7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.2.3 Phương pháp thiết kế thành phần bê tông
- Phương pháp thiết kế thành phần bê tông: Xuất phát từ yêu cầu về tính công tác và cường độ nén >100 MPa của VHSC, luận án sử dụng phương pháp thiết kế CPBT dựa trên cơ sở tối ưu hóa thành phần hạt. Sơ đồ quy trình thiết kế CPBT được trình bày trong Hình 3.4
- Phương pháp tính toán thành phần bê tông cường độ rất cao: Việc tính toán thành phần bê tông thường tuân thủ theo nguyên tắc thể tích tuyệt đối. Theo nguyên tắc thể tích tuyệt đối, thể tích của 1 m3 bê tông đã lèn chặt coi như là tổng thể tích của nước, xi măng, SF, FA, cát, đá, PGSD và thể tích không khí cuốn vào bê tông
XM
+
SF
ρ ρ
XM SF
XM, SF, FA, C, Đ, N, SD: lần lượt là khối lượng (kg) của, XM, SF, FA, cát, đá, nước, PGSD trong 1 m3 bê tông.
ρXM,ρSF ,ρFA,ρC,ρĐ, ρN, ρSD: tương ứng là khối lượng riêng của XM, SF, FA, cát,đá, nước, PGSD (kg/lít).
ε: trong BT hàm lượng bọt khí.
- Phương pháp tối ưu thành phần bê tông: Để tối ưu hóa thành phần vật liệu của VHSC luận án sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm [7]
Có thể tóm tắt quy trình thiết kế và tối ưu hóa thành phần bê tông VHSC theo các bước như sau:
- Từ các vật liệu đầu vào: Xi măng, SF, FA, Cát, đá, nước và PGSD luận án lựa chọn hàm lượng PGK SF và FA sử dụng bằng phương pháp khảo sát hàm lượng PGK sao cho cường độ và tính công tác CKD là tốt nhất. Kết quả của bước này cho hàm lượng PGK sử dụng là 10%SF, 20%FA và 70%XM
- Thiết kế thành phần hạt cho bê tông: Mục đích tìm ra tỷ lệ phối hợp 3 cấp cỡ hạt CKD, Cát, Đá để đạt được độ lèn chặt lớn nhất theo mô hình thành phần hạt đã lựa chọn. Kết quả bước này cho tỷ lệ CKD: Cát: Đá= 24,8: 35,9: 39,3%
- Dựa trên tỷ lệ bước 2 luận án tính toán các tỷ lệ CKD/CL, C/CL. Trên cơ sở lựa chọn tỷ lệ N/CKD luận án sẽ tính toán được CP sơ bộ bê tông VHSC.
- Kiểm tra cấp phối sơ bộ bê tông VHSC
- Dựa trên yêu cầu và cường độ sẽ hiệu chỉnh bê tông VHSC đạt 100 MPa và đạt được tính công tác luận án sẽ đưa ra được CPBT VHSC
- Trên cấp phối bê tông luận án sử dụng công cụ toán quy hoạch thực nghiệm để tối ưu hóa thành phần bê tông.
