Bài giảng Vật liệu xây dựng - Chương 9: Thiết kế cấp phối bê tông

1Vật Liệu Xây Dựng (Construction Materials) Bộ môn Vật liệu Silicat Khoa Công Nghệ Vật Liệu Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-2 Thiết kế cấp phối bê-tông thường VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-3 Các tiêu chí chung bê-tông chế tạo
Tính công tác
Cường độ chịu lực
Độ bền sử dụng
Bề mặt không rỗ, phân tầng
Giá thành sản phẩm hợp lý VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-4 Thành phần sử dụng
Xi-măng và/hoặc PGKHT thay thế xi-măng
Cốt liệu lớn, nhỏ
Nước
Phụ gia hóa học điều chỉnh
Thành phần phụ khác, sợi, cốt thép 2 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-5 Các thông số kỹ thuật bê-tông
Cường độ chịu lực.
Tỉ lệ Nước/XM hay N/X.
Kích thước cốt liệu và thành phần.
Hàm lượng bọt khí trong hỗn hợp.
Độ sụt và tính công tác.
Lượng nước sử dụng.
Loại và lượng xi-măng sử dụng.
Phụ gia sử dụng. VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-6 Phương pháp thiết kế cấp phối
Theo tiêu chuẩn Việt Nam Thiết kế với khối bê-tông đặc 1m3
Theo hướng dẫn của ACI-American Concrete Institute Thiết kế với khối bê-tông gồm các thành phần đặc+khí=1m3 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-7 Theo TCVN: Các thông số cần biết
Các yêu cầu kỹ thuật về bê-tông
Các yêu cầu về điều kiện thi công: hình dạng kết cấu, thi công
Yêu cầu về sử dụng vật liệu - Xi măng - Cát - Đá - Phụ gia. - Nước VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-8 Sử dụng vật liệu
Bê-tông Mác < 400 (40MPa) - Cát: có thể sử dụng cát có Modul độ lớn M=1,5-2,5 M<2,0 chỉ dùng cho bê tông Mác<350 - Xi măng: sử dụng xi măng mác cao hơn cho bê tông mác thấp hơn. Ví dụ sử dụng xi măng PCB 40 hoặc 30 Lượng xi măng tối thiểu (kg) sử dụng cho 1m3 bê tông: 180210220240ĐS=10-16mm 160180200220ĐS =1-10mm 70402010Dmax, mm 3 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-9 Y/c sử dụng vật liệu
Bê tông Mác 400 - 600 - Xi măng: Sử dụng xi măng PCB 40, PCB 50 kết hợp với phụ gia hóa dẻo hoặc siêu dẻo - Cát: Sử dụng cát có cấp phối nằm trong giới hạn biểu đồ chuẩn theo TCVN 1770: 1986. Modul độ lớn cát sử dụng M=2,3-3,0 - Đá: Chỉ nên dùng đá dăm và đá có nhiều cỡ hạt Mác của đá dăm phải lớn hơn ít nhất 1,5 lần Hàm lượng hạt thoi dẹt ≤ 15% VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-10 Y/c sử dụng vật liệu
Bê-tông có yêu cầu đặc biệt - Bê tông có đồng thời cường độ uốn và nén. Mối tương quan giữa cường độ uốn và nén: Cát và đá chọn theo phương án của bê tông Mác 400–600. Độ sụt của Bê tông phải nhỏ hơn 8cm - Bê tông có độ chống thấm, là cấp áp lực nước lớn nhất mà 4–6 viên mẫu thử chưa cho nước thấm qua (TCVN 3116: 1993) 50/6,035/5,535/5,030/4,525/4,020/3,515/3,02 50/5,540/5,035/4,530/4,025/3,520/3,015/2,51 Rnén/Ruốn (MPa)Cấp VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-11 Y/c sử dụng vật liệu - Tương quan giữa cường độ nén và độ chống thấm: - Cường độ xi măng sử dụng không quá 2 lần cường độ BT - Cát: nên sử dụng cát có M=1,5 -2,4 cho Mác < 350 - Sử dụng kết hợp với phụ gia hóa dẻo hoặc siêu dẻo - Hàm lượng hạt mịn kích thước ≤ 0,3mm dùng cho BT chống thấm cấp 2 700-800600-65010 600-700500-55020 500-600450-50040 Cốt liệu đá dămCốt liệu sỏi Hàm lượng hạt mịn (kg) trong 1m3 bê-tôngDmax cốt liệu VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-12 Y/c sử dụng vật liệu
