4. Phương phỏp thiết kế thành phần bờ tụng CđC từ vữa ximăng lỏng
4.2. Tắnh toán thành phần bêtông ban ựầu (Phương pháp thực nghiệm LCPC)
LCPC)
Từ 15 năm nay, Baron và Lesage ựã phát triển một phương pháp thiết kế thành phần bê tông thực nghiệm. Nó dựa trên việc thiết kế ựộ công tác tiêu chuẩn, ựặc trưng bằng ựộ dẻo lý tưởng của một loại bê tông thiết kế từ yêu cầu thành phần hạt cho trước. Tắnh công tác ựược ựo bằng nhớt kế LCL, tạo ra ựộ chảy bê tông như trong ván khuôn, dưới tác dụng của rung ựộng. Các giai ựoạn của phương pháp này có thể tóm tắt như sau:
- Xác ựịnh thành phần bê tông (tỉ lệ N/X) và một thể tắch vữa ựược cố ựịnh (thành phần ựầu tiên ựược xác ựịnh bằng phương pháp thực nghiệm của Dreux hay Faury).
4.2.1. Phương pháp của FAURY
Các thành phần khác nhau của bê tông ựược mô tả ở trên, giả ựịnh việc ựổ bê tông khối lớn hoặc trong tất cả các trường hợp, ựã bỏ qua về mặt lý thuyết tất cả các hiện tượng có thể gây trở ngại cho việc ựổ bê tông trong khuôn. Vậy mà trong thực tế việc ựổ bê tông cốt thép, ựã gặp những trở ngại do sự có mặt của cốt thép, thành khuôn, mà người ta thực hiện phải tắnh ựến việc lựa chọn thành phần hạt, CAQUOT ựã ựề xuất lần ựầu tiên năm 1936 một lý thuyết chung về kết cấu hạt của bê tông ựã làm rõ sự cần thiết phối hợp bê tông theo các ựặc tắnh về thể tắch và về bề mặt khuôn, trong ựó FAURY ựã xét ựến hiện tượng này trong phương pháp cấp phối bê tông.
Cụ thể hoá hiệu ứng thành, bằng những khó khăn xảy ra ựể ựổ ựầy khuôn trong ựó bề mặt tiếp xúc với bê tông (ván khuôn, cốt thép, cốt liệu v.v..)là lớn ựối với thể tắch.
Xem xét các ựiều kiện ựổ bê tông. Hỗn hợp phải ựủ dẻo, có tắnh ựến các phương tiện ựầm chặt ựược bố trắ ở công trường, ựể ựổ ựược dễ dàng trong các khuôn của các kết cấu ựược ựổ mà không xảy ra khuyết ựiểm. để làm ựược việc này, bê tông phải ựi qua các mắt lưới cốt thép và lấp ựầy tất cả các bộ phận của ván khuôn, sao cho trong kết cấu không có chỗ nào thiếu vật liệụ Ngoài ra, hỗn hợp phải ựược ựổ khuôn hoàn toàn vào thành ván khuôn và bảo ựảm sự bao bọc tốt cốt thép. Chắc chắn sẽ có ắch ựể nhấn mạnh ở ựây vào việc là việc tắnh toán các kết cấu bê tông cốt thép, ựặc biệt, dựa trên giả thuyết rằng cốt thép dắnh bám ựầy ựủ vào vỏ bao quanh nó ựể ựi theo nó mà không có sự tách ra hoặc trượt trong các biến ựổi chiều dài và ựể các lực cắt nói chung ựược truyền chắnh xác từ cốt thép vào bê tông.
Cuối cùng, nếu ựầm chặt không tốt và bất kể sự chồng tréo và sự phức tạp của cốt thép. điều quan trọng là bê tông ựạt tới ựộ ựặc tương ứng với chất lượng do vật liệu yêu cầụ độ ựặc này phụ thuộc vào:
- Các ựiều kiện của bê tông chảy vào bên trong ván khuôn.
- Các ựiều kiện liên quan ựến ván khuôn và ựến việc ựầm chặt bê tông. để di chuyển vào tất cả các phần của khuôn có cốt thép, bê tông phải di chuyển qua các thanh thép tạo thành các mắt lưới hoặc các khẹ
Một mắt lưới hoặc một khe ựược ựặc trưng, về phương diện mà chúng ta quan tâm, bởi bán kắnh trung bình của nó r.
