Luận án Nghiên cứu độ bền thấm nước và thấm Ion Clo của bê tông cốt liệu nhẹ ứng dụng trong dự đoán tuổi thọ kết cấu cầu

hoặc thẳng góc hoặc nằm ngang hình thành tách lớp giữa các cốt thép. - Các vết nứt tạo thành rạn nứt hoặc vỡ làm cho kết cấu bị xuống cấp như chức năng sử dụng không còn được đảm bảo hoặc gây mất an toàn. Đây có thể xem là thời điểm mà yêu cầu phải sửa chữa. - Ăn mòn gây ra mất mát diện tích tiết diện thép dẫn đến trạng thái giới hạn chịu lực không còn thỏa mãn. 1.3.2.3. Các tham số của mô hình dự báo tuổi thọ a) Hệ số khuếch tán clo 36 Hệ số khuếch tán clo là tham số vật liệu, hệ số này giữ vai trò cốt yếu trong dự báo tuổi thọ của kết cấu bê tông phơi nhiễm clo của môi trường ven biển Việt Nam. Hệ số khuếch tán clo được dự báo theo tỷ lệ nước - xi măng và chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm của môi trường cũng như các chất phụ gia. Với các cầu vừa xây dựng xong có thể làm thí nghiệm để xác định giá trị đặc trưng của hệ số khuếch tán D28. b) Sự tích tụ nồng độ clo trên bề mặt bê tông Nồng độ ion clo trên bề mặt bê tông tiếp xúc với một môi trường biển phu thuộc vào vị trí địa lý của vùng biển cũng như khoảng cách so với mực nước biển. Theo vị trí của kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường biển Ủy ban ACI 365 của Hoa kỳ chia thành 4 vùng: - Vùng thủy triều, (Marine splash zone -là vùng nằm trong biên độ thủy triều hoặc là ở trong phạm vi 1m so với mực nước cao nhất của thủy triều) - Vùng sóng đánh (Marine spray zone là vùng nằm cao hơn mực nước cao nhất của thủy triều 1m, nhưng đôi khi tiếp xúc với bụi nước biển) - Vùng không khí biển cách biển  800m - Vùng không khí biển cách biển từ 800m đến 1500m Các tài liệu trong nghiên cứu hiện nay đã chỉ ra rằng nồng độ clo trên bề mặt bê tông tiếp xúc với một môi trường biển được tích tụ sau đó tăng lên cùng với thời gian. Vơi các vùng bê tông luôn tiếp xúc với nước biển nồng độ clo bề mặt có thể không thay đổi với thời gian ví dụ như vùng thủy triều, vùng bắn tóe của nước biển. Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ clo bê mặt là: thành phần của xi măng dùng trong bê tông; đăc điểm bề mặt của bê tông; chu kỳ khô ẩm của môi trường. Nồng độ clo bề mặt là một hàm của thời gian và là hàm có giới hạn theo thời gian. Quy luật tích lũy nồng độ clo bề mặt có nhiều quan điểm: không đổi, hàm bậc nhất và hàm mũ. Theo Michael Thomas-life 365 [32] đã sử dụng cơ sở dữ liệu được khảo sát bởi Viện muối Hoa Kỳ từ 1960-1984 và dữ liệu tốc độ tích tụ clo của Wayers và các cộng sự năm 1993. Các giá trị của dữ liệu đã được so sánh với dữ liệu hàm lượng clo thu thập được từ các cây cầu do Babie và Hawkins năm 1987. Theo ACI 365 nồng độ clo thay đổi tuyến tính với thời gian tùy theo từng vùng nó từ 10 đến 30 năm như trong phương trình 1.5 sau: 37   , ax , ax , ax s m s s m s m C kt khi t k C t C C khi t k        (1.5) Cs,max được lấy tùy thuộc vào các địa phương khác nhau. Đối với kết cấu trong môi trường biển, ACI 365 đưa ra như sau: Bảng 1.4 - Tốc độ tích lũy và nồng độ lớn nhất của clo bề mặt Vùng Tốc độ tích