Nghiên cứu bê tông xi măng sử dụng phụ gia tro bay (nhà máy formosa nhơn trạch đồng nai) hàm lượng cao dùng trong xây dựng mặt đường ô tô

Vậy nghiên cứu bê tông xi măng sử dụng nhiều phụ gia tro bay nhằm: - Tận dụng vật liệu phế thải công nghiệp sẵn có trong nước tro bay với trữ lượng lớn để chế tạo bê tông, nhằm tránh phả

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

HỒ VĂN QUÂN

NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG PHỤ GIA TRO BAY (NHÀ MÁY FORMOSA - NHƠN TRẠCH - ĐỒNG NAI) HÀM LƯỢNG CAO DÙNG TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ THÀNH PHỐ

MÃ SỐ : 1681012028

Giảng viên hướng dẫn khoa học: GS.TS PHẠM DUY HỮU

TP Hồ Chí Minh - Năm 2011

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này bên cạnh sự nỗ lực của bản thân tác giả, tác giả

còn nhận được sự động viên, giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè, đồng

nghiệp và gia đình Cho phép tác giả gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy

cô, phòng Đào tạo đại học và sau đại học và các cấp lãnh đạo trường Đại Học Giao

Thông Vận Tải Hà Nội; bạn bè, đồng nghiệp; các đồng chí công tác ở phòng thí

nghiệm vật liệu tổng hợp thuộc Phân Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng Miền

Nam

Đặc biệt tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Duy Hữu, Người

đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ hết sức tận tình và hiệu quả trong suốt quá trình học

tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Cảm ơn tất cả!

MỞ ĐẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI:

Trong công cuộc đổi mới phát triển đất nước, nhu cầu xây dựng, phát triển để

đảm bảo một cơ sở hạ tầng phù hợp với kiến trúc thượng tầng là điều tất yếu Qúa

trình xây dựng, phát triển cơ sở hạ tầng đòi hỏi về vật liệu xây dựng rất lớn Việc

tận dụng các loại vật liệu địa phương hay phế thải công nghiệp (đất, đá, tro bay, xỉ

lò cao ) là một giải pháp có hiệu quả nhằm hạ giá thành xây dựng công trình, đặc

biệt với ngành xây dựng đường ô tô và thành phố

Trong xây dựng cơ bản, bê tông và bê tông cốt thép là các vật liệu xây dựng

được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới và chúng chiếm một khối lượng rất lớn

Nguyên liệu để sản xuất bê tông xi măng chủ yếu là: đá (hoặc sỏi), cát và xi măng

Trong đó, xi măng là nguyên liệu đắt tiền nhất và chiếm một lượng lớn trong bê

tông (khoảng 300 - 500 kg/m3 bê tông), mà xi măng là sản phẩm của dây chuyền

nung đá vôi (CaCO3) với các loại nhiên liệu như than đá và dầu hỏa, trong quá trình

nung đá vôi sẽ phát thải khí CO2 và một số loại khí độc khác như CO, NO2, SO2

Theo tính toán của Hiệp hội Xi măng Pooc lăng (PCA), cứ sản xuất 1 tấn xi măng

thì phát thải khoảng 1 tấn khí CO2 Theo số liệu điều tra cho thấy việc sản xuất xi

măng trên toàn thế giới chiếm khoảng 7% lượng phát thải CO2 toàn cầu, đây là một

yếu tố góp phần làm tăng ô nhiễm môi trường và đặc biệt là hiệu ứng nhà kính

Hiện nay tất cả các nước trên thế giới đang quan tâm đến việc nóng lên của

trái đất làm băng tan chảy ở các cực, kết quả là mực nước biển dâng cao và đe dọa

đến sự sống của nhân loại trên quả đất Hiệu ứng nhà kính là nguyên nhân chính

làm cho nhiệt độ của trái đất tăng lên, trong đó khí cacbonic (CO2) là một trong

những khí chủ yếu gây hiệu ứng nhà kính Theo dự báo của các nhà khoa học thì

nhiệt độ trung bình của trái đất sẽ tăng lên 4,0 độ C và mực nước biển dâng cao

khoảng 30 cm vào thập kỷ 70 của thế kỉ 21 nếu khuynh hướng hiện tại vẫn tiếp

diễn

Như vậy, để có thể vừa hạ được giá thành xây dựng công trình vừa giảm khí

thải nhà kính thì giải pháp hạn chế sử dụng xi măng và tăng thêm các phế thải công

nghiệp (tro bay) trong bê tông là điều hết sức cần thiết và cấp bách vì:

- Hoàn nguyên phế thải công nghiệp (xỉ lò cao, tro bay, ) thông qua việc sử

dụng hiệu quả trong bê tông

- Tránh phải tồn chứa phế thải công nghiệp

- Giảm được hàm lượng xi măng trong bê tông, kết quả là giảm được giá thành

xây dựng, giảm phát thải khí nhà kính, giảm sử dụng nhiên, nguyên liệu tự nhiên và

góp phần bảo vệ môi trường

Trong thời gian tới, trên thế giới cũng như ở Việt Nam xu hướng sử dụng

những loại vật liệu mới thân thiện với môi trường để thay thế các loại vật liệu

truyền thống không thân thiện với môi trường là một tất yếu, một trong những mục

tiêu phấn đấu đến năm 2020 của ngành công nghiệp vật liệu xây dựng là xây dựng

một nền công nghiệp thân thiện với môi trường, hướng đến một nền công nghiệp

xanh

Từ những lập luận ở trên cho thấy đề tài "Nghiên cứu bê tông xi măng sử dụng

phụ gia tro bay hàm lượng cao dùng trong xây dựng mặt đường ô tô" càng trở nên

cần thiết và cấp bách hơn bao giờ hết

II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU:

Khi chế tạo bê tông xi măng, theo qui trình hiện hành cũng như thói quen

truyền thống thì người ta dùng chất kết dính là xi măng thỏa mãn các yêu cầu tiêu

chuẩn qui định Vấn đề đặt ra là liệu có thể dùng một hàm lượng lớn tro bay thay

thế xi măng để chế tạo bê tông xi măng? Nếu dùng một hàm lượng lớn tro bay thay

thế xi măng để chế tạo bê tông xi măng thì nó ảnh hưởng đến sự phát triển cường độ

của bê tông như thế nào? Vậy nghiên cứu bê tông xi măng sử dụng nhiều phụ gia

tro bay nhằm:

- Tận dụng vật liệu phế thải công nghiệp sẵn có trong nước (tro bay) với trữ

lượng lớn để chế tạo bê tông, nhằm tránh phải tồn chứa phế thải công nghiệp, giảm

được hàm lượng xi măng trong bê tông, tiết kiệm tài nguyên, giảm giá thành xây

dựng và góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường

- Nghiên cứu công nghệ chế tạo bê tông xi măng dùng phụ gia tro bay hàm

lượng cao và ứng dụng loại vật liệu này trong xây dựng nói chung và trong xây

dựng đường ô tô và thành phố nói riêng

III ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

Nghiên cứu bê tông xi măng dùng phụ gia tro bay hàm lượng cao và ứng dụng

để xây dựng mặt đường ô tô và thành phố

IV PHẠM VI NGHIÊN CỨU:

Sử dụng phụ gia tro bay nhà máy nhiệt điện Formosa - Nhơn Trạch - Đồng

Nai với hàm lượng cao từ (40-50)% thay thế xi măng để chế tạo bê tông xi măng,

nghiên cứu sự phát triển cường độ chịu nén và kéo uốn của bê tông xi măng có

cường độ nén từ 30 Mpa đến 50 Mpa khi sử dụng hàm lượng phụ gia tro bay ở trên

V Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN:

1 Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu trên cơ sở thực nghiệm và tính hiệu quả để

sử dụng vật liệu phế thải công nghiệp tro bay, góp phần làm đa dạng và phong phú

các loại vật liệu dùng để chế tạo bê tông xi măng dùng trong xây dựng nói chung và

trong xây dựng đường ô tô và thành phố nói riêng

2 Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu đáp ứng được nhu cầu cấp bách của xã hội

là đang cần nhiều loại vật liệu xây dựng mới thân thiện với môi trường thay thế vật

liệu xây dựng truyền thống, nhằm tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, giảm thiểu ô

nhiễm môi trường đồng thời hạ giá thành xây dựng công trình và mang lại hiệu quả

kinh tế cao

VI PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

- Nghiên cứu lý thuyết nhằm có một cái nhìn tổng quan về sự hình thành, kiến

tạo và biến đổi của vật liệu tro bay để chế tạo bê tông xi măng trên thế giới và trong

khu vực

- Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định các tính chất của hỗn hợp bê tông,

của bê tông xi măng dùng phụ gia tro bay hàm lượng cao Trong quá trình thực

nghiệm có dùng phương pháp đối chứng để so sánh một số chỉ tiêu của hỗn hợp bê

tông, của bê tông dùng phụ gia tro bay với hỗn hợp bê tông, bê tông thông thường

không sử dụng phụ gia tro bay

- Tổng hợp kết quả, phân tích, kết luận và đề xuất hướng sử dụng và hướng

nghiên cứu tiếp theo

VII KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN:

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị, Phụ lục, Tài liệu tham khảo Luận

văn gồm 3 chương:

- Chương 1: Tổng quan về dùng vật liệu phế thải công nghiệp làm phụ gia bê

tông xi măng

- Chương 2: Nghiên cứu vật liệu phế thải công nghiệp tro bay nhà máy nhiệt

điện Formosa - Nhơn Trạch - Đồng Nai

- Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng để xác định chỉ tiêu cường

độ chịu nén và kéo uốn của bê tông xi măng dùng phụ tro bay hàm lượng cao

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ DÙNG VẬT LIỆU PHẾ THẢI CÔNG

NGHIỆP LÀM PHỤ GIA BÊ TÔNG XI MĂNG

1.1 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN KẾT CẤU BÊ TÔNG TRÊN THẾ

