Công nghệ bê tông cho các công trình biển: Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:126

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 cuốn sách "Bê tông cho công trình biển" cung cấp cho người đọc các kiến thức: Lựa chọn vật liệu và cấp phối cho bê tông dùng trong công trình biển, thi công bê tông, đảm bảo chất lượng công trình bê tông trong môi trường biển, bê tông cho công trình biển trong tương lai, nghiên cứu thực hiện chế tạo bê tông cường độ cao dùng cho công trình biển. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ bê tông cho các công trình biển: Phần 2

C hươ ng 4 LỤ A CHỌN VẬT LIỆU VÀ CẤP PHỐI CHO BÊ TÔNG DÙNG TRONG CÔNG TRÌNH BIỂN Từ những nghiên cứu về tính chất cùa bê tông trong công trinh biển (chương 3) và kháo sát các nguyên nhân, các tác nhân phá hoại bê tông (chương 2 ) có thể thấy rằng tính thấm cùa bê tông là yếu tố quan trọng nhất xác định tuồi thọ cùa nó. Như vậy, khi chế tạo các kết cấu mới không chi là lựa chọn vật liệu và thành phần để có được bê tông thuộc loại sàn phẩm ít thấm trong thời gian bảo dưỡng, mà còn cần thiết có được tính chống thấm tốt cùa kết cấu kéo dài suốt thời gian làm việc. Do đó, đối với bê tông dùng cho công trinh biển cần quan tâm 3 vấn đề sau: - Lựa chọn vật liệu và thành phần hỗn hợp; - Chế tạo bê tông có chất lượng tốt; - Kiểm soát để tránh lan rộng các vết nứt có từ trước và trong bê tông khi làm việc. Ngoài những điểm chung đó, cần lưu ý nhiều kết cấu của các công trinh biển được xây dựng gần đây còn có yêu cầu bền vững với những điều kiện ứng suất bất thường. Ví dụ các kết cấu ở ven biển và ngoài khơi ờ biển Bắc và Bắc Cực chịu tác động của áp lực thủy tĩnh, tải trọng rất lớn, tác động của băng giá, tác động xói mòn, mài mòn của băng trôi; hay kết cấu ven biển ở Trung Á chịu chu kỳ khắc nghiệt cùa nhiệt độ (ngày nóng, đêm lạnh). Thông thường các kết cấu này được làm từ bê tông cường độ cao, sừ dụng nhiều cốt thép và úng suất trước. Để bào vệ cốt thép, bê tông nên có độ thấm nhỏ và đây là điều kiện quan trọng đối với độ bền của bê tông. Để đạt được điều này, có nghĩa là chế tạo được bê tông cirờng độ cao có độ thấm nhỏ thì việc nghiên cứu ra nhiều loại vật liệu mới đã được tiến hành. Trong công nghệ sàn xuất bê tông cường độ cao và chống thấm tốt, trên thế giới đã có nhiều kinh nghiệm trong việc kết hợp chặt chẽ giữa thực tế tại hiện trường và sản xuất trong các nhà máy công nghiệp. Hiệu quả cùa việc kết hợp này có thể dễ dàng thấy qua những đánh giá trên công nghệ cùa hầu hết các công trinh thực tế. Ví dụ không thấy bằng chứng về sự hư hỏng của bê tông cường độ cao và chống thấm tốt dùng cho giàn khoan ở biển Bắc, ớ đó đã có kết cấu làm việc đến hơn 20 năm; trong khi đó sự hư hỏng của bê tông ờ cầu Manma-Sitra Causeway ở Bahrain chì có 15 năm. 91
Trên thế giới đã có một số tiêu chuẩn công nghiệp về công trình biển, đáng lưu ý là ACI có tiêu chuẩn riêng về bê tông cho kết cấu công trinh biển truyền thống. Trong đó, có chi dẫn cho các kết cấu pho biến (như xây dựng và cầu, gara, xilo và thùng chứa, ống khói và tháp làm lạnh, các thiết bị vệ sinh và hạt nhân) tuân theo kết cấu công trình biền truyền thống. Tiêu chuẩn ACI 357 giới thiệu thiết kế các kết cấu, các khảo sát về các kết cấu công trinh ờ biển Bắc và các kết cấu khác như các loại kết cấu kiểu xà lan. Ở Anh cũng có tiêu chuẩn yêu cầu kỹ thuật cùa FIP (Tập đoàn quốc tế về kết cấu bê tông ứng suất trước) về bê tông cho công trinh biển. So sánh chỉ ra ràng: không có sự khác biệt giữa các tiêu chuẩn cùa ACI và FIP cho bê tông trong kết cấu công trình biển. Đặc biệt, cả 2 tiêu chuẩn ACI và FIP khi giới thiệu về thiết kế kết cấu bê tông cho công trình biển đều hướng tới quan điểm thực tế về bê tông đã được sử dụng ờ biển Bắc. Trong thực tế, các tiêu chuẩn công nghiệp cho bê tông trong kết cấu công trình biền có xu hướng yêu cầu nghiêm ngặt hơn so với bê tông ven biển truyền thống. Như vậy, theo quan điểm về độ bền, chất lượng yêu cầu cùa bê tông ngoài khơi sẽ áp dụng chung cho các kết cấu của công trình biển. Ở Việt Nam có tiêu chuẩn TCXDVN 327:2004 với tiêu đề “Kết cẩu bê tông và bé tông cốt thép. Yêu cầu bào vệ chong ăn mòn trong môi trường biến”. Trong đó yêu cầu bê tông được thiết lập dựa trên niên hạn sừ dụng công trình đến 50 năm và các vùng tác động khác nhau của môi trường biển. Những yêu cầu chính cùa bê tông để đảm bảo kết cấu được bảo vệ tốt trong công trình biển là: mác, độ chống thấm, chiều dày lớp bào vệ (đối với bê tông cốt thép), bề rộng khe nứt và cấu tạo kiến trúc. Tiêu chuẩn này về cơ bản là dựa vào các tiêu chuẩn ACI, ASTM, BS và những kinh nghiệm về công nghệ bê tông ờ Việt Nam. Tuy nhiên, đây là tiêu chuẩn khó đánh giá được mức độ an toàn cùa bê tông sử dụng trong môi trường cụ thể, đồng thời chưa theo xu hướng hiện nay trên thế giới là quan điểm về tuổi thọ và sứ dụng bê tông chất lượng cao. 4.1. L ự A C H Ọ N VẶT L IỆU C H Ế T Ạ O BÊ TÔN G Đến giữa thế kỷ 20, hỗn hợp bê tông chủ yếu có 4 thành phần: xi măng, nước, cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn. Ngày nay, trong phần lớn các loại bê tông có thể cho thêm một hoặc một số phụ gia vào trong 4 thành phần cơ bàn trên. Đối với mỗi loại phụ gia cho vào, người sản xuất luôn có một số phương án so sánh và lựa chọn liên quan đến giá thành và tuổi thọ công trinh. Trong mục thành phần hỗn hợp được mô tả ờ chương 3 đã có phân tích về vật liệu chế tạo bê tông nói chung. Dựa vào vai trò và các ảnh hường của chúng trong bê tông để lựa chọn vật liệu phù hợp. Tuy nhiên, mỗi loại vật liệu lựa chọn cũng đều có các ảnh hưởng phụ không mong muốn. Mặt khác với hỗn hợp có nhiều thành phần, vấn đề tương hợp lẫn nhau và các ảnh hưởng tương hỏ không dễ dự đoán được, vì thế thí nghiệm các mẻ trộn trong phòng thí nghiệm và kinh nghiệm thực tế là cần thiết cho các lựa chọn tối ưu về bê tông cho công trình biển. 92
