Ảnh hưởng của mô đun độ lớn của cát và thành phần vật liệu đến tính chất của vữa xây dựng

17 S¬ 28 - 2017 KHOA H“C & C«NG NGHª Ảnh hưởng của mơ đun độ lớn của cát và thành phần vật liệu đến tính chất của vữa xây dựng Effect of modulus of sand and material composition to properties of mortar Nguyễn Duy Hiếu, Trương Thị Kim Xuân Tĩm tắt Tính chất của vữa xây dựng khơng chỉ phụ thuộc cấp phối của nĩ mà cịn chịu ảnh hưởng của mơ đun độ lớn của cát. Theo đĩ, khi tính tốn và chọn cấp phối vữa để đạt độ dẻo của hỗn hợp và cường độ thiết kế cần quan tâm đến mơ đun của cát. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định quan hệ tốn học giữa mơ đun của cát và cấp phối đến độ dẻo của hỗn hợp và cường độ đặc trưng của vữa đĩng rắn, từ đĩ xác định được mức độ ảnh hưởng của các biến và định hướng thành phần tối ưu cho vữa theo yêu cầu thiết kế. Từ khĩa: Cường độ (Rn); Độ dẻo (D); Mơ đun độ lớn của cát (Mđl); Tỷ lệ nước–xi măng (N/X); Tỷ lệ xi măng-cát (X/C) Abstract The properties of mortar not only depend on its material composition but also on the modulus of sand, accordingly when calculating and selecting motar aggregate to achieve the plasticity of the mixture and the designed strength of the mortar should pay attention to the modulus of sand. This paper presents the results of empirical studies that determine the mathematical relationship between component, modulus of sand, the plasticity of the mixtures and the strength of the harded mortar, thus identifying the degree of the influence of the variables and the optimum component orientation for the mortar according to the design requirements. Keywords: Compressive strength; Plasticity; Fine modulus of sand; Ratio of water to cement; Ratio of sand to cement PGS.TS. Nguyễn Duy Hiếu Khoa Xây dựng Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: hieunduynghau@gmail.com ThS. Trương Thị Kim Xuân Khoa Xây dựng Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: hoangan6869@gmail.com 1. Đặt vấn đề Hỗn hợp vữa là một hệ đa phân tán nhiều cấu tử nhận được sau khi trộn hỗn hợp xi măng và cốt liệu nhỏ với nước, cĩ thể xem hỗn hợp vữa như một hệ gồm hai pha là hồ xi măng và cốt liệu; tính chất của vữa phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất của vật liệu thành phần [2]. Việc cho cốt liệu nhỏ (cát) vào hồ xi măng gây ảnh hưởng quan trọng đến tính chất của vữa, mơ đun độ lớn của cát ảnh hưởng quyết định đến bề mặt riêng của nĩ, qua đĩ gây tác động đến những lớp hồ xi măng gần nhất. Việc lựa chọn được vật liệu và cấp phối vữa phù hợp, độ lưu động và cường độ của vữa đạt yêu cầu ở mức cao, tạo tiền đề để đảm bảo tốt nhất các tính năng làm việc của vữa trên kết cấu cơng trình là rất quan trọng. Mơ tả được những tính chất của hỗn hợp vữa, cường độ của vữa và sự phụ thuộc của chúng vào các yếu tố khác nhau, điều khiển được quá trình chế tạo, phương pháp thi cơng và cứng rắn của vữa là một vấn đề rất quan trọng. Đã cĩ nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của vật liệu và cấp phối đến các tính chất của vữa xây dựng [2], và trên cơ sở đĩ đã hình thành các tiêu chuẩn khác nhau về Bảng 1. Thành phần hạt của các loại cát sử dụng. Kích thước lỗ sàng, mm Cát vàng, C1 Cát vàng, C2 Lượng sĩt riêng biệt, % Lượng sĩt tích lũy, % Lượng sĩt riêng biệt, % Lượng sĩt tích lũy, % ai Ai ai Ai 2.5 0 0 9.5 9.5 1.25 0 0 18.6 28.1 0.63 8.3 8.3 29.8 57.9 0.315 34.5 42.8 30.5 88.4 0.14 26 68.8 8.0 96.4 <0.14 31.2 100 3.6 100 Bảng 2. Tính chất cơ lý của các loại cát sử dụng. Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị Phương pháp thí nghiệmCát C1 Cát C2 Khối lượng riêng g/cm3 2.67 2.67 TCVN 7572-4:2006 Khối lượng thể tích xốp kg/m3 1484 1526 TCVN 7572-6:2006 Độ hút nước % 0.5 0.83 TCVN 7572-4:2006 Mơ đun độ lớn, Mđl - 1.20 2.80 TCVN 7572-2:2006 Hàm lượng bùn, sét % 0.4 1.07 TCVN 7572-8:2006 Bảng 3. Tính chất cơ lý của xi măng Vicem Bút Sơn PCB30. TT Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị 1 Khối lượng thể tích kg/m3 1005 2 Khối lượng riêng g/cm3 3,09 3 Lượng sĩt sàng trên sàng No009 % 4,2 4 Nước tiêu chuẩn % 28 5 Thời gian bắt đầu đơng kết Phút 125 Thời gian kết thúc đơng kết 220 6 Cường độ chịu nén tuổi 3 ngày MPa 22,8 Cường độ chịu nén tuổi 28 ngày 39,0 18 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª vữa xây dựng [5], [9], [10]; Tuy nhiên những cơng trình này cĩ hạn chế là chỉ được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm cổ điển, dĩ nhiên khơng thể mơ tả đầy đủ và định lượng đủ độ tin cậy các mối tương quan trong hệ. Bởi vậy, hiện nay việc lựa chọn cấp phối vữa xi măng - cát chủ yếu là tra theo bẳng cĩ sẵn, hoặc tính tốn sơ bộ lượng dùng xi măng sau đĩ tra bảng tìm cốt liệu [1], [2]. Những bảng tra này được tổng kết từ các thực nghiệm chỉ cĩ ý nghĩa nhất định khi điều kiện thực tế gần với điều kiện thí nghiệm, do đĩ để tối ưu được cấp phối vữa từ bảng tra là khĩ thực hiện, mặt khác trong các bảng tra thường khơng đưa ra lượng dùng nước. Những hạn chế nêu trên cĩ thể được giải quyết nhờ xây dựng hàm hồi quy tốn học mơ tả sự phụ thuộc của tính chất vữa theo các biến cơ bản phản ánh bản chất cốt liệu và cấp phối vữa. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, cĩ thể thiết lập các hàm hồi quy mơ tả mức độ và quy luật ảnh hưởng của cấp phối (qua tỷ lệ X/C và N/X) và tính chất của cốt liệu (qua mơ đun độ lớn của cát Mđl) đến độ lưu động và cường độ đặc trưng của vữa. 2. Chương trình thực nghiệm 2.1. Vật liệu sử dụng - Xi măng PCB30 Vicem Bút Sơn, tính chất cơ lý như bảng 3, thỏa mãn TCVN 6260: 2009 [7]. - Nước sạch dùng cho sinh hoạt, thỏa mãn tiêu chuẩn TCVN 4506: 2012 [8]. - Cát tự nhiên (cát vàng) thỏa mãn yêu tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 [6], mơ đun độ lớn và tính chất cơ lý như bảng 1 và bảng 2. Từ hai loại cát này tính tốn và chế tạo được hỗn hợp cát cĩ Mđl trong khoảng 1.2 – 2.8. 2.2. Thiết lập ma trận thực nghiệm Trên cơ sở các nghiên cứu đã cĩ, định hướng sử dụng phương pháp tốn quy hoạch thực nghiệm bậc hai tâm xoay [3]. Bằng lý thuyết và khảo sát thăm dị, đã lựa chọn các biến độc lập và xác định được khoảng biến thiên phù hợp của chúng. Ba biến thực là: tỷ lệ xi măng - cát theo thể tích xốp (Z1=Vox/Voc) khoảng biến thiên: 0,25 – 0,33; tỷ lệ nước - xi măng theo khối lượng (Z2=N/X) khoảng biến thiên 0,9 - 1,0; mơ đun độ lớn của cát (Z3= Mdl) khoảng biến thiên là 1,50 - 2,50. Các hàm hồi quy thực nghiệm quan tâm gồm: độ lưu động của hỗn hợp vữa (độ chảy D); cường độ nén tuổi 28 ngày (Rn28). Các cấp phối vữa được tính tốn trên cơ sở các biến thực và phương trình thể tích tuyệt đối của vữa, trình bày trong bảng 4. 3. Kết quả nghiên cứu và luận bàn Kết quả thí nghiệm độ chảy và cường độ vữa được tập hợp trong bảng 5. Sử dụng phần mềm Maple 11.0 đã xác định được các hàm hồi quy tương hợp theo biến mã (chỉ bao gồm các hệ số cĩ nghĩa): Hàm hồi quy về độ chảy của hỗn hợp vữa: D = 142 + 21,61x1 + 15,72x2 + 31,08x3 + 14,14x32 (1) Hàm hồi quy về cường độ nén của vữa: Rn28 = 7,8 + 1,48x1 +1,29x3 - 0,51x12 - 0,65x22 (2) Trong đĩ, quan hệ giữa biến mã và biến thực như sau: Z1 = 0,04x1 + 0,29; Z2 = 0,1x2 + 1,0; Z3 = 0,5x3 + 2,0 Trên cơ sở hàm (1) và (2) xây dựng được các bề mặt biểu hiện quan hệ giữa hàm mục tiêu và các cặp biến khác nhau như hình 1 và hình 2. Theo đĩ biến x3 (hay Mđl) cĩ ảnh Bảng 4. Ma trận quy hoạch thực nghiệm và cấp phối vữa N Biến mã Biến thực Cấp phối vữa, (kg) x1 x2 x3 Z1 Z2 Z3 XM C N 1 1 1 1 0,33 1.10 2.50 351 1330 386 2 -1 1 1 0,25 1.10 2.50 301 1520 331 3 1 -1 1 0,33 0.90 2.50 378 1431 340 4 -1 -1 1 0,25 0.90 2.50 320 1618 288 5 1 1 -1 0,33 1.10 1.50 374 1243 412 6 -1 1 -1 0,25 1.10 1.50 324 1434 356 7 1 -1 -1 0,33 0.90 1.50 405 1344 364 8 -1 -1 -1 0,25 0.90 1.50 346 1533 312 9 1.682 0 0 0,36 1.00 2.00 389 1292 389 10 -1.682 0 0 0,22 1.00 2.00 298 1612 298 11 0 1.682 0 0,29 1.17 2.00 331 1356 383 12 0 -1.682 0 0,29 0.83 2.00 371 1522 308 13 0 0 1.682 0,29 1.00 2.84 335 1480 335 14 0 0 -1.682 0,29 1.00 1.16 372 1350 372 15 0 0 0 0,29 1.00 2.00 349 1432 349 16 0 0 0 0,29 1.00 2.00 349 1432 349 17 0 0 0 0,29 1.00 2.00 349 1432 349 18 0 0 0 0,29 1.00 2.00 349 1432 349 19 0 0 0 0,29 1.09 2.00 349 1432 349 20 1.44 