Ta biết rằng tổng thể tích tuyệt đối (hoàn toàn đặc) của các loại vật liệu: ximăng, cát, đá và n−ớc trong 1m3 bê tông bằng 1000 lít và có thể viết các ph−ơng trình sau đây:
ax ac ađ n V +V +V +V =1000 (4) hay: ax ac ađ X C Đ N 1000 + + + = γ γ γ (5) Trong đó:
Vax, Vac, Vađ, Vn - thể tích tuyệt đối của ximăng, cát, đá và n−ớc trong 1m3 bê tông; γax, γac, γađ - khối l−ợng riêng của ximăng, cát, đá;
X, C, Đ, N - khối l−ợng ximăng, cát, đá và n−ớc trong 1m3 hỗn hợp bê tông.
Mặt khác l−ợng vữa (X + N + C) trong 1m3 hỗn hợp cần phải nhét đầy các lỗ rỗng và bao bọc các hạt cốt liệu lớn để các hạt cốt liệu lớn tách xa nhau bằng một lớp đệm vữa xi măng cát và đảm bảo cho hỗn hợp bê tông đạt đ−ợc độ dẻo yêu cầụ Xuất phát từ quan niệm đó, có thể lập ph−ơng trình sau đây:
đ ax ac ođ X C Đ N .r . + + = α γ γ γ (6) Từ (5) và (6) rút ra đ−ợc: đ ođ ađ 1000 Đ = r .α + 1 γ γ (7)
Trong đó:
rđ - độ rỗng của đá, %;
γođ, γađ - khối l−ợng thể tích và khối l−ợng riêng của đá kg/l;
α- hệ số tăng l−ợng vữạ
Hệ số α phụ thuộc vào độ dẻo của hỗn hợp bê tông. Đối với hỗn hợp bê tông cứng khô α = 1,05 ữ 1,2, còn đối với hỗn hợp bê tông dẻo thì α phụ thuộc vào l−ợng vữa xi măng (X + N) trong bê tông. L−ợng xi măng càng lớn, α càng tăng, vì l−ợng xi măng lớn, l−ợng vữa sẽ nhiều khi N
X không đổi, nên vữa sẽ bao bọc xung quanh hạt cốt liệu lớn một lớp dầy hơn. Trị số α của bê tông dẻo có thể tra trong bảng 5.36, hoặc biểu đồ hình 5.41. - Xác định l−ợng cát: ac ax ađ X Đ C=⎡⎢1000−⎛⎜ + +N⎞⎟⎤⎥.γ γ γ ⎝ ⎠ ⎣ ⎦ , kg
Trong đó: γax, γađ, γac - khối l−ợng riêng của ximăng, cát, đá (kg/l).
Nh− vậy ta đã xác định sơ bộ l−ợng ximăng, cát, đá, n−ớc trong 1m3 hỗn hợp bê tông. Nh−ng nh− ta đã biết, việc tính toán các vật liệu đó đều dựa trên các công thức và bảng biểu mà điều kiện thành lập công thức và các bảng biểu này có thể không giống điều kiện vật liệu và bê tông thực tế. Vì vậy phải kiểm tra bằng thực nghiệm để điều chỉnh lại thành phần bê tông sao cho bê tông đó đạt đ−ợc các yêu cầu đã đề rạ
Bảng 5.36
Hệ số α
L−ợng xi măng trong 1m3
bê tông (kg/m3) Đá dăm Sỏi
250 1,30 1,34
300 1,36 1,42
350 1,42 1,48
400 1,47 1,52
Ghi chú:
Trị số α ở trong bảng dùng cho cát trung bình với l−ợng n−ớc yêu cầu bằng 7% khối l−ợng cát (xem phần đánh giá độ lớn của cát). Khi dùng cát nhỏ với l−ợng n−ớc yêu cầu lớn hơn 7%, thì trị số α giảm đi 0,03 ứng với độ tăng 1% l−ợng n−ớc yêu cầu và ng−ợc lại nếu dùng cát hạt lớn, thì trị số α tăng 0,03 ứng với mỗi độ giảm1% l−ợng n−ớc yêu cầu của cát.
Hình 5.41. Biểu đồ hệ số tăng l−ợng vữa trong bêtông
b) Kiểm tra thành phần bê tông đã tính toán và điều chỉnh lại thành phần bê tông.
