Nghıên cứu khả năng chống thấm của bê tông có sử dụng silicafume và tro bay

Nước thấm vào bê tông, phá hoại bê tông từ trong ra ngoài và gây ăn mòn cốt thép rất nguy hiểm, như vậy tính chống thấm liên quan với tính bền vững của bê tông và tính ổn định của công t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐÀO XUÂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA

BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG SILICAFUME VÀ TRO BAY

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN CHÍNH

Phản biện 1: TS HOÀNG TUẤN NGHĨA

Phản biện 2: TS LÊ KHÁNH TOÀN

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và CÔng nghiệp họp tại Trường

Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 30 tháng 03 năm 2019

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu và Truyền thông Trường Đại học Bách khoa,

Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng & Công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa,

Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Tính chống thấm nước là một trong chỉ tiêu vật lý quan trọng của bê tông Nước thấm vào bê tông, phá hoại bê tông từ trong ra ngoài và gây ăn mòn cốt thép rất nguy hiểm, như vậy tính chống thấm liên quan với tính bền vững của bê tông và tính ổn định của công trình bê tông cốt thép Hiện tượng thấm sẽ làm mất nước trong hồ chứa, kênh mương, bể nước, gây thấm dột mái nhà, khu vệ sinh khi trời mưa, nước đọng[1]

Nhiều công trình xây dựng không quan tâm đến vấn đề chống thấm mà chỉ dựa vào cường độ bê tông yêu cầu để thiết kế thành phần bê tông Vì vậy sau một thời gian nhiều công trình bê tông cốt thép ở trong nước và dưới đất bắt đầu bị ăn mòn dẫn đến hư hỏng[1]

Silicafume là vật liệu rất mịn, chứa oxít silic vô định hình, thu được từ việc khử thạch anh độ sạch cao bằng than trong lò điện hay lò cao ở nhiệt độ trên 2000oC silicafume bốc lên như một chất hơi oxy hoá từ lò cao Nó nguội, lắng đọng và được thu hồi bởi các bộ lọc Silicafume lắng đọng đó được xử lý để khử các tạp chất và kiểm soát kích thước hạt Kích thước hạt của silicafume có đường kính trung bình <1μm Silicafume có màu dao động

Nhờ độ mịn cao, độ hoạt tính lớn cộng với lượng SiO2 có rất nhiều trong silicafume

và tro bay, nên khi kết hợp với ximăng puzzolan hay các loại chất kết dính khác sẽ tạo ra các sản phẩm bê tông có khả năng chống thấm cao, tăng độ bền với thời gian

Khả năng chống thấm của bê tông chịu ảnh hưởng chủ yếu từ yếu tố chất kết dính và

lỗ rỗng giữa các cốt liệu liên kết với nhau, vấn đề được đặt ra là sử dụng tỉ lệ thành phần silicafume, tro bay và xi măng như thế nào trong thành phần cấp phối bê tông để mang lại hiệu quả chống thấm cho bê tông mà vẫn đạt yêu cầu về cường độ Đây chính là lý do tác

giả làm đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu khả năng chống thấm của bê tông có sử dụng

silicafume và tro bay”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu khả năng chống thấm của bê tông có sử dụng silicafume và tro bay

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Các loại vật liệu:

Cát Sông Cái (Diên Khánh, Khánh Hòa); đá Hòn Ngang (Nha Trang, Khánh Hòa); xi măng

Nghi Sơn PCB 40; Silicafume ViKhanh Co,Ltđ; tro bay Nhà máy Nhiệt điện Vĩnh Tân 4

(Bình Thuận)

- Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến khả năng chống thấm

của bê tông sau 28, 56, 90 ngày

- Xem xét mức độ ảnh hưởng của silicafume hay tro bay lớn hơn đối với khả năng

chống thấm của bê tông từ đó tìm ra tỷ lệ tốt nhất giữa tro bay và silicafume trong việc thay

thế tổng tỉ lệ 20% xi măng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thực hiện các thí nghiệm dựa trên tiêu chuẩn:

