Luận văn thạc sĩ về phụ gia hóa học và bê tông đầm lăn tại đập Tân Mỹ

• Tác giả: Nguyễn Sỹ Tuân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Phú
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Phụ Gia Hóa Học Cho Bê Tông Đầm Lăn Tại Đập Tân Mỹ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI TÁC GIẢ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: SỰ PHÁT TRIỂN CỦA BÊ TÔNG ĐẦM LĂN (BTDL) TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

I. Giới thiệu về bê tông đầm lăn và phụ gia hóa học

Bê tông đầm lăn (BTĐL) là một loại bê tông có tính chất đặc biệt, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các công trình thủy lợi và thủy điện. Việc sử dụng phụ gia hóa học trong sản xuất BTĐL không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ lý của bê tông mà còn nâng cao hiệu quả kinh tế. Các nguyên liệu bê tông như xi măng, cát, đá và nước cần được phối trộn một cách hợp lý để đạt được chất lượng tốt nhất. Đặc biệt, việc lựa chọn loại phụ gia phù hợp có thể quyết định đến khả năng chịu lực, độ bền và khả năng chống thấm của bê tông. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định loại và lượng phụ gia hóa học tối ưu cho đập Tân Mỹ, nhằm đảm bảo chất lượng công trình và tiết kiệm chi phí xây dựng.

1.1. Tầm quan trọng của phụ gia hóa học

Phụ gia hóa học đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện các tính chất của bê tông. Chúng có thể tăng cường độ dẻo, giảm nước, và cải thiện khả năng chống thấm. Việc sử dụng phụ gia không chỉ giúp tăng cường chất lượng bê tông mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Theo nghiên cứu, việc lựa chọn đúng loại phụ gia có thể làm giảm giá thành công trình từ 25-40% so với bê tông truyền thống. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách sử dụng các nguyên liệu sẵn có và giảm thiểu chất thải trong quá trình sản xuất bê tông.

II. Phân tích các loại phụ gia hóa học

Có nhiều loại phụ gia hóa học khác nhau được sử dụng trong sản xuất bê tông, mỗi loại có những đặc điểm và ứng dụng riêng. Các loại phụ gia phổ biến bao gồm phụ gia giảm nước, phụ gia tăng cường độ và phụ gia chống thấm. Đối với đập Tân Mỹ, nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng phụ gia giảm nước giúp cải thiện đáng kể độ dẻo của hỗn hợp bê tông, đồng thời giảm lượng nước cần thiết cho quá trình trộn. Điều này không chỉ làm tăng cường độ nén mà còn giúp bê tông đạt được độ bền cao hơn trong môi trường khắc nghiệt.

2.1. Phụ gia giảm nước

Phụ gia giảm nước là một trong những loại phụ gia quan trọng nhất trong sản xuất bê tông. Chúng giúp giảm lượng nước cần thiết trong quá trình trộn mà không làm giảm độ dẻo của hỗn hợp. Việc sử dụng phụ gia này trong bê tông đầm lăn tại đập Tân Mỹ đã cho thấy sự cải thiện rõ rệt về cường độ nén và khả năng chống thấm. Theo kết quả thí nghiệm, bê tông sử dụng phụ gia giảm nước có cường độ nén cao hơn 15-20% so với bê tông không sử dụng phụ gia. Điều này chứng tỏ rằng việc lựa chọn phụ gia phù hợp có thể mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc nâng cao chất lượng bê tông.

III. Ứng dụng thực tiễn và giá trị của nghiên cứu

Nghiên cứu về phụ gia hóa học cho bê tông đầm lăn tại đập Tân Mỹ không chỉ có giá trị trong việc cải thiện chất lượng công trình mà còn có ý nghĩa thực tiễn sâu sắc. Việc áp dụng các loại phụ gia phù hợp giúp tiết kiệm chi phí và thời gian thi công, đồng thời nâng cao độ bền và tuổi thọ của công trình. Đặc biệt, trong bối cảnh biến đổi khí hậu và các yếu tố môi trường ngày càng khắc nghiệt, việc sử dụng các vật liệu xây dựng bền vững và hiệu quả là rất cần thiết.

3.1. Tác động đến môi trường

Việc nghiên cứu và ứng dụng phụ gia hóa học trong sản xuất bê tông không chỉ hướng tới việc cải thiện chất lượng công trình mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Sử dụng các nguyên liệu tái chế và phụ gia tự nhiên có thể làm giảm lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất bê tông. Điều này không chỉ giúp xây dựng những công trình bền vững mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển công nghệ xây dựng xanh, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững hiện nay.

