ĐÁNH GIÁ, PHÂN TÍCH TỔNG HỢP ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT LIỆU ĐẾN CHẤT LƯỢNG RCC TẠI CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU
Trong chương này sẽ trình bày một phân tích về ảnh hưởng của cốt liệu (đá Bazalt - thủy điện Sơn La, Cát kết - thủy điện Bản Vẽ và Granite - thủy điện Sông Tranh 2) đến chất lượng RCC và so sánh những đặc trưng cường độ của chúng.
Việc so sánh cường độ bê tông được giới hạn cho các loại RCC có cường độ trong khoảng 20÷30MPa, thông thường ở các tuổi trung gian 7, 28, 90 ngày và tuổi thiết kế 180 hoặc 365 ngày. Các mẫu kiểm tra được đúc trong khuôn hình trụ 150x300mm hoặc mẫu lập phương chuẩn 150x150x150mm.
Cường độ RCC phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có yếu tố chất lượng và thành phần cấp phối của cốt liệu đá dăm, hình dạng kích thước hạt cốt liệu, tỷ lệ của xi măng, hàm lượng phụ gia khoáng, nước và độ đầm nén,.. Cường độ kháng nén thường được coi là phương pháp thuận tiện nhất để đo chất lượng và tính đồng nhất của bê tông. Vì thế, cường độ kháng nén thiết kế thường được chọn trên cơ sở các mức cường độ cần để thỏa mãn cácứng suất nén, kéo và cắt trong mọi điều kiện tải trọng thi công ở những tuổi ban đầu.
Trong thành phần cấp phối RCC, thể tích cốt liệu chiếm khoảng 70÷80% thể tích của bê tông, do đó nó đóng một vai trò rất quan trọng trong hỗn hợp RCC cũng như RCC đông cứng.
Các đặc tính của cốt liệu ảnh hưởng đến kết quả bê tông có thể được xét đến như sau:
1. Thành phần hạt
Một trong những yếu tố quan trọng trong việc tạo ra RCC có chất lượng tốt về tính công tác cũng như về cường độ chính là thành phần hạt của cốt liệu. Đó là kích thước các cỡ hạt trong thành phần cấp phối, nó ảnh hưởng trực tiếp đến nhu cầu nước của bê tông và hiện tượng phân tầng, do đó ảnh hưởng đến thành phần cấp
phối với một tỷ lệ nước/xi măng thích hợp cũng như một RCC có tính công tác như mong muốn (giá trị Vebe).
Hỗn hợp cốt liệu có thành phần hạt liên tục và đường bao tương đối trơn sẽ có độ lỗ rỗng nhỏ cho nên lượng vữa cần lấp đầy thấp dẫn đến lượng xi măngsử dụng ít mà vẫn tạo ra một hỗn hợp RCC có tính công tác tốt cũng như khả năng đầm chặt cao và tránh được hiện tượng phân tầng và đồng thời cũng tạo ra được một RCC đạt yêu cầu kỹ thuật. Hay nói cách khác, sẽ giảm thiểu được một lượng lớn xi măng trong tổng thể một công trìnhđồng nghĩa với việc tiết kiệm được chi phí và giảm giá thành xây dựng.
Nếu một thành phần hỗn hợp thiếu hàm lượng mịn, ví dụ hàm lượng cát không đủ để lấp đầy các lỗ rỗng của cốt liệu thô, hoặc cát quá thô sẽ tạo nên một RCC xơ vữa, phân tầng, khó thi công cũng như là khă năng đầm chặt sẽ kém và tốn công đầm.
Mặt khác, nếu trong thành phần hỗn hợp chứa quá nhiều lượng cát hoặc cát quá mịn cũng sẽ tạo ra một RCC không kinh tế do phải sử dụng hàm lượng xi măng cao để đạt các yêu cầu về cường độ cũng như tính công tác của bê tông. Do đó, để có một cấp phối liên tục để tạo nên một hỗn hợp có độ chặt cao nhất cũng như độ lỗ rỗng nhỏ nhất sẽ là luôn được yêu cầu khi thiết kế thành phần cấp phối cho bê tông, đặc biệt là đối với RCC.
Cần nhấn mạnh rằng, trong khi cần một hỗn hợp cốt liệu đạt yêu cầu quy định cũng sẽ không có một hỗn hợp lý tưởng do nhiều yếu tố tạo nên, do đó khi thiết kế thành phần cấp phối RCC cho những dự án khác nhau sẽ có những giới hạn về thành phần hỗn hợp khác nhau (đường bao hỗn hợp) bởi vì ứng với mỗi loại đá khác nhau sẽ cho những sản phẩm cũng như đường bao thành phần hạt khác nhau,..
