Nghiên cứu chế tạo vữa cường độ cao siêu rắn nhanh trên cơ sở chất kết dính hỗn hợp xi măng và calcium aluminate

Mục tiêu nghiên cứu này là đánh giá ảnh hưởng của phụ gia rắn nhanh aluminat canxi vô định hình (ACA) đến một số tính chất của chất kết dính và vữa cường độ cao. Các kết quả nghiên cứu cho thấy ACA đóng vai trò là một loại phụ gia giúp thúc đẩy quá trình đông kết và đóng rắn của chất kết dính và vữa cường độ cao. Việc sử dụng ACA có ý nghĩa rất lớn trong việc phát triển cường độ ở thời gian rất sớm, chẳng hạn sau 4h đạt lớn hơn 20 MPa, đồng thời vẫn duy trì sự phát triển cường độ ở tuổi dài ngày.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, ĐHXDHN, 2021, 15 (6V): 70–82 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VỮA CƯỜNG ĐỘ CAO SIÊU RẮN NHANH TRÊN CƠ SỞ CHẤT KẾT DÍNH HỖN HỢP XI MĂNG VÀ CALCIUM ALUMINATE Nguyễn Công Thắnga , Nguyễn Văn Tuấna,∗, Bùi Thế Anhb a Khoa Vật liệu xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam b Khoa Xây dựng Cơng trình biển, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 23/9/2021, Sửa xong 26/10/2021, Chấp nhận đăng 28/10/2021 Tóm tắt Mục tiêu nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng phụ gia rắn nhanh aluminat canxi vơ định hình (ACA) đến số tính chất chất kết dính vữa cường độ cao Các kết nghiên cứu cho thấy ACA đóng vai trị loại phụ gia giúp thúc đẩy q trình đơng kết đóng rắn chất kết dính vữa cường độ cao Việc sử dụng ACA có ý nghĩa lớn việc phát triển cường độ thời gian sớm, chẳng hạn sau 4h đạt lớn 20 MPa, đồng thời trì phát triển cường độ tuổi dài ngày Đặc biệt, sử dụng xỉ với hàm lượng 30% theo khối lượng chất kết dính, khơng ảnh hưởng đến thời gian đông kết phát triển cường độ vữa tuổi sớm kết hợp với ACA so với mẫu không sử dụng xỉ lị cao hạt hóa nghiền mịn Từ khố: vữa cường độ cao; vữa siêu rắn nhanh; aluminat canxi vô định hình; axit tartaric; phụ gia khống; thời gian đơng kết STUDY ON PRODUCING HIGH STRENGTH ULTRA-RAPID-HARDENING MORTAR BASE ON BINDER AND CALCIUM ALUMINATE Abstract The objective of this study was to evaluate the effect of amorphous calcium aluminate (ACA) on some properties of binder and high strength mortars The experimental results show that ACA acts as an additive to promote both setting time and hardening of binders blended with ground granulated blast furnace slag (GBFS) and high strength mortar using those binders The addition of ACA gives a great significance in developing strength at a very early time, e.g., over 20 MPa after hours, while maintaining strength development at a long-term age In particular, the setting time and the strength development of the mortar using binder containing 30% GBFS were not influenced at an early age when corporating ACA compared with the reference sample without GBFS Keywords: high strength mortar; ultra rapid hardening mortar; amorphous calcium aluminate; mineral admixture; setting time https://doi.org/10.31814/stce.huce(nuce)2021-15(6V)-07 © 2021 Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (ĐHXDHN) Giới thiệu Vữa cường độ cao loại vật liệu khơng có cường độ cao mà đặc trưng vượt trội so với vữa thơng dụng tính khác độ lưu động cao hơn, mô đun đàn hồi lớn hơn, cường độ chịu uốn cao hơn, độ thấm nước thấp hơn, khả chịu mài mòn lớn hơn, độ bền ∗ Tác giả đại diện Địa e-mail: tuannv@nuce.edu.vn (Tuấn, N V.) 70 Thắng, N C., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng cao Theo ASTM C387 vữa cường độ cao vữa có cường độ nén tuổi ngày lớn 20 MPa tuổi 28 ngày lớn 35 MPa [1] Có thể chế tạo vữa cường độ cao sở nguyên vật liệu dùng để chế tạo vữa thông dụng, tức từ xi măng pc lăng, cát, phụ gia nước Ngồi nguồn vật liệu truyền thống xi măng, cát, nước, vật liệu để chế tạo vữa cường độ cao địi hỏi phải có chất lượng tốt ổn định, đơi cần có tính chất đặc biệt u cầu vật liệu cịn phụ thuộc vào cơng nghệ chế tạo loại vật liệu Bên cạnh đó, công nghệ coi phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ bê tông giới Việt Nam sử dụng kết hợp phụ gia siêu dẻo với phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn chế tạo bê tơng cường độ cao độ chảy cao Trong lĩnh vực xây dựng, việc nâng cao cường độ phát triển cường độ vữa bê tơng tuổi sớm có ý nghĩa lớn việc giải phóng ván khn đẩy nhanh tiến độ thi công chẳng hạn chế tạo cấu kiện đúc sẵn đặc biệt công tác sửa chữa, thi công trường hợp đặc biệt [2, 3] Hiện có nhiều cách khác để nâng cao cường độ vữa tuổi sớm, nhiên có ba hướng áp dụng, cụ thể: (1) sử dụng xi măng đặc biệt, loại xi măng có độ mịn cao, sử dụng thêm hợp chất để điều chỉnh thành phần khoáng xi măng giúp thúc đẩy q trình đơng kết rắn đá xi măng Tuy nhiên, sản lượng chưa cao đồng thời giá thành cao giải pháp bị hạn chế trình sử dụng (2) tác động vào q trình thi công bảo dưỡng thi công, chẳng hạn làm nóng hỗn hợp bê tơng q trình trộn bảo dưỡng nhiệt ẩm bê tông sau 4-6h sau đổ bê tơng Tuy nhiên, phương pháp áp dụng nhà máy với việc sản xuất cấu kiện đúc sẵn, việc áp dụng thực tế sản xuất cơng nghiệp gặp nhiều khó khăn nâng cao chi phí sản xuất (3) sử dụng loại phụ gia giảm nước kết hợp với loại phụ gia thúc đẩy q trình thủy hóa xi măng, đẩy nhanh trình rắn tuổi sớm Thực tế chứng minh phương pháp phương pháp dễ tốn nhất, áp dụng rộng rãi thực tế [4] Hiện nay, phụ gia hóa học ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực bê tơng xi măng nói riêng ngành xây dựng nói chung Các nhà nghiên cứu trước nghiên cứu đặc tính bê tơng cách sử dụng phụ gia thúc đẩy q trình thủy hóa xi măng khác Cho đến phụ gia rắn nhanh hiệu Canxi clorua (CaCl2 ), loại làm tăng ăn mòn cốt thép bê tơng [5, 6] Do đó, nhà khoa học nghiên cứu sử dụng phụ gia không clorua để đẩy nhanh tốc độ đông kết thúc đẩy phát triển cường độ bao gồm thiosunfat, nitrat nitrit, Natri thiocyanate (NaSCN), Canxi Nitrate (Ca(NO3 )2 ), Canxi aluminat loại phụ gia khác [7–9] Cơ chế phụ gia rắn nhanh khơng clorua làm tăng tốc độ thủy hóa khống tricalcium silicate (C3 S) tricalcium aluminat (C3 A) xi măng, kết làm tăng nhiệt thủy hóa đồng thời thúc đẩy cường độ đá xi măng tuổi sớm [10] Phụ gia hoạt động chất xúc tác để thúc đẩy q trình thủy hóa cho khống tricalcium silicate (C3 S) tricalcium aluminat (C3 A) [3] Xi măng pc lăng thơng thường thành phần bê tơng, đóng vai trị quan trọng trình hình thành phát triển cường độ bê tông Hiện nay, xi măng trở thành vật liệu phát thải CO2 nhiều bê tơng, nhà khoa học phải nghiên cứu thay phần xi măng phụ gia khoáng để giảm lượng dùng xi măng đồng thời đảm bảo đặc tính học độ bền bê tông giải vấn đề liên quan đến phát thải CO2 xây dựng Việc sử dụng phụ gia khoáng (PGK), sản phẩm phụ thu trình sản xuất công - nông nghiệp để thay clanke xi măng thay phần xi măng chế tạo vữa, bê tơng góp phần làm giảm phát thải CO2 đồng thời tận dụng phế thải ngành công nghiệp khác [11–13] Vữa bê tông sử dụng PGK cải thiện tính