Chuyên đề số 5 Cấp phối bê tông đầm lăn thi công đập Định Bình

Do hàm lượng vữa vật liệu kết dính trong bê tông đầm lăn tương đối ít nên tính kết dính của hỗn hợp tương đối kém, BTĐL có phương pháp thi công giống như thi công đắp vật liệu cát, đất đ

Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn

Trường Đại học Thủy lợi

BáO CáO KếT QUả:

TổNG KếT THIếT Kế - THI CÔNG ĐậP BÊ TÔNG ĐầM LĂN ĐịNH BìNH

Chuyên đề số 5 Cấp phối bê tông đầm lăn

Chủ nhiệm đề tài: PGS TS Phạm Văn Quốc Chủ trì chuyên đề: TS Nguyễn Như Oanh PGS TS Hoàng Phó Uyên

NỘI DUNG

A- NGUYÊN LÝ CẤP PHỐI BÊ TÔNG ĐẦM LĂN

I KHÁI QUÁT

II PHÂN LOẠI CẤP PHỐI BTĐL

2.1 Vữa vật liệu kết dính cố kết cát, đá trong BTĐL

2 2 Loại bê tông đầm lăn khô, nghèo

2 3 Bê tông đầm lăn có hàm lượng bột tro bay cao

III NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ CẤP PHỐI BTĐL

3.1 Đặc điểm của thiết kế cấp phối

3.2 Nguyên tắc thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn

3.2.1 Thiết kế cấp phối theo nguyên tắc của bê tông truyền thống

3.2.2 Thiết kế cấp phối theo nguyên tắc xác định những tham số cấp phối bê tông

3.3 Nguyên lý thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn

3.3.1 Nguyên lý của vật liệu đất

3.3.2 Nguyên lý của bê tông

3.3.3 Liên hệ giữa hai nguyên lý

3.3.4 Một số căn cứ để tính toán thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông đầm lăn

IV PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI RCC

4.1 CÁC BƯỚC THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG ĐẦM LĂN

4.1.1 Thu thập tài liệu cần thiết để thiết kế cấp phối

4.1.2 Thiết kế Cấp phối sơ bộ

4.1.3 Xác định cấp phối trong phòng Thí nghiệm

4.1.4 Điều chỉnh lại cấp phối phù hợp với thực tế vật liệu hiện trường

4.1.5 Thí nghiệm đầm nén hiện trường để đưa ra Cấp phối thi công

4.2.1 Phương pháp Thiết kế Cấp phối RCC của Trung Quốc

4.2.1.1 Xác định sơ bộ các tham số cấp phối

4.1.1.2 Tính toán lượng dùng vật liệu trong 1m 3 bê tông đầm lăn

4.2.2 Phương pháp Thiết kế Cấp phối RCC của Mỹ

4.2.2.1 Phương pháp giầu hồ của Cục khẩn khoang Hoa Kỳ

4.3 QUI TRÌNH THIẾT KẾ CẤP PHỐI RCC CHO ĐẬP ĐỊNH BÌNH

B- CẤP PHỐI BÊ TÔNG ĐẦM LĂN CỦA ĐẬP ĐỊNH BÌNH

I Yêu cầu Thiết kế về bê tông dùng cho đập Định Bình

II Vật liệu dùng bê tông đầm lăn đập Định Bình

III Tính toán Cấp phối bê tông đầm lăn đập Định Bình

3.1 Phương pháp tính toán Cấp phối BTĐL:

3.2 Kết quả tính toán sơ bộ ban đầu Cấp phối BTĐL ở trong phòng:

A- NGUYÊN LÝ CẤP PHỐI BÊ TÔNG ĐẦM LĂN

I KHÁI QUÁT

Đập bê tông đầm lăn là loại bê tông có sự khác biệt so với bê tông dẻo thông thường

Nó có lượng dùng cát lớn, lượng dùng xi măng nhỏ, thường dùng lượng vật liệu hỗn hợp với

tỷ lệ lớn Hỗn hợp BTĐL không có tính dẻo, hiện rõ trạng thái phân tán, rời rạc, nhưng hỗn hợp BTĐL vẫn có những đặc điểm giống như bê tông thông thường là sau khi đầm lèn chặt,

nó cũng ngưng kết và cứng hoá Đặc biệt là vật liệu kết dính qua quá trình thuỷ hoá sinh ra các sản phẩm dính kết các hạt cốt liệu thành một thể hoàn chỉnh, cường độ cũng tăng liên tục theo tuổi của bê tông Do hàm lượng vữa vật liệu kết dính trong bê tông đầm lăn tương đối ít nên tính kết dính của hỗn hợp tương đối kém, BTĐL có phương pháp thi công giống như thi công đắp vật liệu cát, đất đá, cho nên có thể xem hỗn hợp bê tông đầm lăn như là loại vật liệu hỗn hợp cát, đất, đá Đó là tổng hợp các hệ rắn, thể lỏng, và thể khí Sự đầm lèn của hỗn hợp BTĐL để tăng độ chặt khác so với bê tông thông thường, đó là dùng đầm rung lèn chặt từng tầng bê tông Hỗn hợp BTĐL được máy đầm rung, chấn động và tác dụng của lực nén làm chặt lại, có thể tích rắn chắc, làm vị trí các hạt khi rắn chắc sẽ đạt tới vị trí mới, sinh ra sự thay đổi vị trí tương đối giữa các hạt tiếp xúc lẫn nhau Các hạt nhỏ bị dồn lèn lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt lớn, không khí trong lỗ rỗng bị dồn đẩy ra ngoài Hỗn hợp bê tông dần dần

bị lèn chặt Ngoài ra vữa vật liệu kết dính trong hỗn hợp BT có tính thay đổi khi tiếp xúc, trong khi đầm lèn do sự thay đổi sự keo kết mà dung dịch keo gọi là "hoá lỏng" nên có tính lưu động nhất định, dần dần lấp đầy lỗ rỗng, làm không khí bị đẩy ra ngoài Do vậy, độ đầm lèn chặt của bê tông đầm lăn ngoài có đặc điểm cơ bản giống bê tông thông thường còn có một số đặc tính giống như thi công như đầm lèn vật liệu đất

