2.2.2.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế cấp phối
Theo tiêu chuẩn ACI 211.4R-08[9], thiết kế cấp phối bê tông cường độ cao sử dụng tro bay (không sử dụng muội silic) được thực hiện theo 11 bước như sau
Bước 1 Chọn cường độ yêu cầu và độ sụt yêu cầu Bước 2 Chọn cỡ hạt cốt liệu lớn nhất
Bước 3 Chọn khối lượng cốt liệu thô tối ưu
Bước 4 Ước lượng hàm lượng nước và độ rỗng khí Bước 5 Chọn tỉ lệ w/cm (nước/chất kết dính) Bước 6 Tính lượng xi măng và chất kết dính khác
Bước 7 Tính cấp phối chỉ dùng xi măng Bước 8 Tính cấp phối có dùng tro bay
Bước 9 Tiến hành chế tạo mẫu thử trong phòng thí nghiệm Bước 10 Điều chỉnh cấp phối
Bước 11 Chọn cấp phối tối ưu
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10306 2014[5] có hướng dẫn thực hiện tính toán cấp phối bê tông cường độ cao tương tự ACI 211.4R[9].
Một phương pháp thiết kế cấp phối khác do DOE (Department of Enviroment, United Kingdom) công bố năm 1988 có thể sử dụng để thiết kế cấp phối bê tông có cường độ đến 90MPa với 6 bước [41] như sau
Bước 1 Chọn cường độ yêu cầu thiết kế
Bước 2 Chọn cường độ yêu cầu ứng với tỷ số w/c 0.5 theo bảng, sau đó tra
biểu đồ xác định tỷ số w/c theo cường độ yêu cầu thiết kế.
Bước 3 Xác định lượng nước yêu cầu theo độ sụt và cỡ hạt cốt liệu thô bằng
cách tra bảng. Nếu có dùng tro bay thì giảm lượng nước.
Bước 4 Tính lượng xi măng cần dùng
Bước 5 Xác định tổng lượng cốt liệu bằng cách tra biểu đồ
Bước 6 Xác định lượng cốt liệu mịn/tổng lượng cốt liệu bằng cách tra biểu đồ.
Suy ra lượng cốt liệu thô.
Một nghiên cứu so sánh giữa phương pháp thiết kế cấp phối theo DOE và phương pháp thiết kế cấp phối theo ACI do Anand B. Zanwar (2016) thực hiện sử dụng vật liệu địa phương của Ấn Độ [41] đã kết luận thiết kế cấp phối theo phương pháp ACI sẽ cho cường độ bê tông cao hơn khoảng 10% so với thiết kế theo phương pháp DOE.
Trong thiết kế cấp phối đối với bê tông cường độ cao, việc chọn tỷ lệ nước/chất kết dính mang ý nghĩa quyết định, khó khăn đối với công tác thiết kế là sự ảnh hưởng của phụ gia giảm nước chỉ có thể ước tính bằng kinh nghiệm.
Trong nội dung thực hiện của mình, nghiên cứu sinh sử dụng phương pháp thiết kế theo hướng dẫn của ACI để tính toán cấp phối sơ bộ, sau đó thực hiện chế tạo mẫu thử trong phòng, kiểm tra nhanh độ sụt của hỗn hợp để xem xét điều chỉnh lại lượng nước và lượng phụ gia sử dụng, đúc mẫu thử nghiệm cường độ nén sau 28 ngày để đánh giá hiệu chỉnh cấp phối.
2.2.2.2 Thiết kế cấp phối bê tông C60 sử dụng vật liệu khu vực Đông Nam Bộ
+Yêu cầu hỗn hợp Cường độ chịu nén 28 ngày mẫu trụ từ 60MPa trở lên.
Hàm lượng muội silic 0% Độ sụt yêu cầu 160mm
+ Đặc tính vật liệu
Xi măng (kí hiệu X)
Sử dụng xi măng Hà Tiên. Khối lượng riêng ρx=3.1 (g/cm3)
Cốt liệu lớn (kí hiệu Đ)
Sử dụng đá dăm Bà Rịa.
Khối lượng riêng ρđ=2,68 (g/cm3)
Khối lượng thể tích lèn chặt ρđc=1647 (kg/m3)
Cốt liệu mịn (kí hiệu C)
Sử dụng 60% cát sông với 40% cát nghiền. Khối lượng riêng ρc=2,61 (g/cm3)
Khối lượng thể tích lèn chặt 1592 (kg/m3) Độ rỗng cát rc=38.96% (kg/m3)
Nước (kí hiệu N)
Phụ gia
Sử dụng phụ gia giảm nước thế hệ mới ACE 8533 của BASF.
