Nghiên cứu cải thiện độ bền axit của bê tông hạt nhỏ trong xây dựng công trình ở môi trường xâm thực công nghiệp

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG AXIT ĐẾN TÍNH CHẤT ĐÓNG RẮN CỦA BÊ TÔNG HẠT NHỎ VÀ ĐỀ XUẤT CẤP PHỐI BÊ TÔNG HẠT NHỎ CÓ ĐỘ BỀN KHÁNG AXIT CHO CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG TRONG MÔI TRƯỜNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐỘ BỀN AXIT CỦA BÊ TÔNG HẠT NHỎ TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH Ở MÔI TRƯỜNG XÂM

THỰC CÔNG NGHIỆP

Mã số: T2021-06-24 Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Tấn Khoa

Đà Nẵng, 11/2022

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐỘ BỀN AXIT CỦA BÊ TÔNG HẠT NHỎ TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH Ở MÔI TRƯỜNG XÂM

THỰC CÔNG NGHIỆP

Mã số: T2021-06-24

T21-06-24

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1 ThS Phạm Thị Hoàng Lý: trường Đại học Bách Khoa- Đại học Đà Nẵng Email: phamhoangly@gmail.com

Điện thoại: 0906.563.956

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

6 Kết cấu đề tài 2

7 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổn g quan các nghiên cứu về bê tông hạt nhỏ 4

1.1.1 Định nghĩa bê tông hạt nhỏ 4

1.1.2 Phân loại bê tông hạt nhỏ 4

1.1.3 Nguyên tắc phối tạo bê tông hạt nhỏ 4

1.1.4 Các nghiên cứu về bê tông hạt nhỏ trong và ngoài nước 5

1.2 T ổng quan các nghiên cứu về sự ảnh hưởng của điều kiện xâm thực do axit trong môi trường công nghiệp đến tính chất bê tông 14

1.2.1 Cơ chế phá hoại của sự tấn công do axit đối với bê tông 14

1.2.2 Các nghiên cứu về ảnh hưởng của điều kiện xâm thực do axit đến các tính chất của bê tông 15

1.3 Các giải pháp cải thiện độ bền kháng axit trong bê tông 18

1.4. Phân tích lựa chọn vật liệu sử dụng để cải thiện độ bền kháng axit trong bê tông hạt nhỏ 19

1.5 Kết luận chương 1 22

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ KẾ HOẠCH THÍ NGHIỆM CÁC LOẠI BÊ TÔNG HẠT NHỎ CÓ ĐỘ BỀN KHÁNG AXIT 23

2.1 Vật liệu sử dụng chế tạo bê tông hạt nhỏ 23

2.1.1 Xi măng 23

2.1.2 Cốt liệu nhỏ 24

2.1.3 Phụ gia khoáng 25

2.1.4 Phụ gia siêu dẻo 26

2.2 Thiết kế thành phần bê tông hạt nhỏ 26

2.2.1 Lý thuyết phương pháp thiết kế thành bê tông tông hạt nhỏ 26

2.2.2 Xác định cường độ yêu cầu của bê tông và các yêu cầu khác đối với bê tông cho công trình biển 28

2.2.3 Trình tự thiết kế thành phần bê tông hạt nhỏ 29

2.2.4 Thiết kế thành phần các loại bê tông hạt nhỏ 30

2.2.5 Chọn thành phần cấp phối các loại bê tông trong nghiên cứu 33

2.3 Công tác đúc và bảo dưỡng các mẫu bê tông hạt nhỏ 33

2.4 Phương pháp thí nghiệm 35

2.5 Kết luận Chương 2 36

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG AXIT ĐẾN TÍNH CHẤT ĐÓNG RẮN CỦA BÊ TÔNG HẠT NHỎ VÀ ĐỀ XUẤT CẤP PHỐI BÊ TÔNG HẠT NHỎ CÓ ĐỘ BỀN KHÁNG AXIT CHO CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG TRONG MÔI TRƯỜNG XÂM THỰC CÔNG NGHIỆP 38

3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường axit đến tính chất độ hút nước của các loại bê tông hạt nhỏ 38

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường axit đến sự xói mòn bề mặt và suy giảm khối lượng của các loại bê tông hạt nhỏ 41

3.3.Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường axit đến sự suy giảm cường độ chịu nén và cường độ kéo uốn của các loại bê tông hạt nhỏ 44

3.4 Phân tích hiệu quả kinh tế, môi trường của các loại bê tông hạt nhỏ sử dụng PGK để cải thiện tính chất độ bền kháng axit 49

3.4.1 Phân tích hiệu quả kinh tế 49

3.4.2 Phân tích hiệu quả môi trường 51

3.5 Đề xuất các cấp phối bê tông hạt nhỏ có độ bền kháng axit cao cho các công trình xây dựng trong môi trường xâm thực công nghiệp 51

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Thành phần hóa của xi măng, tro bay và xỉ lò cao nghiền mịn 23

Bảng 2 2 Các chỉ tiêu cơ, lý của xi măng PCB40 Nghi Sơn 23

Bảng 2 3 Các chỉ tiêu vật lý và hóa học của cát nghiền và cát mịn 24

Bảng 2 4 Thành phần cấp phối cốt liệu của các cấp phối bê tông hạt nhỏ 24

Bảng 2 5 Các chỉ tiêu cơ, lý của tro bay Vĩnh Tân 2 25

Bảng 2 6 Các chỉ tiêu chất lượng của XL S95 Hòa Phát Dung Quất 26

Bảng 2 7 Các chỉ tiêu của phụ gia siêu dẻo Basf 8713 26

Bảng 2 8 Cường độ chịu nén đặc trưng và cường độ chịu nén trung bình dự kiến của BTHN trong nghiên cứu 29

Bảng 2 9 Thành phần cấp phối của các hỗn hợp bê tông hạt nhỏ 33

Bảng 3 1 Độ hút nước của các loại bê tông hạt nhỏ dưỡng hộ trong nước 38

Bảng 3 2 Độ hút nước của các loại bê tông hạt nhỏ dưỡng hộ trong nước dung dịch axit H 2 SO 4 5% 38

Bảng 3 3 Kết quả thay đổi khối lượng của các loại BTHN trong môi trường axit H 2 SO 4 5% theo thời gian 41

Bảng 3 4 Cường độ chịu nén của các loại BTHN trong điều kiện dưỡng hộ nước và dung dịch axit H 2 SO 4 5% 44

Bảng 3 5 Cường độ kéo uốn của các loại BTHN trong điều kiện dưỡng hộ nước và dung dịch axit H 2 SO 4 5% 47

Bảng 3 6 Giá thành của các loại bê tông hạt nhỏ có tỷ lệ N/CKD 0,32 49

Bảng 3 7 Giá thành của các loại bê tông hạt nhỏ có tỷ lệ N/CKD 0,32 50

Bảng 3 8 Bảng phân tích đặc tính kỹ thuật và kinh tế của các loại BTHN sử dụng trong điều kiện xâm thực do axit 52

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Ngọn đèn biển ở cảng Said 6

Hình 1 2 Đường tàu điện ngầm St Petersburg, nguồn [76] 6

Hình 1 3 Đường bê tông cát : La teste et Le Pyla, ở tỉnh Aquitaine 7

Hình 1 4 Bê tông cát dùng các công trình xây dựng, giao thông Nguồn [76] 11

Hình 1 5 Bê tông cát dùng cho các công trình ngầm, điêu khắc nguồn [76] 11

Hình 2 1 Thành phần hạt cốt liệu của các cấp phối bê tông hạt nhỏ 25

Hình 2 2 Một số loại khuôn đúc mẫu thí nghiệm 34

Hình 2 3 Công tác trộn và đúc mẫu các loại bê tông hạt nhỏ 35

Hình 3 1 Độ hút nước của các loại BTHN trong môi trường nước 39

Hình 3 2 Độ hút nước của các loại BTHN trong môi trường axit H 2 SO 4 5% 39

Hình 3 3 Sự bào mòn bề mặt của các loại BTHN trong dung dịch H 2 SO 4 5% ở 28 ngày 41

Hình 3 4 Sự bào mòn bề mặt của các loại BTHN trong dung dịch H 2 SO 4 5% ở 90 ngày 41

Hình 3 5 Sự thay đổi khối lượng của các loại BTHN trong môi trường axit H 2 SO 4 5% 42

Hình 3 6 Cường độ chịu nén của các loại BTHN trong môi trường nước 44

Hình 3 7 Cường độ chịu nén của các loại BTHN trong dung dịch H 2 SO 4 5% 45

Hình 3 8 Cường độ kéo uốn của các loại BTHN trong môi trường nước 47

Hình 3 9 Cường độ kéo uốn của các loại BTHN trong dung dịch H 2 SO 4 5% 48

Hình 3 10 Giá thành của các loại bê tông hạt nhỏ có tỷ lệ N/CKD 0,32 50

Hình 3 11 Giá thành của các loại bê tông hạt nhỏ có tỷ lệ N/CKD 0,36 51

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

T21-06-24

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu cải thiện độ

bền axit của bê tông hạt nhỏ trong xây dựng công trình ở môi trường xâm thực công nghiệp

- Mã số: T2021 - 06 - 24

- Chủ nhiệm: Nguyễn Tấn Khoa

- Thành viên tham gia: Phạm Thị Hoàng Lý

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm

độ chịu nén, cường độ kéo uốn, sự suy giảmkhối lượng, độ hút nước của bê tông hạt nhỏ

sử dụng các phụ gia khoáng Đề xuất đượccác cấp phối bê tông hạt nhỏ với các thànhphần phụ gia khoáng phù hợp để nâng cao độbền kháng axit của bê tông hạt nhỏ trong môitrường xâm thực công nghiệp

3 Tính mới và sáng tạo:

Các kết cấu bê tông, kết cấu bê tông cốtthép làm việc ở các môi trường xâm thựccông nghiệp thường bị phá hủy khá nhanh dohiện tượng xâm thực của dung dịch axit làmphân rã bê tông và ăn mòn cốt thép Đặc tínhkháng axit của bê tông đóng vai trò quantrọng đối với loại bê tông dùng làm các kếtcấu ở các công trình thường xuyên tiếp xúcvới nước thải công nghiệp, tuy nhiên các

T21-06-24

nghiên cứu về tính chất này hầu

như rất ít ở Việt Nam Việc sử

dụng kết hợp xỉ lò cao nghiền

mịn và tro bay thay thế một phần

xi măng trong bê tông hạt nhỏ để

cải thiện các đặc tính kháng axit

của bê tông là giải pháp mới và

mang tính khả thi, tính kinh tế và

phù hợp với định hướng phát

triển bền vững lĩnh vực vật liệu

xây dựng

4 Tóm tắt kết quả nghiên cứu:

Trong điều kiện bình

thường, bê tông hạt nhỏ sử dụng

40% xỉ lò cao thay thế xi măng

có tác dụng cải thiện rất tốt đặc

tính cường độ Trong điều kiện

phơi nhiễm trong môi trường axit

sunfuric, loại bê tông sử dụng kết

hợp 35% xỉ lò cao và 20% tro

bay tỏ ra hiệu quả nhất trong việc

giảm tác động từ môi trường axit

gây ra đối với các tính chất đóng

rẵn của bê tông

5 Tên sản phẩm:

T21-06-24

- 01 bài báo đăng trên IEEE, Hội thảo Công trình xanh AtiGB 2022 lnf thứ 7;

