Cũng như bờ tụng thường, bờ tụng hạt mịn sử dụng trong cụng trỡnh mặt đường sõn bay cũng là loại bờ tụng xi măng. Nguyờn vật liệu để chế tạo loại bờ tụng bao gồm: xi măng, cỏt, đỏ, nước, phụ gia siờu dẻo, phụ gia khoỏng mịn và siờu mịn. Theo nhiều nghiờn cứu [12], [13], [14], [15] chất lượng của bờ tụng chất lượng cao phụ thuộc nhiều vào chất lượng của cỏc nguyờn vật liệu thành phần. Ngoài cỏc tớnh chất yờu cầu của vật liệu để chế tạo bờ tụng thường, trong thiết kế thành phần bờ tụng hạt mịn chất lượng cao cú cốt sợi polypropylene thỡ chất lượng và cỏc tớnh chất của vật liệu chế tạo được yờu cầu ở mức cao hơn.
2.3.2.1. Xi măng
Xi măng là thành phần quan trọng gúp phần tạo nờn cường độ của bờ tụng. Trong bờ tụng hạt mịn chất lượng cao, cường độ của xi măng và những tớnh chất cần được nghiờn cứu, thớ nghiệm rất cẩn thận. Như ta đó biết hồ xi măng đúng vai trũ là chất kết dớnh, liờn kết cỏc hạt cốt liệu rời rạc, hoạt tớnh của bờ tụng càng cao thỡ bờ tụng cú cường
độ càng cao. Bởi vậy, việc sử dụng xi măng mỏc cao trong thiết kế thành phần bờ tụng là cần thiết.
Trong bờ tụng chất lượng cao cú cỏc thành phần phụ gia khoỏng mịn, phụ gia hoạt tớnh siờu mịn và phụ gia siờu dẻo. Khi sử dụng loại xi măng pooclăng hỗn hợp (PCB), thỡ hàm lượng phụ gia khoỏng sẵn cú trong thành phần của nú ảnh hưởng tới tớnh chất, lượng dựng của cỏc loại phụ gia đưa vào trong bờ tụng. Do đú, chỳng cú thểảnh hưởng khụng tốt với nhau và làm giảm cường độ của bờ tụng. Để tớnh toỏn được chớnh xỏc hơn hàm lượng của cỏc loại phụ gia đưa vào, cũng như nhằm loại bỏ cỏc tỏc dụng cú hại (do cỏc phụ gia khoỏng sẵn cú trong xi măng pooclăng hỗn hợp) cho bờ tụng, thỡ khi chế tạo bờ tụng chất lượng cao người ta thường dựng loại xi măng pooclăng (PC). Theo kết quả
của nhiều nghiờn cứu [10], [12], [13], [14], [15] sử dụng xi măng pooclăng (PC) thụng thường sẽ cho cường độ cao hơn so với xi măng pooclăng hỗn hợp.
2.3.2.2. Cốt liệu
Cốt liệu duy nhất trong bờ tụng hạt mịn là cỏt. Kớch thước, tớnh chất bề mặt hạt và lượng dựng cỏt cho 1m3 bờ tụng là nhõn tố quan trọng trong chế tạo bờ tụng hạt mịn chất lượng cao, ảnh hưởng trực tiếp tới cường độ nộn của bờ tụng. Cỏt để chế tạo bờ tụng cường độ cao cần phải được hạn chế những hạt lọt sàng 50àm và 100àm và đặc biệt hàm lượng mica và đất sột phải được loại trừ.
Trong bờ tụng hạt mịn, khụng cú cốt liệu lớn. Do đú cấu tạo của nú cú tớnh đồng nhất cao, đồng thời cũng làm giảm được sự chờnh lệch vềứng suất sinh ra giữa cỏc vật liệu khi chịu ỏp lực, nghĩa là làm tăng giỏ trị cường độ phỏ hoại cuối cựng của vật liệu tạo ra. Độđặc cao cũng là nguyờn tắc tạo ra cường độ cao và tớnh thấm giảm. Trong bờ tụng hạt mịn cỏc hạt cốt liệu cú kớch thước và trọng lượng nhỏ, nú làm giảm tỏc dộng của chớnh nú đến quỏ trỡnh đầm chặt, mặc dự kớch thước nhỏ của cỏc hạt tạo ra khả năng phối hợp dịch chuyển và phõn bố cỏc lớp bờ tụng với nhau dễ dàng vận chuyển và đổ
hỗn hợp vào khuụn. Việc sử dụng cốt liệu nhỏ cú hỡnh dạng hạt tương tự nhau và gần dạng hỡnh cầu trong bờ tụng bột mịn đó làm giảm nội ma sỏt trong bờ tụng, dẫn đến hỗn hợp bờ tụng bột mịn chất lượng cao cú khả năng chảy cao hơn hẳn so với hỗn hợp bờ tụng thường. Đồng thời khi sử dụng hạt cốt liệu nhỏ cho bờ tụng cú cường độ cao hơn, cỏc hạt cốt liệu nhỏ cú cường độ phỏ hoại cao hơn hẳn so với cường độ cốt liệu lớn. Nú cũng là một trong ba yếu tố quan trọng để tạo nờn cường độ cao cho bờ tụng bột mịn.
