THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG Ngày . . . . tháng . . . .năm 200… Thiết kế thành phần bê tơng là tìm ra tỷ lệ hợp lý các loại ngun vật liệu nước, xi măng, cát, đá hoặc sỏi cho 1m 3 bê tơng sao cho đạt các chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế. Cấp phối bê tơng được biểu thị bằng khối lượng của các vật liệu thành phần cần cho 1m 3 bê tơng hoặc dưới dạng tỉ lệ về khối lượng các vật liệu thành phần so với khối lượng ximăng. Để tính tốn được thành phần của bê tơng phải dựa vào một số điều kiện như : - Cường độ bê tơng u cầu (mác bê tơng): Thơng thường người ta lấy cường độ chịu nén của bê tơng sau 28 ngày dưỡng hộ làm cường độ u cầu. - Tính chất của cơng trình: Phải biết được cơng trình làm việc trong mơi trường nào, trên khơ hay dưới nước, có ở trong mơi trường xâm thực mạnh khơng? - Đặc điểm của kết cấu cơng trình: Kết cấu có cốt thép hay khơng có cốt thép, cốt thép dày hay thưa, biết tiết diện của cơng trình rộng hay hẹp . Mục đích là để lựa chọn độ dẻo của hỗn hợp bê tơng và độ lớn của đá (sỏi) cho hợp lý. - Điều kiện ngun vật liệu : Như mác và loại xi măng, loại cát, đá dăm hay sỏi và các chỉ tiêu cơ lý của chúng. - Điều kiện thi cơng: Thi cơng bằng cơ giới hay thủ cơng. 5.6.2. Phương pháp thiết kế thành phần bê tơng Để thiết kế cấp phối bê tơng có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp như phương pháp của Ban mơi trường Anh, phương pháp của Viện bê tơng Mỹ song phương pháp Bolomey-Skramtaev của Viện bê tơng và bê tơng cốt thép Nga là phương pháp đã được sử dụng phổ biến ở Việt Nam và một số nước. Trong nội dung giáo trình sẽ trình bày cách thiết kế thành phần bê tơng trên cơ sở của phương pháp Bolomey-Skramtaev có tính đến những điều kiện thích hợp của Viêt Nam. Ngun tắc của phương pháp Phương pháp của Bolomey-Skramtaev là phương pháp tính tốn lý thuyết kết hợp với việc tiến hành kiểm tra bằng thực nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết "thể tích tuyệt đối“ có nghĩa là tổng thể tích tuyệt đối (hồn tồn đặc) của vật liệu trong 1m 3 bê tơng bằng 1000 (lít): V aX + V N + V aC + V aĐ = 1000 (lít). Trong đó : V X , V N , V C , V Đ : Thể tích hồn tồn đặc của xi măng, nước, cát, đá trong 1m 3 bê tơng, lít. Các bước thực hiện Theo TCVN tính toán cấp phối hỗn hợp bê tông được tiến hành như sau: Xác đònh lượng nước: căn cứ vào chỉ tiêu tính dẻo đã chọn, D max của cốt liệu lớn (cốt liệu lớn là đá dăm) và mô đun độ lớn (M đl ) của cát. Lượng nước nhào trộn được xác đònh theo bảng tra 4.1 . Bảng 4.1. Lượng nước trộn ban đầu cần cho 1m 3 bê tông, lít TT Độ sụt, cm Kích thước lớn nhất của cốt liệu lớn D max , mm 10 20 40 70 Mô