Tổng quan luận án

Công nghệ bê tông đầm lăn (BTĐL) áp dụng trong xây dựng đập bê tông trọng lực sở hữu nhiều đặc tính kỹ thuật và kinh tế: hàm lượng xi măng thấp giúp hạn chế nhiệt thủy hóa sinh ra trong khối bê tông, mức độ cơ giới hóa cao đẩy nhanh tốc độ thi công, đồng thời cho phép tận dụng các nguồn phế thải công nghiệp và cốt liệu địa phương. Tại Việt Nam, nghiên cứu và ứng dụng BTĐL bắt đầu từ thập niên 1990; đến thời điểm luận án thực hiện, cả nước đã hoàn thành thi công và tích nước khoảng 17 đập BTĐL, cùng một số công trình đang triển khai.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả chỉ rõ xuất phát từ hai vấn đề kỹ thuật lớn:

  1. Thiếu khung tiêu chuẩn: Việt Nam chưa ban hành tiêu chuẩn quốc gia hoặc hướng dẫn kỹ thuật chuyên biệt về việc phân loại và lựa chọn sử dụng phụ gia hóa học dẻo hóa chậm đông kết cho BTĐL đập trọng lực. Việc ứng dụng tại các công trình trước đây chủ yếu dựa vào các thí nghiệm hiệu chỉnh riêng lẻ, làm kéo dài thời gian chuẩn bị và gia tăng chi phí khảo sát cấp phối.
  2. Hiện tượng thấm qua các lớp thi công: Hầu hết các đập BTĐL sau khi tích nước đều xuất hiện hiện tượng rò rỉ, thấm ướt bề mặt và tiết vôi, tập trung chủ yếu tại các mạch ngừng tiếp giáp giữa các lớp rải BTĐL (khe lạnh). Để xử lý liên kết giữa các lớp và duy trì tính liên tục của khối đổ mà không phải sử dụng lớp vữa đệm liên kết tốn kém, hỗn hợp BTĐL đòi hỏi phải kéo dài thời gian đông kết và duy trì tính công tác ổn định.

Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia hóa dẻo kéo dài thời gian đông kết đến một số tính chất cơ lý của BTĐL sử dụng cho đập BTĐL trọng lực; từ đó đưa ra khuyến cáo sử dụng từng loại phụ gia hóa dẻo kéo dài thời gian đông kết đối với từng yêu cầu cụ thể.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Một số tính chất cơ lý của BTĐL dùng cho xây dựng đập trọng lực tại Việt Nam khi có sự hiện diện của phụ gia hóa dẻo kéo dài thời gian đông kết trong thành phần cấp phối.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát ảnh hưởng của ba loại phụ gia đại diện cho ba thế hệ công nghệ phụ gia hóa học gồm TM25 (hãng Sika), Rheoplus 26 RCC (hãng BASF) và ADVA 181 (hãng GRACE) đến các chỉ tiêu cơ lý của BTĐL, gắn với nguồn vật liệu thực tế sử dụng tại công trình Hồ chứa nước Nước Trong (tỉnh Quảng Ngãi).

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

  • Ý nghĩa khoa học: Xác lập các quy luật biến đổi về tính công tác, thời gian đông kết, cường độ nén và kéo dọc trục, cường độ kéo lớp, thời điểm đầm nén cho phép, nhiệt độ đoạn nhiệt và khả năng chống thấm của BTĐL dưới tác động của các loại phụ gia hóa dẻo kéo dài thời gian đông kết.
  • Ý nghĩa thực tiễn: Cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế thành phần cấp phối, lựa chọn loại và liều lượng phụ gia phù hợp với tiến độ và điều kiện thi công đập trọng lực; đề xuất cấp phối và quy trình thi công ứng dụng trực tiếp cho 70 m³ BTĐL tại công trình Hồ chứa nước Nước Trong.

