7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.4. Ảnh hưởng của tro bay đến các tính năng của bêtông xi măng
1.4.1. Lịch sử nghiên cứu tro bay trong bê tông xi măng
Năm 1932, lần đầu tiên các nghiên cứu về tro bay được thực hiện bởi Công ty Cleveland và Công ty Detroit Edison. Đến năm 1937, David và các cộng sự tại trường Đại học California đã nghiên cứu sử dụng tro bay để chế tạo bê tông [35].
Theo Giaccio và Malhotra [68], BTXM tro bay lần đầu tiên được sử dụng cho các đập thủy điện Hoover và Horse ở Mỹ vào những năm 1940 đã đem lại những bước đột phá lớn làm giảm đáng kể khối lượng xi măng sử dụng.
Năm 1968, M. Kohubu [77], đã có bước đột phá lớn trong việc nghiên cứu sử dụng tro bay trong bê tông do nhận thấy tro bay có tính chất của vật liệu puzơlan. Hình dạng cầu của các hạt làm giảm nội ma sát, do đó làm tăng độ đặc và linh động của hỗn hợp bê tông.
Năm 1987, Helmuth [70] đã có những nghiên cứu về tro bay dùng trong sản xuất xi măng và bê tông công nghiệp; khuyến nghị dùng trong xây dựng đường ô tô thì sẽ đem lại các lợi ích to lớn về kinh tế và môi trường.
Năm 1988, Adams [48] đã có những nghiên cứu ứng dụng tro bay trong bê tông mặt đường ô tô và đưa ra các khuyến nghị nên sử dụng bởi các đặc tính kỹ thuật của loại bê tông này là hoàn toàn phù hợp.
Giaccio và Malhotra [68] đã phát triển loại BTXM có hàm lượng tro bay cao. Malhotra và Mehta [81] đã phát triển loại bê tông có cường độ tuổi sớm ở mức vừa đủ, có tính công tác tốt, nhiệt độ thủy hóa tỏa ra giảm, đạt cường độ cao ở tuổi muộn, co ngót thấp và độ bền tốt.
1.4.2. Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất của hỗn hợp bê tông
1.4.2.1. Tính công tác
Theo Michael [86], hạt tro nhỏ, tròn và mịn hơn hạt xi măng nên nếu cùng lượng nước như nhau thì BTXM tro bay có độ sụt lớn hơn BTXM thông thường nhờ đó làm tăng tính công tác cho thi công. Bên cạnh đó, khi kết cấu không yêu cầu độ sụt cao thì có thể giảm lượng nước yêu cầu: cứ thêm 10 % tro bay thì sẽ giảm đi ít nhất 3 % lượng nước. Còn theo FHWA [63], khi tro bay được sử dụng trên 20 % chất kết dính, lượng nước có thể giảm đi 10 % do đó góp phần làm giảm co ngót khô và rạn nứt mặt đường.
Khi so sánh cùng một độ sụt nhất định giữa BTXM tro bay và BTXM thông thường, theo Owen [80] độ mịn của hạt tro bay làm giảm lượng nước yêu cầu (Hình 1.5); trong khi đó theo Sturrup [98], tro bay có lượng tổn thất càng bé thì lượng nước yêu cầu càng nhỏ (Hình 1.6).
Hình 1.5 – Ảnh hưởng của độ mịn tro bay đến lượng nước yêu cầu
Hình 1.6 – Ảnh hưởng của lượng tổn thất khi nung đến lượng nước yêu cầu
1.4.2.2. Tính tách nước
đầu trong bê tông vì lượng nước yêu cầu giảm; đặc biệt quá trình tách nước kết thúc sau quá trình bảo dưỡng bê tông.
1.4.2.3. Hàm lượng cuốn khí
Theo Pistilli [93], BTXM tro bay loại C hàm lượng cuốn khí nhỏ hơn so với BTXM tro bay loại F.
