1. Tổng quan về bê tông chất lượng siêu cao
Bê
tông chất lượng siêu cao (BTCLSC) là loại
bê tông có độ chảy cao, cường
độ nén rất cao (thường lớn hơn 150 MPa), cường độ uốn lớn (khi sử dụng
cốt sợi), độ thấm thấp và độ bền cao. Sự ra đời của
bê tông chất lượng
siêu cao đã đánh dấu một bước ngoặt trong công nghệ bê tông với các tính
chất đặc biệt về cường độ, độ bền, và độ ổn định thể tích. Các nghiên
cứu phát triển và ứng dụng loại bê tông này được bắt đầu từ năm 1980 của
thế kỷ 20 và kể từ đó loại bê tông này đã được áp dụng ở một số nước
phát triển như dùng cho các cấu kiện đúc sẵn, dùng để chế tạo các dầm
cầu đúc sẵn, các tấm lát mặt cầu, chế tạo các silo.., hoặc dùng tại chỗ
để sửa chữa các
kết cấu đã bị hỏng, dùng cho các cột chịu tải trọng lớn,
dùng cho các bể chứa
phế thải hạt nhân...
Bảo tàng châu Âu và Địa Trung Hải - công trình sử dụng bê tông chất lượng siêu cao Vật liệu để chế tạo BTCLSC thông thường bao gồm cát quắc với kích thước
khoảng 100-600µm,
xi măng, silica fume, nước và
phụ gia siêu dẻo. Tuy
nhiên, xét theo khía cạnh nguyên vật liệu cấu thành thì loại bê tông này
có nhược điểm cơ bản đó là khi chế tạo cần phải sử dụng một lượng lớn
silica fume, đây là một sản phẩm có giá thành cao. Điều này đã hạn chế
việc sử dụng silica fume trong chế tạo BTCLSC đồng thời cũng là động lực
cho việc tìm kiếm
vật liệu với tính năng tương tự silica fume để thay
thế loại vật liệu này. Trong số
phụ gia khoáng dùng cho bê tông thì tro
trấu được đánh giá là phù hợp để thay thế silica fume trong BTCLSC.
Xét
trên khía cạnh tính chất kỹ thuật, tro trấu có cấu trúc hạt rỗng xốp vì
vậy khi sử dụng với hàm lượng lớn sẽ làm giảm tính công tác, tăng hàm
lượng phụ gia siêu dẻo. Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng phụ gia khoáng
để khắc phục nhược điểm này có ý nghĩa rất lớn, trong số các phụ gia
khoáng thì tro trấu là có triển vọng để thay thế xi măng trong BTCLSC,
với hiệu quả đạt được về kỹ thuật, về kinh tế và môi trường. Xét về mặt
kỹ thuật, tro bay có thành phần hoá học với tổng hàm lượng các ôxyt
(Si¬O2+ Al2O3+ Fe2O3) lớn hơn 70% (tro bay loại F theo ASTM C618). Các
oxyt hoạt tính này có khả năng phản ứng với sản phẩm thuỷ hoá của xi
măng (phản ứng pozơlanic) tạo ra các sản phẩm dạng CSH có cường độ cao,
bền với môi trường hơn, đặc biệt tăng khả năng chống ăn mòn cho bê tông.
Bên cạnh đó, với hình dạng đặc trưng là các hạt hình cầu, mịn (đường
kính hạt trung bình khoảng 9-15μm) nên việc sử dụng tro bay sẽ làm tăng
tính dẻo cho hỗn hợp bê tông, giảm lượng nước nhào trộn, tăng độ đặc cho
bê tông, sẽ làm tăng cường độ cũng như khả năng chống thấm của bê tông.
Xét về mặt kinh tế - môi trường, theo thống kê, hàng năm ước tính các
nhà máy nhiệt điện trên cả nước thải ra khoảng 2.3 triệu tấn tro bay,
đến năm 2015 sẽ là 5 triệu tấn/năm, điều này sẽ ảnh hưởng rất lớn đến
môi trường. Việc nghiên cứu sử dụng tro bay làm phụ gia khoáng sử dụng
trong BTCLSC vừa góp phần làm giảm giá thành cho sản phẩm bê tông, giảm ô
nhiễm môi trường, góp phần vào mục tiêu phát triển xây dựng bền vững
đồng thời vẫn đảm bảo các tính chất kỹ thuật của BTCLSC.
