Nghiên Cứu Thiết Kế Cấp Phối Bê Tông Tự Lèn SCC

Oct 25, 2022

TKT Company

? Cập nhật Bài Viết “Thiết Kế Cấp Phối Bê Tông Tự Lèn” lần cuối ngày 25 tháng 10 năm 2022 tại Địa Điểm công ty TKT Company

Trong bài viết trước đây chúng ta đã tìm hiểu về bê tông tự lèn SCC là gì và các đặc tính của loại bê tông này. Ở bài viết này chúng ta đi sâu tìm hiểu nghiên cứu thiết kế cấp phối bê tông tự lèn.

Hình ảnh: Nghiên cứu thiết kế cấp phối bê tông tự lèn

Nội dung (Contents)

1. Thiết kế cấp phối bê tông tự lèn cần hiểu gì?

1.1. Định nghĩa bê tông tự lèn

Hỗn hợp bê tông tự lèn (tiếng anh là SCC – SCC Self-compacting concrete, hoặc tiếng việt viết tắt là BTTL Bê – Tông – Tự – Lèn) là hỗn hợp bê tông (BT) có độ lưu động cao, nhưng không bị phân tầng, tách lớp giữa cốt liệu và hồ xi măng. Loại BT này sử dụng thi công cho các cấu kiện BT có bố trí cốt thép dày đặc.

Đối với hỗn hợp BTTL dùng để bơm cho các công trình siêu cao tầng (chiều cao công trình trên 300m), ngoài các thông số kỹ thuật về tính dẻo, thì hỗn hợp BT cần phải đáp ứng được những yêu cầu về chống lại sự phân tầng, tách nước bê tông dưới áp lực cao.

Hơn nữa, chiều cao công trình lớn làm cho hỗn hợp BT bị giữ lại khá lâu trong đường ống, lực ma sát giữa hỗn hợp BT với thành ống lớn cùng với ảnh hưởng của nhiệt độ từ môi trường xung quanh làm cho hỗn hợp BT dễ bị đóng rắn và gây tắc nghẽn đường ống.

Do đó, sự liên tục trong cấp phối hạt của hỗn hợp BTTL giúp cho tổng lực liên kết phân tử giữa các hạt lớn, làm cho hỗn hợp BTTL có độ ổn định cao dưới áp lực bơm lớn so với hỗn hợp BT thông thường có cùng độ chảy.

Đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL là một tính chất đặc biệt quan trọng để hỗn hợp BTTL giữ được tính đồng nhất và tính công tác tốt, không bị phân tầng, chảy vữa trong quá trình thi công. Hai thông số đặc trưng cho tính lưu biến của hỗn hợp BT là ứng suất chảy và độ nhớt dẻo được xác định bằng lưu biến kế để nghiên cứu mở rộng về tính dẻo của hỗn hợp BTTL. Từ đó, thiết kế lựa chọn hợp lý hỗn hợp BTTL dùng để bơm thẳng đứng với áp lực cao cho công trình siêu cao tầng.

Do đó cấp phối của bê tông tự lèn thông thường đã khó, cấp khối cho bê tông tự lên để bơm cho các công trình siêu cao tầng còn khó hơn nhiều lần đòi hỏi cấp phối, sử dụng phụ gia cần được phối hợp nghiêm ngặt và mức độ thử nghiệm cần làm nghiêm túc, hoàn chỉnh ở độ chính xác cao.

1.2. Các khái niệm về thiết kế cấp phối bê tông tự lèn cần nắm rõ

Bạn có thể xem lại các khái niệm, các thí nghiệm về bê tông tự lèn trong bài viết tìm hiểu kiến thức sơ lược về bê tông tự lèn một cách đầy đủ và chi tiết. Ở đây, chúng tôi chỉ tóm tắt lại một vài khái niệm căn bản để theo dõi bài viết về thiết kế cấp phối bê tông tự lèn như sau:

Độ chảy xòe (hay độ chảy loang) SF Slump-flow (mm)
Ứng suất chảy t0
Thời gian chảy xòe đạt 500mm T500 (s)
Thời gian chảy qua phễu V: Tv – V-funnel flow time
Độ nhớt dẻo µ
Tỷ lệ phân tầng Sr (Segregation resistance)
Lượng nước tách ra V

1.3. Các mối quan hệ giữa các thông số cần tìm hiểu

1.3.1. Tính công tác, tính lưu biến khi thiết kế bê tông tự lèn

Nghiên cứu thiết lập được cơ sở khoa học về đặc trưng lưu biến bê tông, các thông số kỹ thuật về tính công tác của hỗn hợp BTTL, đặc biệt đối với hỗn hợp BTTL dùng thi công bơm cho công trình siêu cao tầng.

Nghiên cứu các thông số kỹ thuật về tính công tác và tính chất lưu biến của hỗn hợp BTTL sử dụng bơm cho các công trình siêu cao tầng (chiều cao công trình từ 300m trở lên);

Xây dựng sự tương quan giữa các thông số kỹ thuật về tính công tác và đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL

thông qua mối quan hệ giữa:

Độ chảy xòe (SF)
Ứng suất chảy (t0)
Thời gian chảy xòe đạt đường kính 500mm (T500),
Thời gian chảy qua phễu V (Tv)
Độ nhớt dẻo (µ).

Đề xuất vùng của các thông số kỹ thuật về tính công tác trên biểu đồ quan hệ giữa ứng suất chảy và độ nhớt dẻo của hỗn hợp BTTL dùng để thi công bơm cho công trình siêu cao tầng.

Lựa chọn hệ nguyên vật liệu để thiết kế hỗn hợp BTTL đạt yêu cầu về các thông số kỹ thuật về tính công tác (T500, độ chảy xòe, TV, tỉ lệ phân tầng và cường độ chịu nén) có thể bơm cho các công trình siêu cao tầng.

