Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008
170
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊTÔNG TỰ LÈN TRONG
XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ, SÂN BAY
A STUDY ABOUT APPLICATION OF SELF-COMPACTING CONCRETE FOR
HIGHWAY & RUNWAY
SVTH: LÊ HỒNG ANH-NGUYỄN TUẤN VIỆT
03X3A, Khoa XDCĐ, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHĐN
GVHD: GVC.ThS. NGUYỄN BIÊN CƯƠNG
Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách Khoa
TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu thiết kế cấp phối Bêtông tự lèn SCC (Self Compacting Concrete) với
đầy đủ các tính chất cơ lý (tính công tác của hỗn hợp bêtông SCC cũng như tính chất cơ lý
của bêtông) thoả mãn các yêu cầu khi áp dụng vào thi công mặt đường bêtông xi măng trong
xây dựng đường ô tô, sân bay.
ABSTRACT
This report discusses about designing aggregate gradation of SCC (Self-Compacting
Concrete) with suitable physical-mechanical characteristics such as properties in the fresh
state and in the hardening state of SCC to satisfy the demands for applications in Highway and
Runway.
1. Mở đầu
1.1. Đặt vấn đề
Phát triển mặt đường BTXM là một định hướng trong tương lai gần cho đường trục ô
tô và đường sân bay ở việt nam. Tuy nhiên, thiết bị san rải và đầm nén loại mặt đường này
hiện nay rất đắt. Nếu tuyến có quy mô, khối lượng nhỏ, thường thì phương án mặt đường
BTXM khó được lựa chọn.
Trên thế giới, việc ứng dụng SCC (Self-Compacting Concrete) trong lĩnh vực xây
dựng hiện nay không phải là mới. SCC đã được sử dụng trong hàng loạt các công trình xây
dựng lớn trên thế giới như cầu Akagashi, cầu Ritto trên tuyến đường cao tốc mới Meishin-Nhật
Bản hay ở trong nước gần đây nhất là chung cư Trung Hoà (công ty VINACONEX thi công).
Việc nghiên cứu ứng dụng thành công SCC làm mặt đường BTXM cho phép mở rộng phạm vi
áp dụng loại mặt đường này trong điều kiện nước ta mà không nhất thiết phải nhập những thiết
bị thi công đặc chủng, tốn kém kinh phí.
1.2. Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu thiết kế cấp phối SCC có đầy đủ các tính chất: tính công tác của hỗn hợp
bêtông SCC cũng như tính chất cơ lý của
bêtông, thoả mãn các yêu cầu để ứng dụng thi
công mặt đường bêtông xi măng trong đường ô
tô – sân bay. Cụ thể là:
- Độ chảy xoè SF= 650÷760 (mm)
- Thời gian độ chảy xoè đạt 500mm
T500= 3÷7 (s).
- BT SCC: thiết kế bêtông
M55/6,5;M60/7,0.
1.3. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết về cốt liệu, cấp
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008
phối, hỗn hợp SCC, tính chất SCC và các phương pháp thử nghiệm cần thiết.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp tính toán lý thuyết kết hợp thực nghiệm trong phòng (thí nghiệm các chỉ
tiêu cơ lý vật liệu, hỗn hợp và tính chất SCC).
2. Nội dung nghiên cứu
2.1. Tổng quan về Bêtông tự lèn SCC
Bê tông tự lèn SCC (Self-compacting concrete) là bê tông có khả năng chảy
dưới trọng lượng bản thân và làm đầy hoàn toàn cốp pha thậm chí trong cả những nơi dầy
đặc cốt thép mà không cần bất cứ tác động cơ học nào mà vẫn đảm bảo tính đồng nhất.
SCC có các đặc điểm tương đối giống các loại BTXM thông thường, được chế tạo từ
các vật liệu cấu thành như chất kết dính xi măng, cốt liệu, nước và phụ gia.
