CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐỘ BỀN BÊ TÔNG CỐT LIỆU NHẸ 1. BÊ TÔNG CỐT LİỆU NHẸ VÀ ỨNG DỤNG 1. Đặc điểm chung của bê tông cốt liệu nhẹ Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-1:2000 [41] bê tông cốt liệu nhẹ có khối lượng thể tích nhỏ hơn 2.000kg/m3 và cường độ chịu nén dao động từ 8 - 80MPa (mẫu trụ). Bê tông cốt liệu nhẹ chịu lực theo ACI 213R-03 [25] là bê tông có khối lượng thể tích từ 1.920kg/m3 và cường độ chịu nén ngày 28 ngày tối thiểu là 17MPa.
Có thể thấy rằng, khi khối lượng thể tích giảm từ 2.400kg/m3 trong bê tông truyền thống xuống còn 1.900kg/m3 đối với bê tông cốt liệu nhẹ thì có thể giảm bớt trọng lượng bản thân của kết cấu một cách đáng kể, giúp tiết kiệm được cốt thép và cốt thép dự ứng lực, giảm chi phí xây dựng.1 - Vật liệu bê tông cốt liệu nhẹ Nếu sử dụng trong công trình cầu, tĩnh tải bản thân của kết cấu giảm cho phép vượt khẩu độ dài hơn, sử dụng các loại trụ và nền móng đơn giản và giảm tiết diện bề mặt của cấu kiện dầm. Ngoài ra, việc sử dụng bê tông cốt liệu nhẹ trong sửa chữa và cải tạo cầu thường làm tăng khả năng chịu tải trọng động của các kết cấu cầu cũ. Ví dụ cầu Greenland được xây dựng bằng bê tông cốt liệu nhẹ từ năm 1996. 6 Nhìn chung, bê tông được xem là nhẹ khi có khối lượng thể tích nhỏ hơn 2000 kg/m3.
Việc giảm khối lượng thể tích của bê tông được thực hiện bằng cách thay thế một lượng vật liệu rắn trong bê tông bằng không khí. Việc tăng hàm lượng khí (lỗ rỗng) trong bê tông sẽ song hành với việc giảm cường độ của vật liệu. Có 3 cách để đưa không khí vào bê tông: - Trong vữa (bê tông khí hay bê tông bọt) - Giữa các hạt cốt liệu lớn (bê tông cấu tạo hốc hoặc bê tông không có cát) - Bên trong cốt liệu (bê tông cốt liệu nhẹ). Bê tông nhẹ có thể phân loại theo mục đích sử dụng như sau: - Bê tông nhẹ chịu lực: có khối lượng thể tích từ 1400 - 1800 kg/m3 và cường độ chịu nén từ 15 - 40 MPa - Bê tông nhẹ chịu lực - cách nhiệt: có khối lượng thể tích từ 500 - 1400 kg/m3 và cường độ chịu nén từ 3,5-10 MPa - Bê tông nhẹ cách nhiệt: có khối lượng thể tích từ 300 - 500 kg/m3 Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 206-2013 [30] bê tông nhẹ có thể được phân loại theo khối lượng thể tích (Bảng 1.1) hay theo cấp cường độ chịu nén (Bảng 1.1 - Phân loại bê tông nhẹ theo khối lượng thể tích theo EN 206-2013 7 Bảng 1.2 - Phân loại bê tông nhẹ theo cấp cường độ chịu nén EN 206-2013 (a) Các giá trị khác có thể được sử dụng nếu quan hệ giữa chúng và cường độ mẫu hình trụ chuẩn được thiết lập với đủ tài liệu và độ chính xác.
Theo ACI 213R-03, bê tông nhẹ được phân loại như bảng 1.3 - Phân loại bê tông nhẹ theo ACI 213R-03 Tuy nhiên, ACI 213R-03 chỉ đưa ra khái niệm về bê tông nhẹ chịu lực hay bê tông nhẹ kết cấu mà không phân loại vật liệu này. Theo đó, bê tông nhẹ chịu lực được định nghĩa là bê tông có KLTT từ 1120 - 1920 kg/m3 và cường độ chịu nén ngày 28 tối thiểu là 17 MPa, sản xuất từ cốt liệu nhẹ hoặc từ hỗn hợp cốt liệu nhẹ và cốt liệu thường. Các đặc trưng cơ lý của bê tông cốt liệu nhẹ 8 1. Khối lượng thể tích Việc sử dụng cốt liệu nhẹ là yếu tố cơ bản để đạt được một KLTT nhỏ.
