Nghiên cứu chế tạo xi măng polymer (thuyết minh)

KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XIMĂNG POLYMER CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG POLYMER CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG V: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN SẢN XUẤT MỘT SỐ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Lời nói đầu 4

Ký hiệu và các từ viết tắt trong đồ án 6

Chơng I: Tổng quan về bê tông ximăng Polymer 7

1.1 Giới thiệu chung 7

1.2 Các đặc tính của polymer 8

1.3 Phân loại hỗn hợp vữa và bê tông có polymer 10

1.4 Các phơng pháp đa polymer vào hỗn hợp vữa và bê tông xi măng 10

1.5 Tác dụng của polymer trong vữa và bê tông 11

1.5.1 Polymer có tác dụng làm thay đổi cấu trúc rỗng 11

1.5.2 Polymer cải thiện khả năng bám dính giữa đá xi măng và cốt liệu 12

1.5.3 ảnh hởng của polymer đến cờng độ của vữa và bê tông 12

1.5.4 Polymer tăng tính bền chống sự thâm nhập của ion Clo 12

1.5.5 ảnh hởng của polymer đến độ bền sunphát 13

1.5.6 ảnh hởng của polymer đến độ bền hoá 14

1.5.7 ảnh hởng của polymer đến độ bền đóng-tan băng và khả năng môi trờng 14

Chơng II: Cơ sở lý thuyết nghiên cứu chế tạo bê tông xi măng polymer 16

2.1 Biến tính bê tông và vữa xi măng bằng polymer 16

2.2 Vữa và bê tông xi măng biến tính bằng polymer latex (nhựa mủ) 16

2.2.1 Cơ sở chung 16

2.2.2 Tính chất của vữa và hỗn hợp bê tông cha rắn chắc khi có mặt nhựa mủ 19

2.2.3 Tính chất của bê tông và vữa đã rắn chắc khi có mặt nhựa mủ 20

2.3 Vữa và bê tông xi măng biến tính bằng polymer tan trong nớc 21

2.3.1 Cơ sở chung 21

2.3.3 Tính chất của bê tông và vữa đã rắn chắc khi có mặt polymer tan trong

nớc 22

2.4 Vữa và bê tông xi măng sử dụng phụ gia giảm nớc tầm cao 24

2.4.1 Cơ sở chung 24

2.4.2 Cơ chế hoá dẻo của các phụ gia giảm nớc tầm cao thế hệ 2 24

2.5 Quá trình tơng tác giữa polymer và xi măng thuỷ hoá 25

2.5.1 Quá trình thuỷ hoá của xi măng pooclăng 27

2.5.2 Quá trình phản ứng giữa polymer với thành phần của bê tông 28

2.5.3 Sự tơng tác giữa sản phẩm thuỷ hoá và polymer 28

Chơng III: phơng pháp nghiên cứu và vật liệu sử dụng 31

3.1 Phơng pháp nghiên cứu 31

3.2 Vật liệu sử dụng 32

3.2.1 Xi măng 32

3.2.2 Cát vàng 33

3.2.3 Phụ gia siêu dẻo 34

3.3.3 Poly Methyl Metha Acrylate 34

3.3 Lựa chọn tỷ lệ phụ gia hợp lý 36

3.3.1 Phụ gia siêu dẻo 36

3.3.2 Phụ gia Poly Methyl Metha Acrylate 36

3.4 Thiết kế sơ bộ thành phần vữa 36

3.5 Xây dựng mô hình quy hoạch thực nghiệm 39

Chơng IV: Kết quả nghiên cứu và đánh giá 41

4.1 ảnh hởng của PMMA đến thời gian đông kết của xi măng PC-40 41

4.2 ảnh hởng của PMMA và phụ gia siêu dẻo đến độ bẹt của vữa 41

4.3 ảnh hởng của PMMA và phụ gia siêu dẻo đến cờng độ của vữa 45

4.4.2 Cờng độ nén của vữa ở tuổi 7 ngày 48

4.4.3 Cờng độ nén của vữa ở tuổi 28 ngày 50

4.5 ảnh hởng của PMMA và phụ gia siêu dẻo đến cờng độ uốn của vữa 52

4.5.1 Cờng độ uốn của vữa ở tuổi 3 ngày 52

4.5.2 Cờng độ uốn của vữa ở tuổi 7 ngày 54

4.5.3 Cờng độ uốn của vữa ở tuổi 28 ngày 56

4.6 Độ hút nớc bão hoà và độ rỗng mao quản của vữa đã đóng rắn với sự có mặt của PMMA và phụ gia siêu dẻo 58

4.7 ảnh hởng của PMMA và phụ gia siêu dẻo đến cờng độ bám dính của vữa mới và bê tông cũ 61

4.8 ảnh hởng của PMMA và phụ gia siêu dẻo đến độ co nở của vũa nghiên cứu 64 4.9 ảnh hởng của phụ gia siêu dẻo và PMMA đến độ giữ nớc của hỗn hợp vữa 67

Chơng V: Đề xuất phơng án sản xuất 70

5.1 Dây chuyền công nghệ sản xuất 70

5.2 Biện pháp thi công 71

Một số kết luận và kiến nghị 73

A Kết luận 73

B Kiến nghị 73

Phụ lục 75

tài liệu tham khảo 78

Ngày nay việc sử dụng polymer trong bê tông trở nên khá phổ biến Ngay từ thời tiền sử, chúng đã đợc sử dụng dới các dạng hợp chất tự nhiên Trong 50 năm trở lại đây, polymer tổng hợp đợc nghiên cứu ứng dụng trong bê tông Kết quả nghiên cứu cho thấy polymer cải thiện cấu trúc lỗ rỗng của vữa và bê tông nhờ tơng tác hoá học và khả năng chèn đầy các lỗ rỗng và mao quản, đồng thời tạo ra các màng kỵ nớc trên bề mặt mao quản và lỗ rỗng Nhờ khả năng tạo màng của polymer nớc đợc giữ lại trong bê tông và do đó giúp quá trình thuỷ hoá xi măng diễn ra một cách thuận lợi hơn Theo thời gian, cờng độ của bê tông tăng góp phần cải thiện cải hơn nữa vi cấu trúc của bê tông, làm tăng tính bám dính giữa chất kết dính và các cốt liệu Hiệu quả tạo màng còn có tác dụng cải thiện tính bền cho bê tông nh: tăng độ bền đóng và tan băng, độ bền chống cácbonát hoá, giảm sự xâm nhập của ion Clo và giảm khả năng xảy ra phản ứng kiềm silic Tuy nhiên, các polymer khác nhau đợc sử dụng theo cách khác nhau Mặc dù các polymer thuộc nhóm Acrylic bền hơn so với các polymer khác song hầu hết polymer kém bền sunfat và axit sunphuric.

Việc cải thiện vi cấu trúc của vữa và bê tông khi sử dụng polymer có thể đợc kết hợp với các biện pháp khác nh sử dụng phụ gia giảm nớc tầm cao để tạo ra vữa và

bê tông có cùng tính công tác song có độ đặc chắc cao hơn nhờ giảm đáng kể lợng nớc tự do

Vữa dùng trong sửa chữa các công trình bê tông cốt thép theo quan điểm của chúng tôi cần đáp ứng một số yêu cầu chính sau (Mục tiêu của đề tài):

1 Có tính công tác tơng đơng vữa và bê tông đối chứng

2 Có cờng độ xấp xỉ hoặc cao hơn cờng độ của vữa và bê tông cũ

3 Có khả năng bám dính tốt với vữa và bê tông cũ

4 Có độ co nhỏ và thấp hơn nhiều so với độ co của vữa và bê tông thờng

5 Có độ rỗng mao quản, độ hút nớc bão hoà thấp hơn vữa và bê tông thờng để bảo đảm khả năng chống thấm tốt bảo vệ cho cốt thép không bị ăn mòn khi xuất hiện các tác nhân xâm thực

giúp làm sáng tỏ ảnh hởng của các tác nhân đến tính chất của vữa tính năng cao đó là:

 Sử dụng mức ngậm cát nh một phơng tiện điều chỉnh độ dẻo của vữa giữ nguyên tỷ lệ N/X trong xác định tính dễ thi công của vữa

 Sử dụng bàn nhảy vữa để đánh giá độ dẻo của vữa khi giá trị ứng suất cắt lớn

 Sử dụng phơng pháp tạo mẫu uốn để thử cờng độ bám dính giữa vữa cũ và vữa mới

Chúng tôi trân trọng cảm ơn thày giáo GVC.TS.Nguyễn Nh Quý, KS.Nguyễn Văn Tuấn và các thầy cô ở phòng thí nghiệm VLXD, trờng đại học Xây Dựng đã tận tình giúp đỡ chúng tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài Chúng tôi thành cảm ơn các bạn sinh viên lớp 44VL và lớp 45VL, khoa VLXD, trờng ĐHXD đã giúp đỡ chúng tôi thực hiện đề tài này