Tính mới của luận án:

  1. Xác định quy luật ảnh hưởng của ba loại phụ gia đại diện cho ba thế hệ phụ gia dẻo hóa kéo dài thời gian đông kết đến tập hợp các tính chất cơ lý của BTĐL gồm: tính công tác, thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết, cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo dọc trục, cường độ kéo lớp và tính chống thấm nước.
  2. Thiết lập cơ sở khoa học nhằm định lượng loại và lượng dùng phụ gia hóa dẻo kéo dài thời gian đông kết tương ứng với các yêu cầu kỹ thuật về kiểm soát nhiệt độ, chất lượng liên kết lớp và tốc độ nâng chiều cao đập.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Nghiên cứu về BTĐL trên thế giới bắt đầu từ những năm 1960 với các thử nghiệm hỗn hợp bê tông nghèo xi măng không độ sụt rải bằng máy ủi tại đập Alpe Gera (Italia, 1961) và đập Manicongan (Canada, 1961), cũng như đập Thanh Môn (Đài Loan, 1961). Giai đoạn 1970–1974, Cannon R.W. và Dunstan đã công bố các kết quả nghiên cứu cơ bản về bê tông nghèo xi măng đầm lăn và BTĐL sử dụng hàm lượng lớn tro bay. Các kết quả này được ứng dụng thử nghiệm qua các dự án của Hiệp hội CIRIA (Anh) tại trạm Tamara-Coruwall (1976) và đập Wimbledall (1979).

Năm 1980, Mỹ hoàn thành đập Willow Creek (cao 52 m, dài 543 m, thể tích 331.000 m³ BTĐL), sau đó là đập Upper Stillwater do Cục Khai hoang Mỹ (USBR) thiết kế (cao 90 m, dài 815 m, 1.126.000 m³ BTĐL sử dụng hàm lượng tro bay cao). Tại Nhật Bản, từ năm 1974 đã phát triển trường phái RCD (Roller-Compacted Dams) với đập đầu tiên là Shimajigawa (hoàn thành với 165.000 m³ BTĐL), ứng dụng kết cấu "vàng bọc bạc" (lõi BTĐL được bao bọc bởi lớp bê tông thường CVC chống thấm bên ngoài). Trung Quốc bắt đầu tiếp cận từ năm 1980, hoàn thành đập Khanh Khẩu năm 1986 và nhanh chóng xây dựng trường phái RCCD (Roller Compacted Concrete Dams) với kết cấu toàn BTĐL, bố trí vùng BTĐL chống thấm cao ở phía thượng lưu có chiều dày bằng 1/20 đến 1/12 cột nước.

Theo thống kê các quốc gia sở hữu nhiều đập BTĐL cao trên 60 m:

STT Quốc gia Tổng số đập Số đập BTĐL
1 Trung Quốc 95 25
2 Việt Nam 18 10
3 Nhật Bản 40 5
4 Iran 48 3
5 Thổ Nhĩ Kỳ 51 2
6 Tây Ban Nha 10 2
7 Ấn Độ 10 1

Về việc sử dụng phụ gia hóa học (PGH), đến năm 1996 có khoảng 50% số đập BTĐL tại Mỹ sử dụng phụ gia nhằm cải thiện thời gian đông kết và độ linh động. Hàng loạt công trình quốc tế đã đưa phụ gia hóa học vào thành phần cấp phối như: Upper Stillwater (Mỹ, 1987, cao 87 m), Elk Creek (Mỹ, 1988, cao 76 m), Tamagawa (Nhật Bản, 1987, cao 103 m), Nunome (Nhật Bản, 1988, cao 72 m), Sakaigawa (Nhật Bản, 1991, cao 115 m), Santa Eugenia (Tây Ban Nha, 1988, cao 83 m), Taashkumir (Liên Xô cũ, 1988, cao 75 m), Thiên Sinh Kiều (Trung Quốc, 1989, cao 61 m), Phổ Định (Trung Quốc, 1993, cao 75 m), Thủy Khẩu (Trung Quốc, 1993, cao 101 m), Giang Á (Trung Quốc, 1999, cao 131 m), Sa Bài (Trung Quốc, 2000, cao 132 m), Long Than (Trung Quốc, 2010, cao 192 m).

Tại Việt Nam, Viện Khoa học Thủy lợi nghiên cứu phụ gia khoáng và hóa cho BTĐL từ những năm 1990. Các thử nghiệm ban đầu ghi nhận phụ gia siêu dẻo Viscocrete 3000 làm tăng cường độ mẫu lên 1,67 lần và tăng độ chống thấm thêm 2 cấp (tương đương 4 atm); tro bay Phả Lại cho cường độ cao hơn puzolan Gia Qui từ 1,3 đến 1,77 lần. Năm 2004, đề tài "Nghiên cứu chế tạo bê tông đầm lăn cho đập và mặt đường trong điều kiện Việt Nam" khẳng định tiềm năng nguyên liệu trong nước. Năm 2007, báo cáo đề tài cấp Bộ của PGS. Lê Minh đề xuất các giải pháp nâng cao khả năng chống thấm qua cấp phối và phụ gia chậm đông kết kết hợp giảm nước. Năm 2016, luận án của Nguyễn Quang Bình nghiên cứu tổ hợp phụ gia siêu dẻo chậm đông kết, tro bay và polime (S + T + P).

