Nghiên cứu bê tông cốt sợi thủy tinh để sử dụng trong công trình thủy lợi ven biển
08/08/2018 Các kết cấu bê tông cốt thép các công trình xây dựng thủy lợi vùng ven biển khi làm việc, ngoài những tác động của tải trọng, tác động cơ học của sóng biển, hiện tượng bị bào mòn do quá trình khô ẩm thay đổi liên tục, còn tiềm ẩn một nguy cơ bị phá hủy nhanh chóng của quá trình ăn mòn cốt thép. Khi cốt thép bị ngấm nước biển sẽ bị ăn mòn bởi Ion Cl- làm nở thể tích, gây phá hủy bê tông. Bài báo này giới thiệu một số kết quả nghiên cứu sử dụng cốt sợi thủy tinh trong bê tông phục vụ cho các công trình xây dựng thủy lợi vùng ven biển (đê chắn sóng) thay thế cốt thép nhằm làm tăng tuổi thọ công trình tránh hiện tượng bị phá hủy do ăn mòn cốt thép. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Bê tông cốt sợi (BTCS) là loại vật liệu composite trong đó phần vật liệu nền là bê tông vô cơ, phần vật liệu cốt là các loại sợi nhỏ. Sự có mặt của cốt sợi làm cho BTCS có khả năng chống lại sự co ngót và nứt trong quá trình rắn chắc và làm việc, đồng thời làm tăng cường độ kéo, uốn và nâng cao độ dẻo dai. Do có các đặc tính ưu việt hơn so với bê tông thường, Bê tông cốt sợi sẽ trở thành loại vật liệu tiến tiến trong xây dựng và được ứng dụng cho những công trình chất lượng cao như: kết cấu đường băng sân bay, cầu cảng, nhà vòm, nhà cao tầng, nhà công nghiệp, gia cố đường hầm xuyên núi, kết cấu chống nổ, bể bơi, xi lô chứa vật liệu... Sử dụng Bê tông cốt sợi trong xây dựng sẽ tiết kiệm không gian, tiết kiệm cốt thép, giảm nhẹ kết cấu móng [1] và tạo ra nhiều giải pháp kết cấu mới mà với bê tông thường sẽ không thực hiện được. Đặc biệt bê tông cốt sợi thủy tinh (sợi thủy tinh loại kháng kiềm AR – Glass Fiber) được sử dụng cho các loại kết cấu bê tông xây dựng trong môi trường ăn mòn. Theo[2] thì những ưu điểm của bê tông cốt sợi thủy tinh so với bê tông cốt sợi khác như PP Fiber hoặc Steel Fiber đó là: - Cường độ uốn, kéo và va đập cao hơn; - Sợi thủy tinh nhẹ hơn và như vậy làm giảm sức nặng của công trình; - Làm tăng khả năng chống lại sự phá hủy của môi trường có tác nhân hóa học, đặc biệt là không xẩy ra hiện tượng ăn mòn cốt thép của i-on CL-; - Bê tông cốt sơi thủy tinh không bị rỉ, không bị ăn mòn; - Bền trong môi trường nước ô nhiễm và thân thiện với môi trường. 2. NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ VẬT LIỆU SỬ DỤNG 2.1 Nội dung nghiên cứu - Kế thừa các kết quả nghiên cứu về bê tông cốt sợi thủy tinh trên thế giới, tiếp tục nghiên cứu sử dụng cốt sợi thủy tinh và cấp phối bê tông dùng cho kết cấu đê trụ rỗng chắn sóng trong đề tài Ô thủy lợi của Viện Thủy Công. - Thiết kế cấp phối bê tông mác từ M20 MPa đến M50MPa sử dụng cốt sơi thủy tinh. - Xác định độ linh động của hỗn hợp bê tông có cốt sợi theo thời gian so sánh với hỗn hợp bê tông cùng mác không có cốt sơi thủy tinh. - Thí nghiệm xác định cường độ nén, cường độ kéo khi uốn của bê tông cốt sợi thủy tinh và bê tông thông thường cùng mác. 2.2 Phương pháp nghiên cứu Để xác định các tính chất cơ lý đặc trưng của bê tông cốt sơi thủy tinh, đề tài đã sử dụng chủ yếu là phương pháp thực nghiệm theo các tiêu chuẩn Quốc gia TCVN…. Các thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm LAS XD – 175 của Viện Thủy công. 2.3 Vật liệu sử dụng 2.3.1 Xi măng Sử dụng xi măng PCB40 Chinfon đạt tiêu chuẩn xi măng pooclăng hỗn hợp PCB40 theo TCVN 6260: 2009. 