lũy k (%/ năm) Cs,max (%/ khối lượng bê tông) Vùng thủy triều Xảy ra ngay 0.8 Vùng sóng đánh 0.10 1.0 Cách biển  800m 0.04 0.6 Cách biển từ 800m-1500m 0.02 0.6 c) Ảnh hưởng của màng và sơn phủ bề mặt Màng chống thấm và sơn phủ được cho rằng chỉ tác động lên tốc độ tích tụ clo. Màng có tác dụng ngăn ngừa xâm nhập clo hiệu quả 100%, nó chỉ mất tác dụng khi hết tuổi thọ của màng. Tuổi thọ trung bình của màng là 20 năm, nghĩa là thời gian tích tụ clo của bê tông có màng bảo vệ là sau 20 năm. Thí dụ như hình 1.19, với bề mặt bê tông không được bảo vệ tốc độ tích tụ clo ở mức 0,04% mỗi năm và đạt nồng độ tối đa là 0,60% lúc 15 năm. Hiệu quả ban đầu và tuổi thọ của màng có thể được thay đổi theo tính năng của màng và môi trường. Ngoài ra lớp màng có thể được quét lại định kỳ theo cách tương tự như chống thấm. Hình 1.19 - Ảnh hưởng của màng và sơn phủ bề mặt 38 Sơn phủ được xem có tuổi thọ trung bình là 5 năm, ví dụ trong Hình 1.19 cho thấy ảnh hưởng của các sơn phủ áp dụng lại mỗi lần 5 năm. 1.3.3. Ngưỡng nồng độ clo gây ăn mòn thép trong bê tông Ngưỡng nồng độ clo gây ăn mòn thép còn gọi là ngưỡng nồng độ clo tới hạn (Cth) đóng vai trò quan trọng trong ăn mòn cốt thép. Ngưỡng nồng độ clo gây ăn mòn thép được định nghĩa là hàm lượng clo cần thiết tại bề mặt cốt thép để gây phá vỡ màng thụ động của thép và bắt đầu gây ăn mòn. Nó thường được biểu thị theo tỷ lệ phần trăm của trọng lượng bê tông hoặc trọng lượng chất kết dính. Các cầu ở Anh ngưỡng nồng độ clo tới hạn đã đo được khoảng từ 0.2% đến 1.5% trọng lượng xi măng. Tiêu chuẩn Anh giới hạn nồng độ clo dưới mức 0.4% trọng lượng xi măng cho các kết cấu bê tông cốt thép và mức 0.1% cho các kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực [38]. Tuy nhiên, ngưỡng nồng độ clo tới hạn theo hàm lượng riêng clo tự do hiếm khi được đo đạc, so với tổng hàm lượng clo hoặc tỷ lệ [Cl-]: [OH-]. Một số lượng lớn các nghiên cứu đã tập trung vào việc định lượng Cth, nhưng các giá trị đo thường phân tán. Lý do cho sự phân tán của Cth bao gồm các phương pháp đo lường, phương pháp biểu diễn Cth, điều kiện của giao diện thép bê tông và ảnh hưởng của các yếu tố môi trường. 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG I Việc đánh giá độ bền, dự báo tuổi thọ dài hạn của các công trình giao thông bằng bê tông cốt thép cốt liệu nhẹ có ý nghĩa quan trọng trong công tác quản lý, vận hành hệ thống. Bằng chứng, là nó đã được quan tâm, nghiên cứu từ rất lâu tại những nước phát triển ở trên thế giới. Trong đó, hai yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bền là độ thấm và độ khuếch tán của bê tông cốt liệu nhẹ. Ngoài ra còn có thể kể đến hiện tượng cacbonat hóa, ăn mòn hóa học do axít và nước biển. Qua nhiều nghiên cứu về độ thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ, đã chỉ ra rằng, tính thấm của bê tông chịu ảnh hưởng bởi hai yếu tố chính: Một là đặc điểm độ rỗng như kích thước, độ ngoằn ngoèo, và tính liên thông giữa các lỗ rỗng, hai là các vết nứt vi mô trong bê tông, đặc biệt là tại mặt liên kết giữa cốt liệu và chất kế dính. Trong đó, ảnh hưởng