Thực hiện đề tài

1 Phạm Đại Dơng 2 Phạm Đức Cờng

Lîng dïng phô gia siªu dÎo Mighty

Lîng dïng phô gia Poly Methyl Metha Acrylate

Poly Methyl Metha Acrylate

Chơng I:

Tổng quan về bê tông ximăng Polymer 1.1 Giới thiệu chung

Bê tông và vữa ximăng là vật liệu composite nhân tạo Loại vật liệu này tơng

đối rẻ và đợc sử dụng rất rộng rãi Vật liệu xi măng đợc sử dụng trong thời kỳ cổ xa

là xi măng vôi-pozzolan Sự ra đời của ximăng poóclăng đã thay thế loại ximăng pozzolan cổ xa này Kết quả khảo sát cho thấy các công trình bê tông xây dựng từ

xi măng vôi-pozzolan dù có tuổi thọ rất lâu nhng vẫn bền vững Có một vài công trình xây dựng thuộc dạng này vẫn tồn tại trong điều kiện tốt cho tới ngày nay Bí quyết tạo ra loại vật liệu phẩm chất cao này là sự lựa chọn loại vật liệu phù hợp, tỷ

lệ pha trộn chính xác và tính công tác tốt Bê tông đợc làm từ xi măng, cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ và nớc đợc pha trộn với một tỷ lệ thích hợp và đợc chế tạo, bảo dỡng theo chế độ thích hợp Chất lợng của bê tông đợc thể hiện ở cờng độ cũng nh độ bền Ngoài thành phần khoáng đợc sử dụng để chế tạo bê tông, các loại vật liệu hữu cơ khác cũng đợc sử dụng trong bê tông cổ xa dới dạng phụ gia Những tài liệu ghi chép có giá trị còn lại hiện nằm rải rác và một số lớn bị thất lạc khó có khả năng hệ thống lại Tuy nhiên việc sử dụng asphalt cho bồn tắm của Mohen-jo-daro (năm

2300 trớc công nguyên) nh một thành phần của vữa xây gồm vôi và đất sét đã đợc làm rõ Trong quá trình xây dựng Babylon cũng đã sử dụng các loại vật liệu hữu cơ khác nh đậu (protein), gạo nếp, sữa động vật, nhựa thực vật,v.v Đó là thời kỳ polymer tự nhiên đợc sử dụng phổ biến Cùng với thời gian việc sử dụng polymer tự nhiên không còn rộng rãi Tính chất của bê tông giờ đây có thể đợc cải thiện bằng việc sử dụng polymer nhân tạo Xu hớng này trở nên khá phổ biến từ 50 năm trở lại

đây Sáng chế đầu tiên về polymer nhân tạo đợc Lefebure công bố năm 1924 liên quan đến việc sử dụng cao su lu hoá và không lu hoá trong mẫu xi măng mủ cao su Năm 1925 Kirkpatrik đã sáng chế ra sản phẩm tơng tự cho cờng độ cao và khả năng bền nớc Bê tông xi măng polymer trong những năm 1930 hầu hết đều dựa trên việc sử dụng mủ cao su Về sau vào những năm 1940 các sản phẩm khác dựa

trên polyvinyl axetate cũng đã đợc phát minh Trong thập niên 60 của thế kỷ 20, các loại polymer dẻo nhiệt nh arcrylic và vinylidine chlorides đã đợc chế tạo.

Polymer đợc sử dụng trong bê tông chia thành 3 nhóm: nhựa mủ, chất dẻo lỏng

và những polymer hoà tan trong nớc Nhựa mủ là một dạng phân tán của các phần

tử polymer đặc trong nớc, trông giống nh sữa Độ quánh của một hệ phân tán này

có thể thay đổi từ rất lỏng tới nhớt phụ thuộc vào nồng độ của các phần tử vi mô Polymer dạng này khi ở trạng thái phân tán có nồng độ 30-50% chất khô Trừ nhựa Epoxy, còn lại tất cả các dạng khác đợc sản xuất dới dạng polymer hoá nhũ tơng monomer có dung môi là nớc Bởi vậy chúng còn đợc gọi là nhũ tơng Lợng nhựa

mủ sử dụng đợc tính toán dựa trên khối lợng đặc của chất khô không bay hơi đợc xác định bằng cách lấy một khối lợng mẫu nhựa mủ, sấy khô Tỷ lệ polymer so với

xi măng đợc tính theo khối lợng polymer đặc so với khối lợng xi măng hay vữa xây

1.2 Các đặc tính của polymer

Đặc tính của polymer liên quan tới cấu trúc của chúng và những biến đổi khi bị

đốt nóng Polymer đợc phân thành polymer nhiệt dẻo, polymer nhiệt rắn và polymer đàn hồi [16]

a) Polymer nhiệt dẻo: thờng là những polymer dạng mạch thẳng, những

polymer tan tuy ở các trạng thái khác nhau độ hoà tan cũng khác nhau phụ thuộc vào độ dài của mạch Hầu hết các polymer nhiệt dẻo nóng chảy ở nhiệt độ tơng đối thấp trong khoảng từ 200-250°C Chúng có khả năng mềm hoá khi bị đốt nóng và rắn chắc khi để nguội

b) Polymer nhiệt rắn: là những polymer mạch không gian gồm những chuỗi

dài đợc kết nối lại thành mạng không gian ba chiều Những mối liên kết ngang đợc hình thành một lần không dễ tan bởi những phân đoạn này của mạng lới đại phân

tử không có khả năng di chuyển tự do tơng đối so với các phân đoạn khác Tính không hoà tan, tính chịu lực và tính co giãn thấp của polymer nhiệt rắn là thuộc tính của hầu hết các polymer có mối liên kết ngang

c) Polymer đàn hồi: là những polymer có mối liên kết không chặt chẽ của

những polymer mạch thẳng với sự dịch chuyển hạn chế của các chuỗi tạo nên tính

đàn hồi cao su Các mối liên kết cao su tự nhiên hay cao su lu hoá là vật liệu thuộc nhóm này

Polymer dẻo nhiệt nhìn chung có khả năng chịu tác dụng lực lớn hơn so với polymer đàn hồi khi đợc kết hợp với xi măng trong vữa Kết quả nghiên cứu cho thấy vinyldine chloride là một polymer nhiệt dẻo có cờng độ nén cao hơn rất nhiều với polymer đàn hồi styrene butadiene

Hầu hết các polymer có khả năng tăng dẻo cho vữa và bê tông tơng tự các chất dẻo hoá thông thờng trong bê tông nhờ tính chất bề mặt của các tác nhân hoá dẻo

có mặt trong polymer đó Do đó khi sử dụng polymer có thể giảm tỷ lệ N/X khi giữ không đổi tính công tác của hỗn hợp vữa, bê tông Ví dụ, thêm nhựa polychloropene vào vữa với tỷ lệ polymer so với ximăng là 0,15 cho phép giảm tỷ

Polyethylene-vinyl acetate (EVA) Polyvinylidene chloride-vinyl chloride (PVDC)

Polypropylene Polyvinylpropionate (PVP) Polyvinyl acetate (PVAC)

Nhựa

đông kết nhiệt Epoxy (EP)

Nhựa bi tum Nhựa đường cao su hoá

Nhựa đường Parafin

Nhựa nhiệt dẻo

Hình 1.1 - Nhựa mủ polymer sử dụng làm phụ gia hay thay thế một phần Xi

măng

1.3 Phân loại hỗn hợp vữa và bê tông có polymer

Hỗn hợp bê tông polymer là một loại hỗn hợp bê tông đợc chế tạo trên cơ sở sử dụng polymer làm phụ gia hay thay thế một phần hoặc toàn bộ chất kết dính xi măng bằng vữa polymer Căn cứ vào số lợng polymer sử dụng và cách chế tạo chúng về căn bản có thể phân loại thành các nhóm sau:

- Bê tông và vữa polymer biến tính, PMC (Polymer Modified Mortar and Concrete)

- Bê tông và vữa xi măng polymer, PCC (Polymer Cement Mortar and Concrete)

- Bê tông và vữa polymer, PC (Polymer Mortar and Concrete)

- Bê tông và vữa tẩm polymer, PIC (Polymer Impregnated Mortar and Concrete)Trong trờng hợp thứ nhất, lợng dùng polymer tới hạn là 5% khối lợng xi măng polymer không đủ để tạo pha liên tục trong bê tông đã rắn chắc mà chỉ tác dụng

nh một chất biến tính Trong khi đó, khi lợng dùng lớn hơn 5% có thể tạo pha liên tục theo 3 phơng làm việc giống nh một thành phần của vữa Trong trờng hợp thứ

ba, polymer là chất nền duy nhất liên kết hoá học với cốt liệu Trờng hợp thứ t, polymer đợc sử dụng dới dạng vật liệu tẩm Quá trình tẩm đợc thực hiện khi bê tông đã rắn chắc

