Công nghệ bê tông tự đầm ThS. Hoàng thị thanh thuỷ Bộ môn Kết cấu Khoa Công trình - Trờng ĐHGTVT Tóm tắt: Bê tông tự đầm (BTTĐ)đợc chế tạo lần đầu tiên ở Nhật bản vo khoảng 10 năm trớc đây. Thuộc tính đặc biệt của loại bê tông (BT) ny l khả năng tự thoát khí v chảy tới mức cân bằng chỉ dới tác dụng của trọng lợng bản thân. Cơ sở của BTTĐ l sử dụng hm lợng chất bột v phụ gia siêu dẻo cao với hm lợng xi măng v tỉ lệ nớc/ xi măng thông thờng. BTTĐ có u thế đặc biệt khi cốt thép đặt dy đặc hoặc chi tiết cấu kiện có hình dạng phức tạp gây khó khăn cho công tác đầm. Bi viết ny giới thiệu tóm tắt các bớc thiết kế hỗn hợp BTTĐ, các thí nghiệm đối với vữa v BT cũng nh đánh giá, so sánh đặc tính của BTTĐ v BT thông thờng. Summary: Self Compacting Concrete (SCC) was first produced about 10 years ago in Japan. The unset concrete has a special property that is it deaerates just under the influence of its iron weight and flows to a uniform level. The basis of this concrete is a high content of ultrafines and super-plasticizer with a normal cement content and water/cement ratio. This concrete can be especially advantageous where vibration compaction is particularly difficult because of heavy reinforcement or unfavourably shaped components. This article introduces briefly the design process for mixture of SCC, the experiments for SCC and the evaluation, comparison of characteristics of SCC and normal concrete. i. Giới thiệu chung Yêu cầu đặt ra đối với BTTĐ là chỉ dới tác dụng của trọng lợng bản thân, vữa BT đợc lấp đầy ván khuôn theo hình dạng mong muốn, bao bọc hoàn toàn cốt thép, tự thoát khí và không bị phân tầng. Để đạt đợc những phẩm chất này, BT tơi trớc hết phải có độ chảy đặc biệt lớn. Mặt khác, BT phải có độ ổn định cấu trúc cao, tức là vữa BT phải có độ nhớt cần thiết chống lại sự lắng của cốt liệu thô để tránh sự phân tầng của BT. Trên hình 1, giới thiệu nguyên tắc cơ bản để chế tạo BTTĐ theo Okamura (Nhật). Điều kiện không thể thiếu đợc để chế tạo thành công BTTĐ với độ chảy lớn là phụ gia siêu dẻo hoạt tính cao. Đặc biệt, sự ra đời của phụ gia siêu dẻo thế hệ mới (thí dụ nh Polycarbocylate) đã tạo ra một bớc tiến trong công nghệ BTTĐ. II. Thiết kế hỗn hợp bê tông 1. Vật liệu thành phần BTTĐ Đ ộ nhớt của vữa và BT đủ lớn Khả năng chống phân tầng cao Hạn chế hàm lợng cốt liệu Sử dụng phụ gia siêu dẻo hoạt tính cao Giảm tỉ lệ nớc/ xi măng Hình 1: Nguyên tắc cơ bản chế tạo BTTĐ theo Okamura Vật liệu để chế tạo BTTĐ nói chung tơng tự nh đối với BT thông thờng, tham gia vào hỗn hợp chất bột ngoài xi măng ra phần lớn có thêm tro bay và bột đá vôi. Cũng có thể sử dụng bụi silic và các chất độn BT dạng mịn khác. Trong cùng một điều kiện, việc sử dụng tro bay làm tăng độ chảy của BTTĐ, trong khi việc đa vào bột đá nghiền làm tăng độ ổn định cấu trúc và do đó có tác dụng chống phân tầng trong BT. Cần đặc biệt chú ý đến tác động tơng hỗ giữa xi măng, các chất bột khác và phụ gia siêu dẻo. Phụ gia siêu dẻo trên cơ sở Polycarboxylate khi phối hợp tốt có thể cho BT thời gian chảy rất dài, trong khi ở các trờng hợp khác quá trình chảy thờng kết thúc sau một thời gian ngắn. 2. Thiết kế hỗn hợp và nhào trộn Tuỳ theo thành phần chế tạo, BTTĐ đợc phân biệt theo ba dạng: dạng bột (Poder - Typ), dạng nhớt (Viscosity Agent - Typ), và dạng tổ hợp (Combination - Typ). Trong dạng bột, BT đợc chế tạo với hàm lợng bột cao. Theo phơng pháp OKA- MURA, thành phần nhào trộn đợc quyết định trên cơ sở thí nghiệm theo từng bớc. Các nghiên cứu cần thiết đợc tiến hành đối với hồ, vữa và cuối cùng là BT. Sau đây là phơng pháp chế tạo BTTĐ dạng bột loại I theo OKAMURA. Bớc 1: Xác định độ rỗng. Độ rỗng của BTTĐ đợc đánh giá dao động trong một khoảng khá lớn, thờng 4 ữ 7%. Sử dụng giá trị nào là tuỳ thuộc vào kinh nghiệm của ngời thi công. Sau khi chế tạo xong BT, cần kiểm tra xem độ rỗng giả thiết có phù hợp với giá trị trong thực tế không. Bớc 2: Xác định hm lợng cốt liệu thô. Hàm lợng cốt liệu thô đợc chọn sao cho thể tích của chúng bằng khoảng 50% thể tích BT đã trừ lỗ rỗng. Nh vậy, ta có công thức tính thể tích cốt liệu thô: V g,s = 0,5.(1- V 1 ) [m 3 /m 3 ] và công thức tính khối lợng cốt liệu thô cho 1 m 3 bê tông: g = .0,5.(1 - V 1 ) [kg/m 3 ] Bớc 3: Xác định hm lợng cốt liệu nhỏ (hm lợng cát) Thể tích cát cho 1 m 3 BT đợc tính bằng 40% thể tích vữa và đợc xác định theo công thức sau: V s,s = 0,4.(1- V 1 -V g,s ) [m 3 /m 3 ] Bớc 4: Xác định thnh phần hỗn hợp bột Sự phù hợp của hỗn hợp các chất bột đợc đánh giá qua nghiên cứu về khả năng hấp thụ nớc của chúng. ở đây, ngời ta nghiên cứu 3 đến 5 hỗn hợp có tỉ lệ nhào trộn nớc/chất bột khác nhau (V w /V m ~ 1,1 đến 1,4) để xác định độ chảy theo phơng pháp chảy tràn. Trên hình 2 biểu diễn độ chảy tràn 1 thu đợc từ thí nghiệm. Giao điểm của trục tung với đoạn biểu đồ thẳng nghiêng góc so với trục hoành cho giá trị p , đợc dùng để đánh giá độ hấp thụ nớc của hỗn hợp. Nói chung, giá trị p nằm trong khoảng 0,8 ữ 1,1. Hình 2: Đánh giá hỗn hợp chất bột theo khả năng hấp thụ nớc Bớc 5: Xác định hm lợng nớc v lợng phụ gia siêu dẻo ở bớc này vữa đợc nhào trộn từ lợng chất bột đã xác định ở trên và 40% về thể tích những hạt đá tơi nhỏ, thí dụ tới 4 mm). Lợng nớc trớc tiên đợc chọn sao cho tỉ lệ thể tích nớc/chất bột (V w /V m ) vào khoảng 80 ữ 90% giá trị Trong bảng 1 giới thiệu thành phần của hai loại BTTĐ dạng bột (Poder-Typ) từ các vật liệu khác nhau và thành phần của một BT thông thờng cấp cờng độ C30/37 để so sánh. p xác định ở bớc trên. Tiếp theo ngời ta trộn phụ gia siêu dẻo vào và kiểm tra đặc tính của vữa. ở đây sẽ xác định độ chảy