“Nghiên cứu tăng cường độ của bê tông công trình thủy bằng phương pháp đầm lại

Trong giáo trình vật liệu xây dựng đầu tiên của trường ĐH Thủy Lợi [33] định nghĩa bê tông là vật liệu do chất keo kết xi măng, nước và cốt liệu tạo thành.. Trong tài liệu [2], định nghĩ

Tuyên, người đã dành nhiều tâm huyết, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn Công ty cổ phần tư vấn xây dựng và chuyển giao công nghệ Thăng Long 12 đã tạo điều kiện cho tác giả về thời gian để tham gia khoá học và hoàn thành luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự quan tâm và giúp đỡ của phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công trình trường Đại học thuỷ lợi, cùng các thầy, cô giáo trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện cho tác giả có cơ hội được học tập, trau dồi nâng cao kiến thức trong suốt thời gian vừa qua

Sau cùng là cảm ơn các bạn đồng nghiệp và các thành viên trong gia đình đã có những đóng góp quý báu, động viên về vật chất và tinh thần để tác giả hoàn thành luận văn này

Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình thủy với

đề tài: “Nghiên cứu tăng cường độ của bê tông công trình thủy bằng

phương pháp đầm lại” được hoàn thành tại Khoa Công trình, Trường Đại

học Thủy lợi

Hà Nội, tháng 09 năm 2014

Tác giả

Vũ Xuân Tiến

Học Thủy Lợi, tác giả luận văn xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung và kết quả nghiên cứu trình bày trong luận văn

là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào

Tác giả

Vũ Xuân Tiến

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC BẢNG

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ MỘT SỐ QUY ĐỊNH (TIÊU CHUẨN) LIÊN QUAN ĐẾN NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ SẢN XUẤT BÊ TÔNG Ở NƯỚC TA 3

1.1 Định nghĩa bê tông: 3

1.2 Phân loại bê tông và bê tông thủy công 4

1.3 Nguyên vật liệu chế tạo bê tông 5

1.3.1 Xi măng 5

1.3.2 Cốt liệu nhỏ 5

1.3.3 Cốt liệu lớn 7

1.4 Các tính chất cơ bản của bê tông 9

1.4.1 Tính công tác của hỗn hợp bê tông 9

1.4.2 Tính đông kết đóng rắn của hỗn hợp bê tông 10

1.4.3 Cường độ của bê tông đã đông cứng 11

1.4.4 Tính biến dạng của bê tông 15

1.4.5 Tính co, nở của bê tông 15

1.4.6 Tính hút nước của bê tông 15

1.4.7 Tính thấm nước của bê tông 16

1.5 Thiết kế thành phần bê tông 16

1.6 Kết luận chương 1 20

2.2 Quá trình đông kết đóng rắn của xi măng 22

2.3 Cấu trúc của đá xi măng 23

2.4 Cấu trúc của bê tông 25

2.4.1 Sự hình thành cấu trúc của bê tông 25

2.4.2 Cấu trúc vĩ mô của bê tông 25

2.4.3 Cấu trúc vi mô của bê tông 26

2.4.4 Độ rỗng của bê tông 28

2.4.5 Độ co của bê tông 29

2.5 Lý thuyết về đầm hỗn hợp bê tông 32

2.6 Kết luận của chương 2 35

CHƯƠNG 3KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 37

3.1 Xác định các tính chất của nguyên vật liệu chế tạo bê tông 37

3.1.1 Xi măng PCB 30 Bút Sơn 37

3.1.2 Cát vàng sông Lô 39

3.1.3 Đá dăm Kiện Khê 45

3.1.4 Nước trộn bê tông 49

3.2 Thiết kế thành phần bê tông 49

3.2.1 Thiết kế thành phần bê tông mác 20 49

3.2.2 Thiết kế thành phần bê tông mác 30 51

3.3 Đánh giá hiệu quả của phương pháp đầm lại đối với cường độ của bê tông 52

3.3.1 Xác định thời gian giãn cách hợp lý giữa 2 lần đầm 53

3.3.2 So sánh cường độ bê tông loại 1 và loại 2 được đầm 1 lần và 2 lần 56

3.4 Bàn luận về kết quả của phần thực nghiệm 59

KẾT LUẬN 61

TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

Tiếng Việt 63

Tiếng Anh 65

Tiếng khác 65

PHỤ LỤC 1 66

PHỤ LỤC 2 67

Hình 1.1: Cấu trúc của hỗn hợp bê tông 4

Hình 1.2: Biểu đồ để xác định lượng nước trộn, l/m3 , bê tông đối với hỗn hợp bê tông dẻo (Sn=1-14cm) 18

Hình 1.3: Biểu đồ để xác định hệ số trượt α 19

Hình 2.1: Hiện tượng tách nước bên trong bê tông 27

Hình 2.2: Cấu trúc vùng chuyển tiếp trong bê tông 27

Hình 2.3: Quan hệ giữa độ rỗng và cường độ nén của bê tông 29

Hình 2.4: Quan hệ giữa độ co và thời gian đông cứng 29

Hình 3.1: Biểu đồ TPH của cát 43

Hình 3.2: Biểu đồ TPH của đá dăm 48

Hình 3.3: Quan hệ giữa cường độ chịu nén của bê tông và thời gian giãn cách 2 lần đầm 56

Bảng 1.2: Thành phần hạt của cát nghiền 6

Bảng 1.3: Hàm lượng tạp chất trong cát 7

Bảng 1.4: Thành phần hạt của cốt liệu lớn (đá) 8

Bảng 1.5: Hàm lượng bùn-bụi-sét trong cốt liệu lớn 9

Bảng 3.1: Thành phần hóa của Clanhke Bút Sơn, % 37

Bảng 3.2: Thành phần khoáng của Clanhke và PCB 30 Bút Sơn 38

Bảng 3.3: Các chỉ tiêu tính chất vật lý của PCB30 Bút Sơn 38

Bảng 3.4: Kết quả thí nghiệm khối lượng riêng của cát 40

Bảng 3.5: Kết quả thí nghiệm khối lượng thể tích xốp của cát 41

Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm thành phần hạt của cát 42

Bảng 3.7: Kết quả thí nghiệm hàm lượng bùn-bụi-sét của cát 44

Bảng 3.8: Kết quả thí nghiệm khối lượng riêng của đá dăm 46

Bảng 3.9: Kết quả thí nghiệm khối lượng thể tích xốp của đá dăm 46

Bảng 3.10: Thành phần hạt của đá dăm 47

Bảng 3.11: Hàm lượng bụi (bột mịn) trong đá dăm 49

Bảng 3.12: Thành phần tính toán của bê tông mác 20 và 30 51

Bảng 3.13: Thành phần vật liệu của hai mẻ trộn bê tông M20 53

Bảng 3.14: Cường độ chịu nén của bê tông đầm một lần và hai lần 55

Bảng 3.15: Thành phần mẻ trộn bê tông M30 cho 4 nhóm mẫu 57

Bảng 3.16: Cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo khi bửa của bê tông 58

Bảng 3.17: Cường độ chịu kéo khi bửa của 2 loại bê tông 58

Bảng 3.18: Tỉ số Rkb/Rn của bê tông 59

TPH Thành phần hạt

TPBT Thành phần bê tông

AASHTO Hội của những người làm đường của Mỹ

X Khối lượng xi măng

N Khối lượng nước

Rn Cường độ chịu nén của bê tông

Rkb Cường độ chịu kéo khi bửa của bê tông HVCH Học viên cao học

M20, M30 Bê tông mác 20, bê tông mác 30

PHẦN MỞ ĐẦU

Bê tông là vật liệu không những được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các công trình thủy lợi như đập, cầu, cống, trạm bơm, kênh dẫn nước, âu thuyền, đê , mà còn dùng cho các công trình của các ngành giao thông, xây dựng, quốc phòng, như cầu, đường, nhà và các công trình quân sự Bê tông có khả năng chịu lực tốt thể hiện ở cường độ bê tông Ở nước ta khí hậu nóng, gió nhiều, đặc biệt là gió mùa, nhưng cũng có thời gian và một số ngày trong năm, đặc biệt ở một tỉnh miền trung (Ninh Thuận, Bình Thuận) khí hậu khô hanh Trong điều kiện như vậy hỗn hợp bê tông sau khi đổ (tạo hình kết cấu công trình), nước trong bê tông bốc hơi nhanh, phát sinh co ngót nhiều, dễ sinh nứt nẻ, dẫn tới giảm cường độ, làm tăng độ hút nước thấm nước, giảm độ bền và giảm mỹ quan của bề mặt công trình

