131 Chơng 5 Bê tông Đ5.1. Đại cơng Bê tông đợc tạo thành bởi các vật liệu chủ yếu sau đây: chất dính kết (xi măng, bitum v.v) nớc, cát, sỏi. Khi dùng chất dính kết là xi măng, đợc bê tông xi măng hoặc gọi tắt là bê tông; khi dùng chất dính kết là bitum đợc gọi là bê tông bitum hoặc còn gọi là bê tông alphan. Trong chơng này chỉ đề cập đến bê tông xi măng. Bê tông là vật liệu tổ hợp của nhiều loại vật liệu khác nhau. Lợng xi măng chiếm khoảng 8 ữ 15% và cốt liệu (cát và đá) khoảng 80 ữ 85% khối lợng bê tông. Xi măng là thành phần hoạt tính của bê tông, còn cốt liệu là bộ phận xơng cốt. Xi măng trộn với nớc tạo thành vữa, vữa này bao bọc các hạt cát và đá, lấp đầy các lỗ rỗng và làm cho hỗn hợp bê tông * có độ chảy nhất định. Vữa xi măng cứng rắn lại gắn kết các hạt cốt liệu với nhau và làm cho bê tông cứng nh đá, vì vậy ngời ta thờng gọi bê tông là đá nhân tạo. Để điều chỉnh các tính chất của bê tông và hỗn hợp bê tông ngời ta trộn thêm vào bê tông các phụ gia hóa học khác nhau. Các phụ gia này làm cho bê tông cứng nhanh hơn hoặc cứng chậm lại, tăng độ dẻo, cờng độ, tính chống thấm của bê tông v.v Bê tông là một loại vật liệu xây dựng quan trọng, đợc dùng rộng rãi trong xây dựng dân dụng và công nghiệp vì các lý do sau đây: - Giá thành bê tông không cao, vì có tới 80 ữ 90% là cốt liệu lấy từ đá thiên nhiên hoặc các phế phẩm công nghiệp (xỉ than, bã quặng v.v). - Có thể chế tạo đợc các loại bê tông có những đặc tính khác nhau. - Có thể gia công thành các kết cấu bền vững có hình dạng và kích thớc bất kỳ; - Có thể cơ giới hóa hoàn toàn việc sản xuất bê tông, hạ giá thành kết cấu. Ngoài ra có thể chế tạo đợc các kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trớc. * Bê tông mới trộn còn ở trạng thái dẻo gọi là hỗn hợp bê tông, bê tông đã khô cứng thờng gọi tắt là bê tông. 132 I. Phân loại Bê tông đợc phân loại nh sau: 1. Phân loại theo khối lợng thể tích - Bê tông đặc biệt nặng, có khối lợng thể tích lớn hơn 2500 kg/m 3 ; - Bê tông nặng, có khối lợng thể tích từ 1800 ữ 2500 kg/m 3 ; - Bê tông nhẹ, có khối lợng thể tích từ 500 ữ 1800 kg/m 3 ; - Bê tông đặc biệt nhẹ, có khối lợng thể tích nhỏ hơn 500kg/m 3 ; Bê tông nặng thông thờng (bê tông thờng) có khối lợng thể tích từ 2100 ữ 2500 kg đợc dùng nhiều nhất trong xây dựng. Bê tông này đợc chế tạo bằng cốt liệu đá đặc chắc (đá granit, đá vôi, điabazơ, v.v). Bê tông hơi nhẹ có khối lợng thể tích bằng 1800 ữ 2000 kg/m 3 , chế tạo từ đá dăm có khối lợng thể tích bằng 1600 ữ 1900 kg/m 3 , hoặc là bê tông không cát (chỉ có vữa xi măng và cốt liệu thô) có độ rỗng lớn. Bê tông nhẹ chế tạo bằng cốt liệu rỗng (kêzămzit, agloporit, xỉ, đá bọt, v.v). Bê tông nhẹ làm giảm khối lợng của kết cấu, hạ giá thành xây dựng và vì vậy đang đợc phát