Ứng dụng phương pháp tối ưu hóa thành phần hạt cốt liệu trong thiết kế cấp phối bê tông

Trong phạm vi bài viết này, tác giả giới thiệu về phương pháp tối ưu thành phần hạt và ví dụ cụ thể khi sử dụng phương pháp này để thiết kế tối ưu thành phần bê tông. Cốt liệu ban đầu chưa đạt tiêu chuẩn cho chế tạo bê tông, nhưng thông qua phương pháp tối ưu thành phần hạt, cốt liệu không những đạt tiêu chuẩn mà còn có độ rỗng nhỏ nhất, chế tạo bê tông có độ đặc chắc nhất.

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA THÀNH PHẦN HẠT CỐT LIỆU TRONG THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG Phạm Toàn Đức, Nguyễn Phan Anh Khoa Xây dựng Email: ducpt@dhhp.edu.vn Ngày nhận bài: 23/10/2020 Ngày PB đánh giá: 10/11/2020 Ngày duyệt đăng: 19/11/2020 TÓM TẮT: Các dẫn kỹ thuật tài liệu, giáo trình chủ yếu đề cập đến việc thiết kế thành phần bê tơng phương pháp thể tích tuyệt đối Những cốt liệu có thành phần hạt khơng đạt tiêu chuẩn hành khơng sử dụng cho chế tạo bê tông Trong phạm vi báo này, tác giả giới thiệu phương pháp tối ưu thành phần hạt ví dụ cụ thể sử dụng phương pháp để thiết kế tối ưu thành phần bê tông Cốt liệu ban đầu chưa đạt tiêu chuẩn cho chế tạo bê tông, thông qua phương pháp tối ưu thành phần hạt, cốt liệu đạt tiêu chuẩn mà cịn có độ rỗng nhỏ nhất, chế tạo bê tơng có độ đặc Từ khóa: cốt liệu, thành phần hạt, tối ưu APPLYING THE METHOD OF OPTIMIZING THE AGGREGATE PARTICLE COMPOSITION IN CONCRETE MIX DESIGN ABSTRACT: Technical guidelines, documents, and textbooks that are currently available mainly refer to concrete proportion mix design by the absolute volume method Aggregates that not conform the current standards will not be used in concrete production This article introduces the particle composition optimization method and specific examples when using this method for optimization of concrete proportion mix design Aggregates that not conform the standards in concrete production, through this method will be in conformity with the standards and have the smallest porosity and can be used to produce the highest-density concrete Key words: aggregate, particle composition, optimization ĐẶT VẤN ĐỀ Khi thiết kế thành phần bê tông người ta thường sử dụng phương pháp thể tích tuyệt đối, nghĩa coi thể tích 01m3 bê tơng tổng thể tích cốt liệu trạng thái hồn tồn đặc Tuy nhiên, thực tế, bê tơng cịn tồn cấu trúc rỗng nên có độ rỗng định Mặt khác, có nhiều thơng số đầu vào cho q trình thiết kế cấp phối bê tơng nên sử dụng phương pháp nhiều thông số lấy kinh nghiệm, tra bảng, có 22 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHỊNG thơng số, hệ số lựa chọn khoảng giá trị nên sau thí nghiệm, thành phần cấp phối phải điều chỉnh nhiều Phương pháp thể tích tuyệt đối chưa xét đến việc lựa chọn thành phần hạt cốt liệu để hỗn hợp cốt liệu lèn chặt nhất, độ rỗng nhỏ nhất, từ thiết kế thành phần bê tơng có độ đặc Trong phạm vi báo này, tác giả giới thiệu phương pháp tối ưu thành phần hạt ví dụ cụ thể sử dụng phương pháp để thiết kế tối ưu thành phần bê tông Cốt liệu ban đầu chưa đạt tiêu chuẩn cho chế tạo bê tông, thông qua phương pháp tối ưu thành phần hạt, cốt liệu đạt tiêu chuẩn mà cịn có độ rỗng nhỏ nhất, chế tạo bê tơng có độ đặc Phương pháp tác giả sử dụng nghiên cứu đề tài cấp thành phố: “Nghiên cứu sử dụng tro bay nguyên khai nhà máy nhiệt điện Hải Phòng làm phụ gia khống cải thiện tính chất