Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres).
LÝ DO LỰA CHỌNĐỀTÀI
Trong ngành công nghiệp xây dựng hiện nay, bê tông là loại vật liệu được sử dụng chủ yếu cho các kết cấu chịu lực trong công trình Tuy nhiên, đặc điểm cố hữu của bê tông kết cấu chịu lực là thường có khối lượng thể tích (KLTT) lớn (khoảng
2400 kg/m 3 ) dẫn đến khó khăn khi thiết kế và thi công các công trình quy mô lớn vì kíchthướcmóng,cột,dầmvàsàncôngtrìnhtănglênđángkểđểcóthểchịulựcđược trong công trình Vì vậy, nghiên cứu và ứng dụng bê tông nhẹ cho các kết cấu chịu lựctrongcôngtrìnhđãvàđangđượctiếnhànhởnhiềunơitrênthếgiới.Loạibêtông nàyvừađảmbảocườngđộ,độbềnnhưbêtôngthôngthường,vừamanglạinhiềulợi ích như giảm tải trọng công trình, giảm kích thước kết cấu, tăng tính cách âm, cách nhiệt, chống động đất, chống cháy, dễ dàng vận chuyển, thi công, lắp đặt,v.v…
Bê tông cốt liệu nhẹ phụ thuộc nhiều vào loại cốt liệu nhẹ sử dụng Chúng có thểđượcsửdụnglàmkếtcấuchịulực(bêtôngnhẹkếtcấu)hoặckếtcấukhôngchịu lực Theo ACI 318-14 [17] thì bê tông nhẹ kết cấu là loại bê tông cốt liệu nhẹ có cường độ từ 17 MPa trở lên, tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông của châu Âu (EN 1992 (EuroCode 2 [26]) qui định bê tông nhẹ kết cấu là loại từ LC 8/9 trở lên, tức cường độ chịu nén đặc trưng mẫu trụ và mẫu lập phương tối thiểu tương ứng là 8 MPavà9MPa.TiêuchuẩnthiếtkếkếtcấubêtôngvàbêtôngcốtthépcủaViệtNam
TCVN5574:2018thìbêtôngnhẹ(bêtôngcóKLTTkhôngquá2000kg/m 3 )sửdụng cho kết cấu bê tông cốt thép là loại có cấp cường độ B15 trở lên và cấp cường độ từ B20 trở lên với bê tông ứng suấttrước[2].
Bêtôngnhẹkếtcấuđãvàđangđượcứngdụngnhiềutrongxâydựng.Lịchsử sửdụngbêtôngnhẹkếtcấuchothấy,bêtôngnhẹkếtcấuđãđượcsửdụngchonhiều công trình nhà cao tầng, kết cấu cầu đường, kết cấu nổi ngoài khơi Theo ACI 213- 14 [16], các loại bê tông nhẹ kết cấu sử dụng cho các công trình thực tế có cường độ chịunénchủyếutrongkhoảng21-35MPa,đốivớikếtcấubêtôngnhẹứngsuấttrước thìchủyếusửdụngloạibêtôngnhẹcườngđộcaovớicườngđộchịunén35-41MPa hoặccaohơnvớiKLTTphổbiếntrongkhoảng1600-1920kg/m 3 TạiViệtNamchưa có các ứng dụng bê tông nhẹ cho kết cấu dự ứng lực Tiêu chuẩn kỹ thuật đối với bê tông cho kết cấu dự ứng lực hiện đang áp dụng phổ biến ở nước ta là cường độ chịu nén không nhỏ hơn 35 MPa ở tuổi cắt cáp dự ứnglực.
Nhìn chung, nghiên cứu phát triển bê tông nhẹ với tính năng cao, đặc biệt là bê tông nhẹ cho chế tạo kết cấu chịu lực, bao gồm cả cho bê tông dự ứng lực vẫn là một chủ đề luôn được quan tâm nghiên cứu trong lĩnh vực bê tông trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Điều này cũng phù hợp với xu hướng chế tạo và ứng dụng bê tông hiện nay trong các công trình xây dựng đó là sử dụng các loại bê tông mác cao, bê tông tính năng cao và bê tôngcốtthép dự ứng lực trong công trình xây dựng Xu hướng này nhằm mục tiêu nâng cao chất lượng công trình, tuổi thọ công trình, tăng tính thẩm mỹ (thông qua giảm kích thước cấu kiện, đa dạng kiến trúc) và tăng hiệu quả sử dụng không gian và điều kiện tiện nghi trong công trình Xu hướng này cũng không ngoại lệ tại Việt Nam, cách đây khoảng 10 năm về trước, các công trìnhxâydựngthôngthườngtạiViệtNamchủyếusửdụngbêtôngmác200-300(20- 30 MPa) và kết cấu bê tông cốt thép thông thường Nhưng hiện nay, công trình nhà cao tầng và cầu đường thường sử dụng bê tông mác 30-50 (tính theo MPa), thậm chí đến 60-80, đặc biệt việc ứng dụng kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực cũng đã trở nênrấtphổbiếnhơn.Bêtôngsửdụngchokếtcấudựứnglựcđòihỏichấtlượngcao hơn so với bê tông sử dụng cho kết cấu thông thường, cụ thể cường độ chịu nén lớn hơn40MPa,pháttriểncườngđộnhanh,cácchỉtiêuvềchốngthấm,hútnướcvàcác chỉ tiêu về độ bền lâu khác cũng yêu cầu cao hơn so với bê tông thôngthường.
Trong khoảng hơn mười năm trở lại đây, sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (Fly Ash Cenosphere- FAC) cho chế tạo các loại bê tông nhẹ được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Sử dụng FAC làm vật liệu nhẹ cho chế tạo bê tông có nhiều ưu điểm nhưchocườngđộcóthểđạttrên40MPa,độhútnướcthấp,tươngđươngvớibêtông thôngthường.Loạibêtôngnhẹnàycóthểphânloạilàbêtôngnhẹcườngđộcaovới nhiềuưuđiểmvượttrộisovớiloạibêtôngcốtliệunhẹtruyềnthống.Tuynhiên,việc nghiên cứu và phát triển bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng FAC hiện nay vẫn còn hạn chế trên thế giới, đặc biệt ở Việt Nam FAC có thể thu hồi được từ tro bay các nhàmáynhiệtđiệnđốtthanphuntạiViệtNamvớitỷlệ80-85%trongtổnglượngtro xỉ phát sinh khoảng 17 triệu tấn/năm (năm 2021) Với hàm lượng FAC trong tro bay trung bình khoảng 0,3-1,5 %[104] thì tổng lượng FAC về lý thuyết có thể thu hồi được là (32.640- 163.200)tấn/năm.
Trêncơsởyêucầutừthựctiễnvàcácvấnđềkhoahọcđặtrađốivớiviệcphát triểnloạibêtôngnhẹcườngđộcao,đềtàilựachọnhướngnghiêncứuchếtạobêtông nhẹ sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam Với định hướng đó, đề tài luận án được đề xuất là“Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay(cenospheres)”.
MỤC ĐÍCH NỘI DUNGNGHIÊNCỨU
Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay cho kết cấu bê tông chịu lực trong công trình xây dựng, đảm bảo cường độ chịu nénlớnhơn40MPa,KLTTkhônglớnhơn2000kg/m 3 trêncơsởcácvậtliệusẵncó ở ViệtNam, trong đó tập trung với loại có KLTT trong khoảng 1300-1600kg/m 3
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VINGHIÊN CỨU
Đối tượngnghiêncứu
Bê tông siêu nhẹ cường độ cao (FAC-HSLWC) được phát triển sử dụng cốt liệu là tro bay rỗng, có cường độ chịu nén lớn hơn 40 MPa và khối lượng thể tích không lớn hơn 2000 kg/m³, đáp ứng nhu cầu vật liệu nhẹ và bền vững trong xây dựng Nghiên cứu tập trung vào các tính chất cơ lý của FAC-HSLWC có khối lượng thể tích từ 1300-1600 kg/m³, phù hợp cho nhiều ứng dụng trong xây dựng dân dụng và công nghiệp.
Phạm vinghiêncứu
Lựa chọn vật liệu và thành phần cấp phối cho bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạtvicầurỗngtừtrobay(FAC-HSLWC)cócườngđộchịunénlớnhơn40MPa, KLTT không lớn hơn 2000 kg/m 3 trên cơ sở các vật liệu trong nước Chất kết dính:ximăngpoóclăngvàphụgiakhoáng(PGK)gồmsilicafume(SF)vàxỉhạt lò cao nghiền mịn (GGBFS); Cốt liệu: cát tự nhiên và hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC); Vật liệu khác: phụ gia siêu dẻo, cốt sợi polypropylene (sợiPP).
Xây dựng mô hình dự đoán cường độ choFAC-HSLWC.
Xây dựng phương pháp tính toán thành phần cấp phối choFAC-HSLWC.
Tính chất kỹ thuật của FAC-HSLWC: tính chất của hỗn hợp bê tông, tính cơ lý và độ bềnlâu.
Ứng xử của cấu kiện tấm sàn bê tông cốt thép sử dụngFAC-HSLWC.
CỞ SỞKHOAHỌC
Nghiên cứu chế tạo hỗn hợp bê tông cường độ và độ bền cao (FAC-HSLWC) dựa trên nguyên lý tối ưu thành phần hạt vật liệu thành phần, tăng cường sự đồng nhất trong cấu trúc bê tông, nâng cao cường độ của CKD và vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu, nâng cao cường độ chịu kéo khi uốn, cường độ chịu kéo, khả năng kháng nứt bằng cốt sợi phân tán.
Mô hình dự đoán cường độ chịu nén được xây dựng trên cơ sở quy luật về quan hệ cường độ chịu nén bê tông với cường độ chịu nén xi măng, tỷ lệ N/XM vàcác yếutốchínhcủacấpphốiđếncườngđộchịunén.Môhìnhdựđoáncườngđộcho
Phương pháp thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC được xây dựng trên cơ sở phương pháp tối ưu thành phần cỡ hạt các vật liệu thành phần, tỷ lệ CKD/CL tối ưu,côngthứctínhKLTTcủabêtôngdựatrêntỷlệFACthaythếcát,môhìnhdự đoáncườngđộchịunéntheocácthôngsốthànhphầncấpphốibêtôngđượcthiết lập từ kết quả nghiêncứu.
PHƯƠNG PHÁPNGHIÊNCỨU
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu sau:
Nghiên cứu lý thuyết: Thu thập các tài liệu kỹ thuật có liên quanđểtổng hợp, phân tích và làm cơ sở cho việc thiết lập chương trình nghiêncứu.
Nghiên cứu thực nghiệm gồm hai phương pháp chính: tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn Phương pháp tiêu chuẩn tuân thủ các tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và quốc tế, đảm bảo sự thống nhất và đáng tin cậy trong nghiên cứu Phương pháp phi tiêu chuẩn là những kỹ thuật chuyên dụng dành riêng cho lĩnh vực vật liệu, bê tông và kết cấu bê tông, cung cấp những thông tin sâu hơn như ảnh chụp kính hiển vi điện tử (SEM), phân tích nhiệt vi sai (DTA/TGA), xác định độ bền của hỗn hợp vật liệu và độ nhớt của hỗn hợp vữa xi măng.
NHỮNG ĐÓNGGÓPMỚI
TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHẸKẾT CẤU
1.1.1 Kháiniệm và phân loại về bê tôngnhẹ
Theo cấu tạo thành phần của bê tông có thể định nghĩa bê tông nhẹ là loại bê tông được chế tạo bằng cách sử dụng cốt liệu nhẹ hoặc chứa các lỗ rỗng không khí đượctạorabởiphụgiatạokhítrongquátrìnhnhàotrộnvàtrướckhiđóngrắn.Theo
KLTTcóthểđịnhnghĩabêtôngnhẹlàloạicóKLTTnhỏhơnbêtôngthôngthường Tuy nhiên giới hạn KLTT cận trên của bê tông nhẹ không thống nhất trong các tiêu chuẩn các nước trên thế giới Theo TCXD 191:1996 [3], bê tông nhẹ là loại bê tông với KLTT trong nhỏ hơn 1800 kg/m 3 , được cấu tạo bởi cốt liệu nhẹ như đá bọt, keramzit, agloporit Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép của Việt NamTCVN5574:2018quyđịnhbêtôngnhẹlàloạicóKLTTkhôngquá2000kg/m 3 [96] Tiêu chuẩn Châu Âu EN 206-1 [27] qui định giới hạn cận trên của bê tông nhẹ là 2000 kg/m 3 trong khi trong tiêu chuẩn của Mỹ như ASTM C125 và ACI 213 thì mức này là 1920 kg/m 3 Theo tiêu chuẩn BS EN 13055-1:2002[25] thì bê tông cốt liệu nhẹ là loại bê tông chứa cốt liệu có KLTT không quá 2000 kg/m 3 hoặc KLTT xốp (đổ đống) không quá 1200 kg/m 3 , bao gồm các loại cốt liệu sau: (1) Cốt liệu tự nhiên;
(2) Cốt liệu nhân tạo nguồn gốc tự nhiên, chế biến từ phụ phẩm côngn g h i ệ p ;
(3) Phụ phẩm công nghiệp; (4) Cốt liệu tái chế Tiêu chuẩn Nga GOST 25820-14Bê tông cốt liệu nhẹ [50] quy định bê tông nhẹ là loại bê tông sử dụng chất kết dính xi măng, cốt liệu lớn vô cơ dạng xốp (tự nhiên hoặc nhân tạo), cốt liệu nhỏ vô cơ xốp hoặcđặcchắcvàphụgiađểđiềuchỉnhtínhchấtcủahỗnhợpbêtôngvàbêtông.Như vậytiêuchuẩnnàycũngkhôngđưaraquyđịnhvềKLTTcủabêtôngnhẹmàchỉquy định là cốt liệu lớn hoặc nhỏ phải là loại cốt liệu dạng xốp Theo TCVN 9029:2017 về Bê tông nhẹ - Sản phẩm bê tông bọt và bê tông khí không chưng áp – Yêu cầu kĩ thuật [1], bê tông nhẹ được định nghĩa là loại bê tông có KLTT khô nhỏ hơn 1800 kg/m 3
Theo cấu tạo có thể chia bê tông nhẹ thành 3 nhóm chính (Hình 1.1): (1) bê tông cốt liệu nhẹ; (2) bê tông nhẹ chứa lỗ rỗng khí (thường gọi là bê tông tổ ong);và (3)bêtônglỗrỗnglớn(bêtôngđãloạibỏcáchạtcốtliệunhỏ).Ngoàicáchphânloại trên, bê tông nhẹ còn được phân loại theo công dụng thành các loại như (1) Bê tông nhẹ chịu lực (2)
Bê tông nhẹ hiện nay có 2 loại chính là bê tông nhẹ không chịu lực và bê tông nhẹ cách nhiệt Trong đó, bê tông nhẹ chịu lực (bê tông nhẹ kết cấu) là loại bê tông cốt liệu nhẹ, chủ yếu là bê tông nhẹ chứa bọt khí.
Bê tông lỗ rỗng lớn Bê tông tổ ong Bê tông cốt liệu nhẹ như bê tông bọt, bê tông khí, bê tông khí chưng áp Bê tông nhẹ tổ ong thường được sửdụnglàmtườngngoài,tườngngăn,trầnngănvàcáckếtcấukháctrongcôngtrình với mục đích giảm nhẹ khối lượng công trình và nâng caokhảnăng cách nhiệt của kết cấu baoche.
Hình 1.1 Hình dạng cấu trúc cơ bản của bê tông nhẹ
1.1.2 Tìnhhình nghiên cứu và ứng dụng bê tông nhẹ kếtcấu
Bêtôngnhẹđượcsửdụngchokếtcấuchịulựchiệnnaychủyếulàbêtôngcốt liệu nhẹ (BTCLN) Tiêu chuẩn kỹ thuật đối với bê tông nhẹ cho kết cấu của một số tiêu chuẩn thể hiện trongBảng 1.1 Tiêu chuẩn ACI 318-19 qui định bê tông nhẹ kết cấulàloạibêtôngcốtliệunhẹcócườngđộchịunéntừ17MPatrởlên,KLTT1440- 2160kg/ m 3 ACI213-14quyđịnhbêtôngnhẹkếtcấulàbêtôngsửdụngcốtliệunhẹ theo ASTM C330 [18] với KLTT xốp không quá 1120 kg/m 3 Tiêu chuẩn Châu Âu EN 206:2013 phân loại bê tông cốt liệu nhẹ theo mối quan hệ giữa KLTT và cường độchịunénnhưthểhiệntrongHình1.2.TiêuchuẩnthiếtkếkếtcấubêtôngcủaChâu Âu EN 1992 (Eurocode 1992) qui định cấp cường độ chịu nén tối thiểu của bê tông nhẹ là LC8/9 tức cường độ chịu nén đặc trưng mẫu trụ 8 MPa và cường độ chịu nén đặc trưng mẫu lập phương là 9MPa.
