Luận án tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bê tông tự lèn dùng để thi công bơm cho công trình siêu cao tầng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

1 PGS.TS TRẦN VĂN MIỀN 2.TS HỒ HỮU CHỈNH

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Cù Thị Hồng Yến

ii

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Luận án Tiến sĩ tập trung nghiên cứu các thông số kỹ thuật của hỗn hợp BTTL sử dụng bơm đứng cho các công trình siêu cao tầng Từ đó, xây dựng được quan hệ giữa các thông số kỹ thuật về tính công tác và tính lưu biến của hỗn hợp BTTL qua mối quan hệ giữa độ chảy xòe (SF) với ứng suất chảy (0) và T500, Tv với độ nhớt dẻo (µ) Mục tiêu chính của nghiên cứu là đề xuất vùng tính công tác trên biểu đồ quan hệ giữa ứng suất chảy và độ nhớt dẻo của hỗn hợp BTTL bơm đứng cho công trình siêu cao tầng

Nghiên cứu tập trung các cấp phối BTTL có T500 = 12s, SF = 680800mm, 3s<TV < 6s, SR < 15% và cường độ chịu nén 60 MPa có thể bơm đứng cho các công trình siêu cao tầng Với các cấp phối đạt yêu cầu, khảo sát ứng suất chảy o và độ nhớt dẻo µ bằng lưu biến kế ICAR Kiểm tra các tính chất cơ học về cường độ chịu nén của BTTL sau khi đóng rắn và đánh giá khả năng kháng co ngót của BTTL Kiểm chứng khả năng bơm ngang với chiều dài đường ống bơm là 650m và 1000m của các cấp phối trong vùng đề xuất tính công tác tốt

Kết quả nghiên cứu cho thấy mối quan hệ giữa độ chảy xòe, Tv, T500 và giá trị SR, tách nước là tuyến tính Khả năng bơm của hỗn hợp BTTL được đánh giá bằng thí nghiệm tách nước và sàng phân tầng, kết quả của tất cả các cấp phối nghiên cứu đều có tỉ lệ phân tầng SR < 15% và S10/140 < 40% Do đó, hầu hết các cấp phối này đều có thể bơm với khả năng kháng phân tầng và tách nước cao

Đặc tính lưu biến của hỗn hợp BTTL ứng xử theo mô hình Bingham Các cấp phối BTTL có hàm lượng tro bay thay thế cho xi măng từ 15% đến 25%, hàm lượng silica fume thay thế từ 6% đến 8% và liều lượng phụ gia hóa học là 1,45-1,55% có đặc trưng lưu biến thông qua ứng suất chảy 0 dao động từ 10 Pa đến 26 Pa và độ nhớt dẻo µ tương ứng trong khoảng từ 41 Pa.s đến 52 Pa.s Các giá trị này đảm bảo cho hỗn hợp BTTL vẫn ổn định, có thể bơm thẳng đứng cho các công trình siêu cao tầng mà không bị phân tầng Đã xác định được vùng đặc trưng lưu biến trên cơ sở các thông số T500, SF, TV, SR, o và µ đối với hỗn hợp BTTL bơm đứng cho công trình siêu cao tầng

iii

ABSTRACT

The doctoral thesis focuses on the workability and rheological parameters of compacting concrete (SCC) used for vertical pumping up to supertall buildings From these results, it is possible to build the relation between yield stress 0 and slump flow, and the relation between plastic viscosity µ and Tv, as well The main objective of the study is to propose a workability box of SCC which is the area where the yield stress and the plastic viscosity of the mixture are suitable for direct pumping up to super tall buildings

self-The SCC mixtures are designed with required compression strength at 28 days of 60MPa, required T500 value ranging from 1 to 2 s, slump flow value from 680 to 750 mm, Tv value from 3 to 6 s, and SR value is less than 15% The mixtures which meet these required values will be examined the yield stress and plastic viscosity using an ICAR rheometer The compression strength of concrete is assessed at 28 days The shrinkage is determined by the ring test following ASTM C1581 The pumping trial tests with pumping lenghths of 650m and 1000 m have verified the accuracy of the workability box

Regarding the workability, the relations between slump flow, Tv, T500, and SR, water emitted volume are linear The pumping ability of the mixtures is examined by the sieve segregation resistance test and pressure bleeding test, the results of all SCC mixtures achieve an SR value of less than 15% and S10 / 140 less than 40% From these theoretical and experimental results, this range is reasonable to ensure pumping ability of SCC mixture

The rheological properties of the SCC mixtures behave according to the Bingham model The SCC mixtures with fly ash content from 15% to 25%, silica fume content from 6% to 8%, and 1.45-1.55% admixture have the rheological parameters such as yield stress 0 ranging from 10 to 26 Pa and plastic viscosity µ ranging from 41 to 52Pa.s, respectively These values are suitable for the SCC mixture to avoid segregation and ensure stability together with homogeneity when directly pumped up the supertall buildings in the vertical direction The rheological area has been determined on the basis

iv

of parameters as T500, SF, TV, SR, 0 and µ for the SCC mixture of directly pumped up the supertall buildings in the vertical direction

v

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Văn Miền và TS Hồ Hữu Chỉnh đã tận tình định hướng, hướng dẫn, góp ý và giúp đỡ tôi hoàn thành Luận án Tiến sĩ này Tôi xin trân trọng cám ơn các Thầy Cô khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa-Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt kiến thức, góp ý và tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt thời gian thực hiện Luận án Tiến sĩ này

Tôi chân thành cảm ơn Công ty Lê Phan TNHH, công ty Xi măng Nghi Sơn, công ty phụ gia Silkdroad, công ty phụ gia Hicrete đã hỗ trợ về nguyên vật liệu, thiết bị để tôi thực hiện các thí nghiệm phục vụ nghiên cứu một cách chính xác, đầy đủ nhất

Tôi vô cùng biết ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và các bạn sinh viên đã luôn bên cạnh động viên, ủng hộ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

vi

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xvi

MỞ ĐẦU 1

Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 2

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu 2

Phương pháp nghiên cứu 3

Những đóng góp khoa học mới của luận án 3

1.1.1 Giới thiệu BTTL và các thông số kỹ thuật đặc trưng của hỗn hợp BTTL 5

1.1.2 Tình hình về nghiên cứu các thông số kỹ thuật về tính công tác và đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL 7

1.1.3 Tình hình về nghiên cứu hỗn hợp BTTL thi công bơm cho công trình siêu cao tầng 14

Tình hình nghiên cứu trong nước về đặc tính lưu biến của hỗn hợp bê tông 16

Kết luận chương 1 18

CHƯƠNG 2 NHỮNG CƠ SỞ KHOA HỌC TIẾP CẬN NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 19

Đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL 19

2.1.1 Cấu trúc của hỗn hợp bê tông [36] 19

2.1.2 Mô hình Bingham đánh giá tính lưu biến cho BTTL 20

2.1.3 Tính xúc biến (Thixotropy) của hỗn hợp BTTL 21

Ảnh hưởng của các nguyên vật liệu thành phần đến tính lưu biến của hỗn hợp BTTL 21

2.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng và tính chất của hồ xi măng [20], [36] 22

2.2.3.1 Phụ gia siêu dẻo – kéo dài thời gian ninh kết (HRWRA): 30

2.2.3.2 Phụ gia điều chỉnh độ nhớt (VMA) [50] 33

2.2.3.3 Các chất phụ gia tăng cường độ nhớt (VEA) 33

2.2.4 Ảnh hưởng của tính chất cốt liệu và cấp phối hạt của hỗn hợp cốt liệu đến tính chất lưu biến của hỗn hợp bê tôngTL 35

2.2.4.1 Ảnh hưởng của cốt liệu tính chất lưu biến của hỗn hợp BTTL [16] 35

2.2.4.2 Ảnh hưởng của thành phần cỡ hạt của cốt liệu tính chất lưu biến của hỗn hợp BTTL 37

2.2.5 Ảnh hưởng của quy trình trộn [20] 39

Đánh giá khả năng bơm của hỗn hợp bê tông 39

2.3.1 Tính đồng nhất của hỗn hợp BTTL 40

2.3.2 Tính công tác của hỗn hợp BTTL 43

2.3.3 Cơ sở khoa học của thí nghiệm tách nước 44

Vai trò của các thông số lưu biến trong tính toán bơm hỗn hợp BTTL 46

Kết luận chương 2 50

CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 51

Thực nghiệm tính chất nguyên vật liệu sử dụng 51

Thiết kế cấp phối BTTL nghiên cứu 57

Các phương pháp thí nghiệm đánh giá các thông số kỹ thuật về tính công tác của BTTL [6] 64

