Tài liệu Nghiên cứu tận dụng phế liệu gạch ceramic để chế tạo bê tông

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM VIẾT HẢI NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG PHẾ LIỆU GẠCH CERAMIC ĐỂ 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 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM VIẾT HẢI NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG PHẾ LIỆU GẠCH CERAMIC ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN MÃ SỐ: 858.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ KHÁNH TOÀN Đà Nẵng - Năm 2019 ii NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG PHẾ LIỆU GẠCH CERAMIC ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG Học viên: PHẠM VIẾT HẢI; Chuyên ngành: Kỹ thuật XD công trình DD & CN Mã số: 60.58.02.08; Khóa: K32, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Hiện nay bê tông là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng trên thế giới. Các tính chất cơ lí của bê tông phụ thuộc chủ yếu vào thành phần cấp phối, loại vật liệu sử dụng, hàm lượng xi măng, hàm lượng nước… Đề tài “Nghiên cứu tận dụng phế liệu từ sản xuất gạch ceramic để chế tạo bê tông” được thực hiện nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ cốt liệu nhỏ tái chế từ phế phẩm gạch ceramic thay thế đá dăm đến sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông. Các mẫu thí nghiệm được chuẩn bị với tỉ lệ cấp phối là xi măng, cát, đá, nước trong đó đá dăm được thay thế bằng cốt liệu nhỏ tái chế từ phế phẩm gạch ceramic ở các tỉ lệ là 10%, 15% và 20%. Thí nghiệm được thực hiện trên các nhóm mẫu có kích thước là 150×150×150 mm. Tất cả các mẫu được dưỡng hộ trong môi trường nước. Kết quả thí nghiệm cho thấy việc thay thế đá dăm bằng đá tái chế từ phế phẩm gạch ceramic để chế tạo bê tông làm ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của bê tông, việc thay thế này vẫn chưa đảm bảo cường độ chịu nén tiêu chuẩn của bê tông B25 (M350) nhưng vẫn đạt kết quả trên 90% so với cấp phối chuẩn sử dụng đá dăm. Khi lượng đá tái chế thay thế tăng dần ở các cấp phối thì cường độ chịu nén của bê tông giảm dần từ lúc 3 – 7 ngày tuổi và phát triển tương đối đều ở giai đoạn 7-14 ngày tuối, nhưng sau 14 ngày tuối thì cường độ giảm xuống rõ rệt so với cấp phối tiêu chuẩn. Nằm trong giới hạn nghiên cứu của luận văn, tác giả đề xuất có thể thay thế đá dăm bằng phế phẩm gạch ceramic đối với các loại bê tông thông thường như bê tông boocdya, bê tông sân nền ở các tỉ lệ 10% và 15%. Từ khóa - Cốt liệu tái chế, gạch ceramic, vật liệu tái chế, bê tông, cường độ chịu nén. RESEARCH ON USING THE WASTE FROM CERAMIC TILE TO PRODUCT CONCRETE Abstract - Currently, concrete is a widely used material in construction works in the world. The mechanical properties of concrete depends mainly on the composition, type of material used, cement content, water content, etc. The research "Utilization of waste from ceramic tile to product concrete" was conducted to study the effect of the percentage of ceramic tiles replacing macadam to the development of compressive strength of concrete. Experimental samples were prepared with cement, sand, stone, water, in which macadam was replaced with ceramic tiles at the rates of 10%, 15% and 20%. The experiment was carried out on samples of 150×150×150 mm. All samples were soaked in a water environment to be curing. Experimental results show that the replacement of recycled stone macadam from ceramic tile products to manufacture concrete affects the compressive strength of concrete, this replacement does not guarantee the compressive strength. Standard of concrete B25 (M350) but still achieved results over 90% compared to standard grade. When the amount of recycled stone increases gradually in aggregate levels, the compressive strength of concrete decreases gradually from 3 - 7 days of age and develops relatively well in the period of 7-14 days, but after 14 days of maturity. The intensity decreases markedly compared to the standard mix. Within the research limit of the author's thesis, it is proposed to replace rubble with ceramic tiles for common concrete such as boocdya concrete, masonry concrete at the rate of 10% and 15%. Key words - Waste aggregate, ceramic, waste material, concrete, compressive strength. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................ i TÓM TẮT ................................................................................................................. ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................. 1 2. Mục tiêu của đề tài ........................