Bảng 1.1 Yêu thuật với bê tông nhẹ kết cấu của một số tiêu chuẩn
Tiêu chuẩn KLTT (kg/m 3 ) Cấp cường độ chịu nén 28 ngày
TCVN 5574-18 ≤ 2000 Từ cấp B15 trở lên
CEB-FIP 2010 800-2000 (trạng thái khô) LC8-LC80 (8-80 MPa)
ACI 318-19 1440-2160 (trạng thái khô tự nhiên) Cường độ tối thiểu 17 MPa
Cường độ phổ biến 21-35 MPa
JGJ 51-2002 ≤ 1950 (trạng thái khô) 10-38,5 MPa (LC5.0-LC60)
Sử dụng cát nhẹ Sử dụng cát thường
Khối lượng thể tích (kg/dm3)
Hình 1.2 Qui định cấp cường độ và KLTT khô của bê tông nhẹ theo EN 206-1 [27] Bêtôngcốtliệunhẹcóthểđượcsửdụngchocácứngdụngkếtcấu,vớicường độ tương đương với bê tông trọng lượng bình thường Về cơ bản, việc sử dụng bê tông nhẹ kết cấu mang lại nhiều lợi ích bao gồm: giảm tĩnh tải cho công trình do đó tiết kiệm cho kết cấu nền móng và gia cố, giảm kích thước kết cấu, tăng diện tích hoặc số tầng của công trình; cải thiện tính chất nhiệt; cải thiện khả năng chốngcháy; chống động đất, tiết kiệm trong vận chuyển và xử lý các cấu kiện đúc sẵn; giảm ván khuôn Một ưu điểm của bê tông nhẹ cần phải kể đến là có khả năng chống cháy cao hơn bê tông thường do tính dẫn nhiệt thấp hơn, hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn và tính ổnđịnhnhiệtvốncócủacốtliệuđãđượcnungnóngđếnhơn1093°C,nhưđượcbáo cáotrongACI216.1-14.Khiđộdàycủatấmsànđượcxácđịnhbằngkhảnăngchống cháy chứ không phải theo tiêu chí kết cấu (ví dụ: tấm ghép, tấm waffle), tính năng vượt trội của bê tông nhẹ sẽ làm giảm độ dày của tấm, dẫn đến khối lượng bê tông thấp hơn đáng kể[58]. Đối với mỗi loại cốt liệu nhẹ, sẽ cho khả năng chế tạo ra loại bê tông nhẹ có KLTT và cường độ trong một khoảng nhất định ACI 213-14 đưa ra khoảng KLTT của bê tông tùy thuộc vào loại cốt liệu nhẹ Theo đó bê tông nhẹ được chia ra thành
3 loại bê tông KLTT nhẹ, bê tông cường độ trung bình, bê tông kết cấu Trong đó bê tông KLTT nhẹ có KLTT từ 300 đến 800 kg/m 3 ; bê tông cường độ trung bình có KLTT từ 800 đến 1400 kg/m 3 và bê tông kết cấu có KLTT từ 1400 đến 1900 kg/m 3
Bê tông nhẹ kết cấu thường được tạo thành từ các loại cốt liệu nhẹ như đất sét nung, tro bay vê viên nung, xỉ phồng nở, đá phiến sét nở hoặc các sản phẩm nung từ lò quay Những loại cốt liệu này có trọng lượng nhẹ, giúp giảm tải trọng cho kết cấu và tạo ra vật liệu nhẹ hơn so với bê tông thông thường.
Ngoàicácloạicốtliệunhẹphổbiếnnhưđềcậpởtrên,hiệnnaynhiềuloạicốt liệu nhẹ khác cũng đang được nghiên cứu sử dụng cho bê tông nhẹ như bê tông cốt liệu polystyrene (EPS), cốt liệu nhẹ từ vỏ cọ dầu [13], thủy tinh bọt từ thủy tinh tái chế
[128] Nghiên cứu của Yu và ccs sử dụng thủy tinh phồng nở tái chế đạt KLTT tuổi28ngày1280kg/m 3 vớiđộbềnlâutốtnhưngcườngđộchịunénchỉđạtđến23,3
MPa.Bêtôngnhẹsửdụngthủytinhphồngnởđượcsửdụngchủyếulàmvậtliệu cách nhiệt với KLTT trong khoảng 1280-1490 kg/m 3 , cường độ chịu nén tương ứng khoảng 22-31 MPa [93] Lý giải về cường độ thấp của bê tông nhẹ, các nghiên cứu chủ yếu cho rằng do kích thước các lỗ rỗng lớn và cấu trúc rỗng của hạt nhẹ tạo hệ thống lỗ rỗng có kích thước lớn trong cấu trúc của bê tông Loại bê tông siêu nhẹ (ULWC)trongnghiêncứucủaYucóKLTTkhoảng650-700kg/m 3 ,độdẫnnhiệtđạt 0,12 W/(m.K) và cường độ chịu nén 28 ngày đạt khoảng 10-12 MPa.Bảng 1.2dưới đây thống kê kết quả nghiên cứu tính chất của bê tông sử dụng một số loại cốt liệu nhẹđượcnghiêncứuvàpháttriểnnhữngnămgầnđây[125].Nhìnchung,cácloạibê tông nhẹ cho kết cấu được sử dụng phổ biến hiện nay là bê tông cốt liệu nhẹ như đất sétnung,trobayvêviênnung,xỉphồngnở,đáphiếnsétnở,cácloạicốtliệunungtừ lò quay Tùy thuộc vào chất lượng, KLTT của cốt liệu nhẹ, cường độ chịu nén của các loại bê tông nhẹ này đạt được cường độ chịu nén phổ biến trong khoảng 20-55 MPa tương ứng với KLTT của bê tông 1440-1920kg/m 3
Bảng 1.2 Thống kê một số kết quả nghiên cứu về bê tông cốt liệu nhẹ trên thế giới
TLTK Loại cốt liệu/Dmax
Cường độ chịu nén (MPa)
Uycal và ccs Đá bọt
Bọt PU phế thải/10mm 0,6-0,7 1261-
Kim và ccs Tro đáy mịn/0.6 mm & đá sét phổng nở/19 mm
Cenosphere/600 lm & đuôi quặng sắt/300 lm
TLTK Loại cốt liệu/Dmax Tỷ lệ
Cường độ chịu nén (MPa)
Trạng thái mẫu thử Hệ số dẫn nhiệt (W/m.K)
Yu và ccs Thủy tinh phồng nở/4.0 mm 0,38-
Yun và ccs Bọt thủy tinh/ĐK trung bình 65m 0,55 2011-
Gao và ccs Aerogel/4 mm 0,38-
1.1.3 Bêtông nhẹ cường độ cao và các ứng dụng củanó
Theo ACI 213-14 [11] thì bê tông nhẹ cường độ cao (High-Strength Lightweight Concrete- HSLWC) là loại bê tông nhẹ kết cấu có cường độ lớn hơn 40 MPa Bê tông nhẹ cường độ cao thường sử dụng chất kết dính là xi măng OPC, kết hợpcácphụgiakhoángnhưtrobay,silicafume,metakaolanhvàcốtliệulàhỗnhợp của cốt liệu nhỏ tự nhiên và cốt liệu nhẹ hay toàn bộ cốt liệu nhẹ từ đất sét, đá phiến sét nung phồng nở, kết hợp cùng với phụ gia giảm nước tầm trung hoặc tầm cao Tỷ lệN/CKDthườngdưới0,45.Hiệnnay,mộtsốloạiHSLWCcóthểđạtcườngđộchịu néntừ48đến69MPa, nhưngphổbiếncácdựányêucầuvàsửdụngloạiHSLWCở mức trên
41 MPa, với KLTT trong thường trong khoảng 1820-1960 kg/m 3 [11].
Nghiên cứu về HSLWC đã được thực hiện ở một số nước nhằm nâng cao cường độ của bê tông nhẹ nhằm tăng khả năng ứng dụng của chúng Các kết quả nghiên cứu về bê tông nhẹ cường độ cao có khả năng chế tạo cấu kiện chịu lực chủ yếu cho đến này chủ yếu đạt được với KLTT > 1800 kg/m 3 , nếu giảm KLTT dưới
1800 kg/m 3 thì cường độ chịu nén bê tông chỉ đạt tối đa là 30 MPa [10, 63, 102] Một số kết quả tốt nhất đạt được với nhóm nghiên cứu tại Nhật và Brazil Nhóm nghiên cứu của Nhật [65] đã phát triển loại bê tông nhẹ với KLTT 1800-1850 kg/ m 3 và cường độ chịu nén đạt được 47-54 MPa (tương ứng với cường độ riêng 27,5-
30 kPa/kg.m -3 ) Nhóm nghiên cứu của Brazil [107] cũng nghiên cứu được loại bê tông nhẹcócườngđộriêngtươngtựsửdụnghạtxốp:KLTTtrungbình1450-1600kg/m 3 , cường độ chịu nén 40-50MPa.
BÊ TÔNG NHẸ SỬDỤNGCENOSPHERE
1.2.1 Giớithiệu về bê tông nhẹ sử dụngcenosphere
Bê tông nhẹ sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (Fly Ash Cenosphere LightweightConcrete-FACLWC)đượchiểulàloạibêtôngnhẹsửdụnghệchấtkết dính xi măng và hạt vi cầu rỗng từ tro bay (FAC) có KLTT nhẹ hơn bê tông thông thường Các vi cầu rỗng từ tro bay là các hạt tro bay hình cầu có KLTT nhỏ hơn 1 g/cm 3 (chủ yếu trong khoảng 0,4-0,9 g/cm 3 ), với dải kích thước hạt chủ yếu trong khoảng 10-400m, kích thước thành vách 1-18m Khi đưa các hạt FAC vào bê tông, do các hạt FAC cơ bản là các hạt cầu kín nước với KLTTnhẹnên làm giảmKLTTcủabêtông.TùythuộcvàolượngFACsửdụngtrongbêtông,bêtôngchứa
FACcóthểcóKLTTtừkhoảng760kg/m 3 đến2000kg/m 3 Nhưvậycóthểphânloại bê tông nhẹ sử dụng FAC là loại bê tông cốt liệunhẹ.
Hình 1.3 Hạt cenosphere và cấu trúc bê tông chứa cenosphere điển hình [118] Nghiêncứuc ủ aM o n t g o m e r y và Diamond [ 8 9 ] mởđầut ro ng việc sử dụ ng
FAC vai trò là cốt liệu nhẹ cho bê tông nhẹ thực hiện bởi Losiewicz [83] Tuy nhiên nghiên cứu này thực hiện với loại bê tông nhẹ có KLTT thấp nhưng cho cường độ quá thấp, chủ yếu đáp ứng yêu cầu làm vật liệu cách nhiệt Đến đầu thế kỉ 21 thì các nghiên cứu về sử dụng cenosphere làm cốt liệu nhẹ cho bê tông đã đạt được nhiều thành công, bê tông nhẹ sử dụng FAC cơ bản đạt được cường độ của bê tông nhẹ cường độ cao và nhiều tính năng vượt trội so với các loại bê tông nhẹ cốt liệu truyền thống Blanco [22] đã chế tạo bê tông nhẹ sử dụng FAC với cường độ chịu nén 28 ngày đạt 27-33 MPa với KLTT 1387-1510 kg/m 3 Trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây nhiều nghiên cứu về FAC LWC đã được thực hiện [53, 60, 71, 118] Trong số cácnghiêncứuvềbêtôngnhẹcườngđộcaothìnhómnghiêncứuWang(2013)[117] đã chế tạo thành công bê tông nhẹ được gọi là siêu bê tông nhẹ (ULWC) với KLTT 1154-1471kg/ m 3 ,cườngđộchịunén28ngàyđạt33,0-69,4MPa,cườngđộchịukéo khi uốn 8 MPa, hệ số dẫn nhiệt thông thường đạt trong khoảng 0,3 đến 0,8 W/m.K, thấp hơn khá nhiều so với bê tông thông thường khoảng 1,9W/m.K.
Như vậy, so với các loại bê tông cốt liệu nhẹ truyền thống cường độ chịu nén phổbiếntrongkhoảng20-55MPatươngứngvớiKLTTcủabêtông1440-1920kg/m 3 thìbêtôngnhẹsử dụngFACcóthểđạtđượccườngđộchịunén20-67MPavớiKLTT 1200-1600 kg/m 3 , do vậy bê tông nhẹ FAC có nhiều tiềm năng trong việc ứng dụng làm kết cấu chịu lực trong xây dựng Ngoài ra, với khả năng chống thấm, cấu trúc đặc chắc hơn so với bê tông cốt liệu nhẹ phổ biến cũng là ưu điểm của loại bê tông nhẹnày.
Nghiên cứu về sử dụng FAC cho chế tạo bê tông nhẹ là vấn đề mới tại ViệtNam, cho đến nay chưa có nghiên cứu nào thực hiện Việt Nam đang có nhiều nhà máy nhiệt điện, hàng năng phát thải lượng tro bay lớn nên tiềm năng thu hồi FAC từ
Giòng tràn Giòng khíNạp liệu
Lỏng hóa Nước rửa Giòng đáy
Quạt Giòng đáy Nạp liệu Giòng đáy
Phương pháp LagoonPhân ly nổi đảo giòng Phân ly hạt micron
Giòng đáyGiòng thoát Phân ly khí nén khép kín
Phương pháp ướt Phương pháp khô
Phân ly nổi Nạp liệu cácnhàmáynhiệtđiệnthantạiViệtNamlàkhálớn.Chínhvìvậy,đâysẽlàđiềukiện thuận lợi để phát triển và ứng dụng FAC LWC trong thựctế.
1.2.2 Hạtvi cầu rỗng từ tro bay (Cenosphere)
Hạtvicầurỗngtừtrobay(thườngđượcgọilàcenospherehoặcflyashhollow microphere, ký hiệu FAC) là các hạt nhẹ có trong tro bay KLTT của chúng thường trongkhoảng(0,4-0,9)g/cm 3 (dovậychúngcókhảnăngnổitrongnước).Hàmlượng hạt cenosphere trong tro bay dao động lớn tùy thuộc vào nguồn tro bay, dao động trong khoảng 0,1 đến 4,8%, tập trung chủ yếu trong khoảng 0,3-1,5 % [104] Công nghệtuyểncenospheretừtrobaycũngkháđơngiản,thườngđượcthựchiệnbằnghai phương pháp: ướt và khô Phương pháp ướt tận dụng KLTT của các hạt cenosphere nhẹ hơn nước, nên tro bay được cho vào bể nước với hệ thống khuấy để các hạt cenosphere nổi lên phía trên và được thu lại, sau đó phần nổi lên trên này được đem sấy để thu lại các hạt cenosphere khô Phương pháp khô sử dụng công nghệ quay ly tâm và thổi khí tận dụng quan hệ vận tốc-trọng lượng của các hạt để phân tách các hạtcenospherevàcáchạttrobaynặnghơn.Phươngphápnàyđượcđánhgiálàcóưu điểm có thể thực hiện với tro khô, hạn chế ảnh hưởng về mặt môi trường và không cần diện tích nhà xưởnglớn.
Hình 1.4 Sơ đồ công nghệ thu hồi cenosphere theo phương pháp ướt và khô [104] Hiện nay, cenosphere được thu hồi và sản phẩm được bán ra cho nhiều ngành công nghiệp như sản xuất vật liệu nhẹ, vật liệu chịu lửa, cách nhiệt, các ngành cógiá trị sản phẩm cao như sơn, nhựa, hóa dầu, mỹ phẩm Sản phẩm cenosphere từ tro bay loại khô, đóng bao trên thế giới có giá dao động (300-650) USD/tấn Hiện nay, sản phẩm cenosphere từ tro bay được cung cấp nhiều nhất từ Trung Quốc và Ấn Độ, hai nước có lượng tro bay phát sinh hàng đầu trên thếgiới.
Theomộtsốkếtquảnghiêncứu[70],trongtrườnghợpmởrộngkháiniệmcác hạtnhẹcenospheretrongtrobayvớiKLTTlêncaohơn1,0g/cm 3 ,chẳnghạnlên
1,282 g/cm 3 , thì phần hạt nhẹ cenosphere có thể tăng lên 3 lần theo thể tích hoặc 4 lần theo khối lượng Như vậy, khối lượng cenosphere thu được theo lý thuyết sẽ là khoảng 4-12% so với khối lượng tro bay.
VềnguồncenospheretạiViệtNamcóthểcăncứdựatheolượngtrobay.Theo kết quả điều tra về tro xỉ nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam, tính đến năm 2021 lượng tro xỉ phát sinh từ các nhà máy nhiệt điện là khoảng 17 triệu tấn và ước tính tăng lên 25 triệu tấn vào năm 2025 và
38 triệu tấn năm 2030 Ngoài ra, hiện nay lượng tro xỉ nhiệt điện đang tồn chứa tại các bãi thải là khoảng 48,4 triệu tấn Do đó vấn đề xử lý và tiêu thụ tro xỉ lượng tro xỉ nhiệt điện phát sinh và tồn chứa đang là nhiệm vụ cấp bách đặt ra với toàn xã hội Cenosphere chỉ có trong tro bay của nhà máy nhiệt điện đốt than phun do vậy về lý thuyết có thể thu hồi được từ khoảng 80- 85% lượng tro bay của các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam Như vậy với hàm lượng cenosphere trong tro bay khoảng 0,3-1,5 % thì tổng lượng cenosphere về lý thuyết có thể thuhồi đượclà(32.640-163.200)tấn/năm.Vớimộtnhàmáynhiệtđiệncôngsuất1200MW, sử dụng than antraxit Quảng Ninh trung bình thải ra 1 triệu tấn tro xỉ/năm, trong đó 85%làtrobaytứckhoảng850.000tấntrobay/năm,thìtổnglượngcenospherecóthể thu hồi là khoảng (2.550-12.750)tấn/năm.
