TẠP CHÍ KINH TẾ CÔNG NGHIỆP Số 32 Tháng 6/2022 NGHIÊN CỨU TÍNH CHÁT cơ HỌC CỦA BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO Study on strength characteristic of high strength concrete Lê Thị Diễm Trinh và Đỗ Đại Thắng Trường[.]
Trang 1TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 32 - Tháng 6/2022
NGHIÊN CỨU TÍNH CHÁT cơ HỌC CỦA BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO
Study on strength characteristic of high strength concrete
Lê Thị Diễm Trinh và Đỗ Đại Thắng Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An, Long An, Việt Nam
dtrinh2508@gmail.com Đại học Quốc gia TP.HCM, Việt Nam ddthang@vnuhcm.edu.vn
Tóm tắt — Bê tông cường độ cao nghiên cứu sử dụng xi măng với thành phần hạt mịn silica, nano silica và tro bay Thành phần hạt mịn silica sử dụng từ 5 đến 20% thay thế cho xi măng trong thành phần cấp phối Tro bay được sử dụng với hàm lượng 10 đến 50% thay thế cho xi măng Thành phần hạt siêu mịn nano silica được sử dụng từ 1 đến 5% thay thế cho hạt mịn silica nhằm tăng khả năng đặc chắc cho cấu trúc bê tông nhằm đạt yêu cầu về cường độ Kết quà thực nghiệm cho thấy sự kết hợp giữa hạt mịn silica, tro bay và hạt siêu mịn nano silica với tỷ lệ thích hợp có thể làm bê tông đạt cường độ đến 70 MPa.
Abstract — The mix proportion of high strength concrete is investigated by mixing of silica fume, fly ash and nano silica The amount of silicafume in range from 5 to 20% by cement weight is used The replacement of cement by fly ash in range from 10 to 50% is considered On the other hand, the amount
of nano silica in range from 1 to 5% by silica fume weight is used the conetnt of nano silica can be improved the structure of concrete to high strength Then, the results are indicated that the mix proportion between suitable amount of silicafume, fly ash and nano silica can be obtained high strength of concrete
to be up to 70 Mpa.
Từ khóa — Bê tông cường độ cao, hạt mịn silica, high strength concrete, silica fume.
1 Đặt vấn đề
Bê tông được xem như vật liệu dùng rất nhiều trong các công trình xây dựng của thế kỉ 21
và giai đoạn sau này Ngày nay, các tính chất cường độ của bê tông được nghiên cứu nâng cao nhằm tăng cường khả năng ứng dụng của nó ứng dụng của bê tông cường độ cao đối với các công trình ngoài khơi, trên biển, giúp giảm được tổng trọng lượng cho cả công trình, qua đó tăng độ bền cho kết cấu chung Bên cạnh đó, bê tông cường độ cao trong xây dựng cầu có thể
