Tài liệu Nghiên cứu sử dụng cát đồi tại các xã vùng đông, thành phố tam kỳ, tỉnh quảng nam để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THÀNH ĐỨC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT ĐỒI TẠI CÁC XÃ VÙNG ĐÔNG - TAM KỲ, TỈNH QUẢNG NAM ĐỂ THAY THẾ MỘT PHẦN CÁT SÔNG TRONG CHẾ TẠO BÊ TÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Đà Nẵng, Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THÀNH ĐỨC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT ĐỒI TẠI CÁC XÃ VÙNG ĐÔNG - TAM KỲ, TỈNH QUẢNG NAM ĐỂ THAY THẾ MỘT PHẦN CÁT SÔNG TRONG CHẾ TẠO BÊ TÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD và CN Mã ngành: 85.80.201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn: PGS.TS. ĐẶNG CÔNG THUẬT Đà Nẵng, Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng & Công nghiệp với đề tài: "Nghiên cứu sử dụng cát đồi tại các xã vùng Đông – Tam Kỳ, tỉnh Quảng Nam để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông" là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực. Tất cả các trích dẫn đã được ghi rõ nguồn gốc. Học viên Nguyễn Thành Đức TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT ĐỒI TẠI CÁC XÃ VÙNG ĐÔNG, THÀNH PHỐ TAM KỲ,TỈNH QUẢNG NAM ĐỂ THAY THẾ MỘT PHẦN CÁT SÔNG TRONG CHẾ TẠO BÊ TÔNG Học viên: Nguyễn Thành Đức Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã số: 85.80.201 Khóa: K35.XDD.ĐN, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Bê tông là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới hiện nay. Sau nước, bê tông được đặt ở vị trí thứ hai. Việc sử dụng cát sông là rất cần thiết trong chế tạo bê tông. Cát là vật liệu xây dựng bê tông cơ bản cần thiết với số lượng lớn. Trong luận văn này, tác giả sử dụng cát ở các cồn (trong luận văn gọi là cát đồi) để thay thế cát sông có thể được sử dụng làm cốt liệu mịn thay thế trong vữa và bê tông. Tác giả đã khảo sát, thí nghiệm các tính chất của bê tông như cường độ nén của bê tông bằng cách thay thế cát sông bởi cát đồi ở các mức khác nhau (15%, 25% và 35%). Kết quả đã chứng minh rằng, chúng ta có thể thay thế cát sông bằng cát cồn đến tỷ lệ 25% (75% cát sông) sẽ tạo ra bê tông có cường độ nén phù hợp. RESEARCH ON THE USING OF DUNE SAND IN EASTERN COMMUNES, TAM KY CITY, QUANG NAM PROVINCE TO REPLACE A PART OF RIVER SAND IN CONCRETE MANUFACTURING Summary: The most widely used material in this world is concrete. After water, concrete is placed in second position. The use of natural sand in conventional concrete has become of vital importance which is scarce to obtain. Sand is basic concrete making construction material required in large quantities. Dune sand is one among such materials to replace river sand which can be used as an alternative fine aggregate in mortars and concrete. An attempt had been made in the present investigation to discuss the properties of concrete such as compressive strength of concrete which is prepared by replacing natural sand with dune sand at different replacement levels (15%, 25% and 35%). The results have predicted that replacement of river sand with dune sand in order of 25% will produce concrete of satisfactory compressive strength. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... TÓM TẮT LUẬN VĂN................................................................................................ MỤC LỤC .................................................................................................................... DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................... MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài........................................................................................................ 1 2. Mục tiêu đề tài............................................................................................................ 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 3 4. Nội dung nghiên cứu .................................................................................................. 3 5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................... 4 7. Cấu trúc của luận văn ................................................................................................. 4 CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ CÁC VẬT LIỆU CẤU THÀNH....... 5 1.1. Tổng quan về bê tông và các vật liệu cấu thành ...................................................... 5 1.1.1. Tổng quan về bê tông .................................................................................. 5 1.1.2. Tính chất cơ học của bê tông ....................................................................... 7 1.1.3. Co ngót của bê tông ..................................................................................... 