TCVN 3105:1993: Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng- Lấy mẫu, chế tạo và bảo

dưỡng mẫu thử;

TCVN 3106:1993: Hỗn hợp bê tông nặng - Phương pháp thử độ sụt

TCVN 3116:1993: Bê tông - Phương pháp xác định độ chống thấm

TCVN 3118:1993: Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén

- Tiến hành thí nghiệm với 6 tổ mẫu S1, S2, S3, S4, S5, S6 trong đó mẫu S1 là mẫu

đối chứng sử dụng 100% xi măng, mẫu S2 đến S6 trong đó 20% xi măng sẽ được thay thế

bằng silicafume và tro bay

- Phân tích các kết quả thí nghiệm

- Phân tích các kết quả thí nghiệm, so sánh về mức độ ảnh hưởng của silicafume và tro

bay đến khả năng chống thấm của bê tông

5 Kết quả dự kiến

- Xác định khả năng sử dụng silicafume và tro bay trong thành phần cấp phối vừa đảm

bảo cường độ chịu nén vừa mang lại hiệu quả chống thấm của bê tông

- Đưa ra các kiến nghị khi ứng dụng trong thiết kế thành phần cấp phối bê tông

- Tìm ra tỉ lệ tối ưu giữa thành phần thay thế xi măng, silicafume và tro bay trong khối

lượng thay thế 20% xi măng để có đề xuất áp dụng

6 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn gồm có các chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về bê tông, tính chống thấm của bê tông; khả năng sử dụng

silicafume và tro bay trong việc thay thế xi măng trong bê tông

Chương 2: Tiêu chuẩn, vật liệu và thiết bị thí nghiệm

Chương : Thí nghiệm xác định khả năng chống thấm của bê tông thương phẩm khi sử

dụng silicafume và tro bay thay thế một phần xi măng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG, TÍNH CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG; KHẢ NĂNG SỬ DỤNG SILICAFUME VÀ TRO BAY TRONG VIỆC

THAY THẾ XI MĂNG TRONG BÊ TÔNG 1.1 Tổng quan về bê tông

1.1.1 Khái niệm

Bê tông là một loại đá nhân tạo, được hình thành bởi việc nhào trộn các thành phần: Cốt liệu thô, cốt liệu mịn, chất kết dính theo một tỷ lệ nhất định tạo nên một hỗn hợp keo Hỗn hợp keo này biến đổi qua một quá trình lý hoá khá phức tạp và đông kết tạo thành đá xi măng Toàn bộ quá trình này diễn ra trong 28 ngày trong điều kiện tiêu chuẩn sẽ đạt cường

độ tiêu chuẩn được qui uớc trong tính toán và thiết kế công trình Bê tông là vật liệu dòn, tính đồng nhất kém và dị hướng[4]

1.1.2 Cấu trúc của bê tông

1.1.2.1 Sự hình thành cấu trúc của bê tông

1.1.2.2 Cấu trúc vĩ mô và cấu trúc vi mô

1.1.3 Phân loại bê tông:

- Theo dạng chất kết dính bê tông: bê tông xi măng, bê tông silicat bê tông thạch cao

- Theo công dụng bê tông: bê tông thường, bê tông thủy công, bê tông chịu nhiệt

- Theo dạng cốt liệu: bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng

- Theo khối lượng thể tích: bê tông đặc biệt nặng, bê tông nặng

1.1.4 Tính chất cơ lý của bê tông

Các tính chất cơ lý của bê tông bao gồm: tính cơ học và tính vật lý Tính chất cơ lý của

bê tông phụ thuộc vào: chất lượng, đặc trưng của vật liệu, thành phần cấp phối, tỷ lệ nước/xi măng, biện pháp thi công Tính cơ học bao gồm cường độ (kéo, nén, ) Trong giới hạn đề tài chỉ tập trung nghiên cứu đến khả năng chống thấm nước của bê tông

