ẢNH HƯỞNG CỦA SILICAFUME VÀ TRO BAY ĐẾN MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kết quả cho thấy rằng khi silicafume được sử dụng để thay thế xi măng ở tỉ lệ 5% góp phần tăng cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi, trong khi đó với tỉ lệ thay thế có tro bay đều giảm cư

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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 các công trình khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Dũng

MỤC LỤC

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa của đề tài 2

6 Bố cục đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA SILICAFUME, TRO BAY TRONG XÂY DỰNG 3

1.1 Bê tông và các đặc trưng cơ lý của bê tông 3

1.1.1 Khái niệm, thành phần, cấu trúc và phân loại bê tông 3

1.1.2 Các đặc trưng cơ học của bê tông 4

1.2 Tổng quan về tro bay 6

1.2.1 Khái niệm về tro bay 6

1.2.2 Thành phần tro bay 8

1.2.3 Hiện trạng nguồn nguyên liệu tro bay trong và ngoài nước 9

1.3 Pham vi ứng dụng tro bay trong xây dựng 11

1.3.1 Một số công trình nghiên cứu và ứng dụng tro bay ở Việt Nam 12

1.3.2 Ứng dụng tro bay trong một số lĩnh vực và công trình trên thế giới 13

1.4 Tổng quan về tính chất cơ lý và ứng dụng của silicafume trong xây dựng 13

1.4.1 Thành phần và tính chất cơ lý của silicafume 13

1.4.2 Ứng dụng của silicafume trong lĩnh vực bê tông và xây dựng 15

1.4.3 Sản lượng silicafume 16

1.5 Tiềm năng kết hợp giữa silicafume và tro bay 16

1.6 Mô đun đàn hồi và các nhân tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của bê tông 17

1.6.1 Khái niệm về mô đun đàn hồi 17

1.6.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của bê tông 17

1.6.3 Các phương pháp xác định mô đun đàn hồi của bê tông 18

1.6.4 Các công trình nghiên cứu về mô đun đàn hồi của bê tông 19

1.7 Nhận xét chương 1 20

CHƯƠNG 2 TIÊU CHUẨN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 21

2.1 Các tiêu chuẩn sử dụng trong thí nghiệm 21

2.2 Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm 21

2.2.1 Cát (Cốt liệu nhỏ) 21

2.2.2 Đá dăm (Cốt liệu lớn) 22

2.2.3 Xi măng 24

2.2.4 Tro Bay 26

2.2.5 Silicafume 28

2.2.6 Nước 29

2.3 Thiết bị sử dụng trong thí nghiệm 31

2.3.1 Ván khuôn: Khuôn kích thước (150x300)mm 31

2.3.2 Máy trộn 32

2.3.3 Thiết bị đầm bê tông 32

2.3.4 Phòng dưỡng hộ bê tông 32

2.3.5 Thiết bị đo độ sụt 32

2.3.6 Máy nén 32

2.3.7 Thiết bị thí nghiệm mô đun đàn hồi của bê tông 34

2.4 Nhận xét chương 2 34

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA SILICAFUME VÀ TRO BAY ĐẾN MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG 35

3.1 Giới thiệu chung 35

3.2 Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm 36

3.3 Thành phần cấp phối các hỗn hợp bê tông 38

3.4 Thí nghiệm xác định độ sụt 39

3.5 Đúc mẫu và dưỡng hộ mẫu 40

3.6 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông 42

3.6.1 Quy trình nén mẫu 42

3.6.2 Công thức xác định cường độ chịu nén 43

3.7 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông 43

3.7.1 Quy trình thí nghiệm 43

3.7.2 Công thức xác định mô đun đàn hồi của bê tông 46

3.8 Kết quả và thảo luận 47

3.8.1 Độ sụt của các hỗn hợp bê tông 47

3.8.2 Ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến cường độ chịu nén của bê tông 48

3.8.3 Ảnh hường của của silicafume và tro bay đến đến mô đun đàn hồi của bê tông

50

3.9 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi 52

3.10 Nhận xét chương 3 53

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

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

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN ẢNH HƯỞNG CỦA SILICAFUME VÀ TRO BAY ĐẾN MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA BÊ TÔNG

Học viên: Nguyễn Văn Dũng

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

gây ô nhiễm môi trường Việc nghiên cứu sử dụng silicafume và tro bay như là loại vật liệu thay thế một phần xi măng portland trong hỗn hợp bê tông là vấn đề thật sự cần thiết

Luận văn nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồi của bê tông Thí nghiệm được thực hiện trên mẫu trụ kích thước 150x300mm với các thành phần cấp phối cát, đá, nước được giữ nguyên không đổi trong khi xi măng được thay thế bởi silicafume và tro bay với tổng tỉ lệ là 5%,10% và 20% Các mẫu thí nghiệm là mẫu hình trụ có kích thước 150x300mm được dưỡng hộ ngâm nước tại phòng thí nghiệm Mô đun đàn hồi của các mẫu bê tông được xác định tại các thời điểm 28, 56 và 90 ngày

Kết quả cho thấy rằng khi silicafume được sử dụng để thay thế xi măng ở tỉ lệ 5% góp phần tăng cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi, trong khi đó với tỉ lệ thay thế có tro bay đều giảm cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi so với mẫu đối chứng Sự suy giảm cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi lớn nhất khi 15% tro bay và 5% silicafume được sử dụng để thay thế 20% xi măng Tỉ lệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén của tất cả các mẫu bê tông có hoặc không có tro bay và silicafume đều vào khoảng 0.8x103

đến 0.9x103

Từ khóa: bê tông, cường độ chịu nén, mo đun đàn hồi, tro bay, silicafume, tỉ lệ mo đun

đàn hồi và cường độ chịu nén

EFFECT OF SILICAFUME AND FLY ASH TO THE LITHOLOGICAL

MODULE OF CONCRETE Abstracts:

Concrete is widely used as construction building materials in the world Original Portland cement (OPC) is an indispensable binder in conventional concrete The cement production consumes a great deal of energy, and causes pollution and other environmental problems

including CO2 emmission It is really necessary to conduct the research to find out the alternative materials such as fly ash and silicafume to replace partly OPC in the concrete mix

