Tác giả Cyr và Legrand, Mouret [2000, 17] đã nghiên cứu mối quan hệ giữa ứng suất trượt tới hạn và độ nhớt dẻo được gọi là tính chất lưu biến và thường được biểu diễn bằng mối quan hệ giữa ứng suất tiếp và vận tốc biến dạng trượt. Để
xác định các thông số lưu biến người ta dùng lưu biến kế và đường cong biểu thị mối quan hệ giữa ứng suất tiếp và vận tốc biến dạng trượt được gọi là đồ thị lưu biến. Để nghiên cứu tính chất lưu biến của bêtơng thì đơn giản nhất là bắt đầu từ hỗn hợp chất kết dính xi măng và nước. Khi đó tính chất củabê tơng phụ thuộc phần lớn vào tính chất của vữa xi măng tạo ra nó.
Tác giả Ferraris, C.F., và Martys, N.S. [2003, 18] đã sử dụng mơ hình chất lỏng Bingham đế đánh giá và so sánh các thông số độ nhớt dẻo và ứng suất trượt tới hạncủa hỗn hợp bê tông bằng các dụng cụ lưu biến kế khác nhau, nghiên cứu cũng xác định tính lưu biến của hỗn hợp bê tông ảnh hưởng đến khả năng làm việc khi thi công bằng các biện pháp khác nhau. Việc xác định khả năng lưu biến và ma sát của hỗn hợp bê tông sẽ ảnh hưởng đến các thành phần nguyên liệu trong cấp phối bê tông ban đầu.
Tác giả Geiker [2002, 19] và Wallevik [2004, 20] đã nghiên cứu đặc tính lưu biến của vữa xi măng đã nhận xét tỷ lệ nước -xi măng tăng lên sẽ làm giảm giới hạn chảy và độ nhớt của vữa xi măng. Mối quan hệ giữa giới hạn chảy và độ nhớt làm thay đổi khả năng làm việc của vữa. Khi đó tỷ lệ nước – xi măng sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến tính lưu biến của hỗn hợp bê tông. Mối quan hệ giữa các thành phần lưu biến trong hỗn hợp bê tông sẽ bị tác động bới yếu tố lượng nước nhào trộn, cụ thể là tỷ lệ nước –xi măng, hàm lượng khí trong hỗn hợp, cấp phối sử dụng các chất làm đầy, phụ gia khoáng như tro bay, silicafume hay phụ gia hóa học tác động đến khả năng làm việc như phụ gia siêu dẻo. Các tác giả cũng cho thấy vai trò của liều lượng vữa, thể tích hồ xi măng sẽ ảnh hưởng đến các tính lưu biến của hỗn hợp bê tơng.
Hình 1.5 Các thành phần ảnh hưởng đến tính lưu biến của vữa và bê tông [19,20]
Tác giả Hoang, Kaci, Kadri và cộng sự [2015, 21] khi nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ nước – xi măng và hàm lượng xi măng đã cho thấy khi tỷ lệ nước –xi măng và xi măng quá cao sẽ dẫn đến phân tầng của vữa xi măng, làm mất tính lưu biến của chất lỏng dùng xi măng. Các tác giả cũng cho thấy vai trò của liều lượng vữa, liều lượng hồ sẽ ảnh hưởng đến các thành phần lưu biến của hỗn hợp bê tông.
Các nghiên cứu đã cho thấy đặc trưng lưu biến rất quan trọng khi đánh giá khả năng thi công của hỗn hợp bê tơng, trong đó thơng số độ nhớt dẻo và ứng suất trượt tới hạn là yếu tố quan trọng nhất. Khi sử dụng thành phần phụ gia khống kết hợp với chất kết dính xi măng thì các thơng số về đặc trưng lưu biến cũng sẽ bị ảnh hưởng.
1.2.2 Nghiên cứu tại Việt Nam
Hiện nay, Việt Nam cũng tiến hành nghiên cứu sử dụng các loại phụ gia hóa học, phụ gia khống ảnh hưởng đến khả năng làm việc của bê tông. Trong đó việc kiểm tra tính thi cơng được của hỗn hợp bê tông được thực hiện thông qua kiểm tra và đánh giá kích thước của vật liệu và thơng số độ sụt.
