L ỜI CẢM ƠN
2.2.Vật liệu chế tạo
Trong chương này, Nghiên cứu sinh trình bày các nghiên cứu về vật
liệu để chế tạo bê tông cường độ siêu cao như: xi măng, cốt liệu, bột, muội silic, nước, chất siêu dẻo, sợi thép.
2.2.1. Xi măng
Các nghiên cứu về bê tông cường độ siêu cao trên thế giới thường sử
dụng xi măng PCA 42,5 ; PCA 52,5; PCA 62,5 loại I và loại III. Trên thế giới,
loại.Nghiên cứu sinh sử dụng xi măng Pooclăng loại I là PC40 để làm vật liệu nghiên cứu là phù hợp với quốc tế và thực tếở xi măng Việt Nam.
Xi măng có thành phần khoáng theo ASTM như ở bảng 2.1 :
Bảng 2.1: Thành phần khoáng vậtcủa xi măng (%) theo ASTM
ASTM Nhóm C3S C2S C3A C4AF N1 55 16 11 7 N2 44 26 5 15 N3 63 10 10 8 N4 25 47 4 15 N5 40 40 4 9
Trong đó: Nhóm 1 và 2 là xi măng tiêu chuẩn,chế độ nhiệt bình thường
Nhóm 3 là nhóm cần lưu ý về chế độ nhiệt
Nhóm 4 và 5 dùng cho kết cấu bê tông đặc biệt (ít tỏa nhiệt)
Chất kết dính (xi măng) có vai trò chủ chốt trong việc liên kết các loại
vật liệu rời rạc thành khối bê tông đồng nhất. Tuy vậy, nếu quá nhiều xi măng
sẽ làm bê tông có cường độ thấp, độ bền không tốt và ảnh hưởng đến môi
trường. Việc nghiên cứu bê tôngcường độ siêu cao gắn liền với việc giảm lượng xi măng trong hỗn hợp và thay vào đó là những phụ gia khoáng với cỡ
hạt siêu nhỏ.
Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 phổ biến ở Việt Nam được
ghi ở bảng 2.2 .
Bảng 2.2: Thành phần khoáng vật của xi măng PC40 Việt Nam
Loại C3S C2S C3A C4AF Hoàng Thạch 56 18 10 10 Bỉm Sơn 67 8 5 15 Chinfon 51 23 8 10 Bút Sơn 51 24 8.5 11 Nghi Sơn 52 29 6 10
Luận án sử dụng loại xi măng PC40-Bút Sơn, thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN có đặc tính kĩ thuật sau:
-Khốilượng riêng 3,13 g/cm3.
-Lượng nước tiêu chuẩn 28 %
-Độ ổn định thể tích 2,2mm
-Độ mịn (lượng sót trên sàng 0,08mm) là 3,7%
-Thời gian bắt đầu đông kết 120 phút,kết thúc đông kết 216 phút
-Cường độ kéo uốn 3 ngày 5,87 MPa và cường độ chịu nén 22,2 MPa -Cường độ kéo uốn 7 ngày 6,5 MPa và cường độ chịu nén 30 MPa -Cường độ kéo uốn 28 ngày 7 MPa và cường độ chịu nén 43 MPa
2.2.2. Các phụ gia hóa học
Các phụ gia hóa học nói chung đều được sản xuất từ lignin sunphonat,
các axít cacbonxilic (phenol cao phân tử) được hydrat hóa, các nhóm hydrat – cacbon, Melamin, Naptalin. Việc chọn loại và liều lượng cần tiến hành bằng
các thực nghiệm. Các phụ gia hóa học này góp phần tăng đáng kể cường độ
nén, kiểm soát tốc độ đông kết bê tông, thúc đẩy nhanh cường độ, cải thiện
khả năng làm việc và độ bền theo thời gian của bê tông.
Chất làm chậm góp phần kiểm soát quá trình hydrat hóa ban đầu vì vậy nó tạo cho bê tông tốc độ đông kết mong muốn trong các điều kiện thời
tiết được dự kiến trước.
Các chất giảm nước thông thường ASTM C494 kiểu A có tác dụng làm tăng cường độ, kéo dài thời gian đông kết, độ sụt của bê tông tăng
khoảng 2 lần.
