Bê tông hạt nhỏ là một loại đá nhân tạo, đƣợc phối trộn với một tỉ lệ hợp lý các vật liệu cát thô (hoặc cát nghiền), cát mịn, chất độn mịn, xi măng, nước, có thể có thêm thành phần chất phụ gia, hình thành cường độ vững chắc. Nguyên tắc hình thành cường độ của bê tông hạt nhỏ tương tự như với bê tông thông thường, trên cơ sở chèn đầy khung cốt liệu.
Bê tông hạt nhỏ được phân biệt với bê tông thường là có liều lượng cát lớn, không có đá dăm hoặc có nhƣng liều lƣợng nhỏ và có thêm chất độn mịn để cải thiện cấp phối hạt của cốt liệu. Trong bê tông hạt nhỏ, hàm lƣợng cát chiếm tỉ lệ nhiều hơn so với bê tông thông thường, khoảng (1300kg -1700kg)/1m3 bê tông (đối với bê tông thường khoảng (500kg - 800kg)/1m3 bê tông).
Mô đun độ mịn của cát dùng cho bê tông hạt nhỏ trong khoảng từ 1,6 - 3,5;
nhƣ vậy cát đƣợc sử dụng cho bê hạt nhỏ có giới hạn mô đun độ mịn rộng hơn so với bê tông thông thường. Hỗn hợp cốt liệu của bê tông hạt nhỏ là một cấp phối cốt liệu có dải hạt liên tục từ 0 mm ÷ 5 mm có thành phần từ ba cỡ hạt cát thô từ 0,63 mm ÷ 5 mm; cát mịn 0,075 mm ÷ 0,63 mm, chất độn mịn (<0,075mm).
- Cơ chế hình thành cường độ:
Trong nghiên cứu của Luận án này, đối với việc chế tạo bê tông hạt nhỏ có
sử dụng tro bay Vĩnh Tân để thay thế một phần xi măng, cơ chế hình thành cường độ thông qua hai quá trình phàn hứng hóa học. Thứ nhất là phản ứng thủy hóa (còn gọi là phản ứng hydrat hóa), phản ứng này do thành phần chính của xi măng pooc lăng (gồm hoạt chất C3S và C2S) phản ứng với nước theo phương trình (2.28) sau đây:
2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH và 2C2S+4H C3S2H3 + CH (2.28) Thứ 2 là phản ứng pozzolanic giữa các silica hoạt tính, đó là silic oxit (SiO2) và calciuom hydroxide ((Ca(OH)2) tạo thành calcium silicate hydrate theo phương trình (2.29), (2.30), (2.31) sau đây:
x.CH + y.S + z.H CxSyHy+x (2.29) Ca(OH)2 + SiO2 C-S-H gel (2.30) Ca(OH)2 + Al2O3 C-A-H gel (2.31)
Nhƣ vậy, khi sử dụng tro bay Vĩnh Tân thay thế một phần xi măng đã ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa của hồ xi măng thông qua phản ứng pozzolanic hình thành chuỗi C-H-S và C-A-S hình thành cường độ vững chắc.
- Nguyên lý thiết kế cấp phối bê tông:
Có 2 nguyên lý cơ bản thiết kế cấp phối bê tông, đó là nguyên lý phối chế vật liệu đất và nguyên lý phối chế bê tông: lƣợng vữa vật liệu kết dính phải đảm bảo đủ bao bọc các hạt cốt liệu thô, ngoài ra còn đủ để có thể lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu nhỏ, vữa cát bao bọc các hạt cốt liệu thô, hình thành lên bê tông có độ đặc đồng đều, đạt đƣợc các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật.
+ Nguyên lý vật liệu đất (cơ học đất):
Coi hỗn hợp bê tông hạt nhỏ nhƣ là loại vật liệu đất hay nhƣ xi măng đất.
Thiết kế cấp phối dựa trên quan hệ giữa hàm lượng nước trong đất và độ đầm chặt; nhƣ là đối với một lƣợng cốt liệu nhất định và vật liệu kết dính. Nguyên lý vật liệu đất với nguyên tắc là đối với một lực đầm lèn nhất định tìm đƣợc một
"hàm lượng nước tối ưu", dựa vào hàm lượng nước tối ưu, hỗn hợp bê tông sau khi đầm có thể đạt đƣợc tỷ trọng khô lớn nhất; lực đầm lèn càng lớn, trọng lƣợng khô lớn nhất có thể tăng lên khi hàm lượng nước giảm xuống. Với phương pháp nguyên lý đất, trọng lƣợng riêng khô lớn nhất đƣợc dùng làm chỉ tiêu thiết kế.