4.1.1. X i măng Như đã mô tả ờ chương 3 tiêu chuẩn Mỹ về yêu cầu kỹ thuật cho xi măng pooclăng ASTM C150 gồm 8 loại. Tuy nhiên có 4 loại cơ bàn là: 1. X i m ăng thông thư ờng loại I: Thành phần các khoáng hoạt tính cao, C 3S và C 3A thường là 45-55% và 8-12%. Độ mịn theo Blaine từ 350-400m2/kg. Loại xi măng này không có yêu cầu phải hạn chế về thành phần khoáng đã mô tà ở phần trước. 2. X i m ăng pooclăng loại II: bền su n p h a t và bền nltiệt thủy hóa Tổng hàm lượng C 3S và C 3A trong giới hạn 40-45% và từ 5-7%, độ mịn theo Blaine 300m2/kg. Yêu cầu kỹ thuật của loại xi măng này đã trình bày ờ chương 3. 3. X i m ăng pooclăng tu ổ i sớ m (loại III): còn gọi là xi măng pooclăng rắn nhanh. Tính chất đặc biệt của loại xi măng này là có sự phát triển cuờng độ nhanh hơn xi măng thông thường ờ các tuổi sớm (1, 3, 7 ngày) khi được bảo dưỡng ở nhiệt độ bình thường, hoặc tốc độ phát triển cường độ bình thường ờ điều kiện môi trường lạnh (nhiệt độ 5-10°C). Để bê tông đạt được cường độ sớm cao, thì yêu cầu xi măng phải chứa nhiều hàm lượng các khoáng rán nhanh (C 3S và C 3A) so với xi măng pooclăng thường (loại I) và độ mịn cao hơn (thường bằng 500m2/kg). Lượng nhiệt thủy hóa cao cùa loại xi măng này có thể có những ảnh hường bất lợi đến bê tông, đặc biệt trong các công trình khối lớn. Lưu ý là với một tỷ lệ N/X nhất định, bê tông được chế tạo từ xi măng loại III có cường độ tương tự hoặc đôi khi thấp hơn so với cường độ của bê tông chế tạo từ xi măng loại I hay loại II. Như vậy xi măng loại này dùng để chế tạo bê tông có cường độ ở tuổi sớm, chứ không phải bê tông có cường độ cao. 4. X i m ãng pooclăng bền su n p h a t (toại V) : Khi bê tông dùng trong môi trường nước chứa nhiều hơn l,5gn và den 10g// ion sunphat, xi măng này cần chứa ít hem 5 %C 3A (yêu cầu của xi măng bền sunphat). Hàm lượng C 3S và độ mịn của xi măng loại V cũng tương tự xi măng loại II, và do đó có sự phát triển cường độ và nhiệt thủy hóa thấp hom xi măng loại I. Ngoài xi măng pooclăng, xi măng pooclăng hỗn hợp được sản xuất chứa 30-65% xi lò cao làm nguội nhanh như loại xi măng IS, hoặc chứa 15-30% puzơlan nhu loại xi măng loại IP (chương 3), chúng được sử dụng rộng rãi hom trên thế giới so với xi măng pooclăng thường hay loại xi măng đặc thù nêu trên như xi măng có nhiệt thùy hóa thấp, phát triển cường độ chậm. N hư vậy, những tính chất cần thiết khi sử dụng xi măng pooclăng hỗn hợp cũng có được bàng cách sử dụng kết hợp xi măng pooclãng với puzalan hay xi lò cao như là phụ gia khoáng đưa vào trong hỗn hợp bê tông. 93
Thực tế vật liệu dùng cho bê tông tại biển Bắc theo ACI và FIP được tóm tắt ở bàng 4.1. Có thể lưu ý là ACI 357R giới thiệu về thiết kế bê tông công trình biền với việc sừ dụng xi măng pooclăng thường có hàm lượng C 3A từ 4-10%. Giới thiệu tương tự cùa F1P sử dụng xi măng pooclăng với hàm lượng C 3A trung bình đặc biệt cho vùng nước té và ờ trên không khí. Hàm lượng tối đa cùa C 3A là dựa vào ăn mòn sunphat, do hàm lượng sunphat trong nước biển lớn (gần 2,5g//) nên thông thường yêu cầu sử dụng xi măng loại V theo ASTM (C 3A< 5 %). Bảng 4.1. Yêu cầu vật liệu để chế tạo bê tông trong công trình biển Vật liệu ACI 375 FIP Thực tế ờ biển Bắc Xi măng Bê tông cốt thép dùng xi C3A có hàm lượng vừa phải khi Dàn khoan Beryl A măng có C3A không nhó sử dụng ớ vùng nước bắn và dùng xi măng loại I. hơn 4% và không lớn hơn không khí. Xi măng rắn nhanh Dàn khoan Gullfaks 10% trong môi trường ãn chi dùng cho sửa chữa. Xi măng c dùng xi măng loại mòn sunphat. có nhiệt thủy hóa thấp dùng 11. trong bê tông khối lớn. Phụ gia Không sử dụng. Tổng ion CaCI2 hoặc phụ gia chứa nhiều Không dùng phụ gia clorua clo hòa tan chứa trong vật han 0 , 1% clorua không được chứa clorua. liệu không quá 0 , 1% đối sử dụng. với bê tông cốt thép và 0,06% đối với bẽ tông cốt thép ứng suất trước. Phụ gia Nơi có tác động cùa băng Phụ gia cuốn khí, phụ gia thay Gullfaks c sừ dụng hóa học giá yêu cầu có phụ gia dổi tính công tác được sử phụ gia siêu déo và cuốn khí như hướng dẫn dụng, nhưng cần phải thí dạng naphtalen cuốn khí của ACI 201-2R. nghiệm trước để thấy tác động sunphonat ờ vùng cùa chúng. nước té và có hàm lượng bọt khí 3-5%. Puzơlan Phụ gia puzolan theo Puzơlan chất lượng cao như Gullfaks c sứ dụng ASTM được sử dụng sau silicafume dùng dể làm tăng 5% silicafume cho khi thí nghiệm ảnh hưởng cường độ, tính bền và tính vùng nước té. cùa nó đến các tính chất công tác. bền sunphat, tính công tác, ăn mòn cốt thép. Cốt liệu Cốt liệu thiên nhiên hay đá Không dùng cốt liệu bị biến đổi Cát sỏi chất lượng dăm theo ASTM C33, cốt dưới tác dụng vật lý hay hóa cao được sử dụng. liệu nhẹ theo ASTM C330. học. Cốt liệu biển không được D ,n a x cốt liệu tới Cốt liệu ờ vùng biển có thể sừ dụng, trừ trường hợp các tạp 32mm và sau đó hạn được sử dụng sau khi rửa chất thấp hơn yêu cầu. chế chi đến 20 mm. để hàm lượng muối tan đạt yêu cầu. 94
ò chương 2 , khi khảo sát một số trường hợp về tuổi thọ của bê tông dùng xi măng pooclăng chứa 14-17% C 3A đã chi ra là không có bàng chứng về sự phá hủy do nở thể tích khi phản úng tạo ettringit liên quan đến xi măng có 10% C 3A như tiêu chuẩn ACI 357R (giới hạn hợp lý cùa bê tông dùng trong công trình biển). Nhiều nghiên cứu tưcmg tự quan tâm đến giới hạn thấp của C 3A (nhò nhất là 4%) như kết quả nghiên cứu của Verbeck. Tác giả đã phát hiện những cọc bê tông cốt thép thí nghiệm dùng xi măng pooclăng có hàm lượng C 3A cao (8-12%) bị phá hủy do ăn mòn trong môi trường biển ít hon so với các cọc tương tự khi thí nghiệm ở St Augustine - Florida, được chế tạo từ xi máng pooclãng ít C 3A (2-5%). Điều này có thể là do khả năng không tan của ion clo ờ dạng hydro clo aluminat C jA .C aC b.l IH 2O. Mehta cũng có lưu ý là loại xi măng chứa dạng clorit này có thề không bị hòa tan ớ trong môi trường biển, như khi ờ dạng clorua alutrinate thì quan sát cho thấy có sự phá hủy bê tông