HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀO XUÂN HOÀNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC LOẠI CỐT LIỆU BÊ TÔNG TÁI CHẾ ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG HUYỀN PHÙ XI MĂNG-TRO BAY ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VÀ ĐỘ HÚT NƯỚC CỦA
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Bê tông được xem là một loại vật liệu tương đối phổ biến trên toàn thế giới [1] Do đó, sự gia tăng dân số cùng với cơ sở hạ tầng phát triển đã làm tăng lượng tiêu thụ bê tông hằng năm [2], [3] Theo ước tính, hằng năm có khoảng 35 tỷ tấn bê tông được sản xuất trên thế giới, tương đương với 4.2 tỷ tấn xi măng, 28 tỷ tấn cát đá và 2.8 tỷ tấn nước cần sử dụng, và thậm chí có xu hướng tiếp tục tăng lên trong những năm tới [4] Bê tông thông thường chứa khoảng 12% xi măng và từ 70–80% cốt liệu theo khối lượng [5] Từ đó, việc khai thác, vận chuyển và gia công một lượng lớn hệ nguyên vật liệu tự nhiên như cát và đá đòi hỏi một lượng lớn năng lượng từ các nhà máy Ngoài ra, khí thải phát sinh từ quá trình khai thác ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và các hệ sinh thái khác Hơn nữa, nguồn tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt, mà nhu cầu con người ngày một tăng cao, đòi hỏi các nguồn nguyên vật tư ngày càng cao Vì vậy, việc tìm ra giải pháp cho sản xuất bê tông để đáp ứng được cả vấn đề về bảo vệ môi trường cũng như nhu cầu con người là rất cần thiết [6]
Mặt khác, lượng lớn chất thải rắn xây dựng (CTRXD) (xem Hình 1.1) từ quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa đã có tác động đáng kể đến tính bền vững môi trường Quá trình toàn cầu hóa đã dẫn đến gia tăng lượng CTRXD đáng kể, biến các bãi chôn lấp thành những khu vực khan hiếm Theo Hiệp hội Chất thải rắn Quốc tế [7], CTRXD chiếm khoảng 36% tổng lượng chất thải trên toàn thế giới Tại Châu Âu, khoảng 850 triệu tấn CTRXD được phát sinh hằng năm và chiếm 31% tổng lượng chất thải Riêng Hoa kỳ, tổng lượng chất thải phát sinh khoảng 123 triệu mỗi năm [8] Tại Hà Nội, lượng CTRXD thực tế phát sinh mỗi ngày vào năm 2021 khoảng 4000 tấn và dự kiến sẽ tăng khoảng 9400 tấn vào năm 2025 [9] Tại thành phố Hồ Chí Minh, rác thải xây dựng mỗi ngày chiếm khoảng 20% rác thải sinh hoạt [10] Vì vậy, việc tìm giải pháp tận dụng nguồn CTRXD này nhằm giảm bớt gánh nặng cho các cơ quan quản lý chất thải và giảm sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên là một vấn đề đáng quan tâm
Hình 1.1 Chất thải rắn trong xây dựng [11]
Cốt liệu bê tông tái chế (RCA: recycled concrete aggregate) (xem Hình 1.2) gần đây đã và đang được xem là vật liệu thay thế tiềm năng cho cốt liệu tự nhiên trong bê tông như cát và đá dăm [12], [13] Việc tận dụng lại CTRXD như một loại vật liệu xanh trong bê tông cần được khuyến khích sử dụng rộng rãi nhằm giảm thiểu gánh nặng lên việc khai thác nguồn tài nguyên thiên nhiên cũng như giải quyết được các vấn đề về bãi chôn lấp cho loại rác thải này Ở Việt Nam, lượng RCA thải ra từ các thành phố lớn ước tính trong năm 2009 là khoảng 1.5–1.9 triệu tấn, tăng lên 6.3 triệu tấn vào năm 2020 và ước tính con số sẽ lên 11.0 triệu tấn vào năm 2025 [14] Từ những thông số trên, có thể thấy một lượng lớn RCA được thải ra hằng năm và đã trở thành vấn đề về môi trường và quản lý các bãi chôn lấp
Hình 1.2 Cốt liệu bê tông tái chế [15]
Bên cạnh đó, lượng lớn tro bay sản sinh ra từ quá trình đốt than trong các nhà máy nhiệt điện đã và đang ảnh hưởng đáng kể đến môi trường và sức khỏe con người Trên thế giới, lượng tro bay thải ra hằng năm được ước tính khoảng 900 đến 1000 triệu tấn, trong đó 14 triệu tấn tại Úc, 169.25 triệu tấn tại Ấn Độ, và con số cao nhất được ghi nhận tại Trung Quốc với 580 triệu tấn [16] Tuy nhiên, trong tro bay có chứa các khoáng hoạt tính có lợi như SiO2* và Al2O3* góp phần tăng cường độ và độ bền của bê tông Vì vậy, tận dụng loại vật liệu này sử dụng trong sản xuất bê tông không những cải thiện tính chất bê tông mà còn giải quyết được vấn đề môi trường
Như vậy, quá trình sản xuất bê tông đã tiêu thụ lượng lớn nguồn tài nguyên thiên niên Bên cạnh đó, lượng lớn chất thải rắn xây dựng và sự tồn đọng lượng lớn tro bay đã có những ảnh hưởng tiêu cực đến vấn đề môi trường Vì vậy, cần nghiên cứu và tạo ra một loại bê tông mới mang tính bền vững, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường RCA có thể được xem là một loại vật liệu tiềm năng có thể thay thế đá dăm, tuy nhiên, tính chất của RCA thường yếu hơn đá tự nhiên Có nhiều nghiên cứu [17]–[20] đã thay thế một phần và toàn phần cốt liệu đá tự nhiên bằng RCA trong quá trình sản xuất bê tông nhằm mục đích giảm việc khai thác đá tự nhiên Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu cho rằng khi bê tông sử dụng RCA kết hợp tro bay, các hạt tro bay có thể len lõi vào cấu trúc lỗ rỗng của RCA, từ đó hình thành các sản phẩm hydrat hóa giúp RCA trở nên đặc chắc hơn và cải thiện cường độ của bê tông [21]–[23] Các nghiên cứu này sẽ được trình bày chi tiết hơn ở phần 1.2
Ngoài ra, xu hướng sử dụng RCA ngày nay không chỉ giới hạn ở mác thấp mà dự đoán sẽ còn mở rộng sang loại RCA với mác cao hơn Từ những năm 1960, khi công nghệ bê tông chưa phát triển, bê tông với cường độ 30 MPa được xem là bê tông cường độ cao Khi có sự áp dụng các phụ gia hóa học (phụ gia giảm nước) và các loại phụ gia khoáng vô cơ hoạt tính (silica fume, tro bay và xỉ…), bê tông cường độ cao đã được tăng lên 60 MPa vào những năm 1972 [24] Từ những năm 1980, ngành công nghiệp sản xuất bê tông đã thành công phát triển loại bê tông với cường độ 95 MPa và đến năm 2009, một công trình ở Washington đã được xây dựng với cường độ bê tông cao nhất tại thời điểm đó là 130 MPa [24] Ngày nay, một số loại bê tông chất lượng siêu cao với cường độ lên đến hơn 200 MPa [24] Có thể thấy theo thời gian, khi công nghệ bê tông ngày càng phát triển, các loại bê tông cường độ thấp đang dần được thay thế bởi các loại bê tông với cường độ cao hơn Bê tông cường độ cao đồng nghĩa với việc khả năng chịu lực và độ bền cao hơn Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu về gia tăng dân số ngày nay, các công trình thấp tầng với bê tông cường độ thấp đang dần được thay thế bởi các loại công trình cao tầng với cường độ bê tông cao hơn Trong tương lai, khi bê tông chất lượng siêu cao trở thành xu hướng thịnh hành, các công trình làm từ bê tông cường độ chịu nén ≤ 60 MPa dần bị thay thế Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa trong tương lai được dự đoán sẽ để lại một loạt các phế phẩm xây dựng và trong đó RCA được dự đoán sẽ tồn đọng đáng kể Vì vậy, nghiên cứu việc tái sử dụng các loại RCA đến từ bê tông cường độ thấp và cường độ cao không những giải quyết được các vấn đề về bãi chôn lấp trong tương lai mà còn được xem là một vật liệu tiềm năng thay thế đá dăm trong bê tông, giúp giảm đáng kể việc khai thác quá mức nguồn tài nguyên thiên nhiên Vì vậy, nghiên cứu này đề xuất việc sử dụng bê tông kết hợp nhiều loại RCA được xử lý bằng một lớp huyền phù làm từ xi măng-tro bay; từ đó, khảo sát mức độ cải thiện của bê tông chứa RCA trước và sau khi xử lý.
Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới
Tại Việt Nam và trên thế giới, nghiên cứu về việc vận dụng RCA trong bê tông đã trở nên phổ biến; và các nghiên cứu đã chứng minh được khả năng ứng dụng RCA nhằm thay thế một phần đá dăm là thực sự hiệu quả Các nghiên cứu trong và ngoài nước được tổng hợp như sau:
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
1.2.1.1 Ảnh hưởng của RCA đến các tính chất của bê tông
Tống và cộng sự [17] nghiên cứu ảnh hưởng của trạng thái ẩm của RCA đến tính chất của bê tông với cường độ thiết kế ở 28 ngày tuổi là 35 MPa Ba trạng thái cốt liệu được khảo sát (xem Hình 1.3), bao gồm khô hoàn toàn (OD), bán bão hòa nước khô bề mặt (1/2SSD), và bão hòa nước khô bề mặt (SSD) Kết quả cho thấy cốt liệu ở trạng thái 1/2SSD cho ra hiệu quả tối ưu nhất về mặt cường độ và độ sụt, trong khi cốt liệu ở trạng thái OD làm tăng giá trị tổn thất sụt cao nhất so với cốt liệu ở các trạng thái còn lại Ngoài ra, khi thay thế hoàn toàn cốt liệu tự nhiên bằng RCA, cường độ chịu nén của bê tông giảm tối đa ở mức 33% so với mẫu chuẩn Việc sử dụng cốt liệu ở trạng thái 1/2SSD cải thiện các tính chất của bê tông; tuy nhiên, quy trình chuẩn bị cốt liệu ở trạng thái này đòi hỏi nhiều công đoạn, dẫn đến kéo dài thời gian chuẩn bị và gia tăng chi phí vận hành
Hình 1.3 Ba trạng thái cốt liệu trong nghiên cứu của Tống và cộng sự [17]
Trong nghiên cứu của Nguyễn và cộng sự [25], RCA được thay thế 50 và 100% cốt liệu lớn trong bê tông với cường độ thiết kế ở 28 ngày tuổi là 40 MPa Kết quả cho thấy ở 7 và 14 ngày tuổi, RCA không ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của bê tông Tuy nhiên, ở 28 ngày tuổi, cường độ chịu nén của bê tông giảm từ 9.5–16.0% so với mẫu đối chứng Phạm và cộng sự [26] thay thế đá dăm bằng RCA ở tỷ lệ 40, 50, 60,
70, 80 và 100% theo khối lượng Độ sụt của hỗn hợp bê tông; cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi ép chẻ và mô đun đàn hồi của bê tông giảm khi hàm lượng RCA tăng Nhìn chung, các nghiên cứu này đã chứng minh rằng việc sử dụng RCA thay thế đá dăm trong bê tông có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất của bê tông
Vì vậy, việc cải thiện tính chất RCA là thực sự cần thiết
1.2.1.2 Phương pháp cải thiện các tính chất của RCA
Trong nghiên cứu gần đây của Nguyễn và cộng sự [27], RCA được xử lý bằng cách loại bỏ phần vữa cũ bám dính trên bề mặt cốt liệu của RCA bằng phương pháp nhiệt và hóa học Phương pháp nhiệt độ được thay đổi từ 80–140C giúp loại trừ lượng vữa bám dính trên RCA 4–5% Ngoài ra, phương pháp nhiệt tương đối hiệu quả đối với cốt liệu có cỡ hạt từ 10–20mm ở nhiệt độ 140C Phương pháp hóa học trong nghiên cứu này sử dụng 2 loại dung dịch hóa học HCl và Na2SO4 để loại bỏ lượng vữa cũ trên RCA Kết quả cho thấy hàm lượng vữa giảm 15–20% và cải thiện cường độ của bê tông từ 15 – 20% Phương pháp này là một phương pháp đơn giản giúp cải thiện tính chất RCA và mang lại hiệu quả cao trong bê tông Việc sử dụng HCl được xem là phương pháp tối ưu được đề xuất trong nghiên cứu này Tuy nhiên, ngâm RCA trong dung dịch HCl có thể mang ion Cl - vào trong RCA và khi loại vật liệu này được ứng dụng trong kết cấu công trình bê tông cốt thép, các ion Cl - tự do tích tụ trong RCA có khả năng giảm tính kiềm trong bê tông, phá hủy lớp bảo vệ của thép và gây ăn mòn cốt thép trong bê tông
Phương pháp xử lý bề mặt RCA bằng dung dịch sodium silicate được khảo sát trong nghiên cứu của Lê và Nguyễn [28] Dung dịch sodium silicate được pha trộn vào nước với hàm lượng 5% theo khối lượng, kết hợp với thay thế hàm lượng silica fume theo khối lượng sodium silicate trong dung dịch Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp sử dụng 5% dung dịch sodium silicate giúp cải thiện tính chất của cốt liệu RCA và độ sụt của hỗn hợp bê tông (cải thiện 70%) Ngoài ra, cường độ chịu nén của bê tông được cải thiện đến 20% Việc sử dụng sodium silicate như một loại chất hoạt hóa trong nghiên cứu này được xem là một giải pháp tối ưu Tuy nhiên, việc sử dụng silica fume trong nghiên cứu này nhằm cải thiện tính chất RCA có thể chưa hợp lý về mặt kinh tế
Nghiên cứu của Nguyễn và cộng sự [29] xử lý RCA trong huyền phù xi măng và silica fume trong 24 và 48 giờ và khảo sát ba loại nồng độ huyền phù lần lượt là 20,
40 và 60% (khối lượng chất kết dính trên tổng khối lượng RCA) Sau đó, thời gian ngâm tối ưu nhất được được sử dụng xử lý RCA và đem vào bê tông với tỷ lệ N/X 0.35, thay thế 25 và 50% cốt liệu tự nhiên với độ tuổi khảo sát là 3, 7, 28, và 56 ngày Kết quả giá trị hút nước và độ nén dập của RCA (xem Hình 1.4) được cải thiện đáng kể sau 48 giờ với nồng độ huyền phù cao nhất 60% Có thể thấy, khi thời gian ngâm càng lâu, độ hút nước và độ nén dập của RCA giảm Điều này chứng minh rằng thời gian ngâm càng lâu, các sản phẩm hydrat hóa được hình thành trong RCA càng nhiều, cấu trúc RCA càng trở nên đặc chắc và các tính chất kỹ thuật của RCA càng được cải thiện
Hình 1.4 (a) độ hút nước và (b) độ nén dập của RCA được xử lý bằng huyền phù xi măng-silica fume trong nghiên cứu của Nguyễn và cộng sự [29]
Kết quả cường độ chịu nén của bê tông chứa RCA đã xử lý ở các tuổi đầu (3 và 7 ngày tuổi) trong nghiên cứu của Nguyễn và cộng sự [29] (xem Hình 1.5) có xu hướng thấp hơn bê tông chứa RCA chưa xử lý Tuy nhiên, ở các tuổi ngày sau, đặc biệt bê tông khi chứa RCA đã xử lý ở nồng độ cao, cường độ chịu nén bê tông càng được cải thiện hơn so với nhóm bê tông chứa RCA chưa xử lý Như vậy, RCA được xử lý với nồng độ càng cao và thời gian ngâm càng lâu, càng nhiều sản phẩm hydrat hóa được hình thành, cấu trúc RCA càng đặc chắc hơn và từ đó cải thiện cường độ chịu nén của bê tông Nghiên cứu này tận dụng tối đa vật liệu huyền phù xi măng-silica fume bằng cách kéo dài thời gian ngâm lên 48 giờ và đã chứng minh được việc ngâm lâu dài và nồng độ huyền phù cao cải thiện đáng kể cả tính chất kỹ thuật của cốt liệu và bê tông chứa RCA đã xử lý Tuy nhiên, việc sử dụng silica fume để làm vật liệu pozzolanic cho huyền phù có thể không phù hợp về mặt kinh tế Vì vậy, việc áp dụng silica fume vào việc cải thiện RCA, đặc biệt sử dụng nồng độ cao, có thể không được sử dụng phổ biến trong tương lai
Hình 1.5 Cường độ chịu nén của bê tông sử dụng RCA được xử lý bằng huyền phù xi măng-silica fume ở các nồng độ khác nhau thay thế (a) 25% và (b) 50% cốt liệu lớn trong bê tông trong nghiên cứu của Nguyễn và cộng sự [29]
CC: bê tông đối chứng
CSS0: bê tông sử dụng RCA chưa xử lý
CSS20, CSS40 và CSS60: bê tông sử dụng RCA sau khi xử lý trong huyền phù xi măng-silica fume với nồng độ 20, 40 và 60%
Gần đây, nghiên cứu của Nguyễn [30] cải thiện tính chất kỹ thuật của RCA trong bê tông cốt sợi polypropylene phân lớp chức năng bằng cách ngâm trong huyền phù xi măng-tro bay và có sử dụng chất hoạt hóa Na2SO4 Việc sử dụng chất hoạt hóa có thể thúc đẩy phản ứng pozzolanic của tro bay, giúp cải thiện độ nén dập của RCA Tuy nhiên, mức độ cải thiện cường độ chịu nén của bê tông 2 lớp chứa RCA đã xử lý như trong nghiên cứu của Nguyễn [30] có mức độ cải thiện không đáng kể so với bê tông chứa RCA chưa xử lý
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1.2.2.1 Ảnh hưởng của RCA đến các tính chất của bê tông
Nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng hàm lượng RCA đến cường độ của bê tông và kết quả cho thấy hàm lượng tối ưu nhất để sử dụng RCA thay thế cốt liệu tự nhiên là 30% [19], [20], [31] Các nghiên cứu của Otsuki và cộng sự [32] và Fernando và cộng sự [33] cho thấy đối với bê tông cường độ thấp, cường độ của vùng ITZ cũ trong RCA cao hơn vùng ITZ mới giữa RCA và hệ nền xi măng trong bê tông Vì vậy, việc thay thế đá tự nhiên bằng RCA không ảnh hưởng đến tính chất của bê tông cường độ thấp Tuy nhiên, đối với bê tông cường độ cao, vùng ITZ cũ trong RCA thấp hơn vùng ITZ mới giữa RCA và hệ nền xi măng trong bê tông; vì vậy, tính chất RCA quyết định chính đến cường độ của bê tông cường độ cao Kết quả phân tích cấu trúc trong nghiên cứu của Fernando và cộng sự [33] cho thấy vết nứt xuất hiện trong bê tông cường độ cao chứa RCA thường bắt nguồn từ cốt liệu RCA Vì vậy, việc gia cường RCA trong bê tông cường độ cao là hết sức cần thiết Độ sụt của hỗn hợp bê tông cũng bị ảnh hưởng bởi tính chất của RCA Nghiên cứu của Sasanipour và cộng sự [34] cho thấy độ sụt tăng khi hỗn hợp bê tông sử dụng RCA vì bề mặt trơn trượt của RCA hơn cốt liệu tự nhiên Tuy nhiên, theo nghiên cứu của Sagoe-Crentsil và cộng sự [35] và Fernando và cộng sự [33], độ sụt của hỗn hợp bê tông sử dụng RCA thấp hơn độ sụt của hỗn hợp bê tông thông thường vì RCA hút một phần lượng nước nhào trộn trong hỗn hợp bê tông
