Sử dụng cát hạt mịn thiết kế thành phần bê tông cường độ cao khi thay thế chất kết dính bằng 15% Silica fume, kết hợp lượng dùng phụ gia siêu dẻo hợp lý sẽ chế tạo được bê tông có mác chống thấm đạt W12 đến W16 và cường độ nén đạt từ 70 đến 80MPa. Loại bê tông này đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật dùng cho một số hạng mục công trình Thủy lợi có yêu cầu chống thấm và cường độ chịu nén cao.
BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG SIÊU MỊN VÀ CÁT HẠT MỊN Nguyễn Quang Phú1 Tóm tắt: Sử dụng cát hạt mịn thiết kế thành phần bê tông cường độ cao thay chất kết dính 15% Silica fume, kết hợp lượng dùng phụ gia siêu dẻo hợp lý chế tạo bê tơng có mác chống thấm đạt W12 đến W16 cường độ nén đạt từ 70 đến 80MPa Loại bê tông đáp ứng yêu cầu kỹ thuật dùng cho số hạng mục cơng trình Thủy lợi có u cầu chống thấm cường độ chịu nén cao Từ khóa: Bê tơng cường cao; Silica fume; Phụ gia siêu dẻo; Chống thấm nước ĐẶT VẤN ĐỀ dài Ở số vùng khan cát đạt tiêu chuẩn Bê tông loại vật liệu chủ yếu để sản xuất cho bê tông sẵn nguồn cát kỷ 20 chế tạo từ hỗn hợp vật liệu lựa mịn với giá thành rẻ việc sử dụng cát mịn chọn hợp lý gồm thành phần: Cốt liệu lớn thay góp phần làm giảm giá thành bê tông, (đá dăm sỏi), cốt liệu nhỏ (cát), chất kết giảm giá thành cơng trình xây dựng dính (ximăng ), nước phụ gia (phụ gia Đề tài sử dụng cát mịn với số loại vật khống vật phụ gia hóa học) (Phạm Duy liệu thông thường (xi măng, đá, nước), kết hợp Hữu, 2008) Do trữ lượng cát để sản suất bê phụ gia khống siêu mịn (Silicafume) phụ tơng nước ta ngày trở nên khan gia siêu dẻo giảm nước bậc cao để thiết kế thành nhu cầu xây dựng ngày nhiều, lượng cát phần bê tông có cường độ cao, độ bền cao sử phân bố không đồng vùng miền nên dụng cho cơng trình Thủy lợi (Nguyễn nhiều nơi phải nhập cát vận chuyển Quang Phú Cao Đức Việt, 2010) xa, giá thành cao, thiếu chủ động nguồn VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG THÍ NGHIỆM cát để chế tạo bê tơng Trong đó, tỉnh Các vật liệu để chế tạo bê tơng cường đồng sơng Cửu Long Việt Nam có trữ độ cao bao gồm: xi măng, cát, đá, nước lượng cát mịn lớn, giá thành hạ, có vị trí loại phụ gia khống, phụ gia hóa học Đề tài sử xây dựng cơng trình (Nguyễn Quang Phú, dụng số vật liệu có sẵn phòng nghiên 2015) Vì vậy, sử dụng loại cát để cứu Vật liệu, Viện Thủy công, Viện Khoa học sản xuất bê tơng có thêm nguồn cốt liệu mịn, Thủy lợi Việt Nam để làm thí nghiệm mở rộng việc sử dụng tài nguyên thiên 2.1 Xi măng: Xi măng sử dụng thí nhiên sẵn có, giải phần khan nghiệm xi măng PC40 Hà Tiên 1; kết thí cát dùng cho bê tông lâu nghiệm tiêu lý bảng Bảng Tính chất lý xi măng STT Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thử Đơn vị Kết Khối lượng riêng TCVN: 4030-2003 g/cm3 3,12 Độ mịn (Lượng sót sàng 0,09) TCVN: 4030-2003 % 3,8 Lượng nước tiêu chuẩn TCVN: 6017-1995 % 29,1 Thời gian bắt đầu đông kết TCVN: 6017-1995 phút 142 Thời gian kết thúc đông kết TCVN: 