Lựa chọn phụ gia khoáng cho bê tông chất lượng cao

7 S¬ 28 - 2017 KHOA H“C & C«NG NGHª Lựa chọn phụ gia khoáng cho bê tông chất lượng cao Selection of mineral aditives for high-perfomance concrete Inozemtcev Aleksandr Sergeevich, Korolev Evgenij Valerjevich, Dương Thanh Qui Tóm tắt Tro bay hoạt tính và bột đá vôi nghiền mịn, diatomit là những vật liệu có thể khai thác, sản xuất tại Việt Nam, chúng có thể sử dụng như những loại phụ gia khoáng, dùng để điều chỉnh độ lưu động cũng như giảm tỉ lệ N/X. Bài báo trình bày về nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay hoạt tính, bột đá vôi nghiền mịn và bột diatomit tới tính lưu biến và tính chất cơ lí trên các mẫu thí nghiệm (vữa xi măng), trên cơ sở đó lựa chọn phụ gia khoáng phù hợp và có hiệu quả tốt nhất dành cho bê tông chất lượng cao. Từ khóa: Bê tông chất lượng cao, phụ gia khoáng, tro bay, bột đá vôi, diatomit, độ lưu động, cường độ Abstract Fly-ash, limestone powder and diatomite are materials that can be produced and used in Vietnam, it can be used as a mineral additive for controlling the mobility of cement mortars and reducing the W/C ratio. The paper presents the results of a study of the influence of thermally activated fly-ash, limestone powder and diatomite on the rheological and physico- mechanical properties of the model system (cement mortar) to select the most effective mineral additives for high-perfomance concrete. Keywords: high-perfomance concrete, mineral additive, fly-ash, limestone powder, diatomite, flowability of concrete, strength TS. Inozemtcev Aleksandr Sergeevich Trung tâm khoa học và giáo dục “Nanomaterials and nanotechnology” Đại học nghiên cứu quốc gia xây dựng Moscow Email: GS.TSKH. Korolev Evgenij Valerjevich Trung tâm khoa học và giáo dục “Nanomaterials and nanotechnology” Đại học nghiên cứu quốc gia xây dựng Moscow Email: NCS. Dương Thanh Qui Trung tâm khoa học và giáo dục “Nanomaterials and nanotechnology” Đại học nghiên cứu quốc gia xây dựng Moscow Email: 1. Giới thiệu Từ những năm 90 của thế kỷ 20 bê tông chất lượng cao có cường độ lớn đã được sử dụng trong xây dựng và ngày càng trở nên phổ biến, được sử dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới. Loại bê tông này dùng để chế tạo các cấu kiện bê tông đúc sẵn như: tấm sàn, cột, dầm... [1, 2]. Điểm đặc biệt của bê tông chất lượng cao có cường độ lớn so với bê tông thường là trong thành phần của chúng có sử dụng phụ gia khoáng mịn, những phụ gia này giúp điều chỉnh độ lưu động của hỗn hợp đồng thời ảnh hưởng đến độ đặc chắc cũng như cường độ của bê tông thành phẩm [3-5]. Việc sử dụng phụ gia siêu dẻo và phụ gia khoáng sẽ làm giảm tỉ lệ N/X mà vẫn giữ được độ chảy cần thiết, đảm bảo được tính công tác của hỗn hợp bê tông [5, 6], những bê tông này được gọi là bê tông thế hệ mới [3]. Từ những điểm khác biệt về thành phần khoáng-hóa và độ phân tán của phụ gia khoáng làm cho bê tông có khả năng phản ứng và tính lưu biến đa dạng, không chỉ giúp nâng cao khả năng thi công của hỗn hợp mà còn cải thiện tính chất cơ lý và giảm lượng xi măng. Trong số những phụ gia khoáng thường dùng để chế tạo bê tông chất lượng cao, có thể kể đến tro bay, silicafume và bột đá vôi [7-11]. Đặc biệt các thành phần