Bài giảng chương 5: Bê tông

Bài giảng VLXD-Chương 5 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 1 CHƯƠNG V: BÊ TÔNG I/ Khái niệm và phân loại: 1/ Khái niệm: Bê tông là một loại đá nhân tạo có được bằng cách nhào trộn hỗp hợp gồm các nguyên vật liệu thành phần gồm: chất kết dính, cốt liệu, nước theo một tỷ lệ thích hợp, sau một thời gian thì đóng rắn lại thành bê tông. Ưu: + Cường độ chịu nén khá cao + Khả năng chịu lửa khá tốt + Tạo hình dạng công trình dễ dàng + Sử dụng nguyên liệu địa phương. 2/ Phân loại: dựa vào các chỉ tiêu a) γo (ở trạng thái khô): là chỉ tiêu chủ yếu - Bê tông đặc biệt nặng (γo > 2500 Kg/m3) - Bê tông nặng (γo = 1800 - 2500 Kg/m3) - Bê tông nhẹ (γo = 500 - 1800 Kg/m3) - Bê tông đặc biệt nhẹ (γo < 500 Kg/m3) chủ yếu dùng cách nhiệt. b) Dựa vào chất kết dính: - Bê tông xi măng (các loại chất kết dính rắn trong nước) - Bê tông thạch cao (thạch cao cứng hoặc là xi măng anhydric, chủ yếu CaSO4) - Bê tông Silicat (với SiO2 Al2O3 hoạt tính) - Bê tông polymer (đắt tiền) c) Dựa vào phạm vi sử dụng: - Bê tông thường và bê tông cốt thép - Bê tông thủy công - Bê tông mặt đường (bê tông atsphan, bitum) sử dụng chất kết dính hữu cơ và vô cơ. - Bê tông quốc phòng: rắn nhanh trong thời gian ngắn. Ngoài ra, cũng còn những loại bê tông đặc biệt khác như là: - Bê tông chống phóng xạ. - Bê tông chịu nhiệt Bài giảng VLXD-Chương 5 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 2 BÊ TÔNG NẶNG I. Các yêu cầu của nguyên vật liệu dùng chế tạo bê tông nặng: 1/ Xi măng: Trong các tính chất chủ yếu của xi măng như mác xi măng, độ mịn, LNTC, tính ổn định thể tích, thời gian ninh kết …. Trong đó mác xi măng là cơ bản nhất. “Không nên sử dụng Rx thấp để chế tạo bê tông mác cao”, vì như vậy lượng xi măng sẽ rất nhiều và không kinh tế. “Mặt khác, cũng không nên sử dụng Rx cao để chế tạo Rb thấp. Vì như vậy, lượng xi măng sẽ rất ít, không đủ để bao bọc xung quanh các hạt cốt liệu → dẫn đến Rb giảm”. Từ đó, người ta đưa ra lượng xi măng quy định tối thiểu (Kg/m3 bê tông). - Nếu lượng xi măng tính toán mà nhỏ hơn lượng xi măng tối thiểu thì lấy lượng xi măng tối thiểu để tính toán. - Lượng xi măng quy định tối thiểu phụ thuộc vào điều kiện làm việc công trình và phương pháp thi công (bằng tay hay bằng máy). Bảng V-2: Bảng tham khảo về lượng xi măng quy định tối thiểu (Kg/m3 bê tông). Điều kiện làm việc của công trình Phương pháp thi công Bằng tay Bằng máy - Công trình trực tiếp tiếp xúc với nước. - Bị ảnh hưởng của mưa gió và không có thiết bị che - Không bị ảnh hưởng của mưa gió. 240 220 200 265 250 220 2/ Nước: (dùng để chế tạo và dưỡng hộ bê tông) Các yêu cầu về nước: - Không được chứa các tạp chất có ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa và rắn chắc của xi măng như là các chất đường, dầu mỡ, các chất béo, các axit, các muối. - Không nên sử dụng nước ở các đầm lầy, ao tù và nước than bùn. - Nghiêm cấm sử dụng nước có độ PH 2,7 g/lít nước. - Nước có chứa các muối có thể sử dụng được với điều kiện ∑ muối không lớn hơn 2% khối