RCA đến từ bê tông gốc với mác khác nhau có các tính chất kỹ thuật khác nhau Trong nghiên cứu của Padmini và cộng sự [36], ba loại RCA đến từ bê tông gốc với cường độ chịu nén lần lượt là 35, 45, và 55 MPa Kết quả cho thấy đối với RCA mác thấp, quá trình đập nhỏ RCA khiến phần vữa dễ bị tách ra khỏi RCA, trong khi RCA mác cao thì vùng ITZ giữa đá cũ và vữa cũ tốt, vì vậy lượng vữa còn tồn đọng lại nhiều Ngoài ra, khi cốt liệu có Dmax càng lớn, phần vữa cũ có xu hướng bị tách ra khỏi RCA nhiều hơn Các kết quả trong nghiên cứu của Akbarnezhad và cộng sự [37], [38] cũng cho xu hướng tương tự Nghiên cứu của Gholampour và Ozbakkaloglu [39] cho thấy đối với bê tông cường độ thấp (xem Hình 1.6a), bê tông sử dụng RCA mác thấp (NC-40) có cường độ thấp hơn so với bê tông sử dụng RCA mác cao hơn (NC-110), và tốc độ phát triển cường độ của bê tông chứa RCA tương đối cao ở các ngày tuổi sau (56, 90 và 180 ngày) Đối với bê tông cường độ cao (Hình 1.6b), bê tông sử dụng RCA mác thấp (NC-40) có cường độ thấp hơn nhiều so với bê tông sử dụng RCA mác cao (NC-110), và tốc độ phát triển cường độ của bê tông chứa RCA tương đối thấp Akbarnezhad và cộng sự [37] nhận định rằng không phải khi nào bê tông sử dụng RCA mác cao đều cho ra cường độ càng cao, vì RCA mác cao thường chứa nhiều vữa cũ, trong khi RCA mác thấp lại có thể loại bỏ hoàn toàn lượng vữa cũ sau quá trình đập nghiền Kou và Poon [40] nhận thấy rằng bê tông làm từ RCA mác thấp dưới trạng thái bão hòa nước khô bề mặt (SSD) có độ sụt cao hơn bê tông thông thường do lượng nước tích tụ trong RCA mác thấp nhiều và trong quá trình nhào trộn, lượng nước này được giải phóng góp phần vào tăng độ sụt của hỗn hợp bê tông Ngoài ra, khi sử dụng RCA với cường độ lên đến 80 và 100 MPa, cường độ chịu nén của bê tông có thể bằng hoặc cao hơn mẫu chuẩn không sử dụng RCA Điều này được giải thích do hiệu ứng nhả nước của RCA dưới trạng thái SSD trong quá trình dưỡng hộ giúp cung cấp thêm nước cho quá trình hydrat hóa để tạo thêm khoáng C–S–H Ngoài ra, các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng ứng với bê tông với cường độ càng cao, mức độ chênh lệch về cường độ của bê tông chứa RCA so với bê tông thông thường càng cao [32], [36], [38], [39], [41]–[43]
Hình 1.6 Cường độ chịu nén của bê tông cường độ thấp (a) và bê tông cường độ cao (b) khi sử dụng 50-100% RCA thay thế đá dăm bằng 2 loại RCA trong nghiên cứu của Gholampour và Ozbakkaloglu [39]
NC-REF: bê tông cường độ thấp mẫu đối chứng
NC-40 và NC-110: bê tông cường độ thấp sử dụng RCA với cường độ lần lượt là
HC-REF: bê tông cường độ cao mẫu đối chứng
HC-40 và HC-110: bê tông cường độ cao sử dụng RCA với cường độ lần lượt là
Về độ sụt của hỗn hợp bê tông khi sử dụng RCA với mác khác nhau, nghiên cứu của Gholampour và Ozbakkaloglu cho thấy độ sụt của hỗn hợp bê tông làm từ RCA cường độ 20 MPa thấp hơn bê tông làm từ RCA cường độ 110 MPa Kou và cộng sự [40] đã chỉ ra rằng độ sụt của hỗn hợp bê tông làm từ RCA mác thấp ở trạng thái SSD có thể cao hơn cả bê tông làm từ RCA mác cao Điều này được giải thích do RCA mác thấp khi để ở trạng thái SSD, lượng nước tích tụ trong cấu trúc lỗ rỗng RCA mác thấp nhiều hơn RCA mác cao, dẫn đến tăng độ sụt cho hỗn hợp bê tông chứa RCA
1.2.2.2 Phương pháp cải thiện các tính chất của RCA
Kết luận
Sự gia tăng nhu cầu sản xuất bê tông đã và đang khai thác quá mức nguồn tài nguyên thiên nhiên Điều đó không những dẫn đến nguy cơ cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên mà còn phát thải khí bụi gây ô nhiễm môi trường Bên cạnh đó, chất thải rắn xây dựng, cụ thể là RCA từ các công trình xây dựng sau khi bị phá hủy đã và đang chiếm một phần lớn diện tích bãi chứa và cũng gây ô nhiễm môi trường Vì vậy, việc tận dụng các loại RCA này làm vật liệu thay thế cốt liệu tự nhiên trong bê tông là một giải pháp tối ưu hướng đến sự phát triển bền vững Tính chất của RCA thường yếu hơn và chứa nhiều lỗ rỗng hơn so với cốt liệu đá dăm tự nhiên do sự hiện diện của vữa cũ Nhiều phương pháp cải thiện tính chất RCA được tiến hành, bên cạnh đó vẫn còn tồn tại nhiều khuyết điểm Phương pháp loại trừ vữa cũ trong RCA bằng nhiệt độ hoặc tác động cơ học có thể tạo ra vết nứt vi mô hình thành trong RCA sau quá trình xử lý Áp dụng hóa chất để hòa tan lượng vữa cũ có thể dẫn các ion tự do xâm nhập vào RCA, dẫn đến hiện tượng ăn mòn cốt thép trong bê tông
Phương pháp cải thiện vữa cũ RCA bằng vật liệu pozzolanic hiện đang được xem là một giải pháp tối ưu vì mức độ cải thiện không chỉ ở cốt liệu mà còn cải thiện các tính chất của bê tông chứa RCA Phương pháp xử lý RCA bằng huyền phù xi măng- tro bay theo nghiên cứu của Shaban và cộng sự [21] có thể được xem là một giải pháp tối ưu vì tính kinh tế cũng như mức độ cải thiện Tuy nhiên, thời gian ngâm ngắn (từ 1–4 giờ) cùng với lượng xi măng và vật liệu pozzolanic sử dụng tương đối lớn dẫn đến việc hoang phí vật liệu làm nên huyền phù Kết quả nghiên cứu của Nguyễn và cộng sự [29] sử dụng huyền phù xi măng-silica fume chứng minh được rằng thời gian ngâm càng lâu, càng nhiều sản phẩm hydrat hóa được hình thành, giúp lấp đầy lỗ rỗng trong RCA và cải thiện tính chất của bê tông chứa RCA đã xử lý
Dựa trên một loạt các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về việc cải thiện tính chất RCA bằng huyền phù pozzolanic, một số hạn chế được tổng hợp như sau:
- Các nghiên cứu trước đây về việc ứng dụng huyền phù pozzolanic chủ yếu tập trung vào cải thiện tính chất của RCA ở thời gian ngắn
- Việc đánh giá ứng xử của RCA sau khi xử lý trong các nghiên cứu trước đây chỉ được tiến hành trên một loại RCA bất kỳ, đặc biệt chưa được nghiên cứu trên RCA mác cao
- Nhiều nghiên cứu [29], [52], [53] cải thiện RCA bằng vật liệu silica fume hoặc nano silica fume có thể không hiệu quả về mặt kinh tế
- Các tính chất của RCA sau khi xử lý chỉ được đánh giá thông qua các tính chất kỹ thuật Các tính chất vi mô và các phân tích về sự hình thành sản phẩm hydrat hóa trong quá trình xử lý, cũng như làm rõ các cơ chế xử lý RCA trong các điều kiện khác nhau vẫn chưa được làm rõ trong các nghiên cứu trước đây
- Ứng dụng của các loại RCA sau khi xử lý trong bê tông cường độ cao vẫn chưa được tiến hành phân tích trong các nghiên cứu trước đây
Mục tiêu nghiên cứu
Dựa trên các hạn chế của các nghiên cứu trước đây, mục tiêu của nghiên cứu này nhằm khảo sát ảnh hưởng của ba loại RCA từ ba loại bê tông gốc với cường độ chịu nén khác nhau sau khi được xử lý bằng huyền phù xi măng-tro bay đến các tính chất kỹ thuật của bê tông cường độ cao Để thực hiện mục tiêu này, các bước triển khai nghiên cứu bao gồm:
- Lựa chọn hệ nguyên vật liệu địa phương để chế tạo bê tông sử dụng cốt liệu tái chế đã qua xử lý
- Thiết kế cấp phối bê tông cường độ cao với cường độ thiết kế ở 28 ngày tuổi là 70 MPa
- Nghiên cứu tính chất kỹ thuật và tính chất vi mô của RCA sau khi được xử lý bằng huyền phù xi măng-tro bay với các nồng độ và thời gian ngâm khác nhau
Từ đó, tìm ra nồng độ huyền phù và thời gian ngâm tối ưu để xử lý RCA
- Nghiên cứu ảnh hưởng của RCA đã qua xử lý đến cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và độ hút nước của bê tông cường độ cao sử dụng RCA.
Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài này được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật liệu Xây dựng – Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách khoa, ĐHQG–HCM và tại phòng thí nghiệm Structural Material and Concrete Structures, trường Đại học Hiroshima, Nhật Bản Các thông số khảo sát bao gồm:
- Ba loại RCA đến từ ba loại bê tông gốc với mác thiết kế là 200, 300 và 600
- Ba loại nồng độ huyền phù xi măng-tro bay (tỷ lệ khối lượng chất kết dính trên tổng khối lượng RCA) là 30, 50, và 70%
- Thời gian ngâm xử lý cho các loại RCA là 24 và 72 giờ
- Cấp phối bê tông được thiết kế theo TCVN 10306:2014 [54] với cường độ thiết kế ở tuổi 28 ngày là 70 MPa, tỷ lệ nước trên chất kết dính (N/CKD) là 0.4, độ sụt thiết kế là 182 cm
- Tỷ lệ thay thế cốt liệu thô (đá dăm) bằng RCA là 50% (theo thể tích của bê tông)
- Nghiên cứu các tính chất kỹ thuật của bê tông (cường độ chịu nén ở 3, 7, 14 và 28 ngày tuổi; cường độ chịu kéo khi uốn ở 7 và 28 ngày tuổi; và độ hút nước ở 28 ngày tuổi
Các chỉ tiêu thí nghiệm trong nghiên cứu này được tổng hợp như sau:
- Các tính chất kỹ thuật của RCA trước và sau khi xử lý bao gồm: độ hút nước, độ nén dập và thành phần hạt
- Các tính chất vi mô của RCA trước và sau khi xử lý bao gồm: phân tích cấu trúc lỗ rỗng và cấu trúc bề mặt sử dụng công nghệ thủy ngân thâm nhập lỗ rỗng và kính hiển vi điện tử quét
- Các tính chất kỹ thuật của bê tông có và không có RCA bao gồm: cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và độ hút nước.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn nghiên cứu
Nghiên cứu này khuyến khích việc tận dụng RCA và tro bay trong thực tiễn nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường cũng như việc khai thác quá mức nguồn tài nguyên thiên nhiên Các phân tích về RCA sau khi được xử lý được tiến hành và đánh giá trong nghiên cứu này nhằm cung cấp các thông tin chi tiết về cơ chế cũng như mức độ cải thiện RCA với mác khác nhau sau khi xử lý bằng huyền phù xi măng-tro bay Điều này giúp việc đề xuất sử dụng loại nồng độ và thời gian ngâm xử lý khi ứng dụng phương pháp này trong thực tiễn trở nên dễ dàng hơn Ngoài ra, các kết quả phân tích về ảnh hưởng RCA đã xử lý trong bê tông giúp khuyến khích việc ứng dụng sử dụng RCA đã xử lý thay thế đá dăm trong thực tiễn, giúp phương pháp xử lý RCA bằng huyền phù càng trở nên thực tiễn hơn trong tương lai.