Chủ yếu kiểm tra hai yếu tố: độ dẻo hay độ cứng và c−ờng độ. Nếu có các yêu cầu khác nh− tính chống thấm, v.v… thì cũng phải kiểm trạ
- Kiểm tra độ dẻo: Để kiểm tra độ dẻo tr−ớc hết tính một l−ợng các vật liệu theo thành phần đã xác định ở trên để đảm bảo trộn đ−ợc một mẻ 10 lít bê tông. Chú ý dùng vật liệu hoàn toàn khô, nếu vật liệu ẩm thì cần phải xác định độ ẩm và điều chỉnh l−ợng vật liệu để đảm bảo tỉ lệ các thành phần vật liệu trong bê tông đúng nh− đã tính toán. Sau đó đem nhào trộn theo ph−ơng pháp quy định rồi xác định độ sụt của hỗn hợp bê tông (SN) bằng dụng cụ hình nón cụt. Khi đó có thể xẩy ra hai tr−ờng hợp sau đây:
+ Độ dẻo thực tế bằng độ dẻo yêu cầu;
+ Độ dẻo thực tế nhỏ hơn, hay lớn hơn độ dẻo yêu cầụ
Nếu gặp tr−ờng hợp thứ nhất, thì rất tốt không phải điều chỉnh thành phần bê tông; còn nếu gặp tr−ờng hợp thứ hai thì phải thêm dần hoặc bớt dần l−ợng xi măng để tăng hoặc giảm độ dẻo của bê tông cho đến khi đạt yêu cầụ Để có thể dùng lại mẻ trộn có thể thay việc bớt xi măng bằng việc tăng thêm cát đá, nh−ng tỷ lệ C/Đ vẫn giữ nguyên. Cần chú ý là khi tăng giảm l−ợng ximăng, thì đồng thời cũng phải tăng hoặc giảm t−ơng ứng l−ợng n−ớc để tỷ lệ N
X không thay đổi và do đó c−ờng độ bê tông không thay đổi (theo công thức tính c−ờng độ bê tông). Để khỏi phải thí nghiệm độ sụt nhiều lần khi độ dẻo không đạt yêu cầu, ta có thể dùng 3 l−ợng dùng xi măng (X) khác nhau và tất nhiên dùng ba l−ợng n−ớc t−ơng ứng cũng khác nhau, trộn ba mẻ trộn đó và xác định đ−ợc ba độ sụt (SN). Vẽ biểu đồ quan hệ giữa SN và X. Từ đ−ờng quan hệ đó có thể dễ dàng xác định đ−ợc l−ợng xi măng ứng với độ dẻo yêu cầu của bê tông.
- Kiểm tra c−ờng độ bê tông
Để kiểm tra c−ờng độ bê tông, trộn một mẻ bê tông theo liều l−ợng nh− sau khi đã điều chỉnh độ dẻo, đúc 3 hoặc 6 mẫu có kích th−ớc 15ì15ì15 cm, d−ỡng hộ 28 ngày trong điều kiện tiêu chuẩn, sau đó đem thí nghiệm nén, tính c−ờng độ trung bình của bê tông rồi so sánh với c−ờng độ yêu cầụ Khi đó có thể xẩy ra hai tr−ờng hợp sau đây:
+ C−ờng độ bê tông thực tế bằng c−ờng độ yêu cầụ
+ C−ờng độ bê tông thực tế lớn hơn hay nhỏ hơn c−ờng độ yêu cầụ
Nếu gặp tr−ờng hợp thứ nhất, thì không cần phải điều chỉnh thành phần bê tông. Nh−ng tr−ờng hợp này ít xảy ra, vì nh− trên đã nói việc tính theo công thức và các bảng biểu không thể cho số liệu hoàn toàn sát đúng với thực tế đ−ợc.
Nếu c−ờng độ bê tông thực tế lớn hơn c−ờng độ yêu cầu d−ới 15%, thì cũng không cần điều chỉnh, vì sai số đó nằm trong phạm vi cho phép đối với bê tông.
