Quá trình thủy hóa và hình thành cấu trúc bê tông và bê tông tự lèn trong giai đoạn đóng rắn

1. Đặt vấn đề

Quá trình thủy hóa và phát triển cấu trúc bê tông diễn ra mạnh nhất ở thời gian đầu sau khi đổ bê tông và giảm dần theo thời gian. Trong một số điều kiện nhất định, thủy hóa có thể tiếp tục sau nhiều năm. Bài viết sẽ phân tích sâu về quá trình thủy hóa, hình thành cấu trúc bê tông và bê tông tự lèn trong giai đoạn đóng rắn.

2. Quá trình thủy hóa và hình thành cấu trúc ban đầu của bê tông

Quá trình thủy hóa là phản ứng của các thành phần xi măng với nước, dẫn đến các thay đổi trong cả hóa học và cơ lý, đặc biệt với quá trình đông kết và đóng rắn [7]. Cơ sở của sự đóng rắn các chất kết dính là sự thủy hóa các thành phần khoáng có trong chất kết dính để tạo nên các sản phẩm thủy hóa dưới dạng hạt mịn có kích thước thể keo. Song song với quá trình thủy hóa là quá trình hình thành cấu trúc đá xi măng, theo [9], nhân tố quan trọng ảnh hưởng tới cả 2 quá trình này là lượng nước có sẵn trong hỗn hợp, dạng liên kết của nước với pha rắn và các chất mới tạo thành khi thủy hóa.

2.1. Quá trình thủy hóa của các khoáng clinker trong xi măng

Theo [3, 5] phản ứng thủy hóa giữa 4 khoáng quan trọng nhất của xi măng và nước được mô tả theo các phương trình từ (1.1) đến (1.6). Các khoáng C₃S và C₂S thường không ổn định khi tiếp xúc với nước nên phản ứng theo phương trình (1.1) và (1.2). Quá trình thủy hóa C2S và C₃S đều tạo ra sản phẩm thủy hóa với các tính chất tương tự. Tuy nhiên, phản ứng của C₂S diễn ra chậm hơn và tạo ra ít nhiệt hơn nên đóng góp vào sự phát triển cường độ của hồ xi măng ở giai đoạn sau hơn là ở giai đoạn đầu như khoáng C₃S. Sản phẩm thủy hóa của C₃S gồm 61% C₃S₂H₃ (calcium silicate hydrate - CSH) và 39% là CH (calcium hydroxide - CH), sản phẩm thủy hóa của C₂S gồm 82% CSH & 18% CH (% khối lượng).

Khoáng CSH có cấu trúc vô định hình, chiếm 50 - 60% tổng thể tích của các chất rắn trong xi măng thủy hóa, tạo thành các liên kết liên tục và là thành phần tạo ra sự phát triển cường độ cho hồ xi măng. Trong khi CH có dạng tinh thể, lục giác đan xen vào khoảng trống của CSH không tạo thành các kết nối với các pha rắn khác. Do đó không đóng góp nhiều vào cường độ tổng thể của hồ xi măng cũng như bê tông. Ở giai đoạn đầu, xảy ra quá trình tác dụng nhanh của khoáng alit với nước tạo ra hydrosilicat canxi & hydroxit canxi:
 

2(3CaO.SiO₂) + 6H₂O → 3CaO.2SiO₂.3H₂O + 3Ca(OH)₂         (1.1)

Vì đã có hydroxit canxi tách ra từ khoáng alit nên khoáng belit thủy hóa chậm hơn alit và tách ra ít Ca(OH)₂ hơn:
 

2(2CaO.SiO₂) + 4H₂O → 3CaO.2SiO₂.3H2O + Ca(OH)₂              (1.2)

Khoáng C₃A (aluminat tricanxi) phản ứng với nước rất nhanh và mạnh, do đó nhanh chóng gây ra sự phát triển về nhiệt. Quá trình phản ứng được làm chậm lại bằng cách bổ sung thạch cao. Khi CaSO₄ xuất hiện (1.3), các khoáng ettringite cũng được hình thành và bắt đầu tham gia vào sự phát triển cường độ của xi măng. Đó là lý do thạch cao được thêm vào trong xi măng để tạo ra ettringite. Sunfat canxi sẽ đóng vai trò là chất hoạt động hóa học của xi măng, tác dụng với C₃A ngay từ đầu để tạo thành sulfoaluminat canxi ngậm nước (khoáng ettringite).

