Mối quan hệ này tạo ra những loại bê tông c-ờng độ cao nhận đ-ợc khi làm đặc vữa xi măng và cải thiện độ dính kết của xi măng - cốt liệu.. Trong quá trình thủy hoá, muội silic tạo ra nhữ
Trang 11 Mở đầu
Sự thay đổi về cấu trúc của bê tông sẽ
dẫn đến biến đổi c-ờng độ bê tông Biến đổi
này thể hiện rõ ở c-ờng độ chịu nén và ch-a
rõ ở c-ờng độ chịu kéo Bê tông có c-ờng độ
chịu nén cao, c-ờng độ chịu kéo bằng
1/8-1/15 c-ờng độ chịu nén Bê tông xi măng
pooclăng là một vật liệu không đồng nhất và
rỗng Công thức thành phần và các đặc tính
cơ lý biến đổi trên một giải rộng tuỳ theo cấu
trúc của bê tông
Ngày nay trên thế giới tồn tại ba loại bê
tông Bê tông th-ờng có c-ờng độ chịu nén từ
15 - 50 MPa, bê tông này đ-ợc sử dụng phổ
biến ở Việt Nam Bê tông c-ờng độ cao có
c-ờng độ chịu nén từ 60 - 80 MPa và bê tông
c-ờng độ rất cao có c-ờng độ nén từ 100 -
200 MPa Tỷ lệ sử dụng ba loại bê tông trên là
10/3/1
Bê tông có c-ờng độ chịu nén tốt, c-ờng
độ chịu kéo chỉ đạt 0,1 - 0,05 c-ờng độ nén
Vì vậy trong kết cấu BTCT phải dùng thêm cốt
thép để chịu kéo
Mục tiêu của các nghiên cứu hiện đại là
cải thiện cấu trúc của vữa xi măng để đạt đến
độ rỗng nhỏ nhất, đồng thời cải thiện cấu trúc
chung để bê tông có độ rỗng nhỏ nhất, khi đó
bê tông sẽ có c-ờng độ chịu nén là lớn nhất
Con đ-ờng đó chỉ cho phép tăng c-ờng độ nén, tuy nhiên c-ờng độ kéo đ-ợc tăng chậm hơn Để cải thiện khả năng chịu kéo của bê tông phải sử dụng các vật liệu mới là cốt sợi kim loại, cốt sợi pôlime hoặc cốt sợi các bon
Về mặt cấu trúc, bê tông xi măng poóc lăng là một vật liệu không đồng nhất và rỗng
Lực liên kết các cốt liệu (cát và đá) đ-ợc tạo
ra do hồ xi măng cứng Cấu trúc của hồ xi măng là những hyđrat khác nhau trong đó nhiều nhất là các silicát thủy hóa C-S-H dạng sợi và Ca(OH)2 kết tinh dạng tấm lục giác khối, chồng lên nhau và các hạt xi măng ch-a
đ-ợc thủy hoá (hình 1) Độ rỗng của vữa
xi măng poóc lăng là 25 đến 30% về thể tích với N/X = 0,5 Thể tích rỗng này gồm hai loại:
(a) lỗ rỗng của cấu trúc C-S-H, kích th-ớc của
nó khoảng vài àm, (b) lỗ rỗng mao quản giữa các hyđrát, bọt khí, khe rỗng; kích th-ớc của chúng khoảng vài àm đến vài mm Khi bê tông chịu lực trong cấu trúc xuất hiện vết nứt cũng làm tăng độ rỗng của bê tông
Sự yếu về đặc tính cơ học của bê tông là
do độ rỗng mao quản và n-ớc cho thêm vào
bê tông để tạo tính công tác của bê tông t-ơi
Sự cải thiện c-ờng độ có thể đạt đ-ợc nhờ nhiều ph-ơng pháp làm giảm độ rỗng (chống thấm, nén) và tỉ lệ N/X (phụ gia) và sử dụng sản phẩm mới Đó là xi măng không có lỗ
ảnh h-ởng của cấu trúc đến c-ờng độ bê
tông và bê tông c-ờng độ cao
pgs Ts Phạm duy hữu
Bộ môn Vật liệu xây dựng - ĐH GTVT
