4. Tổng quát về phương pháp thiết kế thành phần bê
4.2. Vấn ựề tiêu chuẩn
Xuất phát từ tổ hợp các qui định mà bê tơng thiết kế phải tn theo trong suốt các giai ựoạn trong ựời sống của nó. Các qui ựịnh này ựề cập ựến cường ựộ, các tắnh chất đặc biệt và điều kiện thi cơng, tắnh chất của kết cấu và tuổi thọ của cơng trình.
Sau đó, thực hiện việc hiệu chỉnh bằng cách xét ựến tất cả các vấn ựề từ chế tạo vật liệu đến bảo dưỡng bê tơng cơng trình đang làm việc, cần kiểm tra xem các ựiều khoản riêng rẽ có hiện thực khơng và chúng có trái ngược nhau khơng.
Các vấn ựề cụ thể cần xét ựến khi thiết kế thành phần bê tông như sau: - Khả năng sản xuất
- Vận chuyển, khả năng bơm
- Thi cơng: độ lưu ựộng (theo thời gian và nhiệt ựộ) - Yêu cầu bảo dưỡng
- Xây dựng cơng trình cường ựộ chịu nén ở tuổi sớm - Co ngót và từ biến ban đầu
- Ứng xử khi làm việc cường ựộ chịu nén tuổi 28 ngày như: Cường độ chịu kéo; Mơ đun đàn hồi; Co ngót Ờ từ biến - độ bền lâu có xét đến tắnh thấm (nước và khắ) khi:
độ bền trong môi trường biển Cường ựộ tạo gen và hủy gen độ bền bong bật
4.3. Tối ưu hóa khung cốt liệu
Một qui luật quan trọng của thiết kết thành phần bê tông là sự tương phản của ựộ lưu độngvà cường độ: việc thêm nước trong bê tơng thể hiện cùng một lúc sự cải thiện tắnh dễ đổ và sự giảm cường ựộ. Kết quả là nếu người ta muốn rút ựi một phần xi măng có mặt, phải khai thác hết tất cả các biện pháp (không thêm nước) ựể ựạt ựược ựộ chảy cao nhất. Trong bê tông chất lượng cao, việcđó được thực hiện bằng cách dùng một lượng phụ gia gần với lượng bão hịạ Nhưng trước khi nói đến phụ gia chúng ta quan tâm ựến khung xương cốt liệụ
Thực nghiệm chứng tỏ rằng những tỉ lệ Ộtối ưuỢ của khung xương cốt liệu (ựược định nghĩa như tập hợp các hạt có kắch thước lớn hơn 80 ộm) phụ thuộc chủ yếu vào các thành phần của bộ xương hơn là thang bê tơng xem xét. Do đó một cách lơ gắc, trước tiên ta tìm cách xác định khung xương này rồi xét ựến vữạ Vậy người ta ựịnh nghĩa khung xương tối ưu là khung xương cho tắnh cơng tác tốt nhất, khi lượng nước và xi măng cố ựịnh.
4.4. Phương pháp lựa chọn thành phần thiết kế:
đối với một bê tông rất khô, vấn ựề ựặt ra là tìm tổ hợp của các thành phần khác nhau cho hỗn hợp cốt liệu khơ, đặc chắc nhất. Nhận thức này ựã dẫn Caquot ựề ra một lý thuyết về thành phần hạt hợp lý có ưu tắn lâu dài ở nước Pháp. Ngày nay, nhờ một mơ hình mới hơn, mơ hình tuyến tắnh về độ đặc của hỗn hợp cốt liệu, người ta ựã lập ra một lý thuyết liên kết của thành phần hạt, có thể tóm tắt trong những nguyên lý sau:
độ ựặc của một hỗn hợp các hạt khơ khơng vón cục, theo một cách ựổ nào ựó, phụ thuộc vào: Giải của hạt, hình dạng hạt, sự phân bố về cỡ hạt ở trong phạm vi của giải hạt này
Cận dưới của kắch cỡ hạt (ỘdỢ của cát) có độ dao động nhỏ, căn cứ vào ngun lý thứ nhất, người ta thấy rằng nhìn chung sẽ có lợi khi dùng sử dụng ỘDỢ lớn nhất phù hợp với các điều kiện thi cơng bê tơng. Vấn đề phân bố tối ưu các hạt, liên quan ựến hình dạng của nó, khơng cho phép có một loại hạt trong tổng thể. Do vậy, khơng có một đường cong cấp phối tối ưu ựúng với tất cả các dạng hạt.