Khi có đủ thạch cao: 3CaO. Al₂O₃­ + 3CaSO₄­­.2H₂O + 26H₂O → 3CaO.Al₂O₃.3CaSO₄.32H₂O+3CaS         (1.3)

Khi không có thạch cao: 3CaO. Al₂O₃ + 6H₂O → 3CaO.Al₂O₃.6H₂O       (1.4)

C₃A sẽ tiếp tục phản ứng với thạch cao cho đến khi tất cả các thạch cao được sử dụng hết, sau đó C₃A sẽ bắt đầu phản ứng với Ettringite để tạo thành Monosulfate:
 

3CaO.Al₂O₃.3CaSO₄.32H₂O + 2(3CaO.Al₂O₃) + 4H₂O → 3CaO.Al₂O₃.CaSO₄.12H       (1.5)
 

Thủy hóa khoáng C₄AF: 4CaO.Al₂O₃.Fe₂O₃ + 2Ca(OH)₂ + 10H₂O → 3CaO.Al₂O₃.6H₂O + 3CaO.Fe₂O₃.6H₂O     (1.6)                                                                             
2.2. Quá trình hoạt động của phụ gia khoáng mịn hoạt tính (silica fume, tro bay, xỉ lò cao) với xi măng và nước
 

XM+ H₂O → CSH + CH (không bền H₂O) (phản ứng thủy hóa)        (1.7)

SiO₂ + CH+ H₂O → CSH (bền H₂O) (phản ứng pozzolanic)              (1.8)

3. Quá trình đóng rắn và phát triển cường độ của bê tông tự lèn

Về cơ bản, quá trình đóng rắn và phát triển cường độ của BTTL tương tự như của bê tông truyền thống nhưng khác nhau ở thời gian và tốc độ diễn ra.

3.1. Các giai đoạn của quá trình đóng rắn bê tông tự lèn

- Giai đoạn hòa tan: Diễn ra khoảng 1 - 3h sau khi trộn xi măng với nước, các thành phần khoáng clinker sẽ tác dụng với nước ngay trên bề mặt hạt xi măng. Những sản phẩm mới (Ca(OH)₂; 3CaO.Al₂O₃.6H₂O) sẽ tan ra, nhưng vì độ tan không lớn và lượng nước có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên quá bão hòa.

- Giai đoạn hình thành cấu trúc đông tụ: Các phản ứng hóa học tiếp tục xảy ra và liên tục tạo thành các chất mới, dung dịch nhanh chóng trở nên quá bão hòa. Nước tiếp tục mất đi, các sản phẩm mới càng nhiều, chúng liên kết lại với nhau thành tinh thể và dần chuyển sang thể liên tinh làm cho cả hệ thống hóa cứng, hình thành cường độ của xi măng, bắt đầu quá trình đóng rắn của bê tông.

-  Giai đoạn hình thành cấu trúc ban đầu: Quá trình phát triển tinh thể tiếp tục làm cho cường độ bê tông tăng lên nhanh chóng. Khi đó cấu trúc ban đầu của bê tông vẫn tiếp tục hình thành, cường độ bê tông tiếp tục phát triển rất nhanh nhưng vẫn chịu tác động của các quá trình vật lý xảy ra đồng thời (sự mất nước, biến dạng mềm, sự hình thành các vết nứt bên trong bê tông, thay đổi cấu trúc rỗng…) làm cấu trúc ban đầu của bê tông bị thay đổi. Khi đạt được cường độ ban đầu từ 3 - 5 daN/cm², tùy theo tỷ lệ N/X, bê tông sẽ được coi là hình thành cấu trúc ban đầu (cường độ ban đầu). Theo [1], đối với khí hậu nóng ẩm ở Việt Nam, tùy theo từng vùng, thời gian cần thiết để bê tông đạt được cường độ ban đầu có thể khác nhau: vùng A, (mùa hè) & các vùng B, có (các mùa) từ 2,5 - 5h; vùng A (mùa đông) từ 5 - 10h. Kết thúc giai đoạn này là kết thúc quá trình bảo dưỡng ban đầu. Lúc này bê tông đủ khả năng giữ nguyên cấu trúc không bị thay đổi dưới tác động của các quá trình vật lý.

