Bài viết trình bày về nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay hoạt tính, bột đá vôi nghiền mịn và bột diatomit tới tính lưu biến và tính chất cơ lí trên các mẫu thí nghiệm (vữa xi măng), trên cơ sở đó lựa chọn phụ gia khoáng phù hợp và có hiệu quả tốt nhất dành cho bê tông chất lượng cao.
Lựa chọn phụ gia khống cho bê tơng chất lượng cao Selection of mineral aditives for high-perfomance concrete Inozemtcev Aleksandr Sergeevich, Korolev Evgenij Valerjevich, Dương Thanh Qui Tóm tắt Tro bay hoạt tính bột đá vơi nghiền mịn, diatomit vật liệu khai thác, sản xuất Việt Nam, chúng sử dụng loại phụ gia khoáng, dùng để điều chỉnh độ lưu động giảm tỉ lệ N/X Bài báo trình bày nghiên cứu ảnh hưởng tro bay hoạt tính, bột đá vơi nghiền mịn bột diatomit tới tính lưu biến tính chất lí mẫu thí nghiệm (vữa xi măng), sở lựa chọn phụ gia khống phù hợp có hiệu tốt dành cho bê tông chất lượng cao Từ khóa: Bê tơng chất lượng cao, phụ gia khống, tro bay, bột đá vôi, diatomit, độ lưu động, cường độ Abstract Fly-ash, limestone powder and diatomite are materials that can be produced and used in Vietnam, it can be used as a mineral additive for controlling the mobility of cement mortars and reducing the W/C ratio The paper presents the results of a study of the influence of thermally activated fly-ash, limestone powder and diatomite on the rheological and physicomechanical properties of the model system (cement mortar) to select the most effective mineral additives for high-perfomance concrete Keywords: high-perfomance concrete, mineral additive, fly-ash, limestone powder, diatomite, flowability of concrete, strength TS Inozemtcev Aleksandr Sergeevich Trung tâm khoa học giáo dục “Nanomaterials and nanotechnology” Đại học nghiên cứu quốc gia xây dựng Moscow Email: GS.TSKH Korolev Evgenij Valerjevich Trung tâm khoa học giáo dục “Nanomaterials and nanotechnology” Đại học nghiên cứu quốc gia xây dựng Moscow Email: NCS Dương Thanh Qui Trung tâm khoa học giáo dục “Nanomaterials and nanotechnology” Đại học nghiên cứu quốc gia xây dựng Moscow Email: Giới thiệu Từ năm 90 kỷ 20 bê tông chất lượng cao có cường độ lớn sử dụng xây dựng ngày trở nên phổ biến, sử dụng nhiều quốc gia giới Loại bê tông dùng để chế tạo cấu kiện bê tông đúc sẵn như: sàn, cột, dầm [1, 2] Điểm đặc biệt bê tông chất lượng cao có cường độ lớn so với bê tơng thường thành phần chúng có sử dụng phụ gia khoáng mịn, phụ gia giúp điều chỉnh độ lưu động hỗn hợp đồng thời ảnh hưởng đến độ đặc cường độ bê tông thành phẩm [3-5] Việc sử dụng phụ gia siêu dẻo phụ gia khoáng làm giảm tỉ lệ N/X mà giữ độ chảy cần thiết, đảm bảo tính cơng tác hỗn hợp bê tông [5, 6], bê tông gọi bê tông hệ [3] Từ điểm khác biệt thành phần khống-hóa độ phân tán phụ gia khống làm cho bê tơng có khả phản ứng tính lưu biến đa dạng, khơng giúp nâng cao khả thi công hỗn hợp mà cải thiện tính chất lý giảm lượng xi măng Trong số phụ gia khoáng