CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CHẾ TẠO BÊ TÔNG RỖNG THOÁT NƯỚC
2.2. Cơ sở hình thành cường độ trong BTRTN
2.2.2. Cơ sở nâng cao cường độ BTRTN
Cường độ của BTRTN chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố: Tính chất bề mặt hạt cốt liệu, lượng dùng hồ chất kết dính, cường độ chất kết dính. Để nâng cao cường độ của bê tông này cần cải thiện các tính chất trên, hiệu quả nhất là nâng cao đồng thời tất cả các yếu tố.
a) Lựa chọn cốt liệu
Cốt liệu lớn sử dụng thường có 2 loại là sỏi và đá dăm: sỏi có bề mặt trơn nhẵn còn đá dăm có cường độ nhám ráp. Khi sử dụng đá dăm thì khả năng liên kết của đá với chất kết dính tốt hơn khi sử dụng sỏi vì bề mặt nhám ráp nên tổng diện tích tiếp xúc lớn hơn đồng thời chúng có các góc cạnh khi tiếp xúc chúng như các móc móc vào đá chất kết dính làm tăng lực liên kết.
Bên cạnh ảnh hưởng của loại cốt liệu, kích thước của cốt liệu là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cường độ nén và hệ số thoát nước của BTRTN. Yang và Jiang [33] đã tiến hành thí nghiệm trên hỗn hợp BTRTN có kích thước cốt liệu khác nhau. Kết quả cho thấy cường độ nén được cải thiện khi giảm kích thước hạt cốt liệu.
Yang và Jiang đã phân tích rằng lý do kích thước cốt liệu nhỏ hơn tạo ra cường độ nén cao hơn có thể là do nó mở rộng được diện tích liên kết giữa các hạt cốt liệu, đồng thời khi sử dụng kích thước cốt liệu nhỏ tạo ra bề mặt BTRTN phẳng nhẵn hơn và dễ dàng thi công hơn. Tuy nhiên, giảm kích thước cốt liệu cũng làm suy giảm một phần hệ số thoát nước của BTRTN.
Hình 2.12 Bề mặt BTRTN khi sử dụng kích thước cốt liệu khác nhau b) Tăng cường độ đá chất kết dính
Theo các nghiên cứu đã thực hiện [27, 80, 84], khi tăng lượng hồ chất kết dính thì làm tăng nhanh cường độ, nhưng cũng làm giảm hệ số thoát nước và khi lượng hồ quá nhiều sẽ xảy ra hiện tượng tách hồ làm bịt kín hệ thống lỗ rỗng. Do đó lượng hồ chất kết dính sử dụng cũng cần được khống chế ở một lượng nhất định.
Biện pháp sử dụng phổ biến nhất để nâng cao cường độ BTRTN là nâng cao cường độ của đá chất kết dính. Cường độ của đá chất kết dính phụ thuộc vào N/CKD; mác xi măng, loại và lượng dùng phụ gia khoáng hoạt tính. Khi chỉ sử dụng xi măng thì đá xi măng cứng mỏng, cường độ của các chất kết dính xi măng thấp. Bên cạnh đó còn tồn tại một số lỗ rỗng và các vết nứt nhỏ li ti trong đá xi măng như thể hiện trong Hình 2.13. Vì vậy,
để nâng cao cường độ CKD đề tài đã sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính silica fume và phụ gia siêu dẻo giúp làm tăng cường độ màng mỏng CKD theo cơ chế hoạt động của phụ gia, từ đó làm tăng cường độ của BTRTN.
