Để giảm giá thành của bê tông và tăng độ bền trong môi trường nước biển có thể sử dụng 5 - 7% muội silic và 10 - 15%FA trong bê tông. Trong trường hợp này lượng xi măng:
X=CKD - MS - FA (2.8)
2.2.6. Xác định thành phần cốt liệu thô (đá)
Việc xác định thành phần cốt liệu thô rất quan trọng vì cốt liệu thô đóng một vai trò chính trong sự hình thành mô đun đàn hồi và kiểm soát từ biến, độ co của HPC. Như mô tả trong ACI 211 việc sản xuất HPC sẽ tập trung vào kích thước tối đa của cốt liệu thô. Như vậy, khả năng làm việc có mô đun đàn hồi phụ thuộc vào cường độ nén của bê tông, phụ thuộc vào kiểu và lượng cốt liệu thô trong hỗn hợp. Ví dụ, nếu hai loại cốt liệu thô khác nhau được sử dụng để sản xuất bê tông, loại đá cứng hơn, chắc hơn sẽ hình thành các mô đun đàn hồi chỉ định ngay tại giai đoạn đầu hơn là loại cốt liệu nhẹ hơn, ít đặc hơn.
Lưu ý có giá trị về mặt quan điểm khác đó là nghiên cứu đã đựơc xác nhận rằng mô đun đàn hồi là độc lập với các điều kiện xử lý bê tông. Thành phần ban đầu của hỗn hợp ảnh hưởng giá trị mô đun đàn hồi là cốt liệu thô.
Trong quá trình hình thành phần bê tông cường độ cao, cốt liệu được xem là rất quan trọng vì nó chiếm thể tích lớn nhất so với bất kỳ một thành phần nào khác trong bê tông (65 - 75%).
Số lượng và kích thước tối ưu của cốt liệu thô khi được sử dụng với một loại cát sẽ phụ thuộc rất lớn vào các tính chất của cát. Đặc biệt nó sẽ phụ thuộc vào độ lớn của cát.
Kích thước tối đa của cốt liệu thô được chọn theo số liệu cho trong bảng 2.11. Kích thước tối đa của cốt liệu thô không nên vượt quá 1/5 kích thước hẹp nhất giữa các bề mặt của khối lập phương, hoặc 1/3 chiều sâu của các tấm, cũng như không vượt quá 3/4 khe hở nhỏ nhất giữa các thanh tăng cứng, các bó thanh, thanh thép ứng suất trước hoặc ống.
Bảng 2.11. Đường kính lớn nhất của cốt liệu thô (đá)
Cường độ bê tông yêu cầu Kích thước tối đa của cốt liệu thô, mm
Nhỏ hơn 62 Từ 19 đến 25
Không nhỏ hơn 62 Từ 9,5 đến 12,5
Hàm lượng tối ưu của cốt liệu thô phụ thuộc vào các đặc tính cường độ của chính nó và phụ thuộc vào kích thước tối đa của cốt liệu thô. Hàm lượng cốt liệu thô tối ưu khuyên dùng được cho trong bảng 2.12 và được chọn tuỳ thuộc vào kích thước tối đa của cốt liệu thô (đá).
Lượng đá (kg/m3) cho 1m3 bê tông được tính như sau:
Đ = Vđ . ρđc (kg/m3) (2.9)
Trong đó: Vđ - xác định theo bảng 2.12
ρđc- Khối lượng thể tích đá ở trạng thái đầm chặt được xác định bằng thí nghiệm ASTM C39, ρđc=1,602 - 1,634g/cm3.
Bảng 2.12. Thể tích của đá được đầm chặt trên một đơn vị thể tích bê tông, m3/1m3 bê tông (Vđ) Thể tích đá tối ưu ở các đường kính lớn nhất (với cát có môđun độ lớn từ 2,5 đến 3,2) Đường kính lớn nhất của đá, mm 9,5 12,7 19 25 Thể tích của đá dăm trong 1m3 bê tông, m3 (Vđ) 0,65 0,68 0,72 0,75 Theo ACI 211-4R-93
Vđ- Thể tích đầm chặt của đá được thí nghiệm theo ASTM C39.
2.2.7. Cốt liệu mịn - Hàm lượng cát
Hàm lượng cốt liệu nhỏ thấp hơn so với hàm lượng cốt liệu thô có thể làm giảm yêu cầu về hồ xi măng và thường kinh tế hơn. Tuy nhiên, nếu tỷ lệ
cát quá thấp thì sẽ gặp khó khăn về tính công tác của bê tông nhất là việc hoàn thiện bê tông cường độ cao. Tỷ lệ Đ/C nên từ 1,5 - 1,9.
