Báo cáo khoa học: "Bê tông c-ờng độ cao Thiết kế hỗn hợp bê tông cường độ cao" ppt

Bê tông cờng độ cao
Thiết kế hỗn hợp bê tông cờng độ cao

PGS. Nguyễn Quang Chiêu
Trờng Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bi viết ny giới thiệu tóm tắt công nghệ sản xuất bê tông (BT) cờng độ cao bằng
cách sử dụng các vật liệu độn xi măng v phụ gia giảm nớc - một trong những tiến bộ kỹ thuật về bê
tông xi măng (BTXM) đã đợc áp dụng rộng rãi ở các nớc phát triển từ những năm 1970.
Summary: This article introduce briefly the technology for hight-intensity concrete production by
means of materials mixed with cement and additives, which is one of the technological advances on
concrete production, widely applied in developed countries since the 1970s.

Từ những năm 1970, đã có nhiều tiến bộ
trong công nghệ chế tạo hỗn hợp BTXM. Một
trong những tiến bộ này là sản xuất đợc các hỗn
hợp bê tông cờng độ rất cao bằng cách sử dụng
các vật liệu trộn xi măng và phụ gia giảm nớc.
I. Vật liệu độn xi măng
I.1. Các loại vật liệu trộn với xi măng thờng
dùng là puzowlan, chủ yếu là tro bay, xỉ lò cao
dạng hạt và khói silice.
Puzơlan là vật liệu silice - alumin hoặc silice
sau khi nghiền và trộn với nớc, sẽ phản ứng với
Ca(OH
2
) có trong bê tông tạo thành hỗn hợp có
tính chất xi măng. Có 3 loại puzơlan đợc ghi
trong quy định sử dụng trong bê tông:
- Loại N: Puzơlan thiên nhiên nh đá phiến
silice, thuỷ tinh núi lửa, diatomit.

- Loại F: Tro bay, là phụ phẩm thu đợc từ
quá trình đốt than cám anthracite.
- Loại C: Tro bay, là phụ phẩm thu đợc từ
quá trình đốt than nâu.
Tro bay đợc sử dụng rộng rãi là các phụ
phẩm thu đợc từ các nhà máy nhiệt điện mà
chất đốt là tham cám anthracite.
Xỉ lò cao dạng hạt là phụ phẩm của việc
luyện thép, cũng có tính chất xi măng.
Khói silice là vật liệu đặc biệt mịn, kích cỡ
chỉ bằng 1% cỡ hạt trung bình của XM. Khói silice
có các tính chất xi măng và tính chất puzơlanic,
lắp đầy kẽ hở giữa các hạt xi măng, tạo thành các
hỗn hợp có ít lỗ rỗng chứa khí và nớc nhất.
Sử dụng các vật liệu này nhằm thay thế một
phần xi măng trong bê tông vừa giảm đợc giá
thành, vừa làm sạch môi trờng.
I.2. Các vật liệu độn xi măng ảnh hởng
nhiều đến các tính chất của BTXM. Tro bay và
các puzolan khác cải thiện tính dễ thi công và
việc hoàn thiện bê tông cũng nh giảm sự nổi
nớc và sự phân tầng của hỗn hợp bê tông. Sự
hydrat hoá của bê tông phát triển chậm, tăng thời
gian ngng kết và thời gian đông cứng nhng
giảm sự toả nhiệt khi thuỷ hoá. Cờng độ phát
triển với tốc độ chậm, đạt cờng độ sau 90 ngày,
nhng có thể đạt cờng độ cuối cùng rất cao
(đến 100 MPa). Độ thấm của bê tông giảm, cải
thiện độ bền chống ăn mòn sunfat, độ bền đối với
các phản ứng kiềm và chống ăn mòn cốt thép. Xỉ

lò cao dạng hạt cũng có phản ứng tơng tự đối
với bê tông, tuy nhiên sự phân tầng và nổi nớc
có thể nghiêm trọng hơn.

II. Bê tông cờng độ cao
II.1. Bảng 1 là hệ thống phân cấp kiến nghị
của bê tông thông thờng và bê tông cờng độ
cao cùng một số thành phần và đặc tính của
chúng.
Bảng 2 là một số hỗn hợp bê tông cờng độ
cao điển hình đợc sử dụng trong một số công
trình xây dựng gần đây.