đun độ lớn của cát, M đl 1.5- 1.9 2.0- 2.4 2.5- 3.0 1.5- 1.9 2.0- 2.4 2.5- 3.0 1.5- 1.9 2.0- 2.4 2.5- 3.0 1.5- 1.9 2.0- 2.4 2.5- 3.0 1 1-2 195 190 185 185 180 175 175 170 165 165 160 155 2 3-4 205 200 195 195 190 185 185 180 175 175 170 165 3 5-6 210 205 200 200 195 190 190 185 180 180 175 170 4 7-8 215 210 205 205 200 195 195 190 185 185 180 175 5 9-10 220 215 210 210 205 200 200 195 190 190 185 180 6 11- 12 225 220 215 215 210 205 205 200 195 195 190 185 Xác đònh tỷ lệ N X Với X/N ≤ 2,5: N X = x b AR R + 0.5 (4.1) Với X/N > 2,5: N X = x b RA R 1 - 0.5 (4.2) Trong đó: R b : cường độ nén của bê tông ở tuổi 28 ngày, MPa. R x : cường độ thực tế của xi măng, MPa. X/N : tỷ lệ xi măng trên nước. A, A 1 : hệ số thực nghiệm phụ thuộc chất lượng nguyên vật liệu. Điều kiện để áp dụng công thức: − Bê tông được bảo dưỡng tốt, tương đương điều kiện chuẩn. − Bê tông được đầm chặt ( hệ số đầm chặt K đc ≥ 0.97 ). − Cường độ cốt liệu lớn hơn cường độ bê tông 1.5 lần khi dùng cốt liệu cacbonat; 2 lần khi dùng cốt liệu bazan, granit. − Lượng xi măng tối thiểu không thấp hơn 160÷240 kg/m 3 ( phụ thuộc cỡ cốt liệu lớn ). − Hệ số A, A 1 thể hiện trong bảng 4.2 . Bảng 4.2. Hệ số chất lượng vật liệu A và A 1 Chất lượng vật liệu Chỉ tiêu đánh giá Hệ số A, A 1 ứng với xi măng thử cường độ theo TCVN 6017:95 hoặc TCVN 6061:95 TCVN 4032:85 (pp vữa dẽo) A A 1 A A 1 Tốt - XM hoạt tính cao (không trộn phụ gia thuỷ). - Đá sạch, đặc chắc, cường độ cao, cấp phối hạt tốt. - Cát sạch, M đl = 2.4÷2.7 0.54 0.44 0.60 0.38 Trung bình - XM hoạt tính trung bình (chứa 10 -15% phụ gia thuỷ). - Đá chất lượng phù hợp với TCVN 1771-87. - Cát chất lượng phù hợp với TCVN 1770-86, M đl = 2.0÷2.4. 0.5 0.40 0.55 0.35 Kém - XM hoạt tính thấp (chứa trên 15% phụ gia thuỷ). - Đá có 1 chỉ tiêu chưa phù hợp với TCVN 1771-87. - Cát mòn, M đl < 2.0 . 0.45 0.37 0.5 0.32 Xác đònh lượng xi măng X = N X x N (4.3) Trong đó: N X : tỉ lệ xi măng trên nước đã xác đònh ở trên N : lượng nước trộn ban đầu, lít, đã xác đònh ở trên. Hàm lượng xi măng tối thiểu để hỗn hợp bê tông không bò phân tầng được khống chế bằng các giá trò trong bảng 4.3 ; với bê tông để bơm không nhỏ hơn 280 kg. Bảng 4.3. Hàm lượng xi măng tối thiểu trong 1m 3 bê tông (kg) Kích thước hạt cốt liệu lớn nhất, mm 10 20 40 70 Bê tông độ sụt 1-10 cm 220 200 180 160 Bê tông độ sụt 11-16 cm 240 220 210 180 Khi lượng dùng xi măng tính được lớn hơn 400 kg, cần hiệu chỉnh lại lượng nước. Công thức hiệu chỉnh lượng nước khi lượng dùng xi măng vượt quá 400 kg: N hc = NX N /10 400.10 − − , lít (4.4) Xác đònh lượng cốt liệu lớn Xác đònh thể tích hồ xi măng, V h V h = (X / x γ ) + N (4.5) Trong đó: X: lượng xi măng cho 1 m 3 bê tông. N: lượng nước cho 1 m 3 bê tông. x ρ : khối lượng riêng của xi măng. Xác đònh hệ số dư vữa hợp lý K đ Đối với các hỗn hợp bê tông cần ĐS = 2÷12cm ( trừ bê tông có yêu cầu cường độ uốn hoặc chống thấm nước ); k đ được xác đònh theo bảng 4.4 . Bảng 4.4. Hệ số dư vữa hợp lý (K đ ) dùng cho hỗn hợp bê tông dẻo (SN=2÷12) Cốt liệu lớn là đá dăm (nếu dùng sỏi, K đ tra bảng cộng thêm 0.06) Mô đun độ lớn của cát K đ ứng với giá trò V h = (X / x ρ ) + N (l/m 3 ) bằng 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 3.0 2.75 2.5 2.25 2.0 1.75 1.5 1.33 1.30 1.26 1.24 1.22 1.14 1.07 1.38 1.35 1.31 1.29 1.27 1.19 1.12 1.43 1.40 1.36 1.34 1.32 1.24 1.17 1.48 1.45 1.41 1.39 1.37 1.29 1.22 1.52 1.49 1.45 1.43 1.41 1.33 1.26 1.56 1.53 1.49 1.47 1.45 1.37 1.30 1.59 1.56 1.52 1.50 1.48 1.40 1.33 1.62 1.59 1.55 1.53 1.51 1.43 1.36 1.64 1.61 1.57 1.55 1.53 1.45 1.38 1.66 1.63 1.59 1.57 1.55 1.47 1.40 Với các độ sụt khác, điều chỉnh K đ như sau: _ Khi bê tông có độ sụt 14÷18 cm, K đ tra bảng cộng thêm 0.1 đối với cát có M đl < 2; cộng thêm 0.15 với cát có M đl = 2÷2.5; cộâng thêm 0.2 với cát có M đl > 2.5 . _ Khi bê tông có độ sụt 0÷1 cm ( Vebe = 4÷8 s), K đ tra bảng trừ bớt 0.1 đối với cát có M đl < 2 (nhưng giá trò cuối cùng không nhỏ hơn 1.05); trừ bớt 0.15÷0.2 đối với cát có M đl ≥ 2 (nhưng giá trò cuối cùng không nhỏ hơn 1.1) . Xác đònh lượng cốt liệu lớn (Đ): Đ = đ 1r 1000 γγ + d K. (3.6) hoặc Đ = 1)1( +− dd Kr γ (4.7) Trong đó: Đ : Hàm lượng đá dăm hoặc sỏi trong 1m 3 bê tông, kg. r đ : độ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn, xác đònh theo TCVN 1772:1987. γ : khối lượng thể tích xốp (khối lượng đổ đống) của cốt liệu lớn., kg/m 3 , xác đònh theo TCVN 1772:1987. Xác đònh hàm lượng cát Hàm lượng cát trong 1m 3 bê tông được xác đònh trên cơ sở tổng thể tích tuyệt đối các vật liệu thành phần bảo đảm sau khi thành hình cho 1m 3 hay 1000 lít. Không kể thể tích các bọt khí lồng chiếm khoảng 0.3 - 2.5%, đối với bê tông thông thường hàm lượng cát được xác đònh bằng công thức. C =               ++− N aa xđ XĐ γγ 1000 x ac γ (4.8) Trong đó: X, Đ, N : Lượng xi măng, đá, nước trong 1m 3 bê tông. x a γ , d a γ , c a γ : Khối lượng riêng của xi măng, đá và cát. Thành phần vật liệu ẩm : Khi tính tốn sơ bộ thành phần vật liệu cho 1m 3 bê tơng ta giả thiết là ngun vật liệu hồn tồn khơ, nhưng trong thực tế cát và đá ln bị ẩm nên phải tính đến để điều chỉnh lại lượng ngun vật liệu cho chính xác. Lượng ngun vật liệu ẩm trên hiện trường được tính theo các cơng thức sau : X ht = X , kg C ht = C.(1 + W C ) , kg Đ ht = Đ.