Hàm lượng cát trong bê tông cường độ cao được tính toán theo nguyên lý thể tích tuyệt đối, nghĩa là Vac = 1000 - Vađ - Van - Vkk - Vax - Vak (2.10) Trong đó: Vađ, Van, Vkk, Vax, Vak là thể tích đặc của đá, nước, không khí, xi măng và vật liệu khoáng. Lượng cát (kg/m3 bê tông) được tính như sau:
C = Vac . ρc(kg) (2.11)
Trong đó : ρc - Khối lượng riêng của cát. Vac - Thể tích đặc của cát.
2.2.8. Định tỷ lệ các phụ gia hóa học
2.2.8.1. Các chất giảm nước và chất làm chậm đông cứng
Khối lượng các chất này được sử dụng trong bê tông là khác nhau và phụ thuộc vào từng hỗn hợp đó cũng như ứng dụng của chúng. Nói chung, có khuynh hướng sử dụng lớn hơn bình thường hoặc khối lượng tối đa của hỗn hợp này. Điển hình là khi dùng 1% phụ gia này, lượng nước có thể giảm đi 5 đến 8%. Tăng hàm lượng cát để bù lại tổn thất về thể tích vì giảm nước trong hỗn hợp [16].
2.2.8.2. Các chất giảm nước mạnh (PGSD)
Cần sử dụng phụ gia siêu dẻo (PGSD) trong hỗn hợp bê tông cường độ cao. Khi dùng PGSD lượng nước giảm từ 20 - 45%. Tương ứng, cần phải tăng hàm lượng cát để bù lại tổn thất về thể tích do giảm nước trong hỗn hợp.
Hàm lượng chất PGSD sử dụng phải được xác định thông qua các thí nghiệm ở phòng thí nghiệm với các tỷ lệ liều lượng khác nhau để xác định mức độ ảnh hưởng đến cường độ bê tông, khả năng làm việc của hỗn hợp bê tông và tỷ lệ phụ gia thích hợp.
Có thể sử dụng PGSD vào các hỗn hợp hiện có mà không cần điều chỉnh các tỷ lệ pha trộn để cải thiện khả năng làm việc của bê tông đó.
Trong bê tông HPC thường sử dụng PGSD để hạ thấp tỷ lệ N/CKD. Các hỗn hợp này có tác dụng để hạ thấp tỷ lệ N/CKD cũng như làm tăng độ sụt của bê tông. Vì khối lượng tương đối lớn chất lỏng được cho thêm vào hỗn hợp bê tông dưới dạng hợp chất làm dẻo, nên trọng lượng của những hợp chất này được gộp vào trong tính toán tỷ lệ N/CKD.
Liều lượng phụ gia được xác định thông qua các khuyến cáo của các nhà sản xuất và các thí nghiệm. Lượng chất phụ gia siêu dẻo thông thường từ 0,5 - 3 lít/100kgXM tùy theo yêu cầu về độ sụt và đặc tính của kết cấu.
Khi sử dụng các chất khử nước thông thường và các chất làm chậm thì lượng nước có thể giảm từ 5 - 10%. Khối lượng của các chất này thường từ 0,5 - 2lít/100kgXM tùy theo yêu cầu về tính công tác và đặc tính kết cấu.
Hầu hết nhưng không phải tất cả bê tông HPC đều chứa các hợp chất hóa học và các hợp chất khoáng. Cần có một sự kết hợp hợp lý các loại chất nói trên để thỏa mãn tính công tác và đặc tính của bê tông.
2.2.9. Các hỗn hợp thử nghiệm
HPC yêu cầu một số lượng lớn các mẻ trộn thử. Ngoài các mẻ trộn trong phòng thí nghiệm, các mẻ trộn thử với quy mô ngoài thực tế cũng cần được sử dụng để tái tạo lại những điều kiện sản xuất điển hình.
Các mẻ trộn thử trong phòng thí nghiệm được chuẩn bị theo “Phương pháp tiêu chuẩn để tiến hành và xử lý các mẫu kiểm tra bê tông trong thí nghiệm” ASTM C192 hoặc TCVN 3105-93 (Lấy mẫu chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử bê tông nặng).
Lựa chọn các nguồn vật liệu đã qua sơ chế bằng cách tiến hành kiểm tra so sánh với tất cả các thông số, ngoại trừ vật liệu đó đã được sử dụng liên tục.
Bằng cách kiểm tra có thể tìm được các khối lượng tối ưu của các vật liệu tối ưu, xác định được bằng sự kết hợp tốt nhất và các tỷ lệ tốt nhất của vật liệu được sử dụng.
