Ảnh hưởng của độ mịn của bột đá vôi đến một số tính chất của bê tông hạt mịn

14 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª Ảnh hưởng của độ mịn của bột đá vôi đến một số tính chất của bê tông hạt mịn Effect of fineness of limestone powder on some properties of fine concrete Lê Xuân Hậu Tóm tắt Bê tông hạt mịn đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng với một số đặc tính tốt như là cấu trúc hạt nhỏ đồng nhất, chất lượng cao, tính công nghệ cao Tuy nhiên nhược điểm là sử dụng lượng xi măng lớn, lên đến khoảng 700 – 800 kg/m3 và thiếu hụt thành phần hạt mịn. Do đó việc cần thiết là sử dụng cốt liệu mịn, vừa thay thế cho xi măng, lại vừa có thể giúp cải thiện thành phần hạt cho bê tông. Bài báo trình bày ảnh hưởng của độ mịn bột đá vôi đến độ chảy của hỗn hợp bê tông hạt mịn và cường độ bê tông hạt mịn. Từ khóa: bê tông hạt mịn, bột đá vôi, cốt liệu mịn, độ mịn Abstract Fine concrete is increasingly used in construction because of its good characteristics such as homogeneous fine particle structure, high quality, high workability... However there are disadvantages that the cement content is high (about 700 – 800 kg per m3 of concrete) and it has no fine aggregate. Therefore, the use of fine aggregate is necessary because it replaces cement and improves particle size distribution of concrete. This paper presents the effect of fineness of limestone powder on the flow of fresh fine concrete and compressive strength of fine concrete. Keywords: fine concrete, limestone powder, fine aggregate, fineness Ths. Lê Xuân Hậu Khoa Xây dựng Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: lexuanhau1989@gmail.com 1. Giới thiệu Trong những năm gần đây, bê tông (BT) hạt mịn ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn trong xây dựng, ví dụ: BT chống thấm, BT trang trí, BT cách điện, BT dẫn điện Ngoài ra, chúng cũng đã được nghiên cứu để sử dụng trong các công trình nhà cao tầng, các công trình đường cao tốc, mặt đường sân bay [1] hay các công trình biển [2]. Trước kia, loại BT này bị hạn chế áp dụng do một số nhược điểm về cấu trúc và tính chất của nó. Chỉ sử dụng cát làm cốt liệu đã làm tăng đáng kể bề mặt riêng của cốt liệu và độ rỗng của chúng. Để thu được hỗn hợp bê tông (HHBT) có cùng độ lưu động cần tăng đáng kể lượng nước và xi măng (XM) so với BT cốt liệu lớn. Việc sử dụng nhiều XM cũng làm tăng độ co ngót của BT. Ngoài ra nó còn tác động lớn đến chi phí cho loại BT hạt mịn này cũng như là làm tăng chất thải ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên những thay đổi về kỹ thuật và kinh tế là tiền đề làm cho việc sử dụng loại BT hạt mịn này trong xây dựng. Cấu trúc và tính chất của BT được thay đổi đáng kể khi đưa vào một số thành phần như các chất kết dính composite, phụ gia siêu dẻo, các phụ gia khoáng mịn và siêu mịn Việc đưa vào trong BT các loại phụ gia khác nhau đã giúp làm giảm được lượng dùng nước và XM khi chế tạo BT hạt mịn, do đó khắc phục được đáng kể sự co ngót của nó [3]. Sử dụng bột đá vôi (BĐV) làm phụ gia mịn cho BT và XM đã được phổ biến ở nhiều nước phát triển như Mỹ, Canada, Nhật, các nước châu Âu Có nhiều lợi ích khi sử dụng BĐV trong XM và BT là: (1) lợi ích sinh thái, là kết quả việc giảm lượng khí thải CO2 vào khí quyển, (2) lợi ích kinh tế, do giảm lượng clinker, dẫn đến giảm giá XM và (3) lợi ích khoa học công nghệ, cải