Bê tông có yêu cầu về độ mài mòn - Các cấu kiện yêu cầu về độ mài mòn như: bó vỉa, tấm lát đường, sàn nhà công nghiệp - Mác BT cho các kết cấu chống mài mòn thông thường từ 300-500 - Độ mài mòn của BT chủ yếu phụ thuộc vào khả năng mài mòn của cốt liệu - Nên sử dụng xi măng có cường độ cao và BT độ sụt thấp - Mối tương quan giữa cường độ, vật liệu và cấp độ mài mòn 4 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-13 Y/c sử dụng vật liệu > 80 20 – 40 Rnén, MPa Đá dăm granite -Đá dăm, cát M=2,0 -2,3 -Đá dăm granite Cốt liệu thông thường Nguyên vật liệu 0,1 – 0,3Ít3 0,3 – 0,6Trung bình2 0,6 – 0,9Nhiều1 Gíá trị Mm, g/cm3 Độ mài mònCấp VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-14 Y/c sử dụng vật liệu
Bê tông có yêu cầu không co ngót - Bê tông không co ngót là bê tông đồng thời khử được độ co cứng và độ co mềm thỏa điều kiện sau: Sau 14 ngày dưỡng ẩm liên tục, độ dãn dài từ 0,1-0,4mm/m 14 ngày tiếp theo không dưỡng ẩm độ dãn dài không thấp hơn 0,02mm/m - Sử dụng phụ gia chống co và tỉ lệ phụ gia sử dụng từ 5- 15% so với xi-măng. - Sử dụng cát có modul M=2,4-3,3. VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-15 Y/c sử dụng vật liệu
Bê-tông thi công bằng bơm - Độ sụt cao từ 12-18cm - Kích thước hạt cốt liệu lớn nhất không vượt quá 1/3 đường kính ống bơm và hàm lượng hạt thoi dẹt ≤ 15% - Lượng xi măng hợp lý từ 350-420 kg/m3, lượng xi măng tối thiểu không ít hơn 280 kg/m3 - Nên sử dụng phụ gia hóa dẻo hoặc siêu dẻo VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-16 Trình tự thiết kế bê-tông 1. Chọn độ sụt của hỗn hợp BT - Bảng độ sụt của một số kết cấu BT (đầm bằng máy, thời gian thi công 45 phút) 3 - 49 -10Đường, nền, sàn 3 - 411 -12Cột 3 - 411 -12Dầm, tường bêtông cốt thép 3 - 49 -10Móng bêtông, giếng chìm, tường phần ngầm 3 - 49 -10Móng và tường móng bêtông cốt thép Tối thiểuTối đa Độ sụt, cmDạng kết cấu 5 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-17 Trình tự thiết kế bê-tông - Khi đầm bằng tay, chọn độ sụt cao hơn 2 – 3 cm - Thời gian thi công kéo dài thêm 30 – 45 phút, chọn độ sụt cao hơn từ 2 -3 cm VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-18 Trình tự thiết kế bê-tông 2. Lượng nước trộn N(kg) theo độ sụt chọn 18519019519520020520521021521522022511-12 1801851901901952002002052102102152209-10 1751801851851901951952002052052102157 -8 1701751801801851901901952002002052105-6 1651701751751801851851901901952002053-4 1551601651651701751751801851851901951-2 2.5- 3,0 2,0- 2,4 1,5- 1,9 2,5- 3,0 2,0- 2,4 1,5- 1,9 2,5- 3,0 2,0- 2,4 1,5- 1,9 2,5- 3,0 2,0- 2,4 1,5- 1,9 Môđun độ lớn của cát, M 70402010 Kích thước hạt lớn nhất của cốt liệu Dmax, mmĐộ sụt, cm VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-19 Trình tự thiết kế bê-tông - Lượng nước trộn ở bảng chỉ đúng cho lượng xi măng từ 200– 400kg/m3, khi lượng xi măng > 400kg/m3 thì cần hiệu chỉnh lại. - Khi sử dụng cát có M3,0 lượng nước giảm đi 5l/1m3. - Khi sử dụng sỏi lượng nước giảm đi 10l/1m3. - Khi sử dụng phụ gia hóa dẻo hoặc siêu dẻo thì trừ lượng nước giảm do phụ gia. - Khi BT có yêu cầu về độ sụt cao, dùng phụ gia kết hợp