Bài báo đề cập tới việc sử dụng cốt sợi thủy tinh kháng kiềm, kết hợp phụ gia khoáng tro bay để thay thế xi măng trong thành phần bê tông và phụ gia siêu dẻo ADVA181 thiết kế bê tông cốt sợi mác M40 và M50 (MPa). Qua các thí nghiệm nhận thấy cường độ chịu nén của bê tông cốt sợi thủy tinh tăng đến 36% so với bê tông thông thường; mác chống thấm đạt W10 đến W12 (at) và đặc biệt cường độ chịu kéo tăng trên 30%. Loại bê tông cốt sợi này có những đặc tính phù hợp cho các công trình thủy lợi với các yêu cầu kỹ thuật cao.
Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số đặc biệt (11/2017), tr.73-76 Journal of Science of Lac Hong University Special issue (11/2017), pp 73-76 THIẾT KẾ BÊ TÔNG CỐT SỢI ỨNG DỤNG TRONG CƠNG TRÌNH THỦY LỢI Design fiber reinforced concrete for hydraulic works Nguyễn Quang Phú phuvlxd99@gmail.com Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi, Hà Nội, Việt Nam Đến tòa soạn: 05/06/2017; Chấp nhận đăng: 09/08/2017 Tóm tắt Ngày nay, bê tông sử dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp xây dựng tồn giới Tuy nhiên, cường độ chịu kéo bê tông 1/15 đến 1/10 so với cường độ chịu nén; nhiều phận kết cấu bê tông cốt thép bị nứt giai đoạn thi công sau thời gian ngắn sử dụng Sử dụng bê tông cốt sợi giúp tăng thêm cường độ kéo cho bê tông thông qua vật liệu dạng sợi Bài báo đề cập tới việc sử dụng cốt sợi thủy tinh kháng kiềm, kết hợp phụ gia khoáng tro bay để thay xi măng thành phần bê tông phụ gia siêu dẻo ADVA181 thiết kế bê tông cốt sợi mác M40 M50 (MPa) Qua thí nghiệm nhận thấy cường độ chịu nén bê tông cốt sợi thủy tinh tăng đến 36% so với bê tông thông thường; mác chống thấm đạt W10 đến W12 (at) đặc biệt cường độ chịu kéo tăng 30% Loại bê tơng cốt sợi có đặc tính phù hợp cho cơng trình thủy lợi với yêu cầu kỹ thuật cao Từ khóa: Bê tông cốt sợi; Tro bay; Phụ gia siêu dẻo; Chống thấm nước Abstract Today, concrete is widely used in the construction industry around the world However, the tensile strength of concrete is only 1/15 to 1/10 compared to the compressive strength; therefore, many parts of reinforced concrete structure have been cracked during the construction stage or after only a short time of use Using fiber reinforced concrete help to increase the tensile strength of the concrete through the presence of fiber This paper mentions the use of Alkaline resistance glass fiber, combined with fly ash to replace cement in concrete and super-plasticizer ADVA181 to design the fiber reinforced concrete of M40 and M50 (MPa) Through experiments, it can be found that the compressive strength of glass fiber reinforced concrete increased by 36% compared to conventional concrete; waterproof grades reach W10 to W12 (at) and especially, the tensile strength increases by more than 30% This type of concrete has properties suitable for Hydraulic works with high technical requirements Keywords: Fiber reinforced concrete; Fly ash; Super-plasticizer; Waterproof GIỚI THIỆU Từ đời đến nay, bê tông cốt thép trở thành loại vật liệu xây dựng phổ biến thiết kế thi cơng cơng trình xây dựng dân dụng, giao thông, thủy lợi Việt Nam nói riêng tồn Thế giới nói chung Tuy nhiên, với điều kiện khoa học công nghệ, vật liệu xây dựng môi trường Việt Nam nay, nhiều cơng trình vài phận kết cấu bê tông cốt thép phát sinh vết nứt giai đoạn