3.3.1 Thí nghiệm đo độ chảy xòe và T500 [18] 64

3.3.2 Thí nghiệm Tv 65

3.3.3 Thí nghiệm sàng phân tầng 67

3.3.4 Thí nghiệm L box [6] 68

3.3.5 Thí nghiệm U box [19][20] 68

3.5.2 Mức độ kháng nứt trong thí nghiệm vòng kiềm chế [74] 76

Phương pháp đánh giá ảnh hưởng toàn bộ các yếu tố của nguyên vật liệu thành phần đến các thông số kỹ thuật về tính công tác và tính lưu biến của hỗn hợp BTTL nghiên cứu 78

4.3.1 Quan hệ giữa ứng suất chảy và các thông số kỹ thuật về tính công tác 101

4.3.2 Quan hệ giữa độ nhớt dẻo và các thông số kỹ thuật về tính công tác 103

Thiết lập vùng đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL dùng để bơm cho công trình siêu cao tầng 105

Khả năng duy trì các thông số kỹ thuật về tính công tác và lưu biến của hỗn hợp BTTL nghiên cứu 108

Đánh giá tính chất cơ học của BTTL nghiên cứu 113

Kết luận chương 4 117

ix

CHƯƠNG 5 ÁP DỤNG BƠM NGANG THỰC NGHIỆM HỖN HỢP BÊ TÔNG

TỰ LÈN 119

Tính toán áp lực bơm ngang kiểm chứng 119

Thiết lập các thí nghiệm bơm ngang kiểm chứng 121

Kiểm chứng với cấp phối bất kỳ trong vùng tính công tác đề xuất 122

Kết luận chương 5 124

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 125

Kết luận chung 125

Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo 126

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 127

TÀI LIỆU THAM KHẢO 128

PHỤ LỤC 133

Hình 1.4 Khu vực đề xuất ứng suất chảy và độ nhớt dẻo cho BTTL [9] 8

Hình 1.5 Sự thay đổi ứng suất chảy của hỗn hợp BTTL trong quá trình vận chuyển và thi công [10] 9

Hình 1.6 Khung công tác do Koehler đề xuất cho BTTL [10] 9

Hình 1.7 Quan hệ giữa độ nhớt µ và ứng suất chảy 0 theo Zerbino [12] 10

Hình 1.8 Biểu đồ lưu biến được Wallevik đề xuất [14] 11

Hình 1.9 So sánh ứng suất chảy của BTTL dược đo bằng lưu biến kế ConTec và ICAR [15] 12

Hình 1.10 So sánh độ nhớt dẻo của BTTL dược đo bằng lưu biến kế ConTec và ICAR [15] 12

Hình 1.11 Biểu đồ quan hệ giữa áp lực bơm (bar) với chiều cao bơm (m) phụ thuộc vào Dmax của các hạt CLL với các hỗn hợp bê tông sử dụng cho Burj Khalifa [30] 16

Hình 1.12 Cấu tạo thiết bị đo ma sát tribometer của Ngo và các cộng sự [31] 17

Hình 1.13 Quan hệ giữa thông số bơm và thể tích hồ xi măng [32] 17

Hình 2.1 Quan hệ giữa ứng suất cắt [Pa] với tốc độ biến dạng cắt . [1/s] và với độ nhớt [Pa.s] 20

Hình 2.2 Các thông số lưu biến cơ bản của mô hình Bingham 21

Hình 2.3 Cấu trúc của silicafume được phóng to 5000 lần 26

Hình 2.4 Quan hệ giữa hàm lượng silicafume và phễu V [43] 26

Hình 2.5 Quan hệ giữa hàm lượng silicafume và tốc độ chảy xòe [43] 27

Hình 2.6 Quan hệ giữa hàm lượng silica fume với cường độ chịu nén của BT 27

Hình 2.7 Sơ đồ cơ chế tác động của phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate ảnh hưởng vùng không gian hở do phụ gia tạo ra đối với sự phân tán các hạt xi măng [50] 30

Hình 2.8 Sơ đồ minh họa các cơ chế hóa học của VEA [50] 34

Hình 2.9 Ảnh hưởng của hàm lượng CLL đến độ nhớt dẻo của hỗn hợp bê tông 36

Hình 2.10 Hình dạng cốt liệu và tính chất bề mặt 36

Hình 2.11 Ảnh hưởng của loại CLL đến độ nhớt dẻo của hỗn hợp bê tông 37

Hình 2.12 Sự phân bố kích thước hạt trong hỗn hợp bê tông 37

Hình 2.13 Kết hợp các thành phần cỡ hạt cốt liệu trong hỗn hợp bê tông 38

Hình 2.14 Hiện tượng tách nước trong đường ống [57] 40

Hình 2.15 Mối liên hệ giữa tỉ lệ N/X và sự ma sát trong đường ống [57] 41

Hình 2.16 Mối liên hệ giữa độ sụt và thí nghiệm tách nước [57] 44

Hình 2.17 Kết quả thí nghiệm tách nước của Zhang [58] 45

Hình 2.18 Các vùng của hỗn hợp bê tông di chuyển trong đường ống [16] 47

xi

Hình 2.19 Phân tích lực khi hỗn hợp bê tông di chuyển trong đường ống [16] 48

Hình 2.20 Ứng xử của hỗn hợp bê tông trong đường ống theo Kaplan [60] 48

Hình 3.1 Thành phần nguyên vật liệu 51

Hình 3.2 Phân bố thành phần cỡ hạt của xi măng, tro bay và silica fume sử dụng nghiên cứu 53

Hình 3.3 Biểu đồ thành phần hạt của cát sông sử dụng nghiên cứu 55

Hình 3.4 Biểu đồ thành phần hạt của cát nghiền sử dụng nghiên cứu 55

Hình 3.5 Biểu đồ thành phần hạt của 65% CS + 35%CN sử dụng nghiên cứu 56

Hình 3.6 Biểu đồ thành phần hạt của đá dăm sử dụng nghiên cứu 57

Hình 3.7 Quy trình nhào trộn hỗn hợp bê tông 59

Hình 3.8 Sơ đồ các cấp phối khảo sát 61

Hình 3.9 Bộ dụng cụ thí nghiệm đo độ chảy xòe và T500 64

Hình 3.10 Thí nghiệm xác định T500 và đo đường kính D1 và D2 xác định độ chảy xòe SF [mm] 65

Hình 3.11 Hình dáng và kích thước phễu V [mm] 66

Hình 3.12 Tiến hành thí nghiệm V-funnel 66

Hình 3.13 Thí nghiệm sàng phân tầng 67

Hình 3.14 Cấu tạo của L box 68

Hình 3.15 Cấu tạo của U box 69

Hình 3.16 Bộ thí nghiệm tách nước 70

Hình 3.17 Các bộ phận của lưu biến kế ICAR 71

Hình 3.18 Thí nghiệm phát triển ứng suất 72

Hình 3.19 Thí nghiệm đường cong dòng chảy bê tông 72

Hình 3.20 Lưu biến kế ICAR và màn hình mô tả kết quả của thí nghiệm phương trình dòng chảy xác định ứng suất chảy và độ nhớt của hỗn hợp BTTL 74

Hình 3.21 Phân tích ứng suất trong thí nghiệm vòng kiềm chế 76

Hình 3.22 Phân tích hệ số biến dạng α trong thí nghiệm vòng kiềm chế 78

Hình 3.23 Mô hình phân tích phương sai đánh giá ảnh hưởng của nguyên vật liệu đến các tính chất của BTTL 80

Hình 4.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ N/CKD đến độ chảy xòe của BTTL nghiên cứu 93

Hình 4.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ N/CKD đến T500 của BTTL nghiên cứu 94

Hình 4.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ N/CKD đến TV của BTTL nghiên cứu 95

Hình 4.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ N/CKD đến ứng suất chảy của BTTL nghiên cứu 95

Hình 4.5 Ảnh hưởng của tỉ lệ N/CKD đến độ nhớt dẻo của BTTL nghiên cứu 96

Hình 4.6 Ảnh hưởng của tỉ lệ N/CKD đến lượng nước tách ra V của BTTL nghiên cứu 96

Hình 4.7 Ảnh hưởng của tỉ lệ N/CKD đến tỉ lệ phân tầng của BTTL nghiên cứu 97

Hình 4.8 Quan hệ giữa tỉ lệ phân tầng (SR) và Tv 98

Hình 4.9 Quan hệ giữa tỉ lệ phân tầng (SR) và độ chảy xòe 98

Hình 4.10 Quan hệ giữa lượng nước tách ra V và Tv 100

xii

Hình 4.11 Quan hệ giữa lượng nước tách ra V và độ chảy xòe 100

Hình 4.12 Quan hệ giữa ứng suất chảy và độ chảy xòe 101

Hình 4.13 Quan hệ giữa ứng suất chảy và T500 102

Hình 4.14 Quan hệ giữa ứng suất chảy và Tv 102

Hình 4.15 Quan hệ giữa độ nhớt dẻo với độ chảy xòe 103

Hình 4.16 Quan hệ giữa độ nhớt dẻo với T500 104

Hình 4.17 Quan hệ giữa độ nhớt dẻo với Tv 104

Hình 4.18 Vùng tập trung các cấp phối có ứng suất chảy và độ nhớt dẻo đề xuất cho BTTL bơm cho công trình siêu cao tầng 106

Hình 4.19 Vùng ứng suất chảy và độ nhớt dẻo đề xuất cho BTTL bơm cho công trình siêu cao tầng 107

Hình 4.20 Hình ảnh chảy xòe của BTTL (a-Chảy kém; b-Chảy tốt; c-Tách vữa) 108

Hình 4.21 Ứng suất chảy và độ nhớt dẻo duy trì theo thời gian 113

Hình 4.22 Cường độ chịu nén sau 28 ngày của BTTL nghiên cứu 114

Hình 4.23 Khuôn mẫu đo biến dạng co ngót theo tiêu chuẩn ASTM C1581 115

Hình 4.24 Vết nứt xuất hiện trên mẫu BTTL 115

Hình 4.25 Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến thời gian nứt và biến dạng của BTTL 116

Hình 5.1 Quy trình kiểm soát chất lượng bê tông thi công bơm tại hiện trường 119

Hình 5.2 Chọn áp lực bơm theo ACI 304-2R.17 120

Hình 5.3 Sơ đồ và mặt bằng bố trí đường ống bơm ngang 1000 m tại trạm trộn 121

Hình 5.4 Kiểm tra độ chảy xòe và T500 trước khi bơm 350m và 1000m 123

xiii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Công thức tính gián tiếp ứng suất chảy và độ nhớt dẻo 14

Bảng 1.2 Cấp phối của BTTL chất lượng cao C100 cho các tầng trên 400m 15

Bảng 1.3 Các kết quả thí nhiệm của hỗn hợp BTTL chất lượng cao 15

Bảng 1.4 Một số đặc trưng trong cấp phối hỗn hợp bê tông cho công trình Burj Khalifa [29] 16

Bảng 3.1 Tính chất cơ lý của xi măng, tro bay và silica fume sử dụng nghiên cứu 52

Bảng 3.2 Thành phần hóa của xi măng, tro bay và silica fume (%) sử dụng nghiên cứu 53

Bảng 3.3 Thành phần khoáng của xi măng (%) sử dụng nghiên cứu 53

Bảng 3.4 Tính chất cơ lý của cát sông và cát nghiền sử dụng nghiên cứu 54

Bảng 3.5 Tính chất cơ lý của đá dăm sử dụng nghiên cứu 56

Bảng 3.6 Bảng tổng hợp các thông số thiết kế 58

Bảng 3.7 Thành phần các cấp phối khảo sát 62

Bảng 3.8 Thành phần các cấp phối khảo sát (tiếp theo) 63

Bảng 3.9 Kết quả thí nghiệm đường cong dòng chảy 73

Bảng 3.10 Đánh giá khả năng nứt do co ngót của bê tông 78

Bảng 3.11 Ký hiệu các yếu tố nguyên vật liệu 79

Bảng 3.12 Mã hóa thành phần nguyên vật liệu cho các cấp phối khảo sát 81

Bảng 4.1 Kết quả thí nghiệm 85

Bảng 4.2 Kết quả thí nghiệm (tiếp theo) 86

Bảng 4.3 Kết quả phân tích ảnh hưởng của thành phần nguyên vật liệu đến giá trị độ chảy xòe 87

Bảng 4.4 Kết quả phân tích ảnh hưởng của thành phần nguyên vật liệu đến giá trị T500 88

Bảng 4.5 Kết quả phân tích ảnh hưởng của thành phần nguyên vật liệu đến giá trị Tv 89Bảng 4.6 Kết quả phân tích ảnh hưởng của thành phần nguyên vật liệu đến giá trị ứng suất chảy o 90

Bảng 4.7 Kết quả phân tích ảnh hưởng của thành phần nguyên vật liệu đến giá trị độ nhớt dẻo µ 91

Bảng 4.8 Kết quả phân tích ảnh hưởng của thành phần nguyên vật liệu đến tỉ lệ phân tầng SR 92

Bảng 4.9 Kết quả phân tích ảnh hưởng của thành phần nguyên vật liệu đến giá trị lượng nước tách ra V trong thí nghiệm tách nước 92

Bảng 4.10 Kết quả duy trì tính công tác và tính lưu biến của các cấp phối 109

Bảng 4.11 Đánh giá khả năng nứt do co ngót của BTTL 116

Bảng 5.1 Thành phần nguyên vật liệu của hỗn hợp BTTL bất kì bơm ngang 122

Bảng 5.2 Cấp phối của hỗn hợp BTTL bất kì bơm ngang 350m và 1000m 122

Bảng 5.3 Kết quả tính công tác và tính lưu biến của hỗn hợp SCC-Trial 123

xiv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ACI Viện bê tông Hoa kì (American Concrete Institute)

ANOVA Phân tích phương sai

ASTM Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa kì (American Society for Testing And Materials)

SP Phụ gia siêu dẻo

SPSS Statistical Package for the Social Sciences TCL Tổng cốt liệu

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

VEA Phụ gia tăng cường độ nhớt VMA Phụ gia điều chỉnh độ nhớt

xvi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Dmax Đường kính lớn nhất của cốt liệu, [mm]

f’c Cường độ chịu nén đặc trưng sau 28 ngày theo ASTM C39, [MPa] γ ̇ tốc độ biến dạng cắt, [1/s]

 Hằng số nhớt [Pa.s.m] kr Hằng số lấp đầy đường ống L Chiều dài ống bơm [m]  Độ nhớt dẻo, [Pa.s]

P Áp lực bơm cung cấp [Pa]

pi Áp suất dòng chảy tại tiết diện cắt ngang đang xét [Pa] Q Lưu lượng hỗn hợp bê tông trong đường ống [m3/s] R Bán kính của đường ống [m]

R28 Cường độ chịu nén sau 28 ngày, [MPa] Rp Bán kính piston [m]

0 Khối lượng thể tích, [kg/m3]  Khối lượng riêng, [kg/m3] SF Giá trị độ chảy xòe, [mm] SR Tỉ lệ phân tầng, [%] S(t) Tỉ lệ tách nước [%]

T500 Thời gian đạt độ chảy xòe 500mm, [s]  Ứng suất cắt, [Pa]

o Ứng suất chảy, [Pa]

0i Ứng suất chảy nội tại (xác định từ ma sát kế) [Pa] w Ứng suất cắt ở thành ống bơm [Pa]

Tv Thời gian chảy qua phễu V, [s]

V(t) Lượng nước tách ra tại thời điểm t, [ml] g Tốc độ biến dạng trượt [1/s]

P Vận tốc của bơm piston [m/s]

1

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Hỗn hợp bê tông tự lèn (BTTL) là hỗn hợp bê tông có độ lưu động cao, nhưng không bị phân tầng, tách lớp giữa cốt liệu và hồ xi măng Loại bê tông này sử dụng thi công cho các cấu kiện bê tông có bố trí cốt thép dày đặc Đối với hỗn hợp BTTL dùng để bơm cho các công trình siêu cao tầng (chiều cao công trình trên 300m), ngoài các thông số kỹ thuật về tính dẻo, thì hỗn hợp bê tông cần phải đáp ứng được những yêu cầu về chống lại sự phân tầng, tách nước dưới áp lực cao Hơn nữa, chiều cao công trình lớn làm cho hỗn hợp bê tông bị giữ lại khá lâu trong đường ống, lực ma sát giữa hỗn hợp bê tông với thành ống lớn cùng với ảnh hưởng của nhiệt độ từ môi trường xung quanh làm cho hỗn hợp bê tông dễ bị đóng rắn và gây tắc nghẽn đường ống Do đó, sự liên tục trong cấp phối hạt của hỗn hợp BTTL giúp cho tổng lực liên kết phân tử giữa các hạt lớn, làm cho hỗn hợp BTTL có độ ổn định cao dưới áp lực bơm lớn so với hỗn hợp bê tông thông thường có cùng độ chảy

Đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL là một tính chất đặc biệt quan trọng để hỗn hợp BTTL giữ được tính đồng nhất và tính công tác tốt, không bị phân tầng, chảy vữa trong quá trình thi công Hai thông số đặc trưng cho tính lưu biến của hỗn hợp bê tông là ứng suất chảy và độ nhớt dẻo được xác định bằng lưu biến kế để nghiên cứu mở rộng về tính dẻo của hỗn hợp BTTL Từ đó, thiết kế lựa chọn hợp lý hỗn hợp BTTL dùng để bơm thẳng đứng với áp lực cao cho công trình siêu cao tầng

Hiện nay, nhu cầu sử dụng hỗn hợp BTTL để thi công bơm cho các công trình cao trên 300m là rất cần thiết và cấp bách Đặc biệt đối với hỗn hợp BTTL thi công bơm thẳng đứng, cần tập trung nghiên cứu về đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL này, có liên quan đến khả năng thi công bơm và để bảo đảm chất lượng BTTL là vấn đề khoa học cần phải được đặt ra, để làm nền tảng nghiên cứu phát triển tiếp theo Nhận thấy tầm quan trọng của vấn đề, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bê tông tự lèn dùng để thi công bơm cho công trình siêu cao tầng” cho luận án tiến sĩ của mình

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu của Luận án là nghiên cứu về đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bê tông bơm tự lèn để làm nền tảng thiết kế tỉ lệ thành phần của nguyên vật liệu và thiết lập quy trình kiểm soát chất lượng bê tông thi công bơm cho công trình siêu cao tầng Để đạt được mục tiêu trên, nhiệm vụ của nghiên cứu được xác định như sau:

 Nghiên cứu thiết lập được cơ sở khoa học về đặc trưng lưu biến, các thông số kỹ thuật về tính công tác của hỗn hợp BTTL, đặc biệt đối với hỗn hợp BTTL dùng thi công bơm cho công trình siêu cao tầng

 Nghiên cứu các thông số kỹ thuật về tính công tác và tính chất lưu biến của hỗn hợp BTTL sử dụng bơm cho các công trình siêu cao tầng (chiều cao công trình từ 300m trở lên);

 Xây dựng sự tương quan giữa các thông số kỹ thuật về tính công tác và đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL thông qua mối quan hệ giữa độ chảy xòe (SF) với ứng suất chảy (o) và thời gian chảy xòe đạt đường kính 500mm (T500), thời gian chảy qua phễu V (Tv) với độ nhớt dẻo (µ)

 Đề xuất vùng của các thông số kỹ thuật về tính công tác trên biểu đồ quan hệ giữa ứng suất chảy và độ nhớt dẻo của hỗn hợp BTTL dùng để thi công bơm cho công trình siêu cao tầng

 Nghiên cứu thiết kế cấp phối nguyên vật liệu và thiết lập quy trình kiểm soát chất lượng bê tông thi công bơm

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu  Phạm vi nghiên cứu

Lựa chọn hệ nguyên vật liệu để thiết kế hỗn hợp BTTL đạt yêu cầu về các thông số kỹ thuật về tính công tác (T500, độ chảy xòe, TV, tỉ lệ phân tầng và cường độ chịu nén) có thể bơm cho các công trình siêu cao tầng Xây dựng được quan hệ giữa các thông số kỹ thuật với đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL này Từ đó, đề xuất vùng tính công tác trên biểu đồ quan hệ giữa ứng suất chảy và độ nhớt dẻo của hỗn hợp BTTL bơm cho công trình siêu cao tầng và xây dựng quy trình kiểm soát chất lượng bê tông thi công bơm

3  Đối tượng nghiên cứu

Kỹ thuật và công nghệ của bê tông bơm tự lèn cho công trình siêu cao tầng Phương pháp nghiên cứu

Trong nghiên cứu đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm

 Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu về cơ sở khoa học của tính dẻo, cơ sở khoa học của đặc trưng lưu biến bao gồm: cấu tạo của hỗn hợp bê tông, mối quan hệ của ứng suất chảy với độ nhớt dẻo Tất cả các cơ sở này làm nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo Nghiên cứu ảnh hưởng của tính chất và lượng của nguyên vật liệu đến các thông số kỹ thuật về đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL dùng thi công bơm cho công trình siêu cao tầng Phương pháp thiết kế cấp phối hỗn hợp BTTL và phương pháp đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo của hỗn hợp BTTL

 Nghiên cứu thực nghiệm

Áp dụng các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn Trong phương pháp tiêu chuẩn, thực hiện theo hướng dẫn thí nghiệm tiêu chuẩn EN của châu Âu, ASTM của Mỹ và TCVN của Việt Nam

Sử dụng các phương pháp phi tiêu chuẩn của các nhà khoa học đi trước Những đóng góp khoa học mới của luận án

(1) Đây là nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam, là nghiên cứu mở rộng về khoa học của đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL, dùng để thi công bơm cho công trình siêu cao tầng (2) Đã đề xuất được vùng tính công tác trên đồ thị lưu biến của hỗn hợp bê tông bơm giúp người kỹ sư áp dụng các thông số kỹ thuật của hỗn hợp bê tông bơm đến việc thiết kế và thi công bơm bê tông cho công trình siêu cao tầng

(3) Đã xây dựng phương pháp thiết kế tỉ lệ hỗn hợp thành phần nguyên vật liệu và các tính chất đặc trưng của hỗn hợp BT bơm dùng cho công trình siêu cao tầng

Mục lục

Danh mục các hình ảnh Danh mục các từ viết tắt Mở đầu

Chương 1: Tình hình nghiên cứu hỗn hợp bê tông tự lèn dùng thi công bơm cho công trình siêu cao tầng

Chương 2: Những cơ sở khoa học tiếp cận nhiệm vụ nghiên cứu Chương 3: Vật liệu sử dụng và phương pháp nghiên cứu

Chương 4: Thiết lập vùng đặc trưng lưu biến cho hỗn hợp bê tông tự lèn dùng thi công bơm cho công trình siêu cao tầng

Chương 5: Áp dụng bơm ngang thực nghiệm hỗn hợp bê tông tự lèn Kết luận và kiến nghị

Danh mục công trình đã công bố Tài liệu tham khảo

Phụ lục

5

LÈN DÙNG THI CÔNG BƠM CHO CÔNG TRÌNH SIÊU CAO TẦNG

Tình hình các nghiên cứu trên thế giới về các tính chất của hỗn hợp BTTL dùng bơm cho công trình siêu cao tầng

1.1.1 Giới thiệu BTTL và các thông số kỹ thuật đặc trưng của hỗn hợp BTTL Trong những năm 80 của thế kỷ XX, độ bền của các cấu trúc bê tông là một chủ đề gây chú ý đặc biệt tại Nhật Bản Khi đó, Ozawa vào năm 1989 đã đưa ra loại bê tông mà hỗn hợp của nó có khả năng tự lấp đầy góc cạnh ván khuôn hoặc cốp pha kể cả những kết cấu dày đặc cốt thép, mà vẫn giữ được tính đồng nhất bằng chính trọng lượng bản thân và độ chảy xòe cao, không cần bất kì lực tác động cơ học nào từ bên ngoài [1], [2] Để đạt được độ tự lèn, Okamura và Ozawa [3] đưa ra các phương pháp chế tạo như sau:  Lượng cốt liệu giới hạn và lượng chất kết dính cao

 Độ biến dạng và độ nhớt cao

BTTL bao gồm xi măng, cốt liệu, nước và phụ gia gần giống với thành phần của bê tông thường như Hình 1.1 [4], tuy nhiên, việc giảm cốt liệu lớn, tăng hàm lượng chất kết dính (CKD) và kết hợp sử dụng phụ gia siêu dẻo, tỉ lệ giữa nước và xi măng (N/X) thấp làm tăng khả năng tự lèn

