7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
2.3.7. Xác định khối lượng xi măng và tro bay trong BTXM tro bay (Bước 7)
Tỷ lệ tro bay / CKD có ảnh hưởng lớn đến cường độ bê tông, tùy theo mục
đích cường độ cần đạt được để chọn tỷ lệ cho phù hợp. Theo khuyến nghị của TCVN 10306:2014 [22] và ACI 211.4R [36] với bê tông có cường độ lớn hơn 35 MPa thì nên dùng tỷ lệ từ 15 ÷ 25 % (loại F) và 20 ÷ 35 % (loại C). Còn theo khuyến nghị của tiêu chuẩn EN206 [54] thì dùng tỷ lệ từ 15 ÷ 33 % (loại F) và 15 ÷ 35 % (loại C).
b) Xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông
Theo khuyến nghị trong tiêu chuẩn EN206 [54], khi không có các số liệu thí nghiệm trước thì hệ số hiệu quả tro bay được lấy an toàn kEN = 0,4 (f ≤ 33 %). Theo kết quả nghiên cứu thí nghiệm trong phòng, giá trị hệ số kNC được xác định theo tỷ
lệ tro bay / CKD như trong (Bảng 2.7) và được tổng hợp lại như sau: Bảng 2.13 – Bảng giá trị hệ số hiệu quả tro bay TT Tỷ lệ tro bay / CKD (f) Hệ số hiệu kNC theo kết quả thí nghiệm Hệ số kEN theo EN206 [54] 1 15 ÷ 35 % 0,70 ÷ 0,40 0,4 2 35 ÷ 70 % 0,40 ÷ 0,27 0,4
c) Xác định khối lượng xi măng và tro bay trong hỗn hợp chất kết dính
Trong BTXM tro bay, hỗn hợp chất kết dính gồm xi măng (XFC) và tro bay (F). Khi xét đến hiệu quả tro bay thì khối lượng tro bay (F) được chuyển thành khối lượng xi măng quy đổi là Xqđ = k.F, do đó để BTXM tro bay đạt được cường độ như
BTXM (không tro bay) thì tổng khối lượng xi măng quy đổi (Σ Xqđ = XFC + k.F)
phải bằng khối lượng xi măng (X0) trong hỗn hợp BTXM (không tro bay).
k.F X X X X X0 =∑ qđ = FC + qd = FC+ (kg) (2.22) Với mỗi loại bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD nhất định thì khối lượng xi măng (XFC) và khối lượng tro bay (F) được xác định từ hệ phương trình như sau:
⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = + = + f F X F X k.F X FC FC 0 (2.23)
0 ) 1 ( 1 1 X f k f XFC − + − = và 0 ) 1 ( 1 k f X f F − + = (kg) (2.24)
trong đó: X0,XFC – khối lượng xi măng trong hỗn hợp BTXM không tro bay (PC) và khối lượng xi măng trong hỗn hợp BTXM tro bay (FC) (kg / m3);
Xqđ – khối lượng xi măng được quy đổi từ khối lượng tro bay (kg / m3); Σ Xqđ – tổng khối lượng xi măng sau quy đổi (kg / m3);
k , f – hệ số hiệu quả tro bay và tỷ lệ tro bay / CKD.
2.3.8. Thành phần hỗn hợp bê tông xi măng tro bay theo hệ số k (Bước 8)
Trong hỗn hợp BTXM khi có thêm thành phần tro bay trong khi thể tích đặc tuyệt đối hỗn hợp không đổi, vì vậy cần phải điều chỉnh lại khối lượng cát như sau:
C KK Đ F X FC FC V ) ρ ρ Đ N ρ F ρ X ( C = 1000− − − − − × (kg) (2.25) trong đó: CFC , XFC , F , N , Đ – khối lượng cát, xi măng, tro bay, nước, đá (kg / m3);
ρX , ρF , ρC , ρĐ – khối lượng riêng của xi măng, tro bay, cát và đá (kg / m3). * Điều chỉnh thành phần hỗn hợp của các mẻ trộn thử: Có thể phải điều chỉnh thành phần hỗn hợp để đạt được các tính chất mong muốn của bê tông (tính công tác, cường độ) bằng cách điều chỉnh các thành phần như lượng nước, tỷ lệ N/CKD, cốt liệu, hàm lượng khí hoặc dùng phụ gia giảm nước.