lượng. Bài giảng VLXD-Chương 5 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 3 - Nước dùng để dưỡng hộ và chế tạo bê tông phải được phân tích thành phần hóa học. Trong lúc còn chờ đợi kết quả phân tích, người ta có thể sử dụng phương pháp thí nghiệm nhanh để so sánh kết quả. Nước sinh hoạt Nước nghi ngờ Mẫu: A B Sau 28 ngày → thí nghiệm nén, so sánh kết quả • Rb28 A = Rb28 B → nước đạt yêu cầu →thi công • Rb28 A > Rb28 B → dừng lại, chờ kết quả phân tích • Rb28 A < Rb28 B → vô lý. 3/ Cốt liệu nhỏ: d = 0,15 ÷ 5 mm Cát có các dạng sau: + Thiên nhiên: • núi • sông, chủ yếu SiO2 (hạt to: γo > 1500 Kg/m3; hạt nhỏ: γo ≤ 1300 Kg/m3) • biển: đều hạt, độ rỗng tăng. + Cát nhân tạo: xay nghiền đá tự nhiên. a/ Hàm lượng chất bNn có hại: + Không lớn hơn 3% đối với cát tự nhiên. + Không lớn hơn 5% đối với cát nhân tạo. b/ Thành phần hạt, phạm vi cho phép, độ lớn của cát: • Thành phần hạt cát: - Sử dụng bộ sàng tiêu chuNn: d = 0,14 ; 0,315 ; 0,63 ; 1,25 ; 2,5 ; 5 mm - Cân cát khô: GK = 1000 gam → tiến hành sàng - Tính: Bài giảng VLXD-Chương 5 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 4 + Lượng sót riêng biệt: (ai) 100.(%) K i i G g a = gi : khối lượng trên sàng thứ i (g) GK : khối lượng mẫu thử (g) + Lượng sót tích lũy Ai (%) Ai = a2,5 + a1,25 +…..+ ai Ai : là lượng sót được cộng dồn từ các lượng sót riêng biệt bắt đầu từ sàng 2,5 đến sàng thứ i muốn tính. • Phạm vi cho phép: thì người ta sử dụng lượng sót tích lũy quy định (%) Bảng V-3 0,14 0,315 0,63 1,25 2,5 5 90-100 70-90 35-70 15÷45 0-20 0 Sử dụng số liệu trong bảng V-3 để vẽ đồ thị biểu diễn phạm vi cho phép của cốt liệu nhỏ dùng để chế tạo bê tông. • Độ lớn của cát (Module độ lớn) Mđl Lư ợn g só t t íc h lũ y (% ) Đường kính mắt sàng(mm) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.16 0.315 0.63 1.25 2.5 5 Vùng phạm vi cho phép Hình V.1: Vùng phạm vi cho phép của đường cấp phối cat Bài giảng VLXD-Chương 5 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 5 100 14,0315,063,025,15,2 AAAAAM dl ++++ = Dựa vào Mđl mà người ta chia cát làm các loại sau: - Cát hạt lớn: Mđl > 2,5 - Cát hạt trung bình: Mđl = 2- 2,5 - Cát hạt nhỏ: Mđl = 1,5- 2 - Cát hạt rất nhỏ: Mđl = 1- 1,5 - Cho phép Mđl = 2 – 3,25 - Mđl là hư số → không thể hiện được ý nghĩa vật lý ⇒ phương pháp thứ 2: tính tỉ diện tích. - Tỉ diện tích là tổng số diện tích bề mặt của các hạt cát trong 1 gam cát. 4/ Cốt liệu lớn: d = 5-70 mm Gồm: sỏi (từ núi, sông, nhân tạo); đá dăm. a) Lượng ngậm chất bNn có hại: bụi, bùn, sét, (sét ở dạng cục vì tạo ứng suất cục bộ trong bê tông) b) Cường độ cốt liệu lớn: Yêu cầu: RC/L > Rđá xi măng và ≥ Rb c) Thành phần hạt và phạm vi cho phép: + Thành phần hạt: - Dùng bộ sàng d = 5; 10; 20; 40; 70 mm - Cân GK (∈ dclmax) - Tính: • Lượng sót riêng biệt: ai (%) • Lượng sót tích lũy: Ai (%) → giống như cát • Phạm vi cho phép Sử dụng lượng sót tích lũy quy định để vẽ đồ thị biểu diễn phạm vi cho phép của chất liệu lớn dùng để chế tạo bê tông. Bảng V-4 Bài giảng VLXD-Chương 5 