Chất giảm nước cao ASTM C494 loại F và G mang lại cường độ cao hơn và sớm hơn. Chất giảm nước cao nhằm mục đích tăng cường độ nếu giữ nguyên độ sụt hoặc tăng độ sụt từ 3-4 lần nếu giữ nguyên cường độ. Ở Việt
Nam các chất này gọi là các phụ gia siêu dẻo đã được dùng phổ biến trong các
công trình cầu lớn với liều lượng từ 0,5-3 lít/100kg xi măng.
Phụ gia siêu dẻo:
Có 5 loại phụ gia siêu dẻo thuộc 3 thế hệ: thế hệ 1 là A, thế hệ 2 là B và thế hệ 3 là C.
+ A- Ligno Sul phonates (LS):
Là phụ gia siêu dẻo thế hệ 1 từ các chất cao phân tử tự nhiên Lignin (từ
gỗ và senlulo), độ giảm nước tối đa là 10%, có thể làm chậm đông kết, độ sụt
giảm 30% sau 30 phút, lượng dùng ≈ 2,5% lượng xi măng
+ B1-Polime gốc sulphonat melamin:
Phụ gia siêu dẻo gốc URE và Phormadehyd có tác dụng giảm nước tối đa đến 25%, lượng dùng từ 1,5-2,5%khối lượng xi măng, giảm độ sụt đến 50% sau 40 phút và cho cường độ sớm (R3 = 0,85R28), thời gian thi công
ngắn, tỷ lệ N/X < 0,4 và phù hợp với khí hậu nóng.
+ B2 – Naphthalen Sulphonat Polycondesat :
Nguồn gốc từ than đá, giảm nước tối đa 25%, lượng dùng 1,5-2,5% khối lượng xi măng, giảm độ sụt đến 50% sau 50 phút.
+ B3 – Chất siêu dẻo thế hệ thứ hai: Vinylcopolyme: Thành phần chính là : Sunfonat Vinylcopolyme (dầu thô)
Giảm nước tối đa đến 30%, lượng dùng 1,5-2% khối lượng xi măng, giảm độ sụt ban đầu đến 50% sau 100 phút, tạo ra độ sụt đến 22
cm, kéo dài thời gian thi công.
+ C – Chất siêu dẻo thế hệ ba: PolyCarboxylat (PC):
Gốc Polyme cao phân tử tổng hợp, giảm nước tới 40 % (tỷ lệ N/X có
thể đến 0,27), bê tông có thể đạt đến độ sụt 22 cm, cho cường độ cao, duy trì
được tính công tác trong thời gian dài.
Loại phụ gia đặc biệt này có thể thay đổi cấu tạo phân tử để phụ gia
phù hợp với các yêu cầu đặc biệt. Với bê tông cường độ siêu cao thường dùng chất phụ gia siêu dẻo loại PC (phụ gia siêu dẻo thế hệ thứ 3); với bê tông tự đầm có thể dùng loại cải tiến là: Polyme Viscocrete (PV)
Các phụ gia siêu dẻo có thể thí nghiệm theo tiêu chuẩn Anh – BS 5075; ASTM – C494. Ở Việt Nam có thể chọn các chất siêu dẻo chế tạo trong nước
và các sản phẩm của Sika, của Đức, Ý, của Mỹ.
Luận án sử dụng phụ gia PolyCarboxylat của hãng Sika Việt Nam
với kí hiệu 3000-20 (chất siêu dẻo thế hệ thứ 3) với các tính năng nhưtrong bảng 2.3:
Bảng 2.3: Các tính năng của phụ gia
Mô tả sản phẩm
SikaViscocret3000-20 là chất hoá dẻo công nghệ cao gốc polyme thế hệ thứ 3 với hiệu quả tạo độchảy và giúp
bê tông bơm được dễ dàng
Sika Viscocret 3000-20 phù hợp với tiêu chuẩn ASTM C494 loại G
Gốc Polycarboxylat cải tiến trong nước Dạng./Màu Chất lỏng/Màu nâu nhạt
Đóng gói Thùng 5/25/2000 lít
Điều kiện lưu trữ Lưu trữ trong điều kiện khô ráo,tránh ánh nắng mặt trời trực tiếp và nhiệu độ từ +5C và 30C
Thời hạn sử dụng 6 tháng nếu lưu trữđúng cách trong bao bì nguyên chưa mở
Độ pH 4,50 ÷ 6,50 Liều lượng thông
thường
0,7÷2,5 lit/100g chất kết dính
2.2.3. Muội silic
Muội silic là một sản phẩm phụ được lấy ra từ quá trình nung thạch anh
với than đá trong các lò hồ quang điện của ngành sản xuất silicon và các hợp
kim thép silicon, khói bay ra có hàm lượng dioxit silic vô định hình cao và chứa các tinh thể hình cầu rất mịn.
