CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG RỖNG THOÁT NƯỚC
1.6. Những vấn đề cần nghiên cứu
1.6.1. Lựa chọn phụ gia khoáng cho BTRTN
BTRTN đã nghiên cứu và ứng dụng từ lâu trên thế giới, nhưng ở Việt Nam hiện nay loại bê tông này mới bắt đầu được nghiên cứu, chưa được ứng dụng nhiều trong thực tế. BTRTN thường sử dụng xi măng PC40 hoặc PCB40 làm CKD, để nâng cao cường độ BTRTN thông thường sử dụng thêm phụ gia khoáng nghiền mịn như silicafume, tro bay, xỉ lò cao, tro trấu kết hợp với phụ gia siêu dẻo để tăng độ đặc chắc của CKD, từ đó cải thiện liên kết giữa cốt liệu với đá CKD.
Hiệu quả cải thiện cường độ của bê tông khi sử dụng phụ gia khoáng thể hiện ở hai hiệu ứng: (1) hiệu ứng hóa học và (2) hiệu ứng điền đầy. Cụ thể trong bê tông khi sử dụng cỏc PGK kớch thước mịn (dmax=125 àm) cú thể ảnh hưởng đến cỏc tớnh chất của bê tông theo 3 hướng chính:
(i) Trên phương diện vật lý - Hiệu ứng điền đầy. Khi bổ sung hàm lượng hạt mịn có thể lấp đầy khoảng trống giữa các hạt xi măng qua đó cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông, đồng thời tăng độ đặc chắc của bê tông.
(ii) Trên phương diện hóa học xảy ra trên bề mặt hạt. PGK đóng vai trò là mầm kết tinh, thúc đẩy quá trình thủy hóa do tạo các vùng tinh thể hoạt động và trở thành một phần của đá xi măng.
(iii) Trên phương diện mức độ phản ứng hóa học. PGK có chứa một lượng lớn hàm lượng SiO2 hoạt tính, khi sử dụng trong bê tông SiO2 này sẽ phản ứng với Ca(OH)2
sinh ra trong quá trình thủy hóa của xi măng tạo thành sản phẩm thủy hóa CSH có cường độ cao làm tăng cường độ cho bê tông. Hiệu quả cải thiện cường độ bê tông của PGK có thể giải thích theo quan điểm của Mehta và Acitcin: các hạt puzzolan 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 puzzolanic 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]. Tuy nhiên, mỗi loại PGK đều có các đặc điểm riêng:
- Silica fume (SF): đây là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất silicon hoặc hợp kim ferrosilicon được ngưng tụ từ khói thải nên chứa các hạt ôxit silic có kích thước rất nhỏ, cỡ micromet, hàm lượng SiO2 trên 85%. SF là các hạt hình cầu có đường kính cỡ hạt từ 0,03-0,3 àm, nhỏ hơn đường kớnh trung bỡnh của hạt xi măng khoảng 100 lần. Tùy thuộc vào loại xi măng và tỷ lệ N/CKD mà SF thường được sử dụng trong bê tông với hàm lượng từ (10-30)% theo khối lượng xi măng với mục đích tăng độ lèn chặt cho hỗn hợp hạt và hạn chế hàm lượng CH trong đá xi măng [24].
Xét về hiệu quả sử dụng ổn định thì silicafume có lợi thế hơn hẳn do có sẵn trên thị trường dưới dạng công nghiệp, mặt khác một số nghiên cứu trên thế giới khẳng định hoàn toàn có thể sử dụng silicafume để chế tạo được BTRTN, nhưng có một nhược điểm khi sử dụng phụ gia này là hiện nay chúng ta đều phải nhập khẩu nên giá thành vẫn khá cao.
- Tro trấu (RHA): Ðây là sản phẩm của quá trình đốt trấu và sản phẩm thu được là RHA với hàm lượng SiO2 rất lớn có thể đạt trên 95%. RHA hoàn toàn có thể sử dụng để thay thế SF trong BTRTN và cũng được một số nhà khoa học nghiên cứu như Saeid Hesami [23] đã đánh giá ảnh hưởng của RHA tới một số tính chất của BTRTN.