Xây dựng được quan hệ giữa các thông số kỹ thuật với đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL này. Từ đó, đề xuất vùng tính công tác trên biểu đồ quan hệ giữa ứng suất chảy và độ nhớt dẻo của hỗn hợp BTTL bơm cho công trình siêu cao tầng.

1.3.2. Khả năng bơm bê tông tự lèn

Khả năng bơm (SF-t0, T500-t0, Tv-t0, SF- µ,T500- µ, Tv- µ) cũng là mối quan hệ tuyến tính. Điều này được thể hiện rõ trong vùng độ chảy xòe từ 680 – 750 mm, Tv từ 3 – 6 s và T500 từ 1 – 2 s. Khi giá trị Tv hoặc T500 càng tăng, đồng nghĩa độ nhớt trong hỗn hợp càng lớn, khi đó lực dính phân tử lớn làm tăng sự ổn định của hỗn hợp, giá trị độ chảy xòe, Tỷ lệ phân tầng SR và tách nước giảm.

Đã xác định được vùng của các thông số kỹ thuật về tính công tác trên biểu đồ quan hệ giữa ứng suất chảy và độ nhớt dẻo của hỗn hợp BTTL dùng để thi công bơm cho công trình siêu cao tầng. Với giá trị độ chảy xòe từ 680 đến 750 mm, T500 từ 1 đến 2 s và Tv từ 3 đến 6s, đề xuất được vùng đặc trưng lưu biến có ứng suất chảy dao động từ 9 đến 18 Pa, độ nhớt dẻo thay đổi từ 36 đến 54 Pa.s. Khung công tác trong hình bình hành là khu vực lưu biến thích hợp có tính công tác tốt cho BTTL bơm đứng cho công trình siêu cao tầng.

Đã kết hợp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu tại hiện trường về bơm ngang, đạt yêu cầu kỹ thuật để tiếp tục thực hiện bơm đứng. Qua việc thực nghiệm bơm ngang kiểm chứng, vùng đặc trưng lưu biến trên Hình 4.12 ứng với giá trị độ chảy xòe từ 680 đến 750 mm, T500 từ 1 đến 2 s và Tv từ 3 đến 6s, có khả năng chống phân tầng tốt, có thể sử dụng được để chế tạo BTTL bơm đứng cho công trình siêu cao tầng.

1.4. Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo

Ngoài việc đánh giá mức độ kháng co ngót của hỗn hợp BTTL chất lượng cao, cần thiết lập được mối quan hệ giữa các thông số lưu biến với tính chất độ bền của BTTL.

Nghiên cứu ứng dụng loại và hàm lượng phụ gia siêu dẻo và điều chỉnh độ nhớt thế hệ mới ảnh hưởng đến giá trị ứng suất chảy và độ nhớt dẻo của hỗn hợp BTTL để sử dụng, chế tạo hỗn hợp BTTL dùng bơm thẳng đứng cho công trình siêu cao tầng.

Thực hiện các nghiên cứu tiếp theo về sự thay đổi của ứng suất chảy và độ nhớt dẻo của BTTL khi kéo dài thời gian bơm và tăng tốc độ bơm bê tông trong thực tế thi công, đặc biệt với nhà siêu cao tầng.

2. Lý thuyết về đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bê tông tự lèn

2.1 Đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL

Đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BT phụ thuộc cấu trúc của hỗn hợp BT. Từ đó, có các mô hình đánh giá đặc trưng lưu biến cho hỗn hợp BT nói chung và hỗn hợp BTTL.

2.1.1 Cấu trúc của hỗn hợp BT

Hỗn hợp BT được đánh giá qua những chỉ tiêu về tính chất cơ lý và những đặc trưng lưu biến. Hỗn hợp BT là vật liệu hỗn hợp được cấu tạo từ nhiều thành phần (xi măng, cát, đá, nước, phụ gia, …) trong đó, các hạt cốt liệu phân bố lơ lửng trong môi trường liên tục của hồ xi măng, nên hỗn hợp BT được xem là chất lỏng nhớt- kết cấu. Hai yêu cầu cơ bản của hỗn hợp BT là tính đồng nhất và tính công tác.

Tính đồng nhất đảm bảo cho hỗn hợp BT không bị phân tầng tách nước. Tính công tác thể hiện khả năng chảy và mức độ dẻo của hỗn hợp BT.

Trong hỗn hợp BT, tồn tại lực dính phân tử, lực mao dẫn, lực ma sát nhớt, ma sát khô, tác động lẫn nhau giữa những hạt phân tán của pha rắn và nước, nên hỗn hợp BT có thể được xem là một thể vật lý thống nhất có tính chất cơ lý và những đặc trưng lưu biến nhất định.

Mặt khác, do tác dụng của lực dính phân tử giữa những hạt được màng nước bao bọc tạo nên kết cấu không gian liên tục tạo cho hồ xi măng có một cường độ kết cấu ban đầu, được gọi là độ nhớt kết cấu. Hỗn hợp BT dẻo là trung gian giữa thể rắn và lỏng (nhớt) vì hỗn hợp này có độ nhớt kết cấu ban đầu nhờ nội lực ma sát nhớt. Độ nhớt kết cấu thay đổi theo ứng suất cắt và vận tốc biến dạng cắt.

Do đó quy luật ứng xử của hỗn hợp BT sẽ có những đặc trưng riêng so với dòng vật liệu liên tục hoàn toàn. Sự biến đổi độ nhớt kết cấu phụ thuộc vào ứng suất cắt, được biểu diễn bằng đường cong ứng suất-biến dạng trên Hình 2.1, gồm ba khu vực.

Hình ảnh: Hình 2.1: Quan hệ ứng suất cắt t và độ nhớt

Khu vực I: là giai đoạn ứng suất cắt tác dụng lên hệ t<t0 ứng với giá trị độ nhớt lúc này là cực đại η= const gọi là độ nhớt kết cấu ban đầu. Khi t=to kết cấu nhớt-dẻo của hệ bắt đầu bị phá hoại.