6017-1995 phút 215 Độ ổn định thể tích TCVN: 6017-1995 mm 2,1 Giới hạn bền nén tuổi ngày TCVN: 6016-1995 N/mm 36 Giới hạn bền nén tuổi 28 ngày TCVN: 6016-1995 N/mm 50,5 Nhận xét:1Xi măng Pooclăng PC40 Hà Tiên 1 Bộ môn Vật liệu xây dựng, Trường Đại học Thủy lợi đạt yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 2682:2009 2.2 Cát: Đề tài nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông với loại cát: cát thô (bảng 2) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 93 cát hạt mịn (bảng 3) Cát lấy công trình xây dựng vận chuyển phòng nghiên cứu Vật liệu, Viện Thủy công, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam; kết thí nghiệm số tiêu lý cát bảng bảng Bảng Thành phần hạt tính chất lý cát thơ Kích thước mắt sàng, mm Lượng sót tích lũy, (%) Khối lượng riêng, g/cm3 Khối lượng thể tích trạng thái khơ, (g/cm3) Độ hút nước, (%) Độ ẩm, (%) Hàm lượng bụi, sét, (%) Tạp chất hữu (so với màu chuẩn) Mô đun độ lớn 5,0 2,5 13,5 1,25 27,6 0,63 42,2 2,67 1,61 0,6 2,9 0,95 sáng 2,57 0,315 77,5 0,14 95,8 Nhận xét: Cát thơ có tính chất lý đạt tiêu chuẩn dùng cho bê tông theo TCVN 7570:2006 Bảng Thành phần hạt tính chất lý cát mịn Kích thước mắt sàng, mm Lượng sót tích lũy, (%) Khối lượng riêng, g/cm3 Khối lượng thể tích trạng thái khơ, (g/cm3) Độ hút nước, (%) Độ ẩm, (%) Hàm lượng bụi, sét, (%) Tạp chất hữu (so với màu chuẩn) Mô đun độ lớn 5,0 Một số tiêu lý cát mịn (khối lượng riêng, khối lượng thể tích, tạp chất ) thỏa mãn yêu cầu thiết kế cho bê tông Tuy nhiên, thành phần hạt mô đun độ lớn không thỏa mãn TCVN 7570-2006 (Mdl = 1,61 < 2) Đề tài sử dụng cát mịn có tiêu lý bảng kết hợp với phụ gia khoáng siêu mịn Silica fume phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao để chế tạo bê tông theo yêu cầu thiết kế so sánh với bê tơng sử dụng cát thơ có tiêu lý bảng 2.3 Đá: Trong thí nghiệm sử dụng đá dăm cỡ 5-20mm có phòng nghiên cứu Vật liệu, Viện Thủy cơng; tính chất lý đá dăm trình bày bảng 94 2,5 1,25 2,56 0,63 22,4 2,56 1,51 0,7 3,5 1,2 sáng 1,61 0,315 51,3 0,14 85,3 Bảng Tính chất lý đá dăm STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết thí nghiệm Khối lượng riêng g/cm3 2,72 Khối lượng thể tích g/cm3 xốp 1,68 Hàm lượng bụi, bùn, sét % 0,68 Hàm lượng thoi dẹt % 21,6 Hàm lượng hạt mềm yếu % 1,2 Độ hút nước % 0,51 Thành phần hạt - Đạt KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) Nhận xét: Đá dăm có tính chất lý đạt tiêu chuẩn dùng cho bê tông theo TCVN 7570: 2006; Dmax=20mm, thành phần hạt đạt yêu cầu 2.4 Nước: Nước sử dụng thí nghiệm trộn bê tơng nước sinh hoạt có phòng thí nghiệm kiểm tra có tiêu đạt tiêu chuẩn dùng cho bê tơng (TCVN 4506:2012) 2.5 Phụ gia khống Hiện số loại phụ gia khoáng sử dụng phổ biến tro bay, tro trấu, silica fume Tuy nhiên để chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cát mịn thiết phải sử dụng loại phụ gia khoáng siêu mịn Trong đề tài sử dụng phụ gia khoáng Silica fume (SF) để thay phần xi măng bê tông