Để khắc phục hiện tượng này có thể áp dụng nhiều biện pháp, trong đó

có biện pháp đầm lại một lần, hoặc hai lần sau các khoảng thời gian giãn cách

so với lần đầm đầu tiên Việc làm này không khó khăn và không tốn nhiều công sức và chi phí, nhưng có thể đem lại hiệu quả nhất định góp phần đảm bảo chất lượng của bê tông, kết cấu bê tông cốt thép và công trình

I Tính cần thiết của đề tài:

Trong một số trường hợp sau khi thi công bê tông, bề mặt bê tông bị co

và nứt do nước trong bê tông bốc hơi nhanh Việc đầm lại bê tông là cần thiết

để triệt tiêu các vết nứt, tăng độ đặc chắc bên trong bê tông và góp phần đảm bảo chất lượng bê tông và kết cấu công trình

II Mục đích của đề tài:

Đánh giá tác dụng và hiệu quả của việc đầm lại đến tính chất của bê tông, cụ thể là cường độ chịu nén và chịu kéo

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết về thủy hóa xi măng, cấu trúc bê tông, vấn đề mất nước và co ngót của hỗn hợp bê tông, độ đặc của bê tông để đánh giá tác dụng

và hiệu quả của việc đầm lại thông qua thí nghiệm bê tông

IV Nội dung luận văn gồm ba chương:

Mở đầu

Chương 1 - Tổng quan về bê tông và một số qui định (tiêu chuẩn) liên quan đến nguyên vật liệu và sản xuất bê tông ở nước ta

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết

Chương 3 – Kết quả nghiên cứu thí nghiệm và đánh giá

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ MỘT SỐ QUY ĐỊNH (TIÊU CHUẨN) LIÊN QUAN ĐẾN NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ SẢN XUẤT BÊ TÔNG

Ở NƯỚC TA Khái niệm về bê tông:

Đề tài luận văn có liên quan đến bê tông Trong phần tổng quan này đề cập đến một số khái niệm về bê tông xi măng

1.1 Định nghĩa bê tông:

Bê tông là vật liệu thường dùng nhất trong xây dựng và nhìn thấy ở khắp nơi nhưng trong các tài liệu định nghĩa của bê tông cũng khác nhau Trong giáo trình vật liệu xây dựng đầu tiên của trường ĐH Thủy Lợi [33]

định nghĩa bê tông là vật liệu do chất keo kết (xi măng), nước và cốt liệu tạo thành Trong tài liệu [2], định nghĩa bê tông là vật liệu đá nhân tạo có thành phần được lựa chọn hợp lý, bao gồm xi măng, nước, cốt liệu (cát, sỏi hay đá dăm) và phụ gia Theo tài liệu [3], bê tông là loại vật liệu đá nhân tạo được chế tạo bằng cách đổ khuôn và làm rắn chắc một hỗn hợp hợp lý của chất kết dính, nước và cốt liệu ( cát, sỏi hay đá dăm) và phụ gia Theo tài liệu [4], bê tông là vật liệu tổ hợp nhận được từ việc đổ khuôn và đông cứng hỗn hợp các thành phần đã lựa chọn gồm chất kết dính, nước, cốt liệu và các phụ gia đặc biệt Tiêu chuẩn thuật ngữ cũ của nước ta [32] định nghĩa bê tông là hỗn hợp của các vật liệu thành phần xi măng, nước, cốt liệu và phụ gia Tài liệu thuật ngữ của Mỹ [36] định nghĩa bê tông là vật liệu tổ hợp gồm chủ yếu môi chất chất kết dính, trong đó chứa các hạt hoặc mảnh cốt liệu, thường là hỗn hợp của cốt liệu nhỏ và lớn Trong bê tông xi măng thì chất kết dính là xi măng hoặc hỗn hợp của xi măng và phụ gia khoáng Trong tiêu chuẩn thuật ngữ mới của nước ta cũng đưa ra định nghĩa bê tông theo tiêu chuẩn Mỹ, nhưng có thêm thành phần phụ gia

Hình ảnh cấu trúc của bê tông được biểu thị trong hình 1.1

Hình 1.1: Cấu trúc của hỗn hợp bê tông

1.2 Phân loại bê tông và bê tông thủy công

Theo tài liệu [3], bê tông xi măng được phân loại theo một số kiểu, chẳng hạn như sau:

- Theo loại cốt liệu: bê tông dùng cốt liệu đặc chắc, bê tông dùng cốt liệu rỗng, bê tông dùng cốt liệu đặc biệt

- Theo độ đặc chắc của bê tông: Bê tông đặc biệt nặng với khối lượng thể tích (γb) lớn hơn 2500kg/m3, bê tông nặng thông thường với γb = 2200 –

2500 kg/m3, bê tông nhẹ với γb = 1800 – 2200 kg/m3

Theo tài liệu [4], bê tông thủy công là bê tông được dùng cho các công trình thủy lợi có cách phân loại theo vị trí của bê tông so với mực nước như sau: + Bê tông thường xuyên nằm trong nước;

+ Bê tông ở vùng mực nước biến đổi (khô ẩm liên tiếp);

+ Bê tông ở trên khô (nằm trên vùng mực nước biến đổi)

1.3 Nguyên vật liệu chế tạo bê tông

Các nguyên vật liệu để chế tạo bê tông được sản xuất và đánh giá chất lượng theo các tiêu chuẩn của nước ta (TCVN)

1.3.1 Xi măng

Xi măng là chất kết dính trong bê tông Nó hòa trộn với nước tạo thành hồ

xi măng gắn kết các hạt cát đá và sau khi đông cứng tạo thành khối bê tông cứng chắc, được coi như một loại đá nhân tạo

Có nhiều loại xi măng được sản xuất ở nước ta cho đến nay theo các tiêu chuẩn nhà nước (TCVN) hiện hành để dùng cho bê tông như: xi măng pooc lăng theo TCVN 2682 – 2009 [5], xi măng pooc lăng hỗn hợp theo TCVN 6260:2009 [6], xi măng pooc lăng ít tỏa nhiệt theo TCVN 6069:2007 [7], xi măng pooc lăng hỗn hợp ít tỏa nhiệt theo TCVN 7712:2007 [8], xi măng pooc lăng bền sunphat theo TCVN 6067:2004 [9], xi măng pooc lăng hỗn hợp bền sunphat theo TCVN 7711:2007 [10], xi măng pooc lăng xỉ lò cao theo TCVN 4316:2007 [11], v.v Các loại xi măng trên đều thích hợp với bê tông dùng cho công trình thủy lợi Tùy theo điều kiện cụ thể của công trình, chọn dùng loại xi măng phù hợp nhất để đạt hiệu quả cả về kinh tế và kỹ thuật Khi sử dụng xi măng cần biết thành phần hóa và thành phần khoáng, cũng như các tính chất của xi măng để có biện pháp sử dụng thích hợp

