt cốt liệu mịn đã
làm tăng diện tích bề mặt dẫn đến tăng cường độ lớp tiếp xúc do tăng khả năng liên kết
giữa cốt liệu và đá xi măng.
2.3.1.2. Cấu trúc vi mô đá xi măng
Khi các hạt xi măng tiếp xúc với nước, các khoáng trong xi măng sẽ hoà tan vào
dung dịch, pha lỏng sẽ bão hoà với các ion khác nhau, trong dung dịch các ion kết hợp
với nhau tạo thành các sản phẩm thuỷ hoá lấp đầy các khoảng trống tăng độ đặc chắc
của đá xi măng. Tại bất kì thời điểm nào của quá trình thuỷ hoá, những khoảng trống
chưa được lấp đầy giữa các hạt xi măng sẽ bao gồm các hốc, các lỗ rỗng mao quản.
Cùng với sự thuỷ hoá của xi măng và giảm độ rỗng mao quản thì sự truyền ẩm trong hệ
sẽ ngày khó khăn. Do đó, quá trình thuỷ hoá tiếp theo của các hạt xi măng có kích thước
lớn hơn sẽ rất chậm thông qua các phản ứng pha rắn.
Theo [11], cấu trúc của đá xi măng gồm những sản phẩm hyđrát khác nhau, trong
đó nhiều nhất là các sợi silicat thuỷ hoá C-S-H và Ca(OH)2 kết tinh dạng khối tấm lục
giác, chúng chồng lên nhau và các hạt xi măng chưa được thuỷ hoá. Độ rỗng của đá xi
măng trong khoảng 25 ÷ 30% theo thể tích với cùng một tỷ lệ XN = 0,5. Hệ thống lỗ
rỗng này gồm hai loại:
- Lỗ rỗng do cấu trúc C-S-H, kích thước khoảng vài μm.
- Lỗ rỗng mao quản giữa các hyđrat, bọt khí, khe rỗng, kích thước của chúng từ
vài μm đến vài mm. Khi bê tông chịu lực trong cấu trúc xuất hiện những vết nứt cũng
làm tăng độ rỗng của đá xi măng.
Các sản phẩm thuỷ hoá tạo thành ở các giai đoạn đầu quá trình kết tinh khi trong hệ xi măng - nước còn rất nhiều nước và khoảng trống là những cụm tinh thể lớn gọi là sản phẩm thuỷ hoá ngoài. Các sản phẩm thuỷ hoá ngoài sắp xếp không chặt chẽ và có
40
kích thước tinh thể lớn. Ngược lại, các sản phẩm thuỷ hoá sinh ra từ phản ứng pha rắn tạo thành ngay trên bề mặt hạt xi măng được gọi là sản phẩm thuỷ hoá trong. Các sản phẩm này sắp xếp chặt chẽ hơn và kết tinh kém hơn so với sản phẩm thuỷ hoá ngoài.
Theo [10], các sản phẩm thuỷ hoá có mức độ kết tinh càng thấp và sắp xếp càng chặt chẽ thì cường độ xi măng càng cao. Do đó, để tăng cường độ đá xi măng thì cần tạo được cấu trúc chứa nhiều sản phẩm thuỷ hoá trong bằng cách triệt tiêu sản phẩm thuỷ hoá ngoài. Cường độ đá xi măng phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Độ rỗng: Các lỗ rỗng trong đá xi măng có kích thước lớn hơn 50µm, nhất là khi chúng tập trung tại một khu vực sẽ có ảnh hưởng xấu đến cường độ. Trong bê tông hạt
mịn chất lượng cao, tỷ lệ XN của hồ xi măng rất thấp, các hạt xi măng sẽ xích lại gần
nhau hơn, độ rỗng mao quản và các khoảng trống tự do giảm và phân bố đều, các sản phẩm thuỷ hoá dễ dàng đan xen với nhau tạo thành cầu nối liên kết giữa các hạt xi măng. Điều này giải thích tại sao bê tông hạt mịn sẽ phát triển cường độ nhanh hơn. Mặt khác khi các hạt xi măng xích lại gần nhau và liên kết với nhau nhanh thì sự truyền ẩm trong hệ sẽ trở nên khó khăn hơn, thúc đẩy sự hình thành các sản phẩm thuỷ hoá.
+ Kích thước hạt: Nói chung, cường độ của pha tinh thể tăng lên khi giảm kích
thước hạt. Ở đây, đá xi măng được coi là vật liệu có cấu trúc tinh thể, khi tỉ lệ XN giảm
sẽ thúc đẩy sự hình thành các sản phẩm thuỷ hoá trong được đặc trưng bằng cấu trúc mịn; quan sát trên kính hiển vi thấy đá xi măng không chứa các tinh thể Ca(OH)2 dạng phiến lục giác.
+ Độ đồng nhất: Trong vật liệu nhiều pha sự không đồng nhất về mặt cấu trúc là nguyên nhân làm giảm cường độ.
2.3.1.3. Cấu trúc vùng chuyển tiếp đá xi măng - cốt liệu
Trong hỗn hợp bê tông khi tạo hình thường hay xuất hiện một lớp nước trên bề mặt bê tông. Đó là do các hạt cốt liệu nặng hơn có xu hướng chìm xuống đáy. Còn nước nhẹ hơn nổi lên trên bề mặt. hiện tượng này gọi là sự tách nước. Nước cũng có thể tập trung dưới các hạt cốt liệu hoặc thanh cốt thép, gây ra hiện tượng tách nước bên trong.
Kết quả là tỷ lệ XN của hồ xi măng ở những vùng này khác xa bề mặt cốt liệu.
41
Cấu trúc của vùng tiếp xúc đá xi măng - cốt liệu có ý nghĩa quyết định cường độ
và các đặc tính bền của kết cấu trong công trình.
Vùng chuyển tiếp của đá xi măng và cốt liệu trong bê tông thường, gọi là vùng
chuyển tiếp, vùng này có cấu trúc kết tinh, lỗ rỗng nhiều hơn và cường độ nhỏ hơn các
vùng khác, do vùng này chứa nước tách ra khi hồ xi măng rắn chắc. Ngoài ra, tại vùng
này còn chứa các hạt xi măng chưa thuỷ hoá và các hạt Ca(OH)2 tự do. Các đặc tính của
vùng này thường gồm các mặt nứt, cấu trúc C-S-H ngoài, trên các mặt trượt của cốt liệu
có các hyđrat dạng tấm Ca(OH)2 và sợi C-S-H, chúng chỉ được liên kết rất yếu và tách
ra rất dễ dàng.
Trong bê tông thường, vùng chuyển tiếp này có chiều dày khoảng 50÷100 µm,
chứa các lỗ rỗng tương đối lớn và các tinh thể của quá trình thuỷ hoá lớn nên cường độ
thấp hơn so với đá xi măng ở khu vực xa cốt liệu. Vì thế, bê tông thường có cường độ
thấp, giảm tính chống thấm của bê tông và làm bê tông bị ăn mòn, phá huỷ do xâm thực.
Trong bê tông hạt mịn chất lượng cao nhờ việc sử dụng phụ gia siêu dẻo làm giảm
tỉ lệ XN đến thấp nhất đồng thời sử dụng loại phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn đã cải
thiện được cấu trúc vùng chuyển tiếp, giảm chiều dày và làm tăng cường độ của nó. Khi
quan sát kính hiển vi điện tử quét cho thấy độ đặc và độ đồng nhất trong vùng chuyển
tiếp rất cao, cấu trúc đá xi măng rất ít lỗ rỗng và không thấy tích tụ các tinh thể vôi tự do
nhờ sự hoạt động của SiO2 bằng phản ứng puzzơlan.
2.3.1.4. Cấu trúc của lớp cốt sợi PP trong bê tông hạt mịn chất lượng cao
Bê tông xi măng thông thường là một vật liệu giòn, có cường độ chịu kéo và năng
lực biến dạng thấp. Để sử dụng bê tông làm vật liệu xây dựng kinh tế thì phải bố trí cốt
cho chúng. Loại cốt được sử dụng phổ biến nhất là các thanh cốt thép liên tục được bố
trí ở các vị trí đã chọn để chúng thu nhận ứng suất kéo.
Các nghiên cứu thực nghiệm [1], [8], [21] cho thấy, nếu trộn vào trong hỗn hợp bê
tông xi măng các sợi ngắn, gián đoạn và phân bố một cách ngẫu nhiên theo kiểu ma trận
thì có thể cải thiện đáng kể về các tính chất cơ học so với các hỗn hợp bê tông tương
ứng không có cốt sợi.
42
Ảnh hưởng quan trọng nhất của sự tồn tại các loại sợi gián đoạn trong cấu trúc bê
tông đó là chúng có khả năng điều khiển quá trình phát triển vết nứt. Sợi có hai chức
năng trong vùng có vết nứt:
− Làm tăng cường độ của bê tông cốt sợi qua vật liệu nền bằng cách truyền
ứng suất và tải trọng qua vết nứt đến sợi.
− Sợi làm tăng độ dẻo dai của bê tông cốt sợi bằng việc hấp thụ năng lượng mà
sinh ra trong quá trình mất liên kết và kéo tuột của sợi.
Việc xuất nhiện vết nứt đầu tiên trong bê tông cốt sợi có ảnh hưởng lớn đến cường
độ và độ dẻo dai. Theo [21], nếu muốn ngăn chặn sự phá hoại của vật liệu trong giai
đoạn này thì khả năng chịu tải trọng của sợi phải lớn hơn tải trọng tác dụng lên bê tông
cốt sợi tại vết nứt đầu tiên:
Theo tài liệu [21] thì vật liệu sợi phải thỏa mãn bất phương trình:
σfuVf > EmεmuVm + EfεmuVf (*)
Trong đó:
Vm: Thể tích của vật liệu nền (xi măng).
Vf: Thể tích của cốt sợi sử dụng.
Em: Mô đun đàn hồi của vật liệu nền (xi măng).
Ff: Mô đun đàn hồi của cốt sợi.
σfu: Cường độ kéo tới hạn của cốt sợi.
εmu: Biến dạng cực đại của vật liệu nền (xi măng).
Khi bất phương trình (*) được thỏa mãn (nghĩa là thể tích sợi Vf đủ lớn), vết nứt
đầu tiên xảy ra trong bê tông cốt sợi sẽ không dẫn đến phá hoại và sẽ có một sự phân
phối lại tải trọng tác dụng lên sợi và đá xi măng, có nghĩa là tải trọng tác dụng lên vật
liệu bê tông trong vùng có vết nứt sẽ chuyển qua sợi và ngay tại mép vết nứt bê tông sẽ
không có ứng suất. Tiếp tục tăng tải trọng sẽ làm cho vết nứt tăng dần cho đến khi vật
liệu nền xi măng bị phân thành nhiều mảnh. Quá trình này được gọi là quá trình phát
triển vết nứt. Trên đường cong ứng suất – biến dạng thì vùng này được thể hiện là phần
đồ thị xấp xỉ nằm ngang hay hơi dốc lên trên (hình 2.4).
43
C−ê
ng ®
é ch
Þu k
Ðo, σ
ThÓ tÝch sîi
12
3
εcuεmcεmu
σfuVf
Ec
EfVf
VÕt nøt
Hình 2.4. Sơ đồ ứng suất và biến dạng của bê tông cốt sợi
Trong đó: σu; εmu - là ứng suất và biến dạng của vùng đàn hồi.
εmc - là biến dạng tại điểm cuối vùng có vết nứt.
σcu; εcu.- là ứng suất và biến dạng cực đại của bê tông cốt sợi.
Theo [8], [21] khi quá trình phát triển vết nứt kết thúc, vật liệu nền xi măng bị chia
bằng nhiều vết nứt song song, lúc đó bất kỳ lực kéo nào thêm vào sẽ gây ra hiện tượng
kéo giãn hay kéo tuột sợi. Trong giai đoạn này, độ bền và lực liên kết của cốt sợi gia
cường là nguyên nhân làm cho đường cong - biến dạng dốc lên trong vùng có vết nứt và
sự phá hủy sẽ xảy ra khi sợi đạt đến khả năng chịu tải của nó (hình 2.4).
Vì vậy, theo [21] khả năng cơ học của bê tông cốt sợi thường được mô tả ở 3 trạng
thái trên đường cong ứng suất – biến dạng (hình 2.4).
− Vùng (1): Giới hạn đàn hồi đạt đến điểm nứt đầu tiên: Vật liệu nền xi măng
và sợi là đàn hồi tuyến tính.
− Vùng (2): Quá trình phát triển vết nứt mà biến dạng trong bê tông cốt sợi
vượt quá biến dạng cho phép của vật liệu nền.
− Vùng (3): Giai đoạn sau vết nứt, trong suốt giai đoạn này sợi có thể bị kéo
giãn hay bị kéo tuột ra khỏi vật liệu nền.
Để có thể mô tả đặc tính và khả năng cơ học của bê tông cốt sợi cần áp dụng
những biện pháp mô tả dạng tổng quát của đường cong ứng suất – biến dạng và dự đoán
điểm cực đại của đường cong đó.
44
Qua các phân tích trên ta thấy, các loại cốt sợi phân tán nói chung và cốt sợi
polypropylene nói riêng có tác dụng cải thiện tính chất của kết cấu bê tông rất lớn, tạo ra
loại vật liệu tốt hơn hẳn so với vật liệu thông thường.
2.3.2. Lựa chọn vật liệu chế tạo bê tông hạt mịn
Cũng như bê tông thường, bê tông hạt mịn sử dụng trong công trình mặt đường
sân bay cũng là loại bê tông xi măng. Nguyên vật liệu để chế tạo loại bê tông bao gồm:
xi măng, cát, đá, nước, phụ gia siêu dẻo, phụ gia khoáng mịn và siêu mịn. Theo nhiều
nghiên cứu [12], [13], [14], [15] chất lượng của bê tông chất lượng cao phụ thuộc nhiều
vào chất lượng của các nguyên vật liệu thành phần. Ngoài các tính chất yêu cầu của vật
liệu để chế tạo bê tông thường, trong thiết kế thành phần bê tông hạt mịn chất lượng cao
có cốt sợi polypropylene thì chất lượng và các tính chất của vật liệu chế tạo được yêu
cầu ở mức cao hơn.
2.3.2.1. Xi măng
Xi măng là thành phần quan trọng góp phần tạo nên cường độ của bê tông. Trong
bê tông hạt mịn chất lượng cao, cường độ của xi măng và những tính chất cần được
nghiên cứu, thí nghiệm rất cẩn thận. Như ta đã biết hồ xi măng đóng vai trò là chất kết
dính, liên kết các hạt cốt liệu rời rạc, hoạt tính của bê tông càng cao thì bê tông có cường
độ càng cao. Bởi vậy, việc sử dụng xi măng mác cao trong thiết kế thành phần bê tông
là cần thiết.
Trong bê tông chất lượng cao có các thành phần phụ gia khoáng mịn, phụ gia hoạt
tính siêu mịn và phụ gia siêu dẻo. Khi sử dụng loại xi măng pooclăng hỗn hợp (PCB),
thì hàm lượng phụ gia khoáng sẵn có trong thành phần của nó ảnh hưởng tới tính chất,
lượng dùng của các loại phụ gia đưa vào trong bê tông. Do đó, chúng có thể ảnh hưởng
không tốt với nhau và làm giảm cường độ của bê tông. Để tính toán được chính xác hơn
hàm lượng của các loại phụ gia đưa vào, cũng như nhằm loại bỏ các tác dụng có hại (do
các phụ gia khoáng sẵn có trong xi măng pooclăng hỗn hợp) cho bê tông, thì khi chế tạo
bê tông chất lượng cao người ta thường dùng loại xi măng pooclăng (PC). Theo kết quả
của nhiều nghiên cứu [10], [12], [13], [14], [15] sử dụng xi măng pooclăng (PC) thông
thường sẽ cho cường độ cao hơn so với xi măng pooclăng hỗn hợp.
45
2.3.2.2. Cốt liệu
Cốt liệu duy nhất trong bê tông hạt mịn là cát. Kích thước, tính chất bề mặt hạt và
lượng dùng cát cho 1m3 bê tông là nhân tố quan trọng trong chế tạo bê tông hạt mịn chất
lượng cao, ảnh hưởng trực tiếp tới cường độ nén của bê tông. Cát để chế tạo bê tông
cường độ cao cần phải được hạn chế những hạt lọt sàng 50µm và 100µm và đặc biệt
hàm lượng mica và đất sét phải được loại trừ.