Khu vực II: trong giai đoạn này kết cấu nhớt – dẻo của hệ đang bị phá hoại, độ nhớt của hệ sẽ giảm dần theo chiều tăng ứng suất tiếp t(Pa). Độ nhớt trong giai đoạn này gọi là độ nhớt hữu ích. Khi t>t1 kết cấu nhớt dẻo của hệ bị phá hoại hoàn toàn.

Khu vực III: trong giai đoạn hệ không còn kết cấu dẻo nhớt như ban đầu. Độ nhớt gần như là không đổi với sự tăng ứng suất cắt t(Pa). Độ nhớt lúc này được gọi là độ nhớt dẻo, có tính chất tương tự với độ nhớt thực của thể lỏng.

2.1.2 Mô hình Bingham đánh giá tính lưu biến cho BTTL

Hỗn hợp BTTL cũng có cấu trúc nhớt dẻo và đặc biệt hơn hỗn hợp BT thường do khả năng tự chảy mà không

cần đầm rung. Hỗn hợp BTTL có ứng xử chảy đặc và đặc tính lưu biến của BTTL được đánh giá bằng mô hình

Bingham [10] theo phương trình trên Hình 2.2 để mô tả ứng xử lưu biến của hỗn hợp BTTL.

Hình ảnh: Hình 2.2: Các thông số lưu biến cơ bản mô hình Bingham

2.2 Ảnh hưởng của các nguyên vật liệu thành phần đến tính lưu biến của hỗn hợp BTTL

Các nguyên vật liệu quyết định thành phần cấu tạo và đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bê tông. Những yêu cầu về lưu biến sẽ quyết định các đặc tính cấu trúc của hỗn hợp bê tông. Trong đó, nền chất kết dính (xi măng+tro bay+silicafume+phụ gia+nước) sẽ ảnh hưởng đáng kể đến đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bê tông.

Tuy nhiên, nếu như thể tích hồ quá lớn sẽ làm cho bê tông co ngót lớn, dễ phát sinh vết nứt ảnh hưởng đến chất lượng công trình. Do đó, việc khảo sát ảnh hưởng hàm lượng của nguyên vật liệu trong cấp phối là một trong những nội dung quan trọng trong đề tài nghiên cứu này.

2.3. Kết luận mục 2

Để tạo ra dòng chảy ban đầu cho hỗn hợp BT ta cần phải cung cấp cho hỗn hợp BT một giá trị ứng suất tiếp lớn hơn ứng suất chảy của nó. Ứng xử của hỗn hợp BTTL trong quá trình tăng ứng suất là ứng xử chảy đặc.

Từ cơ sở này, nghiên cứu đặc tính lưu biến của hỗn hợp BTTL theo mô hình Bingham là phù hợp.

Việc xác định ứng suất chảy và độ nhớt dẻo bằng lưu biến kế ICAR là tốt nhất cho BTTL vì hỗn hợp BTTL sử dụng cốt liệu Dmax là 12,5mm. Từ các thông số lưu biến giúp xác định áp lực bơm ban đầu cần thiết cung cấp cho đường ống bơm để thực hiện bơm đứng lên cao không bị phân tầng tách nước và tránh gây tắc nghẽn đường ống bơm.

Ngược lại, nếu như biết trước được các thông số lưu biến cho phép ta tính toán và lựa chọn công suất máy bơm và đường kính ống bơm phù hợp.

Hơn nữa, tính công tác của hỗn hợp BTTL được thí nghiệm duy trì theo thời gian giúp đánh giá khả năng ổn định của hỗn hợp BTTL trong suốt quá trình bơm thẳng đứng lên cao.

3. Nghiên cứu thiết kế cấp phối bê tông tự lèn tại phòng thí nghiệm

3.1. Nguyên vật liệu cấp phối bê tông tự lèn thử nghiệm

Các loại nguyên vật liệu phục vụ nghiên cứu đều mang tính ổn định và phổ biến tại Việt Nam. Do hệ nguyên vật liệu quyết định các tính chất của BTTL nên đặc tính nguyên vật liệu được xác định theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn ACI.

Nguyên vật liệu sử dụng nghiên cứu như Hình 3.1 bao gồm xi măng PC50, phụ gia vô cơ hoạt tính gồm tro bay và silicafume, phụ gia hóa học bao gồm phụ gia siêu dẻo và phụ gia điều chỉnh độ nhớt, cát nghiền, cát sông và đá dăm.

Trong nghiên cứu này, nguyên vật liệu sử dụng nghiên cứu đều đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn về chất lượng, hình dáng, tỉ lệ sử dụng.

3.1.1 Chất kết dính

Hình ảnh: Hình 3.1: Phân bố kích thước xi măng, silica fume, fly ash tro bay

Trong các cấp phối nghiên cứu, chất kết dính sử dụng bao gồm xi măng Nghi Sơn PC50, phụ gia vô cơ hoạt tính sử dụng gồm có tro bay và silica fume. Các tính chất cơ lý được đánh giá theo Tiêu chuẩn TCVN 2682:2009 cho xi măng và TCVN 6882:2016 cho phụ gia khoáng. Phương pháp thí nghiệm được thực hiện theo các Tiêu chuẩn tương ứng trên Bảng 3.1.

Hình ảnh: Hình 3.2: Thành phần hóa học xi măng, CKD

3.1.2. Cốt liệu trộn bê tông tự lèn

Cốt liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm cốt liệu nhỏ được phối trộn giữa cát sông với cát nghiền và cốt liệu lớn là đá dăm. Cốt liệu sử dụng cho BT phải thỏa mãn các yêu cầu theo TCVN 7570:2006.

Đối với hỗn hợp BTTL nên sử dụng cốt liệu lớn với Dmax≤16mm và hỗn hợp BTTL này còn phải bơm thẳng đứng lên cao trên 300m, nên cần độ lưu động cao. Chính vì vậy, Dmax của đá dăm được chọn sử dụng nghiên cứu là 12,5mm.

