Luận án Nghiên cứu tổ hợp phụ gia để nâng cao khả năng chống thấm nước của bê tông đầm lăn sử dụng cho đập trong điều kiện Việt Nam

BỘ XÂY DỰNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG ---------------- NGUYỄN QUANG BÌNH NGHIÊN CỨU TỔ HỢP PHỤ GIA ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM NƯỚC CỦA BÊ TÔNG ĐẦM LĂN SỬ DỤNG CHO ĐẬP TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2015 BỘ XÂY DỰNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG ---------------- NGUYỄN QUANG BÌNH NGHIÊN CỨU TỔ HỢP PHỤ GIA ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM NƯỚC CỦA BÊ TÔNG ĐẦM LĂN SỬ DỤNG CHO ĐẬP TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VẬT LIỆU MÃ SỐ: 62.52.03.09 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. PHẠM VĂN KHOAN 2. PGS.TS. HOÀNG PHÓ UYÊN Hà Nội - Năm 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu trích dẫn, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 2015 Tác giả của luận án Nguyễn Quang Bình ii LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành kỹ thuật vật liệu với đề tài “Nghiên cứu tổ hợp phụ gia để nâng cao khả năng chống thấm nước của bê tông đầm lăn sử dụng cho đập trong điều kiện Việt Nam’’ được hoàn thành tại Viện chuyên nghành Bê tông - Viện Khoa học công nghệ Xây dựng. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành Viện chuyên ngành Bê tông, Viện Thông tin, đào tạo và tiêu chuẩn hóa - Viện Công nghệ Xây dựng, Viện Thủy Công, Ban Quản lý Đầu tư & Xây dựng thủy lợi 6 - Bộ NN&PTNT, Công ty cổ phần Xây dựng 47, cùng toàn thể các nhà khoa học các đồng nghiệp trong và ngoài ngành đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi hoàn thành luận án này. Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy giáo hướng dẫn là TS.Phạm Văn Khoan - Viện Khoa học công nghệ Xây dựng và PGS.TS.Hoàng Phó Uyên - Viện Thủy Công đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ, tạo điều kiện hoàn thành luận án. Tác giả cũng bày tỏ sự biết ơn đối với sự động viên giúp đỡ nhiệt tình của cơ quan, gia đình và các đồng nghiệp, đó là nguồn động lực mạnh mẽ trong quá trình thực hiện luận án. Với khả năng có hạn, luận án khó tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được những chỉ bảo và góp ý chân tình của các nhà khoa học, chuyên gia, trong và ngoài ngành cùng các đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 2015 Tác giả của luận án Nguyễn Quang Bình iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 1 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................ 2 6. Những điểm mới ................................................................................................ 3 7. Các tài liệu đã công bố ....................................................................................... 3 8. Kết cấu của luận án ............................................................................................ 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN DÙNG CHO XÂY DỰNG ĐẬP TRỌNG LỰC ................................................................................. 5 1.1. Khái niệm BTĐL ............................................................................................. 5 1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTĐL cho xây dựng đập trọng lực ........... 6 1.2.1.Trên thế giới .............................................................................................. 6 1.2.2.Tại Việt Nam ............................................................................................. 9 1.3. Vấn đề thấm đập BTĐL ở Việt Nam ............................................................. 11 1.3.1. Hiện tượng thấm nước tại các đập BTĐL ............................................... 12 1.3.2. Nguyên nhân thấm nước tại các đập BTĐL ............................................ 16 1.3.3. Biện pháp đảm bảo khả năng chống thấm cho đập BTĐL ...................... 17 1.4. Vấn đề nhiệt trong BTĐL khối lớn ................................................................ 18 iv 1.5. Cơ sở khoa học của việc sử dụng tổ hợp phụ gia để cải thiện một số tính chất của BTĐL dùng cho đập trọng lực trong điều kiện Việt Nam ....................... 20 1.5.1. Phân tích một số đặc điểm của BTĐL ..................................................... 20 1.5.2. Vai trò của phụ gia hóa học trong BTĐL ................................................ 24 1.5.3. Vai trò của phụ gia khoáng hoạt tính trong BTĐL .................................. 28 1.5.4. Vai trò của phụ gia Polyme trong BTĐL ................................................ 32 1.6. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án ............................................... 39 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................... 40 2.1. Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu ................................................................. 