Hạt liên tục Còn ở Việt Nam vấn đề tối ưu hóa cốt liệu ít được nghiên cứu rộng rãi, nên trong đề tài thực hiện phương pháp tối ưu hóa cốt liệu theo phương pháp Shilstone’s nhằm đưa ra m
TỔNG QUAN
Tình hình cốt liệu khu vực phía Nam (TP.HCM)
Hiện tại khu vực phía Nam có nhiều mỏ đá dùng sản xuất ra các loại đá cung cấp cho xây dựng và cung cấp cho các trạm trộn sản xuất bê tông thương phẩm và bê tông đúc sẵn, nhưng tập trung ba mỏ chính : mỏ Tân Đông Hiệp, Tân Cang và Thuận Lập Bà Rịa Vũng Tàu Với từng mỏ khác nhau thì chất lượng đá cũng khác nhau : a.Về cốt liệu thô :
- Đối với mỏ Tân Đông Hiệp : chất lượng tốt nhất, về cường độ đá, hình dáng, bề mặt, thành phần hạt
- Đối với mỏ Tân Cang : cường độ đá thấp, thành phần tạp nhiều, không thích hợp cho việc sản xuất bê tông chất lượng cao
- Đối với mỏ Thuận Lập : chi phí vì vận chuyển xa, về mặt kỹ thuật đá Thuận Lập có màu đen, trắng, bề mặt đá trơn Nên rủi ro cao nếu khi kiểm soát chặt chẽ
Trong bối cảnh nhu cầu xây dựng tăng cao trong những năm gần đây, nguồn cung cấp đá nghiền cho bê tông ngày càng khan hiếm Vì vậy, các nhà sản xuất đá đã ít chú trọng đến chất lượng nghiền, dẫn đến thành phần hạt sau khi xay không đảm bảo tiêu chuẩn quy định.
Hình 1.1 Thành phần đá 1x2 đạt yêu cầu và không đạt yêu cầu
Pha àn tră m lọ t qua %
Kích thước sàng(mm) b Về cốt liệu mịn cát sông :
- Trước năm 2008, cát ở khu vực TPHCM sử dụng có mô đun >2,3 nguồn cung cấp chủ yếu từ Campuchia và sông Đồng Nai, dùng cho bê tông đúc sẵn, bê tông chất lượng cao
- Sau năm 2008, nguồn cốt liệu dùng cho bê tông bắt đầu giảm , chất lượng kém, mô đun cát giảm xuồng còn 1,1 – 1,6
Hiện nay, mô đun cát giảm xuống còn 1,0 - 1,4 khiến chất lượng cát giảm, không đạt tiêu chuẩn quy định Điều này dẫn đến rủi ro cao trong quá trình sản xuất bê tông chất lượng cao.
+ Thành phần hạt và mô đun của cát :
Hình 1.2 Thành phần cát đạt yêu cầu và không đạt yêu cầu c Về cốt liệu mịn mi cát :
Mi cát là sản phẩm thu hồi từ quá trình nghiền từ cốt liệu thô, mô đun thường từ 3,2 – 3,9 chính vì vậy hiện nay hầu hết tất cả các nhà sản xuất bê tông điều sử dụng mi cát để thay thế một phần cát, nhằm tăng mô đun hỗn hợp cốt liệu mịn
Nhưng vì mi hàm lượng hạt 70(MPa) sử dụng hạt mịn nhiều, lượng xi măng cao, nên bê tông bị co ngót sau khi đổ
Như vậy để nâng cao tính kỹ thuật và hiệu quả kinh tế, trên thế giới đã thực hiện việc tối ưu từ những năm 1970 của Shilstone
Hình 1.5 Hạt gián đoạn Hình 1.6 Hạt liên tục
Còn ở Việt Nam vấn đề tối ưu hóa cốt liệu ít được nghiên cứu rộng rãi, nên trong đề tài thực hiện phương pháp tối ưu hóa cốt liệu theo phương pháp Shilstone’s nhằm đưa ra một thành phần cốt liệu hợp lý để cải thiện tính kỹ thuật, và dùng nó để sản xuất được bê tông chất lượng cao.
