Nghiên cứu ứng dụng bêtông tự lèn trong xây dựng đường ô tô, sân bay

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 170 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊTÔNG TỰ LÈN TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ, SÂN BAY A STUDY ABOUT APPLICATION OF SELF-COMPACTING CONCRETE FOR HIGHWAY & RUNWAY SVTH: LÊ HỒNG ANH-NGUYỄN TUẤN VIỆT 03X3A, Khoa XDCĐ, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHĐN GVHD: GVC.ThS. NGUYỄN BIÊN CƯƠNG Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách Khoa TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu thiết kế cấp phối Bêtông tự lèn SCC (Self Compacting Concrete) với đầy đủ các tính chất cơ lý (tính công tác của hỗn hợp bêtông SCC cũng như tính chất cơ lý của bêtông) thoả mãn các yêu cầu khi áp dụng vào thi công mặt đường bêtông xi măng trong xây dựng đường ô tô, sân bay. ABSTRACT This report discusses about designing aggregate gradation of SCC (Self-Compacting Concrete) with suitable physical-mechanical characteristics such as properties in the fresh state and in the hardening state of SCC to satisfy the demands for applications in Highway and Runway. 1. Mở đầu 1.1. Đặt vấn đề Phát triển mặt đường BTXM là một định hướng trong tương lai gần cho đường trục ô tô và đường sân bay ở việt nam. Tuy nhiên, thiết bị san rải và đầm nén loại mặt đường này hiện nay rất đắt. Nếu tuyến có quy mô, khối lượng nhỏ, thường thì phương án mặt đường BTXM khó được lựa chọn. Trên thế giới, việc ứng dụng SCC (Self-Compacting Concrete) trong lĩnh vực xây dựng hiện nay không phải là mới. SCC đã được sử dụng trong hàng loạt các công trình xây dựng lớn trên thế giới như cầu Akagashi, cầu Ritto trên tuyến đường cao tốc mới Meishin-Nhật Bản hay ở trong nước gần đây nhất là chung cư Trung Hoà (công ty VINACONEX thi công). Việc nghiên cứu ứng dụng thành công SCC làm mặt đường BTXM cho phép mở rộng phạm vi áp dụng loại mặt đường này trong điều kiện nước ta mà không nhất thiết phải nhập những thiết bị thi công đặc chủng, tốn kém kinh phí. 1.2. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu thiết kế cấp phối SCC có đầy đủ các tính chất: tính công tác của hỗn hợp bêtông SCC cũng như tính chất cơ lý của bêtông, thoả mãn các yêu cầu để ứng dụng thi công mặt đường bêtông xi măng trong đường ô tô – sân bay. Cụ thể là: - Độ chảy xoè SF= 650÷760 (mm) - Thời gian độ chảy xoè đạt 500mm T500= 3÷7 (s). - BT SCC: thiết kế bêtông M55/6,5;M60/7,0. 1.3. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết về cốt liệu, cấp Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 phối, hỗn hợp SCC, tính chất SCC và các phương pháp thử nghiệm cần thiết. 1.4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp tính toán lý thuyết kết hợp thực nghiệm trong phòng (thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý vật liệu, hỗn hợp và tính chất SCC). 