1.1.4.1 Tính công tác

1.1.4.2 Tính co ngót

1.1.4.3 Cường độ chịu nén

1.1.5 Tính thấm nước của bê tông

Độ thấm được định nghĩa là khả năng cho phép các chất lưu thẩm thấu qua của một môi trường rỗng do sự chênh lệch thế năng Độ thấm của bê tông, một loại vật liệu rỗng phụ thuộc nhiều vào các tham số của môi trường bê tông như độ rỗng, độ ngoằn ngoèo của các

lỗ rỗng và tính thông nhau giữa các lỗ rỗng Khi độ rỗng và độ thông nhau giữa các lỗ rỗng trong bê tông tăng lên, độ bền chống thấm của bê tông bị giảm xuống, và khi các lỗ rỗng càng thẳng, dòng chảy thấm có tốc độ càng nhanh Dưới tác độ cơ học hoặc nhiệt độ đủ lớn,

sự phá hủy trong bê tông kèm theo các đường nứt làm gia tăng các thông số trên, độ thấm của bê tông vì vậy cũng sẽ tăng nhanh

1.2 Tổng quan về silicafume

1.2.1 Khái niệm về silicafume

Silicafume là vật liệu siêu mịn, chứa SiO2 vô định hình, thu được trong quá trình sản xuất silic và hợp kim silic bằng hồ quang Tỷ lệ SiO2 trong silicafume phụ thuộc vào loại hợp kim sản xuất Silicafume thu được khi sản xuất hợp kim 50% ferrosilicon chứa khoảng

đến 91% SiO2, còn thu được khi sản xuất silic chứa khoảng 87% đến 98% SiO2[8]

1.2.2 Thành phần silicafume

1.2.3 Đặc tính của silicafume

Silicafume là vật liệu vô định hình, khác với vật liệu tinh thể, vật liệu vô định hình có thể tham gia hòa tan, phản ứng trong bê tông tương tự như xi măng Silicafume có hàm lượng SiO2 cao (không nhỏ hơn 85%) Ngoài ra trong silicafume còn có thể có một số vật liệu khác tùy thuộc theo kim loại được sản xuất trong lò luyện, tuy nhiên thông thường các vật liệu này không có tác động đến hiệu suất làm việc của silicafume trong bê tông

Kích thước hạt: Các hạt silicafume cực kỳ nhỏ với 95% các hạt có kích thước nhỏ hơn 1µm Kích thước nhỏ đóng vai trò quan trọng đối với những đặc tính vật lý và hóa học của silicafume[9]

Nguồn gốc, sản lượng silicafume

Nhu cầu sử dụng silicafume làm phụ gia cho bêtông được thực hiện đầu tiên tại Nauy

từ năm 1952 Tiêu chuẩn Nauy về sử dụng silicafume làm phụ gia trong xi măng được ban hành năm 1976 Silicafume có tại các nước, khu vực có công nghiệp phát triển như bán đảo Scanđinavia, Canađa, Nam Phi, Úc, Trung quốc… Silicafume sử dụng tại Đông Nam Á được nhập khẩu chủ yếu từ Scanđinavia , Aixơ len và Trung quốc Tiêu chuẩn quốc tế thường được sử dụng đối với silicafume là ASTM C1240 và EN 13263

1.2.4 Ứng dụng của silicafume trong xây dựng

- Bê tông cường độ cao

- Bê tông tính năng cao (HPC)

- Bê tông phun

- Sử dụng làm vữa kết dính sửa chữa

- Sử dụng để trát bít các giếng dầu

1.3 Tổng quan về tro bay

1.3.1 Khái niệm về tro bay

Tro bay là một loại khoáng hoạt tính Pozzolan dùng làm phụ gia cho chế tạo bê tông cường độ cao

Ở châu Âu và Vương quốc Anh phần tro này thường được cho là tro của nhiên liệu đốt