- Giai đoạn hình thành cấu trúc đóng rắn: Ở giai đoạn này, bê tông tiếp tục phát triển cường độ. Trong giai đoạn này, bê tông cần được dưỡng ẩm liên tục cho đến khi đạt được cường độ nhất định R_th^BD sẽ có cấu trúc tốt, có khả năng giữ nước, không cần tưới nước bảo dưỡng.Trong giai đoạn này, cường độ bê tông tiếp tục gia tăng nhanh nhờ sự tiếp tục thủy hóa phần xi măng chưa kịp thủy hóa ở các giai đoạn trước, các sản phẩm thủy hóa sẽ bồi đắp cho các lỗ rỗng trong bê tông làm cho thành phần rỗng giảm đi. Giai đoạn hình thành cấu trúc đóng rắn quyết định thời gian bảo dưỡng cần thiết cho bê tông.

- Giai đoạn phát triển cường độ: Bê tông tiếp tục phát triển cường độ và kéo dài trong nhiều năm tiếp theo, trong giai đoạn này bê tông có biến dạng cứng.

3.2. Các sản phẩm tạo ra trong quá trình đóng rắn bê tông tự lèn

Các sản phẩm chính hình thành trong quá trình đóng rắn của hồ xi măng bao gồm: khối rắn canxihydrat, gel xi măng, xi măng không thủy hóa và các lỗ rỗng [7].

- Gel xi măng được tạo thành bởi các phản ứng thủy hóa được mô tả như một khối keo kết dính, sản phẩm tạo ra ban đầu của quá trình thủy hóa này là thành phần quan trọng của quá trình đóng rắn xi măng.

- Lỗ rỗng hình thành trong quá trình đóng rắn gồm 2 loại: lỗ mao quản và lỗ gel. Lỗ mao quản là độ rỗng giữa các hạt xi măng thủy hóa, tùy thuộc vào mức độ thủy hóa, sự tách biệt ban đầu của hạt xi măng mà các lỗ mao quản có thể được kết nối với nhau. Lỗ gel xuất hiện dưới dạng các khe kẽ trong các khối gel xi măng, lỗ gel có đường kính rất nhỏ, khoảng 3nm, trong khi lỗ mao quản có đường kính lớn hơn 1 - 2 lần đường kính các lỗ gel [7]. Các lỗ mao quản và lỗ gel được lấp đầy nước khi ở trạng thái bão hòa. Khi tiếp xúc với điều kiện sấy khô, nước trong các mao quản và gel bay hơi tạo thành các lỗ rỗng.

4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa và đóng rắn bê tông tự lèn

4.1. Ảnh hưởng của xi măng

Xi măng chứa nhiều hơn các thành phần khoáng C₃A, C₃S sẽ thủy hóa và đạt cường độ nhanh hơn; thành phần C₂S ảnh hưởng cường độ về sau của bê tông; thành phần C₄AF ít ảnh hưởng hơn đến cường độ bê tông [7].

