Khoa học - Công nghệ
HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO THEO TIÊU CHUẨN IS-10262-2019
Bê tông cường độ cao là bê tông có cường độ chịu nén đặc trưng từ 65 N/mm2 trở lên. Tài liệu này cung cấp hướng dẫn chọn thiết kế cấp phối bê tông cường độ cao từ cấp M65 trở lên.
Thông thường, đối với hỗn hợp bê tông cường độ cao, vật liệu xi măng và phụ gia hóa học được lựa chọn đặc biệt, tức là sử dụng chất siêu dẻo, và việc đạt được tỷ lệ vật liệu xi măng-nước thấp (w/cm) được coi là điều cần thiết.
Quy trình thiết kế cấp phối bê tông cường độ cao tương tự như yêu cầu đối với bê tông cường độ thông thường/tiêu chuẩn. Quy trình bao gồm một loạt các bước, khi hoàn thành, sẽ tạo ra một hỗn hợp bê tông đáp ứng các yêu cầu về khả năng thi công, cường độ và độ bền dựa trên các đặc tính kết hợp của các thành phần vật liệu được lựa chọn và thành phần cấp phối giữa chúng.
1.1. Vật liệu
Vật liệu phải được lựa chọn, cân đối và kiểm soát cẩn thận để đạt được hiệu quả sản xuất bê tông cường độ cao. Để đạt được bê tông cường độ cao, cần phải lựa chọn được cấp phối tối ưu, có tính đến đặc tính của xi măng và các vật liệu kết dính khác, chất lượng cốt liệu, cấp cốt liệu, khối lượng vữa xi măng, loại phụ gia và liều lượng và cách trộn.
1.1.1. Vật liệu xi măng/chất kết dính
Lựa chọn đúng loại xi măng là khâu rất quan trọng để sản xuất bê tông cường độ cao. Tro bay, silica fume, xỉ hạt lò cao (GGBS) hoặc metakaoline được sử dụng rộng rãi làm chất kết dính bổ sung và các vật liệu gốc puzolan được sử dụng để chế tạo bê tông cường độ cao.
1.1.2. Cốt liệu thô
Trong việc thiết kế cấp phối bê tông cường độ cao, cốt liệu cần được xem xét đặc biệt vì ảnh hưởng lớn của chúng đến cường độ và các tính chất khác của bê tông. Do đó, cốt liệu thô phải có cường độ cao, đủ cứng chắc, không có vết nứt hoặc mặt phẳng yếu, sạch và không có lớp phủ bề mặt và phải đáp ứng yêu cầu của IS 383. Nói chung, cốt liệu đá dăm có giá trị va đập/nghiền không lớn hơn 22 phần trăm (22%) và được kết hợp các chỉ số bong tróc và độ giãn dài không quá 30% phù hợp với bê tông cường độ cao.
1.1.3. Cốt liệu mịn
Cốt liệu mịn phải đáp ứng các yêu cầu của IS 383. Nói chung, để có cường độ cao, cốt liệu mịn có kích thước thô hơn được ưu tiên (Vùng I hoặc Vùng II), do có sẵn hàm lượng hạt mịn cao từ vật liệu xi măng.
1.1.4. Phụ gia hóa học
Hỗn hợp bê tông cường độ cao thường có tỷ lệ nước/XM hoặc nước/vật liệu kết dính (w/cm) thấp. Các tỷ lệ w/cm thấp này thường chỉ có thể đạt được với các phụ gia giảm nước ở mức độ cao (HRWRA). Có thể sử dụng chất siêu dẻo loại PCE (gốc từ Polycarboxylate ether) có thể làm giảm liều lượng nước từ 30 phần trăm trở lên ở các liều lượng thích hợp.