cơng tác, tăng khả chống thấm, tăng độ bền sun phát Ngồi ra, sử dụng PGK bê tơng 71 Thắng, N C., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng làm giảm nhiệt độ thủy hóa xi măng, giảm nguy nứt kết cấu ứng suất nhiệt gây [7] Tuy nhiên, sử dụng PGK làm phát triển cường độ đá xi măng tuổi sớm thấp, đặc biệt nhiệt độ thấp Điều hạn chế việc sử dụng PGK thay xi măng chế tạo vữa bê tông Một số nghiên cứu cho thấy, cường độ nén đá xi măng sử dụng PGK thúc đẩy tuổi sớm cách sử dụng thêm phụ gia hóa học Jueshe [14] cho thấy, sử dụng 3% Natri sunfat (Na2 SO4 ) theo khối lượng chất kết dính làm tăng nhanh cường độ đá xi măng tuổi Một số nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng Na2 SO4 K2 SO4 với hàm lượng 1-4% theo khối lượng chất kết dính cường độ nén đá xi măng tuổi sớm tăng từ 70-100% thay 40%FA Ngồi sử dụng Natri thiocyanate (NaSCN) để thúc đẩy q trình thủy hóa tăng khả rắn đá xi măng, đặc biệt tuổi sớm [8, 9, 14] Trong báo nghiên cứu ảnh hưởng aluminat canxi vơ định hình (amorphous calcium aluminate - ACA) axit tartaric (kí hiệu TA) đến thời gian đơng kết tốc độ phát triển cường độ chất kết dính vữa, chất kết dính sử dụng kết hợp phụ gia khoáng GBFS với hàm lượng 0% 30% theo khối lượng chất kết dính Nguyên vật liệu sử dụng phương pháp nghiên cứu 2.1 Nguyên vật liệu sử dụng Trong nghiên cứu này, xi măng (XM) sử dụng xi măng poóc lăng, tính chất lý xi măng đạt yêu cầu theo TCVN 2682:2009 [15] Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (GBFS) Hịa Phát, tính chất xỉ thỏa mãn loại S75 theo TCVN 11586:2016 [16] Phụ gia rắn nhanh (Amorphous Calcium Bảng Tính chất lý thành phần hóa chất kết dính Tính chất lý Đơn vị XM GBFS ACA Khối lượng riêng Tỷ diện Blaine Độ ổn định thể tích Giới hạn bền nén sau ngày Giới hạn bền nén sau 28 ngày Chỉ số hoạt tính với xi măng 28 ngày Đường kính hạt trung bình g/cm3 cm2 /g mm MPa MPa % µm 3,15 3820 0,25 33,5 54,6 2,92 3760 2,95 5200 91,4 7,2 5,0 % % % % % % % % % % 20,3 5,05 3,51 62,81 3,02 2,00 1,83 33,28 0,73 12,2 41,94 7,21 4,2 1,6 48,3 43,8 0,8 1,05 0,5 0,3 17,3 Thành phần hóa SiO2 Fe2 O3 Al2 O3 CaO MgO Na2 O K2 O SO3 TiO2 MKN 72 Thắng, N C., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Aluminate-ACA) dạng aluminate canxi vô định hình, có thành phần gần với 12 CaO · Al2 O3 (C12 A7 ) ACA sử dụng nghiên cứu với dạng bột, vai trò loại phụ gia giúp rút ngắn thời gian đông kết giúp thúc đẩy khả rắn phát triển cường độ đá xi măng tuổi sớm Tuy nhiên, việc sử dụng ACA làm tốc độ đông kết CKD xảy nhanh, để điều chỉnh tốc độ đông kết đề tài sử dụng axit tartaric (TA), phụ gia dạng bột với kích thước hạt nhỏ 100 µm có độ tinh khiết lớn 98% Phụ gia siêu dẻo (SD) sử dụng nghiên cứu Roadcon-SR 5000F, phụ gia siêu dẻo phù hợp theo tiêu chuẩn ASTM C494 loại F G Các tính chất ACA, TA SD sử dụng nghiên cứu lấy theo cung cấp nhà sản xuất Tính chất lý thành phần hóa xi măng (XM) xỉ lị cao hạt hóa nghiền mịn phụ gia rắn nhanh (ACA) thể Bảng Cốt liệu mịn đề tài sử dụng cát vàng Sơng Lơ, tính chất lý thể Bảng Mẫu cát thí nghiệm đạt yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 7570:2006 [17] Bảng Các tính chất lý cốt liệu mịn TT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết Khối lượng riêng Khối lượng thể tích xốp Độ rỗng Mô đun độ lớn Hàm lượng bụi bùn, sét Độ ẩm bão hồ bể mặt khơ g/cm3 kg/m3 % % % Hàm lượng tạp chất hữu - 2,65 1460 44,9 2,63 0,1 0,9 Nhạt màu chuẩn Yêu cầu > 1300 >2