Khi một hỗn hợp có triển vọng đã được thiết lập, các mẻ trộn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cần phải được xác định bằng các tính chất của hỗn hợp đó. Phải xác định được cường độ, độ co ngót và môđun đàn hồi của bê tông ở các tuổi 3, 7, 28, 90 ngày. Cần đánh giá nhu cầu dùng nước, tốc độ giảm độ sụt, lượng nước chảy ra ngoài, sự phân ly, khối lượng đơn vị. Về tính công tác và khả năng đổ có thể rất khó xác định, thì ít nhất cũng nên cố gắng dự báo kết quả theo phương pháp chuyên gia. Khi các kết quả không đạt, cần điều chỉnh lại thiết kế và thử lại cho đến khi đạt yêu cầu [16].
Dưới đây là một số cách điều chỉnh khi kết quả thí nghiệm không đạt yêu cầu như mong muốn:
- Nếu độ sụt ban đầu của hỗn hợp không nằm trong phạm vi mong muốn thì cần điều chỉnh lại lượng nước trộn và hàm lượng chất kết dính để duy trì tỷ lệ N/CKD (bê tông không dùng HRWR).
- Nếu chất HRWR được sử dụng thì nên thử lại các liều lượng khác nhau để xác định ảnh hưởng của nó đến cường độ và khả năng làm việc của bê tông.
- Điều chỉnh hàm lượng cốt liệu thô có thể giảm hàm lượng cốt liệu thô xuống để có được tính công tác tốt hơn nhưng phải lưu ý là cường độ và mô đun đàn hồi của bê tông không được nhỏ hơn trị số quy định.
- Điều chỉnh hàm lượng không khí nếu hàm lượng không khí đo được là khác với các trị số mong muốn thì cũng điều chỉnh lại các thành phần.
- Nếu cường độ nén của bê tông không đạt cần giảm tỷ lệ N/CKD. Nếu vẫn không làm tăng cường độ nén cần xem xét lại mức độ thích hợp của các vật liệu sử dụng.
2.2.10. Lựa chọn các tỷ lệ trộn hợp lý
Trong luận văn tác giả đã lựa chọn các loại vật liệu tiến hành thí nghiệm đều đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật để chế tạo bê tông tính năng cao. Việc tiến hành thí nghiệm được thực hiện với rất nhiều cấp phối khác nhau. Trên cơ sở cường độ nén của các mẫu thử, tác giả tìm ra được tỷ lệ về thành phần cấp phối theo cường độ yêu cầu được đặt ra.
CHƯƠNG III. ỨNG DỤNG THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG TÍNH NĂNG CAO CHO MỘT SỐ HẠNG MỤC CỦA CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI 3.1. Một số ứng dụng bê tông tính năng cao trong các công trình thủy lợi
Đối với bê tông vấn đề nứt nẻ là điều tối kỵ, nhất là trong điều kiện khí hậu Việt Nam, vấn đề này càng dễ xảy ra. Khi xảy ra nứt, đối với các công trình trên nước thì không khí ẩm thấm vào, còn đối với công trình dưới nước thì nước sẽ chui vào vết nứt kết hợp với O2 gây trương nở thể tích, phá hoại kết cấu. Mặt khác, đối với các công trình bê tông thủy công, ngoài việc đáp ứng yêu cầu về khả năng chịu lực, một số hạng mục còn cần phải có các yêu cầu kỹ thuật khác như: khả năng chống thấm, chống xâm thực, chống mài mòn, ….Vì thế việc ứng dụng bê tông tính năng cao trong một số hạng mục quan trọng trong công trình thủy là rất cần thiết.
