Nghiên cứu cấp phối cốt liệu lớn của bê tông bằng phương pháp thí nghiệm trực giao

Bài viết Nghiên cứu cấp phối cốt liệu lớn của bê tông bằng phương pháp thí nghiệm trực giao đánh giá sự ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu lớn đến độ sụt và cường độ của bê tông bằng phương pháp quy hoạch trực giao và các thí nghiệm trong phòng.

Công nghiệp rừng NGHIÊN CỨU CẤP PHỐI CỐT LIỆU LỚN CỦA BÊ TƠNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM TRỰC GIAO Đặng Văn Thanh1, Phạm Văn Tỉnh2 1,2 TS Trường Đại học Lâm nghiệp TÓM TẮT Bài viết đánh giá ảnh hưởng cấp phối cốt liệu lớn đến độ sụt cường độ bê tông phương pháp quy hoạch trực giao thí nghiệm phòng Từ loại nguyên vật liệu lựa chọn, sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm, tiến hành thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông Sau đó, cố định hàm lượng thành phần vật liệu (cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, xi măng nước) theo thiết kế, điều chỉnh cấp phối cốt liệu lớn theo mức nằm giới hạn cho phép, nhào trộn hỗn hợp xác định độ sụt chế tạo mẫu xác định cường độ chịu nén Kết nghiên cứu rằng, ảnh hưởng cấp phối cốt liệu lớn đến độ sụt cường độ chịu nén rõ rệt; đề xuất với loại bê tông sử dụng vật liệu tương tự, khoảng tối ưu hàm lượng cốt liệu lớn mặt sàng là: A20 = 5%, A10 = 50 - 60% A5 = 95% Từ khóa: Cấp phối cốt liệu, cường độ bê tơng, độ sụt, thí nghiệm trực giao I ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thiết kế thành phần bê tơng việc xác định cấp phối cốt liệu tính chất kỹ thuật cốt liệu đặc biệt quan trọng, ảnh hưởng lớn đến đặc tính kỹ thuật bê tơng thiết kế Nghiên cứu Baalbaki cộng (1991) rõ: Khi hàm lượng cốt liệu lớn theo thể tích 20%, cường độ chịu kéo uốn chịu nén bê tông nhỏ vữa xi măng; nằm khoảng 30 – 40%, cường độ chịu kéo uốn chịu nén bê tông thấp nhất; sau đó, theo mức độ tăng của hàm lượng cốt liệu lớn, cường độ mô đun đàn hồi bê tông tăng lên Wang Zemin cộng (1995) cho rằng: Sự ảnh hưởng hàm lượng cốt liệu lớn đến cường độ chịu kéo uốn cường độ chịu nén bê tông khác nhau; tỉ lệ nước – xi măng, hàm lượng cốt liệu lớn nhỏ, có lợi cho khả chịu kéo uốn bê tông, cường độ chịu nén bê tông đạt giá trị cao hàm lượng cốt liệu lớn khoảng 68% đến 80%; kết hợp điều kiện tỉ lệ thể tích cốt liệu lớn nên khống chế khoảng 74% đến 78% Turan cộng (1997) cho rằng: Sự ảnh hưởng hàm lượng cốt liệu lớn đến cường độ chịu nén cấp 72 bê tông khác nhau; với bê tông thường, hàm lượng cốt liệu lớn nên lấy 50%, bê tông cường độ cao nên lấy 60%; hàm lượng cốt liệu lớn cao thấp q khơng có lợi Alain Derris (2002) qua kết thí nghiệm ảnh hưởng hàm lượng cốt liệu lớn đến tính cơng tác hỗn hợp bê tơng, cho rằng: Khi vữa xi măng có cường độ khoảng 20MPa, hàm lượng đường kính cốt liệu lớn tham số ảnh hưởng rõ rệt Ở Trung Quốc, nghiên cứu Tô Khai Vĩ (2005) cho rằng: Hàm lượng cốt liệu lớn có quan hệ với cường độ chịu kéo uốn bê tông, với loại bê tông khác nhau, hàm lượng cốt liệu lớn khác nhau: Với bê tông cường độ cao 50% 60%, bê tơng cường độ trung bình 35 - 50%, với bê tông cường độ thấp ảnh hưởng khơng đáng kể; Hình Phong cộng (2001) qua kết thí nghiệm trực giao (quy hoạch thực nghiệm), đưa mơ hình tốn ảnh hưởng hàm lượng cốt liệu lớn đường kính cốt liệu lớn nhất, cho rằng: Hàm lượng cốt liệu lớn có ảnh hưởng rõ rệt với bê tơng cường độ cao Ở Việt