Nghiên cứu tổng quan
Tổng quan về vật liệu xi măng
I.1.1 Nguồn gốc của xi măng
Bê tông từ hỗn hợp vôi và pozzolan lần đầu tiên được người Macedonia cổ đại sử dụng, và sau đó, ba thế kỷ sau, các kỹ sư La Mã đã áp dụng rộng rãi loại bê tông này với sự kết hợp giữa pozzolan tự nhiên và nhân tạo Những công trình kiến trúc đồ sộ như mái vòm Đền thờ La Mã (Pantheon in Rome) được xây dựng từ bê tông này vẫn tồn tại cho đến ngày nay, chứng minh độ bền vững của vật liệu.
Xi măng hiện đại đã phát triển mạnh mẽ từ cuộc cách mạng công nghiệp khoảng năm 1800, nhằm đáp ứng nhu cầu xây dựng các công trình ở vùng khí hậu ẩm ướt và bến cảng tiếp xúc với nước biển Vào những năm 1870, James Parker phát minh ra loại xi măng tự nhiên mới bằng cách nung đất sét chứa khoáng sét và calcium carbonate, sau đó trộn với cát để tạo thành vữa Sự thành công này đã thúc đẩy các nhà sản xuất khác nghiên cứu và tạo ra các sản phẩm cạnh tranh bằng cách đốt cháy đất sét và hỗn hợp đá phấn nhân tạo Quá trình nghiên cứu và phát triển xi măng tiếp tục được thúc đẩy bởi các công trình như Eddystone Lighthouse và những đóng góp của Louis Vicat Năm 1824, Joseph Aspdin đã được cấp bằng sáng chế cho xi măng Portland, đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong ngành xây dựng Từ cuối thế kỷ 19, xi măng đã trở thành vật liệu chính trong xây dựng công trình dân dụng và hạ tầng giao thông vận tải nhờ vào các đặc tính ưu việt như cường độ cao, chi phí hợp lý và tính dễ thi công.
I.1.2 Thành phần hóa khoáng của xi măng
Xi măng Poóc lăng là một chất kết dính vô cơ rắn, được sản xuất bằng cách nung hỗn hợp đá vôi và đất sét ở nhiệt độ cao để tạo ra clanhke, sau đó được nghiền mịn cùng với một lượng nhỏ thạch cao.
Thành phần của xi măng gồm có:
- Phụ gia khoáng hoạt tính: tro bay, xỉ lò cao…
- Phụ gia trơ: bột đá vôi, cát thạch anh…
Bốn thành phần chính tạo nên clinker được thể hiện trong Bảng 1 dưới đây :
Bảng 1 Các thành phần chính tạo nên Clinker
Trong quá trình sản xuất xi măng, các khoáng chất chính bao gồm Tricanxi silicat (C3S) với hàm lượng từ 37 đến 60%, Bicanxi silicat (C2S) chiếm từ 15 đến 37%, Tricanxi aluminat (C3A) từ 7 đến 15%, và Tetra canxi aluminat fero (C4AF) từ 10 đến 18% Khi nước được trộn với bột xi măng, quá trình thủy hóa diễn ra, tạo ra hồ xi măng và hình thành môi trường lỗ rỗng giữa các hạt xi măng đã thủy hóa và chưa thủy hóa.
Tính chất và tác dụng của từng thành phần khoáng vật chủ yếu trên như sau:
C3S là thành phần quan trọng nhất trong xi măng, chiếm tỉ lệ cao và có cường độ lớn, giúp xi măng rắn chắc nhanh và phát nhiều nhiệt Xi măng có hàm lượng C3S cao được gọi là xi măng Alit, mang lại chất lượng tốt hơn Tuy nhiên, hàm lượng C3S cao cũng làm giảm độ bền của xi măng trong môi trường.
- C2S - có cường độ cao, rắn chắc chậm trong thời kỳ đầu, nhưng cường độ vẫn tiếp tục phát triển rõ rệt hơn trong thời kỳ sau
Xi măng Belit được xác định khi tỉ lệ C2S chiếm ưu thế, mang lại tính bền vững cao hơn trong môi trường so với xi măng chứa khoáng C3S.
C3A là thành phần trong xi măng có khả năng đông cứng nhanh nhưng cường độ ban đầu thấp và tỏa nhiệt nhiều, dễ dẫn đến nứt nẻ Khi hàm lượng C3A cao, xi măng được gọi là xi măng Aluminát, loại này có độ bền kém, đặc biệt trong môi trường chứa sun phát.
C4AF là một loại khoáng trong xi măng, có tốc độ phát triển tương đối nhanh và cường độ phát triển trung bình, đặc biệt rõ rệt trong giai đoạn sau Khoáng này có khối lượng riêng lớn nhất, đạt khoảng 3,77g/cm3.
MgO tồn tại dưới dạng tinh thể tự do và có quá trình thủy hóa rất chậm, kéo dài đến vài năm Khi MgO chuyển thành Mg(OH)2, nó gây trương nở thể tích Do đó, nếu hàm lượng MgO vượt quá 5%, sẽ dẫn đến mất ổn định thể tích của xi măng.
- CaO tự do ở dạng hạt, thường có trong clanhke mới nung xong Hàm lượng CaO cũng không được vượt quá 1% vì gây trương nở thể tích xi măng
- Các oxýt Na2O, K2O cũng cần khống chế chặt chẽ thành phần khi sử dụng với cốt liệu có chứa oxyt silic vô định hình
Thành phần khoáng vật của clanhke ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất cơ lý của xi măng, trong đó sự thủy hóa của C3S và C3A diễn ra nhanh chóng và hầu như ngừng lại sau 28 ngày, trong khi C2S và C4AF tiếp tục thủy hóa trong nhiều tháng hoặc năm Do đó, quá trình thủy hóa xi măng chủ yếu phụ thuộc vào C3S và C3A, với các sản phẩm thủy hóa chính là C-S-H và portlandite Ca(OH)2, giải thích cho việc 28 ngày tuổi thường được sử dụng làm mốc để đánh giá cường độ của bê tông.
Các thành phần trong xi măng có ảnh hưởng lớn đến đặc tính bê tông, bao gồm cường độ chịu kéo nén, tốc độ hình thành cường độ, tính ổn định thể tích và đặc tính môi trường rỗng Việc lựa chọn xi măng cần xem xét các đặc tính của từng loại xi măng để phù hợp với mục đích sử dụng và môi trường khai thác, chẳng hạn như sử dụng xi măng bền sulphat cho môi trường xâm thực.
I.1.3 Nguồn cung cấp xi măng trên thị trường Việt Nam
Trong hơn 20 năm qua, ngành xi măng Việt Nam đã trải qua nhiều biến động do quy luật cung-cầu Từ tình trạng thiếu xi măng vào khoảng năm 1980, hiện nay nước ta đang đối mặt với tình trạng thừa xi măng, ảnh hưởng bởi các yếu tố kinh tế toàn cầu và chính sách thắt chặt tín dụng Mặc dù gặp khó khăn, ngành sản xuất xi măng vẫn phát triển mạnh mẽ nhờ vào nguồn nguyên liệu phong phú, với số lượng nhà máy tăng từ chưa đến 40 vào năm 2005 lên 65 vào nay Tính đến cuối năm 2011, tổng công suất sản xuất xi măng đạt 65,5 triệu tấn, trong đó công suất khai thác đã đạt 86% Năm qua, tiêu thụ nội địa xấp xỉ 50 triệu tấn xi măng, giảm 1 triệu tấn so với năm trước, nhưng nhập khẩu clinker đã giảm từ 2 triệu tấn năm 2010 xuống còn 1,2 triệu tấn năm 2011.
Việt Nam là một trong những quốc gia dẫn đầu thế giới về sản lượng xi măng Nếu duy trì mức tăng trưởng từ 7-8% mỗi năm như giai đoạn 2005-2010, nước ta sẽ tiêu thụ khoảng 55-60 triệu tấn xi măng hàng năm Tuy nhiên, hiện tại, nhiều nhà máy đã hoàn thành và chuẩn bị khánh thành với công suất vượt xa nhu cầu tiêu thụ.
Đến năm 2020, Việt Nam dự kiến sản xuất khoảng 100 triệu tấn xi măng mỗi năm, với sản lượng hiện tại đạt 65 triệu tấn Khu vực phía Bắc có nhiều nhà máy xi măng hoạt động ổn định và chiếm thị phần lớn, bao gồm các thương hiệu nổi bật như xi măng Hoàng Thạch, Chinphong, Bút Sơn, Bỉm Sơn và Nghi Sơn.
Sản xuất xi măng vượt quá khả năng tiêu thụ là tình trạng phổ biến, không chỉ do suy thoái kinh tế Hiện nay, Chính phủ và nhiều địa phương đang khuyến khích sử dụng xi măng trong hạ tầng giao thông thông qua nhiều cơ chế nhằm giảm thiểu tác động của khủng hoảng thừa xi măng trong những năm tới.
Bê tông xi măng dùng cho mặt đường ô tô
I.2.1 Yêu cầu đối với bê tông cho mặt đường ô tô
Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) được thiết kế với thời gian phục vụ 20 năm theo tiêu chuẩn 22 TCN 223-95 Tại Việt Nam, chủ yếu sử dụng mặt đường bê tông không cốt thép, đổ tại chỗ do tính kinh tế và ổn định Để chống lại tải trọng bánh xe và biến đổi nhiệt độ, mặt đường được chia thành các tấm có độ dày từ 18-24cm, chiều dài 5-6m và chiều rộng bằng chiều rộng làn xe Bê tông chế tạo tấm cần có cường độ chịu nén tối thiểu 30 MPa và cường độ chịu kéo uốn 4 MPa để đảm bảo khả năng chống mài mòn và gãy tấm Các lớp móng thường sử dụng móng cứng với chất gia cố vô cơ, cùng với bề mặt được xử lý để tạo độ phẳng, kín nước và giảm ma sát đáy móng.