0 0 0,29 1.00 2.00 349 1432 349 19 S¬ 28 - 2017 hưởng đồng biến (phi tuyến) lớn đến độ chảy của vữa, cịn biến x1 (hay Vox/Voc) và x2 (hay N/X) ảnh hưởng tuyến tính đồng biến đến hàm mục tiêu ở mức độ thấp hơn biến x3; cường độ nén của vữa đồng biến với x3 hay Z3, và cĩ cực trị so với các biến x1, x2 (hay Z1, Z2). Căn cứ kết quả này cịn cĩ thể tối ưu cấp phối vữa theo các mục tiêu độ chảy hoặc cường độ, cũng như cĩ thể tính tốn hay lựa chọn được sơ bộ Z1 và Z2 theo Z3 (mơ đun độ lớn của cát) và cường độ vữa, từ đĩ xác định cấp phối sơ bộ theo mơ đun độ lớn của cát và mác vữa thiết kế. Bảng 6 thể hiện các giá trị thích hợp của Z1 và Z2 theo Z3 đối với các mác vữa từ M5 đến M10. 4. Kết luận Mơ đun độ lớn của cát (trong phạm vi nghiên cứu) ảnh hưởng đồng biến và phi tuyến đến độ lưu động của hỗn hợp vữa, ảnh hưởng đồng biến và bậc nhất đến cường độ của vữa, trong đĩ mơ đun độ lớn của cát cĩ ảnh hưởng lớn hơn so với tỷ lệ nước – xi măng và tỷ lệ xi măng – cát; trong miền biến thiên của các biến, khơng tồn tại ảnh hưởng chéo giữa các biến đến hàm mục tiêu. Bằng kết quả này cĩ thể lựa chọn thành phần hợp lý của vữa xây dựng theo yêu cầu thiết kế về độ lưu động và cường độ nén (hay mác vữa), trong đĩ cĩ kể đến mơ đun độ lớn của cát. Bảng 5. Kết quả thí nghiệm độ chảy của hỗn hợp vữa và cường độ vữa N x1 x2 x3 Z1 Z2 Z3 Độ chảy, D (mm) Cường độ nén, Rn28 (MPa) 1 1 1 1 0,33 1,10 2,50 239 9,8 2 -1 1 1 0,25 1,10 2,50 179 5,1 3 1 -1 1 0,33 0,90 2,50 200 10,2 4 -1 -1 1 0,25 0,90 2,50 138 6,3 5 1 1 -1 0,33 1,10 1,50 161 5,6 6 -1 1 -1 0,25 1,10 1,50 120 3,8 7 1 -1 -1 0,33 0,90 1,50 116 7,0 8 -1 -1 -1 0,25 0,90 1,50 108 2,9 9 1,682 0 0 0,36 1,00 2,00 178 8,1 10 -1,682 0 0 0,22 1,00 2,00 122 4,7 11 0 1,682 0 0,29 1,17 2,00 176 5,5 12 0 -1,682 0 0,29 0,83 2,00 112 6,5 13 0 0 1,682 0,29 1,00 2,84 241 8,6 14 0 0 -1,682 0,29 1,00 1,16 120 5,3 15 0 0 0 0,29 1,00 2,00 131 7,6 16 0 0 0 0,29 1,00 2,00 135 7,5 17 0 0 0 0,29 1,00 2,00 155 7,8 18 0 0 0 0,29 1,00 2,00 138 8,2 19 0 0 0 0,29 1,09 2,00 160 9,1 20 0 0 0 0,29 1,09 2,00 142 6,8 Bảng 6. Định hướng cấp phối vữa theo mác vữa và mơ đun độ lớn của cát N Biến thực Tính chất của vữa Z1 Z2 Z3 D, mm Rn28, MPa Mác vữa 1 0,35 1,09 - 1,17 1,16 175 - 187 6,2 M5 2 0,35 1,11 - 1,17 1,25 175 - 185 6,2 M5 3 0,35 1,12 - 1,17 1,50 175 - 182 6,7 M5 4 0,35 1,09 - 1,17 1,75 175 - 187 7,7 M7.5 5 0,35 1,01 - 1,17 2,00 175 - 199 8,9 M7.5 6 0,35 0,89 - 1,17 2,25 175 - 205 9,6 M7.5 7 0,35 0,83 - 1,17 2,50 175 - 205 9,7 M7.5 8 0,35 0,83 - 0,90 2,75 175 - 205 10,8 M10 9 0,35 0,83 - 0,90 2,84 175 - 205 11,1 M10 10 0,222 1,0 - 1,17 2,84 175 - 198 6,1 M5 11 0,362 1,0 - 1,17 2,84 175 - 205 10,4 M10 12 0,352 1,0 - 1,17 1,16 165 - 195 6,7 M5 20 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª Hình 1. Bề mặt biểu hiện độ chảy của hỗn hợp vữa theo các biến Hình 2. Bề mặt biểu hiện cường độ nén của vữa theo các biến Tài liệu tham khảo 1. Nguyễn Bá Đỗ, Nguyễn Thọ Linh, Sổ tay dùng vữa, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội – 2009. 