Nghiên cứu sử dụng Metakaolin Việt Nam chế tạo bê tông cường độ cao, ứng dụng cho công trình thủy lợi

Nhưng công trình này mới chỉ nghiên cứu về cường độ bê tông, mà chưa nghiên cứu về mác chống thấm, khả năng chịu kéo khi ép chẻ của bê tông… Đề tài luận văn này nghiên cứu tiếp tục cả cư

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Trịnh Quang Minh và TS Vũ Quốc Vương, Trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội, các thầy cô trong khoa Công trình đã tận tụy giảng dạy tác giả trong suốt quá trình học đại học và cao học tại trường

Tuy đã có những cố gắng, song do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế, luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót, tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo,các anh chị em

và bạn bè đồng nghiệp Tác giả rất mong muốn những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát triển ở mức độ nghiên cứu sâu hơn, góp phần ứng dụng những kiến thức khoa học vào phục vụ đời sống và sản xuất

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 21 tháng 05 năm 2014

HỌC VIÊN

Chu Mạnh Quân

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên học viên: CHU MẠNH QUÂN

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu sử dụng Metakaolin Việt Nam chế tạo bê tông cường độ cao, ứng dụng cho công trình thủy lợi”

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn do tôi làm, những kết quả nghiên cứu thí nghiệm, tính toán trung thực Trong quá trình làm luận văn tôi có tham khảo các tài liệu liên quan nhằm khẳng định thêm sự tin cậy và tính cấp thiết của đề tài Tôi không sao chép từ bất kỳ nguồn nào khác, nếu vi phạm tôi xin chịu trách nhiệm trước Khoa và Nhà trường

Hà Nội, ngày 21 tháng 05 năm 2014

Học viên

Chu Mạnh Quân

MỤC LỤC

M Ở ĐẦU ………1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI Ở VIỆT NAM VÀ CÁC NGHIÊN CỨU METAKAOLIN TRÊN THẾ GIỚI ……… 5

1.1 Tình hình xây dựng công trình Thủy Lợi ở Việt Nam ……… 5

1.2 Tình hình nghiên cứu Metakaolin trên thế giới ……… 9

1.2.1 Tính chất của Metakaolin ……… 9

1.2.2 Ảnh hưởng của Metakaolin đến tính chất của bê tông ……… 11

1.3 Kết luận chương ……… 21

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM……… 23

2.1 Vật liệu sử dụng để sản xuất bê tông cường độ cao ……… 23

2.1.1 Metakaolin ……… 23

2.1.2 Xi măng ……… 24

2.1.3 Cát ……… 26

2.1.4 Đá ……… 29

2.1.5 Nước ……… 31

2.1.6 Phụ gia ……… 31

2.2 Thành phần cấp phối và phương pháp thí nghiệm……… 32

2.2.1 Thành phần cấp phối ……… 32

2.2.2 Công tác chuẩn bị ……… 33

2.2.3 C ông tác đúc mẫu ……… 35

2.3 Phương pháp thí nghiệm mẫu……… 38

2.3.1 Phương pháp xác định cường độ chịu nén ……… 38

2.3.2 Phương pháp xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ ……… 39

2 3.3 Phương pháp xác định độ chống thấm ……… 40

2.4 Kết luận chương 2……… 41

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM, ỨNG DỤNG VÀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG BÊ TÔNG SỬ DỤNG METAKAOLIN ……… 43

3.1 Kết quả thí nghiệm và bàn luận……… 43

3.1.1 Thí nghiệm hỗn hợp bê tông ……… 43

3.1.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén bê tông ……… 45

3.1.3 Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ bê tông……… 51

3.1.4 Thí nghiệm xác định độ chống thấm của bê tông ……… 54

3.2 Khả năng ứng dụng bê tông sử dụng vật liệu Metakaolin Việt Nam ………… 57

3.3 Công nghệ thi công bê tông ……… 58

3.4 Kết luận chương 3 ……… 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……… 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 62

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Thủy điện Sơn La ……… 5

Hình 1.2: Thủy điện Lai Châu ………6

Hình 1.3: Thủy điện Bản Chát ……… 6

Hìn h 1.4: Biểu đồ độ hút nước của các mẫu bê tông theo nghiên cứu của Khatib và Clay ……… 12

Hình 1.5: Biểu đồ thay đổi bán kính các lỗ rỗng trong bê tông ứng với các mẫu có Metakaolin [Khatib và Wild, 1996] ……… 14

Hình 1.6 C ường độ nén của mẫu vữa xi măng [Li và Ding, 2003]……… 18

Hình 1.7: Biểu đồ kết quả thí nghiệm của Courard và đồng nghiệp (2003) về cường độ chịu uốn của vữa ……… 20

Hình 2.1: Vật liệu Metakaolin ……… 24

Hình 2 2: Xi măng PCB30 ……… 25

Hình 2.3: Cân điện tử phục vụ thí nghiệm thành phần cấp phối cát ……… 27

Hình 2.4: Máy sàng điện và bộ sàng tiêu chuẩn ……… 27

Hình 2.5: Biểu đồ đường cấp phối cát ……… 28

Hình 2.6: Cân điện tử phục vụ thí nghiệm thành phần cấp phối đá ……… 29

Hình 2.7 : Phụ gia Vmat-PC01 ……… 32

Hình 2.8 : Máy trộn bê tông và khay chứa vật liệu ……… 34

Hình 2.9: Bàn rung và côn đo độ sụt ……… 34

Hình 2.10: Máy thí nghiệm nén, ép chẻ và thí nghiệm độ chống thấm ………… 35

Hình 2.11 : Bộ thí nghiệm ép chẻ bê tông ……… 40

Hình 2.12 : Sơ đồ máy thí nghiệm độ chống thấm ……… 41

Hình 3.1: Mẫu bê tông sau khi nén và kết quả nén ……… 46

Hình 3.2: Biểu đồ cường độ chịu nén của mẫu bê tông (sử dụng xi măng PCB30) ……… 49

