3.3.4.1. Xác định cường độ của bê tông
Thường việc này phải được thực hiện ngay trên mẫu chuẩn. Mẫu thử có thể là mẫu lập phương 15x15x15 cm. Kết quả thử trên mẫu này là khá ổn định, do đã loại trừ ảnh hưởng phá huỷ cục bộ do nở ngang. ở các nước châu Âu, Mỹ, Nhật lại dựa trên cơ sở mẫu trụ 15x30cm hợp lý về mặt chịu lực thực tế. Quy trình xác định cường độ trong điều kiện nghiêm ngặt (điều kiện dưỡng hộ, bề mặt mẫu, số lượng mẫu, cách lấy mẫu trong hỗn hợp, cách gia tăng tải...) và giá trị cường độ là kết quả sự kết hợp các giá trị chịu lực cực hạn và tính sắc suất của kết quả thử. Cách đánh giá cường độ qua các bước sau:
- Lấy mẫu thử hỗn hợp bê tông, dưỡng hộ trong điệu kiện tiêu chuẩn.
- Tác dụng chịu lực để xác định giá trị cực hạn của cường độ từng mẫu bê tông(Ri). - Tính các giá trị sắc suất: + Cường độ trung bình: n R S n i i m ∑ = = 1 , n là số lượng mẫu thử. + Hệ số lệch chuyển: 1 ) ( 1 2 − − = ∑= n R R S n i m i R + Hệ số biến phân: m R v R S C =
- Xác định cường độ tiêu chuẩn theo công thức sau: RTC = Rm(1-1.64 Cv) + Cường độ tính toán: K R R TC tt = , (K>1)
Luận văn Thạc sỹ KHKT Chương 3 : Tổng quan về BTXM
K - Hệ số an toàn xét đến sự bất lợi do tính không đồng nhất hay không ổn định trong thi công, loại bỏ tác động bất lợi tạo ra mẫu kém phẩm chất(thường hệ số K≈1,3 và bê tông mác cao thì hệ số K≥1,3 và bê tông mác rất cao thì hệ số K còn lớn hơn nữa).
Cv- Hệ số biến sai nói lên sự biến động về số liệu cường độ của mẫu và cường độ trung bình của lô mẫu. Bên trong thì hệ số K biểu hiện trình độ thi công, mức độ ổn định trong chế tạo bê tông. Công nghệ càng cao và ổn định thì hệ số Cv càng nhỏ. Các quy trình đều quy đinh giới hạn của Cv và với mác bê tông càng cao thì hệ số Cv đòi hỏi càng giảm(đây là vấn đề khó đạt được ở Việt Nam nếu chúng ta không có công nghệ bê tông mạnh và đồng bộ) và sự tác động của vật liệu bê tông tới công trình càng lớn. Khi sản xuất mác bê tông lớn hơn M500, đòi hỏi Cv <0,125. Chú ý ở đây hệ số 1,64 là hệ số sắc xuất đảm bảo số lượng mẫu có cường độ lớn hơn cường độ trung bình đạt 95% hay viết RTC = 0,795 Rm (khi lấy Cv = 0,125).
Để tiến hành so sánh khi cần thiết người ta phải tính đổi cường độ hình lập phương và mẫu trụ tròn theo công thức:
1) LP o m Trụ R R R R 0,77 . − = , ( Ro = 1000 Mpa ≈ 10000 kG/cm2) 2) =1,16ữ1,24 Trụ LT R R ,(TCVN 3118-93)
3) RTrụ= (0,72 ữ0,77)RLP; RLP- cường độ mẫu lập phương.
Để so sánh và phân loại người ta có khái niệm mác bê tông là giá trị cường độ chịu nén mẫu tiêu chuẩn (Do vậy sự sai khác về quy định mác bê tông theo TCVN và các nước khác tính đơn giản theo công thức 3).
b. Các loại cường độ của bê tông
Các loại cường độ của bê tông được chỉ dẫn trong các quy đinh thiết kế, được xây dựng trên cơ sở ý tưởng tính toán riêng biệt. Do vậy mẫu tiêu chuẩn lại có quy đinh khác nhau về số lượng, đặc điểm của mỗi loại cường độ. Với sự hoàn thiện về mặt lý thuyết thì quy định về cường độ cần cụ thể tạo ra cơ sở để các tính toán thiết kế giống vơí sự làm việc thực của kết cấu.
Cường độ được phân loại như sau:
- Theo trạng thái giới hạn tính toán:
+ Cường độ tiêu chuẩn: RTC( trạng thái giới hạn 2,3). + Cường độ tính toán: RTT( trạng thái giới hạn 1).
