11
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG TỎA NHIỆT THẤP
CHO KẾT CẤU DẦM CHUYỂN
RESEARCH ON PRODUCTION OF LOW TEMPERATURE
CONCRETE FOR TRANSFER BEAM STRUCTURE
KS. Đỗ Ngọc Khoa
Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, Email: ngockhoa2410@gmail.com
TÓM TẮT: Dầm chuyển bê tông cốt thép là loại dầm có độ cứng cao và tiết diện hình học tương đối lớn,
có tác dụng thay đổi trạng thái làm việc của hệ kết cấu từ hệ dầm cột chịu lực sang hệ dầm vách chịu lực
hoặc hệ dầm cột nhưng với số lượng cột phía trên dầm nhiều hơn số lượng cột phía dưới dầm. Bài báo
trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo thành phần bê tông trên cơ sở cốt liệu (cát, đá), xi măng, tro bay, xỉ
lò cao và phụ gia siêu dẻo với tỷ lệ hợp lý tạo ra thành phần bê tông đảm bảo tính công tác và tỏa nhiệt
thấp. Trong đó, xi măng được chọn từ loại có nhiệt thủy hóa thấp, hỗn hợp chất kết dính xi măng, xỉ lò
cao, tro bay và phụ gia siêu dẻo phối hợp theo tỷ lệ hợp lý đảm bảo tính công tác và dễ thi công. Kết quả
nghiên cứu đã tạo ra cấp phối bê tông dễ thi công và nhiệt thấp, bê tông dầm chuyển sau thi công đảm bảo
yêu cầu thiết kế.
TỪ KHÓA: Dầm chuyển, bê tông nhiệt thấp.
ABSTRACTS: Reinforced concrete transfer beam in a type of beam with high rigidity and relatively
large geometrical cross-section, which has effect of changing the working state of the structural system
from the bearing column beam system to the load-bearing wall beam or beam system but with more
columns above than the number of colums below the beam. This paper presents the result of research on
manuafacturing concrete components on the basic of aggregates (sand, stone), cement, fly ash, blast-
furnace slag and admixture with reasonable proportions to concrete composition ensure work ability and
low heat. In particular, cement is selected from low heat of hydration, a mix of cement blinder, fly ash,
blast-furnace slag and admixture with reasonable proportions to concrete composition ensure work
ability and easy of contruction. The result have created a concrete mix that is easy to contruction and
low heat, transfer beam concrete after construction to ensure design requirement. High-strength concrete
KEYWORDS: Transfer beams, low heat concrete.
1. MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, xu thế phát triển trong thiết kế kiến trúc của các nhà cao tầng là
tạo ra các công trình có công năng sử dụng đa dạng. Các tầng dưới của tòa nhà thường được thiết
kế để làm khu dịch vụ như trung tâm mua sắm, nhà hàng, khu vui chơi giải trí... Trong khi đó các
tầng trên thường được thiết kế với mục đích sử dụng làm văn phòng hoặc khu ở, chỉ cần không
gian vừa hoặc nhỏ. Chính việc phân chia không gian khác nhau ở các tầng trên và dưới tòa nhà
đòi hỏi xuất hiện một khu vực chuyển tiếp nằm ở những tầng trung gian.
Khi công trình nhà cao tầng có sự thay đổi lớn về hệ lưới cột vách giữa các tầng trên và dưới
của tầng chuyển, người ta sẽ sử dụng dầm chuyển. Dầm chuyển có thể bằng dầm bê tông cốt
thép (BTCT) hoặc dầm BTCT ứng lực trước, thường có kích thước và trọng lượng lớn. Về mặt
kết cấu thì khu vực tầng chuyển là vùng gián đoạn đối với kết cấu đứng, là nơi tập trung khối
12
lượng và độ cứng, vì vậy tính toán và cấu tạo cho khu vực này phức tạp hơn nhiều. Mặc dù vậy,
vì lợi ích về công năng sử dụng và thẩm mỹ công trình nên dầm chuyển vẫn được sử dụng ngày
càng nhiều ở trên thế giới và Việt Nam.
