1. Mở đầu
Dân số thế giới ngày càng phát triển với xu thế toàn cầu hóa, do đó lĩnh vực xây dựng với các công trình cho nhu cầu nhà ở, văn phòng thương mại và dịch vụ ngày càng tăng. Nhà siêu cao tầng (định nghĩa của CTBUH có chiều cao trên 300m) là phương án tối ưu để xây dựng các ngôi nhà với những chức năng đa dạng đó để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của xây dựng dân dụng. Xây dựng nhà siêu cao tầng còn liên quan đến các siêu đô thị phát triển với các đẳng cáp về kiến trúc – xây dựng, trong đó đáp ứng cả lợi ích của nhà đầu tư và cả nguyên nhân liên quan đến giá trị quá cao của đất xây dựng.
Bê tông và vật liệu cơ bản cho kết cấu nhà siêu cao tầng. Bê tông phải đạt được các yêu cầu rất nghiêm ngặt về kỹ thuật và công nghệ như là cường độ cao, tính công tác tốt… Như vậy, chỉ loại bê tông chất lượng cao có thể đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu cao về các tính chất đặc biệt đó.
Trên thế giới loại bê tông chất lượng cao đã được sử dụng rộng rãi từ những năm 90 của thế kỷ trước. Ngày nay, nhu cầu về loại bê tông này ngày một tăng do nhu cầu phát triển các công trình hiện đại. Khi dùng bê tông chất lượng cao làm kết cấu chịu lực cho các công trình nhà cao tầng có nhiều ưu điểm như: Tuổi thọ công trình cao, đẩy nhanh tốc độ thi công. Đặc biệt, sử dụng bê tông chất lượng cao giảm được tải trọng tĩnh, giảm lượng dùng vật liệu và đạt hiệu quả cả về kinh tế và kỹ thuật.
Ở nước ta trong những năm gần đây, việc nghiên cứu ứng dụng bên tông chất lượng cao được quan tâm nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xây dựng cơ bản. Tuy nhiên, với số lượng nghiên cứu còn ít nhất là từ nguyên vật liệu thực tế của Việt Nam. Đặc biệt, ứng dụng triển khai các kết quả nghiên cứu còn nhiều hạn chế, cũng như nhiều vấn đề vẫn chưa được giải quyest một cách cụ thể, triệt để, hiệu quả sử dụng chưa cao. Để đáp ứng sự phát triển của ngành xây dựng việc nghiên cứu chế tạo và sử dụng bê tông chất lượng cao dùng cho các công trình nhà siêu cao tầng là một đòi hỏi cần thiết và cấp bách.
Bài viết này đưa ra nội dung về chế tạo được loại bê tông có cường độ cao (60Mpa) và độ chảy lớn (từ 600mmm)
2. Nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông chất lượng cao
2.1. Vật liệu sử dụng
Xi măng
Xi măng sử dụng trong nghiên cứu là xi măng Bút Sơn PC40. Có cường độ 28 ngày đạt 48 Mpa, các tính chất khác đạt tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2682:2009
Cốt liệu nhỏ
Đề tài sử dụng cốt liệu nhỏ là cát vàng Việt Trì. Đây là loại cát có mô đun độ lớn 3,1, các tính chất khác đạt tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 của cốt liệu dùng cho bê tông và vữa xây dựng
Cốt liệu lớn
Cốt liệu lớn được sử dụng là đá dăm Hòa Bình có Dmax = 10mm, có mác theo cường độ chịu nén là đạt 120Mpa. Các tính chất của đá đạt yêu cầu TCVN 7570:2006
Phụ gia hóa dẻo
Glenium ACE 388 SureTec là phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylic ether (PCE) cải tiến. Sản phẩm này là phụ gia loại F theo tiêu chuẩn ASTM C494 của Mỹ. Màu nâu đậm. 1,1g/cm3, độ pH: 6,0 ÷7,5.
