Bê tông

Bê tông trên cơ sở chất kết dính vô cơ là vật liệu composit, nhận đựơc bằng cách tạo hình và rắn chắc một hỗn hợp hợp lý bao gồm chất kết dính (CKD), nước, cốt liệu (cát , sỏi hay đá dăm) và

Chương 4

BÊ TÔNG

4.1 Khái niệm chung

Bê tông trên cơ sở chất kết dính vô cơ là vật liệu composit, nhận đựơc bằng cách tạo hình và rắn chắc một hỗn hợp hợp lý bao gồm chất kết dính (CKD), nước, cốt liệu (cát , sỏi hay đá dăm) và phụ gia

Thành phần hỗn hợp của bê tông đảm bảo sao cho sau một thời gian rắn chắc phải đạt được những tính chất cho trước

Trong bê tông cốt liệu đóng vai trò là bộ khung chịu lực Hồ kết dính (ximăng và nước) bao bọc xung quanh các hạt cốt liệu, đóng vai trò là chất bôi trơn và lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu Sau khi hoá cứng, hồ chất kết dính gắn kết các loại cốt liệu thành một khối dạng đá và được gọi là bê tông (Hình 4.1)

Hình 4.1 Cấu trúc của hỗn hợp bê tông a) Cứng; b) Dẻo

Bê tông và bê tông cốt thép đựơc sử dụng rộng rãi trong xây dựng hiện đại vì chúng có những ưu điểm sau: cường độ tương đối cao, có thể chế tạo được những loại bê tông có cường độ, hình dạng và tính chất khác nhau; giá thành rẻ, bền vững và ổn định với mưa và nắng, nhiệt độ, độ ẩm Tuy vậy chúng còn có những nhược điểm: nặng, cách âm cách nhiệt kém, khả năng chống ăn mòn kém

Bê tông xi măng có nhiều loại : loại đặc biệt nặng (γo > 2500 kG/m3), loại nặng (γo= 2200 - 2500 kG/m3), loại tương đối nặng (γo = 1800 - 2200 kG/m3), loại nhẹ (γo = 500 -1800kG/m3) và loại đặc biệt nhẹ (γo < 500 kG/m3)

Trong chương này chỉ giới thiệu loại bê tông nặng và tương đối nặng dùng cho các kết cấu chịu lực

4.2 Vật liệu chế tạo bê tông ximăng

4.2.1 Xi măng

Trong bê tông ximăng, CKD đựơc sử dụng là ximăng poóclăng, ximăng poóclăng xỉ, ximăng pooclăng pudơlan, ximăng pooclăng bền sunfat và các loại ximăng khác Trong số các chỉ tiêu kĩ thuật của ximăng, mác ximăng là chỉ tiêu quan trọng nhất Nó vừa đảm bảo mác bê tông thiết kế, vừa đảm bảo yêu cầu kinh tế Do đó, việc lựa chọn mác ximăng là rất quan trọng

Ximăng dùng cho bê tông phải có mác phù hợp với mác bê tông theo quy định của TCVN - 1964 như sau:

Nếu Rb > 300 thì Rx= 1,5 Rb Nếu Rb ≤ 300 thì Rx= (2 - 3) Rb

Với bê tông mác cao (từ 600 trở lên) chỉ yêu cầu Rx > Rb là đủ

Lượng dùng ximăng (kG) cho 1m3 bê tông phải lớn hơn lượng ximăng tối thiểu cho phép (Xmin) Quy phạm nhà nước quy định lượng xi măng tối thiểu (Xmin) như sau (Bảng 4-1) :

Bảng 4-1 Lượng dùng ximăng tối thiểu

Phương pháp đầm chặt Điều kiện làm việc của kết cấu công trình

Bằng tay Bằng máy

Bị ảnh hưởng của mưa gió không có phương tiện bảo vệ 250 220

4.2.2 Cát

Cát dùng để chế tạo bê tông có thể là cát thiên nhiên hay cát nhân tạo cỡ hạt từ 0,14 đến 5mm Chất lượng cát phụ thuộc vào thành phần khoáng, thành phần hạt và lượng tạp chất