1.3.2 Cốt liệu nhỏ

Cốt liệu nhỏ thường là cát Cát có nhiệm vụ nhét đầy các khe kẽ của cốt liệu lớn và cùng với cốt liệu lớn tạo nên bộ xương cứng trong bê tông Hiện nay nước ta dùng hai nhóm cát: (1) cát tự nhiên [12] gồm các loại cát sông, suối, cát khe, cát biển…Cát biển cần phải xử lý để loại bỏ muối, vì nó có thể gây hại cho bê tông, đặc biệt là bê tông cốt thép; (2) cát nhân tạo (còn gọi là cát nghiền, cát xay) [15] được nghiền từ các loại đá trong tự nhiên như đá vôi,

đá bazan, đá granit … đến độ nhỏ như cát tự nhiên Ngoài ra nhiều dự án xây

dựng đã dùng hỗn hợp cát tự nhiên và cát nhân tạo trong điều kiện thiếu nguồn cát tự nhiên ở địa phương như ở dự án thủy điện Sơn La, và một số cơ

sở sản xuất bê tông ở các tỉnh phía Nam [1] Yêu cầu kỹ thuật đối với cốt liệu nhỏ (cát) dùng cho sản xuất bê tông được quy định trong TCVN7570:2006 [12] Từ thành phần hạt của cát, tính được môdun độ lớn (Mđl), Theo Mđl cát được phân loại như sau: cát thô có Mđl ≡ trên 2 – 3.3 và cát mịn với Mđl ≡ 0.7 – 2 Thành phần hạt của cát tự nhiên được quy định trong bảng 1.1

Chú thích:

- Cát thông thường được hiểu như cát thô đối với cát tự nhiên

- Lượng sót riêng trên mỗi sàng không được lớn hơn 45%

- Cát nghiền thông thường được sử dụng cho bê tông; còn cát mịn sử dụng cho vữa

Từ số liệu của từng bảng, nêu trên có thể vẽ biểu đồ phạm vi cho phép của thành phần hạt của cát, gọi là biểu đồ thành phần hạt của cát

Tạp chất hữu cơ trong cát cho mầu dung dịch NaOH ngâm cát không thẫm hơn mầu chuẩn Hàm lượng clorua (biểu thị bằng hàm lượng ion Cl-

) trong cát không vượt quá trị số quy định

Cát không có khả năng gây phản ứng kiềm - silic trong bê tông

Hàm lượng các tạp chất trong cốt liệu nhỏ được quy định trong bảng 1.3

Bảng 1.3: Hàm lượng tạp chất trong cát

Loại tạp chất

Hàm lượng tạp chất, % khối lượng không lớn hơn

Bê tông cấp cao hơn B30

Bê tông cấp thấp hơn và

bằng B30 Sét cục và các tạp chất

1.3.3 Cốt liệu lớn

Cốt liệu lớn thường là đá dăm, sỏi và sỏi dăm tùy theo nguồn gốc của

nó Đá chính là bộ khung, có nhiệm vụ cùng với cát tạo thành bộ xương cứng cho bê tông, ví như bộ xương của con người và thịt chính là hồ xi măng gắn kết các thành phần của bộ xương đó Cốt liệu lớn cũng được chia thành hai nhóm: (1) Cốt liệu lớn tự nhiên là sỏi được khai thác ở đáy sông vùng thượng nguồn hoặc ở bãi ven bờ suối, ở khe núi… Trong cốt liệu lớn tự nhiên có các

cỡ hạt khác nhau; (2) Cốt liệu lớn nhân tạo là đá dăm được nghiền thành các

cỡ hạt khác nhau từ các loại đá như đá vôi, đá bazan, đá granit… Cốt liệu lớn

tự nhiên được cung cấp dưới dạng hỗn hợp nhiều cỡ; cốt liệu nghiền thường được cung cấp theo từng cỡ: 5 - 10, 10 - 20, 20 - 40 mm, v.v…

Thành phần hạt của cốt liệu lớn được phân tích bằng sàng và được biểu thị bằng lượng sót tích lũy trên các sàng Đường thành phần hạt phải nằm trong phạm vi qui định như ở bảng 1.4

- Cỡ hạt 5-10 là cỡ có các hạt lọt qua sàng 10 mm và sót trên sang 5 mm;

- Các cỡ khác cũng được hiểu như vậy

Từ số liệu ở mỗi cột của bảng này có thể vẽ được các biểu đồ thành phần hạt cho các cỡ hạt cốt liệu lớn: 5 – 10 mm, 5 – 20 mm…

- Kích thước danh nghĩa lớn nhất của hạt cốt liệu lớn được tính theo kích thước mắt sàng, mà có không ít hơn 90% khối lượng cốt liệu lọt qua Chỉ tiêu này thể hiện độ lớn của cốt liệu lớn

- Hàm lượng bùn-bụi-sét trong cốt liệu lớn tùy thuộc cấp bê tông không được vượt quá các giá trị quy định trong bảng 1.5

Bảng 1.5: Hàm lượng bùn-bụi-sét trong cốt liệu lớn

Cấp bê tông Hàm lượng bùn-bụi-sét % theo khối lượng

- Tạp chất hữu cơ trong cốt liệu lớn cũng được quy định như đối với cát

- Hàm lượng ion Cl- trong cốt liệu lớn không vượt quá 0.01%

- Không gây phản ứng kiềm – silic trong bê tông Đây là phản ứng giữa SiO2

có phản ứng trong cốt liệu với kiềm (Na2O và K2O) có trong xi măng gây nứt

1.4 Các tính chất cơ bản của bê tông

1.4.1 Tính công tác của hỗn hợp bê tông

Tính công tác là tính dễ tạo hình hỗn hợp bê tông trong ván khuôn, bảo đảm khối bê tông lấp đầy khuôn và đặc chặt sau khi được đầm nén (trừ trường hợp bê tông tự lèn không cần phải đầm nén) Tính công tác được thể hiện qua

4 chỉ tiêu:

- Độ sụt (hỗn hợp bê tông dẻo) hoặc độ cứng (hỗn hợp bê tông khô): Trong thực tế xây dựng thường dùng hỗn hợp bê tông dẻo, nên phải quy định độ sụt của bê tông thích hợp với từng loại kết cấu công trình và phải kiểm tra chỉ tiêu này thường xuyên trong phòng thí nghiệm, ở trạm trộn và ở công trường trước khi đổ bê tông.Độ sụt của hỗn hợp bê tông giảm theo thời gian Khi vận chuyển xa, độ sụt sẽ giảm Phải dự phòng vấn đề này để hỗn hợp bê tông vẫn đảm bảo độ sụt yêu cầu khi thi công Độ sụt của hỗn hợp bê tông được xác định theo TCVN 3106: 2007 [13]

- Độ giữ nước hoặc độ tách nước: Nước có thể bị tách ra một phần nổi lên mặt bê tông, hoặc đọng lại trên bề mặt các hạt cốt liệu và cốt thép trong bê tông (kết cấu bê tông cốt thép), làm yếu mối liên kết giữa cốt liệu và đá xi măng cũng như giữa bê tông và cốt thép

- Độ phân tầng: Trong quá trình vận chuyển và đầm lèn do khối lượng riêng của các vật liệu thành phần trong bê tông không giống nhau, các vật liệu nặng (đá) lắng xuống dưới , tiếp theo là cát, còn hồ xi măng nhẹ hơn sẽ nổi lên trên Như vậy bê tông sẽ không đồng nhất và chất lượng bê tông sẽ bị giảm

Các nhân tố chủ yếu ảnh hưởng là: (1) Lượng nước trộn: một phần nước bị hút vào bên trong các hạt cốt liệu, một phần nước dùng cho phản ứng thủy hóa xi măng, một phần nước hấp phụ trên mặt các vật rắn, phần còn lại

là nước tự do, tạo màng nước trên vật rắn, làm cho các hạt dễ trơn trượt, tạo

độ lưu động do lực nội ma sát giảm đi Màng nước càng dầy, độ sụt càng tăng; (2) Loại và lượng xi măng; (3) Tỉ lệ N/X càng lớn, độ sụt càng lớn, vì lượng nước tự do nhiều (4) Lượng hồ xi măng càng nhiều, các hạt cốt liệu càng tách xa nhau, nên càng dễ trơn trượt hơn