Tại Việt Nam, năm 2018, Hội Bê tông Việt Nam đã biên soạn tiêu chuẩn TCVN 12209:2018 - Bê tông tự lèn - Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử [5], để đưa BTTL sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng Nói cách khác, hỗn hợp BTTL (Hình 1.2) chính là hỗn hợp khi đổ không cần đầm

Hình 1.1 So sánh thành phần của BTTL với bê tông thường [4]

2%2% 8%

45%36%B T

T H Ư Ờ N GB T T L

XMN+SPBọt khíPGKCLNCLL

Hình 1.2 Hỗn hợp bê tông tự lèn

6

nhưng sau khi đóng rắn, kết cấu bê tông vẫn đảm bảo độ đặc chắc và các tính chất về cơ lý như bê tông truyền thống thông thường [6] Ba tính chất đặc trưng cho hỗn hợp BTTL là khả năng lắp đầy; khả năng xuyên qua và khả năng kháng phân tầng [7]

Khả năng lấp đầy là khả năng tự lấp đầy hoàn toàn tất cả khu vực và các góc của ván khuôn Khả năng lấp đầy của hỗn hợp BTTL được đánh giá qua các thông số độ chảy xòe, T500, Tv [5]

 Độ chảy xòe hay độ chảy loang (slump flow-SF) là đường kính trung bình của hỗn hợp BTTL khi chảy loang từ côn đo độ sụt tiêu chuẩn

 T500 là thời gian chảy loang (slump flow time) của hỗn hợp BTTL đạt tới đường kính 500 mm khi thử theo côn đo độ sụt tiêu chuẩn

 Thời gian chảy qua phễu V (V-funnel flow time-Tv) là thời gian để một khối lượng nhất định hỗn hợp BTTL chảy hết qua đáy của phễu V

Khả năng xuyên qua là khả năng đi qua cốt thép dày đặc mà không bị phân tầng hoặc bị tắc nghẽn Khả năng chảy qua của hỗn hợp BTTL được đánh giá thông qua khả năng chảy qua hộp L hoặc khả năng chảy qua vòng J của hỗn hợp BTTL [5]

 Khả năng chảy qua hộp L được đánh giá bằng cách đo chiều cao hỗn hợp BTTL đạt được sau khi chảy qua những khe hở quy định của các thanh thép trong một khoảng cách nhất định Từ chiều cao này có thể dự đoán khả năng chảy qua hay bị nghẽn của hỗn hợp BTTL

 Khả năng chảy qua vòng J được xác định bằng khả năng chảy qua khe hở của hỗn hợp BTTL Độ chảy loang theo vòng J cho thấy khả năng biến dạng bị hạn chế của hỗn hợp BTTL do ảnh hưởng gây nghẽn của các thanh cốt thép

Khả năng kháng phân tầng là khả năng giữ lại các thành phần cốt liệu của hỗn hợp ở trạng thái lơ lửng để duy trì một hỗn hợp đồng nhất về thành phần kể từ khi trộn xong cho đến khi bắt đầu đông kết

Còn các đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL thể hiện qua giá trị ứng suất chảy 0 và độ nhớt dẻo µ

 Ứng suất chảy 0 (Pa) là ứng suất tối thiểu để tạo ra dòng chảy ban đầu hoặc duy trì dòng chảy (liên quan đến độ chảy xòe)

Năm 2002, Bartos và các đồng nghiệp [8] đã đưa ra một số phương pháp thí nghiệm để xác định các thông số kỹ thuật về tính công tác và tính lưu biến của hỗn hợp bê tông và BTTL Các thí nghiệm xác định các thông số kỹ thuật về tính công tác như thí nghiệm đo độ chảy xòe, thời gian chảy qua phễu V, thời gian chảy xuyên qua vòng J-ring, L-box, thí nghiệm K-slump, … cũng đã được đưa vào các tiêu chuẩn châu Âu Về các thông số đặc trưng lưu biến, sử dụng các thiết bị thí nghiệm như lưu biến kế, nhớt kế để xác định ứng suất chảy và độ nhớt dẻo của hỗn hợp bê tông và BTTL

Năm 2003, Wallevik [9] đã trình bày ảnh hưởng của các nguyên vật liệu thành phần đến các thông số lưu biến của hỗn hợp bê tông được thể hiện trong Hình 1.3 và so sánh sự khác nhau của các thông số lưu biến giữa bê tông thông thường và BTTL Kết quả nghiên cứu cho thấy nếu tỉ lệ nước trong cấp phối càng tăng ứng suất chảy và độ nhớt dẻo của hỗn hợp bê tông càng giảm Nếu hàm lượng phụ gia siêu dẻo càng tăng, ứng suất chảy càng giảm, hỗn hợp BTTL càng dẻo Ngoài ra, nghiên cứu còn đưa ra sự ảnh hưởng của các yếu tố khác

Hình 1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng

nguyên vật liệu đến độ nhớt và ứng suất chảy của hỗn hợp bê tông [9]

Không khí

ứng suất chảy động của BTTL sử dụng lưu biến kế ICAR [10] Tác giả nêu rõ tính lưu biến của hỗn hợp BTTL là công cụ hữu ích để đánh giá, thiết kế và quản lý BTTL, trong đó, ứng suất chảy tĩnh được xác định ở trạng thái tĩnh, còn ứng suất chảy động xác định

xác định cho trạng thái nghỉ Ngoài ra, tính lưu biến có thể được tối ưu để đảm bảo tính

Hình 1.4 Khu vực đề xuất ứng suất chảy và độ nhớt dẻo cho BTTL [9]

600 mm

650 mm

700 mmGiá trị độ xòe nhỏ

nhất của BTTL

9

độ nhớt dẻo, để tăng độ ổn định của hỗn hợp BTTL

Các tác giả đề xuất khung công tác (hình bình hành) cho BTTL trên Hình 1.6, là khu vực lưu biến phù hợp với tính công tác của hỗn hợp BTTL Đây là một phương pháp đánh giá ảnh hưởng của các thông số lưu biến bao gồm ứng suất chảy và độ nhớt dẻo để đảm bảo độ đồng nhất và kháng phân tầng của hỗn hợp BTTL Tính công tác tốt thì tính bền vững của hỗn hợp BTTL sẽ cao hơn

Hình 1.5 Sự thay đổi ứng suất chảy của hỗn hợp BTTL trong quá trình vận chuyển

và thi công [10]

Hình 1.6 Khung công tác do Koehler đề xuất cho BTTL [10]

Requires Vibration

SegregationGood

10

Năm 2008, Feys và các đồng nghiệp nghiên cứu về bơm BTTL [11] bằng thí nghiệm bơm BT với kích thước thật của đường ống bơm, đưa các kết luận rằng BTTL có ứng suất chảy và độ nhớt dẻo nhưng trong một vài trường hợp, nó có ứng xử chảy đặc Ứng suất chảy của BTTL là thấp hơn nhiều so với bê tông truyền thống nhưng độ nhớt dẻo là cao hơn để đảm bảo độ ổn định của mẻ trộn Khi bơm BTTL, với lưu lượng bơm lớn, do BTTL có độ nhớt dẻo cao nên cần áp lực bơm lớn hơn so với bê tông truyền thống, còn ứng suất chảy gần như không ảnh hưởng

Năm 2009, Zerbino và các đồng nghiệp [12] đề xuất các thí nghiệm tính công tác và đánh giá lưu biến cho BTTL Tác giả sử dụng nhớt kế BML khảo sát với ứng suất chảy

cấp phối BTTL có Dmax là 12mm và Dmax là 20mm Kết quả cho thấy khi

tăng thì độ nhớt µ và thời gian chảy qua phễu V lớn Khi độ chảy xòe lớn

hơn 60 Pa, độ nhớt dẻo µ thay đổi đáng kể Thời gian chảy qua phễu V, Tv lớn hơn 3s thì ứng suất chảy 0 không được xác định rõ Thời gian đạt độ chảy xòe 500 mm, T50 từ 2s đến 4s, cần xác định giá trị T50 nhỏ nhất đảm bảo độ nhớt µ

1.7)

bơm với tính đồng nhất, tính lưu biến của hỗn hợp bê tông và vữa Kết quả cho thấy rằng để hỗn hợp bê tông có thể bơm được thì hiệu số giữa lượng tách ra từ thí nghiệm tách nước ở 140s và 10s phải lớn hơn 50 cm3 và độ sụt phải lớn hơn 50mm Ngoài ra, nghiên cứu còn tìm ra giá trị của các thông số lưu biến của hỗn hợp bê tông bằng nhớt kế đo lường BML.