Thành phần hạt và độ lớn của cát Cát có thành phần hạt hợp lý, thì độ rỗng của nó nhỏ, lượng dùng ximăng ít và cường độ bê tông cao Thành phần hạt của cát đựoc xác định bằng cách sàng 1000g cát khô (đã được sàng qua sàng 5mm) trên bộ sàng tiêu chuẩn có mắt sàng là 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 và 0,14mm

Để xác định thành phần hạt, trước tiên người ta tính lượng sót riêng biệt ai tỉ số % lượng sót trên từng sàng mi so với toàn bộ lượng cát đen thí nghiệm m:

M®l 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14

(4- 3) - Đường kính trung bình (mm)

(4- 4) - Tỉ diện tích:

- Lượng nước yêu cầu

Cấp phối liên tục tiêu chuẩn của cát ở bảng 4-2

Bảng 4-2 Cấp phối tiêu chuẩn của cát

Mức theo nhóm cát Các chỉ tiêu

Biểu đồ cấp phối của cát như sau:

Hình 4.2 Thành phần hạt của cát 1) Cát vừa; 2) Cát nhỏ; 3) Cát rất nhỏ

4.2.3 Sỏi và đá dăm

Sỏi và đá săm là cốt liệu lớn có cỡ hạt từ 5 – 70mm (trong kết cấu khối lớn có thể đến 150mm) Chất lượng của cốt liệu lớn được đặc trưng bằng các chỉ tiêu: cường độ, thành phần hạt, độ lớn, hình dạng và trạng thái bề mặt hạt, lượng tạp chất

Sỏi có hình dạng tròn nhẵn, diện tích mặt ngoài nhỏ, nên cần ít nước, tốn ít ximăng Cường độ của đá dăm được xác định thông qua thí nghiệm nén mẫu đá gốc, còn của sỏi (kể cả đá dăm) thông qua thí nghiệm nén trong xilanh bằng thép và được gọi là độ nén đập Mác của đá dăm từ đá thiên nhiên, theo quy định của TCVN 1771:1987 được chia thành 8 mác (Bảng 4-3 Mác của đá dăm)

1200 Đến 11 Lớn hơn 12 đến 16 Lớn hơn 9 đến 11 1000 Lớn hơn 11 đến 13 Lớn hơn 16 đến 20 Lớn hơn 11 đến 13

800 Lớn hơn 13 đến 15 Lớn hơn 20 đến 25 Lớn hơn 13 đến 15 600 Lớn hơn 15 đến 20 Lớn hơn 25 đến 39 Lớn hơn 15 đến 20 400 Lớn hơn 20 đến 28

300 Lớn hơn 28 đến 38 200 Lớn hơn 38 đến 54

Theo quy định mác của đá dăm phải cao hơn mác của bê tông Đối với mác bê tông <300, không dưới 1,5 lần;

Đối với mác bê tông ≥ 300, không dưới 2 lần

Mác của sỏi và đá dăm theo độ nén dập trong xi lanh Cường độ nén dập của cốt liệu thường được xác định theo từng cấp hạt Cường độ trung bình của hỗn hợp cốt liệu lớn hơn được tính theo công thức:

1 2 2

1 kknnk

x1, x2, xn: hàm lượng mỗi cấp hạt trong hỗn hợp cốt liệu, %;

Những hạt đá hình thoi, dẹt (chiều rộng hoặc chiều dày nhỏ hơn 1/3 chiều đài) và những hạt mềm, hạt bị phong hoá có ảnh hưởng đến cường độ của sỏi và đá dăm Hàm lượng hạt thoi dẹt không được vượt quá 35%

Thành phần của hạt cốt liệu lớn đựơc xác định thông qua thí nghiệm sàng 3kG đá hoặc sỏi trên bộ sàng tiêu chuẩn có kích thước lỗ sàng 70, 40, 20,10 và 5mm