GIỚI VÀ TRONG NƯỚC

Lịch sử phát triển của kết cấu bê tông gắn liền với sự phát triển của xã hội loài

người Từ nửa thế kỉ XIX, nền kinh tế của chủ nghĩa tư bản có những bước tiến

nhảy vọt, nhu cầu xây dựng các nhà máy, đường sá, cầu cống ngày càng lớn, do

đó cần phải có một loại vật liệu xây dựng mới bền chắc, rẻ tiền để đáp ứng nhu cầu

trên Cũng trong thời kì này, ngành xi măng đã khá phát triển, nó tạo điều kiện

thuận lợi cho một loại vật liệu mới ra đời, đó là bê tông xi măng

Cuối năm 1848, một người pháp tên Lambot đã làm một chiếc thuyền bằng

lưới sắt với hai mặt được trát vữa xi măng, chiếc thuyền này được triển lãm tại Pari

năm 1855 Sau đó người ta chế tạo các bản sàn, cột, dầm, đường ống, bể chứa nước

và các cấu kiện khác bằng bê tông xi măng Vào năm 1875 Joseph Monier đã xây

dựng cây cầu bê tông cốt thép đầu tiên dài 50ft (15,24m), rộng 13ft (3,96m) Sau

đó, Francois Hennebique kỹ sư người Pháp đã phát triển mặt cắt ngang dầm dạng

chữ T Ở thời kì sơ khai người ta làm theo cảm tính, không có các nguyên tắc tính

toán và cốt thép thường được đặt ở vị trí trục trung hòa Khoảng năm 1880, các

nghiên cứu về cường độ của bê tông, bê tông cốt thép mới được bắt đầu ở Pháp và

Đức Vào năm 1886, một trong những người đầu tiên kiến nghị đặt cốt thép vào

vùng chịu kéo và kiến nghị phuơng pháp tính toán cấu kiện bê tông là Keonen, một

kĩ sư người Mĩ Sau đó các qui phạm kĩ thuật đầu tiên về bê tông được ban hành ở

nhiều nước như Pháp, Đức, Nga vào thập niên đầu tiên của thế kỉ XX

Đầu thế kỉ XX, người ta mới bắt đầu xây dựng lý thuyết tính toán kết cấu bê

tông cốt thép theo ứng suất cho phép (phương pháp cổ điển) dựa trên cơ sở các công

thức tính toán ứng suất của môn Sức bền vật liệu Đến năm 1928, Eugesne

Freyssinet người Pháp nghiên cứu thành công dùng thép sợi cường độ cao căng

trước lúc đổ bê tông và kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước bắt đầu đưa vào ứng

dụng Sau đó vào năm 1939, Giáo sư Loleit cùng với các cộng sự nghiên cứu tính

không đồng nhất và đẳng hướng, tính biến dạng đàn hồi dẻo của bê tông và kiến

nghị tính toán theo giai đoạn phá hoại Đến năm 1955 ở Liên Xô cũ đã bắt đầu tính

toán với phương pháp mới hơn có tên là tính theo trạng thái giới hạn Phương pháp

đó ngày càng hoàn thiện và đang được rất nhiều nước trên thế giới sử dụng để tính

kết cấu bê tông cốt thép kể cả nước ta

Cho đến nay kết cấu bê tông đã chiếm một vị trí quan trọng trong các ngành

xây dựng cơ bản và đã đạt được nhũng thành tựu hết sức to lớn Người ta đã xây

dựng cầu vòm có nhịp dài 260 m ở Thụy Điển, mái nhà có nhịp trên 200 m ở Pháp,

hàng loạt chiếc cầu vượt Đại Dương cũng như các tòa nhà chọc trời ở khắp thế giới

như: Tháp Burj Dubai (các tiểu vương quốc Ả rập Thống nhất) cao 828m; Tòa nhà

Taipei (Đài Loan) cao 509m; Trung tâm tài chính Thượng Hải (Trung Quốc) cao

494 m

Ở Việt Nam, kêt cấu bê tông cốt thép được du nhập vào dưới thời Pháp thuộc

để làm cầu, cống và nhà dân dụng và công nghiệp, các công trình về bê tông thời kì

đó hiện nay còn rất ít ỏi và đơn giản, chỉ từ khi Miền Bắc được giải phóng, các công

trình bằng bê tông cốt thép đầu tiên được xây dựng ở Miền Bắc như: khu liên hợp

gang thép Thái Nguyên (1960), nhà máy công cụ số 1 Hà Nội Sau đó nhiều công

trình lớn lần lượt ra đời: nhà máy thủy điện Thác Bà (1964), cầu Thăng Long

(1972) Bê tông cốt thép dự ứng lực được ứng dụng đầu tiên ở cầu Phú Lỗ (nhịp 18

m, xây dựng năm 1961) Trong thời kỳ chiến tranh chống Mĩ cứu nước, kết cấu bê

tông cốt thép được dùng để xây dựng các công sự chiến đấu và hầm chống bom ở

nhiều chiến trường Cho đến nay bê tông xi măng là một loại vật liệu xây dựng chủ

yếu ở nước ta trong tất cả các ngành xây dựng cơ bản như giao thông, thủy lợi, dân

dụng và công nghiệp Việc nghiên cứu bê tông xi măng đang được đẩy mạnh, đặc

biệt là ở các trường Đại học và các Viện khoa học kĩ thuật

1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG TỪ PHỤ PHẨM CÔNG

NGHIỆP TRONG BÊ TÔNG XI MĂNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG

NƯỚC

1.2.1 Khái niệm về các phụ gia khoáng

Phụ gia khoáng là các vật liệu vô cơ có nguồn gốc từ thiên nhiên hoặc nhân

tạo, có chứa SiO2 hoặc Al2O3 ở dạng hoạt tính Bản thân các vật liệu này không có

hoặc có rất ít tính dính kết, nhưng khi được nghiền mịn và ở điều kiện ẩm sẽ tác

dụng hóa học với vôi và có tính chất kết dính Khi thủy hóa sẽ tạo thành silicat

canxi ngậm nước

Các phụ gia khoáng thường gặp là tro núi lửa (puzơlan), đá bọt opal, điatomit,

sét nung, tro bay, xỉ lò cao và muội silic Ba chất cuối là các khoáng nhân tạo được

dùng phổ biến để làm phụ gia cho bê tông hiện nay

Những loại puzơlan tốt nhất được trộn với xi măng với tỉ lệ tối ưu sẽ cải thiện

rất nhiều các phẩm chất của bê tông như:

- Hạ thấp lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình hyđrát hóa và giảm co ngót do

nhiệt

- Tăng độ kín nước

- Giảm phản ứng hóa học với cốt liệu kiềm

- Tăng độ bền sunfat với nước biển

- Cải thiện được tính dãn nở

- Giảm nguy cơ hòa tan và bị khử

- Tăng tính công tác cho bê tông tươi

- Giảm được giá thành xây dựng

Ngoài những ưu điểm trên, trái với sự ngộ nhận của nhiều người, những

puzơlan tốt sẽ không làm tăng lượng nước yêu cầu và độ co ngót khi khô

Vật liệu puzơlan và vật liệu silic hay vật liệu silic kết hợp với vật liệu chứa

nhôm mà bản thân trong chúng có rất ít hoặc không có đăc tính xi măng Khi được

nghiền mịn và kết hợp với hơi ẩm thì chúng sẽ phản ứng hóa học với Ca(OH)2 được

giải phóng ra trong quá trình hyđrát hóa ở nhiệt độ thường để tạo ra hợp chất có các

đặc tính như xi măng

Qua quá trình hyđrát hóa canxi silicat (C3S) và đicanxi silicat (C2S) thì

Ca(OH)2 được tạo thành như một sản phẩm của quá trình hyđrát hóa Loại hợp chất

này không có các đặc tính kết dính, tan trong nước và có thể bị rửa trôi bởi sự thấm

lọc nước Các hợp chất silic hay nhôm tồn tại dưới dạng hạt rời mịn sẽ phản ứng với

Ca(OH)2 sẽ tạo thành chất kết dính xi măng ổn định cao có hỗn hợp gồm các thành

phần như nước, canxi, silic

Nói tóm lại, silic vô định hình phản ứng nhanh hơn silic dạng tinh thể Người

ta đã chỉ ra rằng Ca(OH)2 còn là một vật liệu hòa tan trong nước được chuyển thành

vật liệu xi măng không tan trong nước bằng cách sử dụng vật liệu puzơlan

Các loại vật liệu puzơlan được chia làm hai nhóm:puzơlan tự nhiên và puzơlan

nhân tạo

* Puzơlan tự nhiên gồm:

- Đất sét và đá phiến

- Đá phiến opan

- Đá điatomit

- Tro núi lửa và bọt đá núi lửa

* Puzơlan nhân tạo:

- Tro bay

- Xỉ lò cao

- Muội silic

Đối với đất sét và đá phiến đòi hỏi phải nung nóng ở nhiệt độ từ 4250C -

11000C để biến chúng thành puzơlan hoạt động Hiếm khi đất sét và đá phiến không

nung lại có những phản ứng như puzơlan Với tro núi lửa và bọt núi lửa thường ở

trạng thái tự nhiên cũng thể hiện được các đặc tính như puzơlan Nói chung, hầu hết

các vật liệu puzơlan thiên nhiên cần phải được nghiền nhỏ đến độ mịn cao để làm

cho chúng phù hợp khi sử dụng với xi măng trong bê tông, ngoại trừ bọt đá núi lửa

thường xuyên tồn tại ở dạng rời rạc mịn

* Theo tiêu chuẩn Mĩ (ASTM C - 618) có các loại phụ gia khoáng như sau:

- Loại N: puzơlan tự nhiên hoặc nung như: điatomit, opal, sét, tro núi lửa và

bọt đá núi lửa

- Loại F: tro bay thu được do đốt than antraxit hoặc than bitum

- Loại C: tro bay thu được do đốt than nâu, hàm lượng canxi oxit (CaO) trong

than trên 10%

* Xét về thành phần hóa học, có thể tham khảo tiêu chuẩn Ấn Độ 1344 - 1968,

trong đó yêu cầu rằng puzơlan phải tuân thủ các yêu cầu về hóa học như bảng 1.1

sau đây:

Bảng 1.1 Các thành phần hóa học của tro bay

Oxit silic + oxit nhôm + oxit sắt (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) Không dưới 70%

* Các yêu cầu về vật lý gồm có: tỉ diện tích bề mặt không nhỏ hơn 3200

cm2/g, cường độ nén trung bình khi thí nghiệm ít nhất ba mẫu hình lập phương

không được nhỏ hơn ít nhất 80% cường độ của mẫu hình lập phương tương đương

đúc vữa xi măng không phụ gia ở tuổi 28 ngày Hơn nữa, cường độ của mẫu lập

phương phải bằng cường độ của mẫu vữa xi măng nguyên chất hình lập phương ở

độ tuổi 90 ngày [10]

1.2.2 Các loại phụ gia khoáng từ phụ phẩm công nghiệp

1.2.2.1 Tro bay

Tro bay hay tro nhiên liệu cháy được nghiền mịn là một puzơlan nhân tạo lấy

từ chất lắng đọng trong qua trình cháy của than nghiền Nó được thu lượm bằng

máy tách cơ khí hay máy tách tĩnh điện từ ống khói của các nhà máy nhiệt điện mà

sử dụng than nghiền làm nhiên liệu Đây là một loại vật liệu rất mịn bao gồm chủ

yếu là các hạt thủy tinh nhỏ hình cầu Loại vật liệu này trước đây được xem là một

phế thải công nghiệp rất khó xử lí và phân hủy, nhưng bấy giờ lại trở thành một vật

liệu có giá trị cao khi sử dụng kết hợp với xi măng như là một phụ gia Các đặc

trưng và thành phần của nó biến đổi rất rộng không chỉ giữa các nhà máy nhiệt điện

mà biến đổi từ giờ này sang giờ khác trong cùng một nhà máy

Tro bay được thu lượm từ máy tách khí xoáy, có kích thước hạt tương đối lớn

Trong khi đó, tro bay thu lượm từ tấm hút tĩnh điện thì khá mịn và có tỉ diện tích bề

mặt từ 3000 - 5000 cm2/g, do đó nó thường mịn hơn xi măng Thành phần chính

thường là oxit silic (SiO2), oxit nhôm (Al2O3), oxit sắt (Fe2O3), oxit lưu huỳnh

(SO3), oxit magie (MgO), oxit canxi (CaO), các bon (C), oxit natri (Na2O), oxit kali

