- Học tập, rốn luyện khụng ngừng để đổi mới và thớch nghi là trỏch nhiệm của Cụng ty và của mỗi thành viờn FECON.
VÀ TRO BAY SẴN Cể Ở VIỆT NAM
ThS. Nguyễn Cụng Thắng, TS. Nguyễn Văn Tuấn PGS. TS. Phạm Hữu Hanh, ThS. Nguyễn Trọng Lõm Trường Đại học Xõy dựng Túm tắt: Bờ tụng chất lượng siờu cao là một trong những loại bờ tụng đầy triển vọng của thế kỷ 21, với cỏc tớnh chất đặc biệt như độ chảy cao, cường độ cao, độ thấm thấp và độ bền cao. Tuy nhiờn, trong bờ tụng chất lượng siờu cao, lượng xi măng sử dụng rất lớn, khoảng 900 – 1000 kg/m3, điều này sẽ ảnh hưởng lớn đến giỏ
thành và tớnh chất của sản phẩm. Do vậy, việc nghiờn cứu sử dụng phụ gia khoỏng thay thế một phần xi măng trong bờ tụng chất lượng siờu cao cú ý nghĩa to lớn về mặt kỹ thuật, kinh tế và mụi trường, gúp phần vào mục tiờu phỏt triển xõy dựng bền vững.
Bài bỏo này trỡnh bày những kết quả nghiờn cứu ban đầu về việc sử dụng tổ hợp phụ gia khoỏng silica fume và tro bay để thay thế một phần xi măng trong chế tạo bờ tụng chất lượng siờu cao. Kết quả nghiờn cứu cho thấy, việc sử dụng hỗn hợp phụ gia khoỏng này cải thiện đỏng kể tớnh cụng tỏc và tăng cường độ nộn của bờ tụng. Điều này gúp phần quan trọng trong việc phỏt triển và ứng dụng loại bờ tụng này trong cụng nghiệp xõy dựng ở Việt Nam.
1. Giới thiệu
Bờ tụng chất lượng siờu cao (BTCLSC) là loại bờ tụng cú độ chảy cao, cường độ nộn rất cao (thường lớn hơn 150 MPa), cường độ uốn lớn (khi sử dụng cốt sợi), độ thấm thấp và độ bền cao [1]. Sự ra đời của bờ tụng chất lượng siờu cao đó đỏnh dấu một bước ngoặt trong cụng nghệ bờ tụng với cỏc tớnh chất đặc biệt về cường độ, độ bền, và độ ổn định thể tớch. Cỏc nghiờn cứu phỏt triển và ứng dụng loại bờ tụng này được bắt đầu từ năm 90 của thế kỷ 20 và kể từ đú loại bờ tụng này đó được ỏp dụng ở một số nước phỏt triển như dựng để chế tạo cỏc cấu kiện bờ tụng đỳc sẵn, dầm cầu đỳc sẵn, tấm lỏt mặt cầu, chế tạo cỏc silo,... hoặc dựng tại chỗ để sửa chữa cỏc kết cấu đó bị hỏng, dựng cho cỏc cột chịu tải trọng lớn, dựng cho cỏc bể chứa phế thải hạt nhõn,...
Vật liệu để chế tạo BTCLSC thụng thường bao gồm cỏt thạch anh với kớch thước khoảng 100-600àm, xi măng, silica fume, nước và phụ gia siờu dẻo. Trong đú, lượng xi măng khoảng 900 -1000 kg/m3 [2] và đõy là nhược điểm lớn nhất của loại bờ tụng này bởi vỡ sẽ làm tăng giỏ thành sản phẩm và ảnh hưởng đến tớnh chất kỹ thuật, đồng thời việc sử dụng nhiều xi măng sẽ kộo theo sự ảnh hưởng về mụi trường do lượng khớ cacbonic thải ra trong quỏ trỡnh sản xuất xi măng [3]. Việc nghiờn cứu sử dụng cỏc loại phụ gia khoỏng để thay thế một phần xi măng trong bờ tụng chất lượng siờu cao là rất cần thiết.