Tổng quan nghiên cứu

Bê tông đầm lăn (BTĐL) là một vật liệu xây dựng quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong các công trình thủy lợi, thủy điện và giao thông nhờ tính năng thi công nhanh, chi phí thấp và độ bền cao. Trên thế giới, đến năm 2005 đã có khoảng 300 đập BTĐL với tổng khối lượng trên 90 triệu m³ bê tông được xây dựng, trong đó Trung Quốc, Hoa Kỳ, Nhật Bản và Tây Ban Nha là những quốc gia dẫn đầu về số lượng công trình. Ở Việt Nam, công nghệ BTĐL phát triển mạnh trong những năm gần đây với nhiều dự án thủy điện và thủy lợi lớn như đập Sơn La, đập Bản Vẽ, đập Tân Mỹ.

Luận văn tập trung nghiên cứu lựa chọn phụ gia hóa học và lượng dùng hợp lý cho bê tông đầm lăn tại đập Tân Mỹ, một công trình thủy lợi quy mô lớn tại tỉnh Ninh Thuận. Mục tiêu chính là thiết kế thành phần cấp phối BTĐL M20B6R90 và MISB2R90 sử dụng các loại phụ gia hóa học khác nhau, đánh giá các tính chất cơ lý của hỗn hợp bê tông và đề xuất giải pháp tối ưu nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu quả kinh tế cho công trình. Nghiên cứu được thực hiện dựa trên số liệu thí nghiệm vật liệu, thí nghiệm bê tông trong phòng và hiện trường, trong phạm vi thời gian từ năm 2006 đến 2010 tại Việt Nam.

Việc lựa chọn phụ gia hóa học phù hợp và lượng dùng tối ưu không chỉ nâng cao chất lượng bê tông đầm lăn mà còn góp phần giảm chi phí, rút ngắn tiến độ thi công, đồng thời đảm bảo khả năng chống thấm, độ bền và tính thi công của bê tông. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực cho các công trình BTĐL trong nước và khu vực, đặc biệt trong bối cảnh phát triển mạnh các dự án thủy lợi, thủy điện quy mô lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về bê tông đầm lăn, bao gồm:

• Lý thuyết về bê tông đầm lăn (Roller Compacted Concrete - RCC): BTĐL là loại bê tông có lượng nước thấp, được đầm nén bằng máy lu rung, có độ sụt gần bằng 0, phù hợp cho các công trình khối lớn như đập trọng lực và mặt đường. Lượng xi măng trong BTĐL thấp hơn bê tông truyền thống, giảm nhiệt thủy hóa và nguy cơ nứt nhiệt.

• Mô hình thiết kế thành phần cấp phối bê tông: Thiết kế dựa trên tỷ lệ phối hợp các vật liệu cơ bản (xi măng, cát, đá, nước) và phụ gia khoáng, phụ gia hóa học nhằm đạt được các chỉ tiêu cơ lý như cường độ nén, độ chống thấm, độ co ngót và tính công tác.

• Khái niệm về phụ gia hóa học trong bê tông: Phụ gia dẻo hóa, giảm nước, chậm đông kết giúp cải thiện tính thi công, tăng độ bền và khả năng bám dính giữa các lớp bê tông đổ.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ nén bê tông, độ chống thấm, thời gian đông kết, độ công tác, hệ số Poisson, mô đun đàn hồi, và các chỉ tiêu vật liệu như thành phần hạt, độ ẩm, khối lượng thể tích.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thí nghiệm kết hợp phân tích số liệu thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu khảo sát gồm xi măng (Kim Định, Hà Tiên), phụ gia khoáng (tro bay Phả Lại, puzolan Núi Thơm, Lương Sơn, Gia Quy, Núi Voi), phụ gia hóa học (các loại chậm đông kết và giảm nước của Sika, Gia Phong, Việt Nhật, Viện IBST, Vinkems), cát và đá dim lấy từ các mỏ tại Ninh Thuận.

• Phương pháp phân tích: Thí nghiệm tính chất cơ lý vật liệu, thiết kế cấp phối bê tông trong phòng thí nghiệm, thí nghiệm hiện trường để hiệu chỉnh cấp phối, đánh giá các chỉ tiêu cường độ nén, độ chống thấm, độ co ngót, mô đun đàn hồi, thời gian đông kết và độ công tác.

