Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
181
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG PHỤ GIA KHOÁNG
HỢP LÝ TRONG THIẾT KẾ BÊ TÔNG TÍNH NĂNG CAO
ỨNG DỤNG CHO CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI
Nguyễn Quang Phú
Trường Đại học Thủy lợi, email: phuvlxd@tlu.edu.vn
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Bê tông là loại vật liệu xây dựng có nhiều
ưu điểm và thuộc loại vật liệu bền vững.
Trong số các vật liệu xây dựng công trình, thì
bê tông chiếm tỉ lệ các kết cấu, hạng mục
công trình cao. Bên cạnh đó những hạng mục
công trình ngày càng đòi hỏi khả năng chịu
lực, khả năng chống lại sự phá hủy của môi
trường. Vì vậy, các tính năng của bê tông sử
dụng trong công trình cần được nâng cao.
Hiện nay trong xây dựng các công trình
Thủy lợi nói riêng và các công trình xây dựng
khác nhau, rất nhiều hạng mục công trình cần
phải sử dụng bê tông có tính năng cao: cường
độ cao, khả năng chống thấm, chống xâm
thực, chống mài mòn cao. Khi sử dụng bê
tông tính năng cao sẽ đảm bảo được tính bền
rất tốt của các hạng mục công trình mà bê
tông thông thường khó đáp ứng được các yêu
cầu kỹ thuật đó. Khi chế tạo bê tông, việc lựa
chọn vật liệu phù hợp để sản xuất bê tông tính
năng cao không những mang lại hiệu quả kinh
tế cao mà còn đảm bảo được chất lượng công
trình. Các loại vật liệu dùng để chế tạo bê tông
tính năng cao cần được lựa chọn và phân tích
một cách hợp lý. Trong việc sử dụng vật liệu
để chế tạo, ngoài các thành phần cơ bản như
xi măng, cát, đá, nước thì phụ gia hóa học và
phụ gia khoáng vật đóng vai trò rất quan trọng
trong việc thiết kế và thi công bê tông tính
năng cao. Yêu cầu đặt ra là dùng vật liệu như
thế nào để chế tạo bê tông tính năng cao đáp
ứng được những yêu cầu kỹ thuật nhất định,
qua đó đề xuất các phương án thiết kế cấp
phối là một nhiệm vụ hết sức cần thiết.
Trong nghiên cứu tập trung lựa chọn các
loại vật liệu để thiết kế cho bê tông như: xi
măng, cát, đá, nước, kết hợp với phụ gia
khoáng siêu mịn (Silica fume - SF) và phụ gia
hóa dẻo thế hệ mới để thiết kế bê tông tính
năng cao thi công một số hạng mục các công
trình Thủy lợi. Bê tông thiết kế có cường độ
và tính bền cao (mác chống thấm cao và độ
mài mòn thấp).
2. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU
2.1. Xi măng
Xi măng sử dụng trong thí nghiệm là xi
măng Pooclăng PC40 Bút Sơn đạt cường độ
nén 49,8MPa ở 28 ngày tuổi, thỏa mãn tiêu
chuẩn TCVN 2682:2009. Kết quả thí
nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của xi măng như
trong bảng 1.
Bảng 1. Tính chất của xi măng
TT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả
TNo
1 Khối lượng riêng g/cm3 3,14
2 Độ mịn (lượng sót trên sàng 0,09) % 2,8
3 Lượng nước tiêu chuẩn % 28,2
Thời gian bắt đầu đông kết phút 115
4 Thời gian kết thúc đông kết phút 312
5 Độ ổn định thể tích mm 2,1
Giới hạn bền nén tuổi 3 ngày N/mm2 38,0
6 Giới hạn bền nén tuổi 28 ngày N/mm2 49,8
2.2. Silica Fume (SF)
Phụ gia khoáng sử dụng là Silica fume
(SF) thay thế thành phần xi măng trong các
cấp phối bê tông thiết kế. Các tính chất kỹ
thuật của Silica fume được phân tích, kết quả
như bảng 2.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
182
Bảng 2. Tính chất của Silica Fume
TT Chỉ tiêu Đơn vị Kết
quả
Yêu cầu kỹ
thuật ASTM
C 1240-00
1 Khối lượng riêng g/cm3 2,41 -
2 Độ ẩm % 1,05 -
3 Hàm lượng mất
khi nung % 2,62 6,0
4 Hàm lượng SiO2 % 90,35
SiO2 85,0
5 Hàm lượng SO3 % 0,06 < 2,0
6 Hàm lượng CaO % 0,68 < 1,0
7 Hàm lượng Cl % 0,012 < 0,3
2.3. Cốt liệu mịn (cát)
Cát được lấy từ công trình về thí nghiệm,
kết quả một số tính chất của cát dùng chế
tạo bê tông: Khối lượng riêng 2,66 g/cm3,
khối lượng thể tích xốp 1,62 g/cm3, độ rỗng
38,86%, một số chỉ tiêu cơ lý khác và thành
phần hạt của cát phù hợp TCVN 7570-2006.
