Nghiên cứu sử dụng tro nhiệt điện thay thế cốt liệu tự nhiên để chế tạo tấm tường rỗng bê tông đúc sẵn theo công nghệ đùn ép

BỘ XÂY DỰNG VIỆN VẬT LIỆU XÂY DỰNG Địa chỉ: 235 Nguyễn Trãi, Q Thanh Xuân, TP Hà Nội Tel : 04 38581111 Fax : 04 38581112 Email : vienvlxd@vibm.vn Website : www.vibm.vn ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP QUỐC GIA NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO NHIỆT ĐIỆN THAY THẾ CỐT LIỆU TỰ NHIÊN ĐỂ CHẾ TẠO TẤM TƯỜNG RỖNG BÊ TÔNG ĐÚC SẴN THEO CÔNG NGHỆ ĐÙN ÉP MÃ SỐ: ĐTĐL.CN 99/21 BÁO CÁO Công việc 2: Vai trị cốt liệu cấu trúc bê tơng THUỘC NỘI DUNG 2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ VAI TRỊ CỐT LIỆU TỰ NHIÊN TRONG BÊ TƠNG NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ VIỆC SỬ DỤNG TRO NHIỆT ĐIỆN THAY THẾ CỐT LIỆU TỰ NHIÊN ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG HÀ NỘI – 12/2021 BỘ XÂY DỰNG VIỆN VẬT LIỆU XÂY DỰNG ************ ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP QUỐC GIA NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO NHIỆT ĐIỆN THAY THẾ CỐT LIỆU TỰ NHIÊN ĐỂ CHẾ TẠO TẤM TƯỜNG RỖNG BÊ TÔNG ĐÚC SẴN THEO CÔNG NGHỆ ĐÙN ÉP MÃ SỐ: ĐTĐL.CN 99/21 BÁO CÁO Cơng việc 2: Vai trị cốt liệu cấu trúc bê tông THUỘC NỘI DUNG 2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ VAI TRÒ CỐT LIỆU TỰ NHIÊN TRONG BÊ TÔNG NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ VIỆC SỬ DỤNG TRO NHIỆT ĐIỆN THAY THẾ CỐT LIỆU TỰ NHIÊN ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Thành Lê Trung Trung tâm XM&BT: ThS Nguyễn Văn Đồn Phịng KHKT&HTQT: TS Trịnh Minh Đạt CÁN BỘ THỰC HIỆN Họ tên TS Lê Văn Quang TS Lưu Thị Hồng Chữ ký VIỆN VẬT LIỆU XÂY DỰNG ThS Phan Văn Quỳnh MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Đặt vấn đề Vai trò cốt liệu cấu trúc bê tông 2.1 Ảnh hưởng cốt liệu đến tính cơng tác hỗn hợp bê tông 2.1 Ảnh hưởng cốt liệu đến cường độ bê tông 2.2.1 Loại cốt liệu 2.2.2 Cường độ cốt liệu .8 2.2.3 Cường độ liên kết đá xi măng - cốt liệu ảnh hưởng vùng ITZ .10 2.2.4 Hình dạng tính chất bề mặt cốt liệu 13 2.2.4 Cấp phối hạt cốt liệu, Dmax 15 2.2.5 Tính chất phá hủy bê tông 17 Kết luận 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Mối quan hệ cường độ nén 28 ngày tỉ lệ xi măng/nước nhóm cốt liệu khác [5] Hình 2.2 Cường độ kéo bửa bê tông sử dụng đá andesit đá quartzit .8 Hình 2.3 Ảnh hưởng cường độ cốt liệu (theo giá trị 10% hạt mịn) đến cường độ bê tông tuổi 28 ngày loại cốt liệu Anh .9 Hình 2.4 Ảnh hưởng cường độ liên kết đá xi măng – cốt liệu đến cường độ nén mô đun phá hủy bê tông [12] 11 Hình 2.6 Cường độ bê tơng tuổi 91 ngày thay đổi hàm lượng cốt liệu mịn [14] 13 Hình 2.7 Mối quan hệ kết cấu bề mặt hạt cốt liệu với cường độ nén cường độ uốn bê tông sử dụng loại cốt liệu [4] 15 Hình 2.8 Mối quan hệ tỉ lệ N/X cỡ hạt cốt liệu khác [17] .16 Hình 2.9 Cường độ nén 28 ngày bê tông ảnh hưởng bỏi Dmax cốt liệu [18] .16 Đặt vấn đề Cốt liệu từ lâu định nghĩa đơn giản chất độn trơ bê tông Trước đây, người ta sử dụng cốt liệu để có khối lượng lớn bê tơng hiệu kinh tế Khảo sát Baker [1] cho cốt liệu thô đơn giản chất độn trơ bê tông, sử dụng để giảm chi phí cốt liệu ảnh hưởng đến cường độ bê tơng, miễn chúng ổn định thể tích Quan điểm ủng hộ nhà nghiên cứu kỹ sư xây dựng thời Ngày nay, biết rằng, vai trò cốt liệu bê tơng khơng chất độn mịn, có hiệu mặt kinh tế mà tính chất cốt liệu ảnh hưởng lớn đến cấu trúc tính chất bê tơng Chun đề trình bày rõ vai trị cốt liệu cấu trúc bê tơng Vai trò cốt liệu cấu trúc bê tông Khi xét ảnh hưởng cốt liệu đến cấu trúc bê tông, cần phải