Khảo sát thực tế các công trình đập BTĐL tại Việt Nam ghi nhận sự chuyển dịch công nghệ và việc sử dụng phụ gia hóa học:

STT Tên công trình Chiều cao (m) Thời gian thi công Dạng kết cấu Loại phụ gia sử dụng
1 Thủy điện Pleikrông 71 2003–2007 Vàng bọc bạc Không sử dụng
2 Thủy điện A Vương 82 2003–2008 Toàn BTĐL SDR
3 Thủy điện Bản Vẽ 136 2004–2009 Toàn BTĐL ComplatR
4 Thủy lợi Định Bình 71 2004–2008 Vàng bọc bạc TM20, Plastiment 96
5 Thủy điện Sê San 4 71 2004–2009 Vàng bọc bạc GP6, TM25
6 Thủy điện Đồng Nai 3 108 2004–2011 Toàn BTĐL TM25
7 Thủy điện Bình Điền 64 2005–2009 Toàn BTĐL SDR
8 Thủy điện Hương Điền 61,5 2005–2010 Toàn BTĐL TM25, GP6
9 Thủy điện Bản Chát 130 2005–2010 Toàn BTĐL ComplatR, GP6, LK-SR
10 Thủy điện Sông Tranh 2 95 2005–2011 Toàn BTĐL TM25
11 Thủy điện Sơn La 139 2007–2010 Toàn BTĐL ComplatR
12 Thủy điện Đồng Nai 4 128 2004–2010 Toàn BTĐL GP6, TM25
13 Thủy điện Đak Mi 4 90 2007–2010 Toàn BTĐL Sika
14 Thủy điện Đồng Nai 2 128 2007–2012 Toàn BTĐL GP6
15 Thủy lợi Nước Trong 69 2008–2015 Toàn BTĐL TM25, Plastiment 96
16 Thủy điện Sông Bung 4 110 2010–2013 Toàn BTĐL Phụ gia Trung Quốc
17 Thủy điện Lai Châu 120 2011–2015 Toàn BTĐL ComplatR, TM25
18 Thủy điện Đak Đrin - 2011–2013 Toàn BTĐL TM25, Pozzolith 89, Rheoplus 26 RCC
19 Thủy điện Trung Sơn 90 2011–2016 - -

Đập thủy điện Pleikrông là công trình duy nhất không dùng phụ gia hóa học; do hỗn hợp khô và ninh kết nhanh, công trình bắt buộc phải thi công liên kết lạnh bằng lớp vữa rải đệm giữa các lớp, dẫn đến tốc độ thi công chậm và chi phí vật liệu vữa cao. Các công trình tiếp theo đều dùng phụ gia nhưng phân tán theo nhiều chủng loại thương phẩm. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: so sánh có hệ thống ba thế hệ phụ gia hóa dẻo kéo dài thời gian đông kết trên cùng một hệ vật liệu thực tế, làm rõ cơ chế biến đổi cơ lý để xây dựng tiêu chí lựa chọn cho thi công đập trọng lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên cơ sở phân loại phụ gia hóa học theo tiêu chuẩn ASTM C494 và TCVN 325:2004, chia thành 7 nhóm chức năng; trong đó nhóm D là phụ gia hóa dẻo - chậm đông kết và nhóm G là phụ gia siêu dẻo - chậm đông kết. Phân loại theo bản chất hóa học và cơ chế tác dụng xác định 3 thế hệ phụ gia:

Thế hệ Bản chất hóa học Cơ chế dẻo hóa
Thế hệ 1 Trên cơ sở Lignosulfonat (LS) Đẩy tĩnh điện
Thế hệ 2 Trên cơ sở Naphtalenformaldehyd sulfonat (NFS) hoặc Melaminformaldehyd sulfonat (MFS) Đẩy tĩnh điện
Thế hệ 3 Trên cơ sở Polycarboxylat và Polyacrylat Hiệu ứng cản trở không gian

Cơ chế kéo dài thời gian đông kết của phụ gia được giải thích qua bốn mô hình hóa lý:

