Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ rất cao dùng hỗn hợp phụ gia khoáng silica fume, tro bay và các vật liệu sẵn có ở việt nam TT

Cơ sở khoa học của luận án - Lý thuyết về cơ sở nâng cao cường độ các thành phần trong bê tông gồm: Nâng cao cường độ chất kết dính, nâng cao chất lượng cốt liệu và nâng cao cường độ vù

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Lưu Văn Sáng

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO DÙNG HỖN HỢP PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME, TRO BAY VÀ CÁC

VẬT LIỆU SẴN CÓ Ở VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu

Mã số: 9520309

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà nội – Năm 2021

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Phạm Hữu Hanh

Người hướng dẫn khoa học 2: PGS TS Nguyễn Văn Tuấn

Phản biện 1: TS Trần Bá Việt

Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Duy Hiếu

Phản biện 3: PGS TS Lê Trung Thành

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại Trường Đại học Xây dựng

Vào hồi: …… giờ … ngày tháng …năm 2021

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc Gia và thư viện Trường Đại học Xây dựng

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Ngày nay nhu cầu phát triển xây dựng ở Việt Nam thường hướng đến các công trình đặc biệt như nhà siêu cao tầng, các cầu nhịp lớn, kết cấu vỏ mỏng Với các ứng dụng này thì bê tông cường độ cao/chất lượng cao (HSC) hiện nay đang có

ở Việt Nam đáp ứng chưa tốt Theo tiến trình phát triển tất yếu này, các loại bê tông chất lượng cao hơn như bê tông cường độ rất cao (VHSC), bê tông cường

độ siêu cao (UHPC) phải được nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng Tuy nhiên nhược điểm của bê tông UHPC (cường độ ≥ 150 MPa) là sử dụng lượng CKD lớn ≥ 800÷1000 kg/m3 dẫn đến giá thành rất cao khiến khả năng ứng dụng thực

tế còn hạn chế Vì vậy, nghiên cứu và phát triển hệ VHSC với cường độ từ 100÷150 MPa là thực tế hơn

Có nhiều phụ gia khoáng được sử dụng trong chế tạo bê tông chất lượng cao/siêu cao, tuy nhiên hệ hỗn hợp phụ gia khoáng SF và tro bay (FA) có tiềm năng rất lớn khi xét đến tính chất kỹ thuật, khả năng cung ứng và giá thành Vấn đề nghiên cứu đặt ra trong luận án là sử dụng SF và FA kết hợp với các vật liệu sẵn

có ở Việt Nam để chế tạo bê tông VHSC

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng tổ hợp PGK silica fume, tro bay và PGSD để chế tạo bê

tông VHSC có độ chảy cao đạt từ 550÷850 mm, cường độ nén ở tuổi 28 ngày ≥ 100MPa, cường độ uốn > 10MPa trên cơ sở vật liệu sẵn có ở Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Bê tông có : độ chảy loang cao, cường độ nén rất cao: 100÷150 MPa

Bê tông sử dụng phụ gia khoáng SF, FA và các vật liệu sẵn có ở Việt Nam

 Nghiên cứu trong điều kiện phòng thí nghiệm

4 Cơ sở khoa học của luận án

- Lý thuyết về cơ sở nâng cao cường độ các thành phần trong bê tông gồm: Nâng cao cường độ chất kết dính, nâng cao chất lượng cốt liệu và nâng cao cường độ vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu Nâng cao cường độ bê tông dựa trên lý thuyết về tối ưu hóa các thành phần hạt Nâng cao cường độ uốn của bê tông bằng cách sử dụng cốt sợi phân tán

- Cơ sở sử dụng phụ gia khoáng trong bê tông dựa trên lý thuyết quá trình thủy hóa và phát triển vi cấu trúc của xi măng khi có mặt của đơn phụ gia khoáng và

tổ hợp phụ gia khoáng Ảnh hưởng của đơn PGK và tổ hợp đến các tính chất của bê tông dựa trên cơ sở vai trò vật lý và hóa học của PGK

5 Phương pháp nghiên cứu

Trong nghiên cứu đề tài đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, sử dụng tiêu chuẩn trong và ngoài nước, các phương pháp phi tiêu chuẩn để xác định các tính chất của nguyên vật liệu và bê tông VHSC

6 Những đóng góp mới của luận án

 Luận án đã nghiên cứu sử dụng hệ CKD gồm xi măng PC40, tổ hợp PGK

SF-FA và các vật liệu sẵn có ở Việt Nam để chế tạo VHSC với các tính chất: Hỗn hợp bê tông có độ chảy cao 550÷850 mm, cường độ nén bê tông ≥ 100 MPa, cường độ uốn bê tông > 10 MPa