Thu hồi cenosphere từ tro xỉ nhiệt điện tại Việt Nam có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp, trong đó đơn giản nhất là thu hồi phần tro nhẹ nổi trên mặt nước tại các hồ chứa tro xỉ Tính đến năm 2021, cả nước có 12 nhà máy nhiệt điện đốt than phun xả thải tro xỉ bằng phương pháp ướt ra hồ chứa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu hồi cenosphere Một số công ty tuyển tro xỉ đã áp dụng phương pháp tuyển nước theo công nghệ tuyển nổi để thu hồi cenosphere từ tro bay, chẳng hạn như cơ sở tuyển tro của nhà máy Nhiệt điện Phả Lại.
100 tấn/tháng, công ty tro bay Viêt Nam và một số cơ sở khác Cenosphere sử dụng trong nghiên cứu của Luận án được lấy từ cơ sở thu hồi cenosphere theo công nghệ tuyển ướt từ từ nhà máy nhiệt điện PhảLại.
Thành phần hóa học của cenosphere có nguồn gốc từ nguồn than nguyên liệu và quá trình đốt cháy than Thành phần khoáng chính trong cenosphere là một hỗn hợp của aluminosilicate với một lượng vừa phải các khoáng chứa Ca, Fe, K, Mg, thành phần mất khi nung (MKN) và sự xuất hiện hạn chế của các nguyên tố Na, Ti,
S, P và các nguyên tố vi lượng.Hình 1.5[44] thể hiện thành phần hóa học của 209
Tro bay Cenosphere Cenosphere từ tính Cenosphere không từ mẫu tro bay và mẫu hạt cenosphere được biểu diễn thông qua giản đồ 3 cấu tử củacác oxit chính: SiO 2 + Al2O3+ TiO2; CaO + MgO + Na2O + K2O + (BaO); và
+MnO+P2O5+SO3.Thànhphầnhóacủahailoạivậtliệunàycơbảntươngtựnhaudo các hạt cenosphere là sản phẩm phụ của quá trình hình thành tro bay Thànhphần hóacủamộtsốmẫuFACsửdụngchocácnghiêncứuvềBTNsửdụngFACgầnđây được thể hiện trongBảng1.3.
Hình 1.5 Biều đồ 3 cấu tử thể hiện thành phần hóa của cenosphere của 209 mẫu tro bay a) biều đồ đầy đủ b) phóng đại vùng biểu đồ chứa cenosphere
Bảng 1.3 Thành phần hóa của một số loại FAC [56]
TLTK Al2O3 CaO SiO2 SO3 Fe2O3 Na2O K2O TiO2 MnO MgO Hanif và ccs [53]
1.2.2.3 Thành phần khoáng và cấu trúchạt
CáchạtFACbaogồmphavôđịnhhìnhvàphatinhthểởdạngkhoángmullite, thạch anh cristobalite; K-fenspat; axit plagiocla và magnetite Bên cạnh đó,cenospheređượctạothànhtừthạchanh,vôivàpericlase[105].Nhữngnhómphatinh
Pha tinh thể Pha vô định hình Các dạng khoáng chính trong FAC
Các phat tinh thể trên bề mặt hạt Cấu trúc thành phần pha của FAC
Chiều dày lớp vỏ Đường kính/chiều Đường kính hạt (m)
Hình 1.8 Quan hệ giữa đường kính hạt cenosphere và chiều dày lớp vỏ [105] Hình 1.7 Hình ảnh chụp SEM của các hạt FAC [56] thể này tạo thành bộ xương của các hạt cenosphere Cấu trúc khung xương như vậy códạngcấutrúcdạnghìnhkimtạonênsựổnđịnhcấutrúccủacáccenospheretrong phạm vi nhiệt độ rộng [116] Bộ khung của cenosphere được gói gọn khoảng 90% khốilượngcủaphathủytinhvôđịnhhìnhmanglạibềmặtnhẵn.Dothựctếlàlớpbề mặtnàybaogồmthủytinh,nócóthểbịhòatankhitiếpxúcvớiaxithydrofluoric.Cả hai pha này đại diện cho các thành phần pha chính của cenosphere Tuy nhiên, tùy thuộc vào quá trình tuyển, sấy khô và lưu trữ vật liệu, một số pha nhỏ khác có thể xuấthiệntrênbềmặtcủavỏcủahạtcenosphere,chẳnghạnnhưthạchcao,portlandite, canxit và dolomit.
Dạng chính của cenosphere là canxit, dolomit và magnesit Những dạng này tạo thành do sự hòa tan của vôi, periclase và thạchcao-anhydrite từ tro bay trong quá trình tách ướt Sau khi sấy khô hạt cenosphere, thạch cao, portlandite và brucite có thể chuyển thành dạng ổn định hơn như carbonate như canxit, dolomit và dạng khoáng chất magnesit do hấp thụ CO2 từ không khí.
Hình 1.6 Mô hình cấu trúc thành phần pha (tinh thể và vô định hình) của FAC [90]
1.2.2.4 Kích thước và hình dạnghạt
CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN VẬT LIỆUCHOFAC-HSLWC
2.1.1 Cơ sở khoa học lựa chọn cốt liệu choFAC-HSLWC
Cốt liệu trong bê tông có thể được coi như bộ khung xương của bê tông Tối ưu cấp phối cỡ hạt cốt liệu không chỉ đảm bảo cho độ lèn chặt lớn nhất mà còn đảm bảo cho hỗn hợp bê tông không bị phân tầng do trọng lực, tác động của nội lực như rung, chấn động Với bê tông FAC-HSLWC, do sử dụng các hạt FAC có KLTTthấp (< 0,9 g/cm 3 ), chênh lệch khá lớn so với các vật liệu khác như xi măng, phụ gia khoáng,cát,cốtsợi,…nênloạicốtliệuvàthànhphầncỡhạtcủachúngsẽảnhhưởng nhiều đến độ lèn chặt và khả năng phân tầng của hỗn hợp bêtông. Để hạn chế phân tầng của hỗn hợp bê tông một số nguyên tắc đã được chỉ ra[38]: (1) tăng độ lèn chặt cho hỗn hợp cốt liệu làm giảm sự phân tầng Điều này có giải thích là do khi một hỗn hợp vật liệu càng gần với trạng thái lèn chặt tối ưu, thì các cỡ hạt liên kết chặt chẽ với nhau tạo ra sự ổn định cho hệ; (2) hệ cốt liệu có cấp phối liên tục sẽ ít bị phân tầng hơn so với hệ cấp phối gián đoạn Nghiên cứu chỉ ra các hạt có kích thước nhỏ hơn D/6 dễ dàng điền vào lỗ rỗng giữa các hạt kícht h ư ớ c
KLTT (kg/m3) Dmax cốt liệu (mm)
D Nếu tất cả các hạt nhỏ có kích thước nhỏ hơn D/6 thì hỗn hợp rất dễ bị phân tầng;
(3) Giảm kích thước lớn nhất của cốt liệu sẽ giảm phân tầng hơn so với hệ có cùngphân bố cỡ hạt nhưng sử dụng cốt liệu có D max lớn hơn Điều này cho thấy việcdùng cốt liệu hạt nhỏ như cát (Dmax= 5mm) sẽ làm giảm sự phân tầng của bê tông. Trongnhiều loại bê tông hiện nay, xi măng thường được sử dụng kết hợp với PGK như trobay, silica fume, v.v chúng là các hạt có kích thước rất so với kích thước
Dmaxcủacốtliệu.Tronghệbêtôngđó,vậntốclắngcủacáchạtcốtliệucókíchthướclớntrong hệ hồ xi măng sẽ tuân theo định luật Stokes Theo đó, vận tốc lắng của các hạt cốtliệu sẽ tỷ lệ với bình phương của kích thước hạt cốt liệu Như vậy Dmaxcủa cốt liệucàng lớn thì hiện tượng phân tầng càng dễ xảy ra Với hệ bê tông như FAC-HSLWCthì việc dùng cốt liệu có Dmaxcàng nhỏ thì càng hạn chế hiện tượng phân tầng củahỗnhợpbêtông. (4)Tăngtỷlệcáchạtnhỏtronghệlàmgiảmmứcđộphântầng;(5) giảm chênh lệch KLTT của các loại cốt liệu làm giảm mức độ phântầng. Đối với bê tông cốt liệu nhẹ, các nghiên cứu cơ bản chỉ ra nguyên tắc,
Dmaxcủa cốt liệu càng nhỏ thì cường độ bê tông càng cao [11, 114] Ví dụ nghiên cứu củaSuraneni và Anleu [114] đã chỉ ra, cường độ bê tông BTCLN cao nhất khi
Dmaxcốt liệulà1mmvàgiảmdẫnkhităngDmaxc ủ aCLNtừ1đến16mm.Điềunàyđượctácgiả giải thích là do cường độ chịu nén dập của CLN tăng từ 2 lên 3,5 MPa khi giảmD max cốt liệuCLN.
Hình 2.1 Cường độ chịu nén 28 ngày của BTCLN với Dmaxcốt liệu khác nhau [114]
Các nghiên cứu của De Larrard [39] về ảnh hưởng của cốt liệu đến cường độ chịu nén của bê tông tính năng cao (HPC) thông qua thông số “chiều dày lớn nhất của hồ xi măng (ký hiệu là Maximum Paste thickness- MPT) đã chỉ ra, MPT càng nhỏ thì cường độ bê tông HPC càng lớn Thông qua đó, tác giả đã giải thích tại saovới bê tông tính năng cao (HPC) thì D max cốt liệu nhỏ dẫn đến cường độ của bê tônglớn.
Theo các nguyên tắc trên, cốt liệu cho bê tông FAC-HSLWC được lựa chọnloại và cỡ hạt để đảm bảo độ lèn chặt lớn, cốt liệu D max nhỏ, tăng tỷ lệ các hạt mịn và
- Sử dụng các loại vật liệu ít chênh lệch về kích thước liên tục (KLTT) - Cốt liệu cho FAC-HSLWC được lựa chọn gồm FAC kết hợp cốt liệu dạng cát tự nhiên với kích thước hạt lớn nhất đến 5,0 mm - Kích thước chủ yếu của FAC trong khoảng 45-250m.
2.1.2 Cơ sở khoa học sử dụng PGK choFAC-HSLWC
Khi sử dụng các hạt siêu mịn trong bê tông, các hạt này có tác dụng nâng cao tínhcôngtácchoHHBT,tăngđộđặcchắc,cườngđộcủađáximăngvàcảithiệncấu trúc vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu và đá xi măng (vùng ITZ) Điều này cũng tương tự trong trường hợp của bê tông cốt liệu nhẹ Thông thường, khi sử dụng các PGK mịn sẽ có tác dụng cả về vật lý (hiệu ứng điền đầy, bôi trơn) và hóa học (phản ứng thủyhóa,puzolanic).Tuyvậy,tùythuộcvàoloạiPGKmịnmàhiệuquảcảithiệntính chất của bê tông khác nhau Một vấn đề đối hệ FAC-HSLWC là cần cải thiện vùng ITZ giữa đá CKD và các hạt FAC, đây được coi là vùng yếu nhất trong bê tông Tương tự như bê tông thông thường, vùng ITZ được tạo ra do hiệu ứng tường chắc bởi các bề mặt cốt liệu với hồ xi măng. Các nghiên cứu chỉ ra vùng ITZ có cấu trúc xốp,chứacáctinhthểthôcủakhoángportlandite(CH)vàettringite(AFt)vàcáctinh thể CH tập trung ngay sát bề mặt của hạt cốt liệu Sự có mặt của PGK như SF, FA, GGBFS, meta kaolin puzolan tự nhiên v.v có khả năng làm giảm độ xốp của ITZvà giảm kích thước tinh thể và hàm lượng của CH tạo ra trong cấu trúc của vùng ITZ Paulon và ccs [98] nghiên cứu ảnh hưởng của
PGK đến khả năng cải thiện cường độ củaITZcủabêtôngvớicốtliệutừđágranitvớitỷlệN/CKD=0,35đãchỉra,sửdụng
SFvớitỷlệ10%trongCKDlàmtăngcườngđộchịukéocủavùngITZvàđáximăng khoảng 39%, 34% tương ứng; sử dụng 20% tro bay làm tăng cường độ chịu kéo của vùngITZvàđáximăngkhoảng24%,21%tươngứng.NghiêncứucủaDuanPingvà ccs[43]vềảnhhưởngcủacácPGKlàmetacaolanh(MK),SF,GGBFSvớitỷlệ10% trong CKD đến tính chất của vùng ITZ của bê tông với tỷ lệ N/CKD=0,5 cho thấy cácPGKcóhiệuquảtrongviệclàmgiảmkíchthướclỗrỗng,cũngnhưtổngđộrỗng và tăng độ cứng của vùng ITZ ở các tuổi khác nhau từ 3 đến 180 ngày (Hình 2.2) Kết quả phân tích SEM vùng ITZ cũng cho thấy các khoáng C-S-H tạo ra do phản ứng puzolanic của CH với PGK; các tinh thể C-S-H bắc cầu qua các khoảng trống giữa đá xi măng và bề mặt cốt liệu (Hình2.3). Đường kính lỗ rỗng (mm)
Khoảng cách từ cốt liệu (m)
Hình 2.2 Ảnh hưởng của PGK đến tính chất cùng ITZ bề mặt cốt liệu và đá xi măng
(a) cải thiện kích thước lỗ rỗng; (b) cải thiện độcứng[43]
Hình 2.3 Ảnh hưởng của PGK đến vi cấu trúc tại vùng liên kết giữa đá xi măng và bề mặt cốt liệu trong bê tông [43]
Trong nghiên cứu này, vấn đề tăng cường độ kết dính và khả năng chịu lực của vùng giao diện giữa các hạt đá mạt feldspath (FAC) với đá xi măng của bê tông cường độ cao nhẹ (FAC-HSLWC) được giải quyết bằng cách sử dụng các loại phụ gia khoáng hoạt tính có kích thước từ mịn đến siêu mịn, chú trọng đặc biệt đến khả năng bám dính của hạt siêu mịn (SF) lên bề mặt hạt FAC.
CáchạtPGKnàycóvaitròđiềnvàolỗrỗngvàtạoracáckhoángC-S-Htừquátrình thủy hóa làm tăng liên kết bề mặt hạt FAC và đặt chắc vùng ITZ giữa FAC và đá xi măng. ĐốivớihệFAC-HSLWCdokhôngsửdụngcốtliệulớntrongthànhphầnnên hàm lượng CKD cao, thường trong khoảng 600-850 kg/m 3 Hàm lượng xi măng cao dẫnđếnmộtsốvấnđềnhưlàmtăngbềmặtriêngcủahệ,dẫnđếnphảisửdụnglượng nước trộn lớn, làm tăng thể tích hồ xi măng trong bê tông Bê tông có thể tích hồ xi măng lớn có nhiều nhược điểm như tăng tính giòn, độ co ngót cao, tăng biến dạng dưới tải trọng Ngoài ra, hàm lượng xi măng cao còn làm tăng nhiệt độ bê tông do nhiệt thủy hóa xi măng gây ra, làm tăng nguy cơnứtcho bê tông so ứng suất nhiệt sinh ra, đặc biệt là ở các kết cấu bê tông có kích thước lớn Chính vì vậy sử dụng PGK thay thế một phần xi măng là biện pháp hữu hiệu để giảm các tác dụng không mong muốn đối với tính chất của FAC-HSLWC Trong nghiên cứu này, PGK trong thành phần CKD cho hệ FAC- HSLWC được định hướng là SF và GGBFS Các nghiên cứu về hiệu quả của SF và GGBFS đã được nhiều nghiên cứu chỉ ra Theo Weevàcáccộngsự[120]việcsửdụngPGKmịnnhưSF,GGBFSkếthợpvớiPGSD Đ ộ rỗ ng Đ ộ cứ ng có ảnh hưởng rất tốt đến tính công tác, tăng độ đặc chắc cấu trúc của bê tông, từ đólàmg i ả m đ ộ r ỗ n g , t ă n g c ư ờ n g đ ộ c h o b ê t ô n g Đ ố i vớihệbêtôngnhưFAC-HSLWC,docác hạt
FAC có bề mặt trơn nhẵn hơn cốt liệu đặc chắc, đồng thời có tính xốp cao và khả năng hút nước tốt hơn Việc sử dụng phụ gia khoáng như silica fume (SF), fly ash (FA) và đá vôi nung nghiền mịn (GGBFS) vào bê tông ngoài hiệu quả cải thiện tính chắc chắn của đá xi măng và vùng tiếp xúc giữa xi măng và cốt liệu thì còn giúp giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông theo thời gian, tương tự như bê tông thông thường đã được nhiều nghiên cứu chứng minh.