Tro bay
Đề tài sử dụng loại tro bay nhiệt điện Phả Lại có khối lượng thể tích 950kg/m3, Khối lượng riêng 2,25g/cm3, độ mịn 8619 cm2/g, độ hoạt tính 85%. Tro bay có các tính chất đặc trưng thỏa mãn theo tiêu chuẩn TCVN-311:2004
2.2. Thiết kế thành phần bê tông chất lượng cao
Thiết kế sơ bộ
Bê tông thuộc loại chất lượng cao, nó có cường độ cao và độ chảy lớn, do đó thành phần sơ bộ của loại bê tông này được xác định theo nguyên tắc về bê tông tự lèn dựa theo phương pháp của Hiệp hội Bê tông Nhật Bản kết quả như bảng 1 (trong đó chất kết dính có xi măng và tro bay được lấy bằng 20% khối lượng của nó).
Vật liệu | Nguồn cung cấp | Hàm lượng. kg/m3 |
Xi măng | PC40 Bút Sơn | 489 |
Cát vàng | Việt Trì, Vĩnh Phú | 813 |
Đá dăm Dmax=10 mm | Hòa Bình | 774 |
Tro bay | Phả Lại | 98 |
Nước sạch | Hà Nội | 170 |
Thiết kế tối ưu
Từ cấp phối sơ bộ (bảng 1) đa xtieesn hành thử trong điều kiện thực tế của vật liệu ở Việt Nam. Sau đó, đã lựa chọn cấp phối tốt nhất khi dùng quy hoạch thực nghiệm với phương pháp tâm xoay 2 biến X1 (tỷ lệ nước, chất kết dính-N/CKD) và X2 (tỷ lệ cát, cốt liệu-V/CL) và hàm mục tiêu là Độ chảy loang (Z) và cường độ nén (Y). Từ kết quả thí nghiệm, dùng phương pháp xử lý số liệu để tìm ra cấp phối tốt nhất đạt được cả yêu cầu về tính công tác và cường độ.
3. Kết quả và bình luận
3.1. Cấp phối bê tông
Do dùng phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu với kế hoạch tâm xoay nên số thí nghiệm là: N=2k+2k+m, trong đó: k là số nhân tố = 2, m là số điểm lặp tại tâm kế hoach. M=5, nên thí nghiệm cần tiến hành là 13. Kết quả thí nghiệm ở bảng 2.
Bảng 2: Kết quả thí nghiệm
No | X1 | X2 | Z (mm) | Y (Mpa) |
1 | + | + | 665 | 58.2 |
2 | - | + | 630 | 61 |
3 | + | - | 650 | 59.5 |
4 | - | - | 625 | 61.5 |
5 | +a | 0 | 660 | 57.4 |
6 | -a | 0 | 605 | 64 |
7 | 0 | +a | 680 | 60.2 |
8 | 0 | -a | 640 | 63.2 |
9 | 0 | 0 | 680 | 63.2 |
10 | 0 | 0 | 670 | 62.7 |
11 | 0 | 0 | 680 | 63 |
12 | 0 | 0 | 680 | 61.9 |
13 | 0 | 0 | 670 | 62.3 |
Sau khi xử lý kết quả thí nghiệm phương trình biểu diễn về cường độ là: Y=62.62 - 1.767 X1 -0.755 X2 - 1.248X12 - 0.747 X22
Phương trình biểu diễn về độ chảy loang: Z= 676 + 17.22 X1 + 9.57 X2 - 22.693 X12 - 8.932 X22