 Luận án xây dựng được quy trình thiết kế thành phần VHSC và tối ưu hóa thành phần bê tông đồng thời đánh giá ảnh hưởng các loại vật liệu sẵn có ở Việt Nam đến độ chảy và cường độ VHSC

 Luận án đã đánh giá được vai trò vật lý và hóa học của PGK SF, FA trong việc cải thiện cường độ của bê tông qua đó khẳng định vai trò quan trọng của hiệu ứng vật lý và hóa học trong việc cải thiện cường độ CKD và VHSC

 Luận án đã chứng minh và khẳng định trên hệ VHSC với tỷ lệ N/CKD thấp khi sử dụng SF và FA thì tồn tại hiệu ứng tương hỗ giữa hai PGK này, đặc biệt hiệu ứng tương hỗ cải thiện cường độ khi giảm tỷ lệ N/CKD

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

7.1 Ý nghĩa khoa học của luận án

 Khẳng định được vai trò của PGK SF, FA trong việc chế tạo VHSC Đánh giá

cơ chế và hiệu ứng tương hỗ của PGK, trong việc cải thiện các tính chất của HHBT và VHSC.Thiết kế tối ưu thành phần hạt của bê tông sử dụng tổ hợp PGK

SF và FA để thiết kết thành phần bê tông và tối ưu hóa thành phần VHSC bằng công cụ toán quy hoạch thực nghiệm

 Đánh giá được ảnh hưởng hàm lượng sợi thép đến các tính chất của HHBT và VHSC Đánh giá được ứng xử cơ học của dầm VHSC Khẳng định được vai trò cốt sợi thép trong việc tăng khả năng vùng chịu nén của bê tông cốt sợi VHSC trên kết cấu dầm

7.2 Ý nghĩa thực tiễn của luận án

 Vấn đề nâng cao độ bền lâu, kéo dài tuổi thọ các công trình xây dựng đang được quan tâm nhất trong khoa học vật liệu do đó việc nghiên cứu chế tạo VHSC

có độ bền lớn có ý nghĩa thực tiễn rất lớn Luận án đánh giá khả năng sử dụng vật liệu địa phương chế tạo VHSC ở Việt Nam nhằm ứng dụng trong xây dựng các nhà siêu cao tầng và cầu nhịp lớn

 Việc sử dụng phế thải công nghiệp là PGK FA, SF để thay thế xi măng sẽ cải thiện tính chất của HHBT và VHSC, góp phần làm giảm giá thành cho sản phẩm

bê tông, nâng cao ý nghĩa về môi trường, xây dựng phát triển bền vững, từ đó

sẽ mở rộng thêm khả năng ứng dụng loại bê tông này vào thực tế xây dựng ở nước ta.Nghiên cứu, đánh giá ứng xử cơ học của kết cấu dầm bê tông VHSC qua đó hướng đến ứng dụng VHSC trong xây dựng thực tế ở Việt Nam

1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO 1.1 GIỚI THIỆU VỀ BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO

1.1.1 Khái niệm bê tông cường độ rất cao

Bê tông cường độ rất cao (Very High Strength Concrete-VHSC) là loại bê tông

có cường độ nén rất cao từ 100÷150 MPa Trong thành phần bê tông bao gồm

xi măng, cát, đá, phụ gia khoáng, phụ gia siêu dẻo và nước

1.1.2 Ưu, nhược điểm của bê tông cường độ rất cao

- Ưu điểm: HHBT có đồng nhất cao, cường độ nén rất cao, cường độ kéo khi

uốn khá lớn, bê tông có độ bền lâu cao Bê tông có tỷ lệ N/CKD thấp, công nghệ chế tạo đơn giản và sử dụng đa dạng

- Nhược điểm: Trong VHSC thường sử dụng lượng dùng chất kết dính lớn dẫn

đến co ngót lớn, giá thành vật liệu cao vì vậy cần thiết phải sử dụng các PGK có thể thay thế một phần xi măng và nâng cao hiệu quả về mặt kỹ thuật và môi

trường Đây là vấn đề đặt ra sử dụng các PGK để nghiên cứu chế tạo VHSC

1.1.3 Vật liệu chế tạo bê tông cường độ rất cao VHSC

- Xi măng: Trong chế tạo VHSC, xi măng được lựa chọn cũng rất đa dạng Trên

thế giới, xi măng CEM loại I và II trong các nghiên cứu và ứng dụng VHSC Ở Việt Nam, các nghiên cứu đều khẳng định rằng xi măng pooclăng PC40 hoàn toàn có thể sử dụng để chế tạo VHSC