thường dùng để chế tạo bê tơng chất lượng cao, kể đến tro bay, silicafume bột đá vôi [7-11] Đặc biệt thành phần khoáng (tro bay, bột đá vôi, đá diatomit) vật liệu dễ dàng khai thác sản xuất Việt Nam.Theo nghiên cứu [3, 7-9], cho thấy việc sử dụng phụ gia thay xi măng lượng 10-20% sản xuất bê tơng với cường độ nén tới 150 Mpa Với ưu điểm trên, việc nghiên cứu ảnh hưởng thành phần khống lên cấu trúc, đặc tính vữa xi măng để sản xuất bê tơng chất lượng cao có cường độ lớn vô cấp thiết Bài báo trình bày kết thí nghiệm, nghiên cứu khả sử dụng bột đá vôi nghiền mịn, tro bay hoạt tính bột diatomit phụ gia khống cho bê tông Nguyên liệu sử dụng phương pháp nghiên cứu Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia khống tới tính lưu biến tính chất lý bê tông Thành phần vữa xi măng bao gồm: chất kết dính - 500 kg, cốt liệu - 1690 kg, nước - 200 kg (N/X = 0,4) phụ gia siêu dẻo - 5,0 kg Trong q trình thí nghiệm phụ gia khống dùng để thay phần cốt liệu Vật liệu sử dụng nghiên cứu bao gồm: - Xi măng CEM I 42.5 - Cát thạch anh với module độ lớn Mđl = 2,78 sử dụng làm cốt liệu - Phụ gia siêu dẻo dòng polycarbonate Melflux F1681 - Phụ gia khống: ◦ Tro bay với đường kính hạt trung bình 19 μm, thành phần bao gồm SiO2 – 50,0 %, Al2O3 – 39,3 % Tro bay sử dụng vữa dao động từ đến 34% so với khối lượng xi măng ◦ Bột đá vôi nghiền mịn (Vùng Crimea) – đường kính hạt trung bình 5,6μm Đươc sử dụng với mục đích thay cốt liệu (đến 44 %), tương ứng 149 % so với khối lượng xi măng ◦ Diatomit với kích thước hạt trung bình – 12,4 μm, thành phần bao gồm SiO2 76,6 %, Al2O3 - 7,5 %, sản xuất vùng Ulyanov- Liên bang Nga Số lượng Diatomit sử dụng nghiên cứu lên đến 29 % so với khối lượng xi măng Xác định cường độ mẫu thực hiên theo tiêu chuẩn EN196-1:2016 với mẫu bê tông 28 ngày tuổi, dưỡng hộ điều kiện tiêu chuẩn, kích thước 40x40x160 mm máy ép thủy lực “Advantest 9” Kết phân tích Mục đích việc nghiên cứu xác định tính lưu biến phản ứng hoạt tính S¬ 28 - 2017 KHOA HC & CôNG NGHê Bng Tớnh lu bin v tính chất lý vữa xi măng thay phần cốt liệu tro bay hoạt tính № Mẫu PGK/C, % PGK/X, % CKD % Dx, mm ρ, •103 kg/m3 Rf, MPa Rcom, MPa ĐC 0,0% 0% 20,9 138,3 2,20 4,97 62,2 Z-2,5 2,5 8,4 22,7 151,3 2,23 6,14 74,9 Z-5,0 5,0 16,9 24,5 165,8 2,24 6,89 85,1 Z-7,5 7,5 25,3 26,2 207,8 2,27 7,25 92,0 Z-8,5 8,5 28,7 26,9 194,3 2,26 6,44 88,2 Z-10 10,0 33,8 28,0 177,1 2,19 5,22 70,3 Ghi chú: PGK/C – tỉ lệ khối lượng phụ gia khoáng so với khối lượng cát mẫu đối chứng; PGK/X – tỉ lệ khối lượng phụ gia khoáng so với xi măng; CKD – tổng hàm lượng chất kết dính 1m3 bê tơng; Dx – đường kính mẫu vữa sau dằn bàn dằn sau 30 lần dằn; ρ – khối lượng thể tích hỗn hợp bê tơng; Rf – cường độ chịu kéo uốn; Rcom – cường độ chịu nén bê tông tuổi 28 ngày Bảng Tính lưu biến tính chất lý vữa xi măng thay phần cốt liệu bột đá vôi nghiền mịn № Mẫu PGK/C, % PGK/X, % CKD % Dx, mm ρ, •103 kg/m3 Rf, MPa Rcom, MPa ĐC 0,0 0,0 