Nếu người ta biểu thị diện tắch của tiết diện tự do hẹp nhất của mắt lưới bằng chữ s và chu vi của nó bằng chữ p. r = p s hoặc: r = ) ( 2 a b ab +
Rõ ràng là sự cản trở bê tông ựi qua một mắt lưới biến ựổi, vả lại tất cả mọi cái bằng nhau trong cùng một hướng như
r D
, D là kắch thước lớn nhất của cốt liệu dùng. FAURY ựã cho các giá trị mà ông ta cho là có thể phù hợp với
r D
.
r D
< 1,4 ựối với cốt liệu tự nhiên
r D
Tuy nhiên hiện nay với những phương tiện ựầm chặt mạnh , các giá trị mà FAURY ựề nghị có thể ựược cải biến và ựối với bê tông có thành phần hạt liên tục và có ựộ dẻo ựủ, ựể ựạt ựược:
r D
< 2
Khi xác ựịnh thành phần bê tông theo phương pháp FAURY, thắ nghiệm ựầu tiên phải làm là phân tắch thành phần hạt của các thành phần cấu tạọ Phân tắch này cho phép ựạt ựược cỡ D của hạt lớn nhất.
đối với một bê tông có ựộ sụt ựã cho, với các vật liệu ựã cho, có thể xác ựịnh một thể tắch cực ựại các chất rắn tương ứng với thể tắch rỗng nhỏ nhất.
CAQUOT ựã ựề nghị một lý thuyết ựược kiểm tra bằng thực nghiệm bởi FAURY và nó cho phép tắnh toán ựộ rỗng cực tiểu tương ứng với thể tắch tổng cộng của nước tự do cần thiết cho việc ựổ bê tông và không khắ ựược chứa trong bê tông.
Chỉ số ựộ rỗng I, tương ứng với thể tắch biểu kiến, bằng với tỉ số thể tắch lỗ rỗng của bê tông tươi lúc bê tông bắt ựầu cứng lại, ựược cho bởi công thức sau ựây:
I = 5
DK K
trong ựó: I- một giá trị lý thuyết cực tiểụ K là một hệ số bằng số ựược xác ựịnh bằng thực nghiệm và nó phụ thuộc vào ựộ sệt của bê tông vào cường ựộ ựầm chặt và bản chất của cốt liệu; D là kắch cỡ lớn nhất của cốt liệụ
Chỉ số ựộ rỗng như ựược tắnh toán từ phương trình, chỉ có giá trị ựối với bê tông ựổ thành khối không xác ựịnh, ắt hoặc không có cốt thép. đối với bê tông cốt thép cần tắnh ựộ tăng lỗ rỗng do hiệu ứng của thành vách. Phù hợp với lý thuyết của CAQUOT, FAURY ựã xác ựịnh bằng thực nghiệm rằng ựộ rỗng phụ ựó biến ựổi như sau:
75. . 0 ' ' − = D R K I
trong ựó: KỖ là một hệ số bằng số, mà giá trị của nó bằng 0.004 ựối với bê tông mềm, ựược ựầm bằng cách ựổ ựơn giản và bằng 0.002 ựối với bê tông khô, ựược ựầm mạnh. Người ta có thể lấy KỖ = 0.003 cho bê tông thông thường.
Cuối cùng, chỉ số tổng cộng về ựộ rỗng I có thể tắnh theo công thức: I = 75 . 0 ' 5 +R D− K D K
Giá trị của I tìm ựược như vậy là giá trị lý thuyết cực ựiểm trong thực tế phải ựược lấy số tròn tăng lên.
Phương pháp các chỉ tiêu theo trọng lượng
FAURY ựã ựề xuất một phương pháp ựược gọi là các chỉ tiêu trọng lượng, nó cho phép xác ựịnh bằng tắnh toán các phần trăm của các cốt liệu khác nhau trước khi phối hợp bê tông.
đối với mỗi cỡ hạt bị tác ựộng bởi một chỉ số trọng lượng, nó thắch hợp với cỡ hạt ựó. (xem bảng 3.6.).
Bảng 3.6. Các chỉ số trọng lượng của các cỡ hạt khác nhau
Cỡ hạt Chỉ số trọng lượng Xi măng và bột mịn < 0.1 1 Cát mịn 0,1/0,4 0.79 Cát trung bình 0.4/1.6 0.69 Cát to 1.6/6.3 0.39 Sỏi nhỏ 6.3/12.5 0.24 Sỏi to 12.5/25 0.16 Cuội 25/50 0.10 Cuội to, ựá to 50/100 0.04
Chỉ số trọng lượng của một hỗn hợp bằng tổng số của các tắch số của tỉ lệ thể tắch tuyệt ựối của các hạt của mỗi cỡ với chỉ số trọng lượng tương ứng.
