Đề tài áp dụng phƣơng pháp tính tốn lý thuyết kết hợp thực nghiệm để thiết kế thành phần cơ bản của bê tông nhẹ sử dụng rơm làm chất độn; cụ thể:
- Tính tốn lý thuyết thành phần của bê tơng nền (bê tông thƣờng); - Thành phần bê tông nhẹ đƣợc xác định từ việc dùng rơm làm chất độn thay một phần cốt liệu lớn qua thực nghiệm thử dần: trực quan quá trình nhào trộn và đúc mẫu. Trình tự các bƣớc thực hiện nhƣ sau:
Bƣớc 1: Xác định lƣợng nƣớc nhào trộn (N); Bƣớc 2: Xác định tỉ lệ xi măng – nƣớc (X/N); Bƣớc 3: Xác định lƣợng xi măng (X);
Bƣớc 4: Xác định lƣợng cốt liệu lớn (Đ) và cốt liệu nhỏ (C); Bƣớc 5: Xác định lƣợng rơm thay thế cốt liệu lớn (R);
3.3. Trình tự và kết quả tính tốn lý thuyết thành phần bê tơng nền
3.3.1. Xác định lượng nước nhào trộn
Để xác định lƣợng nƣớc nhào trộn (N), đề tài căn cứ các điều kiện về nguyên vật liệu và yêu cầu thiết kế:
Chọn cấp độ bền của loại bê tông thiết kế là B15 (cƣờng độ chịu nén trung bình Rb = 20MPa);
Dùng cấp phối đá dăm có đƣờng kính danh định lớn nhất Dmax = 20mm;
Dựa vào yêu cầu Độ sụt hoặc Độ cứng, xác định lƣợng nƣớc nhào trộn N từ bảng tra;
Độ sụt của hỗn hợp bê tông thƣờng đƣợc lựa chọn dựa theo phƣơng pháp thi công, thể hiện ở Bảng 3-1[8].
Bảng 3. 1. Độ sụt hỗn hợp bê tông nên dùng cho dạng kết cấu
Loại kết cấu
Phƣơng pháp thi công
Cơ giới Thủ
công
SN, cm ĐC, giây SN, cm Bê tơng nền - móng cơng trình 1÷2 25÷35 2÷3 Bê tơng khối lớn ít hay khơng có cốt thép 2÷4 15÷25 3÷6 Bản, dầm, cột, lanh tơ, ơ văng,… 4÷6 12÷15 6÷8 Bê tơng có hạm lƣợng cốt thép trung bình 6÷8 10÷12 8÷12 Bê tơng có hàm lƣợng cốt thép dày 8÷12 5÷10 12÷15
Bê tơng đổ trong nƣớc 12÷18 < 5 -
Bê tông xi măng mặt đƣờng 1÷4 25÷35 2÷6 Lƣợng nƣớc nhào trộn ban đầu đƣợc lựa chọn theo Bảng 3-2. Lƣợng nƣớc xác định từ Bảng 3-2 tƣơng ứng với sử dụng loại cát hạt thơ có độ ẩm 7% và độ ẩm của cốt liệu lớn không đáng kể; nếu độ ẩm thực tế của cát và cốt liệu thô tại thời điểm trộn hỗn hợp khác với các giá trị này thì sẽ phải hiệu chỉnh lại lƣợng nƣớc nhào trộn.
Với các số liệu về các loại cốt liệu: cấp phối đá dăm có đƣờng kính danh định lớn nhất Dmax = 20mm và cát hạt thơ có độ ẩm 7%; mục tiêu độ sụt của hỗn hợp là 2 - 6cm (bê tơng ít hoặc khơng sử dụng cốt thép), đề tài xác định lƣợng nƣớc nhào trộn hỗn hợp ban đầu cho 1m3
bê tơng nằm trong khoảng 190 - 205 lít (Bảng 3-2)[8].