đã được nghiền mịn Nhưng ở Mỹ, loại tro này được gọi là tro bay bởi vì nó thoát ra cùng với khí ống khói và “bay” vào trong không khí Và thuật ngữ tro bay (fly ash) được dùng

phổ biến trên thế giới hiện nay để chỉ phần thải rắn thoát ra cùng các khí ống khói ở các nhà máy nhiệt điện [13]

1.3.2 Thành phần tro bay

Tro của các nhà máy nhiệt điện gồm chủ yếu các sản phẩm tạo thành từ quá trình phân hủy và biến đổi của các chất khoáng có trong than đá Thông thường, tro ở đáy lò chiếm khoảng 25% và tro bay chiếm khoảng 75% tổng lượng tro thải ra Hầu hết các loại tro bay đều là các hợp chất silicat bao gồm các oxit kim loại như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO,… với hàm lượng than chưa cháy chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng hàm lượng tro, ngoài ra còn có một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn, Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu than đá sử dụng để đốt và điều kiện đốt cháy trong các nhà máy nhiệt điện[14]

1.3.3 Cấu trúc hình thái của tro bay

Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác nhau, các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bọc và có hình dạng rất khác nhau Các hạt tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng

1.3.4 Phân loại tro bay

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10302 – 2014: Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng tro bay được phân loại như sau[2]:

Theo thành phần hóa học, tro bay được phân thành 2 loại

- Tro axit: tro có hàm lượng canxi oxit đến 10 %, ký hiệu: F

- Tro bazơ: tro có hàm lượng canxi oxit lớn hơn 10 %, ký hiệu: C

Theo mục đích sử dụng, tro bay được phân thành 2 loại:

- Tro bay dùng cho xi măng;

- Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây

1.3.5 Sản lượng tro bay trong và ngoài nước

1.3.6 Tình hình sử dụng tro bay

1.3 7 Các công trình nghiên cứu ứng dụng tro bay trong lĩnh vực xây dựng

1.3.7.2 Công trình ngoài nước

1.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng chống thấm của bê tông

Độ thấm của bê tông phụ thuộc vào thành phần cấu thành nên bê tông (dạng, tỷ lệ) bao gồm nước/ xi măng liên quan trực tiếp đến độ rỗng mao dẫn, bản chất và tỷ lệ các loại cốt liệu liên quan đến việc hình thành các vùng liên kết giữa đá xi măng và các hạt cốt liệu cũng như thay đổi tính ngoằn ngoèo của các đường rỗng

1.5 Các phương pháp thí nghiệm xác định khả năng chống thấm của bê tông:

1.5.1 Phương pháp xác định độ chống thấm tối đa:

Phương pháp thí nghiệm độ chống thấm theo áp lực nước tối đa để được mác chống

thấm Mác chống thấm được định nghĩa là áp lực nước tối đa để nước thấm qua mẫu thử và tạo ra vết ướt trên mặt mẫu

1.5.2 Phương pháp xác định hệ số thấm nước:

Hệ số thấm nước (K1) biểu thị độ thấm nước và độ thấm nước là chỉ tiêu ngược của

độ chống thấm Độ thấm nước càng nhỏ, thì độ chống thấm càng cao và ngược lại

1.5.3 Phương pháp xác định độ sâu thấm nước:

Độ sâu thấm nước (đơn vị mm) là độ sâu nước thấm vào mẫu dưới áp lực và trong thời gian nhất định

1.6 Một số công trình nghiên cứu về khả năng chống thấm của bê tông

1.7 Kết luận chương

Trong chương này tác giả đã trình bày tổng quan về bê tông, silicafume và tro bay, các đặc tính cơ lý, trình bày nguồn gốc, lịch sử hình thành, chi tiết một số tính chất quan trọng như tính công tác, tính co ngót, cường độ chịu nén và khả năng chống thấm của bê tông Quá trình hình thành, ưu điểm của silicafume và tro bay Từ đó có thể nhận thấy silicafume

và tro bay là nguồn vật liệu thải từ các quá trình sản xuất công nghiệp, việc phối trộn tỷ lệ thích hợp sử dụng trong bê tông để đem lại nhiều lợi ích thiết thực trong đó có tiềm năng cải thiện khả năng chống thấm của bê tông