Hình 1.7 Quan hệ giữa độ nhớt µ và ứng suất chảy 0 theo Zerbino [12]

11

Wallevik và các đồng nghiệp năm 2011 nghiên cứu lợi ích của việc sử dụng lưu biến kế để đánh giá các thông số lưu biến của BTTL, từ đó hiệu chỉnh hàm lượng nước, hàm lượng không khí, hàm lượng silicafum và các phụ gia phân tán khác nhau cho từng loại BTTL được tác giả đề xuất trên biểu đồ lưu biến theo vùng lưu biến của từng loại BTTL trên Hình 1.8 [14] Ứng suất chảy và độ nhớt dẻo trong nghiên cứu được xác định bằng lưu biến kế Mk/Contec/BML Biểu đồ lưu biến chia các vùng sử dụng của BTTL: vùng nên sử dụng cho BTTL, vùng BTTL có độ nhớt thấp (LV-SCC), vùng BTTL có ứng suất chảy dẻo cao (HY-SCC), vùng bê tông dễ chảy (Easy-CC) và vùng BTTL có độ nhớt thấp và ứng suất chảy dẻo cao (LV-HY-SCC) Kết quả cho thấy có thể ứng dụng biểu đồ vùng theo mục tiêu sử dụng của bê tông để phát triển bê tông hiệu suất cao như BTTL từ việc chọn vật liệu để thiết kế cấp phối và sản xuất Ảnh hưởng của nhiều phụ gia cũng như các thành phần cơ bản của bê tông tươi trong biểu đồ lưu biến đã được công bố Mặc dù đây là những xu hướng chung, trong hầu hết các trường hợp, có thể thêm các hiệu quả của hai hoặc ba thành phần để ước tính hiệu quả kết hợp Cách tiếp cận này tạo thành một phương pháp tiếp cận vector hoá- biểu đồ lưu biến

Feys và Khayat vào năm 2013 [15] đã so sánh đặc tính lưu biến của BTTL bằng lưu biến kế ConTec và ICAR Nghiên cứu so sánh đặc tính lưu biến giữa BTTL, bê tông có tính công tác cao (HWC) và bê tông truyền thống (CVC) đã được xác định bằng lưu biến kế ICAR và ConTec Sau đó, các tác giả phân tích việc so sánh phần mềm với phân tích dữ liệu thô thủ công và so sánh chúng Các kết quả cho thấy rằng khoảng cách giữa hai xi lanh bên trong và bên ngoài của ICAR là 80 mm, thì lớn hơn so với ConTec là 45mm, có ảnh hưởng quan trọng đến dòng chảy Việc hiệu chỉnh lưu lượng dòng chảy

Hình 1.8 Biểu đồ lưu biến được Wallevik đề xuất [14]

12

cắm cần thiết cho ConTec khi ứng suất chảy khoảng 200 Pa trở lên (đối với bê tông có tính công tác cao và bê tông truyền thống, trong khi đối với ICAR, lưu lượng dòng chảy cắm cũng được quan sát trong phạm vi BTTL (ứng suất chảy khoảng 40 Pa)

So sánh cả hai máy đo lưu biến khi đo cho BTTL cho thấy ứng suất chảy được đo bằng ICAR cao hơn so với ConTec khoảng 10-20 Pa (Hình 1.9), độ nhớt dẻo của ICAR và ConTec cho kết quả gần bằng nhau (Hình 1.10)

Riding và các đồng nghiệp năm 2016 [16] đã trình bày các mô hình đánh giá độ lưu biến và nhận thấy mô hình Bingham là phù hợp nhất Bên cạnh đó, các tác giả của nghiên

13

cứu này cũng trình bày được sự thay đổi các thông số của hỗn hợp bê tông sau khi bơm cụ thể là giá trị ứng suất chảy càng tăng khi áp lực bơm càng lớn, riêng về độ nhớt thay đổi phức tạp hơn hầu như rất khó khảo sát để tìm ra qui luật vì giá trị này chịu ảnh hưởng bởi nhiều thông số

Ferraris và các đồng nghiệp năm 2017 [17] đã đánh giá vai trò của lưu biến học đối với sự phát triển của bê tông chất lượng cao, bao gồm cả BTTL Ứng suất chảy và độ nhớt dẻo ảnh hưởng đến nguy cơ phân tầng và áp lực bơm của hỗn hợp bê tông Khi ứng suất chảy và độ nhớt dẻo càng tăng cao thì hỗn hợp BTTL ít phân tầng nhưng cần áp lực bơm lớn Còn khi ứng suất chảy và độ nhớt dẻo thấp thì hỗn hợp BTTL cần áp lực bơm nhỏ nhưng dễ bị phân tầng

Hơn nữa, tiêu chuẩn ACI 237R của Mỹ năm 2007[7], tài liệu hướng dẫn thí nghiệm về BTTL và EN 12350-2010 của châu Âu [6], [18], tiêu chuẩn về bê tông và BTTL của Nhật [19] đều có những quy định cụ thể về trình tự thí nghiệm, phân loại và cách đánh giá hỗn hợp bê tông nói chung và của BTTL có thể bơm được cho các công trình nhà cao tầng nói riêng

Trong tiêu chuẩn ACI 238.1R-08 [20] đã trình bày các mô hình có thể đánh giá được khả năng lưu biến của hỗn hợp bê tông Bên cạnh đó, tiêu chuẩn cũng trình bày các thí nghiệm xác định lưu biến của hỗn hợp bê tông, bao gồm các thí nghiệm xác định một thông số lưu biến (thí nghiệm độ sụt, độ chảy xòe, K-slump, ) các thí nghiệm xác định nhiều thông số lưu biến (nhớt kế BML, nhớt kế BTRHEOM, IIB, ICAR, )

Trong tài liệu hướng dẫn thiết kế hỗn hợp BTTL [6] của châu Âu và “Thiết kế cấp phối BTTL cường độ cao” [21] của Wolfram Schmidt năm 2014 đã trình bày các thí nghiệm đánh giá gián tiếp thông số lưu biến của hỗn hợp BTTL Từ đó, có thể sử dụng các thông số độ chảy xòe, T500 và Tv để đánh giá gián tiếp các thông số lưu biến là ứng suất chảy và độ nhớt dẻo của hỗn hợp BTTL Bảng 1.1 trình bày các công thức tính toán ứng suất chảy và độ nhớt từ các giá trị thí nghiệm do Sedran, N Roussel và Kurokawa đề ra [22][23][24][25] Qua các phương pháp đánh giá gián tiếp và các công thức xác định các thông số lưu biến từ các thí nghiệm các thông số kỹ thuật về tính công tác cho thấy

14

độ chảy xòe ảnh hưởng đến ứng suất chảy, còn độ nhớt dẻo chịu ảnh hưởng của độ chảy xòe, T500 và Tv

với SF là độ chảy xòe [mm]

T500 là thời gian đạt đường kính chảy xòe 500mm [s]

V là thể tích côn [m3]

là khối lượng riêng [kg/m3]

g=9,81 là gia tốc trọng trường [m/s2] R là bán kính chảy xòe [m]

1.1.3 Tình hình về nghiên cứu hỗn hợp BTTL thi công bơm cho công trình siêu cao tầng

Chiều cao của các công trình cao tầng trên Thế giới được chia làm ba nhóm: cao tầng (tall) là những công trình có chiều cao dưới 300m, siêu cao tầng (supertall) là những công trình có chiều cao từ 300m đến 600m, cực cao tầng (megatall) là những công trình có chiều cao từ 600m trở lên [26] Do chiều cao công trình ảnh hưởng đến việc thi công bơm thẳng đứng lên cao, nên trên Thế giới đã có nhiều nghiên cứu về các thông số kỹ thuật của hỗn hợp bê tông sử dụng cho những công trình siêu cao tầng

Feng và các đồng nghiệp năm 2010 [27] nghiên cứu về bê tông mác 100 sử dụng cho các tầng cao trên 400m của tòa nhà Quảng Châu, Trung Quốc Tác giả đã đề xuất ra các cấp phối có các thông số kỹ thuật về tính công tác phù hợp và có khả năng bơm cho các tầng trên 400m (Bảng 1.2) Các kết quả thí nghiệm của hỗn hợp BTTL chất lượng cao có thể bơm thể hiện trên Bảng 1.3 Chất kết dính được sử dụng bao gồm xi măng, các hạt siêu mịn, phụ gia khoáng dạng bột mịn của zeolite tự nhiên Khả năng bơm của hỗn hợp bê tông này được đánh giá qua thí nghiệm tách nước dưới áp lực 30 MPa trong 10s