Bài báo
này trình bày kết quả nghiên cứu về sự ảnh hưởng của việc sử dụng hỗn
hợp tro trấu và tro bay đến một số tính chất cơ lý của hỗn hợp bê tông
và bê tông ở các điều kiện dưỡng hộ khác nhau. Trong đó, tro trấu được
sử dụng với các hàm lượng khác nhau, từ 10-20% và tro bay được sử dụng
với hàm lượng từ 10-30% theo khối lượng chất kết dính (CKD), gồm xi
măng, tro trấu và tro bay. Điều kiện bảo dưỡng mẫu được thực hiện ở 2
môi trường là dưỡng hộ tiêu chuẩn và dưỡng hộ nhiệt ẩm cao.
2. Vật liệu chế tạo và phương pháp nghiên cứu2.1. Vật liệu chế tạoVật
liệu được dùng trong nghiên cứu bao gồm xi măng Pooclăng PC40, với
đường kính hạt trung bình khoảng 11.4μm. Tro trấu (RHA) có đường kính
hạt trung bình khoảng 7.9μm. Cốt liệu sử dụng là cát quắc có đườngkính
cỡ hạt lớn nhất là 600μm. Tro bay (FA) sử dụng trong nghiên cứu có đường
kính cỡ hạt trung bình khoảng 5.83µm. Phụ gia siêu dẻo (PGSD) sử dụng
có gốc polycarboxylate.
Thành phần hạt của các vật liệu được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ laze và được thể hiện ở Hình 1.
Hình 1: Thành phần hạt của vật liệu sử dụng
2.2. Phương pháp thực nghiệm
Tính
công tác của hỗn hợp bê tông được xác định thông qua giá trị
đường kính trung bình của độ chảy loang theo tiêu chuẩn BS
4551-1:1998. Trong nghiên cứu này giá trị đường kính trung bình độ
chảy loang của hỗn hợp bê tông được điều chỉnh nằm trong khoảng
210-230mm.
Trong bê tông chất lượng siêu cao, việc xác định
cường độ nén theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN3118-1993) với kích
thước mẫu 150×150×150 mm3 là rất khó bởi vì cường độ nén của bê
tông rất cao. Một số nghiên cứu đã khẳng định rằng, ảnh hưởng
của kích thước khuôn đến cường độ nén của bê tông chất lượng
siêu cao là không đáng kể. Do vậy, trong nghiên cứu này cường độ
nén của bê tông được xác định với mẫu có kích thước 40×40×40
mm3.
Độ co được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C490, mẫu được xác định có kích thước 25×25×285 mm xác định đến 90 ngày
3. Thiết kế thành phần và quy trình thí nghiệm bê tông chất lượng siêu cao
3.1. Thiết kế thành phần hạt cốt liệu
Tối
ưu hóa thành phần hạt là một trong những khâu then chốt của
việc thiết kế cấp phối hỗn hợp BTCLSC. Tối ưu hóa hỗn hợp hạt
trong nghiên cứu này được tính toán dựa theo phương pháp do de
Larrard và Sedran đề xuất,trong đó hệ số nén của hỗn hợp hạt
được lựa chọn giá trị là 12.5. Đối với hệ hỗn hợp hạt bốn cấu tử
gồm cát - xi măng - RHA- FA, lượng RHA được cố định là 10% khối lượng
chất kết dính (CKD); lượng FA sẽ thay thế lượng dùng xi măng tương ứng
(từ 0-40%). Khi đó CKD sẽ bao gồm xi măng, RHA và FA. Như vậy, thành
phần hạt ở đây được xem xét như là hệ hai cấu tử gồm cát và
CKD.
Hình 2: Độ nén chặt của hỗn hợp hạt gồm các cấu tử cát - xi măng - RHA - FA, trong đó CKD = xi măng + RHA + FA; PGK = RHA + FA
Quan
hệ giữa độ lèn chặt của hỗn hợp với tỷ lệ của vật liệu thành phần được
thể hiện ở Hình 2. Qua kết quả thí nghiệm cho thấy, độ lèn chặt lớn nhất
đạt được khi hàm lượng RHA khoảng 10% và hàm lượng FA khoảng 20% so với
tổng khối lượng CKD. Như vậy, dựa trên kết quả tính toán thì lượng tối
ưu được xác định với tỷ lệ Cát/(Cát + CKD) khoảng 0.5 theo khối
lượng.