Bảng 3. 2. Lượng nước dùng trộn bê tông
Độ cứng (ĐC) (giây)
Độ sụt (SN)
(cm)
Lượng nước ứng với loại cốt liệu lớn và Dmax
(kg/m3) Sỏi Đá dăm 10 20 40 10 20 40 150-200 0 145 130 120 155 145 130 90-120 0 150 135 125 160 150 135 60-80 0 160 145 130 170 160 145 30-50 0 165 150 135 175 165 150 20-30 0-1 175 160 145 185 175 160 15-20 1-1,5 185 170 155 195 185 170 2-2,5 190 175 160 200 190 175 3-4 195 180 165 205 195 180 5 200 185 170 210 200 185 7 205 190 175 215 205 190 8 210 195 180 220 210 195 10-12 215 200 190 225 215 200 3.3.2. Xác định tỉ lệ xi măng/nước
Để xác định tỉ lệ xi măng/nƣớc nhào trộn (X/N), đề tài sử dụng công thức Bolomey – Skramtaev[8]:
- Đối với bê tơng thƣờng (X/N = 1,4÷2,5): yc x R X 0,5 N AR (3-1)
- Đối với bê tông cƣờng độ cao (X/N > 2,5): yc 1 x R X 0,5 N A R (3-2)
Trong đó : Rx - cƣờng độ (mác) của xi măng (Rx = 40MPa);
Ryc - cƣờng độ chịu nén yêu cầu của bê tông 28 ngày tuổi; A và A1 - hệ số chất lƣợng vật liệu, lấy theo Bảng 3-3.
Bảng 3. 3. Hệ số chất lượng vật liệu Chất lƣợng cốt liệu A A1 Chất lƣợng cao Chất lƣợng trung bình Chất lƣợng thấp 0,65 0,60 0,55 0,43 0,40 0,37
Các loại đá dăm và cát sử dụng có chất lƣợng tƣơng đối tốt, đề tài lựa chọn hệ số A = 0,60.
Thay các thơng số vào cơng thức tính tốn, đề tài xác định đƣợc tỉ lệ xi măng – nƣớc (X/N) là 1,42.
3.3.3. Xác định lượng xi măng
Để xác định lƣợng xi măng đề tài dựa vào tỷ lệ X/N đã xác định đƣợc ở bƣớc thực hiện trƣớc: X X .N;kg N (3-3) Từ lƣợng nƣớc N là 205 lít và tỷ lệ X/N là 1,42, đề tài xác định đƣợc lƣợng xi măng sử dụng cho 1m3 bê tông là 292kg.
Sau khi xác định đƣợc lƣợng xi măng, cần so sánh với lƣợng xi măng tối thiểu (Xmin) và tối đa (Xmax) đƣợc quy định theo từng tiêu chuẩn:
- Theo ASTM: Xmin = 300kg/m3 bê tông; - Theo TC Pháp: Xmin = (250 + Rb)/D1/3
Xmin phụ thuộc phƣơng pháp thi công và điều kiện làm viêc của kết cấu cơng trình, xác định theo Bảng 3-4.
Vậy lƣợng xi măng tính tốn ban đầu đảm bảo quy định về hàm lƣợng tối thiểu và tối đa theo tiêu chuẩn Việt Nam.
Bảng 3. 4. Lượng xi măng tối thiểu theo TCVN
Điều kiện làm việc của kết cấu cơng trình
Phƣơng pháp đầm chặt Bằng tay Bằng máy
Trực tiếp tiếp xúc với nƣớc 265 240
Bị ảnh hƣởng của mƣa gió khơng có
phƣơng tiện bảo vệ 250 220
Không bị ảnh hƣởng của mƣa gió 220 200
3.3.4. Xác định lượng cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ 3.3.4.1. Xác định lượng cốt liệu lớn 3.3.4.1. Xác định lượng cốt liệu lớn
Việc tính tốn xác định lƣợng cốt liệu lớn (đá dăm - Đ) dùng cho 1m3 bê tông đƣợc thực hiện theo công thức sau[8]
: d D oD aD 1000 Đ ;kg k .r 1 (3-4) Trong đó: rD – độ rỗng của đá dăm; kd – hệ số dƣ vữa, xác định theo Bảng 3-5:
Bảng 3. 5. Hệ số dư vữa trong bê tông
Lƣợng XM trong 1m3 bê tông Hệ số dƣ vữa kd Đá dăm Sỏi 250 1,30 1,34 300 1,36 1,42 350 1,42 1,48 400 1,47 1,52
Theo kết quả tính tốn ở trên, đề tài đã sơ bộ lựa chọn đƣợc lƣợng xi măng là 292kg, vậy từ Bảng 3-5 có thể lấy hệ số dƣ vữa kd là 1,36.
γ0D - khối lƣợng thể tích của đá dăm, kg/lít; γaD - khối lƣợng riêng của đá dăm, kg/lít.