Trong bê tông hạt mịn, không có cốt liệu lớn. Do đó cấu tạo của nó có tính đồng
nhất cao, đồng thời cũng làm giảm được sự chênh lệch về ứng suất sinh ra giữa các vật
liệu khi chịu áp lực, nghĩa là làm tăng giá trị cường độ phá hoại cuối cùng của vật liệu
tạo ra. Độ đặc cao cũng là nguyên tắc tạo ra cường độ cao và tính thấm giảm. Trong bê
tông hạt mịn các hạt cốt liệu có kích thước và trọng lượng nhỏ, nó làm giảm tác dộng
của chính nó đến quá trình đầm chặt, mặc dù kích thước nhỏ của các hạt tạo ra khả năng
phối hợp dịch chuyển và phân bố các lớp bê tông với nhau dễ dàng vận chuyển và đổ
hỗn hợp vào khuôn. Việc sử dụng cốt liệu nhỏ có hình dạng hạt tương tự nhau và gần
dạng hình cầu trong bê tông bột mịn đã làm giảm nội ma sát trong bê tông, dẫn đến hỗn
hợp bê tông bột mịn chất lượng cao có khả năng chảy cao hơn hẳn so với hỗn hợp bê
tông thường. Đồng thời khi sử dụng hạt cốt liệu nhỏ cho bê tông có cường độ cao hơn,
các hạt cốt liệu nhỏ có cường độ phá hoại cao hơn hẳn so với cường độ cốt liệu lớn. Nó
cũng là một trong ba yếu tố quan trọng để tạo nên cường độ cao cho bê tông bột mịn.
Tuy nhiên, khi kích thước cốt liệu trong bê tông giảm xuống đồng nghĩa với tổng
diện tích bề mặt của cốt liệu tăng lên. Bê tông cần một lượng lớn hơn hồ chất kết dính
để bao bọc quanh bề mặt các hạt cốt liệu. Như vậy, lượng chất kết dính sử dụng cũng
tăng lên. Chi phí cho một đơn vị sản phẩm cũng tăng lên đáng kể. Vì vậy, việc lựa chọn
cốt liệu mịn cho bê tông hạt mịn chất lượng cao là rất quan trọng.
2.3.2.3. Cốt sợi
Cốt sợi trong bê tông hạt mịn chất lượng cao có thể dùng nhiều loại như: Sợi thép,
sợi thuỷ tinh, sợi amiăng, sợi polyme tổng hợp và sợi thiên nhiên. Tính chất và tác dụng
của các loại sợi này thay đổi đáng kể và tùy vào tính chất của từng loại bê tông mà có
thể sử dụng các cốt sợi khác nhau. Theo [8], [21] đặc tính cơ bản của cốt sợi như sau:
46
Bảng 2.1. Các đặc tính điển hình của một số sợi dùng trong bê tông
Loại sợi Đường
kính (μm)Khối lượng
riêng (g/cm3)Môđun đànhồi (GPa)
Cường độ kéo (GPa)
Độ dãn dàikhi đứt (%)
Thép 5,0 ÷ 500 7,84 200 0,5 ÷ 2,0 0,5 ÷ 3,5 Thuỷ tinh 9,0 ÷ 15 2,60 70 ÷ 80 2,0 ÷ 4,0 2,0 ÷3,5
Aamiăng crocidolite chrotile
0,02 ÷ 0,4 3,40 196 3,5 2,0 ÷ 3,0 0,02 ÷ 0,4 2,60 164 3,1 2,0 ÷3,0
Polypropylene 20,0 ÷200 0,90 5,0 ÷ 77 0,5 ÷ 0,75 8,0 Aramid (kevlar) 10,0 1,45 65 ÷ 133 3,6 2,1 ÷ 4,0
Các bon 9,0 1,90 230 2,6 1,0 Nylon - 1,10 4,0 0,9 13,0 ÷ 15,0Xenlulôzơ - 1,20 10,0 0,3 ÷ 0,5 - Acrylic 18,0 1,18 14 ÷ 19,5 0,4 ÷ 1,0 3,0 Polyethylene - 0,95 0,3 0,7× 10-3 10,0 Sợi gỗ - 1,50 71 0,9 - Vữa xi măng - 2,50 10,0 ÷ 45,0 3,7× 10-3 0,02
Tác giả chọn sợi polypropylene (PP) để nghiên cứu tính chất của bê tông hạt mịn cốt sợi chất lượng cao. Sợi PP được chết tạo từ nhựa PP nguyên chất, có điểm tan và mô đun đàn hồi thấp, không thấm nước, không có tương tác hóa học với đá xi măng nên liên kết của sợi trong bê tông chỉ là liên kết cơ học thuần túy. Sợi được dùng trong các sản phẩm chịu nhiệt là rất thích hợp, vì chúng tạo ra hệ thống kênh thoát khí khi được đốt cháy ở nhiệt độ cao, tạo điều kiện cho việc điều khiển dễ dàng các thay đổi về nhiệt độ và độ ẩm của bê tông.
Sợi PP đơn hình được chế tạo bằng quá trình đùn hỗn hợp ở trạng thái nóng qua khuôn kéo có tiết diện ngang hình tròn. Sợi PP cũng có thể được hình thành ở dạng búi, được tạo ra từ quá trình đùn hỗn hợp qua khuôn kéo có tiết diện hình chữ nhật. Màng mỏng giữa các sợi được tạo ra nhờ các khe đặt dọc băng có chiều trộng bằng nhau. Sợi PP còn có thể được chế tạo ở dạng sợi thô có neo ở hai đầu khi cần gia tăng cường độ uốn cho bê tông.
Hiện nay, trên thị trường xây dựng Việt Nam có nhiều loại sợi PP xuất xứ từ Mỹ, Australia, Nhật Bản,... Trong thí nghiệm sử dụng loại sợi PP siêu mảnh, đường kính sợi từ 20 ÷ 40µm. Loại sợi này cho độ bền lâu dài, có tác dụng làm giảm sự hình thành các vết rạn nứt do co ngót của bê tông trước và sau khi đông kết. Loại sợi này không bị ăn mòn trong môi trường kiềm. Tính chất của sợi như sau:
47
- Màu sắc: trắng. - Cấu trúc: sợi đơn. - Khối lượng riêng: 0,91 kg/cm3. - Cường độ kéo: 620 MPa ÷ 758 MPa.
Hình 2.5. Sợi PP sử dụng để chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao 2.3.2.4. Phụ gia mịn và siêu mịn
Phụ gia mịn và siêu mịn là thành phần không thể thiếu trong bê tông hạt mịn chất
lượng cao. Việc sử dụng phụ gia khoáng có hàm lượng hạt mịn và siêu mịn lớn cũng
làm tăng độ nhớt dẻo của vữa xi măng. Để có hàm lượng hạt mịn cao trong bê tông chất
lượng cao, người ta thường thay thế một phần xi măng bằng các phụ gia khoáng mịn có
độ mịn nhỏ hơn hoặc bằng xi măng như tro bay, xỉ lò cao, silicafume, bột đá vôi hoặc
các microsilica khác vì việc tăng hàm lượng xi măng quá cao ảnh hưởng bất lợi đến một
số tính chất của bê tông và hỗn hợp bê tông.
Theo [7], [10] phụ gia khoáng có hàm lượng hạt mịn lớn, có cấu trúc hạt dạng
hình cầu, dễ dàng bao bọc các hạt khác làm giảm tương tác giữa các hạt. Khi các hạt có
dạng hình cầu trong không gian ba chiều cho diện tích bề mặt hạt nhỏ nhất trong cùng
một đơn vị thể tích. Mật độ của các hạt hình cầu lớn hơn các hạt có hình dạng khác.
Điều này cho phép giảm được lượng nước yêu cầu. Sự khác nhau giữa bề mặt hạt của
phụ gia khoáng và xi măng thường cho kết quả là lượng cần nước của phụ gia khoáng
thấp hơn của xi măng. Do đó, khi sử dụng phụ gia khoáng mịn thay thế một phần xi
măng sẽ làm giảm được lượng nước yêu cầu so với khi dùng hoàn toàn xi măng mà vẫn
đảm bảo tính công tác của hỗn hợp bê tông, góp phần tăng cường độ bê tông. Ngoài ra,
một số phụ gia khoáng mịn có dạng hạt hình cầu nên có tác dụng làm giảm nội ma sát
của hỗn hợp bê tông và do vậy làm tăng độ dẻo của hỗn hợp bê tông.
48
a) Vai trò của tro bay nhiệt điện trong bê tông chất lượng cao Theo thành phần hoá học và thành phần khoáng, tro bay nhiệt điện chính là một
loại puzzơlan nhân tạo. Tro bay nhiệt điện luôn chứa một lượng nhất định các ôxit silíc
SiO2 và Al2O3 hoạt tính. Các ôxit này dễ dàng phản ứng với vôi để tạo nên các sản
phẩm có cường độ cao, bền nước là các canxi silicát ngậm nước CaO.SiO2.nH2O và các
hyđrô-alumô-silicát canxi ngậm nước CaO.Al2O3.SiO2.xH2O.
Theo kết quả nghiên cứu của Dr.Takeshi, F.Lomond (Mỹ) có thể sử dụng hàm
lượng phụ gia tro bay nhiệt điện (TB nhiệt điện) 20 ÷ 30% thay thế xi măng trong bê
tông có tỉ lệ XN = 0,54. Cường độ mẫu bê tông có phụ gia tro bay nhiệt điện ở tuổi 3, 7,
28 và 56 ngày thấp hơn so với mẫu đối chứng. Nhưng ở tuổi 90 ngày trở đi thì cường độ
nén của mẫu bê tông cao hơn mẫu đối chứng. Kết quả nghiên cứu của Takeshi Yamoto
và H. Sugita (Nhật) sử dụng TB với tỉ lệ 20% thay thế xi măng với các mẫu bê tông có
tỉ lệ XN = 0,45 ÷ 0,5 cho rằng cường độ bê tông có TB nhiệt điện ở các ngày đầu đã rắn
chắc đều thấp hơn so với mẫu đối chứng. Hiệu quả này càng cao khi tỉ lệ XN càng nhỏ.
Nhiều nghiên cứu đã đi đến Nhận xét các hợp chất hoá học của TB ảnh hưởng không
nhiều đến hoạt tính của puzzơlan. Các hợp chất khoáng, pha kết tinh, hình dạng, kích cỡ
và trạng thái vật lý của hạt có ảnh hưởng đến khả năng phản ứng puzzơlaníc của tro bay.
Khi thay thế 10 ÷ 30% xi măng bằng TB nhiệt điện sẽ làm tăng độ dẻo, giảm phân tầng
của hỗn hợp vữa, bê tông. Bê tông ít bị ăn mòn hơn, cường độ ở tuổi ít ngày thường
thấp hơn mẫu đối chứng nhưng sau 3 tháng tuổi cường độ bê tông có TB đạt hoặc vượt
bê tông có cùng thành phần. TB nhiệt điện càng mịn độ hoạt tính càng cao. Ngoài ra
chất lượng TB nhiệt điện phụ thuộc nguồn gốc than, phương pháp đốt than và phương
pháp thải tro của từng nhà máy điện.
Các nhà khoa học tại Trường Đại học Xây dựng [10], Viện khoa học Kỹ thuật
Giao thông vận tải Việt Nam và Trung tâm Cầu đường Pháp đã tiến hành hàng loạt thí
nghiệm song song và đã đưa ra Nhận xét TB nhiệt điện Việt Nam có chất lượng tốt, ổn
định thoả mãn các tiêu chuẩn vì thế được sử dụng rất rộng rãi.
49
Theo nghiên cứu [7], [10], tro bay của nhà máy nhiệt điện Phả Lại có thành phần
thích hợp để làm phụ gia khoáng cho bê tông. Tro được đưa vào hỗn hợp bê tông ở
trạng thái tự nhiên với tỉ lệ 10, 20, 30, 50% hoặc có thể lên tới 60% thể tích xi măng.
Kết quả cho thấy bê tông rắn chắc trong điều kiện tự nhiên cường độ nén ở tuổi 28 ngày
tăng lên khi tăng tro bay đến 10%, trường hợp trong điều kiện gia công nhiệt ẩm là
20%. Khi lượng tro tiếp tục tăng lên thì cường độ và khối lượng thể tích của bê tông
giảm, đồng thời lượng nước nhào trộn cũng giảm, hay nói cách khác khi lượng nước
nhào trộn không đổi thì tính công tác của hỗn hợp bê tông tăng lên. Hiện tượng tăng
cường độ của bê tông khi có TBnhiệt điện được giải thích như sau:
Trong quá trình bê tông rắn chắc, TB phản ứng với hyđrôxít canxi có được do xi
măng thuỷ hoá. Phản ứng xảy ra chủ yếu giữa SiO2 ở dạng hoạt tính và Ca(OH)2.
3Ca(OH)2 + 2SiO2 = 3CaO.2SiO2.3H2O
Khi lượng tro bay thay thế tăng lên vượt qua giới hạn nhất định sẽ làm giảm
cường độ trong bê tông, đó là kết quả của sự pha loãng chất kết dính bằng cấu tử có hoạt
tính yếu do động hoá học thay đổi nên cường độ bê tông có phụ gia TB nhiệt điện phụ
thuộc đáng kể vào điều kiện rắn chắc. Cường độ bê tông đựơc gia công nhiệt ẩm lớn
hơn so với bê tông rắn chắc trong điều kiện tự nhiên. Điều này có thể giải thích là trong
điều kiện gia công nhiệt ẩm, sản phẩm hyđrôsilicat canxi được hình thành nhiều hơn và
tro bay đóng vai trò chất phản hình thành cường độ bê tông, còn trong điều kiện tự
nhiên TB nhiệt điện đóng vai trò là cốt liệu mịn. Việc sử dụng TB thay thế 10 ÷ 30%
lượng xi măng làm cường độ bê tông tăng lên đáng kể, cả trong điều kiện rắn chắc tự
nhiên và gia công nhiệt ẩm.
Việc thay thế 30% xi măng bằng TB nhiệt điện Phả Lại cũng đã được áp dụng
trong nghiên cứu sử dụng tro bay nhiệt điện cải thiện tính chất của bê tông [10], TB
nhiệt điện cho phép giảm lượng dùng xi măng, đồng thời cải thiện đáng kể độ dẻo của
hỗn hợp bê tông nhờ “hiệu ứng ổ bi” do TB nhiệt điện có phần lớn các hạt hình cầu.
Tuy nhiên việc thay thế này cũng làm giảm cường độ của bê tông ở tuổi 3 và 7 ngày,
còn ở tuổi 28 ngày cường độ bê tông tăng nhanh hơn so với mẫu đối chứng. Điều này
có thể giải thích do phản ứng puzzơlan bắt đầu có hiệu quả.
50
Theo kết quả nghiên cứu [12] ảnh hưởng của tro bay nhiệt điện Phả Lại đến tính chất của bê tông bao gồm:
+ Tro nhiệt điện Phả Lại ít ảnh hưởng tới quá trình đóng rắn của bê tông, chúng
chỉ đóng vai trò làm phụ gia độn và cải thiện thành phần hạt mịn của cát là chủ yếu.
+ Các thí nghiệm về khối lượng thể tích, độ hút nước và co ngót cho thấy tỉ lệ tro
trong bê tông càng cao thì bê tông hút nước nhiều hơn, khối lượng thể tích nhẹ hơn bê
tông có tỷ lệ tro nhiệt điện thấp, độ co ngót sau 2 tháng thấp hơn không đáng kể.
+ Tro nhiệt điện làm tăng độ dẻo (độ sụt) của hỗn hợp bê tông với cùng lượng
nước hoặc làm giảm lượng nước trộn (2 ÷ 3%) khi giữ nguyên độ sụt.
+ Khi dùng phụ gia tro bay, bê tông ít toả nhiệt hơn, tăng khả năng chống ăn mòn. b) Vai trò của silicafume trong bê tông chất lượng cao Theo nhiều nghiên cứu [7], [10], [12] và [13] lợi ích của việc dùng phụ gia siêu
mịn silicafume là sự cải thiện về mặt vi cấu trúc của bê tông. Chúng được tạo nên bởi hai hiệu ứng chính là hiệu ứng vật lý và hiệu ứng hoá học.
− Hiệu ứng vật lý (physical contribution) của silicafume trong bê tông là hiệu ứng vi cốt liệu. Do kích thước hạt của silicafume rất nhỏ nên có khả năng lấp đầy khoảng trống giữa các hạt xi măng, tương tự như các hạt cát lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu thô và các hạt xi măng lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cát. Thậm chí nếu silicafume không phản ứng hoá học thì hiệu ứng lấp đầy của vi cốt liệu cũng làm cải thiện đáng kể tính chất của bê tông.
− Hiệu ứng hoá học (chemical contribution) của silicafume liên quan đến khả năng phản ứng hoá học (phản ứng puzzơlanic) của silicafume với hyđrôxit canxi (CH). Do silicafume có tỷ diện tích bề mặt lớn, hàm lượng SiO2 cao nên phản ứng puzzơlanic của silicafume lớn hơn nhiều so với các loại puzzơlan thông thường.
SiO2 trong silicafume + Ca(OH)2 + H2O = CSH (phản ứng puzzơlanic) Như vậy, thông thường khi xi măng thủy hóa với nước, theo [11] lượng Ca(OH)2
sinh ra chiếm 15 ÷ 25% khối lượng sản phẩm thuỷ hoá. Chúng là sản phẩm tan, có
cường độ thấp, khi tương tác với silicafume tạo ra các sản phẩm C-S-H làm tăng đáng
kể cường độ và độ bền cho bê tông.
