Bê tông cờng độ cao Thiết kế hỗn hợp bê tông cờng độ cao PGS. Nguyễn Quang Chiêu Trờng Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bi viết ny giới thiệu tóm tắt công nghệ sản xuất bê tông (BT) cờng độ cao bằng cách sử dụng các vật liệu độn xi măng v phụ gia giảm nớc - một trong những tiến bộ kỹ thuật về bê tông xi măng (BTXM) đã đợc áp dụng rộng rãi ở các nớc phát triển từ những năm 1970. Summary: This article introduce briefly the technology for hight-intensity concrete production by means of materials mixed with cement and additives, which is one of the technological advances on concrete production, widely applied in developed countries since the 1970s. Từ những năm 1970, đã có nhiều tiến bộ trong công nghệ chế tạo hỗn hợp BTXM. Một trong những tiến bộ này là sản xuất đợc các hỗn hợp bê tông cờng độ rất cao bằng cách sử dụng các vật liệu trộn xi măng và phụ gia giảm nớc. I. Vật liệu độn xi măng I.1. Các loại vật liệu trộn với xi măng thờng dùng là puzowlan, chủ yếu là tro bay, xỉ lò cao dạng hạt và khói silice. Puzơlan là vật liệu silice - alumin hoặc silice sau khi nghiền và trộn với nớc, sẽ phản ứng với Ca(OH 2 ) có trong bê tông tạo thành hỗn hợp có tính chất xi măng. Có 3 loại puzơlan đợc ghi trong quy định sử dụng trong bê tông: - Loại N: Puzơlan thiên nhiên nh đá phiến silice, thuỷ tinh núi lửa, diatomit. - Loại F: Tro bay, là phụ phẩm thu đợc từ quá trình đốt than cám anthracite. - Loại C: Tro bay, là phụ phẩm thu đợc từ quá trình đốt than nâu. Tro bay đợc sử dụng rộng rãi là các phụ phẩm thu đợc từ các nhà máy nhiệt điện mà chất đốt là tham cám anthracite. Xỉ lò cao dạng hạt là phụ phẩm của việc luyện thép, cũng có tính chất xi măng. Khói silice là vật liệu đặc biệt mịn, kích cỡ chỉ bằng 1% cỡ hạt trung bình của XM. Khói silice có các tính chất xi măng và tính chất puzơlanic, lắp đầy kẽ hở giữa các hạt xi măng, tạo thành các hỗn hợp có ít lỗ rỗng chứa khí và nớc nhất. Sử dụng các vật liệu này nhằm thay thế một phần xi măng trong bê tông vừa giảm đợc giá thành, vừa làm sạch môi trờng. I.2. Các vật liệu độn xi măng ảnh hởng nhiều đến các tính chất của BTXM. Tro bay và các puzolan khác cải thiện tính dễ thi công và việc hoàn thiện bê tông cũng nh giảm sự nổi nớc và sự phân tầng của hỗn hợp bê tông. Sự hydrat hoá của bê tông phát triển chậm, tăng thời gian ngng kết và thời gian đông cứng nhng giảm sự toả nhiệt khi thuỷ hoá. Cờng độ phát triển với tốc độ chậm, đạt cờng độ sau 90 ngày, nhng có thể đạt cờng độ cuối cùng rất cao (đến 100 MPa). Độ thấm của bê tông giảm, cải thiện độ bền chống ăn mòn sunfat, độ bền đối với các phản ứng kiềm và chống ăn mòn cốt thép. Xỉ lò cao dạng hạt cũng có phản ứng tơng tự đối với bê tông, tuy nhiên sự phân tầng và nổi nớc có thể nghiêm trọng hơn. II. Bê tông cờng độ cao II.1. Bảng 1 là hệ thống phân cấp kiến nghị của bê tông thông thờng và bê tông cờng độ cao cùng một số thành phần và đặc tính của chúng. Bảng 