Trình tự các bước để thiết kế thành phần bê tông và tối ưu hóa được trình bày hình 3.4
VẬT LIỆU ĐẦU VÀO (Xi măng, SF, FA, Cát, Đá, nước, CẤP PHỐI BÊ TÔNG TỐI ƯU PGSD)
(
3.2.4.1 Phương pháp Goldman và Bentur
Phương pháp định lượng vai trò của phụ gia khoáng được tính toán theo phương pháp Goldman và Bentur [50, 52, 53] trong đó vai trò cải thiện tính chất của PGK được coi là hiệu ứng tổng của PGK. Hiệu ứng vật lý của PGK được đánh giá thông qua hiệu ứng của chất trơ thay thế cùng một hàm lượng với PGK trong bê tông (Hình 3.5). Có thể định lượng vai trò hiệu ứng vật lý và hóa học như sau:
PGK hoạt tính (A) bất kỳ với mức độ thay thế x % XM. Khi đó hiệu quả của PGK trong việc cải thiện cường độ của bê tông là a (MPa). Một chất trơ (B) cũng thay thế hàm lượng tương tự x %XM. Khi đó cường độ của bê tông có chứa chất trơ là b (MPa). Cường độ nén của bê tông 100%XM là c (MPa). Khi đó nếu
Hình 3.5 Hiệu ứng vật lý và hóa học theo Goldman và Bentur
Gọi hiệu ứng tổng (total effect) bao gồm hiệu ứng vật lý và hóa học của PGK ký hiệu là TE. Hiệu ứng vật lý hay điền đầy (filler effect) ký hiệu FE. Hiệu ứng hóa học puzơlanic của PGK ký hiệu PE. Khi đó có thể định lượng các hiệu ứng như sau:
TE= a-c (MPa) FE=b-c (MPa) PE=a-b (MPa) (3.2)
Tuy nhiên phương pháp này tồn tại nhược điểm đó là khi cường độ của PGK thấp hơn cường độ của XM thì khi đó gây ra hiệu ứng âm. Vì vậy phương pháp này chỉ đánh giá được biểu hiện tăng cường độ bên ngoài và không đánh giá được bản chất tăng cường độ bên trong của PGK vì vậy nên đánh giá mức độ đóng góp cường độ của PGK thông qua sự cải thiện cường độ trên 1 đơn vị phần trăm xi măng ( hay còn gọi là cường độ đặc trưng)
3.2.4.2 Hiệu quả cải thiện cường độ PGK theo 100%CKD
Từ công thức 3.2 có thể tính toán hiệu quả cải thiện cường độ trực tiếp của PGK theo 100%CKD như sau:
=
a − c
100%
3.2.4.3 Hiệu quả cải thiện cường độ của PGK theo 1%XM (Phương pháp Pu Xincheng [132])
Theo Xincheng [132] PGK đóng góp vào sự cải thiện cường độ thông qua phản ứng puzơlanic. Do đó cường độ bê tông có chứa PGK bao gồm cường độ của đá xi măng và cường độ đóng góp bởi hiệu ứng puzơlanic của phụ gia. Do sự thay đổi hàm lượng PGK có thể ảnh hưởng đáng kể đến giá trị tuyệt đối cường độ nén của bê tông. Vì vậy sự đóng góp của 1 đơn vị xi măng (1% hàm lượng XM) tới cường độ của bê tông
là quan trọng. Tác giả gọi đó là cường độ đặc trưng của xi măng trong bê tông. Cường độ đặc trưng của bê tông (specific strength of concrete) có PGK (Rsa) được tính toán:
= R
Rsa là cường độ đặc trưng của bê tông có PGK
R a
sa
q
Ra là cường độ của bê tông có PGK
0
qo là hàm lượng xi măng có trong bê tông, %.
Đối với bê tông không có PGK cường độ đặc trưng được tính như sau :
= R
Rsc là cường độ đặc trưng của bê tông
R c
sc 100
Rc là cường độ của bê tông mẫu 100%XM Nếu gọi Rsp là cường độ đặc trưng của PGK trên 1%XM, khi đó Rsp
được tính theo công thức: Rsp = Rsa- Rc
Trong đó : Rsp là cường độ đặc trưng của PGK trên 1%XM
Rsa là cường độ đặc trưng của bê tông có PGK Rsc là cường độ đặc trưng của bê tông
Mức độ đóng góp cường độ của PGK trên 1% XM= của PGK tính theo công thức:
Tuy nhiên phương pháp này tồn tại nhược điểm đó là không phân biệt hiệu ứng tăng cường độ là vật lý hay hóa học. Vì vậy để đánh giá vai trò vật lý và hóa học của PGK luận án sử dụng kết hợp cả hai phương pháp trên. Sự cải thiện cường độ của PGK sẽ được đánh giá khi so sánh với mẫu 100%XM và được đánh giá trên 1%XM.
