PHỤ GIA CHO bê TÔNG KHỐI lớn

Puzơlan 2.1 Puzơlan thiên nhiên a Puzơlan thiên nhiên có nguồn gốc núi lửa b Puzơlan thiên nhiên có nguồn gốc trầm tích 2.2 Puzơlan nhân tạo IV.CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT

PHỤ GIA CHO BÊ TÔNG KHỐI LỚN

Mục Lục

1 Định nghĩa phụ gia

II Phân loại phụ gia

III Phụ gia hóa học

III Phụ gia khoáng

1 Xỉ hạt lò cao

2 Puzơlan

2.1) Puzơlan thiên nhiên

a) Puzơlan thiên nhiên có nguồn gốc núi lửa

b) Puzơlan thiên nhiên có nguồn gốc trầm tích

2.2) Puzơlan nhân tạo

IV.CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH CHO XI MĂNG

VÀ BÊ TÔNG

PHỤ GIA CHO BÊ TÔNG KHỐI LỚN

Bê tông khối lớn có đặc điểm là dùng ít xi măng và yêu cầu nhiệt thuỷ hoá thấp Vì vậy, thường pha thêm phụ gia khoáng và cả phụ gia hóa học để đảm bảo các tính chất yêu cầu như tính dễ đổ, độ đặc chắc, cường độ, tính chống thấm v.v Việc sử dụng phụ gia có thể coi là vấn đề tất yếu đối với bê tông khối lớn

I Định nghĩa phụ gia

Tiêu chuẩn ACI 116R - 90 Cement and Concrete Terminology định nghĩa phụ

gia là một thành phần chính thức của bê tông như các thành phần khác (nước, xi măng, cát, đá)

Phụ gia cho bê tông được qui định trong các tiêu chuẩn 14TCN 104 - 1999 Phụ gia hoá học cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật; 14TCN 105 - 1999 Phụ gia khoáng cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật ; ASTM C618 - 92A Specification for fly ash and raw or calcined natural pozzolan for use as a mineral admixture in portland cement concrete; ACI 212 – 3R – 91 Chemical admixture for concrete Các phụ gia cụ thể được giới thiệu trong các bản hướng dẫn sử dụng

của các cơ sở sản xuất trong nước và nước ngoài

II Phân loại phụ gia

Phụ gia gồm ba nhóm lớn: nhóm phụ gia hoá học, nhóm phụ gia khoáng và nhóm các phụ gia khác

Nhóm 1: Phụ gia hóa học

Phụ gia hoá học loại giảm nước và điều chỉnh thời gian ninh kết gồm 7 loại được ký hiệu là A, B, C, D, E, F, G và có tác dụng như sau:

Loại A - Phụ gia giảm nước, có tác dụng giảm nước, nhưng vẫn giữ nguyên

độ dẻo của hỗn hợp bê tông Nếu không giảm nước, thì phụ gia này sẽ làm tăng độ dẻo, nên còn gọi là phụ gia hóa dẻo;

Loại B - Phụ gia làm chậm ninh kết (kéo dài thời gian ninh kết) của hỗn hợp

bê tông;

Loại C - Phụ gia tăng nhanh ninh kết, làm cho hỗn hợp bê tông rắn nhanh hơn; Loại D - Phụ gia giảm nước và làm chậm ninh kết;

Loại E - Phụ gia giảm nước bậc cao (siêu dẻo);

Loại G - Phụ gia giảm nước bậc cao, làm chậm ninh kết;

Nhóm 2: Phụ gia khoáng

Nhóm này lại phân ra hai tiểu nhóm:

(1) Phụ gia khoáng hoạt tính có phản ứng hoá học với vôi;

(2) Phụ gia khoáng không hoạt tính (phụ gia trơ) không có tác dụng với vôi

Nhóm 3: Các phụ gia có các tính năng khác

- Phụ gia trợ bơm;

- Phụ gia ức chế ăn mòn cốt thép trong bê tông cốt thép;

- Phụ gia cuốn khí;

- Phụ gia hạn chế phản ứng kiềm - silic;

- Phụ gia gây nở;

- Phụ gia tăng liên kết giữa bê tông cũ và mới

III Phụ gia hóa học

Hiện nay các loại phụ gia hóa học cho bê tông có rất nhiều trên thị trường Việt Nam Đa số là các sản phẩm ngoại, nhưng cũng có một số phụ gia được sản xuất ở trong nước