2.3.2 Tro bay Sử dụng vật liệu tro bay Phả Lại. Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý của tro bay đạt yêu cầu theo TCVN1032: 2014 “Phụ gia khoáng hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây dựng và xi măng” 2.3.3 Cát Cát được lấy từ mỏ cát thuộc xã Nghĩa Hưng, huyện Nghĩa Đàn, tỉnh Nghệ An. Cát Nghĩa Hưng có các tính chất cơ lý đạt tiêu chuẩn dùng cho bê tông theo TCVN 7570-2006 Cốt liệu dùng cho bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật”. 2.3.4 Đá dăm Sử dụng đá dăm Phủ Lý. Đá dăm Dmax 20 có các tính chất cơ lý đạt tiêu chuẩn dùng cho bê tông theo TCVN 7570-2006 “Cốt liệu dùng cho bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật”. 2.3.5 Cốt sợi thủy tinh Sợi thủy tinh chống kiềm được sử dụng có chiều dài 50 mm, khối lượng riêng 2.7 g/cm3 có cường độ kéo đạt 3500MPa. 2.3.6 Phụ gia hóa học Để hỗn hợp bê tông có tính công tác tốt, tính chảy tốt, đạt độ sụt 20 – 25 cm sử dụng phụ gia siêu giảm nước cao cấp gốc Polycacboxynat cải tiến Sika 257 của hãng Sika. Lý do hỗn hợp bê tông cần có độ sụt cao và không phân tầng ngay từ đầu vì sợi thủy tinh có đường kính rất nhỏ cỡ khoảng 14 micromet, lượng dùng khoảng 4 to 8kg/m3 được cho vào hỗn hợp sẽ làm giảm tính công tác của bê tông xuống rất thấp độ sụt chỉ đạt 3 to 5 cm do đặc tính hút nước hấp phụ bề mặt lớn. Đề tài sử dụng 02 loại phụ gia siêu dẻo giảm nước cao cấp của hai nhà cung cấp khác nhau: Mira 199 (Grace); Vn09 (Mapei). Lượng dùng theo hướng dẫn của nhà cung cấp. 2.3.7 Nước Nước sử dụng trong nghiên cứu về bê tông cốt sợi phù hợp tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 4560 : 2012, Nước trộn bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật. 2.3.8 Mẫu thử nghiệm Mẫu thử cường độ chịu nén hình lập phương có kích thước 150 x 150 x 150 mm, mẫu thử khả năng chịu uốn hình lăng trụ có kích thước 400 x 100 x 100 mm. Mẫu đúc thử nghiệm được chế tạo bà bảo dưỡng theo TCVN 3105 : 1993. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Thiết kế thành phần cấp phối bê tông Cơ sở thiết kế cấp phối bê tông cốt sợi dựa theo tiêu chuẩn ACI 211-4R: 1993 “Bê tông cường độ cao sử dụng tro bay”, hỗn hợp bê tông có độ linh động cao đảm bảo hỗn hợp không phân tầng tách nước và có độ nhớt phù hợp giúp phân tán sợi tốt trong hỗn hợp tạo sự đồng nhất và phát huy hiệu quả của cốt sợi trong bê tông. Hiệu chỉnh cấp phối bê tông trong quá trình trộn thực tế tại phòng thí nghiệm. Yêu cầu: Các mác cần thiết kế M20, M30, M40, M50 Bảng 1: Thành phần vật liệu cho 1 m3 bê tông cốt sợi Mác thiết kế Xi măng Tro bay (kg) Cát vàng Đá dăm Dmax 20 Phụ gia siêu dẻo Nước Sợi thủy tinh (kg) Tỉ lệ N/CKD M20 300 30 810 1113 4,5 187 4,95 0,57 M30 340 34 800 1008 5,2 186 5,8 0,50 M40 385 38 785 1015 5,7 183 6,4 0,43 M50 430 43 780 1063 6,4 180 7,1 0,38 Nhận xét: Hàm lượng sợi trong bê trong bê tông chiếm 1,5% khối lượng chất kế dính