8 1.1.4. Các vật liệu cấu thành .................................................................................. 9 1.2. Nguyên lý hình thành bê tông thông qua phản ứng thủy hóa của xi măng ........... 13 1.2.1. Giai đoạn hòa tan ....................................................................................... 14 1.2.2. Giai đoạn hóa keo ...................................................................................... 15 1.2.3. Giai đoạn kết tinh ....................................................................................... 15 1.3. Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng và khai thác sử dụng cát mịn để chế tạo bê tông xi măng ............................................................................................................ 15 1.3.1. Các nghiên cứu ứng dụng cát mịn có nguồn gốc từ cát biển để chế tạo bê tông xi măng ................................................................................................................. 15 1.3.2. Khai thác sử dụng cát mịn có nguồn gốc từ cát biển để chế tạo bê tông xi măng ......................................................................................................................... 18 1.3.3. Ảnh hưởng của cát hạt mịn có nguồn gốc từ cát biển trong quá trình chế tạo, sử dụng bê tông xi măng ........................................................................................ 19 1.4. Nhận xét chương 1................................................................................................. 20 CHƯƠNG 2. ĐẶC TÍNH CƠ LÝ, HÓA HỌC CỦA CÁT ĐỒI CỠ HẠT NHỎ VÀ CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG .......................................................... 21 2.1. Tổng quan về cát đồi ven biển miền Trung và cát đồi vùng Đông, Tam Kỳ ........ 21 2.1.1. Tổng quan về cát đồi ven biển miền Trung Việt Nam .............................. 21 2.1.2. Đặc điểm cát đồi khu vực vùng Đông Tam Kỳ ......................................... 21 2.2. Các chỉ tiêu cần xác định đối với cát đồi ............................................................... 22 2.3. Phương pháp xác định cường độ nén của bê tông ................................................. 22 2.3.1 Tiêu chuẩn và thiết bị thí nghiệm ............................................................... 22 2.3.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông ................................. 25 2.4. Những yếu tố ảnh hưởng đến cường độ nén của bê tông ...................................... 27 2.4.1. Ảnh hưởng của hàm lượng muối chứa trong cát đồi ................................. 27 2.4.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ cát đồi thay thế cát sông trong hỗn hợp bê tông ...... 27 2.4.3. Mác xi măng và tỷ lệ X/N .......................................................................... 27 2.4.4. Hàm lượng và tính chất của cốt liệu .......................................................... 29 2.4.5. Cấu tạo của bê tông .................................................................................... 30 2.4.6. Phụ gia tăng dẻo ......................................................................................... 30 2.4.7. Phụ gia đông kết nhanh .............................................................................. 30 2.4.8. Cường độ bê tông tăng theo thời gian ....................................................... 30 2.4.9. Điều kiện môi trường bảo dưỡng ............................................................... 31 2.4.10. Điều kiện thí nghiệm ............................................................................... 31 2.5. Nhận xét chương 2................................................................................................. 31 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG CÁT ĐỒI VÙNG ĐÔNG, TAM KỲ ĐỂ THAY THẾ MỘT PHẦN CÁT SÔNG TRONG THÀNH PHẦN CẤP PHỐI ..................................................... 32 3.1. Mục đích thí nghiệm .............................................................................................. 32 3.2. Xác định các chỉ tiêu của các thành phần cấp phối ............................................... 32 3.2.1. Xi măng...................................................................................................... 32 3.2.2. Cốt liệu nhỏ (cát) ....................................................................................... 33 3.3. Tính toán thành phần cấp phối cho các hỗn hợp bê tông cấp bền B20 ................. 46 3.4. Quy trình đúc mẫu ................................................................................................. 47 3.4.1. Tính toán liều lượng vật liệu cho mẻ trộn ................................................. 