2. Phùng Văn Lự, Vật liệu và sản phẩm trong xây dựng, NXB Xây dựng, 2004. 3. Nguyễn Minh Tuyển, Quy hoạch thực nghiệm, NXB khoa học và kỹ thuật, 2011. 4. TCVN 3121: 2003, Vữa xây dựng – phương pháp thử. 5. TCVN 4314: 2003, Vữa xây dựng – yêu cầu kỹ thuật. 6. TCVN 7570-2006, Cốt liệu cho bê tơng và vữa xây dựng – Yêu cầu kỹ thuật. 7. TCVN 6260: 2009, Xi măng pooc lăng hỗn hợp - Yêu cầu kỹ thuật. 8. TCVN 4506: 2012, Nước dùng cho bê tơng và vữa xây dựng. 9. ASTM C270, Standard Specification for Mortar for Unit Masonry. 10. EN 998:2003, Specifiction for mortar for masonry. 4. Kết luận Cùng hàm lượng BĐV sử dụng, bê tơng dùng BĐV mịn hơn (B13, B15) cĩ độ chảy lớn hơn khi dùng BĐV thơ hơn (B44, B47). BĐV mịn cải thiện cường độ bê tơng, mức cải thiện và tuổi cải thiện phụ thuộc độ mịn BĐV. BĐV B13, B15 cải thiện cường độ sớm (1, 3 ngày) nhiều hơn BĐV B47, nhưng BĐV B44, B47 lại cho hiệu quả cải thiện mác bê tơng (tuổi 28 ngày) tốt hơn./. Tài liệu tham khảo 1. Tăng Văn Lâm (2010), Nghiên cứu chế tạo bê tơng hạt mịn chất lượng cao dùng cho mặt đường sân bay, Luận văn Thạc sỹ, Trường Đại học Xây dựng, Hà Nội. 2. Phạm Hữu Hanh, Tống Tơn Kiên (2009), Nghiên cứu chế tạo bê tơng hạt mịn sử dụng trong cơng trình biển, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Xây dựng, Hà Nội. 3. Bazenov, Bạch Đình Thiên, Trần Ngọc Tính (2009), Cơng nghệ Bê tơng, Chương 12, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội. 4. Bùi Văn Bội, Vũ Đình Đấu (2000), Vi cốt liệu sử dụng trong xi măng và bê tơng, Trường Đại học Xây dựng, Tài liệu giảng dạy Cao học ngành Vật liệu Xây dựng. 5. Gưzde İnan Sezer, Oğuzhan Çopuroğlu, Kambiz Ramyar (2010), “Microstructure of 2 and 28-day cured Portland limestone cement pastes “, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences pp. 289-294 6. Daimon, Sakai (1998), Limestone Powder Application, Beijing, China. 7. I. Soroka, N. Setter (1977), “The effect of fillers on strength of cement mortars”, Cement and Concrete Research. 7(4),449-456. 8. Nguyễn Như Quý (2003), Nghiên cứu chế tạo bê tơng tự lèn từ vật liệu tại chỗ của Việt Nam. 9. Chen Yilan, Wen Ziyum (1998), Research on Activity of Limestone for Cement Admixture, Beijing, China. 10. Lê Xuân Hậu (2016), Nghiên cứu ảnh hưởng của dải hạt cốt liệu mịn đến tính cơng tác của bê tơng, Luận văn Thạc sỹ, Đại học Bách khoa Hà Nội. Ảnh hưởng của độ mịn của bột đá vơi... (tiếp theo trang 17)