Bê tông sử dụng cho dầm chuyển là bê tông có cường độ cao, khoảng 50-60MPa, kết cấu
dầm chuyển là kết cấu bê tông khối lớn nên việc đổ bê tông trong quá trình thi công kết cấu dầm
chuyển sinh ra một lượng nhiệt vô cùng lớn bởi quá trình thủy hóa. Để hạn chế lượng nhiệt sinh
ra, có thể lựa chọn loại xi măng ít tỏa nhiệt, sử dụng các loại phụ gia khoáng thay thế cho xi
măng hoặc có thể giảm lượng xi măng trong bê tông bằng việc sử dụng một số phụ gia siêu dẻo.
Để thực hiện nghiên cứu bê tông tỏa nhiệt thấp cho kết cấu dầm chuyển ở dự án “Tòa nhà
hỗn hợp thương mại dịch vụ và căn hộ chung cư Alacarte Hạ Long”, Viện Chuyên ngành Bê
tông đã nghiên cứu chế tạo cấp phối bê tông C45 (M600) độ xòe 600±100mm tỏa nhiệt thấp.
Bằng việc sử dụng các cốt liệu (cát, đá), xi măng, tro bay, xỉ lò cao và phụ gia siêu dẻo với tỷ lệ
hợp lý tạo ra thành phần bê tông đảm bảo tính công tác và tỏa nhiệt thấp.
2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
2.1. Vật liệu sử dụng chế tạo bê tông
Xi măng sử dụng để nghiên cứu gồm 3 loại. Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý của xi măng
được tổng hợp ở bảng 1.
Bảng 1. Kết quả thí nghiệm các tính chất cơ lý của xi măng
Kết quả
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị PC50(1) PCB40 PC50(2) Phương pháp thử
1 Khối lượng riêng g/cm3 3,09 3,04 3,12 TCVN 4030:2003
2 Bề mặt riêng cm2/g 3.780 4.030 3.600 TCVN 4030:2003
3 Độ dẻo tiêu chuẩn % 29,5 30,0 28,5 TCVN 6017:2015
4
Thời gian đông kết:
- Bắt đầu
- Kết thúc
Phút
160
210
110
165
145
210
TCVN 6017:2015
5
Độ bền uốn:
- 03 ngày
- 28 ngày
N/mm2
7,3
10,7
7,6
9,4
7,5
9,4
TCVN 6016:2011
6
Độ bền nén:
- 03 ngày
- 28 ngày
N/mm2
34,9
60,3
35,5
52,2
33,5
54,2
TCVN 6016:2011
Cốt liệu nhỏ được sử dụng trong nghiên cứu là cát vàng đáp ứng theo yêu cầu kỹ thuật cốt
liệu dùng cho bê tông và vữa TCVN 7570:2006.
Nghiên cứu sử dụng cốt liệu lớn là đá dăm Dmax = 20mm đáp ứng theo yêu cầu kỹ thuật cốt
liệu dùng cho bê tông và vữa TCVN 7570:2006.
13
Công nghệ chế tạo bê tông cường độ cao hiện nay có sử dụng hiệu quả của phụ gia khoáng
hoạt tính để cải thiện các tính chất bê tông, tăng khả năng thủy hóa các khoáng của xi măng và
tạo ra bê tông có chất lượng cao hơn. Kết quả thí nghiệm của tro bay được tổng hợp ở bảng 2.
Bảng 2. Kết quả thí nghiệm các tính chất cơ lý của tro bay
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả Phương pháp thử
1 Khối lượng riêng g/cm3 2,21 TCVN 4030:2003
2
Chỉ số hoạt tính
07 ngày
28 ngày
%
79,6
95,8
TCVN 10302:2014
- Xỉ lò cao sử dụng để nghiên cứu là xỉ lò cao nghiền mịn đạt yêu cầu kỹ thuật của xỉ lò cao
nghiền mịn mức S95 theo yêu cầu kỹ thuật của TCVN 11586:2016. Kết quả thí nghiệm của xỉ lò
cao được tổng hợp ở bảng 3.