Giới thiệu tối ưu hóa cốt liệu
Cốt liệu chiếm từ 60 – 80% tổng thể tích hỗn hợp bê tông, vì vậy việc tối ưu cốt liệu không những cải thiện về mặt kỹ thuật của bê tông tươi và bê tông khi đóng rắn mà còn hiệu quả về kinh tế
Những tính chất đặc trưng của cốt liệu : hình dạng bề mặt (góc cạnh, nhám, trơn, tròn, thành phần hạt, kích thước cỡ hạt…ảnh hưởng đến tính công tác, tính hoàn thiện, co ngót mềm, khả năng bơm, phân tầng, tách lớp của bê tông tươi và ảnh hưởng rất lớn đến cường độ, co ngót, chống thấm, tính đăc chắc, hốc, rỗng, tính
Xi măng chiếm tỷ trọng nhỏ trong khối lượng bê tông (7-15%) nhưng đóng góp phần lớn vào chi phí nguyên vật liệu (60%) Việc sử dụng quá nhiều xi măng không chỉ gây lãng phí về kinh tế mà còn ảnh hưởng đến chất lượng công trình: dễ co ngót, nhiệt độ cao, nứt nẻ, giảm tuổi thọ Do đó, tối ưu lượng xi măng sử dụng là yếu tố thiết yếu trong quá trình thi công bê tông.
Sau đây là một số kết quả nghiên cứu tối ưu hóa cốt liệu theo phương pháp Shilstone’s đạt được trên thế giới và tại Việt Nam :
- Theo nghiên cứu của (David W.Fowder và trường đại học TEXAS) về tối ưu thành phần cốt liệu theo phương pháp Shilsone’s với hàm lượng hạt dưới sàng 0,075mm lên đến trên 20% cho ta chất lượng bê tông tốt và tính công tác vẫn đảm bảo, độ co ngót khô, cường độ, nhưng theo tiêu chuẩn ASTM C33 chỉ cho phép tối đa 7%
Hình 1.7 Mối quan hệ giữa thành phần hạt mịn 16 cm, hạnG mục cọc nhồi hay bơm lên tầng cao, nhằm kiểm tra mức độ phân tầng, độ đồng nhất của hỗn hợp bê tông khi sử dụng
Như vậy tùy thuộc vào từng hạn mục mà chúng ta thiết kế từng loại bê tông khác nhau, hiện nay tại khu vực TPHCM có nhiều dự án tòa nhà cao tầng, công trình ngầm yêu cầu bê tông có tính linh động cao, duy trì tới 8 h mà vẫn đảm bảo chất lượng ban đầu cũng như về sau Chính vì vậy phải kiểm tra thường xuyên quá trình chế tạo bê tông một cách hiệu quả
Cường độ chịu nén là chỉ tiêu quan trọng trong đánh giá chất lượng bê tông Ngoài một số trường hợp ngoại lệ khi độ bền hoặc khả năng chống thấm được ưu tiên hơn, cường độ chịu nén trực tiếp liên quan đến cấu trúc hồ xi măng và cấu trúc chung của bê tông Yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến cường độ chịu nén là tỉ lệ N/X Tỉ lệ này tác động mạnh mẽ đến độ bền, độ ổn định thể tích và các tính chất khác liên quan đến độ rỗng của bê tông, do đó cường độ chịu nén được dùng để thiết kế cũng như đánh giá chất lượng bê tông.
Cường độ bê tông phụ thuộc vào tính chất thành phần vật liệu sử dụng, đặc biệt đối với bê tông chất lượng cao thì việc tối ưu thành phần vật liệu rất quan trọng trong việc thiết kế cấp phối
Phương pháp thí nghiệm cường độ nén và nghiệm thu theo TCVN 3118 : 1993, TCVN 4453 : 1995.