Loại đá dăm sử dụng có các thơng số kỹ thuật sau: Khối lƣợng thể tích: γ0D = 1,48g/cm3
; Khối lƣợng riêng: γaD = 2,8g/cm3; Độ rỗng: rD = 0,47.
Thay các thông số vào công thức tính tốn, đề tài xác định đƣợc lƣợng đá dăm (Đ) dùng cho 1m3
bê tông:
Đ = 1197kg.
3.3.4.2. Xác định lượng cốt liệu nhỏ
Sau khi xác định đƣợc lƣợng nƣớc nhào trộn (N), lƣợng xi măng (X) và lƣợng đá dăm (Đ), việc các định lƣợng cốt liệu nhỏ (cát - C) cho 1m3
bê tông đƣợc thực hiện theo công thức sau[8]
: aC aX aD X D C 1000 N. ;kg (3-5)
Trong đó:γaX, γaD và γaC - lần lƣợt là khối lƣợng riêng của xi măng, của đá dăm và của cát, kg/lít; với xi măng và các loại cốt liệu đã lựa chọn sử dụng có các thông số kỹ thuật sau:
Khối lƣợng riêng của xi măng: γaX = 3,05 kg/lít;
Khối lƣợng riêng của đá dăm: γaD = 2,8 kg/lít; Khối lƣợng riêng của cát: γaC = 2,75 kg/lít. Thay các thơng số vào cơng thức tính tốn, đề tài xác định đƣợc lƣợng cát (C) dùng cho 1m3 bê tông:
3.3.5. Tổng hợp kết quả tính tốn lý thuyết
Tổng hợp kết quả tính tốn lý thuyết các thành phần vật liệu chế tạo bê tông đƣợc thể hiện ở Bảng 3-6.
Bảng 3. 6. Kết quả tính tốn lý thuyết các thành phần vật liệu
D (kg) C (kg) X (kg) N (lít) R (kg)
1197 747 292 205 29,2
3.4. Xác định hàm lƣợng rơm thay thế cốt liệu bằng thực nghiệm
3.4.1. Phương pháp thực nghiệm
Thành phần bê tông nhẹ đƣợc xác định từ việc dùng rơm làm chất độn thay một phần cốt liệu lớn qua thực nghiệm thử dần; trình tự thực hiện qua các bƣớc cụ thể nhƣ sau:
Bƣớc 1: Chuẩn bị và trộn thử
- Các vật liệu thành phần đƣợc chuẩn bị sẵn sàng với khối lƣợng đã biết;
- Trộn trƣớc hỗn hợp Cát, Xi măng, Nƣớc và 40% Cốt liệu lớn (so với khối lƣợng cốt liệu lớn thiết kế cho bê tông nền);
- Đƣa dần rơm, kết hợp thêm với lƣợng cốt liệu lớn vào trộn cùng và quan sát theo u cầu tính cơng tác và khối lƣợng thể tích.
Bƣớc 2: Đúc mẫu và kiểm tra
- Kiểm tra tính cơng tác qua việc đúc mẫu: mức độ liên kết, mức độ đồng nhất, độ linh hoạt, …;
- Kiểm tra khối lƣợng thể tích; - Kiểm tra cƣờng độ chịu nén.
Hình ảnh về quá trình làm thực nghiệm để thử dần đƣợc thể hiện ở Hình 2-5.
Hình 3. 1. Qúa trình thực nghiệm thử dần 3.4.2. Kết quả thực nghiệm 3.4.2. Kết quả thực nghiệm
Qua quá trình trộn, kiểm tra tính cơng tác và đúc mẫu thử dần, đề tài lựa chọn hàm lƣợng rơm khô ban đầu (R) để nhào trộn là 10% so với khối lƣợng xi măng; và lƣợng cốt liệu lớn rút bớt là 60% so với hàm lƣợng ban đầu (Đ0):
R = 0,1.X = 0,1.292 = 29,2 (kg) Đ = 0,6.Đ0 = 0,5.1197 ≈ 718 (kg)
Tổng hợp kết quả thiết kế các thành phần vật liệu ban đầu cho bê tông nhẹ độn rơm đƣợc thể hiện ở Bảng 3-7.