(1 + W Đ ) , kg N ht = N - (C.W C + Đ.W Đ ) , lít . Trong đó - X ht , C ht , Đ ht , N ht : lượng xi măng, cát ẩm, đá ẩm và nước sẽ sử dụng cho 1m 3 bê tơng ở hiện trường, kg. - X, C, Đ, N: lượng xi măng, cát, đá, nước, theo thiết kế ở điều kiện cốt liệu khơ cho 1m 3 bê tơng , kg. - W C , W Đ : độ ẩm của cát và đá, % . Như vậy qua các bước tính sơ bộ, kiểm tra bằng thực nghiệm và điều chỉnh lại ta đã xác định được thành phần vật liệu cho 1m 3 bê tông. Tùy theo điều kiện thi công thực tế mà ta có thể biểu thị cấp phối theo những cách khác nhau. Nếu điều kiện thi công bê tông không có thiết bị định lượng cân (kg) thì ta nên biểu thị cấp phối bằng tỷ lệ pha trộn theo thể tích, lấy thể tích tự nhiên của xi măng làm chuẩn. Hệ số sản lượng bê tông và liều lượng vật liệu cho một mẻ trộn bằng máy : Hệ số sản lượng bê tông : Trong thực tế khi chế tạo bê tông vật liệu được sử dụng ở trạng thái tự nhiên (V 0X ; V 0C ;V 0Đ ) cho nên thể tích hỗn hợp bê tông sau khi nhào trộn (V b ) luôn luôn nhỏ hơn tổng thể tích tự nhiên của các nguyên vật liệu, điều đó được thể hiện bằng hệ số sản lượng bê tông β. 0 0 0 b X C D V V V V β = + + Khi đã biết lượng nguyên vật liệu cho 1m 3 bê tông tại hiện trường thì hệ số sản lượng bê tông được xác định theo công thức sau : 1000 ht ht ht oXht oCht oDht X C D β γ γ γ = + + Trong đó - X ht , C ht , Đ ht : Khối lượng xi măng, cát, đá (sỏi) dùng cho 1m 3 bê tông; kg . - γ 0Xht , γ 0Cht , γ 0Đht : Khối lượng thể tích của xi măng, cát, đá(sỏi) tại hiện trường, kg/l. Tùy thuộc vào độ rỗng của cốt liệu, giá trị β bằng khoảng 0,55 - 0,7. Xác định liều lượng vật liệu cho một mẻ trộn bằng máy Hệ số sản lượng bê tông được sử dụng trong việc tính lượng nguyên vật liệu cho một mẻ trộn của máy có dung tích thùng trộn là V 0 (l). Trong đó : - X 0 , N 0 , C 0 , Đ 0 : - Lượng xi măng, nước, cát, đá (sỏi) dùng cho một mẻ trộn - X ht , N ht , C ht , Đ ht : - Lượng xi măng, nước, cát, đá (sỏi) dùng cho 1m 3 bê tông tại hiện trường, kg Để dễ áp dụng ngoài thực tế của công trường khi không có điều kiện định lượng cân tự động ta nên chuyển đổi khối lượng của cát, đá theo thể tích. Một số cấp phối thông dụng : Bài 1 : Tính toán thành phần vật liệu cho bê tông mác 200 (theo cường độ chịu nén, kG/cm 2 ) ở tuổi 28 ngày. Mẫu chuẩn 150 x 150 x 150 mm. Bê tông không có yêu cầu gì đặc biệt, môi trường sử dụng thông thường. Điều kiện thi công cơ giới. Đặc điểm kết cấu: sàn BTCT, dày 10cm, giới hạn D max ≤ 20 mm. Vật liệu chế tạo: - Xi măng Nghi Sơn PCB 40. Cường độ thực tế: 47,8 N/mm 2 (thí nghiệm theo TCVN 6016:1995). Khối lượng riêng : γ x = 3,1 g/cm 3 . - Đá có khối lượng riêng : γ ađ = 2,65 g/cm 3 , khối lượng thể tích xốp : γ ođ = 1520 kg/m 3 . Đường kính