- 01 báo cáo tổng kết đề tài

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Tác động và lợi ích mang lại:

Về mặt khoa học, đề tài góp phần làm sáng tỏ hơn tác dụng của tro bay và xỉ lò caotrong việc cải thiện độ bền của bê tông hạt nhỏ do axit trong môi trường công nghiệp.Vềmặt kinh tế và môi trường, việc sử dụng các loại phụ gia khoáng xỉ lò cao và tro baythay thế một phần xi măng trong bê tông hạt nhỏ mang lại hiệu quả về môi trường vàkinh tế do tận dụng được phụ phẩm công nghiệp Về mặt đào tạo, kết quả nghiên cứu cóthể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho Giảng viên và sinh viên chuyên ngành Xây dựngtại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Góp phần nâng cao chất lượng đào tạo ngành xâydựng tại ĐH Đà Nẵng

- Phương thức chuyển giao:

Kết quả nghiên cứu được chuyển giao thông qua việc nâng cao kiến thức khoa học

và công nghệ trong lĩnh vực đào tạo kỹ sư, cao học các chuyên ngành Xây dựng và cácngành có liên quan Kết quả nghiên cứu còn có thể chuyển giao công nghệ vật liệu bêtông đến các đơn vị thiết kế, thi công, sản xuất cấu kiện, ban quản lý dự án các côngtrình xây dựng

TS Phan Tiến Vinh TS Nguyễn Tấn Khoa

XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Study on improving the acid resistance of fine-grained concrete

in building construction in aggressive industrial environment

Code number: T2021-06-24

Coordinator: Nguyen Tan Khoa

Implementing institution: The University of Technology and Education,

3 Creativeness and innovativeness:

Concrete structures, reinforced concrete structures working in aggressiveindustrial environments are often destroyed quite quickly due to the attack of acidicsolutions, which degrade concrete and corrode reinforcement Acid resistance properties

of concrete play an important role for concrete used as structures in buildings frequentlyexposed to industrial wastewater, but studies on this property are almost limited inVietnam The combined use of ground granulated blast furnace slag and fly ash aspartial replacement of cement in fine-grained concrete to improve the acid resistanceproperties of concrete is a new solution, economical and suitable solution, consistentwith the sustainable development orientation of the field of building materials

4 Research results:

In normal conditions, fine-grained concrete uses 40% ground granulated blast furnaceslag to replace cement, which greatly improves strength properties In sulfuric acidexposure conditions, fine-grained concrete using a combination of 35% groundgranulated blast furnace slag and 20% fly ash was most effective in reducing the acidicenvironment's impact on the harder properties of concrete.

5 Products:

- 01 scientific paper published in the Proceedings of the Scientific Conference andApplication of New Technology in the 7th IEEE Green Building (ATiGB)

- 01 report summarizing the topic

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

- Impact and benefits :

Scientifically, the topic contributes to clarifying the effect of fly ash and blast furnaceslag in improving the durability of fine-grained concrete due to acid in the industrialenvironment Economically and environmentally, the using mineral additives, groundgranulated blast furnace slag and fly ash to replace a part of cement in fine-grainedconcrete is environmental and economic efficiency by taking advantage of industrial by-products In terms of training, the research results can be used as a reference forlecturers and students majoring in Construction at the University of TechnicalEducation Contributing to improving the quality of construction training at theUniversity of Danang

- Transfer method:

Research results are transferred through improving scientific and technologicalknowledge in the field of engineer training, master's degree in Construction and relatedfields The research results can also transfer the technology of concrete materials todesign and construction companies, construction project management boards

- Application address:

Universities provide engineering training and master's degrees in construction majors design and construction companies, construction project management boards

ra từ các xưởng, nhà máy chứa rất nhiều chất gâyhại gây xâm thực đối với bê tông như các ionsunfat, ion clo, các loại axit hữu cơ, axit vô cơ đặcbiệt trong đó là sự tấn công do các axit sunfuricgây ra Các vùng vật liệu bê tông khi tiếp xúcthường xuyên với môi trường axit sunfucricthường bị mất đặc tính vật liệu rất nhanh, trong đóphổ biến là vấn đề suy giảm cường độ Cơ chế của

sự suy giảm cường độ này là do axit sunfuric khitấn công vào bê tông gây ra các phản ứng hòa tanthành phần Ca(OH)2 và gel C-S-H, các thành phầnquan trọng này khi bị mất đi, vi cấu trúc bê tôngcũng sẽ bị phá hủy Ngoài ra các sản phẩm tạothành sau phản ứng hòa tan của bê tông còn tạo ra

sự trương nở từ bên trong gây ra nứt, vỡ bê tông.Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, khả năngchống axit của bê tông có thể được cải thiện thôngqua việc giảm tỷ lệ N/CKD, giảm lượng xi măng,tăng lượng sử dụng các loại phụ gia khoáng hoạttính Việc giảm tỷ lệ N/CKD làm giảm lượng lỗrỗng của bê tông, các chất có hại sẽ khó xâm nhậphơn Việc giảm lượng xi măng làm giảm lượng

C3A và Ca(OH)2, đây đều là những chất tạo ra cácphản ứng hóa học có hại Việc bổ sung các loạiphụ gia khoáng như silica fume, xỉ lò cao, tro bayvừa có thể giúp giảm lượng sử dụng xi măng, tiêuthụ lượng Ca(OH)2 và tạo ra lượng C-S-H nhiềuhơn, vi cấu trúc của bê tông cũng trở nên đặc chắchơn Đặc biệt các loại phụ gia khoáng này đều làcác phụ phẩm công nghiệp, việc tận dụng đượccác loại vật liệu này rất phù hợp với định hướng

đóng vai trò là trung tâm

công nghiệp của khu vực

Bắc Trung Bộ và duyên hải

Nam Trung Bộ, các ngành

công nghiệp ở Đà Nẵng

đang có sự phát triển vượt

bậc trong thời gian gần đây

Quy mô đầu tư, mở rộng và

xây mới các khu công

nghiệp ở Đà Nẵng, thúc đẩy

nhu cầu sử dụng vật liệu bê

tông có độ bền cao để xây

dựng các kết cấu công trình

thoát nước, công trình xử lý

hóa chất, nước thải công

nghiệp độc hại Do đó đề tài

“Nghiên cứu cải thiện độ

bền axit của bê tông hạt nhỏ

trong xây dựng công trình ở

môi trường xâm thực công

nghiệp” có tính thực tế, thời

sự và cấp thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu các yếu tố

ảnh hưởng đến tính chất độ

bền kháng axit của bê tông

hạt nhỏ trong môi trường

xâm thực công nghiệp

- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của môi trường axit đến các tínhchất của bê tông hạt nhỏ sử dụng các phụ gia khoáng.

- Đề xuất được các cấp phối bê tông hạt nhỏ với các thành phần phụ gia khoáng phùhợp để nâng cao độ bền kháng axit của bê tông hạt nhỏ trong môi trường xâm thực côngnghiệp

3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu tính công tác, tính chất cơ học và tính chất kháng axit của bê tông hạtnhỏ sử dụng phụ gia khoáng

Nghiên cứu đề xuất các cấp phối bê tông hạt nhỏ tối ưu để nâng cao độ bền khángaxit

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Độ bền chống axit của bê tông hạt nhỏ

Phạm vi nghiên cứu: Bê tông hạt nhỏ có tỷ lệ N/CKD = 0,32 và 0,36

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận: Nghiên cứu thực nghiệm xác định sự suy giảm cường độ chịu nén,cường độ kéo uốn và sự thay đổi khối lượng của các loại bê tông hạt nhỏ sử dụng phụgia khoáng trong các môi trường axit khác nhau Từ kết quả thí nghiệm đánh giá sự ảnhhưởng của loại môi trường axit, loại phụ gia khoáng sử dụng đến tính chất của bê tônghạt nhỏ và đề xuất được cấp phối bê tông hạt nhỏ sử dụng phụ gia khoáng có độ bềnkháng axit tốt nhất

Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

6 Kết cấu đề tài

Phần mở đầu

Chương 1 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu

Chương 2 Nghiên cứu vật liệu chế tạo và kế hoạch thí nghiệm các loại bê tônghạt nhỏ có độ bền kháng axit

Chương 3 Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường axit đến tính chất đóng rắn của

bê tông hạt nhỏ và đề xuất cấp phối bê tông hạt nhỏ có độ bền kháng axit cho các côngtrình xây dựng trong môi trường xâm thực công nghiệp

Kết luận và Kiến nghị

7 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Hiệu quả khoa học: góp phần hiểu rõ hơn tác dụng của tro bay và xỉ lò cao trong việc cải thiện độ bền của bê tông hạt nhỏ do axit trong môi trường công nghiệp

- Việc sử dụng các loại phụ gia khoáng xỉ lò cao và tro bay thay thế một phần ximăng trong bê tông hạt nhỏ mang lại hiệu quả về môi trường và kinh tế do tận dụngđược phụ phẩm công nghiệp (các phụ phẩm này nếu không tận dụng và xử lý có thể gây

ô nhiễm môi trường) và giảm lượng xi măng (giảm giá thành và giảm lượng phát thải

CO2 gây hiệu ứng nhà kính)

- Về đào tạo: Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho Giảngviên và sinh viên chuyên ngành Xây dựng tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Gópphần nâng cao chất lượng đào tạo ngành xây dựng tại ĐH Đà Nẵng

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan các nghiên cứu về bê tông hạt nhỏ

1.1.1 Định nghĩa bê tông hạt nhỏ

Bê tông hạt nhỏ (BTHN) hay còn gọi là bê tông cát, là một loại đá nhân tạo nhậnđược sau khi tạo hình và làm rắn chắc một hỗn hợp hợp lý bao gồm: cát thô, cát mịn,chất độn mịn, xi măng, nước, một hoặc nhiều loại phụ gia khoáng (PGK) [7, 76, 90].Các PGK như tro bay (TB), xỉ lò cao nghiền mịn (XL), muội silic (MS), bột đá vôi(BĐV), … và các puzolan tự nhiên thường được sử dụng làm chất độn để sản xuấtBTHN Trên thế giới, BTHN hiện nay có thể xem là loại bê tông thân thiện với môitrường và được nhiều tác giả nghiên cứu và ứng dụng [11, 12, 19, 31, 85, 91]

BTHN được phân biệt với vữa xi măng bởi thành phần của nó (có thêm phụ giakhoáng), liều lượng chất kết dính (CKD) thấp hơn, cường độ cao hơn và tương tự như

bê tông truyền thống Về thành phần, nó được phân biệt với bê tông thông thường vì sửdụng một lượng lớn cát (S), không có đá dăm hoặc sử dụng một ít đá dăm và các PGK.Nhưng về cường độ và lượng xi măng gần như tương tự nhau [105]