thiện chất lượng XM và BT. Thêm BĐV tác động tích cực lên tính chất của HHBT do: tăng lượng hồ chất kết dính, hiệu ứng tăng cường tiếp xúc “điểm”, giảm ma sát, tăng độ chảy [4]. BĐV cũng có thể tăng cường độ BT do tác dụng kéo dài cấp phối hạt, tăng độ đặc chắc của BT, cải thiện vùng chuyển tiếp giữa đá XM và cốt liệu (do tăng độ đặc chắc [5] và có hiệu ứng hóa học [6]). Một số ảnh hưởng khác của BĐV cũng làm tăng cường độ XM và BT như: tạo mầm kết tinh [5, 7], thúc đẩy sự thủy hóa ở tuổi sớm của XM, hình thành nhiều hơn ettringit ở tuổi sớm [6, 8]. Nội dung bài báo trình bày một số kết quả về ảnh hưởng của độ mịn bột đá vôi đến độ chảy của HHBT và cường độ BT. 2. Vật liệu - phương pháp nghiên cứu 2.1. Vật liệu chế tạo XM sử dụng trong đề tài được nghiền từ hỗn hợp gồm 96% clinker Bút Sơn và 4% thạch cao. Các tính chất của XM cho trong bảng 1, phù hợp với TCVN 2682:2009. Cát được sử dụng là cát thô, với thành phần hạt và một số tính chất được nêu ở bảng 2, bảng 3 (phù hợp với TCVN 7570:2006). Các tính chất của cát được xác định theo TCVN 7572:2006. BĐV được công ty Nam Trung khai thác từ đồi con Trâu – Tân Xuân – Tân Kỳ – Nghệ An, có thành phần hóa và thành phần hạt như trong bảng 4, bảng 5. Khối lượng riêng của BĐV là 2.73 gam/cm3. Loại BĐV B44, B47 có thành phần hạt tương tự như XM nên có thể sử dụng thay thế một phần XM. BĐV B13, B15, mịn hơn XM, giúp bổ sung thêm thành phần hạt mịn cho BT. Ngoài ra B13, B15 còn có lượng lớn hạt nhỏ hơn 10 µm, là những hạt có hoạt tính hóa học lớn [9]. 2.2. Phương pháp nghiên cứu Độ chảy của HHBT được xác định trên bàn dằn theo TCVN 3121-3:2003. Mẫu xác định cường độ của BT được chế tạo theo quy trình tạo mẫu xác định cường độ xi măng (TCVN 6016:1995) nhưng với các tỷ lệ cấp phối của BT. 2.3. Quy trình thí nghiệm Ban đầu chế tạo các mẫu BT chưa có BĐV, bao gồm XM, cát và nước. Sau đó kiểm tra và lựa chọn mẫu BT gốc có độ chảy cao, không bị phân tầng, tách lớp. Dựa vào kết 15 S¬ 28 - 2017 KHOA H“C & C«NG NGHª quả thu được lựa chọn mẫu BT gốc có tỷ lệ N/X = 0.44, C/X = 1.6. Sau đó đưa lần lượt đưa thêm BĐV B15 và B47 vào mẫu BT gốc với tỷ lệ ĐV/C từ 0% đến 10%. Cấp phối BT cho trong bảng 6. 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận 3.1. Ảnh hưởng của bột đá vôi đến độ chảy của hỗn hợp bê tông Theo hình 1, các mẫu đá vôi ở các độ mịn khác nhau có ảnh hưởng khác nhau tới độ chảy của HHBT. Khi thêm 5% BĐV (M5) chỉ có loại B13 là giữ được độ chảy tương đương với mẫu gốc (M0), còn các loại BĐV khác đều làm giảm độ chảy giảm đáng kể so với mẫu gốc. Khi thêm 10% BĐV (M10) độ chảy đều giảm đáng kể so với mẫu gốc. Cũng có thể thấy rằng loại BĐV càng thô hơn thì độ chảy của HHBT càng giảm nhiều. Trong hệ BT, các hạt cốt liệu thô tiếp xúc với nhau theo các mặt, chính sự ma sát giữa các hạt cốt liệu thô là nguyên nhân chính làm giảm độ chảy của nó. Khi đưa cốt liệu mịn vào hệ, cốt liệu mịn sẽ nằm xen giữa các hạt cốt liệu thô, làm giảm tiếp xúc mặt, thay thế/tăng cường bằng tiếp xúc “điểm”, từ đó làm giảm nội ma sát của hệ. Các hạt càng nhỏ, tiếp xúc càng gần đến “điểm”, ma sát của hệ sẽ càng giảm. Khi số lượng các hạt tăng (tăng hàm lượng), mức thay thế tiếp xúc mặt bằng tiếp xúc “điểm” tăng làm ma sát giảm, độ chảy tăng. Khi giảm kích thước hạt, tiết diện tiếp xúc giảm, làm ma sát cũng giảm, độ chảy tăng. Tuy nhiên, nước cũng đóng vai trò rất lớn trong