Phụ gia hóa học thường dùng nhất trong bê tông khối lớn như đập bê tông là phụ gia hóa dẻo hoặc siêu dẻo để giảm lượng nước trộn hoặc tỉ lệ N/CKD Phụ gia cũng có tác dụng tăng dẻo (khi không giảm nước), đặc biệt cần dùng nó khi trong

bê tông pha phụ gia khoáng làm giảm độ dẻo của bê tông hoặc thi công bê tông bằng bơm độ dẻo cao

Theo A.M Neville (1997) Properties of concrete, Longman, thành phần hoạt

động của phụ gia tăng dẻo là chất hoạt động bề mặt Chất này tập trung ở mặt tiếp giáp của hai pha không trộn lẫn được với nhau (ở đây là nước và chất rắn) và làm thay đổi lực hoá lý tác động lên mặt tiếp giáp đó Trong hỗn hợp bê tông các chất này được hấp phụ trên mặt các hạt xi măng, tạo cho chúng âm tính (-), dẫn tới sự đẩy nhau giữa các hạt, giải tỏa sự vón tụ của các hạt và do đó ổn định sự phân tán của chúng Các bọt khí cũng bị đẩy và không thể tự dính bám vào các hạt xi măng

Vì sự tích tụ chất hoạt động bề mặt, nên giữ lại một phần nước, nhưng cũng không làm cho xi măng thuỷ hoá sớm Ngoài phụ gia tăng dẻo trong bê tông khối lớn còn dùng phụ gia chống thấm, phụ gia cuốn khí và phụ gia ức chế ăn mòn cốt thép Về mùa hè nắng nóng, thường dùng phụ gia hóa dẻo kéo dài thời gian ninh kết để thi công thuận lợi và nhiệt trong bê tông tăng chậm Yêu cầu kỹ thuật của loại phụ gia trong các tiêu chuẩn 14TCN 104 – 1999; ACI 212 – 3R – 91

III Phụ gia khoáng

Phụ gia khoáng được sử dụng khá phổ biến trong bê tông khối lớn, đặc biệt cho các đập bê tông, nhằm giảm nhiệt thuỷ hoá Do mác bê tông của công trình bê tông khối lớn không cao, nên hàm lượng xi măng trong bê tông thường ít Khi đó

có thể dùng phụ gia khoáng (PGK) ở dạng nghiền mịn để đảm bảo đủ hàm lượng vật liệu mịn nhét đầy các khe kẽ trong bê tông, đảm bảo độ đặc chắc và khả năng chống thấm của bê tông khối lớn

Phụ gia khoáng ở dạng bột, nên có thể được pha trước vào xi măng để được

xi măng pooclăng hỗn hợp TCVN 6260: 1997 Xi măng pooclăng hỗn hợp - Yêu cầu kỹ thuật ASTM C595 - 92a Blended hydraulic cement, xi măng pooclăng puzơlan; TCVN 4033: 1995 Xi măng pooclăng puzơlan - Yêu cầu kỹ thuật; Xi măng pooclăng xỉ TCVN 4316: 1986 Xi măng xỉ hạt lò cao - Yêu cầu kỹ thuật hoặc

pha riêng vào bê tông khi trộn Như vậy có thể sử dụng xi măng poolăng hỗn hợp PCB để chế tạo bê tông, hoặc pha thêm phụ gia khoáng vào bê tông khi trộn để nâng tỉ lệ của phụ gia khoáng đến mức mong muốn, nhằm đạt được yêu cầu giảm nhiệt thuỷ hoá trong công trình bê tông khối lớn

Như đã nêu trên, phụ gia khoáng được phân làm 2 nhóm là : Phụ gia khoáng hoạt tính và không hoạt tính (trơ)

Phụ gia khoáng hoạt tính (thiên nhiên hoặc nhân tạo) như xỉ hạt lò cao, tro bay, puzơlan, đất sét nung, muội silic Đặc tính của phụ gia khoáng hoạt tính là

có chứa SiO2 vô định hình có tác dụng với vôi để tạo ra hợp chất bền có khả năng cứng hoá, gọi là phản ứng puzơlan:

SiO2 + Ca(OH2) + H2O  CaO SiO2 2H2O Phụ gia không có hoạt tính (phụ gia trơ) như cát thạch anh, tràng thạch nghiền mịn, bột đá, bột gạch, xỉ lò cao kết tảng, đất bentonit nghiền mịn Phụ gia này chỉ có tác dụng nhét kẽ để bê tông thêm đặc chắc, nên còn gọi là phụ gia độn Phụ gia khoáng nói chung phải có độ mịn cao, đảm bảo lượng sót trên sàng 08 (4900 lỗ/cm2) không quá 15% Việc dùng phụ gia độn không được làm tăng nhiều lượng nước trộn, thể hiện qua độ sụt của hỗn hợp bê tông không giảm quá 1cm khi thay thế 50% xi măng bằng phụ gia trong bê tông có độ sụt ban đầu bằng 3 - 6cm

Bê tông khối lớn thường dùng các loại phụ gia khoáng sau:

1 Xỉ hạt lò cao

Xỉ lò cao là phế liệu trong quá trình nấu quặng Chất bã nổi lên trên nước gang được vớt ra, cho nguội nhanh sẽ được xỉ dạng hạt, trong đó chứa một phần SiO2, Al2O3 và CaO có sẵn trong quặng và đá vôi Ở nhiệt độ cao một phần các

oxit đó tương tác với nhau để tạo ra một số thành phần khoáng có thể cứng lại sau khi thủy hóa Tính chất và thành phần hạt của xỉ hạt lò cao được qui định trong

TCVN 4315 : 1986 Xỉ lò cao dùng để sản xuất xi măng

2 Puzơlan

Theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM C618 - 92A Specification for fly ash and raw or calcined natural pozzolan for use as a mineral admixture in portland cement concrete, puzơlan là vật liệu thiên nhiên hoặc nhân tạo chứa SiO2 hoạt tính hoặc chứa cả Al2O3 và bản thân nó có rất ít hoặc không có tính dính kết; nhưng khi được nghiền mịn và có hơi ẩm sẽ phản ứng hoá học với Ca(OH)2 ở nhiệt độ thường để tạo thành hợp chất có tính dính kết

Theo tiêu chuẩn của Mỹ ASTM C618 – 92A, cần hạn chế thành phần MgO, SO3 và Na2O trong puzơlan

Theo nguồn gốc, puzơlan được phân chia ra hai loại :

2.1) Puzơlan thiên nhiên

Puzơlan thiên nhiên cũng có thể được phân chia làm 2 nhóm: nhóm puzơlan nguồn gốc núi lửa và nhóm puzơlan nguồn gốc khác

a) Puzơlan thiên nhiên có nguồn gốc núi lửa

Đây là loại phụ gia khoáng hoạt tính đầu tiên được tìm thấy trên thế giới Khi núi lửa hoạt động, có một cột vật liệu gồm hỗn hợp các nham thanh, tro bụi được phun ra và rơi xuống đất Một khối lượng lớn trào ra trên mặt đất, một phần hạt nhỏ bay xa, nguội nhanh được gọi là tro núi lửa Nham thạch được làm nguội trong nước tạo thành vật liệu xốp được gọi là đá bọt Ở vùng núi lửa thường tồn tại một khối lượng lớn vật liệu hỗn hợp, gồm chất kết dính tro núi lửa và các mảnh vụn đá bọt, đá kết tinh được gọi chung là vật liệu thuỷ tinh núi lửa Nếu xốp thì gọi là Tuf; nếu bị ép hoặc đặc chắc thì gọi là Tras Tất cả các dạng vật liệu đó được gọi chung là puzơlan thiên nhiên nguồn gốc núi lửa Đó là nguồn phụ gia khoáng hoạt tính quan trọng đối với sản xuất xi măng và bê tông

Khi nham thạch trào ra nguội từ từ, tạo thành các dải đá, mà điển hình là đá bazan Do sự thoát khí tiếp tục trong quá trình nham thạch đông đặc, nên lớp đá trên nguội nhanh hơn, xốp và có nhiều lỗ rỗng, kết tinh không hoàn chỉnh có một phần vô định hình, còn lớp dưới nguội chậm hơn, kết tinh tốt hơn, tạo thành đá đặc chắc