Bảng 1.1 Công thức tính gián tiếp ứng suất chảy và độ nhớt dẻo

Kurokawa

4 ρ×g×Vτ =

ρgτ =(808-SF)

11740(0,0261 × 𝑆𝐹 − 2,39) × 𝑇N Roussel

(2005)

225×ρ×g×Vτ =

128×π ×R

HWRA: phụ gia giảm nước

Năm 2013, Nehdi [28] và Bester [29] tổng hợp nghiên cứu hiệu quả sử dụng hỗn hợp BTTL bơm cho các công trình siêu cao tầng của Aldred [30] khi thi công tòa nhà Burj Khalifa với 166 tầng và chiều cao 828m Trong bài này, tác giả đã giới thiệu về cấp phối C80-20 và C80-14 của hỗn hợp BTTL được sử dụng có khoảng 50% là cốt liệu nhỏ, tro bay thay thế 13-20% và silica fume thay thế 5-10% (Bảng 1.4) Càng lên cao, Dmax của đá được giảm từ 20 mm tới 14 mm do áp lực bơm lên cao lớn Ngoài ra, bài báo cũng đề cập đến các cấu kiện ở vị trí cao hơn tầng 127 thì Dmax của cốt liệu lớn (CLL) phải nhỏ hơn 10mm, lúc này áp lực bơm vào khoảng 200 bar như trên Hình 1.11 Trong quá trình bơm, độ nhớt dẻo của hỗn hợp bị giảm một nửa và ứng suất chảy động tăng gấp đôi Điều này được cho là do sự gia tăng nhiệt độ của bê tông trong quá trình bơm và nên được đưa vào tính toán khi thiết kế hỗn hợp BTTL

Bảng 1.2 Cấp phối của BTTL chất lượng cao C100 cho các tầng trên 400m

Bảng 1.3 Các kết quả thí nhiệm của hỗn hợp BTTL chất lượng cao

Độ chảy xòe [mm]

Phễu V [s]

Áp lực tách nước [ml]

Gradient vận tốc cắt [rad/s]

Độ nhớt dẻo [mPa.s]

Ứng suất chảy [Pa]

Cường độ chịu nén [MPa]

3 ngày 7 ngày 28 ngày

16

Tình hình nghiên cứu trong nước về đặc tính lưu biến của hỗn hợp bê tông Các tác giả trong nước dựa trên cơ sở nghiên cứu của Ngô Tiến Tùng và các cộng sự về sử dụng thiết bị đo ma sát tribometer trên Hình 1.12 để xác định ứng suất trượt tại mặt tiếp xúc bê tông –thành ống[31] qua công thức (1.1)

với  là ứng suất trượt tại mặt tiếp xúc [Pa]  là hằng số nhớt [Pa.s.m] o là ngưỡng trượt mặt tiếp xúc [Pa]

 là vận tốc trượt tương đối giữa bê tông và thành ống [m/s]

Bảng 1.4 Một số đặc trưng trong cấp phối hỗn hợp bê tông cho công trình Burj Khalifa [29]

Tro bay [%]

Silicafume [%]

Dmax CLL [mm]

Độ chảy xòe [mm]

Chiều cao bơm [m]

f’c[MPa]

Hình 1.11 Biểu đồ quan hệ giữa áp lực bơm (bar) với chiều cao bơm (m) phụ thuộc

vào Dmax của các hạt CLL với các hỗn hợp bê tông sử dụng cho Burj Khalifa [30]

17

Năm 2016, Nguyễn Thế Dương và các cộng sự cho kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thể tích hồ xi măng đến các thông số bơm gồm ngưỡng trượt mặt tiếp xúc o và hằng số nhớt  [32], [33] Việc tăng thể tích hồ xi măng sẽ làm giảm đáng kể ma sát giữa hỗn hợp bê tông với thành ống bơm (Hình 1.13) Trong đó, hàm lượng xi măng và nước là nhân tố chủ yếu làm giảm ma sát này

Năm 2016, Mai Chánh Trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số thành phần cấp phối vữa bê tông đến “khả năng bơm” của bê tông trong quá trình thi công bơm qua ma sát giữa bê tông và thành ống bơm [34] Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy với mọi phân phối kích thước cốt liệu thô, sự gia tăng của thể tích vữa xi măng làm giảm ma sát giao diện thông qua sự giảm tuyến tính của hằng số nhớt và ngưỡng trượt Khi tỉ lệ N/X tăng,

Hình 1.12 Cấu tạo thiết bị đo ma sát tribometer của Ngo và các cộng sự [31]

Hình 1.13 Quan hệ giữa thông số bơm và thể tích hồ xi măng [32]

18

hằng số nhớt và ngưỡng trượt giảm theo hai xu hướng khác nhau: ngưỡng trượt giảm tuyến tính với sự tăng của tỉ lệ N/X, nhưng hằng số nhớt giảm đáng kể theo kiểu một hàm phi tuyến

Năm 2018, Việt Nam đã cất nóc tòa nhà “The Landmark 81” với chiều cao 461,2m đạt đến cột mốc công trình siêu cao tầng Hiện nay công trình đã hoàn thành và đưa vào sử dụng Đây là tòa nhà cao nhất Việt Nam, cao nhất ở khu vực Đông Nam Á và cao thứ 14 trên thế giới [35] Tuy nhiên, việc nghiên cứu hỗn hợp bê tông thi công bơm cho công trình siêu cao tầng, trên 300m chưa được công bố tại Việt Nam

Kết luận chương 1

Từ tình hình các nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số lưu biến luôn được đề cập đến trong quá trình nghiên cứu hỗn hợp bê tông bơm cho các công trình cao tầng nói chung và BTTL nói riêng Tác giả đã tổng hợp các thông số về tính chất của hỗn hợp bê tông dùng cho công nghệ bơm trên 300m, cụ thể là Feng chế tạo BTTL C100, có các giá trị SF = 680mm, TV=3s, V=1ml, 0=219,8Pa, =28Pa.s; Nehdi, Bester, Aldred cùng nghiên cứu về BTTL sử dụng bơm cho các tầng cao hơn 300m của công trình Khalifa, sử dụng BTTL C80 có Dmax 10mm, có khoảng 50% là cốt liệu nhỏ, tro bay thay thế 13-20% và silica fume thay thế 5-10% Về phương pháp xác định vùng đặc trưng lưu biến của các loại BTTL, thông qua 0, , có hai tác giả là Wallevik với lưu biến kế trục tròn xoay Mk/Contec/BML và Koehler với lưu biến kế bốn cánh Từ đó, tác giả sử dụng

mở rộng cho BTTL bơm cho công trình siêu cao tầng

Qua tham khảo các cấp phối BTTL sử dụng cho các công trình siêu cao tầng trên thế giới và từ các yêu cầu kỹ thuật của hỗn hợp bê tông thi công các tầng cao cho công trình Landmark 81, hỗn hợp BTTL nghiên cứu có thể bơm cho các công trình siêu cao tầng cần đạt các yêu cầu: T500 = 12s, SF = 680800mm, 3s<TV < 6s, SR < 15% và cường độ chịu nén 60 MPa

Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở lý thuyết rõ ràng để dự đoán và đánh giá chính xác được tính công tác của hỗn hợp BTTL mà cụ thể hơn là khả năng bơm cho các công trình siêu cao tầng

Đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL

Đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bê tông phụ thuộc cấu trúc của hỗn hợp bê tông Từ đó, có các mô hình đánh giá đặc trưng lưu biến cho hỗn hợp bê tông nói chung và hỗn hợp BTTL

2.1.1 Cấu trúc của hỗn hợp bê tông [36]

Hỗn hợp bê tông được đánh giá qua những chỉ tiêu về tính chất cơ lý và những đặc trưng lưu biến Hỗn hợp bê tông là vật liệu hỗn hợp được cấu tạo từ nhiều thành phần (xi măng, cát, đá, nước, phụ gia, ) trong đó, các hạt cốt liệu phân bố lơ lửng trong môi trường liên tục của hồ xi măng, nên hỗn hợp bê tông được xem là chất lỏng nhớt- kết cấu Hai yêu cầu cơ bản của hỗn hợp bê tông là tính đồng nhất và tính công tác Tính đồng nhất đảm bảo cho hỗn hợp bê tông không bị phân tầng tách nước Tính công tác thể hiện khả năng chảy và mức độ dẻo của hỗn hợp bê tông

