Tài liệu Nghiên cứu tổng quan và so sánh phân tích các phương pháp thiết kế thành phần bê tông khối lớn

LỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sĩ khoa học “Nghiên cứu tổng quan và so sánh phân tích các phương pháp thiết kế thành phần bê tông khối lớn” được hoàn thành ngoài sự nỗ lực hết mình của bản thân học viên, còn có sự chỉ bảo, giúp đỡ tận tình của GS.TSKH Nguyễn Thúc Tuyên và các thầy, cô giáo ở bộ môn Vật liệu xây dựng, Trường Đại học Thủy lợi. Các kết quả đạt được là một đóng góp nhỏ về mặt khoa học, trong quá trình nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông cho công trình thủy lợi, trong điều kiện thời gian, trình độ có hạn cũng như các phương tiện thí nghiệm thiếu thốn, nên khó tránh khỏi thiếu sót. Học viên mong nhận được những sự chỉ bảo, đóng góp của các thầy, cô giáo và đồng nghiệp. Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn GS.TSKH Nguyễn Thúc Tuyên, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình các kiến thức khoa học cho Học viên trong suốt thời gian qua. Qua đây, Học viên cũng muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, cô giáo trong bộ môn Vật liệu xây dựng, Khoa Công trình, Phòng Đào tạo Đại học & Sau đại học – Trường Đại học Thủy lợi đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ học viên trong học tập và hoàn thành luận văn Thạc sĩ này. Nhân đây, học viên cũng tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè đã ở bên động viên, cổ vũ tinh thần cho học viên trong suốt thời gian làm luận văn. Hà nội, ngày tháng năm 2014 Học viên cao học Lê Anh Đức LỜI CAM ĐOAN Tôi là Lê Anh Đức, Học viên cao học lớp 20C 11 – Trường Đại học Thủy lợi, tác giả luận văn, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Lê Anh Đức MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1 I.TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1 II.MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1 III.CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1 IV.KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC 1 V.NỘI DUNG LUẬN VĂN 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG KHỐI LỚN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG KHỐI LỚN 3 1.1. Tổng quan về bê tông khối lớn 3 1.1.1.Định nghĩa bê tông khối lớn 3 1.1.2.Đặc tính của bê tông khối lớn. 4 1.1.3.Vật liệu dùng để chế tạo bê tông khối lớn. 5 1.1.4.Những tính chất của bê tông khối lớn. 11 1.2. Các phương pháp thiết kế thành phần bê tông khối lớn 21 1.2.1.Phương pháp thiết kế thành phần bê tông khối lớn theo ACI 211.1 21 1.2.2.Phương pháp thể tích tuyệt đối dùng công thức Bolomey – Skramtaev 27 1.2.3.Luận bàn về hai phương pháp của Mỹ và Nga 30 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 33 2.1. Các pha trong cấu trúc bê tông 33 2.2. Cấu trúc của pha hồ xi măng trong bê tông 34 2.3. Cấu trúc của pha cốt liệu trong bê tông 36 2.4. Tỉ lệ cát đá tối ưu 38 CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM 42 3.1. Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu của đề tài. 42 3.1.1.Xi măng PCB30 Hoàng Thạch 42 3.1.2.Cát vàng sông Lô 43 3.1.3.Đá dăm 46 3.1.4.Tro bay Phả Lại 49 3.2. Xác định tỷ lệ C/Đ tối ưu 50 3.3. Các phương pháp nghiên cứu thí nghiệm 55 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG KHỐI LỚN VÀ THÍ NGHIỆM BÊ TÔNG 56 4.1. Thiế kế thành phần bê tông với cường độ mục tiêu 17 Mpa theo phương pháp Mỹ (ACI 211.1) 56 4.1.1.Thiết kế thành phần bê tông R17, với C/Đ tính toán 57 4.1.2.Thí nghiệm với bê tông mác cơ sở 17 và C/Đ tối ưu 60 4.2. Thiết kế thành phần bê tông M20 dùng phương pháp thể tích tuyệt đối theo giáo trình VLXD [29]. 63 4.3. Thiết kế thành phần bê tông M20 dùng phương pháp thể tích tuyệt đối theo chỉ dẫn kỹ thuật [3]. 