NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG SILICAFUME VÀ TRO BAY. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Nằm trong giới hạn nghiên cứu của đề tài, tác giả đề xuất sử dụng 10% silicafume và 10% tro bay thay thế 20% lượng xi măng trong hỗn hợp bê tông vì góp phần tăng cao khả năng chống thấm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐÀO XUÂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM

CỦA BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG SILICAFUME VÀ TRO BAY

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số : 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN CHÍNH

Đà Nẵng - Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Người cam đoan

Đào Xuân Trường

MỤC LỤC

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả dự kiến 2

6 Cấu trúc của luận văn 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG, TÍNH CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG;

KHẢ NĂNG SỬ DỤNG SILICAFUME VÀ TRO BAY TRONG VIỆC

THAY THẾ XI MĂNG TRONG BÊ TÔNG 4

1.1 Tổng quan về bê tông 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Cấu trúc của bê tông 4

1.1.3 Phân loại bê tông: 5

1.1.4 Tính chất cơ lý của bê tông 7

1.1.5 Tính thấm nước của bê tông 9

1.2 Tổng quan về silicafume 10

1.2.1 Khái niệm về silicafume 10

1.2.2 Thành phần silicafume 11

1.2.3 Đặc tính của silicafume 11

1.2.4 Ứng dụng của silicafume trong xây dựng 13

1.3 Tổng quan về tro bay 16

1.3.1 Khái niệm về tro bay 16

1.3.2 Thành phần tro bay 17

1.3.3 Cấu trúc hình thái của tro bay 19

1.3.4 Phân loại tro bay 21

1.3.5 Sản lượng tro bay trong và ngoài nước 22

1.3.6 Tình hình sử dụng tro bay 24

1.3.7 Các công trình nghiên cứu ứng dụng tro bay trong lĩnh vực xây dựng 25

1.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng chống thấm của bê tông 27

1.5 Các phương pháp thí nghiệm xác định khả năng chống thấm của bê tông: 27

1.5.1 Phương pháp xác định độ chống thấm tối đa: 27

1.5.2 Phương pháp xác định hệ số thấm nước: 27

1.5.3 Phương pháp xác định độ sâu thấm nước: 28

1.6 Một số công trình nghiên cứu về khả năng chống thấm của bê tông 28

1.7 Kết luận chương 29

CHƯƠNG 2: TIÊU CHUẨN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 30

2.1 Các tiêu chuẩn sử dụng trong thí nghiệm 30

2.2 Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm 30

2.2.1 Cốt liệu nhỏ (cát) 30

2.2.2 Cốt liệu lớn (đá 1x2) 32

2.2.3 Xi măng 35

2.2.4 Silicafume 36

2.2.5 Tro bay 37

2.2.6 Nước 39

2.3 Thiết bị sử dụng 40

2.3.1 Ván khuôn 40

2.3.2 Máy trộn 40

2.3.3 Thiết bị đầm bê tông 41

2.3.4 Bảo dưỡng mẫu bê tông 41

2.3.5 Thiết bị do độ sụt bê tông 41

2.3.6 Máy nén mẫu kiểm tra cường độ bê tông 42

2.3.7 Thiết bị thí nghiệm thấm 42

2.4 Kết luận chương 43

CHƯƠNG 3 TH NGHIỆM X C ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA SILICAFUME VÀ TRO BAY ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN VÀ KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG 44

3.1 Giới thiệu chung 44

3.2 Vật liệu sử dụng thí nghiệm 44

3.3 Thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông 45

3.4 Đúc mẫu và bảo dưỡng mẫu 46

3.4.1 Đúc mẫu 46

3.4.2 Bão dưỡng mẫu 48

3.5 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông 48

3.5.1 Quy trình nén mẫu 48

3.5.2 Công thức xác định cường độ chịu nén[51] 50

3.6 Thí nghiệm xác định cấp chống thấm của bê tông 50

3.6.1 Quy trình thí nghiệm 50

3.6.2 Tính kết quả, xác định độ cấp chống thấm 52

3.7 Kết quả và thảo luận 54

3.7.1 Độ sụt của các hỗn hợp bê tông 54

3.7.2 Ảnh hưởng của tro bay đến cường độ chịu nén của bê tông 55

3.7.3 Ảnh hưởng của tro bay và silicafume đến khả năng chống thấm của bê tông 57

3.7.4 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và cấp chống thấm 59

3.8 Kết luận chương 60

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KİẾN NGHỊ 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG

SILICAFUME VÀ TRO BAY

Học viên: Đào Xuân Trường

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

xi măng: cát: đá = 1:2:3 và giữ không đổi trong suốt thí nghiệm Xi măng portland (OPC) được thay thế bởi silicafume và tro bay loại F với các tỉ lệ thay thế lần lượt là 20% tro bay, 15% tro bay 5% silicafume, 10% tro bay 10% silicafume, 5% tro bay 15% silicafume và 20% silicafume trong khi tỉ lệ nước/tổng bột (tổng của xi măng, silicafume và tro bay) là 0.55 Các thí nghiệm cường độ chịu nén được thực hiện trên mẫu lập phương kích thước 150x150x150mm trong khi các thí nghiệm khả năng chống thấm được thực hiện trên mẫu hình trụ có đường kính 150mm và chiều cao 150mm Tất cả các thí nghiệm được thực hiện tại các thời điểm 28 ngày, 56 ngày và 90 ngày

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng khi 20% tro bay được sử dụng để thay thế xi măng cường độ chịu nén thấp hơn mẫu đối chứng sử dụng 100% xi măng, tuy nhiên cấp chống thấm của bê tông được cải thiện sau 56, 90 ngày tuổi Khi thay thế 20% lượng xi măng bằng silicafume và tro bay với tỷ lệ phối trộn lần lượt 5%, 10% 15% thì khả năng chống thấm của

bê tông được cải thiện tốt ở 28, 56, 90 ngày tuổi và cường độ chịu nén của bê tông giảm từ 1.1% đến 15.5% Khi 20% silicafume được sử dụng để thay thế xi măng cường độ chịu nén tại thời điểm 28, 56, 90 ngày thấp hơn mẫu đối chứng sử dụng 100% xi măng lần lượt 7.38% đến 16.38%, tuy nhiên khả năng chống thấm của bê tông vẫn được cải thiện tốt Nằm trong giới hạn nghiên cứu của đề tài, tác giả đề xuất sử dụng 10% silicafume và 10% tro bay thay thế 20% lượng xi măng trong hỗn hợp bê tông vì góp phần tăng cao khả năng chống thấm của

bê tông trong khi vẫn đảm bảo cường độ chịu nén

Từ khóa – silicafume; tro bay; cường độ chịu nén; cấp độ thấm, độ linh động

FOR SAVING THE WATERPROOFING ABILITY

OF CONCRETE USING SILICAFUME AND FLY ASH

Abstract: Water resistance of concrete is one of the most important factors affecting the

durability of concrete The project studied the effect of silicafume and class F fly ash from Vinh Tan 4 power station on the water resistance of concrete The mix composition was cement: sand: coarse aggregate of 1:2:3 and kept constrantly during the project while orginal portland cement was replaced by silicafume and class F fly ash on the mass basic of total cementitious material at the replacement portion of 5%, 10%, 15% 20% when the water and cementitious material (CM) ratio was constant at 0.55 The compressive strength tests were conducted on the cubes dimensions of 150x150x150 mm The water resistance tests were conducted on the cylinders dimensions of 150mm diameter and 150mm height All the tests were conducted at 28 days, 56 days and 90 days

The test results show that when 20% fly ash was used to replace OPC, the compressive strengths are lower than that of the control samples, however the water resistances are the improved at 56 days and 90 days At 20% OPC replaced by silicafume and fly ash with turn rate 5%, 10%, 15%, the water resistance of concrete are higher than that of the control samples at 28 days, 56 days and 90 days while the compressive strength decreased from 1.1%

to 15.5% At 20% silicafume replacement, the compressive strengths at 28 days, 56 days, 90 days reduce by 7.38% to 16.38%, howerver the water resistance of concrete increases in compared with the control samples Within the range of investigation, the authors recommend

to replace 20% of OPC by 10% silicafume and 10% fly ash as this replacement portion contributes to the imporvements of both compressive strength and water resistance

Keywords: silicafume, concrete, fly ash, compressive strength, workability, water

resistance

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Chỉ tiêu cơ lý của xi măng, tro bay, silicafume 11

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền [9] 17

Bảng 1.3 Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác nhau18 Bảng 1.4 Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 [21] 21

Bảng 1.5 Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước [26] 23

Bảng 2.1 Thành phần hạt của cát 30

Bảng 2.2 Hàm lượng các tạp chất trong cát 31

Bảng 2.3 Hàm lượng ion Cl- trong cát 31

Bảng 2.4 Đặc tính cơ lý của cát (sông cái Diên Khánh) 32

Bảng 2.5 Thành phần cỡ hạt cát (sông cái Diên Khánh) 32

Bảng 2.6 Thành phần hạt của cốt liệu lớn 33

Bảng 2.7 Hàm lượng bùn, bụi, sét trong cốt liệu lớn 33

Bảng 2.8 Mác của đá dăm từ đá thiên nhiên theo độ nén dập 34

Bảng 2.9 Đặc tính cơ lý của đá 1x2 (Hòn Ngang) 34

Bảng 2.10 Thành phần cỡ hạt đá 1x2 (Hòn Ngang) 35

Bảng 2.11 Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng poóc lăng hỗn hợp 35

