Nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực để ứng dụng trong kết cấu cầu ở VN

ª ThS. NCS. Đặng Thùy Chi ª GS. TS. Phạm Duy Hữu ª TS. Thái Khắc Chiến Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Nguyễn Duy Tiến TS. Vũ Anh Thắng

Tóm tắt: Bê tông cốt liệu nhẹ khối lượng thể tích dưới 1.900kg/m³, có cường độ tương đương bê tông thường và nhẹ hơn khoảng 25 - 35%. Bê tông cốt liệu nhẹ khắc phục hạn chế của bê tông truyền thống, giúp việc thiết kế công trình mềm dẻo hơn và đem lại hiệu quả kinh tế cao. Ở nước ta đã chế tạo được bê tông cốt liệu nhẹ, tuy nhiên cường độ còn thấp và chủ yếu ứng dụng làm vật liệu cách nhiệt, các cấu kiện trong xây dựng dân dụng. Bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực (cường độ cao) chưa được quan tâm nghiên cứu, thiết kế để phát triển loại vật liệu này trong các kết cấu chịu tải trọng lớn. Bài báo trình bày phương pháp thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ trên cơ vật liệu trong nước nhằm chế tạo các loại bê tông cốt liệu nhẹ cường độ cao đáp ứng yêu cầu chịu lực của công trình cầu. Kết quả thực nghiệm cho thấy, nếu sử dụng sỏi nhẹ kezamzit sản xuất trong nước có thể chế tạo được bê tông có cường độ lên tới 40 MPa và khối lượng thể tích từ 1.911kg/m³ - 1.981kg/m³ khi sử dụng vữa xi măng có cường độ nén hơn 100MPa. 

Từ khóa: Bê tông, cốt liệu nhẹ, thiết kế thành phần, cầu.

Abstract: Lightweight aggregate concrete having a density below 1900kg/m³ has an equilibrium compressive strength compared with normal concrete and therefore, a reduction in the dead weight of the structure of 25 - 35%. Lightweight aggregate concrete overcomes the limitations of traditional concrete, making the design more flexible and bringing high economic efficiency. In our country, lightweight aggregate concrete has been produced, but its strength is still low and mainly used as insulation material and for home construction. Structural lightweight aggregate concrete (hight strength lightweight aggregate concrete) has not been interested in research and design to develop this material in large load-bearing structures. This paper presents a mix design method of lightweight aggregate concrete based on local materials in order to produce a lightweight aggregate concrete with high compressive strength which achieves the requirements of the bridge project. Experimental results show that using domestic lightweight expanded clay aggregate can produce a concrete having a strength up to 40MPa and a density of 1.911 - 1.981kg/m³ with cement matrix having about 100MPa compressive strength.

Keywords: Concrete, lightweight aggregate, mix design, bridge. 

1. Mở đầu

Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-1:2000 [1], bê tông nhẹ có khối lượng thể tích nhỏ hơn 2.000kg/m³ và cường độ chịu nén dao động từ 8 - 80MPa (mẫu trụ). Bê tông nhẹ chịu lực theo ACI 213R-03 [2] là bê tông có khối lượng thể tích từ 1.120 - 1.920kg/m³ và cường độ chịu nén ngày 28 ngày tối thiểu là 17MPa. Có thể thấy rằng, khi khối lượng thể tích giảm từ 2.400kg/m³ trong bê tông truyền thống xuống còn 1.900kg/m³ đối với bê tông nhẹ thì có thể giảm bớt trọng lượng bản thân của kết cấu một cách đáng kể, giúp tiết kiệm được cốt thép và cốt thép dự ứng lực, giảm chi phí xây dựng. Nếu sử dụng trong công trình cầu, tĩnh tải bản thân của kết cấu giảm cho phép vượt khẩu độ dài hơn, sử dụng các loại trụ và nền móng đơn giản và giảm tiết diện bề mặt của cấu kiện dầm. Ngoài ra, việc sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ trong sửa chữa và cải tạo cầu thường làm tăng khả năng chịu tải trọng động của các kết cấu cầu cũ.

Trên thực tế, bê tông cốt liệu nhẹ đã được sử dụng thành công và phổ biến trong xây dựng nói chung và xây dựng cầu nói riêng từ hơn 70 năm qua trên thế giới. Một nghiên cứu về vật liệu này [3] đã tổng hợp rằng hơn 300 cầu nhẹ được xây dựng ở Bắc Mĩ, tối thiểu 100 cái đã xây dựng ở Liên Xô cũ, một số lượng đáng kể đã được thực hiện ở châu Âu và đặc biệt hơn 2.000 cầu nhẹ nhịp ngắn đã được xây dựng ở Alberta, Canada. Rõ ràng, việc sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ trong xây dựng cầu không phải là mới trên thế giới, tuy nhiên vẫn hoàn toàn mới mẻ ở Việt Nam.