47 3.4.2. Trộn hỗn hợp bê tông và xác định độ sụt .................................................. 48 3.4.3. Chọn khuôn đúc và tiến hành đúc mẫu ...................................................... 48 3.4.4. Quy trình bảo dưỡng mẫu .......................................................................... 49 3.5. Quy trình nén mẫu và kết quả thí nghiệm ............................................................. 49 3.5.1. Quy trình nén mẫu ..................................................................................... 49 3.5.2. Kết quả thí nghiệm - Cường độ nén ở tuổi t = 3, 7, 14, 28, 60 ngày ......... 50 3.6. So sánh kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của mẫu bê tông ......................... 52 3.6.1. Đối với cát đồi Vạn Ninh, Khánh Hòa ...................................................... 52 3.6.2. Đối với cát đụn ven biển Đà Nẵng ............................................................ 53 3.7. Nhận xét chương 3................................................................................................. 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................... 58 1. Kết luận..................................................................................................................... 58 2. Kiến nghị .................................................................................................................. 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 60 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nước trộn vữa (mg/l) .......................................................................... 12 Bảng 1.2. Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nước dùng để rửa cốt liệu và bảo dưỡng bê tông (mg/l) .................... 13 Bảng 1.3. Yêu cầu về thời gian đông kết của xi măng và cường độ chịu nén của vữa 13 Bảng 3.1 So sánh chỉ tiêu chất lượng của xi măng Sông Gianh PCB40 với TCVN.32 Bảng 3.2 Các tính chất cơ lý của cát sông Tam Kỳ ..................................................... 34 Bảng 3.3 Thành phần hạt của cát sông Tam Kỳ ........................................................... 33 Bảng 3.4. Hàm lượng muối trong các mẫu cát đồi vùng Đông - Tam Kỳ theo kết quả kiểm nghiệm của Phòng Thí nghiệm thuộc Đài Khí tượng - thủy văn Khu vực Trung Trung Bộ...............................................................................................................36 Bảng 3.5. Các tính chất cơ lý của cát đồi Tam Phú, mẫu M1 - vị trí 1 ........................ 37 Bảng 3.6. Thành phần hạt của cát đồi Tam Phú, mẫu M3 - vị trí 3 ............................. 37 Bảng 3.7. Các tính chất cơ lý của hỗn hợp cát 01 (85% cát sông + 15% cát đồi) ....... 39 Bảng 3.8. Thành phần hạt của hỗn hợp cát 01 (85% cát sông + 15% cát đồi) ............. 39 Bảng 3.9. Các tính chất cơ lý của hỗn hợp cát 02 (75% cát sông + 25% cát đồi) ....... 40 Bảng 3.10. Thành phần hạt của hỗn hợp cát 02 (75% cát sông + 25% cát đồi)........ ..41 Bảng 3.11. Các tính chất cơ lý của hỗn hợp cát 03 (65% cát sông + 35% cát đồi) ..... 40 Bảng 3.12. Thành phần hạt của hỗn hợp cát 03 (65% cát sông + 35% cát đồi) ........... 41 Bảng 3.13. Các tính chất cơ lý của đá dăm 1x2 cm – mỏ đá Chu Lai ......................... 44 Bảng 3.14. Thành phần hạt của đá dăm 1x2cm - mỏ đá Chu Lai ................................ 45 Bảng 3.15. Thành phần cấp phối các hỗn hợp bê tông................................................. 47 Bảng 3.16. Thành phần vật liệu cho một mẻ trộn ứng với từng loại cấp phối ............. 47 Bảng 3.17. Độ sụt của các cấp phối bê tông thí nghiệm .............................................. 48 Bảng 3.18. Cường độ nén trung bình của các mẫu thử ................................................ 50 Bảng 3.19. Tỉ lệ (%) cường độ chịu nén của các mẫu có sử dụng cát đồi so với mẫu đối chứng chỉ dùng cát sông ............................................................................................... 50 Bảng 3.20. Cường độ nén trung bình của các mẫu thử sử dụng cát đồi Vạn Ninh.......50 Bảng 3.21. Cường độ nén trung bình của các mẫu thử sử dụng cát đụn ven biển Đà Nẵng..............................................................................................................................51 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sự phá hoại mẫu thử ........................................................................................ 7 Hình 1.2. Độ co ngót của đá xi măng, vữa, bê tông ........................................................ 9 Hình 1.3. Phạm vi thành phần hạt cho phép của cát dùng chế tạo bê tông ................... 10 Hình 2.1. Cát đồi khu ven biển Miền Trung ................................................................. 20 Hình 2.2. Cát đồi khu vực Tam Phú - Tam Kỳ- Quảng Nam ....................................... 