Phân tích những đặc trưng cơ bản của công nghệ bê tông tự lèn trong xây dựng
Công nghệ bê tông trong xây dựng ở Việt Nam thường được thảo luận và áp dụng nhiều, nhưng vấn đề về công nghệ bê tông tự lèn thì ít được quan tâm và chưa có nhiều nghiên cứu chia sẻ để cụ thể hóa công nghệ này trong thực tế xây dựng ở Việt Nam. Bài viết sẽ phân tích về những đặc trưng bản chất của công nghệ bê tông tự lèn trong xây dựng.
1. Đặt vấn đề
Bê tông tự lèn (BTTL) là loại bê tông chất lượng cao, đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới. Sử dụng BTTL tạo được sự thuận lợi trong công tác đổ bê tông các kết cấu BTCT công trình lớn, yêu cầu chất lượng và mĩ thuật cao, đặc biệt những kết cấu có mật độ cốt thép dày đặc. Ở Việt Nam công nghệ BTTL là một công nghệ mới, và mới chỉ được sử dụng ở một số công trình đặc biệt. Một số cơ sở khoa học công nghệ đã có những nghiên cứu cơ bản ban đầu về loại bê tông này, chủ yếu trong điều kiện phòng thí nghiệm và việc ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tế còn nhiều hạn chế. Bài viết này sẽ đi sâu phân tích về đặc điểm, cấu trúc, thành phần và phân loại, để làm sáng tỏ hơn về công nghệ này.
2. Vật liệu chế tạo bê tông tự lèn
2.1. Bột: gồm xi măng, pozzolan và chất độn mịn, có kích thước hạt dưới 125µm, hàm lượng bột quyết định thể tích hồ và tính lưu biến của hỗn hợp
a) Xi măng: xi măng sử dụng cho BTTL là các loại xi măng Portland thông thường, xi măng giàu belite (lượng C2S quy định từ 40 - 70%). Đặc biệt, việc dùng xi măng tỏa nhiệt thấp có thành phần khoáng C3A và C4AF nhỏ trong chế tạo BTTL sẽ cho hiệu quả ảnh hưởng phân tán, giảm lượng nhiệt toaar ra mà không cần phải giảm hàm lượng xi măng.
b) Tro bay: tro bay là bụi khí thải dưới dạng hạt mịn thu được từ quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá trong các nhà máy nhiệt điện chạy than, là phế thải thoát ra từ buồng đốt qua ống khi nhà máy. Tro bay phân thành 2 loại: Loại F và loại C. Loại F là tro bay có hàm lượng ôxit can xi thấp, hàm lượng CaO < 10% được tạo ra khi đốt than antraxit, than bi tum; Loại có là tro bay có hàm lượng ôxit can xi cao, hàm lượng CaO > 10%, được tạo ra từ than lignite. Tro bay làm giảm khả năng thấm, giảm nhu cầu nước và nhiệt độ thủy hóa, tăng tính công tác, tuy nhiên sự phát triển về cường độ thì chậm hơn.
c) Muội silic: muội silic là sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất chế phẩm chứa silic, thoát ra dưới dạng khói bay cực mịn. Muội silic có kích thước rất nhỏ, khoảng từ 0,1μm đến vài μm, đường kính hạt trung bình 1,5μm, nhỏ hơn nhiều kích thước của hầu hết các bột khác. Muội silic lấp đầy các khoảng trống giữa các hạt xi măng làm tăng độ đặc chắc và cường độ BTTL.
d) Xỉ lò cao: xỉ lò cao là sản phẩm phụ của quá trình luyện quặng oxít sắt thành gang. Xỉ lò cao nghiền mịn có kích thước hạt xấp xỉ kích thước hạt xi măng, giúp để cải thiện tính chất lưu biến của hỗn hợp BTTL [7].
