7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC NÂNG CAO CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG
2.1.4 Nâng cao cường độ bê tông bằng cách tối ưu hóa thành phần hạt
-Thiết kế thành phần hạt nhằm tìm ra tỷ lệ tối ưu giữa các cấp hạt nhằm mục đích
tạo ra độ rỗng tối ưu của hệ, thường có thể là độ rỗng nhỏ nhất (bê tông đặc chắc nhất) hay độ rỗng lớn nhất (bê tông tiêu nước) hoặc thỏa mãn một vùng quy phạm cho trước nào đó cho độ rỗng hợp lý. Việc phối hợp các cấp hạt này thường phụ thuộc vào hình dạng hạt và sự phân bố kích thước hạt.
Như vậy thiết kế thành phần hạt trong bê tông là một bước quan trọng trong thiết kế cấp phối bê tông, đặc biệt là VHSC khi cấu trúc đặc chắc là một trong những yêu cầu quan trọng.
2.1.4.2 Thiết kế thành phần hạt cho VHSC
Bê tông cường độ rất cao (VHSC) được chế tạo từ các vật liệu thông thường và phổ biến như xi măng, cốt liệu, PGK, PGSD. Như vậy vấn đề thiết kế thành phần hạt trong VHSC được đặt ra là dải hạt bao gồm chất kết dính (xi măng- PGK mịn) và cốt liệu. Thiết kế thành phần hạt cho chất kết dính
Việc thiết kế thành phần hạt của chất kết dính ảnh hưởng lớn đến thành phần hạt của cốt liệu. Do vậy đây là vấn đề quan trọng trong thiết kế thành phần bê tông. Trên thực tế bê tông VHSC Kwan [76] đã tối ưu hóa các thành phần hạt của chất kết dính chế tạo bê tông có cường độ 100 MPa. Tuy nhiên việc thiết kế thành phần hạt của chất kết dính tồn tại một số vấn đề sau:
- Thứ nhất: thành phần hạt của vật liệu chất kết dính và cốt liệu rất khác nhau do vậy thực tế áp dụng các mô hình lý thuyết và thực nghiệm để thiết kế thành phần hạt cốt liệu và chất kết dính thường không đúng. Điều này đã được giải thích trong nghiên cứu của Pietsch [100]. Theo Pietsch kớch thước quan trọng nhất của cỏc hạt là 100 àm. Ở kích thước nhỏ hơn, tỷ lệ lực liên kết phân tử lớn và do vậy sự vón tụ là đáng
kể. Đó là lý do vì sao độ lèn chặt của các hạt mịn lại khác hạt thô.
-Thứ hai: về cơ bản thành phần hạt của chất kết dính có thể sử dụng bằng các phương pháp đo độ lèn chặt của các hạt khô áp dụng cho cốt liệu trong nhiều năm. Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ ra rằng khi áp dụng các phương pháp này cho chất kết dính, kết quả độ lèn chặt thường thấp hơn so với phương pháp ướt và rất nhạy với các phương pháp và mức độ đầm chặt khác nhau [77, 130]. Nguyên nhân được giải thích bởi Yu và cộng sự [138] do sự hiện diện của các lực tĩnh điện và lực Van der Waals tại bề
mặt các hạt mịn dẫn đến hiện tượng keo tụ và đóng gói lỏng lẻo của các hạt mịn. Do đó phương pháp khô của việc thiết kế thành phần hạt không nên áp dụng cho các vật liệu kết dính.
Mặt khác, trong hỗn hợp bê tông, chất kết dính luôn trộn với nước để tạo thành lớp hồ xi măng. Do vậy độ lèn chặt nên được xác định theo phương pháp ướt vì sử dụng phương pháp khô. Trên thực tế, do độ ẩm, bôi trơn các hạt mịn, lực mao dẫn giữ cho các hạt mịn gần lại nhau, vì vậy phương pháp ướt thường cho độ lèn chặt cao hơn so với phương pháp khô. Các tác giả đo lại độ lèn chặt trong cả điều kiện khô và điều kiện ướt thấy rằng độ lèn chặt trong điều kiện ướt cao hơn rất nhiều so với điều kiện khô[76]. Do đó đề xuất sử dụng phương pháp ướt để xác định thành phần hạt các chất kết dính. Ngoài ra, đối với hệ VHSC phụ gia siêu dẻo là thành phần bắt buộc.
Nó phân tán các hạt vón tụ, cải thiện độ lèn chặt và giảm nhu cầu cần nước của chất kết dính. Với việc bổ sung phụ gia siêu dẻo độ lèn chặt đo theo phương pháp ướt sẽ cao hơn so với phương pháp khô.
Một vấn đề chính tồn tại trong thiết kế thành phần hạt theo phương pháp khô là sự giảm kích thước hạt, các hiện tượng bám dính phát sinh từ lực Van der Waals và lực tĩnh điện giữa các hạt trở lên quan trọng hơn dẫn đến sự keo tụ làm tăng độ rỗng[137]. Nói chung phương pháp thiết kế thành phần hạt theo phương pháp khô có xu hướng đánh giá cao hàm lượng lỗ rỗng và đánh giá thấp độ lèn chặt của các hạt mịn. Kwan
[77] đã chứng minh khi sử dụng phương pháp khô đánh giá thành phần hạt của các vật liệu xi măng thấp hơn so với phương pháp ướt. Sự vón tụ lớn đã được quan sát thấy trong thiết kế thành phần hạt theo phương pháp khô. Vì vậy trừ khi vấn đề này được giải quyết hoàn toàn nếu không thì phương pháp khô không thích hợp để thiết kế thành phần hạt của các vật liệu có tính chất kết dinh, trong đó kích thước hạt nói chung là nhỏ hơn 100 àm.
