Giới thiệu Để chế tạo bê tông cường độ cao người ta thường sử dụng cốt liệu có chất lượng cao, cụ thể là cốt liệu có cấp phối hạt hợp lý, cốt liệu lớn có cường độ cao, ít tạp chất bụi,
Trang 1NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG
CỐT LIỆU CẤP PHỐI GIÁN ĐOẠN VỚI CÁT MỊN
ThS NGỌ VĂN TOẢN
Viện KHCN Xây dựng
Tóm tắt: Việt Nam có một nguồn cung cấp cát hạt thô dồi dào sử dụng trong bê tông nhưng do sự gia tăng
nhanh chóng của ngành công nghiệp xây dựng và để xây dựng các chính sách bền vững thì việc quan tâm đến nguồn cát mịn đã tăng lên Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu về bê tông cường độ cao bằng cách sử dụng cốt liệu cấp phối gián đoạn với cát mịn
1 Giới thiệu
Để chế tạo bê tông cường độ cao người ta thường sử dụng cốt liệu có chất lượng cao, cụ thể là cốt liệu có cấp phối hạt hợp lý, cốt liệu lớn có cường độ cao, ít tạp chất bụi, bùn, cốt liệu nhỏ là cát thô có mô đun độ lớn 2,6-3,5 [2] Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7570 : 2006 “Cốt liệu cho bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật” thì cát dùng cho bê tông và vữa được phân ra thành cát thô có mô đun độ lớn từ lớn hơn 2,0 đến 3,3 và cát mịn có
mô đun độ lớn từ 0,7 đến 2,0 Theo tiêu chuẩn này, cát mịn có thể được sử dụng để chế tạo bê tông cấp tới B25 Do đó cát mịn không đạt yêu cầu kỹ thuật để chế tạo bê tông cường độ cao
Đối với một hỗn hợp bê tông có tỷ lệ N/X và tính công tác nhất định thì việc sử dụng cát thô sẽ làm giảm được lượng dùng xi măng so với trường hợp dùng cát mịn Ngược lại, với một lượng dùng xi măng đã cho thì hỗn hợp bê tông sử dụng cát thô có thể đạt tính công tác yêu cầu với một lượng nước nhào trộn ít hơn, dẫn tới
tỷ lệ N/X thấp hơn nên cường độ của bê tông sẽ cao hơn
Cát mịn là cát có cỡ hạt hầu hết lọt qua sàng 1,25mm Việc phối hợp loại cát này với đá dăm sẽ dẫn tới hỗn hợp cốt liệu có cấp phối gián đoạn, do thiếu các cấp hạt từ 5 đến 1,25mm Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng hỗn hợp cốt liệu cấp phối gián đoạn với cát mịn để chế tạo bê tông chất lượng tốt Đặc điểm của bê tông cấp phối gián đoạn là nó có khối lượng thể tích lớn hơn so với bê tông cấp phối liên tục [10], cấp phối hạt tối ưu của hỗn hợp cốt liệu cấp phối gián đoạn còn phụ thuộc vào lượng hồ xi măng trong hỗn hợp
bê tông [7] Một đặc điểm khác là hỗn hợp này dễ lèn chặt hơn so với hỗn hợp bê tông cấp phối liên tục có cùng độ sụt [4] Ngoài ra do xu hướng dễ phân tầng nên hỗn hợp bê tông cấp phối gián đoạn thường được chế tạo với độ sụt thấp [8]
Bài báo này giới thiệu các kết quả nghiên cứu sơ bộ về bê tông cường độ cao sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng hoạt tính tro trấu – xỉ lò cao hạt hóa và cốt liệu cấp phối gián đoạn với cát mịn Phối hợp sử dụng xỉ lò cao với tro trấu trong bê tông cát mịn cường độ cao đặc biệt có lợi vì có thể thay thế một lượng khá lớn xi măng bằng hỗn hợp phụ gia khoáng mà không gây ảnh hưởng xấu tới tính công tác của hỗn hợp bê tông và cường
độ bê tông
2 Nguyên vật liệu sử dụng
Nguyên vật liệu sau đây đã được sử dụng
2.1 Xi măng