Hình 2.4 Phân bố của các hạt siêu mịn trong cấu trúc của bê tông cốt liệu nhỏ
TácgiảShannag[111]đãchỉra,sửdụng5-15%SFlàmtăngcườngđộvàmô đun đàn hồi của bê tông tương ứng đến 57% và 14% Việc kết hợp SF và GGBFS hoặc SF với xi măng hiệu quả trong việc cải thiện cả cường độ và tính công tác của bêtôngcốtliệunhẹ.TácgiảGrutzeck[51]trongnghiêncứuvềthủyhóacủahệchất kết dính xi măng chứa SF đã cho rằng, sự hòa tan của SF nhanh chóng sau vài phúttrộnSFvớiCa(OH) 2trong dungdịchvàsựhìnhthànhmộtlớpgiàusilicatrênbềmặtdung dịch, ion Ca 2+ có thể hấp phụ trên bề mặt của SF và hình thành một pha mới. HiệntượngnàychỉrằngphảnứngđầutiêncủaSFvớiCa 2+ trongdungdịchlàcóthể xảy ra và phản ứng của SF cao tại tỷ lệ N/CKD lớn Với hàm lượng sử dụng 10% SF, thì khoảng một nửa lượng SF sẽ bị phản ứng trong 1 ngày, 2/3 lượng SF phản ứng trong 3 ngày đầu, sau đó quá trình phản ứng xảy ra chậm hơn Từ 28-90 ngày, quá trình phản ứng sẽ diễn ra thờm tại một số vị trớ mặc dự đó khoảng ắ lượng SF phản ứng trong 90 ngày. Labri chỉ ra rằng phản ứng của silica chỉ có ý nghĩa khi độ pHlớnhơn12.ĐâylàđộpHmàcanxiởtrạngtháibãohòa.LohtiavàJoshi[81]cho rằngthaythếmộtphầnximăngbởiSFlàmgiảmtổngnhiệtquátrìnhthủyhóanhưng khônggiảmnhiềuvềcườngđộ.TronghệbêtôngcườngđộcaoviệcsửdụngSFgiảm nhiệtthủyhóalàíthơn9%sovớimẫukhôngcóSF.ViệcbổsungSFcóthểthúcđẩy quá trình tăng nhiệt trong 2-3 ngày đầu, nhưng sẽ giảm nhiệt trong bê tông ở tuổi muộn 7-28 ngày so với mẫu không có SF Điều này được giải thích do phản ứng puzzolanic nhanh của SF ở tuổi sớm đã làm tăng tốc độ thủy hóa của xi măng nên tăng nhiệt thủy hóa ở tuổi 2-3 ngàyđầu.
Sử dụng GGBFS với vai trò làm PGK thay thế xi măng đã được chứng minh mang lại hiệu quả cao Các kết quả nghiên cứu và thực tế sử dụng cho thấy GGBFS có thể sử dụng thay thế xi măng ở hàm lượng cao (đến 70% trong chất kết dính) mà vẫn đảm bảo được các yêu cầu chất lượng của bê tông [14] Chính vì vậy, sử dụng GGBFS đem lại hiệu quả kinh tế và lợi ích về mặt môi trường do tiết kiệm nănglượng, tài nguyên và giảm phát thải khí CO 2 Ngoài ra, sử dụng GGBFS cho bê tôngcòn mang lại nhiều ưu điểm về cải thiện tính chất của hỗn hợp bê tông như giảm lượngnướctrộn,tăngtínhcôngtác,tínhdễbơm,giảmnhiệtthủyhóavàtínhchấtcơ lý của bê tông đóng rắn như tăng cường độ chịu nén tuổi dài ngày, tăng cường độ chịu kéo khi uốn và đặc biệt cải thiện đáng kể độ bền lâu, khả năng bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn của bê tông nhờ vào khả năng tăng khả năng chống thấm (chất lỏng, khí), tăng khả năng kháng các tác nhân xâm thực (nước biển, sun phát, hóa chất), giảm nguy cơ khả năng phản ứng kiềm silic,v.v.
Ngoài vai trò tạo phản ứng thủy hóa và puzolanic của GGBFS trong hệ xi măng,GGBFSkhisửdụngchochếtạobêtôngsẽcóvaitròlàmtăngđộlènchặtcủa hỗn hợp chất kết dính do điền vào các lỗ rỗng giữa các hạt xi măng, làm giảm các lỗ rỗng trong vữa xi măng, tăng độ đặc chắc của bê tông, nâng cao độ bền của bê tông và nâng cao chất lượng của bê tông Điều này có được vì kích thước các hạt của GGBFS thường nhỏ hơn các hạt xi măng, nên việc trộn GGBFS vào bê tông vớimột lượng thích hợp có thể làm cho sự tích tụ các hạt ban đầu dày đặc hơn Nhìn chung, độ mịn của xi măng hiện nay chủ yếu trong khoảng 3.300-4.000 cm 2 /g (tính theo phươngphápBlaine),trongkhiđộmịnnghiềncủaGGBFSđạt4.000đến6.000cm 2 /g hoặc có thể được tăng hơn khi cần thiết Do đó, các GGBFS có thể lấp đầy giữa các hạt xi măng để làm cho cấu trúc vi mô của hỗn hợp đặc chắchơn.
CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN CƯỜNG ĐỘCHỊU NÉNCHO FAC-HSLWC
2.2.1 Mộtsố mô hình dự đoán cường độ bêtông
Theo Feret (1892), đá xi măng có cấu trúc dạng xốp, nếu được đơn giản hóa thànhcấutrúcdạnglưới,vớicácthànhváchdạngthanhhoặcdạngvách.Vớicấutrúc lưới dạng thanh thì cường độ đá xi măng được tính theo côngthức: f′ cp = A [ c
+ V v (2.1) trong đó: A là hệ số phụ thuộc vào mô đun đàn hồi của đá xi măng; Vc, Vwvà
Vvtương ứng là thể tích xi măng, nước, bọt khí.
Mô hình cường độ bê tông sau này được nhiều nhà nghiên cứu phát triển dựa trên công thức của Feret như Abrams (1919), Bolomey (1935), De Larrard (1993),
C o ng ót tổ ng ( % ) C o ng ót tổ ng ( % )
Popovics (1965)[36],[32],[72],[103] Bolomey (1935) đơn giản công thức của Feret dưới dạng mô hình tuyến tính: sau: c f′c= 24,6 [ w−0,5] (2.2)
Hay công thức của Abrams (1919) được phát triển bởi Popovics (1995) như f′ c = 147× 0,0779 w/c (2.3) Tuy nhiên, cường độ bê tông không chỉ ảnh hưởng của cường độ đá xi măng mà còn ảnh hưởng của bộ khung cốt liệu và cấu trúc liên kết của đá xi măng và cốt liệu Ảnh hưởng của cấu trúc liên kết này đến cường độ chịu nén của bê tông được Larrard và Tondat (1993) [37] đánh giá thông qua hệ số “độ dày lớn nhất của lớp hồ xi măng” (maximum paste thickness, ký hiệu là MPT) Với sự tích hợp ảnh hưởngcủa đá xi măng (thông qua cường độ chịu nén của đá xi măngfc p ) và cốt liệu trongbê tông (thông qua MPT), Larrard và Tondat (1993)[37] đã đề xuất mô hình dựđoán cường độ bê tông nhưsau: f′c= fcp×MPT−r (2.4) trongđó:fc plà cườngđộchịunéncủađáximăng.KhikếthợpvớimôhìnhcủaFeret,công thức dự đoán cường độ nhưsau: f′ c = A ×
MPT −r [V +V +V V c ] (2.5) c w v trong đórlà hằng số phụ thuộc vào kết dính giữa đá xi măng và cốt liệu Với mộtsốnhómkếtquảthựcnghiệm,giátrịcủarđượctácgiảđưaranằmtrongkhoảng 0,13-0,16. MPT trong công thức(2.5) là thông số có xét đến ảnh hưởng của cả thể tích cốt liệu (thông quag) và cỡ hạt lớn nhất (quaD) Kết quả xác lập từ số liệu thực nghiệm của de Larrard cho thấy sự ảnh hưởng rất đáng kể của MPT đến cường độ của bê tông, cụ thể cường độ chịu nén của bê tông giảm khi MPT tăng từ 0,1 đến 5 mm [39]. Điều này được tác giả lý giải cho lý do tại sao cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu nhỏ dẫn đến cường độ cao hơn ở bê tông cường độ cao Bên cạnh ảnh hưởng củathể tích và cỡ hạt lớn nhất, de Larrard còn nghiên cứu ảnh hưởng của loại cốt liệu đến cường độ chịu nén Công thức dự đoán cường độ chịu nén của bê tông có tính các ảnh hưởng của cốt liệu và đá xi măng nhưsau: f′ c
]× MPT −0,13 (2.6) trong đó Kglà hằng số ảnh hưởng của loại cốt liệu Với sự xác lập từ các số liệu thựcnghiệm, mô hình dự đoán cường độ bê tông được đề xuất theo công thức:
Mô hình dự đoán cường độ theo thời gian được đề xuất theo công thức: f′ c
V c +V w +V v trong đó d(t) là thông số động học tại tuổi t của bê tông.
Khi bê tông sử dụng phụ gia khoáng thay thế một phần xi măng thì công thức(2.8) được điều chỉnh như sau: f′ c
[d(t)+ (1 + ρ c w+a2 , 8 5 c eq ] −0,13 trong đówvàatương ứng là thể tích của nước và không khí; ceqlà khối lượng xi măng qui đổi ceqđược tính theo công thức: c [ pz ] (2.10) eq= c Ψ( ,… c trongđópzlàkhốilượngcủaphụgiakhoángtrongđơnvịthểtíchcủabêtông;
là hàm của các biến pz/c; c là khối lượng xi măng trong đơn vị thể tích bê tông. được tính theo công thức: Ψ = Ψ max
] (2.11) c trong đó Kplà hệ số hoạt tính của phụ gia khoáng đối với cường độ bê tông.
Kpphụthuộcvàoloạiphụgiakhoángsửdụng.Vớisựkiểmnghiệmbằngmộtsốcáckếtquảthí nghiệm, Larrard đưa ra giá trị Kpcủa SF là 4, Kpcủa tro bay là0 , 5
Có thể thấy mô hình dự đoán cường độ của de Larrard khá toàn diện khi đã tínhđếnảnhhưởngcủatínhchấtcủa:đáximăng(thôngquacườngđộvàthànhphầncủa đá xi xăng dựa trên công thức của Feret); thể tích và Dmaxcốt liệu (thông qua thông số MPT); loại cốt liệu (thông qua hệ số Kg); và loại chất kết dính thông qua hàm lượng xi măng tương đương (ceq) Ngoài ra, mô hình này còn cho phép dự đoáncường độ của bê tông theo thời gian khi đưa thông số d(t) vào công thức dự đoán(2.9) Tuy nhiên, mô hình này tương đối phức tạp, cần phải xác định nhiều thông số tươngứngvớiloạivậtliệuvàthànhphầncấpphốicủabêtông.VớihệFAC-HSLWC, khi áp dụng mô hình dự đoán cường độ của de Larrard, khi đó cốt liệu sẽ là hỗn hợpcủa FAC và cát,
Dmaxcốt liệu sẽ là Dmaxcủa cát, CKD là hệ đa cấu tử gồm xi măngOPC và PGK Các yếu tố này sẽ ảnh hưởng đến các hệ số trong mô hình dự đoán cường độ của bêtông. w 2
2.2.2 Mộtsố mô hình dự đoán cường độ với bê tông cốt liệunhẹ
Đặc trưng cốt liệu trong bê tông cốt liệu nhẹ (BTCLN) là thay thế cốt liệu khối lớn hoặc cả khối lớn và khối nhỏ bằng cốt liệu nhẹ Đối với bê tông thông thường, cường độ cốt liệu thường lớn hơn từ 1,5-2 lần cường độ bê tông, trong khi đối với bê tông BTCLN thì cường độ cốt liệu lại thấp hơn so với cường độ bê tông Điều này làm ảnh hưởng của cốt liệu đến cường độ bê tông BTCLN lớn hơn so với trong bê tông thông thường.
Mô hình dự đoán cường độ chịu nén của bê tông cốt liệu nhẹ dạng nhân tạo (sét nung phồng nở) hoặc dạng tự nhiên (đá bọt, xốp) đã được đề xuất bởi nhiều nghiên cứu CEB/FIB Manual of Design and Technology (1983)[74] đưa ra mô hình dự đoán cường độ BTCLN theo công thức:
(2.12) trong đó: R28là cường độ chịu nén 28 ngày của BTCLN (MPa); w/c là tỷ lệ N/X;Klà KLTT của cốt liệu nhẹ CLN; VQlà thể tích thực của CLN; và b1, b2, b3và a là hệsố thực nghiệm. Đểxétđếnảnhhưởngc ủ a cườngđộCLN,BeckmantrongsổtaycủaFIB[74] đã biến đổi công thức của(2.12) của CEB/FIB (1983) với ảnh hưởng của cường độ chịu nén dập xi lanh của CLN và cường độ chịu nén của xi măng nhưsau:
28 w c 2c 3T (2.13) trong đó, R28là cường độ chịu nén 28 ngày của BTCLN (MPa); w/c là tỷ lệ N/X;
RClà cường độ chịu nén của xi măng (MPa); RTlà cường độ chịu nén dập xi lanh của cốt liệu nhẹ CLN; và b1, b2, b3và a là hệ số thực nghiệm.
Tác giả Wang và ccs (2005) [77] đã đề xuất công thức cải tiến dựa trên công thức(2.13) với ảnh hưởng của khối lượng riêng khô và hàm lượng xi măng của BTCLN như sau:
R C ρ h trong đó: R28là cường độ chịu nén 28 ngày của BTCLN (MPa); w/c là tỷ lệ N/X;
RClà cường độ chịu nén của xi măng (MPa); RTlà cường độ chịu nén dập xi lanh của cốt liệu nhẹ CLN; C là hàm lượng xi măng,hlà khối lượng riêng biểu kiến khô củaCLN; và a và b là hệ số thực nghiệm.
Tác giả Wang (2005) cũng đề xuất công thức tính đến ảnh hưởng của cường độ CLN:
28 w c 2m 3a 4a 5 (2.15) trong đó, R28là cường độ chịu nén 28 ngày của BTCLN (MPa); w/c là tỷ lệ N/X;
Rmlà cường độ chịu nén của vữa (MPa) (vữa ở đây gồm hồ xi măng và cốt liệu nhỏ);Ralà cường độ chịu nén hiệu quả của CLN (MPa); Valà thể tích của CLN; và b1, b2, b3, b4và b5là hệ số thựcnghiệm.
Chandra và đồng nghiệp [28] đã đề xuất một phương trình để ước tính cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông nhẹ cốt liệu lớn (BTCLN) trong khoảng 10-40 MPa Phương trình này dựa trên mối quan hệ giữa cường độ chịu nén của BTCLN với cường độ của vữa và cốt liệu lớn (keramzit) thông qua một hàm logarit.
𝑙𝑜𝑔𝑓𝑀=(𝑙𝑜𝑔𝑓𝑐𝑜𝑛− 𝜈𝑙𝑎∙𝑙𝑜𝑔𝑓𝑙𝑎)/(1−𝜈𝑙𝑎) (2.17) trong đó: fconlà cường độ BTCLN (MPa), fMlà cường độ vữa (MPa), flalà cường độchịunéncủaBTCLN(MPa),𝜈 𝑙𝑎là tỷlệthểtíchcủaCLnhẹtrongbêtông(m 3 /m 3 ),
𝜈 𝑀 là thể tích của vữa (m 3 /m 3 ) Cường độ chịu nén trung bình của cốt liệu nhẹđược xác định qua công thức:
= 𝑎 ∙10 1000 (2.18) trong đó: fCLNlà cường độ chịu nén của BTCLN (MPa),là KLTT của CL nhẹ(kg/ m 3 ), và a, b là hệ số phụ thuộc chất lượng của cốt liệu; trong khi cường độ chịu nén của vữa được xác định qua công thức:
𝑓 𝑀 = 𝐴∙10 −𝐵∙𝑊/𝐶 (2.19) trong đó: A, B là hệ số thực nghiệm, W/C là tỷ lệ nước/xi măng.
Tác giả Cui và ccs (2011) [35] đã đề xuất công thức dự đoán cường độ chịu nén28ngàycủabêtôngnhẹsửdụngcốtliệulớnnhẹtừđáphiếnsét,sétnungphồng nởvàtrovêviênởhàmlượng(30-50)%thểtíchbêtông.Môhìnhdựđoáncườngđộ chịunéncủaBTCLNđượcđưaraở3dạngkhácnhau(A,B,C)dựatrênhàmđathức bậc nhất của tính chất CLN có hoặc không có ảnh hưởng của cường độvữa:
CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNHPHẦN CẤP PHỐICHOFAC-HSLWC
PHẦN CẤP PHỐI CHOFAC-HSLWC
2.3.1 Các phương pháp thiết kế cấp phối bê tông và bê tôngnhẹ
Các phương pháp thiết kế cấp phối bê tông tính năng cao hiện nay chủ yếu dựa trên việc lựa chọn loại vật liệu phù hợp và tối ưu hóa thành phần cỡ hạt Độ lèn chặt của hệ vật liệu đóng vai trò quan trọng, là thể tích phần đặc trong đơn vị thể tích của hệ Lý thuyết thiết kế cấp phối dựa trên độ lèn chặt lớn nhất nhằm giảm lỗ rỗng giữa các hạt, từ đó giảm lượng nước trộn và tỷ lệ N/CKD, tăng cường độ và độ bền lâu của bê tông Đồng thời, tăng độ lèn chặt còn giảm lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu, giảm lượng hồ chất kết dính, hạn chế co ngót và ổn định thể tích bê tông khi chịu tác động tải trọng.