Các loại vật liệu cho bê tông được quy định theo tiêu chuẩn TCVN 7570 :
Năm 2006, các quy định về kích cỡ, hàm lượng, độ sạch và cường độ của đá dăm, cát đã được thiết lập Những vật liệu này phải đáp ứng yêu cầu để chế tạo bê tông phù hợp với tiêu chuẩn 22 TCN-223-95 và "Quy định tạm thời về kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông xi măng" trong xây dựng công trình giao thông, theo Quyết định số 1597/QĐ-BGTVT ngày 17/8/2012 của Bộ Giao thông Vận tải.
Tấm bê tông lớn thường không sử dụng cốt thép chịu lực, do đó quá trình thi công không bị giới hạn bởi kích thước hạt Dmax Tuy nhiên, do thiếu hướng dẫn kỹ thuật cụ thể về việc chọn cấp phối với Dmax lớn hơn, các nhà thiết kế và thi công thường chọn cấp phối bê tông với đá dăm đồng kích cỡ 1x2cm Độ sụt cần thiết có thể được điều chỉnh trong khoảng từ 1cm đến 10cm.
I.2.2 Tình hình sử dụng mặt đường BTXM ở Việt Nam và trên thế giới
Trong những năm qua, ứng dụng xi măng trong xây dựng hạ tầng ở Việt Nam gặp nhiều hạn chế do giá thành cao Điều này dẫn đến việc thiếu quan tâm trong nghiên cứu hoàn thiện lý thuyết tính toán và quy trình thiết kế, thi công, nghiệm thu kết cấu sử dụng xi măng Trong quá trình khai thác, nhiều vấn đề như tấm bê tông vỡ, lún không đều, gãy góc, bong bật, bào mòn và tiếng ồn đã xuất hiện, đặc biệt là tại cầu Đoan Hùng trên QL2 sau 5 năm sử dụng Những vấn đề này là nguyên nhân chính gây trở ngại cho việc áp dụng rộng rãi mặt đường BTXM trong xây dựng hạ tầng tại Việt Nam.
Hình 3: Hư hỏng của mặt đường BTXM trên tuyến đường vào khu công nghiệp Bỉm Sơn sau 3 năm khai thác
Tuyến đường BTXM Bắc Sơn 3, thuộc khu B - Khu công nghiệp Bỉm Sơn, được quản lý bởi Ban quản lý Khu kinh tế Nghi Sơn, do công ty xi măng Bỉm Sơn đầu tư và hoàn thành vào cuối năm 2009 Tuyến đường dài 3,1 km, bề rộng mặt đường 2x3,5m, với kết cấu mặt đường BTXM dày 27cm và kích thước tấm bê tông 6mx3,5m Phương tiện lưu thông trên đường chủ yếu là xe chở nguyên liệu và sản phẩm của nhà máy xi măng Bỉm Sơn, cùng với các phương tiện khác từ các dự án và dân sinh trong khu vực Mặc dù điều kiện thủy nhiệt thay đổi theo mùa, thiết kế thoát nước tốt giúp tuyến đường hiếm khi bị ngập Tuy nhiên, sau thời gian ngắn khai thác, đã xuất hiện một số hư hỏng nhẹ, chủ yếu là bong tróc bề mặt và nứt gãy ngang, dọc tấm.
Trong thiết kế kết cấu bê tông hiện nay, quy trình kỹ thuật tại Việt Nam chủ yếu tập trung vào cường độ của bê tông, mà chưa chú trọng đến đặc tính môi trường lỗ rỗng của vật liệu này.
Trong giai đoạn khai thác, kết cấu bê tông dễ bị xâm nhập bởi các khí như CO2, O2, H2O, và Cl thông qua hệ thống lỗ rỗng và khe nứt Sự tấn công của những khí này dẫn đến sự thay đổi đáng kể về tính chất cơ lý của vật liệu bê tông, gây ra hiện tượng ăn mòn cốt thép bên trong và làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu.
Cường độ và độ ổn định của bê tông phụ thuộc nhiều vào đặc tính môi trường rỗng, bao gồm độ rỗng, phân bố đường kính lỗ rỗng, độ vòng vèo, cũng như khả năng thấm khí và nước Đối với kết cấu có cốt thép, lớp bê tông bao bọc còn giúp bảo vệ cốt thép khỏi tác động của yếu tố khí hậu Vì vậy, tuổi thọ của công trình có mối liên hệ chặt chẽ với đặc tính môi trường rỗng của bê tông.
Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) đã chứng minh nhiều ưu điểm vượt trội qua kinh nghiệm của các nước phát triển như Pháp, Mỹ và Canada Chi phí duy tu sửa chữa mặt đường BTXM thấp hơn nhiều so với áo đường mềm Bên cạnh đó, nếu được thiết kế và thi công đúng cách, tuổi thọ của mặt đường này rất cao Mặt đường BTXM yêu cầu chiếu sáng thấp, đảm bảo an toàn cho xe chạy, tiêu hao nhiên liệu ít, ổn định cường độ theo mùa và có khả năng chịu tải trọng trục lớn.
Mặt đường bê tông cốt thép liên tục đang ngày càng được ứng dụng phổ biến trên toàn cầu, đặc biệt là tại Mỹ, bắt đầu từ năm
Theo thống kê, tuổi thọ của các kết cấu tại Bỉ (bắt đầu từ năm 1950) và Pháp (bắt đầu từ năm 1983) đã đạt từ 50 đến 60 năm, và vẫn duy trì chất lượng phục vụ rất tốt.
Hình 4: Đường cao tốc autoroute A3 – E40 nối Bruxelles-Liège : Áo đường
BTXM cốt thép liên tục dày 20cm, được xây dựng từ năm 1969 đến 1972, hiện đang phục vụ lưu lượng giao thông 112.000 xe/ngày, trong đó 14% là xe tải nặng (theo số liệu năm 2002) Đến nay, công trình vẫn giữ được trạng thái rất tốt.
(Nguồn thông tin : Ủy ban quản lý đường ô tô và đường cao tốc vùng Wallonne, Vương quốc Bỉ , 2002).
Khái quát về tính bền vững và tuổi thọ của vật liệu bê tông – bê tông cốt thép, ảnh hưởng của môi trường rỗng của bê tông tới tuổi thọ công trình
Công trình bê tông, đặc biệt là bê tông cốt thép, cần đảm bảo sức bền trong suốt thời gian sử dụng để chống lại các tác động vật lý, cơ học và hóa học như gió, mưa, nhiệt độ, độ ẩm, tải trọng và các yếu tố hóa học trong môi trường Điều này giúp đáp ứng một cách đồng nhất các nhu cầu của người sử dụng trong suốt thời gian phục vụ dự kiến.
Tính bền vững của công trình được xác định bởi khả năng duy trì các chức năng thiết kế ban đầu như chịu lực, an toàn và tiện nghi, đồng thời đảm bảo độ tin cậy và tính thẩm mỹ với chi phí bảo trì tối thiểu.
Tính bền vững của kết cấu bê tông trong môi trường khai thác là yếu tố quan trọng cần xem xét để tối ưu hóa sức bền của bê tông trước các tác động bên ngoài như thời tiết và các chất độc hại Việc chỉ đánh giá tính bền vững nội tại của bê tông là không đủ để đảm bảo tuổi thọ công trình như dự kiến Do đó, quy định về tính bền vững và tuổi thọ cần được chú trọng ngay từ giai đoạn thiết kế, kết hợp với các yếu tố môi trường và tải trọng, nhằm đảm bảo công trình có thể chịu đựng được các tác động trong suốt thời gian sử dụng.
Tính bền vững của công trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chất lượng thiết kế, vật liệu, thi công và bảo trì Bê tông thường được phân loại theo sức bền cơ học ở 28 ngày tuổi, tuy nhiên, chỉ dựa vào cường độ bê tông R28 không đủ để đảm bảo tính bền vững lâu dài Cần thiết lập mối liên hệ giữa các đặc tính cơ - lý - hóa của bê tông và các yếu tố tác động, bao gồm sự biến đổi tính chất vật liệu do tiếp xúc với các yếu tố hóa học Để nghiên cứu tính bền vững và tuổi thọ công trình bê tông, cần xác định các đặc trưng của bê tông phù hợp với môi trường khai thác và tối ưu hóa các đặc trưng này Các tiêu chuẩn về lượng xi măng tối thiểu, độ đặc chắc, giá trị E/C, chiều dày lớp bảo vệ và khả năng truyền nhiệt, hơi ẩm cần được làm rõ để đảm bảo hiệu quả sử dụng bê tông trong điều kiện thực tế.
Trong bê tông, sự tham gia của nước, giá trị Đ/C, N/X, tỷ diện bề mặt của
Độ rỗng và kiểu lỗ rỗng trong bê tông được quyết định bởi (Đ+C), ảnh hưởng đến khả năng dẫn nhiệt, truyền khí và hơi ẩm Sự khác biệt về đặc tính môi trường rỗng trong bê tông dẫn đến những thay đổi đáng kể trong hiệu suất của vật liệu này.
Lượng nước cần thiết để thủy hóa hoàn toàn các hạt xi măng chiếm khoảng 20-25% khối lượng của xi măng, dựa trên các thành phần cấu tạo của nó.
(như trong Bảng 2 dưới đây)
Bảng 2 Lượng nước cần thiết để thủy hóa các thành phần khoáng trong xi măng
Hàm lượng trong xi măng
Lượng nước thủy hóa pi
Để đảm bảo tính lưu động cao cho bê tông, giúp việc thi công dễ dàng, cần thực hiện thí nghiệm côn Abrams Nếu không sử dụng phụ gia siêu dẻo, người ta thường tăng lượng nước sử dụng vượt mức cần thiết cho thủy hóa hạt xi măng, với tỷ lệ N/X khoảng 0,5 Tuy nhiên, lượng nước dư thừa trong bê tông sẽ hình thành các lỗ rỗng bên trong, gây ảnh hưởng tiêu cực đến các tính chất của bê tông.
