Tài liệu Nghiên cứu sử dụng cát đồi vạn ninh khánh hòa để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ THÀNH ĐỨC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT ĐỒI VẠN NINH - KHÁNH HÒA ĐỂ THAY THẾ MỘT PHẦN CÁT SÔNG TRONG CHẾ TẠO BÊ TÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ KHÁNH TOÀN Đà Nẵng, Năm 2018 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 Vạn Ninh – Khánh Hòa để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông" là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực. Tất cả các trích dẫn đã được ghi rõ nguồn gốc. Người cam đoan Lê Thành Đức MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài ...........................................................................................1 2. Mục tiêu đề tài ...............................................................................................3 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................................................3 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ...............................................................................3 5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ...........................................................................3 6. Cấu trúc của luận văn ....................................................................................3 CHƢƠNG 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 1.1.1.1. Phân loại bê tông ..............................................................................5 1.1.1.2. Cấu trúc bê tông ...............................................................................6 1.1.2. Tính chất cơ học của bê tông ..................................................................7 1.1.2.1. Cƣờng độ chịu n n ...........................................................................7 1.1.2.2. Cƣờng độ chịu uốn ...........................................................................8 1.1.3. Co ngót của bê tông.................................................................................8 1.1.4. Các vật liệu cấu thành .............................................................................9 1.1.4.1. Xi măng ............................................................................................9 1.1.4.2. Cốt liệu nhỏ (Cát) .......................................................................... 10 1.1.4.3. Cốt liệu lớn (Đá dăm, sỏi) ............................................................. 11 1.1.4.4. Nƣớc .............................................................................................. 11 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 ................................................................................. 15 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 1.3.1.1. Các nghiên cứu ứng dụng ở nƣớc ngoài ....................................... 15 1.3.1.2. Các nghiên cứu ứng dụng ở trong nƣớc ........................................ 16 1.3.2. Khai thác sử dụng cát mịn có nguồn gốc từ cát biển để chế tạo bê tông xi măng ................................................................................................... 17 1.3.2.1. Khai thác sử dụng cát mịn có nguồn gốc từ cát biển làm bê tông xi măng ở nƣớc ngoài .......................................................................................... 17 1.3.2.2. Khai thác sử dụng cát mịn có nguồn gốc từ cát biển làm bê tông xi măng ở Việt Nam ............................................................................................ 17 1.3.3. Ảnh hƣởng của cát hạt mịn có nguồn gốc từ cát biển trong quá trình chế tạo, sử dụng bê tông xi măng ................................................................... 18 1.4. Nhận x t chƣơng 1 ...................................................................................... 18 CHƢƠNG 2. ĐẶC TÍNH CƠ LÝ, HÓA HỌC CỦA CÁT ĐỒI CỠ HẠT NHỎ VÀ CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG ................................................................. 