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................... 2 6. Nội dung của luận văn ...................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ CÁC THÀNH PHẦN VẬT LIỆU TRONG CẤP PHỐI BÊ TÔNG ..................................................................... 4 1.1. Tổng quan về bê tông và các thành phần vật liệu cấp phối bê tông ........................ 4 1.1.1. Định nghĩa và phân loại bê tông ................................................................. 4 1.1.2. Các thành phần cấp phối chế tạo bê tông .................................................... 5 1.1.3. Mác và cấp bền bê tông .............................................................................. 6 1.1.4. Các tính chất đặc trưng của bê tông ............................................................ 8 1.1.5. Sự hình thành và phát triển cường độ bê tông theo thời gian..................... 12 1.1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành và phát triển cường độ cũng như các tính chất cơ lý của bê tông .................................................................... 13 1.2. Sản phẩm gạch ceramic và nghiên cứu ứng dụng phế phẩm gạch ceramic sản xuất vật liệu xây dựng................................................................................................ 14 1.2.1. Phân loại gạch ceramic ............................................................................. 15 1.2.2. Quy trình sản xuất gạch ceramic ............................................................... 16 1.2.3. Đặc điểm phế phẩm gạch ceramic ............................................................ 17 1.2.4. Ảnh hưởng của phế thải gạch ceramic tới môi trường ............................... 18 1.2.5. Tổng quan về nghiên cứu sử dụng phế phẩm gạch ceramic trong sản xuất vật liệu xây dựng................................................................................................ 18 1.3. Kết luận chương.................................................................................................. 21 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG VÀ CÁC THÀNH PHẦN CẤP PHỐI .................................................. 23 2.1. Các chỉ tiêu cơ lý của các thành phần cấp phốı bê tông ....................................... 23 2.1.1. Cát (cốt liệu nhỏ) ...................................................................................... 23 2.1.2. Đá dăm (Cốt liệu lớn) ............................................................................... 24 2.1.3. Xi măng ................................................................................................... 25 iv 2.1.4. Nước ........................................................................................................ 26 2.1.5. Phế thải gạch ceramic ............................................................................... 26 2.2. Phương pháp xác định cường độ chịu nén của bê tông ........................................ 27 2.2.1. Phương pháp xác định cường độ bê tông .................................................. 27 2.3. Phương pháp xác định thời gian đông kết............................................................ 28 2.3.1. Cường độ kháng xuyên............................................................................. 28 2.3.2. Thời gian bắt đầu đông kết của hỗn hợp bê tông ....................................... 29 2.3.3. Thời gian kết thúc đông kết của hỗn hợp bê tông ...................................... 29 2.3.4. Nguyên tắc thí nghiệm.............................................................................. 29 2.3.5. Thiết bị, dụng cụ ...................................................................................... 29 2.3.6. Cách tiến hành .......................................................................................... 30 2.3.7. Biểu thị kết quả ........................................................................................ 31 2.4. Phương pháp xác định độ sụt bê tông .................................................................. 32 2.5. Kết luận chương.................................................................................................. 33 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỘT SỐ CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG SỬ DỤNG CỐT LIỆU TÁI CHẾ TỪ PHẾ PHẨM GẠCH CERAMIC THAY THẾ ĐÁ DĂM ......................................................................... 34 3.1. Mục tiêu thí nghiệm ............................................................................................ 34 3.2. Kết quả xác định các chỉ tiêu cơ lý của các thành phần cấp phối ......................... 