The thesis studied the effect of silicafume and fly ash on the elasticity of concrete The tests were conducted on the cylinder samples of 150mm diameter and 300mm height cured in water at 28 days, 56 days and 90 days The mix proprtion of sand, coarse aggregates and water was kept constantly while cement was replaced by total of silicafume and fly ash of 5%, 10% and 20% respectively

The results shows that 5%silicafume used to replace cement improves both compressive strength and modulus of elasticity of concrete wherease the fly ash replacement at different proportions reduced both such properties The most reduction of both compressive strength and modulus of elasticity of concrete was monitored when 20% of cement was replaced by 15% of fly ash and 5% of silicafume In general, the ratio of modulus of elasticity and compressive strength of all mixes with and without fly ash and silicafume is in the range of 0.8x103 đến 0.9x103

Key words: concreet, compressive strength, modulus of elasticity, fly ash, silicafume, ratio of modulus of elasticity and compressive strength

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Chỉ tiêu của tro bay theo ASTM C618 (2008) 7

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền 8

Bảng 1.3 Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác

nhau 9

Bảng 1.4 Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước 10

Bảng 1.5 Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030 11

Bảng 2.1 Thành phần hạt của cát 21

Bảng 2.2 Hàm lượng ion Cl- trong cát 22

Bảng 2.3 Thành phần hạt của cốt liệu lớn 22

Bảng 2.4 Mác của đá dăm từ đá thiên nhiên theo độ nén dập 23

Bảng 2.5 Yêu cầu về độ nén dập đối với sỏi và sỏi dăm 24

Bảng 2.6 Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng poóc lăng 24

Bảng 2.7 So sánh chỉ tiêu chất lượng của Xi măng Nghi Sơn PCB40 với TCVN 25

Bảng 2.8 Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây 26

Bảng 2.9 Thông số kỹ thuật của tro bay Vĩnh Tân 4 27

Bảng 2.10 Yêu cầu kỹ thuật đối với silicafume dạng bột rời 28

Bảng 2.11 Thông số kỹ thuật của silicafume 28

Bảng 2.12 Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nước trộn vữa Đơn vị tính bằng miligam trên lít (mg L) 29 Bảng 2.13 Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nước dùng để rửa cốt liệu và bảo dưỡng bê tông Đơn vị tính bằng miligam trên lít (mg L) 30

Bảng 2.14 Các yêu cầu về thời gian đông kết của xi măng và cường độ chịu nén của vữa 31

Bảng 3.1 Thành phần Cát 36

Bảng 3.2 Thành phần Đá dăm 36

Bảng 3.3 Thành phần Xi măng 37

Bảng 3.4 Thành phần Nước 37

Bảng 3.5 Thành phần cấp phối của các tổ mẫu bê tông 38

Bảng 3.6 Kết quả đo độ sụt 47

Bảng 3.7 Cường độ chịu nén của các mẫu thí nghiệm 48

Bảng 3.8 Mô đun đàn hồi của các mẫu thí nghiệm 50

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sự phá hoại mẫu thử 4

Hình 1.2 Sự phá hoại mẫu thử khối vuông 5

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào lượng nước nhào trộn 6

Hình 1.4 Silicafume 14

Hình 1.5 Phản ứng Pozzolan của tro bay trong bê tông 16

Hình 1.6 Mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ 17

Hình 2.1 Khuôn thép đúc mẫu 31

Hình 2.2 Máy trộn bê tông 32

Hình 2.3 Máy nén bê tông 33

Hình 2.4 Thiết bị thí nghiệm mô đun đàn hồi 34

Hình 3.1 Côn đo độ sụt 39

Hình 3.2 Đo kiểm tra độ sụt 40

Hình 3.3 Cân, đo các thành phần cấp phối 41

Hình 3.4 Đúc mẫu và dưỡng hộ 41

Hình 3.5 Quá trình nén mẫu 42

Hình 3.6 Khung và đồng hồ đo biến dạng 44

Hình 3.7 Mẫu kiểm tra mô đun đàn hồi 45

Hình 3.8 Thí nghiệm đo mô đun đàn hồi 46

Hình 3.9 Biểu đồ độ sụt các mẫu thí nghiệm 47

Hình 3.10 Biểu đồ cường độ chịu nén của các mẫu thí nghiệm 49

Hình 3.11 Biểu đồ mô đun đàn hồi của các mẫu thí nghiệm 51

Hình 3.12 Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén của bê tông 52

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Silicafume là một dạng cấu trúc vô định hình của silic điôxít Silicafume là sản

phẩm phụ của công nghiệp sản suất chế phẩm chứa silic, thoát ra dưới dạng khói bay

cực mịn Silicafume có kích thước rất nhỏ bé, khoảng từ 0,1 μm đến vài μm, đường

kính hạt trung bình 1,5 μm [1]

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, được thu hồi từ phương pháp kết sương tĩnh điện Tro bay là

những tinh cầu tròn siêu mịn được cấu thành từ các hạt silic có kích thước hạt từ 1μm

đến 10 μm [2]

Bê tông là loại vật liệu phức hợp bao gồm các thành phần: Cốt liệu và chất kết

dính Chất kết dính bao gồm: Xi măng + nước, phụ gia….Với hầu hết bê tông hiện

đang sử dụng thì thành phần cơ bản là cốt liệu, xi măng và nước Cường độ của cốt

liệu là cố định, được quy định bởi sự hình thành của tự nhiên, trong quá trình sử dụng

vật liệu chúng ta đã chọn trước nguồn gốc sử dụng cốt liệu Như vậy tính năng cơ lý

của hỗn hợp bê tông cũng chịu ảnh hưởng trực tiếp từ chất kết dính và các lỗ rỗng giữa

các cốt liệu liên kết với nhau [3]

Với đặc tính của silicafume và tro bay đều là các chất có khả năng lấp đầy lỗ

rỗng của các cốt liệu khi cùng làm việc trong bê tông Do đó có thể làm thay đổi đến

cường độ, mô đun đàn hồi và các chỉ tiêu khác của bê tông Nhằm mở rộng nghiên cứu

vai trò của silicafume và tro bay ảnh hưởng như thế nào đến bê tông, để đưa ra các

khuyến cáo khi ứng dụng trong thiết kế Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài nghiên

cứu: “Ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồi của bê tông”

