Phương pháp thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn - Nguyễn Như Oanh

Nội dung text: Phương pháp thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn - Nguyễn Như Oanh

1. ph−ơng pháp thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn ThS. Nguyễn Nh− Oanh NCS. Đại học Vũ Hán - Trung Quốc Tóm tắt: Cho đến nay vẫn ch−a có quy định thống nhất đối với các ph−ơng pháp thiết kế cấp phối BTĐL. Hiện nay đã có mấy ph−ơng pháp tính toán cấp phối BTĐL và mỗi ph−ơng pháp có sự khác nhau đôi chút, vì mỗi ph−ơng pháp có cách thành lập khác nhau. Nh−ng hầu hết các ph−ơng pháp đều phải dùng một số giả định và kinh nghiệm, mỗi ph−ơng pháp đã phân tích đ−ợc lý luận để thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn, hiện nay đang từng b−ớc nghiên cứu và đã đạt đ−ợc nhiều kết quả tốt. D−ới đây giới thiệu sơ l−ợc các b−ớc thiết kế cấp phối BTĐL, sau đó đối với một số ph−ơng pháp thiết kế cấp phối cho mỗi công trình có tính đại biểu sẽ giới thiệu thêm. I. Các b−ớc thông th−ờng thiết kế cấp phối BTĐL : 1. Thu thập tài liệu cần thiết để thiết kế cấp phối: Tr−ớc khi tiến hành thiết kế cấp phối BTĐL phải thu thập các tài liệu kỹ thuật, toàn bộ vấn đề có liên quan đến thiết kế cấp phối; bao gồm: (1) Vị trí bộ phận công trình sử dụng bê tông đầm lăn; (2) Yêu cầu kỹ thuật đ−ợc đ−a ra của bê tông đối với thiết kế công trình nh− c−ờng độ, biến hình, tính chống thấm, tính bền, nhiệt thuỷ hoá, thời gian ng−ng kết của hỗn hợp bê tông, độ CV, dung trọng bê tông, vv (3) Trình độ kỹ thuật thi công. (4) Phẩm chất, đơn giá của nguyên vật liệu sử dụng cho công trình.v.v 2. Thiết kế cấp phối sơ bộ: a) Xác định sơ l−ợc các tham số cấp phối yêu cầu: Xác định đ−ờng kính lớn nhất của cốt liệu thô và tỷ lệ của các cấp hạt trong cốt liệu thô, đối với bê tông dùng xây dựng công trình thuỷ công th−ờng là bê tông khối lớn, đ−ờng kính lớn nhất của cốt liệu lớn th−ờng chọn là 80mm. Tỷ lệ mỗi cấp cỡ hạt là bao nhiêu, có thể dựa vào trạng thái của cốt liệu thô hoặc dung trọng tự nhiên, khi dung trọng càng lớn (độ rỗng càng nhỏ), sự phân tăng của cốt liệu thô càng giảm, nguyên tắc xác định là phải thông qua thí nghiệm. ở Trung Quốc có nhiều tham số cho bê tông đầm lăn cần phải xác định. Tỷ lệ 3 cấp cỡ hạt của cốt liệu thô th−ờng chọn là 4:3:3 hoặc là 3:4:3. Tuỳ theo công trình vào loại lớn, trung bình hay nhỏ. Sau khi xác định DMax của cốt liệu thô và các cấp cỡ hạt thì có thể xác định đ−ợc các tham số cấp phối. Trong BTĐL có xi măng, vật liệu hỗn hợp hoạt tính (gồm tro bay hoặc Puzơlan), n−ớc, cát, đá đ−ợc ký hiệu lần l−ợt là: C, F , W , S , G để biểu thị thông th−ờng mối quan hệ giữa n−ớc và l−ợng vật liệu kết dính biểu thị là tỷ lệ: W/(C+F). Quan hệ giữa vật liệu hỗn hợp hoạt tính (tro bay hoặc puzơlan) và l−ợng vật liệu kết dính dùng tỷ lệ: F/(C+F) hoặc F/C để biểu thị. Quan hệ giữa Cát và l−ợng Cát và Đá ( gọi là mức ngậm cát) dùng tỷ lệ: S/(S+G). Quan hệ giữa l−ợng vữa và cát và l−ợng dùng cát đ−ợc biểu thị bởi: (C+F+W)/S (cũng có thể dùng hệ số d− l−ợng vữa để biểu thị l−ợng vữa đủ để lấp đầy lỗ rỗng các hạt cát). Đó là 4 tham số cấp phối của bê tông đầm lăn, việc lựa chọn các tham số cấp phối cần phải thông qua các ph−ơng pháp d−ới đây để tiến hành: 1. Ph−ơng pháp lựa chọn phân tích thí nghiệm đơn nhân tố.