Bảng 3. 7. Kết quả thiết kế các thành phần vật liệu
D (kg) C (kg) X (kg) N (lít) R (kg)
718 747 292 205 29,2
Từ kết quả tính tốn lý thuyết và thực nghiệm thử dần để chọn ra hàm lƣợng các thành phần vật liệu ( Bảng 3-7), đề tài chế tạo các mẫu thí nghiệm để kiểm tra tính cơng các của hỗn hợp bê tơng (đánh giá bằng Độ sụt - S), khối lƣợng thể tích (γ0) và cƣờng độ chịu nén (Rb) của bê tông. Kết quả kiểm tra đƣợc ghi ở Bảng 3-8.
Bảng 3. 8. Kết quả kiểm tra các tính năng cơ bản của bê tơng rơm Chỉ tiêu Mẫu 01 Mẫu 02 Mẫu 03 Trung bình
S, cm 6 6 7 6,3
Rb, MPa 6,2 6,0 6,77 6,32
γ0, g/cm3 1,83 1,88 1,85 1,85
Từ kết quả kiểm tra ở Bảng 3-8 cho thấy: loại hỗn hợp bê tông nhẹ độn rơm đảm bảo về tính cơng tác, đồng thời đạt u cầu về chỉ tiêu khối lƣợng thể tích và cƣờng độ quy định với bê tơng nhẹ.
CHƢƠNG 4
THỰC NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH THÀNH PHẦN BÊ TÔNG
4.1. Phƣơng án nghiên cứu
Để hiệu chỉnh thành phần bê tông rơm, đề tài thực nghiệm khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng rơm đến tính cơng tác, đến khối lƣợng thể tích và đến cƣờng độ chịu nén của bê tông, từ kết quả thiết kế các thành phần vật liệu cơ bản cho bê tông rơm, đề tài chế tạo và xác định các tính năng với các nhóm mẫu có hàm lƣợng rơm khơ biến đổi trong khoảng tƣơng ứng 10 ÷ 18% (so với khối lƣợng xi măng); cụ thể về các thành phần vật liệu chế tạo các nhóm mẫu đƣợc ghi ở Bảng 4-1.
Bảng 4. 1. Thành phần vật liệu chế tạo các nhóm mẫu
Nhóm mẫu D (kg) C (kg) X (kg) N (lít) R (kg) M10% 718 747 292 205 29,20 M12% 718 747 292 205 32,58 M14% 718 747 292 205 36,50 M16% 718 747 292 205 40,15 M18% 718 747 292 205 43,80
4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi tới độ sụt
4.2.1. Kết quả thí nghiệm độ sụt
Kết quả thí nghiệm độ sụt ban đầu (S1) và độ sụt sau 30 phút (S30) với các mẫu hỗn hợp bê tơng rơm có hàm lƣợng rơm thay đổi các khoảng tƣơng ứng 10%; 12%; 14%; 16% và 18% đƣợc ghi ở Bảng 4-2.
Bảng 4. 2. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của hàm lượng rơm tới độ sụt Nhóm mẫu Hàm lƣợng (%) Độ sụt của hỗn hợp, cm Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung bình S1 S30 S1 S30 S1 S30 S1 S30 M10% 10 6.0 4.5 6.0 4.0 7.0 5.5 6.3 4.7 M12% 12 5.0 4.0 5.5 3.5 5.0 3.5 5.2 3.7 M14% 14 4.0 3.0 4.0 2.5 3.5 2.0 3.8 2.5 M16% 16 2.5 1.0 1.5 0.0 2.0 0.5 2.0 0.5 M18% 18 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
4.2.2. Phân tích sự ảnh hưởng tới độ sụt
Đồ thị quan hệ giữa hàm lƣợng rơm và độ sụt của các nhóm mẫu hỗn hợp bê tơng rơm đƣợc thể hiện ở Hình 4-1.
Từ kết quả ở bảng 4-2 cho thấy: độ sụt của hỗn hợp bê tông về cơ bản thỏa mãn yêu cầu, tuy nhiên có 01 nhóm mẫu khơng đo đƣợc độ sụt do sau khi lèn hỗn hợp trong cột sụt và rút cơn lên thì hỗn hợp vẫn bám chặt trong côn (hỗn hợp không tụt ra khỏi cơn – khơng đảm bảo tính cơng tác).
Quan hệ giữa hàm lƣợng rơm và độ sụt của hỗn hợp có thể đƣợc mơ tả bởi các công thức (4-1) và (4-2).