22 Hình 2.3. Máy trộn bê tông 300 lít ................................................................................ 23 Hình 2.4. Dưỡng hộ bê tông .......................................................................................... 24 Hình 2.5. Bộ côn thử độ sụt ........................................................................................... 24 Hình 2.6. Máy nén mẫu bê tông .................................................................................... 25 Hình 2.7. Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào lượng nước nhào trộn [6] .............. 28 Hình 3.1. Cát sông Tam Kỳ ........................................................................................... 34 Hình 3.2. Thành phần hạt của cát sông Tam Kỳ ........................................................... 35 Hình 3.3. Lấy mẫu cát đồi Tam Phú tại thực địa ........................................................... 35 Hình 3.4. Mẫu cát đồi vùng Đông, Tam Kỳ gửi Phòng Thí nghiệm thuộc Đài Khí tượng - Thủy văn Khu vực Trung Trung Bộ ................................................................. 36 Hình 3.5. Mẫu cát đồi vùng Đông Tam Kỳ – vị trí 3 ................................................... 37 Hình 3.6. Thành phần hạt của cát đồi vùng Đông, Tam Kỳ ( vị trí 3)..................... ... ..38 Hình 3.7. Thành phần hạt của hỗn hợp cát 01 (85% cát sông + 15% cát đồi ............... 40 Hình 3.8. Thành phần hạt của hỗn hợp cát 02 (75% cát sông + 25% cát đồi) .............. 40 Hình 3.9. Thành phần hạt của hỗn hợp cát 03 (65% cát sông + 35% cát đồi) .............. 41 Hình 3.10. Đá dăm 1x2 cm – mỏ Chu lai sử dụng để chế tạo mẫu ............................... 44 Hình 3.11. Thành phần hạt của đá dăm 1x2 cm – mỏ đá Chu Lai........................... ... ..45 Hình 3.12. Khuôn đúc mẫu và mẫu đúc ........................................................................ 49 Hình 3.13. Sự phát triển cường độ theo thời gian khi thay thế cát sông bằng cát đồi Tam Kỳ, Quảng Nam ................................................................................................... .49 Hình 3.14. Sự phát triển cường độ theo thời gian khi thay thế cát sông bằng cát đồi Vạn Ninh, Khánh Hòa...................................................................................................51 Hình 3.15. Sự phát triển cường độ theo thời gian khi thay thế cát sông bằng cát ven biển Đà Nẵng ................................................................................................................52 Hình 3.16. So sánh cường độ bê tông ở 28 ngày tuối ở các nghiên cứu khác nhau .....53 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Tỉnh Quảng Nam nằm ở khu vực Duyên hải miền Trung, có tổng diện tích tự nhiên 10.438 km², dân số 1.802.000 người, toàn tỉnh có 18 huyện, thị xã, thành phố. Theo Quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Quảng Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030 được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 553/QĐ-TTg ngày 15/5/2018 [1], Quảng Nam đặt mục tiêu phấn đấu tốc độ tăng trưởng GRDP bình quân giai đoạn 2021 - 2025 đạt khoảng 9 - 10%/năm. Đến năm 2030, Quảng Nam trở thành một trong những tỉnh phát triển của vùng và cả nước, hội tụ những yếu tố của nền kinh tế tri thức với các ngành định hướng phát triển mạnh về công nghệ tiên tiến, dịch vụ chất lượng cao, nông nghiệp công nghệ cao và môi trường an toàn, bền vững; hình thành được một hệ thống kết cấu hạ tầng kinh tế - xã hội đồng bộ, hoàn thiện và hiện đại. Để đạt mục tiêu đề ra, thời gian tới, Quảng Nam sẽ tập trung phát triển công nghiệp - xây dựng; Trong đó, tập trung phát triển cụm ngành động lực lợi thế của tỉnh, đảm bảo năng lực cạnh tranh và tăng trưởng kinh tế bền vững gắn liền với các trung tâm đô thị. Khai thác tối đa các cơ hội từ sự liên kết phát triển của vùng Kinh tế trọng điểm miền Trung và các xu hướng phát triển kinh tế trong nước, thế giới; đầu tư hoàn chỉnh mạng lưới hạ tầng khung với đầy đủ các hạ tầng sân bay, cảng biển; kết nối đồng bộ giữa các cụm công nghiệp, các trung tâm đô thị và vùng nguyên liệu để hướng tới phát triển công nghiệp bền vững; Tiếp tục xây dựng Khu kinh tế mở Chu Lai theo mô hình khu kinh tế tổng hợp, bao gồm các khu công nghiệp, khu chế xuất...Như vậy, có thể nhận thấy trong thời gian tới trên địa bàn tỉnh Quảng Nam việc đầu tư xây dựng các công trình hạ tầng sẽ càng tăng cao, nhu cầu về vật liệu xây dựng là rất lớn. Bê tông là loại vật liệu phổ biến thường được sử dụng cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép, các loại kết cấu này chiếm đến 60% các loại kết cấu xây dựng. Bê tông truyền thống với thành phần gồm: cốt liệu lớn (đá dăm, sỏi), cốt liệu