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 6 Dmin 2 minmax DD + Dmax 1,25 Dmax 90-100 40-70 0-10 0 Sử dụng số liệu trong bảng V-4 để vẽ biểu đồ Chú thích: + Dmax là đường kính lớn nhất của hạt cốt liệu tương ứng với đường kính của cỡ sàng tiêu chuNn mà tại đó lượng sót tích lũy ≤ 10% + Dmin là đường kính nhỏ nhất của hạt cốt liệu tương ứng với đường kính của cỡ sàng tiêu chuNn mà tại đó lượng sót tích lũy ≥ 90% 5/ Phụ gia vô cơ nghiền nhỏ: Người ta có thể đưa vào bê tông thành phần phụ gia bê tông nghiền nhỏ. a) Phụ gia vô cơ hoạt tính: SiO2 VĐH + Ca(OH)2 = CaO.SiO2.H2O - Thiên nhiên: + Điatomit + Tro núi lửa Trầm tích + Trepen + Tuff núi lửa hữu cơ + Apokơ + Đá bọt + Opan - Nhân tạo: + Xỉ lò cao + xỉ than + Đất sét nung non (nhiệt độ = 600-700°C) Lư ợn g só t t íc h lũ y (% ) Dmin ½(Dmax+Dmin) Dmax 1.25Dmax Kích thước mắt sàng (mm) 0 20 40 60 80 100 Hình V.2: Vùng phạm vi cho phép của đường cấp phối đá Bài giảng VLXD-Chương 5 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 7 b) Phụ gia trơ: - Thiên nhiên: cát mịn hạt - Nhân tạo: bột đá
phụ gia trơ nếu đem nghiền thật mịn (85% lọt qua sàng 4900 lỗ (cm2) và được sử dụng ở nhiệt độ cao và hơi nước bão hòa thì nó sẽ cho một số hoạt tính. - Khi sử dụng hai loại phụ gia có cùng độ hoạt tính như nhau thì dùng loại có lượng nước yêu cầu nhỏ hơn. II. Các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông: A/ Các tính chất của hỗn hợp bê tông: 1) Tính dẻo của hỗn hợp bê tông 2) Các nhân tố ảnh hưởng đến tính dẻo của hỗn hợp bê tông (4 nhân tố) B/ Các tính chất của bê tông: 1) Cường độ chịu nén 2) Các nhân tố ảnh hưởng đến Rb (5 nhân tố) III. Tính toán (thiết kế) thành phần bê tông: 1/ Khái niệm: Tính toán hay thiết kế thành phần bê tông là đi tìm các nguyên vật liệu thành phần gồm: xi măng, cát, nước, đá sao cho thỏa mãn 2 điều kiện: kinh tế và kỹ thuật. Sau khi tính toán, biểu diễn kết quả dưới 2 dạng: - liều lượng các nguyên vật liệu cho 1m3 bê tông - bằng tỉ lệ theo khối lượng, lấy xi măng làm đơn vị. 2/ Các điều kiện cần biết trước: - Cho biết Rby/c , SNy/c - Điều kiện làm việc của công trình - Điều kiện thi công (tay, máy), nắng, mưa - Các tính chất nguyên vật liệu 3/ Các phương pháp tính toán: a. Phương pháp tra bảng: thường được dùng - Lập dự án - Dùng sửa chữa nhỏ b. Phương pháp thực nghiệm hoàn toàn: sử dụng khi - Lượng bê tông > 5000 m3 Bài giảng VLXD-Chương 5 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 8 - Công trình đặc biệt quan trọng c. Phương pháp tính toán kết hợp thực nghiệm: G.S Bolomey- Skramtaev (Phương pháp tính theo thể tích tuyệt đối) Là tổng số thể tích tuyệt đối của các nguyên vật liệu thành phần trong 1 m3 bê tông sau khi đã dần chặt = 1000 dm3 - Người ta sử dụng lý thuyết tính toán kết hợp với một số bảng biểu đã lập sẳn. - Kiểm tra bằng thực nghiệm α/ Tính toán sơ bộ liều lượng nguyên vật liệu dùng trong 1 m3 bê tông: Bước 1: Tính toán liều lượng xi măng cho 1 m3 bê tông: Sử dụng công thức của GS Bolomey – Skramtaev )(. b N XRAR xb ±= • Đối với bê tông nặng, thường