Tóm tắt: Bài viết lý giải về sự biến đổi cấu trúc từ kết tinh sang vô định hình trong bê tông
và các giải pháp kỹ thuật cần thiết
Summary:This report analysis the chance from crystallized struccture to unstructural in
High-Strength Concrete and technology solutions needed
Trang 2rỗng lớn và xi măng có hạt siêu mịn đồng
nhất Loại thứ nhất chứa pôlime, loại thứ 2
chứa muội silic
Mối quan hệ này tạo ra những loại bê
tông c-ờng độ cao nhận đ-ợc khi làm đặc vữa
xi măng và cải thiện độ dính kết của xi măng -
cốt liệu
2 Các h-ớng cải tiến cấu trúc của
bê tông
2.1 Vữa xi măng c-ờng độ cao
Làm nghẽn lỗ rỗng mao quản hay loại
bớt n-ớc nhờ đầm chặt hoặc giảm tỉ lệ X/N
nhờ phụ gia là các ph-ơng pháp làm đặc vữa
xi măng, làm cho nó đồng nhất hơn và có cấu
trúc đặc biệt hơn vữa xi măng thông th-ờng
2.2 Vữa xi măng với tỉ lệ N/X nhỏ
Féret, năm 1897, đã biểu thị c-ờng độ
nén bằng:
Rb = A.{X/( X + N + K)]2
Với X, N, K t-ơng ứng là thể tích của xi
măng, n-ớc và không khí Theo công thức
này, sự giảm tỉ lệ N/X dẫn đến tăng c-ờng độ
Tuy nhiên có một giới hạn của tỉ lệ này, liên
quan tính công tác của bê tông t-ơi
Một công thức khác của Bôlômay -
Skramtaep:
Rb = ARx(X/N ± 0,5)
Với A là hệ số thực nghiệm Và đ-ơng
nhiên khi N/X nhỏ (hay X/N lớn), c-ờng độ bê
tông cao
2.3 Phụ gia
Phụ gia siêu dẻo gốc naftalen sunfua,
mêlani, lignosunfat sử dụng để phân bố tốt
hơn các hạt cốt liệu cho phép giảm n-ớc đến
30% và tỉ lệ N/X = 0,21 Những nghiên cứu về
cộng h-ởng từ tính hạt nhân proton đã chứng
minh rằng phụ gia hấp thụ trên các hạt cốt liệu tạo thành những màng, trong đó các phân
tử n-ớc vẫn chuyển động mạnh D-ới tác
động của màng cộng với sự phân tán của các hạt rắn tạo ra một độ l-u biến tốt hơn C-ờng
độ nén 200 MPa nhận đ-ợc trong các loại vữa dùng phụ gia Độ rỗng là 5% về thể tích, vữa
đồng nhất và bề mặt vô định hình Độ sụt bê tông đo bằng côn Abram có thể đạt tối đa đến
20 cm, trung bình là 10 –12 cm
2.4 Vữa xi măng chịu ép lớn
và rung động
C-ờng độ nén 600 MPa đã đạt đ-ợc nhờ lực ép lớn ở nhiệt độ cao (1020 MPa, 1500C) Tổng lỗ rỗng chỉ còn 2% Phần lớn các hyđrát
đ-ợc gọi là gen Độ thủy hoá của xi măng là 30% và silicát C-S-H gồm cả hạt xi măng, anhyđrit nh- một chất keo giữa các hạt cốt liệu Các hyđrát của xi măng và các hạt clinke
đồng thời tạo ra c-ờng độ cao cho vữa đông cứng Sự rung động loại bỏ các bọt khí tạo ra khi nhào trộn
2.5 Vữa xi măng sử dụng các hạt siêu mịn
Hệ thống hạt này đ-ợc ng-ời Đan Mạch
đề xuất đầu tiên Hệ thống này gồm xi măng poóc lăng, muội silic và phụ gia tạo ra c-ờng
độ cao tới 270 MPa Muội silic là những hạt cầu kích th-ớc trung bình 0,5 àm, chui vào trong các không gian rỗng kích th-ớc từ 30 –