Sự khác nhau cơ bản trong công nghệ thi công SCC là không có công đoạn tạo chấn
động lèn chặt bê tông. Ðể làm đầy cốp pha bằng
trọng lượng bản thân nó, SCC cần đạt khả năng
chảy cao đồng thời không bị phân tầng. Vì vậy đặc
trưng cơ bản của loại bê tông này là sự cân bằng
giữa độ chảy và sự không phân tầng của hỗn hợp
bê tông. Ðể đạt được điều này, SCC cần có các yêu
cầu sau:
- Sử dụng phụ gia siêu dẻo để đạt khả năng
chảy dẻo cao của hỗn hợp bê tông.
- Sử dụng hàm lượng lớn phụ gia mịn để tăng độ linh động của vữa xi măng.
- Hàm lượng cốt liệu lớn trong bê tông ít hơn so với bê tông thông thường.
Nguyên tắc thiết kế thành phần SCC
ÂAÛT
THAÌNH PHÁÖN
BÃTÄNG TÆÛ LEÌN
Yãu cáöu thiãút kãú bãtäng
- Tênh cäng taïc cuía häùn håüp bãtäng
- Mæïc âäü tæû leìn cuía nhoïm häùn håüp bãtäng
- Tênh cháút cå lyï cuía bãtäng
Cáúu truïc cáúu kiãûn
Phæång phaïp thi cäng
Âiãöu kiãûn mäi træåìng
Träün häùn håüp bãtäng
Tênh cháút cå lyï
cuía bãtong
(2) Kêch thæåïc låïn nháút cuía
cäút liãûu, tè lãûthãø têch cäút liãûu
låïn nháút trong häùn håüp bãtäng
(6) Haìm læåüng bäüt, ximàng,
phuû gia mën
(8) Haìm læåüng cäút liãûu nhoí
Häùn håüp bãtäng
(7) Phuû gia siãu deío
(3) Haìm læåüng næåïc
(4) Tè lãû Næåïc/Ximàng+PG mën
(5) Tè lãû Næåïc/Ximàng
(1) Nguyãn váût liãûu
THIÃÚT KÃÚ THAÌNH PHÁÖN
ÂAÛT
KHÄNG
ÂAÛT KHÄNG
ÂAÛT
Hình 1. Nguyên tắc thiết kế thành phần bêtông tự lèn SCC
171
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008
172
Theo giáo sư Okamura và Ozawa, khi thiết kế thành phần SCC cần sử dụng các
nguyên tắc sau:
- Tỷ lệ nước/bột thấp.
- Hàm lượng phụ gia siêu dẻo cao.
- Hàm lượng cốt liệu lớn tối thiểu.
Các yêu cầu khác tương tự như với bêtông thường.
Phương pháp thiết kế thành phần SCC
Hiện nay, có nhiều phương pháp thiết kế thành phần SCC được đưa ra trên thế giới.
Trong số đó có 2 phương pháp thiết kế thành phần SCC thường được áp dụng là:
- Phương pháp thiết kế thành phần SCC của Hiệp Hội Bêtông Nhật Bản (JSCE) và
EFNARC (Anh)
- Phương pháp thiết kế của giáo sư Okamura (Nhật Bản).
Theo phương pháp thiết kế của JSCE & EFNARC thì quá trình thiết kế thành phần
SCC được JSCE thiết lập năm 1998 và EFNARC năm 2002 (điều chỉnh năm 2005), dựa trên
các kinh nghiệm nghiên cứu cũng như thực tế tại các công trường ở Nhật Bản và Châu Âu,
được trình bày tóm tắt ở Hình 2.