trong nước biển. Điều đó có thể do những thành phần không bền khi có mặt cùa sunphat và CO 2. Xu hướng hydro clo alurrinat canxi phân hủy và cung cấp ion clo dẫn tới sự hòa tan khiến Rosenberg và Gaidis tin rằng vấn đề ăn mòn clo trong bê tông cốt thép không thể giảm nhẹ bàng việc sử dụng xi măng pooclăng có hàm lượng C 3A cao. Thực tế tại biển Bắc (bảng 4.1) với độ mịn 300m2/kg (3000cm2/g), xi măng loại I (55% C 3S; 5,5% C 3A) đã được sử dụng để xây dựng Beryl A (1975). Gần đây hơn, năm 1986-1987 ở độ mịn cao hơn (400m2/kg) xi mãng loại II (49% C 3S; 8 % C 3A) đã dùng xây dựng công trình Gullfaks c . Việc lựa chọn xi măng phải được cân nhắc dựa vào công tác xây dựng. Ví dụ tính chất đông kết và rắn chắc cùa bê tông ở kết cấu tạo hình dạng trượt và cũng như sự tương thích giữa phụ gia và xi măng (theo tính công tác, sự tồn thất độ sụt, độ cuốn khí...) phụ thuộc trực tiếp vào xi măng lựa chọn ở hiện trường. Như vậy là ảnh hưởng của thành phần xi măng đến độ bền của bê tông có thể là không cần quan tâm nhiều, nếu đẵ có các công nghệ phù hợp để chế tạo nhằm bảo đàm tính chống thấm cùa bê tông. Xét đến một số tính chất của bê tông như tính công tác, các vi vết nứt, ứng suất nhiệt và tốc độ phân tán của ion clo, kinh nghiệm cho thấy ràng phần lớn xi măng loại I và loại II (với hàm lượng C 3S và C 3A vừa phải) pha trộn với các phụ gia có thể là phù hợp cho chế tạo bê tông trong công trinh biển. Việc lựa chọn xi măng pooclăng hỗn hợp tức là loại IP chứa tới 30% tro bay thấp canxi, hay loại IS chứa tới 70% xì lò cao cần đặc biệt quan tâm, vi dù xi măng chứa nhiều G3A, C 3S và kiềm có thể cũng an toàn về ăn mòn trong môi trường biển tốt như xi măng hỗn hợp. Trong phần tóm tắt, tác giả nhắc lại là với kết cẩu bê tông dùng cho công trinh biển mọi loại xi măng thông thường, cơ bản chứa C3A 6-12% có thể là phù hợp, đó là xi măng được tồ họp vói phụ gia khi sử dụng trong hỗn hợp bê tông. Khi sừ dụng các phụ gia khoáng không có cân nhắc, loại xi măng IS và IP có thể được sử dụng trên quan điểm về độ bền. Loại xi măng III và V nói chung không được khuyến cáo dùng vì hoặc là nhiệt thủy hóa quá lớn hoặc là tốc độ phát triển cường độ và chống thấm kém. 95
4.1.2. Phụ gia Một hoặc nhiều phụ gia có thể được pha trộn vào trong hỗn hợp bê tông với mục đích làm cải thiện tính chất của cả hỗn hợp bê tông và bê tông rắn chác. Một số chất hoạt tính bề mặt phù hợp cho tác nhân cuốn khí. Những loại khác đóng vai trò như tác nhân tăng dẻo. Bằng cách tăng dèo hỗn hợp bê tông nó có khả năng giảm nước nhào trộn, vì vậy ờ Mỹ gọi phụ gia hóa học tăng dẻo là phụ gia giảm nước. Trước đây, phụ gia giảm nước có thể chi giảm được khoảng 5-12%, trên 12% đã là phụ gia siêu dẻo. Vào năm 1970 đã có phụ gia giảm nước bậc cao hay phụ gia siêu dẻo có thể giảm 20-30% nước nhào trộn so với bê tông không dùng phụ gia. Rõ ràng phụ gia siêu déo hiện nay đóng vai trò như chìa khóa để sản xuất bê tông cường độ cao và tăng độ chống thấm. Phụ gia hóa học thường đóng vai trò kiểm soát thời gian đông kết, ví dụ clorua canxi tăng nhanh rắn chắc trong điều kiện khí hậu lạnh. Việc sử dụng phụ gia khoáng pha trộn vào hỗn hợp bê tông hay như thành phần trong xi măng hỗn hợp; kết quả sẽ làm tăng tính công tác, tính chống thấm, tính bền biến dạng nhiệt và ăn mòn kiềm. Phân loại và tính năng phổ biến của các phụ gia khoáng hóa có thể xem ờ chương 3, phần này chi đưa ra tóm tát ngán gọn liên quan đến độ bền của bê tông trong môi trường biển. Cả ACI và FIP đều quy định không được sừ dụng clorua canxi hoặc các phụ gia chứa clo trong các kết cấu bê tông chứa cốt thép. Có rất nhiều ví dụ về sự phá hoại clo sau này đối với cốt thép, kết cấu bê tông ứng suất trước, dẫn tới ăn mòn cốt thép. Tương tự như vậy có nhiều phát hiện cùa Hognes cảnh báo việc sử dụng nước biển làm nước nhào trộn bè tông. Kết cấu bê tông cốt thép ờ Bermuda bắt đầu hòng trong vòng 10 năm vì nước biển được dùng để trộn bê tông. Trường hợp tương tự là nhà máy hóa dầu ờ vịnh Ảrập dùng nước biển để trộn bê tông, thì hầu hết tường bê tông cốt thép bị tách lớp, điều này xảy ra trong vòng 10 năm, nhung bê tông ở điều kiện tương tự đối với kết cấu không có cốt thép thì trong vòng 10 năm kết cấu này làm việc ờ điều kiện môi trường biển vẫn tốt. Các quan sát chung đều cho thấy vi vết nứt trong bê tông là do các nguyên nhân khác nhau được tạo ra khi chế tạo tại hiện trường, cấu trúc không đồng nhất ở vùng cục bộ với tỷ lệ N/X cao (có nghĩa vùng chuyển tiếp giữa hồ xi măng và cốt liệu lớn hoặc giữa hồ xi măng và cốt thép) và vùng phân tán không tốt cùa các hạt xi măng. Như vậy, bê tông với lượng nước trộn ít đặc biệt khi chứa các hạt mịn, yêu cầu phải sừ dụng phụ gia tăng đèo hay giảm nước để chế tạo hỗn hợp có tính công tác tốt và đồng nhất. Sau khi tìm ra phụ gia siêu dẻo, loại phụ gia lignosunphonat hầu hết được sừ dụng cho mục đích này (xem bảng 4.1). Sản phẩm phụ cùa công nghiệp gỗ, phần lớn là các phụ gia lignosunphonat chứa lượng đường đù hoặc các tạp chất khác là nguyên nhân làm chậm đông kết và tác nhân cuốn khí. Phụ gia siêu dẻo tinh khiết cao như sunphonat melamin, sunphonat naphtalen đã loại trừ các ánh hưởng có hại. So với Iignosunphonat, sunphonat naphtalen hay sunphonat melamin phân tán tốt hơn cho hệ xi măng nước, vì 96