Trong số cỏc phụ gia khoỏng dựng cho bờ tụng, tro bay được đỏnh giỏ là cú triển vọng để thay thế xi măng trong BTCLSC, với hiệu quả đạt được về kỹ thuật, về kinh tế và mụi trường. Xột về mặt kỹ thuật, tro bay cú thành phần hoỏ học với tổng hàm lượng cỏc ụxyt (SiO2+ Al2O3+ Fe2O3) lớn hơn 70% (tro bay loại F theo ASTM C618 [4]). Cỏc oxyt hoạt tớnh này cú khả năng phản ứng với sản phẩm thuỷ hoỏ của xi măng (phản ứng pozơlanic) tạo ra cỏc sản phẩm dạng CSH cú cường độ cao, bền với mụi trường hơn, đặc
Thông tin Khoa học vààCông nghệ bê tông số 4 - 12/2013 48
biệt tăng khả năng chống ăn mũn cho bờ tụng [5]. Bờn cạnh đú, với hỡnh dạng đặc trưng là cỏc hạt hỡnh cầu, mịn (đường kớnh hạt trung bỡnh khoảng 9-15μm) nờn việc sử dụng tro bay
sẽ cải thiện tớnh cụng tỏc của hỗn hợp bờ tụng (hiệu ứng ổ bi – Ball bearing effect), làm tăng
tớnh dẻo cho hỗn hợp bờ tụng, giảm lượng nước nhào trộn, tăng độ đặc cho bờ tụng, sẽ làm tăng cường độ cũng như khả năng chố ng thấm của bờ tụng [5]. Xột về mặt kinh tế - mụi trường, theo thống kờ [6], hàng năm ước tớnh cỏc nhà mỏy nhiệt điện trờn cả nước thải ra khoảng 2.3 triệu tấn, tro bay, đến năm 2015 sẽ là 5 triệu tấn/năm, điều này sẽ ảnh hưởng rất lớn đến mụi trường. Việc nghiờn cứu sử dụng tro bay làm phụ gia khoỏng sử dụng trong BTCLSC vừa gúp phần làm giảm giỏ thành cho sản phẩm bờ tụng, giảm ụ nhiễm mụi trường, gúp phần vào mục tiờu phỏt triển xõy dựng bền vững đồng thời vẫn đảm bảo cỏc tớnh chất kỹ thuật của BTCLSC.
Bài bỏo này trỡnh bày kết quả nghiờn cứu về sự ảnh hưởng của việc sử dụng hỗn hợp tro bay và silica fume đến một số tớnh chất cơ lý của bờ tụng ở cỏc điều kiện dưỡng hộ khỏc nhau. Trong đú, tro bay được sử dụng với cỏc hàm lượng khỏc nhau, từ 10-40% theo khối lượng chất kết dớnh (CKD) gồm xi măng, silica fume và tro bay. Điều kiện bảo dưỡng mẫu được thực hiện ở 2 mụi trường là dưỡng hộ tiờu chuẩn và dưỡng hộ nhiệt ẩm.
2. Vật liệu chế tạo và phương phỏp nghiờn c ứu
2.1 Vật liệu chế tạo
Vật liệu được dựng trong nghiờn cứu gồm: xi măng Pooclăng Sụng Gianh PC40 cú cỏc tớnh chất cơ lý trỡnh bày ở bảng 1, với đường kớnh hạt trung bỡnh khoảng 14μm; Silica fume (SF) dạng hạt rời của hóng Elkem, cú đường kớnh hạt trung bỡnh khoảng 0.15μm, hàm lượng SiO2 là 92.3%, chỉ số hoạt tớnh với xi măng là 113.5%; cốt liệu là cỏt thạch anh cú đường kớnh cỡ hạt trung bỡnh khoảng 300 μm, độ rỗng khi chưa lốn chặt 45.1%; phụ gia siờu dẻo (PGSD) sử dụng của hóng BASF cú gốc polycarboxylate, v ới hàm lượng chất khụ 30%. Tro bay (FA) s ử dụng trong nghiờn cứu là tro tuyển Phả Lại cú đường kớnh cỡ hạt trung bỡnh khoảng 15.5àm, hàm lượng cỏc oxit (SiO2+Al2O3+Fe2O3) là 84.2%, chỉ số hoạt tớnh với xi măng là 104.3%.
Thành phần hạt của cỏc vật liệu này được xỏc định bằng phương phỏp nhiễu xạ laze, kết quả thể hiện ở Hỡnh 1.
Thông tin Khoa học vààCông nghệ bê tông số 4 - 12/2013 49 Bảng 1. Một số tớnh chất cơ lý của xi măng
Tớnh chất Đơn vị Giỏ trị Quy phạm Phương phỏp thớ nghiệm Độ mịn Lượng sút sàng 0.09mm Độ mịn Blaine % 2 cm /g 2.1 3380 ≤ 10 ≥ 2800 TCVN 4030-2003
Độ dẻo tiờu chuẩn % 29.0 - TCVN 6017-1995
Giới hạn bền nộn Sau 3 ngày Sau 28 ngày MPa 26.4 49.6 ≥ 21.0 ≥ 40.0 TCVN 6016-1995 2.2 Phương phỏp th ực nghiệm
Tớnh cụng tỏc của hỗn hợp bờ tụng được xỏc định bằng thớ nghiệm độ chảy của cụn nhỏ theo tiờu chuẩn Anh BS 4551-1:1998. Giỏ trị độ chảy loang của cỏc hỗn hợp bờ tụng trong nghiờn cứu này được điều chỉnh trong khoảng 210-230mm.
Trong bờ tụng chất lượng siờu cao , việc xỏc định cường độ nộn theo tiờu chuẩn Việt Nam (TCVN 3118-1993) với kớch thước mẫu 150ì150ì150 mm3 là rất khú bởi vỡ cường độ nộn của bờ tụng rất cao. Một số nghiờn cứu [7-11] đó khẳng định rằng, ảnh hưởng của kớch thước khuụn tạo mẫu đến cường độ nộn của bờ tụng chất lượng siờu cao là khụng đỏng kể . Do vậy, trong nghiờn cứu này cường độ chịu nộn của bờ tụng được xỏc định với mẫu cú kớch thước 50::24ấ24::50 mm3.
3. Thiết kế thành phần bờ tụng chất lượng siờu cao
3.1 Thiết kế thành phần hạt
Tối ưu húa thành phần hạt là một trong những khõu th en chốt của việc thiết kế cấp phối hỗn hợp BTCLSC. Thành phần hạt của cỏc vật liệu này được xỏc định bằng phương phỏp nhiễu xạ laze, trờn cơ sở đú ta xỏc định được lượng sút của mỗi cấp hạt , tương ứng với cỏc loại vật liệu , từ đú ta xỏc định mức độ lốn chặt lớn nhất của hỗn hợp hạt. Trong nghiờn cứu này, tối ưu húa thành phần hạt được tớnh toỏn theo lý thuyết do De Larrard và Sedran đề xuất [12, 13], trong đú hệ số lốn chặt của hỗn hợp hạt là 12.5 theo đề xuất của Jones, M. và cỏc cộng sự [14]. Đối với hệ hỗn hợp hạt gồm cỏt - xi măng - FA- SF, lượng SF được cố định là 10% khối lượng chất kết dớnh (CKD), lượng FA sẽ thay thế lượng dựng xi măng tương ứng (từ 0-40%). Khi đú CKD sẽ bao gồm xi măng, SF và FA. Như vậy, thành phần hạt ở đõy được xem xột như là hệ hai cấu tử gồm cỏt và CKD. Quan hệ giữa độ lốn chặt của hỗn hợp với tỷ lệ của vật liệu thành phần được thể hiện ở hỡnh 2. Như vậy, dựa trờn kết quả tớnh toỏn thỡ lượng tối ưu được xỏc định với tỷ lệ cỏt/(cỏt + CKD) là 0.50. Tỷ lệ phối hợp giữa 3 cấu tử lỳc đú sẽ là 50% cỏt + 30% xi măng + 20% PGK.
Trờn cơ sở tỷ lệ phối hợp giữa cỏc cấu tử, đề tài tiến hành khảo sỏt với lượng dựng phụ gia khoỏng tương ứng với cỏc tỷ lệ (0-30%) trong hỗn hợp. Khi tỷ lệ N/CKD lấy cố định là 0.18 thỡ cấp phối bờ tụng được xỏc định. Bảng 2 thể hiện thành phần hỗn hợp cấp phối được sử dụng trong nghiờn cứu.
Thông tin Khoa học vààCông nghệ bê tông số 4 - 12/2013 50
Hỡnh 2. Độ lốn chặt của hỗn hợp hạt gồm
cỏt - xi măng - SF – FA; (SF cố định 10% CKD) 3.2 Cấp phối bờ tụng chất lượng siờu cao
Từ kết quả tớnh toỏn tối ưu húa thành phần hạt này, đề tài đó xỏc định được tỷ lệ của vật liệu thành phần, từ đú xỏc định được cấp phối bờ tụng sử dụng trong nghiờn cứu (bảng 2).