2 Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu thực nghiệm trên mẫu thử để xác định ảnh hưởng của silicafume và

tro bay đến mô đun đàn hồi của bê tông Tổng khối lượng silicafume và tro bay thay

thế xi măng là 20%, trong đó tỉ lệ thay thế của từng thành phần là 5%, 10%, 15% và

20%

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đánh giá tổng quan về bê tông và các đặc tính của bê tông, cũng như ứng dụng

của silicafume và tro bay trong lĩnh vực xây dựng

- Các loại vật liệu: Cát Diên Khánh (huyện Diên Khánh, tỉnh Khánh Hòa); Đá

Hòn Ngang (huyện Diên Khánh, tỉnh Khánh Hòa); Xi măng Nghi Sơn PCB 40;

Silicafume ViKhanh Co,Ltđ; Tro bay Công ty Nhiệt điện Vĩnh Tân (Ninh Thuận)

- Các mẫu bê tông thí nghiệm có tổng khối lượng silicafume và tro bay thay thế

xi măng là 20%, trong đó tỉ lệ thay thế của từng thành phần là 5%, 10%, 15% và 20%

- Các mẫu bê tông thí nghiệm có lượng silicafume thay thế xi măng là là 5%, 10%

- Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồi của bê tông đến 90 ngày

- Xem xét mức độ ảnh hưởng của silicafume hay tro bay lớn hơn đối với sự phát triển mô đun đàn hồi của bê tông từ đó tìm ra tỉ lệ tốt nhất giữa tro bay và silicafume trong việc thay thế tổng tỉ lệ 20% xi măng

- Đánh giá các công trình nghiên cứu trước đó về sự tác động riêng biệt của tro bay và silicafume đến mô đun đàn hồi của bê tông

4 Phương pháp nghiên cứu

-Thực hiện các thí nghiệm dựa trên tiêu chuẩn Việt Nam:

+ TCVN 3105:1993 - Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng – lấy mẫu, chế tạo

và bão dưỡng mẫu;

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

+ TCVN 3115:1993 - Bê tông nặng – Phương pháp xác định khối lượng thể tích; + TCVN 3118:1993 - Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ nén; + TCVN 5726:1993 - Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ lăng trụ

và Mô đun đàn hồi khi nén tĩnh

- Phân tích và thảo luận các kết quả thí nghiệm

- Đánh giá sự ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồi của bê tông

5 Ý nghĩa của đề tài

- Xác định khả năng ảnh hưởng của việc sử dụng silicafume và tro bay đến mô đun đàn hồi của bê tông

- Đưa ra các khuyến cáo khi ứng dụng trong thiết kế

6 Bố cục đề tài

Mở đầu:

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiêu đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Ý nghĩa của đề tài

Chương 1: Tổng quan về bê tông và phạm vi ứng dụng của silicafume, tro bay

trong xây dựng

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

Chương 3: Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến mô

đun đàn hồi của bê tông

Kết luận và kiến nghị chung

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA SILICAFUME,

TRO BAY TRONG XÂY DỰNG 1.1 Bê tông và các đặc trưng cơ lý của bê tông

1.1.1 Khái niệm, thành phần, cấu trúc và phân loại bê tông

Bê tông là một loại vật liệu nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời (cát, đá, sỏi)

và chất kết dính (thường là xi măng), nước và có thể thêm phụ gia Vật liệu rời còn gọi

là cốt liệu, cốt liệu có 2 loại bé và lớn Loại bé là cát có kích thước (1-5) mm, loại lớn

là sỏi hoặc đá dăm có kích thước (5-40) mm Chất kết dính là xi măng trộn với nước hoặc các chất dẻo khác Phụ gia nhằm cải thiện một số tính chất của bê tông trong lúc thi công cũng như trong quá trình sử dụng Có nhiều loại phụ gia như phụ gia nâng cao

độ dẻo của hỗn hợp bê tông, tăng nhanh hoặc kéo dài thời gian đông kết của bê tông, nâng cao cường độ của bê tông trong thời gian đầu, chống thấm [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 dạng 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 số ít nước thừa và 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 [4]

Bê tông được phân loại theo các cách sau [4]:

- Theo cấu trúc: bê tông đặc chắc, bê tông có lỗ rỗng (dùng ít cát), bê tông tổ ong,

bê tông xốp

1.1.2 Các đặc trưng cơ học của bê tông

Các đặc trung cơ học bao gồm cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, Trong giới hạn đề tài chỉ xét đến cường độ chịu nén và modun đàn hồi

1.1.2.1 Cường độ chịu nén của bê tông

a Khái niệm chung:

Cường độ 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 lăng trụ

để đo cường độ có kích thước 150x300 mm, được thực hiện theo điều kiện chuẩn trong thời gian 28, 56, 90 ngày

Bê tông thông thường có cường độ chịu nén R= 5÷30MPa Bê tông có R> 40MPa

là loại cường độ cao Hiện nay, người ta đã chế tạo được các loại bê tông đặc biệt có R≥ 80MPa

Khi bị nén, ngoài biến dạng co ngắn theo phương tác dụng lực, bê tông còn bị nở ngang Thông thường chính sự nở ngang quá mức làm cho bê tông bị nứt và bị phá vỡ Nếu hạn chế được mức độ nở ngang của bê tông có thể làm tăng khả năng chịu nén của

nó Trong thí nghiệm nếu không bôi trơn mặt tiếp xúc giữa mẫu thử và bàn nén thì tại

đó sẽ xuất hiện lực ma sát có tác dụng cản trở sự nở ngang, kết quả mẫu bị phá hoại theo hình tháp đối đỉnh như hình 1.1b Nếu bôi trơn mặt tiếp xúc để bê tông tự do nở ngang thì khi biến dạng ngang quá mức trong mẫu sẽ xuất hiện các vết nứt dọc và sự phá hoại xảy ra như trên hình 1.1c Cường độ của mẫu được bôi trơn thấp hơn cường

độ của mẫu khối vuông có ma sát

1- mẫu; 2- bàn máy nén; 3- ma sát; 4-bê tông bị ép vụn;

