Bài giảng Vật liệu xây dựng - Chương 6: Bê tông và công nghệ bê tông

Vật Liệu Xây Dựng (Construction Materials) Bộ môn Vật liệu Silicat Khoa Công Nghệ Vật Liệu Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-2 Bê-tông và công nghệ bê-tông VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-3 Đập Itapul- Brasil Sân vận động San Fransico VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-4 Vật liệu bê-tông CỐT LIỆU > 8mm CHẤT KẾT DÍNH NƯỚC + PHỤ GIA BEÂ TOÂNG
Định nghĩa: Bê tông là compozit giữa pha nền là chất kết dính và pha phân tán là các loại cốt liệu (cát, đá, sợi) VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-5 Cát Đá, sỏi. Xi măng Lỗ rỗng, bọt khí Nước Phụ gia Tp nền kết dính Tp phân tán làm khung chịu lực VD Bê-tông VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-6 Chất kết dính  Là những thành phần có khả năng tạo kết dính với các thành phần khác Một số chất kết dính thường sử dụng: CKD thủy lực, CKD silicat, CKD Polymer VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-7 Cốt liệu  Là những thành phần không có khả năng tạo kết dính và có khả năng làm tăng một số tính chất của bê tông (kinh tế, nứt..)  Cốt liệu sử dụng trong bê tông có thể phân theo hình dạng gồm - Cốt liệu dạng hạt - Cốt liệu dạng sợi VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-8 PHÂN LOẠI
Phân loại bê tông theo khối lượng thể tích: - Bê tông rất nặng: trên 2500kg/m3 - Bê tông nặng:1800 – 2500 kg/m3 - Bê tông nhẹ: 500 – 1800 kg/m3 - Bê tông rất nhẹ: khối lượng thể tích nhỏ hơn 500 kg/m3.
Phân loại theo chất kết dính: - Bê tông xi măng Chất kết dính sử dụng là các loại xi măng porland và các loại xi măng trên cơ sở xi măng porland Cơ chế đóng rắn là đóng rắn thủy lưc - Bê tông silicat Trên cơ sở chất kết dính là vôi - Bê tông polyme VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-9 PHÂN LOẠI
Phân loại bê tông theo công nghệ sản xuất : BT tươi, cấu kiện đúc sẵn và một số loại đặc biệt.
Phân loại theo công dụng bê tông làm đường, dân dụng.
Phân loại theo khả năng làm việc Bê tông thường, bê tông tự chảy, bê tông tự lèn, bê tông khối lớn, VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-10 BÊ TÔNG THƯỜNG TRÊN NỀN CHẤT KẾT DÍNH XI MĂNG VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-11 HỖN HỢP BÊ TÔNG XI MĂNG
Định nghĩa: Là hỗn hợp bao gồm hồ xi măng và cốt liệu - Hồ xi măng: là hỗn hợp của nước, chất kết dính, phụ gia và pha khí - Cốt liệu: không gây phản ứng phụ với xi măng. VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-12 Bê tông Vữa HỒ XI MĂNG, VỮA VÀ BÊ TÔNG Phụ gia Hồ xi măng Nước Cốt liệu mịn Ximăng Cốt liệu lớn VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-13 Vữa XM kết dính; ~40-30% thể tích. Cốt liệu khung chịu lực; ~60-70% thể tích Nước; ~70-50% thể tích Xi măng; ~30-50% thể tích VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-14 Hạt xi măng nước Sp thủy hóa VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-15 Khái niệm theo cấu trúc  Là hỗn hợp compozit của 3 thành phần: • Khung chịu lực • Pha kết dính • Thành phần chuyển tiếp giữa chúng  Chất lượng cũng như tính chất bê-tông phụ thuộc đồng thời vào 3 thành phần cấu tạo nêu trên. VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-16 THÀNH PHẦN - Hồ xi măng: chiếm từ 30- 40% thể tích của bê tông -- Cốt liệu :chiếm từ 60- 70 % thể tích của bê tông. VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-17 Thành phần và chi phí VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-18 N H À N H À O T R O T R Ộ Ộ N N 0h-3/5h trạng thái vữa Đ Đ Ó Ó N G R N G R Ắ Ắ N N 3/5h – 28ngày cấu trúc khung chịu lực Kết cấu chịu lực và tính bền 1 ngày 3 ngày 28 ngày Tháo khuôn, cốp-pha Chịu lực được Phát triển cường độ chậm khi có nước x2 x2 Tính chất theo thời gian VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-19 CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊTÔNG
Hỗn hợp BT: là hỗn hợp giữa hồ xi măng và cốt liệu. 1. Tính công tác
Là khả năng lấp đầy khuôn nhưng vẫn đảm bảo cho hỗn hợp bê tông một độ đồng nhất nhất định Theo thời gian: tính công tác của bê tông giảm dần: - Độ phân tán của pha rắn tăng - Độ nhớt tăng do sự tạo thành các khoáng có khả năng kết dính - Do quá trình mất nước → Giảm độ nhớt của hỗn hợp BT, làm tính công tác của BT GIẢM
Thông số kĩ thuật thể hiện tính công tác của bê tông - Độ sụt. - Khả năng tổn thất độ sụt và độ xòe (cho vữa) VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-20 CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊTÔNG 1. Tính công tác
Độ sụt: là giá trị xác định tính công tác của hỗn hợp BT thông qua côn hình nón chuẩn. - Là sự chênh lệch chiều cao của khối hỗn hợp BT và côn hình nón.