Xi măng sử dụng trong nghiên cứu là xi măng poóc lăng PC40 Bút Sơn Tính chất cơ lý của xi măng được đưa ra trong bảng 1
Bảng 1 Tính chất cơ lý của xi măng poóc lăng PC40 Bút Sơn
1 Khối lượng riêng, g/cm3 3,1
2 Độ mịn (lượng sót trên sàng 75m), % 5,0
3 Độ dẻo tiêu chuẩn, % 29,0
4 Độ ổn định thể tích, mm 1,0
Thời gian đông kết, phút
5
Cường độ, MPa
Ở tuổi 3 ngày Chịu nén 24,0
Chịu uốn 4,9
6
Ở tuổi 28 ngày
Chịu nén 50,2
2.2 Phụ gia khoáng
a Tro trấu
Tro trấu được chuẩn bị bằng cách đốt trấu và nghiền mịn tro thu được Quy trình chuẩn bị tro trấu được trình bày chi tiết trong tài liệu [1]
Tính chất kỹ thuật của tro trấu được nêu trong bảng 3 và hình 1, hình 2 và bảng 2
Trang 2Hình 1 Bi ểu đồ phân bố thành phần hạt của tro trấu
Hình 2 Bi ểu đồ nhiễu xạ Rơnghen XDR của tro trấu
Bảng 2 Thành phần hoá của tro trấu
SiO 2 Fe 2 O 3 Al 2 O 3 CaO Na 2 O K 2 O MgO MKN 86,98 0,73 0,84 1,40 0,11 2,46 0,57 5,14
Bảng 3 Một số tính chất kỹ thuật của tro trấu
Khối lượng riêng (g/cm3) Độ hút vôi (mg/g) Chỉ số hoạt tính với xi măng, (%)
b Xỉ lò cao hạt hóa
Thành phần hạt và thành phần hóa của xỉ lò cao thí nghiệm được trình bày tương ứng trên hình 3 và bảng 4
Trang 3Hình 3 Bi ểu đồ phân bố thành phần hạt của xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn
Bảng 4a Thành phần hóa học của xỉ lò cao hạt hóa Thái Nguyên
SiO 2 Fe 2 O 3 Al 2 O 3 CaO MgO Na 2 O K 2 O SO 3 MnO TiO 2 S 2-34,2 0,64 13,7 42,6 6,9 0,08 0,24 0,07 0,81 0,13 1,23
Bảng 4b Một số tính chất kỹ thuật của xỉ lò cao hạt hóa Thái Nguyên
Khối lượng riêng (g/cm3) Chỉ số hoạt tính với xi măng, (%)
2.3 Cát
Cát sử dụng trong nghiên cứu là cát vàng sông Lô và cát đen Sông Hồng đã được phơi khô sàng loại bỏ các hạt trên 5mm Thành phần hạt và tính chất cơ lý của cát vàng, cát đen được nêu trong bảng 5
Bảng 5a Thành phần hạt và tính chất cơ lý của cát thô
Kích thước mắt sàng, mm 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 Lượng sót tích luỹ, (%) 0 7,7 17,2 45,1 78,7 96,3 Khối lượng riêng, g/cm3 2,65
Khối lượng thể tích ở trạng thái bão hoà trong, khô mặt SSD , (g/cm3) 2,63
Khối lượng thể tích ở trạng thái khô vk , (g/cm3) 2,61
Độ ẩm (sau phơi khô tự nhiên),% 0,1
Hàm lượng bụi, sét, (%) 0.95
Tạp chất hữu cơ (so với màu chuẩn) sáng hơn
Bảng 5b Thành phần hạt và tính chất cơ lý của cát mịn
Kích thước mắt sàng, mm 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 Lượng sót tích luỹ, (%) 0 0 0 23,4 50,5 82,3 Khối lượng riêng, g/cm3 2,64
Khối lượng thể tích ở trạng thái bão hoà trong, khô mặt , (g/cm3) 2,58
Trang 4Khối lượng thể tích ở trạng thái khô vk , (g/cm ) 2,51
Độ ẩm (sau phơi khô tự nhiên),% 0,1
Hàm lượng bụi, sét, (%) 1,0
Tạp chất hữu cơ (so với màu chuẩn) sáng hơn
2.4 Cốt liệu lớn
Đá dăm có Dmax 20 được sản xuất từ mỏ đá Đồng Ao – Hà Nam Một số tính chất cơ lý của đá dăm được trình bày trong bảng 6
Bảng 6 Một số tính chất cơ lý của đá dăm
Cỡ hạt 5-10 Cỡ hạt 10-20 Kích thước mắt sàng, (mm) 5 10 10 20 Lượng sót trên sàng, (%) 100 0 100 0 Khối lượng riêng ở trạng thái khô k , (g/cm3) 2,70
Khối lượng thể tích ở trạng thái bão hoà trong, khô mặt SSD ,
Khối lượng thể tích ở trạng thái khô vk , (g/cm3) 2,66 2,60
Độ nén dập trong xi lanh,% 12 10,8