lignosunphonat có mức độ liên kết cao và dạng cấu trúc gel hình cầu không có hiệu quả bao bọc quanh các hạt xi măng như các phân tử mạch thẳng cùa siêu dẻo (hình 4.1). lon dương từ chất lóng Phân tử siẻu dèo //ỉ«/» 4.1. Hiệu quà cùa polime mợch thăng cùa phụ gia siêu dèo [32] đến lớp vó cùa hạt xi măng (trái) so với lignosunphonat liên kết chéo (phái) Sự thiếu tính tương hợp cùa một phụ gia siêu dẻo với phụ gia khác có mặt trong bê tông là hiện tượng chung dẫn đến vấn đề, ví dụ tổn thất độ sụt nhanh và lượng cuốn khí không tương xứng. Ngược lại các sản phẩm thương mại đã miễn ghi nhận từ các vấn đề này nó được mô tả các mẻ thí nghiệm với vật liệu địa phương để quyết định các vấn đề bất ngờ trước khi đưa vào các kết cấu thực tế. Ví dụ với vùng nước té của bê tông cho dàn khoan Gullfaks c , nhà thầu ghi rõ phụ gia cuốn khí 3-5% với kích thước lỗ rỗng 0,2mm. Trong thí nghiệm ở phòng thí nghiệm đã chi ra số lượng bọt khí và lỗ rỗng đã không đạt được với phụ gia siêu dẻo sẵn có ờ địa phương. Đối vói bê tông chịu các chu kỳ đóng và tan băng thl thường phải sử dụng phụ gia cuốn khí. Các phụ gia cuốn khí được chế tạo từ các chất hoạt tính bề mặt có được từ nhựa cây thông, các sản phẩm có protein, chất tẩy tổng hợp, có thể sử dụng hiệu quả để cuốn khí vào trong bê tông. N hững bọt khí như những cái van giảm nhẹ sức ép của nước sinh ra khi băng giá hoạt động. Đe bảo vệ bê tông chịu đóng và tan băng, thường có hàm lượng khí 5-7% với yếu tố bề mặt nhỏ nhất là 0,2mm (bé nhất 24mm2/mm3 vùng bề mặt cùa lỗ rỗng khí). Theo Moksnes, hàm lượng khí trong bê tông bền băng giá ờ vùng nước té cho giàn khoan Gullfaks c là 3-5% (yếu tố bề mặt nhỏ hơn 0,25mm và bề mặt riêng lớn hơn 25mm2/m m3). Một giải pháp khác đối với bê tông bền băng giá là nghiên cứu hỗn hợp bê tông với tỷ lệ N/X rất thấp, chứa rất nhiều silicafume, có thể chứa rất ít hoặc không chứa nước có thể đóng băng, đảm bảo bảo vệ bê tông chống băng giá. Dù sao các thí nghiệm gần đây nghiên cứu bời Pigeon và các tác già khác đã chi ra là thậm chí với tỳ lệ N/X = 0,30 chứa đến 9% silicafume, thi vẫn có đù nước có thể đóng băng gây nguy hiềm dưới tác dụng cùa đóng và tan băng, trừ khi sử dụng phụ gia 97
cuốn khí. Với vật liệu và ờ điều kiện thí nghiệm của các tác giả, giá trị cùa yếu tố bề mặt tiêu chuấn được tìm ra là 0,4mm cho bê tông có silicafume và nhỏ hơn 0,4mm cho bê tông không có silicafunie. Hỗn hợp bê tông chứa phụ gia siêu dẻo, đặc biệt khi chứa cả phụ gia silicafume hoặc các phụ gia mịn khác thường yêu cầu cao phụ gia cuốn khí để có đủ lượng lỗ rỗng. Hỗn hợp bê tông tươi có xu hướng bị giảm hàm lượng khí ờ giai đoạn tạo hình và đầm chặt. Đề an toàn do mất lượng khí thì cần thiết phải kiểm tra định kỳ từ các mẫu khoan bê tông cứng rắn về lượng ngậm khí và yếu tố bề mặt. Việc sử dụng phụ gia bền băng giá trong hỗn hợp bê tông được ghi nhận tăng đáng kể về bám dính, tính công tác, và độ đồng nhất. Ớ khía cạnh khác, cứ mỗi 1% phụ gia cuốn khí làm giám cường độ nén khoảng 5% và toàn bộ là 20-25% cường độ giảm khi dùng lượng phụ gia cuốn khi yêu cầu so với bê tông thường. Chi tiêu cường độ cao cũng quan trọng như chống thấm và ờ nơi ánh hường cùa tác động bảng giá không lớn, thì không có yêu cầu về phụ gia cuốn khí để có được tính công tác cao và hỗn hợp bê tông bám dính tốt. Trong trường hợp này sử dụng các loại phụ gia khoáng là thích hợp. Chủng loại và đặc tính của phụ gia khoáng nói chung gần đây đã được nêu trong nhiều tài liệu. Cả hai loại phụ gia khoáng puzơlan và thùy lực được sàn xuất dưới dạng hạt mịn (bề mặt riêng lớn) và hoàn toàn không có mặt tinh thể (dạng thùy tinh) hoặc rất ít tinh thề. Mức độ tinh thể hóa ảnh hưởng đến hoạt động hóa học, trong khi đó kích thước hạt đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đặc tính lưu biến của hỗn hợp bê tông tươi (bám dính, phân tầng, tính công tác...). Tro bay thấp canxi với đặc trung 60-80% aluminat silicat dạng thủy tinh và diện tích bề mặt 300-500m2/kg như puzơlan thiên nhiên, silicafiime và tro trấu. Sản phẩm tổng hợp cùa silica vô định hình với bề mặt 2000-6000m2/kg nó không những tốt hơn puzolan về phản ứng puzolanic cao, mà còn với bề mặt riêng lớn; nó còn kiểm soát xu hướng phân tầng khi tạo hình hỗn hợp bê tông tươi. Ở chương 3 thấy ràng hỗn hợp có nhiều nước thừa sẽ làm yếu vùng chuyển tiếp, các vết nứt ở vùng chuyển tiếp sẽ làm tăng tính thấm và giảm độ bền của bê tông. Loại tro bay nhiều canxi và xi lò cao tạo hạt chứa đến 90% canxi aluminat silicat dạng thủy tinh và có thể đóng vai trò là một chất kết dính hơn là một phụ gia puzơlan. Với việc tăng tính công tác, đồng nhất của bê tông, giám nhiệt thùy hóa và tăng cường độ cùa vùng chuyển tiếp, phụ gia khoáng có ưu thế tăng độ bền cùa bê tông khi ờ điều kiện thay đổi. Do cường độ và tính thấm của bê tông đều đuợc quyết định bời các vết nứt tế vi bên trong, có thể hiển nhiên là vì sao việc sừ dụng phụ gia khoáng phù hợp sẽ rất quan trọng đối với tuồi thọ cùa bê tông, yếu tố được cân nhác đầu tiên khi thiết kế trong môi trường khăc nghiệt cùa nước biển. Những kết quả nghiên cứu gần đây cùa Moukwa về mẫu bê tông để trong điều kiện biển lạnh ờ vùng thùy triều đã xác nhận là việc sử dụng phụ gia khoáng làm giảm phá hoại bê tông và làm tăng chất lượng vùng 98
chuyển tiếp. Hỗn hợp bê tông cuốn khí với tỷ lệ N/X là 0,45 và sử dụng hoặc 8 % silicafume hay 30% xỉ lò cao tạo hạt, sau khi dưỡng hộ phù hợp mẫu bê tông được đặt trong điều kiện sốc nhiệt do bãng giá ờ -25°c trong 16 giờ, sau đó tan trong nước biển ờ - l° c trong 8 giờ. Sự thay đồi khối lượng cùa mẫu thí nghiệm và lượng nước biền được hấp phụ sau mỗi chu kv sốc nhiệt đã được dùng làm tiêu chuẩn cho việc sinh vết nứt trong lòng mẫu. Ket quả là bê tông không chứa phụ gia khoáng hấp phụ nước biển cao nhất và bị phá hoại sau 6 chu kỳ sốc nhiệt. Bê tông chứa silicafume không bị phá húy sau 15 chu kỳ thí nghiệm. Không những nó hấp phụ nước thấp nhất, mà còn có số lượng nước hấp phụ giảm khi tăng chu kỳ sốc nhiệt. Tác già đã kết luận là hiệu quà cùa điều này là do vai trò của độ đặc và độ đồng nhất của vùng chuyển tiếp với tính bền vi vết nứt. Bê tông chứa xi lò cao hấp phụ nước cao hơn silicafume và chịu phá hủy sau 9 kỳ sốc nhiệt. Loại và hàm lượng của xỉ sừ dụng có lẽ không đù để cải thiện tốt vùng chuyển tiếp khi có sự phá hoại xảy ra ờ hầu hết các trường hợp ở bề mặt tiếp xúc hồ-cốt liệu. 4.1.3. Cốt liệu Cốt liệu khoáng thiên nhiên, tổng hàm krợng cốt liệu thô và mịn chiếm trên 90% cốt liệu sử dụng để