Nghiên cứu tối ưu cấp phối bê tông dùng cho thi công hạng mục bê tông khối lớn_merged

TOM TAT Đề tài nghiên cứu bao gồm 2 nghiên cứu độc lập: nghiên cứu tối ưu cấp phối bê tông dựa vào cường độ chỊu nén và nhiệt hydrate hoa ban-doan nhiét; và nghiên cứu dự đoán nhiệt độ

TRUONG DAI HOC BACH KHOA

CHAU NGOC VINH

NGHIEN CUU TOI UU CAP PHOI BE TONG DUNG

CHO THI CONG HANG MUC BE TONG KHOI LON

Chuyén nganh: Ky thuat Xay Dung

Mã số ngành: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỖ CHÍ MINH, tháng Ø7 năm 2020

Cán bộ chấm nhan xét 2: TS VO VIET HAI Chữ ký:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHỌG Tp HCM, ngày 29 tháng 08 năm 2020

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS NGUYEN NINH THUY

2 PGS TS LE ANH TUAN

3 PGS TS TRAN CAO THANH NGOC

4 TS BUI PHUONG TRINH

5 TS VO VIET HAI

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quan lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có)

KY THUAT XAY DUNG

NHIEM VU LUAN VAN THAC SI

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã số: 8 58 02 01

I TEN DE TAL

NGHIEN CUU TOI UU CAP PHOI BE TONG DUNG CHO THI CONG HANG

MUC BE TONG KHOI LON

II NHIEM VU VA NOI DUNG

1 Tổng quan

2 Cơ sở khoa học

3 Hệ nguyên liệu và phương pháp thí nghiệm

4 Kết quả nghiên cứu

5 Kết luận và kiến nghị

IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 07/06/2020

Vv HO VA TEN CAN BO HUONG DAN: PGS TS TRAN VAN MIEN, TS CAO NGUYEN THI

Tp HCM, ngày 14 tháng 09 năm 2020

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

LOI CAM ON

Đề có thể đi đến được ngày hôm nay, em xin chân thành cảm ơn quý Thay Cô

Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những

kiến thức quý giá cho em, đó cũng là những kiến thức không thê thiếu trên con

đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của em sau này

Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Trần Văn Miễn,

và TS Cao Nguyên Thi.Các thầy đã hết lòng giúp đỡ, góp ý cho em rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu và tạo mọi điều kiện thuận

lợi cho em trong quá trình làm Luận văn

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình luôn là chỗ dựa tinh thần vững

chắc để em có thêm niềm tin, nỗ lực vượt qua khó khăn trong quá trình làm Luận

văn

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản

thân, tuy nhiên không thê không có những thiếu sót Kính mong quý Thây, Cô chỉ dẫn thêm để em bô sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn

Xin trân trọng cám ơn quý Thây, Cô

TOM TAT

Đề tài nghiên cứu bao gồm 2 nghiên cứu độc lập: nghiên cứu tối ưu cấp phối bê

tông dựa vào cường độ chỊu nén và nhiệt hydrate hoa ban-doan nhiét; và nghiên cứu

dự đoán nhiệt độ hydrate hóa đoạn nhiệt của bê tông từ kết quả thí nghiệm đo nhiệt

độ hydrate hóa bán-đoạn nhiệt Mục đích của nghiên cứu là đề ra phương pháp khảo

sát cấp phối bê tông khối lớn từ thí nghiệm bán-đoạn nhiệt cũng như củng cô độ tin

cậy của thí nghiệm bán-đoạn nhiệt trong việc áp dụng vào nghiên cứu nhiệt độ

hydrate hóa của bê tông khối lớn Việc đưa ra cấp phối tôi ưu về cường độ và nhiệt

độ hydrate hóa được thực hiện trên việc khảo sát 3 yêu tố ảnh hưởng của hệ nguyên

vật liệu là xi măng, tro bay và silica fume, mỗi yếu tô khảo sát 3 cấp độ Kết quả thu

được sẽ giúp đề xuất cấp phối tối ưu dùng cho việc thi công hạng mục bê tông khối lớn: cường độ chịu nén 50Mpa với nhiệt độ tăng lên trong quá trình hydrate hóa thấp nhất có thể Ngoài ra, nghiên cứu dự đoán nhiệt độ hydrate hóa trong điều kiện

đoạn nhiệt từ thí nghiệm đo nhiệt bán-đoạn nhiệt chỉ ra mối quan hệ giữa hai

phương thức thí nghiệm cũng như đưa ra phương pháp dự đoán đường công nhiệt đoạn nhiệt Điều này giúp tăng độ tin cậy của phương pháp đo nhiệt bán-đoạn nhiệt trong bê tông, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí thí nghiệm

Từ khóa: Bê tông khối lớn, nhiệt hydrate hóa, độ tăng nhiệt độ đoạn nhiệt, độ tăng

nhiệt độ bán-đoạn nhiét, tro bay , silica fume

ABSTRACT

This dissertation consists of two individual topics: optimization of concrete mixtures based on compressive strength test and semi-adiabatic temperature rise test; and experimental prediction of adiabatic temperature rise based on semi- adiabatic temperature rise test The purposes of both studies are to propose a method to investigate the concrete mixture proportion using the semi-adiabatic test

as well as to strengthen the reliability of the application of semi-adiabatic test on studying mass concrete heat of hydration To obtain the optimum mixture, a full

factorial experiment had been carried Cement, fly ash and silica fume were 3

factors that had been investigated and each factor was investigated in 3 levels The results helped to propose the optimal concrete mixture used for massive concrete pouring that meets the requirements of 50 Mpa compressive strengths and produce low heat of hydration In addition, the experimental prediction of concrete adiabatic temperature rise using semi-adiabatic test showed the relationship between the two tests as well as provided a method for predicting concrete adiabatic temperature curves This helps to increase the reliability of the use of semi-adiabatic test to study concrete, reducing testing time and testing cost

Key words: mass concrete, heat of hydration, adiabatic temperature rise, semi- adiabatic temperature rise, fly ash, silica fume

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân,

được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thay PGS TS Tran Van Mién va Thay

TS Cao Nguyén Thi

Các số liệu và kết quả được trình bày trong Luận văn là đúng sự thật và chưa

được công bô ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chỊu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

0909.) 090 i

TOM TAT ii

909.9059000 iv

\J/10/0 06/9 V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ :- :S2t 2t 2E 2121.11.11.11 viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIÊU - +25: EY2EvtEEveEkrrrtrrrrrrrrrrrrrrrre x DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TAT o eescesssessssssesssesseessecsneesnceneesseesneenes xii Chương 1 TÔNG QUANN <5 SE 9v SE 21111 11871 11 11223 cx re 1 1.1 GiGi thiGu CHUN 00 ce ]

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thé giGi oo eeseseseceesessesesececeessesesesesaseveseseaee 6 IENdY ii f0((0 (6i) i08: sáo 1 8

1.4 Mucc ti@u nghi€n CU 0 9

hy ¿8i j0) i00 na 10

1.6 Ý nghĩa nghiên CỨU G- =- SE EEEE£ES E3 3 5 5 C1 cv t cv 10 1.6.1 Ý nghĩa khoa hỌcC + ¿<< 2 z8 SE EE£ESESEEEE S2 ve grrrrxred 10 1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn - - «Set E HT HE T1 TT c1 Hy rrư 11 Chương 2 CƠ SỞ KHOA HỌC - - - <2 Ek S332 1 1111122111 rxrkd 12 2.1 Xi MANY Portland 12

