Thiết kế thành phần bê tông cường độ cao, tính năng cao có khả năng giảm co ngót - Nguyễn Quang Phú

Nội dung text: Thiết kế thành phần bê tông cường độ cao, tính năng cao có khả năng giảm co ngót - Nguyễn Quang Phú

1. Thiết kế thành phần bê tông cường độ cao, tính năng cao có khả năng giảm co ngót Nguyễn Quang Phú1,2, Jiang lin hua1, LIU Jiaping3, Tian Qian3 Tóm tắt: Bê tông cường độ cao, tính năng cao luôn luôn được sản xuất với tỷ lệ nước/chất kết dính (W/B) trong khoảng 0.2 đến 0.4; khi mà cốt liệu thông thường được sử dụng. Để đảm bảo tỷ lệ W/B thấp và duy trì tốt tính công tác của bê tông thì cần thiết phải dùng phụ gia giảm nước (HRWR). Khi đó thường không thể sản xuất bê tông có cường độ nén trên 80 MPa; để tăng tính năng và cường độ của bê tông thì các phụ gia khoáng như Silica Fume, Fly Ash, Slag được sử dụng là cần thiết. Tuy nhiên khi bê tông có tỷ lệ nước/chất kết dính (W/B) thấp thì không tránh khỏi co ngót do sự thay đổi thể tích gây nên bởi hiện tượng co khô, tự co, phản ứng hóa học và sự thay đổi của nhiệt độ. Vì vậy bài viết này thiết kế một số cấp phối bê tông cường độ cao, tính năng cao có sử dụng phụ gia giảm co ngót (SRA) với mục đích giảm co ngót cho bê tông. I. Tổng quan: II. Lựa chọn cường độ yêu cầu khi Thiết kế thành phần bê tông là sự lựa chọn thiết kế thành phần bê tông: thành phần vật liệu thích hợp (xi măng, phụ gia, Cường độ nén trung bình của bê tông thí cát, đá, nước) đảm bảo cường độ yêu cầu và các nghiệm nên vượt cường độ nén thiết kế đã đưa ra tính năng bền lâu của bê tông; một vài nhân tố đảm bảo một sự dự trữ cao, nhằm giảm các khả quyết định những đặc tính này như sau: năng cho những thí nghiệm có kết quả thấp hơn - Chất lượng xi măng. so với cường độ nén thiết kế yêu cầu. - Thành phần của xi măng và các vật liệu kết II.1. Dựa vào kinh nghiệm: dính khác liên quan đến nước trong hỗn hợp (tỷ [1] lệ W/B). Cường độ yêu cầu trung bình nén lớn hơn : - Cường độ và độ sạch của cốt liệu (cát vá đá). f’cr = f’c + 1.34s (MPa) (1) - Sự tương tác và gắn kết giữa xi măng và cốt f’cr = 0.90f’c + 2.33s (MPa) (2) liệu. Trong đó: 1/ 2 - Thành phần cấp phối của các loại vật liệu (n 1)(s ) 2 (n 1)(s ) 2 s = 1 1 2 2 hợp lý. n1 n2 2 - Thời gian tạo hình và làm chặt bê tông tươi f’ - Cường độ nén thiết kế phải hợp lý. c - Điều kiện bảo dưỡng bê tông không dưới s - Độ lệch chuẩn của mẫu, psi 10oC trong khi bê tông phát triển cường độ. s1, s2 - Độ lệch tiêu chuẩn của đợt kiểm tra 1 và 2, psi - Hàm lượng CaCl2 không vượt quá 0,15% trong bê tông cốt thép và 1% cho lớp bê tông bảo vệ. n1, n2 - Số mẫu thí nghiệm của mỗi đợt kiểm tra Nếu số mẫu kiểm tra 15 < n < 30, giá trị s trong công thức (1) và (2) nhân với hệ số biến 1. Khoa Vật liệu Xây dựng, trường Đại học Hồ Hải, TP. Nam Kinh, Trung Quốc đổi cho ở bảng sau: 2. Bộ môn Vật liệu Xây dựng - Khoa Cụng trỡnh - Đại học Thủy lợi, Việt Nam 3. Viện nghiên cứu Vật liệu, Tỉnh Giang Tô, TP. Nam Kinh, Trung Quốc 104