Ngoài KLTT của cốt liệu, KLTT của bê tông còn phụ thuộc vào cấp phối cốt liệu, độ ẩm cốt liệu, hàm lượng khí, hàm lượng xi măng, tỉ lệ N/CKD, phụ gia hóa học và phụ gia khoáng… Bên cạnh vật liệu, KLTT của bê tông cũng phụ thuộc vào phương pháp đầm nén, điều kiện bảo dưỡng… KLTT của BTCLN chịu lực biến đổi từ 1200 - 2000 kg/m3 so với 2300 - 2400 kg/m3 của bê tông nặng. Đa số các tính chất của BTCLN đều liên quan đến KLTT, đặc biệt là cường độ nén. Cường độ nén BTCLN có thể đạt được cường độ chịu nén cao tương đương bê tông nặng thông thường hoặc thậm chí bê tông cường độ cao thông qua một trong hai cách sau: - Sử dụng cốt liệu nhẹ chất lượng cao - Sử dụng vật liệu hoạt tính puzolan như muội silic với xi măng và sử dụng phụ gia giảm nước cao Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng tồn tại một quan hệ giữa KLTT cốt liệu với cường độ nén của bê tông khi tất cả các biến khác không đổi. Với mỗi một cốt liệu lớn chỉ chế tạo được bê tông cốt liệu nhẹ đến một cường độ nhất định.
Khi đã đạt đến giới hạn này, dù tiếp tục tăng cường độ của nền vữa (tăng lượng dùng xi măng), giảm tỷ lệ nước/xi măng thì cường độ của bê tông cốt liệu nhẹ tăng không đáng kể. Do đó, chất lượng của cốt liệu được xem như yếu tố chính giới hạn cường độ của bê tông cốt liệu nhẹ. Tiếp đó là chất lượng của vữa và sự tương thích giữa độ cứng của cốt liệu và vữa trong bê tông. Cường độ nén của BTCLN tăng theo thời gian với cùng một qui luật như bê tông nặng.
Tuy vậy, mức độ tăng ít bị ảnh hưởng bởi môi trường khô và bảo dưỡng kém. Việc dự trữ nước trong lỗ rỗng của các hạt CLN xảy ra trong suốt quá trình dưỡng hộ trong. Việc sử dụng muội silic và phụ gia siêu dẻo trong hỗn hợp cải thiện cường độ của vữa xi măng và có thể tạo ra cường độ nén lên tới hơn 100 MPa. Ảnh hưởng của cốt liệu nhẹ đến cường độ bê tông Chất lượng của cốt liệu nhẹ liên quan trực tiếp đến KLTT hạt của cốt liệu - yếu tố quyết định cường độ và độ cứng, đến qui trình sản xuất cũng như nguyên liệu đầu vào của cốt liệu.
Cốt liệu có KLTT càng lớn, như đá phiến, sét, xỉ, đá bọt cho cường độ bê tông càng cao. ACI 213-03 ghi rõ cùng một hàm lượng xi măng, cường độ lớn nhất có thể tăng khi giảm kích thước cốt liệu lớn. Cường độ của cốt liệu nhẹ nhân tạo phụ thuộc vào kích 9 thước của cốt liệu về bản chất là phụ thuộc vào độ đặc và độ rỗng trong quá trình nung. Các hạt lớn ít đặc hơn ở lớp ngoài và có các lỗ rỗng lớn hơn.
Hơn nữa, kích thước các hạt càng lớn, KLTT càng nhỏ và quan trọng hơn cường độ càng thấp. Độ hút nước của cốt liệu nhẹ cũng ảnh hưởng đến cường độ bê tông khi sử dụng cốt liệu khô. Đó là do có sự trao đổi nước và không khí giữa cốt liệu và hồ xi măng trong quá trình ninh kết. Nghiên cứu vi cấu trúc của bê tông đông cứng cho thấy các bọt khí hình thành một dải bao quanh vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu nhẹ và hồ.