CHƯƠNG 2 TIÊU CHUẨN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 2.1 Các tiêu chuẩn sử dụng trong thí nghiệm

TCVN 3105:1993 - Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng - Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử

TCVN 3106:1993 - Hỗn hợp bê tông nặng - Phương pháp thử độ sụt

TCVN 3116:1993 - Bê tông - Phương pháp xác định độ chống thấm

TCVN 3118:1993 - Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén

TCVN 4506: 2012 - Nước cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật

TCVN 8828:2011 – Phụ gia khoáng hoạt tính cao dùng cho bê tông và vữa – Silicafume và tro trấu nghiền mịn

TCVN 7570:2006 - Yêu cầu kỹ thuật của cốt liệu dùng cho bê tông và vữa

TCVN 6260:2009 - Xi măng poóc lăng hỗn hợp - Yêu cầu kỹ thuật

TCVN 10302:2014 - Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng

2.2 Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm

2.2.1 Cốt liệu nhỏ (cát)

- Tiêu chuẩn áp dụng: TCVN 7570-2006 [46]

Trong chương trình thí nghiệm này, loại cát sử dụng là cát Sông Cái (Diên Khánh), Nha Trang Cát sử dụng cát Sông Cái, Diên Khánh với các đặc tính cơ lý được trình bày ở bảng 2.4 và thành phần cỡ hạt được trình bày ở bảng 2.5

Bảng 2.4 Đặc tính cơ lý của cát (sông cái Diên Khánh) STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả Yêu cầu kỹ

thuật

chuẩn

Sáng hơn mầu chuẩn

Bảng 2.5 Thành phần cỡ hạt cát (sông cái Diên Khánh)

Phần trăm tích lũy, %

Trong chương trình thí nghiệm này, loại đá 1x2 sử dụng là đá Hòn Ngang (Nha Trang) Đá sử dụng đá Hòn Ngang, Nha Trang với các đặc tính cơ lý được trình bày ở

Khối lượng tích lũy, g

2.2.3 Xi măng

Tiêu chuẩn áp dụng: TCVN 6260:2009 - Xi măng poóc lăng hỗn hợp - Yêu cầu kỹ thuật [47] Trong chương trình thí nghiệm của luận văn tác giả sử dụng xi măng Nghi Sơn PCB 40, với các thông số kỹ thuật được trình bày ở bảng 2.12

Bảng 2.12 Thông số xi măng Nghi Sơn STT Chỉ tiêu thí nghiệm Tiêu chuẩn thí

nghiệm

Đơn vị tính Kết quả TCVN

6260-09

nghiệm tại Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 3, với các thông số kỹ thuật

được trình bày ở bảng 2.14

Hình 2.14 Thông số kỹ thuật của silicafume ViKhanh Co,Ltđ

vị

Kết quả thử nghiệm

Yêu cầu chất lượng TCVN 8827:2011

Đánh giá

Bảng 2.16 Thông số kỹ thuật của tro bay Vĩnh Tân 4 (Bình Thuận)

nghiệm

Đơn

Stt Chỉ tiêu phân tích Phương pháp thử

Tiêu chuẩn TCVN 4506 : 2012-Yêu cầu nước trộn bê tông, rửa cốt liệu và bảo dưỡng

bê tông cần có chất lượng thỏa mãn các yêu cầu sau[48]:

Không chứa váng dầu hoặc váng mỡ, không có màu, lượng tạp chất hữu cơ không lớn hơn 15 mg/l, độ PH không nhỏ hơn 4 và không lớn hơn 12,5;

Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nước trộn vữa quy định trong bảng 2.17.Nước sử dụng nguồn nước thành phố Nha Trang cấp tại Las-XD 1396 (Nha Trang) Trong giới hạn đề tài không thí nghiệm kiểm tra chất lượng nước

do xuống để trộn đều thành hỗn hợp bê tông

2.3.3 Thiết bị đầm bê tông