Hình ảnh: Hình 3.6: Biểu đồ thành phần đá dăm

Hình 3.6 Biểu đồ thành phần hạt của đá dăm sử dụng nghiên cứu

Hình ảnh: HÌnh 3.4: Thành phần cát trộn trong cấp phối bê tông tự lèn SCC

Cát sông và cát nghiền sử dụng trong nghiên cứu được phối trộn với tỉ lệ theo khối lượng là 35% cát nghiền và 65% cát sông.

Hình ảnh: Tính chất đá dăm cấp phối bê tông tự lèn SCC

3.2. Thiết kế cấp phối BTTL nghiên cứu

Thiết kế cấp phối BTTL cần đạt yêu cầu có T500 = 1-2s, SF = 680-800mm, 3s<TV< 6s, SR < 15% và cấp cường độ chịu nén là 60 MPa để có thể bơm cho các công trình siêu cao tầng. Các cấp phối được thiết kế theo tiêu chuẩn ACI 237R-07 bằng phương pháp thể tích tuyệt đối trên Hình 3.8.

Chú thích:

CLN: cốt liệu nhỏ; CLL: cốt liệu lớn;
CKD: chất kết dính
N/CKD: nước/chất kết dính
CN: cát nghiền; CS: cát sông
SR:
FA: Fly ash tro bay; Sf: Silica fume:

Mỗi một tỷ lệ N/CKD = 0.33; 0.35; 0.37 sẽ làm 18 mẫu thí nghiệm với sự thay đổi thành phần FA, SF

Hình ảnh: Hình 3.8: Sơ đồ cấp phối bê tông tự lèn SCC

3.3. Các phương pháp thí nghiệm đánh giá các thông số kỹ thuật về tính công tác của BTTL

Các phương pháp thí nghiệm độ chảy xòe, T500, Tv, sàng phân tầng và L box được thực hiện theo hướng dẫn thí nghiệm về BTTL của châu Âu. Thí nghiệm U box được tham khảo và thực hiện và đánh giá theo Tiêu chuẩn về kết cấu BT của Nhật. Riêng thí nghiệm tách nước được tham khảo từ các nhà khoa học đi

trước.

Thí nghiệm đo độ chảy xòe và T500
Thí nghiệm Tv
Thí nghiệm sàng phân tầng
Thí nghiệm L box
Thí nghiệm U box
Thí nghiệm tách nước

3.4. Phương pháp xác định đặc tính lưu biến của BTTL bằng lưu biến kế ICAR

Lưu biến kế ICAR thực hiện thí nghiệm phương trình dòng chảy dùng để xác định giá trị ứng suất chảy động và độ nhớt dẻo. Khi tốc độ quay của cánh quạt là lớn nhất, bắt đầu phân tích cấu trúc xúc biến (cấu trúc tồn tại và cần phải có một ứng suất thích hợp trước đó để xác định các thông số Bingham).

Sau đó, tốc độ của cánh quạt giảm theo từng cấp theo cài đặt ban đầu. Ở mỗi cấp, ghi nhận lại giá trị trung bình và tốc độ của moment xoắn. Đường biểu diễn tốc độ moment xoắn với tốc độ quay của cánh quạt là “phương trình dòng chảy”. Ứng suất chảy và độ nhớt dẻo được tính theo mô hình Bingham.

3.5 Phương pháp thực nghiệm xác định co ngót với vòng kiềm chế

Thí nghiệm đo độ co ngót bê tông bằng vòng kiềm chế hay kiềm tỏa.

Thí nghiệm vòng kiềm chế được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM C1581[15] để xác định tuổi khi nứt và đặc tính ứng suất kéo của vữa và bê tông dưới sự co ngót kiềm chế. Tiêu chuẩn này cho mức độ kiềm chế cao được cung cấp bởi vòng thép dẫn đến một thời gian ngắn đánh giá khả năng kháng nứt của hỗn hợp bê tông.

Bên cạnh đó, việc lựa chọn tiêu chuẩn này rất phù hợp cho nghiên cứu này vì trong hỗn hợp BTTL có kích thước cốt liệu lớn nhất Dmax ≤ 13 mm khả năng nứt trên Bảng 3.10 được đánh giá thông qua thời gian nứt thực và tốc độ ứng suất trung bình dùng để so sánh các cấp phối với nhau.

Hình ảnh: Hình 3.10: Đánh giá khả năng nứt của bê tông tự lèn SCC thí nghiệm

3.6. Kết luận chương 3

Hệ nguyên vật liệu sử dụng nghiên cứu có chất kết dính gồm xi măng PC50, tro bay loại F và silica fume. Cát sông và cát nghiền sử dụng trong nghiên cứu được phối trộn với tỉ lệ theo khối lượng là 35% cát nghiền và 65% cát sông. Cốt liệu lớn sử dụng là đá dăm với Dmax = 12,5mm.

Hệ nguyên vật liệu này thỏa mãn các yêu cầu về nguyên vật liệu cho BT và BT bơm, phù hợp sử dụng chế tạo BTTL bơm cho công trình siêu cao tầng trong nghiên cứu này.

Tính công tác của hỗn hợp BTTL được thí nghiệm duy trì theo thời gian giúp đánh giá khả năng ổn định của hỗn hợp BTTL trong suốt quá trình bơm thẳng đứng lên cao.

Các thông số lưu biến giúp đánh giá khả năng bơm của hỗn hợp BTTL và cho phép tính toán, lựa chọn công suất máy bơm và áp lực bơm phù hợp. Từ các thí nghiệm về các thông số kỹ thuật về tính công tác, khảo sát đặc tính lưu biến của hỗn hợp BTTL để biết được ảnh hưởng của thành phần nguyên vật liệu cũng như mối quan hệ giữa các các thông số kỹ thuật về tính công tác và lưu biến.