1.4 Các phơng pháp đa polymer vào hỗn hợp vữa và bê tông xi măng

Polymer đợc sử dụng trong hỗn hợp xi măng polymer theo hai cách:

- Nhào trộn cùng lúc với các thành phần khác khi chế tạo vữa và bê tông

- Tẩm bê tông đã rắn chắc

Với một lợng nhỏ polymer bê tông tẩm polymer (PIC) có cờng độ nén cao hơn

bê tông xi măng polymer (PCC) Ví dụ PIC, với tỷ lệ polymer dùng là 1,5 – 7,5%

so với khối lợng của xi măng, có cờng độ cao hơn rất nhiều thậm chí với PCC có chứa 20% polymer so với lợng dùng xi măng Trong trờng hợp của PIC, polymer đ-

ợc đa vào cấu trúc của bê tông đã rắn chắc Vì vậy polymer không làm cản trở quá trình hydrat hoá của xi măng poóclăng Điều này có nghĩa là quá trình polymer hóa diễn ra trong các lỗ rỗng mao quản Trong suốt quá trình polymer hoá, các vết nứt

đợc hàn gắn lại và cấu trúc bê tông đợc gia cờng Cờng độ tăng nhờ sự liên kết tốt

hơn giữa các sản phẩm hydrat hoá xi măng và cốt liệu, một phần mao quản bị lấp

đầy và vết nứt vi mô có thể đợc hàn gắn bởi polymer Bên cạnh đó, việc pha trộn polymer trong khi chế tạo vữa và bê tông cũng cũng có tác dụng hàn gắn các vết nứt và cải thiện cờng độ uốn Tính co dãn tốt của polymer có thể giúp phân bố ứng suất trong chất nền một cách đồng đều hơn Sự phát triển vết nứt do vậy có thể giảm đi

Trong trờng hợp trộn polymer vào bê tông, quá trình hydrat hoá xi măng pooclăng bị cản trở bởi sự tơng tác của polymer với các sản phẩm hydrát và sự hình thành màng polymer do sự liên kết giữa các phần tử polymer Kết quả là tạo ra một chất nền với một mạng lới cấu trúc trong đó pha hydrat và pha polymer tồn tại đan xen nhau

1.5 Tác dụng của polymer trong vữa và bê tông

1.5.1 Polymer có tác dụng làm thay đổi cấu trúc rỗng

Polymer tơng tác với các sản phẩm thuỷ hoá xi măng trong vữa và bê tông để tạo ra màng polymer do đó làm thay đổi cấu trúc rỗng của bê tông Trong bê tông thể tích phần rỗng chủ yếu đợc tạo bởi các lỗ rỗng có bán kính trung bình trong phạm vi từ 430 tới 4300 A° chủ yếu tập trung trong khoảng 750 tới 1400 A° Độ rỗng này ở vào khoảng 0,1cm3/g bê tông Sự có mặt của polymer có tác dụng giảm thể tích rỗng của các mao quản có bán kính lớn hơn 0,2 àm hay lớn hơn và làm giảm đáng kể lỗ rỗng bán kính 75nm và nhỏ hơn Thể tích rỗng giảm khi tăng tỷ lệ polymer so với xi măng Trong một vài trờng hợp lợng polymer có thể không đủ để lấp đầy hoàn toàn các lỗ rỗng Lúc đó polymer bao bọc bề mặt lỗ rỗng hoặc chèn

đầy một bộ phận các lỗ rỗng làm cho các ống mao quản dờng nh đợc tẩm bởi một màng polymer Đây là một đặc trng quan trọng nâng cao độ bền nhất là khi bê tông tiếp xúc với chất khí và dung dịch lu thông trong các mao quản Mặc dù không thể ngăn chặn sự phá hoại bê tông một cách triệt để, nhng sự có mặt của polymer có tác dụng trì hoãn hay thậm chí là giảm thiểu quá trình này

1.5.2 Polymer cải thiện khả năng bám dính giữa đá xi măng và cốt liệu

Sự có mặt của polymer có tác dụng cải thiện sự liên kết giữa các phần tử trong vữa và bê tông so với vữa xi măng và bê tông thờng Khả năng này có đợc là do sự bám dính cao của bản thân polymer Ngoài ra polymer còn thấm đầy chất nền và vì vậy bịt kín các vết nứt và đồng thời làm tăng lực liên kết Tính bám dính phụ thuộc vào tỷ lệ polymer so với xi măng mặc dù tỷ lệ polymer so với xi măng không mang tính cực trị Tỷ lệ pha trộn có ảnh hởng lớn đến đặc điểm phá hoại của vữa và bê tông Khi tỷ lệ Polymer/Xi măng = 1:2, sự phá hoại khi uốn xảy ra phổ biến xuyên qua bề mặt giao diện, nhng ở tỷ lệ 1:3 sự phá hoại lại xảy ra xuyên qua chất nền đá

xi măng Số liệu về tính bám dính phụ thuộc vào những phơng pháp thử khác, điều kiện bảo dỡng và độ rỗng của chất nền

1.5.3 ảnh hởng của polymer đến cờng độ của vữa và bê tông

Bê tông và vữa có chứa polymer cờng độ nén, uốn và kéo đều đợc cải thiện Trong đó cờng độ đợc cải thiện rõ rệt nhất Nguyên nhân là do polymer có cờng độ kéo cao và mặt khác sự có mặt của polymer góp phần cải thiện mối liên kết giữa các phần tử trong vữa và bê tông Điều kiện bảo dỡng cũng có ảnh hởng lớn tới c-ờng độ Cờng độ tối đa phần lớn đạt đợc do quá trình thuỷ hoá xi măng diễn ra một cách hợp lý trong điều kiện bảo dỡng ẩm và tiếp theo là bảo dỡng khô Trong suốt thời gian bảo dỡng, các phần tử polymer tái hợp lại để tạo màng Vì vậy, nớc đợc giữ lại trong bê tông và quá trình thuỷ hoá xi măng tiếp tục diễn ra

1.5.4 Polymer tăng tính bền chống sự thâm nhập của ion Clo

Tính bền chống sự thâm nhập của ion Cl- đợc thử bằng cách ngâm mẫu trong

n-ớc biển (với hàm lợng NaCl 2,4%) Kết quả cho thấy có sự cải thiện đáng kể khi có mặt polymer, trừ trờng hợp mủ cao su Styrene butadiene (SBR) Mặc dù khi tăng tỷ

lệ polymer so với xi măng tính bền chống sự thâm nhập của ion Cl- đợc cải thiện nhiều hơn nhng khó có thể rút ra đợc quy luật chung cho kết quả nghiên cứu này Thực tế cho thấy nhựa Acrylic có khả năng cải thiện tính bền chống lại sự thâm nhập của ion Cl- lớn hơn so với khi sử dụng SBR Dới đây là kết quả xác định hệ số

khuếch tán của ion Cl- trong vữa polymer biến tính Những thử nghiệm này đã đợc tiến hành trên mẫu vữa ngâm trong nớc biển tự nhiên

Bảng 1.1 - Hệ số khuếch tán của ion Cl - trong vữa polymer biến tính[16]

Loại vữa Tỷ lệ polymer với XM (%) Hệ số khuếch tán của ion Cl(cm2/s) -

Bảng 1.2 - Hệ số khuếch tán của ion Cl - trong bê tông polymer biến tính[16]

Loại bê tông Tỷ lệ polymer với XM (%) Hệ số khuếch tán của ion Cl(cm2/s) -

1.5.5 ảnh hởng của polymer đến độ bền sunphát

Độ bền sunphát đợc thử bằng cách ngâm mẫu trong thời gian 28 ngày trong dụng dịch Na2SO4 và (NH4)2SO4 đậm đặc không cho kết quả cải thiện đáng kể Mẫu thí nghiệm bị ăn mòn mạnh và khi ngâm trong dung dịch (NH4)2SO4 mẫu bị ăn mòn nhiều hơn so với trong dung dịch Na2SO4 Kết quả cũng cho thấy độ bền sunphát không đợc cải thiện thậm chí khi tăng tỷ lệ polymer so với ximăng Nguyên nhân polymer có trong vữa và bê tông kém bền sunphát còn cha đợc làm sáng tỏ

1.5.6 ảnh hởng của polymer đến độ bền hoá

Nhìn chung độ bền hoá của bê tông và vữa biến tính bằng polymer ít tuân theo một quy luật nhất định mà phụ thuộc vào bản chất của polymer, tỷ lệ polymer so với xi măng và loại hoá chất sử dụng trong thử nghiệm bền hoá Hầu hết bê tông và vữa polymer biến tính đều bị ăn mòn bởi axit vô cơ Kết quả nghiên cứu cho thấy

độ bền axit HCl nồng độ 2% của bê tông polymer biến tính đợc cải thiện phần nào

so với bê tông không biến tính Mặt khác, bền độ axit H2SO4 nồng độ 5% của bê tông này hầu nh không đợc cải thiện