Hình 3.3 : Biểu đồ cường độ chịu nén của mẫu bê tông với tỉ lệ MK khác nhau (sử dụng xi măng PC40) ……… 51

Hình 3.4: Biểu đồ cường độ chịu kéo khi ép chẻ bê tông ……… 54

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Kết quả đánh giá ảnh đến môi trường khi sản xuất Metakaolin theo

phương pháp đèn chớp và sản xuất xi măng ……… 9

Bảng 1.2: Thành phần hóa học của Metakaolin ……… 11

Bảng 1.3 Kết quả thí nghiệm của Courard và đồng nghiệp (2003) về độ hút nước (% khối lượng) của các mẫu vữa có xi măng CEM I 42.5, Metakaolin và Kaolin ……… 12

Bảng 1.4: Đường kính trung bình lỗ rỗng của vữa [Poon và đồng nghiệp, 2001]……… 15

Bảng 1.5: Kết quả thí nghiệm cường độ bê tông của Wild và đồng nghiệp (1996) 16

Bảng 1.6: Kết quả thí nghiệm nghiên cứu của Brooks và Johari (2001) ………… 17

Bảng 1.7: Kết quả thí nghiệm của Qian và Li (2001) về cường độ chịu kéo …… .19

Bảng 1.8: Kết quả thí nghiệm của Qian và Li (2001) về cường độ chịu uốn …… 19

Bảng 2.1: Thành phần hóa học của Metakaolin ……… 23

Bảng 2.2: Tính chất hóa lý của Metakaolin Việt Nam ……… 24

Bảng 2.3: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của xi măng PCB30 ……… 25

Bảng 2.4: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của xi măng PC40 ……… 26

Bảng 2.5: Tổng hợp thí nghiệm thành phần hạt của cát ……… 28

Bảng 2.6 : Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu cát ……… 29

Bảng 2.7: Tổng hợp thí nghiệm thành phần hạt của đá ……… 30

Bảng 2.8 : Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đá ……… 31

Bảng 2.9: Cấp phối bê tông ……… 33

Bảng 2.10: Thành phần chất kết dính trong cấp phối bê tông ……… 33

Bảng 2.11: Số lượng mẫu đúc để thí nghiệm (sử dụng xi măng PCB30) ……… 36

Bảng 2.12: Số lượng mẫu đúc để thí nghiệm (sử dụng xi măng PC40) ………… 36

Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm độ sụt của hỗn hợp bê tông ……… 44

Bảng 3.2: Cường độ chịu nén của mẫu bê tông có 0% Metakaolin (sử dụng xi măng PCB30) ……… 47 Bảng 3.3: Cường độ chịu nén của mẫu bê tông có 10% Metakaolin (sử dụng

xi măng PCB30) ……… 47

Bảng 3.4: Cường độ chịu nén của mẫu bê tông có 20% Metakaolin (sử dụng xi măng PCB30) ……… 47

Bảng 3.5: Cường độ chịu nén của mẫu bê tông có 30% Metakaolin (sử dụng xi măng PCB30) ……… 48

Bảng 3.6: Cường độ chịu nén của mẫu bê tông có 0% Metakaolin (sử dụng xi măng PC40) ……… 48

Bảng 3.7: Cường độ chịu nén của mẫu bê tông có 10% Metakaolin (sử dụng xi măng PC40) ……… 48

Bảng 3.8: Cường độ nén của các tổ mẫu bê tông (sử dụng xi măng PCB30) …… 49

Bảng 3.9: Cường độ nén của các tổ mẫu bê tông (sử dụng xi măng PC40) …… 51

Bảng 3.10: Cường độ ép chẻ của mẫu bê tông có 0% Metakaolin ……… 52

Bảng 3.11: Cường độ ép chẻ của mẫu bê tông có 10% Metakaolin ……… 53

Bảng 3.12: Cường độ ép chẻ của mẫu bê tông có 20% Metakaolin ……… 53

Bảng 3.13: Cường độ ép chẻ của mẫu bê tông có 30% Metakaolin ……… 53

Bảng 3.14: Cường độ ép chẻ của các tổ mẫu bê tông ……… 54

Bảng 3.15: Kết quả thí nghiệm độ chống thấm của các tổ mẫu bê tông (sử dụng xi măng PCB 30) ……… 55

Bảng 3.16: Kết quả thí nghiệm độ chống thấm của các tổ mẫu bê tông (sử dụng xi măng PC 40) ……… 56

Bảng 3.17: Độ chống thấm của các tổ mẫu bê tông ……… 56

MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Quá trình sản xuất xi măng thải ra môi trường một hàm lượng rất lớn

CO2 Như chúng ta đã biết, thành phần chính của xi măng là clanhke, trong đó hàm lượng canxi oxit chiếm một tỷ lệ đáng kể Quá trình sản xuất CaO bằng cách nung đá vôi sẽ thải ra môi trường một hàm lượng CO2 lớn theo phương trình (1):

CaCO3 = CaO + CO2↑ (1) 100g 56g 44g

Ngoài ra quá trình nung các ô xít canxi, ô xít nhôm, ô xít sắt, ô xít silic

… để tạo ra clanhke đòi hỏi nhiệt độ lên tới 1400 - 1500°C, tiêu tốn một nhiệt năng rất lớn, và hàm lượng CO2 thải ra môi trường do quá trình nung này lên đến 400-500 kg/tấn clanhke