5- hình tháp phá hoại; 6- vết nứt dọc theo mẫu

Hình 1.1 Sự phá hoại mẫu thử

Vì ma sát làm cản trở biến dạng ngang mà với mẫu khối khi tăng cạnh a thì R giảm và cường độ của mẫu hình trụ thấp hơn cường độ của mẫu khối vuông

b Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của bê tông

Thành phần và công nghệ chế tạo

Cường độ của bê tông lớn hay bé là do thành phần và công nghệ chế tạo quyết

định Một số yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến cường độ bê tông:

Chất lượng và số lượng xi măng

Độ cứng, độ sạch và cấp phối cốt liệu

Tỷ lệ giữa nước và xi măng

Chất lượng của việc nhào trộn, đổ, đầm và điều kiện bảo dưỡng bê tông

khác nhau Ví dụ tỷ lệ nước trên xi măng N XM có ảnh hưởng rất lớn đến R và có

như khả năng chịu cắt của bê tông

Tuổi của bê tông

Tuổi là thời gian t (ngày) tính từ lúc chế tạo bê tông đến khi nó chịu lực Cường

độ của bê tông tăng theo thời gian Thời gian đầu cường độ tăng nhanh, sau chậm dần

Với bê tông dùng xi măng pooclăng chế tạo và bảo dưỡng trong điều kiện bình

thường, cường độ tăng nhanh trong 28 ngày đầu

Để biểu diễn sự tăng của R theo t có thể dùng một số công thức thực nghiệm Công thức của B.G XKramtaep (1935) theo qui luật logarit, với t = 7÷300 ngày:

R t =0,7R 28 lg(t)

Hình 1.2 Sự phá hoại mẫu thử khối vuông

Trong môi trường thuận lợi (nhiệt độ dương, độ ẩm cao) sự tăng cường độ có thể kéo dài trong nhiều năm Còn trong điều kiện khô hanh hoặc nhiệt độ thấp sự tăng cường độ trong thời gian sau này là không đáng kể

Dùng hơi nước nóng để bảo dưỡng bê tông làm cho cường độ tăng rất nhanh trong vài ngày đầu, nhưng sẽ làm cho bê tông trở nên dòn hơn và có cường độ cuối cùng thấp hơn so với bê tông được bảo dưỡng theo điều kiện tiêu chuẩn

Ảnh hưởng của tỉ lệ N X đến cường độ chịu nén, chịu uốn của bê tông: Đá xi măng (mác xi măng và tỷ lệ X N ) có ảnh hưởng lớn đến cường độ của bê tông Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào tỷ lệ X N thực chất là phụ thuộc vào thể tích rỗng tạo ra do lượng nước dư thừa Hình 1.6 biểu thị mối quan hệ giữa cường độ bê tông và lượng nước nhào trộn

a- vùng hỗn hợp bê tông cứng không đầm chặt được; b- vùng hỗn hợp

bê tông có cường độ và độ đặc cao; c- vùng hỗn hợp bê tông dẻo;

d- vùng hỗn hợp bê tông chảy

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào lượng nước nhào trộn

1.1.2.2 Mô đun đàn hồi của bê tông

Mô đun đàn hồi bê tông, là đại lượng thể hiện độ cứng của bê tông được trình bày chi tiết ở mục 1.6

1.2 Tổng quan về tro bay

1.2.1 Khái niệm về tro bay

Tro bay (Fly ash - FA) là một loại chất thải rắn sinh ra từ quá trình đốt than từ các nhà máy nhiệt điện thải ra môi trường Nó được thu hồi tại bộ phận khí thải bằng các phương pháp kết lắng, tuyển nổi, lọc tĩnh điện và lọc thu tay áo Người ta thường dùng luồng khí để phân loại tro thành tro bay là loại nhỏ mịn, bay lên với khói lò, loại không bay lên người ta gọi là tro cặn (tro đáy) Thành phần hóa học của tro bay chủ

ra, có thể chứa một lượng than chưa cháy với hàm lượng cacbon còn lại trong tro bay nhỏ hơn 4% và một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn, một lượng nhỏ nhóm

OH ở bề mặt và amonia [5]

Có hai loại tro bay là loại C (hàm lượng Ca và Mg cao, tới 20%) và tro bay loại F (hàm lượng Ca và Mg nhỏ hơn nhiều với tro bay loại C)

Trên thế giới hiện nay, thường phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C618 Theo cách phân loại này thì phụ thuộc vào thành phần các hợp chất mà tro bay được phân làm hai loại là loại C và loại F [6]

Bảng 1.1 Chỉ tiêu của tro bay theo ASTM C618 (2008) [6]

Ghi chú: Mất khi nung (LOI) là hiện tượng carbon cháy hết trong tro và nó ảnh hưởng đến chất lượng bằng cách tăng nhu cầu nước, giảm độ mịn và phản ứng pozzolanic ASTM C618 (2008) quy định mức tối đa của LOI là 6% [6]

Tro bay có đặc tính rất bền nhiệt, ít bị co ngót kích thước, bền với các loại hóa chất, giá thành rẻ

1.2.2 Thành phần tro bay

* Thành phần hóa học 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 hết các

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 than đá sử dụng để đốt và điều kiện đốt cháy trong các nhà máy nhiệt điện [7]

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền [8]

Bảng 1.3 Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác

nhau [9]

SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 TiO 2 MgO CaO

Các thí nghiệm khảo sát thành phần hóa học trong các mẫu tro bay ở các nước khác cũng đã được tiến hành và thu được các kết quả tương tự Đa số các mẫu tro bay

khoảng 650 g kg đến 850 g kg Các thành phần khác bao gồm lượng than chưa cháy,

hệ thống lò đốt ở các nhà máy nhiệt điện ở Trung Quốc Theo tiêu chuẩn phân loại ASTM C 618 thì tro bay Trung Quốc thuộc loại C hay tro bay có chất lượng thấp Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng của tro bay ở Trung Quốc [10]

1.2.3 Hiện trạng nguồn nguyên liệu 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 xã hội 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 triều,… 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 và không ngừng phát triển hàng năm Trong đó các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm một tỷ trọng lớn [12]

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 [12] 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 trong những năm 2007 - 2010, nhưng sau đó tỷ lệ sử dụng tro bay lại tăng

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 [13] 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