1.5.7 ảnh hởng của polymer đến độ bền đóng-tan băng và khả năng môi ờng

tr-Bê tông và vữa polymer biến tính có khả năng bền chống đóng-tan băng so với

bê tông và vữa thờng nhờ giảm độ rỗng và giảm khả năng thấm do lấp đầy các lỗ rỗng cũng nh tạo màng trên bề mặt các lỗ rỗng mao quản làm cho chúng có tính kỵ nớc Ngoài ra sự cuốn khí vào trong vữa và bê tông cũng diễn ra do sự có mặt của chất hoạt động bề mặt trong polymer Độ bền đóng-tan băng đợc cải thiện đáng kể khi sử dụng 5% polymer Khi vợt quá tỷ lệ này polymer không có tác dụng làm tăng thêm độ bền chống đóng-tan băng của bê tông so với bê tông có 5% polymer Nhìn chung bọt khí cuốn vào bê tông cải thiện độ bền đóng-tan băng, nhng vấn đề này lại gây tranh cãi khi Chandra và Avik đa ra kết quả thực nghiệm sau: Khi sử dụng một lợng nhỏ polymer (1%) không cuốn khí trong bê tông độ bền đóng-tan băng của bê tông đợc cải thiện đáng kể so với bê tông thờng có có phụ gia cuốn khí, mặc dù polymer không làm tăng hàm lợng bọt khí Việc tăng độ bền đóng-tan băng là nhờ sự phân tán cấu trúc rỗng do polymer tạo ra khi tơng tác hoá học, do lấp đầy các lỗ rỗng và do tạo màng polymer[16]

Dới tác dụng của khí quyển, vữa polymer biến tính tăng độ bền khí quyển so với vữa và bê tông thờng Mặc dù cờng độ nén, uốn của bê tông và vữa polymer biến tính có dấu hiệu suy giảm sau 10 năm để lộ sáng Tính bám dính giữa vữa polymer biến tính và vữa ximăng thờng sau 10 năm lộ ánh sáng ngoài trời cho kết

quả đạt yêu cầu Trong khi vữa bê tông không biến đổi có cờng độ giảm dần sau 1 năm.

Việc tẩm dầm bê tông bằng polymer đợc thử ở Trondhiem, NaUy sau 19 năm

để ngoài trời cho kết quả rất tốt Độ bền chống cacbonat hoá cũng tăng lên khi tẩm

bê tông bằng methyl metha-acrylate

Chơng II:

Cơ sở lý thuyết nghiên cứu chế tạo bê tông xi măng

polymer

2.1 Biến tính bê tông và vữa xi măng bằng polymer

Hớng nghiên cứu sử dụng polymer để biến tính bê tông và vữa đợc tiến hành từ những năm 20 - 30 của thế kỷ này Năm 1924, Lefbure lần đầu tiên đa ra kết quả nghiên cứu sử dụng Latex cao su thiên nhiên để biến tính bê tông và vữa xi măng Tiếp theo đó nhờ sự phát triển mạnh mẽ của ngành hoá học cao phân tử, nhiều hợp chất polymer thiên nhiên, nhân tạo và tổng hợp đã đợc nghiên cứu sử dụng để biến tính bê tông Từ năm 1967 đến năm 1981 đã có khoảng 10 cuộc hội nghị, hội thảo quốc tế ở Mỹ, Anh, Nhật, Pháp về polymer trong bê tông Các hợp chất polymer

và monomer đợc khuyến cáo cần phải tơng hợp tốt với xi măng, không bị keo tụ riêng rẽ và rắn chắc chuyển thành trạng thái rắn Nói một cách khác, quá trình thuỷ hoá xi măng và hình thành pha polymer trong tổ hợp xi măng - polymer xảy ra cùng lúc và có sự tơng tác giữa pha hydrat và pha polymer Sự tơng tác của polymer với sản phẩm hydrat làm thay đổi cấu trúc xi măng - polymer tạo làm thay đổi các tính chất của vật liệu đã đợc biến tính so với bê tông và vữa thờng Trong số các hợp chất polymer và monomer dùng biến tính vữa và bê tông thì nhóm polymer Latex và polymer tan trong nớc đợc sử dụng phổ biến hơn cả

2.2 Vữa và bê tông xi măng biến tính bằng polymer latex (nhựa mủ)

2.2.1 Cơ sở chung

Latex là một chất phân tán ổn định của các phần tử polymer hữu cơ trong dung dịch chất hoạt động bề mặt có nớc tạo thành thể sữa lỏng có màu trắng hoặc trắng nhạt Khi khô, những phân tử này đông tụ lại tạo màng liên tục (Các latex polymer

đợc sử dụng phổ biến để biến tính bê tông và vữa: Xem Hình 1.1)

Theo khả năng nhũ tơng hoá thì latex có hai loại:

Loại 1: Loại latex có thể nhũ tơng hoá lại Loại này chỉ nên dùng trong các ứng dụng không làm việc trong môi trờng ngâm trong nớc hoặc có độ ẩm cao.

Loại 2: loại không nhũ tơng hoá lại Loại này có thể dùng trong môi trờng ngâm trong nớc hoặc có độ ẩm cao

Các hạt latex có kích thớc vô cùng nhỏ bé, phải cỡ 0,05 - 3 àm Chúng có cấu trúc mixel dạng cầu hoặc elip khối, và đợc cấu tạo bởi 2 lớp: lớp trong cùng là cacbohydro, vỏ bọc bên ngoài là lớp hấp phụ làm nhiệm vụ bảo vệ latex không bị keo tụ Thành phần hoá học chủ yếu của lớp hấp phụ là các hợp chất thiên nhiên chứa nitơ nh: protein, các chất béo và xà phòng của các axit béo Trong polymer latex còn có các chất phân tán, chất ổn định, chất nhũ tơng hoá và chất hoạt động

bề mặt để ngăn cản sự keo tụ của các tiểu polymer trớc khi chúng phân tán đều trong hồ xi măng

Tất cả các loại latex (trừ nhựa Epoxy) đợc sản xuất nhờ quá trình trùng hợp nhũ tơng Chính vì thế mà latex đôi khi còn đợc gọi là các nhũ tơng Quá trình chế tạo

là trộn một hoặc nhiều monomer với nớc, chất ổn định và chất khơi mào phản ứng Chất khơi mào phản ứng Initiator kết hợp các liên kết tự do lại tạo thành chuỗi Công thức chế tạo điển hình cho ở bảng sau:

- Trùng hợp nhũ tơng cho phép cải thiện một số tính chất của xi măng.

- Bê tông biến tính bằng latex (LMC) là sự phối hợp giữa xi măng pooclăng, cốt liệu và latex Phụ thuộc vào loại latex sử dụng mà bê tông có thể tăng tính công tác, cờng độ, cải thiện liên kết các chất nền bê tông, nâng cao độ dẻo dai và khả năng bền chống va đập, bền nớc, bền hoá học, tính bền băng giá và giảm tính thấm

Cơ chế quá trình hình thành cấu trúc của đá xi măng đợc biến tính bằng latex polymer xảy ra qua một số giai đoạn nh Hình 2.1 sau:

Hình 2.1 - Mô hình đơn giản hoá việc tạo thành màng polymer trong quá trình

thuỷ hoá ximăng

Đầu tiên, các tiểu phân tử polymer phân tán trong nớc hấp phụ lên bề mặt của hạt xi măng Qúa trình thuỷ hoá xi măng làm giảm lợng nớc các hạt polymer do đó keo tụ lại Xi măng tiếp tục lấy nớc để hydrat hoá, pha polymer đã keo tụ chuyển thành màng mỏng phân bố xen kẽ trên các sản phẩm hydrat Màng polymer phân

bố trong xi măng có tác dụng ngăn cản sự hình thành vết nứt vi mô (giảm ứng suất nội), đồng thời tăng cờng liên kết bám dính giữa các thành phần của tổ hợp vật liệu Vì vậy bê tông và vữa biến tính bằng polymer latex u việt hơn so với bê tông và vữa thờng.