Như vậy có thể thấy rằng, để sản xuất 1 tấn xi măng, lượng khí thải

CO2 ra môi trường cũng xấp xỉ 1 tấn CO2 Trong đó, ngành công nghiệp xây dựng đang ngày càng tiêu thụ một hàm lượng lớn xi măng Theo thông tin của http://ashui.com/mag/vatlieu-thietbi/vat-lieu-xay-dung/2610-xi-mang-

novacem-se-thay-the-xi-mang-portland.html [25] thống kê trên thế giới cho đến năm 2009, có đến 2,8 tỉ tấn xi măng được sản xuất, lượng khí CO2 thải ra môi trường chiếm 5% tổng lượng khí thải toàn cầu Chính vì vậy việc tìm kiếm một loại vật liệu khác thân thiện với môi trường, để thay thế một phần xi măng có một ý nghĩa rất thiết thực

Bê tông sử dụng cho công trình thủy lợi thông thường là những vật liệu

có mác từ 20-30 Mpa, đối với một số cấu kiện đặc biệt có thể sử dụng bê tông mác cao hơn Tuy nhiên, đối với bê tông thường mác từ 20-30 Mpa khả năng

chống thấm không cao Đây là một trong những tính chất khá quan trọng đối với vật liệu xây dựng công trình thủy lợi Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng mác chống thấm của bê tông không chỉ phụ thuộc vào cường độ của bê tông,

mà còn phụ thuộc vào thành phần cấp phối sử dụng Việc sử dụng bê tông mác rất cao chỉ để cải thiện mác chống thấm cho bê tông đôi khi rất lãng phí,

do đó việc chế tạo loại bê tông mác cao vừa phải, nhưng có mác chống thấm cao để xây dựng công trình thủy lợi là giải pháp kinh tế

Metakaolin (MK) là vật liệu khoáng hoạt tính có các tác dụng hóa lý,

có khả năng kết hợp với vôi để tạo ra chất kết dính cải thiện cường độ của bê tông Ngoài ra Metakaolin có thể len lỏi vào các lỗ rỗng của bê tông để tăng

độ chặt cho bê tông, từ đó tăng mác chống thấm cho bê tông Đối với vật liệu Metakaolin truyền thống khi sản xuất ra 1 tấn Metakaolin thì sản sinh ra môi trường 150 – 200 kg CO2, khi sản xuất theo phương pháp “flash”: để sản xuất

ra 1 tấn Metakaolin sẽ sản sinh ra 96kg CO2 theo tài liệu nghiên cứu của Trịnh Quang Minh [2] Như vậy việc sản xuất xi măng gây ô nhiễm môi trường hơn sản xuất Metakaolin, khi sản xuất 1 tấn xi măng sẽ thải ra môi trường lượng CO2 nhiều gấp khoảng 5 - 10 lần lượng CO2 thải ra do sản xuất

Ở Việt Nam, theo tài liệu [13], nguồn tài nguyên để sản xuất Metakaolin là rất lớn với trữ lượng Kaolin vào khoảng 900 triệu tấn Nhưng việc nghiên cứu sử dụng Metakaolin ở nước ta lại hạn chế, chỉ có công trình

nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất Metakaolin của KS Trần Quốc Tế [12] Nhưng công trình này mới chỉ nghiên cứu về cường độ bê tông, mà chưa nghiên cứu về mác chống thấm, khả năng chịu kéo khi ép chẻ của bê tông…

Đề tài luận văn này nghiên cứu tiếp tục cả cường độ bê tông và đặc biệt nghiên cứu cả độ chống thấm, khả năng chịu kéo khi ép chẻ khi sử dụng vật liệu Metakaolin để thay thế một phần xi măng trong bê tông

1.2 Mục đích của đề tài

Sử dụng vật liệu Metakaolin để sản xuất bê tông đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới, nhưng ở Việt Nam thì mới nghiên cứu bước đầu và chỉ dừng lại ở nghiên cứu cường độ bê tông pha phụ gia Metakaolin Việc nghiên cứu

sử dụng vật liệu Metakaolin ở Việt Nam để sản xuất bê tông cường độ cao, cải thiện được độ chống thấm sẽ mở ra một hướng mới trong việc sản xuất bê tông, giúp cho giảm lượng xi măng trong bê tông, đồng thời giảm ô nhiễm môi trường do sản xuất xi măng gây nên, giúp giảm giá thành khi sử dụng bê tông chống thấm cao đặc biệt là công trình thủy lợi Chính vì vậy mục đích nghiên cứu của đề tài là:

- Tìm hiểu về vật liệu sử dụng và phương pháp thí nghiệm

- Lựa chọn phương pháp thí nghiệm và thí nghiệm mẫu

- Nghiên cứu bê tông pha phụ gia Metakaolin

- Đánh giá kết quả thu được và bàn luận

- Ứng dụng và công nghệ thi công bê tông

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu vật liệu Metakaolin Việt Nam và sử dụng vật liệu này để sản xuất bê tông cường độ cao áp dụng cho công trình thủy lợi

1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở các tài liệu thu thập được về vật liệu Metakaolin và việc sử dụng vật liệu Metakaolin để sản xuất bê tông trên thế giới, tổng hợp các tài liệu liên quan từ đó đưa ra các giải pháp nghiên cứu và thực hiện

Phương pháp nghiên cứu: thí nghiệm trên mẫu bê tông với tỷ lệ Metakaolin thay đổi từ 0%, 10%, 20%, 30% Thí nghiệm xác định cường độ nén, kéo khi ép chẻ, độ chống thấm của mẫu bê tông và tổng hợp đánh giá kết quả thu được

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI Ở VIỆT NAM VÀ CÁC

NGHIÊN CỨU METAKAOLIN TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Tình hình xây dựng công trình Thủy Lợi ở Việt Nam

Hiện nay ở nước ta có rất nhiều các công trình thủy lợi đã và đang được xây dựng, bao gồm các đập thủy điện, các công trình kè, cống, kênh mương,