chế tạo bê tông. Cát và sỏi là sản phẩm của quá trình trầm tích hạt tự nhiên. Chúng cũng được sản xuất bằng cách nghiền, nhưng khi đó không kinh tế. c ố t liệu nhẹ để sản xuất bê tông nhẹ thường làm bằng đá xốp, đá sét, đá phiến. Ở Mỹ cốt liệu chia làm hai loại: cốt liệu thường và cốt liệu nhẹ theo ASTM C33 và ASTM C330. Tiêu chuẩn này bao gồm cả thành phần hạt và tạp chất có hại. Danh sách tạp chất có hại bao gồm đất sét cục, bụi, hạt yếu, than, khoáng phản ứng kiềm, sunphit sắt, và các tạp chất hữu cơ dễ phân râ (xem chương 3). Như đã thảo luận ờ phần trước, vết nứt tế vi ờ vùng chuyển tiếp giữa các hạt cốt liệu và hồ xi măng là một nguyên nhân quan trọng cho quá trinh thấm trong thời gian làm việc của bê tông. Kích thước, độ nhám ráp, và thành phần khoáng vật có ảnh hường lớn đến cường độ cùa vùng chuyển tiếp, ảnh hường của đặc tính cốt liệu đến cường độ bê tông đã được trình bày ở phần trước. Nhìn chung cỡ hạt cốt liệu lớn hơn 20mm và hoặc là thon dài hoặc là trơn nhẵn, dẫn tới tách nước cạnh bề m ặt do hiệu ứng tường chắn. Kết quả đó làm yếu và làm rỗng vùng chuyển tiếp, tạo ra các vi vết nứt dưới tác dụng của ứng suất, làm giảm cường độ và tăng tính thấm cùa bê tông. Tiêu chuẩn ACI và FIP không đề cập đến quan hệ giữa kích thước hạt lớn nhất và cường độ hoặc tính thấm của bê tông (xem bảng 4.1). Sự thay đồi thực tế ở biển Bắc có thể phản ánh mối liên quan này. Hỗn hợp bê tông ờ các kết cấu cũ hơn chứa cốt liệu có kích thước lớn tới 32mm, tuy nhiên gần đây kích thước này đã hạn chế không vượt quá 20mm. Lưu ý ảnh hường cùa loại cốt liệu đến độ bền bê tông; về lý thuyết chi ra ràng cốt liệu với tính chất vật lý tốt, liên kết hóa học tốt với hò xi máng sẽ tạo ra bê tông bền hơn. Theo các tiêu chuẩn từ truớc đây, sỏi, đá quác, khi dùng làm cốt liệu có lợi ích về độ bền cho bê tông ít hơn so với đá nghiền hoặc cốt liệu 99
nở phồng từ đất sét hay phiến sét. Từ kết quả thí nghiệm và kinh nghiệm thực tế đã cho thấy ràng cả 2 loại cốt liệu đá vôi và cốt liệu nhẹ tạo nên vùng chuyển tiếp tốt sẽ có lợi cho độ bền của bê tông. Holm và các tác giả khác ghi nhận sự so sánh bê tông khối lượng thông thường có ít vi vết nứt ờ bề mặt tiếp xúc giữa cốt liệu và hồ xi măng hơn ở bê tông cốt liệu nhẹ chịu tác động của các chu kỳ đóng băng tan băng và nóng-lạnh với bê tông thí nghiệm ờ điều kiện trên 20 năm. Aĩtcin và M ehta gần đây đã ghi nhận là bê tông cường độ cao được sàn xuất từ đá granit; hoặc sỏi cho cường độ thấp hom, giá trị môđun đàn hồi thấp hơn, đường biến dạng trễ lớn hơn trong giới hạn đàn hồi so với kết quà cùa mẫu bê tông sản xuất từ đá dăm hoặc đá bazan (hình 4.2). Từ hình dạng kích thước của mẫu bê tông có biến dạng trễ bằng cách chất và dỡ tải mẫu bê tông trong giới hạn đàn hồi, tác giả đã tìm ra khoáng vật của cốt liệu có ảnh hường đáng kể đến tính đàn hồi cùa bê tông. Có thể dự đoán là các vi vết nứt ờ các hạt cốt liệu bao gồm các vùng yếu hoặc ở vùng chuyển tiếp hồ xi măng cốt liệu (được ghi nhận ở biến dạng trễ như là kết quả của một số biến dạng không đàn hồi trong giới hạn tải trọng đàn hồi) có thể ảnh hường bất lợi đến tuổi thọ bê tông. Biển dang a) 0 B ién dạng Hình 4.2. Anh hướng cùa các loại cốt liệu đến cường độ nén (.3 trục); a) Đường cong trễ đặt và dỡ tài trong miền đàn hồi; b) Do Ihị úng suất biến dạng đến khi phá húy. 100
Tóm lại, trên quan điểm tuổi thọ cùa bê tông trong môi trường biển, cốt liệu làm hỗn hợp bê tông cần chứa các khoáng đồng nhất, rắn chắc và sạch, đặc biệt cho bê tông ở vùng nước té chịu ăn mòn và xói mòn mạnh. Từ thực tế cho thấy hỗn hợp bê tông cần phài có chất lượng tốt. Tuy nhiên cũng lưu ý ở điều kiện ăn mòn và mài mòn thường liên kết hồ xi mãng - cốt liệu sẽ bị phá hủy và cốt liệu có xu hướng tách khỏi bê tông. Điều đó chứng tỏ là dưới điều kiện mài mòn/xói mòn liên kết hồ xi măng-cốt liệu bị hỏng và cốt liệu có xu hướng bong khòi nền bê tông. Đối với hỗn hợp bê tông chứa puzơlan hoạt tính cao (như silicafume) có tý lệ N/X thấp, có vùng chuyển tiếp cường độ cao và bền với xu hướng bong cốt liệu. Khi cỡ hạt cốt liệu có khả năng bền với tác động mài mòn, ăn mòn không bị bong khỏi nền hồ xi măng có thế có lợi, khi dùng tỷ lệ đá/cát cao (nghĩa là đá khoảng 65% và cát 35%) và sử dụng đá cúng đặc biệt để làm cốt liệu. Gjarv và các tác giả khác ghi nhận bê tông cường độ rất cao (150MPa) chứa silicafume, phụ gia siêu dẻo, dùng cốt liệu lớn là đá thạch anh có độ bền mài mòn/xói mòn tương tự như mẫu dùng đá granit sừ dụng cho mục đích đã nêu. Thực tế xét trong mối liên hệ chung thì kích thước lớn nhất của cốt liệu nên giảm xuống (trong trường hợp quan niệm bê tông dùng cho công trinh biển là bê tông cường độ cao), vì kích thuớc cốt liệu bé sẽ làm tăng khả năng chịu lực của hạt cốt liệu, làm tăng khả năng liên kết của cốt liệu và đá xi măng. Tuy nhiên trường họp này thường bắt buộc phải dùng phụ gia siêu dẻo để giảm lượng nước nhào trộn, do khi kích thước hạt cốt liệu giảm sẽ làm lăng tỷ diện tích bề mặt, nên làm tăng đáng kể lượng nước yêu cầu. 4.2. T IIIÉ T K É T H À N H PHÀN BÊ TÔNG Thiết kế thành phần bê tông là lựa chọn tỷ lệ phối hợp của chúng để có được hỗn hợp bê tông và bê tông đạt các tính chất yêu cầu, đồng thời đưa lại hiệu quà về kinh tế. Trong đó, hỗn hợp bê tông phải đạt tính công tác trong giai đoạn đầu, nhằm đảm bào rằng với một phương pháp thi công nhất định, sản phẩm phải đạt được độ đồng nhất và đặc chắc tốt nhất. Thêm vào đó, bê tông phải đạt được tốc độ rắn chắc, cường độ yêu cầu, độ chống mài mòn, ăn mòn tốt nhất và các yêu cầu kỹ thuật riêng cho từng công trình. Hiệu quả kinh tế được tính tổng hợp theo tuổi thọ công trinh, tức là tính đến cả các chi phí sửa chữa, thay thế, làm mới (theo quan niệm vòng đời sản phẩm), chứ không chỉ tính riêng giá thành 1m 3 bê tông. Thiết kế thành phần bê tông gồm 2 phần chính là thiết kế thành phần hạt của hỗn hợp cốt liệu (bộ khung chịu lực của bê tông) và thiết kế thành phần bê tông. 4.2.1. T hiết kế th à n h phần hạt 4.2.1.1. M ở đầu Một trong các yếu tố quan trọng cần phải chú ý đến việc chế tạo bê tông là thành phần cấp phối hạt cùa cốt liệu có ảnh hường đến cường độ cùa bê tông. Nếu ta chú ý 101