1.4.2.4. Thời gian đông kết của bê tông
Theo Hiệp hội bê tông quốc tế [57], với các loại bê tông có cùng cường độ và tính công tác thì tro bay loại F làm chậm thời gian bắt đầu và kéo dài thời gian kết thúc đông kết bê tông (Hình 1.7).
Hình 1.7 – Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến thời gian đông kết bê tông
1.4.2.5. Nhiệt độ tỏa ra trong quá trình đóng rắn bê tông
Các nghiên cứu đầu tiên về nhiệt độ tỏa ra trong BTXM tro bay được thực hiện bởi Mustard năm 1959 [89] cho thấy: khi thay thế 30 % xi măng bằng tro bay loại F đã làm giảm nhiệt thủy hóa lớn nhất từ 47 0C xuống 32 0C (Hình 1.8).
Hình 1.8 – Ảnh hưởng của tro bay đến nhiệt độ thủy hóa trong bê tông
1.4.2.6. Thời gian kết thúc đóng rắn bê tông
Theo Mahotra và Mehat [81], sử dụng tro bay trong bê tông làm chậm thời gian kết thúc đông kết. Ở nhiệt độ bình thường tốc độ phản ứng puzơlan chậm hơn so với tốc độ phản ứng thủy hóa xi măng.
1.4.3. Ảnh hưởng của tro bay đến tính năng bê tông
1.4.3.1. Sự phát triển cường độ nén
Theo Michael [86] khi tỷ lệ tro bay / CKD tăng, thì cường độ tuổi sớm giảm; tuy nhiên cường độ ở tuổi muộn (sau 28 ngày) tăng, ở 56 ngày xấp xỉ bằng và tới 90 ngày có thể cao hơn so với BTXM poóc lăng thông thường (Hình 1.9).
Hình 1.9 – Ảnh hưởng của tro bay đến sự phát triển cường độ nén bê tông
1.4.3.2. Tính năng cơ học khác của bê tông
Theo Mahotra và Mehta [81], khi tỷ lệ tro bay / CKD sử dụng vừa và thấp thì ảnh hưởng không đáng kể đến giá trị mô đun đàn hồi, cường độ kéo uốn và kéo dọc trục. Trong khi đó với bê tông có hàm lượng tro bay cao thì ở tuổi muộn, mô đun đàn hồi, cường độ kéo uốn và kéo dọc trục tiếp tục được cải thiện so với ở 28 ngày nhờ phản ứng pozolan tiếp tục diễn ra và các hạt tro bay không phản ứng thì đóng vai trò là hạt mịn lấp đầy các lỗ rỗng.
1.4.3.3. Từ biến bê tông
Theo nghiên cứu của Lane và cộng sự [79]; của Yuan và cộng sự [102], ở tuổi sớm thì từ biến BTXM tro bay cao hơn so với BTXM thông thường bởi lúc này cường độ thấp hơn. Tuy nhiên sau 28 ngày, cường độ hai loại bê tông đạt được bằng nhau và sau đó cường độ BTXM tro bay tiếp tục phát triển thì từ biến sẽ nhỏ hơn.
1.4.3.4. Co ngót khô
Theo Mahotra và Mehta [81], Atis [49] thì co ngót khô trong BTXM tro bay là thấp hơn so với BTXM thông thường khi lượng nước yêu cầu nhỏ hơn.
1.4.4. Ảnh hưởng của tro bay đến độ bền bê tông
1.4.4.1. Độ mài mòn
Theo các nghiên cứu của Gebler [66], thì khả năng chịu mài mòn của bê tông chủ yếu phụ thuộc vào tính chất của cốt liệu và cường độ bê tông. Với BTXM tro bay thì độ mài mòn còn phụ thuộc vào độ đặc của hỗn hợp.
1.4.4.2. Độ chống thấm nước và ion clo
Theo nghiên cứu của Sujjavanich và cộng sự [94], Ozkan Sengul [95], Thomas [100], có chung kết luận rằng tro bay cải thiện khả năng chống thấm nước và ion clo do thành phần hạt mịn làm cho cấu trúc bê tông trở nên đặc chắc hơn.