2.4. Thí nghiệm và thiết lập công thức thành phần vật liệu bê tông xi măng tro bay làm mặt đường ô tô
Để thiết lập công thức thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô có độ tin cậy cao, cần đánh giá hệ số k đã thí nghiệm (kNC) với nguồn vật liệu nước ta (Mục 2.2) và so sánh với giá trị theo khuyến nghị của EN206 (kEN = 0,4). Sau đó tiến hành thí nghiệm cường độ nén để kiểm tra và điều chỉnh lại thành phần hỗn hợp vật liệu và hệ số k cho thích hợp.
2.4.1. Kết quả thí nghiệm vật liệu
* Xi măng và tro bay: Nội dung tiến hành và kết quả thí nghiệm theo Mục 2.2.
đều để đảm bảo tính công tác. Các nghiên cứu cho thấy khi cát có mô đun độ lớn trong khoảng 2,2 ÷ 3,5 sẽ có tính công tác tốt và cường độ cao.
Lựa chọn sử dụng cát sông Lô – Phú Thọ với kết quả thí nghiệm được cho thấy đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật (Bảng 2.14, Bảng 2.15 và Hình 2.5). Cát có sự ổn định về tính chất lý hóa và thành phần hạt, bề mặt hạt tròn trơn, có mô đun độ
lớn cao đồng thời hàm lượng các tạp chất ở dưới mức cho phép và độ rỗng đạt yêu cầu kỹ thuật để làm mặt đường BTXM theo quy định của QĐ1951 [13].
Bảng 2.14 – Bảng kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của cát TT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn
vị Kết quả thí nghiệm Phương pháp thí nghiệm Yêu cầu 1 Khối lượng riêng g/cm3 2,654 TCVN7572-4:06 1,350 2 Khối lượng thể tích xốp g/cm3 1,618 TCVN7572-6:06 2,500 3 Độ rỗng % 39,0 TCVN7572-6:06 47,0 4 Hàm lượng bụi, bùn, sét % 1,12 TCVN7572-8:06 2,0 5 Hàm lượng hữu cơ - Sáng hơn TCVN7572-9:06 Đạt 6 Mô đun độ lớn - 2,9 TCVN7572-2:06 2,2÷3,5 7 Độ hút nước % 0,68 TCVN7572-4:06 - Hình 2.5. Biểu đồ thành phần hạt của cát
Bảng 2.15 –Bảng kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối của cát TT Lượng sót tích lũy / lọt qua sàng Cỡ sàng (mm) 0,15 0,30 0,60 1,18 2,36 4,75 1 Lượng sót tích lũy trên sàng, % 95,7 82,4 63,3 36,4 13,5 0 2 Lượng lọt qua sàng, % 4,3 17,6 36,7 63,6 86,6 100 3 Yêu cầu theo QĐ 1951 0÷10 5÷20 15÷29 35÷65 65÷95 90÷100 4 Yêu cầu theo ASTM C33 0÷10 5÷30 25÷60 50÷85 80÷100 95÷100
* Cốt liệu lớn (đá dăm)
Cốt liệu lớn có ảnh hưởng lớn đến cường độ của BTXM. Căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật của bê tông mặt đường theo QĐ1951 [13] và các khuyến nghị [1],[8], lựa chọn cốt liệu thô có cỡ hạt lớn nhất danh định Dmax = 12,5 mm và sử dụng loại đá Phủ Lý có chất lượng tốt. Sau khi được sản xuất tại mỏ đá của Công ty Transmeco, lấy về rửa sạch để loại bỏ tạp chất, phơi khô đóng bao để làm thí nghiệm. Kết quả
thí nghiệm cho thấy sau khi hiệu chỉnh để trộn, thành phần hạt của đá dăm đã đáp
ứng theo yêu cầu của quy định QĐ1951 [13] (Bảng 2.16 và Hình 2.6).
