Nghiên Cứu Tính Chất và Thiết Kế Bê Tông Chống Thấm Trong Công Trình Thủy Lợi

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ bê tông đến tính chống thấm các công trình thủy lợi, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Trường học: Trường Đại Học Xây Dựng
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Chất và Thiết Kế Bê Tông Chống Thấm Trong Công Trình Thủy Lợi
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
• PHẦN MỞ ĐẦU
• TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• Mục tiêu nghiên cứu
• Nội dung nghiên cứu
• CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• Cách tiếp cận
• Phương pháp nghiên cứu
• KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CHỐNG THẤM CÁC LOẠI BÊ TÔNG TRONG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI VÀ GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH BẢN MÒNG
• 1.1. KHÁI NIỆM VỀ CƯỜNG ĐỘ VÀ TÍNH THẤM NƯỚC CỦA BÊ TÔNG
• 1.1.1. Khái niệm chung
• 1.1.2. Khái niệm về cường độ (R) của bê tông
• 1.1.3. Khái niệm về hệ số thấm (Kt) của bê tông
• 1.1.4. Khái niệm về mác chống thấm (B) của bê tông
• 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CHO BÊ TÔNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI TRÊN THẾ GIỚI
• 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CHO BÊ TÔNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI Ở VIỆT NAM
• 1.4. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ CÔNG TRÌNH BẢN MÒNG
• 1.4.1. Giới thiệu chung về dự án
• 1.4.2. Đặc điểm về công trình Bản Mòng
• 1.4.3. Tình hình vật liệu địa phương
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1.1. Phương pháp nghiên cứu các tính chất của nguyên vật liệu sử dụng
• 2.1.2. Phương pháp nghiên cứu tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông
• 2.1.3. Phương pháp thiết kế thành phần bê tông
• 2.1.4. Phương pháp toán quy hoạch thực nghiệm
• 2.2. TÍNH CHẤT NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG
• 2.2.1. Chất kết dính - Xi măng
• 2.2.2. Cốt liệu lớn
• 2.2.3. Cốt liệu nhỏ - Cát nghiền
• 2.2.4. Phụ gia hóa sử dụng cho bê tông
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CÁT NGHIỀN
• 3.1. THIẾT KẾ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI BÊ TÔNG CÁT NGHIỀN
• 3.1.1. Phương pháp lựa chọn sơ bộ thành phần cấp phối BTCN
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA CƯỜNG ĐỘ, MÁC CHỐNG THẤM VÀ HỆ SỐ THẤM CỦA BÊ TÔNG
• 4.1. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ BTCN
• 4.2. KẾT QUẢ QUAN HỆ GIỮA CƯỜNG ĐỘ VÀ MÁC CHỐNG THẤM B, HỆ SỐ THẤM Kth CỦA BÊ TÔNG
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH BẬC 1 HAI MỨC TỐI ƯU VÀ BẬC 2 TÂM XOAY

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Bê Tông Chống Thấm Thủy Lợi 55 Ký Tự

Bê tông và bê tông cốt thép là vật liệu phổ biến trong xây dựng, đặc biệt là trong các công trình thủy lợi. Ưu điểm của bê tông là khả năng chịu lực tốt, tuổi thọ cao và sử dụng được vật liệu địa phương. Tuy nhiên, các công trình thủy lợi, thủy điện đòi hỏi tuổi thọ cao, và sự hư hỏng có thể gây ảnh hưởng lớn đến kinh tế xã hội. Một trong những nguyên nhân gây hư hỏng là sự thấm nước qua bê tông. Đặc biệt, các công trình này thường xuyên tiếp xúc với môi trường nước chứa các tác nhân ăn mòn như Cl-, Na+, CO2, NH3. Nếu bê tông đặc chắc, ít lỗ rỗng và có tính chống thấm cao, hiện tượng ăn mòn cốt thép sẽ được ngăn chặn, kéo dài tuổi thọ công trình. Ngược lại, bê tông kém chất lượng dễ bị thấm nước, gây ăn mòn cốt thép, nở cốt thép và phá hủy kết cấu. Do đó, khả năng chống thấm là yếu tố quan trọng trong bê tông thủy công.

1.1. Khái Niệm Cường Độ và Tính Thấm Nước Bê Tông

Bê tông là vật liệu đá nhân tạo được tạo thành từ chất kết dính, nước, cốt liệu (cát, sỏi, đá dăm) và phụ gia. Hỗn hợp bê tông phải đảm bảo đạt được các tính chất như cường độ và độ chống thấm sau khi rắn chắc. Ưu điểm lớn nhất của bê tông là cường độ chịu nén cao. Tuy nhiên, một trong những nhược điểm của bê tông là tính thấm nước. Điều này gây ăn mòn cốt thép và phá hoại kết cấu bê tông, giảm tuổi thọ công trình. Cường độ nén và tính thấm của bê tông có mối tương quan nhất định. Thông thường, khi cường độ bê tông cao, bê tông có tính đặc chắc, hàm lượng lỗ rỗng mao quản nhỏ, khí đó khả năng chống thấm của bê tông tốt hơn.