Theo các dữ liệu trong ASTM C1202 [46], với bê tông có tỷ lệ nước / CKD là 0,4 và được dưỡng ẩm liên tục cho thấy ở 28 ngày độ thấm ion clo của BTXM tro bay bắt đầu thấp hơn BTXM không tro bay và sau 7 năm thì thấp hơn từ 4 đến 29 lần (Hình 1.10).
Hình 1.10 – Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến độ thấm ion clo.
1.4.4.3. Phản ứng kiềm-silicat
Theo các nghiên cứu của Shehata [96], khi BTXM tro bay loại F có tỷ lệ từ 20 ÷ 30 % chất kết dính sẽ có tác động lớn đến việc kiểm soát phản ứng kiềm-silicat và làm giảm lượng hydroxit kiềm. Bê tông xi măng tro bay loại C thì ảnh hưởng này rất thấp.
1.4.4.4. Độ bền sunphat
Theo các nghiên cứu của Dunstan [61], Mehta [85] và Tikalsky [99] cho thấy BTXM tro bay loại F có hàm lượng CaO thấp làm tăng khả năng chống ăn mòn sunphat khi tấm bê tông tiếp xúc với môi trường đất và nước.
1.4.4.5. Tốc độ cacbon hóa
Theo các nghiên cứu của Dhir [60], Hobbs [71], Matthews [88] đều cho thấy khi so sánh ở cùng cường độ nén 28 ngày thì tốc độ cacbon hóa của BTXM tro bay tương tự như BTXM không tro bay.
1.4.4.6. Khả năng chống nứt do nhiệt độ và do co ngót
Theo Mehta [84], với bê tông có 50 % tro bay loại F thì sự gia tăng nhiệt độ trong bê tông chỉ bằng 30 ÷ 35 0C.
1.5. Hệ số hiệu quả tro bay và phương pháp thiết kế thành phần BTXM tro bay
1.5.1. Khái niệm hệ số hiệu quả tro bay
Để xác định mức độ ảnh hưởng của tro bay trong bê tông, Smith [97] đã nghiên cứu sự phát triển cường độ theo phản ứng puzơlan thông qua hệ số hiệu quả - ký hiệu (k). Smith là người đầu tiên đề xuất khái niệm “Hệ số hiệu quả tro bay – k” là hệ số dùng để tính đổi tương đương một lượng tro bay có khối lượng (F) ra thành một lượng xi măng poóclăng có khối lượng (k.F) và trong công thức cường độ nén bê tông theo Bolomey, tỷ lệ nước / xi măng (N / X) được chuyển thành tỷ lệ nước / xi măng quy đổi – N / (X + k.F). Theo Smith [97], mối quan hệ giữa cường độ nén với tỷ lệ N / X của bê tông thông thường cũng phù hợp đối với BTXM tro bay, có nghĩa là cường độ của BTXM tro bay có quan hệ với tỷ lệ nước / xi măng quy đổi – N / (X + k.F).
1.5.2. Các yếu tốảnh hưởng đến hệ số hiệu quả tro bay
Hệ số hiệu quả tro bay chịu ảnh hưởng bởi các tính chất vật lý và hoá học của loại tro bay, tỷ lệ tro bay / CKD trong hỗn hợp, tỷ lệ nước / CKD, tuổi bê tông và loại xi măng. Một số nghiên cứu đã phân chia các yếu tố tác động thành các nhóm riêng rẽ. Theo nghiên cứu của Munday [87], hệ số k phụ thuộc vào loại tro
bay, tuổi bê tông và loại xi măng. Hassaballah [69] nghiên cứu thấy rằng hệ số k
còn chịu ảnh hưởng của các thông số hỗn hợp, cường độ, tỷ lệ tro bay / CKD và tuổi bê tông. J.Bijen [53] cho rằng ảnh hưởng của loại xi măng lại có ảnh hưởng đáng kể. Đối với xi măng poóclăng thông thường, hệ số k còn phụ thuộc vào tuổi, thời gian bảo dưỡng và nhiệt độ của hỗn hợp chế tạo. Hwang [72] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay / CKD, độ mịn và tuổi bê tông đến sự phát triển cường độ của BTXM tro bay. Papadakis [92] đã có các nghiên cứu cơ bản xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông, trong đó ảnh hưởng của loại tro bay (thành phần khoáng vật) và tỷ lệ tro bay / CKD có ảnh hưởng quan trọng.