3.2. Cấp phối bê tông chất lượng siêu cao
Sau
khi thiết kế tối ưu hóa thành phần hạt, đề tài xác định được các tỷ lệ
hợp lý của hỗn bê tông. Trên cơ sở phương pháp thể tích tuyệt đối tính
toán thành phần bê tông, trong đó tỷ lệ N/CKD lấy cố định là 0.18
đề tài xác định thành phần hỗn hợp cấp phối được sử dụng trong nghiên
cứu thể hiện trên bảng 1như sau:
Bảng 1: Cấp phối bê tông chất lượng siêu cao sủ dụng trong phân phối
STT
|
Khối lượng CKD tính cho 1 m3 bê tông, (kg)
|
N/CKD (theo khối lượng)
|
Cát/CKD (theo khối lượng)
|
RHA, %
(theo khối lượng của CKD)
|
FA, %
(theo khối lượng của CKD)
|
PGSD, % (theo khối lượng của CKD)
|
1
|
1141
|
0.18
|
1
|
0
|
0
|
1.2
|
2
|
1121
|
0.18
|
1
|
10
|
0
|
1.2
|
3
|
1101
|
0.18
|
1
|
20
|
0
|
1.3
|
4
|
1082
|
0.18
|
1
|
30
|
0
|
1.7
|
5
|
1109
|
0.18
|
1
|
10
|
10
|
1.0
|
6
|
1097
|
0.18
|
1
|
10
|
20
|
0.9
|
7
|
1085
|
0.18
|
1
|
10
|
30
|
0.8
|
3.3. Quy trình thí nghiệm
Máy
trộn sử dụng trong nghiên cứu là máy trộn Habart có dung tích 20
lít. Quy trình trộn hỗn hợp bê tông có thể thấy ở Hình 3.
Hình 3: Quy trình trộn bê tông chất lượng siêu cao
Cường
độ nén của bê tông được xác định ở các tuổi 3, 7, 28, và 90 ngày, trên
các mẫu có kích thước 40mm´40mm´40mm. Mẫu được dưỡng hộ ở điều kiện tiêu
chuẩn (nhiệt độ 27±2oC trong thời gian 24±3h), mẫu được tháo ra khỏi
khuôn và chia làm 2 nhóm tiếp tục dưỡng hộ trong 2 môi trường khác nhau:
(1) Tiếp tục dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn (́27±2oC, RH>98%).
(2) Dưỡng hộ 02 ngày ở điều kiện nhiệt ẩm (90±2oC) sau đó tiếp tục dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn (́27±2oC, RH>98%).
Độ co của bê tông được xác định trên mẫu có kích thước 25×25×285 mm Thí nghiệm này được xác định đến tuổi 90 ngày.
4. Kết quả và bàn luận
4.1. Tính công tác của hỗn hợp bê tông
Lượng
dùng phụ gia siêu dẻo (PGSD) của hỗn hợp BTCLSC để đạt được giá trị
đường kính độ chảy loang trung bình từ 210 - 230 mm được thể hiện ở Hình
4. Qua kết quả ta thấy, khi sử dụng FA thay thế xi măng 10 - 40% thì
tính công tác của hỗn hợp bê tông tăng. Sự cải thiện tính công tác của
hỗn hợp bê tông khi có mặt tro bay có thể giải thích, do các hạt tro bay
với hình dạng đặc trưng là các hạt hình cầu, mịn (đường kính hạt trung
bình khoảng 7 μm) nên việc sử dụng tro bay sẽ cải thiện tính công tác
của hỗn hợp bê tông (hiệu ứng ổ bi – Ball bearing effect), làm tăng tính
dẻo cho hỗn hợp bê tông, giảm lượng nước nhào trộn. Theo Hawkins cho
rằng trong hỗn hợp bê tông có phụ gia siêu dẻo và tỷ lệ N/CKD thấp, các
hạt FA siêu mịn chiếm chỗ của lượng nước lẽ ra nằm giữa các hạt xi măng
vón tụ, làm tăng lượng nước tự do trong hồ và do đó làm tăng độ lưu động
cho hỗn hợp bê tông.