Nếu c−ờng độ bê tông thực tế lớn hơn c−ờng độ yêu cầu quá 15% thì phải điều chỉnh lại thành phần bê tông bằng cách giảm dần l−ợng xi măng rồi lại đúc mẫu thí nghiệm nén cho đến khi đạt c−ờng độ yêu cầụ
Nếu c−ờng độ bê tông thực tế bé hơn c−ờng độ yêu cầu thì nhất thiết phải điều chỉnh lại thành phần bê tông bằng cách tăng thêm xi măng rồi tiếp tục đúc mẫu thí nghiệm nén cho đến khi đạt c−ờng độ yêu cầụ
Việc điều chỉnh nh− vậy đòi hỏi phải có thời gian vì mỗi lần đúc lại mẫu, phải chờ 28 ngày mới ép đ−ợc. Mặt khác việc điều chỉnh phải kéo dài và dò dẫm vì ch−a chắc một lần đã điều chỉnh đạt yêu cầụ Để có thể có đ−ợc thành phần chính xác chỉ sau một tháng, sau khi đã điều chỉnh theo độ sụt, cần trộn ba mẻ bê tông 10 ữ 15 lít với ba trị số X/N khác nhau: một giá trị X/N đã tính đ−ợc và hai giá trị khác bằng giá trị X/N đã tính ±0,05. Trong ba mẻ trộn đó cần giữ nguyên l−ợng n−ớc, chỉ điều chỉnh l−ợng xi măng để đ−ợc các giá trị X/N yêu cầụ Mẫu bê tông sau 28 ngày d−ỡng hộ đem ép để tìm c−ờng độ nén ứng với bê tông của ba mẻ trộn. Từ số liệu tìm đ−ợc vẽ biểu đồ quan hệ
b X R f N ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟⎝ ⎠, và qua đó xác định đ−ợc trị số X
N t−ơng ứng với c−ờng độ yêu cầu của bê tông. L−ợng n−ớc giữ nguyên, nên từ X
N đó có thể tính đ−ợc l−ợng xi măng cần thiết và nh− vậy ta xác định đ−ợc thành phần của bê tông đảm bảo đạt đ−ợc yêu cầu về độ dẻo và c−ờng độ.
Khi cần kiểm tra khả năng chống thấm của bê tông thì ta cũng làm thí nghiệm t−ơng tự nh− khi kiểm tra c−ờng độ và cuối cùng chọn cấp phối có l−ợng dùng xi măng nhiều nhất để đảm bảo cả yêu cầu về c−ờng độ và tính chống thấm.
Trong quá trình thí nghiệm để điều chỉnh thành phần bê tông theo độ dẻo và c−ờng độ yêu cầu thì càng trộn nhiều mẻ trộn khác nhau (nhiều hơn 3 mẻ) càng tốt. Khi đó sẽ có nhiều điểm và đ−ờng cong vẽ sẽ chính xác và đầy đủ hơn.
c) Xác định khối l−ợng thể tích của hỗn hợp bê tông
Xác định khối l−ợng thể tích của hỗn hợp bê tông ở trạng thái đầm chặt, cân bê tông đã đầm chặt đựng trong ống l−ờng bằng sắt có thể tích đã biết tr−ớc khối l−ợng thể tích của hỗn hợp bê tông đ−ợc tính theo công thức d−ới đây:
o o G V γ = , kg/l. Trong đó:
G - khối l−ợng hỗn hợp bê tông đựng trong ống l−ờng (kg);
Vo- thể tích của hỗn hợp bê tông (tức thể tích ống l−ờng vì ống l−ờng đựng đầy bê tông).
Có thể cân khuôn bê tông ngay sau khi đúc mẫu để xác định khối l−ợng thể tích của hỗn hợp bê tông.
d) Tính lại l−ợng vật liệu cho 1m3 bê tông
L−ợng các vật liệu trong 1m3 bê tông đã tính đ−ợc dựa trên giả định là tổng thể tích tuyệt đối của các vật liệu đó vừa bằng 1000 lít, có nghĩa là ta đã coi bê tông hoàn toàn đặc. Điều đó là lý t−ởng. Thực ra trong quá trình trộn bê tông bao giờ cũng có một l−ợng không khí lẫn vàọ Mặt khác do thành phần bê tông đã đ−ợc điều chỉnh để đảm bảo độ dẻo và c−ờng độ yêu cầu của bê tông nh− phần b ở trên.