Các tính phương pháp tối ưu hóa cốt liệu
Tối ưu hóa thành phần cốt liệu là một phần trong công việc thiết kế cấp phối bê tông, như chúng ta đã biết thiết kế hỗn hợp bê tông là quá trình xác định số lượng các thành phần để đạt được các tính chất yêu cầu như cường độ, độ sụt…, đồng thời cả về tính kinh tế Người được xem là đặt nền tảng phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông là Duff Abrams Năm 1918, từ kết quả của trên 50.000 thí nghiệm đã thực hiện, ông đã thành công những công việc chính trong việc thiết kế hỗn hợp bê tông và đưa ra qui luật tỷ số nước/xi măng : Đối với một loại vật liệu và điều kiện thao tác cho trước, cường độ bê tông chỉ phụ thuộc vào tỷ số thể tích nước/xi măng, mà không cần để ý đến lượng và cỡ hạt cốt liệu, miễn là cốt liệu sạch, lành lặn và hỗn hợp bê tông dẽo, dễ công tác
Phát biểu của Abrams cho thấy : Thiết kế hỗn hợp bê tông là tuyển chọn tỷ số nước/xi măng tương ứng với cường độ mong muốn và sau đó tìm thành phần cốt liệu để đạt được tính công tác mong muốn khi trộn hỗn hợp cốt liệu với xi măng và nước theo tỷ số trên Và kết luận của Abrams chứng tỏ rằng vữa xi măng đóng vai trò chất kết dính các cốt liệu với nhau, do vậy nếu dư lượng nước trộn, chất kết dính sẽ bị pha loãng, dẫn tới giảm cường độ
Luật tỷ số nước/xi măng được Abrams thể hiện thành công thức tính toán như sau :
Trong đó : R là cường độ bê tông, K là hệ số cường độ, A là hằng số và x là tỷ số giữa thể tích nước và xi măng Sau một quá trình Bolomey Skramtev và Y.Bagenov từ thực nghiệm đưa ra công thức :
Vậy nếu như tỷ số xi măng/nước ảnh hưởng đến cường độ bê tông thì thành phần hạt của cốt liệu lại ảnh hưởng đến tính công tác và tính dễ đổ của bê tôn tươi
Trong thế kỷ qua, các nhà nghiên cứu bê tông đã miệt mài cải tiến thành phần cốt liệu để tối ưu hóa cho mục tiêu giảm thiểu thành phần hạt mịn, duy trì độ dẻo, độ bền và khả năng bơm của bê tông Nỗ lực này nhằm tạo ra loại bê tông đáp ứng được nhu cầu thực tế, đảm bảo chất lượng và hiệu quả xây dựng.
Tối ưu hóa cốt liệu là quá trình sử dụng phương pháp định lượng để xác định thành phần cấp phối tối ưu và hiệu chỉnh thành phần đó nếu cần Một số phương pháp tối ưu hóa cốt liệu cổ điển vẫn được sử dụng ở một số quốc gia, giúp kiểm soát chất lượng và độ bền của kết cấu bê tông.
2.4.1.1 Phương pháp trọng lượng cực đại :
Nghiên cứu cho thấy cường độ cực đại tương ứng với tỉ số nước/xi măng thấp nhất Năm 1907, Fuller và Thompson đã thử phối trộn sao cho có khoảng trống tối thiểu, từ đó đặt nền tảng cho việc hiệu chỉnh cấp phối để bê tông cực đại về cường độ và tính công tác Họ kết luận rằng : Cốt liệu sẽ được phân cấp theo kích cỡ và được phối trộn với nước và xi măng để cho tỷ trọng cực đại dựa trên công thức :
Trong đó : + P là % hạt có cỡ nhỏ hơn d, + Dmax là cỡ hạt cực đại + n là hệ số cấp phối
Hình 2.6 Đường cong cấp phối hạt theo Fuler và Thompson
Tuy nhiên nghiên cứu của Wig vào năm 1916 đã cho thấy kết luận của Fuller và Thompson không thể ngoại suy được cho mọi cốt liệu vì ông chỉ ra rằng : Không phải luôn luôn đường cong cấp phối sẽ cho cường độ cực đại hoặc tỷ trọng cực đại và tiếp sau đó năm 1923, Talbot và Richard cho rằng phương trình trên sẽ cho tỷ trọng cực đại khi n = 0.5, nhưng khi đó bê tông sẽ rất thô và khó đổ nên không sử dụng được Nhiều nghiên cứu sau đó đã thừa nhận kết quả này và rút cuộc phương pháp thành phần cho tỷ trọng cực đại ít được ưa chuộng nữa
Mặc dầu vậy, ngày này người ta vẫn dùng phương pháp này và theo kinh nghiệm, khi sử dụng đá xay, hệ số n nằm trong khoảng 0.4 – 0.5, sẽ cho tỷ trọng cực đại
2.4.1.2 Phương pháp diện tích bề mặt :
Năm 1918, Edward cho rằng tổng diện tích bề mặt cốt liệu sẽ kiểm soát lượng nước cần cho hỗn hợp bê tông Do vậy, ông kết luận, các hệ số kiểm soát bê tôn là tính chất xi măng và diện tích bề mặ của cốt liệu mịn
Sau đó, Young đã đưa ra khái niệm rằng : lượng nước cần cho hỗn hợp bê tông phụ thuộc trên số lượng, mật độ xi măng và tổng diện tích bề mặt của cốt liệu, nghĩa là phụ thuộc vào cỡ hạt Young kết luận rằng cốt liệu bê tông có diện tích bề mặt nhỏ nhất sẽ yêu cầu ít nước nhất và do đó sẽ có cường độ cao nhất
2.4.1.3 Phương pháp mô đun độ lớn :
Phương pháp mô đun độ lớn được Abrams giới thiệu năm 1918 Cống hiến của Abrams là tìm ra sai lầm của phương pháp tỷ trọng cực đại trước đó là đã bỏ qua tầm quan trọng của nước Dù quan tâm hàng đầu của ông là cường độ, còn tính công tác chỉ được quan tâm khi bê tông cần tính lưu động để được sử dụng, nhưng ông thừa nhận rằng có một quan hệ giữa cấp phối và lượng nước sử dụng để bê tông có tính công tác.