CƠ SỞ KHOA HỌC
Nguyên lý chế tạo bê tông cường độ cao
Theo TCVN 10306:2014 [54], bê tông cường độ cao là bê tông có cường độ chịu nén đặc trưng ở 28 ngày tuổi lớn hơn hoặc bằng 55 MPa đối với mẫu hình trụ với đường kính D = 150 mm và chiều cao H = 300 mm theo ASTM C39 [55]
Tỷ lệ N/CKD cho bê tông cường độ cao được kiến nghị trong khoảng từ 0.2 đến 0.4 và khuyến khích việc sử dụng phụ gia hóa học nhằm đảm bảo tính công tác cho hỗn hợp bê tông Trong bê tông cường độ cao, việc sử dụng tỉ lệ N/CKD thấp làm giảm đáng kể tính công tác của bê tông và nếu lựa chọn việc tăng lượng nước nhào trộn sẽ dẫn đến tăng tỉ lệ N/CKD và giảm cường độ bê tông Theo Li [24], kể cả việc xi măng đã được hòa tan trong nước, các hạt xi măng không hòa tan hết mà thay vào đó, chúng có xu hướng tích tụ lại như Hình 2.1a và từ đó, một phần lượng nước nhào trộn bị kẹt bên trong các hạt xi măng tích tụ Vì vậy, việc sử dụng phụ gia hóa học trong bê tông cường độ cao giúp phá vỡ các hạt xi măng tích tụ lại (Hình 2.1b) và từ đó, phần nước bị mắc kẹt được giải phóng và tham gia vào quá trình nhào trộn
Hình 2.1 Xi măng và nước khi (a) không sử dụng phụ gia và (b) có sử dụng phụ gia [24]
Hình 2.2 thể hiện sự khác biệt về quá trình phát triển cường độ chịu nén của bê tông cường độ thấp và bê tông cường độ cao Có thể thấy bê tông cường độ thấp có tốc độ phát triển cường độ theo thời gian, trong khi bê tông cường độ cao có tốc độ phát triển tương đối nhanh ở các tuổi ngày đầu và phát triển chậm ở các tuổi ngày sau Theo Kaszynska [56] và Park [57], tốc độ phát triển nhanh của bê tông cường độ cao dẫn đến tốc độ tỏa nhiệt từ quá trình hydrat hóa cao hơn đáng kể so với bê tông thông thường Nhiệt độ tỏa nhiệt của bê tông cường độ cao có thể lên đến 80C trong điều kiện nhiệt độ phòng từ 10–15C [56] Vì vậy, việc kiểm soát nhiệt độ của bê tông cường độ cao ở thời gian đầu là rất cần thiết
Hình 2.2 Cường độ chịu nén của bê tông cường độ thấp (NSC) và bê tông cường độ cao (HSC) qua các ngày tuổi [24]
Ngoài ra, cơ chế phát triển vết nứt của bê tông cường độ thấp thường xuất hiện ở vị trí hệ nền xi măng và vùng chuyển tiếp bề mặt ITZ giữa cốt liệu và hệ nền Trong khi đó, bê tông cường độ cao với cường độ chịu nén hệ nền cao nên khi bị nén phá hủy, mẫu có xu hướng bị cắt ngang qua cả cốt liệu như Hình 2.3 Có thể thấy đối với bê tông thông thường, cường độ của hệ nền xi măng thường yếu hơn so với cường độ của cốt liệu, vì vậy vết nứt thường có xu hướng hình thành tại ITZ Đối với bê tông cường độ cao, tính đặc chắc của hệ nền xi măng khiến cường độ của hệ nền cao hơn cả cường độ cốt liệu Vì vậy, vết nứt trong bê tông cường độ cao có xu hướng hình thành ngay bên trong cốt liệu
Hình 2.3 Cơ chế hình thành vết nứt trong bê tông cường độ thấp và bê tông cường độ cao [24]
Có thể thấy cơ chế hình thành vết nứt ở bê tông cường độ cao thường quyết định không những do tính chất hệ nền xi măng mà cả tính chất của cốt liệu sử dụng Việc sử dụng loại cốt liệu với cường độ cao (cường độ chịu nén của đá gốc từ 100 MPa trở lên) cho bê tông cường độ cao là rất cần thiết để vết nứt không bị hình thành từ sớm ngay trong cốt liệu Kích thước hạt lớn nhất danh định của cốt liệu lớn (Dmax) đối với bê tông cường độ cao cần giới hạn dưới 20 mm giúp giảm mức độ ảnh hưởng của vùng ITZ [24] Theo ACI 318 [58], Dmax không nên vượt quá 1/5 kích thước nhỏ nhất của cấu kiện, 1/3 chiều dày tấm và khụng quỏ ắ khoảng trống nhỏ nhất giữa cỏc thanh cốt thép [54] Lượng xi măng dùng thường dao động trong khoảng 400–593 kg/m 3 và sử dụng xi măng Portland PC40 trở lên Lượng xi măng cao giúp tăng tính công tác của hỗn hợp bê tông khi tỉ lệ N/X thấp và đảm bảo hỗn hợp bê tông trở nên đồng nhất hơn [24] Cốt liệu nhỏ sử dụng trong bê tông cường độ cao được khuyến cáo sử dụng với mô đun độ lớn trong khoảng 2.5–3.5 để đảm bảo lượng nước nhào trộn không ảnh hưởng đáng kể bởi cát và từ đó ảnh hưởng đến tính công tác hỗn hợp bê tông
Ngoài ra, một số loại phụ gia khoáng như tro bay, xỉ lò cao và silica fume có thể được thêm vào trong bê tông cường độ cao Các khoáng hoạt tính có trong các loại phụ gia khoáng như SiO2* và Al2O3* phản ứng với các Ca(OH)2 trong hệ nền xi măng tạo ra các sản phẩm hydrat hóa (C–S–H) giúp tăng độ đặc chắc của bê tông, giảm thiểu các tác nhân xâm nhập có hại từ môi trường như độ ẩm, ion Cl - , ion SO4 2-, khí CO2 và từ đó tăng độ bền lâu dài cho bê tông.
Cốt liệu bê tông tái chế (RCA)
Sau khi phá bỏ những con đường và tòa nhà cũ, các mảng bê tông bị bỏ lại thường không được tái sử dụng và được xem như CTRXD RCA được tạo ra bằng cách thu thập các mảng bê tông đã qua sử dụng và đập ra thành các cốt liệu với kích thước như kích thước đá dăm trong bê tông [20]
RCA được coi là có đặc tính kém hơn so với cốt liệu tự nhiên do tính chất yếu của lớp vữa cũ và sự xuất hiện của vùng ITZ giữa vữa cũ và đá cũ [59], [60] Sự hiện diện của vữa cũ trên RCA là nhân tố chính ảnh hưởng đến các tính chất của RCA như khối lượng riêng, độ rỗng và độ hút nước của RCA Phần vữa cũ của RCA thường làm giảm khối lượng riêng của RCA so với cốt liệu tự nhiên Độ rỗng và độ hút nước của RCA cũng ảnh hưởng mạnh bởi vữa cũ Tính chất của vữa cũ thường rỗng hơn cốt liệu đá tự nhiên, dẫn đến tăng độ hút nước của RCA Ngoài ra, các tính chất khác của RCA như độ nén dập, độ mài mòn cũng bị ảnh hưởng bởi vữa cũ trong RCA [23]
2.2.3 Ảnh hưởng của RCA đến các tính chất của bê tông
Vùng ITZ trong bê tông là vị trí yếu nhất và lại càng được phát sinh thêm khi bê tông chứa RCA thay thế một phần đá dăm Các nghiên cứu trước nhận định rằng vùng ITZ với độ dày có thể lớn hơn 50 μm [61] và thường chứa nhiều lỗ rỗng, ít sản phẩm hydrat hóa hơn hệ nền xi măng thông thường [62] Khi có sự hiện diện của vùng ITZ, cấu trúc bê tông chủ yếu được chia thành 2 phần: hệ nền xi măng và cốt liệu (xem Hình 2.4) Các khoáng Ca(OH)2 và Ettringite (AFt) thường có xu hướng tập trung tại vùng ITZ, trong khi rất ít gel C–S–H tập trung tại vị trí này Theo Li [24], khi ứng suất đạt 40–70% cường độ tới hạn của bê tông, các vết nứt tại vùng ITZ đã hình thành
Sự hiện diện của các vùng ITZ trong bê tông là nguyên do dẫn đến cơ chế biến dạng không đàn hồi của bê tông
Hình 2.4 Vùng chuyển tiếp bề mặt trong bê tông [24] Đối với bê tông thông thường, vùng ITZ được hình thành chủ yếu giữa đá mới và hệ nền xi măng mới trong bê tông, tuy nhiên, khi bê tông sử dụng RCA, 2 vùng ITZ mới được xuất hiện (ví dụ: ITZ 2 và ITZ 3 trong Hình 2.5) giữa RCA-hệ nền xi măng mới trong bê tông và giữa vữa cũ và đá cũ trong RCA [33], [39] Vì vậy, khả năng phát triển vết nứt từ vùng ITZ trong bê tông chứa RCA là cao hơn đáng kể so với bê tông thông thường; từ đó, cường độ của bê tông chứa RCA là tương đối thấp như đã trình bày ở phần 1.2.1.1 và 1.2.2.1
Hình 2.5 Vùng ITZ hiện diện trong bê tông thay thế một phần đá dăm bằng RCA
Phương pháp cải thiện RCA bằng huyền phù xi măng-tro bay