Do RHA có cấu trúc rỗng xốp nên khi sử dụng yêu cầu lượng cần nước và hàm lượng PGSD rất lớn, rất khó để phát triển ở dạng sản xuất công nghiệp. Đồng thời tro trấu tồn tại dưới dạng vỏ trấu nông nghiệp, phải thu gom, đốt và nghiền để đạt được độ mịn nhất định, mỗi công đoạn khác nhau như cách đốt, thời gian nghiền, sẽ cho sản phẩm tro trấu khác nhau dẫn đến chất lượng tro không ổn định, tốn chi phí và năng lượng nghiền. Ðể hạn chế nhược điểm này có thể sử dụng kết hợp giữa RHA với PGK khác như FA, GBFS vừa cải thiện tính chất của hỗn hợp bê tông đồng thời vẫn tăng hiệu quả khi sử dụng PGK này.
- Xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (GBFS): Xỉ lò cao là một loại chất kết dính thủy lực [35, 36] là thải phẩm của quá trình luyện gang, xỉ được làm lạnh đột ngột bằng nước áp lực cao từ nhiệt độ (1400-1500) oC xuống mức (30-40) oC, sản phẩm thu được là hỗn hợp các hạt màu trắng đục kích thước <5 mm. Thành phần hóa, GBFS bao gồm các oxit chính sau: CaO, SiO2, Al2O3, MgO, và một vài oxit khác như: SO3, FeO hay Fe2O3, TiO2, K2O, Na2O, .... So sánh về thành phần với clanhke xi măng thì GBFS có hàm lượng CaO thấp hơn, hàm lượng SiO2, Al2O3, MgO cao hơn. GBFS với hàm lượng pha thủy tinh lớn (trên 90%) và khi tiếp xúc với môi trường thích hợp sẽ kích hoạt phản ứng thủy hóa của GBFS để tạo ra các sản phẩm dạng C-S-H có cường độ cao, bền với môi trường, đặc biệt tăng khả năng chống ăn mòn cho bê tông [37, 38].
Với đặc tính bề mặt trơn nhẵn, khi sử dụng trong BTRTN sẽ làm tăng tính công tác, giảm nhiệt thủy hóa và tăng độ bền cho bê tông. Việc tăng độ mịn của GBFS sẽ làm tăng cường độ của BTRTN, đồng thời khi có sự kết hợp với SF hoặc RHA thì có thể sử dụng đến 30% hàm lượng GBFS để chế tạo BTRTN. Khi sử dụng GBFS trong BTRTN sẽ làm giảm cường độ ở tuổi sớm, tuy nhiên cường độ ở tuổi dài ngày tăng [38].
Theo các phân tích trên luận án lựa chọn sử dụng silica fume để nâng cao cường độ BTRTN. Mặt khác, trong loại bê tông này thường sử dụng một lượng dùng xi măng khá lớn, từ (250-400) kg/m3 [11, 104] dẫn dến kém hiệu quả về mặt kinh tế và môi trường. Ở nước ta do xi măng có cường độ thấp nên lượng dùng xi măng còn có thể lớn hơn, do đó việc nghiên cứu sử dụng thêm một loại phụ gia khoáng (thải phẩm công nghiệp) thay thế một phần xi măng và kết hợp với silicafume để cải thiện các tính chất của bê tông hỗn hợp bê tông và BTRTN trong điều kiện ở Việt Nam có một ý nghĩa khoa học quan trọng, đồng thời còn đóng góp vai trò lớn về kinh tế và môi trường trong việc phát triển và ứng dụng loại BTRTN. Ðây cũng là vấn đề cần được đặt ra trong nghiên cứu.
- Tro bay (FA): Các nghiên cứu [13, 25, 27, 33, 34] cho thấy, có thể sử dụng FA để thay thế một phần xi măng trong BTRTN [8, 13]. Khi sử dụng FA thì cường độ bê tông ở tuổi ban đầu thấp, cường độ tăng ở tuổi dài ngày. Các kết quả cho thấy việc sử
dụng FA trong BTRTN giảm lượng cần nước, tăng tính công tác cho hỗn hợp bê tông, ở điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm có thể sử dụng đến 30%FA kết hợp với SF để chế tạo BTRTN.