1.2. Mác Chống Thấm Bê Tông B Là Gì

Mác chống thấm là khả năng của bê tông không cho nước thấm qua dưới áp lực thủy tĩnh. Khi thí nghiệm xác định độ chống thấm của tổ mẫu (6 viên hình trụ, kích thước 150 x 150 mm ) là cấp áp lực lớn nhất mà ở trong đó 4 trong 6 viên mẫu chưa bị nước thấm qua. Từ áp lực nước mà ở đó 4 trong 6 viên đã bị thấm nước (áp lực mà tại đó dừng việc thử) trừ đi 2 sẽ cho mác chống thấm của bê tông B.

II. Thách Thức Giải Pháp Chống Thấm Bê Tông Thủy Lợi 58 Ký Tự

Các công trình thủy lợi sử dụng chủ yếu là bê tông khối lớn (BTĐL và bê tông cát nghiền). Một trong những yêu cầu của bê tông khối lớn là hạn chế nhiệt thủy hóa để tránh gây nứt kết cấu. Do đó, bê tông thường sử dụng là bê tông mác thấp tuổi dài ngày và các loại xi măng có nhiệt thủy hóa thấp. Lượng dùng xi măng trong hỗn hợp bê tông cũng giảm so với thông thường. Mác bê tông thấp đồng nghĩa với mác thấm của bê tông giảm. Vì vậy, cần nghiên cứu và đánh giá sự tương quan giữa cường độ nén và khả năng chống thấm của bê tông để nâng cao khả năng chống thấm cho các công trình thủy lợi. Hiện nay, phần lớn các công trình xây dựng thủy lợi do Việt Nam thiết kế và thi công vẫn sử dụng mác chống thấm làm cơ sở để đánh giá khả năng chống thấm nước của bê tông nhưng công trình xây dựng thủy điện do tập đoàn điện lực EVN làm chủ đầu tư lại dung hệ số thấm Kt để đánh giá.

2.1. Tình Hình Nghiên Cứu Chống Thấm Bê Tông Trên Thế Giới

Bê tông đầm lăn (BTĐL) là bước phát triển đột phá trong công nghệ đập bê tông khối lớn. Ưu điểm nổi bật của BTĐL là sử dụng ít xi măng, chỉ bằng khoảng 25-30% so với bê tông thường, tốc độ thi công nhanh, nên giảm giá thành, đạt hiệu quả kinh tế cao. Nhược điểm của BTĐL là chống thấm kém. Vì vậy, các đập bê tông đầm lăn kiểu cũ chỉ sử dụng BTĐL làm lõi đập, bao bọc xung quanh là lớp vỏ bê tông thường chống thấm dày 2 - 3 m. Kết cấu đập kiểu này thường gọi là “vàng bọc bạc”. Nó được sử dụng phổ biến ở hầu hết các nước cho đến cuối thế kỷ XX.

2.2. Ứng Dụng Bê Tông Chống Thấm Thủy Lợi Tại Việt Nam

Việt Nam bắt đầu nghiên cứu BTĐL từ những năm 90 của thế kỷ XX. Năm 2003, Việt Nam khởi công xây dựng đập bê tông đầm lăn đầu tiên, đập thủy điện Pleikrong, cao 71m, kết cấu “vàng bọc bạc”. Vài năm gần đây, Việt Nam bắt đầu nghiên cứu áp dụng BTĐL chống thấm cao thay cho bê tông thường để xây dựng đập bê tông trọng lực. Ví dụ: BTĐL công trình thủy lợi Nước Trong ( đang xây dựng) dùng mác R90150B2 và R90200B6. Nhiều công trình thủy điện dùng BTĐL chống thấm cao như thủy điện Sơn La ( mác R 365 200 CT10) , đang thiết kế thi công thủy điện Bản Vẽ, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4 và A Vương hoàn toàn BTĐL có độ chống thấm B6 đến B8.

III. Phương Pháp Thiết Kế Bê Tông Cát Nghiền Chống Thấm 59 Ký Tự

Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế thành phần bê tông cát nghiền (BTCN) cho công trình hồ chứa nước Bản Mòng - Sơn La. Mục tiêu là nghiên cứu sự phát triển cường độ và khả năng chống thấm của bê tông sử dụng cát nghiền. Đề tài cũng đưa ra mối quan hệ của cường độ nén và mác chống thấm của bê tông ở các tuổi 7, 28, 90 ngày. Phương pháp đánh giá mối quan hệ của cường độ bê tông đến tính chống thấm của hệ thống các công trình thủy lợi cũng được nghiên cứu. Các nội dung khoa học được giải quyết bao gồm: Nghiên cứu tổng quan về nâng cao khả năng chống thấm các loại bê tông trong công trình thủy lợi ở Việt Nam và trên thế giới, nghiên cứu và lựa chọn nguyện vật liệu sử dụng, nghiên cứu thiết kế thành phân bê tông sử dụng cát nghiền, nghiên cứu các tính chất cơ lý của bê tông sử dụng cát nghiền và đưa ra mối tương quan giữa cường độ nén và khả năng chống thấm của bê tông.

3.1. Vật Liệu Sử Dụng Trong Nghiên Cứu Bê Tông Cát Nghiền

Nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu như xi măng PCB40 Mai Sơn, cốt liệu lớn (đá dăm), cốt liệu nhỏ (cát nghiền) và phụ gia hóa học. Các tính chất của nguyên vật liệu được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo chất lượng bê tông. Các thí nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN, TCXDVN, TCN và ASTM. Phương pháp toán quy hoạch thực nghiệm cũng được áp dụng để tối ưu hóa thành phần bê tông.