Việc sử dụng silicafume trong bê tông chỉ thực sự phát triển khi có phụ gia giảm nước tầm cao hay còn gọi là phụ gia siêu dẻo. Do tác dụng tương hỗ của 2 phụ gia này
51
nên lượng nước yêu cầu cuả hỗn hợp bê tông được giảm đáng kể. Vì vậy, có thể chế tạo
hỗn hợp bê tông lưu động với tỷ lệ CKD
N rất thấp. Trong hỗn hợp bê tông có phụ gia
siêu dẻo và tỷ lệ XN thấp, các hạt silicafume siêu mịn chiếm chỗ của lượng nước lẽ ra
nằm giữa các hạt xi măng vón tụ, làm tăng lượng nước tự do trong hồ và do đó làm tăng độ lưu động.
Trong nghiên cứu vi cấu trúc [10], cho rằng mặc dù có độ hoạt tính puzzơlan cao song silicafume chỉ làm giảm chứ không liên kết hoàn toàn lượng Ca(OH)2 do xi măng thuỷ hoá. Sự không có mặt của các pic đặc trưng cho tinh thể portlandite (Ca(OH)2) trên biểu đồ phân tích nhiễu xạ Rơnghen của đá xi măng chứa silicafume cũng như việc không phát hiện thấy các tinh thể lục giác Ca(OH)2 trong loại đá xi măng này bằng kính hiển vi điện tử quét không có nghĩa là tất cả portlandite có mức độ kết tinh quá yếu mà phân tích nhiễu xạ Rơnghen không phát hiện được và các tinh thể Portlandite cũng có thể có kích thước quá nhỏ, không thể quan sát được bằng kính hiển vi điện tử. Sự không có mặt các tinh thể portlandite kích thước lớn là do các hạt silicafume, khi được phân tán tốt trong hồ xi măng, đóng vai trò như mầm tinh thể để Ca(OH)2 kết tinh. Kết quả là thay bằng sự kết tinh của một lượng nhỏ tinh thể Ca(OH)2 kích thước lớn là rất nhiều tinh thể nhỏ hình thành. Sự biến đổi các tinh thể portlandite kích thước lớn, cường độ thấp thành các tinh thể nhỏ sẽ cải thiện tính chất cơ lý của đá xi măng, tương tự như sự gia tăng cường độ của hợp kim khi chuyển từ cấu trúc hạt thô sang cấu trúc hạt mịn.
Một ảnh hưởng có lợi khác của silicafume đến cường độ và độ bền của bê tông là việc giảm độ rỗng của vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu khi silicafume được sử dụng trong hỗn hợp. Trong bê tông không có silicafume, do có sự tách nước nên tỷ lệ
XN ở vùng chuyển tiếp cao hơn và các tinh thể Ca(OH)2 ở vùng này có kích thước lớn
hơn so với ở các vùng khác trong bê tông. Do đó, vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu là khu vực có độ rỗng lớn và cường độ thấp nhất trong bê tông. Khi đưa silicafume vào hỗn hợp bê tông đã làm giảm lượng nước tụ tập dưới các hạt cốt liệu. Kết quả là silicafume làm giảm đáng kể độ rỗng của vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu. Ngoài ra, nó còn làm giảm số lượng và kích thước của các tinh thể Ca(OH)2 hình thành ở vùng này.
52
Theo [10], vai trò của silicafume trong việc nâng cao độ đặc chắc của vùng
chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu có thể thấy khi không có mặt silicafume thì
trong vữa xi măng các tinh thể portlandite kết tinh trên bề mặt cốt liệu hình thành một
khu vực có cấu trúc xốp ngăn cách cốt liệu với đá xi măng và khi có mặt của silicafume
thì các tinh thể portlandite (CH) không xuất hiện hoặc rất ít ở vùng chuyển tiếp, chiều
dày vùng chuyển tiếp lớn hơn và cấu trúc của nó đặc chắc hơn.
Hình 2.6. Sự hình thành của vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu
Với: CH = Ca(OH)2; PC = Xi măng pooclăng.
a) Hỗn hợp bê tông không có silicafume.
b) Vùng chuyển tiếp trong bê tông không có silicafume.
c) Hỗn hợp bê tông có silicafume.
d) Vùng chuyển tiếp bê tông có chứa silicafume.
Như vậy có thể thấy vai trò cải thiện của silicafume trong bê tông bao gồm:
− Cải thiện vi cấu trúc, tăng cường độ đặc chắc của bê tông.
− Tăng cường độ bền vững lâu dài.
− Cường độ nén cao đồng đều.
− Bảo vệ bê tông chống ăn mòn.
− Cường độ uốn cao hơn.
− Chống lại sự co giãn thường xuyên.
53
2.3.2.5. Phụ gia hoá học
Phụ gia hoá học là vật liệu bắt buộc sử dụng trong chế tạo bê tông chất lượng cao.
Ngoài mục đích giảm tỷ lệ CKD
N chúng còn thúc đẩy phát triển cường độ. Và đây còn
là giải pháp kinh tế, vì bằng biện pháp giảm nhu cầu cần nước thay cho việc tăng hàm
lượng chất kết dính trong bê tông.
Thông thường, phụ gia giảm nước có khả năng giảm lượng cần nước của hỗn hợp
bê tông vào khoảng 10 ÷ 15%. Đặc biệt với phụ gia siêu dẻo có khả năng giảm hàm
lượng nước trong hỗn hợp tới 30% hoặc cao hơn. Các phụ gia siêu dẻo đă được nghiên
cứu chế tạo bê tông chất lượng cao như: Phụ gia siêu dẻo (superplastcizer), phụ gia siêu
hoá lỏng (superfluidifier),... Lượng dùng phụ gia hóa học thông thường dao động trong
khoảng từ 0,1 ÷ 5% theo khối lượng của xi măng (tính theo lít/kg). Cần lưu ý đến sự ảnh
hưởng của sức căng bề mặt của nước và sự biến đổi tính chất của xi măng. Khi dùng
phụ gia siêu dẻo kết hợp với silicafume giúp bê tông tăng cường độ đồng thời giảm
lượng dùng nước mà vẫn đảm bảo độ dẻo yêu cầu của hỗn hợp bê tông.
Việc sử dụng phụ gia tăng dẻo, siêu dẻo còn có lợi ích làm chậm quá trình tổn thất
độ dẻo làm tiện lợi cho việc vận chuyển hỗn hợp bê tông đi xa và thi công các kết cấu
phức tạp hoặc làm tăng tốc độ rắn chắc khi các công trình có yêu cầu cường độ sớm.
Theo [13], [14], [18] phần lớn phụ gia siêu dẻo dùng trong bê tông đều có thành
phần gồm một trong các loại gốc sau: Naphthalene formandehyde sulfonate, Melamine
formandehyde sulfonate, Polycarboxylate và Amino sulfonate.
* Cơ chế hoá dẻo của phụ gia siêu dẻo trong bê tông chất lượng cao cũng giống
như trong bê tông thường. Chúng được chia thành 3 loại chính như sau:
− Hóa dẻo do làm giảm sức căng bề mặt
Phụ gia siêu dẻo là chất hoạt động bề mặt. Vì vậy, khi cho vào nước chúng làm
giảm sức căng bề mặt của dung dịch, nồng độ phụ gia càng cao thì sức căng mặt của
dung dịch giảm càng nhiều. Khi cho phụ gia siêu dẻo vào hỗn hợp bê tông, các phân tử
của nó bám lên bề mặt của các pha rắn (hạt xi măng, tro, cát, đá, sản phẩm thủy hóa của
xi măng,...). Các phân tử phụ gia nói trên nằm trên bề mặt phân chia giữa pha rắn - lỏng
54
và làm giảm sức căng bề mặt của nước bao quanh pha rắn, làm chiều dày màng nước
bọc quanh pha rắn giảm đi. Hay nói cách khác hai pha rắn trượt lên nhau dễ dàng như
cũ với màng nước phân cách có chiều dày nhỏ hơn. Khi đó lượng nước trộn dôi ra sẽ
làm tăng độ dẻo hỗn hợp bê tông. Phụ gia có sức căng bề mặt càng nhỏ thì khả năng hóa
dẻo càng cao.
− Hóa dẻo do hòa tan hạt xi măng, chống hiện tượng kết tụ
Theo [14] cơ chế hòa tan hạt xi măng của phụ gia siêu dẻo được chia ra hai nhóm:
+ Dựa trên lực đẩy tĩnh điện.
+ Dựa trên lực đẩy không gian.
Hình 2.7. Cơ chế hoá dẻo của phụ gia siêu dẻo
Phụ gia siêu dẻo dựa trên lực đẩy tĩnh điện gồm có Naphthalene sulfonate,
Melamine sulfonate và Amino sulfonate, tất cả đều có nhóm sulfonic trong phân tử. Khi
phân tử phụ gia bám hút trên bề mặt các pha rắn, các anion có khả năng bị tách ra khỏi
nhóm sulfonic mạnh hơn so với nhóm carboxy đưa đến sự thay đổi điện tích âm của hạt
xi măng (pha rắn). Các pha rắn trong hỗn hợp bê tông đều tích điện âm nên sẽ đẩy tách
nhau ra dẫn đến hiệu quả phân tán và hóa dẻo của hỗn hợp bê tông.
Cơ chế hòa tan dựa trên lực đẩy không gian (bố trí các nguyên tử trong không
gian) thuộc về các phụ gia siêu dẻo gốc Polycarboxylate và tất cả phụ gia siêu dẻo có
polyme mạch vòng chứa nhánh Ethylene oxide. Mạch Ethylene oxide có khả năng giữ
nước rất tốt. Nhờ có lớp hấp thụ nên các phân tử phụ gia tạo được màng nước mỏng trên
bề mặt các hạt xi măng. Lớp hấp thụ mỏng này sinh ra lực đẩy không gian cao.
Lực đẩy tĩnh điện và lực đẩy không gian cao sẽ làm cho hạt xi măng không dính
bết vào mà phân tán và thấm đều nước, các hạt tách khỏi nhau dễ dàng và phân tích đều
trong hỗn hợp bê tông.
Xi măng
Phụ gia siêu dẻo
55
− Hóa dẻo do cuốn khí Trong bê tông thường, phụ gia hóa dẻo và phụ gia siêu dẻo khi làm giảm sức căng
bề mặt của nước cũng sẽ làm tăng khả năng cuốn khí. Các bọt khí cuốn vào kích thước rất bé phân bố đều trong hỗn hợp bê tông có tác dụng như các lớp đệm mà trên đó các pha rắn sẽ trượt dễ dàng hơn.
Hình 2.8. Cơ chế hoá dẻo do cuốn khí
* Cơ chế hoá dẻo của phụ gia tăng dẻo được giải thích là: Khi cho vào trong bê tông phụ gia tăng dẻo được phân ly trong nước thành các nhóm phân cực mạnh các nhóm hyđrocacbon (OH-), (COOH-), (CHO-),... và gốc các bon còn lại ở dạng cao phân tử phân cực yếu. Các nhóm phân cực mạnh có tác dụng làm dung dịch huyền phù tăng tính linh động còn nhóm cao phân tử có sức căng bề mặt kém hơn nên hấp phụ bề mặt phụ gia làm tăng tính nhớt. Ngoài ra, trong chúng tồn tại dạng axit lignnosulfuric có tác dụng cuốn khí tạo ra bọt bám xung quanh các hạt xi măng làm giảm diện tích tiếp xúc giữa các hạt do đó làm giảm lực ma sát giữa các hạt dẫn đến tăng tính linh động giữa các hạt của xi măng và khi hấp thụ lên bề mặt xi măng nó có tác dụng kìm chế tốc độ thuỷ hoá.
Theo [14], phụ gia tăng dẻo có những loại sau:
− Loại A: Phụ gia giảm nước.
− Loại D: Phụ gia giảm nước - chậm rắn.
− Loại E: Phụ gia giảm nước - rắn nhanh.
− Loại F: Phụ gia giảm nước tầm cao.
− Loại G: Phụ gia giảm nước tầm cao - rắn chậm. Tóm lại: Với đặc tính của bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cốt sợi PP, có
cường độ nén lớn, cường độ uốn cao, tính dẻo dai, kháng trượt lớn sẽ có đủ khả năng
chế tạo các lớp phủ mỏng tăng cường trên bề mặt của đường cao tốc, đường băng sân
Bọt khí
Đầu kỵ nước
Đầu ưa nước
56
bay hàng không trên khắp cả nước. Mặt khác loại bê tông này có độ đồng nhất cao, kích
thước hạt nhỏ cùng với hỗn hợp bê tông có độ lưu động lớn, có khả năng tự lèn nên khi
dùng trong các kết cấu bảo vệ, chiều dày mỏng hoặc dùng để sửa chữa công trình sẽ
mang lại hiệu quả kinh tế cao.
2.4. THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO
2.4.1. Lý thuyết về thiết kế thành phần hạt
Thành phần hạt của bê tông như chúng ta đã biết có ảnh hưởng đến tính công tác,
độ chịu lực, mô đun đàn hồi, từ biến, biến dạng, độ bền, tính kinh tế cũng như tính phân
tầng, nước yêu cầu và lượng dùng phụ gia. Thực tế có rất nhiều mô hình khác nhau đưa
ra cách dự đoán sự ảnh hưởng của thành phần hạt và các mô hình này đều hướng tới
việc tối ưu hóa thành phần hạt nhằm nâng cao tính chất của bê tông.
− Phương pháp lấp đầy - độ đặc lớn nhất (maximum density method).
− Phương pháp tỷ diện tích bề mặt (surface area).
− Phương pháp môđun độ mịn (fineness modulus - FM).
Khi thành phần hạt tối ưu, sự sắp xếp các hạt vật liệu là hợp lý nhất và độ đặc của
hỗn hợp bê tông là lớn nhất. Tác giả đã lựa chọn phương pháp đạt độ đặc lớn nhất làm
cơ sở khoa học cho việc thiết kế thành phần hạt của bê tông.
Trong phương pháp này, độ đặc của cấp phối hạt đạt được lớn nhất phụ thuộc chủ
yếu vào đường kính của các loại hạt và tỷ lệ theo hàm lượng của các cỡ hạt tham gia.
Theo các kết quả nghiên cứu [12], nếu xét theo đơn hạt thì sự sắp xếp có 4 kiểu và theo
tính toán độ xốp thực tế phụ thuộc vào điểm tiếp xúc
Bảng 2.2. Quan hệ giữa kiểu sắp xếp và độ rỗng giữa các hạt
STT Kiểu sắp xếp Số điểm tiếp xúc với hạt cầu bên cạnh
Độ rỗng giữa các hạt, %
1 Hình hộp 6 47,64
2 Bàn cờ đơn giản 8 39,55
3 Bàn cờ kép 10 30,20
4 Hình tháp và tứ diện 12 25,95
57
Fuller và Thompson (1907) đưa ra cách điều chỉnh thành phần hạt bằng cách
phối hợp các cỡ hạt rồi phối hợp với nước và xi măng sẽ tạo ra độ đặc lớn nhất cho bê
tông. Họ đưa ra đường cong thành phần hạt lý tưởng dựa trên công thức:
P = 100×n
Dd
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
Trong đó: P- là hàm lượng phần trăm lọt sàng, % (theo thể tích). d - là kích thước sàng hiện tại, mm. D- là đường kính lớn nhất của hạt, mm. n - là hệ số phân bố (0,45 ÷ 0,70).
Hình 2.9. Các kiểu sắp xếp của hạt
a – Kiểu hình hộp.
b – Kiểu bàn cờ
đơn.
c – Kiểu tứ diện .
d – Kiểu bàn cờ kép.
e – Kiểu tháp.
Tuy vậy, một nhược điểm của phương pháp thực nghiệm này, theo Wig và các
cộng sự (1916) [12] là không dự đoán được độ đặc của hỗn hợp thành phần và khi các
vật liệu khác với trong nghiên cứu của Fuller và Thompson thì mô hình của họ không
còn đúng nữa. Talbon và Richart cũng phát triển và đưa ra công thức như trên nhưng
trong đó P là lượng vật liệu nhỏ hơn sàng d; d là kích thước của nhóm hạt thành phần; D
là kích thước hạt lớn nhất; n là hệ số phân bố. Kết quả cho thấy rằng (Talbon, Richart
1923), ứng với thành phần hạt có kích thước hạt là Dmax cho trước thì độ đặc lớn nhất
với n = 0,5. Tuy vậy, lúc này tính thi công của bê tông lại giảm xuống. Nhận xét này
cũng được thống nhất bởi nhiều tác giả khác, thậm chí các tác giả này còn đưa ra mô
hình thành phần hạt có độ đặc lớn nhất (McMilian 1929, Walsh 1933, Besson 1935,
Blanks 1940, Frost 1967).
58
Theo lý thuyết thì độ đặc của hỗn hợp hạt có thể đạt tới độ xốp bằng không nếu có
đầy đủ hạt nhỏ chèn vào giữa các hạt lớn. Khi trong hệ chứa nhiều loại hạt khác nhau
như vậy sẽ có hai nguyên tắc cơ bản để chọn thành phần hạt tương ứng với độ xốp nhỏ:
a) Cấp phối hạt gián đoạn Đây là loại cấp phối trong phối liệu chỉ có hạt với kích thước nhất định và không
có hạt trung gian. Hạt lớn tạo ra bộ khung chính, hạt nhỏ hơn lấp đầy lỗ rỗng giữa các
hạt lớn, hạt mịn hơn lại chui vào giữa các hạt nhỏ thứ hai.