nhỏ (cát sông, suối), xi măng, nước và có thể có phụ gia. Cường độ chịu nén là chỉ tiêu đặc trưng đánh giá chất lượng của bê tông. Hiện nay, bê tông truyền thống được phổ biến cho các công trình xây dựng. Tuy nhu cầu sử dụng bê tông truyền thống cho các công trình xây dựng là rất lớn, nhưng hiện nay đang có những trở ngại cho việc đáp ứng nhu cầu số lượng được cung cấp, nhất là không đáp ứng đủ nhu cầu cát sông dùng cho chế tạo bê tông. Theo quy hoạch phát triển vật liệu xây dựng tỉnh Quảng Nam 2 đến năm 2020, định hướng đến năm 2030 được UBND tỉnh Quảng Nam phê duyệt tại Quyết định số 400/QĐ-UBND ngày 27/01/2014, nhu cầu cát xây dựng (kể cả cát dùng chế tạo bê tông) cho toàn tỉnh từ 2,55 - 3,94 triệu m3/năm [2], chỉ tập trung tại một số địa phương và dần bị hạn chế, giảm về lượng khai thác. Tam Kỳ là thành phố trung tâm tỉnh lỵ của tỉnh Quảng Nam, thành phố đạt tiêu chuẩn đô thị loại 2 vào năm 2016, với tốc độ đô thị hóa nhanh, công trình xây dựng nhiều, nhưng là địa phương khan hiếm nguồn cát sông dùng trong xây dựng, nhất là cát dùng cho chế tạo hỗn hợp bê tông. Do trữ lượng, sản lượng khai thác cát sông, suối trên địa bàn rất ít ỏi nên nguồn cát phục vụ xây dựng chủ yếu được vận chuyển từ địa phương khác, kể cả ngoại tỉnh; chất lượng cát ngày càng kém, nhất là hàm lượng bùn, bụi bẩn trong cát ngày càng cao, bên cạnh đó, việc khai thác quá mức từ nguồn cát từ sông, suối đang gây ra quá nhiều hệ lụy về môi trường, đặc biệt là vấn đề sạt lở hai bên bờ sông suối. Vì vậy, cần thiết phải tìm kiếm và nghiên cứu sử dụng nguồn cát khác cát truyền thống, như cát đồi tại khu vực các xã vùng Đông của thành phố (Tam Phú, Tam Thăng, Tam Thanh) để thay thế một phần cát sông (suối) dùng trong chế tạo bê tông, nhằm tận dụng nguồn vật liệu dồi dào sẵn có tại địa phương, giảm bớt chi phí xây dựng công trình, giảm bớt áp lực của việc phải sử dụng toàn bộ cát sông (suối) trong việc chế tạo bê tông, từ đó giảm bớt những hệ lụy về môi trường của việc khai thác cát từ sông, suối. Do đó, đề tài “Nghiên cứu sử dụng cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam Kỳ, tỉnh Quảng Nam để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông” nhằm tiến hành nghiên cứu sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông sử dụng xi măng PCB40 với vật liệu được khai thác tại chỗ, sẽ là tiền đề cho việc thiết kế thành phần cấp phối chính xác cho bê tông khi sử dụng cát đồi để thay thế một phần cát sông (suối), góp phần trong việc sử dụng tiết kiệm, hiệu quả nguồn tài nguyên cát sông, cát suối ngày càng khan hiếm, đáp ứng nhu cầu xây dựng ngày càng lớn của khu vực thành phố Tam Kỳ nói riêng và tỉnh Quảng Nam nói chung. 2. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu cường độ của bê tông khi sử dụng cát đồi tại các xã vùng Đông Tam Kỳ (gồm Tam Phú, Tam Thăng, Tam Thanh) để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông theo những tỉ lệ nhất định. Thông qua các nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định cường độ chịu nén theo thời gian trong điều kiện bảo dưỡng chuẩn tại phòng thí nghiệm. 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Hỗn hợp bê tông khi sử dụng cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam Kỳ để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông. - Phạm vi nghiên cứu: Xác định cường độ chịu nén theo thời gian trong các điều kiện bảo dưỡng chuẩn tại phòng thí nghiệm của bê tông khi sử dụng cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam Kỳ để thay thế một phần cát sông với những hàm lượng thay thế nhất định để chế tạo bê tông có cấp độ bền B20, với mốc thời gian khảo sát: 3, 7, 14, 28, 60 ngày kể từ ngày đúc mẫu bê tông. Nghiên cứu 03 cấp phối bê tông có thay thế cát sông bằng cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam Kỳ với các tỷ lệ thay thế 15%, 25% và 35%. Sử dụng xi măng PCB 40 Sông Gianh; cát vàng sông Tam Kỳ; cát đồi vùng Đông - Tam Kỳ (khu vực xã Tam Phú); đá dăm 1x2 cm (mỏ đá Chu Lai, Núi Thành – Quảng Nam); nước máy (nguồn nhà máy nước Tam Kỳ). 4. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về bê tông. - Tổng quan về nguồn cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam Kỳ. - Nghiên cứu tận dụng nguồn cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam Kỳ để thay thế một phần cát sông với những hàm lượng nhất định trong việc chế tạo hỗn hợp bê tông. - Thí nghiệm tính chất cơ lý, hóa học của cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam Kỳ. - Đánh giá tính khả thi của việc sử dụng cát đồi tại các xã vùng Đông - Tam Kỳ để thay thế cát sông với những hàm lượng nhất định trong việc chế tạo hỗn hợp bê tông. 