Ngược lại, việc tiếp cận một ựường cong tiêu chuẩn cho phép tiến gần ựến ựộ lưu ựộng tối ưu, thay vì đạt được nó. Trong các đường cong tối ưu này, Faury ựã ựề xuất những ựường cong hữu tuyến. Hỗn hợp hạt ựược xét như gồm cả xi măng. Nhưng khi đó việc áp dụng chặt chẽ phương pháp dẫn tới một hàm lượng xi măng tối ưu xét về phương diện lấp đầy (xem phần sau) nhưng có ắt có hội mang tới một cường ựộ mong đợị
Vì vậy, Dreux ựã ựề xuất một phương pháp thực dụng hơn, trên cơ sở một chùm các ựường cong tối ưu tưng ứng với duy nhất một khung cốt liệụ Phương pháp này, hiện nay ựược dùng phổ biến nhất ở Châu Âu, cho phép xác ựịnh bằng biểu ựồ các thể tắch tương ứng với các loại cát, cuội và ựá khác nhau của khung cốt liệụ
4.4.2. Phương pháp thực nghiệm
Cấp phối tối ưu ựược ựịnh nghĩa là cấp phối mang ựến ựộ lưu ựộng tốt nhất, người ta đã thử để tìm tối ưu này bằng thực nghiệm. Người ta ựã chứng minh rằng khi thay ựổi tỉ lệ các hạt, các ựại lượng giữ nguyên, chỉ tồn tại một tối ưu duy nhất. Nói cách khác, hàm số ựộ chặt là một ựường cong lồi chỉ có một cực đạị Cực đại này có thể được tìm thấy sau một số hợp lý các thắ nghiệm, đặc biệt là khi nó được tập trung vào một thơng số duy nhất, tỉ lệ đá/cát.
Phương pháp thực nghiệm của LCPC, hay phương pháp Baron-Lesage, dựa trên nguyên lý nàỵ Thắ nghiệm lưu biến là thiết bị đo độ cơng tác LCPC và q trình chủ yếu là tìm thời gian chảy nhỏ nhất, với hàm lượng xi măng và nước cố ựịnh, gần các liều lượng của thành phần cuối cùng.
Sau khi xác ựịnh tỷ lệ C/đ hợp lý cần xem xét loại cấp phối theo cấp phối liên tục và không liên tục.
Cấp phối liên tục Ờ trong đó tất cả các kắch thước của hạt từ d đến D đều có mặt Ờ có độ đặc hơi cao một chút với cấp phối không liên tục.
Nếu xét thêm về góc độ kinh tế (loại bỏ các cỡ hạt trung gian ở công trường), thấy rằng cấp phối liệu tục khơng nên dùng. Tuy nhiên, chúng có lợi trong trường hợp bê tông rất khô, như một số loại bê tông công nghiệp (bê tông tháo khuôn ngay), hay với những loại bê tơng đầm chặt bằng xe lăn (BCR).
Về vấn ựề phân tầng, cũng cần chỉ ra rằng một cấp phối tối ưu về phương diện tắnh cơng tác sẽ có xu hướng phân tầng ắt nhất Ờ với điều kiện là độ dẻo nhận được khơng quá chảỵ Thật vậy, sự phân tầng có thể xẩy ra do thiếu một cỡ hạt nào đó trong hỗn hợp cát quá ắt hoặc đá q ắt. Trong thực tế tối ưu hóa khung cốt liệu ràng buộc ở yêu cầu về độ dắnh kết và độ ựồng nhất của bê tông hơn là ràng buộc trong yêu cầu về mặt kinh tế. Vắ dụ như cố gắng đạt được độ dẻo và cường độ với lượng dùng xi măng ắt nhất là không cần thiết.