Trong BTHN có thể sử dụng thêm đá dăm sao cho tỷ lệ đá/cốt liệu bé hơn 0,3, lúcnày nó được gọi là BTHN nặng Việc bổ sung này nhằm tăng cường độ cứng của khungcốt liệu BTHN Chất độn mịn trong BTHN là một thành phần cốt liệu quan trọng dùngcho bê tông này, chất độn mịn có vai trò là kéo dài dải cấp phối cốt liệu của cát, chấtđộn mịn là cốt liệu mịn chèn đầy vào các lỗ hổng giữa các hạt cát, để tăng độ đặc chokhung cốt liệu của BTHN [84] So với bê tông thường (BTT), BTHN là sự nhỏ hóađường kính của các hạt cốt liệu nên hoàn toàn có thể sử dụng được nguồn cát hạt mịndồi dào có mô đun độ lớn bé hơn 2 mà ít được sử dụng trong bê tông thông thường [84]

1.1.2 Phân loại bê tông hạt nhỏ

Có nhiều cách phân loại đối với BTHN như phân loại theo tỷ lệ cốt liệu lớn sửdụng, theo cường độ, theo tính chất sử dụng, … [78] Cụ thể như sau:

 Phân loại theo tỷ lệ cốt liệu lớn thêm vào:

- Bê tông hạt nhỏ có cốt liệu lớn: Đá dăm hoặc sỏi (cỡ hạt > 4.75 mm) chiếm đến 30% khối lượng hỗn hợp cốt liệu

 Bê tông hạt nhỏ không có cốt liệu lớn, thành phần cốt liệu chỉ có cát (cỡ hạt ≤ 4.75 mm)

 Phân loại theo cường độ của Bê tông hạt nhỏ:

- Bê tông hạt nhỏ thường: có cường độ chịu nén (Rb) từ 20 đến 45 MPa

- Bê tông hạt nhỏ chất lượng cao: có cường độ chịu nén cao (Rb> 45 MPa), khả năngchống thấm ion Clo và chống mài mòn cao, …

1.1.3 Nguyên tắc phối tạo bê tông hạt nhỏ

Do BTHN là vật liệu đá nhân tạo nên nguyên lý phối tạo của vật liệu bê tông là cố

gắng tạo ra một khối đá từ các loại cốt liệu sao cho độ đặc của khối đá cao nhất [80] Độđặc của BTHN phụ thuộc rất nhiều yếu tố nhưng trước tiên nó bị ảnh hưởng bởi cỡ hạtlớn nhất của cốt liệu và được điều hòa bởi dải cấp phối cốt liệu của nó.

Đối với bê tông thường, cốt liệu thô đóng vai trò bộ khung chịu lực cho bê tông,cốt liệu mịn vừa góp phần cũng cố bộ khung cốt liệu đồng thời cùng với xi măng, nướctạo ra vữa xi măng để lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn và bao bọc xung quanhcác hạt cốt liệu lớn tạo ra khối bê tông đặc chắc [79]

Trên cơ sở nguyên lý này BTHN cũng áp dụng tương tự, tuy nhiên do BTHN chỉ

sử dụng cốt liệu có đường kính hạt từ 5 mm trở xuống nên có sự dịch chuyển dải cốt liệu

so với BTT Dải cấp phối cốt liệu trong BTHN được “nhỏ hóa” đi so với BTT Nghĩa làchúng ta có thể sử dụng phối hợp cốt liệu cát thô (cát nghiền, cát thô có mô đun Mk > 2)với cát mịn (Mk < 2) làm khung cốt liệu kết hợp với các hạt mịn trong cát (< 75 µm) vàchất độn mịn (chủ yếu các hạt nhỏ hơn 75 µm) đóng vai trò chèn đầy khung cốt liệu đểlàm tăng độ đặc và cải thiện tính dễ thi công của hỗn hợp bê tông [84]

Sự “nhỏ hóa” dải cấp phối cốt liệu giúp BTHN có thể tận dụng được loại cát hạtmịn (Mk < 2) trong bê tông, loại cát mịn rất phổ biến và có trữ lượng rất lớn ở khu vựcduyên hải Nam Trung Bộ nước ta Theo TCVN 7570:2006 khuyến cáo cát mịn có môđun độ lớn Mk = 1,0-2,0 mới chỉ cho phép sử dụng rất hạn chế để chế tạo bê tông cấpcường độ từ B15 đến B25 [27]

Chất độn mịn trong BTHN được sử dụng để chèn khung cốt liệu, giảm lỗ rỗnggiữa các hạt cốt liệu và giảm liều lượng xi măng sử dụng (lượng xi măng bằng 60-70%

so với vữa xi măng cát) Bởi vậy độ rỗng trong BTHN nhỏ hơn, lượng xi măng sửdụng ít hơn nhưng cường độ sẽ lớn hơn so với vữa xi măng khi cùng tỷ lệ nước - xi

măng (N/X).Như vậy, nguyên tắc cấu tạo của BTHN tương tự như BTT gồm nguyên tắc tổchức cấp phối cốt liệu và nguyên tắc chèn đầy khung cốt liệu Hỗn hợp cấp phối cốt liệucủa BTHN là một cấp phối cốt liệu có dải hạt liên tục từ 0–5 mm có thành phần từ ba

cỡ hạt: cát thô từ 0,63-5,0 mm; cát mịn 0,075-0,63 mm, CĐM và PGK (< 0.075 mm).Cấp phối cốt liệu của BTHN được “nhỏ hóa” so với BTT Với một cấp phối cốt liệunhất định có một độ rỗng được tính toán theo dải cấp phối d/D, khoảng rỗng này đượclấp đầy bằng hỗn hợp gồm: xi măng, CĐM và PGK nhưng phải đảm bảo tính công táccủa bê tông khi thi công Lỗ rỗng càng được lấp đầy thì độ linh động của hỗn hợp bêtông càng thấp, tuy nhiên vấn đề này hiện nay có thể giải quyết bằng các loại phụ giahóa dẻo và siêu dẻo

1.1.4 Các nghiên cứu về bê tông hạt nhỏ trong và ngoài nước

1.1.4.1 Các nghiên cứu và ứng dụng bê tông hạt nhỏ trên thế giới

Để giảm thiểu lượng cốt liệu lớn (đá dăm hoặc sỏi) trong thành phần của bê tông

xi măng truyền thống và tăng độ đồng nhất của bê tông, bê tông hạt nhỏ (bê tông cát) đã

được ứng dụng trong xây dựng ở nhiều quốc gia Năm 1869 ở Ai cập, ngọn đèn biểncao 52m (Hình 1.1) ở cảng Said được xây dựng bằng bê tông cát [76] Ở trung tâm châu

Âu (từ Bỉ cho đến thành phố St Petersburg của Nga) rất hiếm sỏi, vì vậy chủ yếu nhập

đá dăm từ các nơi khác (ví dụ như vùng Scandinivia), cho nên nhiều nước ở châu Âu đãnghiên cứu về bê tông cát [13, 14, 40, 47] để khắc phục những khó khăn về nguồn cốtliệu lớn

Hình 1 1 Ngọn đèn biển ở cảng Said

bằng bê tông cát đặc, nguồn[76] Hình 1 2 Đường tàu điện ngầm St. Petersburg, nguồn [76]

Bê tông xi măng có cốt liệu nhiều cát hay hoàn toàn bằng cát được bắt đầu ápdụng ở Nga từ năm 1941, xây dựng đường tàu điện ngầm ở thành phố St Petersburgbằng bê tông cát [76] (Hình 1.2), tuy nhiên các nghiên cứu sử dụng bê tông cát của Nga

ở thời điểm đó chưa sử dụng bột mịn, nên coi như vữa cường độ cao

Ở Đức đã nghiên cứu và sử dụng bê tông giàu cát (có tới 80% cát nên gọi là bêtông cát) bắt đầu từ năm 1971, để tận dụng một lượng cát cồn mịn ở nhiều vùng trênlãnh thổ nước Đức; có đến một phần ba diện tích dư thừa cát cồn (chiếm hơn 70% cát

và sỏi chiếm nhỏ hơn 30%) [76] Các nghiên cứu ở Đức chỉ ra rằng bê tông giàu cát,nhưng chủ yếu là tận dụng nguồn cát phong phú của nước Đức Tài liệu [89] đã đưa rakết quả nghiên cứu bê tông tự đầm giàu cát cường độ chịu nén đạt đến 50MPa Đây làbáo cáo hội thảo quốc tế về chuyên đề bê tông tự đầm năm 2001 ở Nhật Bản

Ở Pháp bê tông hạt nhỏ được quan tâm và nghiên cứu vào những năm 1970-1980,ứng dụng đầu tiên vào năm 1980 do trung tâm thí nghiệm cầu đường Bordeaux thựchiện Dự án quốc gia về cát ở Pháp đã được hình thành trong khuôn khổ “Dự án quốcgia Nghiên cứu và Phát triển cát” [76] (SABLOCRETE) bắt đầu từ 1998 với sự hợp táccủa Nga, Algeri, Maroc

Dự án này là một trong những nghiên cứu qui mô lớn nhất về bê tông hạt nhỏ trênthế giới Nghiên cứu đã đưa ra một số luận điểm về thành phần bê tông hạt nhỏ, các tínhchất cơ bản dựa vào các thực nghiệm và một số ứng dụng của bê tông hạt nhỏ ở Pháp.

Ở Pháp đã sử dụng bê tông hạt nhỏ để làm đường “La teste et Le Pyla” ở tỉnh Aquitaine(trung tâm Bourdoux), tây Nam nước Pháp (Hình 1.3)

Hình 1 3 Đường bê tông cát : La teste et Le Pyla, ở tỉnh Aquitaine.