Giá trị cực đại của các phương trình trên:
Ymax=63.439. {X2 = - 0.5067. X1 = - 0.708} hay {C/CL=0.51. N/B = 0.266}
Zmax = 685.91. {X2 = 0.6914. X1 = 0.3769} hay {C/CL = 0.524. N/B = 0.278}
Nhận xét: Các hàm mục tiêu trên đều có cực trị trong miền khảo sát. Tuy chúng không đạt cwch trị ở cùng một giá trị biến số nwhng khá gần nhau. Từ các phân tích ảnh hưởng của các biến số đến hàm mục tiêu trên đề tài kiến nghị nên sử dụng cấp phối bê tông sau như bảng 3
Bảng 3: Cấp phối bê tông
Biến thực | Cấp phối |
N/CLD | C/CL | XM(kg/m3) | TB kg/m3) | C kg/m3) | Đ(kg/m3) | N (l/m3) | SD(l/m3) |
0.266 | 0.510 | 533 | 107 | 813 | 781 | 170 | 6.4 |
3.2. Tính chất của bê tông chất lượng cao
Để nghiên cứu các tính chất của bê tông chất lượng cao dùng trong xây dựng nhà siêu cao tầng, đã tiến hành nghiên cứu các tính chất của 2 loại bê tông: Một loại có cấp phối tối ưu đã tìm được ở bảng 3, ký hiệu mẫu M1 và một loại bê tông chất lượng cao thông thường (có cấp phối tương tự nhưng không dùng tro bay) số liệu ở bảng 4, ký hiệu mẫu M2. Các mẫu thí nghiệm được chế tạo để xác định tính chất của hỗn hợp bê tông, cường độ, mô đun đàn hồi và khả năng thấm ion clo. Kết quả thí nghiệm đưa ra ở bảng 5 và 6.
Bảng 4:Cấp phối bê tông chất lượng cao
Mẫu TN | XM(kg/m3) | TB(kg/m3) | C (kg/m3) | Đ(kg/m3) | N (l/m3) | SD(l/m3) |
M1 | 533 | 107 | 813 | 781 | 170 | 6.4 |
M2 | 673 | - | 806 | 774 | 179 | 6.7 |
Bảng 5: Tính chất của hỗn hợp bê tông
STT | Tính chất | Cấp phối thí nghiệm |
M1 | M2 |
1 | Độ chảy loang, mm | 650 | 700 |
2 | T50, s | 4 | 2 |
3 | Phễu V, s | 7 | 7 |
4 | Hộp L, % | 85 | 90 |
5 | Phân tầng, % | 3,6 | 8,5 |
|
Bảng 6: Tính chất của bê tông
STT | Tính chất | Cấp phối thí nghiệm |
M-1 | M-2 |
1 | Cường độ nén, Mpa | | |
| Tuổi 3 ngày | 36.8 | 53.6 |
| Tuổi 7 ngày | 54.2 | 71.4 |
| Tuổi 28 ngày | 69.4 | 78.8 |
2 | Cường độ uốn, Mpa | 7,8 | 7,9 |
3 | Mô đun đàn bồi (104Mpa) | 4,91 | 5,21 |
4 | Thấm ion clo | 570 | 680 |
5 | Co ngót | -205 | -330 |
Từ kết quả thí nghiệm về hỗn hợp bê tông cho thấy cả 2 loại bê tông đều đạt các chỉ tiêu về bê tông tự lèn đó là: khả năng điền đầy, khả năng vượt qua cốt thép cũng như khả năng chống lại sự phân tầng.