Hình 2. Quy trình thiết kế SCC theo JSCE Hình 3. Quy trình thiết kế SCC theo
Hàm lượng khí 4-7%
Quan hệ t
ỷ
lệ thể tích CLL: 0,50
Lư
ợ
n
g
CLL cho 1 m3 bêtôn
g
Tỉ lệ thể tích CLN trong thể tích vữa: 0,4
Hàm lư
ợ
n
g
cốt li
ệ
u nhỏ CLN
Kiểm tra đạt độ xoè vữa bằng 245mm
Tỉ l
ệ
Nước/B
ộ
t
Kiểm tra:
Đạt độ xoè vữa bằn
g
245 mm
Thời
ian chả
ua
hễu V: 10
iâ
Hàm lư
ợ
n
g
p
h
ụ
g
ia
Lư
ợ
n
g
cốt li
ệ
u lớn cho 1m3 bêtôn
g
Thể tích tu
yệ
t đối CLL: 0
,
28-0
,
35
m
3
Ðườn
g
kính h
ạ
t lớn nhất Dmax: 20-25 mm
Hàm lư
ợ
n
g
nước: 150-210 lít
Tỉ l
ệ
N/B: 28-37% theo khối lư
ợ
n
g
0
,
85-1
,
10 theo thể tích
Hàm lư
ợ
n
g
B
ộ
t: 380-600 k
g
Hàm lượng khí: 4,5%
Hàm lư
ợ
n
g
CLN
Hàm lư
ợ
n
g
p
h
ụ
g
ia siêu
d
ẻo
EFNARC OKAMURA
Phương pháp thiết kế thành phần của giáo sư OKAMURA và các đồng nghiệp: GS
Okamura là một trong những người tiên phong nghiên cứu về SCC tại Nhật Bản. Phương pháp
thiết kế thành phần của ông được đưa ra từ năm 1993 và trình bày tóm tắt ở Hình 3.
Một số ví dụ về cấp phối SCC đã được sử dụng ở Nhật Bản (J), Châu Âu (E) và Hoa
Kỳ (U) được thể hiện ở các Bảng 1.
Bảng1. Một số cấp phối SCC đã được sử dụng tại Nhật Bản, Châu Âu và Hoa Kỳ
Thành Phần Ở NHẬT BẢN ở Châu Âu Ở Hoa Kỳ
CP J1 CP J2 CP J3 CP E1 CP E2 CP E3 CP U1 CP U2 CP U3
Nước, kg 175 165 175 190 192 200 174 180 154
Ximăng ,kg 530*** 220 298 280 330 310 408 357 416
Tro bay, kg 70 0 206 0 0 190 45 0 0
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008
Bột đá vôi, kg 0 0 0 245 0 0 0 0 0
Xỉ lỏ cao, kg 0 220 0 0 200 0 0 119 0
Silica fume, kg 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Cốt liệu mịn, kg 751 870 702 865 870 700 1052 936 1015
Cốt liệu thô, kg 789 825 871 750 750 750 616 684 892
HRWR,kg 9 4,4 10,6 4,2 5,3 6,5 1602* 2500* 2616*
VMA, kg 0 4,1 0,0875 0 0 7,5 0 0 542*
Độ chảy xoè SF, mm 625 600 660 600-750 600-750 600-750 710 660 610
Trong đó:
+ *: đơn vị ml.
+ ***: cấp phối 1 sử dụng xi măng Portland toả nhiệt thấp.
+ *1: cấp phối sử dụng cho bêtông làm bể chứa LNG.
+ *2: cấp phối sử dụng cho bêtông móng giếng chìm khối lớn của cầu.
+ *3: cấp phối sử dụng cho kết cấu bêtông cốt thép.
+ HRWR: phụ gia siêu dẻo giảm nước mức độ cao.
+ VMA: phụ gia điều chỉnh độ nhớt.
Nhận xét và đề xuất phương pháp thiết kế cấp phối:
Phương pháp thiết kế thành phần theo EFNARC tương đối rõ ràng với các chỉ tiêu cụ
thể hơn so với phương pháp thiết kế thành phần theo giáo sư Okamura.
Với phương pháp VMA-type sử dụng hàm lượng lớn phụ gia điều chỉnh độ nhớt. Loại
phụ gia này có giá thành đắt, do đó sẽ tăng chi phí khi áp dụng vào xây dựng.
Từ những nhận xét trên, đề xuất phương pháp thiết kế thành phần theo EFNARC kết
hợp phương pháp Powder-type (sử dụng hàm lượng bột đá vôi lớn kết hợp silicafume) nhằm
giảm giá thành, tạo cho SCC có tính ứng dụng cao vào xây dựng đường ô tô.