Luận văn Thạc sỹ KHKT Chương 3 : Tổng quan về BTXM - Theo giai đoạn tính toán: Với kết cấu được tính toán thiết kế theo 2giai
đoạn thi công và khai thác, cần xác định: + Cường độ giai đoạn thi công.
+ Cường độ trong giai đoạn khai thác.
Do ở giai đoạn thi công vật liệu bê tông bị khai thác sớm mà trong giai đoạn khai thác cường độ vẫn phát triển cho tới giá trị lớn nhất. Do vậy trong giai đoạn thi công khi đem tính toán cường độ bê tông bị chiết giảm 10%.
Khi thiết kế thành phần bê tông cường độbê tông yêu cầu tối thiểu đạt được là 1,115 Rb.
- Theo điều kiện khai thác: Cường độ bị chiết giảm thông qua hệ số điệu
kiện làm việc (m) do sự bất lợi của môi trường, hay tính chất khai thác.
- Theo thời gian khai thác bê tông bị bã o hoà (chỉ dùng để kiểm định lại công trình).
- Theo tính chất xâm thực và tác động của môi trường: Xxác đinh cường độ
theo điều kiện bão hoà nước hoặc bị ăn mòn.
Khi thiết kế kết cấu cần xem xét trạng thái làm việc để xác định các loại cường độ sau:
+ Cường độ chịu nén(Rn): Chủ yếu là cường độ mẫu năng trụ và lập phương. Loại cường độ mẫu trụ thích hợp với kết cấu mảnh, dạng hộp. + Cường độ chịu uốn (Ru): Thực chất là cường độ chịu nén khi uốn phá hoại mẫu.
+ Cường độ chịu kéo (Rk): Thử nghiệm trên các mẫu kéo trực tiếp (ít sử dụng).
+ Cường độ chịu cắt trượt khi uốn(Rc): Để kiểm tra ứng suất tiếp. + Cường độ chịu ứng suất keo chủ và uốn chủ.
+ Cường độ chịu mỏi Rm (khi p<0,1)
Cường độ nén, uốn cựu hạn Rn, Ru: Để tính trong trường hợp bê tông chịu ép mặt, chịu nén tại mối nối. Ngoài ra các tiêu chuẩn còn đưa ra các cường độ tiêu chuẩn và tính toán chỉ tính riêng cho trạng thái giới hạn và phân rõ ràng cường độ tính toán theo giai đoạn thi công hoăc giai đoạn khai thác.
Luận văn Thạc sỹ KHKT Chương 3 : Tổng quan về BTXM
Sức chịu nén hay cường độ chịu nén của bê tông là chỉ tiêu quan trọng nhất trong tính chất cơ học của bê tông. Nguyên nhân cơ bản của sự phá hoại bê tông khi chịu nén là sự vượt qua sức chống đỡ của nó khi biến dạng nở ngang. Sự phá hoại này có thể xẩy ra do sự phá hoại mối tiếp xúc của đá xi măng và cốt liệu hoặc do sự đứt vỡ bản thân đá xi măng và bản thân cốt liệu. Nói một cách khác để đảm bảo cường độ bê tông, nhân tố quan trọng không phải chỉ riêng cường độ mỗi cấu trúc thành phần( đá xi măng và cốt liệu ) mà còn quyết định bởi cường độ dính kết giữa chúng với nhau. Cường độ chịu nén của bê tông chịu ảnh hưởng của rất nhiều nhân tố, trước hết là tính chất của các vật liệu thành phần tạo nên bê tông và cuối cùng là các điều kiện rắn chắc và sự phát triển của bê tông. Chỉ tiêu cường độ của bê tông cũng chịu ảnh hưởng các điều kiện thí nghiệm: hình dạng và kích thước mẫu, tính chất bề mặt tiếp xúc vơi thớt nén, tốc độ tăng tải cũng như nhiệt độ và trạng thái ẩm của mẫu. Nhân tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến cường độ nén của bê tông là:
- Cường độ đá xi măng
- Độ đặc chắc và cấu trúc của bê tông
- Chất lượng và tính chất bề mặt của cốt liệu. Nếu sử dụng côt liệu đăc chắc có cường độ cao vượt quá cường độ yêu cầu của bê tônh thì cường độ của bê tông chỉ còn phụ thuộc vào hai nhân tố trên.
Ta sẽ lần lượt xét ảnh hưởng của từng nhân tố với cường độ bê tông.
1. Cường độ đá xi măng
Cường độ đá xi măng phụ thuộc vào hoạt tính chất kết dính và nước trên chất kết dính trong hỗn hợp bê tông (N/X)
Hoạt chất kết dính là do thành phần khoáng vật và hoá học, độ nghiền mịn của nó quyết định, ngoài ra công nghệ sản xuất và một số nhân tố khác cũng ảnh hưởng đến hoạt tính này.