4. Thiết lập vùng đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bttl dùng để thi công bơm cho công trình siêu cao tầng

Hỗn hợp BTTL dùng thi công bơm cho công trình siêu cao tầng cần giữ tính đồng nhất và độ lưu động trong suốt quá trình thi công kéo dài. Do đó, cần xét mối quan hệ giữa các thông số về đặc tính kỹ thuật với khả năng bơm, cũng như đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL nghiên cứu.

Trên cơ sở nghiên cứu, từ các thông số kỹ thuật nghiên cứu của hỗn hợp BTTL như T500, SF, TV, SR, to và μ trong các khoảng số liệu đã được nghiên cứu từ Chương 3, từ đó, xác định được vùng các thông số kỹ thuật về tính công tác của hỗn hợp BTTL. Việc thiết lập vùng lưu biến này giúp giảm số liệu thí nghiệm, cũng như thời gian, chi phí cho công tác thiết kế hỗn hợp BTTL bơm đứng cho công trình siêu cao tầng.

Trong quá trình vận chuyển và thi công bơm, hỗn hợp BTTL vẫn phải đảm bảo tính đồng nhất, không bị phân tầng tách nước, vì vậy cần xét khả năng duy trì tính công tác của hỗn hợp BTTL nghiên cứu

4.1 Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của nguyên vật liệu thành phần đến đặc tính kỹ thuật, tính lưu biến và khả năng bơm của hỗn hợp BTTL nghiên cứu

Tất cả các thành phần nguyên vật liệu đều có ảnh hưởng đến các thông số kỹ thuật về tính công tác, tính lưu biến và khả năng bơm của hỗn hợp BTTL. Tuy nhiên, trong các cấp phối nghiên cứu, từ việc đánh giá sự ảnh hưởng của thành phần nguyên vật liệu, cho thấy sự thay đổi tỉ lệ N/CKD ảnh hưởng đáng kể đến các thông số kỹ thuật về tính công tác.

4.2 Thiết lập quan hệ giữa các thông số công tác và khả năng bơm của hỗn hợp BTTL

Dựa vào đồ thị trên Hình 4.8, ta có thể thấy tỉ lệ phân tầng của các mẫu đều nằm trong vùng cho phép là < 15%, đạt yêu cầu về khả năng kháng phân tầng cao. Ngược lại với mối quan hệ Tv – SR, giá trị độ chảy xòe và SR trên Hình 4.9 tỉ lệ thuận với nhau, nếu như độ chảy xòe càng tăng thì tỉ lệ phân tầng có xu hướng tăng theo là do độ chảy xòe càng cao, lượng vữa trong hỗn hợp bê tông nhiều, dẫn tới khả năng giữ vữa kém ổn định.

Hình ảnh: Hình 4.8: Quan hệ tỷ lệ phân tầng Sr và Thời gian qua ống V tv

Khả năng bơm của hỗn hợp BTTL được khảo sát thí nghiệm tách nước và sàng phân tầng đều đạt thông số SR < 15% và S10/140 < 40%. Dựa vào các đồ thị, vùng tập trung của các cấp phối, đối với sàng phân tầng là từ (7 – 11) % và giá trị tách nước từ (7 – 11) ml. Từ kết quả của việc nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, đây là vùng hợp lý đảm bảo cho khả năng bơm hỗn hợp BTTL đạt hiệu quả cao, đảm bảo sự ổn định, kháng phân tầng tách nước trong quá trình bơm cũng như đảm bảo được độ lỏng trong hỗn hợp, giúp cho quá trình thi công diễn ra thuận lợi.

Hình ảnh: Hình 4.10: quan hệ lượng nước tách và thời gian qua ống V tv

4.3. Mối quan hệ giữa các thông số kỹ thuật về tính công tác và tính lưu biến của BTTL bơm cho công trình siêu cao tầng

Hình ảnh: Hình 4.12: ứng suất chảy do độ chảy xòe

Mối quan hệ giữa đặc trưng lưu biến là ứng suất chảy với đặc trưng tính công tác là độ chảy xòe được thể hiện trên Hình 4.12. Mối quan hệ này là tuyến tính, khi độ chảy xòe tăng thì ứng suất chảy giảm.

Hình ảnh: Hình 4.16: tương quan giữa độ nhớt dẻo và thời gian chảy xòe T500

Mối quan hệ giữa độ nhớt η với T500 và Tv là tỉ lệ thuận thể hiện trên Hình 4.16 và Hình 4.17. Khi sử dụng BTTL bơm thẳng đứng cho công trình siêu cao tầng, phải tính đến áp lực bơm, mà áp lực bơm được tính toán theo độ nhớt dẻo của hỗn hợp BTTL.

Độ nhớt dẻo đặc trưng cho sức cản của dòng vật liệu và phụ thuộc vào nội ma sát và lực hút phân tử giữa các hạt. Khi độ nhớt dẻo càng lớn, hỗn hợp bê tông càng ổn định nên ít phân tầng, tách nước trong quá trình bơm.

Tuy nhiên độ nhớt dẻo quá cao sẽ làm cho hỗn hợp bê tông di chuyển khó khăn trong đường ống do ma sát giữa hỗn hợp bê tông và thành ống lớn, đồng nghĩa với việc cần phải cung cấp một áp lực bơm lớn. Với T500 từ 1 đến 2 s, Tv từ 3 đến 6 s, độ nhớt dẻo thay đổi từ 41 đến 52 Pa.s.

4.4. Thiết lập vùng đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL dùng để bơm cho công trình siêu cao tầng

Hình ảnh: Hình 4.19: vùng đề suất ứng suất chảy bê tông tự lèn

Với độ chảy xòe từ 680 đến 750 mm, T500 từ 1 đến 2 s và Tv từ 3 đến 6 s, vùng tính công tác trên đồ thị quan hệ giữa ứng suất chảy và độ nhớt đề xuất cho BTTL sử dụng thi công bơm cho công trình siêu cao tầng. Để xác định một cách chính xác vùng tính công tác trên đồ thị lưu biến, khung công tác hình bình hành được giới hạn trong vùng các cấp phối đề xuất như trên Hình 4.19 và phương trình (4.2) tương ứng. Trong vùng này, hỗn hợp BTTL đảm bảo tính đồng nhất và ổn định khi bơm thẳng đứng lên cao.