Trong những phụ gia khoáng là thải phẩm công nghiệp đang được dùng thông dụng hiện nay gồm có xỉ lò cao và tro bay. Xét về hiệu quả kỹ thuật, tro bay và xỉ lò cao đều có vai trò cải thiện tính chất của bê tông. Tuy nhiên, xét về hiệu quả kinh tế khi sử dụng tro bay có lợi thế hơn hẳn do chỉ cần hệ thống tuyển lại là có thể dễ dàng sử dụng, trong khi đó xỉ lò cao hạt hóa tại các nhà máy luyện gang phải gia công nghiền mịn đến một độ mịn nhất định mới có thể sử dụng; đồng thời Chính phủ cũng đưa ra quyết định, thông tư về việc sử dụng tro bay trong sản xuất vật liệu xây dựng như Quyết định số 1696/QÐ-TTg ngày 23-09-2014 “Về một số giải pháp thực hiện xử lý tro xỉ, thạch cao của các nhà máy nhiệt điện, nhà máy hóa chất để làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng”. Vì vậy việc sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng trong chế tạo BTRTN là hợp lý hơn cả. Mặt khác, khi sử dụng hệ hỗn hợp phụ gia khoáng silicafume và tro bay có tiềm năng lớn khi xét đến tính chất kỹ thuật, khả năng cung ứng và giá thành. Bên cạnh đó một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng có tồn tại hiệu ứng tương hỗ giữa hai phụ gia khoáng này tuy nhiên hiệu ứng này vẫn chưa nghiên cứu cụ thể đối với hệ BTRTN.
Ðặc điểm tro bay ở Việt Nam: Theo thống kê [4] hàng năm ước tính các nhà máy nhiệt điện trên cả nuớc thải ra khoảng 2,3 triệu tấn tro bay, đến năm 2015 là 12 triệu tấn/năm, dự kiến năm 2020 là 25 triệu tấn/năm [5], đến năm 2030 khoảng 38 triệu tấn/năm. Ðiều này sẽ ảnh hưởng rất lớn đến môi trường. Lượng tro xỉ ở các nhà máy nhiệt điện thải ra khoảng 85% là tro, còn lại 15% là xỉ [5]. Nhiên liệu chủ yếu là than anthracite. Thành phần hạt của tro bay chủ yếu là cỡ hạt từ (13.5–80.0) àm. Cỏc tính chất của tro bay ảnh hưởng chủ yếu bởi thành phần hóa và lượng mất khi nung.
Tổng hàm lượng các ôxít SiO2; Al2O3; Fe2O3 khoảng (70-75)%, trong đó: SiO2 (48–
50)%; Al2O3 (16-18)%; Fe2O3 (6-8)% [5]. Theo các kết quả đã nghiên cứu, tro bay ở Việt Nam thuộc loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618, qua kính hiển vi cho thấy có hơn 90% là các hạt nhỏ hình cầu.
Thành phần MKN chủ yếu gồm than chưa cháy, phụ thuộc vào loại than và công nghệ đốt. Tro nhiệt điện Việt Nam hiện nay gồm 2 loại tro than phân theo công nghệ đốt là tro than đốt than phun và tro than là đốt tầng sôi. Ở Việt Nam hiện nay, các loại tro than theo công nghệ đốt phun thường là tro than loại F, còn tro than theo công nghệ đốt tầng sôi thường thuộc loại C. Tuy nhiên, tro than các nhà máy nhiệt điện nước ta hiện nay có hàm lượng than chưa cháy trong tro than cao, dao động trong khoảng (15-35)% nên không đạt yêu cầu tro than làm phụ gia cho bê tông và xi măng nếu xét theo tiêu chuẩn ASTM C618-08 (lượng mất khi nung của tro phải <6%).
Lượng than chưa cháy trong tro ảnh hưởng đến tính chất làm hạn chế khả năng sử dụng của chúng. Ở Việt Nam để sử dụng được phải qua tuyển làm giảm hàm lượng MKN xuống dưới 6% theo ASTM. Về bản chất, sự suy giảm khối lượng tro bay khi nung là do lượng cacbon và lưu huỳnh bị đốt cháy ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, hàm lượng MKN thường được coi như tương đương với lượng than chưa cháy trong tro bay. Than chưa cháy trong tro bay có thể tồn tại dưới dạng inertinite hoặc than cốc đẳng hướng hay dị hướng. Chúng thường có kích thước nhỏ cỡ micron với cấu trúc xốp chủ yếu gồm các lỗ rỗng (2-50) nm. Các nghiên cứu trên thế giới cho thấy tỷ lệ MKN có ảnh hưởng nhất định tới một số tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông.