Tỉ lệ N/X quyết định độ đặc của đá xi măng vì bất kỳ một lượng nước thừa nào trong hỗn hợp bê tông vượt quá lượng nước cần thiết để tiến hành quá trình thuỷ hoá hoàn toàn đều làm tăng độ rỗng của đá xi măng dẫn đến sự hạ thấp cường độ đá xi măng và bê tông. Tuy nhiên lượng nước cần thiết để nhào trộn bê tông không chỉ để thuỷ hóa hoàn toàn chất kết dính mà còn để tạo nên độ lưu động cần thiết cho hỗn hợp bê tông theo một phương thức đầm chặt nào đó mới đảm bảo cho bê tông đạt đến độ chặt tốt nhất, để cuối cùng có cường độ cao nhất.
Tỷ Lệ N/X là nhân tố quyết định trong việc đảm bảo tuổi thọ của BTXM. Quan hệ N/X đặc trưng trong mọi cách chế tạo hỗn hợp bê tông nặng, tỷ số
Luận văn Thạc sỹ KHKT Chương 3 : Tổng quan về BTXM
N/X còn biểu hiện phối hợp tác động của hai hàm lượng nước và xi măng trong hỗn hợp và nó còn thể hiện hàm lượng lỗ rỗng tạo thành trong bê tông. Cấu tạo bê tông biểu thị bằng độ đặc của nó, độ đặc của bê tông có ảnh hưởng đến cường độ của bê tông. Độ đặc của bê tông phụ thuộc vào thiết kế thành phần bê tông và phương pháp thi công. Phương pháp thi công sẽ phụ thuộc vào độ sụt bê tông hay tính dễ thi công, và vì vậy phụ thuộc vào tỷ lệ N/X. Độ bền của bê tông phụ thuộc rất nhiều vào tỷ lệ N/X . Thông thường, lượng nước cần thiết để thuỷ hoá xi măng, nghĩa là lượng nước cần để biến xi măng thành đá xi măng rất ít so với lượng nước đã cho vào trong bê tông để tạo ra bê tông có thể đổ, đầm được thành nên kết cấu.
Quan hệ giữa cường độ bê tông R và tỷ lệ N/X có thể xác định từ công thức Bôlômay cramtaep:
Rb =ARx N + 0.5 X
Trong đó: A - Hệ số cốt liệu (0.4ữ0.65). Rx- Mác xi măng, daN/cm2.
Trong điều kiện thi công tại các khu vực chịu ảnh hưởng của thời tiết khắc nghiệt thì việc nghiên cứu tác động của tỷ lệ N/ X lại càng cần thiết.
Tỷ lệ N/X cao làm giảm cường độ bê tông rõ rệt. Biều đồ sau đây cho thấy quan hệ giữa cường độ bê tông và tỷ lệ N/X:
a : Cường độ chịu nén. b: Cường độ chịu uốn.
2. Độ đặc và đặc tính cấu trúc của bê tông
Độ đặc ảnh hưởng rất lớn tới cường độ và các tính chất khác của bê tông.
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 Tỷ lệ Nước / Xi măng (N/X) C ư ờng độ bê t ông (kG / cm2) a b
Luận văn Thạc sỹ KHKT Chương 3 : Tổng quan về BTXM
Các phần rỗng trong bê tông làm giảm nhỏ bề mặt công tác của tiết diện chịu lực và sinh ra những ứng suất tập trung( cục bộ) làm giảm đáng kể khả năng chịu lực của bê tông.
Để có được hỗn hợp bê tông chặt chẽ, điều quan trọng là phải đảm bảo sự phù hợp hoàn toàn giữa tính công tác với phương pháp thành hình và chế độ đầm chặt. Hàm lượng nước trong hỗn hợp bê tông là một nhân tố cơ bản quyết định tính công tác và để đầm chặt tốt nhất một hỗn hợp bê tông, hàm lượng nước trong hỗn hợp cần đạt đến trị số tối ưu. Qua nhiều thí nghiệm và quan sát cho phép khẳng định quy luật quan trọng sau đây trong công nghệ bê tông: Đối với mỗi thành phần bê tông tồn tại một hàm lượng nước tối ưu trong hỗn hợp, phụ thuộc vào mức độ đầm chặt bảo đảm đạt được bê tông đặc chắc nhất và có cường độ cao nhất. Cùng với việc tăng cường mức độ đầm chặt, trị số hàm lượng nước tối ưu trong hỗn hợp bê tông giảm đi và cường độ bê tông tăng lên.