Trong hỗn hợp bê tông, tồn tại lực dính phân tử, lực mao dẫn, lực ma sát nhớt, ma sát khô, tác động lẫn nhau giữa những hạt phân tán của pha rắn và nước, nên hỗn hợp bê tông có thể được xem là một thể vật lý thống nhất có tính chất cơ lý và những đặc trưng lưu biến nhất định Mặt khác, do tác dụng của lực dính phân tử giữa những hạt được màng nước bao bọc tạo nên kết cấu không gian liên tục tạo cho hồ xi măng có một cường độ kết cấu ban đầu, được gọi là độ nhớt kết cấu Hỗn hợp bê tông dẻo là trung gian giữa thể rắn và lỏng (nhớt) vì hỗn hợp này có độ nhớt kết cấu ban đầu nhờ nội lực ma sát nhớt Độ nhớt kết cấu thay đổi theo ứng suất cắt và vận tốc biến dạng cắt

20

Do đó quy luật ứng xử của hỗn hợp bê tông sẽ có những đặc trưng riêng so với dòng vật liệu liên tục hoàn toàn Sự biến đổi độ nhớt kết cấu phụ thuộc vào ứng suất cắt, được biểu diễn bằng đường cong ứng suất-biến dạng trên Hình 2.1, gồm ba khu vực

Khu vực I: là giai đoạn ứng suất cắt tác dụng lên hệ ứng với giá trị độ nhớt lúc này là cực đại = const gọi là độ nhớt kết cấu ban đầu Khi  kết cấu nhớt-dẻo của hệ bắt đầu bị phá hoại

hu vực II: trong giai đoạn này kết cấu nhớt – dẻo của hệ đang bị phá hoại, độ nhớt của hệ sẽ giảm dần theo chiều tăng ứng suất tiếp [Pa] Độ nhớt trong giai đoạn này gọi là độ nhớt hữu ích Bề lõm của đường quan hệ ứng suất – biến dạng quay về hướng trục tốc độ biến dạng trượt . [1/s] cho thấy trong khu vực này hỗn hợp bê tông có ứng xử chảy lỏng Khi  kết cấu nhớt dẻo của hệ bị phá hoại hoàn toàn

Khu vực III: trong giai đoạn hệ không còn kết cấu dẻo nhớt như ban đầu Độ nhớt gần như là không đổi với sự tăng ứng suất cắt [Pa] Độ nhớt lúc này được gọi là độ nhớt dẻo, có tính chất tương tự với độ nhớt thực của thể lỏng và không biến đổi, không phụ thuộc vào trị số ứng suất tác dụng lên hệ

2.1.2 Mô hình Bingham đánh giá tính lưu biến cho BTTL

Mô hình Newton có thể mô tả được ứng xử lưu biến phù hợp với các dòng vật liệu có ứng suất chảy gần như rất nhỏ như: nước, dầu và gas [21]

Tuy nhiên do ứng xử kết bông của các hạt xi măng bê tông nên hỗn hợp bê tông luôn tồn tại một ứng suất chảy ban đầu có giá trị tương đối lớn Nghĩa là cần ta cần phải cung

Hình 2.1 Quan hệ giữa ứng suất cắt [Pa] với tốc độ biến dạng cắt . [1/s] và với độ nhớt [Pa.s]

21

cấp cho hỗn hợp bê tông một ứng suất trượt ban đầu lớn hơn ứng suất chảy để phá vỡ cấu trúc kết bông thì mới có thể tạo ra dòng chảy ban đầu trong hỗn hợp bê tông Hỗn hợp BTTL cũng có cấu trúc nhớt dẻo và đặc biệt hơn hỗn hợp bê tông thường do khả năng tự chảy mà không cần đầm rung Hỗn hợp BTTL có ứng xử chảy đặc và đặc tính lưu biến của BTTL được đánh giá bằng mô hình Bingham [37] theo phương trình (2.1) trên Hình 2.2 để mô tả ứng xử lưu biến của hỗn hợp BTTL

với  là ứng suất trượt [Pa] 0 là ứng suất chảy [Pa]

là độ nhớt dẻo [Pa.s] γ là tốc độ biến dạng trượt [1/s] .

2.1.3 Tính xúc biến (Thixotropy) của hỗn hợp BTTL

Đối với hỗn hợp BTTL khi thi công, cần xét thêm về tính xúc biến Tính xúc biến là khả năng của hệ có thể thay đổi đặc trưng lưu biến dưới ảnh hưởng của tác dụng cơ học và phục hồi lại sau khi ngừng tác dụng [36] Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của tính xúc biến đến hỗn hợp BTTL trong quá trình thi công

Ảnh hưởng của các nguyên vật liệu thành phần đến tính lưu biến của hỗn hợp BTTL

Nguyên vật liệu sử dụng nghiên cứu bao gồm xi măng PC50, tro bay loại F, silicafum, phụ gia hóa học (bao gồm phụ gia siêu dẻo và phụ gia điều chỉnh độ nhớt), cát nghiền, cát sông và đá dăm

Hình 2.2 Các thông số lưu biến cơ bản của mô hình Bingham

.0

22

2.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng và tính chất của hồ xi măng [20], [36] Nếu lượng hồ trong hỗn hợp bê tông đủ để bao bọc các hạt cốt liệu và lắp đầy các phần rỗng của cốt liệu làm cho các hạt cốt liệu ít được tiếp xúc nhau, lực ma sát khô giảm và tính lưu động của hồ xi măng sẽ tăng Nếu lượng hồ xi măng ít, lực ma sát khô sẽ tăng làm cho hỗn hợp bê tông kém lưu động [34]

Khi tăng hàm lượng nước của tỉ lệ N/X trong hỗn hợp bê tông hoặc hồ xi măng dẫn đến làm giảm ứng suất chảy và độ nhớt dẻo [38] Việc bổ sung nước làm giảm sự tập trung pha rắn, kết quả dẫn đến hỗn hợp chảy tốt Việc tăng N/X lên đến một điểm nhất định, giúp cải thiện được tính công tác, nhưng sau đó hỗn hợp bê tông dễ có nguy cơ bị phân tầng

Khi N/X không thay đổi, mà hàm lượng xi măng tăng thì lượng hồ xi măng bao bọc lớp cốt liệu và lắp đầy khoảng trống giữa các cốt liệu cũng tăng lên, dẫn đến tính công tác được cải thiện Smeplass (1994) chỉ ra rằng việc tăng hàm lượng xi măng với 5% silica fume trên khối lượng cốt liệu dẫn đến việc giảm ứng suất chảy và độ nhớt dẻo [39] Sonebi (2004) nghiên cứu ảnh hưởng của bốn tham số, cụ thể là tỉ lệ nước/chất kết dính (N/CKD), hàm lượng xi măng, liều lượng phụ gia giảm nước và tỉ lệ tro bay được sử dụng để khảo sát tính công tác của BTTL [40] Các kết quả chỉ ra rằng đối với các giá trị N/CKD, liều lượng phụ gia siêu dẻo, và hàm lượng tro bay, việc tăng hàm lượng xi măng dẫn đến tăng độ chảy xoè của BTTL và giảm độ nhớt dẻo so với ứng suất chảy Thành phần hoá học và đặc tính vật lý (thành phần hạt và độ mịn) của xi măng có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính công tác Theo ASTM C150 hoặc C1157, sự thay đổi những đặc tính xi măng sẽ ảnh hưởng đến các tính chất lưu biến của bê tông

Hope and Rose (1990) đã khảo sát ảnh hưởng của thành phần xi măng với lượng nước yêu cầu cho một giá trị độ sụt cụ thể Mặc dù mối tương quan giữa thành phần và lượng nước yêu cầu được thay đổi giữa các cốt liệu và tỉ lệ hỗn hợp khác nhau, các tác giả đã có thể rút ra một số kết luận

Lượng nước yêu cầu tăng lên đối với xi măng có hàm lượng Al2O3 hoặc C2S cao, và giảm đối với xi măng có lượng mất khi nung cao, carbonate bổ sung cao, hoặc hàm