khoáng này (tro bay, bột đá vôi, đá diatomit) đều là những vật liệu có thể dễ dàng khai thác sản xuất tại Việt Nam.Theo các nghiên cứu [3, 7-9], cho thấy việc sử dụng những phụ gia này thay thế xi măng một lượng 10-20% có thể sản xuất được bê tông với cường độ nén tới hơn 150 Mpa. Với các ưu điểm trên, việc nghiên cứu về ảnh hưởng của thành phần khoáng lên cấu trúc, đặc tính của vữa xi măng để sản xuất bê tông chất lượng cao có cường độ lớn là vô cùng cấp thiết. Bài báo trình bày kết quả thí nghiệm, nghiên cứu về khả năng sử dụng bột đá vôi nghiền mịn, tro bay hoạt tính và bột diatomit như phụ gia khoáng cho bê tông. 2. Nguyên liệu sử dụng và phương pháp nghiên cứu Bài báo này nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia khoáng tới tính lưu biến và tính chất cơ lý của bê tông. Thành phần cơ bản của vữa xi măng bao gồm: chất kết dính - 500 kg, cốt liệu - 1690 kg, nước - 200 kg (N/X = 0,4) và phụ gia siêu dẻo - 5,0 kg. Trong quá trình thí nghiệm phụ gia khoáng được dùng để thay thế một phần cốt liệu. Vật liệu được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: - Xi măng CEM I 42.5 - Cát thạch anh với module độ lớn Mđl = 2,78 được sử dụng làm cốt liệu. - Phụ gia siêu dẻo dòng polycarbonate Melflux F1681 - Phụ gia khoáng: ◦ Tro bay với đường kính hạt trung bình 19 μm, thành phần bao gồm SiO2 – 50,0 %, Al2O3 – 39,3 %. Tro bay được sử dụng trong vữa dao động từ 8 đến 34% so với khối lượng xi măng. ◦ Bột đá vôi nghiền mịn (Vùng Crimea) – đường kính hạt trung bình 5,6μm. Đươc sử dụng với mục đích thay thế cốt liệu (đến 44 %), tương ứng là 149 % so với khối lượng xi măng. ◦ Diatomit với kích thước hạt trung bình – 12,4 μm, thành phần bao gồm SiO2 - 76,6 %, Al2O3 - 7,5 %, sản xuất ở vùng Ulyanov- Liên bang Nga. Số lượng Diatomit sử dụng trong nghiên cứu lên đến 29 % so với khối lượng xi măng. Xác định cường độ mẫu được thực hiên theo tiêu chuẩn EN196-1:2016 với mẫu bê tông 28 ngày tuổi, dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn, kích thước 40x40x160 mm bằng máy ép thủy lực “Advantest 9”. 3. Kết quả và phân tích Mục đích của việc nghiên cứu là xác định tính lưu biến và phản ứng hoạt tính của 8 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª phụ gia khoáng nói trên xét theo đường kính chảy xòe của hỗn hợp, cường độ chịu uốn và cường độ nén tương ứng. Kết quả thí nghiệm mẫu xi măng với phụ gia khoáng được trình bày ở bảng 1-3. Kết quả nghiên cứu thay thế cát thạch anh bằng tro bay được trình bày ở bảng 1, qua đó có thể thấy khi thay thế cốt liệu nhỏ trong hỗn hợp bằng thành phần có kích thước siêu nhỏ sẽ xuất hiện hiệu ứng lưu biến và cải thiện tính đàn hồi dẻo. Bên cạnh đó cũng thấy rằng hỗn hợp có 7,5 % cốt liệu thay thế bằng tro bay có độ chảy tốt nhất 207,8 mm tốt hơn so với mẫu đối chứng (ký hiệu ĐC trong bảng 1, 2, 3). Trong đó lượng tro bay bằng 25,3 % khối lượng của xi măng, tương ứng tổng tỉ lệ chất kết dính trên 1m3 hỗn hợp là 26,2 %. Ảnh hưởng cụ thể của tro bay liên quan đến sự đồng nhất và phân bố của hệ cấu hỗn hợp (topology of concrete mixture), có đặc điểm làm tăng mật độ các hạt được bao phủ, phân bố đều nước trên bề mặt hạt từ đó tăng khả năng dịch chuyển tự do của chúng. Điều này được gọi là hiệu ứng “ổ bi”, khi những hạt phụ gia khoáng mịn hình thành trên bề mặt những hạt cát thô một lớp bao phủ đồng đều, làm giảm sự ma sát giải thích cho việc tăng độ lưu động của hỗn hợp. Khi xem xét bảng 1 cho thấy độ chảy xòe của vữa theo hàm lượng tro bay có sự phụ thuộc như sau: khi tăng thành phần tro bay trên 25,3 % so với khối lượng xi măng thì độ chảy giảm xuống, điều này liên quan đến việc tăng hàm lượng hạt mịn trong hỗn hợp trong khi lượng nước không thay đổi. Sau khi tiếp tục tăng thành phần của tro bay đến 33,8% so với khối lượng xi măng sẽ dẫn đến việc độ dày của lớp nước trên bề mặt các hạt rắn bị giảm đi và từ đó làm giảm tính lưu biến của hỗn hợp. Việc cải thiện độ lưu động của hỗn hợp - hiển nhiên sẽ ảnh hưởng đến đặc tính cường độ của mẫu thử. Có thể thấy rằng sự thay đổi về tính chất cơ lý có tương quan đến sự thay đổi tính công tác: hỗn hợp có độ lưu động tốt nhất Z-7,5 và Z-8,5 có cường độ uốn và nén tốt hơn các mẫu thử còn lại lần lượt là 6,44; 7,25 và 88,2; 92,0 MPa. Trong trường hợp này cường độ chịu uốn tăng lên 45,9 %, và cường độ nén – tăng lên đến 47,9 %. Sự ảnh hưởng này được giải thích bởi hai yếu tố: + Hỗn hợp được tạo ra có cấu trúc đặc (giảm độ rỗng) có độ lưu động cao. + Tác dộng của tro bay với thành phần chứa đến 50% SiO2, cùng với Ca(OH)2 trong quá trình thủy hóa xi măng tạo nên thêm một lượng Canxi hydrosillicat (CSH). Ảnh hưởng của bột đá vôi lên độ lưu động và cường độ của hỗn hợp được trình bày ở bảng 2. Có thể thấy rằng việc sử dụng bột đá vôi như một loại phụ gia khoáng cho vữa xi măng giúp lấp đầy những khoảng trống bằng những hạt mịn hơn, ảnh hưởng trực tiếp đến tính lưu biến. Khi tăng tỉ lệ những hạt mịn lên 29,4 % (mẫu BĐV-12) tức là 40,6 % lượng bột đá vôi so với khối lượng xi măng sẽ tạo thành hỗn hợp có độ lưu động cao tương đương với hỗn hợp tự đầm. Điều này cho thấy rằng phụ gia được sử dụng có hiệu quả trong việc điều chỉnh độ lưu đông của vữa xi măng. Trong đó sự tham gia của các liên kết Canxi và Sillicat trong bột đá vôi trong quá trình thủy hóa sẽ gây ra ảnh hưởng đồng thời làm cải thiện tính năng kỹ thuật của hỗn hợp, với cấu trúc đặc và cứng hơn làm tăng các thông số về cường độ. Từ bảng 2 có thế thấy rằng, hỗn hợp đạt được cường độ Bảng 1. Tính lưu biến và tính chất cơ lý của vữa xi măng khi thay thế một phần cốt liệu bằng tro bay hoạt tính № Mẫu PGK/C, % PGK/X, % CKD % Dx, mm ρ, •103 kg/m3 Rf, MPa Rcom, MPa 1 ĐC 0,0% 0% 20,9 138,3 2,20 4,97 62,2 2 Z-2,5 2,5 8,4 22,7 151,3 2,23 6,14 74,9 3 Z-5,0 5,0 16,9 24,5 165,8 2,24 6,89 85,1 4 Z-7,5 7,5 25,3 26,2 207,8 2,27 7,25 92,0 5 Z-8,5 8,5 28,7 26,9 194,3 2,26 6,44 88,2 6 Z-10 10,0 33,8 28,0 177,1 2,19 5,22 70,3 Ghi chú: PGK/C – tỉ lệ về khối lượng của phụ gia khoáng so với khối lượng cát trong mẫu đối chứng; PGK/X – tỉ lệ về khối lượng của phụ gia khoáng so với xi măng; CKD – tổng hàm lượng của chất kết dính trên 1m3 bê tông; Dx – đường kính mẫu vữa sau khi dằn trên bàn dằn sau 30 lần dằn; ρ – khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông; Rf – cường độ chịu kéo khi uốn; Rcom – cường độ chịu nén của bê tông ở tuổi 28 ngày. Bảng 2. Tính lưu biến và tính chất cơ lý của vữa xi măng khi thay thế một phần cốt liệu bằng bột đá vôi nghiền mịn № Mẫu