100 àm để lại bởi các hạt xi măng Tr-ớc hết, muội silic đóng vai trò vật lý, là các hạt mịn Mặt khác chúng chống vón cục hạt xi măng, phân tán hạt xi măng làm xi măng dễ thủy hoá, làm tăng tỉ lệ hạt xi măng đ-ợc thủy hoá Trong quá trình thủy hoá, muội silic tạo ra những vùng hạt nhân cho sản phẩm thủy hoá
xi măng (Mehta) và sau một thời gian dài, phản ứng nh- một pu zô lan, tạo thành một silicát thủy hoá C-S-H có độ rỗng nhỏ hơn là C-S-H của xi măng poóc lăng và có cấu trúc vô định hình
Trang 3Cấu trúc vữa xi măng poóc lăng
N/X = 0,5 bao gồm (1) C-S-H sợi, (2)
Ca(OH) 2 , (3) lỗ rỗng mao quản
Cấu trúc vữa xi măng có muội silic bao
gồm (1) Ca(OH) 2 , (2) C-S-H vô định hình, (3)
lỗ rỗng rất ít
2.6 Vữa pôlime
Khi làm đặc vữa xi măng, tạo ra khả năng
tăng c-ờng độ nén của bê tông bằng cách bịt
các lỗ rỗng bằng vật liệu pôlime, có thể làm
giảm độ rỗng xi măng bằng chất pôlime thích
hợp [4]
Trong vữa xi măng độ rỗng thấp, một
pôlyme tan trong n-ớc (xenlulô hyđrô
propyl-methyl hoặc polyvinylacetat thủy phân) phân
tán và bôi trơn các hạt xi măng trong vữa xi
măng Pôlyme tạo thành một gen cứng Khi
ninh kết và rắn chắc, pôlyme không thủy hoá
trong khi đó, xi măng thủy hoá Trong vật liệu
đông cứng, pôlyme vẫn liên kết tốt với các hạt
xi măng và độ rỗng cuối cùng d-ới 1% về thể
tích [5]
Hỗn hợp vữa xi măng pôlime gồm: 100
phần xi măng (về khối l-ợng), 7 phần pôlyme
và 10 phần n-ớc
Cấu trúc vi mô gần với cấu trúc vữa xi
măng có tỉ lệ N/X thấp Tính chất chủ yếu là
một gen đặc và vô định hình bao quanh các
hạt clinke Các tinh thể Ca(OH)2 ở dạng lá
mỏng phân tán trong vữa, trái với các tinh thể
lớn chất đống trong vữa xi măng poóc lăng
th-ờng Khoảng không gian rất hẹp dành cho
sự tạo thành các tinh thể lớn tránh đ-ợc sự
hình thành các sợi dài theo mặt thớ của các
tấm Ca(OH)2 chồng lên nhau C-ờng độ là
150 MPa ứng với sự vắng mặt của các lỗ rỗng
mao quản và vết nứt
Vữa xi măng pôlime có thể đ-ợc đổ
khuôn, ép, định hình nh- các vật liệu dẻo Nó
có thể đ-a vào trong các vật liệu composit
chứa cát, bột kim loại, sợi để tăng độ bền và
c-ờng độ chống mài mòn
3 Cấu trúc của bê tông c-ờng độ cao (CĐC)
Ba đặc tính của vật liệu ảnh h-ởng đến c-ờng độ của bê tông là cấu trúc vi mô của vữa xi măng, bản chất của liên kết giữa vữa xi măng - cốt liệu và chất l-ợng của cốt liệu trong điều kiện công nghệ và môi tr-ờng ít biển đổi
Cấu trúc của vùng tiếp xúc vữa xi măng - cốt liệu có ý nghĩa quyết định cho loại bê tông CĐC Cấu trúc thông th-ờng của bê tông gồm
ba vùng: cấu trúc cốt liệu, cấu trúc vữa xi măng và cấu trúc vùng tiếp xúc vữa xi măng - cốt liệu Vùng tiếp xúc vữa xi măng - cốt liệu trong bê tông th-ờng, gọi là “vùng chuyển tiếp”, vùng này có cấu trúc kết tinh, rỗng nhiều hơn và c-ờng độ nhỏ hơn vùng vữa do ở vùng này chứa n-ớc tách ra khi vữa xi măng rắn chắc ở vùng này còn chứa các hạt xi măng ch-a thủy hoá và các hạt CaO tự do