Muộisilic gồm các hạt thủy tinh rất mịn với một diện tích bề mặt lên tới
20.000 m2/kg khi được đo bằng phương pháp hấp thụ Nitơ. Sự phân bố bề
mặt kích thước hạt của một loại muội silic điển hình cho thấy hầu hết các hạt đều nhỏ hơn 1m với đường kính trung bình khoảng 0,1m nhỏ hơn kích thước của hạt xi măng gấp 100 lần. Trọng lượng riêng của muội silic phổ biến
là 2,2g/cm3, nhưng cũng có thể cao hơn 2,5g/cm3. Khối lượng thể tích được
lựa chọn từ 160-320kg/m3.
Muộisilic vì có hàm lượng dioxit silic và độ mịn cực cao nên là vật liệu
có hiệu ứng Puzolanic cao. Muộisilic phản ứng vớiCa(OH)2 trong quá trình
hydrat hóa xi măng để tạo ra hợp chất kết dính bền vững-CSH (canxi Silicat hydrat). Muội silic được sử dụng làm phụ gia cho bê tông cường độ cao và bê
tông cường độ si vi từ 5-15% lư Sơ đ Các thành ph trình bày Các chỉ tiêu k Hàm lượng SiO Hàm lượng SiO Free CaO (%) Free SiO Độẩm (%) Lượng m Diện tích b Độ hoạt hóa P tuổi 7 ngày (%) Độ hoạt hóa P tuổi 28 ngày (%) Độ mịn ( Khối lượ
ờng độ siêu cao. Hàm lượng muội 15% lượng xi măng.
Sơ đồ phản ứng hóa họcvà sơ đ
SiO
Hình 2.1: Sơ đồ
Các thành phần hóa học của muội Silic
trình bày ở bảng 2.4
Bảng 2.4: Tiêu chu
(Các quy định sau đây đ
tiêu kỹ thuật ng SiO2 ng SiO3 e CaO (%) O2 (%) m (%) ng mất khi nung (%) n tích bề mặt rỗng
t hóa Puzơlan với xi măng
i 7 ngày (%)
t hóa Puzơlan với xi măng
i 28 ngày (%)
(lượng tích lũy trên sàng 45
ợng riêng (kg/m3)
ợng muội silic thông thường nằm trong phạm và sơ đồ sản xuất của Silica Fume
SiO2+2C=Si+2CO
ồsản xuất Silica Fume
ần hóa học của muội Silic theo tiêu chuẩn ASTM
chuẩn ASTM về muội silic
ịnh sau đây được lấy từ ASTM C1240- ASTM C1240
i xi măng Pooclăng ở i xi măng Pooclăng ở
ên sàng 45m) (%) 85,0 <3,0 <6,0 >15 >105 <10 2200 ờng nằm trong phạm ồ sản xuất của Silica Fume:
ẩn ASTM được -93) ASTM C1240 EN 13263 >85,0 <2,0 <1,0 <0,4 <4,0 >15 &<35 >100
Cơ chế hoạt động của khoáng siêu mịn:
Hai loại phản ứng hoá học là thủy hóa và puzơlan
XM + H2O CSH + CH (không bền nước) Si2O + CH + H2O CHS (bền nước)
Phân tích thành phần hóa học của các loại khoáng siêu mịn, hình 2.2
Hình 2.2: Biểu đồ phân tích thành phần hóa học các khoáng siêu mịn
Cơ chế lấp đầy lỗ rỗng của hạt xi măng và độ rỗng trong các gel của đá xi măng thể hiện qua đường kính hạt của phụ gia khoáng siêu mịn. Do đường
kính hạt nhỏ d <1m, nên muội Silic là có hiệu quả nhất.Các phụ gia khoáng và xi măng cần được đánh giá thông qua các mẻ trộn trong phòng thí nghiệm để xác định các đường cong dùng cho việc lựa chọn khối lượng xi măng và phụ gia khoáng cần thiết để đạt được mong muốn
Theo tài liệu 33 (Larrard) khuyên sử dụng muội Silic trắng, một sản phẩm
phụ của việc sản xuất siliconđược chọn với thành phần SiO2 lớn hơn 92,7%, tỷ
diện tích là 14 m2/g, tỷ trọng là 2.350 kg/m3. Theo 29 thì hàm lượng SiO2 chỉ cần
80-99%, Al2O3 là từ 0,5-3%, Fe2O3 là từ 0,1-5%, CaO là từ 0,7-2%,tỷ diện tích từ
16-22 m2/g. Khối lượng riêng từ 2,2 đến 2,4g/cm3.