2. Bảng 1-1: Hệ số thay đổi độ lệch chuẩn s khi Sử dụng các loại cốt liệu đặc chắc, cứng, tối số mẫu thí nghiệm nhỏ hơn 30 thiểu bằng cường độ của đá xi măng: Khi cường độ bê tông cao, cỡ của cốt liệu nên giảm; giới hạn cỡ Số mẫu kiểm tra Hệ số thay đổi đá khoảng 3/4 in. (19 mm) với cường độ bê tông 5000 (34.5) +1400 (9.66) độ rỗng của cát là rc% được tính toán như sau:  * 1000 psi = 6.9 MPa r % = [1 - ok ]x100 (5) c  Lấy f’cr lớn hơn so với tính toán từ công thức a (1) và (2) để thiết kế thành phần bê tông Lượng nước trộn được điều chỉnh theo sự II.2. Dựa vào tỷ lệ cơ bản cuả các mẻ trộn thay đổi của độ rỗng: 3 trong phòng: A (kg/m ) = 4.7(rc -35) (6) f ' 9.65 4. Phụ gia: f’ = c (MPa) - Mẫu hỡnh trụ (3) cr 0.9 Hỗn hợp bê tông cường độ cao cần lượng f c ' 11.6 chất kết dính lớn, khi đó lượng nước dùng yêu f’cr = (MPa)-Mẫu hình lập phương (4) 0.9 cầu sẽ cao, nhưng nếu lượng nước vượt quá giới hạn thì lại làm giảm cường độ và ảnh hưởng đến III. Lựa chọn vật liệu: tính bền lâu của bê tông. Do vậy phụ gia giảm 1. Xi măng và các loại vật liệu kết dính khác: nước bắt buộc được dùng trong bê tông cường Cần xác định loại xi măng; cường độ nén độ cao, tính năng cao: phụ gia giảm nước bậc trung bình của xi măng; các chỉ tiêu cơ lý: thời cao (HRWR) được sử dụng. gian đông kết, lượng nước tiêu chuẩn, khối Để chống co ngót của bê tông cường độ cao - lượng riêng, khối lượng đơn vị . tính năng cao, cần pha thêm phụ gia giảm co Trong thành phần của bê tông cường độ cao - ngót hoặc phụ gia nở với hàm lượng phù hợp. tính năng cao, nhất thiết phải có một số vật liệu phụ gia khoỏng như: silica fume, slag và fly ash IV. Các bước thiết kế thành phần hỗn [1], [2], [3]. Những loại vật liệu này cần biết được tỷ hợp bê tông: lệ các thành phần oxyt và hàm lượng nước yêu Để thiết kế thành phần bê tông cường độ cao cầu, khối lượng riêng, khối lượng đơn vị . - tính năng cao, cần thực hiện theo các bước sau 2. Cốt liệu: đây[1, 4, 6]: a- Cốt liệu thô (đá): 1. Lựa chọn độ sụt và cường độ yêu cầu. 105
3. 2. Lựa chọn kích thước lớn nhất của cốt liệu. V. áp dụng tính toán: 3. Lựa chọn lượng cốt liệu thô (đá). 1. Yêu cầu: Thiết kế cấp phối cho bê tông 4. Thiết lập lượng nước và hàm lượng khí cường độ cao - tính năng cao (HS-HPC) có chứa trong bê tông. cường độ nén thết kế ở tuổi 28 ngày đạt 40, 60, 5. Lựa chọn tỷ lệ nước/xi măng (W/C) . 80, 100 MPa; có khả năng chống co ngót cao. 6. Tính toán lượng xi măng cần thiết. Vật liệu dùng trong tính toán và thí nghiệm có 7. Tính toán lượng chất kết dính (xi măng + tại phòng thí nghiệm vật liệu của Viện nghiên phụ gia khoáng) cần thiết cứu vật liệu mới Jiangsu Bote New Materials - 8. Tính tỷ lệ của hỗn hợp bê tông khi chưa kể BST - Trung Quốc có các chỉ tiêu cơ lý như sau: phụ gia. - Xi măng: 9. Tính tỷ lệ của hỗn hợp bê tông có cả phụ gia. + Cường độ nén tại 7 ngày đạt 49.7 MPa, 28 10. Tiến hành trộn mẫu thử cho mỗi cấp phối ngày: 60.1 MPa đã thiết kế từ bước 1 đến bước 9. + Thời gian đông kết ban đầu: 110 phút, cuối 11. Điều chỉnh thành phần bê tông để đạt được cùng: 210 phút độ lưu động yêu cầu bằng cách điều chỉnh các + Khối lượng riêng: 3.15 (g/cm3) thành phần vật liệu và hàm lượng phụ gia HRWR. - Phụ giá khoáng: Gồm silica fume, fly ash 12. Lựa chọn hỗn hợp tối ưu nhất đạt cường và slag. Tỷ lệ % các oxyt cơ bản như sau: độ yêu cầu và các yêu cầu kỹ thuật khác. Bảng 1-3: Thành phần hóa học và chỉ tiêu cơ lý của silica fume, fly ash và slag Chỉ tiêu Silica fume Fly ash Slag SiO2 93.15 54.75 34.60 Al2O3 0.97 29.87 15.11 Fe2O3 1.01 4.45 1.32 CaO 0.43 23.4 36.50 MgO 0.88 2.7 8.21 SO3 0.5 0.6 0.75 3 a (g/cm ) 2.20 2.39 2.78 Diện tích bề mặt (Blaine) (m2/kg) 24000 452 820 - Đá dăm: - Nước: Dùng nước máy sinh hoạt để trộn bê + Khối lượng riêng: 2.76 (g/cm3) tông + Khối lượng đơn vị: 1.70 (g/cm3) - Các phụ gia: + Độ ẩm 0.5% + Phụ gia giảm nước (HRWR): Dùng loại + Đường kính lớn nhất: 10 mm và 20 mm JMSBT-PCA(I) + Thành phần cấp phối và độ sạch đạt yêu cầu + Phụ gia chống co ngót: JMSBT-SRA - Cát: Tất cả các loại phụ gia này đều được sản xuất + Khối lượng riêng: 2.66 (g/cm3) tại Viện nghiên cứu vật liệu mới - TP. Nam Kinh + Khối lượng đơn vị: 1.65 (g/cm3) - Trung Quốc (Jiangsu Bote Advanced Materials + Độ ẩm: 1.5% - BST). + Mô đun độ lớn: Ml = 2.92 2. Kết quả tính toán thí nghiệm cho các cấp + Thành phần cấp phối và độ sạch đạt yêu cầu phối bê tông: 106
