7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
3.1. Vật liệu và kế hoạch thí nghiệm
Vật liệu được sử dụng để chế tạo BTXM tro bay gồm xi măng, tro bay, cát,
đá dăm và nước cùng loại với vật liệu đã được thí nghiệm trong Chương 2. Quá trình chế tạo và bảo dưỡng mẫu bê tông tuân thủ theo quy định của ASTM C192 [44] như đã trình bày trong Mục 2.4.3. Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm được tổng hợp theo bảng Bảng 3.1.
Bảng 3.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm
TT Tên chỉ tiêu Số lượng mẫu
1 Ký hiệu loại bê tông PC FC15 FC20 FC25 FC30 2 Tỷ lệ tro bay / chất kết dính 0 % 15 % 20 % 25 % 30 % 3 Độ sụt (TCVN 3016:1993 [16]) 45 mẫu + Độ sụt (0 phút) 3 3 3 3 3 + Độ sụt (sau 45 phút) 3 3 3 3 3 + Độ sụt (sau 60 phút) 3 3 3 3 3 4 Thời gian đông kết (TCVN 6017:1995 [21]) 30 mẫu + Thời gian bắt đầu đông kết 3 3 3 3 3 + Thời gian kết thúc đông kết 3 3 3 3 3 5 Nhiệt độ tỏa ra trong bê tông 6 mẫu
3 - - - 3 6 Cường độ nén (ASTM C39 [45]) 120 mẫu
(tiếp theo) Bảng 3.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm
TT Tên chỉ tiêu Số lượng mẫu
+ Cường độ nén ở 14 ngày 6 6 6 6 6
+ Cường độ nén ở 28 ngày 6 6 6 6 6
+ Cường độ nén ở 56 ngày 6 6 6 6 6
7 Mô đun đàn hồi (ASTM C469 [39]) 30 mẫu
6 6 6 6 6 8 Cường độ kéo uốn (ASTM C78 [41]) 30 mẫu
6 6 6 6 6 9 Độ mài mòn (TCVN 3114:1993 [18]) 30 mẫu 6 6 6 6 6 10 Độ thấm nước (TCVN 3116:1993 [19]) 30 mẫu 6 6 6 6 6 Chi tiết các kết quả thí nghiệm một số tính năng của BTXM tro bay (FC) và bê tông xi măng không tro bay (PC) để đối chứng được trình bày tại Phụ lục 4. Sau đây là nội dung tóm tắt về phương pháp và tổng hợp kết quả thí nghiệm.
3.2. Thí nghiệm tính công tác hỗn hợp BTXM tro bay
3.2.1. Thí nghiệm độ sụt
* Phương pháp thí nghiệm:
Độ sụt của hỗn hợp bê tông tươi được thực hiện theo TCVN 3016:1993 [16] và tham khảo ASTM C143 [40]. Thiết bị khuôn hình nón tiêu chuẩn cao 300 mm, đường kính đáy 200 mm, đường kính miệng trên 100 mm. Thời gian xác định khi bê tông ổn định, đo sự sụt giảm theo chiều cao và đo kiểm tra thêm độ sụt duy trì sau 45 và 60 phút.