- Cốt liệu nhỏ: Cấu trúc, bề mặt, kích thước và lượng dùng cốt liệu nhỏ (CLN)

là nhân tố quan trọng trong thiết kế thành phần VHSC Một số nghiên cứu cho rằng cát thô với mô đun độ lớn ≥ 3,0 là cốt liệu phù hợp trong chế tạo bê tông

có cường độ lớn hơn 100 MPa

- Cốt liệu lớn: Trong VHSC cốt liệu lớn sử dụng được lựa chọn trên các đặc

điểm đó là: cốt liệu có cường độ cao như đá bazan, hình dạng hạt cốt liệu nên gần với hình cầu, Dmax của hạt cốt liệu tốt nhất từ 10÷14 mm

- Phụ gia khoáng hoạt tính: Một số PGK hoạt tính đã và đang được lựa chọn

để chế tạo VHSC như Silica fume (SF), tro bay (FA), xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (GBFS), tro trấu (RHA), Mêta cao lanh (MK) Trong các nghiên cứu về VHSC thường kết hợp SF với một loại PGK khác vừa cải thiện tính chất kỹ thuật đồng thời làm giảm giá thành cho bê tông như: SF+ GGBFS và SF+FA

- Phụ gia hóa học: Hiện nay, loại PGSD thế hệ mới chẳng hạn loại

polycarboxylate Ether đang được sử dụng phổ biến để nâng cao hiệu quả giảm nước đồng thời vẫn đảm bảo được độ chảy của hỗn hợp bê tông (HHBT)

- Cốt sợi: Loại sợi thép phổ biến trong chế tạo BTVHSC là loại có đường kính trung bình là 1 mm, chiều dài 30mm, cường độ kéo trên 1200Mpa

1.1.4 Một số tính chất của bê tông cường độ rất cao

- Cường độ: Cường độ của bê tông là đặc tính quan trọng đánh giá chất lượng

của bê tông Đối với bê tông VHSC cường độ nén nằm trong khoảng từ 100-150 MPa Cường độ uốn thông thường > 10 MPa

- Mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng và mô đun đàn hồi: Sự khác biệt

đường cong ứng suất- biến dạng của so với bê tông thường và bê tông HSC như sau: Cường độ của đá xi măng lớn hơn,cường độ cốt liệu cũng cao hơn, cường

độ vùng chuyển tiếp đá xi măng- cốt liệu cũng cao hơn

- Độ bền lâu: Xét về khả năng bền cacbonat hóa thì VHSC có chiều sâu quá

trình cacbonat hóa bằng 0 vì vậy trong luận án nghiên cứu tính chất độ bền lâu của VHSC ở hai tính chất đó là khả năng chống thấm ion clo và mức độ chống

ăn mòn cốt thép theo thời gian

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO TRÊN THẾ GIỚI

1.2.1 Tình hình nghiên cứu VHSC

VHSC đã được nghiên cứu và phát triển từ những năm 1930 ở Nhật Bản cường

độ nén đạt được 102 MPa ở tuổi 28 ngày tuy nhiên phương pháp chế tạo rất khó thi công thực tế Ngày nay sự xuất hiện của các loại phụ gia khoáng hoạt tính cao như SF, RHA… và PGSD việc chế tạo bê tông VHSC có cường độ từ 100-

150 MPa trở nên dễ dàng hơn Đối với hệ bê tông VHSC sử dụng tổ hợp PGK

SF và FA còn một số vấn đề khoa học cần được làm rõ như : vai trò vật lý và hóa học của SF, FA trong việc cải thiện cường độ bê tông, hiệu quả tương hỗ của tổ hợp PGK này trong việc cải thiện các tính chất bê tông VHSC

1.2.2 Tình hình nghiên cứu VHSC

Hiện nay VHSC hoàn toàn có thể đáp ứng được trong các lĩnh vực như: nhà siêu cao tầng, cầu đi bộ và cầu nhịp lớn, các công trình biển, mặt tràn đập thủy điện, các công trình an ninh quốc phòng và nhà máy điện hạt nhân

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ RẤT CAO Ở VIỆT NAM

Ở Việt Nam vấn đề nghiên cứu về VHSC còn rất mới, các kết quả công bố chưa nhiều điển hình một số nghiên của tác giả ở Trường Đại học Xây dựng, trường Đại học Giao thông vận tải, Viện Vật liệu xây dựng Hiện nay, hướng nghiên cứu sử dụng các tổ hợp PGK SF và FA nhằm chế tạo BTVHSC trong điều kiện Việt Nam còn ít và đây là hướng nghiên cứu của luận án