Boudaoud và Breysse [18] năm 2002 nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia khoángtrộn thêm khi nghiền klinke đến các tính chất của bê tông hạt nhỏ Theo nghiên cứu khinghiền thêm phụ gia khoáng cho phép giảm lượng xi măng Các thành phần khác nhaucủa cát mịn được nghiền cùng để chế tạo bê tông hạt nhỏ Độ mịn của chất kết dính khinghiền cũng ảnh hưởng đến các tính chất của bê tông hạt nhỏ Nghiên cứu cũng đã đánhgiá và mô hình hóa một vài thông số ảnh hưởng đến tính chất cơ học của bê tông như:

độ mịn, tỷ lệ chất độn thêm, tỷ lệ N/CKD và mức độ hoạt tính của chất kết dính

Bigas và Gallias [34] nghiên cứu về ảnh hưởng cốt liệu rất mịn đến cường độ của

bê tông hạt nhỏ Bột quartz được sử dụng với các tỉ diện tích bề mặt khác nhau gồm:

9930, 5840, 3060 và 179 cm2/g, được trộn vào cốt liệu có cỡ hạt từ 0.5mm-6mm với tỷ

lệ là 36.65% khối lượng của cốt liệu Nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm 11 cấp phốicốt liệu được chế tạo trên đây với chất kết dính (90% xi măng+10% muội silic) và phụgia siêu dẻo Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: cốt liệu rất mịn làm giảm đáng kể lượngnước yêu cầu của bê tông, và có sự ảnh hưởng do góc cạnh không đều của cốt liệunghiền đến các tính chất của bê tông Khi sử dụng cốt liệu rất mịn làm tăng cường độcủa bê tông do giảm tỷ lệ N/CKD và cũng cải thiện được vùng tiếp giáp giữa chất dínhkết và cốt liệu Khi sử dụng cốt liệu rất mịn làm giảm đáng kể chất kết dính nhưng liềulượng cốt liệu rất mịn phải sử dụng nhiều (150-300kg/m3) Bột có độ mịn cao (đến

5000cm2/g), có thể tăng cường độ, vì làm giảm lượng nước yêu cầu và cải thiện mốitiếp giáp giữa

chất dính kết và cốt liệu Bột rất mịn cho phép làm giảm độ rỗng của bê tông và có tínhcông tác tốt hơn, đặc biệt là đối với hỗn hợp nghèo xi măng Đây là loại bê tông có thểđạt cường độ cao nhờ tỷ diện bề mặt lớn, làm tăng diện tiếp xúc giữa xi măng và cốt liệu.Bédérina và các cộng sự [11] năm 2005 nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần bột

đá vôi đến tính dẻo và cường độ của bê tông cát ở Algeria Nghiên cứu đã sử dụng cátbồi mịn (có Mk=1.18) và cát sông (Mk=2.45) trộn với nhau theo một tỷ lệ nhất định đểchế tạo bê tông cát, nhờ đó đã thúc đẩy việc sử dụng vật liệu địa phương trong xây dựngcông trình Khi xét ảnh hưởng của bột đá vôi đến tính chất của bê tông cát, nghiên cứucủa Bédérina đã chỉ ra rằng khi sử dụng bột đá vôi 100kg-150kg cho 1m3 bê tông cátđưa đến độ đặc cao, tính công tác đạt yêu cầu và cường độ bê tông cát cao hơn so vớikhi sử dụng liều lượng bột đá vôi khác

Omoregie và Alutu [66] nghiên cứu ảnh hưởng của tổ hợp phân bố kích cỡ hạt,thông số cấp phối đến cường độ nén của khối xây (block) xi măng cát Ở Nigeria,nghiên cứu hệ số đồng nhất (Cu=D60/D10), hệ số độ cong (Cc=D302/D10.D60), mô đun độmịn của cát (Fm) cho thấy rằng hầu hết các loại cát ở trung tâm Negeria là không đạt tiêuchuẩn do cấp phối kém Do vậy, việc phối hợp cát có cấp phối tốt hơn ở các con sông để

sử dụng chúng chế tạo các blốc xi măng cát Tuy nhiên, cần quan tâm đến độ ẩm thực tế

và độ ẩm tốt nhất để đạt được tỷ lệ N/X là tối ưu

Jiong Hu [39] năm 2005 đã nghiên cứu ảnh hưởng cốt liệu đến tính chất chảy củavữa ở đại học Iowa (USA) Nghiên cứu thực hiện 5 kích cỡ khác nhau với 3 cấp phốicốt liệu mịn, 166 mẻ trộn vữa với các tỷ lệ C/X, N/X khác nhau Nghiên cứu chỉ rằng tỷ

lệ N/X, độ xốp, kích cỡ và thể tích cốt liệu ảnh hưởng đến khả năng chảy của vữa Khilượng cốt liệu thấp (C/X = 1), thì kích cỡ cốt liệu ảnh hưởng không đáng kể đến khảnăng chảy của vữa, nhưng khi lượng cốt liệu cao hay tăng (C/X = 3), thì kích cỡ cốt liệuảnh hưởng lớn đến khả năng chảy của vữa; khi cốt liệu có độ xốp cao, thì cho vữa cótính chảy thấp

Bonavetti và Iassar [17] đã nghiên cứu ảnh hưởng của lượng bột đá trong cát ởArgentina Nghiên cứu thay thế từ 0-20% cát bằng bột đá từ 3 loại đá: đá quart, đágranit, đá vôi Kết quả nghiên cứu khuyến cáo có thể cải thiện được cường độ của vữa ởtuổi sớm đối với bột đá là đá vôi, trong khi đó lượng nước yêu cầu và độ rỗng tăng lênkhi liều lượng bột đá tăng lên Cường độ chịu nén và kéo uốn của mẫu vữa có lượng bột

đá tăng lên so với mẫu không có lượng bột đá

Rahir và Marar [21] đã nghiên cứu ảnh hưởng của bột đá đến tính chất của bê tông

ở Thổ Nhĩ Kỳ và chỉ ra rằng lượng bột đá (≤75µm) ở trong đá nghiền hoặc cát nghiền.Liều lượng bột đá được thay cho cốt liệu nhỏ được khảo sát trong nghiên cứu này là 0,

5, 10, 15, 20, 25, 30% so với khối lượng của cốt liệu nhỏ Kết quả thực nghiệm cho thấy

độ sụt và lượng không khí trong bê tông giảm, khi liều lượng bột tăng, cường độ chịunén cũng như kéo uốn cao nhất với liều lượng bột đá là 10%, khả năng chống va chạmcủa bê tông cao nhất với liều lượng là 5%, khả năng hút nước của bê tông thấp nhất vớiliều lượng bột đá 15%.

Benaissa và các cộng sự [13] nghiên cứu cấu trúc của bê tông cát cho thấy rằng bêtông cát có cấu trúc đặc chắc hơn so với bê tông thường ở vùng tiếp giáp đá xi măng vàcốt liệu Bê tông thường có lỗ rỗng vĩ mô (600-1300 A0); còn bê tông cát không có, vìvậy độ đồng nhất của bê tông cát cao hơn so với bê tông thường

Năm 2000, Cisse và Laquerbe [24] nghiên cứu tính chất cơ học của bê tông cát sửdụng phụ gia tro trấu ở Senegal để tận dụng vật liệu địa phương trong xây dựng Cát đụnmàu đỏ là nguồn vô tận (chiếm đến 70%) lãnh thổ nước này, được sử dụng để làm cốtliệu Nghiên cứu này sử dụng tro trấu dạng nghiền và không nghiền Dạng không nghiền

có hạt lớn để làm vi cốt liệu và hoạt tính nhỏ Còn tro trấu nghiền nhỏ ngoài việc sửdụng làm vi cốt liệu còn có tác dụng hoạt tính tốt cho bê tông cát Cường độ của bê tôngcát tăng gấp 2 lần khi sử dụng tro trấu nghiền nhỏ so với loại không nghiền Nghiên cứu

đã so sánh giá thành của các loại chất độn mịn (bột đá vôi, đá bazan, bột cát kết, bột đáphiến silic và tro trấu) cho loại bê tông này, kết quả chỉ ra rằng khi sử dụng phụ giakhoáng RHA dạng nghiền mịn cho giá thành rẻ nhất và có cường độ đạt được cao nhất.Kim và các cộng sự [55] nghiên cứu tính chất nứt gãy của bê tông sử dụng cátnghiền từ đá vôi ở Hàn Quốc cho thấy rằng khi sử dụng kết hợp cát nghiền từ đá vôi vàcát sông, thì cải thiện được cường độ của bê tông Cát nghiền từ đá có hàm lượng hạtbột (<75µm) chiếm đến 3% là tốt nhất cho việc tăng cường độ Năng lượng gây nứt của

bê tông sử dụng cát nghiền cao hơn một ít so với năng lượng gây nứt của bê tông sửdụng cát sông, điều này còn phụ thuộc hàm lượng hạt rất mịn, hàm lượng hạt này có xuhướng cải thiện mối kết dính xi măng và cốt liệu

Wu Lixian [55] nghiên cứu độ bền nứt của bê tông hạt nhỏ sử dụng đá vôi nghiền

ở Hàn Quốc cho thấy rằng khi cỡ hạt của cát tăng lên thì tăng tính giòn của bê tông, bởi

vì các hạt cát lớn làm cho vùng có thể gây nứt rộng hơn Năng lượng gây nứt Gf, nănglượng nứt dẻo Gef, độ giòn Bc liên quan đến kích cỡ hạt cát và tỷ lệ N/phần đặc Đây lànghiên cứu về bê tông thông thường nhưng đề cấp đến cát nghiền từ đá vôi để so sánhvới cát sông, và nêu lên ưu điểm cát nghiền so với cát sông

Pháp theo dự án “Sablocrete” cho thấy rằng từ biến của bê tông cát gần giống từ biếncủa bê tông, nhưng ngược lại từ biến khô của bê tông cát khác khá lớn so với từ biếnkhô của bê tông thường Tuy nhiên, khi xảy ra từ biến khô không xảy ra các vết nứt.Hua và các cộng sự [40] nghiên cứu về tấm bê tông cát mỏng có khả năng chịu kéo

cao ở Pháp Nghiên cứu cải thiện tính năng của bê tông cát bằng cách đưa thêm cácthành phần khác (polymer và bột mịn) làm tăng cường vùng tiếp giáp giữa đá xi măng

Như vậy các nghiên cứu và ứng dụng của bê tông hạt nhỏ đã được triển khai ởnhiều quốc gia trên thế giới và nó đã mang lại hiệu quả kinh tế trong xây dựng ở nhữngvùng lãnh thổ có nhiều cát Khi sử dụng bê tông hạt nhỏ tức là “nhỏ hóa” đường kính Dcủa hỗn hợp cốt liệu, hay nói cách khác làm đồng nhất hóa hỗn hợp cốt liệu, từ đó làmgiảm năng lượng để trộn, đổ bê tông cũng như đầm bê tông Năng lượng sử dụng càngngày càng khan hiếm dần, vì vậy tiết kiệm năng lượng đó là một trong những xu thếphát triển của toàn cầu Sử dụng bê tông hạt nhỏ trong xây dựng cũng là một trong cácnguyên tắc tận dụng vật liệu địa phương

Một số ứng dụng bê tông hạt nhỏ để xây dựng theo dự án phát triển cát ở Phápdùng trong công trình xây dựng, giao thông được trình bày ở Hình 1.4

Bê tông cát đã được sử dụng ở các nhóm công trình:

- Công trình ngầm, tấm bê tông lắp ghép, các cấu kiện đường ống chế tạo sẵn) Bêtông cát dùng trong xây dựng nhà Ống dẫn bằng bê tông cát chế tạo sẵn đường kính300-1000mm được sản suất ở nhà máy BCL vùng Mont-de-Marsan, tỉnh Landes, Pháp;

Bê tông cát dùng để xây lâu đài Latresne

dựng công trình thể thao

Valenciennes

(2) Pannen bằng bê tông cát

(3) Mặt đường bê tông cát thường (4) Mặt đường bê tông cát cốt thép liên tục

Hình 1 4 Bê tông cát dùng các công trình xây dựng, giao thông Nguồn [76]

