Nghiên cứu sử dụng vật liệu địa phương để chế tạo bê tông cường độ cao dùng trong xây dựng cầu hầm cho vùng đồng bằng Sông Cửu Long

Để phát triển giao thông cần thiết phải xây dựng các công trình cầu hầm. Đây là những công trình đòi hỏi có khả năng chịu lực cao, khả năng chống thấm, chịu mài mòn tốt. Do đó, để xây dựng cầu hầm thường yêu cầu bê tông có cường độ cao. Loại bê tông này có yêu cầu chất lượng nguyên vật liệu và phương pháp thi công chặt chẽ hơn nhiều so với bê tông thường. Bài viết này nghiên cứu khả năng sử dụng cốt liệu thô ở vùng Long An và lân cận để chế tạo bê tông cường độ cao dùng trong xây dựng các công trình giao thông.

1. Mở đầu

Với sự hình thành phát triển như vũ bão của các khu đô thị và các khu dân cư như hiện nay thì yêu cầu hạ tầng đã không theo kịp nên đã dẫn đến tình trạng ách tắc giao thông. Từ đó nhu cầu đầu tư xây dựng các đường vành đai, xuyên tâm, hướng tâm cần ưu tiên đầu tư xây dựng.

Trên những điều kiện xây dựng của một công trình như đảm bảo lưu thông của dòng phương tiện trên cầu, các điều kiện về vận hành khai thác, xét đến sự phát triển cơ sở hạ tầng, cũng như hàng loạt các nhu cầu khác của cộng đồng dân cư. Nhìn chung, khi thiết kế và xây dựng công trình thì yêu cầu cơ bản thường đề cập tới đó là: yêu cầu về xây dựng và khai thác, yêu cầu về tính toán thiết kế công trình, yêu cầu về kỹ thuật và tiến độ thi công, yêu cầu về kinh tế, yêu cầu về chất lượng, yêu cầu về kiến trúc, yêu cầu về vị trí công trình. Trong những năm gần đây do nhu cầu cấp bách của việc giải quyết ách tắc giao thông, nên hàng loạt các công trình cầu vượt qua các nút giao, vượt sông đã được quan tâm đầu tư hàng đầu để tạo ra hàng nhiều hướng lưu thông tránh ùn tắc giao thông từ đó cũng tạo được phương hướng thu hút đầu tư phát triển kinh tế, dịch vụ, thương mại…

Trong các yêu cầu trên thì yêu cầu về chất lượng và giá thành được đặc biệt quan tâm trong việc đầu tư xây dựng công trình cầu đường, trong đó công trình cầu là chủ yếu vì nó chiếm khối lượng bê tông rất lớn. Trong thành phần của bê tông thì chủ yếu là xi măng, cát (cốt liệu nhỏ), đá dăm (cốt liệu thô), nước… trong đó đá dăm chiếm tỷ lệ rất lớn trong bê tông và là bộ khung chịu lực của bê tông. Mặt khác, để thiết kế bê tông cường độ cao đá cũng có những yêu cầu riêng khác về việc sử dụng nó cho bê tông thông thường. Do đó, cần nghiên cứu sử dụng đá dăm địa phương để chế tạo bê tông cường độ cao nhằm tạo nguồn vật liệu phong phú, rẻ tiền, sẵn có bên cạnh đó an tâm hơn trong việc xây dựng không lo sợ thiếu hụt nguồn vật liệu và quản lý chất lượng cho các dự án cầu đường của tỉnh có ý nghĩa thiết thực.

Việc sử dụng HSC không những giải quyết được nhiều vấn đề về kỹ thuật mà còn cho phép tạo ra các sản phẩm có tính kinh tế hơn do loại bê tông này có các ưu điểm như sau:

- Giảm kích thước cấu kiện, kết quả là tăng không gian làm việc mà vẫn giảm được khối lượng bê tông sử dụng, qua đó rút ngắn thời gian thi công.

- Giảm khối lượng bản thân và các tĩnh tải phụ thêm, từ đó giảm được kích thước móng.

- Tăng chiều dài nhịp và giảm số lượng dầm với cùng yêu cầu chịu tải

- Giảm chiều dày bản, giảm chiều cao dầm.

- Tăng tuổi thọ của sản phẩm.

Do đó, sử dụng HSC sử dụng cốt liệu thô ở địa phương thỏa mãn nhu cầu phát triển xây dựng ở đồng bằng sông Cửu Long cũng là yêu cầu tổng hợp của phát triển bền vững xu thế phát triển tất yếu của xây dựng hiện nay.

2. Thiết kế thành phần bê tông

2.1. Vật liệu sử dụng

Xi măng

Xi măng sử dụng trong đề tài là xi măng PC40. Có cường độ 46 Mpa và các tính chất kỹ thuật của xi măng đạt yêu cầu kỹ thuật dùng trong xây dựng theo tiêu chuẩn TCVN 2682-2009.

Cốt liệu nhỏ

Cát vàng có mô đun độ lớn 2,58 và các tính chất đạt yêu cầu kỹ thuật của cát dùng cho bê tông theo TCVN 7570:2006

Cốt liệu lớn

Cốt liệu lớn được sử dụng là đá dăm có Dmax 20mm, cường độ trên 120 Mpa các tính chất đạt yêu cầu kỹ thuật của đá dùng cho bê tông theo TCVN 7570:2006

Phụ gia hóa dẻo

Phụ gia siêu dẻo: Gốc polycarboxylic ether (PCE) cải tiến

Màu sắc: Màu nâu đậm

Tỉ trọng: 1,1 g/cm³.