Vậy chúng ta phải giải hệ thống phương trình: C + S + G = 1
ic C + isS + igG (i0 /D/2a) + (iD/2/Db)=I
C, S và G là các tỉ lệ xi măng, cát và sỏi theo thể tắch tuyệt ựối so với thể tắch ựơn vị của chất rắn.
ig, is và ic là các chỉ số trọng lượng của sỏi, của cát và của xi măng.
i0 /D/2 và iD/2 /D một mặt là các chỉ số trọng lượng của các hạt mịn và trung bình và mặt khác của các hạt lớn; một mặt a và b là tỉ lệ của các hạt mịn và trung bình và mặt khác của các hạt lớn ựược xác ựịnh vị trắ trên ựường cong tham chiếu (vậy a + b = 1).
2.3.4. Phương pháp của DREUX - GORISSE
Phương pháp này, ựược ựề xuất bởi các ông DREUX và GORISSE của C.ẸB.T.P. Phương pháp này nhắc lại các khái niệm ựã ựược nêu lên trong khuôn khổ của các
phương pháp khác về xác ựịnh thành phần ựể tổng hợp chúng và cuối cùng ựề xuất cách xác ựịnh ựơn giản và nhanh hỗn hợp.
Cần xác ựịnh rõ các yếu tố sau:
- Tắnh chất của công trình: công trình khối lớn hay công trình cao và mỏng,
cốt thép ắt hoặc nhiềụ.. Cần phải biết chiều dầy tối thiểu của kết cấu, việc ựặt cốt thép ở vùng cốt thép dầy nhất, khoảng cách tối thiểu giữa cốt thép và lớp phủ ứng với ván khuôn.
- Cường ựộ mong muốn:
Nói chung người ta ựòi hỏi cường ựộ danh nghĩa σỖn chịu nén ở tuổi 28 ngày, và có kể ựến sự phân tán và sai số quan phương S, phải thử ựể ựạt ựược cường ựộ yêu cầu ở tuổi 28 ngày, σỖ28, như sau:
σỖ28 = σỖn + 0.8S
Nếu chấp nhận sai số quân phương trung bình khoảng 20% của giá trị trung bình, người ta có thể chấp nhận qui ựịnh gần ựúng như sau:
σỖ28 = σỖn + 0,15.σỖn
- Tắnh dễ ựổ mong muốn
Nó làm hàm số của tắnh chất công trình, mức ựộ khó khăn trong thi công, phương tiện ựầm chặt... Nói chung nó có thể ựược ựịnh nghĩa bằng ựộ dẻo mong muốn, ựược ựo bằng ựộ sụt của côn ABRAMS.
- Kắch cỡ lớn nhất chấp nhận ựược của cốt liệu
đánh giá gần ựúng tỉ số X/N theo cường ựộ trung bình mong muốn σỖ28. σỖ28 = GσỖc − 5 . 0 N X trong ựó:
σỖ28 = cường ựộ nén trung bình mong muốn ở tuổi 28 ngày, biểu thị bằng Pa σỖc = mác thực của xi măng ở tuổi 28 ngày, biểu thị bằng Pạ
χ = liều lượng xi măng, biểu thị bằng kg/m3.
N = liều lượng nước tổng cộng cho vật liệu khô, ựược biểu thị bằng l/m3. G = hệ số về cốt liệu ựược cho trong bảng 3.7. dưới ựây
Bảng 3.7. Các giá trị gần ựúng của G Hệ số cốt liệu G Chất lượng của cốt liệu
D≤mịn 16mm 25 ≤ D vừa ≤ 40 D ≥ to 63
Tốt Ờ thông thường 0.45 0.50 0.55
Thường 0.35 0.40 0.45
Các giá trị của G giả ựịnh rằng việc ựầm chặt bê tông ựược thực hiện tốt, về nguyên tắc bê tông ựược chấn ựộng.
- Liều lượng cực tiểu
Tiêu chuẩn N.F.D 18-305 (bê tông trộn sẵn) quy ựịnh: χ (kg/m3) ≥ 5 250 D B +
đối với bê tông ở trong nước ăn mòn hoặc nước biển, thông tư số 23 của Bộ thiết bị khuyến cáo rằng:
χ (kg/m3) ≥ 5 700 D Khi ựó biết tỷ lệ N X
, không ựủ ựể ấn ựịnh tuỳ tiện liều lượng nước. Thật vậy, khi chọn chẳng hạn một liều lượng xi măng ắt, người ta sẽ tìm ựược lượng nước ắt; có nguy cơ là khi ựó ựược bê tông quá khô và ngược lạị Vậy liều lượng xi măng là hàm số của
NX X
, nhưng cũng là hàm số của liều lượng nước N cần thiết ựể ựạt ựược tắnh dễ ựổ tốt. DREUX và GORISSE ựã ựề nghị một ựổ biểu cho phép ựánh giá gần ựúng χ theo tỉ lệ
EX X
và ựộ dễ ựổ mong muốn, mà theo phương pháp này nó phải ựược coi là dữ kiện của bài toán.