… Các công trình thủy lợi ở nước ta đều được xây dựng bằng nhiều vật liệu như: đất, đá, bê tông, bê tông cốt thép, … Đặc biệt các công trình, cấu kiện công trình được xây dựng bằng vật liệu bê tông đã và đang được sử dụng rất nhiều, rộng rãi nhất Do vật liệu bê tông sử dụng cho các công trình, cấu kiện công trình có nhiều ưu điểm, nổi trội nhất là khả năng chịu lực tốt, tuổi thọ cao, dễ tạo hình, dễ sản xuất, vận chuyển và tận dụng được vật liệu tại địa phương Chính vì vậy trong lĩnh vực xây dựng bê tông là loại vật liệu chiếm

ưu thế nhất Hiện nay ở nước ta có rất nhiều công trình thủy lợi sử dụng vật liệu bê tông để thi công như: Thủy điện Sơn La, Thủy điện Lai Châu, Thủy điện Sông Tranh, Thủy điện Sông Bung, Thủy điện Bản Chát …

Hình 1.1: Thủy điện Sơn La

Hình 1.2: Thủy điện Lai Châu

Hình 1.3: Thủy điện Bản Chát

Đập đất đá là loại đập đã được xây dựng rất nhiều và từ rất lâu trên thế giới, như ở các nước: Ấn Độ, Trung Quốc, Liên Xô … Ngày nay nhờ sự phát triển của nhiều ngành khoa học nên loại đập nay ngày càng được phát triển mạnh mẽ Ở nước ta, đập đất đá là loại công trình dâng nước phổ biến nhất, các hồ chứa đã được xây dựng, đập đất đá chiếm đại đa số Bởi yêu cầu chất lượng của nền với đập đất là không cao, đập đất đá có thể xây dựng được với nhiều địa hình, địa chất, khí hậu khác nhau, tận dụng được vật liệu địa phương, có khả năng cơ giới hóa được tất cả các khâu đào – đắp – vận chuyển vật liệu … Một số đập đất đá ở Việt Nam đã được xây dựng: Đập đá đổ Thác

Bà, đập đất Cấm Sơn, đập đất Tà Keo …

Nhưng đập đất đá không cho nước tràn qua, bởi khi nước tràn qua sẽ gây mất ổn định, phá hoại đập, ảnh hưởng các công trình sau đập … Vấn đề thấm qua đập đất đá là vấn đề rất quan trọng Nó làm mất nước của hồ chưa,

có thể làm mất ổn định cho đập như xói ngầm, trượt mái dốc… có thể còn gây nguy hiểm cho các công trình ở vùng tiếp xúc với đập

Chúng ta đã có thể lý giải tại sao các công trình thủy lợi lại sử dụng vật liệu bê tông phổ biến nhất Cụ thể như các công trình đập thủy lợi: Ta có thể

so sánh đập bê tông và đập vật liệu địa phương (đập đất đá), thì ta thấy được đập bê tông có các ưu điểm vượt trội như:

+ Đập bê tông có khả năng bố trí công trình tháo lũ ngay trong thân đập (trên đỉnh hoặc dưới sâu)

+ Đập bê tông có thể cho ngập trong các cơn lũ và đập có thể thích nghi với lũ có tần suất lớn

+ Đập bê tông có thể dễ dàng phối hợp với các công trình khác (tháo cạn, công trình lấy nước) và có thể xây dựng nhà máy thủy điện ngay trong thân đập

+ Đập bê tông có thể dễ dàng thiết kế để tháo nước để tràn qua thân đập trong quá trình thi công, nên có thể rút ngắn thời gian thi công và cho phép phục vụ cho lũ có tần suất khác nhau Điều này cho phép xây dựng các công trình tháo lũ tạm thời khác kinh tế hơn

+ Đập bê tông có thể thi công ngay trong mùa mưa, trong khi đó đối với đập vật liệu địa phương thì không thể Chính việc giảm thời gian thi công

để đưa công trình vào sử dụng sớm là yếu tố quan trọng nhất trong việc lựa chọn giữa đập bê tông hay đập vật liệu địa phương trong nhiều dự án gần đây

+ Đập bê tông ít bị tác dụng với hiện tượng ăn mòn bên trong đập và ngay cả trong vùng tiếp xúc của đập và nền

+ Đập bê tông có khả năng chống động đất rất tốt

+ Đập bê tông có hình dạng gọn và khối lượng vật liệu ít hơn nhiều so với đập vật liệu địa phương

Mặc dù các công trình, cấu kiện công trình thi công bằng vật liệu bê tông đã đưa vào sử dụng có rất nhiều ưu điểm nêu trên, nhưng chúng vẫn có một số mặt hạn chế như nhất định như độ chống thấm chưa cao, cường độ bê tông chưa cao… Để giải quyết các vấn đề đó ta cần nghiên cứu các vật liệu để sản xuất ra bê tông có các tính chất phù hợp với yêu cầu của công trình, cấu kiện công trình

Hầu hết các công trình thủy lợi ở nước ta đều yêu cầu sử dụng vật liệu

có độ chống thấm cao Nhưng vật liệu thi công các đập thủy lợi hầu hết là vật liệu bê tông có mác thấp (mác bê tông vào khoảng 20 – 30 Mpa), đồng nghĩa với mác thấm của các loại bê tông này thường chưa cao Việc nghiên cứu sản xuất ra bê tông có cường độ cao và khả năng chống thấm tốt là cần thiết bởi thực tế đã cho thấy các công trình thủy lợi sử dụng các loại bê tông thường sau một thời gian công trình đi vào hoạt động thì xuất hiện nhiều khuyết tật

do độ bền chưa cao, khả năng chống thấm và chống ăn mòn thấp, do đó sẽ

làm giảm đáng kể tuổi thọ của công trình Hiện nay trên thế giới đã có các nghiên cứu về việc sử dụng vật liệu Metakaolin thay thế một phần xi măng với tỉ lệ thích hợp để sản xuất ra bê tông có nhiều tính chất, ưu điểm hơn bê tông thường: cường độ tăng, độ chống thấm tăng, sức kháng ăn mòn hóa học tăng Việc sử dụng vật liệu Metakaolin để sản xuất bê tông áp dụng cho công trình thủy lợi là rất hợp lý, có khả năng giải quyết được các vấn đề về thấm qua đập, kéo dài tuổi thọ của công trình