Bảng 2.16 – Bảng kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu thô TT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả Phương pháp thử Yêu cầu
1 Khối lượng riêng g/cm3 2,717 TCVN7572-4:06 ≥ 2,500 2 Khối lượng đơn vị lèn chặt g/cm 3 1,650 ASTM C29 - 3 Độ hút nước % 0,76 TCVN 7572-4:06 ≤ 2,5 4 Hàm lượng bụi, bùn, sét % 0,24 TCVN7572-8:06 ≤ 0,3 5 Hàm lượng các hạt mềm yếu, phong hóa % 0,93 TCVN7572-17:06 ≤ 1,0 6 Hàm lượng hạt thoi dẹt % 6,20 TCVN7572-13:06 ≤ 15 (20) 7 Độ mài mòn Losangeles % 22,36 TCVN 7572-12:06 AASHTO-T96 ≤ 30 (35) 8 Cường độ chịu nén đá gốc MPa 140 TCVN 7572-10:06 ≥ 80
Bảng 2.17 –Bảng kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối của cốt liệu thô TT Chỉ tiêu thí nghiệm Cỡ sàng 2,36 4,75 9,50 12,5 19,0 1 Lượng sót tích lũy trên sàng, % 96,6 88,5 52,3 5,6 0 2 Lượng lọt qua sàng, % 3,4 11,5 47,7 94,4 100 3 Yêu cầu theo QĐ 1951 0÷5 0÷15 40÷60 90÷100 100÷100 4 Yêu cầu theo ASTM C33 0÷5 0÷15 40÷70 90÷100 100÷100
Hình 2.6. Biểu đồ
thành phần hạt của cốt liệu thô
* Phụ gia hóa dẻo Sikament R4, giảm nước từ 10 ÷ 20 %, duy trì độ sụt, giảm co mềm và từ biến, thích hợp với bê tông cường độ nén từ 40 ÷ 50 MPa.
Số liệu chi tiết về các kết quả thí nghiệm vật liệu được trình bày tại Phụ lục 1.
2.4.2. Tính thành phần vật liệu bê tông xi măng tro bay
2.4.2.1. Yêu cầu thiết kế
Với các loại mặt đường cấp cao (cấp II trở lên) và đường cao tốc không nên sử dụng mặt đường BTXM thông thường có khe nối mà nên sử dụng các loại mặt
đường BTXM cốt thép hoặc lưới thép do các yêu cầu về khả năng chịu lực cao (cường độ kéo uốn ≥ 5 MPa và các yêu cầu vềđộ bền cao) [1],[11],[64].
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, lựa chọn tính toán thiết kế cho các loại mặt đường BTXM thông thường có khe nối được sử dụng cho các cấp đường ô tô từ
cấp III, IV trở xuống bởi vì đây là các loại mặt đường phổ biến và đã được thi công bằng vật liệu BTXM ở Việt Nam. Theo yêu cầu kỹ thuật thì bê tông phải có cường
tối thiểu (Rtkn) bằng 41,3 MPa.
2.4.2.2. Tính thành phần vật liệu (cho 1 m3 bê tông) Bước 1. Xác định cường độ yêu cầu (Ryc) và độ sụt (SN) a. Xác định cường độ yêu cầu (mẫu hình trụ) 8 , 4 1 , 1 + = tk n yc R R = 1,1× 41,3 + 4,8 = 50,2 (MPa).
b. Xác định độ sụt. Với bê tông làm mặt đường ô tô, lựa chọn độ sụt SN = 2,5 cm có kết hợp với sử dụng phụ gia giảm nước.
Bước 2. Lựa chọn cỡ hạt lớn nhất danh định của cốt liệu (Dmax)
Ngoài việc đảm bảo cường độ bê tông mặt đường còn phải đảm bảo độ bằng phẳng để xe chạy êm thuận vì vậy chọn cốt liệu có Dmax = 12,5 mm.