Bảng 2.12 Thông số xi măng Nghi Sơn 36

Bảng 2.13 Yêu cầu kỹ thuật đối với silicafume dạng bột rời 36

Bảng 2.14 Thông số kỹ thuật của silicafume ViKhanh Co,Ltđ 37

Bảng 2.15 Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây 37

Bảng 2.16 Thông số kỹ thuật của tro bay Vĩnh Tân 4 (Bình Thuận) 38

Bảng 2.17 Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nước trộn vữa 39

Bảng 2.18 Thông số côn thử độ sụt 42

Bảng 3.1 Thành phần tỉ lệ cấp phối 46

Bảng 3.2 Thành phần cốt liệu 01 mẻ trộn 47

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật máy nén mẫu TYE 2000 49

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật máy thí nghiệm thấm 52

Bảng 3.5 Kết quả kiểm tra độ sụt bê tông các mẽ trộn 54

Bảng 3.6 Cường độ chịu nén của hỗn hợp bê tông 55

Bảng 3.7 So sánh cường độ chịu nén của hỗn hợp bê tông các mẫu S2, S3, S4, S5, S6 so với mẫu S1 56

Bảng 3.8 Kết quả kiểm tra khả năng chống thấm các hỗn hợp bê tông 57

Bảng 3.9 Kết quả cường độ chịu nén và khả năng chống thấm của bê tông 59

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất silicafume 10

Hình 1.2 Silica Fume có màu dao động từ màu trắng đến màu xám đậm 11

Hình 1.3 So sánh kích thước các hạt xi măng (trái) và các hạt silicafume (phải) ở cùng độ phóng đại Ký hiệu thanh màu trắng dài hơn ở phía silicafume ký hiệu kích thước 1 µm 12

Hình 1.4 Khách sạn Burj Al-Arab (Dubai) – Công trình khách sạn cao 321m sử dụng bê tông cường độ cao có thành phần silicafume (>80MPa) 14

Hình 1.5 Bê tông phun có sử dụng silicafume được sử dụng để sửa chữa mố cầu đã xuống cấp Tính công tác cao cho phép bê tông phun có độ nảy ít hơn và cho phép nâng chiều cao phun so với bê tông phun không sử dụng silicafume 15

Hình 1.6 Offshore Troll Platform 16

Hình 1.7 Tro bay 16

Hình 1.8 Sự tương phản về kích thước giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và các

hạt nhỏ 19

Hình 1.9 Cấu trúc hạt tro bay sau khi tiếp xúc ngắn với dung dịch HF 20

Hình 1.10 Cấu trúc tro bay tiếp xúc dung dịch HF trong thời gian dài 20

Hình 2.1 Máy trộn cưỡng bức 40

Hình 2.2 Máy trộn tự do 40

Hình 2.3 Máy trộn tự hành 40

Hình 2.4 Thiết bị đo độ sụt bê tông 41

Hình 2.5 Máy nén cơ 42

Hình 2.6 Máy nén điện tử 42

Hình 2.7 Máy thí nghiệm thấm 43

Hình 3.1 Bảo dưỡng mẫu 48

Hình 3.2 Máy nén mẫu TYE 2000 tại Las-XD 1396 (Nha Trang) 49

Hình 3.3 Máy thí nghiệm thấm HS-4 (Las-XD 1059) 51

Hình 3.4 Thí nghiệm kiểm tra khả năng chống thấm bê tông 52

Hình 3.5 Thí nghiệm kiểm tra khả năng chống thấm bê tông 53

Hình 3.6 Thí nghiệm kiểm tra khả năng chống thấm bê tông 53

Hình 3.7 Biểu đồ độ sụt các mẫu thí nghiệm 54

Hình 3.8 Biểu đồ cường độ chịu nén của hỗn hợp bê tông 56 Hình 3.9 Biểu đồ so sánh khả năng chống thấm các hỗn hợp bê tông theo thời gian 58

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Tính chống thấm nước là một trong chỉ tiêu vật lý quan trọng của bê tông Nước thấm vào bê tông, phá hoại bê tông từ trong ra ngoài và gây ăn mòn cốt thép rất nguy hiểm, như vậy tính chống thấm liên quan với tính bền vững của bê tông và tính ổn định của công trình bê tông cốt thép Hiện tượng thấm sẽ làm mất nước trong hồ chứa,

Nhiều công trình xây dựng không quan tâm đến vấn đề chống thấm mà chỉ dựa vào cường độ bê tông yêu cầu để thiết kế thành phần bê tông Vì vậy sau một thời gian nhiều công trình bê tông cốt thép ở trong nước và dưới đất bắt đầu bị ăn mòn dẫn đến

hư hỏng[1]

Silicafume là vật liệu rất mịn, chứa oxít silic vô định hình, thu được từ việc khử thạch anh độ sạch cao bằng than trong lò điện hay lò cao ở nhiệt độ trên 2000oC silicafume bốc lên như một chất hơi oxy hoá từ lò cao Nó nguội, lắng đọng và được thu hồi bởi các bộ lọc Silicafume lắng đọng đó được xử lý để khử các tạp chất và kiểm soát kích thước hạt Kích thước hạt của silicafume có đường kính trung bình

Tro bay là loại thải phẩm bụi mịn thu được tại bộ phận lắng bụi khí thải của nhà máy nhiệt điện từ quá trình đốt than Tro bay có kích thước hạt từ 1 - 10μm Tro bay được phân ra hai loại với các đặc điểm khác nhau: Tro bazơ (loại C) có hàm lượng canxi oxit CaO ≥ 10% Tro axit (loại F) có hàm lượng canxi oxit CaO < 10% Tro bay

là loại phế thải, nếu không được thu gom, tận dụng sẽ không chỉ là một sự lãng phí lớn

mà còn là một hiểm họa đối với môi trường nhất là trong thời kỳ phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp hiện nay [3]

Nhờ độ mịn cao, độ hoạt tính lớn cộng với lượng SiO2 có rất nhiều trong silicafume và tro bay, nên khi kết hợp với ximăng puzzolan hay các loại chất kết dính khác sẽ tạo ra các sản phẩm bê tông có khả năng chống thấm cao, tăng độ bền với thời gian

Khả năng chống thấm của bê tông chịu ảnh hưởng chủ yếu từ yếu tố chất kết dính và lỗ rỗng giữa các cốt liệu liên kết với nhau, vấn đề được đặt ra là sử dụng tỉ lệ thành phần silicafume, tro bay và xi măng như thế nào trong thành phần cấp phối bê tông để mang lại hiệu quả chống thấm cho bê tông mà vẫn đạt yêu cầu về cường độ

Đây chính là lý do tác giả làm đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu khả năng chống thấm

của bê tông có sử dụng silicafume và tro bay”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu khả năng chống thấm của bê tông có sử dụng silicafume và tro bay

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Các loại vật liệu:

Cát Sông Cái (Diên Khánh, Khánh Hòa); đá Hòn Ngang (Nha Trang, Khánh Hòa); xi măng Nghi Sơn PCB 40; Silicafume ViKhanh Co,Ltđ; tro bay Nhà máy Nhiệt điện Vĩnh Tân 4 (Bình Thuận)

- Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến khả năng chống thấm của bê tông sau 28, 56, 90 ngày

- Xem xét mức độ ảnh hưởng của silicafume hay tro bay lớn hơn đối với khả năng chống thấm của bê tông từ đó tìm ra tỷ lệ tốt nhất giữa tro bay và silicafume trong việc thay thế tổng tỉ lệ 20% xi măng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thực hiện các thí nghiệm dựa trên tiêu chuẩn:

TCVN 3105:1993: Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng- Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử;

TCVN 3106:1993: Hỗn hợp bê tông nặng - Phương pháp thử độ sụt

TCVN 3116:1993: Bê tông - Phương pháp xác định độ chống thấm

TCVN 3118:1993: Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén

- Tiến hành thí nghiệm với 6 tổ mẫu S1, S2, S3, S4, S5, S6 trong đó mẫu S1 là mẫu đối chứng sử dụng 100% xi măng, mẫu S2 đến S6 trong đó 20% xi măng sẽ được thay thế bằng silicafume và tro bay

- Phân tích các kết quả thí nghiệm

- Phân tích các kết quả thí nghiệm, so sánh về mức độ ảnh hưởng của silicafume

và tro bay đến khả năng chống thấm của bê tông

5 Kết quả dự kiến

- Xác định khả năng sử dụng silicafume và tro bay trong thành phần cấp phối vừa đảm bảo cường độ chịu nén vừa mang lại hiệu quả chống thấm của bê tông

- Đưa ra các kiến nghị khi ứng dụng trong thiết kế thành phần cấp phối bê tông

- Tìm ra tỉ lệ tối ưu giữa thành phần thay thế xi măng, silicafume và tro bay trong khối lượng thay thế 20% xi măng để có đề xuất áp dụng

6 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn gồm có các chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về bê tông, tính chống thấm của bê tông; khả năng sử dụng silicafume và tro bay trong việc thay thế xi măng trong bê tông

Chương 2: Tiêu chuẩn, vật liệu và thiết bị thí nghiệm

Chương 3: Thí nghiệm xác định khả năng chống thấm của bê tông thương phẩm khi sử dụng silicafume và tro bay thay thế một phần xi măng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG, TÍNH CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG; KHẢ NĂNG SỬ DỤNG SILICAFUME VÀ TRO BAY TRONG VIỆC

THAY THẾ XI MĂNG TRONG BÊ TÔNG

1.1 Tổng quan về bê tông

1.1.1 Khái niệm

Bê tông là một loại đá nhân tạo, được hình thành bởi việc nhào trộn các thành phần: Cốt liệu thô, cốt liệu mịn, chất kết dính theo một tỷ lệ nhất định tạo nên một hỗn hợp keo Hỗn hợp keo này biến đổi qua một quá trình lý hoá khá phức tạp và đông kết tạo thành đá xi măng Toàn bộ quá trình này diễn ra trong 28 ngày trong điều kiện tiêu chuẩn sẽ đạt cường độ tiêu chuẩn được qui uớc trong tính toán và thiết kế công trình