Luận án sử dụng muội Silic do Sika Việt Nam bán trên thị trường cũng
có tính năng đảm bảo các tiêu chuẩn trênvà phù hợp với tiêu chuẩn ASTM
1230-95a, như trong hình 2.3
80 60 40 20 20 40 60 80 SiO2 CaO Al2O3 80 60 40 20 SiCaFume Fly ahs Slag OPC Mªtacaolanh
2.2.4. Cố Cốt liệu lớn: Luận án s Nghiên c kính lớn chuẩnhư 2.2.4.1. Ngu Khi b siêu cao, mm. Có nhi đường kính khác nhau m đường kính đến 1mm. cường độ si Quartz với kích th cao, ngoài ra hàm lượng chất kết dính Lo
Quartz tại mỏ Thanh S
Hình 2
ốt liệu lớn
ốt liệu lớn: Luận án sử dụng cát
Nghiên cứu sinh đã nghiên cứu các
ớn nhất, cấp phối hạt, nghiền đá hướng dẫn của quốc tế.
Nguồn gốc của cốt liệu
Khi bắt đầu nghiên cứu về bê tông
người ta đã sử dụng các loại cát thạch anh có đ
mm. Có nhiều tác giả đã tìm kiếm các loại cốt liệu khác để thay thế với các ờng kính khác nhau mà chủ yếu l
ờng kính đến 1mm. Thời gian gần đây
ờng độ siêu cao người ta thường sử dụng cát ới kích thước hạt nhỏ sẽ làm cho tính đ
ngoài ra cường độ của bê tông c
ợng chất kết dính 33.
Loại cát Quartz sử dụng trong nghiên c
ại mỏ Thanh Sơn-Phú Thọ,
Hình 2.4: MỏQuartzit Thanh Sơn
Hình 2.3: Muội silic
ử dụng cát Quartz được nghiền
các tài liệu và các lý thuyết để xác định đ ền đá Quartz thành cát theo đúng
ê tông chất lượng cao và bê tông cư ử dụng các loại cát thạch anh có đường kính t
ếm các loại cốt liệu khác để thay thế với các ủ yếu là sử dụng cát nghiền từ đá Bazan với ời gian gần đây 46, 36khi nghiên c
ờng sử dụng cát Quartz. Vi
àm cho tính đặc chắc của bê tông đư
ê tông cũng được cải thiện đáng kể v
trong nghiên cứu này được nghiền từ loại đá như ở hình 2.4
Quartzit Thanh Sơn – Phú Thọ
ợc nghiền từ đá Quarzt.
ể xác định đường
thành cát theo đúng các tiêu
và bê tông cường độ
ng kính từ 0,5-8
ếm các loại cốt liệu khác để thay thế với các ử dụng cát nghiền từ đá Bazan với
khi nghiên cứu bê tông Quartz. Việc sử dụng cát ê tông được tăng ợc cải thiện đáng kể và giảm được
ợc nghiền từ loại đá
Đá Quartzit này là loại đá thuộc nhóm đá biến chất, kiến trúc hạt biến
tinh với cấp hạt mịn là chính. Thành phần khoáng vật chủ yếu là thạch anh,
ngoài ra còn gặp xirexit, fenpat.
Loại đá này có màu vàng, trắng, hồng nhạt hoặc xám. Đá rất cứng, khó
bị phong hóa khi lộ ra ngoài không khí. Ở Việt Nam thường gặp nhiều ở
Thanh Hóa, Phú Thọ, Lạng Sơn…
Thành phần hóa học của loại đá này như trong bảng 2.5 (kết quả thử
nghiệm tại Phòng Vilas 003- Viện Vật liệu xây dựng Hà Nội).