Tuy nhiên, đối với vật liệu mịn đặc biệt là hạt có kích thước nhỏ hơn 100µm, phương pháp xác định độ lèn chặt theo cách trộn khô có thể gây sai số lớn Độ lèn chặt của vật liệu mịn không chỉ bị ảnh hưởng bởi mức độ đầm chặt mà còn chịu tác động của các lực hút Vander Walls và lực tĩnh điện giữa các hạt, khiến chúng dễ tích tụ lại với nhau ở trạng thái khô Ngoài ra, trong thực tế, hỗn hợp bê tông thường được trộn với nước và phụ gia siêu dẻo, điều này giúp phân tán hạt vật liệu nhỏ tốt hơn so với trạng thái khô Trên cơ sở đó, xác định độ lèn chặt của hỗn hợp vật liệu hạt nhỏ theo phương pháp trộn ướt được nghiên cứu và áp dụng.
Hiện nay chưa có phương pháp thiết kế thành phần cấp phối cho bê tông nhẹ kết cấu có tính đến ảnh hưởng của các loại cốt liệu nhẹ ở dạng hạt vi cầu như hạt FAC, đáp ứng các mục tiêu về cường độ, KLTT của bê tông Chỉ dẫn kỹ thuật ACI 211.2-98(2004)[15]hướngdẫnviệctínhtoánvàđiềuchỉnhthànhphầncấpphốicủa bêtôngnhẹkếtcấusửdụngcốtliệunhẹhoặchỗnhợpcốtliệunhẹvàcốtliệuthường Ư điểm của phương pháp này là dễ thực hiện, có thể đưa ra cấp phối sơ bộ đảm bảo KLTT và cường độ chịu nén của bê tông Tuy nhiên, phương pháp này chỉ áp dụng vớimộtsốloạicốtliệunhẹnhấtđịnhthuộcphạmvinêutrongphươngphápnày(cốt liệu nhẹ lớn, nhỏ hoặc cả hai từ các sét nung phồng nở hoặc đá bọt nguồn gốc núi lửa).Khitínhchất,thànhphầncỡhạtcủacốtliệuthayđổi,sẽảnhhưởngnhấtđịnh đếntínhtốiưucủathànhphầncấpphối.Ngoàira,phươngphápnàycũngchỉápdụng cho chất kết dính là xi măng OPC, khi sử dung xi măng kết hợp với PGK thì mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỷ lệ N/X hay hàm lượng xi măng và cường độ chịu nén không còn phùhợp.
Costa và ccs [34] đề xuất phương pháp thiết kế cấp phối bê tông cốt liệu nhẹ từ sét nung phồng nở với dải KLTT từ 1200 đến 2000 kg/m 3 , cường độ từ 10 đến 80 MPa Phương pháp được đề xuất bao gồm các bước: Xác định chỉ tiêu kỹ thuật với BTCLN; Lựa chọn vật liệu cho phù hợp với yêu cầu của BTCLN; với BTCLN tính năng cao thì lựa chọn xi măng mác cao kết hợp với PGK như SF hay FA; Ước tính độchặtcủaHHBT.Thôngsốnàyphụthuộctínhcôngtác,phụgia,hìnhdạng,kích thước cốt liệu và được xác định thông qua công thức tính độ rỗng của Faury; Tỷ lệ củaCKDđượclựachọnsơbộquahàmlượngximăngvàPGK,phụthuộcvàocường độvàKLTTvàhàmlượngphụgiavàthôngquađánhgiáthểtíchrỗngcủaCKD.Khi biết được hàm lượng và khối lượng của tất cả các vật liệu thành phần trong CKD,tất cả thể tích và khối lượng vật liệu trong CKD được tính và thể tích của cốt liệu được xácđịnh;KLTTmụctiêucủaBTCLNđượclựachọnsơbộbằnglựachọncốtliệuvà điềuchỉnhđườngcongphânbốcỡhạtcủahỗnhợpthôngquathamkhảođườngcong Faury. Phương pháp trên có một số ưu điểm như đã tính đến ảnh hưởng độ rỗng của hỗn hợp vật liệu để lựa chọn tỷ lệ CL/CKD Ngoài ra, ảnh hưởng của loại và hàmlượng cốt liệu đến cường độ BTCLN cũng đã tính đến thông qua hệ số Cf Nhượcđiểm của phương pháp này là cần phải lựa chọn loại và hàm lượng CKD theo kinh nghiệm hoặc phải thử ở nhiều hàm lượng khác nhau để lựa chọn ra hàm lượng phù hợp Ngoài ra, hàm lượng cốt liệu được tính toán khi đã biết hàm lượng theo thể tích của CKD, trong khi các thể tích của hồ CKD được tính từ tỷ lệ vật liệu thành phần của CKD sẽ có sai số nhất định do độ lèn chặt bị ảnh hưởng của các hiệu ứng đầm chặt, lỏng lẻo, tường chắn khi có mặt của cốtliệu.
Tác giả Jingjun Li và ccs [75] đề xuất phương pháp thiết kế cấp phối của bê tông cốt liệu nhẹ tự đầm Phương pháp này dựa trên nguyên tắc độ lèn chặt và chiều dày lớp vữa bao bọc Phương pháp này gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn 1: Tối ưu thành phần bộ khung các hạt Được tối ưu trên cơ sở thực nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM C29, từ đó tính được tỷ lệ của cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ; Lựa chọn chiều dày lớp vữa MPT bao bọc quanh hạt cốt liệu lớn; Xác định hàm lượng theo thể tích của cốt liệulớnvàcốtliệunhỏ.DựavàoMPTđểtínhtoánhàmlượngcốtliệulớn.Tínhtoán hàmlượngtheothểtíchcủacốtliệulớn.Giaiđoạn2:XácđịnhtỷlệthànhphầnCKD: dựatheolýthuyếtchuyểntrạngtháicủahồximăngtừkhôsangdẻo,lựachọntỷlệ hỗn hợp vật liệu trong CKD để lượng nước trộn yêu cầu là nhỏ nhất; Tính toán hàm lượng xi măng, PGK, nước và chất độn mịn Hàm lượng bọt khí giả định là một giá trị trong khoảng 1-2% Lựa chọn tỷ lệ N/CKD Từ các thông số này tính toán rahàm lượng xi măng, PGK và nước; Xác định hàm lượng PGSD Căn cứ vào thử nghiệm độchảyxòebằngcônmini,xácđịnhhàmlượngPGSDphùhợp;DựđoánKLTTkhô của bê tông. KLTT của bê tông BTCLN được dự đoán theo công thức:
(2.22) trong đó: mg, mslà khối lượng của cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ tương ứng.là hệ sốcủa lượng nước liên kết của sản phẩm thủy hóa xi măng,thường được lấy bằng 0,25; a là hệ số liên quan đến mức độ thủy hóa của xi măng, thường trong khoảng 0,6-0,8 Mẻ trộn thử và xác định tính chất của HHBT.
Phương pháp trên tiếp cận theo hướng tối ưu hóa thành phần cỡ hạt, nhằm giảm thiểu độ rỗng trong hệ vật liệu Với cách tiếp cận này, cấp phối bê tông được thiếtkếsẽcótỷlệN/CKDvàđộlènchặttốt,giảmthiểuđộrỗnggiữacáccấphạtqua đó tăng đặc chắc cấu trúc cho hệ BTCLN Tuy nhiên, với phương pháp thiết kế cấp phối này, cần phải thực hiện nhiều thí nghiệm: thí nghiệm với tối ưu tỷ lệ cốt liệu nhỏ/cốt liệu lớn; tối ưu tỷ lệ vật liệu trong CKD; thí nghiệm tính chất HHBT và bê tông khi thay đổi chiều dày lớp vữa MFT bao bọc cốt liệu để lựa chọn cấp phối đáp ứng yêu cầu về cường độ và KLTT. Ngoài ra, phương pháp này cần phải lựa chọntỷ lệ N/CKD theo kinh nghiệm, sau đó thí nghiệm để lựa chọn tỷ lệ phù hợp Một vấn đềnữavớiphươngphápthiếtkếnàylàđốivớihệkhôngsửdụngcốtliệulớn,nhưhệ FAC- HSLWC, việc thí nghiệm độ lèn chặt lớn nhất theo tiêu chuẩn ASTM C29 sẽkhông đảm bảo độ chính xác Cốt liệu có kích thước Dmaxcàng nhỏ độ chính xác sẽcàngthấp.
Các nghiên cứu về FAC-LWC hiện nay chủ yếu thiết kế thành phần cấp phối bê tông dựa trên sự thay thế một phần hoặc toàn bộ cốt liệu nhỏ (cát) bằng FAC.ĐasốcácthànhphầncấpphốicủaFACLWCkhôngbaogồmcốtliệulớn(D max>5 mm).Tác giảWang và ccs (2014) [118] đã nghiên cứu đưa ra phương pháp thiết kế thành phần bê tông nhẹ sử dụng hạt cenosphere với KLTT < 1500 kg/m 3 , được tác giả gọi làULCC Phương pháp này thiết kế thành phần cấp phối ULCC với mục tiêu đạtKLTT mong muốn Các bước thiết kế theo phương pháp đề xuất này gồm: (1) Xác định KLTT và phân bố cỡ hạt của cenosphere; (2) Tính toán mối quan hệ giữa chiều dày lớp hồ bao bọc các hạt cenosphere (cement paste thickness - CPT) dựa theo mô hìnhđộlènchặttuyếntínhcủadeLarrard[38]vàthểtíchhồchấtkếtdính(cement paste volume - CPV); (3) Xác định mối quan hệ giữa N/CKD và CPV (tính theo %); KLTT của ULCC tính theo kg/m 3 được xác định theo công thức:
(4) Cuối cùng mối quan hệ giữa tỷ lệ N/CKD và KLTT của hồ chất kết dính vớithểtíchhồchấtkếtdínhđượcthiếtlập;(5)ThànhphầncấpphốicủaULCCđược tính toán theo phương pháp thể tích tuyệt đối Có thể thấy, phương pháp thiết kế cấp phốinàycóưuđiểmlàcóthểtínhtoánchínhxácthànhphầncủabêtôngULCCđảm bảo KLTT với tỷ lệ hồ chất kết dính tối ưu cho mỗi loại cenosphere Tuy nhiên phươngphápnàykhôngchophépthiếtkếđượcloạiULCCcócườngđộchịunényêu cầu,màđểđạtđượccườngđộthìphảitiếnhànhthựchiệnmộtdảicấpphốicóKLTT khác nhau để chọn ra cấp phối phù hợp Ngoài ra, phương pháp này chỉ áp dụng cho hệ bê tông với các hạt có kích thước lớn nhất là cenosphere, phương pháp không áp dụng cho các hệ bê tông FAC sử dụng các loại cốt liệu khác như cát,đá.
2.3.2 Hướng đề xuất xây dựng phương pháp thiết kế cấp phối cho FAC-
Dựa trên thành phần vật liệu chế tạo FAC-HSLWC và các phương pháp thiết kế bê tông đã phân tích ở trên, đề tài sẽ xây dựng phương pháp thiết kế cấp phối cho FAC-HSLWC đảm bảo hai yếu tố là cường độ chịu nén và KLTT của bê tông Phương pháp thiết kế cấp phối này sẽ được xây dựng trên cơ sở giải quyết các vấn đề sau:
- Tối ưu thành phần CKD bao gồm xi măng, SF, GGBFS: trên cơ sở thực nghiệmtheophươngpháplènchặtnénhoặctínhtoántừmôhìnhlènchặtnén của DeLarrard;
- Xây dựng mối quan hệ giữa tỷ lệ CKD/CL và tính công tác, cường độ chịu nén;
Tiến hành phân tích hồi quy nhằm xác định mối liên hệ giữa cường độ chịu nén bê tông và các yếu tố ảnh hưởng chính, bao gồm tỷ lệ nước/xi măng (N/CKD), tỷ lệ xi măng kiềm hoạt tính (CKD)/vật liệu phụ (CL) và tỷ lệ phụ gia phụ (FAC).
- Thiết lập mối quan hệ giữa KLTT của bê tông nhẹ, bê tông 100% cốt liệu cát để tính ra lượng cốt liệu nhẹ thay thế cốt liệucát;
- Thiết lập ảnh hưởng của sử dụng cốt sợi để tăng cường độ chịu kéo khi uốn cho bêtông.
CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONGNGHIÊNCỨU
Xi măng được sử dụng trong nghiên cứu là xi măng poóc lăng PC50 Nghi Sơn. Các tính chất cơ lý và hóa của xi măng thể hiện trongBảng 3.1vàBảng 3.2.
Bảng 3.1 Tính chất cơ lý của xi măng PC50 Nghi Sơn
TT Chỉ tiêu Kết quả Phương pháp thử
1 Khối lượng riêng, g/cm 3 3,10 TCVN 4030:2003
2 Độ mịn, phương pháp Blaine, cm 2 /g 4190 TCVN 4030:2003
3 Lượng sót sàng 0,09 mm,% 0,60 TCVN 4030:2003
4 Kích thước hạt trung bình,m 15,0 Tán xạ laze
5 Lượng nước tiêu chuẩn,% 29,0 TCVN 6017: 2015
6 Thời gian đông kết, phút TCVN 6017: 2015
7 Cường độ chịu nén, MPa TCVN 6016: 2011
8 Độ ổn định thể tích, phương pháp
Bảng 3.2 Thành phần hóa của xi măng PC50 Nghi Sơn
Thành phần hóa,% khối lượng Các ôxyt SiO2 Fe2O3Al2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O TiO2 CKT MKN Hàmlượn g,% 19,40 3,40 5,22 63,50 1,61 2,07 0,91 0,00 0,45 0,04 1,23
Thành phần khoáng tính toán,% khối lượng
Các tính chất cơ lý, hóa xi măng PC50 Nghi Sơn cho thấy loại xi măng này phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật đối với xi măng PC50 theo tiêu chuẩn TCVN 2682:2020.
Silica fume (SF) được sử dụng trong nghiên cứu là sản phẩm microsilica dạng hạt rời không nén do hãng Elkem sản xuất Các thông số tính chất và thành phần cỡ hạt của SF được trình bày trong Bảng 3.3 và Bảng 3.4.
Hình 3.1 Hình ảnh mẫu SF (trái) và các hạt SF qua chụp SEM
(phải)Bảng 3.3 Thành phần hóa của SF
STT Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả Phương pháp thử
1 Khối lượng riêng g/cm 3 2,16 TCVN 4030:2003
2 Mất khi nung (MKN) % 4,82 TCVN 141:2008
4 Chỉ số hoạt tính cường độ % 115 TCVN 8827:2011
5 Lượng sót trên sàng 45m % 0 TCVN 8827:2011
Bảng 3.4 Tính chất và thành phần hạt của SF
% cỡ hạt có kích thước hạt 160 mm) Sử dụng PGSD thường làm kéo dài thời gian đông kết của HHBT, mức độảnh hưởng phụ thuộc vào hàm lượng PGSD sử dụng Xu hướng tăng thời gian đông kết của FAC-HSLWC khi cát được thay thể bởi FAC tương tự như hiện tượng tăng thời gian đông kết của HHBT thông thường khi sử dụng tro bay Nguyên nhân của hiện tượng này được giải thích là khi có mặt của các hạt tro bay (cenosphere bản chất là các hạt tro bay rỗng kích thước lớn) thì tốc độ thủy hóa của xi măng ở giai đoạn tuổi sớmnhấtlàtrong6hđầubịchậmlại.Điềunàyđượcmộtsốcácnghiêncứugiảithích là do sự có mặt các hạt tro bay ở giai đoạn sớm, các hạt tro bay có ái lực hút các ion Ca 2+ làm giảm nồng độ Ca 2+ bám lên bề mặt của các hạt xi măng -là nhân tố để thúc đẩyphảnứngthủyhóa[45]haysựcómặtcủatrobayliênquanđếnhạnchếcácnhântố quá trình làm chậm hình thành mầm tinh thể của các khoáng Ca(OH)2và C-S-Hdo đó làm chậm phản ứng thủy hóa của ximăng.
Hình 6.8 Thời gian đông kết của hỗn hợp bê tông FAC-HSLWC
Khi sử dụng 10% SF thay thế xi măng trong CKD thì cả thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết của HHBT tăng không đáng kể Tuy nhiên, khi tiếp tục thay thế xi măng với tỷ lệ (20-60)% GGBFS trong CKD thì thời gian đông kết của hỗn hợp bê tôngFAC-HSLWCtăngdần(Hình6.8b).Thờigianbắtđầuvàkếtthúcđôngkếttăng tương ứng 1h-05 min và 50 min với CKD chứa 10% SF và 60% GGBFS so với cấp phối sử dụng chỉ sử dụng xi măng OPC (OPC100) Thời gian đông kết của HHBT tăng khi thay thế xi măng bởi PGK là SF và GGBFS được cho là do các hạt xi măng có phản ứng thủy hóa sớm hơn so với các hạt GGBFS, các sản phẩm thủy hóa củaxi măngdầnhìnhthànhnênbộkhungkhônggianpharắntronghệtạonêncấutrúccó
T G B Đ Đ K ( ph út ) T G K T Đ K ( ph út ) T G B Đ Đ K ( ph út ) T G K T Đ K ( ph út ) cường độ Do đó khi thay thế xi măng bởi GGBFS thì lượng sản phẩm thủy hóa tạo
MỨC ĐỘ THỦY HÓA VÀ VICẤUTRÚC
MứcđộthủyhóavàvicấutrúccủaFAC-HSLWCtrongnghiêncứunàyđượcđánh giá qua hàm lượng canxi hydroxit Ca(OH)2thông qua phân tích nhiệt vi sai(TGA), và thông qua hình ảnh vi cấu trúc của FAC-HSLWC bằng kính hiển vi điện tử(SEM).
