CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC
2.2. Cấu trúc của bê tông cường độ cao [7]
Bê tông là một vật liệu không đồng nhất, trong cấu trúc của bê tông có ba cấp cấu trúc như sau:
16 - Cấu trúc vĩ mô (macro): là cấu trúc có tỷ lệ lớn, từ ứng xử cơ học để suy ra cường độ của vật liệu. Bê tông được xem là hệ 3 pha: cốt liệu, hồ xi măng và cấu trúc vùng chuyển tiếp.
- Cấu trúc Meso: là tỷ lệ milimét, trong đó phân biệt các hạt xi măng và hạt cốt liệu. Khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) có thể thấy các khuyết tật của cấu trúc là các vết nứt và các vùng bị phá hủy.
- Cấu trúc vi mô (micro): là tỷ lệ 1/100 mm để quan sát các hydrat (CH Sulfo - aluminat, CSH, CH,), các hạt xi măng chưa được thủy hóa, các vết nứt vi mô, vùng chuyển tiếp giữa xi măng và cốt liệu, sự thay đổi của các hydrat trong môi trường xâm thực, ăn mòn (etrigit, phản ứng kiềm cốt liệu).
2.2.1 Cấu trúc của hồ xi măng
Để tăng cường cấu trúc đặc chắc của bê tông đầu tiên cải tiến cấu trúc của vữa xi măng. Cấu trúc vữa xi măng có thể được tăng cường bằng cách làm đặc vữa xi măng, giảm lượng nước trên xi măng bằng cách giảm phụ gia siêu dẻo và cùng các biện pháp công nghệ như rung, ép khi thi công.
Lỗ rỗng cấu trúc của hồ xi măng và ảnh hưởng rất lớn tới tính bền của đá xi măng và bê tông. Các lỗ rỗng tồn tại dưới hai dạng: lỗ rỗng mao dẫn và lỗ rỗng giữa các hạt xi măng. Lỗ rỗng mao dẫn tạo ra do lượng nước dư thừa để lại trong vữa xi măng, để hạn chế các lỗ rỗng này trong bê tông thì việc giảm tỷ lệ N/X là một vấn đề quan trọng.
Trong bê tông cường độ cao để giảm tỷ lệ N/X thường người ta sử dụng phụ gia siêu dẻo trong bê tông, bê tông cường độ cao có tỷ lệ N/X được hạn chế dưới 0,45.
Ngoài ra, để giảm các lỗ rỗng người ta sử dụng một sản phẩm siêu mịn (muội silic, tro bay) được bổ sung vào thành phần của bê tông cường độ cao. Các hạt phụ gia hoạt tính siêu mịn này sẽ lấp đầy lỗ rỗng mà hạt xi măng không lọt vào được. Đồng thời các hạt này cũng phản ứng với Ca(OH)2 trong xi măng để tạo thành khoáng C-S-H bền vững.
Dưới đây xin trình bày một số phương pháp làm đặc chắc hồ xi măng:
Sử dụng phụ gia siêu dẻo làm giảm tỉ lệ N/X
Làm giảm tỷ lệ N/X nhờ phụ gia siêu dẻo, qua đó làm đặc vữa xi măng, làm cho cấu trúc đặc biệt hơn vữa xi măng thông thường. Khi sử dụng lượng nước quá thấp sẽ khó tạo ra độ dẻo đủ cho vữa xi măng. Do vậy cần sử dụng phụ gia siêu dẻo để tăng tính công tác cho bê tông. Khi tỷ lệ N/X nhỏ cấu trúc của hồ xi măng này sẽ có độ rỗng nhỏ
17 hơn và lượng nước thừa ít hơn. Qua đó, khả năng tách nước khi rắn chắc là thấp (không tách nước trên mặt bê tông).
Phụ gia siêu dẻo gốc naphtalene sulphonate, mêlamine, lignosulphonate hoặc lolycarboxylate sử dụng để phân bố tốt hơn các hạt cốt liệu cho phép giảm nước đến 30% và tỉ lệ N/X = 0,21. Phụ gia siêu dẻo là chất hoạt động bê mặt. Vì vậy, khi cho vào nước chúng sẽ làm giảm sức căng bề mặt của dung dịch. Nồng độ phụ gia siêu dẻo càng cao, thì sức căng bề mặt bề mặt càng giảm. Khi sử dụng phụ gia siêu dẻo vào hỗn hợp bê tông, các phần tử của phụ gia siêu dẻo bám lên các bề mặt pha rắn (hạt xi măng, phụ gia khoáng, cát, đá, và các sản phẩm thủy hóa của xi măng) và nằm trên bề mặt phân chia giữa pha rắn và pha lỏng, làm giảm sức căng bề mặt của nước bao quanh pha rắn và làm cho chiều dày của màng nước giảm đi.
Ngoài ra, cơ chế phân tán các hạt xi măng của phụ gia siêu dẻo dựa trên lực đẩy tĩnh điện làm cho các hạt xi măng tách rời nhau. Nếu không có phụ gia siêu dẻo, thì có hiện tượng các hạt xi măng tích tụ lại và giữ nước bên trong. Nhưng khi các hạt xi măng bị phân tán, nước thoát ra và làm tăng độ dẻo của hỗn hợp bê tông.
Sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn
Phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn có kích thước hạt rất mịn, bổ sung vào thành phần hạt mịn của xi măng làm cho các dải cỡ hạt liên tục trong bê tông. Trước hết, muội silic đóng vai trò vật lý, là các hạt mịn. Các hạt siêu mịn xen kẽ giữa các hạt xi măng (xem hình 2.1), làm giảm các lỗ rỗng trong cấu trúc đá xi măng. Khi đó cấu trúc của đá xi măng sẽ đặc chắc hơn, đặc biệt là vùng chuyển tiếp giữa hồ xi măng và cốt liệu được cải thiện góp phần làm tăng cường độ cho bê tông.
