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

XN : Tỷ lệ nước trên xi măng

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. 28Bảng 1.2. Các tính chất cơ học của Ductal. 28Bảng 1.3. Các công trình xây dựng sử dụng sản phẩm Ductal. 29Bảng 2.1. Các đặc tính điển hình của một số sợi dùng trong bê tông. 48Bảng 2.2. Quan hệ giữa kiểu sắp xếp và độ rỗng giữa các hạt. 58Bảng 3.1. Tính chất vật lý của cát vàng. 65Bảng 3.2. Bảng thành phần hạt của cát. 65Bảng 3.3. Tính chất cơ lý của xi măng Bút Sơn PC40. 66Bảng 3.4. Nguồn gốc các loại phụ gia khoáng mịn. 67Bảng 3.5. Tính chất và thành phần hạt của silicafume Elkem. 68Bảng 3.6. Tính chất và thành phần hạt của tro bay nhiệt điện Phả Lại. 68Bảng 3.7. Thông số kỹ thuật của sợi PP. 71Bảng 4.1. Các tỷ lệ vật liệu sử dụng. 72Bảng 4.2. Cấp phối sơ bộ của hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao. 72Bảng 4.3. Mã hóa các biến số và các điểm quy hoạch thực nghiệm. 74Bảng 4.4. Cấp phối bê tông hạt mịn theo quy hoạch thực nghiệm bậc nhất. 74Bảng 4.5. Kết quả cường độ nén của bê tông ở tuổi 14 ngày quy hoạch bậc nhất. 74

Bảng 4.6. Quan hệ giữa cường độ bê tông tỷ lệCKD

C và XN . 76

Bảng 4.7. Mã hóa các biến số và các điểm quy hoạch thực nghiệm. 77Bảng 4.8. Cấp phối thực nghiệm bậc hai. 78Bảng 4.9. Kết quả thí nghiệm độ chảy và cường độ nén theo quy hoạch bậc hai. 78Bảng 4.10. Kết quả kiểm tra hệ số phương trình hồi quy cường độ bê tông. 79Bảng 4.11. Kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối hợp lý của bê tông hạt mịn. 83Bảng 4.12. Kết quả khảo sát lượng dùng cốt sợi polypropylene 83Bảng 5.1. Cấp phối của các mẫu bê tông thí nghiệm. 85Bảng 5.2. Kết quả thí nghiệm tính công tác của hỗn hợp bê tông hạt mịn. 86Bảng 5.3. Các tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao. 87Bảng 5.4. Kết quả cường độ kháng trượt của mẫu bê tông. 90Bảng 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

Hình 4.1. Bề mặt biểu hiện sự phụ thuộc của tỷ lệ CKD

C và XN đến độ chảy. 81

Hình 4.2. Bề mặt biểu hiện sự phụ thuộc của CKD

C và XN đến cường độ nén. 81

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.

− Tỷ lệ CKD

N thấp nhưng vẫn đảm bảo tính công tác tốt, khả năng dễ tạo hình

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

trong. Kết quả là tỷ lệ XN của hồ xi măng ở vùng chuyển tiếp cao hơn nhiều so với tỷ lệ

XN của hồ xi măng ở những vùng khác cách xa bề mặt cốt liệu.

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.

Trong cấu trúc của bê tông chất lượng cao có tỷ lệ XN nhỏ do sử dụng các loại phụ

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.

Bª t«ng cã hμm lù¬ng cèt sîi cao

Bª t«ng th−êng

P

T¶i

trän

g

ε§é vâng Bê tông có hàm lượng cốt sợi cao

§é vângT

¶i tr

äng

Bª t«ng th−êng

Bª t«ng cã hμm l−îng cèt sîi thÊp

P

ε 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

được chế tạo với tỷ lệ nước trên xi măng (XN ) thấp hơn so với bê tông thường.

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,

tỷ lệ XN này rất gần với giá trị tỷ lệ

XN lý thuyết, cần thiết để xi măng pooclăng thuỷ

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.

- Tăng cường độ của vùng tiếp xúc nhờ việc giảm tỷ lệ XN bằng cách dùng phụ

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

dẻo, cốt sợi phân tán được nhào trộn với nhau theo tỷ lệ nhất định trong đó tỷ lệ XN rất

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.

20

Một ứng dụng rất to lớn của bê tông hạt mịn chất lượng cao có dùng cốt sợi đó là

chế tạo các lớp phủ tăng cường có chiều dày rất nhỏ (Thin and Ultra thin Whitetopping)

trên mặt đường cao tốc, trên cầu hoặt trên mặt đường sân bay.

1.4. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO DÙNG

CHO MẶT ĐƯỜNG SÂN BAY

1.4.1. Giới thiệu sân bay và đường băng sân bay

Theo tài liệu [9] có thể chia thành ba loại sân bay khác nhau đó là:

− Sân bay dân dụng được sử dụng cho các hoạt động vận tải, dịch vụ hàng

không hoặc du lịch. Các sân bay dân dụng phục vụ cho vận tải hàng không được gọi

là cảng hàng không.

− Sân bay quân sự là vị trí cất – hạ cánh của các phi đội máy bay chiến đấu

hoặc khi cần để tập hợp lại các phi đội máy bay chiến đấu. Vì vậy, chúng không

được sử dụng thường xuyên.

− Sân bay kỹ thuật thường ở ngay tại các nhà máy chế tạo hoặc sửa chữa máy

bay và là sân bay thí nghiệm cho các máy bay bay thử.

Sự phân biệt giữa ba loại sân bay này không phải luôn rõ ràng, bởi vì trong thực tế

một sân bay thường đảm nhiệm nhiều chức năng.

Bộ phận chính của cảng hàng không đó là sân – đường, nơi dành cho máy bay cất

cánh, hạ cánh, lăn bánh và có cả chỗ đỗ máy bay, phục vụ máy bay. Các bộ phận chính

của sân – đường bay bao gồm: đường băng, đường lăn, sân đỗ và các dải bảo hiểm.

Theo [9], đường băng là bộ phận sử dụng để cất – hạ cánh trong sân bay. Trên các

sân bay có số lần cất – hạ cánh máy bay lớn thì yêu cầu phải làm đường băng có bề mặt

cứng chắc, có khả năng tiếp nhận tốt tải trọng của bánh máy bay.

Mặt đường băng phải có độ dốc ngang bảo đảm thoát nước tốt. Hai bên đường

băng phải bố trí hệ thống thoát nước để nước thoát ra khỏi khu vực bay. Mặt cắt dọc của

đường băng phải đảm bảo tầm nhìn và độ bằng phẳng theo yêu cầu của chuyên môn,

những chỗ đổi dốc phải bố trí đường cong đứng.

21

Theo thống kê, ở các nước trên thế giới cũng như tại Việt Nam thường có hai loại

vật liệu chính thường để dùng làm mặt đường sân bay đó là: Bê tông xi măng được

dùng làm mặt đường cứng và vật liệu bê tông át phan rải nóng làm mặt đường mềm.

Lớp bê tông xi măng (Portland cement Concret - PCC) được đổ lên trên kết cấu

mặt đường bê tông át phan rải nóng (hot mix asphalt - HMA) được gọi là bê tông lớp

phủ mặt đường (whitetopping). Theo [25], lớp phủ này có độ bền trên 80 năm và được

chia thành 3 loại chính:

− Lớp phủ thông thường: Đây là một lớp bê tông rải mỏng có chiều dày

khoảng 200 mm hoặc lớn hơn tùy thuộc vào thiết kế và lực liên kết giữa lớp PCC và

lớp HMA bên dưới.

− Lớp phủ mỏng (Thin whitetopping - TWT) có chiều dày từ 100 ÷ 200 mm.

− Lớp phủ siêu mỏng (Ultra thin whitetopping - UTW) có chiều dày nhỏ hơn

100 mm. Lớp phủ này có yêu cầu phải liên kết tốt với lớp bê tông át phan bên dưới.

Lớp bê tông hạt mịn chất lượng cao dùng để chế tạo các lớp phủ mỏng, được sử

dụng trong nhiều công trình như:

+ Chế tạo các bộ phận hạ tầng của sân – đường bay, bao gồm: Đường băng,

đường lăn, sân đỗ máy bay và các dải bảo hiểm.

+ Làm lớp mặt đối với các loại mặt đường ô tô, bãi đỗ và sân bay.

+ Lớp mặt tăng cường cho các loại mặt đường đã hết tuổi thọ như: Mặt đường bê

tông át phan, mặt đường bê tông xi măng.

1.4.2. Các ưu điểm khi sử dụng bê tông hạt mịn làm lớp phủ mỏng

Theo [25], [29] khi sử dụng bê tông hạt mịn chất lượng cao làm lớp phủ mỏng có

các ưu điểm chính sau:

− Tuổi thọ tương đối cao, cao hơn mặt đường bê tông át phan. Tuỳ theo cấp

hạng đường và tiêu chí đánh giá của từng nước nhưng nói chung tuổi thọ của mặt

đường bê tông xi măng (BTXM) được lấy vào khoảng 20 ÷ 50 năm, Trung Quốc

lấy 45 năm. Tuổi thọ thực tế của mặt đường BTXM nhiều khi lớn hơn dự kiến khi

thiết kế có thể đạt đến 80 năm [25]

22

− Cường độ mặt đường BTXM cao và không thay đổi theo nhiệt độ như mặt

đường nhựa, thích hợp với tất cả các loại xe, ổn định cường độ đối với điều kiện độ

ẩm cao và nhiệt độ lớn, cường độ không những không bị giảm mà có giai đoạn còn

tăng theo thời gian (không bị hiện tượng lão hoá như mặt đường bê tông át phan).

− Có khả năng chống bào mòn, ma sát giữa giữa bề mặt bánh xe với mặt

đường bê tông xi măng cao hơn nhiều so với mặt đường bê tông nhựa, đặc biệt là

khi thời tiết mưa ẩm.

− Chi phí duy tu, bảo dưỡng thấp.

Do thời gian sử dụng tương đối dài, chi phí duy tu bảo dưỡng thấp nên tổng giá

thành xây dựng và khai thác của mặt đường bê tông xi măng thấp hơn so với mặt đường

bê tông át phan.

1.4.3. Nhược điểm của lớp phủ mỏng bê tông hạt mịn chất lượng cao

− Bề mặt lớp phủ thông thường tồn tại các khe nối, vừa làm phức tạp thêm cho

việc thi công và duy tu, bảo dưỡng, vừa tốn kém, lại vừa ảnh hưởng đến chất lượng

vận hành, khai thác. Khe nối lại là chỗ yếu nhất của mặt đường BTXM, khiến cho

chúng dễ bị phá hoại ở cạnh và góc tấm.

− Móng đường BTXM yêu cầu có độ bằng phẳng cao, chất lượng đồng đều và

liên tục. Không được xây dựng mặt đường BTXM trên nền đường có cốt còn tiếp

tục lún như đi qua vùng đất yếu.

− Xây dựng mặt đường BTXM chất lượng cao cho các tuyến đường cấp cao và

đường cao tốc đòi hỏi phải có thiết bị thi công đồng bộ, hiện đại và quy trình công

nghệ thi công chặt chẽ.

− Chi phí xây dựng ban đầu đối với mặt đường BTXM thường cao hơn so với

các loại mặt đường khác.

1.4.4. Các đặc điểm của mặt đường sân bay và mặt đường ô tô

Mạng lưới đường ô tô của mỗi nước có những quy định riêng về trọng lượng của

trục bánh thiết kế, phụ thuộc vào điều kiện kinh tế, xã hội và điều kiện tự nhên của mỗi

nước. Theo [22] tải trọng trục bánh thiết kế của nước ta là 100kN (hoặc một bánh kép

50kN) với áp lực hơi trong bánh xe là 0,65MPa.

23

Với sân bay, do việc vận tải hàng không không có biên giới, hệ thống sân - đường

của sân bay phải tuân thủ các quy định của Tổ chức Hàng không dân dụng quốc tế

(ICAO). Tải trọng trên một càng bánh máy bay có thể lớn hơn 900kN (máy bay Boeing

747) với áp lực hơi trong bánh 1,25MPa (có thể lên đến 1,5 hoặc 1,6 MPa).

Tốc độ lớn nhất của ô tô vận tải trên tất cả các loại mặt đường ôtô của các nước

thường không quá 60km/h. Trên sân bay, tốc độ của máy bay lại phụ thuộc vào kết cấu

của bộ phận sân - đường: Mặt đường băng có chất lượng cao thì cho phép các máy bay

cất – hạ cánh với tốc độ lớn và số lần cất – hạ cánh cũng tăng lên. Vì vậy, phải tiêu

chuẩn hóa việc thiết kế và khai thác mặt đường sân bay theo các quy định của ICAO.

Do tải trọng thẳng đứng của bánh máy bay rất lớn nên chiều dày mặt đường sân

bay thường lớn hơn nhiều so với chiều dày mặt đường ôtô. Tải trọng ngang tác dụng

trên mặt đường sân bay cũng lớn hơn rất nhiều so với trên đường ôtô. Vì vậy, nếu thi

công lớp dính bám trong kết cấu mặt đường mềm sân bay không tốt thì thường xuất

hiện sự trượt của lớp mặt trên lớp móng tại các khu vực chịu các tải trọng lớn và các

đoạn đường hãm phanh.

Từ đó, với kết cấu mặt đường mềm của đường ô tô cấp cao người ta thường làm

thành làn xe riêng cho các loại xe tải vì có nguy cơ hình thành vệt lún bánh xe trên làn

xe này. Trong sân bay, nguy cơ này chỉ xuất hiện trên đường lăn, vì máy bay lăn với tốc

độ thấp và vệt bánh luôn tác dụng qua cùng một chỗ.

Theo [9], [22] để chịu được tác dụng của các tải trọng lớn và các ứng suất tiếp lớn

của bánh máy bay, người ta thường dùng vật liệu bê tông xi măng chất lượng cao để

làm các kết cấu mặt đường cứng của sân bay, hoặc có thể dùng chúng để làm mặt

đường cứng ở hai đầu đường băng tại các sân bay quân sự vì phải chịu tác dụng nhiệt

của các động cơ phản lực.

1.4.5. Các yêu cầu khi sử dụng bê tông làm lớp mặt đường sân bay

Theo các tài liệu [9], [22], khi sử dụng bê tông xi măng làm lớp phủ mặt đường

sân bay cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

− Bảo đảm cho máy bay lăn bánh an toàn và thuận lợi. Chức năng này đòi hỏi

lớp mặt phải bảo đảm được các yêu cầu về cường độ và độ ổn định dưới tác dụng

của tải trọng cũng như phải thoả mãn các yêu cầu về độ nhám và độ bằng phẳng.

24

− Bảo vệ nền móng dưới tác dụng của nước và độ ẩm. Yêu cầu này đòi hỏi lớp

mặt phải không thấm nước và phải có một chiều dày tối thiểu bảo đảm không xuất

hiện đường nứt dưới tác dụng của tải trọng hoặc do sự truyền nứt từ lớp móng cứng.

− Yêu cầu về cường độ, chống hiện tượng hình thành các vệt lún bánh xe và

hiện tượng mỏi: Do tần suất tác dụng của máy bay tại một vị trí nhỏ hơn nhiều so

với đường ô tô nên yêu cầu chỉ tiêu này không khắt khe như với mặt đường ô tô.

Tuy nhiên, mặt đường sân bay chịu tải trọng lớn hơn nên phải sử dụng hỗn hợp bê

tông nhựa có độ dãn dài khi phá hoại cao hơn so với bê tông nhựa của đường ô tô.

− Yêu cầu về độ nhám: Do số lần hạ cánh của sân bay không lớn nên yêu cầu

đối với độ nhám không cao như đối với mặt đường ô tô, vì bánh máy bay ít làm hao

mòn và trơn nhẵn cốt liệu. Độ nhám (độ bám giữa bánh máy bay và mặt đường) của

mặt đường khô và sạch thường là phù hợp với yêu cầu. Tuy nhiên, khi mặt đường bị

ướt thì thường không đủ độ nhám và mặt đường trở nên trơn trượt.

Vì vậy, khi xây dựng và khai thác mặt đường sân bay cần đặc biệt chú ý đến độ

nhám khi mặt đường ẩm ướt. Để vận hành an toàn, mặt đường sân bay phải đủ độ bám

để hãm phanh khi máy bay hạ cánh (hoặc hãm phanh trong trường hợp việc cất cánh bị

gián đoạn vì lý do kỹ thuật) và để quay bánh khi máy bay tiếp đất lúc hạ cánh.

Do đó, để đạt được độ nhám vĩ mô trên mặt đường bê tông xi măng cần phải xẻ

rãnh tạo nhám. Ở mặt đường sân bay vai trò của độ nhám vi mô không rõ ràng.

− Tính không thấm nước: Nước làm giảm sức chịu tải của kết cấu mặt đường.

Do điều kiện thoát nước của mặt đường sân bay khó khăn hơn so với mặt đường ô

tô (khoảng cách thoát nước xa, thời gian thoát nước mặt trên đường băng lâu) làm

cho tính không thấm nước trở thành một yêu cầu chính đối với mặt đường sân bay

đó là điểm ưu tiên để bảo đảm chất lượng. Muốn vậy, hỗn hợp bê tông nhựa phải có

độ chặt và độ dễ thi công cao.

− Độ bằng phẳng: Theo [9] kiến nghị của Tổ chức Hàng không dân dụng quốc

tế (ICAO) thì bề mặt đường băng không được gồ ghề làm giảm hiệu quả của việc

hãm phanh hoặc có hại cho việc cất cánh và hạ cánh của máy bay. Trên đường lăn

25

của sân bay, do tốc độ lăn bánh của máy bay thấp hơn (20 ÷ 60km/h) nên yêu cầu

về độ bằng phẳng chỉ xấp xỉ với độ bằng phẳng của đường ô tô.

- Bảo đảm sự toàn vẹn của lớp mặt: Dưới tác dụng lực của máy bay (ứng suất do

tải trọng gây ra, do nhiên liệu rơi vãi hoặc do sự phụt của động cơ phản lực) và của môi

trường khí hậu (tác dụng của nhiệt độ, độ ẩm và áp suất), mặt đường có thể bị phá hoại

dưới các hình thức:

+ Nứt và rạn vỡ làm cho mặt đường bị thấm nước.

+ Biến dạng (lún, sệ, vệt bánh,…).

Những hư hỏng này làm cho lớp mặt mất tính toàn khối, vật liệu bị bong bật, có

khả năng gây ra những tai nạn nghiêm trọng khi chúng bị động cơ phản lực hút vào.

Vì vậy để bảo đảm sự toàn vẹn của lớp mặt đường trong các công trình cần phải:

+ Sử dụng vật liệu ổn định với tác dụng của xăng dầu để làm lớp mặt của sân đỗ

máy bay, là nơi máy bay đỗ lâu dài và kết hợp với việc bảo dưỡng, sửa chữa. Với đường

băng và đường lăn vấn đề này không cần đặt ra. Có nhiều biện pháp để chống lại tác

dụng ăn mòn của xăng dầu, mà đơn giản nhất là làm sân đỗ bằng bê tông xi măng.

+ Bảo đảm cường độ, chịu được tác động do lực phụt và nhiệt độ của động cơ

máy bay. Đặc biệt với động cơ cánh quạt, vật liệu có thể bị cánh quạt hút văng mạnh

vào máy bay. Vì vậy, yêu cầu vật liệu bê tông làm lớp mặt phải có đủ lực dính với lớp

nền móng.

+ Bảo đảm ổn định dưới tác động của môi trường. Do diện tích lớn hơn, độ dốc

nhỏ hơn, việc thoát nước khó hơn, tần suất tác dụng máy bay ít hơn, cũng như không

được cây cối, nhà cửa che chắn nắng gió,... cho nên ảnh hưởng của các điều kiện khí

hậu và môi trường đối với mặt đường sân bay lớn hơn so với mặt đường ô tô.

Hiện nay với công nghệ bê tông tiên tiến, việc nghiên cứu chế tạo lớp phủ mỏng

bằng bê tông để tăng cường các tính chất cơ học, tăng độ nhám và tuổi thọ của mặt

đường đang được rất nhiều nhà khoa học quan tâm. Loại bê tông sử dụng cho kiểu kết

cấu này thường là bê tông hạt mịn chất lượng cao, có cường độ nén cao, cường độ chịu

kéo khi uốn lớn, có khả năng chống nứt, ổn định thể tích và liên kết rất tốt với lớp bề

mặt kết cấu hiện hữu.

26

1.4.6. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông hạt mịn chất lượng cao

ở các nước trên thế giới

Theo [30], một loại bê tông hạt mịn chất lượng cao, sử dụng cốt sợi phân tán, có cường độ cực cao, đã được công ty Bouygues Lafarge Rhodia sản xuất có tên là Ductal.

Ductal là sản phẩm bê tông hạt mịn chất lượng cao, dùng cốt sợi, có các đặc điểm:

− Có cường độ nén rất cao.

− Cường độ kéo trực tiếp cao, mô đun đàn hồi cao.

− Có tính mềm dẻo và có độ bền cao. Thành phần cấp phối của hỗn hợp bê tông và các tính chất của loại bê tông này

được nêu trong bảng 1.1 và bảng 1.2.

Bảng 1.1. Thành phần cấp phối của hỗn hợp bê tông Ductal (Ductal mix design)

Vật liệu Đơn vị Giá trị các đại lượng

Xi măng kg/m3 710

Silicafume kg/m3 230

Bột cát Quắc kg/m3 210

Cát kg/m3 1020

Sợi kg/m3 40 ÷ 160

Phụ gia siêu dẻo kg/m3 13

Nước trộn kg/m3 140

Bảng 1.2. Các tính chất cơ học của Ductal

Chỉ tiêu Đặc trưng cơ học ở tuổi 28 ngày

Ductal – FM Ductal - FO

Dung trọng (kg/m3) 2500 2500

Cường độ nén (MPa) 150 ÷ 180 100 ÷ 120

Cường độ uốn (MPa) 32 24

Cường độ kéo trực tiếp (MPa) 8 6

Mô đun đàn hồi (MPa) 50 000 50 000

Hệ số nở nhiệt (m/m) 12.10-6 12.10-6

27

Bảng 1.3. Các công trình xây dựng sử dụng sản phẩm Ductal Tên công trình Quốc gia Năm xây dựng

Cầu bộ hành Sherbrooke Canada 1997 Dầm của nhà máy Điện hạt nhân Cattenom

Pháp 1997 ÷ 1998

Martel tree Boulogne, Pháp 1998 Rhodia panels Pháp 2000 Cầu bắc qua sông Seonyu Hàn Quốc 2001 ÷2002 Shower cabins Pháp 2002 ÷2003 Nhà bảo tàng Sofia Queen Madrid – Tây Ban Nha 2003 Cầu Shepherds Australia 2003 ÷2004 Nhà máy điện Eraring Australia 2004 Nhà ga xe lửa Papatoetoe New Zealand 2005

Theo [23], lần đầu tiên lớp phủ bằng bê tông (Concrete Pavement) được dùng

trong mặt đường sân bay hàng không từ năm 1927 ÷ 1928 tại Ford Terminal in

Dearborn, Michigan - Mỹ. Trong thời gian đó, lớp phủ bê tông được dùng rất phổ biến

trong nhiều công trình xây dựng như: Mặt đường cao tốc, mặt đường băng sân bay,…

và đã mang lại nhiều hiệu quả to lớn.