64 4.4. So sánh thành phần bê tông hai theo 3 phương pháp 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1: Quy định về hàm lượng tạp chất trong cốt liệu.........................................7 Bảng 1. 2: Thành phần hạt của cát dùng cho bê tông khối lớn ..................................7 Bảng 1. 3: Thành phần hạt của cát dùng cho đập bê tông khối lớn. ..........................8 Bảng 1. 4: Hàm lượng tạp chất trong cốt liệu lớn. .....................................................9 Bảng 1. 5: Yêu cầu thành phần hạt đối với các cỡ đá. .............................................10 Bảng 1. 6: Tỉ lệ phần trăm các cỡ hạt trong cốt liệu lớn. .........................................10 Bảng 1. 7: Quan hệ giữa gradien áp lực nước và mác chống thấm của bê tông. ....12 Bảng 1. 8: Nhiệt thủy hóa của các khoáng xi măng theo thời gian. .........................15 Bảng 1. 9: Nhiệt thủy hóa của các loại xi măng theo thời gian................................16 Bảng 1.10: Hệ số của công thức tính nhiệt thủy hóa của xi măng pooclăng. ..........16 Bảng 1. 11: Nhiệt độ trong bê tông của một số công trình .......................................20 Bảng 1. 12: Tỉ lệ N đối với bê tông khối lớn ......................................................23 CDK Bảng 1. 13: Quan hệ gần đúng giữa cường độ bê tông và tỉ lệ N/CDK ...................23 Bảng 1. 14: Lượng nước trộn gần đúng cho 1m3 hỗn hợp bê tông. .........................24 Bảng 1. 15: Hàm lượng vữa và hàm lượng khí gần đùng trong hỗn hợp bê tông ....25 Bảng 1. 16: Hàm lượng cốt liệu lớn..........................................................................26 Bảng 1. 17: So sánh hai phương pháp TKTPBT theo thể tích tuyệt đối ...................30 Bảng 1. 18: So sánh hai phương pháp của Mỹ và Nga.............................................31 Bảng 2. 1: Mức ngậm cát tối thiểu, % ..................................................................... 40 Bảng 2. 2: Mức ngậm cát thích hợp, % ....................................................................41 Bảng 3.1: Thành phần hóa và khoáng của Clanhke và của PCB30 Hoàng Thạch..42 Bảng 3. 2: Các chỉ tiêu tính chất của PCB30 Hoàng Thạch ....................................43 Bảng 3. 3: Khối lượng riêng của cát.........................................................................44 Bảng 3. 4: Kết quả thí nghiệm khối lượng thể tích xốp khô của cát .........................44 Bảng 3. 5: Thành phần hạt của cát ...........................................................................45 Bảng 3. 6: Khối lượng riêng của đá .........................................................................47 Bảng 3. 7: Kết quả thí nghiệm khối lượng thể tích xốp của đá ................................47 Bảng 3. 8: Thành phần hạt của đá ............................................................................48 Bảng 3. 9: Thành phần hóa học của tro bay Phả Lại ...............................................49 Bảng 3. 10: Chỉ số hoạt tính cường độ của tro tuyển Phả Lại .................................49 Bảng 3. 11: Độ mịn của tro bay Phả Lại ..................................................................50 Bảng 3. 12: Thành phần các mẻ trộn hỗn hợp cát đá ...............................................50 Bảng 3. 13: Kết quả thí nghiệm mẻ trộn thứ nhất.....................................................51 Bảng 3. 14: Kết quả thí nghiệm mẻ trộn thứ hai.......................................................51 Bảng 3. 15: Kết quả thí nghiệm mẻ trộn thứ ba ........................................................52 Bảng 3. 16: Kết quả thí nghiệm mẻ trộn thứ tư ........................................................52 Bảng 3. 17: Kết quả thí nghiệm mẻ trộn thứ năm .....................................................53 Bảng 3. 