Đề tài nghiên cứu Bê tông hạt mịn chất lượng cao

Chia sẻ: Tăng Văn Lâm | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:97

Thêm vào BST

Báo xấu

311
lượt xem 95
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bê tông và bê tông cốt thép (BTCT) đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trong xây dựng cơ bản, phục vụ cho nhiều ngành kinh tế quốc dân cũng như trong xây dựng dân dụng, công nghiệp, thủy lợi, cầu đường,… Trong đó bê tông là một trong những loại vật liệu xây dựng được sử dụng với khối lượng lớn nhất, chúng chiếm đến trên 80% khối lượng của các công trình xây dựng. Và theo thống kê của Hiệp hội bê tông thì hàng năm trên toàn thế giới sử dụng khoảng 2,5 tỷ m3 bê tông các loại. Tuy...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu Bê tông hạt mịn chất lượng cao

Đề tài nghiên cứu Bê tông hạt mịn chất lượng cao
1 MỤC LỤC Trang Lời cam đoan...……………………………………………………………………...... 1 Lơì cảm ơn ……………………………..…...……………...………………………...5 Mục lục……………………………………………………………………………...... 3 Danh mục các ký hiệu và cụm từ viết tắt…...……………...………………………...5 Danh mục các bảng biểu…...………………………………………………….….....6 Danh mục các hình vẽ và đồ thị…………...……………….………………….….....7 Phần mở đầu………………………………………………...….…………………..….8 Chương 1. Tổng quan về bê tông hạt mịn chất lượng cao dùng cho sân bay ... 13 1.1. Mở đầu...................................................................................................... 13 1.2. Tổng quan về bê tông chất lượng cao ...................................................... 13 1.3. Tổng quan về bê tông hạt mịn chất lượng cao ......................................... 16 1.4. Tổng quan về bê tông hạt mịn chất lượng cao dùng cho sân bay ............ 20 1.4.1. Giới thiệu sân bay và đường băng sân bay..................................... 20 1.4.2. Ưu điểm khi sử dụng bê tông hạt mịn làm lớp phủ mỏng.............. 21 1.4.3. Nhược điểm của lớp phủ mỏng bê tông hạt mịn ............................ 22 1.4.4. Các đặc điểm của mặt đường sân bay và mặt đường ô tô .............. 23 1.4.5. Yêu cầu khi sử dụng bê tông làm lớp mặt đường sân bay ............. 23 1.4.6. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới ............................ 26 1.4.7. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam ............................. 29 Chương 2. Cơ sở khoa học sử dụng bê tông hạt mịn cho đường sân bay ......... 32 2.1. Tương tác giữa cốt sợi và vật liệu bê tông ............................................... 32 2.2. Tính chất của bê tông hạt mịn cốt sợi ...................................................... 34 2.2.1. Tính chất của hỗn hợp bê tông ....................................................... 34 2.2.2. Tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao cốt sợi ................... 34 2.3. Cơ sở khoa học sử dụng bê tông hạt mịn cho đường sân bay .................. 37 2.3.1. Cấu trúc bê tông hạt mịn chất lượng cao........................................ 37 2.3.2. Lựa chọn vật liệu chế tạo bê tông hạt mịn ..................................... 44 2.4. Thiết kế thành phần bê tông hạt mịn chất lượng cao ............................... 56 2.4.1. Lý thuyết về thiết kế thành phần hạt .............................................. 56 2.4.2. Thiết kế thành phần bê tông hạt mịn cường độ cao ....................... 59 Chương 3. Nghiên cứu tính chất của vật liệu sử dụng........................................ 63 3.1. Cốt liệu ..................................................................................................... 63
2 3.2. Xi măng .................................................................................................... 64 3.3. Phụ gia khoáng mịn .................................................................................. 65 3.3.1. Silicafume ....................................................................................... 65 3.3.2. Tro bay nhiệt điện........................................................................... 66 3.4. Phụ gia siêu dẻo ........................................................................................ 66 3.5. Cốt sợi....................................................................................................... 68 Chương 4. Nghiên cứu ảnh hưởng vật liệu đến tính chất bê tông hạt mịn ...... 70 4.1. Thiết kế sơ bộ thành phần bê tông hạt mịn .............................................. 70 4.2. Lập quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu ................................................. 71 4.2.1. Chọn hàm mục tiêu......................................................................... 71 4.2.2. Các nhân tố ảnh hưởng ................................................................... 71 4.2.3. Kế hoạch thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu ............................. 71 4.2.4. Thí nghiệm tìm miền dừng ............................................................. 