1.4.2 Tính đông kết đóng rắn của hỗn hợp bê tông

Xi măng sau khi trộn với nước một thời gian sẽ bắt đầu đông kết Khi đó hồ

xi măng bắt đầu đông đặc và sau đó một thời gian thì kết thúc đông kết để hồ

xi măng bắt đầu cứng rắn và có cường độ Cường độ bê tông phát triển theo thời gian Xác định thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết theo TCVN 6017:2009 [29] Chính sự đông kết và cứng rắn của hồ xi măng đã tạo ra sự đông kết cứng rắn của hỗn hợp bê tông Đối với từng loại xi măng và tùy loại hỗn hợp bê tông sử dụng, phải kiểm tra thời gian bắt đầu đông kết và kết thúc đông kết của hỗn hợp bê tông theo tiêu chuẩn AASHTO-197 [36]

1.4.3 Cường độ của bê tông đã đông cứng

Hồ xi măng khi cứng rắn sẽ gắn kết các hạt cốt liệu thành một khối bê tông cứng chắc có cường độ Cường độ biểu thị khả năng chịu lực của bê tông Đó

là chỉ tiêu quan trọng nhất đối với hầu hết các loại bê tông và thường là 1 mục tiêu chủ yếu cần đạt được khi thiết kế thành phần bê tông

Trong kết cấu xây dựng, bê tông có thể làm việc ở những trạng thái chịu lực khác nhau: nén, kéo, uốn, trượt v.v… Tuy nhiên bê tông là vật liệu ròn (giống như đá), nên có cường độ nén cao, cường độ uốn thấp hơn và cường độ kéo càng thấp hơn cường độ nén nhiều

Ở nước ta việc xác định cường độ chịu nén của bê tông được tiến hành theo tiêu chuẩn nhà nước TCVN 3118:2007 [19] Cường độ bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó các yếu tố cơ bản là mác xi măng, tỉ lệ N/X

và chất lượng cốt liệu Điều đó được thể thiện trong công thức Bolomey - Skramtacv và công thức của Pháp như dưới đây:

Công thức cường độ của Bolomey - Skramtacv:

A và G là hệ số liên quan đến chất lượng cốt liệu; chất lượng cốt liệu cao A và G sẽ lớn và ngược lại

Cường độ bê tông ở tuổi 28 ngày là cơ sở để xác định mác bê tông

Do xi măng tiếp tục thủy hóa trong thời gian dài, nên cường độ đá xi măng cũng tăng theo; do đó cường độ bê tông cũng phát triển theo thời gian nếu được bảo dưỡng ẩm theo qui luật logarit như trong công thức dưới đây [41]:

28

log log 28

n

n

R =R [1-3];

Trong đó: Rn – Cường độ bê tông ở tuổi n ngày; n>3;

R28 – Cường độ bê tông ở tuổi 28 ngày

Đây là công thức được đề xuất và sử dụng ở Liên Xô cũ và ở Nga hiện nay Ở nước ta khí hậu nóng, nên qua các số liệu thực tế thấy rằng cường độ

bê tông trong những ngày đầu phát triển nhanh hơn so với tính toán theo công thức trên Vì vậy nếu cần biết sự phát triển cường độ của 1 loại bê tông cụ thể được dùng cho dự án, thì nên xác định thông qua thí nghiệm

Có một số phương pháp tăng cường độ bê tông được dùng trong thực tế như dưới đây

Cường độ bê tông thể hiện khả năng chịu lực của bê tông Đây là một chỉ tiêu quan trọng nhất, vì nó quyết định một phần khả năng chịu lực của kết cấu công trình Từ trước đến nay đã có nhiều biện pháp tăng cường độ bê tông được đề xuất, dưới đây là một số biện pháp đã được áp dụng trong thực tế

1.4.3.1 Dùng xi măng mác cao

Công nghệ sản xuất xi măng đã cho ra đời các loại xi măng mác cao và từ

đó có thể sản xuất được bê tông mác cao hơn, vì giữa cường độ xi măng có quan hệ chặt chẽ với cường độ bê tông theo công thức Bolomey - Skramtaev:

X

R =AR ( -0,5)

N đã nêu trên

Trong đó Rb, Rx là cường độ nén ở tuổi 28 ngày của bê tông và xi măng, A là hệ số liên quan đến chất lượng của cốt liệu

1.4.3.2 Giảm lượng nước trộn bê tông và tỉ lệ N/X

Trong hỗn hợp bê tông cần một lượng nước trộn để đảm bảo hỗn hợp

có tính dễ đổ Lượng nước trộn trong bê tông có thể phân thành 2 phần: một phần nước dùng cho thủy hóa xi măng, còn một phần nước tự do (nước thừa)

có tác dụng tăng độ lưu động (độ sụt) của hỗn hợp bê tông Trong quá trình

bê tông đông cứng, phần nước này sẽ bay hơi để lại các lỗ rỗng trong bê tông Nước thừa càng ít, thì độ rỗng của bê tông càng nhỏ và cường độ càng cao hơn và ngược lại Để giảm lượng nước trộn, có thể dùng phụ gia hóa dẻo hoặc siêu dẻo làm tăng độ lưu động Nếu giữ nguyên độ lưu động, thì lượng nước trộn có thể giảm đi Ngoài ra có thể thay thế một phần xi măng trong bê tông bằng tro bay Các hạt tro bay hình cầu dễ trơn trượt trong hỗn hợp bê tông nên làm tăng tính lưu động, khi giữ nguyên độ lưu động thì có thể giảm lượng nước trộn

1.4.3.3 Dùng cốt liệu (cát, đá) chất lượng tốt

Cốt liệu sạch sẽ tạo ra cường độ dính kết tốt giữa mặt cốt liệu với hồ xi măng (đá xi măng sau khi đông cứng) Cường độ dính kết cao sẽ cho cường

độ bê tông cao Đặc biệt là cốt liệu có thành phần hạt tốt (đạt yêu cầu của

TCVN 7570:2006) [12] có sự đan xen chặt chẽ giữa các cỡ hạt, cấu trúc cốt liệu đặc chặt sẽ cho bê tông đặc chắc hơn và như vậy sẽ tăng cường độ của bê tông Ngoài ra hàm lượng tạp chất trong đó có bùn, bụi, sét phải nằm trong phạm vi cho phép

Theo tài liệu [33] tỉ lệ cát/đá hợp lý tạo ra hỗn hợp cát đá đặc chặt và cũng làm tăng cường độ bê tông

1.4.3.4 Dùng phụ gia khoáng cao cấp hoạt tính cao

Silicafum, tro trấu nghiền mịn có khả năng tăng cường độ ở tuổi 28 ngày và về sau do tác dụng xen kẽ các lỗ rỗng rất nhỏ trong bê tông và phản ứng hóa học với vôi sinh ra khi xi măng thủy hóa để tạo ra hợp chất hydro canxisilicat (CSH) bền vững và có cường độ

1.4.3.5 Trộn bê tông hai pha

Theo tài liệu [47], trộn bê tông theo hai pha có thể tăng cường độ nén của bê tông tới trên 10% Trong pha đầu trộn xi măng với nước và một phần cát được vữa Trong pha thứ hai trộn vữa với phần cát còn lại và đá Biện pháp này có hiệu quả tốt hơn đối với hỗn hợp bê tông dẻo