2.1.1 Thành phần khoáng chính trong xi măng Portland - 12

2.1.2 CAc Khoang Phy nn 13

2.2 Phan tng hydrate hóa của các khoang trong xi mang Portland 13

2.2.1 Hydrate hóa của các khoáng Calcium Silicate - 14

2.2.2 Hydrate hóa của các khoáng TricalcIum Aluminate 16

2.2.3 Hydrate hóa của khoáng F€TTI(€S Ă 5S 3c 313 sssss 18

2.3 Su tang nhiét dO trong bE tOM® 19

2.4 Val tO CUa trO na 21

2.4.1 Ảnh hưởng của tro bay đến tính công tác của hỗn hợp bê tông 23

2.4.2 Ảnh hưởng của tro bay đến thời gian đông kết của bê tông 24

2.4.3 Ảnh hưởng của tro bay đến nhiệt hydrate hóa trong bê tông 25

2.4.4 Ảnh hưởng của tro bay đến cường độ chịu nén của bê tông 28

2.5 Vai trò của S1lica FUIm€ - .- 5 +63 x9 9 ng ng ng gà 29 2.6 Hàm mô phỏng nhiệt độ đoạn nhiệt GormDer(z - «5 5< << ss+<+ss 30 2.7 Phương pháp phân tích hồi quy đa biễn - 5-5 2 8 +E£E+E£x se ceczet 32 Chương 3 Hệ NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 33

3.1 Nghiên cứu tối ưu cấp phối bê tông khối lớn . 2-2-5 s©s+£s+x£Se£ 33 Sàn su — 33

sSh/ch 33

3.1.3 Silica UME 34

3.1.4 COt lidu lon (Da) vee ccesecccscscscscsscsestsscscsessssestsssscsesecesstsssssseseeaeeee 35 3.1.5 Cốt liệu nhỏ (cát sông + cát nghiỀn) - - 2 se x+EszxeExeeszxered 35 S8 x na 37

3.1.7 Thành phần cấp phối bê tông nghiên cứu . -2- << szs+se£ 37 3.2 Nghiên cứu dự đoán nhiệt độ đoạn nhiệt của bê tông khối lớn 40

3.2.1 Thành phân nguyên liệu dùng trong nghiên cứu .-. -s- 40 3.2.2 Thanh phan cấp phối bê tông nghiên cứu -5- 5 2 sec: 40 3.3 Thí nghiệm và quy trình nhào trộn bê tông - 5-55 +<s+<ssss+ 41 3.3.1 Thí nghiệm đo nhiệt độ bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt 41

3.3.2 Thí nghiệm đo nhiệt độ bê tông trong điều kiện bán-đoạn nhiệt 42 3.3.3 Thí nghiệm xác định cường độ chỊu nén .- 5-7 +< << <ss52 43

SEN.) A05) ï006ìì: 0i 00007 44

Chương 4 KẾT QUÁ NGHIÊN CỨU .2- 2 + * EEE+E£E+E£EeEE+E+EeEckEsrered 46 4.1 Tối ưu cấp phối bê tông khối lớn - + - 2 + £E£ + EE£E£E£EzrErrresee 46

4.1.1 Kết quả tăng nhiệt độ bán-đoạn nhiệt - 5-5 2 sex se 48

4.1.2 Phân tích hồi quy kết quả cường độ chịu nén - 5s se 51

4.1.3 Mối quan hệ tuyến tính giữa cường độ chịu nén và nhiệt độ gia tăng

trong điều kiện bán-đoạn nhiỆt 5 G5 c5 212261 111181551 11188111 em 52

4.1.4 Tối ưu cấp phối bê tông 2 + ©sk+SeEEEE£ESECEEEe cv cvcrrrxrexere 55

4.2 Dự đoán nhiệt độ đoạn nhiệt từ thí nghiệm bán-đoạn nhiệt độ 57 4.2.1 Phân tích kết quả đo nhiệt độ bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt 57 4.2.2 Phân tích kết quả đo nhiệt độ bê tông trong điều kiện bán-đoạn nhiét60

4.2.3 Hệ số chuyển đồi của các thông số giữa hai thí nghiệm 62

4.2.4 Phương pháp dự đoán nhiệt độ bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt từ

dữ liệu của thí nghiệm đo nhiệt độ bê tông trong điều kiện bán-đoạn nhiệt 64

Chương 5 KÉT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, - 2-2 2 + zEE£E£ES£E£EeEreeeersced 66 5.1 Ket an D 66

DANH MUC CAC HINH VE

Hình 1.1.Đường cong nhiệt độ của bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt độ 4

Hình 1.2 Đường cong nhiệt của bê tông trong thí nghiệm bán-đoạn nhiỆt 5

Hinh 1.3 Két quả thí nghiệm đoạn nhiệt từ nghiên cứu của Mitam1 6

Hình 1.4 Kết quả đo nhiệt độ bê tông bằng các khối Mock-up của Tada 7

Hình 1.5 Kết quả đo nhiệt Mock up từ nghiên cứu - 2 6 s+c+c+xezsckexsrered 9 s00000889)ì0:0iýìi(0i 0i ìv 00v vi 00 5 15

Hình 2.2 Quá trình hydrate hóa của khoáng CạA - . cu 17 Hình 2.3 Hạt tro bay dưới kính hiển vi điện tử - - 5-5 2 SecE<cscccszrsrcee, 22 Hình 2.4 Biểu đồ ảnh hưởng của độ mịn của tro bay đối với lượng nước yêu cầu của những cấp phối bê tông có cùng đọ sụt (Owen 1979) 23

Hình 2.5 Biểu đồ ảnh hưởng lượng mất khi nung của tro bay đối với lượng nước yêu cầu của những cấp phối bê tông có cùng độ sụt (Sturrup IS o4 24

Hình 2.6 Thí nghiệm ảnh hưởng của độ tăng nhiệt độ đập bê tông 26

Hình 2.7 Điễm uốn trong đường cong Goimpert(Z - - 2s << ££sz£x+zee: 31 Hinh 3.1 Biêu đồ cấp phối hạt của cat SONG cccssseseseseessesesesetsesesesetesestseeee 36 Hình 3.2 Biêu đồ cấp phối hạt cát nghiễn - 22 2S 2 SE£E£EEEcE2Exccre, 36 Hình 3.3 Biêu đồ cấp phối hạt giữa cát sông và cát nghiên 25 se: 37 Hình 3.4 Thiết bị thí nghiệm đo nhiệt độ bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt 42

Hình 3.5 Thiết bị thí nghiệm đo nhiệt độ bê tông trong điều kiện bán-đoạn "11 100111 43 Hình 3.6 Mẫu bê tông sau khi tháo khuôn 5-5 5-5-5 <*+*£z££s£z£z£z£zcxẻ 43 Hình 3.7 Dưỡng hộ bê tông sau khi tháo khuôn 5 55+ vs x2 44 Hình 3.8 Thí nghiệm nén mẫu bê tông -. + + + + 2 2 2 E22 £* xxx xxx vs xe 44 Hình 4.1 Lưu đồ nghiên cứu tối ưu cấp phối bê tông - 2-5 2 e2 £zcxẻ 46

Hình 4.2 Đường công nhiệt trong thí nghiệm bán-đoạn nhiỆt - - - 48 Hình 4.3 Thí nghiệm bán đoạn-nhiệt (CKD = 431 kg/m3) -. 5555 <+<s+ 49

Hình 4.4 Thí nghiệm bán đoạn-nhiệt (CKD = 411 kg/m’) vu ceceseseececececececeeueuscsceceses 49

Hình 4.5 Thí nghiệm bán đoạn-nhiệt (CKD = 391 kg/m”) - 2-52 2=s2 s2 49 Hình 4.6 Cường độ chịu nén và nhiệt tích tụ của nhóm cấp phối có lượng dùng

0).40E C6142 6100 53 Hình 4.7 Cường độ chịu nén và nhiệt tích tụ của nhóm cấp phối có lượng dùng

CKD = 431 Kg/M3 (2) oo 53

Hình 4.8 Cường độ chịu nén và nhiệt tích tụ của nhóm cấp phối có lượng dùng

CKD = 431 Kg/M3 (3) 54

Hình 4.0 Nhiệt độ bán-đoạn nhiệt lớn nhất và Cường độ chịu nén 54

Hình 4.10 Mô tả phương pháp tính toán cấp phối tối ưu -. 2-52 55+: 55 Hình 4.11 Thực nghiệm xác nhận đường cong nhiệt của cấp phối tối ưu 56