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Tổng quan về Bêtông tự lèn SCC Bê tông tự lèn SCC (Self-compacting concrete) là bê tông có khả năng chảy dưới trọng lượng bản thân và làm đầy hoàn toàn cốp pha thậm chí trong cả những nơi dầy đặc cốt thép mà không cần bất cứ tác động cơ học nào mà vẫn đảm bảo tính đồng nhất. SCC có các đặc điểm tương đối giống các loại BTXM thông thường, được chế tạo từ các vật liệu cấu thành như chất kết dính xi măng, cốt liệu, nước và phụ gia. Sự khác nhau cơ bản trong công nghệ thi công SCC là không có công đoạn tạo chấn động lèn chặt bê tông. Ðể làm đầy cốp pha bằng trọng lượng bản thân nó, SCC cần đạt khả năng chảy cao đồng thời không bị phân tầng. Vì vậy đặc trưng cơ bản của loại bê tông này là sự cân bằng giữa độ chảy và sự không phân tầng của hỗn hợp bê tông. Ðể đạt được điều này, SCC cần có các yêu cầu sau: - Sử dụng phụ gia siêu dẻo để đạt khả năng chảy dẻo cao của hỗn hợp bê tông. - Sử dụng hàm lượng lớn phụ gia mịn để tăng độ linh động của vữa xi măng. - Hàm lượng cốt liệu lớn trong bê tông ít hơn so với bê tông thông thường. Nguyên tắc thiết kế thành phần SCC ÂAÛT THAÌNH PHÁÖN BÃTÄNG TÆÛ LEÌN Yãu cáöu thiãút kãú bãtäng - Tênh cäng taïc cuía häùn håüp bãtäng - Mæïc âäü tæû leìn cuía nhoïm häùn håüp bãtäng - Tênh cháút cå lyï cuía bãtäng Cáúu truïc cáúu kiãûn Phæång phaïp thi cäng Âiãöu kiãûn mäi træåìng Träün häùn håüp bãtäng Tênh cháút cå lyï cuía bãtong (2) Kêch thæåïc låïn nháút cuía cäút liãûu, tè lãûthãø têch cäút liãûu låïn nháút trong häùn håüp bãtäng (6) Haìm læåüng bäüt, ximàng, phuû gia mën (8) Haìm læåüng cäút liãûu nhoí Häùn håüp bãtäng (7) Phuû gia siãu deío (3) Haìm læåüng næåïc (4) Tè lãû Næåïc/Ximàng+PG mën (5) Tè lãû Næåïc/Ximàng (1) Nguyãn váût liãûu THIÃÚT KÃÚ THAÌNH PHÁÖN ÂAÛT KHÄNG ÂAÛT KHÄNG ÂAÛT Hình 1. Nguyên tắc thiết kế thành phần bêtông tự lèn SCC 171 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 172 Theo giáo sư Okamura và Ozawa, khi thiết kế thành phần SCC cần sử dụng các nguyên tắc sau: - Tỷ lệ nước/bột thấp. - Hàm lượng phụ gia siêu dẻo cao. - Hàm lượng cốt liệu lớn tối thiểu. Các yêu cầu khác tương tự như với bêtông thường. Phương pháp thiết kế thành phần SCC Hiện nay, có nhiều phương pháp thiết kế thành phần SCC được đưa ra trên thế giới. Trong số đó có 2 phương pháp thiết kế thành phần SCC thường được áp dụng là: - Phương pháp thiết kế thành phần SCC của Hiệp Hội Bêtông Nhật Bản (JSCE) và EFNARC (Anh) - Phương pháp thiết kế của giáo sư Okamura (Nhật Bản). Theo phương pháp thiết kế của JSCE & EFNARC thì quá trình thiết kế thành phần SCC được JSCE thiết lập năm 1998 và EFNARC năm 2002 (điều chỉnh năm 2005), dựa trên các kinh nghiệm nghiên cứu cũng như thực tế tại các công trường ở Nhật Bản và Châu Âu, được trình bày tóm tắt ở Hình 2. Hình 2. Quy trình thiết kế SCC theo JSCE Hình 3. Quy trình thiết kế SCC theo Hàm lượng khí 4-7% Quan hệ tỷ lệ thể tích CLL: 0,50 Lượng CLL cho 1 m3 bêtông Tỉ lệ thể tích CLN trong thể tích vữa: 0,4 Hàm lượng cốt liệu nhỏ CLN Kiểm tra đạt độ xoè vữa bằng 245mm Tỉ lệ Nước/Bột Kiểm tra: Đạt độ xoè vữa bằng 245 mm Thời gian chảy qua phễu V: 10 giây Hàm lượng phụ gia Lượng cốt liệu lớn cho 1m3 bêtông Thể tích tuyệt đối CLL: 0,28-0,35 m3 Ðường kính hạt lớn nhất Dmax: 20-25 mm Hàm lượng nước: 150-210 lít Tỉ lệ N/B: 28-37% theo khối lượng 0,85-1,10 theo thể tích Hàm lượng Bột: 380-600 kg Hàm lượng khí: 4,5% Hàm lượng CLN Hàm lượng phụ gia siêu dẻo EFNARC OKAMURA Phương pháp thiết kế thành phần của giáo sư OKAMURA và các đồng nghiệp: GS Okamura là một trong những người tiên phong nghiên cứu về SCC tại Nhật Bản. Phương pháp thiết kế thành phần của ông được đưa ra từ năm 1993 và trình bày tóm tắt ở Hình 3. Một số ví dụ về cấp phối SCC đã được sử dụng ở Nhật Bản (J), Châu Âu (E) và Hoa Kỳ (U) được thể hiện ở các Bảng 1. Bảng1. Một số cấp phối SCC đã được sử dụng tại Nhật Bản, Châu Âu và Hoa Kỳ Thành Phần Ở NHẬT BẢN ở Châu Âu Ở Hoa Kỳ CP J1 CP J2 CP J3 CP E1 CP E2 CP E3 CP U1 CP U2 CP U3 Nước, kg 175 165 175 190 192 200 174 180 154 Ximăng ,kg 530*** 220 298 280 330 310 408 357 416 Tro bay, kg 70 0 206 0 0 190 45 0 0 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 Bột đá vôi, kg 0 0 0 245 0 0 0 0 0 Xỉ lỏ cao, kg 0 220 0 0 200 0 0 119 0 Silica fume, kg 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Cốt liệu mịn, kg 751 870 702 865 870 700 1052 936 1015 Cốt liệu thô, kg 789 825 871 750 750 750 616 684 892 HRWR,kg 9 4,4 10,6 4,2 5,3 6,5 1602* 2500* 2616* VMA, kg 0 4,1 0,0875 0 0 7,5 0 0 542* Độ chảy xoè SF, mm 625 600 660 600-750 600-750 600-750 710 660 610 Trong đó: + *: đơn vị ml. + ***: cấp phối 1 sử dụng xi măng Portland toả nhiệt thấp. + *1: cấp phối sử dụng cho bêtông làm bể chứa LNG. + *2: cấp phối sử dụng cho bêtông móng giếng chìm khối lớn của cầu. + *3: cấp phối sử dụng cho kết cấu bêtông cốt thép. + HRWR: phụ gia siêu dẻo giảm nước mức độ cao. + VMA: phụ gia điều chỉnh độ nhớt. Nhận xét và đề xuất phương pháp thiết kế cấp phối: Phương pháp thiết kế thành phần theo EFNARC tương đối rõ ràng với các chỉ tiêu cụ thể hơn so với phương pháp thiết kế thành phần theo giáo sư Okamura. Với phương pháp VMA-type sử dụng hàm lượng lớn phụ gia điều chỉnh độ nhớt. Loại phụ gia này có giá thành đắt, do đó sẽ tăng chi phí khi áp dụng vào xây dựng. Từ những nhận xét trên, đề xuất phương pháp thiết kế thành phần theo EFNARC kết hợp phương pháp Powder-type (sử dụng hàm lượng bột đá vôi lớn kết hợp silicafume) nhằm giảm giá thành, tạo cho SCC có tính ứng dụng cao vào xây dựng đường ô tô. 2.2. Lựa chọn, thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu Nguyên vật liệu để chế tạo SCC gồm xi măng, silica fume, bột đá vôi, cốt liệu nhỏ, cốt liệu lớn và phụ gia siêu dẻo. - Xi măng: đề xuất sử dụng XM Nghi sơn PCB40. - Phụ gia mịn làm đầy: nhằm giảm giá thành,nâng cao khả năng ứng dụng SCC, đề tài sử dụng 2 loại sau: - Bột đá vôi Nghệ An. - Silica fume PP1: cung cấp bởi SIKA, γsfx=2g/cm3. - Cốt liệu mịn (cát): đề xuất dùng cát Tuý Loan. - Cốt liệu thô: đề xuất dùng loại đá Phước Tường Dmax10 - Phụ gia siêu dẻo: sử dụng Viscocre HE10-AT cung cấp bởi SIKA, liều dùng 1,1%. Các loại vật liệu thành phần trên có các chỉ tiêu cơ lý đạt yêu cầu dùng cho BTXM, được kiểm chứng tại PTN VLXD và PTN cầu-đường trường ĐHBK – ĐHĐN. 2.3. Lựa chọn phương pháp chế bị mẫu và thí nghiệm Các phương pháp thí nghiệm xác định các tính chất cơ bản của hỗn hợp SCC được trình bày ở bảng 2. Bảng 2.Các phương pháp thí nghiệm hỗn hợp SCC Tính chất hỗn hợp SCC Thí nghiệm kiểm tra Khả năng chảy SF Thí nghiệm độ chảy xoè SF Tính nhớt Thí nghiệm thời gian độ chảy xoè đạt 500mm T500 Khả năng chảy qua cốt thép Thí nghiệm hộp L (hoặc vòng J) Khả năng chống phân tầng Thí nghiệm phễu V sau 5phút 173 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 174 Hình5. Thí nghiệm chảy xoè-kiểm tra khả năng chảy và độ nhớt của hỗn hợp SCC Do tính chất của đường BTXM là bố trí rất ít cốt thép hoặc có bố trí nhưng không đáng kể nên chọn tính công tác chính của hỗn hợp SCC là khả năng chảy SF & tính nhớt. Thí nghiệm cường độ chịu nén và cường đọ chịu kéo của mẫu BTXM nên sử dụng các mẫu dầm 15x15x60. 