Có rất nhiều phương pháp cải thiện tính chất RCA như loại bỏ phần vữa cũ trên RCA bằng các tác động nhiệt, cơ học và sử dụng dung dịch axit Tuy nhiên, nhược điểm của các phương pháp này như đã đề cập ở chương 1 là làm thay đổi các đặc tính ban đầu của RCA như phát sinh thêm vết nứt vi mô, gia tăng ion Cl - , thay đổi thành phần khoáng có trong RCA Shaban và cộng sự [23] đã tổng hợp các phương pháp cải thiện RCA và kết quả cho thấy việc cải thiện RCA bằng vật liệu pozzolanic cho ra hiệu quả tối ưu nhất, không chỉ cải thiện về mặt cốt liệu mà còn cải thiện về các tính chất và độ bền của bê tông
Cấu trúc RCA trước khi xử lý có tính chất rỗng từ vữa cũ và chứa nhiều các Ca(OH)2 tích tụ trong lỗ rỗng của RCA (xem Hình 2.6a) Khi RCA được ngâm trong huyền phù pozzolanic (xem Hình 2.6b), các vật liệu huyền phù thâm nhập vào cấu trúc lỗ rỗng của RCA Trong quá trình ngâm xử lý, phản ứng hydrat hóa của xi măng (phương trình 2.1 và 2.2) kết hợp với phản ứng pozzolanic của vật liệu pozzolanic (phương trình 2.3 và 2.4) đã tạo ra các khoáng C–S–H giúp lấp đầy các lỗ rỗng trong RCA và hình thành lớp phủ làm từ huyền phù đóng vai trò như một lớp màng bao bọc bảo vệ RCA (xem Hình 2.6c) Phản ứng hydrat hóa của xi măng giúp sản sinh các khoáng C–S–H và Ca(OH)2 (CH), trong khi vật liệu pozzolanic tiêu thụ các CH được hình thành từ phản ứng hydrat hóa diễn ra từ trước và các CH trong phần vữa cũ của RCA giúp tạo thêm khoáng C–S–H càng giúp lấp đầy lỗ rỗng có trong RCA
Phản ứng hydrat hóa của xi măng
Phản ứng pozzolanic của tro bay
Ca(OH)2 + SiO2 (hoạt tính) + H2O = CaO.SiO2.2H2O (2.3) 3Ca(OH)2 + Al2O3 (hoạt tính) + 3H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O (2.4)
Hình 2.6 Cơ chế cải thiện RCA bằng huyền phù pozzolanic
Cấu trúc bề mặt của RCA sau khi xử lý trong nghiên cứu của Shaban và cộng sự [21] cũng cho thấy khi RCA được ngâm trong bất kì loại huyền phù nào, bề mặt của RCA trở nên đồng đều và ít lỗ rỗng hơn so với RCA chưa được xử lý Các lỗ rỗng RCA được lấp đầy bằng các vật liệu pozzolanic và các sản phẩm hydrat hóa
Nghiên cứu của Fernando và cộng sự [33] cũng nhận định rằng trong huyền phù chứa xi măng và tro bay, phản ứng hydrat hóa của xi măng và pozzolanic của tro bay tương trợ lẫn nhau, tạo ra các khoáng C–S–H giúp lấp đầy lỗ rỗng RCA Ngoài ra, đối với bê tông cường độ cao chứa RCA, vết nứt thường phát sinh ở RCA và từ đó lan truyền sang hệ nền xi măng Vì vậy, việc gia cường RCA đối với bê tông cường độ cao chứa RCA là rất cần thiết
Như đã trình bày ở Hình 2.4, vùng ITZ thường tập trung chủ yếu bởi các sản phẩm hydrat hóa như Ca(OH)2 và AFt Khi bê tông sử dụng cốt liệu RCA sau khi được bọc bởi một lớp vật liệu huyền phù pozzolanic, các hạt vật liệu pozzolanic chưa phản ứng tồn đọng trên bề mặt của RCA sau khi xử lý (xem Hình 1.10) phản ứng pozzolanic với các Ca(OH)2 tích tụ trong vùng ITZ, giúp cải thiện vùng ITZ giữa RCA đã xử lý và hệ nền xi măng.
Ảnh hưởng của cốt liệu lớn đến các tính chất của bê tông và hỗn hợp bê tông
Cốt liệu lớn là một trong những thành phần chính của bê tông Chúng đóng vai trò như bộ khung chịu lực của bê tông sau khi đá xi măng gắn kết Vì vậy, những thay đổi về tính chất của cốt liệu lớn có ảnh hưởng đến tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông Các tính chất của cốt liệu lớn ảnh hưởng đến tính chất của bê tông được trình bày như sau:
Trạng thái cốt liệu ảnh hưởng đến các tính chất của bê tông và hỗn hợp bê tông Có
4 trạng thái độ ẩm cốt liệu, bao gồm trạng thái khô hoàn toàn (OD), trạng thái khô bê mặt (AD), trạng thái bão hòa nước khô bề mặt (SSD) và trạng thái ẩm hoàn toàn (W) [24] Theo Li, cốt liệu trạng thái OD và AD sẽ hấp thụ một phần nước nhào trộn trong quá trình trộn bê tông Trong khi đó, cốt liệu trạng thái SSD, lượng nước nhào trộn sẽ không bị mất đi trong quá trình nhào trộn và đây được xem là trạng thái cân bằng nhất Nếu cốt liệu trạng thái W, chúng sẽ cung cấp một phần nước nhào trộn trong hỗn hợp bê tông Ngoài ra, nhiều nghiên cứu [63]–[65] cho rằng khi sử dụng các loại vật liệu có tính chất rỗng như RCA gạch phế thải, trạng thái SSD có thể kích hoạt cơ chế dưỡng hộ bên trong của bê tông Cấu trúc rỗng giúp lượng nước có thể được giữ lại bên trong cốt liệu dưới trạng thái SSD và khi quá trình hydrat hóa diễn ra, phần nước được giữ này góp phần thúc đẩy sự hình thành sản phẩm hydrat hóa, tăng cường độ cho bê tông
Kích thước cốt liệu lớn có ảnh hưởng đến tính chất của bê tông và hỗn hợp bê tông Cốt liệu với kích thước hạt lớn nhiều khiến diện tích tiếp xúc bề mặt giảm, giúp giảm lượng xi măng yêu cầu để bao bọc hạt cốt liệu giảm, từ đó tăng tính công tác của hỗn hợp bê tông Tuy nhiên, bề mặt quá lớn của cốt liệu khiến khả năng liên kết của cốt liệu và hệ nền xi măng giảm, ảnh hưởng tiêu cực đến tính cơ học của bê tông Nếu cốt liệu với kích thước quá nhỏ yêu cầu lượng xi măng cao để bao bọc các hạt cốt liệu, ảnh hưởng đến tính công tác của hỗn hợp bê tông Vì vậy, kích thước cốt liệu lớn nên đa dạng để giảm độ rỗng trong bê tông và đảm bảo lượng xi măng sử dụng hiệu quả
2.4.3 Hình dạng và cấu trúc của cốt liệu [24]
Hình dạng và cấu trúc của cốt liệu lớn ảnh hưởng đến tính công tác, khả năng liên kết cốt liệu và hệ nền, và cường độ của bê tông Cốt liệu lớn với cấu trúc bề mặt góc cạnh và gồ ghề làm giảm tính công tác, nhưng tăng cường độ bê tông Trong khi đó, cốt liệu bề mặt trơn trượt tăng tính công tác nhưng giảm cường độ bê tông.
Tổng kết chương 2
Tính chất của bê tông cường độ cao khác so với tính chất bê tông thông thường Tốc độ phát triển cường độ cũng như cơ chế hình thành vết nứt của bê tông cường độ cao khác so với bê tông thông thường Vì vậy, để sản xuất bê tông cường độ cao cần đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lượng của bê tông
Tính chất kỹ thuật của RCA thấp hơn nhiều so với đá dăm thông thường khi bản thân RCA đã có sự hiện diện của vữa cũ chứa nhiều lỗ rỗng và vùng ITZ Việc cải thiện tính chất của RCA ứng dụng trong bê tông cường độ cao là hết sức cần thiết để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật cho bê tông cường độ cao Ngoài ra, RCA đến từ bê tông gốc với cường độ khác nhau có các tính chất khác nhau
Phương pháp cải thiện RCA bằng cách ngâm trong huyền phù pozzolanic giúp tạo các sản phẩm hydrat hóa từ phản ứng hydrat hóa và pozzolanic bên trong cấu trúc lỗ rỗng và từ đó tăng độ đặc chắc của RCA Ngoài ra, RCA sau khi xử lý được phủ bởi một lớp huyền phù pozzolanic giúp cải thiện vùng ITZ giữa RCA và hệ nền xi măng, từ đó cải thiện cường độ của bê tông
Tính chất cốt liệu lớn có ảnh hưởng đến các tính chất của bê tông và hỗn hợp bê tông Cốt liệu trạng thái SSD giúp giảm khả năng hấp thụ nước của cốt liệu trong quá trình nhào trộn Kích thước cốt liệu nên đa dạng để đảm bảo cấu trúc bê tông ít lỗ rỗng và sử dụng lượng xi măng hiệu quả Cấu trúc bề mặt không nên quá gồ ghề vì sẽ giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông, và cũng không nên quá trơn trượt vì sẽ giảm tính liên kết của cốt liệu và hệ nền xi măng
CHƯƠNG 3: HỆ NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ
Chương này trình bày các thông tin quan trọng về phương pháp thí nghiệm trong nghiên cứu này, bao gồm (1) hệ nguyên vật liệu sử dụng, (2) quy trình ngâm xử lý RCA, (3) các phương pháp đánh giá các tính chất của RCA trước và sau khi xử lý và (4) quy trình thiết kế cấp phối bê tông có và không có sử dụng RCA, quy trình đúc mẫu và đánh giá các tính chất kỹ thuật của bê tông có và không có sử dụng RCA.