Tuy nhiờn, khi kớch thước cốt liệu trong bờ tụng giảm xuống đồng nghĩa với tổng diện tớch bề mặt của cốt liệu tăng lờn. Bờ tụng cần một lượng lớn hơn hồ chất kết dớnh
để bao bọc quanh bề mặt cỏc hạt cốt liệu. Như vậy, lượng chất kết dớnh sử dụng cũng tăng lờn. Chi phớ cho một đơn vị sản phẩm cũng tăng lờn đỏng kể. Vỡ vậy, việc lựa chọn cốt liệu mịn cho bờ tụng hạt mịn chất lượng cao là rất quan trọng.
2.3.2.3. Cốt sợi
Cốt sợi trong bờ tụng hạt mịn chất lượng cao cú thể dựng nhiều loại như: Sợi thộp, sợi thuỷ tinh, sợi amiăng, sợi polyme tổng hợp và sợi thiờn nhiờn. Tớnh chất và tỏc dụng của cỏc loại sợi này thay đổi đỏng kể và tựy vào tớnh chất của từng loại bờ tụng mà cú thể sử dụng cỏc cốt sợi khỏc nhau. Theo [8], [21] đặc tớnh cơ bản của cốt sợi như sau:
Bảng 2.1. Cỏc đặc tớnh điển hỡnh của một số sợi dựng trong bờ tụng Loại sợi Đường kớnh (μm) Khối lượng riờng (g/cm3) Mụđun đàn hồi (GPa) Cường độ kộo (GPa) Độ dón dài khi đứt (%) Thộp 5,0 ữ 500 7,84 200 0,5 ữ 2,0 0,5 ữ 3,5 Thuỷ tinh 9,0 ữ 15 2,60 70 ữ 80 2,0 ữ 4,0 2,0 ữ3,5 Aamiăng crocidolite chrotile 0,02 ữ 0,4 3,40 196 3,5 2,0 ữ 3,0 0,02 ữ 0,4 2,60 164 3,1 2,0 ữ3,0 Polypropylene 20,0 ữ200 0,90 5,0 ữ 77 0,5 ữ 0,75 8,0 Aramid (kevlar) 10,0 1,45 65 ữ 133 3,6 2,1 ữ 4,0 Cỏc bon 9,0 1,90 230 2,6 1,0 Nylon - 1,10 4,0 0,9 13,0 ữ 15,0 Xenlulụzơ - 1,20 10,0 0,3 ữ 0,5 - Acrylic 18,0 1,18 14 ữ 19,5 0,4 ữ 1,0 3,0 Polyethylene - 0,95 0,3 0,7ì 10-3 10,0 Sợi gỗ - 1,50 71 0,9 - Vữa xi măng - 2,50 10,0 ữ 45,0 3,7ì 10-3 0,02 Tỏc giả chọn sợi polypropylene (PP) để nghiờn cứu tớnh chất của bờ tụng hạt mịn cốt sợi chất lượng cao. Sợi PP được chết tạo từ nhựa PP nguyờn chất, cú điểm tan và mụ
đun đàn hồi thấp, khụng thấm nước, khụng cú tương tỏc húa học với đỏ xi măng nờn liờn kết của sợi trong bờ tụng chỉ là liờn kết cơ học thuần tỳy. Sợi được dựng trong cỏc sản phẩm chịu nhiệt là rất thớch hợp, vỡ chỳng tạo ra hệ thống kờnh thoỏt khớ khi được
đốt chỏy ở nhiệt độ cao, tạo điều kiện cho việc điều khiển dễ dàng cỏc thay đổi về nhiệt
độ và độẩm của bờ tụng.
