Công nghệ bê tông cốt thép

Mục đích của việc thiết kế: Xác định thành phần, tính chất của bê tông cường độ cao và chất lượng cao, cung cấp thông tin cho các kỹ sư thiết kế kết cấu để thiết kế và xây dựng các công trình cầu và các kết cấu có sử dụng bê tông cường độ cao và chất lượng cao có cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi là 60 Mpa. Trong trường hợp này là công trình cầu bắc qua sông Hồng, được xây dựng tại Hà Nội

Trang 1

THIẾT KẾ BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO THEO ACI 211, 4R-93

Đề bài: Thiết kế thành phần cho một loại bê tông HSC sử dụng tro bay có cường độ nén cần thiết là 60 Mpa trong vòng 28 ngày

Bài làm

Tổng quan:

Mục đích của việc thiết kế: Xác định thành phần, tính chất của bê tông cường độ

cao và chất lượng cao, cung cấp thông tin cho các kỹ sư thiết kế kết cấu để thiết kế và xây dựng các công trình cầu và các kết cấu có sử dụng bê tông cường độ cao và chất lượng cao có cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi là 60 Mpa Trong trường hợp này là công trình cầu bắc qua sông Hồng, được xây dựng tại Hà Nội

Các yêu cầu chung khi thiết kế: Đây là công trình cầu rất quan trọng được xây

dựng tại một khu vực có lưu lượng xe cộ và người qua lại rất đông Để đáp ứng nhu cầu tăng tuổi thọ của công trình thì chủ đầu tư đã quyết định sử dụng bê tông cường độ cao trong bê tông cốt thép dự ứng lực để xây dựng công trình này

- Tiêu chuẩn để thiết kế bê tông HSC – HPC: ACI 211, 4R-93

- Cường độ và dặc tính cơ học bao gồm: cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, cường độ kéo bửa, mô đun đàn hồi, hệ số Poison Ngoài ra còn xét đến từ biến,

co ngót, giãn nở do nhiệt độ

Các đặc tính được xác định bằng cách tiến hành thí nghiệm tiêu chuẩn xác định cấp độ tính năng được đề xuất cho mỗi đặc tính đảm bảo theo yêu cầu quy định của dự án

Các yêu cầu kỹ thuật của bê tông HPC như sau:

- Độ sụt yêu cầu > 19 cm

- Độ sụt sau 60 phút > 15 cm

- Cường độ nén tối thiểu 28 ngày: 60 Mpa

Trang 2

- Độ thấm Clo: < 1500 Cu lông

- Độ chảy lan ≥ 55 cm

Thiết kế thành phần được thực hiện như sau:

I Lựa chọn các chỉ tiêu vật liệu

Các vật liệu thiết kế:

 Cốt liệu lớn (đá dăm – đá vôi):

- Cường độ chịu nén của đá gốc ≥ 100 Mpa

- Khối lượng riêng: 2,76 g/cm3

- Khối lượng thể tích: 2,66 g/cm3

- Khối lượng thể tích đầm chặt: 1,617 g/cm3

- Độ ẩm: 0,5 %

- Độ hấp phụ nước: 0,7 %

- Lượng ngậm tạp chất và khă năng phản ứng kiềm cốt liệu thỏa mãn quy định của TCVN 7572-2006

- Thành phần hạt thỏa mãn theo tiêu chuẩn D448 ASTM

 Cốt liệu nhỏ (cát sông):

Cát tự nhiên được giới hạn ở ASTM C33 sẽ được sử dụng:

- Khối lượng riêng: 2,65 g/cm3

- Khối lượng thể tích: 1,7 g/cm3

- Độ ẩm: 2 %

- Độ hấp phụ nước: 1 %

Thành phần cấp phối hạt thỏa mãn theo tiêu chuẩn ASTM C136 (AASHTO T27) Kích thước sàng (mm) 4,75 2,36 1,18 0,63 0,3 0,15 Tiêu chuẩn lượng sót tích

Lượng sót tích lũy cát lựa

Mô đun độ lớn của cát:

Trang 3

2,9

100

15 0 3 0 6 0 18 1 36

= A A A A A

M k

II Thiết kế hỗn hợp:

Bước 1: Lựa chọn độ sụt và cường độ bê tông cần thiết.

