Một cấp phối bê tông chất lượng được ví như là một công thức các nguyên liệu của người đầu bếp để cho ra một món ăn ngon. Bài viết cung cấp “bê tông là gì” rõ nét nhất và các nguyên tắc thiết kế bê tông.
Bê tông là gì?
- Bê tông là một loại “đá nhân tạo”, được tạo thành từ các thành phần gồm Cốt liệu lớn, Cốt liệu nhỏ, Xi măng, Nước. Bê tông có thể được thêm vào trong cấp phối các thành phần khác như phụ gia Khoáng hoặc phụ gia Hóa học.
- Định nghĩa bê tông là gì là kiến thức đầu tiên mà người chuyên ngành cần biết. Thông thường theo thói quen sử dụng, người người lầm tưởng bê tông phải có cả phụ gia thì mới gọi là bê tông, đây chỉ là nguyên liệu thêm vào tăng cường các tính chất cho bê tông, ngoài yếu tố kinh tế (nếu có).
Diễn giải các thuật ngữ kỹ thuật
- Cốt liệu lớn là các hạt có kích thước từ 5mm trở lên theo TCVN, ví dụ: đá, sỏi…
- Cốt liệu nhỏ là các hạt có kích thước nhỏ hơn 5mm theo TCVN, ví du: cát sông, cát nghiền hay còn gọi là cát nhân tạo (đập nghiền từ đá).
- Phụ gia khoáng là các nguyên liệu được xếp vào Chất kết dính ví dụ như: Silicafume, Tro bay (Fly Ash), Xỉ (Slag)… Chú ý: xi măng cũng được xếp chung nhóm Chất kết dính (Cementitous)
- Phụ gia hóa học chủ yếu là các loại dạng lỏng thường được sử dụng trong ngành công nghiệp bê tông tươi (bê tông thương mại). Tính năng chính của phụ gia dạng này đưa vào trong bê tông nhằm giảm lượng nước sử dụng (mục đích chính xác là giảm tỷ lệ nước / xi măng, qua đó giúp tăng cường, cũng như nâng cao tính chất khác của bê tông).
Một số loại bê tông sử dụng phụ gia có tính chất đặc biệt khác như: phụ gia cuốn khí nhằm khóa hàm lượng không khí vào trong lòng bê tông; tùy thuộc vào liều lượng và loại phụ gia cuốn khí sử dụng mà có hàm lượng bọt khí là 3.5%, 5%, 7%, thậm chí 15% hoặc hơn… Ngoài ra, còn có phụ gia giúp bê tông đóng rắn (đông cứng) nhanh hoặc kéo dài thời gian ninh kết (qua đó cũng có xu hướng kéo dài thời gian duy trì độ sụt)…
- Lựa chọn một thành phần cấp phối bê tông tốt nhất là một thử thách thực sự cho công tác phát triển sản phẩm mà người thiết kế phải xem xét đến nhiều yếu tố, yêu cầu kỹ thuật, phương pháp thi công của dự án cũng như với chi phí hợp lý, cũng như đảm bảo để có một sản phẩm đồng nhất và kể cả tính thẩm mỹ.
Các tính chất cơ bản của bê tông
Một hỗn hợp (cấp phối) bê tông chất lượng cần phải xem xét đến ít nhất những yếu tố sau đây:
- Tính công tác
- Chỉ tiêu thông dụng nhất phản ánh tính công tác của bê tông là độ sụt. Tính công tác là thuộc tính quyết định đến khả năng bê tông được thi công như thế nào để có độ đồng nhất (đổ xả, bơm, đầm dùi…). Trong một số trường hợp, phương pháp thi công hay đặc trưng của cấu kiện… sẽ quyết định tính công tác của bê tông cần đáp ứng tương ứng. Điều kiện tiên quyết của cả công đoạn là hoàn thiện được cấu kiện mà không bị phân tầng, khuyết tật, ngoài việc đạt các chỉ tiêu quan trọng khác như cường độ…
- Độ sụt: hầu hết các loại bê tông đều có quy định về chỉ tiêu này. Giá trị độ sụt càng cao thì bê tông có tính công tác tốt hơn và quá trình thi công tại dự án cũng dễ dàng hơn (trừ một số cấu kiện yêu cầu độ sụt thấp ví dụ: thi công Ram dốc, mái xiên…). Thông thường khi thi công các tòa nhà cao tầng, càng lên cao thì càng sử dụng độ sụt cao hơn do độ sụt có xu hướng giảm trong quá trình vận chuyển bê tông đến tại điểm đổ.