Sợi PP đơn hỡnh được chế tạo bằng quỏ trỡnh đựn hỗn hợp ở trạng thỏi núng qua khuụn kộo cú tiết diện ngang hỡnh trũn. Sợi PP cũng cú thểđược hỡnh thành ở dạng bỳi,
được tạo ra từ quỏ trỡnh đựn hỗn hợp qua khuụn kộo cú tiết diện hỡnh chữ nhật. Màng mỏng giữa cỏc sợi được tạo ra nhờ cỏc khe đặt dọc băng cú chiều trộng bằng nhau. Sợi PP cũn cú thểđược chế tạo ở dạng sợi thụ cú neo ở hai đầu khi cần gia tăng cường độ
uốn cho bờ tụng.
Hiện nay, trờn thị trường xõy dựng Việt Nam cú nhiều loại sợi PP xuất xứ từ Mỹ, Australia, Nhật Bản,... Trong thớ nghiệm sử dụng loại sợi PP siờu mảnh, đường kớnh sợi từ 20 ữ 40àm. Loại sợi này cho độ bền lõu dài, cú tỏc dụng làm giảm sự hỡnh thành cỏc vết rạn nứt do co ngút của bờ tụng trước và sau khi đụng kết. Loại sợi này khụng bịăn mũn trong mụi trường kiềm. Tớnh chất của sợi như sau:
- Màu sắc: trắng. - Cấu trỳc: sợi đơn.
- Khối lượng riờng: 0,91 kg/cm3. - Cường độ kộo: 620 MPa ữ 758 MPa.
Hỡnh 2.5. Sợi PP sử dụng để chế tạo bờ tụng hạt mịn chất lượng cao
2.3.2.4. Phụ gia mịn và siờu mịn
Phụ gia mịn và siờu mịn là thành phần khụng thể thiếu trong bờ tụng hạt mịn chất lượng cao. Việc sử dụng phụ gia khoỏng cú hàm lượng hạt mịn và siờu mịn lớn cũng làm tăng độ nhớt dẻo của vữa xi măng. Để cú hàm lượng hạt mịn cao trong bờ tụng chất lượng cao, người ta thường thay thế một phần xi măng bằng cỏc phụ gia khoỏng mịn cú
độ mịn nhỏ hơn hoặc bằng xi măng như tro bay, xỉ lũ cao, silicafume, bột đỏ vụi hoặc cỏc microsilica khỏc vỡ việc tăng hàm lượng xi măng quỏ cao ảnh hưởng bất lợi đến một số tớnh chất của bờ tụng và hỗn hợp bờ tụng.
Theo [7], [10] phụ gia khoỏng cú hàm lượng hạt mịn lớn, cú cấu trỳc hạt dạng hỡnh cầu, dễ dàng bao bọc cỏc hạt khỏc làm giảm tương tỏc giữa cỏc hạt. Khi cỏc hạt cú dạng hỡnh cầu trong khụng gian ba chiều cho diện tớch bề mặt hạt nhỏ nhất trong cựng một đơn vị thể tớch. Mật độ của cỏc hạt hỡnh cầu lớn hơn cỏc hạt cú hỡnh dạng khỏc.
Điều này cho phộp giảm được lượng nước yờu cầu. Sự khỏc nhau giữa bề mặt hạt của phụ gia khoỏng và xi măng thường cho kết quả là lượng cần nước của phụ gia khoỏng thấp hơn của xi măng. Do đú, khi sử dụng phụ gia khoỏng mịn thay thế một phần xi măng sẽ làm giảm được lượng nước yờu cầu so với khi dựng hoàn toàn xi măng mà vẫn
đảm bảo tớnh cụng tỏc của hỗn hợp bờ tụng, gúp phần tăng cường độ bờ tụng. Ngoài ra, một số phụ gia khoỏng mịn cú dạng hạt hỡnh cầu nờn cú tỏc dụng làm giảm nội ma sỏt của hỗn hợp bờ tụng và do vậy làm tăng độ dẻo của hỗn hợp bờ tụng.
a) Vai trũ của tro bay nhiệt điện trong bờ tụng chất lượng cao
Theo thành phần hoỏ học và thành phần khoỏng, tro bay nhiệt điện chớnh là một loại puzzơlan nhõn tạo. Tro bay nhiệt điện luụn chứa một lượng nhất định cỏc ụxit silớc SiO2 và Al2O3 hoạt tớnh. Cỏc ụxit này dễ dàng phản ứng với vụi để tạo nờn cỏc sản phẩm cú cường độ cao, bền nước là cỏc canxi silicỏt ngậm nước CaO.SiO2.nH2O và cỏc hyđrụ-alumụ-silicỏt canxi ngậm nước CaO.Al2O3.SiO2.xH2O.