* Kết quả thí nghiệm độ sụt của bê tông được trình bày trong Bảng 3.2 như sau: Bảng 3.2 – Kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông
TT Độ sụt BTXM tro bay (FC) Bê tông
PC FC15 FC20 FC25 FC30
1 Độ sụt SN (0 phút), mm 47,0 53,5 59,0 64,5 42,4
(tiếp theo) Bảng 3.2 – Kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông
TT Độ sụt BTXM tro bay (FC) Bê tông
PC FC15 FC20 FC25 FC30 3 Độ sụt (sau 60 phút), mm 24,3 33,9 42,5 50,1 16,4 4 Tổn thất độ sụt sau 45 phút, mm 15,5 12,1 10,7 9,6 19,2 5 Tổn thất độ sụt sau 60 phút, mm 22,7 19,6 16,5 14,4 26,0 6 Tỷ số SNFC / SNPC 1,1 1,3 1,4 1,5 1,0
* Phân tích thống kê (ANOVA) về số liệu thí nghiệm:
Phân tích thống kê nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay / CKD (biến số f) đến kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông (SN) tại các thời điểm thí nghiệm khác nhau. Kết quả thu được như sau:
Bảng 3.3 – Kết quả phân tích thống kê ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay/ CKD đến độ sụt
TT Thông số Độ sụt
SN0 SN45 SN60
1 Hệ số R2
điều chỉnh 0,875 0,919 0,894
2 Giá trị Pvalue 0,013 0,006 0,010
3 Phương trình hồi quy SN0 = 0,74 f + 40,04
SN45 = 1,07 f + 20,58
SN60 = 1,13 f + 13,12 Kết quả cho thấy, các giá trị Pvalue đều nhỏ hơn 0,05 cho thấy biến số f có ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm độ sụt SN ở cả 3 thời điểm (0; 45 và 60 phút). Hệ số tương quan điều chỉnh (bình phương) R2điều chỉnh có giá trị lớn hơn 0,8 vì vậy giữa độ sụt (SN) và tỷ lệ (f) có mối tương quan chặt chẽ.
* Phân tích kết quả thí nghiệm theo Hình 3.1 như sau:
+ Độ sụt bê tông tăng theo tỷ lệ tro bay / CKD. So với bê tông PC, độ sụt bê tông FC tăng từ 1,1 ÷ 1,5 lần.
+ Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD từ 0 ÷ 15 %, tốc độ tổn thất độ sụt xảy ra nhanh ở 45 phút đầu. Bê tông FC có 20 ÷ 30 % tro bay, độ sụt duy trì ổn định và độ tổn thất độ sụt giảm dần theo thời gian.
Như vậy, tro bay đã cải thiện và duy trì ổn định độ sụt bê tông tốt hơn so với bê tông đối chứng (PC), điều này có được là do tro bay có hạt hình tròn, mịn hơn xi măng và hàm lượng cacbon thấp.
3.2.2. Thí nghiệm thời gian đông kết
* Phương pháp thí nghiệm:
Phương pháp xác định thời gian đông kết chất kết dính gồm xi măng và tro bay được xác định theo TCVN 6017:1995 [21]. Thời gian đông kết được xác định bằng cách quan sát độ lún sâu của dụng cụ Vicat (kim có chiều dài 50 mm, đường kính 13 mm) vào trong hồ xi măng có độ dẻo tiêu chuẩn cho đến khi đạt được đến giá trị quy định. Thời gian bắt đầu đông kết được xác định là thời gian đo từ điểm “không” khi khoảng cách giữa kim và đế đạt 4 mm và lấy đó là thời gian bắt đầu đông kết. Thời gian kết thúc đông kết từ điểm “không” vào lúc kim chỉ lún 0,5 mm vào mẫu.
Với mỗi loại hỗn hợp chất kết dính, tiến hành thí nghiệm với 3 mẫu thử để
xác định thời gian bắt đầu đông kết và 3 mẫu thử để xác định thời gian kết thúc
đông kết. Kết quả được lấy theo giá trị trung bình của 3 mẫu thử. * Kết quả thí nghiệm:
Kết quả thí nghiệm 4 loại hỗn hợp chất kết dính và so sánh với mẫu chất kết dính chỉ có xi măng được trình bày trong trong Bảng 3.4.