4.4.3. Tối ưu hóa của hồ
Khi khung xương ựược xác ựịnh bằng phương pháp lý thuyết Ờ thực nghiệm hoặc thực nghiệm hoàn toàn, cần chuyển sang giai ựoạn trộn mẻ thử. Tuy nhiên có một trường hợp mà sự tối ưu của hồ chứng minh một xử lý đặc biệt: đó là trường hợp bê tông chất lượng cao (BHP), bê tơng tự đầm.
4.4.4. Tác dụng của phụ gia
Các chất tăng dẻo hoặc siêu dẻo có tác dụng cải thiện đáng kể tắnh lưu biến và dễ đổ của bê tơng, giảm nước và tăng cường ựộ ựối với một chất kết dắnh cho trước.
Thậy vậy, thành công của việc tạo thành bê tông chất lượng cao khi ựã lựa chọn ựúng phụ gia loại siêu dẻo, tạo ra ựược ứng xử lưu biến ổn ựịnh.
Nhưng người ta khơng có các thắ nghiệm lưu biến đủ nhậy đối với bê tông chảỵ Trong khi chờ ựợi sự ra ựời của thắ nghiệm này bằng cách phát triển lưu biến kế LCPC, sẽ thắch hợp hơn khi thực hiện bằng một thắ nghiệm ựơn giản như côn Marsh trên hồ bê tơng. Khi đó, ta có thể áp dụng một biểu ựồ tổ chức nghiêm ngặt, tiến tới một công thức tối ưu với điều kiện làm một số lượng thắ nghiệm hợp lý và tiêu thụ một lượng hạn chế vật liệu (Phương pháp Larrad).
4.4.5. Phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm
Trở lại trường hợp chung, sau khi ựã xác ựịnh trước những tỉ lệ tương quan của khung xương, tắnh tốn thành phần để kiểm tra trong phịng thắ nghiệm. Với các loại bê tông không dùng phụ gia, Dreux ựề xuất một công thức thực nghiệm, công thức Bôlômay, Bôlômay ỜCKRamtaep, Pheret và một loạt các bảng và biểu ựồ ựể ựánh giá tỉ lệ của mẻ trộn ban ựầu nàỵ Một phương pháp khác, của viện bê tông Mỹ ACI là đánh giá lượng nước, kắch thước lớn nhất của cốt liệu và độ sụt u cầu, sau đó suy ra lượng xi măng theo tỉ lệ N/X, ựược tra bảng theo cường ựộ. Ngày nay, các phương pháp này dường như cần bổ xung thêm vì thành phần bê tơng có thêm nhiều thành phần (phụ gia và chất ựộn), chất bột và các u cầu đặc biệt cho bê tơng (chất lượng cao, có sợi, tự ựầm...).
Trên thực tế, nhìn chung người sản xuất có kinh nghiệm để xác định mẻ trộn ban ựầụ Khi khơng có kinh nghiệm, người ta có thể dùng một cơng cụ tin học dạng BETONLAB.
4.4.6. điều chỉnh Ờ các mẻ trộn dẫn xuất
Các thắ nghiệm đầu tiện được thực hiện trong phần lớn các trường hợp là các thắ nghiệm lưu biến. Nếu độ dẻo khơng đạt, và khi đó khơng thay đổi cường độ bê tơng, cần ựiều chỉnh trên thể tắch vữa, tức là thay ựổi cùng hàm lượng các tỉ lệ xi măng, chất độn khống, phụ gia và nước và giảm thể tắch cốt liệu (tỉ lệ giữa các loại cốt liệu giữ nguyên).