Theo kết quả nghiờn cứu của Dr.Takeshi, F.Lomond (Mỹ) cú thể sử dụng hàm lượng phụ gia tro bay nhiệt điện (TB nhiệt điện) 20 ữ 30% thay thế xi măng trong bờ tụng cú tỉ lệ
X N
= 0,54. Cường độ mẫu bờ tụng cú phụ gia tro bay nhiệt điện ở tuổi 3, 7, 28 và 56 ngày thấp hơn so với mẫu đối chứng. Nhưng ở tuổi 90 ngày trởđi thỡ cường độ
nộn của mẫu bờ tụng cao hơn mẫu đối chứng. Kết quả nghiờn cứu của Takeshi Yamoto và H. Sugita (Nhật) sử dụng TB với tỉ lệ 20% thay thế xi măng với cỏc mẫu bờ tụng cú tỉ lệ
X N
= 0,45 ữ 0,5 cho rằng cường độ bờ tụng cú TB nhiệt điện ở cỏc ngày đầu đó rắn
chắc đều thấp hơn so với mẫu đối chứng. Hiệu quả này càng cao khi tỉ lệ
X N
càng nhỏ. Nhiều nghiờn cứu đó đi đến Nhận xột cỏc hợp chất hoỏ học của TB ảnh hưởng khụng nhiều đến hoạt tớnh của puzzơlan. Cỏc hợp chất khoỏng, pha kết tinh, hỡnh dạng, kớch cỡ
và trạng thỏi vật lý của hạt cú ảnh hưởng đến khả năng phản ứng puzzơlanớc của tro bay. Khi thay thế 10 ữ 30% xi măng bằng TB nhiệt điện sẽ làm tăng độ dẻo, giảm phõn tầng của hỗn hợp vữa, bờ tụng. Bờ tụng ớt bị ăn mũn hơn, cường độ ở tuổi ớt ngày thường thấp hơn mẫu đối chứng nhưng sau 3 thỏng tuổi cường độ bờ tụng cú TB đạt hoặc vượt bờ tụng cú cựng thành phần. TB nhiệt điện càng mịn độ hoạt tớnh càng cao. Ngoài ra chất lượng TB nhiệt điện phụ thuộc nguồn gốc than, phương phỏp đốt than và phương phỏp thải tro của từng nhà mỏy điện.
Cỏc nhà khoa học tại Trường Đại học Xõy dựng [10], Viện khoa học Kỹ thuật Giao thụng vận tải Việt Nam và Trung tõm Cầu đường Phỏp đó tiến hành hàng loạt thớ nghiệm song song và đó đưa ra Nhận xột TB nhiệt điện Việt Nam cú chất lượng tốt, ổn
Theo nghiờn cứu [7], [10], tro bay của nhà mỏy nhiệt điện Phả Lại cú thành phần thớch hợp để làm phụ gia khoỏng cho bờ tụng. Tro được đưa vào hỗn hợp bờ tụng ở
trạng thỏi tự nhiờn với tỉ lệ 10, 20, 30, 50% hoặc cú thể lờn tới 60% thể tớch xi măng. Kết quả cho thấy bờ tụng rắn chắc trong điều kiện tự nhiờn cường độ nộn ở tuổi 28 ngày tăng lờn khi tăng tro bay đến 10%, trường hợp trong điều kiện gia cụng nhiệt ẩm là 20%. Khi lượng tro tiếp tục tăng lờn thỡ cường độ và khối lượng thể tớch của bờ tụng giảm, đồng thời lượng nước nhào trộn cũng giảm, hay núi cỏch khỏc khi lượng nước nhào trộn khụng đổi thỡ tớnh cụng tỏc của hỗn hợp bờ tụng tăng lờn. Hiện tượng tăng cường độ của bờ tụng khi cú TBnhiệt điện được giải thớch như sau:
Trong quỏ trỡnh bờ tụng rắn chắc, TB phản ứng với hyđrụxớt canxi cú được do xi măng thuỷ hoỏ. Phản ứng xảy ra chủ yếu giữa SiO2ở dạng hoạt tớnh và Ca(OH)2.