2.2. Cốt liệu chính của BTTL
a) Cốt liệu lớn - đá: đối với BTTL, hàm lượng cốt liệu lớn được sử dụng ít hơn so với bê tông truyền thống. Theo hướng dẫn của châu Âu kích thước cốt liệu nên chọn 12 - 20mm, với kích thước 10 - 15mm bê tông sẽ ổn định hơn. trong trường hợp bê tông cường độ cao kích thước này nên chọn 9,5 - 12,7mm.
b) Cốt liệu nhỏ - cát: các loại cát dùng cho bê tông thông thường đều có thể dùng cho BTTL. Nhật Bản, Trung Quốc, châu Âu, Mỹ quy định thể tích hạt > 5mm (và 8mm theo quy định của Thụy Điển và Na Uy) của cốt liệu nhỏ không vượt quá 10%.
2.3. Phụ gia hóa học
a) Phụ gia siêu dẻo:
Chức năng của phụ gia siêu dẻo là phân tán các hạt xi măng và tạo cho hỗn hợp bê tông có độ chảy cao mà không cần thêm nước. Phụ gia siêu dẻo gốc Naphthalene cho BTTL cần hàm lượng cao mới có thể đạt được tính công tác yêu cầu, tuy nhiên sẽ kéo dài quá trình đóng rắn và giảm tốc độ phát triển cường độ của bê tông ở tuổi sớm. Phụ gia siêu dẻo gốc Melamine làm nhanh suy giảm độ chảy của hỗn hợp bê tông nên cũng ít được sử dụng. Mức độ giảm nước 2 loại phụ gia này tối đa 25%. Phụ gia siêu dẻo gốc Polycarboxylate Ether (PCE) khắc phục được những nhược điểm nêu trên. Polycarboxylate là một chất polyme có cấu trúc phân tử gồm mạch chính và các mạch nhánh hình răng lược (Hình 1).
Bê tông tự lèn (BTTL) là loại bê tông chất lượng cao, đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới. Sử dụng BTTL tạo được sự thuận lợi trong công tác đổ bê tông các kết cấu BTCT công trình lớn, yêu cầu chất lượng và mĩ thuật cao, đặc biệt những kết cấu có mật độ cốt thép dày đặc. Ở Việt Nam công nghệ BTTL là một công nghệ mới, và mới chỉ được sử dụng ở một số công trình đặc biệt. Một số cơ sở khoa học công nghệ đã có những nghiên cứu cơ bản ban đầu về loại bê tông này, chủ yếu trong điều kiện phòng thí nghiệm và việc ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tế còn nhiều hạn chế. Bài viết này sẽ đi sâu phân tích về đặc điểm, cấu trúc, thành phần và phân loại, để làm sáng tỏ hơn về công nghệ này.
2. Vật liệu chế tạo bê tông tự lèn
2.1. Bột: gồm xi măng, pozzolan và chất độn mịn, có kích thước hạt dưới 125µm, hàm lượng bột quyết định thể tích hồ và tính lưu biến của hỗn hợp
a) Xi măng: xi măng sử dụng cho BTTL là các loại xi măng Portland thông thường, xi măng giàu belite (lượng C2S quy định từ 40 - 70%). Đặc biệt, việc dùng xi măng tỏa nhiệt thấp có thành phần khoáng C3A và C4AF nhỏ trong chế tạo BTTL sẽ cho hiệu quả ảnh hưởng phân tán, giảm lượng nhiệt toaar ra mà không cần phải giảm hàm lượng xi măng.
b) Tro bay: tro bay là bụi khí thải dưới dạng hạt mịn thu được từ quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá trong các nhà máy nhiệt điện chạy than, là phế thải thoát ra từ buồng đốt qua ống khi nhà máy. Tro bay phân thành 2 loại: Loại F và loại C. Loại F là tro bay có hàm lượng ôxit can xi thấp, hàm lượng CaO < 10% được tạo ra khi đốt than antraxit, than bi tum; Loại có là tro bay có hàm lượng ôxit can xi cao, hàm lượng CaO > 10%, được tạo ra từ than lignite. Tro bay làm giảm khả năng thấm, giảm nhu cầu nước và nhiệt độ thủy hóa, tăng tính công tác, tuy nhiên sự phát triển về cường độ thì chậm hơn.
c) Muội silic: muội silic là sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất chế phẩm chứa silic, thoát ra dưới dạng khói bay cực mịn. Muội silic có kích thước rất nhỏ, khoảng từ 0,1μm đến vài μm, đường kính hạt trung bình 1,5μm, nhỏ hơn nhiều kích thước của hầu hết các bột khác. Muội silic lấp đầy các khoảng trống giữa các hạt xi măng làm tăng độ đặc chắc và cường độ BTTL.
d) Xỉ lò cao: xỉ lò cao là sản phẩm phụ của quá trình luyện quặng oxít sắt thành gang. Xỉ lò cao nghiền mịn có kích thước hạt xấp xỉ kích thước hạt xi măng, giúp để cải thiện tính chất lưu biến của hỗn hợp BTTL [7].