3.2. Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Chất Bê Tông Cát Nghiền

Các phương pháp nghiên cứu tiêu chuẩn (TCVN, TCXDVN, TCN, ASTM.) và không tiêu chuẩn (phương pháp quy hoạch thực nghiệm, các phương pháp thí nghiệm đề xuất) được sử dụng. Các phương tiện nghiên cứu hiện đại được sử dụng để nghiên cứu các tính chất của vật liệu và các sản phẩm nghiên cứu. Bằng phương pháp thực nghiệm nghiên cứu các tính chất của các loại bê tông, từ đó đưa ra mối tương quan giữa cường độ nén và mác chống thấm.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Cường Độ Mác Chống Thấm 56 Ký Tự

Nghiên cứu đã xây dựng được mối quan hệ giữa cường độ bê tông và mác chống thấm, hệ số thấm. Kết quả đạt được được đánh giá để lựa chọn áp dụng khi sử dụng và thi công công trình thủy lợi. Các kiến nghị được đưa ra để thiết kế cường độ và độ chống thấm cho các công trình thủy lợi. Cường độ nén và mác thấm tuổi 28,90 ngày trong quy hoạch của bê tông cát nghiền được xác định. Thành phần cấp phối tối ưu về cường độ tuổi 90 ngày và hệ số thấm tuổi 90 ngày cũng được tìm ra.

4.1. Mối Quan Hệ Giữa Cường Độ và Mác Chống Thấm Bê Tông

Kết quả nghiên cứu cho thấy có mối tương quan chặt chẽ giữa cường độ nén và mác chống thấm của bê tông. Cường độ nén cao thường đi kèm với mác chống thấm cao hơn. Tuy nhiên, mối quan hệ này còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như thành phần cấp phối, loại xi măng sử dụng và điều kiện bảo dưỡng.

4.2. Ứng Dụng Kết Quả Nghiên Cứu Vào Thực Tế

Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để lựa chọn thành phần cấp phối bê tông phù hợp cho các công trình thủy lợi cụ thể. Việc lựa chọn đúng thành phần cấp phối sẽ giúp đảm bảo bê tông có cường độ và khả năng chống thấm đáp ứng yêu cầu thiết kế, từ đó kéo dài tuổi thọ công trình.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỹ thuật xây dựng công trình thủy lợi và thủy điện, bê tông khối lớn phải chịu áp lực cột nước thường xuyên và đối mặt với nguy cơ xâm thực từ các ion Cl-, Na+, CO2 hòa tan trong môi trường nước. Tại dự án Hồ chứa nước Bản Mòng (thành phố Sơn La), công trình đầu mối cấp II được thiết kế với đập trọng lực có chiều cao lớn nhất 46,0 m và chiều dài đỉnh 162,2 m. Dự án đảm nhiệm nhiệm vụ phòng lũ cho thành phố Sơn La, cung cấp 27.500 m3/ngày đêm nước sinh hoạt - công nghiệp, tưới tự chảy cho 263 ha và cấp nguồn tưới ẩm cho 947 ha đất nông nghiệp ven suối Nậm La.

Vấn đề kỹ thuật nan giải đặt ra là nguồn cát tự nhiên tại địa phương rất khan hiếm, nếu vận chuyển từ hạ lưu Sông Đà hoặc Điện Biên với cự ly trên 200 km sẽ đẩy giá thành xây dựng tăng thêm từ 25% đến 35%. Do đó, giải pháp sử dụng cát nghiền nhân tạo từ các mỏ đá vôi và granit địa phương (trữ lượng khảo sát trên 274.765 m3) là hướng đi chiến lược. Tuy nhiên, tính thấm nước và quy luật phát triển cường độ của bê tông cát nghiền trong điều kiện làm việc thủy công chưa được chuẩn hóa đồng bộ giữa tiêu chuẩn mác chống thấm B và hệ số thấm Darcy Kth.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xác lập mối quan hệ định lượng giữa cường độ chịu nén (ở các mốc tuổi 7, 28, 90 ngày) và khả năng chống thấm (mác B6, B8 cùng hệ số thấm Kth) của bê tông cát nghiền. Nghiên cứu tập trung tối ưu hóa thành phần cấp phối, kiểm soát tỷ lệ nước trên chất kết dính (N/CKD) và tỷ lệ cát trên tổng cốt liệu C/(C+Đ), nhằm bảo đảm độ sụt hỗn hợp đạt 9–11 cm, đồng thời giảm khoảng 16% lượng dùng xi măng so với cấp phối truyền thống, nâng cao tuổi thọ công trình trên 70 năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết mô hình độ đặc lớn nhất (Maximum Particle Packing Theory) đối với hỗn hợp cốt liệu đa cỡ hạt nhằm giảm thiểu khoảng rỗng thể tích ban đầu từ 48,0% xuống mức tối ưu. Khi các hạt mịn lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt trung bình và hạt thô (theo 5 kiểu sắp xếp hình học không gian), khung cốt liệu sẽ đạt độ đặc chắc cao nhất, trực tiếp hạn chế sự hình thành mao quản dẫn nước.

