Nghiên cứu phối hợp sử dụng phụ gia hoạt tính tro trấu và metacaolanh để nâng cao chất lượng của vật liệu xi măng pooclăng cốt sợi tre

Bộ giáo dục và đào tạo Trờng Đại học vinh=====***===== Lê thị nga Nghiên cứu phối hợp sử dụng phụ gia hoạt tính tro trấu và metacaolanh để nâng cao chất lợng của vật liệu xi măng pooclăn

Bộ giáo dục và đào tạo Trờng Đại học vinh

=====***=====

Lê thị nga

Nghiên cứu phối hợp sử dụng phụ gia hoạt tính tro trấu và metacaolanh để nâng cao chất lợng của vật liệu xi măng pooclăng - cát và vật liệu xi măng

pooclăng - cốt sợi tre

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, đợc các tác giả cho phép sử dụng và cha từng đợc công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Lê Thị Nga

Lời cảm ơn

Bản luận văn này đợc hoàn thành tại khoa Hóa - ĐHKHTN - ĐHQG HN, Viện vật liệu xây dựng - Bộ xây dựng Hà nội, Viện khoa học thủy lợi Hà nội, Viện vật liệu polime - ĐHBK Hà Nội và khoa Hóa trờng ĐHV

tận tình hớng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình làm luận văn

Tôi cũng xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sự giúp đỡ về mọi mặt của ban quản lý sau đại học - ĐHV, BGH trờng Đại học Vinh, BCN khoa Hóa và quý Thầy Cô giáo tham gia giảng dạy tôi trong suốt quá trình học tập

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô và các anh chị em trong bộ môn Hóa vô cơ - phòng thí nghiệm hóa vật liệu xây dựng – Trờng ĐHKHTN Hà

nội, Trung tâm xi măng và bê tông, trung tâm vật liệu hữu cơ và hóa phẩm xây dựng – Viện vật liệu xây dựng – Bộ xây dựng Hà nội, Phòng nghiên cứu vật liệu – Viện khoa học thủy lợi,Trung tâm vật liệu polime - ĐHBK Hà nội và

chất trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhng luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, Em rất mong đợc thầy cô giúp đỡ để luận văn đợc hoàn thiện hơn

Mục lục

Lời cảm ơn

Mục lục Trang

Mở đầu .6

Chơng 1: Tổng quan 8

1.1.Giới thiệu chung về xi măng 8

1.1.1 Xi măng 8

1.1.2.Sự hydrat hóa của khoáng clinke 10

1.1.2.1 Sự hydrat hóa của C3S (Alit) 10

1.1.2.2 Sự hydrat hóa của C2S (Belit) 11

1.1.2.3 Sự hydrat hóa của C3A 11

1.1.2.4 Sự hydrat hóa của C4AF 12

1.1.3 Hydrat hóa của các khoáng trong ximăng 12

1.1.4 Lý thuyết về đông cứng hồ xi măng 13

1.1.5 Phản ứng puzơlan trong xi măng pha phụ gia khoáng hoạt tính 14

1.1.6 Sự thay đổi thể tích trong quá trình hydrat hóa xi măng 17

1.2 Giới thiệu chung về vật liệu trên cơ sở xi măng cát– 18

1.2.1 Khái niệm về đá xi măng, bê tông và bê tông cốt thép 18

1.2.2 Phân loại và đánh giá chất lợng bê tông 19

1.2.3 Các yếu tố ảnh hởng đến chất lợng bê tông 19

1.2.4 Các tính chất cơ, lý, hóa của đá xi măng bê tông và những yếu tố ảnh hởng đến nó .22

1.2.4.1 Mức độ ổn định thể tích của đá xi măng 22

1.2.4.2 Thời gian đông kết 22

1.2.4.3 Độ rỗng của đá xi măng 23

1.2.4.4 Cờng độ xi măng 23

1.3 Giới thiệu chung về vật liệu trên cơ sở xi măng cốt sợi– 24

1.3.1 Giới thiệu chung về bê tông cốt sợi 24

1.3.2 Tổng quan về bê tông cốt sợi tre 25

1.3.3 Khái niệm vật liệu xi măng – cốt sợi tre 26

1.4 Giới thiệu về phụ gia tro trấu và metacaolanh 25

1.4.1 Phụ gia tro trấu 27

1.4.1.1 Nghiên cứu tro trấu trên thế giới 27

1.4.1.2 Nghiên cứu tro trấu ở Việt Nam 28

1.4.2 Phụ gia metacaolanh 30

1.5 Sự phối kết hợp giữa các loại phụ gia khoáng 34

1.6 Phơng pháp qui hoạch thực nghiệm 36

chơng 2: thực nhiệm 38

2.1 Nghiên cứu, lựa chọn và chế tạo vật liệu 44

2.1.1 Xi măng pooclăng PC40 Tam Điệp 44

2.1.2 Cốt liệu cát 45

2.1.3 Cốt liệu sợi tre 46

2.1.4 Phụ gia metacaolanh 46

2.1.5 Phụ gia tro trấu 49

2.1.6 Xác định độ hút vôi của phụ gia khoáng metacaolanh và tro trấu .53

2.1.7 Xác định thời gian đông kết của vữa xi măng có phụ gia tro trấu và vữa xi măng có phụ giai metacaolanh 56

2.2 Nghiên cứu xác định tỷ lệ phối hợp của phụ gia metacaolanh và tro trấu trên vật liệu xi măng cát– 57

2.2.1 Lựa chon mô hình thực nghiệm 57

2.2.2 Tính toán xử lý kết quả theo mô hình 59

2.2.3 Phân tích kết quả thí nghiệm, xác định tỷ lệ hợp lý của phụ gia 64

2.3 Nghiên cứu vai trò của phụ gia khoáng hoạt tính metacaolanh và tro trấu trên vật liệu xi măng cốt sợi tre– 70

2.3.1 Tiến hành đúc mẫu thí nghiệm 70

2.3.2 Kết quả thí nghiệm 71

2.3.3 Nghiên cứu cấu trúc của đá xi măng – cốt sợi tre

có pha phụ gia tro trấu và metacaolanh 72

Chơng 3: Kết luận và kiến nghị 74

3.1 Kết luận 74

3.2 Kiến nghị 74

Chơng 4: Phụ lục 76Một số hình ảnh trong quá trình thực hiện đề tài

Tài liệu tham khảo 80

Mở đầuHiện tại và trong nhiều năm tới, nhịp độ xây dựng ở Việt Nam đang phát triển một cách nhanh chóng Một điều cần lu ý là Việt Nam nằm trong vùng có khí hậu khắc nghiệt: nắng nhiều, ma lắm, độ ẩm cao do đó để nâng tuổi thọ của công trình lên cần phải có loại bê tông chất lợng cao Bởi vậy bắt buộc phải sử dụng các loại phụ gia khác nhau mới sản xuất đợc bê tông chất lợng cao đáp ứng cho các công trình xây dựng Đặc biệt nhu cầu về các loại bê tông đặc chủng để xây dựng các công trình bê tông ở ven biển, hải đảo, xây dựng và sửa chữa cho một mạng lới cầu cống và các công trình thủy lợi ở khắp mọi miền đất nớc

