CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CHẾ TẠO BÊ TÔNG RỖNG THOÁT NƯỚC
2.2. Cơ sở hình thành cường độ trong BTRTN
2.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của BTRTN
Đã có nhiều nghiên cứu về cường độ nén và hệ số thoát nước của BTRTN, các nghiên cứu chỉ ra rằng độ rỗng của bê tông ảnh hưởng lớn nhất đến cường độ nén và hệ số thoát nước. Độ rỗng cao làm tăng hệ số thoát nước, nhưng lại làm giảm cường độ nén, ngoài độ rỗng các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đáng kể đến hai tính chất trên là: cốt liệu, tỷ lệ N/CKD, tỷ lệ CL/CKD, loại và lượng dùng các loại phụ gia, năng lượng đầm nén [13,30,48].
a) Ảnh hưởng của độ rỗng
Schaefer và cộng sự [11] nghiên cứu ảnh hưởng của các độ rỗng khác nhau đến các tính chất của BTRTN và đưa ra kết quả cho thấy mối quan hệ giữa cường độ nén, độ rỗng và hệ số thoát nước được thể hiện trong Hình 2.7. Kết quả thí nghiệm cho thấy hệ số thoát nước tăng và cường độ nén giảm khi tăng hàm lượng rỗng, khi độ rỗng tăng từ 13% lên 27%, cường độ nén 28 ngày của BTRTN đã giảm từ 26,0
Hình 2.6 Sự sắp xếp cốt liệu và CKD trong BTRTN
MPa xuống 13,0 MPa, trong khi đó hệ số thoát nước tăng từ 1,8 mm/s lên 9,6 mm/s.
Khi độ rỗng trên 23% hệ số thoát nước tăng rất nhanh, lúc này trong bê tông có hệ thống lỗ rỗng hở lớn làm giảm đáng kể lực cản của dòng chảy. Các kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ tăng tính thoát nước trở nên rõ ràng hơn khi độ rỗng tương đối lớn, trong khi
cường độ nén như một hàm của độ rỗng vẫn là tuyến tính. Crouch và cộng sự [97]
cũng đã nghiên cứu mối tương quan giữa độ rỗng và tính thấm trong cả mẫu vật trong phòng thí nghiệm và hiện trường. Kết quả cho thấy sự mối tương quan cũng tương tự nghiên cứu của Schaefer. Các giá trị trung bình minh họa mối liên hệ giữa độ rỗng và hệ số thoát nước với hệ số tương quan 0,9737. Ngoài ra, bằng cách so sánh kết quả thí nghiệm với các kết quả từ các nghiên cứu trước, Crouch thấy rằng hệ số thoát nước ở độ rỗng thấp có tính nhất quán cao hơn với kết quả thí nghiệm trước đó so với kết quả thí nghiệm có độ rỗng cao.
Qua các nghiên cứu ta thấy độ rỗng là yếu tố quyết định đến các tính chất của BTRTN. Độ rỗng được xác định từ hỗn hợp bê tông bao gồm các thành phần: cốt liệu, xi măng, phụ gia và nước.
Hình 2.7 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén, hệ số thoát nước với độ rỗng của BTRTN [11]
0 2 4 6 8 10
0 5 10 15 20 25 30 35
12 16 20 24 28 32
Hệ số thấm, mm/s
Cường độ nén, MPa
Độ rỗng, % Cường độ nén Hệ số thấm
Hình 2.8 Quan hệ giữa cường độ nén của BTRTN và độ rỗng [75]
Hình 2.9 Quan hệ giữa cường độ nén của BTRTN và KLTT [75]
b) Ảnh hưởng của cốt liệu
Cốt liệu sử dụng ảnh hưởng đến cường độ nén và hệ số thoát nước của BTRTN được thể hiện qua các yếu tố: loại cốt liệu, kích thước cốt liệu, cấp phối hạt và hàm lượng cốt liệu nhỏ sử dụng.
Khi cường độ cốt liệu đủ lớn thì cường độ nén của BTRTN phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa đá CKD với bề mặt hạt cốt liệu lớn. Cốt liệu lớn có bề mặt nhám ráp như đá dăm sẽ cho cường độ cao hơn cốt liệu lớn có bề mặt trơn nhẵn như sỏi.