Trường hợp khi thay thế tro trấu trong
BTCLSC thì khi hàm lượng tro trấu tăng thì tính công tác của hỗn hợp bê
tông giảm, đặc biệt khi thay thế đến 30% thì lượng phụ gia siêu dẻo tăng
rất nhiều để đạt được tính công tác của hỗn hợp bê tông. Điều này có
thể giải thích là do các hạt tro trấu có cấu trúc rỗng nên đã hút một
phần nước nhào trộn và làm giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông. Khi
sử dụng kết hợp giữa tro trấu với hàm lượng 10% kết hợp với tro bay sẽ
cải thiện đáng kể tính công tác cho hỗn hợp bê tông. Điều này là do hiệu
ứng tương hỗ giữa tro trấu và tro bay đó là các hạt tro bay sẽ hạn chế
một số hiệu ứng bất lợi của tro trấu đối với tính công tác của hỗn hợp
bê tông và có thể thấy rõ khi kết hợp 10% tro trấu với tro bay thì để
đạt được tính công tác theo yêu cầu lượng phụ gia siêu dẻo sử dụng trong
hỗn hợp bê tông giảm đáng kể (Hình 4).
Hình
4: Quan hệ giữa lượng phụ gia siêu dẻo và phụ gia khoáng theo khối
lượng chất kết dính, độ chảy từ 210 - 230 mm; N/CKD = 0,18 4.2. Ảnh hưởng của lượng dùng tro trấu đến cường độ nén của bê tông chất lượng siêu cao
Ảnh
hưởng của hàm lượng tro trấu tới sự phát triển cường độ nén của bê tông
theo thời gian thể hiện ở Hình 5. Ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn (t =
27±2oC), khi tăng hàm lượng tro trấu từ 10% đến 30% thì cường độ nén của
bê tông có xu hướng giảm, tuy nhiên vẫn cao hơn so với mẫu đối chứng.
Sự phát triển cường độ ở tuổi 28 ngày khá lớn, ở tuổi về sau tốc độ phát
triển cường độ chậm dần, đặc biệt là ở tuổi 90 ngày, kết quả này cao
hơn đáng kể so với mẫu không sử dụng phụ gia khoáng mịn. Với các mẫu
được dưỡng hộ trong điều kiện nhiệt ẩm (t = 90o±5oC), tốc độ phát triển
cường độ ở những ngày đầu tăng, nhưng tốc độ phát triển cường độ ở tuổi
dài ngày tăng không nhiều, chẳng hạn cường độ nén ở tuổi 90 ngày tăng
không nhiều so với tuổi 28 ngày. Khi hàm lượng tro trấu sử dụng tăng lên
từ 10% đến 30% thì cường độ nén của bê tông giảm, tương ứng với các
điều kiện dưỡng hộ.
Kết quả về ảnh hưởng của lượng tro trấu đến
cường độ nén của BTCLSC thể hiện ở Hình 5cho thấy, cường độ nén BTCLSC
sử dụng 10% tro trấu đạt giá trị lớn nhất ở cả chế độ dưỡng hộ tiêu
chuẩn và dưỡng hộ nhiệt ẩm, tương ứng là 155MPa và 154.4MPa. Tiếp tục
tăng hàm lượng tro trấu đến 30% thì cường độ nén của bê tông giảm.
Như
vậy, cường độ nén BTCLSC sử dụng 10% tro trấu đạt giá trị lớn nhất đối
với cả hai chế độ dưỡng hộ tiêu chuẩn và dưỡng hộ nhiệt ẩm cao.
Hình 5: Ảnh hưởng của hàm lượng tro trấu đến cường độ nén của bê tông chất lượng siêu cao N/CKD = 0,18 ; (a) 27±2oC, (b) 90±5oC
4.3. Ảnh hưởng của sự kết hợp giữa tro trấu và tro bay đến cường độ nén của bê tông chất lượng siêu cao
Ảnh
hưởng của hàm lượng tro trấu và tro bay đến hàm lượng PGSD sử dụng và
cường độ nén của BTCLSC thể hiện ở Hình 4và Hình 6. Qua kết quả thí
nghiệm ta thấy khi có sự kết hợp giữa tro trấu và tro bay hỗn hợp bê
tông có lượng dùng PGSD ít hơn so với khi dùng đơn phụ gia khoáng tro
trấu, đồng thời cường độ nén của bê tông cao hơn khi sử dụng đơn phụ gia
khoáng là tro bay với cùng hàm lượng.