thi công sau thời gian ngắn sử dụng Có nhiều nguyên nhân gây vết nứt cơng trình, cấu kiện bê tông như: cường độ chịu nén bê tông đảm bảo thiết kế khả chịu kéo kém, tượng co ngót, từ biến vị trí đặc biệt kết cấu chịu ứng suất phức tạp làm cho vật liệu bê tông thông thường không đủ khả chịu lực Để giải vấn đề này, nhà nghiên cứu vật liệu xây dựng sử dụng nhiều biện pháp như: căng kéo cốt thép dự ứng lực, dùng chất phụ gia chống co ngót, bố trí loại cốt thép đặc biệt vị trí cần thiết…vv Tuy nhiên, sau áp dụng, người ta nhận giải pháp trường hợp phát huy tác dụng Bên cạnh đó, nhà khoa học sử dụng giải pháp để tăng cường khả chịu lực bê tơng thơng qua việc thay đổi số tính chất vật liệu việc cho thêm vào bê tơng số phụ gia khống mịn silic fume, tro trấu, tro bay… đặc biệt việc thiết kế sử dụng bê tông cốt sợi thay cho bê tông thông thường Đề tài tập trung lựa chọn loại vật liệu để thiết kế cho bê tông thông thường (xi măng, cát, đá, nước) kết hợp với cốt sợi, phụ gia khoáng phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao để thiết kế bê tơng cốt sợi nhằm tìm loại cốt sợi phù hợp thiết kế bê tông cốt sợi tối ưu, bê tơng chế tạo có cường độ nén cường độ kháng uốn cao, khả kháng nứt chống thấm tốt, khắc phục nhược điểm bê tông thơng thường; từ đưa kiến nghị số giải pháp áp dụng vào thi công công trình Thủy lợi để đạt hiệu cao NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Các loại vật liệu sử dụng nghiên cứu 2.1.1 Xi măng Đề tài sử dụng xi măng PC40 Kim Đỉnh thiết kế bê tông cốt sợi; kết thí nghiệm số tiêu lý xi măng Bảng 2.1.2 Tro bay Phụ gia khoáng tro bay Phả Lại sử dụng việc thay phần xi măng thành phần bê tông đề tài Kết thí nghiệm tính chất lý tro bay đạt yêu cầu theo TCVN1032:2014 2.1.3 Cốt liệu mịn (Cát) Cát dùng thí nghiệm cát lấy cơng trình xây dựng đưa Phòng nghiên cứu vật liệu, Viện Thủy công, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam để thí nghiệm Cát thí nghiệm cát loại vừa, kết thí nghiệm tính chất lý cát trình bày Bảng 2.1.4 Cốt liệu thô (đá dăm) Đá dăm Granit dùng thi công cơng trình đề tài thực thử nghiệm, đá dăm cỡ hạt -20mm có thành phần hạt đạt tiêu chuẩn TCVN 7570-2006 Tính chất lý cốt liệu thơ (đá dăm) trình bày Bảng Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số Đặc Biệt 73 Nguyễn Quang Phú Bảng Kết thí nghiệm số tiêu lý xi măng STT Chỉ tiêu thí nghiệm Khối lượng riêng Độ mịn (Lượng sót sàng 0,09) Lượng nước tiêu chuẩn Thời gian bắt đầu đông kết Thời gian kết thúc đông kết Độ ổn định thể tích Giới hạn bền nén tuổi ngày Giới hạn bền nén tuổi 28 ngày Phương pháp thử TCVN: 4030-2003 TCVN: 4030-2003 TCVN: 6017-1995 TCVN: 6017-1995 TCVN: 6017-1995 TCVN: 6017-1995 TCVN: 6016-1995 TCVN: 6016-1995 Đơn vị g/m3 % % phút phút mm N/mm2 N/mm2 Kết 3,12 3,2 29,1 112 316 2,1 36,0 49,2 Nhận xét: Xi măng PC40 Kim Đỉnh đạt yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 2682:2009 Bảng Tính chất lý tro bay Phả Lại STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Độ ẩm Lượng nước yêu cầu Khối lượng thể tích xốp Tỷ trọng Hàm lượng nung Hàm lượng SiO2 % % kg/m3 g/m3 % % Kết thí nghiệm 0,28 27,8 944 2,24 3,08 50,98 Hàm lượng Fe2O3 % 10,34 Hàm lượng Al2O3 % 31,27 Hàm lượng SO3 % 0,15 Bảng Tính chất lý cát STT Chỉ tiêu Khối lượng riêng Khối lượng thể tích xốp Độ hổng Hàm lượng bụi, bùn, sét Mô đun