sử dụng làm hệ thống dầm cầu bê tông dự ứng lực cho các công trình cần khẩu độ lớn và kích thước lớn Với tính chất cường độ có khả năng tăng cường, bê tông có thể giúp làm giảm tải trọng cho hệ thống dầm, và tăng chiều dài kết cấu nhịp trong các kết cấu công trình nhà cao tầng (Phạm Duy Hữu, 2005; Phạm Duy Hữu và cộng sự, 2008; Nguyễn Quang Chiêu, 2008) Các nghiên cứu về bê tông cường độ cao đã sử dụng các loại phụ gia khoáng chứa các thành phân hoạt tính như tro bay, hạt mịn silica nhăm tăng cường khả năng đặc chăc của câu trúc vi mô Ngoài ra các nghiên cứu còn sử dụng các phụ gia hóa học làm tăng cường các phản ứng đóng rắn của xi măng và phụ gia khoáng Bên cạnh đó, nghiên cứu còn sử dụng công nghệ nano với các hạt siêu mịn nano silica nhằm tăng cường cấu trúc vi mô của bê tông, giúp bê tông đạt cường độ và có khả năng ổn định theo thời gian (Nguyễn Công Thắng và cộng sự, 2013; Nguyễn Trọng Lâm và cộng sự, 2021; Nguyễn Viết Trung và cộng sự, 2004; Ramachandran, 1995)
Nghiên cứu này sử dụng kết hợp các thành phần tro bay, hạt mịn silica và hạt siêu mịn nano silica nhăm đánh giá khả năng làm việc trong hôn hợp bê tông và tạo cường độ theo thời gian Việc sử dụng các thành phần nguyên liệu sẽ được nghiên cứu tỷ lệ khác nhau nhằm xác định các cấp phối phù hợp cho bê tông đạt yêu cầu về cường độ cao
Trang 2TẠP CHÍ KINH TÉ - CÔNG NGHIỆP Số 32 - Tháng 6/2022
2 Phương pháp thực nghiệm
2.1 Cát đá
Cát có khối lượng riêng 2,58 g/cm3; khối lượng thể tích 1,40 g/cm3, mô đun độ lớn 1,82
Đá được sử dụng có Dmax là 20 mm và khối lượng riêng 2,72 g/cm3; khối lượng thê tích 1,52 g/cm3
3 Kết quả nghiên cứu và đánh giá
3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng hạt mịn silica đến tính chất bê tông
Khả năng làm việc của bê tông cường độ cao sử dụng phụ gia khoáng silicafume với hàm
2.2 Hạt mịn silica
Hạt mịn silica (silica fume) là phụ phẩm công nghiệp sản suất chế phẩm chứa silic với hàm lượng SiƠ2 hơn 92% Kích thước hạt trung bình của silicafume là 45 pm
2.3 Tro bay
Tro bay loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618, khối lượng riêng 2,48 g/cm3, độ mịn 94% lượng lọt qua sàng có cỡ sàng là 0,08 mm
2.4 Hạt nano silica
Hạt nano silica (nano silica) được sử dụng trong thực nghiệm có kích cỡ trung bình từ 4 đến 16nm, độ nhớt 8.5 PaS, độ pH từ 9.0 đến 9.6 và trọng lượng riêng 2.37g/cm3
2.5 Xi măng
Xi măng được sử dụng là PC40 có khối lượng riêng 3,16 g/cm3, khối lượng thể tích 1,27 g/cm3
2.6 Phươngpháp thực nghiệm và thành phần cấp phoi
Nguyên vật liệu bê tông được nhào trộn theo tỷ lệ thành phần xác định theo TCVN 10306:2014 Hỗn hợp bê tông được xác định độ sụt theo TCVN 3106-1993 và cường độ nén xác định theo TCVN 10303-2014 Thành phần tính chất cơ học của bê tông được trình bày trong bảng 1
Bảng 1 Thành phần cấp phối bê tông sử dụng tro bay, hạt mịn silica và nano silica
Cấp phối XM(kg) C(kg) Đ(kg) N (lít) PG (lít) Si(kg) Na (kg) TB (kg)
Ghi chú:
XM: xi măng; C: cát; Đ: Đá; PG: phụ gia; N: nước
Si: hạt mịn silica; Na: hạt nano silica; TB: tro bay.