Trong bê tông, nước tồn tại dưới ba dạng như sau:
- Nước liên kết hóa học: tham gia vào quá trình thủy hóa để tạo ra thành phần chủ yếu CSH;
Nước hấp thụ đóng vai trò quan trọng trong việc thể hiện ảnh hưởng của trường điện từ tại bề mặt vật liệu Gần bề mặt hạt vật liệu, lực liên kết điện từ mạnh mẽ hơn và giảm dần khi khoảng cách từ bề mặt tăng lên.
Nước tự do trong bê tông là loại nước không bị ảnh hưởng bởi các lực liên kết điện từ tại bề mặt vật liệu, cho phép nó di chuyển một cách tự do Sự di chuyển này tuân theo nguyên lý của định luật Fick hoặc định luật Darcy, giúp giải thích cách nước thẩm thấu qua các khe hở trong cấu trúc bê tông.
Nước tự do trong bê tông không tham gia vào phản ứng thủy hóa và không tạo liên kết điện từ với bề mặt vật liệu, dẫn đến việc tạo ra các khoảng trống trong bê tông Ngoài ra, trong quá trình trộn, hồ vữa xi măng có tính nhớt sẽ cuốn theo một lượng khí nhất định Mặc dù một phần khí này sẽ được đẩy ra trong quá trình đầm chặt, nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn Sự hiện diện của nước tự do và khí trong bê tông tươi làm tăng độ rỗng của bê tông, thường dao động từ 7% đến 15%.
Lượng nước tham gia vào quá trình thủy hóa ảnh hưởng đến sự hình thành các lỗ rỗng bên trong bê tông, tạo ra các nhóm lỗ rỗng với tổng độ rỗng khác nhau Kết quả đo độ rỗng của bê tông bằng phương pháp thấm thủy ngân dưới áp lực, được biểu thị bằng đơn vị acron A°, cho thấy sự biến đổi này.
Hình 5 Phân bố các nhóm lỗ rỗng trong một loại bê tông
Khi bê tông tiếp xúc với không khí, hơi ẩm và khí quyển, các phản ứng tương tác giữa khí và các thành phần trong xi măng sẽ xảy ra Hai phản ứng điển hình là cacbonat hóa và thạch cao hóa, đặc biệt là trong môi trường có hơi nước biển.
Các phản ứng hóa học trong bê tông chỉ xảy ra khi có môi trường ẩm, với nước lỗ rỗng đóng vai trò chất điện ly cho các phản ứng ở catode và anode Quá trình lan truyền hơi ẩm diễn ra qua hai cơ chế chính: khuếch tán và truyền ẩm qua pha lỏng và pha khí, phụ thuộc vào độ bão hòa nước lỗ rỗng và đặc tính môi trường lỗ rỗng của bê tông Đồng thời, quá trình truyền nhiệt diễn ra qua ba hình thức: đối lưu, bức xạ và truyền nhiệt Nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ lan truyền hơi ẩm và tốc độ phản ứng hóa học trong bê tông.
Chất lượng nội tại của bê tông, bao gồm độ đặc chắc và khả năng thấm khí, đóng vai trò quan trọng trong tính bền vững của nó Bê tông có độ rỗng thấp và khả năng khuếch tán khí tốt sẽ giúp kéo dài thời gian chịu đựng trước các tác nhân bất lợi, từ đó bảo vệ tính chất của vật liệu bê tông trong suốt quá trình sử dụng.
Hình 6 minh họa sự khác biệt giữa lỗ rỗng liên thông và không liên thông trong bê tông, do sự khác biệt về thành phần cấp phối Tại khu vực kinh tế Nghi Sơn, bê tông không chỉ chịu tác động của tải trọng và biến đổi nhiệt độ, mà còn là mục tiêu của nhiều kiểu tấn công từ môi trường ven biển.
Kết luận
Trong xây dựng đường ô tô, BTXM nổi bật với nhiều ưu điểm như khả năng chịu tải trọng lớn, chống cắt trượt hiệu quả, chi phí xây dựng và khai thác thấp, đồng thời thân thiện với môi trường Nhìn từ góc độ phát triển bền vững, BTXM là sự lựa chọn hợp lý Hơn nữa, việc tăng cường ứng dụng BTXM sẽ thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp xi măng trong nước và giảm hiện tượng nhập siêu nhờ việc giảm tiêu thụ nhựa đường.
Theo thống kê hiện trạng sản phẩm BTXM mặt đường ô tô, có nhiều vấn đề bất cập liên quan đến cấu tạo tấm BTXM, thiết kế nền móng, cũng như quy trình thi công, nghiệm thu và bảo dưỡng Những yếu tố này đã dẫn đến tình trạng hư hỏng của mặt đường BTXM chỉ sau một thời gian ngắn đưa vào khai thác.
So với các công trình bê tông dân dụng khác, tấm BTXM mặt đường ô tô phải đối mặt với nhiều bất lợi trong môi trường khai thác Bề mặt tấm bê tông luôn tiếp xúc với không khí, dẫn đến sự thay đổi liên tục về nhiệt độ và độ ẩm, với biên độ dao động cao Ngoài ra, tác động trực tiếp từ bánh xe, cùng với ảnh hưởng của nhiệt độ không khí, độ ẩm, khí carbonic và các ion có hại, sẽ tấn công và làm suy yếu kết cấu bê tông qua môi trường lỗ rỗng của nó.
Yêu cầu đối với tấm BTXM mặt đường ô tô không chỉ cần đạt cường độ khi đưa vào khai thác mà còn phải duy trì cường độ ổn định trong suốt thời gian sử dụng Đặc tính của môi trường rỗng phụ thuộc vào thành phần cấp phối bê tông, loại xi măng và phương pháp thi công, dẫn đến các bê tông có độ rỗng và kiểu rỗng khác nhau Tuy nhiên, các thông số ràng buộc môi trường rỗng, dù trực tiếp hay gián tiếp, vẫn chưa được nêu rõ trong các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành của Việt Nam.
Một câu hỏi quan trọng là nếu bê tông được thiết kế theo các phương pháp phổ biến và sử dụng cấp phối thông thường, đáp ứng yêu cầu về cường độ cho tấm bê tông xi măng mặt đường ô tô, thì các tính chất môi trường rỗng sẽ diễn biến ra sao?
Mục tiêu của bài viết là làm rõ các thông số môi trường rỗng của bê tông xi măng (BTXM) khi thiết kế theo phương pháp hiện hành Trong các chương tiếp theo, chúng tôi sẽ nghiên cứu đặc điểm của một số phương pháp thiết kế thành phần cấp phối BTXM, đồng thời thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết trên các loại bê tông đáp ứng yêu cầu cho mặt đường ô tô, nhằm giải đáp các câu hỏi đã nêu.
So sánh lý thuyết và thực nghiệm một số phương pháp thiết kế thành phần cấp phối BTXM
Mở đầu
Thiết kế thành phần bê tông là quá trình xác định tỷ lệ hợp lý về khối lượng hoặc thể tích của các nguyên vật liệu như nước, xi măng, cát, đá hoặc sỏi cho 1m3 bê tông, nhằm đạt được các tiêu chuẩn kỹ thuật và kinh tế Để tính toán thành phần bê tông, cần dựa vào một số điều kiện cụ thể.
- Cường độ yêu cầu của bê tông : Thông thường người ta lấy cường độ chịu nén của bê tông sau 28 ngày tuổi Rn28 làm cường độ yêu cầu
Môi trường làm việc của công trình ảnh hưởng lớn đến hiệu quả và độ bền của dự án Cần xác định rõ công trình hoạt động trong môi trường nào, bao gồm điều kiện khô hay ẩm ướt, cũng như khả năng chịu đựng trong môi trường xâm thực mạnh Ngoài ra, việc theo dõi diễn biến nhiệt độ và độ ẩm cũng rất quan trọng để đảm bảo tính ổn định và an toàn cho công trình.
Kết cấu công trình có thể được phân loại dựa trên sự hiện diện của cốt thép, độ dày của cốt thép và tiết diện của kết cấu Việc lựa chọn cốt thép phù hợp, cùng với độ dẻo của hỗn hợp bê tông và kích thước đá (sỏi), là rất quan trọng để đảm bảo tính bền vững và hiệu quả của công trình.
- Đặc tính nguyên vật liệu : loại xi măng, loại cát, đá dăm hay sỏi và các chỉ tiêu cơ lý của chúng
- Điều kiện thi công: Thi công bằng cơ giới hay thủ công, có hoặc không bơm
Chương này sẽ so sánh lý thuyết các phương pháp thiết kế thành phần cấp phối bê tông xi măng (BTXM) phổ biến ở Việt Nam như phương pháp Bolomey-Stamkrep với các phương pháp quốc tế như DOE của Viện môi trường Anh, ACI của Viện bê tông Mỹ và Dreux-Gorisse của Pháp Đồng thời, chúng tôi sẽ thực hiện các so sánh thực nghiệm giữa hai phương pháp thiết kế cấp phối của Việt Nam và Viện môi trường Anh, nhằm tạo ra các mẫu bê tông có độ sụt từ 2-10cm và cường độ chịu nén R28 khoảng 30-35 MPa, đáp ứng tiêu chuẩn cho bê tông xây dựng mặt đường ô tô theo tiêu chuẩn 22TCN-223-95.