19 2.1. Tổng quan về cát đồi miền Trung Việt Nam và cát đồi Vạn Ninh ............. 19 2.1.1. Tổng quan về cát đồi miền Trung Việt Nam ....................................... 19 2.1.2. Đặc điểm cát đồi khu vực Vạn Ninh – Khánh Hòa ............................. 20 2.2. Các chỉ tiêu cần xác định đối với cát đồi .................................................... 21 2.3. Phƣơng pháp xác định cƣờng độ n n của bê tông ...................................... 22 2.3.1 Tiêu chuẩn và thiết bị thí nghiệm.......................................................... 22 2.3.1.1 Các tiêu chuẩn sử dụng trong thí nghiệm ...................................... 22 2.3.1.2 Thiết bị sử dụng trong thí nghiệm.................................................. 22 2.3.2 Thí nghiệm xác định cƣờng độ chịu n n của bê tông ........................... 25 2.3.2.1. Lấy mẫu và chuẩn bị thí nghiệm ................................................... 25 2.3.2.2. Tiến hành thí nghiệm .................................................................... 25 2.3.2.3. Tính kết quả................................................................................... 26 2.4. Những yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ n n của bê tông ........................... 26 2.4.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng muối chứa trong cát đồi ........................... 26 2.4.2. Ảnh hƣởng của tỷ lệ cát đồi thay thế cát sông trong hỗn hợp bê tông 26 2.4.3. Mác xi măng và tỷ lệ X/N .................................................................... 27 2.4.4. Hàm lƣợng và tính chất của cốt liệu .................................................... 28 2.4.5. Cấu tạo của bê tông .............................................................................. 29 2.4.6. Phụ gia tăng dẻo ................................................................................... 29 2.4.7. Phụ gia đông kết nhanh ........................................................................ 29 2.4.8. Cƣờng độ bê tông tăng theo thời gian .................................................. 29 2.4.9. Điều kiện môi trƣờng bảo dƣỡng ......................................................... 30 2.4.10. Điều kiện thí nghiệm .......................................................................... 30 2.5. Nhận x t chƣơng 2 ...................................................................................... 30 CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG CÁT ĐỒI VẠN NINH ĐỂ THAY THẾ MỘT PHẦN CÁT SÔNG TRONG THÀNH PHẦN CẤP PHỐI .............................................................. 31 3.1. Mục đích thí nghiệm ................................................................................... 31 3.2. Xác định các chỉ tiêu của các thành phần cấp phối ..................................... 31 3.2.1. Xi măng ................................................................................................ 31 3.2.2. Cốt liệu nhỏ (cát) .................................................................................. 32 3.2.2.1. Cát sông ......................................................................................... 32 3.2.2.2. Cát đồi Vạn Ninh .......................................................................... 34 3.2.2.3. Phối trộn hỗn hợp cát sông và cát đồi Vạn Ninh .......................... 39 3.2.2.4. Lựa chọn các tỷ lệ phối trộn hỗn hợp cát để sử dụng chế tạo các cấp phối bê tông thí nghiệm: ........................................................................... 44 3.2.3. Cốt liệu lớn (đá dăm 1x2 cm) .............................................................. 44 3.2.4. Nƣớc ..................................................................................................... 46 3.3. Tính toán thành phần cấp phối cho các hỗn hợp bê tông cấp bền B20....... 46 3.4. Quy trình đúc mẫu ....................................................................................... 48 3.4.1. Tính toán liều lƣợng vật liệu cho mẻ trộn ............................................ 