xét đến chế hình thành nên bê tơng Bê tơng đóng rắn từ hỗn hợp nhão bao gồm nước, xi măng cốt liệu (có thể có phụ gia) Sự hình thành cấu trúc bê tơng chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố, có thân vật liệu cấu thành bê tông Do vậy, nghiên cứu vai trò cốt liệu cấu trúc bê tông, xét thêm ảnh hưởng cốt liệu đến số tính chất bê tông hỗn hợp bê tông 2.1 Ảnh hưởng cốt liệu đến tính cơng tác hỗn hợp bê tơng Tính cơng tác tiêu quan trọng bê tông Thông thường, thiết kế cấp phối bê tông, người ta thường ưu tiên đảm bảo tính cơng tác bê tơng phù hợp cho thi cơng Tính cơng tác bê tơng liên quan đến lượng nước nhào trộn ảnh hưởng lớn đến cường độ cấu trúc bê tơng Cốt liệu có vai trị lớn việc điều chỉnh tính cơng tác hỗn hợp bê tơng, từ gián tiếp ảnh hưởng đến cường độ cấu trúc bê tông Kích thước cốt liệu lớn tỉ diện tích bề mặt nhỏ lượng nước cần thiết để làm ướt bề mặt Do đó, cần hồ bơi trơn bề mặt để giảm ma sát bên trong, nói kích thước cốt liệu lớn cho tính cơng tác tốt Giảm kích thước cốt liệu làm giảm tính cơng tác bê tơng Điều nhiều tác giả công bố cơng trình nghiên cứu Anthony Woode cộng [2] nghiên cứu ảnh hưởng Dmax cốt liệu đến độ sụt bê tông kết luận độ sụt bê tơng có Dmax 20 mm cao so với bê tơng có Dmax 14 mm Dmax 10 mm với tỉ lệ N/CKD Kết nghiên cứu S Sneka cộng [3] cho thấy độ sụt bê tông 168 mm, 147 mm, 135 mm tương ứng với Dmax 37,5 mm, 25 mm, 19 mm với bê tông tỉ lệ N/CKD Hình dạng cốt liệu tính chất bề mặt cốt liệu ảnh hưởng trực tiếp đến tính cơng tác bê tơng So với cốt liệu trịn cốt liệu hình lập phương, cốt liệu có góc cạnh thoi dẹt làm cho bê tơng có tính cơng tác Điều cốt liệu tròn có diện tích bề mặt nhỏ lỗ rỗng cốt liệu có góc cạnh thoi dẹt Ngồi ra, cốt liệu trịn có khả giảm ma sát trượt lý cát sơng sỏi cuội giúp bê tơng có tính cơng tác tốt cát nghiền đá dăm Tương tự loại cốt liệu có bề mặt trơn nhẵn cho tính cơng tác bê tơng tốt so với cốt liệu có bề mặt gồ ghề, thơ nhám Điều tỉ diện tích bề mặt cốt liệu thô nhám lớn nhiều so với bề mặt cốt liệu trơn nhẵn 2.1 Ảnh hưởng cốt liệu đến cường độ bê tông Các đặc tính cốt liệu ảnh hưởng đến cường độ bê tơng tính chất bề mặt, độ cứng, hình dạng, cường độ độ dẻo dai, cấp phối hạt Tính chất bề mặt, hình dạng cấp phối hạt ảnh hưởng đến đặc tính hỗn hợp bê tơng thơng qua lượng nước u cầu hay tính công tác ảnh hưởng gián tiếp đến cường độ Chúng ảnh hưởng trực tiếp cách ảnh hưởng đến nồng độ ứng suất vật liệu composite, mức độ nứt vi mô vết nứt phân nhánh trước trình phá hủy, độ ngoằn nghèo đường nứt, ảnh hưởng độ nhám vĩ mô vi mơ bề mặt diện tích bề mặt liên kết cốt liệu 2.2.1 Loại cốt liệu Loại cốt liệu yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cường độ bê tông mà tính chất lý cốt liệu yếu tố ảnh hưởng Các loại cốt liệu khác có đặc tính hoạt động tương tự bê tông Tác giả Kaplan [4] nghiên cứu 23 loại cốt liệu Nam Phi Tất cốt liệu thô cốt liệu mịn nghiền nguồn đá Các loại đá đại diện đá andesit (02 nguồn), đá Dolerit (03 nguồn), đá Dolomit (02 nguồn), đá felsit (02 nguồn), đá granit (03 nguồn) đá Greywacke (01 nguồn), đá quartzit (08 nguồn), đá Siltstone (01 nguồn), đá Tillit (01 nguồn) Trên sở mối quan hệ cường độ nén tỉ lệ xi măng/nước, loại cốt liệu khác thể tính chất tương tự Hình 2.1 Hình 2.1 Mối quan hệ cường độ nén 28 ngày tỉ lệ xi măng/nước nhóm cốt liệu khác [5] Cốt liệu nhóm bao gồm 01 đá andesit, 02 đá quartzit 01 đá felsit 01 đá siltstone cho cường độ bê tông cao Cường độ nén loại đá thay đổi từ 100 Mpa đến 540 Mpa, điều cho thấy cường độ đá yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tơng