Hình 4.12 Lưu đồ mô tả phương thức thực hiện nghiên cứu - 5 57

Hình 4.13 Đường cong nhiệt của bê tông trong thí nghiệm đoạn nhiỆt 58 Hình 4.14 Điểm uốn trong đường cong Gompertz (4() ¿- s- + s+sesz£zcxẻ 59

Hình 4.15 Tốc độ phát triỀn nhiệt độ 2G + tt SE*KEE ve SEckeverkgkerrred 60

Hình 4.16 Đường cong nhiệt thí nghiệm bán-đoạn nhiệt (semi-adiabatic) 61 Hình 4.17 Tương quan giữa nhiệt độ lớn nhất lên 2 điều kiện thí nghiệm 62

Hình 4.18 Tương quan tốc độ phản ứng giữa 2 thí nghiệm 2 se: 63 Hình 4.19 Tương quan thời gian đạt được giá trị điểm uốn và thời gian đạt tới

giá trị nhiệt độ bán-đoạn nhiệt tối đãa 5© Set xe rered 64

Hình 4.20 Đề xuất phương pháp dự đoán đường cong đoạn nhiệt từ thí nghiệm

J0/14019147.148119112IJHHHdaẳđđaầiẳẳầađaiẳaẳaẳiiddidiiẳầdẬẦOỒẮOOỪỶẲẮ 64

1 — 2

Bảng 2.1 Thành phân khoáng của một số loại xi măng -2- 2s +: 14

Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm của Langley - + - 26-52 s2 2 £t£EscxeEeckzrsreres 26 Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm của Bisaillonr + + 25+ S2 e£E+£S2£tcEzzsereered 27 Bảng 3.1 Thành phân hóa học của xi măng 2 - 2 + z+keESCEexcke re, 33 Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả thí nghiệm của xi măng 2 - 2-5-5252 s5: 33 Bảng 3.3 Thành phần hóa học Của O + - 26 2S 2 EE£ES£EEEEE£ESEEEEEE2Exrrrei 34 Bảng 3.4 Tổng hợp kết quả thí nghiệm của tro bay -. 5- 2 62s se ceckz re, 34 Bảng 3.5 Thành phân hóa học của Silica fume - 2-5 2252 <2 2x2 se: 34 Bảng 3.6 Tổng hợp kết quả thí nghiệm của Silica fume -. 5- 2-52 55+: 34 Bảng 3.7 Tổng hợp kết quả thí nghiệm của cốt liệu lớn (đá) - 2 +: 35 Bảng 3.8 Tổng hợp kết quả thí nghiệm của cát sông và cát nghiễn 35 Bảng 3.9 Đặc tính của phụ gia hóa SÌ - Ă SH HS ng 37

Bảng 3.10 Quy trình thiết kế cấp phối bê tông - - + Set SE2E eckexrxred 38 Bảng 3.11 Thành phân vật liệu chi tiết của 27 cấp phối nghiên cứu 39

Bang 3.12 Thanh phan hóa học của xi măng Hà tiên tỏa nhiệt trung bình 40

Bảng 3.13 Cấp phối bê tông khảo sát 2 2s S SE EEEEEEcEEESEk ke rxcrr, 41

Bảng 3.14 Quy trình nhào trỘN - - - - 2c S29 9101 8991189911199 31 190g ng ng vn 44 Bảng 4.1 Tổng hợp kết quả thí nghiệm 2 - 2-5 2E E2 E£E£ES£E E2, 47

Bảng 4.2 Bảng phân tích hồi quy tuyến tính kết quả thí nghiệm đoạn nhiệt 51

Bảng 4.3 Kết quả phân tích hồi quy thí nghiệm cường độ chịu nén 52

Bang 4.4 Cap phoi t6i wu duoc tinh toan cceccesescssesessessesessetssesesseeteeseseeeee 56

Bảng 4.5 Hệ số Gompertz mô tả đường cong nhiệt của các cấp phối khảo sát 59 Bảng 4.6 Kết quả của thí nghiệm bán-đoạn nhiỆt 2 5555 c2ccz re: 61

DANH MUC KY HIEU VA CHU VIET TAT

Chữ viết tắt

Adiabatic Doan nhiét

Control Mẫu đối chứng

Dinax Đường kính cốt liệu lớn

Rz, Rog Cường độ chịu nén 7 ngày và 28 ngày

Ky hiéu

6, Nhiệt độ trong điều kiện đoạn nhiệt tại thời điểm + (°C)

1 Tudi của bê tông

œ Hệ số dãn nỡ nhiệt

T Hàm phân bố nhiệt độ không đồng bộ theo trục tung

Psp Hàm lượng SF thay thế xi măng (%)

1.1 Giới thiệu chung

Hiện nay, các cấu kiện có kích thước lớn như là dầm, móng bê tông ngoài công

trường thường được đổ toàn khối, đòi hỏi một khối lượng lớn thể tích bê tông tươi

phải được đô liên tục vào trong ván khuôn Trong giai đoạn bê tông đóng rắn, phản ứng hydrate hóa của xi măng Portland khiến cho các cầu kiện này tích tụ nhiệt trong

tâm khối do bê tông là loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp Lượng nhiệt tích tụ này gây nên chênh lệch nhiệt độ giữa tâm khối bê tông và bê mặt bê tông, tạo nên các

ứng suất nhiệt Ngoài ra, các cấu kiện trong quá trình sử dụng có thể chịu ảnh

hưởng bởi sự biến thiên nhiệt độ môi trường khi chúng được đặt trong môi trường

không khí hoặc môi trường nước, điều này cộng hưởng với ứng suất nhiệt có thé tạo

nên ứng suất kéo lớn lên các cầu kiện bê tông [1] Tại thời điểm khi ứng suất kéo

vượt quá khả năng chịu kéo của bê tông, các vết nứt nhiệt sẽ xuất hiện Những vết nứt này nếu trở nên nghiêm trọng có thê ảnh hưởng xấu tới tính ôn định và toàn vẹn

của kết cầu, hoặc làm giảm độ bên của câu kiện bê tông bởi chúng tạo điều kiện cho

các ion xâm thực xâm nhập vào bên trong, phá hủy kết cầu bê tông và cốt thép Do

đó, việc giảm thiểu rủi ro gây nứt bằng cách giảm lượng nhiệt tích tụ bên trong khối kết cầu bê tông là rất quan trọng

Phản ứng hydrate hóa của xI măng Portland là phản ứng tỏa nhiệt, nhiệt lượng của các thành phần khoáng chính trong clinker xi măng có thé dat 120cal/g [2] Theo

hiệp hội xi măng Portland (PCA), cứ 100 kg/mỶ xi măng trong thành phần cấp phối

bê tông sẽ làm tăng nhiệt độ tối đa trong quá trình đóng rắn của bê tông lên 12°C so

với nhiệt độ bê tông ban đầu [3] Vì vậy, muốn giảm lượng nhiệt tích tụ trong bê

tông khối lớn thì phải giảm hàm lượng sử dụng xi măng trong cấp phối bê tông

Có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới về việc giảm nhiệt hydrate hóa bằng cách thay

thế một phần xi măng Portland trong cấp phối bằng các loại vật liệu phụ gia vô cơ

một phan xi măng Về cơ bản, tro bay loại F có rất ít đặc tính thủy lực, điều này

giúp hạn chế lượng nhiệt hydrate hóa của bê tông Tuy nhiên, đối với các cấp phối

sử dụng hàm lượng lớn tro bay để thay thế xi măng thì sẽ gặp bất lợi lớn về mặt cường độ ở tuôi sớm Chính vì vậy mà hiện nay Silica fume (SE) thường được sử

dụng để cải thiện cường độ ở tuôi sớm của bê tông Imam và các cộng sự nhận xét

răng, sử dụng SF để thay thế xi măng trong khoảng từ 8 — 12% giúp cải thiện rõ rệt cường độ chịu nén ở tuổi sớm của bê tông [4] Gesošlu khảo sát cường độ chịu nén của bê tông sử dụng 60% tro bay và kết luận rằng khi sử dụng 15% SF để thay thế tro bay, cường độ chịu nén ở tuổi sớm đã được cải thiện 5.65% [5] Shaikh kết luận khi sử dụng SF thay thế xi măng với liều lượng 5% và 10% sẽ giúp cải thiện cường