Babu [50] đã nghiên cứu trên 70 loại BTXM tro bay với xi măng poóclăng và bảo dưỡng trong điều kiện thông thường, với các tỷ lệ tro bay / CKD từ 15 ÷ 75 % ở các tuổi khác nhau và với các tỷ lệ N / CKD khác nhau. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hệ số k phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ tro bay / CKD và tuổi dưỡng mẫu. Vì vậy, Babu đã phân hệ số k theo hai loại là ke và kp; trong đó ke phụ thuộc vào tuổi bê tông; kp phụ thuộc vào tỷ lệ tro bay / CKD (f) và tỷ lệ N / CKD.
* Hệ số hiệu quả tro bay (kp) theo tỷ lệ tro bay / CKD và nước / CKD
Dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, năm 1967 Smith [97] đề xuất giá trị kp bằng 0,25 khi tro bay thay thế đến 25 % xi măng. Sau đó, tiêu chuẩn của Đức đã sử dụng giá trị là 0,3 với sự thay thế 10 ÷ 25 %; tiêu chuẩn Anh đề nghị một giá trị là 0,3 với tỷ lệ phần trăm thay thế lên đến 50 %; tiêu chuẩn CEB-FIP đã đề xuất hệ số hiệu quả 0,4 để thay thế giữa 15 ÷ 40 %; tiêu chuẩn Đan Mạch quy định hệ số hiệu quả là 0,5 và cho phép lấy cao hơn nếu chứng minh được bằng các nghiên cứu thích hợp [54]. Bijen [53] đã báo cáo rằng bê tông với các loại xi măng và tro bay khác nhau (thay thế đến 28 % và tỷ lệ N / X trong khoảng 0,5 ÷ 0,65) thì hệ số hiệu quả xi măng có giá trị bằng 0,5 là thích hợp. Các nghiên cứu trên đều có chung nhận xét rằng với tỷ lệ tro bay / CKD càng nhiều thì hiệu quả càng thấp.
Ngày nay chất lượng của tro bay đã được cải thiện rất đáng kể do việc sử dụng các nhiên liệu than đã được nghiền thành bột và các công nghệ thu lọc, xử lý tro bay đã có rất nhiều cải thiện. Theo kết quả nghiên cứu năm 2012 của Cho HB
[56], kp có thể lên tới 1,24 khi nghiên cứu các tỷ lệ tro bay / CKD từ 0 đến 70 % và tỷ lệ nước / chất kết dính từ 0,35 đến 0,6.
* Hệ số hiệu quả tro bay theo tuổi (ke)
Nhiều nghiên cứu trước đây đã cho thấy rằng hiệu quả tro bay trong bê tông phụ thuộc vào tuổi bê tông và có hiệu quả rất thấp khi bê tông ở độ tuổi sớm, khi đó hoạt động chủ yếu của tro bay đóng vai trò như là cốt liệu mịn. Ở các độ tuổi sau đó hiệu quả tro bay tăng lên đáng kể do tác dụng của phản ứng puzơlan.
Theo các nghiên cứu Babu [50], cường độ nén của BTXM tro bay thay đổi theo tuổi và thông qua các kết quả thí nghiệm đã đề xuất các giá trị là 0,3; 0,5 và 0,6 tương ứng với cường độ bê tông ở các ngày thứ 7, 28 và 90. Babu cho rằng ke tăng theo tuổi nhưng tăng chậm lại ở các ngày tuổi cao (90 ngày). Trong khi đó, khi thay thế tro bay ở các tỷ lệ khác nhau thì giá trị kp là gần như nhau ở tất cả các tuổi nghiên cứu, ví dụ ở cùng tỷ lệ thay thế 25 % thì kp là bằng nhau ở các tuổi 7, 28 và 90 ngày.