Một số phương pháp thiết kế cấp phối BTXM của Việt Nam và ở các nước phát triển
II.2.1 Thiết kế thành phần cấp phối BTXM theo quy định của Việt Nam Ở Việt Nam hiện nay, công tác thiết kế thành phần cấp phối bê tông được thực hiện theo ‘Chỉ dẫn kỹ thuật chọn thành phần bê tông các loại" ban hành theo Quyết định 778/1998/QĐ-BXD ngày 04/09/1998 của Bộ Xây dựng Đây là phương pháp dựa trên cơ sở lý thuyết của Bolomey – Skramtaep (của Viện bê tông và bê tông cốt thép Nga), kết hợp tính toán lý thuyết với việc tiến hành kiểm tra điều chỉnh bằng thực nghiệm Nguyên tắc của phương pháp là tính toán lý thuyết kết hợp với việc tiến hành kiểm tra bằng thực nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết "thể tích tuyệt đối“ có nghĩa là tổng thể tích tuyệt đối (hoàn toàn đặc) của vật liệu của xi măng, nước, cát, đá dăm trong 1m3 bê tông bằng 1000 (lít)
Trình tự thiết kế thành phần cấp phối BTXM theo quy định của Việt Nam trải qua các bước như sau :
Để xác định lượng nước cần thiết cho 1 m³ bê tông, cần xem xét kích thước hạt cốt liệu lớn Dmax, độ sụt của hỗn hợp và mô đun độ lớn Mdl của cát Khi sử dụng xi măng Pooc lăng hỗn hợp hoặc Pooc lăng xỉ, cần cộng thêm 10 lít nước, trong khi xi măng Pooc lăng Puzolan yêu cầu thêm 15 lít Đối với cát có Mdl từ 1 đến 1,4, lượng nước tăng thêm 5 lít; nếu cát có Mdl lớn hơn 3, lượng nước sẽ giảm đi 5 lít.
Xác định tỷ lệ xi măng - nước ( X/N): Dựa vào cường độ của xi măng và cường độ nén của bê tông ở tuổi 28 ngày trên mẫu chuẩn kích thước 150 x 150 x
150 mm (TCVN 3118 : 1993) Tỷ lệ X/N được chọn theo một trong 2 trường hợp sau :
Rx là cường độ thực tế của xi măng tính bằng Mpa, trong khi Rn là cường độ bê tông cũng tính bằng MPa Cường độ bê tông Rn được xác định bằng mác bê tông theo cường độ nén nhân với hệ số an toàn, với hệ số 1,1 áp dụng cho các trạm trộn tự động và 1,15 cho các trạm trộn cân đong thủ công.
A, A1 là các hệ số chất lượng vật liệu, căn cứ vào phương pháp thí nghiệm cường độ xi măng và chất lượng vật liệu dự kiến sử dụng, xác định theo bảng tra sẵn
Bảng 4 Lượng nước trộn ban đầu cho 1 m 3 bê tông, lít
Xác định hàm lượng xi măng, phụ gia: Dựa theo tỷ số X/N và lượng nước
N đã xác định ở trên, hàm lượng xi măng (X, kg) cho 1 m3 bê tông được xác định theo:
Để đảm bảo vữa bao bọc kín các hạt cốt liệu và ngăn ngừa hiện tượng phân tầng trong hỗn hợp bê tông, hàm lượng xi măng tối thiểu cần được kiểm soát theo các giá trị trong Bảng 5 Đối với bê tông dùng để bơm, lượng xi măng sử dụng phải đạt tối thiểu 280 kg.
Khi lượng xi măng vượt quá 400 kg/m3, cần điều chỉnh lượng nước theo nguyên tắc cộng thêm 1 lít cho mỗi 10 kg xi măng tăng thêm Phụ gia dạng bột cũng được tính như xi măng để điều chỉnh lượng nước Nếu sử dụng cốt liệu lớn là sỏi, lượng nước cần điều chỉnh sẽ giảm đi 10 lít.
Bảng 5 Lượng xi măng tối thiểu cho 1 m3 bê tông, kg
Dmax (mm) của cốt liệu 10 20 40 70 Độ sụt 1÷10 cm 220 200 180 160 Độ sụt 11÷16 cm 240 220 210 180
Hàm lượng phụ gia (PG) được tính theo % hàm lượng xi măng
Xác định hàm lượng cốt liệu lớn (đá hoặc sỏi):
Hàm lượng cốt liệu lớn trong 1 m3 bê tông được xác định dựa trên mật độ hợp lý của cốt liệu lớn và vữa Để tính toán lượng cốt liệu lớn và nhỏ, cần tuân thủ nguyên tắc rằng thể tích 1m3 (hoặc 1000 lít) hỗn hợp bê tông sau khi đầm chặt bao gồm thể tích hoàn toàn đặc của cốt liệu và thể tích hồ xi măng.
Gọi thể tích hoàn toàn đặc của xi măng, nước, cát, đá (sỏi) lần lượt là Vx,
Vn, Vc, Vđ, ta có: Vx + Vn + Vc + Vđ = 1000 (lít)
Vữa xi măng, bao gồm xi măng, nước và cát, trong 1m3 hỗn hợp cần phải lấp đầy các lỗ rỗng và tính đến hệ số dư vữa α để bao bọc các hạt cốt liệu lớn, nhằm đảm bảo hỗn hợp bê tông đạt độ dẻo cần thiết Từ đó, có thể biểu diễn sự tương quan giữa các đại lượng bằng một phương trình cụ thể.
Từ hai phương trình kể trên, ta rút ra lượng đá dăm D (kg): d
Hàm lượng cát (C) trong 1 m³ bê tông được xác định dựa trên tổng thể tích tuyệt đối của các vật liệu thành phần, đảm bảo đạt được 1 m³ hay 1000 lít bê tông sau khi hoàn thiện Khi tính toán, không tính thể tích của các bọt khí, chiếm khoảng 0,3÷2,5% trong bê tông thông thường Hàm lượng cát được tính theo công thức cụ thể.
- ρ Đ , ρ VĐ : Khối lượng riêng, khối lượng thể tích của đá (sỏi), kg/l
- rĐ : Độ rỗng của đá (sỏi)
- α: Hệ số trượt (hệ số dư vữa)
- ρx là khối lượng riêng cuả xi măng, g/cm 3
Hệ số vữa dư α được xác định theo Bảng 6, dựa vào thể tích hồ xi măng
Vh (gồm xi măng và nước), và mô đun độ lớn của cát Mđl
Hệ số vữa dư cho bê tông sử dụng đá dăm với độ sụt từ 2-12cm được xác định trong bảng 6, với giá trị α dao động từ 1,05 đến 1,15 Đối với hỗn hợp bê tông cứng, nếu cốt liệu lớn là sỏi, giá trị α sẽ được cộng thêm 0,06 Ngoài ra, khi độ sụt vượt quá 12cm hoặc khi sử dụng cát có mô đun độ lớn khác, cần điều chỉnh hệ số vữa dư α cho phù hợp.
II.2.2 Phương pháp Dreux – Gorrisse Đường kính lớn nhất của cốt liệu Dmax được xác định theo Bảng 7: Đặc tính của kết cấu bê tông Dmax
Hạt tròn Hạt nghiền e yêu cầu khoảng cách nằm ngang của cốt thép không vượt quá 0,8e và tối thiểu là 0,7e Khoảng cách đứng của cốt thép cần nằm trong khoảng từ h đến 0,9h Bán kính trung bình của mắt cốt thép không được lớn hơn 1,4r và tối thiểu là 1,3r Cuối cùng, chiều dày tối thiểu của kết cấu phải đạt 5hm.
Dmax cũng phải phù hợp với chiều dày lớp bảo vệ C như trong bảng 8:
Bảng 8 Lựa chọn cỡ hạt Dmax cho bê tông theo chiều dày lớp bảo vệ Đặc tính của môi trường Cmin Dmax
Xâm thực mạnh 4 cm ≤ 0,8 C Xâm thực trung bình 2 cm ≤ 1,25 C Xâm thực yếu 1 cm ≤ 2 C Lượng dùng xi măng được xác định theo tỷ số X/N từ công thức:
- R28 là cường độ chịu nén của bê tông ở tuổi 28 ngày
- Rx là cường độ chịu nén của xi măng ở tuổi 28 ngày
- G là hệ số chất lượng cốt liệu,giá trị gần đúng của nó được tra theo Bảng 9 (giả thiết hỗn hợp bê tông được rung ép tốt)
Bảng 9 Hệ số chất lượng cốt liệu
Chất lượng của cốt liệu Độlớn của hạt mịn
Dựa vào tỷ số X/N và SN cho trước, lượng xi măng X có thể xác định được trên biểu đồ (hình 1)
Theo tiêu chuẩn NFP 18-305 “Bê tông đúc sẵn” của Pháp, lượng xi măng tìm được phải lớn hơn lượng xi măng tối thiểu sau đây: min 5
- B là mác của bê tông, kG/cm2
- D là dường kính lớn nhất của cốt liệu
Hình 9 Sự phụ thuộc của lượng xi măng vào tỷ lệ N/X và SN
Xác định lượng nước: Từ lượng xi măng X và tỷ lệ X/N tìm được ta có thể xác định được lượng nước:
Lượng nước tính ra ứng với cốt liệu ở trạng thái khô có Dmax = 25 mm Nếu
Dmax ≠ 25mm thì lượng nước cần phải điều chỉnh bằng giá trị tìm được trên Hình 9
Hình 10 Phân tích thành phần hạt Đường cấp phối hạt của hỗn hợp cốt liệu có Dmax = 20
Để xác định đường cong cấp phối cốt liệu, chúng ta sử dụng bộ sàng tiêu chuẩn với các kích thước từ 0,080mm đến 80mm Đường cấp phối chuẩn được xây dựng dựa trên loại cốt liệu thực tế, với Dmax giả thiết bằng 20mm, và được xác định bởi ba điểm OAB Điểm O có tọa độ {0,080 ; 0}, điểm B có tọa độ {Dmax ; 0}, và điểm A có tọa độ cụ thể cần được xác định.
Hoành độ được xác định dựa trên giá trị Dmax: nếu Dmax nhỏ hơn hoặc bằng 20, hoành độ sẽ là Dmax; ngược lại, nếu Dmax lớn hơn hoặc bằng 20, hoành độ sẽ là điểm giữa của vùng sỏi giới hạn của module 38 (tương ứng với kích thước sàng 5mm) và module tương ứng với Dmax của sỏi.
K là hệ số phụ thuộc vào lượng xi măng, độ lèn chặt và hình dạng của hạt cát, được tra cứu theo Bảng 10 Khi K = 0, điều này tương ứng với bê tông có lượng xi măng nhất định.