Các ảnh hưởng chính được đề cập tới là khả năng hấp thụ các hợp chất hữu cơ, ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng phụ gia trong bê tông, nhất là phụ gia cuốn khí. Bên cạnh đó, cũng có thể thấy rằng lượng MKN giới hạn có thể phụ thuộc vào đặc điểm và yêu cầu của từng loại bê tông, trong từng điều kiện sử dụng đặc thù. Ðối với bê tông cho các kết cấu bê tông không sử dụng cốt thép, vận hành trong môi trường bình thường, không có yêu cầu đặc biệt về hàm lượng bọt khí, ... có thể sử dụng tro bay có hàm lượng MKN lớn hơn. Ngoài ra, cũng có quan điểm cho rằng không phải tỷ lệ MKN trong tro bay, mà lượng MKN tuyệt đối trong bê tông mới là yếu tố ảnh huởng trực tiếp đến tính chất của bê tông. Do đó, hoàn toàn có thể cho phép sử dụng tro bay có hàm lượng MKN cao khi khống chế lượng dùng tro bay trong bê tông.
Theo TCVN 10302 : 2014 cho phép sử dụng tro bay loại C với hàm lượng MKN tới 9% trong bê tông không cốt thép, và 15% đối với tro bay loại F. Trong bê
tông cốt thép cho phép sử dụng hàm lượng MKN tới 5% với tro loại C và 12% loại F. Như vậy, hoàn toàn có thể sử dụng tro bay vào thực tế khi đã khống chế được hàm lượng MKN. Tuy nhiên, việc sử dụng silicafume và tro bay trong chế tạo BTRTN ở nước ta hiện nay còn một số vấn đề sau:
1. Ở nước ta hiện nay mới có các nghiên cứu ban đầu về BTRTN, khi nghiên cứu mới sử dụng các vật liệu cơ bản: đá, xi măng, nước, phụ gia siêu dẻo mà chưa có các nghiên cứu về BTRTN sử dụng SF và FA.
2. Chưa có nghiên cứu kết hợp 2 loại phụ gia này trong BTRTN. Do vậy chưa đánh giá và giải thích được sự ảnh hưởng của hệ phụ gia này, cụ thể ở vấn đề cải thiện tính công tác, nâng cao cường độ của bê tông, cải thiện vi cấu trúc của lớp CKD trong BTRTN khi sử dụng PGK với vai trò thay thế xi măng.
- Vai trò của silica fume
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]. Nhưng cũng do kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn nên khi dùng với hàm lượng lớn thì chúng sẽ hấp phụ lượng nước lớn lên bề mặt làm giảm nước tự do trong hỗn hợp, từ đó làm giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông.
- Vai trò của tro bay
Tro bay có thành phần chủ yếu là các hạt hình cầu, bề mặt trơn nhẵn nên lượng nước hấp phụ giảm làm tăng hiệu ứng “ổ bi”, giúp cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông khi ở cùng tỷ lệ N/X. Tro bay thay thế xi măng ở tỷ lệ (10-40)% theo thể tích thì mỗi 10% lượng tro bay thay thế xi măng, tính công tác thay đổi theo chiều hướng tương đương với tăng lượng dùng nước trộn (3-4)% [82], mức độ suy giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông chậm lại. Nhưng khi sử dụng tro bay lại làm giảm tốc độ rắn chắc ở giai đoạn đầu, còn ở tuổi muộn ngày theo nghiên cứu của Carette và Malhotra [83] nếu thay thế 20% xi măng bằng tro bay thì ở các tuổi 91 và 365 ngày cường độ
bê tông đều cao hơn mẫu không sử dụng tro bay, chứng tỏ tro bay cũng có hiệu quả hoạt tính puzơlanic.
Nhận xét: Dựa vào đặc điểm của 2 loại phụ gia trên, ta thấy có thể kết hợp SF và FA sử dụng trong BTRTN, chúng sẽ hỗ trợ cho nhau làm tăng tính công tác, tăng cường độ và hạn chế hiện tượng tách hồ, đồng thời giảm được lượng dùng xi măng.
Khi sử dụng SF và FA trong chế tạo BTRTN cần nghiên cứu ảnh hưởng của riêng từng loại phụ gia với các tỷ lệ khác nhau và tổ hợp cả 2 phụ gia tới các tính chất của hồ CKD và BTRTN đặc biệt là tính công tác và cường độ.