Theo ước tính, lượng tro bay thải ra trên toàn cầu vào khoảng trên 700 triệu tấn Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay của một số nước được trình bày trong bảng 1.4 [12-14,16]

Bảng 1.4 Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước

TT

Nước sản Sản lượng tro bay hàng Tro bay sử dụng

Ở Việt Nam, phần lớn các nhà máy nhiệt điện đốt than chủ yếu tập trung ở phía Bắc, do gần nguồn than Tổng công suất các nhà máy nhiệt điện đang vận hành tính ở thời điểm 2010 là 4.250 MW [17] và dự kiến vào năm 2020 sẽ là 7.240 MW

Bảng 1.5 Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030

TT Năm Công suất, Tiêu thụ than, Lượng tro bay,

MW triệu tấn/năm triệu tấn/năm

sử dụng Với suất tiêu hao than trung bình khoảng 500 g kWh, tổng lượng than sử dụng cho nhiệt điện và lượng tro bay tạo thành được trình bày trong bảng 1.5 [17]

1.3 Pham vi ứng dụng tro bay trong xây dựng

Tro bay đã được sử dụng rất thành công trong ngành công nghiệp bê tông trên thế giới hơn 50 năm qua Ở Mỹ có hơn 6 triệu tấn và ở châu Âu là hơn 9 triệu tấn đã được

sử dụng trong xi măng và bê tông [18] Có nhiều dự án lớn trong thời gian gần đây 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,

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 trong khối và làm chất điền lấp [19]

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 Một vài thành phố đã sử dụng rất tốt tro bay trong những năm gần đây như thành phố Nam Ninh Năm 2005, lượng tro bay được sử dụng ở thành phố này 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 [10]

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 [20-22] 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 và các khối rỗng trong xây dựng Chúng được ứng dụng môt lương 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 [23]

1.3.1 Một số công trình nghiên cứu và ứng dụng tro bay ở Việt Nam

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 cho các công trình đập thuỷ điện áp dụng công nghệ đổ bê tông đầm lăn như nhà máy thuỷ điện Sơn

La, Bản Vẽ, Sông Tranh 2,… và một số công trình khác như đập Bái Thượng (Thanh Hoá), đập Tân Giang (Ninh Thuận), đập Lòng Sông (Bình Thuận),… [17] 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 [24] 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 (SCL- FLY ASH) đã được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất tại Nhà máy xi măng Hoàng Thạch với tỷ lệ trộn 14%, tại nhà máy xi măng Sông Gianh với tỷ lệ trộn 18% [25]

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 nhẹ và bê tông là rất lớn [17]

Việc nghiên cứu sử dụng tro bay không những góp phần tận dụng phế phẩm sinh

ra từ các nhà máy công nghiệp và bảo vệ môi trường, hiện nay tro bay được các nhà nghiên cứu sử dụng như một loại vật liệu đáp ứng linh hoạt trong việc sản xuất vật liệu xây dựng, góp phần tăng hiệu quả kinh tế cho nhà đầu tư

1.3.2 Ứng dụng tro bay trong một số lĩnh vực và công trình trên thế giới

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, Tro bay có độ bền đầm nén tương đương hoặc lớn hơn đất nên thường được sử dụng trong các lĩnh vực bồi đắp [32]

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 portland [32] 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 [33], làm độn cho bê tông asphalt [34] 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 [35]

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 [35]

Gạch không nung từ tro bay: Tro bay cũng là phế liệu thân thiện môi trường [33] 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 [35]

ốp lát gồm hai lớp: lớp măt và lớp nền Lớp mặt là hỗn hợp gồm nhựa men, xi măng, bôt tro bay và đôlômit Lớp nên là hỗn hợp gồm tro bay bán khô, xi măng và bụi mỏ

đá [32]

1.4 Tổng quan về tính chất cơ lý và ứng dụng của silicafume trong xây dựng

1.4.1 Thành phần và tính chất cơ lý của silicafume

vào loại hợp kim sản xuất Silicafume thu được khi sản xuất hợp kim 50% ferrosilicon

Hình 1.4 Silicafume

- Tính chất vật lý:

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

Mật độ lớn, độ mịn cao, silicafume dạng bột rời có độ mịn cao và khối lượng thể

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

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 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 tiếng đáng kể về bản chất của bê tông

- Tính chất Hóa học:

Silicafume là vật liệu vô định hình, khác với vật liệu tinh thể, vật liệu vô định hình có thể tham gia hòa tan, phản ứng trong bê tông tương tự như xi măng Silicafume

một số vật liệu khác tùy thuộc theo kim loại được sản xuất trong lò luyện, tuy nhiên thông thường các vật liệu này không có tác động đến hiệu suất làm việc của silicafume trong bê tông

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 tông bắt đầu phản ứng hóa học, giải phóng CaO, silicafume phản ứng với CaO này để tạo thành vật liệu kết dính

bổ sung là canxi silicat hydrat, 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

1.4.2 Ứng dụng của silicafume trong lĩnh vực bê tông và 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

- 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

1.4.3 Sản lượng silicafume

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 xuất silicafume nhiều là Na uy, Nam Phi, Canada, Pháp, Nga và Trung Quốc

1.5 Tiềm năng kết hợp giữa silicafume và tro bay

Khi thay thế 1 phần xi măng bằng silicafume và tro bay vào hỗn hợp bê tông, nó

măng tiếp tục tạo thành Calcium Silicate Hydrate C-S-H, giống với phản ứng thủy hóa

xi măng tạo ra từ đó gia tăng cường độ của bê tông Vì thế có thể xem phản ứng xi măng pooc lăng của silicafume và tro bay thực chất là silicafume và tro bay phản ứng