ràng để có được cường độ lớn nhất khi sự tương tác là lớn nhất cùng với tất cả các yếu tố khác như nhau, thì bê tông phải có thành phần cấp phối có độ đặc chắc lớn nhất và do đó thể tích tổng cộng cùa các lỗ rỗng để lại giữa các hạt cốt liệu là nhỏ nhất có thể. Quá trình nghiên cứu cho thấy một cấp phối có tỷ diện tích bề mặt cùa các hạt là nhỏ nhất thì cấp phối đó là tốt nhất. Đề đạt được điều này, cần phải dùng kích thước hạt lớn nhất cho phép - kích thước này trên cơ sờ kích thước của cấu kiện - lấp đầy khoảng không của chính cấu kiện đó, sau đó ờ các lỗ rỗng còn lại do cốt liệu lớn nhất sinh ra, chúng ta đưa các hạt trung bình phù hợp vào giữa chúng và cứ như thế cho đến khi đạt được những lỗ rỗng nhỏ hơn và những lỗ rỗng đó sẽ được lấp đầy bằng chất kết dính. Trong thực tế, các thao tác này có thể thực hiện được bàng cách trộn sỏi cuội và cát với các tỷ lệ khác nhau và xác định khả năng phối hợp tốt của tý lệ này. Nói một cách khác, ta tìm một hỗn hợp tối ưu mà nó cho ta hiệu quả tốt nhất. Trong thực tế công việc này tiến hành chậm và phức tạp, do đó cách tốt nhất là trộn các cốt liệu thô và cốt liệu mịn theo tỷ lệ sao cho đường cong cấp phối cuối cùng tiệm cận với một số đường cong lý thuyết đã biết. Một hỗn hợp cốt liệu có cấp phối liên tục trong đó có đủ các cấp hạt liền nhau. Một hỗn họp như vậy phần rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn hơn khó có thể lấp đầy bời những hạt có kích thước bé hơn thuộc cấp liền nó, sẽ dẫn đến hiện tượng giãn cách khá lớn giữa các hạt cốt liệu. Thực tế cho thấy, phần rỗng giữa các cốt liệu ở cấp lớn hơn chi có thể lấp kín tốt nhất bời cấp hạt có đường kính bé hcm trong phạm vi từ 6-8 lần (với cuội sỏi) và từ 8-10 lần (với dăm). Vì thế với bê tông có Dm = 40mm hỗn hợp cốt liệu nên phối hợp giữa ba ax cấp hạt: 0,14-0,315; 2,5-5 và 20-40. Một cấp phối như vậy gọi là cấp p h ổ i gián đoạn. Việc sừ dụng cấp phối gián đoạn sẽ dẫn đến việc loại bỏ m ột khối lượng lớn cốt liệu ở những cấp trung gian sàng lọc từ hỗn hợp cốt liệu có trong tự nhiên (sỏi) hoặc từ hỗn hợp do đập đá thiên nhiên ra... và như vậy chi phí về vật liệu sẽ rất lớn m à yêu cầu về mặt kinh tế không cho phép. Vì vậy nên sừ dụng hỗn hợp cốt liệu có cấp phối nửa gián đoạn là hỗn hợp cùa cốt liệu lớn, bé trong đó thiếu đi một đến hai cấp trung gian và phối hợp theo một tỷ lệ thích hợp. Phương pháp đúng đắn nhất để chọn một tỷ lệ hợp lý các cấp hạt của hỗn hợp cốt liệu là trộn trực tiếp các cấp hạt theo những tỷ lệ thay đổi, hỗn hợp nào có độ đặc chác lớn nhất hay có khối lượng thể tích khô lớn nhất với cùng mức độ đầm chặt là hỗn hợp tốt nhất. Bê tông thông thường là loại vật liệu không đồng nhất do các vật liệu thành phần từ xi măng đến cốt liệu thô, chúng có cuờng độ và môđun đàn hồi khác nhau. Khi chịu tác dụng của ngoại lực thì các thành phần này có tỷ lệ biến dạng khác nhau, từ đó phát sinh ứng suất và dẫn đến phá hoại vật liệu. Độ đặc cao là nguyên tắc nhằm tăng cường độ và 102
độ chống thấm cho bê tông. Điều này được thực hiện thông qua việc thiết kế thành phần hạt tối ưu. Thành phần hạt đóng vai trò rất quan trọng đến chất lượng bê tông. Cũng như với bê tông thường thành phần hạt có ảnh hưởng đến tính công tác, độ chịu lực, môđun đàn hồi, từ biển, biến dạng, độ bền, tính kinh tế, cũng như tính phân tầng và lượng dùng phụ gia. Thực tế có rất nhiều mô hinh khác nhau đưa ra cách dự đoán sự ảnh hường của thành phần hạt, và các mô hình này đều hướng tới việc tối ưu hóa thành phần hạt nhằm nâng cao tính chất của bê tông; khi đó độ đặc của hỗn hợp cốt liệu là lớn nhất và sự sắp xếp các hạt cốt liệu là hợp lý nhất. Trong đó, phương pháp độ đặc lớn nhất thường được dùng làm cơ sờ khoa học cho việc thiết kế thành phần hạt của bê tông. Trong phương pháp này, độ đặc lớn nhất đạt được phụ thuộc vào các cấp hạt tham gia và hàm lượng của chúng. Phương pháp này dựa trên sự sắp xếp của các hạt trong hỗn hợp sao cho đạt độ đặc lớn nhất hay là độ rỗng bé nhất, với sự phối hợp các cỡ hạt với nhau. Khi đỏ các hạt nhỏ sẽ chui vào khoảng trống của các hạt lớn, hạt mịn hơn lại chui vào lỗ rỗng giữa các hạt nhỏ. Phương pháp này dựa trên mô hình các hạt, xem các hạt tạo nên thành phần bê tông là các hạt có dạng hình cầu, dựa trên sự mô phỏng các hạt theo các cách khác nhau để tìm được mô hình có sự sắp xếp của các cỡ hạt một cách chặt chẽ nhất, từ đó dùng thí nghiệm để kiểm chúng tính chính xác của mô hình. Qua nghiên cứu nhận thấy ràng độ rỗng hỗn hợp phụ thuộc vào cách sắp xếp của các đơn hạt và tỷ lệ phối hợp giữa các cấp hạt với nhau. N ếu xét theo đơn hạt thì sự sắp xếp có 5 kiểu (hĩnh 4.3). Hình 4.3. Các kiểu sắp xếp cùa hạt cót liệu: a) Kiểu hình hộp; b) Kiếu bàn cờ đơn giàn; c) Kiểu hình tháp; d) Kiều tứ diện; e) Kiểu bàn cờ kép. Độ rỗng giữa các đơn hạt sắp xếp phụ thuộc vào số điểm tiếp xúc giữa các hạt với nhau. Độ rỗng giảm khi tăng số điểm tiếp xúc. Các nghiên cứu chi ra rằng các đơn hạt có các cách sắp xếp cơ bản như hình 4.3. Độ rỗng cùa chúng được tính toán và có giá trị cho trong bảng 4.2. 103