Các kết quả đường bao hỗn hợp của các loại đá dăm sử dụng cho các công trình nêu trênđược trình bày trong bảng 4.1.
Bảng4.1:Đường bao cấp phối hạtvà kết quả thí nghiệmcủa hỗn hợp đá dăm, cát các công trình nghiên cứu
Cỡ sàng (mm)
% lọt sàng theo trọng lượng Basalt/
Sơn La
Granite/
Sông Tranh 2
Cát kết/
Bản Vẽ
Yêu cầu KQTN Yêu cầu KQTN Yêu cầu KQTN
75 100 100
63 100 100 98÷100 100 100÷100 100
50 100 99.7 88 ÷ 95 94.6 99 ÷ 100 100
37.5 87 ÷100 97.3 78 ÷ 85 78.9 90 ÷ 100 97.5
25.0 72 ÷ 85 80.2 64 ÷ 74 69.0 73 ÷ 87 83.8
19.0 63 ÷ 79 75.2 57 ÷ 66 60.2 65 ÷ 80 75.4
12.5 50 ÷64 58.0 47 ÷ 56 51.8 51 ÷ 65 58.3
9.5 41 ÷ 53 52.0 41 ÷ 51 46.9 45 ÷ 59 51.8
4.75 29 ÷ 42 34.9 33 ÷ 40 37.6 30 ÷ 43 38.3
2.36 21 ÷ 32 25.8 24 ÷ 32 28.0 21 ÷ 32 25.9
1.18 14 ÷ 24 17.5 17 ÷ 25 20.7 15 ÷ 24 17.1
0.6 10 ÷ 19 12.3 12 ÷ 19 15.4 10 ÷ 18 12.0
0.3 8 ÷ 15 8.6 8 ÷ 14 11.2 7 ÷ 14 9.0
0.15 6 ÷ 12 6.3 6 ÷ 12 8.1 5.5 ÷ 11 7.1
0.075 5 ÷10 5.4 5 ÷ 10 6.3 5 ÷ 9 6.2
Đồ thìđường bao cấp phối hạt và kết quả thí nghiệm của các công trìnhđược trình bày trong các hình vẽ 4.1, 4.2, 4.3sau đây:
Hình 4.1: Đường bao hỗn hợp công trình thủy điện Sơn La
Hình 4.2: Đường bao hỗn hợp công trình thủy điện Bản Vẽ
Hình 4.3: Đường bao hỗn hợp công trình thủy điện Sông Tranh 2
Kết quả ởbảng 4.1 chỉ ra rằng:
Đường bao cốt liệu thô và mịn sử dụng cho công trình thủy điện Sơn La và Bản Vẽ là tương đối giống nhau do kích thước hạt lớn nhất Dmaxcủa hai công trình này là như nhau (Dmax =50mm), trong khi Dmax sử dụng cho công trình thủy điện Sông Tranh 2 là 63mm.
Tùy theo yêu cầu cụthể của mỗi dự án, đường bao hỗn hợp có thể được điều chỉnh cho phù hợp và tất cả các kết quả thí nghiệm đều nằm trong đường bao yêu cầu (do có sự hiệu chỉnh các mắt sàng trạm nghiền của các nhà thầu), để tạo nên một hỗn hợp RCC có tính công tác tốt và chất lượng RCC đông cứng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.
Tuy nhiên, khi thí nghiệm trong phòng, đầm nén hiện trường cũng như thi công đắp đập thấy rằng: Thành phần cấp phối sử dụng Dmax=50mm (so với cấp phối sử dụng Dmax = 63mm) cho sản phẩm hỗn hợp RCC có tính công tác tốt hơn (bê tông nhuyễn hơn và ít có hiện tượng phân tầng xảy ra), đặc biệt đối với cấp phối sử dụng tro bay Phả Lại 1 (tro bay có hàm lượng mất khi nung < 6%) cho công trình thủy điện Sơn La, hỗn hợp RCC có tính công tác tốt nhất và dễ thi công nhất. Khi tiến hành công tác khoan kiểm tra chất lượng RCC thân đập, gần như không phát hiện thấy các khe lớp do mức độ phân bố các thành phần trong cấp phối là khá đồng đều.
2. Hình dạng hạt và cấu trúc bề mặt hạt
Hình dạng và cấu trúc bề mặt hạt cốt liệu có một ảnh hưởng quan trọng về tính công tác của hỗn hợp bê tông tươi.
