CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC
2.4. Quá trình hình thành và phát triển cường độ của bê tông
Sự rắn chắc của xi măng pooc lăng là một quá trình hóa lý diễn ra phức tạp kèm theo sự biến đổi liên tục và sự hình thành cấu trúc đá xi măng. Theo thuyết rắn chắc của xi măng pooc lăng, quá trình rắn chắc của xi măng có thể chia làm ba giai đoạn:
* Giai đoạn hòa tan:
Khi nhào trộn xi măng với nước, giữa chúng sẽ xảy ra các tác dụng hóa học và vật lý.
Đầu tiên cùng với sự phân bố nước trên bề mặt hạt xi măng, quá trình hòa tan các khoáng và sự thủy hóa bắt đầu, trước hết các khoáng hoạt tính cao nhất thủy hóa như C3A, C3S và do độ hòa tan của chúng bé, sự bão hòa pha lỏng bởi các sản phẩm thủy hóa bắt đầu.
Giai đoạn đầu tiên tương đối ngắn của quá trình rắn chắc là giai đoạn hòa tan đã kết thúc.
Trong xi măng gồm các khoáng tinh thể như C3S, C3A, C2S, C4AF. Sự tác dụng của xi măng với nước là do sự tác dụng của các khoáng này với nước. Khoáng alit khi tác dụng với nước tạo thành các hydro silicat canxi thành phần khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và nồng độ của Ca(OH)2 trong pha lỏng. Ở nhiệt độ thường khi nồng độ của Ca(OH)2 trong pha lỏng từ 0,05 đến 1,1 gam CaO/lít, C3S tác dụng với nước tạo thành hydro silicat canxi có mức độ kết tinh thấp và thành phần thay đổi (0,8÷1,5) CaO.SiO2(1÷1,25)H2O.
Khi nồng độ Ca(OH)2 càng nhỏ, các hydro silicat canxi tạo thành có độ bazơ càng thấp. Trong pha lỏng bão hòa Ca(OH)2, nếu nhiệt độ môi trường thấp thì C3S tác dụng với nước tạo thành hydro silicat canxi có thành phần ổn định là (1,5÷2)CaO.SiO2.nH2O.
Khi nhiệt độ môi trường tăng lên đến 30÷50 0C, C3S tác dụng với nước tạo thành chủ yếu là C3S2H3. Khi nhiệt độ môi trường tăng lên 50÷100 0C dẫn đến tạo thành CSH và một phần C2SH2. Nếu nhiệt độ môi trường tăng lên đến 120÷175 0C, C3S tác dụng với nước tạo thành C2SH và Ca(OH)2, ở 175÷2000C là C2SH2, C2SH, Ca(OH)2. Nhiệt độ môi trường lớn hơn 2000C, C3S tác dụng với nước tạo thành C3SH2. Khoáng belit trong xi măng nằm ở dạng βC2S khi tác dụng với nước tạo thành các hydro silicat canxi có thành phần khác nhau và Ca(OH)2 kèm theo tỏa nhiệt từ 250÷290 kJ/kg.
Ở điều kiện nhiệt độ từ 50÷1000C và trong pha lỏng có nồng độ Ca(OH)2 tương ứng, C2S sẽ tác dụng với nước tạo thành CSH, C2SH2, nếu nhiệt độ pha lỏng từ 120÷1800C thì C2SH2 sẽ chuyển thành C2SH. Khoáng C3A khi hydrat tạo thành các sản phẩm khác nhau phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Các sản phẩm hydrat hóa cuối cùng của C3A có thể là C3AH6, C4AH13, C4AH19 phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Pha alumoferit canxi trong xi măng ở dạng C4AF khi tác dụng với nước theo phản ứng:
4CaO.Al2O3.6H2O.Fe2O3 +7H2O → 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.H2O CaO.Fe2O3.6H2O + 3Ca(OH)2 + 10H2O → 4CaO.Fe2O3.13H2O
Thời kỳ này tương đối dài và là thời kỳ tiến triển mạnh mẽ. Các hydrat mới có tính ổn đinh nhiệt lực cao hơn là khoáng tạo nên nó và do tác dụng tương hỗ với nước, các sản phẩm thủy hóa có độ mịn khá lớn và gần như dạng keo.