40 2.1.1. Xi măng .................................................................................................. 40 2.1.2. Tro bay ................................................................................................... 41 2.1.3. Cốt liệu lớn ............................................................................................. 41 2.1.4. Cốt liệu nhỏ ............................................................................................ 42 2.1.5. Phụ gia hóa học ...................................................................................... 44 2.1.6. Phụ gia Polyme ....................................................................................... 45 2.2. Các phương pháp sử dụng trong nghiên cứu .................................................. 45 2.2.1. Các tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu .......................................................... 45 2.2.2. Các tiêu chuẩn thí nghiệm BTĐL ........................................................... 47 2.2.3. Một số phương pháp thí nghiệm BTĐL cơ bản ....................................... 47 2.2.4. Các phương pháp thí nghiệm cấu trúc vữa BTĐL ................................... 54 2.2.5. Một số phương pháp nghiên cứu lý thuyết .............................................. 57 v CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỔ HỢP PHỤ GIA ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG ĐẦM LĂN ....................................... 58 3.1. Khoảng biến thiên các biến trong nghiên cứu ................................................ 58 3.2. Kết quả nghiên cứu thành phần cấp phối và các tính chất BTĐL ................... 62 3.3. Ảnh hưởng của tổ hợp phụ gia S+T+P đến cường độ nén BTĐL ................... 66 3.3.1. Ảnh hưởng của phụ gia S đến cường độ nén BTĐL (khi cố định phụ gia T và P) ................................................................................................................. 66 3.3.2. Ảnh hưởng của phụ gia T đến cường độ nén BTĐL (khi cố định phụ gia S và P) ................................................................................................................. 68 3.3.3. Ảnh hưởng của phụ gia P đến cường độ nén BTĐL (khi cố định phụ gia S và T) ................................................................................................................. 69 3.4. Ảnh hưởng của tổ hợp phụ gia S+T+P đến khả năng chống thấm của BTĐL 73 3.4.1. Ảnh hưởng của phụ gia S đến khả năng chống thấm BTĐL (khi cố định phụ gia T và P) ..................................................................................................... 73 3.4.2. Ảnh hưởng của phụ gia T đến khả năng chống thấm BTĐL (khi giữ cố định phụ gia S và P) ............................................................................................. 75 3.4.3.Ảnh hưởng của biến phụ gia P đến khả năng chống thấm BTĐL (khi cố định phụ gia S và T) ............................................................................................. 76 3.4.4. Ảnh hưởng đồng thời của phụ gia S, T và P đến khả năng chống thấm BTĐL ................................................................................................................. 77 3.5. Ảnh hưởng của tổ hợp phụ gia S+T+P đến cấu trúc và tính đồng nhất của BTĐL ................................................................................................................. 82 3.6. Ảnh hưởng của tổ hợp phụ gia S+T+P đến nhiệt độ đoạn nhiệt của BTĐL .... 83 Kết luận chương 3 ................................................................................................ 86 vi CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM BÊ TÔNG ĐẦM LĂN SỬ DỤNG TỔ HỢP PHỤ GIA S+T+P TẠI HIỆN TRƯỜNG .............................. 88 4.1. Giới thiệu công trình hồ chứa nước Nước Trong ........................................... 88 4.1.1. Vài nét về công trình .............................................................................. 88 4.1.2. Vật liệu và cấp phối BTĐL thi công công trình Nước Trong .................. 91 4.2. Kết quả ứng dụng tổ hợp phụ gia cho BTĐL tại hiện trường ......................... 95 4.2.1. Thiết kế thành phần cấp phối BTĐL ứng dụng ....................................... 95 4.2.2. Kết quả thi công hiện trường .................................................................. 97 4.3. Tính toán nhiệt BTĐL ................................................................................ 100 4.3.1. Tính nhiệt dung riêng của BTĐL .......................................................... 100 4.3.2. Tính nhiệt độ tối đa do xi măng thủy hóa của BTĐL ............................ 100 4.4. Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật ............................................................ 