Hình 1.5 Phản ứng Pozzolan của tro bay trong bê tông

Như chúng ta đã biết việc sử dụng tro bay thay thế xi măng đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều năm qua Hàm lượng tro bay thay thế xi măng thông thường chỉ giới hạn trong phạm vi từ 15-20% tổng khối lượng xi măng Là chất thải do quá trình sản xuất công nghiệp tạo ra, việc ứng dụng được tro bay thay thế xi măng đã góp phần vào quá trình xây dựng bền vững, bảo vệ môi trường Tuy nhiên việc sử dụng hàm lượng lớn tro bay thay thế xi măng có thể gây nhiều vấn đề tranh cãi như hàm lượng alkali, sulphate

có thể làm giảm quá trình tạo ra các tinh thể bê tông và làm chậm phản ứng pozzolanic Việc sự dụng silicafume có thể góp phần nâng cao nhiều đặc tính của hỗn hợp bê tông thông qua các tác động vật lý và hóa Những tác động vật lý có thể kể đến như là kích thước hạt của silicafume cực kỳ nhỏ tạo hiệu ứng lấp đầy các lỗ rỗng trong bê

phản ứng với canxi hidrat sản phẩm từ quá trình thủy phân của xi măng tạo ra canxi silicat hydrat giúp làm cải thiện cường độ bê tông

Về khía cạnh môi trường thì silicafume là sản phẩm thải loại từ quá trình sản xuất hợp kim silic bằng hồ quang, kích thước hạt siêu nhỏ gây ô nhiễm môi trường tương tự như tro bay

(Xi măng pooc lăng +

Việc phối trộn tỷ lệ silicafume và tro bay thay thế xi măng hợp lý để đảm bảo được tối ưu hóa hiệu năng của bê tông, tăng hiệu quả kinh tế, hạn chế ô nhiễm môi trường

1.6 Mô đun đàn hồi và các nhân tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của bê tông

1.6.1 Khái niệm về mô đun đàn hồi

Mô đun đàn hồi bê tông, là đại lượng thể hiện độ cứng của bê tông, phụ thuộc vào cường độ bê tông Giá trị mô đun đàn hồi bê tông cũng thay đổi theo thời gian

Mô đun đàn hồi ban đầu của bê tông Eb được định nghĩa từ biểu thức Modul là độ

cong biến dạng ứng suất của bê tông là đường phi tuyến tính do sự xuất hiện của từ biến ngay cả ở giai đoạn ban đầu chất tải

Hình 1.6 Mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ

Mô đun đàn hồi ban đầu là mô đun xuất hiện ngay khi chất tải Mô đun ban đầu của bê tông được định nghĩa từ biểu thức:

1.6.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của bê tông

Các nhân tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của bê thông cũng chủ yếu bao gồm thành phần cấp phối, loại cốt liệu, chất kết dính (xi măng, ) và công nghệ chế tạo, điều kiện dưỡng hộ Ngoài ra cũng giống như cường độ chịu nén thì mô đun đàn hồi của bê tông cũng phụ thuộc vào tuổi bê tông

1.6.3 Các phương pháp xác định mô đun đàn hồi của bê tông

Trong đó:

P : Tải trọng phá hoại, daN;

- Cường độ lăng trụ của bê tông được xác định từ các giá trị cường độ của các viên trong tổ mẫu theo điều 4.3 của TCVN 3118 - 1993

theo công thức:

Eo =

0 1

0 1

- Trong đó:

0

thử so với ở mức ứng xuất ban đầu

- Modun đàn hồi khi nén tĩnh của bê tông được tính từ các giá trị của các viên trong tổ theo điều 4.3 của TCVN 3118 - 1993

1.6.4 Các công trình nghiên cứu về mô đun đàn hồi của bê tông

1.6.4.1 Các công trình nghiên cứu trong nước

Các tác giả Nguyễn Đức Trọng, Trương Văn Đoàn và Trương Quang Việt thực hiện nguyên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Tro bay đến một số tính chất cơ lý của bê tông đầm lăn sử dụng xỉ thép trong xây dựng đường ô tô ở Bà Rịa – Vũng Tàu như độ cứng Vebe, cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, cường độ ép chẻ và mô đun đàn hồi [36] Kết quả thực nghiệm cho thấy hàm lượng tro bay ảnh hưởng đáng kể đến tính công tác và đặc trưng cường độ của bê tông đầm lăn cốt liệu xỉ thép, hàm lượng tro bay hợp lý thay thế xi măng trong bê tông đầm lăn sử dụng xỉ thép có thể lên đến 30% [36]

- Phan Đức Hùng, Lê Anh Tuấn nghiên cứu tính chất cơ học của bê tông geopolymer sử dụng Tro bay gia cường sợi poly-propylene Sợi poly-propylene với hàm lượng 0.5% - 1.5% theo thể tích và tỷ lệ chiều dài trên đường kính sợi từ 100 đến

500 được sử dụng trong nghiên cứu này Bê tông geopolymer hoạt hóa từ tro bay đạt cấp độ bền B25 Kết quả cho thấy sợi poly - propylene làm giảm độ linh động của hỗn hợp bê tông Hàm lượng sợi, chiều dài sợi và tỷ lệ giữa chiều dài trên đường kính sợi ảnh hưởng nhiều đến tính chất của bê tông Tính chất cơ học của bê tông geopolymer được gia cường 0.5% hàm lượng sợi được cải thiện tốt nhất Kết quả thực nghiệm cho thấy giá trị biến dạng của bê tông dùng sợi thay đổi từ 0.0022-0.0031, mô đun đàn hồi thay đổi từ 21.32 GPa - 26.1GPa và hệ số Poisson đạt từ 0.12 - 0.152 [37]

Bùi Tuấn Anh; Bùi Xuân Quý thực hiện nghiên cứu sử dụng tro bay chế tạo vật liệu tự đầm trong xây dựng đường ô tô và đưa ra các nhận xét sau [38]:

- Trong thi công đường ô tô nói chung hoặc bảo dưỡng sửa chữa đường ô tô nói riêng tồn tại nhiều hạng mục có diện thi công hẹp hoặc vị trí thi công đặc biệt khó khăn cho công tác đầm nén Đối với các diện thi công này, đơn vị thi công thường có

xu hướng lựa chọn thiết bị thi công nhỏ phù hợp Tuy nhiên, giải pháp này có thể khó

để đảm bảo được chất lượng đầm Có một giải pháp khác là sử dụng những loại vật liệu tự đầm hoặc chỉ cần công đầm nhỏ vẫn đảm bảo chất lượng công trình [38]