độ lớn Tạp chất hữu Thành phần hạt Đơn vị g/cm3 g/cm3 % % - Kết thí nghiệm 2,67 1,61 39,7 0,96 3,06 Đạt Đạt Nhận xét: Cát dùng chế tạo bê tông có thành phần hạt tiêu lý phù hợp TCVN 7570-2006 Bảng Tính chất lý đá dăm STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết thí nghiệm Khối lượng riêng g/cm3 2,75 Khối lượng thể tích xốp g/cm3 1,68 Hàm lượng bụi, bùn, sét % 0,58 Hàm lượng thoi dẹt % 18,2 Hàm lượng hạt mềm yếu % 1,10 Độ hút nước % 0,43 Thành phần hạt Đạt Nhận xét: Đá dăm có tính chất lý đạt tiêu chuẩn dùng cho bê tông theo TCVN 7570:2006 2.1.5 Cốt liệu thô (đá dăm) Đá dăm Granit dùng thi cơng cơng trình đề tài thực thử nghiệm, đá dăm cỡ hạt -20mm có thành phần hạt đạt tiêu chuẩn TCVN 7570 -2006 Tính chất lý cốt liệu thơ (đá dăm) trình bày Bảng 2.1.6 Nước Nước sử dụng để trộn bảo dưỡng bê tông nước sinh hoạt lấy phòng thí nghiệm vật liệu - Viện Thủy công, nước phù hợp tiêu chuẩn TCVN 4560: 2012 2.1.7 Phụ gia hóa học Để hỗn hợp bê tông cấp phối đối chứng (bê tông không pha cốt sợi thủy tinh) có tính cơng tác tốt, có độ lưu động khả đầm chặt tốt hỗn hợp bê tông phải đạt độ sụt Sn 74 Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số Đặc Biệt = 22÷25cm, hỗn hợp bê tơng khơng có phân tầng tách nước Lý hỗn hợp bê tông đối chứng cần có độ sụt cao khơng phân tầng từ đầu sợi thủy tinh có đường kính nhỏ cỡ khoảng 14 micromet, lượng dùng khoảng đến kg/m3 bê tơng làm giảm tính công tác hỗn hợp bê tông xuống thấp, độ sụt đạt 3÷5cm đặc tính cốt sợi hút nước hấp phụ bề mặt lớn Vì bê tông cốt sợi cần phải sử dụng phụ gia siêu dẻo giảnước bậc cao gốc Polycacboxylate (PC) Đề tài sử dụng phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao Grace ADVA 181 (phụ gia thuộc hệ 3) với lượng dùng theo hướng dẫn nhà cung cấp Tuy nhiên cần phải thí nghiệm để xác định tỷ lệ pha trộn hợp lý, đảm bảo tính cơng tác u cầu hỗn hợp bê tông 2.1.8 Cốt sợi thủy tinh Cốt sợi thủy tinh kháng kiềm (AR - Glass Fiber) Thiết kế bê tông cốt sợi ứng dụng cơng trình thủy lợi sử dụng có chiều dài 50 mm, khối lượng riêng 2.7 g/cm3, có cường độ kéo đạt 3500MPa tiêu lý đạt tiêu chuẩn ACI 440.3R-12 2.2 Thiết kế cấp phối bê tông kết thí nghiệm Sử dụng phương pháp thiết kế thành phần bê tông cốt sợi theo tiêu chuẩn ACI 211-4R (phương pháp Viện bê tông Mỹ) Trên sở loại vật liệu sử dụng để chế tạo bê tông thông thường, đề tài kết hợp loại vật liệu với cốt sợi thủy tinh kháng kiề m (AR - Glass Fiber) phụ gia siêu dẻo hệ (GRACE ADVA 181) để thiết kế bê tông cốt sợi với yêu cầu mẫu đối chứng có cường độ nén tuổi 28 ngày đạt M40 M50 (MPa); hỗn hợp bê tơng có độ linh động cao, đảm bảo hỗn hợp không phân tầng, khơng tách nước có độ nhớt phù hợp giúp phân tán sợi tốt hỗn hợp bê tông, tạo đồng phát huy hiệu cốt sợi bê tông Trong thiết kế thay 10% chất kết dính tro bay (theo khối lượng) [6], sử dụng hàm lượng sợi 1,5% chất kết dính (Eng Pshtiwan N Shakor & Prof S S Pimplikar, 2011), kết hợp với phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao ADVA 181 Kết thiết kế thành phần vật liệu cho mác bê tông Bảng Bảng Thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông cốt sợi Mác thiết kế Xi măng (kg) Tro bay (kg) Cát (kg) Đá dăm (kg) M40 M50 385 429 43,5 48,5 785 780 1015 1063 Kiểm tra độ sụt hỗn hợp bê tông theo tiêu chuẩn, sau đúc mẫu bê tơng bảo dưỡng điều kiện môi