Nghiên cứu ảnh hưởng cấp phối cỡ hạt liên tục đến chất lượng bê tông khi sử dụng vật liệu xử lý môi trường
Hiện nay, nhu cầu đáp ứng bê tông yêu cầu chất lượng cao cho các công trình xây dựng như: các tòa nhà cao tầng, dầm cầu, bê tông đúc sẵn, cầu, đường cao tốc, cấu kiện bản mỏng, hạng mục đặc biệt… ngày càng gia tăng. Nghiên cứu để làm cho tăng chất lượng bê tông cho thấy sự sắp xếp xít chặt do điền đầy các cỡ hạt có kích thước từ thấp đến cao trong cấu trúc bê tông làm giảm lỗ rỗng, tăng chất lượng sản phẩm.
Hiện nay, nguồn phế thải của các ngành công nghiệp nặng như: tro bay, xỉ lò cao, Silica fume thải ra môi trường ngày càng nhiều. Bê tông sử dụng tái chế các phế thải được quan tâm hàng đầu cho các công trình xây dựng hiện đại. Bài viết nghiên cứu cấp phối dùng 15% xỉ lò cao, 20% Silica Fume, 10% tro bay để thay thế cho xi măng trong bê tông đạt mác siêu cao 121,9 MPa và có những đặc tính vượt trội. Vật liệu phế thải môi trường: tro bay, xỉ lò cao, Silica fume dùng trong bê tông giúp giảm giá thành, tạo hiệu quả kinh tế, đồng thời làm giảm lượng chất thải của ngành công nghiệp, bảo vệ môi trường, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững của ngành sản xuất bê tông [1-2].
1. Đặt vấn đề
Hiện nay, các công trình xây dựng ngày càng đòi hỏi bê tông chất lượng cao sử dụng cho các hạng mục công trình. Để cải thiện cường độ bê tông, việc sử dụng cấp phối hạt liên tục sẽ cải thiện mật độ xếp chặt của các hạt trong cấp phối. Cấp phối sử dụng các vật liệu môi trường có cỡ hạt từ thấp đến cao, các hạt sẽ điền đầy các chỗ lỗ trống, tạo mật độ cao, giảm cấu trúc lỗ rỗng trong vật liệu. Các vật liệu sử dụng trong đề tài là vật liệu xử lý môi trường, các phế thải của các nhà máy nhiệt điện như tro bay, phế thải của các nhà máy luyện kim là xỉ lò cao. Tro bay, xỉ lò cao là loại phụ gia khoáng rất tốt, thân thiện với môi trường. Việc sử dụng hiệu quả và phổ biến chúng trong thay thế xi măng ở Việt Nam là cần thiết bởi không những đạt các tính chất bền trong môi trường nước, lấp đầy lỗ trống trong cấu trúc bê tông do phân bố đồng đều các cỡ hạt mà còn giảm chi phí sản xuất, tăng sức cạnh tranh sản phẩm, bảo vệ môi trường, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, đảm bảo yêu cầu phát triển dài lâu [3-4].
2. Nguyên liệu
Các nguyên liệu trong đề tài là: Vật liệu môi trường tro bay Nhà máy Nhiệt điện Trà Vinh, Xỉ lò cao nghiền mịn Hòa Phát, Silica fume, xi măng, cát, nước, phụ gia hóa học. Các nguyên liệu đều được kiểm tra các tính chất và phải thỏa mãn các tiêu chuẩn khảo sát. (Bảng 1)
2.1. Xi măng: Đề tài đã sử dụng loại xi măng Vicem Hà Tiên PCB 40 - Công ty Xi măng VICEM Hà Tiên kiểm tra các chỉ tiêu thí nghiệm đáp ứng theo TCVN 2682: 2009 có cường độ 28 ngày đạt 46,8 MPa [5].
2.2. Tro bay (FA): Đề tài sử dụng tro bay ở Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 1 Trà Vinh, tro bay dạng F đạt tiêu chuẩn sử dụng trong bê tông TCVN 10302:2014 [6].