18: Tổng hợp kết quả thí nghiệm hỗn hợp cát đá ........................................53 Bảng 4. 1: Các cấp phối bê tông với mác cơ sở 17 và C/Đ tính toán ..................... 58 Bảng 4. 2: Thành phần của các mẻ trộn bê tông định hướng với mác cơ sở 17 và C/Đ tính toán .............................................................................................................59 Bảng 4. 3: Cường độ của các cấp phối bê tông định hướng với mác cơ cở 17 và C/Đ tính toán .............................................................................................................60 Bảng 4. 4: Các cấp phối bê tông định hướng với mác cơ sở 17 và C/Đ tối ưu ........61 Bảng 4. 5: Thành phần của các mẻ trộn bê tông định hướng với mác cơ sở 17 và C/Đ tối ưu ..................................................................................................................61 Bảng 4. 6: Cường độ của các cấp phối bê tông định hướng với mác cơ sở 17 và C/Đ tối ưu .........................................................................................................................61 Bảng 4. 7: So sánh thành phần bê tông của bê tông đạt R20 với C/Đ tính toán và C/Đ tối ưu ..................................................................................................................62 Bảng 4. 8: So sánh cường độ bê tông với cấp phối cơ sở 17 dùng C/Đ tính toán ....62 Bảng 4. 9: Thành phần BT tính toán dùng phương pháp TTTĐ theo giáo trình VLXD ........................................................................................................................64 Bảng 4. 10: Thành phần BT tính toán dùng phương pháp TTTĐ theo chỉ dẫn kỹ thuật ...........................................................................................................................65 Bảng 4. 11: So sánh thành phần bê tông tính toán theo ba phương pháp ...............66 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. 1: Đập bê tông trọng lực Tân Giang (Ninh Thuận) .......................................4 Hình 1. 2: Đập bê tông trọng lực Lòng Sông (Bình Thuận) .......................................4 Hình 1. 3: Tỏa nhiệt của xi măng theo thời gian. .....................................................15 Hình 1. 4: Quá trình thay đổi nhiệt trong BT khối lớn .............................................17 Hình 1. 5:Biểu đồ xác định lượng nước trộn. ...........................................................28 Hình 1. 6:Biểu đồ để xác định hệ số trượt α.............................................................29 Hình 2. 1: Mặt cắt của bê tông .................................................................................34 Hình 2. 2: Mô hình của hồ xi măng thủy hóa ...........................................................35 Hình 2. 3: Tính chất bề mặt của cốt liệu lớn ............................................................37 Hình 2. 4: Sự đọng nước ở hỗn hợp bê tông .............................................................37 Hình 3. 1: Biểu đồ TPH cát theo TCVN ....................................................................46 Hình 3. 2: Biểu đồ TPH đá theo TCVN.....................................................................48 Hình 3. 3: Quan hệ giữa tỷ lệ C/Đ và khối lượng thể tích xốp của hỗn hợp cát đá .54 Hình 3. 