+ Các bước thiết kế theo ACI211.4R-08 [9]
Bước 1 Chọn độ sụt và cường độ bê tông yêu cầu
Độ sụt Khi sử dụng phụ gia giảm nước cao (HRWR), thiết kế bê tông sử dụng độ sụt trong bảng 2-7 [9]. Chọn độ sụt khi chưa có phụ gia là 50mm.
Bảng 2-7 Qui định độ sụt cho bê tông trong tiêu chuẩn ACI211.4R
Cường độ nén yêu cầu Khi không xác định độ lệch chuẩn thì cường độ nén trung bình yêu cầu, theo tiêu chuẩn ACI211.4R, ta dùng công thức sau
fcr = 1.1fc + 4.8 = 1.1× 60 + 4.8 = 70.83Mpa (2.1)
Bước 2 Lựa chọn cỡ hạt lớn nhất của cấp phối
Theo bảng 2-8 [9] với cường độ trên ta chọn cỡ hạt cấp phối thô là 12,5mm. Bảng 2-8 Qui định cỡ hạt lớp nhất của cấp phối trong tiêu chuẩn ACI211.4R
Bước 3 Chọn khối lượng cấp phối thô tối ưu
Hàm lượng cấp phối thô tối ưu cho 1 đơn vị thể tích bê tông. Chọn từ bảng 2- 9 [9], với giá trị cỡ hạt lớn nhất là 12.5mm, ta được tỷ lệ 0.68
Bảng 2-9 Qui định thể tích cấp phối thô trong tiêu chuẩn ACI211.4R
Hàm lượng cấp phối thô tối ưu cho đường kính cỡ hạt danh định lớn nhất sử dụng với cát có mô đun độ mịn 2,5 đến 3,2
Cỡ hạt danh định lớn nhất (mm) 9,5 12,50 19 25 Phần thể tích* của cấp phối thô 0,65 0,68 0,72 0,75
Bê tông sử dụng HRWR
Độ sụt trước khi thêm HRWR 25mm đến 50mm
Bê tông không sử dụng HRWR
Độ sụt 50mm đến 100mm
Cường độ bê tông yêu cầu (MPa)
Đường kính hạt thô (mm). < 62 > 62 19 đến 25,0 9,5 đến 12,5
Trọng lượng khô của cấp phối thô cho 1m3 bê tông sử dụng phương trình trong ACI211.4R[9]
Đ = ρđ .Vđ =1647 × 0.68=1120kg (2.2)
Bước 4 Ước lượng hàm lượng nước và độ rỗng khí
Dựa trên độ sụt 25 đến 50mm. Và cỡ hạt thô lớn nhất 12,5mm. Chọn lượng nước từ bảng 2-10[9] là 174 lít.
Tuy nhiên, dựa theo khuyến cáo của TCVN 10306-2014[5], khi dùng phụ gia giảm nước cao, lượng nước sử dụng có thể chiết giảm từ 12% đến 30%, nghiên cứu sinh chọn giá trị 25% chiết giảm lượng nước để tính toán. Do đó, lượng nước chọn được là
N = 174 × 0.75=130.5lít
Bảng 2-10 Hàm lượng nước ban đầu của hỗn hợp và độ rỗng bê tông tươi.
Điều chỉnh lượng nước khi độ rỗng cát sử dụng khác 35% là
Nđc = ( rđ -35) × 4,7= (38.96 − 35) × 4,7=18,6lít
(2.3)
(2.4) Do vậy lượng tổng lượng nước yêu cầu trên 1m3 bê tông 130.5+18.6=149.1
lít.