Một khi ựã ựạt ựược ựộ công tác, thông số thứ hai mà người xác ựịnh thành phần bê tông quan tâm là cường ựộ ngày 28. Việc ựạt ựược cường ựộ chỉ có thể sau 28 ngàỵ Khi chế tạo mẻ trộn thử ựầu tiên, nên tiến hành các mẻ trộn dẫn xuất (B1, B2, B3) để có thể điều chỉnh thành phần mà không cần trộn lạị
Như vậy, thành phần bê tông B1 cho tắnh cơng tác u cầu và cường độ tắnh tốn gần với cường độ ựịi hỏi fco, hai cơng thức B2 và B3, giữ nguyên tỉ lệ nước và thay đổi ắt nhiều tỉ lệ N/chất kết dắnh, sao cho cường độ tắnh trước hơn hoặc kém fco 15%.
Tới thời hạn 28 ngày, cường độ tìm kiếm fco cần nằm trong khoảng ba cường ựộ thực nghiệm thu được. Một nội suy tuyến tắnh đơn giản cho phép xác ựịnh ở thời ựiểm này thành phần phù hợp với tiêu chuẩn về cường ựộ ngày 28 và ựộ lưu ựộng.
4.4.7. Công thức bê tông tối ưu từ các thành phần Ờ hàm lượng xi măng giới hạn
Sau khi lựa chọn thành phần và một khung cốt liệu hợp lý, với ựộ lưu ựộng và cường ựộ cho trước, địi hỏi một cơng thức tối ưu giữa hai tỉ lệ nàỵ Khi đó, ta có thể minh hoạ sự biến ựổi của một vài thơng số (hàm lượng xi măng, lượng nước, thể tắch vữa) theo cường ựộ yêu cầu và độ lưu động khơng đổị
Sự biến ựổi của lượng xi măng, lượng nước yêu cầu và thể tắch vữa, với một loại bê tông chế tạo từ cốt liệu cố ựịnh, loại xi măng và phụ gia siêu dẻo được lựa chọn có thể tạo ra các ựường cong lý thuyết.
Ta thấy rằng tồn tại một hàm lượng, gọi là lượng xi măng giới hạn, mà ở đó, lượng nước là nhỏ nhất. Nếu ta vẽ một ựường song song với cốt liệu, hàm lượng này tương tự thể tắch hạt mịn lấp đầy tốt nhất phần rỗng của khung xương.
đặc ựiểm của phương pháp ựược thể hiện như sau:
Có thể cho lượng xi măng gần hàm lượng giới hạn (Xgh), bê tông là chặt nhất có thể, điều ựó có xu hướng tạo ra ựộ ựồng nhất và bền lâu của vật liệu;
Lượng xi măng tối ưu, xung quanh hàm lượng giới hạn mà ở đó cường ựộ tăng mạnh nhất theo hàm lượng xi măng.
Từ hàm lượng hữu hiệu, so với hàm lượng giới hạn, có thể xác định lợi ắch của chất độn khống (khơng kể hạt siêu mịn).
để ựơn giản hoá các ý tưởng này, hãy hạn chế ở trường hợp bột mịn trơ với cùng cấp phối hạt như xi măng. Nếu X < Xgh, pha bột mịn, cho đến khi thể tắch xi măng Ờ
ựộ dẻo qui ước, tỉ lệ N/X sẽ giảm ựi và cường ựộ tăng lên. đương nhiên là ngược lại nếu X > Xgh.
Sự giống nhau của hỗn hợp hạt xác ựịnh ựiều kiện ựể Xgh tăng lên khi: - D giảm (tăng ựộ rỗng của khung cốt liệu)
- Chuyển từ cốt liệu tròn nhẵn sang cốt liệu nghiền
- Sử dụng phụ gia siêu dẻo (tăng ựộ chặt bản thân của xi măng, cho phép cho nhiều xi măng trong cùng một thể tắch)
- độ lưu ựộng yêu cầu tăng (lượng tối ưu các hạt mịn lớn hơn).