4.5 Khả năng duy trì tính công tác và lưu biến của hỗn hợp BTTL nghiên cứu

Tất cả các cấp phối khảo sát đều đạt cấp cường độ chịu nén trên 60 MPa theo thiết kế ban đầu. Từ việc khảo sát, có 28 cấp phối đạt yêu cầu về tính công tác và khả năng bơm của hỗn hợp BTTL.

Giá trị độ chảy xòe có xu hướng giảm, trong khi đó, giá trị T500 và Tv có xu hướng tăng theo thời gian. Khi duy trì đến thời điểm 90 phút, thông số đặc tính công tác của một số mẫu không thuộc phạm vi yêu cầu ban đầu, nhưng nhìn chung, sau thời gian duy trì, tất cả các mẫu hỗn hợp BTTL này không bị phân tầng, tách nước và vẫn đảm bảo tính ổn định. Các thông số ứng suất chảy và độ nhớt dẻo đặc trưng cho tính lưu biến tăng lên khi duy trì đến 105 phút.

4.6 Đánh giá tính chất cơ học của BTTL nghiên cứu

Hình ảnh: Hình 4.22: cường độ chịu nén bê tông tự lèn sau 28 ngày

Tính chất cơ học của BTTL nghiên cứu được đánh giá qua cường độ chịu nén sau 28 ngày và mức độ kháng co ngót của BTTL. Hình 4.15 thể hiện cường độ chịu nén thực hiện với mẫu lập phương, cạnh 150mm, theo TCVN3118:1993 tại thời điểm 28 ngày.

Đối với BTTL dùng để bơm cho các công trình siêu cao tầng, ngoài đạt cường độ chịu nén sau 28 ngày là trên 60 MPa, cần kiểm tra thêm về mức độ kháng co ngót trong quá trình sử dụng. Kết quả cho thấy khi tăng hàm lượng tro bay thay thế từ 15% – 25% thì thời gian nứt tăng lên từ 7,0 đến 13,25 ngày và giá trị tốc độ ứng suất giảm dần từ 0,47 đến 0,23 làm cải thiện tích cực đến khả năng kháng nứt của BTTL.

Cụ thể đối với cấp phối sử dụng 25% có khả năng nứt là trung bình-cao nhưng đối với cấp phối sử dụng 15% tro bay thì có khả năng nứt cao.

4.7 Kết luận chương 4

Mối quan hệ giữa các thông số đặc trưng cho tính công tác và khả năng bơm (SRTv, SR-SF, V-Tv, V-SF) là tuyến tính. Điều này được thể hiện rõ trong vùng độ chảy xòe từ 680 – 750 mm, Tv từ 3 – 6 s và T500 từ 1 – 2 s.

Khả năng bơm của hỗn hợp BTTL được khảo sát thí nghiệm tách nước và sàng phân tầng đều đạt thông số SR < 15% và S10/140 < 40%. Do đó, hầu hết các cấp phối này đều có thể bơm với khả năng kháng phân tầng và tách nước cao.

Từ quá trình thực nghiệm, đề xuất vùng cấp phối tối ưu với SR từ 7 – 11% và giá trị tách nước đạt từ 7 – 11ml dưới áp lực 3,5 MPa trong 5 phút thí nghiệm, đảm bảo sự ổn định và độ chảy lỏng của hỗn hợp BT trong quá trình bơm.

Mối quan hệ giữa các thông số kỹ thuật về tính công tác và tính lưu biến của hỗn hợp BTTL (SF-t0, T500-t0, Tv -t0, SF-µ,T500- µ, Tv- µ) là tuyến tính. Khi độ chảy xòe tăng thì ứng suất chảy và độ nhớt dẻo giảm. Mối quan hệ giữa T500-t0, Tv -t0, T500- µ, Tv- µ là tỉ lệ thuận.

Có 28 cấp phối nghiên cứu trong khoảng các thông số kỹ thuật về tính công tác yêu cầu, trong đó có mười tám cấp phối có tỉ lệ N/CKD là 0,35; một cấp phối có tỉ lệ N/CKD là 0,33 và chín cấp phối có tỉ lệ N/CKD là 0,37.

Khả năng duy trì các thông số kỹ thuật về tính công tác và đặc trưng lưu biến theo thời gian là tốt tới 105 phút, tất cả các mẫu hỗn hợp BTTL này không bị phân tầng, tách nước và vẫn đảm bảo tính ổn định.

Với giá trị độ chảy xòe từ 680 đến 750 mm, T500 từ 1 đến 2 s và Tv từ 3 đến 6s, thiết lập được vùng đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL sử dụng bơm cho công trình siêu cao tầng. Vùng này có ứng suất chảy dao động từ 9 đến 18 Pa, độ nhớt dẻo thay đổi từ 36 đến 54 Pa.s trên Hình 4.19. Khung công tác trong hình bình hành theo phương trình (4.2) là khu vực lưu biến thích hợp thể hiện các cấp phối

BTTL có tính công tác tốt phù hợp bơm đứng cho công trình siêu cao tầng. Việc thiết lập được vùng lưu biến này giúp giảm số lượng thí nghiệm cũng như thời gian và chi phí cho công tác thiết kế hỗn hợp BTTL bơm đứng cho công trình siêu cao tầng.

5. Chương 5 áp dụng bơm ngang thực nghiệm hỗn hợp bê tông tự lèn

Trong thực tế thi công cho công trình siêu cao tầng, khi bơm BT thẳng đứng lên cao hơn 300m thì cần áp lực bơm rất lớn. Vì vậy, cần thực nghiệm bơm ngang trước khi bơm đứng để đảm bảo tính ổn định và đồng nhất của hỗn hợp BTTL.