• Timeline nghiên cứu: Khảo sát vật liệu và thí nghiệm trong phòng từ năm 2006 đến 2008; thí nghiệm hiện trường và hiệu chỉnh cấp phối từ 2008 đến 2010; tổng hợp và đề xuất giải pháp cuối năm 2010.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm nhiều mẫu bê tông hình trụ và lập phương với kích thước tiêu chuẩn (đường kính 150 mm, chiều cao 300 mm), được đầm nén bằng máy lu rung với biên độ và tần số phù hợp. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện của vật liệu và điều kiện thi công thực tế tại công trình đập Tân Mỹ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Lựa chọn phụ gia hóa học và lượng dùng hợp lý: Qua thí nghiệm với 8 loại phụ gia hóa học khác nhau, kết quả cho thấy phụ gia chậm đông kết TM 25 (Sika) và GP12 (Gia Phong) cùng phụ gia giảm nước Plastiment 96 (Sika) đạt hiệu quả cao trong việc kéo dài thời gian thi công và tăng tính công tác của hỗn hợp bê tông. Lượng dùng tối ưu phụ gia chậm đông kết khoảng 0,3-0,5% trọng lượng xi măng, phụ gia giảm nước 0,5-1%.

2. Cường độ nén và tính chống thấm: Bê tông đầm lăn cấp phối M20B6R90 sử dụng phụ gia hóa học đạt cường độ nén trung bình 25-30 MPa sau 28 ngày, tăng khoảng 15-20% so với bê tông không sử dụng phụ gia. Độ chống thấm được cải thiện rõ rệt, giảm tỷ lệ thấm nước qua thân đập khoảng 30%.

3. Tính công tác và thời gian đông kết: Thời gian bắt đầu đông kết kéo dài từ 120 phút lên 180 phút khi sử dụng phụ gia chậm đông kết, giúp tăng thời gian vận chuyển và thi công liên tục. Độ công tác (độ cứng Vebe) duy trì trong khoảng 20-50 giây, phù hợp với yêu cầu thi công bằng máy lu rung.

4. Phối hợp vật liệu và thành phần hạt: Đá dim hỗn hợp 5-40 mm phối hợp theo tỷ lệ 45% đá 5-20 mm và 55% đá 20-40 mm đạt khối lượng thể tích đầm chặt tối ưu 1,61 tấn/m³, đảm bảo độ đặc chắc và tính ổn định của bê tông. Cát có hàm lượng hạt mịn dưới 0,14 mm dưới 1%, bổ sung thêm bột đá mịn để đạt tỷ lệ hạt mịn 14-18% theo tiêu chuẩn.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng phụ gia hóa học phù hợp không chỉ cải thiện tính thi công mà còn nâng cao chất lượng bê tông đầm lăn, đặc biệt là khả năng bám dính giữa các lớp đổ và độ chống thấm. So với bê tông truyền thống, BTĐL với phụ gia hóa học giảm được lượng xi măng sử dụng, giảm nhiệt thủy hóa, hạn chế nứt nhiệt và co ngót, đồng thời rút ngắn thời gian thi công.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả cường độ nén và thời gian đông kết tương đương hoặc vượt trội, phù hợp với điều kiện vật liệu và khí hậu Việt Nam. Việc phối hợp đá dim và cát theo tỷ lệ hợp lý giúp tăng độ đặc chắc, giảm sự phân ly hỗn hợp bê tông trong quá trình thi công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh cường độ nén theo thời gian, bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của bê tông với và không có phụ gia, biểu đồ thành phần hạt cát và đá dim, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phụ gia hóa học TM 25 và Plastiment 96 với lượng dùng lần lượt 0,4% và 0,8% trọng lượng xi măng nhằm kéo dài thời gian thi công và tăng tính công tác của BTĐL, áp dụng ngay trong giai đoạn thi công đập Tân Mỹ và các công trình tương tự trong vòng 1 năm tới.

2. Phối hợp đá dim hỗn hợp 5-40 mm theo tỷ lệ 45% đá 5-20 mm và 55% đá 20-40 mm để đảm bảo khối lượng thể tích đầm chặt tối ưu, nâng cao độ đặc chắc và ổn định của bê tông, thực hiện trong công tác chuẩn bị vật liệu.

3. Bổ sung bột đá mịn hoặc phụ gia khoáng để điều chỉnh hàm lượng hạt mịn trong cát đạt 14-18% nhằm cải thiện tính công tác và độ bền của bê tông, áp dụng trong khâu chế tạo vật liệu.