Thành phần hoá học của puzơlan thiên nhiên có nguồn gốc núi lửa biến đổi trong giới hạn rộng, phụ thuộc vào điều kiện hình thành, đặc biệt chúng có hàm lượng SiO2 cao, giao động từ nhóm đá kiềm sang nhóm đá axit (45 - 80%); sau SiO2 là thành phần Al2O3 với hàm lượng khoảng 10 - 20% và hàm lượng kiềm

Na2O và K2O cũng đáng kể, khoảng 2 - 11% Thành phần của một số loại puzơlan

có nguồn gốc núi lửa trên thế giới được nêu trong bảng 1.13

Như vậy thành phần khoáng của puzơlan có nguồn gốc núi lửa phụ thuộc vào từng khu vực Hàm lượng, chủng loại các pha cũng giao động không giống nhau, nhưng thực tế là chúng gồm pha thuỷ tinh và pha kết tinh (plagioclaz, pyroxen, olivin, thạch anh, hematit, magnetit ), trong đó pha thuỷ tinh có hoạt tính Ngoài

ra, vì trải qua thời kỳ phong hoá, nên bao giờ puzơlan gốc núi lửa cũng chứa một tỉ

lệ nhất định khoáng sét (caolinit, monmorillonit, xirixit ) và các khoáng mica (muscovit hydromica )

Bảng 1.13 : Thành phần hoá học của puzơlan có nguồn gốc núi lửa

Loại Puzơlan SiO2

%

Al2O3

%

Fe2O3

%

CaO

%

MgO

%

Na2O

%

K2O

% SO3 % MKN

Puzơlan xốp

Sacropano (Italia) 89.22 3.05 0.77 2.28

53.08 18.20 4.29 9.05 1.23 3.08 45.47 19.59 9.91 9.27 4.52 0.85 63.80 13.00 5.70 4.00 2.00 3.80 57.61 25.84 3.90 3.04

Tuf và Tras

Trask (Bungari) 71.63 10.03 4.01 1.93 1.22 2.35 3.05

Tras vùng Rien (Đức) 52.12 18.29 5.81 4.94 1.20 1.48 5.06 11.1 Tras vùng Bazan (Đức) 62.45 16.47 4.41 3.39 0.94 1.91 2.06 7.41 Tras vùng Slipa (Bỉ) 55.69 15.18 6.43 2.83 1.01 0.26 16.33 Tras vùng Patki (Bỉ) 73.01 12.28 2.71 2.76 0.41 0.10 6.34 Tuf vùng Dasi (Rumani) 67.70 11.32 2.66 3.73 1.64 0.18 12.60

độ)

Tuf vùng Peli 62.22 19.87 4.99 4.57 2.70 2.25 1.60 2.23

b) Puzơlan thiên nhiên có nguồn gốc trầm tích

Đất diatomit, diệp thạch, opan, trêpen cũng có hoạt tính giống như tro núi lửa, nên cũng được dùng làm phụ gia khoáng cho xi măng và bê tông Một số puzơlan thiên nhiên có đặc điểm đáng chú ý như đất diatomit, làm tăng lượng nước trộn, vì hạt có nhiều cạnh góc và xốp Một vài loại puzơlan có nguồn gốc phiến sét cần được nung lên từ 5500C đến 10000C để nâng cao độ hoạt tính Nếu không nung, thì hoạt tính rất thấp, không mang lại hiệu quả mong muốn

Puzơlan được nghiền càng mịn càng tốt , nói chung các hạt có đường kính từ

10 - 7m

Một số puzơlan thiên nhiên đã được nghiên cứu và sử dụng ở Việt Nam

Từ năm 1960 đã phát hiện và nghiên cứu sử dụng puzơlan Sơn Tây để pha vào xi măng Hải Phòng và sản xuất xi măng puzơlan Cho đến nay chúng ta đã khảo sát được nhiều mỏ puzơlan ở Việt Nam có nguồn gốc đá phiến sét, đá silic,

đá bazan và diatomit

Tài liệu của Viện khoa học Thủy lợi (1998): Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu các nguồn phụ gia khoáng Việt Nam để làm chất độn mịn cho bê tông đầm lăn” liệt kê một số mỏ đá, trữ lượng và đánh giá khả năng sử dụng chúng làm phụ gia khoáng được nêu trong bảng 1.14

Bảng 1.14 : Tính chất của một số mỏ puzơlan ở Việt Nam

STT

đá gốc

Địa điểm tỉnh

Trữ lượng triệu tấn

Đánh giá theo ASTM C618 - 92A

(SiO2,

Al2O3,

Fe2O3)