Bê tông là vật liệu dòn, tính đồng nhất kém và dị hướng[4]

Nguyên lý tạo nên bê tông là dùng các cốt liệu lớn làm thành bộ khung, cốt liệu nhỏ lấp đầy các khoảng trống và dùng xi măng làm chất kết dính liên kết chúng lại thành một thể đặc chắc có khả năng chịu lực và chống lại các biến dạng[4]

Bê tông có cấu trúc không đồng nhất vì hình dáng, kích thước cốt liệu khác nhau,

sự phân bố của cốt liệu và chất kết dính không thật đồng đều, trong bê tông vẫn còn lại một ít nước thừa và những lỗ rỗng li ti (do nước thừa bốc hơi)

Quá trình khô cứng của bê tông là quá trình thủy hóa của xi măng, quá trình thay đổi lượng nước cân bằng, sự giảm keo nhớt, sự tăng mạng tinh thể của đá xi măng Các quá trình này làm cho bê tông trở thành vật liệu vừa có tính đàn hồi vừa có tính dẻo[5]

1.1.2 Cấu trúc của bê tông

1.1.2.1 Sự hình thành cấu trúc của bê tông

Sau khi tạo hình các cấu tử của hỗn hợp bê tông được sắp xếp chặt chẽ hơn Cùng với sự thuỷ hoá 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 thuỷ hoá dần dần tăng lên, đến một lúc nào đó chúng tách ra khỏi dung dịch quá bão hoà Số lượng sản phẩm mới tách

ra tăng lên đến một mức nào đó thì cấu trúc keo tụ 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 2 hiện tượng ngược nhau: tăng cường độ và hình thành nội ứng suất trong mạng lưới tinh thể

Đó là nguyên nhân sinh ra vết nứt và giảm cường độ của bê tông

Khoảng thời gian hình thành cấu trúc, cũng như cường độ đầu tiên của bê tông phụ thuộc vào thành phần của bê tông, dạng chất kết dính và phụ gia hoá học Hỗn hợp

bê tông cứng và kém dẻo với tỷ lệ nước-xi măng không lớn có giai đoạn hình thành cấu trúc ngắn Việc dùng xi măng và phụ gia rắn nhanh 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 chậm cứng rắn [6]

1.1.2.2 Cấu trúc vĩ mô và cấu trúc vi mô

Cấu trúc vĩ mô: Bê tông là loại vật liệu có cấu trúc vĩ mô phức tạp Trong một đơn

vị thể tích hỗn hợp bê tông đã lèn chặt bao gồm thể tích của cốt liệu, thể tích hồ xi măng và thể tích lỗ rỗng khí

Khi thi công nếu đầm nén tốt thể tích lỗ rỗng khí sẽ giảm đi, điều đó chophép tăng cường độ chịu lực, tăng khả năng chống thấm và cải thiện nhiều tính chất kỹ thuật khác Cần lưu ý đến tỷ lệ N/X, lượng nước, lượng xi măng phải thích hợp để đảm bảo cấu trúc của bê tông được đặc chắc

Cấu trúc vi mô của bê tông được đặc trưng bằng cấu trúc của vật rắn, độrỗng và đặc trưng của lỗ rỗng trong từng cấu tử tạo nên bê tông (cốt liệu, đá xi măng) cũng như cấu tạo của lớp tiếp xúc giữa chúng

Lượng nước nhào trộn một phần dùng để bôi trơn hạt cốt liệu, một phầndùng để tạo thành hồ của đá xi măng, còn một phần bị cốt liệu rỗng hút vào Vì vậy hỗn hợp bê tông dẻo sau khi đổ khuôn còn có xảy ra sự tách nước ở bên trong, nước sẽ đọng lại trên bề mặt hạt cốt liệu lớn và làm yếu mối liên kết giữa chúng với phần vữa[7]

Độ bền của mối liên kết giữa cốt liệu và đá xi măng phụ thuộc vào bản chấtcủa cốt liệu, vào độ rỗng, độ nhám của bề mặt, độ sạch của cốt liệu, cũng như vào loại xi măng và độ hoạt tính của nó; vào tỷ lệ N/X và điều kiện rắn chắc của bê tông

Độ rỗng trong bê tông bao gồm những lỗ rỗng nhỏ li ti và lỗ rỗng mao quản Độ rỗng của nó có thể lên tới 10 -15% và bao gồm:

- Lỗ rỗng trong đá xi măng (lỗ rỗng gen, lỗ rỗng mao quản, lỗ rỗng do khí cuốn vào);

- Theo dạng chất kết dính bê tông được phân làm các loại sau[6]:

+ Bê tông xi măng, bê tông silicat (chất kết dính là vôi), bê tông thạch cao, bê tông chất kết dính hỗn hợp, bêtông polime, bê tông dùng chất kết dính đặc biệt

+ Do khối lượng thể tích của bê tông biến đổi trong phạm vi rộng nên độ rỗng của chúng cũng thay đổi đáng kể, như bê tông tổ ong dùng để cách nhiệt có r = 70 - 85%, bê tông thủy công r = 8 - 10%

- Theo công dụng bê tông được phân làm các loại sau[6]:

+ Bê tông thường dùng trong các kết cấu bê tông cốt thép (móng, cột, dầm, sàn) + Bê tông thủy công, dùng để xây đập, âu thuyền, phủ lớp mái kênh, các công trình dẫn nước

+ Bê tông dùng cho mặt đường, sân bay, lát vỉa hè

+ Bê tông dùng cho kết cấu bao che (thường là bê tông nhẹ)

+ Bê tông có công dụng đặc biệt như bê tông chịu nhiệt, chịu axit, bê tông chống phóng xạ

- Theo dạng cốt liệu bê tông được chia thành bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng, bê tông cốt liệu đặc biệt (chống phóng xạ, chịu nhiệt, chịu axit)

- Theo khối lượng thể tích bê tông được phân loại như sau[6]:

+ Bê tông đặc biệt nặng (γ > 2500kg/m3), chế tạo từ cốt liệu đặc biệt, dùng cho những kết cấu đặc biệt

+ Bê tông nặng (γ = 2200 - 2500 kg/m3), chế tạo từ cát, đá, sỏi thông thường dùng cho kết cấu chịu lực

+ Bê tông tương đối nặng (γ = 1800 - 2200 kg/m3

), dùng chủ yếu cho kết cấu chịu lực

(nhân tạo hay thiên nhiên), bê tông tổ ong (bê tông khí và bê tông bọt), chế tạo từ hỗn hợp chất kết dính, nước, cấu tử silic nghiền mịn và chất tạo rỗng, và bê tông hốc lớn (không có cốt liệu nhỏ)

+ Bê tông đặc biệt nhẹ cũng là loại bê tông tổ ong và bê tông cốt liệu rỗng nhưng

có γ < 500 kg/m3

1.1.4 Tính chất cơ lý của bê tông

Các tính chất cơ lý của bê tông bao gồm: tính cơ học và tính vật lý Tính chất cơ

lý của bê tông phụ thuộc vào: chất lượng, đặc trưng của vật liệu, thành phần cấp phối,

tỷ lệ nước/xi măng, biện pháp thi công Tính cơ học bao gồm cường độ (kéo, nén, ) Tính vật lý bao gồm tính công tác, co ngót, từ biến, khả năng chống thấm nước, Trong giới hạn đề tài chỉ tập trung nghiên cứu đến khả năng chống thấm nước của bê tông

1.1.4.1 Tính công tác

Tính công tác hay còn gọi là tính dễ tạo hình, là tính chất kỹ thuật cơ bản của hỗn hợp bê tông, nó biểu thị khả năng lấp đầy khuôn nhưng vẫn đảm bảo được độ đồng nhất trong một điều kiện đầm nén nhất định Để đánh giá tính công tác của hỗn hợp bê tông người ta thường dùng hai chỉ tiêu đó là độ lưu động và độ cứng

Độ lưu động là chỉ tiêu quan trọng nhất của hỗn hợp bê tông, nó đánh giá khả năng dễ chảy của hỗn hợp bê tông dưới tác dụng của trọng lượng bản thân hoặc rung động Độ lưu động được xác định bằng độ sụt của khối hỗn hợp bê tông trong khuôn hình nón cụt có kích thước tùy thuộc vào cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu

Độ cứng của hỗn hợp bê tông là thời gian rung động cần thiết để san bằng và lèn chặt hỗn hợp bê tông trong bộ khuôn hình nón cụt và hình lập phương

Khả năng giữ nước là tính chất nhằm để đảm bảo độ đồng nhất của hỗn hợp bê tông trong quá trình vận chuyển, đổ khuôn và đầm nén Khi đầm nén hỗn hợp bê tông dẻo, các hạt cốt liệu có khuynh hướng chìm xuống và xích lại gần nhau, nước bị ép tách ra khỏi cốt liệu và cốt thép, nổi lên phía trên cùng với xi măng chui qua kẽ hở của cốp pha ra ngoài, tạo thành những lỗ rỗng, làm khả năng chống thấm nước của bê tông giảm Một phần nước thừa đọng lại bên trong hỗn hợp tạo thành những hốc rỗng, ảnh hưởng xấu đến cấu trúc và tính chất của bê tông

Việc giảm lượng nước nhào trộn và nâng cao khả năng giữ nước của hỗn hợp bêtông có thể thực hiện bằng sử dụng phụ gia hoạt động bề mặt và lựa chọn thành phần hạt cốt liệu một cách hợp lý Các yếu tố ảnh hưởng đến tính công tác của hỗn hợp bê tông:

Lượng nước nhào trộn: Là yếu tố quan trọng quyết định tính công tác của hỗn hợp bê tông Lượng nước nhào trộn bao gồm lượng nước tạo ra hồ xi măng và lượng nước dùng cho cốt liệu để tạo ra độ dẻo cần thiết cho quá trình thi công

Khả năng hấp thụ nước của cốt liệu là một đặc tính công nghệ quan trọng của nó Khi diện tích bề mặt các hạt cốt liệu thay đổi, hay nói cách khác tỷ lệ các cấp hạt của cốt liệu, độ lớn của nó và đặc trưng bề mặt của cốt liệu thay đổi thì độ cần nước cũng thay đổi Vì vậy, khi xác định thành phần bê tông thì việc xác định tỷ lệ cốt liệu nhỏ-cốt liệu lớn tối ưu để đảm bảo cho hồ xi măng nhỏ nhất là rất quan trọng Để đảm bảo cho bê tông có cường độ yêu cầu thì tỷ lệ nước - xi măng phải giữ ở giá trị không đổi

và do đó khi độ cần nước của cốt liệu tăng thì dẫn đến chi phí quá nhiều xi măng [5] Việc xây dựng lượng nước nhào trộn phải thông qua các chỉ tiêu về tính công tác

có tính đến loại và độ lớn của cốt liệu Khi lượng nước còn quá ít, dưới tác dụng của lực hút phân tử, nước chỉ đủ để hấp phụ trên bề mặt vật rắn mà chưa tạo ra độ lưu động của hỗn hợp.Lượng nước tăng lên đến một giới hạn nào đó sẽ xuất hiện nước tự

do, màng nước trên bề mặt vật rắn dày thêm, nội ma sát giữa chúng giảm xuống, độ lưu động tăng lên Lượng nước ứng với lúc hỗn hợp bê tông có độ lưu động tốt nhất

mà không bị phân tầng gọi là khả năng giữ nước của hỗn hợp bê tông Đối với hỗn hợp

bê tông dùng xi măng

Loại và lượng xi măng: Nếu hỗn hợp bê tông có đủ xi măng để cùng với nước lấp đầy lỗ rỗng của cốt liệu, bọc và bôi trơn bề mặt của chúng thì độ dẻo sẽ tăng

Độ lưu động còn phụ thuộc vào loại xi măng và phụ gia vô cơ nghiền mịn, vì bản thân mỗi loại xi măng sẽ có đặc tính riêng về các chỉ tiêu lượng nước tiêu chuẩn, độ mịn, thời gian đông kết và rắn chắc

Lượng hỗn hợp xi măng: Nếu vữa xi măng (hồ xi măng + cốt liệu nhỏ) chỉ đủ để lấp đầy lỗ rỗng của cốt liệu lớn thì hỗn hợp bê tông rất cứng, thi công sẽ khó khăn

Để tạo cho hỗn hợp có độ dẻo cần thiết thì phải đẩy xa các hạt cốt liệu lớn và bọc xung quanh chúng một lớp hỗn hợp xi măng, do đó thể tích phần hỗn hợp

sẽ bằng thể tích phần rỗng trong cốt liệu lớn nhân với hệ số trượt

Phụ gia hoạt động bề mặt (phụ gia dẻo hoặc siêu dẻo) mặc dù cho vào hỗn hợp bê tông với một lượng nhỏ (0,15-1,2% khối lượng xi măng) nhưng có tác dụng pha loãng hỗn hợp bê tông Phụ gia siêu dẻo cho phép sử dụng để chế tạo các sản phẩm bê tông khi thi công bằng bơm và vận chuyển bê tông trong các đường ống, đồng thời giảm đáng kể tỉ lệ N/X mà vẫn đảm bảo độ lưu động và có thể tạo ra các loại bê tông mác cao[5]

1.1.4.2 Tính co ngót

Trong quá trình rắn chắc, bê tông thường phát sinh biến dạng thể tích, nở ra trong nước và co lại trong không khí Về giá trị tuyệt đối độ co lớn hơn nở 10

lần Ở một giới hạn nhất định độ nở có thể làm tốt hơn cấu trúc của bê tông, còn hiện tượng co ngót luôn luôn kéo theo hậu quả xấu Bê tông bị co ngót do nhiều nguyên nhân, trước hết là sự mất nước trong các gel đá xi măng Khi mất nước các mầm tinh thể xích lại gần nhau và đồng thời các gel cùng dịch chuyển làm cho bê tông

bị co Quá trình cacbonat hóa hyđrôxi can xi trong đá xi măng cũng là nguyên nhân gây ra co ngót, co ngót còn là hậu quả của việc giảm thể tích tuyệt đối của hệ xi măng

- nước Do bị co ngót nên bê tông bị nứt, giảm cường độ, độ chống thấm, độ ổn định của bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường xâm thực[5]

Vì vậy đối với những kết cấu bê tông có chiều dài và diện tích lớn, để tránh nứt người ta phân đoạn để tạo thành các khe co giãn Độ co ngót phát triển mạnh trong thời kỳ đầu và giảm dần theo thời gian sau đó tắt hẳn

1.1.4.3 Cường độ chịu nén

Cường đô chịu nén của bê tông là khả năng chịu ứng suất nén của mẫu bê tông Mẫu có thể chế tạo bằng các cách khác nhau: lấy hỗn hợp bê tông đã được nhào trộn

để đúc mẫu hoặc dùng thiết bị chuyên dùng khoan lấy mẫu từ kết cấu có sẵn Mẫu để

đo cường độ có kích thước 150x150x150(mm), được thực hiện theo điều kiện tiêu chuẩn trong thời gian 28 ngày

1.1.5 Tính thấm nước của bê tông

Sau khi tạo hình, các thành phần của hỗn hợp bê tông được sắp xếp chặt chẽ, kết hợp với sự thủy hóa của xi măng hình thành nên cấu trúc bê tông Khoảng thời gian hình thành cấu trúc, cũng như cường độ đầu tiên của bê tông phụ thuộc vào thành phần của bê tông, dạng chất kết dính và phụ gia hóa học

Độ rỗng của bê tông là tổng các độ rỗng của đá xi măng, của khung cốt liệu và của các liên kết giữa đá xi măng và khung cốt liệu Độ rỗng được định nghĩa là tỷ số giữa thể tích các lỗ rỗng của bê tông và thể tích tổng Đối với bê tông thường, độ rỗng

có thể đạt tới 10% thể tích của bê tông Trong khi với bê tông chất lượng cao, độ rỗng

có thể giảm xuống dưới 3%

Độ thấm được định nghĩa là khả năng cho phép các chất lưu thẩm thấu qua của một môi trường rỗng do sự chênh lệch thế năng Độ thấm của bê tông, một loại vật liệu rỗng phụ thuộc nhiều vào các tham số của môi trường bê tông như độ rỗng, độ ngoằn ngoèo của các lỗ rỗng và tính thông nhau giữa các lỗ rỗng Khi độ rỗng và độ thông nhau giữa các lỗ rỗng trong bê tông tăng lên, độ bền chống thấm của bê tông bị giảm xuống, và khi các lỗ rỗng càng thẳng, dòng chảy thấm có tốc độ càng nhanh Dưới tác

độ cơ học hoặc nhiệt độ đủ lớn, sự phá hủy trong bê tông kèm theo các đường nứt làm

gia tăng các thông số trên, độ thấm của bê tông vì vậy cũng sẽ tăng nhanh

Dưới áp lực thuỷ tĩnh nước có thể thấm qua những lỗ rỗng mao quản Thực tế nước chỉ thấm qua những lỗ rỗng có đường kính lớn hơn 1μm, vì màng nước hấp phụ trong các mao quản đã có chiều dày đến 0,5μm

Đối với các công trình có yêu cầu về độ chống thấm nước thì cần phải xác định

độ chống thấm theo áp lực thuỷ tĩnh thực dụng Căn cứ vào chỉ tiêu này chia bê tông thành các loại mác chống thấm: CT-2, CT-4, CT-6, CT-8, CT-10, CT-12 (hoặc B2, B4, B6, B8, B10, B12) Tính chống thấm của bê tông được xác định theo TCVN 3116:1993[5]

1.2 Tổng quan về silicafume

1.2.1 Khái niệm về silicafume

Silicafume là vật liệu siêu mịn, chứa SiO2 vô định hình, thu được trong quá trình sản xuất silic và hợp kim silic bằng hồ quang Tỷ lệ SiO2 trong silicafume phụ thuộc vào loại hợp kim sản xuất Silicafume thu được khi sản xuất hợp kim 50%

ferrosilicon chứa khoảng 84% đến 91% SiO2, còn thu được khi sản xuất silic chứa khoảng 87% đến 98% SiO2[8]

Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất silicafume

SILICAFUME: Quá trình sản xuất

Nguyên liệu đầu vào

(Carbon, than cốc, than đá, dăm gỗ) + Thạch anh

Hình 1.2 Silica Fume có màu dao động từ màu trắng đến màu xám đậm

Silicafume là phụ gia khoáng hoạt tính cao Trong bê tông, silicafume có thể phân bố ở khoảng trống giữa các hạt xi măng và tham gia phản ứng với các sản phẩm thủy hóa xi măng hình thành các khoáng mới Nhờ đó có thể cải thiện được cấu trúc,

độ chống thấm, cường độ, độ bền lâu và khả năng bảo vệ cốt thép của bê tông trong các môi trường xâm thực

1.2.2 Thành phần silicafume

Đặc tính kỹ thuật của silicafume được thể hiện tại bảng dưới đây

Bảng 1.1 Chỉ tiêu cơ lý của xi măng, tro bay, silicafume

portland

Tro bay loại F

Tro bay loại C Silicafume

việc của silicafume trong bê tông

Kích thước hạt: Các hạt silicafume cực kỳ nhỏ với 95% các hạt có kích thước nhỏ hơn 1µm Kích thước nhỏ đóng vai trò quan trọng đối với những đặc tính vật lý và hóa học của silicafume[9]