2 là một số hỗn hợp bê tông cờng độ cao điển hình đợc sử dụng trong một số công trình xây dựng gần đây. Bảng 1 Phân cấp cờng độ bê tông Thông số Bê thông thờng Bê tông cờng độ cao Bê tông cờng độ rất cao Bê tông cờng độ đặc biệt cao Cờng độ, MPa < 50 50 - 100 100 - 150 > 150 Tỷ lệ N/X > 0,45 0,45 - 0,30 0,30 - 0,25 < 0,25 Phụ gia hoá học Không cần WRA/HRWR * HRWR * HRWR Phụ gia khoáng vật Không cần Tro bay Khói Silice ** Khói Silice ** Hệ số thấm, cm/s > 10 - 10 10 - 11 10 - 12 < 10 - 13 * WRA - Water reducing admixture: phụ gia giảm nớc; HRWR - High-rangge water reduceing: phụ gia siêu dẻo ** Cũng có thể chứa tro bay. Bảng 2 Các công trình xây dựng Thành phần của bê tông Quảng trờng tháp nớc Chicago 1975 Cầu Joigtly, Pháp 1989 Nhà cao tầng Larentienne Canada, 1984 Scotra Plaza Toronto 1987 Two Union Square 1988 Tỷ lệ N/vật liệu XM 0,35 0,37 0,27 0,31 0,25 Nớc, kg/m 3 195 165 135 145 130 Xi măng, kg/m 3 505 451 500 315 513 Khói Silice, kg/m 3 - - 30 36 43 Tro bay, kg/m 3 60 - - - - Xỉ lò cao, kg/m 3 - - - 137 - Cốt liệu thô, kg/m 3 1030 1030 1100 1130 1080 Cốt liệu nhỏ, kg/m 3 630 745 700 745 685 Phụ gia giảm nớc, ml/m 3 975 - - 900 - Phụ gia chậm ngng kết, l/m 3 - 4,5 1,8 - - Phụ gia siêu dẻo, l/m 3 - 11,25 14 5,9 15,7 f ở 28 ngày, MPa 64,8 79,8 92,5 83,4 119 f ở 91 ngày, MPa 78,6 87 106,5 93,4 145 II.2 Các vật liệu, cũng nh quá trình rải hỗn hợp bê tông cờng độ cao phải đợc khống chế chặt chẽ. Để đảm bảo dính bám tốt giữa xi măng và đá, cốt liệu thô thờng dùng là đá dăm hạt nhỏ. Cốt liệu có D max = 9,5 mm hoặc 12,5 mm nói chung dính bám tốt với xi măng. Cốt liệu nhỏ phải có môđuyn độ mịn giữa 2,5 và 3,2 và phải hạn chế hàm lợng các hạt nhỏ hơn 150 m và 300 m để giảm lợng nớc yêu cầu. Dùng cát thiên nhiên thờng cho cờng độ cao hơn so với dùng cát nghiền. Để đảm bảo độ dễ thi công của hỗn hợp bê tông khi tỷ lệ N/vật liệu XM thấp phải dùng phụ gia giảm nớc (WRA) hoặc phụ gia siêu dẻo (HRWR). Để bảo đảm thời gian hoàn thiện đối với hỗn hợp bê tông khô, thờng dùng phụ gia làm chậm ngng kết. II.3 Để chọn tỷ lệ phối hợp của bê tông tro bay cờng độ cao ở trong phòng thí nghiệm, có thể sử dụng phơng pháp của Viện bê tông Mỹ trong tiêu chuẩn ACI 211 - 4R - 93. Trình tự thiết kế hỗn hợp bê tông cờng độ cao theo phơng pháp ACI nh sau: - Xác định cờng độ thiết kế trung bình yêu cầu: Cờng độ này phải lớn hơn cờng độ yêu cầu của đề án là 10 MPa để đảm bảo hệ số vợt cờng độ cần thiết. - Chọn độ sụt thiết kế: Với bê tông dùng phụ gia siêu dẻo, đề nghị dùng độ sụt 25 ữ 50 mm (trớc khi trộn phụ gia). Với các bê tông khác độ sụt phải là 50 ữ 100 mm - Chọn cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu: Với bê tông cờng độ yêu cầu đến 60 MPa có thể dùng cốt liệu với D max = 19 mm hoặc 25 mm. Với bê tông cờng độ cao hơn, đề nghị dùng cốt liệu có D max = 9,5 mm hoặc 12,5 mm. Ngoài ra D max không đợc lớn hơn 1/5 chiều rộng của khuôn mẫu, hoặc 1/3 chiều dày