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết. - Khảo sát thực nghiệm bằng cách dần thay thế cát sông bằng cát đồi khu vực các xã Vùng Đông - Tam Kỳ với những hàm lượng nhất định trong việc chế tạo hỗn hợp bê tông. - Tổng hợp, phân tích đánh giá, rút ra kết luận. 4 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Từ kết quả nghiên cứu có thể áp dụng vào việc chế tạo những cấu kiện, sản phẩm bê tông sử dụng cát đồi thay thế một phần cát sông, góp phần giảm giá thành, đẩy nhanh tiến độ thi công xây dựng công trình; đồng thời, việc thay thế thành công một phần cát sông bằng cát đồi trong chế tạo bê tông sẽ góp phần vào việc sử dụng cát sông có hiệu quả, tiết kiệm, giảm thiểu tác động xấu đến môi trường do việc khai thác quá mức nguồn cát sông đang ngày càng cạn kiệt. 7. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo trong luận văn gồm có các chương như sau: Chương 1: Tổng quan về bê tông và các vật lıệu cấu thành Chương 2: Đặc tính cơ lý, hóa học của cát đồı cỡ hạt nhỏ và cường độ chịu nén của bê tông Chương 3: Thực nghıệm xác định cường độ chịu nén của bê tông sử dụng cát đồı tạı các xã vùng đông- tam kỳ để thay thế một phần cát sông trong thành phần cấp phốı 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ CÁC VẬT LIỆU CẤU THÀNH 1.1. Tổng quan về bê tông và các vật liệu cấu thành 1.1.1. Tổng quan về bê tông Bê tông là một hỗn hợp được tạo thành từ cát, đá, xi măng, nước… Trong đó cát và đá chiếm 80% - 85%, xi măng chiếm 8% - 15%, còn lại là khối lượng của nước, ngoài ra còn có chất phụ gia thêm vào để đáp ứng yêu cầu cần thiết. Có nhiều loại bê tông tùy thuộc vào thành phần của hỗn hợp trên. Mỗi thành phần cát, đá, xi măng … khác nhau sẽ tạo thành nhiều Mác bê tông khác nhau [3]. 1.1.1.1. Phân loại bê tông a). Phân loại theo dạng chất kết dính: Bê tông xi măng, bê tông silicat (chất kết dính là vôi), bê tông thạch cao, bê tông chất kết dính hỗn hợp, bêtông polime, bê tông dùng chất kết dính đặc biệt. Do khối lượng thể tích của bê tông biến đổi trong phạm vi rộng nên độ rỗng của chúng cũng thay đổi đáng kể, như bê tông tổ ong dùng để cách nhiệt có r = 70 - 85%, bê tông thủy công r = 8 - 10%. Phân loại theo công dụng: Bê tông thường dùng trong các kết cấu bê tông cốt thép (móng, cột, dầm, sàn). Bê tông thủy công, dùng để xây đập, âu thuyền, phủ lớp mái kênh, các công trình dẫn nước... Bê tông dùng cho mặt đường, sân bay, lát vỉa hè. Bê tông dùng cho kết cấu bao che (thường là bê tông nhẹ). Bê tông có công dụng đặc biệt như bê tông chịu nhiệt, chịu axit, bê tông chống phóng xạ. Trong phạm vi chương trình ta chỉ chủ yếu nghiên cứu về bê tông nặng dùng chất kết dính xi măng. b)Phân loại theo dạng cốt liệu: Bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng, bê tông cốt liệu đặc biệt (chống phóng xạ, chịu nhiệt, chịu axit). c) Phân loại theo khối lượng thể tích: 6 Bê tông đặc biệt nặng (ρv > 2500 kg/m3), chế tạo từ cốt liệu đặc biệt, dùng cho những kết cấu đặc biệt. Bê tông nặng (ρv = 2200 ÷ 2500 kg/m3), chế tạo từ cát, đá, sỏi thông thường dùng cho kết cấu chịu lực. Bê tông tương đối nặng (ρv = 1800 ÷ 2200 kg/m3), dùng chủ yếu cho kết cấu chịu lực Bê tông nhẹ (ρv = 500 ÷ 1800 kg/m3), trong đó gồm có bê tông nhẹ cốt liệu rỗng (nhân tạo hay thiên nhiên), bê tông tổ ong (bê tông khí và bê tông bọt), chế tạo từ hỗn hợp chất kết dính, nước, cấu tử silic nghiền mịn và chất tạo rỗng, và bê tông hốc lớn (không có cốt liệu nhỏ). Bê tông đặc biệt nhẹ cũng là loại bê tông tổ ong và bê tông cốt liệu rỗng nhưng có ρv< 500 kg/m3. 1.1.1.2. Cấu tạo và cấu trúc Hỗn hợp bê tông là hỗn hợp chứa các thành phần chủ yếu là xi măng, nước, cát, cốt liệu lớn (đá, sỏi). Ngày nay khi đa số bê tông tươi đều có sử dụng các chất phụ gia thì phụ gia trở thành thành phần quan trọng trong hỗn hợp bê tông, có tác động đến cấu trúc của hỗn hợp bê tông. Khi nhào trộn các thành phần khoáng vật của xi măng sẽ xảy ra phản ứng thủy hóa, các chất cấu thành trên xi măng và trở thành hỗn hợp chất kết dính gốc trong hỗn hợp bê tông và Ca(OH)2 và trở thành hỗn hợp chất kết dính gốc trong hỗn hợp bê tông. Dung dịch liên kết các cốt liệu nhỏ (cát) tạo nên dung dịch hồ kết dính vữa xi măng (đây là chất kết dính thứ cấp). Cuối cùng dung dịch hồ kết dính vữa xi măng chui vào kẽ hở của các hạt cốt liệu này và chúng tạo ra cấu trúc hỗn hợp bê tông hoàn chỉnh. - Có thể phân cấu trúc hỗn hợp bê tông thành các cấu trúc con. - Cấu trúc xương của cốt liệu lớn. - Cấu trúc vi mô của hồ kết dính vữa xi măng (như là môi trường liên kết các hạt cốt liệu lớn trong cấu trúc bộ xương khung). Cấu trúc tiếp giáp giữa hồ xi măng và bề mặt cốt liệu lớn (vùng tiếp giáp cốt liệu): Với các khung xương cốt liệu lớn được biểu hiện qua lực dính vữa xi măng lên bề mặt các hạt cốt liệu lớn (lực dính này chỉ hình thành khi kết thúc quá trình ninh kết hỗn hợp bê tông có cấu trúc ổn định và mất hoàn toàn tính dẻo). Vùng tiếp giáp này tồn tại các lỗ rỗng do nước tách ra để lại và là vùng yếu nhất trong cấu trúc bê tông. Tại đây có thể xuất hiện các vết nứt và các vùng ứng suất cục 7 bộ đầu tiên trong bê tông khi chịu lực và chịu tác động của các yếu tố môi trường gây ăn mòn với bê tông. 1.1.2. Tính chất cơ học của bê tông Cường độ của bê tông là chỉ tiêu quan trọng thể hiện khả năng chịu lực của vật liệu. Cường độ của bê tông phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của nó. Với bê tông, cần xác định cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo [4]. 