Bảng 2. Cấp phối bờ tụng chất lượng siờu cao sử dụng trong nghiờn cứu
STT Khối lượng CKD tớnh cho 1 m3 bờ tụng, (kg) Tỷ lệ N/CKD (theo khối lượng) Tỷ lệ Cỏt/CKD (theo khối lượng) Tỷ lệ SF, % (theo khối lượng của CKD) Tỷ lệ FA, % (theo khối lượng của CKD) PGSD, % (theo khối lượng của CKD) 1 1122 0.18 1 0 0 1.20 2 1105 0.18 1 10 0 1.00 3 1089 0.18 1 20 0 1.00 4 1073 0.18 1 30 0 1.20 5 1057 0.18 1 40 0 2.15 6 1110 0.18 1 0 10 1.00 7 1098 0.18 1 0 20 0.90 8 1086 0.18 1 0 30 0.85 9 1093 0.18 1 10 10 0.80 10 1081 0.18 1 10 20 0.70 11 1070 0.18 1 10 30 0.65 12 1059 0.18 1 10 40 0.60
Thông tin Khoa học vààCông nghệ bê tông số 4 - 12/2013 51
3.3 Quy trỡnh thớ nghi ệm
Mỏy trộn sử dụng trong ng hiờn cứu là mỏy trộn Hobart cú dung tớch 20 lớt. Quy trỡnh trộn hỗn hợp bờ tụng cú thể thấy ở hỡnh 3.
Hỡnh 3. Quy trỡnh tr ộn hỗn hợp bờ tụng chất lượng siờu cao
Cỏc mẫu được đỳc cú kớch thước 50 mm x 50 mm x 50 mm, sau đú được dưỡng hộ ở điều kiện tiờu chuẩn (nhiệt độ 27±2oC trong thời gian 24±3h), mẫu được thỏo ra khỏi khuụn và chia làm 2 nhúm tiếp tục dưỡng hộ trong 2 mụi trường khỏc nhau:
- Tiếp tục dưỡng hộ trong điều kiện tiờu chuẩn [(27±2)oC, RH>95%];
- Dưỡng hộ 02 ngày ở điều kiện nhiệt ẩm (90±5)oC sau đú tếi p tục dưỡng hộ trong điều kiện tiờu chuẩn [(27±2oC, RH>95%].
Cường độ nộn của bờ tụng được xỏc định ở cỏc tuổi 3, 7, 28 và 90 ngày. 4. Kết quả và bàn luận
4.1 Tớnh cụng tỏc của hỗn hợp bờ tụng
Lượng dựng phụ gia siờu dẻo (PGSD) của hỗn hợp BTCLSC để đạt được giỏ trị đường kớnh độ chảy loang trung bỡnh từ 210 – 230 mm được thể hiện ở hỡnh 4. Kết quả nghiờn cứu cho thấy, khi sử dụng SF thay thế xi măng 10 - 20% thỡ tớnh cụng tỏc của hỗn hợp bờ tụng tăng. Sự cải thiện tớnh cụng tỏc của hỗn hợp bờ tụng khi cú mặt SF là do hiệu ứng điền đầy. Theo Bache [15] cho rằng trong hỗn hợp bờ tụng cú phụ gia siờu dẻo và tỷ lệ N/CKD thấp, cỏc hạt SF siờu mịn chiếm chỗ của lượng nước lẽ ra nằm giữa cỏc hạt xi măng vún tụ, làm tăng lượng nước tự do trong hồ và do đú làm tăng độ lưu động cho hỗn hợp bờ tụng. Tuy vậy, khi tăng hàm lượng dựng SF, do tỷ diện của SF rất lớn, khoảng 18.000-20.000 cm2/g [16, 17] nờn cần một lượng nước rất lớn để thấm ướt bề mặt và hiệu ứng này khụng thể bự đắp lại được cỏc hiệu ứng cú lợi của SF. Điều này thấy rừ khi hàm lượng SF tăng lờn 30% và 40% thỡ lượng phụ gia siờu dẻo tăng lờn đỏng kể [17].
Ngược lại với sự ảnh hưởng của việc thay thế SF, khi tăng hàm lượng FA thỡ độ chảy của hỗn hợp bờ tụng tăng. Điều này cú thể giải thớch là do cỏc hạt FA cú dạng hỡnh trũn, nhờ hiệu ứng “ổ bi” sẽ làm giảm ma sỏt giữa cỏc hạt, làm tăng tớnh cụng tỏc cho hỗn hợp bờ tụng.