- Với đặc điểm có cấu trúc hạt hình cầu nên tro bay có khả năng tạo ra hiệu ứng

“ổ bi” trong quá trình đầm nén và khi tro bay tham gia vào cấu trúc vật liệu với một tỷ

lệ nhất định có thể tạo ra loại vật liệu tốn ít hoặc không cần công đầm nén [38]

- Vật liệu được thiết kế trong nghiên cứu với mong muốn tạo ra một hỗn hợp không cần đầm nén nhưng có một độ chặt đủ để đảm bảo cường độ của vật liệu xây dựng nền, móng đường ô tô Vật liệu này có thể chỉ có tro bay và chất kết dính hoặc có thêm các cốt liệu lớn tạo bộ khung cốt liệu tăng cường độ hỗn hợp [38]

- Các kết quả trong chương trình thí nghiệm bước đầu khẳng định khả năng sử dụng tro bay trong chế tạo vật liệu tự đầm Việc chế tạo vật liệu này có ý nghĩ vô cùng quan trọng trong việc thanh thải tro thải cho các nhà máy nhiệt điện cũng như góp phần vào nhu cầu thực tiễn trong công tác thi công đường ô tô [38]

- Để áp dụng vật liệu này vào thực tiễn sản xuất cần phải tiếp tục nghiên cứu với sản phẩm tro bay của nhiều nhà máy nhiệt điện, theo dõi cường độ dài ngày hơn, bổ sung chất phụ gia cho hỗn hợp và nghiên cứu xây dựng các vị trí thực nghiệm [38]

1.6.4.2 Các công trình nghiên cứu nước ngoài

D.K Soni and Jasbir Saini tiến hành nghiên cứu cường độ chịu nén, cường độ

cấp phối là 1: 1.45:2.2:1.103 với tỉ lệ nước xi măng là 0.5 Xi măng được thay thế bằng tro bay với các tỉ lệ tương ứng là 30, 40 và 50% Các mẫu được thí nghiệm tại các thời điểm 28 và 56 ngày Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng cường độ chịu nén, cường

độ tách chẻ và mô đun đàn hồi của bê tông có tro bay thay thế xi măng chưa đến 30% gần bằng với mẫu đối chứng Cường độ chịu nén, cường độ tách chẻ và mô đun đàn hồi của bê tông có tro bay thay thế xi măng với tỉ lệ 30%, 40% và 50% nhỏ hơn tại tất

cả các thời điểm so với mẫu đối chứng, tuy nhiên vẫn tiếp tục phát triển theo thời gian [39]

Feng, X., and Clark, B (2011) đánh giá về các chỉ tiêu vật lý và hóa học của tro bay sử dụng trong bê tông Tác giả nhận thấy rằng ở cùng một mức cường độ thì hàm lượng tro bay ít ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của bê tông Vì tro bay loại C thường tạo cường độ lớn hơn loại F và mức độ giới hạn thay thế xi măng ở vào khoảng 15-25% [40]

T Sricharan and I Siva Sai Pavan Kumar nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay và tro trấu đến mô đun đàn hồi của bê tông Trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã sử dụng tỉ lệ tro trấu thay thế xi măng là 0%, 5% và 10% trong khi đó tro bay được sử dụng để thay thế xi măng với tỉ lệ 0%, 10% và 20% Kết quả chỉ ra rằng mô đun đàn hồi tăng khi tro bay thay thế với tỉ lệ nhỏ hơn 10% [41]

1.7 Nhận xét chương 1

Với những đặc điểm trên của bê tông, thành phần đặc tính và phạm vi ứng của silicafume và tro bay trong xây dựng, cùng với việc silicafume và tro bay là sản phẩm thải loại của quá trình sản xuất công nghiệp, gây ô nhiễm môi trường

Cho thấy sử dụng silicafume và tro bay để thay thế một phần xi măng trong hỗn hợp bê tông đem lại lợi ích to lớn và rất thiết thực cho ngành công nghiệp xây dựng, góp phần bảo vệ môi trường

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

2.1 Các tiêu chuẩn sử dụng trong thí nghiệm

Thực hiện các thí nghiệm dựa trên tiêu chuẩn Việt Nam:

- TCVN 3105:1993 – Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng – lấy mẫu, chế tạo

và bão dưỡng mẫu;

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

- TCVN 3115:1993 - Bê tông nặng – Phương pháp xác định khối lượng thể tích;

- TCVN 3118:1993 - Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ nén; -TCVN 5726:1993 - Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ lăng trụ và

Modun đàn hồi khi nén tĩnh

2.2 Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm

các nguồn vật liệu chế tạo, không vượt quá 0,6 kg

Kích thước l sàng Lượng sót tích luỹ trên sàng, % khối lượng

Bảng 2.2 Hàm lượng ion Cl- trong cát Loại bê tông Hàm lượng ion Cl - , % khối lượng,

Loại cát sử dụng trong thí nghiệm là Cát tại bãi cát Diên Lâm (huyện Diên Khánh, tỉnh Khánh Hòa) Vì điều kiện thí nghiệm còn hạn chế nên tác giả không tiến hành thí nghiệm các chỉ tiêu của cát Diên Lâm, huyện Diên Khánh, tỉnh Khánh Hòa

mà chỉ sử dụng đúc các mẫu thí nghiệm sau khi được phơi khô trong môi trường không khí để loại bỏ độ ẩm trong cát

2.2.2 Đá dăm (Cốt liệu lớn)

Cốt liệu lớn có thể được cung cấp dưới dạng hỗn hợp nhiều cỡ hạt hoặc các cỡ hạt riêng biệt Thành phần hạt của cốt liệu lớn, biểu thị bằng lượng sót tích luỹ trên các sàng, được quy định trong Bảng 2.3, TCVN 7570-2006 [48]