Do vậy, để hổ trợ cho việc lựa chọn cấp phối mà không phải sử dụng lượng nước quá mức, ông phát triển phương pháp đặc trưng cho sự phân cấp cốt liệu dựa trên modyun độ lớn FM : FM càng lớn, cốt liệu càng thô Ông phát triển triển thành các giản đồ cho FM cực đại được dùng với tỷ lệ nước/xi măng – cốt liệu cho trước
Theo Abrams : bất cứ một sự phân tích rây sàng nào có cùng FM sẽ có yêu cầu lượng nước giống nhau để sản xuất ra bê tông có cùng độ dẻo và cường độ, nguyên nhân là dù với một lượng FM cho trước, diện tích bề mặt cốt liệu thay đổi rộng, nhưng dường như điều đó không ảnh hưởng đến cường độ Tuy nhiên ông không bình luận gì về tính công tác và các thí nghiệm của Abrams phát hiện ra rằng, khi FM giảm lượng cần cho mỗi bao xi măng gia tăng lên [1918] Đến năm 1919 Young cung cấp số liệu cho thấy mối quan hệ giữa FM và diện tích bề mặt cốt liệu Khi FM giảm, diện tích bề mặt tăng Tuy nhiên, những nhà nghiên cứu khác như Abrams, William, Hewes, Besson lại thừa nhận rằng FM và diện tích bề mặt không có mối tương quan Năm 1921 – 1924 Young và Hewes lại chỉ ra mối quan hệ đó và mới đây nhất Joel năm 1990 kết luận rằng : “Nếu đường cong phân tích thành phần hạt hơi phẳng, diện tích bề mặt cốt liệu sẽ thay đổi tương tự như FM trong mọi trường hợp, nhưng nếu cấp phối là gián đoạn hay rất không đều, FM và diện tích bề mặt sẽ khác biệt so với xu hướng mong đợi”
Như vậy, mặc dù Abrams tiếp tục tìm cách giữ vững quan niệm phân tích khác đã không ủng hộ FM như là một công cụ có ích Tuy vây, nhiều người vẫn sử dụng moduyn độ lớn FM để đánh giá sự đồng nhất của cỡ hạt trong sản xuất, giao nhận và sử dụng, với một biên giới hạn trên và dưới của FM Taylor năm 1986 cũng đã sử dụng FM của hỗn hợp cốt liệu trong thiết kế hỗn hợp, còn moduyn độ lớn FM của cát tiếp tục được sử dụng trong phương pháp thiết kế hỗn hợp ACI 214
THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG TỐI ƯU TRÊN CƠ SỞ TỐI ƯU HÓA CỐT LIỆU
Các tính chất của nguyên vật liệu sử dụng trong nghiên cứu
Xi măng thông dụng nhất tại Việt Nam là xi măng PCB 40, việc kiểm soát và thí nghiệm các tính chất phải tuân thủ theo tiêu chuẩn hiện hành
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuậ xi măng PCB40
Stt Chỉ tiêu thí nghiệm Kết quả Đơn vị TCVN 6260-
Nước dùng cho bê tông là nước sinh hoạt, phù hợp với các tiêu chuẩn đang ban hành TCXDVN 302 : 2004 hoặc ASTM C1602
Yêu cầu tính chất của những loại phụ gia khác nhau được qui định theo tiêu chuẩn TCVN 8826 : 2011 hoặc ASTM C494
3.1.4 Cốt liệu mịn : Bảng 3.3 Chỉ tiêu kỹ thuật cát và cát nghiền và mô đun hỗn hợp
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Cát nhỏ M < 2 Cát nghiền
1 Khối lượng thể tích xốp (kg/m 3) 1397 1500
3 Thành phần hạt Biểu đồ Biểu đồ
4 Độ ổn định thể tích 0,5 mm Max = 10
Bề mặt riêng 3756 cm 2 /g Min = 2800
Bảng 3.4 Mô đun hỗn hợp cát và mi cát khi phối với nhiều tỷ lệ khác nhau
Hình 3.1 Biểu đồ thành phần hạt của cát và cát nghiền