Mặt khác cường độ , độ chặt của bê tông được quyết định bởi sự gắn kết giữa cốt liệu thô và vữa (gồm xi măng, cát, nước) cùng với tính phối hợp của cốt liệu.
Khi cốt liệu có độ nhám về cấu trúc bề mặt hạt và hình dạng không bị thoi dẹt sẽ có độ gắn kết tốt nhất giữa các hạt với vữa và như vậy sẽ tạo ra loại RCC có độ chặt và cường độ tốt nhất.
Xét về các yếu tố trên thì có thể nhận thấy rằng: Đối với đá Bazalt công trình thủy điện Sơn La, Granite - Sông Tranh 2 cũng như Cát kết công trình Bản Vẽ đều
có độ nhám bề mặt hạt, tuy nhiên qua thực tế thi công thấy rằng khi cùng một công nghệ nghiền để tạo ra sản phẩm là dăm, cát thìđá basalt có độ góc cạnh hơn so với đá Granite và Cát kết.
3. Khối lượng thể tích
Khi thiết kế thành phần cấp phối của RCC, khối lượng thể tích của cốt liệu đá sử dụng sẽ quyết định đến khối lượng thể tích của bê tông, từ chỉ tiêu này sẽ tính toán chỉ tiêu khối lượng thể tích RCC có thể đạt được, trên cơ sở đó kỹ s ư thiết kế sẽ xác định bề rộng cần thiết của móng đập.
Các tài liệu khi khảo sát và thiết kế cho thấy rằng: Khối lượng thể tích của đá Basalt công trình thủy điện Sơn La dao động trong khoảng 2,86÷2.91T/m3; của đá Granite hạt trungcông trình thủy điện Sông Tranh 2 dao động từ 2.74÷2.76T/m3; đá Cát kết của công trình thủy điện Bản Vẽ từ 2.76 ÷ 2.78T/m3.
Các giá trị thu được cho thấy rằng đá Granite hạt trung và Cát kết có khối lượng thể tích gần tương đương nhau, riêng đá Bazalt có khối lượng thể tích lớn hơn. Điều này cho thấy thành phần khoáng vật và mức độ đặc chắc của đá Bazalt khác so với đá Granite hạt trung và Cát kết. Qua đó cũng thấy rằng, các đặc trưng cường độ khi sử dụng đá Bazalt cho kết quả cao hơn so với 2 loại đá còn lại.
4. Khối lượng thể tích xốp, chặt của cốt liệu
Khối lượng thể tích xốp của đá dăm là thước đo về hình dạng hạt và tính hợp lý của cấp phối , nó quyết định đến lượng xi măng sử dụng cho một m3 bê tông . Khối lượng thể tích xốp cốt liệu thường được sử dụng trong công tác thiế t kế thành phần cấp phối bê tông. Khối lượng thể tích của RCC chủ yếu dựa vào khối lượng thể tích của các cốt liệu sẽ sử dụng cho RCC. Những điều trên nói lên rằng : Khối lượng thể tích của cốt liệu cho bê tông cóảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng và giá thành RCC. Kết quả thu được khi tiến hành khảo sát và thiết kế tại các công trìnhđã thực hiện được trình bày tại bảng 4.2.
Bảng 4.2: Kết quả thí nghiệm khối lượng thể tích xốp chặt của các công trình
Tên đá/công trình
khối lượng thể tích, kg/m3
Xốp Chặt
Basalt/ Sơn La 1390 ÷1450 1660 ÷1690
Cát kết/ Bản Vẽ 1370 ÷1440 1440 ÷1610
Granite/ Sông Tranh 2 1350 ÷1480 1490 ÷1620
Qua kết quả thu được, chỉ ra rằng, khối lượng thể tích xốp của cả 3 loại đá tương đương nhau, tuy nhiên khối lượng thể tích chặt của đá Basalt thiên về lớn hơn so với đá Granite và Cát kết.
5.Độ hấp thụ nước
Tất cả các hạt cốt liệu đều có lỗ rỗng được lấp đầy bởi nước hoặc hơi ẩm.
Lượng độ ẩm hấp thụ trong các lỗ rỗng có thể là khá nhỏ đối với các loại đá hạt mịn, đặc chắc hoặc khá lớn đối với đá nhẹ, xốp. Chỉ tiêu độ ẩm hấp thụ là lượng nước hấp thụ của cốt liệu được xác định bằng công tác thí nghiệm (ASTM C127;
128). Độ ẩm bề mặt cũng có thể có mặt ở cốt liệu và tạo cho chúng một sự ẩm ướt.