1.2 Tình hình nghiên cứu Metakaolin trên thế giới

1.2.1 Tính ch ất của Metakaolin

1.2.1.1 Khái quát về Metakaolin

- Metakaolin là một loại vật liệu puzolan thu được bằng cách nung kaolinit ở nhiệt độ dao động từ 700°C đến 800°C

- Theo tài liệu nghiên cứu của Trịnh Quang Minh [24], khi sản xuất ra 1 tấn Metakaolin bằng phương pháp đèn chớp sẽ sản sinh ra môi trường 96kg

CO2, ít hơn rất nhiều so với sản xuất xi măng (xấp xỉ 1 tấn CO2/1 tấn xi măng) như trong bảng 1.1, Metakaolin là một loại vật liệu thân thiện với môi trường

Bảng 1.1 Kết quả đánh giá ảnh đến môi trường khi sản xuất Metakaolin theo

phương pháp đèn chớp và sản xuất xi măng

- Phản ứng nung Kaolinit tạo thành Metakaolin:

Al2Si2O5(OH)4 => Al2Si2O7 + 2H2O (2)

Kaolinit Metakaolin Khi có mặt portlandite (vôi), tùy theo tỷ lệ khác nhau mà các sản phẩm tạo ra

do phản ứng puzolan giữa vôi và Metakaolin cũng khác nhau

- Phản ứng của Metakaolin với Ca(OH)2 theo Murat [17]:

CH/AS2 = 1 AS2 + 3CH + 6H => C2ASH8 + C-S-H (3) CH/AS2 = 1,67 AS2 + 5CH + 3H => C3AH6 + 2C-S-H

(4)

CH/AS2 = 2 AS2 + 6CH + 9H => C4AH13 + 2C-S-H (5)

1.2.1.2 Tính chất hóa lý của Metakaolin

- Metakaolin có màu trắng hoặc gần trắng (độ sáng từ 79 – 82 /100), dạng bột với khối lượng riêng vào khoảng 2,5 g/cm3

- Kích thước hạt rất nhỏ với 99% hạt nhỏ hơn 16 µm, kích thước hạt trung bình khoảng 2,23 - 3 µm, diện tích bề mặt của Metakaolin vào khoảng

12 - 15,5 m2/g

- Công thức hóa học của Metakaolin là Al2Si2O7, thành phần hóa học của Metakaolin chủ yếu là SiO2 và Al2O3 và các thành phần hóa học chiếm khối lượng nhỏ khác Cụ thể theo Ambroise và đồng nghiệp (1994) đã xác định thành phần hóa học của vật liệu Metakaolin như ở bảng 1.2:

Bảng 1.2: Thành phần hóa học của Metakaolin

1.2.2 Ảnh hưởng của Metakaolin đến tính chất của bê tông

Bằng việc thay thế một phần hợp lý xi măng bởi Metakaolin, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự có mặt Metakaolin cải thiện đáng kể nhiều chỉ tiêu cơ lý của bê tông

1.2.2.1 Độ hút nước của bê tông

Metakaolin có độ hút nước lớn hơn là xi măng, điều này được chứng minh bởi các nghiên cứu trên thế giới:

+ Courard và đồng nghiệp (2003) đã nghiên cứu khả năng hấp thụ nước của bê tông chứa Metakaolin với phần trăm thay thế từ 0% đến 20% Với kết quả nghiên cứu của Courard và đồng nghiệp, hỗn hợp vữa có sự xuất hiện của Metakaolin có độ hút nước lớn hơn so với mẫu vữa không có Metakaolin do

vật liệu Metakaolin có diện tích bề mặt lớn hơn so với xi măng, do đó hỗn hợp vữa có Metakaolin sẽ có khả năng hấp thụ nước cao hơn Độ hút nước đó được thể hiện ở bảng 1.3:

Bảng 1.3 Kết quả thí nghiệm của Courard và đồng nghiệp (2003) về độ hút nước (% khối lượng) của các mẫu vữa có xi măng CEM I 42.5, Metakaolin và

Khatib và Clay (2004) đã nghiên cứu đặc tính hấp thụ nước của bê tông

có Metakaolin Họ đã chỉ ra rằng hỗn hợp bê tông có Metakaolin thay thế xi măng sẽ có độ hút nước lớn hơn hỗn hợp bê tông không có Metakaolin, đặc biệt mẫu bê tông có hàm lượng Metakaolin trong chất kết dính là 20% có độ hút nước cao nhất sau 28 ngày, nhưng sau 14 tháng thì độ hút nước của bê tông có 25% Metakaolin cao nhất

Hình 1.4: Biểu đồ độ hút nước của các mẫu bê tông theo nghiên cứu của

Khatib và Clay

Có thể lý giải kết quả thí nghiệm của Khatib và Clay: Hỗn hợp bê tông

có 20% Metakaolin có độ hút nước lớn nhất do diện tích bề mặt của vật liệu Metakaolin lớn hơn diện tích bề mặt của xi măng, nên độ hấp thụ nước của các mẫu bê tông có hàm lượng Metakaolin càng cao, thì hỗn hợp bê tông có

độ hút nước càng lớn (biểu đồ hình 1.4) và ngược lại mẫu bê tông không chứa Metakaolin sẽ có độ hút nước thấp hơn so với các mẫu có Metakaolin

Do khả năng hút nước cao so với mẫu bê tông không có Metakaolin, nên khi sử dụng Metakaolin cần phải sử dụng thêm một lượng phụ gia hóa dẻo phù hợp để tăng độ linh động cho bê tông