Hình 1.1. Lớp phủ bê tông dùng trong sân bay hàng không tại Ford Terminal in

Dearborn, Michigan – Mỹ. Theo [25], bê tông hạt mịn được sử dụng rộng rãi để chế tạo lớp kết cấu UTW

nhằm phục hồi bất kỳ một khu vực nơi đó bị rửa trôi, lượn sóng của lớp át phan bị

khuyết tật. UTW phổ biến nhất với chiều dày 50 ÷ 200 mm nằm trên lớp HMA. Hiện

28

nay, kỹ thuật này đựơc phát triển cho lớp mặt đường nhỏ, khu vực đỗ xe, sân bay nhẹ.

UTW làm tăng đáng kể chức năng của lớp mặt. UTW được nghiên cứu và sử dụng

nhiều nhất là ở Bắc Mỹ, đặc biệt là Hoa Kỳ [25].

Việc áp dụng đầu tiên của lớp UTW ở đường Luisville ở bang Kentucky năm

1991 và từ đó đã gần 200 dự án ở 28 bang của nước Mỹ. Số liệu thực nghiệm chỉ ra

rằng trong hầu hết các trường hợp thời gian xây dựng ngắn hơn và lâu hơn mới cần sửa

chữa so với bê tông át phan truyền thống. So sánh giá thành lớp bê tông có chiều dày từ

50 ÷ 100 mm rẻ hơn từ 25 ÷ 50% so với lớp bê tông át phan 50 ÷ 75 mm truyền thống

và tuổi thọ gấp 2 lần bê tông át phan.

Đến năm 1999, UTW mới được dùng làm đường chính ở Michigan (Mỹ) nhưng

đã được sử dụng ở đường địa phương như: Tháng 9/1996 đoạn đường vận chuyển tới

công ty thép và trạm trộn bê tông ở Traverse City, tháng 10/1996 ở Coolidge Yard Bus

Terminal, Detroit; tháng 10/1997 ở Washtenaw County.

Khoa giao thông Minnesota cũng đã thiết lập dự án nghiên cứu lớp Whitetopping

cực mỏng ở đoạn ngã ba US-169 sông Elk để nghiên cứu cả về thiết kế và chất lượng

của lớp UTW. Trong đó hỗn hợp bê tông có sử dụng sợi polypropylene hay polyolefin.

Vào năm 1998 với sự giúp đỡ của các Bang, ban quản lý đường và hiệp hội đường

bê tông của Mỹ đã cho thí nghiệm để nghiên cứu trên đoạn dường dài 14,6m với kết cấu

là lớp bê tông xi măng cực mỏng đổ lên trên lớp mặt đường bê tông át phan ở McLean,

Virginia với chiều dày 50 ÷ 100 mm. Mục đích của nghiên cứu: Xác định tính chất của

UTW dưới điều kiện tác động của nhiệt độ và tải trọng bánh xe; nghiên cứu đặc điểm

thiết kế dựa trên tính chất của UTW; xác định sự phản ứng của mặt đường với sự phát

triển của mô hình cơ học.

Lớp phủ bề mặt với vật liệu là bê tông xi măng có cốt sợi phân tán, có thể dùng

chế tạo lớp mặt đường, nơi mà các loại vật liệu làm đường truyền thống thường bị hư

hỏng do bị xô đẩy, nứt vỡ hoặc bị các tác động co ngót biến dạng. UTW tốt nhất dùng

cho đường giao cắt và sửa đường. UTW sẽ giảm chi phí, tăng độ bền, tăng tuổi thọ của

mặt đường. Thi công lớp UTW dễ dàng: Đầu tiên là chế tạo khuôn đường với chiều sâu

100 mm và làm sạch. Sau đó đổ bê tông trực tiếp lên bê tông át phan với việc sử dụng

29

phương pháp làm chặt bằng rung truyền thống. Hỗn hợp bê tông tươi có thể được hoàn

thiện bằng cào hoặc chổi, có thể đặt trực tiếp cảm biến kiểm tra giao thông ở bề mặt lớp

khuôn phía dưới bê tông UTW bằng cách này tránh được ứng suất bên ngoài. Vì mặt

đường cứng không bị lún, dồn hoặc rửa trôi. Cuối cùng, tiến hành tạo các khe rãnh nhỏ

trên mặt đường bằng thiết bị tạo khe, rãnh để tạo hình kết cấu.

Hiện trạng bề mặt sân bay

Williamsburg County Regional

Quá trình thi công sân bay WilliamsburgCounty Regional bằng lớp Whitetopping

Bề mặt sân bay Williamsburg

County Regional sau khi thi công

Sân bay Savannah-Harding được thi

công bằng lớp Ultra thin Whitetopping Hình 1.2. Lớp UTW và TWT được ứng dụng ở Williamsburg – Mỹ

1.4.7. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông hạt mịn chất lượng cao ở

Việt Nam

Những năm gần đây ở nước ta, hầu hết các dự án đường bộ mới đều được thiết kế

theo tiêu chuẩn mặt đường cao tốc, xe chạy với tốc độ có thể đạt trên 100km/h. Vấn đề

đặt ra chính là tạo nhám cho mặt đường, đảm bảo khai thác an toàn không bị trơn trượt

giữa bánh xe và mặt đường.

30

Mặt đường sân bay được xây dựng để máy bay vận hành trên đó. Yêu cầu mặt

đường sân bay phải đủ sức chịu tải trọng, có bề mặt ổn định, bằng phẳng, độ nhám cao

và không có bụi khi sử dụng.

Hình 1.3. Máy bay Boeing 777ER trên sân bay Nội Bài Hình 1.4. Sân bay Đà Nẵng

Để đáp ứng các yêu cầu đó thì vật liệu chế tạo mặt sân - đường của cảng hành

không phải có những tính chất đặc biệt, chất lượng cao. Những năm gần đây nước ta

một số nhà khoa học tại các trường Đại học, các Viện chuyên ngành đã tiến hành nghiên

cứu nhiều công trình khoa học để áp dụng bê tông cường độ cao, bê tông chất lượng cao

vào trong kết cấu của đường sân bay.

Năm 2007, Công ty Tư vấn và Thiết kế Hàng không Việt Nam đã thiết kế và thi

công các kết cấu của mặt đường sân bay Kiến An (Hải Phòng) bằng bê tông cường độ

cao cốt sợi thép. Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội [21] đã có nhiều tác giả

nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi thép tại phòng Thí nghiệm Công trình của trường.

Bên cạnh đó tại Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng đã có nhiều ứng dụng thực

tế hơn, đó là sử dụng bê tông cốt sợi thép để tu bổ và sửa chữa hư hỏng của các công

trình, ví dụ như: Sử dụng bê tông cốt thép phân tán để tu bổ lớp mặt đường công trình di

tích [1], sửa chữa Hangar máy bay [17].

Qua một số tóm lược trên ta thấy, việc nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất

lượng cao sử dụng cốt sợi phân tán, với tính công tác tốt, cường độ chịu nén cao, cường

độ chịu kéo khi uốn lớn, giá thành hạ từ các nguồn vật liệu sẵn có ở Việt Nam, dùng cho

các công trình đường giao thông, đường sân bay là rất cần thiết.

31

Nhận xét chương 1 Trên cơ sở nghiên cứu tổng hợp và phân tích tình hình ứng dụng bê tông hạt mịn

chất lượng cao ở nước ngoài và triển vọng áp dụng công nghệ bê tông hạt mịn chất

lượng trong nước, có thể rút ra một số Nhận xét sau:

− Việc nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng trong các

công trình giao thông là rất cần thiết, phù hợp với điều kiện Việt Nam, đáp ứng

được yêu cầu cho kết cấu có chiều dày mỏng, lớp phủ mỏng tăng cường trên bề mặt

đường cao tốc, mặt đường băng sân bay.

− Việc sử dụng cốt liệu có kích thước hạt nhỏ, hỗn hợp bê tông có độ linh động

cao, cấu trúc bê tông đặc chắc phù hợp cho kết cấu bao che dạng lớp mỏng, tấm

mỏng không có thanh cốt thép chịu lực trong các lớp mặt đường là giải pháp hiệu

quả nhất để tăng độ bền của các kết cấu.

32

Chương 2. CƠ SỞ KHOA HỌC SỬ DỤNG BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT

LƯỢNG CAO CHO MẶT ĐƯỜNG SÂN BAY

2.1. TƯƠNG TÁC GIỮA CỐT SỢI VÀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG

Việc bổ sung sợi vào trong cấu trúc của bê tông có thể làm thay đổi đáng kể tính

chất của bê tông vì chúng có ảnh hưởng đến tính chất của bê tông cả ở trạng thái dẻo và

trạng thái rắn chắc. Đóng góp chính của cốt sợi polypropylene là sự cải thiện tính chất của bê tông đã cứng rắn.

Theo [16], [19] bê tông là loại vật liệu composite nhiều thành phần có pha nền là

hồ xi măng. Sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền (pha nền) là vấn đề cơ bản quyết định

chất lượng và các tính chất của bê tông cốt sợi. Theo các nghiên cứu [8], [21] các yếu tố ảnh hưởng đến sự tương tác giữa sợi và pha nền hồ xi măng bao gồm:

− Điều kiện, trạng thái của vật liệu nền.

− Cấu trúc, thành phần của vật liệu nền.

− Loại sợi, hình dạng, đặc điểm bề mặt, độ cứng và tính chất của sợi.

− Hướng sợi: Sợi bố trí đẳng hướng hoặc bố trí ngẫu nhiên.

− Tỷ lệ thể tích sợi sử dụng.

− Tính bền của sợi khi làm việc lâu dài trong bê tông cốt sợi.

Hiệu quả chủ yếu của sợi là nâng cao tính chất cơ học của hồ xi măng trong hai

quá trình gồm:

+ Quá trình truyền tải trọng từ vật liệu nền xi măng sang sợi.

+ Ảnh hưởng của cốt sợi đến sự xuất hiện các ứng suất khi tăng tải trọng của vật liệu nền xi măng.

Việc cải biến các khả năng cơ học của bê tông cốt sợi đều thông qua sự tương tác giữa cốt sợi phân tán và đá xi măng.

Theo [10], bê tông nặng là hỗn hợp không đồng nhất của các thánh phần: Xi

măng, cốt liệu, nước và phụ gia. Phản ứng thủy hóa giữa xi măng và nước dẫn đến sự co

ngót rõ rệt của hồ xi măng khi đông cứng. Hàm lượng cốt liệu, cốt sợi hợp lý có hai ưu điểm lớn đó là:

+ Tiết kiệm được khối lượng hồ xi măng.

33

+ Là thành phần chống lại sự co ngót do quá trình xi măng thủy hóa, chống nứt cho bê tông khi bị biến dạng.

Theo [8] đã chỉ ra rằng, trong cấu trúc của bê tông tồn tại những vệt nứt vi mô tại

bề mặt của các phân tử cốt liệu thô có kích thước lớn. Các vết nứt này có thể tồn tại

ngay ở trạng thái không tải.

Khi bê tông bị kéo dưới các tải trọng khác nhau, bao gồm cả quá trình vật liệu bị

mỏi, các vết nứt vi mô sẽ lan rộng theo bề mặt cốt liệu và một phần ở vùng chuyển tiếp

xung quanh hạt cốt liệu.

Khi bổ sung thành phần cốt sợi vào bê tông, khối bê tông trở thành hỗn hợp được

tăng cường. Các loại sợi có tác dụng tăng cường giới hạn chịu kéo, có thể gây ra các vết

nứt vi mô ban đầu trong bê tông. Tuy nhiên, mức độ tăng cường giới hạn chịu kéo còn

phụ thuộc vào số lượng và sự hiệu quả của sợi tại vùng có thể xuất hiện đỉnh vết nứt.

Theo [21] mô phỏng sự tương tác giữa cốt sợi phân tán và vật liệu đá xi măng dựa

trên hình dạng của lực kéo tuột đơn giản (hình 2.1).

ldx Sîi

PPxVËt liÖu ®¸ xi m¨ng

σ(x) + dσ

τ(x)

2r

dx

σ(x)

P(x) P(x) + dP

Trong đó:

P- là lực kéo tuột của sợi ra khỏi vật liệu.

τ(x)- là ứng suất trượt tại mặt phân cách.

σ(x)- là ứng suất dọc theo chiều dài sợi.

Hình 2.1. Mô hình sự kéo tuột cốt sợi tại bề mặt liên kết của sợi và đá xi măng Các quá trình liên quan đến sự tương tác giữa sợi và đá bê tông chủ yếu xảy ra

trong vùng tương đối nhỏ xung quanh sợi và đá xi măng. Tác dụng chủ yếu của cốt sợi

trong bê tông cốt sợi được thể hiện sau khi vật liệu bị nứt. Khi đó chúng sẽ bắc cầu qua

vết nứt và vì vậy ngăn ngừa được sự phá hủy kết cấu. Sự bắc cầu của sợi xuyên qua vết

nứt được đánh giá làm nền tảng cho những dự đoán về tính chất của bê tông cốt sợi

trong vùng đã nứt, qua đó cũng xác định được sự liên quan của cơ chế truyền ứng suất

trượt ma sát và ứng suất đàn hồi.

34

2.2. TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG HẠT MỊN CỐT SỢI

2.2.1. Tính chất của hỗn hợp bê tông

Bê tông cốt sợi khó trộn hơn bê tông thường, những tham số ảnh hưởng đến tính

chất của hỗn hợp bê tông cốt sợi là:

− Loại sợi và hàm lượng sợi.

− Loại cốt liệu lớn, hình dạng và hàm lượng cốt liệu lớn.

− Phương pháp đưa cốt sợi vào trong hỗn hợp bê tông khi trộn.

− Loại và hàm lượng phụ gia siêu dẻo sử dụng.

Tính công tác của hỗn hợp bê tông cốt sợi là một yêu cầu rất quan trọng, quyết

định đến các quá trình trộn, đổ và đầm bê tông. Sợi polypropylene có tính chất là mềm

dẻo, bề mặt trơn nhẵn do đó không làm tổn thất nhiều độ dẻo của hỗn hợp bê tông. Mặt

khác, loại sợi này có đặc điểm là dễ dàng phân tán trong môi trường kiềm của hỗn hợp

bê tông, không bị vón cục hoặc tạo thành những khối cầu trong quá trình trộn.

Do đó bê tông hạt mịn chất lượng cao, sử dụng cốt sợi polypropylene (PP), có tính

công tác tốt, có thể tự lèn chặt vào kết cấu trong quá trình đổ, hoặc có thể thi công bằng

phương pháp bơm bê tông, phun bê tông mà không xảy ra hiện tượng tắc nghẽn vòi

bơm, vòi phun bê tông.

2.2.2. Tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao cốt sợi đã hóa cứng

Cốt sợi PP đã đem lại cho bê tông nhiều tính chất đặc biệt, hệ thống nhiều pha của

bê tông và sợi hình thành hệ thống đàn hồi - dẻo. Ưu điểm chính của hệ thống này là sự

phát triển khả năng chịu tải trước và sau khi hình thành vết nứt trong cấu kiện bê tông,

khác hẳn so với tình trạng của bê tông thường sau khi đã có vết nứt đầu tiên.

Trong các ứng dụng làm mặt đường, mặt sàn, làm cấu kiện đúc sẵn, làm bê tông

phun, các ứng suất trong bê tông được phân bố ngẫu nhiên và bị ảnh hưởng bởi các điều

kiện tác động của ngoại lực. Do đó không thể xác định trường ứng suất thực tế và đặt

một hay hai lớp cốt thép ở những vị trí cố định trong khi ứng suất thay đổi từ trên đỉnh

đến đáy cấu kiện. Các điều kiện đặt tải như tải trọng chu kỳ, biến đổi nhiệt độ, lực cắt,

lực xung kích, co ngót đã phát triển sự phân bố ngẫu nhiên ứng suất trong bê tông.

35

Sự phân bố ngẫu nhiên các loại sợi trong bê tông đảm bảo rằng ứng suất được

phân bố lại trong toàn khối vật liệu nền bê tông. Các vi vết nứt mà có thể phát triển thêm

do ứng suất sẽ bị các sợi ngăn chặn lại trong toàn thể tích vật liệu bê tông cốt sợi của cấu

kiện. Như vậy, các vết nứt nhỏ bị khâu lại trước khi phát triển thành các vết nứt lớn hơn

mà có thể gây hư hại cho kết cấu.

Tính chất của bê tông đông cứng được cải thiện một cách đáng kể thông qua việc

thêm một cách đáng kể thông qua việc thêm vào bê tông một thể tích cốt sợi thích hợp.

Sợi sẽ làm việc có hiệu quả nếu chúng được liên kết theo phương của ứng suất kéo chủ

và nếu khoảng cách giữa các sợi càng nhỏ càng tốt. Nhân tố quan trọng nhất đối với sự

hình thành vết nứt chính là khoảng cách cực đại thực tế giữa các sợi. Như vậy, phân

phối và định hướng sợi phải càng đồng dạng càng tốt bởi vì như vậy sẽ sản sinh tính

đồng nhất vĩ mô và tính chất đẳng hướng trong vật liệu. Đây chính là ảnh hưởng của sợi

phân tán có thể được khai thác trong thực hành, trong khi thực tế không thể thực hiện

được việc kiểm tra toàn diện một kết cấu xây dựng.

Các sợi ảnh hưởng đến cường độ kéo, cường độ cắt và nén, tính chất của vết nứt

và quá trình biến dạng của bê tông. Những sự biến đổi, những thành phần khác trong

quá trình trộn bê tông hoặc quá trình sử dụng bê tông có thể có ảnh hưởng quan trọng

đối với tính chất này. Đặc trưng hình học của những cấu kiện và điều kiện thí nghiệm

cũng có một ảnh hưởng quan trọng và phải được tính đến bằng các hệ số tính toán.

Như bê tông thông thường, những tác động của môi trường ảnh hưởng đáng kể

đến tính chất của bê tông cốt sợi đã đông cứng. Ảnh hưởng này có thế xuất hiện do sự

bốc hơi nước bề mặt, do quá trình rửa trôi bề mặt ngoài, do tải trọng xung kích, tải trọng

lặp hay các tác động hoá học khác. Như vậy, quá trình bảo dưỡng bê tông đông cứng có

một vị trí rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của kết cấu.

a) Ảnh hưởng của sợi đến khả năng phát triển vết nứt của bê tông

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sự tồn tại các sợi polypropylene trong vật liệu bê

tông đó là chúng có thể điều khiển quá trình phát triển vết nứt. Chúng làm chậm quá

trình phát triển vết nứt và khi vết nứt đã mở rộng thì chúng có vai trò phân phối lại tải

trọng trong vùng nứt. Như vậy, các sợi polypropylene có ảnh hưởng đáng kể đến trạng

36

thái biến dạng của kết cấu bê tông trước khi xuất hiện vết nứt và sau khi đã xuất hiện vết

nứt. Phạm vi ảnh hưởng đến sự biến dạng của bê tông phụ thuộc vào hình dạng sợi, hàm

lượng sợi và tính chất của tải trọng.

Các sợi polypropylene phân tán cũng cải thiện quá trình phân phối vết nứt. Trong

quá trình chịu tác dụng của tải trọng và ứng suất, số lượng vết nứt tăng trong vật liệu có

tăng thêm nhưng chiều rộng và khoảng cách giữa các vết nứt sẽ giảm đi. Theo [21] việc

tăng cường cốt sợi phân tán chủ yếu làm tăng thêm cường độ sau nứt của bê tông, còn

cường độ trước khi nứt của chúng tăng không đáng kể. Cường độ trước khi nứt của bê

tông chủ yếu phụ thuộc vào số lượng của sợi, không phụ thuộc vào kiểu sợi.

Trạng thái sau phá hủy của bê tông cũng được cải thiện một cách đáng kể. Theo

[21], biến dạng khi phá hủy của bê tông cốt sợi có thể tăng lên tới 10 lần đối với vật liệu

thông thường. Như vậy, với cấu trúc có cốt sợi sẽ làm tăng thêm khả năng làm việc của

kết cấu sau khi phá hủy.

b) Ảnh hưởng của cốt sợi đến khả năng chịu kéo khi uốn của bê tông

Khi vật liệu chịu tải trọng uốn, toàn bộ mặt cắt tiết diện cùng tham gia chịu lực,

biểu đồ biểu diễn quá trình biến dạng là một hình chữ nhật được chia thành hai vùng

gồm vùng kéo và vùng nén.

Theo [21] bê tông cốt sợi có thể làm việc hiệu quả trong trường hợp kết cấu chịu

ứng suất uốn. Với các loại bê tông thường không sử dụng cốt sợi, khi tải trọng uốn tăng

lên, trục trung hòa của tiết diện chịu lực sẽ nâng dần lên, diện tích chịu nén sẽ giảm dần.

Trong thớ chịu kéo, ứng suất kéo đạt đến cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông thì vết

nứt bắt đầu xuất hiện. Chúng được mở rỗng đến giá trị cực đại và kết cấu bị phá hoại.

Nhưng đối với bê tông có sử dụng cốt sợi phân tán, khi ứng suất kéo trong thớ bê

tông chịu kéo đạt đến giá trị cực đại, trong cấu trúc vật liệu cũng bắt đầu xuất hiện vết

nứt. Khi đó cốt sợi phân tán đồng đều trong cấu trúc sẽ không cho vết nứt mở rộng, làm

tăng khả năng chịu kéo của tiết diện và lúc này một sự cân bằng mới được thiết lập

trong vật liệu.

Dựa trên cơ chế này ta thấy, bê tông sử dụng các loại cốt sợi phân tán nói chung

có khả năng chịu tải trọng tốt hơn hẳn so với bê tông thông thường.

37

Theo [21] quan hệ giữa ứng suất uốn và độ võng của bê tông dùng cốt sợi thép

phân tán và bê tông thường không sử dụng cốt sợi được thể hiện như sau:

50 100 100 100 50

400

MÉu bª t«ng

P

100

Hình 2.2. Thí nghiệm xác định cường độ kéo khi uốn của bê tông

§é vâng εT

¶i tr

äng

1

234

P

Hình 2.3. Quan hệ giữa ứng suất uốn và

độ võng của bê tông dùng cốt sợi Dựa vào biểu đồ ta thấy:

− Đường (1) thể hiện sự phá hủy của bê tông thông thường, trong đó sự phá

hủy xảy ra ngay sau khi cường độ vết nứt vượt quá giới hạn cho phép

− Đường (2) thể hiện sự phá hủy của bê tông sử dụng cốt sợi thép có hàm

lượng nhỏ (0,7% thể tích), khả năng liên kết của sợi với nền xi măng kém, sợi có

chiều dài lớn làm cho sợi bị cắt đứt trước khi sợi phát huy được hết khả năng chịu

kéo của nó.

− Đường (3) và (4) thể hiện sự chịu kéo rất tốt của bê tông, trong đó cấu trúc

của bê tông được bổ sung các loại sợi có tính liên kết tốt và khả năng chịu kéo cao

do sợi được bẻ neo hai đầu hoặc được uốn móc.