thì: + Độ sụt 13-16cm, kết hợp PG hóa dẻo tra bảng ở dòng ĐS=7-8, kết hợp PG hóa dẻo cao tra ở dòng ĐS=5-6, kết hợp PG siêu dẻo tra ở dòng ĐS=3–4. + Độ sụt 17-20cm, kết hợp PG hóa dẻo tra bảng ở dòng ĐS=9-10, kết hợp PG hóa dẻo cao tra ở dòng ĐS=7-8, kết hợp PG siêu dẻo tra ở dòng ĐS=5–6. VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-20 Trình tự thiết kế bê-tông 3. Xác định tỉ lệ N/X - Khi N/X ≤ 2.5 (1) - Khi N/X > 2.5 (2) 5,0+= x n AR R N X 5,0 .1 −= x n RA R N X Trong đó: Rx: cường độ thực tế của xi măng ở 28 ngày Rn: cường độ của BT = giá trị Mác x hệ số an toàn 1,1 (trên mẫu chuẩn có kích thước 150x150x150mm) A, A1: hệ số chất lượng của cốt liệu, tra bảng 6 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-21 0,250,400,320,50,290,45 - Ximaêng hoaït tính thaáp, pooclaêng hoãn hôïp chöùa treân 15% phuï gia khoáng. - Ñaù coù 1 chæ tieâu phuø hôïp vôùi TCVN 1772 : 1987. - Caùt mòn coù M < 2,0 Keùm 0,270,430,350,550,320,50 - Ximaêng hoaït tính trung bình, pooclaêng hoãn hôïp, chöùa 10 - 15% phuï gia khoáng. - Ñaù chaát löôïng phuø hôïp vôùi TCVN 1771 :1987 - Caùt chaát löôïng phuø hôïp vôùi TCVN 1771 :1986, M = 2,0 - 3,4 Trung bình 0,300,470,380,600,340,54 - Ximaêng hoaït tính cao, khoâng troän phuï gia khoáng. - Ñaù saïch, ñaëc chaéc, cöôøng ñoä cao, caáp phoái haït toát. - Caùt saïch, M = 2,4 - 2,7 Toát A1AA1AA1A Pp nhanhTCVN 4032:1985 (pp deûo) TCVN 6016:1995 Heä soá A vaø A1 öùng vôùi xi-maêng thöû cöôøng ñoä theo Chæ tieâu ñaùnh giaù Chaát luôïng vaät lieäu Bảng hệ số chất lượng cốt liệu: VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-22 Trình tự thiết kế bê-tông - Khi thiết kế bê-tông ở tuổi t ngày, cường độ nén Rt được quy theo R28 ở tuổi 28 ngày: - Đối với BT chống thấm thì tỉ lệ N/X tối thiểu theo bảng sau 1,21,151,110,70,5k1 18090602873Tuổi bêtông, ngày 1 28 k R R tngay = 2,5 (0,40) 2,4 (0,42) 2,2 (0,45) 2,0 (0,50) 1,8 (0,55) 1,65 (0,6) X/N tối thiểu hoặc N/X tối đa B12 (CT12) B10 (CT10) B8 (CT8) B6 (CT6) B4 (CT4) B2 (CT2) Độ chống thấm yêu cầu VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-23 Trình tự thiết kế bê-tông 4. Xác định hàm lượng xi măng X(kg), phụ gia - Lượng xi măng được xác định: với N là lượng nước xác định ban đầu. - Khi X > 400kg/m3, xác định lại lượng nước hiệu chỉnh Nhc bằng :  Xác định lại lượng xi măng: - Lượng phụ gia được xác định: PG = Xhc x (%PG), với %PG tỉ lệ so với xi-măng xN N XX = NX NN hc /10 40010 − − = hchc xNN XX = VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-24 Trình tự thiết kế bê-tông 5. Xác định hàm lượng cốt liệu lớn Đ(kg) - Thể tích vữa hồ: với ρX: Khối lượng riêng của xi măng 3,1g/cm3. - Xác định hệ số vữa dư Kd theo bảng (Bê-tông có ĐS=2-12cm) NXV x h += ρ 1,401,381,361,331,301,261,221,171,121,071,50 1,471,451,431,401.371,331,291,241,291,141,75 1.551.531.511.481.451.411.371.321.271.222,00 1,571,551,531,501,471,431,391,341,291,242,25 1,591,571,551,521,491,451,411,361,311,262,50 1,631,611,591,561,531,491,451,401,351,302,75 1,661,641,621,591,561,521,481,431,381,333,00 45042540037535032530027525025 Kd ứng với giá trị VhM cát 7 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-25 Trình tự thiết kế bê-tông + Cốt liệu lớn là sỏi Kd = giá trị bảng + 0,06 + Bê-tông có ĐS=14-18: Cát M < 2 : Kd = giá trị bảng + 0,1 Cát M = 2-2,5 : Kd = giá trị bảng + 0,15 Cát M > 2,5 : Kd = giá trị bảng + 0,2 - Hàm lượng cốt liệu lớn Đ(kg) được xác định: ρvđ : khối lượng thể tích xốp của cốt liệu lớn, kg/m3 rđ: độ rỗng cốt liệu lớn, xác định từ khối lượng riêng đá 2,66-2,68 g/cm3. 