tràn và thời gian chảy qua phễu của hỗn hợp vữa. Luợng phụ gia sẽ đợc chọn sao cho độ chảy tràn vào khoảng m = 5 (tơng ứng với a ~ 24,5 cm), đồng thời thời gian chảy qua phễu R m = 1 (t ~ 10 s). Nếu với luợng nớc đã chọn và phụ gia đã sử dụng mà không thể thu đợc kết quả nêu trên thì có thể điều chỉnh hàm lợng nớc và phụ gia để thay đổi thành phần vữa. Nếu vẫn không đợc, phải chọn thành phần chất bột khác. Bớc 6: Trộn cốt liệu thô v đánh giá độ chảy của BT tơi Trong bớc này, sẽ đánh giá xem với thành thành phần vữa đợc xác định từ bớc 1 đến bớc 5 có chế tạo đợc BT có độ chảy cao hay không. ở đây, các cốt liệu thô đợc nhào trộn vào vữa theo tỉ lệ đã xác định. Việc đánh giá đợc tiến hành sau một số thí nghiệm đối với BT. Nếu hỗn hợp tạo thành không đạt đợc khả năng tự đầm thì có thể cố gắng thay đổi thành phần nớc và phụ gia siêu dẻo trong một phạm vi nhỏ để nâng cao khả năng này. Nếu vẫn không đợc thì phải tìm công thức khác. Iii. Các phơng pháp thí nghiệm Ngời ta phân biệt các thí nghiệm đối với hồ hoặc vữa và các thí nghiệm đối với BT. 1. Các thí nghiệm đối với hồ hoặc vữa 1.1. Thí nghiệm xác định độ chảy rộng Thí nghiệm này nhằm xác định độ chảy của vữa cũng nh của hồ. ở đây sử dụng phơng pháp Haegermann, đợc biểu diễn trên hình 3. Khuôn hình côn đợc đặt trên một bề mặt sạch, nhẵn và hơi ẩm, đợc đổ đầy hồ hoặc vữa tới mép trên. Sau đó, khuôn đợc nhấc lên để cho khối vữa chảy tràn ra chỉ dới tác dụng của trọng lợng bản thân. Độ rộng của bánh vữa thu đợc là đại lợng đánh giá độ chảy của vữa. Hình 3. Thí nghiệm xác định độ chảy rộng của hồ v vữa bê tông Bảng 1 Thí dụ so sánh thnh phần của hai BTTĐ v một BT đầm thông thờng BTTĐ 1 BTTĐ 2 BT đầm Xi măng CEM I 42,5 R (kg/m 3 ) Tro bay (kg/m 3 ) Bột đá vôi (kg/m 3 ) Nớc (kg/m 3 ) Cát 0/2 (kg/m 3 ) Cát 2/4 (kg/m 3 ) Cát 4/8 (kg/m 3 ) Sỏi 8/16 (kg/m 3 ) Phụ gia siêu dẻo (Polycarboxylate) Cờng dộ chịu nén f cm (N/mm 2 ) 300 250 0 170 460 306 306 460 1,15% lợng XM 67 300 0 300 182 460 306 306 460 1,60% lợng XM 39 300 0 0 165 453 273 544 545 0 45 Hình 4. Thí nghiệm xác định thời gian chảy qua phễu của hồ v vữa BT ở Nhật Bản, ngời ta không sử dụng giá trị đờng kính bánh vữa mà xác định quan hệ giữa diện tích bánh vữa thu đợc và diện tích đáy dới của khuôn hình côn có đờng kính tơng ứng là r o . Nếu gọi r là đờng kính trung bình của bánh vữa r = (r 1 + r 2 )/2 [mm] thì độ chảy tràn tơng đối đợc tính bằng công thức sau: = (r/r o ) 2 1 Trong chế tạo BTTĐ theo OKAMURA ngời ta cố gắng đạt tới giá trị = 5. Giá trị này tơng ứng với đờng kính bánh vữa khoảng 24,5 cm khi sử dụng khuôn hình côn theo Haegermann. 