Hàm lượng độ ẩm cốt liệu bão hòa là tổng của các độ ẩm hấp thụ và độ độ ẩm bề mặt. Đây là một thông số quan trọng vì nó có thể ảnh hưởng đáng kể đến tổng lượng nước được sử dụng trong hỗn hợp RCC. Những biến đổi trong độ ẩm cốt liệu có thể là nguyên nhân chính gây nên sự sai khác tính công tác v à cường độ của RCC. Đặc biệt là hàm lượng độ ẩm bề mặt của cát.
Vì vậy, khi thiết kế thành phần cấp phối cho một loại RCC nào đó, thông thường sẽ xác định độ ẩm cốt liệu ở trạng thái bão hòa khô bề mặt, tức là các lỗ rỗng đãđược lấp đầy nước nhưng không có độ ẩm bề mặt hạt.
Độ hấp thụ nước của 3 loại đá sử dụng cho RCC các công trình được trình bày trong bảng 4.3
Bảng 4.3: Các đặc trưng cơ lý của 3 loại đá sử dụng cho 3 công trình
Đặc tính
Giá trị Basalt/
Sơn La
Cát kết/
Bản Vẽ
Granite/
Sông Tranh 2
Khối lượng riêng (T/m3) 2.97 2.80 2.77
Hấp thụ nước (%) 0.35 0.35 0.25
Hàm lượng thoi dẹt (%) 26.5 25.3 10.8
Độ mài mòn Los Angeles (%) 15.4 14.5 13.1
Hàm lượng hạt mềm yếu (%) 6.5 0.0 0.0
Hàm lượng bụi bẩn (%) 0.12 0.20 0.11
Độ nén dập ở trạng thái bão hòa 13.3 13.5 11.5
Kết quả các chỉ tiêu tại bảng 4.3 cho thấy: Đá basalt của công trình Sơn La có khối lượng riêng cao hơn hẳn so với đá Cát kết của công trình Bản Vẽ cũng như Granite của công trình Sông Tranh 2. Các chỉ tiêu hàm lượng thoi dẹt cũn g như hạt mềm yếu của đá basalt có phần cao hơn so với hai loại đá còn lại, điều này có thể giải thích rằng trong giai đoạn khảo sát để lấy đá nghiên cứu cho vật liệu Sơn La (chưa khai thác tại mỏ chính nên tính đồng nhất có thể chưa cao) trong khi các chỉ tiêu khác cho kết quả tương đương.
6.Cường độ
Cường độ kháng nén của đá nguyên khai để sản xuất cốt liệu để cho RCC khi có giá trị cao hơn cường độ kháng nén yêu cầu của bê tông sẽ có ảnh hưởng nhưng không quyết định đến cường độ của RCC bởi vì RCC là sự gắn kết các loại cốt liệu với nhau bằng chất kết dính là hồ xi măng, cường độ RCC phụ thuộc vào sự gắn kết của hồ xi măng với cốt liệu mịn và của vữa với cốt liệu thô. Nếu các sự gắn kết đó kém sẽ tạo nên một loại RCC có chất lượng thấp mà không phụ thuộc vào cường độ của đá nguyên khai cũng như của cốt liệu.
Nhưng khi chất lượng của hồ xi măng tốt, tạo nên một sự gắn kết tốt với cốt liệu thì lúcđó các tính chất cơ lý của đá hay cốt liệu sẽ ảnh hưởng đến cường độ của bê tông.
Từ những phân tích trên cho thấy rằng trong khi cốt liệu tốt không thể tạo nên một RCC tốt nhưng khi muốn tạo nên một RCC chất lượng tốt thì yêu cầu về một cốt liệu tốt là thiết yếu.
Thông thường với bê tông có cường độ cao thường yêu cầu cốt liệu cường độ cao. Tuy nhiên, những cốt liệu yếu hơn vẫn thường được sử dụng cho RCC do yêu cầu về cường độ không cao (Cường độ cốt liệu được quyết định bởi thành phần khoáng vật , cấu tạo cuả đá nguyên khai và công nghệ nghiền )
7. Phản ứng kiềm cốt liệu
Các cốt liệu có phản ứng kiềm sẽ có ảnh h ưởng nghiêm trọng cho bê tông bằng việc gây ra các giãn nở bất thường, nứt hoặc làm giảm cường độ.
Ở các công trìnhđã nghiên cứu trên đây, ở giai đoạn khảo sát mỏ vật liệu cho thi công bê tông cũng như RCC, các đá dăm sử dụng đều đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về chỉ tiêu này nên trong phạm vi luận văn không nêu ra.