Dựa trên các phân tích về mặt lý thuyết và thực tiễn các vấn đề của luận án đặt

ra nghiên cứu trong điều kiện vật liệu sẵn có ở Việt Nam đó là:

1 Về mặt vật liệu chế tạo: Luận án tiến hành nghiên cứu chế tạo VHSC dựa trên nguồn vật liệu: Xi măng PC40, PGK gồm SF và FA, cát vàng, đá bazan, PGSD

2 Về phương pháp thiết kế thành phần bê tông: Luận án nghiên cứu thiết kế thành phần VHSC tính toán từ thiết kế thành phần hạt và tối ưu hóa các thành phần bê tông

3 Đánh giá vai trò điền đầy và hóa học của PGK SF và FA, nghiên cứu hiệu quả tác dụng tương hỗ của PGK SF và FA trên hệ VHSC Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến tính chất VHSC

4 Về nghiên cứu ứng dụng: Luận án nghiên cứu, đánh giá ứng xử cơ học của VHSC trên kết cấu dạng dầm

2 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CHẾ TẠO VHSC

2.1 CƠ SỞ KHOA HỌC NÂNG CAO CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG

2.1.1 Nâng cao cường độ đá chất kết dính

Để nâng cao cường độ bê tông vì thực tế cường độ của VHSC luôn cao hơn cường độ của xi măng do vậy để nâng cao cường độ của CKD trong VHSC thường áp dụng các biện pháp: - Cải thiện cấu trúc đá xi măng bằng cách sử dụng xi măng mác cao kết hợp với phụ gia siêu dẻo để giảm tỷ lệ N/CKD xuống thấp làm tăng độ đặc hồ CKD và giảm lượng nước dư thừa Sử dụng các phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn với hàm lượng hợp lý làm tăng sản phẩm thủy hóa của XM, cải thiện cấu trúc rỗng của bê tông

2.1.2 Nâng cao chất lượng cốt liệu

Một trong những yếu tố quyết định đến cường độ của bê tông phải đề cập đến là chất lượng và độ đồng nhất của khung cốt liệu Lựa chọn cốt liệu có cường độ cao, có độ đặc chắc cao và phải giảm kích thước lớn nhất (Dmax) của cốt liệu -Thành phần hạt cốt liệu: cùng với việc tính toán hợp lý thành phần bê tông và biện pháp thi công tốt, đối với một loại bê tông đặc chắc cần có bộ khung chịu lực (cốt liệu) ổn định, cấu trúc bê tông đồng nhất Do đó trong thực tế thường phải đưa cốt liệu mịn vào cấp phối thậm chí bắt buộc phải dùng hạt siêu mịn nếu cường độ bê tông yêu cầu 100 MPa

2.1.3 Tăng khả năng liên kết giữa cốt liệu và đá xi măng

Giải pháp để nâng cao cường độ vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu

là sử dụng PGSD làm giảm tỷ lệ N/X đến thấp nhất, đồng thời sử dụng các loại PGK hoạt tính siêu mịn nhằm cải thiện được cấu trúc vùng chuyển tiếp, giảm chiều dày và làm tăng cường độ vùng chuyển tiếp thông qua phản ứng puzơlanic với Ca(OH)2 của đá XM đồng thời đóng góp hiệu ứng điền đầy, phân tán góp phần làm giảm lượng nước tự do trong bê tông

2.1.4 Nâng cao cường độ bê tông bằng cách tối ưu hóa thành phần hạt

Thiết kế thành phần hạt nhằm tìm ra tỷ lệ tối ưu giữa các cấp hạt nhằm mục đích tạo ra độ rỗng tối ưu của hệ, thường có thể là độ rỗng nhỏ nhất (bê tông đặc chắc nhất) Việc phối hợp các cấp hạt này thường phụ thuộc vào hình dạng hạt và sự phân bố kích thước hạt Như vậy thiết kế thành phần hạt trong bê tông là một bước quan trọng trong thiết kế cấp phối bê tông, đặc biệt là VHSC khi cấu trúc đặc chắc là một trong những yêu cầu quan trọng