- Hỗn hợp bê tông sản xuất ở các trạm bê tông trộn sẵn và ở các nhà máy bê tơng đúc sẵn đều có sử dụng các loại phụ gia hoá học khác nhau. Một trong những loại phụ gia được sử dụng với khối lượng lớn nhất là phụ gia tăng dẻo và siêu dẻo. Nhiều cơ sở nghiên cứu và ứng dụng trong nước cũng đã nghiên cứu và sản xuất được một số loại phụ gia với giá cả cạnh tranh, có thể tồn tại trên thị trường. Viện Vật liệu xây dựng và Viện Khoa học kỹ thuật xây dựng đã nghiên cứu và sản xuất thành công phụ gia tăng dẻo từ dịch kiềm đen của nhà máy giấy. Trung tâm Thí nghiệm Giao thơng của Bộ Giao thông vận tải đã sản xuất và kinh doanh khá thành công phụ gia siêu dẻo gốc Naphthalene Formaldehyde Sulfonate từ nguồn nguyên liệu trong nước. Trung tâm này cũng sản xuất với khối lượng khá lớn phụ gia Pozzolith từ puzơlan và dịch kiềm đen. Hỗn hợp bê tơng sử dụng phụ gia siêu dẻo thường có độ lưu động cao, song lại hay bị phân tầng, tách nước, nhất là với hàm lượng phụ gia siêu dẻo sử dụng lớn. Phụ gia khống có hoạt tính cao như silica fume, metacaolanh khi sử dụng trong hỗn hợp bê tông sẽ triệt tiêu được hiện tượng tách nước, phân tầng, và chúng thường được sử dụng để chế tạo bê tông chất lượng cao, nhưng bắt buộc phải kết hợp với phụ gia siêu dẻo.
- Tác giả Nguyễn Thành Chung [1988, 22] đã trình bày nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia siêu dẻo-silic hoạt tính lên tính chất của vữa xi măng, với mục tiêu sử dụng các loại phụ gia hoạt tính nhằm cải thiện độ linh động của vữa xi măng.
- Tác giả Đỗ Vũ Thảo Quyên và cộng sự [2004, 23] đã sử dụng mối quan hệ giữa ngưỡng trượt và độ nhớt để nghiên cứu thực nghiệm các thông số ma sát tiếp xúc giữa thành ống bơm và hỗn hợp bê tơng. Qua đó cho thấy ảnh hưởng của thành phần lưu biến đến khả năng lưu động của bê tông khi vận chuyển và thi công.
- Tác giả Nguyễn Như Quý [2007, 24] sử dụng phụ gia mịn bột đá vôi và tro bay nhiệt điện đã góp phần làm tăng tính hiệu quả của hỗn hợp bê tông bơm. Hàm lượng phụ gia siêu dẻo tối ưu cho phép phát huy tốt khả năng hoá dẻo mà khơng
măng góp phần giảm nhiệt thuỷ hố do vậy giảm thiểu sự nứt nhiệt và trong phạm vi nhất định, giúp tiết kiệm xi măng, giảm giá thành. Sự có mặt của phụ gia mịn có khả năng cải thiện tính chất của hỗn hợp bê tơng bơm, hạn chế quá trình tổn thất độ sụt, làm tăng phạm vi ứng dụng của loại bê tông này.
- Tác giả Vũ Văn Nhân và cộng sự [2015, 25] Nguyễn Thế Dương và cộng sự [2015, 26] đã nghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ cốt liệu đến ma sát giữa thành ống bơm và bê tông, qua đó xây dựng phương pháp tính tốn các thơng số của bê tông tươi khi vận chuyển bằng thiết bị bơm. Nghiên cứu cũng cho thấy sự thay đổi của ngưỡng trượt của hỗn hợp bê tông thay đổi theo thời gian, ảnh hưởng đến khả năng công tác và thi công.
Các nghiên cứu tại Việt Nam tập trung sử dụng thay thế tro bay như một phần phụ gia hoạt tính với chất kết dính vơ cơ xi măng. Các nghiên cứu đã đánh giá khả năng thay đổi của hỗn hợp bê tông khi các thông số ngưỡng trượt và độ nhớt dẻo thay đổi. Việc sử dụng tro bay để khảo sát ảnh hưởng của nó đến khả năng lưu biến cao của hỗn hợp bê tông cần thiết cho việc phát triển khả năng ứng dụng của tro bay đối với các loại bê tông khi thi công và công tác tại các cơng trình xây dựng.
1.3 Mục tiêucủa đề tài
- Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ nước – chất kết dính đến độ linh động của hỗn hợp bê tông sử dụng tro bay.
- Nghiên cứu khả năng phân tán của tro bay và các đặc tính bề mặt của tro bay trong mơi trường chất kết dính xi măng.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần phụ gia hóa học và tro bay đến khả năng lưu biến của hỗn hợp bê tông
- Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần tro bay, phụ gia và phụ gia hóa học đến thơng số ứng suất trượt tới hạn, độ nhớt dẻo của hỗn hợp bê tông.
- Đánh giá và so sánh các thông số lưu biến thực nghiệm của bê tông tro bay với các phương pháp số.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tro bay đến khả năng làm việc và ảnh hưởng của tro bay đến cấu trúc của hệ vật liệu.