bê tơng khối lớn” [1] PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA THÀNH PHẦN HẠT CỐT LIỆU SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ BÊ TÔNG Khi chọn tỷ lệ hạt cốt liệu lớn nhỏ cần đạt hai mục đích hỗn hợp cốt liệu có độ rỗng nhỏ tối thiểu đáp ứng u cầu tính cơng tác hỗn hợp bê tơng Hỗn hợp cốt liệu có độ rỗng nhỏ lượng hồ xi măng cần thiết để lấp đầy khoảng trống hạt cốt liệu bao bọc quanh chúng nhỏ Mặt khác, hỗn hợp cốt liệu phải có tỷ lệ cốt liệu nhỏ/cốt liệu lớn nhỏ tỷ diện bề mặt hỗn hợp nhỏ Như với độ lưu động cho trước hỗn hợp bê tơng có tỷ lệ cốt liệu nhỏ/cốt liệu lớn thấp cần nước nhào trộn cường độ cao Tuy nhiên tỷ lệ nhỏ độ giãn cách hạt cốt liệu lớn nhỏ nên nội ma sát hỗn hợp tăng nên làm giảm tính cơng tác hỗn hợp Hơn nữa, với cốt liệu có mức ngậm cát nhỏ hỗn hợp bê tơng có độ sụt cao dễ xảy tượng phân tầng Do lựa chọn cốt liệu phải hợp lý hai yêu cầu độ rỗng mức ngậm cát Phương pháp tối ưu thành phần hạt cốt liệu sử dụng phương pháp Kirienko Đây phương pháp thực nghiệm đơn giản, cho phép nhanh chóng xác định tỷ lệ cốt liệu lớn cốt liệu nhỏ để đạt hỗn hợp cốt liệu có độ rỗng nhỏ Nội dung phương pháp Kirienko sau: Xác định khối lượng thể tích (KLTT) trạng thái lèn chặt khối lượng riêng cốt liệu lớn Từ xác định độ rỗng cốt liệu lớn Trên sở tính sơ lượng dùng cốt liệu nhỏ để lấp đầy thể tích rỗng cốt liệu lớn, với giả thiết hạt cốt liệu nhỏ điền đầy khoảng trống hạt cốt liệu lớn Sau xác định khối lượng thể tích trạng thái lèn chặt hỗn hợp cốt liệu độ rỗng hỗn hợp Trong trường hợp lý tưởng hệ số điền đầy hạt nhỏ vào khoảng trống hạt to (µ) phải 1, nghĩa thể tích phần hạt nhỏ thể tích rỗng phần hạt lớn Tuy nhiên, trình lèn chặt hạt xếp cách ngẫu nhiên hình dạng hạt khơng phải hình cầu, chúng thường có giãn cách định, nên hệ số điền đầy thường khác Tiến hành thí nghiệm với hệ số điền đầy khác tỉ lệ hợp lý cấp hạt cốt liệu lớn tỷ lệ cát hỗn hợp cốt liệu lớn Lèn chặt cốt liệu thực bàn rung chấn động, sử dụng thùng đong hình trụ có dung tích 10 lít Quy trình thí nghiệm tiến hành sau: - Xác định khối lượng thể tích trạng thái lèn chặt đá dăm cỡ hạt 10-20mm Đá dăm cho vào thùng đong làm ba lớp, lớp rung 1phút - Độ rỗng cấp hạt 10-20mm tính theo cơng thức sau: r = (1 − γ0 ) 100, (%) γa TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 44, tháng 01 năm 2021 23 Trong g0, ga khối lượng thể tích trạng thái lèn chặt khối lượng riêng cấp hạt 10-20 mm (kg/m3) - Tính khối lượng đá cấp hạt 5-10mm để lấp đầy thể tích lỗ rỗng cách nhân thể tích rỗng cấp hạt 10-20mm với khối lượng thể tích lèn chặt cỡ hạt 5-10mm - Xác định khối lượng thể tích lèn chặt hai cấp hạt đá 10-20mm 5-10mm - Tăng hệ số điền đầy µ lên 10, 20, 30, 40%, v.v… Nghĩa tăng thể tích lỗ rỗng lên giá trị tương ứng xác định khối lượng thể tích hỗn hợp Sau tìm tỷ lệ tối ưu hai cấp hạt đá, ta cố định tỷ lệ tiến hành thí nghiệm tương tự để lèn chặt thể tích rỗng hỗn hợp cốt liệu, đá với cát, cát vật liệu điền đầy thể tích rỗng đá VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU Cát lựa chọn sử dụng tuân theo quy định tiêu chuẩn TCVN7570:2006 - Cốt liệu cho bê tông vữa - Yêu cầu kỹ thuật [3] Cát sử dụng nghiên cứu cát sông Lô, gồm 05 mẫu thí nghiệm lấy bãi, kết phân tích thành phần hạt thể bảng Bảng Kết phân tích thành phần hạt cát sơng Lơ STT Đường kính sàng (mm) 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14