Sự thoát khí từ cốt liệu nhẹ là nguyên nhân làm giảm cường độ. Ảnh hưởng của chất lượng vữa đến cường độ bê tông Việc thay cát tự nhiên bằng cát nhẹ làm giảm cường độ của vữa (Hình 1. Sự mất mát cường độ nhận thấy rõ hơn khi giảm KLTT của vữa. Tiếp đó, ảnh hưởng của tỉ lệ N/CKD trở nên rõ nét hơn trong trường hợp vữa KLTT thấp.
Cường độ tăng lên khi tỉ lệ N/CKD giảm và KLTT của cốt liệu mịn giảm. Do đó, cốt liệu nhẹ hơn hay yếu hơn làm giảm hiệu quả của vữa xi măng cường độ cao. Phát hiện này có thể so sánh với mối quan hệ đã biết giữa cường độ nén của vữa và BTCLN. Ảnh hưởng của mác xi măng với cường độ của vữa giảm khi giảm KLTT của cốt liệu mịn.
Cuối cùng, liên kết xi măng - cốt liệu tốt và sự tương thích giữa độ cứng của cốt liệu và vữa trong BTCLN tạo ra một hỗn hợp hữu hiệu với cường độ xấp xỉ cường độ lớn nhất lý thuyết.2 - Quan hệ giữa tỉ lệ N/CKD và cường độ nén của các loại vữa khác nhau [42] (Leca, Liapor, Ulopor, Embra, Liaver là tên các loại sỏi nhẹ thương mại hiện có trên thị trường, chủ yếu ở châu Âu) 10 Hình 1.3 - Quan hệ giữa KLTT sau khi tháo khuôn và cường độ nén của các loại vữa khác nhau [42] Liên kết giữa cốt liệu và đá xi măng Liên kết giữa cốt liệu và vữa trong BTCLN mạnh hơn trong bê tông thường. Vữa xi măng thấm nhập vào bên trong cốt liệu do có nhiều lỗ rỗng. Do đó, có rất ít hoặc không có vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu và vữa, vùng yếu nhất trong bê tông. Cấu trúc của vùng tiếp xúc giữa cốt liệu và đá xi măng thường có chất lượng tốt hơn so với bê tông thường.
Cơ chế liên kết lý hóa học được xác định, không tính đến ảnh hưởng của mô dun đàn hồi thấp của cốt liệu đến các vi lỗ rỗng vùng tiếp xúc.4 - Cơ chế vùng tiếp xúc đá xi măng - cốt liệu theo Zhang và Gjørv [65] Cốt liệu nhẹ tạo hình trước được phủ một lớp mỏng có độ cứng nhất định nhằm cách ly các lỗ rỗng trong cốt liệu. Khi lớp này quá dày, có thể tạo ra cốt liệu bán nhẹ, vi cấu trúc của vùng tiếp xúc do đó tương tự như quan sát được trong bê tông thường, nghĩa là cấu trúc rỗng hơn và có thể chứa các tinh thể canxi hydroxyt lớn và các sợi 11 ettringit. Nếu lớp bảo vệ cốt liệu cứng hơn, hoặc trường hợp cốt liệu nghiền, quan sát thấy cấu trúc vùng tiếp xúc chặt hơn và đồng nhất hơn. Độ chặt của vữa có quan hệ với quá trình hấp phụ nước của cốt liệu, làm giảm tỉ lệ N/X của đá xi măng (Fagerlund).
Tuy vậy, độ hút nước nhào trộn phụ thuộc vào độ bão hòa ban đầu của cốt liệu. Vữa xi măng có thể chui vào giữa các vết nhám ráp và lỗ rỗng trên bề mặt cốt liệu nhẹ. Loại neo cơ học này, cải thiện độ dính bám của đá xi măng vào cốt liệu, phụ thuộc bề mặt cốt liệu, kích thước hạt xi măng và độ nhớt của vữa. Sự vắng mặt của hydroxyt canxi cũng làm cải thiện cường độ vùng tiếp xúc (Zhang & Gjørv) [65].
Mô đun đàn hồi Bê tông cốt liệu nhẹ có mô đun đàn hồi nhỏ hơn so với bê tông truyền thống do mô đun đàn hồi của cốt liệu nhẹ thấp hơn của cốt liệu nặng thông thường.