Phân tích nhiệt vi sai (TGA) nhằm xác định thay đổi hàm lượng CH trong đá chất kết dính theo thời gian.
Kết quả phân tích TG của các mẫu cho thấy các đường cong DTG đều có 3 peak chủ yếu, peak đầu tiên ở nhiệt độ khoảng 100-200 o C, đây là giai đoạn giải phóng nước liên kết yếu của C-S-
H, ettringite (AFt) và AFm; peakthứhaiởkhoảngnhiệtđộ450 o Cdosự mấtnước của canxi hydroxit
Hình 6.9 Đường cong TG của các mẫu FAC-HSLWC với CKD chứa hàm lượng PGK khác nhau được bảo dưởng ở điều kiện tiêu chuẩn
CH; và peak thứ 3 là phân hủy của CaCO3ở khoảng 650-700oC Hàm lượngkhoángCHsinhratrênmỗiđơnvịkhốilượngcủaximăngcóthểsửdụnglàmthôngsốđánh giámứcđộthủyhóacủaximăng.VớichấtkếtdínhcóchứaPGK,phảnứngpuzolanic hình thành từ phản ứng của CH sinh ra từ thủy hóa xi măng với các silic dioxit hoạt tính trong PGK như SF, GGBFS hoặc kể cả các hạt FAC sẽ tiêu hao một phầnlượng CH trong đá xi măng Do đó, thông qua lượng CH hao hụt có thể đánh giá hoạt tính puzolanic của PGK tronghệ.
CHgiảmrõràngởcảtuổi3và28ngàytrongcáccấpphốisửdụngPGKthaythếmột phần xi măng trong CKD Điều này nguyên nhân chính là do hàm lượng xi măng trong CKD giảm khi được thay thế bằng PGK là SF và GGBFS dẫn đến làm giảm lượngCHđượcsinhratừcácphảnứngthủyhóacáckhoángcủaximăng.Hàmlượng
CHcóxuhướngtăngnhẹởtuổi28ngàysovớituổi3ngày.Mứcđộgiảmhàmlượng CH trong khoảng 21,8-87,9% và 24,3-88,5% tương ứng ở tuổi 3 và 28 ngày so với mẫu100%ximăng.MứcđộgiảmcaonhấtởmẫusửdụngCKDchứa10%SF+60%
28 ngày Thay đổi so ĐC-28d 0
28 ngày Thay đổi so ĐC-28d 0
GGBFS, hàm lượng CH trong mẫu này chỉ còn 1,03 và 1,05% ở tuổi 3 và 28 ngày. Hàm lượng CH trong bê tông thấp đã được nhiều nghiên cứu chỉ ra là có lợi trong tăng độ bền dài lâu của bê tông do cải thiện độ đặc chắc của đá xi măng và đặc biệt là vùng tiếp giáp đá xi măng và cốt liệu.
Hình 6.10 Hàm lượng CH trong các mẫu FAC-HSLWC dưỡng hộ tiêu chuẩn tính toán từ đường cong DTG a) so với khối lượng mẫu phân tích b) so với khối lượng xi măng Hình 6.10b thể hiện hàm lượng CH có trong mẫu phân tích tính theo khối lượngximăng(khốilượngCHsovớikhốilượngximăngsửdụngchếtạomẫuphân tích) Có thể thấy rằng ngay ở tuổi 3 ngày, hàm lượng CH từ mức 0,152 g/g XM của mẫu 100% xi măng (OPC100) giảm 14,7% khi sử dụng SF 10%, và giảm 17,4% ở tuổi 28 ngày. Điều này thể hiện rằng các phản ứng puzolanic của SF với CH đã xảy ra ở tuổi sớm dẫn đến làm giảm hàm lượng CH Khi tiếp tục thay thế xi măng với tỷ lệ 20-60% GGBFS thì hàm lượng CH tiếp tục giảm ở các tuổi thí nghiệm, mức độ giảm trong khoảng 17,0-61,2% và 21,7-63,2% tương ứng ở tuổi 3 và 28 ngày với tỷ lệ GGBFS tăng từ 20 đến 60% so với mẫu OPC100 Kết quả này cho thấy mức độ phản ứng puzolanic trong hệ FAC-HSLWC tăng đáng kể khi kết hợp sử dụng SF và GGBFS, trong đó sử dụng kết hợp cả SF và GGBFS hiệu quả tốt hơn so với chỉ sử dụngSF. Ảnh hưởng của chế độ dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 70 o C, 90 o C và autoclave đến hàmlượngCHtrongcácmẫuFAC-HSLWCvớihàmlượngPGKkhácnhauthểhiện trongHình 6.12vàHình 6.13cho thấy tăng nhiệt độ dưỡng hộ nhiệt ẩm từ nhiệt độ tiêu chuẩn
27 o C đến 70 o C, 90 o C và autoclave ở 200 o C làm giảm hàm lượng CH trong mẫu phân tích giảm một cách rõ ràng Hàm lượng CH trong mẫu giảm nhanh chóng khi tăng nhiệt độ dưỡng hộ Hàm lượng CH hầu như không còn trong tất cả cácmẫuđượcdưỡnghộautoclave.Ngoàira,hàmlượngCHcũnggiảmrõrệtkhităng
H àm lư ợn g C H ( % ) T ha y đổ i s o Đ C ( % ) H àm lư ợn g C H ( g/ g X M ) T ha y đổ i s o Đ C ( % ) tỷ lệ PGK thay thế xi măng trong CKD So với mẫu 100% xi măng (OPC100), hàm lượngCHtínhtheohàmlượngximănggiảmđến49%ởtuổi3ngàykhiximăngthay thế với 10%SF và 40% GGBFS (mẫu 10SF40GS) và hầu như không phát hiện trong mẫu 10SF60GS khi dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 70 o C Khi dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 90 o C thì hàm lượng CH hầu như không phát hiện ở mẫu 10SF40GS và 10SF60GS ở tuổi 3 ngày.HàmlượngCHlàchỉsốquantrọngđánhgiákhảnăngphảnứngpuzolaniccủa PGK Hàm lượng CH thấp khi các mẫu được dưỡng hộ nhiệt ẩm thể hiện phản ứng puzolanic đã được gia tăng Kết quả thí nghiệm nén của các mẫu được bảo dưỡng nhiệt ẩm cũng thể hiện mối tương đồng cao giữa hàm lượng CH và cường độ chịu nén, hàm lượng CH càng thấp thì mức độ phát triển cường độ càngcao.
Hình 6.11 Đường cong TG của các mẫu FAC-HSLWC với CKD chứa hàm lượng PGK khác nhau được dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 70 o C (trái) và ở 90 o C (phải)
Hình 6.12 Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm đến hàm lượng CH trong mẫu FAC-HSLWC
CH-70-28d Thay đổi so ĐC-28d 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120
CH-90-28d Thay đổi so ĐC-28d 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120
CH-90-3d Thay đổi so ĐC-3d
Hình 6.13 Hàm lượng CH trong các mẫu FAC-HSLWC dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 70 o C và 90 o C
6.2.2 Vi cấu trúc củaFAC-HSLWC
Quan sát trênHình 6.14cho thấy không có nhiều sản phẩm thủy hóa giữa bề mặt các hạt FAC với đá xi măng ở tuổi 3 ngày Điều này dẫn đến sự liên kết yếu của vùng chuyển tiếp ITZ của các hạt FAC với đá xi măng Kết quả này tương đồng với một số nghiên cứu đã chỉ ra về sự liên kết yếu giữa hạt FAC và đá xi măng ở tuổi sớm[89]vàhoạttínhpuzolanicthấpcủacáchạtFACtrongđiềukiệndưỡnghộthông thường [57,
Ðến tuổi 28 ngày, vùng ITZ các hạt FAC đã liên kết chặt chẽ hơn nhờ khoáng thủy hóa hình thành giữa bề mặt hạt FAC và đá xi măng (Hình 6.15a- d), dù khá mỏng Ở mẫu dưỡng hộ nhiệt ẩm (Hình 6.16, Hình 6.17 và Hình 6.18), vùng ITZ dày hơn đáng kể trên bề mặt hạt FAC Bề mặt hạt FAC phản ứng puzolan tạo khoáng làm đặc chắc vùng ITZ Chiều dày và độ đặc chắc sản phẩm thủy hóa bề mặt hạt FAC tăng khi nhiệt độ dưỡng hộ nhiệt ẩm là 70 độ C, 90 độ C và chưng áp autoclave Mẫu dưỡng hộ 90 độ C và autoclave có khoáng ettrigite (AFt), mẫu autoclave có thêm tobemorite Các khoáng này tăng độ đặc chắc bê tông.
H àm lư ợn g C H ( g/ g X M ) T ha y đổ i s o Đ C ( % ) H àm lư ợn g C H ( g/ g X M ) T ha y đổ i s o Đ C ( % )
Hạt FAC sự đặc chắc và tăng cường độ cho đá CKD cũng như vùng ITZ giữa các hạt FAC và đá CKD Kết quả xác định cường độ của FAC-HSLWC trình bày tại Mục 6.3.2 cho thấy sự mức độ tăng cường độ đáng kể ở tuổi 3 ngày và kể cả ở tuổi 28 ngày củacác mẫu dưỡng hộ ở 90 o C và dưỡng hộ autoclave đã khẳng định cho nhận địnhnày.
Hình 6.14 Hình ảnh chụp SEM vi cấu trúc của mẫu FAC-HSLWC dưỡng hộ tiêu chuẩn ở tuổi 3 ngày
Hình 6.15 Hình ảnh chụp SEM vi cấu trúc của FAC-HSLWC dưỡng hộ ở điều kiện tiêu chuẩn ở tuổi 28 ngày
Hình 6.16 Hình ảnh chụp SEM vi cấu trúc của mẫu FAC-HSLWC dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 70 o C ở tuổi 28 ngày
Vùng ITZ Đá CKDCSH và AFt
Hình 6.17 Hình ảnh chụp SEM vi cấu trúc của mẫu FAC-HSLWC dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 90 o C ở tuổi 28 ngày
SF10GS0-AC-28d SF10GS0-AC-28d Đá CKD
SF10GS0-AC-28d SF10GS0-AC-28d
SF10GS20-AC-28d SF10GS20-AC-28d
Hình 6.18 Hình ảnh chụp SEM vi cấu trúc của mẫu FAC-HSLWC dưỡng hộ
TÍNH CHẤTCƠ LÝ
6.3.1 Khốilượng thể tích và cường độ chịunén
KLTT của FAC-HSLWC thể hiện trongHình 6.19a cho thấy khi tỷ lệ FAC thay thế cát trong HHBT tăng từ 0 (mẫu FAC0 - đối chứng) đến 50, 70 và 100% thì KLTTkhôcủabêtôngtươngứngtừ2180kg/m 3 giảmxuốngcòn1656,1505và1322 kg/m 3 , tương ứng với mức giảm là 24, 30,9 và 39,4% Trong khi đó, khi thay thế cát bởi FAC thì cường độ chịu nén của bê tông giảm khi tăng hàm lượng thể tích của FAC ở các tuổi khảo sát 7, 28 và 91 ngày Cường độ chịu nén tuổi 28 ngày củagiảm từ 74,1 MPa (mẫu đối chứng) xuống còn 69,3, 68,6 và 63,3 MPa tương ứng vớimức giảm 6,7, 7,4 và 14,6% khi tỷ lệ FAC/CL tương ứng là 50, 70 và 100% Lưu ý rằng cường độ chịu nén của FAC-HSLWC được xác định trên mẫu 4040160 mm Để quy đổi sang cường độ mẫu lập phương chuẩn 150150150 mm, các nhóm mẫu FAC-HSLWC với tỷ lệ N/CKD=0,3, 0,4 và 0,5 đã tiến hành chế tạo, bảo dưỡng và thí nghiệm ở cùng điều kiện tiêu chuẩn Kết quả thí nghiệm đưa ra được hệ số quy đổi bằng 0,83 khi quy đổi cường độ chịu nén từ mẫu4040160 mm sang mẫu 150150150 mm Chi tiết xem tại Phụ lục 4.
Rn7 Rn28 Rn91 Cường độ riêng 28d
Hình 6.19 KLTT, cường độ chịu nén và cường độ riêng của FAC-HSLWC SựgiảmcườngđộkhithaythếcátbởiFACcóthểgiảithíchlàdocáchạtFAC có bề mặt trơn nhẵn và độ rỗng cao nên ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của hệ Hiện tượng giảm cường độ của FAC-HSLWC khi sử dụng FAC thay thế một phần cát tự nhiên cũng đã được một số nghiên cứu chỉ ra [55, 86, 100, 113] và được giải thíchdomộtsốnguyênnhân.ĐầutiênphảikểđếnđólàcáchạtFACcócấutạodạng hìnhcầucólớpvỏcóthànhphầnchínhlàkhoángaluminosilicatởdạngphathủytinh tương đối trơn nhẵn nên vùng tiếp giáp giữa đá xi măng và các hạt FAC (vùng ITZ) sẽ kém hơn so với các hạt cát tự nhiên như trong một số nghiên cứu đã chỉ ra [89] Khả năng liên kết giữa các hạt FAC và đá xi măng sẽ phụ thuộc nhiều vào phản ứng puzolanicgiữacáckhoángsilicavôđịnhhìnhcủaFACvớicanxihydroxyt(CH)sinh từ phản ứng thủy hóa của xi măng tạo nên khoáng hydro canxi silicate (C-S-H) và làm giảm lượng CH điều này sẽ giúp cải thiện tốt hơn vùng ITZ Tuy nhiên, tốc độ phản ứng puzolanic xảy ra chậm so với phản ứng thủy hóa của xi măng và khilượng FAC trong hệ tăng quá cao sẽ dư thừa so với nồng độ CH trong hệ để các phản ứng puzolanic có thể tiếp tục xảy ra Một lý do nữa liên quan đến độ rỗng trong bê tông khisửdụngFAC.KhisửdụnghạtFACthìlượngkhícuốnvàoHHBTtănglên,hình thànhnêncáclỗrỗngbọtkhíđiềunàylàdocáchạtFACcókíchthướcnhỏ,làmtăng đáng kể diện tích bề mặt trong hệ, điều này làm giảm khả năng thấm ướt vật liệucủa
Có thể thấy rõ rằng cường độ chịu nén của bê tông giảm đáng kể khi hàm lượng bọt khí tăng và kích thước lỗ rỗng lớn Hiện tượng này tương ứng với nghiên cứu của Wang [117], chỉ ra rằng các lỗ rỗng to góp phần làm giảm cường độ bê tông.
Cường độ riêng là một thông số đánh giá chất lượng vật liệu thường được sử dụng cho bê tông nhẹ, được xác định là tỷ số giữa cường độ và trọng lượng thể tích của vật liệu Nghiên cứu trên các cấp phối FAC-HSLWC cho thấy cường độ riêng của bê tông nhẹ tăng theo tỷ lệ thuận với lượng FAC thay thế cát Cụ thể, cường độ riêng tăng từ 34 kPa/kg.m-3 ở mẫu FAC0.
Quan sát kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của các cấp phối khi thay thế OPC bởi SF và GGBFS trongHình 6.19d có thể thấy khi thay thế SF ở tỷ lệ 10% thì cường độ của bê tông tăng ở các tuổi khảo sát là 7, 28 và 91 ngày, mức độ tăng so với ĐC chỉ sử dụng xi măng (OPC100) tương ứng là 6,6, 5,6 và 6,8% Khi thay thế một phần OPC với PGK là SF và GGBFS ở tỷ lệ GGBFS 20, 40 và 60% thì cường độ 7, 28, 91 ngày đều giảm so với mẫu chứa 10SF (mẫu FAC40) Tuy nhiên khi so sánh các mẫu chứa GGBFS với mẫu OPC (OPC100) thì ở tỷ lệ 20-40%, cường độ chịu nén ở tuổi 28 và 91 ngày là tương đương, trong khi ở tỷ lệ 60% GGBFS cường độthấphơnvớimẫuOPCkhoảng8,7và4,4%ởtuối28và91ngàytươngứng.Cường độriêngcủacáccấpphốisửdụng(20-60)%GGBFStrongkhoảng42,3-46kPa/kg.m -3 , không chênh lệch nhiều so với 44,4 kPa/kg.m -3 của cấp phốiOPC100.
6.3.2 Cường độ chịu nén ở điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm khácnhau
Cùng với chế độ dưỡng hộ tiêu chuẩn, các cấp phối bê tông với tỷ lệFAC/CL và thành phần CKD khác nhau được bảo dưỡng ở các chế độ dưỡng hộ nhiệt ẩm 70,
90 o Cvàchưngáp(autoclave)ở200 o C,ápsuất2MPađượcxácđịnhcườngđộchịu nén ở các tuổi 3 và 28 ngày Từ kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của FAC- HSLWCvớicácđiềukiệndưỡnghộnhiệtẩmkhácnhaunhưthểhiệntrongHình 6.20cho thấy hiệu quả cải thiện cường độ rõ ràng của dưỡng hộ nhiệt ẩm đối với cường độ chịu nén của FAC-HSLWC ở các tuổi thí nghiệm 3 và 28 ngày.