2.1.5 Nâng cao cường độ uốn bê tông bằng cách sử dụng cốt sợi

Mục đích sử dụng sợi thép để tăng liên kết gữa các thành phần trong cấu trúc,

sẽ tăng cường độ uốn, chống nứt và tăng độ bền dẻo dai của bê tông

2.2 CƠ SỞ KHOA HỌC SỬ DỤNG PHỤ GIA KHOÁNG TRONG BÊ TÔNG 2.2.1 Ảnh hưởng của PGK trong quá trình thủy hóa xi măng

- Ảnh hưởng của SF: Ảnh hưởng của SF đến quá trình thủy hóa của đã XM

phụ thuộc vào: kích thước tỷ diện tích bề mặt hạt, thành phần hóa học và hàm lượng pha thủy tinh và hàm lượng SF thay thế Khi sử dụng SF với hàm lượng

hợp lý góp phần thúc đẩy phản ứng thủy hóa của xi măng và phản ứng thứ cấp của SiO2 với sản phẩm thủy hóa của xi măng xảy ra ở tuổi sớm ngày

- Ảnh hưởng của FA: Ảnh hưởng của FA đến quá trình thủy hóa của xi măng

phụ thuộc vào hàm lượng và loại tro bay sử dụng Có rất nhiều kết quả khác nhau đánh giá ảnh hưởng của FA đến quá trình thủy hóa của XM tuy nhiên các kết quả cho thấy FA làm giảm quá trình thủy hóa của XM ở tuổi sớm Phản ứng puzolanic của FA với sản phẩm thủy hóa xi măng xảy ra chủ yếu ở tuổi muộn

- Ảnh hưởng của sự kết hợp SF và FA: Trong 24 giờ đầu các hạt phụ gia

khoáng pozzolit (Sự kết hợp của SF và FA) ảnh hưởng tích cực đến sự thủy hóa sớm của xi măng Các hạt tro bay lớn không được bao bọc bởi SF đóng vai trò làm hạt nhân kết tủa các sản phẩm thủy hóa Các hạt SF riêng rẽ hoặc các hạt tro bay mịn sẽ thúc đẩy quá trình thủy hóa của xi măng

2.2.2 Cơ sở khoa học đánh giá vai trò của tác dụng vật lý và hóa học khi sử dụng phụ gia khoáng trong bê tông

+ Hiệu ứng vật lý: Hiệu ứng này chỉ xảy ra đối với các PGK có kích thước

mịn/siêu mịn (hay còn gọi là hiệu ứng vi cốt liệu) Khi kích thước các hạt PGK nhỏ hơn XM, chúng có khả năng lấp đầy khoảng trống giữa các hạt XM, tương

tự như các hạt cát lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu thô hay xi măng lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu mịn Kết quả là hàm lượng pha rắn tăng lên cải thiện các tính chất của bê tông Hiệu ứng vật lý này còn xảy ra mạnh đối với bê tông HSC/VHSC/UHPC khi tỷ lệ N/CKD thấp Hiệu ứng này phụ thuộc vào hình dạng hạt, cấu trúc hạt và hàm lượng PGK sử dụng trong bê tông đặc biệt khi PGK sử dụng là SF

+ Hiệu ứng hóa học: Hiệu ứng hóa học được đánh giá thông qua các phản ứng

puzơlanic giữa PGK và sản phẩm thủy hóa của xi măng theo cơ chế:

Puzơlan + Ca(OH)2+H2O=> C-S-H (Hyđrôsilicat canxi)

2.2.3 Cơ sở khoa học đánh giá hiệu ứng tương hỗ trong bê tông

Một trong các vấn đề khoa học được đặt ra khi sử dụng các PGK là mỗi PGK

có những ưu điểm, nhược điểm riêng và liệu có tồn tại các hệ tổ hợp các loại PGK mà có thể khắc phục các nhược điểm lẫn nhau của từng PGK, và từ đó làm tăng hiệu quả sử dụng của các PGK trong hệ xi măng và bê tông chẳng hạn như

hệ PGK SF-FA thì FA có thể khắc phục những nhược điểm của SF và ngược lại

SF khắc phục những nhược điểm của FA Sự kết hợp này được gọi là hiệu ứng tương hỗ

3 CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VẬT LIỆU SỬ DỤNG

3.1.1 Xi măng: Luận án đã sử dụng xi măng PC40 Bút Sơn để nghiên cứu 3.1.2 Phụ gia khoáng

3.1.2.1 Silica fume: luận án sử dụng SF với cỡ hạt trung bình 0,15µm

3.1.2.2 Tro bay: Luận án sử dụng loại FA siêu mịn đã tuyển, loại tro này thuộc

loại F theo ASTM C618

3.1.3 Phụ gia trơ

Mục đích sử dụng của PGK trơ này để đánh giá vai trò vật lý của SF, FA Loại ôxit titan siêu mịn (TiO2-SM) kích thước hạt 0,11 µm dùng để đánh giá vai trò vật lý của SF Loại ôxit titan thô (TiO2-T) được nghiền mịn đến kích thước hạt 7,59 µm dùng để đánh giá vai trò vật lý của FA