74 4.2.5. Kế hoạch thực nghiệm bậc hai tâm xoay ....................................... 75 4.2.6. Khảo sát ảnh hưởng của lượng sợi đến tính chẩt bê tông .............. 83 Chương 5. Nghiên cứu các tính chất và công nghệ chế tạo bê tông hạt mịn .... 83 5.1. Nghiên cứu các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông ...................... 83 5.1.1. Nghiên cứu tính công tác hỗn hợp bê tông hạt mịn ...................... 84 5.1.2. Nghiên cứu các tính chất cơ học của bê tông hạt mịn ................... 85 5.2. Nghiên cứu công nghệ chế tạo bê tông hạt mịn ....................................... 90 5.2.1. Quá trình nhào trộn hỗn hợp bê tông ............................................. 91 5.2.2. Quá trình thi công hỗn hợp bê tông ................................................ 92 5.2.3. Quá trình dưỡng hộ bê tông............................................................ 93 Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 95 Phụ lục .................................................................................................................. 959
3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT BT : Bê tông BTCT : Bê tông cốt thép BTCLC : Bê tông chất lượng cao BTCS : Bê tông cốt sợi BTHM : Bê tông hạt mịn BTXM : Bê tông xi măng C : Cát CH : Hyđrôxít canxi CKD : Chất kết dính (xi măng + silicafume + tro bay) C-S-H : Hyđrô silicát canxi HHBT : Hỗn hợp bê tông HMA : Hot mix Asphalt ICAO : Tổ chức Hàng không dân dụng quốc tế (International Civil Aviation Organization) N : Nước N : Tỷ lệ nước trên xi măng X PCB : Xi măng Pooclăng hỗn hợp – Blended Porland Cements PC : Xi măng Pooclăng – Porland Cements PCC : Bê tông xi măng – Porland Cement Concrete PG : Phụ gia siêu dẻo PP : Sợi polypropylene RPC : Bê tông bột mịn SF : Silicafume TB : Tro bay nhiệt điện TWT : Thin Whitetopping UTW : Ultra thin Whitetopping X : Xi măng
4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1. Thành phần cấp phối của hỗn hợp bê tông Ductal. 28 Bảng 1.2. Các tính chất cơ học của Ductal. 28 Bảng 1.3. Các công trình xây dựng sử dụng sản phẩm Ductal. 29 Bảng 2.1. Các đặc tính điển hình của một số sợi dùng trong bê tông. 48 Bảng 2.2. Quan hệ giữa kiểu sắp xếp và độ rỗng giữa các hạt. 58 Bảng 3.1. Tính chất vật lý của cát vàng. 65 Bảng 3.2. Bảng thành phần hạt của cát. 65 Bảng 3.3. Tính chất cơ lý của xi măng Bút Sơn PC40. 66 Bảng 3.4. Nguồn gốc các loại phụ gia khoáng mịn. 67 Bảng 3.5. Tính chất và thành phần hạt của silicafume Elkem. 68 Bảng 3.6. Tính chất và thành phần hạt của tro bay nhiệt điện Phả Lại. 68 Bảng 3.7. Thông số kỹ thuật của sợi PP. 71 Bảng 4.1. Các tỷ lệ vật liệu sử dụng. 72 Bảng 4.2. Cấp phối sơ bộ của hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao. 72 Bảng 4.3. Mã hóa các biến số và các điểm quy hoạch thực nghiệm. 74 Bảng 4.4. Cấp phối bê tông hạt mịn theo quy hoạch thực nghiệm bậc nhất. 74 Bảng 4.5. Kết quả cường độ nén của bê tông ở tuổi 14 ngày quy hoạch bậc nhất. 74 N C Bảng 4.6. Quan hệ giữa cường độ bê tông tỷ lệ và . 76 CKD X Bảng 4.7. Mã hóa các biến số và các điểm quy hoạch thực nghiệm. 77 Bảng 4.8. Cấp phối thực nghiệm bậc hai. 78 Bảng 4.9. Kết quả thí nghiệm độ chảy và cường độ nén theo quy hoạch bậc hai. 78 Bảng 4.10. Kết quả kiểm tra hệ số phương trình hồi quy cường độ bê tông. 79 Bảng 4.11. Kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối hợp lý của bê tông hạt mịn. 83 Bảng 4.12. Kết quả khảo sát lượng dùng cốt sợi polypropylene 83 Bảng 5.1. Cấp phối của các mẫu bê tông thí nghiệm. 85 Bảng 5.2. Kết quả thí nghiệm tính công tác của hỗn hợp bê tông hạt mịn. 86 Bảng 5.3. Các tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao. 87 Bảng 5.4. Kết quả cường độ kháng trượt của mẫu bê tông. 90 Bảng 5.5. Kết quả cường độ bám dính nền của mẫu bê tông. 91
5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1. Đường cong quan hệ giữa tải trọng và độ võng của bê tông cốt sợi 13 Hình 1.1. Lớp phủ bê tông dùng trong sân bay hàng không tại Ford Terminal. 29 Hình 1.2. Lớp UTW và TWT được ứng dụng ở Williamsburg – Mỹ. 31 Hình 1.3. Máy bay Boeing 777ER trên sân bay Nội Bài 32 Hình 1.4. Sân bay Đà Nẵng 32 Hình 2.1. Mô hình sự kéo tuột cốt sợi tại bề mặt liên kết của sợi và đá xi măng 35 Hình 2.2. Thí nghiệm xác định cường độ kéo khi uốn của bê tông 39 Hình 2.3. Quan hệ giữa ứng suất uốn và độ võng của bê tông dùng cốt sợi 39 Hình 2.4. Sơ đồ ứng suất và biến dạng của bê tông cốt sợi 45 Hình 2.5. Sợi PP sử dụng để chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao 49 Hình 2.6. Sự hình thành của vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu khi. 54 Hình 2.7. Cơ chế hoá dẻo của phụ gia hoá học. 56 Hình 2.8. Cơ chế hoá dẻo do cuốn khí. 58 Hình 2.9. Các kiểu sắp xếp của hạt. 59 Hình 2.10. Lỗ rỗng giữa các hạt vật liệu. 60 Hình 3.1. Biểu đồ thành phần hạt của cát. 66 C N Hình 4.1. Bề mặt biểu hiện sự phụ thuộc của tỷ lệ và đến độ chảy. 81 CKD X C N Hình 4.2. Bề mặt biểu hiện sự phụ thuộc của và đến cường độ nén. 81 CKD X Hình 4.3. Ảnh hưởng của biến mã đến tính chất của bê tông. 82 Hình 5.1. Biểu đồ sự phát triển cường độ nén của bê tông vào thời gian. 88 Hình 5.2. Mô hình thí nghiệm xác định cường độ kháng trượt của bê tông. 89 Hình 5.3. Cấu tạo của mẫu thí nghiệm kháng trượt. 89 Hình 5.4. Quy trình chế tạo mẫu thử. 90 Hình 5.5. Đúc mẫu thí nghiệm. 90 Hình 5.6. Mẫu bê tông thí nghiệm. 91 Hình 5.7.Thí nghiệm xác định cường độ bám dính nền. 91 Hình 5.8. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất bê tông hạt mịn chất lượng cao. 92