1.4.3.6 Trộn bê tông hai pha có khoảng thời gian giãn cách

Khi trộn pha thứ nhất hỗn hợp được giữ yên trong khoảng 30’ sau đó mới trộn pha thứ hai Trong thời gian chờ đợi phản ứng thủy hóa diễn ra tạo

ra một phần gen, sau đó được trộn lại giúp cho thủy hóa xi măng phát triển tốt hơn; do đó có khả năng tăng cường độ bê tông nhiều hơn so với trường hợp trộn hai pha liên tục

1.4.3.7 Đầm lại bê tông (đầm hai lần hoặc nhiều hơn)

Phương pháp này đã được đề cập trong tài liệu [40], sau lần đầm thứ nhất, để yên một thời gian rồi đầm lại lần hai và có thể đầm lại lần ba nếu thấy hiệu quả hơn Khi đầm lại, bê tông sẽ đặc chắc hơn và khắc phục được nứt do co mềm Nguyên tắc chung là khi đầm lại xi măng chưa kết thúc đông kết Nếu xi măng đông kết rồi mới đầm lại, thì có thể cấu trúc xi măng bị phá hoại, cường độ bê tông giảm đi Phương pháp này cũng đơn giản có thể áp dụng dễ dàng trong thực tế Vì vậy HVCH đã chọn vấn đề này làm đề tài nghiên cứu của luận án Kết quả nghiên cứu thí nghiệm được trình bày ở chương 3 của luận văn này

1.4.4 Tính biến dạng của bê tông

Bê tông là loại vật liệu đàn hồi dẻo, nên biến dạng có 2 phần: biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo:

Trong đó:

Ebd – Mô đun biến dạng của bê tông;

σ – Ứng suất trong bê tông;

ζb – Biến dạng của bê tông;

ζđh , ζd – Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo của bê tông

1.4.5 Tính co, nở của bê tông

Trong quá trình rắn chắc, bê tông thường phát sinh biến dạng: nở trong nước và co trong không khí Độ co lớn có thể gây nứt bê tông, làm giảm cường độ và độ bền (độ chống thấm, chống ăn mòn) Bê tông bị co do nguyên nhân: mất nước trong gen Cấu trúc gen bao gồm các mầm tinh thể liên kết với nhau thành chuỗi, các chuỗi liên kết tạo ra một mạng lưới không gian với mắt lưới chứa đầy nước Khi mất nước các mầm tinh thể xếp lại gần nhau, các gen cũng dịch chuyển làm cho xi măng bị co Co ngót còn là hậu quả của việc giảm thể tích tuyệt đối của hệ xi măng – nước Co ngót gây ứng suất kéo trong đá xi măng gây nứt, giảm cường độ và độ ổn định của kết cấu bê tông

và bê tông cốt thép trong môi trường ăn mòn Độ co ngót phát triển trong một thời gian, mạnh vào thời kỳ đầu và tỉ lệ với độ mất nước tự do Độ co của đá

xi măng lớn hơn vữa và bê tông Tổng độ co trung bình của bê tông khoảng

1-2 µm [3]

1.4.6 Tính hút nước của bê tông

Tính chất này có liên quan đến bê tông tiếp xúc với nước

Bê tông dù đã được đầm chặt, nhưng vẫn có độ rỗng nhất định, trong

đó có các lỗ rỗng hở Khi bê tông tiếp xúc với nước, nước thấm qua các lỗ rỗng đó vào bê tông đến mức bê tông bão hòa nước Nước hút vào bê tông có thể hòa tan thành phần Ca(OH)2 còn lại trong bê tông, bao phủ một số phần tử trong bê tông làm giảm sự liên kết giữa các phần tử đó, dẫn đến giảm cường

độ bê tông thông qua hệ số mềm hóa M, được biểu thị bằng công thức sau đây:

Trong đó: Rbh – Cường độ bê tông khi bão hòa nước;

Rk – Cường độ bê tông khi khô

1.4.7 Tính thấm nước của bê tông

Tính chất này đối với bê tông tiếp xúc với nước và khi có áp lực thủy tĩnh Trong bê tông có những lỗ rỗng hở, nhưng lại ăn thông với những lỗ rỗng bên trong và xuyên qua khối bê tông Khi đó bê tông có tính thấm nước dưới áp lực thủy tĩnh Thực tế nước chỉ thấm qua những lỗ rỗng có đường kính lớn hơn 1µm vì màng nước hấp phụ trong mao quản dầy tới 0.5 µm, và màng nước 2 bên thành mao quản vừa đủ để bịt kín lỗ không cho nước di chuyển Chỉ tiêu độ chông thấm của bê tông được xác định theo TCVN 3116:2007 [22] Dựa vào khả năng chống thấm được đánh giá theo tiêu chuẩn này, phân các mác chống thấm như sau: W2, W4, W6, W8, W10, W12… Các chỉ số 2, 4, 6, 8, 10, 12… biểu thị áp lực nước (daN/cm2) để nước thấm qua mẫu bê tông có kích thước tiêu chuẩn

1.5 Thiết kế thành phần bê tông

Thành phần bê tông là tỉ lệ phối hợp các vật liệu thành phần (xi măng, nước, cát, đá và phụ gia nếu có) Thành phần bê tông quyết định một phần các tính chất của bê tông Bê tông cho mỗi loại kết cấu, công trình đều có những

yêu cầu riêng về các tính chất như độ sụt, cường độ, độ chống thấm… Vì vậy phải thiết kế thành phần bê tông trên cơ sở các nguyên vật liệu lựa chọn, thích

hợp để đạt được bê tông có các chỉ tiêu tính chất yêu cầu

Trên thế giới có nhiều phương pháp thiết kế thành phần bê tông riêng cho từng nước Ở Việt Nam phổ biến dùng phương pháp thể tích tuyệt đối Phương pháp này dựa trên nguyên lý là tổng thể tích tuyệt đối của các vật liệu thành phần sẽ bằng thể tích của hỗn hợp bê tông sau khi đầm Như vậy hỗn hợp bê tông hoàn toàn đặc, không có lỗ rỗng và bọt khí Đó là phương pháp của Liên Xô cũ và Nga hiện nay dùng công thức cường độ bê tông Bolomey – Skramtaev Phương pháp này được đưa vào TCVN1453-1987 [17]và chỉ dẫn

kỹ thuật của Bộ Xây Dựng Đây là phương pháp tính toán kết hợp với thực nghiệm Đầu tiên dựa vào các yêu cầu đối với bê tông dùng các công thức và bảng biểu lập sẵn để xác định thành phần sơ bộ của bê tông được biểu thị bằng hàm lượng (khối lượng) các vật liệu thành phần trong 1 m3 hỗn hợp bê tông Sau đó trộn mẻ thử để thí nghiệm kiểm tra các chỉ tiêu tính chất yêu cầu Nếu không đạt, thì phải hiệu chỉnh lại thành phần để được bê tông đáp ứng yêu cầu Công việc thiết kế TPBT có các bước như sau [3]:

Bước 1: Xác định các yêu cầu đối với bê tông: độ sụt, cường độ… Cần chú ý là cường độ bê tông thiết kế phải nhân với hệ số 1.1 – 1.15 (hệ số an toàn) để được cường độ mục tiêu dùng trong tính toán thành phần bê tông Ngoài ra phải thí nghiệm để xác định các chỉ tiêu của nguyên vật liệu dự định dùng cho bê tông như: mác xi măng, Dmax của cốt liệu lớn, khối lượng thể tích xốp của đá, khối lượng riêng của xi măng, cát và đá, độ rỗng của đá ở trạng thái xốp tự nhiên, môđun độ lớn của cát

Bước 2: Xác định hàm lượng nước (N) theo biểu đồ hình 1.2 được tính bằng l/m3

Hình 1.2: Biểu đồ để xác định lượng nước trộn, l/m 3 , bê tông đối với hỗn hợp

Đường (1): Ứng với Dmax = 10 mm;

Đường (2): Ứng với Dmax = 20 mm;