Chưa đạt đến hoặc vượt qua lượng nước tối ưu đó đều dẫn đến sự giảm cường độ bê tông. Trường hợp đầu cường độ bê tông giảm là do thiếu nước, hỗn hợp bê tông không thể đầm chặt tốt với chế độ đầm chặt nhất định. Trường hợp thứ hai là do sự thừa nước trong đá xi măng tạo nên khe rỗng mao dẫn.
Trong nhiều công thức xác định cường độ bê tông dạng Rb = f(N/N) thường không có mặt yếu tố đầm chặt hỗn hợp bê tông khi đổ khuôn không có nghĩa là nhân tố đó không ảnh hưởng đến cường độ của bê tông. Trong thực tế như đã tình bầy ở trên, những công thức tính toán được gịới thiệu chỉ thích ứng với bê tông có cấp phối đặc chắc và được đầm chặt tốt.
Sự phụ thuộc của cường độ bê tông với N/X và chế độ đầm chặt.
1 - đầm tay ; 2 - đầm chấn động mạnh. 200 275 350 425 500 575 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 Tỷ lệ Nước / Xi măng(N/X) Rn (d a N/ cm2) 2 1
Luận văn Thạc sỹ KHKT Chương 3 : Tổng quan về BTXM
Tỉ số N/X tốt nhất đối với hỗn hợp bê tông nhất định có thể thay đổi phụ thuộc vào phương thức đầm chặt. Nếu mức độ đầm chặt tăng, tỉ số N/X giảm thì cường độ bê tông với thành phần vật liệu không đổi( liều lượng xi măng không đổi) sẽ tăng. Như vậy sự tăng cường độ đầm chặt khi thành hình sản phẩm cho phép sử dụng hỗn hợp bê tông ít chảy hoặc có độ cứng cao, tức là có thể giảm lượng N/X và nâng cao được cường độ bê tông mà không làm tăng lượng xi măng hoặc hoạt tính của nó.
3. Chất lượng cốt liệu
Cường độ cốt liệu chỉ ảnh hưởng đến cường độ bê tông trong trường hợp bé hơn hay xấp xỉ cường độ đá xi măng. Vì thế đối với bê tông từ cốt liệu đá đặc chắc, cường độ cốt liệu khá cao, thường vượt quá cường độ yêu cầu của bê tông và khi đó năng lực kết dính giữa đá xi măng và hạt cốt liệu đóng vai trò quan trọng nhất.
Cường độ gắn kết giữa hạt cốt liệu và đá xi măng quyết định bởi những đặc tính sau đây của cốt liệu đá thiên nhiên: Hình dạng hạt, đặc tính cấu tạo của đá gốc, trạng thái bề mặt, lượng tạp chất sét, bụi làm giảm sự tiếp xúc giữa cốt liệu và đá xi măng.
Cường độ nén của bê tông chịu ảnh hưởng của hàm lượng cốt liệu lớn trong hỗn hợp. Với bê tông nặng từ cốt liệu đặc chắc có cường độ lớn hơn cường độ thành phần vữa, khi tăng hàm lượng cốt liệu lớn trong bê tông tạo khả năng tiếp xúc nhiều hơn giữa hạt cốt liệu lớn và với các điều kiện khác không thay đổi, cường độ bê tông có thể tăng từ 15 - 20% so với khi có hàm lượng cốt liệu ít hơn.
Do đặc điểm tự nhiên của đá làm thí nghiệm có cường độ lớn hơn nhiều cường độ yêu cầu của bê tông xi măng nên Cường độ của đá xi măng và cường độ vùng tiếp xúc đóng vai trò quyết định đến Cường độ bê tông .
Sự suy giảm của Cường độ bê tông chính là sự suy giảm cường độ tiếp xúc giữa cốt liệu và lớp vữa. Sự tiếp xúc của cốt liệu được đặc trưng bởi mô đun đàn hồi trượt G và độ cứng của liên kết này là GF (Trong đó F là tổng diện tích tiếp xúc bề mặt của cốt liệu) Độ cứng GF không phải là một thành phần của cường độ R của bê tông song nó đóng vai trò quan trọng để huy động đến mức tối đa khả năng của cốt liệu và tập hợp vữa để hình thành cường độ R. Nếu GF có giá trị max thì sẽ có R max.
Luận văn Thạc sỹ KHKT Chương 3 : Tổng quan về BTXM
Các phụ gia siêu dẻo ngoài tác dụng giảm nước còn chống vón cục hạt xi măng có thể cho khả năng tăng cường độ khoảng 10 - 30%. Hàm lượng phụ gia cần được xác định thông qua các mẻ trộn thử tại các phòng thí nghiệm hợp chuẩn.
5. Các phụ gia Silíc siêu mịn