Độ chảy chỉ tiêu quan trọng đầu tiên để đánh giá tính chất của hỗn hợp bê tông tự lèn, nó đánh giá được khả năng điền đầy khi không cần tác dụng đầm lèn. Trong thí nghiệm, mẫu bê tông sử dụng tro bay có độ chảy loang thấp hơn, điều này cũng phù hợp khi T50 của loại bê tông này cũng lớn hơn. Như vậy, nếu chỉ xét về tính dẻo thì bê tông không sử dụng tro bay lớn hơn và khả năng điền đầy tốt hơn. Tuy nhiên, với loại bê tông càng dẻo, khả năng bị phân tầng càng cao hơn, kết quả thí nghiệm về khả năng phân tầng cũng phù hợp khi mẫu thí nghiệm về khả năng phân tầng cũng phù hợp khi maaxi thí nghiệm có tro bay thấp hơn nhiều so với mẫu thông thường (3,6% so với 8,5%)
Thí nghiệm xác định độ nhớt của hỗn hợp bê tông bằng thiết bị phễu chữ V. Trong thí nghiệm này 2 loại mẫu bê tông có thời gian chảy hết một khối lượng bê tông trong phễu chữ V là tương đương nhau, có nghĩa độ nhớt tương đương nhau. Theo suy luận thông thường độ nhớt của loại bê tông không sử dụng tro bay thấp hơn vì nó dẻo hơn dễ phân tầng hơn. Tuy nhiên, thực tế với loại bê tông này là phù hợp, do với tỷ lệ N/X khá thấp nên khả năng liên kết trong hồ xi măng là rất cao, lớn hơn nhiều so với hệ này khi dùng thêm tro bay, chính vì vậy, khả năng bám dính của nó với thành khuôn rất lớn. Điều này cũng thấy rõ ràng công nghệ chế tạo loại bê tông không có tro bay, việc nhào trộn rất khó khăn đặc biệt với các loại máy trộn tự do.
Như vậy: Theo kết quả thí nghiệm loại bê tông không sử dụng tro bay có độ dẻo cao hơn (khả năng điền đầy tốt hơn), khả năng chống phân tầng kém hơn và độ nhớt tương đương với loại bê tông dùng 20% tro bay. Nhưng với công nghệ thực tế loại bê tông sử dụng tro bay dễ tạo hình hơn rất nhiều đặc biệt là ở công đoạn nhào trộn.
Từ kết quả thí nghiệm cho thấy các loại bê tông đề nghị có cường độ nén đều đạt trên 60Mpa. Trong đó loại bê tông không dùng tro bay có cường độ nén cao hơn loại dùng 20% tro bay với giá trị không lớn lắm (khoảng 13,5). Điều này cũng phù hợp khi mô đun đàn hồi của loại bê tông này cao hơn so với loại sử dụng tro bay khoảng 6,1%. Quy luật này cũng đúng với cường độ uốn nhưng giá trị bé hơn nhiều với việc dùng đến 20% tro bay cường độ uốn chỉ giảm trên 1%. Loại bê tông dùng tro bay, mặc dù các tính chất cơ học có giảm đi chút ít nhưng có độ ổn định tốt hơn, độ co ngót bé hơn so với bê tông chất lượng cao thông thường.
Như vậy, với loại bê tông tự lèn có hàm lượng xi măng cao thì việc thay thế một phần chúng bằng tro bay cho cấu trúc của bê tông ổn định và tốt hơn. Điều này cũng phù hợp với thí nghiệm thấm ion clo vì cả 2 loại mẫu đều thuộc loại có cấu trúc đặc cao, thấm rất bé, tuy nhiên do có cấu trúc đặc chắc hơn nên loại bê tông dùng tro bay có khả năng thấm ion clo thấp hơn trên 16% so với mẫu thông thường
4. Kết luận
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông chất lượng cao sử dụng cho nhà cao tầng ở Việt nam, rút ra những kết luận sau:
+ Từ những vật liệu thông thường sẵn có ở trong nước trong đó cốt liệu có nguofongoocs từ Hà Tĩnh, có thể chế tạo được bê tông chất lượng cao với các tiêu chí cơ bản (cường độ > 60Mpa, độ chảy >600mm, có độ đặc cao nên khả năng thấm ion Cl – rất nhỏ). Bê tông này có các tính chất cơ bản thuộc loại bê tông tự lèn, cường độ cao.
+ Việc sử dụng phụ gia siêu dẻo là bắt buộc để cải thiện tính công tác và cường độ cho bê tông.
+ Việc sử dụng phụ gia tro bay có thể giảm khả năng chịu lực của bê tông đi chút ít, nhưng cải thiện về cấu trúc cũng như các tính chất khác của bê tông mang lại lợi ích về kinh tế, kỹ thuật và môi trường phù hợp với phát triển xây dựng bền vững.
(Nguồn: Tạp chí Vật liệu Xây dựng, Số 10/2019)