4 : Quan hệ giữa tỷ lệ C/Đ và độ rỗng của hỗn hợp cát đá (r hh ) ................54 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT N/X Tỷ lệ nước và xi măng X hoặc XM Xi măng C Cát Đ Đá dăm C/Đ Tỷ lệ cát/đá C C+D Tỷ lệ cát/(cát+đá), (mức ngậm cát) N Nước R 7, 28 (MPa) Cường độ nén ở tuổi 7 và 28 ngày của bê tông ACI American Concrete Institute (viện bê tông Hoa Kỳ) D max Đường kính lớn nhất của cốt liệu hcp Hồ xi măng đã đóng rắn PGK Phụ gia khoáng TPBT Thành phần bê tông TPBTKL Thành phần bê tông khối lớn TKTPBTKL Thiết kế thành phần bê tông khối lớn W Mác chống thấm Kt Hệ số thấm nước TPH Thành phần hạt STL Lượng sót tích lũy LS Lượng lọt sàng HVCH Học viên cao học HV Học viên VLXD Vật liệu xây dựng KLR Khối lượng riêng KLTTX Khối lượng thể tích xốp TPK Thành phần khoáng BBS Hàm lượng bùn bụi sét TCHH Tạp chất hữu cơ 1 PHẦN MỞ ĐẦU I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Bê tông là vật liệu phổ biến nhất trong xây dựng nói chung và xây dựng thủy lợi nói riêng. Thành phần bê tông có ảnh hưởng rõ rệt đến các tính chất của bê tông mới trộn, bê tông đã đông cứng và có ảnh hưởng đến chất lượng bê tông, nên cần phải xác định thành phần bê tông trước khi chế tạo và đưa nó vào sử dụng. Bê tông khối lớn là bê tông thông thường nhưng cũng có một số tính năng đặc biệt như tính phát nhiệt và cường độ không cao, có khả năng chống ăn mòn… Hiện nay có một số phương pháp tính thành phần bê tông khối lớn khác nhau đã được vận dụng. Tuy nhiên đấy chỉ là các áp dụng đơn lẻ, chưa có sự so sánh phân tích sự khác nhau giữa các phương pháp về lý thuyết cũng như thông qua kết quả thí nghiệm, để từ đó vận dụng các phương pháp này đạt hiệu quả hơn. II. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Tổng hợp các phương pháp thiết kế thành phần bê tông khối lớn của Mỹ và phương pháp TKTPBT của Nga để vận dụng và có sự hiệu chỉnh cần thiết nhằm đạt được hiệu quả cao hơn. III. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc bê tông, tỉ lệ C/Đ tối ưu các phương pháp thiết kế thành phần bê tông và vận dụng có sự hiệu chỉnh thông qua thí nghiệm bê tông và các vật liệu dùng cho bê tông. IV. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC – Tìm hiểu và so sánh một số phương pháp thiết kế thành phần bê tông khối lớn đã được áp dụng trên toàn thế giới. – Chuyển đổi việc dùng phụ gia khoáng trong bê tông từ tỷ lệ thể tích sang tỷ lệ khối lượng. 2 – Đánh giá được hiệu quả của tỉ lệ cát/đá tối ưu khi dùng phương pháp thiết kế thành phần bê tông khối lớn của Mỹ. V. NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn có 4 chương: Chương 1 – Tổng quan về bê tông khối lớn và các phương pháp thiết kế thành phần bê tông khối lớn. Chương 2 – Cơ sở lý thuyết của đề tài. Chương 3 – Lựa chọn vật liệu và phương pháp nghiên cứu thí nghiệm. Chương 4 – Thiết kế thành phần bê tông khối lớn và thí nghiệm bê tông. Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục – gồm 3 phần như sau: Phụ lục 1: Phương pháp xác định khối lượng thể tích xốp của cốt liệu được đầm chọc của Mỹ (Xác định khối lượng thể tích và độ rỗng của cốt liệu) Phụ lục 2: Những hình ảnh thí nghiệm bê tông tại phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng – Trường Đại học Thủy lợi Phụ lục 3: Bài báo: Xử lý thành phần hạt cốt liệu bê tông không đạt chuẩn – Thông tin khoa học công nghệ bê tông số 3 – 09/2013, Tạp chí khoa học và công nghệ, Hội công nghiệp bê tông Việt Nam thuộc Tổng hội xây dựng Việt Nam 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG KHỐI LỚN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG KHỐI LỚN 1.1. Tổng quan về bê tông khối lớn 1.1.1. Định nghĩa bê tông khối lớn Theo tiêu chuẩn Mỹ (ACI 116R) [30], bê tông khối lớn được định nghĩa là một thể tích bê tông có kích thước đủ lớn, để phải yêu cầu có biện pháp đối phó với sự phát nhiệt do xi măng thủy hóa và sự biến đổi thể tích kèm theo để giảm thiểu sự nứt nẻ. Theo tài liệu (ACI 211.1) [31], nhiều kết cấu lớn có thể coi là khối lớn phải tính đến sự phát nhiệt, đặc biệt khi kích thước của tiết diện ngang nhỏ nhất của kết cấu bê tông bằng hoặc vượt quá 2 đến 3 fr (tức là 0,61m đến 0,915m). Theo tiêu chuẩn Nhà nước TCVN 4453 - 95 [14] và TCVN 8218: 2009 [28], bê tông khối lớn có kích thước nhỏ nhất không nhỏ hơn 1m. Có hai loại bê tông thường dùng làm bê tông khối lớn, chủ yếu dùng cho đập: - Bê tông thông thường (ký hiệu là CVC) được đầm chặt bằng phương pháp chấn động. - Bê tông đầm lăn (ký hiệu là RCC) là loại bê tông sử dụng các nguyên liệu tương tự bê tông thông thường, nhưng rất khô và được đầm chặt bằng thiết bị rung lèn từ mặt ngoài (lu rung). Việc đầm bằng lu rung cho phép sử dụng hỗn hợp bê tông khô với hàm lượng chất dính kết nhỏ hơn trong bê tông thường rất nhiều. Trong chất dính kết chỉ có một phần là xi măng, còn một phần là phụ gia khoáng hoạt tính nghiền mịn (tro bay, hoặc puzơlan tự nhiên, xỉ hạt lò cao v.v…). Trong khuôn khổ phần tổng quan này chỉ đề cập chủ yếu bê tông khối lớn từ bê tông thông thường (CVC) đã được ứng dụng nhiều ở Việt Nam từ trước đế nay. Trong xây dựng thủy lợi bê tông khối lớn được áp dụng cho đập, móng công trình v.v.. Từ những năm 1930, trên thế giới phát triển mạnh bê tông khối lớn cho đập dùng các vật liệu tiên tiến, phương pháp thi công hiện đại, khống chế hiệu quả ứng suất nhiệt trong bê tông và đã xây dựng nên những công trình thế kỷ. Ở Việt Nam đã áp dụng bê tông khối lớn từ lâu cho các đập Thác Bà, Sông Đà, Trị An, Thạch Nham, Hàm Thuận, Đa Mi và mới đây là đập Tân Giang, Lòng Sông. (Hình 1.1 và hình 1.2). 4 Hình 1. 1: Đập bê tông trọng lực Tân Giang (Ninh Thuận) Hình 1. 2: Đập bê tông trọng lực Lòng Sông (Bình Thuận) 1.1.2. Đặc tính của bê tông khối lớn. Đặc tính của bê tông khối lớn là tính chất nhiệt. Phản ứng của xi măng với nước là phản ứng phát nhiệt. Bê tông là vật liệu dẫn nhiệt kém. Trong bê tông khối lớn nhiệt không phân tán được nhanh, nên nhiệt độ trong bê tông có thể rất cao, nhưng nhiệt độ mặt ngoài (nhiệt độ môi trường) lại thấp; do đó có thể phát sinh ứng suất kéo do sự biến đổi thể tích kết hợp với sự tăng và giảm nhiệt độ trong khối bê tông. Cần phải có các biện pháp giải quyết thích hợp để hạ thấp nhiệt độ trong bê tông khối lớn, giảm ứng suất nhiệt và tránh nguy cơ nứt nẻ công trình. 5 Đối với công trình bê tông khối lớn để đồng thời đạt được chất lượng và giá thành thấp, thường phân ra 2 phần: Phần bên ngoài của khối lớn chịu tác dụng trực tiếp của môi trường và phần bên trong của khối lớn không tiếp xúc với môi trường. Ví dụ như đối với đập bê tông thủy lợi, phần bên ngoài chịu tác động của môi trường nước, yêu cầu chọn cốt liệu tốt, bê tông đặc chắc cường độ cao, chống thấm tốt để đảm bảo độ bền. Còn bê tông bên trong không chịu tác động của môi trường, nên yêu cầu chính đối với bê tông là phát nhiệt tối thiểu khi bê tông đông cứng, vì sự phân bố nhiệt không đều trong khối bê tông gây ra nứt do nhiệt. Mác bê tông ở phần bên trong không yêu cầu cao, chỉ cần 10 hoặc 15 Mpa và độ chống thấm thấp W 2, còn mác bê tông bên ngoài thường bằng 20 hoặc 25 và mác chống thấm W 4 hoặc cao hơn. 1.1.3. Vật liệu dùng để chế tạo bê tông khối lớn. Để đảm bảo tính ổn định của bê tông khối lớn cần chú ý chọn dùng các vật liệu thích hợp. 1.1.3.1. Xi măng. Theo tài liệu [32], các loại xi măng dưới đây thích hợp cho bê tông khối lớn; tính chất sử dụng của các loại xi măng này được nêu trong các tiêu chuẩn Mỹ ASTM C 150 - 86 [35].  Xi măng Pooclăng của Mỹ [35] gồm loại I (loại dùng chung), loại II (loại dùng chung và đặc biệt có tính chất chống sunphát vừa và nhiệt thủy hóa vừa), loại III (loại dùng trong trường hợp mong muốn nhiệt thủy hóa thấp), loại IV (loại dùng trong trường hợp mong muốn có tính chất chống sunphát cao).  