Trang 3TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP Số 32 - Tháng 6/2022
hướng giảm dần Độ sụt của hồn hợp bê tông giàm đến 70% khi hàm lượng silicafume dùng đến 20%
Hàm lượng silicafume (%)
Hĩnh 1 Anh hưởng của hạt mịn silica đến độ sụt và cường độ
Ket quả thực nghiệm trên hình Ib trình bày sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông sử dụng phụ gia khoáng silica fume theo thời gian Bê tông BSO có cường độ nén sau 1 ngày, 7 ngày và 28 ngày lần lượt đạt khoảng 12,5; 42,5 và 55,7 N/mnr
Các cấp phối sử dụng silica fume cho thấy cường độ nén 1 ngày lần lượt là 14 -16,7 N/mm2 với các cấp phối BS5 - BS20 Cường độ nén 7 ngày lần lượt là 44 - 47N/mm2 với các cấp phối BS5 - BS20 Cường độ nén 28 ngày lần lượt là 58 - 67 N/mm2 với các cấp phối BS5 - BS20
Ta nhận thấy, bê tông sử dụng silica fume có xu hướng phát triển cường độ 1 - 7 ngày cao horn khoảng 10 - 20% Cường độ chịu nén sau 28 ngày tăng khoảng 10 - 15% khi dùng đến 20% silica fume Các hạt phụ gia khoáng silica fume có tác dụng tăng nhanh quá trình đóng rắn trong giai đoạn đâu và tăng cường khả năng đóng răn sau 28 ngày
3.2 Anh hưởng của hàm lượng hạt nano silica đến tính chất bê tông
Hàm lượng nano silica (%)
Hình 2 Anh hưởng của hạt nano silica đến độ sụt và cường độ
Trang 4TẠP CHÍ KINH TÉ - CÔNG NGHIỆP Sổ 32 - Tháng 6/2022
Hàm lượng nano silica với hàm lượng khác nhau tác động đến khả năng làm việc của hỗn hợp bê tông dùng silica fume trình bày trên hình 2a cho thấy độ sụt của bê tông có xu hướng tăng dần
Độ sụt của hỗn hợp bê tông tăng đến 60% khi hàm lượng nano silica dùng đến 5% trong các cấp phối BN1 đến BN5
Ket quả thực nghiệm trên hình 2b trình bày sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông sử dụng phụ gia khoáng silica fume kết hợp với nano silica theo thời gian
Các cấp phối sử dụng nano silica cho thấy cường độ nén 1 ngày lần lượt là 17 - 19 N/mm2 với các cấp phối BN1 - BN5 Cường độ nén 7 ngày lần lượt là 47 - 56,6 N/mm2 Cường độ nén
28 ngày lần lượt là 69 - 76 N/mm2 với các cấp phối dùng đến 5% nano silica thay thế trong silica fume
Ta nhận thấy, bê tông sử dụng nano silica kết hợp với silica fume có xu hướng phát triển cường độ 1 - 7 ngày cao hơn khoảng 10% so với cấp phối dùng silica fume
Cường độ chịu nén sau 28 ngày đạt đến 76 N/mm2 Điều này cho thấy các hạt nano có kích thước siêu nhỏ có khả năng lèn chặt trong các lỗ rồng và tác dụng tăng nhanh quá trình đóng rắn trong giai đoạn đầu và tăng cường khả năng đóng rắn sau 28 ngày
3.3 Anh hưởng của hàm lượng tro bay đến tính chất của bê tông
Hàm lượng tro bay (%) Hàm lượng tro bay (%)
Hình 3 Ảnh hưởng của tro bay đến độ sụt và cường độ của bê tông
Ket quả thực nghiệm hình 3a cho thấy độ sụt của hỗn hợp bê tông có xu hướng tăng dần theo hàm lượng của tro bay sử dụng Độ sụt tăng khoảng 30% khi dùng đến 50% tro bay thay thế xi măng
Từ hình 3b cho thấy giá trị cường độ lại có xu hướng giảm dần theo hàm lượng tro bay sử dụng Khi tro bay dùng thay thế đến 50% xi măng thì cường độ giảm khoảng 25%
Điều này cho thấy thành phần tro bay thay thế xi măng làm giảm cường độ của bê tông Tuy nhiên việc sử dụng tro bay sẽ có tác dụng tăng cường khả năng cường độ trong thời gian dài, đồng thời có khả năng giảm thành phàn xi măng nên mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường
Trang 5TẠP CHÍ KINH TÉ - CÔNG NGHIỆP Số 32 - Tháng 6/2022
3.4 Anh hưởng của phối họp hạt mịn silica, nano silica và tro bay đến tính chất của bê tông
18
■ Tro bay
■ Tro bay- Silicafume
■ Tro bay- Silicafume - Nano silica
Hàm lượng tro bay(%)
Hình 4 Anh hưởng của hạt mịn silica, nano silica và tro bay đến độ sụt
Ket quả thực nghiệm trên hình 4 cho thấy độ sụt của hỗn hợp bê tông có xu hướng tăng dần khi sử dụng 10% đến 30% tro bay kết hợp với 10% hạt mịn silica, cấp phối dùng 10 - 30% tro bay kết hợp hạt mịn silica và hạt nano silica nano cũng cho thấy độ sụt của hỗn hợp bê tông tăng dần
■ Tro bay
■ Tro bay - Silicafume
■ Tro bay- Silicafume - Nano silica
Hàm lượng tro bay (%)
Hình 5 Ảnh hưởng của hạt mịn silica, nano silica và tro bay đến cường độ
Hình 5 cho thấy cấp phối dùng tro bay kết hợp với hạt mịn silica cho cường độ tốt nhất với 10% tro bay và 15% hạt mịn silica Trong khi đó, cấp phối dùng 10% tro bay kết hợp 10% hạt mịn silica và 2% hạt siêu mịn silica cho cường độ tốt nhất Việc phối hợp tro bay, hạt mịn silica
và hạt siêu mịn silica có khả năng giúp cường độ bê tông đạt giá trị tốt nhất
4 Kết luận
Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay, hạt mịn silica đến cường độ của bê tông đạt được các kết quả như sau:
Hàm lượng tro bay sử dụng thay thế xi măng từ 10 - 50% có tác dụng tăng cường khả năng làm việc của hỗn hợp bê tông nhưng giảm cường độ trong giai đoạn ban đầu đến 20 - 30% Hàm lượng hạt mịn silica sử dụng 5 - 20% có tác dụng tăng cường độ của bê tông đến 15% nhưng lại giảm khả năng làm việc của hỗn hợp
Trang 6TẠP CHÍ KINH TÉ - CÔNG NGHIỆP số 32 - Tháng 6/2022
Hạt siêu mịn nano silica có tác dụng tăng nhanh khả năng làm việc của hỗn hợp bê tông với hàm lượng 1 - 5% thay thế cho hạt mịn silica và cải thiện đến 20% cường độ của bê tông Cấp phối bê tông kết hợp tro bay với hàm lượng 10% và hạt mịn silica 15% hoặc hàm lượng tro bay 10 - 20% kết hợp với 10% hạt mịn silica và 2% hạt siêu mịn nano silica có khả năng đạt yêu cầu về khả năng làm việc và cường độ cao
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phạm Duy Hữu (2005). Công nghệ bê tông và bê tông đặc biệt. Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội [2] Phạm Duy Hữu, Nguyễn Ngọc Long, Đào Văn Đông và Phạm Duy Anh (2008).Bê tông cường độ cao và bê tông chất lượng cao Nhà xuất bản Xây dựng,Hà Nội.
[3] Nguyễn Công Thắng, Nguyễn Văn Tuấn, Phạm Hữu Hanh và Nguyễn Trọng Lâm (2013) 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 Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, số 2, frang 24-31
[4] Nguyễn Trọng Lâm, TốngTôn KiênvàBùi DanhĐại (2021). Nghiên cứu chế tạo bê tông cường
độ cao sử dụng hàm lượng lớn tro bay của nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh. Tạp Chí Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng, Trường Đại học Xây dựng, 15(6V), ưang 1-11.
[5] Ramachandran, v.s (1995). Concrete admixtures handbook: Properties, Science, and Technology.
2nd Edition, NoyesPublications
Ngày nhận: 16/12/2021
Ngày duyệt đăng: 26/05/2022