SO3 MKN

7 Thanh Trắc Silic nt 0,5 Đ Đ Đ

13 Núi Voi – Núi

Ngang

Ngãi

Tiếp bảng 1.14

Thuật

29 Gia Quỳ (Mu

Ghi chú: Ký hiệu Đ và KĐ là đạt và không đạt

Như vậy trong số các phụ gia khoáng đã được nêu ra chỉ có một số đạt yêu cầu và đã được khai thác sử dụng như đã nêu trên Gần đây còn có thêm một số phụ gia khoáng khác được thăm dò và nghiên cứu

Tuy bazan có thành phần hoá học giống bazan thuộc dạng sản phẩm núi lửa kiềm tính (SiO2 = 45 - 52%), nhưng khác bazan với cấu trúc rỗng và tỉ lệ các pha trong thành phần khoáng vật Yêu cầu kỹ thuật của phụ gia bazan được qui định

trong TCXD 208:1998 Đá bazan làm phụ gia cho xi măng như ở bảng 1.15

Bảng 1.15 : Chất lượng phụ gia đá bazan

1 Chỉ số hoạt tính cường độ, %, không nhỏ hơn  80

2 Thời gian kết thúc đông kết của vữa, ngày đêm,

6 Hàm lượng Al2O3, %, trong khoảng 12 – 25

7 Hàm lượng Fe2O3, %, không lớn hơn 14

8 Hàm lượng kiềm quy đổi ra Na2O,%, không lớn

9 Lượng mất khí nung (MKN), %, không lớn hơn 5

2.2) Puzơlan nhân tạo

Ngoài các loại phụ gia puzơlan thiên nhiên đã nêu trên, còn có các puzơlan nhân tạo có tính chất và tác dụng giống puzơlan thiên nhiên, nên đã được sử dụng nhiều làm phụ gia cho xi măng và bê tông như tro bay, tro trấu, muội silic

a) Phụ gia tro bay là phụ liệu thu được khi đốt than cám ở nhà máy nhiệt điện Tro bay được lắng đọng bằng phương pháp tĩnh điện hoặc cơ học từ ống

khói Đây là một loại puzơlan nhân tạo phổ biến nhất (A.M Neville (1997) Properties of concrete, Longman) Hạt tro bay có dạng hình cầu và có độ mịn khá

cao, phần lớn các hạt có kích thước từ 100 m đến dưới 1m và tỉ diện trong khoảng 2500 đến 6000 cm2/g; do đó thuận lợi cho phản ứng của tro bay với canxi hydroxit Khối lượng riêng của tro bay thường bằng khoảng 2,35kg/dm3 Tiêu

chuẩn 14TCN 105 - 1999 ; ASTM C618 - 92A phân tro bay thành 2 loại: loại C và

loại F, theo loại than dùng để đốt Nếu đốt than chứa bitum hoặc than non (linhit), thì được tro chứa nhiều vôi, được gọi là loại C Nếu đốt than antraxit, thì thu được tro bay loại F chứa ít vôi

Tro bay có hoạt tính rõ rệt, nhưng điều quan trọng đối với tro bay là nó phải

là có độ mịn và hàm lượng cácbon ổn định Hai yêu cầu đó có quan hệ với nhau, vì các hạt than thường lớn hơn hạt tro, làm giảm độ mịn của tro bay Than chưa cháy làm cho xi măng biến đổi thể tích không đều, có hại cho độ bền của bê tông dùng tro bay

Các tiêu chuẩn 14TCN 105 - 1999 ; ASTM C618 - 92A nêu lên các yêu cầu

chính đối với tro bay là tổng hàm lượng của SiO2, Al2O3 và Fe2O3 tối thiểu bằng 70%, hàm lượng tối đa của SO3 là 5%, lượng mất khí nung tối đa là 6% (tuy nhiên chỉ tiêu này có thể tăng lên đến 12%, nếu qua thí nghiệm thấy có thể dùng được), còn hàm lượng kiềm chỉ áp dụng khi dùng cốt liệu có phản ứng kiềm Tiêu chuẩn Anh BS 3892: Phần 1 (1993) quy định hàm lượng SO3 tối đa là 2,5% Hàm lượng MgO không được quy định, vì nó tồn tại ở dạng không có phản ứng Khi hàm