Rb < 500: )(. b N XRAR xb −= (1) + Rx: mác xi măng (dẻo, cứng) + b= 0,5 + X/N: tỉ số Xi măng/Nước. Điều kiện sử dụng công thức (1): - 5,24,1 ÷= N X hay 7,04,0 ÷= N X - tất cả các yêu cầu của nguyên vật liệu phải thỏa mãn yêu cầu quy phạm + A: hằng số, phụ thuộc vào chất lượng cốt liệu (lớn, nhỏ/ tốt, trung bình, kém) và phương pháp xác định mác xi măng (dẻo, cứng) Bài giảng VLXD-Chương 5 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 9 Bảng V.5 Đặc trưng chất lượng cốt liệu Phương pháp xác định mác xi măng A A1 Cứng Dẻo Cứng Dẻo - Chất lượng tốt - Chất lượng trung bình - Chất lượng kém 0,50 0,45 0,40 0,65 0,6 0,55 0,33 0,30 0,27 0,43 0,40 0,37 Công thức số 1 được biểu thị dưới dạng chùm đường thẳng. • Đối với bê tông mác cao, Rb ≥ 500 )(.1 bN XRAR xb += (2) + )4,0(5,35,2 ≤÷= X N N X + Tất cả các nguyên vật liệu phải thỏa mãn yêu cầu quy phạm. Liều lượng xi măng được xác định bằng công thức: N N XX ×= (3) 1.4 600 500 400 300 200 100 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 X/N Rb(kgf/cm2) Rx = 600 Rx = 500 Rx = 400 Rx = 300 Bài giảng VLXD-Chương 5 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 10 + N là lượng nước cần thiết cho một m3 N ∈ Dmax cốt liệu, loại cốt liệu (đá dăm, sỏi); độ dẻo SN (cm) Bảng lượng nước cho một m3 bê tông, cốt liệu lớn là sỏi. Bảng V-6 Đặc trưng của hỗn Dmax hợp bê tông Sỏi Đá dăm SN (cm) ĐC (gy) 10 20 40 70 10 20 40 70 9 - 12 - 215 200 185 170 230 215 200 185 6 - 8 - 205 190 175 160 220 205 190 175 3 - 5 - 195 180 165 150 210 195 180 165 1 - 2 - 185 170 155 140 200 185 170 155 - 30 - 50 167 160 150 - 175 170 160 - - 60 - 80 155 150 140 - 165 160 150 - - 90 - 120 145 140 135 - 160 155 140 - - 150 - 200 135 130 128 - 150 145 135 - Chú thích: Bảng V-6 được thành lập với điều kiện: - Xi Măng Portland - Cát cỡ hạt trung bình Khi ra công trường, tất cả các nguyên liệu khác điều kiện trên: + Khi sử dụng đá dăm: N tăng thêm 10 lít/m3 + Khi sử dụng Xi Măng Portland puzzolan thì N tăng 15-20 lít/m3 bê tông. Bước 2: Tính toán liều lượng cốt liệu lớn Theo lý thuyết tính toán 1000=+++ Da C a N a X a VVVV 1000=+++ D a C a X a DCNX γγγ (4) Trong quá trình nhào trộn thì vữa xi măng (X+N+C) có tác dụng lấp đầy các lỗ hổng của đá và bôi trơn xung quanh các cốt liệu và làm cho hỗn hợp có độ lưu động. Phương trình: Bài giảng VLXD-Chương 5 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 11 α γγγ ××=++ DD o C a X a r DCNX (5) Giải hệ 2 phương trình (4) và (5) => D a D o Dr D γγ α 1. 1000 + = (kg) (6) + rD : độ rỗng của đá (%); 100).1( D a D oDr γ γ −= + α: hệ số tăng sản lượng của vữa xi măng α phụ thuộc: - Liều lượng xi măng đã tính toán cho 1 m3 bê tông - Loại bê tông (bê tông đá dăm, bê tông sỏi) - Độ lớn của cát. Bảng V.7 bảng tra hệ số α Lượng xi măng cho 1m3 bê tông (Kg) Loại bê tông Đá dăm Bê tông sỏi 250 300 350 400 1,30 1,36 1,42 1,47 1,34 1,42 1,48 1,52 Đối với hỗn hợp bê tông cứng thì α = 1,05 – 1,1 γoD; γaD - g/cm3, kg/dm3, T/m3 Bước 3: Tính toán liều lượng cát (C) cho 1 m3 bê tông: C aD a X a NDXC