Do chất lợng xi măng cha cao, cha sử dụng các loại phụ gia một cách hợp lý

và có thể cả nguyên nhân thiết kế và kỹ thuật thi công nên rất nhiều công trình

có tuổi thọ rất thấp, có những công trình chỉ mới sử dụng 15-20 năm đã h hỏng nặng nề nên phải tiến hành sửa chữa lại tốn kém Tuy nhiên có những đặc điểm riêng và điều kiện không thuận lợi, khiến cho tuổi thọ có thể bị rút ngắn và gây nên những tổn thất to lớn nh là: các công trình mà tiếp xúc với nớc hoặc tiếp cận với môi trờng ẩm ớt, môi trờng xâm thực dễ bị ăn mòn Khi công trình nằm trong nớc, nớc có thể thấm vào bê tông, hòa tan vôi để vôi tiết ra ngoài, vôi ở

măng thủy hóa Vôi tiết ra tạo ăn mòn rửa trôi (ăn mòn loại 1) làm cho cấu trúc

nằm trong các mao mạch của bê tông gây ăn mòn dạng 3 Quá trình ăn mòn đối với kết cấu bê tông càng nghiêm trọng theo thời gian, dẫn dến phá hoại công trình Trong thực tế nhiều công trình đã bị ăn mòn phá hoại nh vậy và khởi nguồn từ việc thấm nớc vào bê tông và hiện tợng tích vôi từ bê tông vào môi tr-ờng nớc Vì vậy việc chống thấm nớc cho bê tông và ổn định thành phần vôi trong đá xi măng và bê tông có ý nghĩa rất quan trọng, nhằm nâng cao độ bền của bê tông nói chung

Việc sử dụng phụ gia hoạt tính nghiền mịn trong bê tông thờng là một trong những giải pháp hữu hiệu nhằm khắc phục những vấn đề trên Ngoài ra cũng nhờ có phản ứng puzơlan chúng còn cải thiện dáng kể cờng độ và độ chắc đặc của bê tông góp phần tăng cờng khả năng chống xâm thực của bê tông về sau.Phụ gia hoạt tính là một chất vô cơ, ngời ta có thể sử dụng một loại phụ gia hoạt tính hay hỗn hợp nhiều phụ gia hoạt tính trong bê tông, tùy thuộc vào mục

đích và giá thành của loại bê tông đó Trong tiêu chuẩn TCXD 191:1995 có

định nghĩa phụ gia hỗn hợp là phụ gia đợc chế biến từ các phụ gia khác nhau và

có khả năng điều chỉnh một số tính chất của bê tông Tại Mỹ, giáo s Michael Thomas đã nghiên cứu phối hợp hai phụ gia khoáng hoạt tính tro bay và muội silic dùng trong bê tông tính năng cao[48] Các kết quả nghiên cứu cho thấy khi kết hợp muội silic, tro bay theo tỷ lệ hợp lý sẽ cho kết quả tốt hơn so với việc sử dụng riêng từng loại, còn tác giả Nguyễn Văn Chánh với đề tài luận án tiến sĩ

đã sử dụng tro trấu để cải biến vật liệu nền xi măng pooclăng nhằm phát triển

độ bền của bê tông cốt sợi xơ dừa

Riêng chúng tôi lại muốn nghiên cứu việc sử dụng phối hợp hai loại phụ gia tro trấu và metacaolanh trên 2 loại vật liệu: thứ nhất là vật liệu xi măng pooclăng-cát ở tỷ lệ nào của hai phụ gia thì kết quả là tốt nhất, thứ 2 là trên vật

cứu phối hợp sử dụng phụ gia hoạt tính tro trấu và metacaolanh để nâng cao

Xi măng là tên gọi chung của nhóm chất kết dính có đặc tính ngng kết và

đóng rắn khi phản ứng với nớc Xi măng pooclăng đợc sản xuất lần đầu tiên ở Anh bằng phơng pháp nung hỗn hợp đá vôi và đất sét Hiện nay nguyên liệu để sản xuất xi măng không chỉ đá vôi, đất sét mà có thể dùng nhiều vật liệu khác nhau nh đá macnơ, đất sét, xỉ lò cao

Mặc dù đợc sản xuất từ thế kỷ 19 nhng do những u điểm nổi bật (cờng độ cao, rắn nhanh ) nên xi măng pooclăng đã trở thành chất kết dính quan trọng nhất trong ngành xây dựng cơ bản

Sản xuất xi măng có theo tóm tắt theo sơ đồ sau:

1450oC nghiền

Hỗn hợp nguyên liệu Clinke Xi măng

(CaO, SiO2, Al2O3, (Ca3SiO5, Ca3Al2O6,

Fe2O3 ) Ca2SiO4 )

Trong quá trình nghiền clinke ngời ta thờng cho thêm vào khoảng 5% lợng

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của xi măng pooclăng thông thờng

Các oxit trong clinke đều ảnh hởng đến thành phần pha của clinke

* Đặc tính của các oxit trong xi măng

- CaO: về cơ bản phản ứng hết với SiO2, Al2O3, Fe2O3 để tạo thành những

xi măng phát triển cờng độ nhanh, mác cao, tuy nhiên xi măng có nhiều CaO tự

do kém bền trong môi trờng nớc và các môi trờng xâm thực khác

- SiO2: tác dụng chủ yếu với CaO tạo thành khoáng silicat canxi (C3S C2S)

có độ bền cao trong môi trờng xâm thực

kém bền tronng môi trờng sunfat

- Fe2O3: chủ yếu tạo thành pha alumoferit làm cho xi măng tỏa nhiệt thấp, bền trong môi trờng sunfat.

- MgO: hầu hết ở dạng tự do, phản ứng chậm với nớc Xi măng có hàm ợng MgO lớn sẽ không ổn định thể tích

thăng hoa bay theo bụi, một phần tan trong pha lỏng tạo thành thủy tinh hay

kiềm sẽ làm giảm cờng độ, không ổn định thể tích

Thành phần các oxit chính CaO, Al2O3, Fe2O3, SiO2 và các quá trình nung luyện tạo nên bốn pha chính trong clinke

Bảng 1.2 Thành phần pha của clinke

Công nghệ sản xuất xi măng ngày càng đợc cải tiến và tùy thuộc vào mục

đích sử dụng mà ngời ta có thể thay đổi, khống chế thành phần của xi măng bằng sự thay đổi thành phần của clinke hoặc cho thêm các phụ gia thích hợp Khi thay đổi thành phần sẽ làm thay đổi tính chất của xi măng

Có thể kể ra một số loại xi măng sau:

+ Xi măng thờng: có thành phần ở bảng 1.1

+ Xi măng bền sufat: loại xi măng này đợc khống chế thành phần khoáng

C3A (3CaO.Al2O3) thấp hơn xi măng thờng (<8%) Bằng cách tăng tỷ lệ

Fe2O3:Al2O3 trong phối liệu ban đầu

Ngoài ra còn có một số loại xi măng khác dùng cho mục đích dặc biệt

1.1.2 Sự hydrat hóa của các khoáng clinke

thờng phản ứng chỉ hoàn toàn kết thúc sau 1-1,5 năm và có các dạng nh sau:

3CaO.SiO2 + 3H2O = 2CaO.SiO2.2H2O + Ca(OH)2

Lợng nhiệt tỏa ra khoảng 32 ữ 500kJ/kg tùy thuộc vào dạng hydro canxi silicat

Sự hydrat hóa của C2S diễn biến chậm, thậm chí sau vài năm phản ứng chỉ đạt

của C2S theo thời gian có thể là:

Sau 1 ngày: 5 ữ 10%, sau 10 ngày: 10 ữ 20%, sau 28 ngày: 30 ữ 50%, sau 5ữ6 năm: 100% khối lợng

phân cũng ít hơn

ứng có thể xảy ra nh sau:

2(3CaO.Al2O3) + 27H2O = 2CaO.Al2O3.8H2O + 4CaO.Al2O3.19H2O

3CaO.Al2O3 + 6H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O

Sự tỏa nhiệt phụ thuộc vào thành phần của hydro canxi aluminat cuối cùng

tạo thành theo phản ứng sau đây:

3CaO.Al2O3 + 3CaSO4 + 32H2O = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

aluminat thành ettringit, thì tinh thể ettringit và hydro canxi aluminat tơng tác với nhau tạo thành hydro canxi mono-sulfo aluminat theo phản ứng:

2(3CaO.Al2O3.6H2O) + 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O =

3(3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O) + 8H2O

4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 13H2O = 4CaO.Al2O3.Fe2O3.13H2O

4CaO.Al2O3.Fe2O3+10H2O =3CaO.(AlFe)2O3.6H2O+Ca(OH)2 + Fe2O3.3H2O

1.1.3 Hydrat hóa các khoáng trong xi măng

ở giai đoạn đầu về cơ bản giống nh hydrat hóa của các khoáng riêng lẻ Nhng sự có mặt của các ion khác nhau tham gia vào thành phần của khoáng này trong hệ xi măng-nớc dẫn đến sự chồng chéo của các phản ứng hydrat ban đầu của các khoáng và các phản ứng tiếp theo lại tơng tác lên sản phẩm của chúng

Điều đó xảy ra trong thời gian rất ngắn, dẫn đến tạo thành các hợp chất phức tạp trong hồ xi măng và làm phức tạp quá trình hydrat hóa của các khoáng riêng lẻ Vì thế có thể thấy đợc quá trình hydrat hóa xi măng pooclăng phản ánh đợc tất cả các chi tiết chủ yếu của phản ứng hydrat hóa của các khoáng riêng lẻ, đồng thời cũng có những đặc trng riêng và có thể chia thành các giai đoạn sau [49]

- Giai đoạn ban đầu: Ngay sau khi xi măng tiếp xúc với nớc, xảy ra phản

ứng hòa tan trên bề mặt hạt xi măng, kết quả là nớc trở nên bão hòa các ion

Ca2+, SO42-, OH-, K+, Na+ rồi quá bão hòa, khi đó Ca(OH)2 và ettringit kết tinh từ

- Giai đoạn thứ 2: Đây là giai đoạn phản ứng bị kìm hãm và kéo dài 1 – 3

giờ hoặc lâu hơn Sau đó có sự phá hủy lớp vỏ bọc bởi sự lớn lên của ettringit và

- Giai đoạn thứ 3: Sau khoảng 4 – 6 giờ từ lúc bắt đầu hydrat hóa là giai

đoạn tăng tốc

- Giai đoạn cuối: Do lớp vỏ dày, nên các phần tử nớc phải khuếch tán qua

lớp vỏ để tiếp tục hydrat hóa phần bên trong cha hydrat hóa của hạt xi măng Tốc độ hydrat hóa tiếp tục chậm dần do lớp vỏ càng dày thêm và sự hydrat hóa kéo dài, thậm chí đến 10 năm

1.1.4 Lý thuyết về đông cứng hồ xi măng

Theo tài liệu [50], các nhà khoa học Nga(A.A.Baikov, P.A.Rebinder ) đã

đa ra giả thuyết về đông cứng của hồ xi măng gồm 3 giai đoạn: hòa tan, hóa keo

và kết tinh Giả thuyết này có phần không giống các giả thuyết khác của Mikhailis

a) Giai đoạn hòa tan: Khi trộn xi măng với nớc, ở mặt ngoài hạt xi măng

các khoáng của clinke hòa tan, tơng tác với nớc, làm cho dung dịch bão hòa Khi đạt đến bão hòa sự hòa tan dừng lại, nhng phản ứng giữa các thành phần khoáng và nớc vẫn tiếp tục Phản ứng liên kết của nớc với thành phần khoáng gọi là phản ứng thủy hóa (hydrat hóa), phản ứng phân tách thành phần khoáng của clinke đợc gọi là phản ứng thủy phân Nh vậy ở đây tách ra hai loại phản ứng xảy ra trong hệ xi măng-nớc

b) Giai đoạn hóa keo: Trong dung dịch bão hòa xảy ra phản ứng hydrat

hóa ở trạng thái rắn, có nghĩa là nớc trực tiếp kết hợp với pha rắn của chất kết tinh mà không hòa tan trớc Sản phẩm của các phản ứng này là chất mới sinh còn ở dạng keo Giai đoạn hóa keo kéo theo sự tăng độ nhớt của hồ xi măng làm cho xi măng đông kết

c) Giai đoạn kết tinh: Trong giai đoạn này xảy ra sự kết tinh của các hạt

keo nhỏ, của chất mới sinh, có nghĩa là hòa tan các hạt nhỏ và hình thành tinh

thể lớn Sự kết tinh kèm theo sự đóng rắn của hồ xi măng và sự phát triển cờng

độ của đá xi măng mới hình thành

1.1.5 Phản ứng puzơlan trong xi măng pha phụ gia khoáng hoạt tính

Các phụ gia khoáng hoạt tính dù có nguồn gốc thiên nhiên hay nhân tạo

đều có phản ứng puzơlan giống nh đất puzzon (tro núi lửa), đợc phát hiện lần

đầu tiên ở Italia trên bờ vịnh Neapolitan, nên đợc gọi chung là puzơlan Đó là

khi pha puzơlan vào xi măng (đợc xi măng puzơlan) sẽ xảy ra sự hydrat hóa các thành phần khoáng của clinke và sự tơng tác của các sản phẩm hydrat hóa với puzơlan ở giai đoạn đầu chủ yếu là phản ứng thủy phân các hạt clinke Kết quả của quá trình là sự hình thành các canxi hydro silicat, canxi hydro aluminat

tách ra ( điều này đã đợc nêu rõ ở trên)