hạt lớn nhất D max = 20mm. Độ rỗng của đá V r = 42.6 0%. - Cát vàng có khối lượng riêng: γ ac = 2,62 g/cm 3 . Mô đun độ lớn: M đl = 2,5. Không có lượng hạt trên 5mm. Biết : XM γ 0xm = 1,1 g/cm 3 cát γ 0c = 1,6 g/cm 3 đá γ 0đ = 1,52 g/cm 3 Tính toán lượng dùng thực tế cho 1 mẻ trộn của máy trộn bê tông V m = 500 lít , biết vật liệu ngoài công trường ở trạng thái khô. Bài 2 : Tính toán lượng dùng thực tế cho 1 mẻ trộn của máy trộn bê tông V m = 425 lít , nếu lượng dùng vật liệu khô theo thiết kế là X = 321 kg ; N = 182 l ; C = 612 kg ; Đ = 1296 kg. Tại hiện trường vật liệu có độ ẩm W c = 2 % và W đ = 0.5% . Hệ số sản lượng β theo thí nghiệm là 0,7 . Tại công trường không có điều kiện cân định lượng mà chỉ có thùng đong 18 lít . Hãy tính số lượng thùng xi măng, cát , nước, đá cần thiết nếu biết khối lượng thể tích của vật liệu tại công trường như sau : XM γ 0xm = 1,1 g/cm 3 cát γ 0c = 1,6 g/cm 3 đá γ 0đ = 1,7 g/cm 3 Bài 3 : Đội thi công công trường X nhận được cấp phối bê tông theo thiết kế là X : C : Đ = 1 : 1,8 : 4,2 . Tỷ lệ N/X = 0.7 . Tại hiện trường độ ẩm của cát và đá lần lượt là 2% và 1% . Hãy tính lượng dùng vật liệu cho 1m 3 bê tông thực tế tại hiện trường và hệ số sản lượng bê tông khi các số liệu thực nghiệm được xác định là : γ 0c = 1,5 g/cm 3 γ ac = 2,5 g/cm 3 γ 0đ = 1,6 g/cm 3 γ ađ = 2,6 g/cm 3 γ 0x = 1,2 g/cm 3 γ ax = 3,0 g/cm 3 Bài 4 : Một loại bê tông nặng có tỉ lệ dùng vật liệu theo khối lượng X:C:Đ = 1:2:4 . Tỉ lệ N/X = 0.61 . Khi cho thêm vào hỗn hợp bê tông 1lít phụ gia siêu dẻo trên 100 kg xi măng mà vẫn giữ nguyên độ dẻo của hỗn hợp bê tông , thì tỉ lệ N/X giảm được 10% . Hãy tính lượng dùng vật liệu cho 1 mẻ trộn của máy 425 lít khi bê tông đã có phụ gia , và xác định cường độ sẽ tăng bao nhiêu %. Vật liệu có các chỉ tiêu cơ lý như sau : γ 0c = 1,6 g/cm 3 γ ac = 2,6 g/cm 3 γ 0đ = 1,65 g/cm 3 γ ađ = 2,7 g/cm 3 γ 0x = 1,2 g/cm 3 γ ax = 3,1 g/cm 3 Bài 5 : Một công trình xây dựng có thể tích bê tông tổng cộng là 45000 m 3 ,bê tông có thành phần cấp phối như sau : X = 300 kg ; N = 180 lit ; C = 538 kg ; Đ = 1260 kg. Bằng thực nghiệm thấy, nếu thêm vào hỗn hợp bê tông 0.2% phụ gia siêu dẻo thì có thể giảm 10% lượng nước nhào trộn mà vẫn giữ nguyên độ dẻo của hỗn hợp bê tông. Để giữ nguyên mác bê tông người ta cũng giảm lượng dùng xi măng 10% . Hãy xác định lượng xi măng sẽ tiết kiệm được nếu sử dụng phụ gia tăng dẻo này. γ 0c = 1,6 g/cm 3 γ ac = 2,6 g/cm 3 γ 0đ = 1,65 g/cm 3 γ ađ = 2,7 g/cm 3 γ 0x = 1,2 g/cm 3 γ ax = 3,1 g/cm 3 . cộâng thêm 0.2 với cát có M đl > 2.5 . _ Khi bê tông có độ sụt 0÷1 cm ( Vebe = 4÷8 s), K đ tra bảng trừ bớt 0.1 đối với cát có M đl < 2 (nhưng giá