6 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Bê tông và bê tông cốt thép (BTCT) đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trong xây dựng cơ bản, phục vụ cho nhiều ngành kinh tế quốc dân cũng như trong xây dựng dân dụng, công nghiệp, thủy lợi, cầu đường,… Trong đó bê tông là một trong những loại vật liệu xây dựng được sử dụng với khối lượng lớn nhất, chúng chiếm đến trên 80% khối lượng của các công trình xây dựng. Và theo thống kê của Hiệp hội bê tông thì hàng năm trên toàn thế giới sử dụng khoảng 2,5 tỷ m3 bê tông các loại. Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và kỹ thuật trên tất cả các mặt của đời sống xã hội thì ngành công nghiệp xây dựng nói chung và công nghiệp bê tông nói riêng đã và đang tạo nên những bước phát triển to lớn cho phép chúng ta tạo ra được nhiều hơn nữa những công trình kiến trúc mang tính đột phá, những công trình mang tính thế kỉ và những công trình đặc biệt có ý nghĩa quan trọng trong các hoạt động kinh tế, chính trị, xã hội, quốc phòng và an ninh,… Chất lượng các công trình phụ thuộc rất nhiều vào độ bền các kết cấu bê tông hay chính là chất lượng bê tông sử dụng. Với việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật vào trong công nghệ chế tạo bê tông, cho phép chúng ta tạo ra những kết cấu bê tông, bê tông cốt thép và bê tông cốt sợi phân tán có chất lượng cao, bê tông màu trang trí cường độ lớn [1] tăng tuổi thọ cho công trình. Tuy nhiên trong điều kiện công nghệ và môi trường ở Việt Nam hiện nay, nhiều công trình hoặc các bộ phận kết cấu của công trình đã phát sinh vết nứt ngay trong giai đoạn thi công hoặc chỉ sau một thời gian sử dụng rất ngắn. Do đó, nhu cầu phòng tránh và xử lý các dạng vết nứt phát sinh trong quá trình thi công và khai thác sử dụng các công trình bê tông là rất quan trọng. Theo [8], có rất nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng nứt nẻ, phá hoại kết cấu bê tông như: Do bê tông là vật liệu giòn, khả năng chịu kéo rất kém; do co khô; do từ biến hoặc tại các lớp phủ mỏng, các vị trí đặc biệt trong kết cấu chịu các ứng suất phức tạp làm cho vật liệu bê tông thường không đủ khả năng chịu lực. Để giải quyết vấn đền này, người ta đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như: Căng kéo cốt thép dự ứng lực, dùng phụ gia chống co ngót hay bố trí các loại cốt
7 thép đặc biệt tại các vị trí cần thiết,… Tuy nhiên, các giải pháp này không phù hợp với các lớp bê tông phủ mỏng và siêu mỏng trên bề mặt của các kết cấu. Một giải pháp được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm đó là tăng cường tính chất của bê tông bằng các loại vật liệu phân tán dạng sợi. Sợi được sử dụng để gia cường bê tông có rất nhiều loại như: Sợi thép, sợi các bon, sợi thủy tinh, sợi polyme, sợi thực vật,… Trong đó, sợi polyme tổng hợp là một lựa chọn có nhiều ưu điểm hơn cả vì giá thành rẻ hơn so với sợi các bon, sợi thủy tinh; khả năng phân tán của chúng lớn hơn so với sợi thép, sợi thực vật và chúng không làm giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông. Chính vì những ưu điểm đó mà chủng loại bê tông cốt sợi polyme đã được ứng dụng rất rộng rãi trên thế giới. Khi trộn vào bê tông một lượng cốt sợi phân tán sẽ thu được một loại bê tông cốt sợi đồng đều và đa hướng. Kết quả đã nghiên cứu [8] cho thấy, cường độ kháng kéo, kháng uốn, cường độ chống va đập, mài mòn,… của bê tông đều tăng lên rõ rệt so với bê tông thường. Sử dụng bê tông cốt sợi làm lớp phủ mặt đường, vỉa hè, lớp phủ trên bề mặt kết cấu đã mang lại nhiều hiệu quả to lớn, có thể giảm được chiều dày kết cấu; tạo ra các kết cấu mỏng hơn, ít khe nối, ít bị nứt hơn mà niên hạn sử dụng dài, chi phí bảo dưỡng ít, rất thích hợp để làm lớp tăng cường trên mặt đường bê tông hiện hữu hoặc làm các lớp phủ bề mặt của kết cấu công trình xây dựng và công trình giao thông. Bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cốt sợi nhân tạo khi dùng làm mặt đường sân bay có nhiều đặc điểm vượt trội là: − Có khả năng tạo cấu trúc hạt nhỏ đặc chắc, đồng nhất cao. − Cường độ nén cao, cường độ kéo khi uốn khá cao, tính mềm dẻo, khả năng kháng nứt khi chịu tải trọng và bền trong môi trường. N − Tỷ lệ thấp nhưng vẫn đảm bảo tính công tác tốt, khả năng dễ tạo hình CKD của hỗn hợp bê tông cũng như quá trình vận chuyển hỗn hợp bê tông dễ dàng, không bị phân tầng tách lớp nhờ việc sử dụng phụ gia siêu dẻo có độ hoạt tính dẻo cao, giảm lượng dùng nước lớn.