Các thí nghiệm thực với loại xi măng thơng thường thay đổi cường độ chủ yếu ảnh hưởng cốt liệu đến vùng ITZ (vùng cốt liệu chuyển tiếp xi măng) liên quan đến loại cốt liệu khác Trong bê tông cường độ cao (HSC), loại cốt liệu ảnh hưởng đến cường độ bê tông [6] Các thử nghiệm Canada hai loại bê tơng có nước/xi măng = 0,275, giống mặt ngoại trừ mẫu chứa cốt liệu thơ có Dmax 10 mm mẫu có Dmax 14 mm từ đá Granit, cho thấy cường độ nén dao động từ 10 đến 14% tùy thuộc vào tuổi thử nghiệm Mức độ dao động lớn tuổi dài ngày (≥28 ngày) với giá trị tuyệt đối tối đa khoảng 16 MPa Các nghiên cứu khác xem xét ảnh hưởng loại cốt liệu thô đến cường độ bê tông Một nghiên cứu liên quan đến 03 loại cốt liệu thô đá bazan nghiền, đá vôi nghiền sỏi cuội, tất có Dmax 19 mm (Ozturan, 1997) Thơng tin tính chất bề mặt mức độ phong hóa không cung cấp Cường độ bê tông thay đổi từ 40 Mpa đến 90 Mpa người ta khẳng định loại cốt liệu có ảnh hưởng cách định lượng đến cường độ Ví dụ, hai cốt liệu nghiền nhỏ cho cường độ nén, uốn kéo cao tới 20% bê tông cường độ thấp cường độ cao so với sỏi Đối với bê tông cường độ nén 40 Mpa, thay đổi tuyệt đối nhỏ thay đổi tương đối giống với HSC Một nghiên cứu khác cho thấy loại cốt liệu có cường độ vượt trội bê tông thường không thiết cho hiệu tốt bê tông cường độ cao [7] Các yếu tố quan trọng đàn hồi không cốt liệu hồ kết dính cường độ thấp cường độ cốt liệu cường độ bê tơng cao Đối với tất mức cường độ, vùng giao diện chuyển tiếp tốt góp phần nâng cao cường độ bê tông Những yếu tố phản ánh trường hợp khác phá hủy bê tông thường bê tông cường độ cao, chủ yếu phá hủy hạt bê tông thường phá hủy xuyên hạt bê tông cường độ cao Trong nghiên cứu bê tông chất lượng cao (HPC) sử dụng vật liệu Oklahoma, cường độ nén bê tông bị ảnh hưởng theo loại cấp phối cốt liệu thơ [8] Ví dụ, đá Granit nghiền tạo cường độ bê tông cao đá dăm sỏi sơng có cường độ thấp đáng kể sử dụng để sản xuất bê tơng có cường độ nén lớn 70 Mpa Nhìn chung, loại cốt liệu thơ ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi bê tông, với đá Granit cho giá trị E cao chút so với đá vơi rhyolite Trong đó, sỏi sơng có mơ đun đàn hồi thấp đáng kể [9] Các đặc tính cốt liệu ảnh hưởng đến cường độ nén bê tông (cường độ cốt liệu, tính chất bề mặt, mơ đun đàn hồi, …) mong đợi tương tự cường độ uốn cường độ kéo Tuy nhiên, có tài liệu vấn đề Kaplan [4], thí nghiệm uốn bê tơng với loại cốt liệu thô khác cho thấy mô đun đàn hồi cốt liệu lớn độ bền uốn bê tông cao với tỉ lệ nước/xi măng cho trước Kết loạt thử nghiệm kéo gián tiếp (kéo bửa) sử dụng cốt liệu andesit quartzit Nam Phi nghiền thể Hình 2.2 Mức tăng cường độ kéo đá andesit so với đá quartzit đạt 20%, tương tự cườn độ nén Đá andesit có mơ đun đàn hồi khoảng 81-105 Gpa, đá quartzit có mơ đun đàn hồi từ 67-79 Gpa Đá andesit nghiề có bề mặt thơ ráp đáng kể so với đá quartzit Hình dạng cốt liệu yếu tố quan trọng thiết kế bê tông để tăng độ bền kéo uốn Cốt liệu nghiền thoi dẹt mang lại cường độ kéo tốt so với cốt liệu tròn trơn, miễn chúng đạt yêu cầu ổn định thể tích [9] Hình 2.2 Cường độ kéo bửa bê tông sử dụng đá andesit đá quartzit 2.2.2 Cường độ cốt liệu Đối với bê tơng thơng thường có cường độ nén nhỏ 60 Mpa, cường độ nén cốt liệu khơng có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ nén bê tông Điều sách “đường bê tơng” phịng thí nghiệm Nghiên cứu đường Vương quốc Anh công bố năm 1995 Điều phần hầu hết cốt liệu có nguồn gốc từ đá cứng dai thân bê tông Kaplan [4] cho biết “không thể tìm thấy quan hệ đáng kể” cường độ cốt liệu cường độ bê tông thử