Bảng 2.5: Thành phần hóa học của đá Quartz
STT Tên chỉ tiêu khoáng hóa Kết quả Đơn vị Phương pháp thử
1 SiO2 98,55 % TCVN6927-2001 2 Fe2O3 0,10 % TCVN6927-2001 3 Al2O3 0,32 % TCVN6927-2001 4 CaO 0,05 % TCVN6927-2001 5 MgO 0,02 % TCVN6927-2001 6 SO3 0,00 % TCVN6927-2001 7 K2O 0,09 % TCVN6927-2001 8 Na2O 0,03 % TCVN6927-2001 2.2.4.2. Đường kính lớn nhất và cấp phối của cát Quartz
Tuỳ theo yêu cầu về cường độ của bê tông mà đường kính lớn nhất của
cốt liệu có thể thay đổi.Theo 33 khi phân tích về tối ưu độ chặt của bê tông, F.de Larrard cho rằng đường kính lớn nhất của cốt liệu có ảnh hưởng rất quan
trọng đến độ đặc tối ưu của hỗn hợp cốt liệu, do đó sẽ ảnh hưởng đến cường độ nén của bê tông. Cường độ nén của bê tông phụ thuộc vào độ dày của lớp
vữa tối đa
* 3 ( / 1) m e D g g (2-1) Trong đó: em= 0,1 đến 5 mm. Nếu chọn em = 0,1 thì D = 0,5mm
D là kích thước lớn nhất của cốt liệu
g* là thể tích đặc của cốt liệu
Điều đó lý giải rằng xu thế hiện nay,tùy theo công nghệ và giá thành của việc nghiền nhỏ cốt liệu mà người ta đã sử dụng cốt liệu đường kính từ 0- 0,5 mm hoặc 0-0,6 mm hoặc 0-0,8 mm. Các nghiên cứu của Larrard thậm chí
còn chọn đường kính cốt liệu từ 0,125-0,4mm.
Tính chất của cát Quartz:Cát quartz dùng để chế tạo bê tông cường độ
siêu cao là loại cát có đường kính nhất định sau khi nghiền mịn đá Quarzt gốc
và sàng với kích thước nhỏ tùy theo từng yêu cầu của mỗi thí nghiệm mà
người ta có kích thước hạt cát Quartz riêng. Ví dụ như với nghiên cứu của F.
de Larard và T.Sedran thì cát Quartz gồm 3 loại nằm trong cỡ sàng như trong bảng 2.6 Bảng 2.6: Cấp phối của cốt liệu cát Quartz (% lọt sàng) T(m) CátS125 Cát S250 Cát S4000 63 0 0 0 80 13 0 0 100 56 0 0 125 100 2 2 160 100 19 16 200 100 53 43 250 100 100 80 315 100 100 96 400 100 100 100
Cát Quartznêu trên có tỉ trọng khối là 2.680 kg/m3.
Nghiên cứu sinh đã khai thác chế tạo cát Quartz và thành phần hạt của
cát Quarzt từ mỏ Quartz Thanh Sơn-Phú Thọ, như trong bảng 2.7 và hình 2.5
Bảng 2.7: Thành phần cấp phối hạt của cát Quarzt Cỡ sàng (mm) Lượng lọt trên sàng i, A% 0,63 100 0,315 67,1 0,14 41,6 0,075 13,9
2.2.5. Bộ
Hàm lư
siêu cao trên th kính trung bình t nhỏ. Các muội silic l tụcvà làm cho đ silic bình th tăng lên d
thuỷ hoá, các hạt xi măng không th
cốt liệu, c
vậy nếu chúng ta thay thế bằng bột thạch anh tr
bớt được h cốt liệu tốt Khái Tài liệu28 thể sử dụng bột đá vôi, bột Q trên thế gi dụng bột Q Có th của ASTM) Bột Q theo thể tích Hình 2. ột
Hàm lượng xi măng trong các nghi
trên thế giới khoảng từ 900 đ
kính trung bình từ 3μm đến 4μm đã
hạt của nó lấp đầy các khoảng trống giữa các hạt xi măng v ội silic làm cho đường biểu diễn th
làm cho độ đặc của hỗn hợp đ