Tổn thất độ sụt: là khả năng giảm độ sụt theo thời gian của hỗn hợp BT - Theo thời gian, tổn thất độ sụt của hỗn hợp BT càng lớn. - Khả năng tổn thất độ sụt của hỗn hợp BT càng bé thì tính công tác của hỗn hợp BT càng cao
Độ xòe: là giá trị xác định tính công tác của hỗn hợp vữa bằng bàn dằn Độ xòe được xác định thông qua đường kính trung bình của bề mặt khối vữa. VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-21 DỤNG CỤ XÁC ĐỊNH 150 300 450 100 200 300 Đường kính đáy nhỏ Đường kính đáy lớn Chiều cao N0 - 2N0 - 1Kích thước côn hình nón cụt ,mm VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-22 CÁCH THỬ ĐỘ SỤT VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-23 Quai đế Thân Tay cầm VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-24 VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-25 VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-26 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 1.1 Tỉ lệ N/X (W/C) - Lượng nước nhào trộn = Lượng nước cho phản ứng thủy hóa + lượng nước tạo độ linh động. - Lượng nước tạo độ linh động → quyết định tính công tác 100 110 120 130 140 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 N/X Đ C ( m m ) Tăng tỉ lệ N/X, tính công tác của hỗn hợp BT tăng. Tuy nhiên, một số hạn chế khi tăng N/X: - Làm giảm cường độ - Tăng khả năng tách nước của hỗn hợp. - Tăng khả năng nứt của bê tông VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-27 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 1.2 Loại ximăng Ảnh hưởng của loại XM đến tính công tác do: - Khác nhau về thành phần khoáng - Khác nhau về độ mịn - Hàm lượng phụ gia đầy Potential compound composition,% White (mean) V (mean) IV (mean) III (mean) II (mean) I (mean) 4821101863 3731342254 3401543242 548891755 3771161955 3698101854 Blaine fineness m2/kgC4AFC3AC2SC3S Type of portland cement VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-28 Ảnh hưởng của tp khoáng đến tính công tác CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 0.33Free lime (CaO) 0.37C4AF hydrate 0.40C3A hydrate 0.21C2S hydrate 0.24C3S hydrate Hydrated cement compound Nonevaporable (combined) water content (g water/g cement compound) VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-29 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 1.3 Phụ gia - Phụ gia hóa dẻo, siêu dẻo: Tác dụng làm giảm lượng nước, tăng tính công tác. - Phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia đầy: Ảnh hưởng đến độ mịn và thành phần khoáng 1.4 Cốt liệu - Tính công tác của hỗn hợp BT phụ thuộc vào: + Kích thước của cốt liệu. + Bề mặt và hình dáng của cốt liệu + Hàm lượng tạp chất. + Đặc tính của cốt liệu 1.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm Nhiệt độ càng cao, tính công tác của hỗn hợp BT càng giảm 1.6 Ảnh hưởng của gia công chấn động VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-30 CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊTÔNG 2. Đô ̣ giữ nước - Là kha ̉ năng giữ nước và đảm bảo đô ̣ đồng nhất của hỗn hợp trong suốt thi công và gia công chấn động - Độ giữ nước được xác định bằng khả năng tách nước phân tầng của hỗn hợp BT - Cách xác định khả năng tách nước - Hc: Chiều cao của 400ml hồ xi măng - H0: Chiều cao của lớp nước bề mặt lúc ban đầu - H1: Chiều cao của lớp nước sau khi tách nước CH HH tachnuoc 01% −= VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-31 CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊTÔNG 2. Độ giữ nước (khả năng tách nước)
Nguyên nhân của hiện tượng tách nước - Do lực liên kết giữa các phần tử (xi măng, cốt liệu) không đủ lớn để giữ lớp nước liên kết bề mặt. Dẫn đến hiện tượng nước tách lên bề mặt.