Bảng 3.4 – Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết
TT Thời gian đông kết Xi măng và tro bay Xi măng FC15 FC20 FC25 FC30
1 Bắt đầu tBĐ, phút 137 145 154 162 125
(tiếp theo) Bảng 3.4 – Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết
TT Thời gian đông kết Xi măng và tro bay Xi măng FC15 FC20 FC25 FC30
3 Thời gian bắt đầu – kết thúc, phút 28 30 33 35 21 4 Hiệu số tFC – tPC (bắt đầu), phút 12 20 29 37 0 5 Hiệu số tFC – tPC (kết thúc), phút 19 29 41 51 0 * Phân tích thống kê (ANOVA) về số liệu thí nghiệm:
Phân tích thống kê nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay / CKD (biến số f) đến kết quả thí nghiệm thời gian bắt đầu (tBĐ) và thời gian kết thúc đông kết (tBĐ). Kết quả thu được như sau:
Bảng 3.5 – Kết quả phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ (f) đến thời gian đông kết
TT Thông số Thời gian đông kết (t)
Bắt đầu Kết thúc
1 Hệ số R2điều chỉnh 0,875 0,919
2 Giá trị Pvalue 0,013 0,006
3 Phương trình hồi quy tBĐ = 0,735.f + 40,042 tKT = 1,071.f + 20,583 Kết quả cho thấy, các giá trị Pvalue đều nhỏ hơn 0,05 cho thấy biến số f có
ảnh hưởng đến thời gian bắt đầu (tBĐ) và kết thúc đông kết (tBĐ). Hệ số tương quan
điều chỉnh bình phương R2điều chỉnh có giá trị > 0,8 vì vậy giữa thời gian đông kết (t)
và tỷ lệ (f) có mối tương quan chặt chẽ. * Phân tích kết quả thí nghiệm (Hình 3.2):
- Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết đều tăng theo tỷ lệ tro bay / CKD. So với chất kết dính chỉ có xi măng thì hỗn hợp chất kết dính xi măng tro bay có thời gian bắt đầu đông kết chậm hơn 12 ÷ 37 phút và kết thúc đông kết chậm hơn 19 ÷ 51 phút.
- Theo tỷ lệ tro bay / CKD (0 ÷ 30 %), khoảng thời gian bắt đầu - kết thúc tăng lên và có giá trị từ 21 ÷ 35 phút.
Hình 3.2. Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết
Như vậy, tro bay có tác dụng làm chậm thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết của hỗn hợp chất kết dính do tốc độ phản ứng puzơlan chậm hơn so với tốc độ phản ứng thủy hóa xi măng.
3.3. Thí nghiệm đo nhiệt độ thủy hóa tỏa ra trong bê tông
Nhiệt tỏa ra trong bê tông có thể đo trực tiếp bằng thiết bị xác định nhiệt độ đoạn nhiệt khi coi khối bê tông bị cô lập hoàn toàn, sự tăng nhiệt độ của khối bê tông do nhiệt sinh ra từ quá trình thủy hóa xi măng. Theo nghiên cứu của Vũ Hải Nam [24], nhiệt độ tăng thêm trong bê tông có quan hệ tuyến tính với tỷ lệ tro bay / CKD. Khi tỷ lệ này càng lớn thì nhiệt độ đoạn nhiệt càng giảm. Vì vậy chỉ tiến hành thí nghiệm với 2 loại mẫu bê tông là PC và FC30.
Hình 3.3. Sơ đồ bố trí đầu đo nhiệt trong mẫu bê tông
* Phương pháp thí nghiệm:
Mẫu thí nghiệm được chế tạo từ thành phần hỗn hợp bê tông cho 2 loại bê tông là PC và FC30; mẫu đúc trong khuôn có kích thước 250 × 250 × 400 mm, các
đầu đo nhiệt được bố trí trong khuôn bao gồm nhiệt độ tâm (T3); nhiệt độ vách (T4, T5); nhiệt độ tại vị trí cách đều các cạnh bên 100 mm (T1, T2); nhiệt độ trong bể (Tbể) và nhiệt độ môi trường (Tmt) như trên Hình 3.3.
- Lắp các sensor đo nhiệt độ tại các vị trí bên trong mẫu thử và được đặt ngay vào thùng xốp (môi trường kín), tránh việc thay đổi nhiệt độ quá lớn của môi trường khi tiến hành thí nghiệm. Thiết bị đo gồm 2 phần: các đầu đo được bố trí trong mẫu thí nghiệm và bộ phận hiển thị nhiệt độ được đặt trong phòng thí nghiệm (Hình 3.4).
