Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu xây dựng chỉ dẫn kỹ thuật thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu (07/10/2024)

Hiện nay, việc sản xuất các loại cốt liệu nhẹ vẫn đang được quan tâm nghiên cứu và phát triển, kể cả việc tận dụng tro xỉ nhiệt điện và các loại phế thải công nghiệp và dân dụng khác. Theo đó, ứng dụng bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu trong xây dựng dân dụng và công nghiệp ngày càng tăng, đặc biệt cho các công trình trên nền đất yếu, các tòa nhà tiết kiệm năng lượng hay các công trình chịu tác động xâm thực biển...

Hệ thống tiêu chuẩn về cốt liệu nhẹ cho bê tông đã khá đầy đủ, kể cả ở nước ta trong tương lai rất gần. Tuy nhiên, chúng ta chưa có tiêu chuẩn hay chỉ dẫn kỹ thuật thực hành thiết kế, lựa chọn thành phần bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu. Việc thiết kế, lựa chọn thành phần bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu vẫn chủ yếu dựa vào kinh nghiệm hay một số tiêu chuẩn nước ngoài mà nội hàm của nó không hoàn toàn phù hợp với hệ tiêu chuẩn, điều kiện môi trường và tính chất vật liệu trong nước, và điều này là sức cản đáng kể cho sự phát triển cốt liệu nhẹ trong nước, khó khăn cho các nhà thiết kế, thi công và sản xuất, cũng như đơn vị quản lý nhà nước về xây dựng định mức vật liệu và đơn giá bê tông nhẹ. Để khắc phục bất cập đó, cần nghiên cứu xây dựng chỉ dẫn kỹ thuật chọn thành phần bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu trên cơ sở tiêu chuẩn nước ngoài, có xem xét điều chỉnh phù hợp với điều kiện Việt Nam không những tạo thuận lợi cho các đơn vị sản xuất, thiết kế và thi công mà còn là cơ sở để xây dựng định mức kinh tế - kỹ thuật bê tông cốt liệu nhẹ, góp phần đồng bộ hóa hệ thống TCVN về xây dựng, tạo cơ hội phát triển sản xuất, ứng dụng cũng như quản lý chất lượng bê tông cốt liệu nhẹ ở nước ta. Đề tài Nghiên cứu xây dựng chỉ dẫn kỹ thuật thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu do Hội Bê tông Việt Nam chủ trì thực hiện năm 2023, PGS.TS. Nguyễn Duy Hiếu làm chủ nhiệm đã giải quyết được thực trạng trên.

Mô phỏng các trạng thái của cốt liệu nhẹ và thành phần pha hạt cốt liệu nhẹ ở trạng thái ướt – "nguyên trạng".

Đề tài đã phân tích cơ sở khoa học về vật liệu và công nghệ liên quan đến thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu, nghiên cứu và phân tích các phương pháp thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ trên thế giới. Theo đó có nhiều phương pháp tính toán lựa chọn thành phần, tuy nhiên tất cả đều theo nguyên tắc chung là tính toán kết hợp thực nghiệm. Phương pháp của Nga cần biết một số tính chất khá phức tạp của cốt liệu nhẹ (như khối lượng thể tích hạt trong hồ xi măng, cường độ ép vỡ trong xi lanh) nhưng không đề cập việc sử dụng phụ gia hóa học và phụ gia khoáng. Phương pháp sử dụng quan hệ logarit cường độ các pha trong bê tông khó áp dụng ở Việt Nam. Phương pháp của ACI 211.2 trong đó viện dẫn ASTM C330 với cách tiếp cận về chất lượng LA (cốt liệu nhẹ) rất hiện đại về yêu cầu kỹ thuật của LA đó; đã đề cập đến hỗn hợp bê tông chảy, cường độ cao, sử dụng phụ gia hóa học và phụ gia khoáng; quy trình tính toán đơn giản và đầy đủ. Từ phân tích, đánh giá và so sánh tương đối như trên cho thấy việc xây dựng Chỉ dẫn kỹ thuật thiết kế thành phần SLAC (bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu) trên cơ sở tham khảo ACI 211.2 là cần thiết và phù hợp với điều kiện Việt Nam. Nghiên cứu cũng cho thấy, các phương pháp thiết kế thành phần có những ưu và nhược điểm khác nhau. Tuy nhiên phương pháp theo ACI 211.2 có đủ cơ sở khoa học về ảnh hưởng của các yếu tố vật liệu, môi trường và công nghệ đến kết quả lựa chọn thành phần bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu.