* Giai đoạn ninh kết và rắn chắc:
Cùng với sự phát triển của quá trình thủy hóa và sự tăng lên của sản phẩm thủy hóa, lượng nước tự do trong hệ không ngừng giảm xuống. Trừ một lượng nước mất đi do bốc hơi hoặc tách ra trong quá trình trầm lắng, nước còn lại được phân bố lại và trong hệ xuất hiện những dạng liên kết phức tạp của nước với pha rắn. Do sự giảm lượng nước tự do dự trữ trong hệ hồ xi măng (hỗn hợp bê tông) dần dần sệt lại cho đến khi mất hoàn toàn tính lưu động. Thời kỳ này gọi là thời kỳ ninh kết. Thời kì ninh kết là thời kì quan trọng của quá trình hình thành cấu trúc đá xi măng. Kết cấu keo tụ được tạo thành trong thời gian này có đặc tính là có một cường độ dẻo nào đó khác với cường độ cơ học ở chỗ có khả năng phục hồi xúc biến (hóa lỏng và phục hồi kết cấu).
Trong thời kì ninh kết cùng với sự phát triển mạnh mẽ của quá trình thủy hóa kèm theo quá trình tỏa nhiệt mạnh mẽ nhất. Sau đó là thời kì rắn chắc tương đối dài với sự phát triển không ngừng cường độ cơ học do cấu trúc đá xi măng không ngừng được lèn chặt và quá trình kết tinh phát triển thủy hóa và sự tăng thể tích pha rắn (thể tích các hidrat luôn luôn không tăng thậm chí giảm). Sự phát triển các tinh thể do hiện tượng tái kết tinh làm thay đổi trạng thái tiếp xúc trong nội bộ đá xi măng, từ chỗ tiếp xúc giữa các màng nước biến thành tiếp xúc tinh thể. Ở giai đoạn này kết cấu keo tụ của hồ xi măng rắn chắc được thay thế bằng kết cấu tinh của đá xi măng.
Các yếu tố ảnh hưởng tới tính công tác của hỗn hợp bê tông:
a. Lượng nước nhào trộn:
Là yếu tố quan trọng quyết định tính công tác của hỗn hợp bê tông. Lượng nước nhào trộn bao gồm lượng nước tạo hồ xi măng và lượng nước dùng cho cốt liệu. Lượng nước trong hồ xi măng xác định độ lưu biến của hồ và do đó xác định tính chất của hỗn hợp bê tông- độ lưu động và độ cứng. Khả năng hấp thụ nước của cốt liệu là một đặc tính công nghệ quan trọng của nó. Khi tỉ lệ cấp hạt thay đổi thì độ cần nước cũng thay đổi.
Vì vậy khi xác định thành phần bê tông thì việc xác định tỉ lệ cốt liệu nhỏ - cốt liệu lớn tối ưu để đảm bảo cho hồ xi măng nhỏ nhất là rất quan trọng. Để đảm bảo cho bê tông có cường độ yêu cầu thì tỉ lệ nước - xi măng phải giữ ở giá trị không đổi và do đó khi độ cần nước của cốt liệu tăng thì lượng dùng xi măng tăng.
Việc xác định lượng nước nhào trộn phải thông qua các chỉ tiêu tính công tác có tính đến loại và độ lớn cốt liệu. Mà tính công tác lại phụ thuộc vào độ nhớt và thể tích của hồ xi măng. Khi lượng nước còn quá ít, dưới tác dụng của lực hút phân tử nước chỉ đủ để hấp phụ bề mặt vật rắn mà chưa tạo ra độ lưu động của hỗn hợp.
Lượng nước tăng lên đến một giới hạn nào đó sẽ xuất hiện lượng nước tự do, màng nước trên bề mặt vật rắn dày thêm, nội ma sát giảm xuống, độ lưu động tăng lên. Lượng nước ứng với lúc hỗn hợp bê tông có độ lưu động tốt nhất mà không bị phân tầng gọi là khoảng giữ nước của hỗn hợp.
Hình 2.20 Biểu đồ lượng nước nhào trộn 1m3 bê tông b. Loại và lượng xi măng
Nếu hỗn hợp bê tông có đủ xi măng để cùng với nước lấp đầy lỗ rỗng của cốt liệu, bọc và bôi trơn bề mặt của chúng thì độ lưu động sẽ tăng. Tuy nhiên vì lí do giá thành nên lượng xi măng không thể quá nhiều. Độ lưu động còn phụ thuộc vào loại xi măng và phụ gia vô cơ nghiền mịn, vì bản thân mỗi loại xi măng sẽ có đặc tính riêng về các chỉ tiêu tính chất như lượng nước tiêu chuẩn, độ mịn, thời gian đông kết và rắn chắc.
c. Lượng vữa xi măng
Nếu vữa xi măng (hồ xi măng + cốt liệu nhỏ) chỉ đủ để lấp đầy lỗ rỗng của cốt liệu lớn thì hỗn hợp bê tông rất cứng. Để tạo cho hỗn hợp bê tông có độ lưu động thì phải đẩy xa các hạt cốt liệu lớn và bọc xung quanh chúng một lớp vữa xi măng.