Do ta sử dụng chất HRWR nên bê tông sẽ được thiết kế trên cơ sở độ sụt ta chọn là

2,5 – 5 cm (theo bảng 4.3.1 với bê tông có sử dụng HRWR)

Do nhà sản xuất bê tông trộn sẵn trước đó không có kinh nghiệm về bê tông cường

độ cao nên sẽ lựa chọn các tỷ lệ trộn trên cơ sở các mẻ trôn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm Do đó cường độ trung bình cần thiết cho việc lựa chọn các tỷ lệ bê tông là

(công thức 2.3):

f cr 0,9 77,4Mpa

65 , 9 60 ' = + =

Bước 2: Chọn kích thước tối đa của cốt liệu:

Dựa vào khoảng cách tối thiểu giữa các cốt thép theo đầu bài cho là 20 mm Theo

bảng kích thước tối đa của cốt liệu thô (bảng 4.3.2), giá trị của cốt liệu thô đã cho trong

bảng 4.3.2 ACI 318 nói đến kích thước lớn nhất của cốt liệu không nên vượt quá 1/5 kích thước thu hẹp giữa cạnh của khuôn, 1/3 chiều dày của các tấm, và không quá 3/4 khoảng cách nhỏ nhất giữa các thanh tăng cường riêng, các bước của thanh, hoặc cốt thép dự ứng lực, ống chứa cốt thép dự ứng lực

Ta sử dụng đá vôi (đá gốc phải lớn hơn 100 Mpa) đã được nghiền có kích thước dmax

= 12,5 mm (tra bảng 4.3.2) Các đặc tính của loại vật liệu này như sau:

- Trọng lượng thể tích khô: BSGdry = 2,76

- Độ hấp thụ trong lò sấy: Abs = 0,7%

- Trọng lượng đơn vị sau khi được làm khô: DRUW = 101 (lb/ft3)

 DRUW = 101 x 16,018 = 1617 (kg/m3) với 1 lb/ft3 = 16,018 (kg/m3) (phù hợp với tiêu chuẩn ASTM về kích thước cốt liệu thô thiết kế)

Bước 3: Chọn hàm lượng cốt liệu thô tối ưu:

Trang 4

Hàm lượng cốt liệu thô tối ưu được lựa chọn từ bảng 4.3.3 là 0,68 trên một đơn vị thể tích bê tông

Bảng 4.3.3: Thể tích đá được đầm chặt trên một đơn vị thể tích bê tông (m3/ m3) Thể tích đá tối ưu cho cỡ hạt danh định lớn nhất với cát sử dụng có mô đun độ mịn

2,5 – 3,2

Thể tích của đá dăm trên 1 m3 bê tông (m3) 0,65 0,68 0,72 0,75 Trọng lượng khô của cốt liệu thô trên 1 m3 bê tông Wdry là (công thức 4.1)

Khối lượng cốt liệu khô = (% DRUW) x (DRUW x 27) (lb)

 Khối lượng cốt liệu khô = 0,68 x 1617 = 1099 (kg)

Bước 4: Ước lượng nước trộn và hàm lượng không khí

Khối lượng nước trên một đơn vị thể tích bê tông cần thiết để tạo ra một độ sụt xác định phụ thuộc vào lượng xi măng và kiểu hóa chất giảm nước được áp dụng Lượng

nước dự tính ban đầu được lấy như bảng sau: Bảng 4.3.4

Độ sụt (cm)

Lượng nước trộn (l/m3) Kích thước lớn nhất của đá (mm)

Hàm lượng không khí lọt

vào (%)

(2,5)+ (2,0)+ (1,5)+ (1,0)+

Giá trị trong ngoặc phải được điều chỉnh đối với cát có lỗ rỗng khác 35% theo công thức Nđc = (rc – 35) x 4,72 l/m3

Lượng nước được lựa chọn sơ bộ theo bảng trên là: 174 lít

Hàm lượng không khí kẹt lại đối với hỗn hợp có sử dụng HRWR là 2%

Lỗ rỗng của cát được sử dụng là:

100

4 , 62

1











×

−

=

dry BSG DRUW

Trang 5

=> 100 36%

65 , 2

7 , 1 1









 −

=

V

Lượng điều chỉnh nước trộn: 1 bs/yd3 = (V% - 35) x 8 (4.3)

Với chú ý: 1 lb/yd3 = 0.59 kg/m3

 lượng điều chỉnh nước trộn = (36 – 35) x 8 x 0,59 = 4,72 (l/m3)

Do vậy tổng lượng nước trộn cần thiết cho một m3 bê tông là:

174 + 4,72 = 178,72 (l/m3)

(Lượng nước nhào trộn yêu cầu này bao gồm cả phụ gia chậm ninh kết, nhưng không bao gồm nước trong phụ gia giảm nước siêu dẻo)

