Nghiên cứu sử dụng đá mạt cho bê tông ứng dụng đối với các công trình bản mòng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI PHẠM QUANG HUY NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐÁ MẠT CHO BÊ TÔNG ỨNG DỤNG ĐỐI VỚI CƠNG TRÌNH BẢN MỊNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội, 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI PHẠM QUANG HUY NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐÁ MẠT CHO BÊ TƠNG ỨNG DỤNG ĐỐI VỚI CƠNG TRÌNH BẢN MỊNG Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy Mã số: 60-58-40 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Quốc Vương Hà Nội, 2013 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng công trình thuỷ với đề tài “Nghiên cứu sử dụng đá mạt cho bê tơng ứng dụng cơng trình Bản Mịng” hồn thành với cố gắng nỗ lực thân giúp đỡ nhiệt tình Khoa Cơng trình, thầy giáo trường Đại học Thuỷ Lợi, Tổng công ty tư vấn xây dựng Thủy Lợi Việt Nam, Công ty cổ phần VLXD đô thị Sơn La tạo điều kiện động viên giúp đỡ mặt Tác giả xin chân thành cảm ơn quan, đơn vị cá nhân nói Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn TS Vũ Quốc Vương trực tiếp hướng dẫn tận tình giúp đỡ thời gian thực luận văn Sự thành công luận văn gắn liền với trình giúp đỡ, động viên cổ vũ gia đình, bạn bè đồng nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn Trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ, điều kiện thời gian có hạn nên khơng thể tránh khỏi khiếm khuyết, mong nhận ý kiến đóng góp q báu thầy giáo, anh chị bạn bè đồng nghiệp Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2013 Tác giả Phạm Quang Huy LỜI CAM ĐOAN Tên Phạm Quang Huy, xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Những nội dung kết trình bày luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa học Tác giả Phạm Quang Huy MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI III CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NGHIÊN CỨU IV KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐÁ MẠT, CÁT NGHIỀN, GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ CƠNG TRÌNH BẢN MỊNG 1.1 Tổng quan đá mạt 1.1.1 Mỏ đá Bản Khoang (xã Chiềng Ngần, thành phố Sơn La) 1.1.2 Mỏ đá Bản Bó Cón (phường Chiềng An, thành phố Sơn La) 1.2 Tổng quan cát nghiền 1.2.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng cát nghiền giới 1.2.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng cát nghiền Việt Nam 10 1.3 Giới thiệu sơ lược cơng trình Bản Mịng 12 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, THÍ NGHIỆM 17 2.1 Các tính chất vật liệu 17 2.1.1 Chất kết dính xi măng 17 2.1.2 Tro bay 18 2.1.3 Cốt liệu lớn 21 2.1.4 Cốt liệu nhỏ 25 2.1.5 Phụ gia hóa sử dụng cho bê tơng 29 2.1.6 Nước 31 2.2 Phương pháp nghiên cứu 31 2.2.1 Phương pháp xác định tính chất nguyên vật liệu sử dụng 31 2.2.2 Phương pháp xác định tính chất hỗn hợp bê tơng bê tông 33 2.2.3 Phương pháp thiết kế thành phần bê tông 33 2.2.4 Phương pháp toán quy hoạch thực nghiệm tính chất bê tơng 34 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN HỢP LÝ CỦA HỖN HỢP CÁT, ĐÁ TRONG BÊ TÔNG VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG 43 3.1 Phương pháp thiết kế thành phần bê tông dùng đá mạt 43 3.1.1 Chọn cấp phối sơ bê tông 43 3.1.2 Kết cường độ nén cấp phối bê tông 43 3.1.3 Nghiên cứu cường độ bê tông thường phương pháp toán quy hoạch thực nghiệm 45 3.1.3.1 Xây dựng quy hoạch thực nghiệm bậc 1, ba biến để nghiên cứu ảnh hưởng nhân tố đến cường độ bê tông thường 45 3.1.3.2 Kết nghiên cứu cường độ nén bê tông thường sử dụng loại cốt liệu nhỏ 48 3.1.3.3 Tìm vùng dừng biến nghiên cứu cho bê tông thường 57 3.1.4 Nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông thường tối ưu sử dụng loại đá mạt 58 3.1.4.1 Xây dựng quy hoạch thực nghiệm bậc hai, hai biến 58 3.1.4.2 Kết cường độ nén bê tông thường sử dụng loại đá mạt 62 3.2 Các thành phần hợp lý hỗn hợp bê tông 71 3.2.1 Đá mạt Bản Khoang 71 3.2.2 Đá mạt Bản Bó Cón 72 3.2.3 Kiểm tra thành phần hạt hỗn hợp đá mạt đá dăm 74 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG ĐÁ MẠT 76 4.1 Độ lưu động bê tông 76 4.1.1 Độ sụt 76 4.1.2 Cường độ bám dính bê tơng với cốt thép 77 4.2 Cường độ bê tông 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82 KẾT LUẬN 82 KIẾN NGHỊ 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 I TIẾNG VIỆT 84 II TIẾNG ANH 85 DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT BTĐM : Bê tông đá mạt BTCT : Bê tông cốt thép HHBT : Hỗn hợp bê tông VLXD : Vật liệu xây dựng KLTT : Khối lượng thể tích C : Cát Đ : Đá N : Nước T : Tro X: : Xi măng PG : Phụ gia CL : Cốt liệu CLL : Cốt liệu lớn M : Mạt M+Đ : Mạt+Đá BBC : Mạt Bản Bó Cón BK : Mạt Bản Khoang N/(X+T) : Tỷ lệ Nước Xi măng+Tro C/(X+T) : Tỷ lệ Cát Xi măng+Tro C/(C+Đ) : Tỷ lệ Cát Cát+Đá N/CKD : Tỷ lệ Nước Chất kết dính T/(X+T) : Tỷ lệ Tro Xi măng+Tro N/(C+Đ) : Tỷ lệ Nước Cát+Đá C/CL : Tỷ lệ Cát Cốt liệu N/XM : Tỷ lệ Nước Xi măng CKD : Chất kết dính CP1 : Cấp phối CP2 : Cấp phối …………………………… CP13 : Cấp phối 13 HQTN : Hồi quy thực nghiệm GHT : Giới hạn GHD : Giới hạn VLĐ1 : Mỏ vật liệu VLĐ2 : Mỏ vật liệu PC : Xi măng Pooclăng-Porland Cements PCB : Xi măng Pooclăng hỗn hợp-Blended Porland Cements ASTM : Tiêu chuẩn Mỹ-American Society of Testing and Materials BS : Tiêu chuẩn Anh-Bristish Standard TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam P : Tiêu chuẩn Pháp % : Lượng sót riêng biệt Ai % : Lượng sót tích lũy ρv : Khối lượng thể tích ρ : Khối lượng riêng Rn : Cường độ chịu nén Ru : Cường độ chịu uốn Rk : Cường độ chịu kéo Rx : Cường độ chịu nén xi măng σ : Khoảng quy hoạch 71 3.2 Các thành phần hợp lý hỗn hợp bê tông 3.2.1 Đá mạt Bản Khoang Hình 3.17: Ảnh hưởng C/(C+Đ) đến cường độ R28 N/CKD = 0.55 đá mạt Bản Khoang Hình 3.18: Ảnh hưởng N/CKD đến cường độ R28 C/(C+Đ) = 0.4 đá mạt Bản Khoang 72 Nhận xét: Qua bề mặt biểu phương trình hồi quy ta thấy: - Khi tỷ lệ N/CKD giảm (X1 giảm từ 1,414 đến 0) cường độ nén bê tơng tăng lên - Khi X2 hay tỷ lệ C/(C+Đ) tăng khoảng từ -1,414 đến 0,4 cường độ nén tăng X2 tăng lớn 0,4 cường độ bê tơng lại bắt đầu giảm Điều giải thích sau: Khi X2 tăng khoảng -1,414 đến 0,4 lượng dùng cốt liệu tăng dần tạo nên cấu trúc bê tơng đá mạt có thành phần khung cốt liệu hợp lý, khả phân bố đá chất kết dính hỗn hợp cốt liệu tốt đồng dẫn đến cường độ bê tông tăng lên Nhưng X2 tiếp tục tăng > 0,4 cường độ bê tơng lại giảm cốt liệu lại q lớn, lượng chất kết dính đủ để gắn kết hạt cốt liệu điểm tiếp xúc, cấu trúc đá bê tông tồn lỗ rỗng cốt liệu không lấp đầy đá chất kết dính 3.2.2 