2.2. Cốt liệu chính của BTTL
a) Cốt liệu lớn - đá: đối với BTTL, hàm lượng cốt liệu lớn được sử dụng ít hơn so với bê tông truyền thống. Theo hướng dẫn của châu Âu kích thước cốt liệu nên chọn 12 - 20mm, với kích thước 10 - 15mm bê tông sẽ ổn định hơn. trong trường hợp bê tông cường độ cao kích thước này nên chọn 9,5 - 12,7mm.
b) Cốt liệu nhỏ - cát: các loại cát dùng cho bê tông thông thường đều có thể dùng cho BTTL. Nhật Bản, Trung Quốc, châu Âu, Mỹ quy định thể tích hạt > 5mm (và 8mm theo quy định của Thụy Điển và Na Uy) của cốt liệu nhỏ không vượt quá 10%.
2.3. Phụ gia hóa học
a) Phụ gia siêu dẻo:
Chức năng của phụ gia siêu dẻo là phân tán các hạt xi măng và tạo cho hỗn hợp bê tông có độ chảy cao mà không cần thêm nước. Phụ gia siêu dẻo gốc Naphthalene cho BTTL cần hàm lượng cao mới có thể đạt được tính công tác yêu cầu, tuy nhiên sẽ kéo dài quá trình đóng rắn và giảm tốc độ phát triển cường độ của bê tông ở tuổi sớm. Phụ gia siêu dẻo gốc Melamine làm nhanh suy giảm độ chảy của hỗn hợp bê tông nên cũng ít được sử dụng. Mức độ giảm nước 2 loại phụ gia này tối đa 25%. Phụ gia siêu dẻo gốc Polycarboxylate Ether (PCE) khắc phục được những nhược điểm nêu trên. Polycarboxylate là một chất polyme có cấu trúc phân tử gồm mạch chính và các mạch nhánh hình răng lược (Hình 1).
Tác động tăng dẻo của phụ gia PCE chủ yếu là nhờ hai loại lực đẩy khác nhau giữa các hạt xi măng làm chúng bị phân tán. Lực tĩnh điện xuất hiện do sự hấp thụ các điện tích âm được cung cấp bởi các nhóm carboxilic của phần tử mạch chính. Đồng thời, hiệu ứng phân tán nhờ các mạch nhánh hình răng lược của các phân tử polyme trong phụ gia ngăn cản sự kết tụ của các hạt xi măng. Loại phụ gia này có thể giảm nước đến 30 - 40%. Tại Việt Nam có nhiều loại phụ gia siêu dẻo, giảm nước đến 30 - 40%, có thể sử dụng để sản xuất BTTL như Glenium SP 51, Glenium SP 8 của hãng MBT; Viscocrete 3400 của hãng SiKa; ADVS Cast 508 của hãng Grace, Dynamon SP 1 của hãng MaPei; BP HV 297 của hãng Bifi.
b) Phụ gia biến tính độ nhớt:
Phụ gia biến tính độ nhớt (VMA) được sử dụng để điều chỉnh độ nhớt của hỗn hợp bê tông. VMA được sử dụng để sản xuất bê tông có độ nhớt tốt hơn, kiểm soát tính lưu biến của hỗn hợp, nâng cao sự đồng nhất, giảm tách nước, phân tầng, làm cho hỗn hợp BTTL dễ kiểm soát hơn.