350 kg/m3, hạt cốt liệu tròn, mudule độ lớn của cát là 2,5 và độ lèn chặt trung bình
Bảng 10 Hệ số K theo lượng xi măng, độ lèn chặt và hình dạng của hạt cát Độ lèn chặt Yếu Trung bình Mạnh
Hình dạng hạt cát Cát hạt tròn
Nếu module độ lớn (Mdl) của cát ≠ 2,5 thì phải cộng thêm hệ số điều chỉnh
Hệ số lèn chặt γ thể hiện tỷ lệ thể tích tuyệt đối của vật rắn, bao gồm xi măng và cốt liệu, trong 1m3 bê tông tươi Giá trị của hệ số này được xác định dựa trên Bảng 11.
So sánh thực nghiệm
Các phương pháp thiết kế đều có những ưu điểm riêng, kết hợp lý thuyết và thực nghiệm để lựa chọn thành phần cấp phối hợp lý Tuy nhiên, không phương pháp nào có thể chỉ dựa vào kết quả tính toán lý thuyết mà không cần đánh giá kết quả thực nghiệm để thực hiện các điều chỉnh cần thiết.
Phương pháp của Viện môi trường Anh có nhiều ưu điểm nhưng vẫn chưa phổ biến tại Việt Nam Luận văn này sẽ so sánh phương pháp này với phương pháp Việt Nam thông qua thực nghiệm để đánh giá hiệu quả Một số cấp phối bê tông sẽ được đề xuất, nhằm đạt độ sụt từ 2-10cm và cường độ chịu nén R28 khoảng 30-35 MPa, phù hợp cho xây dựng mặt đường ô tô Các mẫu bê tông sẽ được chế tạo, bảo dưỡng và thí nghiệm để so sánh với tiêu chuẩn 22 TCN 223-95.
II.3.1 Lựa chọn và đánh giá các vật liệu đưa vào thực nghiệm
II.3.1.1 Lựa chọn các loại vật liệu
Trong quá trình thí nghiệm nhằm đánh giá đặc tính môi trường rỗng của xi măng Nghi Sơn với các tỷ lệ cấp phối khác nhau, các vật liệu được lựa chọn để pha trộn bê tông bao gồm:
- Đá dăm các kích cỡ: 2x4, 1x2 khai thác và sản xuất từ mỏ Kiện Khê – Hà Nam
- Cát vàng nguồn gốc sông Lô
Xi măng PCB 40 từ Nhà máy xi măng Nghi Sơn đã được phân tích để chuẩn hóa các chỉ tiêu cơ lý phục vụ cho việc chế tạo bê tông Các thí nghiệm được thực hiện nhằm thu thập thông tin cần thiết để lựa chọn nguyên vật liệu và đánh giá ảnh hưởng của các thành phần tới các tính chất quan trọng của bê tông.
II.3.1.2 Đánh giá vật liệu sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm
Các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn được áp dụng để xác định các tính chất kỹ thuật của vật liệu và hỗn hợp bê tông Nghiên cứu này nhằm thu thập thông tin cần thiết để lựa chọn nguyên vật liệu và đánh giá ảnh hưởng của các thành phần đến các tính chất quan trọng Các thí nghiệm chủ yếu dựa theo tiêu chuẩn Việt Nam, trong khi một số thí nghiệm chưa có trong tiêu chuẩn Việt Nam được thực hiện theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM Danh mục các tiêu chuẩn đánh giá phân loại vật liệu chế tạo bê tông được thống kê trong Bảng 20.
Theo quy định, các tiêu chuẩn được thiết lập nhằm đánh giá chất lượng đá, cát, xi măng và nước sử dụng cho bê tông xây dựng Do hạn chế về thời gian và điều kiện thí nghiệm, nghiên cứu này chỉ thực hiện một số thí nghiệm chính đối với cát và đá dăm Các kết quả thí nghiệm về nước và bột xi măng được kế thừa từ các nghiên cứu trước tại phòng thí nghiệm Vật liệu.
– Trường Đại học Xây dựng, hoặc theo chứng chỉ của nhà sản xuất (đối với xi măng)
Bảng 20 Các thí nghiệm theo tiêu chuẩn sử dụng nghiên cứu tính chất vật liệu
STT Tên thí nghiệm Tiêu chuẩn
1 Xi măng Phương pháp lấy mẫu và chuẩn bịmẫu thử TCVN 141:98
2 Xi măng Phương pháp xác định độmịn TCVN 4020:03
3 Xi măng Phương pháp thử Xác định thời gian đông kết và độ ổn định thểtích TCVN 6017:95
4 Xi măng Phương pháp thử Xác định độbền TCVN 6016:95
5 Xi măng Phương pháp thử Xác định tỷtrọng TCVN 4030:86
6 Cốt liệu cho bê tông và vữa Yêu cầu kỹthuật TCVN 7570:06
7 Thành phần hạt cho bê tông Phương pháp thử TCVN 7570-2:06
Khối lượng riêng, khối lượng thể tích (trạng thái khô và trạng thái bão hòa), độ hút nước của cốt liệu Phương pháp thử
9 Xác định hàm lượng bùn, bụi, sét trong cốt liệu và hàm lượng sét cục trong cốt liệu nhỏ Phương pháp thử TCVN 7572-8:06
10 Xác định tạp chất hữu cơ Phương pháp thử TCVN 7572-9:06
11 Độ nén dập Phương pháp thử TCVN 7572-11:06
12 Xác định hàm lượng hạt thoi dẹt trong cốt liệu lớn
13 Nước cho bê tông Yêu cầu kỹthuật TCXDVN 302:04 Đánh giá phân loại cát
Cát vàng được sàng lọc để loại bỏ các hạt lớn hơn 5mm, sau đó tiến hành kiểm tra các tính chất cơ lý Kết quả đánh giá cát vàng Sông Lô được trình bày trong Bảng 21.
Kết quả thí nghiệm (Hình 15) cho thấy cát vàng có kích cỡ dao động từ 0.14mm đến 5mm, với đường cong cấp phối hạt nằm trong tiêu chuẩn giới hạn Các chỉ tiêu đánh giá tại bảng 3 khẳng định cát vàng đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật cho việc chế tạo bê tông.
Bảng 21 Kết quả tính chất cơ bản của cát vàng Sông Lô
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả Yêu cầu
2 Khối lượng thể tích xốp kg/m 3 1456 >1300
5 Hàm lượng bụi bùn, sét % 0,1 1300
5 Hàm lượng bùn, bụi, sét % 0,12
6 Độ nén dập trong xi lanh % 12,4
7 Thành phần cấp phối hạt
Kích thước lỗ sàng Lượng sót tích lũy, % Tiêu chuẩn
Cốt liệu lớn có ảnh hưởng quyết định đến cường độ và tính công tác của bê tông xi măng (BTXM) Các yếu tố quan trọng bao gồm đường kính hạt, cường độ nén dập và hàm lượng cốt liệu Để đánh giá đặc tính môi trường rỗng của bê tông sử dụng xi măng Nghi Sơn, chúng tôi thiết kế cấp phối bê tông theo các tiêu chuẩn phổ biến, trong đó cố định các cấp phối bê tông với Dmax mm.
Kết quả thí nghiệm cho thấy đá sử dụng có kích cỡ dao động từ 5mm đến
Cỡ hạt đá 20mm và các tiêu chuẩn cơ lý của vật liệu đều tuân thủ quy định trong tiêu chuẩn TCVN 7570-2005 Qua việc đối chiếu với các tiêu chuẩn và quy trình, các vật liệu dự kiến sử dụng để chế tạo bê tông đều đáp ứng đầy đủ các yêu cầu cần thiết.
Hình 6 : Biểu đồ đường cong cấp phối hạt của đá dăm có Dmax mm
Một số thông số của xi măng Nghi Sơn :
Xi măng Nghi Sơn được sản xuất theo công nghệ tiên tiến của Nhật Bản và hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn cơ lý mà nhà sản xuất đưa ra cũng như các quy định của Việt Nam Ngoài ra, nhiều chỉ tiêu chưa được quy định giới hạn tại Việt Nam nhưng lại tương đương hoặc vượt trội so với xi măng châu Âu, như thành phần C3A và CaO tự do Do đó, theo hướng dẫn sử dụng của châu Âu, xi măng Nghi Sơn có tính chất phù hợp cho việc xây dựng mặt đường ô tô.
Bảng 23 Một số chỉ tiêu chính của xi măng Nghi Sơn PCB40 dân dụng
Tên chỉ tiêu Trịsố đạt được Trị số giới hạn Cường độchịu nén ở 28 ngày (MPa) 47.4 40
Thời gian bắt đầu ninh kết (phút) 112 > 45
Tỷ lệ Clinker trong xi măng (%) 73.7
Tỷ lệ CaO tự do trong xi măng (%) 0.5
II.3.2 Lựa chọn cấp phối BTXM cho mặt đường ô tô dựa theo quy định của Việt Nam và của Viện môi trường Anh
Thành phần cấp phối bê tông cho mặt đường ô tô thường bao gồm đá, cát, xi măng và nước Khi thiết kế cấp phối bê tông, cần xác định khối lượng của từng thành phần để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cần thiết.
- Cường độ thiết kế (chịu kéo uốn, nén, mài mòn…) đạt mức yêu cầu
- Độ sụt (tính dễ dàng thi công) thỏa mãn điều kiện đổ bê tông
Để xác định bốn tham số cho bê tông, ngoài việc sử dụng phương trình thể hiện mối quan hệ giữa các tham số để tổng thể tích đạt 1m3, cần phải dựa vào giả thiết và kinh nghiệm để xác định khoảng biến thiên cho từng tham số như lượng xi măng tối thiểu, tối đa và tỷ lệ nước/xi măng Hơn nữa, kết quả lý thuyết có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, do đó cần tiến hành thực nghiệm so sánh để điều chỉnh các kết quả lý thuyết cho phù hợp với thực tế.
Trong phần thực nghiệm, chúng tôi sẽ lựa chọn cấp phối bê tông với cường độ chịu nén khoảng 30-35 MPa ở 28 ngày tuổi và độ sụt từ 2 đến 10 cm Những thông số này thường được áp dụng cho tấm bê tông xi măng mặt đường ô tô và hầu hết các kết cấu bê tông cốt thép khác trong xây dựng dân dụng.