2. Do mỗi tham số cấp phối bê tông đầm lăn có ảnh h−ởng đến các tính năng của BTĐL ở mức độ khác nhau, do đó có thể chọn tính năng nào có ảnh h−ởng rõ rệt nhất, thì tiến hành thí nghiệm đơn nhân tố để xác định, tham số cần xác định là tỷ lệ W/(C+F) l−ợng vật liệu hỗn hợp hoạt tính th−ờng thông qua nghiên cứu xem xét sự ảnh h−ởng của nó đến c−ờng độ nén và tính bền của bê tông để quyết định lựa chọn. Tỷ lệ vữa cát phải thông qua thí nghiệm xem sự ảnh h−ởng của nó đến dung trọng vữa cát để xác định và hàm l−ợng cát phải dựa vào thí nghiệm dung trọng bê tông để xác định giá trị tốt nhất đồng thời có xem xét tới tình trạng phân tầng của cốt liệu thô của hỗn hợp bê tông. 2. Ph−ơng pháp lựa chọn thiết kế thí nghiệm trực giao. Có thể xem 4 tham số tỷ lệ phối hợp là những nhân tố thiết kế thí nghiệm trực giao, mỗi nhân tố lấy 3 đến 4 mức độ khác nhau, lựa chọn trình tự thí nghiệm trực giao thích đáng. Dùng ph−ơng pháp phân tích trực quan hoặc ph−ơng pháp phân tích ph−ơng sai của mỗi nhân tố và mối quan hệ giữa chúng với các tính năng của bê tông, từ đó lựa chọn ra các tham số cấp phối Phải thấy rằng ph−ơng pháp lựa chọn thiết kế thí nghiệm trực giao đối với thí nghiệm vật liệu ở trong phòng trong tình trạng chủ động là rất phù hợp, nh−ng tr−ớc khi chính thức thi công, cần phải thông qua thí nghiệm hiện tr−ờng để kiểm nghiệm độ chính xác của các tham số đã lựa chọn. 3. Ph−ơng pháp lựa chọn so sánh loại công trình. Đối với các công trình vừa và nhỏ th−ờng không có khả năng thông qua thí nghiệm để xác định các tham số cấp phối bê tông, phải tham khảo các công trình t−ơng tự để sơ bộ chọn các tham số cấp phối, sau đó tiến hành thiết kế sơ bộ cấp phối. 2. Tính toán l−ợng dùng vật liệu trong 1m3 bê tông đầm lăn: Để tính toán cấp phối BTĐL cũng cần phải dựa vào môt số giả thiết : 1. Giả thiết thể tích tuyệt đối: Ph−ơng pháp này giả sử rằng thể tích của hỗn hợp bê tông đầm lăn bằng tổng thể tích tuyệt đối của các loại vật liệu tạo thành bê tông cộng với hàm l−ợng không khí trộn vào bê tông, ta có công thức: C/ C + F/ F + W/ W Ư + S/ S + C/ G +10a = 1000 (2- 1) Trong đó: C, F, W, S, G là l−ợng dùng xi măng, vật liệu hỗn hợp hoạt tính, n−ớc, cát và đá trong 1m3 bê tông đầm lăn (kg) 3 C , F , w - Khối l−ợng riêng của xi măng vật liệu hỗn hợp và n−ớc (kg/dm ) 3  S ,  G - Dung trọng xốp của cát và sỏi (kg/dm ) a: Hệ số biểu thị hàm l−ợng khí trong hỗn hợp BTĐL, nếu không trộn phụ gia dẫn khí - Th−ờng lấy a = 1  3. 2 Giả thiết về dung trọng bê tông: Giả định dung trọng của hồn hợp BTĐL sau khi trộn là một số xác định đ−ợc; do vậy ta có thể viết đ−ợc công thức: C + F + S + W + G = con (2 - 2) Trong đó: các ký hiệu có ý nghĩa giống nh− trên. 3. Giả thiết về lấp đầy và bao bọc:
3. Giả thiết này là: (1) vữa vật liệu kết dính bao bọc các hạt cát và lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cát tạo thành vữa cát, (2) Vữa cát bao bọc cát hạt cốt liệu thô và lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu thô, hình thành lên bê tông đồng nhất. Lấy và  làm chỉ tiêu để so sánh. Với : hệ số biểu thị tỷ số giữa thể tích vữa vật liệu kết và thể tích lỗ rỗng của cát. Hệ số  biểu thị tỷ số giữa thể tích vữa cát so với thể tích lõ rỗng giữa các hạt cốt liệu thô. Do cần có thêm 1 l−ợng vữa d− nhất định nên ,  đều phải lớn hơn 1; Trong thực tế giá trị của