triển mạnh. 2. Phân loại theo công dụng của bê tông - Bê tông thông thờng dùng cho kết cấu bê tông cốt thép (móng cột, dầm, sàn, cầu và các loại kết cấu khác); - Bê tông thủy công dùng cho đập, cống, âu thuyền, lớp phủ mái kênh, công trình dẫn nớc v.v - Bê tông làm kết cấu bao che (bê tông nhẹ dùng cho tờng nhà); - Bê tông làm sàn, vỉa hè, lớp phủ mặt đờng và sân bay; - Bê tông có công dụng đặc biệt, ví dụ: bê tông chịu nhiệt, bê tông chịu axit, bê tông chống phóng xạ. Do yêu cầu sử dụng khác nhau nên cần có các loại bê tông, có tính chất khác nhau. Bê tông dùng cho các kết cấu bê tông cốt thép thờng phải có cờng độ quy định, chủ yếu là cờng độ nén. Bê tông dùng cho công trình thủy lợi phải có độ đặc chắc cao, tính chống thấm tốt, cờng độ đảm bảo, độ co nhỏ, có khả năng chống đợc tác dụng tiết vôi của nớc thấm vào bê tông, chống đợc xâm thực của nớc khoáng và phát nhiệt ít khi cứng hóa. Bê tông dùng cho sàn mặt đờng và sân bay phải có độ mài mòn nhỏ, cờng độ uốn cao. Bê tông dùng để xây dựng các công trình thủy công có thể phân loại theo các cách sau đây: 133 - Phân theo vị trí của bê tông đối với mực nớc: - Bê tông thờng xuyên nằm dới nớc; - Bê tông ở vùng mực nớc thay đổi; - Bê tông trên khô (nằm ở trên phạm vi mực nớc thay đổi). Phân theo hình khối của kết cấu: - Bê tông khối lớn. - Bê tông khối nhỏ. Phân theo vị trí của bê tông ở trong kết cấu khối lớn: - Bê tông ở ngoài mặt; - Bê tông ở bên trong. Phân theo cột nớc tác dụng lên công trình: - Bê tông chịu áp lực nớc; - Bê tông không chịu áp lực nớc. II. Cấu tạo và cấu trúc Bê tông là vật liệu đá nhân tạo có cấu trúc phức tạp, đợc tạo nên từ 3 thành phần sau đây: - Cốt liệu với hình dạng, kích thớc cỡ hạt, độ đặc chắc, cờng độ khác nhau. - Chất kết dính; - Hệ thống mao quản lớn, các lỗ rỗng trong đó chứa không khí, hơi nớc hoặc nớc. Các tính chất cơ lý của bê tông không phải chỉ do tính chất và tỷ lệ phối hợp của các thành phần hợp thành quyết định, mà còn do cấu trúc của bê tông đợc hình thành trong quá trình chế tạo quyết định. Mặt khác các tính chất đó còn phụ thuộc một phần vào cấu tạo của bê tông và đặc biệt là bề mặt tiếp xúc giữa hạt cốt liệu và đá xi măng cũng nh diện tích tiếp xúc giữa chúng. Có hai loại cấu trúc trong bê tông: cấu trúc thô và cấu trúc hiển vi. Cấu trúc thô bao gồm hai thành phần: đá xi măng và cốt liệu trong đó lỗ rỗng đóng vai trò quan trọng. Cấu trúc hiển vi là cấu trúc của xi măng. Gần đây ngời ta đã dùng kính phóng đại, với độ phóng đại khác nhau, để nghiên cứu cấu trúc của bê tông. Khi phóng đại 45 lần ta thấy những hạt đá vôi và cả những hạt cát. Trong phần vữa ở chỗ tiếp giáp với cốt liệu to có hiện ra các lỗ rỗng tròn. Khi soi bằng kính phóng đại 90 và 160 lần trong đó ta thấy cả những hạt