Hình 2.10. Lỗ rỗng giữa các hạt vật liệu b) Cấp phối hạt liên tục Đây là cấp phối có hạt từ kích thước lớn nhất đến hạt có kích thước nhỏ nhất.
Andreasen (1931) đã nghiên cứu về cấp phối hạt liên tục và cho rằng độ đặc tối ưu đạt được được xác định thông qua công thức:
CPFT = 100×q
Dd
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
Trong đó: P- là hàm lượng phần trăm lọt sàng, % (theo thể tích).
d - là kích thước sàng hiện tại. D- là đường kính lớn nhất của hạt. q - là hệ số phân bố.
Sự khác biệt giữa công thức Fuller – Thompson và công thức Andreasen đó là giá trị của trị số n (hay trị số q).
Từ hai công thức trên ta thấy (Dd ) là một số nhỏ hơn 1. Do vậy, khi n (hay q) tăng
thì P (hay CPFT) giảm. Tức là lượng lọt sàng d sẽ giảm đi. Như vậy: Khi n (hay q) tăng lên thì thành phần hạt của hỗn hợp vật liệu trở nên thô hơn. Điều này đồng nghĩa với, khi hàm lượng hạt trong hỗn hợp vật liệu càng mịn thì giá trị n (hay q) sẽ càng nhỏ.
Hạt vật liệuLỗ rỗng
59
Sự khác biệt giữa các nghiên cứu của Fuller – Thompson với Andreasen đó là
Fuller - Thompson chủ yếu nghiên cứu phối hợp thành phần cho hỗn hợp bê tông trong
khi đó các nghiên cứu của Andreasen phần lớn phục vụ cho phối liệu gốm.
2.4.2. Thiết kế thành phần bê tông hạt mịn chất lượng cao
Thiết kế thành phần bê tông là sự lựa chọn thành phần phối hợp hợp lý của các vật
liệu thành phần nhằm thu được bê tông và hỗn hợp bê tông cho tính chất tốt nhất và chi
phí kinh tế phù hợp. Về nguyên tắc, khi thiết kế thành phần bê tông hạt mịn chất lượng
cao cần đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Yêu cầu về tính năng của bê tông: Mác bê tông (theo cường độ nén), tuổi cần
đạt cường độ thiết kế hoặc các tính năng khác.
+ Yêu cầu về điều kiện thi công đặc trưng cho tính chất của hỗn hợp bê tông:
− Thỏa mãn yêu cầu về khả năng tự lèn chặt vào khuôn và cốp pha đã dựng sẵn.
− Đảm bảo thời gian duy trì tính công tác của hỗn hợp bê tông theo yêu cầu
thời gian thi công (vận chuyển, bơm,...) bê tông và nhiệt độ môi trường.
− Đảm bảo những yêu cầu bổ sung khác về hỗn hợp bê tông hoặc về bê tông
do thiết kế yêu cầu.
+ Yêu cầu về vật liệu chế tạo.
+ Xác định thành phần sơ bộ của bê tông.
+ Hiệu chỉnh thành phần thông qua kết quả kiểm tra mẫu thí nghiệm.
+ Giám sát, kiểm tra quá trình đổ bê tông và đưa ra các hiệu chỉnh cần thiết trong
quá trình sản xuất do sự thay đổi các tính chất của cốt liệu hoặc các yếu tố khác.
Do là sản phẩm mới được nghiên cứu nên chưa có một phương pháp thiết kế nào
dành cho bê tông bột mịn chất lượng cao. Việc thiết kế bê tông bột mịn chất lượng chất
lượng cao được đi theo con đường của bê tông truyền thống. Đó là kết hợp giữa lý
thuyết với thực nghiệm và dựa trên cơ sở lý thuyết "thể tích tuyệt đối ". Thể tích tuyệt
đối có nghĩa là tổng toàn bộ thể tích của các nguyên liệu trong hỗn hợp bê tông bằng thể
tích của bê tông được chế tạo ra. Trong lý thuyết này, người ta coi như không tồn tại
lượng khí cuốn vào trong hỗn hợp bê tông. Tức là các thành phần sắp xếp với nhau vừa
khít khi hỗn hợp bê tông được chế tạo.
60
Đối với sản phẩm bê tông thường, thành phần bao gồm có các hạt thô (đá), hạt mịn (cát), xi măng và nước. Xi măng trộn với nước tạo thành hồ xi măng. Hồ xi măng này có tác dụng điền đầy các khoảng trống giữa các hạt cát. Xi măng, nước và cát tạo với nhau thành vữa xi măng cát. Vữa này đóng vai trò làm các chất điền đầy vào khoảng trống giữa các hạt thô (đá). Sự điền đầy này khi diễn ra liên tục với các kích thước hạt khác nhau tạo nên một hỗn hợp đặc chắc. Tạo ra cường độ khi bê tông cứng rắn và đồng thời tạo ra khả năng ngăn cách các chất ăn mòn xâm nhập vào trong bê tông, ngăn cản sự thẩm thấu và tạo ra tính chống thấm của vật liệu. Đối với bê tông hạt mịn chất lượng cao, thành phần của chúng là các hạt mịn và hạt siêu mịn. Hạt thô nhất trong thành phần là cát. Các thành phần hạt còn lại có kích thước nhỏ hơn cát rất nhiều. Tuy nhiên, các thành phần mịn và siêu mịn còn lại này lại có kích thước trong một khoảng rất rộng. Sự biến thiên kích thước hạt trong một khoảng rộng tạo ra sự đan xen về kích thước. Các hạt siêu mịn không hoàn toàn lấp đầy được hết các khoảng trống mà các hạt mịn có kích thước trung bình lớn hơn kích thước trung bình của chúng tạo nên. Do vậy, trong bê tông này sự điền đầy tuyệt đối như ở trên chỉ diễn ra thực sự đối với các khoảng trống giữa các hạt cát. Trong tác giả này sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm nhằm tìm ra cấp phối tối ưu của bê tông hạt mịn chất lượng cao. Hàm mục tiêu được lựa chọn là cường độ nén 14 ngày của bê tông. Sở dĩ cường độ nén được chọn làm hàm mục tiêu vì nó rất quan trọng đối với bê tông. Cường độ nén không những quyết định khả năng chịu lực của kết cấu mà thông qua cường độ nén người ta còn có thể dự đoán được các tính chất khác của bê tông. Bê tông có cường độ nén cao thì cường độ kéo khi uốn, tính chống thấm, chống mài mòn,… cũng tăng lên theo. Trong tài liệu này, tác giả nghiên cứu sử dụng sự liên hệ mật thiết giữa cường độ bê tông và sự đặc chắc của kết cấu bê tông làm cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu. Sự liên hệ này đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu trong quá trình phát triển của công nghệ bê tông. Theo đó, kết cấu bê tông càng đặc chắc thì cường độ của bê tông càng cao.
Để đơn giản và hiệu quả trong việc thí nghiệm tìm ra thành phần bê tông tự lèn hợp lý dùng các nguyên vật liệu đã kiểm tra, tác giả đã lập kế hoạch thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu và kế hoạch bậc hai tâm xoay để nghiên cứu.
61
Quy hoạch thực nghiệm là phương pháp được sử dụng để nghiên cứu nhiều
đối tượng khác nhau, trong đó có các đối tượng của công nghệ. Các quá trình xảy ra
trong các đối tượng công nghệ được đặc trưng bằng các biến, giữa chúng có quan hệ
nguyên nhân - kết quả. Các biến đóng vai trò nguyên nhân gọi là biến vào, còn các
biến phản ánh kết quả do nguyên nhân gây ra được gọi là biến ra. Biến vào có thể
kiểm soát và cũng có thể điều khiển được.
Đối tượng công nghệ có thể mô tả bằng sơ đồ sau:
Trong đó:
- Biến vào x1, x2,... xn là biến điều khiển được (còn gọi là nhân tố điều khiển).
- Biến ra y1, y2, ym là biến bị điều khiển (còn gọi là biến trạng thái).
- Biến ngẫu nhiên Z (còn gọi là nhiễu), tức là không điều khiển được.
Để xác lập mô tả thống kê đối tượng công nghệ ta cần thực hiện năm bước: Xác
định hệ, xác định cấu trúc hệ thống, xác định hàm toán mô tả hệ, xác định các thông số
của mô hình mô tả hệ, kiểm tra tính tương hợp của các mô tả đó và cải tiến nếu cần.
Quy hoạch thực nghiệm là một phương pháp nghiên cứu khoa học được nhiều nhà
nghiên cứu quan tâm. Những ưu điểm của phương pháp này là:
− Giảm đáng kể số lượng thí nghiệm, tiết kiệm thời gian và kinh phí.
− Lượng thông tin nhiều hơn, cụ thể hơn nhờ đánh giá được một cách tương
đối toàn diện ảnh hưởng của các nhân tố đến hàm mục tiêu.
− Thu được mô hình thống kê thực nghiệm, cho phép đánh giá được bức tranh
thực nghiệm theo các tiêu chuẩn thống kê và cho phép xét ảnh hưởng của các thông
số với mức độ tin cậy cần thiết.
− Cho phép xác định điều kiện tối ưu đa nhân tố của đối tượng nghiên cứu một
cách khá chính xác bằng các công cụ toán học thay cho cách giải gần đúng.
X2
X1
Xn
Y1Y1
Ym
Z
62
Nhận xét chương 2
Từ các kết quả phân tích tổng hợp khả năng ứng dụng của bê tông hạt mịn chất
lượng cao, ta thấy:
− Nhu cầu sử dụng bê tông và bê tông cốt thép trong các kết cấu công trình
giao thông và sân bay ngày càng nhiều. Tuy nhiên, các loại bê tông thông thường
chưa đáp ứng được yêu cầu đặc biệt về cường độ, độ chống nứt và độ bền vững
trong điều kiện đặc biệt của các kết cấu công trình này. Đòi hỏi phải có một loại bê
tông chất lượng cao, có khả năng chống nứt tốt, ma sát bề mặt cao, chịu được tác
động phức tạp của ngoại lực.
− Bê tông hạt mịn chất lượng cao có cấu trúc đặc chắc cao, cường độ nén lớn,
cường độ kéo cao, tính kháng trượt lớn phù hợp với kết cấu bề mặt bảo vệ, tăng
cường ma sát giữa bề mặt bê tông và bánh xe do đó an toàn cho các loại phương
tiện giao thông lưu thông trên đường.
63
Chương 3. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU SỬ DỤNG
3.1. Cốt liệu
Một đặc điểm khác với bê tông thường đó là trong bê tông chất lượng cao hạt cốt
liệu có kích thước càng nhỏ càng tốt, đặc biệt là với các loại bê tông hạt mịn. Cốt liệu
trong bê tông hạt mịn chất lượng cao là thành phần vật liệu có kích thước hạt nằm trong
khoảng (0,14 ÷ 5)mm. Đây là một loại cát vàng phổ biến và có sẵn ở nhiều vùng của
nước ta.
Cốt liệu dùng trong bê tông hạt mịn chất lượng cao là cát vàng sông Lô. Cát được
sàng loại bỏ thành phần hạt có kích thước lớn hơn 5mm. Sau đó cát được rửa sạch loại
bỏ thành phần bụi bẩn, thành phần hạt có kích thước hạt nhỏ hơn 140μm, loại bỏ các tạp
chất hữu cơ có ảnh hưởng không tốt đến tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông.
Tiến hành các thí nghiệm theo các yêu cầu của TCVN 7572 : 2006 [3], [4] tác giả
đã xác định được các tính chất cơ lý của cát như sau:
Các chỉ tiêu tính chất vật lý của cát được xác định trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Tính chất vật lý của cát vàng STT Chỉ tiêu xác định Phương pháp thí nghiệm Đơn vị Kết quả
1 Loại cát, nguồn gốc Cát vàng sông Lô
2 Khối lượng riêng TCVN 7572- 4 : 2006 g/cm3 2,65
3 Khối lượng thể tích xốp TCVN 7572- 4 : 2006 g/cm3 1,445
4 Độ rỗng TCVN 7572- 4 : 2006 % 44,8
5 Mô đun độ lớn TCVN 7572- 2 : 2006 3,0
6 Độ ẩm tự nhiên TCVN 7572- 7 : 2006 % 0,43
8 Tạp chất mi ca TCVN 7572- 20 : 2006 % Cho phép
9 Tạp chất bùn, sét, bụi TCVN 7572- 8 : 2006 % 0,22
10 Tạp chất hữu cơ TCVN 7572- 9 : 2006 So mầu Cho phép
Bảng 3.2. Bảng thành phần hạt của cát Đường kính sàng (mm) 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14
Lượng sót tích luỹ (%) 0 18,2 38,15 62,65 87,3 93,5
Lượng lọt sàng (%) 100 81,8 61,85 37,35 12,7 6,5
64
Đường biểu diễn thành phần hạt của cát:
§−êng biÓu diÔn thμnh phÇn h¹t cña c¸t.Vïng qui ph¹m qui ®Þnh.§−êng kÝnh c¸c mÆt sμng (mm)
L−î
ng s
ãt tÝ
ch lu
ü (%
)
60
1001,25
Ghi chó:
0,3150,14 0,63 2,5
80
40
20
0
5
Hình 3.1. Biểu đồ thành phần hạt của cát
3.2. Xi măng
Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã sử dụng xi măng PC40 Bút Sơn. Theo [6],
kết quả kiểm tra các tính chất cơ lý của xi măng Bút Sơn PC40 đưa ra trong bảng 3.3.
Bảng 3.3. Tính chất cơ lý của xi măng Bút Sơn PC40
Các chỉ tiêu kỹ thuật Phương pháp thử Đơn vị
Tiêu chuẩn quy định
Kết quả
Cường độ nén - 72 giờ ± 45 phút - 28 ngày ± 2 giờ
TCVN 6016:1995
MPa MPa
≥ 18 ≥ 40
25,4 45,3
Thời gian đông kết - Bắt đầu đông kết - Kết thúc đông kết
TCVN 6017:1995
Phút Phút
≥ 45 ≤ 375
140 230
Độ mịn - Lượng sót trên sàng 0,08mm - Bề mặt riêng, theo Blaine
TCVN 4030:2003
%
cm2/g
≤ 15 ≥ 2700
5,6
3524 Độ dẻo tiêu chuẩn TCVN 4030:2003 % - 28,5 Độ ổn định thể tích TCVN 6017:1995 mm ≤ 10 1,25 Khối lượng riêng TCVN 6017:1995 g/cm3 - 3,10
Thành phần hạt của xi măng % cỡ hạt có kích thước < D (μm) 10 25 50 75 90
Đường kính hạt (μm) 3,324 8,965 19,41 44,12 72,10
Đường kính hạt trung bình (μm) 29,5838
65
3.3. Phụ gia khoáng mịn
Ngoài xi măng là chất kết dính chính để chế tạo bê tông, phụ gia khoáng mịn đóng
vai trò không thể thiếu trong chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao. Các loại phụ gia
khoáng mịn có vai trò giảm lượng dùng xi măng, tăng cường độ của bê tông và giảm
lượng nhiệt tỏa ra khi xi măng thủy hóa.
Phụ gia khoáng mịn sử dụng để chế tạo bê tông ở nước ta có nhiều chủng loại
như: Silicafume, tro nhiệt điện, xỉ lò cao, bột đá vôi, tro trấu, mêta caolanh,… Nguồn
gốc khai thác các loại phụ gia khoáng mịn được đưa ra ở bảng 3.4.
Bảng 3.4. Nguồn gốc các loại phụ gia khoáng mịn STT Phụ gia khoáng Nguồn gốc
1 Bột đá vôi Mỏ núi đá vôi
2 Tro nhiệt điện Nhà máy nhiệt điện phía Bắc
3 Xỉ lò cao Nhà máy gang thép Thái Nguyên
4 Mêta caolanh Khoáng Caolinite
5 Silicafume Nhập khẩu
6 Tro trấu nghiền Lò đốt gốm
3.3.1. Silicafume
Theo [10], Silicafume là một loại phụ gia khoáng hoạt tính cao, khi sử dụng chúng
trong bê tông chất lượng cao có tác dụng nâng cao tính công tác của hỗn hợp bê tông,
tăng độ đặc chắc, cường độ của đá xi măng và cải thiện cấu trúc vùng chuyển tiếp giữa
đá xi măng và cốt liệu. Việc sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính cao không những cải
thiện tính chất của hỗn hợp bê tông mà còn làm tăng đáng kể cường độ và độ bền lâu
của bê tông.