Việc khảo sát thực nghiệm tính chất của vật liệu đầu vào của nước ta và các tính chất của các cấp phối đã lựa chọn cho thấy sự phù hợp của phương pháp thiết kế hay lựa chọn thành phần bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu. Trên cơ sở ACI 211.2 và kết quả nghiên cứu và ứng dụng bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu ở Việt Nam, đã mở rộng phương pháp lựa chọn thành phần bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu có sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính, phụ gia siêu dẻo, giảm nước; lựa chọn được thành phần hỗn hợp bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu có tính công tác tốt, có thể vận chuyển bằng bơm. Tuy nhiên sự không tương đồng hoàn toàn giữa hệ thống TCVN và ASTM về các phép thử đã gây trở ngại trong kiểm tra thực nghiệm. Trong quá trình thực hiện chọn thành phần cho loại bê tông này, cần quan tâm đến các hiệu chỉnh nhỏ về môi trường thí nghiệm cũng như quy trình xử lý và quy đổi số liệu thực nghiệm nhằm hạn chế những sai lệch của kết quả thực nghiệm.

Nghiên cứu thực nghiệm tính chất của bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu, về cấp phối bê tông không phụ gia hóa học, sử dụng xi măng PC40, không dùng phụ gia hoá dẻo và phụ gia cuốn khí; cốt liệu lớn nhẹ loại LA1 và cốt liệu nhỏ là cát tự nhiên CV1 chất lượng đạt yêu cầu theo ASTM C330-17 và TCVN 7570:2006; cốt liệu lớn có Dmax 19 đến 5mm, thông số khối lượng thể tích là 1,6 và độ hấp thụ (độ ẩm SSD) 12,5%, khối lượng thể tích xốp khô là 720 kg/m³;cát tự nhiên (CV1) có độ ẩm (SSD) là 1,0% và Mô đun độ lớn 2,60. Bê tông nhẹ sử dụng cho kết cấu tấm sàn bê tông cốt thép làm việc trong môi trường thông thường. Vận chuyển hỗn hợp bằng gầu. Thiết kế yêu cầu cường độ nén trung bình (mẫu trụ chuẩn) tuổi 28 ngày: f’cr = 25 MPa. Trên cơ sở kinh nghiệm đã có với vật liệu và điều kiện đổ bê tông, nghiên cứu thực hiện các bước: chọn độ sụt của hỗn hợp: 75 - 100 mm; chọn cỡ hạt cốt liệu nhẹ: 19 - 5 mm; chọn lượng nước trộn với cốt liệu Dmax 19mm là 202 kg/m³ và hàm lượng khí ước tính 2,0%; chọn tỷ lệ N/X (tỷ lệ nước - xi măng) 0,57 hoặc N/CKD (tỷ lệ nước - chất kết dính); tính toán lượng dùng xi măng là 202/0,57 = 354 kg/m³; xác định lượng cốt liệu lớn nhẹ ở trạng thái bão hòa là 583 kg; xác định khối lượng cốt liệu nhỏ (cát) ở trạng thái khô là 706 kg và tính toán vật liệu cho mẻ trộn thử. Theo đó, hoàn thiện công thức phối trộn với khối lượng vật liệu mẻ trộn được điều chỉnh, đơn vị kg/m³ bê tông là: xi măng 390, cốt liệu nhỏ (khô) 678, cốt liệu lớn (khô) 536, nước trộn (tổng) 222. Khi cốt liệu ở điều kiện SSD, khối lượng vật liệu mẻ trộn với đơn vị kg/m³ bê tông là: xi măng 390, cốt liệu nhỏ (SSD) 685, cốt liệu lớn (SSD) 603, nước trộn thêm 172.