Chính vì hỗn hợp bê tông đầm lăn và BTĐL sau khi cứng hoá có một số đặc tính giống như bê tông và vật liệu hỗn hợp cát, đất, đá, nên tỷ lệ phối hợp bê tông đầm lăn có thể tiến hành thiết kế cơ bản theo nguyên lý của bê tông thông thường, cũng có thể tiến hành thiết kế gần như vật liệu đất đắp Các nguyên lý, phương pháp thiết kế bê tông đầm lăn được xem hỗn hợp BTĐL như là bê tông thông thường, cường độ bê tông và các tính năng khác có thể tuân theo mối quan hệ với tỷ lệ N/CKD được Abrams thành lập từ năm 1918

Trong hỗn hợp bê tông cần yêu cầu có lượng vữa đầy đủ để nhét đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn, thì hỗn hợp bê tông mới được lèn chặt hoàn toàn, bê tông mới không có lỗ rỗng Nguyên lý, phương pháp thiết kế đầm đất sẽ xem hỗn hợp bê tông đầm lăn như là loại đất giầu xi măng Thiết kế tỷ lệ phối hợp của nó dựa vào quan hệ giữa độ chặt, hàm lượng nước và căn cứ vào máy móc ở hiện trường có thể xác định được khả năng đầm chặt của hỗn hợp ứng với hàm lượng nước tối ưu

Nhưng hỗn hợp bê tông sau khi lèn chặt, lượng bột vữa thông thường không thể lấp đầy được lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu

Thiết kế cấp phối chính là việc nghiên cứu tính toán lý thuyết sau đó tiến hành thử nghiệm kiểm chứng trong phòng thí nghiệm để lựa chọn được tỷ lệ hợp lý các thành phần của hỗn hợp bê tông đầm lăn Cũng như bê tông truyền thống , tỷ lệ cấp phối phụ thuộc vào những yêu cầu về kỹ thuật của bê tông đầm lăn mà các nhà thiết kế công trình yêu cầu Cụ thể đối với các đập trọng lực thì bê tông đầm lăn phải đạt được cường độ, độ chống thấm nước và đảm bảo độ bền vững của kết cấu công trình Việc tính toán thiết kế hợp lý các tỷ lệ của hỗn hợp bê tông đầm lăn là một khâu quan trọng để có được sản phẩm bê tông đầm lăn chất lượng cao, vừa đảm bảo kinh tế tiết kiệm vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật Tuy nhiên các

tỷ lệ thành phần cấp phối của hỗn hợp bê tông đầm lăn cũng phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của từng công trình, đó là về vật liệu để xây dựng công trình, thiết bị vận chuyển hỗn hợp

bê tông đầm lăn và các thiết bị san đầm của Nhà thầu thi công công trình Hiện tại trên thế giới có rất nhiều phương pháp thiết kế cấp phối hỗn hợp bê tông đầm lăn theo nhiều trường phái khác nhau như phương pháp của Mỹ ( cũng có đến 5 phương pháp ), Trung Quốc, Nhật v.v… Bài viết này giới thiệu phương pháp thiết kế cấp phối hỗn hợp bê tông đầm lăn của Phòng NC Vật liệu – Viện Khoa học Thuỷ lợi cùng với sự giúp đỡ của Giáo sư TSKH Nguyễn Thúc Tuyên và tham khảo các tài liệu cũng như các cấp phối bê tông đầm lăn của các công trình xây dựng Thuỷ lợi, Thuỷ điện của Việt nam

II PHÂN LOẠI CẤP PHỐI BTĐL

Bê tông đầm lăn từ thí nghiệm trong phòng đến thí nghiệm hiện trường sau đó ứng dụng vào thi công công trình Từ góc độ vật liệu xem xét, chúng ta có thể phân thành 3 loại hình cấp phối chủ yếu như sau:

2.1 Vữa vật liệu kết dính cố kết cát, đá trong BTĐL

“Vữa vật liệu kết dính cố kết cát, đá” trong BTĐL cũng có thể gọi là bê tông đầm lăn

"nghèo" Trong loại hình bê tông này, tổng liệu vật liệu kết dính không lớn hơn 110kg/m3; trong đó bột tro bay hoặc là vật liệu hỗn hợp khác có lượng dùng không vượt quá 30% tổng lượng vật liệu kết dính (CKD), một số ít loại bê tông có thể đạt 50%; Do lượng dùng vật liệu kết dính trong loại bê tông này ít, để đầm lèn đạt yêu cầu phải tăng lượng nước cho đến khi thực hiện được Do vậy, tỷ lệ N/CKD tương đối lớn, thông thường đạt đến 0.95 ÷ 1.50 Điều này làm cho cường độ bê tông sẽ giảm thấp, tính bền và tính chống thấm sẽ kém Trong loại

bê tông này vữa vật liệu kết dính không đủ để nhét đầy lỗ rỗng của cát nên độ rỗng bê tông sẽ lớn

Khi thiết kế công trình sử dụng loại bê tông này, chỉ mục đích lợi dụng vữa vật liệu kết dính để kết dính vật liệu cát, đá thành một thể hoàn chỉnh, như là một bộ phận thân đập,

sự ổn định đập do trọng lượng bản thân của bê tông còn để chịu lực và phòng thấm cho thân

đập thì dùng loại bê tông khác hoặc là vật liệu chống thấm Nên tiến độ xây dựng công trình đạt tốc độ nhanh và đạt được mục đích kinh tế Ví dụ Đập Willow Creek, đập Galesville, đập Elk Creek ở Mỹ, vv đã sử dụng một phần bê tông thuộc loại hình cấp phối này cho bê tông đầm lăn xây dựng đập Ở tỉnh Quảng Tây - Trung Quốc, trong thân đập của Nhà máy thuỷ điện Bách Long Nhan cũng đã dùng loại cấp phối này cho bê tông đầm lăn