Khi sử dụng thêm cốt liệu nhỏ vào BTRTN chúng có tác dụng điền vào lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn làm tăng độ đặc, tăng diện tích tiếp xúc giữa lớp vữa và cốt liệu lớn, từ đó làm tăng cường độ của BTRTN, nhưng đồng thời làm giảm độ rỗng hở, giảm nhanh hệ số thoát nước. Wang và cộng sự [98] chỉ ra rằng việc thay thế 7%
cốt liệu lớn bằng cốt liệu nhỏ có thể cải thiện cường độ nén lên tới 50% và tăng được độ bền băng giá. Tuy nhiên, chúng lại làm giảm độ rỗng giảm khoảng 10% (độ rỗng từ 20% giảm xuống còn 10%), khi từ đó làm giảm nhanh hệ số thoát nước. Saeid Hesami và cộng sự [23] đã sử dụng kết hợp giữa CLN và cốt sợi (sợi thép, sợi PPS, sợi thủy tinh) để nâng cao cường độ, tuy nhiên cũng làm giảm nhanh độ rỗng. Khi sử dụng CLN có kích thước lớn hơn chiều dày lớp hồ CKD bọc xung quanh hạt CLL thì chúng sẽ làm ảnh hưởng đến phương thức sắp xếp các hạt, từ đó làm thay đổi hệ thống lỗ rỗng.
c) Ảnh hưởng của lượng dùng hồ CKD
0 10 20 30 40 50
5 10 15 20 25 30
Cường độ nén, MPa
Độ rỗng, %
5 10 15 20
1700 1800 1900 2000
Cường độ nén, MPa
Khối lượng thể tích, kg/m3
Hồ CKD có nhiệm vụ bao bọc xung quanh các hạt cốt liệu giúp các hạt cốt liệu trượt được lên nhau để tạo tính công tác cho hỗn hợp bê tông, đồng thời sau khi rắn chắc chúng gắn kết các hạt cốt liệu rời thành một khối thống nhất và tạo cường độ cho BTRTN. Tăng lượng CKD làm tăng diện tích tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu, giảm ứng suất phân bố vào các vị trí tiếp giáp, từ đó làm tăng cường độ BTRTN, nhưng cũng làm giảm độ rỗng nên giảm hệ số thoát nước. Đồng thời khi lượng dùng hồ CKD vượt quá lượng dùng lớn nhất (khả năng bọc tối đa xung quanh hạt cốt liệu) sẽ xảy ra hiện tượng tách hồ CKD bịt kín hệ thống lỗ rỗng ở mặt đáy của mẫu. Do vậy cần lựa chọn hàm lượng CKD hợp lý, hàm lượng CKD tối ưu phụ thuộc nhiều vào kích thước cốt liệu và cấp phối hạt, tỷ lệ N/CKD [55, 75, 104]
a) Khi lượng dùng CKD thấp, lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn; b) Khi lượng dùng CKD cao, lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu nhỏ; c) Khi xảy ra hiện tượng tách hồ CKD (dư hồ
CKD), lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu ở đáy bị bịt kín bằng hồ CKD Hình 2.10 Ảnh hưởng của lượng hồ CKD đến cấu trúc BTRTN d) Ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD
Tỷ lệ N/CKD có ảnh hưởng lớn đến cường độ và cấu trúc rỗng của BTRTN.
Tỷ lệ N/CKD cao sẽ làm cho hồ xi măng lưu động ma sát ướt giữa các hạt cốt liệu giảm làm tăng tính công tác của hỗn hợp bê tông, nhưng làm giảm cường độ đá CKD, từ đó làm giảm cường độ bê tông. Tỷ lệ N/CKD thấp làm giảm nhanh tính công tác, hỗn hợp bê tông khó thi công nhưng cho cường độ cao. Để đảm bảo đồng thời tính công tác và cường độ thì trong BTRTN thường sử dụng N/CKD=0,26-0,45 [1, 2], tỷ lệ này cho hỗn hợp bê tông có tính dễ thi công, không gây phân tầng khi trộn. Để bê tông đạt được cường độ cao, không xảy ra hiện tượng tách hồ CKD trong quá trình
thi công với tỷ lệ N/CKD thấp và để đạt được tính công tác tốt thì phụ gia siêu dẻo cần được sử dụng hợp lý.
e) Ảnh hưởng của năng lượng đầm
Ảnh hưởng của năng lượng đầm đến các tính chất của BTRTN như: cường độ nén, hệ số thoát nước, độ bền băng giá được chỉ ra ở các nghiên cứu [11, 99-101].
Rizvi và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của năng lượng đầm, các phương pháp đầm khác nhau [101] đến các tính chất của BTRTN. Phương pháp đầm được xác lập từ thiết bị đầm, chu trình đầm và lực nén. Từ đó Rizvi đề xuất thiết bị đầm bao gồm thanh đầm tiêu chuẩn, búa Proctor tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm để đúc các mẫu trụ 6x12in và con lăn nhỏ gọn tại hiện trường để thi công tại hiện trường. Đối với mỗi phương pháp đầm, các mẫu được chuẩn bị cho thử nghiệm cường độ nén 7, 14 và 28 ngày, tính thấm và độ rỗng. Kết quả cho thấy kỹ thuật nén tốt nhất là búa Proctor tiêu chuẩn với 10 lần/lớp cho 3 lớp, mẫu được đầm bằng phương pháp này đạt được cả cường độ nén tương
đối cao, tuy nhiên hỗn hợp bê tông dễ bị tách hồ CKD. Trong báo cáo của ACI [75] cũng đưa ra đánh giá ảnh hưởng của năng lượng đầm đến độ rỗng BTRTN và được thể hiện trong Hình 2.11 khi cùng tỷ lệ X/N thì khi tăng lực đầm từ 4 lần/lớp (đầm nhẹ) lên 10 lần/lớp (đầm mạnh) làm giảm nhanh độ rỗng.