Bảng 2.3 Thành phần hạt của cốt liệu lớn Kích thước l

Chỉ số mác đá dăm xác định theo cường độ chịu nén, tính bằng MPa tương đương

Sỏi và sỏi dăm dùng làm cốt liệu cho bê tông các cấp phải có độ nén dập trong xi

lanh phù hợp với yêu cầu trong Bảng 2.5, TCVN 7572-12:2006 [49] Độ hao mòn khi

va đập của cốt liệu lớn thí nghiệm trong máy Los Angeles, không lớn hơn 50% khối lượng Hàm lượng hạt thoi dẹt trong cốt liệu lớn không vượt quá 15% đối với bê tông cấp cao hơn B30 và không vượt quá 35% đối với cấp B30 và thấp hơn Tạp chất hữu

cơ trong sỏi xác định theo phương pháp so màu, không thẫm hơn màu chuẩn

Bảng 2.5 Yêu cầu về độ nén dập đối với sỏi và sỏi dăm

Hàm lượng ion Cl- (tan trong axit) trong cốt liệu lớn, không vượt quá 0,01% Có

thể được sử dụng cốt liệu lớn có hàm lượng ion Cl- lớn hơn 0,01% nếu tổng hàm

Thí nghiệm sử dụng đá (1x2cm) tại mỏ đá Hòn Ngang (huyện Diên Khánh, tỉnh Khánh Hòa) Vì điều kiện thí nghiệm còn hạn chế nên tác giả không tiến hành thí nghiệm các chỉ tiêu của đá, mà chỉ sử dụng đúc các mẫu thí nghiệm sau khi được phơi khô trong môi trượng không khí để loại bỏ độ ẩm trong đá

2.2.3 Xi măng

Áp dụng tiêu chuẩn TCVN 2682:2009 [51]

Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng poóc lăng được quy định trong Bảng 2.6

Bảng 2.6 Các chỉ tiêu ch t lượng của i măng poóc lăng

2 Thời gian đông kết, phút

7 Hàm lượng mất khi nung (MKN), %, không lớn

Bảng 2.7 So sánh chỉ tiêu ch t lượng của i măng Nghi Sơn PCB40 với TCVN

Stt Chỉ tiêu thí nghiệm Tiêu chuẩn thí

nghiệm

Đơn vị tính

Kết quả

TCVN 6260-09

2.2.4 Tro Bay

Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây cần đáp ứng chỉ tiêu chất lượng quy định theoTCVN 10302:2014 - Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng[16] Chất lượng các chỉ tiêu tro bay dùng cho bê tông và vữa xây quy định ở

bảng 2.8

Bảng 2.8 Chỉ tiêu ch t lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa ây

bay

Lĩnh vực sử dụng - Mức

F

C

70

45

2 Hàm lượng lưu huỳnh, hợp chất lưu

lượng, không lớn hơn

khối lượng, không lớn hơn

4 Hàm lượng mất khi nung MKN, %

khối lượng, không lớn hơn

5 Hàm lượng kiềm có hại (kiềm hòa

tan), % khối lượng, không lớn hơn

10 Hoạt độ phóng xạ tự nhiên Aeff,

(Bq kg) của tro bay dùng:

- Đối với công trình nhà ở và công cộng,

- Đối với công trình công nghiệp, đường

Tro bay được sử dụng cho thí nghiệm có nguồn cung cấp là Nhà máy Nhiệt điện Vĩnh Tân 4 tỉnh Bình Thuận đã qua xử lý tuyển nổi với tính chất vật lý và tính chất hóa học được cung cấp theo công bố chất lượng của nhà sản xuất và được thí nghiệm tại Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 3

Bảng 2.9 Thông số kỹ thuật của tro bay Vĩnh Tân 4

Stt Chỉ tiêu phân tích Phương pháp thử nghiệm Đơn vị LOD Kết quả

4

Hàm lượng Lưu huỳnh

Không phát hiện

2.2.5 Silicafume

Silicafume dùng cho bê tông cần đáp ứng chỉ tiêu chất lượng quy định theo TCVN 8827:2011 Phụ gia khoáng hoạt tính cao dùng cho bê tông và vữa – Silicafume

và tro trấu nghiền mịn

Bảng 2.10 Yêu cầu kỹ thuật đối với silicafume dạng bột rời

Ghi chú: *) Khi xác định chỉ số hoạt tính, lựa chọn lượng nước để đạt độ xòe 110±5%

**) Khi xác định chỉ số hoạt tính, sử dụng 242 ml nước và phụ gia siêu dẻo (nếu cần)

để đạt được độ xòe từ 100% đến 115%

Silicafume dùng cho thí nghiệm là silicafume được cung cấp bởi công ty ViKhanhCotđ được cung cấp theo công bố chất lượng của nhà sản xuất và được thí nghiệm tại Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 3

Bảng 2.11 Thông số kỹ thuật của silicafume

STT Tên chỉ tiêu Đơn vị

Kết quả thử nghiệm

Yêu cầu chất lượng TCVN 8827:2011

Đánh giá

2.2.6 Nước

Tiêu chuẩn TCVN 4506:2012 [53] yêu cầu nước trộn bê tông, rửa cốt liệu và bảo dưỡng bê tông cần có chất lượng thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Không chứa váng dầu hoặc váng mỡ

- Lượng tạp chất hữu cơ không lớn hơn 15 mg L

- Độ pH không nhỏ hơn 4 và không lớn hơn 12,5

- Không có màu

- Theo mục đích sử dụng, hàm lượng muối hòa tan, lượng ion sunfat, lượng ion clo và cặn không tan không được lớn hơn các giá trị quy định trong Mục 1, Bảng 2.12 (đối với nước trộn bê tông) và Mục 2, Bảng 2.12 (đối với nước dùng để rửa cốt liệu và bảo dưỡng bê tông)

- Các yêu cầu kỹ thuật khác đối với nước trộn bê tông:

+ Thời gian đông kết của xi măng và cường độ chịu nén của vữa phải thỏa mãn các giá trị quy định trong Mục 3 Bảng 2.12

1000mg L khi sử dụng cùng với cốt liệu có khả năng gây phản ứng kiềm - silic

Bảng 2.12 Hàm lượng tối đa cho phép của muối h a tan ion sunfat ion clorua và

c n không tan trong nước trộn vữa Đơn vị tính bằng miligam trên lít (mg/L)

Ionclo (Cl-)

Cặn không tan

1 Nước trộn bê tông và nước trộn

vữa bơm bảo vệ cốt thép cho các kết

cấu bê tông cốt thép ứng lực trước

2 Nước trộn bê tông và nước trộn

vữa chèn mối nối cho các kết cấu bê

tông cốt thép

3 Nước trộn bê tông cho các kết cấu

bê tông không cốt thép Nước trộn

vữa xây dựng và

trát