* Tổng hợp các kết quả thí nghiệm RCC các công trình
Thành phần cấp phối RCC và kết quả thí nghiệm mẫu đúc kiểm tra được tổng hợp trong các bảng4.4 & 4.5:
Bảng 4.4: Thành phần cấp phối RCC các công trình
Tên công trình
Liều lượng sử dụng cho 1m3 RCC, (kg) Xi măng
PC40
Phụ gia
khoáng Nước Phụ gia
NKC Đá dăm Cát
nghiền
1. Sơn La 60 160
(PL1) 143 2.20 1396
(dmax = 50mm) 856
2. Bản Vẽ 80 120
(GQ) 140 1.80 1363
(dmax = 50mm) 835
3. Sông Tranh 2 70 110
(GQ) 130 1.82 1357
(dmax = 63mm) 859 Ghi chú: PL1- Tro bay Phả Lại 1; GQ: Puzơlan Gia Qui
Bảng 4.5: Các chỉ tiêu cơ lý của mẫu đúc kiểm tra RCC
Tên công trình
Cường độ kháng nén mẫu lập phương đúc kiểm tra ở các tuổi, (MPa)
Cường độ kháng kéo trực tiếp,
(MPa) KLTT,
(g/cm3)
Chống thấm,
7 28 90 180 365 90 365 (at)
(ngày)
Sơn La 6.9 17.2 25.5 27.2 29.7 1.55 1.78 2.56 B8
Bản Vẽ 13.7 18.9 20.8 24.6 26.7 0.97 1.20 2.51 B8
Sông
Tranh 2 17.7 26.0 32.5 32.5 35.1 1.09 1.23 2.47 B8
Trên cơ sở kết quả thí nghiệm tại bảng 4.5, lập đồ thị quan hệ giữa cường độ kháng nén mẫu đúc kiểm tra theo ngày tuổi như sau:
Hình 4.4: Biểu đồ phát triển cường độ theo thời gian của các công trình
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
I. Kết luận
Từ kết quả nghiên cứu có thể rút ra một số kết luận sau:
1. Đối với mỗi công trình, tùy thuộc vào kết cấu công trình, cấp công trình, vật liệu tại chỗ của từng công trình mà có những thông số thiết kế khác nhau, yêu cầu khác nhau về các chỉ tiêu của vật liệu cũng như về RCC.
2. Đối với công trình thủy điện Sơn La sử dụng đá Basalt, màu xám xanh, xám đen (có thể xem là loại đá tốt nhất khi sử dụng thiết kế thành phần cấp phối bê tông thông thường cũng như RCC), có các đặc trưng cơ lí đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, với hàm lượng xi măng sử dụng là 60kg/m3, tuy nhiên phụ gia khoáng là Tro bay Phả Lại 1 là một loại phụ gia khoáng có độ hoạt tính cao và có chất lượng tốt nhất hiện nay khi sử dụng cho RCC. Mặc dùở tuổi sớm (7, 28 ngày) cường độ của RCC sử dụng tro bay Phả Lại thấp nhưng ở tuổi sau 10 tuần thì cường độ RCC tăng cao và phát triển mạnh ở tuổi 365 ngày (tuổi thiết kế) như sơ đồ phát triển cường độ hình 4.4 có thể thấy rõđiều đó.
Sự kếthợp giữa đá Basalt Sơn La và phụ gia khoáng tro bay Phả Lại 1 tạo ra một hỗn hợp RCC có tính công tác tốt (dễ thi công) và một loại RCC đông cứng có các chỉ tiêu cơ học, vật lý đạt và vượt yêu cầu thiết kế.
3. Đối với RCC công trình thủy điện Bản Vẽ: Sự kết hợp giữa phụ gia khoáng làpuzơlan Gia Qui (được nghiền từ tuff núi lửa) và đá cát kết Bản Vẽ cho ta một hỗn hợp RCC cũng như RCC đông cứng có các chỉ tiêu đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và thiết kế.
Khi sử dụng puzơlan Nghĩa Đàn, do chất lượng thấp hơn so với puzơlan Gia Qui nên để đảm bảo các chỉ tiêu của RCC đáp ứng yêu cầu kỹ thuật sử dụng giải pháp tăng lượng xi măng từ 80 lên 90kg/m3. Nguyên nhân chất lượng puzolan Nghĩa Đàn thấp hơn puzolan Gia Quy là do công tác lựa chọn nguyên liệu để nghiền của các mỏ puzơlan Nghĩa Đàn không tốt bằng mỏ puzơlan Gia Qui.