Kết quả cho thấy cường độ
nén lớn nhất của tổ hợp này đạt được khi lượng dùng tro bay là 20%,
tương ứng giá trị cường độ nén của mẫu ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn
và nhiệt ẩm đạt được tại tuổi 28 ngày là 158 MPa và 161 MPa. Ở cả điều
kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn và nhiệt ẩm, khi lượng dùng tro bay là 10% và
20% thì cường độ nén của bê tông đều đạt lớn hơn 150 MPa. Như vậy, kể
đến lượng dùng cố định tro bay là 10% thì tổng lượng dùng của phụ gia
khoáng trong trường hợp này có thể nâng lên đến 30%, điều này mang lại ý
nghĩa rất lớn trong việc sử dụng phụ gia khoáng thay thế xi măng để chế
tạo BTCLSC. Tốc độ phát triển cường độ nén ở các tuổi khác nhau ở 2 chế
độ dưỡng hộ khác nhau thể hiện ở Hình 6. Kết quả thí nghiệm có thể thấy
rằng cường độ nén của BTCLSC ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn cũng giống
như quy luật phát triển cường độ của bê tông khi sử dụng đơn phụ gia
khoáng, nghĩa là khi sử dụng tro bay thì ở tuổi ban đầu cường độ nén cao
hơn so với mẫu đối chứng, cường độ bê tông tiếp tục tăng nhanh đến tuổi
28 ngày, tốc độ phát triển cường độ ở tuổi 90 ngày tiếp tục tăng nhưng
với tốc độ chậm hơn. Trong khi đó với điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm, cường
độ nén bê tông ở những ngày đầu tăng nhanh, và tăng không nhiều ở tuổi
28 và 90 ngày.
Hình 6: Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến sự phát triển cường độ nén của BTCLSC theo thời gian; RHA = 10%; N/CKD = 0.18, (a) 27±2oC, (b) 90±5oC 4.4. Độ co của bê tông chất lượng siêu cao
Thí
nghiệm đo co tự sinh của BTCLSC được thực hiện trên các mẫu có kích
thước 25´25´285 mm. Hình ảnh đo co được thể hiện ở hình 7
Hình 7: Sơ đồ và kết quả đo co của bê tông chất lượng siêu cao Từ
kết quả có thể thấy rằng việc sử dụng tro trấu và sự kết hợp giữa tro
trấu và tro bay đã cải thiện đáng kể độ co ngót của BTCLSC, hiệu quả của
quá trình này phụ thuộc vào hàm lượng thay thế, khi lượng tro trấu thay
thế tăng thì độ co của BTCLSC giảm, đồng thời sự kết hợp giữa tro trấu
và tro bay thì độ co cũng giảm, điều này có thể giải thích là trong
BTCLSC tỷ lệ N/CKD thấp và hàm lượng chất kết dính cao, quá trình tự làm
khô khi xảy ra phản ứng thủy hóa sẽ làm tăng độ co trong bê tông. Khi
bổ sung tro trấu và tro bay trong hỗn hợp BTCLSC do các hạt tro trấu và
tro bay có cấu trúc rỗng có khả năng hút một phần nước nhất định trong
cấu trúc bê tông, theo thời gian, quá trình thủy hóa xi măng sẽ làm giảm
lượng nước trong hỗn hợp đồng thời làm giảm độ ẩm tương đối trong bê
tông khi đó lượng nước trong hạt tro trấu và tro bay sẽ được hút ra
ngoài bù lại độ ẩm tương đố trong đá xi măng, từ đó sẽ làm giảm độ co
ngót trong bê tông.
5. Kết luận
Dựa trên các kết quả nghiên cứu đề tài đưa ra một số kết luận như sau:
- Hoàn toàn có thể sử dụng tro trấu và tro bay thay thế từng phần xi măng để chế tạo BTCLSC.
-
Việc sử dụng tro trấu thay thế xi măng sẽ làm tăng cường độ cho BTCLSC.
Lượng dùng 10% tro trấu thay thế xi măng là tối ưu để chế tạo BTCLSC,
khi đó cường độ nén cao nhất đạt được ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn và
dưỡng hộ nhiệt ẩm, tương ứng là 155MPa và 154.4MPa.
- Khi sử
dụng kết hợp tro trấu và tro bay sẽ cải thiện tính công tác của hỗn hợp
bê tông đồng thời làm tăng cường độ nén của BTCLSC. Tổng lượng dùng phụ
gia khoáng có thể thay thế xi măng đến 30% mà cường độ nén lớn nhất đạt
được là 158MPa và 161MPa tương ứng với chế độ bảo dưỡng tiêu chuẩn và
bảo dưỡng nhiệt ẩm cao.
- Việc sử dụng tro trấu sẽ làm giảm độ co
ngót trong bê tông chất lượng siêu cao, tùy thuộc vào hàm lượng thay
thế mà hiệu quả của quá trình này khác nhau. Việc kết hợp giữa tro trấu
và tro bay cũng làm giảm độ co ngót của bê tông chất lượng siêu cao.
Nguồn: Tạp chí VLXD