Hình 3.4. Ảnh thí nghiệm đo nhiệt trong khối bê tông
* Kết quả thí nghiệm đo nhiệt trong các khối bê tông
- Kết quả đo nhiệt độ từ 5 đầu đo sensor trong các mẫu bê tông như sau:
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Thời gian (giờ) Nh i ệ t độ ( 0 C) T1 T2 T3 T4 T5 T bể T mt
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Thời gian (giờ) Nh i ệ t độ ( 0 C) T1 T2 T3 T4 T5 T bể T mt
Hình 3.6. Nhiệt trong khối bê tông FC30 tại các đầu đo - Sự phát triển nhiệt độ tại tâm mẫu bê tông PC và FC30 theo biểu đồ sau:
Hình 3.7. Sự phát triển nhiệt độ tại tâm mẫu bê tông
- Kết quả đo nhiệt độ lớn nhất tại tâm các mẫu được tổng hợp trong bảng sau: Bảng 3.6 – Kết quả đo nhiệt độ lớn nhất tại tâm các mẫu bê tông
TT Loại bê tông PC FC30
1 Nhiệt độ môi trường (oC) 20,1 20,2
2 Nhiệt độ hỗn hợp bê tông sau trộn 30 phút (oC) 22,9 22,3 3 Nhiệt độ cao nhất khối đổ (oC) 64,8 53,4 4 Nhiệt độ đoạn nhiệt, ∆T (oC) 41,9 31,1 5 Thời gian đạt nhiệt độ cao nhất sau khi trộn (giờ) 40 48
Kết quả thí nghiệm cho thấy, nhiệt độ lớn nhất của bê tông PC là 64,8 0C ở 40 giờ; của bê tông FC30 là 53,4 0C ở 48 giờ. Như vậy khi sử dụng tro bay với tỷ lệ bằng 30 % thì nhiệt độ tỏa ra trong bê tông đã giảm được 11,4 0C (17,6 %) và thời gian đạt tới nhiệt độ lớn nhất được kéo dài thêm 8 giờ. Trung bình với mỗi lượng tro bay tăng thêm 5 % thì nhiệt độ tỏa ra giảm được 2,9 0C.
Theo kết quả tính lý thuyết nhiệt độ thủy hóa trong bê tông có quan hệ tuyến tính với tỷ lệ tro bay / CKD, từ đó xác định cho các loại bê tông còn lại (FC15, FC20 và FC25) như sau:
Bảng 3.7 – Kết quả thí nghiệm nhiệt độ tỏa ra trong bê tông
Loại bê tông BTXM tro bay (FC) Bê tông PC FC15 FC20 FC25 FC30
Nhiệt thủy hóa bê tông, ∆T (oC) 39,2 36,5 33,8 31,1 41,9 Kết quả thí nghiệm cho thấy, tỷ lệ tro bay / CKD càng tăng thì nhiệt thủy hóa càng giảm. Trong các tiêu chuẩn về thiết kế [12] và thi công [13] mặt đường BTXM không đưa ra các quy định trực tiếp về nhiệt thủy hóa trong bê tông. Trong khi đó, đây là một trong những nguyên nhân chính sinh ra ứng suất nhiệt trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm. Vấn đề này sẽ được trình bày trong Mục 4.3 của Chương 4.
3.4. Thí nghiệm sự phát triển cường độ nén bê tông
Để xem xét sự phát triển của cường độ nén BTXM tro bay, tiến hành thí
nghiệm ở bốn tuổi mẫu là 7; 14; 28 và 56 ngày. Phương pháp thí nghiệm cường độ nén của bê tông được thực hiện theo ASTM C39 [45] như đã trình bày ở Mục 2.4.3. Với mỗi loại bê tông ở tuổi nhất định, tiến hành thí nghiệm một tổ gồm 6 mẫu thử hình trụ (đường kính 150 mm, chiều cao 300 mm), cường độ nén được xác định là giá trị đặc trưng của các mẫu thử.
Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông được trình bày từ bảng Bảng 3.8 đến Bảng 3.11 và từ Hình 3.8 đến Hình 3.11.