Hiện nay, ở nước ta có một số dạng sản phẩm silicafume như sau: Dạng hạt rời,
dạng viên nén hoặc dạng hồ lỏng. Trong tài liệu, tác giả đã sử dụng silicafume (SF) ở
dạng hạt rời của Công ty Elkem cung cấp. Kết quả phân tích thành phần hạt và một số
tính chất của Silicafume như sau:
66
Bảng 3.5. Tính chất và thành phần hạt của silicafume Elkem % hàm lượng cỡ hạt có kích thước < D 10 25 50 75 90
Đường kính hạt, (μm) 0,119 0,129 0,141 0,154 0,167
Kích thước hạt trung bình, (μm) 0,142
Khối lượng riêng, (g/cm3) 2,2
Khối lượng thể tích, (kg/m3) 250
Diện tích bề mặt, (cm2/ml) 429 900
3.3.2. Tro bay nhiệt điện
Trong bê tông hạt mịn chất lượng cao, tro bay nhiệt điện được sử dụng với mục
đích thay thế một phần xi măng trong vai trò của chất kết dính và qua đó chúng giảm
được một số hiệu ứng phát sinh nhiệt thủy hóa do lượng dùng xi măng quá lớn.
Tác giả sử dụng tro bay nhiệt điện Phả Lại (TB) có thành phần hạt và các tính chất
vật lý như sau:
Bảng 3.6. Tính chất và thành phần hạt của tro bay nhiệt điện Phả Lại
% hàm lượng cỡ hạt có kích thước < D 10 25 50 75 90
Đường kính hạt, (μm) 3,261 10,53 28,47 60,69 105,90
Kích thước hạt trung bình, (μm) 28,47
Khối lượng riêng, (g/cm3) 2,45
Khối lượng thể tích, (kg/m3) 950
Diện tích bề mặt, (cm2/ml) 8 619
3.4. Phụ gia siêu dẻo
Để tiến hành nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao, tác giả đã sử
dụng loại phụ gia thế hệ mới [27] Glenium Ace 388 của hãng The Chemical Company
BASF cung cấp.
a) Giới thiệu
Glenium ACE 388 là một phụ gia siêu dẻo gốc Polycarboxylic Ether (PCE) cải
tiến. Do cấu tạo đặc trưng của các phân tử hoạt tính, phụ gia này có những cơ chế thẩm
67
thấu đặc biệt với xi măng mà trước nay chưa từng được biết đến. Vì thế Glenium ACE
388 làm cho bê tông phát triển cường độ ban đầu rất tốt. Trong khi các loại phụ gia phát
triển cường độ cao, cường độ sớm thông thường trước đây luôn gặp phải vấn đề giảm
thiểu độ linh động của bê tông theo thời gian và vì thế làm giảm cường độ sau cùng của
bê tông, thì Glenium ACE 388 SureTec không còn phụ thuộc vào yếu điểm này đồng
thời làm tăng khả năng duy trì độ sụt và tăng đáng kể cường độ sau cùng của bê tông.
Do sự kết hợp đặc biệt các yếu tố như phát triển cường độ sớm, cường độ sau
cùng và khả năng duy trì độ sụt nên Glenium ACE 388 SureTec rất thích hợp cho bê
tông đúc sẵn.
Sản phẩm này tương thích với tiêu chuẩn ASTM C494, phụ gia loại F.
b) Tương thích
Glenium ACE 388 SureTec tương thích và được đề nghị sử dụng với:
− Các tác nhân tạo nhớt để sản xuất bê tông tự đầm.
− Phụ gia cuốn khí Micro-Air 202 để làm tăng khả năng chống sương giá.
− Glenium ACE 388 không tương thích với các phụ gia siêu dẻo Rheobuild.
c) Đặc điểm và công dụng
Glenium ACE 388 SureTec rất hữu ích cho ngành công nghiệp bê tông đúc sẵn
đặc biệt với những công dụng sau:
− Cường độ và khả năng chống thấm cao.
− Giảm được từ 25 ÷ 30% lượng nước nhào trộn.
− Cải thiện độ bền bê tông.
− Độ linh động của bê tông rất cao.
− Không phân tầng dù ở độ linh động cao.
− Chất lượng bê tông tốt.
− Sản xuất bê tông dẻo và bê tông tự đầm với tỷ lệ nước trên xi măng thấp.
− Giảm thiểu việc bảo dưỡng bằng nhiệt.
− Giảm nguồn lực cần thiết cho công tác đầm nén, bảo dưỡng, tạo hình.
− Cải thiện bề mặt sản phẩm.
− Cải thiện các đặc tính cơ lý của bê tông như: Cường độ chịu nén, cường độ
chịu uốn cả giai đoạn đầu và sau cùng đều tăng cao.
68
e) Hàm lượng sử dụng
Hàm lượng sử dụng thông thường được đề nghị là từ 0,75 đến 1,2 lít trên 100 kg
trọng lượng chất kết dính.
Có thể sử dụng tỉ lệ khác ngoài giới hạn trên trong những trường hợp đặc biệt theo
yêu cầu của điều kiện công trường. Trong trường hợp này, nên tham khảo nhân viên
BASF sở tại.
Một số tính chất của Glenium Ace 388 đã sử dụng:
- Màu sắc: Màu nâu đậm.
- Tỷ trọng : 1,1g/cm3.
- Độ pH: 6,0 ÷ 7,5.
3.5. Cốt sợi
Sợi polypropylene (PP) được sử dụng làm cốt sợi tăng cường cho bê tông và vữa.
Loại sợi này thu được bằng cách biến đổi nguyên liệu polypropylene gốc.
Theo [24], sợi PP được sản xuất bằng cách phối hợp các loại vật liệu phụ với sợi
polypropylene đã được cắt, xén nhỏ cùng nhau, rồi qua khâu xử lý bởi sự pha trộn, quay
và kéo kết hợp. Sợi PP được sử dụng rộng rãi như chất tăng cường thứ cấp để ngăn
ngừa sự rạn nứt sớm trong các kết cấu bê tông và vữa.
Qúa trình tổng hợp polypropylene. Sợi phân tán PP được điều chế từ các mônôme
là propylene (CH3 = CH – CH3) theo phương trình:
nCH = CH
CH
-3
3 (propylene)
⎯⎯ →⎯ xtpto ;; 3
2 -
CHn(- CH - CH -)
(polypropylene)
Theo [24], các thông số kỹ thuật của sợi được nêu ra trong bảng 3.7.
69
Bảng 3.7. Thông số kỹ thuật của sợi PP
Vật liệu sợi polypropylene Tính chất
Độ phân tán Cao
Tính dẫn nhiệt Rất thấp
Tính thấm nước Không thấm nước
Khả năng chịu ăn mòn axít và kiềm Tốt
Chiều dài của sợi 6mm ÷19mm
Đường kính tương đương 20 ÷ 50μm
Khối lượng riêng 0,91 kg/cm3
Môđun đàn hồi > 5000MPa
Cường độ chịu kéo của sợi ≥ 500MPa
Lượng dùng cốt sợi theo thể tích 0,1%
Lượng dùng cốt sợi theo khối lượng (0,7 ÷ 1,8) kg/m3
Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã tiến hành khảo sát lượng dùng cốt sợi PP trong khoảng 1,0 ÷ 1,8 kg cho mỗi 1m3 bê tông hạt mịn chất lượng cao, với mục đích tăng cường độ chịu kéo, tăng khả năng chống nứt cho bê tông và tạo ra độ bền cho lớp bê tông phủ mỏng.
Nhận xét chương 3 − Xi măng PC40 Bút Sơn, tro bay nhiệt điện Phả Lại, cốt liệu cát vàng đều
thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật để làm chất kết dính, phụ gia mịn và cốt liệu chế tạo bê
tông hạt mịn chất lượng cao.
− Cốt sợi polypropylene được sử dụng khoảng 1,0 ÷1,5kg trong 1m3 bê tông.
Chúng có vai trò rất quan trọng trong việc giảm sự phát triển của vết nứt trong kết
cấu bê tông, tăng độ dẻo dai của sản phẩm và cải thiện khả năng làm việc của bê
tông sau khi xuất hiện vết nứt.
70
Chương 4. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU ĐẾN TÍNH
CHẤT BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO
4.1. THIẾT KẾ SƠ BỘ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG HẠT MỊN Theo phương pháp thể tích tuyệt đối, thể tích 1m3 bê tông đã lèn chặt coi như là
tổng thể tích của nước, xi măng, phụ gia khoáng, cốt liệu, phụ gia siêu dẻo và thể tích không khí cuốn vào trong quá trình nhào trộn.
Do đó: N
Nγ
+ X
Xγ
+ TB
TBγ
+ SF
SFγ
+ C
Cγ
+PG
PGγ
+ A = 1000
Trong đó − N, X, TB, SF, C, PG: là khối lượng nước, xi măng, tro bay, silicafume, cát,
phụ gia siêu dẻo. − Nγ , Xγ , TBγ , SFγ , Cγ , PGγ : là khối lượng riêng của nước, xi măng, tro bay,
silicafume, cát, phụ gia siêu dẻo. − A: là thể tích rỗng do không khí cuốn vào trong hỗn hợp bê tông, theo tài liệu
[7] thường lấy A = 3%. Trên cơ sở các kết quả thu được của tài liệu [12], tác giả đã chọn gốc các hệ số tỷ
lệ vật liệu như sau: Bảng 4.1. Các tỷ lệ vật liệu sử dụng
Tỷ lệ XN
CKDC
XSF
XTB
XPG A
Giá trị 0,34 1,5 0,1 0,6 0,015 3%
Trong đó: CKD = XM + SF + TB. Tính toán dựa trên các giá trị tỷ lệ vật liệu, ta thu được cấp phối sơ bộ của hỗn hợp
bê tông hạt mịn có thành phần như sau: Bảng 4.2. Cấp phối sơ bộ của hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao
Vật liệu Ký hiệu Nguồn cung cấp Hàm lượng (kg/m3) Cát C Cát vàng Sông Lô 1280 Xi măng X PC40 Bút Sơn 502 Tro bay TB Nhiệt điện Phả Lại 302 Silicafume SF Elkem 50,2 Nước N Nước máy sạch 170,7 Phụ gia siêu dẻo PG Glenium Ace 388 7,53
71
4.2. LẬP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
CỦA CÁC THÀNH PHẦN VẬT LIỆU ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA BÊ
TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO
Phương pháp quy hoạch thực nghiệm nhằm mục đích xây dựng mô hình toán học
biểu diễn sự ảnh hưởng của các yếu tố như: Lượng cốt liệu, lượng chất kết dính, lượng
nước, phụ gia siêu mịn, phụ gia siêu dẻo, lượng cốt sợi PP đến các tính chất cơ lý, tính
bám dính, tính chống trượt của hỗn hợp bê tông và bê tông hạt mịn chất lượng cao.
4.2.1. Chọn hàm mục tiêu
Hỗn hợp bê tông và bê tông hạt mịn chất lượng cao có rất nhiều các tính chất khác
biệt. Tuy nhiên tính chất quan trọng nhất của chúng chính là cường độ nén. Vì vậy, tác
giả đã chọn cường độ nén của mẫu 5x5x5cm ở tuổi 14 ngày ( 14nR ) làm hàm mục tiêu
nghiên cứu của mô hình. Bên cạnh đó, các chỉ tiêu khác cũng được kiểm tra, đánh giá.
Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã sử dụng cấp phối đã tính toán sơ bộ làm
gốc để tiến hành quy hoạch bậc một.
4.2.2. Các nhân tố ảnh hưởng
Các nhân tố ảnh hưởng đến các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông hạt mịn
chất lượng cao bao gồm: Lượng cốt liệu, lượng chất kết dính, lượng nước, phụ gia siêu
mịn, phụ gia siêu dẻo, lượng cốt sợi PP.
4.2.3. Kế hoạch thực nghiệm bậc nhất hai mức tối ưu
4.2.3.1. Chọn các biến thực, biến mã và khoảng biến thiên của các biến số
Để thực hiện kế hoạch thực nghiệm bậc nhất và nhằm giảm bớt số lượng thí
nghiệm, tác giả đã chọn các biến thực, biến mã và khoảng biến thiên của các biến thí
nghiệm như sau:
− Tỷ lệ tro bay trên chất kết dính (CKDTB ) mã hoá là X1 thay đổi từ 0,55 đến 0,65.
− Tỷ lệ cát trên chất kết dính (CKD
C ) mã hoá là X2 thay đổi từ 1,3 đến 1,7.
− Tỷ lệ nước trên xi măng (XN ) mã hoá là X3 thay đổi từ 0,32 đến 0,36.
72
Bảng 4.3. Mã hóa các biến số và các điểm quy hoạch thực nghiệm Các nhân tố ảnh hưởng
Biến mã hóa
Các điểm quy hoạch bậc nhất Mức quy hoạch (δ) - 1 0 + 1
CKDTB X1 0,55 0,60 0,65 0,05
CKDC X2 1,3 1,5 1,7 0,2
XN X3 0,32 0,34 0,36 0,02
Số thí nghiệm theo quy hoạch là: N = 2k = 23 = 8 thí nghiệm.
4.2.3.2. Cấp phối thí nghiệm và kết quả thí nghiệm Bảng 4.4. Cấp phối bê tông hạt mịn theo quy họach thực nghiệm bậc nhất
STT Biến mã Biến thực Cấp phối bê tông, (kg/m3)
X1 X2 X3 CKDTB
CKDC
XN X TB SF C N PG
1 +1 +1 +1 0,65 1,7 0,36 459 298 45,9 1366 156,1 6,892 -1 +1 +1 0,55 1,7 0,36 479 263 47,9 1343 172,3 7,183 +1 -1 +1 0,65 1,3 0,36 519 337 51,9 1180 186,7 7,784 -1 -1 +1 0,55 1,3 0,36 545 300 54,5 1170 196,3 8,185 +1 +1 -1 0,65 1,7 0,32 464 301 46,4 1379 148,3 6,956 -1 +1 -1 0,55 1,7 0,32 502 251 50,2 1365 160,6 7,537 +1 -1 -1 0,65 1,3 0,32 530 344 53,0 1206 169,6 7,958 -1 -1 -1 0,55 1,3 0,32 558 307 55,8 1196 178,5 8,37
Bảng 4.5. Kết quả cường độ nén của bê tông ở tuổi 14 ngày theo quy hoạch bậc nhất
STT Biến mã Độ chảy D, (cm) Kết quả cường độ nén 14
nR (MPa) PhươngSai (S 2
i ) X1 X2 X3 D1 D2 D3 R1 R2 R3 R 1 +1 +1 +1 25,5 25,0 25,0 64,0 64,8 66,0 64,93 1,01 2 -1 +1 +1 26,0 24,0 26,5 65,6 68,0 67,2 66,93 1,49 3 +1 -1 +1 24,0 24,0 24,5 75,6 76,4 74,0 75,33 1,49 4 -1 -1 +1 27,5 27,5 26,5 76,8 76,4 76,8 76,67 0,05 5 +1 +1 -1 24,5 24,0 23,5 76,0 74,4 76,4 75,60 1,12 6 -1 +1 -1 25,5 25,0 25,0 76,4 77,2 76,4 76,67 0,21 7 +1 -1 -1 25,5 25,0 25,5 78,0 79,2 78,0 78,40 0,48 8 -1 -1 -1 26,0 26,0 26,5 79,2 80,4 82,0 80,53 1,97
73
a). Kiểm tra độ tin cậy của mô hình thực nghiệm theo chuẩn số Kochren Từ các giá trị thực nghiệm thu được ở bảng 4.5 tiến hành kiểm tra độ tin cậy của
các kết quả tìm được theo chuẩn số Kochren trình tự tính toán như sau:
− Phương sai lặp Sll2 được tính theo công thức: S 2
ll = ∑ 2iS = 7,84.
− Tính chuẩn số Kochren (G): 2517,084,797,1
2
2max ==
∑=
itt S
SG
Dựa vào tài liệu [20], tra bảng chuẩn số Kochren: Gbảng= Gα (f1,f2).
Với sai số α = 0,05; các bậc tự do: f1= m - 1 = 2; f2= N = 8, ta được Gbảng= 0,532.
Ta thấy Gbảng > ttG như vậy các giá trị thí nghiệm thu được là đáng tin cậy.
b). Tính phương trình hồi quy của kế hoạch thực nghiệm bậc nhất Áp dụng các công thức toán học theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm bậc nhất
[20] và quá trình tính toán, tác giả đã tìm được phương trình hồi quy của kế hoạch thực
nghiệm bậc nhất có dạng như sau:
Y = 74,383 - 0,817X1 - 3,350X2 - 3,417X3 + 0,050X1X2
- 1,683X2X3 - 0,017X1X3 - 0,217X1X2X3
c). Kiểm tra tính có nghĩa của các hệ số trong phương trình hàm hồi quy Kiểm tra tính có nghĩa của các hệ số trong phương trình hàm mục tiêu căn cứ vào
chuẩn số Student.
− Tính độ lệch tiêu chuẩn: 884,72
==NSS ll
bδ =0,989.
Tra bảng [20] giá trị của chuẩn số Student với bậc tự do lặp f2 = 5 - 1 = 4, mức có
nghĩa p = 0,05 ta được chuẩn số Student là: tb = 2,776.
Từ đó ta tính được: tb x Sbδ = 0,989 x 2,776 = 2,748.
Như vậy, căn cứ vào giá trị của chuẩn số Student, các hệ số bi của biến số nào ở
trong phương trình hồi quy mà có bbi tSb ×≤ δ = 2,748 thì hệ số đó không ảnh hưởng
hoặc có ảnh hưởng không đáng kể đến hàm mục tiêu (ở đây là cường độ của bê tông) có
thể loại bỏ các hệ số đó.