Sự có mặt của puzơlan về mặt định tính không làm thay đổi tính chất của các tơng tác các khoáng clinke với nớc Sự tơng tác đó vẫn đợc biểu thị bằng phản ứng hóa học của xi măng pooclăng khi đóng rắn Tuy nhiên tốc độ thủy phân và thủy hóa khi đó tăng lên Điều đó đợc giải thích là trong hồ xi măng pha puzơlan, lợng nớc ứng với một đơn vị khối lợng clinke lớn hơn trong hồ xi măng không pha puzơlan, do đó tạo điều kiện cho phản ứng thủy hóa (hydrat

hợp chất không hòa tan làm giảm nồng độ của nó trong dung dịch nớc của xi măng cứng hóa và tăng nhanh sự thủy phân canxi silicat trong clinke

Phản ứng giữa các sản phẩm của clinke với các thành phần hoạt tính của puzơlan đợc gọi là quá trình thứ 2 Quá trình đó bao gồm trớc hết là sự tơng tác

có dạng chung là CSH theo phản ứng sau đây [48,49]

Phản ứng thủy hóa của xi măng

Xi măng + nớc C-S-H (canxi silicat) + CH (canxi hydroxit) + các pha khác

Phản ứng puzơlan

Puzơlan + CH (từ quá trình thủy hóa xi măng) C-S-H (canxi silicat) + các pha khác

Ca(OH)2 + nSiO2ht = mCaO.SiO2.pH2O

Trong trờng hợp ở nhiệt độ thờng, tùy tuộc vào nồng độ canxi oxit trong môi trờng nớc, hình thành các hợp chất với m = 0,8 – 1,5 và p = 2, có nghĩa là

Cũng có thể hình thành hydrogelenit 2CaO.SiO2.Al2O38H2O, vì trong

Thành phần cuối cùng của các sản phẩm tạo ra khi xi măng pha puzơlan

đóng rắn phụ thuộc nhiều vào loại và thành phần của puzơlan, hàm lợng puzơlan trong ximăng hỗn hợp và điều kiện đóng rắn của xi măng

Trong xi măng pha puzơlan cũng có đá thạch cao, nên cũng hình thành pha ettringit Sự hình thành chất này trong giai đoạn đầu của tơng tác giữa các hạt nghiền mịn của clinke với nớc sẽ làm cho xi măng đông kết chậm Sau này sản phẩm đó có thể bị phân giải từ dạng trisulfat sang dạng monosulfat (3CaO.Al2O3.3CaSO4.12H2O và tách ra CaSO4.2H2O)

siêu min và nó thể hiện hai tác dụng rõ ràng đó là:

Phản ứng với pha poclandit để tạo thành sản phẩm có tính kết dính (C-S-H) làm tăng cờng độ của bê tông Đây là hiệu ứng puzơlannic, phản ứng puzơlannic góp phần làm tăng độ chắc đặc của bê tông và tăng độ bền của đá xi măng trong các môi trờng xâm thực [22]

Oxitsilic hoạt tính siêu mịn ngoài việc góp phần làm tăng độ chắc đặc của

bê tông, nó còn đóng vai trò làm giảm nhiệt thủy hóa của xi măng Trong quá

phân chia pha Nh vậy ở phần tiếp giáp giữa hồ xi măng và cốt liệu, đợc gọi là

hồ xi măng Điều này làm yếu đi lực bám dính giữa xi măng và cốt liệu Khi

độ của bê tông

chắc đặc hơn

Hình 1.1.Hiệu ứng lấp đầy của phụ gia puzơlan hoạt tính

1.1.6 Sự thay đổi thể tích trong quá trình hydrat hóa xi măng

Phản ứng thủy hóa của xi măng:

Xi măng + nớc C-S-H (canxi silicat) + CH (canxi hydroxit) + các pha khác

Phản ứng puzơlan:

Puzơlan + CH (từ quá trình thủy hóa xi măng) C-S-H (canxi silicat) + các pha khác

Ca(OH)2 + nSiO2ht = mCaO.SiO2.pH2O

Các phản ứng hydrat hóa của xi măng kéo theo sự giảm thể tích phân tử gam, điều này dẫn đến sự co vữa Ngoài ra do sự tiêu thụ nớc trong các lỗ mao quản làm cho vữa bị khô dần, đó cũng là nguyên nhân gây ra sự co của bê tông

Đồng thời do sự phát triển dày đặc của các tinh thể hidrat nh poclandit

bù trừ một phần cho các quá trình co của bê tông Tất cả các sự co giãn của bê tông đều có ảnh hởng đến độ chịu lực cơ học của nó [20]

Vậy có thể xem đá xi măng cũng nh bê tông là một hỗn hợp dị thể gồm nhiều pha:

- Phối liệu (chất độn): cát, đá sỏi

- Các sản phẩm hydrat hóa của xi măng:

+ Chất kết dính C-S-H

+ Các hydrat MSA

+ Ca(OH)2

+ Sản phẩm clinke cha bị hydrat hóa hết (C3S, C3A, C2S )

+ Các lỗ mao quản với kích thớc khác nhau (chiếm 30% thể tích)

Để tăng độ bền chắc và khả năng chịu lực ngời ta cần gia cố thêm cốt thép giữa khối bê tông sẽ thu đợc vật liệu gọi là bê tông cốt thép (BTCT) Có thể xem BTCT nh là loại vật liệu compozit đặc biệt, trong đó bê tông là chất nền, cốt thép là sợi tăng cờng Bê tông đóng vai trò bảo vệ cho cốt thép không bị ăn mòn (giữ môi trờng kiềm bao quanh cốt thép) còn cốt thép có tác dụng tăng cờng khả năng chịu ứng lực của kết cấu vật liệu [21]

1.2.2 Phân loại và đánh giá chất lợng bê tông

- Theo dạng cốt liệu: bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng

- Theo khối lợng thể tích: bê tông đặc biệt nặng, bê tông nặng, bê tông nhẹ, bê tông đặc biệt nhẹ

- Theo công dụng của bê tông: bê tông thờng, bê tông thủy công, bê tông dùng cho kết cấu bao che (bê tông nhẹ)

b) Đánh giá chất lợng bê tông

Chất lợng bê tông đợc đánh giá dựa vào một số tiêu chuẩn sau:

+ Cờng độ kháng nén, kháng uốn

+ Độ sụt

a) Tỷ lệ phối liệu

Để chế tạo bê tông, việc tính toán tỷ lệ phối liệu là rất quan trọng, việc tìm

ra các tỷ lệ tối u giúp các nhà xây dựng chế tạo đợc loại bê tông phù hợp với yêu cầu xây dựng, đồng thời hạn chế đợc sự lãng phí chất kết dính, hạ giá thành sản phẩm

b) Tỷ lệ nớc/xi măng

Trong bê tông nớc có hai chức năng:

- Chức năng hóa học: Dùng để hydrat các khoáng trong xi măng Trên

thực tế quá trình hydrat các khoáng xi măng là không hoàn toàn, mức độ hydrat hóa còn phụ thuộc vào cấp hạt xi măng, cấp hạt xi măng khoảng 10àm thì phải hơn 30 ngày mới hydrat hóa hoàn toàn, trong khi đó cấp hạt xi măng một số có