Theo tài liệu hướng dẫn về bơm BT của Nhật, để đảm bảo bơm thẳng đứng trên 300m thì cần kiểm chứng bơm ngang 1000m đến 1200m. Hơn nữa, theo ACI 304-2R.17, để tính toán áp lực bơm, có các hệ số quy đổi cụ thể về chiều cao bơm, loại và chiều dài đường ống sử dụng, hằng số nhớt của hỗn hợp BT sử dụng thi công bơm.

5.1. Tính toán áp lực bơm ngang kiểm chứng

Tham khảo biểu đồ quan hệ giữa áp lực bơm và chiều cao công trình khi thi công tòa nhà Buji Khalifa trên Hình 1.11, với chiều cao từ 300m trở lên, áp lực bơm từ 130 bar.

Theo ACI 304-2R.17, Giả sử để bơm được chiều cao 300m, tổng áp lực bơm tính toán cỡ 120 bar, ứng với công suất máy bơm cần thiết là 132 kW. Từ đó, để bơm ngang 1200m, chọn áp lực bơm là 105 bar, thêm 10% tổn thất thì áp lực bơm cần thiết cỡ 115 bar.

5.2 Thiết lập các thí nghiệm bơm ngang kiểm chứng

Thay vì kiểm chứng bơm ngang 1200m, mục tiêu của việc kiểm chứng bơm ngang là cần áp lực bơm là 120 bar. Mặt bằng bố trí sẽ thêm các co 90o để giảm chiều dài đường ống. Để đạt áp lực bơm 130 bar, với chiều dài đường ống bơm ngang là 1000 m bố trí 20 co 90o như Hình 5.2.

Hình ảnh: Hình 5.2: Sơ đồ bố trí đường ống bơm ngang

5.3. Kiểm chứng với cấp phối bất kỳ trong vùng tính công tác đề xuất

Hình ảnh: thành phần bê tông tự lèn bơm ngang

Để đánh giá khả năng bơm ngang với các cấp phối nghiên cứu, tác giả kiểm chứng với cấp phối bất kỳ có ứng suất chảy và độ nhớt dẻo trong vùng tính công tác đề xuất trên Hình 4.12 trang 106. Đối với cấp phối SCC-Trial, thành phần nguyên vật liệu thay đổi loại silica fume, tỉ lệ phối trộn giữa cát sông và cát nghiền, tỉ lệ N/CKD và phụ gia hóa học như Bảng 5.2 và Bảng 5.3.

Hình ảnh: cấp phối bê tông tự lèn bơm ngang

Quan sát kết quả sau khi bơm ngang, các giá trị này có thay đổi, nhưng vẫn đảm bảo các thông số kỹ thuật về tính công tác yêu cầu đối với mẫu trộn tại phòng thí nghiệm (PTN). Hỗn hợp BTTL sau bơm có độ chảy xòe thay đổi tăng hoặc giảm nhưng khả năng kháng phân tầng vẫn nhỏ hơn 15%, các hỗn hợp này không bị phân tầng và tách nước, và không xảy ra hiện tượng nghẽn đường ống trong khi bơm ngang 350m, 650m và 1000m.

Thí nghiệm bơm ngang với chiều dài đường ống tối đa 1000m đã kiểm chứng vùng tính công tác trên biểu đồ lưu biến được đề xuất cho BTTL sử dụng bơm thẳng đứng lên cao.

5.4. Kết luận chương 5

Việc tính toán lựa chọn công suất máy bơm và đặc trưng lưu biến có thể tham khảo theo ACI 304-2R.17. Quá trình thực nghiệm cho thấy hạn chế khi áp dụng bảng tra đối với BTTL có khả năng chảy xòe, vì hằng số nhớt b trên đồ thị chọn công suất bơm theo giá trị độ sụt. Do đó, việc bơm ngang kiểm chứng lại kết quả nghiên cứu là cần thiết.

Kết quả bơm ngang kiểm chứng khẳng định vùng đặc trưng lưu biến có ứng suất chảy dao động từ 10 đến 26 Pa, độ nhớt dẻo dao động từ 41 đến 52 Pa.s trên Hình 4.12, ứng với giá trị độ chảy xòe từ 680 đến 750 mm, T500 từ 1 đến 2 s và Tv từ 3 đến 6s, có khả năng kháng phân tầng tốt, có thể áp dụng được để chế tạo BTTL bơm đứng cho công trình siêu cao tầng.

6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận chung

Từ nhiều kết quả nghiên cứu của luận án, tác giả kết luận như sau:

1) Đã nghiên cứu thiết lập được cơ sở khoa học về đặc trưng lưu biến, các thông số kỹ thuật về tính công tác của hỗn hợp BTTL, đặc biệt tập trung về hỗn hợp BTTL dùng thi công bơm cho công trình siêu cao tầng. Đặc tính lưu biến của hỗn hợp BTTL ứng xử theo mô hình Bingham, được đánh giá bằng ứng suất chảy t0 và độ nhớt dẻo µ.

2) Đã sử dụng các thí nghiệm theo tiêu chuẩn và kết quả nghiên cứu được các thông số kỹ thuật cụ thể về tính công tác và đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL sử dụng bơm cho các công trình siêu cao tầng, có chiều cao từ 300m trở lên. Tất cả các thành phần nguyên vật liệu đều có ảnh hưởng đến các thông số kỹ thuật về tính công tác, tính lưu biến và khả năng bơm của hỗn hợp BTTL. Tuy nhiên, trong các cấp phối nghiên cứu, sự thay đổi hàm lượng tro bay và tỉ lệ N/CKD ảnh hưởng đáng kể đến giá trị độ chảy xòe, T500, Tv, độ nhớt dẻo và ứng suất chảy.