BTĐL thông th−ờng lấy từ 1,1 đến 1,3; và hệ số  th−ờng từ 1,2 đến 1,5 Từ đó ta có hệ ph−ơng trình sau: C F W 10PS .S . ' C F w  S (2.3) G 10PG .G 1000 10V . ' (2.4)  G  G 1000 10V 1 Từ đó tính đ−ợc: G (2.5) 10P   G G '  G 10P  G .G  ' và S G (2.6) 10P 1 S '  S  S Nếu gọi các tham số cấp phối bê tông là: W/(C+F) = K1 và F/(C+F)=K2 10P S .S  ' Thì : C S (2.7) K1K 2 1 K 2 K1 1 K 2 C 1 K 2 F K Và F 2 .C (2.8) 1 K 2 W = K1(C + F) (2.9) Trong các công thức trên: PS và PG là độ rỗng của cát và đá ở trạng thái đầm chặt Va: Hệ số biểu thị thể tích lỗ rỗng của bê tông. ' '  S  G : Dung trọng xốp ở trạng thái đầm chặt của cát và đá. Các ký hiệu khác vẫn có ý nghĩa nh− trên. Dựa vào tham số cấp phối bê tông và các công thức trên có thể tính toán ra đ−ợc l−ợng dùng mỗi loại vật liệu cho mỗi 1 m3 bê tông đầm lăn. 3- Trộn thử - Điều chỉnh:
4. Để tính toán ra l−ợng dùng mỗi loại vật liệu kể trên là phải dựa vào một số giả thiết và công thức kinh nghiệm, hệ số kinh nghiệm, hoặc là lợi dụng những tài liệu kinh nghiệm đã có. Các thông số của nó là phải thông qua thí nghiệm trong phòng để xác định, do điều kiện thí nghiệm và tình hình thực tế có sự khác nhau, cũng có thể không phù hợp hoàn toàn với thực tế nên bắt buộc phải thông qua các mẫu trộn thử để điều chỉnh độ công tác của hỗn hợp bê tông và dung trọng thực tế của hỗn hợp bê tông. Dùng cấp phối đã xác định sơ bộ đ−ợc để tiến hành trộn thử bê tông , xác định giá trị Vc của hỗn hợp bê tông, nếu nh− độ Vc lớn hơn yêu cần thiết kế, thì phải giữ nguyên l−ợng cát và tăng thêm cốt liệu thô và điều chỉnh l−ợng n−ớc sao cho tỷ lệ W/(C+F+S) không thay đổi, ng−ợc lại thì giảm l−ợng cát dùng và l−ợng n−ớc t−ơng ứng. 4. Xác định cấp phối trong phòng. Khi tỷ lệ W/(C+F) của bê tông không thoả mãn yêu cầu đối với các chỉ tiêu yêu cầu của BTĐL, nh− các chỉ tiêu c−ờng độ và tính bền của bê tông - thông th−ờng có thể sử dụng 3 cấp phối khác nhau, mỗi một cấp phối qua trộn thử, điều chỉnh để đạt đ−ợc cấp phối mới, th−ờng tỷ lệ W/(C+F) trong hai loại cấp phối phải điều chỉnh tăng hoặc giảm 5% l−ợng XM để trộn thử. L−ợng dùng n−ớc của 3 loại cấp phối không giống nhau, l−ợng cát có thể dựa vào độ Vc để thay đổi, điều chỉnh tăng thêm cho thoả đáng. Mỗi một cấp phối phải căn cứ vào c−ờng độ và tính bền của các mẫu thí nghiệm, bảo d−ỡng cho đến khi tuổi bê tông theo quy định và tiến hành thí nghiệm. Sau đó dựa vào kết quả thí nghiệm để xác định đ−ợc cấp phối trong phòng. Để xác định dung trọng thực tế của hỗn hợp bê tông phải tính toán đ−ợc l−ợng vật liệu dùng thực tế của cấp phối bê tông đã điều chỉnh đ−ợc ở trong phòng . (qua trộn thử, điều chỉnh để đ−a ra đ−ợc cấp phối ở trong phòng ) 5. Tính toán lại cấp phối hiện tr−ờng thi công. Sau khi thí nghiệm trong phòng đ−a ra đ−ợc cấp phối bê tông trong phòng, thông th−ờng coi vật liệu cát, đá có trạng thái bề mặt khô bão hoà, Nh−ng ttại hiện tr−ờng th−ờng hàm l−ợng n−ớc thực tế trong cát, đá so với thí nghiệm trong phòng là khác nhau, vì vậy mà l−ợng vật liệu thực tế ở hiện tr−ờng phải căn cứ vào tình hình n−ớc có trong cát, đá để tiến hành điều chỉnh. Giả sử tỷ lệ l−ợng n−ớc có trong cát ở hiện tr−ờng thi công là a%, của đá là b%. Thì cấp phối trong phòng sẽ đ−ợc tính đổi thành cấp phối hiện tr−ờng là : C’ = C; F’ = F ; S’ = S (1+ a%) G’ = G (1 +b%); W’ = W - S x a% - G x b% Trong công thức trên: C, F, W, S, G là l−ợng vật liệu của cấp phối tính đ−ợc trong phòng. C’, F, W’, S’, G’: l−ợng dùng mỗi loại vật liệu ở hiện tr−ờng thi công thực tế. Khi hàm l−ợng hạt quá kém của cát đá ở công trình v−ợt quá phạm vi quy phạm quy định, cũng phải tiến hành tính đổi cấp phối bê tông trong phòng. 