Hình 1.3 So sánh kích thước các hạt xi măng (trái) và các hạt silicafume (phải) ở cùng độ phóng đại Ký hiệu thanh màu trắng dài hơn ở phía silicafume ký hiệu

kích thước 1 µm

Mật độ lớn, độ mịn cao: silicafume dạng bột rời có độ mịn cao và khối lượng thể tích xốp thấp (130kg/m3 đến 430kg/m3 ở dạng rời và 480kg/m3 đến 640kg/m3 ở dạng nén) Khi sử dụng silicafume bột rời cần chú ý tránh hiện tượng tắc ống vận chuyển bằng khí nén, kết khối trong si lô chứa hay hạn chế việc phát tán bụi[9]

Diện tích bề mặt lớn (diện tích bề mặt riêng không nhỏ hơn 15000m2/kg), hạt silicafume rất nhỏ, diện tích bề mặt lớn tương tự như hiệu ứng hút nước của cát khi sử dụng silicafume trong bê tông cần tăng lượng nước cần trộn để đạt cùng tính công tác[9]

Từ những tính chất trên cho thấy việc thêm silicafume gây nên những thay đổi ảnh hưởng tới cấu trúc vi mô của bê tông, những thay đổi này là kết quả của 2 quá trình vật lý và hóa học Thứ nhất trong các kết quả này là khía cạnh vật lý và thứ hai là dự đóng góp về tính chất hóa học Mô tả ngắn gọn như sau:

- Về tính chất vật lý: việc thêm silicafume vào bê tông mang lại hàng triệu hạt siêu nhỏ kích thước dưới 1µm vào hỗn hợp bê tông lấp đầy các khoảng trống giữa các

hạt xi măng Nhờ hiện tượng này mà ngay cả khi không có phản ứng hóa học, hiệu ứng lấp đầy sẽ mang lại những cải tiến đáng kể về bản chất của bê tông

- Về tính chất hóa học: Với hàm lượng SiO2 vô định hình rất cao, silicafume là một vật liệu pozzolan rất dễ phản ứng trong bê tông Khi xi măng portland trong bê

Ca(OH)2 này để tạo thành vật liệu kết dính bổ sung là canxi silicat hydrate C-S-H, giống với sản phẩm hình thành từ phản ứng thủy phân của xi măng Portland, phần lớn chất kế dính bổ sung làm cải thiện cường độ bê tông

* Nguồn gốc, sản lượng silicafume

Nhu cầu sử dụng silicafume làm phụ gia cho bêtông được thực hiện đầu tiên tại Nauy từ năm 1952 Tiêu chuẩn Nauy về sử dụng silicafume làm phụ gia trong xi măng được ban hành năm 1976 Silicafume có tại các nước, khu vực có công nghiệp phát triển như bán đảo Scanđinavia, Canađa, Nam Phi, Úc, Trung quốc… Silicafume sử dụng tại Đông Nam được nhập khẩu chủ yếu từ Scanđinavia , Aixơ len và Trung quốc Tiêu chuẩn quốc tế thường được sử dụng đối với silicafume là ASTM C1240 và

EN 13263

Chưa có những số liệu chính xác về sản lượng silicafume hàng năm trên thế giới, nhưng ước tính mỗi năm có 1 - 1,5 triệu tấn sulica fume được sản xuất trên thế giới, với giả thiết tất cả các lò cao đều hoạt động và cung cấp silicafume Các nước sản

1.2.4 Ứng dụng của silicafume trong xây dựng

- Bê tông cường độ cao Với các tiêu chuẩn hiện có về silicafume và các dự án tham khảo trên toàn thế giới, bê tông cường độ cao được cải tiến với silicafume tạo ra cho các kiến trúc sư và kỹ sư có khả năng thiết kế mềm dẻo hơn Theo truyền thống trong các nhà cao tầng sử dụng các cột nhỏ hơn có lợi hơn (tăng không gian sử dụng), bê tông cường độ cao chứa silicafume thường dùng trong các rầm dự ứng lực tiền chế, cho phép tăng khẩu độ trong thiết kế rầm cầu Bê tông silicafume có cường độ nén lên tới 100 MPa, mô đun đàn hồi cao hơn 40.000 MPa, cường độ uốn đạt 14 MPa ở tuổi 28 ngày đối với tấm lát sân bay và cường độ cao ở tuối sớm đối với các dự án thi công nhanh và sử dụng cho bê tông đúc sẵn[10]

Hình 1.4 Khách sạn Burj Al-Arab (Dubai) – Công trình khách sạn cao 321m sử

dụng bê tông cường độ cao có thành phần silicafume (>80MPa)

- Bê tông tính năng cao (HPC) chứa silicafume là vật liệu có ưu điểm lớn cần thiết đối với việc cải tạo cơ sở hạ tầng Bên cạnh cường độ và độ bền vững tăng đáng kể, HPC được chế tạo với silicafume có độ chống thấm cao, tăng khả năng chống mài mòn

và chống ăn mòn Sự ăn mòn cốt thép trong bê tông xảy ra khi clorua xâm nhập vào bê tông, phá hoại lớp bảo vệ yếu bao quanh cốt thép, gây ra gỉ và rỗ Quá trình cacbonat hoá là nguyên nhân khác gây ăn mòn cốt thép, khi bê tông cacbonat hoá tới mức tiếp giáp với thanh thép, thì môi trường trung hoà (trung tính) sẽ thay thế dần môi trường kiềm bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mòn Dưới điều kiện đó, cốt thép không còn thụ động nữa và nhanh chóng bị ăn mòn Mức độ ăn mòn do cacbonat hoá vỏ bọc bê tông xảy ra chậm hơn so với ăn mòn do clorua gây ra Việc cho thêm silicafume vào bê tông công trình biển giảm độ thấm của bê tông sẽ có hiệu quả cao đối với chống xâm nhập của các ion clo Sự kích thích ăn mòn cốt thép và sự phá hoại bê tông được khống chế rõ dệt, làm giảm các chi phí bảo trì công trình Silicafume được dùng phù hợp với bất kỳ công trình nào ở các khu vực có clorua và nước ngầm, ở dưới đất hoặc trong không khí Công trình khai thác nước Changi ở Singapore được khai trương tháng 8/2006 là một cột mốc trong sự phát triển hệ thống kỹ thuật vệ sinh của nước này Nó được thiết kế sử dụng bê tông silicafume nhằm đảm bảo yêu cầu độ bền vững như độ hút nước, khả năng thấm, độ xâm nhập nước, khả năng thấm các lỗ rỗng và độ hấp thụ

- Bê tông phun: Bê tông phun Silicafume tiết kiệm được chi phí và thời gian và sử dụng hiệu quả hơn bê tông phun làm ổn định đá, đường hầm mỏ và sửa chữa các cầu bị

hư hỏng, sửa chữa các cột và cọc ngoài biển Silicafume làm tăng độ dính kết cho phép với độ dày lớn hơn giảm được đáng kể cường độ bật nẩy và đạt cường độ uốn lớn hơn

Hình 1.5 Bê tông phun có sử dụng silicafume được sử dụng để sửa chữa mố cầu

đã xuống cấp Tính công tác cao cho phép bê tông phun có độ nảy ít hơn và cho phép nâng chiều cao phun so với bê tông phun không sử dụng silicafume

- Sử dụng làm vữa kết dính sửa chữa: Silicafume thường được dùng làm thành phần các sản phẩm kết dính sửa chữa Vữa trát hay phun hay vữa phun khô biến tính bằng silicafume có thể được cấp phối cho nhiều ứng dụng khác nhau Đó là sử dụng cho sửa chữa các kết cấu bê tông hư hỏng trong môi trường biển, nơi cần tăng độ chống thấm và độ kháng xâm nhập của ion clo

- Sử dụng để trát bít các giếng dầu: Trong lĩnh vực phun trát bít vách giếng dầu, phun vữa giống như chất trát bít thuỷ lực trong vách giếng dầu để sửa chữa kể cả các chỗ bị dò rỉ, đục phá và hàn vá các vùng bị hư hỏng, việc cho thêm silicafume (bên cạnh việc tạo ra hiệu ứng bao bọc trong giếng dầu, vữa phun còn ngăn ngừa sự thấm gas), silicafume tạo ra dòng chảy tốt cho vữa và dễ dàng thi công hơn Vữa silicafume giảm độ thấm nước rất đáng kể, có khả năng kiểm soát sự thấm gas, trong khi đó làm tăng độ bền vững và cường độ nén[10]

Hình 1.6 Offshore Troll Platform 1.3 Tổng quan về tro bay

1.3.1 Khái niệm về tro bay

Tro bay là một loại khoáng hoạt tính Pozzolan dùng làm phụ gia cho chế tạo bê tông cường độ cao Tro bay là bụi khí thải dưới dạng hạt mịn thu được từ quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá trong các nhà máy nhiệt điện chạy than, là phế thải thoát ra từ buồng đốt qua ống khói nhà máy Tro bay được tận thu từ ống khói qua hệ thống nồi hơi tinh luyện loại bỏ bớt các thành phần than (cacbon) chưa cháy hết [11], (hình 1.6)

Hình 1.7 Tro bay

Ở châu Âu và Vương quốc Anh phần tro này thường được cho là tro của nhiên liệu đốt đã được nghiền mịn Nhưng ở Mỹ, loại tro này được gọi là tro bay bởi vì nó thoát ra cùng với khí ống khói và “bay” vào trong không khí Và thuật ngữ tro bay (fly ash) được dùng phổ biến trên thế giới hiện nay để chỉ phần thải rắn thoát ra cùng các khí ống khói ở các nhà máy nhiệt điện [13]