của ứng suất do các tác động từ bên ngoài đến độ thấm bê tông vẫn còn chưa được làm rõ. Trong khi đó, với các công trình xây dựng trong môi trường biển, hiện tượng hư hỏng quan trọng cần phải tính đến đó là quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông do các ion clorua. Đã có rất nhiều nghiên cứu đưa ra các đề xuất, mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán ion clorua của bê tông, tỷ lệ nước/ xi măng, thời gian, số điện lượng Coulombs. Ngoài ra, những nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của trạng thái ứng suất nén trước trong 39 bê tông cũng đã được thực hiện. Các thí nghiệm khuếch tán ion qua bê tông bao gồm thí nghiệm khuếch tán trạng thái ổn định, thí nghiệm khuếch tán trạng thái không ổn định, thí nghiệm di trú vùng điện trường. Nói chung, việc thực hiện các thí nghiệm thấm ion clorua còn phức tạp (đặc biệt khi xét đến các trạng thái ứng suất trong bê tông). Nên việc xác định gián tiếp hệ số khuếch tán ion clorua thông qua các thí nghiệm đơn giản hơn như thí nghiệm thấm nước có ý nghĩa quan trọng trong công tác đánh giá độ bền và dự báo tuổi thọ của các kết cấu công trình bằng bê tông cốt liệu nhẹ. 40 CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ THẤM NƯỚC VÀ THẤM ION CLO CỦA BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ 2.1. CÔNG TÁC CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM 2.1.1. Vật liệu chế tạo bê tông 2.1.1.1. Xi măng Để thiết kế cấp phối cho bê tông có cường độ chịu nén dự kiến là fc’ = 30 MPa (C30), dùng xi măng Bỉm Sơn - PC 40 (đạt các chỉ tiêu kỹ thuật dùng cho bê tông được quy định theo TCVN 2682: 2009). Các chỉ tiêu kỹ thuật của xi măng có được như dưới đây Bảng 2.1 - Các tính chất cơ lý của xi măng Vicem PC40 TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Tiêu chuẩn Kết quả thử nghiệm 1 Độ bền nén - 3 ngày - 7 ngày - 28 ngày Mpa TCVN 6016: 1995 29,0 41,4 49,1 2 Thời gian đông kết - Bắt đầu - Kết thúc Phút TCVN 6017: 1995 105 160 3 Khối lượng riêng g/cm3 TCVN 4030: 2003 3,1 4 Lượng nước tiêu chuẩn % TCVN 6017: 1995 30,0 Bảng 2.2 - Thành phần hóa học của xi măng Vicem PC40 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O CaO tự do 21,65 5,25 3,42 65,0 0,06 1,80 0,25 0,72 0,125 41 Bảng 2.3 - Thành phần khoáng vật của xi măng Vicem PC40 C3S C2S C3A C4AF 51,74 24,20 8.16 10,35 2.1.1.2. Cốt liệu nhỏ (cát) Cát dùng để chế tạo bê tông có thể là cát thiên nhiên hay cát nhân tạo có cỡ hạt từ 0,14 đến 5mm - theo TCVN; từ 0,15 đến 4,75 mm - theo tiêu chuẩn của Mỹ và từ 0,08 đến 5mm theo tiêu chuẩn của Pháp. Cát được sử dụng trong nghiên cứu này là cát sông Đà. Hình 2.1 - Thí nghiệm khối lượng cát lèn chặt 2.1.1.3. Cốt liệu lớn (sỏi keramzit) Sỏi nhẹ Keramzit (nguồn gốc Trung Quốc). Vật liệu Keramzit để chế tạo bê tông phải có cường độ và độ hao mòn phù hợp. Sỏi nhẹ trên thỏa mãn các tính năng kỹ thuật để sản xuất bê tông siêu nhẹ, cách âm, cách nhiệt, chịu lực mác cao. Sỏi nhẹ sử dụng hiệu quả trong các công trình xây dựng hoặc cơi nới cải tạo ở nơi có nền móng yếu. 42 Hình 2.2 - Sỏi Keramzit phục vụ đổ bê tông 2.1.1.4. Nước Dùng nước sinh hoạt để sản xuất và bảo dưỡng bê tông. Nước dùng phải là nước sạch theo TCXDVN 4576:2012 [6] 2.1.1.5. Phụ gia khoáng Bột khoáng siêu mịn hoạt tính sử dụng trong nghiên cứu là muội silic loại Sikacrete PP1 của hãng Sika. Thành phần là hoạt chất đioxít silíc cực mịn, khối lượng riêng là 2,2 g/cm3. 