Hệ nguyên vật liệu
3.1.1 Hệ nguyên vật liệu huyền phù a Xi măng
Xi măng PC40/PC50 (loại 1), sản xuất từ nhà máy xi măng Nghi Sơn, được sử dụng trong nghiên cứu này đóng vai trò làm vật liệu huyền phù (xem Hình 3.1) Các tính chất kỹ thuật của xi măng như khối lượng riêng, cường độ chịu nén, thời gian ninh kết và độ mịn được thống kê trong Bảng 3.1, phù hợp với TCVN 2682:2020 [66] Ngoài ra, thành phần hóa học của xi măng được trình bày ở Bảng 3.2
Hình 3.1 Xi măng Nghi Sơn PC40/PC50
Bảng 3.1 Chỉ tiêu cơ lý của xi măng
Chỉ tiêu TCVN 2682:2020 Kết quả
Khối lượng riêng (g/cm 3 ) Không quy định 3.1
Bảng 3.2 Thành phần hóa học của xi măng
Hàm lượng (% theo khối lượng) TCVN 2682:2020 Xi măng
Mất khi nung ≤ 3.0 1.96 b Tro bay
Tro bay loại F, sản xuất từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải, được sử dụng làm vật liệu huyền phù nhằm cải thiện tính chất RCA Các chỉ tiêu kỹ thuật của tro bay, bao gồm khối lượng riêng, độ hoạt tính và phần trăm sót sàng 0.045 mm lần lượt là 2.25 g/cm 3 , 83.7% và 13.8%, thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật trong TCVN 10302:2014 [67] Ngoài ra, thành phần hóa học của tro bay được trình bày trong Bảng 3.3
Bảng 3.3 Thành phần hóa học của tro bay
Hàm lượng (% theo khối lượng) TCVN 10302:2014 Tro bay
Nước được dụng để làm vật liệu huyền phù đảm bảo không màu, không lẫn tạp chất, không váng dầu mỡ, độ pH từ 4 đến 2.5, thỏa mãn TCVN 4506:2012 [68]
3.1.2 Hệ nguyên vật liệu sản xuất bê tông a Xi măng
Xi măng PC40/PC50 (loại 1), sản xuất từ nhà máy xi măng Nghi Sơn, có tính chất tương tự với xi măng dùng cho vật liệu huyền phù (xem phần 3.1.1a) b Cát và đá
Cát và đá (Hình 3.2) trong nghiên cứu này được sử dụng làm cốt liệu tự nhiên trong bê tông Các chỉ tiêu cơ lý của cát và đá được đo theo TCVN 7572: 2006 [69] và kết quả được tổng hợp trong Bảng 3.4 Thành phần hạt của cát và đá được thể hiện ở Hình 3.3 và Hình 3.4 theo TCVN 7570:2006 [70] Nhìn chung, so với giới hạn về thành phần hạt, cát sông sử dụng trong nghiên cứu này có xu hướng tương đối mịn, trong khi đá có xu hướng hạt đường kính từ 10–12.5 mm tương đối lớn Tuy nhiên có thể tạm chấp nhận sử dụng để chế tạo bê tông trong nghiên cứu này
Hình 3.2 (a) Cát và (b) đá dăm Bảng 3.4 Chỉ tiêu cơ lý của cát và đá
Khối lượng thể tích (kg/m 3 ) 1481 1591 Độ hút nước (%) 0.66 0.50
Modul độ lớn 2.23 - Độ nén dập (%) - 2.36
Hình 3.3 Thành phần hạt của cát sông
Hình 3.4 Thành phần hạt của đá dăm c Cốt liệu bê tông tái chế RCA
Trong nghiên cứu này, ba loại RCA được chuẩn bị từ ba loại bê tông gốc khác nhau
Ba loại RCA với các mác khác nhau đại diện cho phần đập dỡ của hai loại công trình bê tông sử dụng bê tông mác thấp (200 và 300) và bê tông mác cao (600) [24] Nhằm kiểm soát các thông số đầu vào và đảm bảo giá trị cường độ mong muốn của các loại RCA, các bê tông gốc được tạo ra bằng cách đúc theo các cấp phối được đề xuất trong Bảng 3.5 Hệ nguyên vật liệu sử dụng để làm nên các RCA có tính chất tương tự với hệ nguyên vật liệu sử dụng cho bê tông như đã đề cập trong Phần 3.1.2a, b, d và e Các cấp phối được thiết kế theo TCVN 10306:2014 [54] và ACI 318-11 [58], và dựa trên một loạt các lần thử để đảm bảo bê tông không bị tách nước, phân tầng cũng như thỏa mãn các cường độ yêu cầu Tương tự như bê tông thông thường, các hỗn hợp bê tông được đổ vào các khuôn lập phương 150×150×150 mm và dưỡng hộ không khí trong 24 giờ Sau đó, các bê tông được dưỡng hộ trong nước trong 28 ngày ở điều kiện nhiệt độ phòng, khoảng 272C Để kiểm tra cường độ của các loại RCA, các mẫu bê tông sau 28 ngày được lấy ra khỏi bể dưỡng hộ và tiến hành kiểm tra cường độ chịu nén Thành phần cấp phối cho ba loại bê tông gốc để tạo ra RCA và kết quả cường độ chịu nén trung bình của các mẫu bê tông lập phương được thống kê trong Bảng 3.5
Bảng 3.5 Khối lượng thành phần cấp phối bê tông gốc của ba loại RCA
Khối lượng riêng của RCA (g/cm 3 ) Độ sụt (cm)
Cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi (MPa) M20 0.90 240 840 1018 216 - 2.49 20 22.0 M30 0.65 300 844 1018 195 - 2.52 8 33.4 M60 0.32 420 854 1068 134 1.2 2.56 18 61.3
X: xi măng PC40/PC50 loại 1, C: cát, Đ: đá, N: nước, PG: phụ gia hóa học
M20, M30 và M60: RCA đến từ bê tông gốc với mác thiết kế lần lượt là 200, 300 và
- không sử dụng Để tạo RCA, các mẫu bê tông sau khi thí nghiệm cường độ chịu nén được đập bằng búa thành các hạt cốt liệu RCA (xem Hình 3.5) với kích thước từ 5 đến 20 mm Sau đó, các RCA sau khi đập nhỏ được phân loại thành ba nhóm với tên lần lượt là M20, M30 và M60, ứng với RCA đến từ ba loại bê tông gốc với mác thiết kế lần lượt là
200, 300 và 600 Để đảm bảo độ đồng nhất, mỗi loại RCA được trộn đều trước khi thực hiện các thí nghiệm xử lý và đánh giá tiếp theo
Hình 3.5 RCA (a) mác 200 và (b) mác 600 trước khi xử lý
Phần vữa cũ trong các RCA loại M20 và M30 có xu hướng bị tách ra khỏi phần đá cũ, trong khi loại M60 không bị tách ra đáng kể Điều này có thể được giải thích do cường độ vùng chuyển tiếp bề mặt cũ trong M20 và M30 (giữa vữa cũ và đá cũ) yếu hơn so với M60, và có xu hướng giống với các nghiên cứu đi trước [36]–[38] Vì vậy, nhằm đánh giá các tính chất kỹ thuật của vữa sau khi xử lý bằng huyền phù, trong quá trình đập nhỏ các bê tông gốc, các RCA nếu không chứa hoặc chứa một lượng vữa quá ít (khoảng dưới 30% tổng thể tích hạt cốt liệu) đã bị loại bỏ Các chỉ tiêu cơ lý và thành phần hạt của các loại RCA được tổng hợp ở Bảng 3.6 và Hình 3.6
Bảng 3.6 Chỉ tiêu cơ lý của ba loại RCA
Khối lượng riêng (g/cm 3 ) 2.47 2.52 2.56 Độ hút nước (%) 8.69 6.83 4.97 Độ nén dập (%) 18.6 17.52 13.25
Hình 3.6 Thành phần hạt của các loại RCA với mác khác nhau
Từ Bảng 3.6, có thể thấy khối lượng riêng của RCA càng tăng khi cường độ bê tông gốc của chúng càng cao Trong khi đó, độ hút nước và độ nén dập của RCA càng giảm ứng với mác bê tông gốc tăng dần từ 200 đến 600 Điều này được lý giải do sự khác biệt về tính chất rỗng của vữa cũ có trong các loại RCA và sẽ được phân tích chi tiết hơn trong phần 4.1 Ngoài ra, kết quả thành phần hạt ở Hình 3.6 của cả 3 loại RCA đều nằm trong phạm vi cho phép theo TCVN 7570:2006 [70] d Phụ gia hóa học
SikaPlast ® -173 là loại phụ gia siêu dẻo và chậm đông kết cho bê tông, được sử dụng trong nghiên cứu này nhằm giảm lượng nước nhào trộn và đảm bảo độ sụt cho hỗn hợp bê tông SikaPlast ® -173 giúp duy trì độ sụt lâu, độ giảm nước cao, độ chảy cao và thúc đẩy sự phát triển cường độ ở tuổi sớm cho bê tông Liều dùng kiến nghị cho loại phụ gia này từ 0.5–2.0 L theo 100 kg xi măng (hoặc chất kết dính) Liều lượng điển hình là 0.8–1.2 L/100 kg xi măng hoặc chất kết dính [71] e Nước
Nước được sử dụng để làm vật liệu huyền phù và trộn bê tông, đảm bảo không màu, không lẫn tạp chất, không váng dầu mỡ, độ pH từ 4 đến 2.5, thỏa mãn TCVN 4506:2012 [68].