(K2O) Các đặc trưng quan trọng nhất trong việc sản xuất bê tông là hàm lượng các

bon thấp, hàm lượng oxit silic cao và nó phải ở dạng hạt mịn rời rạc

Tro bay được coi là pu zơlan phổ biến nhất Các hạt tro bay có hình dạng cầu

và có kích thước tương đương hạt xi măng Phần lớn các hạt SiO2 ở dạng vô định

hình, vì thế có khả năng tác dụng mạnh với xi măng Nói chung, kích thước hạt tro

bay thay đổi từ 10 m đến 40 m Tính chất của tro bay tùy thuộc kích cỡ hạt,

thành phần hóa lí và đặc tính bề mặt hạt

Tro bay loại F thường chứa dưới 5% canxi oxit (CaO), trong khi đó tro bay

loại C chứa 15 - 35% Tro bay loại F chứa các loại oxit silic và oxit nhôm cao hơn

Các khoáng kết tinh của tro bay loại C vẫn có hoạt tính, trong khi đó các khoáng kết

tinh của tro bay loại F là chất trơ Hai loại tro bay này vẫn còn khác nhau về hàm

lượng than chưa cháy Hiếm khi tro bay loại F không chứa than chưa cháy thường

dao động từ 2 - 10% (theo khối lượng mất khi nung)

1.2.2.2 Xỉ lò cao

Bằng cách làm nguội nhanh xỉ lò cao luyện thép người ta thu được xỉ hoạt hóa

Khi nghiền mịn với tỉ diện 4000 - 6000 cm2/g (theo Blaine), xỉ lò cao có tính tự

dính kết và hút vôi Đây là sản phẩm phi kim loại, có thành phần tùy theo thành

phần của quặng, đá gây chảy và tạp chất trong than cốc được cho vào lò cao Để có

tính chất thủy hóa tốt nhất thì xỉ lỏng phải được làm nguội nhanh khi lấy ra khỏi lò

cao, nhờ đó sẽ giảm tối thiểu sự kết tinh và chuyển xỉ lỏng thành dạng hạt (lọt được

qua sàng N0 ), bao gồm chủ yếu là vật liệu không kết tinh (silicat, aluminat canxi và

các chất kiềm khác) Trong khi đó xỉ được làm nguội chậm thì sẽ gồm chủ yếu là

các chất kết tinh cho nên không có tính kết dính cao

Xỉ lò cao được phân thành các cấp 80, 100 và 120 dựa trên chỉ số độ hoạt tính

của xỉ, cách tính như sau:

SAI = chỉ số độ hoạt tính của xỉ = SP/Px100% (%)

Trong đó:

- SP: cường độ nén trung bình của mẫu vữa xỉ - xi măng (psi)

- P: cường độ nén trung bình của mẫu vữa xi măng (psi)

Theo tiêu chuẩn ASTM C989 đã phân loại như bảng 1.2 sau đây:

Bảng 1.2 Chỉ số hoạt tính của xỉ lò cao [10]

Tuổi và cấp của

xỉ lò cao

Chỉ số độ hoạt tính của xỉ lò cao, % Trị số trung bình của 5

mẫu liên tiếp cuối cùng

Trị số của một mẫu cá biệt nào đó

Chỉ số 7 ngày Cấp 80

- Hàm lượng chất thủy tinh của xỉ

- Độ mịn của xỉ và xi măng pooclăng

- Nhiệt độ trong pha dầu của qúa trình thủy hóa

Xỉ hoạt hóa có cấu tạo vô định hình là chủ yếu (trên 90%) Thành phần hóa

học và cấu tạo pha của xỉ lò cao rất giống tro bay loại C Sự khác biệt chính của hai

loại này là hình dạng và bề mặt của các hạt Nhờ hình dạng trơn nhẵn mà khi đưa

tro bay vào bê tông sẽ có độ sụt cao hơn xỉ

1.2.2.3 Muội silic

Muội silic là phụ phẩm của công nghiệp sản xuất silicon, thành phần hóa học

chủ yếu là SiO2 (trên 90%) ở dạng vô định hình, còn lại là các oxit kim loại và

cacbon như bảng 1.3 Kích thước hạt trung bình của muội silic khoảng 0,1- 0,2 m

và có dạng hình cầu, tỉ diện tích bề mặt lên tới 15.000 - 20.000 m2/kg, tức là kích

thước hạt nhỏ hơn so với hạt xi măng khoảng 100 lần Do có kích thước hạt rất mịn

nên muội silic khó vận chuyển, bảo quản và sử dụng nếu không có biện pháp xử lý

Cách xử lý thường là tạo tập hợp hạt to hơn hoặc trộn với dung dịch tạo bột nhão

Muội silic có thể cung cấp dưới dạng nén, trong đó các hạt cố kết với nhau và dễ

dàng tách rời nhau dưới tác dụng của máy trộn bê tông Khối lượng đổ đống của

muội silic khi không nén là 200 - 300 kg/m3 và 500 - 600 kg/m3 khi nén Khi giữ

nguyên tỉ lệ N/X và cho thêm 2 - 5% muội silic sẽ làm tăng độ dẻo của hỗn hợp bê

tông, giảm tách nước và phân tầng Khi hàm lượng muội si lic trên 8% sẽ làm cho

hỗn hợp bê tông trở nên khô, khó trộn, do vậy thường phải dùng phối hợp với phụ

gia siêu dẻo

Bảng 1.3 Các thành phần hóa học của muội silic [10]

Việc đưa muội si lic vào hỗn hợp bê tông không những làm tăng tính cố kết

mà còn tạo ra hiệu ứng "bôi trơn" trong bê tông do các hạt muội silic có dạng hình

cầu Nhu cầu nước để duy trì tính công tác tăng sẽ được điều chỉnh bình thường khi

bổ sung phụ gia siêu dẻo, giảm nước hay dẻo hóa Do vậy hỗn hợp bê tông vẫn có

tính dính so với hỗn hợp bê tông thường Tuy nhiên, khi hỗn hợp bê tông có phụ gia

muội silic thể hiện khả năng lưu biến và khi bị đầm rung thì nó trở nên linh động

nên thuận lợi cho việc đầm chặt Bê tông chứa muội silic thường thiết kế với tính

công tác cao để dễ đổ bê tông

Do có tính dính hơn so với vữa bê tông thường nên bê tông có phụ gia muội

silic có khuynh hướng kém phân tầng ngay cả khi có tính công tác cao, do đó không

thấy hiện tượng tách nước Tính chất này của muội silic cho thấy nó rất thích hợp

cho các loại vữa và bê tông bơm, trong ứng dụng này thì muội silic được xem như

là phụ gia "chống tách nước"

Muội silic rất tương thích với tro bay, do vậy khi sử dụng cả hai loại phụ gia

này cho kết quả rất tốt đối với độ bền lâu Nhờ kích thước các hạt khác nhau nên sẽ

đạt được một sự phân bố tốt hơn ở vùng hạt mịn vì các hạt muội silic sẽ lấp đầy

khoảng trống giữa các hạt to bay và hạt xi măng Do vậy cấu trúc của bê tông sẽ đặc

hơn và dẫn đến cường độ cao hơn và tuổi thọ tăng lên Xét về phương diện sử dụng

bê tông ở các vùng xâm thực (vùng nước thải hay nước biển) thì ưu điểm trên là

điều đáng quan tâm

1.2.2.4 Tro trấu

Từ một tấn thóc có thể thu được 160 kg trấu, khi đốt số trấu ấy sẽ thu được

20% tro Tro này chứa khoảng 80 - 90% SiO2 vô định hình, 1 - 2% K2O, phần còn

lại là than chưa cháy hết Tỉ diện của tro khoảng 50000 - 60000 m2/kg

Kết quả nghiên cứu hỗn hợp xi măng - tro thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM

C -109 trình bày ở bảng 1.3 sau đây

Bảng 1.4 Chỉ số hoạt tính của xỉ lò cao [10]

Tỉ lệ tro so

với xi măng

Cường độ nén ở tuổi (MPa)

70:30 31,9 45,5 58,7 63,9

30:70 24 35,4 42,7 50,1 0:100 22,4 32,5 42,4 47,7

Theo bảng 1.3 thì mẫu chứa 70% tro đạt cường độ cao nhất Điều này cho thấy

phản ứng giữa Ca(OH)2 với oxit silic của tro trấu là mạnh mẽ hơn với oxit silic của

puzơlan Độ co ngót của mẫu xi măng - tro tương đương với mẫu đối chứng không

có tro

Vữa bê tông có tro trấu rất bền trong môi trường axit, nguyên nhân chính là do

oxit silic tác dụng triệt để với Ca(OH)2 trong bê tông, khi đó trên mẫu không có tro

bay lượng Ca(OH)2 chiếm tới 20 - 25% khối lượng xi măng thủy hóa

Ngoài ra khi dùng tro trấu trong bê tông khối lớn thì có thể giảm giảm nhiệt độ

thủy hóa của bê tông so với đối chứng

1.2.2.5 Meta cao lanh

Viện vật liệu xây dựng đã chế tạo được phụ gia meta cao lanh (kí hiệu

mekalit) có chất lượng phù hợp với với tiêu chuẩn ASTM C 618.19 và đã đăng kí

chất lượng hàng hóa Nó có thể thay thế 10% lượng xi măng mà không làm giảm

cường độ bê tông Khi dùng kết hợp với phụ gia siêu dẻo có thể chê tạo được bê

tông mác 500, đạt cường độ cao sớm [10]

1.2.3 Tình hình sử dụng phụ gia khoáng từ phụ phẩm công nghiệp trên thế giới

và trong nước

Việc sử dụng vật liệu puzơlan có từ khi xuất hiện kĩ thuật xây dựng bằng bê

tông Từ xưa người ta nhận thấy rằng: các loại vật liệu puzơlan phù hợp được sử

dụng với hamg lượng hợp lí sẽ thay đổi các đặc trưng nhất định của vữa, hỗn hợp bê

tông hay bê tông Người Hy Lạp và La Mã cổ đại đã sử dụng các loại vật liệu

puzơlan tự nhiên trộn với vôi sẽ cho ra một loại vật liệu giống như xi măng và dùng

nó để xây dựng cầu vòm, cầu máng dẫn nước vào thành phố Loại vật liệu này cố

kết từ tro núi lửa được tìm thấy ở Puzzoli (Italia) gần Vesuveus, vì vậy nó được gắn

cái tên là Puzzuolana, đó là thuật ngữ chung để chỉ tất cả các loại vật liệu tương tự

có nguồn gốc núi lửa được tìm thấy ở các mỏ khác nhau ở Italia, Pháp và Tây Ban

Nha Sau đó từ Puzzuolana được sử dụng trên toàn Châu Âu để gán chio bất kì loại

vật liệu nào mà nguồn gốc của nó và các đặc trưng tương tự như vật liệu có nguồn

gốc núi lửa Những mẫu bê tông được tạo ra từ vôi và tro núi lửa ở Mount Vesuveus

được sử dụng trong xây dựng cầu tàu Caliguga vào thời Julius Ceasar gần 2000 năm

trước đây Hay điện Roman Pantheon có mái vòm bê tông không gia cường lớn nhất

trên thế giới, Nó được xây dựng vào thời hoàng đế Hadrian cũng khoảng 2000 năm

trước đây và hiện nay hai công trình trên vẫn còn tồn tại trong điều kiện khá tốt

Một số kết cấu cổ xưa còn tồn tại đến ngày nay là một bằng chứng về tính ưu việt

của xi măng puzơlan hơn hẳn so với vôi, đồng thời nó cũng nói lên người Hy Lạp

và La Mã tạo ra một sự tiến bộ thực sự trong sự phát triển của vật liệu xi măng [10]

Sau giai đoạn phát triển của xi măng tự nhiên trong suốt nhũng năm cuối thế kỉ

XIIX, vào đầu thế kỉ XIX khi xi măng poóclăng xuất hiện thì thói quen sử dụng phụ

gia puzơlan bị suy giảm Vào những thập niên cuối của thế kỉ XX thì phụ gia

puzơlan được sử dụng trở lại, đặc biệt là các phụ gia khoáng từ phụ phẩm công

nghiệp như tro bay, xỉ lò cao, muội silic Ở Nauy người ta dùng các loại phụ gia này

từ năm 1952, tiêu chuẩn Nauy về sử dụng các loại vật liệu này làm phụ gia cho xi

măng được ban hành vào năm 1976 Các loại vật liệu từ phụ phẩm công nghiệp này

có tại các nước, khu vực có công nghiệp phát triển như bán đảo Scanđinavi,

Canađa, Nhật, Pháp, Đức, Mĩ, Nam Phi, Úc, Aixơlen, Hàn Quốc, Trung Quốc Tại

Đông Nam Á thì các loại vật liệu này phần lớn được nhập khẩu từ các nước trên

Cho đến ngày nay thì các loại vật liệu từ phụ phẩm công nghiệp này được sử dụng

một cách rộng rãi ở rất nhiều nước và xem như là một nguyên liệu trong bê tông xi

măng, đặc biệt là cho các kết cấu công trình cảng biển, đê đập, kết cấu thủy công và

đường sá Tại Pháp, 99% tro bay, xỉ than được tái sử dụng; tại Đức con số này là

89%; tại Hàn Quốc là 85% và tại Nhật là 80% Đối với tro bay thì thì hiện nay chủ

yếu dựa vào bộ tiêu chuẩn Mĩ ASTM C311 – 04, ASTM C114, ASTM C 618

Ở Việt Nam, phụ gia khoáng trước đây được nghiên cứu sử dụng chủ yếu cho

sản xuất xi măng Từ năm 1960, mỏ Puzơlan ở Sơn Tây, đây là loại phún xuất sau

khi nung trở thành Puzơlan có độ hoạt tính cao, nhưng nhược điểm là màu đỏ gạch

Ở miền Trung và miền Nam nước ta có sẵn đá bazan, nhiều mỏ đá được sử dụng

như Nông Cống (Thanh Hóa), Phủ Quỳ (Nghệ An), Núi Đầu Voi (Quảng Ngãi),

Bến Tân (Đồng Nai), Mui Rùa, Núi Đất (Bà Rịa) Phụ gia được nghiền cùng với

Clanhke xi măng tỷ lệ 10 – 15% Vào những năm cuối của thế kỉ XX thì các phụ gia

khoáng từ phụ phẩm công nghiệp như tro bay, muội silic hay xỉ lò cao mới đưa vào

làm phụ gia cho bê tông, vào thời điểm này các loại vật liệu này thường phải nhập

khẩu vì trong nước chưa có các sản phảm đáp ứng các yêu cầu kĩ thuật Nghiên cứu

cho thấy, để sản xuất ra 1MW điện, nhà máy nhiệt điện đốt than sẽ thải ra khoảng

277 tấn tro, xỉ Hàng năm, các nhà máy nhiệt điện chạy than của Tập đoàn Công

nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam (TKV) với tổng sản lượng hàng chục ngàn

MW phải tiêu thụ hàng triệu tấn than thì trữ lượng tro, xỉ thải ra là rất lớn Phần lớn

các nhà máy nhiệt điện đốt than thuộc TKV sử dụng công nghệ tầng sôi tuần hoàn,

than đầu vào là các loại than có chất lượng không cao, nhiệt năng chỉ vào khoảng

3800 - 4000kcal/kg Lượng tro, xỉ thải sau khi đốt chiếm gần 50% lượng than cung

cấp Chẳng hạn, nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn mỗi năm tiêu thụ khoảng 400.000

tấn than nhiên liệu, thải ra gần 200.000 tấn tro, xỉ hay nhà máy nhiệt điện Phả Lại

(Hải Dương) thải ra khối lượng lớn nhất khoảng 500-550 ngàn tấn/năm Hầu hết

lượng tro, xỉ này được thải ra môi trường như là một loại rác thải công nghiệp mà

không có biện pháp xử lý và sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên quí giá này Có

nhiều nguyên nhân gây nên sự lãng phí này như chất lượng tro kém; chưa có công

nghệ xử lý tro; ý thức bảo vệ môi trường và tiết kiệm tài nguyên chưa cao; chưa có

các chế tài, chính sách liên quan Hiện nay ở nước ta chỉ có vài nhà máy nhiệt điện

cho chất lượng tro tốt có thể xử lý làm phụ gia khoáng bê tông Ở Miền Bắc có nhà

máy nhiệt điện Phả Lại (Hải Dương), ở Miền Nam có nhà máy nhiệt điện Formosa

(Nhơn Trạch - Đồng Nai), nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ (Bà Rịa - Vũng Tàu)

Trong những năm gần đây, các công trình xây dựng ở nước ta ngày càng có

quy mô quy mô lớn, đòi hỏi phải có những loại bê tông tính năng cao phục vụ

những mục đích đặc biệt như: Thi công kết cấu chịu va chạm; mài mòn, chống

thấm, môi trường xâm thực … Các loại bê tông này phải đảm bảo các yêu cầu kỹ

thuật về: cường độ cao, phát triển nhanh, dễ chảy, ít tỏa nhiệt, khả năng điền đầy

cao, ổn định kích thước, bám dính tốt, không phân tầng, tách nước, không rạn nứt,

bền với điều kiện khí hậu, kháng va đập, chịu rung động, có khả năng bảo vệ cốt

thép, chống thấm Vì vậy, công nghệ thi công bê tông sử dụng phụ gia khoáng từ

phụ phẩm công nghiêp, đặc biệt là tro bay để cải tạo tính chất của bê tông, đặc biệt

là các biện pháp thi công khống chế nhiệt độ ban đầu, giảm ứng suất nhiệt trong bê

tông khối lớn, tăng độ bền vững, kéo dài tuổi thọ công trình, đảm bảo sự an toàn

trong quản lý, sử dụng đối với các đập lớn, cảng biển là vấn đề mang tính khoa

học, kinh tế và thực tiễn vô cùng to lớn.Cho đến nay tro bay đã được sử dụng phổ

biến trong công nghệ bê tông, trong công nghệ sản xuất gạch không nung và đặc

biệt công nghệ bê tông đầm lăn, bê tông tự đầm không thể thiếu phụ gia này Ở

Miềm Bắc chủ yếu sử dụng tro bay từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại, các công trình có

sử dụng loại tro bay này trong công nghệ bê tông như: Đập Tân Giang (Ninh

Thuận); Đập Bái Thượng (Thanh Hóa); Đập thủy điện Bản Vẽ (Nghệ An); Đập

Thủy điện Sơn La; Đập thủy điện Bản Chát (Lai Châu); Đập Thủy điện Plêikrông

(Kon Tum) Ở Miền Nam chủ yếu sử dụng tro bay từ nhà máy nhiệt điện Formosa

(Nhơn Trạch - Đồng Nai), các công trình có sử dụng loại tro này như: Đập thủy

điện Định Bình (Bình Định); Đập thủy điện Đồng Nai

Sau đây là một số hình ảnh về các công trình xây dựng có dùng phụ gia tro bay

ở nước ta:

Hình 2.1 Toàn cảnh đập thủy điện Sơn La

Hình 2.2 Thi công đập thủy điện Sơn La

Hình 2.4 Thi công đập thủy điện Bản Vẽ (Nghệ An) Hình 2.3 Toàn cảnh đập thủy điện Bản Vẽ (Nghệ An)

Hình 2.5 Toàn cảnh đập Tân Giang (Ninh Thuận)

Hình 2.6 Thi công đập thuỷ điện Pleikrông (Kon Tum)

Hình 2.6 Thi công đập Định Bình (Bình Định)

Hình 2.7 Toàn cảnh đập thủy điện Đồng Nai

Hình 2.8 Thi công đập thủy điện Đồng Nai

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT

ĐIỆN FORMOSA - NHƠN TRẠCH - ĐỒNG NAI

2.1 NGUỒN GỐC TRO BAY, CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH VÀ MỘT SỐ

TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG

Tro bay nghiên cứu trong luận văn là tro bay thu lượm từ nhà máy máy nhiệt

điện Formosa (Nhơn Trạch - Đồng Nai) do Công ty Mê Kông Corporation phân

phối Tro bay được thu lượm bằng máy tách cơ khí hay máy tách tĩnh điện từ ống

khói của các nhà máy nhiệt điện mà sử dụng than nghiền làm nhiên liệu Đây là một

loại vật liệu rất mịn bao gồm chủ yếu là các hạt thủy tinh nhỏ hình cầu

Thành phần chính thường là oxit silic (SiO2), oxit nhôm (Al2O3), oxit sắt

(Fe2O3), oxit lưu huỳnh (SO3), oxit magie (MgO), oxit canxi (CaO), oxit natri

(Na2O), oxit kali (K2O)

Theo ASTM C618:99, các chỉ tiêu chất lượng của tro bay được qui định như

1 Tổng hàm lượng các oxit: SiO2, Al2O3, Fe2O3 % Min, 70

6 Chỉ số hoạt tính cường độ ở tuổi 28 ngày % Min, 75

Các tính chất vật lý đặc trưng quan trọng nhất của tro bay trong việc làm phụ

gia sản xuất bê tông là:

- Hình dạng hạt: hạt tro bay có dạng hình cầu

- Kích thước hạt: thay đổi từ 10 m đến 40 m

- Độ mịn: từ 3000 - 5000 cm2/g

- Hàm lượng các bon thấp, hàm lượng oxit silic cao và oxit silic ở dạng hạt

mịn rời rạc

Các tính chất khác: Hoạt tính Pozzolan (Phản ứng Pozzolan): Là hiện tượng

xảy ra khi xi măng đông đặc thành bê tông, một phần vôi tự do không được phản

ứng còn sót lại sẽ kết hợp với nước và thành phần chính của tro bay là Silica gây

nên phản ứng chậm, có tác dụng làm tăng cường độ của xi măng kể từ sau 28 ngày

2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA TRO BAY ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP

BÊ TÔNG VÀ CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG

2.2.1 Độ sụt (độ lưu động)

Tro bay có khả năng cải thiện tính dẻo của bê tông khi dùng với hàm lượng

thấp, vì hạt tro bay có dạng hình cầu và nhẵn nên có tính bôi trơn Tuy nhiên khi

dùng với hàm lượng cao và giữ nguyên cấp phối bê tông thì độ dẻo của hỗn hợp bê

tông giảm do tỉ diện tích bề mặt của hạt tro bay lớn hơn xi măng Lượng nước trộn

cần tăng thêm 5 - 10% để giữ nguyên độ sụt ban đầu tùy theo hàm lượng dùng

2.2.2 Cường độ

Cường độ bê tông là một đặc trưng quan trọng nhất được coi là nhân tố đáng

giá so với các loại puzơlan có các nguồn gốc khác nhau Những thí nghiệm được

tiến hành ở các phòng thí nghiệm nghiên cứu khác nhau về các loại vật liệu puzơlan

khác nhau đã cho thấy tốc độ phát triển cường độ và cường độ tới hạn khác nhau

tùy theo loại puzơlan Khi tro bay dùng để thay xi măng người ta phát hiện ra rằng

cường độ của bê tông giảm ở giai đoạn đầu và cường độ tới hạn xấp xỉ cường độ

của bê tông xi măng không dùng tro bay

Xi măng poóclăng tro bay phát triển ổn định cường độ chịu kéo cao hơn xi

măng poóclăng không chứa tro bay

Tro bay góp phần vào sự phát triển cường độ chịu kéo không cùng mức độ

như là đối với cường độ chịu kéo Các tác động của tro bay không thấy rõ ở tuổi 7

ngày dưỡng hộ nhưng nó lại thể hiện rõ ở tuổi 28 ngày và điều này càng rõ hơn bê

tông ở 90 ngày tuổi Ở độ tuổi này việc cho thêm tro bay vào sẽ góp phần rất nhiều

vào phát triển cường độ như là để thay thế xi măng Khi được sử dụng với khối

lượng it thì tro bay thậm chí còn hiệu quả hơn xi măng, tuy nhiên khi tỉ lệ pha trộn

trên 20% thì hiệu quả của nó bị giảm Nói chung, cường độ bê tông có phụ gia tro

bay tăng chậm trong thời kì đầu, nhưng sau 3 tháng đuổi kịp cường độ bê tông đối

chứng

Song song với quá trình thủy hóa của xi măng là quá trình silicat hóa, tức là

quá trình Ca(OH)2 trong đá xi măng tương tác hóa học với oxit silic vô định hình

của phụ gia khoáng tạo thành silicat canxi thủy hóa gốc thấp Chính phản ứng này

làm tăng độ bền bê tông ở tuổi muộn

2.2.3 Co ngót và từ biến

Bê tông dùng tro bay thường có độ co ngót thấp hơn so với bê tông đối chứng

Trong khi đó co ngót của bê tông dùng phụ gia puzơlan tự nhiên xấp xỉ hoặc cao

hơn

Nói chung, vữa bê tông chứa puzơlan để thay thế xi măng trương nở nhiều hơn

chút ít khi chịu điều kiện khí hậu ẩm ướt liên tục và bị co ngót tương đối lớn trong

điều kiện khô liên tục so với vữa bê tông xi măng đối chứng không chứa puzơlan

Với tro bay có chứa hàm lượng các bon thấp, khi nó thay thế xi măng với hàm

lượng bình thường thì độ co ngót khi khô của bê tông có thể nhiều hơn một chút so

với bê tông xi măng poóclăng tương đương không tro bay Các loại puzơlan có hàm

lượng opal cao sẽ gây ra sự co ngót khi khô lâu dài nhiều hơn xi măng poóclăng là

50% khi thay thế 20% hàm lượng xi măng

2.2.4 Tuổi thọ

Bê tông có sử dụng phụ gia tro bay nói chung có độ đặc chắc cao hơn, hệ số

thấm (cm/s) giảm từ 7 đến 10 lần so với bê tông đối chứng Vì thế bê tông có phụ

gia bền vững hơn trong môi trường xâm thực hòa tan, xâm thực sun phát Theo một

số nghiên cứu thì khi cho 40 - 45% tro bay thay thế xi măng poóclăng thường có thể

tương đương với dùng xi măng bền sunfat Khi hàm lượng than chưa cháy trong tro

bay nhỏ hơn 3% thì độ dẫn điện của bê tông không thay đổi nên không ảnh hưởng

đến ăn mòn cốt thép

2.2.5 Độ chống thấm

Đây là một trong những đặc trưng quan trọng nhất của tro bay khi nó được sử

dụng thay thế cho xi măng thì có khả năng làm giảm tính thấm của bê tông Điều

này dường như được cả thế giới chấp nhận Các loại puzơlan có đặc điểm opal có

hiệu quả hơn trong việc giảm tính thấm của bê tông ở giai đoan đầu hơn là các loại

puzơlan thủy tinh như bọt núi lửa và tro bay

Nếu bê tông càng nghèo thì ảnh hường của puzơlan đến việc giảm tính thấm

càng có lợi Chẳng hạn khi sử dụng đá phiến opal được nung có hoạt tính cao thay

thế 25% lượng xi măng thì hệ số thấm ở tuổi 28 ngày cho bê tông có khối lượng

213 kg/m3chỉ khoảng 0,5 và đối với bê tông có khối lượng 160 kg/m3là 0,25 lần

của hệ số thấm của bê tông xi măng poóclăng không chứa puzơlan

Theo tính toán, ở tuổi 28 ngày, bê tông có tro bay có hệ số thấm lớn gấp 3 lần

so với bê tông thường nhưng sau 6 tháng hệ số thấm lại nhỏ hơn 1/4 hệ số thấm của

bê tông thường

Một số thí nghiệm quan trọng được tiến hành để nghiên cứu ảnh hưởng của

việc cho thêm puzơlan có tỉ lệ thay đổi khác nhau lên tốc độ thấm của bê tông Kết

quả cho trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Ảnh hưởng của việc cho thêm puzơlan có tỉ lệ thay đổi khác nhau lên

tốc độ thấm của bê tông [10]

(cc/h)

Độ thấm (cm/năm)

2 Vữa 1:6 với cát, lượng puzơlansur 20% thay thế xi

4 Vữa 1:6 với cát hạt lớn, lượng đá phiến 20% thay

6 Vữa 1:5 với cát hạt lớn, lượng đất sét 20% thay thế

2.2.6 Nhiệt tỏa ra trong quá trình hyđrat hóa

Lượng nhiệt tỏa ra của bê tông xi măng poóclăng khi sử dụng phụ gia tro bay

luôn nhỏ hơn bê tông xi măng poóclăng tương đương Đối với tro bay loại F nhiệt

lượng sinh ra khoảng một nửa nhiệt lượng so với phần xi măng mà nó thay thế Kết

quả của sự giảm nhiệt độ do sự kết hợp giữa tro bay và xi măng poóclăng thường

gần giống như bê tông tỏa nhiệt thấp Đây là một điều quan trọng và mong muốn

trong kết cấu bê tông khối Vì vậy tro bay luôn luôn được sử dụng trong các công

nghệ bê tông đặc biệt như bê tông tự đầm, bê tông đầm lăn, bê tông phun Ngoài

ra, trong các kết cấu bê tông khối lớn để tránh nút nẻ do nhiệt độ, tăng cường độ

cũng như đạt được tính kinh tế người ta thường dùng phụ gia tro bay để thay thế

lượng xi măng từ 15 đến 30%

- Theo nghiên cứu của Takashi, F.Lomnd (Mĩ) có thể sử dụng hàm lượng tro

bay 15 - 30% thay thế xi măng trong bê tông thường có tỉ lệ N/X = 0,54 để giảm

nhiệt độ trong bê tông xi măng Cường độ chịu nén mẫu bê tông có phụ gia tro bay

ở tuổi 3, 7, 14, 28 và 56 ngày thấp hơn cường độ mẫu bê tông đối chứng, nhưng ở

tuổi 90 ngày thì cường độ nén của mẫu bê tông có phụ gia tro bay cao hơn

- Theo hiệp hội kĩ sư quân sự Hoa Kì, dùng tro bay loại F như một loại

puzơlan hay chất đôn mịn cho bê tông xi măng Tro bay loại F có tác dụng làm

giảm nhiệt thủy hóa ở tuổi sớm, có thể dùng thay thế cho xi măng, giảm giá thành,

tăng khả năng chống thấm cho bê tông, làm chất độn mịn cải thiện tính công tác của

bê tông xi măng

- Theo kết quả nghiên cứu của Takeshi Yamoto và H.Sugita (Nhật Bản) sử

dụng tro bay với tỉ lệ 20% thay thế xi măng với các mẫu bê tông thường có tỉ lệ N/X

= 0,45 - 0,5 thì cường độ của các mẫu bê tông có tro bay ở các ngày đầu thấp hơn

bê tông đối chứng nhưng nhiệt độ trong bê tông xi măng giảm đáng kể Sau 3 tháng

thì cường độ của các mẫu bê tông có tro bay cao hơn bê tông đối chứng

2.2.7 Phản ứng của cốt liệu kiềm

Nhiều thí nghiệm đã chứng minh là: rất nhiều loại puzơlan có hiệu quả trong

việc giảm sự trương nở quá nhiều của bê tông do hiện tượng phản ứng của cốt liệu

kiềm, trong đó tro bay là phụ gia có tính chất trên

Cơ chế mà puzơlan làm giảm ảnh hưởng do sự phản ứng cốt liệu kiềm thì chưa

được hiểu một cách rõ ràng Vì thế đây là mối quan tâm để kiểm tra giả thuyết về cơ

chế phản ứng của chúng Có hai phương án giải thích làm thế nào mà phản ứng

puzơlan lại ngăn cản được sự trương nở Dựa trên giả thuyết sự trương nở và hình

thức vết nứt gây ra do áp lực thẩm thấu của keo (gel), kiềm - silicat Nó được giải

thích như sau:

- Khi puzơlan có chứa SiO2 có hoạt tính cao thì keo kiềm - silicat bị gây xáo

trộn trong toàn bộ bê tông và kết quả sẽ không có cơ hội cho việc hình thành hàng

loạt keo (gel) đủ để gây ra áp lực thẩm thấu cục bộ để phá hoại bê tông

- Cũng có khả năng trong puzơlan có chứa một hàm lượng lớn oxit silic (SiO2)

có hoạt tính cao và có thể tạo ra kiềm - silicat (alkali - silicat) hay kiềm vôi - silicat

(alkali - line silicat) có tỉ lệ kiềm/oxit silic thấp và chỉ có thể tan một chút Những

sản phẩm như vậy tạo ra một áp lực thẩm thấu thấp, do áp lực thẩm thấu có liên

quan chặt chẽ với nồng độ dung môi Theo quan sát, chỉ khi cốt liệu có chứa oxit

silic theo tỉ lệ % đặc biệt và kích thước đặc biệt thì sự phản ứng cốt liệu kiềm mới

xảy ra Rất có thể là việc sử dụng các loại puzơlan làm mất cân bằng điều kiện tối