Vậy phương trình của hàm mục tiêu là: Y = 74,383 - 3,350X2 - 3,417X3.
74
d). Kiểm tra tính tương hợp của mô hình Tiến hành kiểm tra tính tương hợp của mô hình thực nghiệm bằng cách căn cứ vào
chuẩn số Fisher, theo nguyên tắc tính toán sau:
Tính phương sai mô hình theo công thức: ( )
lNiyiY
Smh −
∑ −=
2
2
Với l: là hệ số còn lại của mô hình (l = 3).
yi : là giá trị trung bình của từng thí nghiệm.
N: là số thí nghiệm (N= 8).
Yi: là giá trị tính toán được của mô hình.
Phương sai mô hình tính toán được: ( )
68,538
402,282
2 =−
=−
∑ −=
lNiyiY
Smh
Vậy chuẩn số Fisher được tính như sau: 7245,084,768,5
2
2
===ll
mhtt S
SF
Theo [20], tra bảng giá trị của chuẩn số Fisher F f fα ( , )1 2với α = 0,05; f1 = N - l = 5;
f2 = m - 1 = 4 ta thu được: Fbảng = 6,26.
Vì có Ftt = 0,7245 < Fbảng = 6,26 do đó mô hình thực nghiệm tìm được phản ánh
đúng quy luật phụ thuộc bậc nhất của cường độ vào các biến thí nghiệm X2 và X3.
4.2.4. Thí nghiệm tìm miền dừng
Từ kết quả thí nghiệm quy hoạch bậc nhất ta thấy: Khi các tỷ lệ CKD
C và XN giảm
thì cường độ nén của bê tông tăng và độ chảy của hỗn hợp bê tông giảm. Từ nhận xét đó, tiến hành thí nghiệm tìm vùng dừng với kết quả như sau:
Bảng 4.6. Quan hệ giữa cường độ bê tông với tỷ lệ CKD
C và XN
STT CKD
C XN
Cấp phối bê tông, (kg/m3) Cường độ nén 14nR , (MPa) XM TB SF C N PG
1 1,7 0,36 471 283 47,1 1361 160,1 7,07 71,5 2 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 167,9 7,87 75,4 3 1,1 0,28 592 355 59,2 1108 177,7 8,89 68,6
75
Từ kết quả thí nghiệm miền dừng ta thấy khi tỷ lệ XN = 0,32 và
CKDC = 1,4 thu
được kết quả cường độ nén của bê tông cao nhất. Do đó tác giả dùng cấp phối này làm
cấp phối tại tâm cho kế hoạch bậc hai.
4.2.5. Kế hoạch thực nghiệm bậc hai tâm xoay
4.2.5.1. Lập quy hoạch thực nghiệm bậc hai
Từ kết quả khảo sát bậc nhất và thí nghiệm miền dừng, tác giả tiến hành thí
nghiệm bậc hai với các tỷ lệ được lựa chọn như sau:
− Tỷ lệ cát trên chất kết dính (CKD
C ) mã hoá là X2 thay đổi từ 1,2 đến 1,6.
− Tỷ lệ nước trên xi măng (XN ) mã hoá là X3 thay đổi từ 0,30 đến 0,34.
− Lượng dụng silicafume với mục đích giảm lượng Ca(OH)2 trong bê tông, tác
giả lấy bằng 10% lượng dùng xi măng.
− Lượng phụ gia siêu dẻo lấy bằng 1,5% lượng dùng xi măng.
− Lượng tro bay nhiệt điện được sử dụng với mục đích phụ gia khoáng mịn, bổ
sung thành phần hạt cốt liệu mịn và thay thế xi măng để giảm lượng nhiệt thủy hóa,
tác giả lựa chọn bằng 60% lượng dùng xi măng.
Bảng 4.7. Mã hóa các biến số và các điểm quy hoạch thực nghiệm Các nhân tố ảnh hưởng
Biến mã hóa
Các điểm quy hoạch bậc hai Mức quy hoạch (δ)- 1,414 - 1 0 + 1 + 1,414
CKDC X2 1,12 1,2 1,4 1,6 1,68 0,2
XN X3 0,22 0,30 0,32 0,34 0,348 0,02
Số điểm thí nghiệm là: N = 2k + 2k + m = 22 + 2x2 + 5 = 13 thí nghiệm.
Trong đó số thí nghiệm lặp ở mức tâm kế hoạch là m = 5.
Hàm mục tiêu bậc hai tác giả lựa chọn bao gồm:
− Hàm mục tiêu theo độ chảy của hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao.
− Hàm mục tiêu theo cường độ nén ở tuổi 14 ngày của bê tông chất lượng cao.
76
Bảng 4.8. Cấp phối thực nghiệm bậc hai
STT Biến mã Biến thực Cấp phối thực nghiệm, (kg/m3)
X2 X3 CKDC
XN X TB SF C N PG
1 +1 +1 1,6 0,34 486 292 48,6 1322 165 7,3 2 -1 +1 1,2 0,34 557 334 55,7 1137 189 8,4 3 +1 -1 1,6 0,30 496 298 49,6 1349 149 7,4 4 -1 -1 1,2 0,30 570 342 57,0 1163 171 8,6 5 +1,414 0 1,68 0,32 479 287 47,9 1367 153 7,2 6 -1,414 0 1,12 0,32 581 348 58,1 1106 186 8,7 7 0 +1,414 1,4 0,348 517 310 51,7 1230 180 7,8 8 0 -1,414 1,4 0,22 555 333 55,5 1320 122 8,3 9 0 0 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 10 0 0 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 11 0 0 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 12 0 0 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 13 0 0 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9
Bảng 4.9. Kết quả thí nghiệm độ chảy và cường độ nén theo quy hoạch bậc hai
STT CKD
C XN
Cấp phối thực nghiệm, (kg/m3) Độ chảy
(cm) R14
n (MPa) X TB SF C N PG
1 1,6 0,34 486 292 48,6 1322 165 7,3 26,0 70,55 2 1,2 0,34 557 334 55,7 1137 189 8,4 26,5 71,87 3 1,6 0,30 496 298 49,6 1349 149 7,4 25,5 72,15 4 1,2 0,30 570 342 57,0 1163 171 8,6 28,0 71,60 5 1,68 0,32 479 287 47,9 1367 153 7,2 26,5 80,50 6 1,12 0,32 581 348 58,1 1106 186 8,7 27,5 70,10 7 1,4 0,348 517 310 51,7 1230 180 7,8 29,0 82,20 8 1,4 0,22 555 333 55,5 1320 122 8,3 24,5 70,20 9 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 27,5 82,50 10 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 28,0 85,75 11 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 28,5 82,85 12 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 27,5 86,25 13 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 28,5 84,50
77
a). Xác định phương trình hàm hồi quy bậc hai Áp dụng các công thức toán học theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm bậc hai
tâm xoay [20] và các phép biến đổi, ta tìm được các phương trình hồi quy của kế hoạch thực nghiệm bậc hai có dạng như sau:
− Phương trình hồi quy bậc hai về cường độ nén ở tuổi 14 ngày của bê tông hạt mịn chất lượng cao:
14nR = 84,37 + 1,7368X2 + 1,9488X3 - 0,4675X2X3 - 5,6458X2
2 - 5,1958X32
− Phương trình hồi quy bậc hai về độ chảy của hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao:
D = 28,00 - 0,551X2 + 0,668X3 + 0,50X2X3 - 0,615X22 - 0,740X3
2
b). Kiểm tra tính có nghĩa của các hệ số trong hàm hồi quy Độ lệch tiêu chuẩn Sbj của phân bố bj được xác định theo công thức:
∑=
= 13
1
2
2
iji
llbj
X
SS
Trong đó ∑=
13
1
2
ijiX : Tổng bình phương của véctơ cột Xj của ma trận thực nghiệm.
2llS : Phương sai lặp, ∑
=
−×−
=m
aooall YY
mS
1
22 )(1
1 = 4263,11 = 2,81575.
m: Số thí nghiệm lặp ở tâm: m = 5. oY : Là giá trị trung bình của các thí nghiệm ở tâm kế hoạch.
Chuẩn số Student tbj được xác định theo công thức: tbj = bj
j
Sb
.
Tra bảng chuẩn số Student [20], với mức có nghĩa p = 0,05, bậc tự do lặp lại f2 = 4 ta có
2,tpt = 2,78. Tiến hành loại bỏ các hệ số bj khi có tbj < 2,78.
Bảng 4.10. Kết quả kiểm tra hệ số phương trình hồi quy cường độ nén của bê tông
j 0 2 3 4 5 6
bj b0 b2 b3 b2b3 b2b2 b3b3
84,37 1,7368 1,9488 -0,468 -5,646 -5,196
Sbj 0,750 0,593 0,593 0,839 0,637 0,637
tbj 112,428 2,927 3,285 0,557 8,866 8,160
78
Như vậy, hệ số b2b3 = 0,557 có ảnh hưởng không đáng kể đến hàm mục tiêu, được
loại bỏ. Vậy phương trình hàm hồi quy bậc hai về cường độ nén ở tuổi 14 ngày của bê
tông hạt mịn chất lượng cao:
14nR = 84,37 + 1,7368X2 + 1,9488X3 - 5,6458X2
2 - 5,1958X32.
c). Kiểm tra tính tương hợp của mô hình theo chuẩn số Fisher
Theo [20], chuẩn số Fisher được xác định theo công thức: Ftt = 2
2
ll
du
SS
Với Sd là phương sai dư được xác định theo công thức: 2duS = ∑
=
−×−
N
iii YY
lN 1
2)ˆ(1
Trong đó iY ; iY : là giá trị thực nghiệm và giá trị tính toán của hàm mục tiêu.
N: Số thí nghiệm, N = 13.
l: Số hệ số có nghĩa trong phương trình hồi quy bậc hai, l = 5.
Do đó, tính toán được: 2duS = ∑∑
==
−×−
=−×−
13
1
2
1
2 )ˆ(513
1)ˆ(1i
ii
N
iii YYYY
lN= 1,9564
Vậy ta có chuẩn số Fisher tính toán được: Ftt = 81575,29564,14 = 5,3117
Tra bảng giá trị của chuẩn số Fisher [20] với mức có nghĩa p = 0,05; bậc tự do lặp
f2 = 5 - 1 = 4; bậc tự do dư f1 = 13 - 5 = 8; thu được Fb0,05;8;4 = 6,04.
Do Fb0,05;8;4 > Ftt vậy mô hình thí nghiệm cường độ nén tương hợp với thực nghiệm.
Thực hiện quá trình hoàn toàn tương tự đối với phương trình hồi quy bậc hai về độ
chảy của bê tông hạt mịn chất lượng cao, ta cũng thu được mô hình thí nghiệm độ chảy
tương hợp với thực nghiệm và phương trình hồi quy bậc hai về độ chảy là:
D = 28,00 - 0,551X2 + 0,668X3 - 0,615X22 - 0,740X3
2
4.2.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của các nhân tố đến độ chảy và cường độ nén của
bê tông chất lượng cao
Từ phương trình hồi quy thu được, sử dụng phần mềm Maple 9.0 ta thu được bề
mặt biểu hiện và các đường đồng mức thể hiện sự ảnh hưởng của tỷ lệ CKD
C và tỷ lệ
XN đến độ chảy và cường độ nén của bê tông hạt mịn chất lượng cao như hình 5.1.
79
Hình 4.1. Bề mặt biểu hiện sự phụ thuộc của tỷ lệ CKD
C và XN đến độ chảy của hỗn
hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao
Hình 4.2. Bề mặt biểu hiện sự phụ thuộc của tỷ lệ CKD
C và XN đến cường độ nén
của bê tông hạt mịn chất lượng cao Từ các phương trình hồi quy và bề mặt biểu hiện của hàm mục tiêu ta nhận thấy:
− Hàm hồi quy về độ chảy của hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao đạt giá
trị cực đại tại giá trị của các biến là X2= - 0,4 và X3= 0,4. Khi đó thay các giá trị của
biến vào từng phương trình hồi quy, ta thu được: Dmax = 28,27cm và Rn= 82,72MPa.
MPa
cm
28
27,6
27,2
83,5
80,5
78 75
72
80
− Hàm hồi quy về cường độ nén của bê tông ở tuổi 14 ngày đạt giá trị cực đại
tại giá trị của các biến là X2= 0,11 và X3= 0,21. Khi đó thay các giá trị của biến vào
từng phương trình hồi quy, ta thu được: Rn max = 84,565MPa và D = 28,03cm.
Ảnh hưởng của biến X2 ( CKDC ) đến
độ chảy của hỗn hợp bê tông
Ảnh hưởng của biến X3 ( XN ) đến
độ chảy của hỗn hợp bê tông
Ảnh hưởng của biến X2 ( CKDC ) đến
cường độ nén của bê tông
Ảnh hưởng của biến X3 ( XN ) đến
cường độ nén của bê tông
Hình 4.3. Ảnh hưởng của biến mã đến tính chất của bê tông
0,11 0,21
MPa MPa
- 0,4
cm
0,4
cm
81
Theo mục đích của tác giả, hỗn hợp bê tông phải đảm bảo cường độ nén cao nhất
đồng thời cũng phải thỏa mãn có độ chảy lớn, thích hợp với hỗn hợp bê tông tự lèn,
thuận lớn cho quá trình vận chuyển, đổ khuôn và đầm nèn tốt nhất.
Với giá trị các biến X2 = 0,11 và X3 = 0,21 thì bê tông có cường độ nén ở tuổi 14
ngày đạt giá trị lớn nhất Rn max = 84,565MPa đồng thời độ chảy của hỗn hỗn hợp bê tông
đạt D = 28,03cm, phù hợp với yêu cầu của hỗn hợp bê tông tự lèn. Vì vậy, tác giả sử
dụng các biến có giá trị tại đó làm căn cứ xác định cấp phối hợp lý của bê tông.
Bảng 4.11. Kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối hợp lý của bê tông hạt mịn
Biến mã Tỷ lệ Lượng dùng vật liệu cho 1m3 bê tông hạt mịn, (kg)
X2 X3 CKDC
XN XM TB SF C N PG
0,11 0,21 1,422 0,324 520 312 52,0 1256 168 7,8
4.2.6. Khảo sát ảnh hưởng của lượng cốt sợi đến tính chất của bê tông
Để tiến hành nghiên cứu, xác định lượng dùng cốt sợi polypropylene trong 1m3 bê
tông, tác giả tiến hành thí nghiệm trên một số mẫu bê tông với cấp phối có thành phần
hợp lý và lượng dùng sợi khảo sát trong khoảng (1,0 ÷ 1,8) kg/m3 theo khuyến cáo của
nhà cung cấp cốt sợi.
Tiến hành đúc các mẫu bê tông thí nghiệm để kiểm tra độ chảy cuả hỗn hợp bê
tông, cường độ nén và cường độ uốn của mẫu 40x40x160mm ở tuổi 14 ngày, tác giả thu
được kết quả như sau:
Bảng 4.12. Kết quả khảo sát lượng dùng cốt sợi polypropylene
STT Cấp phối bê tông hạt mịn thí nghiệm, (kg) Độ chảy
Đ (mm) 14nR
(MPa)
14uR
(MPa)XM TB SF C N PG PP 1 520 312 52,0 1256 168 7,8 1,00 28,5 83,7 28,12 519 312 51,9 1256 168 7,8 1,25 28,0 85,4 32,43 518 311 51,8 1257 169 7,8 1,80 18,5 85,7 33,7
Từ kết quả thu được ta thấy:
− Khi lượng dùng cốt sợi phân tán tăng lên thì độ chảy của hỗn hợp bê tông
giảm dần. Điều này được giải thích là khi cốt sợi polypropylene tăng lên làm giảm
độ sệt của bê tông, đồng thời trong quá trình nhào trộn chúng còn bị vón cục hoặc
82
có thể tạo thành những khối cầu trong hỗn hợp bê tông. Và từ đó chúng làm giảm
tính công tác của bê tông.
− Khi tăng hàm lượng cốt sợi thì cường độ nén và cường độ kéo của bê tông
đều tăng theo, tuy nhiên sự tăng cường độ là không nhiều, do đó không kinh tế.
− Để đảm bảo tính tự nèn, đồng thời thỏa mãn các tính chất cường độ yêu cầu,
tác giả đã sử dụng lượng cốt sợi bằng 1,25kg/m3 để nghiên cứu các tính chất của bê
tông hạt mịn chất lượng cao.
Nhận xét chương 4 Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao
theo công thức tính toán của phương pháp quy hoạch thực nghiệm, tác giả rút ra một số
Nhận xét sau:
− Có thể chế tạo được bê tông hạt mịn chất lượng cao có độ chảy lớn, cường
độ nén ở tuổi 14 ngày trên mẫu 5x5x5cm lớn hơn 70MPa, tỷ lệ tro bay nhiệt điện
Phả Lại thay thế xi măng pooclăng lên tới 60%.
− Đã thiết lập được mối quan hệ giữa độ chảy của hỗn hợp bê tông và cường
độ nén của bê tông hạt mịn chất lượng cao với các tỷ lệ CKD
C và XN .