4. Xây dựng quy trình thi công và kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt, đặc biệt tại các lớp tiếp giáp giữa các lớp đổ bê tông để đảm bảo độ bám dính và chống thấm, triển khai đào tạo kỹ thuật cho đội ngũ thi công trong 6 tháng tới.

5. Khuyến nghị các chủ đầu tư và nhà thầu áp dụng công nghệ BTĐL với phụ gia hóa học trong các dự án đập trọng lực và công trình thủy lợi, thủy điện nhằm giảm chi phí từ 25-40%, rút ngắn tiến độ thi công và nâng cao chất lượng công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi, thủy điện: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để thiết kế thành phần cấp phối bê tông đầm lăn phù hợp với điều kiện vật liệu và khí hậu Việt Nam.

2. Nhà thầu thi công bê tông đầm lăn: Hướng dẫn lựa chọn phụ gia hóa học và lượng dùng tối ưu, quy trình thi công và kiểm soát chất lượng nhằm nâng cao hiệu quả thi công và chất lượng công trình.

3. Chuyên gia nghiên cứu vật liệu xây dựng: Cung cấp dữ liệu thí nghiệm chi tiết về các loại phụ gia khoáng, phụ gia hóa học, cát, đá dim phục vụ phát triển vật liệu bê tông mới, thân thiện môi trường.

4. Cơ quan quản lý và ban quản lý dự án: Tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật về thiết kế, thi công và nghiệm thu bê tông đầm lăn trong các công trình thủy lợi, thủy điện tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Phụ gia hóa học có vai trò gì trong bê tông đầm lăn?
   Phụ gia hóa học giúp cải thiện tính công tác, kéo dài thời gian đông kết, tăng độ bám dính giữa các lớp bê tông, nâng cao cường độ và khả năng chống thấm, từ đó đảm bảo chất lượng và tiến độ thi công.

2. Làm thế nào để lựa chọn lượng dùng phụ gia hóa học hợp lý?
   Lượng dùng phụ gia được xác định qua thí nghiệm trong phòng và hiện trường, thường dao động từ 0,3-1% trọng lượng xi măng tùy loại phụ gia và yêu cầu kỹ thuật, nhằm cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí.

3. BTĐL khác gì so với bê tông truyền thống?
   BTĐL có lượng nước thấp, được đầm nén bằng máy lu rung, có độ sụt gần bằng 0, thi công nhanh, chi phí thấp hơn, nhiệt thủy hóa thấp hơn, phù hợp cho các công trình khối lớn như đập trọng lực và mặt đường.

4. Tại sao cần phối hợp đá dim theo tỷ lệ nhất định?
   Phối hợp đá dim theo tỷ lệ hợp lý giúp đạt khối lượng thể tích đầm chặt tối ưu, tăng độ đặc chắc, giảm sự phân ly hỗn hợp bê tông, đảm bảo tính ổn định và độ bền của bê tông đầm lăn.

5. Làm sao kiểm soát chất lượng tại các lớp tiếp giáp của BTĐL?
   Cần thiết kế lớp chống thấm, sử dụng phụ gia chậm đông kết để kéo dài thời gian thi công, thi công liên tục, xử lý bề mặt lớp trước khi đổ lớp tiếp theo và kiểm tra cường độ kéo tại vùng tiếp giáp để đảm bảo độ bám dính và chống thấm.

Kết luận

• Bê tông đầm lăn là công nghệ thi công hiệu quả, kinh tế cao, phù hợp cho các công trình đập trọng lực và thủy lợi tại Việt Nam.
• Việc lựa chọn phụ gia hóa học và lượng dùng hợp lý giúp cải thiện tính công tác, kéo dài thời gian thi công, tăng cường độ và khả năng chống thấm của BTĐL.
• Phối hợp vật liệu đá dim và cát theo tỷ lệ chuẩn xác đảm bảo độ đặc chắc và ổn định của bê tông.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm phục vụ thiết kế, thi công và kiểm soát chất lượng BTĐL cho đập Tân Mỹ và các công trình tương tự.
• Đề xuất áp dụng giải pháp kỹ thuật và quy trình thi công phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và chất lượng công trình trong vòng 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Chủ đầu tư và nhà thầu cần triển khai áp dụng các giải pháp nghiên cứu, đồng thời tiếp tục theo dõi, đánh giá thực tế để hoàn thiện quy trình thi công BTĐL tại các dự án trong tương lai.