Rất nhiều tài liệu đa ra kết quả nghiên cứu tính chất quan trọng của bê tông và vữa có mặt polymer latex Theo đó sự thay đổi tính chất của hỗn hợp bê tông và vữa cha rắn chắc và các tính chất của vật liệu đã rắn chắc đợc biến đổi bằng polymer latex so với bê tông và vữa thờng phụ thuộc chủ yếu vào bản chất, thành phần polymer, tỷ lệ polymer so với xi măng và công nghệ tạo ra chúng

2.2.2 Tính chất của vữa và hỗn hợp bê tông cha rắn chắc khi có mặt nhựa mủ

Hỗn hợp bê tông và vữa cha rắn chắc khi có mặt polymer latex có độ dẻo cao (khả năng thi công dễ hơn so với bê tông và vữa thờng) Nguyên nhân tăng độ dẻo

là do tác dụng của thành phần polymer và các chất ổn định trong latex cũng nh tác dụng cuốn khí Độ dẻo của hỗn hợp bê tông biến đổi bằng polymer latex có tỷ lệ N/X cố định tăng đáng kể khi tăng tỉ lệ Polymer/Xi măng (P/X) trong giới hạn cho phép Do vậy khi giữ nguyên độ dẻo cho phép giảm lợng nớc sử dụng giúp nâng cao cờng độ và giảm vết nứt trong vật liệu biến tính

Hỗn hợp bê tông và vữa có polymer latex chậm khô hơn so với bê tông và vữa thờng Bản chất polymer và tỷ lệ Polymer/ Xi măng (P/X) sử dụng có ảnh hởng đến thuộc tính này Nguyên nhân chậm khô do các chất hoạt động bề mặt có trong latex (chất ổn định latex) hấp phụ lên bề mặt hạt xi măng làm giảm tốc độ thuỷ hoá xi măng

Các polymer latex còn có tác dụng làm hạn chế quá trình mất nớc của hỗn hợp

bê tông sau khi tạo hình Tác dụng này làm cho bề mặt vật liệu có độ hoàn thiện cao và tạo ra giải pháp thi công đạt chất lợng tốt khi đổ kết cấu bê tông có bề mặt

hở lớn và nhất là khi thi công bê tông trong điều kiện khí hậu nóng - khô

2.2.3 Tính chất của bê tông và vữa đã rắn chắc khi có mặt nhựa mủ

Bê tông và vữa biến đổi bằng polymer latex có cờng độ kéo và uốn tăng, tuy nhiên cờng độ nén lại giảm so với bê tông thờng Điều này đợc giải thích do polymer tham gia vào thành phần kết dính có cờng độ kéo cao và tăng khả năng liên kết bám dính của xi măng với các thành phần khác của vật liệu Cờng độ của

bê tông và vữa biến đổi phụ thuộc vào yếu tố có tác dụng tơng hỗ nh bản chất của vật liệu sử dụng (xi măng, chất kết dính và cốt liệu), công nghệ chế tạo và điều kiện rắn chắc Đối với polymer tổng hợp dùng để biến tính bê tông và vữa, cờng độ của vật liệu không chỉ phụ thuộc vào bản chất hoá học của chúng mà còn phụ thuộc vào lợng monomer trong polymer, phụ thuộc vào lợng và kiểu chất ổn định, kích thớc của các mạch polymer phân tán

Điều kiện rắn chắc bê tông và vữa biến tính bằng polymer latex khác với bê tông và vữa thờng do chất kết dính xi măng và chất kết dính gồm hai pha (polymer

và xi măng) có bản chất khác nhau Độ bền tối u của pha xi măng phát triển trong môi trờng ẩm trong khi pha polymer lại phát triển trong môi trờng khô H Wagner

đã nghiên cứu chế độ rắn chắc tối u để đạt cờng độ cao cho vật liệu biến đổi Đầu tiên mẫu đợc giữ trong môi trờng ẩm để thuỷ hoá xi măng, sau đó chuyển sang môi trờng khô để phát triển cờng độ của pha polymer

Bê tông và vữa biến tính bằng polymer latex có giá trị modul đàn hồi nhỏ (modul đàn hồi cỡ 0,001 - 10ì103 MPa) so với đá xi măng (modul đàn hồi 10 -

30ì103 MPa) và nhờ sự tổ hợp hai pha xi măng - polymer tạo cho vật liệu có khả năng biến dạng lớn hơn so với bê tông và vữa thờng Vật liệu biến tính còn có độ co ngót nhỏ, cờng độ chống nứt chống mài mòn cao hơn bê tông và vữa thờng

Một đặc trng quan trọng khác của bê tông và vữa biến tính là đạt độ bền chống thấm nớc và khí cao với khả năng bám dính tốt với các bề mặt vật liệu cũ và mới Tính năng này làm tăng độ bền lâu của bản thân vật liệu dới tác động của môi trờng (tác động của khí quyển, cácbonát hoá, môi trờng ăn mòn ) và khả năng sử dụng chúng làm vật liệu bảo vệ ăn mòn cốt thép (trong bê tông cốt thép) trong môi trờng xâm thực

Nhợc điểm chính của bê tông và vữa biến tính bằng polymer latex là độ bền trong môi trờng ẩm và nớc kém Sự suy giảm này có quan hệ trực tiếp tới độ bền trong môi trờng ẩm kém của pha polymer Điển hình là bê tông và vữa có polyvinyl Acetate có độ bền nén và khả năng bám dính giảm rất nhanh trong môi trờng ẩm.

2.3 Vữa và bê tông xi măng biến tính bằng polymer tan trong nớc

Đạm thực vật

Polymer bán nhân tạo

Tinh bột

Polymer nhân tạo

Vinyl

Poly vinyl alcohol

Etylen Oxyt polyethylene

Poly vinyl alcohol nhân tạo biến tính

Xà phòng hoá đầy đủ

Xà phòng hoá trung gian

Xà phòng hoá từng phần

Tinh bột được phân huỷ Tinh bột

Dẫn xuất tinh bột Hydroxy propyl methyl cellulose

Cacboxy methyl cellulose (CMC) Hydroxy propyl cellulose (HPC) Muối Natri

Hydroxy ethyl cellulose (HEC)

Chất điện phân

Cellulose nào đó

Polymer

hoà tan

trong

nước

Hình 2.2 - Phân loại polymer tan trong nớc

Các polymer hoặc oligome tan trong nớc là các hợp chất cao phân tử tổng hợp Chúng đợc nghiên cứu sử dụng để biến tính bê tông và vữa muộn hơn nhóm latex polymer Tuy vậy, ngày nay nhóm polymer tan trong nớc đợc sử dụng nhiều để biến đổi bê tông và vữa, đặc biệt là các oligome trên cơ sở Ure Melamine Formaldehyde và Ure Melamine trùng ngng với Fomaldehyde Các hợp chất cao phân tử và copolyme chứa nhóm Hydroxyl (OH-) có khả năng phản ứng hoá học theo nhóm chức (OH-) và khả năng tạo ra liên kết hydro với các chất cho hay nhận

proton Chính nhờ những đặc trng này và sự phân tán của chúng trong nớc đạt mức

độ phân tử nên nhóm nhựa tan trong nớc có độ ổn định và tơng hợp cao với xi măng Cơ chế tác dụng tơng hỗ của các polymer tan trong nớc trong bê tông khác

về mặt nguyên tắc so với nhóm polymer latex Các phân tử polymer này khi đa vào

bê tông đợc đóng rắn trong môi trờng kiềm do quá trình thuỷ hoá xi măng sinh ra

để tạo thành các mạch polymer bền vững hấp phụ lên bề mặt các sản phẩm mới hình thành của đá xi măng và xuyên vào vùng tiếp xúc giữa các tinh thể

Mặt khác, hệ kết dính xi măng - polymer còn có độ liên kết bám dính cao bởi các cấu tử hình thành vật liệu Vì vậy, lợng polymer tan trong nớc đa vào trong bê tông và vữa thờng nhỏ hơn so với lợng polymer latex (không quá 3% hàm lợng polymer khô so với vữa xi măng) Trong trờng hợp này, tổ hợp vật liệu đạt độ bền cơ lý cao, đặc biệt là khả năng chống thấm và bám dính liền khối tốt hơn nhiều so với bê tông và vữa thờng

2.3.2 Tính chất của hỗn hợp bê tông và vữa cha rắn chắc khi có mặt polymer tan trong nớc

Hỗn hợp bê tông biến tính bằng nhóm polymer tan trong nớc thờng dùng tỷ lệ P/X khá nhỏ đã đạt độ dẻo cao Tác dụng hoá dẻo cao có thể liên quan tới khả năng phân tán, tơng hợp cao và hiệu ứng cuốn khí của nhóm polymer này Sự tăng độ dẻo của hỗn hợp bê tông cho phép giảm lợng nớc nhào trộn ở mức tối đa, từ đó nâng cao cờng độ, tạo tính chống thấm tốt và độ co ngót nhỏ Hỗn hợp bê tông và vữa có polymer tan trong nớc chậm mất nớc hơn nhiều so với bê tông và vữa thờng

và khả năng chậm mất nớc càng tăng khi tăng tỷ lệ P/X

2.3.3 Tính chất của bê tông và vữa đã rắn chắc khi có mặt polymer tan trong nớc

Bê tông và vữa biến tính với lợng nhỏ polymer tan trong nớc làm tăng cả cờng

độ kéo, uốn và nén (khác với hệ biến tính bằng polymer latex cờng độ nén không tăng), khả năng bám dính khả năng chống thấm tốt hơn so với bê tông và vữa th-ờng Satalkin đã đa ra kết quả nghiên cứu các tính chất quan trọng của bê tông hạt

mịn có các polymer tan trong nớc C-89 trên cơ sở ure-formandehyde và trên cơ sở polyvinyl styrene CKC-65.