Bước 3. Lựa chọn thành phần cốt liệu thô tối ưu (Vod và Đ)
Căn cứ mô đun hạt cát và cỡ hạt Dmax cốt liệu thô, chọn Vod = 0,67 khi đó khối lượng cốt liệu thô (khô) đã lèn chặt: Đ = Vod × ρod = 0,67 × 1650 = 1106 (kg). Bước 4. Xác định lượng nước và hàm lượng khí
Căn cứ Dmax và độ sụt, tra bảng lượng nước ban đầu Nbđ = 175 lít và hàm
lượng khí Vkk = 2 %. Lượng nước cần phải được điều chỉnh lại theo độ rỗng của cát
Vr như sau: N = Nbđ + (Vr – 35) × 4,72 = 175 + (39,0 – 35) × 4,72 = 194 lít.
Bước 5. Xác định tỷ lệ nước / xi măng (N / X0)
Ứng với Dmax = 12,5 mm và Ryc= 50,2 MPa chọn N / X0 = 0,44.
Bước 6. Xác định khối lượng xi măng ban đầu trong BTXM không tro bay (X0):
0 0 /X N N X = = = 44 , 0 194 441 (kg). Khối lượng xi măng lớn hơn quy định tối đa là 400 kg [13] do đó cần phải sử
dụng tro bay để giảm xi măng mà vẫn đảm bảo đạt yêu cầu về cường độ bê tông.
Bước 7. Xác định khối lượng xi măng và tro bay trong BTXM tro bay a) Lựa chọn loại tro bay và tỷ lệ tro bay / CKD
thí nghiệm thì tỷ lệ sử dụng tới 33 % trong bê tông, do đó lựa chọn 5 loại tỷ lệ tro bay /CKD gồm 15 %, 20 %, 25 %, 30 % và 33 %.
b) Xác định hệ số hiệu quả tro bay
Hệ số k sử dụng từ kết quả thí nghiệm (kNC) và theo kiến nghị của EN206 (kEN). Bảng 2.18 –Hệ số hiệu quả tro bay cho từng loại bê tông
TT Hệ số hiệu quả tro bay (k) Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f)
15 % 20 % 25 % 30 % 33 % 1 Hệ số kNC thí nghiệm 0,7 0,63 0,55 0,48 0,43 2 Hệ số kEN theo EN206 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
c) Xác định khối lượng xi măng và tro bay trong hỗn hợp chất kết dính
Hàm lượng XFC và F được tính theo các công thức (2.24) với 2 loại bê tông: + BTXM tro bay FCk-NC (với hệ số kNC thí nghiệm).
+ BTXM tro bay FCk-EN (với hệ số kEN theo EN206).
Bảng 2.19 –Kết quả tính thành phần xi măng và tro bay bê tông TT Hàm lượng Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f)
15 % 20 % 25 % 30 % 33 % 1 Bê tông xi măng tro bay FCk-NC
Xi măng (XFC), kg 392 381 373 366 364 Tro bay (FFC), kg 69 95 124 157 179 Khối lượng CKD, kg 461 476 497 523 543 2 Bê tông xi măng tro bay FCk-EN
Xi măng (XFC), kg 412 401 389 376 368 Tro bay (FFC), kg 73 100 130 161 181 Khối lượng CKD, kg 485 501 519 538 549
Bước 8. Thành phần hỗn hợp bê tông xi măng tro bay theo hệ số k
Khối lượng cát trong bê tông khi có thành phần tro bay được tính lại theo công thức (2.25) và có kết quả trong Bảng 2.20 và Bảng 2.21.
* Điều chỉnh thành phần hỗn hợp của các mẻ trộn thử: Qua các mẻ trộn thử cho thấy, khi tỷ lệ tro bay / CKD tăng làm cho khối lượng CKD tăng nhưng bê tông vẫn
dụng tăng tính công tác cho bê tông. Tuy nhiên cường độ bê tông chưa đạt được như mong muốn. Do vậy, cần sử dụng thêm phụ gia giảm nước đểđáp ứng yêu cầu chế tạo bê tông làm mặt đường ô tô có cường độ và độ bền cao; đồng thời có tính công tác tốt (thích ứng được với nhiều loại công nghệ thi công) nhằm nâng cao chất lượng san rải, đầm nén và làm phẳng mặt đường.