48 3.4.2. Trộn hỗn hợp bê tông và xác định độ sụt ............................................. 49 3.4.3. Chọn khuôn đúc và tiến hành đúc mẫu ................................................ 50 3.4.4. Quy trình bảo dƣỡng mẫu .................................................................... 50 3.5. Quy trình n n mẫu và kết quả thí nghiệm ................................................... 50 3.5.1. Quy trình n n mẫu ................................................................................ 50 3.5.2. Kết quả thí nghiệm - Cƣờng độ n n ở tuổi t = 3, 7, 14, 28, 60, 90 ngày ................................................................................................................ 51 3.5.3. Nhận x t kết quả thí nghiệm: ............................................................... 52 3.5.3.1. Đối với cấp phối 0 (100% cát sông): ............................................ 52 3.5.3.2. Đối với các cấp phối 1, 2, 3 (tƣơng ứng tỷ lệ 15%, 20%, 25% cát đồi): ................................................................................................................. 53 3.6. Nhận x t chƣơng 3 ...................................................................................... 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 58 PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC S (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT ĐỒI VẠN NINH - KHÁNH HÒA ĐỂ THAY THẾ MỘT PHẦN CÁT SÔNG TRONG CHẾ TẠO BÊ TÔNG Học viên: Lê Thành Đức Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 Khóa: K33, Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Bê tông xi măng thông thƣờng với thành phần cấp phối bao gồm xi măng, cốt liệu lớn (đá, sỏi), cố liệu nhỏ (cát hạt thô), nƣớc sạch và một số phụ gia. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7570:2006. Cốt liệu cho bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật đã quy định rất rõ thành phần hạt và các chỉ tiêu cơ lí cơ bản của cát trong thành phần cấp phối. Việc thay đổi thành phần, tỉ lệ của cát có thể ảnh hƣởng đến các đặc trƣng cơ lí của bê tông. Với nhu cầu sử dụng vật liệu cho các công trình xây dựng ngày càng cao nhƣ hiện nay, nguồn cát sông để chế tạo hỗn hợp bê tông theo quy định ngày càng cạn kiệt, chất lƣợng ngày càng k m, nhất là hàm lƣợng bùn, bụi bẩn; việc khai thác quá mức nguồn cát từ sông, suối đang gây ra nhiều hệ lụy về môi trƣờng. Do đó, cần tìm kiếm và nghiên cứu sử dụng thay thế nguồn cát khác với cát sông truyền thống, nhƣ cát đồi khu vực huyện Vạn Ninh – tỉnh Khánh Hòa là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Đề tài nghiên cứu sử dụng cát đồi Vạn Ninh – Khánh Hòa để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông nh m xác định cƣờng độ chịu n n theo thời gian trong các điều kiện bảo dƣỡng chuẩn tại phòng thí nghiệm. Từ đó, tìm ra tỷ lệ thay thế hợp lý của cát đồi đối với cát sông trong chế tạo bê tông; kết quả nghiên cứu cho thấy: có thể sử dụng cát đồi ven biển Vạn Ninh, Khánh Hòa để thay thế cát sông trong thành phần cấp phối bê tông, đây là cơ sở để đề xuất chế tạo bê tông với tỉ lệ cát đồi nhất định, giúp tận dụng nguồn vật liệu sẵn có tại địa phƣơng trong sản xuất bê tông nh m giảm chi phí xây dựng, giảm những hệ lụy về môi trƣờng của việc khai thác cát từ sông, suối, góp phần đáp ứng nhu cầu vật liệu xây dựng ngày càng tăng cao của Khánh Hòa. Từ khóa – Bê tông, cấp phối, cát sông, cát đồi Vạn Ninh, cƣờng độ chịu n n. STUDY ON PARTLY REPLACEMENT OF RIVER-SAND IN CONCRETE MANUFACTURE BY USING HILL-SAND FROM VAN NINH DISTRICT – KHANH HOA PROVINCE Abstract: Composition of common concrete includes cement, large aggregate (stone), small aggregate (sand), clean water and admixtures. According to Vietnamese standard TCVN 7570:2006: Aggregates for concrete and mortar – Specifications, particle size distribution and physical, mechanical properties of sand in composition are specified. Any changes in composition and ratio of sand may affect physical and mechanical properties of concrete. With the rise in