1.3.2 Thành phần tro bay

Tro của các nhà máy nhiệt điện gồm chủ yếu các sản phẩm tạo thành từ quá trình phân hủy và biến đổi của các chất khoáng có trong than đá Thông thường, tro ở đáy lò chiếm khoảng 25% và tro bay chiếm khoảng 75% tổng lượng tro thải ra Hầu

Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO,… với hàm lượng than chưa cháy chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng hàm lượng tro, ngoài ra còn có một số kim loại nặng như Cd,

Ba, Pb, Cu, Zn, Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu

Tùy thuộc vào loại nhiên liệu mà thành phần hóa học trong tro bay thu được khác nhau Các nhà khoa học Ba Lan tiến hành nghiên cứu thành phần hóa học của tro bay với hai nguồn nguyên liệu sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện của nước này là than nâu và than đen, kết quả thu được trình bày ở bảng 1.2 [16]

Kết quả trên cho thấy, thành phần của các loại tro bay có được sau quá trình đốt cháy than đen (ZS-14 và ZS-17) và mẫu tro bay có được sau quá trình đốt cháy than nâu (ZS-16) là các nhôm silicat Còn mẫu tro bay có được sau quá trình đốt cháy than nâu (ZS-13) là loại canxi silicat

Bảng 1.3 Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan

từ các nguồn nguyên liệu khác nhau

là do hệ thống lò đốt ở các nhà máy nhiệt điện ở Trung Quốc Theo tiêu chuẩn phân loại ASTM C618 thì tro bay Trung Quốc thuộc loại C hay tro bay có chất lượng thấp

Các nguyên tố vi lượng trong tro bay

Quá trình đốt cháy than đá là một trong những nguyên nhân chính làm ô nhiễm không khí và phát tán các kim loại các nguyên tố vi lượng độc hại Hiểu được sự thay đổi của các nguyên tố vi lượng trong quá trình đốt than đá cũng như hàm lượng của

nó có trong tro bay tạo thành là điều rất quan trọng trong vấn đề đánh giá tác động môi trường của các nhà máy nhiệt điện cũng như các ứng dụng tro bay

Dựa trên kết quả nghiên cứu các mẫu tro bay thu được từ 7 nhà máy nhiệt điện khác nhau ở Canada, các nhà nghiên cứu nước này đã cho biết hàm lượng của các kim loại nặng như As, Cd, Hg, Mo, Ni hay Pb trong tro bay có liên quan với hàm lượng lưu huỳnh có trong nguyên liệu than đá ban đầu Thông thường, các loại than đá có hàm lượng lưu huỳnh cao sẽ có hàm lượng các nguyên tố này cao Tro bay ở Canada được thu hồi bằng phương pháp kết lắng tĩnh điện hoặc phương pháp lọc túi Kết quả cho thấy hàm lượng các nguyên tố trên trong các loại tro bay thu được từ phương pháp lọc túi cao hơn so với các mẫu tro bay thu được bằng phương pháp kết lắng tĩnh điện trong cùng một nhà máy[14]

1.3.3 Cấu trúc hình thái của tro bay

Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác nhau, các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bọc và có hình dạng rất khác nhau Các hạt tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng Thông thường, các hạt tro bay hình cầu, rắn được gọi là các hạt đặc và các hạt tro bay hình cầu mà bên trong rỗng có tỷ trọng thấp hơn 1,0 g/cm3 được gọi là các hạt rỗng Một trong các dạng thường thấy ở tro bay thường được tạo nên bởi các hợp chất có dạng tinh thể như thạch anh, mulit và hematit, các hợp chất có dạng thủy tinh như thủy tinh oxit silic và các oxit khác[18]

Hình 1.8 Sự tương phản về kích thước giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và các hạt nhỏ

Các hạt tro bay đặc có khối lượng riêng trong khoảng 2,0 - 2,5 g/cm3 có thể cải thiện các tính chất khác nhau của vật liệu nền như độ cứng và độ bền xé Các hạt tro

bay rỗng có thể được sử dụng trong tổng hợp vật liệu compozit siêu nhẹ do khối lượng riêng rất nhỏ của chúng, chỉ khoảng 0,4-0,7 g/cm3, trong khi các chất nền kim loại khác có khối lượng riêng trong khoảng từ 1,6-11,0 g/cm3(hình 1.7 & hình 1.8)

Cả hai loại hạt này thường thấy có lớp vỏ không hoàn chỉnh (bị rỗ)

Cấu trúc bên trong:

Các hạt bên trong có thể được thấy bởi các quan sát đơn giản Cấu trúc này bị che lấp bởi lớp vỏ thủy tinh, vì thế nó có thể được quan sát khi được xử lý với dung dịch HF, dung dịch này có thể hòa tan nhanh chóng phần thủy tinh và để lộ ra lớp vỏ bên trong

Hình 1.9 biểu diễn hai hạt tro bay cạnh nhau sau khi tiếp xúc ngắn (1/2 giờ) với dung dịch axit hydrofloric 1%, hai cấu trúc bên trong rất khác nhau đã được lộ ra Các hạt bên trái là các hạt có từ tính giàu sắt, và vật liệu có cấu trúc tinh thể bên có dạng hình cây được nghiên cứu bởi nhóm Biggs và Brunsnel Tất cả chúng đều có hình lập phương và được hy vọng hoàn toàn không có các phản ứng hóa học trong bê tông

Hình 1.9 Cấu trúc hạt tro bay sau

khi tiếp xúc ngắn với dung dịch HF

Hình 1.10 Cấu trúc tro bay tiếp xúc dung dịch HF trong thời gian dài

Các hạt ở bên phải hình 1.9 chứa một cấu trúc đặc trưng của các hạt mullit có dạng thanh mỏng hay dạng hình kim, Al2O3.2SiO2 tìm thấy trong hầu hết các hạt không có từ tính của các hạt tro bay có hàm lượng canxi thấp điển hình

Sự vô cùng hỗn tạp của các hạt tro bay và cấu trúc được nhận thấy, bao gồm các hạt khác nhau trong cùng loại tro bay được thể hiện trong hình 1.10 Mẫu tro bay này được tiếp xúc nhẹ trong thời gian lâu hơn với quá trình xử lý bằng axit hydrofloric

trong thời gian 1 giờ Phần thủy tinh trong các hạt ở vùng giữa và trong của một số hạt khác được phân bố xung quanh phần đã bị hòa tan ở mức độ lớn

1.3.4 Phân loại tro bay

Theo tiêu chuẩn DBJ08-230-98 của thành phố Thượng Hải, Trung Quốc, tro bay được phân làm hai loại là tro bay có hàm lượng canxi thấp và tro bay có hàm lượng canxi cao.Tro bay có chứa hàm lượng canxi 8% hoặc cao hơn (hoặc CaO tự do

CaO tự do được sử dụng để phân biệt tro bay có hàm lượng canxi cao với tro bay hàm lượng canxi thấp Theo cách phân biệt này thì tro bay có hàm lượng canxi cao

có màu hơi vàng trong khi đó tro bay có hàm lượng canxi thấp có màu hơi xám Theo cách phân loại của Canada, tro bay được chia làm ba loại [20]

Trên thế giới hiện nay, tro bay thường được phân loại theo tiêu chuẩn ASTM

bay được phân làm hai loại là loại C và loại F (xem bảng 1.3)

Bảng 1.4: Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 [21]

F

Nhóm

C Yêu cầu hóa học

Yêu cầu hóa học không bắt buộc

Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (28 ngày) % nhỏ nhất 75 75

Phân loại theo tiêu chuẩn ASTM:

- Tro bay là loại F nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) lớn hơn 70%

- Tro bay là loại C nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) nhỏ hơn 70%

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10302 – 2014: Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng tro bay được phân loại như sau[2]:

Theo thành phần hóa học, tro bay được phân thành 2 loại

- Tro axit: tro có hàm lượng canxi oxit đến 10 %, ký hiệu: F

- Tro bazơ: tro có hàm lượng canxi oxit lớn hơn 10 %, ký hiệu: C

Theo mục đích sử dụng, tro bay được phân thành 2 loại:

- Tro bay dùng cho xi măng;

- Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây

1.3.5 Sản lượng tro bay trong và ngoài nước

Nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới không ngừng tăng lên theo tốc độ phát triển của nền kinh tế Các nguồn cung cấp điện năng mới hiện nay đang phát triển nhanh chóng phải kể đến như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy điện,… Tuy có nhiều ưu điểm và được khuyến khích sử dụng nhưng các nguồn cung cấp điện năng này hiện nay mới chỉ đáp ứng được một lượng rất nhỏ nhu cầu điện năng toàn cầu và chỉ tập trung ở một vài nước phát triển Nguồn cung cấp điện năng chủ yếu vẫn dựa trên các nguồn truyền thống, sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm một

tỷ trọng lớn

Mỹ là một trong các quốc gia tiêu thụ điện năng hàng đầu thế giới và cũng là nước có sản lượng các sản phẩm từ quá trình đốt cháy than đá trong các nhà máy nhiệt điện lớn của thế giới Năm 2007, Mỹ đã tạo ra hơn 125 triệu tấn các sản phẩm từ than

đá bao gồm tro bay, tro đáy lò, xỉ lò,… Phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ đã giảm

Trung Quốc là nước đứng đầu về sản xuất điện năng từ than đá, do vậy lượng tro bay tạo ra từ việc đốt than đá cũng rất lớn Năm 2009, công suất phát điện và điện năng của các nhà máy nhiệt điện đều tăng khoảng 7-8% Mặc dù, lượng tiêu thụ than