  1. Hấp phụ tạo màng ngăn: Phân tử phụ gia chậm đông kết hấp phụ lên bề mặt hạt xi măng chưa thủy hóa, tạo màng bao bọc ngăn cản sự tiếp xúc và khuếch tán của phân tử nước, kéo dài giai đoạn tiềm ẩm (giai đoạn không hoạt động của hạt xi măng).
  2. Ức chế mầm tinh thể: Các hợp chất hấp phụ trực tiếp lên bề mặt mầm tinh thể canxi hydroxit ($Ca(OH)_2$), cản trở sự phát triển của mầm tinh thể cho tới khi dung dịch đạt trạng thái siêu bão hòa.
  3. Tạo phức chất hòa tan: Hình thành các phức chất giữa phụ gia với ion $Ca^{2+}$ (ví dụ phức chất sucrose - canxi) trong vài phút đầu, làm tăng độ hòa tan của canxi và ngăn chặn ion $Ca^{2+}$ kết hợp với $OH^-$ để tạo kết tủa.
  4. Tạo màng dẫn xuất không tan: Trong môi trường kiềm cao ($pH > 12$), các muối vô cơ (borat, phosphat, muối chì, muối kẽm) phản ứng tạo thành kết tủa hydroxit không tan bao bọc bên ngoài hạt xi măng, ngăn cản quá trình hydrat hóa tiếp theo.

Mối quan hệ giữa cường độ nén bê tông ($R_b$) và tỷ lệ Nước/Xi măng ($N/X$) tuân theo hàm số thực nghiệm: $$R_b = f(N/X)$$ Việc bổ sung phụ gia hóa dẻo làm giảm lượng nước nhào trộn $N$ trong khi duy trì độ linh động, gián tiếp nâng cao cường độ chịu lực của đá xi măng.

Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu:

  • Xi măng: Xi măng poóc lăng không pha phụ gia đạt yêu cầu TCVN 2682:2009 (do xi măng ít tỏa nhiệt ASTM C150 Type II và Type IV không phổ biến trên thị trường Việt Nam).
  • Phụ gia khoáng: Tro bay tuyển Phả Lại, kiểm định theo tiêu chuẩn ASTM C618 loại F (tổng hàm lượng $SiO_2 + Al_2O_3 + Fe_2O_3 \ge 70%$, lượng mất khi nung $\le 6%$, độ mịn sót sàng 0,045 mm $\le 34%$, chỉ số hoạt tính cường độ ở tuổi 7 ngày và 28 ngày $\ge 75%$ và $\ge 70%$).
  • Cốt liệu nhỏ: Cát tự nhiên khai thác tại địa phương, thỏa mãn TCVN 7570:2006.
  • Cốt liệu lớn: Đá dăm phân chia thành hai dải hạt 5 ÷ 20 mm và 20 ÷ 40 mm, phối trộn theo tỷ lệ thể tích để đạt khối lượng thể tích xốp lớn nhất và giảm độ rỗng.
  • Phụ gia hóa học nghiên cứu: TM25 (hãng Sika - đại diện thế hệ 1), Rheoplus 26 RCC (hãng BASF - đại diện thế hệ 2) và ADVA 181 (hãng GRACE - đại diện thế hệ 3).

Phương pháp thí nghiệm:

  • Tiêu chuẩn áp dụng: Tiêu chuẩn ngành SL 48-94 của Bộ Thủy lợi Trung Quốc về quy trình trộn, đúc mẫu thử nén và thí nghiệm tính thấm.
  • Thí nghiệm tính công tác: Đo độ cứng VeBe cải tiến có gia tải quả nặng 22,7 kg ($V_c$, tính bằng giây).
  • Đo thời gian đông kết: Xác định thời gian bắt đầu đông kết ($T_{bđđk}$) và thời gian kết thúc đông kết ($T_{ktđk}$) bằng phương pháp xuyên kim trên vữa sàng từ hỗn hợp bê tông.
  • Cường độ cơ học: Đo cường độ chịu nén mẫu lập phương ($R_{28}$, cường độ nén tuổi sớm), cường độ chịu kéo dọc trục ($R_{k28}$) và cường độ chịu kéo lớp ($R_{kl28}$) mô phỏng liên kết tiếp giáp lớp rải.
  • Thí nghiệm thấm: Xác định hệ số thấm ($K_{th}$) ở tuổi 90 ngày.
  • Kiểm tra nhiệt: Đo nhiệt độ đoạn nhiệt cực đại sinh ra do xi măng thủy hóa trong khối đổ.
  • Khảo sát hiện trường: Thi công thử nghiệm khối đổ 70 m³ tại đập Nước Trong, lấy mẫu kiểm tra khối lượng thể tích sau khi đầm lu, cường độ nén và hệ số thấm ở các thời điểm đầm nén khác nhau.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về bê tông đầm lăn dùng xây dựng đập trọng lực