3. Nguyên lý cấp phối và cấu trúc thành phần của bê tông tự lèn
Đặc điểm của BTTL là cường độ cao (> 40 MPa) vì lỗ rỗng ít, tuổi thọ cao, độ chống thấm tốt. BTTL được chế tạo theo nguyên tắc sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính, tỷ lệ N/B thấp, giảm tối đa hàm lượng cốt liệu lớn, lượng phụ gia siêu dẻo cao. Phụ gia khoáng hoạt tính để tăng hàm lượng bột (xi măng + phụ gia khoáng hoạt tính) nhằm tăng thể tích hồ và cải thiện tính lưu biến của hỗn hợp bê tông với lượng dùng xi măng tương đối nhỏ, tỷ lệ N/B thấp để tăng độ liên kết của hỗn hợp BTTL và đảm bảo cường độ yêu cầu của bê tông, giảm tối đa hàm lượng cốt liệu lớn để cải thiện tính công tác, lượng phụ gia siêu dẻo cao để đảm bảo độ chảy yêu cầu của hỗn hợp bê tông. So với bê tông truyền thống, cấp phối BTTL có lượng bột nhiều hơn và cốt liệu lớn ít hơn, hàm lượng phụ gia siêu dẻo cao. Thành phần vật liệu của hỗn hợp BTTL có xu hướng tương tự với thành phần vật liệu của bê tông cường độ cao. So sánh thành phần vật liệu giữa BTTL và bê tông truyền thống ở Hình 2.
4. Phân loại BTTL
4.1. Phân loại theo tính công tác
Theo hướng dẫn châu Âu, BTTL được phân loại dựa trên các giá trị của các đặc tính công tác như độ chảy lan SF, độ nhớt, khả năng vượt qua, độ ổn định. Tương ứng với từng loại bê tông khác nhau sẽ có hướng dẫn ứng dụng phù hợp nhằm đảm bảo chất lượng thi công. Bảng 1 thể hiện phân loại BTTL và khuyến cáo sử dụng.
Bảng 1. Phân loại BTTL theo tính công tác và khuyến cáo sử dụng
| Đặc tính BTTL | Loại bê tông |
Giá trị chỉ tiêu đo |
Ứng dụng |
| Độ chảy SF (mm) | SF1 | 550 - 650 |
Kết cấu đúc sẵn, đúc bằng bơm, có dòng chảy ngang nhỏ như cọc hoặc móng sâu, kết cấu nghiêng như dầm thang.
|
| SF2 | 660 - 750 | Các kết cấu cột, tường, sàn đúc tại chỗ. | |
| SF3 | 760 - 850 | Bê tông có kích thước cốt liệu nhỏ hơn 16mm, các kết cấu đứng cốt thép dày đặc hoặc hình dạng phức tạp. | |
| Độ nhớt T500(s)/Vfunnel(s) | VS1/VF1 | ≤ 2 ≤8 | Khả năng làm đầy tốt, tự cân bằng cao, chất lượng bề mặt hoàn thiện tốt nhất. |
| VS2/VF2 | > 2/(9 - 25) | Tính linh động thấp hơn VS1/VF1, bề mặt kết cấu hoàn thiện có độ phẳng và nhẵn không cao. | |
| Khả năng vượt qua Lbox/Jring(mm) | PL1/PJ1 | ≥ 0,8 ≤10 | Kết cấu có bước cốt thép 80 - 100mm, công trình dân dụng. |
| PL2/PJ2 | ≥ 0,8 ≤ 10 | Kết cấu có bước cốt thép 60 - 80mm, công trình dân dụng. | |
| Độ ổn định | SR1 | ≤ 20 | Tấm mỏng, kết cấu theo chiều dọc khoảng chảy < 5m, khoảng cách cốt thép > 80mm. |
| SR2 | ≤ 15 | Kết cấu kết cấu theo chiều dọc với khoảng chảy > 5m, khoảng cách cốt thép > 80mm. Hoặc kết cấu theo phương đứng cao, khoảng cách cốt thép< 80mm, rơi tự do < 5m, chất lượng bề mặt cao. |
Ghi chú:
- PL1, PL2 ứng Lbox có 2 thanh thép chặn và 3 thanh thép chặn.
- PJ1, PJ2 ứng với Jring có 12 thanh thép chặn và 16 thanh thép chặn.