nghiệm nhiều loại cốt liệu khác Các liệu khác vấn đề tóm tắt [10] Ở đây, tác giả nhấn mạnh vào nguồn gốc cốt liệu Đối với bê tông cường độ cao hơn, ảnh hưởng cốt liệu đến cường độ nén lớn Nghiên cứu Thames Valley với loại cát thể Hình 2.4 Cường độ cốt liệu thể giá trị 10% hạt mịn Đối với bê tông cường độ thấp đến trung bình, cường độ cốt liệu ảnh hưởng đến cường độ bê tơng, bê tông cường độ cao (> 50 Mpa) cốt liệu cường độ cốt liệu cao có ảnh hưởng đến cường độ bê tơng Từ Hình 2.4, giá trị cường độ theo 10% hạt mịn lớn 150 kN sử dụng để chế tạo bê tơng có cường độ cao 60 Mpa Tiêu chuẩn BS EN 882:1992 đưa yêu cầu cường độ theo giá trị 10% hạt mịn cốt liệu thơ Ví dụ, bê tơng nặng hồn thiện sàn u cầu cường độ theo giá trị 10% hạt mịn lớn 150 kN, loại bê tơng có bề mặt chịu mài mòn khác lớn 100 kN Và loại bê tông khác yêu cầu cường độ (theo giá trị 10% hạt mịn) cốt liệu thô lớn 50 kN Hình 2.3 Ảnh hưởng cường độ cốt liệu (theo giá trị 10% hạt mịn) đến cường độ bê tông tuổi 28 ngày loại cốt liệu Anh Nghiên cứu bê tông cường độ cao HSC Aitcin Mehta [11] tầm quan trọng việc lựa chọn cốt liệu thích hợp cho bê tông Các loại cốt liệu tốt nên có hạt mịn cứng, với bề mặt thơ góc cạnh Vi cấu trúc hồ xi măng vùng cốt liệu chuyển tiếp (ITZ) dày tốt quan trọng Tất thành phần bê tông hồ xi măng, cốt liệu vùng ITZ phải tối ưu hóa cường độ để tránh vấn đề liên kết yếu Những quan sát giải thích trước hết dạng hư hỏng khác bê tông cường độ thấp cường độ cao Bê tông cường độ thấp bị hỏng chủ yếu trước hết vết nứt bề mặt đá xi măng-cốt liệu trước nứt xuyên qua đá xi măng (phá hủy hạt); HSC có tỷ lệ nứt gãy xuyên qua cốt liệu cao nhiều, cường độ cốt liệu ảnh hưởng đến cường độ bê tông (phá hủy xuyên hạt) Trong thực tế, cần quan tâm đến cường độ cốt liệu thông thường trừ chế tạo HSC, nên sử dụng cốt liệu có cường độ nén không nhỏ khoảng 200 MPa Thứ hai, giải thích ngun nhân nằm chất cốt liệu bê tông Nhiều loại bê tông cường độ bình thường chí bê tơng có hàm lượng xi măng cao khơng thể đầy đủ ứng xử cốt liệu với pha khác bê tông Điều có hình thành vùng ITZ xốp có mật độ hạt thấp xung quanh hạt cốt liệu, vùng ITZ mềm có hiệu ngăn cốt liệu nhận toàn ứng suất bên làm giảm độ bền liên kết cốt liệu 10 Để đạt ứng xử cốt liệu đầy đủ nâng cao cường độ, cần phải cải thiện vùng ITZ cách tăng cường độ đặc tăng cường độ Điều đạt cách sử dụng phụ gia khống mịn (ví dụ silica fume) với phụ gia siêu dẻo cho phép giảm lượng nước yêu cầu đảm bảo phân tán vật liệu mịn 2.2.3 Cường độ liên kết đá xi măng - cốt liệu ảnh hưởng vùng ITZ Cường độ liên kết cốt liệu đá xi măng chịu ảnh hưởng kết cấu bề mặt, hình dạng chất cốt liệu Những điều đề cập nội dung sau Bản thân liên kết phụ thuộc vào vùng ITZ đá xi măng cốt liệu Tăng cường độ liên kết gữa đá xi măng – cốt liệu giúp cải thiện đáng kể cường độ bê tông, thường giới hạn 20 đến 40 % Mối quan hệ hồi quy cường độ liên kết cường độ bê tông cho dạng công thức: σ = b0 + b1M1 + b2M2 (2.1) Trong đó: σ cường độ nén cường độ uốn bê tông B0, b1, b2 hệ số hồi quy tuyến tính M1, M2 mô đun phá hủy đá xi măng – cốt liệu tương ứng [12] Hình 2.4 Ảnh hưởng cường độ liên kết đá xi măng – cốt liệu đến cường độ nén mô đun phá hủy bê tơng [12] Hình 2.4 đồ thị mơ tả cơng thức (2.1) Trong đó, M2 = trường hợp “không liên kết” M2 = M1 trường hợp “liên kết hoàn hảo”, cho thấy cường độ uốn đá xi măng có ảnh hưởng lớn nhiều đến cường độ bê tông so với cường độ liên kết Tăng cường cải thiện vi cấu trúc ITZ làm tăng cường độ liên kết đá xi măng – cốt liệu Điều trình bày nghiên cứu [13] việc tăng cường độ vùng ITZ cách tăng độ đặc vi hạt Các vi hạt Silica fume carbon đen, hai có kích thước hạt mịn (< 0,5 µm) Silica fume khác với cacbon đen chỗ có đặc tính puzzolanic tạo sản phẩm thủy hóa Mặc dù vậy, hai loại vi hạt giúp bê tông đạt cường độ tương tương cao đáng kể so với bê tông đối chứng (Hình 2.5) Hiệu ứng vi hạt tăng cường độ liên kết đá xi măng – cốt liệu cách cải thiện vi cấu trúc vùng ITZ Do làm cho đặc cường độ cao Hình 2.5 Đồ thị đường cong cường độ theo thời gian bê tông thể ảnh hưởng hiệu ứng puzzolanic vi cấu trúc [13] Các hiệu ứng tương tự xảy sử dụng loại vi hạt khác Các hạt vi cốt liệu bột thạch anh mịn sử dụng để cải thiện cấu 12 trúc hạt bê tông sử dụng phụ gia siêu dẻo – silica fume [14] Các chất độn mịn, trơ giúp điền đầy cải thiện cấu trúc vi mô, đặc biệt cấu trúc vùng ITZ, giúp tăng cường độ Hình 2.6 thể minh chứng cho lập luận Sự cải thiện cường độ coi phần lớn giảm tỉ lệ N/CKD, hiệu ứng vi cấu trúc cải thiện liên kết đá xi măng – cốt liệu quan trọng Ảnh hưởng cốt liệu cách trực tiếp vào cường độ bê tông rõ rệt cấu trúc vi mô hỗn hợp đá xi măng – cốt liệu cải thiện Hình 2.6 Cường độ bê tơng tuổi 91 ngày thay đổi hàm lượng cốt liệu mịn [14] 2.2.4 Hình dạng tính chất bề mặt cốt liệu Vì chiếm đến khoảng 80% tổng khối lượng bê tông, đặc tính cốt liệu ảnh hưởng đáng kể đến tính chất hỗn hợp bê tơng bê tơng, liên quan đến chi phí sản xuất Cốt liệu khơng giúp tiết kiệm chi phí mà cịn mang lại ổn định thể tích tăng độ bền Ngồi ra, đặc điểm hình dạng hạt cốt liệu ảnh hưởng đáng kể đến khả làm việc, cường độ độ bền bê tơng Hình dạng, kết cấu cấp phối cốt liệu có ảnh hưởng dáng kể đến tính chất hỗn hợp bê tơng Cốt liệu với hình dạng nhẵn, trịn cần nước để đạt tính cơng tác u cầu so với hạt thoi dẹt gồ ghề, góc cạnh Đồng thời, cấp phối hạt cốt liệu liên tục giúp bê tơng có độ đặc cao cần lượng hồ bao bọc lượng nước yêu cầu Ngoài việc tăng hàm lượng cốt liệu, giảm lượng hồ xi măng giúp tránh vấn đề phát sinh nhiệt thủy hóa, độ xốp co ngót khơ Hình dạng kết cấu hạt cốt liệu thô ảnh hưởng đến lượng dùng cát Các hạt bong tróc, thoi dẹt, góc cạnh ghồ ghề có độ rỗng cao cần nhiều cát để lấp đầy khoảng trống, cần tăng lượng nước để đạt tính cơng tác yêu cầu Các hạt cốt liệu làm tăng khả tách vữa tách nước bê tơng Hình dạng hạt quan trọng việc sử dụng cốt liệu phù hợp cho loại vật liệu Các hạt thoi dẹt có xu hướng bị gãy ngang hạt Do đó, hình dạng hạt ảnh hưởng đến cường độ cốt liệu cường độ bê tơng Các hạt có bề mặt nhám liên kết tốt với đá xi măng so với cốt liệu trơn nhẵn Hình 2.6 mơ tả mối quan hệ tính chất bề mặt cốt liệu với cường độ uốn cường độ nén bê tông sử dụng loại cốt liệu Cường độ nén bị ảnh hưởng tương đối phạm vi giá trị nhỏ (15-25 Mpa) cường độ uốn cải thiện rõ rệt tất giá trị sử dụng cốt liệu có bề mặt nhám Bê tông cường độ cao thể rõ rệt ảnh hưởng tính chất bề mặt đến cường độ nén Một báo cáo khác [15] cho thấy tạo nhám bề mặt cho cốt liệu làm tăng cường độ nén khoảng 10 % Alexander cộng cho bề mặt cốt liệu nhám tạo liên kết đá xi măng – cốt liệu lớn Bảng 2.2 đưa kết từ nghiên cứu sử dụng thạch anh andesit nghiền Bê tông sử dụng cốt liệu andesit có cường độ kéo cường độ nén tăng khoảng 28% so với cốt liệu thạch anh tương đương Sự tăng cường độ andesit có kết cấu bề mặt gồ ghề thô nhám đáng kể so với cốt liệu thạch anh Bảng 2.1 Cường độ bê tông sử dụng cốt liệu andesit so với thạch anh 14 Tuổi (ngày) Mức tăng cường độ tỉ lệ N/CKD 0,83 0,56 0,42 28 28 23 17 Cường độ kéo trực tiếp 28 19 24 18 Mô đun phá hủy 35 16 27 Cường độ phương nén mẫu lập Hình 2.7 Mối quan hệ kết cấu bề mặt hạt cốt liệu với cường độ nén cường độ uốn bê tông sử dụng loại cốt liệu [4] 2.2.4 Cấp phối hạt cốt liệu, Dmax Cấp phối hạt cốt liệu chủ yếu ảnh hưởng đến hàm lượng nước bê tông, mà N/CKD yếu tố định đến cường độ Hàm lượng hạt mịn ảnh hưởng gián tiếp đến cường độ bê tông cách ảnh hưởng đến khả kết dính bê tơng, bàn luận trên, hàm lượng hạt mịn lớn tăng cường độ cách cải thiện vùng ITZ Nghiên cứu [16] đường kính cốt liệu lớn (Dmax) thể Hình 2.8 Có thể thấy, Dmax giảm cường độ nén bê tơng tăng Tuy nhiên, tác động không đơn giản vây, hàm lượng xi măng yếu ảnh hưởng đến cường độ Thí nghiệm cho thấy với Dmax cốt liệu lớn 40 mm, cường độ tăng chủ yếu lượng nước giảm, làm tăng liên kết đá xi măng cốt liệu Hình 2.8 Mối quan hệ tỉ lệ N/X cỡ hạt cốt liệu khác [17] Kích thước Dmax tối ưu phụ thuộc vào hàm lượng xi măng minh họa hình 5.19 [18] Đối với bê tơng xi măng, kích thước cốt liệu lên đến 150 mm không làm giảm cường độ, bê tơng nhiều xi măng, kích thước cốt liệu tối đa Dmax tối ưu khoảng 40 mm Hình 2.9 Cường độ nén 28 ngày bê tơng ảnh hưởng bỏi Dmax cốt liệu [18] 16 Ảnh hưởng cấp phối hạt đến cường độ bê tông phức tạp, nghiên cứu HSC, kích thước hạt cốt liệu lớn cho cường độ bê tơng cao [19], điều trái ngược với hiểu biết thông thường HSC Điều liên quan đến độ lèn chặt cốt liệu thô Dạng phá hủy nén liên quan đến phân nhánh vết nứt vi mô phát triển vết nứt bê tông Độ lèn chặt cốt liệu thơ có ảnh hưởng lớn đến cường độ Trong nghiên cứu [19], độ lèn chặt cốt liệu thơ đặc trưng khối lượng thể tích lèn chặt (consolidated bulk density – CBD) Thí nghiệm thực hai loại bê tơng có mơ đun độ mịn cốt liệu nhỏ tương tự Trong đó, cấp phối sử dụng cốt liệu có Dmax 19 mm (CBD = 1560 kg/m3) bê tơng cịn lại có pha trộn hai cỡ hạt cốt liệu 26,5 mm 6,7 mm (CBD = 1750 kg/m3) Kết cho thấy pha trộn cốt liệu cải thiện 10% cường độ nén Ngược lại với thực tế chấp nhận, hỗn hợp đá có kích thước lớn khơng làm giảm cường độ nén HSC Phát có lẽ giới hạn việc sử dụng loại cốt liệu thô, có góc cạnh, nghiền nhỏ độ lèn chặt cải thiện nhờ việc trộn thêm kích cỡ đá khác Trong thực tế Bắc Mỹ, cốt liệu phân loại theo cấp phối hạt liên tục hình dạng, tính chất bề mặt cường độ thân cốt liệu ảnh hưởng đến cường độ bê tông Do chế phá hủy bê tông nén phức tạp khó để xây dựng mơ hình phá hủy kết cấu vi mô Ngay trường hợp hư hỏng kéo uốn làm nhiều vết nứt nhỏ xuất ảnh hưởng hình dạng cốt liệu, tính chất bề mặt cấp phối hạt quan trọng Độ lèn chặt cốt liệu thô ảnh hưởng đến độ bền liên kết đá xi măng – cốt liệu mật độ vùng ITZ vi hạt ảnh hưởng đến độ bền liên kết 2.2.5 Tính chất phá hủy bê tơng Bê tơng đặc trung thông số phá hủy Đối với vật liệu giịn, thơng số suy từ mơ hình phá hủy học đàn hồi tuyến tính (Linear elastic fracture mechanics – LEFM) mơ tả độ bền vật liệu có vết nứt khuyến tật tạo ứng suất Có thể giả thiết bê tơng vật liệu giịn đủ để áp dụng phương pháp LEFM đơn giản dựa dạng phá hủy I Hai thông số độ bền gãy K c lượng phá hủy Rc Độ bền gãy thông số liên quan đến ứng suất tới hạn xung quanh vết nứt, thu từ công thức KI = Yσ √ πc, c nửa chiều dài vết nứt, σ trường ứng suất tổng vùng lân cận vết nứt, Y hệ số hình học mẫu Khi vết nứt lan truyền không ổn định vật liệu, KI coi đạt đến giá trị tới hạn K c – phá hủy dẻo Năng lượng phá hủy Rc lượng cần thiết để gây vết nứt phát triển, lượng thường cung cấp tải trọng bên ngồi Nó tổng hợp tác nhân cần thiết để vết nứt lan truyền qua vật liệu Đối với phá hủy vật liệu giòn đàn hồi tuyến tính đồng nhất, R c = (Kc2/E) (trạng thái ứng suất phẳng), E mơ đun đàn hồi Có thơng tin ảnh