8 − Sau khi đóng rắn, bê tông có độ ổn định thể tích, độ co ngót thấp và có khả năng làm việc kết hợp, liên kết tốt với các vật liệu khác. − Phương pháp thi công, chế tạo và sử dụng đa dạng: Có thể thi công bằng phun bắn, bơm đổ trực tiếp hoặc sử dụng hỗn hợp khô trộn sẵn đảm bảo chất lượng cao và kiểm soát chất lượng dễ dàng. − Có khả năng sử dụng để thi công kết cấu vỏ mỏng có mật độ cốt thép dày, các lớp mỏng và siêu mỏng không có cốt thép và những giải pháp mặt bằng kiến trúc đa dạng. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu là nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn Dmax = 5mm, cường độ nén lớn hơn 60MPa, cường độ uốn lớn, độ chảy cao sử dụng cho mặt đường sân bay trên cơ sở nguồn nguyên vật liệu, thiết bị sẵn có và phù hợp với khí hậu của Việt Nam. 3. Cơ sở khoa học và thực tiễn Theo [10], [16], [19] bê tông là loại vật liệu composite không đồng nhất gồm ba thành phần pha: − Cốt liệu (cát vàng và cốt sợi phân tán). − Đá xi măng được tạo thành khi hồ xi măng rắn chắc. − Vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu, cốt sợi và đá xi măng. Sự phá huỷ bê tông dưới tác động của tải trọng sẽ bắt đầu ở bộ phận yếu nhất của một trong ba pha trên. Do đó, cơ sở khoa học để chế tạo bê tông chất lượng cao là phải tìm giải pháp để nâng cao chất lượng của ba thành phần pha này. a) Cơ sở khoa học Quá trình nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao dựa trên một số cơ sở khoa học sau: − Nâng cao chất lượng của bộ khung cốt liệu Một trong những yếu tố quyết định đến các tính chất cơ lý của bê tông phải đề cập đến là chất lượng và độ đồng nhất của bộ khung cốt liệu. Cốt liệu phải được lựa chọn từ các loại đá có độ đặc chắc lớn, cường độ cao và quan trọng là có độ ổn định và đồng nhất cao. Theo nhiều nghiên cứu [9], [13] để
9 nâng cao chất lượng và độ đồng nhất của bộ khung cốt liệu cần phải giảm đường kính của cốt liệu, bê tông hạt mịn đảm bảo được yêu cầu này. Thành phần hạt cốt liệu phải đảm bảo độ rỗng nhỏ nhất, độ đặc cao nhất, cấu trúc hỗn hợp ổn định và có cường độ cao. Khi bộ khung cốt liệu có hình dạng hạt cốt liệu đồng đều, hàm lượng hạt dẹt cường độ yếu ít, sẽ tạo thành cấu trúc bộ khung cốt liệu ổn định, tạo điều kiện thuận lợi khi thi công kết cấu. Thành phần hạt cốt liệu nhỏ sẽ cho phép thi công tạo hình các kết cấu có chiều dày mỏng, các lớp mặt bao phủ mỏng trên bề mặt công trình. − Nâng cao chất lượng của đá xi măng Theo [10], cường độ của đá xi măng phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Độ rỗng: Các lỗ rỗng trong đá xi măng có kích thước lớn hơn 50 μm, nhất là khi chúng tập trung tại một khu vực sẽ có ảnh hưởng xấu đến cường độ. + Kích thước hạt: Nói chung, cường độ của pha tinh thể tăng lên khi giảm kích thước hạt tinh thể. Ở đây đá xi măng được coi là vật liệu có cấu trúc tinh thể. + Độ đồng nhất: Trong vật liệu nhiều pha sự không đồng nhất về mặt cấu trúc là nguyên nhân làm giảm cường độ. Như vậy, để nâng cao cường độ của đá xi măng thì cần phải cải thiện cấu trúc của đá xi măng bằng cách tác động vào ba yếu tố nói trên. Việc sử dụng các loại xi măng cường độ cao, cùng với các loại phụ gia khoáng hoạt tính, phụ gia siêu mịn đã góp phần làm tăng độ đặc của đá chất kết dính do các sản phẩm thủy hóa của xi măng lấp đầy lỗ rỗng. Hàm lượng lỗ rỗng gel, lỗ rỗng mao quản trong cấu trúc đá xi măng nhỏ, đây là cơ sở để tạo ra bê tông cường độ cao. Cấu trúc hồ xi măng đã thủy hóa được xem như là pha đơn tinh thể tạo nên các thuộc tính đặc, cứng và giòn của bê tông. Với cấu trúc bê tông cốt liệu hạt mịn làm giảm khoảng cách giữa các thành phần, làm tăng cường độ của đá xi măng. − Nâng cao cường độ vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu. Trong hỗn hợp bê tông sau khi tạo hình thường xuất hiện một lớp nước trên bề mặt bê tông. Đó là do các hạt cốt liệu nặng hơn có xu hướng chìm xuống đáy, còn nước nhẹ hơn nổi lên trên bề mặt. Hiện tượng này gọi là sự tách nước. Nước cũng có thể tụ
10 tập ở dưới các hạt cốt liệu lớn hoặc các thanh cốt thép, gây ra hiện tượng tách nước bên N trong. Kết quả là tỷ lệ của hồ xi măng ở vùng chuyển tiếp cao hơn nhiều so với tỷ lệ X N của hồ xi măng ở những vùng khác cách xa bề mặt cốt liệu. X Theo [10] trong bê tông thông dụng, vùng chuyển tiếp thường có chiều dày trong khoảng 50 ÷ 100μm, chứa các lỗ rỗng tương đối lớn và các tinh thể lớn của sản phẩm thuỷ hoá nên có cường độ thấp hơn so với đá xi măng ở khu vực cách xa cốt liệu. Do đó khi bê tông chịu các tải trọng, ứng suất sinh ra sẽ làm xuất hiện những vết nứt trước tiên ở vùng chuyển tiếp. Khi trong vùng chuyển tiếp còn hiện diện các lỗ rỗng lớn và các vết nứt tế vi, thì cường độ của cốt liệu sẽ không có tác dụng hữu ích gì đến cường độ của bê tông, vì lúc đó hiệu ứng truyền ứng suất giữa đá xi măng và cốt liệu rất nhỏ. N Trong cấu trúc của bê tông chất lượng cao có tỷ lệ nhỏ do sử dụng