Trong quá trình thủy hoá, muội silic có hàm lượng SiO2 hoạt tính lớn và sau một thời gian dài nó sẽ phản ứng với Ca(OH)2 sinh ra từ các phản ứng thủy hóa các thành phần khoáng xong xi măng, để tạo thành một silicát thủy hoá C-S-H có độ rỗng nhỏ hơn là C-S-H của xi măng poóc lăng và có cấu trúc vô định hình. Phản ứng này đã biến Ca(OH)2 là thành phần dễ hòa tan và dễ bị ăn mòn thành C-S-H bền vững và có cường độ cùng với khả năng bám dính tốt với cốt liệu.
18 Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống hạt xi măng - Hạt siêu mịn [7]
Sử dụng phương pháp ép và rung động
Trong hỗn hợp bê tông dưới tác dụng của lực rung ép sẽ loại bỏ các bọt khí tạo ra khi trộn. Để tăng cường độ của bê tông người ta sử dụng phương pháp dưỡng hộ trong điều kiện nhiệt độ và áp xuất cao. Khi đó lỗ rỗng trong hồ xi măng chỉ còn 2%. Phần lớn các hyđrát được chuyển thành là gen. Các sản phẩm hyđrát của xi măng và các hạt clinke đồng thời tạo ra cường độ cao cho vữa đông cứng.
2.2.2. Cấu trúc của cốt liệu bê tông cường độ cao [7]
Cốt liệu đóng một vài trò quan trọng trong bê tông, nó làm khung chịu lục cho bê tông.
Cường độ bê tông phụ thuộc vào cường độ cốt liệu, tính chất (diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu) và cường độ liên kết giữa các hạt. Cốt liệu có thành phần hạt tối ưu góp phần làm tăng độ đặc chắc của bê tông, làm giảm các lỗ rỗng trong bê tông và tăng diện tích tiếp xúc giữa các hạt cột liệu (các hạt xung quanh một hạt và giữa các hạt với nhau).
Trong bê tông cường độ cao nên sử dụng cốt liệu có cường độ cao và cho các tính năng cơ lý tốt và ổn định. Cấp phối hạt của đá cần phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Đường kính lớn nhất của đá, kích thước đá, ảnh hưỡng đến chất lượng, độ đồng nhất của hỗn hợp bê tông và bê tông.
2.2.3. Cấu trúc vùng chuyển tiếp hồ xi măng - cốt liệu [7]
Trong bê tông cường độ cao vùng tiếp xúc giữa hồ xi măng và cốt liệu có ý nghĩa quan trọng với bê tông cường độ cao. Cấu trúc thông thường của bê tông gồm ba vùng: cấu trúc cốt liệu, cấu trúc hồ xi măng và cấu trúc vùng tiếp xúc hồ xi măng - cốt liệu. Vùng
19 tiếp xúc giữa hồ xi măng và cốt liệu trong bê tông được gọi là “vùng chuyển tiếp”, vùng này có cấu trúc kết tinh, rỗng và có vết nứt. Tại vùng chuyển tiếp có chứa các hạt xi măng chưa thủy hoá và các hạt CaO tự do. Liên kết tại vùng chuyến tiếp gồm các sợi silicats và các tấm Ca(OH)2 rất yếu và tách ra dễ dàng.
Vùng liên kết giữa hồ xi măng và cốt liệu có độ rỗng lớn và có thể được cải thiện nhờ phụ gia khoáng hoạt tính. Khi sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính với thành phần chủ yếu là SiO2, tại vùng chuyển tiếp các vết nứt giảm rõ ràng. Tại vùng chuyển tiếp có cấu trúc C-S-H vô định hình và tinh thể Ca(OH)2 định hướng trên các hạt cứng. Bê tông cường độ cao có vùng chuyển tiếp đặc chắc, đồng nhất và gần như không có các vết nứt trên bề mặt.
Khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) thấy rằng bê tông cường độ cao có cấu trúc đặc chắc, vùng chuyển tiếp gồm các hạt xi măng đã thủy hóa và các hạt xi măng chưa được thủy hóa do thiếu nước. Ngoài ra, vùng chuyển tiếp của bê tông cường độ cao rất ít rỗng và không thấy các tinh thể vôi tích tụ.
Từ các nhận định trên cho tổng hợp được về cấu trúc của bê tông cường độ cao bằng cách tăng cường liên kết vùng chuyền bề mặt như sau như sau:
- Tỉ lệ phần hồ xi măng trong bê tông giảm đi, các hạt chưa được thủy hoá sẽ được khi được bổ sung một lượng nước từ cốt liệu bão hòa nước.
- Khi bề mặt hạt cốt liệu càng nhám ráp, thì diện tích tiếp xúc giữa cốt liệu và hồ xi măng sẽ tăng qua đó là tăng liên kết vùng chuyển tiếp. Vùng chuyển tiếp giữa hồ xi măng - cốt liệu đã được cải thiện, từ đó mất đi một vùng thường yếu về cơ học trong bê tông. Do đó, cường độ bê tông tăng lên, vết nứt của bê tông khi phá hoại sẽ đi qua các hạt cốt liệu.
- Khi sử dụng các hạt cốt liệu ngầm nước, bê tông được dưỡng hộ nội sinh, các hạt xi măng chưa được thủy hóa tại vùng chuyển tiếp sẽ tiếp tục được thủy hóa.
Qua đó, làm tăng lực dính giữa cốt liệu và hồ xi măng, cải tiến cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi cho bê tông cường độ cao.