Do tăng cờng độ kéo và uốn nên vật liệu biến tính bằng polymer tan trong nớc làm tăng biến dạng tơng đối so với trong bê tông thờng Kết quả nghiên cứu cho thấy sự phụ thuộc của biến dạng tơng đối vào thời gian ở độ ẩm 90% và nhiệt độ 20

- 25°C Kết quả tốt nhất đợc quan sát bê tông biến tính nhựa C-89 có cờng độ bền tăng gần 3 lần so với bê tông không có polymer Từ những kết quả trên cho thấy bê tông biến tính bằng các polymer tan trong nớc có các tính chất quan trọng nh cờng

độ kéo, uốn và nén lớn hơn nhiều so với bê tông thờng và lớn hơn cả bê tông biến tính bằng polymer phân tán trong nớc

Tác giả Y.Ohama nhận thấy cờng độ nén và kéo khi uốn có xu hớng giảm ở bê tông biến tính bằng Methylcelluloze và Polyacrylamid Một đặc trng quan trọng khác của bê tông và vữa có các polymer tan trong nớc là đạt độ bền chống thấm rất cao Giá trị độ bền chống thấm của chúng gấp nhiều lần bê tông thờng và lớn hơn cả bê tông biến tính với nhóm polymer phân tán trong nớc Giữa độ bền chống thấm và hệ số thấm khí của bê tông có mối liên quan tỷ lệ thuận Đặc trng độ bền thấm chất lỏng và khí là tiêu chuẩn quan trọng đánh giá độ bền lâu và khả năng bảo

vệ cốt thép của bê tông trong môi trờng xâm thực

Cũng nh hệ biến tính với nhóm latex polymer, tổ hợp bê tông và vữa với các polymer tan trong nớc có cờng độ bám dính với bề mặt của vật liệu nền nh bê tông

cũ và mới, gạch, đá, sứ và cờng độ bám dính tăng khi tỷ lệ P/X tăng trong giới hạn nhất định Độ co ngót của bê tông biến tính cũng nhỏ hơn bê tông thờng

Một u điểm nữa của bê tông và vữa biến tính bằng polymer tan trong nớc so với

bê tông biến tính bằng các latex polymer là điều kiện rắn chắc và độ bền trong điều kiện ẩm của vật liệu sau khi đã rắn chắc Nhờ khả năng tơng hợp tốt với xi măng, l-ợng sử dụng nhỏ và giá thành hạ (so với nhóm polymer latex) kết hợp với các đặc trng độ bền cao, điều kiện công nghệ thuận lợi nên nhóm polymer tan trong nớc đ-

ợc sử dụng nhiều trong bê tông

Ngoài hai nhóm polymer latex và polymer tan trong nớc đợc nghiên cứu sử dụng phổ biến để biến tính bê tông và vữa, trong những năm gần đây các nhà khoa

học còn nghiên cứu sử dụng các polymer nhựa lỏng nh Epoxy, Polyeste không no, Polyurethane và các monomer Furfurilalcol, Methylmethacrylat, Styren, Acrylonitril để biến tính bê tông và vữa Các nhựa lỏng hoặc các monomer đợc trộn đều trong hỗn hợp bê tông hoặc vữa sau đó phải đợc đóng rắn chuyển sang trạng thái rắn chắc trong hoặc sau khi xi măng thuỷ hoá

2.4 Vữa và bê tông xi măng sử dụng phụ gia giảm nớc tầm cao

2.4.1 Cơ sở chung

Các phụ gia siêu dẻo (PGSD) hay các chất có tác dụng giảm nớc lớn thông dụng hiện nay đã đợc biết đến từ đầu những năm 1906 ở nớc ta, vấn đề nghiên cứu phụ gia cho bê tông đợc tiến hành từ năm 1960 nhằm mục đích tăng độ dẻo, nâng cao

độ bền và khả năng chống thấm, rút ngắn thời gian bảo dỡng đồng thời hỗ trợ cho công nghệ thi công Việc sử dụng bê tông chất lợng cao trên cơ sở phụ gia cho phép giảm nhẹ trọng lợng công trình, giảm các chi phí cẩu lắp và xử lý nền móng công trình, tuổi thọ công trình cao, tạo ra dáng vẻ kiến trúc đẹp, nhẹ nhàng, thanh mảnh Một số loại phụ gia siêu dẻo chính đang đợc sử dụng trong thực tiễn nh Naphtalene Formandehyde Sunfonated (NFS), Melamine Formandehyde Sunfonated (MFS), Polycarboxylate (Acrylate 1), PolyCarboxylate Ether (Acrylate 2), Cross-linked polymer (Acrylate 3) - polymer liên kết chéo, Amino-sunfonate polymer Đây là các phụ gia giảm nớc tầm cao thế hệ 2

2.4.2 Cơ chế hoá dẻo của các phụ gia giảm nớc tầm cao thế hệ 2

2.4.2.1 Thuyết phân tán

Để tăng khả năng giảm nớc của hỗn hợp bê tông cần tăng cờng khả năng phân tán của các hạt xi măng Khả năng này cần đợc duy trì theo thời gian và khả năng này có đợc nhờ lực đẩy tĩnh điện và khả năng chống vón tụ của các chất hấp phụ lên bề mặt hạt xi măng

2.4.2.2 Thuyết DLVO

Để giải thích tính ổn định của trạng thái phân tán dới góc độ lực đẩy tĩnh điện, thuyết DLVO do Derjaguin, Landau, Verwey và Overbeck đề xuất Theo đó tính ổn

định của trạng thái này cũng đợc quyết định bởi độ cong của đờng thế năng VT tạo thành từ lực đẩy tĩnh điện, VR thu đợc khi có hai phần tử tiến lại gần nhau và lực hấp dẫn Van der Waal, VA Khi khoảng cách giữa hai phần tử ứng với điểm trên đ-ờng cong tại đó VT đạt maximum, Vmax thì 2 phần tử này sẽ đẩy nhau Khi Vmax tăng lên thì độ phân tán cũng tăng lên và tỷ lệ với Vmax

2.4.2.3 Thuyết hiệu ứng chống vón tụ

Tính ổn định phân tán nhờ hiệu ứng chống vón tụ có thể đợc giải thích bằng thuyết hiệu ứng Entropi do Mackor đề xuất Tổng thế năng VT giữa hai phần tử đợc xác định nh sau:

VT = VA + VRS

Trong đó: VA - lực hấp dẫn Van der Waal

VRS - năng lợng đẩy chống vón tụ bằng Entropi của cấu tạo và hình dạng của chất hấp phụ lên bề mặt các phần tử

Tính ổn định phân tán đợc duy trì bởi lực đẩy chống vón tụ này

2.5 Quá trình tơng tác giữa polymer và xi măng thuỷ hoá

Ngày nay, nhiều hợp chất polymer và chất hữu cơ phân tử lợng thấp đợc sử dụng trong bê tông và vữa Việc nghiên cứu vai trò tăng cờng của chúng khi kết hợp với xi măng và sự hình thành cấu trúc xi măng - polymer đã đợc quan tâm từ những năm 30-40 của thế kỷ này và đến nay đã có nhiều kết quả nghiên cứu đợc công bố với các vật liệu biến tính khác nhau Song do cơ chế quá trình tơng tác giữa hợp chất hữu cơ và xi măng trong và sau quá trình thuỷ hoá rất phức tạp vì thế đến nay cha có tổng kết đầy đủ về cơ chế này Hình 2.4 chỉ ra tơng tác giữa xi măng và latex polymer

Phần xi măng chưa thuỷ hoá

Sự pha trộn của phần xi măng không thuỷ hoá và gel xi măng (polymer lắng một phần)

Thuỷ hoá xi măng phát triển với màng polymer

Hình 2.3 - Tơng tác giữa xi măng và polymer latex

Có hai quan điểm lý thuyết về cơ chế tơng tác của polymer trong bê tông Quan

điểm thứ nhất cho rằng giữa polymer và bê tông không có sự tơng tác tơng hỗ Trong quá trình thuỷ hoá xi măng, phần a nớc của phân tử polymer định hớng vào pha nớc, còn phần kỵ nớc hớng về pha khí (lỗ rỗng vi mô của đá xi măng không chứa nớc) Khi chuyển sang trạng thái khô các phần kỵ nớc liên kết lại với nhau và tạo ra màng mỏng vi mô Lý thuyết này thờng sử dụng để giải thích tác dụng của các hệ biến tính xi măng polymer không có nhóm chức Ngợc lại, lý thuyết thứ hai khẳng định có sự tơng tác giữa polymer với các sản phẩm thuỷ hoá của ximăng