2.3. Silica Fume (SF): Dùng trong đề tài là Elkem microsilica® 920 dạng nén 25 kg, nguyên liệu thỏa mãn TCVN 8827:2011 [7-8].
2.4. Xỉ lò cao (SL): Xỉ trong đề tài là Xỉ Hòa Phát sản xuất tại Nhà máy Nhiệt điện Hòa Phát ở Dung Quất, Quảng Ngãi. Nguyên liệu thỏa mãn được tính chất theo TCVN 11586:2016.
2.5. Phụ gia hóa học: Đề tài dùng Sika ViscoCrete 8100 là chất siêu hoá dẻo công nghệ cao gốc polyme thế hệ thứ 3 với hiệu quả thúc đẩy đông cứng cho bê tông [3-9]. Phù hợp với tiêu chuẩn ASTM C494 loại F. Dựa vào khảo sát, ta chọn hàm lượng 3% phụ gia Sika để tính cấp phối.
2.6. Cát quartz: Cát có nguồn từ cát Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa. Đề tài dùng cát mịn 0,3 mm và 0,8mm, cát nghiền đã được đem khảo sát tính chất theo các phương pháp thử như Bảng 2 bên dưới [10].
Bảng 1. Tính chất cơ lý của Xỉ lò cao (SL); Silica Fume (SF); Trobay (FA)
Bảng 2. Các chỉ tiêu kỹ thuật của cát quartz
3. Kết quả và nhận xét
Đề tài tiến hành các nghiên cứu thông qua các phương pháp thực hiện: khảo sát laser sự phân bố kích thước hạt đối với các mẫu nguyên liệu, xác định cường độ nén, độ rỗng trong hỗn hợp, phân tích vi cấu trúc SEM. Cấp phối M này dùng 15% xỉ lò cao, 20% Silica Fume, 10% tro bay để thay thế cho xi măng. Đề tài đánh giá việc tận dụng các loại phế phẩm của ngành công nghiệp khác cho cấp phối liên tục tạo độ đặc chắc có lợi cho bê tông, làm tăng cường độ nén đưa vào sử dụng các công trình.
Bảng 3. Cấp phối M tìm ra được các lượng phần trăm phụ gia khoáng phù hợp
3.1. Cường độ nén
Cấp phối ta tiến hành đổ mẫu, bảo dưỡng sau đó kiểm tra tính chất độ bền cơ học. Đo thí nghiệm cường độ nén theo TCVN 6016:2011, ta có kết quả được như Hình 1.
Hình 1: Đồ thị cường độ nén cấp phối M.
Nhận xét: Cường độ nén của cấp phối tăng dần qua các mốc thời gian 3, 7 và 28 ngày. Ở mốc thời gian 3 ngày cấp phối M đạt cường độ nén là 78,4 ± 1,8 MPa; ở 7 ngày tuổi cường độ đã tăng lên 99,8 ± 1,4 MPa và ở 28 ngày thì cường độ là 121,9 ± 0.9 MPa.
3.2. Đánh giá lỗ rỗng bằng phương pháp tỷ trọng của mẫu
Độ rỗng của vật liệu là tỷ lệ phần trăm thể tích pha không phải rắn (khí, lỏng)/thể tích tự nhiên của khối vật liệu. Dựa vào khối lượng thể tích và khối lượng riêng của bê tông ta xác định độ rỗng của các mẫu theo công thức:
3.2. Đánh giá lỗ rỗng bằng phương pháp tỷ trọng của mẫu
Độ rỗng của vật liệu là tỷ lệ phần trăm thể tích pha không phải rắn (khí, lỏng)/thể tích tự nhiên của khối vật liệu. Dựa vào khối lượng thể tích và khối lượng riêng của bê tông ta xác định độ rỗng của các mẫu theo công thức:
Bảng 4. Độ rỗng theo tỷ trọng mẫu M
Nhận xét: Mẫu cấp phối M cho độ rỗng thấp nhất là 4,78%, khối lượng thể tích 2,39 g/cm³ và cường độ nén sau 28 ngày là cao nhất là 121,9 MPa. Khi so sánh với các cấp phối chỉ sử dụng riêng nguyên liệu tro bay, xỉ lò cao, Silica Fume thì cấp phối M có cường độ cao nhất. Độ rỗng các mẫu tăng theo đó cường độ giảm và khối lượng thể tích giảm. (Bảng 4)
3.3. Đường phân bố cỡ hạt của cấp phối
Thiết kế thành phần hạt là một trong những phần quan trọng trong thiết kế cấp phối M vì ảnh hưởng đến độ đặc chắc, cường độ cho bê tông. Thành phần hạt của các vật liệu này được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ Lazer của máy HORIBA LA-920.