Bước 5: chọn tỷ lệ w/c+p (tỷ lệ nước/ ckd)

Trong hỗn hợp bê toong cường độ cao, các vật liệu kết dính khác xi măng cũng như tro bay có thê được sử dụng Tỷ lệ N/X được tính toán bằng cách chia khối lượng nước pha trộn của tổng khối lượng xi măng và tro bay

Trong bảng 4.3.5-a và b, tỷ lệ N/X lớn nhất được giới thiệu như 1 hàm của cỡ hạt

cốt liệu lớn nhất để đạt được cường độ chịu nén khác nhau ở 28 ngày tuổi và 56 ngày tuổi Sử dụng HRWR thông thường làm tăng cường độ chịu nén của bê tông Giá trị tỷ

lệ N/X đã cho trong bảng 4.5.3a dành cho bê tông không có HRWR, và giá trị cho trong bảng 4.5.3b dành cho bê tông có HRWR.

Do có sử dụng phụ gia siêu dẻo giảm nước (HRWR) nên tỷ lệ N/CKD theo tiêu

chuẩn được tra theo bảng 4.3.5b

Cường độ chịu nén ngoài thực tế là: f crc' =0,9×77,4=69,66(Mpa)

(Ryc ngoài công trường thấp hơn trong phòng thí nghiệm là 10%)

Tỷ số W/c+p được yêu cầu chọn trong bảng 4.3.5b được nội suy thành 0,323

Bước 6: Tính toán hàm lượng chất kết dính

Với tỷ lệ w/c = 0,323 lượng nước tính sơ bộ bê trên là w = 178,72 kg/m3

 lượng chất kết dính là: w = 178,72/0,323 = 553,313 kg/m3

Tuy nhiên đối với hỗn hợp cơ sở chất kết dính chỉ có xi măng thì lượng xi măng này

đã vượt quá lượng xi măng tiêu chuẩn cho phép (theo tiêu chuẩn 1000 lb = 454 kg) Vì

Trang 6

vậy lượng xi măng thực tế dùng trong một m3 bê tông đang được thiết kế sẽ là: c= 525 kg/m3 (theo giáo trình bê tông cường độ cao)

 với tỷ lệ 0,29 thì lượng nước tương ứng cần dùng cho hỗn hợp sẽ là:

w = 0,323 x 525 = 169,6 kg/m3







=

kg c

kg w

525

6 , 169

Bước 7: Xác định tỷ lệ hỗn hợp cơ sở chỉ sản xuất bằng xi măng.

Thể tích các loại vật liệu trừ cát:

Bảng 7.1:

Do vậy thể tích cần thiết của cát trên 1 m3 bê tông là:

Vc = (1-Vclt –Vkk – Vxm – Vn) = (1 – 0,7546) = 0,2454 m3

Bảng 7.2: Bảng quy đổi về khối lượng hỗn hợp cơ sở:

Với công thức bê tông như trên, phụ gia siêu dẻo đã được khẳng định (thông qua thí nghiệm), ta tiến hành với lượng xi măng thay đổi theo phần trăm, có các tổ mẫu tương ứng từ đó xác định được công thức bê tông cơ sở tối ưu ở bước tiếp theo

Với hỗn hợp cơ bản: Đúc 4 tổ mẫu, mỗi tổ 3 mẫu ứng với nén ở 3, 7, 14, 28 ngày Lượng bê tông cần thiết để đúc mẫu thí nghiệm:

Vbt = 1,2 x 4 x (3 x 3,14 x 0,152 x 0,3/4) = 0,076302 m3

Bảng thể tích các cốt liệu cho 0,076302 m3 (bảng 7.3)

Trang 7

Bảng khối lượng các cốt liệu cần dùng cho 0,076302 m3 (bảng 7.4)

Bước 8: Chọn hàm lượng tối ưu Tro bay cho bê tông

Sử dụng tro bay loại C theo ASTM có khối lượng thể riêng 2,64 g/cm3

Thay thế lượng xi măng trong hỗn hợp cơ bản bằng 20, 25, 30, 35 % TB ta có các công thức bê tông mới Từ đó đúc các mẫu tương ứng để xác định hàm lượng TB tối ưu

- Hỗn hợp đồng dạng #1 thay thế 20% xi măng bởi TB:

Xi măng = 525 – 0,2 x 525 = 420 kg/m3

TB = 0,2 x 525 = 105 kg

Bảng thể tích các thành phần hỗn hợp cho 1 m3

Bảng 8.1:

Cốt liệu lớn, khô= 1099/(2,76 x 103) 0,398 m3

Cát = 1 – Vclt – Vkk – Vxm - Vn 0,2596 m3

Bảng khối lượng các thành phần hỗn hợp tương ứng 1 m3

Bảng 8.2:

Đúc 4 tổ mẫu, mỗi tổ 3 mẫu ứng với nén ở 3, 7, 14, 28 ngày Lượng bê tông cần thiết Vbt = 1,2 x 4 x (3 x 3,14 x 0,152 x 0,3/4) = 0,076302 m3

Trang 8

Bảng thể tích các cốt liệu cho mẻ trộn thí nghiệm:

Bảng 8.3:

Bảng khối lương các cốt liệu cần dùng cho mẻ trộn thí nghiệm:

Bảng 8.4:

Xi măng = 525 – 0,25 x 525 = 393,75 kg/m3

TB = 0,25 x 525 = 131,25 kg

Bảng 8.5:

Cốt liệu lớn, khô = 1099/(2,76 x 1000) 0,398 m3

Bảng 8.6:

Trang 9

Bảng 8.7:

Bảng khối lượng các cốt liệu cần dùng cho mẻ trộn thí nghiệm:

Bảng 8.8:

Xi măng = 525 – 0,3 x 525 = 367,5 kg/m3

TB = 0,3 x 525 = 157,5 kg

Bảng 8.9:

Cốt liệu lớn, khô= 1099/(2,76 x 1000) 0,398 m3

Bảng 8.10:

Trang 10

Bảng 8.11:

Bảng 8.12:

Xi măng = 525 – 0,35 x 525 = 341,25 kg/m3

TB = 0,35 x 525 = 183,75 kg

Bảng 8.13:

Cốt liệu lớn, khô = 1099/(2,76 x 1000) 0,398 m3

Bảng 8.14:

Trang 11

Xi măng 341 kg

Bảng 8.15:

Bảng 8.16:

Bước 9: Các hỗn hợp thử nghiệm

Hỗn hợp thử nghiệm được tiến hành cho hỗn hợp cơ bản và từng hỗn hợ trong số 4 hỗn hợp đồng dạng trên Cát có độ ẩm 2%, độ hút nước 1%, cốt liệu lớn có độ ẩm 0,5%, độ hút nước 0,7% Sự hiệu chỉnh để xác định rõ trọng lượng mẻ trộn cho hỗn hợp cơ bản được tính như sau:

- Cát, ướt = 650,31 x (1 +0,02) = 663 kg

- Cốt liệu lớn, ướt = 1099 x (1 +0,005) = 1104 kg

Lượng nước hiệu chỉnh = 169,6 – 650,31 x (0,02 – 0,01) – 1099 x (0,005 – 0,007) = 165,3 lít

Như vậy khối lượng của nước trong mẻ trộn thử để giải thích cho giới hạn độ ẩm được đóng góp bởi cốt liệu, phần nước mà toàn bộ độ ẩm trừ phần nước hấp vào trong cốt liệu

Trang 12

Bảng 9.1:

Hỗn hợp cơ bản Khối lượng khô (kg) Khối lượng mẻ trộn thực (kg)

Nước (kể cả 160ml/100kg

xi măng phụ gia chậm

ninh kết

Bảng 9.2:

Hỗn hợp đồng dạng #1 Khối lượng khô (kg) Khối lượng mẻ trộn thực (kg)

ninh kết

Bảng 9.3:

Hỗn hợp đồng dạng #2 Khối lượng khô (kg) Khối lượng mẻ trôn thực (kg)

ninh kết

Bảng 9.4:

Trang 13

Xi măng 367,5 367,5

ninh kết

Bảng 9.5:

ninh kết

Đối với hỗn hợp thí nghiệm mẫu hình trụ có kích cỡ 30 x 15 cm Khối lượng được giảm bớt của mẻ trộn để có được thể tích 0,076302 m3 như sau:

Bảng 9.6:

Cốt liệu lớn

Phụ gia hóa học (được coi như một phần nằm trong hỗn hợp nước)

Bước 10: Điều chỉnh tỷ lệ các hỗn hợp thử nghiệm

Khối lượng của mẻ trộn đối với hỗn hợp thử đã được điều chỉnh để đạt được độ sụt trước và sau khi cho thêm phụ gia giảm nước siêu dẻo (HRWR) và đạt được tính công tác mong muốn Những sự điều chỉnh áp dụng đối với hỗn hợp cơ bản và 4 hỗn hợp thử thứ tự đưa một cách chi tiết Ba hỗn hợp thử còn lại sẽ được trình bày tóm tắt