3.2.5 Phương pháp xác định định lượng hiệu ứng tương hỗ của tổ hợp PGK Hiệu ứng tương hỗ được định lượng theo Isaia [61, 62] có thể tính toán được hiệu ứng tương hỗ của một tính chất bất kỳ của bê tông dựa vào kết quả thực nghiệm nghiên cứu. Ví dụ trong hỗn hợp hệ 3 cấu tử FA và SF/RHA, chỉ số hiệu ứng tương hỗ được tính theo công thức: SE = P(FA + poz) - (PFA + Ppoz)
SE: là giá trị hiệu ứng tương hỗ của tổ hợp PGK ( có thể là cường độ, độ bền….) % P(FA + poz) là tính chất của bê tông với hệ hỗn hợp PGK (hệ tổ hợp 2 PGK)
PFA, Ppoz là trị số ứng với hiệu ứng bê tông có chứa FA, SF hoặc RHA
Trong đó Ip, Ir là mức độ tăng các tính chất của mẫu chứa PGK so với 100XM
4 Chương 4 VAI TRÒ CỦA PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME VÀ TRO BAY TRONG HỆ CHẤT KẾT DÍNH
Để đánh giá được vai trò của PGK SF và FA trong CKD luận án nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng PGK SF và FA đến các tính chất cơ bản của CKD qua đó lựa chọn hàm lượng PGK hợp lý trong chế tạo VHSC. Trên cơ sở lựa chọn hàm lượng PGK hợp lý, luận án nghiên cứu đánh giá hiệu quả tương hỗ của tổ hợp PGK SF và FA trong việc cải thiện cường độ CKD và ảnh hưởng của PGK tại hàm lượng hợp lý đến quá trình thủy hóa, vi cấu trúc đá CKD.
4.1 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG PGK ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA CHẤT KẾT DÍNH
Luận án đánh giá ảnh hưởng của đơn PGK SF, FA và sự kết hợp SF và FA đến tính chất của CKD bao gồm: tính công tác và cường độ. Hàm lượng đơn khoáng SF=5÷15%CKD, FA=10÷40%CKD. Tổ hợp PGK gồm 10%SF kết hợp với FA=10÷50% và 20%FA kết hợp với SF=5÷15%, tỷ lệ N/CKD=0,22-0,18. Tính công tác của CKD được đánh giá thông qua độ chảy xác định bằng côn nhỏ tiêu chuẩn và độ nhớt tức thời của hồ CKD ở cùng một hàm lượng PGSD=1%. Tỷ lệ các thành phần vật liệu trong CKD và kết quả ảnh hưởng hàm lượng PGK đến tính công tác hồ CKD được trình bày ở Bảng 4.1
Bảng 4.1 Ảnh hưởng hàm lượng PGK đến tính chất hồ CKD
Ký hiệu mẫu
5SF 10SF 15SF 10FA 20FA 30FA 40FA 10SF10FA 10SF20FA 10SF30FA
10SF40FA 10SF50FA 5SF20FA 15SF20FA
4.1.1 Ảnh hưởng của phụ gia khoáng SF và FA tới tính công tác của hồ CKD Kết quả ảnh hưởng hàm lượng PGK đến các tính chất của hồ CKD được trình bày trong Hình 4.1
Độ nhớt N/CKD=0,22
mPa.snhớt,Độ 100XM5SF10SF
Hỗn hợp hồ CKD
Hình 4.1 Ảnh hưởng của loại và hàm lượng PGK đến tính công tác hồ CKD 4.1.1.1 Ảnh hưởng của SF tới tính công tác hồ CKD
Kết quả của hàm lượng SF đến tính công tác hồ CKD được thể hiện trên Hình 4.1 cho thấy : Khi sử dụng SF thay thế xi măng 5÷10% thì tính công tác của hồ CKD được cải thiện thể hiện thông qua độ chảy tăng lên và độ nhớt hồ CKD giảm. Tiếp tục tăng hàm lượng SF =15% thì độ chảy hồ CKD giảm xuống và độ nhớt của hồ CKD tăng lên. Sự cải thiện tính công tác CKD khi có mặt SF là do vai trò vật lý của các hạt SF. Các hạt SF cú dạng hỡnh cầu (SEM) với kớch thước hạt siờu mịn 0,15àm đó điền đầy vào khoảng trống giữa các hạt xi măng giúp các hạt trượt lên nhau làm giảm nội ma sát giữa các thành phần trong CKD, do đó cải thiện được tính công tác của CKD. Ngoài ra Bache [24] cho rằng đối với hồ CKD sử dụng PGSD và có tỷ lệ N/CKD thấp trong quá trình trộn thì hồ xi măng dễ bị vón tụ, khi đó các hạt SF siêu mịn sẽ chiếm chỗ của lượng nước nằm giữa các hạt xi măng vón tụ, làm tăng lượng nước tự do trong hồ và do
[113] và tạo nên một lớp phân tử hoạt động bề mặt làm tăng lực đẩy tĩnh điện giữa các các hạt cũng làm giảm tính vón tụ và cải thiện tính công tác của CKD. Tuy vậy, khi tăng hàm lượng SF>10% do tỷ diện của SF rất lớn (29.900 cm2/g), lớn hơn rất nhiều so với xi măng nên cần một lượng nước rất lớn để thấm ướt bề mặt và hiệu ứng này không thể bù đắp lại được các hiệu ứng có lợi của SF. Điều này thấy rõ khi hàm lượng SF tăng lên từ 15% thì độ chảy giảm. Kết quả này phù hợp với nghiên cứu khác [8,
120] khi sử dụng SF với hàm lượng SF=20, 30% thì độ chảy giảm mạnh.
4.1.1.2 Ảnh hưởng của FA tới tính công tác hồ CKD
Kết quả thí nghiệm Hình 4.1 cho thấy khi hàm lượng FA thay thế XM thì góp phần làm giảm độ nhớt và tăng độ chảy của hồ CKD. Điều này được giải thích thông qua hiệu ứng hình dạng hạt hình cầu của FA tương tự SF làm giảm nội ma sát giữa các hạt xi măng góp phần cải thiện tính công tác của hồ CKD. Tuy nhiên kết quả nghiên cứu cho thấy tại tỷ lệ N/CKD thấp chỉ có thể thay thế FA đến 40%CKD bởi vì khi hàm lượng FA thay thế lớn hơn hồ CKD xảy ra hiện tượng tách nước, đây cũng chính là nhược điểm của việc sử dụng đơn khoáng FA trong chế tạo VHSC.
4.1.1.3 Ảnh hưởng của tổ hợp phụ gia khoáng SF- FA tới tính công tác hồ CKD Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng tổ hợp SF và FA đến tính công tác hồ CKD được thể hiện ở Hình 4.1. Khi cố định lượng sử dụng SF = 10% và thay đổi lượng dùng FA từ 10% tới 50% thì độ nhớt hồ giảm và độ chảy tăng lên. Sự kết hợp giữa SF và FA có thể thay thế FA đến 50% mà hồ CKD không có hiện tượng phân tầng, tách nước, điều này rất có ý nghĩa trong việc chế tạo hỗn hợp bê tông có hàm lượng tro bay cao tại tỷ lệ N/CKD thấp. Hiệu quả cải thiện tính công tác của SF kết hợp FA được giải thích do các PGK đều có dạng hình cầu nên làm giảm nội ma sát giữa các hạt. Hơn nữa, kích thước của các hạt SF nhỏ hơn rất nhiều so với của FA, kích thước của FA lại nhỏ hơn XM do vậy môt phần hạt SF làm tăng khả năng phân tán của FA cũng như XM, làm giảm khả năng vón tụ của XM trong quá trình trộn và tách một phần lượng nước tự do trong hồ xi măng vón tụ qua đó cải thiện được tính công tác của CKD.
Khi cố định FA=20% thì tính công tác của CKD thay đổi theo hàm lượng SF sử dụng.
SF=5÷10% thì độ chảy tăng lên và độ nhớt giảm xuống. Khi SF=15% thì độ chảy
giảm và độ nhớt lại tăng lên. Sự khác biệt này được giải thích do vai trò đơn khoáng của SF : với hàm lượng thấp SF ≤10% thì SF tăng khả năng phân tán của các hạt XM và FA dẫn đến độ chảy tăng và giảm độ nhớt, với hàm lượng SF=15% thì cần lượng nước thấm ướt bề mặt hạt lớn hơn kéo theo độ nhớt tăng lên và độ chảy giảm xuống.