Vì vậy tổng thể tích tuyệt đối của các loại vật liệu th−ờng không đúng bằng 1000 lít. Vì vậy phải tính lại l−ợng vật liệu trong 1m3 bê tông nh− sau:
1 1 X C X 1000, kg; C 1000, kg V V = ⋅ = ⋅ 1 1 N Đ N 1000, lít; Đ 1000, kg V V = ⋅ = ⋅ Trong đó:
X, C, Đ, N - l−ợng ximăng, cát, đá, n−ớc trong một mẻ trộn hỗn hợp bê tông theo thành phần sau khi đã điều chỉnh theo độ dẻo và c−ờng độ bê tông; X1, C1, Đ1, N1 - l−ợng ximăng, cát, đá và n−ớc thực tế trong 1m3 hỗn hợp bê tông; V - thể tích một mẻ trộn bê tông.
e) Điều chỉnh lại thành phần bê tông theo độ ẩm của cát và đá
- Thành phần bê tông đã tính đ−ợc ở phần trên (X1, N1, C1, Đ1) ứng với cát đá hoàn toàn khô. Nếu cát đá ẩm mà trộn theo thành phần đó thì l−ợng cát, đá sẽ thiếu và l−ợng n−ớc sẽ thừạ Vì vậy cần phải điều chỉnh thành phần nh− sau:
c 2 1 1 W C C C 100 = + d 2 1 1 W Đ Đ +Đ 100 = c d 2 1 1 1 W W N N C Đ 100 100 = − −
Còn X2 =X1 vì coi nh− xi măng có độ ẩm không đáng kể; Trong đó:
X2, C2, Đ2, N2 - l−ợng ximăng, cát, đá, n−ớc sau khi đã điều chỉnh theo độ ẩm của cát, đá;
g) Tính hệ số sản l−ợng
Trong thực tế khi chế tạo bê tông ng−ời ta dùng vật liệu ở trạng thái tự nhiên (thể tích các vật liệu là Vox, Voc, Vođ) để nhào trộn. Nh−ng trong quá trình trộn, cát sẽ lấp đầy lỗ rỗng của đá, xi măng lấp đầy khe kẽ của cát và bao bọc các hạt cát, còn n−ớc đ−ợc xem nh− thủy hóa với xi măng và chảy vào các khe kẽ nhỏ nên không kể đến, do đó thể tích của hỗn hợp bê tông sau khi trộn bao giờ cũng nhỏ hơn tổng thể tích tự nhiên của cát, đá, ximăng. Sự sai khác đó biểu thị bằng bất đẳng thức d−ới đây:
Vb < Vox + Voc + Vođ Trong đó:
Vb - thể tích của hỗn hợp bê tông sau khi nhào trộn và đầm chặt (lít), đ−ợc xác định theo công thức: b o P V = γ
P - khối l−ợng của các loại vật liệu ximăng, cát, đá, n−ớc dùng để trộn bê tông (kg); γo - khối l−ợng thể tích của hỗn hợp bê tông sau khi đã đầm chặt (kg/m3);
Vox, Voc, Vođ - thể tích tự nhiên của ximăng, cát, đá (lít). Cân bằng bất đẳng thức bằng cách đ−a vào một hệ số β Vậy: Vb = β(Vox + Voc + Vođ) b ox oc od V V V V β = + +
β gọi là hệ số sản l−ợng, β luôn nhỏ hơn 1, th−ờng nằm trong khoảng 0,55 ữ 0,75 và phụ thuộc vào mức hổng của vật liệu ở trạng thái tự nhiên (xốp).
Nếu vox, Voc, Vođ ứng với 1m3 bê tông thì β tính nh− sau:
ox oc ođ ox oc ođ 1000 1000 X C Đ V V V β = = + + + + γ γ γ
Hệ số sản l−ợng β th−ờng dùng để tính thể tích của hỗn hợp bê tông hoặc dùng để tính toán l−ợng vật liệu cho một mẻ của máy trộn bê tông. Thông th−ờng dung tích của máy trộn (Vo) bằng tổng thể tích tự nhiên của vật liệu nạp vào, còn thể tích hỗn hợp bê tông của một mẻ trộn sẽ nhỏ hơn Vo và bằng Voβ.
h) Tính liều l−ợng vật liệu cho một mẻ trộn của máy
o o o 2 o 2 o o o 2 o 2 .V .V X .X ; C .C 1000 1000 .V .V Đ .Đ ; N .N 100 1000 β β = = β β = = Trong đó:
X0, C0, Đ0, N0 - l−ợng ximăng, cát, đá, n−ớc dùng cho một mẻ trộn của máy (kg); X2, C2, Đ2, N2 - l−ợng ximăng, cát, đá và n−ớc thực tế cho 1m3.