Đá mạt Bản Bó Cón 73 Hình 3.19: Ảnh hưởng C/(C+Đ) đến cường độ R28 N/CKD = 0.56 đá mạt Bản Bó Cón Hình 3.20: Ảnh hưởng N/CKD đến cường độ R28 C/(C+Đ) = 0.36 đá mạt Bản Bó Cón 74 Nhận xét: Qua bề mặt biểu phương trình hồi quy ta thấy: - Ảnh hưởng mức ngậm cát đến cường độ lớn ảnh hưởng lượng dùng nước, đá mạt thải phẩm trình khai thác đá, thành phần hạt hình dạng hạt khơng đảm bảo ảnh hưởng phức tạp đến tính chất bê tơng - Khi tỷ lệ N/CKD giảm (X1 giảm từ 1,414 đến 0) cường độ nén bê tơng tăng lên cịn - Khi X2 hay tỷ lệ C/(C+Đ) tăng khoảng từ -1,414 đến 0,36 cường độ nén tăng X2 tăng lớn 0,36 cường độ bê tơng lại bắt đầu giảm Điều giải thích sau: Khi X2 tăng khoảng 1,414 đến 0,36 lượng dùng cốt liệu tăng dần tạo nên cấu trúc bê tơng đá mạt có thành phần khung cốt liệu hợp lý, khả phân bố đá chất kết dính hỗn hợp cốt liệu tốt đồng dẫn đến cường độ bê tông tăng lên Nhưng X2 tiếp tục tăng > 0,36 cường độ bê tơng lại giảm cốt liệu lại q lớn, lượng chất kết dính đủ để gắn kết hạt cốt liệu điểm tiếp xúc, cấu trúc đá bê tông tồn lỗ rỗng cốt liệu không lấp đầy đá chất kết dính - Qua kết cường độ đạt hai loại bê tơng ta thấy chất lượng đá mạt Bản Khoang chất lượng đá mạt Bản Bó Cón Tuy nhiên đá mạt Bản Bó Cón đảm bảo cho bê tơng đạt mác yêu cầu 3.2.3 Kiểm tra thành phần hạt hỗn hợp đá mạt đá dăm Với tỷ lệ mạt/(mạt + đá) kiểm tra lại thành phần hạt hỗn hợp đá mạt đá dăm Kết kiểm tra thể bảng 3.14 biểu đồ hình 3.21 đây: 75 Bảng 3.14: Thành phần hạt hỗn hợp cốt liệu đá dăm loại đá mạt Loại hỗn hợp cốt liệu Lượng lọt theo cỡ sàng (%) 0,075 0,14 0,315 0,63 1,25 Đá dăm + mạt Bản Bó Cón Đá dăm + mạt Bản Khoang 2,5 10 20 2,5 7,9 9,7 14,9 19,8 33,9 59,7 100 1,5 10,1 16,7 24,9 31,1 41,3 61,1 100 Giới hạn TC 0 14 21 28 35 55 100 Giới hạn TC 21 28 34 42 65 100 Giới hạn giới hạn khoảng giới hạn thành phần hạt tổng cộng cốt liệu theo [28] Lượng sót tích lũy (%) 100 80 Bản Bó Cón 60 Bản Khoang Giới hạn trênn 40 Giới hạn 20 0 10 15 20 Cỡ sàng (mm) Hình 3.21: Biểu đồ thành phần hạt hỗn hợp cốt liệu lớn loại mạt Căn vào kết bảng 3.14 biểu đồ hình 3.21 nhận thấy: thành phần hạt đá dăm mạt Bản Khoang nằm giới hạn cho phép, mạt Bản Bó Cón lại thành phần hạt nhỏ 76 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA BÊ TƠNG SỬ DỤNG ĐÁ MẠT 4.1 Độ lưu động bê tông 4.1.1 Độ sụt Yêu cầu độ sụt bê tông đạt SN=6 cm hỗn hợp bê tơng dễ thi cơng Qua thực nghiệm thấy sử dụng đá mạt giống bê tông sử dụng cát vàng tự nhiên có mức độ ảnh hưởng chúng khác Tính cơng tác bê tơng đá mạt xấp xỉ Tuy nhiên đặc tính đá mạt nên tính cơng tác tính cơng tác bê tông sử dụng cát vàng, thỏa mãn điều kiện thi cơng Hình 4.1: Trộn lại hồn hợp bê tông trước thử độ sụt 77 Hình 4.2: Thí nghiệm đo độ sụt hỗn hợp bê tơng 4.1.2 Cường độ bám dính bê tơng với cốt thép Lực bám dính bê tơng với cốt thép thể khả làm việc đồng thời bê tơng cốt thép Lực bám dính cao khả làm việc kết cấu bê tơng cốt thép lớn Cường độ bám dính bê tông với loại cốt liệu khác đúc mẫu (15x15x20)cm ngậm thép Φ10  F  Cường độ bám dính tính theo cơng thức: R =   (MPa)  πφl  Trong đó: R: Cường độ bám dính (MPa) F: Lực kéo tuột (daN) Φ: Đường kính thép (cm) l: Chiều dài đoạn thép ngậm bê tơng (cm) 78 Cường độ bám dính bê tông sở loại cốt liệu nhỏ khác với cốt thép thể bảng 4.1 hình 4.3 Bảng 