20,9 138,3 2,20 4,97 62,2 BĐV-12 12,0 40,6 29,4 255,0* 2,33 5,65 80,1 BĐV-20 20,0 67,6 35,1 255,0* 2,31 7,70 91,1 BĐV-28 28,0 94,6 40,7 255,0* 2,30 8,89 89,3 BĐV-36 36,0 121,7 46,4 255,0* 2,29 8,61 80,0 BĐV-44 44,0 148,7 52,0 255,0* 2,27 5,65 69,9 Ghi chú: * – hỗn hợp vữa bê tơng tự đầm, có đường kính mẫu vữa bàn dằn lớn 255 mm sau lần dằn phụ gia khống nói xét theo đường kính chảy xòe hỗn hợp, cường độ chịu uốn cường độ nén tương ứng Kết thí nghiệm mẫu xi măng với phụ gia khống trình bày bảng 1-3 Kết nghiên cứu thay cát thạch anh tro bay trình bày bảng 1, qua thấy thay cốt liệu nhỏ hỗn hợp thành phần có kích thước siêu nhỏ xuất hiệu ứng lưu biến cải thiện tính đàn hồi dẻo Bên cạnh thấy hỗn hợp có 7,5 % cốt liệu thay tro bay có độ chảy tốt 207,8 mm tốt so với mẫu đối chứng (ký hiệu ĐC bảng 1, 2, 3) Trong lượng tro bay 25,3 % khối lượng xi măng, tương ứng tổng tỉ lệ chất kết dính 1m3 hỗn hợp 26,2 % Ảnh hưởng cụ thể tro bay liên quan đến đồng phân bố hệ cấu hỗn hợp (topology of concrete mixture), có đặc điểm làm tăng mật độ hạt bao phủ, phân bố nước bề mặt hạt từ tăng khả dịch chuyển tự chúng Điều gọi hiệu ứng “ổ bi”, hạt phụ gia khống mịn hình thành bề mặt hạt cát thô lớp bao phủ đồng đều, làm giảm ma sát giải thích cho việc tăng độ lưu động hỗn hợp Khi xem xét bảng cho thấy độ chảy xòe vữa theo hàm lượng tro bay có phụ thuộc sau: tăng thành phần tro bay 25,3 % so với khối lượng xi măng độ chảy giảm xuống, điều liên quan đến việc tăng hàm lượng hạt mịn hỗn hợp lượng nước không thay đổi Sau tiếp tục tăng thành phần tro bay đến 33,8% so với khối lượng xi măng dẫn đến việc độ dày lớp nước bề mặt hạt rắn bị giảm từ làm giảm tính lưu biến hỗn hợp Việc cải thiện độ lưu động hỗn hợp - hiển nhiên ảnh hưởng đến đặc tính cường độ mẫu thử Có thể thấy thay đổi tính chất lý có tương quan đến thay đổi tính cơng tác: hỗn hợp có độ lưu động tốt Z-7,5 Z-8,5 có cường độ uốn nén tốt mẫu thử lại 6,44; 7,25 88,2; 92,0 MPa Trong trường hợp cường độ chịu uốn tăng lên 45,9 %, cường độ nén – tăng lên đến 47,9 % Sự ảnh hưởng giải thích hai yếu tố: + Hỗn hợp tạo có cấu trúc đặc (giảm độ rỗng) có độ lưu động cao + Tác dộng tro bay với thành phần chứa đến 50% SiO2, với Ca(OH)2 trình thủy hóa xi măng tạo nên thêm lượng Canxi hydrosillicat (CSH) Ảnh hưởng bột đá vôi lên độ lưu động cường độ hỗn hợp trình bày bảng Có thể thấy việc sử dụng bột đá vơi loại phụ gia khống cho vữa xi măng giúp lấp đầy khoảng trống hạt mịn hơn, ảnh hưởng trực tiếp đến tính lưu biến Khi tăng tỉ lệ hạt mịn lên 29,4 % (mẫu BĐV-12) tức 40,6 % lượng bột đá vôi so với khối lượng xi măng tạo thành hỗn hợp có độ lưu động cao tương đương với hỗn hợp tự đầm Điều cho thấy phụ gia sử dụng có hiệu việc điều chỉnh độ lưu đông vữa xi măng Trong tham gia liên kết Canxi Sillicat bột đá vơi q trình thủy hóa gây ảnh hưởng đồng thời làm cải thiện tính kỹ thuật hỗn hợp, với cấu trúc đặc cứng làm tăng thông số cường độ T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG Từ bảng thấy rằng, hỗn hợp đạt cường độ Bảng Tính lưu biến tính chất lý vữa xi măng thay phần cốt liệu bột diatomit № Mẫu PGK/C, % PGK/X, % CKD % Dx, mm ρ, •103 kg/m3 Rf, MPa Rcom, MPa ĐC 0,0 0,0 20,9 138,3 2,20 4,97 62,2 D-2 2,0 6,8 22,3 160,8 2,28 5,92 64,9 D-4 4,0 13,5 23,7 187,0 2,24 7,25 68,2 D-6 6,0 20,3 25,2 130,5 2,25 7,34 69,7 D-8 8,0 26,5 26,8 104,0 2,14 4,64 34,9 D-9 9,0 29,2 27,8 102,0 1,84 2,82 20,4 lớn tỉ lệ cát giảm 20 – 28 % Hàm lượng bột đá vôi hỗn hợp nằm khoảng từ 67,6 – 94,6 %, cường độ chịu kéo uốn đạt đến 8,89 MPa nén 91,1 MPa, có nghĩa cao 78,8 % 46,5 % so với mẫu đối chứng Phân tích ảnh hưởng bột diatomit lên tính chất lưu biến lý vữa xi măng (bảng 3) cho thấy loại hỗn hợp đòi hỏi sử dụng nhiều nước Độ chảy xòe hỗn hợp sử dụng diatomit hỗn hợp D-4 187,0 mm,khi tăng tỉ lệ thành phần khoáng lên 4,0% làm giảm độ lưu động vữa D=130,5mm (30 %) Khi tăng tổng hàm lượng chất kết dính lên từ 20,9 đến 23,7 % m3 hỗn hợp, trường hợp tính cơng tác hỗn hợp đạt tốt nhất, đồng thời cường độ chịu kéo uốn tăng lên từ 4,97 đến 7,25 MPa tương ứng với cường độ nén 66,5 đến 70,2 MPa Việc phân tích, so sánh hiệu thay đổi độ lưu động cường độ bê tông sử dụng thành phần khoáng nêu chứng tỏ rằng, tro bay hoạt tính bột đá vơi nghiền mịn khơng làm tăng độ chảy xòe hỗn hợp lên 200 mm mà làm tăng cường độ kéo chịu uốn lên 7,0 MPa cường độ nén lên 90 MPa Qua thí nghiệm cho thấy bột diatomit ảnh hưởng đến tính chất lưu biến lý hỗn hợp Độ lưu động hỗn hợp nhỏ 187 mm cường độ nén đạt 70 MPa Bên cạnh đó, thấy hàm lượng sử dụng tro bay hoạt tính bột đá vơi khác nhau, hiệu đạt tốt sử dụng tro bay hoạt tính với tỉ lệ nhỏ % với bột đá vơi 20 %, tương ứng tỉ lệ chất kết dính 1m3 bê tơng 26,2 % 35,1 % Sở dĩ lượng Sillicat hoạt tính có tro bay lớn bột đá vôi Tài liệu tham khảo Yu M Bazhenov, Technology of concrete ASV Publ., Moscow, 2003 P.-C Aitcin, High-Performance Concrete, E&FN Spon, London, 1998 O V Tarakanov and V I Kalashnikov, Perspektivy primeneniya kompleksnykh dobavok v betonakh novogo pokoleniya, proceedings of Kazan state University of architecture and construction, No (39), 223-229, 2017 J.F Burroughs, J Shannon, T.S Rushing, K Yi and D.W Harrelson, Potential of finely ground limestone powder to benefit ultra-high performance concrete mixtures, Construction and Building Materials, Vol 141, 335-342, 2017 G I Berdov, N And Nikonenko, L V Ilyina, Vliyanie vysokodispersnykh mineral’nykh dobavok na mekhanicheskuyu prochnost’ cementnogo kamnya, News of higher educational institutions Contruction, No 12, 25-30, 2011 D.P Bentz, C.F Ferraris, S.Z Jones, D Lootens and F Zunino, Limestone and silica powder replacements for cement: Early-age performance, Cement and Concrete Composites, Vol 78, 43-56, 2017 Nguyễn Công Thắng, Nguyễn Văn Tuấn, Phạm Hữu Hanh, Nguyễn Không xét đến việc phải sử dụng lượng bột đá vơi lớn hơn, sử