Đường (3): Ứng với Dmax = 40 mm;

Đường (4): Ứng với Dmax = 70 mm

Nếu cốt liệu lớn là đá dăm, thì tăng nước 10 - 15 lít

Bước 3: Xác định tỉ lệ N/X theo công thức Bolomey - Skramtaev với bê tông thường có tỉ lệ: X/N = 1.4-2.5 (hoặc N/X=0.4-0.7) (bê tông mác thường

có độ dẻo thông thường):

N = AR + [1-6];

Trong đó:

Rb, Rx là mác (hoặc cường độ của bê tông và xi măng), Mpa;

A là hệ số liên quan đến chất lượng của cốt liệu được quy định như sau:

- Với cốt liệu chất lượng tốt lấy A=0.65;

- Với cốt liệu chất lượng trung bình lấy A=0.60;

- Với cốt liệu chất lượng thấp lấy A=0.55

Bước 4: Xác định hàm lượng xi măng (X) theo giá trị N và N/X đã xác định được ở trên theo công thức:

, / /

trộn thử để thí nghiệm kiểm tra độ sụt Nếu độ sụt nhỏ hơn hoặc lớn hơn độ sụt yêu cầu, phải tăng hoặc giảm dần lượng nước để đạt yêu cầu độ sụt Nếu phải thêm nước, thì phải tăng xi măng để giữ nguyên tỉ lệ N/X Nếu phải giảm một phần nước không nhiều, thì có thể giữ nguyên lượng xi măng Khi đó tỷ

lệ N/X giảm đi một chút cũng tốt Như vậy sau khi kiểm tra điều chỉnh độ sụt

có thành phần bê tông mới Lại trộn mẻ thử với thành phần này, rồi đúc mẫu kiểm tra cường độ bê tông Nếu cường độ bê tông cao hơn hoặc thấp hơn cường độ yêu cầu, thì giảm hoặc tăng hàm lượng xi măng để đạt yêu cầu về cường độ Nếu yêu cầu kiểm tra các tính chất khác của bê tông, thì cũng làm tương tự như vậy Cuối cùng đạt được thành phần bê tông trong phòng thí nghiệm với cát, đá ở trạng thái khô có thể đưa ra áp dụng Tuy nhiên nếu ở công trường cát đá có độ ẩm, thì phải tính lượng nước đã có sẵn trong cát đá

ẩm để trừ bớt lượng nước trộn Khi đó được thành phần bê tông để thi công

1.6 Kết luận chương 1

Bê tông là vật liệu được dùng phổ biến nhất trong xây dựng các công trình, trong đó có công trình thủy lợi Một số tính chất chính của bê tông là độ lưu động (độ sụt), cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, độ thấm nước, độ bền …, trong đó cường độ bê tông là chỉ tiêu được quan tâm nhất đối với hầu hết các công trình Có nhiều biện pháp làm tăng cường độ, trong đó có phương pháp đầm lại Theo phương pháp này sau khi đầm lần thứ nhất, để yên hỗn hợp bê tông trong một thời gian, rồi đầm lại lần thứ hai (như vậy là đầm 2 lần) và có thể đầm lần thứ ba (đầm 3 lần) Khoảng thời gian giữa 2 lần đầm là thời gian giãn cách Phải xác định thời gian giãn cách hợp lý để phương pháp đầm lại đạt hiệu quả cao Bê tông dùng cho công trình phải có thành phần hợp lý được thiết kế theo phương pháp thể tích tuyệt đối hoặc một

phương pháp qui định nào đó để bê tông đạt được các chỉ tiêu tính chất yêu cầu đối với kết cấu công trình

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Thủy hóa (hydrat hóa) xi măng pooc lăng (PC)

Thủy hóa xi măng được đề cập đến trong nhiều tài liệu [2, 3, 46]

Trong xi măng pooc lăng có bốn thành phần khoáng chính là: tricanxi silicat (3CaO.SiO2, viết tắt là C3S), dicanxi silicat (2CaO.SiO2, viết tắt là C2S), tricanxi aluminat (3CaO.Al2O3, viết tắt là C3A) và tetra canxi fero aluminat (4CaO.Al2O3Fe2O3, viết tắt là C4AF)

Sau khi trộn xi măng với nước, xảy ra quá trình thủy hóa của các thành phần khoáng của xi măng.Các phản ứng thủy hóa được viết trong nhiều tài liệu có dạng khác nhau ít nhiều Theo các tài liệu [2, 3, 40], phản ứng thủy hóa của các khoáng xảy ra như sau:

2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2

3CaO.Al2O3 + 6H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O

2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

Như vậy các phản ứng thủy hóa của C3S và C2S sinh ra Ca(OH)2

Phản ứng hóa học tổng quát của các thành phần khoáng của xi măng diễn ra như sau:

C3S tác dụng với nước (viết tắt là H) tạo ra tinh thể Ca(OH)2 (viết tắt là CH) và gen canxi silicat thủy hóa (viết tắt là CSH) theo phản ứng:

2C3S + 7H → C3S2H4 + 3CH C2S tác dụng với nước, sinh ra CSH, không có hoặc rất ít CH

Dạng tổng quát của các phản ứng thủy hóa cũng được viết như sau:

C3S + H2O = hydro canxi silicat + Ca(OH)2

C2S + H2O = hydro canxi silicat + Ca(OH)2

C3A + H2O = hydro aluminat + Ca(OH)2 Như vậy là không chỉ C3S, C2S, mà cả C3A cũng sinh ra Ca(OH)2 khi thủy hóa

CaO.Fe2O3.H2O + 2Ca(OH)2 + 4H2O → 3CaO.Fe2O3.6H2O

Nếu trong xi măng pha thêm phụ gia khoáng hoạt tính, thì có thêm phản ứng puzolan Khi đó SiO2 hoạt tính trong phụ gia khoáng tác dụng với Ca(OH)2 để tạo thành hydro canxi silicat (C-S-H) có khả năng đông cứng tốt hơn Khi đó không gọi là xi măng pooclăng, mà là xi măng pooclăng hỗn hợp (PCB)

2.2 Quá trình đông kết đóng rắn của xi măng

Sau khi trộn xi măng với nước trong hồ xi măng diễn ra quá trình vật lý kèm theo các phản ứng hóa học đã nêu trong mục 2.1 và tạo ra sự biến đổi về trạng thái từ hồ dẻo ban đầu chuyển thành dạng đông đặc, tiếp theo là dạng cứng rắn như đá và có cường độ Đã có nhiều giả thuyết được đề ra để giải thích diễn biến của quá trình này, trong đó có giả thuyết của Baikov - Rebinder, gồm 3 giai đoạn như sau:

- Giai đoạn hòa tan: sau khi nhào trộn xi măng với nước các thành phần khoáng của Clanhke sẽ tác dụng với nước ngay trên bề mặt hạt xi măng Các sản phẩm mới sinh như Ca(OH)2 và 3CaO.Al2O3.6H2O sẽ hòa tan trong nước Nhưng do độ hòa tan của chúng không lớn và lượng nước có hạn, mặt khác chúng tiếp tục được tạo ra, nên dung dịch nhanh chóng trở lên bão hòa, quá

bão hòa

- Giai đoạn hóa keo: trong dung dịch quá bão hòa các sản phẩm Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O mới tạo thành không hòa tan được nữa và tồn tại ở dạng hạt lơ lửng phân tán trong môi chất lỏng và tạo thành thể keo Nước tiếp tục mất đi do phản ứng hóa học với xi măng và một phần nhỏ bốc hơi, trong khi đó

sản phẩm mới vẫn tiếp tục hình thành và số lượng tăng lên Tỉ lệ chất rắn trong chất lỏng càng tăng và các hạt keo kết tụ với nhau tạo lên thể ngưng keo