ưu mà nó rất thích hợp cho phản ứng của cốt liệu kiềm và vì thế nó giảm được phản

ứng với cốt liệu kiềm

2.2.8 Độ bền chống ăn mòn sun phát của bê tông

Những thí nghiệm đã được tiến hành bởi các nhóm nghiên cứu khác nhau đã

cho thấy độ bề sun phát của bê tông poóclăng được tăng lên rất nhiều nếu phụ gia

tro bay để thay thế xi măng Theo một số nghiên cứu thì khi cho 40 - 45% tro bay

thay thế xi măng poóclăng thường có thể tương đương với dùng xi măng bền sunfat

Lý do của việc thêm phụ gia tro bay vào sẽ chuyển canxi hyđrôxít (Ca(OH)2) được

sinh ra trong quá trình hyđrát hóa thành hợp chất kết dính không tan Sự cải thiện

tính thấm của bê tông cũng là một nhân tố quan trọng để nâng cao độ bền sun phát

của bê tông

2.2.9 Các ảnh hưởng khác

Ngoài những ưu điểm trên, khi sử dụng các loại phụ gia puzơlan trong bê tông

xi măng còn có những ưu điểm khác như:

- Tăng tính dễ thi công

- Giảm nguy cơ bị hòa tan

- Giảm khuynh hướng rỉ nước và phân tầng trong bê tông

- Giảm giá thành

Thực tế đã chứng minh rằng, việc cho thêm vào một số vật liệu puzơlan sẽ làm

tăng tính công tác của hỗn hợp bê tông mà không cần tăng tỉ lệ N/X Tính dễ thi

công sẽ được nâng cao hơn trong trường hợp sử dụng tro bay hoặc điatômít nghiền

mịn Vì bề mặt của chúng rất nhẫn và các hạt này đóng vai trò như là những gối cầu

cho các hạt cốt liệu lớn trượt lên nhau

Trong qúa trình hyđrát hóa, canxi hyđrôxít (Ca(OH)2) được giải phóng Hợp

chất này không những góp phần vào cường độ của bê tông mà còn bị tan trong nước

nên nó có thể bị cuốn trôi khỏi bê tông bởi tác dụng khử Oxit silic (SiO2) trong phụ

gia puzơlan nếu có mặt của hơi ẩm sẽ phản ứng với Ca(OH)2 để tạo thành hợp chất

kết dính mà độ hòa tan rất thấp, do vậy làm giảm nguy cơ bê tông xi măng bị hòa

tan và rửa trôi

Hỗn hợp bê tông thường phân tầng trong quá trình vận chuyển, đổ và đầm nén

Khuynh hướng này phát triển hơn nếu bê tông quá ướt (tỉ lệ N/N lớn) Hiện tượng

phân tầng có thể giảm đi nếu cho thêm một hàm lượng điatômit hoặc tro bay vừa

phải thay thế xi măng [10]

2.3 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỘT SỐ CHỈ TIÊU CƠ LÝ VÀ THÀNH

PHẦN HÓA HỌC CỦA TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN FORMOSA -

NHƠN TRẠCH - ĐỒNG NAI

2.3.1 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu vật lí của tro bay (độ ẩm, khối lượng

riêng và khối lượng thể tích)

Việc xác định độ ẩm, khối lượng riêng và khối lượng thể tích của tro bay cũng

như đối với xi măng Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu vật lí của tro bay nhà máy

nhiệt điện Formosa - Nhơn Trạch - Đồng Nai như bảng 2.3 sau đây:

Bảng 2.3 Các tính chất vật lí của tro bay

STT Tên chỉ tiêu Đơn vị Tiêu chuẩn Kết quả thí nghiệm

2 Khối lượng riêng g/cm3 TCVN 4030:2003 2,21

3 Khối lượng thể tích đổ đống kg/m3 TCVN 4030:1985 881

2.3.2 Thí nghiệm xác định chỉ số hoạt tính cường độ ở tuổi 28 ngày và lượng

nước yêu cầu theo ASTM C311

Tiến hành đúc 6 mẫu lăng trụ kích thước 40x40x160 mm Trong đó, 3 mẫu

được đúc từ 500 (g) xi măng, 1375 (g) cát tiêu chuẩn và 124 ml nước; 3 mẫu còn lại

được đúc từ 400 (g) xi măng, 100 (g) tro bay, 1375 (g) cát tiêu chuẩn và 124  5 ml

nước Sau đó đem bảo dưỡng trong thùng dưỡng hộ sau 28 ngày và đem thử cường

độ nén của tất cả các mẫu (làm gãy đôi các mẫu rồi thử cường độ nén)

- Chỉ số hoạt tính bằng tỉ số giữa trị số cường độ nén trung bình của các mẫu

đúc từ chất kết dính hỗn hợp (xi măng, tro bay) và trị số cường độ nén trung bình

của các mẫu đúc từ chất kết dính là xi măng nhân 100%

- Lượng nước yêu cầu bằng tỉ số giữa lượng nước dùng chế tạo mẫu từ chất

kết dính hỗn hợp (xi măng, tro bay) và lượng nước dùng chế tạo mẫu từ chất kết

dính là xi măng

2.3.2.1 Lượng nước yêu cầu

Lượng nước cần trộn hỗn hợp cát, xi măng và tro bay để vữa có cùng độ dẻo

với vữa trộn từ hỗn hợp cát và xi măng là 122 ml Vậy lượng nước yêu cầu là:

Nyc =

124

122x100 = 98,39 (%)

2.3.2.2 Chỉ số hoạt tính cường độ

Tiến hành bẻ gãy đôi các mẫu ở trên sau khi đã dưỡng hộ 28 ngày trong điều

kiện tiêu chuẩn và nén các mẫu được kết quả như bảng 2.4 sau:

Bảng 2.4 Cường độ nén các mẫu lập phương 40x40x40 mm

Loại mẫu Tuổi mẫu Thứ tự mẫu Cường độ nén các

mẫu (Mpa)

Cường độ nén trung bình (Mpa)Mẫu từ hỗn hợp

00,51x100 = 96,19 (%) Kết quả thí nghiệm được tổng hợp như bảng 2.5 sau đây

Bảng 2.5 Chỉ số hoạt tính cường độ ở tuổi 28 ngày và lượng nước yêu cầu

STT Tên chỉ tiêu Đơn vị Tiêu chuẩn Kết quả thí nghiệm

1 Chỉ số hoạt tính cường độ ở

2.3.3 Thí nghiệm xác định thành phần hóa học và một số chỉ tiêu chất lượng

khác của tro bay

Tác giả gửi mẫu tro bay Nhơn trạch đến "TRUNG TÂM KĨ THUẬT TIÊU

CHUẨN ĐO LƯỜNG CHẤT LƯỢNG 3" để thử nghiệm Kết quả phân tích

thành phần hóa học xác định một số chỉ tiêu như bảng 2.6 sau đây:

Bảng 2.6 Các chỉ tiêu chất lượng của tro bay Nhơn Trạch

TT Tên các chỉ tiêu Đơn vị Phương pháp thử Kết quả

Hàm lượng anhydric sulfuric (SO3)

Hàm lượng oxit silic (SiO2)

Hàm lượng oxit nhôm (Al2O3)

Hàm lượng oxit sắt (Fe2O3)

Hàm lượng oxit natri (Na2O)

3,2 3,3 0,4 51,1 33,0 5,1 1,0 71,9

Từ các chỉ tiêu đã thí nghiệm ở trên, lập được bảng tổng hợp các chỉ tiêu chất

lượng của tro bay theo mức qui định của tiêu chuẩn ASTM C168:99 (loại F) như

bảng 2.7 sau đây:

Bảng 2.7 Các chỉ tiêu chất lượng của tro bay theo ASTM C168:99

vị

Kết quả

Mức qui định theo ASTM C168 (Loại F)

1 Tổng hàm lượng các oxit: SiO2, Al2O3, Fe2O3 % 89,20 Min, 70

6 Chỉ số hoạt tính cường độ ở tuổi 28 ngày % 96,19 Min, 75

Từ các kết quả thí nghiệm ở bảng 2.6 cho thấy các chỉ tiêu chất lượng của tro

bay Nhơn trạch phù hợp với qui định trong tiêu chuẩn ASTM C168:99 Loại tro bay

này được dùng để làm phụ gia trong bê tông

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG ĐỂ XÁC

ĐỊNH CHỈ TIÊU CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG

DÙNG PHỤ GIA TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

FORMOSA - NHƠN TRẠCH - ĐỒNG NAI

3.1 NGUYÊN LÝ HÌNH THÀNH CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG

Cường độ bê tông xi măng phụ thuộc vào cấu trúc của bê tông (độ đặc) Nâng

cao trình độ công nghệ, lựa chọn thành phần vật liệu hợp lý thì bê tông sẽ có cấu

trúc hợp lý, độ đặc và cường độ cao Như vậy giữa cấu trúc và cường độ bê tông có

mối liên hệ chặt chẽ Cải tiến cấu trúc sẽ dẫn đến những biến đổi về cường độ và

các tính năng cao của bê tông [4]

3.1.1 Sự hình thành cấu trúc của bê tông

Sau khi trộn và đầm nén, các cấu trúc con của hỗn hợp bê tông được sắp xếp

lại, cùng với sự thủy hóa của xi măng cấu trúc của bê tông được hình thành Giai

đoạn này gọi là giai đoạn hình thành cấu trúc Các sản phẩm mới được hình thành

do xi măng thủy hóa dần dần tăng lên, đến một lúc nào đó chúng tách khỏi dung

dịch quá bão hòa Số lượng sản phẩm mới tách ra tăng lên đến một mức nào đó thì

cấu trúc keo tự chuyển sang cấu trúc tinh thể làm cho cường độ của bê tông tăng

lên Sự hình thành cấu trúc tinh thể sẽ sinh ra hai hiện tượng ngược nhau: tăng

cường độ và hình thành nội ứng suất trong mạng tinh thể

Khoảng thời gian hình thành cấu trúc cũng như cường độ ban đầu của bê tông

phụ thuộc vào thành phần của bê tông, loại xi măng và loại phụ gia Hỗn hợp bê

tông cứng và kém dẻo với tỉ lệ N/X không lớn có giai đoạn hình thành cấu trúc

ngắn Việc dùng xi măng và phụ gia hợp lý sẽ rút ngắn giai đoạn hình thành cấu

trúc Trong trường hợp cần duy trì tính công tác của hỗn hợp bê tông trong lúc vận

chuyển cũng như thời tiết nóng có thể dùng phụ gia kéo dài thời gian rắn chắc [1],

[2]