- Cường độ
- Là một trong những thông số quan trọng nhất trong công tác thiết kế và tạo ra sản phẩm bê tông; và nó cũng là thuộc tính cần phải có của bê tông được sử dụng để đánh giá chất lượng cấu kiện so với yêu cầu của thiết kế; được xác định bằng phương pháp kháng nén của nó. Bê tông tươi trước khi đổ / thi công sẽ được lấy mẫu và đúc vào trong khuôn, những viên mẫu sau khi đông cứng và được bảo dưỡng tiêu chuẩn 28 ngày tính từ lúc sản xuất sẽ được được vào máy nén gia tải lực ép đến khi bị nứt bể. Giá trị lực lớn nhất mà tại thời điểm đó viên mẫu bị phá hủy sẽ được dùng làm cơ sở tính giá trị cường độ của bê tông. Thường cường độ càng cao càng tốt.
- Tỷ lệ N/X
- N/X là tỷ lệ giữa khối lượng nước và khối lượng của xi măng sử dụng trong cấp phối.
- Trong nhiều trường, người thiết kế hoặc kỹ thuật viên sẽ sử dụng thuật ngữ tỷ lệ nước trên chất kết dính, khi đó giá trị sẽ thay đổi khác, vì chất kết dính bao gồm cả xi măng và các loại phụ gia khoáng (kích thước rất mịn) như mục diễn giải từ ngữ kỹ thuật ở trên.
- Hiện có nhiều tài liệu kỹ thuật, cũng như yêu cầu kỹ thuật của dự án sử dụng thuật ngữ tiếng Anh: tỷ lệ W/C. Điều dễ nhận biết W là Water (nước), nhưng C thì có thể hiểu theo 2 nghĩa là Cement (xi măng) hoặc Cementitous (chất kết dính), do đó rất dễ gây bối rối cho người thiết kế sản phẩm cũng như kỹ sư dự án khi nghiệm thu nếu như không diễn giải rõ từ. Tuy nhiên, về phương diện kỹ thuật đơn thuần thì chúng ta hiểu W/C với C là Cementitous là đúng nhất (vì bản chất xi măng cũng đã có những thành phần phụ gia khoáng vì các mục đích khác nhau…)
- Độ bền (durability)
- Một thành phần cấp phối tốt sẽ giúp cho bê tông có thể chịu được các điều kiện thời tiết khắc nghiệt và những thay đổi đột ngột về môi trường mà không xuất hiện bất cứ dấu hiệu xuống cấp nào (ngoài trừ các trường hợp Thiên Tai). Bê tông càng bền vững thì càng chống chọi tốt với các dao động của thời tiết như: băng giá, ẩm ướt, khô và nhiệt…
- Nhiệt thủy hóa
- Thành phần cấp phối bê tông nên cân nhắc đến lượng nhiệt sinh ra trong lòng bê tông do phản ứng hóa học nhiệt thủy hóa xi măng tạo ra (cũng như khả năng giải phóng nhiệt với tỷ lệ hợp lý) nhằm tránh hoặc giảm thiểu phát sinh vết nứt cũng như mức độ co ngót của bê tông.