Hình 3.1 Sự phân bố thành phần hạt của các vật liệu CKD

3.1.4 Cốt liệu

3.1.4.1 Cốt liệu nhỏ: Trong đề tài này sử dụng cát sông có mô đun độ lớn 3,06

Loại cát có mô đun độ lớn thấp hơn 2,58 và 1,1 làm mẫu đối chứng

3.1.4.2 Cốt liệu lớn: Đề tài lựa chọn một loại cốt liệu là đá Bazan có Dmax= 10

mm, loại Dmax=5 mm và 20 mm được sử dụng làm đối chứng

3.1.5 Cốt sợi thép: Cốt sợi sử dụng trong đề tài là cốt sợi thép vai bò chiều dài

3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

3.2.1 Các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn

Luận án đã sử dụng phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn Việt Nam và trên thế giới để thí nghiệm, xác định các tính chất cơ lý của nguyên vật liệu sử dụng, các tính chất hồ xi măng, HHBT và bê tông

3.2.2 Phương pháp nghiên cứu phi tiêu chuẩn

Một số phương pháp thí nghiệm phi tiêu chuẩn được sử dụng như: Xác định độ lèn chặt theo phương pháp khô, xác định độ nhớt hồ CKD, phương pháp thí nghiệm đo co nội sinh trong bê tông, phương pháp đo đường kính lỗ rỗng trung bình bằng phương pháp BJH, phương pháp phân tích nhiệt vi sai - DTA/TGA, xác định hàm lượng Ca(OH)2 trong đá xi măng, xác định lượng nước liên kết, phương pháp xác định ăn mòn cốt thép

3.2.3 Phương pháp thiết kế thành phần bê tông

- Phương pháp thiết kế sơ bộ thành phần bê tông: Xuất phát từ yêu cầu về tính

công tác và cường độ nén >100 MPa của VHSC, luận án sử dụng phương pháp thiết kế CPBT dựa trên cơ sở tối ưu hóa thành phần hạt

- Phương pháp tính toán thành phần bê tông cường độ rất cao: Việc tính toán

SF

thành phần bê tông thường tuân thủ theo nguyên tắc thể tích tuyệt đối

- Phương pháp tối ưu thành phần bê tông: Để tối ưu hóa thành phần vật liệu của

VHSC luận án sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm

3.2.4 Phương pháp xác định vai trò vật lý và hóa học của phụ gia khoáng

Phương pháp định lượng vai trò của phụ gia khoáng được tính toán theo phương pháp Goldman và Bentur Hiệu ứng cải thiện tính chất của PGK được coi là hiệu ứng tổng Hiệu ứng vật lý của PGK được đánh giá thông qua hiệu ứng của chất trơ thay thế cùng một hàm lượng với PGK trong bê tông Gọi hiệu ứng tổng (total effect) bao gồm hiệu ứng vật lý và hóa học của PGK ký hiệu là TE Hiệu ứng vật lý hay điền đầy (filler effect) ký hiệu FE Hiệu ứng hóa học puzơlanic của PGK ký hiệu PE Khi đó có thể định lượng các hiệu ứng như sau:

TE= a-c (Mpa, %) FE=b-c (Mpa, %) PE=a-b (Mpa, %) (3.1)

3.2.5 Phương pháp xác định định lượng hiệu ứng tương hỗ của tổ hợp PGK

Hiệu ứng tương hỗ được định lượng theo Isaia được tính theo công thức:

SE = P(FA + poz) - (PFA + Ppoz) (3.2) SE: là hiệu ứng tương hỗ của tổ hợp PGK ( có thể là cường độ, độ bền) %

P(FA + poz) là tính chất của bê tông với hệ hỗn hợp PGK (hệ tổ hợp 2 PGK)

PFA, Ppoz là trị số ứng với hiệu ứng bê tông có chứa FA, SF hoặc RHA

Trị số P được tính theo công thức: 𝑃 =𝐼𝑝

𝐼 𝑟𝑥100, % (3.3) Trong đó Ip, Ir là mức độ tăng các tính chất của mẫu chứa PGK so với 100XM

4 CHƯƠNG 4 VAI TRÒ CỦA PHỤ GIA KHOÁNG SILICA FUME VÀ

TRO BAY TRONG HỆ CHẤT KẾT DÍNH

4.1 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG PGK ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA CHẤT KẾT DÍNH

