7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
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 loại tỷ lệ thay thế f = 20, 25, 30 và 35 %. Với mỗi loại tỷ lệ được sử dụng, tiến hành tính khối lượng tro bay (F) và khối lượng xi măng (X) trong hỗn hợp chất kết dính là: F = f × X0 và XFC = X0 - F (kg).
Kết quả tính có được khối lượng của các thành phần cốt liệu, nước và cát cho từng loại bê tông. Sau đó tiến hành thí nghiệm về độ sụt và cường độ, kết quả thí
nghiệm để chọn ra tỷ lệ tro bay / CKD thích hợp. Tùy vào mục đích sử dụng, có thể phải tiến hành thêm một số các chỉ tiêu khác (tỏa nhiệt, chống ăn mòn,...) để so sánh lựa chọn thành phần vật liệu phù hợp.
1.5.3.3. Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam
Phương pháp thiết kế thành phần bê tông theo tiêu chuẩn TCVN 10306:2014 [22] về cơ bản dựa trên nền tảng từ các tiêu chuẩn ACI 211.4R [36]. Cường độ trung bình yêu cầu được sử dụng để lựa chọn thành phần bê tông. Trong thành phần vật liệu chế tạo hỗn hợp bê tông thì phụ gia khoáng đóng vai trò quan trọng được quy định sử dụng là muội silic hoặc tro bay. Tro bay có thể là loại F hoặc loại C. Trong đó hàm lượng tro bay kiến nghị nên sử dụng với tro bay loại F khoảng 15 ÷ 25 %, với tro bay loại C khoảng 20 ÷ 35 % thay thế xi măng. Lượng nước trong hỗn hợp bị giảm đi bằng cách sử dụng các chất giảm nước mạnh đó là phụ gia siêu dẻo.
1.5.3.4. Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn Châu Âu
Trong nội dung thiết kế phần hỗn hợp bê tông theo tiêu chuẩn Châu Âu EN206 [62], bên cạnh chất kết dính xi măng poóc lăng thì tro bay (hoặc muội silic) được xem như là vật liệu khoáng siêu mịn có tính xi măng hóa. Vì vậy nó được xem như một thành phần của chất kết dính. Trong đó ảnh hưởng của tro bay đến cường độ bê tông được thể hiện bằng hệ số hiệu quả (k); khối lượng tro bay (F) được quy đổi thành khối lượng xi măng tương đương là kF. Khi đó khối lượng xi măng quy đổi trong hỗn hợp bê tông là (X + k.F). Trong tiêu chuẩn EN206 [62], hệ số k được lấy mặc định bằng 0,4 cho cả hai loại xi măng là CEM I và CEM II/A. Tuy nhiên, với loại xi măng CEM I thì tỷ lệ tro bay / CKD không vượt quá 33 % khối lượng; còn với xi măng CEM II/A thì tỷ lệ này không vượt quá 25 % khối lượng.
Tương tự như phương pháp Bolomay – Skramtaep hoặc tiêu chuẩn ACI 211.4R [36], việc tính thành phần vật liệu của hỗn hợp bê tông theo EN206 [62] dựa trên nguyên lý thể tích đặc tuyệt đối. Trong đó tỷ lệ nước / xi măng được lấy theo cường độ nén yêu cầu của bê tông và loại xi măng sử dụng. Tuy nhiên tiêu chuẩn EN206 [62] chủ yếu đưa ra các khuyến nghị về việc lựa chọn áp dụng các loại vật liệu thành phần cho phù hợp. Trong đó đã đưa ra 18 loại thành phần hỗn hợp bê
tông khác nhau (từ X0 đến XA3) tùy theo mục đích sử dụng và điều kiện môi trường, đồng thời cũng đưa ra các quy định về giới hạn tỷ lệ nước / xi măng lớn nhất hay loại xi măng và hàm lượng xi măng tối thiểu sử dụng.
1.5.3.5. Nhận xét
Các công thức cường độ bê tông của De Larrard [59], ACI 211.4R [36] và TCVN 10306:2014 [22] đã nêu ở trên xem tro bay như một loại chất kết dính được sử dụng để thay thế một phần xi măng một cách thuần túy về mặt khối lượng mà chưa xét đến hiệu quả tro bay trong bê tông bởi tro bay và xi măng có những ảnh hưởng khác nhau đến sự phát triển cường độ và các tính năng cơ học khác.
Trong của tiêu chuẩn EN206 [62] đã đề cập đến hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông, tuy nhiên việc lựa chọn thành phần vật liệu bê tông dựa trên kinh nghiệm gồm 18 loại hỗn hợp có sẵn theo các điều kiện sử dụng và môi trường, điều này đã làm hạn chế việc áp dụng cho các khu vực khác trên thế giới và ở nước ta.