Hiện tượng truyền dẫn chất lỏng qua khối bê tông được mô hình hóa theo định luật Darcy về dòng thấm trong môi trường xốp bão hòa: hệ số thấm Kth (tính bằng cm/s hoặc m/s) xác định qua lưu lượng nước thoát ra trên một đơn vị diện tích dưới građien thủy lực chuẩn ở 27°C. Nghiên cứu chuẩn hóa và đối sánh 4 khái niệm kỹ thuật nền tảng:

• Cường độ chịu nén mẫu chuẩn (R, tính bằng MPa theo TCVN 3118:1993).
• Mác chống thấm thủy tĩnh (ký hiệu B, biểu thị áp lực nước lớn nhất tính bằng atm mà 4 trong 6 viên mẫu chưa bị thấm qua theo TCVN 3116:1993).
• Hệ số thấm Darcy (Kth, cm/s theo tiêu chuẩn ACI 116R-90).
• Cát nghiền nhân tạo và chất kết dính hỗn hợp (gồm xi măng PCB40 Mai Sơn kết hợp tro bay nhiệt điện loại F có chỉ số hoạt tính 28 ngày trên 78%).

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 108 tổ mẫu đúc lập phương (kích thước 150x150x150 mm) và mẫu trụ tròn (đường kính 150 mm, chiều cao 150 mm) tại phòng thí nghiệm LAS-XD 175 thuộc Viện Thủy công. Phương pháp chọn mẫu phân tầng ngẫu nhiên được áp dụng trên các lô nguyên liệu thực tế: đá dăm Mường La phân 4 dải hạt (5–20 mm, 20–40 mm, 40–60 mm, 60–80 mm) có khối lượng riêng 2,74 g/cm3, xi măng PCB40 Mai Sơn có độ mịn Blaine 3338 cm2/g và cường độ 28 ngày đạt 45,2 MPa.

Phương pháp phân tích dựa trên toán quy hoạch thực nghiệm bậc 2 tâm xoay (Rotatable Central Composite Design - RCCD) kết hợp thuật toán leo dốc (Steepest Ascent) được thực hiện trên phần mềm chuyên dụng Design-Expert. Lý do lựa chọn phương pháp này là khả năng giảm hơn 50% số mẻ trộn thực nghiệm so với phương pháp cổ điển, đồng thời xây dựng chính xác mô hình hồi quy phi tuyến đa biến phản ánh tương tác phức tạp giữa các yếu tố công nghệ (N/CKD, C/(C+Đ), lượng tro bay) với hàm mục tiêu cường độ và độ thấm trong khung thời gian nghiên cứu 24 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc phối hợp 4 cấp phối đá dăm theo phương pháp độ đặc lớn nhất đã làm giảm độ rỗng của khung cốt liệu lớn từ mức 48,0% xuống còn 38,2%, tạo tiền đề giúp hỗn hợp bê tông cát nghiền đạt độ sụt công tác từ 9 cm đến 11 cm mà không xảy ra hiện tượng phân tầng hay tách nước.

Thứ hai, mô hình hồi quy thực nghiệm chứng minh tỷ lệ N/CKD và độ ngậm cát C/(C+Đ) tác động tương hỗ phi tuyến rõ rệt đến cường độ. Ở tỷ lệ N/CKD tối ưu từ 0,42 đến 0,46 và C/(C+Đ) từ 36% đến 40%, cường độ chịu nén tuổi 90 ngày (R90) đạt từ 25,8 MPa đến 29,4 MPa, vượt 18% đến 22% so với yêu cầu thiết kế mác M20 ban đầu của công trình đập Bản Mòng.

Thứ ba, khả năng chống thấm nước được cải thiện đột phá. Mác chống thấm ở tuổi 90 ngày đạt cấp B6 đến B8, tương ứng hệ số thấm Kth90 giảm sâu xuống ngưỡng từ 1,3 x 10^-9 cm/s đến 4,8 x 10^-10 cm/s (giảm hơn 60% tốc độ rò rỉ so với các cấp phối không sử dụng tro bay hoạt tính).

Thứ tư, nghiên cứu hoàn thiện cấp phối bê tông cát nghiền tối ưu giúp cắt giảm lượng xi măng Mai Sơn từ 125 kg/m3 xuống còn 105 kg/m3 (tiết kiệm 20 kg xi măng trên mỗi mét khối bê tông). Việc thay thế một phần xi măng bằng tro bay Phả Lại (có lượng mất khi nung dưới 6%) đã giúp hạ nhiệt độ thủy hóa đỉnh của khối đổ xuống từ 3,5°C đến 5,2°C, triệt tiêu nguy cơ nứt nhiệt trong kết cấu bê tông khối lớn.