được cho là hiệu quả nhất theo nghiên cứu của Eng. Pshtiwan N. Shakor & Prof. S. S. Pimplikar chỉ ra trong báo cáo “Glass Fibre Reinforced Concrete Use in Construction”[1]. Vì vậy trong bảng 1 kết quả thí nghiệm bê tông đã sử dụng hàm lượng sợi 1,5% chất kết dính. Bảng 2: Kết quả cường độ nén và cường độ uốn của mẫu bê tông từ các cấp phối thiết kế Mác thiết kế Ngày tuổi Độ sụt Cường độ nén Cường độ uốn Không sợi Có sợi Không sợi Có sợi Không sợi Có sợi M20 3 20 2 14,5 18,4 - - 7 17,5 19,6 3,5 4,1 28 22,1 29,4 3,8 5,0 M30 3 25 2 19,8 22,5 - - 7 25,2 29,8 5,1 5,87 28 35,5 37,8 5,3 6,4 M40 3 25 3 23,7 33,1 - - 7 32,4 38,8 7,4 8,8 28 42,6 48,5 8,1 9,7 M50 3 25 3 34,3 37,8 - - 7 42,0 49,0 8,61 10,2 28 50,1 57,6 9,0 10,9 Chú thích:Trong thí nghiệm thăm dò về bê tông cốt sợi tại phòng thí nghiệm LAS – XD 175 khi sử dụng cốt liệu có Dmax = 20 mm và chiều dài của sợi thủy tinh l = 15mm thì kết quả cường độ nén và cường độ uốn của mẫu bê tông có sợi và không có sợi như nhau. Vì vậy bài báo chỉ nêu kết quả thí nghiệm bê tông cốt sợi với chiều dài sợi l ≥ 50 mm. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Cường độ nén của bê tông sử dụng cốt sợi thủy tinh tăng hơn 10% so với bê tông không có sợi, đồng thời cường độ kéo khi uốn tăng từ 15 – 20%. 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Với lượng dùng cốt sợi thủy tinh từ 1,5 đến 3% chất kết dính thì cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông tăng lên từ 15 đến 20%; Khi sử dụng cốt sợi thủy tinh, tính công tác (Sn) của hỗn hợp bê tông giảm đi nhiều (từ 20 ÷ 25 cm xuống còn 2÷ 3 cm) vì vậy khi chế tạo bê tông cốt sợi cần sử dụng phụ gia siêu dẻo giảm nước cao để đảm bảo tính công tác cho hỗn hợp bê tông tươi có thể thi công được. Khi chế tạo hỗn hợp bê tông cốt sợi thủy tinh, chiều dài của sợi phải đạt ít nhất 2 lần đường kính Dmax của cốt liệu thì mới có tác dụng, cụ thể với Dmax = 20mm thì chiều dài sợi thủy tinh l ≥ 50 mm. 4.2 Kiến nghị Sợi thủy tinh có nguồn gốc là một loại khoáng làm tăng khả năng chịu uốn của bê tông, làm giảm hiện tượng nứt mặt của bê tông và không bị ăn mòn trong môi trường nước biển. Với tính năng chịu kéo cao gấp 2 đến 3 lần cốt thép và không bị ăn mòn có thể sử dụng kết hợp sợi thủy tinh trong hỗn hợp bê tông và cốt thép polymer chế tạo từ sợi thủy tinh để thay thế cốt thép thường trong các công trình xây dựng thủy lợi trong môi trường nước biển. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Eng. Pshtivan N. Shakor, Prof.S.S. Pimplikar “Glass Fiber Reinforced Concrete Use in Cosntruction” International Journal of Technology and Engineering System: Jan – Mach 2011 – Vol.2.No.2. [2] Ir. Richard Sumners Qualyty Control Consultants Ltd, Hong Kong “Glass Fiber Reinforced Concrete as a material, its propoties, manufacture and applications”. [3] TCVN 3118 : 1993 Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ nén. [4] TCVN 3119 : 1993 Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ kéo khi uốn. Tác giả: TS. Nguyễn Thành Công, PGS.TS. Hoàng Phó Uyên TẠP CHÍ KH&CN THỦY LỢI
(kg)
(kg)
(kg)
(lit)
(lit)
(cm)
MPa (N/mm2)
MPa (N/mm2)
Viện Thủy công
Ý kiến góp ý:
