7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
2.2 CƠ SỞ KHOA HỌC SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG TRONG BÊ TÔNG . 33
2.2.2 Cơ sở khoa học đánh giá vai trò của tác dụng vật lý và hóa học khi sử dụng phụ gia khoáng trong bê tông
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 = 125àm) 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 đến tính công tác của hỗn hợp bê tông và sự rắn 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 C-S-H có cường độ cao làm tăng cường độ cho bê tông..
Trong các nghiên cứu trước đây việc sử dụng PGK tập trung chủ yếu vai trò của PGK ở hiệu ứng hóa học thông qua phản ứng puzơlanic và chưa đề cập nhiều đến vai trò vật lý.
+ Hiệu ứng vật lý: Hiệu ứng này chỉ xảy ra đối với các PGK có kích thước mịn/siêu mịn (hay còn gọi là hiệu ứng vi cốt liệu). Khi kích thước các hạt PGK nhỏ hơn XM, chúng có khả năng lấp đầy khoảng trống giữa các hạt XM, tương tự như các hạt cát lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu thô hay xi măng lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu mịn. Kết quả là hàm lượng pha rắn tăng lên cải thiện các tính chất của bê tông. Hiệu ứng vật lý này còn xảy ra mạnh đối với bê tông HSC/VHSC/UHPC khi tỷ lệ N/CKD thấp. Hiệu ứng này phụ thuộc vào hình dạng hạt, cấu trúc hạt và hàm
lượng PGK sử dụng trong bê tông đặc biệt khi PGK sử dụng là SF.
+ Hiệu ứng hóa học: Hiệu ứng hóa học được đánh giá thông qua các phản ứng puzơlanic giữa PGK và sản phẩm thủy hóa của xi măng theo cơ chế:
Puzơlan + Ca(OH)2+H2O=> C-S-H (Hyđrôsilicat canxi) (2.5) Bên cạnh đó, việc sử dụng đồng thời PGK và PGSD có thể giảm tỷ lệ N/CKD xuống rất thấp. Kết quả là tạo ra sản phẩm có cấu trúc đặc chắc cao, độ rỗng rất nhỏ, tính chất cơ lý rất cao.
Hiệu quả cải thiện cường độ bê tông của PGK có thể giải thích theo
quan điểm của Mehta và Acıtcin: các hạt puzơlan ít phản ứng hơn xi măng póc lăng, khi phân tán vào trong hồ xi măng thúc đẩy quá trình tạo mầm tinh thể 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 đá xi măng cải thiện vi cấu trúc, tăng độ đặc chắc và tăng cường độ cho bê tông. Do đó, việc sử dụng các loại PGK trong bê tông sẽ làm tăng cường độ và độ bền của BT. 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[63]. Nghiên cứu của Roy [105] 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 [33, 41]. Để đánh giá vai trò điền đầy của PGK mịn trong đá xi măng, Goldman và Bentur [51, 52] đã nghiên cứu bằng cách thay thế PGK bởi các chất trơ với hàm lượng tương tự. Tác giả đánh giá ảnh hưởng vai trò điền đầy SF đến cường độ nén của bê tông thông qua bột cacbon (kớch thước hạt 0,025; 0,075; và 0,33àm tại tỷ lệ N/CKD=0,4; 0,46 tỏc giả đưa ra kết luận: Chất độn cacbon trong bê tông có vai trò tương tự như SF bởi cường độ bê tông cao hơn cường độ của đá xi măng, ảnh hưởng này chỉ có khi kích thước hạt <0,073 àm. Những điểm giống nhau trong ảnh hưởng của SF và bột cacbon cho thấy rằng có rất nhiều ảnh hưởng của SF do hiệu quả điền đầy của SF trong bê tông theo cùng một cơ chế trong đó độ đặc vùng tiếp giáp giữa đá xi măng và cốt liệu tăng lên từ đó làm tăng độ đặc chắc và tăng cường độ đá xi măng.
Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu ứng điền đầy của PGK mịn thể hiện lớn hơn so với hiệu ứng hóa học trong BT (Hình 2.4). Tuy nhiên đây chỉ là nghiên cứu trên hệ bê tông thường và cường độ cao, tại tỷ lệ N/CKD lớn >0,3. Vấn đề đặt ra trên
hệ VHSC với cường độ ≥100 MPa,
Hình 2.4 Vai trò của PGK mịn trong BT [52]
tại tỷ lệ N/CKD thấp ≤ 0,3 thì hiệu quả này còn tồn tại không đang cần được xem xét đánh giá. Đây cũng là mục tiêu đặt ra của luận án để từ đó có thể đưa ra các quy luật khoa học đánh giá hiệu quả điền đầy của PGK với các độ mịn khác nhau và với các tỷ lệ N/CKD khác nhau.
Nghiên cứu của Isaia và cộng sự [61-63] khi đánh giá hiệu quả (vật lý và hóa học) của việc sử dụng phụ gia khoáng tro bay, tro trấu và bột đá vôi đến tính chất của bê tông cường độ cao tại các tỷ lệ N/CKD= 0,35; 0,5; 0,65 và hàm lượng PGK thay thế từ 0-50%. Tác giả đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng vật lý và hiệu ứng hóa học trên
1 kg xi măng (MPa/kg xi măng) dựa trên 1 đơn vị nước liên kết và hàm lượng Ca(OH)2. Kết quả nghiên cứu của tác giả cho rằng tồn tại giá trị tối thiểu của hàm lượng Ca(OH)2 và lượng nước liên kết trong 1 đơn vị cường độ nén tính trên 1kg xi măng, trong nghiên cứu để đạt được cường độ 35 MPa ở tuổi 28 ngày: 0,11 MPa/kg, 10,4% lượng nước liên kết, 15,8% hàm lượng Ca(OH)2. Bê tông đạt cường độ 65 MPa ở tuổi 91 ngày tỷ lệ tương ứng là: 0,14 MPa/kg; 9,2% lượng nước liên kết và 15,8% hàm lượng Ca(OH)2.
Nghiên cứu của Berodier và Scrivener [29] đánh giá vai trò điền đầy của các phụ gia khoáng trong quá trình tạo mầm và phát triển tinh thể C-S-H. Vật liệu sử dụng là bột quắc, FA và GGBFS mức độ thay thế từ 20-70%CKD tại các tỷ lệ N/CKD từ 0,35-0,6 khẳng định mức độ tỏa nhiệt ban đầu của xi măng khi có phụ gia khoáng trước 24h chỉ phụ thuộc vào hiệu ứng điền đầy của PGK thay thế.