Khi bê tông có pha phụ gia khống siêu mịn làm tăng độ đặc chắc, tăng khả lấp nhét lỗ rỗng gel lỗ rỗng mao quản cấu trúc bê tông, giảm lỗ rỗng vùng chuyển tiếp đá xi măng cốt liệu, tăng cường độ tính bền bê tơng Phụ gia khống Silica fumecó tính chất lý thể bảng Bảng Tính chất lý Silica fume STT Chỉ tiêu Khối lượng riêng Độ ẩm Hàm lượng nung Hàm lượng SiO2 Hàm lượng SO3 Hàm lượng CaO Hàm lượng Cl- Đơn vị Kết g/cm3 % % % % % % 2,46 2,25 2,85 91,2 0,05 0,76 0,01 Nhận xét: Kết cho thấy Silica fume đảm bảo yêu cầu kỹ thuật theoASTM C 1240-00 2.6 Phụ gia hóa học Khi bê tông cường độ cao sử dụng cát hạt mịn phụ gia khoáng siêu mịn để chế tạo có độ hút nước mạnh Để đảm bảo tính cơng tác hỗn hợp bê tơng thiết kế cần phải sử dụng phụ gia hóa học, phụ gia hóa học sử dụng nghiên cứu phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao Grace ADVA 181 gốc Polycarboxylate (PC) Yêu cầu kỹ thuật ASTM C 1240-00 ≤ 6,0 SiO2 ≥ 85,0 < 2,0 < 1,0 < 0,3 Phụ gia sử dụng có tác dụng tăng tính công tác hỗn hợp bê tông, giảm lượng dùng nước tăng độ đặc bê tông, từ tăng cường độ mác chống thấm cho bê tông THIẾT KẾ THÀNH PHẦN VẬT LIỆU CHO BÊ TÔNG NGHIÊN CỨU Áp dụng phương pháp ACI 211-4R-93 để thiết kế thành phần bê tơng thí nghiệm, thành phần vật liệu cho bê tông nghiên cứu thể bảng Bảng Thành phần vật liệu cho 1m3 bê tơng thí nghiệm Loại cát Cát thô Cát mịn Cấp phối CP1 CP2 CP3 CP4 Xi măng (kg) 550 467,5 550 467,5 Silica fume (kg) 82,5 82,5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Trộn hỗn hợp bê tông với cấp phối thiết kế, tiến hành xác định độ lưu động theo TCVN 3106-2007 Đúc mẫu thí nghiệm hình lập phương: 15x15x15cm để xác định Cát Đá dăm Nước (kg) 725 725 725 725 (kg) 1265 1265 1265 1265 (lít) 156 156 156 156 Grace ADVA 181 (lít) 4,5 4,5 4,5 4,5 cường độ nén bê tông sau bảo dưỡng 28 ngày tuổi theo tiêu chuẩn TCVN 31182012 Các mẫu thử mác chống thấm thực theo TCVN 3116-2007 Kết thí nghiệm thể bảng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 95 Bảng Kết thí nghiệm số tính chất bê tơng thiết kế Loại cát Cấp phối Cát thô CP1 CP2 CP3 CP4 Cát mịn Độ sụt (cm) Cường độ nén Cường độ nén Mác chống thấm ngày (MPa) 28 ngày (MPa) W (at) 22,5 62,8 72,6 W12 20,0 71,6 81,5 W14 18,5 68,3 77,9 W14 17,5 73,6 83,5 W16 Nhận xét kết quả: Khi giữ nguyên thành phần vật liệu cấp phối bê tơng, mẫu có phụ gia khống siêu mịn Silica fume thay xi măng (CP2 CP4), độ sụt hỗn hợp bê tơng giảm xuống Điều giải thích sau: Do độ mịn Silica fume cao (khoảng 20.000 m2/kg), nên độ hút nước nhiều hơn, làm giảm độ sụt hỗn hợp bê tông Cấp phối CP3 CP4 sử dụng cát mịn có độ sụt thấp cấp phối CP1 CP2 sử dụng cát thô, nhiên đảm bảo yêu cầu thi công bê tông cường độ cao, hỗn hợp bê tơng khơng có tượng phân tầng, tách nước Sự có mặt phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao gốc Polycarboxylatetrong bê tông cường độ cao cần thiết thiết kế thi cơng Bê tơng sử dụng cát mịn có cường độ nén (77,9 ÷ 83,5 MPa) cao bê