4.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ N/X và lượng nước dùng

Mức độ thủy hóa xi măng phụ thuộc lớn vào tỷ lệ N/X ban đầu. Đối với bê tông truyền thống (N/X > 0,45), lượng nước trộn là dư thừa cho phản ứng thủy hóa và puzzolanic. Tuy nhiên, đối với BTTL là loại bê tông có tỷ lệ N/X nhỏ, cùng với quá trình tự khô bê tông, dẫn đến nước không đủ cho phản ứng thủy hóa. Có thể khắc phục được xu hướng tự khô của bê tông có tỷ lệ N/X thấp bằng cách cung cấp thêm nước bên ngoài cho phản ứng thủy hóa. Tuy nhiên, đối với bê tông có tỷ lệ N/X thấp, việc cung cấp ẩm từ bên ngoài vào trong (qua bề mặt bê tông) là không khả thi, do sự không liên tục của các mao quản. Bê tông có tỷ lệ N/X thấp, có thể bảo dưỡng trong môi trường ẩm ướt, nước hấp thụ không đủ để tránh hiện tượng tự khô [8]. Theo [7] hiện tượng tự khô sẽ không xảy ra khi lượng nước ban đầu đủ lớn và có biện pháp chống bay hơi nước của bê tông. Tốc độ thủy hóa sẽ chậm lại khi độ ẩm trong bê tông giảm xuống dưới 80% và sẽ không đáng kể khi độ ẩm giảm xuống dưới 30%. Đối với bê tông có tỷ lệ N/X thấp, thủy hóa hoàn toàn xi măng là rất khó, sản phẩm thủy hóa sẽ bao gồm cả các hạt xi măng chưa thủy hóa.

4.3. Ảnh hưởng của các thành phần phụ gia khoáng hoạt tính

Các phụ gia khoáng hoạt tính puzzolan như tro bay, muội silic, xỉ lò cao, bột đá vôi có ảnh hưởng nhất định đến thời gian và tốc độ thủy hoá xi măng của BTTL ở các mức độ khác nhau tùy thuộc vào các yếu tố công nghệ và khí hậu, do đó sẽ ảnh hưởng đến thời điểm và thời gian bảo dưỡng bê tông.

- Tro bay có tốc độ thủy hóa chậm hơn xi măng, theo [7] khi sử dụng tro bay với hàm lượng 25% trong thành phần, thời gian bảo dưỡng của bê tông dài hơn gần 2 lần so với bê tông không sử dụng tro bay. Các sản phẩm thủy hóa sẽ làm đầy các lỗ mao quản và do đó làm tăng cường độ của hồ xi măng cũng như chống lại sự xâm nhập và ăn mòn của các tác nhân xâm thực. Tùy thuộc vào hàm lượng tro bay, bê tông chứa tro bay có thể cần từ 28 - 90 ngày để vượt mức cường độ ở tuổi 28 ngày của bê tông đối chứng [3, 7]. Việc bổ sung tro bay có thể làm giảm cường độ nén ở giai đoạn đầu, tuy nhiên không ảnh hưởng cường độ về lâu dài của bê tông. BTTL có hàm lượng hạt mịn cao nên để hạn chế nứt thì quá trình bảo dưỡng phải dài hơn hoặc nhiệt độ bảo dưỡng  phải cao hơn so với bê tông thông thường [7].

- Muội silic sử dụng với liều lượng hợp lý, dưới 15%, có tác dụng tăng tốc độ phản ứng C₃S, nên đẩy nhanh phát triển cường độ ban đầu của bê tông. Điều này có ý nghĩa có thể rút ngắn thời gian bảo dưỡng ban đầu của bê tông. Hạt muội silic hình cầu kích thước nhỏ hơn rất nhiều hạt xi măng, phân tán các hạt xi măng, làm cho hạt xi măng ít bị vón cục, và tỷ lệ hạt xi măng được thủy hóa nhiều hơn, làm giảm đáng kể độ rỗng trong kết cấu bê tông, kích thước lỗ rỗng mịn hơn, đặc biệt trong bê tông tự lèn có tỷ lệ N/X thấp [7]. Tuy nhiên, bê tông sử dụng muội silic dễ bị nứt do biến dạng mềm nên thời điểm bảo dưỡng ban đầu sau khi đổ bê tông có thể phải bắt đầu nhanh hơn [10].