2.3. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC SỬ DỤNG BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT

LƯỢNG CAO CHO MẶT ĐƯỜNG SÂN BAY

2.3.1. Cấu trúc bê tông hạt mịn chất lượng cao

Bê tông chất lượng cao không chỉ có cường độ nén cao mà còn đạt nhiều tính

năng quan trọng khác như: Độ bền trong môi trường chịu tác động hoá học cao, bền

băng giá, tính thấm rất thấp, ổn định thể tích tốt,… Vì vậy, loại bê tông này đáp ứng đầy

đủ các yêu cầu về mặt vật liệu để xây dựng hoặc sửa chữa các công trình giao thông.

38

Bê tông nói chung và bê tông chất lượng cao nói riêng là một loại vật liệu không

đồng nhất gồm 3 pha: Đá xi măng; cốt liệu và vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu và đá xi

măng. Do vậy, cấu trúc của bê tông do ba pha này hợp thành quyết định đến các tính

chất của bê tông sau này.

2.3.1.1. Cấu trúc thành phần hạt của bê tông hạt mịn chất lượng cao

Cấu trúc hỗn hợp cốt liệu tạo nên khung xương chịu lực cho bê tông [7], [10],

[12], [13], cấu trúc này phụ thuộc vào cường độ bản thân hạt cốt liệu, tính chất cấu trúc

(đặc tính bề mặt hạt, diện tích tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu với đá xi măng và cường độ

liên kết giữa các hạt). Thông thường, cường độ bản thân hỗn hợp cốt liệu có cấp phối

hạt mịn hợp lí đã đồng thời giải quyết được các chức năng:

+ Tăng diện tích tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu.

+ Không gian hở (độ rỗng xốp) trong bộ khung là nhỏ nhất và kích thước lỗ rỗng

xốp bé được phân bố đồng đều.

+ Chiều dày của liên kết hồ xi măng với các hạt cốt liệu là hiệu quả nhất (chỉ

nhằm mục đích liên kết).

Đối với bê tông hạt mịn chất lượng cao việc nghiên cứu lựa chọn một cấp phối

cốt liệu tối ưu đã đảm bảo cho bê tông đồng thời thoả mãn các yêu cầu sau:

- Cường độ của cốt liệu: Trong bê tông thường, vì lượng nước nhào trộn quá lớn

so với lượng nước cần thiết để xi măng thuỷ hoá hoàn toàn nên đá xi măng và vùng

chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu có cấu trúc không đặc chắc, trở thành khâu yếu

nhất trong cấu trúc bê tông. Do đó, việc lựa chọn một loại cốt liệu nhất định có cường

độ cao là không cần thiết.

- Đối với bê tông hạt mịn chất lượng cao, bằng các biện pháp thích hợp có thể làm

cho đá xi măng và vùng chuyển tiếp đạt cường độ rất cao, nên khung cốt liệu có cường

độ thấp thì sẽ là khâu yếu nhất trong cấu trúc bê tông. Điều này tương tự như trong bê

tông nhẹ cốt liệu rỗng. Tuy nhiên, với hỗn hợp cốt liệu mịn, các hạt có kích thước bé

nên độ đồng đều và cường độ tốt tạo khung hỗn hợp cốt liệu có cường độ cao.

- Thành phần hạt của cốt liệu: Cùng với việc tính toán hợp lý thành phần bê tông

đảm bảo các hạt bé, các thành phần hạt mịn và siêu mịn đều đầy lỗ rỗng giữa các hạt lớn

39

và biện pháp thi công tốt sẽ tạo cho loại bê tông hạt mịn có bộ khung cốt liệu chịu lực

ổn định, hàm lượng lỗ rỗng thấp nhất, kích thước lỗ rỗng nhỏ và được phân bố đều, tăng

tính chống thấm và cấu trúc bê tông đồng nhất cao cho bê tông.

- Tính chất bề mặt cốt liệu đã làm tăng cường khả năng liên kết giữa cốt liệu và

các thành phần khác trong hỗn hợp bê tông hạt mịn do kích thước hạt cốt liệu mịn đã

làm tăng diện tích bề mặt dẫn đến tăng cường độ lớp tiếp xúc do tăng khả năng liên kết

giữa cốt liệu và đá xi măng.

2.3.1.2. Cấu trúc vi mô đá xi măng

Khi các hạt xi măng tiếp xúc với nước, các khoáng trong xi măng sẽ hoà tan vào

dung dịch, pha lỏng sẽ bão hoà với các ion khác nhau, trong dung dịch các ion kết hợp

với nhau tạo thành các sản phẩm thuỷ hoá lấp đầy các khoảng trống tăng độ đặc chắc

của đá xi măng. Tại bất kì thời điểm nào của quá trình thuỷ hoá, những khoảng trống

chưa được lấp đầy giữa các hạt xi măng sẽ bao gồm các hốc, các lỗ rỗng mao quản.

Cùng với sự thuỷ hoá của xi măng và giảm độ rỗng mao quản thì sự truyền ẩm trong hệ

sẽ ngày khó khăn. Do đó, quá trình thuỷ hoá tiếp theo của các hạt xi măng có kích thước

lớn hơn sẽ rất chậm thông qua các phản ứng pha rắn.

Theo [11], cấu trúc của đá xi măng gồm những sản phẩm hyđrát khác nhau, trong

đó nhiều nhất là các sợi silicat thuỷ hoá C-S-H và Ca(OH)2 kết tinh dạng khối tấm lục

giác, chúng chồng lên nhau và các hạt xi măng chưa được thuỷ hoá. Độ rỗng của đá xi

măng trong khoảng 25 ÷ 30% theo thể tích với cùng một tỷ lệ XN = 0,5. Hệ thống lỗ

rỗng này gồm hai loại:

- Lỗ rỗng do cấu trúc C-S-H, kích thước khoảng vài μm.

- Lỗ rỗng mao quản giữa các hyđrat, bọt khí, khe rỗng, kích thước của chúng từ

vài μm đến vài mm. Khi bê tông chịu lực trong cấu trúc xuất hiện những vết nứt cũng

làm tăng độ rỗng của đá xi măng.

Các sản phẩm thuỷ hoá tạo thành ở các giai đoạn đầu quá trình kết tinh khi trong hệ xi măng - nước còn rất nhiều nước và khoảng trống là những cụm tinh thể lớn gọi là sản phẩm thuỷ hoá ngoài. Các sản phẩm thuỷ hoá ngoài sắp xếp không chặt chẽ và có

40

kích thước tinh thể lớn. Ngược lại, các sản phẩm thuỷ hoá sinh ra từ phản ứng pha rắn tạo thành ngay trên bề mặt hạt xi măng được gọi là sản phẩm thuỷ hoá trong. Các sản phẩm này sắp xếp chặt chẽ hơn và kết tinh kém hơn so với sản phẩm thuỷ hoá ngoài.

Theo [10], các sản phẩm thuỷ hoá có mức độ kết tinh càng thấp và sắp xếp càng chặt chẽ thì cường độ xi măng càng cao. Do đó, để tăng cường độ đá xi măng thì cần tạo được cấu trúc chứa nhiều sản phẩm thuỷ hoá trong bằng cách triệt tiêu sản phẩm thuỷ hoá ngoài. Cường độ đá xi măng phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Độ rỗng: Các lỗ rỗng trong đá xi măng có kích thước lớn hơn 50µm, nhất là khi chúng tập trung tại một khu vực sẽ có ảnh hưởng xấu đến cường độ. Trong bê tông hạt

mịn chất lượng cao, tỷ lệ XN của hồ xi măng rất thấp, các hạt xi măng sẽ xích lại gần

nhau hơn, độ rỗng mao quản và các khoảng trống tự do giảm và phân bố đều, các sản phẩm thuỷ hoá dễ dàng đan xen với nhau tạo thành cầu nối liên kết giữa các hạt xi măng. Điều này giải thích tại sao bê tông hạt mịn sẽ phát triển cường độ nhanh hơn. Mặt khác khi các hạt xi măng xích lại gần nhau và liên kết với nhau nhanh thì sự truyền ẩm trong hệ sẽ trở nên khó khăn hơn, thúc đẩy sự hình thành các sản phẩm thuỷ hoá.

+ Kích thước hạt: Nói chung, cường độ của pha tinh thể tăng lên khi giảm kích

thước hạt. Ở đây, đá xi măng được coi là vật liệu có cấu trúc tinh thể, khi tỉ lệ XN giảm

sẽ thúc đẩy sự hình thành các sản phẩm thuỷ hoá trong được đặc trưng bằng cấu trúc mịn; quan sát trên kính hiển vi thấy đá xi măng không chứa các tinh thể Ca(OH)2 dạng phiến lục giác.

+ Độ đồng nhất: Trong vật liệu nhiều pha sự không đồng nhất về mặt cấu trúc là nguyên nhân làm giảm cường độ.

2.3.1.3. Cấu trúc vùng chuyển tiếp đá xi măng - cốt liệu

Trong hỗn hợp bê tông khi tạo hình thường hay 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 tập trung dưới các hạt cốt liệu hoặc thanh cốt thép, gây ra hiện tượng tách nước bên trong.

Kết quả là tỷ lệ XN của hồ xi măng ở những vùng này khác xa bề mặt cốt liệu.

41

Cấu trúc của vùng tiếp xúc đá xi măng - cốt liệu có ý nghĩa quyết định cường độ

và các đặc tính bền của kết cấu trong công trình.

Vùng chuyển tiếp của đá xi măng và cốt liệu trong bê tông thường, gọi là vùng

chuyển tiếp, vùng này có cấu trúc kết tinh, lỗ rỗng nhiều hơn và cường độ nhỏ hơn các

vùng khác, do vùng này chứa nước tách ra khi hồ xi măng rắn chắc. Ngoài ra, tại vùng

này còn chứa các hạt xi măng chưa thuỷ hoá và các hạt Ca(OH)2 tự do. Các đặc tính của

vùng này thường gồm các mặt nứt, cấu trúc C-S-H ngoài, trên các mặt trượt của cốt liệu

có các hyđrat dạng tấm Ca(OH)2 và sợi C-S-H, chúng chỉ được liên kết rất yếu và tách

ra rất dễ dàng.

Trong bê tông thường, vùng chuyển tiếp này có chiều dày khoảng 50÷100 µm,

chứa các lỗ rỗng tương đối lớn và các tinh thể của quá trình thuỷ hoá lớn nên cường độ

thấp hơn so với đá xi măng ở khu vực xa cốt liệu. Vì thế, bê tông thường có cường độ

thấp, giảm tính chống thấm của bê tông và làm bê tông bị ăn mòn, phá huỷ do xâm thực.

Trong bê tông hạt mịn chất lượng cao nhờ việc sử dụng phụ gia siêu dẻo làm giảm

tỉ lệ XN đến thấp nhất đồng thời sử dụng loại phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn đã cải

thiện được cấu trúc vùng chuyển tiếp, giảm chiều dày và làm tăng cường độ của nó. Khi

quan sát kính hiển vi điện tử quét cho thấy độ đặc và độ đồng nhất trong vùng chuyển

tiếp rất cao, cấu trúc đá xi măng rất ít lỗ rỗng và không thấy tích tụ các tinh thể vôi tự do

nhờ sự hoạt động của SiO2 bằng phản ứng puzzơlan.

2.3.1.4. Cấu trúc của lớp cốt sợi PP trong bê tông hạt mịn chất lượng cao

Bê tông xi măng thông thường là một vật liệu giòn, có cường độ chịu kéo và năng

lực biến dạng thấp. Để sử dụng bê tông làm vật liệu xây dựng kinh tế thì phải bố trí cốt

cho chúng. Loại cốt được sử dụng phổ biến nhất là các thanh cốt thép liên tục được bố

trí ở các vị trí đã chọn để chúng thu nhận ứng suất kéo.

Các nghiên cứu thực nghiệm [1], [8], [21] cho thấy, nếu trộn vào trong hỗn hợp bê

tông xi măng các sợi ngắn, gián đoạn và phân bố một cách ngẫu nhiên theo kiểu ma trận

thì có thể cải thiện đáng kể về các tính chất cơ học so với các hỗn hợp bê tông tương

ứng không có cốt sợi.

42

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sự tồn tại các loại sợi gián đoạn trong cấu trúc bê

tông đó là chúng có khả năng điều khiển quá trình phát triển vết nứt. Sợi có hai chức

năng trong vùng có vết nứt:

− Làm tăng cường độ của bê tông cốt sợi qua vật liệu nền bằng cách truyền

ứng suất và tải trọng qua vết nứt đến sợi.

− Sợi làm tăng độ dẻo dai của bê tông cốt sợi bằng việc hấp thụ năng lượng mà

sinh ra trong quá trình mất liên kết và kéo tuột của sợi.

Việc xuất nhiện vết nứt đầu tiên trong bê tông cốt sợi có ảnh hưởng lớn đến cường

độ và độ dẻo dai. Theo [21], nếu muốn ngăn chặn sự phá hoại của vật liệu trong giai

đoạn này thì khả năng chịu tải trọng của sợi phải lớn hơn tải trọng tác dụng lên bê tông

cốt sợi tại vết nứt đầu tiên:

Theo tài liệu [21] thì vật liệu sợi phải thỏa mãn bất phương trình:

σfuVf > EmεmuVm + EfεmuVf (*)

Trong đó:

Vm: Thể tích của vật liệu nền (xi măng).

Vf: Thể tích của cốt sợi sử dụng.

Em: Mô đun đàn hồi của vật liệu nền (xi măng).

Ff: Mô đun đàn hồi của cốt sợi.

σfu: Cường độ kéo tới hạn của cốt sợi.

εmu: Biến dạng cực đại của vật liệu nền (xi măng).

Khi bất phương trình (*) được thỏa mãn (nghĩa là thể tích sợi Vf đủ lớn), vết nứt

đầu tiên xảy ra trong bê tông cốt sợi sẽ không dẫn đến phá hoại và sẽ có một sự phân

phối lại tải trọng tác dụng lên sợi và đá xi măng, có nghĩa là tải trọng tác dụng lên vật

liệu bê tông trong vùng có vết nứt sẽ chuyển qua sợi và ngay tại mép vết nứt bê tông sẽ

không có ứng suất. Tiếp tục tăng tải trọng sẽ làm cho vết nứt tăng dần cho đến khi vật

liệu nền xi măng bị phân thành nhiều mảnh. Quá trình này được gọi là quá trình phát

triển vết nứt. Trên đường cong ứng suất – biến dạng thì vùng này được thể hiện là phần

đồ thị xấp xỉ nằm ngang hay hơi dốc lên trên (hình 2.4).

43

C−ê

ng ®

é ch

Þu k

Ðo, σ

ThÓ tÝch sîi

12

3

εcuεmcεmu

σfuVf

Ec

EfVf

VÕt nøt

Hình 2.4. Sơ đồ ứng suất và biến dạng của bê tông cốt sợi

Trong đó: σu; εmu - là ứng suất và biến dạng của vùng đàn hồi.

εmc - là biến dạng tại điểm cuối vùng có vết nứt.

σcu; εcu.- là ứng suất và biến dạng cực đại của bê tông cốt sợi.

Theo [8], [21] khi quá trình phát triển vết nứt kết thúc, vật liệu nền xi măng bị chia

bằng nhiều vết nứt song song, lúc đó bất kỳ lực kéo nào thêm vào sẽ gây ra hiện tượng

kéo giãn hay kéo tuột sợi. Trong giai đoạn này, độ bền và lực liên kết của cốt sợi gia

cường là nguyên nhân làm cho đường cong - biến dạng dốc lên trong vùng có vết nứt và

sự phá hủy sẽ xảy ra khi sợi đạt đến khả năng chịu tải của nó (hình 2.4).

Vì vậy, theo [21] khả năng cơ học của bê tông cốt sợi thường được mô tả ở 3 trạng

thái trên đường cong ứng suất – biến dạng (hình 2.4).

− Vùng (1): Giới hạn đàn hồi đạt đến điểm nứt đầu tiên: Vật liệu nền xi măng

và sợi là đàn hồi tuyến tính.

− Vùng (2): Quá trình phát triển vết nứt mà biến dạng trong bê tông cốt sợi

vượt quá biến dạng cho phép của vật liệu nền.

− Vùng (3): Giai đoạn sau vết nứt, trong suốt giai đoạn này sợi có thể bị kéo

giãn hay bị kéo tuột ra khỏi vật liệu nền.

Để có thể mô tả đặc tính và khả năng cơ học của bê tông cốt sợi cần áp dụng

những biện pháp mô tả dạng tổng quát của đường cong ứng suất – biến dạng và dự đoán

điểm cực đại của đường cong đó.

44

Qua các phân tích trên ta thấy, các loại cốt sợi phân tán nói chung và cốt sợi

polypropylene nói riêng có tác dụng cải thiện tính chất của kết cấu bê tông rất lớn, tạo ra

loại vật liệu tốt hơn hẳn so với vật liệu thông thường.

2.3.2. Lựa chọn vật liệu chế tạo bê tông hạt mịn

Cũng như bê tông thường, bê tông hạt mịn sử dụng trong công trình mặt đường

sân bay cũng là loại bê tông xi măng. Nguyên vật liệu để chế tạo loại bê tông bao gồm:

xi măng, cát, đá, nước, phụ gia siêu dẻo, phụ gia khoáng mịn và siêu mịn. Theo nhiều

nghiên cứu [12], [13], [14], [15] chất lượng của bê tông chất lượng cao phụ thuộc nhiều

vào chất lượng của các nguyên vật liệu thành phần. Ngoài các tính chất yêu cầu của vật

liệu để chế tạo bê tông thường, trong thiết kế thành phần bê tông hạt mịn chất lượng cao

có cốt sợi polypropylene thì chất lượng và các tính chất của vật liệu chế tạo được yêu

cầu ở mức cao hơn.

2.3.2.1. Xi măng

Xi măng là thành phần quan trọng góp phần tạo nên cường độ của bê tông. Trong

bê tông hạt mịn chất lượng cao, cường độ của xi măng và những tính chất cần được

nghiên cứu, thí nghiệm rất cẩn thận. Như ta đã biết hồ xi măng đóng vai trò là chất kết

dính, liên kết các hạt cốt liệu rời rạc, hoạt tính của bê tông càng cao thì bê tông có cường

độ càng cao. Bởi vậy, việc sử dụng xi măng mác cao trong thiết kế thành phần bê tông

là cần thiết.

Trong bê tông chất lượng cao có các thành phần phụ gia khoáng mịn, phụ gia hoạt

tính siêu mịn và phụ gia siêu dẻo. Khi sử dụng loại xi măng pooclăng hỗn hợp (PCB),

thì hàm lượng phụ gia khoáng sẵn có trong thành phần của nó ảnh hưởng tới tính chất,

lượng dùng của các loại phụ gia đưa vào trong bê tông. Do đó, chúng có thể ảnh hưởng

không tốt với nhau và làm giảm cường độ của bê tông. Để tính toán được chính xác hơn

hàm lượng của các loại phụ gia đưa vào, cũng như nhằm loại bỏ các tác dụng có hại (do

các phụ gia khoáng sẵn có trong xi măng pooclăng hỗn hợp) cho bê tông, thì khi chế tạo

bê tông chất lượng cao người ta thường dùng loại xi măng pooclăng (PC). Theo kết quả

của nhiều nghiên cứu [10], [12], [13], [14], [15] sử dụng xi măng pooclăng (PC) thông

thường sẽ cho cường độ cao hơn so với xi măng pooclăng hỗn hợp.

45

2.3.2.2. Cốt liệu

Cốt liệu duy nhất trong bê tông hạt mịn là cát. Kích thước, tính chất bề mặt hạt và

lượng dùng cát cho 1m3 bê tông là nhân tố quan trọng trong chế tạo bê tông hạt mịn chất

lượng cao, ảnh hưởng trực tiếp tới cường độ nén của bê tông. Cát để chế tạo bê tông

cường độ cao cần phải được hạn chế những hạt lọt sàng 50µm và 100µm và đặc biệt

hàm lượng mica và đất sét phải được loại trừ.

Trong bê tông hạt mịn, không có cốt liệu lớn. Do đó cấu tạo của nó có tính đồng

nhất cao, đồng thời cũng làm giảm được sự chênh lệch về ứng suất sinh ra giữa các vật

liệu khi chịu áp lực, nghĩa là làm tăng giá trị cường độ phá hoại cuối cùng của vật liệu

tạo ra. Độ đặc cao cũng là nguyên tắc tạo ra cường độ cao và tính thấm giảm. Trong bê

tông hạt mịn các hạt cốt liệu có kích thước và trọng lượng nhỏ, nó làm giảm tác dộng

của chính nó đến quá trình đầm chặt, mặc dù kích thước nhỏ của các hạt tạo ra khả năng

phối hợp dịch chuyển và phân bố các lớp bê tông với nhau dễ dàng vận chuyển và đổ

hỗn hợp vào khuôn. Việc sử dụng cốt liệu nhỏ có hình dạng hạt tương tự nhau và gần

dạng hình cầu trong bê tông bột mịn đã làm giảm nội ma sát trong bê tông, dẫn đến hỗn

hợp bê tông bột mịn chất lượng cao có khả năng chảy cao hơn hẳn so với hỗn hợp bê

tông thường. Đồng thời khi sử dụng hạt cốt liệu nhỏ cho bê tông có cường độ cao hơn,

các hạt cốt liệu nhỏ có cường độ phá hoại cao hơn hẳn so với cường độ cốt liệu lớn. Nó

cũng là một trong ba yếu tố quan trọng để tạo nên cường độ cao cho bê tông bột mịn.

Tuy nhiên, khi kích thước cốt liệu trong bê tông giảm xuống đồng nghĩa với tổng

diện tích bề mặt của cốt liệu tăng lên. Bê tông cần một lượng lớn hơn hồ chất kết dính

để bao bọc quanh bề mặt các hạt cốt liệu. Như vậy, lượng chất kết dính sử dụng cũng

tăng lên. Chi phí cho một đơn vị sản phẩm cũng tăng lên đáng kể. Vì vậy, việc lựa chọn

cốt liệu mịn cho bê tông hạt mịn chất lượng cao là rất quan trọng.