Những năm gần đây, ở nước ta, bê tông cốt liệu nhẹ đã bắt đầu được quan tâm, sản xuất và sử dụng làm vật liệu cách nhiệt, gạch block, các tấm bản dùng trong xây dựng dân dụng. Tuy vậy, các loại bê tông này có khả năng chịu lực khá giới hạn, cường độ chịu nén tuổi 28 ngày chỉ đạt khoảng 25 - 30MPa, do đó chưa thể ứng dụng trong các kết cấu chịu tải trọng lớn như kết cấu cầu. Trên thực tế, nguồn nguyên liệu đầu vào cho sản xuất bê tông cốt liệu nhẹ ở nước ta vẫn còn khá hạn chế, đặc biệt là các loại cốt liệu nhẹ chất lượng cao, gây khó khăn cho việc sản xuất các loại bê tông cốt liệu nhẹ cường độ cao. Do đó, cần quan tâm nghiên cứu thành phần bê tông cốt liệu nhẹ trên cơ sở vật liệu trong nước nhằm cải thiện các đặc tính cơ học để có thể phát triển loại vật liệu này trong các kết cấu chịu tải trọng lớn. Tóm lại, việc nghiên cứu, chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực (bê tông nhẹ cường độ cao) trên cơ sở vật liệu trong nước có ý nghĩa khoa học và thực tiễn hết sức to lớn, mở ra hướng mới trong việc tìm kiếm vật liệu thay thế cốt liệu bê tông truyền thống cũng như khả năng ứng dụng các kết cấu nhẹ hơn, vượt được khẩu độ lớn hơn trong công trình cầu.   

2. Vật liệu sử dụng và phương pháp nghiên cứu

Vật liệu chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ cũng bao gồm các thành phần cơ bản là cốt liệu, chất kết dính, nước và phụ gia (nếu cần). Trong đó, cốt liệu nhẹ sử dụng có thể có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo. Hiện nay, các loại cốt liệu nhân tạo là lựa chọn tốt nhất để chế tạo bê tông nhẹ chịu lực [4], trong đó phổ biến nhất là sét nở (keramzit).

2.1. Vật liệu sử dụng

- Cốt liệu lớn: Nghiên cứu lựa chọn sử dụng cốt liệu nhân tạo là sỏi keramzit. Những hạt sỏi gốm thường có hình cầu hoặc hình bầu dục, được sản xuất bằng cách nung nở phồng đất sét dễ chảy. Sét khô và nở trong lò quay ở nhiệt cao khoảng 1.100 - 1.200ºC, khi đi qua vùng đốt. Sản phẩm cuối cùng là sét nở với bề mặt gốm cứng.

Các đặc trưng cơ lý của hai loại keramzit (Hình 2.1) do Công ty Bemes (Vĩnh Cửu) - Việt Nam sản xuất, sử dụng trong nghiên cứu được trình bày ở Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Các tính chất cơ lý của sỏi keramzit

- Cốt liệu nhỏ sử dụng trong nghiên cứu là cát vàng sông Hồng có thành phần hạt của cát đạt tiêu chuẩn TCVN 7570-2006. Các tính chất vật lý của cát được giới thiệu ở Bảng 2.2.

- Xi măng sử dụng là xi măng poóc lăng Bút Sơn PC40, có các chỉ tiêu kỹ thuật thỏa mãn tiêu chuẩn TCVN 2682-1992.

- Bột khoáng siêu mịn hoạt tínhsử dụng trong nghiên cứu là muội silic (silica fume) loại Sikacrete PP1 của hãng Sika, thành phần là hoạt chất đioxít silíc cực mịn, kích thước hạt < 0,1mm và khối lượng riêng là 2,2g/cm³.

Bảng 2.2. Các tính chất vật lý của cát

Hình 2.1: Sỏi keramzit

- Phụ gia siêu dẻo sử dụng loại phụ gia giảm nước cao cấp loại viscocrete 3.000 - 20M của hãng Sika, có thành phần là polycarboxylat cải tiến, khối lượng riêng là 1,06g/cm³.

- Nước dùng để trộn bê tông là nước sạch lấy từ nguồn nước sinh hoạt của TP. Hà Nội.