S1 = - 0,7917R + 14,15 (4-1)
S30 = - 0,625R + 11,017 (4-2)
Trong đó:
S1 – độ sụt của hỗn hợp ngay sau nhào trộn, cm;
S30 – độ sụt của hỗn hợp ngay sau nhào trộn 30 phút, cm;
R – hàm lƣợng rơm sử dụng (tỉ lệ phần trăm về khối lƣợng rơm khô so với xi măng), %.
4.3. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi tới khối lƣợng thể tích
4.3.1. Kết quả thí nghiệm khối lượng thể tích
Kết quả thí nghiệm khối lƣợng thể tích ở trạng thái khơ tự nhiên (γk) và ở trạng thái bão hòa nƣớc (γbh) của các mẫu bê tơng rơm có hàm lƣợng rơm
thay đổi ở các khoảng tƣơng ứng 10%; 12%; 14%; 16% và 18% đƣợc ghi ở Bảng 4-3.
Bảng 4. 3. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của hàm lượng rơm tới KLTT
Nhó m mẫu Hàm lƣợn g (%) Khối lƣợng thể tích (g/cm3) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung bình γk γbh γk γbh γk γbh γk γbh M10% 10 1.83 2.10 1.88 2.16 1.85 2.15 1.85 2.14 M12% 12 1.85 2.13 1.81 2.10 1.84 2.11 1.83 2.11 M14% 14 1.83 2.08 1.77 2.03 1.80 2.05 1.80 2.05 M16% 16 1.71 1.90 1.76 2.00 1.80 2.02 1.76 1.97 M18% 18 1.75 1.88 1.69 1.82 1.71 1.86 1.72 1.85
4.3.2. Phân tích sự ảnh hưởng tới khối lượng thể tích
Đồ thị quan hệ giữa hàm lƣợng rơm và khối lƣợng thể tích của các nhóm mẫu bê tơng rơm đƣợc thể hiện ở Hình 4-2.
Từ kết quả ở bảng 4-3 cho thấy: khối lƣợng thể tích của bê tơng về cơ bản đều đảm bảo phù hợp với quy định của tiêu chuẩn Việt Nam về bê tơng nhẹ (bê tơng nhẹ có γ < 1,9T/m3).
Hình 4. 2. Đồ thi quan hệ hàm lượng rơm và khối lượng thể tích
Quan hệ giữa hàm lƣợng rơm và khối lƣợng thể tích có thể đƣợc mơ tả bởi các công thức (4-3) và (4-4). γk = - 0,0172R + 2,0324 (4-3) γbh = - 0,0353R + 2,5207 (4-3) Trong đó: y = -0,0172x + 2,0324 R² = 0,9826 y = -0,0353x + 2,5207 R² = 0,9385 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 10 12 14 16 18 Khố i l ƣợng thể tíc h, g/ cm 3 Hàm lƣợng rơm, %
28 ngày - khô tự nhiên 28 ngày - bão hịa
Linear (28 ngày - khơ tự nhiên) Linear (28 ngày - bão hòa)
γk – khối lƣợng thể tích của bê tơng độn rơm ở trạng thái khơ tự nhiên trong điều kiện phịng thí nghiệm ở tuổi 28 ngày, g/cm3
;
γbh – khối lƣợng thể tích của bê tơng độn rơm ở trạng thái ngâm bão hòa nƣớc sau 3 giờ, g/cm3
;
R – hàm lƣợng rơm sử dụng (tỉ lệ phần trăm về khối lƣợng rơm khô so với xi măng), %.
4.4. Khảo sát ảnh hƣởng tới cƣờng độ chịu nén
4.4.1. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén
Kết quả thí nghiệm cƣờng độ chịu nén ở trạng thái khô tự nhiên (Rb) và ở trạng thái bão hịa nƣớc (Rbh) của các mẫu bê tơng rơm có hàm lƣợng rơm thay đổi các khoảng tƣơng ứng 10%; 12%; 14%; 16% và 18% ở tuổi 28 ngày đƣợc ghi ở Bảng 4-4.
Bảng 4-4. Kết quả thí nghiệm ảnh hƣởng của hàm lƣợng rơm tới cƣờng độ chịu nén
Bảng 4. 4. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của hàm lượng rơm tới cường độ chịu nén Nhó m mẫu Hàm