2.5 Phụ gia siêu dẻo và nước
Phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate của hãng BASF Việt Nam, có tên thương phẩm là Glenium ACE388 SureTec (dạng lỏng, màu hổ phách, khối lượng riêng 1,07g/cm3, hàm lượng ion clorua < 0,1, mức độ độc hại theo tiêu chuẩn ECC 99/45 là không độc, hàm lượng sử dụng < 2lit/100kg xi măng) và nước máy Hà Nội
3 Phương pháp nghiên cứu
Trong nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp phân tích hóa lý phi tiêu chuẩn và các phương pháp thí nghiệm cơ lý theo tiêu chuẩn TCVN, phân tích hạt tia lazer, nhiễu xạ tia Rơnghen (XDR), kính hiển vi điện tử quét (SEM), TCXDVN, ASTM C128-97, ASTM C127-88, C469-94 Ngoài ra còn sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc hai tâm xoay Box-Hunter
4 Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Đã chế tạo 31 cấp phối bê tông lập theo quy hoạch thực nghiệm bậc hai tâm xoay để nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố: tỷ lệ N/CKD, hàm lượng tro trấu, hàm lượng xỉ lò cao hạt hóa và hàm lượng phụ gia siêu dẻo tới độ sụt của hỗn hợp bê tông và cường độ bê tông
Quá trình chuẩn bị mẫu thí nghiệm được thực hiện như sau: Hỗn hợp bê tông được nhào trộn trong máy trộn rơi tự do Sau khi trộn, tiến hành xác định độ sụt của hỗn hợp bê tông Mẫu bê tông, kích thước 10x10x10
cm được đúc trong khuôn thép, trên bàn rung chấn động Sau khi đúc, khuôn chứa mẫu được đậy kín bằng tấm polyetylen và được đặt trong môi trường không khí của phòng thí nghiệm Sau một ngày, mẫu được tháo khỏi khuôn và dưỡng hộ trong bể nước cho đến khi đủ tuổi thí nghiệm xác định cường độ nén
Sau khi xử lý số liệu thực nghiệm thu được đã xác định được mô hình thống kê thực nghiệm mô tả ảnh hưởng của thành phần bê tông tới tính công tác và cường độ của bê tông cát mịn cường độ cao Các mô hình thống kê thực nghiệm này được trình bày chi tiết trong tài liệu [1] Trên cơ sở phân tích các mô hình hồi quy thực nghiệm đã đưa ra một số cấp phối bê tông cát mịn đạt được sự cân bằng tối ưu giữa tính công tác tốt, cường độ Thành phần và một số tính chất của các cấp phối bê tông này được nêu trong các bảng 7, 8, 9
Trang 5Bảng 7 Thành phần bê tông cát mịn cường độ cao
Đá dăm, (kg)
Ký hiệu
cấp phối XM (kg) XLC (kg) TT (kg) N (lít) SD (kg) Cát mịn (kg) 10-20 5-10 CP1 266 193 92 138 5,5 488 853 401 CP2 339 128 83 154 4,4 478 836 393 CP3 308 172 70 170 3,3 467 817 384 CP4 321 140 89 187 3,3 453 792 373 CP5 309 141 99 203 3,3 440 769 362
Bảng 8 Sự suy giảm độ sụt của các hỗn hợp bê tông theo thời gian
Độ sụt (cm), tại các thời điểm STT Ký hiệu
cấp phối N/CKD
Ký hiệu cấp phối 0 phút 30 phút 60 phút
1 CP1 0,25 CP1 18,0 16,5 14,5
2 CP2 0,28 CP2 18,5 17,5 16,0
3 CP3 0,31 CP3 18,0 17,0 15,5
4 CP4 0,34 CP4 18,5 17,5 15,0
5 CP5 0,37 CP5 17,5 16,5 14,5
0.25 0.28 0.31 0.34 0.37
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
N/CKD
60 phút
Hình 4 S ự suy giảm độ sụt của các hỗn hợp bê tông theo thời gian
Bảng 9 Cường độ nén của bê tông theo thời gian
Ký hiệu cấp phối Cường độ nén, MPa
