Chế tạo bê tông chất lượng với phụ gia khoáng hoạt tính tro trấu và tro bay

Chế tạo bê tông chất lượng với phụ gia khoáng hoạt tính tro trấu và tro bay Bài viết này sẽ giới thiệu nghiên cứu của nhóm các nhà khoa học thuộc Khoa Vật liệu xây dựng, Đại học Xây dựng về sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính tro trấu và tro bay ở Việt Nam trong chế tạo bê tông chất lượng siêu cao. 1. Tổng quan về bê tông chất lượng siêu cao Bê tông chất lượng siêu cao (BTCLSC) là loại bê tông có độ chảy cao, cường độ nén rất cao (thường lớn hơn 150 MPa), cường độ uốn lớn (khi sử dụng cốt sợi), độ thấm thấp và độ bền cao. Sự ra đời của bê tông chất lượng siêu cao đã đánh dấu một bước ngoặt trong công nghệ bê tông với các tính chất đặc biệt về cường độ, độ bền, và độ ổn định thể tích. Các nghiên cứu bán máy mài sàn bê tông phát triển và ứng dụng loại bê tông này được bắt đầu từ năm 1980 của thế kỷ 20 và kể từ đó loại bê tông này đã được áp dụng ở một số nước phát triển như dùng cho các cấu kiện đúc sẵn, dùng để chế tạo các dầm cầu đúc sẵn, các tấm lát mặt cầu, chế tạo các silo.., hoặc dùng tại chỗ để sửa chữa các kết cấu đã bị hỏng, dùng cho các cột chịu tải trọng lớn, dùng cho các bể chứa phế thải hạt nhân... Vật liệu để chế tạo BTCLSC thông thường bao gồm cát quắc với kích thước khoảng 100-600µm, xi măng, silica fume, nước và phụ gia siêu dẻo. Tuy nhiên, xét theo khía cạnh nguyên vật liệu cấu thành thì loại bê tông này có nhược điểm cơ bản đó là khi chế tạo cần phải sử dụng một lượng lớn silica fume, đây là một sản phẩm có giá thành giá máy mài sàn bê tông cao. Điều này đã hạn chế việc sử dụng silica fume trong chế tạo BTCLSC đồng thời cũng là động lực cho việc tìm kiếm vật liệu với tính năng tương tự silica fume để thay thế loại vật liệu này. Trong số phụ gia khoáng dùng cho bê tông thì tro trấu được đánh giá là phù hợp để thay thế silica fume trong BTCLSC. 2. Vật liệu chế tạo và phương pháp nghiên cứu 2.1. Vật liệu chế tạo Vật liệu được dùng trong nghiên cứu bao gồm xi măng Pooclăng PC40, với đường kính hạt trung bình khoảng 11.4μm. Tro trấu (RHA) có đường kính hạt trung bình khoảng 7.9μm. Cốt liệu sử dụng là cát quắc có đườngkính cỡ hạt lớn nhất là 600μm. Tro bay (FA) sử dụng trong nghiên cứu có đường kính cỡ hạt trung bình khoảng 5.83µm. Phụ gia siêu dẻo (PGSD) sử dụng có gốc polycarboxylate. 2.2. Phương pháp thực nghiệm Tính công tác của hỗn hợp bê tông được xác định thông qua giá trị đường kính trung bình của độ chảy loang theo tiêu chuẩn BS 4551-1:1998. Trong nghiên cứu này giá trị đường kính trung bình độ chảy loang của hỗn hợp bê tông được điều chỉnh nằm trong khoảng 210-230mm. 3. Thiết kế thành phần và quy trình thí nghiệm bê tông chất lượng siêu cao 3.1. Thiết kế thành phần hạt cốt liệu Tối ưu hóa thành phần hạt là một trong những khâu then chốt của việc thiết kế cấp phối hỗn hợp BTCLSC. Tối ưu hóa hỗn hợp hạt trong nghiên cứu này được tính toán dựa theo phương pháp do de Larrard và Sedran đề xuất,trong đó hệ số nén của hỗn hợp hạt được lựa chọn giá trị là 12.5. Đối với hệ hỗn hợp hạt bốn cấu tử gồm cát - xi măng - RHA- FA, lượng RHA được cố định là 10% khối lượng chất kết dính (CKD); lượng FA sẽ thay thế lượng dùng xi măng tương ứng (từ 0-40%). Khi đó CKD sẽ bao gồm xi măng, RHA và FA. Như vậy, thành phần hạt ở đây được xem xét như là hệ hai cấu tử gồm cát và CKD. 3.2. Cấp phối bê tông chất lượng siêu cao Sau khi thiết kế tối ưu hóa thành phần hạt, đề tài xác định được các tỷ lệ hợp lý của hỗn bê tông. Trên cơ sở phương pháp thể tích tuyệt đối tính toán thành phần bê tông, trong đó tỷ lệ N/CKD lấy cố định là 0.18 đề tài xác định thành phần hỗn hợp cấp phối được sử dụng trong nghiên cứu thể hiện trên bảng 1như sau: 4. Kết quả và bàn luận 4.1. Tính công tác của hỗn hợp bê tông Lượng dùng phụ gia siêu dẻo (PGSD) của hỗn hợp BTCLSC để đạt được giá trị đường kính độ chảy loang trung bình từ 210 - 230 mm được thể hiện ở Hình 4. Qua kết quả ta thấy, khi sử dụng