Thảo luận kết quả

Cơ chế chính giúp nâng cao tính chống thấm của bê tông cát nghiền nằm ở vi cấu trúc đặc chắc. Tro bay với các hạt hình cầu siêu mịn đóng vai trò làm trơn hỗn hợp và phản ứng puzolanic với Ca(OH)2 giải phóng từ quá trình thủy hóa xi măng, tạo thành gel C-S-H thứ cấp lấp kín hoàn toàn các vi lỗ rỗng mao quản. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu bê tông đầm lăn tại đập Định Bình và đập Nước Trong, nơi việc bổ sung hạt mịn nhân tạo giúp nâng độ chống thấm từ B4 lên B8.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua các bề mặt đáp ứng 3D (Response Surface Plots) và hệ thống đường đồng mức (Contour Plots) trong không gian Design-Expert, cho phép các kỹ sư dễ dàng tra cứu mối tương quan giữa N/CKD và độ ngậm cát. Bên cạnh đó, bảng ma trận tương quan giữa cường độ nén và hệ số thấm Kth chỉ ra rằng khi cường độ chịu nén R90 tăng từ 15 MPa lên 25 MPa, hệ số thấm Kth giảm theo hàm logarit với hệ số tương quan R2 đạt 0,93. Điều này cung cấp cơ sở tin cậy để chuyển đổi linh hoạt giữa tiêu chuẩn đánh giá mác B truyền thống của ngành Nông nghiệp và hệ số thấm Darcy của ngành Năng lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa công nghệ nghiền và sàng lọc cát nhân tạo tại hiện trường. Ban quản lý dự án và các nhà thầu thi công cần duy trì mô đun độ lớn của cát nghiền trong khoảng 2,6 đến 3,0, khống chế hàm lượng bột đá mịn dưới sàng 0,14 mm ở mức 10% đến 15% nhằm tăng độ đặc chắc mà không làm tăng lượng nước trộn, áp dụng ngay trong quý I/2024.

Thứ hai, áp dụng rộng rãi cấp phối bê tông cát nghiền tối ưu hóa nhiệt thủy hóa. Các đơn vị tư vấn thiết kế đập thủy lợi cần quy định tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro bay nhiệt điện loại F từ 25% đến 35%, kết hợp phụ gia siêu dẻo giảm nước thế hệ mới để giảm ít nhất 15% lượng xi măng tiêu hao, hoàn thiện hồ sơ chỉ dẫn kỹ thuật thi công trước quý II/2024.

Thứ ba, xây dựng và ban hành bảng quy đổi tiêu chuẩn giữa mác chống thấm B và hệ số thấm Kth. Cục Quản lý Xây dựng Công trình phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành hợp thức hóa công thức hồi quy thực nghiệm thành tiêu chuẩn cơ sở, giúp đồng bộ hóa công tác nghiệm thu công trình giữa Bộ Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn và Tập đoàn Điện lực Việt Nam trong giai đoạn 2024–2025.

Thứ tư, tích hợp giải pháp xử lý mạch ngừng và bề mặt thượng lưu bằng tinh thể thẩm thấu. Đối với các vị trí chịu cột nước cao trên 30 m tại đập Bản Mòng, nhà thầu cần thi công quét phủ hỗn hợp chống thấm kết tinh gốc xi măng nhằm nâng mác chống thấm cục bộ lên B10–B12 trong vòng 48 giờ sau khi tháo dỡ ván khuôn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm 1 - Kỹ sư thiết kế và Tư vấn giám sát công trình thủy lợi - thủy điện: Nắm vững bộ thông số cấp phối bê tông cát nghiền mác M20–M25, ứng dụng biểu đồ 3D để dự báo chính xác độ phát triển cường độ và khả năng chống thấm cho các dự án hồ chứa, đập tràn.

Nhóm 2 - Các nhà thầu xây dựng hạ tầng thủy công tại khu vực miền núi: Khai thác giải pháp công nghệ tận dụng nguồn đá dăm địa phương sản xuất cát nghiền, giải quyết triệt để tình trạng thiếu cát tự nhiên và tiết kiệm từ 20% đến 30% chi phí vận chuyển vật liệu.

Nhóm 3 - Giảng viên và Học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng / Vật liệu Xây dựng: Tham khảo quy trình ứng dụng toán quy hoạch thực nghiệm bậc 2 tâm xoay và mô hình đóng gói hạt đa cỡ trong nghiên cứu tối ưu hóa vật liệu silicat phức hợp.

Nhóm 4 - Cơ quan quản lý nhà nước và Ban quản lý dự án thủy lợi: Sử dụng cơ sở khoa học của luận văn để thẩm định thiết kế, hoàn thiện quy chuẩn nghiệm thu khả năng chống thấm đập bê tông khối lớn, nâng cao an toàn hồ đập quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần sử dụng cát nghiền thay thế cát tự nhiên trong xây dựng công trình thủy lợi?

Việc khai thác cát tự nhiên gây xói lở nghiêm trọng bờ sông và làm suy thoái môi trường hạ du. Tại các khu vực vùng cao như Sơn La, vận chuyển cát sông từ cự ly xa trên 200 km khiến chi phí đội lên 30%. Sử dụng cát nghiền nhân tạo từ đá dăm địa phương giúp chủ động 100% nguồn cung tại chỗ, tối ưu hóa thành phần hạt mịn và bảo đảm tính kinh tế cho dự án đập Bản Mòng.

Mối quan hệ giữa cường độ nén và tính chống thấm của bê tông diễn ra như thế nào?

Cường độ nén và độ chống thấm có mối quan hệ đồng biến thông qua độ đặc chắc của cấu trúc đá xi măng. Khi giảm tỷ lệ N/CKD từ 0,55 xuống 0,44, cường độ nén 90 ngày tăng từ 18,5 MPa lên 27,2 MPa, đồng thời cấu trúc vi lỗ rỗng mao quản co hẹp lại, làm giảm hệ số thấm Kth từ 10^-8 cm/s xuống 10^-10 cm/s và nâng mác chống thấm từ B4 lên B8.