độ chịu nén ở tuổi 7 ngày lên 5% và 6% [6] Sự kết hợp giữa tro bay va silica fume

trong hỗn hợp bê tông sẽ giúp sản phẩm bê tông sau khi đóng rắn đạt được nhiều tính chất ưu việt hơn khi chỉ sữ dụng riêng lẽ từng loại vật liệu Tuy nhiên, do SF là

loại vật liệu có hoạt tính pozzolan cao, phản ứng giữa SE với Ca(OH); để tạo thành

các khoáng C-S-H là phản ứng tỏa nhiệt Phần xi măng bị thay thế bởi tro bay sẽ giúp giảm nhiệt độ hydrate hóa khi bê tông đóng rắn, nhưng phản ứng pozzolan của

SF với các sản phâm của đá xi măng lại có khuynh hướng làm tăng nhiệt độ bê tông trong quá trình đóng rắn Kadri và Duvral báo cáo rằng, nhiệt tích tụ trong khối bê tông sử dụng 10% SF để thay thế xi măng là cao hơn so với mẫu bê tông đối chứng

sử dụng tro bay và silica fume [7] Chính vì vậy nên việc tìm ra hàm lượng thích hợp cho mỗi loại vật liệu, dé tan dung wu điểm và hạn chế nhược điểm của chúng là

rất quan trọng trong việc thiết kế cấp phối bê tông

Bảng 1.1 Tóm tắt một số nghiên cứu dùng tro bay để giảm nhiệt hydrate của bê tông

FA (%) Poon (2000) [8] 45 Giảm nhiệt hydrat hóa 36%

Li va Gengying (2004) [9] 50 Giảm đáng kể nhiệt hydrat hóa

Yoshitake (2013) [10] 50 Giảm nhiệt độ bê tông trong thí nghiệm đoạn

nhiệt xuống 40%

Việc nghiên cứu nhiệt độ bê tông khối lớn hiện nay thường sử dụng các phương pháp sau:

- _ Quy mô công trường : Thực hiện đo nhiệt độ các khối Mock-up

- - Quy mô phòng thí nghiệm : Thí nghiệm do nhiệt độ bê tông trong môi trường đoạn nhiệt độ (adiabatic)

Các khối Mock-up là những khối bê tông thử nghiệm có kích thước lớn để khi bê

tông đóng rắn, nhiệt độ sẽ bị tích tụ trong tâm khối do không thoát ra ngoài môi

trường được Thí nghiệm này mô tả thực tế làm việc của các câu kiện bê tông khối

lớn Tuy nhiên, thí nghiệm này tương đối khó thực hiện do phụ thuộc vào điều kiện

kinh tế Trong quy mô phòng thí nghiệm, thí nghiệm đo nhiệt độ bê tông trong môi

trường đoạn nhiệt độ (adiabatic) có thể giup ta tiét kiém chi phi hơn so với việc thí nghiệm các khối Mock-up Trong thí nghiệm đoạn nhiệt độ, nhiệt độ của bê tông sẽ

không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường xuyên suốt quá trình thí nghiệm Thất

thoát nhiệt xuyên suốt quá trình thí nghiệm nhỏ hơn 0.02 K/h [12] Mẫu bê tông thí

nghiệm cũng không cần thiết phải có kích thước quá lớn, thông dụng nhất là các

mẫu bê tông hình trụ có thể tích 30 lít và 50 lít Hình 1 mô tả quá trình tăng nhiệt độ của bê tông trong thí nghiệm đoạn nhiệt độ Do không chịu ảnh hưởng từ nhiệt độ môi trường bên ngoài, nhiệt độ trong tâm khối bê tông thử nghiệm sẽ được tích tụ

và gia tăng liên tục cho tới khi đạt được đỉnh nhiệt Thông thường, để tạo điều kiện

đoạn nhiệt cho thí nghiệm đo nhiệt bê tông đoạn nhiệt độ, mẫu thí nghiệm thường

được đặt trong một hệ cô lập, thông thường là được đặt trong lò sấy Lò sây này có nhiệm vụ duy trì nhiệt độ của môi trường xung quanh mẫu bê tông thí nghiệm bằng

chính nhiệt độ bên trong mẫu bê tông thí nghiệm đó Qua đó, nhiệt độ của mẫu bê

tông thí nghiệm sẽ không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường xung quanh Khiến cho nhiệt độ mẫu bê tông luôn luôn tăng và không bị thất thoát nhiệt ra môi trường bên ngoài

Thời gian (h) Thời gian (h)

a Phát triển nhiệt độ nhanh tại thời điểu ban b Nhiệt độ phát triển từ từ trong giai đoạn đầu

đầu

Hình 1.1 Đường cong nhiệt độ của bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt độ

Các mô hình toán học dùng để mô tả đường cong nhiệt của bê tông trong thí nghiệm

đoạn nhiệt độ thê hiện ở các công thức sau []]:

_ 20

Trong đó 9; là nhiệt độ đoạn nhiệt tại thời điểm t, Ô; là nhiệt độ đoạn nhiệt tối đa và

a, b, m, n là các hằng số thu được qua nhiều thực nghiệm Các công thức này cũng

như một số công thức biến đôi dựa trên chúng đã được dùng dé nghiên cứu nhiệt độ

bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt độ [13:14:15] và trong chỉ dẫn kĩ thuật của hiệp

hội bê tông Nhật Bản (JCD [16] Hình 1.1.a mô tả đường cong nhiệt được xây dựng dựa trên các công thức này, theo đồ tốc độ phát triển nhiệt độ ban đầu là rất nhanh

Tuy nhiên mô hình này hiện nay không còn quá chính xác vì cấp phối bê tông khối

lớn thường được sử dụng loại xi măng ít tỏa nhiệt, hoặc rất hạn chế lượng dùng xi

măng Hơn nữa, để kéo dài thời gian vận chuyển cũng như thời gian chờ để được đồ

bê tông, phụ gia kéo dài ninh kết cũng được sử dụng rất nhiều Thế nên, tốc độ phát

triên nhiệt độ ban đầu của bê tông khối lớn trong điều kiện đoạn nhiệt là rất chậm

Ngoài các phương pháp trên thì hiện nay phương pháp đo nhiệt độ trong điều kiện

bán-đoạn nhiệt độ (semi-adiabatic) cũng bắt đầu trở nên phô biến Thí nghiệm bán-

đoạn nhiệt độ cho phép nhiệt lượng thất thoát xảy ra và phải nhỏ hơn 1001/(h.K) [12] Phương pháp thí nghiệm cũng đơn giản và tiết kiệm chi phí hơn nhiều so với

thí nghiệm đoạn nhiệt độ Hình 1.2 mô tả đường cong nhiệt của bê tông trong thí

nghiệm bán-đoạn nhiệt Đầu tiên là đỉnh nhiệt ban đầu do phản ứng của các khoáng

aluminate (CaA), theo sau đó là giai đoạn trì hoãn ninh kết do tác dụng của thạch cao Cuối cùng là đỉnh nhiệt do phản ứng của các khoáng C:S Khoảng thời gian trì hoãn trong thí nghiệm bán-đoạn nhiệt càng lâu thì tốc độ tăng nhiệt ban đầu trong

thí nghiệm đoạn nhiệt sẽ càng chậm

Hình 1.2 Đường cong nhiỆt trong thí nghiệm bán-đoạn nhiệt

Trong đề tài luận văn thạc sĩ này, tác giả mong muốn đóng góp một số kết quả hữu ích cho công tác tôi ưu hàm lượng vật liệu kết dính trong bê tông khối lớn, cũng như đưa

ra quy trình phù hợp để dự đoán đường cong nhiệt của bê tông trong điều kiện đoạn

nhiệt từ thí nghiệm bán-đoạn nhiệt độ Phạm vi của đề tài sẽ tập trung khảo sát hàm

lượng tro bay và silica fume thay thé xi mang dé tim ra cấp phối đạt yêu cầu về cường

độ cũng như có hạn chế được lượng nhiệt tích tụ trong bê tông Phương pháp thí

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Năm 2016, Mitan! và các cộng sự [17] đã thực hiện nghiên cứu khảo sát tính chất

vật lý và khả năng nứt nhiệt của bê tông khối lớn trong môi trường khí hậu Đông Nam Á Nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng ứng dụng của tro bay và xỉ lò cao đối

với bê tông khối lớn về các tính chất cường độ, độ tăng nhiệt độ trong điều kiện

đoạn nhiệt của bê tông xi măng đồng thời so sánh với các sản phẩm xi măng chứa 30% tro bay (FA), 65% xỉ lò cao (GGBS), và xi măng chứa cả FA và GGBS (14%FA va 55%GGBS)

Bài nghiên cứu chỉ ra rằng:

e Cường độ chịu nén của bê tông sử dụng 30%EA thấp hon so với cường độ chịu nén của bê tông sử dụng kết hợp xỉ và FA

e_ Bê tông sử dụng kết hợp FA và GGBS cho kết quả tăng nhiệt độ trong môi trường đoạn nhiệt thấp hơn hẫn so với cấp phối sử dụng riêng lẻ EA và

Thoi gian (ngay) Thoi gian (ngay)

Hình 1.3 Kết quả thí nghiệm đoạn nhiệt từ nghiên cứu của Mitani [17]

ứng dụng thực tế của tro bay đến bê tông khối lớn ở Singapore Nghiên cứu dựa trên

3 cấp phối bê tông: 30%EA, 65%GGBS và cấp phối kết hợp giữa 14.5% EA và

355%GGBS Thí nghiệm do nhiệt được thực hiện dưới dạng do các khối Mock-up tai

hiện trường Những phát hiện chính được tóm tắt như sau:

e_ Cấp phối sử dụng kết hợp FA và GGBS có cường độ chịu nén cao hơn với xi mang tro bay

e_ Cấp phối sử dụng kết hợp FA va GGBS cé két qua do nhiét thuc té trén cdc

khối Mock-up thấp hơn so với các cấp phối sử dụng EA va GGBS riêng lẻ

Thoi gian (ngay) Thoi gian (ngay)

Hình 1.4 Kết quả đo nhiệt độ bê tông bằng các khối Mock-up trong nghiên cứu của

Tada [18]

Các nghiên cứu trên chỉ ra ảnh hưởng tích cực của việc sử dụng kết hợp nhiều loại

phụ gia vô cơ hoạt tính sẽ giúp cải thiện nhiều tính chất của bê tông hơn là việc chỉ

sử dụng riêng lẻ một loại vật liệu phụ gia vô cơ hoát tính nào đó Tuy nhiên, các

nghiên cứu thực nghiệm này khá tốn kém, nên quy mô khảo sát thường không quá

lớn Điển hình là trong nghiên cứu của Tada [18], các khối Mock-up phải có kích

thước 3m chiêu đài, 1.5m chiêu rộng và 1.5m chiêu cao, hay trong nghiên cứu của

hàm lượng từng loại vật liệu là rất khó khăn

1.3 — Tình hình nghiên cứu trong nước

Về tình hình nghiên cứu trong nước, các nghiên cứu về bê tông khối lớn là không

nhiều và đăc biệt là các nghiên cứu về mặt vật liệu là rất ít Năm 2013, nghiên cứu

đặc trựng nhiệt của bê tông sử dụng hàm lượng lớn tro bay để thay thế xi măng dựa theo phương pháp do mock-up [19] da cho thay:

e Khi c6 mat tro bay trong bé tong dan đến sự phát nhiệt thủy hóa chậm và thấp hơn nhiều so với mẫu bê tông không sử dụng tro bay đồng thời làm giảm chênh lệch nhiệt độ lớn nhất giữa tâm khối bê tông và nhiệt độ môi trường xung quanh Điều này phù hợp với công tác thi công bê tông khối lớn

vì sẽ hạn chế được các vết nứt do ứng suất nhiệt và có thể tính toán bố trí

khối đồ lớn hơn, tạo điều kiện tăng tiến độ thi công

e Nhiệt độ tại tâm của khối bê tông có tỷ lệ nghịch với hàm lượng tro bay

trong khối đỗ Với tỷ lệ thay thế là 50% xi măng PC50 bằng tro bay đã giảm

được 22°C tại tâm khối bêtông

e_ Sử dụng tro bay hàm lượng lớn có thể ảnh hưởng đến sự phát triển cường độ của bê tông Có thê xem xét sử dụng hàm lượng tro bay thay thế cho xi măng

từ (20 + 40) % để giảm nhiệt độ trong khối bê tông, giảm sự chênh lệch nhiệt

độ giữa khối bê tông và môi trường xung quanh đồng thời vẫn đạt được

cường độ thiết kế phù hợp với độ tuổi yêu cầu

Nghiên cứu này cũng gặp khó khăn trong việc khảo sát quy mô lớn thành phần nguyên vật liệu khi chỉ có thể khảo sát trên 5 cấp phối bê tông Do các khối Mock-

up trong nghiên cứu này có thê tích rất lớn: hình lập phương cạnh 1.5m

~—0%FA

- —20*%FA^

—== 30%FAÁ

———40%FA =50XFA

Hình 1.5 Kết quả đo nhiệt Mock-up từ nghiên cứu [19]

1.4 — Mục tiêu nghiên cứu

Dựa vào kết quả khảo sát và phân tích đã trình, ta thấy rằng việc nghiên cứu nhiệt

độ bê tông khối lớn là rất tốn kém và phức tạp, do đó các nghiên cứu về nhiệt bê tông gặp nhiều khó khăn trong việc khảo sát cấp phối với quy mô lớn Chính vì vậy

mục tiêu chính của Luận văn là áp dụng một phương pháp đo nhiệt nhanh và ít tốn

kém để nghiên cứu tối ưu cấp phối bê tông khối lớn Nghiên cứu này chỉ thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm và chưa tính đến việc khảo sát các yêu câu cơ lý khác của cầu kiện bê tông khối lơn ngoài thực tế Cụ thể, nghiên cứu này xác định:

- Ảnh hưởng của FA và Silica fumne đến các tính chất về cường độ chịu nén và sự

phát triển nhiệt độ trong điều kiện bán-đoạn nhiệt

- Xác định hàm lượng vật liệu tối ưu để bê tông đạt cường độ chịu nén 50 MPa

với nhiệt độ trong điều kiện bán-đoạn nhiệt thấp nhất có thể

Ngoài ra, một nghiên cứu độc lập thứ hai cũng được thực hiện về việc dự đoán

nhiệt độ bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt độ từ thí nghiệm bán đoạn nhiệt

độ Nghiên cứu này nhằm mục đích:

- _ Đưa ra phương pháp dự đoán nhiệt độ bê tông trong điều kiện đoạn nhiệt từ các

đữ liệu trong thí nghiệm đo nhiệt trong điều kiện bán đoan nhiệt

- Củng cỗ độ tin cậy của thí nghiệm bán đoạn nhiệt, vốn chưa được sử dụng phố

biến Từ đó rút ngắn thời gian và chỉ phí thí nghiệm

Tìm ra tương quan giữa thí nghiệm đoạn nhiệt và bán đoạn nhiệt sẽ củng cỗ việc tôi