- Làm kè, đập, tấm lát vỉa hè, bê tông cát đầm bằng lu làm móng đường Bê tôngcát được làm gia cố taluy ở quốc lộ 10, Lormont, tỉnh Ginronde; Bê tông cát được dùng

để lát mái taluy; Bê tông cát dùng để làm lớp sửa chữa cho đường hầm ở Bordeax [83]

- Bê tông cát dùng trong các công trình chắn sóng cửa sông ở Hình 1.5 Bê tôngcát để chế tạo các khối chắn sóng ACCROPODES

Ngoài ra, bê tông cát còn dùng trong cả công trình ngầm, điêu khắc Hình 1.5

1.1.4.2 Các nghiên cứu và ứng dụng bê tông hạt nhỏ ở Việt Nam

 Các nghiên cứu về bê tông hạt nhỏ trong nước

Nghiên cứu của Nguyễn Thanh Sang và Phạm Duy Hữu [81] cho thấy BTHN sửdụng cát sông Đà hay hỗn hợp cát sông và cát đụn thì tính công tác tốt nhất với lượngbột đá vôi sử dụng từ 140-160 kg/m3, khi chỉ sử dụng cát đụn thì tính công tác của bêtông tốt nhất khi lượng sử dụng từ 180 – 220 kg/m3

Nghiên cứu của Nguyễn Thanh Sang và Nguyễn Lê Thắng [83] sử dụng cát nghiềnthay thế cát sông trong BTHN cho thấy loại BTHN với 60% đá mạt thải và 40% cát mịn

có cường độ chịu nén cao hơn 25% và kéo uốn cao hơn 18% so với BTHN sử dụng 60%cát vàng thô và 40% cát mịn Như vậy, việc sử dụng cát nghiền có xu hướng làm tăngcường tính chất cường độ của bê tông hạt nhỏ

Nguyễn Thanh Sang và các đồng sự [76, 79] nghiên cứu BTHNTNC sử dụng trotrấu (TRT) thay thế 0, 5%, 10%, 15%, 20% xi măng, MS thay thế 10% xi măng Kếtquả cho thấy TRT làm tăng cường độ chịu nén của BTHNTNC so với các mẫu BTĐC

dù ở bất cứ tuổi nào Ngoại trừ bê tông chứa 20% TRT ở 3 ngày tuổi Cường độ chịunén và cường độ ép chẻ của BTHN ở 28 ngày đạt cao nhất tương ứng 62,3 MPa và 6,5MPa với sự thay thế 10% TRT Cường độ BTHN khi thay thế 10-15% RHA cho kết quảtương tự khi thay thế 10% MS Nghiên cứu thực nghiệm về BTHN cho thi công mặtđường ô tô bằng công nghệ đầm lăn với lượng TB thay thế xi măng lần lượt là 0%, 25%,30%, 35% để cho thấy hàm lượng thay thế TB càng cao thì cường độ nén, ép chẻ ở cácngày tuổi thấp hơn so với BTĐC [94]

Nghiên cứu của Nguyễn Thanh Sang [78] cho thấy mô đun đàn hồi của BTHNthấp hơn khoảng 10% so với mô đun đàn hồi của BTT Mối quan hệ cụ thể giữa mô đunđàn hồi và cường độ chịu nén cũng được tác giả thiết lập thể hiện như phương trình (1.1)[78]

So với mô đun đàn hồi của bê tông thông thường là

fc’ là cường độ chịu nén đặc trưng

Tăng Văn Lâm [51] nghiên cứu chế tạo bê tông hạt nhỏ chất lượng cao dùng chomặt đường sân bay Nghiên cứu sử dụng cốt liệu là cát vàng sông lô, chất kết dính gồm

xi măng PC Bút Sơn, muội silic và tro bay Phả Lại, ngoài ra bê tông còn được tăngcường tính chất bằng cốt sợi polypropylene Kết quả cho thấy bê tông hạt nhỏ với tỷ lệ

X/CKD = 1,422, N/CKD = 0,324 cho kết quả nén tối ưu đạt 84,56 MPa và độ chảy lan

= 28,3 cm phù hợp với bê tông tự lèn Hàm lượng sợi được lựa chọn phù hợp với nghiêncứu là 1,25 kg/m3 Nghiên cứu tiếp tục xem xét ảnh hưởng của tro bay, bột cát Quắc vàviệc sử dụng sợi polypropylene đến một số tính chất của bê tông Kết quả cho thấy bêtông sử dụng cốt sợi polypropylene có cường độ kéo uốn cao hơn 72% so với bê tôngkhông sử dụng cốt sợi Cường độ bám dính vào nền bê tông cũ lớn (2,65 MPa), thíchhợp dùng để chế tạo các lớp phủ mỏng và siêu mỏng trên bề mặt của kết cấu hoặc dùng

để sửa chữa các hư hỏng công trình Việc sử dụng TB đến 60% CKD làm cho bê tông

có sự phát triển chậm ở tuổi sớm chỉ đạt 50% so với cường độ tiêu chuẩn

Nghiên cứu của Nguyễn Thanh Sang, Lê Thanh Hà về BTHN [79] sử dụng TRT

và MS trong việc chế tạo BTHNTNC cho thấy việc sử dụng TRT và cho thấy sự cảithiện tuyệt vời sức kháng clorua của BTHN Sức kháng clorua của hỗn hợp BTHN khi

sử dụng 15% và 20% TRT thay thế xi măng tương tự như BTHN dùng 10% MS và đềucho kết quả ở mức rất thấp theo ASTM C1202 Điều này là do với sự kết hợp của TRTgiúp làm mịn hệ thống lỗ rỗng của hồ xi măng, giảm lượng lớn Ca(OH)2 do phản ứngpuzolan để tạo thành gel CSH [79]

Hoàng Minh Đức [28] nghiên cứu thực nghiệm đo biến dạng từ biến của BTHN.Hai loại BTHN được sử dụng bằng công nghệ thông thường và công nghệ đùn ép và có

tỷ lệ C/X = 2,5, N/X = 0,53 và sử dụng xi măng Bỉm Sơn PCB 30 Cường độ, độ co vàtính chất từ biến của BTHN được theo dõi và xác định mối quan hệ giữa các tính chấtnày Kết quả nghiên cứu cho thấy khi có tải trọng nén, độ co tăng nhanh, còn khi kéo thìngược lại làm chậm lại Độ kéo tới hạn của BTHN cho thấy nhỏ hơn so với biến dạng

co nên đây có thể là nguyên nhân hình thành vết nứt Kết quả nghiên cứu còn cho thấy

rõ ràng rằng tốc độ biến dạng từ biến của bê tông khi kéo đúng tâm sẽ cao hơn khi nén,còn biến dạng co nhỏ hơn Như vậy, việc xem xét đồng thời sự phát triển biến dạng co

và từ biến của BTHN cho phép kết luận đầy đủ khả năng chống nứt của chúng

 Các ứng dụng của bê tông hạt nhỏ ở Việt Nam

Các ứng dụng BTHN vào các công trình xây dựng ở Việt Nam mới chỉ bắt đầu cóbước phát triển trong thời gian gần đây với một số công trình nghiên cứu và ứng dụngsau:

Đề tài NCKH cấp Bộ GTVT năm 2011 mã số DT104012 về “Nghiên cứu sử dụng

cát duyên hải miền Trung làm mặt đường bê tông xi măng hạt nhỏ trong xây dựng đường giao thông nông thôn” [82] Kết quả của đề tài là đoạn đường thử nghiệm dài 200

m trong trường Cao đẳng GTVT miền Trung bằng BTHN nhiễm mặn và TB Phả Lại vớicường độ chịu nén của bê tông đạt > 30 MPa, kéo uốn đạt > 4 MPa, khả năng chốngthấm và mài mòn cao Sản phẩm của đề tài cho phép sử dụng lượng cát mịn (cát đụn)lớn để chế tạo một loại bê tông có cường độ kéo uốn được cải thiện, độ mài mòn caotrong xây dựng đường, ngoài ra đề tài cũng đã chế tạo được các sản phẩm từ đá mạt vàcát mịn như các tấm đan rãnh, gạch lát vỉa hè cho công trình đường đô thị với giá cả

cạnh tranh, với các địa phương giàu cát thì giá thành của các sản phẩm này còn lại từ50-60% so với bê tông cùng loại phải dùng đá và cát thô.

Dự án thử nghiệm cấp Tỉnh (UBND Hà Tĩnh) năm 2015-2016 về “Sản xuất thử

nghiệm bê tông hạt nhỏ làm đường giao thông nông thôn” với sản phẩm là đoạn đường

thử nghiệm dài 250 m bằng BTHN thi công đầm lăn được hoàn thành năm 2015 doTrường Đại học Giao thông vận tải kết hợp công ty Bê tông Viết Hải thực hiện tại xãCẩm Yên, huyện Cẩm Xuyên (địa phương nhiều cát mịn) Bê tông làm từ cát mịn CẩmXuyên và TB Vũng Áng trong đó TB sử dụng với tỷ lệ 30-40% khối lượng của xi măng,cường độ chịu nén đạt 40 MPa, cường độ kéo uốn đạt 4,5 MPa Kết quả thử nghiệm tạihiện trường BTHN đầm lăn cho thấy việc thi công đầm lăn cho chất lượng bê tông tốt

so với thi công bằng phương pháp thủ công Cường độ chịu nén của các mẫu khoan hiệntrường đáp ứng yêu cầu về cường độ bê tông làm mặt đường giao thông nông thôn.Cường độ mẫu khoan hiện trường của dự án đã đạt đến 30-35 MPa, độ hút nước nhỏhơn 6%, khả năng chống thấm đạt cấp B14, độ mài mòn thấp, độ thấm clorua ở mức rấtthấp theo TCVN 9337-2012 Phân tích kinh tế cho thấy giá thành của bê tông đầm lăn

so với BTT cùng cấp giảm tới 30%

Việt Nam với lợi thế nguồn cát đụn mịn rất dồi dào ở các tỉnh Miền Trung thuậnlợi cho việc ứng dụng sản phẩm BTHN Tuy nhiên với các phân tích ở trên cho thấy cácứng dụng của BTHN ở Việt Nam hiện nay mới chỉ tập trung làm vật liệu bê tông tronglĩnh vực công trình giao thông và chỉ mới dừng lại ở các dự án thử nghiệm mà chưa cóứng dụng chính thức vào công trình cụ thể

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về sự ảnh hưởng của điều kiện xâm thực do axit trong môi trường công nghiệp đến tính chất bê tông

1.2.1 Cơ chế phá hoại của sự tấn công do axit đối với bê tông

Nước thải từ các khu công nghiệp, khu chế xuất chứa nhiều thành phần độc hại cótính xâm thực cao đối với các loại bê tông thông thường, điều này làm cho kết cấu bêtông, kết cấu bê tông cốt thép thường xuyên tiếp xúc với nước thải bị xuống cấp và pháhủy sau thời gian ngắn hoạt động