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tách nước. - Tỉ lệ N/X Lượng nước nhào trộn lớn nhất không gây tách nước là 1,65N (N: lượng nước tiêu chuẩn của xi măng). - Bề mặt cốt liệu lớn. VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-32 Sự tách nước Lớp nước nổi lên tren mặt VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-33 Sự tách nước Lớp nước nổi lên tren mặt Tá ch n ướ c tr on g lỗ rỗ ng m ao quả n VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-34 Sự tách nước VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-35 Sự phân tầng VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-36 3. Hàm lượng bọt khí và khối lượng thể tích - Hàm lượng bọt khí: là % thể tích bọt khí chứa trong 1m3 hỗn hợp bê tông. - Với hỗn hợp BT nặng. Hàm lượng bọt khí chứa trong 1m3 không vượt quá 8%.  Các yếu tố ảnh hưởng - Vật liệu chế tạo. - Phương pháp đầm chặt. - Phụ gia.  Hàm lượng bọt khí và khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông tỉ lệ nghịch với nhau. CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP BÊTÔNG VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-37 CẤU TRÚC BÊ TÔNG ĐÓNG RẮN
Trong bê tông đóng rắn: - Xi măng đã đóng rắn có vai trò là nền đóng vai trò liên kết các hạt cốt liệu với nhau - Cốt liệu đóng vai trò là khung xương chịu lực - Vùng chuyển tiếp: Là lớp ximăng đóng rắn mỏng (50µm bao xung quanh các hạt cốt liệu thô) VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-38 VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-39 Portland Cement Compound Hydration Reactions (Oxide Notation) = 4CaO•Al2O3•13H2O Tetracalcium aluminate hydrate + 12 H2O Water + CaO•H2O Calcium hydroxide 3CaO•Al2O3 Tricalcium aluminate = 6CaO•Al2O3•Fe2O3•12H2O Calcium aluminoferrite hydrate + 2 (CaO•H2O) Calcium hydroxide + 10 H2O Water 4CaO• Al2O3•Fe2O3 Tetracalcium aluminoferrite = 3 (4CaO•Al2O3•SO3•12H2O) Calcium monosulfoaluminate + 4 H2O Water + 6CaO•Al2O3•3SO3•32H 2O Ettringite 2 (3CaO•Al2O3) Tricalcium aluminate = 6CaO•Al2O3•3SO3•32H2O Ettringite + 26 H2O Water + 3 (CaO•SO3•2H2O) Gypsum 3CaO•Al2O3 Tricalcium aluminate + CaO•H2O Calcium hydroxide = 3CaO•2SiO2•8H2O Calcium silicate hydrate (C-S-H) + 9 H2O Water 2 (2CaO•SiO2) Dicalcium silicate + 3 (CaO•H2O) Calcium hydroxide = 3CaO•2SiO2•8H2O Calcium silicate hydrate (C-S-H) + 11 H2O Water 2 (3CaO•SiO2) Tricalcium silicate VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-40 Ca(OH)2 CSH Monosunfat Ettringite Monosunfat tấm Ca(OH)2 Ettringite CSH VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-41 VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-42 CẤU TRÚC PHA KHÍ BÊ TÔNG ĐÓNG RẮN VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-43 CẤU TRÚC CỦA BÊ TÔNG ĐÓNG RẮN
Pha khí
Pha thủy tinh : CSH ở dạng gel
Pha tinh thể - Tinh thể CSH - Tinh thể Ca(OH)2, Mg(OH)2: 20 -25% thể tích pha rắn của hồ xi măng đóng rắn - Tinh thể ettringite, monosunfat: 15 -20% thể tích pha rắn của hồ xi măng đóng rắn - Cốt liệu và các hạt xi mang chưa hydrate hóa
Cường độ của bê tông đóng rắn được quyết định: - Mật độ và kích thước của pha khí - Cấu trúc pha tinh thể VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-44 CÁC TÍNH CHẤT BÊ TÔNG ĐÓNG RẮN 1.1 Cường độ nén - Cường độ chịu nén thường được hiểu là Mác bê tông Mác BT : là cường độ chịu nén trung bình ( giới hạn thấp nhất) của một tổ mẫu chuẩn, trong điều kiện thí nghiệm chuẩn S F aR n = 0,91 1,00 1,05 1,10 1,16 1,20 1,24 Mẫu lập phương 100 x100x100 150x150x150 200 x200x200 300x300x300 Mẫu trụ 100 x200 150 x300 200 x 400 Hệ số qui đổi αHình dạng và kích thước mẫu (mm) VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-45 CÁC TÍNH CHẤT BÊ TÔNG ĐÓNG RẮN 1. 1 Cường độ nén