- Giai đoạn kết tinh: nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mất đi, các sản phẩm thủy hóa kết tinh thành tinh thể, rồi chuyển sang thể liên tinh, làm cho

cả hệ thống cứng lại và có cường độ ngày càng tăng Xét về khía cạnh vật lý này, người ta quan tâm đến thời gian đông kết của hồ xi măng thông qua thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc đông kết Thời gian bắt đầu đông kết được tính từ lúc trộn xi măng với nước cho đến khi hồ xi măng bắt đầu đông đặc Theo nguyên tắc thì tất cả các khâu vận chuyển và thi công bê tông phải kết thúc trước khi xi măng bắt đầu đông kết, vì vậy thời gian bắt đầu đông kết không nên quá ngắn Còn thời gian kết thúc đông kết được tính từ lúc trộn xi măng với nước cho đến khi kết thúc quá trình đông đặc và bắt đầu hóa cứng,

có cường độ Thời gian kết thúc đông kết không nên kéo dài vì xi măng và bê

tông sẽ đông cứng chậm, cường độ ban đầu có thể thấp

2.3 Cấu trúc của đá xi măng

Theo tài liệu [2, 3], các tính chất cơ học của xi măng đã đóng rắn (đá xi măng) phụ thuộc không nhiều vào thành phần của xi măng thủy hóa, mà phụ thuộc nhiều hơn vào cấu trúc vật lý của sản phẩm thủy hóa ở dạng gen Vì vậy cần biết rõ các tính chất vật lý của gen xi măng

Gen xi măng theo định nghĩa trong tài liệu [40] là chất ở dạng keo không hòa tan, mà ở trạng thái lơ lửng trong môi chất và từ đó lắng xuống không cần yếu tố nhiệt và điện ly

Hồ xi măng mới trộn là mạng lưới dẻo của các hạt xi măng trong nước, nhưng một khi hồ đông kết, thể tích biểu kiến hoặc thể tích toàn bộ vẫn giữ gần như không đổi

Ở một giai đoạn nào đó của quá trình thủy hóa, hồ xi măng thủy hóa bao gồm các tinh thể kết tinh rất yếu của các hợp chất khác nhau, được coi là

gen, của các tinh thể Ca(OH)2, của một vài thành phần thứ yếu khác như phần

xi măng chưa thủy hóa và những khoảng trống chứa nước Các khoảng trống

đó được gọi là lỗ rỗng mao quản, nhưng trong bản thân gen cũng tồn tại lỗ rỗng ở khe kẽ được gọi là lỗ rỗng gen Như vậy trong hồ xi măng thủy hóa phân biệt 2 loại lỗ rỗng: lỗ rỗng gen và mao quản có kích thước lớn hơn nhiều lần

Vì phần lớn các sản phẩm thủy hóa ở thể keo, nên trong quá trình thủy hóa diện tích bề mặt của pha rắn tăng lên rất nhiều và một lượng lớn nước tự

do được hút bám lên bề mặt Nếu không cho phép có sự vận chuyển nước đến hoặc đi từ hồ xi măng, thì phản ứng thủy hóa tiếp tục lấy mất nước cho đến khi nước chỉ còn lại rất ít để bão hòa bề mặt hạt rắn và độ ẩm tương đối bên trong hồ giảm đi Đó là hiện tượng tự làm khô Vì gen có thể hình thành trong các khoảng trống chứa đầy nước, sự tự khô sẽ dẫn đến thủy hóa thấp so với hồ được bảo dưỡng ẩm Tuy nhiên khi trong hồ tự khô với tỉ lệ N/X vượt quá 0.5 thì lượng nước trộn đủ cho thủy hóa được diễn ra với tốc độ như khi được bảo dưỡng ẩm Khi xi măng đông cứng tạo thành một dạng đá gọi là đá xi măng

Đá xi măng đông cứng tạo thành một hệ vi mô không đồng nhất, gồm nhiều thành phần:

Các sản phẩm thủy hóa của xi măng bao gồm:

- Gen của hydro silicat canxi và dạng keo khác;

- Những tinh thể tương đối lớn của Ca(OH)2, Ettringit v.v…;

- Những hạt clanhke chưa thủy hóa

Lỗ rỗng gồm các loại:

- Lỗ rỗng gen (<1000 A0);

- Lỗ rỗng mao quản (1000A0 đến 10µm)

Bọt khí và lỗ rỗng (50 µm đến 2mm) chứa không khí do không khí lẫn vào khi trộn xi măng với nước Đỗ rỗng của đá xi măng (rdx) được biểu thị bằng công thức như sau:

αρ ρ

+ [2-2]

Cấu trúc của đá xi măng trong bê tông có mối liên hệ với cấu trúc của

bê tông Cấu trúc của đá xi măng đặc chắc sẽ góp phần vào cấu trúc bê tông đặc chắc và ảnh hưởng tốt đến cường độ bê tông

2.4 Cấu trúc của bê tông

Sau khi trộn xi măng, nước và cát, đá, được hỗn hợp bê tông Trong

hỗn hợp bê tông đá tạo bộ khung xương, cát chèn vào các khe kẽ của đá, hồ xi măng chèn vào các khe kẽ của cát, đá và bao phủ mặt các hạt Đây là giai đoạn hình thành cấu trúc Số lượng các sản phẩm thủy hóa sinh ra và tăng lên đến mức nào đó, thì cấu trúc thể keo của xi măng chuyển sang cấu trúc tinh thể gắn kết với nhau và dính kết các hạt cốt liệu, tạo cường độ cho bê tông và cũng hình thành nội ứng suất trong mạng lưới tinh thể

Bê tông có cấu trúc vĩ mô phức tạp trong một đơn vị thể tích hỗn hợp

bê tông đã đầm chặt có phần thể tích cốt liệu (Vcl), phần thể tích hồ xi măng (Vhx) và phần thể tích khí (lỗ rỗng chứa không khí); vì vậy có thể biểu thị bằng công thức như sau:

Vcl + Vhx + Vk = Vb [2-3]

Khi đầm nén tốt, hàm lượng khí còn lại rất nhỏ (2% - 3%), lúc đó có thể coi như không có lỗ rỗng khí và Vcl + Vhx = Vb; Vhx =

x

X N

ρ + [2-4]

Cấu trúc vi mô của bê tông được đặc trưng bằng cấu trúc của các hạt cốt liệu, cấu trúc đá xi măng và cấu trúc vùng tiếp giáp giữa cốt liệu và đá xi măng Cấu trúc cốt liệu tùy thuộc vào loại cốt liệu lớn và nhỏ sử dụng, cũng như thành phần hạt hợp lý của chúng để các hạt xen kẽ nhau chặt chẽ Cấu trúc của đá xi măng đã được trình bày ở mục 2.3 Hai pha đó liên kết với nhau

ở các mặt tiếp giáp Vùng tiếp giáp có ảnh hưởng lớn đến tính toán khả năng chịu lực và tính ổn định của bê tông Khi cường độ liên kết giữa xi măng và cốt liệu không lớn, khi chịu lực bê tông dễ bị vỡ theo mặt liên kết giữa 2 pha này Như vậy cường độ liên kết trong nhiều trường hợp quyết định cường độ

bê tông Giữa bề mặt cốt liệu và đá xi măng có một lớp tiếp xúc có chiều dày khoảng 30 đến 60 µm Thành phần và tính chất của lớp tiếp xúc (vùng chuyển tiếp) khác vùng đá xi măng Trong bê tông lượng nước trộn thường gấp đôi hoặc quá hai lần lượng nước cần cho thủy hóa, một phần nước thừa sẽ tập trung trên mặt các hạt cốt liệu, làm giảm mối liên kết (Hình 2.1) Tỉ lệ N/X ở vùng này lớn hơn trong phần hồ xi măng, dẫn đến cường độ giảm Ngoài ra trong phần nước đó bão hòa vôi, các tinh thể Ca(OH)2 tích tụ nhiều tại đây (Hình 2.2) Khả năng chịu lực của chúng kém các sản phẩm thủy hóa khác của xi măng nên cũng làm suy yếu vùng liên kết