1.2. Thiết kế cấp phối bê tông
1.2.1. Cường độ mục tiêu điều chỉnh để thiết kế cấp phối bê tông:
Để đảm bảo thiết kế cấp phối đạt được các kết quả thử nghiệm không bị giảm xuống dưới cường độ đặc trưng, cấp phối bê tông phải được thiết kế để đạt được cường độ nén trung bình mục tiêu f’ck cao hơn mác thiết kế. Biên độ trên cường độ đặc trưng được đưa ra bởi mối quan hệ sau:
f’ck = fck + 1.65*S hoặc f’ck = fck + X
Chọn lấy giá trị cao hơn trong hai cách tính trên. Trong đó
f’ck = Cường độ mục tiêu ở tuổi 28 days, in N/mm2;
f’ck = Cường độ nén thiết kế danh định ở tuổi 28 days, in N/mm2;
S = Độ lệch chuẩn (xem chi tiết mục 1.2.1.1); và
X = hệ số xác định theo mác bê tông, xem Bảng 1
1.2.1.1 Độ lệch chuẩn
Độ lệch chuẩn cho từng mác bê tông được tính riêng.
1.2.1.2 Độ lệch chuẩn dựa trên cường độ thử nghiệm của mẫu
- a) Số lượng kết quả thử nghiệm của các mẫu — Tổng số lượng thử nghiệm cường độ của các mẫu cần thiết để tạo thành một biên bản được chấp nhận để tính độ lệch chuẩn không được nhỏ hơn 30.
- b) Trong trường hợp có những thay đổi đáng kể trong bê tông — Khi có những thay đổi đáng kể trong quá trình sản xuất các mẻ bê tông (ví dụ: thay đổi về nguồn nguyên vật liệu, tỷ lệ trộn, thiết bị hoặc kiểm soát kỹ thuật), giá trị độ lệch chuẩn sẽ được tính riêng cho các mẻ bê tông đó.
- c) Độ lệch chuẩn được cập nhật — Việc tính toán độ lệch chuẩn phải được cập nhật định kỳ và sau mỗi lần thay đổi tỷ lệ hỗn hợp. Độ lệch chuẩn phải được kiểm tra hàng tháng với tối thiểu 30 kết quả kiểm tra để đảm bảo rằng nó nhỏ hơn giá trị được xem xét trong thiết kế hỗn hợp. Nếu cao hơn, sửa đổi cần thiết sẽ được thực hiện trong hỗn hợp
1.2.1.3 Tính toán độ lệch chuẩn
Tính độ lệch chuẩn, S, của kết quả kiểm tra cường độ như sau.
1.2.1.4 Đối với một nhóm kết quả thử nghiệm liên tiếp:
Trong đó:
S = độ lệch chuẩn của nhóm;
n = số kết quả xét nghiệm được xét;
X = trung bình cộng của n kết quả xét nghiệm được xét; và
Xi = kết quả kiểm tra cá nhân.
1.2.1.5 Đối với hai nhóm (hỗn hợp) thử nghiệm liên tiếp cùng cấp phối:
Trong đó:
S = độ lệch chuẩn của hai nhóm cộng lại;
s1, s2 = độ lệch chuẩn tương ứng cho nhóm 1 và 2, được tính theo 1.2.1.4; Và
n1, n2 = số kết quả thử nghiệm trong nhóm 1 và 2 tương ứng, trong đó cả n1 và n2 không được nhỏ hơn 10 và n1+ n2 không được nhỏ hơn 30.
1.2.1.6 Độ lệch chuẩn giả định
Khi không có đủ kết quả thí nghiệm cho một loại bê tông cụ thể, giá trị độ lệch chuẩn cho trong Bảng 2 có thể được giả định cho việc thiết kế cấp phối trong trường hợp đầu tiên. Ngay sau khi có kết quả mẫu, độ lệch chuẩn tính toán thực tế sẽ được sử dụng và hỗn hợp có thể được điều chỉnh lại phù hợp. Tuy nhiên, khi có đầy đủ các hồ sơ trong quá khứ cho một loại tương tự và việc áp dụng một giá trị độ lệch chuẩn khác với giá trị được thể hiện trong Bảng 1 là hợp lý, thì sẽ được phép sử dụng giá trị đó.