need of materials for construction, river-sand, which is a component in concrete, is becoming scarce and degraded. Remarkably, the quality of sand is affected by the excessive of mud and dust. In addition, overexploitation is causing severe damage to environment. Thus, an alternative sand resource, such ashill-sand in Van Ninh District – KhanhHoa province, should be found and studied. It is necessary and meaningful. Through compressive strength tests at laboratory with standard curing concrete process, the study focuses on partly replacement of river-sand by hill-sand in concrete manufacture and finds reasonable substitution ratio. The result shows that hill-sand in Van Ninh District can be used to substitute river-sand in concrete composition. It also establishes the foundation to propose certain ratio of hill-sand in concrete manufacture. Furthermore, this will help to make use of abundant local resource, decrease cost, satisfy the rising demand of material and mitigate environmental iMPacts. Key words: concrete, composition, river-sand, Van Ninh hill-sand, compressive strength. DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu 1.1. 1.2. 1.3. 3.1. Tên bảng Hàm lƣợng tối đa cho ph p của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nƣớc trộn vữa (mg/l) Hàm lƣợng tối đa cho ph p của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nƣớc dùng để rửa cốt liệu và bảo dƣỡng bê tông (mg/l) Yêu cầu về thời gian đông kết của xi măng và cƣờng độ chịu n n của vữa Trang 12 13 13 So sánh chỉ tiêu chất lƣợng của xi măng Hà Tiên PCB40 với TCVN Các tính chất cơ lý của cát sông Cái Nha Trang lấy từ mỏ Diên Thọ 1 31 Thành phần hạt của cát sông Cái Nha Trang lấy từ mỏ Diên Thọ 1 Hàm lƣợng muối trong các mẫu cát đồi Vạn Ninh theo kết quả kiểm nghiệm của Viện Pastuer Nha Trang 33 3.5. Các tính chất cơ lý của cát đồi Vạn Ninh, mẫu Hòn Gầm - vị trí 1 37 3.6. Thành phần hạt của cát đồi Vạn Ninh, mẫu Hòn Gầm - vị trí 1 38 3.7. Các tính chất cơ lý của hỗn hợp cát 01 (85% cát sông + 15% cát đồi) 39 3.8. Thành phần hạt của hỗn hợp cát 01 (85% cát sông + 15% cát đồi) 40 3.2. 3.3. 3.4. 33 36 3.9. Các tính chất cơ lý của hỗn hợp cát 02 (80% cát sông + 20% cát đồi) 3.10. Thành phần hạt của hỗn hợp cát 02 (80% cát sông + 20% cát đồi) 3.11. Các tính chất cơ lý của hỗn hợp cát 03 (75% cát sông + 25% cát đồi) 41 41 42 3.12. Thành phần hạt của hỗn hợp cát 03 (75% cát sông + 25% cát đồi) 3.13. Các tính chất cơ lý của đá dăm 1x2 cm – mỏ đá Hòn Thị 3.14. Thành phần hạt của đá dăm 1x2cm – mỏ đá Hòn Thị 3.15. Thành phần cấp phối các hỗn hợp bê tông 3.16. Thành phần vật liệu cho một mẻ trộn ứng với từng loại cấp phối 3.17. Độ sụt của các cấp phối bê tông thí nghiệm 3.18. Cƣờng độ n n trung bình của các mẫu thử Tỉ lệ (%) cƣờng độ chịu n n của các mẫu có sử dụng cát đồi so với 3.19. mẫu đối chứng chỉ dùng cát sông 43 45 45 48 49 49 51 52 DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ Số hiệu Tên biểu đồ Trang 1.1. Độ co ngót của đá xi măng, vữa, bê tông 9 1.2. Phạm vi thành phần hạt cho ph p của cát dùng chế tạo bê tông 10 2.1. Sự phụ thuộc của cƣờng độ bê tông vào lƣợng nƣớc nhào trộn [6] 27 3.1. Thành phần hạt của cát sông Cái Nha Trang, mỏ Diên Thọ 1 34 3.2. Thành phần hạt của cát đồi Vạn Ninh (mẫu Hòn Gầm - vị trí 1) 38 3.3. Thành phần hạt của hỗn hợp cát 01 (85% cát sông + 15% cát đồi) 40 3.4 Thành phần hạt của hỗn hợp cát 02 (80% cát sông + 20% cát đồi) 42 3.5 Thành phần hạt của hỗn hợp cát 03 (75% cát sông + 25% cát đồi) 43 3.6. Thành phần hạt của đá dăm 1x2 cm – mỏ đá Hòn Thị 46 3.7. Sự phát triển cƣờng độ n n của các mẫu thí nghiệm ứng với các ngày tuổi (3, 7, 14, 28, 60, 90) 52 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. Cấu trúc của bê tông Sự phá hoại mẫu thử Cát đồi khu vực Mũi N - Bình Thuận Cát đồi khu vực Hòn Gốm - Vạn Ninh – Khánh Hòa Máy trộn bê tông 300 lít Dƣỡng hộ bê tông Bộ côn thử độ sụt Máy n n mẫu bê tông Cát sông Cái Nha Trang, mỏ Diên Thọ 1 Lấy mẫu cát đồi Vạn Ninh tại thực địa Mẫu cát đồi Vạn Ninh gửi Viện