Phân loại bê tông theo mục đích sử dụng thì chúng ta có các loại sau
- Bê tông thông dụng sử dụng phần lớn cho các nhà cao tầng, là loại chủ yếu dựa vào cường độ để nghiệm thu bê tông (còn nứt nếu có thì thuộc vào phần nghiệm thu cấu kiện)
- Bê tông chống thấm
- Bê tông đóng rắn nhanh
- Bê tông cường độ sớm
- Bê tông bền sulfate
- Bê tông chịu nhiệt
- Bê tông trang trí (màu, in, bóng …)
- Bê tông nhựa đường
- Bê tông tự lèn
- …
Nguyên tắc thiết kế bê tông cơ bản
Khi thiết kế phải xác định được đối tượng hoặc tính chất cơ bản của sản phẩm cần phải đạt được, như:
- Thiết kế cho loại cốt liệu (đá, cát…) thông thường hay loại nhẹ (để cho ra bê tông tương ứng)
- Cốt liệu sử dụng thuộc loại vo tròn hay góc cạnh
- Thiết kế cho loại bê tông yêu cầu cuốn khí hay thông dụng (không cuốn khí)
Quá trình thiết kế một loại bê tông thông dụng thường sẽ theo các bước đơn giãn như sau:
- Xác định độ sụt mục tiêu
- Xác định kích thước cốt liệu lớn nhất, với kích thước càng lớn của cốt liệu mà cấp phối bê tông vẫn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của dự án thì càng tốt cho việc giảm co ngót bê tông và bề mặt hoàn thiện ổn định đẹp hơn.
- Ước lượng lượng nước sử dụng dựa trên kích thước danh nghĩa lớn nhất cốt liệu lớn (đá) và có sử dụng phụ gia cuốn khí hay không (để xác định có thể tham khảo tiêu chuẩn ACI 211 hoặc xem bài viết tiếp theo của Tạp chí Vật liệu chia sẽ)
- Nếu có sử dụng phụ gia giảm nước thì tính lượng nước sau khi giảm ứng với lượng (đô) phụ gia sử dụng (tham khảo đô sử dụng từ nhà cung cấp phụ gia)
- Dựa vào cường độ mục tiêu để xác định tỷ lệ nước trên xi măng, tỷ lệ này tham khảo thêm bài viết về Các nguyên tắc thiết kế cấp phối bê tông (chú ý tỷ lệ này dựa vào xi măng, trong trường hợp có chất kết dính khác ví dụ như tro bay… thì sẽ quy đổi lượng xi măng thay thế một phần tương ứng với chỉ số hoạt tính của từng loại chất kết dính thêm vào này)
- Tính lượng xi măng bằng lượng nước chia cho tỷ lệ nước / xi
- Ước lượng khối lượng cốt liệu lớn sử dụng
- Từ đó tính ra lượng cát cần sử dụng sao cho tổng các thành phần trong cấp phối bê tông quy đổi ra thể tích là 1m3.
- Chú ý: tùy vào chiến lược của người thiết kế để xác định tổng thể tích thiết kế là 1m3 đã bao gồm thể tích của không khí hay chưa. Hoặc thậm chí điều tính tổng thể tích, ví dụ 1m3 thành 1.02m3 để bù trừ các phần hao hụt, rơi vãi… nếu có; tuy nhiên, cần phải cân nhắc mọi khía cạnh, bao gồm cả chi phí nguyên vật liệu.
- Để tìm hiểu sâu hơn về mảng thiết kế này, vui lòng đọc thêm bài viết của tapchivatlieu.com
Sau bước thiết kế cơ bản, thì cần thiết phải xác minh sự phù hợp của thiết kế. Dựa vào kinh nghiệm và phỏng vấn cách chuyên gia hàng đầu Thế giới (Hội thảo tập trung tại Thụy Sỹ) đều xác nhận, cấp phối của bê tông đạt chuẩn chỉ khi qua bước thử nghiệm (trial mix), thậm chí có thể điều chỉnh nhiều lần để đáp ứng các chỉ tiêu.
- Chú ý: cần xác định độ ẩm của cốt liệu (cát, đá) để điều chỉnh lượng nước thêm vào; có những trường hợp cốt liệu rất ẩm, lượng nước theo cấp phối sẽ trừ đi lượng đáng kể tương ứng với độ ẩm tự do trong cốt liệu.