+ Nguyên lý bê tông:
Coi hỗn hợp như là dạng bê tông dẻo thông thường; cường độ nén và các tính năng khác của nó tuân theo quan hệ giữa tỷ lệ nước / chất kết dính (N/CKD);
tỉ lệ này có nhiều nghiên cứu, trong đó Abrams đã nghiên cứu từ năm 1918, theo nghiên cứu này, giả sử cốt liệu sạch và rắn chắc thì độ đặc, cường độ nén và tỷ lệ N/CKD tồn tại mối quan hệ với nhau, tỷ lệ N/CKD tăng lên thì cường độ bê tông sẽ giảm, nên khi thiết kế cấp phối bê tông cần dựa vào mối quan hệ giữa cường độ nén và tỷ lệ N/CKD, đối với một lƣợng cốt liệu và vật liệu kết dính nhất định, nếu duy trì độ đầm lèn của hỗn hợp bê tông, thì khi tỷ lệ N/CKD của hỗn hợp càng lớn, cường độ bê tông sau khi cứng hoá có quy luật càng giảm, vì vậy tỷ lệ N/CKD được dùng làm chỉ tiêu thiết kế quan trọng. Phương pháp nguyên lý phối chế bê tông đƣợc xem sự lấp đầy, lèn chặt lẫn nhau giữa các loại vật liệu trong bê tông là cơ sở để tính toán. Trong hỗn hợp bê tông hạt nhỏ phải có đủ nhiều lƣợng vữa vật liệu kết dính để bao bọc và nhét đầy lỗ rỗng các hạt cốt liệu nhỏ, lƣợng vữa cát đủ nhiều để bao bọc và nhét đầy lỗ rỗng các hạt cốt liệu thô, hình thành lên loại bê tông có độ sụt thấp và đồng nhất.
Theo nghiên cứu của Abrams, đối với bê tông thường tỉ lệ N/CKD có thể trong khoảng 0,4 ÷ 0,5 tùy theo cấp của bê tông; còn đối với bê tông cát (bê tông hạt nhỏ), do cấu trúc hạt nhỏ hơn, lượng nước sử dụng có thể ca hơn, tỉ lệ N/CKD cao hơn, tuy nhiên để giảm lượng nước và thuận lợi trong khâu thi công, có thể sử dụng phụ gia dẻo hoặc một lƣợng tro bay nhất định trong hỗn hợp, qua đó tỉ lệ N/CKD giảm đi, ở mức từ 0,3 – 0,45 tùy theo cường độ của bê tông (cấp bê tông), nó có tác dụng làm vữa xi măng đủ ƣớt để tạo nên một lớp bao bọc các cốt liệu và nhét đầy các lỗ rỗng giữa chúng [68], [69]. Đối với bê tông hạt nhỏ, thành phần bột mịn (theo nghiên cứu này là tro bay) có thể vừa đóng vai trò là chất phụ gia, chất kết dính, cũng có thể vừa đóng vai trò là cốt liệu nhỏ (vi cốt liệu) tùy theo mục đích chế tạo ra loại bê tông đạt cường độ bao nhiêu (cấp bê tông).
Đối với tro bay nghiên cứu thực nghiệm trong Luận Án là tro bay Vĩnh Tân (ứng với tro bay loại F), nhƣ đã phân tích, do có dạng hình cầu, tro bay sẽ làm cho hỗn hợp vật liệu, ở đây là hỗn hợp bê tông có tính công tác cao, nhƣ vậy sẽ làm cho bê tông có chứa tro bay có độ sụt lớn hơn (so với bê tông không sử dụng
tro bay), như vậy khi sử dụng thiết kế thành phần sẽ giảm được lượng nước so với thông thường; hàm lượng mất khi nung của loại tro này ở mức thấp, chỉ khoảng 0,4% nên có thể sử dụng trực tiếp.
Tro bay Vĩnh Tân đƣợc sử dụng thực nghiệm có hàm lƣợng SO3 thấp (0,4%) Theo nghiên cứu [45], tác giả đã đưa ra kết luận khi sử dụng lương tro bay khoảng 20% so với tổng lượng xi măng thì lượng nước yêu cầu giảm đi khoảng 10%, điều này cũng đã lý giải trong thiết kế thành phần của bê tông hạt nhỏ của Luận án này khi sử dụng tỉ lệ tro bay chiếm khoảng 25% so với xi măng và có bổ sung thêm chất phụ gia đã giảm đáng kể lượng nước so với bê tông xi măng thông thường.