10.1 – Hỗn hợp cơ bản:

Trang 14

Mặc dù tổng lượng nước được yêu cầu để có độ sụt từ 1 – 2 in đã được tính toán là 11,6 lít Điều đó được cho rằng 11,6 lít nước (kể cả thành phần 160ml/100kg xi măng của phụ gia chậm ninh kết) mới thực sự đủ lượng cần thiết để có kết quả độ sụt thiết kế Khối lượng mẻ trộn thực sự là:

Hiệu chỉnh với khối lượng khô được:

Cốt liệu lớn, khô = 84,2/(1+0,005) 83,8 kg

Nước = 12,59 + 50,6 x (0,02-0,01)* - 0,186t 12,9 lít

* = hiệu chỉnh độ ẩm cát

t = hiệu chỉnh độ ẩm tỷ lệ C/A (xi măng/phụ gia)

(các hiệu chỉnh này lấy theo tính toán mẫu của tiêu chuẩn ACI 211)

Hàm lượng chính xác của hỗn hợp thử là:

Bảng 10.3:

Cốt liệu lớn = 84,2/(2,76 x 1000) 0,0305 m3

Sự điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp cho 1 m3 bê tông sẽ cho ra:

Bảng 10.4:

Trang 15

Nước (kể cả 160ml/100kg xi măng phụ gia chậm ninh

Kết quả chia tỷ lệ mới của hỗn hợp cơ bản với tỷ lệ N/X là 169/520,6 = 0,325 Để duy trì tỷ lệ thiết kế là 0,323 khối lượng của xi măng nên được tăng thêm đến 169/0,323

= 523,2 kg/m3 bê tông Sự tăng thêm thể tích đó dẫn đến sự điều chỉnh khối lượng của

xi măng là (523,2 – 520,6)/(3,15 x 1000) = 0,0008 m3, thể tích này nên được điều chỉnh bằng cách lấy đi một lượng cát có thể tích tương đương Khối lượng của cát được lấy đi

là 0,0008 x 2,65 x 1000 = 2,1 kg

Kết quả của việc điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp là:

Bảng 10.5:

Nước (kể cả 160ml/100kg xi măng phụ gia chậm ninh kết) 169 kg

10.2 – Để việc bố trí mật độ cốt thép lớn thì bê tông chảy dẻo, có độ sụt nhỏ nhất là

9 inchs = 22 cm được thiết kế Liều lượng của phụ gia giảm nước siêu dẻo (HRWR) được giới thiệu bởi nhà sản xuất trong khoảng 0,4 – 2,2 lít/100 kg xi măng Trong mọi trường hợp, với lượng phụ gia chậm ninh kết không thay đổi chỉ được cho vào hỗn hợp cùng với nước hỗn hợp

Ỏ bài thiết kế này sử dụng phụ gia siêu dẻo với liều lượng 1,3 lít/100 kg xi măng Người ta xác định rằng hỗn hợp bê tông với độ sụt là 10 inchs = 25 cm có đầy đủ các đặc tính làm việc cho việc bố trí chính xác, vì thế không sự điều chỉnh nào là cần thiết cho lượng cốt liệu lớn

Xét hỗn hợp thử nghiệm #1

Bảng 10.6 :

Trang 16

Hiệu chỉnh theo khối lượng khô được: (bảng 10.7)

Nước = 12,59 + 53,6 x (0,02-0,01)* -0,186t 12,94 lít

* = hiệu chỉnh độ ẩm cát

t = hiệu chỉnh độ ẩm tỷ lệ C/A (xi măng/phụ gia)

Hàm lượng thật sự theo thể tích của hỗn hợp thử #1 là:

Bảng 10.8

Cốt liệu lớn = 83,8/(2,76 x 1000) 0,0303 m3

Sự điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp để có sản lượng 1 m3 là: bảng 10.9

Nước (kể cả 160ml/100kg xi măng phụ gia chậm ninh

Kết quả của việc chia tỷ lệ thành phần hỗn hợp #1 mới có tỷ lệ N/CKD = 166,4/ (411,5+102,9) = 0,3234 Xấp xỉ bằng tỷ lệ thiết kế là 0,323, vì thế trọng lượng của chất kết dính giữ nguyên Tỷ lệ phần trăm của TB cho hỗn hợp là 20% sẽ được duy trì

Định dạng
Số trang	19
Dung lượng	294,5 KB