Trong nước thải, các thành phần nguy hiểm tác động tiêu cực nhất đối với bê tôngchính là các loại axit hữu cơ và axit vô cơ, có thể kể đến như axít H2SO4, HCL, HNO3,axít lactic, axít acetic

Bê tông dưới tác động của axit làm cho các thành phần hồ xi măng trong bê tông

bị phân rã, vi cấu trúc của bê tông bị phá hủy dần, gây mất khối lượng và suy giảm cáctính chất bê tông Cơ chế phá hủy có thể được mô tả như sau:

Bản chất kiềm của xi măng được dẫn chứng như là một lý do cho tính dễ bị tổnthương của bê tông đối với môi trường axit [103] Thành phần hồ xi măng khi tiếp xúcvới môi trường axit tạo ra sự phản ứng, sự dịch chuyển các ion giữa dung dịch lỗ rỗngtrong bê tông và môi trường axit làm hòa tan một số sản phẩm hydrat hóa [44] Canxihiđroxit (Ca(OH)2) cũng được gọi là portlandite và ettringite

(Ca6Al2(SO4)(OH)12⋅26H2O) là trong số các pha đầu tiên bị hòa tan trong quá trình tấncông của axit [29] Sau đó, canxi silicat hydrat (C-S-H), gel liên kết chính trong hồ ximăng đóng rắn, trải qua quá trình khử canxi [44] Sự hòa tan kết hợp với quá trình mấtdần các pha này làm tăng độ xốp và tính thấm của hồ xi măng [16] làm cho sự suy thoái

của bê tông còn tạo ra sự trương nở từ bên trong gây ra nứt, vỡ bê tông [37, 104]

Các mô tả trên là cơ chế tấn công axit cơ bản vào chất kết dính pooclăng xi măng, tuynhiên, thực tế chi tiết, phức tạp hơn nhiều và không nằm trong phạm vi của báo cáo này.Trong các loại axit, axit sunfuric là một trong những loại tác động nguy hiểm nhấtđến bê tông Monteny và cộng sự (2000) [61] mô tả sự tấn công của axit sunfuric bằngcác phản ứng hóa học sau:

Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4.2H2O 3CaO.Al2O3.12H2O + 3(CaSO4.2H2O) + 14H2O

= 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

3CaO.SiO2 .3H2O + H2SO4 = CaSO4 2H2O+ Si(OH)4

Dưới tác động của axit sunfuric, sản phẩm ăn mòn chủ yếu hình thành trên bề mặt

bê tông là thạch cao, sản phẩm này gây trương nở khiến bê tông bị nứt và vỡ Ngoài ra,phản ứng của thạch cao với các pha aluminat canxi trong ma trận xi măng có thể tạothành ettringite có độ giãn nở cao, dẫn đến nứt vỡ vi cấu trúc trong bê tông Sản phẩmhydrat hóa chính của canxi silicat, cụ thể là gel C-S-H, phản ứng với axit sunfuric để tạothành silica gel làm phá hủy dần kết cấu trong bê tông [61]

1.2.2 Các nghiên cứu về ảnh hưởng của điều kiện xâm thực do axit đến các tính chất

của bê tông

Faris Matalkah và các công sự (2018) [57] đã nghiên cứu thực nghiệm về khả năngkháng axit của 2 loại bê tông sử dụng xi măng thủy lực aluminosilicat kiềm và xi măngpooclăng 2 loại bê tông được chế tạo với tỷ lệ N/X trong khoảng 0.45-0.55 và có cùnglượng xi măng sử dụng là 400 kg/m3 Các đặc tính độ bền được nghiên cứu gồm khảnăng chống ăn mòn cốt thép, sự thay đổi khối lượng và cường độ của bê tông theo thờigian khi bị axit tấn công Việc quan sát bằng mắt, bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)cũng được tiến hành để xem xét toàn diện hơn sự ảnh hưởng của môi trường axits đến

bề mặt cũng như vi cấu trúc bên trong của 2 loại bê tông Kết quả nghiên cứu cho thấyloại bê tông sử dụng xi măng aluminosilicat kiềm có kết quả vượt trội hơn so với Bêtông xi măng pooclăng trong khả năng chống lại tác động do axit gây ra

Mahdi Koushkbaghi và các cộng sự (2019) [48] nghiên cứu ảnh hưởng của hàmlượng vật liệu tái chế và tro trấu đến đặc tính cường độ chịu nén và sự mất khối lượngcủa bê tông trong điều kiện dung dịch axit H2SO4 5% Đối tượng nghiên cứu gồm bêtông với 2 tỷ lệ thay thế tro trấu đối với xi măng (0, 20%) và 3 tỷ lệ thay thế cốt liệu tái

chế (0,50%, 100%) Kết quả nghiên cứu cho việc sử dụng thêm tro trấu có tác dụng cảithiện tất cả các tính chất của bê tông chống lại sự xâm thực do axit gây ra như khả năngchịu nén tốt hơn, mất khối lượng ít hơn và sự khuyếch tán clorua vào bê tông ít hơn sovới bê tông đối chứng Trong khi tăng lượng vật liệu tái chế thì sức kháng axit của cácloại bê tông có xu hướng giảm.

K Jagannadha Rao và các cộng sự (2018) [74] nghiên cứu về sức kháng axit của

bê tông khi sử dụng tổ hợp 4 chất kết dính trong bê tông sử dụng cốt liệu tái chế 4 loạichất kết dính đồng thời bao gồm: xi măng, tro bay(20%), silica fume(10%0 và Nanosilica (2-3%) Các loại bê tông chế tạo với 2 cấp cường độ M40 và M60 và được thửnghiệm với 2 loại dung dịch axit khác nhau gồm H2SO4 và HCl với nồng độ 3 và 5%.Các tính chất thử nghiệm bao gồm hình thức quan sát bề mặt, đo sự suy giảm khối lượng

và suy giảm cường độ chịu nén đến thời gian 56 ngày trong các dung dịch axit Kết quảnghiên cứu cho thấy cường độ mục tiêu của bê tông sử dụng tổ chợp chất kết dính đạtđược với bê tông M40 sử dụng 50% vật liệu tái chế, trong khi bê tông với tỷ lệ thay thế75% cốt liệu không đạt được Bê tông M60 đạt được cường độ chịu nén mục tiêu khi

sử dụng trên 50% cốt liệu tái chế thay thế cốt liệu tự nhiên Khi tăng tỷ lệ thay thế cốtliệu tái chế thì sự suy giảm khối lượng càng tăng Bê tông sử dụng 3% Nano Silica bịmất khối lượng nhiều hơn so với bê tông 2% Nano SiliCa Bê tông bị mất khối lượng

và suy giảm cường độ trong điều kiện dung dịch H2SO4 nhiều hơn so với dung dịchHCl ở cả 2 cấp cường độ Các loại bê tông với tỷ lệ 0%, 50% cột liệu tái chế có sứckháng axit tốt hơn so với bê tông sử dụng 75% Kết quả Vận tốc xung siêu âm (UPV)cho thấy chất lượng của QBCC vẫn tốt ngay cả sau khi tiếp xúc với axit

Prasanna và các cộng sự (2016) [1] nghiên cứu sử dụng kết hợp bột đá vôi vàFerrochrome ash như là vật liệu kết dính bổ sung thay thế xi măng trong việc khảo sátsức kháng axit, độ bền sunfat và các tính chất khác của bê tông 5 loại bê tông với tỷ lệN/CKD = 0,45, gồm 4 loại bê tông sử dụng kết hợp 7% bột đá vôi và thay thế từ 10, 20,

30, 40% Ferrochrome ash (FA), 1 loại bê tông đối chứng chất kết dính chỉ sử dụng ximăng pooclăng Sự mất khối lượng và suy giảm cường độ theo thời gian được theo dõivới các mẫu thử được dưỡng hộ trong dung dịch axit H2SO4 1% và thí nghiệm ở thờiđiểm 28, 91, 180 ngày Kết quả về sự mất khối lượng của bê tông do axit cho thấy, ở 28ngày bê tông đối chứng là lớn nhất, các loại bê tông với tỷ lệ thay thế FA càng lớn thì

sự mất khối lượng càng tăng Xu hướng này tương tự đối với các tuổi thí nghiệm ở 90

và 180 ngày Về sự suy giảm cường độ do axit, bê tông đối chứng có sự suy giảm lớnnhất so với các loại bê tông sử dụng kết hợp bột đá vôi và FA ở tất cả các độ tuổi Đốivới các loại bê tông sử dụng kết hợp bột đá vôi và FA, khi tăng tỷ lệ thay thế FA thì mức

độ giảm cường độ chịu nén của bê tông trong môi trường axit ở 28 ngày tăng nhưng đến

90 và 180 ngày thì có xu hướng ngược lại, tỷ lệ FA càng lớn, độ suy giảm càng nhỏ

Như vậy việc sử dụng FA thay thế Xi măng có hiệu quả trong việc cải thiện sức khángaxit ở tuổi muộn của bê tông.

Phạm Văn Toàn và các cộng sự (2020) [71] nghiên cứu tác tác động của việc sửdụng bột đá vôi và pozzolan tự nhiên Shirasu thay thế một phần cho cốt liệu mịn đếncác đặc tính cơ học và khả năng chống xâm thực của bê tông trong dung dịch chứa

H2SO4 3% và MgCl2 5% 4 loại bê tông được sử dụng trong nghiên cứu với tỷ lệ N/X =0,4, lượng xi măng sử dụng 400 kg/m3, gồm bê tông đối chứng sử dụng cốt liệu mịnthông thường, bê tông thay thế 5% bột đá vôi, thay thế 55% pozzolan tự nhiên Shirasu,

và bê tông kết hợp thay thế 5% bột đá vôi và 55 % pozzolan tự nhiên Shirasu Dữ liệunghiên cứu cho thấy rằng việc thay thế 5% bột đá vôi đối với cốt liệu mịn làm cho bêtông bị hư hỏng nghiêm trọng hơn bởi dung dịch hóa chất Tuy nhiên, Khi thay thế 55%cốt liệu mịn bằng Shirasu vừa tăng cường độ nén sau 28 ngày xử lý và cải thiện khảnăng chống xâm thực do hóa chất gây ra đối với bê tông

