Nghiên cứu ứng dụng phụ gia Puzơlan vào công nghệ thi công đập bê tông trọng lực ở Việt Nam

Nghiên cứu ứng dụng phụ gia Puzơlan vào công nghệ thi công đập bê tông trọng lực ở Việt Nam

Bộ giáo dục vμ đμo tạo bộ nông nghiệp &ptnt

Trường đại học thủy lợi

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Khi xây dựng đập bê tông trọng lực có khối lượng lớn, cần phải có các biện pháp giảm nhiệt trong khối bê tông; nếu không, bê tông có thể bị nứt do nhiệt

đặc biệt là ở những vùng khí hậu khắc nghiệt( nóng , khô ) Việc dùng xi măng hỗn hợp ít toả nhiệt pha puzơlan(tro bay, puzơlan thiên nhiên ), hoặc pha puzơlan trực tiếp vào bê tông với một tỷ lệ thích hợp là biện pháp thực tế và hữu hiệu để giảm nhiệt độ trong bê tông Nước ta tro bay ít và thiếu, nên vấn đề cấp thiết là phải nghiên cứu sử dụng puzơlan thiên nhiên đề thay thế tro bay, chủ động trong thi công các đập bê tông trọng lực đang và sẽ được xây dựng

ngày càng nhiều hiện nay Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng phụ gia Puzơlan

vào công nghệ thi công đập bê tông trọng lực ở Việt Nam" nhằm góp phần

giải quyết cấp thiết trên

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài luận án

Nghiên cứu được tập trung vào puzơlan Long Phước ( LP ) làm phụ gia khoáng hoạt tính (PGKHT) cho bê tông để giảm nhiệt độ bê tông bên trong khối đổ, giảm ứng suất nhiệt và không phát sinh vết nứt do nhiệt Một số kết quả nghiên cứu sử dụng tro bay Phả Lại (PL) được so sánh với puzơlan LP Qua đó khẳng định được khả năng sử dụng puzơlan thiên nhiên thay thế tro bay trong bê tông khối lớn(BTKL)

3 Nội dung nghiên cứu đề tài luận án

- Nghiên cứu thành phần, cấu trúc và tính chất puzơlan LP là PGKHT

- Lựa chọn puzơlan thích hợp và loại xi măng cho bê tông của đập

- Nghiên cứu tác dụng của puzơlan LP đối với tính chất của xi măng và xác

định tỷ lệ puzơlan hợp lý để đạt được xi măng ít toả nhiệt

- Nghiên cứu ứng dụng puzơlan LP vào công nghệ sản xuất BTKL cho thi công đập trọng lực

4 Phương pháp nghiên cứu, thí nghiệm

Ngoài các thí nghiệm các tính chất cơ lý, hoá, còn dùng các phương pháp phân tích hiện đại như phương pháp rơnghen, nhiệt vi sai (DTA) và chụp ảnh vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để phân tích các khoáng và cấu trúc của puzơlan cũng như xi măng có và không pha puzơlan

- So sánh đối chiếu các tính chất của puzơlan LP và tro bay Phả Lại

- Kết hợp nghiên cứu về vật liệu với công nghệ sản xuất bê tông để ứng dụng thi công đập trọng lực Lòng Sông

- Kết quả nghiên cứu thí nghiệm trong phòng và ở hiện trường là cơ sở để xây dựng qui trình, ứng dụng rộng rãi puzơlan vào công nghệ thi công đập bê tông trọng lực ở nước ta

5 Đánh giá những cái mới của luận án

1.Puzơlan đã được thế giới sử dụngvà đã được nghiên cứu và sử dụng trong sản xuất xi măng PCB(18-20%puzơlan) Nhưng đây là lần đầu tiên ở nước ta nghiên cứu ứng dụng puzơlan thiên nhiên dùng với tỉ lệ cao (35 – 40%) thay thế tro bay trong sản xuất xi măng PCB ít tỏa nhiệt hoặc pha trực tiếp vào bê tông

để thi công bê tông đập trọng lực

2 Nghiên cứu khẳng định puzơlanLP là loại PGKHT đạt tiêu chuẩn ngành thủy

lợi 14TCL105 - 1999 và tiêu chuẩn Mỹ ASTMC618: Độ hoạt tính khá, thành

trong nước thích ứng với bê tông thủy công

3 Đề xuất một số biện pháp thi công: tăng kích thước khoảnh đổ, thời gian

bảo dưỡng ẩm cho bê tông khối lớn dùng phụ gia puzơlan từ 7 - 8 ngày (tiêu chuẩn TCVN 5592: 1991 là 2 - 4 ngày)

4 Đề xuất dùng phụ gia puzơlan LP 35 - 40% sản xuất xi măng ít tỏa nhiệt dùng

cho đập bê tông trọng lực, thay thế tro bay đang thiếu, giải quyết được khó khăn trong xây dựng các đập bê tông lớn ở nước ta hiện nay

6 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương, kết luận chung, kiến nghị, bảng tài liệu tham khảo với 80 tài liệu và 7 tài liệu của tác giả đã công bố Nội dung chính của luận

án được trình bày trong 142 trang với 54 bảng, 39 hình và 13 trang phụ lục

Chương 1 Tổng quan về bê tông khối lớn dùng cho đập

trọng lực vμ phụ gia dùng cho bê tông

1.1 Bê tông khối lớn dùng cho đập trọng lực

Đặc tính của BTKL là tính chất nhiệt Trong BTKL nhiệt không phân tán

được nhanh, nên nhiệt độ trong bê tông có thể tăng lên rất nhiều, chênh lệch nhiệt độ lớn từ đó có thể phát sinh ứng suất kéo lớn, gây vết nứt bê tông do nhiệt

Vật liệu bao gồm xi măng ( thường dùng xi măng ít toả nhiệt ), cốt liệu, phụ gia khoáng hoạt tính như puzơlan thiên nhiên (nguồn gốc phún xuất, trầm

bê tông và làm nhiệm vụ nhét kẽ thay xi măng, nhưng phát nhiệt rất ít,do đó làm giảm nhiệt độ trong bê tông, giảm nguy cơ nứt bê tông PGKHT thiên nhiên được dùng trong xi măng hỗn hợp PCB ở nước ta và đã được dùng cho bê tông đập ở Mỹ, Brazin, Trung Quốc

Tính chất nhiệt được đặc biệt quan tâm như nhiệt thuỷ hoá của xi măng sự truyền nhiệt và nhiệt độ trong bê tông Ngoài ra quan tâm đến các tính chất khác như cường độ, độ thấm nước, độ bền, tính biến dạng Thành phần bê tông được thiết kế theo phương pháp riêng của Mỹ (ACI 211 1.81) hoặc theo phương pháp thể tích tuyệt đối dùng cho bê tông nặng nói chung

Nhiệt thuỷ hoá được xác định bằng phương pháp tecmốt, theo các tài liệu [22, 23] hoặc được tính theo công thức [21] đối với ximăng poóclăng:

Qt = at C3S + bt C2S + ctC3A + dt C4AF ;

Hình 1.2 Quá trình thay đổi nhiệt trong bê tông khối lớn

1.2 Phụ gia cho bê tông khối lớn

1.2.1 Đặt vấn đề : Việc sử dụng phụ gia là vấn đề tất yếu đối với BTKL

1.2.2 Phân loại phụ gia : Phụ gia hóa học, phụ gia khoáng, phụ gia khác 1.2.3 Phụ gia khoáng : Phụ gia khoáng hoạt tính và không hoạt tính (đầy)

Phụ gia khoáng hoạt tính ( thiên nhiên hoặc nhân tạo ) như xỉ hạt lò cao, tro bay

và Al2O3 vô định hình

Phụ gia khoáng không có hoạt tính ( phụ gia đầy ) như cát, thạch anh nghiền mịn, bột đá

Các loại phụ gia khoáng hoạt tính thường dùng trong bê tông khối lớn như:

1 Puzơlan thiên nhiên: Có nguồn gốc núi lửa và nguồn gốc trầm tích

2 Puzơlan nhân tạo: Tro bay và Xỉ hạt lò cao (Silicafume, metacaolanh,

tro trấu là phụ gia cao cấp đắt tiền không thích hợp cho bê tông khối lớn)

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về pG KHT vμ lựa chọn Puzơlan

cho đập bê tông trọng lực

Mục đích của chương này là lựa chọn một loại phụ gia khoáng hoạt tính thiên

nhiên (puzơlan) làm đối tượng nghiên cứu đề tài luận án và dùng làm phụ gia

thay thế tro bay để thi công các đập bê tông trọng lực

2.1 Cơ sở lý thuyết của PGKHT cho xi măng và bê tông

Sự có mặt của puzơlan không làm thay đổi tính tương tác của các khoáng của

clanhke như trong xi măng không pha puzơlan Tuy nhiên sự tương tác trong xi

măng pha puzơlan diễn biến theo hai quá trình [52, 53] với những phản ứng sơ

cấp và thứ cấp [53] Phản ứng sơ cấp xảy ra trong quá trình thứ nhất là tương

tác của các thành phần khoáng của xi măng với nước, trong đó có alit

Phản ứng thứ cấp xảy ra trong quá trình thứ hai là tương tác của thành phần

trên để tạo ra hydro canxi silicat có công thức chung là CSH(B) theo phản ứng

được gọi là phản ứng puzơlan sau đây :

Hoạt tính của puzơlan càng cao, khả năng tương tác với vôi càng lớn Xi

măng pha puzơlan có nhiệt thủy hoá thấp hơn nhiều so với xi măng poóclăng

Nhiệt thủy hoá sinh ra trong hai quá trình tương tác hoá học đã nêu trên Trong

quá trình thứ nhất nhiệt thủy hoá sinh ra do tương tác của các thành phần

khoáng của clanhke với nước Nhiệt thủy hoá cũng sinh ra trong quá trình thứ

puzơlan) Có ít tài liệu nói về mức độ sinh nhiệt của phản ứng puzơlan Tài liệu

[8] cho rằng lượng puzơlan sinh nhiệt bằng 15 – 50% của nhiệt sinh bởi lượng

xi măng bị puzơlan thay thế Bê tông pha puzơlan bền sunfat hơn bê tông không

chống thấm của bê tông được nâng cao; (3) Không còn các khoáng có hàm

lượng kiềm cao ( 3 canxi và 4 canxi hydro aluminat ) Trong trường hợp bê tông ít xi măng, việc pha puzơlan vào bê tông, ngoài

đầy khe kẽ giữa các hạt cát và đá trong bê tông, tạo ra khối bê tông đặc chặt và

tăng độ dẻo của hỗn hợp bê tông, cũng như tăng tính chống thấm cho bê tông

như đã nêu trên

Sau khi xem xét về nhiều mặt ( nguồn gốc, địa điểm, sản lượng và kết quả

nghiên cứu trước đây của Viện vật liệu xây dựng) đã lựa chọn puzơlan LP (Long

2.3 Nghiên cứu cơ bản về puzơlan LP của Viện Vật liệu xây dựng

Viện vật liệu xây dựng đã nghiên cứu puzơlan Long Phước( LP )và bột đá, chủ yếu dùng làm phụ gia cho xi măng PCB Holcim pha tỷ lệ 18-20% puzơlan

và bột đá Đây có thể coi là một nghiên cứu cơ bản về puzơlan LP

2.4 Nghiên cứu bổ xung về puzơlan LP của đề tài luận án

Nghiên cứu của Viện VLXD là nghiên cứu cơ bản ở nhiều địa điểm khác nhau của khu vực để có những đánh giá chung NCS đã lấy mẫu puzơlan thực tế

mà nhà máy đang dùng để nghiên cứu tiếp các tính chất của puzơlan LP được nghiền mịn ở nhà máy Holcim và thí nghiệm thêm một số chỉ tiêu, tính chất như dưới đây có so sánh với tro bay Phả Lại

2.4.1 Thành phần cấu tạo của puzơlan Long Phước

Thành phần cấu tạo của puzơlan LP và tro bay Phả lại được đưa phân tích bằng máy nhiễu xạ rơngen và được biểu thị trên biểu đồ hình 2.8 và 2.9

Hình 2.8 : Sơ đồ phân tích nhiễu xạ

rơnghen mẫu puzơlan Long Phước

Hình 2.9 : Sơ đồ phân tích nhiễu xạ rơnghen mẫu tro bay Phả Lại

Qua biểu đồ thấy rằng trong puzơlan LP có các thành phần khoáng : augite, pyroxene, analcime, muscovite và anorthite; trong khi đó tro bay chứa quart, magnetit và mullite

2.4.2 Mầu sắc của puzơlan Long Phước và tro bay Phả Lại

2.4.3 Cấu trúc và hình dạng hạt puzơlan Long Phước và tro bay Phả Lại

Cấu trúc và hình dạng hạt puzơlan LP và tro bay PL được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và được biểu thị trong các ảnh hình 2.10 và 2.11

Hình 2.10 : Cấu trúc hạt puzơlan

(phóng đại 10.000 lần)

Hình 2.11 : Cấu trúc hạt tro bay Phả Lại

(phóng đại 10.000 lần)

2.4.4 Thành phần hoá học của puzơlan

Qua phân tích hoá học mẫu puzơlan LP được sử dụng ở nhà máy xi măng Holcim và tro bay PL được thành phần puzơlan và tro bay như trong bảng 2.2

Bảng 2.2 : Thành phần hoá học của puzơlan Long Phước và tro bay Phả Lại

Thành

phần hoá, % SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO SO3 K2O Na2O TiO2 MKN

Tro tuyển PL 1 52,15 21,59 6,46 1,23 1,23 - 0,25 - 6 Tro tuyển PL 2 52,37 21,98 6,51 1,26 1,12 - 0,23 - 6

So sánh thành phần hoá học của puzơlan LP và thành phần hoá học của tro

nhỏ hơn, còn CaO và MgO lớn hơn tro bay nhiều Ngoài ra tổng hàm lượng

Tuy nhiên các tổng hàm lượng đó của puzơlan LP và tro bay Phả Lại đều lớn

hơn 70% theo yêu cầu của tiêu chuẩn [31, 32]

2.4.5 Hoạt tính của puzơlan Long Phước và tro bay Phả Lại

Độ hút vôi của puzơlan LP và tro bay PL được xác định theo phương pháp chuẩn Căn cứ vào kết quả thí nghiệm, đối chiếu với TCVN 3735:1982 thấy rằng puzơlan

LP và tro bay PL đều được xếp vào loại hoạt tính khá

Chỉ tiêu hoạt tính cường độ được xác định theo các tiêu chuẩn Đó là tỷ lệ tính theo % giữa cường độ nén của xi măng pha 20% puzơlan theo khối lượng và cường độ nén của xi măng gốc Kết quả thí nghiệm được ghi trong bảng 2.5

Bảng 2.5 : Chỉ số hoạt tính cường độ của puzơlan Long Phước và tro bay Phả Lại

Cường độ nén của xi măng pha 20% phụ gia khoáng, MPa

Chỉ số hoạt tính cường độ,

% Phụgia

khoáng

Cường độ nén của xi măng

Chỉ số hoạt tính cường độ của puzơlan LP và tro bay PL xấp xỉ nhau và đều

vượt quá 75% là giá trị tối thiểu được qui định trong các tiêu chuẩn liên quan

Chỉ tiêu này cũng thống nhất với chỉ tiêu độ hút vôi của hai loại phụ gia khoáng

đã nêu trên

2.4.6 Độ mịn của puzơlan Long Phước và tro bay Phả Lại

Độ mịn của puzơlan LP được nghiền ở nhà máy xi măng Holcim và tro bay PL

được xác định bằng phương pháp sàng bằng sàng 0,08 mm như đối với xi măng và

bằng sàng 0,045 mm đạt yêu cầu của tiêu chuẩn Ngoài ra cũng xác định tỉ diện

2.5 Kết luận chương 2

Trong chương này trình bầy những lý do cơ bản của việc chọn puzơlan LP

làm phụ gia cho xi măng và bê tông khối lớn Tác giả luận án đã nghiên cứu

qua đó đánh giá các đặc trưng kỹ thuật của puzơlanLP dùng cho bê tông đập

trọng lực, để đánh giá toàn diện loại puzơlan này:

phản ứng puzơlan;

- Độ hút vôi, độ mịn, màu sắc của puzơlan LP có so sánh với tro bay PL;

- Phân tích nhiễu xạ rơnghen, nhiệt vi sai, để xác định thành phần của các

khoáng trong puzơlan và tro bay;

- ảnh chụp cấu trúc hạt puzơlan LP bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) với

độ phóng đại 10000 lần có so sánh với cấu trúc hạt của tro bayPL;

Tổng hợp các kết quả nghiên cứu của tác giả luận án có kế thừa những kết quả

nghiên cứu của Viện VLXD trước đây và dựa vào cơ sở lý thuyết về phụ gia

khoáng cho thấy: Puzơlan LP có hoạt tính khá và đạt tất cả các yêu cầu của phụ

gia khoáng dùng cho xi măng và bê tông Đó là cơ sở khoa học để lựa chọn

puzơlan LP thay thế tro bay sử dụng cho đập bê tông trọng lực là hợp lý Vấn đề

tiếp theo là phải xác định được tỉ lệ thích hợp của puzơlan LP trong xi măng, đảm

bảo yêu cầu của bê tông thủy công về cường độ, độ chống thấm, độ bền đáp ứng

tiến độ thi công, giá thành và chất lượng công trình Đó cũng là ý nghĩa kinh tế,

kỹ thuật của luận án

Chương 3: nghiên cứu ứng dụng puzơlan lp

Trong xi măng dùng cho đập bê tông trọng lực

3.1.Lựa chọn xi măng gốc

Chọn xi măng PC 40 Holcim, do puzơlan LP đang đựơc dùng làm PGKHTđể

sản xuất xi măng PCB Holcim, nếu điều chỉnh hàm lượng thì cũng dễ dàng

Bảng 3.1 : Thành phần hóa học của clanhke xi măng Holcim

Tỷ lệ% khối lượng 21,6 4,78 3,67 65,24 1,8 0,4 0,62 0,21 0,62

Bảng 3.2 : Thành phần khoáng của xi măng PC 40 Holcim

3.2 ảnh hưởng của puzơlan LP đối với nhiệt thủy hóa của xi măng

Dùng các tỉ lệ puzơlan LP khác nhau : 15, 25, 30, 35 và 40% Xác định nhiệt

thủy hóa theo tiêu chuẩn nhà nước TCVN 6070:1995 [23] ,bảng 3.3

Bảng 3.3 : Nhiệt thủy hóa của xi măng pha puzơlan Long Phước, cal/g

Tỉ lệ puzơlan LP trong xi măng, % khối lượng Thờigian, ngày

Nhiệt thủy hóa, sau thời gian t ngày (Qt) được tính toán theo công thức :

3.3 ảnh hưởng của puzơlan LP đối với cường độ nén của xi măng

Ghi chú: Tử số là trị số cường độ; mẫu số là %của cường độ xi măng hỗn hợp

so với xi măng gốc (không pha puzơlan) được lấy bằng 100% ở tuổi quy định

Hình 3.2 Quan hệ giữa cường độ nén xi măng và tỉ lệ puzơlan LP

Khi pha puzơlan LP vào xi măng PC 40, cường độ nén của xi măng giảm đi

giảm Điều đó hoàn toàn phù hợp với cơ sở lý thuyết đã viết ở Chương 2 Đáng

chú ý là khi tỷ lệ pha puzơlan bằng 35% và 40%, thì cường độ nén 28 ngày và ở

tuổi 7 ngày giảm đi, nhưng xi măng vẫn đạt mác 30

3.4 Độ dẻo tiêu chuẩn và thời gian đông kết của xi măng holcim

Bảng 3.10 : Độ dẻo tiêu chuẩn và thời gian đông kết của xi măng

Khi pha puzơlan LP 40% vào xi măng PC 40, cả puzơlan và tro bay đều kéo dài thời gian đông kết của xi măng, nhưng không nhiều lắm Như vậy thời gian

đông kết của xi măng pha puzơlan và pha tro bay xấp xỉ nhau

3.5 Phân tích nhiễu xạ rơn ghen mẫu đá xi măng

Các loại xi măng gốc (PC 40 Holcim) và xi măng được thay thế 25%, 35% và 40% khối lượng bằng puzơlan LP được phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ rơn ghen trên máy Siemens D.500 Các biểu đồ rơn ghen của 4 loại xi măng đó

và được tổng hợp trong hình 3.7 để so sánh

Hình3.7 Biểu đồ tổng hợp phân tích nhiễu xạ rơn ghen 4 loại mẫu đá xi măng PC40 Holcim pha 0%,25%,35%,40% puzơlanLP

3.6 Phân tích nhiệt vi sai (DTA) mẫu đá xi măng

Phân tích nhiệt vi sai mẫu đá xi măng gốc (PC 40) và mẫu đá xi măng với 40% khối lượng được thay thế bằng puzơlan LP trên máy Shimadzu DTA-50 Kết quả phân tích được tổng hợp trên hình 3.10

3.7 Phân tích vi cấu trúc của mẫu đá xi măng

Vi cấu trúc của đá xi măng đ−ợc chế tạo bằng xi măng gốc (PC 40) và xi măng chứa 40% puzơlan LP Thí nghiệm đ−ợc tiến hành cho hai nhóm mẫu đ−ợc bảo d−ỡng 2 tháng và 6 tháng bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Nh− vậy kết quả phân tích vi cấu trúc của xi măng có và không có phụ gia hoàn toàn phù hợp với lý thuyết và với các kết quả phân tích nhiễu xạ rơn ghen

và nhiệt vi sai đã nêu ở trên Việc xuất hiện nhiều tinh thể CSH và ít tinh thể

hoạt tính khá

Hình 3.11: Vi cấu trúc của đá xi măng gốc

PC 40 tuổi 2 tháng (phóng đại 10.000 lần)

Hình 3.12 : Vi cấu trúc của đá xi măng PCB 40% puzơlan LP tuổi 2 tháng (phóng đại 10.000 lần)

Hình 3.13: Vi cấu trúc của đá xi măng gốc Hình 3.14: Vi cấu trúc của đá xi măng PCB40%

Hình 3.10 : Biểu

đồ tổng hợp phân tích DTA hai mẫu

xi măng PC40 và PCB pha 40%

puzơlan LP