Lượng cuốn khí cho bê tông dùng HRWR theo bảng tra là 2%. Vậy thể tích cuốn khí là 2% ×149.1 = 2.982lít
Bước 5 Chọn tỷ lệ nước/xi măng (N/X)
Độ sụt (mm) 3 Nước trộn (l/m ) Cỡ hạt thô lớn nhất (mm) 9.5 12.5 19 25 25 to 50 183 174 168 165 50 to 75 189 183 174 171 75 to 100 195 189 180 177 Hàm lượng không khí* 3 2.5 2 1.5 Khi sử dụng HRWR 2.5 2 1.5 1
Tỷ lệ nước/xi măng tra nội suy theo bảng 2-11 N/X=0,3122. Bảng 2-11 Tỷ lệ nước và chất kết dính
Bước 6 Tính hàm lượng chất kết dính (CKD)
Trọng lượng của chất kết dính cho 1m3 bê tông 149.1/0.3122=477.57kg
Bước 7 Tính hàm lượng cốt liệu mịn
Lượng cát sử dụng
ρđ ρx ρSF ρNS (2.5)
Chọn tròn lượng cát sử dụng là 720kg.
Bước 8 Tính tỉ lệ phối trộn xi măng và tro bay
Tro bay được khuyến nghị sử dụng để chế tạo bê tông cường độ cao là tro bay loại F, theo ACI 211.4R-08[9], lượng tro bay loại F dùng từ 15% đến 25%. Nghiên cứu sinh đề xuất 3 cấp phối
1/ Cấp phối cơ bản không dùng tro bay. 2/ Cấp phối dùng tro bay 15%.
3/ Cấp phối dùng tro bay 20%.
Cường độ Bê tông thí nghiệm
f'*cr , (MPa) N/X Đường kính lớn nhất cấp phối (mm). 9.5 12.5 19 25 48 28-day 56-day 0.5 0.55 0.48 0.52 0.45 0.48 0.43 0.46 55 28-day 56-day 0.44 0.48 0.42 0.45 0.4 0.42 0.38 0.4 62 28-day 56-day 0.38 0.42 0.36 0.39 0.35 0.37 0.34 0.36 69 28-day 56-day 0.33 0.37 0.32 0.35 0.31 0.33 0.3 0.32 76 28-day 56-day 0.3 0.33 0.29 0.31 0.27 0.29 0.27 0.29 83 28-day 56-day 0.27 0.3 0.26 0.28 0.25 0.27 0.25 0.26 C = 1000 − − − − − N − VKK ρc = 719.73
Kết quả tính sơ bộ thể hiện trong bảng 2-12.
Bảng 2-12 Kết quả tính sơ bộ cấp phối C60
Bước 9 & 10 trộn thử mẫu và điều chỉnh lựa chọn cấp phối
Với kết quả tính sơ bộ trên, nghiên cứu sinh đã thực hiện chế tạo thử hỗn hợp bê tông theo cấp phối C60-1 tại phòng thí nghiệm của công ty bê tông 6, độ sụt yêu cầu đối với hỗn hợp tối thiểu là 160mm, lượng phụ gia sử dụng theo kinh nghiệm tư vấn của nhà sản xuất là từ 0.5 lít đến 1 lít cho 100kg xi măng. Kết quả chọn được lượng phụ gia sử dụng 4 lít cho 477kg xi măng, độ sụt ban đầu đạt 190mm.
Hình 2-9 Độ sụt mẫu thử C60-1
Kết quả thiết kế cấp phối sau được nghiên cứu sinh chọn đưa vào chế tạo mẫu thử nghiệm trong các phần tiếp theo.
Bảng 2-13 Cấp phối C60 được chọn sau thử nghiệm Kí hiệu BT N/CKD Đ (kg) C (kg) N (lit) XM (kg) FA (kg) SF (kg) PGSD (lít) C60-1 0.3122 1120 720 149.1 477.57 0 0 - C60-2 0.3122 1120 720 149.1 405.94 71.636 0 - C60-3 0.3122 1120 720 149.1 382.06 95.515 0 - Kí hiệu BT N/CKD Đ (kg) C (kg) N (lit) X (kg) FA (kg) SF (kg) PGSD (lít) C60 0.3145 1120 720 150 477 0 0 4
2.2.2.3 Thiết kế cấp phối bê tông C70 sử dụng vật liệu khu vực Đông Nam Bộ
+Yêu cầu hỗn hợp Cường độ nén 28 ngày mẫu trụ từ 70MPa
Hàm lượng muội silic 0% Độ sụt yêu cầu 160mm
+ Đặc tính vật liệu tương tự cấp phối C60 + Các bước thiết kế theo ACI211.4R-08 [9]
Bước 1 Chọn độ sụt và cường độ bê tông yêu cầu
Độ sụt Khi sử dụng HRWR, thiết kế bê tông sử dụng độ sụt trong bảng 2-7. Chọn độ sụt khi chưa có phụ gia là 50mm.