PGK/C, % PGK/X, % CKD % Dx, mm ρ, •103 kg/m3 Rf, MPa Rcom, MPa 1 ĐC 0,0 0,0 20,9 138,3 2,20 4,97 62,2 2 BĐV-12 12,0 40,6 29,4 255,0* 2,33 5,65 80,1 3 BĐV-20 20,0 67,6 35,1 255,0* 2,31 7,70 91,1 4 BĐV-28 28,0 94,6 40,7 255,0* 2,30 8,89 89,3 5 BĐV-36 36,0 121,7 46,4 255,0* 2,29 8,61 80,0 6 BĐV-44 44,0 148,7 52,0 255,0* 2,27 5,65 69,9 Ghi chú: * – hỗn hợp vữa bê tông tự đầm, có đường kính mẫu vữa trên bàn dằn lớn hơn 255 mm sau 0 lần dằn. 9 S¬ 28 - 2017 KHOA H“C & C«NG NGHª lớn nhất khi tỉ lệ cát giảm đi 20 – 28 %. Hàm lượng của bột đá vôi trong những hỗn hợp này nằm trong khoảng từ 67,6 – 94,6 %, khi đó cường độ chịu kéo khi uốn có thể đạt đến 8,89 MPa và khi nén là 91,1 MPa, có nghĩa là cao hơn 78,8 % và 46,5 % so với mẫu đối chứng. Phân tích ảnh hưởng của bột diatomit lên tính chất lưu biến và cơ lý của vữa xi măng (bảng 3) cho thấy loại hỗn hợp này đòi hỏi sử dụng nhiều nước hơn. Độ chảy xòe của hỗn hợp khi sử dụng diatomit trong hỗn hợp D-4 bằng 187,0 mm,khi tăng tỉ lệ thành phần khoáng lên 4,0% làm giảm độ lưu động của vữa D=130,5mm (30 %). Khi tăng tổng hàm lượng chất kết dính lên từ 20,9 đến 23,7 % trên 1 m3 hỗn hợp, trong trường hợp này tính công tác của hỗn hợp đạt được là tốt nhất, đồng thời cường độ chịu kéo khi uốn cũng tăng lên từ 4,97 đến 7,25 MPa tương ứng với cường độ nén là 66,5 đến 70,2 MPa. Việc phân tích, so sánh hiệu quả sự thay đổi độ lưu động và cường độ của bê tông khi sử dụng những thành phần khoáng nêu trên chứng tỏ rằng, tro bay hoạt tính và bột đá vôi nghiền mịn không những làm tăng độ chảy xòe của hỗn hợp lên hơn 200 mm mà còn làm tăng cường độ kéo khi chịu uốn lên trên 7,0 MPa và cường độ nén lên hơn 90 MPa. Qua các thí nghiệm cho thấy bột diatomit ít ảnh hưởng hơn đến tính chất lưu biến và cơ lý của hỗn hợp. Độ lưu động của những hỗn hợp này đều nhỏ hơn 187 mm và cường độ nén đạt được là 70 MPa. Bên cạnh đó, có thể thấy là hàm lượng sử dụng tro bay hoạt tính và bột đá vôi là khác nhau, hiệu quả đạt được tốt nhất khi sử dụng tro bay hoạt tính với tỉ lệ nhỏ hơn 8 % còn với bột đá vôi là 20 %, tương ứng tỉ lệ chất kết dính trên 1m3 bê tông là 26,2 % và 35,1 %. Sở dĩ như vậy là do lượng Sillicat hoạt tính có trong tro bay lớn hơn trong bột đá vôi. Không xét đến việc phải sử dụng lượng bột đá vôi lớn hơn, sử dụng loại phụ gia khoáng với thành phần SiO2 nhỏ hơn này cũng giúp chế tạo được hỗn hợp bê tông với độ lưu động và cường độ tương tự so với tro bay hoạt tính. Việc sử dụng tro bay hoạt tính cho kết quả tốt phụ thuộc vào mối tương quan với đặc điểm của hỗn hợp cũng như hàm lượng phụ gia cần thiết để đạt được những hiệu quả đã nêu. Bột đá vôi cải thiện tính lưu biến có thể sử dụng như một loại phụ gia giảm nước cho phép giảm tỉ lệ N/X và lượng xi măng cần dùng. Bột diatomit khi đưa vào vữa xi măng mà không được xử lý thêm sẽ không có nhiều cải thiện đáng kể về tính chất của hỗn hợp. 4. Kết luận Sau khi phân tích kết quả thực nghiệm nghiên cứu về sự ảnh hưởng của tro bay hoạt tính, bột đá vôi mịn và bột diatomit có thể đưa ra những kết luận sau: 1. Bột mịn tro bay hoạt tính và bột đá vôi có thể sử dụng với vai trò làm phụ gia khoáng dùng để điểu chỉnh độ lưu động của vữa xi măng cũng như làm giảm tỉ lệ N/X. Trong đó khối lượng tro bay hoạt tính cần dùng để đạt được những đặc tính tương tự ít hơn so với lượng bột đá vôi cần thiết. 