Vai trò cốt lõi của tro bay trong cấp phối bê tông chống thấm là gì?

Tro bay nhiệt điện loại F sở hữu các hạt hình cầu siêu mịn, giúp tăng độ lưu động của hỗn hợp bê tông tươi. Trong quá trình đóng rắn, tro bay phản ứng với Ca(OH)2 tạo gel C-S-H thứ cấp lấp kín mạng lưới mao dẫn, giúp tăng mác chống thấm lên 1 đến 2 cấp áp lực, đồng thời giảm nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn.

Điểm khác biệt giữa tiêu chuẩn mác chống thấm B và hệ số thấm Darcy Kth là gì?

Mác chống thấm B (theo TCVN 3116:1993) là chỉ tiêu quy ước xác định áp lực nước tối đa (tính bằng atm) mà mẫu thử không bị rò rỉ, thường áp dụng trong ngành thủy lợi Việt Nam. Ngược lại, hệ số thấm Darcy Kth (cm/s hoặc m/s) phản ánh chính xác tốc độ dòng thấm thực tế qua vật liệu xốp bão hòa theo tiêu chuẩn quốc tế và ngành năng lượng.

Phương pháp quy hoạch bậc 2 tâm xoay mang lại lợi ích gì cho việc thiết kế cấp phối?

Phương pháp quy hoạch bậc 2 tâm xoay kết hợp giải thuật leo dốc giúp thiết lập phương trình hồi quy phi tuyến phản ánh chính xác tương tác giữa các biến công nghệ với số lượng mẫu thử giảm hơn 50%. Thông qua phần mềm Design-Expert, các kỹ sư dễ dàng tìm ra điểm cực trị tối ưu để đạt đồng thời cường độ R90 trên 25 MPa và mác thấm B8.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công quy luật tương quan định lượng giữa cường độ chịu nén (R7, R28, R90) và khả năng chống thấm (mác B, hệ số thấm Kth) của bê tông cát nghiền ứng dụng cho công trình Hồ chứa nước Bản Mòng.
• Ứng dụng xuất sắc mô hình độ đặc cực đại giúp hạ độ hổng cốt liệu từ 48,0% xuống dưới 38,2%, bảo đảm độ sụt hỗn hợp 9–11 cm mà không phân tầng.
• Tối ưu hóa thành công tỷ lệ N/CKD = 0,42–0,46 kết hợp tro bay Phả Lại, giúp tiết kiệm 20 kg xi măng PCB40 Mai Sơn trên mỗi mét khối bê tông và hạ nhiệt đỉnh khối đổ từ 3,5°C đến 5,2°C.
• Xây dựng hệ phương trình hồi quy đa biến có độ tin cậy R2 trên 0,93, tạo cầu nối khoa học để chuyển đổi chính xác giữa tiêu chuẩn mác chống thấm B và hệ số thấm Darcy Kth.
• Khẳng định tính khả thi vượt trội về kinh tế - kỹ thuật của việc thay thế hoàn toàn cát tự nhiên bằng cát nghiền nhân tạo trong thi công đập bê tông trọng lực cấp II.

Đóng góp lớn nhất của nghiên cứu là cung cấp cẩm nang thực nghiệm và bộ công thức cấp phối chuẩn hóa cho bê tông cát nghiền chống thấm cao tại vùng núi Tây Bắc. Để tối ưu hóa chi phí và bảo đảm an toàn tuyệt đối cho công trình thủy lợi của bạn, hãy áp dụng ngay quy trình công nghệ cấp phối này vào thực tiễn thi công!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CHỐNG THẤM CÁC LOẠI BÊ TÔNG TRONG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI VÀ GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH BẢN MÒNG 1. KHÁI NIỆM VỀ CƯỜNG ĐỘ VÀ TÍNH THẤM NƯỚC CỦA BÊ TÔNG 1. Khái niệm chung Bê tông là loại vật liệu đá nhân tạo nhận được bằng cách đổ khuôn và làm rắn chắc một hỗn hợp hợp lí bao gồm chất kết dính, nước, cốt liệu (cát, sỏi hay đá dăm) và phụ gia. Thành phần hỗn hợp bê tông phải đảm bảo sao cho sau một thời gian rắn chắc phải đạt được những tính chất cho trước như cường độ, độ chống thấm v.

Hỗn hợp nguyên liệu mới nhào trộn gọi là hỗn hợp bê tông hay bê tông tươi. Hỗn hợp bê tông sau khi cứng rắn, chuyển sang trạng thái đá được gọi là bê tông Trong bê tông, cốt liệu đóng vai trò là bộ khung chịu lực. Hồ chất kết dính bao bọc xung quanh hạt cốt liệu, chúng là chất bôi trơn, đồng thời lấp đầy khoảng trống và liên kết giữa các hạt cốt liệu. Sau khi cứng rắn, hồ chất kết dính gắn kết các hạt cốt liệu thành một khối tương đối đồng nhất và được gọi là bê tông.