1 ngày 3 ngày 7 ngày 28 ngày CP1 41,4 68,1 78,3 92,0 CP2 41,2 67,6 77,6 91,3 CP3 37,1 61,0 70,1 82,5 CP4 35,6 58,6 67,3 79,2 CP5 33,0 54,3 62,4 73,4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Thời gian bão dưỡng, ngày
N/CKD = 0.25 N/CKD = 0.28 N/CKD = 0.31 N/CKD = 0.34 N/CKD = 0.37
Hình 5 S ự phát triển cường độ bê tông
Trang 6R 2 = 0.9553
60 65 70 75 80 85 90 95 100
0.22 0.25 0.28 0.31 0.34 0.37 0.4 0.43
N/CKD
Hình 6 Ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD tới cường độ nén của bê tông
Để so sánh bê tông cường độ cao, cấp phối gián đoạn sử dụng cát mịn và bê tông cường độ cao cấp phối liên tục sử dụng cát thô đã chế tạo hai cấp phối bê tông có cùng tỷ lệ N/CKD, lượng dùng nước và phụ gia siêu dẻo Lấy ngẫu nhiên 1 trong 5 cấp phối bê tông cát mịn hợp lý đã xác định được trong nghiên cứu (ký hiệu CP2) có tỷ lệ N/CKD = 0,28, lượng dùng chất kết dính 550 kg/m3 với hàm lượng cát trong cốt liệu là 28%, còn cấp phối bê tông cát thô (ký hiệu CPCV) không sử dụng phụ gia khoáng, có tỷ lệ N/X = 0,28, lượng dùng xi măng 550 kg/m3 với hàm lượng cát trong cốt liệu là 41% Các tính chất được so sánh bao gồm: tính công tác, cường độ uốn, cường độ nén, mô đun đàn hồi, khả năng chống thấm ion clo Do
số lượng thiết bị thời gian nghiên cứu có hạn, số lượng mẫu thí nghiệm nhiều, tác giả đã lấy mẫu xác định cường nén có kích thước 15x15x15 cm, mẫu xác định cường độ uốn có kích thước 10x10x40 cm, mẫu xác định mô đun đàn hồi là mẫu trụ có kích thước 15x30 cm, mẫu xác định khả năng thấm ion clo là mẫu trụ có kích thước 10x5 cm Thành phần và tính chất của hai cấp phối bê tông này được trình bày tương ứng trong bảng 10 và 11
Bảng 10 Thành phần bê tông cát mịn và bê tông cát vàng
XM XLC TT SD N C Đá dăm, (kg)
Ký hiệu
(kg) (kg) (kg) (kg) (lít) (kg) 5-10 10-20 CP2 339 128 83 4,4 154 478 393 836
CPCV 550 0 0 4,4 154 724 333 708
Bảng 11 Tính chất của bê tông cát mịn và bê tông cát thô
Cường độ ở tuổi 28 ngày, MPa
Ký hiệu Độ sụt,
cm Chịu uốn Chịu nén
Mô đun đàn hồi, GPa
Điện lượng truyền qua mẫu,
cu lông CP2 18,5 18,9 82,5 66,9 179
CPCV 20 16,5 76,0 63,5 1238
Từ các kết quả thực nghiệm nêu trên có thể đưa ra một số nhận xét sau:
- Các hỗn hợp bê tông cấp phối gián đoạn với cát mịn đều có độ sụt cao 17-18 cm và tổn thất độ sụt sau 1 giờ độ sụt giảm xuống còn 14-16 cm Mức độ suy giảm độ sụt khá chậm, có thể do loại phụ gia siêu dẻo sử dụng là phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate thế hệ mới, mặt khác do chất kết dính có hàm lượng phụ gia khoáng lớn (40-50%) nên tốc độ thủy hóa của xi măng trong thời gian đầu bị chậm lại và sự tỏa nhiệt khi xi măng thủy hóa cũng giảm đi Việc sử dụng hàm lượng hỗn hợp phụ gia khoáng cao và lượng dùng chất kết dính lớn kết hợp với cát mịn có tỷ diện bề mặt cao làm cho vữa xi măng có độ dẻo và độ liên kết cao Vì vậy tuy hỗn hợp bê tông cát mịn có độ sụt cao nhưng không bị phân tầng, tách nước mặc dù mức ngậm cát nhỏ (28-30%);
Trang 7- Bê tông cát mịn có cường độ nén cao 70 - 90 MPa (mẫu lập phương 10x10x10cm), tương đương 60 - 80 MPa khi quy về mẫu lập phương tiêu chuẩn Mặc dù lượng dùng chất kết dính lớn (550 kg/m3) nhưng do một lượng lớn xi măng (40-50%) được thay thế bằng hỗn hợp phụ gia khoáng nên lượng dùng xi măng trong các cấp phối bê tông cát mịn chỉ khoảng 270 đến 340 kg/m3, tức là tương đương với lượng dùng xi măng trong bê tông thường mác M25, M30;