Chú ý:
- Các giá trị trên tương ứng với mức độ kiểm soát công trường tốt, có bảo quản xi măng đúng cách; kiểm soát khối lượng tất cả các loại nguyên liệu; bổ sung nước có kiểm soát; kiểm tra thường xuyên tất cả các vật liệu; cấp phối cốt liệu và độ ẩm; và thường xuyên kiểm tra tính công tác và cường độ. Khi có sai lệch so với những điều trên, việc kiểm soát tại chỗ sẽ được chỉ định là hợp lý và các giá trị được đưa ra trong bảng trên sẽ được tăng thêm 1 N/mm2.
- Đối với các loại bê tông có cấp độ M65 trở lên, độ lệch chuẩn cũng có thể được thiết lập bằng các thử nghiệm thực tế dựa trên tỷ lệ giả định, trước khi hoàn thiện hỗn hợp.
1.2.2. Lựa chọn kích thước tối đa của cốt liệu
Dựa trên yêu cầu về cường độ, kích thước tối đa của cốt liệu thường được giới hạn ở mức 20 mm; tuy nhiên, đối với các loại M80 trở lên, cốt liệu có kích thước tối đa từ 10,0 mm đến 12,5 mm có thể được ưu tiên hơn.
1.2.3. Ước tính hàm lượng không khí
Lượng bọt khí dự kiến có trong bê tông cường độ cao (không cuốn khí) xác định theo kích thước tối đa của cốt liệu, được đưa ra trong Bảng 6.
Các giá trị thực tế của hàm lượng bọt khí cho phép trong bê tông cũng có thể được chấp nhận trong quá trình thiết kế cấp phối nếu có sẵn dữ liệu hiện trường (ít nhất 5 kết quả) cho hỗn hợp tương tự.
1.2.4. Lựa chọn hàm lượng nước và hàm lượng phụ gia
Lượng nước cần thiết để tạo ra khả năng làm việc nhất định bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm kích thước tối đa, hình dạng hạt và cấp phối của cốt liệu. Nhu cầu về hàm lượng nước cũng bị ảnh hưởng bởi lượng xi măng sử dụng, vật liệu kết dính bổ sung gốc pozzolanic và loại phụ gia hóa học được sử dụng. Có thể sử dụng chất siêu dẻo loại PCE (dựa trên Polycarboxylate ether) làm giảm hàm lượng nước từ 30 phần trăm trở lên ở các liều lượng thích hợp.
Tuy nhiên, thiết kế cấp phối trộn thử nghiệm là cách hiệu quả nhất để xác định tỷ lệ tốt nhất cho các thành phần được sử dụng. Bảng 7 đưa ra ước tính hàm lượng nước đối với bê tông cường độ cao không có phụ gia hóa học. Hàm lượng nước đã cho là đối với độ sụt 50 mm. Đối với các đặc tính công tác mong muốn khác (ngoài độ sụt 50 mm), hàm lượng nước yêu cầu có thể tăng hoặc giảm khoảng 3% cho mỗi lần tăng hoặc giảm độ sụt 25 mm hoặc có thể được thiết lập bằng thử nghiệm. Lượng nước trộn này là tối đa đối với cốt liệu thô có hình dạng đẹp, sạch, có góc cạnh và cấp phối tốt. Vì hình dạng hạt và kết cấu bề mặt của cốt liệu mịn có thể ảnh hưởng đáng kể đến nhu cầu nước trộn, nên nhu cầu nước có thể khác với các giá trị được đưa ra trong Bảng 7 và sẽ được thiết lập bằng các thử nghiệm. Lượng nước được tính toán như vậy sẽ được giảm bớt bằng cách sử dụng các phụ gia giảm nước tầm cao phù hợp với IS 9103.