ưu cấp phối bê tông từ thí nghiệm cường độ nén và thí nghiệm đo nhiệt bán đoạn

nhiệt

1.5 Phạm vi nghiên cứu

Từ những mục tiêu nghiên cứu đề ra như trên, phạm vi của nghiên cứu xoay quanh một số vần đề như sau:

- Khao sat 27 cấp phối bê tông sử dụng 3 cấp độ hàm lượng chất kết dính (CKD),

3 cấp độ hàm lượng FA và 3 cấp độ hàm lượng SF Đưa ra ảnh hưởng của từng

loại vật liệu thay thế lên tính chất cường độ và nhiệt độ của bê tông trong quá

trình hydrate hóa Từ đó tối ưu hàm lượng vật liệu thành phần thỏa mãn các các yêu cầu kỹ thuật đề thi công bê tông khối lớn

- Khao sat 3 cấp phối sử dụng CKD là xi măng tỏa nhiệt trung binh va silica fume

về độ tăng nhiệt độ trong điều kiện đoạn nhiệt và bán-đoạn nhiệt Từ đó đưa ra

sự tương quan của hai thí nghiệm và đưa ra phương pháp dự đoán nhiệt độ trong thí nghiệm đoạn nhiệt từ các kết quả của thí nghiệm bán-đoạn nhiệt

1.6 Ý nghĩa nghiên cứu

bê tông trong quá trình hydrate hóa Đóng góp thêm một phương pháp dự đoán

nhiệt độ đoạn nhiệt độ bê tông trong quá trình hydrate hóa

1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả thu được giúp tối ưu hàm lượng sử dụng tro bay và silica fume trong thực

tế sản xuất Việc dự đoán nhiệt độ đoạn nhiệt trong quá trình hydrate hóa của bê

tông giúp giảm chi phí và thời gian thí nghiệm

Sự dụng phụ gia khoáng tro bay sẽ giải quyết được vấn đề về môi trường, giảm ham lượng xi măng sử dụng Ngoài ra, việc sử dụng tro bay thay thế một phần lượng xi măng sẽ giúp giảm chỉ phí giá thành cho việc sản xuất bê tông

CHUONG 2 CO SO KHOA HOC

Xi mang Portland 14 CKD vô cơ rắn trong nước chứa khoảng (70+80)% CaO N6 1a sản phẩm nghiền mịn của clinker với phụ gia thạch cao (3+5)% Clinker xi măng không phải là sản phâm đồng nhất mà là tập hợp của nhiều khoáng khác nhau, bao gôm các khoáng chính: Alite, Belite, Celite, Aluminat Ngoài ra còn chứa hợp chất trung gian và còn một hàm lượng nhỏ các oxIt khác

2.1.1 Thành phần khoáng chính trong xi măng Portland

Alite (3CaO.SiO;, viết tắt là CS) là khoáng quan trọng nhất trong clinker xi măng

Portland, chiếm khoảng 45+60% , 1a dung dich ran chắc của silicat tricanxit và một

lượng nhỏ 2+4% các oxit MgO, AlzOs, P;Os, CrOs và các tạp chất khác Các tạp chất này có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của alite Alite có thể kết tinh ở

6 dạng thù hình khác nhau Trong clinker tinh thé alite thường có hình 6 cạnh hoặc hình chữ nhật Alite là khoáng quan trọng nhất của clinker, nó quyết định cường độ

và các tính chất khác của xi măng Xi măng Portland chứa hàm lượng alite cao sẽ

ran chắc nhanh, cường độ cao, tỏa nhiệt lớn, ít co thê tích

Belite (2CaO.SiO;, viết tắc là C¿S) là khoáng quan trọng thứ hai, chiếm khoảng

(20:+30)% trong clinker Trong khoảng nhiệt độ từ nhiệt độ thường đến 1500°C belite có 5 dạng thù hình Trong clinker, belite là dung dịch rắn chắc của B silicat

bicanxit (B-C;S) và một lượng nhỏ 1+3% Al;O;, Fe;O;, MgO, Cr;Oa, Belite rắn

chắc chậm nhưng đạt cường độ cao ở tuổi muộn Sản phẩm đóng rắn của B-C,S bén trong môi trường nước và nước khoáng

Aluminattricalci (3CaO.Al;Oz, viết tắt là C¿A) chiếm khoảng (4+12)% Ở nhiệt

độ nung thích hợp tinh thể có dạng lập phương Là khoáng có tính kết dính, tốc độ

thủy hóa và rắn chắc rất nhanh, nhưng cường độ không cao, tỏa nhiều nhiệt C:A rất

dễ bị ăn mòn trong môi trường sunfat, nên trong xi măng bên sunfat phải khống chế

lượng CA < 5%

Celite (4Ca0.A1,03Fe,0s, viet tat la C,AF) chiém 10+12%, c6 khdi luong riéng

lớn nhất trong các khoáng clinker Nó là dung dịch rắn của feroaluminat canxi có

thành phần khác nhau C„AF có tốc độ rắn chắc trung bình giữa alite và belite, vì

vậy không có ảnh hưởng lớn đến tốc độ răn chắc và sự tỏa nhiệt của xi măng Portland Celite đóng rắn cho cường độ tương đối thấp, nhưng sản phẩm đóng ran bên trong môi trường nước và môi trường ăn mòn sulfat

2.1.2 Các khoáng phụ

CaO,v ao ở dạng hạt, thường có trong clinker mới nung xong Quy định hàm lượng

của nó không được vượt quá 1%, vì sẽ gây ra tính không én định thể tích dẫn đến

phá vỡ cầu trúc bê tông

MgOty ao là thành phân của pha feroaluminat và thủy tính clinker cùng tồn tại ở

dạng tinh thể tự do, thủy hóa rất chậm Sự thủy hóa MgO kéo dài khá lâu (đến vài năm) và khi chuyển Mg(OH); thì làm tăng thể tích của pha rắn Nên nếu hàm lượng MpgO>5% sẽ gây mắt tính ôn định thê tích của xi măng

Thủy tỉnh clinker chiếm khoảng (5+15)%, bao gồm chu yéu 1a CaO, Al,O3, FezO¿, MgO, K,O, Na,O

Oxit kiém ( Na,O, K,0 ) cé trong pha feroaluminat cua clinker cing nhu 6 dang

sunfat Để tránh xảy ra nứt nẻ kết câu, hàm lượng của chúng phải rất hạn chế khi dùng với cốt liệu ( cát, đá ) có chứa oxit silic vô định

2.2 Phan ứng hydrate hóa của các khoáng trong xỉ măng Portland

X1 măng Portland là một loại chất kết dính vô cơ mà khi được nhào trộn với nước,

chúng xảy ra phản ứng hóa học và đóng rắn Khi kết hợp nước, cốt liệu lớn, cốt liệu

nhỏ va xI măng Portland với nhau sẽ hình thành bê tông

Xi măng Portland bao gồm 4 khoáng chính, công thức hóa học và tên viết tắt của chúng được trình bày ở bảng 2.1:

Bảng 2.1 Thành phần khoáng của một số loại xi măng

2.2.1 Hydrate héa cia cac khoang Calcium Silicate

Thành phần khoáng chiếm hàm lượng lớn nhất trong xi măng Portland là CS,

chiếm từ 40 + 70% khối lượng trong xi măng Và là thành phần chính đảm bảo việc kiêm soát quá trình đóng rắn bình thường, phát triển cường độ sớm cho bê tông

Phương trình phản ứng:

HYDRATE San pham chính của phản tmg 1a Calcium Silicate Hydrate, khong phai luc nao citing

là hợp chất C3S,H, Ching được gọi tên một cách đơn giản là C-S-H C-S-H hình

thành ở dạng tinh thể với kích thước hạt rất nhỏ (nhỏ hơn 1pm) Day 1a san phẩm

chính tạo cường độ khi xi măng đóng rắn

Đường cong nhiệt lượng quá trình hydrate hóa của khoáng CS được thê hiện ở hình 2.1 Có thế chia đường cong này thành 5 giai đoạn: giai đoạn phản ứng ban đầu