Sau khi thí nghiệm người ta xác định được đường kính lớn nhất Dmax và đường kính nhỏ nhất Dmin của cốt liệu Dmax tương ứng với cỡ sàng có lượng sót tích luỹ nhỏ hơn và gần 5% nhất Dmin tương ứng với cỡ sàng có lượng lọt sàng nhỏ hơn và gần 5% nhất Yêu cầu Dmax phải nhỏ hơn 1/3 kích thước nhỏ nhất của kết cấu và nhỏ hơn 3/4 khoảng cách của cốt thép; Đối với kết cấu là panen mỏng, sàn nhà, bản mặt cầu cho phép bằng 1/2kích thước nhỏ nhất của kết cấu

Lượng ngậm tạp chất Hàm lượng tạp chất sunfat và sunfit (tính theo SO3), trong sỏi và đá dăm không được vượt quá 1% tính theo khối lượng Hàm lượng ôxyt silic vô định hình trong sỏi và đá dăm dùng làm cốt liệu cho bê tông nặng không đựơc vượt quá 50milimol/1000ml NaOH Hàm lượng sét, bụi, bùn trong sỏi và đá dăm không đựơc vượt quá giá trị ghi trong bảng 8.6 Trong đó cục sét không quá 0,25% Không cho phép có màng sét bao phủ các hạt và những tạp chất bẩn khác như gỗ mục, lá cây

Cấp phối liên tục tiêu chuẩn của đá - sỏi ở bảng 4-4

Bảng 4-4 Cấp phối liên tục tiêu chuẩn của đá - sỏi

di, mm Dmin 0.5(Dmin+Dmax) Dmax 1,25Dmax

4.2.4 Phụ gia

Phụ gia sử dụng thường có 2 loại: loại rắn nhanh và loại hoạt động bề mặt Phụ gia rắn nhanh thường là các loại muối gốc clo, do tăng nhanh quá trình thuỷ hoá mà phụ gia rắn nhanh có khả năng rút ngắn quá trình rắn chắc của bê tông trong điều kiện tự nhiên, cũng như nâng cao cường độ bê tông ngay sau khi bảo dưỡng nhiệt và ở tuổi 28 ngày

Phụ gia hoạt động bề mặt mặc dù sử dụng một lượng nhỏ nhưng có khả năng cải thiện đáng kể tính chất của hỗn hợp bê tông và tăng cường nhiều tính chất khác của bê tông

4.2.5 Nước

Nước dùng để chế tạo bê tông (rửa cốt liệu, nhào trộn và bảo dưỡng bê tông) phải có đủ phẩm chất để không ảnh hưởng xấu đến thời gian ninh kết và rắn chắc của ximăng và không gây ăn mòn cốt thép Nước sinh hoạt là nước có thể dùng được, không nên dùng các loại nước; chứa váng dầu hoặc váng mỡ, lượng tạp chất hữu cơ vượt quá 15mg/l; có độ pH < 4 và lớn quá 12,5

Nước biển có thể dùng để chế tạo bê tông cho những kết cấu làm việc trong nước biển nếu tổng các loại muối trong nước không vượt quá 35g trong 1 lít nước

Lượng nước dùng cho bê tông (lít/m3 bê tông) sơ bộ chọn theo bảng 4-5

Bảng 4-5 Lượng nước dùng cho bê tông

Độ dẻo yêu cầu Khi sỏi có Dmax là Đá dăm có Dmax là

9-12 <5 215 200 185 170 230 215 200 185

3-5 10-15 195 180 165 150 210 195 180 165 1-2 15-30 185 170 155 140 200 185 170 155

Khi dùng ximăng pooclăng pudơlan – xỉ quặng thì thêm 15-20(l)