2.4. Cốt liệu đá dăm
Đá được lấy từ công trình về thí nghiệm;
trong thí nghiệm, cốt liệu thô (đá dăm) sử
dụng kết hợp 40% đá có Dmax = 10mm và
60% đá có Dmax = 20mm (theo khối lượng)
đạt khối lượng đơn vị lớn nhất, đá dăm sản
xuất bê tông có các chỉ tiêu cơ lý thỏa mãn
TCVN 7570:2006.
2.5. Nước trộn và bảo dưỡng
Sử dụng nước sinh hoạt phù hợp tiêu
chuẩn TCVN 4506: 2012.
2.6. Phụ gia siêu dẻo
Sử dụng phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc
cao gốc Polycacboxylate (PC) phù hợp với
tiêu chuẩn ASTM C494 (phụ gia thuộc thế hệ
3) với lượng dùng thông qua thí nghiệm cụ
thể để xác định tỷ lệ pha trộn hợp lý, đảm bảo
tính công tác yêu cầu của hỗn hợp bê tông và
mác bê tông thiết kế.
3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
3.1. Thiết kế cấp phối bê tông
Thiết kế thành phần bê tông tính năng cao
với mẫu đối chứng chất kết dính (CKD) là xi
măng, sau đó thay đổi lượng dùng Silica Fume
(SF) để thay thế xi măng trong thành phần bê
tông và giữ nguyên lượng PGSD và các thành
phần vật liệu khác của bê tông. Các thí nghiệm
được tiến hành trên bê tông tính năng cao cho
bê tông đối chứng mác 70 MPa. Để đạt được
cường độ cao với tỷ lệ N/CKD thấp và đạt
được tính công tác tốt thì PGSD được sử dụng
hợp lý. Thành phần vật liệu của bê tông thí
nghiệm được thể hiện trong bảng 3.
Bảng 3. Thành phần vật liệu 1m3 bê tông
Cấp
phôi
XM
(kg)
SF
(kg)
Nước
(lít)
PGSD
(lít)
Cát
(kg)
Đá dăm
(kg)
CP1 520 0 146 6,24 780 1150
CP2 494 26 146 6,24 780 1150
CP3 468 52 146 6,24 780 1150
CP4 442 78 146 6,24 780 1150
CP5 416 104 146 6,24 780 1150
CP6 390 130 146 6,24 780 1150
3.2. Kết quả thí nghiệm độ sụt
Thí nghiệm xác định độ lưu động của các
hỗn hợp bê tông (HHBT) cho các cấp phối
khác nhau, tiến hành giữ HHBT sau 30 phút
để kiểm tra lại độ lưu động. Kết quả được thể
hiện trong bảng 4.
Bảng 4. Kết quả thí nghiệm độ sụt các HHBT
Cấp phôi SN (mm) SN (mm) sau 30 phút
CP1 135 125
CP2 125 110
CP3 115 100
CP4 110 95
CP5 105 90
CP6 95 80
Nhận xét: Khi giữ nguyên các thành phần
vật liệu trong cấp phối bê tông, hàm lượng SF
thay thế xi măng tăng lên, thì độ sụt của
HHBT giảm xuống, đó là do SF là PGK siêu
mịn có độ mịn rất cao, nên độ hút nước nhiều
hơn, làm giảm độ sụt của HHBT. Tuy nhiên
khi bê tông có thay thế một phần xi măng
bằng phụ gia khoáng siêu mịn SF thì độ giảm
độ lưu động của HHBT theo thời gian (sau 30
phút) vẫn đảm bảo về tính công tác của HHBT
thiết kế theo TCVN. Điều này là do trong
thành phần bê tông có sử dụng PGSD thế hệ
mới sẽ duy trì được độ lưu động của HHBT
trong quá trình thí nghiệm và thi công.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
183
3.3. Kết quả thí nghiệm cường độ nén
Để thí nghiệm cường độ nén, đúc các tổ
mẫu thí nghiệm kích thước (151515)cm,
mẫu chế tạo và bảo dưỡng theo TCVN
3105:2022. Kết quả thí nghiệm Rn của các
cấp phối bê tông ở 7 và 28 ngày tuổi như
trong biểu đồ hình 1.