trường tiêu chuẩn [7] để kiểm tra cường độ nén Mác thiết kế M40 M50 Ngày tuổi 28 28 Phụ gia ADVA 181 (lít) 5,7 6,4 Nước (lít) Sợi thủy tinh (kg) Tỉ lệ N/CKD 183 180 6,53 7,28 0,42 0,37 cường độ chịu kéo uốn tuổi 3, 7, 28 ngày mác chống thấm cho bê tông cốt sợi tuổi 28 ngày Kết thí nghiệm số tiêu kỹ thuật bê tông cốt sợi thể Bảng Bảng Kết thí nghiệm số tiêu kỹ thuật bê tông cốt sợi Cường độ nén Cường độ kéo Mác chống thấm (MPa) (MPa) (at) Độ sụt BTCS Chênh Chênh Khơng Khơng (cm) Có sợi lệch Có sợi lệch Khơng sợi Có sợi sợi sợi (%) (%) 23.5 25.1 7.0 32.8 38.8 18.0 7.1 8.8 24.0 12.8 W8 W10 42.6 57.9 36.0 7.5 9.8 31.0 34.5 37.5 9.0 42.5 49.2 16.0 8.6 10.6 23.0 11.6 W10 W12 50.5 67.8 34.0 9.1 11.2 23.0 Từ kết thí nghiệm cường độ nén, mác chống thấm, cường độ kéo uốn bảng cho thấy bê tông cốt sợi loại bê tông sử dụng hiệu cho cơng trình Thủy lợi Bê tơng cốt sợi chế tạo có cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn cao so với bê tông thông thường từ 30 đến 36%, mác chống thấm đạt W10 đến W12, bê tơng chế tạo có tính chống xâm thực tốt (vì sử dụng loại cốt sợi thủy tinh kháng kiềm AR - Glass Fiber) Kết nghiên cứu cho thấy bê tông cốt sợi chế tạo có khả chịu va đập, chịu mài mòn tốt, khả chống nứt tốt có cường độ chịu kéo kháng uốn tốt hơn, bê tông cốt sợi đặc nên mác chống thấm cao so với bê tông thông thường Các kết cấu bê tông sử dụng cốt sợi tăng khả kháng uốn, tăng độ bền mỏi chịu tải trọng động; tăng khả chịu va đập mài mòn, tăng cường độ chịu kéo chịu cắt; tăng khả chống chọc thủng; giảm tượng co ngót, nứt nẻ bề mặt tăng hiệu khống chế co ngót, từ tăng tuổi thọ cho cơng trình KẾT LUẬN Từ kết thí nghiệm cường độ nén, mác chống thấm, cường độ kéo uốn cho thấy bê tông cốt sợi loại bê tông sử dụng hiệu cho hạng mục cơng trình Thủ y lợi có u cầu cao cường độ ch ịu nén, mác chống thấm, tính xâ m thực, đặc biệt bê tông kháng nứt tốt có cường độ chịu kéo uốn tốt so với bê tơng thơng thường Để trì tính lưu động hỗn hợp bê tơng bê tông đạt cường độ cao khả chịu nén kéo uốn phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao thiết phải sử dụng để sản xuất bê tông cốt sợi Sợi thủy tinh có nguồn gốc loại khống làm tăng khả chịu uốn bê tông, làm giảm tượng nứt mặt bê tơng khơng bị ăn mòn mơi trường nước bị xâm thực Với tính chịu kéo cao gấp đến lần cốt thép khơng bị ăn mòn, thiết kế thành phần Bê tơng sử dụng kết hợp sợi thủy tinh hỗn hợp bê tông để thay cốt thép thường ứng dụng cho cơng trình xây dựng thủy lợi làm việc mơi trường nước có tác nhân xâm thực mạnh môi trường nước biển, môi trường nước thải khu công nghiệp Những loại sợi thủy tinh E - Glass sử dụng bê tông bị phân hủy môi trường kiềm xi măng Pclăng Chính vậy, loại sợi thủy tinh bền kiềm (sợi thủy tinh kháng kiềm AR - Glass Fiber) sản xuất để thay sợi thủy tinh E - Glass bê tông cốt sợi thủy tinh Hà m lượng dùng cốt sợi thủ y tinh với phần trăm chất kết dính tối ưu nhất, chiều dài sợi phải đạt lần đường kính D max cốt liệu Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số Đặc Biệt 75 Nguyễn Quang Phú có tác dụng cao nhất, đảm bảo bê tông thiết kế đáp ứng yêu cầu xây dựng phải thí nghiệ m với nhiều t ỷ lệ cốt sợi chiều dài sợi khác để tìm phạ m vi tối ưu Cốt sợi có nhiều loại khác nhau, với hạng mục cơng trình xâ y dựng cần nghiên cứu thí nghiệm thực tế cho loại cốt sợi khác