2.3.2.3. Cốt sợi

Cốt sợi trong bê tông hạt mịn chất lượng cao có thể dùng nhiều loại như: Sợi thép,

sợi thuỷ tinh, sợi amiăng, sợi polyme tổng hợp và sợi thiên nhiên. Tính chất và tác dụng

của các loại sợi này thay đổi đáng kể và tùy vào tính chất của từng loại bê tông mà có

thể sử dụng các cốt sợi khác nhau. Theo [8], [21] đặc tính cơ bản của cốt sợi như sau:

46

Bảng 2.1. Các đặc tính điển hình của một số sợi dùng trong bê tông

Loại sợi Đường

kính (μm)Khối lượng

riêng (g/cm3)Môđun đànhồi (GPa)

Cường độ kéo (GPa)

Độ dãn dàikhi đứt (%)

Thép 5,0 ÷ 500 7,84 200 0,5 ÷ 2,0 0,5 ÷ 3,5 Thuỷ tinh 9,0 ÷ 15 2,60 70 ÷ 80 2,0 ÷ 4,0 2,0 ÷3,5

Aamiăng crocidolite chrotile

0,02 ÷ 0,4 3,40 196 3,5 2,0 ÷ 3,0 0,02 ÷ 0,4 2,60 164 3,1 2,0 ÷3,0

Polypropylene 20,0 ÷200 0,90 5,0 ÷ 77 0,5 ÷ 0,75 8,0 Aramid (kevlar) 10,0 1,45 65 ÷ 133 3,6 2,1 ÷ 4,0

Các bon 9,0 1,90 230 2,6 1,0 Nylon - 1,10 4,0 0,9 13,0 ÷ 15,0Xenlulôzơ - 1,20 10,0 0,3 ÷ 0,5 - Acrylic 18,0 1,18 14 ÷ 19,5 0,4 ÷ 1,0 3,0 Polyethylene - 0,95 0,3 0,7× 10-3 10,0 Sợi gỗ - 1,50 71 0,9 - Vữa xi măng - 2,50 10,0 ÷ 45,0 3,7× 10-3 0,02

Tác giả chọn sợi polypropylene (PP) để nghiên cứu tính chất của bê tông hạt mịn cốt sợi chất lượng cao. Sợi PP được chết tạo từ nhựa PP nguyên chất, có điểm tan và mô đun đàn hồi thấp, không thấm nước, không có tương tác hóa học với đá xi măng nên liên kết của sợi trong bê tông chỉ là liên kết cơ học thuần túy. Sợi được dùng trong các sản phẩm chịu nhiệt là rất thích hợp, vì chúng tạo ra hệ thống kênh thoát khí khi được đốt cháy ở nhiệt độ cao, tạo điều kiện cho việc điều khiển dễ dàng các thay đổi về nhiệt độ và độ ẩm của bê tông.

Sợi PP đơn hình được chế tạo bằng quá trình đùn hỗn hợp ở trạng thái nóng qua khuôn kéo có tiết diện ngang hình tròn. Sợi PP cũng có thể được hình thành ở dạng búi, được tạo ra từ quá trình đùn hỗn hợp qua khuôn kéo có tiết diện hình chữ nhật. Màng mỏng giữa các sợi được tạo ra nhờ các khe đặt dọc băng có chiều trộng bằng nhau. Sợi PP còn có thể được chế tạo ở dạng sợi thô có neo ở hai đầu khi cần gia tăng cường độ uốn cho bê tông.

Hiện nay, trên thị trường xây dựng Việt Nam có nhiều loại sợi PP xuất xứ từ Mỹ, Australia, Nhật Bản,... Trong thí nghiệm sử dụng loại sợi PP siêu mảnh, đường kính sợi từ 20 ÷ 40µm. Loại sợi này cho độ bền lâu dài, có tác dụng làm giảm sự hình thành các vết rạn nứt do co ngót của bê tông trước và sau khi đông kết. Loại sợi này không bị ăn mòn trong môi trường kiềm. Tính chất của sợi như sau:

47

- Màu sắc: trắng. - Cấu trúc: sợi đơn. - Khối lượng riêng: 0,91 kg/cm3. - Cường độ kéo: 620 MPa ÷ 758 MPa.

Hình 2.5. Sợi PP sử dụng để chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao 2.3.2.4. Phụ gia mịn và siêu mịn

Phụ gia mịn và siêu mịn là thành phần không thể thiếu trong bê tông hạt mịn chất

lượng cao. Việc sử dụng phụ gia khoáng có hàm lượng hạt mịn và siêu mịn lớn cũng

làm tăng độ nhớt dẻo của vữa xi măng. Để có hàm lượng hạt mịn cao trong bê tông chất

lượng cao, người ta thường thay thế một phần xi măng bằng các phụ gia khoáng mịn có

độ mịn nhỏ hơn hoặc bằng xi măng như tro bay, xỉ lò cao, silicafume, bột đá vôi hoặc

các microsilica khác vì việc tăng hàm lượng xi măng quá cao ảnh hưởng bất lợi đến một

số tính chất của bê tông và hỗn hợp bê tông.

Theo [7], [10] phụ gia khoáng có hàm lượng hạt mịn lớn, có cấu trúc hạt dạng

hình cầu, dễ dàng bao bọc các hạt khác làm giảm tương tác giữa các hạt. Khi các hạt có

dạng hình cầu trong không gian ba chiều cho diện tích bề mặt hạt nhỏ nhất trong cùng

một đơn vị thể tích. Mật độ của các hạt hình cầu lớn hơn các hạt có hình dạng khác.

Điều này cho phép giảm được lượng nước yêu cầu. Sự khác nhau giữa bề mặt hạt của

phụ gia khoáng và xi măng thường cho kết quả là lượng cần nước của phụ gia khoáng

thấp hơn của xi măng. Do đó, khi sử dụng phụ gia khoáng mịn thay thế một phần xi

măng sẽ làm giảm được lượng nước yêu cầu so với khi dùng hoàn toàn xi măng mà vẫn

đảm bảo tính công tác của hỗn hợp bê tông, góp phần tăng cường độ bê tông. Ngoài ra,

một số phụ gia khoáng mịn có dạng hạt hình cầu nên có tác dụng làm giảm nội ma sát

của hỗn hợp bê tông và do vậy làm tăng độ dẻo của hỗn hợp bê tông.

48

a) Vai trò của tro bay nhiệt điện trong bê tông chất lượng cao Theo thành phần hoá học và thành phần khoáng, tro bay nhiệt điện chính là một

loại puzzơlan nhân tạo. Tro bay nhiệt điện luôn chứa một lượng nhất định các ôxit silíc

SiO2 và Al2O3 hoạt tính. Các ôxit này dễ dàng phản ứng với vôi để tạo nên các sản

phẩm có cường độ cao, bền nước là các canxi silicát ngậm nước CaO.SiO2.nH2O và các

hyđrô-alumô-silicát canxi ngậm nước CaO.Al2O3.SiO2.xH2O.

Theo kết quả nghiên cứu của Dr.Takeshi, F.Lomond (Mỹ) có thể sử dụng hàm

lượng phụ gia tro bay nhiệt điện (TB nhiệt điện) 20 ÷ 30% thay thế xi măng trong bê

tông có tỉ lệ XN = 0,54. Cường độ mẫu bê tông có phụ gia tro bay nhiệt điện ở tuổi 3, 7,

28 và 56 ngày thấp hơn so với mẫu đối chứng. Nhưng ở tuổi 90 ngày trở đi thì cường độ

nén của mẫu bê tông cao hơn mẫu đối chứng. Kết quả nghiên cứu của Takeshi Yamoto

và H. Sugita (Nhật) sử dụng TB với tỉ lệ 20% thay thế xi măng với các mẫu bê tông có

tỉ lệ XN = 0,45 ÷ 0,5 cho rằng cường độ bê tông có TB nhiệt điện ở các ngày đầu đã rắn

chắc đều thấp hơn so với mẫu đối chứng. Hiệu quả này càng cao khi tỉ lệ XN càng nhỏ.

Nhiều nghiên cứu đã đi đến Nhận xét các hợp chất hoá học của TB ảnh hưởng không

nhiều đến hoạt tính của puzzơlan. Các hợp chất khoáng, pha kết tinh, hình dạng, kích cỡ

và trạng thái vật lý của hạt có ảnh hưởng đến khả năng phản ứng puzzơlaníc của tro bay.

Khi thay thế 10 ÷ 30% xi măng bằng TB nhiệt điện sẽ làm tăng độ dẻo, giảm phân tầng

của hỗn hợp vữa, bê tông. Bê tông ít bị ăn mòn hơn, cường độ ở tuổi ít ngày thường

thấp hơn mẫu đối chứng nhưng sau 3 tháng tuổi cường độ bê tông có TB đạt hoặc vượt

bê tông có cùng thành phần. TB nhiệt điện càng mịn độ hoạt tính càng cao. Ngoài ra

chất lượng TB nhiệt điện phụ thuộc nguồn gốc than, phương pháp đốt than và phương

pháp thải tro của từng nhà máy điện.

Các nhà khoa học tại Trường Đại học Xây dựng [10], Viện khoa học Kỹ thuật

Giao thông vận tải Việt Nam và Trung tâm Cầu đường Pháp đã tiến hành hàng loạt thí

nghiệm song song và đã đưa ra Nhận xét TB nhiệt điện Việt Nam có chất lượng tốt, ổn

định thoả mãn các tiêu chuẩn vì thế được sử dụng rất rộng rãi.

49

Theo nghiên cứu [7], [10], tro bay của nhà máy nhiệt điện Phả Lại có thành phần

thích hợp để làm phụ gia khoáng cho bê tông. Tro được đưa vào hỗn hợp bê tông ở

trạng thái tự nhiên với tỉ lệ 10, 20, 30, 50% hoặc có thể lên tới 60% thể tích xi măng.

Kết quả cho thấy bê tông rắn chắc trong điều kiện tự nhiên cường độ nén ở tuổi 28 ngày

tăng lên khi tăng tro bay đến 10%, trường hợp trong điều kiện gia công nhiệt ẩm là

20%. Khi lượng tro tiếp tục tăng lên thì cường độ và khối lượng thể tích của bê tông

giảm, đồng thời lượng nước nhào trộn cũng giảm, hay nói cách khác khi lượng nước

nhào trộn không đổi thì tính công tác của hỗn hợp bê tông tăng lên. Hiện tượng tăng

cường độ của bê tông khi có TBnhiệt điện được giải thích như sau:

Trong quá trình bê tông rắn chắc, TB phản ứng với hyđrôxít canxi có được do xi

măng thuỷ hoá. Phản ứng xảy ra chủ yếu giữa SiO2 ở dạng hoạt tính và Ca(OH)2.

3Ca(OH)2 + 2SiO2 = 3CaO.2SiO2.3H2O

Khi lượng tro bay thay thế tăng lên vượt qua giới hạn nhất định sẽ làm giảm

cường độ trong bê tông, đó là kết quả của sự pha loãng chất kết dính bằng cấu tử có hoạt

tính yếu do động hoá học thay đổi nên cường độ bê tông có phụ gia TB nhiệt điện phụ

thuộc đáng kể vào điều kiện rắn chắc. Cường độ bê tông đựơc gia công nhiệt ẩm lớn

hơn so với bê tông rắn chắc trong điều kiện tự nhiên. Điều này có thể giải thích là trong

điều kiện gia công nhiệt ẩm, sản phẩm hyđrôsilicat canxi được hình thành nhiều hơn và

tro bay đóng vai trò chất phản hình thành cường độ bê tông, còn trong điều kiện tự

nhiên TB nhiệt điện đóng vai trò là cốt liệu mịn. Việc sử dụng TB thay thế 10 ÷ 30%

lượng xi măng làm cường độ bê tông tăng lên đáng kể, cả trong điều kiện rắn chắc tự

nhiên và gia công nhiệt ẩm.

Việc thay thế 30% xi măng bằng TB nhiệt điện Phả Lại cũng đã được áp dụng

trong nghiên cứu sử dụng tro bay nhiệt điện cải thiện tính chất của bê tông [10], TB

nhiệt điện cho phép giảm lượng dùng xi măng, đồng thời cải thiện đáng kể độ dẻo của

hỗn hợp bê tông nhờ “hiệu ứng ổ bi” do TB nhiệt điện có phần lớn các hạt hình cầu.

Tuy nhiên việc thay thế này cũng làm giảm cường độ của bê tông ở tuổi 3 và 7 ngày,

còn ở tuổi 28 ngày cường độ bê tông tăng nhanh hơn so với mẫu đối chứng. Điều này

có thể giải thích do phản ứng puzzơlan bắt đầu có hiệu quả.

50

Theo kết quả nghiên cứu [12] ảnh hưởng của tro bay nhiệt điện Phả Lại đến tính chất của bê tông bao gồm:

+ Tro nhiệt điện Phả Lại ít ảnh hưởng tới quá trình đóng rắn của bê tông, chúng

chỉ đóng vai trò làm phụ gia độn và cải thiện thành phần hạt mịn của cát là chủ yếu.

+ Các thí nghiệm về khối lượng thể tích, độ hút nước và co ngót cho thấy tỉ lệ tro

trong bê tông càng cao thì bê tông hút nước nhiều hơn, khối lượng thể tích nhẹ hơn bê

tông có tỷ lệ tro nhiệt điện thấp, độ co ngót sau 2 tháng thấp hơn không đáng kể.

+ Tro nhiệt điện làm tăng độ dẻo (độ sụt) của hỗn hợp bê tông với cùng lượng

nước hoặc làm giảm lượng nước trộn (2 ÷ 3%) khi giữ nguyên độ sụt.

+ Khi dùng phụ gia tro bay, bê tông ít toả nhiệt hơn, tăng khả năng chống ăn mòn. b) Vai trò của silicafume trong bê tông chất lượng cao Theo nhiều nghiên cứu [7], [10], [12] và [13] lợi ích của việc dùng phụ gia siêu

mịn silicafume là sự cải thiện về mặt vi cấu trúc của bê tông. Chúng được tạo nên bởi hai hiệu ứng chính là hiệu ứng vật lý và hiệu ứng hoá học.

− Hiệu ứng vật lý (physical contribution) của silicafume trong bê tông là hiệu ứng vi cốt liệu. Do kích thước hạt của silicafume rất nhỏ nên có khả năng lấp đầy khoảng trống giữa các hạt xi măng, tương tự như các hạt cát lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu thô và các hạt xi măng lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cát. Thậm chí nếu silicafume không phản ứng hoá học thì hiệu ứng lấp đầy của vi cốt liệu cũng làm cải thiện đáng kể tính chất của bê tông.

− Hiệu ứng hoá học (chemical contribution) của silicafume liên quan đến khả năng phản ứng hoá học (phản ứng puzzơlanic) của silicafume với hyđrôxit canxi (CH). Do silicafume có tỷ diện tích bề mặt lớn, hàm lượng SiO2 cao nên phản ứng puzzơlanic của silicafume lớn hơn nhiều so với các loại puzzơlan thông thường.

SiO2 trong silicafume + Ca(OH)2 + H2O = CSH (phản ứng puzzơlanic) Như vậy, thông thường khi xi măng thủy hóa với nước, theo [11] lượng Ca(OH)2

sinh ra chiếm 15 ÷ 25% khối lượng sản phẩm thuỷ hoá. Chúng là sản phẩm tan, có

cường độ thấp, khi tương tác với silicafume tạo ra các sản phẩm C-S-H làm tăng đáng

kể cường độ và độ bền cho bê tông.

Việc sử dụng silicafume trong bê tông chỉ thực sự phát triển khi có phụ gia giảm nước tầm cao hay còn gọi là phụ gia siêu dẻo. Do tác dụng tương hỗ của 2 phụ gia này

51

nên lượng nước yêu cầu cuả hỗn hợp bê tông được giảm đáng kể. Vì vậy, có thể chế tạo

hỗn hợp bê tông lưu động với tỷ lệ CKD

N rất thấp. Trong hỗn hợp bê tông có phụ gia

siêu dẻo và tỷ lệ XN thấp, các hạt silicafume siêu mịn chiếm chỗ của lượng nước lẽ ra

nằm giữa các hạt xi măng vón tụ, làm tăng lượng nước tự do trong hồ và do đó làm tăng độ lưu động.

Trong nghiên cứu vi cấu trúc [10], cho rằng mặc dù có độ hoạt tính puzzơlan cao song silicafume chỉ làm giảm chứ không liên kết hoàn toàn lượng Ca(OH)2 do xi măng thuỷ hoá. Sự không có mặt của các pic đặc trưng cho tinh thể portlandite (Ca(OH)2) trên biểu đồ phân tích nhiễu xạ Rơnghen của đá xi măng chứa silicafume cũng như việc không phát hiện thấy các tinh thể lục giác Ca(OH)2 trong loại đá xi măng này bằng kính hiển vi điện tử quét không có nghĩa là tất cả portlandite có mức độ kết tinh quá yếu mà phân tích nhiễu xạ Rơnghen không phát hiện được và các tinh thể Portlandite cũng có thể có kích thước quá nhỏ, không thể quan sát được bằng kính hiển vi điện tử. Sự không có mặt các tinh thể portlandite kích thước lớn là do các hạt silicafume, khi được phân tán tốt trong hồ xi măng, đóng vai trò như mầm tinh thể để Ca(OH)2 kết tinh. Kết quả là thay bằng sự kết tinh của một lượng nhỏ tinh thể Ca(OH)2 kích thước lớn là rất nhiều tinh thể nhỏ hình thành. Sự biến đổi các tinh thể portlandite kích thước lớn, cường độ thấp thành các tinh thể nhỏ sẽ cải thiện tính chất cơ lý của đá xi măng, tương tự như sự gia tăng cường độ của hợp kim khi chuyển từ cấu trúc hạt thô sang cấu trúc hạt mịn.

Một ảnh hưởng có lợi khác của silicafume đến cường độ và độ bền của bê tông là việc giảm độ rỗng của vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu khi silicafume được sử dụng trong hỗn hợp. Trong bê tông không có silicafume, do có sự tách nước nên tỷ lệ

XN ở vùng chuyển tiếp cao hơn và các tinh thể Ca(OH)2 ở vùng này có kích thước lớn

hơn so với ở các vùng khác trong bê tông. Do đó, vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu là khu vực có độ rỗng lớn và cường độ thấp nhất trong bê tông. Khi đưa silicafume vào hỗn hợp bê tông đã làm giảm lượng nước tụ tập dưới các hạt cốt liệu. Kết quả là silicafume làm giảm đáng kể độ rỗng của vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu. Ngoài ra, nó còn làm giảm số lượng và kích thước của các tinh thể Ca(OH)2 hình thành ở vùng này.

52

Theo [10], vai trò của silicafume trong việc nâng cao độ đặc chắc của vùng

chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu có thể thấy khi không có mặt silicafume thì

trong vữa xi măng các tinh thể portlandite kết tinh trên bề mặt cốt liệu hình thành một

khu vực có cấu trúc xốp ngăn cách cốt liệu với đá xi măng và khi có mặt của silicafume

thì các tinh thể portlandite (CH) không xuất hiện hoặc rất ít ở vùng chuyển tiếp, chiều

dày vùng chuyển tiếp lớn hơn và cấu trúc của nó đặc chắc hơn.

Hình 2.6. Sự hình thành của vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu

Với: CH = Ca(OH)2; PC = Xi măng pooclăng.

a) Hỗn hợp bê tông không có silicafume.

b) Vùng chuyển tiếp trong bê tông không có silicafume.

c) Hỗn hợp bê tông có silicafume.

d) Vùng chuyển tiếp bê tông có chứa silicafume.

Như vậy có thể thấy vai trò cải thiện của silicafume trong bê tông bao gồm:

− Cải thiện vi cấu trúc, tăng cường độ đặc chắc của bê tông.

− Tăng cường độ bền vững lâu dài.

− Cường độ nén cao đồng đều.

− Bảo vệ bê tông chống ăn mòn.

− Cường độ uốn cao hơn.

− Chống lại sự co giãn thường xuyên.

53

2.3.2.5. Phụ gia hoá học

Phụ gia hoá học là vật liệu bắt buộc sử dụng trong chế tạo bê tông chất lượng cao.

Ngoài mục đích giảm tỷ lệ CKD

N chúng còn thúc đẩy phát triển cường độ. Và đây còn

là giải pháp kinh tế, vì bằng biện pháp giảm nhu cầu cần nước thay cho việc tăng hàm

lượng chất kết dính trong bê tông.

Thông thường, phụ gia giảm nước có khả năng giảm lượng cần nước của hỗn hợp

bê tông vào khoảng 10 ÷ 15%. Đặc biệt với phụ gia siêu dẻo có khả năng giảm hàm

lượng nước trong hỗn hợp tới 30% hoặc cao hơn. Các phụ gia siêu dẻo đă được nghiên

cứu chế tạo bê tông chất lượng cao như: Phụ gia siêu dẻo (superplastcizer), phụ gia siêu

hoá lỏng (superfluidifier),... Lượng dùng phụ gia hóa học thông thường dao động trong

khoảng từ 0,1 ÷ 5% theo khối lượng của xi măng (tính theo lít/kg). Cần lưu ý đến sự ảnh

hưởng của sức căng bề mặt của nước và sự biến đổi tính chất của xi măng. Khi dùng

phụ gia siêu dẻo kết hợp với silicafume giúp bê tông tăng cường độ đồng thời giảm

lượng dùng nước mà vẫn đảm bảo độ dẻo yêu cầu của hỗn hợp bê tông.

Việc sử dụng phụ gia tăng dẻo, siêu dẻo còn có lợi ích làm chậm quá trình tổn thất

độ dẻo làm tiện lợi cho việc vận chuyển hỗn hợp bê tông đi xa và thi công các kết cấu

phức tạp hoặc làm tăng tốc độ rắn chắc khi các công trình có yêu cầu cường độ sớm.

Theo [13], [14], [18] phần lớn phụ gia siêu dẻo dùng trong bê tông đều có thành

phần gồm một trong các loại gốc sau: Naphthalene formandehyde sulfonate, Melamine

formandehyde sulfonate, Polycarboxylate và Amino sulfonate.

* Cơ chế hoá dẻo của phụ gia siêu dẻo trong bê tông chất lượng cao cũng giống

như trong bê tông thường. Chúng được chia thành 3 loại chính như sau:

− Hóa dẻo do làm giảm sức căng bề mặt

Phụ gia siêu dẻo là chất hoạt động bề mặt. Vì vậy, khi cho vào nước chúng làm

giảm sức căng bề mặt của dung dịch, nồng độ phụ gia càng cao thì sức căng mặt của

dung dịch giảm càng nhiều. Khi cho phụ gia siêu dẻo vào hỗn hợp bê tông, các phân tử

của nó bám lên bề mặt của các pha rắn (hạt xi măng, tro, cát, đá, sản phẩm thủy hóa của

xi măng,...). Các phân tử phụ gia nói trên nằm trên bề mặt phân chia giữa pha rắn - lỏng

54

và làm giảm sức căng bề mặt của nước bao quanh pha rắn, làm chiều dày màng nước

bọc quanh pha rắn giảm đi. Hay nói cách khác hai pha rắn trượt lên nhau dễ dàng như

cũ với màng nước phân cách có chiều dày nhỏ hơn. Khi đó lượng nước trộn dôi ra sẽ

làm tăng độ dẻo hỗn hợp bê tông. Phụ gia có sức căng bề mặt càng nhỏ thì khả năng hóa

dẻo càng cao.

− Hóa dẻo do hòa tan hạt xi măng, chống hiện tượng kết tụ

Theo [14] cơ chế hòa tan hạt xi măng của phụ gia siêu dẻo được chia ra hai nhóm:

+ Dựa trên lực đẩy tĩnh điện.

+ Dựa trên lực đẩy không gian.

Hình 2.7. Cơ chế hoá dẻo của phụ gia siêu dẻo

Phụ gia siêu dẻo dựa trên lực đẩy tĩnh điện gồm có Naphthalene sulfonate,

Melamine sulfonate và Amino sulfonate, tất cả đều có nhóm sulfonic trong phân tử. Khi

phân tử phụ gia bám hút trên bề mặt các pha rắn, các anion có khả năng bị tách ra khỏi

nhóm sulfonic mạnh hơn so với nhóm carboxy đưa đến sự thay đổi điện tích âm của hạt

xi măng (pha rắn). Các pha rắn trong hỗn hợp bê tông đều tích điện âm nên sẽ đẩy tách

nhau ra dẫn đến hiệu quả phân tán và hóa dẻo của hỗn hợp bê tông.