Yêu cầu về hàm lượng nước và/hoặc hàm lượng phụ gia hóa học có thể tăng lên khi sử dụng liều lượng cao các phụ gia khoáng trong cấp phối.
CHÚ Ý: Trong trường hợp tỷ lệ nước-xi măng nằm trong các giới hạn trên của điều khoản về độ bền, thì hàm lượng nước trong phụ gia cũng phải được xem xét trong tính toán và tỷ lệ nước-xi măng cuối cùng phải được điều chỉnh tương ứng.
1.2.5. Lựa chọn tỷ lệ nước-xi măng/chất kết dính (w/cm)
Các giá trị được khuyến nghị đối với tỷ lệ w/cm đối với bê tông cường độ cao có sử dụng silica fume và HRWRA là hàm của kích thước tối đa của cốt liệu để đạt được cường độ nén mục tiêu khác nhau sau 28 ngày, được đưa ra trong Bảng 8. Trong trường hợp, các vật liệu kết dính khác như tro bay, GGBS cũng được sử dụng, hàm lượng vật liệu kết dính sẽ được tăng lên một cách phù hợp và tỷ lệ nước/vật liệu kết dính sẽ được tính toán lại dựa trên tổng lượng vật liệu kết dính được sử dụng.
1.2.6. Tính toán hàm lượng vật liệu kết dính
Hàm lượng xi măng và chất kết dính bổ sung trên một đơn vị thể tích bê tông có thể được tính từ lượng nước và tỷ lệ nước tự do/vật liệu kết dính trên một đơn vị thể tích bê tông. Tuy nhiên, điều này phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về giới hạn tối đa hoặc tối thiểu về lượng vật liệu xi măng theo IS 456.
Nếu sử dụng hàm lượng xi măng (không bao gồm bất kỳ phụ gia khoáng nào) cao hơn hàm lượng xi măng tối đa như đã nêu trong IS 456, thì phải đảm bảo rằng đã có sự xem xét đặc biệt trong thiết kế đối với nguy cơ nứt vỡ do co ngót khô hoặc nứt do nhiệt thủy hóa sớm và tăng nguy cơ hư hỏng kết cấy bê tông do phản ứng silica kiềm.
Liều lượng khuyến nghị của các vật liệu phụ gia khoáng khác nhau cho hỗn hợp cường độ cao được đưa ra trong Bảng 9.
1.2.7. Ước tính tỷ lệ cốt liệu thô
Hàm lượng tối ưu của cốt liệu thô phụ thuộc vào cường độ và kích thước danh nghĩa tối đa của cốt liệu thô. Để thiết kế cấp phối các loại bê tông thông thường và tiêu chuẩn, khối lượng tối ưu của cốt liệu thô được đưa ra như là một hàm của kích thước tối đa của cốt liệu thô và vùng cấp phối của cốt liệu mịn. Tuy nhiên, cấp độ bền cao của bê tông không phụ thuộc vào cốt liệu mịn để cung cấp các hạt mịn để bôi trơn và cố kết bê tông tươi vì hỗn hợp có hàm lượng vật liệu xi măng cao. Khối lượng cốt liệu thô khuyến nghị trên một đơn vị thể tích của tổng số cốt liệu cho các vùng khác nhau của cốt liệu mịn được nêu trong Bảng 10.