Các đặc tính của vùng liên kết vữa xi măng - cốt liệu trong bê tông th-ờng gồm mặt nứt, vết nứt, cấu trúc C-S-H và bề mặt các hyđrat Ví dụ các vết nứt xuất hiện bao quanh các hạt silic và phát triển v-ợt qua vữa xi măng Trên mặt tr-ợt của cốt liệu, các hyđrat gồm tấm Ca(OH)2 và các sợi silicát (sợi C-S-H) Chúng chỉ đ-ợc liên kết rất yếu vào cốt liệu và tách ra dễ dàng Sự kết tinh có định h-ớng Ca(OH)2 cũng quan sát thấy trên các hạt cốt liệu silic
Vùng tiếp xúc đ-ợc biết đến với một độ rỗng lớn và đã đ-ợc cải thiện nhờ muội silic Biến đổi cấu trúc của bê tông c-ờng độ cao theo ba cấp độ sau:
Vùng liên kết xi măng - cốt liệu ở bê tông th-ờng vùng tiếp xúc rỗng và nứt tồn tại các vết nứt Cấu trúc C - H - H có dạng sợi
Vùng tiếp xúc vữa xi măng - cốt liệu ở bê tông c-ờng độ cao có cấu trúc C-S-H vô định
Trang 4hình và tinh thể Ca(OH)2 định h-ớng (P) trên
các hạt cừn
ở vùng tiếp xúc của bê tông c-ờng độ
cao tỉ lệ N/X ≤ 0,3, do tỉ diện tích hạt muội silic
rất cao nên vùng này không chứa n-ớc, không
tồn tại CaO tự do, vùng xi măng có độ đặc rất
lớn và lực dính bám với cốt liệu cao
ở bê tông c-ờng độ rất cao vùng liên kết
chuyển thành đá, vữa xi măng - cốt liệu đồng
nhất Không có vết nứt trên bề mặt
Hiện nay, khi quan sát bằng kính hiển vi
điện tử quét (MEB) một vài mảnh bê tông
c-ờng độ rất cao đã cứng rắn, thấy rằng bê
tông CĐC và CĐRC có cấu trúc rất đặc, chủ
yếu vô định hình và nó gồm một thể tích
không bình th-ờng của các hạt không có
n-ớc, đó là phần còn lại của xi măng ch-a liên
kết do thiếu n-ớc sử dụng đ-ợc Ngoài ra, các
mặt tiếp xúc vữa xi măng/cốt liệu rất ít rỗng và
không thể hiện sự tích tụ thông th-ờng của
các tinh thể vôi Điều đó là do hoạt động của
muội silic bắt nguồn từ phản ứng pôzulan giữa
silic và vôi tự do sinh ra bởi xi măng khi thủy
hoá Việc đo độ xốp bằng thủy ngân chỉ ra
một cấu trúc biến mất của độ xốp mao quản
Cuối cùng ng-ời ta có thể đo đ-ợc độ ẩm của
môi tr-ờng trong các lỗ rỗng của bê tông theo
tuổi của vật liệu Trong khi đối với bê tông
thông th-ờng, nó vẫn luôn luôn bằng 100%
(khi không có sự trao đổi với môi tr-ờng xung
quanh), nó giảm tới 75% ở tuổi 28 ngày đối
với bê tông CĐC
Cuối cùng, từ các nhận định khác nhau
cho phép trình bày về cấu trúc của bê tông
CĐC nh- sau:
- Tỉ lệ phần vữa xi măng trong bê tông
giảm đi, các hạt không đ-ợc thủy hoá đ-ợc
bổ sung vào thành phần cốt liệu của bê tông
đã cứng rắn Nh- vậy trong bê tông CĐC
không nhất thiết phải dùng l-ợng xi măng cao
(X = 380 - 450 kg/m3 với c-ờng độ xi măng từ
400 - 500 daN/cm2 )