34 3.2.1. Cát............................................................................................................ 34 3.2.2. Đá dăm ..................................................................................................... 35 3.2.3. Xi măng ................................................................................................... 37 3.2.4. Nước ........................................................................................................ 38 3.2.5. Cốt liệu tái chế từ phế phẩm gạch ceramic ................................................ 38 3.3. Cấp phối cho bê tông .......................................................................................... 40 3.4. Thí nghıệm và kết quả nén mẫu .......................................................................... 41 3.4.1. Thí nghiệm nén mẫu ................................................................................. 41 3.4.2. Kết quả thí nghiệm mẫu theo cường độ chịu nén ...................................... 41 3.4.3. Bình luận kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông ..... 47 3.5. Xác định thời gian đông kết của vữa bê tông ....................................................... 48 3.5.1. Kết quả thí nghiệm ................................................................................... 48 3.5.2. Bình luận kết quả thí nghiệm xác định thời gian đông kết......................... 52 3.6. Kết luận chương.................................................................................................. 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) v DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1.1. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 3.12. 3.13. 3.14. Tên bảng Trang Bảng quy đổi mác bê tông (M) tương ứng với cấp độ bền (B) Thành phần hạt của cát Hàm lượng ion Cl- trong cát Thành phần hạt của cốt liệu lớn Mác của đá dăm từ đá thiên nhiên theo độ nén dập Yêu cầu về độ nén dập đối với sỏi và sỏi dăm Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng poóc lăng hỗn hợp 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 Hệ số tính đổi kết quả thử nén các viên mẫu bê tông kích thước khác viên chuẩn về cường độ của viên mẫu chuẩn kích thước 150×150×150 mm Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý cát sông Trà Khúc Kết quả thí nghiệm thành phần hạt cát sông Trà Khúc Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý đá An Hội Kết quả thí nghiệm thành phần hạt đá An Hội Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý xi măng Sông Gianh PCB40 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của xi măng Sông Gianh PCB40 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý đá tái chế từ phế phẩm gạch ceramic Kết quả thí nghiệm thành phần hạt đá tái chế từ phế phẩm gạch ceramic Bảng so sánh các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm và phế phẩm gạch ceramic Thành phần cấp phối chuẩn cho 1 m3 bê tông B25, ĐS 6-8 cm Thành phần cấp phối cho một mẻ trộn 50 lít, cấp bền B25, ĐS 6-8 cm Kết quả nén các mẫu ban đầu, CP0 Kết quả nén các mẫu, CP1 thay thế 10% đá dăm bởi Ceramic tái chế Kết quả nén các mẫu, CP2 thay thế 15% đá dăm bởi Ceramic 8 23 23 24 24 25 25 26 28 34 35 36 36 37 37 39 39 40 41 41 42 43 44 vi Số hiệu bảng 3.15. 3.16. 3.17. 3.18. 3.19. 3.20. 3.21. 3.22. 3.23. 3.24. 3.25. 3.26. Tên bảng tái chế Kết quả nén các mẫu, CP3 thay thế 20% đá dăm bởi Ceramic tái chế Tổng hợp kết quả cường độ chịu nén trung bình các cấp phối Bảng so sánh tỉ lệ phần trăm cường độ các cấp phối theo ngày tuổi Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết cấp phối CP0 Thời gian đông kết của cấp phối CP0 Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết cấp phối CP1 Thời gian đông kết của cấp phối CP1 Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết cấp phối CP2 Thời gian đông kết của cấp phối CP2 Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết cấp phối CP3 Thời gian đông kết của cấp phối CP3 Tổng hợp kết quả xác định thời gian đông kết của vữa bê tông Trang 45 46 46 48 48 49 49 50 50 51 51 52 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1. Sự phá hoại mẫu thử khối vuông 6 1.2. Sơ đồ thiết bị xác định tính thấm nước của bê tông 12 1.3. Biểu đồ sự phát triển cường độ bê tông theo thời gian 13 1.4. Các sản phẩm gạch ceramic hoàn thiện 14 1.5. Phế phẩm của quá trình sản xuất gạch ceramic tại nhà máy 17 1.6. Dây chuyền nghiền phế thải xây dựng đầu tiên được triển khai tại Hà Nội 20 3.1. Biểu đồ thành phần hạt của cát 35 3.2. Biểu đồ thành phần hạt của đá 