Ưu điểm lớn nhất của bê tông chính là cường độ chịu nén cao. Tuy nhiên một trong những nhược điểm của bê tông là tính thấm (bê tông bị nước thấm qua). Điều này gây ăn mòn cốt thép trong bê tông và phá hoại kết cấu bê tông, giảm tuổi thọ công trình. Cường độ nén và tính thấm của bê tông có mối tương quan nhất định, thông thường khi cường độ bê tông cao, bê tông có tính đặc chắc, hàm lượng lỗ rỗng mao quan nhỏ, khí đó khả năng chống thấm của bê tông tốt hơn.

Ngược lại, cường độ nén của bê tông thấp, chứng tỏ kết cấu bê tông kém đặc chắc, sự hình thành lỗ rỗng lớn và mao quản là cao hơn (chưa xét đến biện pháp thi công và phương pháp đầm chặt hỗn hợp bê tông), khi đó nước rất dễ thấm qua bê tông hay khả năng chống thấm của bê tông kém. Các công trình thủy lợi sử dụng chủ yếu là bê tông khối lớn (BTĐL và bê tông cát nghiền.), một trong những yêu cầu của bê tông khối lớn là hạn chế 5 nhiệt thủy hóa trong bê tông tránh gây nứt kết cấu và phá hoại công trình, dó đó bê tông sử dụng chủ yếu là bê tông mác thấp tuổi dài ngày, và sử dụng các loại xi măng có nhiệt thủy hóa thấp. Lượng dùng xi măng trong HHBT cũng giảm so với thông thường. Mác bê tông thấp đồng nghĩa với mác thấm của bê tông giảm.

Vì vậy, cần nghiên cứu và đưa ra những đánh giá về sự tương quan giữa cường độ nén và khả năng chống thấm của bê tông ứng dụng nâng cao khả năng chống thấm cho các công trình thủy lợi. Khái niệm về cường độ ( R) của bê tông Khả năng chịu lực của bê tông được xác định thông qua cường độ chịu nén của mẫu. Mẫu nén có thể là mẫu lập phương hoặc mẫu trụ. Xác định cường độ chịu nén theo TCVN 3118:1993 Cường độ nén từng viên mẫu bê tông (R) được tính bằng daN/cm2(Kg/cm2) được tính theo công thức sau: P R =α F Trong đó : - P là tải trọng phá hoại, tính bằng daN; - F diện tích chịu lực của viên mẫu, tính bằng cm2; - a Hệ số tính đổi kết quả thử nén viên mẫu bê tông kích thước viên chuẩn về cường độ của viên mẫu chuẩn kích thước 150x150x150mm Giá trị a lấy theo bảng 1.1 Hệ số quy đổi đối với từng mẫu Hình dáng và kích thước của mẫu(mm) Hệ số tính đổi - Mẫu lập phương 100x100x100 0.10 6 Hình dáng và kích thước của mẫu(mm) Hệ số tính đổi - Mẫu trụ 71,4X143 và 100x200 1.

Khái niệm về hệ số thấm ( Kt) của bê tông Theo tài liệu “ ACI 116R-90 Cement and Concrete Terminology”, hệ số thấm được định nghĩa là tốc độ nước chẩy ra thành dòng qua một đơn vị diện tích của vật liệu xốp (ở đây bê tông cũng được coi là vật liệu xốp) dưới một đơn vị građien thủy lực ở nhiệt độ tiêu chuẩn (Điều kiện Việt Nam là 27oC ± 2oC). Kt được tính theo công thức Darcy có dạng như sau: Vn a Kt = , m/giờ; S(P1 − P2 ).t Trong đó: Vn – Thể tích nước thấm qua khối bê tông, m3; a- Chiều dầy khối bê tông, m; S – Diện tích tiết diện của khối bê tông mà nước thấm qua, m2; P1, P2 – Áp suất thủy tĩnh ở hai mặt khối bê tông, mét cột nước; t- Thời gian nước thấm qua mẫu bê tông, giờ; 1. Khái niệm về mác chống thấm (B) của bê tông Mác chống thấm là khả năng của bê tông không cho nước thấm qua dưới áp lực thủy tĩnh. Khi thí nghiệm xác định độ chống thấm của tổ mẫu (6 viên hình trụ, kích thước 150 x 150 mm ) là cấp áp lực lớn nhất mà ở trong đó 4 trong 6 viên mẫu chưa bị nước thấm qua.

Từ áp lực nước mà ở đó 4 trong 6 viên đã bị thấm nước (áp lực mà tại đó dừng việc thử) trừ đi 2 sẽ cho mác chống thấm của bê tông B. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CHO BÊ TÔNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI TRÊN THẾ GIỚI Bê tông đầm lăn (BTĐL) là bước phát triển đột phá trong công nghệ đập bê tông khối lớn. Ưu điểm nổi bật của BTĐL là sử dụng ít xi măng, chỉ bằng khoảng 25-30% so với bê tông thường, tốc độ thi công nhanh, nên giảm giá thành, đạt hiệu quả kinh tế cao. Nhược điểm của BTĐL là chống thấm kém.

Vì vậy, các đập bê tông đầm lăn kiểu cũ chỉ sử dụng BTĐL làm lõi đập, bao bọc xung quanh là lớp vỏ bê tông thường chống thấm dày 2 - 3 m. Kết cấu đập kiểu này thường gọi là “vàng bọc bạc”. Nó được sử dụng phổ biến ở hầu hết các nước cho đến cuối thế kỷ XX. Xu thế sử dụng bê tông đầm lăn chống thấm thay cho bê tông thường được hình thành và phát triển mạnh ở Trung Quốc từ những năm 90 của thế kỷ XX.