- Vữa xi măng có độ rỗng tổng cộng nhỏ
- Rất ít n-ớc tự do, các lỗ rỗng nhỏ nhất cũng bị bão hoà n-ớc
- Các mặt tiếp giáp vữa xi măng – cốt liệu
đã đ-ợc cải thiện và hóa đá, từ đó có sự mất
di của một vùng th-ờng yếu về cơ học của bê tông C-ờng độ bê tông tăng lên
- Hàm l-ợng vôi tự do nhỏ
- Trong bê tông xuất hiện trạng thái ứng suất mới đ-ợc minh hoạ một cách vĩ mô bằng
co ngót nội tại và chắc chắn nó sinh ra một sự siết chặt mạnh các cốt liệu, làm tăng lực dính giữa cốt liệu và hồ xi măng, cải tiến c-ờng độ chịu kéo và mô đun đàn hồi cho bê tông CĐC
4 Cấu trúc của bê tông c-ờng độ rất cao (CĐRC)
Bê tông CĐRC, c-ờng độ nén từ 100 đến
150 MPa tạo thành từ:
- 400 kg xi măng poóc lăng mác 550 + (15 - 20)% muội silic
- (1 ữ 4) % phụ gia siêu dẻo
- N/X = 0,16 - 0,18, N = 100l
Sự phá hủy của bê tông CĐRC cho thấy vữa xi măng đã chuyển thành đá do sự đông
đặc rất cao của vữa xi măng so với sự phá hủy xung quanh cốt liệu của bê tông th-ờng
Điều này đ-ợc thể hiện qua nghiên cứu [6], trong đó ta không thể quan sát đ-ợc vết nứt cũng nh- sự định h-ớng tinh thể Ca(OH)2 ở mặt tiếp xúc
Đặc tính cũng rất quan trọng là sự không
định hình và đồng nhất của vữa xi măng có độ rỗng nhỏ hơn bê tông xi măng poóc lăng, do tăng đ-ợc độ hoạt tính pu zô lan của muội silic Muội silic phản ứng lý học nhờ dạng hạt của nó và phản ứng hoá học nhờ độ hoạt tính với vôi
L-ợng tối -u của muội silic là 10 - 15%
về khối l-ợng xi măng Với số l-ợng lớn hơn,
Trang 5ví dụ 40%, bê tông trở nên giòn và các hạt
silic vẫn ch-a thủy hoá
5 Hiện t-ợng nứt vi mô của bê tông
Nứt vi mô của bê tông là một trong những
bộ phận của cấu trúc bê tông Khi thành phần
và công nghệ bê tông thay đổi dạng và độ mở
rộng vết nứt vi mô thay đổi Bê tông chất
l-ợng cao tạo ra các vết nứt nhỏ hơn và ít
phân phối ở vùng tiếp giáp Đánh giá vết nứt
vi mô bằng việc quan sát d-ới kính hiển vi các
mặt bê tông nhẵn bóng tấm chất màu Các
vết nứt vi mô đ-ợc xét nh- những mặt hoặc
những vùng không liên tục trong vữa xi măng
đông cứng và trong vùng tiếp xúc xi măng-cốt
liệu Ph-ơng pháp cắt bất kỳ trên chiều dài
các góc chặn bởi những vùng rỗng vi mô Các
vết nứt vi mô, cơ học trong thí nghiệm của dự
án quốc gia Pháp đ-ợc trình bày ở bảng 1
Bê tông CĐC và CĐRC nứt vi mô ít hơn
so với bê tông truyền thống Trong bê tông
chứa muội silic, các vết nứt vi mô tạo thành ở
giai đoạn đầu và mật độ của nó tăng chậm
Bảng 1
Kết quả tính các vết nứt " vết nứt vi mô”
trên bề mặt bê tông song song
và vuông góc với trục của mẫu hình trụ
Nứt vi mô
cơ học
Vùng tiếp xúc vữa
- cốt liệu
Vùng rỗng Loại
n (cm -1 ) n (cm -1 ) n (cm -1 )
Bê tông
CĐC
0 0,02
1,45 1,50
0,35 0,40
Bê tông
CĐ rất cao
0,04
0,07
0,02 1,00
0,06 0,25