Cơ chế hòa tan dựa trên lực đẩy không gian (bố trí các nguyên tử trong không

gian) thuộc về các phụ gia siêu dẻo gốc Polycarboxylate và tất cả phụ gia siêu dẻo có

polyme mạch vòng chứa nhánh Ethylene oxide. Mạch Ethylene oxide có khả năng giữ

nước rất tốt. Nhờ có lớp hấp thụ nên các phân tử phụ gia tạo được màng nước mỏng trên

bề mặt các hạt xi măng. Lớp hấp thụ mỏng này sinh ra lực đẩy không gian cao.

Lực đẩy tĩnh điện và lực đẩy không gian cao sẽ làm cho hạt xi măng không dính

bết vào mà phân tán và thấm đều nước, các hạt tách khỏi nhau dễ dàng và phân tích đều

trong hỗn hợp bê tông.

Xi măng

Phụ gia siêu dẻo

55

− Hóa dẻo do cuốn khí Trong bê tông thường, phụ gia hóa dẻo và phụ gia siêu dẻo khi làm giảm sức căng

bề mặt của nước cũng sẽ làm tăng khả năng cuốn khí. Các bọt khí cuốn vào kích thước rất bé phân bố đều trong hỗn hợp bê tông có tác dụng như các lớp đệm mà trên đó các pha rắn sẽ trượt dễ dàng hơn.

Hình 2.8. Cơ chế hoá dẻo do cuốn khí

* Cơ chế hoá dẻo của phụ gia tăng dẻo được giải thích là: Khi cho vào trong bê tông phụ gia tăng dẻo được phân ly trong nước thành các nhóm phân cực mạnh các nhóm hyđrocacbon (OH-), (COOH-), (CHO-),... và gốc các bon còn lại ở dạng cao phân tử phân cực yếu. Các nhóm phân cực mạnh có tác dụng làm dung dịch huyền phù tăng tính linh động còn nhóm cao phân tử có sức căng bề mặt kém hơn nên hấp phụ bề mặt phụ gia làm tăng tính nhớt. Ngoài ra, trong chúng tồn tại dạng axit lignnosulfuric có tác dụng cuốn khí tạo ra bọt bám xung quanh các hạt xi măng làm giảm diện tích tiếp xúc giữa các hạt do đó làm giảm lực ma sát giữa các hạt dẫn đến tăng tính linh động giữa các hạt của xi măng và khi hấp thụ lên bề mặt xi măng nó có tác dụng kìm chế tốc độ thuỷ hoá.

Theo [14], phụ gia tăng dẻo có những loại sau:

− Loại A: Phụ gia giảm nước.

− Loại D: Phụ gia giảm nước - chậm rắn.

− Loại E: Phụ gia giảm nước - rắn nhanh.

− Loại F: Phụ gia giảm nước tầm cao.

− Loại G: Phụ gia giảm nước tầm cao - rắn chậm. Tóm lại: Với đặc tính của bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cốt sợi PP, có

cường độ nén lớn, cường độ uốn cao, tính dẻo dai, kháng trượt lớn sẽ có đủ khả năng

chế tạo các lớp phủ mỏng tăng cường trên bề mặt của đường cao tốc, đường băng sân

Bọt khí

Đầu kỵ nước

Đầu ưa nước

56

bay hàng không trên khắp cả nước. Mặt khác loại bê tông này có độ đồng nhất cao, kích

thước hạt nhỏ cùng với hỗn hợp bê tông có độ lưu động lớn, có khả năng tự lèn nên khi

dùng trong các kết cấu bảo vệ, chiều dày mỏng hoặc dùng để sửa chữa công trình sẽ

mang lại hiệu quả kinh tế cao.

2.4. THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO

2.4.1. Lý thuyết về thiết kế thành phần hạt

Thành phần hạt của bê tông như chúng ta đã biết có ảnh hưởng đến tính công tác,

độ chịu lực, mô đun đàn hồi, từ biến, biến dạng, độ bền, tính kinh tế cũng như tính phân

tầng, nước yêu cầu và lượng dùng phụ gia. Thực tế có rất nhiều mô hình khác nhau đưa

ra cách dự đoán sự ảnh hưởng 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.

− Phương pháp lấp đầy - độ đặc lớn nhất (maximum density method).

− Phương pháp tỷ diện tích bề mặt (surface area).

− Phương pháp môđun độ mịn (fineness modulus - FM).

Khi thành phần hạt tối ưu, sự sắp xếp các hạt vật liệu là hợp lý nhất và độ đặc của

hỗn hợp bê tông là lớn nhất. Tác giả đã lựa chọn phương pháp đạt độ đặc lớn nhất làm

cơ sở khoa học cho việc thiết kế thành phần hạt của bê tông.

Trong phương pháp này, độ đặc của cấp phối hạt đạt được lớn nhất phụ thuộc chủ

yếu vào đường kính của các loại hạt và tỷ lệ theo hàm lượng của các cỡ hạt tham gia.

Theo các kết quả nghiên cứu [12], nếu xét theo đơn hạt thì sự sắp xếp có 4 kiểu và theo

tính toán độ xốp thực tế phụ thuộc vào điểm tiếp xúc

Bảng 2.2. Quan hệ giữa kiểu sắp xếp và độ rỗng giữa các hạt

STT Kiểu sắp xếp Số điểm tiếp xúc với hạt cầu bên cạnh

Độ rỗng giữa các hạt, %

1 Hình hộp 6 47,64

2 Bàn cờ đơn giản 8 39,55

3 Bàn cờ kép 10 30,20

4 Hình tháp và tứ diện 12 25,95

57

Fuller và Thompson (1907) đưa ra cách điều chỉnh thành phần hạt bằng cách

phối 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 tưởng dựa trên công thức:

P = 100×n

Dd

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Trong đó: P- là hàm lượng phần trăm lọt sàng, % (theo thể tích). d - là kích thước sàng hiện tại, mm. D- là đường kính lớn nhất của hạt, mm. n - là hệ số phân bố (0,45 ÷ 0,70).

Hình 2.9. Các kiểu sắp xếp của hạt

a – Kiểu hình hộp.

b – Kiểu bàn cờ

đơn.

c – Kiểu tứ diện .

d – Kiểu bàn cờ kép.

e – Kiểu tháp.

Tuy vậy, một nhược điểm của phương pháp thực nghiệm này, theo Wig và các

cộng sự (1916) [12] là không dự đoán được độ đặc của hỗn hợp thành phần và khi các

vật liệu khác với trong nghiên cứu của Fuller và Thompson thì mô hình của họ không

còn đúng 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; D

là kích thước hạt lớn nhất; n là hệ số phân bố. Kết quả cho thấy rằng (Talbon, Richart

1923), ứng với thành phần hạt có kích thước hạt là Dmax cho trước thì độ đặc lớn nhất

với n = 0,5. Tuy vậy, lúc này tính thi công của bê tông lại giảm xuống. Nhận xét này

cũng được thống nhất bởi nhiều tác giả khác, thậm chí các tác giả này còn đưa ra mô

hình thành phần hạt có độ đặc lớn nhất (McMilian 1929, Walsh 1933, Besson 1935,

Blanks 1940, Frost 1967).

58

Theo lý thuyết thì độ đặc của hỗn hợp hạt có thể đạt tới độ xốp bằng không nếu có

đầy đủ hạt nhỏ chèn vào giữa các hạt lớn. Khi trong hệ chứa nhiều loại hạt khác nhau

như vậy sẽ có hai nguyên tắc cơ bản để chọn thành phần hạt tương ứng với độ xốp nhỏ:

a) Cấp phối hạt gián đoạn Đây 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.

Hình 2.10. Lỗ rỗng giữa các hạt vật liệu b) Cấp phối hạt liên tục Đây là cấp phối có hạt từ kích thước lớn nhất đến hạt có kích thước nhỏ nhất.

Andreasen (1931) đã nghiên cứu về cấp phối hạt liên tục và cho rằng độ đặc tối ưu đạt được được xác định thông qua công thức:

CPFT = 100×q

Dd

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Trong đó: P- là hàm lượng phần trăm lọt sàng, % (theo thể tích).

d - là kích thước sàng hiện tại. D- là đường kính lớn nhất của hạt. q - là hệ số phân bố.

Sự khác biệt giữa công thức Fuller – Thompson và công thức Andreasen đó là giá trị của trị số n (hay trị số q).

Từ hai công thức trên ta thấy (Dd ) là một số nhỏ hơn 1. Do vậy, khi n (hay q) tăng

thì P (hay CPFT) giảm. Tức là lượng lọt sàng d sẽ giảm đi. Như vậy: Khi n (hay q) tăng lên thì thành phần hạt của hỗn hợp vật liệu trở nên thô hơn. Điều này đồng nghĩa với, khi hàm lượng hạt trong hỗn hợp vật liệu càng mịn thì giá trị n (hay q) sẽ càng nhỏ.

Hạt vật liệuLỗ rỗng

59

Sự khác biệt giữa các nghiên cứu của Fuller – Thompson với Andreasen đó là

Fuller - Thompson chủ yếu nghiên cứu phối hợp thành phần cho hỗn hợp bê tông trong

khi đó các nghiên cứu của Andreasen phần lớn phục vụ cho phối liệu gốm.

2.4.2. Thiết kế thành phần bê tông hạt mịn chất lượng cao

Thiết kế thành phần bê tông là sự lựa chọn thành phần phối hợp hợp lý của các vật

liệu thành phần nhằm thu được bê tông và hỗn hợp bê tông cho tính chất tốt nhất và chi

phí kinh tế phù hợp. Về nguyên tắc, khi thiết kế thành phần bê tông hạt mịn chất lượng

cao cần đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Yêu cầu về tính năng của bê tông: Mác bê tông (theo cường độ nén), tuổi cần

đạt cường độ thiết kế hoặc các tính năng khác.

+ Yêu cầu về điều kiện thi công đặc trưng cho tính chất của hỗn hợp bê tông:

− Thỏa mãn yêu cầu về khả năng tự lèn chặt vào khuôn và cốp pha đã dựng sẵn.

− Đảm bảo thời gian duy trì tính công tác của hỗn hợp bê tông theo yêu cầu

thời gian thi công (vận chuyển, bơm,...) bê tông và nhiệt độ môi trường.

− Đảm bảo những yêu cầu bổ sung khác về hỗn hợp bê tông hoặc về bê tông

do thiết kế yêu cầu.

+ Yêu cầu về vật liệu chế tạo.

+ Xác định thành phần sơ bộ của bê tông.

+ Hiệu chỉnh thành phần thông qua kết quả kiểm tra mẫu thí nghiệm.

+ Giám sát, kiểm tra quá trình đổ bê tông và đưa ra các hiệu chỉnh cần thiết trong

quá trình sản xuất do sự thay đổi các tính chất của cốt liệu hoặc các yếu tố khác.

Do là sản phẩm mới được nghiên cứu nên chưa có một phương pháp thiết kế nào

dành cho bê tông bột mịn chất lượng cao. Việc thiết kế bê tông bột mịn chất lượng chất

lượng cao được đi theo con đường của bê tông truyền thống. Đó là kết hợp giữa lý

thuyết với thực nghiệm và dựa trên cơ sở lý thuyết "thể tích tuyệt đối ". Thể tích tuyệt

đối có nghĩa là tổng toàn bộ thể tích của các nguyên liệu trong hỗn hợp bê tông bằng thể

tích của bê tông được chế tạo ra. Trong lý thuyết này, người ta coi như không tồn tại

lượng khí cuốn vào trong hỗn hợp bê tông. Tức là các thành phần sắp xếp với nhau vừa

khít khi hỗn hợp bê tông được chế tạo.

60

Đối với sản phẩm bê tông thường, thành phần bao gồm có các hạt thô (đá), hạt mịn (cát), xi măng và nước. Xi măng trộn với nước tạo thành hồ xi măng. Hồ xi măng này có tác dụng điền đầy các khoảng trống giữa các hạt cát. Xi măng, nước và cát tạo với nhau thành vữa xi măng cát. Vữa này đóng vai trò làm các chất điền đầy vào khoảng trống giữa các hạt thô (đá). Sự điền đầy này khi diễn ra liên tục với các kích thước hạt khác nhau tạo nên một hỗn hợp đặc chắc. Tạo ra cường độ khi bê tông cứng rắn và đồng thời tạo ra khả năng ngăn cách các chất ăn mòn xâm nhập vào trong bê tông, ngăn cản sự thẩm thấu và tạo ra tính chống thấm của vật liệu. Đối với bê tông hạt mịn chất lượng cao, thành phần của chúng là các hạt mịn và hạt siêu mịn. Hạt thô nhất trong thành phần là cát. Các thành phần hạt còn lại có kích thước nhỏ hơn cát rất nhiều. Tuy nhiên, các thành phần mịn và siêu mịn còn lại này lại có kích thước trong một khoảng rất rộng. Sự biến thiên kích thước hạt trong một khoảng rộng tạo ra sự đan xen về kích thước. Các hạt siêu mịn không hoàn toàn lấp đầy được hết các khoảng trống mà các hạt mịn có kích thước trung bình lớn hơn kích thước trung bình của chúng tạo nên. Do vậy, trong bê tông này sự điền đầy tuyệt đối như ở trên chỉ diễn ra thực sự đối với các khoảng trống giữa các hạt cát. Trong tác giả này sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm nhằm tìm ra cấp phối tối ưu của bê tông hạt mịn chất lượng cao. Hàm mục tiêu được lựa chọn là cường độ nén 14 ngày của bê tông. Sở dĩ cường độ nén được chọn làm hàm mục tiêu vì nó rất quan trọng đối với bê tông. Cường độ nén không những quyết định khả năng chịu lực của kết cấu mà thông qua cường độ nén người ta còn có thể dự đoán được các tính chất khác của bê tông. Bê tông có cường độ nén cao thì cường độ kéo khi uốn, tính chống thấm, chống mài mòn,… cũng tăng lên theo. Trong tài liệu này, tác giả nghiên cứu sử dụng sự liên hệ mật thiết giữa cường độ bê tông và sự đặc chắc của kết cấu bê tông làm cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu. Sự liên hệ này đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu trong quá trình phát triển của công nghệ bê tông. Theo đó, kết cấu bê tông càng đặc chắc thì cường độ của bê tông càng cao.

Để đơn giản và hiệu quả trong việc thí nghiệm tìm ra thành phần bê tông tự lèn hợp lý dùng các nguyên vật liệu đã kiểm tra, tác giả đã lập kế hoạch thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu và kế hoạch bậc hai tâm xoay để nghiên cứu.

61

Quy hoạch thực nghiệm là phương pháp được sử dụng để nghiên cứu nhiều

đối tượng khác nhau, trong đó có các đối tượng của công nghệ. Các quá trình xảy ra

trong các đối tượng công nghệ được đặc trưng bằng các biến, giữa chúng có quan hệ

nguyên nhân - kết quả. Các biến đóng vai trò nguyên nhân gọi là biến vào, còn các

biến phản ánh kết quả do nguyên nhân gây ra được gọi là biến ra. Biến vào có thể

kiểm soát và cũng có thể điều khiển được.

Đối tượng công nghệ có thể mô tả bằng sơ đồ sau:

Trong đó:

- Biến vào x1, x2,... xn là biến điều khiển được (còn gọi là nhân tố điều khiển).

- Biến ra y1, y2, ym là biến bị điều khiển (còn gọi là biến trạng thái).

- Biến ngẫu nhiên Z (còn gọi là nhiễu), tức là không điều khiển được.

Để xác lập mô tả thống kê đối tượng công nghệ ta cần thực hiện năm bước: Xác

định hệ, xác định cấu trúc hệ thống, xác định hàm toán mô tả hệ, xác định các thông số

của mô hình mô tả hệ, kiểm tra tính tương hợp của các mô tả đó và cải tiến nếu cần.

Quy hoạch thực nghiệm là một phương pháp nghiên cứu khoa học được nhiều nhà

nghiên cứu quan tâm. Những ưu điểm của phương pháp này là:

− Giảm đáng kể số lượng thí nghiệm, tiết kiệm thời gian và kinh phí.

− Lượng thông tin nhiều hơn, cụ thể hơn nhờ đánh giá được một cách tương

đối toàn diện ảnh hưởng của các nhân tố đến hàm mục tiêu.

− Thu được mô hình thống kê thực nghiệm, cho phép đánh giá được bức tranh

thực nghiệm theo các tiêu chuẩn thống kê và cho phép xét ảnh hưởng của các thông

số với mức độ tin cậy cần thiết.

− Cho phép xác định điều kiện tối ưu đa nhân tố của đối tượng nghiên cứu một

cách khá chính xác bằng các công cụ toán học thay cho cách giải gần đúng.

X2

X1

Xn

Y1Y1

Ym

Z

62

Nhận xét chương 2

Từ các kết quả phân tích tổng hợp khả năng ứng dụng của bê tông hạt mịn chất

lượng cao, ta thấy:

− Nhu cầu sử dụng bê tông và bê tông cốt thép trong các kết cấu công trình

giao thông và sân bay ngày càng nhiều. Tuy nhiên, các loại bê tông thông thường

chưa đáp ứng được yêu cầu đặc biệt về cường độ, độ chống nứt và độ bền vững

trong điều kiện đặc biệt của các kết cấu công trình này. Đòi hỏi phải có một loại bê

tông chất lượng cao, có khả năng chống nứt tốt, ma sát bề mặt cao, chịu được tác

động phức tạp của ngoại lực.

− Bê tông hạt mịn chất lượng cao có cấu trúc đặc chắc cao, cường độ nén lớn,

cường độ kéo cao, tính kháng trượt lớn phù hợp với kết cấu bề mặt bảo vệ, tăng

cường ma sát giữa bề mặt bê tông và bánh xe do đó an toàn cho các loại phương

tiện giao thông lưu thông trên đường.

63

Chương 3. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU SỬ DỤNG

3.1. Cốt liệu

Một đặc điểm khác với bê tông thường đó là trong bê tông chất lượng cao hạt cốt

liệu có kích thước càng nhỏ càng tốt, đặc biệt là với các loại bê tông hạt mịn. Cốt liệu

trong bê tông hạt mịn chất lượng cao là thành phần vật liệu có kích thước hạt nằm trong

khoảng (0,14 ÷ 5)mm. Đây là một loại cát vàng phổ biến và có sẵn ở nhiều vùng của

nước ta.

Cốt liệu dùng trong bê tông hạt mịn chất lượng cao là cát vàng sông Lô. Cát được

sàng loại bỏ thành phần hạt có kích thước lớn hơn 5mm. Sau đó cát được rửa sạch loại

bỏ thành phần bụi bẩn, thành phần hạt có kích thước hạt nhỏ hơn 140μm, loại bỏ các tạp

chất hữu cơ có ảnh hưởng không tốt đến tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông.

Tiến hành các thí nghiệm theo các yêu cầu của TCVN 7572 : 2006 [3], [4] tác giả

đã xác định được các tính chất cơ lý của cát như sau:

Các chỉ tiêu tính chất vật lý của cát được xác định trong bảng 3.1.

Bảng 3.1. Tính chất vật lý của cát vàng STT Chỉ tiêu xác định Phương pháp thí nghiệm Đơn vị Kết quả

1 Loại cát, nguồn gốc Cát vàng sông Lô

2 Khối lượng riêng TCVN 7572- 4 : 2006 g/cm3 2,65

3 Khối lượng thể tích xốp TCVN 7572- 4 : 2006 g/cm3 1,445

4 Độ rỗng TCVN 7572- 4 : 2006 % 44,8

5 Mô đun độ lớn TCVN 7572- 2 : 2006 3,0

6 Độ ẩm tự nhiên TCVN 7572- 7 : 2006 % 0,43

8 Tạp chất mi ca TCVN 7572- 20 : 2006 % Cho phép

9 Tạp chất bùn, sét, bụi TCVN 7572- 8 : 2006 % 0,22

10 Tạp chất hữu cơ TCVN 7572- 9 : 2006 So mầu Cho phép

Bảng 3.2. Bảng thành phần hạt của cát Đường kính sàng (mm) 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14

Lượng sót tích luỹ (%) 0 18,2 38,15 62,65 87,3 93,5

Lượng lọt sàng (%) 100 81,8 61,85 37,35 12,7 6,5

64

Đường biểu diễn thành phần hạt của cát:

§−êng biÓu diÔn thμnh phÇn h¹t cña c¸t.Vïng qui ph¹m qui ®Þnh.§−êng kÝnh c¸c mÆt sμng (mm)

L−î

ng s

ãt tÝ

ch lu

ü (%

)

60

1001,25

Ghi chó:

0,3150,14 0,63 2,5

80

40

20

0

5

Hình 3.1. Biểu đồ thành phần hạt của cát

3.2. Xi măng

Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã sử dụng xi măng PC40 Bút Sơn. Theo [6],

kết quả kiểm tra các tính chất cơ lý của xi măng Bút Sơn PC40 đưa ra trong bảng 3.3.

Bảng 3.3. Tính chất cơ lý của xi măng Bút Sơn PC40

Các chỉ tiêu kỹ thuật Phương pháp thử Đơn vị

Tiêu chuẩn quy định

Kết quả

Cường độ nén - 72 giờ ± 45 phút - 28 ngày ± 2 giờ

TCVN 6016:1995

MPa MPa

≥ 18 ≥ 40

25,4 45,3

Thời gian đông kết - Bắt đầu đông kết - Kết thúc đông kết

TCVN 6017:1995

Phút Phút

≥ 45 ≤ 375

140 230

Độ mịn - Lượng sót trên sàng 0,08mm - Bề mặt riêng, theo Blaine

TCVN 4030:2003

%

cm2/g

≤ 15 ≥ 2700

5,6

3524 Độ dẻo tiêu chuẩn TCVN 4030:2003 % - 28,5 Độ ổn định thể tích TCVN 6017:1995 mm ≤ 10 1,25 Khối lượng riêng TCVN 6017:1995 g/cm3 - 3,10

Thành phần hạt của xi măng % cỡ hạt có kích thước < D (μm) 10 25 50 75 90

Đường kính hạt (μm) 3,324 8,965 19,41 44,12 72,10

Đường kính hạt trung bình (μm) 29,5838

65

3.3. Phụ gia khoáng mịn

Ngoài xi măng là chất kết dính chính để chế tạo bê tông, phụ gia khoáng mịn đóng

vai trò không thể thiếu trong chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao. Các loại phụ gia

khoáng mịn có vai trò giảm lượng dùng xi măng, tăng cường độ của bê tông và giảm

lượng nhiệt tỏa ra khi xi măng thủy hóa.

Phụ gia khoáng mịn sử dụng để chế tạo bê tông ở nước ta có nhiều chủng loại

như: Silicafume, tro nhiệt điện, xỉ lò cao, bột đá vôi, tro trấu, mêta caolanh,… Nguồn

gốc khai thác các loại phụ gia khoáng mịn được đưa ra ở bảng 3.4.