− Cấp phối hợp lý tác giả đã xác định được là:
Biến mã Tỷ lệ Lượng dùng vật liệu cho 1m3 bê tông hạt mịn, (kg)
X2 X3 CKDC
XN XM TB SF C N PG PP
0,11 0,21 1,422 0,324 520 312 52,0 1256 168 7,8 1,25
83
Chương 5. NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ
TẠO BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO
5.1. NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG VÀ BÊ
TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO HẠT MỊN
Để nghiên cứu các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông hạt mịn chất lượng
cao, tác giả tiến hành nghiên cứu, so sánh các tính chất của bê tông hại mịn có cấp phối
hợp lý đã tìm được trong chương 4 và các hỗn hợp bê tông đối chứng.
Kế hoạch thí nghiệm tính chất gồm các mẫu bê tông như sau:
− Hỗn hợp bê tông hạt mịn có cấp phối tối ưu và sử dụng 1,25kg sợi PP cho
1m3 bê tông, ký hiệu M1.
− Hỗn hợp bê tông đối chứng cấp phối tối ưu nhưng không sử dụng sợi PP, ký
hiệu là mẫu M2.
− Hỗn hợp bê tông đối chứng sử dụng 30% tro bay và 30% bột cát quắc nghiền
mịn, có dùng cốt sợi PP, ký hiệu M3.
− Hỗn hợp bê tông đối chứng thay thế toàn bộ tro bay nhiệt điện bằng bột cát
quắc nghiền mịn, không dùng cốt sợi PP, ký hiệu M4.
Bảng 5.1. Cấp phối của các mẫu bê tông thí nghiệm
Vật liệu Kí hiệu Lượng dùng vật liệu cho 1m3 bê tông, (kg/m3)
M1 M2 M3 M4
Xi măng PC40 Bút Sơn X 519 520 522 523
Tro bay nhiệt điện TB 312 312 157 0
Bột cát quắc BĐ 0 0 157 314
Silicafume SF 51,9 52,0 52,2 52,3
Cát vàng sông Lô C 1256 1256 1263 1263
Nước N 168 168 169 169
Phụ gia siêu dẻo Ace 388 PG 7,8 7,8 7,8 7,8
Sợi polypropylene PP 1,25 0 1,25 0
84
5.1.1. Nghiên cứu tính công tác hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao
Tính công tác của hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng sợi PP là tính
chất rất quan trọng, ảnh hưởng đến quá trình nhào trộn, đổ và đầm chặt hỗn hợp bê tông.
Khác với bê tông thường, các tính công tác của hỗn hợp bê tông hạt mịn này phụ thuộc
nhiều vào đặc trưng hình học của sợi, hàm lượng sợi và lượng nước nhào trộn. Do mục
đích chính là sử dụng bê tông hạt mịn chất lượng cao để chế tạo các kết cấu có chiều
dày nhỏ, lớp phủ tăng cường siêu mỏng trên bề mặt của các kết cấu, vì thế đòi hỏi hỗn
hợp bê tông phải có độ chảy và độ đồng nhất rất cao, giảm được năng lượng đầm nèn,
quá trình thi công dễ dàng.
Các phương pháp thí nghiệm tính công tác của loại bê tông này có nhiều khác biệt
so với bê tông thường vì chúng không có cốt liệu lớn nhưng có nhiều điểm tương đồng
với các phương pháp thí nghiệm các định tính công tác của vữa hoặc của bê tông tự lèn.
Vì vậy, tác giả đã xác định tính công tác của các hỗn hợp bê tông dựa vào việc xác định
độ chảy loang của côn vữa và độ chảy loang của côn Abraham.
Trong mục đích đặt ra của tác giả còn sử dụng hỗn hợp bê tông hạt mịn này để sửa
chữa hư hỏng công trình, do vậy hỗn hợp bê tông cần có độ chảy cao, dễ dàng thi công
bằng phương pháp bơm áp lực vào các khe nứt trong kết cấu. Độ chảy loang được dùng
để đánh giá dòng chảy tự do theo phương nằm ngang dưới tác dụng của trọng lượng bản
thân hỗn hợp bê tông. Đây là phép thử đơn giản, thông dụng và cho phép đánh giá tốt
khả năng tự điền đầy vào ván khôn của hỗn hợp bê tông. Giá trị độ chảy loang là đường
kính trung bình của hai lần đo vuông góc đường kính hỗn hợp bê tông. Độ chảy loang
càng cao thì khả năng tự điền đầy vào ván khuôn dưới trọng lượng bản thân càng lớn.
Bảng 5.2. Kết quả thí nghiệm tính công tác của hỗn hợp bê tông hạt mịn
Tính chất của hỗn hợp bê tông Các cấp phối thí nghiệm
M1 M2 M3 M4 Độ chảy loang của côn vữa, (cm) 28,5 29,5 25 25,5 Độ chảy loang của côn Abraham, (cm) 65 68 67 65,5 Khối lượng thể tích, (kg/m3) 2340 2320 2300 2250
Qua kết quả thí nghiệm thu được cho thấy các hỗn hợp bê tông trong thí nghiệm
có tính công tác tương đương nhau và đều đảm bảo khả năng tự lèn.
85
5.1.2. Nghiên cứu các tính chất cơ học của bê tông hạt mịn đã rắn chắc
Cường độ nén của bê tông là một chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng
bê tông. Tuy nhiên, trong các kết cấu có chiều dày nhỏ, các lớp phủ mỏng và siêu mỏng
thì cường độ kéo khi uốn, cường độ kháng trượt, cường độ bám dính nền cũng rất quan
trọng và cần được xác định.
5.1.2.1. Xác định các tính chất cơ lý của bê tông hạt mịn chất lượng cao
Các mẫu bê tông thí nghiệm được chế tạo và bảo dưỡng theo đúng các yêu cầu
của TCVN 3105 : 1993.
− Cường độ nén của bê tông được tiến hành thử theo TCVN 3118 : 1993 ở các
tuổi 3, 7, 14 và 28 ngày.
− Cường độ kéo khi uốn của bê tông hạt mịn chất lượng cao có sử dụng cốt sợi
PP là một tính chất quan trọng. Chúng thể hiện được khả năng mềm dẻo và khả
năng chống nứt, chống co ngót của bê tông chất lượng cao.
− Độ mài mòn của bê tông được xác định theo TCVN 3114 : 1993 nhằm mục
đích xác định khả năng chịu được các tải trọng va đập của các phương tiện vận
chuyển, đặc biệt là tải trọng của máy bay trên bề mặt kết cấu.
Bảng 5.3. Các tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao
Các tính chất của bê tông Tiêu chuẩn Các loại bê tông thí nghiệm M1 M2 M3 M4
Cường độ nén, (MPa)
1 ngày
TCVN 3118:1993
41,2 38,5 25,4 - 3 ngày 50,8 47,1 35,5 - 7 ngày 62,7 61,6 52,1 35,5 14 ngày 85,4 84,1 66,6 42,4 28 ngày 93,5 89,7 76,4 53,7
Cường độ kéo khi uốn ở tuổi 28 ngày, (MPa) TCVN 3119:1993 32,9 19,1 22,8 12,1
Độ mài mòn ở trạng thái bão hoà nước, (g/cm2) TCVN 3114:1993 0,401 0,42 0,43 0,45
Độ mài mòn ở trạng thái khô tự nhiên, (g/cm2) TCVN 3114:1993 0,198 0,223 0,25 0,35
Mô đun đàn hồi của bê tông, (1.104 MPa) TCVN 5726:1993 5,82 5,15 4,65 4,05
86
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 5 9 13 17 21 25 29Tuæi mÉu (ngμy)
C−ê
ng ®
é nÐ
n (M
Pa)
M Éu M 1 M Éu M 2 M Éu M 3 Hình 5.1. Biểu đồ sự phát triển cường độ nén của bê tông theo thời gian
Qua biểu đồ ta thấy: Cường độ của mẫu bê tông có cấp phối M1 luôn cao hơn các mẫu bê tông có cấp phối M2 và M3. Tuy nhiên, sự tăng cường độ của cấp phối M1 và M2 là không lớn. Điều này cho thấy cốt sợi PP phân tán không có ảnh hưởng nhiều đến việc tăng cường độ nén của bê tông.
Cấp phối M2 và M3 có sự chênh lệch lớn về cường độ nén. Điều này giải thích là do tác dụng puzzơlan của tro bay nhiệt điện đã làm tăng cường độ nén của bê tông.
Cường độ nén ở tuổi 28 ngày của các mẫu bê tông cũng có sự thay đổi do hàm lượng tro nhiệt điện ảnh hưởng đến các phản ứng puzzơlan khi xi măng thủy hóa.
5.1.2.2. Xác định cường độ kháng trượt và cường độ bám dính nền của bê tông hạt mịn chất lượng cao
Với mục đích sử dụng để chế tạo các cấu kiện mỏng, các lớp phủ tăng cường trên bề mặt đường cao tốc và đường sân bay, tác giả đã tiến hành xác định các tính chất đặc trưng của các lớp phủ mỏng, các thí nghiệm bao gồm các tính chất:
− Xác định cường độ kháng trượt theo phương pháp phi tiêu chuẩn [17].
− Xác định cường độ bám dính nền của bê tông theo TCXD 236 : 1999.
a) Thí nghiệm xác định cường độ kháng trượt của bê tông Để đánh giá khả năng làm việc trong điều kiện chịu các tác động của các lực trượt
từ các phương tiện vận chuyển, đặc biệt là lực đẩy của máy bay khi cất cánh và hạ cách xuống đường băng sân bay, tác giả đã tiến hành xác định cường độ kháng trượt của các mẫu bê tông thí nghiệm theo phương pháp phi tiêu chuẩn [17].
3 7 14 28
87
Theo [17], mô hình thí nghiệm xác định cường độ kháng trượt của bê tông được
trình bày trên hình 5.2 và hình 5.3.
Líp bª t«ng cò
MÉu bª t«ng KÝch thñy lùcBu l«ng vÝt h·m
Khung thÐpKhung thÐp
ββ
Hình 5.2. Mô hình thí nghiệm xác định cường độ kháng trượt của bê tông
MÉu bª t«ng
Líp bª t«ng cò T¹o nh¸m mÆt tiÕp gi¸p
50
75 25100
β
Ngo¹i lùc ®Èy trù¬t
β
1002575
T¹o nh¸m mÆt tiÕp gi¸p
MÉu bª t«ng
β
F
F.cosβ
F.sinβVíi tanβ = =
50
25 1
2
Ngo¹i lùc ®Èy trù¬t
Hình 5.3. Cấu tạo của mẫu thí nghiệm kháng trượt
Mẫu bê tông thí nghiệm có cấp phối M1, M2 và M4 được chế tạo tại Viện Khoa
học Công nghệ Xây dựng, kích thước của mẫu là 10x5x5cm với góc nghiêng một đầu là
230. Hệ thống khung đẩy bằng thép được gia công theo đúng quy định về kích thước, bộ
phận chính của bộ khung đẩy này là một kích thủy lực với tải trọng là 50KN hoặc
160KN được đặt vuông góc với bề mặt của khung thép và vuông góc với bề mặt của
viên mẫu.
Mẫu thí nghiệm được bảo dưỡng theo đúng tiêu chuẩn và được xác định độ kháng
trượt với các tuổi mẫu là 14 ngày và 28 ngày
Quy trình chế tạo mẫu thí nghiệm như sau:
88
Tạo nhám bề mặt bê tông cũ
Quét lớp hồ xi măng Đặt khuôn tạo mẫu
Chế tạo mẫu Bảo dưỡng mẫu thí nghiệm Mẫu thí nghiệm kháng trượtHình 5.4. Quy trình chế tạo mẫu thử
Kết quả xác định cường độ kháng trượt của mẫu bê tông được nêu trong bảng 5.4. Bảng 5.4. Kết quả cường độ kháng trượt của mẫu bê tông
Tính chất của bê tông Các loại bê tông thí nghiệm
M1 M2 M3 Cường độ kháng trượt của bê tông ở tuổi 14 ngày, (MPa)
12,35 12,01 12,25
Cường độ kháng trượt của bê tông ở tuổi 28 ngày, (MPa)
16,80 15,0 15,25
Từ kết quả thu được ta thấy, các mẫu bê tông sử dụng cốt sợi PP có cường độ kháng trượt cao hơn khoảng 12% so với bê tông không dùng cốt sợi. Điều này chứng tỏ cốt sợi PP có tác dụng ngăn cản ứng suất trượt trên bề mặt của vật liệu và làm tăng cường độ kháng trượt của bê tông cốt sợi.
b) Xác định cường độ bám dính nền Để đánh giá khả năng liên kết của lớp phủ bê tông
hạt mịn chất lượng cao với lớp bê tông cũ trên bề mặt kết
cấu, tác giả tiến hành xác định cường độ bám dính của lớp
bê tông mới phủ trên bề mặt nền bê tông cũ theo TXCD
236 : 1999 [5]. Hình 5.5. Đúc mẫu thí nghiệm
89
Quy trình tiến hành thí nghiệm như sau: Bề mặt bê tông cũ được làm sạch, đục tạo
nhám và tưới nước trên bề mặt nhằm mục đích cung cấp đủ độ ẩm để lớp bê tông cũ
không hút mất nước của lớp bê tông mới. Tiếp đó, hỗn hợp bê tông được nhào trộn theo
đúng các loại cấp phối đã thiết kế và được đổ lên bề mặt bê tông cũ một lớp dày 5cm,
làm nhẵm bề mặt và tiến hành bảo dưỡng theo đúng quy định của tỉêu chuẩn Việt Nam.
Sau khi đến tuổi thí nghiệm, bề mặt bê tông được cắt thành những ô vuông có kích
thước 5x5cm, chiều sâu của đường cắt phải qua lớp bê tông cũ (2 ÷ 3)cm, để hình thành
mẫu thí nghiệm có kích thước 5x5x5cm.
Hình 5.6. Mẫu bê tông thí nghiệm
Hình 5.7. Xác định cường độ bám dính nền
Tiếp đó, bề mặt của những viên mẫu được làm sạch bằng đá mài và được dính với
đầu kéo của máy bằng keo Êpoxy. Khi lớp keo rắn chắc và đạt cường độ, tiến hành đặt
máy thí nghiệm và kéo mẫu.
Bảng 5.5. Kết quả cường độ bám dính nền của mẫu bê tông
Tính chất của bê tông Các loại bê tông thí nghiệm
M1 M2
Cường độ bám dính nền của bê tông ở tuổi
14 ngày, (MPa) 1,41 1,32
Cường độ bám dính nền của bê tông ở tuổi
28 ngày, (MPa) 2,65 2,34
Cường độ bám dính nền của bê tông hạt mịn chất lượng cao xác định theo phương
pháp này phù hợp với yêu cầu sử dụng thực tế của bê tông, phản ánh đúng điều kiện làm
việc của bê tông trong các kết cấu có chiều dày nhỏ, các lớp phủ mỏng và siêu mỏng.
90
5.2. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO BÊ TÔNG HẠT MỊN
Từ kết quả nghiên cứu các tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao và với
mục đích để hạt silicafume và cốt sợi polypropylene phân tán đồng đều nhất vào trong
bê tông. Tác giả xin đề xuất sơ bộ dây chuyền công nghệ sản xuất hỗn hợp bê tông và
bê tông như sau.
Sîi PPC¸t vμng Tro bay Silicafume Xi m¨ng N−íc
§Þnh l−îng§Þnh l−îng §Þnh l−îng §Þnh l−îng §Þnh l−îng §Þnh l−îng
M¸y trén khÝ nÐn
M¸y trén 2 trôc
VËn chuyÓn
B¬m, ®æ khu«n
§Þnh l−îng 70%n−íc trén
§Þnh l−îng 30%n−íc cßn l¹i
§Þnh l−îng
Phô gia siªu dÎo (trén kh«)
M¸y trén 2 trôc (trén Èm)
(trén Èm)M¸y trén 2 trôc
M¸y trén 2 trôc
HHBT
Hình 5.8. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất bê tông hạt mịn chất lượng cao
Theo sơ đồ dây chuyền công nghệ đã nêu trên: Hỗn hợp gồm cát vàng, tro bay,
silicafume và sợi polypropylene được định lượng theo tỷ lệ cấp phối đã thiết kế rồi trộn
đồng đều khô bằng máy trộn khí nén. Quá trình này nhằm mục đích tạo điều kiện tốt
nhất để các loại phụ gia khoáng mịn (tro bay), phụ gia khoáng siêu mịn (silicafume) và
cốt sợi polypropylene được đánh tan và phân tán đồng đều vào trong cấu trúc của bê
tông, tạo ra được các tính chất mong muốn.