6. Thí nghiệm đầm nén hiện tr−ờng và điều chỉnh cấp phối. Khi một công trình đang thi công BTĐL đều bắt buộc phải tiến hành thí nghiệm đầm lèn hiện tr−ờng, ngoài việc để xác định các tham số thi công, kiểm nghiệm hệ thống vận hành sản xuất, thi công và tình trạng máy móc đồng bộ, các biện pháp quản lý thi công, ngoài ra còn thông qua thí nghiệm đầm lèn hiện tr−ờng để có thể kiểm nghiệm lại cấp phối của bê tông đã thiết kế ra xem có thích ứng với thiết bị thi công không (Bao gồm cả tính đầm lèn, tính dễ đầm chặt v.v.)
5. và tính năng chống phân tầng của hỗn hợp bê tông. Khi cần thiết có thể phải dựa vào tình hình đầm lên thực tế để điều chỉnh lại cấp phối bê tông cho hợp lý. Kết luận : Bê tông đầm lăn (BTĐL) là một loại bê tông có công nghệ sản xuất và thi công mới và tiến bộ, hiện đã đ−ợc áp dụng ở nhiều n−ớc trên thế giới. Ngay n−ớc láng giềng của Việt Nam là Trung Quốc có điều kiện khí hậu gần t−ơng tự Việt Nam cũng đã ứng dụng BTĐL vào việc xây dựng các công trình, đặc biệt là ứng dụng vào việc xây dựng các đập Thuỷ công từ nhiều năm nay. Hiện nay BTĐL đang có xu h−óng đ−ợc nghiên cứu và ứng dụng ở n−ớc ta, đặc biệt là trong công tác xây dựng đập bê tông trọng lực khối lớn. Vì vậy BTĐL cần đ−ợc nghiên cứu đầy đủ từ vật liệu chế tạo, công nghệ thiết kế và thi công, trong đó có khâu thiết kế cấp phối BTĐL sao cho đạt đ−ợc yêu cầu đặt ra với công trình, vừa đảm bảo kỹ thuật và kinh tế trong điều kiện thời tiết, khí hậu và tình hình vật liệu của Việt Nam là vấn đề rất cần thiết và cấp bách đ−ợc đặt ra cho các nhà khoa học, kỹ thuật n−ớc ta để nhanh chóng làm chủ công nghệ thiết kế và thi công BTĐL ở Việt Nam. TμI liệu tham khảo 1. Dunstan, M.R.H. Latest developments in RCC dams, PIS on RCCD, April 21- 25, 1999, Chengdu China Vol.1. 2. Shen Chonggang, Some technical progresses and experiences in operation of Chiness RCC dams, PIS on RCCD, April 21-25, Chengdu China Vol.1. 3. Kenneth D. Hansen, P.E. and William G. Reinhardt, Roller Compacted Concrete Dams, Printed in USA,1991. 4. Proceedings, International symposium on RCC, Beijing China ,1991 5. Proceedings, International symposium on RCC, Chengdu China 1999 6. 方坤河，碾压混凝土材料，结构与性能。 武汉大学出版社， 2003 7. 方坤河，曾力，等。碾压混凝土在城市通路上的应用与研究，中国市政 工程，1993（2） 8. 黄洁通，等。碾压混凝土配合比及其性能研究，成都勘测设计研究院科 研所，1989。 9. 重庆建筑工程学院，等编。混凝土学，中国建筑出版社，1981。7。 10. （美）。梅泰，混凝土的结构，性能与材料。 同济大学出版社，1991。 Abstract: Up to now, It have not consensus regulation on design and propertioning of Roller compacted concrete (RCC) mix methods. Now a day, there are several calculate methods that each have some diffrents, because of different foundation methods. But almost methods have to base on some assumptions and experiences, each method have given argument anlysis for design and proportioning roller compacted conceret mix, Now, it have been reaseaching and obtained very much results. This peper preliminary introduce step by step for design and proportioning roller compacted concrete mix. It have introduced more datail for each example works.