Pasteur Nha Trang Mẫu cát đồi Vạn Ninh, mẫu Hòn Gầm – vị trí 1 Đá dăm 1x2 cm – mỏ Hòn Thị sử dụng để chế tạo mẫu Khuôn đúc mẫu và mẫu đúc 6 8 19 21 23 23 24 24 33 35 35 37 44 50 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Khánh Hòa ở vị trí trung tâm của các tỉnh Duyên hải Nam Trung bộ, là tỉnh có tốc độ đô thị hóa hàng đầu cả nƣớc, là đầu mối giao thông về đƣờng bộ, đƣờng sắt, đƣờng biển và đƣờng hàng không, cửa ngõ chính ra Biển Đông của vùng Duyên hải Nam Trung bộ và Tây Nguyên; có huyện đảo Trƣờng Sa, là nơi có vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế biển, đảm bảo quốc phòng, an ninh và chủ quyền biển đảo quốc gia. Với tổng diện tích đất liền 5.217,6 km² cùng hơn 200 đảo và quần đảo, bờ biển trải dài khoảng 385 km, Khánh Hòa có nhiều điều kiện để phát triển kinh tế - xã hội, nhất là các ngành kinh tế, dịch vụ biển và du lịch. Xây dựng, phát triển tỉnh Khánh Hòa có ý nghĩa quan trọng về nhiều mặt đối với Nam Trung bộ, Tây Nguyên và cả nƣớc. Ngày 24/12/2012, Bộ Chính trị đã ban hành Kết luận số 53-KL/TW về xây dựng, phát triển tỉnh Khánh Hòa đến năm 2020 và tầm nhìn đến 2030, đồng ý chủ trƣơng xây dựng Khánh Hòa trở thành đô thị trực thuộc Trung ƣơng [1]. Gần đây nhất, ngày 22/3/2017, Bộ Chính trị đã ban hành Kết luận số 21-KL/TW [2], theo đó, Bộ Chính trị đồng ý cho thành lập đơn vị hành chính - kinh tế đặc biệt Bắc Vân Phong trực thuộc tỉnh Khánh Hòa. Đây là những chủ trƣơng lớn của Đảng, làm tiền đề để khu vực Bắc Vân Phong nói riêng và tỉnh Khánh Hòa nói chung khai thác tốt nhất các tiềm năng khu vực có lợi thế vƣợt trội, thu hút mạnh nguồn vốn đầu tƣ, công nghệ cao, phƣơng thức quản lý mới tiên tiến, hình thành khu vực tăng trƣởng cao, tạo thêm nguồn lực và động lực, góp phần thúc đẩy nhanh phát triển và tái cơ cấu kinh tế cho tỉnh, vùng và cả nƣớc. Ngày 29/12/2016, UBND tỉnh Khánh Hòa đã ban hành Quyết định số 4104/QĐUBND phê duyệt Chƣơng trình phát triển đô thị tỉnh Khánh Hòa đến năm 2020 và định hƣớng đến năm 2030 [3]. Theo đó, Khánh Hòa sẽ đầu tƣ mạnh cho phát triển đô thị, phấn đấu đến năm 2020 tỷ lệ đô thị hóa toàn tỉnh đạt 60%, đến năm 2030 đạt 70%, đƣa Khánh Hòa trở thành đô thị loại I, trực thuộc Trung ƣơng. Tổng vốn đầu tƣ phát triển đô thị giai đoạn 2016-2020 ƣớc khoảng 63.500 tỷ đồng. Ngày 11/8/2017, Văn phòng Chính phủ đã ban hành văn bản số 8489/VPCPQHĐP về việc chủ trƣơng lập Quy hoạch tổng thể phát triển KTXH Đơn vị hành chính - kinh tế đặc biệt Bắc Vân Phong và điều chỉnh Quy hoạch chung xây dựng Khu kinh tế Vân Phong, tỉnh Khánh Hòa [4]. Theo đó, Thủ tƣớng Chính phủ đồng ý về chủ trƣơng cho ph p tỉnh Khánh Hòa tổ chức triển khai lập quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế - xã hội và điều chỉnh quy hoạch chung xây dựng khu vực Bắc Vân Phong theo định hƣớng phát triển thành đơn vị hành chính - kinh tế đặc biệt Bắc Vân Phong. 2 Với vai trò, vị trí, tiềm năng, lợi thế của mình cùng những chủ trƣơng, định hƣớng phát triển của Trung ƣơng, của tỉnh nêu trên, dễ nhận thấy trong tƣơng lai gần, Khu vực Bắc Vân Phong nói riêng và tỉnh Khánh Hòa nói chung sẽ đột phá phát triển mạnh mẽ và bền vững hơn. Đi đôi với yêu cầu phát triển là nhu cầu đầu tƣ xây dựng các công trình sẽ càng tăng cao, đặc biệt khi hình thành Đặc khu hành chính - kinh tế Bắc Vân Phong. Bê tông là loại vật liệu phổ biến thƣờng đƣợc sử dụng cho kết cấu bê tông và bê tông cốt th p, 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, nƣớc và có thể có phụ gia. Cƣờng độ chịu n n là chỉ tiêu đặc trƣng đánh giá chất lƣợng của bê tông. Hiện nay, bê tông truyền thống đƣợc sử dụng 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, nhƣng đang có những trở ngại cho việc đáp ứng nhu cầu số lƣợng đƣợc 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 Khánh Hòa đến năm 2020, định hƣớng đến năm 2030 đƣợc UBND tỉnh Khánh Hòa phê duyệt tại Quyết định số 4013/QĐ-UBND ngày 26/12/2016 [5], nhu cầu cát xây dựng (kể cả cát dùng chế tạo bê tông) cho toàn tỉnh từ 1,6 - 1,9 triệu m3/năm, trong khi tổng công suất khai