Xi măng hỗn hợp của Mỹ [37]: Gồm loại P (Xi măng Pooclăng puzơlan dùng cho bê tông không yêu cầu cường độ ban đầu cao), loại IP (Xi măng pooclăng puzơlan dùng cho kết cấu bê tông thông thường), loại I (PM) (Xi măng pooclăng puzơlan cải biến), loại I (SM) (Xi măng pooclăng xỉ dùng cho kết cấu bê tông thông thường). Ở nước ta cũng sản xuất các loại xi măng pooclăng (TCVN 2682: 2009) [8], xi măng pooclăng puzơlan (TCVN 4033: 1995) [11], xi măng pooclăng xỉ hạt lò cao (TCVN 4316: 1986) [12], xi măng pooclăng hỗn hợp (TCVN 6260: 2009) [19] và cả xi măng pooclăng ít tỏa nhiệt (TCVN 6069: 2007) [18] và xi măng pooclăng hỗn hợp ít tỏa nhiệt [27] để dùng cho các công trình thủy lợi, thủy điện, giao thông, xây dựng dân dụng và công nghiệp. 6 Theo tài liệu [2], xi măng ít tỏa nhiệt có lượng nhiệt phát ra khi xi măng thủy hóa (xác định theo phương pháp Tecmot) sau 3 ngày không lớn hơn 45 - 50cal/g, sau 7 ngày không lớn hơn 50 - 60cal/g. Tiêu chuẩn về xi măng ít tỏa nhiệt [17,27] qui định XM tỏa nhiệt trung bình và tỏa nhiệt thấp có nhiệt thủy hóa lần lượt là 60, 70 cal/g. Xi măng belit cao phát nhiệt ở tuổi tương ứng ít hơn 20% so với xi măng pooclăng thông thường, độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt của nó chỉ bằng một nửa xi măng pooclăng và píc nhiệt độ ( nhiệt độ cao nhất) cũng xuất hiện chậm hơn . Trong bê tông khối lớn thường dùng phụ gia khoáng hoạt tính như puzơlan, xỉ hạt lò cao, tro bay…, nhằm mục đích giảm thiểu lượng dùng xi măng, do đó giảm nhiệt thủy hóa trong bê tông. Tuy nhiên có một số phụ gia có thể làm giảm độ lưu thông trong hỗn hợp bê tông và tăng độ co ngót của bê tông. Các phụ gia đó được đưa trước vào xi măng hoặc bê tông khi trộn. Trong bê tông khối lớn thường dùng phụ gia khoáng kèm thêm phụ gia hóa học như phụ gia hóa dẻo kéo dài thời gian đông kết để làm chậm tốc độ tăng nhiệt trong bê tông khối lớn. 1.1.3.2. Cốt liệu. Theo ACI 207.1R - 87 [32], cốt liệu dùng cho bê tông khối lớn chứa các thành phần có hại và hạt mịn không được vượt quá hàm lượng cho phép được nêu trong bảng 1.1. a) Cốt liệu nhỏ (cát) Có thể dùng cát tự nhiên (cát sông, cát suối…) và cát nghiền từ đá. Trong trường hợp cát nghiên, phần hạt lọt sàng N0200 chủ yếu là bột đá, không phải là đất sét hoặc diệp thạch như trong cát tự nhiên. Vì vậy đối với cát nghiền, hàm lượng này cho phép tới 5% đối với bê tông chịu mài mòn và 7% đối với các loại bê tông khác. Yêu cầu kỹ thuật của cát cũng được qui định trong tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 7570:2006) [20]. Cũng theo tài liệu Mỹ, cốt liệu nhỏ (cát) dùng cho bê tông khối lớn nói chung hầu hết lọt qua sàng 4,76mm và thành phần hạt như trong bảng 1.2. 7 Bảng 1. 1: Quy định về hàm lượng tạp chất trong cốt liệu. Các tạp chất có hại trong cốt liệu Hàm lượng cho phép % 1. Đất sét cục và các hạt dễ vỡ 3,0 2. Hạt lọt qua sàng N0200 (75µm) - Đối với bê tông chịu mài mòn 3,0 - Đối với các loại bê tông khác 5,0 3. Than và than non - Khi quan tâm đến hình thức mặt ngoài của bê 0,5 tông - Cho tất cả các loại bê tông khác 1,0 Bảng 1. 2: Thành phần hạt của cát dùng cho bê tông khối lớn Sàng (mắt sàng) (10 mm) % sót riêng (theo khối lượng) 0 N0-4 (4,76mm) 0-5 N0-8 (2,50mm) 5-15 N0-16 (1,25mm) 10-25 N0-30 (0,36mm) 10-30 N0-50 (0,315mm) 15-35 N0-100 (0,16mm) 12-20 Đáy 3-7 Ghi chú: Số trong dấu ngoặc là các sàng Việt Nam có kích thước tương đương với sàng Mỹ. 8 Tuy nhiên theo tiêu chuẩn Mỹ nếu thông qua thí nghiệm, thấy rằng thành phần cát khác với bảng 1.2, nhưng cũng chứng tỏ đạt yêu cầu, thì vẫn dùng được. Trong tài liệu của Mỹ cũng qui định các tạp chất có hại trong cát dùng trong bê tông khối lớn dùng cho đập không vượt quá các giới hạn như sau: − Vật liệu lọt sàng N0200 không lớn hơn 30%; − Vật liệu nhẹ không lớn hơn 2%; − Đất sét cục không lớn hơn 10%; − Tổng lượng các chất có hại khác (như mica, hạt có màng bao bọc, các hạt dài dẹt, mềm, đất mùn …) không lớn hơn 2%. Thành phần hạt của cát trong bê tông khối lớn dùng cho đập được quy định trong bảng 1.3 [32]. Bảng 1. 