1.1.2.1. Cường độ chịu nén Cường độ chịu nén của bê tông là khả năng chịu ứng suất nén của mẫu bê tông. Mẫu có thể chế tạo bằng các cách khác nhau: lấy hỗn hợp bê tông đã được nhào trộn để đúc mẫu hoặc dùng thiết bị chuyên dùng khoan lấy mẫu từ kết cấu có sẵn. Mẫu để đo cường độ có kích thước 150x150x150 mm, được thực hiện theo điều kiện chuẩn trong thời gian 28 ngày. Bê tông thông thường có R = 5÷30 MPa. Bê tông có R > 40MPa là loại cường độ cao. Hiện nay, người ta đã chế tạo được các loại bê tông đặc biệt có R ≥ 80MPa. Khi bị nén, ngoài biến dạng co ngắn theo phương tác dụng lực, bê tông còn bị nở ngang. Thông thường chính sự nở ngang quá mức làm cho bê tông bị nứt và bị phá vỡ. Nếu hạn chế được mức độ nở ngang của bê tông có thể làm tăng khả năng chịu nén của nó. Trong thí nghiệm nếu không bôi trơn mặt tiếp xúc giữa mẫu thử và bàn nén thì tại đó sẽ xuất hiện lực ma sát có tác dụng cản trở sự nở ngang, kết quả mẫu bị phá hoại theo hình tháp đối đỉnh như hình 1.2b. Nếu bôi trơn mặt tiếp xúc để bê tông tự do nở ngang thì khi biến dạng ngang quá mức trong mẫu sẽ xuất hiện các vết nứt dọc và sự phá hoại xảy ra như trên hình 1.2c. Cường độ của mẫu được bôi trơn thấp hơn cường độ của mẫu khối vuông có ma sát. Điều này có thể giải thích là do ma sát làm cản trở biến dạng ngang, với mẫu khối khi cạnh a tăng thì R giảm và cường độ của mẫu hình trụ thấp hơn cường độ của mẫu khối vuông. a) b) 2 c) 3 1 3 2 Hình 1.1. Sự phá hoại mẫu thử 1 - Mẫu; 2 - Bàn máy nén; 3 - Ma sát; 4 - Bê tông bị ép vụn; 5 - Hình tháp phá hoại 6 - Vết nứt dọc trong mẫu. 8 1.1.2.2. Cường độ chịu uốn Cường độ chịu uốn là một thông số đo cường độ chịu kéo của bê tông. Nó được đo trên cơ sở uốn dầm bê tông. Thông thường cường độ chịu uốn bằng khoảng 10-20 phần trăm cường độ chịu nén của bê tông, tùy thuộc vào kích thước, hình dạng của các loại cốt liệu. Tuy nhiên việc xác định mối quan hệ giữa cường độ chịu uốn và cường độ chịu nén của bê tông một cách chính xác nhất là thông qua việc thực hiện thí nghiệm mẫu. 1.1.3. Co ngót của bê tông Co ngót là hiện tượng bê tông giảm thể tích khi khô cứng trong không khí. Hiện tượng co ngót liên quan đến quá trình thủy hóa xi măng, đến sự bốc hơi lượng hơi nước thừa khi bê tông khô cứng. Co ngót xảy ra chủ yếu trong giai đoạn khô cứng đầu tiên của bê tông. Trong điều kiện bình thường, sau vài năm thì biến dạng tỉ đối do co ngót có thể đạt đến (3÷5)10-4. Độ co ngót phát triển mạnh trong thời kỳ đầu và giảm dần theo thời gian sau đó tắt hẳn [4]. Co ngót của bê tông có mấy dạng cơ bản sau: - Hiện tượng tự co (Autogenous shrinkage): Xảy ra do quá trình hydrat hóa của xi măng; - Co khô (Drying shrinkage): xảy ra do sự thiếu hụt độ ẩm trong bê tông trong quá trình bê tông cứng hóa; - Co ngót do quá trình các bô nát (Carbonation shrinkage): xảy ra do một vài sản phẩm của quá trình hydrat hóa tác dụng với CO2. Bê tông bị co ngót do nhiều nguyên nhân, trước hết là sự mất nước trong các gel đá xi măng. Khi mất nước các mầm tinh thể xích lại gần nhau và đồng thời các gel cùng dịch chuyển làm cho bê tông bị co. Quá trình cacbonat hóa hyđrôxi can xi trong đá xi măng cũng là nguyên nhân gây ra co ngót, co ngót còn là hậu quả của việc giảm thể tích tuyệt đối của hệ xi măng - nước. Ngoài ra, độ co ngót còn phụ thuộc vào chế độ bảo dưỡng, khi bảo dưỡng nhiệt ẩm độ co ngót xảy ra mạnh và nhanh chóng hơn trong điều kiện thường nhưng trị số cuối cùng lại nhỏ hơn 10 - 15%; nhiệt độ chưng hấp càng cao, độ co ngót cuối cùng càng nhỏ. Sự co của mạng tinh thể bị cốt liệu cản trở gây ra ứng suất kéo ban đầu trong đá xi măng. Sự co không đều trong khối bê tông hoặc co ngót bị ngăn trở làm phát sinh ứng suất kéo và có thể làm bê tông bị nứt. Bê tông bị nứt làm giảm cường độ, độ 9 chống thấm trong môi trường xâm thực.Vì vậy đối với những kết cấu bê tông có chiều dài và diện tích lớn, để tránh nứt người ta phân đoạn để tạo thành các khe co giãn. Để giảm co ngót cần chọn thành phần thích hợp, hạn chế lượng nước trộn, đầm chặt bê tông, giữ cho bê tông thường xuyên ẩm trong giai đoạn đầu (dưỡng hộ). Để khắc phục ảnh hưởng xấu của co ngót cần dùng những biện pháp cấu tạo thích hợp, đặt cốt thép ở những nơi cần thiết, làm các khe co giãn trong kết cấu và tạo mạch ngừng khi thi công [4]. Ghi chú: 1- Co ngót của đá xi măng 2- Co ngót của vữa 3- Co ngót của bê tông. Hình 1.2. Độ co ngót của đá xi măng, vữa, bê tông Trị số co ngót phụ thuộc vào lượng, loại xi măng, lượng nước, tỷ lệ cát trong hỗn hợp cốt liệu và chế độ bảo dưỡng. Độ co ngót trong đá xi măng lớn hơn trong hỗn hợp và bê tông (Biểu đồ 1.1). 