4.1.1 Ảnh hưởng của phụ gia khoáng SF và FA tới tính công tác hồ CKD

Hình 4.1 Ảnh hưởng của loại và hàm lượng PGK đến tính công tác hồ CKD

- Ảnh hưởng của SF: Khi sử dụng SF thay thế xi măng 5÷10% thì tính công

tác của hồ CKD được cải thiện thể hiện thông qua độ chảy tăng lên và độ nhớt

hồ CKD giảm Tiếp tục tăng hàm lượng SF =15% thì độ chảy hồ CKD giảm xuống và độ nhớt của hồ CKD tăng lên

0 10 20 30 40

- Ảnh hưởng của FA: Kết quả thí nghiệm Hình 4.1 cho thấy khi hàm lượng FA

thay thế XM thì góp phần làm giảm độ nhớt và tăng độ chảy của hồ CKD Điều này được giải thích thông qua hiệu ứng hình dạng hạt hình cầu của FA tương tự

SF làm giảm nội ma sát giữa các hạt xi măng góp phần cải thiện tính công tác của hồ CKD Tuy nhiên kết quả nghiên cứu cho thấy tại tỷ lệ N/CKD thấp chỉ

có thể thay thế FA đến 40%CKD bởi vì nếu hàm lượng FA thay thế lớn hơn hồ CKD xảy ra hiện tượng tách nước, đây cũng chính là nhược điểm của việc sử dụng đơn khoáng FA trong chế tạo VHSC

- Ảnh hưởng tổ hợp SF và FA: Khi cố định lượng sử dụng SF = 10% và thay

đổi lượng dùng FA từ 10% tới 50% thì độ nhớt hồ giảm và độ chảy tăng lên Sự kết hợp giữa SF và FA có thể thay thế FA đến 50% mà hồ CKD không có hiện tượng phân tầng, tách nước, điều này rất có ý nghĩa trong việc chế tạo hỗn hợp

bê tông có hàm lượng tro bay cao tại tỷ lệ N/CKD thấp

Khi cố định FA=20% thì tính công tác của CKD thay đổi theo hàm lượng SF sử dụng SF=5÷10% thì độ chảy tăng lên và độ nhớt giảm xuống Khi SF=15% thì

độ chảy giảm và độ nhớt lại tăng lên Sự khác biệt này được giải thích do vai trò đơn khoáng của SF: với hàm lượng thấp SF ≤10% thì SF tăng khả năng phân tán của các hạt XM và FA dẫn đến độ chảy tăng và giảm độ nhớt, với hàm lượng SF=15% thì cần lượng nước thấm ướt bề mặt hạt lớn hơn kéo theo độ nhớt tăng lên và độ chảy giảm xuống

4.1.2 Ảnh hưởng của PGK SF và FA tới cường độ của CKD

Hình 4.2 Ảnh hưởng hàm lượng SF

đến cường độ CKD tại N/CKD=0,22 đến cường độ CKD tại N/CKD=0,22 Hình 4.3 Ảnh hưởng hàm lượng FA

- Ảnh hưởng của SF: Việc thay thế hàm lượng SF góp phần tăng cường độ đá

CKD cụ thể so với mẫu 100XM ở các hàm lượng SF=5-15% góp phần tăng cường độ tương ứng là 36,4% ; 53,8% và 29,1% Ở tuổi 28 ngày và 90 ngày mức độ tăng cường độ giảm dần khi so sánh với 100XM ở tất cả các hàm lượng

SF Hàm lượng SF tốt nhất lấy bằng 10%CKD

- Ảnh hưởng của FA: Kết quả thí nghiệm cho thấy ở tuổi sớm 3 ngày khi thay

thế XM bằng FA cường độ nén của CKD giảm ở tất cả các hàm lượng FA thay thế Ở tuổi ≥28 ngày, cường độ CKD tăng so với mẫu đối chứng ở hàm lượng FA=10,20%CKD do phản ứng puzơlanic của FA Cường độ CKD cao nhất ở hàm lượng FA=20% ở tuổi 90 ngày (7,6%)

0,8 1,2 1,6

0 20 40 60 80 100

0 10 20 30 40 Hàm lượng FA, %

- Ảnh hưởng tổ hợp SF và FA:

-Ảnh hưởng của tổ hợp CKD 10SF kết hợp với các hàm lượng FA khác nhau:

Ở tuổi 3 ngày khi hàm lượng FA tăng từ 10-20% cường độ CKD tăng tương ứng 37,8% và 19,5% so với mẫu 100XM Khi tiếp tục tăng hàm lượng FA=30-50% thì cường độ CKD có xu hướng giảm Ở tuổi muộn 90 ngày, kết quả cho thấy

sự kết hợp SF và FA có sự khác biệt so với tuổi sớm ngày cụ thể: khi hàm lượng

FA thay thế ở 10 và 20%XM thì cường độ CKD tăng tương ứng 31,5% và 39,7% Tiếp tục tăng hàm lượng FA thay thế từ 30% lên 50% thì cường độ CKD

giảm Như vậy tồn tại hàm lượng FA =20% hợp lý cho cường độ nén cao nhất

Hình 4.4 Ảnh hưởng tổ hợp 10SF+ FA đến

cường độ CKD tại N/CKD=0,22

Hình 4.5 Ảnh hưởng tổ hợp 20FA+ SF đến cường độ CKD tại N/CKD=0,22

-Ảnh hưởng của tổ hợp CKD 20FA kết hợp với các hàm lượng SF khác nhau:

Ở tuổi sớm 3 ngày kết quả thí nghiệm cho thấy khi SF=0% cường độ CKD giảm

so với mẫu 100XM Sự giảm cường độ là do XM bị thay thế bởi 20%FA Khi

có SF tăng từ 5-15% cường độ CKD tăng lên so với mẫu 100XM Ở tuổi muộn

90 ngày, cường độ CKD tăng ở tất cả các mẫu so với mẫu 100XM do phản ứng puzơlanic của FA ở tuổi muộn Tồn tại hàm lượng SF hợp lý =10% cho cường

độ nén cao nhất khi cố định hàm lượng FA=20%

Như vậy sự kết hợp tổ hợp SF và FA tốt nhất trong khảo sát này là 10%SF + 20%FA cho cường độ CKD lớn nhất Đây là cơ sở để lựa chọn hàm lượng PGK

SF và FA trong CKD và bê tông

4.2 NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ TƯƠNG HỖ CỦA TỔ HỢP PGK SF VÀ

10SF+FA,%

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

0 20 40 60 80 100 120

20FA+SF

4.2.1 Cải thiện tính công tác của hồ CKD

Kết quả thí nghiệm cho thấy sự kết hợp SF và FA góp phần làm tăng độ chảy của hồ CKD khi sử dụng cùng hàm lượng PGSD và giảm độ nhớt của hồ CKD

so với mẫu 100XM Mặt khác khi kết hợp SF với FA ở hàm lượng PGK FA khác nhau (mục 4.1.2) sự kết hợp này có thể sử dụng đến 50%PGK FA mà không bị phân tầng, tách nước điều này có ý nghĩa thực tiễn khi sử dụng FA hàm lượng cao [87]

4.2.2 Cải thiện cường độ đá CKD

Bảng 4.2 Kết quả thí nghiệm cường độ CKD với các PGK khác nhau

Tỷ lệ

N/CKD

Ký hiệu CP

Mức tăng cường độ 100%CKD, %

Mức tăng cường độ 1%XM, %

3 ngày 28 ngày 90 ngày 3 ngày 28 ngày 90 ngày 10SF 53,8 32,3 29,5 70,9 47,0 43,9 20FA -13,6 3,6 7,6 8,0 29,5 34,5 10SF20FA 19,5 34,7 39,7 70,7 92,5 99,6

Tương hỗ SE, % -20,8 -1,1 2,6 -8,3 16,0 21,2

10SF 38,7 26,5 24,1 54,1 40,6 37,9 20FA -8,8 3,1 6,4 14,0 28,9 33,0 10SF20FA 22,6 35,2 37,2 75,2 93,1 96,1

Tương hỗ SE, % -7,2 5,5 6,7 7,1 23,6 25,1

Kết quả thí nghiệm cho thấy sự kết hợp SF+FA góp phần làm giảm hiệu ứng làm giảm phát triển cường độ của mẫu chứa FA ở tuổi sớm ngày Như vậy sự kết hợp SF+FA ở tuổi sớm ngày bù trừ các khuyết điểm khi sử dụng đơn khoáng

FA Ở tuổi muộn hơn (>28 ngày) mức độ tăng cường độ khi kết hợp SF+FA là đáng kể tăng 39,7% và 37,2% ở tỷ lệ N/CKD= 0,22 và 0,18 Điều này chứng tỏ tồn tại hiệu ứng tương hỗ của tổ hợp PGK SF-FA Kết quả định lượng cho thấy hiệu ứng tương hỗ của tổ hợp PGK tại tỷ lệ N/CKD=0,22; 0,18 góp phần cải thiện đáng kể cường độ CKD lớn nhất tương ứng 21,2% và 25.1% (tính theo 1%XM) ở tuổi 90 ngày

4.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng sự tương hỗ của tổ hợp PGK đến hàm lượng Ca(OH) 2 trong đá xi măng