tơng sử dụng cát thơ (72,6 ÷81,5 MPa) có lượng dùng chất kết dính (CP1 CP3, CP2 CP4), lượng nước trộn phụ gia siêu dẻo pha trộn cách hợp lý Điều giải thích cát hạt mịn lấp nhét kín lỗ rỗng mao quản đá xi măng, có mặt phụ gia khống siêu mịn SF làm tăng độ đặc đá xi măng, cải thiện cấu trúc vùng chuyển tiếp đá xi măng cốt liệu Khi thiết kế thành phần bê tông cường độ cao với hàm lượng pha trộn phụ gia khoáng (SF) phụ gia siêu dẻo giảm nước (Grace ADVA 181) hợp lý loại bê tông có mác chống thấm cao, sử dụng cho tất cơng trình Thủy lợi có u cầu cao chống thấm, mác chống thấm đạt tới W14 đến W16 Khi bê tông sử dụng cát mịn, kết hợp với phụ gia khoáng siêu mịn phù hợp mác chống thấm tăng lên cao Thực q trình thí nghiệm CP4 mẫu bê tơng gần khơng có tượng thấm nước tăng lên 96 cấp W16 Điều cho thấy việc đưa cát mịn vào thiết kế thành phần bê tông cường độ cao phù hợp, ứng dụng rộng rãi cho cơng trình Thủy lợi KẾT LUẬN Từ kết thí nghiệm cường độ nén, mác chống thấm cho thấy việc nghiên cứu sử dụng cát hạt mịn để thiết kế thành phần bê tông cần thiết vùng đồng sông Cửu Long Vì vậy, sử dụng loại cát làm bê tơng có thêm nguồn cốt liệu mịn, mở rộng việc sử dụng tài nguyên thiên nhiên sẵn có, giải phần khan cát dùng cho bê tông lâu dài Khi thiết thành phần bê tông sử dụng cát hạt mịn thiết phải sử dụng loại phụ gia khoáng siêu mịn, phụ gia giảm nước bậc cao để giảm tỷ lệ nước/chất kết dính (N/CKD) đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đặt bê tông thiết kế Vùng đồng sông Cửu Long thi cơng nhiều cơng trình Thủy lợi đòi hỏi bê tơng cơng trình ngồi việc đảm bảo cường độ cao mác chống thấm phải tăng lên, mơi trường nước bê tơng làm việc có nhiều tác nhân gây nên tượng xâm thực bê tông Hơn nguồn cát có độ mịn cao, việc nghiên cứu đưa cát mịn vào thiết kế thành phần bê tông cần thiết Thành phần bê tông thiết kế với loại vật liệu nước sử dụng cho cơng trình xây dựng; mác bê tơng thiết kế phù hợp với yêu cầu tăng cường độ tính bền bê tơng cơng trình xây dựng, kết thí nghiệm tài liệu tham khảo cho cơng trình bê tơng có mác thiết kế khoảng 70 đến 80MPa, mác chống thấm cao từ W12 đến W16, điều phù hợp với đặc thù cơng trình xây dựng Vùng đồng sơng Cửu Long có nguồn KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) trấu lớn, hàng năm phụ phẩm công việc xuất gạo làm dư thừa từ đến triệu trấu, việc tận dùng nguồn trấu dư thừa việc đốt trấu tạo sản phẩm phụ gia khống có thành phần hóa học số tính chất lý gần tương tự với Silica fume mang lại hiệu cao việc chế tạo bê tông cường độ cao để xây dựng cơng trình Trong báo nghiên cứu thiết kế cấp phối bê tơng cường độ cao có ảnh hưởng phụ gia khoáng Silica fume (SF), nhưphụ gia siêu dẻo Grace ADVA 181 có phòng thí nghiệm Vật liệu - Viện Thủy cơng Trên thực tế nhiều phụ gia khống khác có tác dụng khác nhau, tro bay (Fly Ash: FA), metacaolanh (Meta Kaolin: MK), xỉ quặng (Slag), tro trấu (Rice Husk Ash: RHS) nhiều hãng sản xuất phụ gia hóa học khác