Sau khi lựa chọn các vật liệu cơ bản như đá, cát và xi măng, chúng tôi tiến hành xác định cấp phối theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn của Viện môi trường Anh Mặc dù đã được tính toán kỹ lưỡng, sự khác biệt giữa giả thuyết và thực tế yêu cầu thực hiện các thí nghiệm để điều chỉnh tỷ lệ các thành phần Việc này dựa trên kết quả thử nghiệm của các mẫu bê tông tươi và bê tông đã hóa rắn.
Kết luận
Các kết quả thí nghiệm các mẫu bê tông ở trên rất phân tán cho thấy sự phức tạp của bài toán lựa chọn thành phần cấp phối bê tông :
Khi sử dụng lượng xi măng nhỏ và tỷ số nước/xi măng (N/X) lớn, cường độ của bê tông sẽ giảm (cấp phối BS2) do ít xi măng liên kết, trong khi tỷ lệ N lớn sẽ tạo ra nhiều lỗ rỗng.
Khi lượng xi măng trong bê tông thấp (cấp phối BS2), cường độ đạt được sẽ không cao Ngược lại, khi lượng xi măng quá cao (cấp phối SB3, SB4), cường độ cũng không tăng tương ứng Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc tối ưu hóa các tỷ lệ N/X và C/(C+Đ) trong quy trình trộn bê tông để đạt được hiệu quả tốt nhất.
Khi tỷ số N/X và tỷ số C/(C+Đ) cao hơn, cường độ bê tông tăng lên và độ sụt cải thiện, như trong cấp phối BS1 và SB1 Việc sử dụng hợp lý nước giúp bôi trơn bề mặt hạt vật liệu, làm tăng độ sụt, nhưng lượng cát tăng cũng đồng nghĩa với nhu cầu nước cao hơn và cần nhiều xi măng hơn để liên kết Cường độ mẫu BS1 cao hơn mẫu SB1 nhờ vào việc tối ưu hóa thành phần cấp phối hạt trung gian, dẫn đến độ chặt lớn hơn Tuy nhiên, xu hướng tăng tỷ lệ C/(C+Đ) có thể mang lại hiệu quả tích cực trong một số trường hợp nhưng tiêu cực trong các trường hợp khác, như ở nhóm cấp phối {SB5, SB6, SB7} Ở đây, khi cùng lượng xi và nước, cường độ tăng ở SB6 so với SB5, nhưng lại giảm ở SB7 so với SB6 do tỷ lệ C/(C+Đ) nhỏ, dẫn đến tách vữa khỏi cốt liệu, độ sụt lớn và độ rỗng cao, làm giảm cường độ chịu nén Để cải thiện cường độ cho cấp phối SB7, cần giảm lượng nước và tăng tỷ lệ C/(C+Đ).
Mức tăng cường độ của các loại bê tông không đồng đều cho thấy sự phức tạp trong việc hình thành vi cấu trúc khi các hạt xi măng bị thủy hóa Quá trình thủy hóa không ngừng diễn ra, dẫn đến việc tăng cường độ bê tông Tuy nhiên, ngay cả khi hàm lượng xi măng giống nhau, mức tăng cường độ vẫn có thể khác nhau Điều này là do quá trình thủy hóa làm giảm độ rỗng của bê tông, từ đó tăng cường độ đặc chắc Do đó, các loại bê tông với độ rỗng và cấu trúc lỗ rỗng khác nhau sẽ có mức tăng cường độ không giống nhau.
Các thí nghiệm hiện tại chỉ đánh giá bê tông dựa trên độ sụt và cường độ chịu nén Tuy nhiên, một yếu tố quan trọng chưa được xem xét là sự thay đổi lượng nước sử dụng với lượng xi măng cố định Điều này ảnh hưởng đến độ nhớt của bê tông, khả năng cuốn khí khi trộn, và lượng nước tự do trong bê tông, dẫn đến sự hình thành các lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông.
Dựa trên kết quả thí nghiệm của 9 mẫu bê tông, nhận thấy rằng các tính toán về thành phần cấp phối chỉ mang tính chất ước định lý thuyết và cần được điều chỉnh thực nghiệm Trong chương tiếp theo, luận văn sẽ đề xuất các cấp phối điều chỉnh và tiến hành thí nghiệm các chỉ tiêu cơ học, vật lý để phục vụ cho các tính toán lý thuyết ở chương 4.
Thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý trên các bê tông đủ tiêu chuẩn cho mặt đường BTXM
Mở đầu
Kết quả thực nghiệm trên 9 loại bê tông cho thấy cần thử nghiệm nhiều lần để đạt được cấp phối hợp lý Dựa trên trình tự thí nghiệm và các kết quả thu được, chúng tôi đề xuất 3 cấp phối điều chỉnh từ CP1 đến CP3 nhằm tăng cường độ bê tông và giảm lượng xi măng sử dụng Các cấp phối này được điều chỉnh về lượng nước, cát, đá, xi măng theo phương pháp Bolomey Lượng vật liệu cho 1 m3 hỗn hợp bê tông được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 27 Lượng dùng vật liệu cho 1 m3 hỗn hợp bê tông
Các cấp phối đã được trộn, đúc mẫu và thí nghiệm theo quy trình đã trình bày trước đó Kết quả của các thí nghiệm này được thể hiện trong Bảng 28 dưới đây.
Bảng 28 Kết quả thí nghiệm độ sụt và cường độ chịu nén của các bê tông
Tên mẫu Độ sụt (cm) Rn7 (MPa) Rn28 (MPa) Mức tăng (%)
Trong nhóm cấp phối điều chỉnh CP3 12 35.60 40.40 13.48, việc thay đổi một chút lượng đá, cát, xi măng và nước so với các cấp phối khác đã mang lại kết quả tích cực về độ sụt và cường độ chịu nén Điều đặc biệt là lượng xi măng sử dụng đã giảm so với 9 cấp phối đầu.
Ba cấp phối bê tông CP1, CP2 và CP3 được lựa chọn do đáp ứng các tiêu chí về độ sụt và cường độ chịu nén theo yêu cầu ban đầu, đồng thời lượng xi măng sử dụng cũng hợp lý Các loại bê tông này sẽ được đánh giá để xác định các chỉ tiêu cường độ và độ rỗng.
Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo uốn
Trong quá trình khai thác, tấm BTXM mặt đường ô tô thường xuyên chịu uốn vồng do ứng suất nhiệt và vị trí bánh xe, khiến cường độ kéo uốn Rku trở thành chỉ tiêu quan trọng quyết định khả năng làm việc của tấm BTXM Để ngăn chặn hiện tượng phá hoại do kéo uốn, cần giải quyết vấn đề theo ba hướng khác nhau.
Cấu tạo hợp lý kích thước tấm và biện pháp giảm ma sát đáy tấm là rất quan trọng Xu hướng giảm kích thước tấm mang lại lợi ích về ứng suất, nhưng lại gây bất lợi cho sự êm thuận trong quá trình khai thác.
Tăng mô đun đàn hồi chung giúp hạn chế biến dạng của các lớp móng, chủ yếu có tác dụng khi chịu ảnh hưởng từ bánh xe Tuy nhiên, khi chịu uốn vồng do nhiệt độ, yếu tố này ít ảnh hưởng đến cường độ của các lớp móng.
Tăng cường khả năng chịu kéo uốn của vật liệu bê tông là giải pháp quan trọng để ngăn chặn sự phá hoại của bê tông, đồng thời duy trì kích thước tấm hợp lý Trong quy trình thiết kế mặt đường cứng theo tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN-223-95, việc này đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo độ bền và tuổi thọ của công trình.
Rku được quy định tối thiểu là 4 MPa, theo “Quy định tạm thời về kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông xi măng trong xây dựng công trình giao thông”, được ban hành kèm theo Quyết định số 1597/QĐ-BGTVT.
Theo quy định của Bộ Giao thông Vận tải ngày 17 tháng 8 năm 2012, trị số Rku tối thiểu cần đạt được là 4.5 MPa Để đánh giá sự phù hợp của tấm BTXM mặt đường từ các loại bê tông trong thực nghiệm, cần xem xét chỉ tiêu Rku của từng loại bê tông CP1, CP2, CP3 thông qua thí nghiệm uốn dầm.
Quy cách mẫu và khoảng cách giữa hai gối đỡ được quy định trong bảng dưới đây Diện tích mặt cắt ngang của các mẫu được đo chính xác đến 0,1 cm² Tốc độ gia tải của máy lên mẫu là 0,5 ± 0,2 kg/cm² trong 1 giây, cho đến khi mẫu bị phá hoại ở lực P thì thí nghiệm sẽ dừng lại Cường độ chịu kéo uốn của mẫu được tính theo công thức.
- P : lực tới hạn gây gãy dầm
- L : Khoảng cách giữa hai gối, L Ecm
- a : kích thước cạnh của dầm, acm
Bảng 29 Kích thước và hệ số quy đổi β về dầm tiêu chuẩn
Chiều dài toàn bộ L (cm)
Khoảng cách giữa 2 gối của mẫu (cm)
Hình 18 Thí nghiệm cường độ kéo uốn
Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo uốn cho các loại bê tông được trình bày trong Bảng 30 dưới đây :
Bảng 30 Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn của các bê tông
STT Tên bê tông Rku (MPa)
Cường độ kéo uốn của bê tông CP1, CP2 và CP3 đều vượt quá 4MPa, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn cho bê tông mặt đường ô tô theo quy định trong thiết kế áo đường cứng 22 TCN-223-95.
Thí nghiệm xác định độ mài mòn của bê tông
Trong tiêu chuẩn thiết kế áo đường cứng 22 TCN-223-95 của Việt Nam, độ mài mòn của bê tông không được đề cập trực tiếp, mà chỉ được gián tiếp đề xuất thông qua cường độ chịu nén Bài viết này nhằm đánh giá chỉ tiêu cường độ chống mài mòn của bê tông, nhằm xác định liệu các chỉ tiêu cường độ khác đáp ứng quy định cho đường ô tô có ảnh hưởng đến cường độ chống mài mòn và mức độ dao động của nó.