Cường độ nén yêu cầu Khi không xác định độ lệch chuẩn thì cường độ nén trung bình yêu cầu, theo tiêu chuẩn ACI211.4R[9], ta dùng công thức sau
fcr = 1.1fc + 4.8 = 1.1× 70 + 4.8 = 81.83Mpa (2.6)
Bước 2 Lựa chọn cỡ hạt lớn nhất của cấp phối
Theo bảng 2-8 với cường độ trên ta chọn cỡ hạt cấp phối thô là 12,5mm.
Bước 3 Chọn khối lượng cấp phối thô tối ưu
Hàm lượng cấp phối thô tối ưu cho 1 đơn vị thể tích bê tông. Chọn từ bảng 2- 9, với giá trị cỡ hạt lớn nhất là 12.5mm, ta được tỷ lệ 0.68.
Trọng lượng khô của cấp phối thô cho 1m3 bê tông sử dụng phương trình trong ACI211.4R[9]
Đ = ρđ .Vđ =1647 × 0.68=1120kg (2.7)
Bước 4 Ước lượng hàm lượng nước và độ rỗng khí
Dựa trên độ sụt 25 đến 50mm. Và cỡ hạt thô lớn nhất 12,5mm. Chọn lượng nước từ bảng 2-10 là 174 lít.
Tuy nhiên, dựa theo khuyến cáo của TCVN 10306-2014[5], khi dùng phụ gia giảm nước cao, lượng nước sử dụng có thể chiết giảm từ 12% đến 30%, nghiên cứu sinh chọn giá trị 30% chiết giảm lượng nước để tính toán. Do đó, lượng nước chọn được là 174 × 0.7=121.8lít
Điều chỉnh lượng nước khi độ rỗng cát sử dụng khác 35% là
Nđc = ( rđ -35) × 4,7= (38.96 − 35) × 4,7=18,6lít (2.8)
Do vậy lượng tổng lượng nước yêu cầu trên 1m3 bê tông 121.8+18.6=140.4 lít.
Lượng cuốn khí cho bê tông dùng HRWR theo bảng tra là 2%. Vậy thể tích cuốn khí là 2% ×140.4 = 2.808lít
Bước 5 Chọn N/X
Tỷ lệ nước/xi măng tra theo bảng 2-11 N/X=0.265
Bước 6 Tính hàm lượng chất kết dính (CKD)
Trọng lượng của chất kết dính cho 1m3 bê tông 140.4/0.265=529.8kg
Bước 7 Tính hàm lượng cốt liệu mịn
Lượng cát sử dụng
ρđ ρx ρSF ρNS (2.9)
Chọn tròn lượng cát sử dụng là 700kg.
Bước 8 Tính tỉ lệ phối trộn xi măng và tro bay
Tro bay được khuyến nghị sử dụng để chế tạo bê tông cường độ cao là tro bay loại F, theo ACI 211.4R-08[9], lượng tro bay loại F dùng từ 15% đến 25%. Nghiên cứu sinh đề xuất 3 cấp phối
1/ Cấp phối cơ bản không dùng tro bay.
2/ Cấp phối dùng tro bay 15%. 3/ Cấp phối dùng tro bay 20%. Kết quả tính sơ bộ thể hiện trong bảng 2-14.
Bảng 2-14 Kết quả tính sơ bộ cấp phối C70
Bước 9 & 10 trộn thử mẫu và điều chỉnh lựa chọn cấp phối
Với kết quả tính sơ bộ trên, nghiên cứu sinh đã thực hiện chế tạo thử 2 hỗn hợp bê tông (C70-1; C70-2) tại phòng thí nghiệm của công ty bê tông 6, độ sụt yêu cầu đối với hỗn hợp tối thiểu là 160mm, lượng phụ gia sử dụng theo kinh nghiệm tư vấn của hãng là từ 0.5 lít đến 1 lít cho 100kg xi măng. Kết quả chọn được cấp phối C70- 1 với lượng phụ gia sử dụng 4.77 lít cho 530kg xi măng, độ sụt ban đầu đạt 176mm.
Hình 2-10 Độ sụt mẫu thử C70-1
Kết quả thiết kế cấp phối trong bảng 2-15 được nghiên cứu sinh chọn đưa vào chế tạo mẫu thử nghiệm trong những nội dung tiếp theo.