Bảng 4.2. S ự phụ thuộc độ rỗng vào kiểu sắp xếp của hạt STT Kiểu sắp xếp Số điểm tiếp xúc với hạt cầu bên cạnh Độ rỗng, % 1 Hình hộp 6 47,64 2 Bàn cờ đom giàn 8 39,55 3 Bàn cờ kép 10 30,20 4 Hình tháp và tứ diện 12 25,95 Qua bảng trên ta thấy đối với đơn hạt (kích thước như nhau) thì khó có thể đạt mật độ sắp xếp cao, ngay điểm tiếp xúc là 12 vẫn còn độ rỗng 25,95%. Ngoài ra thực nghiệm với hạt cầu giống nhau cũng khó có số điểm tiếp xúc 12 , thực tế số điểm tiếp xúc dao động từ 4-12 vói đa số nằm trong khoảng 7-8%. Vì vậy độ xốp đạt tới 37-42% nghĩa là gần số phối trí 8 . Do đó, phải dùng hỗn hợp đa hạt với kích thước hạt khác nhau. Theo lý thuyết thì hỗn hợp hạt có thể đạt tới độ rỗng bàng 0 nếu có đầy đù hạt nhò chèn vào giữa các hạt lớn. Khi trong hệ chứa nhiều cấp hạt khác nhau như vậy sẽ có 2 nguyên tắc cơ bản để chọn thành phần hạt tương ứng với độ rỗng nhỏ: cấp phối liên tục và cấp phối gián đoạn. - Cấp phối hạt gián đoạn: là loại cấp phối trong phối liệu chỉ có hạt với kích thước nhất định và không có hạt trung gian. Hạt lớn tạo ra bộ khung chính, hạt nhỏ hơn lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt lớn, hạt mịn hơn lại chui vào giữa các hạt nhỏ thứ hai. Theo trường phái này, McGeary đã nghiên cứu và đưa ra sự phối hợp của 2, 3, 4 cấp hạt dạng cầu có kích thước khác nhau với nguyên lý lấp đầy như trên. Theo nguyên lý này, ban đầu nếu chỉ có 1 loại hạt cầu, thì độ đặc của hỗn hợp cốt liệu (theo lý thuyết) khoảng 60,5%, nhưng khi phối hợp 2 loại hạt thì độ đặc này đạt khoảng 85,9% và độ đặc tăng lên nhanh chóng khi có sự tham gia của loại hạt thứ 3 trong hệ với tỷ lệ đường kính là 7. Và hệ có thể đạt được giá trị độ đặc đến 97% về lý thuyết đối với hệ 4 cấu tử (thực tế đạt được là 95,1%). Bảng 4.3. Sự phụ thuộc của độ rỗng vào sự phối họp các cấp hạt Thành Đường kính, Tỷ lệ về Hỗn hợp Độ đặc, % phần inch. đường kính XI X2 X3 X4 Tính toán Thực nghiệm • 1 0,505 316 1,000 60,5 58,0 2 0,061 38 0,726 0,274 85,9 80,0 3 0,011 • 7 0,647 0,244 0,109 94,2 89,8 4 0,0016 1 0,607 0,230 0,102 0,061 97,5 95,1 104
- c ấ p phối hạt liên tục: là cấp phối có hạt từ kích thước lớn nhất đến hạt cỏ kích thước nhò nhất. Fuller và Thompson (năm 1907) đưa ra cách điều chinh thành phần hạt bằng cách phổi hợp các cỡ hạt rồi phối hợp với nước và xi măng sẽ tạo ra độ đặc lớn nhất cho bê tông. Họ đưa ra đường cong thành phần hạt lý lường dụa trên công thức: p = 100. trong đó: p - hàm lượng phần trăm lọt sàng d, %; d - kích thước sàng hiện tại, mm; D - đường kính lớn nhất của hạt, mm; n - hệ số phân bố (0,45-0,7). Tuy vậy, một nhược điểm cùa phương pháp thực nghiệm này là không dự đoán được độ đặc cùa hỗn hợp thành phần và khi các vật liệu khác với trong nghiên cứu của Fuller và Thompson, thì mô hình cùa họ không còn chính xác nữa. Talbon và Richart cũng phát triển và đưa ra công thức như trên, nhưng trong đó p là lượng vật liệu nhỏ hơn sàng d; d là kích thước của nhóm hạt thành phần; Dlà kích thước hạt lớn nhất;n là hệ số phân bố. Kết quả cho thấy rằng, ứng với thành phần hạt cỏ kích thước D ax cho trước, m thì độ đặc lớn nhất với n = 0,5; tuy vậy lúc này tính dễ thi công của bê tông lại giảm xuống. Kết luận này cũng được thống nhất bời nhiều tác giả khác, thậm chí các tác già này còn đưa ra mô hình thành phần hạt có độ đặc lớn nhất. Năm 1939 Andreasen đưa ra lý thuyết cho rằng độ đặc tối ưu được xác định thông qua công thức: p = 100. trong đó: n - hằng số có giá trị (0,33-0,5); p - hàm lượng phần trăm lọt sàng d, %; d, D - kích thước hạt hiện tại và lớn nhất, mm. Mỗi phương pháp đều có các ưu nhược điểm riêng. Phương pháp cấp phối gián đoạn dựa trên những cơ sờ rất chặt chẽ và khoa học, đặc biệt có thể ứng dụng các phương pháp tính toán hiện đại kết hợp với tính toán, mô phỏng. Tuy nhiên, phương pháp này khó khả thi, vì thành phần hạt được thiết kế thông thường khác xa với thành phần hạt cùa cốt liệu trong thiên nhiên, nguồn vật liệu chính dùng trong bê tông hiện nay. 105
Trong thực tế hiện nay, thành phần hạt của bê tông thường chỉ được thiết kế trong những trường hợp đặc biệt. Đa số trường hợp là kiểm tra thành phần hạt theo các yêu cầu kỹ thuật quy định. Đe kiểm tra cấp phối hạt cốt liệu theo tiêu chuẩn được tiến hành theo hai phương pháp: phương pháp đồ thị và phương pháp số học. Dù là phương pháp nào, thì cuối cùng phải đảm bảo cho việc phối hợp các thành phần hạt của các cốt liệu nằm trong vùng quy định hay vùng yêu cầu (trên biểu đồ cấp phổi) cho phép sản xuất bê tông. 4.2.1.2. Pltương pliáp đồ tliị Phương pháp này có rất nhiều loại tuỳ thuộc vào số lượng các cốt liệu khi phối hợp. Thực tế để đảm bảo sự kết hợp hài hoà giữa yếu tố kỹ thuật và kinh tế, cũng như cho quá trình thi công, thông thường chi kết hợp hai hoặc ba cốt liệu (hiếm khi dùng đến bốn cốt liệu) trong việc sản xuất bê tông. Một trong những phương pháp được đề cập đến là phương pháp dạng hình chữ nhật kết hợp ba loại cốt liệu khác nhau - phương pháp Roth/uchs. Để hiểu rõ nội dung của phương pháp này, ta xem xét ví dụ về sự phối hợp cùa ba loại cốt liệu có thành phần hạt cho ờ bảng 4.4 (bao gồm cả vùng giới hạn cho phép): Bảng 4.4. Thành phần hạt của cốt liệu Kích thước sàng (mm) Các giá trị 20 10 5 2,36 1,18 0,60 0,30 0,15 Cốt liệu 1 91 3 - - - - - - Phần trăm Cốt liệu 2 100 97 9 - - - - - lọt sàng Cốt liệu 3 100 100 100 83 67 45 8 1 Phần trăm yêu cầu 100 55-65 35-42 28-35 21-28 14-21 3-5 0-1 Trung tâm đường bao 100 60 38 31 24 17 4 1 Cách tiến hành thể hiện trên hình vẽ 4.4 và nội dung trinh bày qua các bước: - Trước hết, ta xác định một điểm A bất kỳ lấy đó làm gốc (điểm này nằm phía tay ưái của vùng định vẽ), rồi tiến hành vẽ một đường thẳng Ax nào đó qua điểm vừa vẽ tạo với phương nằm ngang một góc không quá lớn để đường thẳng này không quá ngắn và đường này chính là đường trung tâm cùa vùng giới hạn cho phép. - Qua A, ta cũng dựng một đường thẳng theo phương thẳng đứng Ay biểu diễn phần trăm lọt sàng của mỗi cỡ hạt (từ 0 đến 100 %) và một đường thẳng theo phương nằm ngang Az là đường kính các cỡ sàng. - Việc xác định đường kính các cỡ sàng thực hiện bàng cách từ các giá trị phần trăm lọt sàng của đường trung tâm cho trên bảng 4.4, ta vẽ các đường thẳng nằm ngang (song 106