1.2.2.2 Độ chống thấm của bê tông

Nghiên cứu của Khatib và Wild [20] đã chỉ ra rằng hỗn hợp bê tông có tỉ

lệ Metakaolin thay đổi, thì có khả năng chống thấm cũng thay đổi Với một lượng Metakaolin thay thế xi măng trong hỗn hợp bê tông: 0%, 5%, 10%, 15%, với tỷ lệ nước/chất kết dính là 0,55, thí nghiệm các mẫu bê tông đó cho thấy rằng khi thay thế 15% xi măng bằng một lượng Metakaolin như vậy thì

bê tông đó có độ chống thấm tốt nhất, do Metakaolin là vật liệu có kích thước

hạt nhỏ và phản ứng với Ca(OH)2 tạo ra C-S-H, tạo sự kết dính các hạt cốt liệu trong bê tông Với diện tích bề mặt của Metakaolin lớn (12 – 15,5 m2

/g), Metakaolin có kích thước hạt nhỏ hơn kích thước hạt xi măng, nó có khả năng len lỏi vào các lỗ rỗng của hỗn hợp bê tông làm bê tông trở nên đặc chắc Hai nguyên nhân trên lí giải sự có mặt của vật liệu Metakaolin trong hỗn hợp bê tông làm cho hệ số thấm của bê tông thay đổi: Đặc biệt bê tông có 15% Metakaolin có độ chống thấm lớn hơn các bê tông có 0%, 5%, 10% Metakaolin Trong hỗn hợp bê tông có 15% Metakaolin, lượng Ca(OH)2 do quá trình thủy hóa xi măng sinh ra, sẽ được tiêu thụ hết, còn trong các hỗn hợp bê tông có 0%, 5%, 10% Metakaolin, lượng Ca(OH)2 vẫn còn dư thừa Như vậy bê tông có 15% Metakaolin có kích thước lỗ rỗng bê tông là nhỏ hơn

so với bê tông có 0%, 5%, 10% Metakaolin theo đồ thị hình 1.5

Hình 1.5: Biểu đồ thay đổi bán kính các lỗ rỗng trong bê tông ứng với các

mẫu có Metakaolin [Khatib và Wild, 1996]

Theo nghiên cứu của Poon và đồng nghiệp (2001), khi thay thế một

lượng xi măng bằng một lượng Metakaolin: 5%, 10%, 20% kết quả nghiên cứu cho thấy kích thước các lỗ rỗng trung bình trong hỗn hợp vữa, bê tông sẽ giảm đi rất nhiều so với mẫu không có mặt của Metakaolin như được thể hiện

ở bảng 1.4, đặc biệt là khi thay thế 20% xi măng bằng 20% Metakaolin trong chất kết dính thì kích thước trung bình các lỗ rỗng giảm đi rõ rệt: 3 ngày giảm

từ 0,038μm xuống 0,024μm, 7 ngày giảm từ 0,0371μm xuống 0,0143μm, 28 ngày giảm từ 0,0362μm xuống 0,0122μm, 90 ngày giảm từ 0,0348μm xuống 0,0114μm Lý giải về kết quả nghiên cứu của Poon và đồng nghiệp cũng giống như cách lý giải về kết quả thí nghiệm của Khatib và Wild Việc giảm kích thước các lỗ rỗng trung bình trong mẫu vữa, bê tông sẽ làm tăng độ chống thấm cho vữa, bê tông

Bảng 1.4: Đường kính trung bình lỗ rỗng của vữa

[ Poon và đồng nghiệp, 2001]

1.2.2.3 C ường độ nén của bê tông

Wild và đồng nghiệp (1996) [20] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thay đổi

tỉ lệ phần trăm Metakaolin đến cường độ nén của bê tông Khi thay thế xi măng bởi Metakaolin với các tỉ lệ phần trăm tương ứng: 5%, 10%, 15%, 20%,

25%, 30% Kết quả thí nghiệm cường độ nén cho ở 90 ngày của họ được trình bày ở bảng 1.5:

Bảng 1.5: Kết quả thí nghiệm nghiên cứu của Wild và đồng nghiệp (1996)

(MK) (%)

Khối lượng thể tích (kg/m3)

Cường độ nén (MPa)

ngày

28 ngày

90 ngày

độ lớn hơn hẳn so với bê tông có 0%, 5%, 10%, 15%, 25%, 30% Metakaolin trong chất kết dính của bê tông Có thể giải thích được kết quả đó như sau:

Trong hỗn hợp bê tông luôn có một lượng Ca(OH)2 dư thừa của quá trình thủy hóa xi măng, trong khi đó Metakaolin là vật liệu puzolan có khả năng

phản ứng với vôi để tạo thành C-S-H trong bê tông Nghiên cứu của Wild và đồng nghiệp cho thấy với 20% Metakaolin có thể tương tác hết Ca(OH)2 dư thừa trong bê tông làm cho hỗn hợp bê tông đó đặc chắc nhất (cường độ cao nhất) Ngược lại với hàm lượng Metakaolin trong bê tông là 0%, 5%, 10%, 15%, thì không đủ để tiêu thụ hết Ca(OH)2, khiến độ đặc chắc (cường độ nén) của bê tông không bằng bê tông có 20% Metakaolin Tương tự như vậy hàm lượng của Metakaolin trong bê tông lớn hơn 20%, thì lượng Ca(OH)2 được tương tác hết, lúc đó lượng Metakaolin sẽ dư thừa và không tham gia vào phản ứng puzolan, nó cũng tạo ra các lỗ rỗng trong bê tông khiến bê tông đó không đặc chắc như bê tông có 20% Metakaolin Điều đó khiến cho cường độ chịu nén của bê tông có 20% Metakaolin lớn hơn cường độ chịu nén của bê tông có các tỉ lệ Metakaolin khác

Nghiên cứu của Brooks và Johari (2001) cũng đã chỉ ra cường độ chịu nén của bê tông có chứa 0%, 5%, 10%, 15% Metakaolin Kết quả nghiên cứu cho thấy với 10% Metakaolin trong hỗn hợp bê tông thì bê tông đó ở 28 ngày tuổi có cường độ nén cao nhất như bảng 1.6 Cách giải thích cũng giống như cách giải thích kết quả thí nghiệm của Wild và đồng nghiệp