xi măng cha thủy hóa và sự tiếp xúc của đá xi măng với các hạt cốt liệu. Khi dùng kính hiển vi điện tử, với độ phóng đại 160 lần thấy rõ các hạt xi măng và phần xi măng đã thủy hóa bao quanh các hạt đó. 134 Đá xi măng là một thể rắn phức tạp, thành phần không đồng nhất, về mặt cấu tạo nhiều lỗ rỗng li ti và những mao quản chứa đầy không khí, nớc hoặc hơi nớc tùy theo tuổi bê tông và điều kiện bảo dỡng. Sự tồn tại đồng thời 3 thể rắn, lỏng, khí trong đá xi măng có thể coi là hệ ba pha với bề mặt phân chia rất tinh tế, vì vậy đá xi măng có tính "nhạy cảm" với sự biến đổi trạng thái ẩm của môi trờng, liên quan đến tính biến dạng thể tích của đá xi măng và bê tông (co ngót, nở thể tích, và có tính bền vững tơng đối yếu ở các môi trờng xâm thực). Trong đá xi măng có các thành phần sau đây: 1. Các hyđra mới tạo thành dới dạng gen và tinh thể. - Thành phần cấu trúc dạng gen đợc tạo nên từ những hạt canxi hyđrô silicat có độ phân tán (độ lớn bằng 50 - 200, 1 = 10 -8 cm) quyết định quá trình phát triển cờng độ chậm chạp và lâu dài có liên hệ chặt chẽ với nớc hấp phụ và tính biến dạng dẻo. - Thành phần cấu trúc tinh thể của đá xi măng đợc tạo nên từ mầm kết tinh, nó quyết định sự phát triển nhanh của cờng độ và tính chất đàn hồi. Mầm kết tinh đóng vai trò bộ xơng trong đá xi măng và đợc phân bố trong môi trờng các thành phần cấu trúc dạng gen. Tỷ lệ về số lợng giữa hai thành phần (dạng gen và dạng tinh thể) liên quan chặt chẽ với thành phần khoáng vật ban đầu của xi măng và quyết định những tính chất cơ lý và biến dạng của nó. 2. Cốt liệu và vi cốt liệu, gồm phần còn lại của các hạt xi măng cha phản ứng với nớc và hạt phụ gia vô cơ nghiền mịn cho vào khi nghiền clanhke cũng nh khi chế tạo hỗn hợp bê tông. Thành phần này đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cấu trúc đá xi măng, chúng có kích thớc khác nhau, chiếm một khối lợng lớn và làm cho đá xi măng có cấu trúc tơng tự nh bê tông, vì vậy mà V.N.Djung gọi đá xi măng là bê tông hạt mịn. 3. Các loại lỗ rỗng lớn, nhỏ và mao quản. Thể tích của chúng chiếm khoảng 25 ữ 40% thể tích chung của đá xi măng. Thể tích và tính chất của phần rỗng này ảnh hởng lớn đến tính chất của đá xi măng. Căn cứ vào cấu tạo, kích thớc và nguyên nhân hình thành mà có các cách phân loại khác nhau. Hình 5.1. Cấu trúc của đá xi măng qua kính hiển vi điện tử có cờng độ phóng đại 16000 lần 135 - Theo kích thớc lỗ rỗng trong đá xi măng: + Lỗ rỗng nhỏ, đờng kính d < 100 ; + Lỗ rỗng trung bình, có d = 1000 ữ 2000. + Lỗ rỗng lớn, có d > 2000 hay 0,2. - Theo nguyên nhân hình thành: - Lỗ rỗng dạng gen là loại lỗ rỗng bé nhất trong đá xi măng (đờng kính bằng 10 ữ 50, có khi tới 100), đợc hình thành do nớc hấp phụ (nằm trong lớp vỏ các chất thủy hóa dạng gen) bốc