2.2. Phương pháp thiết kế thành phần

Thành phần của bê tông nặng cần lựa chọn để thỏa mãn được tính công tác và cường độ yêu cầu. Thiết kế tối ưu là một thành phần bê tông có lượng dùng xi măng ít nhất. Trong khi đó, đối với bê tông nhẹ, ngoài tính công tác, cấp phối bê tông còn cần thỏa mãn đồng thời hai chỉ tiêu là khối lượng thể tích và cường độ. Vật liệu muốn nhẹ thì cần rỗng trong khi độ rỗng lại tỉ lệ nghịch với cường độ. Do đó, việc khống chế giới hạn trên khối lượng thể tích của bê tông khiến việc đạt được cường độ yêu cầu trở thành một bài toán phức tạp trong thiết kế. Ngoài ra, tính công tác của bê tông nhẹ là một đại lượng khó điều chỉnh do cốt liệu nhẹ rỗng có độ hút nước lớn và gây phân tầng hỗn hợp.

Cường độ bê tông nhẹ bị ảnh hưởng bởi chất lượng cốt liệu, cường độ của vữa và tỉ lệ thể tích của các thành phần. Cường độ của cốt liệu nhẹ luôn nhỏ hơn cường độ của vữa nên cường độ cốt liệu ảnh hưởng lớn đến cường độ bê tông. Khi sử dụng cốt liệu nhẹ khối lượng thể tích nhỏ và cường độ thấp để chế tạo bê tông nhẹ chịu lực, cường độ của bê tông bị khống chế bởi các tính năng của cốt liệu. Cường độ của vữa phụ thuộc vào loại xi măng và tỉ lệ N/X. Để cải thiện cường độ vữa có thể giảm tỉ lệ N/X (N/CKD) và sử dụng thêm muội silic.

Ban đầu, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp thiết kế thành phần bê tông của tiêu chuẩn ACI 211.2-98. Theo phương pháp này, thành phần bê tông được lựa chọn dựa vào các bảng tra của tiêu chuẩn. Nguyên tắc thiết kế tương tự phương pháp thiết kế thành phần bê tông nặng truyền thống là dựa trên lý thuyết thể tích tuyệt đối. Các bảng tra được điều chỉnh phù hợp với đặc thù của bê tông cốt liệu nhẹ. Tuy nhiên, khi sử dụng các bảng tra này để lựa chọn thành phần, loại bê tông thu được trên cơ sở cốt liệu nhẹ của Việt Nam không đạt được mục tiêu về cường độ. Cường độ chịu nén trung bình tuổi 28 ngày của bê tông chỉ đạt từ 25 - 30MPa khi thiết kế cho loại bê tông có cường độ ≥ 41MPa (6000 psi). Điều này có thể lý giải là do chất lượng của cốt liệu nhẹ khá thấp, độ nén giập trong xi lanh chỉ đạt khoảng 1,9 MPa, ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu lực của bê tông. Giải pháp đưa ra là sử dụng một loại cốt liệu nhẹ có chất lượng tốt hơn, cải thiện cường độ phần nền vữa xi măng và tối ưu hóa tỉ lệ thể tích giữa các thành phần.

Để tận dụng tối đa vật liệu chế tạo trong nước, các tác giả đã tiến hành nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ trên cơ sở tối ưu hóa tỉ lệ thể tích và cải thiện cường độ vữa xi măng. Để đơn giản hóa qui trình tính toán, các thành phần được phân thành hai nhóm chính, là hồ chất kết dính và cốt liệu mịn hay vữa xi măng và các hạt cốt liệu thô.

Trước tiên, nhóm nghiên cứu tiến hành thiết kế thành phần vữa xi măng cải tiến (xi măng, muội silic, cát và nước) nhằm thu được một loại vữa xi măng có cường độ chịu nén cao nhất. Tiếp theo, thành phần bê tông cốt liệu nhẹ được tính toán trên cơ sở phối hợp thành phần vữa tối ưu tìm được với sỏi nhẹ keramzit để đạt được bê tông có khối lượng thể tích theo yêu cầu. Thành phần bê tông được qui định theo khối lượng dùng cho 1m³ bê tông đầm chặt. Mẻ trộn đầu tiên của thành phần được tiến hành để kiểm tra khối lượng thể tích của bê tông tươi và độ dẻo.

Thí nghiệm được tiến hành trên các mẫu lập phương 15x15x15 (cm), sau 28 ngày xác định khối lượng thể tích và cường độ chịu nén theo tiêu chuẩn.