2.1.1.6. Phụ gia dẻo Phụ gia siêu dẻo sử dụng loại phụ gia giảm nước cao cấp loại viscocrete 3000-20 của hãng Sika. Sika Viscocrete 3000-20 phù hợp tiêu chuẩn ASTM C494 loại G. Sika Viscocrete 3000-20 là chất siêu hóa dẻo công nghệ cao gốc polyme thế hệ thứ ba. Thành phần là polycarboxylat cải tiến, khối lượng riêng là 1,18 - 1,2 kg/l, độ pH từ 4,5 - 6,5. 2.1.2. Thí nghiệm xác định một số chỉ tiêu kĩ thuật của vật liệu chế tạo bê tông 2.1.2.1. Xác định thành phần hạt của cốt liệu cho bê tông theo ASTM C33 [26] a) Thiết bị thử Cân kỹ thuật có độ chính xác tới 0,1g. Bộ sàng tiêu chuẩn lỗ vuông có với kích thước lỗ sàng lần lượt bằng:  Đối với cốt liệu nhỏ là cát: 0,15; 0,3; 0,6; 1,18; 2,36; 4,75 mm;  Đối với cốt liệu lớn là sỏi: 2,36; 4,75; 9,5; 12,5; 19; 25; 37,5; 50; 63; 75mm. Máy lắc sàng. Tủ sấy có bộ phận điều chỉnh nhiệt độ đạt nhiệt độ sấy ổn định từ 105oC đến 110oC. b) Chuẩn bị mẫu thử - Đối với cốt liệu nhỏ: Cát 43 Lấy mẫu cốt liệu, rồi giảm nhỏ bằng phương pháp chia tư hoặc phân đôi để được khối lượng mẫu đủ và có dư cho thí nghiệm. Sấy khô cốt liệu, cân lấy 2kg để thử. - Đối với cốt liệu lớn Sấy khô cốt liệu, cân lấy 5kg để thử. 2.1.2.2. Tiến hành thử a) Đối với cốt liệu nhỏ: Cát Dùng mẫu đã sấy khô ở nhiệt độ 110 ± 5oC đến khối lượng không đổi, sàng qua mắt sàng 5mm. Xếp chồng các sàng qui định để sàng mắt to nằm trên, sàng mặt nhỏ nằm dưới và cuối cùng là đáy (không có lỗ). Để xác định mô đun độ lớn của cát phải dùng đủ các sàng có kích thước từ 0,15 đến 4,75mm. Đổ mẫu cốt liệu vào sàng trên cùng, rồi sàng bằng tay hoặc dùng máy lắc sàng (ở đây sàng bằng máy). Thời gian sàng phải đủ để hầu hết các hạt nhỏ hơn một sàng bất kì phải lọt qua sàng đó, được qui ước như sau: nếu lấy từng sàng ra sàng riêng trong 1 phút trên tờ giấy, lượng lọt qua sàng không được vượt quá 0,5% khối lượng mẫu cốt liệu ban đầu là được. Nếu không đạt như vậy, phải tiếp tục sàng. Cân phần cốt liệu sót riêng trên các sàng (Sr) chính xác tới 0,1g. b) Tính kết quả Tính lượng sót riêng (Sr) ở mỗi sàng theo % của khối lượng mẫu thử. Tính lượng sót tích lũy (Stl) ở mỗi sàng theo % khối lượng mẫu thử. Chú ý là lượng sót tích luỹ là tổng số của các lượng sót riêng trên sàng đó và các sàng ở trên. Tính lượng lọt (L) của mỗi sàng theo % của khối lượng mẫu thử theo công thức: L = 100 – Stl (2.1) Tính mô đun độ lớn của cốt liệu nhỏ theo công thức: Mđl = 100 15,03,06,018,136,275,4 tltltltltltl SSSSSS  (2.2) Trong đó: Stl4,75, Stl2,36, Stl0,15 – Lần lượt là lượng sót tích lũy trên các sàng 4,75; 2,36;0,15mm. c) Đánh giá kết quả - Đối với cốt liệu nhỏ là cát Kết quả thành phần hạt: 44 Bảng 2.4 - Bảng thành phần hạt của cát Cỡ sàng (mm) Lượng sót trên sàng (g) % trên sàng % lượng lọt % lượng lọt TC 4,75 0,00 0,00 100,00 95-100 2,36 0,264 26,4 73,6 80-100 1,18 0,253 25,3 48,3 50-85 0,60 0,365 36,5 11,8 25-60 0,30 0,096 9,6 2,2 5-30 0,15 0,017 1,7 0,5 0-10 Đáy 0,005 0,5 0 --- Biểu đồ cấp phối của cát Hình 2.3 - Biểu đồ cấp phối cát Cát này chưa thỏa mãn tiêu chuẩn,cần phải điều chỉnh lại để cho phù hợp với tiêu chuẩn (đường cấp phối màu xanh dương) Cần điều chỉnh như sau: thêm 150g mắt sàng 0,15 và bớt 200g mắt sàng 2,36 trong 1000g cát. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 Cấp phối Đường Min Đường Max 45 Bảng 2.5 - Bảng thành phần hạt của cát sau điều chỉnh Cỡ sàng (mm) Lượng sót trên sàng (g) % trên sàng % lượng lọt % lượng lọt TC 4,75 0,00 0,00 100,00 95-100 2,36 64 6,74 93,26 80-100 1,18 253 26,63 66,63 50-85 0,60 365 38,42 28,21 25-60 0,30 96 10,11 18,11 5-30 0,15 167 17,58 0,53 0-10 Đáy 0,005 0,5 0 --- Hình 2.4 - Cấp phối hạt cát sau điều chỉnh - Mô đun độ lớn của cát: Mđl = 100 15,03,06,018,136,275,4 tltltltltltl SSSSSS  = 0,99 (2.3) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 Đường Min Đường Max CP Điều chỉnh 46 Bảng 2.6 - Đối với cốt liệu lớn là sỏi keramzit Sàng 25 19 9.5 4.75 m 0 220 1132 430 ai% 0.0 7.7 39.4 15.0 Lượng sót tích lũy % 0.0 7.7 85.0 100.0 Lượng lọt sàng % 100 92.3 15.0 0.0 Min 100 90 10 0 Max 100 100 50 15 Biểu đồ cấp phối của sỏi Keramzit. Hình 2.5 - Đường cong cấp phối của sỏi keramzit Nhận xét: Loại sỏi này thỏa mãn về thành phần hạt dùng làm cốt liệu lớn Dmax=19 mm cho bê tông. b. Xác định khối lượng riêng và độ hút nước của cốt liệu nhẹ theo TCVN 7572-4:2006 [5] Khối lượng riêng, KLTT và độ hút nước của cốt liệu nhẹ được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 7572-4:2006. Qui trình thí nghiệm được tóm tắt như sau: 47 - Ngâm cốt liệu vào nước ở 270C trong 24h. - Cân cốt liệu ở trạng thái bão hoà khô bề mặt, m1 (g). - Cho cốt liệu vào bình, đổ đầy nước, đặt tấm kính. - Cân khối lượng cốt liệu + bình + nước + tấm kính m2 (g). - Đổ cốt liệu ra, đổ đầy nước vào bình + nước + tấm kính, m3 (g). - Sấy khô cốt liệu, cân khối lượng m4 (g). - pn là khối lượng riêng của nước (g/cm3). Khối lượng riêng, KLTT của cốt liệu nhẹ được tính theo công thức sau: Khối lượng riêng của CLN:   4 4 2 3 a n m p p m m m    (2.4) Khối lượng thể tích ở trạng thái khô   4 1 2 3 vk n m p p m m m    (2.5) Khối lượng thể tích ở trạng thái bão hoà:   1 1 2 3 vbh n m p p m m m    (2.6) Độ hút nước theo khối lượng: 1 4 4 100a n m m H p m    (2.7) Kết quả thí nghiệm là giá trị trung bình trong 2 lần thử, trình bày trong bảng dưới đây. Bảng 2.7 - Khối lượng thể tích của cốt liệu nhẹ xem xét 48 Tính chất STL 5/20 ap 1.38 vkp 1.27 vbhp 1.35 aH 6.15 2.1.3. Thiết kế thành phần cấp phối bê tông thí nghiệm Bê tông nhẹ C30 có cường độ chịu nén đặc trưng dự kiến ở tuổi 28 ngày là fc’ = 30 MPa. Tính toán thiết kế thành phần cấp phối bê tông theo phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm theo mô hình nối tiếp/song song và mô hình biến động (mô hình Larrard-Shink). Phương pháp tính toán và diễn giải được tác giả Đặng Thùy Chi trình bày tại [8] và được sử dụng để thực hiện thiết kế trong khuôn khổ đề tài theo các nội dung sau: a) Tính toán lý thuyết kết hợp thực nghiệm Quy trình tính toán lý thuyết theo nguyên tắc thể tích tuyệt đối, xác định các thành phần của bê tông dựa trên các tham số sau: - Tỉ lệ nước/chất kết dính khống chế giải cường độ bê tông yêu cầu. Khi tỉ lệ nước/chất kết dính tăng, cường độ bê tông giảm. - Tỉ lệ thể tích Cốt liệu nhẹ (CLN) khống chế KLTT của bê tông. Với một thể tích hồ không đổi, tỉ lệ thể tích CLN càng lớn thì khối lượng thể tích (KLTT) thực của bê tông càng nhỏ. - Tính công tác của hỗn hợp bê tông được đảm bảo bằng lượng nước và lượng phụ gia dẻo. Do CLN có xu hướng nổi lên trên bề mặt trong khi thi công, BTCLN nên được được thiết kế có độ chảy cao, để giảm công tác đầm nén nhằm hạn chế được hiện tượng phân tầng cốt liệu. Thành phần bê tông được thiết kế dựa trên 4 bước gồm lựa chọn các tham số đầu vào, tính toán thành phần bê tông, tính toán các đặc trưng cơ học của các pha và thí nghiệm kiểm chứng. Yêu cầu thiết kế là cường độ chịu nén, khối lượng thể tích và tính công tác của BTCLN. Bước 1: Lựa chọn các tham số đầu vào 49 - Tỉ lệ CLN (thể tích CLN/1m3 bê tông): thông thường để đảm bảo KLTT của bê tông thỏa mãn yêu cầu thiết kế dành cho bê tông cốt liệu nhẹ. Tỉ lệ cốt liệu thường nằm trong khoảng từ 0,2 - 0,4 thể tích bê tông. - Tỉ lệ nước/chất kết dính (N/CKD) quyết định cường độ của bê tông. Tỉ lệ N/CKD của bê tông cường độ cao thường nằm trong khoảng từ 0,25 - 0,4. - Lượng nước sử dụng N và lượng phụ gia dẻo SP: quyết định tính công tác của hỗn hợp bê tông nhưng có thể điều chỉnh trong quá trình nhào trộn để đảm bảo yêu cầu. Lượng nước khi không sử dụng phụ gia có thể tham khảo ACI 211-2-98 [24] (Bảng 2.8). Bảng 2.8 - Lượng nước nhào trộn Lượng nước trong 1m3 bê tông, kg, ứng với cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu, mm Độ sụt (mm) 9,5 mm 12,7 mm 19 mm 25 đến 50 mm 208 199 187 75 đến 100 mm 228 217 202 125 đến 150 mm 23 222 208 Hàm lượng gần đúng không khí cuốn vào bê tông không cuốn khí, % 3 2,5 2 Bước 2: Tính toán các thành phần - Tính lượng xi măng X và lượng silicafume MS: Hàm lượng silicafume, m, tính bằng tỉ lệ phần trăm so với khối lượng xi măng: được lấy theo yêu cầu về cường độ bê tông, trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu về bê tông và bê tông cường độ cao thông thường. CKD = N : (N/CKD) = X + MS = X + 𝑚 100 X X = CKD/(1 + 𝑚 100 ); MS = 𝑚 100 .X - Tính lượng cốt liệu nhẹ S: S = Vs.s Trong đó Vs là thể tích cốt liệu nhẹ đã chọn ở bước 1 s là khối lượng riêng (KLTT hạt) của cốt liệu nhẹ - Tính lượng cát C theo nguyên tắc thể tích tuyệt đối: 50 C = (1000 – Vs – 𝑋 𝜌𝑋 – 𝑀𝑆 𝜌𝑀𝑆 – N – Vk). c Trong đó Vk là thể tích khí cuốn, phụ thuộc vào đường kính lớn nhất của cốt liệu. Dmax của cốt liệu càng lớn thì hàm lượng không khí càng nhỏ. Bước 3: Tính các đặc trưng cơ học của vữa và bê tông Từ tỉ lệ giữa các thành phần tính được cường độ và mô đun đàn hồi của vữa cũng như cường độ nén của bê tông theo các công thức của mô hình biến động và mô hình nối tiếp/song song . Bước 4: Thực nghiệm kiểm tra Sau khi tính toán các đặc trưng