tấm, hoặc 3/4 khoảng cách giữa các thanh cốt thép. Hình 1. - Chọn tỷ lệ gần đúng của cốt liệu thô, lợng nớc trộn và lợng khí từ bảng 3. - Chọn tỷ lệ N/XM theo hình 1. Giá trị tỷ lệ N/XM cho cờng độ thiết kế trung bình phải dẫn đến kết quả là các cờng độ của các mẻ trộn thí nghiệm phải cao hơn 10% so với cờng độ trung bình trên. Đó là do cờng độ trung bình thu đợc từ các mẻ trộn thí nghiệm, theo kinh nghiệm thờng cao hơn khoảng 10% cờng độ trung bình của hỗn hợp này khi thi công tại hiện trờng. Các số liệu trong hình 1 là cờng độ ở 28 ngày tuổi. Trị số lớn nhất quy định của tỷ lệ N/XM có thể tăng khoảng 0,02 với các cờng độ cao hơn và khoảng 0,04 với các cờng độ thấp hơn đối với cờng độ bê tông dự tính ở 56 ngày tuổi. - Xác định lợng tro bay sử dụng: Với tro bay loại F, đề nghị sử dụng 15 ữ 20% vật liệu xi măng tổng cộng và 20 ữ 35% đối với tro bay loại C. - Tính lợng cốt liệu thô, nớc, vật liệu XM, tro bay v XM theo yêu cầu cho 1 m 3 bê tông. Số lợng vật liệu khác có thể xác định từ lợng nớc, tỷ lệ N/vật liệu XM và tỷ lệ% tro bay. - Tính thể tích cốt liệu nhỏ yêu cầu từ tổng thể tích các thành phần trên đây và của khí tù. Sử dụng trọng lợng riêng của nó để xác định khối lợng của cốt liệu nhỏ yêu cầu. - Nếu sử dụng phụ gia siêu dẻo (HRWR) thì số lợng yêu cầu dựa trên quy định của nhà chế tạo - lợng nớc trộn sử dụng phải đợc giảm theo lợng phụ gia sử dụng. Bảng 3 Các tỷ lệ gần đúng của hỗn hợp bêtông cờng độ cao Thành phần Cỡ hạt lớn nhất D max (mm) 9,5 12,5 19 25 Cốt liệu thô (m 3 /m 3 BT) 0,65 0,68 0,72 0,75 Nớc trộn (kg/m 3 BT) khi độ sụt: - 25 ữ 50 mm - 50 ữ 75 mm - 75 ữ 100 mm 184 190 196 175 184 190 169 175 181 166 172 178 Hàm lợng khí tù (%) - Có phụ gia siêu dẻo - Không có phụ gia siêu dẻo 3,0 2,5 2,5 2,0 2,0 1,5 1,5 1,0 - Tính toán các số lợng của hỗn hợp trộn thử, hiệu chỉnh lợng nớc trộn theo thể tích của HRWR. - Hiệu chỉnh các số lợng của hỗn hợp theo độ ẩm của cốt liệu. Nếu cốt liệu không bão hoà thì phải thêm nớc. Nếu cốt liệu có nớc mặt thì phải bớt nớc. - Trộn các vật liệu theo từng mẻ. Thí nghiệm độ sụt (trớc và sau khi cho HRWR), độ dễ thi công, độ cứng và đúc các mẫu hình trụ để thí nghiệm cờng độ. - Phân tích các kết quả của hỗn hợp thí nghiệm, hiệu chỉnh các tỷ lệ phối hợp Nếu cần rồi làm lại các thí nghiệm. Sau khi có một hỗn hợp chấp nhận đợc thì tính toán các tỷ lệ sản xuất. III. Ví dụ áp dụng Thiết kế một hỗn hợp bê tông ở trong phòng thí nghiệm với các vật liệu và quy định kỹ thuật sau: - Cờng độ tối thiểu yêu cầu ở 28 ngày tuổi: 45 MPa - Tro bay sử dụng, loại F, trọng lợng riêng 2,25 g/cm 3 : 20% - Sử dụng phụ gia siêu dẻo (HRWR); - Cốt liệu thô (đá dăm) với các thông số sau: + D max = 19 mm + Dung trọng khô: 1650 kg/m 3 + Trọng lợng riêng: 2,63 g/cm 3 + Độ hút nớc: 1,4% - Cốt liệu nhỏ (cát) với các thông số sau: + Trọng lợng riêng: 2,67 g/cm 3 + Độ hút nớc: 1,2% Hãy tính toán số lợng yêu cầu của các vật liệu cho 0,03 m 3 hỗn