- Sử dụng phụ gia khoáng Silica fume + Cơ chế hoạt động của silica fume
Silica fume thường hoạt động ở 2 chức năng:
Thứ nhất: có tác dụng như một chất puzơlan hay tác dụng hoá học. Phản ứng puzơlan là phản ứng giữa dioxit silic nồng độ cao (SiO2>85%) trong silica fume với Ca(OH)2 được tạo ra do thuỷ hoá xi măng. Phản ứng tạo ra gel CSH liên kết chặt chẽ hơn với cốt liệu và đồng thời làm giảm sản phẩm Ca(OH)2 không có lợi sinh ra trong thuỷ hoá xi măng. Ca(OH)2 yếu hơn không làm tăng cường độ, và bê tông dễ bị ăn mòn sunphat, tác động hoá học và các phản ứng cốt liệu kiềm khi hàm lượng Ca(OH)2 cao trong bê tông. Vai trò của CSH là làm tăng cường độ tổng thể, đặc biệt là cường độ cao và độ bền vững cao cho bê tông ở tuổi sớm. Nghiên cứu được tiến hành ở Na Uy và Canada chứng tỏ rằng, trong bê tông với tỷ lệ N/X ≤ 0,55 thì silica fume có hệ số hiệu quả đạt 3-4. Điều này có nghĩa là trong phạm vi thay thế (0-10)%, Hình 2.13 Lỗ rỗng xuất hiện
trong lớp hồ xi măng
thì 1 kg silica fume có thể thay thế 3-4 kg xi măng trong bê tông mà không gây ảnh hưởng tới cường độ nén.
Thứ hai: silica fume đóng vai trò các chất kết dính về mặt vật lý. Vì silica fume có kích thước hạt nhỏ hơn kích thước hạt xi măng (100-150) lần, nó lấp đầy các lỗ rỗng do nước tự do thoát ra trong đệm xi măng. Với liều lượng điển hình bằng 8% khối lượng xi măng, sẽ có khoảng 100.000 hạt dành cho mỗi hạt xi măng sẽ lấp đầy không gian chứa nước trong bê tông tươi. Độ siêu mịn cho phép silica fume lấp đầy các lỗ rỗng vi mô giữa các hạt xi măng và hiệu quả của vi chất lấp đầy này là làm tăng mạnh liên kết giữa cốt liệu với hồ xi măng.
Dựa trên 2 chức năng, hiệu quả cải thiện cường độ bê tông của PGK có thể giải thích theo quan điểm của Mehta và Acitcin: các hạt puzơlan ít phản ứng hơn xi măng póoc lăng, khi phân tán vào trong hồ xi măng sẽ tạo ra các trung tâm hoạt động bề mặt để tạo mầm cho sự kết tủa của các sản phẩm thủy hóa. Vì vậy, cơ chế này làm cho đá xi măng đồng nhất hơn và đặc chắc hơn với sự phân bố các lỗ rỗng giảm, bởi vì các phản ứng puzơlanic được hình thành giữa SiO2 trong phụ gia khoáng với Ca(OH)2 được tạo thành do quá trình thủy hóa của xi măng. Ngoài ra, hiệu ứng vật lý của các hạt PGK mịn sẽ làm tăng độ đặc chắc trong đá xi măng và giảm được các hiệu ứng tường chắn tại vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng - cốt liệu (vùng ITZ).
Cường độ tại vùng ITZ này sẽ được cải thiện hơn do khi đó đá xi măng cải thiện vi cấu trúc, tăng độ đặc chắc và tăng cường độ cho bê tông. Do dó, việc sử dụng các loại phụ gia khoáng trong bê tông sẽ làm tăng cường độ và độ bền của bê tông. Như vậy, tác dụng của hiệu ứng puzơlanic không chỉ phụ thuộc vào phản ứng puzơlanic mà còn phụ thuộc vào hiệu ứng điền đầy của các hạt mịn trong cấp phối bê tông [78].
Nghiên cứu của Roy [79] cho thấy việc thay thế xi măng bằng SF 15% theo khối lượng (thêm khoảng 2.000.000 hạt SF), các hạt SF sẽ điền đầy vào khoảng trống giữa các hạt xi măng làm tăng độ đặc chắc và cường độ của đá xi măng, cải thiện sự liên kết giữa đá xi măng với cốt liệu [80, 81]. Bentur và Cohen [102] tiến hành chụp SEM các mẫu vữa, kết quả được thể hiện trong Hình 2.14, họ phát hiện ra rằng cấu trúc vi mô của vùng chuyển tiếp (ITZ) được đặc trưng bởi một lớp dày đặc CH xung quanh
các hạt cốt liệu và tồn tại một số khoảng trống không được điền đầy, nhưng khi thêm SF vùng ITZ có cấu trúc đồng nhất và dày đặc, không còn CH, không có khoảng trống.