cơ học, thành phần bê tông được kiểm tra điều chỉnh bằng thực nghiệm. Chế tạo mẫu thử trên cơ sở thành phần bê tông đã lựa chọn ở bước 1 và 2. Thí nghiệm kiểm tra cường độ và khối lượng thể tích của bê tông. Nếu không đạt, cần điều chỉnh các tham số đầu vào ở bước 1. b) Thiết kế thành phần BTCLN theo mô hình De Larrard - Shink bằng phần mềm [66] Tiến hành lập phần mềm thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ theo mô hình Larrad - Shink. Phần mềm được Đặng Thùy Chi và Ngô Thị Thanh Hương viết bằng ngôn ngữ Visual Basic và đặt tên là RLaShi 1.0 [10]. Cấu trúc của chương trình RLaShi 1.0 bao gồm: - Các chương trình con: Nhập số liệu tính toán gồm các tham số chính là thông số kĩ thuật các loại vật liệu xi măng, cát, sỏi, silicafume, phụ gia dẻo. Lựa chọn các tham số đầu vào để thiết kế thành phần bê tông như tỉ lệ cốt liệu nhẹ, tỉ lệ nước/chất kết dính, lượng nước sử dụng. Chương trình tính toán các thành phần cốt liệu - Chương trình chính: liên kết các chương trình con và thực hiện quá trình tính toán các đặc trưng cơ học của vữa bê tông theo thuật toán đã lập. Hình 2.6 - Giao diện chương trình RLaShi 1.0 Chương trình ROFP 1.0 cho phép thực hiện được các nội dung sau : - Nhập thông số các loại vật liệu 51 Hình 2.7 - Giao diện chương trình RLaShi 1.0 - Thông số vật liệu - Lựa chọn các tham số đầu vào Hình 2.8 - Giao diện chương trình RLaShi 1.0 - Lựa chọn tham số - Tính toán thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ theo mô hình Larrad-Shink; Hình 2.9 - Giao diện chương trình RLaShi 1.0 - Thành phần vật liệu - Tính toán các đặc trưng cơ học (mô đun đàn hồi, cường độ của vữa và của bê tông). 52 Hình 2.10 - Giao diện chương trình RLaShi 1.0 - Kết quả tính toán - Xuất kết quả ra file văn bản. c) Kết quả thiết kế Trên cơ sở tính toán thiết kế, thành phần vật liệu sau điều chỉnh bằng thực nghiệm cho 1m3 bê tông C30 được xác định như bảng dưới đây: Bảng 2.9 - Thành phần hỗn hợp vật liệu cho 1m3 bê tông cốt liệu nhẹ cấp 30Mpa xét tới ảnh hưởng của độ ẩm và độ hút nước cốt liệu. Thành phần Khối lượng Đơn vị Muội Siclic 61.0 kg Xi măng 520.0 kg Cát 840.0 kg Nước 145.0 kg Phụ gia dẻo 7.93 lít Sỏi keramzit 250 kg 2.1.4. Thí nghiệm kiểm tra cường độ BTCLN thiết kế Sau khi xác định thành phần BTCLN từ thiết kế, tiến hành đúc mẫu và bảo dưỡng theo quy định. Cường độ BTCLN thiết kế được kiểm tra thông qua thí nghiệm xác định cường độ chịu nén theo tiêu chuẩn ASTM - C39. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong bảng dưới đây: Bảng 2.10 - Kết quả thí nghiệm cường độ nén theo ASTM-C39 Lực nén (kN) Cường độ nén (Mpa) Cường độ nén TB (Mpa) 53 301.42 38.4 38.03 295.14 37.6 299.07 38.1 Như vậy, cấp phối thiết kế đảm bảo yêu cầu đặt ra về cường độ. Hình 2.11 - Thí nghiệm nén bê tông theo ASTM - C39 2.2. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ THẤM NƯỚC CỦA BÊ TÔNG 2.2.1. Thí nghiệm đo độ thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ chịu ảnh hưởng của tải trọng nén trước Vật liệu đầu vào được kiểm tra và thỏa mãn các tiêu chuẩn của Mỹ và Việt Nam [32-40]. Thành phần của bê tông mẫu thí nghiệm được thiết kế nhằm thỏa mãn cường độ 30MPa thiết kế. Thí nghiệm thấm nước theo tiêu chuẩn [21]. Các thí nghiệm được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Vật liệu Xây dựng của Trường Đại học Thủy lợi. 54 Hình 2.12 - Cắt mẫu thí nghiệm thấm thấm nước từ mẫu trụ và xử lý mẫu Hình 2.13 - Bố trí đo thấm nước trong phòng thí nghiệm Bê tông thí nghiệm có cường độ đặc trưng f’c = 30 MPa (C30); được quy đổi từ giá trị cường độ nén trung bình của các mẫu trụ có đường kính 150 mm, chiều cao 300 mm theo tiêu chuẩn [25]. Sau khi đổ bê tông, các mẫu thí nghiệm được bảo dưỡng trong phòng thí nghiệm trong vòng 24 giờ. Sau 24h đó các mẫu được tháo khuôn và bảo dưỡng tiếp 24 giờ nữa. Khi tháo khuôn, nếu thấy trên mặt mẫu xuất hiện các vết nứt rộng hơn 0,1 mm và những vết rỗ lớn hơn 5 mm hoặc các hiện tượng kém đặc chắc thì phải loại bỏ. Khi có hai mẫu có hiện tượng trên thì phải loại bỏ cả nhóm mẫu và đúc lại. Các mẫu tiếp tục được bảo dưỡng trong nước trong thời gian 28 ngày để bê tông thuỷ hoá và bão hoà hoàn toàn. Sau 28 ngày, các mẫu được chia thành 4 nhóm, mỗi 55 nhóm gồm 4 mẫu. Các nhóm được nén trước với các cấp ứng suất tương đối trong bê tông dự kiến là /max = 0; 0,3; 0,5; 0,8 rồi dỡ tải. Sau khi dỡ tải, tiến hành cắt mẫu để thí nghiệm. Mẫu thí nghiệm độ thấm nước có kích thước: chiều cao  đường kính = 150 mm x 150 mm. Trước khi làm thí nghiệm cần phải loại bỏ màng xi măng trên mặt mẫu bằng bàn chải sắt hoặc dụng cụ khác. Nhóm nghiên cứu sử dụng sơn epoxy chống thấm 2 thành phần để đảm bảo mẫu không bị thấm ngang. Các mẫu thí nghiệm được đưa vào buồng đo thấm nhanh (hình 2.13) để xác định cấp thấm và đo lưu lượng nước thấm trên một đơn vị thời gian [21]. Kiểm tra độ kín khít của các khe tiếp giáp và khuyết tật trên cạnh biên của mẫu. Sau đó tiến hành thí nghiệm như đã trình bày ở trên. Phân tích kết quả thí nghiệm Kết quả đo thấm nước của 4 tổ mẩu xem xét Pn - 0, Pn - 0.3, Pn - 0.5 và Pn - 0.8 có được theo các thí nghiệm thấm nước tương ứng với các giá trị ứng suất nén trước trong bê tông được biểu diễn trên Bảng 2.11 và Hình 2.14. Độ thấm nước ban đầu của các mẫu có sự khác biệt lớn. Đối với cấp tải 0.8P cho kết quả độ thấm rất lớn tạo ra sự khác biết rõ ràng với các cấp 0P, 0.3P và 0.5P. Điều này hoàn toàn phù hợp với dự báo theo kinh nghiệm nhóm nghiên cứu và theo tiêu chuẩn TCVN 8219:2009 [3]. Độ thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ chịu cấp tải 0.8P thuộc mức trung bình (so với bê tông thường có cùng cấp cường độ [1] còn độ thấm nước của bê tông cốt liệu nhẹ chịu các cấp tải còn lại thuộc mức rất thấp. Sự khác biệt này có thể giải thích bằng sự thay đổi về cấu trúc của bê tông khi chịu tải. Bê tông khi chịu tải có thể gây đến sự thay đổi cá cấu trúc vi mô bên trong. Khi nén mẫu đến 0.8P các hạt cốt liệu nhẹ bị nứt vỡ, hệ số rỗng thay đổi khiến nước thấm qua bê tông nhanh hơn. Độ thấm của các tổ mẫu bê tông chịu tải nhỏ hơn rất thấp và tăng chậm hơn. Hệ số thấm nước của từng mẫu bê tông cốt liệu nhẹ được xác định theo công thức sau: /  t Q k cm s S P  