Bê tông FAC-HSLW thay thế cát từ 0% đến 100% có cường độ 28 ngày tăng theo thứ tự: dưỡng hộ tiêu chuẩn 63,3-74,1 MPa; dưỡng hộ nhiệt ẩm 70 độ C 69-79,3 MPa; dưỡng hộ nhiệt ẩm 90 độ C 72,2-82,8 MPa; dưỡng hộ Autoclave 200 độ C, 2 MPa 75,5-85,2 MPa Hiệu quả tăng cường độ chịu nén theo thứ tự: dưỡng hộ Autoclave (200 độ C, 2 MPa) > nhiệt ẩm ở 90 độ C > nhiệt ẩm ở 70 độ C > tiêu chuẩn ở 27 độ C và RH≥95%.
DH tiêu chuẩn DH 90 oC
DH AutoClave % tăng của DH 90 oC
(a) Cường độ tuổi 3 ngày (b) Cường độ tuổi 28 ngày
DH AutoClave % tăng của DH 90 oC
DH tiêu chuẩn DH 90 oC
% tăng của DH 70 oC % tăng của DH AC 90
% tăng của DH 70 oC% tăng của DH 90 oC
(c) Cường độ tuổi 3 ngày (d) Cường độ tuổi 28 ngày
DH AutoClave % tăng của DH 90 oC 30
% tăng của DH 70 oC % tăng của DH AC 80
70 60 50 40 30 20 10 0 trình thủy hóa của xi măng và phản ứng puzolanic của phụ gia khoáng như SF và GGBFS đã được biết đến rộng rãi Ngoài ra, ở nhiệt độ trên 150 o C có sự hình thành các khoáng tobermorite(Ca 5 Si 6 O 16 (OH) 2 4H 2 O), và trên 200 o C hình thành khoáng xonotlite(Ca 6 Si 6 O 17 (OH) 2-C 6 S 6 H)cócấutrúctinhthểnhỏ,độđặcchắccaohơnsovới tinh thể C- S-H đã được nhiều nghiên cứu chỉ ra đã góp phần làm tăng cường độ của bê tông [30,130].
Hình 6.20 Ảnh hưởng của chế độ dưỡng hộ nhiệt ẩm đến cường độ chịu nén tuổi 3 và 28 ngày của FAC-HSLWC a) nhóm cốt liêu cát thay thế bởi FAC b) nhóm
CKD sử dụng SF và GGBFS Đánh giá về ảnh hưởng của chế độ dưỡng hộ nhiệt ẩm tới mức độ phát triển cường độ bê tông FAC-HSLWC Đối với nhóm cấp phối cát được thay thế bởi FAC trong khoảng 0-100% (Hình 6.20a,b) thì cường độ chịu nén tăng tương ứng với với tỷlệFACvàvượtsovớichếđộdưỡnghộtiêuchuẩntrongkhoảng17,5-32,7%,26,1- 46,5% và 34,4-67% tương ứng ở các chế độ dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 70 o C, 90 o C và autoclaveởtuổi3ngày.Ngoàiracóthểthấy,vớichếđộdưỡnghộnhiệtẩmở70 o C, 90 o C và autoclave sau 3 ngày thì cường độ bê tông lần lượt đạt 73-77%, 75-82%và
C ườ ng đ ộ ch ịu n én ( M P a) C ườ ng đ ộ ch ịu n én ( M P a) T ha y đổ i s o D H T C ( % ) T ha y đổ i s o D H T C ( % ) C ườ ng đ ộ ch ịu n én ( M P a) C ườ ng đ ộ ch ịu n én ( M P a) T ha y đổ i s o D H T C ( % ) T ha y đổ i s o D H T C ( % )
78-89% so với cường độ tuổi 28 ngày, trong khi mức độ đạt 64-67% khi dưỡng hộ tiêu chuẩn.
Tương tự như nhóm cấp phối cát được thay thế bởi FAC, nhóm cấp phối sử dụng SF và GGBFS thay thế một phần OPC như trongHình 6.20c,d cũng cho thấy hiệuquảcủadưỡnghộnhiệtẩmđếncườngđộchịunéncủabêtôngởtuổithínghiệm 3 và 28 ngày. Cường độ chịu nén khi được dưỡng hộ nhiệt ẩm tăng trong khoảng 58,9-59,9%, 46,5- 65,1% và 67-90,4% tương ứng ở các chế độ dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 70 o C, 90 o C và autoclave ở tuổi 3 ngày với các cấp phối sử dụng 10%SF và 10%SF+(20-60)% GGBFS Tuy nhiên có thể thấy với chế độ dưỡng nhiệt ẩm ở 70 và 90 o C thì cấp phối sử dụng 60% GGBFS cho mức tăng cường độ so với dưỡnghộ tiêu chuẩn thấp hơn so với cấp phối 40% GGBFS Về mức phát triển cường độ với chế độ độ dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 70 o C, 90 o C và autoclave sau 3 ngày, thì cường độ bêtôngtươngứngđãđạt76-84%,78-90%và86- 95%sovớicườngđộtuổi28ngày, trong khi cường độ đạt 63-65% khi dưỡng hộ tiêu chuẩn Như vậy, các kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu quả tăng cường độ chịu nén ở tuổi sớm của FAC-HSLWC khi được dưỡng hộ nhiệt ẩm ở 70, 90 o C trong 48h3h và chưng áp autoclave 8h là rất đángkể.MứchiệuquảpháttriểncườngđộcàngcaokhihàmlượngFACthaythếcát càng lớn và hàm lượng PGK là SF và GGBFS thay thế OPC cànglớn.
Hiệu quả tăng cường độ lớn hơn ở các cấp phối có tỷ lệ FAC thay thế cát cao hơnkhidưỡnghộnhiệtởcóthểlýgiảilàdotácđộngcủanhiệtẩmđãlàmđẩynhanh quá trình phản ứng puzolanic của các hạt FAC ở giai đoạn sớm so với ở điều kiện tiêu chuẩn (phản ứng puzolanic của các hạt FAC là rất chậm) như đã được trình bày trongphầnnghiêncứuvềthủyhóa,vicấutrúctạimục6.2vàđẩynhanhmứcđộthủy hóa của CKD. Điều này làm cải thiện sự liên kết giữa đá măng và các hạt FAC vốn được cho là vùng yếu trong cấu trúc của bê tông sử dụng FAC Kết quả này cũng tương đồng với kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của dưỡng hộ nhiệt ẩm trong việc cải thiện cường độ và vi cấu trúc vùng tiếp giáp giữa các hạt FAC và đá xi măngcủa bê tông cenosphere [89,119].
6.3.3 Cường độ chịu kéo khiuốn
CườngđộchịukéokhiuốnkhithaythếcátbởiFACđượcthểthiệntrongHình6.21c.Tương tựnhưcườngđộchịunénthìcườngđộchịukéokhiuốngiảmkhităng hàm lượng thể tíchFAC, cường độ chịu kéo khi uốn tuổi 28 ngày từ 8,57 MPa của mẫu đối chứng (FAC0) giảm xuống còn 6,88, 6,12 và 5,87 MPa tương ứng với mức giảm19,4,28,3và31,3%sovớimẫuđốichứng.MặcdùcáccấpphốichứaFACđều sử dụng0,5% sợi PP nhưng kết quả thí nghiệm uốn theo ASTM C1609 cho thấycác
(c) (d) mẫuuốnđềubịgãyởđiểmpeaktảitrọng,tươngtựnhưmẫuđốichứngFAC0(không có sợi)(Hình 6.21b) Kết quả này cho thấy các sợi PP trong các cấp phối này không có khả năng duy trì chịu tải khi bê tông bị nứt vỡ trong thí nghiệm này Ngoài ra, có thể thấy so với mức độ giảm cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn của các cấpphốiFAC-HSLWCgiảmnhiềuhơn(19,4-31,3%sovới7,5-14,6%củacườngđộ chịu nén
ĐỘBỀNLÂU
6.4.1 Độ cokhô Độ co ngót của bê tông là thông số quan trọng trong thiết kế kết cấu bê tông trên quan điểm ảnh hưởng đến khả năng nứt của bê tông do sự hình thành các ứng suất trong bê tông của kết cấu bị kìm hãm nở thể tích Kết cấu bê tông có các vếtnứt hìnhthànhsẽảnhhưởngnghiêmtrọngđếnđộbềnlâucủabêtônglàmviệctrongmôi trườngxâmthực.Độcongótcủabêtôngphụthuộcnhiềuvàohàmlượnghồximăng (hoặc chất kết dính), loại và hàm lượng cốt liệu trong bê tông, tỷ lệ N/X (hoặc N/CKD) Với FAC- HSLWC hầu hết không chứa cốt liệu lớn, thậm chí không chứa cốt liệu nhỏ dạng hạt cát và sử dụng hàm lượng CKD lớn nên các yếu tố này sẽ ảnh hưởng đến độ co ngót củaFAC- HSLWC. a) Ảnh hưởng của hàm lượngFAC
Độ co khô của FAC-HSLWC có xu hướng giảm rõ rệt khi thay thế cát bằng FAC trong cốt liệu Độ co khô sau 182 ngày với cấp phối chứa 100% cát là 1120 μm và giảm lần lượt là 3, 8 và 26% khi tỷ lệ FAC/cốt liệu là 50, 70 và 100% Tuy nhiên, chỉ có mẫu cốt liệu 100% FAC (FAC100) cho độ co khô dưới 1000 μm sau 182 ngày bảo dưỡng trong điều kiện độ ẩm tương đối 50%.
Hình 6.28 Độ co khô của FAC-HSLWC a) với tỷ lệ FAC/CL và b) với CKD chứa
Có thể thấy rằng, độ co khô của FAC-HSLWC lớn hơn so với bê tông thông thường (với cốt liệu gồm cốt liệu lớn và nhỏ) thường được ghi nhận trong khoảng 200-800(N/X=0,4)trongcácnghiêncứucôngbố[91].Hiệntượngđộcokhôcủa bê tông giảm khi sử dụng FAC thay thế cát giữ nguyên hàm lượng của (cát+FAC) theothểtíchcóthểgiảithíchlàdocáchạtFACtrongbêtôngkhôngchỉđóngvaitrò làvicốtliệu,màtươngtựnhưcáchạttrobay,trongmôitrườngthủyhóacủaximăngsinh ra Ca(OH)2, khi đó phản ứng puzolanic giữa các hạt FAC và CH sinh ra cáckhoángC- S-Hlàmtăngđộđặcchắccủađáchấtkếtdínhcủabêtông.Hiệntượngnày đã được chỉ ra nhờ phân tích vi cấu trúc của đá chất kết dính chứa các hạt FAC [54,56].Chính điều này sẽ làm giảm sự thoát hơi nước ra ngoài của bê tông, do đó làm giảm co ngót của bê tông. Ngoài ra, có thể thấy độ hút nước của FAC là 10,3% lớn hơn so với cát 3,2% đây cũng được cho là nguyên nhân góp phần làm giảm co ngót củabêtông.Điềunàycũngđãđượcnhiềunghiêncứuchỉrađộxốpcủacốtliệucũng làmgiảmđộcocủabêtông,đặcbiệtconộisinhdolượngnướchấpthụtrongcốtliệu sẽ bù đắp một phần lượng nước bay hơi và góp phần cho quá trình nội bảo dưỡngdo cungcấpnướcchoquátrìnhthủyhóasautuổi7ngàynhưđãđượcchỉratrongnghiên cứu[68].
VớinhómcấpphốisửdụngSFvàGGBFSthaythếmộtphầnOPCtrongthành phần CKD cho thấy sử dụng SF và GGBFS rất hiệu quả trong việc giảm độ co ngót khôcủaFAC- HSLWC.SovớimẫuCKD100%OPCthìđộcongótkhôsau182ngày củabêtônggiảmtới36,3%khisửdụng10%SFtrongCKDvàtiếptụcthaythếOPC với 20, 40 và 60% GGBFS thì độ co khô giảm tương ứng là 40,7, 41,4 và 47,1%. Hiệu quả giảm co ngót khô của bê tông cũng đã được nhiều nghiên cứu chỉ ra [129,
132] Cơ chế của hiện tượng này là do chất kết dính sử dụng GGBFS thay thế một phần xi măng sẽ làm chậm quá trình hình thành khoáng thủy hóa của đá xi măng do sự thủy hóa chậm của so với xi măng Ngoài ra, khả năng giảm kích thước lỗ rỗng mao quản trong đá xi măng và vùng ITZ giữa đá xi măng và cốt liệu được cho là nguyên nhân chính làm giảm độ co khô của bê tông Việc mất nước của bê tông từ lượng nước tự do được cho là ít ảnh hưởng tới co ngót của bê tông so với mất nước từ các lỗ rỗng mao quản tạo nên do ứng suất căng thủy tĩnh trong các lỗ rỗng vi cấu trúc của đá xi măng [52]. b) Ảnh hưởng của tỷ lệN/CKD Ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD đến độ co khô của FAC-HSLWC là rất rõ ràng, khi tỷ lệ N/CKD giảm từ 0,6, 0,5, 0,4 đến 0,35 thì độ khô của bê tông chứa FAC tướngứngđềugiảm,độcokhôởtuổi182ngàysovớimẫuđốichứngchứa100%cát
(FAC0W40)tươngứnglà105,99,84và67%(Hình6.29).Cóthểthấyđộcokhôsau
182ngàycủamẫucóN/CKD=0,6(FAC40W60)làrấtlớn2298m,trongkhiđó,độ cokhôcủamẫucóN/CKD=0,35(FAC40W35)đãgiảmđángkểcòn765.Cáccấp phốiHSLWCtrongnhómnàyđượccốđịnhhàmlượngchấtkếtdính,dovậykhităng lượngnướctrộnthìthểtíchhồchấtkếtdínhtăng,lượngnướctựdovàlượnglỗrỗng trongđáchấtkếtdínhđềutăng,dovậykhibêtôngtiếpxúcvớimôitrườngkhô,lượng nước bay hơi sẽ tăng, làm tăng co ngót của bêtông.
Hình 6.29 Độ co khô của FAC-HSLWC với tỷ lệ N/CKD khác nhau c) Ảnh hưởng của cốt sợipolypropylene Ảnh hưởng của hàm lượng sợi polypropylene (sợi PP) đến độ co khô của bê tôngFAC-HSLWCthểhiệntrongHình6.30chothấyđộcokhôcủabêtônggiảmkhităng sợi PP từ 0 đến 0,3 và 0,5% Độ co khô của ở tuổi 182 ngày giảm từ 940củamẫu khôngchứasợiPP(FAC40W0.4)giảmxuốngcòn900vớimẫuchứa0,3%sợiPP
Kết quả nghiên cứu cho thấy, so với mẫu không có sợi PP, cường độ chịu nén mẫu chứa sợi PP giảm 4,3% (FAC40PP0.3) và 7,3% (FAC4PP0.5) Điều này tương ứng với lượng giảm cường độ 872với mẫu có 0,5% sợi PP (FAC4PP0.5) Các kết quả này phù hợp với nhiều nghiên cứu trước đây về hiệu quả của sợi PP trong việc hạn chế đọ khô của bê tông Lý giải cho hiện tượng này là do sợi PP làm cản trở sự dịch chuyển ở cấp độ vi mô trong vữa, đóng vai trò cầu nối và khâu liền các vết nứt nhỏ.
Hình 6.30 Độ co khô của FAC-HSLWC sử dụng hàm lượng sợi PP khác nhau
6.4.2 Độ hútnước Độ hút nước của FAC HSLWC với khi thay thế cát bởi FAC ở các tỷ lệ khác nhau thể hiện trongHình 6.31a cho thấy, độ hút nước tăng khi tăng hàm lượngFAC. Độ hút nước tuổi 28 ngày từ 3,61% của mẫu đối chứng (FAC0) tăng lên 4,62, 5,05 và 6,21% tương ứng mức tăng 28,0, 39,9 và 71,7% khi tỷ lệ FAC thay thế cát 50, 70 và 100% Hiện tượng tăng độ hút nước của FAC HSLWC khi tăng hàm lượng FAC cóthểgiảithíchlàdocáchạtFACcókhảnănghấpthụnướclớnhơncáchạtcát.Kết quả thí nghiệm cho thấy độ hút nước của FAC là 10,3% so với 3,2% của cát Chính vìvậy,bêtôngchứaFACsẽhấpthụlượngnướclớnhơnsovớibêtôngthôngthường Điều này sẽ làm tăng hệ thống lỗ rỗng trong đá xi măng khi một phần lượng nước trộnbayhơiđểlại.Mộtnguyênnhânnữacũngcóthểảnhhưởngđếnđộhútnướccủa bê tông là khả năng cuốn khí của HHBT tăng lên khi FAC thaythếcát, do các hạt FAC có kích thước nhỏ hơn cát, làm tăng tổng diện tích bề mặt trong hệ, điều này cũng được một số nghiên cứu chỉ ra thông qua xác định độ rỗng của bê tông FAC Hiện tượng tăng lượng nước hấp thụ khi hàm lượng FAC tăng cũng được một số nghiên cứu khác chỉ ra [21,97].