4.1: Cường độ bám dính bê tơng với cốt thép Loại bê tơng có cốt liệu nhỏ khác Cát vàng Mạt Bản Khoang Cường độ bám dính bê tơng với cốt thép (Mpa) Mạt Bản Bó Cón 3.200 l (cm) F (N) Φ (mm) R (MPa) 20 20500 10 3,264 20 20000 10 3,185 20 19500 10 3,105 20 20000 10 3,185 20 19500 10 3,105 20 19000 10 3,025 20 19500 10 3,105 20 19000 10 3,025 20 18500 10 2,946 Rtb (MPa) 3,185 3,105 3,025 3.185 3.150 3.105 3.100 3.050 3.025 3.000 2.950 2.900 Cát vàng Mạt Bản Khoang Mạt Bản Bó Cón Hình 4.3: Cường độ bám dính bê tơng với cốt thép sử dụng loại đá mạt khác 79 Nhận xét: Cường độ bám dính loại bê tơng đá mạt với cốt thép thấp bê tông sử dụng cát vàng từ 2,51÷5,02% Trong loại bê tơng bê tơng đá mạt Bản Khoang (3,105 Mpa) có cường độ bám dính cao so với bê tơng đá mạt Bản Bó Cón (3,025 Mpa) 4.2 Cường độ bê tơng Hình 4.4: Chuẩn bị khuôn mẫu mẫu bê tông sau tháo khn Hình 4.5: Ngâm dưỡng hộ nén mẫu xác định cường độ Căn vào kết thí nghiệm, chọn cấp phối bê tơng thường có cường độ cao sử dụng loại cấp phối mạt tự nhiên Ngoài để so sánh với cường độ cấp phối bê tông thường cấp phối bê tông sau làm quy hoạch thực nghiệm bậc ta chọn kết bảng 3.10 đến 3.13, kết so sánh cường độ thể bảng 4.2 80 Bảng 4.2: Kết so sánh cường độ nén bê tông thường sử dụng cấp phối hạt tự nhiên cấp phối hạt tối ưu Loại đá mạt Bản Khoang Bản Bó Cón Thành phần bê tông Cấp phối X T Cấp phối tự nhiên (CPTN) 357 Cấp phối tối ưu (CPTƯ) 322 Cấp phối tự nhiên (CPTN) 341 Cấp phối tối ưu (CPTƯ) 313 Mạt Đ N Cường độ nén R28 (Mpa) 767 1014 212 21,8 Tỷ lệ (%) 113,49 35.8 657 988 197 25,2 755 1037 212 21,6 105,26 34.8 589 1043 202 22,8 Biểu đồ so sánh cường độ bê tông loại đá mạt thể hình 4.6 25.2 Cường độ nén 28 ngày bê tông (daN/cm2) 26 25 24 23 22.8 21.8 CPTN 21.6 22 CPTƯ 21 20 19 Mạt Bản Khoang Mạt Bản Bó Cón Hình 4.6: Biểu đồ so sánh cường độ nén bê tông thường sử dụng cấp phối hạt tự nhiên cấp phối hạt tối ưu 81 Từ bảng 4.2 hình 4.6 ta thấy: cấp phối chọn cấp phối có cường độ cao nhất, sử dụng đá mạt có thành phần hạt hợp lý cường độ bê tơng vượt từ đến 13% Điều giải thích: cấp phối hạt sau làm quy hoạch thực nghiệm bậc có kể đến nhân tố ảnh hưởng N/CKD, C/(C+Đ), phụ gia, tro bay Các yếu tố ảnh hưởng đóng vai trị phụ gia khống cho ximăng làm tốt cấu trúc vi mô đá ximăng 82 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau nghiên cứu khả sử dụng đá mạt bê tông rút số kết luận kiến nghị sau: I KẾT LUẬN Trong luận văn xây dựng luận khoa học minh chứng cho khả sử dụng đá mạt có đủ điều kiện kinh tế kỹ thuật để sử dụng thành phần bê tông M20 thay cát vàng Đây tiền đề quan trọng cho việc tính tốn thành phần bê tơng đá mạt Phương pháp tính tốn sử dụng phương trình hồi quy bậc bậc để xác định thành phần bê tơng thỏa mãn đồng thời u cầu tính công tác cường độ bê tông tuổi 28 ngày Quá trình nghiên cứu loại đá mạt loại hạt lớn (Mđl>2,5) Hàm lượng bột đá (lọt sàng 0,14mm) lớn (đá mạt Bản Bó Cón 13,1%, đá mạt Bản Khoang 12,5%) Các hạt đá mạt thường thoi dẹt bề mặt nhám dáp Những đặc điểm có ảnh hưởng nhiều đến tính chất bê tơng Do đặc tính đá mạt nên tính cơng tác tính cơng tác bê tông sử dụng cát vàng, thỏa mãn điều kiện thi công Luận văn đề xuất phương pháp xác định thành phần hợp lý để cải thiện tính chất sử dụng bê tơng Với việc tăng cao lượng hạt