thác chỉ đạt 1,45 triệu m3/năm và chỉ tập trung tại một số địa phƣơng cũng nhƣ dần bị hạn chế, giảm về lƣợng khai thác. Vạn Ninh là địa phƣơng khan hiếm cát sông dùng trong xây dựng, nhất là cát dùng cho chế tạo hỗn hợp bê tông hơn bất cứ địa phƣơng nào khác trên đất liền thuộc địa bàn Khánh Hòa. Do trữ lƣợng, sản lƣợng khai thác cát sông, suối trên địa bàn rất ít ỏi nên nguồn cát phục vụ xây dựng chủ yếu đƣợc vận chuyển từ địa phƣơng khác, kể cả ngoại tỉnh; chất lƣợng cát ngày càng k m, nhất là hàm lƣợng bùn, bụi bẩn trong cát ngày càng cao. Đồng thời, việc khai thác quá mức nguồn cát từ sông, suối đang gây ra quá nhiều hệ lụy về môi trƣờng, đặc biệt là vấn đề sạt lở dọc hai bờ sông suối. Cần tìm kiếm và nghiên cứu sử dụng nguồn cát khác cát truyền thống, có trữ lƣợng tƣơng đối lớn, nhƣ cát đồi khu vực huyện Vạn Ninh - tỉnh Khánh Hòa, để thay thế một phần cát sông (suối) dùng trong chế tạo bê tông, tận dụng nguồn vật liệu dồi dào sẵn có tại địa phƣơng, 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 trƣờng của việc khai thác cát từ sông, suối. Đề tài “Nghiên cứu sử dụng cát đồi Vạn Ninh – Khánh Hòa để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông” nh m tiến hành nghiên cứu sự phát triển cƣờng độ chịu n n của bê tông sử dụng xi măng PCB40 với vật liệu đƣợc khai thác tại chỗ, sẽ là tiền đề cho việc thiết kế thành phần cấp phối chính xác cho bê tông khi 3 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 Bắc Vân Phong nói riêng và của tỉnh Khánh Hòa nói chung. 2. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu thực nghiệm xác định cƣờng độ chịu n n của bê tông, sử dụng cát đồi ven biển Vạn Ninh, Khánh Hòa thay thế một phần cát sông theo những tỉ lệ nhất định, theo thời gian trong các điều kiện bảo dƣỡng chuẩn tại phòng thí nghiệm. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: hỗn hợp bê tông khi sử dụng cát đồi khu vực Vạn Ninh để thay thế một phần cát sông trong thành phần cấp phối. - Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu với bê tông có cấp bền B20, mốc thời gian khảo sát: 3, 7, 14, 28, 60 và 90 ngày kể từ ngày đúc mẫu. Nghiên cứu 03 cấp phối bê tông có thay thế cát sông b ng cát đồi Vạn Ninh với các tỷ lệ thay thế 15%, 20% và 25%. Sử dụng xi măng PCB 40 Vicem Hà Tiên; cát vàng sông Cái Nha Trang (mỏ Diên Thọ 1 – huyện Diên Khánh); cát đồi Vạn Ninh (khu vực Hòn Gốm); đá dăm 1x2 cm (mỏ đá Hòn Thị - thành phố Nha Trang); nƣớc máy (nguồn nhà máy nƣớc Võ Cạnh – thành phố Nha Trang). 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lí thuyết bê tông, cấp phối bê tông, thí nghiệm xác định các đặc trƣng cơ lí của các thành phần cấp phối và của bê tông. - Nghiên cứu thực nghiệm: thí nghiệm xác định cƣờng độ chịu n n của bê tông có cấp bền B20, theo các cấp phối khác nhau. - Phân tích, đánh giá, đề xuất, kết luận. 5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Tìm ra tỷ lệ phần trăm hợp lý để thay thế một phần cát sông dùng trong chế tạo bê tông b ng cát đồi Vạn Ninh. Từ đó mở ra hƣớng nghiên cứu sâu hơn nh m đề xuất tận dụng nguồn cát đồi sẵn có; 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 Bắc Vân Phong nói riêng và của tỉnh Khánh Hòa nói chung. 6. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo trong luận văn gồm có các 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ CÁC VẬT LIỆU CẤU THÀNH Chƣơng 2: ĐẶC TÍNH CƠ LÝ, HÓA HỌC CỦA CÁT ĐỒI CỠ HẠT NHỎ VÀ CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG Chƣơng 3: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG CÁT ĐỒI VẠN NINH ĐỂ THAY THẾ MỘT PHẦN CÁT SÔNG TRONG THÀNH PHẦN CẤP PHỐI 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 loại vật liệu đá nhân tạo đƣợc hình thành sau quá trình đóng rắn của hỗn hợp đƣợc phối trộn hợp lý của xi măng, nƣớc, cốt liệu (cát, sỏi hay đá dăm), chất độn và phụ gia. Cốt liệu đóng vai trò là khung chịu lực, chiếm từ 80 đến 85% thể tích. Hồ xi măng gồm xi măng, cát và nƣớc bao bọc xung quanh cốt liệu đóng vai trò là chất kết dính chiếm 10 đến 20% khối lƣợng. Sau