Phương pháp cải thiện RCA bằng huyền phù xi măng-tro bay
Theo Newman và Choo [72], mức độ xảy ra phản ứng pozzolanic của tro bay trong
24 giờ đầu là rất thấp Dựa trên kết quả từ các nghiên cứu trước, Shaban và cộng sự [21] nhận định rằng 4 giờ xử lý cho ra hiệu quả tối ưu nhất Trong khi đó, thời gian ngâm 48 giờ trong nghiên cứu của Nguyễn và cộng sự [29] cho ra hiệu quả tối ưu nhất Vì vậy, thời gian ngâm xử lý trong nghiên cứu này là 24 và 72 giờ để khảo sát mức độ cải thiện của RCA khi thời gian ngâm kéo dài đến 72 giờ Khối lượng thành phần trong huyền phù tính cho 1000 kg RCA được thể hiện trong Bảng 3.7
Bảng 3.7 Khối lượng thành phần trong huyền phù tính cho 1000 kg RCA
Tỉ lệ khối lượng (X+FA)/RCA
X: xi măng PC40/PC50 loại 1; FA: tro bay; N: nước; RCA: cốt liệu bê tông tái chế
Khối lượng bằng nhau giữa xi măng và tro bay sử dụng cho mỗi nồng độ huyền phù được đề xuất dựa trên nghiên cứu trước đây của Shaban và cộng sự [21] Nồng độ huyền phù trong nghiên cứu trước đây [21] được đề xuất là 20, 40 và 60% Tuy nhiên, nghiên cứu này sử dụng ba loại nồng độ huyền phù lần lượt là 30, 50 và 70% Mục đích của việc thay đổi này là vì thông qua một loạt các lần ngâm thử, việc sử dụng
2000 lít nước cho mỗi 1000 kg RCA như nghiên cứu trước [21] đã gây khó khăn cho quá trình khuấy trong khoảng thời gian ngâm xử lý Vì vậy, lượng nước cần cho mỗi lần ngâm đã được đề xuất tăng lên 3000 lít trong nghiên cứu này để tăng tính lưu động của huyền phù, đảm bảo độ nhớt của huyền phù là vừa đủ để RCA có thể hấp thụ huyền phù và từ đó cải thiện tính chất RCA Ngoài ra, tỷ lệ chất kết dính/nước trong nghiên cứu này là 0.10, 0.17 và 0.23, trong khi tỷ lệ chất kết dính/nước trong nghiên cứu của Shaban và cộng sự [21] là 0.10, 0.20 và 0.30
Phương pháp xử lý bằng huyền phù xi măng-tro bay được tiến hành như Hình 3.7 (1) tất cả các thành phần vật liệu làm nên huyền phù được cân cẩn thận theo Bảng 3.7 sử dụng cân điện tử với độ chính xác 0.01 g; (2) hỗn hợp xi măng và tro bay được trộn đều để tạo ra hỗn hợp khô đồng nhất như Hình 3.7a–b; (3) tất cả nước được đổ vào để tạo ra huyền phù xi măng-tro bay như Hình 3.7c và sử dụng bay để khuấy đều trong 2 phút; (4) RCA trước khi xử lý được rây qua sàng 5 mm để loại bỏ các hạt cốt liệu nhỏ hơn, sau đó được đổ vào hỗn hợp huyền phù (Hình 3.7d) và tiếp tục khuấy đều trong 2 phút; (5) cách mỗi tiếng, hỗn hợp huyền phù và RCA được khuấy một lần trong 2 phút ứng với mỗi thùng để đảm bảo hỗn hợp huyền phù không bị đông cứng bởi các phản ứng hydrat hóa và pozzolanic của xi măng và tro bay (Hình 3.7e)
Hình 3.7 Các bước xử lý RCA bằng huyền phù xi măng-tro bay
Sau khi hoàn thành khung thời gian xử lý, các RCA trong mỗi thùng được khuấy thêm một lần nữa trước khi vớt RCA ra khỏi thùng huyền phù Mục đích của công việc này nhằm khiến phần xi măng và tro bay bị lắng xuống ở dưới bể không bị vớt lên chung với các RCA Khi khuấy lên ở bước cuối, các vật liệu huyền phù được hòa tan trong nước và việc lấy RCA trở nên dễ dàng hơn RCA sau khi vớt (Hình 3.8) được phơi ngoài không khí trong khoảng 2–3 tiếng để đảm bảo trạng thái cốt liệu là bão hòa nước khô bề mặt (SSD) Mục đích của việc sử dụng RCA ở trạng thái SSD kể cả trước và sau khi xử lý nhằm đảm bảo RCA không hút một phần lượng nước nhào trộn trong bê tông, khiến hỗn hợp bê tông giảm độ sụt [73]
Hình 3.8 RCA sau khi vớt ra khỏi bể huyền phù
Sau khi RCA đạt trạng thái SSD, toàn bộ RCA được rây qua sàng 0.8 mm để loại bỏ tất cả các phần vật liệu huyền phù còn bám trên RCA Hình 3.9 cho thấy sự khác nhau giữa RCA trước và sau khi xử lý Có thể thấy cả vữa và phần đá cũ trong RCA sau khi xử lý đều được bọc bởi một lớp huyền phù xi măng-tro bay Lớp huyền phù này bao bọc, giúp bề mặt của RCA đều và đặc chắc hơn
Hình 3.9 RCA trước và sau khi xử lý bằng huyền phù xi măng-tro bay
Trước khi tiến hành các phân tích cấu trúc của RCA, mẫu RCA với kích thước nhỏ hơn (2.5–5 mm) được sử dụng Phân tích cấu trúc được tiến hành trên các loại RCA trước và sau khi xử lý trong huyền phù với nồng độ tối ưu nhất Để tạo ra các hạt RCA với kích thước nhỏ, RCA ban đầu (5–20 mm) được đưa vào xi lanh (dụng cụ để đo độ nén dập) và sử dụng máy nén để nghiền thành cốt liệu nhỏ hơn Sau đó, mẫu RCA được ngâm trong acetone ít nhất 24 giờ để tránh các phản ứng hydrat hóa và pozzolanic tiếp tục xảy ra do vật liệu huyền phù có trong RCA Sau đó, các mẫu được đưa vào trong bình hút ẩm tối thiểu 24 giờ và hoàn thành bước chuẩn bị cho bước phân tích cấu trúc bề mặt được trình bày ở mục 3.2.2.2
3.2.2 Phương pháp đánh giá các tính chất của RCA trước và sau khi xử lý bằng huyền phù xi măng-tro bay
3.2.2.1 Tính chất kỹ thuật của RCA
RCA với cỡ hạt từ 5–20 mm trước và sau khi xử lý được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của phương pháp xử lý bằng huyền phù xi măng-tro bay đến các tính chất kỹ thuật của RCA, bao gồm độ hút nước, độ nén dập và thành phần hạt Phương pháp xác định độ hút nước và độ nén dập của RCA được tiến hành tuân theo TCVN 7572:2006 [69] Thành phần hạt của các RCA sau khi xử lý được tiến hành với phạm vi tương tự với đá dăm theo TCVN 7570:2006 [70] Thí nghiệm được thực nghiệm tại điều kiện Phòng thí nghiệm với nhiệt độ phòng khoảng 272C Độ hút nước và độ nén dập của các RCA (M20, M30 và M60) trong tất cả các thời gian ngâm (24 và
72 giờ) và nồng độ huyền phù (30, 50 và 70%) được đánh giá và so sánh, trong khi thành phần hạt của RCA được đánh giá dựa trên thời gian ngâm và nồng độ huyền phù tối ưu nhất ứng với mỗi loại RCA Tối thiểu 3 lần thí nghiệm ứng với mỗi kết quả được thực hiện và đảm bảo sai lệch giữa các lần đo không vượt quá 10% Kết quả cuối cùng được ghi nhận bằng cách lấy kết quả trung bình giữa các lần đo
3.2.2.2 Tính chất vi mô của RCA a Cấu trúc lỗ rỗng của RCA
Cấu trúc lỗ rỗng của RCA, bao gồm sự phân bố cấu trúc lỗ rỗng và tổng thể tích lỗ rỗng được phân tích thông qua thiết bị thủy ngân xâm nhập lỗ rỗng (MIP: mercury intrusion porosimetry) Mẫu được đặt trong một thiết bị chứa mẫu và thủy ngân được bơm vào trong thiết bị chứa mẫu Khi áp suất tăng lên, thủy ngân bị ép đẩy vào các lỗ rỗng bên trong RCA, từ đó, hình dáng và kích thước của các lỗ rỗng được xác định Kết quả đường kính lỗ rỗng từ thiết bị này được tính toán dựa trên công thức (3.1) của Washburn [74]
Trong đó: D là đường kính lỗ rỗng (μm), là sức căng bề mặt của thủy ngân (bằng
480 mN/m), là góc tiếp xúc của thủy ngân lên mẫu (140) và P là áp lực tại thời điểm thủy ngân được đẩy vào lỗ rỗng (mN/m 2 )
Trong nghiên cứu này, thiết bị MIP (PoreMaster 60, Quantachrome Instruments, Florida, USA) (xem Hình 3.10a) được sử dụng để đo định lượng sự phân bố kích cỡ lỗ rỗng và tổng thể tích lỗ rỗng (xét lỗ rỗng gel, lỗ rỗng mao quản cỡ vừa và lỗ rỗng mao quản cỡ lớn) có trong RCA trước và sau khi xử lý Thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm với nhiệt độ duy trì 20C Khoảng 1.5 g mẫu RCA với cỡ hạt 2.5–5 mm (chủ yếu chứa vữa cũ) được sử dụng để phân tích và được đặt vào dụng cụ chứa mẫu như Hình 3.10b Mỗi kết quả phân tích được trải qua 2 giai đoạn: phân tích dưới áp lực thấp và phân tích dưới áp lực cao Ở giai đoạn phân tích áp lực thấp, mẫu được đặt vào buồng (Hình 3.10c) với áp lực cao nhất là 0.345 MPa để bơm thủy ngân vào mẫu và đo sơ bộ kích thước của các dạng lỗ rỗng khí (0.05–1 mm) Sau đó, mẫu được đặt vào dụng cụ chứa mẫu như Hình 3.10d để chuẩn bị cho giai đoạn phân tích dưới áp suất cao Trong giai đoạn này, áp suất được tăng đến tối đa 414 MPa và từ đó, cả kích thước các loại lỗ rỗng gel và lỗ rỗng mao quản đều được ghi nhận Trong nghiên cứu này, lỗ rỗng gel được xem là lỗ rỗng với đường kính nhỏ hơn 0.01 μm, lỗ rỗng mao quản trung bình với kích thước khoảng 0.01–0.1 μm và lỗ rỗng mao quản lớn khoảng 0.1–10 μm dựa theo quy ước của một loạt các nghiên cứu đi trước [75]–[79]