3: Thành phần hạt của cát dùng cho đập bê tông khối lớn. % sót riêng % sót tích lũy (theo khối lượng) (theo khối lượng) 0 0 0 N0-4 (4,76mm) 0-8 0-8 100-92 N0-8 (2,36mm) 5-20 10-25 90-75 N0-16 (1,19mm) 10-25 30-50 70-50 N0-30 (0,60mm) 10-30 60-65 50-35 N0-50 (0,30mm) 15-30 70-83 30-17 N0-100 (0,15mm) 12-20 90-97 10-3 Đáy 3-10 100 0 Loại sàng 9,53 mm % lọt sàng Ghi chú: % lượng lọt sàng = 100 - % lượng sót tích lũy b) Cốt liệu lớn (đá) Yêu cầu kỹ thuật đối với cốt liệu lớn được qui định trong TCVN 7570:2006 [20] và theo tài liệu [32]. Cốt liệu lớn có thể là sỏi, cuội nghiền, đá dăm hoặc hỗn 9 hợp của các loại đá đó. Về danh nghĩa hạt cốt liệu lớn phải sót trên sàng 4,75mm và nhỏ hơn 150mm. Có thể dùng cốt liệu lớn có kích thước danh nghĩa lớn nhất (D max ) bằng 38mm hoặc 75mm, thậm chí đến 150mm. Kích thước đá càng lớn, càng có khả năng giảm lượng dùng xi măng trong bê tông và từ đó giảm lượng nhiệt thủy hóa. Tuy nhiên kích thước danh nghĩa lớn nhất của đá không được lớn hơn 1/4 kích thước nhỏ của kết cấu. Điều này thường không xảy ra đối với bê tông khối lớn. Ngoài ra D max cũng không lớn hơn 2/3 khoảng cách giữa các thanh cốt thép. Hàm lượng tạp chất và hạt mịn (lọt sàng N0200) của cốt liệu được qui định như trong bảng 1.4 [32]. Bảng 1. 4: Hàm lượng tạp chất trong cốt liệu lớn. Các tạp chất trong cốt liệu lớn % (theo khối lượng) Vật liệu lọt sàng N0200 không lớn hơn 0,5 Vật liệu nhẹ không lớn hơn 2,0 Đất sét cục không lớn hơn 0,5 Các tạp chất khác không lớn hơn 1,0 Nên dùng cốt liệu lớn có kích thước danh nghĩa tối ưu để đảm bảo cường độ thiết kế và các vấn đề khác như phối liệu, trộn, chuyên chở, đổ và đầm bê tông. Cỡ hạt 150mm được coi là kích thước lớn nhất thực dụng. Theo tài liệu [2], nên sử dụng cốt liệu nhiều cỡ, cỡ lớn nhất có thể tới 120mm thì càng tốt (tùy điều kiện máy trộn và kích thước khối đổ). Mặc dù cốt liệu lớn tự nhiên (sỏi) có yêu cầu nước dùng cho bê tông ít hơn, nhưng thường hiếm và vận chuyển từ xa, nên không đạt hiệu quả kinh thế bằng việc sử dụng cốt liệu nghiền. Đá nghiền được phân thành nhiều cỡ : 150 - 80, 80 - 40, 40 - 20, 20 - 5mm; thành phần hạt của các cỡ đó được qui định như trong bảng 1.5 [32]. 10 Tính dễ đổ của hỗn hợp bê tông thường được cải thiện bằng cách giảm tỉ lệ các hạt quá lớn. Kinh nghiệm chứng tỏ rằng tỉ lệ % của các cỡ hạt trong cốt liệu có thể như trong bảng 1.6 [42]. Bảng 1. 5: Yêu cầu thành phần hạt đối với các cỡ đá. Sàng mắt vuông mm % lọt sàng theo khối lượng Cỡ rất lớn 150 - 80mm Cỡ lớn 80 - 40mm Cỡ vừa 40 - 20mm Cỡ nhỏ 20 - 5mm 175 100 150 90 - 100 100 20 - 45 100 80 0 - 15 20 - 100 50 0-5 20 - 55 100 40 0 - 10 20 - 100 25 0-5 20 - 45 100 20 1 - 10 20 - 100 10 0-5 30 - 55 5 0-5 Bảng 1. 6: Tỉ lệ phần trăm các cỡ hạt trong cốt liệu lớn. Kích thước danh nghĩa Cỡ rất lớn lớn nhất, mm 150 - 80mm 150 80 40 20 20 - 30 Cỡ lớn 80 - 40mm % các cỡ hạt Cỡ nhỏ Cỡ vừa 40 - 20mm 20 - 10mm 10 - 5mm 20 - 32 20 - 30 12 - 20 8 - 15 20 - 40 20 - 40 15 - 25 10 - 15 40 - 55 30 - 35 15 - 25 30 - 70 20 - 45 11 Một số nơi dùng cấp phối "gián đoạn" trong bê tông khối lớn. Đây là cấp phối thiếu một hay nhiều hơn một kích cỡ. Cấp phối gián đoạn chỉ dùng đạt hiệu quả kinh tế ở nơi có sẵn loại cốt liệu tự nhiên có cấp phối gián đoạn. Nếu tạo ra cốt liệu có cấp phối gián đoạn để dùng, thì không có lợi. Cấp phối cốt liệu liên tục tạo cho bê tông khối lớn tính dễ đổ tốt hơn, yêu cầu độ sụt thấp hơn, dùng ít nước và xi măng hơn. Cốt liệu nghiền thường có cấp phối liên tục và có thể sản xuất với khối lượng lớn, nên được dùng nhiều trong bê tông nói chung và bê tông khối lớn nói riêng. Phải dùng cốt liệu không có phản ứng kiềm cốt liệu, có nghĩa là không chứa oxit silic có phản ứng ở các dạng khoáng: opan, tridimit, cristobalit, quăczit…. dễ phản ứng với oxit kiềm có trong xi măng, gây nứt nẻ bê tông và kết cấu công trình . 