- Đánh giá và xây dựng qui luật tác động của thành phần hạt tro bay đến tính lưu biến của vật liệu bê tơng.
- Thực nghiệm và đánh giá khả năng sử dụng tro bay trong bê tông để áp dụng cho các cơng trình xây dựng.
1.5 Tính mới của đề tài
- Đánh giá các yêu tố ảnh hưởng của các loại nguyên liệu đến tính lưu biến của hỗn hợp bê tông.
- Đưa ra khả năng ứng dụng hệ nguyên vật liệu phù hợp cho bê tơng trong các cơng trình xây dựng.
- Đánh giá được ứng xử của vật liệu ở trạng thái linh động nhằm cung cấp các thông số để sử dụng phương pháp thi công phù hợp.
1.6 Nội dung đề tài
Luận văn này gồm 5 chương:
Chương 1: giới thiệu tổng quan về đề tài, mục đích nghiên cứu, điểm mới của đề tài và tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước của các đề tài có liên quan.
Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu được sử dụng đến trong đề tài
Chương 3: Trình bày tính chất vật liệu dùng trong nghiên cứu và các phương pháp đánh giá
Chương 4: Trình bày kết quả của quá trình thực nghiệm Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRẠNG THÁI CỦA QUÁ TRÌNH ĐĨNG RẮN
CHẤT KẾT DÍNH XI MĂNG [27]
- Khi nhào trộn chất kết dính có chứa xi măng thì ở giai đoạn đầu xảy ra phản ứng thủy hóa giữa các khống trong xi măng với nước. Trong đó phản ứng của khoáng alit 3CaO.SiO2 với nước xảy ra như sau:
2(3CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H 2O + 3Ca(OH)2 (1)
Vì đã có Ca(OH)2 tách ra từ 3CaO.SiO2 nên 2CaO.SiO2 thủy hóa chậm hơn và tách ra ít Ca(OH)2 hơn:
2(2CaO.SiO2) + 4H2O →3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2 (2) 3Cao.Al2O3 và 4CaO.Al2O3.Fe2O3 cũng phản ứng với nước: 3CaO.Al2O3 + 6H2O → 3CaO. Al2O3.6H2O (3)
4CaO.Al2O3.Fe2O3+mH2O→3CaO.Al2O3.Fe2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.nH2O (4) - Khi xi măng rắn chắc, các quá trình vật lý và hóa lí phức tạp đi kèm theo các phản ứng hóa học có một ý nghĩa rất lớn và tạo ra sự biến đổi tổng hợp, khiến cho xi măng khi nhào trộn với nước, lúc đầu chỉ là hồ dẻo và sau đó biến thành đá xi măng có cường độ. Tất cả các q trình tác dụng tương hỗ của từng khoáng với nước để tạo ra các sản phẩm mới xảy ra đồng thời, xen kẽ và ảnh hưởng lẫn nhau. Các sản phẩm mới cũng có thể tác dụng tương hỗ với nhau và với các khống khác của clanke để hình thành các liên kết mới. Do đó hồ xi măng là một hệ phức tạp cả về cấu trúc thành phần cũng như sự biến đổi. Để giải thích q trình rắn chắc của xi măng người ta dùng thuyết Baikor – Rebinder. Theo thuyết này, quá trình rắn chắc của xi măng được chia làm 3 giai đoạn:
- Giai đoạn hòa tan: Khi nhào trộn xi măng với nước các thành phần khoáng của clanke sẽ tác dụng với nước ngay trên bề mặt hạt xi măng. Những sản phẩm tạo được [Ca(OH)2; 3CaO.Al2O3.6H2O] sẽ tan ra. Nhưng vì độ tan của nó khơng lớn và lượng nước có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên q bão hịa.
- Giai đoạn hóa keo: Trong dung dịch q bão hịa,các sản phẩm Ca(OH)2; 3CaO.Al2O3.6H2O) mới tạo thành sẽ không tan nữa mà tồn tại ởtrạng thái keo. Cịn các sản phẩm etringit, C-S-H vốn khơng tan nên tồn tại ở thể keo phân tán. Nước vẫn tiếp tục mất đi (bay hơi, phản ứng với xi măng), các sản phẩm mới tiếp tục tạo thành, tỷ lệ rắn/lỏng ngày một tăng, hỗn hợp mất dần tính dẻo, các sản phẩm ở thể keo liên kết với nhau thành thể ngưng keo.
- Giai đoạn kết tinh: Nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mất đi, các sản phẩm mới ngày càng nhiều. Chúng kết tinh lại thành tinh thể rồi chuyển sang thể liên tinh làm cho các hệ thống hoá cứng và cường độ tăng.