91
Xi măng được định lượng theo khối lượng, rồi cho vào máy trộn hai trục để tiến hành trộn khô cùng hỗn hợp bột mịn. Nước và phụ gia siêu dẻo được định lượng bằng thể tích. Nước được cho vào máy trộn làm hai lần: lần thứ nhất đưa vào máy trộn khoảng 70% lượng nước nhào trộn để làm ẩm bề mặt các vật liệu thành phần của hỗn hợp bê tông nhằm tăng hiệu quả thấm ướt của phụ gia siêu dẻo sau này. Tiếp theo cho toàn bộ phụ gia siêu dẻo vào máy trộn và tiến hành trộn đồng đều. Khi thấy bề mặt các hạt vật liệu đã thấm ướt hoàn toàn bằng phụ gia siêu dẻo và nước thì cho hết 30% lượng nước còn lại vào máy rồi trộn đều đến khi hỗn hợp bê tông chảy lỏng là được. Mặc dù trong hỗn hợp bê tông có sử dụng cốt sợi phân tán nhưng do sợi PP có môn đun đàn hồi thấp, vì vậy sau khi trộn đồng đều hỗn hợp bê tông có độ chảy lớn có thể vận chuyển bằng xe chuyên dụng (xe bom) đến công trường và tiến hành thi công bê tông bằng phương pháp bơm.
Mặt khác, bê tông hạt mịn chất lượng cao dùng cốt sợi phân tán có nhiều đặc tính khác so với các loại bê tông thường, do đó trong quá trình sản xuất cần chú ý một số yêu cầu sau:
5.2.1. Quá trình nhào trộn hỗn hợp bê tông
Quá trình nhào trộn hỗn hợp bê tông là một trong những khâu quan trọng nhất khi chế tạo hỗn hợp bê tông. Quá trình này ảnh hưởng rất lớn đến tính chất, đến sự đồng nhất cấu trúc cũng như ảnh hưởng đến khả năng chảy của hỗn hợp bê tông. Trong bê tông hạt mịn chất lượng cao, với hàm lượng bột mịn lớn, chứa các loại sợi phân tán ngẫu nhiên, nên quá trình nhào trộn gặp nhiều khó khăn. Do tỷ diện tích bề mặt pha rắn
tăng lên đáng kể, đồng thời tỷ lệ CKD
N thấp tiến tới chỉ đủ để thấm ướt bề mặt cốt liệu
và đủ để thuỷ hoá xi măng nên lượng nước dư thừa ra là rất ít, do đó nội lực ma sát trong hỗn hợp bê tông lớn. Vì vậy mà cần một năng lượng nhào trộn lớn để thắng được nội lực ma sát, từ đó làm tách các hạt pha rắn ra khỏi nhau, đồng thời cũng làm cho dung dịch phụ gia siêu dẻo hoà tan đều vào hỗn hợp bê tông, làm nhiệm vụ bôi trơn bề mặt hạt pha rắn, làm tăng độ chảy của hỗn hợp. Tuy nhiên, việc sử dụng các loại phụ gia siêu dẻo cũng làm tăng khả năng cuốn khí của hỗn hợp bê tông theo thời gian nhào trộn. Do đó cần khống chế thời gian nhào trộn sao cho vừa đảm bảo khả năng đồng đều vừa không làm tăng hàm lượng pha khí trong hỗn hợp bê tông.
92
Qua kết quả nghiên cứu khảo sát ta thấy: Thời gian nhào trộn hợp lý của bê tông
này khoảng (20 ÷ 30) phút đối với máy trộn tự do và thời gian trộn này tuỳ vào công
suất của máy, tốc độ quay của cánh trộn. Tuy nhiên, để tạo ra hỗn hợp bê tông có chất
lượng tốt cần tiến hành nhào trộn trong máy trộn cưỡng bức, thời gian trộn hỗn hợp bê
tông có thể rút ngắn, còn khoảng (10 ÷ 15) phút, đảm bảo cốt sợi PP phân tán đồng đều
trong cấu trúc bê tông, giảm được lượng bọt khí cuốn vào khi nhào trộn, tăng được
cường độ của bê tông.
Quá trình nhào trộn hỗn hợp bê tông còn bị ảnh hưởng bởi hàm lượng sợi PP và
kích thước sợi PP. Hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cốt sợi cần thời
gian trộn, năng lượng trộn, tốc độ quay của cánh trộn lớn hơn, nhằm mục đích chính là
phân tán tốt cốt sợi vào cấu trúc của bê tông. Với cùng một loại sợi, khi hàm lượng cốt
sợi tăng lên, kích thước sợi lớn hơn thì quá trình nhào trộn, phân tán sợi thực hiện khó
khăn hơn. Vì vậy, cần phải lựa chọn các thông số công nghệ và quy trình trộn phù hợp
với từng loại hỗn hợp bê tông cụ thể.
5.2.2. Quá trình thi công hỗn hợp bê tông
Công tác thi công lớp phủ mỏng tăng cường bằng bê tông hạt mịn chất lượng cao
được thực hiện tuân theo “Qui định kỹ thuật về thi công và nghiệm thu lớp phủ siêu
mỏng tạo nhám siêu mỏng trên đường ô tô” theo Quyết định số 3287/QĐ-BGTVT ngày
29/10/2008 [2]. Ngoài ra, do loại bê tông này có nhiều điểm khác biệt, vì vậy cần phải
chú ý một số yêu cầu sau:
− Cần phải thiết kế chiều dày của lớp phủ tuân theo yêu cầu chịu tác động của
các loại ngoại lực cụ thể trong từng kết cấu.
− Theo [8], nếu lớp phủ được rải trên bề mặt đường hiện hữu kết cấu còn tốt,
có bề mặt tương đối bằng phẳng, sạch và không hư hỏng thì có thể sử dụng lớp phủ
dính chặt. Trong các trường hợp khác, đặc biệt là khi yêu cầu phải tăng cường đáng
kể sức chịu tải của bề mặt đường hiện hữu thì phải sử dụng lớp phủ không dính.
− Khi thi công lớp phủ mỏng bê tông hạt mịn chất lượng cao trên bề mặt đuờng
bê tông át phan cần chú ý quá trình làm sạch bề mặt kết cấu, tạo nhám để tăng liên
kết với phần bê tông mới.
93
− Theo [9] khi dùng bê tông hạt mịn chất lượng cao để thi công mặt đường
cứng của sân bay cần phải rất chú ý đến quá trình bảo dưỡng và sửa chữa các khe
nối trên mặt đường.
− Mặc dù trong kết cấu bê tông có sử dụng cốt sợi gián đoạn nhưng vì trong
cấu trúc bê tông không có cốt liệu thô nên chúng có độ dẻo cao, dễ đổ khuôn, giảm
được năng lượng đầm chặt. Trong thực tế, quá trình đầm chặt hỗn hợp bê tông có
thể tăng độ đặc chắc của cấu trúc bê tông nhưng chúng lại có thể ảnh hưởng đến sự
định hướng của sợi trong cấu trúc (có thể làm sợi nổi lên trên bề mặt của kết cấu
theo hồ xi măng), do đó cần có các biện pháp đầm nèn hỗn hợp bê tông hợp lý,
nhằm mục đích hạn chế pha khí, giảm các tác động không tốt cho sự định hướng
của cốt sợi trong kết cấu bê tông.
5.2.3. Quá trình dưỡng hộ bê tông
Do trong thành phần của bê tông hạt mịn không có cốt liệu lớn, lượng xi măng
nhiều, vì vậy mục đích sử dụng của loại bê tông này là để chế tạo các kết cấu có chiều
dày nhỏ hoặc dùng làm các lớp phủ mỏng tăng cường trên bề mặt của kết cấu. Sau khi
chế tạo cấu kiện bằng loại bê tông này cần phải có các biện pháp dưỡng hộ. Có thể thực
hiện dưỡng hộ tự nhiên hoặc dưỡng hộ nhiệt ẩm để đảm bảo quá trình thuỷ hoá tốt cho
bê tông đồng thời trong quá trình rắn chắc bê tông hạt mịn giảm các khuyết tật do ứng
suất nhiệt hoặc co ngót.
Nhận xét chương 5 Từ các kết quả nghiên cứu các tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao, tác
giả rút ra một số Nhận xét sau:
− Hỗn hợp bê tông thí nghiệm có độ chảy lớn (28cm) đảm bảo khả năng tự lèn.
− Bê tông với cấp phối tốt ưu có cường độ nén cao (tuổi 28 ngày đạt 90MPa),
cường độ kéo khi uốn lớn (32,9MPa), cường độ kháng trượt cao (16,8MPa)
− Bằng thực nghiệm cho thấy, bê tông hạt mịn chất lượng cao có cường độ
bám dính nền lớn (2,65MPa), thích hợp để chế tạo các lớp phủ mỏng và siêu mỏng
trên các loại mặt đường hiện hữu.
94
1. KẾT LUẬN CHUNG
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cho mặt đường sân bay, tác giả rút ra những Nhận xét sau:
1. Từ những loại vật liệu thông thường sẵn có ở trong nước, có thể chế tạo được bê tông hạt mịn chất lượng cao (độ chảy của hỗn hợp bê tông D = 25÷ 28cm, cường độ nén từ 60MPa ÷ 90MPa).
2. Với cùng một cấp phối thí nghiệm, bê tông sử dụng cốt sợi polypropylene có cường độ kéo khi uốn cao hơn 72% so với bê tông không sử dụng cốt sợi.
3. Bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cốt sợi có cường độ kháng trượt cao (16,80MPa), cường độ bám dính vào nền bê tông cũ lớn (2,65MPa), thích hợp dùng để chế tạo các lớp phủ mỏng và siêu mỏng trên bề mặt của kết cấu hoặc dùng để sửa chữa các hư hỏng công trình
4. Trong quá trình nghiên cứu thí nghiệm, mẫu đối chứng không có cốt sợi phá hủy rất nhanh sau khi tải trọng đạt đến giá trị giới hạn. Bên cạnh đó, ở mẫu bê tông có cốt sợi thì vết nứt hình thành chậm, vết nứt mở rộng từ từ và mẫu thử sau khi phá hủy không bị gãy rời. Điều đó chứng tỏ cốt sợi đã phát huy tốt khả năng làm việc của chúng.
5. Do sử dụng lượng tro bay nhiệt điện lớn (60%) và tỷ lệ XN thấp, nên bê tông hạt
mịn chất lượng cao có cường độ phát triển chậm ở các tuổi sớm ( tuổi 7 ngày cường độ nén đạt 50% cường độ tiêu chuẩn). 2. KIẾN NGHỊ
Qua quá trình nghiên cứu, tác giả xin đưa ra một số kiến nghị như sau:
− Từ cấp phối bê tông hạt mịn tìm được, cần tiến hành nghiên cứu thêm về dây chuyền công nghệ chế tạo thích hợp, có tính thực tế cao.
− Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại cốt sợi gián đoạn khác nhau (sợi các bon, sợi thép, sợi tổng hợp,…) đến các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông hạt mịn chất lượng cao.
− Nghiên cứu thêm các tính chất về co ngót, biến dạng của bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cốt sợi và xác định khả năng liên kết của lớp bê tông hạt mịn chất lượng cao với lớp mặt đường bê tông át phan.
95
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] NCS. Nguyễn Thanh Bình, TS. Trần Bá Việt (2006), “Bê tông trang trí cốt
sợi thép phân tán để tu bổ lớp mặt đường công trình di tích”, Người Xây Dựng, tháng 7/2006 (177), tr 47÷ 49.
[2] Bộ Giao Thông Vận Tải (2008) “Qui định kỹ thuật về thi công và nghiệm thu lớp phủ siêu mỏng tạo nhám siêu mỏng trên đường ô tô” theo Quyết định số 3287/QĐ-BGTVT, ngày 29/10/2008.
[3] Bộ Xây dựng (2006), “Cốt liệu cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật”,TCVN 7570:2006, Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam, NXB Xây dựng, Hà Nội.
[4] Bộ Xây dựng (2006), “Cốt liệu cho bê tông và vữa - Phương pháp thử”, TCVN 7572:2006, Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam, NXB Xây dựng, Hà Nội.
[5] Bộ Xây dựng (2001), “Lớp phủ mặt kết cấu xây dựng – Phương pháp kéo đứt thử độ bám dính nền”, TCXD 236:1999, Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam, NXB Xây dựng, Hà Nội.
[6] Bộ Xây dựng (2001), “Tập VIII -Vật liệu xây dựng và sản phẩm cơ khí xây dựng, Tập X -Phương pháp thử”, Tuyển tập tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam,NXB Xây dựng, Hà Nội.
[7] PGS.TS. Bùi Văn Bội, GVC.TS. Vũ Đình Đấu (2004), Vi cốt liệu trong cấu trúc bê tông, bài giảng dành cho Cao học Vật liệu Xây dựng, Trường Đại học Xây Dựng, Hà Nội.
[8] PGS. Nguyễn Quang Chiêu (2008), Bê tông cốt sợi và bê tông cốt sợi thép,NXB Giao Thông Vận Tải, Hà Nội.
[9] PGS. Nguyễn Quang Chiêu (2005), Thiết kế và Xây dựng mặt đường Sân bay, NXB Xây Dựng, Hà Nội.
[10] GVC.TS. Bùi Danh Đại (2010), Phụ gia khoáng hoạt tính cao cho bê tông chất lượng cao, Bài giảng dành cho Cao học Vật liệu Xây dựng, Trường Đại học Xây Dựng, Hà Nội.
[11] GVC.TS. Vũ Đình Đấu, GVC.TS. Bùi Danh Đại (2007), Công nghệ chất kết dính vô cơ, NXB Xây Dựng, Hà Nội.
[12] PGS.TS. Phạm Hữu Hanh, ThS. Tống Tôn Kiên (2009), Nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn sử dụng trong công trình biển, Tài liệu thạc sỹ kỹ thuật-Trường Đại học Xây dựng, Hà Nội.
[13] PGS.TS. Phạm Hữu Hanh (2009), Bê tông cường độ cao – Bê tông chất lượng cao, bài giảng dành cho học viên Cao học Vật liệu Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng, Hà Nội.
[14] TS. Phạm Hữu Hanh (2007), Vật liệu hiệu quả trong xây dựng các công trình giao thông, NXB Xây Dựng, Hà Nội.
[15] TS. Phạm Hữu Hanh, ThS. Nguyễn Văn Tuấn (2005), “Nghiên cứu chế tạo bê tông mác 1000 dùng trong xây dựng hiện đại”, báo cáo hội nghị khoa học công nghệ lần thứ 14, Trường Đại học Xây dựng, Hà Nội, tr 147÷153.
96
[16] GS.TSKH. Phùng Văn Lự, PGS.TS. Phạm Duy Hữu, Phan Khắc Trí (2006), Vật liệu xây dựng, NXB Giáo Dục, Hà Nội.
[17] KS. Hồ Trọng Mạnh (2008), “Ứng dụng bê tông mác cao sửa chữa sàn Hangar máy bay”, Báo cáo Hội nghị khoa học cán bộ trẻ lần thứ X chào mừng kỳ niệm 45 năm thành lập Viên KHCN Xây dựng, Hà Nội, tr 397÷ 403.
[18] TS. Nguyễn Như Quý (2009), Lý thuyết về công nghệ bê tông xi măng, Bài giảng dành cho Cao học Vật liệu Xây dựng, Trường ĐH Xây dựng, Hà Nội.
[19] PGS.TS. Nguyễn Tấn Quí, TS. Nguyễn Thiện Ruệ (2007), Công nghệ bê tông xi măng tập I và tập II, NXB Giáo Dục, Hà Nội.
[20] GS.TSHK. Nguyễn Minh Tuyển (2007), Giáo trình Phương pháp Quy hoạch thực nghiệm, NXB Xây Dựng, Hà Nội.
[21] PGS.TS. Nguyễn Viết Trung, TS. Nguyễn Ngọc Long (2005), Giáo trình Bê tông cốt sợi thép, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội.
[22] PGS.TS. Phạm Cao Thăng (2007), Tính toán thiết kế mặt đường Sân bay và đường ô tô, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội.
Tài liệu tiếng Anh [23] Best Practices for Airport (2003), Portland Cement Concrete Pavement
Construction, April – 2003. [24] Introduction Properties Polypropylene Polyme Fiber for Concrete and mortar
(2006), http://www.alibaba.com/showroom/pp-fiber-for-concrete.html. [25] National cooperative highway research program (NCHRP synthesis 338)
(2004), Thin and ultra-thin Whitetopping, Asynthesis of Highway practice, Washington, D.C.
[26] Scott Murison, EIT and Ahmed Shalaby, P.Eng. Department of Civil Engineering University of Manitoba, Winnipeg, Manitoba (2002), ultra-thin whitetopping in canada: state-of-practice,Tim Smith, P.Eng. Cement Association of Canada, Ottawa.
[27] The Chemical Company BASF (2010), Formerly known as GLENIUM®
ACE 388 SURETEC, Http://www.hoachat.joboutlets.com/2008/10/phu-gia-cho-be-tong-va-vua.
[28] The International Conference on Best Practices for ultra thin and thinWhitetoppings (2005), Thin Whitetopping Application at Williamsburg Regional, Airport and Other Thin Whitetopping Airport Applications.
[29] Ultra-thin concrete Whitetopping (2005), The best solution for Today’s Overlay Projects, For more information, contact your local ready-mix supplier/contractor. Or call the American Concrete Pavement Association or National Ready Mixed Concrete Association.
[30] Ultra high performance Fiber Reinforced concretes (2004), Presentation by Serge Montens, using documents from Bouygues-VSL, Eiffage and Vinci companies.