f) Ảnh hưởng của tro bay
Tro bay có thành phần chủ yếu là các hạt hình cầu, thường mịn hơn so với xi măng, nên sẽ giúp cho tính công tác của hỗn hợp bê tông tốt hơn khi cùng tỷ lệ N/X.
Tro bay thường có khối lượng riêng thấp hơn xi măng, do vậy khi sử dụng thay thế một phần xi măng hoặc bổ sung thêm cùng lượng dùng xi măng sẽ làm tăng thể tích hồ xi măng so với bê tông không sử dụng tro bay. Điều này góp phần làm hỗn hợp bê
Tỷ lệ N/X
Hình 2.11 Ảnh hưởng của X/N và phương pháp đầm đến độ rỗng của BTRTN [75]
15 20 25 30 35
0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55
Độ rỗng, %
Tỷ lệ X/N Đầm nhẹ
Đầm mạnh
tông tăng tính dẻo và tính kết dính hơn. Tro bay cũng góp phần làm thay đổi độ nhớt của hồ CKD làm ảnh hưởng đến khả năng bám dính của hồ CKD vào bề mặt cốt liệu trong BTRTN.
Tro bay có khả năng làm giảm nước trộn mà vẫn đảm bảo tính công tác của hỗn hợp bê tông. Lượng nước yêu cầu với bê tông sử dụng tro bay giảm 5 đến 15%
so với bê tông chỉ dùng xi măng, độ giảm càng lớn khi tỷ lệ N/X càng cao. Sự giảm lượng nước yêu cầu với bê tông khi có mặt tro bay thường được giải thích do hạt tro bay hình cầu, điều này thường được gọi là “hiệu ứng ổ bi”. Tuy nhiên, cơ chế khác liên quan được biết đến nhiều được giải thích là do sự tích điện, các hạt tro bay mịn bị hút lên bề mặt của hạt xi măng. Nếu đủ độ mịn, các hạt tro bay sẽ bao phủ bề mặt các hạt xi măng do vậy làm giảm hiện tượng vón tụ khi trộn với nước.
Tro bay làm kéo dài thời gian đông kết của xi măng, từ đó làm chậm quá trình phát triển cường độ ban đầu của đá xi măng hay làm giảm cường độ ở tuổi sớm ngày, nhưng tro bay cũng có khả năng phản ứng puzơlanic với Ca(OH)2 và kiềm để tạo ra khoáng C-S-H và C-A-H làm tăng tốc độ thủy hóa ở giai đoạn muộn. Vì vậy, bê tông sử dụng tro bay có cường độ tương đương hoặc thấp hơn ở tuổi sớm, nhưng có thể tương đương hoặc cao hơn ở các tuổi muộn ngay so với bê tông không sử dụng tro bay. Cường độ bê tông sử dụng tro bay có thể tăng thêm khoảng 50% sau một năm, so với mức khoảng 30% của bê tông không sử dụng tro bay. Nghiên cứu của Carette và Malhotra [83] cho thấy khi sử dụng 20% tro bay thay thế xi măng thì cường độ ở tuổi 365 ngày của hầu hết các mẫu chứa tro bay đều cao hơn mẫu bê tông không sử dụng tro bay, chứng tỏ hiệu quả hoạt tính puzơlanic của tro bay.
Khi sử dụng tro bay trong bê tông ngoài hiệu ứng puzơlanic thì tro bay còn có khả năng cải thiện cấu trúc của hệ đá xi măng. Sự cải thiện này tạo ra do hiệu ứng điền đầy của tro bay lên bề mặt của cốt liệu lớn làm giảm thể tích chiếm chỗ bởi các bọt khí, đặc biệt là làm giảm thể tích của các lỗ rỗng mao quan lớn trong cấu trúc.
Hàm lượng tro bay có lợi cho việc giảm lượng dùng nước của hỗn hợp bê tông không vượt quá 20% lượng dùng chất kết dính. Tuy nhiên, hàm lượng giới hạn tro bay sử dụng có thể lên đến 30% lượng dùng chất kết dính mà không làm suy giảm đáng kể
cường độ bê tông ở tuổi muộn ngày.