2.2. Lựa chọn, thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu
Nguyên vật liệu để chế tạo SCC gồm xi măng, silica fume, bột đá vôi, cốt liệu nhỏ, cốt
liệu lớn và phụ gia siêu dẻo.
- Xi măng: đề xuất sử dụng XM Nghi sơn PCB40.
- Phụ gia mịn làm đầy: nhằm giảm giá thành,nâng cao khả năng ứng dụng SCC, đề tài
sử dụng 2 loại sau:
- Bột đá vôi Nghệ An.
- Silica fume PP1: cung cấp bởi SIKA, γsfx=2g/cm3.
- Cốt liệu mịn (cát): đề xuất dùng cát Tuý Loan.
- Cốt liệu thô: đề xuất dùng loại đá Phước Tường Dmax10
- Phụ gia siêu dẻo: sử dụng Viscocre HE10-AT cung cấp bởi SIKA, liều dùng 1,1%.
Các loại vật liệu thành phần trên có các chỉ tiêu cơ lý đạt yêu cầu dùng cho BTXM,
được kiểm chứng tại PTN VLXD và PTN cầu-đường trường ĐHBK – ĐHĐN.
2.3. Lựa chọn phương pháp chế bị mẫu và thí nghiệm
Các phương pháp thí nghiệm xác định các tính chất cơ bản của hỗn hợp SCC được
trình bày ở bảng 2.
Bảng 2.Các phương pháp thí nghiệm hỗn hợp SCC
Tính chất hỗn hợp SCC Thí nghiệm kiểm tra
Khả năng chảy SF Thí nghiệm độ chảy xoè SF
Tính nhớt Thí nghiệm thời gian độ chảy xoè đạt 500mm T500
Khả năng chảy qua cốt thép Thí nghiệm hộp L (hoặc vòng J)
Khả năng chống phân tầng Thí nghiệm phễu V sau 5phút
173
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008
174
Hình5. Thí nghiệm chảy xoè-kiểm tra khả năng chảy và độ nhớt của hỗn hợp SCC
Do tính chất của đường BTXM là bố trí rất ít cốt thép hoặc có bố trí nhưng không đáng
kể nên chọn tính công tác chính của hỗn hợp SCC là khả năng chảy SF & tính nhớt.
Thí nghiệm cường độ chịu nén và cường đọ chịu kéo của mẫu BTXM nên sử dụng các mẫu
dầm 15x15x60.
2.4. Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của SCC
Các cấp phối nghiên cứu thể hiện ở Bảng 3
Bảng 3. Các cấp phối SCC nghiên cứu
Vật liệu Đơn vị Khối lượng
CP 1 (M55/6,5) CP 2 (M60/7,0)
Khối lượng cốt liệu lớn (Đ) kg/m3 728,73 728,73
Hàm lượng bột (B=SF+XM) kg/m3 500,00 528,00
Hàm lượng silica fume (SF) kg/m3 45,45 48,00
Hàm lượng ximăng (XM) kg/m3 454,55 480,00
Hàm lượng phụ gia (PG) l/m3 5,50 5,88
Hàm lượng cát (C) kg/m3 713,59 705,14
Hàm lượng bột đá vôi (BĐ) kg/m3 90,91 96,00
Hàm lượng nước (N) l/m3 195,00 187,00
Kết quả thí nghiệm khảo sát các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp SCC, tính chất của SCC được thể
hiện ở Bảng 4.
Hình 6. Thí nghiệm SF cấp phối 1 Hình 7. Thí nghiệm SF cấp phối 2
Bảng 4. Tính công tác của hỗn hợp SCC và cường độ SCC
Cấp Phối
SCC
Tính công
tác
Cường độ
R7
Cường độ
R14
Cường độ
R21
Cường độ
R28
SF
(mm)
T500
(s)
Rn
(Mpa)
Rku
(Mpa)
Rn
(Mpa)
Rku
(Mpa)
Rn
(Mpa)
Rku
(Mpa)
Rn
(Mpa)
Rku
(Mpa)