KhisửdụngSFthaythếOPC,độhútnướcởtuổi7và28ngàyđềugiảm,mức giảm 8,9 và13,1% tương ứng ở tuổi 7 và 28 ngày so với mẫu OPC100 Khi sử dụng tiếptụcGGBFSthaythếOPC,độhútnướccủaFACHSLWCgiảmtăngthêmtương ứng với mức tăng hàm lượng GGBFS từ 20-60% ở cả tuổi 7 và 28 ngày Mức độ giảm độ hút nước đạt được tốt nhất ở tỷ lệ GGBFS 60%, độ hút nước giảm từ7,15%
(b) củamẫuđốichứng(OPC100)xuốngcòn5,35%tươngứngvớimứcgiảm25,2%Hình6.31b).
Hình 6.31 Độ hút nước toàn phần của FAC-HSLWC
6.4.3 Độ bền chống thấm ionclo
Khả năng chống lại thâm nhập ion clo vào FAC-HSLWC được đánh giá qua thâm nhập ion clo theo phương pháp điện lượng (RCPT- ASTM C1202) và điện trở suất khối của bê tông (Bulk Electrical Resistivity Testing - BERT theo ASTM C1876).VớicáccấpphốithaythếcátbởiFACvớicáctỷlệkhácnhautừ0đến100% trongHình 6.32a cho thấy tăng tỷ lệ FAC sẽ làm khả năng thâm nhập ion clo giảm đáng kể thông qua chỉ số điện lượng giảm và điện trở của bê tông tăng rõ rệt RCPT từ 1590 cu lông của mẫu 100% cát (FAC0) giảm đi 61,9, 68,9 và 77,8%, trong khi BERT của mẫu đối chứng từ 24,6 K.cm tăng thêm 89, 108,9 và 153,7% tươngứng vớitỷlệFAC/CL50,70và100%.CảRCPTvàBERTđềuđượcsửdụngđểđánhgiá khả năng lượng chất lỏng dịch chuyển trong lỗ rỗng của bê tông, thông qua đó đánh giá khả năng chống ăn mòn và bảo vệ cốt thép của bê tông do các tác nhân xâmthực từbênngoài.RCPTvàBERTchịuảnhhưởngbởicácyếutốnhưkíchthướcvàphân bố lỗ rỗng trong bê tông, thành phần hóa, lý của đá xi măng, cốt liệu trong bê tông Đối với FAC-HLSWC khi thay thế cát bởi FAC, do FAC bản chất là các hạt tro bay kích thước lớn,chúng có thành phần khoáng hóa tương tự như các hạt tro bay khác,chínhvìvậy,nócókhảnăngtạophảnứngpuzolanicvớiCHsinhratừquátrìnhthủy hóa xi măng tạo ra khoáng C-S-H Điều này không chỉ làm giảm kích thước lỗ rỗng, ngăn chặn các lỗ rỗng thông nhau trong đá xi măng, đồng thời giảm lượng CH trong các lỗ rỗng và làm đặc chắc vùng liên kết giữa đá xi măng và cốt liệu [21, 109] Khả năng ngăn chặn thâm nhập ion clo khi sử dụng FAC thay thế cát trong bê tông cũng đãđượcnghiêncứucủaNayak[96]chỉrakhixácđịnhioncloxâmnhậpvàomẫubê tông ngâm trong dung dịch NaCl ở tuổi 28 và 56ngày.
Hình 6.32 Khả năng chống thấm ion clo và điện trở suất khối của các cấp phối FAC-HSLWC a) với tỷ lệ FAC/cốt liệu khác nhau b) CKD chứa SF và GGBFS
Sử dụng kết hợp SF10% và GGBFS trong CKD ở tỷ lệ 20-60% tiếp tục làm giảm điện lượng truyền qua mẫu trong RCPT, RCPT từ 571 cu lông của mẫu đối chứng OPC100 giảm đi 52,4, 57,3, 59,5% tương ứng với tỷ lệ GGBFS 20, 40 và 60%, tronng khi BERT của mẫu đối chứng từ 54,4 K.cm tăng thêm 8,4, 12,3 và 26,4% (Hình 6.32b).
Các nghiên cứu đã chỉ ra có mối tương quan giữa RCPT và BERT, khả năng chống thấm ion clo của bê tông khi được đánh giá theo chỉ số của RCPT và BERT như trongBảng 6.2 Căn cứ vào các chỉ tiêu này, có thể thấy các cấp phối FAC- HSLWCđềuthuộccấpcóđộthấmionclo"rấtthấp".Từcáckếtquảthínghiệm,mối tương quan giữa RCPT và BERT của FAC-HSLWC được thể hiện trongHình 6.33với hệ số tương quanR 2 =0,92.
Bảng 6.2 Tiêu chuẩn đánh giá độ chống thấm của bê tông thông qua RCPT và BERT
Hình 6.33 Quan hệ giữa RCPT và BERT của FAC-HSLWC
Bê tông khi tiếp xúc với môi trường giàu sun phát, các ion sun phát xâmnhập vào bê tông phản ứng với khoáng canxi aluminate và khoáng canxi hydroxit tạo ra các khoáng etringite và thạch cao Các khoáng này có thể tích lớn hơn nhiều thểtích
RCPT 56 ngày (culong) [19] Điện trở suấtkhối
Không đáng < 100 > 200 của các khoáng ban đầu gây nên hiện tượng nở thể tích dẫn đến hình thành các vết nứt và gây hư hỏng cho bê tông gọi là hiện tượng ăn mòn sun phát Độ nở của các thanh mẫu bê tông FAC- HLSWC chứa các tỷ lệ FAC thay thế cát khác nhau ngâmtrong dung dịch Na 2 SO45% trong 12 tháng thể hiện trongHình 6.34cho thấy khităng tỷ lệ thay thế FAC/CL từ 0 đến 100% thì độ nở thanh vữa giảm tương ứng. Độ nở thanh vữa tuổi 12 tháng của mẫu 100% cát (FAC0) từ 0,0820% giảm 45,6, 53,4 và 59% tương ứng với tỷ lệ FAC/cốt liệu 50, 70 và 100%.
KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA TẤM SÀN BTCT SỬ DỤNG FAC- HSLWC
CáckếtquảnghiêncứuvềtínhchấtkỹthuậtcủaFAC-HSLWCtrongcácphần trước đã chỉ ra FAC-HSLWC với tỷ lệ N/CKD=0,3-0,4 đạt được cường độ chịu nén
28 ngày trong khoảng 63,3-75 MPa với KLTT trong khoảng 1300-1600 kg/m 3 , độ hútnước≤6,21%.Cườngđộchịunénquyđổiramẫulậpphương150150150mm đạt khoảng 52,5-57,5 MPa Các tính chất này cho thấy FAC-HSLWC đáp ứng được các yêu cầu cho chế tạo kết cấu BTCT chịu lực các tiêu chuẩn về BTCT hiện hành nhưTCVN5574:2018,Eurocode2,ACI318.Đểđánhgiákhảnănglàmviệccủacấu kiện BTCT sử dụng FAC-HSLWC dưới tác dụng của tải trọng, đề tài đã nghiên cứu khả năng làm việc của tấm sàn BTCT sử dụng FAC-HSLWC khi chịu tảitrọng.
Để đánh giá tính năng cấu kiện tấm sàn điền hình của công trình nhà cao tầng, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn loại tấm sàn BTCT dự ứng lực có kích thước 3280x1060x140mm Tấm sàn cấu tạo 2 lớp: lớp dưới đúc sẵn dày 70mm và lớp 2 đổ bù sau 14 ngày Đối với cấu kiện bê tông nhẹ FAC-HSLWC, lớp 1 sử dụng bê tông FAC-HSLWC, còn lớp 2 sử dụng bê tông thường Bê tông FAC-HSLWC có KLTT ~ 1300-1400 kg/m3 và ~1500-1600 kg/m3, cấp cường độ chịu nén B35 Tấm sàn BTCT được thí nghiệm để đánh giá ứng xử dưới tải trong uốn phân bố đều (4 lực tập trung, 2 gối tựa) như Hình 6.35.
Kết quả nghiên cứu cho phép đưa ra một số kết luận sau:
- Sự làm việc của tấm sàn BTCT thử nghiệm dưới tải trọng có thể chia ra làm hai giaiđoạn:giaiđoạnđànhồi(làmviệccủabêtôngvùngkéo)vàgiaiđoạnlàmviệc củacốtthépcùngvớibêtôngvùngnénsaukhibêtôngvùngkéobịnứt.Điểm khác của tấm sàn FAC-HSLWC so với tấm sàn bê tông thường là bê tông vùng chịu kéo vẫn
Hình 6.35 Sơ đồ thí nghiệm và hình ảnh thực tế bố trí hệ gia tải và thiết bị thí nghiệm tấm sàn tiếp tục làm việc cùng với cốt thép sau khi xuất hiện vết nứt đầu tiên do sự làm việccủacốtsợiPPtrongFAC-HSLWC.ĐốivớitầmsànFAC-HSLWCtrongthí nghiệm này do sự liên kết chưa tốt giữa lớp bê tông FAC-HSLWC phía dưới và lớp bê tông thường phía trên nên cơ chế phá hoại đối với tấm sàn FAC-HSLWC thínghiệmlàdodựtáchlớpvàtrượtcủahailớpbêtôngchứchưaphảilàpháhủy vùng nén như đối với tấm sàn bê tôngthường;
Tải trọng xuất hiện vết nứt đầu tiên của tấm sàn FAC-HSLWC thấp hơn so với tấm sàn bê tông thường, nhưng tải trọng tại độ võng cho phép (L/150) và tải trọng cực hạn có xu hướng tương đương hoặc cao hơn so với tấm sàn bê tông thường với cùng cường độ chịu nén Đặc biệt, tải trọng cực hạn của tấm sàn FAC-HSLWC vượt trội so với tải trọng cực hạn tính toán thiết kế.
- Độ võng dưới tải trọng, độ võng của tấm sàn FAC-HSLWC phát triển nhanhhơn ở giai đoạn đàn hồi sau đó phát triển chậm hơn ở giai đoạn sau Điều này là do chiều rộng vết nứt đầu tiên và tốc độ mở rộng vết nứt của tấm sàn FAC-HSLWC là nhỏ hơn khá nhiều so với tấm sàn bê tông thường Tại thời điểm phá hủy độ võngcủatấmsànFAC- HSLWCthấphơnkhánhiềusovớitấmsànbêtôngthường
HSLWCxuấthiệnvết nứtsớmvàxuấthiệnnhiềuvếtnứthơnsotấmsànbêtông thường, trong khi tấm sàn bê tông thường xuất hiện vết nứt muộn hơn nhưng vết nứt có chiều rộng lớn và phát triển nhanh cả về chiều dài và chiều rộng Tại thời điểm phá hủy chiều rộng vết nứt tấm sàn bê tông thường lớn hơn rất nhiều so với tấm sàn bê tôngnhẹ.
Chi tiết về kết quả thí nghiệm khả năng làm việc của tấm sàn FAC-HSLWC vàsosánhvớitấmsànBTCTsửdụngbêtôngthườngcùngloạiđượctrìnhbàytrong Phụ lục5.
Từ kết quả nghiên cứu của đề tài luận án cho phép đưa ra một số kết luận sau:
1 Hoàn toàn có thể chế tạo được bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng cốt liệu nhẹ là hạtvicầurỗngtừtrobaynhàmáynhiệtđiện(FAC)vàcácvậtliệusẵncótạiViệt Nam (FAC- HSLWC) với các tính chất cơ lý như cường độ chịu nén 40-70 MPa, KLTT 1300-
1600 kg/m 3 , độ hút nước dưới 6,5% đảm bảo yêu cầu kỹ thuật sử dụng cho kết cấu chịu lực trong công trình xâydựng.
2 Đã nghiên cứu tối ưu được các thông số cấp phối của FAC-HSLWC, trong đó đã thiết lập được quan hệ giữa tỷ lệ CKD/VLK (theo thể tích) và cường độ chịu nén của FAC-HSLWC Mối quan hệ này có thể biểu diễn dạng đường cong parabol, do đó tồn tại giá trị tối ưu của tỷ lệ CKD/VLK hay CKD/CL để cường độ chịu nén của FAC-HSLWC là lớn nhất Tùy thuộc vào tỷ lệ N/CKD, tỷ lệ CKD/VLK tối ưu tăng khi tỷ lệ N/CKD giảm Với tỷ lệ N/CKD từ 0,5 đến 0,3 thì tỷ lệ CKD/VLK tối ưu trong khoảng 0,4 đến0,45.
3 Đã xây dựng được mô hình dự báo cho cường độ chịu nén 28 ngày và sự phát triển cường độ chịu nén từ 3 đến 91 ngày của FAC-HSLWC có tính đến các yếu tốchínhảnhhưởngđếncườngđộchịunéncủaFAC-
HSLWCbaogồmthànhphầnCKD(thôngquacườngđộCKD),tỷlệCKD/ cốtliệu,tỷlệFACthaythếcát,Dmaxcốt liệu, hàm lượng sợiPP.
4 Đã xây dựng được phương pháp thiết kế cấp phối cho hệ FAC-HSLWC có khả năng đưa ra thành phần cấp phối sơ bộ của FAC-HSLWC đảm bảo cường độ 40-
5 Đã xác định và đánh giá được một số tính chất của hỗn hợp bê tông (tính công tác, độ phân tầng, tách nước, hàm lượng bọt khí, thời gian đông kết) và tính chất cơlýcủaFAC-HSLWCvớiKLTT1300-1600kg/m 3 vàcườngđộnén40-70MPa Khi thay thế cát bằng FAC làm KLTT và đồng thời làm giảm cường độ chịunén, kéo khi uốn và mô đun đàn hồi nhưng cải thiện (làm giảm) co khô, làm tăng cườngđộriêngvàhệsốpoatxoncủabêtông.TínhchấtcơhọccủaFAC-HSLWC như cường độ chịu nén, uốn và mô đun đàn hồi của FAC-HSLWC được cảithiện tốt hơn khi sử dụng hệCKD gồm xi măng kết hợp với SF và/hoặc GGBFS,trong đó hiệu quả đạt được tốt nhất với CKD gồm xi măng kết hợp 10% SF(theo khối lượng).
6 Đã xác định và đánh giá được một đặc tính về độ bền lâu của FAC-HSLWC với KLTT 1300-1600 kg/m 3 và cường độ nén 40-70 MPa: khi thay thế cát bằng FAC làmlàmtăngđộhútnước,tốcđộthấmnướcnhưngcảithiệnkhảnăngchốngthấm ion clo, độ bền sun phát của FAC-HSLWC Các tính chất về độ bền lâu được cải thiện tốt hơn khi sử dụng CKD có tỷ lệ 10% SF kết hợp (20-60)% GGBFS,trong đó hiệu quả cải thiện tốt nhất đạt được với hệ PGK gồm SF10% + 60%GGBFS.
7 Đã xác định và đánh giá khả năng làm việc của cấu kiện tấm sàn bê tông sửdụng FAC-HSLWCvàsosánhđốichứngvớibêtôngthường(BTT)cócùngcấpcường độ chịu nén. Tấm sàn sử dụng FAC-HSLWC đạt được tải trọng tại độ võng cho phép,tảitrọngtạiđộmởvếtnứt0,3mmvàtảitrọngcựchạncơbảntươngđương với tấm sàn BTT Sự ứng xử khác biệt của tấm sàn FAC-HSLWC so với tấm sàn BTTđólà:sựxuấthiệnvếtnứtđầutiênsớmhơnkhánhiềunhưngđộmởvếtnứt và phát triển vết nứt (theo chiều dài và rộng) lại nhỏ hơn khá nhiều; độ võng tại thờiđiểmtấmsànbịpháhủycủatấmsànFAC-HSLWCcũngnhỏhơnkhánhiều so với tấm sànBTT.
1 Tiếptụcnghiêncứuthửnghiệmtínhchấtcơhọc,độbềnlâutrongthựctếcủacấu kiện BTCT (kích thước lớn) sử dụng FAC-HSLWC trong các điều kiện môi trườngkhácnhaunhưmôitrườngnắngnóng,khô-ẩm,môitrườngxâmthực(môi trường biển, hóa chất); nghiên cứu khả năng liên kết của loại bê tông này với cốt thép, thép kếtcấu.
![Bảng 1.2 Thống kê một số kết quả nghiên cứu về bê tông cốt liệu nhẹ trên thế giới [125] - Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres)](https://media.store123doc.com/figures/004/850/bang-thong-ket-nghien-cuu-tong-lieu-gioi-4850780.webp)
![Hình 1.4 Sơ đồ công nghệ thu hồi cenosphere theo phương pháp ướt và khô [104] - Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres)](https://media.store123doc.com/figures/004/850/hinh-do-cong-nghe-hoi-cenosphere-phuong-uot-4850781.webp)
![Bảng 1.3 Thành phần hóa của một số loại FAC [56] - Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres)](https://media.store123doc.com/figures/004/850/bang-thanh-phan-hoa-loai-fac-4850782.webp)
![Hình 2.1 Cường độ chịu nén 28 ngày của BTCLN với D max cốt liệu khác nhau [114] - Nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (cenospheres)](https://media.store123doc.com/figures/004/850/hinh-cuong-do-chiu-nen-btcln-cot-lieu-4850784.webp)