Nam, nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố cốt liệu đến tính bê tơng xi măng cịn hạn chế, chưa mang tính hệ thống; chưa có báo cáo khoa học ảnh TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2016 Công nghiệp rừng hưởng cấp phối cốt liệu lớn II NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên vật liệu Chất kết dính: Sử dụng xi măng pooc lăng PC 30 sản xuất Nhà máy xi măng Lương Sơn – Hịa Bình – Việt Nam Các thông số kỹ thuật loại xi măng thỏa mãn quy định Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 2682: 2009), thể bảng 01 Bảng 01 Một số tiêu kỹ thuật xi măng PC-30 TT Chỉ tiêu kỹ thuật Trị số Giới hạn bền nén: - Sau ngày ± 45 phút ≥ 16 N/mm2 - Sau 28 ngày ± ≥ 30 N/mm2 Thời gian đông kết - Bắt đầu ≥ 45 phút - Kết thúc ≤ 375 phút Độ nghiền mịn, xác định theo: - Phần cịn lại sàng kích thước lỗ 0,09 mm ≤ 15% - Bề mặt riêng, phương pháp Blaine ≥ 2800 cm2/g Cốt liệu: Sử dụng cốt liệu nhỏ loại cát vàng Sông Hồng, khai thác khu vực Sơn Tây – Hà Nội – Việt Nam; cốt liệu lớn loại đá dăm khai thác chế biến từ mỏ đá Hòa Thạch – Quốc Oai – Hà Nội; thông số kỹ thuật cốt liệu thỏa mãn quy định D (kg/m ) 1140 Tiêu chuẩn Việt Nam Thành phần bê tông: Áp dụng phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm để thiết kế thành phần bê tông B15; kết lựa chọn thành phần vật liệu cấp phối cốt liệu lớn thể bảng 02a bảng 02b Bảng 02a Lựa chọn thành phần vật liệu chế tạo bê tông C (kg/m3) X (kg/m3) 765 390 N (lít) 195 Bảng 02b Cấp phối cốt liệu lớn chế tạo bê tông A20(0%) A10(0%) A5(0%) 55 93 2.2 Phương pháp nghiên cứu Dựa sở kết thiết kế thành phần bê tông; việc điều chỉnh hàm lượng nhóm hạt cốt liệu lớn, tiến hành chế tạo mẫu làm thí nghiệm xác định độ sụt hỗn hợp bê tông cường độ chịu nén bê tông; thông qua kết thí nghiệm, phân tích tổng hợp đánh giá ảnh hưởng đến độ sụt cường độ 2.2.1 Phương pháp thí nghiệm trực giao Để đánh giá ảnh hưởng cấp phối cốt liệu lớn đến tính chất bê tơng, nhóm tác giả sử dụng phương pháp thí nghiệm trực giao Thiết kế thí nghiệm trực giao (Orthogonal experimental design) phương pháp nghiên cứu thí nghiệm ảnh hưởng nhiều yếu tố với nhiều mức thí nghiệm Dựa sở phương pháp thiết kế thí nghiệm khoa học, phương pháp trực giao có ưu điểm giảm thiểu số lượng thí nghiệm, từ giảm cơng sức kinh phí làm thí nghiệm Thực tế cho thấy, phương pháp thí nghiệm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2016 73 Cơng nghiệp rừng hiệu quả, nhanh chóng kinh tế Trình tự thiết kế phân tích kết thí nghiệm theo phương pháp thí nghiệm trực giao gồm bước: - Thiết kế phương án thí nghiệm; - Tiến hành thí nghiệm; - Phân tích kết thí nghiệm 2.2.2 Phương án thí nghiệm trực giao Trên sở khoảng cho phép tiêu chuẩn trị số lượng sót tích lũy cốt liệu lớn mặt sàng 20 mm, 10 mm mm, lựa chọn yếu tố ảnh hưởng tương ứng với cỡ sàng (ký hiệu: A20, A10 A5) Tại cỡ sàng lựa chọn trị số lượng sót tích lũy làm mức thí nghiệm yếu tố Cụ thể thể bảng 03 Bảng 03 Các yếu tố mức thí nghiệm trực giao Yếu tố thí nghiệm Mức thí nghiệm A20 (%) A10 (%) A5 (%) 0,0 40 90,0 3,3 50 93,3 6,6 60 96,6 10,0 70 100,0 Dựa phương pháp thiết kế thí nghiệm trực giao, lựa chọn bảng trực giao yếu tố mức thí nghiệm, tiến hành thiết kế thí nghiệm có 16 tổ hợp thí nghiệm Kết cụ thể thể bảng 04 Bảng 04 Thiết kế phương án thí nghiệm trực giao Tổ hợp thí A20 A10 A5 nghiệm 1（0%） 1（40%） 1（90%） 2（50%） 2（93,3%） 