2. Trên cơ sở những kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu, có thể thấy rằng: - Khi sử dụng tro bay hoạt tính với hàm lượng nhỏ hơn 25% so với khối lượng xi măng có thể sản xuất được bê tông chất lượng cao với cường độ lên đến 92 MPa. - Khi sử dụng bột đá vôi nghiền mịn với tổng tỉ lệ chất kết dính trên 1m3 hỗn hợp không vượt quá 40,7% có thể giúp điều chỉnh được được độ lưu động của hỗn hợp. - Việc sử dụng vật liệu Diatomit có thể khả quan sau khi có những đánh giá thêm về hiệu quả kinh tế./. Bảng 3. Tính lưu biến và tính chất cơ lý của vữa xi măng khi thay thế một phần cốt liệu bằng bột diatomit № Mẫu PGK/C, % PGK/X, % CKD % Dx, mm ρ, •103 kg/m3 Rf, MPa Rcom, MPa 1 ĐC 0,0 0,0 20,9 138,3 2,20 4,97 62,2 2 D-2 2,0 6,8 22,3 160,8 2,28 5,92 64,9 3 D-4 4,0 13,5 23,7 187,0 2,24 7,25 68,2 4 D-6 6,0 20,3 25,2 130,5 2,25 7,34 69,7 5 D-8 8,0 26,5 26,8 104,0 2,14 4,64 34,9 6 D-9 9,0 29,2 27,8 102,0 1,84 2,82 20,4 Tài liệu tham khảo 1. Yu. M. Bazhenov, Technology of concrete. ASV Publ., Moscow, 2003. 2. P.-C. Aitcin, High-Performance Concrete, E&FN Spon, London, 1998. 3. O. V. Tarakanov and V. I. Kalashnikov, Perspektivy primeneniya kompleksnykh dobavok v betonakh novogo pokoleniya, proceedings of Kazan state University of architecture and construction, No 1 (39), 223-229, 2017. 4. J.F. Burroughs, J. Shannon, T.S. Rushing, K. Yi and D.W. Harrelson, Potential of finely ground limestone powder to benefit ultra-high performance concrete mixtures, Construction and Building Materials, Vol. 141, 335-342, 2017. 5. G. I. Berdov, N. And. Nikonenko, L. V. Ilyina, Vliyanie vysokodispersnykh mineral’nykh dobavok na mekhanicheskuyu prochnost’ cementnogo kamnya, News of higher educational institutions. Contruction, No 12, 25-30, 2011. 6. D.P. Bentz, C.F. Ferraris, S.Z. Jones, D. Lootens and F. Zunino, Limestone and silica powder replacements for cement: Early-age performance, Cement and Concrete Composites, Vol. 78, 43-56, 2017. 7. Nguyễn Công Thắng, Nguyễn Văn Tuấn, Phạm Hữu Hanh, Nguyễn Trọng Lâm, Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng silica fume và tro bay sẵn có ở Việt nam, Trường Đại học Xây dựng,Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng số 2, 21-29, 2013. 8. M. O. Korovkin, V. I. Kalashnikov, N.. Eroshkina Vliyanie vysokokal’tsievoi zoly-unosa na svoistva samouplotnyayushiesya betona, architecture and construction, No 1, 49-53, 2015. 9. B. Mahalingam, K. Nagamani, L.S. Kannan, K.M. Haneefa and A. Bahurudeen, Assessment of hardened characteristics of raw fly ash blended self-compacting concrete, Perspectives in Science, Vol. 8, 709-711, 2016. 10. V. L. Tang, B. I. Bulgakov, O. V. Aleksandrova, O. A. Larsen, Vozmozhnost’ ispol’zovaniya zol’nykh ostatkov dlya proizvodstva materialov stroitel’nogo naznacheniya vo Vietname. Vestnik of Belgorod state technological University n. a. V. G. Shukhov, No. 6, 6-12, 2017. 11. A. Ergün, Effects of the usage of diatomite and waste marble powder as partial replacement of cement on the mechanical properties of concrete, Construction and Building Materials, Vol. 25, No 2, 806-812, 2011.