Bảng 3.4. Nguồn gốc các loại phụ gia khoáng mịn STT Phụ gia khoáng Nguồn gốc

1 Bột đá vôi Mỏ núi đá vôi

2 Tro nhiệt điện Nhà máy nhiệt điện phía Bắc

3 Xỉ lò cao Nhà máy gang thép Thái Nguyên

4 Mêta caolanh Khoáng Caolinite

5 Silicafume Nhập khẩu

6 Tro trấu nghiền Lò đốt gốm

3.3.1. Silicafume

Theo [10], Silicafume là một loại phụ gia khoáng hoạt tính cao, khi sử dụng chúng

trong bê tông chất lượng cao có tác dụng nâng cao tính công tác của hỗn hợp bê tông,

tăng độ đặc chắc, cường độ của đá xi măng và cải thiện cấu trúc vùng chuyển tiếp giữa

đá xi măng và cốt liệu. Việc sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính cao không những cải

thiện tính chất của hỗn hợp bê tông mà còn làm tăng đáng kể cường độ và độ bền lâu

của bê tông.

Hiện nay, ở nước ta có một số dạng sản phẩm silicafume như sau: Dạng hạt rời,

dạng viên nén hoặc dạng hồ lỏng. Trong tài liệu, tác giả đã sử dụng silicafume (SF) ở

dạng hạt rời của Công ty Elkem cung cấp. Kết quả phân tích thành phần hạt và một số

tính chất của Silicafume như sau:

66

Bảng 3.5. Tính chất và thành phần hạt của silicafume Elkem % hàm lượng cỡ hạt có kích thước < D 10 25 50 75 90

Đường kính hạt, (μm) 0,119 0,129 0,141 0,154 0,167

Kích thước hạt trung bình, (μm) 0,142

Khối lượng riêng, (g/cm3) 2,2

Khối lượng thể tích, (kg/m3) 250

Diện tích bề mặt, (cm2/ml) 429 900

3.3.2. Tro bay nhiệt điện

Trong bê tông hạt mịn chất lượng cao, tro bay nhiệt điện được sử dụng với mục

đích thay thế một phần xi măng trong vai trò của chất kết dính và qua đó chúng giảm

được một số hiệu ứng phát sinh nhiệt thủy hóa do lượng dùng xi măng quá lớn.

Tác giả sử dụng tro bay nhiệt điện Phả Lại (TB) có thành phần hạt và các tính chất

vật lý như sau:

Bảng 3.6. Tính chất và thành phần hạt của tro bay nhiệt điện Phả Lại

% hàm lượng cỡ hạt có kích thước < D 10 25 50 75 90

Đường kính hạt, (μm) 3,261 10,53 28,47 60,69 105,90

Kích thước hạt trung bình, (μm) 28,47

Khối lượng riêng, (g/cm3) 2,45

Khối lượng thể tích, (kg/m3) 950

Diện tích bề mặt, (cm2/ml) 8 619

3.4. Phụ gia siêu dẻo

Để tiến hành nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao, tác giả đã sử

dụng loại phụ gia thế hệ mới [27] Glenium Ace 388 của hãng The Chemical Company

BASF cung cấp.

a) Giới thiệu

Glenium ACE 388 là một phụ gia siêu dẻo gốc Polycarboxylic Ether (PCE) cải

tiến. Do cấu tạo đặc trưng của các phân tử hoạt tính, phụ gia này có những cơ chế thẩm

67

thấu đặc biệt với xi măng mà trước nay chưa từng được biết đến. Vì thế Glenium ACE

388 làm cho bê tông phát triển cường độ ban đầu rất tốt. Trong khi các loại phụ gia phát

triển cường độ cao, cường độ sớm thông thường trước đây luôn gặp phải vấn đề giảm

thiểu độ linh động của bê tông theo thời gian và vì thế làm giảm cường độ sau cùng của

bê tông, thì Glenium ACE 388 SureTec không còn phụ thuộc vào yếu điểm này đồng

thời làm tăng khả năng duy trì độ sụt và tăng đáng kể cường độ sau cùng của bê tông.

Do sự kết hợp đặc biệt các yếu tố như phát triển cường độ sớm, cường độ sau

cùng và khả năng duy trì độ sụt nên Glenium ACE 388 SureTec rất thích hợp cho bê

tông đúc sẵn.

Sản phẩm này tương thích với tiêu chuẩn ASTM C494, phụ gia loại F.

b) Tương thích

Glenium ACE 388 SureTec tương thích và được đề nghị sử dụng với:

− Các tác nhân tạo nhớt để sản xuất bê tông tự đầm.

− Phụ gia cuốn khí Micro-Air 202 để làm tăng khả năng chống sương giá.

− Glenium ACE 388 không tương thích với các phụ gia siêu dẻo Rheobuild.

c) Đặc điểm và công dụng

Glenium ACE 388 SureTec rất hữu ích cho ngành công nghiệp bê tông đúc sẵn

đặc biệt với những công dụng sau:

− Cường độ và khả năng chống thấm cao.

− Giảm được từ 25 ÷ 30% lượng nước nhào trộn.

− Cải thiện độ bền bê tông.

− Độ linh động của bê tông rất cao.

− Không phân tầng dù ở độ linh động cao.

− Chất lượng bê tông tốt.

− Sản xuất bê tông dẻo và bê tông tự đầm với tỷ lệ nước trên xi măng thấp.

− Giảm thiểu việc bảo dưỡng bằng nhiệt.

− Giảm nguồn lực cần thiết cho công tác đầm nén, bảo dưỡng, tạo hình.

− Cải thiện bề mặt sản phẩm.

− Cải thiện các đặc tính cơ lý của bê tông như: Cường độ chịu nén, cường độ

chịu uốn cả giai đoạn đầu và sau cùng đều tăng cao.

68

e) Hàm lượng sử dụng

Hàm lượng sử dụng thông thường được đề nghị là từ 0,75 đến 1,2 lít trên 100 kg

trọng lượng chất kết dính.

Có thể sử dụng tỉ lệ khác ngoài giới hạn trên trong những trường hợp đặc biệt theo

yêu cầu của điều kiện công trường. Trong trường hợp này, nên tham khảo nhân viên

BASF sở tại.

Một số tính chất của Glenium Ace 388 đã sử dụng:

- Màu sắc: Màu nâu đậm.

- Tỷ trọng : 1,1g/cm3.

- Độ pH: 6,0 ÷ 7,5.

3.5. Cốt sợi

Sợi polypropylene (PP) được sử dụng làm cốt sợi tăng cường cho bê tông và vữa.

Loại sợi này thu được bằng cách biến đổi nguyên liệu polypropylene gốc.

Theo [24], sợi PP được sản xuất bằng cách phối hợp các loại vật liệu phụ với sợi

polypropylene đã được cắt, xén nhỏ cùng nhau, rồi qua khâu xử lý bởi sự pha trộn, quay

và kéo kết hợp. Sợi PP được sử dụng rộng rãi như chất tăng cường thứ cấp để ngăn

ngừa sự rạn nứt sớm trong các kết cấu bê tông và vữa.

Qúa trình tổng hợp polypropylene. Sợi phân tán PP được điều chế từ các mônôme

là propylene (CH3 = CH – CH3) theo phương trình:

nCH = CH

CH

-3

3 (propylene)

⎯⎯ →⎯ xtpto ;; 3

2 -

CHn(- CH - CH -)

(polypropylene)

Theo [24], các thông số kỹ thuật của sợi được nêu ra trong bảng 3.7.

69

Bảng 3.7. Thông số kỹ thuật của sợi PP

Vật liệu sợi polypropylene Tính chất

Độ phân tán Cao

Tính dẫn nhiệt Rất thấp

Tính thấm nước Không thấm nước

Khả năng chịu ăn mòn axít và kiềm Tốt

Chiều dài của sợi 6mm ÷19mm

Đường kính tương đương 20 ÷ 50μm

Khối lượng riêng 0,91 kg/cm3

Môđun đàn hồi > 5000MPa

Cường độ chịu kéo của sợi ≥ 500MPa

Lượng dùng cốt sợi theo thể tích 0,1%

Lượng dùng cốt sợi theo khối lượng (0,7 ÷ 1,8) kg/m3

Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã tiến hành khảo sát lượng dùng cốt sợi PP trong khoảng 1,0 ÷ 1,8 kg cho mỗi 1m3 bê tông hạt mịn chất lượng cao, với mục đích tăng cường độ chịu kéo, tăng khả năng chống nứt cho bê tông và tạo ra độ bền cho lớp bê tông phủ mỏng.

Nhận xét chương 3 − Xi măng PC40 Bút Sơn, tro bay nhiệt điện Phả Lại, cốt liệu cát vàng đều

thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật để làm chất kết dính, phụ gia mịn và cốt liệu chế tạo bê

tông hạt mịn chất lượng cao.

− Cốt sợi polypropylene được sử dụng khoảng 1,0 ÷1,5kg trong 1m3 bê tông.

Chúng có vai trò rất quan trọng trong việc giảm sự phát triển của vết nứt trong kết

cấu bê tông, tăng độ dẻo dai của sản phẩm và cải thiện khả năng làm việc của bê

tông sau khi xuất hiện vết nứt.

70

Chương 4. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU ĐẾN TÍNH

CHẤT BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO

4.1. THIẾT KẾ SƠ BỘ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG HẠT MỊN Theo phương pháp thể tích tuyệt đối, thể tích 1m3 bê tông đã lèn chặt coi như là

tổng thể tích của nước, xi măng, phụ gia khoáng, cốt liệu, phụ gia siêu dẻo và thể tích không khí cuốn vào trong quá trình nhào trộn.

Do đó: N

Nγ

+ X

Xγ

+ TB

TBγ

+ SF

SFγ

+ C

Cγ

+PG

PGγ

+ A = 1000

Trong đó − N, X, TB, SF, C, PG: là khối lượng nước, xi măng, tro bay, silicafume, cát,

phụ gia siêu dẻo. − Nγ , Xγ , TBγ , SFγ , Cγ , PGγ : là khối lượng riêng của nước, xi măng, tro bay,

silicafume, cát, phụ gia siêu dẻo. − A: là thể tích rỗng do không khí cuốn vào trong hỗn hợp bê tông, theo tài liệu

[7] thường lấy A = 3%. Trên cơ sở các kết quả thu được của tài liệu [12], tác giả đã chọn gốc các hệ số tỷ

lệ vật liệu như sau: Bảng 4.1. Các tỷ lệ vật liệu sử dụng

Tỷ lệ XN

CKDC

XSF

XTB

XPG A

Giá trị 0,34 1,5 0,1 0,6 0,015 3%

Trong đó: CKD = XM + SF + TB. Tính toán dựa trên các giá trị tỷ lệ vật liệu, ta thu được cấp phối sơ bộ của hỗn hợp

bê tông hạt mịn có thành phần như sau: Bảng 4.2. Cấp phối sơ bộ của hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao

Vật liệu Ký hiệu Nguồn cung cấp Hàm lượng (kg/m3) Cát C Cát vàng Sông Lô 1280 Xi măng X PC40 Bút Sơn 502 Tro bay TB Nhiệt điện Phả Lại 302 Silicafume SF Elkem 50,2 Nước N Nước máy sạch 170,7 Phụ gia siêu dẻo PG Glenium Ace 388 7,53

71

4.2. LẬP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG

CỦA CÁC THÀNH PHẦN VẬT LIỆU ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA BÊ

TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm nhằm mục đích xây dựng mô hình toán học

biểu diễn sự ảnh hưởng của các yếu tố như: Lượng cốt liệu, lượng chất kết dính, lượng

nước, phụ gia siêu mịn, phụ gia siêu dẻo, lượng cốt sợi PP đến các tính chất cơ lý, tính

bám dính, tính chống trượt của hỗn hợp bê tông và bê tông hạt mịn chất lượng cao.

4.2.1. Chọn hàm mục tiêu

Hỗn hợp bê tông và bê tông hạt mịn chất lượng cao có rất nhiều các tính chất khác

biệt. Tuy nhiên tính chất quan trọng nhất của chúng chính là cường độ nén. Vì vậy, tác

giả đã chọn cường độ nén của mẫu 5x5x5cm ở tuổi 14 ngày ( 14nR ) làm hàm mục tiêu

nghiên cứu của mô hình. Bên cạnh đó, các chỉ tiêu khác cũng được kiểm tra, đánh giá.

Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã sử dụng cấp phối đã tính toán sơ bộ làm

gốc để tiến hành quy hoạch bậc một.

4.2.2. Các nhân tố ảnh hưởng

Các nhân tố ảnh hưởng đến các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông hạt mịn

chất lượng cao bao gồm: Lượng cốt liệu, lượng chất kết dính, lượng nước, phụ gia siêu

mịn, phụ gia siêu dẻo, lượng cốt sợi PP.

4.2.3. Kế hoạch thực nghiệm bậc nhất hai mức tối ưu

4.2.3.1. Chọn các biến thực, biến mã và khoảng biến thiên của các biến số

Để thực hiện kế hoạch thực nghiệm bậc nhất và nhằm giảm bớt số lượng thí

nghiệm, tác giả đã chọn các biến thực, biến mã và khoảng biến thiên của các biến thí

nghiệm như sau:

− Tỷ lệ tro bay trên chất kết dính (CKDTB ) mã hoá là X1 thay đổi từ 0,55 đến 0,65.

− Tỷ lệ cát trên chất kết dính (CKD

C ) mã hoá là X2 thay đổi từ 1,3 đến 1,7.

− Tỷ lệ nước trên xi măng (XN ) mã hoá là X3 thay đổi từ 0,32 đến 0,36.

72

Bảng 4.3. Mã hóa các biến số và các điểm quy hoạch thực nghiệm Các nhân tố ảnh hưởng

Biến mã hóa

Các điểm quy hoạch bậc nhất Mức quy hoạch (δ) - 1 0 + 1

CKDTB X1 0,55 0,60 0,65 0,05

CKDC X2 1,3 1,5 1,7 0,2

XN X3 0,32 0,34 0,36 0,02

Số thí nghiệm theo quy hoạch là: N = 2k = 23 = 8 thí nghiệm.

4.2.3.2. Cấp phối thí nghiệm và kết quả thí nghiệm Bảng 4.4. Cấp phối bê tông hạt mịn theo quy họach thực nghiệm bậc nhất

STT Biến mã Biến thực Cấp phối bê tông, (kg/m3)

X1 X2 X3 CKDTB

CKDC

XN X TB SF C N PG

1 +1 +1 +1 0,65 1,7 0,36 459 298 45,9 1366 156,1 6,892 -1 +1 +1 0,55 1,7 0,36 479 263 47,9 1343 172,3 7,183 +1 -1 +1 0,65 1,3 0,36 519 337 51,9 1180 186,7 7,784 -1 -1 +1 0,55 1,3 0,36 545 300 54,5 1170 196,3 8,185 +1 +1 -1 0,65 1,7 0,32 464 301 46,4 1379 148,3 6,956 -1 +1 -1 0,55 1,7 0,32 502 251 50,2 1365 160,6 7,537 +1 -1 -1 0,65 1,3 0,32 530 344 53,0 1206 169,6 7,958 -1 -1 -1 0,55 1,3 0,32 558 307 55,8 1196 178,5 8,37

Bảng 4.5. Kết quả cường độ nén của bê tông ở tuổi 14 ngày theo quy hoạch bậc nhất

STT Biến mã Độ chảy D, (cm) Kết quả cường độ nén 14

nR (MPa) PhươngSai (S 2

i ) X1 X2 X3 D1 D2 D3 R1 R2 R3 R 1 +1 +1 +1 25,5 25,0 25,0 64,0 64,8 66,0 64,93 1,01 2 -1 +1 +1 26,0 24,0 26,5 65,6 68,0 67,2 66,93 1,49 3 +1 -1 +1 24,0 24,0 24,5 75,6 76,4 74,0 75,33 1,49 4 -1 -1 +1 27,5 27,5 26,5 76,8 76,4 76,8 76,67 0,05 5 +1 +1 -1 24,5 24,0 23,5 76,0 74,4 76,4 75,60 1,12 6 -1 +1 -1 25,5 25,0 25,0 76,4 77,2 76,4 76,67 0,21 7 +1 -1 -1 25,5 25,0 25,5 78,0 79,2 78,0 78,40 0,48 8 -1 -1 -1 26,0 26,0 26,5 79,2 80,4 82,0 80,53 1,97

73

a). Kiểm tra độ tin cậy của mô hình thực nghiệm theo chuẩn số Kochren Từ các giá trị thực nghiệm thu được ở bảng 4.5 tiến hành kiểm tra độ tin cậy của

các kết quả tìm được theo chuẩn số Kochren trình tự tính toán như sau:

− Phương sai lặp Sll2 được tính theo công thức: S 2

ll = ∑ 2iS = 7,84.

− Tính chuẩn số Kochren (G): 2517,084,797,1

2

2max ==

∑=

itt S

SG

Dựa vào tài liệu [20], tra bảng chuẩn số Kochren: Gbảng= Gα (f1,f2).

Với sai số α = 0,05; các bậc tự do: f1= m - 1 = 2; f2= N = 8, ta được Gbảng= 0,532.

Ta thấy Gbảng > ttG như vậy các giá trị thí nghiệm thu được là đáng tin cậy.

b). Tính phương trình hồi quy của kế hoạch thực nghiệm bậc nhất Áp dụng các công thức toán học theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm bậc nhất

[20] và quá trình tính toán, tác giả đã tìm được phương trình hồi quy của kế hoạch thực

nghiệm bậc nhất có dạng như sau:

Y = 74,383 - 0,817X1 - 3,350X2 - 3,417X3 + 0,050X1X2

- 1,683X2X3 - 0,017X1X3 - 0,217X1X2X3

c). Kiểm tra tính có nghĩa của các hệ số trong phương trình hàm hồi quy Kiểm tra tính có nghĩa của các hệ số trong phương trình hàm mục tiêu căn cứ vào

chuẩn số Student.

− Tính độ lệch tiêu chuẩn: 884,72

==NSS ll

bδ =0,989.

Tra bảng [20] giá trị của chuẩn số Student với bậc tự do lặp f2 = 5 - 1 = 4, mức có

nghĩa p = 0,05 ta được chuẩn số Student là: tb = 2,776.

Từ đó ta tính được: tb x Sbδ = 0,989 x 2,776 = 2,748.

Như vậy, căn cứ vào giá trị của chuẩn số Student, các hệ số bi của biến số nào ở

trong phương trình hồi quy mà có bbi tSb ×≤ δ = 2,748 thì hệ số đó không ảnh hưởng

hoặc có ảnh hưởng không đáng kể đến hàm mục tiêu (ở đây là cường độ của bê tông) có

thể loại bỏ các hệ số đó.

Vậy phương trình của hàm mục tiêu là: Y = 74,383 - 3,350X2 - 3,417X3.

74

d). Kiểm tra tính tương hợp của mô hình Tiến hành kiểm tra tính tương hợp của mô hình thực nghiệm bằng cách căn cứ vào

chuẩn số Fisher, theo nguyên tắc tính toán sau:

Tính phương sai mô hình theo công thức: ( )

lNiyiY

Smh −

∑ −=

2

2

Với l: là hệ số còn lại của mô hình (l = 3).

yi : là giá trị trung bình của từng thí nghiệm.

N: là số thí nghiệm (N= 8).

Yi: là giá trị tính toán được của mô hình.

Phương sai mô hình tính toán được: ( )

68,538

402,282

2 =−

=−

∑ −=

lNiyiY

Smh

Vậy chuẩn số Fisher được tính như sau: 7245,084,768,5

2

2

===ll

mhtt S

SF

Theo [20], tra bảng giá trị của chuẩn số Fisher F f fα ( , )1 2với α = 0,05; f1 = N - l = 5;

f2 = m - 1 = 4 ta thu được: Fbảng = 6,26.

Vì có Ftt = 0,7245 < Fbảng = 6,26 do đó mô hình thực nghiệm tìm được phản ánh

đúng quy luật phụ thuộc bậc nhất của cường độ vào các biến thí nghiệm X2 và X3.

4.2.4. Thí nghiệm tìm miền dừng

Từ kết quả thí nghiệm quy hoạch bậc nhất ta thấy: Khi các tỷ lệ CKD

C và XN giảm

thì cường độ nén của bê tông tăng và độ chảy của hỗn hợp bê tông giảm. Từ nhận xét đó, tiến hành thí nghiệm tìm vùng dừng với kết quả như sau:

Bảng 4.6. Quan hệ giữa cường độ bê tông với tỷ lệ CKD

C và XN

STT CKD

C XN

Cấp phối bê tông, (kg/m3) Cường độ nén 14nR , (MPa) XM TB SF C N PG

1 1,7 0,36 471 283 47,1 1361 160,1 7,07 71,5 2 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 167,9 7,87 75,4 3 1,1 0,28 592 355 59,2 1108 177,7 8,89 68,6

75

Từ kết quả thí nghiệm miền dừng ta thấy khi tỷ lệ XN = 0,32 và

CKDC = 1,4 thu

được kết quả cường độ nén của bê tông cao nhất. Do đó tác giả dùng cấp phối này làm

cấp phối tại tâm cho kế hoạch bậc hai.

4.2.5. Kế hoạch thực nghiệm bậc hai tâm xoay

4.2.5.1. Lập quy hoạch thực nghiệm bậc hai

Từ kết quả khảo sát bậc nhất và thí nghiệm miền dừng, tác giả tiến hành thí

nghiệm bậc hai với các tỷ lệ được lựa chọn như sau:

− Tỷ lệ cát trên chất kết dính (CKD

C ) mã hoá là X2 thay đổi từ 1,2 đến 1,6.

− Tỷ lệ nước trên xi măng (XN ) mã hoá là X3 thay đổi từ 0,30 đến 0,34.

− Lượng dụng silicafume với mục đích giảm lượng Ca(OH)2 trong bê tông, tác

giả lấy bằng 10% lượng dùng xi măng.

− Lượng phụ gia siêu dẻo lấy bằng 1,5% lượng dùng xi măng.

− Lượng tro bay nhiệt điện được sử dụng với mục đích phụ gia khoáng mịn, bổ

sung thành phần hạt cốt liệu mịn và thay thế xi măng để giảm lượng nhiệt thủy hóa,

tác giả lựa chọn bằng 60% lượng dùng xi măng.

Bảng 4.7. Mã hóa các biến số và các điểm quy hoạch thực nghiệm Các nhân tố ảnh hưởng

Biến mã hóa

Các điểm quy hoạch bậc hai Mức quy hoạch (δ)- 1,414 - 1 0 + 1 + 1,414

CKDC X2 1,12 1,2 1,4 1,6 1,68 0,2

XN X3 0,22 0,30 0,32 0,34 0,348 0,02

Số điểm thí nghiệm là: N = 2k + 2k + m = 22 + 2x2 + 5 = 13 thí nghiệm.

Trong đó số thí nghiệm lặp ở mức tâm kế hoạch là m = 5.

Hàm mục tiêu bậc hai tác giả lựa chọn bao gồm:

− Hàm mục tiêu theo độ chảy của hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao.

− Hàm mục tiêu theo cường độ nén ở tuổi 14 ngày của bê tông chất lượng cao.