đã được giảm xuống bằng cách nâng cao hiệu quả của máy phát điện, nhưng lượng tro bay tạo ra vẫn duy trì đà tăng Năm 2010, lượng tro bay tạo ra là 480 triệu tấn và với tốc độ tăng trưởng 20 triệu tấn mỗi năm, dự kiến lượng tro bay tạo ra ở Trung Quốc hiện nay đạt trên 500 triệu tấn[23] Khối lượng tro bay tạo thành, tro bay sử

dụng và phần trăm sử dụng tro bay ở Trung Quốc từ 2001-2008

Ở Ấn Độ, một lượng lớn tro bay tạo ra trong quá trình đốt cháy than của các nhà máy nhiệt điện Lượng tro bay tạo ra hàng năm liên tục tăng từ khoảng 1 triệu tấn vào năm 1947 lên khoảng 40 triệu tấn trong năm 1994 và năm 2012 vào khoảng

131 triệu tấn Kể từ 1996-97 đến 2010-11, lượng tro bay sử dụng vào trong các lĩnh vực công nghiệp cũng tăng (năm 1996-1997 là 9,63% đến năm 2010-2012 là 56%)

Khi lượng than đá sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện càng nhiều thì các sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy nhiên liệu như xỉ than hay tro bay sinh ra cũng tăng theo Thống kê của các nhà khoa học Hy Lạp cho thấy lượng tro bay sinh ra gần như

tỷ lệ tuyến tính với lượng nhiên liệu than đá được sử dụng[25]

Theo ước tính, lượng tro bay thải ra trên toàn cầu khoảng trên 700 triệu tấn Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay của một số nước được trình bày trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước [26]

TT Nước sản xuất Sản lượng tro bay hàng năm (triệu tấn) Tro bay sử dụng (%)

sử dụng bê tông tro bay, bao gồm các đập ngăn nước, các nhà máy điện, các công trình ngoài biển, các đường hầm dưới biển, đường cao tốc, sân bay, các tòa nhà thương mại hay dân cư, cầu, các đường ống dẫn, [29]

Đến năm 2008, tổng lượng các sản phẩm từ đốt than đá của nhà máy nhiệt điện

ở Châu Âu là 58 triệu tấn, trong đó tro bay chiếm gần 68% tương đương khoảng 39 triệu tấn Khoảng 18 triệu tấn tro bay được sử dụng trong công nghiệp xây dựng và san lấp hầm mỏ Phần lớn tro bay làm phụ gia bê tông, kết cấu đường và làm vật liệu

để sản xuất clinke xi măng Tro bay cũng được sử dụng trong xi măng trộn, bê tông khối lớn và làm vật liệu điền lấp[30]

Cũng như nhiều quốc gia trên thế giới, hàng trăm nhà máy nhiệt điện trên khắp lãnh thổ Trung Quốc thải ra hàng trăm triệu tấn tro bay mỗi năm Do vậy, chính phủ Trung Quốc rất khuyến khích phát triển các công nghệ liên quan đến việc sử dụng tro bay Năm 2005, lượng tro bay được sử dụng ở thành phố Nam Ninh đã vượt qua cả lượng tro bay được tạo ra Tuy nhiên, Nam Ninh chỉ là một trường hợp ngoại lệ Tro bay ở Trung Quốc được sử dụng trong các lĩnh vực chủ yếu sau: Các sản phẩm bê tông (phụ gia cho xi măng, vữa, bê tông, gạch, ); Xây dựng đường giao thông; Xây dựng cảng; Cải tạo đất trồng; Xử lý ô nhiễm nước; Sử dụng để lấp các mỏ hay các vùng đất lớn hơn dọc theo bờ biển Ngoài ra, tro bay còn được sử dụng cho một vài ứng dụng khác như tổng hợp zeolit, chất gia cường cho cao su[31]

Tại Ấn Độ, chính phủ nước này đã có nhiều quy định để nâng cao nhận thức về lợi ích của việc sử dụng tro bay cho các sản phẩm khác nhau Tro bay là một nguyên

liệu tiềm năng tuyệt vời cho sản xuất vật liệu xây dựng như xi măng pha trộn, gạch tro bay, gạch ốp lát Chúng được ứng dụng môt lượng lớn để rải đường, xây dựng kè, và san lấp hầm mỏ Sản phẩm tro bay có nhiều lợi thế hơn so với các sản phẩm thông thường Lượng xi măng sử dụng trong sản xuất sản phẩm xây dựng có thể giảm bằng cách thay thế bằng tro bay và lượng tro bay thay thế có thể lên đến 50% Những sản phẩm chứa tro bay có độ bền cao, hiệu quả hơn và tiết kiệm đáng kể nguyên liệu Việc sử dụng tro bay ở Ấn Độ đã tạo ra công ăn việc làm cho khoảng 3.000 lao động[32]

1.3 7 Các công trình nghiên cứu ứng dụng tro bay trong lĩnh vực xây dựng

1.3.7.1 Công trình trong nước

Nước ta hiện đang trong quá trình phát triển xây dựng cầu cống, các công trình thuỷ điện, các đê kè Theo khảo sát thì các công ty bê tông cung cấp cho thị trường khoảng 15% là bê tông đúc sẵn, 85% còn lại là do các nhà máy xi măng bán thẳng cho chủ đầu tư xây dựng Tro bay được dùng làm phụ gia bê tông khối lớn áp dụng công nghệ đổ bê tông đầm lăn cho các công trình đập thuỷ điện như nhà máy thuỷ điện Sơn

La, Bản Vẽ, Sông Tranh 2,… đập Bái Thượng (Thanh Hoá), đập Tân Giang (Ninh Thuận), đập Lòng Sông (Bình Thuận),… Tác giả Nguyễn Công Thắng và cộng

sự đã nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao (BTCLSC) sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng silica và tro bay, cho thấy có thể sử dụng tro bay Việt Nam thay thế một phần xi măng để chế tạo BTCLSC Việc sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng

sẽ cải thiện tính chất của hỗn hợp BTCLSC [33]

Tro bay có hàm lượng mất khi nung nhỏ hơn 11% có thể dùng để trộn vào xi măng với tỷ lệ trung bình 10÷20% Hiện tại, tro bay Phả Lại (SCLFLY ASH) đã được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất tại nhà máy xi măng Hoàng Thạch với tỷ lệ

Sử dụng gạch xây không nung từ tro bay cho nhà cao tầng có hiệu quả kinh tế khá cao Hỗn hợp vật liệu làm gạch gồm tro bay, xi măng, vôi, thạch cao và bột nhôm, trong đó tro bay là thành phần chính, chiếm đến 70% khối lượng Vì vậy nhu cầu tro bay để cung ứng cho thị trường sản xuất gạch không nung, gạch bê tông là rất lớn[27]

Ở nước ta, tro bay được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực xây dựng, vấn đề sử dụng tro bay làm vật liệu xử lý môi trường và cải tạo đất chưa được quan tâm nhiều

Lê Thanh Sơn và Trần Kông Tấu đã chuyển hóa tro bay thành zeolit có thể dùng để

bằng dung dịch NaOH 3,5M có khả năng sử dụng làm chất hấp phụ trong phân tích

môi trường Sản phẩm tạo thành là một hỗn hợp các hạt rất nhỏ, hình cầu và tương đối đồng đều; và trong đó có chứa chủ yếu là các hạt Quartz, Mullite và Zeolit P1 (Na) Tro bay sau khi xử lý được sử dụng để đánh giá khả năng hấp phụ và tách chất đối với hai hỗn hợp M1 và M2 Hiệu suất thu hồi chất đối với M1 là 83,3 đến 89,5%,

nhiều công trình đã nghiên cứu biến tính tro bay, chủ yếu là chuyển hóa thành zeolit

Thu và cộng sự đã nghiên cứu chuyển hóa tro bay Phả Lại thành dạng zeolit dùng làm vật liệu hấp phụ cải tạo đất [36]

Từ những nội dung trên đây cho thấy, khả năng ứng dụng của tro bay rất đa dạng, đặc biệt trong lĩnh vực làm vật liệu xây dựng Việc nghiên cứu các biện pháp xử lý, biến tính tro bay để ứng dụng vào các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật là vấn đề không chỉ

có ý nghĩa khoa học, kinh tế rõ rệt mà còn có giá trị đặc biệt là tận dụng một cách hiệu quả một loại vật liệu phế thải, góp phần sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường

1.3.7.2 Công trình ngoài nước

Tro bay dùng làm vật liệu điền lấp: Tro bay có thể dùng để phục hồi và cải tạo các vùng đất yếu bởi các hoạt động khác Tro bay được sử dụng cho phát triển các công trình công cộng như công viên, bãi đậu xe, sân chơi, [38]

Tro bay trong bê tông: Tro bay cải thiện độ bền và kết cấu của bê tông dẫn đến tăng tuổi thọ của đường Thông thường, tro bay có thể thay thế từ 15 đến 30% xi măng poóc lăng Hiện nay, tro bay được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng với các mục đích khác nhau như làm phụ gia cho bê tông xi măng, làm độn cho bê tông asphalt Một số công trình xây dựng nổi tiếng trên thế giới đã sử dụng tro bay trong bê tông như đập Puylaurent ở Pháp, cây cầu Great Belt East nối Copenhagen (Đan Mạch) với những vùng đất của trung tâm châu Âu, [38]

Tro bay làm đường xá: Tro bay có thể được sử dụng để xây dựng đường và đê

kè Việc sử dụng này có nhiều lợi thế hơn so với các phương pháp thông thường như tiết kiệm đất trồng trọt, tránh tạo ra các vùng trũng, giảm chi phí, làm giảm nhu cầu đất để xử lý, lắng đọng tro bay