Khi hàm lượng tro bay và silica fume tăng lên thì độ chảy xòe tăng và ứng suất chảy giảm. Tỉ lệ N/CKD tăng từ 0,33; 0,35; 0,37, khoảng độ chảy xòe tăng tương ứng và ứng suất chảy giảm. Hàm lượng tro bay tăng lên thì Tv và độ nhớt dẻo giảm.

3) Đã xây dựng được quan hệ giữa các thông số kỹ thuật về tính công tác và đặc trưng lưu biến của hỗn hợp BTTL. Cụ thể là mối quan hệ giữa độ chảy xòe (SF) với ứng suất chảy (t0) và thời gian chảy xòe đạt đường kính 500mm (T500), thời gian chảy qua phễu V (Tv) với độ nhớt dẻo (μ).

Về tính công tác của hỗn hợp BTTL nghiên cứu, mối quan hệ giữa các thông số kỹ thuật về tính công tác và khả năng bơm (SF-t0, T500-t0, Tv -t0, SF- μ,T500- μ, Tv- μ) cũng là mối quan hệ tuyến tính. Điều này được thể hiện rõ trong vùng độ chảy xòe từ 680 – 750 mm, Tv từ 3 – 6 s và T500 từ 1 – 2 s. Khi giá trị Tv hoặc T500 càng tăng, đồng nghĩa độ nhớt trong hỗn hợp càng lớn, khi đó lực dính phân tử lớn làm tăng sự ổn định của hỗn hợp, giá trị độ chảy xòe, SR và tách nước giảm.

4) Đã xác định được vùng của các thông số kỹ thuật về tính công tác trên biểu đồ quan hệ giữa ứng suất chảy và độ nhớt dẻo của hỗn hợp BTTL dùng để thi công bơm cho công trình siêu cao tầng. Với giá trị độ chảy xòe từ 680 đến 750 mm, T500 từ 1 đến 2 s và Tv từ 3 đến 6s, đề xuất được vùng đặc trưng lưu biến có ứng suất chảy dao động từ 9 đến 18 Pa, độ nhớt dẻo thay đổi từ 36 đến 54 Pa.s trên

Hình 4.19. Khung công tác trong hình bình hành là khu vực lưu biến thích hợp có tính công tác tốt cho BTTL bơm đứng cho công trình siêu cao tầng.

5) Đã kết hợp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu tại hiện trường về bơm ngang, đạt yêu cầu kỹ thuật để tiếp tục thực hiện bơm đứng. Qua việc thực nghiệm bơm ngang kiểm chứng, vùng đặc trưng lưu biến trên Hình 4.12 ứng với giá trị độ chảy xòe từ 680 đến 750 mm, T500 từ 1 đến 2 s và Tv từ 3 đến 6s,có khả năng chống phân tầng tốt, có thể sử dụng được để chế tạo BTTL bơm đứng cho công trình siêu cao tầng.

Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo

7. TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] ACI (American Concrete Institute), “ACI 237R-07 : Self-Consolidating Concrete,” American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, USA, 2007.

[2] SCC European Project Group, “The European Guidelines for Self-Compacting Concrete : Specification, Production and Use,” 2005.

[3] European Norms, “Testing fresh concrete – Part 8: Self-compacting concrete -Slump-flow test,” En 12350-8:2010. 2010.

[4] JSCE (Japan Society of Civil Engineers), “English Version of Standard Specifications for Concrete Structures-2007-Materials and Construction,” Tokyo, Japan, 2010.

[5] ACI (American Concrete Institute), “ACI 238.1R-08 : Report on Measurements of Workability and Rheology of Fresh Concrete,” American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, USA, 2008.

[6] M. L. Nehdi, “Only tall things cast shadows: Opportunities, challenges and research needs of self-consolidating concrete in super-tall buildings,” Construction and Building Materials, vol. 48, no. March, pp. 80–90, 2013.

[7] B. Nicholas, “Concrete for high-rise buildings : Performance requirements , mix design and construction considerations design and construction considerations,” Structural Concrete Properties and Practice, no. September, pp. 1–4, 2013.

[8] J. Aldred, “Burj Khalifa – a new high for high-performance concrete,” Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Civil Engineering, vol. 163, no. 2, pp. 66–73, 2010.

[9] N. T. Quý and N. T. Ruệ, Giáo trình công nghệ bê tông xi măng. Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam, 2009.

[10] D. Feys, R. Verhoeven, and G. De Schutter, “Why is fresh self-compacting concrete shear thickening ?,” Cement and Concrete Research, vol. 39, no. 6, pp. 510–523, 2009.

[11] Tiêu chuẩn Việt Nam, “TCVN 7572-1÷20 : 2006-Cốt liệu cho bê tông và vữa- Phương pháp thử,” Hà Nội, Việt Nam, 2006.

[12] Tiêu chuẩn Việt Nam, “TCVN 7570 : 2006-Cốt liệu cho bê tông và vữa,” Hà Nội, Việt Nam, 2006.

[13] E. Koehler and D. Fowler, “Development of a Portable rheometer for fresh Portland cement concrete,” Austin, TX, University of Texas at Austin, 2004.

[14] Germann Instruments, “ICAR Rheometer,” Product Specifications. pp. 71–75.

[15] ASTM International (American Society for Testing and Materials), “C 1581 – 04 : Standard Test Method for Determining Age at Cracking and Induced Tensile Stress Characteristics of Mortar and Concrete under Restrained.” West Conshohocken, PA, USA, pp. 1–6, 2004.

[16] ACI (American Concrete Institute), “304.2R-17: Guide to Placing Concrete by Pumping Methods,” American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, USA, 2017.

Bài viết tham khảo thông tin từ: CÙ THỊ HỒNG YẾN

NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG LƯU BIẾN CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG TỰ LÈN

DÙNG ĐỂ THI CÔNG BƠM CHO CÔNG TRÌNH SIÊU CAO TẦNG

Ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp