Luận văn thạc sĩ về tối ưu cấp phối bê tông cho thi công hạng mục bê tông khối lớn

• Tác giả: Châu Ngọc Vinh
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Quang Linh
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng
• Đề tài: Nghiên Cứu Tối Ưu Cấp Phối Bê Tông Cho Thi Công Khối Lớn
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.4. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa tiến bộ
• 1.6. Thành phần nghiên cứu kết quả trong bài
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU
• 2.1. Nghiên cứu tập hợp phái bê tông khối lớn
• 2.2. Thành phần cấp phái bê tông nghiên cứu
• 2.3. Nghiên cứu đặc tính nhiệt của bê tông khối lớn
• 2.4. Thành phần nguyên liệu dùng trong nghiên cứu
• 2.5. Thành phần cấp phái bê tông nghiên cứu
• 2.6. Thí nghiệm và quy trình nhào trộn bê tông
• 2.7. Thí nghiệm chịu nén
• 3. CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH NHÀO TRỘN
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Tập hợp phái bê tông khối lớn
• 4.2. Kết quả nhiệt bán-adiabatic
• 4.3. Phân tích hồi quy kết quả chịu nén
• 4.4. Hệ số chuyển đổi của các thông số giữa hai thí nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về nghiên cứu tối ưu cấp phối bê tông

Nghiên cứu tối ưu cấp phối bê tông cho thi công khối lớn là một lĩnh vực quan trọng trong ngành xây dựng, đặc biệt là trong việc đảm bảo chất lượng và độ bền của công trình. Việc tìm ra cấp phối bê tông phù hợp giúp giảm thiểu các vấn đề liên quan đến co ngót, nứt, và cải thiện khả năng chịu lực của bê tông. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa cấp phối bê tông không chỉ ảnh hưởng đến tính chất cơ học mà còn đến các đặc tính khác như khả năng chống thấm và độ bền hóa học. Trong bối cảnh hiện nay, khi mà nhu cầu về xây dựng khối lớn ngày càng gia tăng, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp tối ưu hóa cấp phối bê tông là rất cần thiết.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định cấp phối bê tông tối ưu cho thi công khối lớn, nhằm đạt được cường độ nén tối thiểu là 50 MPa và giảm thiểu nhiệt độ phát sinh trong quá trình thủy hóa. Nghiên cứu cũng nhằm tìm ra các giải pháp hiệu quả nhất để áp dụng trong thực tiễn, từ đó nâng cao chất lượng công trình và giảm chi phí thi công.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện thông qua việc thực hiện các thí nghiệm bê tông với các thành phần khác nhau như xi măng, tro bay và silica fume. Các thí nghiệm này được thiết kế theo phương pháp thực nghiệm đầy đủ, trong đó mỗi yếu tố được kiểm tra ở ba mức độ khác nhau. Kết quả của các thí nghiệm này cho phép xác định cấp phối bê tông tối ưu, từ đó đề xuất các công thức tính toán phù hợp cho việc thi công khối lớn. Việc áp dụng các công nghệ mới trong sản xuất và thi công bê tông cũng được xem xét, nhằm tăng cường độ bền và giảm thiểu tác động đến môi trường.

2.1. Quy trình thí nghiệm

Quy trình thí nghiệm bao gồm việc chuẩn bị mẫu thử, thực hiện các thí nghiệm nén, đo nhiệt độ phát sinh trong quá trình thủy hóa, và phân tích các kết quả thu được. Các mẫu bê tông được chuẩn bị theo các tỷ lệ khác nhau và được theo dõi trong suốt quá trình đông cứng. Kết quả từ các thí nghiệm này không chỉ cung cấp thông tin về cường độ nén mà còn về các đặc tính khác như độ co ngót và khả năng chống thấm của bê tông khối lớn.

III. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa cấp phối bê tông có thể đạt được thông qua việc điều chỉnh tỷ lệ giữa các thành phần như xi măng, tro bay và silica fume. Các mẫu bê tông với tỷ lệ tro bay cao cho thấy khả năng giảm nhiệt độ phát sinh trong quá trình thủy hóa, từ đó giảm thiểu rủi ro nứt trong thi công khối lớn. Ngoài ra, việc sử dụng silica fume không chỉ cải thiện cường độ nén mà còn tăng cường khả năng chống thấm của bê tông.

3.1. Phân tích kết quả

Phân tích cho thấy rằng mẫu bê tông có tỷ lệ tro bay từ 30% đến 50% cho kết quả tốt nhất về cường độ nén và khả năng chống thấm. Điều này chứng tỏ rằng việc sử dụng tro bay không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao chất lượng của bê tông khối lớn. Các kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đó về hiệu quả của tro bay trong bê tông.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa cấp phối bê tông cho thi công khối lớn là một yếu tố quyết định đến chất lượng và độ bền của công trình. Việc áp dụng các thành phần như tro bay và silica fume không chỉ giúp giảm thiểu nhiệt độ phát sinh trong quá trình thủy hóa mà còn nâng cao cường độ nén của bê tông. Khuyến nghị cho các nhà thầu và kỹ sư xây dựng là nên áp dụng các công thức tối ưu hóa này trong thực tiễn, nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu quả kinh tế trong thi công.

4.1. Khuyến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Để tiếp tục cải thiện chất lượng bê tông khối lớn, các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc thử nghiệm các loại phụ gia mới và công nghệ sản xuất bê tông hiện đại hơn. Việc nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến tính chất của bê tông cũng là một hướng đi quan trọng.

Tổng quan nghiên cứu

Bê tông khối lớn là vật liệu xây dựng chủ đạo trong các công trình lớn như đập thủy điện, móng công trình cao tầng, với yêu cầu chịu nén cao và kiểm soát nhiệt độ phát sinh trong quá trình hydrate hóa. Nhiệt độ tăng cao trong khối bê tông có thể gây ra ứng suất nhiệt lớn, dẫn đến nứt và giảm độ bền, ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bền và tuổi thọ công trình. Theo ước tính, nhiệt độ trung tâm bê tông khối lớn có thể tăng lên đến 70°C hoặc hơn, trong khi bề mặt chỉ khoảng 30-40°C, tạo ra chênh lệch nhiệt độ lớn.

Mục tiêu nghiên cứu là tối ưu thành phần phối liệu bê tông khối lớn nhằm đạt cường độ chịu nén 50 MPa và giảm nhiệt phát sinh trong quá trình hydrate hóa, đồng thời đề xuất phương pháp dự đoán nhiệt độ tăng adiabatic dựa trên thí nghiệm bán-adiabatic nhằm giảm thời gian và chi phí thử nghiệm. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại TP. Hồ Chí Minh, với các mẫu bê tông được thử nghiệm trong khoảng thời gian từ tháng 8/2019 đến tháng 6/2020.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp phối liệu bê tông tối ưu, giúp kiểm soát nhiệt độ phát sinh, giảm nguy cơ nứt nhiệt, nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình bê tông khối lớn. Đồng thời, phương pháp dự đoán nhiệt độ bán-adiabatic giúp tiết kiệm thời gian thử nghiệm, tăng độ tin cậy trong thiết kế và thi công bê tông khối lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Phản ứng hydrate hóa xi măng Portland: Quá trình hydrate hóa các khoáng chính trong clinker như C3S, C2S, C3A và C4AF tạo ra nhiệt và sản phẩm hydrate, ảnh hưởng đến nhiệt độ và cường độ bê tông. C3S và C3A phản ứng nhanh, sinh nhiệt lớn, trong khi C2S phản ứng chậm hơn.

• Hiệu ứng của phụ gia khoáng tro bay (Fly ash - FA) và silica fume (SF): Tro bay có tính pozzolanic, phản ứng chậm với Ca(OH)2 tạo thành C-S-H, giúp giảm nhiệt phát sinh và cải thiện độ bền lâu dài. Silica fume có kích thước hạt siêu mịn, tăng cường hiệu ứng pozzolanic, cải thiện cấu trúc vi mô và tăng cường cường độ chịu nén.

• Mô hình nhiệt độ tăng theo đường cong Gompertz: Mô hình toán học mô phỏng sự phát triển nhiệt độ trong bê tông khối lớn theo thời gian, với các tham số được xác định từ dữ liệu thí nghiệm bán-adiabatic.

Các khái niệm chính bao gồm: nhiệt độ tăng adiabatic, nhiệt độ bán-adiabatic, nhiệt hydrate hóa, hiệu ứng pozzolanic, và cường độ chịu nén bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu bê tông khối lớn được phối liệu với các tỷ lệ khác nhau của xi măng Portland, tro bay và silica fume, được thử nghiệm tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

Phương pháp nghiên cứu gồm:

• Thiết kế thí nghiệm toàn phần (full factorial) với 3 yếu tố (xi măng, tro bay, silica fume), mỗi yếu tố 3 mức, nhằm khảo sát ảnh hưởng của từng thành phần đến nhiệt độ tăng và cường độ chịu nén.

• Thí nghiệm bán-adiabatic đo nhiệt độ tăng của mẫu bê tông trong điều kiện có thoát nhiệt hạn chế, nhằm mô phỏng nhiệt độ trong bê tông khối lớn thực tế.

• Thí nghiệm chịu nén xác định cường độ bê tông sau 7 và 28 ngày.

• Phân tích hồi quy để xây dựng mô hình dự đoán nhiệt độ tăng adiabatic dựa trên dữ liệu bán-adiabatic.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 27 tổ hợp phối liệu, mỗi tổ hợp được thử nghiệm ít nhất 3 lần để đảm bảo độ tin cậy. Phương pháp chọn mẫu là ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2019 đến tháng 6/2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tro bay và silica fume đến nhiệt độ tăng: Khi sử dụng tro bay thay thế 30-50% xi măng, nhiệt độ đỉnh trong bê tông giảm khoảng 20-30% so với bê tông không sử dụng phụ gia. Silica fume thay thế 5-10% xi măng giúp giảm nhiệt độ đỉnh thêm khoảng 5-10%. Kết hợp tro bay và silica fume tạo ra hiệu quả giảm nhiệt tối ưu, nhiệt độ đỉnh giảm tới 40% so với mẫu chuẩn.

2. Cường độ chịu nén đạt yêu cầu: Mẫu bê tông phối liệu tối ưu đạt cường độ chịu nén 50 MPa sau 28 ngày, trong đó cường độ sau 7 ngày đạt khoảng 31 MPa, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cho bê tông khối lớn.

3. Mối quan hệ giữa nhiệt độ bán-adiabatic và adiabatic: Phân tích hồi quy cho thấy nhiệt độ tăng adiabatic có thể dự đoán chính xác từ dữ liệu bán-adiabatic với hệ số xác định R² trên 0.95, sai số trung bình dưới 5%. Điều này giúp giảm thời gian thử nghiệm từ vài tuần xuống còn vài ngày.

4. Mô hình Gompertz phù hợp mô phỏng nhiệt độ tăng: Đường cong nhiệt độ tăng của bê tông khối lớn được mô phỏng chính xác bằng mô hình Gompertz với các tham số được xác định từ thí nghiệm bán-adiabatic, giúp dự báo nhiệt độ trong quá trình thi công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân giảm nhiệt độ phát sinh khi sử dụng tro bay và silica fume là do phản ứng pozzolanic chậm hơn so với xi măng Portland, làm giảm tốc độ và lượng nhiệt hydrate hóa ban đầu. Tro bay có kích thước hạt lớn hơn silica fume, nên hiệu quả giảm nhiệt chủ yếu do tro bay, trong khi silica fume tăng cường cấu trúc vi mô và cường độ chịu nén.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với báo cáo của Langley và Bisaillon, khi sử dụng tro bay thay thế trên 30% giúp giảm nhiệt độ đỉnh từ 20-40%. Mô hình Gompertz được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu nhiệt độ bê tông khối lớn và được xác nhận phù hợp trong nghiên cứu này.

Việc dự đoán nhiệt độ adiabatic từ bán-adiabatic giúp tiết kiệm chi phí và thời gian thử nghiệm, đồng thời tăng độ tin cậy trong thiết kế phối liệu bê tông khối lớn. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong nhiệt độ tăng theo thời gian và bảng so sánh cường độ chịu nén các mẫu phối liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phối liệu tối ưu có 30-50% tro bay và 5-10% silica fume trong thi công bê tông khối lớn để giảm nhiệt độ phát sinh, hạn chế nứt nhiệt, đảm bảo cường độ chịu nén 50 MPa. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng hiện tại. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu thi công và tư vấn thiết kế.

2. Sử dụng phương pháp thí nghiệm bán-adiabatic kết hợp mô hình Gompertz để dự đoán nhiệt độ tăng adiabatic, giúp giảm thời gian và chi phí thử nghiệm. Thời gian áp dụng: trong vòng 1-2 tháng để chuẩn bị và đào tạo. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và các viện nghiên cứu.

3. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư xây dựng về kỹ thuật phối liệu bê tông khối lớn và phương pháp thử nghiệm bán-adiabatic để nâng cao năng lực kiểm soát chất lượng bê tông. Thời gian: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, trung tâm đào tạo nghề.

4. Xây dựng quy trình kiểm soát nhiệt độ bê tông khối lớn dựa trên kết quả nghiên cứu, bao gồm giám sát nhiệt độ thực tế và điều chỉnh phối liệu kịp thời. Thời gian: 6 tháng để hoàn thiện quy trình. Chủ thể thực hiện: chủ đầu tư, nhà thầu và tư vấn giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu bê tông: Nắm bắt kiến thức về phối liệu bê tông khối lớn tối ưu, giúp thiết kế công trình an toàn, bền vững, giảm rủi ro nứt nhiệt.

2. Nhà thầu thi công bê tông: Áp dụng phương pháp phối liệu và kiểm soát nhiệt độ hiệu quả, nâng cao chất lượng thi công, giảm chi phí sửa chữa do nứt nhiệt.

3. Phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng: Áp dụng phương pháp thí nghiệm bán-adiabatic và mô hình Gompertz để dự đoán nhiệt độ bê tông, tối ưu hóa quy trình thử nghiệm.

4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về phản ứng hydrate hóa, ảnh hưởng của phụ gia khoáng và mô hình nhiệt độ bê tông khối lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần giảm nhiệt độ phát sinh trong bê tông khối lớn?
   Nhiệt độ cao gây chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và bề mặt bê tông, tạo ứng suất kéo dẫn đến nứt nhiệt, làm giảm độ bền và tuổi thọ công trình. Ví dụ, nhiệt độ tâm bê tông có thể lên đến 70°C trong khi bề mặt chỉ 30-40°C.

2. Tro bay và silica fume có vai trò gì trong bê tông khối lớn?
   Tro bay giúp giảm nhiệt phát sinh do phản ứng pozzolanic chậm, cải thiện độ bền lâu dài. Silica fume tăng cường cấu trúc vi mô, nâng cao cường độ chịu nén và giảm độ rỗng. Kết hợp hai phụ gia này tối ưu hóa hiệu quả.

3. Phương pháp bán-adiabatic khác gì so với adiabatic?
   Bán-adiabatic cho phép một phần nhiệt thoát ra môi trường, mô phỏng gần thực tế hơn và dễ thực hiện hơn. Adiabatic giữ nhiệt hoàn toàn, mô phỏng điều kiện bê tông khối lớn thực tế nhưng khó thực hiện và tốn kém hơn.

4. Mô hình Gompertz được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   Mô hình Gompertz mô phỏng đường cong nhiệt độ tăng theo thời gian trong bê tông, giúp dự đoán nhiệt độ đỉnh và thời gian đạt đỉnh dựa trên dữ liệu bán-adiabatic, tăng độ chính xác và tiết kiệm thời gian thử nghiệm.

5. Làm sao áp dụng kết quả nghiên cứu vào thi công thực tế?
   Áp dụng phối liệu tối ưu với tỷ lệ tro bay và silica fume phù hợp, sử dụng phương pháp bán-adiabatic để kiểm soát nhiệt độ trong quá trình thi công, đồng thời giám sát nhiệt độ thực tế để điều chỉnh kịp thời, giảm nguy cơ nứt nhiệt.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định được phối liệu bê tông khối lớn tối ưu với 30-50% tro bay và 5-10% silica fume, đạt cường độ chịu nén 50 MPa và giảm nhiệt độ phát sinh tới 40%.
• Phương pháp thí nghiệm bán-adiabatic kết hợp mô hình Gompertz cho phép dự đoán chính xác nhiệt độ tăng adiabatic, tiết kiệm thời gian và chi phí thử nghiệm.
• Kết quả góp phần nâng cao độ tin cậy trong thiết kế và thi công bê tông khối lớn, giảm nguy cơ nứt nhiệt và tăng tuổi thọ công trình.
• Đề xuất áp dụng phối liệu và phương pháp thử nghiệm trong các dự án xây dựng bê tông khối lớn tại Việt Nam.
• Các bước tiếp theo bao gồm đào tạo nhân lực, hoàn thiện quy trình kiểm soát nhiệt độ và mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong thực tế.

Hành động ngay: Các nhà thầu và kỹ sư thiết kế nên áp dụng phối liệu tối ưu và phương pháp bán-adiabatic để nâng cao chất lượng công trình bê tông khối lớn.