a) Hệ không có SF b) Hệ chứa SF
1 – bề mặt cốt liệu; 2 – đá xi măng; 3 – khoảng trống; 4 – CH; 5 – vết nứt nhỏ Hình 2.14 Hình ảnh SEM cấu trúc điển hình của vùng chuyển tiếp (ITZ) giữa đá xi
măng với cốt liệu ở tuổi 28 ngày [102]
+ Ảnh hưởng của Silica fume đến các tính chất của BTRTN
Silica fume làm tăng tính ổn định của hỗn hợp bê tông, nó làm giảm phân tầng, giảm tách nước cho hỗn hợp bê tông. Trong hỗn hợp bê tông sử dụng hàm lượng chất kết dính cao nó có thể gây nên hiện tượng nứt do co ngót, vì vậy cần phải được bảo dưỡng cẩn thận đặc biệt trong tình trạng thời tiết như ở Việt Nam.
Cũng giống như vật liệu puzơlan, silica fume tham gia phản ứng với Ca(OH)2
trong bê tông tạo ra sản phẩm có khả năng kết dính. Silica fume càng tinh khiết, càng mịn thì hiệu quả phản ứng càng cao và nhanh. Cùng với sự khuếch tán của mình các hạt silica fume lấp đầy vào các khoảng giữa của sản phẩm thủy hóa của xi măng, làm chặt cấu trúc đá xi măng và làm tăng khả năng kết dính giữa đá xi măng và cốt liệu.
Độ hoạt tính của silica fume phụ thuộc vào khả năng phản ứng của SiO2 với Ca(OH)2. - Phụ gia hóa học
Phụ gia hóa học sử dụng trong BTRTN để đạt được một số tính chất đặc biệt nào đó. Do BTRTN có tốc độ rắn chắn nhanh nên trong thi công người ta thường sử
dụng các phụ gia kéo dài thời gian đông kết của xi măng. Việc sử dụng phụ gia hóa học phải theo khuyến cáo của nhà sản xuất.
Hai loại phụ gia thường được dùng nhiều nhất là phụ gia giảm nước tầm trung và phụ gia kiểm soát quá trình thủy hóa của xi măng. Cũng có thể sử dụng phụ gia giảm nước tầm cao để giảm lượng dùng nước, cải thiện cường độ bê tông. Ngoài ra có thể sử dụng phụ gia cuốn khí để cải thiện độ bền băng giá của BTRTN. Việc sử dụng loại và lượng dùng phụ gia hóa học một cách hợp lý sẽ cho một hỗn hợp bê tông dễ thi công cũng như có chất lượng đạt yêu cầu đặt ra.
Để bảo đảm cho bê tông đạt độ rỗng theo yêu cầu (có nghĩa là sử dụng đến mức thấp nhất có thể tỉ lệ N/CKD) mà vẫn đảm bảo tính công tác thì việc sử dụng phụ gia siêu dẻo trong thành phần BTRTN là yếu tố quan trọng. Việc nghiên cứu sử dụng loại và lượng dùng phụ gia siêu dẻo có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo cho bê tông có tỉ lệ N/CKD thấp và tính công tác cao. Tính công tác này phải được duy trì trong một khoảng thời gian nhất định để đảm bảo cho việc thi công loại bê tông này được thuận lợi. Sử dụng phụ gia siêu dẻo với một lượng quá thấp không đảm bảo cho bê tông có tính công tác cao khi dùng tỉ lệ N/CKD thấp. Tuy nhiên, khi lượng dùng phụ gia siêu dẻo lớn sẽ làm tăng đáng kể giá thành của bê tông, làm tăng khả năng tách nước và kéo dài thời gian đông kết của hỗn hợp bê tông.
Nhận xét:
Sau khi phân tích các cơ sở hình thành cấu trúc rỗng, cường độ của BTRTN trong luận án tác giả lựa chọn như sau:
- Cốt liệu lớn sử dụng 1 cỡ hạt với 2 cỡ hạt (5-10) mm và (10-20) mm.
- Sử dụng CLN với các hàm lượng 4%; 7%; 10%.
- Nâng cao cường độ BTRTN sử dụng các phương pháp:
+ Sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính SF;
+ Sử dụng phụ gia siêu dẻo để giảm lượng dùng nước.