3（60%） 3（96,6%） 4（70%） 4（100%） 10 11 12 13 14 15 16 2（3,3%） 2 3（6,6%） 3 4（10%） 4 4 4 4 Theo kết thiết kế thành phần bê tơng phương án thí nghiệm, chế tạo mẫu bê tông, xác định độ sụt cường độ chịu nén Mỗi tổ hợp thí nghiệm chế tạo khơng mẫu 74 (TCVN 3106: 1993 TCVN 3118: 1993) Từ số lượng lớn kết thí nghiệm, phân tích đánh giá ảnh hưởng cấp phối cốt liệu lớn đến độ sụt cường độ chịu nén; đồng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2016 Công nghiệp rừng thời lựa chọn giá trị tối ưu 3.1 Kết thí nghiệm trực giao 2.2.3 Thí nghiệm xác định độ sụt cường độ chịu nén Dựa vào phương án thí nghiệm trực giao thiết kế quy trình thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm xác định độ sụt cường độ chịu nén Kết trung bình độ sụt (S) cường độ chịu nén (Rb) tổ hợp mẫu thí nghiệm ghi bảng 05 Độ sụt hỗn hợp cường độ chịu nén bê tông xác định theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 3106: 1993 TCVN 3118: 1993) III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Bảng 05 Kết thí nghiệm trực giao Tổ thí nghiệm 10 11 12 13 14 15 16 Yêu cầu A20 A10 A5 S (cm) Rb (MPa) 1（0%） 1 2（3,3%） 2 3（6,6%） 3 4（10%） 4 1（40%） 2（50%） 3（60%） 4（70%） 4 1（90%） 2（93,3%） 3（96,6%） 4（100%） 4 4,4 4,4 4,3 4,3 4,3 4,2 4,2 4,1 4,0 4,1 4,0 3,9 3,6 3,7 3,5 3,5 ≥3 20,3 21,8 21,8 21,0 21,5 23,0 22,8 22,7 22,6 23,0 22,8 22,6 21,8 21,9 21,7 21,4 ≥ 20 3.2 Phân tích phương án tối ưu Từ kết bảng 05 cho thấy, nhóm mẫu thí nghiệm có độ sụt cường độ chịu nén thỏa mãn yêu cầu tiêu chuẩn Điều chứng tỏ với cốt liệu lớn, phạm vi biến thiên cho phép lượng sót tích lũy mặt sàng mà tiêu chuẩn quy định đảm bảo thỏa mãn tiêu loại bê tơng thiết kế, có độ sụt cường độ chịu nén Tuy nhiên, từ kết bảng 05 cho thấy, hàm lượng cỡ hạt thay đổi độ sụt cường độ bê tơng thay đổi Để đánh giá mức độ thay đổi này, chúng tơi sử dụng phương pháp phân tích phương sai, kết phân tích thể bảng 06 bảng 07 Bảng 06 Tổng hợp phân tích kết thí nghiệm trực giao Chỉ tiêu S (cm) Tham số phân tích thống kê A20 A10 A5 K1 69,3 65,6 64,7 K2 67,0 65,0 64,3 K3 63,9 64,0 64,1 K4 Phương sai Phương án tối ưu 57,2 5,1781 62,8 0,2819 A20-1 A10-1 A5-1 64,3 0,0119 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2016 75 Cơng nghiệp rừng Rb (MPa) K1 339,9 345,0 350,8 K2 360,2 359,2 350,2 K3 363,6 356,0 355,2 K4 347,2 350,7 354,7 Phương sai 23,0717 7,2767 1,2567 Phương án tối ưu A20-3 A10-2 A5-3 Ghi chú: K1 - K4 trị số tương ứng với tổng giá trị lần thí nghiệm mức thí nghiệm Bảng 07 Phương án tối ưu tương ứng với tiêu Phương án tối ưu (%) Chỉ tiêu tính A20 A10 A5 Độ sụt, S 40 90 Cường độ chịu nén Rb 6,6 50 96,6 Từ kết bảng 06 bảng 07 cho thấy: với tiêu độ sụt, phương án tối ưu tương ứng với lượng sót tích lũy cỡ sàng nhỏ phạm vi cho phép Điều hoàn toàn hợp lý, lượng sót tích lũy cỡ sàng nhỏ đồng nghĩa với lượng lọt qua sàng lớn cốt liệu lớn chứa nhiều hạt có kích thước nhỏ Khi bê tông chứa nhiều cốt liệu hạt nhỏ độ sụt tăng lên Phương án tối ưu: A20-1 (A20 = 0%), A10-1 (A10 = 40%) A5-1(A5 = 90%) Với tiêu cường độ chịu nén, phương án tối ưu lượng sót tích lũy mặt sàng A20-3 (A20 = 6,6%), A10-2 (A10 = 50%) A53(A5 = 6,6%) Điều hoàn toàn hợp lý, hàm lượng hạt có kích thước lớn cốt liệu lớn tăng phạm vi làm tăng cường độ bê tơng; hàm lượng hạt lớn vượt giới hạn (khi hạt cốt liệu nhỏ khơng đủ lấp đầy lỗ rỗng hạt cốt liệu lớn) làm giảm cường độ bê tơng Tổng