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử phát triển, đặc điểm thi công và các vấn đề kỹ thuật của BTĐL trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả chỉ ra rằng tốc độ thi công nhanh của BTĐL phụ thuộc hoàn toàn vào mức độ cơ giới hóa từ khâu vận chuyển bằng băng tải/ô tô tự đổ, san gạt bằng máy ủi đến lu lèn bằng lu rung. Do không có độ sụt và dùng ít chất kết dính, BTĐL có chi phí thấp hơn từ 25% đến 40% so với bê tông truyền thống (CVC), đồng thời giảm tải chi phí các công trình dẫn dòng và xả lũ phụ trợ.

Tại Việt Nam, qua thống kê 19 công trình đập lớn, sự tồn tại của hai dạng kết cấu ("vàng bọc bạc" như Pleikrông, Định Bình, Sê San 4 và "toàn BTĐL" như Bản Vẽ, Sơn La, Lai Châu, Nước Trong) cho thấy xu hướng bắt buộc phải sử dụng phụ gia dẻo hóa kéo dài thời gian đông kết. Chương 1 phân tích ba vấn đề then chốt: hiện tượng nứt nhiệt khi độ chênh nhiệt độ trong - ngoài khối bê tông $\Delta T$ vượt quá 20 °C; tình trạng thấm qua khe lạnh giữa các lớp rải; và các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến thi công gồm độ cứng $V_c$, thời gian bắt đầu/kết thúc đông kết, sự phát triển cường độ tuổi sớm phục vụ tiến độ nâng lớp.

Chương 2: Cơ sở khoa học, vật liệu sử dụng và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 thiết lập luận cứ khoa học về cơ chế tác động của phụ gia dẻo hóa và kéo dài thời gian đông kết. Chương làm rõ hiệu ứng cản trở không gian vượt trội của mạch nhánh polycarboxylat (thế hệ 3) so với cơ chế đẩy tĩnh điện của lignosulfonat và naphtalen (thế hệ 1 và 2), chứng minh phụ gia thế hệ 3 ít phụ thuộc vào khoáng xi măng và giữ tính công tác lâu hơn. Bốn cơ chế làm chậm hydrat hóa (tạo màng hấp phụ, cản trở mầm tinh thể $Ca(OH)_2$, tạo phức canxi hòa tan và kết tủa màng kiềm không tan) được dùng làm hệ quy chiếu lý thuyết.

Chương này trình bày chi tiết kết quả kiểm định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu phục vụ thí nghiệm: xi măng poóc lăng PC40 đạt TCVN 2682:2009; tro bay Phả Lại đạt các chỉ số hoạt tính ASTM C618 loại F; các đặc tính thành phần hạt, mô đun độ lớn của cát tự nhiên theo TCVN 7570:2006; chỉ tiêu cơ lý của hai nhóm đá dăm 5 ÷ 20 mm và 20 ÷ 40 mm cùng đường cong cấp phối tối ưu. Chương 2 mô tả hệ thống thiết bị và quy trình thử nghiệm theo tiêu chuẩn SL 48-94: máy trộn cưỡng bức 150 lít, thiết bị đo VeBe cải tiến gắn tải trọng 22,7 kg, phương pháp đúc và bảo dưỡng mẫu thấm, mẫu kéo dọc trục và quy trình tạo mẫu liên kết tiếp giáp lớp để đo cường độ kéo lớp $R_{kl28}$.

Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia hóa dẻo kéo dài thời gian đông kết đến một số tính chất của bê tông đầm lăn

Chương 3 tập trung các số liệu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, so sánh hiệu quả của ba loại phụ gia TM25, Rheoplus 26 RCC (A1) và ADVA 181 trên cấp phối BTĐL cơ sở:

  • Tính công tác: Việc tăng hàm lượng phụ gia HK làm giảm rõ rệt thời gian VeBe ($V_c$), giúp hỗn hợp đạt độ dẻo yêu cầu cho công tác lu lèn mà không cần tăng nước nhào trộn. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường được khảo sát đối với Rheoplus 26 RCC cho thấy nhiệt độ cao làm suy giảm tính công tác nhanh hơn, đòi hỏi phải điều chỉnh liều lượng tương ứng.
  • Thời gian đông kết: Cả ba loại phụ gia đều kéo dài thời gian bắt đầu ($T_{bđđk}$) và kết thúc đông kết ($T_{ktđk}$) của vữa BTĐL. Phụ gia thế hệ 3 (ADVA 181) và thế hệ 2 (Rheoplus 26 RCC) cho khả năng duy trì độ dẻo và kiểm soát thời gian đông kết linh hoạt hơn so với thế hệ 1 (TM25).
  • Cường độ cơ học: Khảo sát cường độ nén ($R_{28}$) và cường độ kéo dọc trục ($R_{k28}$) chỉ ra rằng ở liều lượng phụ gia tối ưu, cường độ BTĐL tăng lên so với mẫu đối chứng không dùng phụ gia do giảm được tỷ lệ N/CKD. Đồng thời, cường độ nén tuổi sớm (1, 3, 7 ngày) phát triển chậm trong giai đoạn đầu do quá trình thủy hóa bị kìm hãm, nhưng tăng trưởng ổn định ở các tuổi sau.
  • Thời điểm đầm nén và cường độ kéo lớp: Kết quả xác định khoảng thời gian cho phép đầm nén hỗn hợp mà không làm suy giảm cấu trúc bê tông. Việc sử dụng phụ gia HK kéo dài đáng kể thời gian cho phép rải lớp tiếp theo; cường độ kéo lớp $R_{kl28}$ tại mạch ngừng tiếp giáp giữa lớp cũ và lớp mới được duy trì ở mức cao mà không cần dùng vữa liên kết.
  • Tính chống thấm và nhiệt độ đoạn nhiệt: Cả ba loại phụ gia đều cải thiện độ đặc chắc, làm giảm hệ số thấm $K_{th}$ ở tuổi 90 ngày. Về nhiệt độ, phụ gia HK làm chậm tốc độ tỏa nhiệt của xi măng trong giai đoạn đầu, đỉnh nhiệt độ đoạn nhiệt cực đại xuất hiện muộn hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tản nhiệt tự nhiên của khối bê tông và giảm nguy cơ nứt do ứng suất nhiệt.
  • Tốc độ lên đập: So sánh tính toán kỹ thuật chứng minh cấp phối sử dụng phụ gia HK cho phép thi công liên tục (liên kết nóng), rút ngắn chu kỳ rải và đầm, đẩy nhanh tiến độ nâng cao trình thân đập so với phương pháp thi công gián đoạn dùng vữa lót.

Chương 4: Ứng dụng thử nghiệm bê tông đầm lăn sử dụng phụ gia hóa dẻo kéo dài thời gian đông kết tại hiện trường

Chương 4 kiểm chứng các kết quả phòng thí nghiệm tại công trình Hồ chứa nước Nước Trong (tỉnh Quảng Ngãi, đập cao 69 m). Tác giả giới thiệu thông số công trình, thiết kế thành phần cấp phối BTĐL hiện trường và quy trình hiệu chỉnh cấp phối ứng dụng:

  • Thi công thử nghiệm: Tiến hành trộn tại trạm trộn cưỡng bức, vận chuyển, san rải và đầm nén khối lượng 70 m³ BTĐL tại công trường Nước Trong sử dụng phụ gia kéo dài thời gian đông kết.
  • Kết quả kiểm định hiện trường: Các phép đo khối lượng thể tích (KLTT) của hỗn hợp bê tông sau khi lu lèn bằng lu rung đạt độ chặt thiết kế. Thí nghiệm kiểm tra cường độ nén và hệ số thấm của các mẫu khoan/đúc tại các thời điểm đầm nén khác nhau khẳng định tính năng thực tế của hỗn hợp bê tông tại hiện trường tương thích hoàn toàn với các quy luật xác lập trong phòng thí nghiệm, bảo đảm yêu cầu chống thấm và liên kết lớp của thân đập.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận án:

  1. Đóng góp lý luận: Làm sáng tỏ bản chất và quy luật tác động của ba thế hệ phụ gia hóa dẻo kéo dài thời gian đông kết (lignosulfonat, naphtalen và polycarboxylat) đến tập hợp các tính chất cơ lý của BTĐL dùng cho đập trọng lực. Xác lập mối quan hệ định lượng giữa hàm lượng phụ gia với tính công tác ($V_c$), thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết, cường độ nén, cường độ kéo dọc trục, cường độ kéo liên kết giữa các lớp, hệ số thấm $K_{th}$ và quá trình sinh nhiệt đoạn nhiệt.
  2. Đóng góp thực tiễn:
    • Đưa ra cơ sở khoa học giúp kỹ sư thiết kế lựa chọn chính xác chủng loại và hàm lượng phụ gia HK theo từng điều kiện thi công, nhiệt độ môi trường và tốc độ nâng đập cụ thể.
    • Xác định được khoảng thời gian đầm nén cho phép của hỗn hợp BTĐL khi có phụ gia HK, giúp loại bỏ việc sử dụng lớp vữa đệm liên kết giữa các lớp rải mà vẫn đảm bảo tính liền khối và khả năng chống thấm của thân đập.
    • Ứng dụng thành công cấp phối hiệu chỉnh trên khối đổ thử nghiệm 70 m³ tại đập Hồ chứa nước Nước Trong, chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của giải pháp kỹ thuật đề xuất.

Kiến nghị và giải pháp:

  • Kiến nghị các cơ quan quản lý chuyên ngành xây dựng tiêu chuẩn hoặc hướng dẫn kỹ thuật thống nhất về phân loại và phương pháp thử nghiệm lựa chọn phụ gia dẻo hóa kéo dài thời gian đông kết cho BTĐL trong xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện.
  • Khuyến nghị trong thi công thực tế tại các vùng khí hậu nóng cần kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ môi trường tác động lên hỗn hợp bê tông và lựa chọn phụ gia thế hệ mới (polycarboxylat) để duy trì tính công tác và thời gian cho phép đầm nén ổn định nhất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế:

  • Luận án tập trung khảo sát thực nghiệm trên ba sản phẩm phụ gia thương mại đại diện (TM25, Rheoplus 26 RCC, ADVA 181) và hệ vật liệu đá, cát, tro bay cụ thể lấy tại vùng dự án Hồ chứa nước Nước Trong; chưa mở rộng đánh giá sự tương thích của các phụ gia này đối với các loại xi măng hỗn hợp hoặc các nguồn tro xỉ, puzolan tự nhiên khác tại Việt Nam.
  • Khối lượng ứng dụng thi công tại hiện trường dừng lại ở quy mô thử nghiệm 70 m³ trong một đợt thi công, chưa theo dõi quan trắc biến dạng nhiệt và thấm dài hạn trên toàn bộ khối đập hoàn chỉnh qua các mùa thời tiết khác nhau.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng nghiên cứu quy luật tương tác giữa các thế hệ phụ gia siêu dẻo mới với nhiều chủng loại phụ gia khoáng hoạt tính khác nhau (tro bay ẩm, tro bay đáy, puzolan tự nhiên).
  • Nghiên cứu sâu hơn về mô hình số dự báo trường nhiệt độ và ứng suất nhiệt của khối đập toàn khối BTĐL có sử dụng phụ gia kéo dài thời gian đông kết trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành phục vụ các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy, Vật liệu xây dựng: Tham khảo trực tiếp khung phương pháp thí nghiệm tính công tác VeBe cải tiến, quy trình xác định cường độ kéo lớp và phương pháp đánh giá nhiệt độ đoạn nhiệt theo tiêu chuẩn ngành SL 48-94.
  • Kỹ sư tư vấn thiết kế và thí nghiệm cấp phối: Sử dụng các số liệu thực nghiệm so sánh ba thế hệ phụ gia hóa học (TM25, Rheoplus 26 RCC, ADVA 181) làm cơ sở tính toán liều lượng phụ gia, xác định thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết, cũng như tính toán tỷ lệ N/CKD hợp lý.
  • Cán bộ kỹ thuật thi công và quản lý dự án đập trọng lực: Tham khảo các tiêu chí về thời điểm đầm nén cho phép, giải pháp tổ chức thi công liên tục (liên kết nóng) để hạn chế khe lạnh, ngăn ngừa thấm qua thân đập và tối ưu hóa tốc độ nâng cao trình đập.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao đập thủy điện Pleikrông không sử dụng phụ gia hóa học lại gặp khó khăn trong thi công liên kết lớp? Trả lời: Đập Pleikrông là công trình đập BTĐL đầu tiên của Việt Nam (khởi công năm 2003) và trong thành phần cấp phối không dùng phụ gia hóa học. Hỗn hợp BTĐL không có phụ gia có thời gian đông kết ngắn và độ linh động thấp, dẫn đến không thể thi công liên kết nóng. Nhà thầu bắt buộc phải sử dụng vữa liên kết (liên kết lạnh) giữa các lớp rải, làm giảm tốc độ lên đập, chất lượng liên kết lớp không đồng đều và gia tăng chi phí do khối lượng vữa đệm lớn cùng nhân công rải vữa.