4. Bảng 1-4: Thành phần vật liệu cho các cấp phối bê tông Vật liệu C40 C60 C80 C100 Fly Ash (kg/m3) 100 115 133 155 Silica Fume (kg/m3) 0 0 80 93 Slag (kg/m3) 100 115 0 0 Xi măng (kg/m3) 200 230 317 372 Đá (kg/m3) 1110 1365 1123 1150 Cát (kg/m3) 740 696.5 659.4 630 Nước (kg/m3) 160 147 138 136.4 HRWR (kg/m3) 2.80 5.52 9.54 15.5 JMSBT-SRA (kg/m3) 8.0 9.2 10.6 12.4 Bảng 1-5: Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của bê tông tươi Chỉ tiêu C40 C60 C80 C100 Có Không Có Không Có Không Có Không SRA có SRA SRA có SRA SRA có SRA SRA có SRA 3 0b (g/cm ) 2.27 2.38 2.35 2.42 2.43 2.46 2.49 2.52 Độ sụt (cm) 22.0 21.4 21.2 20.5 16.8 15.5 14.8 14.2 Hàm lượng khí (%) 3.50 3.20 3.00 2.70 2.40 2.20 1.80 1.70 Bảng 1-6: Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông C40 C60 C80 C100 Ngày nén Có SRA Không Có SRA Không Có SRA Không Có SRA Không có SRA có SRA có SRA có SRA 3 18.73 21.42 28.37 28.84 45.55 47.10 54.02 62.35 7 36.24 37.50 44.10 45.86 62.34 68.07 69.08 75.69 28 56.79 57.94 72.06 83.28 94.49 101.32 99.05 106.49 90 68.62 71.93 75.67 87.15 96.68 103.55 100.18 112.26 * Dự đoán cường độ bê tông cho những ngày tuổi lớn hơn 28 ngày: Quan hệ f'c- t (C40: without SRA) Quan hệ f'c- t (C40: with SRA) ) 80 ) 80 a a P P M 70 M 70 ( ( ộ ộ đ 60 đ 60 g g n 50 n 50 ờ ờ ư y = 14.755Ln(x) + 7.0778 Series1 ư Series1 C C y = 14.568Ln(x) + 5.4836 40 2 40 R = 0.9921 Log. (Series1) 2 Log. (Series1) 30 30 R = 0.9816 20 20 10 10 0 0 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) 107
5. Quan hệ f'c- t (C60: without SRA) Quan hệ f'c- t (C60: with SRA) ) 100 ) 90 a a P 90 P 80 M M ( ( ộ 80 ộ 70 đ đ g 70 g 60 n n ờ 60 ờ ư y = 18.321Ln(x) + 11.465 Series1 ư 50 Series1 C 50 C y = 14.6Ln(x) + 15.352 R2 = 0.9301 Log. (Series1) 40 Log. (Series1) 40 R2 = 0.9333 30 30 20 20 10 10 0 0 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) Quan hệ f'c- t (C80: without SRA) Quan hệ f'c- t (C80: with SRA) ) 120 ) 120 a a P P M M ( ( 100 100 ộ ộ đ đ g 80 g 80 n n ờ ờ ư Series1 ư Series1 C y = 17.361Ln(x) + 32.803 C 60 60 y = 15.961Ln(x) + 31.364 R2 = 0.9135 Log. (Series1) Log. (Series1) 2 40 40 R = 0.9188 20 20 0 0 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) Quan hệ f'c- t (C100: without SRA) Quan hệ f'c- t (C100: with SRA) ) 140 ) 120 a a P P M M ( 120 ( 100 ộ ộ đ đ 100 g g n 80 n ờ ờ ư 80 Series1 ư Series1 C C y = 14.498Ln(x) + 41.162 60 60 y = 15.6Ln(x) + 46.78 Log. (Series1) R2 = 0.9105 Log. (Series1) 2 R = 0.9501 40 40 20 20 0 0 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) VI. Kết luận: cường độ tăng chậm và có giá trị thấp hơn so với + Khi bê tông sử dụng phụ gia giảm co ngót bê tông không có SRA. (SRA) thì tính năng của bê tông tươi: độ sụt và Do đó với HS-HPC có tỷ lệ W/B thấp thì phụ độ hàm khí tăng hơn so với bê tông không có gia khoáng (silica fume, slag, fly ash) và SRA, còn khối lượng đơn vị thấp hơn. HRWR là cần thiết trong thiết kế thành phần + Khi sử dụng phụ gia giảm nước (HRWR: cấp phối. Tuy