Hình 2.1: Hiện tượng tách nước bên trong bê tông

Cấu trúc bê tông: 1- cốt liệu lớn; 2- vùng tiếp xúc yếu với lượng nước lớn;

3- phần vữa

Cấu trúc của bê tông có liên quan đến độ đặc chắc và độ rỗng của bê tông và có ảnh hưởng quyết định đối với cường độ bê tông

vùngchuyển tiếp trong bê tông

2.4.4 Độ rỗng của bê tông

Như đã trình bày ở trên, bê tông khi đông cứng không hoàn toàn đặc chắc, mà có độ rỗng nhất định, có thể tới 10-15% thể tích bê tông và bao gồm các loại lỗ rỗng sau đây:

- Lỗ rỗng trong gen;

- Lỗ rỗng mao quản do nước bay hơi để lại;

- Lỗ rỗng không khí do không khí lẫn trong cát, xi măng ở khe kẽ các hạt khi

đổ vào cối trộn, nhưng trong quá trình trộn chúng thoát ra không hết;

- Khe kẽ còn lại trong bê tông do bất cập khi đầm chặt

Với bê tông có cốt liệu đặc chắc và được đầm nén tốt, độ rỗng chủ yếu bao gồm lỗ rỗng trong gen, mao quản và lỗ rỗng khí Thể tích rỗng được biểu thị bằng công thức dưới đây:

Độ rỗng của bê tông có quan hệ với độ đặc của bê tông theo công thức: r=đ hoặc 100%-r%=đ%

1-Trong đó:

1 hoặc 100% biểu thị thể tích tuyệt đối của bê tông tính theo số thập phân hoặc theo %; r, đ hoặc r% và đ% biểu thị dộ rỗng và độ đặc của bê tông tính theo số thập phân và theo % Như vậy độ rỗng tăng thì độ đặc chắc giảm và ngược lại Việc đầm bê tông được trình bầy ở mục 2.5 có tác dụng quyết định đối với độ đặc chắc và cường độ bê tông

Độ rỗng cú quan hệ với cường độ bờ tụng Độ rỗng càng lớn, thỡ cường

độ bờ tụng càng giảm và ngược lại như được biểu thị trong hỡnh 2.3

13 12

10 20 30 40

Hỡnh 2.3: Quan hệ giữa độ rỗng và cường độ nộn của bờ tụng

Khi đụng cứng trong khụng khớ hồ xi măng, vữa xi măng cỏt đều bị co

Bờ tụng cũng co lại do trong bờ tụng cú hồ xi măng và vữa xi măng cỏt Cốt liệu khụng tham gia vào độ co của bờ tụng Độ co ngút của ba loại hỗn hợp nờu trờn cú khỏc nhau rừ rệt như được biểu thị trong hỡnh 2.4

Thời gian đông cứng, ngày

1 2 3

1 Đỏ xi măng; 2 Vữa xi măng – cỏt; 3 Bờ tụng

Độ co của bê tông phụ thuộc hàm lượng nước trong bê tông Lượng nước càng nhiều, thì độ co càng lớn

Bê tông bị co do nhiều nguyên nhân và có thể được giải thích như sau:

- Do mất nước trong gen, các mầm tinh thể xích lại gần nhau hơn, các gen cũng dịch chuyển làm cho bê tông bị co

- Quá trình cacbonat hóa canxi hydroxit trong đá xi măng theo phản ứng: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H20 cũng là nguyên nhân gây co ngót

- Sự giảm thể tích tuyệt đối khi chuyển hóa hỗn hợp xi măng – nước thành

hồ xi măng: Vx + N > Vh(trong đó Vx, Vhlà thể tích tuyệt đối của xi măng và của hồ xi măng), làm cho bê tông co ngót Hiện tượng này gọi là “tự co”

Co ngót đã gây ra ứng suất do co Khi đó cốt liệu và cốt thép (nếu có) chịu nén và đá xi măng chịu kéo Khi ứng suất kéo này vượt quá cường độ kéo của đá xi măng, sẽ gây nứt, làm giảm cường độ và độ chống thấm, độ ổn định của bê tông và kết cấu bê tông, bê tông cốt thép

Độ co ngót phát triển mạnh thời kỳ đầu và tỉ lệ với mức độ mất nước tự

do do bay hơi và thủy hóa xi măng trong các mắt lưới của cấu trúc gen, giảm dần theo thời gian và chấm dứt sau một thời gian Sự bay hơi nước (bốc hơi)

ở bề mặt bê tông phụ thuộc vào nhiệt độ của bê tông và không khí, độ ẩm của không khí và tốc độ gió Quan hệ giữa các yếu tố được biểu thị trong hình 2.6 Nước bốc hơi nhanh và nhiều sẽ làm tăng độ co ngót

20 40 60

80

W =100

%

C D

5

10

15 20

V =25

40

50 6070 80 90

T = 100 kk

kk

b o

b

kk o

g g

khí và tốc độ gió

Trong hình này có 3 biểu đồ (a), (b), (c) liên kết với nhau Muốn tra biểu đồ này để xác định tốc độ bốc hơi nước của bê tông, phải xác định trước các chỉ tiêu độ ẩm tương đối và nhiệt độ của không khí (Wkk%, Tkk%), nhiệt

độ của hỗn hợp bê tông (TboF) và tốc độ gió (Vg, m/ph) ta làm như sau: từ To

kk

đã biết dóng đường thẳng cắt Wkk ở điểm A, từ đó vẽ đường nằm ngang cắt đường Tb ở điểm B; từ đó dóng đường thẳng xuống phía dưới cắt đường Vg ở điểm C rồi từ điểm C kẻ đường nằm ngang cắt tung độ của biểu đồ ở điểm D

và đọc được trị số tốc độ bốc hơi là 0.13

Sự co ngót của bê tông có thể dẫn tới hiện tượng nứt, một trong các yếu

tố quan trọng nhất đối với nứt bê tông là tỉ lệ N/X của hỗn hợp bê tông, vì nó dẫn đến bốc hơi nhiều, co ngót nhiều, đồng thời giảm cường độ bê tông Việc tăng hàm lượng xi măng cũng tăng co ngót, vì vậy dẫn đến xu hướng nứt

Nhưng nếu không lấp nứt thì lại có tác dụng tích cực đối với cường độ

Cacbonat hóa mặc dù gây co, nhưng lại giảm sự di chuyển độ ẩm về sau và vì vậy lại có lợi vì hạn chế xu hướng nứt Mặt khác sự có mặt của bùn đất trong cốt liệu dẫn tới tăng cả hai yếu tố co ngót và nứt

2.5 Lý thuyết về đầm hỗn hợp bê tông

Độ đặc chắc của bê tông được quyết định một phần bởi việc đầm bê tông Theo tài liệu [40] mục đích của việc đầm hỗn hợp bê tông được coi là làm đặc chặt bê tông, làm cho hỗn hợp có độ chặt lớn nhất có thể được Theo tài liệu [34] hỗn hợp bê tông trong quá trình trộn và đổ hình thành bọt khí Vì vậy muốn đảm bảo chất lượng bê tông cần tiến hành đầm bê tông Trước đây việc đầm chặt được thực hiện bằng cách đầm nện, nhưng ngày nay phương pháp này rất ít khi dùng Phương pháp đầm bê tông phổ biến hiện nay là dùng phương pháp rung động (chấn động) Khi hỗn hợp bê tông được đổ vào cốp pha, hàm lượng khí có thể chiếm tới 5% (trong hỗn hợp bê tông có tính dễ đổ cao, có nghĩa là độ sụt lớn) đến 20% (trong hỗn hợp bê tông có độ sụt nhỏ)