Mahdi Nematzadeh và cộng sự (2017) [63] nghiên cứu sử dụng silica fume vànano-silica pozzolans kết hợp với các loại sợi fortaferro khác nhau để cải thiện các đặctính của bê tông cường độ cao chống lại xâm thực do axit gây ra Nghiên cứu thực hiệnvới 5 cấp phối bê tông có tỷ lệ N/CKD = 0.31, trong đó 4 cấp phối bê tông sử dụng 10%Silica Fume thay thế xi măng có tỷ lệ sợi lần lượt là 0; 0,2; 0,4; 0,6 %, 1 1 cấp phối bêtông sử dụng 20% nano-silica pozzolans thay thế xi măng có tỷ lệ sợi là 0,4% Các cấpphối được dưỡng hộ trong điều kiện thông thường đến 28 ngày sau đó đưa vào trongmôi trường dung dịch axit sunfuric 5% để thử nghiệm cường độ cường độ chịu nén, đoxung vận tốc siêu âm và đo suy giảm khối lượng ở thời điệm 0, 7, 21 và 61 ngày Kếtquả nghiên cứu cho thấy khi tỷ lệ thể tích của sợi trong bê tông cường độ cao tiếp xúcvới sự tấn công của axit sulfuric tăng lên, thì sự mất khối lượng, sự suy giảm cường độchịu nén và vận tốc xung siêu âm đều nhỏ hơn Ngoài ra, việc sử dụng silica fume giúpcải thiện nhiều hơn về độ bền của bê tông trong môi trường tiếp xúc với axit so với cấpphối bê tông sử dụng nano-silica Sau 63 ngày ngâm trong axit, mẫu bê tông sử dụng10% Silica Fume và 0,6% khối lượng sợi có sự suy giảm cường độ, suy giảm xung vậntốc siêu âm và khối lượng là thấp nhất tương ứng với 4,7; 2,9 và 3,1%, so với bê tôngđối chứng

Sanjukta Sahoo và các cộng sự (2020) [77] nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệN/CKD đến tính chất cường độ và sức kháng axit của các loại bê tông sử dụng phụ giakhoáng Tro bay (TB) và bột đá nghiền mịn (BN) được sử dụng trong bê tông như mộtphần xi măng thay thế ở mức 20%, 40% và 60% để đúc khối bê tông có kích thước(150x150x150) mm3 sử dụng ba tỷ lệ N/CKD là 0,35, 0,38 và 0,4 Các đặc tính của bêtông tươi, cường độ nén của các loại mẫu bê tông khác nhau trong 365 ngày bảo dưỡngtrong nước và khả năng chống axit (5% H2SO4) của các mẫu bê tông đó sau 365 ngày

tiếp xúc với axit đã được nghiên cứu để đánh giá tác động của N/CKD đến cường độ vàđặc tính chống axit của bê tông Kết quả nghiên cứu cho thấy người ta quan sát thấyrằng tất cả các loại bê tông trong nghiên cứu đều bị suy giảm cường độ trong trong môitrường axit Tuy nhiên, bê tông đối chứng và bê tông sử dụng 60% BN bị suy giảmcường độ nhiều nhất, các loại bê tông sử dụng FA có ít sự suy giảm cường độ đáng kểkhi bị axit tấn công dài hạn trong một năm Bê tông sử dụng 20% TB cho thấy khả năngchống suy giảm cường độ do axit tốt nhất so với các loại bê tông khác 3 nhóm bê tôngđối chứng, bê tông sử dụng tro bay, bê tông sử dụng bột đá nghiền có sức kháng axit tốtnhất tương ứng với tỷ lệ N/CKD là 0,4, 0,35 và 0,38.

1.3 Các giải pháp cải thiện độ bền kháng axit trong bê tông.

Nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng nhằm tăng cường khả năng khángaxit của chất kết dính PC Ba trong số các cách tiếp cận chính đã được thực hiện là; 1)Thiết kế thành phần bê tông đảm bảo yêu cầu của tiêu chuẩn liên quan, 2) Tối ưu hóathiết kế hỗn hợp và 3) lớp phủ bảo vệ

Liên quan đến các tiêu chuẩn, BS 8500-1:2015 + A2:2019 [42], cung cấp hướngdẫn cách xác định về hàm lượng xi măng, tỷ lệ nước/xi măng và cấp cường độ

Về mặt thiết kế hỗn hợp, các nghiên cứu [9, 62, 73] đã chỉ ra rằng khả năng khángaxit được cải thiện bằng cách thay thế PC bằng các vật liệu xi măng bổ sung (SCM) nhưtro bay, khói silic, xỉ và puzolan tự nhiên Theo Dyer [30], phương pháp này rất hữu íchkhi tiếp xúc với dung dịch axit có độ pH trên 4 Tuy nhiên, trong điều kiện axit mạnhhơn cần có thêm giải pháp bảo vệ khác kết hợp

Lớp phủ bảo vệ được sử dụng để cung cấp lớp bảo vệ giữa bê tông và các tác nhânxâm thực Có nhiều phương pháp xử lý bề mặt có thể thực hiện bao gồm lớp phủ acrylic,lớp phủ polyurethane, lớp phủ epoxy, silan và siloxan [68] Trong khi nhiều nghiên cứu[15, 23, 26, 95] chỉ ra lớp phủ có thể là một phương tiện bảo vệ hiệu quả, vẫn còn hạnchế Nứt bê tông và/hoặc lớp phủ sau khi thi công cho phép axit thấm vào và gây hưhỏng [97] Do đó, nếu lớp phủ không được áp dụng đúng cách hoặc các vết nứt xuấthiện, nó có thể dẫn đến sự tấn công của axit đậm đặc ở các khu vực cụ thể, điều này cóthể gây bất lợi hơn cho tuổi thọ của toàn bộ kết cấu Nhiều trường hợp tấn công axit khiđang sử dụng (ví dụ: cơ sở hạ tầng nông nghiệp hoặc nước thải) cũng liên quan đến một

số dạng mài mòn có khả năng làm giảm hiệu quả của các phương pháp xử lý bề mặt.Ngoài ra còn có những lo ngại xung quanh sự phong hóa của lớp phủ và ảnh hưởng củabức xạ cực tím từ mặt trời và sự mất độ bám dính giữa lớp phủ và cấu trúc bên dưới theothời gian [98] Điều quan trọng nữa là bề mặt phải được chuẩn bị đầy đủ để xử lý bề mặtbằng cách làm sạch và sử dụng lớp sơn lót nếu cần thiết [30] Điều này làm tăng thêmchi phí và rủi ro vẫn là lớp phủ sẽ không hiệu quả Aguiar và các cộng sự [4] báo cáo

rằng việc sử dụng lớp bê tông phủ với hàm lượng xi măng thấp mang lại hiệu quả tốthơn so với việc sơn phủ Điều này chỉ ra nếu chỉ có sử dụng lớp phủ có thể không cungcấp đủ sự bảo vệ cần thiết.

Từ các phân tích trên ta có thể nhận định như sau đối với việc lựa chọn giải phápcho bê tông trong môi trường xâm thực công nghiệp có tính axit như sau:

- Quá trình thiết kế kết cấu, thiết kế vật liệu cần phải đảm bảo theo quy định, tiêuchuẩn liên quan

- Giải pháp sử dụng lớp phủ chưa thật sự hiệu quả do chất lượng theo thời gian bịphụ thuộc rất nhiều các yếu tố khác nhau và phát sinh kinh phí duy trì, bảo dưỡng

- Giải pháp tối ưu thành phần bê tông bằng cách bổ sung thêm các phụ gia khoángmang lại hiệu quả tốt về mặt kỹ thuật đối với môi trường tiếp xúc nước thải công nghiệpthông thường có hàm lượng axit vừa phải (độ PH trên 4) Với nước thải có độ PH thấphơn cần có thêm giải pháp khác để bảo vệ

1.4 Phân tích lựa chọn vật liệu sử dụng để cải thiện độ bền kháng axit trong bê tông hạt nhỏ

Vật liệu chế tạo cho BTHN gồm thành phần cốt liệu và CKD Trong đó, cốt liệuđược sử dụng có kích thước hạt có thể từ 9,5 mm trở xuống, và đảm bảo yêu cầu tỷ lệhạt > 5mm không được vượt quá 30% Thành phần cốt liệu có thể sử dụng cho BTHNgồm cát loại cát nghiền, cát sông, cát đụn và thậm chí là thải đá mạt Cát nghiền và cátmịn là 2 loại vật liệu đã được nhiều nghiên cứu trên thế giới cho thấy sự phù hợp trongviệc chế tạo BTHN, ở điều kiện Việt Nam với nguồn cát đụn mịn dồi dào và cát nghiềnđang được sử dụng phổ biến để thay thế một phần cát sông trong chế tạo bê tông, do đórất thuận lợi cho việc chế tạo và phát triển BTHN

Để tăng cường chất lượng bê tông nhằm thích ứng với điều kiện xâm thực mạnhnhư các loại nước thải công nghiệp, việc sử dụng PGK được xem là một trong giải pháphiệu quả và có tính khả thi lớn Tuy nhiên, việc lựa chọn các loại PGK nào để sử dụngcần phải xem xét đến nhiều khía cạnh như: khả năng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, vấn đềkinh tế, khả năng thi công, sự tương thích giữa các PGK, …

Trên thế giới các loại PGK được sử dụng chủ yếu trong bê tông để cải thiện tínhnăng cơ học cũng như độ bền của bê tông như tro bay, muội silic, xỉ lò cao nghiền mịn[3, 56, 59, 64, 87, 99, 100]

Tro bay là sản phẩm phụ của các nhà máy nhiệt điện than có đặc tínhpuzolan bao gồm các hạt hình cầu rất mịn [2] Do cát hạt TB có dạng hình cầu, bềmặt nhẵn nên khi được sử dụng trong hỗn hợp bê tông làm giảm nội ma sát, tăng

độ đặc, độ linh động giúp bê tông có lợi thế lớn về yêu cầu nước và tính công tác.Việc giảm lượng nước sử dụng cũng giúp bê tông tro bay giảm hiện tượng congót khô [58] Hơn nữa phản ứng puzolan của TB làm giảm lượng Ca(OH)2 vàtăng

lượng Canxi silicat hydrat (CSH) làm cấu trúc bê tông đặc chắc hơn, cải thiệncường độ bê tông về mặt lâu dài và giảm thấm nước, thấm clorua [56, 59, 87].Baert và cộng sự [102] báo cáo rằng việc thay thế 60 % xi măng bởi tro bay cóhàm lượng canxi thấp tạo ra độ bền tốt hơn khi tiếp xúc với dung dịch axit H2SO45% so với bê tông OPC đối chứng Ravindrarajah [75] đã báo cáo việc thay thếmột phần xi măng bằng muội silic lên đến 15% khối lượng đã làm giảm sự tấncông của axit clohydric trong bê tông cường độ cao.