Sử dụng phụ gia hóa dẻo Sikament với lượng giảm nước trung bình 11,5 %, hàm lượng sử dụng 1 lít / 100 kg xi măng cho các loại hỗn hợp bê tông. Thành phần hỗn hợp bê tông phải được tính lại sau khi sử dụng phụ gia giảm nước. Trong đó xi măng, tro bay, cốt liệu thô là không đổi, lượng nước bằng 88,5 % lượng nước ban
đầu, lượng cát cần bổ sung thêm do giảm nước: Cbổ sung = ρC.Ngiảm.
Kết quả tính thành phần hỗn hợp được thống kê theo các bảng dưới đây: Bảng 2.20 –Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay (FCk-NC)
TT Tên chỉ tiêu Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f) 15 % 20 % 25 % 30 % 33 % 1 Hệ số hiệu quả tro bay (k) 0,7 0,63 0,55 0,48 0,43 2 Khối lượng xi măng (XFC), kg 392 381 373 366 364 3 Khối lượng tro bay (FFC), kg 69 95 124 157 179 4 Tổng khối lượng chất kết dính, kg 461 476 497 523 543 5 Khối lượng cốt liệu thô (ĐFC), kg 1106 1106 1106 1106 1106 6 Khối lượng nước (NFC), kg 172 172 172 172 172 7 Khối lượng cốt liệu nhỏ (CFC), kg 711 694 672 645 624 8 Hàm lượng phụ gia hóa dẻo, lít 3,92 3,81 3,73 3,66 3,64 9 Tỷ lệ nước / chất kết dính, N/(X+F) 0,373 0,362 0,347 0,330 0,317 10 Tỷ lệ nước / xi măng 0,439 0,453 0,463 0,471 0,474
Bảng 2.21 –Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay (FCk-EN)
TT Tên chỉ tiêu Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f) 15 % 20 % 25 % 30 % 33 % 1 Hệ số hiệu quả tro bay (k) 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 2 Khối lượng xi măng (XFC), kg 412 401 389 376 368 3 Khối lượng tro bay (FFC), kg 73 100 130 161 181
(tiếp theo) Bảng 2.21 –Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay (FCk-EN)
TT Tên chỉ tiêu Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f) 15 % 20 % 25 % 30 % 33 % 4 Tổng khối lượng chất kết dính, kg 485 501 519 538 549 5 Khối lượng cốt liệu thô (ĐFC), kg 1106 1106 1106 1106 1106 6 Khối lượng nước (NFC), kg 172 172 172 172 172 7 Khối lượng cốt liệu nhỏ (CFC), kg 691 673 653 632 618 8 Hàm lượng phụ gia hóa dẻo, lít 4,12 4,01 3,89 3,76 3,68 9 Tỷ lệ nước / CKD, N/(X+F) 0,356 0,344 0,332 0,321 0,314 10 Tỷ lệ nước / xi măng 0,419 0,430 0,443 0,458 0,468
2.4.3. Chế tạo và thí nghiệm cường độ nén bê tông xi măng tro bay
2.4.3.1. Nội dung thí nghiệm
Hỗn hợp được chế tạo theo các quy định tiêu chuẩn ASTM C192 [44]. Trộn hỗn hợp theo hướng dẫn của tiêu chuẩn Châu Âu [62], quy trình trộn gồm: giai đoạn 1 trộn khô gồm cát, xi măng, tro bay trong 2’30” và giai đoạn 2 trộn ướt cho nước, phụ gia vào thùng trộn tiếp trong 3’00”. Mẫu được đầm chặt trên máy rung tựđộng cho tới khi thoát hết bọt khí và hồ xi măng nổi đều, dùng bay gạt phẳng mẫu.
Các mẫu thí nghiệm được tiến hành ở 28 ngày tuổi. Các mẫu được làm phẳng bề mặt tiếp xúc để đảm bảo mâm nén tiếp xúc với mặt mẫu trong quá trình thí nghiệm. Thí nghiệm cường độ nén của bê tông được thực hiện theo ASTM C39 [45]. Thí nghiệm mẫu hình trụ có đường kính D =150 mm và chiều cao H = 300 mm; tiến hành gia tải lực với vận tốc không đổi 0,15 ÷ 0,35 MPa/s cho tới khi mẫu phá hoại. Với mỗi loại bê tông tiến hành thí nghiệm 1 tổ gồm 6 mẫu nén.
Bảng 2.22 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm cường độ nén bê tông