76

Bảng 4.8. Cấp phối thực nghiệm bậc hai

STT Biến mã Biến thực Cấp phối thực nghiệm, (kg/m3)

X2 X3 CKDC

XN X TB SF C N PG

1 +1 +1 1,6 0,34 486 292 48,6 1322 165 7,3 2 -1 +1 1,2 0,34 557 334 55,7 1137 189 8,4 3 +1 -1 1,6 0,30 496 298 49,6 1349 149 7,4 4 -1 -1 1,2 0,30 570 342 57,0 1163 171 8,6 5 +1,414 0 1,68 0,32 479 287 47,9 1367 153 7,2 6 -1,414 0 1,12 0,32 581 348 58,1 1106 186 8,7 7 0 +1,414 1,4 0,348 517 310 51,7 1230 180 7,8 8 0 -1,414 1,4 0,22 555 333 55,5 1320 122 8,3 9 0 0 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 10 0 0 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 11 0 0 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 12 0 0 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 13 0 0 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9

Bảng 4.9. Kết quả thí nghiệm độ chảy và cường độ nén theo quy hoạch bậc hai

STT CKD

C XN

Cấp phối thực nghiệm, (kg/m3) Độ chảy

(cm) R14

n (MPa) X TB SF C N PG

1 1,6 0,34 486 292 48,6 1322 165 7,3 26,0 70,55 2 1,2 0,34 557 334 55,7 1137 189 8,4 26,5 71,87 3 1,6 0,30 496 298 49,6 1349 149 7,4 25,5 72,15 4 1,2 0,30 570 342 57,0 1163 171 8,6 28,0 71,60 5 1,68 0,32 479 287 47,9 1367 153 7,2 26,5 80,50 6 1,12 0,32 581 348 58,1 1106 186 8,7 27,5 70,10 7 1,4 0,348 517 310 51,7 1230 180 7,8 29,0 82,20 8 1,4 0,22 555 333 55,5 1320 122 8,3 24,5 70,20 9 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 27,5 82,50 10 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 28,0 85,75 11 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 28,5 82,85 12 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 27,5 86,25 13 1,4 0,32 525 315 52,5 1249 168 7,9 28,5 84,50

77

a). Xác định phương trình hàm hồi quy bậc hai Áp dụng các công thức toán học theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm bậc hai

tâm xoay [20] và các phép biến đổi, ta tìm được các phương trình hồi quy của kế hoạch thực nghiệm bậc hai có dạng như sau:

− Phương trình hồi quy bậc hai về cường độ nén ở tuổi 14 ngày của bê tông hạt mịn chất lượng cao:

14nR = 84,37 + 1,7368X2 + 1,9488X3 - 0,4675X2X3 - 5,6458X2

2 - 5,1958X32

− Phương trình hồi quy bậc hai về độ chảy của hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao:

D = 28,00 - 0,551X2 + 0,668X3 + 0,50X2X3 - 0,615X22 - 0,740X3

2

b). Kiểm tra tính có nghĩa của các hệ số trong hàm hồi quy Độ lệch tiêu chuẩn Sbj của phân bố bj được xác định theo công thức:

∑=

= 13

1

2

2

iji

llbj

X

SS

Trong đó ∑=

13

1

2

ijiX : Tổng bình phương của véctơ cột Xj của ma trận thực nghiệm.

2llS : Phương sai lặp, ∑

=

−×−

=m

aooall YY

mS

1

22 )(1

1 = 4263,11 = 2,81575.

m: Số thí nghiệm lặp ở tâm: m = 5. oY : Là giá trị trung bình của các thí nghiệm ở tâm kế hoạch.

Chuẩn số Student tbj được xác định theo công thức: tbj = bj

j

Sb

.

Tra bảng chuẩn số Student [20], với mức có nghĩa p = 0,05, bậc tự do lặp lại f2 = 4 ta có

2,tpt = 2,78. Tiến hành loại bỏ các hệ số bj khi có tbj < 2,78.

Bảng 4.10. Kết quả kiểm tra hệ số phương trình hồi quy cường độ nén của bê tông

j 0 2 3 4 5 6

bj b0 b2 b3 b2b3 b2b2 b3b3

84,37 1,7368 1,9488 -0,468 -5,646 -5,196

Sbj 0,750 0,593 0,593 0,839 0,637 0,637

tbj 112,428 2,927 3,285 0,557 8,866 8,160

78

Như vậy, hệ số b2b3 = 0,557 có ảnh hưởng không đáng kể đến hàm mục tiêu, được

loại bỏ. Vậy phương trình hàm hồi quy bậc hai về cường độ nén ở tuổi 14 ngày của bê

tông hạt mịn chất lượng cao:

14nR = 84,37 + 1,7368X2 + 1,9488X3 - 5,6458X2

2 - 5,1958X32.

c). Kiểm tra tính tương hợp của mô hình theo chuẩn số Fisher

Theo [20], chuẩn số Fisher được xác định theo công thức: Ftt = 2

2

ll

du

SS

Với Sd là phương sai dư được xác định theo công thức: 2duS = ∑

=

−×−

N

iii YY

lN 1

2)ˆ(1

Trong đó iY ; iY : là giá trị thực nghiệm và giá trị tính toán của hàm mục tiêu.

N: Số thí nghiệm, N = 13.

l: Số hệ số có nghĩa trong phương trình hồi quy bậc hai, l = 5.

Do đó, tính toán được: 2duS = ∑∑

==

−×−

=−×−

13

1

2

1

2 )ˆ(513

1)ˆ(1i

ii

N

iii YYYY

lN= 1,9564

Vậy ta có chuẩn số Fisher tính toán được: Ftt = 81575,29564,14 = 5,3117

Tra bảng giá trị của chuẩn số Fisher [20] với mức có nghĩa p = 0,05; bậc tự do lặp

f2 = 5 - 1 = 4; bậc tự do dư f1 = 13 - 5 = 8; thu được Fb0,05;8;4 = 6,04.

Do Fb0,05;8;4 > Ftt vậy mô hình thí nghiệm cường độ nén tương hợp với thực nghiệm.

Thực hiện quá trình hoàn toàn tương tự đối với phương trình hồi quy bậc hai về độ

chảy của bê tông hạt mịn chất lượng cao, ta cũng thu được mô hình thí nghiệm độ chảy

tương hợp với thực nghiệm và phương trình hồi quy bậc hai về độ chảy là:

D = 28,00 - 0,551X2 + 0,668X3 - 0,615X22 - 0,740X3

2

4.2.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của các nhân tố đến độ chảy và cường độ nén của

bê tông chất lượng cao

Từ phương trình hồi quy thu được, sử dụng phần mềm Maple 9.0 ta thu được bề

mặt biểu hiện và các đường đồng mức thể hiện sự ảnh hưởng của tỷ lệ CKD

C và tỷ lệ

XN đến độ chảy và cường độ nén của bê tông hạt mịn chất lượng cao như hình 5.1.

79

Hình 4.1. Bề mặt biểu hiện sự phụ thuộc của tỷ lệ CKD

C và XN đến độ chảy của hỗn

hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao

Hình 4.2. Bề mặt biểu hiện sự phụ thuộc của tỷ lệ CKD

C và XN đến cường độ nén

của bê tông hạt mịn chất lượng cao Từ các phương trình hồi quy và bề mặt biểu hiện của hàm mục tiêu ta nhận thấy:

− Hàm hồi quy về độ chảy của hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao đạt giá

trị cực đại tại giá trị của các biến là X2= - 0,4 và X3= 0,4. Khi đó thay các giá trị của

biến vào từng phương trình hồi quy, ta thu được: Dmax = 28,27cm và Rn= 82,72MPa.

MPa

cm

28

27,6

27,2

83,5

80,5

78 75

72

80

− Hàm hồi quy về cường độ nén của bê tông ở tuổi 14 ngày đạt giá trị cực đại

tại giá trị của các biến là X2= 0,11 và X3= 0,21. Khi đó thay các giá trị của biến vào

từng phương trình hồi quy, ta thu được: Rn max = 84,565MPa và D = 28,03cm.

Ảnh hưởng của biến X2 ( CKDC ) đến

độ chảy của hỗn hợp bê tông

Ảnh hưởng của biến X3 ( XN ) đến

độ chảy của hỗn hợp bê tông

Ảnh hưởng của biến X2 ( CKDC ) đến

cường độ nén của bê tông

Ảnh hưởng của biến X3 ( XN ) đến

cường độ nén của bê tông

Hình 4.3. Ảnh hưởng của biến mã đến tính chất của bê tông

0,11 0,21

MPa MPa

- 0,4

cm

0,4

cm

81

Theo mục đích của tác giả, hỗn hợp bê tông phải đảm bảo cường độ nén cao nhất

đồng thời cũng phải thỏa mãn có độ chảy lớn, thích hợp với hỗn hợp bê tông tự lèn,

thuận lớn cho quá trình vận chuyển, đổ khuôn và đầm nèn tốt nhất.

Với giá trị các biến X2 = 0,11 và X3 = 0,21 thì bê tông có cường độ nén ở tuổi 14

ngày đạt giá trị lớn nhất Rn max = 84,565MPa đồng thời độ chảy của hỗn hỗn hợp bê tông

đạt D = 28,03cm, phù hợp với yêu cầu của hỗn hợp bê tông tự lèn. Vì vậy, tác giả sử

dụng các biến có giá trị tại đó làm căn cứ xác định cấp phối hợp lý của bê tông.

Bảng 4.11. Kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối hợp lý của bê tông hạt mịn

Biến mã Tỷ lệ Lượng dùng vật liệu cho 1m3 bê tông hạt mịn, (kg)

X2 X3 CKDC

XN XM TB SF C N PG

0,11 0,21 1,422 0,324 520 312 52,0 1256 168 7,8

4.2.6. Khảo sát ảnh hưởng của lượng cốt sợi đến tính chất của bê tông

Để tiến hành nghiên cứu, xác định lượng dùng cốt sợi polypropylene trong 1m3 bê

tông, tác giả tiến hành thí nghiệm trên một số mẫu bê tông với cấp phối có thành phần

hợp lý và lượng dùng sợi khảo sát trong khoảng (1,0 ÷ 1,8) kg/m3 theo khuyến cáo của

nhà cung cấp cốt sợi.

Tiến hành đúc các mẫu bê tông thí nghiệm để kiểm tra độ chảy cuả hỗn hợp bê

tông, cường độ nén và cường độ uốn của mẫu 40x40x160mm ở tuổi 14 ngày, tác giả thu

được kết quả như sau:

Bảng 4.12. Kết quả khảo sát lượng dùng cốt sợi polypropylene

STT Cấp phối bê tông hạt mịn thí nghiệm, (kg) Độ chảy

Đ (mm) 14nR

(MPa)

14uR

(MPa)XM TB SF C N PG PP 1 520 312 52,0 1256 168 7,8 1,00 28,5 83,7 28,12 519 312 51,9 1256 168 7,8 1,25 28,0 85,4 32,43 518 311 51,8 1257 169 7,8 1,80 18,5 85,7 33,7

Từ kết quả thu được ta thấy:

− Khi lượng dùng cốt sợi phân tán tăng lên thì độ chảy của hỗn hợp bê tông

giảm dần. Điều này được giải thích là khi cốt sợi polypropylene tăng lên làm giảm

độ sệt của bê tông, đồng thời trong quá trình nhào trộn chúng còn bị vón cục hoặc

82

có thể tạo thành những khối cầu trong hỗn hợp bê tông. Và từ đó chúng làm giảm

tính công tác của bê tông.

− Khi tăng hàm lượng cốt sợi thì cường độ nén và cường độ kéo của bê tông

đều tăng theo, tuy nhiên sự tăng cường độ là không nhiều, do đó không kinh tế.

− Để đảm bảo tính tự nèn, đồng thời thỏa mãn các tính chất cường độ yêu cầu,

tác giả đã sử dụng lượng cốt sợi bằng 1,25kg/m3 để nghiên cứu các tính chất của bê

tông hạt mịn chất lượng cao.

Nhận xét chương 4 Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao

theo công thức tính toán của phương pháp quy hoạch thực nghiệm, tác giả rút ra một số

Nhận xét sau:

− Có thể chế tạo được bê tông hạt mịn chất lượng cao có độ chảy lớn, cường

độ nén ở tuổi 14 ngày trên mẫu 5x5x5cm lớn hơn 70MPa, tỷ lệ tro bay nhiệt điện

Phả Lại thay thế xi măng pooclăng lên tới 60%.

− Đã thiết lập được mối quan hệ giữa độ chảy của hỗn hợp bê tông và cường

độ nén của bê tông hạt mịn chất lượng cao với các tỷ lệ CKD

C và XN .

− Cấp phối hợp lý tác giả đã xác định được là:

Biến mã Tỷ lệ Lượng dùng vật liệu cho 1m3 bê tông hạt mịn, (kg)

X2 X3 CKDC

XN XM TB SF C N PG PP

0,11 0,21 1,422 0,324 520 312 52,0 1256 168 7,8 1,25

83

Chương 5. NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ

TẠO BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO

5.1. NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG VÀ BÊ

TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO HẠT MỊN

Để nghiên cứu các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông hạt mịn chất lượng

cao, tác giả tiến hành nghiên cứu, so sánh các tính chất của bê tông hại mịn có cấp phối

hợp lý đã tìm được trong chương 4 và các hỗn hợp bê tông đối chứng.

Kế hoạch thí nghiệm tính chất gồm các mẫu bê tông như sau:

− Hỗn hợp bê tông hạt mịn có cấp phối tối ưu và sử dụng 1,25kg sợi PP cho

1m3 bê tông, ký hiệu M1.

− Hỗn hợp bê tông đối chứng cấp phối tối ưu nhưng không sử dụng sợi PP, ký

hiệu là mẫu M2.

− Hỗn hợp bê tông đối chứng sử dụng 30% tro bay và 30% bột cát quắc nghiền

mịn, có dùng cốt sợi PP, ký hiệu M3.

− Hỗn hợp bê tông đối chứng thay thế toàn bộ tro bay nhiệt điện bằng bột cát

quắc nghiền mịn, không dùng cốt sợi PP, ký hiệu M4.

Bảng 5.1. Cấp phối của các mẫu bê tông thí nghiệm

Vật liệu Kí hiệu Lượng dùng vật liệu cho 1m3 bê tông, (kg/m3)

M1 M2 M3 M4

Xi măng PC40 Bút Sơn X 519 520 522 523

Tro bay nhiệt điện TB 312 312 157 0

Bột cát quắc BĐ 0 0 157 314

Silicafume SF 51,9 52,0 52,2 52,3

Cát vàng sông Lô C 1256 1256 1263 1263

Nước N 168 168 169 169

Phụ gia siêu dẻo Ace 388 PG 7,8 7,8 7,8 7,8

Sợi polypropylene PP 1,25 0 1,25 0

84

5.1.1. Nghiên cứu tính công tác hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao

Tính công tác của hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng sợi PP là tính

chất rất quan trọng, ảnh hưởng đến quá trình nhào trộn, đổ và đầm chặt hỗn hợp bê tông.

Khác với bê tông thường, các tính công tác của hỗn hợp bê tông hạt mịn này phụ thuộc

nhiều vào đặc trưng hình học của sợi, hàm lượng sợi và lượng nước nhào trộn. Do mục

đích chính là sử dụng bê tông hạt mịn chất lượng cao để chế tạo các kết cấu có chiều

dày nhỏ, lớp phủ tăng cường siêu mỏng trên bề mặt của các kết cấu, vì thế đòi hỏi hỗn

hợp bê tông phải có độ chảy và độ đồng nhất rất cao, giảm được năng lượng đầm nèn,

quá trình thi công dễ dàng.

Các phương pháp thí nghiệm tính công tác của loại bê tông này có nhiều khác biệt

so với bê tông thường vì chúng không có cốt liệu lớn nhưng có nhiều điểm tương đồng

với các phương pháp thí nghiệm các định tính công tác của vữa hoặc của bê tông tự lèn.

Vì vậy, tác giả đã xác định tính công tác của các hỗn hợp bê tông dựa vào việc xác định

độ chảy loang của côn vữa và độ chảy loang của côn Abraham.

Trong mục đích đặt ra của tác giả còn sử dụng hỗn hợp bê tông hạt mịn này để sửa

chữa hư hỏng công trình, do vậy hỗn hợp bê tông cần có độ chảy cao, dễ dàng thi công

bằng phương pháp bơm áp lực vào các khe nứt trong kết cấu. Độ chảy loang được dùng

để đánh giá dòng chảy tự do theo phương nằm ngang dưới tác dụng của trọng lượng bản

thân hỗn hợp bê tông. Đây là phép thử đơn giản, thông dụng và cho phép đánh giá tốt

khả năng tự điền đầy vào ván khôn của hỗn hợp bê tông. Giá trị độ chảy loang là đường

kính trung bình của hai lần đo vuông góc đường kính hỗn hợp bê tông. Độ chảy loang

càng cao thì khả năng tự điền đầy vào ván khuôn dưới trọng lượng bản thân càng lớn.

Bảng 5.2. Kết quả thí nghiệm tính công tác của hỗn hợp bê tông hạt mịn

Tính chất của hỗn hợp bê tông Các cấp phối thí nghiệm

M1 M2 M3 M4 Độ chảy loang của côn vữa, (cm) 28,5 29,5 25 25,5 Độ chảy loang của côn Abraham, (cm) 65 68 67 65,5 Khối lượng thể tích, (kg/m3) 2340 2320 2300 2250

Qua kết quả thí nghiệm thu được cho thấy các hỗn hợp bê tông trong thí nghiệm

có tính công tác tương đương nhau và đều đảm bảo khả năng tự lèn.

85

5.1.2. Nghiên cứu các tính chất cơ học của bê tông hạt mịn đã rắn chắc

Cường độ nén của bê tông là một chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng

bê tông. Tuy nhiên, trong các kết cấu có chiều dày nhỏ, các lớp phủ mỏng và siêu mỏng

thì cường độ kéo khi uốn, cường độ kháng trượt, cường độ bám dính nền cũng rất quan

trọng và cần được xác định.

5.1.2.1. Xác định các tính chất cơ lý của bê tông hạt mịn chất lượng cao

Các mẫu bê tông thí nghiệm được chế tạo và bảo dưỡng theo đúng các yêu cầu

của TCVN 3105 : 1993.

− Cường độ nén của bê tông được tiến hành thử theo TCVN 3118 : 1993 ở các

tuổi 3, 7, 14 và 28 ngày.

− Cường độ kéo khi uốn của bê tông hạt mịn chất lượng cao có sử dụng cốt sợi

PP là một tính chất quan trọng. Chúng thể hiện được khả năng mềm dẻo và khả

năng chống nứt, chống co ngót của bê tông chất lượng cao.

− Độ mài mòn của bê tông được xác định theo TCVN 3114 : 1993 nhằm mục

đích xác định khả năng chịu được các tải trọng va đập của các phương tiện vận

chuyển, đặc biệt là tải trọng của máy bay trên bề mặt kết cấu.

Bảng 5.3. Các tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao

Các tính chất của bê tông Tiêu chuẩn Các loại bê tông thí nghiệm M1 M2 M3 M4

Cường độ nén, (MPa)

1 ngày

TCVN 3118:1993

41,2 38,5 25,4 - 3 ngày 50,8 47,1 35,5 - 7 ngày 62,7 61,6 52,1 35,5 14 ngày 85,4 84,1 66,6 42,4 28 ngày 93,5 89,7 76,4 53,7

Cường độ kéo khi uốn ở tuổi 28 ngày, (MPa) TCVN 3119:1993 32,9 19,1 22,8 12,1

Độ mài mòn ở trạng thái bão hoà nước, (g/cm2) TCVN 3114:1993 0,401 0,42 0,43 0,45

Độ mài mòn ở trạng thái khô tự nhiên, (g/cm2) TCVN 3114:1993 0,198 0,223 0,25 0,35

Mô đun đàn hồi của bê tông, (1.104 MPa) TCVN 5726:1993 5,82 5,15 4,65 4,05

86

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 5 9 13 17 21 25 29Tuæi mÉu (ngμy)

C−ê

ng ®

é nÐ

n (M

Pa)

M Éu M 1 M Éu M 2 M Éu M 3 Hình 5.1. Biểu đồ sự phát triển cường độ nén của bê tông theo thời gian

Qua biểu đồ ta thấy: Cường độ của mẫu bê tông có cấp phối M1 luôn cao hơn các mẫu bê tông có cấp phối M2 và M3. Tuy nhiên, sự tăng cường độ của cấp phối M1 và M2 là không lớn. Điều này cho thấy cốt sợi PP phân tán không có ảnh hưởng nhiều đến việc tăng cường độ nén của bê tông.

Cấp phối M2 và M3 có sự chênh lệch lớn về cường độ nén. Điều này giải thích là do tác dụng puzzơlan của tro bay nhiệt điện đã làm tăng cường độ nén của bê tông.

Cường độ nén ở tuổi 28 ngày của các mẫu bê tông cũng có sự thay đổi do hàm lượng tro nhiệt điện ảnh hưởng đến các phản ứng puzzơlan khi xi măng thủy hóa.

5.1.2.2. Xác định cường độ kháng trượt và cường độ bám dính nền của bê tông hạt mịn chất lượng cao

Với mục đích sử dụng để chế tạo các cấu kiện mỏng, các lớp phủ tăng cường trên bề mặt đường cao tốc và đường sân bay, tác giả đã tiến hành xác định các tính chất đặc trưng của các lớp phủ mỏng, các thí nghiệm bao gồm các tính chất:

− Xác định cường độ kháng trượt theo phương pháp phi tiêu chuẩn [17].

− Xác định cường độ bám dính nền của bê tông theo TCXD 236 : 1999.

a) Thí nghiệm xác định cường độ kháng trượt của bê tông Để đánh giá khả năng làm việc trong điều kiện chịu các tác động của các lực trượt

từ các phương tiện vận chuyển, đặc biệt là lực đẩy của máy bay khi cất cánh và hạ cách xuống đường băng sân bay, tác giả đã tiến hành xác định cường độ kháng trượt của các mẫu bê tông thí nghiệm theo phương pháp phi tiêu chuẩn [17].

3 7 14 28

87

Theo [17], mô hình thí nghiệm xác định cường độ kháng trượt của bê tông được

trình bày trên hình 5.2 và hình 5.3.

Líp bª t«ng cò

MÉu bª t«ng KÝch thñy lùcBu l«ng vÝt h·m

Khung thÐpKhung thÐp

ββ

Hình 5.2. Mô hình thí nghiệm xác định cường độ kháng trượt của bê tông

MÉu bª t«ng

Líp bª t«ng cò T¹o nh¸m mÆt tiÕp gi¸p

50

75 25100

β

Ngo¹i lùc ®Èy trù¬t

β

1002575

T¹o nh¸m mÆt tiÕp gi¸p

MÉu bª t«ng

β

F

F.cosβ

F.sinβVíi tanβ = =

50

25 1

2

Ngo¹i lùc ®Èy trù¬t

Hình 5.3. Cấu tạo của mẫu thí nghiệm kháng trượt

Mẫu bê tông thí nghiệm có cấp phối M1, M2 và M4 được chế tạo tại Viện Khoa

học Công nghệ Xây dựng, kích thước của mẫu là 10x5x5cm với góc nghiêng một đầu là

230. Hệ thống khung đẩy bằng thép được gia công theo đúng quy định về kích thước, bộ

phận chính của bộ khung đẩy này là một kích thủy lực với tải trọng là 50KN hoặc

160KN được đặt vuông góc với bề mặt của khung thép và vuông góc với bề mặt của

viên mẫu.