Hình 3.10 Thiết bị phân tích cấu trúc lỗ rỗng của RCA trước và sau khi xử lý b Cấu trúc bề mặt của RCA
Cấu trúc bề mặt của RCA trước và sau khi xử lý được đánh giá thông qua kính hiển vi điện tử quét (Japan Electron Co., Ltd JSM-6010PLUS/LA) như Hình 3.11a Thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện Phòng thí nghiệm với nhiệt độ duy trì 20C Mẫu sau khi được chuẩn bị được đặt trên một khay đựng mẫu như Hình 3.11b Để ngăn ngừa khả năng hư hỏng hình ảnh phát sinh do tích điện trên bề mặt mẫu, một loại lớp phủ bạch kim (Pt) được phủ lên bề mặt mẫu trước khi tiến hành quan sát như Hình 3.11c–d Phân tích được tiến hành trên RCA trước và sau khi xử lý ở nồng độ và thời gian ngâm tối ưu nhất dựa trên kết quả độ nén dập và độ hút nước Hình ảnh cấu trúc bề mặt được quan sát ở hai mức độ phóng đại là 500 và 2000 lần, với điện áp gia tốc là 20 kV để thu được hình ảnh chất lượng cao
Hình 3.11 (a) kính hiển vi điện tử quét, (b) mẫu trước khi phủ Pt, (c) thiết bị phún xạ ion để phủ Pt lên bề mặt mẫu và (d) mẫu sau khi được phủ Pt
Bê tông sử dụng RCA
3.3.1 Thiết kế cấp phối bê tông
Trong nghiên cứu này, bê tông không sử dụng RCA được thiết kế dựa trên TCVN 10306:2014 [54] với cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi là 70 MPa (mẫu lập phương 150×150×150 mm) Quy trình tính toán cấp phối được trình bày như sau:
- Bước 1: Lựa chọn độ sụt và cường độ chịu nén trung bình yêu cầu
Cường độ mẫu bê tông quy đổi từ mẫu lập phương (150×150×150 mm) về mẫu hình trụ (150×300 mm) là f’c = 70 × 1.00/1.2 = 58.3 MPa (3.2) theo TCVN 3118:2022 [80] Theo TCVN 10306:2014 [58], để đảm bảo an toàn, cường độ chịu nén yêu cầu trung bình là f’cr = 1.1f’c + 4.8 = 68.9 MPa (3.3) Độ sụt được đề xuất nằm trong khoảng 182 cm, phù hợp cho các cấu kiện đổ bằng bê tông bơm theo TCVN 4553:1995 [81]
Theo TCVN 10306:2014, cường độ bê tông trên 62 MPa kiến nghị Dmax cốt liệu là 9.5–12.5 mm, tuy nhiên vì mẫu được đặt trong khuôn 100×100×100 mm, và theo ACI318, Dmax không nên vượt quá 1/5 kích thước nhỏ nhất của cấu kiện, tức 20 mm Vì vậy Dmax được đề xuất trong nghiên cứu này đối với cốt liệu lớn là 20 mm
Vì Dmax = 20 mm, sử dụng phương pháp loại suy xác định được VCA = 0.722; Vậy khối lượng đá bằng:
- Bước 4: Lượng nước nhào trộn Độ sụt của hỗn hợp dự kiến khoảng 7.5–10 cm nếu không sử dụng phụ gia Vì vậy lượng nước nhào trộn là 180.5 kg/m 3 Độ rỗng của cát: o a
Lượng nước điều chỉnh: N 180.5 44.1% 35% 4.72 181.8 (kg / m ) 3
Theo kinh nghiệm, phụ gia có khả năng giảm 1% lượng nước nhào trộn trong bê tông, vậy lượng nước cuối cùng dùng trong bê tông là N = 181.8×99% 180(kg/m 3 )
Hàm lượng khí cuốn vào dựa trên Bảng 5 (TCVN 10306:2014 [54]) khi bê tông có sử dụng phụ gia là 1.4%
- Bước 5: Lựa chọn tỉ lệ N/X
Vì cường độ trung bình yêu cầu như tính toán ở bước 1 là 68.9MPa > 62 MPa, loại suy từ bảng Bảng 6 (TCVN 10306:2014 [54]) tỉ lệ N/X là 0.31
- Bước 6: Lượng xi măng dùng
Cấp phối tính toán theo TCVN 10306:2014 được tổng hợp trong Bảng 3.8 Vì sử dụng loại xi măng PC40/PC50, bê tông nếu sử dụng ở tỉ lệ N/X là 0.31 sẽ rất cao và lãng phí Vì vậy, lượng xi măng điều chỉnh được giảm xuống đáng kể dựa trên thực nghiệm Ngoài ra, các yếu tố khác về lượng cát, đá, nước được cân chỉnh dựa trên thực nghiệm trên cấp phối đối chứng (CC) để đạt được độ sụt (182 cm) và cường độ thiết kế (70 MPa) Sau khi thiết kế cấp phối đối chứng, các cấp phối sử dụng RCA được tính toán dựa trên cấp phối đối chứng nhằm khảo sát mức độ ảnh hưởng của các loại RCA cũng như phương pháp xử lý huyền phù cho RCA đến các tính chất kỹ thuật của bê tông Bảng 3.9 quy ước cách gọi tên các cấp phối tiến hành trong nghiên cứu này
Bảng 3.8 Thành phần cấp phối cho 1m 3 bê tông
Thành phần trong 1 m 3 bê tông
Chú thích: CLL a - khối lượng riêng của cốt liệu lớn (đá dăm đối với CC và RCA đối với các mẫu còn lại); N - nước; X - xi măng; Đ - Đá; RCA - cốt liệu bê tông tái chế;
C - cát; CLN/TCL - tỉ lệ cốt liệu nhỏ trên tổng cốt liệu theo thể tích
Bảng 3.9 Chi tiết tên cấp phối
CC Cấp phối đối chứng không sử dụng RCA (100% đá dăm)
U20 Cấp phối sử dụng RCA loại M20 chưa xử lý thay thế 50% đá dăm
U30 Cấp phối sử dụng RCA loại M30 chưa xử lý thay thế 50% đá dăm
U60 Cấp phối sử dụng RCA loại M60 chưa xử lý thay thế 50% đá dăm
T20 Cấp phối sử dụng RCA loại M20 đã xử lý thay thế 50% đá dăm
T30 Cấp phối sử dụng RCA loại M30 đã xử lý thay thế 50% đá dăm
T60 Cấp phối sử dụng RCA loại M60 đã xử lý thay thế 50% đá dăm
Quy trình nhào trộn cho các cấp phối bê tông được tổng hợp trong Hình 3.12 Quá trình đúc được diễn ra ngoài trời với nhiệt độ môi trường khoảng 25–30C Cốt liệu lớn được chuẩn bị ở trạng thái SSD Quy trình nhào trộn chi tiết được trình bày như sau:
- Làm ẩm máy trộn và tất cả các dụng cụ Máy trộn được làm ẩm bằng cách sử dụng khoảng 1 lít hỗn hợp vữa tươi (bao gồm cát, đá và xi măng) và quét đều vào thành và cánh máy trộn Các dụng cụ thí nghiệm khác được làm ẩm bằng nước
- Sau đó, tất cả lượng xi măng và cát được đổ vào trước và trộn đều trong 60 giây để tạo thành hỗn hợp cốt liệu mịn khô
- Dừng mỏy trộn, sau đú đổ ẵ lượng nước (trong đú chứa toàn bộ lượng phụ gia đã trộn đều) vào hỗn hợp khô và tiếp tục nhào trộn trong 30 giây
- Dừng máy trộn và sử dụng bay cạo thành máy trộn trong khoảng 60 giây
- Sau đó, đổ tất cả lượng đá và RCA vào và quay trong 120 giây Sau 30 giây đầu, trong lỳc mỏy trộn đang quay, ẵ lượng nước cũn lại (khụng bao gồm phụ gia) được đổ vào trong 30 giây Sau đó, để máy quay 60 giây cuối để hoàn tất quy trình nhào trộn hỗn hợp bê tông
Hình 3.12 Quy trình nhào trộn
Lượng RCA thay thế trong mỗi cấp phối là 50% dựa trên sự lựa chọn từ các nghiên cứu trước đây [29], [30], [42], [82], [83] Các chỉ tiêu được khảo sát (cường độ chịu nén ở 3, 7, 14, và 28 ngày tuổi với mẫu lập phương 100×100×100 mm; cường độ chịu kéo khi uốn ở 7 và 28 ngày tuổi với mẫu 100×100×400 mm; độ hút nước ở 28 ngày tuổi với mẫu 100×100×100 mm)
3.3.3 Phương pháp thử độ sụt, đúc mẫu và dưỡng hộ Độ sụt trong nghiên cứu này được kiểm tra bằng cách dùng côn N1 với kích thước đường kính nhỏ d = 1002 mm, đường kính lớn D = 2002 mm, chiều cao h = 3002 mm Phương pháp thí nghiệm độ sụt được xác định theo TCVN 3106:2022 [84] Độ sụt cho mỗi cấp phối được kiểm tra bằng cách ghi nhận độ chênh lệch chiều cao giữa miệng côn với điểm cao nhất của khối hỗn hợp bê tông sau khi nhấc côn (Hình 3.13)
Hình 3.13 Đo độ sụt của hỗn hợp bê tông
Quy trình đúc mẫu được thực hiện theo TCVN 3105:2022 [85] Các khuôn được quét một lớp dầu mỏng trước khi đổ hỗn hợp bê tông vào khuôn Bê tông được dưỡng hộ trong khuôn ở nhiệt độ Phòng thí nghiệm (khoảng 272C) trong 244 giờ Để tránh việc mất nước nhanh làm co ngót trong 24 giờ đầu và giảm chất lượng mẫu thử, sau khi hỗn hợp bê tông cho vào khuôn, tấm nilong được sử dụng để che phủ toàn bộ bề mặt của nhóm mẫu và bổ sung thêm một lớp khăn ẩm nhằm duy trì độ ẩm cho bề mặt mẫu
Hình 3.14 Hỗn hợp bê tông sau khi cho vào khuôn 100×100×100 mm
Sau 24 giờ dưỡng hộ trong khuôn, tiến hành tháo khuôn, ghi nhãn lên các mẫu và dưỡng hộ Trong nghiên cứu này, mẫu được dưỡng hộ trong bể nước ở nhiệt độ phòng thí nghiệm (khoảng 272C) cho đến ngày tuổi mong muốn (xem Hình 3.15) và tiến hành thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý
Hình 3.15 Mẫu bê tông được dưỡng hộ trong bể nước 3.3.4 Phương pháp đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông
Các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông có và không có sử dụng RCA được đánh giá thông qua giá trị cường độ chịu nén ở 3, 7, 14, và 28 ngày; cường độ chịu kéo khi uốn ở 7, và 28 ngày; độ hút nước của bê tông ở 28 ngày
Tổng kết chương 3
Phương pháp thí nghiệm và quy trình thực hiện trong nghiên cứu này được tổng hợp trong Hình 3.17
Hình 3.17 Tổng hợp phương pháp thực nghiệm