FA thay thế xi măng 10 - 40% thì tính công tác của hỗn hợp bê tông tăng. Sự cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông khi có mặt tro bay có thể giải thích, do các hạt tro bay với hình dạng đặc trưng là các hạt hình cầu, mịn (đường kính hạt trung bình khoảng 7 μm) nên việc sử dụng tro bay sẽ cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông (hiệu ứng ổ bi – Ball bearing effect), làm tăng tính dẻo cho hỗn hợp bê tông, giảm lượng nước nhào trộn. Theo Hawkins cho rằng trong hỗn hợp bê tông có phụ gia siêu dẻo và tỷ lệ N/CKD thấp, các hạt FA siêu mịn chiếm chỗ của lượng nước lẽ ra nằm giữa các hạt xi măng vón tụ, làm tăng lượng nước tự do trong hồ và do đó làm tăng độ lưu động cho hỗn hợp bê tông. 4.2. Ảnh hưởng của lượng dùng tro trấu đến cường độ nén của bê tông chất lượng siêu cao Ảnh hưởng của hàm lượng tro trấu tới sự phát triển cường độ nén của bê tông theo thời gian thể hiện ở Hình 5. Ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn (t = 27±2oC), khi tăng hàm lượng tro trấu từ 10% đến 30% thì cường độ nén của bê tông có xu hướng giảm, tuy nhiên vẫn cao hơn so với mẫu đối chứng. Sự phát triển cường độ ở tuổi 28 ngày khá lớn, ở tuổi về sau tốc độ phát triển cường độ chậm dần, đặc biệt là ở tuổi 90 ngày, kết quả này cao hơn đáng kể so với mẫu không sử dụng phụ gia khoáng mịn. Với các mẫu được dưỡng hộ trong điều kiện nhiệt ẩm (t = 90o±5oC), tốc độ phát triển cường độ ở những ngày đầu tăng, nhưng tốc độ phát triển cường độ ở tuổi dài ngày tăng không nhiều, chẳng hạn cường độ nén ở tuổi 90 ngày tăng không nhiều so với tuổi 28 ngày. Khi hàm lượng tro trấu sử dụng tăng lên từ 10% đến 30% thì cường độ nén của bê tông giảm, tương ứng với các điều kiện dưỡng hộ. 4.3. Ảnh hưởng của sự kết hợp giữa tro trấu và tro bay đến cường độ nén của bê tông chất lượng siêu cao Ảnh hưởng của hàm lượng tro trấu và tro bay đến hàm lượng PGSD sử dụng và cường độ nén của BTCLSC thể hiện ở Hình 4và Hình 6. Qua kết quả thí nghiệm ta thấy khi có sự kết hợp giữa tro trấu và tro bay hỗn hợp bê tông có lượng dùng PGSD ít hơn so với khi dùng đơn phụ gia khoáng tro trấu, đồng thời cường độ nén của bê tông cao hơn khi sử dụng đơn phụ gia khoáng là tro bay với cùng hàm lượng. 4.4. Độ co của bê tông chất lượng siêu cao Từ kết quả có thể thấy rằng việc sử dụng tro trấu và sự kết hợp giữa tro trấu và tro bay đã cải thiện đáng kể độ co ngót của BTCLSC, hiệu quả của quá trình này phụ thuộc vào hàm lượng thay thế, khi lượng tro trấu thay thế tăng thì độ co của BTCLSC giảm, đồng thời sự kết hợp giữa tro trấu và tro bay thì độ co cũng giảm, điều này có thể giải thích là trong BTCLSC tỷ lệ N/CKD thấp và hàm lượng chất kết dính cao, quá trình tự làm khô khi xảy ra phản ứng thủy hóa sẽ làm tăng độ co trong bê tông. Khi bổ sung tro trấu và tro bay trong hỗn hợp BTCLSC do các hạt tro trấu và tro bay có cấu trúc rỗng có khả năng hút một phần nước nhất định trong cấu trúc bê tông, theo thời gian, quá trình thủy hóa xi măng sẽ làm giảm lượng nước trong hỗn hợp đồng thời làm giảm độ ẩm tương đối trong bê tông khi đó lượng nước trong hạt tro trấu và tro bay sẽ được hút ra ngoài bù lại độ ẩm tương đố trong đá xi măng, từ đó sẽ làm giảm độ co ngót trong bê tông. 5. Kết luận Dựa trên các kết quả nghiên cứu đề tài đưa ra một số kết luận như sau: - Hoàn toàn có thể sử dụng tro trấu và tro bay thay thế từng phần xi măng để chế tạo BTCLSC. - Việc sử dụng tro trấu thay thế xi măng sẽ làm tăng cường độ cho BTCLSC. Lượng dùng 10% tro trấu thay thế xi măng là tối ưu để chế tạo BTCLSC, khi đó cường độ nén cao nhất đạt được ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn và dưỡng hộ nhiệt ẩm, tương ứng là 155MPa và 154.4MPa. - Việc sử dụng tro trấu sẽ làm giảm độ co ngót trong bê tông chất lượng siêu cao, tùy thuộc vào hàm lượng thay thế mà hiệu quả của quá trình mua máy mài sàn bê tông này khác nhau. Việc kết hợp giữa tro trấu và tro bay cũng làm giảm độ co ngót của bê tông chất lượng siêu cao.