1.2. Thí nghiệm xác định thời gian vữa chảy qua phễu (hình 4) Thí nghiệm này nhằm đánh giá độ nhớt của vữa. Phễu đợc làm sạch và ẩm ở mặt trong rồi đợc đổ đầy vữa tới miệng. Tiếp theo sẽ xác định khoảng thời gian tính bằng giây để vữa chảy hết khỏi phễu sau khi mở nắp phễu phía dới. Vữa sẽ có độ nhớt càng cao nếu tốc độ chảy khỏi phễu của nó càng nhỏ. Trong các tài liệu của Nhật, độ nhớt đợc đánh giá bằng giá trị R m xác định theo thời gian chảy qua phễu đo đợc t tính bằng giây: R m = 10/t Trong chế tạo BT theo phơng pháp OKAMURA, ngời ta cố gắng đạt tới độ nhớt của vữa ứng với giá trị R m = 1. Giá trị này tơng ứng với khoảng thời gian là 10 giây để vữa chảy hết khỏi phễu. 2. Các thí nghiệm đối với BT Để đánh giá độ chảy và độ nhớt của BT, ngời ta cũng tiến hành hai thí nghiệm cơ bản tơng tự nh đối với hồ và vữa đã đợc trình bày ở trên. Ngoài ra, còn có một loạt thí nghiệm độc lập và tổng hợp khác nhằm đánh giá khả năng cân bằng nằm ngang sau khi BT ngừng chảy, độ lắng, độ tắc nghẽn cốt liệu, khả năng phân tầng, độ rỗng cũng nh độ chảy và độ nhớt của BT. IV. Đặc tính của BT cứng Những đặc tính của BTTĐ đợc trình bày sau đây là đối với BT có lợng chất bột trong khoảng 500 ữ 650 kg/m 3 . - Cờng độ chịu nén Cờng độ chịu nén của BTTĐ tơng đơng với cờng độ chịu nén của BT đầm có tỉ lệ nớc/ xi măng thông thờng và cờng độ xi măng theo quy chuẩn. Cờng độ của BTTĐ có thể đạt tới 70 N/mm 2 hoặc hơn nữa. - Cờng độ chịu kéo Theo một số tác giả, cờng độ chịu kéo của BTTĐ có giá trị bằng 8 ữ 10% cờng độ chịu nén, giống nh trong BT thông thờng. Những nghiên cứu khác lại cho biết, con số này bằng khoảng 10 ữ 15%. - Mô đun đn hồi Với cùng một cờng độ của đá xi măng, BTTĐ nói chung có mô đun đàn hồi nhỏ hơn trong BT thông thờng có cùng cờng độ. - Cờng độ dính bám Hiện vẫn cha có những nghiên cứu có tính hệ thống về cờng độ dính bám trong BTTĐ và khó có thể so sánh các kết quả khác nhau đợc đa ra do các BT đợc nghiên cứu có thành phần và cuờng độ khác nhau. - Co ngót v từ biến Biến dạng co ngót của BTTĐ lớn hơn của BT thông thờng và sau 90 ngày đạt 11% độ co ngót lớn nhất. Độ co ngót cuối cùng của BTTĐ có phụ gia tăng nhớt có thể lớn hơn tới 50% giá trị tơng ứng trong BT cấp phối thông thờng có cờng độ tơng đơng. Một số tác giả cho biết, từ biến của BTTĐ lớn hơn khoảng 10% so với BT đầm thông thờng. - Quan hệ ứng suất - biến dạng Trên cơ sở những nghiên cứu so sánh đờng cong ứng suất - biến dạng của BTTĐ và BT thông thờng, có thể thấy rõ ở nhánh đi lên của biểu đồ - BTTĐ làm việc giống nh BT thờng, còn nhánh đi xuống nói chung dốc hơn. Điều này thể hiện rõ trên hình 5 khi so sánh đờng cong - của ba BTTĐ và một BT thông thờng. Tất cả các BT đều có tỉ lệ nớc/ xi măng là 0,55. Các BTTĐ có hàm lợng bột là 600, 575 và 500 kg/cm 2 . Các BT này có cờng độ khác nhau do sử dụng lợng tro bay khác nhau. Với cờng độ chịu nén tăng lên, biến dạng khi phá hoại cũng tăng lên. V. Kết luận Trong gần mời năm kể từ khi ra đời đến nay, công