Vì loại bê tông này do lượng dùng vật liệu kết dính ít, tính dính kết của hỗn hợp kém, cốt liệu dễ phát sinh hiện tượng phân tầng, nhưng độ tăng nhiệt độ của bê tông thấp, khi thi công có thể dễ dàng khống chế nhiệt độ của bê tông Thiết bị thi công loại bê tông này dễ chọn và dễ sử dụng vì phụ thuộc vào kết cấu chống thấm ở thượng lưu đơn giản và cường độ yêu cầu của bê tông thường không yêu cầu quá lớn, nên đối với các đập loại vừa và nhỏ rất thích hợp với vật liệu loại hình bê tông này

2 2 Loại bê tông đầm lăn khô, nghèo

Loại bê tông này cũng gọi được là bê tông đầm lăn có cấp phối "nghèo" Lượng dùng vật liệu kết dính trong loại bê tông này từ 120 ÷ 130 kg/m3, trong đó phụ gia khoáng chỉ chiếm 25 - 30% tổng lượng vật liệu kết dính Với loại bê tông này, do lượng dùng vật liệu kết dính không lớn, với lượng nước dùng tăng, để thoả mãn yêu cầu của hỗn hợp bê tông, tỷ lệ N/CKD thường từ 0.70 ÷ 0.90 Do tỷ lệ phụ gia khoáng tương đối thấp, nên sự gia tăng nhiệt của bê tông khá cao, khi tỷ lệ N/CKD của loại bê tông này tương đối lớn, thì tính chống thấm giảm, thường không dùng cho tầng chống thấm của thân đập mà chỉ làm bê tông bên trong thân đập Trong quá trình thi công các tầng và độ nghỉ giữa các lớp từ 2 - 5 ngày có thể lợi dụng lượng nhiệt phát tán ở bề mặt đỉnh các lớp bê tông để tránh sinh khe lạnh giữa các tầng, nên sử dụng phương pháp bàn chải sắt rải cát đánh sạch bề mặt các lớp sẽ làm cải thiện được chất lượng dính kết bề mặt các tầng Ở Nhật Bản khi xây dựng đập BTĐL đều sử dụng loại tỷ lệ phối hợp BTĐL này làm bê tông bên trong thân đập còn mặt ngoài đập thì sử dụng loại bê tông dẻo thông thường

2 3 Bê tông đầm lăn có hàm lượng bột tro bay cao

Lượng vật liệu kết dính trong loại BTĐL này từ 140 - 250 kg/m3, trong đó bột tro bay chiếm từ 50% đến 75% so với tổng lượng vật liệu kết dính Loại bê tông này phân thành 2 loại: 1) Loại 1: lượng dùng vật liệu kết dính từ 140 ÷ 170 kg/m3, trong đó bột tro bay chiếm

từ 50% ÷ 60%, gọi là bê tông đầm lăn có lượng dùng vật liệu kết dính trung bình; 2) Loại 2:

Có lượng dùng vật liệu kết dính 180 - 250 kg/m3, trong đó tro bay chiếm từ 60% đến 70%, được gọi là bê tông đầm lăn có lượng dùng vật liệu kết dính cao Trước đây Bê tông có lượng dùng vật liệu kết dính thấp, lượng dùng XM khá thấp, sự phát nhiệt trong bê tông nhỏ, nhưng chất lượng dính kết bề mặt giữa các tầng thi công rất khó khống chế Và thường dùng bê tông

này làm bê tông bên trong thân đập, mặt thượng lưu đập xây dựng tầng chống thấm bằng Bê tông khác Sau này dùng Bê tông có lượng dùng vật liệu kết dính tăng cao hơn (nhiều bằng hai lần cấp phối bê tông trước đây), nhiệt thuỷ hoá tăng cao hơn, chất lượng dính kết bề mặt của các tầng thi công so với trước dễ khống chế hơn, bê tông có tính năng chống thấm tốt hơn (đặc biệt là tính năng chống thấm của bề mặt các tầng thi công) so với trước đây Nó không chỉ làm bê tông bên trong thân đập, mà cũng có thể dùng làm tầng chống thấm mặt thượng lưu của đập

Ở Trung Quốc, từ năm 1985 bê tông đầm lăn đã sử dụng, đa số là bê tông đầm lăn có lượng dùng vật liệu kết dính từ 140 ÷ 170 kg/m3, lượng tro bay dùng có xu thế dần càng tăng lên Ví dụ như năm 1985, nhà máy thuỷ điện Sa Khê Khẩu ở tỉnh Phúc Kiến, bê tông đầm lăn tường chắn cửa dẫn nước, có lượng trộn bột tro bay là 57% Sau đó khi xây dựng tường vây của Nhà máy thuỷ điện Nham - Nan và bê tông đập Thiên Sinh Kiều 2 ở tỉnh Quảng Tây, lượng trộn bột tro bay được dùng là 61% và 70% Những năm gần đây Trung Quốc đã triển khai nghiên cứu những ảnh hưởng của lượng dùng xi măng và lượng trộn bột tro bay đối với

bê tông đầm lăn, kết quả là lượng dùng xi măng thấp, hàm lượng bột tro bay cao thì bê tông

sẽ có những tính năng ưu việt Do vậy, BTĐL có loại tỷ lệ cấp phối này đang được dùng rộng rãi Ở Trung Quốc, tại các mặt thượng lưu của đập vòm Phổ Định - tỉnh Quý Châu, mặt thượng lưu đập của kho nước 2 - Phân Hà - tỉnh Sơn Đông, mặt thượng lưu đập Nhà máy thuỷ điện Miên Hoa Nan - tỉnh Phúc Kiến đều sử dụng BTĐL loại 2 này Tại một đập ở Mỹ

đã sử dụng loại BTĐL lượng dùng vật liệu kết dính cao, hàm lượng bột tro bay cao Vật liệu kết dính của nó là 254kg/m3, lượng dùng xi măng chỉ 80 kg/m3 hàm lượng bột tro bay tới 69%; Tư tưởng chỉ đạo để chế tạo BTĐL cho đập đó là phải khắc phục hiện tượng phân tầng cốt liệu thô, cải thiện chất lượng dính kết bề mặt các tầng, không bị gián đoạn trong thi công,

do đó đã sử dụng bê tông đầm lăn có cấp phối loại 2 này, lượng dùng vật liệu kết dính tăng lên nhiều và nâng cao tỷ lệ trộn bột tro bay Thực tiễn thi công thấy rõ, về cơ bản đạt được các yêu cầu đề ra, nhưng lượng nhiệt toả ra trong Bê tông tăng lên cao làm cho việc khống chế nhiệt độ có khó khăn nhất định

III NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ CẤP PHỐI BTĐL

BTĐL là một loại bê tông rất khô, không có tính lưu động Sau khi đầm lèn rất khó thu được bê tông có độ đặc chắc cao Phương pháp rải đổ liên tục với các lớp mỏng để xây dựng lên đập bê tông đầm lăn nên khi thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn tự nó đã có đặc điểm

là bê tông phải rất khô, nguyên tắc xác định các tham số tỷ lệ phối hợp và nguyên lý thiết kế cấp phối bê tông có sự khác biệt với bê tông thông thường

3.1 Đặc điểm của thiết kế cấp phối

1 Để không gây trở ngại đến thi công đầm lèn bê tông, thông thường dưới điều kiện nhất định, trong thân đập không nên thiết kế đặt ống nước lạnh, do phải đổ rải liên tục, lượng nhiệt phát tán thông qua bề mặt các lớp bê tông sẽ giảm khi thi công đổ rải các tầng, do nguyên nhân nhiệt độ tăng dần trong bê tông vv Khi thiết kế phải cân nhắc khi chế tạo

bê tông, vừa phải thoả mãn các yêu cầu về, cường độ, tính bền vừa phải hạn chế sự tăng nhiệt trong bê tông Dù rằng lượng dùng xi măng tương đối thấp, nhưng tỷ lệ phụ gia khoáng thì lại lớn

2 Do đặc tính hỗn hợp bê tông rất khô cứng, phân tán và dễ phân tầng, nên trong thiết kế cấp phối bê tông phải khống chế đường kính lớn nhất của cốt liệu thô, và tỷ lệ hợp lý giữa các cấp hạt cốt liệu, lượng dùng cát thoả đáng, để trong quá trình thi công tránh xuất hiện sự phân tầng nghiêm trọng và hiện tượng không có khả năng đầm chặt được

3 Trong thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn thường phải cân nhắc xen nên trộn loại phụ gia hóa gì vào bê tông

4 Coi hỗn hợp bê tông đầm lăn tương tự như vật liệu đất để đầm lèn để xác định phương pháp thi công và xác định được lượng dùng nước đơn vị tối ưu, và phải cân nhắc xem các tính năng của bê tông sau khi cứng hoá và mối tương quan trực tiếp giữa các tính năng đó với tỷ lệ N/CKD

5 Cấp phối bê tông đầm lăn để được đưa ra thi công thường phải thông qua thí nghiệm bê tông đầm nén tại hiện trường để quyết định

3.2 Nguyên tắc thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn

Để tiến hành thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn tốt, chúng ta cần phải hiểu biết và nắm vững, tuân thủ những nguyên tắc thiết kế cấp phối bê tông như sau:

3.2.1 Thiết kế cấp phối theo nguyên tắc của bê tông truyền thống

Theo kết quả thí nghiệm thấy rõ, bê tông đầm lăn sau khi đã lèn chặt và cứng hoá, thì cường độ của nó và tỷ lệ N/CKD có mối quan hệ mật thiết, nếu tỷ lệ N/CKD của hỗn hợp bê tông càng lớn, cường độ bê tông đầm lăn sau khi cứng hoá càng giảm thấp Cũng có thể nói rằng, cường độ BTĐL sau khi cứng hoá phụ thuộc vào tỷ lệ N/CKD Vì vậy để thiết kế cấp phối sơ bộ cần xác định tỷ lệ N/CKD và sau đó thí nghiệm điều chỉnh cấp phối đã tính được cho phù hợp

Với các thí nghiệm khác cũng thấy rõ rằng, với các điều kiện không đổi, giá trị VC của hỗn hợp BTĐL phụ thuộc vào lượng nước dùng cho một đơn vị thể tích bê tông và tỷ lệ giữa lượng Nước so với lượng dùng vật liệu kết dính (trong một phạm vi nhất định) quan hệ

này thay đổi không lớn Cũng giống như bê tông thông thường, nó phụ thuộc vào "Lượng nước yêu cầu" Trong các phương pháp thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn, đều trực tiếp hoặc gián tiếp ứng dụng nguyên tắc cơ bản này Để điều chỉnh giá trị VC của hỗn hợp bê tông và duy trì cường độ bê tông không thay đổi, cần giữ nguyên tỷ lệ N/CKD và giảm lượng nước dùng và lượng cát Để giữ cho giá trị VC không đổi, có thể điều chỉnh tỷ lệ N/CKD thì sẽ điều chỉnh được cường độ bê tông; Nếu giữ nguyên lượng nước dùng, giảm lượng dùng vật liệu kết dính và lượng cát Lượng vật liệu kết dính và lượng cát thay đổi thì thể tích bê tông

có thể thay đổi, tỷ lệ N/CKD thay đổi có thể điều chỉnh được cường độ bê tông mà không ảnh hưởng đến lượng nước dùng và giá trị VC của bê tông

3.2.2 Thiết kế cấp phối theo nguyên tắc xác định những tham số cấp phối bê tông

Tham số tỷ lệ phối hợp BTĐL bao gồm:

+ Nước và mối quan hệ giữa lượng dùng vật liệu kết dính so với nước; đó là tỷ lệ W/(C+F) + Quan hệ giữa tỷ lệ lượng phụ gia khoáng so với lượng dùng vật liệu kết dính - F/(C+F) hoặc là F/C

+ Mối quan hệ giữa lượng dùng cát so với tổng lượng cốt liệu cát, đá trong bê tông : S/(S+G)

+ Mối quan hệ giữa lượng vữa vật liệu kết dính so với lượng cát: (C+F+W)/S hoặc hệ số α biểu thị lượng vữa đủ và dư thừa để nhét đầy lỗ rỗng các hạt cát Để thiết kế ra loại bê tông thoả mãn đầy đủ yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật, khi xác định các tham số cấp phối phải tham khảo những nguyên tắc dưới đây:

1 Nguyên tắc xác định tỷ lệ F/(C+F) hoặc F/C trong BTĐL:

Tỷ lệ này càng lớn, không chỉ tiết kiệm xi măng, cải thiện một số tính năng của bê tông

mà còn có thể giảm giá thành mà còn sử dụng được phế thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường Do vậy, nguyên tắc xác định tỷ lệ F/(C+F) là từ yêu cầu tính năng kỹ thuật của

bê tông, để lựa chọn được giá trị tham số tương đối thoả mãn với yêu cầu

2 Nguyên tắc xác định W/(C+F):

Tỷ lệ W/(C+F) trong BTĐL lớn hay nhỏ sẽ trực tiếp ảnh hưởng đến tính năng thi công của hỗn hợp bê tông và các tính chất kỹ thuật của bê tông sau khi cứng hoá Với lượng dùng vật liệu kết dính nhất định, tỷ lệ N/CKD càng lớn thì giá trị VC của hỗn hợp sẽ giảm (nhỏ) cường độ bê tông tăng và tính bền giảm thấp Ngược lại với giá trị VC tăng, cường độ bê tông sau cứng hoá và tính bền được cải thiện Nếu như với lượng dùng xi măng không đổi, tỷ lệ F/(C+F) tăng lớn lên, thì tỷ lệ W/(C+F) giảm thấp, điều đó có lợi cho việc phát huy hoạt tính của vật liệu hỗn hợp trong bê tông, cường độ và tính bền của

bê tông tăng cao Trong điều kiện về cường độ yêu cầu và tính bền của bê tông như nhau, có thể đạt được hiẹu quả về kinh tế cao; do đó nguyên tắc xác định tỷ lệ W/(C+F) càng lớn thì lượng dùng xi măng sẽ càng nhỏ

3 Nguyên tắc xác định tỷ lệ: (C+F+W)/S:

Tỷ lệ vữa cát lớn hay nhỏ là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến giá trị VC của hỗn hợp

bê tông; cũng là nhân tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông

Khi lượng dùng cát tăng, thì giá trị VC giảm nhỏ, dưới điều kiện năng lượng đầm chấn động nhất định, độ đầm chặt của bê tông sẽ nâng cao, nếu tỷ lệ vữa cát tăng lên quá lớn, không chỉ tạo nên giá trị VC giảm quá nhỏ, không thể thi công đầm lèn được, mà còn làm cho lượng dùng vật liệu kết dính gia tăng Do vậy, nguyên tắc xác định tỷ lệ lượng vữa cát là: với năng lượng đầm chấn động nhất định đối với hỗn hợp bê tông để thoả mãn được yêu cầu thi công với giá trị VC định trước, thường giá trị VC nhỏ

4 Nguyên tắc xác định lượng dùng Cát:

Lượng cát lớn hay nhỏ trực tiếp ảnh hưởng đến khả năng thi công của hỗn hợp bê tông, đến cường độ và tính bền của bê tông sau khi cứng hoá Lượng cát quá lớn, hỗn hợp bê tông khô cứng, rời rạc, giá trị VC lớn, khó đầm lèn chặt, cường độ bê tông thấp, tính bền kém Lượng cát quá nhỏ, vữa cát không đủ để nhét đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu thô

và bao bọc mặt ngoài các hạt cốt liệu, giá trị VC của hỗn hợp cũng lớn, cốt liệu thô dễ bị phân tầng, độ đặc của bê tông giảm thấp, cường độ và tính bền giảm Do vậy, khi xác định tỷ lệ phối hợp bê tông, cần phải chọn lượng dùng cát tối ưu Gọi là lượng cát tối ưu,

để duy trì hỗn hợp bê tông có tính chống phân tầng tốt và đạt được giá trị VC theo yêu cầu thi công, lượng dùng vật liệu kết dính ít nhất

3.3 Nguyên lý thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn

Cho đến nay có 2 nguyên lý cơ bản để tiến hành thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn, đó là nguyên lý “phối chế vật liệu đất” và nguyên lý “phối chế bê tông” Nhưng cho dù là nguyên

lý cơ bản nào, thì xuất phát điểm cơ bản của nguyên lý thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn là: lượng vữa vật liệu kết dính phải đủ bao bọc các hạt cốt liệu thô mà còn đủ để có thể lấp đầy

lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu nhỏ, vữa cát bao bọc các hạt cốt liệu thô, hình thành lên bê tông

có độ đặc đồng đều, đạt được các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật

Khi tiến hành thiết kế cấp phối bê tông, còn cần phải hiểu rằng lượng vữa vật liệu kết dính có thể không thể lấp đầy lỗ rỗng các hạt cốt liệu nhỏ và lượng vữa cát không đủ để lấp đầy lỗ rỗng các hạt cốt liệu thô; nhưng về cơ bản, phải xem xét đến điều kiện hiện trường thi công và điều kiện trong phòng thí nghiệm có sự khác nhau, nên phải gia tăng thêm một

lượng vữa chất kết dính thích đáng và cần có dư thêm một lượng vữa cát Cuối cùng là cần phải thông qua thí nghiệm đầm lèn ở hiện trường để kiểm nghiệm lại cấp phối thiết kế của bê tông xem có thoả mãn với với khả năng thi công ở ngoài hiện trường không

3.3.1 Nguyên lý của vật liệu đất

Nguyên lý vật liệu đất coi hỗn hợp bê tông đầm lăn như là loại vật liệu đất hay như xi măng đất Thiết kế cấp phối của nó là dựa trên quan hệ giữa hàm lượng nước trong đất và độ đầm chặt Như là đối với một lượng cốt liệu nhất định và vật liệu kết dính, Làm thí nghiệm trong phòng dùng phương pháp đầm chấn động, ở hiện trường dùng phương pháp đầm lèn ép