  2. Ba loại phụ gia hóa dẻo kéo dài thời gian đông kết được khảo sát trong luận án đại diện cho những công nghệ nào? Trả lời: Ba loại phụ gia đại diện cho ba thế hệ công nghệ dẻo hóa:

  • TM25 (hãng Sika): Đại diện thế hệ 1, cơ chế dẻo hóa dựa trên lực đẩy tĩnh điện của gốc Lignosulfonat (LS).
  • Rheoplus 26 RCC (hãng BASF): Đại diện thế hệ 2, cơ chế dẻo hóa đẩy tĩnh điện trên cơ sở Naphtalen/Melamin formaldehyd sulfonat.
  • ADVA 181 (hãng GRACE): Đại diện thế hệ 3, cơ chế dẻo hóa dựa trên hiệu ứng cản trở không gian của mạch phân tử Polycarboxylat và Polyacrylat.

  1. Hiện tượng nứt do nhiệt trong bê tông khối lớn đập BTĐL xuất hiện khi độ chênh nhiệt độ vượt quá ngưỡng nào? Trả lời: Theo các tài liệu tham khảo được luận án trích dẫn [18, 32, 33, 46], hiện tượng nứt do nhiệt ở kết cấu bê tông khối lớn hình thành khi độ chênh lệch nhiệt độ giữa phần tâm khối đổ và bề mặt tiếp giáp môi trường bên ngoài ($\Delta T$) vượt quá ngưỡng 20 °C.

  2. Tiêu chuẩn nào được luận án sử dụng làm căn cứ chính cho các quy trình thí nghiệm hỗn hợp và cơ lý của BTĐL? Trả lời: Luận án áp dụng tiêu chuẩn SL 48-94 của Bộ Thủy lợi Trung Quốc để tóm tắt và thực hiện quy trình trộn BTĐL, thí nghiệm tính công tác bằng máy VeBe cải tiến gắn quả nặng 22,7 kg, đúc mẫu thử cường độ nén và xác định hệ số thấm nước. Đối với phụ gia khoáng tro bay, luận án áp dụng tiêu chuẩn ASTM C618 loại F; đối với cốt liệu cát và đá dăm, áp dụng TCVN 7570:2006; và xi măng poóc lăng kiểm định theo TCVN 2682:2009.

  3. Việc bổ sung phụ gia kéo dài thời gian đông kết mang lại tác động gì đối với quá trình sinh nhiệt thủy hóa của BTĐL? Trả lời: Phụ gia làm chậm tốc độ hydrat hóa ban đầu của các khoáng xi măng, làm quá trình giải phóng nhiệt diễn ra chậm hơn và kéo dài thời gian đạt nhiệt độ đoạn nhiệt cực đại. Nhờ đó, nhiệt lượng sinh ra có thêm thời gian tiêu tán tự nhiên ra môi trường xung quanh, giúp giảm độ chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và bề mặt khối đổ, hạn chế phát sinh ứng suất nhiệt gây nứt đập.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Thành Lệ đã giải quyết một vấn đề kỹ thuật then chốt trong công nghệ bê tông đầm lăn xây dựng đập trọng lực tại Việt Nam thông qua việc nghiên cứu ảnh hưởng có hệ thống của ba thế hệ phụ gia hóa dẻo kéo dài thời gian đông kết. Các kết quả thực nghiệm trong phòng và thử nghiệm hiện trường 70 m³ tại đập Nước Trong đã xác lập các quy luật biến đổi về tính công tác, thời gian đông kết, cường độ nén, cường độ kéo lớp và khả năng chống thấm. Công trình cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn giá trị giúp các đơn vị tư vấn và thi công lựa chọn cấp phối tối ưu, kiểm soát quá trình sinh nhiệt và ngăn ngừa nguy cơ thấm mạch ngừng, góp phần nâng cao chất lượng và độ bền vững cho các công trình đập bê tông đầm lăn.