các loại phụ X gia giảm nước tầm cao và sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn sẽ cải thiện cấu trúc vùng chuyển tiếp, giảm chiều dày, tăng độ đặc chắc, giảm các lỗ rỗng có hại và từ đó làm tăng cường độ của bê tông. − Sử dụng sợi polypropylene nhằm mục đích nâng cao khả năng chống nứt, tăng tính dẻo và cải thiện độ bền của bê tông So với cốt thép liên tục, cốt sợi polypropylene có khả năng chịu kéo còn hạn chế, nhưng chúng lại thể hiện được nhiều ưu điểm trong một số trường hợp sau: + Trong các vật liệu dạng tấm mỏng vì không gian hạn chế, không thể dùng các thanh cốt thép thông thường. Do đó, sợi polypropylene phân tán ngẫu nhiên được sử dụng dưới dạng vật liệu gia cường cho bê tông là thích hợp hơn cả. Trong trường hợp này, sợi có tác dụng tăng cường độ và tăng độ bền (độ dẻo dai) của bê tông. + Vai trò của cốt sợi trong kết cấu là khống chế đường nứt, cải thiện tình hình làm việc của kết cấu sau khi nứt gãy, tăng năng lực hấp thu năng lượng. Trong trường hợp
11 này sợi không thay thế được cốt thép thông thường, do đó không có tác dụng cải thiện được cường độ. Theo [8], quan hệ giữa tải trọng và độ võng của vật liệu bê tông cốt sợi được thể hiện trên đồ thị hình 1. P P Bª t«ng cã hμm lù¬ng cèt sîi cao Bª t«ng cã hμm l−îng cèt sîi thÊp T¶i träng T¶i träng Bª t«ng th−êng Bª t«ng th−êng §é vâng §é vâng ε ε Bê tông có hàm lượng cốt sợi cao Bê tông có hàm lượng cốt sợi thấp Hình 1. Đường cong quan hệ giữa tải trọng và độ võng của bê tông cốt sợi Do cốt sợi polypropylene phân tán có rất nhiều ưu điểm nên bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cốt sợi polypropylene có thể chế tạo các tấm mỏng, ít khe nối, có độ bền cao hơn mà thời gian sử dụng dài, chi phí bảo dưỡng thấp, rất thích hợp để làm các lớp phủ tăng cường trên mặt đường bê tông hiện hữu. b) Cơ sở thực tiễn của tác giả Hiện nay đã có một số công trình khoa học nghiên cứu về chủng loại bê tông chất lượng cao sử dụng phụ gia siêu dẻo, phụ gia khoáng mịn,… Tuy nhiên, các tác giả chưa nghiên cứu tổng quát về loại bê tông hạt mịn chất lượng cao, dùng cốt sợi polypropylene để chế tạo các kết cấu có chiều dày nhỏ, làm các lớp phủ mỏng tăng cường trong các công trình mặt cầu, mặt đường ô tô, mặt đường sân bay. Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo loại bê tông hạt mịn chất lượng cao với tính công tác tốt, cường độ nén và cường độ uốn lớn từ các loại vật liệu có sẵn ở Việt Nam dùng trong các công trình mặt đường sân bay có ý nghĩa thực tiễn to lớn: − Chế tạo kế cấu bê tông có chiều dày mỏng dùng trong những công trình hạ tầng sân - đường của Cảng hàng không như: + Phần kết cấu ở hai đầu của đường băng.
12 + Vị trí giao nhau giữa đường băng và đường lăn. + Sân đỗ máy bay. + Hangar của sân bay. + Bề mặt kết cấu của các khu vực chịu tác dụng phụt của động cơ phản lực và tác dụng của nhiên liệu. − Sử dụng để chế tạo các lớp phủ tăng cường trên mặt đường băng sân bay. − Sử dụng để duy tu, sửa chữa các hư hỏng của công trình. − Sử dụng để thi công các kết cấu vỏ mỏng không có cốt thép thay thế cho bê tông lưới thép. 5. Phương pháp nghiên cứu Quá trình nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao, tác giả dựa trên cơ sở của phương pháp tiêu chuẩn Việt Nam và các phương pháp phi tiêu chuẩn bao gồm: − Xác định tính chất của cốt liệu theo TCVN 7570 : 2006 và TCVN 7572 : 2006. − Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử HHBT và bê tông hạt mịn chất lượng cao theo TCVN 3105: 1993. − Xác định độ sụt của HHBT theo TCVN 3106 : 1993. − Xác định khối lượng thể tích HHBT theo TCVN 3108 : 1993. − Xác định độ mài mòn của bê tông theo TCVN 3114 : 1993. − Xác định cường độ nén của bê tông theo TCVN 3118 : 1993. − Xác định cường độ kéo khi uốn của bê tông theo TCVN 3119 : 1993. − Xác định mô đun đàn hồi theo TCVN 3121 : 1993. − Xác định cường bám dính nền theo TCXD 236 : 1999. Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của tỷ lệ các vật liệu thành phần đến tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông hạt mịn chất lượng cao, tác giả đã sử dụng phương pháp toán quy hoạch thực nghiệm. Ngoài ra, tác giả còn xây dựng mô hình thực nghiệm phi tiêu chuẩn để đánh giá cường độ kháng trượt của bê tông hạt mịn chất lượng cao. 6. Những đóng góp mới − Về lý thuyết:
13 + Hoàn thiện thêm lý thuyết về cấu trúc loại vật liệu mới, bê tông hạt mịn chất lượng cao có dùng cốt sợi polypropylene, khác so với cấu trúc bê tông thường. + Làm phong phú thêm các kết quả về đặc điểm, tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông hạt mịn chất lượng cao đặc biệt là các tính chất của loại bê tông này có cốt sợi phân tán sử dụng trong các kết cấu mỏng. − Về ứng dụng: + Bằng thực nghiệm, tác giả đã cho thấy có thể sử dụng lên đến 60% lượng tro bay nhiệt điện thay cho xi măng để chế tạo bê tông chất lượng cao có cường độ nén đạt trong khoảng 60MPa ÷ 90MPa. + Bằng thử nghiệm, tác giả đã xác định được cường độ kháng trượt và lực dính kết giữa lớp bê tông cũ với lớp bê tông mới. 7. Kết cấu của tài liệu Tài liệu được trình bày trên 98 trang giấy A4, gồm phần mở đầu và 05 chương: Chương 1. Tổng quan về bê tông hạt mịn chất lượng cao cho mặt đường sân bay. Chương 2. Cơ sở khoa học sử dụng bê tông hạt mịn chất lượng cao cho sân bay. Chương 3. Nghiên cứu các tính chất của vật liệu sử dụng. Chương 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu đến tính chất bê tông hạt mịn chất lượng cao. Chương 5. Nghiên cứu các tính chất và công nghệ chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao. Tài liệu tham khảo. Phụ lục. Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO DÙNG CHO MẶT ĐƯỜNG SÂN BAY 1.1. MỞ ĐẦU Vận tải hàng không là một ngành vận tải mới và phát triển rất nhanh. Nếu tính từ khi mở tuyến đường bay đầu tiên từ Paris ÷ London vào năm 1919 đến nay thì ngành vận tải hàng không mới hơn 80 tuổi [9]. Nếu tính từ chuyến bay thương mại đầu tiên
14 xuyên Đại Tây Dương và Thái Bình Dương tiến hành năm 1945 đến nay thì các chuyến bay hành khách quy mô toàn cầu mới hơn nửa thế kỷ. Tuy nhiên, do những lợi thế của vận tải hàng không (nhanh chóng, thuận tiện và tương đối an toàn) nên số hành khách đi máy bay tăng rất nhanh: Theo [9] vào năm 1950 số hành khách đi máy bay là 31 triệu người trên toàn thế giới, đến năm 1998 chỉ tính riêng số hành khách đi qua sân bay Atlanta (bang Georgia Mỹ) đã tăng lên đến 73,5 triệu người. Cùng với việc tăng số lượng hành khách, khối lượng hàng hóa vận chuyển bằng đường không cũng tăng lên tương ứng. Khả năng vận chuyển và tốc độ của máy bay thương mại cũng phát triển rất nhanh. Cùng với sự phát triển của vận tải hàng không, việc xây dựng các cảng hàng không mà trước hết là công tác xây dựng sân - đường bay cũng không ngừng phát triển. Vận tải hàng không không có biên giới. Vì vậy, những yêu cầu cơ bản đối với mặt đường của các cấp sân bay giống nhau được xây dựng để phục vụ khai thác các máy bay hiện đại một cách an toàn đều phải theo đúng những quy định của Tổ chức Hàng không dân dụng quốc tế (ICAO). Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa của nước ta hiện nay, ngành vận tải hàng không đang được chú trọng xây dựng và phát triển. Mặc dù còn nhiều khó khăn nhưng ngành Hàng không dân dụng Việt Nam đã và đang khai thác nhiều loại máy bay hiện đại như B747, B767, A320, A321,… Thị trường hàng không của nước ta đã không ngừng mở rộng và kết nối với nhiều quốc gia trên toàn thế giới. Các cảng hàng không Nội Bài, Tân Sơn Nhất, Đà Nẵng và một số sân bay khác đã và đang được nâng cấp, cải tạo theo công nghệ hiện đại, đáp ứng các yêu cầu của ICAO. Xu hướng và nhu cầu phát triển vận tải hàng không trên thế giới ngày một tăng, trong khi nhà nước ta hiện nay mới chỉ có khỏang 10% các sân bay đã có là sử dụng được. Vì vậy, để phục vụ cho cuộc phát triển kinh tế và củng cố quốc phòng, nhiệm vụ xây dựng các công trình hàng không của chúng ta trong thế kỷ XXI là rất to lớn.
15 1.2. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO Bê tông chất lượng cao là loại bê tông không những có cường độ cao mà còn được đặc trưng bởi sự vượt trội so với bê tông thông dụng về các tính năng khác như: Độ lưu động cao hơn, mô đun đàn hồi lớn hơn, cường độ chịu uốn cao hơn, độ thấm nước thấp hơn, khả năng chịu mài mòn lớn hơn và độ bền cao hơn. Có thể chế tạo bê tông chất lượng cao từ chính các nguyên vật liệu dùng để chế tạo bê tông thông dụng, tức là từ xi măng pooclăng, cát, đá dăm và nước. Sự khác nhau là ở chỗ bê tông chất lượng cao N được chế tạo với tỷ lệ nước trên xi măng ( ) thấp hơn so với bê tông thường. X So với bê tông thông dụng, trong thành phần của bê tông chất lượng cao còn có một cấu tử không thể thiếu là phụ gia siêu dẻo [12], [13], [14] được dùng để cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông mà không cần tăng lượng nước nhào trộn. Hơn nữa, N N tỷ lệ này rất gần với giá trị tỷ lệ lý thuyết, cần thiết để xi măng pooclăng thuỷ X X hoá hoàn toàn. Một thành phần khác thường sử dụng trong bê tông chất lượng cao là phụ gia khoáng hoạt tính cao, có tác dụng giảm lượng dùng xi măng, cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông, tăng độ đặc chắc và độ bền của bê tông. Ngày nay, bê tông chất lượng cao là hướng nghiên cứu chủ đạo của nhiều nước trên thế giới. Nếu như mối quan tâm của bê tông cường độ cao là giá trị cường độ có thể đạt được thì bê tông chất lượng cao cần phải quan tâm đến nhiều chỉ tiêu khác như [12]: - Dễ tạo hình và đầm chặt mà không bị phân tầng. - Có các tính chất cơ học lâu dài. - Có cường độ sớm. - Có độ dai. - Ổn định thể tích. - Bền vững trong môi trường sử dụng. * Theo quan điểm của trường Đại học Tokyo (Nhật Bản) thì bê tông chất lượng cao cần thỏa mãn các yêu cầu: - Dễ tạo hình . - Hỗn hợp dẻo cao với mức độ phân tầng thấp.