Theo kết luận cuối cùng của Babu [50] thì với tỷ lệ tro bay / CKD từ 15 ÷ 75 %, hệ số k thay đổi từ 0,13 ÷ 0,95; 0,33 ÷ 1,15 và 0,43 ÷ 1,25 tương ứng với các tuổi bê tông là 7 ngày, 28 ngày và 90 ngày.
1.5.3. Khái quát về các phương pháp thiết kế thành phần bê tông xi măng tro bay
1.5.3.1. Công thức cường độ bê tông xi măng tro bay
Theo De Larrard [59], cường độ nén bê tông ở 28 ngày có thành phần tro bay được tính theo công thức như sau:
2 / ) .( 11 . 4 , 0 4 , 1 / . 1 , 3 1 . ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − + = + − F S X X CL n e X N R k R (1.10)
trong đó: Rn , RX – tương ứng là cường độ nén bê tông và xi măng ở 28 ngày; kCL – hệ số phụ thuộc loại cốt liệu;
N / X , (F+S) / X – tỷ lệ nước / xi măng và (tro bay + muội silic) / xi măng. Qua các kết quả thí nghiệm, De Larrard đã định hướng thành phần bê tông
tối ưu sử dụng phụ gia khoáng tro bay gồm xi măng poóc lăng khoảng 75 %, tro bay khoảng 20 % và muội silic khoảng 5 %. Sau khi lựa chọn tỷ lệ phối trộn phụ gia khoáng với xi măng, cường độ bê tông được tính theo công thức Feret với nhiều tỷ lệ thành phần khác nhau; chế tạo bê tông và hiệu chỉnh thành phần cấp phối để có được tính công tác và đạt được cường độ yêu cầu.
1.5.3.2. Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn Viện bê tông Mỹ
Phương pháp tính thành phần bê tông của Viện bê tông Mỹ ACI 211.4R [36] được áp dụng cho BTXM sử dụng tro bay có cường độ nén từ 42 ÷ 83 MPa, tuổi thí nghiệm thường là 28 ngày. Chất kết dính được sử dụng gồm xi măng và tro bay / hoặc muội silic. Phương pháp này yêu cầu để chế tạo được bê tông thì cần phải đảm bảo việc lựa chọn các thành phần một cách tối ưu nhất bao gồm tính chất của xi măng và tro bay; chất lượng cốt liệu và tỷ lệ phối trộn.
Các thành phần chất kết dính khác được sử dụng chủ yếu là tro bay nhằm làm giảm bớt khối lượng xi măng quá cao và giảm tỷ lệ N / CKD. Tro bay được sử dụng có thể là loại C hoặc loại F có lượng tổn thất khi nung không quá 6 % và có độ mịn cao đáp ứng theo yêu cầu tiêu chuẩn ASTM C618. Tỷ lệ tro bay / CKD sử dụng được khuyến cáo lựa chọn phụ thuộc vào loại tro bay, với tro bay loại F là 15 ÷ 25 % và tro bay loại C là 20 ÷ 35 % (theo khối lượng). Theo phương pháp này, tỷ lệ nước / xi măng (N / X) được thay thế bằng tỷ lệ nước / chất kết dính (N / CKD) và được khuyến cáo sử dụng từ 0,2 ÷ 0,5.
Phương pháp này được tiến hành theo 11 bước để chọn ra thành phần hỗn hợp tối ưu nhất. Đầu tiên phải tiến hành thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông thông thường với chất kết dính chỉ gồm xi măng poóc lăng (X0). Tiếp theo, lựa chọn loại tro bay F hoặc C, căn cứ vào khoảng tỷ lệ được khuyến cáo sử dụng, lựa chọn với 4