Bốn điều kiện trên chắnh là các phương hướng để điều chỉnh thành phần bê tơng.
4.4.8. Con ựường xác ựịnh thành phần bê tơng mới
Vai trị của thiết kế thành phần bê tông trong bối cảnh phát triển công nghiệp bê tơng đã trở nên quan trọng trong những năm gần ựây do nhu cầu mở rộng chủng loại vật liệu và kết cấu làm phức tạp thêm vấn đề. Chắnh vì vậy mà việc sẻ dụng các phương pháp kinh nghiệm truyền thống khơng cịn cho phép mang lại một ựáp án thoả mãn. Trong khi đó các phương pháp thực nghiệm, ln có một giá trị. Phương pháp này yêu cầu một số lượng thắ nghiệm tăng theo luỹ thừa của số lượng các thành phần. Các kết quả thực nghiệm có thể đưa ra các lời khun sát với thực tế.
Ngồi ra, một thiết kế thành phần thành cơng phụ thuộc phần lớn vào chất lượng thi cơng tại cơng trường, khơng tăng phắ tổn khơng dự báo trước cho xắ nghiệp cũng như cho chủ công trình và khơng tăng thời hạn thi công. độ bền lâu của cơng trình cũng được tạo ra bởi sự thắch hợp của vật liệu, kết cấu, mơi trường. Khi đó, sự kết hợp giữa khoa học về vật liệu và tin học, là một giải pháp hứa hẹn. Cần phát triển ựồng thời những mơ hình tốn học về các tắnh chất cơ bản của việc sử dụng bê tông và các cơ sở của các dữ liệu tổng hợp kinh nghiệm ựã qua về các thành phần và về hỗn hợp của chúng. Bao giờ cũng vậy, chắnh do sự hịa hợp nhịp nhàng của khoa học và kinh nghiệm là con ựường giải quyết tốt các vấn ựề thành phần bê tơng.
CÂU HỎI ƠN TẬP
1. Các cơng thức thành phần bê tông xi măng?
2. Các phương pháp tắnh tốn thành phần bê tơng xi măng? 3. Các lưu ý khi thiết kế thành phần bê tơng hiện đạỉ
Chương 3 BÊ TÔNG TƯƠI
Bê tông tươi hay bê tông dẻo là hỗn hợp vật liệu có thể chảy thành bất kỳ hình dạng nàọ Tỷ lệ tương ựối của hỗn hợp xi măng và nước ảnh hưởng quyết ựịnh ựến trạng thái ướt cũng như trạng thái rắn chắc.
Hàm lượng của nước phải đủ để phản ứng hố học với xi măng và ựể chui vào lỗ rỗng gel. Chúng ta ựã biết rằng tỷ lệ nước/xi măng theo lý thuyết ựảm bảo 2 mục đắch này là 0.38. Sử dụng tỷ số nước/xi măng cao hơn giá trị này sẽ làm tăng lỗ rỗng mao quản; và nếu thấp hơn thì phản ứng hydrat hố sẽ xảy ra khơng hồn tồn dẫn đến ngăn cản sự phát triển của cấu trúc gel.
Khi chế tạo vữa cho bê tông, hàm lượng nước nhào trộn sẽ thay ựổi do sự có mặt của nước tự do bám trên bề mặt hạt cốt liệu hay nằm trong lỗ rỗng của các hạt cốt liệụ Tỷ lệ nước/xi măng thực tế sử dụng tại cơng trường phải được điều chỉnh hợp lý.
Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu tắnh năng lưu biến của bê tơng. Tắnh lưu biến, rất có ắch để hiểu được bê tơng tươị Nó đề cập ựến việc nghiên cứu hệ thống các lực, đặc biệt có nguồn gốc tĩnh ựiện, nguồn gốc các lực này và dự kiến những qui luật biến ựổi của chúng. Từ đó ta xác định lực giữa các hạt thành phần trong bê tơng. đó là cơ sở của cơng nghệ bê tơng.