Đối với các hỗn hợp bê tông yêu cầu tính công tác linh động hơn, khi được yêu cầu đổ bằng máy bơm hoặc khi bê tông được yêu cầu thi công kết cấu có hàm lượng cốt thép dày, có thể giảm hàm lượng cốt liệu thô ước tính được xác định bằng Bảng 10 lên đến 5 phần trăm. Tuy nhiên, cần thận trọng để đảm bảo rằng độ sụt thu được, tỷ lệ nước/xi măng và đặc tính cường độ của bê tông phù hợp với các khuyến nghị của IS 456 và đáp ứng các yêu cầu đặc điểm kỹ thuật của dự án khi áp dụng
1.2.8. Ước tính hàm lượng cốt liệu mịn và cốt liệu thô
Với việc hoàn thành quy trình trên, tất cả các thành phần sẽ được ước tính ngoại trừ hàm lượng cốt liệu thô và mịn. Các đại lượng này được xác định bằng cách tìm ra khối lượng tuyệt đối của vật liệu xi măng/kết dính, nước và phụ gia hóa học; bằng cách chia khối lượng của chúng cho trọng lượng riêng tương ứng của chúng, nhân với 1/1000 và trừ đi kết quả tổng của chúng từ thể tích đơn vị không bao gồm thể tích không khí bị cuốn vào. Các giá trị thu được như vậy được chia thành các phần cốt liệu thô và mịn theo thể tích phù hợp với tỷ lệ cốt liệu thô đã được xác định trong mục 1.2.7. Hàm lượng cốt liệu thô và mịn sau đó được xác định bằng cách nhân thể tích của chúng với khối lượng riêng tương ứng và nhân với 1000.
1.2.9. Cấp phối bê tông thử nghiệm
Cấp phối bê tông đã tính toán phải được kiểm tra bằng các lô thử nghiệm.
Khả năng làm việc của hỗn hợp thử nghiệm số 1 phải được đo lường. Hỗn hợp phải được quan sát cẩn thận để không bị phân tầng và tách nước cũng như các đặc tính hoàn thiện của nó. Nếu khả năng thi công đo được của Hỗn hợp Thử nghiệm Số 1 khác với giá trị quy định, thì hàm lượng nước và/hoặc phụ gia sẽ được điều chỉnh cho phù hợp. Với sự điều chỉnh này, tỷ lệ hỗn hợp sẽ được tính toán lại để giữ tỷ lệ nước tự do/xi măng ở giá trị đã chọn trước, tỷ lệ này sẽ được thực hiện Hỗn hợp Thử nghiệm Số 2. Ngoài ra, thêm hai Hỗn hợp Thử nghiệm Số 3 và 4 sẽ được thực hiện với nước hàm lượng giống như Hỗn hợp thử nghiệm số 2 và thay đổi tỷ lệ nước tự do-xi măng/vật liệu kết dính bằng ±10 phần trăm giá trị được chọn trước, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về khả năng thi công.
Hỗn hợp số 2 đến số 4 thường cung cấp đầy đủ thông tin, bao gồm mối quan hệ giữa cường độ nén và tỷ lệ nước-xi măng/kết dính, từ đó tỷ lệ hỗn hợp có thể được hoàn thiện. Các thử nghiệm hiện trường bổ sung được khuyến nghị đặc biệt cho các yêu cầu về khả năng thi công. Bê tông sau đó được thí nghiệm hiện trường bằng các phương pháp sản xuất bê tông thực tế.
1.2.10. Báo cáo
Báo cáo thiết kế cấp phối phải bao gồm những nội dung sau:
a) Thời gian thử nghiệm (ngày bắt đầu và ngày kết thúc);
b) Chi tiết công trình/loại kết cấu sử dụng bê tông (nếu có);
c) Tất cả dữ liệu được cung cấp cho thiết kế cấp phối và các sai lệch so với IS 456, nếu có;
d) Dữ liệu thử nghiệm liên quan của các vật liệu khác nhau nhằm mục đích định tỷ lệ cấp phối;
e) Chi tiết về vật liệu như nhãn hiệu xi măng, ngày sản xuất (tuần/năm), tỷ lệ puzolan/xỉ,… theo chứng chỉ của nhà sản xuất; nguồn cốt liệu thô và mịn (nếu được cung cấp), v.v.;
f) Chi tiết về các thử nghiệm đã tiến hành; Và
g) Cấp phối bê tông khuyến nghị.