4.2. Phân loại theo vật liệu
Hỗn hợp BTTL được chia thành 3 loại theo đặc tính của vật liệu cấp phối:
- Hỗn hợp BTTL dựa trên hiệu ứng bột mịn: Chỉ sử dụng phụ gia siêu dẻo, không sử dụng phụ gia biến tính độ nhớt, có hàm lượng bột mịn cao hơn so với bê tông truyền thống. Độ linh động và tính ổn định của hỗn hợp bê tông điều chỉnh bằng tỷ lệ N/B.
- Hỗn hợp BTTL sử dụng phụ gia biến tính độ nhớt: Sử dụng phụ gia siêu dẻo cùng với phụ gia biến tính độ nhớt, giảm lượng bột mịn trong thành phần.
- Hỗn hợp BTTL kiểu kết hợp: Thành phần có cả chất bột mịn, phụ gia siêu dẻo và phụ gia biến tính độ nhớt.
5. Đặc điểm về tính chất cơ lý của BTTL
- Cường độ chịu nén: Cường độ chịu nén của BTTL phụ thuộc vào hàm lượng xi măng, tỷ lệ N/B và tỷ lệ thay thế xi măng bằng các phụ gia mịn (tro bay, silica fume, xỉ lò cao..). Nhìn chung, BTTL có cường độ nén cao hơn so với bê tông truyền thống có cùng tỷ lệ N/B.
- Cường độ chịu kéo: Cường độ chịu kéo của BTTL giống như bê tông truyền thống do lượng hồ vữa (xi măng + cốt liệu mịn + nước) không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu kéo của bê tông.
- Modul đàn hồi: Modul đàn hồi của BTTL thấp hơn so với bê tông truyền thống có cùng cường độ. Điều này được giải thích do BTTL có lượng cốt liệu lớn ít và lượng bột nhiều hơn so với bê tông truyền thống.
- Từ biến: Từ biến của BTTL cao hơn không nhiều so với bê tông truyền thống có cùng cường độ nén.
- Biến dạng của BTTL: Giá trị co khô của BTTL tăng lên do giảm tối đa thể tích cốt liệu dẫn đến tăng thể tích hồ.
- Biến dạng mềm của BTTL có xu hướng lớn hơn bê tông truyền thống do hàm lượng bột, phụ gia siêu dẻo, phụ gia VMA lớn, tỷ lệ N/B thấp.
- Liên kết với cốt thép: Liên kết giữa BTTL với cốt thép tốt hơn so với bê tông truyền thống, do chất lượng tiếp xúc giữa bê tông và cốt thép tốt hơn.
6. Một số đặc điểm thi công BTTL
6.1. Công tác trộn hỗn hợp BTTL
BTTL có thể được trộn đều bằng các loại máy trộn khác nhau như máy trộn rơi tự do và máy trộn cưỡng bức. Trộn bằng máy cưỡng bức có hiệu quả trộn cao hơn so với máy trộn theo nguyên lý rơi tự do. BTTL có hàm lượng hạt mịn và phụ gia siêu dẻo nhiều hơn bê tông truyền thống nên thời gian trộn lâu hơn. BTTL có độ nhớt cao, lượng nước dùng ít, nên thời gian trộn phải lâu hơn để đảm bảo tính công tác của hỗn hợp. Độ nhớt lớn nên khả năng bám dính bê tông vào cánh trộn lớn, để đạt hiệu quả trộn cần trộn với tốc độ chậm và thể tích mẻ trộn không nên vượt quá 70% thể tích hiệu dụng của thùng trộn.
6.2. Công tác ván khuôn BTTL
Đối với BTTL có thể áp dụng các loại ván khuôn như gỗ, thép, nhựa để thi công như đối với bê tông truyền thống. Bề mặt tấm khuôn cần xử lý (phủ phim, bôi dầu...) để đảm bảo chất lượng bề mặt bê tông. Nhiều nghiên cứu cho thấy áp lực của hỗn hợp bê tông tác động lên ván khuôn không cao hơn so với bê tông truyền thống ngay cả khi đổ với tốc độ cao. Tuy nhiên, việc thiết kế tính toán ván khuôn được khuyến cáo thực hiện theo áp lực thủy tĩnh.
6.3. Công tác vận chuyển BTTL
Hỗn hợp BTTL được vận chuyển đến công trường bằng các loại xe bồn có gắn trống xoay nhằm xáo trộn hỗn hợp tránh bị phân tầng và tách nước. Đối với hỗn hợp bê tông truyền thống các biến động chất lượng trong quá trình lưu giữ - vận chuyển có thể được khắc phục bằng đầm rung để đảm bảo độ đặc chắc, nhưng giải pháp này là không thể áp dụng đối với BTTL. Vì vậy, sự gián đoạn trong công tác vận chuyển thường để lại những hậu quả nghiêm trọng hơn so với bê tông truyền thống. Công tác vận chuyển hỗn hợp BTTL so với bê tông truyền thống cũng cần lưu ý một số đặc điểm: tốc độ rải hỗn hợp BTTL nhanh hơn rất nhiều, đòi hỏi công suất vận chuyển lớn hơn; hỗn hợp BTTL có độ lỏng lớn hơn, nên thể tích thực vận chuyển so với dung tích thùng chứa phải ít hơn, tránh hỗn hợp bê tông bị chảy ra ngoài trong quá trình vận chuyển, đặc biệt là khu vực dốc, đồi núi.
6.4. Công tác đổ BTTL
Hỗn hợp BTTL có thể đổ vào khuôn trực tiếp từ xe bồn, thùng chứa có vòi hoặc đổ bằng bơm bê tông. Một số nguyên tắc khi đổ bê tông:
- Cao độ đặt ống đổ: Khi ống đổ đặt cao hơn so với bề mặt hỗn hợp sẽ làm cho không khí xâm nhập vào bên trong bê tông. Do độ nhớt của BTTL khá lớn nên việc thoát các bọt khí ra khỏi hỗn hợp bê tông là khó khăn làm cho BTTL dễ bị khuyết tật như bị lỗ rỗng bên trong hoặc rỗ bề mặt. Vì vậy, nên bố trí ống đổ nằm thấp hơn so với bề mặt hỗn hợp hoặc giới hạn chiều cao đổ và tốc độ đổ bê tông.
- Tốc độ đổ: Đổ bê tông nên thực hiện với tốc độ chậm để không khí có thời gian thoát ra bên ngoài hỗn hợp bê tông.
- Hướng đổ bê tông: Nên đổ hỗn hợp bê tông theo một hướng nhất định, không đổ từ hai hướng để tránh không khí bị mắc kẹt trong hỗn hợp bê tông gây lỗ rỗng bên trong.
- Khoảng cách chảy: Hỗn hợp bê tông chảy với quảng đường dài, nhiều cản trở sẽ dễ bị phân tầng. Theo ACI 237R, cho phép khoảng chảy tối đa 10m. Tuy nhiên để thực sự hiệu quả theo gợi ý của tổ chức Rilem thì khoảng chảy là 5 - 8m.
- Chiều cao rơi: Chiều cao rơi tự do hỗn hợp BTTL được giới hạn nhằm tránh hiện tượng phân tầng hỗn hợp bê tông. Chiều cao rơi cho phép đến 8m, tuy nhiên, chiều cao từ 1 - 3m được cho là áp dụng hiệu quả nhất.
- Nếu khu vực đổ có diện tích lớn thì cần chia khu vực thành các phân khu. Kết cấu có độ dày lớn, việc đổ bê tông được chia thành các lớp đổ.
- Sự liên kết giữa lớp bê tông đổ trước và lớp bê tông đổ sau của BTTL là tương đương hoặc tốt hơn so với truyền thống. Bề mặt BTTL nên được san gạt sơ bộ theo phân đoạn nhất định, và hoàn thiện chính thức được thực hiện trước khi bê tông đông cứng.
6.5. Công tác bảo dưỡng BTTL
BTTL có xu hướng khô nhanh hơn so với bê tông truyền thống do BTTL, ít bị hoặc không tách nước trên bề mặt. BTTL được bảo dưỡng càng sớm càng tốt sau khi đổ để ngăn cản bê tông bị nứt do co ngót.
ThS. NGUYỄN THẾ HIỆP, trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.
ximang.vn
ximang.vn