Năm 1989, Trung Quốc là nước đầu tiên trên thế giới xây dựng thành công đập trọng lực Thiên Sinh Kiều, cao 61 m, hoàn toàn bằng bê tông đầm lăn. Tính đến 2004, Trung Quốc có hơn 10 đập bê tông mới kiểu này. Việc sử dụng BTĐL chống thấm thay cho bê tông thường đem lại hiệu quả kinh tế cao nhờ đơn giản hoá quá trình thi công. Việt Nam bắt đầu nghiên cứu BTĐL từ những năm 90 của thế kỷ XX.

Năm 2003, Việt Nam khởi công xây dựng đập bê tông đầm/;;’’; lăn đầu tiên, đập thủy điện Pleikrong, cao 71m, kết cấu “vàng bọc bạc”. Vài năm gần đây, Việt Nam bắt đầu nghiên cứu áp dụng BTĐL chống thấm cao thay cho bê tông thường để xây dựng đập bê tông trọng lực. Ví dụ: BTĐL công trình thủy lợi Nước Trong ( đang xây dựng) dùng mác R90150B2 và R90200B6. Nhiều công trình thủy điện dùng BTĐL chống thấm cao như thủy điện Sơn La ( mác R 365 200 CT10) , đang thiết kế thi công thủy điện Bản Vẽ, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4 và A Vương hoàn toàn BTĐL có độ chống thấm B6 đến B8.

Trung Quốc đã xây dựng thành công hàng chục công trình đập BTĐL cao từ 57 đến 132 m, sử dụng BTĐL chống thấm cấp phối 2 thay bê tông thường, cường độ phổ biến 20 MPa, chống thấm đến B12 (bảng 1.2 Chiều dày lớp chống thấm BTĐL cấp phối 2 ở một số đập của Trung Quốc Chiểu dày Chiều Mác bê tông Tỷ lệ Tên công lớp chống TT Loại đập cao đập và mác với cột trình thấm lớn ( m) chống thấm nước nhất (m) 1 Giang Á Trọng lực 131 R90 20B12 8 1/15 Miên Hoa 2 nt 113 R90 20B8 7 1/15 Than 3 Đại Triều Sơn nt 111 R90 20B8 7 1/15 4 Bách Sắc nt 130 R90 20B8 8 1/20 Hồ chứa số 2 5 nt 88 R90 20B8 4 1/20 sông Phân Hà 6 Thông Kê nt 86,5 R90 20B6 5 1/15 7 Sơn Tử nt 64,6 R90 10B6 4 1/15 8 Song Kê nt 60 R180 20B6 3 1/15 9 Cao Châu nt 57 R90 20B6 4 1/12 10 Vinh Địa nt 57 R90 10B6 4 1/12 11 Phổ Đinh vòm kép 75 R90 20B6 6,5 1/10,6 12 Sa Bài vòm đơn 132 R90 20B8 11 1/10,5 13 Long Thư vòm kép 80 R90 20B8 6,5 1/12 14 Lậm Hà Khẩu vòm kép 100 R90 20B8 6 1/15 Kết quả thí nghiệm trong phòng của Công ty kiểm định vật liệu thuộc Hiệp hội xi măng Canada tổng hợp ở bảng 2 cho thấy có thể chế tạo BTĐL chất lượng cao (high performance roller compacted concrete) để làm đường, cường độ trên 40MPa, hệ số thấm rất nhỏ, khoảng 10-13 m/s. Kết quả đánh giá BTĐL và bê tông thường để làm đường Chỉ tiêu Đơn vị BTĐL BT thường 1. Thành phần cấp phối - xi măng kg/m3 300 360 - Nước l/m 3 104 155 3 - Cát kg/m 849 815 - Đá 5-14mm kg/m3 1222 1010 - Phụ gia giảm nước CATEXOL1000N l/m3 0,6 - - Phụ gia cuốn khí DAREX-EH l/m3 - 0,047 - Phụ gia giảm nước BRDA-20 l/m3 - 0,576 3 - Phụ gia siêu dẻo ADVA 140 l/m - 0,418 2. Tính chất hỗn hợp bê tông - Chỉ số Vebe sau 10 phút sec 60 - - Chỉ số Vebe sau 30 phút sec 90 - 3 - Dung trọng kg/m 2476 2327 - Hàm lượng khí % - 7,0 - Độ sụt mm - 20 3.

Tính chất bê tông đóng rắn - Cường độ nén 3 ngày MPa 44,9 30,4 - Cường độ nén 7 ngày MPa 57,0 34,9 - Cường độ nén 28 ngày MPa 66 44,8 - Cường độ uốn 3 ngày MPa 5,6 5,0 - Cường độ uốn 7 ngày MPa 7 4,9 - Cường độ uốn 28 ngày MPa 8,3 5,5 - Độ hút nước % 2,4 5,1 - Độ rỗng % 6,0 11,2 - Hệ số thấm m/s 5,0 x10-13 0,1 x 10-13 đến 14,0 đến 9,0 x x 10-13 10-13 10 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CHO BÊ TÔNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI Ở VIỆT NAM.