1.1.3.3. Nước trộn bê tông. Nước trộn bê tông khối lớn cũng giống như nước trộn bê tông thông thường, không được chứa các chất có ảnh hưởng đến thủy hóa xi măng và cường độ bê tông. Theo tài liệu [32], để xác định xem nước có tạp chất có ảnh hưởng nhiều đến sự phát triển của cường độ xi măng không, có thể thí nghiệm cường độ của vữa dùng loại nước đó với vữa trộn bằng nước cất có thành phần giống nhau. Nếu cường độ của vữa dùng nước thử bằng hoặc lớn hơn 90% cường độ của vữa dùng nước cất, thì loại nước thử đó có thể dùng được cho bê tông. 1.1.3.4. Phụ gia. Có thể dùng các loại phụ gia khoáng và phụ giá hóa thích hợp để cải thiện tính chất của bê tông, đặc biệt là tính chất nhiệt. 1.1.4. Những tính chất của bê tông khối lớn. Các tính chất cần được xem xét là: Cường độ nén, cường độ kéo, môđun đàn hồi, hệ số Poisson, khả năng biến dạng kéo, từ biến, biến dạng khi khô, tăng nhiệt độ, hệ số nở nhiệt, sự dẫn nhiệt, tản nhiệt, độ thấm nước, độ bền. 1.1.4.1. Cường độ. Cũng như các loại bê tông khác, cường độ bê tông khối lớn chịu ảnh hưởng của các yêu tố chủ yếu sau đây: thành phần, độ mịn và cường độ của xi măng, lượng dùng xi măng và loại phụ gia hóa học dùng trong bê tông, lượng và loại phụ gia khoáng (puzơlan), cấu trúc bề mặt, hình dạng, thành phần khoáng, thành phần hạt và cường độ của cốt liệu. 12 Bê tông khối lớn thường không yêu cầu cường độ cao và không yêu cầu chịu ứng suất lớn ban đầu. Mác bê tông khối lớn thường được xác định ở tuổi dài ngày (90 ngày, 1 năm, 2 năm), tùy theo kết cấu và công trình được xây dựng trong thời gian lâu dài như thế nào. Mẫu kiểm tra cường độ nén phải có kích thước tiêu chuẩn. Theo tiêu chuẩn Mỹ, dùng mẫu chuẩn hình trụ có đường kính 150mm và chiều cao 300mm với Dmax của cốt liệu không quá 37,5mm; nếu cốt liệu lớn hơn, thì sàng ướt qua sàng 37,5mm để lấy phần bê tông lọt sàng đem đúc mẫu. Theo tiêu chuẩn Việt Nam dùng mẫu hình lập phương và kích thước mẫu chuẩn là 150x150x150mm hoặc mẫu có kích thước lớn hơn. Điều quan trọng là phải làm các thí nghiệm liên quan ở tuổi bê tông qui định để so sánh cường độ mẫu có kích thước tiêu chuẩn đúc bằng bê tông đã sàng ướt với cường độ mẫu bê tông có kích thước thích hợp đúc bằng bê tông không sàng ướt, và tìm hệ số tính đổi cường độ giữa 2 loại mẫu này. Nói chung khuôn phải có kích thước nhỏ nhất bằng hay lớn hơn 3 lần đường kính danh nghĩa lớn nhất của cốt liệu lớn (Dmax). Bê tông chịu nén tốt, thì cũng chịu kéo tốt hơn; nhưng giữa 2 loại cường độ này không có quan hệ tuyến tính. Biểu thức biểu thị quan hệ giữa cường độ nén và cường độ kéo có thể như sau: R k = 32R n 2/3, trong đó: R k và R n được tính bằng Pa (1Pa = 10-6 Mpa). 1.1.4.2. Độ thấm nước. Khi hỗn hợp bê tông có thành phần hợp lý, được đầm chấn dộng tốt, sự thấm nước không phải là vấn đề quan trọng. Độ thấm nước của bê tông phụ thuộc vào gradien áp lực nước (tỷ số giữa áp lực nước và chiều dày của công trình hoặc bộ phận công trình) như trong bảng 1.7. Độ thấm nước của bê tông tăng theo tỉ lệ N/X. Vì vậy việc dùng N/X thấp và đầm chặt, bảo dưỡng tốt bê tông là những yếu tố quan trọng làm giảm tính thấm nước của bê tông. Phụ gia cuốn khí và nhiều phụ gia hóa học khác cho phép giảm lượng nước trộn và do đó cải thiện tính chống thấm của bê tông. Bảng 1. 7: Quan hệ giữa gradien áp lực nước và mác chống thấm của bê tông. Gradien áp lực nước (m cột nước) Mác chống thấm bê tông Tới 5 5-10 10-12 12 và lớn hơn W4 W5 W6 W 12 Puzơlan cũng có tác dụng giảm độ thấm nước. Theo tài liệu [32], hệ số thấm K của bê tông khối lớn vào khoảng 0,62.10-4 đến 11,9.10-4ft3/ft2.g/ft cột nước.