Muội silic là thải phẩm công nghiệp thu được chủ yếu từ các nhà máy sản xuấtthép Silic Đây là loại bột rất mịn với đường kính hạt nhỏ hơn 0,1 µm Thành phần hóahọc chủ yếu của MS là Silic dioxide ở trạng thái vô định hình Muội silic được coi là vậtliệu có hoạt tính puzolan rất cao Muội silic không chỉ góp phần nâng cao chất lượng vềmặt cơ học, mà còn cải thiện hiệu quả chất lượng về mặt độ bền của bê tông [41] Cácnghiên cứu khác từ trong và ngoài nước như Zhang và Ba [99], Đại học Iowa [43],Hooton và cộng sự [38], Đào Văn Dinh [25] đều cho thấy sự cải thiện tính chất cơ học

và độ bền tuyệt vời khi bê tông sử dụng MS Kolapo và các cộng sự [65] đã tiến hành thínghiệm khảo sát ảnh hưởng của Axit Nitric đến Cường độ chịu nén của bê tông Laterit

và nhận thấy cường độ chịu nén của bê tông giảm theo nồng độ axit, thời gian bảodưỡng và hàm lượng đá ong V Pavlik và cộng sự [69] đã thực hiện các thí nghiệmnghiên cứu sự ăn mòn của hồ xi măng đã đông cứng bằng axit axetic và axit nitric vànhận thấy hiệu quả tốt hơn với SF

Xỉ lò cao là sản phẩm phụ của ngành công nghiệp sản xuất gang trong lò cao Xỉ

lò cao nghiền mịn với thành phần hóa học chứa nhiều SiO2 và ít CaO hơn so với với ximăng vì vậy sản phẩm hydat hóa khi sử dụng hỗn hợp xi măng – xỉ làm CKD tạo ranhiều sản phẩm CSH và ít Ca(OH)2 lấp đầy vào không gian lỗ rỗng vi cấu trúc hơn sovới chỉ dùng xi măng [64] Trong bê tông, XL có thể sử dụng thay thế xi măng lên đến

70 % [3] Bê tông khi sử dụng XL có sự cải thiện đáng kể sức kháng clorua, cấu trúc bêtông đặc chắc hơn, bê tông có nhiều lỗ rỗng nhỏ và ít lỗ rỗng lớn so với chỉ có xi măng

và đặc biệt là khả năng kiên kết các ion clorua [8, 22, 59, 60, 87] Các nghiên cứu thựcnghiệm của Le-Hua Yu và cộng sự [101], Gollop và cộng sự [32] cũng đã khẳng định sựcải thiện độ bền sunfat của bê tông sử dụng XL Như vậy, từ kết quả phân tích trên chothấy XL vật liệu rất tốt cho bê tông xi măng đặc biệt khả năng ứng dụng tốt đối với cáccông trình biển

Thay vì sử dụng riêng rẽ các loại phụ gia, việc sử dụng kết hợp các loại PGK vớinhau trong bê tông giúp tăng cường thế mạnh của mỗi loại vật liệu Tuy nhiên việc sửdụng kết hợp phải có cơ sở khoa học đầy đủ để đảm bảo phát huy hiệu quả và đáp dứngđược mục tiêu sử dụng

Bê tông với chất kết dính hỗn hợp 3 thành phần gồm XM-TB-MS trong nghiêncứu của Goyal và cộng sự [33] cho thấy khả năng kháng axit clohydric tốt hơn so với

bê tông sử dụng hỗn hợp chất kết dính 2 thành phần xi măng và muội silic Các nghiêncứu [5, 52, 88] cũng báo cáo rằng việc sử dụng tro bay và muội silic cũng dẫn đến khảnăng kháng axit tốt hơn thông qua hàm lượng canxi thấp hơn và độ xốp ít hơn trong bêtông

Tổ hợp chất kết dính XM-XL-TB cho thấy sự hiệu quả đáng kể trong việc tăngcường tính năng độ bền của các loại bê tông khi sử dụng Thật vậy, nghiên cứu củaHamilton và cộng sự năm [35] sử dụng đồng thời cả 2 tổ hợp XM-XL-TB và XM- MS-

TB so sánh với BTĐC trong việc thử nghiệm các tính chất cơ học và độ bền Cả hai tổhợp XM-XL-TB và XM-MS-TB đều có sức kháng xâm nhập clorua tốt hơn so với bêtông thường; Bê tông kết hợp (10-20)%TB với (40- 60)%XL và bê tông kết hợp 7%MSvới 20%TB cải thiện tốt nhất với sức kháng xâm nhập clorua và các tính chất cơ học.Kết quả cho thấy bê tông sử dụng 30-40% XL và TB có độ thấm và hệ số khuyếch tánclorua thấp hơn rất nhiều so với bê tông thường Nghiên cứu của Li, Gengying Zhao,Xiaohua [53] cho thấy bê tông sử dụng kết hợp XM và 15% XL và 25% TB cho thấy sựsuy giảm cường độ chịu nén và sự tổn hao khối lượng là ít nhất so với BTĐC và bê tôngtro bay khi được ngâm trong dung dịch H2SO4 2% Bê tông thay thế từ 60-90% xi măngbởi TB và XL trong nghiên cứu của Kuder, Katherine và các đồng sự [49] cho thấy tỷ

lệ thay thế 40% XL và 40% TB đồng thời cho kết quả cường độ ở 112 và 168 ngày tuổicao hơn BTĐC và bê tông với tỷ lệ XL và TB khác, mô đun đàn hồi tương đương vớiBTĐC Các minh chứng trên cho thấy tổ hợp XM-XL-TB có thể tạo được bê tông đạt yêucầu cao về cường độ cũng như có thể sử dụng trong môi trường xâm thực mạnh

Từ các phân tích trên có thể thấy được giải pháp sử dụng phụ gia khoáng trong bêtông mang lại hiệu quả rõ ràng trong việc cải thiện sức kháng axit của bê tông Sự kếthợp các loại phụ gia khoáng phù hợp với nhau giúp tăng hiệu quả cải thiện axit tốt hơn

so với chỉ sử dụng đơn lẻ từng loại và là xu hướng cần thiết phát huy ưu điểm và khắcphục nhược điểm của các loại phụ gia khoáng

Hiện nay XL và TB ở Việt Nam là phụ phẩm công nghiệp và đã thương mại hóa,

có trữ lượng lớn và có giá thành rẻ hơn so với xi măng, các vật liệu này đã được chứng

tỏ khả năng cải thiện rất tốt các tính năng của bê tông đặc biệt là các tính năng độ bềnchống môi trường xâm thực

Trên cơ sở các phân tích ở trên, dựa theo các điều kiện vật liệu trong nước, rất cầnthiết trong việc tập trung nghiên cứu tổ hợp chất kết dính XM-XL-TB để cải thiện cáctính năng của bê tông để xây dựng công trình ở các vùng xâm thực mạnh như công trìnhbiển hay công trình tiếp xúc với nguồn nước thải công nghiệp Qua một số nghiên cứu

ở Việt Nam và thế giới có thể thấy được sự hiệu quả của việc sử dụng tổ hợp chất kếtdính XM-TB-XL trong việc cải thiện các đặc tính cơ học, độ bền, sức kháng axit của bêtông Ngoài ra, việc sử dụng XL và TB trong bê tông giải quyết được vấn đề ô nhiễmmôi trường, giảm giá thành xây dựng, điều này phù hợp với định hướng phát triển bềnvững hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam

1.5 Kết luận chương 1

Một số kết luận có thể được rút ra từ Chương 1 như sau:

- BTHN đã được nghiên cứu và ứng dụng ở một số vùng và quốc gia trên thế giớichủ yếu cho các công trình giao thông và hạ tầng Ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu

về BTHN, các nghiên cứu mới dừng lại ở mức độ các dự án thử nghiệm mà chưa có ứngdụng thực tế cho công trình

- Nước thải công nghiệp chứa nguồn axit là nguyên nhân làm phá hủy kết cấu bêtông, kết cấu bê tông cốt thép một cách nhanh chóng Việc sử dụng các loại PGK thaythế một phần xi măng trong bê tông bước đầu cho thấy sự hiệu quả trong việc cải thiệnmột số tính chất dài hạn của bê tông trong đó có sự cải thiện về tính chất kháng axit

- Việc chế tạo BTHN và các phụ phẩm công nghiệp như TB và XL để cải thiệnsức kháng axit là có cơ sở khoa học, phù hợp với xu thế phát triển bền vững, đặc biệt làtrong điều kiện các phụ phẩm công nghiệp sẵn có ở khu vực Miền Trung và nguồn cốtliệu tư nhiên ngày càng khan hiếm

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ KẾ HOẠCH THÍ NGHIỆM CÁC LOẠI BÊ TÔNG HẠT NHỎ CÓ ĐỘ BỀN KHÁNG AXIT 2.1 Vật liệu sử dụng chế tạo bê tông hạt nhỏ

Việc lựa chọn vật liệu chế tạo BTHN trên cơ sở tận dụng các loại vật liệu sẵn có ởđịa phương, các loại vật liệu phổ biến trên thị trường Việt Nam và phù hợp với xuhướng phát triển bền vững Các loại vật liệu được sử dụng trong nghiên cứu đại diện chokhu vực Nam trung bộ gồm:

- Xỉ lò cao nghiền mịn S95 Hòa Phát Dung Quất;

- Tro bay nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 2;

- Cát nghiền và cát mịn ở Quảng Ngãi;

- Xi măng PCB40 Nghi Sơn;

- Phụ gia siêu dẻo MasterGlenium SKY 8713

2.1.1 Xi măng

Đề tài nghiên cứu sử dụng xi măng PCB40 Nghi Sơn có sẵn trên thị trường đểnghiên cứu Kết quả phân tích thành phần hóa học và thí nghiệm xác định các tính chất

cơ, lý của xi măng được trình bày ở Bảng 2.1 đến Bảng 2.2

Bảng 2 1 Thành phần hóa của xi măng, tro bay và xỉ lò cao nghiền mịn

140225

≥ 18

≥ 40

Kết quả ở Bảng 2.2 cho thấy xi măng PCB40 thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật theoTCVN 6260:2020.

2.1.2 Cốt liệu nhỏ

Cốt liệu để chế tạo BTHN gồm cát nghiền và cát đụn mịn

Đề tài nghiên cứu thuộc mỏ đá Trì Bình, Bình Sơn, Quảng Ngãi Kết quả thínghiệm các chỉ tiêu cơ, lý của cát nghiền được trình bày trong Bảng 2.3 Thành phần hạtcủa cát nghiền được trình bày trong Bảng 2.4 và thể hiện ở Hình 2.1

Cát đụn mịn ven biển thuộc xã Đức Minh, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi, vị trílấy mẫu cách mép nước biển khoảng 2000 m Cát đụn mịn có mô đun độ mịn Mk < 2,0.Các tính chất cơ, lý của cát mịn được trình bày ở Bảng 2.3 Thành phần hạt của của cátmịn được trình bày trong Bảng 2.4 và thể hiện ở Hình 2.1

Bảng 2 3 Các chỉ tiêu vật lý và hóa học của cát nghiền và cát mịn

Sáng hơnmàuchuẩn

Không sẫmhơn màuchuẩn

Việc lựa chọn hỗn hợp cốt liệu gồm cát nghiền và cát mịn cho BTHN trong nghiêncứu được tính toán đảm bảo yêu cầu đường thành phần hỗn hợp của cát thỏa mãn lượnglọt sàng theo TCVN 7570:2006 Hỗn hợp cốt liệu cho BTHN có tỷ lệ sử dụng cát nghiền

và cát mịn là 65:35, đường thành phần hạt được trình bày ở Hình 2.1

Bảng 2 4 Thành phần cấp phối cốt liệu của các cấp phối bê tông hạt nhỏ.