Đây là trờng hợp các hệ biến tính xi măng từ các polymer có chứa các nhóm chức

có khả năng phản ứng nh: -COO-, -OH-, -SO3-,

2.5.1 Quá trình thuỷ hoá của xi măng pooclăng

Bảng 2.2 - Thành phần chính của xi măng poóclăng và clinke[4]

và Ca(OH)2 hình thành nhiều, bắt đầu kết tinh Trong giai đoạn trên, pha C3A và

C4AF cũng tham gia phản ứng thuỷ hoá gần giống nhau Sự thuỷ hoá của C3A khi không có ion sunfat:

C3A + 21 H → C4AH13 + C2AH18→ 2C3AH6 + 9 H

(không bền) (bền)Khi có mặt của ion sunfat (có thạch cao đa vào khoáng xi măng để điều chỉnh thời gian đóng rắn), phản ứng thuỷ hoá C3A và tạo ra etringite

C3A + 3CSH2 + 26H → C3A.3CaSO4.32H2ONhng lại có thể kết hợp với etringite tạo ra monosunfat:

2C3A + C3A.3 CaSO4.32H + 4H → 3(C3A.CaSO4.12H)Các giai đoạn thuỷ hoá các pha clinke xi măng kết thúc sau 24 giờ Cấu trúc đá

xi măng chủ yếu là các sợi canxi silicat đợc hydrat hoá (C-S-H) và cầu nối giữa chúng đợc lấp đầy các phân tử nớc còn các vi xốp chứa đầy các sản phẩm thuỷ hoá Sau giai đoạn này, nhờ giữ đợc nớc, cấu trúc đá xi măng tiếp tục phát triển toàn diện

2.5.2 Quá trình phản ứng giữa polymer với thành phần của bê tông

Hình 2.4 Minh hoạ phản ứng giữa poyimer chứa nhóm Cacboxynat (chuỗi este)

với các thành phần của bê tông

2.5.3 Sự tơng tác giữa sản phẩm thuỷ hoá và polymer

Sản phẩm chính của quá trình thuỷ hoá xi măng poóclăng là Ca(OH)2 và hydro canxi silicat, vì vậy việc nghiên cứu tơng tác của polymer trong và sau quá trình thuỷ hoá đợc tập trung nghiên cứu vào sự tơng tác của polymer với các sản phẩm này

- Sự tơng tác giữa Ca(OH)2 và polymer:

Ca(OH)2 đợc tạo ra ngay sau khi cho nớc vào xi măng poóclăng Vì vậy nghiên cứu khả năng tơng tác của Ca(OH)2 với polymer có ý nghĩa quan trọng S.Chandra

đã nghiên cứu sự tơng tác của Ca(OH)2 với polymer ethyl methacrylate phân tán trong nớc nhận thấy Ca+2 tơng tác với (-COO-) tạo ra liên kết ion Với Ca(OH)2 ở trạng thái rắn các nhóm (-COO-) của phân tử polymer cũng nh phản ứng với hoá trị

tự do của nguyên tử Canxi trên bề mặt Sự tơng tác này ở Hình 2-4 Sự tơng tác hoá học này làm ức chế khả năng tạo màng của polymer.

-OOC 2+Ca Ca2+ COO-

Hình 2.5 Sự tạo liên kết ion của polymer với ion Ca– 2+ và Ca(OH) 2

Các polymer chứa nhóm sunfonate (-SO32-) nh melamine Formaldehyde Sunfonated (MFS), Naphtalene Fomaldehyde Sulfonated (NFS) và Lignosulfonate là những phụ gia siêu dẻo cho bê tông đợc dùng rất phổ biến cũng tơng tác với ion Canxi

- Sự tơng tác của Canxi silicat (C-S) và polymer biến tính:

T.Sugama và L.F.Kukacka đã nghiên cứu sự tơng tác của Dicanxi silicate (C2S)

và Tricanxi silicat (C3S) với một số polymer đã nhận thấy rằng Ca2+ của C-S tạo liên kết với nhóm cacboxylat TriMethylPropanTriMethylAcrylate và tơng tác với nhóm (-CH2-) của polymer ethyl methacrylate và polystyren Bằng phơng pháp nhiễu xạ Rơnghen, quang phổ IR, DTA, ngời ta đã khẳng định sự tơng tác của Ca2+ với các polymer phân tán có nhóm chức Đối với polymer tan trong nớc còn có khả năng hoạt hoá hơn tham gia vào cấu trúc đá xi măng

Hình 2.6 - Sơ đồ tơng tác của Ca 2+ với polymer tan trong nớc có nhóm -SO 3

2-Ngày nay, nhiều tổ hợp chất cao phân tử và monomer đã đợc sử dụng biến tính

bê tông và vữa Các tổ hợp vật liệu trên cơ sở hệ kết dính xi măng - polymer có độ bền cơ lý hoá cao, đặc biệt khả năng bền thấm và bám dính liền khối hơn nhiều so với bê tông và vữa thờng Các loại vật liệu xây dựng mới này đã đợc sử dụng rộng rãi trong thực tế với các mục đích khác nhau, đáng chú ý là vật liệu chống ăn mòn

và bảo vệ cốt thép trong môi trờng xâm thực Các đặc trng của tổ hợp vật liệu xi măng - polymer đợc quyết định bởi bản chất và khả năng tơng tác, tơng hỗ giữa pha polymer và chất kết dính vô cơ

- Xác định độ hút nớc bão hòa của cát (ASTM C128)

- Xác định sự thay đổi độ co nở của thanh vữa (ASTM C-1005)

- Xác định độ giữ nớc của hỗn hợp vữa

b Phơng pháp phi tiêu chuẩn:

- Xác định độ lu động thông qua độ bẹt của hỗn hợp vữa trên bàn nhảy dùng cho vữa có độ dẻo cho phép thi công tốt

- Xác định khả năng bám dính giữa vữa cũ và vữa mới

c Các bớc tíến hành nghiên cứu

Hình 3.1- Sơ đồ các bớc tíến hành nghiên cứu

3.2 Vật liệu sử dụng

3.2.1 Xi măng

Bảng 3.1 - Một số tính chất của ximăng PC-40 ChinFon

Chọn tỷ lệ phụ gia siêu

dẻo và polymer hợp lý phần vữa tính năng caoThiết kế sơ bộ thành Nghiên cứu tính chất vật liệu sử dụng

Nghiên cứu ảnh hởng

của phụ gia đến tính chất

đông kết của ximăng

Nghiên cứu ảnh hởng của phụ gia đến độ dẻo

của vữa

Nghiên cứu ảnh hởng của phụ gia đến sự phát triển cờng độ của vữa

Nghiên cứu ảnh hởng của phụ gia đến độ rỗng mao quản của vữa

Nghiên cứu ảnh hởng của phụ gia đến khả

năng bám dính của vữa

Nghiên cứu ảnh hởng của phụ gia đến độ dãn dài của thanh vữa

Nghiên cứu ảnh hởng của phụ gia đến khả

năng chống thấm của

vữa

Công nghệ chế tạo vữa khô đóng bao

Kết thúc

14 , 0 315 , 0 63 , 0 25 , 1 5 ,

M dl

2.5 5 1.25

0.63 100

Đường biểu diễn thành phần hạt của cát

0.14

% 0

20

40

80 60

Hình 3.2 - Đờng biểu diễn thành phần hạt của cát Nhận xét:

Cát vàng có cỡ hạt trung bình, đờng biểu diễn thành phần hạt của cát nằm trong vùng quy định đối với thành phần hạt của cát cho phép chế tạo vữa và bê tông

3.2.3 Phụ gia siêu dẻo

Phụ gia siêu dẻo Mighty đợc sử dụng trong đề tài ở dạng bột mịn, khô Phụ gia này có màu nâu sẫm, mùi nồng hắc Thành phần chủ yếu của Mighty là Naphtalene Formandehyde Sunfonated - NFS Đây là loại phụ gia giảm nớc tầm cao thế hệ mới

Hình 3.3 - Cấu trúc của Naphtalene Formandehyde Sunfonated - NFS

3.3.3 Poly Methyl Metha Acrylate

Poly Methyl Metha Acrylate (PMMA) là một loại nhựa trong, đợc dùng chế tạo vật liệu thay thế cho kính Do kính này không vỡ nên sử dụng làm kính chắn phía khán giả trong các sân thi đấu khúc quân cầu Công ty hoá Rohm và Haas chế tạo

các cửa sổ gọi là Plexiglas Công ty Ineos Acrylic cũng chế tạo loại vật liệu này và

đặt tên là Lucite Lucite đợc dùng làm bề mặt bồn tắm, vòi hoa sen

PMMA cũng có mặt trong sơn và nhựa Thông thờng, dầu và các chất lỏng thuỷ lực khác có xu hớng sệt lại và chuyển sang dạng keo khi bị lạnh, khiến cho việc khởi động máy trở nên khó khăn khi thời tiết lạnh Nếu sử dụng một lợng nhỏ PMMA tan trong dầu hoặc chất lỏng thuỷ lực sẽ giúp cho chúng không bị sệt lại trong điều kiện thời tiết lạnh, và động cơ có thể khởi động ở nhiệt độ xuống tới -100 °C