Thông tin Khoa học vààCông nghệ bê tông số 4 - 12/2013 52
4.2 Ảnh hưởng của lượng dựng tro bay đến cường độ nộn của bờ tụng chất lượng siờu cao
Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến cường độ nộn của BTCLSC thể hiện ở hỡnh 5. Khi sử dụng FA đến 30% khụng cú sự suy giảm cường độ nộn của bờ tụng ở tuổi 28 ngày so với mẫu đối chứng, ở cả điều kiện dưỡng hộ tiờu chuẩn và dưỡng hộ nhiệt ẩm.
Cường độ nộn BTCLSC sử dụng 20% FA đạt giỏ trị lớn nhất ở cả chế độ dưỡng hộ tiờu chuẩn và dưỡng hộ nhiệt ẩm, tương ứng là 114 MPa và 153 MPa. Tiếp tục tăng hàm lượng FA thỡ cường độ nộn của bờ tụng bắt đầu giảm.
Hỡnh 4. Quan hệ giữa lượng phụ gia siờu dẻo và phụ gia khoỏng theo khối lượng chất kết dớnh, độ chảy từ 210-230 mm, N/CKD = 0.18
Hỡnh 5. Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến cường độ nộn của BTCLSC, N/CKD = 0.18, (a) 27 ± 2oC, (b) 90 ± 5oC
Thông tin Khoa học vààCông nghệ bê tông số 4 - 12/2013 53 Ảnh hưởng của hàm lượng FA tới sự phỏt triển cường độ nộn của bờ tụng theo thời gian thể hiện ở hỡnh 6.
Ở điều kiện dưỡng hộ tiờu chuẩn (t = 27±2 C), khi sử dụng hàm lượng FA là 10% và 20% thỡ cường độ nộn của bờ tụng ở những ngày đầu tăng khụng nhiều so với mẫu đối chứng, nhưng sự phỏt triển cường độ ở tuổi về sau khỏ lớn, đặc biệt ở tuổi 90 ngày. Điều này cú thể là do cỏc hạt FA cú dạng hỡnh trũn, cấu trỳc xốp, trong quỏ trỡnh nhào trộn sẽ hỳt một lượng nước nhất định của hệ vào. Do quỏ trỡnh thủy húa của xi măng, theo thời gian độ ẩm của hệ sẽ giảm xuống, khi đú lượng nước trong cỏc hạt FA sẽ cung cấp để quỏ trỡnh thủy húa xảy ra được triệt để hơn, điều này cú thể làm tăng cường độ nộn của bờ tụng.
Hỡnh 6. Ảnh hưởng của hàm lượng FA đến sự phỏt triển cường độ nộn của BTCLSC theo thời gian, N/CKD = 0.18, (a) 27±2oC, (b) 90±5oC
Với cỏc mẫu được dưỡng hộ trong điều kiện nhiệt ẩm (t = 90±5oC), tốc độ phỏt triển cường độ ở những ngày đầu tăng nhưng tốc độ phỏt triển cường độ ở tuổi dài ngày tăng khụng nhiều, chẳng hạn cường độ nộn ở tuổi 90 ngày tăng khụng nhiều so với tuổi 28 ngày. Khi hàm lượng FA sử dụng tăng lờn thỡ cường độ nộn của bờ tụng giảm tương ứng với cỏc điều kiện dưỡng hộ.Như vậy, cường độ nộn BTCLSC sử dụng 20% FA đạt giỏ trị lớn nhất
o
Thông tin Khoa học vààCông nghệ bê tông số 4 - 12/2013 54
đối với cả hai chế độ dưỡng hộ tiờu chuẩn và dưỡng hộ nhiệt ẩm cao, tương ứng là 114 MPa và 153 MPa.
4.3 Ảnh hưởng của sự kết hợp giữa silica fume và tro bay đến cường độ nộn của bờ tụng chất lượng siờu cao
Hỡnh 7 thể hiện sự ảnh hưởng của hàm lượng silica fume và tro bay đến cường độ nộn của bờ tụng, trong đú hàm lượng silica fume giữ cố định là 10% theo khối lượng CKD, và hàm lượng này được dựng cố định trong nghiờn cứu ảnh hưởng của tổ hợp SF và FA đến cường độ nộn của BTCLSC.
Ảnh hưởng của hàm lượng (SF và FA) đến hàm lượng PGSD sử dụng và cường độ nộn của BTCLSC thể hiện ở hỡnh 4 và hỡnh 7. Qua kết quả thớ nghiệm ta thấy khi cú sự kết hợp