Bảng 1
Phân cấp cờng độ bê tông
Thông số Bê thông thờng
Bê tông
cờng độ cao
Bê tông
cờng độ rất cao
Bê tông cờng độ
đặc biệt cao
Cờng độ, MPa
< 50
50 - 100 100 - 150
> 150
Tỷ lệ N/X
> 0,45
0,45 - 0,30 0,30 - 0,25
< 0,25

Phụ gia hoá học Không cần WRA/HRWR
*
HRWR
*
HRWR
Phụ gia khoáng vật Không cần Tro bay Khói Silice
**
Khói Silice
**
Hệ số thấm, cm/s
> 10
- 10
10
- 11
10
- 12
< 10
- 13
* WRA - Water reducing admixture: phụ gia giảm nớc; HRWR - High-rangge water reduceing: phụ gia siêu dẻo
** Cũng có thể chứa tro bay.
Bảng 2
Các công trình xây dựng
Thành phần của
bê tông
Quảng trờng
tháp nớc
Chicago 1975
Cầu Joigtly,
Pháp 1989
Nhà cao tầng

Larentienne
Canada, 1984
Scotra Plaza
Toronto 1987
Two Union
Square 1988
Tỷ lệ N/vật liệu XM 0,35 0,37 0,27 0,31 0,25
Nớc, kg/m
3
195 165 135 145 130
Xi măng, kg/m
3
505 451 500 315 513
Khói Silice, kg/m
3
- - 30 36 43
Tro bay, kg/m
3
60 - - - -
Xỉ lò cao, kg/m
3
- - - 137 -
Cốt liệu thô, kg/m
3
1030 1030 1100 1130 1080
Cốt liệu nhỏ, kg/m
3
630 745 700 745 685
Phụ gia giảm nớc, ml/m
3

975 - - 900 -
Phụ gia chậm ngng kết, l/m
3
- 4,5 1,8 - -
Phụ gia siêu dẻo, l/m
3
- 11,25 14 5,9 15,7
f ở 28 ngày, MPa

64,8 79,8 92,5 83,4 119
f ở 91 ngày, MPa 78,6 87 106,5 93,4 145
II.2 Các vật liệu, cũng nh quá trình rải hỗn
hợp bê tông cờng độ cao phải đợc khống chế
chặt chẽ.
Để đảm bảo dính bám tốt giữa xi măng và
đá, cốt liệu thô thờng dùng là đá dăm hạt nhỏ.
Cốt liệu có D
max
= 9,5 mm hoặc 12,5 mm nói
chung dính bám tốt với xi măng. Cốt liệu nhỏ phải
có môđuyn độ mịn giữa 2,5 và 3,2 và phải hạn
chế hàm lợng các hạt nhỏ hơn 150 m và 300
m để giảm lợng nớc yêu cầu. Dùng cát thiên
nhiên thờng cho cờng độ cao hơn so với dùng
cát nghiền.
Để đảm bảo độ dễ thi công của hỗn hợp bê
tông khi tỷ lệ N/vật liệu XM thấp phải dùng phụ
gia giảm nớc (WRA) hoặc phụ gia siêu dẻo
(HRWR). Để bảo đảm thời gian hoàn thiện đối với
hỗn hợp bê tông khô, thờng dùng phụ gia làm

chậm ngng kết.
II.3 Để chọn tỷ lệ phối hợp của bê tông tro
bay cờng độ cao ở trong phòng thí nghiệm, có
thể sử dụng phơng pháp của Viện bê tông Mỹ
trong tiêu chuẩn ACI 211 - 4R - 93. Trình tự thiết
kế hỗn hợp bê tông cờng độ cao theo phơng
pháp ACI nh sau:
- Xác định cờng độ thiết kế trung bình
yêu cầu: Cờng độ này phải lớn hơn cờng độ
yêu cầu của đề án là 10 MPa để đảm bảo hệ số
vợt cờng độ cần thiết.
- Chọn độ sụt thiết kế: Với bê tông dùng
phụ gia siêu dẻo, đề nghị dùng độ sụt 25 ữ 50
mm (trớc khi trộn phụ gia). Với các bê tông khác
độ sụt phải là 50 ữ 100 mm
- Chọn cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu: Với
bê tông cờng độ yêu cầu đến 60 MPa có thể
dùng cốt liệu với D
max
= 19 mm hoặc 25 mm. Với
bê tông cờng độ cao hơn, đề nghị dùng cốt liệu

có D
max
= 9,5 mm hoặc 12,5 mm. Ngoài ra D
max
không đợc lớn hơn 1/5 chiều rộng của khuôn
mẫu, hoặc 1/3 chiều dày tấm, hoặc 3/4 khoảng
cách giữa các thanh cốt thép.
Hình 1.