dụng loại phụ gia khống với thành phần SiO2 nhỏ giúp chế tạo hỗn hợp bê tông với độ lưu động cường độ tương tự so với tro bay hoạt tính Việc sử dụng tro bay hoạt tính cho kết tốt phụ thuộc vào mối tương quan với đặc điểm hỗn hợp hàm lượng phụ gia cần thiết để đạt hiệu nêu Bột đá vơi cải thiện tính lưu biến sử dụng loại phụ gia giảm nước cho phép giảm tỉ lệ N/X lượng xi măng cần dùng Bột diatomit đưa vào vữa xi măng mà không xử lý thêm khơng có nhiều cải thiện đáng kể tính chất hỗn hợp Kết luận Sau phân tích kết thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng tro bay hoạt tính, bột đá vơi mịn bột diatomit đưa kết luận sau: Bột mịn tro bay hoạt tính bột đá vơi sử dụng với vai trò làm phụ gia khống dùng để điểu chỉnh độ lưu động vữa xi măng làm giảm tỉ lệ N/X Trong khối lượng tro bay hoạt tính cần dùng để đạt đặc tính tương tự so với lượng bột đá vôi cần thiết Trên sở kết thu q trình nghiên cứu, thấy rằng: - Khi sử dụng tro bay hoạt tính với hàm lượng nhỏ 25% so với khối lượng xi măng sản xuất bê tơng chất lượng cao với cường độ lên đến 92 MPa - Khi sử dụng bột đá vôi nghiền mịn với tổng tỉ lệ chất kết dính 1m3 hỗn hợp khơng vượt 40,7% giúp điều chỉnh được độ lưu động hỗn hợp - Việc sử dụng vật liệu Diatomit khả quan sau có đánh giá thêm hiệu kinh tế./ Trọng Lâm, Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng silica fume tro bay sẵn có Việt nam, Trường Đại học Xây dựng,Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng số 2, 21-29, 2013 M O Korovkin, V I Kalashnikov, N Eroshkina Vliyanie vysokokal’tsievoi zoly-unosa na svoistva samouplotnyayushiesya betona, architecture and construction, No 1, 49-53, 2015 B Mahalingam, K Nagamani, L.S Kannan, K.M Haneefa and A Bahurudeen, Assessment of hardened characteristics of raw fly ash blended self-compacting concrete, Perspectives in Science, Vol 8, 709-711, 2016 10 V L Tang, B I Bulgakov, O V Aleksandrova, O A Larsen, Vozmozhnost’ ispol’zovaniya zol’nykh ostatkov dlya proizvodstva materialov stroitel’nogo naznacheniya vo Vietname Vestnik of Belgorod state technological University n a V G Shukhov, No 6, 6-12, 2017 11 A Ergün, Effects of the usage of diatomite and waste marble powder as partial replacement of cement on the mechanical properties of concrete, Construction and Building Materials, Vol 25, No 2, 806-812, 2011 S¬ 28 - 2017 ... PGK/C – tỉ lệ khối lượng phụ gia khoáng so với khối lượng cát mẫu đối chứng; PGK/X – tỉ lệ khối lượng phụ gia khoáng so với xi măng; CKD – tổng hàm lượng chất kết dính 1m3 bê tơng; Dx – đường... hoạt tính cho kết tốt phụ thuộc vào mối tương quan với đặc điểm hỗn hợp hàm lượng phụ gia cần thiết để đạt hiệu nêu Bột đá vơi cải thiện tính lưu biến sử dụng loại phụ gia giảm nước cho phép giảm... quan sau có đánh giá thêm hiệu kinh tế./ Trọng Lâm, Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng silica fume tro bay sẵn có Việt nam, Trường Đại học Xây dựng,Tạp