Lượng nước sơ bộ (lít/m3 bê tông ) cho bê tông ximăng mặt đường cho ở bảng 4-6

Bảng 4-6 Lượng nước sơ bộ dùng cho bê tông ximăng mặt đường

Loại cốt liệu dùng cho bê tông mặt đường Lượng nước

Sỏi Quătzit 145 Đá dăm granit và cát hạt nhỏ 165

Dăm vôi canxit và cát nghiền 180 Theo quy phạm nhà nước, tỷ lệ N/X trong bê tông không được vượt quá giá trị cho trong

bảng 4-7

Bảng 4-7 Tỷ lệ N/X trong bê tông tối đa

Tính chất môi trường Bê tông cốt thép Bê tông thường

Kết cấu có mái che 0,75 -

* Chú ý: Nước nhào trộn một phần để bôi trơn hạt cốt liệu, một phần dùng để tạo thành cấu trúc của đá ximăng, còn một phần bị cốt liệu rỗng hút vào Vì vậy bê tông dẻo sau khi đổ khuôn có thể xẩy ra sự tách nước bên trong, nước sẽ đọng lại trên bề mặt hạt cốt liệu lớn và làm yếu mối liên kết giữa chúng với phần vữa Vết co ngót bê trong sẽ phát triển men theo vùngliên kết yếu Sự tách lớp ở bên trong sẽ phá huỷ sự toàn khối và sự đồng nhất của bê tông, dẫn đến sự không đồng nhất về tính chất (Xem hình 4.4)

Hình 4.4 Sự tách nước bên trong của bê tông

1 Cốt liệu lớn; 2 Vùng yếu với lượng nước lớn; 3 Phần vữa; 4 Vết nứt 4.3 Tính chất và cấu trúc của hỗn hợp bê tông

4.2.6 Tính lưu biến

Hỗn hợp bê tông là một thể vật lí đồng nhất của ximăng, nước, cốt liệu và phụ gia Chúng tương tác với nhau bằng lực liên kết vật lí và hoá học Hồ ximăng (ximăng và nước) là thành phần tạo thành cấu trúc chủ yếu Khi tăng quá trình thuỷ hoá của ximăng, độ phân tán của pha rắn tăng lên, làm cho độ nhớt và khả năng dính kết của hồ tăng lên; trong bê tông bắt đầu xuất hiện biến dạng đàn hồi và cường độ cấu trúc Mặt khác nó cũng có thể chảy nhão ra giống như chất lỏng quánh Vì vậy hỗn hợp bê tông có thể được coi là vật thể đàn hồi - dẻo quánh Nó vừa mang tính chất của chất rắn vừa có tính chất của chất lỏng lý tưởng Bản chất lưu biến của hỗn hợp bê tông được biểu diễn bằng phương trình sau:

Dưới tác dụng của chấn động, lực tương tác giữa các cấu tử vật chất bị phá huỷ làm mất cường độ cấu trúc của hỗn hợp bê tông, có nghĩa là τ0 tiến tới không và khi đó hỗn hợp bê tông sẽ tồn tại như một chất lỏng nặng và quánh, dễ dàng lấp đầy khuôn

4.2.7 Tính công tác

Tính công tác hay còn gọi là tính dễ tạo hình là tính chất kĩ thuật của hỗn hợp bê tông, nó biểu thị khả năng lấp đầy khuôn nhưng vẫn đảm bảo được độ đồng nhất trong một điều kiện đầm nén nhất định Để đánh giá tính công tác của bê tông người ta sử dụng ba chỉ tiêu: độ lưu động (đặc trưng cho cường độ cấu trúc của hỗn hợp), độ cứng (đặc trưng cho độ nhớt động của hỗn hợp) và độ giữ nước (biểu thị bằng khả năng tách nước của hỗn hợp sau khi vận chuyển và đầm chắc)

- Chỉ tiêu độ lưu động là chỉ tiêu tính chất quan trọng nhất của hỗn hợp bê tông, nó đánh giá khả năng dễ chảy của hỗn hợp bê tông dưới tác dụng của trọng lượng bản thân hoặc rung động Theo TCVN, độ lưu động được xác định bằng độ sụt SN (cm) của hình nón cụt hỗn hợp bê tông (Hình 4.3)