36 3.3. Cốt liệu tái chế từ gạch Ceramic sau gia công 38 3.4. Biểu đồ thành phần hạt của đá tái chế từ phế phẩm gạch ceramic 39 3.5. Biểu đồ kết quả nén mẫu cấp phối CP0 42 3.6. Biểu đồ kết quả nén mẫu cấp phối CP1 43 3.7. Biểu đồ kết quả nén mẫu cấp phối CP2 44 3.8. Biểu đồ kết quả nén mẫu cấp phối CP3 45 3.9. Sự phát triển cường độ chịu nén các cấp phối theo thời gian 46 3.10. Biểu đồ so sánh cường độ chịu nén trung bình giữa các cấp phối CP1,CP2,CP3 với cấp phối tiêu chuẩn CP0 47 3.11. Biểu đồ thời gian đông kết cấp phối CP0 49 3.12. Biểu đồ thời gian đông kết cấp phối CP1 50 3.13. Biểu đồ thời gian đông kết cấp phối CP2 51 3.14. Biểu đồ thời gian đông kết cấp phối CP3 52 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, bê tông vẫn là loại vật liệu phổ biến cho các công trình từ thấp tầng đến cao tầng trên toàn thế giới. Thành phần chính của hỗn hợp bê tông bao gồm: cốt liệu lớn (đá dăm, sỏi), cốt liệu nhỏ (cát tự nhiên, cát xay) và chất kết dính (xi măng), ngoài ra còn có nước, phụ gia... Bên cạnh vai trò quan trọng của chất kết dính, cường độ của cốt liệu, tỉ lệ phối trộn và quy trình chế tạo là những yếu tố then chốt quyết định cường độ của bê tông. Các thành phần chính của bê tông chủ yếu được khai thác trực tiếp từ tự nhiên, chất lượng phụ thuộc nhiều vào chất lượng vốn có trong tự nhiên. Nguồn tài nguyên thiên nhiên không phải là vô tận, đang dần cạn kiệt không đủ đáp ứng nhu cầu phát triển xã hội. Hiện nay, quá trình sản xuất của các nhà máy sản xuất gạch men gốm sứ, vì nhiều lí do khác nhau, sinh ra một lượng phế phẩm lớn, một phần của lượng phế phẩm được tái sử dụng, một phần lớn bị thải ra môi trường, chủ yếu được xử lý bằng cách chôn lấp. Nhưng khác với hầu hết các chất thải rắn, phế phẩm gạch men, gốm sứ rất trơ với môi trường, thời gian phân hủy của chúng có thể tới hàng triệu năm. Do vậy, loại phế thải này chiếm diện tích đất rất lớn, ảnh hưởng đến môi trường. Theo khảo sát đánh giá, chỉ riêng Công ty Cổ phần Gạch men Anh Em DIC, tại huyện Núi Thành, tỉnh Quảng Nam với sản lượng mỗi năm là 5 triệu m2 gạch ceramic thì tỉ lệ phế liệu từ sản phẩm không thể sử dụng lên đến 2%, tương đương với khoảng 100.000 m2, khoảng 1000 m3 phế liệu. Đây thực sự là nguồn chất thải rắn rất lớn nếu kể đến hàng chục công ty, nhà máy sản xuất gạch men trên địa bàn các tỉnh miền Trung, đặc biệt là ở Quảng Nam và Đà Nẵng. Đây cũng là vấn đề đau đầu đối với chính các đơn vị sản xuất và cơ quan quản lí nhà nước về môi trường: làm cách nào để xử lí hay sử dụng hiệu quả nguồn phế phẩm này. Phế phẩm gạch ceramic từ nhà máy sản xuất 2 Gạch ceramic dùng để ốp, lát là sản phẩm có nguồn gốc từ hỗn hợp đất sét, cát, và các chất liệu tự nhiên khác… sau khi xử lý đúng quy trình và nung thành phẩm thì có độ cứng và độ bền rất cao. Loại phế phẩm của gạch sau khi được gia công để có kích thước tương tự đá 1×2 cm, là thành phần cốt liệu lớn để sản xuất bê tông, nên có thể tái sử dụng để thay thế hoàn toàn hoặc một phần đá dăm trong chế tạo bê tông và rất nhiều những ứng dụng khác trong lĩnh vực xây dựng. Đề tài “Nghiên cứu tận dụng phế liệu từ sản xuất gạch ceramic để chế tạo bê tông” sẽ tiến hành các thí nghiệm nhằm xác định cường độ chịu nén và một số tính chất cơ lí của bê tông được sản xuất từ các thành phần cấp phối theo quy định, thay thế cốt liệu lớn (đá dăm 1×2 cm) bằng cốt liệu tái chế từ phế phẩm của sản phẩm gạch ceramic có kích thước, thành phần hạt tương tự đá dăm nhằm đánh giá khả năng sử dụng loại vật liệu tái chế này để sản xuất bê tông. Đề tài kỳ vọng mở ra hướng nghiên cứu trong việc sử dụng cốt liệu tái chế từ phế phẩm gạch ceramic để sản xuất bê tông thay thế cho đá dăm đang dần khan hiếm và hạn chế khai thác, giúp bảo vệ môi trường. Do đó, đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, có tính thời sự cao. 2. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu sự phát triển cường độ chịu nén và một số tính chất cơ lý của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế từ phế phẩm gạch ceramic thay thế cốt liệu lớn (đá dăm) theo những tỷ lệ nhất định. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Bê tông sử dụng cốt liệu tái chế từ phế phẩm gạch ceramic thay thế cốt liệu lớn (đá dăm). Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu với bê tông cấp bền B25, sử dụng cốt liệu tái chế từ phế phẩm gạch ceramic của nhà máy Gạch men Anh Em DIC (Quảng Nam) thay thế đá dăm theo các tỷ lệ 10%, 15%, 20% trong thành phần cấp phối. Nghiên cứu thực hiện trong các điều kiện của phòng thí nghiệm. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lí thuyết. - Khảo sát thực nghiệm. - Tổng hợp, phân tích rút ra kết luận. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ thay thế cốt liệu lớn trong bê tông bằng cốt liệu tái chế từ phế phẩm gạch ceramic đến các tính chất cơ lý quan trọng của bê tông. Mở ra hướng nghiên cứu mới trong sản xuất vật liệu xây dựng. 3 - Ý nghĩa thực tiễn: Tận dụng nguồn phế phẩm gạch ceramic với trữ lượng lớn chưa được khai thác và sử dụng hiệu quả để sản xuất bê tông; giảm tác động có hại của loại chất thải rắn này đến môi trường. 6. Nội dung của luận văn Mở đầu Chương 1: Tổng quan về bê tông và các thành phần vật liệu trong cấp phối bê tông Chương 2: Cơ sở khoa học xác định các chỉ tiêu cơ lí của bê tông và các thành phần cấp phối Chương 3: Thực nghiệm xác định một số chỉ tiêu cơ lý của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế từ phế phẩm gạch ceramic thay thế đá dăm Kết luận và kiến nghị 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ CÁC THÀNH PHẦN VẬT LIỆU TRONG CẤP PHỐI BÊ TÔNG 1.1. Tổng quan về bê tông và các thành phần vật liệu cấp phối bê tông 1.1.1. Định nghĩa và phân loại bê tông Bê tông là một loại vật liệu đá nhân tạo được hình thành sau quá trình đóng rắn của hỗn hợp vữa bê tông, được chế tạo từ các vật liệu rời, chất kết dính, nước và phụ gia (nếu có). Vật liệu rời gồm 2 loại: cốt liệu nhỏ (cát tự nhiên, cát nhân tạo) và cốt liệu lớn (đá dăm, sỏi...). Chất kết dính là xi măng được phối trộn cùng với nước và các vật liệu rời theo những tỉ lệ nhất định. Phụ gia có thể được sử dụng trong thành phần cấp phối nhằm cải thiện một số chỉ tiêu cơ lý của bê tông trong lúc thi công, trong quá trình đóng rắn và quá trình sử dụng về sau. Có nhiều loại phụ gia như: phụ gia giúp tăng độ dẻo, độ linh động của hỗn hợp vữa bê tông; phụ gia kéo dài thời gian ninh kết ban đầu của bê tông; phụ gia giúp tăng nhanh tốc độ phát triển cường độ của bê tông trong thời gian đầu; phụ gia chống thấm… Hỗn hợp vữa bê tông, trong quá trình hình thành và phát triển cường độ, hồ xi măng gắn kết các hạt cốt liệu thành một khối tương đối đồng nhất và được gọi là bê tông. Hỗn hợp nguyên liệu mới nhào trộn gọi là hỗn hợp bê tông hay bê tông tươi; hỗn hợp bê tông sau khi đông cứng, rắn chắc, chuyển sang trạng thái đá được gọi là bê tông. Yêu cầu cơ bản của bê tông là cường độ, đặc biệt là cường độ chịu nén ở tuổi quy định và đạt được các yêu cầu khác nhau tùy theo mục đích: khả năng chống thấm, ổn định với môi trường và độ tin cậy khi khai thác, giá thành không quá đắt [1]. Theo [1], người ta phân loại bê tông theo các cách khác nhau tùy theo đặc điểm cấu tạo hay sử dụng. Dưới đây là một số cách phân loại bê tông khá phổ biến: - Phân loại theo cấu trúc: bê tông đặc chắc, bê tông có lỗ rỗng, bê tông tổ ong, bê tông xốp. - Phân loại theo trọng lượng riêng: bê tông nặng (γ = 2200 ÷ 2500 kG/m3); bê tông đặc biệt nặng (γ > 2500 kG/m3); bê tông nặng cốt liệu bé (γ = 1800 ÷ 2200 kG/m3); bê tông nhẹ (γ < 1800 kG/m3); bê tông siêu nhẹ (γ ≤ 600 kG/m3). - Phân loại theo chất kết dính: bê tông xi măng, bê tông nhựa, bê tông chất dẻo, bê tông thạch cao, bê tông xỉ, bê tông sillicat. - Phân loại theo phạm vi sử dụng: bê tông làm kết cấu chịu lực, bê tông chịu nóng, bê tông cách nhiệt, bê tông chống xâm thực... - Phân loại theo thành phần hạt: bê tông thông thường, bê tông cốt liệu bé, bê 5 tông chèn đá hộc… - Phân loại theo cường độ chịu nén: bê tông truyền thống có cường độ từ 15 đến 20 MPa. Bê tông thường có cường độ nén từ 20 đến 50 MPa, bê tông cường độ cao có cường độ nén từ 50 đến 200 MPa. 1.1.2. Các thành phần cấp phối chế tạo bê tông Theo [1], các thành phần cấp phối chế tạo bê tông gồm: 1.1.2.1. Cốt liệu lớn Cốt liệu lớn là hỗn hợp đá dăm hoặc sỏi có kích thước từ 5 mm đến 70 mm. Cấu tạo đá (sỏi) là một tổ hợp có quy luật của các loại khoáng vật, có thể là một thể địa chất có lịch sử hình thành riêng biệt. Chúng được khai thác từ tự nhiên bằng nhiều phương pháp như: khai thác trực tiếp từ sông, suối (đối với sỏi) và nổ mìn, nghiền, đập từ các mỏ đá (đối với đá dăm). Đặc điểm đặc trưng loại cốt liệu này là có cường độ chịu nén cao và bền vững trong môi trường. Loại cốt liệu này có giá thành thấp và dễ dàng tìm thấy ở nhiều địa phương. 