γ γγ            ++−= 1000 (7) (kg) γaX; γaD; γaC - g/cm3, kg/dm3, T/m3 Sau khi đã tính toán xong liều lượng các nguyên vật liệu thì người ta có thể biểu diễn dưới 2 dạng: Bài giảng VLXD-Chương 5 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 12 - Liều lượng các nguyên vật liệu: + X = … (kg) + C = … (kg) + Đ = … (kg) + N = … (lít) - Biểu diễn bằng tỷ lệ khối lượng các nguyên vật liệu và lấy X = 1 Ví dụ: X/X: N/X: C/X: Đ/X : lượng xi măng = …kg 1 : 0,51: 2,19: 4,15 – lượng xi măng= 350 kg Tất cả nguyên vật liệu được tính toán ở trên đều ở trạng thái khô. Nhưng khi ra cơng trường, cát và đá bị Nm, do vậy người ta xác định độ Nm của cát và đá. Từ đó, người ta tính toán lại thành phần bê tông để thi công. - Độ Nm của cát WC = % ? - Độ Nm của đá WĐ = % ? * Trạng thái Nm: - Liều lượng cát cho 1 m3 bê tông – Nm CW = C (1+ WC) - Liều lượng đá cho 1 m3 bê tông – Nm ĐW = Đ (1+ WĐ) - Liều lượng Nttế Nttế = N – (C. WC + Đ. WĐ) β/ Tính hệ số sản lượng β của hỗn hợp bê tông: Trong thực tế, khi nhào trộn hỗn hợp bê tông thì nguyên vật liệu được sử dụng trong trạng thái tự nhiên VoX, VoC, VoĐ. Trong quá trình nhào trộn thì xi măng lấp đầy các lỗ hỗng cát, và các hạt cát lấp đầy các lỗ hỗng của đá. Cho nên, sau khi nhào trộn xong thì Vbê tông bao giờ cũng nhỏ hơn Vtự nhiên của hỗn hợp nguyên vật liệu. Cho nên, ta có bất đẳng thức: Vb < VoX + VoC + VoĐ Để cân bằng bất đẳng thức, ta đưa vào hệ số β : Vb = β (VoX + VoC + VoĐ) D o C o X o b VVV V ++ =⇒ β D o C o X o DCX γγγ β ++ = 1000 X, C, Đ ở trạng thái khô γoX ; γoC ; γoD; - g/cm3, kg/dm3, T/m3 - Ý nghĩa β: + β: là một chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. Bài giảng VLXD-Chương 5 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu 13 + Nếu β càng lớn, thì càng kinh tế + Đối với hỗn hợp bê tông dẻo thì β = 0,6 – 0,7 - Ứng dụng β: để tính toán liều lượng các nguyên vật liệu dùng trong một mẻ của máy trộn có dung tích V máy trộn xác định. Sử dụng nhóm công thức sau để tính toán: * Liều lượng của xi măng: . . 1000m VX Xβ= (kg) . . 1000m VN Nβ= (lít) . . 1000 VCm Cβ= (kg) . . 1000m VD Dβ= (kg) o V: dung tích thiết kế của máy trộn (lít) o XV, NV, CV, ĐV – lượng XM, N, C, Đ được tính toán trong 1 mẻ của máy trộn có dung tích thiết kế V. o N,C, Đ: lượng nước, C, Đ trong trạng thái khô và trạng thái Nm. V. Thi công bê tông: (sinh viên tự nghiên cứu) Quy trình thi công bê tông gồm các bước sau đây: 1/ Nhào trộn và vận chuyển hỗn hợp bê tông 2/ Đổ khuôn và đầm nện 3/ Dưỡng hộ bê tông 4/ Kiểm tra chất lượng bê tông: + Nguyên vật liệu đầu vào + Kiểm tra bê tông tại hiện trường + Hoàn thiện * Tính toán cường độ bê tông: ngoài phương pháp Bolomey-Skramtaev.Mối quan hệ chặt chẽ giữa Rx và N/X được biểu thị bằng: Rb = f(Rx, N/X) Từ đó, GS. Beliaev đưa ra công thức (kinh nghiệm) để tính cường độ bê tông α       = X NK RR xb Kgf/cm 2 Trong đó: + Rx : mác xi măng (kg/cm2) + N/X: tỷ số Nước/Xi măng + α : hằng số (α = 1,5) + K: hằng số phụ thuộc vào loại cốt liệu lớn K = 3,5 đối với đá dăm K = 4 đối với sỏi