3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

3.1. Thí nghiệm vữa xi măng cường độ cao

Trước tiên, trên cơ sở xi măng poóc lăng PC40 Bút Sơn và muội silic sikacrete PP1 của hãng Sika, vữa xi măng với tỉ lệ N/CKD bằng 0,22, 0,24, 0,26 và 0,28 được chế tạo với hàm lượng muội silic lấy theo kinh nghiệm là 10%. Trên cơ sở các tài liệu tham khảo [5], [6], tỉ lệ cát được lựa chọn là  C/X = 1,4. Sau khi nén các mẫu vữa ở tuổi 14 ngày, lựa chọn loại vữa tối ưu có cường độ chịu nén lớn nhất. Kết quả thí nghiệm cường độ vữa được ghi ở Bảng 3.1 và biểu diễn trên Hình 3.1.

Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén vữa xi măng ở tuổi 14 ngày

Hình 3.1: Biểu đồ quan hệ giữa cường độ vữa xi măng và tỉ lệ N/X

Kết quả cho thấy, cường độ chịu nén tuổi 14 ngày của vữa xi măng đạt giá trị lớn nhất là 100MPa khi tỉ lệ N/X = 0,26, do vậy tỷ lệ này được lựa chọn nhằm chế tạo bê tông. Thành phần bê tông được tính toán bằng cách điều chỉnh tỉ lệ thể tích cốt liệu nhẹ trong 1m³ bê tông và thành phần vữa tối ưu tìm được nhằm đạt được một loại bê tông có khối lượng thể tích từ 1.850 - 1.950 kg/m³. Ngoài ra, để chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao, tỉ lệ cốt liệu nhẹ không được vượt quá 0,5m³/1m³ bê tông. Do đó, nghiên cứu lựa chọn tỉ lệ cốt liệu nhẹ thích hợp là 0,35, 0,4 và 0,5m³/1m³ bê tông và tỉ lệ thể tích vữa tương ứng lần lượt là 0,65, 0,60 và 0,50.

3.2. Thí nghiệm cường độ và khối lượng thể tích của bê tông cốt liệu nhẹ

Cốt liệu nhẹ được ngâm nước trong 24h và để ráo nước trong vòng 1h trước khi đổ bê tông. Các mẻ trộn được tiến hành bằng cách trộn hồ chất kết dính với cát và phụ gia trong vòng 3 phút và tiến hành trộn với cốt liệu nhẹ bão hòa nước nhằm tránh việc hút nước của vữa xi măng. Độ sụt được tiến hành đo trước khi đổ khuôn. Thí nghiệm khối lượng thể tích bê tông tươi và bê tông sau khi đông cứng được thực hiện. Mẫu thử được bảo dưỡng 28 ngày và thí nghiệm nén theo tiêu chuẩn.

Kết quả thí nghiệm được trình bày trong Bảng 3.2 và được biểu diễn trên Hình 3.2 và 3.3.

Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông cốt liệu nhẹ

 

Kết quả thí nghiệm cho thấy, độ sụt thể hiện tính công tác của các cấp phối lựa chọn đều đạt từ 15 - 20 cm. Cường độ chịu nén lớn nhất của bê tông cốt liệu nhẹ 44MPa ở tuổi 28 ngày. Bê tông chế tạo thỏa mãn về chỉ tiêu khối lượng thể tích như mục đích thiết kế.

4. Kết luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ trên cơ sở vật liệu sản xuất trong nước. Loại bê tông này có thể đạt được cường độ chịu nén là 40 - 45MPa, đáp ứng yêu cầu sử dụng trong các kết cấu chịu lực nói chung và công trình cầu nói riêng. Do đó, bê tông cốt liệu nhẹ trên cơ sở vật liệu trong nước có thể được sử dụng để chế tạo các bộ phận công trình cầu như bản mặt cầu, dầm cầu, giúp giảm được tĩnh tải bản thân của công trình. Tuy nhiên, để đạt được cường độ cao hơn cần tìm kiếm, lựa chọn loại cốt liệu keramzit có chất lượng tốt hơn o

Tài liệu tham khảo

[1]. EN (2000), 206-1.

[2]. ACI (2003), 213R.

[3]. Guide to the Use of Lightweight Aggregate Concrete in Bridges (2006), The Concrete Society - UK.

[4]. Satish Chandra (2002), LEIF BERNTSSON, Lightweight Aggregate Concrete (Science, Technology and Application).

[5]. Shink, M. (2003), Compatiblité élastique, comportement mécanique et opimisation des béons de granulats légers.

[6]. Yang, Ke. (2008), Caracterisation du comportement mecanique de beton de granulats legers- experience et modelisation.