việc giảm ma sát, việc tăng hàm lượng hạt mịn đồng nghĩa tăng nhu cầu nước thấm ướt bề mặt để giảm ma sát. Trong thí nghiệm này nước không tăng tương ứng, do vậy khi tăng hàm lượng hạt mịn đồng nghĩa giảm tương đối tỷ lệ nước, dẫn tới tăng ma sát. Khi mức giảm nước đủ lớn, việc tăng hàm lượng hạt mịn sẽ làm giảm độ chảy của hệ [10]. Bảng 1. Các tính chất của XM Tính chất Đơn vị Giá trị Quy phạm Phương pháp thí nghiệm Cường độ o 3 ngày o 28 ngày MPa 25.87 45.52 ≥ 21 ≥ 40 TCVN 6016:1995 Độ dẻo tiêu chuẩn % 29 Thời gian bắt đầu đông kết Thời gian kết thúc đông kết phút 149 229 ≥ 45 ≤ 375 TCVN 6016:1995 Bề mặt riêng, phương pháp Blaine cm2/g 3400 ≥ 2800 TCVN 4030:2003 Khối lượng riêng gam/cm3 3.10 Bảng 2. Thành phần hạt của cát Đường kính sàng, mm 2.5 1.25 0.63 0.315 0.14 < 0.14 Lượng sót sàng tích lũy, % 17.5 38.0 49.0 65.5 94.0 6.0 Bảng 3. Một số tính chất của cát Modul độ lớn Khối lượng riêng, gam/cm3 Khối lượng thể tích trạng thái khô, gam/cm3 Khối lượng thể tích trạng thái bão hòa nước, gam/cm3 2.64 2.67 2.61 2.63 Bảng 4. Thành phần hóa của BĐV Thành phần CaCO3 CaO MgO Al2O3 Fe2O3 SiO2 MKN % khối lượng 99.21 55.58 0.05 0.12 0.03 0.07 43.57 Bảng 5. Thành phần hạt của BĐV và XM Vật liệu Đường kính hạt, µm, ứng với tỉ lệ % lọt sàng D10 D25 D50 D75 D97 BĐV B13 2.36 3.83 5.32 7.41 13.31 BĐV B15 2.80 4.03 5.88 8.77 14.93 BĐV B44 3.67 5.92 12.74 21.97 44.38 BĐV B47 3.68 6.07 13.13 22.78 47.33 XM 4.19 7.82 15.19 24.25 45.02 Hình 1. Độ chảy của hỗn hợp bê tông 16 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª 3.2. Ảnh hưởng của bột đá vôi đến cường độ bê tông Ảnh hưởng của hàm lượng và loại BĐV đến cường độ BT ở các tuổi 1, 3, 7, 28 ngày được thể hiện trong bảng 7 và hình 2. Các kết quả trong bảng 7 và 8 (tương ứng hình 3 và 4) cho thấy khi thêm BĐV thì cường độ BT đều được cải thiện (ngoại trừ cường độ tuổi 1 và 3 ngày khi thêm B44 hoặc B47). Tuy vậy mức độ cải thiện tùy thuộc vào độ mịn của BĐV và độ tuổi của BT. Với cùng hàm lượng BĐV mịn B13 và B15 cải thiện tốt cường độ sớm (1, 3, 7 ngày) tốt hơn BĐV thô B44, B47, còn B44 và B47 cho cải thiện cường độ muộn (28 ngày) tốt hơn so với B13, B15. Ảnh hưởng của BĐV tới cường độ bê tông có thể do khả năng giảm nội ma sát bê tông tươi, nâng cao độ đặc chắc cho cấu trúc BT. Loại BĐV có kích thước mịn có thể thúc đẩy quá trình thủy hóa của XM tốt hơn so với hạt thô [5, 6], gây ra ảnh hưởng tích cực lên cường độ tuổi sớm. Bảng 6. Cấp phối của các mẫu BT sử dụng BĐV Tỷ lệ N/X Tỷ lệ C/X Tỷ lệ ĐV/C Lượng dùng vật liệu cho 1 m3 bê tông Xi măng, kg Nước, kg Cát, kg Đá vôi, kg 0.44 1.6 0% 734.3 323.1 1174.9 0.0 5% 718.8 316.3 1150.1 57.5 10% 704.0 309.8 1126.4 112.6 Bảng 7. Ảnh hưởng của hàm lượng BĐV B15 đến cường độ BT Tỷ lệ ĐV/C Loại đá vôi R1, MPa R3, MPa R7, MPa R28, MPa Biến đổi R1, % Biến đổi R3, % Biến đổi R7, % Biến đổi R28, % 0% 10.47 32.87 45.89 52.50 0.00 0.00 0.00 0.00 5% B47 9.34 37.38 47.36 59.99 -10.83 13.72 3.20 14.27 B44 9.78 33.21 46.88 60.66 -6.59 1.03 2.16 15.55 B15 11.28 38.24 49.70 53.29 7.69 16.35 8.30 1.51 B13 12.20 35.47 51.35 52.57 16.56 7.91 11.90 0.13 10% B47 10.00 35.26 47.79 56.34 -4.46 7.28 4.14 7.32 B44 9.22 36.73 48.07 60.73 -11.98 11.73 4.75 15.67 B15 11.28 41.14 50.35 55.14 7.69 25.16 9.73 5.04 B13 13.20 37.94 51.75 54.90 26.11 15.42 12.77 4.58 Hình 2. Biến đổi cường độ BT ở các ngày tuổi khác nhau (xem tiếp trang 20)