Hình 2: Kích thước hạt các nguyên liệu của cấp phối M.
Nhận xét: Dựa vào biểu đồ đường và kết quả nhiễu xạ kích thước hạt laser ta nhận thấy kích thước hạt của xỉ lò cao là nhỏ nhất (Dtb=17,96 µm), sau đó đến xi măng (Dtb=22,70 µm), Silica Fume (Dtb=27,22 µm), tro bay (Dtb=37,05 µm), cát nghiền (Dtb=53,98 µm), cát 0,3 (Dtb=306,00 µm) và cuối cùng cát 0,8 (Dtb=309,56 µm) cho kích thước hạt cao nhất. Cỡ hạt phân bố đều từ nhỏ đến lớn tạo độ xít chặc trong cấu trúc, giảm độ rỗng trong hỗn hợp.
3.4. Phân tích ảnh SEM
Trong nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích vi cấu trúc bằng kính hiển vi cấu trúc SEM đối với mẫu cấp phối M ở các độ phóng đại 1000 và 10.000 lần.
3.4. Phân tích ảnh SEM
Trong nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích vi cấu trúc bằng kính hiển vi cấu trúc SEM đối với mẫu cấp phối M ở các độ phóng đại 1000 và 10.000 lần.
Hình 3: Ảnh SEM của cấp phối M ở độ phóng đại 1000 và 10.000 lần.
Nhận xét: Cấu trúc vi mô qua phân tích SEM ta thấy mẫu có độ đặc chắc xít chặc, độ rỗng nhỏ, có khả năng các khoáng có cường độ phát triển nhiều làm bê tông phát triển cường độ cao.
4. Kết luận
Đề tài nghiên cứu đã đưa ra hàm lượng sử dụng các nguyên liệu chất thải môi trường cấp phối dùng 15% xỉ lò cao, 20% Silica Fume, 10% tro bay để thay thế cho xi măng cho cường độ nén ở 28 ngày là 121,9 MPa, độ rỗng là 4,78%, khối lượng thể tích 2,39 g/cm³. Khi sử dụng vật liệu môi trường là phế thải của các ngành công nghiệp nặng (tro bay, xỉ lò cao, silica fume) làm bê tông có độ đặc chắc cao, giảm lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông do các hạt điền đầy giữa các hạt có kích thước từ nhỏ đến lớn. Bê tông sử dụng góp phần giảm ô nhiễm môi trường, tận dụng phế thải của ngành công nghiệp để làm nguyên liệu sản xuất.
Tài liệu tham khảo:
1. Nguyễn Công Thắng, Nguyễn Văn Tuấn, Phạm Hữu Hanh, Nguyễn Trọng Lâm (2013). Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng Silica Fume và tro bay sẵn có ở Việt Nam.Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, 7(1), 83-92.
2. Đỗ Quang Minh, Trần Bá Việt (2009). Công nghệ sản xuất xi măng Pooc Lăng và các chất kết dính vô cơ. NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
3. Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Ngọc Long, Nguyễn Đức Thị Thu Định (2004). Phụ gia và hóa chất dùng cho bê tông. NXB Xây dựng, Hà Nội.