1.1.2.2. Cốt liệu nhỏ Cốt liệu nhỏ là cát có kích thước hạt từ 0,14 mm đến 5 mm. Thành phần phổ biến nhất của cát tại các sông, suối là silica (điôxít silic hay SiO2), thường ở dạng thạch anh. Cát được hình thành do quá trình bào mòn, hoặc vỡ vụn của đá trong tự nhiên. Đặc điểm đặc trưng loại cốt liệu này là chất với độ trơ về mặt hóa học cũng như có độ cứng đáng kể, nên có khả năng chống phong hóa khá tốt. 1.1.2.3. Chất kết dính Chất kết dính của bê tông là xi măng, một loại chất dính thủy lực được tạo thành bằng cách nghiền mịn clinker, thạch cao thiên nhiên và phụ gia theo những tỉ lệ nào đó tùy theo yêu cầu. Khi tiếp xúc với nước tạo thành một dạng hồ gọi là hồ xi măng. Tiếp đó, xảy ra các phản ứng thủy hóa giữa xi măng và nước, hình thành các sản phẩm thủy hóa, hồ xi măng bắt đầu quá trình ninh kết, kết hợp với các thành phần cốt liệu, dần hóa cứng để cuối cùng đạt được cường độ và độ ổn định nhất định. 1.1.2.4. Nước và phụ gia Nước là thành phần giúp cho quá trình thủy hóa xi măng cũng như tạo ra độ lưu động của hỗn hợp bê tông. Phụ gia là chất nhân tạo được thêm vào hỗn hợp bê tông làm tăng hoặc giảm một vài tính chất cơ lý của bê tông. Các loại phụ gia thường được sử dụng nhiều trong 6 việc chế tạo bê tông là: phụ gia giúp tăng độ dẻo, độ linh động của hỗn hợp vữa bê tông; phụ gia kéo dài thời gian ninh kết ban đầu của bê tông; phụ gia giúp tăng nhanh tốc độ phát triển cường độ của bê tông trong thời gian đầu; phụ gia chống thấm… 1.1.3. Mác và cấp bền bê tông 1.1.3.1. Mác bê tông theo cường độ chịu nén Theo tiêu chuẩn TCVN 5574 – 2012 [2]. Mác bê tông, kí hiệu bằng chữ M, là con số lấy bằng cường độ trung bình của mẫu thử chuẩn, tính theo đơn vị kG/cm2. Mẫu thử chuẩn là khối vuông cạnh a = 150 mm, tuổi 28 ngày, được dưỡng hộ và thí nghiệm theo điều kiện chuẩn, nhiệt độ là 27 ± 20C, độ ẩm không nhỏ hơn 95%. Theo TCVN 5574 – 2012 [2], bê tông có các mác M50; M75; M100; M150; M200; M250; M300; M350; M400; M450; M500; M600. 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. Bê tông thông thường có cường độ chịu nén R = 5÷30 MPa. Bê tông có cường độ chịu nén R> 40MPa là bê tông cường độ cao. Hiện nay, người ta đã chế tạo được các loại bê tông đặc biệt có cường độ chịu nén rất cao với 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 1.1b. 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 1.1c. Cường độ của mẫu được bôi trơn thấp hơn cường độ của mẫu khối vuông có ma sát. Hình 1.1. Sự phá hoại mẫu thử khối vuông 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 7 Vì ma sát làm cản trở biến dạng ngang mà với mẫu khối khi tăng cạnh a thì cường độ giảm và cường độ của mẫu hình trụ thấp hơn cường độ của mẫu khối vuông. 1.1.3.2. Mác bê tông theo cường độ chịu kéo Theo [2], mác bê tông theo cường độ chịu kéo ký hiệu là K (kG/cm2). K được lấy theo cường độ chịu kéo của mẫu thử tiêu chuẩn. Bê tông nặng: K10, K15, K20, K25, K30, K40. Bê tông nhẹ: K10, K15, K20, K25, K30. Cường độ chịu kéo của bê tông khống chế vết nứt và ảnh hưởng đến các tính chất khác của bê tông như: độ cứng, khả năng dính bám với cốt thép, độ bền. Cường độ chịu kéo còn liên quan đến ứng xử của bê tông dưới tác dụng của lực cắt. Thông thường cường độ chịu uốn bằng khoảng 10-20% 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. Bê tông có cường độ cao thì cường độ chịu kéo cũng cao hơn. Tất cả các thử nghiệm mẫu đều xác nhận điều đó từ 30 - 60% tuỳ theo thành phần của bê tông cường độ cao. Việc cải thiện chất lượng của vùng chuyển tiếp giữa hồ xi măng và cốt liệu có thể đóng vai trò quan trọng trong việc gia tăng này. Tuy nhiên, tốc độ tăng cường độ chịu kéo của bê tông cường độ cao chậm hơn so với tốc độ tăng cường độ chịu nén. 1.1.3.3. Tương quan giữa M và B Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574 – 2012 [2], khái niệm cấp độ bền chịu nén của bê tông, ký hiệu là B, là giá trị trung bình thống kê của cường độ chịu nén tức thời, tính bằng MPa, với xác xuất đảm bảo không dưới 95% xác định trên các mẫu lập phương kích thước tiêu chuẩn (150×150×150) mm được chế tạo, dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn và thí nghiệm ở tuổi 28 ngày. Theo tiêu chuẩn TCVN 5574 – 2012 [2], bê tông có các cấp độ bền B3.5; B5; B7.5; B10; B12.5; B15; B20; B25; B30; B35; B40; B45; B50; B55; B60. Như vậy tương quan giữa mác bê tông M và cấp độ bền B của cùng một loại bê tông thể hiện bằng biểu thức sau: B = α . β. M Trong đó: α – hệ số đổi đơn vị từ kG/cm2 sang (MPa; N/mm2), lấy α = 0,1; β – hệ số chuyển đổi từ cường độ trung bình sang cường độ đặc trưng, với xác suất đảm bảo 95%; β = (1-Sυ) = 0,778. Bảng quy đổi mác bê tông (M) tương ứng với cấp độ bền (B) đến M350 (B25) 8 theo TCVN 5574 - 2012 thể hiện ở bảng 1.1. Bảng 1.1. Bảng quy đổi mác bê tông (M) tương ứng với cấp độ bền (B) [2] Cấp độ bền (B) Cường độ chịu nén (MPa) Mác bê tông (M) B3.5 4.50 50 B5 6.42 75 B7.5 9.63 100 B10 12.84 B12.5 16.05 150 B15 19.27 200 B20 25.69 250 B22.5 28.90 300 B25 32.10 350 1.1.4. Các tính chất đặc trưng của bê