nhiên hàm lượng phụ gia khoáng JMSBT-PCA(I)), tính công tác của bê tông rất như thế nào là tối ưu nhất sẽ được đề cập ở các cao, độ sụt của bê tông đạt từ 14 cm (C100) đến nghiên cứu tiếp theo. 22 cm (C40) mà bê tông thông thường với tỷ lệ + Từ các dự đoán cường độ bê tông ở các tuổi W/B thấp (W/B = 0.22  0.40) không thể đạt lớn hơn 28 ngày có hệ số hồi quy R2>0.9, đảm được độ sụt đó. bảo độ tin cậy cho dự đoán kết quả cường độ bê + Với bê tông tính năng cao có pha thêm phụ tông. Qua đó ta có thể tính toán tiết kiệm được gia khoáng (silica fume, slag, fly ash) thì thời vật liệu sử dụng một cách hiệu quả nhất mà vẫn gian đầu cường độ phát triển chậm hơn so với bê đảm bảo cường độ thiết kế yêu cầu. tông thường (do lượng xi măng giảm đi và thay + Ngoài ra, tính bền, tính co ngót của bê tông bằng phụ gia khoáng), sau tăng nhanh và đạt cường độ cao - tính năng cao, biện pháp giảm co cường độ rất cao. Tuy nhiên, khi bê tông có phụ ngót và các tính năng kỹ thuật có liên quan đến gia giảm co ngót (SRA) thì thời gian đầu cường co ngót sẽ được đề cập ở bài viết sau. độ bê tông tăng nhanh hơn , nhưng giai đoạn sau 108
6. Tài liệu tham khảo: [1]. Dr. Edward G.Nawy, P.E., C.Eng, fundamentals of high performance concrete. [2]. S. Newbolds, J.Olek, 2002, influence of curing conditions on strength properties and maturity development of concrete. [3]. J.Olek, A.Lu, X.Feng, B.Magee, 2002, Performance related specifications for concrete bridge superstructures, volume 2: High performance concrete. [4]. ACI 363R-92, State-of-art report on high strength concrete. [5]. Kenneth W.Meeks, Nicholas J.Carino, Curing of high performance concrete: Report of the stated-of-the-art. [6]. ACI Committee 211, “Guide for selecting proportions for high strength concrete with Portland cement and Fly ash (ACI 211.4R), American concrete institute, Detroit, 1993. [7]. ACI Committee 209, "Prediction of Creep, Shrinkage, and Temperature Effects in Concrete Structures", in ACI Manual of Concrete Practice. American Concrete Institute: Farmington Hills, MI. 1997, p. 209R.1-209R.47. {8]. HPC Bridge views, No.4, July/August 1999, published by the Federal Highway Administration and National concrete bridge council. [9]. Một số tiêu chuẩn ACI, ASTM, AASHTO T & M. Abstract: Proportion of high strength, high performance concrete with capability to reduce shrinkage High strength, high performance concrete mixtures are usually produced with water/binder (W/B) ratios in the range of 0.2  0.4, where normal density aggregates are used. To achieve this low W/B ratio and maintain proper workability it is necessary to use water reducing admixtures. Often this is not sufficient to produce very high strength concrete mixes with compressive strength above 80 MPa and therefore, it is necessary to add mineral admixtures such as silica fume, fly ash, and slag are used in order to increase the high performance of concrete. However, when concrete have low water to binder ratio the shrinkage don’t avoid because the volume changes occur in concrete as a result of drying, self-desiccation, chemical reactions, and temperature change. For this reason, in this report some mixes of HS-HPC are designed with shrinkage reducing admixture (SRA) to aim reducing shrinkage of concrete. Keyword: High strength (HS), high performance concrete (HPC), silica fume (SF), fly ash (FA), slag, shrinkage reducing admixture (SRA) 109