1.1.4. Các vật liệu cấu thành 1.1.4.1. Xi măng Xi măng là thành phần chất kết dính để liên kết các hạt cốt liệu với nhau tạo ra cường độ cho bê tông. Chất lượng và hàm lượng xi măng là yếu tố quan trọng quyết định cường độ cho bê tông. Hiện nay có rất nhiều loại xi măng để sản xuất bê tông như xi măng pooc lăng, xi măng pooc lăng bền sunfat, xi măng pooc lăng xỉ, xi măng pooc lăng puzolan... Việc lựa chọn mác xi măng là rất quan trọng khi thiết kế thành phần cấp phối của bê tông đểvừa đảm bảo các yêu cầu thiết kế, vừa đảm bảo tính kinh tế. Yêu cầu kỹthuật của xi măng được quy định theo TCVN 2682 : 2009 [5]. Để có loại bê tông có chất lượng tốt, nên sử dụng loại xi măng có mác tỷ lệ thuận với mác bê tông cần đạt. Lượng xi măng dùng phải lớn hơn lượng xi măng tối thiểu và nhỏ hơn lượng xi măng tối đa do tiêu chuẩn quy định để sản xuất được bê tông có độ dẻo và tính công tác quy định mà không vượt hàm lượng nước tối đa. Lượng xi măng tối thiểu là 300 kg/m3, lượng xi măng tối đa là 500 kg/m3. 10 Thành phần chính của xi măng pooc lăng bao gồm: - C3S: 3CaO.SiO2(35%÷ 65%); - C2S: 2CaO.SiO2(10%÷ 40%); - C3A: 3CaO.Al2O3; - C4AF: 4CaO. Al2O3Fe2O3; - Thành phần khác (sunfat, alcali,...). Xi măng PCB 40 dùng để thiết kế cấp phối bê tông cần đạt các chỉ tiêu kỹ thuật dùng cho bê tông được quy định theo TCVN6260: 2009 [6]. 1.1.4.2. Cốt liệu nhỏ (Cát) Cát là cốt liệu nhỏ cùng với xi măng, nước tạo ra vữa xi măng để lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn (đá, sỏi) và bao bọc xung quanh các hạt cốt liệu lớn tạo ra khối bê tông đặc chắc. Cát cũng là thành phần hạt và hàm lượng tạp chất (hàm lượng SiO2≥ 98%, lượng bụi bẩn không lớn hơn 1%). Hình 1.3. Phạm vi thành phần hạt cho phép của cát dùng chế tạo bê tông Nếu cát có thành phần hạt hợp lý sẽ tiết kiệm được xi măng, cường độ bê tông sẽ cao. Thành phần hạt của cát được xác định thông qua thí nghiệm lượng hạt lọt qua các sàng tiêu chuẩn: theo TCVN 7570:2006 [7] là các sàng có kích thước lỗ 5 mm, 2,5 mm, 1,25 mm, 0,63 mm, 0,315 mm, 0,14 mm. Khi thiết kế cấp phối, cỡ hạt của cát phải thỏa mãn đường cong thực nghiệm nằm trong phạm vi cho phép ở biểu đồ thành 11 phần hạt theo quy định TCVN 7570:2006 (Biểu đồ 1.2). 1.1.4.3. Cốt liệu lớn (Đá dăm, sỏi) Cốt liệu lớn có thể sử dụng là sỏi hoặc đá dăm. Sỏi là cốt liệu cần nhiều nước, tốn xi măng, dễ đầm, dễ đổ nhưng lực dính bám với vữa xi măng nhỏ nên cường độ bê tông sỏi thấp hơn bê tông đá dăm. Do đó trong xây dựng các kết cấu công trình thường sử dụng cốt liệu lớn là đá dăm. Cốt liệu lớn thường có kích thước: 5 ÷ 70 mm (TCVN 7570 – 2006) [10] và từ 2,36 ÷ 63 mm (theo ASTM) [8]. Chất lượng cốt liệu lớn được đặc trưng bằng các yếu tố: cường độ, thành phần hạt và độ lớn, lượng tạp chất. Cường độ của đá dăm được xác định thông qua nén mẫu đá gốc, còn sỏi được xác định thông qua thí nghiệm nén trong xi lanh bằng thép và được gọi là nén dập trong trạng thái bão hòa nước. Mác của đá dăm phải tương đương với mác của bê tông. Chất lượng của đá dăm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của bê tông. Do đó yêu cầu hàm lượng hạt dẹt không được vượt quá 25%, lượng hạt yếu và phong hóa không vượt quá 10% theo khối lượng, còn lượng tạp chất bên trong chủ yếu là đất sét, bụi, bùn, tạp chất hữu cơ, muối, đá silic vô định hình và đá diệp thạch silic thường phải rất nhỏ (< 2%), theo TCVN 7572:2006 [9]. Thành phần của đá dăm được xác định thông qua thí nghiệm sàng đá trên bộ sàng tiêu chuẩn có kích thước lỗ sàng là 70 mm, 40 mm, 20 mm, 10 mm và 5 mm (theo TCVN 7570:2006 [10]), từ đó xác định đường kính hạt lớn nhất tương ứng với cỡ sàng có lượng sót tích lũy nhỏ hơn và gần 5% nhất và hạt nhỏ nhất của cốt liệu tương ứng với cỡ sàng có lượng sót tích lũy gần 95%, từ thí nghiệm này xây dựng biểu đồ thành phần hạt, nếu nằm trong phạm vi cho phép thì cấp phối đạt yêu cầu. Sau khi sàng phân tích và tính kết quả lượng sót tích lũy, vẽ đường biểu diễn cấp phối hạt. Nếu đường biểu diễn cấp phối hạt nằm trong phạm vi cho phép thì đạt tiêu chuẩn về thành phần hạt. 1.1.4.4. Nước Tiêu chuẩn TCVN 4506:2012 [10] yêu cầu nước trộn bê tông, rửa cốt liệu và bảo dưỡng bê tông cần có chất lượng thỏa mãn các yêu cầu sau: - Không chứa váng dầu hoặc váng mỡ; - Lượng tạp chất hữu cơ không lớn hơn 15 mg/l; - Độ pH không nhỏ hơn 4 và không lớn hơn 12,5;