Kí hiệu BT N/CKD Đ (kg) C (kg) N (lit) XM (kg) FA (kg) SF (kg) PGSD (lít) C70-1 0.265 1120 700 140.4 529.8 0 0 - C70-2 0.265 1120 700 140.4 450.33 79.471 0 - C70-3 0.265 1120 700 140.4 423.84 105.96 0 -
Bảng 2-15 Cấp phối C70 được chọn sau thử nghiệm
2.2.2.4 Thiết kế cấp phối bê tông C80 sử dụng vật liệu khu vực Đông Nam Bộ
+Yêu cầu hỗn hợp Cường độ nén 28 ngày mẫu trụ từ 80MPa
Hàm lượng muội silic 0% Độ sụt yêu cầu 160mm
+ Đặc tính vật liệu tương tự cấp phối C60 và C70. + Các bước thiết kế theo ACI211.4R-08[9]
Bước 1 Chọn độ sụt và cường độ bê tông yêu cầu
Độ sụt Khi sử dụng HRWR, thiết kế bê tông sử dụng độ sụt trong Bảng 2-7. Chọn độ sụt khi chưa có phụ gia là 50mm.
Cường độ nén yêu cầu Khi không xác định độ lệch chuẩn thì cường độ nén trung bình yêu cầu, theo tiêu chuẩn ACI211.4R[9], ta dùng công thức sau
fcr = 1.1fc + 4.8 = 1.1× 80 + 4.8 = 92.83Mpa (2.10)
Bước 2 Lựa chọn cỡ hạt lớn nhất của cấp phối
Theo bảng 2-8 với cường độ trên ta chọn cỡ hạt cấp phối thô là 12,5mm.
Bước 3 Chọn khối lượng cấp phối thô tối ưu
Hàm lượng cấp phối thô tối ưu/1 đơn vị thể tích bê tông. Chọn từ bảng 2-9, với giá trị cỡ hạt lớn nhất là 12.5mm, ta được tỷ lệ 0.68.
Trọng lượng khô của cấp phối thô cho 1m3 bê tông sử dụng phương trình trong ACI211.4R[9] Đ = ρđ .Vđ =1647 × 0.68=1120kg (2.11) Kí hiệu BT N/CKD Đ (kg) C (kg) N (lit) X (kg) FA (kg) SF (kg) PGSD (lít) C70 0.265 1120 700 140 530 0 0 4.77
Bước 4 Ước lượng hàm lượng nước và độ rỗng khí
Dựa trên độ sụt 25 đến 50mm. Và cỡ hạt thô lớn nhất 12,5mm. Chọn lượng nước từ Bảng 2-10 là 174 lít.
Tuy nhiên, dựa theo khuyến cáo của TCVN 10306-2014[5], khi dùng phụ gia giảm nước cao, lượng nước sử dụng có thể chiết giảm từ 12% đến 30%, nghiên cứu sinh chọn giá trị 30% chiết giảm lượng nước để tính toán. Do đó, lượng nước chọn được là 174 × 0.7=121.8lít
Điều chỉnh lượng nước khi độ rỗng cát sử dụng khác 35% là
Nđc = ( rđ -35) × 4,7= (38.96 − 35) × 4,7=18,6lít (2.12)
Do vậy lượng tổng lượng nước yêu cầu trên 1m3 bê tông 121.8+18.6=140.4 lít.
Lượng cuốn khí cho bê tông dùng HRWR theo bảng tra là 1.2%. Vậy thể tích cuốn khí là 1.2% ×140.4 = 2.808lít
Bước 5 Chọn N/X
Tỷ lệ nước/xi măng tra theo bảng 2-11 N/X=0.26
Bước 6 Tính hàm lượng chất kết dính xi măng(X)
Trọng lượng của xi măng cho 1m3 bê tông 140.4/0.26=540kg
Bước 7 Tính hàm lượng cốt liệu mịn
Lượng cát sử dụng
Đ X SF NS ρđ ρx ρSF ρNS Chọn tròn lượng cát sử dụng là 780kg.
Bước 8 Tính tỉ lệ phối trộn xi măng và tro bay
(2.13)
Tro bay được khuyến nghị sử dụng để chế tạo bê tông cường độ cao là tro bay loại F, theo ACI 211.4R-08[9], lượng tro bay loại F dùng từ 15% đến 25%. Nghiên cứu sinh đề xuất 3 cấp phối
1/ Cấp phối cơ bản không dùng tro bay.