song với trục hoành Az) lần lượt cắt đường Ax tại các điểm khác nhau và từ các điểm này ta dựng các đường thẳng theo phương thẳng đứng cắt đường năm ngang qua A tại các điềm khác nhau và nhũng điểm này tương ứng là các đuờng kính cỡ sàng. Chẳng hạn như: theo yêu cầu của đường trung tâm cho trong bảng 4.4 thì giá trị phần trăm lọt sàng của sàng 2 0 mm là 100 %, ta vẽ một đường thẳng nằm ngang qua điểm có thành phần hạt 100% trên trục tung Ay cắt đường thẳng Ax tại điểm B, giỏng qua B một đường thẳng đứng cắt Az tại c và điểm c biểu diễn cỡ sàng có đường kính 20mm. Tương tự như vậy đối với các cỡ sàng còn lại: vẽ các đường nằm ngang qua các điểm có thành phần hạt trên trục tung Ay là: 60%, 38%, 31%,... cắt đường thẳng Ax lần lượt tại các điểm: B |, B2, B3,... và từ các điểm này dựng những đường thẳng theo phương thẳng đứng cắt trục hoành A z tại C |, C2, C3,... tương ứng biểu diễn các đường kính cõ sàng: 10; 5; 2,36;... Hình 4.4. Sơ đồ phối hợp thành phần hạt cốt liệu (cỡ sàng Ịjm và mm) - Bước tiếp theo vẽ đường biểu diễn thực của các cốt liệu: Ta xác định tất cả các điểm theo giá trị phần trăm lọt sàng của từng cốt liệu, nhưng lại nằm tương ứng trên các đường thẳng đứng đi qua các đường kính cỡ sàng rồi vẽ những đường biểu diễn “phù hợp nhất” qua những điểm này. Với hai cốt liệu (20-10) và (10-5) vì mỗi cốt liệu này chi có hai điểm biểu diễn nên không khó khăn gì, ví dụ cốt liệu ( 2 0 - 10 ) có hai điểm: một điểm nằm trên đường thẳng đứng đi qua cỡ sàng 20mm với giá trị 91% (điểm F trên trục BC) và một điểm Fi trên B|C] cỏ giá trị phần trăm lọt sàng 3%. FF| cắt trục hoành Az tại E và EF là đường biểu diễn thực cùa cốt liệu (20-10mm). Tương tự GH là đường biểu diễn của 107
cổt liệu (10-5mm), (H là giao cùa đường nối qua hai điểm biểu diễn và đường nằm ngang qua B). Với cát thì khó hơn vì có tới 6 điểm biểu diễn, ta phải vẽ đường gần đúng nhất qua các điểm biểu diễn cùa nó và đường này gọi là đường “phù hợp nhất”: đường AJ (ờ đây lấy đường thăng gần đúng nhất đi qua các điềm cùa cát sẽ đi qua điểm có thành phần hạt 100% trên trục thẳng đứng qua đường kính cỡ sàng 5). - Nối các điểm đầu và cuối cùa các đường biểu diễn các cốt liệu: nối J - G cắt đường trung tâm AB tại L và nổi H - E cắt AB tại K. Điểm L: thể hiện hàm lượng % cát có trong hỗn hợp (có thể thấy nó bằng 38%) và điềm K thể hiện hàm lượng % cùa tồng hai cốt liệu cát và cốt liệu lOmm (bằng 62%) nên cỡ hạt lOmm sẽ có hàm lượng trong hỗn hợp là: 62 - 38 = 24%. Cuối cùng hàm lượng cùa cốt liệu 20mm là: 100 - 62 = 38%. Việc thử lại bàng số học cho kết quà ờ bảng 4.5. Bảng 4.5. Thành phần hạt của hỗn họp cốt liệu Kích thước sàng (inm ) Các giá trj 20 10 5 2,36 1,18 0,6 0,3 0,15 38% cốt liệu 1 35 1 - - - - - - 24% cốt liệu 2 24 21 2 - - - - - 38% cốt liệu 3 38 38 38 31 25 17 3 0 Tồng hợp 97 60 40 31 24 17 3 0 Trung tâm đường bao 100 60 38 21 34 17 4 1 Phương pháp này cũng được áp đụng cho hai loại cốt liệu. Chẳng hạn có hai loại: cát và cốt liệu có kích thước hạt (20-5mm), số liệu cho trong bảng 4.6 và cách biểu diễn trên hình 4.5. Bảng 4.6. Thành phần hạt của cốt liệu Kích thước sàng (mm) Các giá trị 20 10 5 2,36 1,18 0,6 0.3 0,15 Phần trăm Cốt liệu 1 95 40 5 - - - - - lọt sàng Cốt liệu 2 100 100 100 80 62 40 10 2 65% cốt liệu I 62 26 3 - - - - - 35% cốt liệu 2 35 35 35 28 22 14 3 1 Tồng hợp 97 61 38 28 22 14 3 1 Trung tám đường bao 100 60 38 21 34 17 4 1 108
Nhược điếm: Phương pháp này tính toán phức tạp, thường phải chinh lại nhiều lần, chi cho một nghiệm duy nhất (ít có khả năng lựa chọn phương án tốt nhất). Hình 4.5. PhiKmg pháp đồ thị kết hợp cốt liệu mịn và cốt liệu thô (cỡ sàng ụm và mm) Nếu như phương pháp Rothfuchs chi cho phép đưa ra một cặp nghiệm thì phương pháp Smith-Paker lại đưa ra kết quả là một miền nghiệm và được lựa chọn tuỳ ý trong miền nghiệm tìm ra. Tuy cũng hình dạng là hình chữ nhật như phương pháp Rothíuchs song trục hoành ở đây lại biểu thị phần trăm của các cốt liệu. Trình tự thực hiện có thể hiểu qua ví dụ sau: Giả sử hai cốt liệu có kết quả phân tích thành phần hạt (bảng 4.7) theo giá trị % lọt sàng: Bảng 4.7. Thành phần hạt cùa cốt liệu, theo giá trị % lọt sàng Đưímg kính các cỡ sàng (mm hoặc (am) Các giá trị 19 12,5 9,5 4,75 2,36 600 300 150 75 C ốt liệu A 100 90 59 16 3,2 1.1 0 0 0 C ốt liệu B 100 100 100 96 82 5! 36 21 9.2 Quy định 100 80-100 70-90 50-70 35-50 18-29 13-23 8-16 4-10 - Phần trăm lọt sàng các cõ cốt liệu của A được vẽ ờ trục đứng bên tay phải. - Phần trăm lọt sàng các cõ cốt liệu của B được vẽ ở trục đứng bên tay trái. - Nổi các điểm thể hiện phần trăm của cùng một cỡ sàng của hai loại đá bằng đường thẳng và ghi các cỡ sàng lên đó. Ví dụ cỡ sàng 2,36mm có giá trị là 82 (cho cốt liệu B) và 3,2 (cho cốt liệu A). 109
- Với mỗi cô đánh dấu trên các đường thẳng (đường nối phần trăm các cỡ hạt), nơi đường giới hạn cắt ngang được đo trên trục đứng. Chẳng hạn với cỡ sàng 300um có giới hạn là 13-23 như đường chấm đút nằm ngang trên biểu đồ. - Tìm miền nghiệm giao tại các cỡ sàng bằng cách xác định điểm cao nhất của các điểm giới hạn dưới cùa các miền nghiệm, và điểm thấp nhất cùa điểm giới hạn trên cùa các miền nghiệm. Đó là miền được giới hạn bời hai đường gạch đứt thẳng đứng trên biểu đồ. - Vẽ hai trục theo phương thẳng đứng qua hai điểm xác định ờ trên và cắt trục hoành tại các điểm, các điểm này biểu thị giá trị % tương ứng cùa các cốt liệu. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 ỉũ n h 4.6. Plncơng pháp Smith-Paker kết hợp hai cốt liệu Trong ví dụ này thì khoảng giá trị có thể xem xét trên biểu đồ vào khoảng từ 43% đến 52% đổi với cốt liệu A và tương ứng là từ 57% đến 48% đối với cốt liệu B. Ví dụ lấy 45% với cốt liệu A và 55% với cốt liệu B ta có kết quả như ờ bàng 4.8. Như vậy so với quy định trong tiêu chuẩn ta thấy rất phù hợp với yêu cầu. Tuy phương pháp này khắc phục được nhược điểm cùa phương pháp Rothsfuchs là chi áp dụng được các cốt liệu khác loại và tìm ra được một cặp nghiệm duy nhất, song phương pháp này vẫn phải thừ lại bàng số học và chi áp dụng được với hai loại cốt liệu. Biểu đồ thể hiện cách tiến hành như hình 4.6. 110