16 - Không bị phá huỷ sớm do co ngót và do ứng suất nhiệt thấp. - Có cường độ lâu dài và ít bị thấm. * Theo tài liệu [10], [15] có một số nguyên tắc chế tạo bê tông chất lượng cao: - Tăng cường độ của đá xi măng, đá chất kết dính: Bằng cách sử dụng các loại xi măng cường độ cao, xi măng siêu mịn hoặc có thể kết hợp sử dụng các loại phụ gia khoáng mịn để tăng cường độ của đá chất kết dính. - Tăng cường độ của khung cốt liệu bằng cách lựa chọn các loại cốt liệu có chất lượng tốt, thành phần hạt tối ưu và đồng thời kết hợp với việc giảm kích thước của hạt cốt liệu nhằm mục đích đồng nhất vi cấu trúc. N - Tăng cường độ của vùng tiếp xúc nhờ việc giảm tỷ lệ bằng cách dùng phụ X gia giảm nước tầm cao, sử dụng phụ gia siêu mịn silicafume và tro bay nhiệt điện để tăng cường độ của vùng chuyển tiếp. - Lựa chọn biện pháp thi công tốt. * Theo [12], [13], [14] việc sử dụng bê tông cường độ cao có những ưu điểm sau: - Cường độ cao. - Mô đun đàn hồi lớn . - Cường độ ban đầu cao. - Giảm được tải trọng chết của công trình. - Nhanh chóng đạt được mức độ từ biến cuối cùng. - Hiệu quả kinh tế khi sử dụng. Từ những hiệu quả mang lại, bê tông chất lượng cao đã được ứng dụng rất rộng rãi ở Việt Nam và các nước trên thế giới. Chúng được ưu tiên sử dụng trong các công trình: Nhà cao tầng và chọc trời, cầu nhịp lớn, mặt đường cao tốc, mặt đường sân bay,… 1.3. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO Bê tông sử dụng cốt liệu mịn (bê tông hạt mịn - BTHM) đã được nghiên cứu rất lâu trên thế giới với nhiều mục đích khác nhau.
17 Bê tông hạt mịn (đường kính hạt Dmax ≤ 5mm) hay có thể gọi là bê tông hạt cát đã có lịch sử phát triển từ rất sớm. Năm 1853, kỹ sư Francois Coignet đã đưa ra loại “bê tông đặc” cho kết cấu cột đổ tại chỗ chính là tiền thân của bê tông hạt mịn. BTHM là một hỗn hợp không có đá bao gồm cát, tro bay, xỉ than, đất sét nung, vôi thuỷ tự nhiên và hàm lượng nước thấp; một dãy nhà vẫn còn ở số 72 phố Charles – Michels, Sanit – Denis phía Bắc Paris cũng được xây dựng bằng loại bê tông này. Sau đó, hỗn hợp này sử dụng trong nhiều công trình xây dựng và hệ thống thoát nước, tường chắn ở quảng trường Trocadero ở Paris và hệ thống kênh thoát nước Vanne trong con đường qua rừng Fontainebleau. Theo [12], năm 1918 một thí nghiệm độc đáo đã được Nicolas De Rochefort làm tại Saint – Peterburg (Nga). Thí nghiệm đã nghiền lẫn cát và clanhke theo tỷ lệ bằng nhau, sau đó trộn sản phẩm này với cát theo tỷ lệ 1 (sản phẩm nghiền) và 3 (cát). Cường độ nhận được bằng cường độ của hỗn hợp cát – xi măng rất giàu xi măng (1 xi măng và 2 cát). Thí nghiệm này cũng được giáo sư viện sĩ Rehbinder thực hiện lại như là một cơ sở của những nghiên cứu riêng của ông về bê tông cát và cơ cấu bí ẩn của quá trính nghiền hỗn hợp cát – clanhke. Theo [12], ở nước Nga có lượng cát lớn nhưng hàm lượng sỏi cuội và đá tảng khan hiếm trên diện rộng. Từ năm 1941 đã không ngừng chế tạo bê tông có thành phần cát và một hay hai loại chất kết dính (xi măng, vôi) như: Đường sân bay quân sự Pevec và Arkangelsk, nút giếng dầu cạn, đường ô tô và đường cao tốc Serpukov - Toula, nhà mái xếp, kết cấu lắp ghép ở thành phố Nadym (Siberia) hầm và tàu điện ngầm vòm mảnh. Gần đây (2007) những nghiên cứu của trường Đại học Xây dựng Matxcơva đã đề xuất công nghệ chế tạo bê tông hạt mịn trên cơ sở cát thạch anh không dùng cốt liệu lớn làm các blốc móng, tấm ốp lòng kênh, viên vỉa hè, bậc thềm và các chế phẩm kích thước nhỏ khác. Một dạng của bê tông hạt mịn là xi măng lưới thép, còn gọi là bê tông lưới thép có cường độ chịu nén và chịu kéo đều cao (nhờ độ cứng tiết diện lớn nên khả năng chịu lực cao) được dùng phổ biến trong những kết cấu không gian đan thành lưới mắt cáo có độ