Qui luật phát triển cường độ theo thời gian - Theo thời gian, cường độ chịu nén của đá bê tông sẽ tăng dần - Cường độ của bê tông phát triển theo quy luật logarit RBn = RB28 x lgn / lg28  Các yếu tố ảnh hưởng
Tỉ lệ N/X - Mối quan hệ giữa N/X và cường độ chịu nén (Rb ) RB = ARX (X/N + 0,5) A: Hệ số phụ thuộc vào cốt liệu. RX : Cường độ nén xi măng VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-46 CÁC TÍNH CHẤT BÊ TÔNG ĐÓNG RẮN 1. 1 Cường độ nén  Các yếu tố ảnh hưởng
Cốt liệu - Phẩm chất của cốt liệu: cường độ của cốt liệu, độ hút nước, phân bố kích thước hạt, hàm lượng tạp chất
Điều kiện bảo dưỡng và tạo mẫu. VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-47 CÁC TÍNH CHẤT BÊ TÔNG ĐÓNG RẮN 1.2 Cường độ chịu uốn và chịu kéo của BT Bê tông có cường độ chịu uốn và kéo kém. Thông thường - Cường độ chịu kéo của BT chỉ bằng 0,06 – 0,11 cường độ chịu nén BT - Cường độ chịu uốn của BT chỉ bằng 0,1 – 0,2 cường độ chịu nén BT Cường độ chịu kéo và chịu uốn phụ thuộc chủ yếu vào phẩm chất của cốt liệu tạo nên BT VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-48 CÁC TÍNH CHẤT BÊ TÔNG ĐÓNG RẮN 2. Khả năng thay đổi thể tích của BT
Nguyên nhân: - Do sự thành và phát triển cấu trúc đá xi măng - Do các phản ứng hóa học: Kiềm – cốt liệu, cacbonat hóa, sulfat hóa VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-49 CÁC TÍNH CHẤT BÊ TÔNG ĐÓNG RẮN 2. Khả năng thay đổi thể tích của BT
Hiện tượng - Khi đóng rắn, bêtông bị co lại. - Xảy ra nhanh trong thời gian đầu (vài ngày tuổi). Trong vài ngày đầu độ co khoảng 60-70% độ co của một tháng tuổi.
Các yếu tố ảnh hưởng - Hàm lượng và loại xi măng. + Hàm lượng XM càng cao, khả năng thay đổi thể tích cao. + Khác nhau về cấu trúc khoáng → thể tích khác nhau khi hydarte hóa + Do nhiệt hydrate hóa của XM - Cốt liệu sử dụng : Ảnh hưởng đến các phản ứng kiềm - cốt liệu, cacbonat hóa - Điều kiện bảo dưỡng. - Tỉ lệ W/C (N/X) VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-50 CÁC TÍNH CHẤT BÊ TÔNG ĐÓNG RẮN 2. Khả năng thay đổi thể tích VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-51 CÁC TÍNH CHẤT BÊ TÔNG ĐÓNG RẮN 3. Tính thấm nước của bê tông Là khả năng cho nước đi qua các lỗ rỗng dưới áp lực nước thủy tĩnh Tính thấm nước phụ thuộc - Cấp phối bê tông (Tỉ lệ N/X, cốt liệu, phụ gia) - Điều kiện dưỡng hộ - Qúa trình nhào trộn Mối quan hệ giữa tính chống thấm và cường độ BT như sau: >12>121210864Cấp 2 >1212108642Cấp 1Độ chống thấm B hay CT 45403530252015Rn(MPa) VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-52 VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-53 CÁC TÍNH CHẤT BÊ TÔNG ĐÓNG RẮN 4. Tính chịu nhiệt của bê tông Là khả năng chịu nhiệt độ cao và khả năng chống cháy của đá bê tông. Khi tăng nhiệt độ cao, bê tông bị phá hủy do - Sự khác nhau về hệ số giãn nở nhiệt của vữa xi măng và cốt liệu. - Có phản ứng phân hủy Ca(OH)2 - Có hiện tượng thay đổi thể tích do quá trình biến đổi thù hình của SiO2 - Do sự phân hủy của các khoáng CSH - Do quá trình bay hơi nước. VLXD-Bê-tông và công nghệ bê-tông 6-54