3Ca(OH)2 + 2SiO2 = 3CaO.2SiO2.3H2O
Khi lượng tro bay thay thế tăng lờn vượt qua giới hạn nhất định sẽ làm giảm cường độ trong bờ tụng, đú là kết quả của sự pha loóng chất kết dớnh bằng cấu tử cú hoạt tớnh yếu do động hoỏ học thay đổi nờn cường độ bờ tụng cú phụ gia TB nhiệt điện phụ
thuộc đỏng kể vào điều kiện rắn chắc. Cường độ bờ tụng đựơc gia cụng nhiệt ẩm lớn hơn so với bờ tụng rắn chắc trong điều kiện tự nhiờn. Điều này cú thể giải thớch là trong
điều kiện gia cụng nhiệt ẩm, sản phẩm hyđrụsilicat canxi được hỡnh thành nhiều hơn và tro bay đúng vai trũ chất phản hỡnh thành cường độ bờ tụng, cũn trong điều kiện tự
nhiờn TB nhiệt điện đúng vai trũ là cốt liệu mịn. Việc sử dụng TB thay thế 10 ữ 30% lượng xi măng làm cường độ bờ tụng tăng lờn đỏng kể, cả trong điều kiện rắn chắc tự
nhiờn và gia cụng nhiệt ẩm.
Việc thay thế 30% xi măng bằng TB nhiệt điện Phả Lại cũng đó được ỏp dụng trong nghiờn cứu sử dụng tro bay nhiệt điện cải thiện tớnh chất của bờ tụng [10], TB nhiệt điện cho phộp giảm lượng dựng xi măng, đồng thời cải thiện đỏng kểđộ dẻo của hỗn hợp bờ tụng nhờ “hiệu ứng ổ bi” do TB nhiệt điện cú phần lớn cỏc hạt hỡnh cầu. Tuy nhiờn việc thay thế này cũng làm giảm cường độ của bờ tụng ở tuổi 3 và 7 ngày, cũn ở tuổi 28 ngày cường độ bờ tụng tăng nhanh hơn so với mẫu đối chứng. Điều này cú thể giải thớch do phản ứng puzzơlan bắt đầu cú hiệu quả.
Theo kết quả nghiờn cứu [12] ảnh hưởng của tro bay nhiệt điện Phả Lại đến tớnh chất của bờ tụng bao gồm:
+ Tro nhiệt điện Phả Lại ớt ảnh hưởng tới quỏ trỡnh đúng rắn của bờ tụng, chỳng chỉđúng vai trũ làm phụ gia độn và cải thiện thành phần hạt mịn của cỏt là chủ yếu.
+ Cỏc thớ nghiệm về khối lượng thể tớch, độ hỳt nước và co ngút cho thấy tỉ lệ tro trong bờ tụng càng cao thỡ bờ tụng hỳt nước nhiều hơn, khối lượng thể tớch nhẹ hơn bờ tụng cú tỷ lệ tro nhiệt điện thấp, độ co ngút sau 2 thỏng thấp hơn khụng đỏng kể.
+ Tro nhiệt điện làm tăng độ dẻo (độ sụt) của hỗn hợp bờ tụng với cựng lượng nước hoặc làm giảm lượng nước trộn (2 ữ 3%) khi giữ nguyờn độ sụt.
+ Khi dựng phụ gia tro bay, bờ tụng ớt toả nhiệt hơn, tăng khả năng chống ăn mũn.
b) Vai trũ của silicafume trong bờ tụng chất lượng cao
Theo nhiều nghiờn cứu [7], [10], [12] và [13] lợi ớch của việc dựng phụ gia siờu mịn silicafume là sự cải thiện về mặt vi cấu trỳc của bờ tụng. Chỳng được tạo nờn bởi hai hiệu ứng chớnh là hiệu ứng vật lý và hiệu ứng hoỏ học.
− Hiệu ứng vật lý (physical contribution) của silicafume trong bờ tụng là hiệu
ứng vi cốt liệu. Do kớch thước hạt của silicafume rất nhỏ nờn cú khả năng lấp đầy khoảng trống giữa cỏc hạt xi măng, tương tự như cỏc hạt cỏt lấp đầy khoảng trống giữa cỏc hạt cốt liệu thụ và cỏc hạt xi măng lấp đầy khoảng trống giữa cỏc hạt cỏt.