Bê tông tính năng cao có thể ứng dụng cho một số hạng mục của các công trình thủy lợi như sau:
- Đối với các công trình ngoài biển: Kè, cống…
- Đối với các hạng mục chịu tác động mạnh của dòng nước: Mũi phun, dốc nước, mặt tràn, đường ống áp lực…
- Đối với các hạng mục cần yêu cầu cao về khả năng chịu lực: Cầu giao thông trên đập, hệ thống dầm trong nhà máy thủy điện…
- Đối với các hạng mục yêu cầu vềđộ mỏng: Khe phai, cánh tràn piano… - Đối với các hạng mục yêu cầu vềđộ chống thấm: Thân đập, bể chứa…
Một số hình ảnh ứng dụng của bê tông tính năng cao cho một số hạng mục trong thủy lợi:
Hình 3.1. Dốc nước thủy điện Sơn La
Hình 3.3. Mặt tràn thủy điện Nậm Chiến - Sơn La
3.2. Vật liệu và thiết kế cấp phối HPC thí nghiệm
3.2.1. Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm
3.2.1.1. Xi măng
Xi măng sử dụng trong thí nghiệm có thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ lý được thể hiện trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ lý của xi măng Thành phần hóa học (%) Khối lượng riêng (g/cm3) Đặc trưng bề mặt (m2/kg) SiO2 Al2O3 CaO MgO Fe2O3 SO3
20,60 5,03 64,11 1,46 4,38 1,72 3,15 450
3.2.1.2. Phụ gia khoáng
Phụ gia khoáng được sử dụng trong thí nghiệm gồm có: Silica fume (SF), Fly ash (FA) và Slag. Thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ lý của các loại phụ gia khoáng được thống kê trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ lý của các phụ gia khoáng
Phụ gia khoáng Thành phần hóa học lKhượng ối riêng (g/cm3) Đặc trưng bề mặt (m2/kg)
SiO2 Al2O3 CaO MgO Fe2O3 SO3
Silica fume 93,15 0,97 1,01 0,43 0,88 0,50 2,10 24000
Fly ash 49,39 33,36 4,92 4,13 0,85 1,96 2,20 615
Slag 33,12 11,80 1,17 34,95 10,75 0,69 2,89 439
3.2.1.3. Cốt liệu nhỏ
Cốt liệu nhỏ được sử dụng trong thí nghiệm là cát. Các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu nhỏ được thống kê trong bảng 3.3.
Bảng 3.3. Các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu nhỏ Khối lượng riêng (g/cm3) Khối lượng thể tích (g/cm3) Độ hút nước (%) Môđun độ lớn 2,66 1,65 1,50 2,90 3.2.1.4. Cốt liệu lớn
Cốt liệu lớn sử dụng trong thí nghiệm là đá dăm có độ đặc chắc cao. Thành phần của đá dăm có cỡ từ 5 - 10 mm chiếm 60%, cỡ từ 10 - 20 mm chiếm 40%. Các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu lớn được thể hiện trong bảng 3.4.
Bảng 3.4. Các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu lớn Khối lượng riêng (g/cm3) Khối lượng thể tích (g/cm3) Độ hút nước (%) 2,76 1,70 0,50 3.2.1.5. Phụ gia hóa học
Phụ gia hóa học sử dụng trong thí nghiệm gồm có phụ gia giảm co ngót (SRA) và phụ gia giảm nước bậc cao (HRWR). Các tính chất của phụ gia hóa học được thể hiện trong bảng 3.5.
Bảng 3.5. Các thuộc tính của phụ gia hóa học
Tên phụ gia Nhãn hiệu Tên hóa học và thành phần Màu Khối lượng riêng (g/cm3)
HRWR PCA (1) Poly-naphthalene sulfonate Nâu đen 1,04
SRA JMSBT-SRA Glycol ether Vàng sáng 1,02
Việc sử dụng phụ gia giảm co ngót trong thành phần cấp phối của bê tông là rất cần thiết. Sự kết hợp của phụ gia này với xi măng dựa trên nguyên lý làm giảm lượng nước, tăng lượng phụ gia siêu dẻo, kết quả là sự co ngót trong bê tông được giảm thiểu, thậm chí trong điều kiện thiếu bảo dưỡng ẩm sau khi thi công. SRA là một hợp chất hóa học Glycol ether với cơ chế hoạt
động như sau: Khi trộn vào bê tông, phụ gia sẽ phân tán trong nước dưới dạng các hạt rất nhỏ và hấp phụ xung quanh hạt xi măng. Nhờ có màng phụ gia này mà nước trộn bê tông không thấm ngay vào hạt xi măng mà tạo thành lớp nước dày bao ngoài màng phụ gia. Nhờ lớp nước này mà các hạt xi măng và cốt liệu có thể trơn trượt lên nhau được dễ dàng làm tăng độ lưu động của hỗn hợp bê tông. Sau một thời gian, màng phụ gia bị phá vỡ, nước mới thấm vào hạt xi măng thực hiện các phản ứng thuỷ phân, thuỷ hóa với các khoáng vật trong xi măng làm kéo dài thời gian đông kết của xi măng.
3.2.1.6. Nước trộn bê tông
Nước sử dụng dùng trộn bê tông và bảo dưỡng mẫu bê tông là nước sinh hoạt đã được kiểm tra có các chỉ tiêu đạt tiêu chuẩn dùng trong bê tông.
Nhận xét: Dựa vào các tiêu chuẩn về vật liệu xây dựng dùng trong bê tông, kết quả thí nghiệm các loại vật liệu cho thấy: Cát, đá dăm, xi măng, phụ gia có các chỉ tiêu cơ lý đều đạt yêu cầu của vật liệu dùng để chế tạo bê tông tính năng cao.
3.2.2. Thiết kế thành phần cấp phối HPC