Hình 1. Biểu đồ so sánh Rn của các cấp phối BT
3.4. Kết quả thí nghiệm độ mài mòn
Các mẫu bê tông thí nghiệm độ mài mòn
được chế tạo và thí nghiệm theo tiêu chuẩn
ASTM C1138:05. Kết quả thí nghiệm độ mài
mòn của các mẫu BT ở tuổi 28 ngày như
bảng 5.
Bảng 5. Kết quả thí nghiệm độ mài mòn
Cấp phôi Độ mài mòn, Mm (%)
CP1 3,55
CP2 2,36
CP3 1,92
CP4 1,70
CP5 1,78
CP6 1,82
3.5. Kết quả thí nghiệm mác chống thấm
Đúc các tổ mẫu BT có kích thước
(D15H15) cm. Các mẫu BT sau khi đúc sẽ
được tháo khuôn, bảo dưỡng trong điều kiện
tiêu chuẩn cho đến khi mẫu đủ ngày tuổi thí
nghiệm. Tiến hành thí nghiệm kiểm tra mác
chống thấm của các cấp phối bê tông ở 28
ngày tuổi, kết quả được thể hiện ở bảng 6.
Bảng 6. Kết quả thí nghiệm mác chống thấm
Cấp phôi Mác chống thấm, W (at)
CP1 W12
CP2 W12
CP3 W14
CP4 W16
CP5 W16
CP6 W14
4. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN
+ Bê tông tính năng cao thiết kế với PGK
siêu mịn là SF có pha PGSD với hàm lượng
hợp lý thì tất cả các cấp phối bê tông đều có
độ sụt thỏa mãn yêu cầu thiết kế, đảm bảo
yêu cầu thi công bê tông theo TCVN
8218:2009 và TCVN 9139:2012.
+ Về cường độ nén: Với các vật liệu đã
được lựa chọn để thiết kế thành phần bê tông
tính năng cao đều đạt mác thiết kế yêu cầu.
Khi thay thế hàm lượng SF từ 5 đến 25%
khối lượng xi măng trong thành phần bê tông
thì cường độ của bê tông ở tuổi 28 ngày đều
vượt mác thiết kế. Tuy nhiên khi thay thế
15% SF (CP4) thì cường độ của bê tông ở 28
ngày tuổi là cao nhất (đạt Rn28 = 82,6 MPa),
sau đó cường độ giảm dần khi hàm lượng SF
thay thế tăng lên. Điều này có thể do thực tế
là phản ứng pozzolanic không hết với thành
phần hoạt tính SiO2VĐH và hiệu ứng điền đầy
của phụ gia SF chưa triệt để.
+ Tương tự đối với độ mài mòn, kết quả
thí nghiệm cho thấy khi bê tông có phụ gia
khoáng hoạt tính siêu mịn SF thì bê tông có
độ mài mòn thấp hơn rất nhiều so với mẫu bê
tông đối chứng. Ngoài ra, bê tông có hàm
lượng SF hợp lý (CP4, CP5) thì độ mài mòn
là thấp nhất. Điều này phù hợp với cường độ
chịu nén của bê tông.
+ Mác chống thấm của bê tông có pha phụ
gia khoáng siêu mịn (SF) tăng lên so với loại
không có phụ gia (mẫu đối chứng) từ 1 đến 2
cấp. Trong thiết kế thành phần bê tông tính
năng cao với hàm lượng pha trộn PGK (SF)
và PGSD hợp lý, sẽ sản xuất được một loại
bê tông tính năng cao có mác chống thấm
cao, đáp ứng yêu cầu thi công các công trình
Thủy lợi có yêu cầu cao về chống thấm (W12
đến W16).
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TCVN 2682:2009: Xi măng Poóc lăng -
Yêu cầu kỹ thuật.
[2] TCVN 7570:2006: Cốt liệu cho bê tông và
vữa - Yêu cầu kỹ thuật.
[3] ASTM C1240-00: Standard Specification
for Use of Silica Fume as a Mineral
Admixture in Hydraulic Cement Concrete,
Mortar, and Grout.