hưởng loại cốt liệu đến tính chất phá hủy bê tơng Sự khác biệt hình dạng cấu trúc cốt liệu ảnh hưởng đến bề mặt phá hủy chất vết nứt vùng liên kết Trong nghiên cứu lượng phá hủy HSC, sỏi tự nhiên có lượng phá hủy thấp [20] Sự khác loại cốt liệu cốt liệu đá bazan nghền lên tới 3040%, tương quan chặt chẽ tới khác biệt cường độ nén bê tông Ảnh hưởng cốt liệu đến tính chất phá hủy bê tơng phụ thuộc vào vùng ITZ Vùng phù hợp để nghiên cứu cấu trúc vi mô bê tông cách sử dụng kỹ thuật SEM phân tích hình ảnh [21], việc đo lường đặc tính học ITZ cách trực tiếp khó nhiều Các vấn đề liên quan đến nghiên cứu là: - Liên kết đá xi măng cốt liệu khơng hồn hảo khơng liên tục xung quanh tồn hạt cốt liệu Do đó, trạng thái ứng suất vùng chuyển tiếp thay đổi theo vị trí thời gian thủy hóa - Bề mặt hồn thiện khác cốt liệu, từ bề mặt đánh bóng mịn đến bề mặt bị nứt nẻ thô ráp cho đặc tính liên kết khác khơng 18 có thống phương pháp chuẩn bị bề mặt nên sử dụng q trình thí nghiệm - Bản thân vùng giao diện chuyển tiếp có thành phần khác tính chất lý thay đổi theo khơng gian Do đó, khơng có giá trị cụ thể coi “hằng số” - Tách nước dẫn đến phân bố nước không đồng xung quang hạt cốt liệu, điều làm thay đổi rõ rệt vùng chuyển tiếp Tuy nhiên, có nỗ lực việc định lượng đặc tính học vùng ITZ [22] Sự phá hủy vật liệu tổng hợp gốc xi măng măng liên quan đến lan truyền vết nức vùng giao diện chuyển tiếp, đó, đo thông số độ bền phá hủy lượng phá hủy Các phép đo nhạy cảm với loại cốt liệu khác thay đổi vùng giao diện phép đo độ bền liên kết đơn giản Trong nghiên cứu liên quan đến phá hủy ứng suất cắt dạng II, độ bền phá hủy mặt cắt tăng xấp xỉ gấp so sánh vữa cường độ trung bình với vữa cường độ cao sử dụng đá granit [23] Trong nghiên cứu khác, cường độ cắt tăng gấp sử dụng silica fume so với mẫu đối chứng [24] Kết luận Từ vấn đề bàn luận kết luận vai trò cốt liệu cấu trúc bê tông lớn phức tạp Chúng làm khung rắn chắc, định hình cho bê tơng mà cịn tham gia vào q trình liên kết thành phần bê tông Trên giới có nhiều nghiên cứu liên quan đến vai trị cốt liệu cấu trúc bê tơng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Baker, S, "Cements and Aggregates," in Int Correspondence Schools, Scranton, PA, 50, 1931 [2] Anthony Woode, David Kwame Amoah, Issaka Ayuba Aguba and Philip Ballow, "The Effect of Maximum Coarse Aggregate Size on the Compressive Strength of Concrete Produced in Ghana," Civil and Environmental Research, vol 7, no 5, pp 7-12, 2015 [3] S.Sneka, M.Nirmala and Dr.G.Dhanalakshmi, "Size Effect of Aggregate in the Mechanical Properties of Concrete," International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), vol 5, no 2, pp 2093-2096, 2018 [4] Kaplan and M.F., "Flexural and compressive strength of concrete as affected by the properties of coarse aggregates," Proceedings ACI, vol 55, pp 1193-1207, 1959 [5] Alexander, M.G and Dvis, D.E., "Aggregates in concrete – a new assessment," Concrete Beton, vol 59, pp 10-12, 1991 [6] Aïtcin, P.-C., "From gigapascals to nanometres: Advances in cement manufacture and use," in Proceedings of the Engineering Foundation Conference, Missouri, New York: Engineering Foundation, 1998, pp 105130 [7] Sengul, O., Tasdemir, C and Tasdemir, M.A., "Influence of aggregate type on mechanical behavior of normal- and high-strength concretes," ACI Mater J., vol 99, no 3, pp 528-533, 2002 [8] Bush, T.D., Russell, B.W and Freyne, S.F , "High-performance concretes using Oklahoma aggregates," in L.S Joha (ed.) PCI/FHWA Int Symp on HPC, Chicago: Prestressed Conc Institute., 1997 [9] Mark Alexander and Sidney Mindess, in Aggregates in Concrete, New York, Taylor and Francis, 2005, pp 223-295 [10] Brown, B.V., "Alternative and marginal aggregate sources," R.K Dhir and T.D Dyer (eds) Proceedings of Int Conf., Concrete in the Service of Mankind – Concrete for Environment Enhancement and Protection, London: E&F N Spon, pp 471-484, 1996 [11] Aïtcin, P.-C and Mehta, P.K , "Effect of coarse-aggregate characteristics on mechanical properties of high-strength concrete," ACI Mater J., vol 87, 20 no 2, pp 103-107, 1990 [12] Alexander, K.M and Taplin, J.H., "Concrete strength, paste strength, cement hydration and the maturity rule," Aust J Appl Sci., vol 13, no 4, pp 277-284, 1962 [13] Goldman, A and Bentur, A., "The influence of microfillers on enhancement of concrete strength," Cem Conc Res., vol 23, no 4, pp 962-972, 1993 [14] Kronlof, A , "Effect of very fine aggregate on concrete strength," Materials and Structures, vol 27, no 165, pp 15-25, 1994 [15] Perry, C and Gillott, J.E., "The influence of mortar–aggregate bond strength on the behaviour of concrete in uniaxial compression," Cem Conc Res., vol 7, no 5, pp 553-564, 1977 [16] Bloem, D.L and Gaynor, R.D , "Effects of aggregate properties on strength of concrete," J Amer Conc Inst., vol 60, no 10, pp 1429-1454, 1963 [17] Walker, S and Bloem, D.L , "Effects of aggregate size on properties of concrete," J ACI, vol 57, no 3, pp 283-298, 1960 [18] Higginson, E.C., Wallace, G.B and Ore, E.L., "Effect of maximum size of aggregate compressive strength of mass concrete," Symp Mass Concrete, ACI SP-6, Farmington Hills, MI: American Concrete Institute, pp 219256, 1963 [19] Addis, B.J., "Properties of high-strength concrete made with South African materials," in PhD Thesis, Johannesburg, University of the Witwatersrand, 1992 [20] Giaccio, G., Rocco, C and Zerbino, R , "The fracture energy (GF) of high strength concretes," Materials and Structures, vol 26, pp 381-386, 1993 [21] Scrivener, K , "Engineering and transport properties of the interfacial transition zone in cementitious composites," M.G Alexander et al (eds) Characterisation of the ITZ and Its Quantification by Test Methods, France: RILEM, pp 3-18, 1999 [22] Mindess, S., "Tests to determine the mechanical properties of the interfacial zone," J.C Maso (ed.) RILEM Report VI, Interfacial Transition Zone in, pp 47-63, 1996 [23] Buyukozturk, O and Lee, K.M , "Assessment of interfacial fracture toughness in concrete composites," Cem Conc Comp., vol 15, no 3, pp 143-152, 1993 [24] Mitsui, K., Li, Z., Lange, D.A and Shah, S.P , "Relationship between microstructure and mechanical properties of the paste–aggregate interfaces," ACI Mater J., vol 91, no 1, pp 30-39, 1994 [25] ệzturan, T and ầeỗen, C., "Effect of coarse aggregate type on mechanical properties of concretes with different strengths," Cem Conc Res., vol 27, no 2, pp 165-170, 1997 22 ... VẬT LIỆU XÂY DỰNG ************ ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP QUỐC GIA NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO NHIỆT ĐIỆN THAY THẾ CỐT LIỆU TỰ NHIÊN ĐỂ CHẾ TẠO TẤM TƯỜNG RỖNG BÊ TÔNG ĐÚC SẴN THEO CÔNG NGHỆ ĐÙN... thành bê tông Do vậy, nghiên cứu vai trò cốt liệu cấu trúc bê tông, xét thêm ảnh hưởng cốt liệu đến số tính chất bê tông hỗn hợp bê tông 2.1 Ảnh hưởng cốt liệu đến tính cơng tác hỗn hợp bê tơng... trơ bê tông Trước đây, người ta sử dụng cốt liệu để có khối lượng lớn bê tơng hiệu kinh tế Khảo sát Baker [1] cho cốt liệu thô đơn giản chất độn trơ bê tông, sử dụng để giảm chi phí cốt liệu ảnh