Trong bê tông không muội silic, hệ thống
vết nứt phát triển chậm hơn (Chatterji, Jansen
1989) Tuy vậy về tổng thể độ đặc của bê
tông th-ờng vẫn kém đặc hơn bê tông dùng
muội silic
Bảng 2
Sự phân bố các vết nứt vi mô và vùng rỗng
trong 3 bê tông vòm hầm (400 kg xi măng CPA/m 3 , N/X = 0,36)
Nứt vi mô
cơ học
Vùng tiếp xúc vữa - cốt liệu Vùng rỗng
Bê tông n (cm-1 ) ngoài
n (cm -1 ) trong
n (cm -1 ) ngoài
n (cm -1 ) trong
n (cm -1 ) ngoài
n (cm -1 ) trong
1 0,16 0,02 2,15 1,80 0,85 0,60
2 0,20 0,09 1,55 2,03 0,45 0,25
3 0,06 0,00 3,25 1,55 1,35 0,30
6 Lỗ rỗng
Độ rỗng bê tông dùng muội silic đ-ợc đo bằng rỗng kế thủy ngân và so sánh với bê tông th-ờng Tổng thể tích thủy ngân đ-a vào d-ới áp lực 150 MPa và giảm một nửa trong
bê tông c-ờng độ cao so với bê tông th-ờng
Hai tác nhân dẫn đến giảm độ rỗng là : a) Sự có mặt của muội silic, hạt mịn puzôlan
b) Sử dụng phụ gia dẻo giảm n-ớc tỉ lệ N/X là 0,56 đến 0,21
7 Kết luận
Từ các phân tích về cấu trúc có thể đề nghị con đ-ờng để nâng cao c-ờng độ bê tông và điều chỉnh tỷ lệ c-ờng độ uốn/ c-ờng
độ nén nh- sau:
- áp dụng tỷ lệ N/X nhỏ bằng cách
sử dụng phụ gia giảm n-ớc cao, các phụ gia siêu dẻo
- Dùng muội silic trong bê tông với hàm l-ợng từ 5 - 15% so với l-ợng xi măng
- Cải tiến các ph-ơng pháp đầm chắc
và rung ép, ph-ơng pháp d-ỡng hộ (xử lý nhiệt, ch-ng hấp, d-ỡng hộ bằng năng l-ợng mặt trời)
Trang 6- Lựa chọn cốt liệu hợp lý cốt liệu và tiến
đến tạo ra hệ thống nhà máy sản xuất cốt liệu
(hình dạng dạng, độ nhám, hoạt tính hoá học)
Sự cải thiện khả năng cơ học có thể nhận
đ-ợc nhờ hai con đ-ờng xử lý cấu trúc vi mô
* Tạo thành một hệ thống liên tục các hạt
đặc: tobermorite và xonolite kết tinh trong vữa
ch-ng hấp, hạt clinke trong vữa xi măng tỉ lệ
N/X nhỏ và độ thuỷ hoá nhỏ Các hạt này làm
tăng khả năng cơ học nhờ độ cứng nội tại của
chúng và liên kết giữa các tinh thể
* Tạo thành một loại vữa vô định hình và
đồng nhất chứa hạt clinke và cốt liệu Trong
bê tông DSP, mặt phá huỷ chuyển sang đá
Nó không tồn tại vùng chuyển tiếp cũng nh-
tinh thể Ca(OH)2 chất đống và có định h-ớng
Độ kết tinh rất nhỏ và không định h-ớng của
phần rắn trong khối vữa đồng nhất tạo ra
c-ờng độ cao cho bê tông
Tài liệu tham khảo
[1] Phạm Duy Hữu Nghiên cứu về bê tông và bê
tông cốt thép chất l-ợng cao B28-35-52 TĐ, Hà
Nội, 1999
[2] Phạm Duy Hữu Vật liệu xây dựng mới NXB
GTVT, 2002
[3] Maler-les betons a haute perpormances Paris,
1998
[4] Moran ville – Micro strure des betons a hautes
perpomances Pari, 1998
[5] V Xalômatốp Công nghệ mạnh bê tông Tiếng
Nga, Matxcơva,1990
[6] Hội nghị quốc tế về muội silic trong bê tông,
Montrêal,1987
[7] Bê tông c-ờng độ cao Thực nghiệm Bắc Mỹ
AITICIN and AIBIGER,1989¿