101 4.4.1. Chi phí cho 01 m3 BTĐL ứng dụng ...................................................... 101 4.4.2. Chi phí cho 01 m3 BTĐL đập Nước Trong ........................................... 103 Kết luận chương 4 .............................................................................................. 105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 107 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 107 KIẾN NGHỊ ....................................................................................................... 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 109 I. TIẾNG VIỆT .................................................................................................. 109 II. TIẾNG ANH ................................................................................................. 112 vii PHỤ LỤC 1. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LƯỢNG DÙNG PHỤ GIA S ĐẾN LƯỢNG DÙNG NƯỚC BTĐL ........................................................... 116 PHỤ LỤC 2. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CẤU TRÚC BTĐL ........................ 118 PHỤ LỤC 3. CHỨNG NHẬN KẾT QUẢ THI CÔNG HIỆN TRƯỜNG ..... 123 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các nước có đập BTĐL cao hơn 60 m nhiều nhất .............................. 9 Bảng 1.2. Một số công trình đập BTĐL của Việt Nam ..................................... 10 Bảng 1.3. Một số thông số BTĐL các đập khảo sát ......................................... 12 Bảng 1.4. Chênh lệch nhiệt độ cho phép của móng đập BTĐL ......................... 19 Bảng 1.5. Một số thông số các cấp phối BTĐL cho đập ở Việt Nam ............... 21 Bảng 1.6. Một số thông số các cấp phối BTĐL cho đập ở Trung Quốc ........... 21 Bảng 1.7. Phân loại phụ gia dẻo hoá xi măng ................................................... 26 Bảng 2.1. Tính chất kỹ thuật của xi măng PC40 Bút Sơn ................................. 40 Bảng 2.2. Tính chất của tro tuyển Phả Lại ........................................................ 41 Bảng 2.3. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ l ý đối với đá dăm ....................... 42 Bảng 2.4. Bảng thành phần hạt đá dăm............................................................. 42 Bảng 2.5. Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý của cát nghiền ............................ 43 Bảng 2.6. Bảng thành phần hạt cát nghiền ........................................................ 43 Bảng 2.7. Một số tính chất của phụ gia S ......................................................... 44 Bảng 2.8. Tính chất của phụ gia P .................................................................... 45 Bảng 2.9. Các tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu .................................................... 45 Bảng 2.10. Các tiêu chuẩn thí nghiệm BTĐL ................................................... 47 Bảng 2.11. Các thông số máy VeBe cải tiến ..................................................... 48 Bảng 3.1. Vùng biến đổi của các biến .............................................................. 60 Bảng 3.2. Kế hoạch thực nghiệm tâm xoay bậc hai ba biến .............................. 61 ix Bảng 3.3. Thành phần cấp phối các điểm trong quy hoạch thực nghiệm tính cho 1 m3 BTĐL ....................................................................................................... 62 Bảng 3.4. Tính chất cơ lý BTĐL tại các điểm trong quy hoạch ........................ 64 Bảng 3.5. Kết quả đo đặc trưng cấu trúc xốp và tỷ trọng vữa BTĐL ................ 82 Bảng 3.6. Nhiệt độ tối đa của BTĐL do xi măng thủy hóa .............................. 84 Bảng 4.1. Các chỉ tiêu tính chất cơ lý của xi măng PC40 Kim Đỉnh ................. 91 Bảng 4.2. Các tính chất cơ lý của cát ................................................................ 92 Bảng 4.3. Thành phần hạt của cát ..................................................................... 92 Bảng 4.4. Các chỉ tiêu tính chất cơ lý của đá dăm 5-20 mm ............................. 93 Bảng 4.5. Các chỉ tiêu tính chất cơ lý của đá dăm 20-40 mm ........................... 93 Bảng 4.6. Thành phần hạt đá dăm 5-20mm, 20-40mm ..................................... 93 Bảng 4.7.Tính chất của tro bay Phả Lại ............................................................ 94 Bảng 4.8. Thành phần cấp phối BTĐL công trình Nước Trong ........................ 95 Bảng 4.9. Thành phần cấp phối BTĐL M20W8 ứng dụng ............................... 96 Bảng 4.10. Tính chất của hỗn hợp BTĐL và BTĐL M20W8 ứng dụng ........... 96 Bảng 4.11. Kết quả thi công BTĐL M20W8 ứng dụng tại hiện trường ............ 98 Bảng 4.12. Tổng hợp và so sánh kết quả BTĐL M20W8 và M20W6 .............. 99 Bảng 4.13. Chi phí cho 01 m3 BTĐL ứng dụng M20W8 ................................ 