3.1.2 Cấu trúc cốt liệu lớn

Cấu trúc cốt liệu lớn tạo nên khung chịu lực phụ thuộc cường độ bản thân cốt

liệu lớn, tính chất cấu trúc (diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu) và cường độ liên kết

giữa các hạt Tuy nhiên, thường bản thân cốt liệu lớn là cao nên ta loại ra khỏi diện

yếu tố ảnh hưởng Trong việc chế tạo hỗn hợp bê tông luôn mong muốn xây dựng

một mô hình hỗn hợp bê tông trong đó các hạt cốt liệu lớn tiếp xúc nhiều chiều với

nhau và có hồ kết dính vữa xi măng liên kết giữa chúng Xây dựng mô hình này

nhằm đưa cấu trúc cốt liệu lớn trở thành cấu trúc chính, quyết định tính chất cấu

trúc vi mô của bê tông và quyết định tính chất chịu lực hỗn hợp của bê tông Lúc

này cấu trúc của vữa xi măng chuyển xuống thứ yếu và chỉ có tính chất liên kết Về

mặt chịu lực vữa xi măng chỉ chịu lực tương tác do liên kết giữa các hạt cốt liệu lớn

trong bộ khung mà không chịu lực nội tạng trong lòng nó Cách xây dựng mô hình

cấu trúc bê tông như vậy có khả năng tạo ra bê tông mác rất cao và giảm được

những tác động vô cùng phức tạp của cấu trúc hồ kết dính vữa xi măng với tính chất

cấu trúc vi mô của bê tông Tuy nhiên mô hình đưa ra này chỉ thuần túy lí thuyết mà

rất khó hay không có khả năng tạo được trên thực tế nhưng nó đưa ra nguyên tắc

cho tất cả các công nghệ bê tông là tăng độ mạnh của cấu trúc bộ xương khung cốt

liệu trên cơ sở:

- Tăng diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu lớn (giữa hai hạt với nhau và cả các

hạt xung quanh một hạt)

- Không gian hở trong bộ khung xương là nhỏ nhất

- Chiều dày của liên kết hồ xi măng với các hạt cốt liệu là hiệu quả (chỉ nhằm

mục đích liên kết)

Vậy các yếu tố ảnh hưởng cơ bản tới cấu trúc bê tông là cốt liệu (kích thước,

tính chất bề mặt) bê tông và tuân theo điều kiện, phương pháp thiết kế thành phần

bê tông (cấp phối), đặc tính kĩ thuật của cốt liệu, kĩ thuật tác động cơ học Ngoài ra

còn có yếu tố quan trọng đó là tính linh động của dung dịch hồ vữa xi măng (khi

dung dịch hồ vữa xi măng càng linh động dẻo thì cấu trúc cốt liệu lớn càng mạnh)

Nhưng toàn bộ tính chất phức tạp trong cấu trúc vi mô của bê tông lại nằm ở liên

kết giữa vữa xi măng với các cốt liệu lớn

3.1.3 Cấu trúc vi mô của đá xi măng

Các hạt xi măng khi thủy hóa bao quanh các hạt là lớp nước và quá trình thủy

hóa thực hiện từ ngoài hạt vào bên trong ngay tức khắc tạo lớp màng kết dính bao

quanh hạt xi măng mà bản chất là liên kết ion giữa phần tử hỗn hợp xi măng và

phân tử nước, lớp màng này dày theo thời gian thủy hóa và ngoài nó là lớp nước tự

do Tuy nhiên, lớp màng liên kết này lại cản trở sự thâm nhập của nước và cùng với

thời gian tính linh động của các phân tử nước và xi măng giảm dần, do vậy làm

giảm tốc độ thủy hóa Lớp liên kết hạt xi măng - nước dày dần cùng với nó lớp

nước tự do bao ngoài hạt xi măng mỏng dần, thêm vào đó sự linh động của các hạt

xi măng phần do màng nước gây tính nhớt cho các hạt (có thể tính nhớt này được

bổ sung do tác động của phụ gia) phần do tác động của việc trộn hay tác động cơ

học có điều kiện gần nhau dần dần hình thành liên kết và xóa bỏ ranh giới giữa các

hạt xi măng Màng liên kết xi măng nước bao quanh các hạt cốt liệu nhỏ và kéo

chúng vào hình thành cấu trúc hồ kết dính vữa xi măng Có thể mô tả tóm tắt cấu

trúc vi mô của vữa xi măng trong hỗn hợp bê tông như sau:

Các hạt xi măng liên kết với nước (liên kết ion) tạo nên lớp dính (bao quanh

hạt và dày theo tiến trình thủy hóa) làm cơ sở để liên kết các hạt xi măng với nhau

(liên kết cơ học) xóa bỏ ranh giới các hạt và đồng thời chúng còn liên kết cơ học với

cốt liệu nhỏ (cát) tạo nên cấu trúc con vữa xi măng liên kết cấu kết dần và tạo nên

cấu trúc ổn định có tính chất cơ lí Nhưng phản ứng thủy hóa vẫn tiếp tục xảy ra, do

vậy trong cấu trúc vẫn tồn tại bộ phận lõi hạt là khối xi măng khan và không gian,

giữa các hạt xi măng liên kết là khoảng rỗng có chứa nước

Các yếu tố tham gia vào cấu trúc:

- Vai trò của hạt cát: Mới nhìn có thể nghĩ sự tham gia của hạt cát là thừa,

nhưng nó lại có vai trò hết sức quan trọng trong phần tăng cường ổn định không

gian của các hạt xi măng liên kế, nó có tác dụng như chất hoạt tính tăng cường sự

linh động của các hạt xi măng và phần tử nước kích thích quá trình thủy hóa, đồng

thời dưới tác động cơ học và sự linh động của bản thân trong dung dich huyền phù

(giai đoạn nước liên kết keo giữa các hạt xi măng) làm giảm bớt sự cản trở của

màng liên kết xi măng nước tạo cho sự thâm nhập của phần tử nước vào bên trong

hạt để thủy hóa tiếp Do đó tác dụng cuối cùng là giảm lượng lỗ rỗng trong cấu trúc,

tăng độ bền, khả năng chịu lực của cấu trúc

- Các hạt xi măng thủy hóa: Tuy rằng lực dính kết giữa các hạt xi măng tùy

thuộc phần lớn vào loại xi măng (hàm lượng các thành phần trong xi măng), nhưng

mức độ linh động của các hạt xi măng - nước phá vỡ thế cân bằng tạm thời làm cho

các hạt xít nhau hơn tạo nên thế cân bằng ổn định hơn và giảm các lỗ rỗng, lực dính

các hạt cũng cao hơn Thời điểm và khoảng thời gian tác động cơ học có ảnh hưởng

đến lực dính này Ngoài ra tốc độ, mức độ phản ứng thủy hóa ảnh hưởng tới hàm

lượng hạt xi măng được thủy hóa, mong muốn hết thời gian bảo dưỡng bê tông hoặc

thời gian bắt đầu chịu lực thì hàm lượng xi măng trong lõi hạt xi măng chưa được

thủy hóa là nhỏ nhất Đây cũng là một yếu tố để tăng cường độ của đá xi măng

* Một số đặc điểm của phản ứng thủy hóa hạt xi măng:

- Là phản ứng chậm dần và kéo dài rất lâu Một số lí thuyết còn nêu rằng đây

là loại phản ứng rất khó kết thúc (điều này lí giải phần nào cường độ của bê tông

tăng dần theo thời gian, tất nhiên là không xét đến ảnh hưởng của môi trường, điều

kiện chịu lực)

- Theo thí nghiệm, người ta thấy rằng hàm lượng xi măng chưa thủy hóa sau

28 ngày khoảng dưới 20% hàm lượng toàn bộ hạt

- Đây là phản ứng có sinh nhiệt lượng (chủ yếu là do thành phần C3A, C3S

thủy hóa sinh ra) Nếu bỏ qua tác động của bên ngoài thì tổng lượng nhiệt phụ thuộc

vào loại xi măng và lượng xi măng

Tốc độ và mức độ phản ứng thủy hóa phụ thuộc và các yếu tố sau: độ mịn của

hạt xi măng, nhiệt độ nội tại trong hỗn hợp, tác động cơ học (tuy nhiên nếu thời

đầm lớn lại giảm tốc độ thủy hóa), tác động phụ gia, tốc độ tạo nhiệt

* Các lỗ rỗng trong cấu trúc:

Lỗ rỗng luôn tồn tại trong cấu trúc vữa xi măng và ảnh hưởng rất lớn tới tính

bền của cấu trúc này Phải tìm cách giảm tối đa hàm lượng lỗ rỗng Các nguyên

nhân tạo lỗ rỗng:

- Do tính không thể xít được của các hạt xi măng khi liên kết

- Do lượng nước tự do (lượng còn lại sau phản ứng thủy hóa và thường chiếm

10 - 20% tổng lượng nước sử dụng, tùy theo loại bê tông)

- Do hàm lượng bọt khí tạo ra trong quá trình trộn

Như vậy nguyên tắc giảm độ rỗng từ xi măng là:

+ Giảm đối đa lượng nước không cần cho thủy hóa

+ Tạo độ linh động cho các hạt xi măng khi thủy hóa

+ Tác dụng cơ học hợp lí để giảm trở lực của liên kết xi măng nước lúc đầu

giúp các hạt xít nhau hơn Lỗ rỗng được tồn tại dưới hai dạng: lỗ rỗng trong khoảng

không giữa các hạt và lỗ rỗng tồn tại dưới dạng các màng lưới mao dẫn

Tính chất cấu trúc vữa - xi măng được biểu hiện qua liên kết giữa các hạt xi

măng và hàm lượng hạt xi măng được thủy hóa Lỗ rỗng trong cấu trúc là luôn luôn

tồn tại ngay cả khi lượng nước sử dụng là tối thiểu (chỉ cần cho thủy hóa toàn bộ

lượng xi măng), lượng lỗ rỗng này sẽ tăng một cách tự nhiên theo mức độ tăng

lượng nước ngoài thủy hóa và sự tăng hàm lượng xi măng cũng như kích thước hạt

xi măng

Cấu trúc vi mô của vữa xi măng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo lập cấu

trúc bê tông và trong bê tông cường độ cao tác động của nó với cấu trúc bê tông còn

cao hơn cả tác động của cấu trúc cốt liệu lớn

Muốn tăng độ mạnh của cấu trúc này phải tăng độ linh động của bản thân các

hạt xi măng, tác động cơ học hợp lí để tăng khả năng xếp xít của các hạt xi măng

làm giảm hàm lượng lỗ rỗng tự nhiên Giảm tối đa lượng nước thừa không cần cho

thủy hóa cho toàn bộ lượng xi măng, giảm lượng bọt khí tạo thành, kích thích phản