khi đông cứng, hồ chất kết dính gắn kết các hạt cốt liệu thành một khối tƣơng đối đồng nhất và đƣợc gọi là bê tông. Hỗn hợp nguyên liệu mới nhào trộn gọi là hỗn hợp bê tông hay bê tông tƣơi; hỗn hợp bê tông sau khi đông cứng, rắn chắc, chuyển sang trạng thái đá đƣợc gọi là bê tông. Yêu cầu cơ bản của bê tông là phải đạt đƣợc cƣờng độ (đặc biệt là cƣờng độ chịu n n) ở tuổi quy định hoặc đạt các yêu cầu khác nhau: độ chống thấm, ổn định với môi trƣờng và độ tin cậy khi khai thác, giá thành không quá đắt [6]. Có nhiều cách để phân ra các dạng bê tông khác nhau nhƣ: phân loại theo cƣờng độ, theo chất kết dính, theo cốt liệu, theo khối lƣợng thể tích... Bê tông truyền thống có cƣờng độ từ 15 đến 20 (MPa). Bê tông thƣờng có cƣờng độ n n từ 20 đến 50 (MPa), bê tông chất lƣợng cao và rất cao có cƣờng độ n n từ 50 đến 200 (MPa). Bê tông và bê tông cốt th p đƣợc sử dụng rộng rãi trong xây dựng vì chúng có những ƣu điểm nổi bật sau: cƣờng độ chịu lực cao, có thể chế tạo đƣợc những loại bê tông có cƣờng độ, hình dạng và tính chất khác nhau giá thành rẻ, khá bền vững và ổn định đối với mƣa nắng, nhiệt độ, độ ẩm [6]. 1.1.1.1. Phân loại bê tông Theo [6], có thể phân loại bê tông nhƣ sau: - Theo dạng chất kết dính: Bê tông xi măng, bê tông silicat, bê tông thạch cao, bê tông polime. - Theo dạng cốt liệu: Bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng, bê tông cốt liệu đặc biệt. - Theo khối lượng thể tích: - Bê tông đặc biệt nặng (γ > 2500 kg/m3); - Bê tông nặng (γ = 2200 ÷ 2500 kg/m3); - Bê tông tƣơng đối nặng (γ = 1800 ÷ 2200 kg/m3); 6 - Bê tông nhẹ (γ= 500 ÷ 1800 kg/m3). - Theo công dụng: - Bê tông thƣờng: dùng cho các kết cấu bê tông cốt th p; - Bê tông thủy công: xây đập, âu thuyền, kênh, công trình dẫn nƣớc; - Bê tông mặt đƣờng, sân bay, vỉa hè…; - Bê tông dùng cho kết cấu bao che (thƣờng là bê tông nhẹ); - Bê tông có công dụng đặc biệt (chịu nhiệt, chịu axit, chống phóng xạ…). 1.1.1.2. Cấu trúc bê tông Sau khi tạo hình, các thành phần của hỗn hợp bê tông đƣợc sắp xếp chặt chẽ, kết hợp với sự thủy hóa củaxi măng hình thành nên cấu trúc bê tông. Khoảng thời gian hình thành cấu trúc, cũng nhƣ cƣờng độ đầu tiên của bê tông phụ thuộc vào thành phần của bê tông, dạng chất kết dính và phụ gia hóa học. Cấu trúc vi mô của bê tông có thể đƣợc biểu diễn nhƣ trên hình 1 gồm 3 phần cơ bản là: phần hơi, phần nƣớc và phần rắn [6]. Hình 1.1. Cấu trúc của bê tông Phần rắn gồm đá xi măng, khung cốt liệu và các liên kết giữa đá xi măng và khung cốt liệu. Đá xi măng đƣợc cấu thành bởi các hạt xi măng thủy hóa chứa khoảng 50% gel C-S-H, 20% vôi liên kết Ca(OH)2, 10% aluminates và sunfo–aluminates của canxihydrat hóa và 20% các thành phần khác (CA2SH8, CA3). Liên kết đá xi măng – khung cốt liệu tồn tại xung quanh khung cốt liệu và phụ thuộc vào hình dạng cũng nhƣ thành phần hóa học các hạt cốt liệu. Các kết quả thí nghiệm cho thấy, các hạt cốt liệu đá canxi khá rỗng và có liên kết chống thấm tốt hơn trong khi các cốt liệu đá silic cho liên kết chống thấm k m hơn [6]. 7 Phần lỏng bao gồm các dạng nƣớc khác nhau cùng tồn tại trong bê tông: nƣớc lỗ rỗng, nƣớc hấp phụ và nƣớc có liên kết hóa học. Nƣớc lỗ rỗng lấp đầy thể tích rỗng nếu bê tông hoàn toàn bão hòa. Khi bê tông không bão hòa, nƣớc lỗ rỗng phân cách với phần hơi bởi các mặt cong mao dẫn (menisque). Nƣớc hấp phụ có mặt trên thành của các lỗ rỗng, nhất là trên gel C-S-H và chịu tác động của các lực mặt qua trung gian các lực liên phân tử Van der Waals và các lực tĩnh điện; có đến 6 lớp phân tử nƣớc có thể bị giữ lại trên bề mặt, tuy nhiên lực hấp dẫn giảm khi mà khoảng cách giữa lớp phân tử với bề mặt rắn tăng lên. Việc mất nƣớc hút bám là nguyên nhân chủ yếu của sự co ngót của đá xi măng khi bị làm khô. Nƣớc có liên kết hóa học là nƣớc cần thiết cho các phản ứng hydrat hóa của xi măng, loại nƣớc này chỉ bị bay hơi khi nhiệt độ lên tới trên 4000C [6]. Phần khí bao gồm khí và hơi nƣớc cùng tồn tại trong các lỗ rỗng của bê tông. Với bê tông bão hòa hoàn toàn, phần hơi bị chiếm chỗ bởi nƣớc lỗ rỗng [6]. 