Bảng 3. Kết quả thí nghiệm các tính chất cơ lý của xỉ lò cao
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả Phương pháp thử
1 Khối lượng riêng g/cm3 2,91 TCVN 4030:2003
2
Chỉ số hoạt tính
07 ngày
28 ngày
%
81,7
106,2
TCVN 11586:2016
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Quá trình xi măng thủy hóa sẽ giải phóng nhiệt và làm tăng nhiệt độ bê tông, xi măng tỏa
nhiệt thấp sẽ giải phóng lượng nhiệt thấp trong quá trình thủy hóa. Để chọn loại xi măng nhiệt
thấp sử dụng trong thiết kế cấp phối bê tông, phòng thí nghiệm sử dụng phương pháp thí nghiệm
xác định nhiệt độ gia tăng của bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt. Xi măng có nhiệt độ gia tăng
thấp sẽ được ưu tiên sử dụng để chế tạo bê tông nhiệt thấp. Cùng với đó, việc sử dụng thêm các
phụ gia khoáng như xỉ lò cao, tro bay với tỷ lệ hợp lý nhằm làm giảm lượng xi măng trong cấp
phối sẽ giúp bê tông vừa đảm bảo cường độ, vừa đảm bảo tỏa nhiệt thấp.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN CẤP PHỐI TỐI ƯU CHO DẦM CHUYỂN
3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của xi măng đến sự gia tăng nhiệt độ của bê tông
Cấp phối bê tông sử dụng nghiên cứu xác định nhiệt độ gia tăng trong điều kiện đoạn nhiệt
tại bảng 4.
Bảng 4. Thành phần cấp phối bê tông sử dụng thí nghiệm chọn loại xi măng
Thành phần vật liệu, kg
Số TT Xi măng Cát Đá dăm Nước PG siêu dẻo
1
404 835 1012 177 4,4
14
Kết quả nghiên cứu nhiệt độ gia tăng của bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt được tập hợp tại
bảng 5.
Bảng 5. Bảng tổng hợp các thông số nhiệt nghiên cứu đoạn nhiệt
Giá trị thông số với bê tông sử dụng xi măng
Số TT Chỉ tiêu Đơn vị
PC50(1) PCB40 PC50(2)
1
Nhiệt độ bê tông ban đầu °C 23,4 26,4 26,5
2
Nhiệt độ bê tông gia tăng °C 59,3 50,2 46,5
3
Nhiệt độ bê tông Tmax °C 82,7 76,6 73,0
4
Thời gian đạt Tmax giờ 71 40 52
Trong điều kiện đoạn nhiệt, bê tông sử dụng xi măng PC50(1) đạt nhiệt độ gia tăng
cao nhất (59,3 °C), xi măng PCB40 thứ 2 (50,2 °C), xi măng PC50(2) nhiệt độ gia tăng thấp
nhất (46,5 °C);
Xi măng PC50(2) được lựa chọn để thiết kế chế tạo bê tông tỏa nhiệt thấp.
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia tro bay và xỉ lò cao nghiền mịn đến một số tính
chất của hỗn hợp bê tông
Lựa chọn tỷ lệ thay thế xi măng bằng xỉ lò cao nghiền mịn và tro bay cần đảm bảo các tính
chất của hỗn hợp bê tông và bê tông:
Hỗn hợp bê tông dễ trộn, dễ thi công;
Không gây tách nước hỗn hợp bê tông;
Cường độ bê tông tuổi sớm 3 ngày (>50% mác thiết kế);
Nhiệt tỏa ra trong quá trình thủy hóa thấp.
Căn cứ yêu cầu thiết kế bê tông mác M600, độ chảy xòe (600±100) mm, phòng thí nghiệm
chọn lượng chất kết dính để thí nghiệm xác định tính chất của hỗn hợp bê tông 550kg. Thành
phần vật liệu sử dụng nghiên cứu tại bảng 6.