2.4. Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của SCC Các cấp phối nghiên cứu thể hiện ở Bảng 3 Bảng 3. Các cấp phối SCC nghiên cứu Vật liệu Đơn vị Khối lượng CP 1 (M55/6,5) CP 2 (M60/7,0) Khối lượng cốt liệu lớn (Đ) kg/m3 728,73 728,73 Hàm lượng bột (B=SF+XM) kg/m3 500,00 528,00 Hàm lượng silica fume (SF) kg/m3 45,45 48,00 Hàm lượng ximăng (XM) kg/m3 454,55 480,00 Hàm lượng phụ gia (PG) l/m3 5,50 5,88 Hàm lượng cát (C) kg/m3 713,59 705,14 Hàm lượng bột đá vôi (BĐ) kg/m3 90,91 96,00 Hàm lượng nước (N) l/m3 195,00 187,00 Kết quả thí nghiệm khảo sát các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp SCC, tính chất của SCC được thể hiện ở Bảng 4. Hình 6. Thí nghiệm SF cấp phối 1 Hình 7. Thí nghiệm SF cấp phối 2 Bảng 4. Tính công tác của hỗn hợp SCC và cường độ SCC Cấp Phối SCC Tính công tác Cường độ R7 Cường độ R14 Cường độ R21 Cường độ R28 SF (mm) T500 (s) Rn (Mpa) Rku (Mpa) Rn (Mpa) Rku (Mpa) Rn (Mpa) Rku (Mpa) Rn (Mpa) Rku (Mpa) Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 175 CP 1 M55/6,5 725 6 51,90 6,86 62,28 8,04 65,15 8,27 65,96 8,52 CP 2 M60/7,0 710 7 59,98 8,58 70,47 9,12 72,62 9,58 73,42 9,82 3. Kết luận n Đề tài đã đạt được mục tiêu đề ra là thiết kế được các cấp phối SCC dùng trong xây dựng đường như đã đề cập ở mục 1.2. o Chỉ tiêu quan trọng đối với mặt đường BTXM là giá trị cường độ kéo khi uốn Rku cao, ở các ngày tuổi cấp phối nghiên cứu đều đạt Rku=(10÷15)%Rn, thoả mãn yêu cầu về cường độ đối với mặt đường BTXM dùng cho đường ô tô – sân bay. Những hạn chế của đề tài: đề tài chưa nghiên cứu được các tính chất quan trọng khác của SCC: tính co ngót, hệ số giãn nở vì nhiệt, hàm lượng cuốn khí. Các giá trị cường độ SCC thí nghiệm được vẫn cao, vượt hơn nhiều so với mục tiêu ban đầu đề ra, từ đó dẫn tới các cấp phối thu được có thể chưa đảm bảo tính kinh tế. Kiến nghị hướng phát triển của đề tài: cần tiếp tục mở rộng phạm vi nghiên cứu cấp phối nhằm đáp ứng đủ các yêu cầu về cấp và mác BTXM cho nhiều cấp hạng đường khác nhau. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] EFNARC (2002,2005), The European Guidelines for Self-Compacting Concrete, www.efnarc.org. [2] Hajime Okamura and Masahiro Ouchi (2003), Self-Compacting Concrete, Japan Concrete Institute. [3] Test Methods for Self-Consolidating Concrete, www.graceconstruction.com [4] Ouchi, Nakamura, Osterson, Hallberg, and Lwin (2003), Applications of Self-Compacting Concrete in Japan, Europe and The United States. [5] Dr.R.Sri Ravindraraja, D. Siladyi and B. Adamopoulos, Development of High-Strength Self-Compacting Concrete with reduced segregation potential. [6] ACI 211.4R-93 (reapproved 1998), Guide for Selecting Proportions for High-Strength Concrete with Porland Cement and Fly Ash. [7] Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng , Công Nghệ Bêtông Tự Lèn. [8] Bộ Xây Dựng (2000), Chỉ Dẫn Kỹ Thuật Thiết Kế Thành Phần Bêtông Các Loại, NXB Xây Dựng, Hà Nội. [9] Phạm Duy Hữu, Ngô Xuân Quảng (2004), Vật Liệu Xây Dựng, NXB Giao Thông Vận Tải, Hà Nội. [10] Phùng Văn Lư, Phạm Duy Hữu, Phan Khắc Trí (2001), Vật Liệu Xây Dựng, NXB Giáo Dục, Hà Nội.