Sử dụng cốt liệu để thực nghiệm có kích thước như sau : đá 10x20, đá 10x16 và đá mi sàng 5x10, có cùng nguồn gốc là mỏ Tân Đông Hiệp Bình Dương
To ồng ph ần tra ờm so ựt sàng(%)
Bảng 3.4 Bảng chỉ tiêu kỹ thuật cốt liệu thô
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đá10x20 Đá 10x16 Đá 5x10 1 Khối lượng thể tích xốp (g/cm 3 ) 1398 1415 1420
3 Hàm lượng hạt thoi dẹt (%) 19,5 10 8,5
5 Thành phần hạt, % sót sàng Biểu đồ Biểu đồ Biểu đồ
Hình 3.2 Biểu đồ thành phần hạt cốt liệu thô
Bảng 3.5 Thành phần phần trăm lọt qua sàng của cốt liệu
% Lọt qua sàng % hỗn hợp lọt qua
% hỗn hợp giữ 10x20 10x16 5x10 Cát Cát lại nghiền
3.1.6 Phụ gia khoáng Silicafume : Bảng 3.6 Kết quả thử nghiệm Silicafume hãng Elkem tại quatest 3
Stt Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thử Kết quả thử nghiệm 1 Phần cũn lại trờn sàng 0,045àm (%) ASTM C430-03 6,0
3 Hàm lượng mất khi nung (%) TCVN 141:2008 1,2
Qui trình thực nghiệm
1 Lựa chọn thành phần nguyên vật liệu và tính toán cấp phối
- Loại đá (Dmax, nguồn gốc,
Q : lượng sót tích lũy trên sàng 9,5mm I : lượng sót tích lũy từ sàng 4,75-2,36mm W : lượng sót tích lũy dưới sàng 2,36mm
4 Kiểm tra trên ba giản đồ
Giản đồ CF Giản đồ 0.45 Đường 8 - 18
Xem hình dáng, bề mặt cốt liệu (tròn, trơn, nhám, dẹt…)
Xem hình dáng, bề mặt cốt liệu (tròn, trơn, nhám, dẹt…)
Trộn thử nghiệm Đạt kết quả A… Đạt kết quả B…
So sánh kết quả và kết luận
Tính toán cấp phối tối ưu
Các mẫu được đúc với tỷ lệ N/X = 0,33 lấy cấp phối đối chứng từ giản đồ thô CF, chia thành 4 loại cốt liệu phối trộn tương ứng với 4 vùng tối ưu (II(wb), II(b), II(c)) và 4 vùng không tối ưu (I, III, IV, V).
Bảng 3.6 Bảng thiết kế các cấp phối
BATCH WEIGHTS (S.S.D) FOR ONE CUBIC METER OF CONCRETE
CEMENT CONTENT 437 Kg/m 3 M.addmixture 1(kg/m3)
FINE AGG CONTENT (M2) : - Kg/m 3 + Daracem 100 : 0%
COARSE AGG CONTENT (5x10) : 222 Kg/m 3 COARSE AGG CONTENT(10x16) : - Kg/m 3 L.addmixture 3(kg/m3)
COARSE AGG CONTENT (5x20) : - Kg/m 3 + Visc 3000-20M : 1,2%
Bảng 3.7 Bảng thiết kế cấp phối tối ưu nằm trong các vùng tối ưu trên giản đồ thô
CF đối với bê tông chất lượng cao
Tỷ lệ cốt liệu phối trộn với N/X = 0,33, SF = 5%, Tổng CKD = 460(kg); N = 150(lít) Vùng
%mi %Cát % Đá %cl CF
- Cấp phối A1, A4, A7 nằm trong vùng tối ưu II(wb) : dành cho bê tông chất lượng cao, đổ xả, bơm tầng thấp
- Cấp phối A2, A5, A8 nằm trong vùng tối ưu II(b) : dành cho bê tông chất lượng cao, bơm tầng trung
- Cấp phối A3, A6, A9 nằm trong vùng tối ưu II(c) : dành cho bê tông chất lượng cao, bơm cao tầng
Bảng 3.8 Bảng thiết kế cấp phối chưa tối ưu nằm trong các vùng I, III, IV, V trên giản đồ thô CF
Tỷ lệ cốt liệu phối trộn với N/X = 0,33, SF = 5%, Tổng CKD = 460(kg); N = 150(lít) Vùng
- Cấp phối A10, A11, A12 thêm 40% hạt trung gian đá 5x10
- Cấp phối A13, A14, A15 sử dụng 100% đá 10x20
- Cấp phối B1 thuộc vùng I bê tông đá lớn, nhiều, thô, hạt mịn nhiều, cấp phối gián đoạn
- Cấp phối C3 thuộc vùng III dành cho bê tông đá kích thước Dmax