CHƯƠNG 3: CƠ SỞ KHOA HỌC
3.1. Cơ sở khoa học của Bê tông rỗng
3.1.1. Cơ sở hóa học:
- Khi nhào trộn xi măng với nước ở giai đoạn đầu xảy ra phản ứng thủy hóa giữa các khoáng trong xi măng với nước. Trong đó phản ứng của alit 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 alit nên bêlit 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 có cường độ. Tất cả các quá 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 khoáng 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 quá 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 không lớn và lượng nước có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên quá bão hòa.
-Giai đoạn hóa keo: Trong dung dịch quá bão hòa,các sản phẩm Ca(OH)2; 3CaO.Al2O3.6H2O) mới tạo thành sẽ không tan nữa mà tồn tại ở trạng thái keo. Còn các sản phẩm etringit, C-S-H vốn không 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. [10]
Tóm lại quá trình rắn chắc của xi măng có thể biểu diễn như sau:
3.1.2 Cơ sở vật lý:
-Sau khi đầm nén, các cấu tử của hỗn hợp bê tông được sắp xếp lại chặt chẽ hơn, cùng với sự thuỷ hoá của xi măng cấu trúc của bê tông được hình thành. Giai đoạn này gọi là hình thành cấu trúc. Các sản phẩm mới được hình thành do xi măng thuỷ hoá dần dần tăng lên, đến một lúc nào đó, chúng tách ra khỏi dung dịch quá bão hoà. Số lượng sản phẩm mới tách ra tăng lên đến 1 mức nào đó thì cấu trúc keo tụ chuyển hoá cấu trúc tinh thể, làm cho cường độ của bê tông tăng lên. Sự hình thành cấu trúc tinh thể sẽ sinh ra 2 hiện tượng ngược nhau: tăng cường độ và hình
thành nội ứng suất trong mạng lưới tinh thể. Đó là nguyên nhân sinh ra vết nứt và giảm cường độ của bê tông.
Khoảng thời gian hình thành cấu trúc, cũng như cường độ dẻo (cường độ đầu tiên) của bê tông phụ thuộc vào thành phần của bê tông, dạng chất kết dính và phụ gia hoá học. Hỗn hợp bê tông cứng và kém dẻo với tỷ lệ nước – xi măng không lớn có giai đoạn hình thành cấu trúc ngắn.Việc dùng xi măng và phụ gia rắn nhanh sẽ rút ngắn giai đoạn hình thành cấu trúc.
Nghiên cứu về vật liệu mặt đường bê tông rỗng được bắt đầu phát triển ở các nước như là Mỹ và Nhật Bản từ những thập niên 80. Tuy nhiên, cường độ của vật liệu thấp bởi vì có độ rỗng. Cường độ kháng nén của vật liệu chỉ từ 20-30KPa nên bê tông rỗng chỉ có thể được ứng dụng để làm quãng trường, lề bộ hành, bãi đậu xe và đường trong công viên. Sử dụng cốt liệu có lựa chọn và phụ gia mịn tốt và chất tăng cường được trộn theo một tỷ lệ thích hợp sẽ làm cường độ và khả năng chống mài mòn sẽ được cải thiện cho mặt đường bê tông rỗng một cách to lớn.
-Bê tông rỗng là sự kết hợp của các vật liệu lại với nhau. Các cốt liệu có cùng kích cỡ hình thành nên bộ khung của bê tông, chất kết dính xi măng hoặc vữa dính kết các cốt liệu lại với nhau[6]:
-Bê tông rỗng có cấu trúc gồm 3 thành phần chính như sau:
-Cốt liệu đá -Đá xi măng
-Hệ thống các lỗ hở liên tục.
Hình 3.1. Mô hình cấu trúc của vật liệu bê tông rỗng[6]
Hình 3.2. Biện pháp nâng cao cấu trúc của bê tông rỗng[13].
-Các lỗ rỗng được tạo thành dựa trên sự sắp xếp các hạt cốt liệu cùng kích cỡ, liên kết với nhau bằng lượng hồ xi măng hợp lý tại các điểm tiếp xúc.
-Có nhiều lỗ rỗng với đường kính khoảng 2-8 mm trong bê tông rỗng vì thế nước có thể thấm qua bê tông 1 cách nhanh chóng nhưng cường độ thì thấp do có lỗ rỗng.
Cấu trúc vĩ mô của bê tông đặc trưng bằng cấu trúc của vật rắn, độ rỗng và đặc trưng của lỗ rỗng của từng cấu tử tạo nên bê tông cũng như cấu tạo của lớp tiếp xúc giữa chúng. Độ bền của mối liên kết giữa cốt liệu và đá xi măng phụ thuộc vào bản chất của cốt liệu, vào độ rỗng, độ nháp rám bề mặt, độ sạch của mặt cốt liệu, cũng như vào loại xi măng và độ hoạt tính của nó; và tỷ lệ nước/Xi măng và điều kiện rắn chắc của bê tông. Đối với bê tông cốt liệu đặc, lóp liên kết kém bền hơn đá xi măng .
Độ rỗng trong bê tông bao gồm:
-Lỗ rỗng trong đá xi măng (lỗ rỗng gen, lỗ rỗng mao quản, lỗ rỗng do khí cuốn vào).
-Lỗ rỗng trong cốt liệu;
-Lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu – khoảng không gian giữa các hạt cốt liệu không được chèn đầy hồ xi măng . Các lỗ rỗng được tạo thành dựa trên sự sắp xếp các hạt cốt liệu cùng kích cỡ, liên kết với nhau bằng lượng hồ xi măng hợp lý tại các điểm tiếp xúc. Có nhiều lỗ rỗng với đường kính khoảng 2-8mm trong bê tông rỗng vì thế nước có thể thấm qua bê tông 1 cách nhanh chóng nhưng cường độ thì thấp do có lỗ rỗng.
Có 2 phương pháp làm tăng cường độ của bê tông rỗng:
Hình a: chất kết dính xi măng nhiều, Hình b: giảm dần hàm lượng xi măng , lỗ rỗng tăng.
Hình 3.3. Hàm lượng chất kết dính xi măng trong bê tông rỗng[5].
-Gia tăng lượng chất kết dính xi măng: vật liệu phải thấm qua lỗ rỗng giữa cốt liệu không thể lấp đầy chất kết dính xi măng, sử dụng cốt liệu có kích cỡ nhỏ hơn có thể gia tăng hàm lượng cốt liệu trên 1 đơn vị bê tông, vì cốt liệu tăng nên bề mặt cốt liệu và phạm vi liên kết tăng, kết quả là làm tăng cường độ bê tông
-Tăng cường cường độ của chất kết dính xi măng: Bởi vì độ đông cứng của chất kết dính xi măng thì mỏng nên cường độ của chất kết dính xi măng thì thấp, có thể sử dụng phụ gia: Khoáng chất và chất hữu cơ nguyên chất để làm tăng cường độ của chất kết dính xi măng . [10]