(GDI), giai đoạn trì hoãn (GD2), gia1 đoạn tăng nhiệt (GD3), giai đoạn giảm nhiệt

(GD4) và giai đoạn ôn định (GD5)

nhanh (gia1 đoạn 1) Ion Ca”? và OH trên bề mặt các hạt CaS đi vào hỗn hợp và làm

tăng độ pH của hỗn hợp (pH > 12) Giai đoạn 1 này kéo dài khoảng 15 phút Sau

đó, phản ứng bắt đầu chậm lại (Giai doan 2) C3S bị trì hoãn phản ứng ở gia1 đoạn 2

trong khoảng thời gian 2 + 4 giờ Sản phẩm quá trình hydrate hóa cho tới thời điểm

này mới đạt được vài phân trăm so với tông sản phầm hydrate hóa cuôi cùng

Khi hàm luong calctum va hydroxide dat tới một giá trị đủ lớn, phản ứng của C3S

được tiếp tục một lần nữa Khoáng C:S trải qua quá trình hydrate hóa mạnh mẽ nhất xuyên suốt giai đoạn tăng nhiệt và hạ nhiệt (giai đoạn 3 và 4) C-S-H hình thành và

phát triển trên bề mặt các hạt CS và tạo thành rào cản mà nước và các ion phải

vượt qua để tiếp tục quá trình hydrate hóa Khi rào cản khuếch tán này càng tăng,

phản ứng cảng lúc càng chậm lại, và quá trình hydrate hóa được xem là đạt 100%

(giai đoạn 5)

Qua trinh hydrate hóa của khoáng C;5 tương tự như C:Š, nhưng sự phản ứng xảy ra chậm hơn nhiều và nhiệt lượng tỏa ra của khoáng C;Š cũng nhỏ hơn so với C5 Đường cong nhiệt lượng của khoáng C;S được xem là giống với đường cong nhiệt

lượng của khoáng CS ngoại trừ việc nhiệt lượng cao nhất đạt được lần 2 (thời điểm kết thúc giai đoạn 3 và bắt đầu giai đoạn 4) sẽ thấp hơn nhiều so với khoáng CzS

Phản ứng giữa C;S và nước được thê hiện qua phương trình sau:

HDRATE

2.2.2 Hydrate héa cia cac khoang Tricalcium Aluminate

CạA là khoáng phản ứng với nước nhanh và tỏa nhiều nhiệt nhất trong xi măng C3A đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn đầu của quá trình hydrate hóa bằng

việc thúc đây phản ứng hydrate hóa của khoáng CzS

Khi có sự góp mặt của đá thạch cao, sản phẩm hydrate ban đầu của CA với nước là Ettringite:

Phản ứng tạo thành Ettringite và monosulfoalumiate đều là phản ứng tỏa nhiệt Cũng giống như CaS, quá trình hydrate hóa của khoáng CạA cũng chậm dan theo thời gian do sự hình thành rào cản khuếch tán Trong trường hợp của khoáng CA,

rao can nay la do Ettringite tao thanh sé bao bọc các hạt CA lại, làm chậm sự

khuéch tan cua ion sulfate, ion hydroxide, va ion calcium Rao can nay bị phá vỡ trong giai đoạn mà Ettringite chuyên đôi thành monosulfoaluminate Khi có sự thiếu hụt ion sulfate, Ettringite chuyén đổi thành monosulfoaluminate và quá trình

hydrate hda cua C3A tiép tục với một tốc độ rất nhanh Đá thạch cao cảng nhiều,

Ettringite tạo thành càng nhiều, thì giai đoạn trì hoãn hydrate hóa của CA càng dài

GD 1

| | (Su tao thanh GŒĐ 2

nhiệt tỏa ra Lượng nhiệt tỏa ra cao hơn nhiều so với khoáng CS Giai đoạn phát

triên nhiệt lượng đầu tiên là do sự tạo thành Ettringite và kéo dài từ (10 + 15) phút

Nhiệt lượng phát triên lần hai do sự chuyên đổi cttringite thành

mnonosulfoaluminate, và thường xảy ra trong khoảng thời gian từ (12 + 36) giờ sau khi xi măng lần đâu tiên phản ứng với nước

Khi chỉ có một lượng nhỏ đá thạch cao trong xi mang, khi hydrate hoa, sé cé mot lượng CạA không phản ứng Hàm lượng CạA nay sé phan ứng với monosulfo aluminate tạo thành dung dịch răn

Trong trường hợp không có đá thạch cao được nghiền trộn trong xi măng, khi hydrate hóa khoáng CạA sẽ phản ứng rất nhanh ban đầu tạo thành Calcium aluminate hydrates, dẫn đến việc xi măng ninh kết nhanh và phản ứng tỏa nhiệt lớn

2.2.3 Hydrate héa cia khoang Ferrites

Quá trình hydrate cla khoáng Ferrites cũng giống khoáng Tricalcium aluminate ngoại trừ việc quá trình phản ứng chậm hơn nhiều Phương trình phản ứng được thể

hiện như sau:

3 C,AF +12C8H, +110H > 4(C,(4.F)S5,H.) + (4.F)H; TETRACALCIUM GYPSUM NƯỚC

2.3 Sự tăng nhiệt độ trong bê tông

Phản ứng hydrate hóa của xi măng là phản ứng tỏa nhiệt Lượng nhiệt tỏa ra gây nên sự tăng nhiệt độ bên trong khối bê tông Nhiệt hydrate hóa của xi măng nếu đạt

mức 100 cal/g có thể làm tăng nhiệt độ bê tông lên 75'C trong trường hợp không có

sự thất thoát nhiệt xảy ra Tuy nhiên, môi trường đoạn nhiệt độ (không có sự thất

thoát nhiệt) thật sự rất khó xảy ra trong thực tế ngay cả đối với bê tông khối lớn, và

sự tăng nhiệt độ trong bê tông thông thường chỉ từ (30-50)°C [201

Nhiệt độ cao trong tâm khối bê tông có thê làm giảm cường độ sau cùng của bê tông, làm tăng xu hướng co khô và co dẻo Nhưng vấn đề quan trọng hơn hết là khi nhiệt độ bê tông cao kết hợp với ứng suất nhiệt phát triển do bề mặt bê tông bên ngoài bị làm nguội nhanh bởi môi trường Nếu bê tông bị kiềm giữ và gradient nhiệt

độ qua các phần của khối bê tông đủ lớn, ứng suất kéo xuất hiện và làm nứt những vùng bê tông yếu Bản thân sự tăng nhiệt độ trong bê tông không gây nứt, vết nứt xảy ra khi gradient nhiệt độ tạo nên ứng suất kéo và ứng suất này lớn hơn khả năng chịu kéo của bê tông

Vết nứt do ứng suất nhiệt này có thể làm suy giảm kết cầu bê tông và gây ra các vẫn

đề khi trong quá trình sử dụng Ví dụ như bê tông bị suy giảm độ bên, khiến cốt

thép bị ăn mòn, làm tăng khả năng bị xâm thực sulfate do sự thâm nhập sulfate thông qua các vết nứt

Theo cách phân tích cổ điển của Timoshenko [21] về ứng suất nhiệt, ung suat nhiét

phat trién ở phần mặt cắt bị kiềm chế do sự thay đổi nhiệt độ không đồng bộ xuyên suốt chiêu sâu của khối bê tông có thê được tính theo công thức:

T = Ham phan bố nhiệt độ không đồng bộ theo trục tung

Hàm phân bố nhiệt độ này có thể được tính :

Trong đó : Tạ = Chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và bề mặt khối bê tông

c =⁄2 chiều dày mặt cắt

y = khoảng cách giữa điểm đang xét tới giữa tâm khối bê tông

Phương pháp cổ điển để tính toán ứng suất nhiệt cho thấy sự phát triển ứng suất

nhiệt phụ thuộc vào hàm gradient nhiệt độ, chứ không phải chỉ phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và bề mặt khối bê tông, ngay cả khi nếu gradient nhiét