PMMA đợc tạo ra bằng cách trùng hợp Methyl Metha Acylate theo sơ đồ sau

HH

OO

PMMA thuộc họ polymer có tên gọi là acrylate, nhng thờng gọi là Acrylic.PMMA là chất rắn trong suốt, bắt đầu mền ở nhiệt độ 125°C PMMA bền hơn polystyrene nhng kém bền so với ABS (acrylobutylstyrene), ít hấp thụ ánh sáng và

có khoảng 4% ánh sáng phản xạ trên mặt phân chia pha giữa polymer - không khí PMMA là vật liệu phân cực và có hằng số điện ly lớn PMMA cách điện tốt ở tần

số thấp và cách điện kém ở tần số cao, chống thấm nớc tốt PMMA đợc tạo ra bằng cách polymer hoá gốc tự do và là dạng vô định hình, do đó nó có thể hoà tan trong các dung môi nh benzen, toluene, chloroform, ethyl acetate Ngoài ra PMMA còn

có một số tính chất khác nh bền với nớc muối, axit loãng, dầu thực vật, có khả năng chống lại quá trình thuỷ phân tốt hơn PMA (có thể là do khả năng che chắn của nhóm Metyl)

Trong đề tài này chúng tôi sử dụng PMMA dạng bột mịn, khô, màu trắng, không mùi dễ hào tan trong nớc trộn vữa và bê tông

3.3 Lựa chọn tỷ lệ phụ gia hợp lý

3.3.1 Phụ gia siêu dẻo

Nhằm mục đích giảm độ rỗng mao quản, tăng độ đặc chắc của vữa đề tài nghiên cứu sử dụng phụ gia giảm nớc tầm cao và phụ gia PMMA Theo các tài liệu

và sự khuyến cáo của các nhà khoa học về việc sử dụng phụ gia siêu dẻo trong vữa

và bê tông, ta sử dụng phụ gia giảm nuớc tầm cao là Mighty dạng bột mịn lợng dùng dao động trong phạm vi 0,2 - 0,3% so với khối lợng xi măng Với lợng dùng phụ gia này nhằm không làm tăng đáng kể giá thành của sản phẩm vì phụ gia siêu dẻo khá đắt Hơn nữa nếu tăng lợng dùng có thể sẽ gây phân tầng tách nớc làm giảm khả năng bám dính của vữa với vữa và bê tông cũ và cốt thép

3.3.2 Phụ gia Poly Methyl Metha Acrylate

Phụ gia PMMA đợc chọn nhằm mục đích cải thiện tính chất của mao quản trong vữa giúp giảm tính thấm và phần nào làm tăng khả năng bám dính của vữa với vữa và bê tông cũ Lợng dùng phụ gia trong khoảng 1 - 5% so với lợng dùng xi măng Với lợng dùng này bảo đảm không làm thay đổi tính chất đông kết của ximăng poóclăng đồng thời không làm tăng đáng kể giá thành của sản phẩm

3.4 Thiết kế sơ bộ thành phần vữa

Vữa dùng để sửa chữa công trình bê tông và bê tông cốt thép cần có cờng độ cao (cờng độ tơng đơng cờng độ của vữa trong bê tông cũ) Trong trờng hợp này c-ờng độ nén vữa đợc chọn không thấp hơn 300 daN/cm2 Tơng ứng với cờng độ đó

tỷ lệ N/X tơng đối thấp và độ rỗng mao quản sẽ nhỏ Cấu trúc đặc chắc của vữa sẽ

là tiền đề cho việc tăng khả năng chống thấm tức làm giảm khả năng thâm nhập của các tác nhân xâm thực lên bề mặt cốt thép

Hình 3.4 - Sự phụ thuộc của hệ số thấm vào tỷ lệ N/X [12]

Để thiết kế sơ bộ thành phần vữa có thể sử dụng nhiều phơng pháp khác nhau Trong nghiên cứu này để phù hợp với quan điểm cho rằng cờng độ vữa phải phù hợp với cờng độ của bê tông và vữa cũ do vậy chúng tôi chọn sử dụng liên hệ Bôlômây-Skramtaev[3] để tính chọn tỷ lệ X/N (tức N/X):

RV = ARX(X/N - 0,5) daN/cm2

Trong đó: A = 0,55 hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào phẩm chất của vật liệu

RX= 420 daN/cm2 hoạt tính của ximăng PC 40

Từ công thức trên có thể xác định đợc tỷ lệ X/N = 1,82 hay tỷ lệ N/X = 0,55.Sau đó tiến hành xác định tính công tác của vữa dựa trên nguyên tắc vữa sử dụng cho phép thi công trát thủ công trên bề mặt thẳng đứng với độ dày thay đổi từ 0,5 - 2,0cm Theo kết quả nghiên cứu của chúng tôi, độ dẻo của vữa xi măng-cát có

tỷ lệ N/X cố định chỉ phụ thuộc vào lợng dùng cát Tức là khi thay đổi tỷ lệ C/X cho phép điều chỉnh tính công tác của vữa phù hợp với phơng pháp thi công

Theo thử nghệm của chúng tôi, với tỷ lệ N/X = 0,55, cát vàng có modul độ lớn

Mdl=2,54 thì tỷ lệ C/X = 2,25 sẽ cho ta một hỗn hợp vữa có độ dẻo và tính công tác hợp lý

Do vậy vữa đối chứng có thành phần nh sau:

1: C/X: N/X = 1: 2,25: 0,55Khi sử dụng hai loại phụ gia trên trong vữa cho thấy tính công tác của vữa thay

đổi Vữa trở nên quá dẻo khó thi công bằng phơng pháp thủ công Để giảm độ dẻo

của vữa có thể giảm tỷ lệ N/X vẫn giữ nguyên tỷ lệ C/X Kết quả là sự có mặt của hai loại phụ gia với hàm lợng trong khoảng lựa chọn tỷ lệ N/X giảm xuống còn 0,50.

Do vậy vữa nghiên cứu có thành phần nh sau:

1: C/X: N/X = 1: 2,25: 0,50Theo khuyến cáo của ACI 301-89 đối với bê tông hoàn toàn không thấm nớc thì

tỷ lệ N/X ≤ 0,48 đối với nớc thờng và tỷ lệ N/X ≤ 0,44 đối với nớc biển với điều kiện bê tông có thành phần hạt cốt liệu hợp lý và đợc đầm chặt tốt Theo Neville

A.M [12] khi tỷ lệ N/X của hồ nhỏ hơn 0,55 hệ số thấm của đá xi măng giảm đột

ngột đạt thấp hơn 10x10-14 m/s Dựa trên cơ sở đó có thể sơ bộ kết luận thành phần vữa đợc lựa chọn sẽ có cấu trúc đặc chắc, hệ thống mao quản đợc cải tiến và sẽ có khả năng chống thấm tốt

Để nâng cao khả năng chống thấm của vữa và bê tông có thể sử dụng nhiều loại phụ gia khác nh Canxi clorua 2%, sunphát nhôm 2% kết hợp với 0,015% bột nhôm

và 0,15% phụ gia dẻo hoá từ axít sunfunic hoặc 3% natri aluminat Tuy nhiên khuyến cáo này khó có thể sử dụng để chế tạo vữa khô đóng bao và có thể không thích hợp cho bê tông có cốt thép

3.5 Xây dựng mô hình quy hoạch thực nghiệm

Trong đề tài này đã sử dụng phơng pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao tâm xoay hai mức hai nhân tố nhằm mục đích xây dựng mô hình toán thống kê trên cơ

sở đó đánh giá mức độ ảnh hởng của các nhân tố đến tính chất của vữa nh độ dẻo, cờng độ nén, cờng độ uốn, độ hút nớc bão hoà, khả năng bám dính của vữa nghiên cứu và bê tông cũ nhằm rút ra các kết luận về tỷ lệ phụ gia PMMA, phụ gia siêu dẻo hợp lý

Trong xây dựng mô hình quy hoạch thực nghiệm hai mức bậc 2 hai biến, lợng dùng phụ gia siêu dẻo (% so với xi măng) đợc ký hiệu là ξ1 và lợng dùng PMMA (% so với xi măng) là ξ2 Để lập kế hoạch thực nghiệm các biến thực ξ1 và ξ2 đợc mã hóa thành các biến mã X1 và X2 Giá trị của biến mã đợc chọn ở mức thấp (-1)

và mức cao (+1), tại tâm quy hoạch thực nghiệm (0) và giá trị trên các trục X1 và X2

(+∝,-∝) để đảm bảo tính quay đợc của quy hoạch trực giao tâm xoay

Hình 3.5 - Sơ đồ kế hoạch thực nghiệm trực giao tâm xoay hai mức loại hai

5 10 11 12