Liều lượng nước
Sau khi ựã chọn liều lượng xi măng X, khi ựó người ta rút ra ựược liều lượng gần ựúng của nước tổng cộng ựể dự kiến. Liều lượng này là tạm thời, và dĩ nhiên nên hiệu chỉnh về sau bằng một vài thắ nghiệm về ựộ dẻo, tắnh dễ ựổ và lượng nước có trong cát và ựá.
- đá: Phải có chất lượng tốt về mặt khoáng vật, ựủ cứng và thật sạch, nhưng hình dạng của ựường cong thành phần hạt, ắt nhiều lõm xuống, có ảnh hưởng không lớn bằng ảnh hưởng của cát.
độ sạch của cát ựược kiểm tra bằng phép thử ựương lượng cát
Tắnh modun ựộ nhỏ của nó bằng: tổng các lượng sót % ựược chuyển sang ựơn vị (số thập phân) trên các sàng có modun bằng 23, 26, 29, 32, 35, 38. Mong muốn là modun ựộ nhỏ có giá trị nằm trong khoảng 2,2 - 2,8 (tham khảo TCVN tương tự).
đường cong thành phần hạt sẽ ựược so sánh với phạm vi tối ưu ựược tắnh bằng các tiêu chuẩn và trong trường hợp cần thiết người ta ựiều chỉnh bằng cách thêm một loại cát mịn hoặc một chất tăng dẻo cuốn khắ, nếu như cát dự kiến là rất thô.
Liều lượng cốt liệu ựược xác ựịnh theo phương pháp ựồ biểu (1)
4.2.2. Tối ưu hoá khung xương.
- Từ các tham số ựược giữ không ựổi, tối ưu hoá khung cốt liệu tìm kiếm tỉ lệ C/đ cho một ựộ công tác tốt nhất. Khi một loại cốt liệu trung gian tồn tại, tỉ lệ của nó so với khối lượng của ựá là cố ựịnh tắnh ựến các tiêu chuẩn kinh tể Ờ giá so với các loại khác, tiêu thụ ắt xi măng hơn các cốt liệu liên tục Ờựộ ựồng ựều Ờ có ắt hạt trung gian, và sự tối ưu của tắnh công tác.
- Với sự phân bố kắch thước hạt cố ựịnh, tiến hành thiết kế nhiều loại bê tông có hàm lượng xi măng tăng dần, khi thêm lượng nước ựể nhận ựược tắnh công tác tiêu chuẩn trong phòng thắ nghiệm.
- Căn cứ vào kết quả thắ nghiệm cơ học trên bê tông ựông cứng (thường ở 28 ngày), bê tông tối ưu ựược xác ựịnh bằng cách nội suy tuyến tắnh giữa các tham số thành phần.(các kết quả trên các mẫu thử)
Kết quả của phương pháp là xác ựịnh ựược tỉ lệ tối ưu C/đ. Thực tế, tỉ lệ tối ưu này không dẫn ựến một cách chắnh xác tối ưu về cường ựộ, nghĩa là bê tông có hàm lượng xi măng nhỏ nhất cho một ựộ công tác tốt và một cường ựộ nén cho trước. Hơi khác với ựịnh luật Feret, cấp phối có một ảnh hưởng nhỏ ựến cường ựộ của bê tông (một tỉ lệ các cốt liệu lớn cao hơn dẫn ựến sự tăng nhẹ của cường ựộ).
- đồng nhất (sự phân tầng là nhỏ nhất, vì chỉ cần các thành phần mịn ựể lấp ựầy kẽ hở các hạt cốt liệu lớn);
- đồng ựều (những dao ựộng về tỉ lệ khung xương chỉ có ảnh hưởng ắt ựến ựộ công tác của bê tông, mà trong ựó có những thay ựổi nhỏ bên cạnh giá trị tối ưu).
Phương pháp Baron Ờ Lesage, so sánh với các phương pháp thực nghiệm dựa trên việc thiết kế ựường cong cấp phối tiêu chuẩn, ựòi hỏi các thao tác tương ựối nhiều (nhào trộn ựến 30 lần khi có 4 nhóm cốt liệu). Tuy nhiên việc sử dụng ựược kiểm tra cho các công trường lớn và có yêu cầu cao (thể tắch bê tông ựổ tại chỗ lớn) hay khi ựòi hỏi một loại bê tông chất lượng caọ đó chắnh là các công trình ứng dụng của bê tông CđC.