Hỗn hợp bê tông sử dụng các nguyên liệu như chất kết dính, cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ và nước. Trong bê tơng tro bay có tồn tại thành phần hạt mịn là các hạt tro bay và có thể có các hạt khống siêu mịn, phụ gia hóa học. Trong đó, tro bay được tạo ra do q trình đốt cháy than và được nhiệt hóa tạo thành các hạt cầu có kích thước rất nhỏ dao động trong khoảng 1 – 100 µm. Sự tạo thành này làm cho tro bay có tồn tại những nơi tích điện dương và những nơi tích điện âm trên bề mặt hạt mịn. Nhìn chung, các hạt mịn thường tích điện âm nhiều hơn (khoảng 3 lần) so với tích điện dương, các điện tích âm thường tập trung ở những chỗ bằng phẳng và ngược lại, các điện tích dương thường tập trung ở những nơi góc cạnh của hạt mịn. Các hạt chứa điện tích này sẽ làm thay đổi môi trường nước, làm thay đổi khả năng tạo ra các trạng thái hóa keo, hịa tan của hạt xi măng.
- Khi sử dụng các hạt tro bay mịn thì trong vữa tro bay và hỗn hợp bê tơng, ngồi những tương tác không mang điện luôn luôn tồn tại giữa các nguyên tử và
điện tích và các hạt mịn. Tương tác tĩnh điện trong dung dịch chứa các ion và các hạt rắn tích điện được mơ tả đầu tiên bởi Gouy-Chapmann [2012, 27]. Theo tác giả, các ion trong dung dịch, dưới tác dụng của lực hút tĩnh điện, đến bám vào bề mặt các hạt rắn tạo thành một lớp điện tích có chiều dày 500 Å được gọi là lớp khuyếch tán Gouy-Chapmann. Mật độ điện tích trong lớp khuyếch tán thay đổi theo hàm số mũ với khoảng cách từ điểm đang xét đến bề mặt hạt rắn để tiến tới mật độ điện tích trung bình trong dung dịch. Đối với hạt mịn phần lớn tích điện âm, lớp khuyếch tán vì vậy chủ yếu tích điện dương.
- Bên cạnh đó là lý thuyết của Stern về sự trao đổi ion trên bề mặt các hạt mịn. Theo tác giả, các ion trong dung dịch đến bám vào bề mặt hạt rắn tạo thành hai lớp điện tích. Lớp bên trong được gọi là lớp Stern bao gồm các điện tích mang dấu ngược với dấu điện tích của hạt rắn. Lớp điện tích này có chiều dày nhỏ, liên kết rất chặt chẽ và cùng di chuyển với các hạt rắn khi chúng chuyển động trong dung dịch. Ngoài lớp Stern là lớp khuyếch tán chủ yếu chứa cácion mang điện tích cùng dấu với điện tíchtrên bề mặt hạt rắn. Chiều dày lớp khuyếch tán dao động trong khoảng 10 –1000 Å, càng nhỏ khi mật độ điện tích càng lớn. Đối với hạt mịn phần lớn tích điện âm, cấu trúc các lớp điện tích bao quanh hạt mịn được mơ tả trong đó lớp Stern chủ yếu tích điện dương và lớp khuyếch tán dày khoảng 10 Å chủ yếu tích điện âm. Mặc dù lý thuyết Gouy-Chapmann và Stern đưa ra những cấu trúc điện tích khác nhau bao quanh các hạt rắn tích điện, cả hai lý thuyết đều chỉ ra rằng các lớp khuyếch tán bao quanh các hạt rắn đẩy nhau do tích điện cùng dấu với nhau. Trong trường hợp hạt xi măng tồn tại đồng thời những nơi tích điện âm và những nơi tích điện dương, lớp khuyếch tán vì vậy cũng tồn tại đồng thời những vùng tích điện trái dấu nhau và do đó trong vữa cũng tồn tại đồng thời lực hút và lực đẩy tĩnh điện giữa các lớp khuyếch tán bao quanh các hạt mịn. Rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng tổng hợp những tương tác này tạo nên cấu trúc kết bông của vữa xi măng trong đó các hạt mịn hút nhau tạo thành những chùm hạt riêng lẻ kết nối với nhau.
Hình 2.1 Sự phân bố điện tích bao quanh các hạt xi măng theo Stern [ 27]
Do đó, q trình hình thành khả năng lưu biến của hỗn hợp bê tông bắt đầu ngay từ khi nhào trộn các thành phần, trong đó có tro bay dẫn đến sự thay đổi điện tích và độ lưu động của hỗn hợp vật liệu.
2.2 CƠ SỞ LƯU BIẾN HỌC CỦA VẬT LIỆU
Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu được gọi là quy luật ứng xử lưu biến hay gọi là phương trình lưu biến. Đường cong mơ tả phương trình lưu biến được gọi là đồ thị lưu biến, dựa vào đó người ta phân biệt những loại ứng xử