- Chọn tỷ lệ gần đúng của cốt liệu thô,
lợng nớc trộn và lợng khí từ bảng 3.
- Chọn tỷ lệ N/XM theo hình 1. Giá trị tỷ lệ
N/XM cho cờng độ thiết kế trung bình phải dẫn
đến kết quả là các cờng độ của các mẻ trộn thí
nghiệm phải cao hơn 10% so với cờng độ trung
bình trên. Đó là do cờng độ trung bình thu đợc
từ các mẻ trộn thí nghiệm, theo kinh nghiệm
thờng cao hơn khoảng 10% cờng độ trung bình
của hỗn hợp này khi thi công tại hiện trờng.
Các số liệu trong hình 1 là cờng độ ở 28
ngày tuổi. Trị số lớn nhất quy định của tỷ lệ N/XM
có thể tăng khoảng 0,02 với các cờng độ cao
hơn và khoảng 0,04 với các cờng độ thấp hơn
đối với cờng độ bê tông dự tính ở 56 ngày tuổi.
- Xác định lợng tro bay sử dụng: Với tro
bay loại F, đề nghị sử dụng 15 ữ 20% vật liệu
xi măng tổng cộng và 20 ữ 35% đối với tro bay
loại C.
- Tính lợng cốt liệu thô, nớc, vật
liệu XM, tro bay v XM theo yêu cầu cho
1 m
3
bê tông. Số lợng vật liệu khác có thể
xác định từ lợng nớc, tỷ lệ N/vật liệu XM
và tỷ lệ% tro bay.
- Tính thể tích cốt liệu nhỏ yêu cầu
từ tổng thể tích các thành phần trên đây và
của khí tù. Sử dụng trọng lợng riêng của
nó để xác định khối lợng của cốt liệu nhỏ

yêu cầu.
- Nếu sử dụng phụ gia siêu dẻo
(HRWR) thì số lợng yêu cầu dựa trên quy
định của nhà chế tạo - lợng nớc trộn sử
dụng phải đợc giảm theo lợng phụ gia
sử dụng.
Bảng 3
Các tỷ lệ gần đúng của hỗn hợp bêtông cờng độ cao
Thành phần Cỡ hạt lớn nhất D
max
(mm)
9,5 12,5 19 25
Cốt liệu thô (m
3
/m
3
BT) 0,65 0,68 0,72 0,75
Nớc trộn (kg/m
3
BT) khi độ sụt:
- 25 ữ 50 mm
- 50 ữ 75 mm
- 75 ữ 100 mm

184
190
196

175
184

190

169
175
181

166
172
178
Hàm lợng khí tù (%)
- Có phụ gia siêu dẻo
- Không có phụ gia siêu dẻo

3,0
2,5

2,5
2,0

2,0
1,5

1,5
1,0
- Tính toán các số lợng của hỗn hợp
trộn thử, hiệu chỉnh lợng nớc trộn theo thể tích
của HRWR.
- Hiệu chỉnh các số lợng của hỗn hợp
theo độ ẩm của cốt liệu. Nếu cốt liệu không bão
hoà thì phải thêm nớc. Nếu cốt liệu có nớc mặt

thì phải bớt nớc.
- Trộn các vật liệu theo từng mẻ. Thí
nghiệm độ sụt (trớc và sau khi cho HRWR), độ
dễ thi công, độ cứng và đúc các mẫu hình trụ để
thí nghiệm cờng độ.
- Phân tích các kết quả của
hỗn hợp thí nghiệm, hiệu chỉnh
các tỷ lệ phối hợp Nếu cần rồi làm
lại các thí nghiệm. Sau khi có một
hỗn hợp chấp nhận đợc thì tính
toán các tỷ lệ sản xuất.


III. Ví dụ áp dụng
Thiết kế một hỗn hợp bê
tông ở trong phòng thí nghiệm
với các vật liệu và quy định kỹ
thuật sau:
- Cờng độ tối thiểu yêu cầu ở
28 ngày tuổi: 45 MPa
- Tro bay sử dụng, loại F,
trọng lợng riêng 2,25 g/cm
3
: 20%
- Sử dụng phụ gia siêu dẻo (HRWR);
- Cốt liệu thô (đá dăm) với các thông số sau:

+ D
max
= 19 mm

+ Dung trọng khô: 1650 kg/m
3
+ Trọng lợng riêng: 2,63 g/cm
3
+ Độ hút nớc: 1,4%
- Cốt liệu nhỏ (cát) với các thông số sau:
+ Trọng lợng riêng: 2,67 g/cm
3
+ Độ hút nớc: 1,2%
Hãy tính toán số lợng yêu cầu của các vật
liệu cho 0,03 m
3
hỗn hợp.
Với đầu bi nh trên, quá trình tính toán
nh sau:
- Cờng độ thiết kế trung bình ở 28 ngày tuổi
= 45 + 10 = 55 MPa (cờng độ kỳ vọng trung
bình ở trong phòng thí nghiệm > 10%).
- Độ sụt thiết kế phải 25 ữ 50 mm (trớc khi
cho phụ gia siêu dẻo)
- Chọn cỡ hạt 19 mm là cỡ hạt thích hợp với
bê tông 45 MPa
Các tỷ lệ sử dụng lấy theo bảng 3, cụ thể
nh sau:
+ Cốt liệu thô: 0,72 m
3
/m
3
BT
+ Nớc: 169 kg/m

3
BT
+ Khí tù: 2%
Theo hình 1, trị số của tỷ lệ N/vật liệu
XM = 0,4 với cờng độ bê tông 55 MPa, cốt liệu
có đờng kính D
max
= 19 mm và có sử dụng
HRWR (cờng độ kỳ vọng trung bình trong phòng
thí nghiệm với tỷ lệ này sẽ là 55 MPa + 10% =
60,5 MPa).
- Hàm lợng tro bay loại F lấy bằng 20% là
chấp nhận đợc.
- Các số lợng sử dụng cho 1 m
3
hỗn hợp là:
+ Cốt liệu thô: 0,72 x 1650 = 1188 kg/m
3
+ Nớc 169 kg/m
3
+ Vật liệu XM 109 kg/0,4 = 422 kg/m
3
Trong đó tro bay 20% x 422 kg = 84 kg
Xi măng 422 - 84 = 338 kg
Khí tù: 2%
- Thể tích các thành phần trên đây chiếm
chỗ:
+ Cốt liệu thô 1188 kg/(2,62 x 1000 kg/m
3
) =

0,452 m
3
+ Nớc: 169 kg/1000 kg/m
3
= 0,169 m
3
+ Tro bay 84 kg/(2,25 x 1000 kg/m
3
) =
0,037 m
3
+ Xi măng 338 kg/(3,15 x 1000 kg/m
3
) =
0,107 m
3
+ Khí tù: 2% x 1 m
3
= 0,020 m
3
+ Tổng cộng: 0,785 m
3
Từ đó, thể tích yêu cầu của cốt liệu nhỏ là
1 - 0,785 = 0,215 m
3
Và khối lợng của cốt liệu nhỏ là: 0,215 x
(2,67 x 1000 kg/m
3
) = 574 kg
- Tỷ lệ của HRWR theo quy định của nhà

chế tạo là 900 ml/100 kg XM, từ đó có thể tính
đợc: 900 ml/100 kg x 338 kg = 3042 ml hay
3,042 lít cho 1 m
3
bê tông.
- Số lợng các vật liệu cho mẻ trộn 0,03 m
3
là:
+ Cốt liệu thô: 0,03 x 1188 kg = 35,6 kg
+ Cốt liệu nhỏ: 0,03 x 574 kg = 17,2 kg
+ Tro bay: 0,03 x 84 kg = 2,52 kg
+ Xi măng: 0,03 x 338 kg = 10,14 kg
+ HRWR: 0,03 x 3042 ml = 91 ml = 0,091 kg
+ Nớc: 0,03 x 169 kg - 0,091 kg = 4,98 kg
- Các thí nghiệm cho thấy cốt liệu nhỏ chứa
6% nớc, còn cốt liệu thô ở trạng thái khô. Nớc
thừa của cốt liệu nhỏ = 6,2 - 1,2 = 5% và lợng
nớc thừa: 0,05 x 17,2 = 0,86 kg.
- Lợng nớc yêu cầu phải tăng thêm cho
cốt liệu thô là = 0,014 x 35,6 = 0,5 kg.
- Lợng cốt liệu nhỏ yêu cầu là: 17,2 +
(0,062 x 17,2) = 18,3 kg
- Lợng cốt liệu thô yêu cầu là: 35,6 kg
Từ đó số lợng cuối cùng của các vật liệu
cho một mẻ trộn là:
+ Cốt liệu thô: 35,6 kg
+ Cốt liệu nhỏ: 18,3 kg
+ Nớc: 4,62 kg
+ Tro bay: 2,52 kg
+ Xi măng:10,14 kg

+ HRWR: 91 ml