ứng thủy hóa sao cho hàm lượng lõi xi măng khan của hạt là ít nhất khi hết giai

đoạn bảo dưỡng

3.1.4 Cấu trúc vùng tiếp giáp giữa vữa xi măng và cốt liệu

Ở vùng tiếp giáp giữa vữa xi măng và cốt liệu tồn tại các lớp vữa xi măng áp

sát bề mặt cốt liệu, các vùng chứa nước do sự tách nước bên trong của vữa xi măng,

các lỗ rỗng do nước bốc hơi và các hạt CaO còn lại

Ở vùng tiếp giáp tồn tại lực dính giữa đá xi măng và cốt liệu Cấu trúc tốt nhất

ở vùng này tạo ra lực dính kết tối đa và có lỗ rỗng tối thiểu Sự thay đổi đội ẩm ở

vùng tiếp giáp chính là các nguyên nhân gây ra các biến dạng theo thời gian cho bê

tông Loại bê tông thiết kế với tỉ lệ N/X thấp, nhào trộn, đầm lèn hợp lí sẽ tạo ra

vùng tiếp giáp tốt nhất và tạo ra lực dính cao nhất Vùng tiếp giáp này là vùng quan

trọng nhưng yếu nhất của cấu trúc bê tông Với bê tông truyền thống vết nứt đầu

tiên trong bê tông xuất hiện tại đây và phát triển trong cấu trúc vữa xi măng đã đông

cứng Với bê tông cường độ cao do lượng nước sử dụng ít hơn và do tác động của

muội silic hoặc tro bay, cấu trúc vùng tiếp giáp được cải thiện đáng kể, không có

CaO tự do, độ ẩm thấp, được dính được nâng cao tạo ra chất lượng mới cho bê tông

Để xây dựng mặt đường bê tông xi măng tốt nhất là dùng xi măng poóclăng

PCB40 trở lên với thời gian bắt đầu ngưng kết ít nhất là 2 giờ sau khi trộn Thành

phần C3A (3CaO.Al2O3) trong linke để chế tạo bê tông không lớn hơn 10% Mác xi

măng càng thấp thì phải dùng nhiều xi măng mới có được bê tông đạt cường độ yêu

cầu Ngoài xi măng poóclăng thông thường, người ta còn dùng các loại xi măng

khác như: xi măng poóclăng tăng dẻo, xi măng poóclăng kị nước, xi măng poóclăng

xỉ lò cao, xi măng poóclăng puzơlan [11]

Hiện nay có hai nhóm xi măng cung cấp trên thị trường:

- Xi măng poóclăng gồm linke và thạch cao

- Xi măng poóclăng hỗn hợp gồm linke, thạch cao và phụ gia

Xi măng poóclăng PCB40 hiện nay sản xuất tương đối ít do giá thành cao

Trong sản xuất bê tông chủ yếu dùng xi măng poóclăng PCB40 với hàm lượng phụ

gia vô cơ khoảng 10%

Thành phần khoáng của linke của các loại xi măng theo số liệu thống kê trung

bình tại viện Vật Liệu Xây Dựng được đưa ra như bảng 3.1

Bảng 3.1 Thành phần khoáng vật của các loại linke xi măng sản xuất tại Việt

Từ kết quả thống kê ở trên thấy rằng xi măng Nghi Sơn và Chinfon là hai loại

xi măng có tỉ lệ các thành phần C3A và C4AF thấp

Hiện nay, loại xi măng Nghi Sơn được dùng phổ biến trên thị trường và đáp

ứng được các yêu cầu ở trên, do vậy trong đề tài tác giả chọn xi măng Nghi Sơn

PCB40 để chế tạo bê tông

Dưới đây là một số kết quả thí nghiệm xi măng poóclăng hỗn hợp PCB40

Nghi Sơn như bảng 3.2 sau đây:

Bảng 3.2 Các chỉ tiêu tính chất cơ lí của xi măng Nghi Sơn PCB40

TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Tiêu chuẩn Kết quả thử nghiệm

6 Khối lượng riêng g/cm3 TCVN 4030:2003 3,10

3.2.1.2 Cốt liệu lớn

Vật liệu đá để chế tạo bê tông phải có cường độ và độ hao mòn như bảng 3.3

Đá dăm có độ nhám tốt, liên kết chặt chẽ với vữa xi măng nên cường độ kháng uốn

của bê tông đá dăm cao hơn so với bê tông đá sỏi Vì vậy chỉ nên dùng bê tông đá

sỏi để làm lớp dưới hoặc làm lớp móng cho các loại mặt đường cấp cao khác

Bảng 3.3 Yêu cầu về cường độ và độ mài mòn của đá

Bê tông dùng trong các

trường hợp

Cường độ kháng nén ở trạng thái bảo hòa nước (kG/cm2)

Độ hao mòn Losangeles

(%)

Đá phún xuất

Đá trầm tích

Đá phún xuất

Đá trầm tích

Đá sỏi

1 Lớp trên của mặt đường

2 Lớp dưới của mặt đường

Cỡ đá lớn nhất để làm mặt đường bê tông một lớp hoặc làm lớp trên của mặt

đường hai lớp không quá 40 mm, dùng làm lớp dưới của mặt đường hai lớp không

quá 60 mm, dùng làm lớp móng cho các loại mặt đường khác không quá 70 mm Để

đảm bảo thành phần hạt của đá dăm không thay đổi trong quá trình công tác và đảm

bảo sự đồng nhất của hỗn hợp bê tông, cần chia đá dăm thành hai nhóm và cân đong

riêng từng nhóm trước khi đưa vào máy trộn

Khi Dmax = 20 mm chia thành nhóm 5 - 10 và 10 - 20 mm

Khi Dmax = 40 mm chia thành nhóm 5 - 20 và 20 - 40 mm

Khi Dmax = 70 mm chia thành nhóm 5 - 40 và 40 - 70 mm

Kích cỡ đá dăm càng nhỏ thì cường độ kháng uốn của bê tông càng cao

Thành phần hạt và thể tích lỗ rỗng là hai chỉ tiêu chất lượng quan trọng của đá dăm,

thường được xác định cụ thể cho từng loại đá trong phòng thí nghiệm để đảm bảo

cho hỗn hợp đá dăm và cát có thể tích nhỏ nhất, lượng bê tông dùng ít nhất mà bê

tông vẫn đạt được cương độ qui định [11]

Đá sỏi và đá dăm dùng làm cốt liệu cho bê tông các cấp phải có độ nén giập

trong xi lanh phù hợp với yêu cầu trong bảng 3.4

Bảng 3.4 Độ nén giập của đá dăm và sỏi

Cấp bê tông, B Độ nén giập bảo hòa nước, % khối lượng không lớn hơn

những hạt mềm yếu, phong hóa có ảnh hưởng dến cường độ của bê tông Lượng hạt

thoi dẹt không quá 35% đối với cấp bê tông nhỏ hơn B35, không quá 15% đối với

bê tông từ cấp B35 trở lên

Hàm lượng ion Cl- trong cốt liệu lớn không quá 0,01%

Thành phần hạt của cốt liệu lớn được xác định thông qua thí nghiệm sàng trên

bộ sàng tiêu chuẩn có kích thước di = 70, 40, 20, 10 và 5 mm hoặc bộ sàng theo tiêu

chuẩn quốc tế phù hợp Từ đó xác định lượng sót riêng biệt trên từng sàng ai và

lượng sót tích lũy Ai rồi vẽ đường quan hệ Ai với các đường kính qui ước là 1,4D;

Thành phần hạt của cốt liệu lớn phải nằm trong phạm vi qui định của các tiêu

chuẩn quốc gia và quốc tế theo % lượng sót tích lũy hoặc % lượng lọt sàng Nếu

đường biểu diễn cấp phối của cốt liệu lớn không nằm trong phạm vi qui định thì loại

cốt liệu đó xem là không đạt yêu cầu về thành phần hạt

D của của cốt liệu lớn cũng phải phù hợp với qui định của kết cấu bê tông:

phải nhỏ hơn 1/3 kích thước nhỏ nhất của kết cấu và nhỏ hơn 3/4 khoảng cách nhỏ

nhất của cốt thép; đối với kết cấu panen mỏng, sàn nhà, bản mặt cầu cho phép

bằng 1/2 kích thước nhỏ nhất của kết cấu [1], [2], [4]

Từ các yêu cầu trên, trong đề tài tác giả nghiên cứu sử dụng đá dăm Dmax =

19 mm Hóa An - Đồng Nai Kết quả thí nghiệm đá dăm theo TCVN 7572 - 2006

như bảng 3.5

Bảng 3.5 Các chỉ tiêu cơ lí hóa của đá dăm Dmax = 19 mm Hóa An - Đồng Nai

TT Tên các chỉ tiêu Đơn vị Kết quả Phương pháp thử

2 Khối lượng thể tích khô kg/m3 2,68 TCVN 7572-6:2006

3 Khối lượng thể tích bảo hòa

13 Độ mài mòn Los Angeles % 18,3 TCVN 7572-12:2006

Kết quả sàng phân tích thành phần hạt đá dăm Hóa An - Đồng Nai với đường

kính lớn nhất Dmax = 19 mm như bảng 3.6 sâu đây:

Bảng 3.6 Thành phần hạt đá dăm Hóa An - Đồng Nai

Kích thước mắt sàng (mm) Lượng lọt sàng (%) Lượng lọt sàng ASTM D448

Từ kết quả sàng phân tích thành phần hạt ở bảng 3.7 vẽ được biểu đồ thành

phần hạt đá Hóa An như hình 3.1 sau đây:

Từ kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lí cũng như phân tích thành phần hạt cho

thấy đá dăm Hóa An - Đồng Nai phù hợp với việc chế tạo bê tông

3.2.1.3 Cốt liệu nhỏ

Cát để chế tạo bê tông có thể là cát thiên nhiên (cát sông) hoặc cát nhân tạo

(cát nghiền) có cỡ hạt từ 0,14 đến 5mm theo TCVN, từ 0,15 đến 4,75 theo tiêu

chuẩn của Mĩ Chất lượng cát tùy thuộc vào thành phần khoáng, thành phần hạt và

hàm lượng tạp chất

Thành phần hạt của cát được xác định bằng cách sàng 1000 g cát trên bộ sàng

tiêu chuẩn từ 0,14 đến 5 mm Từ đó xác định lượng sót riêng biệt trên từng sàng ai

và lượng sót tích lũy Ai rồi vẽ đường quan hệ Ai với các đường kính

Thành phần hạt của cát phải nằm trong phạm vi qui định của các tiêu chuẩn

quốc gia và quốc tế theo % lượng sót tích lũy hoặc % lượng lọt sàng Nếu đường

biểu diễn cấp phối của cát không nằm trong phạm vi qui định thì loại cát đó xem là

không đạt yêu cầu về thành phần hạt [1]

Để trộn bê tông đường, tốt nhất là dùng cát lớn lớn hoặc hạt vừa sạch có mô

đun độ lớn Mk = 2,6 - 3,2

Hàm lượng bụi, bùn, sét trong cát không được quá 3%; tạp chất mica không

lớn hơn 1,5%; hàm lượng hữu cơ thấp, đặc biệt hàm lượng SO3 không quá 1%; hàm

lượng Cl- không quá 0,01% với bê tông cốt thép ứng suất trước và 0,05% với BTCT

thường

Hiện nay ở khu vực Thành phố Hồ Chí Minh rất hiếm có loại cát tự nhiên có

Mk = 2,6 - 3,2; loại cát này thường nhập từ Campuchia và giá thành của nó rất cao

Hình 3.1 Biểu đồ thành phần hạt của đá dăn Hóa An Dmax = 19 mm