Theo nghiên cứu của tác giả Nguyễn Thanh Sang [43], cốt liệu mịn làm giảm đáng kể lượng nước yêu cầu của bê tông, có sự ảnh hưởng do góc cạnh không đều của cốt liệu nghiền đến các tính chất của bê tông như cường độ nén, cường độ chịu kéo khi ép chẻ... Khi sử dụng cốt liệu mịn làm tăng cường độ của bê tông, giảm tỉ lệ N/CKD, cải thiện vùng tiếp giáp giữa chất kết dính và cốt liệu.
Theo nghiên cứu của tác giả Nguyễn Thị Thu Ngà [44], tỉ lệ N/CKD trong chế tạo bê tông đầm lăn trong khoảng 0,34 ÷ 0,48 khi có sự tham gia của tro bay (lƣợng tro bay chiếm khoảng 20% ÷ 40% so với khối lƣợng bê tông); tác giả đã lựa chọn tỉ lệ phù hợp để độ cứng của bê tông trong khoảng 30 giây ÷ 40 giây thuận lợi trong quá trình thi công nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu về cường độ, và đưa ra kết luận tỉ lệ N/CKD càng thấp thì cường độ của bê tông càng lớn.
Căn cứ theo Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 322:2004 [34] về chỉ dẫn kỹ thuật chọn thành phần bê tông sử dụng cát nghiền, lượng nước trộn bê tông có thể đƣợc hạn chế bằng sử dụng phụ gia dẻo hoặc giảm độ sụt thi công đến mức hợp lý; tỷ lệ N/X đƣợc khuyến cáo không lớn hơn 0,45.
Trong Luận án này, trên cơ sở nghiên cứu một số tính chất của bê tông hạt nhỏ có bổ sung bột mịn [68], [69] (tro bay), luận án nghiên cứu đề xuất cốt liệu chính là cát đỏ (loại cát mịn có mô đun độ lớn mk = 0,963 < 2), bột mịn là tro bay Vĩnh Tân, đóng vai trò nhƣ loại cốt liệu nhỏ hoặc cũng có thể đóng vai trò một phần là chất kết dính thay có xi măng, mục tiêu nhằm tăng độ chặt, cải thiện cường bộ bê tông; sau khi nghiên cứu thử nghiệm sàng lọc (dựa trên tỉ lệ nghiên
cứu của Abrams và các nghiên cứu tại [68], [69]...), với việc sử dụng thêm chất phụ gia hóa dẻo thuận lợi trong việc chế tạo mẫu, khâu thi công và giảm lƣợng nước, luận án nghiên cứu lựa chọn tỉ lệ N/CKD là 0,37 và thay đổi thành phần cốt liệu cát đỏ, cát nghiền, tro bay trong thiết kế thành phần bê tông để thử nghiệm cường độ của hỗn hợp chế tạo.
Trong nghiên cứu của Luận án này, ngoài việc sử dụng cát đỏ với vai trò là cốt liệu mịn, cũng sử dụng cát nghiền với vai trò là cốt liệu thô, theo Tiêu chuẩn cát nghiền cho bê tông và vữa TCVN 9205:2012 [13], cát nghiền có 2 loại phân theo mô đun độ lớn, đó là cát thô khi mô đun độ lớn từ 2,0 ÷ 3,3 và cát mịn khi mô đun độ lớn trong khoảng 0,7 ÷ 2,0; thành phần hạt cát nghiền đƣợc quy định trong phạm vi Bảng 2.1 sau đây:
Bảng 2. 1 Thành phần hạt của cát nghiền [13]
Kích thước lỗ sàng Lượng sót tích lũy trên sàng, % theo khối lượng
Cát thô Cát mịn
2,5 mm Từ 0 đến 25 0
1,25 mm Từ 15 đến 50 Từ 0 đến 15
630 m Từ 35 đến 70 Từ 5 đến 35
315 m Từ 65 đến 90 Từ 10 đến 65
140 m Từ 80 đến 95 Từ 65 đến 85
Chú thích: - Lƣợng sót riêng trên mỗi sàng không đƣợc lớn hơn 45%.
- Đối với các kết cấu bê tông chịu mài mòn và chịu va đập, hàm lượng hạt lọt qua sàng có kích thước lỗ sàng 140 m không được lớn hơn 15%.