1.1.2. Tính chất cơ học của bê tông Theo [7], cƣờng độ của bê tông là chỉ tiêu quan trọng thể hiện khả năng chịu lực của vật liệu. Cƣờng độ của bê tông phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của nó. Với bê tông, cần xác định cƣờng độ chịu n n và cƣờng độ chịu kéo. 1.1.2.1. Cư ng đ ch u n n Cƣờng độ chịu n n của bê tông là khả năng chịu ứng suất n n của mẫu bê tông. Mẫu có thể chế tạo b ng các cách khác nhau: lấy hỗn hợp bê tông đã đƣợc nhào trộn để đúc mẫu hoặc dùng thiết bị chuyên dùng khoan lấy mẫu từ kết cấu có sẵn. Mẫu để đo cƣờng độ có kích thƣớc 150x150x150 mm, đƣợc thực hiện theo điều kiện chuẩn trong thời gian 28 ngày. Bê tông thông thƣờng có R = 5÷30 MPa. Bê tông có R > 40MPa là loại cƣờng độ cao. Hiện nay, ngƣời ta đã chế tạo đƣợc các loại bê tông đặc biệt có R ≥ 80MPa. Khi bị n n, ngoài biến dạng co ngắn theo phƣơng tác dụng lực, bê tông còn bị nở ngang. Thông thƣờng chính sự nở ngang quá mức làm cho bê tông bị nứt và bị phá vỡ. Nếu hạn chế đƣợc mức độ nở ngang của bê tông có thể làm tăng khả năng chịu n n của nó. Trong thí nghiệm nếu không bôi trơn mặt tiếp xúc giữa mẫu thử và bàn n n 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 nhƣ 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 nhƣ trên hình 1.2c. Cƣờng độ của mẫu đƣợc bôi trơn thấp hơn cƣờng 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 cƣờng độ của mẫu hình trụ thấp hơn cƣờng độ của mẫu khối vuông. 8 a) b) c) 3 2 1 3 2 Hình 1.2. Sự phá hoại mẫu thử 1 – Mẫu; 3 – Ma sát; 5 – Hình tháp phá hoại 2 – Bàn máy nén; 4 – Bê tông bị p vụn; 6 – Vết nứt dọc trong mẫu. 1.1.2.2. Cư ng đ ch u uốn Cƣờng độ chịu uốn là một thông số đo cƣờng độ chịu k o của bê tông. Nó đƣợc đo trên cơ sở uốn dầm bê tông. Thông thƣờng cƣờng độ chịu uốn b ng khoảng 10-20 phần trăm cƣờng độ chịu n n của bê tông, tùy thuộc vào kích thƣớc, hình dạng của các loại cốt liệu. Tuy nhiên việc xác định mối quan hệ giữa cƣờng độ chịu uốn và cƣờng độ chịu n n 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 tƣợng bê tông giảm thể tích khi khô cứng trong không khí. Hiện tƣợng co ngót liên quan đến quá trình thủy hóa xi măng, đến sự bốc hơi lƣợng hơi nƣớc 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 thƣờng, 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 [7]. Co ngót của bê tông có mấy dạng cơ bản sau: - Hiện tƣợng 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, trƣớc hết là sự mất nƣớc trong các gel đá xi măng. Khi mất nƣớc 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 9 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 - nƣớc. Ngoài ra độ co ngót còn phụ thuộc vào chế độ bảo dƣỡng. Khi bảo dƣỡng nhiệt ẩm độ co ngót xảy ra mạnh và nhanh chóng hơn trong điều kiện thƣờng nhƣng trị số cuối cùng lại nhỏ hơn 10 - 15%. Nhiệt độ chƣng 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 k o 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 k o và có thể làm bê tông bị nứt. Bê tông bị nứt làm giảm cƣờng độ, độ chống thấm trong môi trƣờng xâm thực.Vì vậy đối với những kết cấu bê tông có chiều dài và diện tích lớn, để tránh nứt ngƣời ta phân đoạn để tạo thành các khe co giãn. Để giảm co ngót cần chọn thành phần thích hợp, hạn chế lƣợng nƣớc trộn, đầm chặt bê tông, giữ cho bê tông thƣờng xuyên ẩm trong giai đoạn đầu (dƣỡng hộ). Để khắc phục ảnh hƣởng xấu của co ngót cần dùng những biện pháp cấu tạo thích hợp, đặt cốt th p ở những nơi cần thiết, làm các khe co giãn trong kết cấu và tạo mạch ngừng khi thi công [7]. Ghi chú: 1- Co ngót của đá xi măng 2- Co ngót của vữa 3- Co ngót của bê tông. Biểu đồ 1.1. Đ co ngót của đá xi măng, vữa, bê tông Trị số co ngót phụ thuộc vào lƣợng, loại xi măng, lƣợng nƣớc, tỷ lệ cát trong hỗn hợp cốt liệu và chế độ bảo dƣỡng. 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 cƣờng độ cho bê tông. Chất lƣợng và hàm lƣợng xi măng là yếu tố quan trọng quyết định cƣờng độ cho bê tông. Hiện nay có rất nhiều loại xi măng để sản xuất bê tông nhƣ 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