101 Bảng 4.14. Chi phí cho 01 m3 BTĐL đập Nước Trong M20W6 ..................... 103 Bảng PL1. Tính công tác và thời gian đông kết của các cấp phối khảo sát ..... 116 x DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Tổng thể đập Pleikrong ..................................................................... 13 Hình 1.2. Thấm hạ lưu đập Pleikrong ............................................................... 13 Hình 1.3. Thấm hành lang thu nước đập Pleikrong ........................................... 13 Hình 1.4. Thấm mạnh tại hạ lưu đập Bản Vẽ .................................................... 14 Hình 1.5. Thấm tiết vôi tại hành lang kỹ thuật đập Bản Vẽ .............................. 14 Hình 1.6. Thấm tiết vôi tại hành lang kỹ thuật đập Sê San 4............................. 15 Hình 1.7. Thấm thành dòng tại hành lang kỹ thuật đập Sê San 4 ...................... 15 Hình 1.8. Thấm thành dòng tại đập Bản Chát ................................................... 15 Hình 1.9. Thấm tiết vôi tại đập Bản Chát ......................................................... 15 Hình 1.10. Thấm tiết vôi hạ lưu đập Sông Tranh 2 ........................................... 16 Hình 1.11. Thấm mạnh qua khe nhiệt đập Sông Tranh 2 .................................. 16 Hình 1.12. Mối quan hệ giữa hệ số thấm và tỉ lệ N/X ....................................... 25 Hình 1.13. Hiệu ứng tĩnh điện (A) và hiệu ứng không gian (B) ........................ 26 Hình 1.14. Công thức cấu tạo của phân tử thành phần chính của ...................... 27 một số loại phụ gia ........................................................................................... 27 Hình 1.15. Biểu đồ quan hệ lượng nhiệt thủy hóa của các loại hỗn hợp CKD .. 30 Hình 1.16. Các dạng Polyme dùng để biến tính vật liệu gốc xi măng ............... 32 Hình 1.17. Mô hình sự tạo thành pha nền hỗn hợp xi măng – Polyme ............. 34 Hình 1.18. Mô hình mô tả quá trình hình thành màng Polyme ......................... 35 Hình 1.19. Sơ đồ minh họa quá trình tạo liên kết giữa Polyme với nhóm cacboxylat, xi măng poóc- lăng và cốt liệu ...................................................... 36 xi Hình 2.1. Cốt liệu được tập kết tại phòng thí nghiệm ....................................... 44 Hình 2.2. Máy trộn cưỡng bức dung tích 150 lít ............................................... 48 Hình 2.3. Sơ đồ máy rung Vebe cải tiến ........................................................... 50 Hình 2.4. Thử tính công tác của hỗn hợp BTĐL ............................................... 50 Hình 2.5. Mẫu đúc BTĐL ................................................................................ 51 Hình 2.6. Đúc mẫu xác định hệ số thấm ........................................................... 51 Hình 2.7. Thí nghiệm hệ số thấm ..................................................................... 53 Hình 2.8. Mẫu bê tông bị thấm nước ................................................................ 53 Hình 2.9. Nén mẫu BTĐL ................................................................................ 53 Hình 2.10. Thiết bị Auto Pore (Mỹ). ................................................................ 54 Hình 2.11. Thiết bị đo khối lượng riêng (Accupyc) .......................................... 56 Hình 3.1. Sơ đồ kế hoạch thực nghiệm tâm xoay bậc hai ba biến ..................... 59 Hình 3.2. Sự ảnh hưởng của biến X1 đến R90 .................................................... 67 Hình 3.3. Sự ảnh hưởng của biến X2 đến R90 .................................................... 68 Hình 3.4. Sự ảnh hưởng của biến X3 đến R90 .................................................... 69 Hình 3.5. Sự ảnh hưởng của biến X1, X2 đến R90 .............................................. 71 Hình 3.6. Sự ảnh hưởng của biến X1, X3 đến R90 .............................................. 72 Hình 3.7. Sự ảnh hưởng của biến X2, X3 đến R90 .............................................. 72 Hình 3.8. Sự ảnh hưởng của biến X1 đến Kth .................................................... 74 Hình 3.9. Sự ảnh hưởng của biến X2 đến Kth .................................................... 75 Hình 3.10. Sự ảnh hưởng của biến X3 đến Kth .................................................. 76 Hình 3.11. Sự ảnh hưởng của biến X1, X2 đến Kth ............................................ 77 xii Hình 3.12. Sự ảnh hưởng của biến X1, X3 đến Kth ............................................ 78 Hình 3.13. Sự ảnh hưởng của biến X2, X3 đến Kth ............................................ 79 Hình 3.14. Ảnh cấu trúc BTĐL sử dụng phụ gia S+T ....................................... 83 Hình 3.15. Ảnh cấu trúc BTĐL sử dụng tổ hợp phụ gia S+T+P ....................... 83 Hình 4.1. Bãi tập kết vật liệu ..............................................................