Mẫu thí nghiệm mài mòn có dạng lập phương với kích thước cạnh 7.07cm, sử dụng cát tiêu chuẩn theo TCVN 139-1964 để mài mẫu Mặt chịu tác dụng mài mòn được chọn làm mặt thí nghiệm.
Hình 19 Thiết bị thí nghiệm mài mòn Beme tại phòng TNVL - ĐHXD
Các mẫu sẽ được cân chính xác đến 0,1kg và đo chiều cao đến 0,1mm Để thực hiện quá trình mài, 20g cát mài sẽ được rải đều lên mặt đĩa, sau đó đặt mẫu vào khuôn Chất tải sẽ được đặt ở đầu đòn bẩy để tạo áp lực 0,6kg/cm3 lên mẫu trước khi cho máy chạy.
Sau 22 vòng quay, máy sẽ dừng lại để loại bỏ cát mài cũ và rải đều 20g cát mài mới lên mặt đĩa Sau 5 lần dừng (tổng cộng 110 vòng quay), tiến hành lấy mẫu để cân và đo chiều cao Tiếp theo, mẫu sẽ được xoay 90 quanh trục thẳng đứng và mài lại trong chu kỳ 110 vòng Sau mỗi chu kỳ, mẫu sẽ được cân, đo và xoay 90 cho đến khi hoàn thành đủ 4 chu kỳ Cuối cùng, cân và đo chiều cao của mẫu lần cuối để tính độ mài mòn của bê tông theo công thức đã định.
- M0 là khối lượng mẫu trước khi mài
- M4 là khối lượng mẫu sau 4 chu kỳ mài
- F là diện tích chịu mài mòn
Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo uốn cho các loại bê tông được trình bày trong bảng dưới đây :
Bảng 31 Kết quả thí nghiệm độ mài mòn cho các bê tông
STT Tên bê tông Độmài mòn (g/cm2)
Độ mài mòn của bê tông thường khác nhau giữa các loại bê tông, với giá trị dao động từ 0.3 đến 0.4 g/cm2 khi cường độ chịu nén lớn hơn 30 MPa Tiêu chuẩn thiết kế áo đường cứng 22TCN 223-95 hiện hành không quy định về độ mài mòn Theo quy định tạm thời về kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông xi măng, các bê tông này chỉ phù hợp cho mặt đường ô tô cấp thấp hơn cấp III Sự khác biệt này có thể do kích cỡ mẫu thử nghiệm và ảnh hưởng của quá trình đầm rung, dẫn đến thay đổi vị trí hạt cốt liệu trên bề mặt mài mòn, vì vậy cần nghiên cứu sâu hơn về vấn đề này.
Xác định độ rỗng hở của mẫu bê tông
Cấu trúc lỗ rỗng của bê tông rất phức tạp, khó phân biệt giữa lỗ rỗng hở và lỗ rỗng liên thông Trong nghiên cứu này, chúng tôi chỉ tập trung đánh giá độ rỗng của bê tông có khả năng thấm nước và khí, mà không xem xét cấu trúc hình học của các lỗ rỗng Độ rỗng được xác định thông qua thí nghiệm ngâm mẫu bê tông trong nước, với phương pháp cân mẫu bê tông khô và bão hòa nước.
Khi mẫu bê tông đạt trạng thái bão hòa nước, thể tích nước xâm nhập Vn sẽ bằng thể tích các lỗ rỗng hở Vr Độ rỗng của bê tông được xác định theo công thức p(%) = (31).
Khi lỗ rỗng bão hòa nước p(%) (32)
Từ định nghĩa về độ rỗng, ta sẽ xây dựng lại quan hệ giữa các đại lượng như sau: p(%) (33) p(%) (34) p(%) (35) p(%) (36)
- Mn là khối lượng nước có trong bê tông,
- Mk là khối lượng bê tông ở trạng thái khô,
- Mbh là khối lượng bê tông ở trạng thái bão hòa nước,
- Mđn là khối lượng bê tông ở trạng thái đẩy nổi (mẫu chìm trong nước)
- đn là dung trọng đẩy nổi của bê tông
- bh là dung trọng bão hòa của bê tông
Qua các phân tích, chúng ta có thể xác định chính xác độ rỗng của bê tông bằng cách cân mẫu ở các trạng thái ẩm khác nhau một cách dễ dàng.
Trong thí nghiệm này, sau 28 ngày bảo dưỡng ẩm, các mẫu bê tông được sấy khô ở 105°C cho đến khi khối lượng ổn định và được cân để xác định khối lượng Mk với độ chính xác 0.1g Tiếp theo, các mẫu được ngâm bão hòa nước trong 4 ngày, sau đó được vớt ra và cân trong không khí để xác định khối lượng bê tông ở trạng thái bão hòa nước Mbh Cuối cùng, mẫu bê tông được cân trong nước để xác định khối lượng Mđn.
Bảng 32 Kết quả thí nghiệm xác định độ rỗng
STT Tên cấp phối Mđn (g) Mbh (g) Mk (g) Độ rỗng (%)
Kết quả thí nghiệm độ rỗng cho thấy bê tông thiết kế theo phương pháp thông thường, không sử dụng phụ gia, có độ rỗng lớn từ 11 đến 14% Xu hướng tăng độ rỗng tỷ lệ nghịch với cường độ bê tông Do đó, trong ba loại bê tông, bê tông CP3 là lựa chọn tốt nhất cho xây dựng mặt đường ô tô về mặt cường độ và độ ổn định.
Theo dõi sự thấm nước trong bê tông
Trong nghiên cứu này, chúng tôi theo dõi sự thay đổi độ ẩm và độ bão hòa nước lỗ rỗng trong bê tông xi măng bằng cách quan sát khối lượng mẫu bê tông 10cmx10cmx10cm trong không khí Các mẫu được bịt kín hai mặt bên để quá trình thay đổi độ ẩm diễn ra theo chiều hai chiều Nhiệt độ trong quá trình thí nghiệm dao động từ 20-25°C và độ ẩm không khí từ 78% đến 85%, dẫn đến hiện tượng hút ẩm từ nhiều phía vào bê tông Khi hơi ẩm cân bằng, dòng ẩm di chuyển từ đáy mẫu lên trên và bay hơi ra ngoài Sơ đồ bố trí mẫu thí nghiệm được thể hiện trong hình vẽ dưới đây.
Hình 20 Mẫu thí nghiệm xác định mức độ thấm nước
Khối lượng mẫu bê tông được đo liên tục theo thời gian với độ chính xác 0.1g Đồng thời, các thông số như nhiệt độ và độ ẩm không khí tại thời điểm đo cũng được ghi lại, nhằm cung cấp đầy đủ dữ liệu cho việc mô hình hóa trong chương 4.
Bảng 33 Kết quả thí nghiệm xác định độ thấm của bê tông
Diễn biến sự thay đổi khối lượng mẫu theo thời gian được trình bày như bảng 33 và hình 21:
Hình 21 Lượng nước hút vào mẫu bê tông theo thời gian thí nghiệm
Các loại bê tông này có cùng tỷ lệ nước/xi măng nhưng khác nhau về hàm lượng cát và đá trong cấp phối Lượng nước trong cấp phối không chỉ tham gia vào quá trình thủy hóa xi măng mà còn tạo ra nước dư thừa, dẫn đến sự khác biệt về tổng độ rỗng, kích thước và phân bố lỗ rỗng trong bê tông Sự khác biệt này được thể hiện qua tốc độ hút nước của các loại bê tông.
Kết luận
Thông qua thực nghiệm, ba cấp phối với thành phần khác nhau đã được lựa chọn, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về cường độ theo tiêu chuẩn 22TCN 223-95.
Sự tham gia của nhiều thành phần trong cấp phối bê tông ảnh hưởng lớn đến các đặc trưng cơ lý của nó Do đó, việc lựa chọn cấp phối bê tông tối ưu về kinh tế kỹ thuật cần được thực hiện thông qua các thí nghiệm trên nhiều tổ hợp mẫu Cả lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy rằng có nhiều chỉ số, như Rku và độ mài mòn, không thể xác định trực tiếp chỉ bằng công thức cấp phối lý thuyết.
Ba cấp phối bê tông được lựa chọn đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về cường độ chịu nén và chịu kéo uốn theo tiêu chuẩn thiết kế áo đường cứng 22 TCN 223-95.
Luận văn đã tiến hành thí nghiệm độ mài mòn trên mẫu đúc lập phương cạnh 7,07 cm theo tiêu chuẩn TCVN 3114:1993, cho thấy bê tông có độ mài mòn từ 0,3-0,4g/cm2 Mặc dù độ mài mòn không được quy định trong tiêu chuẩn thiết kế áo đường cứng 22 TCN 223-95, nhưng theo quy định tạm thời về kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông xi măng, các loại bê tông này chỉ phù hợp cho đường ô tô cấp III trở xuống Trong quá trình thí nghiệm, luận văn chưa làm rõ các yếu tố như công đầm nén, kích thước mẫu, sự tạo hình bề mặt và số chu kỳ mài, nhưng những yếu tố này chắc chắn ảnh hưởng lớn đến kết quả độ mài mòn của bê tông.
Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng các mẫu bê tông thiết kế theo phương pháp thông thường đạt cường độ yêu cầu cho mặt đường ô tô, với độ rỗng hở dao động từ 11% đến 14,7%.
Thí nghiệm đánh giá khả năng hút nước của bê tông cho thấy rằng bê tông có độ rỗng lớn hơn sẽ thấm nước nhanh hơn Tuy nhiên, kết luận này chỉ áp dụng cho ba loại bê tông được nghiên cứu, khi chúng sử dụng cùng loại xi măng và nguồn gốc cốt liệu tương tự.