Mẫu thí nghiệm được bảo dưỡng theo đúng tiêu chuẩn và được xác định độ kháng

trượt với các tuổi mẫu là 14 ngày và 28 ngày

Quy trình chế tạo mẫu thí nghiệm như sau:

88

Tạo nhám bề mặt bê tông cũ

Quét lớp hồ xi măng Đặt khuôn tạo mẫu

Chế tạo mẫu Bảo dưỡng mẫu thí nghiệm Mẫu thí nghiệm kháng trượtHình 5.4. Quy trình chế tạo mẫu thử

Kết quả xác định cường độ kháng trượt của mẫu bê tông được nêu trong bảng 5.4. Bảng 5.4. Kết quả cường độ kháng trượt của mẫu bê tông

Tính chất của bê tông Các loại bê tông thí nghiệm

M1 M2 M3 Cường độ kháng trượt của bê tông ở tuổi 14 ngày, (MPa)

12,35 12,01 12,25

Cường độ kháng trượt của bê tông ở tuổi 28 ngày, (MPa)

16,80 15,0 15,25

Từ kết quả thu được ta thấy, các mẫu bê tông sử dụng cốt sợi PP có cường độ kháng trượt cao hơn khoảng 12% so với bê tông không dùng cốt sợi. Điều này chứng tỏ cốt sợi PP có tác dụng ngăn cản ứng suất trượt trên bề mặt của vật liệu và làm tăng cường độ kháng trượt của bê tông cốt sợi.

b) Xác định cường độ bám dính nền Để đánh giá khả năng liên kết của lớp phủ bê tông

hạt mịn chất lượng cao với lớp bê tông cũ trên bề mặt kết

cấu, tác giả tiến hành xác định cường độ bám dính của lớp

bê tông mới phủ trên bề mặt nền bê tông cũ theo TXCD

236 : 1999 [5]. Hình 5.5. Đúc mẫu thí nghiệm

89

Quy trình tiến hành thí nghiệm như sau: Bề mặt bê tông cũ được làm sạch, đục tạo

nhám và tưới nước trên bề mặt nhằm mục đích cung cấp đủ độ ẩm để lớp bê tông cũ

không hút mất nước của lớp bê tông mới. Tiếp đó, hỗn hợp bê tông được nhào trộn theo

đúng các loại cấp phối đã thiết kế và được đổ lên bề mặt bê tông cũ một lớp dày 5cm,

làm nhẵm bề mặt và tiến hành bảo dưỡng theo đúng quy định của tỉêu chuẩn Việt Nam.

Sau khi đến tuổi thí nghiệm, bề mặt bê tông được cắt thành những ô vuông có kích

thước 5x5cm, chiều sâu của đường cắt phải qua lớp bê tông cũ (2 ÷ 3)cm, để hình thành

mẫu thí nghiệm có kích thước 5x5x5cm.

Hình 5.6. Mẫu bê tông thí nghiệm

Hình 5.7. Xác định cường độ bám dính nền

Tiếp đó, bề mặt của những viên mẫu được làm sạch bằng đá mài và được dính với

đầu kéo của máy bằng keo Êpoxy. Khi lớp keo rắn chắc và đạt cường độ, tiến hành đặt

máy thí nghiệm và kéo mẫu.

Bảng 5.5. Kết quả cường độ bám dính nền của mẫu bê tông

Tính chất của bê tông Các loại bê tông thí nghiệm

M1 M2

Cường độ bám dính nền của bê tông ở tuổi

14 ngày, (MPa) 1,41 1,32

Cường độ bám dính nền của bê tông ở tuổi

28 ngày, (MPa) 2,65 2,34

Cường độ bám dính nền của bê tông hạt mịn chất lượng cao xác định theo phương

pháp này phù hợp với yêu cầu sử dụng thực tế của bê tông, phản ánh đúng điều kiện làm

việc của bê tông trong các kết cấu có chiều dày nhỏ, các lớp phủ mỏng và siêu mỏng.

90

5.2. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO BÊ TÔNG HẠT MỊN

Từ kết quả nghiên cứu các tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao và với

mục đích để hạt silicafume và cốt sợi polypropylene phân tán đồng đều nhất vào trong

bê tông. Tác giả xin đề xuất sơ bộ dây chuyền công nghệ sản xuất hỗn hợp bê tông và

bê tông như sau.

Sîi PPC¸t vμng Tro bay Silicafume Xi m¨ng N−íc

§Þnh l−îng§Þnh l−îng §Þnh l−îng §Þnh l−îng §Þnh l−îng §Þnh l−îng

M¸y trén khÝ nÐn

M¸y trén 2 trôc

VËn chuyÓn

B¬m, ®æ khu«n

§Þnh l−îng 70%n−íc trén

§Þnh l−îng 30%n−íc cßn l¹i

§Þnh l−îng

Phô gia siªu dÎo (trén kh«)

M¸y trén 2 trôc (trén Èm)

(trén Èm)M¸y trén 2 trôc

M¸y trén 2 trôc

HHBT

Hình 5.8. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất bê tông hạt mịn chất lượng cao

Theo sơ đồ dây chuyền công nghệ đã nêu trên: Hỗn hợp gồm cát vàng, tro bay,

silicafume và sợi polypropylene được định lượng theo tỷ lệ cấp phối đã thiết kế rồi trộn

đồng đều khô bằng máy trộn khí nén. Quá trình này nhằm mục đích tạo điều kiện tốt

nhất để các loại phụ gia khoáng mịn (tro bay), phụ gia khoáng siêu mịn (silicafume) và

cốt sợi polypropylene được đánh tan và phân tán đồng đều vào trong cấu trúc của bê

tông, tạo ra được các tính chất mong muốn.

91

Xi măng được định lượng theo khối lượng, rồi cho vào máy trộn hai trục để tiến hành trộn khô cùng hỗn hợp bột mịn. Nước và phụ gia siêu dẻo được định lượng bằng thể tích. Nước được cho vào máy trộn làm hai lần: lần thứ nhất đưa vào máy trộn khoảng 70% lượng nước nhào trộn để làm ẩm bề mặt các vật liệu thành phần của hỗn hợp bê tông nhằm tăng hiệu quả thấm ướt của phụ gia siêu dẻo sau này. Tiếp theo cho toàn bộ phụ gia siêu dẻo vào máy trộn và tiến hành trộn đồng đều. Khi thấy bề mặt các hạt vật liệu đã thấm ướt hoàn toàn bằng phụ gia siêu dẻo và nước thì cho hết 30% lượng nước còn lại vào máy rồi trộn đều đến khi hỗn hợp bê tông chảy lỏng là được. Mặc dù trong hỗn hợp bê tông có sử dụng cốt sợi phân tán nhưng do sợi PP có môn đun đàn hồi thấp, vì vậy sau khi trộn đồng đều hỗn hợp bê tông có độ chảy lớn có thể vận chuyển bằng xe chuyên dụng (xe bom) đến công trường và tiến hành thi công bê tông bằng phương pháp bơm.

Mặt khác, bê tông hạt mịn chất lượng cao dùng cốt sợi phân tán có nhiều đặc tính khác so với các loại bê tông thường, do đó trong quá trình sản xuất cần chú ý một số yêu cầu sau:

5.2.1. Quá trình nhào trộn hỗn hợp bê tông

Quá trình nhào trộn hỗn hợp bê tông là một trong những khâu quan trọng nhất khi chế tạo hỗn hợp bê tông. Quá trình này ảnh hưởng rất lớn đến tính chất, đến sự đồng nhất cấu trúc cũng như ảnh hưởng đến khả năng chảy của hỗn hợp bê tông. Trong bê tông hạt mịn chất lượng cao, với hàm lượng bột mịn lớn, chứa các loại sợi phân tán ngẫu nhiên, nên quá trình nhào trộn gặp nhiều khó khăn. Do tỷ diện tích bề mặt pha rắn

tăng lên đáng kể, đồng thời tỷ lệ CKD

N thấp tiến tới chỉ đủ để thấm ướt bề mặt cốt liệu

và đủ để thuỷ hoá xi măng nên lượng nước dư thừa ra là rất ít, do đó nội lực ma sát trong hỗn hợp bê tông lớn. Vì vậy mà cần một năng lượng nhào trộn lớn để thắng được nội lực ma sát, từ đó làm tách các hạt pha rắn ra khỏi nhau, đồng thời cũng làm cho dung dịch phụ gia siêu dẻo hoà tan đều vào hỗn hợp bê tông, làm nhiệm vụ bôi trơn bề mặt hạt pha rắn, làm tăng độ chảy của hỗn hợp. Tuy nhiên, việc sử dụng các loại phụ gia siêu dẻo cũng làm tăng khả năng cuốn khí của hỗn hợp bê tông theo thời gian nhào trộn. Do đó cần khống chế thời gian nhào trộn sao cho vừa đảm bảo khả năng đồng đều vừa không làm tăng hàm lượng pha khí trong hỗn hợp bê tông.

92

Qua kết quả nghiên cứu khảo sát ta thấy: Thời gian nhào trộn hợp lý của bê tông

này khoảng (20 ÷ 30) phút đối với máy trộn tự do và thời gian trộn này tuỳ vào công

suất của máy, tốc độ quay của cánh trộn. Tuy nhiên, để tạo ra hỗn hợp bê tông có chất

lượng tốt cần tiến hành nhào trộn trong máy trộn cưỡng bức, thời gian trộn hỗn hợp bê

tông có thể rút ngắn, còn khoảng (10 ÷ 15) phút, đảm bảo cốt sợi PP phân tán đồng đều

trong cấu trúc bê tông, giảm được lượng bọt khí cuốn vào khi nhào trộn, tăng được

cường độ của bê tông.

Quá trình nhào trộn hỗn hợp bê tông còn bị ảnh hưởng bởi hàm lượng sợi PP và

kích thước sợi PP. Hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cốt sợi cần thời

gian trộn, năng lượng trộn, tốc độ quay của cánh trộn lớn hơn, nhằm mục đích chính là

phân tán tốt cốt sợi vào cấu trúc của bê tông. Với cùng một loại sợi, khi hàm lượng cốt

sợi tăng lên, kích thước sợi lớn hơn thì quá trình nhào trộn, phân tán sợi thực hiện khó

khăn hơn. Vì vậy, cần phải lựa chọn các thông số công nghệ và quy trình trộn phù hợp

với từng loại hỗn hợp bê tông cụ thể.

5.2.2. Quá trình thi công hỗn hợp bê tông

Công tác thi công lớp phủ mỏng tăng cường bằng bê tông hạt mịn chất lượng cao

được thực hiện tuân theo “Qui định kỹ thuật về thi công và nghiệm thu lớp phủ siêu

mỏng tạo nhám siêu mỏng trên đường ô tô” theo Quyết định số 3287/QĐ-BGTVT ngày

29/10/2008 [2]. Ngoài ra, do loại bê tông này có nhiều điểm khác biệt, vì vậy cần phải

chú ý một số yêu cầu sau:

− Cần phải thiết kế chiều dày của lớp phủ tuân theo yêu cầu chịu tác động của

các loại ngoại lực cụ thể trong từng kết cấu.

− Theo [8], nếu lớp phủ được rải trên bề mặt đường hiện hữu kết cấu còn tốt,

có bề mặt tương đối bằng phẳng, sạch và không hư hỏng thì có thể sử dụng lớp phủ

dính chặt. Trong các trường hợp khác, đặc biệt là khi yêu cầu phải tăng cường đáng

kể sức chịu tải của bề mặt đường hiện hữu thì phải sử dụng lớp phủ không dính.

− Khi thi công lớp phủ mỏng bê tông hạt mịn chất lượng cao trên bề mặt đuờng

bê tông át phan cần chú ý quá trình làm sạch bề mặt kết cấu, tạo nhám để tăng liên

kết với phần bê tông mới.

93

− Theo [9] khi dùng bê tông hạt mịn chất lượng cao để thi công mặt đường

cứng của sân bay cần phải rất chú ý đến quá trình bảo dưỡng và sửa chữa các khe

nối trên mặt đường.

− Mặc dù trong kết cấu bê tông có sử dụng cốt sợi gián đoạn nhưng vì trong

cấu trúc bê tông không có cốt liệu thô nên chúng có độ dẻo cao, dễ đổ khuôn, giảm

được năng lượng đầm chặt. Trong thực tế, quá trình đầm chặt hỗn hợp bê tông có

thể tăng độ đặc chắc của cấu trúc bê tông nhưng chúng lại có thể ảnh hưởng đến sự

định hướng của sợi trong cấu trúc (có thể làm sợi nổi lên trên bề mặt của kết cấu

theo hồ xi măng), do đó cần có các biện pháp đầm nèn hỗn hợp bê tông hợp lý,

nhằm mục đích hạn chế pha khí, giảm các tác động không tốt cho sự định hướng

của cốt sợi trong kết cấu bê tông.

5.2.3. Quá trình dưỡng hộ bê tông

Do trong thành phần của bê tông hạt mịn không có cốt liệu lớn, lượng xi măng

nhiều, vì vậy mục đích sử dụng của loại bê tông này là để chế tạo các kết cấu có chiều

dày nhỏ hoặc dùng làm các lớp phủ mỏng tăng cường trên bề mặt của kết cấu. Sau khi

chế tạo cấu kiện bằng loại bê tông này cần phải có các biện pháp dưỡng hộ. Có thể thực

hiện dưỡng hộ tự nhiên hoặc dưỡng hộ nhiệt ẩm để đảm bảo quá trình thuỷ hoá tốt cho

bê tông đồng thời trong quá trình rắn chắc bê tông hạt mịn giảm các khuyết tật do ứng

suất nhiệt hoặc co ngót.

Nhận xét chương 5 Từ các kết quả nghiên cứu các tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao, tác

giả rút ra một số Nhận xét sau:

− Hỗn hợp bê tông thí nghiệm có độ chảy lớn (28cm) đảm bảo khả năng tự lèn.

− Bê tông với cấp phối tốt ưu có cường độ nén cao (tuổi 28 ngày đạt 90MPa),

cường độ kéo khi uốn lớn (32,9MPa), cường độ kháng trượt cao (16,8MPa)

− Bằng thực nghiệm cho thấy, bê tông hạt mịn chất lượng cao có cường độ

bám dính nền lớn (2,65MPa), thích hợp để chế tạo các lớp phủ mỏng và siêu mỏng

trên các loại mặt đường hiện hữu.

94

1. KẾT LUẬN CHUNG

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cho mặt đường sân bay, tác giả rút ra những Nhận xét sau:

1. Từ những loại vật liệu thông thường sẵn có ở trong nước, có thể chế tạo được bê tông hạt mịn chất lượng cao (độ chảy của hỗn hợp bê tông D = 25÷ 28cm, cường độ nén từ 60MPa ÷ 90MPa).

2. Với cùng một cấp phối thí nghiệm, bê tông sử dụng cốt sợi polypropylene có cường độ kéo khi uốn cao hơn 72% so với bê tông không sử dụng cốt sợi.

3. Bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cốt sợi có cường độ kháng trượt cao (16,80MPa), cường độ bám dính vào nền bê tông cũ lớn (2,65MPa), thích hợp dùng để chế tạo các lớp phủ mỏng và siêu mỏng trên bề mặt của kết cấu hoặc dùng để sửa chữa các hư hỏng công trình

4. Trong quá trình nghiên cứu thí nghiệm, mẫu đối chứng không có cốt sợi phá hủy rất nhanh sau khi tải trọng đạt đến giá trị giới hạn. Bên cạnh đó, ở mẫu bê tông có cốt sợi thì vết nứt hình thành chậm, vết nứt mở rộng từ từ và mẫu thử sau khi phá hủy không bị gãy rời. Điều đó chứng tỏ cốt sợi đã phát huy tốt khả năng làm việc của chúng.

5. Do sử dụng lượng tro bay nhiệt điện lớn (60%) và tỷ lệ XN thấp, nên bê tông hạt

mịn chất lượng cao có cường độ phát triển chậm ở các tuổi sớm ( tuổi 7 ngày cường độ nén đạt 50% cường độ tiêu chuẩn). 2. KIẾN NGHỊ

Qua quá trình nghiên cứu, tác giả xin đưa ra một số kiến nghị như sau:

− Từ cấp phối bê tông hạt mịn tìm được, cần tiến hành nghiên cứu thêm về dây chuyền công nghệ chế tạo thích hợp, có tính thực tế cao.

− Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại cốt sợi gián đoạn khác nhau (sợi các bon, sợi thép, sợi tổng hợp,…) đến các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông hạt mịn chất lượng cao.

− Nghiên cứu thêm các tính chất về co ngót, biến dạng của bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cốt sợi và xác định khả năng liên kết của lớp bê tông hạt mịn chất lượng cao với lớp mặt đường bê tông át phan.

95

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] NCS. Nguyễn Thanh Bình, TS. Trần Bá Việt (2006), “Bê tông trang trí cốt

sợi thép phân tán để tu bổ lớp mặt đường công trình di tích”, Người Xây Dựng, tháng 7/2006 (177), tr 47÷ 49.

[2] Bộ Giao Thông Vận Tải (2008) “Qui định kỹ thuật về thi công và nghiệm thu lớp phủ siêu mỏng tạo nhám siêu mỏng trên đường ô tô” theo Quyết định số 3287/QĐ-BGTVT, ngày 29/10/2008.

[3] Bộ Xây dựng (2006), “Cốt liệu cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật”,TCVN 7570:2006, Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam, NXB Xây dựng, Hà Nội.

[4] Bộ Xây dựng (2006), “Cốt liệu cho bê tông và vữa - Phương pháp thử”, TCVN 7572:2006, Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam, NXB Xây dựng, Hà Nội.

[5] Bộ Xây dựng (2001), “Lớp phủ mặt kết cấu xây dựng – Phương pháp kéo đứt thử độ bám dính nền”, TCXD 236:1999, Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam, NXB Xây dựng, Hà Nội.

[6] Bộ Xây dựng (2001), “Tập VIII -Vật liệu xây dựng và sản phẩm cơ khí xây dựng, Tập X -Phương pháp thử”, Tuyển tập tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam,NXB Xây dựng, Hà Nội.

[7] PGS.TS. Bùi Văn Bội, GVC.TS. Vũ Đình Đấu (2004), Vi cốt liệu trong cấu trúc bê tông, bài giảng dành cho Cao học Vật liệu Xây dựng, Trường Đại học Xây Dựng, Hà Nội.

[8] PGS. Nguyễn Quang Chiêu (2008), Bê tông cốt sợi và bê tông cốt sợi thép,NXB Giao Thông Vận Tải, Hà Nội.

[9] PGS. Nguyễn Quang Chiêu (2005), Thiết kế và Xây dựng mặt đường Sân bay, NXB Xây Dựng, Hà Nội.

[10] GVC.TS. Bùi Danh Đại (2010), Phụ gia khoáng hoạt tính cao cho bê tông chất lượng cao, Bài giảng dành cho Cao học Vật liệu Xây dựng, Trường Đại học Xây Dựng, Hà Nội.

[11] GVC.TS. Vũ Đình Đấu, GVC.TS. Bùi Danh Đại (2007), Công nghệ chất kết dính vô cơ, NXB Xây Dựng, Hà Nội.

[12] PGS.TS. Phạm Hữu Hanh, ThS. Tống Tôn Kiên (2009), Nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn sử dụng trong công trình biển, Tài liệu thạc sỹ kỹ thuật-Trường Đại học Xây dựng, Hà Nội.

[13] PGS.TS. Phạm Hữu Hanh (2009), Bê tông cường độ cao – Bê tông chất lượng cao, bài giảng dành cho học viên Cao học Vật liệu Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng, Hà Nội.

[14] TS. Phạm Hữu Hanh (2007), Vật liệu hiệu quả trong xây dựng các công trình giao thông, NXB Xây Dựng, Hà Nội.

[15] TS. Phạm Hữu Hanh, ThS. Nguyễn Văn Tuấn (2005), “Nghiên cứu chế tạo bê tông mác 1000 dùng trong xây dựng hiện đại”, báo cáo hội nghị khoa học công nghệ lần thứ 14, Trường Đại học Xây dựng, Hà Nội, tr 147÷153.

96

[16] GS.TSKH. Phùng Văn Lự, PGS.TS. Phạm Duy Hữu, Phan Khắc Trí (2006), Vật liệu xây dựng, NXB Giáo Dục, Hà Nội.

[17] KS. Hồ Trọng Mạnh (2008), “Ứng dụng bê tông mác cao sửa chữa sàn Hangar máy bay”, Báo cáo Hội nghị khoa học cán bộ trẻ lần thứ X chào mừng kỳ niệm 45 năm thành lập Viên KHCN Xây dựng, Hà Nội, tr 397÷ 403.

[18] TS. Nguyễn Như Quý (2009), Lý thuyết về công nghệ bê tông xi măng, Bài giảng dành cho Cao học Vật liệu Xây dựng, Trường ĐH Xây dựng, Hà Nội.

[19] PGS.TS. Nguyễn Tấn Quí, TS. Nguyễn Thiện Ruệ (2007), Công nghệ bê tông xi măng tập I và tập II, NXB Giáo Dục, Hà Nội.

[20] GS.TSHK. Nguyễn Minh Tuyển (2007), Giáo trình Phương pháp Quy hoạch thực nghiệm, NXB Xây Dựng, Hà Nội.

[21] PGS.TS. Nguyễn Viết Trung, TS. Nguyễn Ngọc Long (2005), Giáo trình Bê tông cốt sợi thép, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội.

[22] PGS.TS. Phạm Cao Thăng (2007), Tính toán thiết kế mặt đường Sân bay và đường ô tô, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội.

Tài liệu tiếng Anh [23] Best Practices for Airport (2003), Portland Cement Concrete Pavement

Construction, April – 2003. [24] Introduction Properties Polypropylene Polyme Fiber for Concrete and mortar

(2006), http://www.alibaba.com/showroom/pp-fiber-for-concrete.html. [25] National cooperative highway research program (NCHRP synthesis 338)

(2004), Thin and ultra-thin Whitetopping, Asynthesis of Highway practice, Washington, D.C.

[26] Scott Murison, EIT and Ahmed Shalaby, P.Eng. Department of Civil Engineering University of Manitoba, Winnipeg, Manitoba (2002), ultra-thin whitetopping in canada: state-of-practice,Tim Smith, P.Eng. Cement Association of Canada, Ottawa.

[27] The Chemical Company BASF (2010), Formerly known as GLENIUM®

ACE 388 SURETEC, Http://www.hoachat.joboutlets.com/2008/10/phu-gia-cho-be-tong-va-vua.

[28] The International Conference on Best Practices for ultra thin and thinWhitetoppings (2005), Thin Whitetopping Application at Williamsburg Regional, Airport and Other Thin Whitetopping Airport Applications.

[29] Ultra-thin concrete Whitetopping (2005), The best solution for Today’s Overlay Projects, For more information, contact your local ready-mix supplier/contractor. Or call the American Concrete Pavement Association or National Ready Mixed Concrete Association.

[30] Ultra high performance Fiber Reinforced concretes (2004), Presentation by Serge Montens, using documents from Bouygues-VSL, Eiffage and Vinci companies.