Bảng 1.6: Kết quả thí nghiệm nghiên cứu của Brooks và Johari (2001)

bê tông bình thường không có Metakaolin Đặc biệt với hỗn hợp bê tông có chứa 10% Metakaolin có cường độ nén cao nhất ở 28 ngày tuổi và 90 ngày tuổi Điều này càng khẳng định trên thế giới vật liệu Metakaolin đóng góp rất tốt cho sự phát triển của ngành vật liệu, nâng cao cường độ nén của bê tông Trong nghiên cứu của Roy và đồng nghiệp (2001), Bai và đồng nghiệp (2002), Jin và Li (2003) về ảnh hưởng của Metakaolin đến cường độ chịu nén của bê tông, cũng đã chỉ ra rằng điều đó

Li và Ding (2003) xác định cường độ nén 28 ngày của vữa xi măng có chứa Metakaolin hoặc kết hợp Metakaolin với xỉ lò thay thế một phần xi măng Pooclăng Bốn loạt vữa xi măng đã được nghiên cứu Loạt đầu tiên (PO) có 100% xi măng, 0% Metakaolin, 0% xỉ lò, thứ hai (M1) có 90% xi măng và 10% Metakaolin, 0% xỉ, thứ ba (S2) có 70% xi măng, 10% Metakaolin, và 20% xỉ, và loạt thứ tư (S3) có 60% xi măng, 10% Metakaolin,

và 30% xỉ lò Tỷ lệ xi măng - cát là 1:2.5, và tỷ lệ nước - chất kết dính là 0,44 Kết quả cường độ nén của vữa xi măng được trình bày trong hình 1.6 Từ đó thấy rằng sự có mặt của Metakaolin làm tăng cường cường độ nén của mẫu vữa

1.2.2.4 Làm tăng độ bền uốn và độ bền kéo của hỗn hợp bê tông

Qian và Li (2001) đã nghiên cứu độ bền kéo của bê tông khi thay thế một lượng xi măng bằng một lượng Metakaolin tương ứng 0%, 5%, 10%, 15% Qian và Li (2001) đã thực hiện thí nghiệm với loại Metakaolin có diện tích bề mặt là 12m2/g, và đường kính hạt trung bình là 2,23 µm, với kích thước mẫu thí nghiệm là 300x100x20 mm Mẫu thí nghiệm cường độ kéo ở

28 ngày tuổi và kết quả thí nghiệm được trình bày ở bảng 1.7:

Bảng 1.7: Kết quả thí nghiệm của Qian và Li (2001) về cường độ chịu kéo

Từ bảng 1.7 thấy rằng bê tông có Metakaolin có độ bền kéo lơn hơn so với bê tông không có Metakaolin Đặc biệt bê tông được thay thế 15% xi măng bằng Metakaolin thì có cường độ chịu kéo lớn nhất

Cũng với loại Metakaolin đó Qian và Li (2001) đã nghiên cứu độ bền uốn của bê tông có sự thay thế xi măng bằng Metakaolin Các mẫu thí nghiệm

có kích thước là 400x100x100 mm và được thí nghiệm với bốn điểm tiếp xúc trên một khoảng 300 mm Mẫu được thí nghiệm ở 28 ngày tuổi và 80 ngày tuổi Kết quả được trình bày ở bảng 1.7

Bảng 1.8: Kết quả thí nghiệm của Qian và Li (2001) về cường độ chịu uốn

28 4,65 4,74 6,16 6,4

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng khi thay thế một lượng xi măng bằng một lượng Metakaolin trong hỗn hợp bê tông, thì bê tông đó có cường độ chịu uốn lớn hơn bê tông không có Metakaolin, và đặc biệt với lượng thay thế 15% Metakaolin bê tông có độ bền uốn là cao nhất so với các bê tông không có Metakaolin và bê tông có thay thế xi măng bằng các lượng phần trăm Metakaolin khác

Courard và đồng nghiệp (2003) đã thí nghiệm các mẫu vữa với lượng xi măng thay thế bởi Metakaolin tương ứng: 0%, 5%, 10%, 15%, 20% Các mẫu được thí nghiệm có kích thước 40x400x160 mm và kết quả được trình bày ở biểu đồ hình 1.7 Với kết quả đó, thấy rằng sau 28 ngày thì các mẫu vữa có Metakaolin có độ bền uốn cao hơn so với mẫu vữa không có Metakaolin nhưng không đáng kể chỉ dao động trong khoảng 8,5 - 9,5 Mpa

Hình 1.7: Biểu đồ kết quả thí nghiệm của Courard và đồng nghiệp (2003) về

cường độ chịu uốn của vữa

như sau: Khi bê tông có chứa Metakaolin, nó sẽ phản ứng dần với Ca(OH)2

trong bê tông Khi lượng Metakaolin vừa đủ tiêu thụ hết Ca(OH)2 trong bê tông thì bê tông đó đặc chắc nhất, có cượng độ chịu kéo, uốn cao nhất Ngược lại khi lượng Metakaolin không tiêu thụ hết Ca(OH)2, hay tiêu thụ hết Ca(OH)2 nhưng Metakaolin vẫn còn thì hỗn hợp bê tông đó không đặc chắc như trường hợp bê tông có lượng Metakaolin tiêu thụ vừa hết Ca(OH)2 trong

bê tông

1.2.2.5 Khả năng chống ăn mòn hóa học của bê tông

Batis và đồng nghiệp (2005) đã nghiên cứu ảnh hưởng của Metakaolin đến việc chống ăn mòn của vữa Khi thay thế một lượng xi măng bằng một lượng Metakaolin tương ứng với các tỉ lệ phần trăm khác nhau Các mẫu vữa được thí nghiệm cho tiếp xúc với môi trường ăn mòn: Ngâm một phần hoặc hòan toàn trong dung dịch NaCl Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng khi thay thế 10%, 20% Metakaolin được mẫu vữa có khả năng chống ăn mòn tốt hơn mẫu vữa không có Metakaolin và mẫu vữa có phần trăm Metakaolin vượt quá 20% Đặc biệt là với lượng thay thế là 10% Metakaolin mẫu vữa có sức chống