Xác định hệ số thấm nội tại của bê tông
Đặt vấn đề
Trong môi trường bê tông, độ bão hòa nước Sr thay đổi theo thời gian và không gian, phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm tương đối bên ngoài và đặc điểm môi trường rỗng của bê tông Sự thay đổi này liên quan trực tiếp đến quá trình truyền ẩm, tuân theo định luật bảo toàn khối lượng của Fick Để giải phương trình truyền ẩm trong bê tông, cần xác định hệ số thấm nước nội tại Theo định luật Darcy, độ thấm nội tại không phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng trong môi trường rỗng, nhưng thực tế cho thấy độ thấm khí của bê tông xi măng cao gấp 100 lần so với độ thấm nước Vi cấu trúc lỗ rỗng của bê tông có thể thay đổi do sự tương tác giữa nước tự do và nước bán liên kết, dẫn đến sai lệch trong kết quả đo độ thấm nước Đo độ thấm khí không bị ảnh hưởng bởi tương tác này, nhưng không phản ánh điều kiện chuyển động của nước trong bê tông Do đó, cần chú trọng đến khái niệm và trị số của "độ thấm nước nội tại", được xác định theo phương pháp nửa lý thuyết – nửa thực nghiệm như đã được nghiên cứu trước đây.
Kl, sẽ tìm được Sr thay đổi theo không gian và thời gian một cách dễ dàng
Chúng tôi sẽ giải thích cơ chế truyền ẩm trong bê tông, bao gồm cả nước dạng lỏng và dạng hơi Tiếp theo, chúng tôi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với máy tính để xác định giá trị Kl cho từng loại bê tông, bằng cách so sánh kết quả khối lượng nước giữa tính toán và thực nghiệm.
Quá trình truyền ẩm trong tấm BTXM
Phương trình bảo toàn khối lượng, tuân theo định luật 2 của Fick được viết như sau: j j j divJ Q t m
Với mj là khối lượng của thành phần j (j= l, v) trên một đơn vị thể tích (kg/m3), J j là thông lượng của dòng (kg/s.m 2 ) và Q j là nguồn phát ra (kg/s.m 3 )
Phương trình 3.1 được áp dụng để giải quyết các bài toán liên quan đến truyền nhiệt và truyền ẩm trong môi trường vật chất Trong bài viết này, chúng ta sẽ sử dụng phương trình này để phân tích quá trình truyền ẩm trong bê tông, với mỗi thành phần j được xem xét một cách cụ thể.
- l : khối lượng thể tích của nước ở pha lỏng (kg/m3),
- v : khối lượng thể tích của nước ở pha khí (kg/m3),
- : Độ rỗng của bê tông
Giả thiết rằng hơi nước là một chất khí lí tưởng, chúng ta có :
Với M v là trọng lượng phân tử của hơi nước (kg/mol) và p v áp lực riêng phần của hơi nước (Pa), T là nhiệt độ (°K)
Sự vận chuyển nước lỏng qua thấm trong môi trường rỗng không bão hòa tuân theo định luật Darcy, với biểu thức dòng được thể hiện rõ ràng.
Độ thấm nội tại của vật liệu (K l) được đo bằng m², trong khi độ thấm tương đối (k rl) phản ánh đặc trưng của môi trường rỗng và phụ thuộc vào độ bão hòa nước trong lỗ rỗng Ngoài ra, độ nhớt động học của nước (η l) cũng được tính bằng đơn vị Pa.s.
Khi bê tông tiếp xúc với các thành phần trong nước, có thể xảy ra phản ứng giải phóng nước, điển hình là phản ứng carbonat hóa bê tông.
Do tốc độ phản ứng diễn ra chậm, trong thời gian thí nghiệm ngắn, có thể bỏ qua ảnh hưởng của lượng nước sinh ra đến độ bão hòa nước trong lỗ rỗng Do đó, trong phương trình bảo toàn khối lượng, thành phần Ql sẽ bằng 0.
Pha lỏng trên bề mặt thành lỗ rỗng sẽ bay hơi, tạo ra nguồn Qv, làm tăng áp lực pha khí Do đó, cần xem xét sự thấm của pha khí bên cạnh hình thức đối lưu.
Nhiều tác giả đã nghiên cứu sự di chuyển của nước, cả ở dạng lỏng và khí, trong lỗ rỗng của bê tông, dựa trên hai giả thiết chính [Mainguy, 1999; Sellier et al., 2010; Coussy, 1995].
- Sự vận chuyển hơi nước bị điều khiển bởi quá trình khuếch tán thuần khiết (lượng khí khác là nhỏ có thể bỏ qua so với dòng hơi nước) ;
- Áp lực khí và hơi nước bằng áp suất khí quyển trong suốt thời gian xem xét
Theo Thiéry et al (2007), hai giả thiết này áp dụng cho các vật liệu bê tông, đặc biệt khi xem xét độ rỗng và sự biến thiên của độ ẩm tương đối trong quá trình thí nghiệm.
Dòng đối lưu của pha khí được thể hiện bởi : g g v v gradc
Nồng độ tương đối của pha khí được ký hiệu là c g, trong khi áp suất của pha khí được ký hiệu là p g (Pa) Giá trị p g có mối liên hệ chặt chẽ với áp suất mao mạch p c và áp suất của pha lỏng thông qua định luật Kelvin.
Độ ẩm tương đối h(S r) có mối quan hệ hàm số với độ bão hòa, được xác định qua đường đẳng nhiệt bay hơi và hút ẩm của bê tông [VU, 2011] Trong giả thuyết được cộng đồng khoa học chấp nhận, khi áp suất khí ga pg rất nhỏ so với hai thành phần còn lại, ta có thể lấy: p c = - p l.
Trong cả hai trường hợp tiếp cận, khi thay thế các thành phần vào phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình vận chuyển nước trong bê tông có thể được rút gọn.
(44) Với D h là hệ số đại biểu biễn khả năng vận chuyển nước trong bê tông
(45) Với lưu ý rằng P v h S r P v , sat , phương trình trên trở thành:
(46) Với P v,sat (Pa) là áp suất hơi bão hòa, được tính theo :
Với giả thiết p g =p atm (áp suất pha khí bằng áp suất khí quyển)
Hệ số khuếch tán hơi nước trong bê tông Dv được tính bằng cách nhân hệ số khuếch tán hơi nước trong không khí Dv,0 với hàm độ vòng vào lỗ rỗng của bê tông.
, được đưa ra bởi Milington [Milington,1959] và hiệu chỉnh bởi Thiéry [Thiéry, 2005] :
Giải phương trình vi phân (46) cho phép xác định độ bão hòa lỗ rỗng của bê tông tại từng điểm trong mẫu theo thời gian, đồng thời tính toán tổng khối lượng nước có mặt trong mẫu bê tông tại một thời điểm t bất kỳ Để thực hiện việc giải này, cần có sự hỗ trợ từ máy tính Chúng tôi đã lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn và sử dụng phần mềm CASTEM 3 để giải quyết phương trình.
Xác định hệ số thấm nước nội tại của bê tông
Để xác định độ thấm nước nội tại của bê tông, phương pháp gián tiếp do Coussy và các tác giả đề xuất được sử dụng Họ đã tính toán độ thấm nước của vật liệu rỗng bằng cách so sánh kết quả thí nghiệm hút nước hoặc sấy khô với kết quả tính toán từ mô hình hóa sự vận chuyển nước trên máy tính.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi áp dụng phương pháp xác định theo đề xuất của Coussy, dựa trên các thí nghiệm thực nghiệm cho bê tông hút nước Các điều kiện thí nghiệm và kích thước hình học của mẫu đã được trình bày chi tiết trong chương 3.
Tại một thời điểm t, trọng lượng nước chứa trong bê tông có thể xác định dựa vào độ bão hòa lỗ rỗng, theo biểu thức sau:
- V là thể tích mẫu thí nghiệm
- Φ là độ rỗng của mẫu bê tông (%)
- Sr là độ bão hòa lỗ rỗng bê tông tại điểm i trong mẫu bê tông, tại thời điểm t
- là dung trọng của nước trong bê tông
Trong môi trường bê tông, độ bão hòa nước (Sr) thay đổi theo thời gian và không gian, phụ thuộc vào độ ẩm tương đối ở bề mặt tiếp xúc Do đó, khối lượng mẫu bê tông cũng biến đổi theo thời gian, tùy thuộc vào độ bão hòa nước lỗ rỗng (Sr) tại từng điểm trong bê tông vào từng thời điểm.
Khi so sánh khối lượng nước thí nghiệm theo thời gian với khối lượng nước lý thuyết tính theo phương trình (3.13), trong đó Sr được giải từ phương trình (3.9), giá trị Kl được chọn khi sai số giữa khối lượng nước thực nghiệm và tính toán lý thuyết là nhỏ nhất.
Hình 22 Diễn biến khối lượng nước trong bê tông theo thời gian : Kết quả thực nghiệm và mô hình hóa
Giá trị của hệ số thấm nước nội tại của bê tông được xác định bằng cách giả định các giá trị khác nhau cho Kl Khối lượng nước tại mỗi thời điểm thực nghiệm sẽ được so sánh với khối lượng tính toán từ chương trình mô phỏng Khi tổng độ lệch bình phương giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng đạt giá trị nhỏ nhất, trị số Kl tương ứng sẽ được chọn.
Bảng 34 Lựa chọn Kl theo tổng bình phương sai lệch bé nhất
Trị số Kl tìm được cho ba loại bê tông được thể hiện trong bảng dưới đây :
Bảng 35 Độ thấm nước nội tại của các bê tông
Loại bê tông Hệsốthấm nội tại (m 2 )
Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số thấm nước nội tại Kl của các loại bê tông có sự khác biệt nhưng không lớn, dao động từ 2.26×10^-18 (m²) đến 2.90×10^-18 (m²) Sự khác biệt này được thể hiện qua khối lượng các mẫu tăng dần theo thời gian thí nghiệm với tốc độ khác nhau.
Sự khác biệt này có thể được giải thích bởi đặc điểm của môi trường rỗng, bao gồm sự phân bố nhóm lỗ rỗng và mức độ vòng vèo của các lỗ rỗng trong các loại bê tông khác nhau.