Hình 4.3 Khuôn hình nón cụt tiêu chuẩn để xác định độ lưu động

- Chỉ tiêu độ cứng (ĐC) của hỗn hợp bê tông Theo TCVN 3107: 1993, được xác định bằng thời gian (giây) để đầm phẳng, chặt một hỗn hợp bê tông hình nón cụt sau khi tạo hình trong nhớt kế Vebe Phương pháp này đựơc dùng cho hỗn hợp bê tông có cỡ hạt lớn nhất đến 40mm

- Độ giữ nước: được đặc trưng bằng khả năng giữ nước để đảm bảo độ đồng nhất của hỗn hợp trong quá trình vận chuyển, đổ khuôn và đầm nén Khi đầm nén hỗn hợp bê tông dẻo, các hạt cốt liệu có khuynh hướng chìm xuống và xích lại gần nhau, nước bị ép tách ra khỏi cốt liệu và cốt thép, nổi lên phía trên hoặc cùng với ximăng chui qua các kẽ hở của cốppha ra ngoài, tạo thành những lỗ rỗng, làm khả năng chống thấm nước của bê tông giảm Một phần nước thừa đọng lại bên trong hỗn hợp tạo thành những hốc rỗng, ảnh hưởng xấu đến cấu trúc và tính chất của bê tông

Việc giảm lượng nước nhào trộn và nâng cao khả năng giữ nước của hỗn hợp bê tông có thể thực hiện bằng sử dụng phụ gia hoạt động bề mặt và lựa chọn thành phần hạt cốt liệu một cách hợp lí

Độ dẻo của hỗn hợp bê tông được chọn theo bảng 4.8

Bảng 4-8 Độ dẻo của hỗn hợp bê tông

Phương pháp thi công

Cơ giới Thủ công Loại kết cấu

Bê tông khối lớn ít hay không cốt thép 2-4 15-25 3-6

Bê tông có hàm lượng cốt thép trung bình 6-8 10-12 8-12

Bê tông ximăng mặt đường 1-4 25-35 2-6Ghi chú : Hàm lượng cốt thép trung bình

Hàm lượng cốt thép dầy F >1%

Loại hỗn hợp bê tông mới trộn được phân loại như bảng 4-7

Công thức về độ chịu nén của bê tông được sử dụng phổ biến nhất là công thức Bolomey - Skramtaev

28 = ±

Dấu + dùng cho bê tông cứng và đặc biệt cứng Dấu - dùng cho bê tông ít dẻo, dẻo và nhão Giá trị của hệ số A tra bảng 4-9

Bảng 4-9 Giá trị hệ số A

Khi N/X < 0,4 Khi N/X ≥ 0,4 Chất lượng vật

Với m,n có giá trị trong khoảng 3 - 90 ngày

4.4 Tính toán thành phần bê tông

Phương pháp thể tích tuyệt đối (tính toán kết hợp với thực nghiệm) được thực hiện theo 2 nguyên lý sau

Nguyên lý 1

dodacan

Hệ số α (xác định theo bảng 4-10) gọi là hệ số bọc hay hệ số dư vữa, và dùng cho hỗn hợp bê tông dẻo với cát có Nyc=7 Nếu cát có Nyc thay đổi 1% thì giá trị α thay đổi tương ứng là 0,03 Với hỗn hợp bê tông cứng lấy α = 1,05 -1,15

1000 .βV.C

(4- 23)

(4- 24)

γob thực tế được xác định khi đúc mẫu thử cường độ bê tông

=Õt

Các bước tính toán sơ bộ:

+ Xác định đường kính lớn nhất của cốt liệu Dmax (Bảng 4-10)

Bảng 4-11 Xác định đường kính lớn nhất của cốt liệu

Dmax Đặc tính của kết cấu bê tông

Hạt tròn Hạt nghiền c- Khoảng cách nằm ngang của cốt thép ≤ 0,8C ≤ 0,7C

h- Khoảng cách đứng của cốt thép ≤ h ≤ 0,9h r- Bán kính trung bình của mắt cốt thép ≤1,4 r ≤ 1,3r

hm - Chiều dày tối thiểu của kết cấu

≤Dmax phải phù hợp với chiều dày của lớp bảo vệ C (bảng 4-11)