- Ngoại trừ tính công tác, các tính chất khác như cường độ, mô đun đàn hồi và khả năng chống thấm ion clo của bê tông cát mịn mà trong thành phần có chứa phụ gia khoáng đều cao hơn so với bê tông cát thô có cùng lượng dùng chất kết dính, lượng dùng nước và phụ gia siêu dẻo Phụ gia khoáng đã làm tăng độ đặc chắc của
đá xi măng, cải thiện cấu trúc của vùng tiếp giáp giữa đá xi măng và cốt liệu
5 Kết luận
- Nghiên cứu đã chứng tỏ khả năng sử dụng cát mịn thay cho cát thô để chế tạo bê tông cường độ cao mà không cần dùng hàm lượng xi măng cao hơn so với bê tông thường Để đạt được điều đó cần phải phối hợp các biện pháp: sử dụng phụ gia siêu dẻo thế hệ mới, sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng tro trấu - xỉ lò cao hạt hóa với hàm lượng lớn, lượng dùng chất kết dính lớn và mức ngậm cát nhỏ;
- Từ nguồn nguyên vật liệu thông dụng sẵn có ở Việt Nam (xỉ lò cao hạt hóa Thái Nguyên, tro trấu, phụ gia siêu dẻo ACE 388, cát mịn, đá dăm, nước) có thể chế tạo bê tông cát mịn có cường độ nén trên 60 MPa, độ sụt
18 cm, mức độ tổn thất độ sụt chậm, với lượng dùng xi măng dưới 350 kg/m3;
- Việc phối hợp xỉ lò cao hạt hóa và tro trấu làm phụ gia khoáng cho phép sử dụng cát mịn làm cốt liệu nhỏ cho bê tông cường độ cao, giảm được lượng dùng phụ gia siêu dẻo và một lượng lớn xi măng đồng thời vẫn đảm bảo bê tông có chất lượng cao (tính công tác, cường độ, sự duy trì độ sụt, khả năng chống thấm, chống
ăn mòn và mô đun đàn hồi)
TÀI LI ỆU THAM KHẢO
1 NGỌ VĂN TOẢN, “Nghiên cứu sử dụng cát mịn và hỗn hợp phụ gia khoáng tro trấu - xỉ lò cao để chế tạo bê tông
cường độ cao”, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Đại học Xây dựng, 2010
2 ACI Committee 211, Guide for Selecting Proportions for High- Strength Concrete with Portland Cement and Fly Ash,
ACI 211.4- 93, reapproved 1998, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1998
3 ACI Committee 363, State-of-the-Art Report on High-Strength Concrete, 363R-92, reapproved 1997, American
Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 1997
4 DONG VAN AN, “Gap-graded concrete with an excess of fine sand”, Report 21.10.93.1.05, Faculty of Civil
Engineering, Delft University of Technology, 1993
5 DONG VAN AN, “Optimization of Gap-graded concrete using very fine sand”, Report 25.2.94.2.09, Faculty of Civil
Engineering, Delft University of Technology, 1994
6 High performance concrete: Properties and applications Edited by S.P.Shah, S.H Ahmad., 1994 by McGraw-Hill, Inc
7 KENNEDY, H.L “Revised application of fineness modulus in concrete proportioning”, Proc ACI, Vol 36, 1940,
pp.597-613
8 LI, SHU-T’IEN and RAMAKRISHNAN, V., “Gap-graded concrete optimum mixture proportioning”, ACI SP-46, Detroit,
1974, pp 65-72
9 MEHTA, P K and AITCIN, P.-C., “Principles underlaying the production of high performance concrete”, ASTM J
Cement, Concrete and Aggregates, Winter 1990, pp 70-78
10 NEVILLE, A.M., Properties of concrete, Longman, Harlow, 1995, 844 pp