hơi sinh ra; - Lỗ rỗng nhỏ và kín có kích thớc bằng 100 ữ 1000. Về kích thớc nó ở dạng trung gian giữa lỗ rỗng dạng gen và lỗ rỗng mao quản; - Lỗ rỗng mao quản tạo nên phần thể tích rỗng chủ yếu trong đá xi măng, nó có kích thớc tơng đối lớn. Sự xuất hiện của chúng liên quan đến lợng dùng nớc ban đầu trong hỗn hợp. Lợng nớc này thờng nhiều gấp 1,5 ữ 2 lần lợng nớc liên kết hóa học cần cho quá trình rắn chắc lâu dài của đá xi măng. Nớc nhào trộn phân bố trên bề mặt hạt xi măng, chiếm đầy khoảng không gian giữa chúng và khi bốc hơi để lại trong cấu trúc đá xi măng một hệ thống lỗ rỗng thông nhau, tạo nên loại lỗ rỗng mao quản. Loại lỗ rỗng này ảnh hởng không tốt đến tính chất của bê tông, làm giảm độ đặc chắc, tính chống thấm và cờng độ. Có thể làm giảm thể tích rỗng loại này bằng cách giảm lợng dùng nớc ban đầu trong hỗn hợp bê tông. Bê tông là vật liệu tổ hợp nh vậy (kết cấu cuội kết), nên có đặc điểm là không đồng nhất về mặt kết cấu và tính chất cơ lý đàn hồi của các thành phần tạo nên nó. Đó cũng chính là nguyên nhân xuất hiện nội ứng suất gây ra vết nứt khi bê tông bị co ngót, nở và biến dạng vì nhiệt độ, ảnh hởng bất lợi đến các tính chất kỹ thuật của bê tông. Đặc trng quan trọng của kết cấu bê tông là độ đặc và độ rỗng. Đặc trng này quyết định toàn bộ các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nh cờng độ, tính bền, khả năng chống xâm thực hóa học, tính thấm nớc, tính truyền nhiệt, khối lợng thể tích v.v Do đó nâng cao độ đặc chắc của bê tông là một biện pháp quan trọng hàng đầu để nâng cao phẩm chất của bê tông. Độ đặc chắc của bê tông thờng bằng 0,85 ữ 0,90 cũng có thể đạt tới 0,93 ữ 0,95, nhng khó có thể nâng cao hơn nữa. Vì không thể tránh đợc những mao quản trong đá xi măng và một lợng không khí nhất định lẫn vào trong quá trình chế tạo bê tông. Thể tích khi xâm nhập vào bê tông phụ thuộc vào tính chất của các thành phần vật liệu. Khi cỡ hạt trung bình của cốt liệu giảm, nhất là khi hàm lợng hạt mịn của cát tăng và độ cứng của hỗn hợp bê tông lớn, thì độ rỗng tăng. 136 Khi đầm chặt một phần không khí xâm nhập sẽ thoát ra, nhng vẫn còn lại một phần khoảng 2 ữ 3% thể tích bê tông. Lợng bọt khí này tuy không nhiều nhng thờng phân bố trên bề mặt của hai pha vữa xi măng và cốt liệu, nên làm giảm đáng kể cờng độ nén và cờng độ kéo của bê tông (mỗi phần trăm bọt khí có thể giảm 5 ữ 10% cờng độ nén của bê tông). Có thể làm giảm lợng khí này bằng phơng pháp hút chân không để đẩy khí và nớc thừa ra ngoài; làm cho kết cấu bê tông đặc chắc hơn. Ngời ta thấy rằng cờng độ của vật liệu đá, trong đó có bê tông phụ thuộc vào khối lợng thể tích của chúng và có thể biểu thị bằng biểu thức sau đây: n 1 1 RR = Trong đó: R 1 - cờng độ của vật liệu có khối lợng thể tích 1 ; n - chỉ số, phụ thuộc vào cấu trúc của vật liệu; R- cờng độ của vật liệu có khối lợng thể tích . Nếu đặt: 1 n 1 R A = thì R = A n . Biểu thức này chứng tỏ rằng cờng độ của vật liệu có lỗ rỗng nh bê tông tỷ lệ với khối lợng thể tích (độ đặc). Khi xét đến độ đặc, độ rỗng của bê tông, cần đặc biệt chú ý đến tính chất kết cấu của phần rỗng đó nh hình dạng, kích thớc lỗ rỗng, sự phân bố trong kết cấu bê tông, tính chất kín hở, thông nhau của các lỗ rỗng đó. Kích thớc và cấu tạo lỗ rỗng quyết định bởi dạng liên kết của nớc trong phần rỗng và khả năng thoát nớc trong bê tông. Lỗ rỗng hở thông nhau và những mao quản ảnh hởng xấu đến tính chất bê tông. Những lỗ rỗng kín là những bọt khí không thông nhau không gây nên ảnh hởng bất lợi, có khi lại có lợi vì làm cho bê tông nhẹ hơn. Độ đặc của bê tông (đ) biến hóa theo thời gian rắn chắc và rất khó xác định một cách chính xác. Thờng xác định đ bằng tổng thể tích của thành phần cứng rắn trong một đơn vị thể tích bê tông: ax ac ađ ap XCD (XP)P đ 1000 + =+++ + Trong đó: x , c , đ , p - khối lợng riêng của xi măng, cát, đá, phụ gia trong bê tông; (X + P) - lợng nớc liên kết hóa học, không bốc hơi. 137 Trị số thay đổi theo tuổi bê tông nh sau: Ngày 7 28 90 300 0,12 0,15 0,19 0,25 Đ5.2. bê tông nặng I. Vật liệu chế tạo 1. Xi măng và vật liệu hỗn hợp Khi chọn loại xi măng cần căn cứ vào tính chất xâm thực của môi trờng xung quanh công trình các chỉ tiêu kỹ thuật cụ thể đối với bê tông xây dựng công trình đó. Việc sử dụng mác xi măng để sản xuất mác bê tông tơng ứng hay nói một cách khác nên sử dụng tỷ lệ b x R R (trong đó R b - cờng độ bê tông, R x - mác xi măng) cần đợc quy định cụ thể để đảm bảo các yêu cầu kinh tế và kỹ thuật. Quan hệ giữa cờng độ bê tông, mác xi măng, tỷ lệ N/X và chất lợng vật liệu chế tạo bê tông, theo B.G.Xkrămtaev có thể biểu thị bằng công thức sau: bx XN R AR 0,5 khi 0,4 NX = hoặc b x R 1, 2. R cho ta: b x R X0,5N AR =+ Nh vậy nói chung lợng xi măng phụ thuộc vào tỷ lệ b x R R ; lợng nớc (N) và phẩm chất cốt liệu. Ví dụ: dùng cốt liệu có phẩm chất trung bình (A = 0,6) và lợng nớc trộn bằng 170kg/m 3 , khi đó: b x R X 0,5 .170 0,6R =+ tức là: X = 85 + 282 b x R R . - Bê tông khối lớn. - Bê tông khối nhỏ. Phân theo vị trí của bê tông ở trong kết cấu khối lớn: - Bê tông ở ngoài mặt; - Bê tông ở bên trong. Phân theo cột nớc tác dụng lên công trình: -. v.v - Bê tông làm kết cấu bao che (bê tông nhẹ dùng cho tờng nhà); - Bê tông làm sàn, vỉa hè, lớp phủ mặt đờng và sân bay; - Bê tông có công dụng đặc biệt, ví dụ: bê tông chịu nhiệt, bê tông. thái dẻo gọi là hỗn hợp bê tông, bê tông đã khô cứng thờng gọi tắt là bê tông. 13 2 I. Phân loại Bê tông đợc phân loại nh sau: 1. Phân loại theo khối lợng thể tích - Bê tông đặc biệt nặng,