1)1( +−= dd vd Kr Đ ρ VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-26 Trình tự thiết kế bê-tông 6. Xác định hàm lượng cốt liệu bé C(kg) - Hàm lượng cốt liệu bé (C) được xác định: ρc: Khối lượng thể tích của cát, 2,62-2,65 g/cm3 ρn: Khối lượng riêng của nước, 1 g/cm3 ρx: Khối lượng riêng của xi măng, 3,1 g/cm3 ρđ: Khối lượng riêng của đá, 2,66-2,68 g/cm3 c ndx NĐXC ρ ρρρ ×            ++−= 1000 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-27 Trình tự thiết kế bê-tông 7. Xây dựng thành phần cấp phối theo tính toán X, N, C, Đ, PG và thành phần khảo sát thử X±10%. 8. Hiệu chỉnh cốt liệu theo độ ẩm và hạt > 5mm Chc=C x (1+x/100) với x là hàm lượng hạt > 5mm Đhc=Đ - (Chc-C) Ctt= C x (1+Wc/100) Đtt= Đ x (1+Wđ/100) Ntt = N – [(Đtt - Đhc) + (Ctt - Chc)] VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-28 Trình tự thiết kế bê-tông 9. Kiểm tra và hiệu chỉnh độ sụt TCVN 3106:1993 10. Xác định cường độ nén TCVN 3105:1993. 11. Chọn thành phần câp phối bê-tông chính thức 8 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-29 Ví dụ cấp phối (về nhà)
Yêu cầu Bê-tông Mác 300, nén trên mẫu kích thước chuẩn 150x150x150 mm
Điều kiện thi công cân trộn tự động, cấu kiện cột, dầm tường đổ bằng bơm.
Vật liệu chế tạo: • Xi măng PCB 40 có Rx=48MPa • Cốt liệu lớn đá dăm 1x2 cm, Dmax=20 mm, KLR ρđ0=2,65g/cm3; KLTT ρđV=1420 kg/m3; Độ hút nước 0,3%, Độ ẩm Wđ=0,29% • Cốt liệu nhỏ cát vàng, KLR ρc0=2,62g/cm3; M=2,2, KLTT ρcV=1620kg/m3; Hàm lượng hạt >5mm=3%, Độ ẩm WC=4% • Phụ gia hóa dẻo, lượng giảm nước 8 – 12%, liều dùng 0,4% xi- măng. VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-30 Theo ACI: Các lưu ý
Cường độ của Bê-tông tính toán theo ACI được thiết kế trên mẫu chuẩn là mẫu trụ (d=15cm, h=30cm)
Trong tính toán thành phần của Bê-tông theo ACI, yêu cầu Cát có M≥2,4.
Nếu trường hợp modul độ lớn của cát nhỏ thì phải phối trộn nhiều loại cốt liệu mịn, để đạt yêu cầu. VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-31 Trình tự tính toán thành phần
Trình tự tính toán - Chọn cường độ → tra tỷ lệ N/X tương ứng. - Xác định thể tích khối của cốt liệu thô chiếm chỗ. - Xác định thể tích pha khí trong 1m3 bê-tông. - Tra lượng nước cho 1m3 bê-tông theo độ sụt và Dmax của cốt liệu. - Tính lượng xi-măng sử dụng. - Tính lượng cốt liệu nhỏ. VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-32 Y/c Bê-tông  Cường độ, N/X 35 0,40BT yêu cầu chịu ăn mòn trong điều kiện tiếp xúc với Cl- 31 0,45BT yêu cầu tiếp thời tiết lạnh, đóng băng, ẩm 28 0,50BT yêu cầu chống thấm, tiếp xúc với nước Phụ thuộc vào yêu cầu cấu kiện Phụ thuộc vào cường độ, tính công tácĐiều kiện bình thường Điều kiện sử dụng Cường độ nén tối thiểu MPaN/X tối đa Tra bảng 9 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-33 Y/c bê-tông trong môi trường sulfate 35 0,40≥10.000≥ 2,00Rất lớn 31 0,451500 -10.0000,20 – 2,00Lớn 28 0,50150 -15000,10 – 0,20Trung bình ——≤ 150≤ 0,10Không đángkể Sulfate (SO42) nước, ppm Hàm lượng sulfate N/X tối đa, KL Sulfate (SO42-) trong đất, % KL Cường độ nén tối thiểu, MPa Tra bảng VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-34 Liên hệ giữa Rnén và N/X 0,700,7915 0,600,6920 0,520,6125 0,450,5430 0,390,4735 0,340,4240 0,300,3845 Hàm lượng bọt khí <3% Hàm lượng bọt khí > 3% Tỉ lệ N/X theo khối lượngCường độ nén ở tuổi 28 ngày VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-35 Thể tích chiếm chỗ cốt liệu Đá 0,810,830,850,87150 0,760,780,800,8275 0,720,740,760,7850 0,690,710,730,7537,5 0,650,670,690,7125 0,600,620,640,6619 0,530,550,570,5912,5 0,440,460,480,509,5 3,002,802,602,40 Modul độ lớn của cátDMax của cốt liệu thô, mm Thể tích khối của cốt liệu được xác định, phụ thuộc - Dmax của cốt liệu thô - Modul độ lớn của cát VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-36 Lượng cốt liệu đá Đ (kg) 10 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-37 Thể tích thực cốt liệu Đá/1m3 BT
Với 0,46 m3 thể tích khối cốt liệu Đá trong bê-tông
KLTT ρv=1567 kg/m3
KLR ρ0=2,65 g/cm3  0,46m3 x 1567kg/m3=715,5kg Thể tích thực Đá / 1m3 BT=715,5/(2,65x1000)=0,27m3 1 m3 0,46 m3 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-38 Hàm lượng bọt khí và Dmax cốt liệu Hàm lượng bọt khí / 1m3 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-39 Đề xuất về chọn độ sụt 2575Bê-tông nặng 2575Hành lang, sàn 25100Cột 25100Cấu kiện dầm, tường chịu lực 2575Kết cấu phụ, tường không chịu lực 2575Bê-tông móng, tường bao hầm, chân cột MinMax Loại bê-tông Độ sụt, mm VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-40 Lượng nước N 0,20,30,511,522,53 Hàm lượng bọt khí trong BT, % thể tích —160178190202216228243150 -175 12414516918119320521622875 -100 11313015416617919019920725 - 50 150 mm 75 mm 50 mm 37,5 mm 25 mm 19 mm 12,5 mm 9,5 mmĐộ sụt, mm Lượng nước kg/1m3 BT theo Dmax của cốt liệu lớn Bê-tông thường, không cuốn khí 11 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-41 Lượng nước N 1,01,52,02,53,03,54,04,5Ôn hòa, ít ăn mòn 3,03,54,04,54,55,05,56,0Trung bình, có ăn mòn Hàm lượng bọt khí trung bình, % thể tích, 4,04,55,05,56,06,07,07,5Khắc nghiệt, ăn mòn cao -154166174184197205216150 - 175 11913315716517518419320275 - 100 10712214215016016817518125 - 50 150 mm 75 mm 50 mm 37,5 mm 25 mm 19 mm 12,5 mm 9,5 mmĐộ sụt, mm Lượng nước kg/1m3 BT theo Dmax của cốt liệu lớn Bê-tông cuốn khí VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-42 Lượng nước N VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-43 Lượng xi-măng X
Tính từ tỉ lệ N/X
Biết lượng nước N sử dụng 3609,5 35012,5 32019 31025 28037,5 Xi-măng X tối thiểu (kg/m3) Cốt liệu Dmax (mm) VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-44 Lượng cốt liệu mịn cát C
Thể tích cốt liệu mịn chiếm chỗ: Vc = 1 – Vx –Vn – Vđ – Vk
Hàm lượng cốt liệu mịn cát: C = Vc.ρc ρc: khối lượng riêng của cát 2650 Kg/m3 12 VLXD-Thiết kế cấp phối bê-tông 9-45 Ví dụ cấp phối (về nhà)
Cường độ bê-tông thiết kế: R28=24 MPa
Độ sụt yêu cầu 75 – 100mm
Cốt liệu thô Đá: Dmax=37,5 mm; KLTT xốp ρvđ =1600 kg/m3, KLR ρ0đ= 2,68 g/cm3, Độ hút nước Hđ=0,5%, Đô ẩm Wđ = 2 %
Cốt liệu mịn Cát: M=2,8; KLR ρ0c=2,64 g/cm3; Độ hút nước Hc=0,7%, Đô ẩm Wc= 6%
Xi măng OPC Type I, KLR ρ0X=3,15 g/cm3