để xác định lượng nước dùng đơn vị tối ưu của nó Từ lực đầm động trong phòng và độ đầm chặt có thể đưa ra độ lèn và lực lèn ép tương ứng của máy đầm lèn ở hiện trường Phương pháp nguyên lý vật liệu đất với nguyên tắc là đối với một lực đầm lèn nhất định tìm được một "hàm lượng nước tối ưu" Dựa vào hàm lượng nước tối ưu này, hỗn hợp bê tông đầm lăn sau khi đầm lăn có thể đạt được tỷ trọng khô lớn nhất Lực đầm lèn càng lớn, tỷ trọng khô lớn nhất có thể tăng lên khi, hàm lượng nước tối ưu giảm xuống Với phương pháp nguyên

lý đất, tỷ trọng khô lớn nhất được dùng làm chỉ tiêu thiết kế

3.3.2 Nguyên lý của bê tông

Nguyên lý này coi hỗn hợp bê tông đầm lăn như là bê tông dẻo thông thường Cường

độ nén và các tính năng khác của nó tuân theo quan hệ với tỷ lệ N/CKD được Abrams thành lập từ năm 1918

Theo công thức của Abrams, tỷ lệ N/CKD tăng lên thì Cường độ nén của bê tông sẽ giảm, đối với một lượng cốt liệu và vật liệu kết dính nhất định, nếu duy trì độ đầm lèn của hỗn hợp BTĐL, khi tỷ lệ N/CKD của hỗn hợp càng lớn, cường độ BTĐL sau khi cứng hoá càng giảm Vì vậy tỷ lệ N/CKD được dùng làm chỉ tiêu thiết kế quan trọng

Ngoài ra, nguyên lý thiết kế cấp phối bê tông coi sự lấp đầy, lèn chặt các loại vật liệu trong bê tông là cơ sở để tính toán, nghĩa là trong hỗn hợp BTĐL phải có đủ và dư lượng vữa vật liệu kết đính để bao bọc và nhét đầy lỗ rỗng các hạt cốt liệu nhỏ tạp thành vũa CKD-Cát,

và lượng vữa CKD-Cát đủ nhiều để bao bọc và nhét đầy lỗ rỗng có hạt cốt liệu lớn, hình thành lên loại bê tông khô cứng và đồng nhất

3.3.3 Liên hệ giữa hai nguyên lý

Quan hệ giữa hai nguyên lý có thể dùng tỷ lệ N/CKD của bê tông và cường độ nén của bê tông có quan hệ đường cong, biểu đồ 2.3 biểu thị "bê tông đầm chặt không hoàn toàn

có hai đường cong chấm chấm biểu thị quan hệ giữa dung trọng và hàm lượng nước tối ưu,

và trạng thái thông thường là đường cong liền Trong đó đường cong a là ứng với lực đầm

nén tương đối nhỏ, đường b đối với lực đầm lèn tương đối lớn, và có hàm lượng nước tương đối nhỏ, xem xét trong hỗn hợp BTĐL còn có một lượng không khí nhất định, nên mối quan

hệ giữa cường độ nén và tỷ lệ N/CKD thực tế của bê tông đầm lăn khi đầm chặt hoàn toàn với lý thuyết thì vẫn tồn tại một lượng không khí nhất định Dù sao thì BTĐL có thể dùng hai loại nguyên lý trên để tiến hành thiết kế cấp phối, nhưng thông thường thì nên dựa vào nguyên lý của bê tông để tiến hành thiết kế sơ bộ Do cường độ bê tông ngoài sự liên quan đến độ đầm lèn, mà còn liên quan đến sự dính kết Khi mức độ đầm lèn và mức độ dính kết càng cao, thì cường độ nén của bê tông thì càng lớn, nói một cách khác cường độ của bê tông theo phương pháp đầm đất chủ yếu là phụ thuộc vào độ đầm chặt Hỗn hợp bê tông theo nguyên lý đầm đất mà nói, bề mặt bê tông sau khi đầm lèn chấn động nhẹ, vẫn xuất hiện chưa đầy đủ lượng vữa trên bề mặt, trong bê tông vẫn không đủ lượng vữa để lấp đầy lỗ rỗng cốt liệu, do vậy hỗn hợp bê tông không thể có khả năng kết dinh hoàn toàn

Bảo đảm bề mặt bê tông sau khi đầm lèn nhẹ đã xuất hiện đủ lượng vữa không chỉ có khả năng nâng cao được năng lực kết dính giữa bề mặt các lớp, đồng thời cũng nói lên rằng hỗn hợp bê tông này có khả năng chống sự phân tầng của cốt liệu rất tốt

3.3.4 Một số căn cứ để tính toán thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông đầm lăn

3.3.4.2 Độ chống thấm

Khả năng chống thấm nước của bê tông đầm lăn quyết định đến khả năng chống lại sự xâm thực của môi trường đối với công trình Độ bền của công trình xây dựng từ bê tông đầm lăn ngoài việc phụ thuộc vào cường độ thì còn phụ thuộc vào khả năng chống thấm của nó

Bê tông đầm lăn dùng cho xây dựng đập thường được thiết kế với hàm lượng xi măng thấp ( nghèo xi măng ) nên khả năng chống thấm nước thường là kém hơn so với bê tông truyền thống có cùng mác Chính vì vậy để bảo vệ các kết cấu bê tông đầm lăn nghèo xi măng trước tác động của môi trường, cần phải tính toán thiết kế một lớp bê tông giầu xi măng hơn bao bọc mặt ngoài hopặc có thể phải sử dụng các màng chống thấm nước

3.3.4.3 Độ công tác ( Vc )

Độ công tác ( Vc ) là một tính chất của hỗn hợp bê tông đầm lăn , qua đó có thể xác định được khả năng đổ và đầm hỗn hợp bê tông đầm lăn với loại thiết bị thi công thích hợp không gây ra hiện tượng phân tầng phân lớp ảnh hưởng xấu đến chất lượng của kết cấu công trình Độ công tác Vc của hỗn hợp bê tông đầm lăn phụ thuộc vào hàm lượng dùng xi măng,

lượng nước trộn, hàm lượng dùng phụ gia khoáng nghiền mịn và phụ gia hoá học, cấp phối hỗn hợp, hình dạng cốt liệu, tỷ lệ cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ

3.3.4.4 Hiện tượng sinh nhiệt trong khối đổ bê tông đầm lăn

Hỗn hợp bê tông đầm lăn có lượng dùng xi măng và lượng nước trộn thấp, một phần xi măng đã được thay thế bằng phụ gia khoáng hoạt tính nghiền mịn, do vậy đã làm cho nhiệt thuỷ hoá của xi măng trong khối bê tông đầm lăn giảm đi đáng kể Tuy vậy vẫn phải cần nghiên cứu tính toán lượng dùng chất kết dính hợp lý để đảm bảo cường độ, độ bền và các tính chất cơ lý khác của sản phẩm bê tông đầm lăn sau khi đông cứng phù hợp với yêu cầu của thiết kế đề ra

3.3.4.5 Cốt liệu

Kích cỡ lớn nhất ( Dmax ) của cốt liệu lớn thường gây ảnh hưởng đến sự phân tầng trong quá trình vận chuyển và san đầm hỗn hợp bê tông đầm lăn Với công nghệ thi công cùng thiết bị thi công tiên tiến , đối với các công trình đập trọng lực có thể dùng cốt liệu có Dmax đến 150mm Tuy nhiên đối với Việt nam, qua một số công trình thi công bê tông đầm lăn như: Định Bình, Plejkrông, Bản vễ v.v… thì Dmax của cốt liệu lớn thường chỉ đến 60mm Đối với các công trình sử dụng cát tự nhiên mà không đủ thành phần hạt mịn thì cần

bổ xung loại vật liệu mịn nhỏ hơn cỡ sàng 75µm đây là một yếu tố quan trọng để giảm lỗ rỗng trong vữa bê tông đầm lăn và tạo ra hỗn hợp có độ kết dính và tính dễ đổ tốt hơn

3.3.4.6 Hàm lượng nước

Hàm lượng nước trộn ảnh hưởng đến cường độ và độ chống thấm của bê tông đầm lăn Tuy nhiên nếu hàm lượng nước quá thấp làm cho độ công tác Vc lớn khó thi công trong quá trình đầm cán Chính vì vậy cần phải sử dụng phụ gia dẻo hoá giảm nước để tối ưu hoá lượng nước trộn trong hỗn hợp bê tông đầm lăn

IV PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI RCC

Đối với Phương pháp thiết kế cấp phối BTDL, Hiện nay có mấy phương pháp đang sử dụng, mỗi phương pháp có sự khác nhau đôi chút Vì các phương pháp này có cách tiếp cận khác nhau

Các phương pháp đều phải dùng một số giả định, dựa vào kinh nghiệm, tuy nhiên mỗi phương pháp cũng đã phân tích, lập luận để thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn, cho đến nay một số nước trên Thế giới đã từng bước nghiên cứu và đạt được nhiều kết quả tốt về thiết kế cấp phối RCC

Ở Việt Nam, hiện chưa có Tiêu chuẩn hướng dẫn Thiết kế Cấp phối BTĐL, vì vậy hiện đang tồn tại hai khuynh hướng Thiết kế: Các công trình Thủy lợi thuộc Bộ NN và PTNT hiện đang dựa vào Phương pháp thiết kế Cấp phối RCC của Trung Quốc; Các công trình Thủy điện của Tập đoàn Điện lực Việt Nam thuộc Bộ Công Thương theo xu thế dựa vào các

phương pháp thiết kế Cấp phối của Mỹ (Viện Bê tông Mỹ - Tiêu chuẩn ACI.211.3R; Cục

Khẩn hoang Hoa Kỳ hoặc là của Hiệp hội Kỹ sư quân sự Hoa Kỳ)

4.1 CÁC BƯỚC THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG ĐẦM LĂN

4.1.1 Thu thập tài liệu cần thiết để thiết kế cấp phối

Trước khi tiến hành thiết kế cấp phối BTĐL phải thu thập tài liệu kỹ thuật, toàn bộ tài liệu có liên quan đến thiết kế cấp phối; bao gồm:

(1) Vị trí bộ phận công trình sử dụng bê tông đầm lăn;

(2) Yêu cầu kỹ thuật được đưa ra của bê tông đối với thiết kế công trình như cường độ, biến hình, chống thấm, tính bền, tính nhiệt thuỷ hoá, thời gian ngưng kết của hỗn hợp bê tông, độ công tác VC, dung trọng bê tông yêu cầu vv

(3) Trình độ kỹ thuật thi công của đội ngũ nhà thầu thi công

(4) Phẩm chất, đơn giá của nguyên vật liệu sử dụng cho công trình

4.1.2 Thiết kế Cấp phối sơ bộ

Dựa vào các Tiêu chuẩn hướng dẫn và các phương pháp thiết kế cấp phối của từng Quốc gia, Tính toán sơ bộ được lượng dùng vật liệu cho 1m3 bê tông đầm lăn

4.1.3 Xác định cấp phối trong phòng Thí nghiệm

Để tính toán sơ bộ lượng dùng vật liệu cho 1 m3 khối BTĐL kể trên là phải dựa vào một

số công thức, hệ số kinh nghiệm hoặc là lợi dụng những tài liệu biểu bảng kinh nghiệm đã

có Một số thông số phải thông qua thí nghiệm trong phòng để xác định, do điều kiện thí nghiệm và tình hình vật liệu thực tế hiện trường có sự khác nhau, nên bắt buộc phải thông qua các mẫu trộn thử để điều chỉnh độ công tác của hỗn hợp bê tông và dung trọng thực tế của hỗn hợp bê tông

Dùng cấp phối đã xác định sơ bộ để tiến hành trộn thử Xác định giá trị VC của hỗn hợp

bê tông, nếu như độ VC lớn hơn yêu cần thiết kế, thì phải giữ nguyên lượng cát và tăng thêm cốt liệu thô Ngược lại thì giảm lượng cát dùng

Nếu hỗn hợp bê tông có tính phân tầng, thì giữa nguyên tỷ lệ vữa cát không đổi, nhưng phải tăng thêm lượng cát dùng v.v