4.1.2 Ảnh hưởng của PGK SF và FA tới cường độ của CKD
Luận án đánh giá ảnh hưởng hàm lượng đơn PGK và tổ hợp PGK đến cường độ nén đá CKD tại tỷ lệ N/CKD=0,22 hàm lượng PGSD được lấy sao cho độ chảy hồ CKD
ở tất cả các mẫu trong khoảng từ 220-250 mm. Kết quả ảnh hưởng hàm lượng PGK đến cường độ CKD tại tỷ lệ N/CKD=0,22 được trình bày trong Bảng 4.2
Bảng 4.2 Ảnh hưởng PGK đến cường độ đá CKD tại tỷ lệ N/CKD=0,22
STT Ký hiệu mẫu
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
4.1.2.1 Ảnh hưởng của PGK SF tới cường độ nén CKD
Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng PGK SF tới cường độ nén CKD được xác định ở tuổi 3, 28 và 90 ngày được thể hiện trong Hình 4.2. Ở tuổi sớm 3 ngày cường độ nén đá CKD thay đổi theo hàm lượng SF. Sự có mặt của SF góp phần tăng cường độ đá CKD, cụ thể so với mẫu 100XM ở các hàm lượng SF=5-15% góp phần tăng cường độ tương ứng là 36,4% ; 53,8% và 29,1%. Ở tuổi 28 ngày và 90 ngày mức độ tăng
100
Cường độ nén,Mpa
80
60 40 20
Hình 4.2 Ảnh hưởng hàm lượng SF đến Hình 4.3 Ảnh hưởng SF đến mức độ cường độ CKD tại N/CKD=0,22 tăng cường độ CKD tại N/CKD=0,22 Mức độ tăng cường độ này do hoạt tính cao của PGK tăng phản ứng puzơlanic của SF ở tuổi sớm ngày. Điều này thể hiện rất rõ khi đánh giá hiệu quả cường độ của 1%XM trong CKD (Hình 4.3) rõ ràng với việc sử dụng SF cho mức độ tăng cường độ lớn hơn 100XM ở tất cả các hàm lượng.
Kết quả thí nghiệm cho thấy tồn tại hàm lượng SF=10% hợp lý cho cường độ nén đạt lớn nhất tăng (53,8% so mới mẫu 100XM ở 28 ngày). Khi tăng lượng dùng SF= 15%
thì cường độ CKD giảm dần. Sự giảm cường độ tại hàm lượng này được giải thích hiện tượng dư thừa lượng PGK và SF chỉ đóng vai trò điền đầy. Có thể thấy rõ mức độ đóng góp cường độ CKD của SF ở các hàm lượng khác nhau được thể hiện trong Hình 4.4. Mức độ cải thiện cường độ của SF lớn nhất đạt 41,5% tại hàm lượng SF=10% ở tuổi 3 ngày so với SF=5% và 15% tương ứng chỉ đạt 30,4% và 38,9%.
Mức độ đóng góp cường độ
100
%CKD,của
3
Hình 4.4 Ảnh hưởng hàm lượng SF đến mức độ đóng góp cường độ CKD tại N/CKD=0,22
Như vậy thông qua khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng đơn khoáng SF trong luận án
này hàm lượng SF tốt nhất lấy bằng 10%CKD.
4.1.2.2 Ảnh hưởng của PGK FA tới cường độ nén CKD
Kết quả ảnh hưởng hàm lượng PGK tro bay tới cường độ nén CKD được thể hiện trong Hình 4.5. Kết quả thí nghiệm cho thấy ở tuổi sớm 3 ngày khi thay thế XM bằng FA cường độ nén của CKD giảm ở tất cả các hàm lượng FA thay thế. Sự giảm mạnh nhất tại hàm lượng FA=40% giảm 27,6% so với mẫu 100XM. Sự giảm cường độ là do phần xi măng bị thay thế bởi FA dẫn đến lượng XM tham gia thủy hóa ít khi đối chiếu với mẫu 100XM. Tuy nhiên khi đánh giá hiệu quả ở cùng một hàm lượng 1%XM (Hình 4.6) cho thấy tính theo 1%XM của mẫu 10FA và 20FA lại cho cường độ cao hơn so với mẫu 100XM điều này chứng tỏ tại các hàm lượng này FA đóng vai trò điền đầy tốt vào khoảng trống giữa các hạt xi măng do kích thước hạt tro bay nhỏ hơn xi măng dẫn đến cường độ tăng.
nén, MpaCường độ
Tính theo %CKD Tính theo 1%XM