nghệ BTTĐ đã đợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi ở Nhật Bản, cũng nh bớc đầu áp dụng ở Canađa, Mỹ và ở nhiều nớc châu Âu. Ưu điểm của công nghệ này thể hiện rõ rệt ở những mặt sau: - Tiết kiệm nhân công cho công tác đầm. - Rút ngắn thời gian thi công. - Cải thiện chất lợng bề mặt cấu kiện BT, tăng mỹ quan công trình. - Đảm bảo chất lợng đổ BT ngay cả khi cốt thép đặt dày đặc hoặc chi tiết cấu kiện có hình dạng góc cạnh. - Nâng cao tuổi thọ công trình. - Giảm độ ồn trên công trờng và trong nhà máy sản xuất bê tông. Về khả năng ứng dụng công nghệ BTTĐ ở Việt nam, xin có một số ý kiến nh sau: Về vật liệu: Với nguồn sản xuất trong nớc và cung cấp của các công ty nớc ngoài, ở nớc ta có đủ điều kiện để sản xuất BTTĐ. Cần chú ý đến vai trò quyết định của phụ gia siêu dẻo hoạt tính cao gốc Polycarbocylate. Về thiết bị thí nghiệm: các thí nghiệm nhằm xác định và điều chỉnh thành phần nhào trộn cũng nh các tính chất cơ lý của BT cứng có thể đợc tiến hành trong phòng thí nghiệm , các trờng đại học. Về trình độ n ở các viện nghiên cứu gời thi công: Cần trang bị tốt kiến thức cho ngời sản xuất vì thành công của BTTĐ chỉ có thể đạt đợc khi tất cả những ngời tham gia vào quá trình chuẩn bị vật liệu, thiết kế, chế tạo và đổ BT hiểu biết về công việc của mình và các công đoạn liên quan. Hình 5. Quan hệ ứng suất- biến dạng của BTTĐ v BT đầm thông thờng Về khả năng chế tạo lắp ghép: Ưu thế của BTTĐ sẽ đợc nâng cao nếu rút ngắn đợc các công đoạn (do đó giảm bớt các tác động). Do vậy, việc áp dụng công nghệ mới này trong chế tạo cấu kiện lắp ghép có thể cho sự thành công nhanh chóng hơn khi thi công tại công trờng. Tài liệu tham khảo [1]. Gruebl, P., Weigler, H. v Karl, S. Beton - Arten, Herstellung und Eigenschaften (Bê tông- phân loại, chế tạo và đặc điểm). Nhà xuất bản Ernst & Sohn, CHLB Đức, 2001. [2]. Koenig, G., Nguyen Viet Tue v Zink, M. Hochleistungsbeton - Bemessung, Herstellung und Anwendung (Bê tông tính năng cao- tính toán, chế tạo và sử dụng). Nhà xuất bản Ernst & Sohn, CHLB Đức, 2001. [3]. Grube, H. v Rickert, J. Selbstverdichtender Beton - ein weiterer Entwicklungsschritt des 5 - Stoff - Systems Beton (Bê tông tự đầm - bớc phát triển tiếp theo của vật liệu bê tông 5 thành phần). Tạp chí Bê tông, CHLB Đức, 1999 . Công nghệ bê tông tự đầm ThS. Hoàng thị thanh thuỷ Bộ môn Kết cấu Khoa Công trình - Trờng ĐHGTVT Tóm tắt: Bê tông tự đầm (BTTĐ)đợc chế tạo lần đầu tiên. Entwicklungsschritt des 5 - Stoff - Systems Beton (Bê tông tự đầm - bớc phát triển tiếp theo của vật liệu bê tông 5 thành phần). Tạp chí Bê tông, CHLB Đức, 1999 . dẻo thế hệ mới (thí dụ nh Polycarbocylate) đã tạo ra một bớc tiến trong công nghệ BTTĐ. II. Thiết kế hỗn hợp bê tông 1. Vật liệu thành phần BTTĐ Đ ộ nhớt của vữa và BT đủ lớn Khả năng chống