18 lớn 10mm và có thể bố trí nhiều lớp lưới cốt thép trong một cấu kiện. Cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu không lớn hơn 3mm và hỗn hợp cần có tính công tác tốt. Vữa bơm (có thể coi là bê tông hạt mịn) và việc bơm vữa dùng trong các công nghệ chế tạo dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực. Trong dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực thi công theo phương pháp căng sau: Bó cốt thép dự ứng lực được luồn vào các ống gel hoặc rãnh chừa sẵn. Sau khi đã căng kéo các bó cốt thép, sẽ tiến hành bơm vữa vào các ống gel, rãnh. Vữa bơm vào rãnh nhằm bảo vệ cốt thép khỏi bị rỉ và tạo sự kết dính tốt của cốt thép và bê tông khi làm việc. Bê tông cốt thép dự ứng lực là một loại kết cấu xây dựng được làm bằng 2 loại vật liệu: Bê tông và cốt thép cường độ cao, rất khác nhau, rất xa về chỉ tiêu cơ lý. Yêu cầu chịu lực của kết cấu đòi hỏi hai loại vật liệu này phải liên kết chặt chẽ với nhau. Các bó thép sau khi căng kéo có bơm vữa sẽ được dính kết chặt chẽ với bê tông. Nó không những tăng thêm tính chống nứt của bê tông mà còn làm tăng khả năng chịu tải trọng của kết cấu. Do đó, bơm vữa là một bước thi công quan trọng có liên quan mật thiết đến tuổi thọ và năng lực chịu tải trọng của công trình. Theo [12], bê tông hạt mịn có nhiều đặc điểm khác với bê tông thường như: + Có tổng tỷ diện tích cốt liệu cao nên thể tích rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn. Do đó, cần tăng hàm lượng hồ xi măng trong hỗn hợp so với bê tông thường. + Có độ rỗng cấu tạo nhỏ và có sự phân bố đều đặn của các hạt cốt liệu do đó giảm được ứng suất tập trung tại chỗ tiếp xúc giữa đá xi măng với cốt liệu. Tuy nhiên, việc chế tạo bê tông hạt mịn chỉ sử dụng cát làm cốt liệu trước đây gặp nhiều khó khăn do độ rỗng của hỗn hợp chỉ thuần tuý cát sẽ lớn, bề mặt riêng của cốt liệu (cát) cũng sẽ tăng lên cần phải tăng lượng dùng xi măng để lấp đầy các lỗ rỗng, bao bọc các hạt cốt liệu để tăng cường độ và độ lưu động của hỗn hợp bê tông. Ngoài ra, loại bê tông này cũng cần lượng nước nhiều hơn để đạt độ lưu động cần thiết - việc này sẽ làm tăng độ rỗng của bê tông. Việc tăng nước và xi măng cũng dẫn tới việc tăng độ co ngót của bê tông. Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật nhiều loại vật liệu, phụ gia, công nghệ mới được áp dụng rất hiệu quả cho bê tông. Việc thêm vào bê tông cốt liệu nhỏ chất độn mịn và phụ gia siêu dẻo đã cho phép giảm đến mức tối thiểu lượng nước và xi
19 măng đồng thời làm hạn chế đến mức tối đa sự co ngót. Với sự khắc phục hiệu quả này đã xuất hiện nhiều loại bê tông hạt mịn chất lượng cao có những ưu điểm sau đây: + Có khả năng tạo ra cấu trúc hạt nhỏ đồng nhất chất lượng cao. + Nâng cao hiệu quả biến đổi vật liệu bằng các phụ gia hoá học và phụ gia khoáng. + Tính xúc biến cao có khả năng biến đổi hỗn hợp bê tông. + Tính công nghệ cao, có khả năng tạo hình các kết cấu bằng phương pháp rót, dập khuôn, ép đùn, phun vẩy,… + Hỗn hợp không bị phân tầng, tách nước trong quá trình vận chuyển và sử dụng. + Sau khi đóng rắn, bê tông có độ co ngót thấp, ổn định thể tích. + Bê tông có cường độ cao, liên kết tốt với bê tông cũ hay cốt thép. + Dễ vận chuyển, trong đó kể cả vận chuyển trong đường ống. + Có khả năng sử dụng rộng rãi hỗn hợp khô đảm bảo chất lượng cao. + Có khả năng thu được những vật liệu có những tổ hợp tính chất đa dạng. + Có khả năng thu được những giải pháp mặt bằng - kiến trúc mới: kết cấu vách và lớp mỏng, các kết cấu hỗn hợp từ nhiều vật liệu khác nhau,… Bê tông bột mịn (Reactive powder concrete - RPC) là một dạng mới của bê tông hạt mịn chất lượng cao (Ultra high performance concrete). Thành phần phổ biến của bê tông bột mịn gồm: Bột cát thạch anh rất mịn, xi măng, silicafume, nước, phụ gia siêu N dẻo, cốt sợi phân tán được nhào trộn với nhau theo tỷ lệ nhất định trong đó tỷ lệ rất X thấp (khoảng 0,2). Sản phẩm bê tông bột mịn có thể được chưng hấp ở nhiệt độ cao và độ ẩm lớn hoặc dưỡng hộ tự nhiên thường có cường độ nén cực cao (> 150 MPa), cường độ uốn khá cao (20 ÷ 50MPa), đặc tính mềm dẻo cao. Việc nghiên cứu RPC ban đầu ở phòng thí nghiệm Bouygues của Pháp trong những năm 1990. Nhưng việc ứng dụng RPC đầu tiên được công nhận là sản phẩm của Richard và Cheyrezy (Canada). Sản phẩm của nhóm nghiên cứu là ứng dụng RPC chế tạo cầu bê tông hạt mịn dự ứng lực đúc sẵn cho người đi bộ ở Sherbrooke, Quebec – Canada năm 1997.