Trên cơ sở phân tích nêu trên, cần phải thiết lập phương pháp thiết kế thành phần vật liệu BTXM tro bay trên cơ sở vận dụng nội dung tiêu chuẩn ACI 211.4R [36] và có xét đến ảnh hưởng của tro bay theo hệ số hiệu quả k.
1.6. Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay trong xây dựng đường ô tô
1.6.1. Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay trên thế giới
Trên thế giới, BTXM tro bay được sử dụng đa dạng cho nhiều loại công trình. Trong lĩnh vực xây dựng đường ô tô, một số các kết quả nghiên cứu tiêu biểu như sau:
(1). Theo các báo cáo tại Hội nghị tro bay thế giới năm 2015 được tổ chức bởi Hiệp hội tro bay Mỹ (ACAA) [47], ở nhiều nước trên thế giới khối lượng tro bay thải ra từ các nhà máy nhiệt điện là rất lớn lên tới hàng triệu tấn mỗi năm. Trong khi đó lượng tiêu thụ tro bay trung bình ở các nước chưa tới 50 %. Theo Hiệp hội tro bay Mỹ (ACAA) [47], năm 2014 sản lượng tro bay ở Mỹ đạt 50,4 triệu tấn và đã tái sử dụng lại 23,2 triệu tấn chiếm 46 %. Trong đó sử dụng cho bê tông 13,1 triệu tấn chủ yếu cho xây dựng mặt đường ô tô.
(FHWA) [63], tro bay bắt đầu được sử dụng trong xây dựng trong các công trình nền móng đường bộ và đường cao tốc từ những năm 1950. Đến năm 1974, FHWA bắt đầu đưa ra các khuyến khích sử dụng tro bay để thay thế một phần xi măng trong bê tông nếu có thể để làm mặt đường ô tô. Năm 1983, Cơ quan bảo vệ Môi trường Mỹ đã đưa ra các chỉ dẫn cho BTXM tro bay nhằm khuyến khích sử dụng tro bay với khối lượng lớn trong xây dựng đường. Theo báo cáo mới nhất của FHWA [63], các ứng dụng của tro bay trong xây dựng đường bao gồm:
(a) Sử dụng tro bay trong bê tông mặt đường mang lại nhiều lợi ích và cải thiện tính năng của bê tông tươi cũng như bê tông đã đóng rắn: cải thiện tính công tác và độ bền của bê tông; giảm giá thành và giảm khối lượng xi măng. Trong hỗn hợp thì tỷ lệ tro bay / CKD thường dùng 15 ÷ 30 %; khối lượng tro bay / khối lượng xi măng được thay thế từ 1 ÷ 1,5 lần.
(b) Sử dụng tro bay làm nền đường. Tro bay được trộn với đất theo một tỷ lệ nhất định và được đầm nén đến một độ chặt tốt nhất. Thường sử dụng tro bay loại C, chứa tối thiểu 25 % CaO.
(c) Sử dụng tro bay làm lớp móng trên và lớp móng dưới kết cấu áo đường. Tro bay loại C có thể sử dụng như một vật liệu độc lập. Tro bay loại F có thể sử dụng bằng cách phối trộn với vôi, xi măng poóc lăng, hoặc bụi lò nung xi măng. Tỷ lệ thông thường cho hỗn hợp tro bay loại F với vôi là (2 ÷ 8 %), vôi trộn với (10 ÷ 15 %) tro bay loại F.
(d). Sử dụng tro bay trong bê tông đầm lăn (RCC) làm mặt đường ô tô. Năm 2001, bê tông đầm lăn đã được dùng để xây dựng mặt đường ô tô trong khu công nghiệp sản xuất ô tô ở Alabama (Mỹ).
(3). Theo báo cáo của Chương trình hợp tác nghiên cứu đường cao tốc Mỹ (NCHRP-749) [35] thì từ năm 1962, Hiệp hội những người làm đường và vận tải Mỹ (AASHTO) đã đưa vào chương trình nghiên cứu ứng dụng tro bay trong xây dựng mặt đường cao tốc và xem đây như là một loại vật liệu mới đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật khắt khe của đường cao tốc và giá thành rẻ. Để việc sử dụng tro bay trong bê tông được rộng rãi, AASHTO đã xây dựng tiêu chuẩn AASHTO M
295 [34] trong đó đặc biệt chú trọng đến việc quy định các thành phần khoáng vật tro bay (loại C và F) và hàm lượng tổn thất khi nung (LOI), chỉ những tro bay được lấy trực tiếp từ ống khói qua lọc tĩnh điện hoặc sau khi đã tuyển chọn lại đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật thì mới được sử dụng cho bê tông.
Tro bay làm tăng tính công tác, giảm nhiệt thủy hóa, giảm giá thành và tăng độ bền chống ăn mòn sun phát; giảm nứt gãy và tăng khả năng chống thấm. Tuy