tông 1.1.4.1. Mô đun đàn hồi Khi tính toán biến dạng đàn hồi tuyến tính của kết cấu bê tông đều phải chọn một giá trị của mô đun đàn hồi. Như vậy, mô đun đàn hồi chính là một đặc tính chỉ dẫn trực tiếp về độ cứng của kết cấu bê tông. Mô đun đàn hồi lớn thì độ cứng kết cấu lớn và kết cấu càng ít bị biến dạng. Với kết cấu dầm khi sử dụng bê tông cường độ cao và bê tông chất lượng cao có thể giảm được độ võng. Mô đun đàn hồi của bê tông cường độ cao lớn hơn so với bê tông thường, tuy nhiên, mô đun đàn hồi chịu kéo tăng yếu hơn. Mô đun đàn hồi của bê tông chịu ảnh hưởng lớn của các vật liệu thành phần và tỷ lệ phối hợp các vật liệu. Trong các nhân tố của cốt liệu ảnh hưởng tới mô đun đàn hồi của bê tông thì lỗ rỗng dường như là nhân tố quan trọng nhất, bởi vì lỗ rỗng của cốt liệu quyết định sự rắn chắc của nó. Cốt liệu có độ chặt cao sẽ có mô đun đàn hồi cao. Nói chung đối với bê tông sử dụng cốt liệu có mô đun đàn hồi cao thì sự ảnh hưởng của nó tới mô đun đàn hồi của bê tông là đáng kể hơn cả. Các nhân tố khác của cốt liệu ảnh hưởng tới mô đun đàn hồi của bê tông là: kích thước hạt max, hình dáng, cấu trúc bề mặt, cấp phối hạt, và mô đun đàn hồi của đá gốc. Chúng có thể ảnh hưởng tới những vết nứt vi mô ở khu vực chuyển tiếp, và vì vậy ảnh hưởng tới hình dạng của đường cong biến dạng - ứng suất. 1.1.4.2. Khả năng chịu nhiệt Khả năng bảo tồn các tính chất cơ lý của mình dưới tác dụng ở nhiệt độ cao và trong một thời giai nhất định đặc trưng cho khả năng chịu nhiệt của bê tông. Các đặc tính về nhiệt của bê tông cường độ cao nằm trong phạm vi đúng đối với bê tông có 9 cường độ thấp. Các đại lượng đo được là nhiệt lượng riêng, tính dẫn nhiệt, độ dẫn nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt, hệ số khuyếch tán. Các thí nghiệm gần đây cho thấy rằng tốc độ giảm cường độ của bê tông cường độ cao và bê tông chất lượng cao nhanh hơn so với bê tông thường. Tính ổn định thể tích ở nhiệt độ cao cũng kém hơn. Bê tông cường độ cao thường dễ bị nứt và phá hủy do nhiệt độ cao nhanh hơn bê tông thường. Bê tông chịu nhiệt được chế tạo từ chất kết dính và cốt liệu chịu nhiệt. Với chức năng là chất kết dính, trong bê tông chịu nhiệt người ta thường dùng xi măng poóc lăng, xỉ, xi măng alumin và thủy tinh lỏng. Để cải thiện cấu trúc của đá xi măng và duy trì cường độ, người ta cho phụ gia khoáng vào chất kết dính. 1.1.4.3. Tính co ngót Co ngót của bê tông là sự giảm thể tích dưới nhiệt độ không đổi do mất độ ẩm sau khi bê tông đã đông cứng. Sự thay đổi thể tích theo thời gian này phụ thuộc vào hàm lượng nước của bê tông tươi, vào loại xi măng và cốt liệu được sử dụng, vào điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió) tại thời điểm đổ bê tông, vào quá trình bảo dưỡng, vào khối lượng cốt thép và vào tỉ số giữa thể tích và diện tích bề mặt cấu kiện. Hai chỉ tiêu nội tại kiểm soát các biến dạng tự do co ngót của bê tông: nhiệt độ và hàm lượng nước tự do. Nhiệt độ trong bê tông có thể biến đổi theo thời gian, hoặc do thủy hóa (các phản ứng thường tỏa nhiệt và đóng vai trò là nguồn gây nhiệt nội tại), hoặc do trao đổi nhiệt với phần còn lại của cấu kiện hay môi trường. Sự biến đổi nhiệt độ này dẫn đến các biến dạng tự do tỉ lệ với chúng theo một hệ số, gọi là hệ số giãn nỡ nhiệt. Hàm lượng nước tự do có thể thay đổi bên trong do thủy hoá mất một phần nước, hay bên ngoài do biến đổi độ ẩm. Một hằng số vật lý (gọi là hệ số giảm nước) cho phép tính toán biến dạng tự do liên quan. Ở tỉ lệ cấu trúc vi mô, lý thuyết mao dẫn cho phép hiểu được làm thế nào sự lấp đầy một phần của nước trong môi trường rỗng với độ phân bố rộng có thể dẫn tới một trạng thái nội ứng suất. Từ ái lực của nước với bề mặt rắn (hấp phụ), các lỗ rỗng nhỏ nhất được lấp đầy trước tiên. Do đó, với một lượng nước cho trước, tồn tại một kích thước lỗ rỗng giới hạn, mà vượt qua đó các khoang rỗng không bão hòa. Bên trong mỗi khoang, bề mặt phân chia pha lỏng và khí chịu kéo tức thời và ứng suất càng lớn khi độ cong càng lớn, tương ứng với lỗ rỗng nhỏ. Khi lượng nước tự do giảm, kích thước lỗ rỗng, liên quan tới sức căng mao quản, cũng giảm, và kết quả vĩ mô của hiện tượng (co cấu trúc rắn dưới ảnh hưởng của một loại “tiền ứng suất ẩm”) tăng. Ứng xử của hệ thay đổi phụ thuộc không chỉ vào sự phân bố kích thước lỗ rỗng mà còn vào khả năng biến dạng tổng thể, liên quan tới độ rỗng tổng cộng. Do sự thiếu hụt thể tích của phản ứng thủy hóa, vữa xi măng trở thành một cấu trúc ba pha (rắn - lỏng - khí) trong suốt quá trình thủy hóa. 10 Có thể chia co ngót thành 3 giai đoạn sau: Trước khi ninh kết - co ngót dẻo; trong khi ninh kết và rắn