Về cấp phối bê tông có phụ gia hóa học, cường độ chịu nén yêu cầu tuổi 28 ngày của bê tông là 25MPa; cường độ vượt thiết kế (theo TCVN 5574:20188, không có dữ liệu kinh nghiệm): 8MPa, vậy cường độ trung bình yêu cầu của bê tông: f’cr = 32 MPa. Khối lượng thể tích yêu cầu của SLAC từ 1800 - 1900 kg/m³. Độ sụt của hỗn hợp bê tông là 145 ± 25mm; độ phân tầng 8%; hỗn hợp được vận chuyển bằng bơm.; sử dụng xi măng PC50; cốt liệu lớn nhẹ loại LA-2; cát tự nhiên loại CV-2; phụ gia cuốn khí (AEA) của Bifi, hàm lượng khí trong hỗn hợp 6 ± 1%; phụ gia giảm nước (PGSD), loại G theo TCVN 8826, tỷ lệ giảm nước 20%. Thiết kế thành phần bê tông qua các bước: xác định tỷ lệ N/X, xác định lượng nước, tính thể tích không khí trong hỗn hợp bê tông xấp xỉ 0,06 m³, tính lượng xi măng 364 kg, tính chọn khối lượng cốt liệu nhẹ, tính thể tích tuyệt đối của cát Vc = 1m³, tính toán khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông từ là 1.950 kg/m₃, khối lượng thể tích sấy khô là 1.890 kg/m₃. Kết quả thực nghiệm cho thấy hỗn hợp bê tông đồng nhất, có khả năng bơm, cường độ và khối lượng thể tích đạt yêu cầu thiết kế. Tuy nhiên trước khi thi công vẫn cần trộn thử mẻ trộn thí nghiệm với vật liệu ở hiện trường để hiệu chỉnh cấp phối cho trạm trộn.

Về cấp phối bê tông có phụ gia hoá học và phụ gia khoáng, sử dụng 364 kg xi măng, 581 kg cốt liệu nhẹ (SSD), 153 kg nước (gồm cả PGSD), sau đó lựa chọn tỷ lệ thay thế xi măng bằng FA và SF và tính lượng sử dụng cát. Tiến hành trộn thử mẻ trộn 30 lít hỗn hợp. Kết quả cho thấy, với 1.910 kg/m³ khối lượng thể tích hỗn hợp cho độ sụt 150mm, độ phân tầng 5%, tính toán được cường độ nén và cho khối lượng thể tích sấy khô là 1.850 kg/m³. Thực nghiệm cho thấy, khi có mặt FA (tro bay) và SF (Silicafume) đã cải thiện tính đồng nhất của hỗn hợp bê tông, giảm nhẹ khối lượng thể tích của bê tông (<1.900kg/m³) và tăng cường độ (đáng kể ở tuổi muộn) so với cấp phối không có phụ gia khoáng. Điều này là do tác động của các hiệu ứng vật lý và hoá học của tổ hợp phụ gia khoáng trong bê tông. Như vậy, bằng quy trình thiết kế như trên đã nhận được cấp phối bê tông đạt yêu cầu. Tuy nhiên trong mọi trường hợp, trước khi thi công cần trộn thử mẻ trộn thí nghiệm với vật liệu ở hiện trường để hiệu chỉnh cấp phối cho trạm trộn.

Từ những nghiên cứu trên, nhóm tác giả đề tài tiến hành xây dựng chỉ dẫn kỹ thuật thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu đảm bảo cơ sở khoa học và thực tiễn, hỗ trợ cán bộ kỹ thuật tính toán lựa chọn được thành phần của bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu. Chỉ dẫn kỹ thuật gồm 4 phần chính: Giới thiệu (Lời nói đầu; Mục đích; Phạm vi áp dụng; Tài liệu viện dẫn; Thuật ngữ và định nghĩa); Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần của SLAC (Độ ẩm cốt liệu; Cấp phối cốt liệu; Tỷ lệ nước - xi măng; Hàm lượng không khí); Tính toán sơ bộ thành phần hỗn hợp thử nghiệm (Những vấn đề chung; Phương pháp 1; Phương pháp 2); Điều chỉnh thành phần hỗn hợp bê tông. Dự thảo chỉ dẫn kỹ thuật chọn thành phần bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu này có mở rộng phạm vi sử dụng vật liệu là phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia siêu dẻo so với ACI 211.2 nhằm nâng cao chất lượng cho bê tông cốt liệu nhẹ kết cấu ở nước ta; đồng thời có cấu trúc nội dung nhìn chung tương tự tài liệu gốc ACI 211.2. Tuy nhiên đã có những sửa đổi nhất định về hình thức trình bày trên cơ sở TCVN 1-2:2008. Nội dung của chỉ dẫn kỹ thuật cũng có sự sửa đổi và bổ sung đáng kể so với tài liệu gốc như thuật ngữ, tài liệu viện dẫn, phạm vi về vật liệu sử dụng, các ghi chú về điều kiện môi trường thử nghiệm, ghi chú về tính toán kết quả thử nghiệm… 

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài tại Trung tâm Thông tin, Thống kê KH&CN Hải Phòng./.