Hình 2.21 Cấu trúc của hỗn hợp bê tông a- cứng; b- dẻo
d. Phụ gia hoạt động bề mặt
Chỉ cần dùng một lượng phụ gia nhỏ nhưng độ lưu động tăng lên đáng kể. Cơ chế tăng độ lưu động khi dùng phụ gia là do nó làm giảm sức căng bề mặt ngoài mặt phân cách. Các loại phụ gia hoạt động bề mặt thường được dùng là phụ gia ưa nước, phụ gia kị nước và phụ gia tạo bọt
Phụ gia ưa nước có nhiều loại nhưng phổ biến nhất là muối canxi lignosulfonat. Khi muối này hấp phụ lên hạt xi măng sự định hướng của các phân tử nước trên bề mặt hạt xi măng phần nào bị phá hoại và một phần nước đó được giải phóng. Mặt khác nhờ gốc có cực tính của canxi lignosulfonat làm cho hạt xi măng ưa nước, dễ thấm ướt hơn. Như vậy khi có phụ gia hồ xi măng cần lượng nước ít hơn, lực dính kết giữa các hạt xi măng giảm, dễ trượt lên nhau, làm giảm độ lưu động của hỗn hợp bê tông tăng.
Phụ gia kị nước thường được dùng là xà phòng natri (muối natri của axit hữu cơ tan trong nước), axidon (axit naptenic chế tạo từ xà phòng công nghiệp), petrolatum đã oxy
130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Ðo luu dong SN (cm)
Luong nuoc, kg/m3
1 2 3 4
hóa. Khi hấp phụ trên bề mặt hạt xi măng, do hút bám ion canxi gốc cacbuahyđro của chúng hướng ra phía ngoài, vì vậy gốc này có tính kị nước nên không bị thấm ướt.
Những lớp mỏng của các phân tử định hướng đó có khả năng trượt lên nhau một cách dễ dàng làm cho độ lưu động của hỗn hợp bê tông tăng lên.
Phụ gia tạo bọt khí chủ yếu là xà phòng natri của các axít hữu cơ. Khi nhào trộn bê tông, phụ gia cuốn theo vào một lượng không khí. Các bọt khí sẽ làm giảm sức căng bề mặt ngoài của chất lỏng ở mặt phân cách khí lỏng. Lượng bọt khí nhờ có các phân tử phụ gia ma được ổn định trong chất lỏng, đồng thời làm tăng thể tích hồ xi măng. Do đó độ lưu động của hỗn hợp bê tông tăng lên.
e. Gia công chấn động
Là biện pháp có hiệu quả để làm cho hỗn hợp bê tông cứng và kém dẻo trở thành dẻo và chảy dễ đổ khôn và dầm chặt. Khi chấn động các phần tử của hỗn hợp bê tông bị dao động cưỡng bức liên tục và sắp xếp lại một cách chặt chẽ hơn. Khi tần số dao động đạt đến giá trị nào đó thì nội ma sát của hỗn hợp giảm đến mức nhỏ nhất do sự xuất hiện một áp lực chống lại tác dụng của trọng lực. Hỗn hợp bị phân tách theo độ lớn, hình dạng và khối lượng của hạt, cấu trúc ban đầu bị phá hoại. Độ cứng của hỗn hợp bê tông giảm xuống, các phân tử sắp xếp lại chặt chẽ hơn. Kết quả hỗn hợp được lèn chặt.
f. Tỷ lệ, độ lớn và đặc trưng bề mặt cốt liệu
Nếu tỷ lệ, độ lớn và đặc trưng bề mặt của cốt liệu thay đổi thì độ dẻo của hỗn hợp cũng thay đổi. Ứng với lượng nước và xi măng cố định mà độ lớn cốt liệu tăng thì độ dẻo hỗn hợp tăng, nếu cốt liệu có bề mặt trơn thì nhớt cũng tăng theo.
Hình 2.22 Ảnh hưởng của cát đến độ dẻo của bê tông
Dạng cấu kiện và phương pháp tạo hình Độ cứng ĐC (s) Độ sụt SN (cm) Cấu kiện bê tông cốt thép cần tháo khuôn
sớm 20÷10 0
Tấm lát mặt đường ôtô, đường băng sân bay 10÷6 1÷2
Bê tông toàn khối ít cốt thép 6÷4 2÷4
Cột, dầm, bản bê tông cốt thép ≤4 4÷8
Bê tông nhiều cốt thép < 2 8÷10
Cấu kiện lắp ghép nhà ở - 12÷18
Bê tông dày cốt thép - 18÷24 Bảng 2.22 Độ lưu động của hỗn hợp bê tông