Hỗn hợp bê tông sau khi điều chỉnh theo độ ẩm của cát, đá. Nếu cát đá không có độ ẩm thì không dùng X2, C2, Đ2, N2 mà thay vào đó dùng X1, C1, Đ1, N1 để tính toán.
3. Ph−ơng pháp thực nghiệm hoàn toàn
Đối với các công trình lớn (khối l−ợng trên 5000m3) hoặc những bộ phận kết cấu rất quan trọng, để tính toán chính xác thành phần vật liệu trong bê tông không thể căn cứ vào các công thức và bảng biểu tính sẵn mà phải dựa vào thực nghiệm với các vật liệu thực tế sử dụng để tính các thông số cần thiết cho thiết kế. ở công tr−ờng nhà máy thủy điện Thác Bà đã dùng ph−ơng pháp nàỵ
Ph−ơng pháp này có nh−ợc điểm là khối l−ợng công tác thực nghiệm t−ơng đối lớn, tốn nhiều nhân lực, vật liệu và thời gian.
Với công trình thủy lợi, dùng ph−ơng pháp này hợp lý, vì đảm bảo đ−ợc chất l−ợng bê tông, tiết kiệm xi măng hơn so với các ph−ơng pháp khác.
Một số quan hệ chủ yếu cần xác định: mức ngậm cát tốt nhất, quan hệ giữa c−ờng độ bê tông và tỷ lệ N
X, quan hệ giữa độ sụt và l−ợng ximăng.
a) Xác định mức ngậm cát tốt nhất
Trộn các mẻ bê tông với cùng tỷ lệ N
Xvà mức ngậm cát (mc) khác nhau (l−ợng n−ớc và l−ợng xi măng không đổi). Xác định độ sụt của các hỗn hợp bê tông. Vẽ biểu đồ quan hệ giữa độ sụt và mức ngậm cát mc C C Đ ⎛ = ⎞ ⎜ + ⎟ ⎝ ⎠. Từ đó tìm đ−ợc mức ngậm cát tốt nhất ứng với độ sụt lớn nhất (hình 5.42).
Ta làm nhiều nhóm thí nghiệm nh− vậy với N
X khác nhau sẽ tìm đ−ợc các mức ngậm cát tốt nhất ứng với các tỉ lệ N
Xđó. Vẽ biểu đồ quan hệ giữa N
X và mc tốt nhất (hình 5.43). Xác định khối l−ợng thể tích của bê tông ứng với các mc tốt nhất và vẽ biểu đồ quan hệ giữa γob và mc tốt nhất (hình 5.44).
Hình 5.42. Quan hệ giữa mức ngậm cát và độ sụt khi N Xkhông đổi Hình 5.43. Quan hệ giữa tỉ lệ N Xvà mức ngậm cát tốt nhất r%
Hình 5.44. Quan hệ giữa khối l−ợng thể tích của bê tông (γob) và mức ngậm cát r% tốt nhất. b) Tìm quan hệ Rb X N − (hình 5.45). Hình 5.45. Quan hệ giữa Rb và X N Hình 5.46. Quan hệ giữa độ sụt và l−ợng xi măng trong 1m3 bê tông
Với các l−ợng xi măng và l−ợng n−ớc khác nhau, để trộn các mẻ bê tông thí nghiệm có độ sụt nh− nhaụ Từ đó xác định tỉ lệ X
N đảm bảo độ sụt của hỗn hợp bê tông không thay đổị
Đúc mẫu thí nghiệm tìm c−ờng độ bê tông ứng với các tỉ lệ X
N khác nhaụ Vẽ biểu đồ quan hệ Rb− X
N (hình 5.45).
c) Tìm quan hệ SN − X.
Từ số liệu đã tìm đ−ợc ở phần (a) ta có những độ sụt (SN) ứng với các tỉ lệ N