Bảng 6. Thành phần vật liệu sử dụng nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ dùng PGK
Thành phần vật liệu sử dụng nghiên cứu
STT Chất kết dính,
kg
Cát,
kg
Đá dăm,
kg Nước Phụ gia siêu dẻo, lít
1
550 778 949 --(*) 4,95
(*)
Được điều chỉnh đảm bảo đạt độ chảy xòe hỗn hợp bê tông trong quá trình thí nghiệm.
15
Quá trình nghiên cứu thử nghiệm tìm tỷ lệ thay thế tối ưu của xỉ lò cao nghiền mịn và tro bay
trong xi măng được tập hợp tại bảng 7.
Bảng 7. Thí nghiệm tỷ lệ thay thế phụ gia khoáng trong xi măng
Cường độ chịu nén, MPa
Số
TT
Tỷ lệ sử dụng
XM : Xỉ : TB
Độ chảy
xòe, mm
Tính chất hỗn hợp bê tông
khi trộn thử
3
ngày
7
ngày
1
50 : 0 : 50 540 Bê tông dễ trộn 36,2 51,4
2
60 : 0 : 40 570 Bê tông dễ trộn 41,2 57,3
3
70 : 0 : 30 550 Bê tông dễ trộn 44,1 62,3
4
50 : 50 : 0 610 Bê tông khó trộn, quánh và
tách nước
-- --
5
60 : 40: 0 575 Bê tông khó trộn, quánh và
tách nước
-- --
6
70 : 30 : 0 620 Bê tông khó trộn, quánh tách
nước ít
-- --
7
75 : 25 : 0 600 Bê tông khó trộn, quánh 48,2 64,2
8
80 : 20 : 0 590 Bê tông khó trộn, quánh 51,2 67,8
9 50 : 20 : 30 620 Bê tông trộn được (khá nặng
khi đảo mẫu)
43,1 60,2
10 50 : 15 : 35 610 Bê tông dễ trộn, dễ đảo mẫu 40,8 59,2
Chú thích: XM: Xi măng; Xỉ: Xỉ lò cao nghiền mịn; TB: Tro bay.
Khi sử dụng phụ gia khoáng tro bay thay thế xi măng PC50(2), tỷ lệ thay thế tro bay trong xi
măng càng cao thì tính chất của hỗn hợp bê tông càng dễ trộn và lấy mẫu, cường độ nén bê tông
phát triển chậm ở tuổi 3, 7 ngày. Để đảm bảo cường độ bê tông và tính công tác, tỷ lệ tro bay
không nên vượt quá 40%.
Khi sử dụng phụ gia khoáng xỉ lò cao nghiền mịn (S95) thay thế xi măng PC50(2), tỷ lệ thay
thế xỉ lò cao nghiền mịn trong xi măng càng cao thì tính chất của hỗn hợp bê tông càng khó trộn,
khó lấy mẫu (bê tông nặng) và tách nước nhiều, cường độ nén của bê tông ít bị suy giảm khi sử
dụng cùng tỷ lệ thay thế của tro bay tại tuổi 3, 7 ngày. Tỷ lệ thay thế của xỉ lò cao nghiền mịn
trong xi măng không nên vượt quá 25%.
Với các cấp phối đã trọng thử ở trên, lượng dùng xi măng trong cấp phối bê tông đã giảm tối
đa được 50%. Với cấp phối số (9) và số (10) vừa đảm bảo lượng xi măng dùng ít, vừa đảm bảo
cường độ cho kết cấu. Tuy nhiên nhìn lại ở 2 cấp phối này, lượng dùng xỉ ở cấp phối số (10) ít
hơn nên sẽ đảm bảo tính kinh tế trong quá trình thi công hơn. Do vậy, phối hợp xỉ lò cao nghiền
mịn và tro bay thay thế xi măng PC50(2) với tỷ lệ dùng Xi măng : Xỉ : Tro bay = 50 : 15 : 35
đảm bảo tính chất hỗn hợp bê tông M600, độ chảy (600 ± 100) mm.