Bảng 4 – 12 Đường kính Dmax và chiều dày lớp bê tông bảo vệ C

Đặc tính của môi trường Cmin DmaxXâm thực mạnh

Xâm thực trung bình Xâm thực yếu

4 cm 2 cm 1 cm

≤ 0,8 C ≤ 1,25 C ≤ 2C + Xác định lượng dùng ximăng (hình 4-1 Sách bài tập)

Trong đó : SN (cm) - độ lưu động của hỗn hợp bê tông (cho trước); X/N được tính theo công thức:

R - Cường độ chịu nén của bêtông ở tuổi 28 ngày (kG/cm2)

R- Cường độ chịu nén của xi măng ở tuổi 28 ngày (kG/cm2) X - Lượng ximăng (kG/m3)

N - Lượng nước (l/m3)

G - Hệ số chất lượng cốt liệu (Tra bảng 4 - 12)

Bảng 4 – 13 Bảng tra hệ số chất lượng cốt liệu

DmaxChất lượng cốt liệu Nhỏ

Dmax ≤ 16mm 25 ≤ DTrung bình max ≤40mm DmaxLớn ≥ 63

Trong đó : B - Mác bê tông (kG/cm2)

D - đường kính lớn nhất của cốt liệu, 5D tra bảng 4 -13

Bảng 4 -14 Bảng tra đường kính lớn nhất của cốt liệu

Dmax

5D 1.38 1.45 1.52 1.59 1.66 1.74 1.82 1.90 2.00 2.09 2.19 2.29 1.40 2.51 + Xác định lượng nước:

Bảng 4 – 15 Bảng tra lượng nước cần giảm

Lượng nước cần giảm Trạng thái ẩm

của cốt liệu Cát 0/5 Sỏi 5/12.5 Sỏi 5/20 Sỏi 20/40 Khô

ẩm Rất ẩm Bão hoà

0 - 20 40 - 60 80 - 100 120 - 140

Không đáng kể

20 - 40 40 - 60 60 - 80

Không đáng kể 10 - 30 30 - 50 50 - 70

Không đáng kể 10 - 20 20 - 40 40 - 60

4.5 Các dạng bê tông

Bê tông có nhiều dạng, việc phân loại bê tông dựa vào những đặc điểm sau:

- Theo dạng chất kết dính: bê tông ximăng, bê tông silicát (chất kết dính là vôi), bê tông thạch cao, bê tông CKD hỗn hợp, bê tông polime, bê tông dùng CKD đặc biệt

- Theo dạng cốt liệu: bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng, bê tông cốt liệu đặcbiệt (chốngphóng xạ, chịu nhiệt, chịu axít)

Theo khối lượng thể tích phân ra: bê tông đặc biệt nặng (ρv > 2500kG/m3), chế tạo từ cốt liệu đặc biệt nặng, dùng cho những kết cấu đặc biệt nặng; bê tông nặng (ρv = 2200 -2500kG/m3), chếtạo từ cát đá sỏi bình thường, dùng cho kết cấu chịulực; bê tông tương đối nặng ((ρv = 1800 - 2200kG/m3) dùng chủ yếu cho kết cấu chịu lực; bê tông nhẹ (ρv > 500 - 1800kG/m3), trong đó gồm có: bê tông nhẹ cốt liệu rỗng (nhân tạo hay thiên nhiên), bê tông tổ ong (bê tông khí và bê tông bọt) chế tạo từ hỗn hợp chất kết dính, nước, cấu tử silic nghiền mịn và chất tạo rỗng, bê tông hốc lớn (không có cốt liệu nhỏ); bê tông đặc biệt nhẹ cũng là bê tông tổ ong và bê tông cốt liệu rỗng nhưng có ρv < 500kG/m3

- Theo công dụng bê tông đựơc chia ra: bê tông thường dùng trong các kết cấu bê tông cốt thép (móng, cột, dầm, sàn ); bê tông thuỷ công, dùng để xây đập, âu