hợp. Với đầu bi nh trên, quá trình tính toán nh sau: - Cờng độ thiết kế trung bình ở 28 ngày tuổi = 45 + 10 = 55 MPa (cờng độ kỳ vọng trung bình ở trong phòng thí nghiệm > 10%). - Độ sụt thiết kế phải 25 ữ 50 mm (trớc khi cho phụ gia siêu dẻo) - Chọn cỡ hạt 19 mm là cỡ hạt thích hợp với bê tông 45 MPa Các tỷ lệ sử dụng lấy theo bảng 3, cụ thể nh sau: + Cốt liệu thô: 0,72 m 3 /m 3 BT + Nớc: 169 kg/m 3 BT + Khí tù: 2% Theo hình 1, trị số của tỷ lệ N/vật liệu XM = 0,4 với cờng độ bê tông 55 MPa, cốt liệu có đờng kính D max = 19 mm và có sử dụng HRWR (cờng độ kỳ vọng trung bình trong phòng thí nghiệm với tỷ lệ này sẽ là 55 MPa + 10% = 60,5 MPa). - Hàm lợng tro bay loại F lấy bằng 20% là chấp nhận đợc. - Các số lợng sử dụng cho 1 m 3 hỗn hợp là: + Cốt liệu thô: 0,72 x 1650 = 1188 kg/m 3 + Nớc 169 kg/m 3 + Vật liệu XM 109 kg/0,4 = 422 kg/m 3 Trong đó tro bay 20% x 422 kg = 84 kg Xi măng 422 - 84 = 338 kg Khí tù: 2% - Thể tích các thành phần trên đây chiếm chỗ: + Cốt liệu thô 1188 kg/(2,62 x 1000 kg/m 3 ) = 0,452 m 3 + Nớc: 169 kg/1000 kg/m 3 = 0,169 m 3 + Tro bay 84 kg/(2,25 x 1000 kg/m 3 ) = 0,037 m 3 + Xi măng 338 kg/(3,15 x 1000 kg/m 3 ) = 0,107 m 3 + Khí tù: 2% x 1 m 3 = 0,020 m 3 + Tổng cộng: 0,785 m 3 Từ đó, thể tích yêu cầu của cốt liệu nhỏ là 1 - 0,785 = 0,215 m 3 Và khối lợng của cốt liệu nhỏ là: 0,215 x (2,67 x 1000 kg/m 3 ) = 574 kg - Tỷ lệ của HRWR theo quy định của nhà chế tạo là 900 ml/100 kg XM, từ đó có thể tính đợc: 900 ml/100 kg x 338 kg = 3042 ml hay 3,042 lít cho 1 m 3 bê tông. - Số lợng các vật liệu cho mẻ trộn 0,03 m 3 là: + Cốt liệu thô: 0,03 x 1188 kg = 35,6 kg + Cốt liệu nhỏ: 0,03 x 574 kg = 17,2 kg + Tro bay: 0,03 x 84 kg = 2,52 kg + Xi măng: 0,03 x 338 kg = 10,14 kg + HRWR: 0,03 x 3042 ml = 91 ml = 0,091 kg + Nớc: 0,03 x 169 kg - 0,091 kg = 4,98 kg - Các thí nghiệm cho thấy cốt liệu nhỏ chứa 6% nớc, còn cốt liệu thô ở trạng thái khô. Nớc thừa của cốt liệu nhỏ = 6,2 - 1,2 = 5% và lợng nớc thừa: 0,05 x 17,2 = 0,86 kg. - Lợng nớc yêu cầu phải tăng thêm cho cốt liệu thô là = 0,014 x 35,6 = 0,5 kg. - Lợng cốt liệu nhỏ yêu cầu là: 17,2 + (0,062 x 17,2) = 18,3 kg - Lợng cốt liệu thô yêu cầu là: 35,6 kg Từ đó số lợng cuối cùng của các vật liệu cho một mẻ trộn là: + Cốt liệu thô: 35,6 kg + Cốt liệu nhỏ: 18,3 kg + Nớc: 4,62 kg + Tro bay: 2,52 kg + Xi măng:10,14 kg + HRWR: 91 ml . dựng gần đây. Bảng 1 Phân cấp cờng độ bê tông Thông số Bê thông thờng Bê tông cờng độ cao Bê tông cờng độ rất cao Bê tông cờng độ đặc biệt cao Cờng độ, MPa < 50 50 - 100 100 - 150. Bê tông cờng độ cao Thiết kế hỗn hợp bê tông cờng độ cao PGS. Nguyễn Quang Chiêu Trờng Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bi viết ny giới thiệu tóm tắt công nghệ sản xuất bê tông. thống phân cấp kiến nghị của bê tông thông thờng và bê tông cờng độ cao cùng một số thành phần và đặc tính của chúng. Bảng 2 là một số hỗn hợp bê tông cờng độ cao điển hình đợc sử dụng trong