ăn mòn tốt nhất Như vậy có thể thấy được rằng Metakaolin trong hỗn hợp vữa làm tăng đáng kể sự chống ăn mòn hóa học Sản phẩm vữa đó có thể làm việc trong các môi trường ăn mòn tốt hơn so với các loại vữa bình thường, mà không có thành phần Metakaolin trong đó

Các nghiên cứu đã chứng minh rằng Metakaolin là một puzolan hiệu quả Trên thế giới, việc sử dụng vật liệu Metakaolin thay thế một phần xi măng trong vữa và bê tông đã được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều năm gần đây và đã được áp dụng vào một số công trình xây dựng yêu cầu bê tông có mác cao, độ chống thấm cao

Ở Việt Nam, nghiên cứu về vật liệu Metakaolin còn rất hạn chế, nên việc áp dụng vật liệu này vào thực tiễn như ngành xây dựng là cũng rất khó

khăn Tuy nhiên việc sử dụng vật liệu Metakaolin để thay thế một phần xi măng trong bê tông là rất khả quan và hợp lý vì các yêu cầu về môi trường và xây dựng bền vững trong tương lai Đặc biệt là áp dụng cho các công trình thủy lợi, và các cấu kiện đòi hỏi độ bền cao, độ chống thấm cao, …

1.3 Kết luận chương

` Trên thế giới và ở nước ta hiện nay các công trình xây dựng sử dụng vật liệu bê tông đang phát triển rất mạnh Nhưng hiện nay rất nhiều công trình đã đưa vào sử dụng trong một thời gian đã xuất hiện các hiện tượng, sự

cố ngoai ý muốn do nguyên nhân khác nhau gây nên như:

- Độ bền bê tông chưa cao

- Độ chống thấm của bê tông chưa cao

- Sức kháng ăn mòn hóa học của bê tông chưa cao …

Chính vì vậy việc nâng cao chất lượng, tuổi thọ công trình được đưa lên hàng đầu Việc sử dụng vật liệu Metakaolin để thay thế hợp lý một lượng

xi măng trong hỗn hợp bê tông sẽ cho ta một sản phẩm bê tông có nhiều ưu điểm khắc phục được các khuyết điểm nêu trên của loại bê tông thường

Đã chỉ ra được các nghiên cứu trên thế giới về việc sử dụng vật liệu Metakaolin để thay thế một phần xi măng trong vữa, bê tông, làm cải thiện một số tính chất: tăng cường độ chịu nén, tăng độ chống thấm, tăng độ bền uốn, tăng độ bền kéo, tăng khả năng chống ăn mòn hóa học …

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

2.1 Vật liệu sử dụng để sản xuất bê tông cường độ cao

Các vật liệu được sử dụng trong đề tài gồm: xi măng, cát, đá, Metakaolin, nước, phụ gia Các tính chất của vật liệu quyết định đến chất lượng bê tông sản xuất ra Do đó trước khi đưa vào sử dụng để chế tạo bê tông thì mỗi loại vật liệu phải đảm bảo các tính chất về chỉ tiêu cơ lý… đạt yêu cầu của các tiêu chuẩn liên quan

Bảng 2.1: Thành phần hóa học của Metakaolin

Hình 2.1: Vật liệu Metakaolin

So sánh với các loại Metakaolin truyền thống ta thấy rằng vật liệu Metakaolin sử dụng trong đề tài có diện tích bề mặt nhỏ hơn; điều này có thể ảnh hưởng đến chỉ số hoạt tính (không cao) khi phản ứng với vôi và giảm độ hút nước của Metakaolin

2.1.2 Xi măng

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng phản ứng puzolan phụ thuộc lớn vào thành phần hóa học của xi măng Để đánh giá ảnh hưởng của thành phần xi măng đến hoạt tính của Metakaolin, tác giả sử dụng 2 loại xi măng cho đề tài:

xi măng PCB30 và PC40

- Xi măng PCB30 là xi măng được sản xuất tại nhà máy Vicem Tam Điệp – Ninh Bình, các chỉ tiêu chất lượng đạt theo TCVN 6260-2009 thể hiện

ở bảng 2.3

Hình 2.2 : Xi măng PCB30 Bảng 2.3: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của xi măng PCB30

Bảng 2.4: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của xi măng PC40

- Thời gian ninh kết:

Thí nghiệm phân tích thành phần hạt cốt liệu cát theo TCVN

7572-2006 được thực hiện nhằm xác định đường cong cấp phối của vật liệu Quá trình làm như sau:

+ Cát được cân bằng cân kỹ thuật với độ chính xác 0,1g: Cát cân lấy khối lượng Gc = 1000g

Hình 2.3 : Cân điện tử phục vụ thí nghiệm thành phần cấp phối cát

+ Sau đó được sàng qua bộ sàng tiêu chuẩn có kích thước mắt sàng:

5 – 2, 5 – 1,25 – 0,63 – 0,315 – 0,14 (mm) bằng máy sàng điện

Hình 2.4: Máy sàng điện và bộ sàng tiêu chuẩn

+ Cân lượng cát sót trên từng sàng:

ai =

Gc

Gi

x100%, với Gc = 1000g khối lượng mẫu

Gi (g): Khối lượng của còn sót trên sàng i

ai (%): Lượng sót trên sàng i + Lượng sót tích lũy trên sàng:

Ai = a5 + a2,5 + … + ai (%), với Ai (%): Lượng sót tích lũy sàng i