chắc - các hiện tượng nhiệt và co ngót nội tại; ở tuổi muộn co ngót do mất nước. Chính sự co ngót do khô là đáng quan tâm và lo lắng. Đó là sự co ngót của một mẫu được tháo khuôn ở 24 giờ sau khi được làm khô ở trong phòng với độ ẩm tương đối 50±10% và nhiệt độ 20±10C được khống chế. Độ co ngót do khô được lấy một cách quy ước bằng hiệu số giữa độ co tổng cộng và độ co của cùng một mẫu không bị mất nước chút nào. Trong khi độ co ngót nội sinh cuối cùng gần gấp đôi, độ co khô giảm đi, vật liệu chỉ bao gồm rất ít nước tự do sau khi thuỷ hoá. Chú ý đến những động học đặc biệt nhanh của độ co của bê tông bê tông, nó có thể tạo ra các sai số trong trường hợp so sánh trên các thí nghiệm ngắn ngày. Từ khi bê tông rắn chắc (đông đặc lại), sự co bê tông được hiểu là sự tự nhiên của vật liệu mà chưa chịu tải. Có hai loại co: - Sự co nội sinh hay co do khô tự nhiên, gây ra do việc bê tông cứng dần lên. - Sự co do sự sấy khô, gây ra do sự trao đổi nước giữa chất liệu trong bê tông và môi trường bên ngoài. Chú ý rằng, độ co do bị sấy khô này có thể là số âm (trong trường hợp này bê tông bị phồng lên). Như vậy, tổng độ co là phép cộng của hai loại độ co nói trên. Trong trường hợp các khối bê tông đặc, nhiệt cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ co nội sinh hay độ co do khô. 1.1.4.4. Ăn mòn hóa học Bê tông là vật liệu có cường độ cao, khả năng bền vững trong môi trường. Nhưng sau một thời gia sử dụng, bê tông thường bị ăn mòn. Sự ăn mòn này chủ yếu là do sự tác dụng của chất khí và chất lỏng lên các bộ phận cấu thành của xi măng đã rắn chắc. Nguyên nhân sự ăn mòn là do sự phân rã các thành phần đá xi măng, sự hòa tan và rửa trôi hyđroxit canxi, sự tạo thành các muối hòa tan và các thành phần khác của đá xi măng tác dụng với các chất xâm thực và rửa trôi các muối đó (ăn mòn axit, ăn mòn magiezit), và sự hình thành những liên kết mới trong các lỗ rỗng có thể tích lớn hơn thể tích các chất tham gia phản ứng tạo ra các phản ứng gây nứt bê tông. 1.1.4.5. Độ sụt của bê tông Độ sụt, kí hiệu là SN (cm), là độ lưu động của vữa bê tông, dùng để đánh giá khả năng dễ chảy của hỗn hợp bê tông dưới tác dụng của trọng lượng bản thân hoặc rung động. Độ sụt được xác định theo TCVN 3106:1993 - Hỗn hợp bê tông nặng - phương 11 pháp thử độ sụt [3]. Dụng cụ đo là hình nón cụt của Abrams, gọi là côn Abrams, có kích thước 203×102×305 mm, đáy và miệng hở. Que đầm hình tròn có đường kính bằng 16 mm dài 600 mm. Độ sụt bằng 305 trừ đi chiều cao của bê tông tươi. Căn cứ vào độ sụt chia bê tông làm 3 loại: Loại cứng, SN < 1,3 cm Loại dẻo, SN < 8 cm Siêu dẻo, SN = 10 ÷ 22 cm. Ở giai đoạn ban đầu của vật liệu bê tông (giai đoạn có thể thi công được), vật liệu bê tông có dạng vữa lỏng, nên rất dễ chứa đựng, vận chuyển, và đặc biệt là dễ đổ vào thiết bị tạo khuôn. Tính linh động của vữa bê tông lỏng đảm bảo cho việc rót bê tông vào khuôn được dễ dàng. Đặc tính linh động của vữa bê tông được đo lường thông qua chỉ tiêu độ sụt của vữa trước khi đổ bê tông. Hình dạng của khối vật liệu bê tông có thể thay đổi theo hình dạng của thiết bị dùng để chứa đựng và tạo hình cho bê tông, còn gọi là khuôn đúc bê tông. Độ sụt của vữa bê tông đảm bảo cho vữa bê tông có thể chảy đến mọi vị trí bên trong khuôn đúc bê tông, dễ dàng dịch chuyển khi đầm. Sự thay đổi độ sụt biểu thị sự thay đổi trong tỷ lệ thành phần hỗn hợp bê tông và tỷ lệ các thành phần trong hỗn hợp sau đó được điều chỉnh để đảm bảo mẻ trộn bê tông tính nhất quán. Tính đồng nhất này đảm bảo nâng cao chất lượng và tính toàn vẹn. 1.1.4.6. Tính thấm của bê tông Tính thấm của bê tông là sự di chuyển của nước qua các lỗ rỗng nhỏ trong bê tông, dưới áp lực thuỷ tĩnh, nước có thể thấm qua những lỗ rỗng mao quản. Đối với các công trình có yêu cầu về độ chống thấm nước thì cần phải xác định độ chống thấm theo áp lực thuỷ tĩnh thực dụng. Căn cứ vào chỉ tiêu này chia bê tông thành các loại mác chống thấm: CT-2, CT-4, CT-6, CT-8, CT-10, CT-12 (hoặc B2, B4, B6, B8, B10, B12). Tính chống thấm của bê tông được xác định theo TCVN 3116:1993 - Bê tông nặng - Phương pháp xác định độ chống thấm nước [4]. Để kiểm tra mức độ chống thấm của bê tông cần chuẩn bị 6 mẫu thí nghiệm hình trụ d = h = 150 mm. Sau khi lắp các mẫu vào thiết bị thí nghiệm (Hình 1.2) sẽ bơm nước tạo áp lực tăng dần từng cấp, mỗi cấp 2 daN/cm2. Thời gian giữ mẫu ở mỗi cấp áp lực nước là 16 giờ. Tiến hành tăng áp tới khi thấy trên bề mặt viên mẫu nào xuất hiện nước thấm qua thì khoá van và ngừng thử viên mẫu đó. Sau đó tiếp tục thử các mẫu còn lại. Độ chống thấm nước của bê tông được xác định bằng áp lực nước tối đa (atm)