Tuy nhiên phương pháp ướt vẫn tồn tại một số vấn đề: Thứ nhất lượng cần nước đã được xem như là hàm lượng nước ở một mức độ nhất định nhưng đến nay chưa có chứng minh rằng lượng nước ấy đủ để lấp đầy các lỗ rỗng. Vấn đề tồn tại thứ 2 được chỉ ra bởi Iveson và cộng sự [64] đó là các hạt có thể liên kết với chất lỏng ở trạng
thái bão hòa khác nhau, trong trạng thái dịch chuyển, các hạt được giữ lại với nhau bằng các cầu chất lỏng ở điểm tiếp xúc của chúng. Ở trạng thái mao quản, dưới tác dụng của mao dẫn các hạt được bão hòa với chất lỏng bề mặt sẽ bị hút vào trong các lỗ rỗng. Giữa những điều này tồn tại một trạng thái hoạt động liên tiếp, trong đó các lỗ rỗng không mất đi hoàn toàn. Kể từ khi chuyển từ trạng thái dịch chuyển sang trạng thái mao quản (chuyển từ trạng thái ẩm sang sang trạng thái hồ xi măng) diễn ra không rõ ràng, rất khó để xác định ở trạng thái mao quản đó chất lỏng đủ để lấp đầy các lỗ rỗng. Vấn đề thứ ba, hàm lượng khí trong hồ xi măng thường được bỏ qua, dẫn đến đánh giá thấp hàm lượng khí và đánh giá cao độ lèn chặt.
Như vậy để xác định được độ lèn chặt của hỗn hợp CKD thì phương pháp ướt có độ chính xác cao hơn điển hình trong các nghiên cứu của của Kwan và H.Wong [78, 130]. Có rất nhiều phương pháp ướt để xác định độ lèn chặt hỗn hợp tuy nhiên để đơn giản nhất và dễ thực hiện nhất thì phương pháp lượng cần nước do De Larard đề xuất là hợp lý hơn cả.
Thiết kế thành phần hạt cho cốt liệu
Độ lèn chặt của cốt liệu được tính theo trực tiếp dựa trên khối lượng thể tích lèn chặt của cốt liệu. Thực tế có rất nhiều phương pháp có thể đưa ra độ lèn chặt của cốt liệu điển hình tiêu chuẩn BS 812-phần 2-1995 đưa ra phương pháp đo khối lượng thể tích của cốt liệu ở trạng thái khô, dựa trên đó có thể đánh giá khối lượng thể tích lèn chặt và độ rỗng của cốt liệu, độ lèn chặt có thể xác định theo điều kiện lèn chặt hoặc tự nhiên. Về lý thuyết lỗ rỗng của các hạt lớn có thể được điền đầy bởi các hạt kích thước nhỏ hơn. Nếu quá trình điền đầy kéo dài vô hạn bằng cách sử dụng các hạt siêu mịn thì tất cả các lỗ rỗng có thể được lấp đầy. Điều này dẫn đến độ lèn chặt gần bằng 1. Thực tế điều này không thể đạt được vì một số lý do sau:
-Một là: các hạt có kích thước mịn không thể điền đầy hoàn toàn vào khoảng trống giữ các hạt lớn. - Hai là: hình dạng của các hạt cốt liệu có một số hạn chế ảnh hưởng đến thành phần hạt của cốt liệu- Ba là: bề mặt gồ ghề của các hạt cốt liệu sẽ hạn chế hiệu quả trộn và quá trình đầm chặt. Độ gồ ghề của cốt liệu mà lớn sẽ tạo ra lực ma sát lớn giữa các hạt trong quá trình trộn và đầm chặt do đó làm giảm độ lèn chặt của
cốt liệu. Cuối cùng hiệu ứng điền đầy của các hạt mịn bị ảnh hưởng bởi tương tác hiệu ứng tường chắn và hiệu ứng lỏng lẻo (De larrard) [40] như Hình 2.1. Cả hai hiệu ứng này đều phụ thuộc vào tỷ lệ kích thước hạt tương tác và tỷ lệ thể tích của các hạt có kích thước khác nhau.
Như vậy tổng kết trên đây có thể thấy các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần hạt gồm có: kích thước hạt, dải hạt, hình dạng hạt, độ nhám bề mặt và ảnh hưởng của hiệu quả trộn và quá trình đầm chặt. Vì vậy phương pháp để xác định độ lèn chặt của thành phần hạt cốt liệu phải xem xét ảnh hưởng của các yếu tố trên và phương pháp mô hình tính toán dạng nén của De larrard [40] là hợp lý hơn cả khi sử dụng để thiết kế thành phần hạt cho cốt liệu VHSC do có kể đến tương tác giữa các hạt và hiệu ứng của hỗn hợp hạt.