hợp phân tích kết thí nghiệm, sở thỏa mãn độ sụt cho phép theo tiêu chuẩn nâng cao cường độ bê tơng, với loại bê tơng có cường độ chịu nén thiết kế Rb = 20 MPa, sử dụng cốt liệu lớn đá dăm - 20 mm, cốt liệu nhỏ cát vàng xi măng PC - 30 lựa chọn khoảng tối ưu lượng sót tích lũy 76 cốt liệu lớn mặt sàng là: A20 = 5%, A10 = 50 - 60% A5 = 95% IV KẾT LUẬN Cấp phối cốt liệu lớn có ảnh hưởng rõ rệt đến độ sụt cường độ chịu nén bê tông; Khi hàm lượng cỡ hạt nằm khoảng cho phép tiêu chuẩn, độ sụt hỗn hợp cường độ chịu nén bê tông biến đổi không nhiều thỏa mãn trị số yêu cầu; Với loại bê tông sử dụng vật liệu tương tự cấp tương đương B15, khoảng tối ưu lượng sót tích lũy cốt liệu lớn mặt sàng là: A20 = 5%, A10 = 50 - 60%) A5 = 95%) TÀI LIỆU THAM KHẢO Alain Denis (2002) Effect of coarse aggregate on the workability of sanderete Cement and Concrete Researeh, 32 (5): 701-706 Baalbaki, Walid, et al (1991) Influence of coarse aggregate on elastic properties of High-performance concrete ACI Material Joumal Turan, ozturan, cangizhanlecen (1997) Effect of coarse aggregate type on mechanical properties of concrete with different strengths Cement and Concrete Research, vol.27, no.2 Wang zemin, etal (1995) Development of Rapid Hardening and Early-strength cement concrete for Highway pavemenis ZNDICPT’95, Proceeding 宋开伟 (2005) 粗集料对混凝土抗折强度影响的研究 重庆大学 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2016 Công nghiệp rừng RESEARCH ON COARSE AGGREGATE GRADED OF CONCRETEBY ORTHOGONAL EXPERIMENT METHOD Dang Van Thanh, Pham Van Tinh SUMMARY This study evaluates the effect of coarse aggregate gradation on slump of mixture and compressive strength of concrete by using orthogonal experiment method and experimental methods in laboratory Based on the selected materials in this study, the concrete component was designed by both theoretical and empirical method to create the contents of the concrete mixture Afterwards, the rate of large dimension materials are fixed as designed (coarse aggregate, fine aggregate, cement and water), the coarse aggregate gradation is changed by different levels within permissible boundary in order to determine the slump of the concrete mixtures and to create the concrete samples for testing the compressive strength The results show that, the effects of the coarse aggregate gradation on slump are singnificant For concrete mixturesusing similar materials, the optimal volume of coarse aggregate gradation are about A20 = 5%, A10 = 50 - 60%, and A5 = 95% Keywords: Aggregate gradation, concrete strength, orthogonal experiment, slump Người phản biện Ngày nhận Ngày phản biện Ngày định đăng : TS Nguyễn Việt Anh : 27/10/2015 : 19/11/2015 : 15/12/2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2016 77 ... tích kết thí nghiệm theo phương pháp thí nghiệm trực giao gồm bước: - Thiết kế phương án thí nghiệm; - Tiến hành thí nghiệm; - Phân tích kết thí nghiệm 2.2.2 Phương án thí nghiệm trực giao Trên... dụng phương pháp thí nghiệm trực giao Thiết kế thí nghiệm trực giao (Orthogonal experimental design) phương pháp nghiên cứu thí nghiệm ảnh hưởng nhiều yếu tố với nhiều mức thí nghiệm Dựa sở phương. .. vật liệu cấp phối cốt liệu lớn thể bảng 02a bảng 02b Bảng 02a Lựa chọn thành phần vật liệu chế tạo bê tông C (kg/m3) X (kg/m3) 765 390 N (lít) 195 Bảng 02b Cấp phối cốt liệu lớn chế tạo bê tông