để đưa loại bê tông nà y vào xâ y dựng hiệu Từ nghiên cứu phòng thí nghiệ m để đưa cơng trình sản xuất cấp phối bê tơng nghiên cứu cần hiệu chỉnh cách phù hợp với vật liệu trường xâ y dựng (điều chỉnh lượng nước trộn phù hợp độ ẩ m cát, đá thời điể m thi công), thí nghiệm trường đầ y đủ yê u cầu k ỹ thuật bê tông xâ y dựng đặt Khi sử dụng cốt sợi thủy tinh, bê tơng có ưu điểm so với loại bê tông cốt sợi khác PP Fiber, Steel Fiber là: Cường độ uốn, kéo va đập cao hơn; sợi thủ y tinh nhẹ làm giả m sức nặng cơng trình; làm tăng khả chống lại phá hủ y mô i trường có tác nhân hóa học, đặc biệt khơng xả y tượng ăn mòn cốt thép ion Cl-; bê tông cốt sợi thủ y tinh không bị gỉ, khơng bị ăn mòn, bền mơi trường nước thân thiện vớ i môi trường Đâ y loại bê tông cốt sợi phù hợp với đặc điể m, tính chất m việc cơng trình thủ y lợi, cần nghiên cứu kỹ để áp dụng vào thực tiễn TÀI LIỆ U THAM KHẢO [1] ACI 440.3R-12, Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Composites for Reinforcing or Strengthening Concrete and Masonry Structures [2] ACI Committee 211, Guide for Selecting Proportions for High Strength Concrete [3] Đại học Thủy Lợi, Giáo trình Vật liệu xây dựng, Nhà xuất Xây dựng, năm 2006 [4] Eng Pshtivan N Shakor, Prof.S.S Pimplikar, “Glass Fiber Reinforced Concrete Use in Construction,” International 76 Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số Đặc Biệt Journal of Technology and Engineering System, Vol.2, No.2, pp 55-62, Jan - Mach 2011 [5] Ir Richard Summers Quality Control Consultants Ltd, “Glass Fiber Reinforced Concrete as a material, its properties, manufacture and applications,” Hong Kong, 2000 [6] Phạm Duy Hữu, Công nghệ bê tông bê tông đặc biệt, Nhà xuất Xây dựng, năm 2011 [7] TCVN 3105, Hỗn hợp bê tông nặng bê tông nặng - Lấy mẫu, chế tạo bảo dưỡng mẫu thử, 1993 [8] TCVN 3116, Bê tông nặng - Phương phác xác định độ chống thấm nước, 2007 [9] TCVN 3118, Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén, 2012 [10TCVN 3119:2012, Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ kéo uốn [11]TCVN 7570:2006, Cốt liệu dùng cho bê tông vữa - Yêu cầu kỹ thuật [12]TCVN 2682:2009, Xi măng Pooc lăng - Yêu cầu kỹ thuật [13]TCVN 4506:2012, Nước cho bêtông vữa - Yêu cầu kỹ thuật TIỂU SỬ TÁC GIẢ Nguyễn Quang Phú Sinh năm 1974, Thái Thụy, Thái Bình Tốt nghiệp Đại học Thạc sỹ trường Đại học Thủy lợi Hà Nội; Tốt nghiệp Tiến sĩ chuyên ngành Vật liệu Kết cấu cơng trình Trường Đại học Hồ Hải – Trung Quốc Học vị: Phó giáo sư, Tiến sĩ Nơi cơng tác: Bộ mơn Vật liệu Xây dựng, khoa Cơng trình - Đại học Thủy lợi Địa chỉ: 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội Điện thoại: (84).986.49.59.82 Email: phuvlxd99@gmail.com; phuvlxd@tlu.edu.vn ... tính cơng tác u cầu hỗn hợp bê tông 2.1.8 Cốt sợi thủy tinh Cốt sợi thủy tinh kháng kiềm (AR - Glass Fiber) Thiết kế bê tông cốt sợi ứng dụng công trình thủy lợi sử dụng có chiều dài 50 mm, khối... cao gấp đến lần cốt thép khơng bị ăn mòn, thiết kế thành phần Bê tơng sử dụng kết hợp sợi thủy tinh hỗn hợp bê tông để thay cốt thép thường ứng dụng cho cơng trình xây dựng thủy lợi làm việc mơi... 440.3R-12 2.2 Thiết kế cấp phối bê tông kết thí nghiệm Sử dụng phương pháp thiết kế thành phần bê tông cốt sợi theo tiêu chuẩn ACI 211-4R (phương pháp Viện bê tông Mỹ) Trên sở loại vật liệu sử dụng để