- Bột đá vôi có tác dụng đẩy nhanh tốc độ thủy hóa của clinker xi măng ở tuổi sớm, độ đặc chắc được cải thiện do sự phát triển của các khoảng CH do các mầm tinh thể mới và sự hình thành 3CaO.Al₂O₃.3CaCO₃.32H₂O do phản ứng giữa CaCO₃ của đá vôi và khoáng C₃A của clinker Portland [3].

4.4. Ảnh hưởng của phụ gia siêu dẻo

Các phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate hấp thụ trên hạt xi măng tạo thành các màng, dưới tác động của màng kết hợp với các lực đẩy tĩnh điện làm cho các hạt xi măng có phân tán mạnh, va đập lẫn nhau có xu hướng làm chậm quá trình thủy hóa của xi măng. Điều này phù hợp với nhận định của Ouchi và các cộng sự: BTTL sử dụng có phụ gia siêu dẻo nên thời gian đông kết bị kéo dài, do đó thời gian bảo dưỡng thường dài hơn so với bê tông truyền thống [7]. Ảnh hưởng của phụ gia siêu dẻo còn có tác dụng tạo ra độ đặc chắc cho cấu trúc lỗ rỗng, số các lỗ rỗng nhỏ hơn 100nm tăng, trong khi số lượng các lỗ rỗng lớn giảm đáng kể [3].

4.5. Ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ

Nhiệt độ đóng rắn ảnh hưởng đến tốc độ thủy hóa của xi măng và phản ứng có puzzolanic, do đó ảnh hưởng đến sự phát triển cường độ của bê tông. Từ đó, thời gian bảo dưỡng bê tông sẽ phải điều chỉnh cho thích hợp. Tốc độ thủy hoá tăng lên theo nhiệt độ của hỗn hợp (dưới sự tác động của nhiệt độ môi trường). Nhiệt độ dưới 10^oC (50 độ F) là không phù hợp để bê tông phát triển cường độ ở giai đoạn đầu; nhiệt độ dưới 4^oC (40 độ F) sự phát triển cường độ bị kìm hãm; ở mức hoặc dưới mức âm độ, xuống đến -10^oC (14 độ F) thì không có sự phát triển về cường độ. Tuy nhiên, khi nhiệt độ môi trường trên 35^oC có thể gây bất lợi cho sự thủy hóa của xi măng, liên quan đến vấn đề mất nước.

Đồng thời nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến vai trò của silica fume, khi nhiệt độ tăng, tác động của silica fume đến sự phát triển sớm cường độ bê tông tăng [7]. Ngoài ra, khi nhiệt độ bê tông trên 35^oC, sẽ đẩy nhanh tốc độ thủy hóa của tro bay và xỉ lò cao [11].

4.6. Ảnh hưởng của quá trình thủy hóa đến cấu trúc lỗ rỗng bê tông

Hồ xi măng đóng rắn bao gồm gel xi măng, lỗ rỗng (mao quản) và xi măng chưa thủy hóa. Chất lượng quá trình thủy hóa của xi măng và phương pháp bảo dưỡng quyết định cấu trúc lỗ rỗng của bê tông. Sự liên tục của các mao quản bên trong bê tông phụ thuộc vào mức độ thủy hóa của xi măng, đối với bê tông có tỷ lệ N/X thấp, các lỗ mao quản trở nên không liên tục sau một vài ngày thủy hóa. Sự gián đoạn và không đồng hướng của các mao quản trong bê tông có tác dụng giảm tính thấm của bê tông nhưng điều đó lại giảm hiệu quả của các phương pháp bảo dưỡng cung cấp ẩm cho bê tông.

Theo [7] khi thủy hóa xảy ra hoàn toàn có thể đủ gel xi măng để lấp đầy và cô lập các lỗ mao quản, làm cho các mao quản không liên tục, điều này có thể đạt được khi đủ thời gian dưỡng ẩm bê tông. Thời gian dưỡng ẩm bê tông phụ thuộc vào tỷ lệ N/X, đối với bê tông có N/X cao thì mức độ thủy hóa phải lớn hơn, để gián đoạn các lỗ rỗng mao quản bên trong bê tông.

VLXD.org (TH/ TC Công thương)