Bảng 3.8 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 7 ngày
TT Cường độ nén ở 7 ngày BTXM tro bay BT đối chứng PC FC15 FC20 FC25 FC30
1 Kết quả thí nghiệm, MPa
36,61 37,07 40,07 38,78 42,82 39,84 38,11 35,46 35,47 41,83 37,58 39,20 37,74 33,20 41,34 37,40 40,09 36,55 34,16 38,99 40,18 37,17 39,23 37,98 41,43 36,39 35,02 34,02 36,65 44,06 2 Giá trị trung bình Rtb, MPa 38,00 37,77 37,18 36,04 41,75
3 Độ lệch chuẩn σ, MPa 4,07 5,48 6,64 6,32 4,96
4 Giá trị đặc trưng, MPa 35,46 34,38 33,13 32,30 38,35
5 Tỷ số cường độ nén đặc trưng của
bê tông FC so với bê tông PC (%) 92,5 89,7 86,4 84,2 100,0
Hình 3.8. Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 7 ngày * Phân tích kết quả thí nghiệm:
Ở 7 ngày, sự chênh lệch về cường độ giữa các loại BTXM tro bay là không lớn, đường đồ thị cường độ trung bình có dạng lõm. So với bê tông PC, cường độ nén bê tông FC bằng 84,2 ÷ 92,5 %. Nguyên nhân do ở tuổi 7 ngày, các phản ứng puzơlan diễn ra chậm nên chưa có nhiều hiệu quả về mặt cường độ. Trong khi đó hàm lượng xi măng giảm khi tỷ lệ f tăng đã ảnh hưởng đến cường độ bê tông.
3.4.2. Cường độ nén ở 14 ngày
Bảng 3.9 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 14 ngày
TT Cường độ nén ở 14 ngày BTXM tro bay BT đối chứng PC FC15 FC20 FC25 FC30
1 Kết quả thí nghiệm, MPa
41,57 45,48 43,94 41,10 46,32 43,91 45,14 41,70 43,69 46,34 42,20 40,08 40,61 40,21 43,96 44,47 41,59 39,96 38,85 45,09 45,22 42,18 41,50 46.38 43,53 46,14 46,30 - 40,51 43,65 2 Giá trị trung bình Rtb, MPa 43,92 43,46 41,54 41,08 44,82
3 Độ lệch chuẩn σ, MPa 1,87 2,54 1,78 1,97 1,15
4 Giá trị đặc trưng, MPa 40,86 39,30 38,62 37,84 42,93
5 Tỷ số cường độ nén đặc trưng của
bê tông FC so với bê tông PC (%) 95,2 91,5 89,9 88,1 100,0
Hình 3.9. Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 14 ngày * Phân tích kết quả thí nghiệm:
Ở 14 ngày, cường độ BTXM tro bay có giá trị 37,84 ÷ 40,86 MPa và bằng 88,1 ÷ 95,2 % cường độ bê tông PC (42,93 MPa). Ở tuổi này, cường độ nén BTXM tro bay đã tiến gần đến cường độ nén bê tông PC hơn so với ở 7 ngày. Điều này được giải thích do các phản ứng puzơlan bắt đầu phát huy tác dụng về mặt cường độ
tuy nhiên vẫn chưa đủ để bù đắp lượng xi măng giảm đi. Đđường đồ thị cường độ trung bình có dạng tuyến tính (Hình 3.9).
3.4.3. Cường độ nén ở 28 ngày
Bảng 3.10 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 28 ngày
TT Cường độ nén ở 28 ngày BTXM tro bay BT đối chứng PC FC15 FC20 FC25 FC30
1 Kết quả thí nghiệm, MPa
51,31 53,23 48,98 45,99 50,90 48,61 51,27 51,97 49,74 49,88 53,23 48,34 49,45 50,09 47,68 47,82 50,69 47,39 47,39 50,12 50,24 47,46 48,59 47,54 49,83 49,90 47,72 46,43 45,09 52,08 2 Giá trị trung bình Rtb, MPa 50,19 49,79 48,80 47,64 50,08
3 Độ lệch chuẩn σ, MPa 2,21 2,35 2,26 2,04 1,80
4 Giá trị đặc trưng, MPa 46,57 45,92 45,09 44,29 47,14 5 Tỷ số cường độ nén đặc trưng của
bê tông FC so với bê tông PC (%) 98,8 97,4 95,7 94,0 100,0