Độ pH: 6,0  ÷ 7,5

Nước

Nước sử dụng là nước sạch đạt tiêu chuẩn nước trộn bê tông và vữa theo TCVN 4506:2012

2.2. Thiết kế bê tông cường độ cao

Cấp phối sơ bộ

Bê tông cường độ cao có độ sụt 14-18mm, cường độ 60 Mpa, sử dụng cốt liệu là đá dăm có Dmax 20mm được thiết kế thành phần theo ACI 211.4R-08 và được hiệu chỉnh lại cho phù hợp với điều kiện vật liệu nghiên cứu từ đó tìm được cấp phối sơ bộ như bảng 2.1

(Bảng 2.1: Các vật liệu thành phần của cấp phối sơ bộ)

Nhận xét: Từ kết quả thí nghiệm tìm dùng tỷ lệ C/CL=0,33 và N/CLD=0,29

Cấp phối tối ưu

Để tìm cấp phối tối ưu của hỗn hợp bê tông ta tiến hành quy hoạch thực nghiệm, ở đây ta dùng kế hoạch bậc hai tâm xoay. Trong đó điểm thí nghiệm gốc lấy theo thiết kế sơ bộ cát/cốt liệu 0,33 và nước/xi măng 0,29 kế hoạch thí nghiệm như bảng 2.2

(Bảng 2.2: Kế hoạch thí nghiệm bậc 2)

Kết quả thực nghiệm có trong các Bảng 2.3

(Bảng 2.3: Kết quả thí nghiệm theo quy hoạch bậc 2)

 Sử dụng phần mềm Excel, và kiểm tra bằng phần mềm Design-Expert V7.0, phần mềm Mathematica 9.0 ta tìm được phương trình hồi quy rút gọn của kế hoạch bậc hai tâm xoay có dạng rút gọn như sau:

Y=711.4-10.94X1-13.78X12-7.86X22

Từ phương trình hồi quy ta về được bề mặt biểu hiện và các đường đồng mức thể hiện sự ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD và tỷ lệ C/CL đến cường độ nén của bê tông cường độ siêu cao.

Từ đó được giá trị cực đại của phương trình hồi quy bậc hai tương ứng với cấp phối thực ở bảng 2.4

(Bảng 2.4: Cấp phối tối ưu của 1m3 bê tông)

3. Kết quả và bình luận

Từ cấp phối tối ưu đã tìm được ở trên đã tiến hành thí nghiệm với 3 loại cốt liệu lớn đang nghiên cứu để sử dụng ở Long An: Đá Núi Nhỏ, Đá Tân Cang 1 và Đá Tân Cang 5 kết quả thí nghiệm được đưa ra ở bảng 3.1.

(Bảng 3.1: Tính chất của bê tông cường độ cao)

Từ kết quả thí nghiệm cho thấy các loại bê tông (với 3 loại cốt liệu lớn ở địa phương có Dmax=20mm) sử dụng đồng thời cả phụ gia siêu dẻo có cường độ nén đều đạt trên 60Mpa. Như vậy với cốt liệu lớn có đường kính lớn nhất 20mm và cường độ nén lớn hơn 120 Mpa có cấp phối được tính toán theo cấp phối tối ưu cũng gần tương tự như bê tông cường độ cao sử dụng vật liệu theo yêu cầu của tiêu chuẩn ACI 363.

Bê tông cường độ cao sử dụng 3 loại đá: Núi nhỏ, Tân Cang 1 và Tân Cang 5 có sự chênh lệch về cường độ không đáng kể (<3%)

Các loại bê tông được thiết kế có sụt lớn khoảng 16-17cm (thuộc loại D4 theo TCVN9340:2012) phù hợp với thi công theo phương pháp bơm (loại thi công phổ biến hiện nay).

Các loại bê tông được thiết kế có cường độ 3 ngày đạt trên 40 Mpa rất phù hợp với thi công cầu theo phương pháp đúc hẫng.

Các loại bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu lớn ở địa phương vùng lân cận Long An có cường độ uốn >8Mpa, mô đun đàn hồi >40Gpa sử dụng phù hợp cho các kết cấu chịu lực của các công trình cầu, hầm.

Bê tông cường độ cao có khả năng chị mài mòn lớn (độ mài mòn <0.4g/cm²) và tính thấm ion clo <1000 cu lông rất phù hợp dùng làm lớp bảo vệ kết cấu ngoài của công trình cầu, hầm.

4. Kết luận

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông chất lượng cao sử dụng cốt liệu lớn ở địa phương, rút ra những kết luận sau:

+ Từ cốt liệu lớn và những vật liệu thông thường sẵn có ở Long An, có thể chế tạo được bê tông cường độ cao với các tiêu chí: cơ bản cường độ nén cao, độ sụt lớn. Đây là loại bê tông chất lượng có thể sử dụng cho các kết cấu chịu lực của các công trình cầu, hầm hoặc các công trình đặc biệt khác.

+ Bê tông cường độ cao có cường độ uốn, mô đun đàn hồi lớn hơn bê tông bình thường khoảng 30-35% rất phù hợp để chế tạo bê tông cốt thép ứng suất trước.

+ Bê tông cường độ cao từ vật liệu sẵn có ở Long An có độ mài mòn nhỏ, độ đặc cao nên khả năng thấm ion Clo – rất nhỏ rất phù hợp dùng làm kết cấu bảo vệ hay tiếp xúc trực tiếp với môi trường chịu xói mòn, ăn mòn.