Gạch không nung từ tro bay: Tro bay cũng là phế liệu thân thiện môi trường Gạch tro bay được tạo thành từ tro bay, cát và xi măng, trong đó tro bay là chất độn chính và cát là chất độn thứ hai Còn xi măng làm chất kết dính tất cả các nguyên liệu

với nhau Ở Đức, tro bay được ứng dụng để sản xuất gạch xây nhà Các khối gạch này

được tạo ra từ hỗn hợp của tro xỉ, tro bay, đá vôi và nước được ép thành khuôn [39]

1.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng chống thấm của bê tông

Độ thấm của bê tông phụ thuộc vào thành phần cấu thành nên bê tông (dạng, tỷ lệ) bao gồm nước/ xi măng liên quan trực tiếp đến độ rỗng mao dẫn, bản chất và tỷ lệ các loại cốt liệu liên quan đến việc hình thành các vùng liên kết giữa đá xi măng và các hạt cốt liệu cũng như thay đổi tính ngoằn ngoèo của các đường rỗng

Cường độ và độ thấm của bê tông cho thấy, cường độ bê tông phụ thuộc vào tỷ

lệ rỗng của vật liệu, tuy nhiên độ thấm lại phụ thuộc chủ yếu vào tính liên thông giữa các lỗ rỗng Một khi bê tông có tính liên thông rỗng cao do các đường nứt xuất hiện vì nhiều nguyên nhân (co ngót, từ biến, tác độ cơ học, nhiệt độ cao, ăn mòn ) trong quá trình khai thác thì độ thấm của bê tông tăng rất nhanh

1.5 Các phương pháp thí nghiệm xác định khả năng chống thấm của bê tông:

1.5.1 Phương pháp xác định độ chống thấm tối đa:

Phương pháp thí nghiệm độ chống thấm theo áp lực nước tối đa để được mác chống thấm Mác chống thấm được định nghĩa là áp lực nước tối đa để nước thấm qua mẫu thử và tạo ra vết ướt trên mặt mẫu

Theo TCVN 3116:2007 định nghĩa mác chống thấm là khả năng bê tông không

để nước thấm qua dưới áp lực thủy tĩnh và ký hiệu bằng chữ W Bê tông nặng có các mác chống thấm W2, W4, W6 W20 Chỉ số của W biểu thị áp lực nước tối đa được tính bằng daN/cm2 (Atm) và đều là số chẵn Như vậy khoảng cách các áp lực ở đây là

2 daN/cm2 Đây là phương pháp của Liên Xô được áp dụng từ năm 1959 và được sử dụng cho đến ngày nay Trung Quốc và Việt Nam cũng áp dụng phương pháp này và đưa vào tiêu chuẩn quốc gia Do khoảng cách các mác tương đối rộng, nên có thể xảy

ra trường hợp hai loại bê tông có khả năng chống thấm khác nhau, nhưng lại có cùng mác chống thấm Điều đó cũng giống như trường hợp hai loại xi măng hay bê tông có

1.5.2 Phương pháp xác định hệ số thấm nước:

Hệ số thấm nước (K1) biểu thị độ thấm nước và độ thấm nước là chỉ tiêu ngược của độ chống thấm Độ thấm nước càng nhỏ, thì độ chống thấm càng cao và ngược lại Chỉ cần xác định một chỉ tiêu này là hiểu được chỉ tiêu kia, vì đây là hai mặt của một vấn đề Phương pháp thí nghiệm K1 được dùng ở các nước phương Tây từ lâu và dựa trên nguyên lý của thí nghiệm độ thấm nước của đất Theo tiêu chuẩn Thuật ngữ, K1 được định nghĩa là lượng nước thấm qua một đơn vị chiều dày trên 1 đơn vị diện tích mẫu bê tông, trong một đơn vị thời gian thí nghiệm, dưới 1 đơn vị áp lực và ở điều kiện nhiệt độ thường là 20°C K1 được tính theo công thức dạng Darcy như sau[40]:

t P P S

a V

)21(1

Trong đó:

Vn thể tích nước thấm qua mẫu bê tông thu được, m3 hoặc cm3;

a: Chiều dày của mẫu, m hoặc cm;

S: Diện tích mặt mẫu chịu tác động của nước, m2 hoặc cm2;

P1 - P2: Áp lực thủy tĩnh ở hai mặt đối diện của mẫu, m hoặc cm cột nước; t: Thời gian thí nghiệm, h hoặc s

1.5.3 Phương pháp xác định độ sâu thấm nước:

Độ sâu thấm nước (đơn vị mm) là độ sâu nước thấm vào mẫu dưới áp lực và trong thời gian nhất định Chỉ tiêu này cũng biểu thị độ thấm nước của bê tông và được quy định trong tiêu chuẩn châu Âu Có đề tài nghiên cứu bê tông cường độ cao dùng tro trấu và đã sử dụng phương pháp này để đánh giá độ thấm nước của bê tông dùng tro trấu để so sánh với bê tông đối chứng[40]

1.6 Một số công trình nghiên cứu về khả năng chống thấm của bê tông

Việt Nam là một nước nhiệt đới, lượng mưa lớn, khí hậu thay đổi thất thường, địa hình tiếp giáp với bờ biển dài Tuổi thọ công trình xây dựng, giao thông và thủy lợi bị giảm đáng kể nếu khả năng chống thấm trong quá trình khai thác của các công trình không được đảm bảo Tác giả Nguyễn Thành Lệ, Hoàng Phó Uyên nghiên cứu nâng cao khả năng chống thấm cho bê tông đầm lăn bằng các biện pháp sử dụng phụ gia hóa học, dùng puzzolan độ mịn cao thay thế một phần pozzolan mịn thường, quét

Tác giả Nguyễn Quang Phú, Nguyễn Quang Bình nghiên cứu công nghệ chống thấm thẩm thấu kết tinh để nâng cao khả năng chống thấm cho các kết cấu công trình thủy

thấm cho lớp bê tông thượng lưu đập, các quy định khi lắp đặt tấm chắn nước cho các khe co giãn và kiểm soát chất lượng chống thấm của đập bê tông đầm lăn[43]

Tác giả Chu Mạnh Quân, Trịnh Quang Minh, Vũ Quốc Vương đã sử dụng Metacaolanh Việt Nam thay thế một phần xi măng để sản xuất bê tông cho các công trình xây dựng và thủy lợi để cải thiện cường độ chịu nén, kéo và độ chống thấm của

Trọng Lâm đã cải thiện đáng kế tính công tác và tăng cường độ nén của bê tông chất lượng siêu cao bằng cách sử dụng hỗn hợp khoáng silicafume và tro bay sẵn có ở Việt

Từ những nghiên cứu ứng dụng trên cho thấy có rất nhiều phương án để cải thiện khả năng chống thấm của bê tông, việc nghiên cứu các biện pháp góp phần tăng cao khả năng chống thấm của bê tông là cần thiết để góp phần đa dạng các ứng dụng của bê tông trong xây dựng

1.7 Kết luận chương

Trong chương này tác giả đã trình bày tổng quan về bê tông, silicafume và tro bay, các đặc tính cơ lý, trình bày nguồn gốc, lịch sử hình thành, chi tiết một số tính chất quan trọng như tính công tác, tính co ngót, cường độ chịu nén và khả năng chống thấm của bê tông Quá trình hình thành, ưu điểm của silicafume và tro bay Từ đó có thể nhận thấy silicafume và tro bay là nguồn vật liệu thải từ các quá trình sản xuất công nghiệp, việc phối trộn tỷ lệ thích hợp sử dụng trong bê tông để đem lại nhiều lợi ích thiết thực trong đó có tiềm năng cải thiện khả năng chống thấm của bê tông

CHƯƠNG 2: TIÊU CHUẨN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 2.1 Các tiêu chuẩn sử dụng trong thí nghiệm

TCVN 3105:1993 - Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng - Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử

TCVN 3106:1993 - Hỗn hợp bê tông nặng - Phương pháp thử độ sụt

TCVN 3116:1993 - Bê tông - Phương pháp xác định độ chống thấm

TCVN 3118:1993 - Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén

TCVN 4506: 2012 - Nước cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật

TCVN 8828:2011 – Phụ gia khoáng hoạt tính cao dùng cho bê tông và vữa – Silicafume và tro trấu nghiền mịn

TCVN 7570:2006 - Yêu cầu kỹ thuật của cốt liệu dùng cho bê tông và vữa

TCVN 6260:2009 - Xi măng poóc lăng hỗn hợp - Yêu cầu kỹ thuật

TCVN 10302:2014 - Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng

2.2 Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm

2.2.1 Cốt liệu nhỏ (cát)

- Tiêu chuẩn áp dụng: TCVN 7570-2006 [46]

- Thành phần hạt của cát thô được sử dụng để chế tạo bê tông, hàm lượng các tạp chất (sét cục và các tạp chất dạng cục; bùn, bụi và sét), hàm lượng clorua trong cát lần lượt được quy định trong các bảng 2.1, 2.2 và 2.3

bê tông cấp thấp hơn và bằng B30

Bảng 2.3 Hàm lượng ion Cl - trong cát

- , % khối lượng, không lớn hơn

Bê tông dùng trong các kết cấu bê tông cốt

Bê tông dùng trong các kết cấu bê tông cốt

thép và bê tông cốt thép và vữa thông

thường

0,05

Cát có hàm lượng ion Cl- lớn hơn các giá trị quy định ở bảng 2 có thể được sử dụng nếu tổng hàm lượng ion Cl- trong 1m3 bê tông từ tất cả các nguồn vật liệu chế tạo, không vượt quá 0,6 kg

Trong chương trình thí nghiệm này, loại cát sử dụng là cát Sông Cái (Diên Khánh), Nha Trang Cát sử dụng cát Sông Cái, Diên Khánh với các đặc tính cơ lý được trình bày ở bảng 2.4 và thành phần cỡ hạt được trình bày ở bảng 2.5