Trước yêu cầu ngày cao thực tế sản xuất, thực tế thi cơng cơng trình xây dựng, cần phải sử dụng kết hợp nhiều loại phụ gia khoáng số phụ gia hóa học khác để chế tạo loại bê tơng có tính ưu việt khác nhau, đảm bảo cường độ tính bền cho kết cấu, tiết kiệm hơn, tận dụng vật liệu địa phương sẵn có TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Quang Phú Cao Đức Việt, (2010), “Nghiên cứu xác định mối quan hệ mác chống thấm W hệ số thấm K bê tông truyền thống dùng cơng trình thủy lợi”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, Vol.3, No.30, 37-39, 9/2010 Nguyễn Quang Phú, (2015), "Thiết kế cấp phối bê tơng tính cao sử dụng Silica Fume phụ gia siêu dẻo", Tạp chí KHKT Thủy lợi Môi trường, 9/2015 Nguyễn Quang Phú, (2015), “Thiết kế cấp phối bê tơng tính cao sử dụng Silica Fume phụ gia siêu dẻo”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, Vol 3, No 50, 44-48, 9/2015 Nguyễn Viết Trung & nnk, (2012): Phụ gia hóa chất dùng cho bê tơng Phạm Duy Hữu, (2008), Công nghệ bê tông bê tông đặc biệt - Nhà Xuất Xây dựng TCVN 2682:2009:“Xi măng Pooclăng- Yêu cầu kĩ thuật” TCVN 3105-1993:“Lấy mẫu, chế tạo bảo dưỡng mẫu bê tông” TCVN 3106 - 2007:“Hỗn hợp bê tông nặng - Phương pháp thử độ sụt” TCVN 3116-2007: “Bê tông- Phương pháp thử độ chống thấm nước ” TCVN 3118-2012: “Xác định cường độ chịu nén bê tông nặng” TCVN 4506- 2012: “Nước trộn bê tông vữa - Yêu cầu kỹ thuật” TCVN 6017: 1995:“Xi măng - Phương pháp thử - Xác định thời gian đông kết” TCVN 7572-2006:“Cốt liệu dùng cho bê tông vữa - Phương pháp thử” TCVN 8827:2011: “Phụ gia khống hoạt tính cao dùng cho bê tơng vữa - silicafume tro trấu nghiền mịn” Abstract: DESIGN HIGH STRENGTH CONCRETE USING THE ULTRA-FINE MINERAL ADMIXTURE AND FINE SAND Using fine sand to design the high strength concrete using the binder of 15% silica fume replacing, combined with reasonable superplasticizer, the concrete will be manufactured with waterproof achieved W12÷W16 and M70÷M80 compressive strength The designed high strength concrete meets the technical requirements for some of the hydraulic works require high waterproof and high strength Keywords: High strength concrete; Silica fume; Super-plasticizer; Waterproof BBT nhận bài: 03/4/2017 Phản biện xong: 14/6/2017 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 97 ... loại phụ gia khoáng sử dụng phổ biến tro bay, tro trấu, silica fume Tuy nhiên để chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cát mịn thiết phải sử dụng loại phụ gia khoáng siêu mịn Trong đề tài sử dụng. .. tông cường độ cao sử dụng cát hạt mịn phụ gia khoáng siêu mịn để chế tạo có độ hút nước mạnh Để đảm bảo tính cơng tác hỗn hợp bê tơng thiết kế cần phải sử dụng phụ gia hóa học, phụ gia hóa học sử. .. tài sử dụng cát mịn có tiêu lý bảng kết hợp với phụ gia khoáng siêu mịn Silica fume phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao để chế tạo bê tông theo yêu cầu thiết kế so sánh với bê tơng sử dụng cát