Kiểm nghiệm lại các chỉ tiêu cường độ và tính bền của bê tông, thông thường có thể

sử dụng 3 cấp phối khác nhau, mỗi một cấp phối qua trộn thử, điều chỉnh để đạt được cấp phối mới, ngoài ra tỷ lệ N/CKD trong hai loại cấp phối phải điều chỉnh tăng hoặc giảm 5% lượng XM để trộn thử với lượng dùng nước của 3 loại cấp phối giống nhau, lượng cát có thể dựa vào độ VC để thay đổi, điều chỉnh tăng thêm cho thoả đáng Mỗi một cấp phối phải căn

cứ vào cường độ và tính bền đúc các mẫu thí nghiệm, bảo dưỡng cho đến khi tuổi bê tông theo quy định và tiến hành thí nghiệm Sau đó dựa vào kết quả thí nghiệm để xác định được cấp phối trong phòng

Để xác định dung trọng thực tế của hỗn hợp bê tông phải tính toán được lượng vật liệu dùng thực tế của cấp phối bê tông (qua trộn thử, điều chỉnh đưa ra được cấp phối )

4.1.4 Điều chỉnh lại cấp phối phù hợp với thực tế vật liệu hiện trường

Tương tự như bê tông truyền thống, Sau khi thí nghiệm trong phòng đưa ra được cấp phối bê tông trong phòng, thông thường trên cơ sở coi vật liệu cát, đá có trạng thái khô bão hoà bề mặt , thường hàm lượng nước thực tế của cát, đá ở công trường so với thí nghiệm trong phòng là khác nhau, vì vậy mà lượng vật liệu thực tế ở hiện trường phải căn cứ vào tình hình nước có trong cát, đá để tiến hành điều chỉnh Giả sử tỷ lệ lượng nước bề mặt của cát ở hiện trường thi công là s%, của đá là g% Thì cấp phối trong phòng sẽ được tính đổi thành cấp phối hiện trường là; lượng vật liệu của nó phải là:

C = C', F = F', S = S' (1+ s%)

G = G' (1 + g%); W = W' - S' x s% - G' x g% Trong công thức trên: C', F', W', S', G', là lượng vật liệu của cấp phối tính được trong phòng

C, F, W, S, G: lượng dùng mỗi loại vật liệu ở hiện trường thi công thực tế

Khi hàm lượng hạt quá yếu của đá ở công trình vượt quá phạm vi quy phạm quy định, cũng phải tiến hành tính đổi cấp phối bê tông trong phòng

4.1.5 Thí nghiệm đầm nén hiện trường để đưa ra Cấp phối thi công

Khi thi công công trình BTĐL, đều bắt buộc phải tiến hành thí nghiệm đầm lèn hiện trường, ngoài việc để xác định các tham số thi công, kiểm nghiệm hệ thống vận hành sản xuất, thi công và tình trạng đồng bộ của máy móc, các biện pháp quản lý thi công, ngoài ra còn thông qua thí nghiệm đầm lèn hiện trường để có thể kiểm nghiệm lại các phối của bê tông đã thiết kế ra xem có thích ứng với thiết bị thi công (Bao gồm cả công năng đầm lèn, tính dễ đầm chặt v.v.) và tính năng chống phân tầng của hỗn hợp bê tông Khi cần thiết có thể phải dựa vào tình hình đầm lèn đã điều chỉnh lại cấp phối cho hợp lý, đưa ra cấp phối thi công

4.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI RCC

4.2.1 Phương pháp Thiết kế Cấp phối RCC của Trung Quốc

4.2.1.1 Xác định sơ bộ các tham số cấp phối

Xác định đường kính lớn nhất của cốt liệu thô và tỷ lệ của các cấp hạt trong cốt liệu thô, đối với bê tông dùng xây dựng công trình Thuỷ công là bê tông có thể tích lớn, đường kính lớn nhất của cốt liệu lớn thông thường chọn là 80mm Mỗi cấp cỡ hạt chiếm tỷ lệ bao nhiêu, có thể dựa vào trạng thái của cốt liệu thô hoặc dung trọng tự nhiên càng lớn (độ rỗng càng nhỏ),

sự phân tăng của cốt liệu thô càng giảm, nguyên tắc xác định là phải thông qua thí nghiệm

Ở Trung Quốc có nhiều tham số đối với các công trình bê tông đầm lăn thuộc loại lớn, trung bình, nhỏ, thì tỷ lệ 3 cấp cỡ hạt của cốt liệu thô là 4:3:3 hoặc là 3:4:3 Sau khi xác định

Dmax của cốt liệu thô và các cấp cỡ hạt thì có thể xác định được các tham số cấp phối Bốn tham số cấp phối của bê tông đầm lăn cần xác định là:

(a) Tỷ lệ giữa lượng Nước và lượng vật liệu kết dính biểu thị là : m = W/(C+F)

(b) Tỷ lệ giữa Phụ gia khoỏng và lượng vật liệu kết dính là : n = F/(C+F) hoặc F/C

Lựa chọn các tham số cấp phối cần dựa vào các phương pháp dưới đây để xác định:

a) Phương pháp phân tích thí nghiệm đơn nhân tố

Do mỗi tham số cấp phối bê tông đầm lăn đối với mỗi tính năng có ảnh hưởng ở mức

độ khác nhau, do đó có thể chọn tính năng nào của nó đối với bê tông có ảnh hưởng rõ rệt nhất, thì tham số đó tiến hành thí nghiệm đơn nhân tố để xác định, tham số cần xác định là tỷ

lệ W/(C+F) và hàm lượng phụ gia khoỏng thông thường có thể thông qua khảo sát, xem sự ảnh hưởng của nó đến cường độ nén và tính bền của bê tông thế nào để quyết định lựa chọn

Tỷ lệ vữa cát có thể phải thông qua khảo sát xem sự ảnh hưởng của dung trọng vữa cát để xác định, hàm lượng cát phải dựa vào thí nghiệm tỷ trọng bê tông để xác định giá trị tốt nhất

và xem xét tới tình trạng phân tầng của cốt liệu thô của hỗn hợp bê tông mà xác định