4. Phạm Duy Hữu, Nguyễn Long (2004). Giáo trình Bê tông cường độ cao. NXB Xây dựng, Hà Nội.
5. Trần Bá Việt, U.H.S. (2014). Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép và tro trấu đến bê tông cường độ siêu cao - Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, số 1, 116-118.
6. Ramachandran V. S. (1995). Concrete admixtures handbook: Properties, Science, and Technology. USA: Noyes Publications.
7. Park J., G. Ryu, S. Kang and S. Kim (2008). The influence of the amount of silica fume on the mechanical property of ultra-high performance concrete. Key Engineering Materials, 385-387, 701-704.
8. Duval, R. and E.H. Kadri (1998). Influence of silica fume on the workability and the compressive strength of high-performance concretes. Cement and Concrete Research, 28, 533-547.
9. Koksal F., F. Altun, I. Yigit and Y. Sahin (2008). Combined effect of silica fume and steel fiber on the mechanical properties of high strength concretes. Construction and Building Materials, 22, 1874-1880.
10. ASTM C 1240-05 (2005). Standard Specification for Silica Fume Used in Cementitious Mixtures. American Society for Testing and Materials Standard Practice, Philadelphia, Pennsylvania, USA.
4. Kết luận
Đề tài nghiên cứu đã đưa ra hàm lượng sử dụng các nguyên liệu chất thải môi trường cấp phối dùng 15% xỉ lò cao, 20% Silica Fume, 10% tro bay để thay thế cho xi măng cho cường độ nén ở 28 ngày là 121,9 MPa, độ rỗng là 4,78%, khối lượng thể tích 2,39 g/cm³. Khi sử dụng vật liệu môi trường là phế thải của các ngành công nghiệp nặng (tro bay, xỉ lò cao, silica fume) làm bê tông có độ đặc chắc cao, giảm lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông do các hạt điền đầy giữa các hạt có kích thước từ nhỏ đến lớn. Bê tông sử dụng góp phần giảm ô nhiễm môi trường, tận dụng phế thải của ngành công nghiệp để làm nguyên liệu sản xuất.
Tài liệu tham khảo:
1. Nguyễn Công Thắng, Nguyễn Văn Tuấn, Phạm Hữu Hanh, Nguyễn Trọng Lâm (2013). Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng Silica Fume và tro bay sẵn có ở Việt Nam.Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, 7(1), 83-92.
2. Đỗ Quang Minh, Trần Bá Việt (2009). Công nghệ sản xuất xi măng Pooc Lăng và các chất kết dính vô cơ. NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
3. Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Ngọc Long, Nguyễn Đức Thị Thu Định (2004). Phụ gia và hóa chất dùng cho bê tông. NXB Xây dựng, Hà Nội.
4. Phạm Duy Hữu, Nguyễn Long (2004). Giáo trình Bê tông cường độ cao. NXB Xây dựng, Hà Nội.
5. Trần Bá Việt, U.H.S. (2014). Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép và tro trấu đến bê tông cường độ siêu cao - Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, số 1, 116-118.
6. Ramachandran V. S. (1995). Concrete admixtures handbook: Properties, Science, and Technology. USA: Noyes Publications.
7. Park J., G. Ryu, S. Kang and S. Kim (2008). The influence of the amount of silica fume on the mechanical property of ultra-high performance concrete. Key Engineering Materials, 385-387, 701-704.
8. Duval, R. and E.H. Kadri (1998). Influence of silica fume on the workability and the compressive strength of high-performance concretes. Cement and Concrete Research, 28, 533-547.
9. Koksal F., F. Altun, I. Yigit and Y. Sahin (2008). Combined effect of silica fume and steel fiber on the mechanical properties of high strength concretes. Construction and Building Materials, 22, 1874-1880.
10. ASTM C 1240-05 (2005). Standard Specification for Silica Fume Used in Cementitious Mixtures. American Society for Testing and Materials Standard Practice, Philadelphia, Pennsylvania, USA.
VLXD.org (TH/ TC Công thương)