độ là tuyến tính

Tuy nhiên, vân rât khó đê dự đoán ứng suât nhiệt, vì nó là kêt quả của sự kiêm chê

bên trong và kiêm chê bên ngoài

Trong điều kiện đoạn nhiệt và khi không có bất kì sự kiềm chế nào lên bê tông, bê tông sẽ nở ra do sự phát triển nhiệt độ Nghĩa là khi không chịu bất kì yếu tố ảnh

hưởng nào của môi trường xung quanh, bê tông sẽ không phải chịu bất kì nội ứng suất nào Tuy nhiên, thực tế trong xây dựng, bê tông sẽ bị thất thoát nhiệt ra môi trường xung quanh, và việc bê tông được đỗ trên những kết cầu bê tông khác đã có trước đó, tạo nên những kiềm chế khiến bê tông không thể nở ra trong quá trình đóng răn, kết quả là tạo nên những ứng suất trong khối bê tông

Sự kiêm chề bên trong : Khi nhiệt độ bê tông tăng nhanh trong quá trình đóng rắn,

việc thất thoát nhiệt ra ngoài môi trường dẫn tới kết quả là có sự chênh lệch giữa nhiệt độ bên trong khối bê tông (nóng) và bề mặt bên ngoài khối bê tông (lạnh) Sự

chênh lệch nhiệt độ này và hệ số giản nở nhiệt của bê tông sẽ tạo nên ứng suất bên

trong khối bê tông Ứng suất này gia tăng phụ thuộc vào độ cứng của bê tông (modul đàn hồi E) Bê tông có độ cứng càng cao thì ứng suất này càng lớn Ứng

suất kéo phát triển trên bề mặt bê tông trong khi ứng suất nén phát triển trong tâm khối bê tông Khi ứng suất kéo này vượt quá khả năng chịu kéo của bê tông, vết nứt

sẽ xuất hiện Khi nhiệt độ khối bê tông cân bằng với nhiệt độ môi trường, nội ứng suất này sẽ biến mất

Sự kiềm chế bên ngoài : Nhiệt độ tăng trong khối bê tông sẽ khiến bê tông có xu

hướng nở ra khi đóng rắn Nhưng khi khối bê tông được đồ trên các phần kết câu bê tông khác đã đóng rắn, xu hướng nở ra của bê tông sẽ bị kiềm chế lại Sự kiềm chế

này tạo nên ứng suất kéo lên kết cầu cũ và ứng suất nén lên khối bê tông mới đỗ Trong quá trình nở ra này, khối bê tông mới còn “'mêm”? do modul đàn hồi E chưa

phát triển hoàn toàn nên ứng suất nén lên khối bê tông sẽ có giá trị nhỏ Khi khối bê

tông cân bằng nhiệt với môi trường xung quanh, bê tông lúc này đã trở nên cứng hơn, ứng suất kéo phát triển trong giai đoạn này có giá trị lớn hơn nhiều so với những ứng suất trong giai đoạn bê tông có xu hướng nở ra Trạng thái cuối cùng sẽ

là ứng suất kéo ở vùng bê tông mới và ứng suất nén ở phần kết cấu cũ có trước đó

Những ứng suất này là ứng suất dài hạn và sẽ đạt giá trị lớn nhất khi nhiệt độ của

khối bê tông mới cân bằng với nhiệt độ môi trường Nếu ứng suất kéo dài hạn này

vượt quá khả năng chịu kéo của bê tông, vết nứt dài hạn sẽ hình thành và phát triển

xuyên suôt mặt cắt bê tông

ACI 207 đề nghị chênh lệch nhiệt độ trong bê tông khối lớn nên được giới hạn trong

khoảng từ (14 + 20)°C

2.4 Vai trò của tro bay

Tro bay là một loại bụi được thu tại bộ phận khí thải của ngành năng lượng từ quá

trình đốt cháy than

Hinh 2.3 Hạt tro bay dưới kính hiển vi điện tử Tro bay (FA) là một loại phụ gia khoáng hoạt tính, thành phần hoạt tính trong tro bay là oxit silic và oxit nhôm ở trạng thái vô định hình Khi sử dụng tro bay trong xi măng Portland, các thành phần hoạt tính trong tro bay sẽ tác dụng với calcium hydroxide tạo thành từ quá trình hydrate hóa calcium silicate, để tạo thành các sản

diễn ra nhanh hơn

Khả năng hoạt tính của tro bay phụ thuộc vào tính chất vật lý, thành phần khoáng vật và hóa học của tro bay Thành phân khoáng vật và hóa học của tro bay phụ thuộc vào thành phân trong loại than được đốt cháy

Nhiều năm nay, tro bay được sử dụng trong bê tông để thay thế xi măng với hàm lượng từ 15 + 25% theo khối lượng CKD Tuy nhiên lượng dùng tro bay trong thực

tế phụ thuộc rất nhiều yếu tố Hàm lượng tro bay lớn 30 + 50% thường được sử

dụng cho kết cấu bê tông khối lớn để kiểm soát sự tăng nhiệt độ

2.4.1 Ảnh hướng của tro bay đến tính công tác của hỗn hợp bê tông

Việc sử dụng loại tro bay có chất lượng tốt, với cỡ hạt mịn và hàm lượng Carbon

thấp sẽ giúp giảm lượng nước yêu cầu của hỗn hợp bê tông, vậy nên, với việc sử dụng tro bay sẽ cho phép chế tạo được hỗn hợp bê tông có lượng nước yêu câu thấp hơn so hỗn hợp bê tông đối chứng có cùng độ sụt

Lượng giảm nước chính xác rất khó xác định bởi chúng phụ thuộc vào đặc tính tro

bay và các thông số khác trong cấp phối, tuy nhiên có thê dự đoán tông quát rằng khi sử dụng 10% tro bay có thê giảm được ít nhất 3% lượng nước yêu cầu

Hình 2.4 Biêu đồ ảnh hưởng của độ mịn của tro bay đối với lượng nước yêu cầu của

những cấp phối bê tông có cùng độ sụt (Owen 1979) [22]

Me Luong mat khi nung (% khôi lượng)

Hình 2.5 Biêu đồ ảnh hưởng lượng mắt khi nung của tro bay đối với lượng nước yêu cầu của những cấp phối bê tông có cùng độ sụt (Sturrup 1983) [23]

Hình 2.4 và 2.5 cho thấy, hàm lượng hạt tro bay càng mịn nhiều hơn và lượng mất khi nung thấp hơn sẽ giúp giảm được lượng nước yêu cầu nhiều hơn

Một lượng tro bay thích hợp được sử dụng sẽ tạo cho hỗn hợp bê tông đó có tính

công tác tốt Tro bay giúp hỗn hợp bê tông gắn kết tốt hơn, giảm hiện tượng phân tầng Cầu trúc dạng hình cầu của hạt tro bay giúp bôi trôn các cát hạt cốt liệu trong

bê tông, giúp hỗn hợp bê tông dễ dàng thi công, giảm áp lực bơm của thiết bị [24] 2.4.2 Ảnh hướng của tro bay đến thời gian đông kết của bê tông

Ảnh hưởng của tro bay đến thời gian đông kết của bê tông phụ thuộc vào rất nhiều yếu tô như: thành phần và hàm lượng tro bay, lượng và loại xi măng sử dụng, tỷ lệ nước trên chất kết dính (N/CKD), loại phụ gia hóa và nhiệt độ của bê tông Tro bay

với hàm lượng CaO thấp thường kéo dài thời gian bắt đầu đông kết cũng như kết thúc đông kết của bê tông

Trong điều kiện thời tiết nóng, xu hướng chậm đông kết bởi tro bay thường giảm và

có lợi trong đa số trường hợp Trong điều kiện thời tiết lạnh, lượng dùng tro bay