- Chức năng vật lý: Ngoài chức năng hóa học nh trên, thì nớc còn đóng vai

trò làm cho vữa lu biến để thi công, đó chính là chức năng vật lý của nớc Bề mặt hạt xi măng còn d lớp điện tích cha bão hòa, do đó các hạt xi măng kết bông lại với nhau khi tiếp xúc với chất lỏng phân cực nh nớc Sự kết bông làm giảm tính lu biến của vữa Vậy để có thể thi công đợc phải thêm nớc vào Đối

với các công trình dân dụng, phổ biến thờng dùng bê tông với tỷ lệ nớc/xi măng

cho vào d rất lớn Khi bê tông đóng rắn, lợng nớc d sẽ thoát ra ngoài để lại các

lỗ hổng, lỗ mao quản, vết nứt làm cho bê tông có độ thấm cao, chất lợng công trình nh vậy sẽ giảm [51]

c) ảnh hởng của các hình thức thấm bê tông

Có 3 hình thức thấm chính của bê tông

*) Sự thấm khí qua các lỗ mao quản và khe nứt

ứng oxi hóa-khử các sản phẩm hydrat của xi măng, mà đặc biệt là quá trình

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O

làm giảm PH của hồ xi măng dẫn đến sự ăn mòn cốt thép trong bê tông

*) Sự thấm muối

Do các ion chất tan trong môi trờng, đặc biệt là trong môi trờng xâm thực

phá hủy bê tông bằng việc tạo ra ettringit muộn, gây ăn mòn cốt thép

*) Sự thấm nớc

Có 2 hình thức thấm nớc vào bê tông

Thứ nhất là sự thấm toàn bộ qua khối bê tông

Thứ hai là thấm bề mặt

Có thể thấy rằng thấm bề mặt chỉ là trờng hợp đặc biệt của quá trình thấm toàn

bộ Vấn đề dặt ra là phải chế tạo đợc loại bê tông có độ thấm thấp, tức là đồng

nghĩa với loại bê tông có độ chắc đặc cao Vì khi đã có độ thấm nớc tức là đã

1.2.4 Các tính chất cơ, lý, hóa của đá xi măng bê tông và những yếu tố ảnh hởng đến nó

1.2.4.1 Mức độ ổn định thể tích của đá xi măng.

Trong suốt quá trình đóng rắn, thể tích của đá xi măng luôn thay đổi, nếu thay đổi quá nhanh và quá lớn sẽ gây ran, nứt công trình Hiện tợng đó gọi là hiện tợng mất ổn định thể tích của đá xi măng Tuy nhiên sự thay đổi thể tích một cách đồng đều không gây ảnh hởng xấu đến chất lợng bê tông

Nguyên nhân gây ra sự thay đổi lớn làm nứt vỡ bê tông là do quá trình thủy hóa chậm của CaO và MgO tự do trong xi măng MgO tự do không tham gia vào phản ứng tạo khoáng clinke mà nằm ở dạng periclaz có tốc độ thủy hóa chậm Khi quá trình ngng kết đã kết thúc, cấu trúc đá xi măng bê tông đã ổn

thể tích so với các chất ban đầu, gây hiệu ứng nội làm cho đá xi măng nứt vỡ.Hoặc do cấp hạt của xi măng quá lớn dẫn đến phản ứng thủy hóa xảy ra chậm, sản phẩm gel C-S-H và các hydro aluminat, hydro alumoferit canxi hình thành khi công trình đã ổn định, cũng gây mất ổn định thể tích Vì thế bất kỳ loại xi măng thành phẩm nào trên thị trờng cũng phải có cấp hạt, hàm lợng CaO

tự do, MgO tự do nằm trong một giới hạn cho phép

1.2.4.2 Thời gian đông kết

Là mốc thời gian đánh giá mức chuyển dần trạng thái của hồ xi măng từ dẻo sang rắn Có hai thời điểm cần quan tâm đó là thời gian bắt đầu đông kết và thời gian kết thúc đông kết

Thời gian bắt đầu đông kết: là thời gian tính từ khi trộn xi măng với nớc

đến khi hồ bắt đầu đông kết Trớc thời điểm này có thể tiến hành mọi gia công chế tạo sản phẩm bê tông

Thời gian kết thúc đông kết: là thời gian đã chuyển sang trạng thái rắn

Sau thời điểm này hồ xi măng chuyển dần thành trạnh thái đá và bắt đầu phát triển cờng độ Tiêu chuẩn Việt Nam và nhiều nớc quy định thời gian bắt đầu

đông kết của xi măng pooclăng không đợc sớm hơn 45 phút, thời gian kết thúc

đông kết không đợc muộn hơn 10 giờ

1.2.4.3 Độ rỗng của đá xi măng

Trong đá xi măng luôn luôn có các lỗ rỗng có kích cỡ khác nhau Kích ớc,số lợng lỗ rỗng phụ thuộc vào tỷ lệ N/X, phơng pháp và cách thức thi công Ngoài ra thành phần clinke, tỷ lệ giữa các pha hydrat, cấp hạt xi măng cũng ảnh hởng nhiều đến độ rỗng của đá xi măng, bê tông

th-Nguyên nhân chính tạo nên độ rỗng của đá xi măng, bê tông là do trong quá trình đầm cha loại bỏ đợc những bọt khí trong khối vữa bê tông Lợng nớc cho vào trộn vừa nhiều hơn lợng nớc cần cho sự hydrat hóa, nớc còn d trong quá trình hydrat hóa bay hơi để lại các lỗ rỗng có kích cỡ khác nhau

1.2.4.4 Cờng độ xi măng

Cờng độ xi măng (mác xi măng) là chỉ tiêu quan trọng nhất của xi măng Cờng độ của vữa xi măng cát ở tuổi 28 ngày đợc dùng để biểu thị mác của xi măng Cờng độ đá xi măng trong môi trờng nớc sạch tăng theo thời gian Đờng cong biểu diễn sự phụ thuộc cờng độ nén xi măng vào thời gian đóng rắn có

28 lg

lg

28

t R

R28 : Cờng độ nén mẫu bê tông ở tuổi 28 ngày

t : Tuổi đóng rắn của bê tông

- Các yếu tố ảnh hởng đến cờng độ xi măng:

Thành phần khoáng, cấu trúc clinke, độ nghiền mịn, tỷ lệ nớc, thời gian bảo quản và điều kiện đóng rắn là các yếu tố ảnh hởng đến cờng độ xi măng

đóng rắn Xi măng nghiền mịn sẽ cho cờng độ ban đầu lớn và mác cao vì vậy nghiền mịn cũng là một biện pháp tăng mác xi măng Xi măng bảo quản càng lâu càng giảm mác Tỷ lệ nớc/xi măng gây ảnh hởng lớn đến cờng độ và tốc độ phát triển cờng độ của bê tông, điều này đợc thể hiện qua công thức Bolomay Stramtaer:

Trong đó: Rb : mác bê tông

Rx : mác xi măng

X / N : tỷ lệ xi măng/nớc

A, B : hệ số phụ thuộc loại xi măng

Điều kiện đóng rắn cũng ảnh hởng đến cờng độ xi măng Xi măng phát triển cờng độ tốt nhất là môi trờng bão hào nớc Khi độ ẩm tơng đối của môi tr-ờng giảm xuống còn 40 – 50% thì hầu nh các phản ứng thủy hóa bị đình chỉ vì vậy sau khi tạo hình các kết cấu bê tông phải dỡng ẩm Nhiệt độ bảo dỡng bê

tăng mác.[20]

1.3.1 Giới thiệu chung về bê tông cốt sợi

Việc dùng sợi để tăng cờng khả năng chịu lực cho bê tông xi măng là một

ý tởng tốt đợc các nhà nghiên cứu quan tâm Bê tông cốt sợi đã đợc bắt đầu nghiên cứu từ đầu những năm 1960 ở một số quốc gia việc dùng amiăng là không khuyến khích, bởi những độc hại mà nó gây ra cho sức khỏe con ngời Những tấm xi măng gia cờng bằng sợi thép nhỏ, sợi polime, sợi thủy tinh bền kiềm, sợi các bon, sợi thực vật đợc nghiên cứu và sử dụng rỗng rãi trên thế giới.Sợi thực vật nh sợi tre, gỗ, xơ dừa, đay, rơm, bã mía cũng đợc nghiên cứu chế tạo làm các tấm lợp, tấm trần, tấm tờng Những nghiên cứu này vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu sâu hơn

HansErik Gram khi nghiên cứa độ bền của sợi thực vật trong bê tông đã đi

đến nhận xét: Bê tông cốt sợi thực vật, khi sử dụng ngoài thiên nhiên sẽ trở nên giòn theo thời gian Nguyên nhân là sợi bị phá hủy bởi nớc kiềm trong lỗ rỗng của xi măng Độ bền của sợi thực vật sẽ đợc cải thiện khi một phần silicafume thay cho ximăng

Tại Việt Nam, hiện cha sản xuất đợc những dạng sợi thép, sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi polime Giá thành những dạng sợi nhập này đắt, ảnh hởng lớn

đến giá thành của sản phẩm bê tông cốt sợi Trong khi đó các loại sợi thực vật

rẻ tiền và sẵn có nhiều vùng trên đất nớc Vì vậy, việc phát triển sản xuất các loại vật liệu mới bê tông cốt sợi thực vật với nguồn nguyên liệu dồi dào ở địa phơng là rất cần thiết

Qua các tài liệu tham khảo cho thấy việc sử dụng các loại sợi thực vật để nghiên cứu bê tông cốt sợi, nhng chất lợng sản phẩm nói chung còn thấp, cho

đến nay cha một nghiên cứu nào hoàn thiện công nghệ để nâng cao chất lợng của loại vật liệu này Điều này cũng có nghĩa là cha tìm ra phơng pháp khắc phục hợp lý những hạn chế về tính chất cơ, lý, hóa của sợi thực vật nói chung

1.3.2 Tổng quan về bê tông cốt sợi tre

Đối với đất nớc Việt Nam thì cây tre khá quen thuộc và phổ biến Nhng bê tông cốt sợi thực vật nh sợi đay, xơ dừa thì có khá nhiều tác giả nghiên cứu, còn

đối với bê tông cốt sợi tre thì còn rất ít tác giả đề cập tới Trong lúc đó trên thế giới nh ở ấn độ, Thái lan ,Hà lan, Bănglađet, Hồng công [54-63] có rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu bê tông cốt sợi tre Song nói chung tất cả các nhà nghiên cứu về bê tông cốt sợi tre đều cho rằng chất lợng của bê tông cốt sợi tre phụ thuộc rất nhiều vào kỹ thuật xử lý sợi, và họ đã lần lợt đa ra những phơng pháp xử lý sợi khác nhau

Sợi thực vật nói chung và sợi tre nói riêng có hai tác dụng hữu ích chính cho hệ xi măng

- ở trạng thái ớt, sợi làm tăng độ dính kết của vữa tơi nhờ đó giảm sự rạn nứt khi hình thành sản phẩm

- Khi chuyển sang trạng thái rắn, sợi làm tăng khả năng chịu va đập về cơ và nhiệt của sản phẩm

Bên cạnh những u điểm đó thì chúng luôn tồn tại hai nhợc điểm lớn

- Chúng ta biết rằng thành phần hoá học của sợi thực vật nói chung, sợi tre nói riêng chủ yếu gồm các thành phần chính là xenlulo, lignin, hemixenlulo Chúng đều dễ bị phân hủy hóa học trong môi trờng kiềm của xi măng Kết quả là sản phẩm sớm bị giòn gãy

- Hiện tợng bề mặt: hút nớc mạnh, làm cho thể tích không ổn định, dẫn

đến sự dính kết kém giữa sợi và xi măng

Do đó muốn sử dụng sợi tre để gia cờng cho vật liệu nền xi măng pooclăng, thì nhiệm vụ đặt ra là phải cải biến vật liệu nền xi măng (giảm độ kiềm) và xử lý sợi để nó thích ứng đợc trong môi trờng kiềm

1.3.3 Khái niệm vật liệu xi măng cốt sợi tre–

Hỗn hợp xi măng + sợi + nớc đợc gọi là vữa xi măng sợi sau một thời gian hyđrat hóa (khoảng trên 28 ngày) tạo thành một khối rắn chắc gọi là bê tông cốt sợi (vật liệu xi măng cốt sợi)

Vậy vật liệu xi măng cốt sợi cũng tơng tự nh vật liệu xi măng cát, đều là hỗn hợp dị thể gồm nhiều pha, chỉ khác nhau là vật liệu xi măng cát có pha cốt liệu cát khá trơ về tính chất lý, hóa, còn vật liệu xi măng cốt sợi thì pha sợi là pha nhạy cảm về tính chất lý, hóa Từ đó mà dẫn đên sự khác nhau về tính chất cơ, lý của vật liệu xi măng cát và vật liệu xi măng sợi

1.4 Giới thiệu về phụ gia tro trấu và metacaolanh

Tro trấu và metacaolanh là các loại phụ gia khoáng hoạt tính, có nguồn gốc vô cơ Chúng thờng đợc dùng làm phụ gia cho hồ, vữa và bê tông nói chung, để cải thiện một số tính chất của hồ, vữa, bê tông theo hớng mong muốn

1.4.1 Phụ gia tro trấu

Tro trấu đợc định nghĩa là sản phẩm thu đợc do đốt trấu ở chế độ hoạt hóa phù hợp Tro trấu đợc đánh giá là một phụ gia có hoạt tính cao Khi pha vào xi măng hoặc bê tông, nó có tác dụng rất tích cực không những tăng cờng độ, mà còn cải thiện một loạt các tính chất khác của bê tông Các tài liệu nghiên cứu cho thấy rằng khối lợng tro trấu chiếm khoảng 20% khối lợng thóc, và tro sau khi đốt trấu chiếm khoảng 20% khối lợng trấu Tro trấu đã đợc nghiên cứu từ lâu trên thế giới, đặc biệt là ở Mỹ và châu á ở các nớc trồng nhiều lúa, lơng phế thải trấu lớn

Theo thống kê của tổ chức lơng thực và nông nghiệp thế giới (FAO) [15] thì sản lợng thóc năm 2003 trên thế giới là 588,56 triệu tấn, trong đó Việt Nam chiếm 34,51 triệu tấn Nếu tính bình quân về hàm lợng trấu, tro và nhiệt lợng nêu trên để tính toán thì lợng tro và lợng nhiệt có thể thu đợc khi đốt trấu thải ra

trong năm 2003 trên thế giới là 23,54 triệu tấn và 153x1010 – 191x1010 MJ

nhiệt lợng hơn 700 nghìn tấn than đá Song thực tế, do thóc là sản phẩm nông nghiệp đợc sản xuất rải rác trên các vùng lãnh thổ rông lớn, nên khó có thể thu

đợc toàn bộ số trấu nói trên để xử lý nhằm thu hồi đợc số tro và nhiệt lợng nh đã thống kê ở trên

1.4.1.1 Nghiên cứu tro trấu trên thế giới

Nh đã nói ở trên tro trấu đợc nghiên cứu từ lâu trên thế giới, nh các nghiên cứu tại Mỹ, Nhật bản, viện công nghệ châu á, ấn độ và nghiên cứu của một

số tác giả ở nhiều nớc khác nhau trong những năm gần đây Song tất cả có một

điểm chung là đều bàn tới vấn đề làm thế nào để sản xuất ra tro trấu có hoạt tính cao nhất và đã đa ra các phơng pháp, kết quả nghiên cứu khác nhau

Ví dụ nh: Nghiên cứu ở Mỹ về tro trấu đợc tiến hành trong những năm 1976-1978 [38-42] Tro trấu đợc sản xuất bằng cách nung ở nhiệt độ 500-700

3-18% Tro trấu vô định hình có độ xốp cao, diện tích bề mặt (tỉ diện) của tro

- Nghiên cứu ở viện công nghệ châu á Tro trấu đợc nung ở nhiệt độ 450

2,3%; MKN: 3% Tro trấu đợc nghiền mịn cho đến khi lợng sót trên sàng 75

àm bằng 32%

- Nghiên cứu tại Nhật Bản, một nớc có nền nông nghiệp phát triển (từ

đó làm nguội lạnh, rồi nghiền mịn trong khoảng 100 phút Nghiên cứu ở Nhật

Bản đa ra kết luận là độ hoạt tính của tro trấu tùy thuộc vào các thông số của quá trình nung (nhiệt độ nung, thời gian nung, môi trờng nung và tốc độ làm

cung cấp đầy đủ không khí trong suốt quá trình nung, cũng nh đợc làm nguội

đi Khi tro trấu có hoạt tính cao, có thể pha vào xi măng với tỷ lệ 70% (có nghĩa

là thay thế 70% xi măng theo khối lợng trong chất dính kết), cờng độ chất dính kêt hầu nh không thay đổi so với mẫu xi măng nguyên gốc ở tuổi 3 và 28 ngày

- Một tác giả ngời Irắc Hana Yousif vào năm 1984 đã nghiên cứu ảnh ởng của quá trình nung và nghiền tro trấu đến các tính chất của bê tông xi măng

tỷ lệ là 30% tơng tự cờng độ của mẫu toàn xi măng ở tuổi 7, 28 và 60 ngày, mặc

dù lợng nớc trộn khi pha tro trấu có lớn hơn khi không pha tro trấu

- Năm 1990 Boateng và Skeete, công bố tài liệu nghiên cứu về tro trấu

cacbon hầu nh cháy hết, sau đó tro đợc nghiền trong máy nghiền bi để đợc bột mịn lọt qua sàng 0,15mm Trộn xi măng với tro trấu theo tỷ lệ 1:1 để đợc chất kết dính hỗn hợp Quá trình thí nghiệm thấy rằng cờng độ của mẫu chất dính kết hỗn hợp cao hơn cờng độ của mẫu xi măng nguyên tới 30%

- Hwang và Wu (Đài Loan) cũng công bố kết quả nghiên cứu các tính chất hóa lý của tro trấu thu đợc ở các nhiệt độ đốt trấu khác nhau [46] Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng đờng kính lỗ rỗng của tro trấu lớn nhất khi nung ở nhiệt

hợp xi măng – tro trấu với hàm lợng tro bằng 15% và tỷ lệ N/CKD = 0.4 sau

đó hình thành các sợi C-S-H là sản phẩm của quá trình hyđrat hóa trong các lỗ rỗng lớn của cấu trúc tro trấu Đặc biệt là cờng độ chịu nén của hỗn hợp xi măng – tro trấu với hàm lợng 20% cao gấp 4.5 lần cờng độ của mẫu xi măng nguyên dùng làm đối chứng Nh vậy tro trấu là phụ gia có độ hoạt tính đặc biệt cao.

- Bronzeoak Ltd [47] nghiên cứu thị trờng tro trấu trên thế giới và nêu rõ tro trấu có khoảng 92-95% oxit silic, có độ rỗng lớn và nhẹ, có diện tích mặt ngoài rất cao Chủng loại tro trấu biến đổi tùy thuộc vào điều kiện đốt (thời

ở nhiệt độ cao hơn sinh ra tro trấu kết tinh Tro trấu đợc dùng làm puzơlan trong sản xuất xi măng Công nghệ xi măng phải sản xuất ra sản phẩm tiêu chuẩn ổn

định và chất lợng cao, do đó cũng đòi hỏi tro trấu đợc sản xuất bảo đảm tiêu chuẩn ổn định và loại vô định hình

1.4.1.2 Nghiên cứu tro trấu ở Việt Nam

Vào khoảng năm 1993 Viện vật liệu xây dựng đã nghiên cứu tro trấu dựa trên kinh nghiệm của Thái lan [6] Tuy nhiên kết quả nghiên cứu chỉ mới đợc thực hiện trong phòng thí nghiệm, mà cha áp dụng có hiệu quả trong sản xuất Vài năm sau đó trờng đại học Tổng hợp cũng nghiên cứu chế tạo đợc tro trấu trong phòng thí nghiệm dới sự hớng dẫn của GS.TS Phan Văn Tờng Tro trấu đã

đợc chế tạo trong phòng thí nghiệm và có hoạt tính rõ rệt Tuy nhiên, do không

có kinh phí và điều kiện triển khai các kết quả nghiên cứu nên cũng chỉ dừng lại

ở báo cáo kết quả nghiên cứu [7,8] Sau đó trờng đại học Bách khoa thành phố

Hồ Chí Minh cũng đã nghiên cứu tro trấu thu đợc khi nung trấu ở nhiệt độ 600

oC và xác định độ hút vôi của tro trấu theo tiêu chuẩn ngành thủy lợi (14TCN.F.1-79) [9] và khẳng định tro trấu có độ hoạt tính rất mạnh theo tiêu chuẩn nêu trên Ngoài ra cũng dùng phơng pháp đo độ dẫn điện để đánh giá độ hoạt tính của tro trấu Tài liệu [10] cũng nêu lên cơ chế của quá trình hyđrat hóa

của hỗn hợp xi măng – tro trấu dựa trên kết quả nghiên cứu về cấu trúc của xi măng – tro trấu đợc giả thuyết theo 4 giai đoạn nh sau:

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình hydrat hóa xi măng tro trấu

Giai đoạn 1: Tơng tự quá trình hydrat hóa đầu tiên của xi măng pooclăng

khi xi măng tiếp xúc và phản ứng với nớc Trong khoảng 10 phút đầu tiên, những chất dễ hòa tan nhất trong xi măng hòa tan vào nớc, trong pha lỏng xuất

C3S và C2S, một màng mỏng tinh thể ettringit bao quanh C3A Trong thời gian kéo dài tới 2 giờ, các màng mỏng đó dày thêm, nhng cha có hiện tợng hydrat, nồng độ các ion Ca2+, OH-, K+, Na+ tăng lên, còn SO42- giảm đi.

Giai đoạn 2: Khi nồng độ OH-, Ca2+ tăng lên đến mức tơng đối, các thành phần hóa học tạo nên lớp màng xung quanh các khoáng xi măng và vẫn tiếp tục

này tơng tự quá trình hydrat hóa của xi măng pooclăng

Giai đoạn 3: Các gel C-S-H và tinh thể Ca(OH)2 ngày càng lớn dần theo

của cấu trúc ô mạng rỗng xốp của tro trấu Chính nớc tự do đợc hấp thụ vào bề

C-S-H Điều này là khác biệt đối với quá trình hydrat hóa của xi măng pooclăng

Giai đoạn 4:Trong cấu trúc xi măng tro trấu , khoáng gel C-S-H đợc tạo

nên và càng gia tăng theo thời gian, đồng thời càng lấp đầy các lỗ rỗng trong

trúc của xi măng tro trấu Trong quá trình hydrat hóa của xi măng thông thờng vùng tiếp xúc bề mặt giữa các hạt xi măng là không đặc xít và có nhiều lỗ rỗng

tro trấu vào xi măng, các lỗ rỗng giữa các hạt xi măng đợc lấp đầy bởi gel

quá trình hydrat hóa của xi măng Chính vì vậy trong cấu trúc của xi măng tro trấu các lỗ rỗng giảm đi và có kích thớc nhỏ hơn, làm cho cấu trúc đá xi măng tro trấu đặc xít

Hình 1.3 Các gel CSH hình thành lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt xi măng

Các kết quả nghiên cứu đó đã chỉ ra là tro trấu ở Việt Nam thu đợc ở nhiệt

măng, sẽ xảy ra quá trình hydrat hóa nh đã nêu trên và cho cờng độ xi măng cao hơn xi măng nguyên gốc ở các tuổi 7,28 và 90 ngày Tro trấu đã đợc sử dụng làm vật liệu nhẹ trên cơ sở xi măng – tro trấu – cốt sợi thực vật nói chung và

đợc dùng làm kết cấu nhà nhẹ ở vùng đất yếu đồng bằng sông cửu long bằng vật liệu nhẹ trên cơ sở ximăng – tro trấu – cốt sợi xơ dừa [15]

Gần đây, Viện khoa học công nghệ xây dựng cũng đã nghiên cứu và sản xuất

hoạt tính cờng độ của tro trấu xấp xỉ muội silic Tro trấu viện KHCN xây dựng sản xuất có thành phần hóa học nh trong bảng 1.3

Bảng 1.3: Thành phần hóa học của tro trấu Viện KHCN xây dựng

Thành phần SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 MgO CaO Na 2 O K 2 O SO 3 MKN

Tỉ lệ (%) 87.20 3.50 9.78 0.80 1.69 0.22 2.12 - 2.88

Phụ gia tro trấu đã đợc nghiên cứu dùng cho bê tông và vữa cờng độ cao [10] với cái tên thơng mại là MICROS-T nhằm mục đích thay thế muội silic (silicafume) là hàng nhập ngoại đắt tiền

Tuy nhiên sản phẩm phụ gia hoạt tính MICROS-T có nguồn gốc tro trấu của Viện KHCN xây dựng đã đợc thăm dò sử dụng cho công trình thủy điện Sơn la kết quả hoạt tính không cao lắm [14], do có thể hàm lợng cacbon trong tro trấu còn lớn

1.4.2 Phụ gia metacaolanh

Đối với yêu cầu ngày càng cao về vữa và bê tông tính năng cao cũng nhchất lợng của các công trình xây dựng thì các puzơlan hoạt tính cao là cần thiết Tuy nhiên chúng ta không có các nguồn vật liệu này Chúng ta phải nhập khẩu silicafume để đáp ứng các nhu cầu cụ thể Giá bán silicafume cao đã hạn chế nhiều khả năng sử dụng nó trong xây dựng

Trên đờng tìm kiếm puzơlan hoạt tính cao trong nớc, tro trấu đợc khảo sát trớc tiên [23,24] Mặc dù có hoạt tính puzơlan tốt nhng tro trấu khó có thể sản xuất ở quy mô lớn do nguồn nguyên liệu nhỏ và tản mạn

Trong nỗ lực tự cung cấp phụ gia puzơlan hoạt tính cao trong nớc, một số công trình nghiên cứu đã hớng vào việc sản xuất và ứng dụng metacaolanh từ các nguồn caolanh ở Việt Nam Metacaolanh có thể là sự lựa chọn đúng đắn, nó là một phụ gia khoáng thiên nhiên hoạt tính cao mới đợc phát hiện vào những thập

kỷ 80 Tổng trữ lợng caolanh trong cả nớc khoảng 600 triệu tấn [26] Có nhiều

mỏ caolanh chất lợng tốt nh Thạch Khoán, Ba Bò, Mỏ Ngót, Đình Trung, Tân Mai, Yên Bái và hiện đợc khai thác chủ yếu cho công nghiệp gốm sứ

Các nhà nghiên cứu đã khẳng định chế độ công nghệ là nung caolanh đã

đợc metacaolanh có hoạt tính puzơlan tốt Metacaolanh này có thể sử dụng để chế tạo bê tông cờng độ cao đến 100 MPa, bê tông chất lợng cao và vữa hoặc bê tông có độ bền cao trong các môi trờng xâm thực Tuy nhiên do sức tiêu thụ còn thấp nên hiện nay metacaolanh đang đợc sản xuất ở qui mô nhỏ Điều này ảnh hởng đến giá thành và chất lợng của sản phẩm metacaolanh.

Trần Quốc Tế và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về công nghệ sản xuất metacaolanh từ caolanh Thạch Khoán (Vĩnh Phú) và đã đa ra một qui trình sản xuất metacaolanh đợc trình bày ở hình 1.4 [25]

Hình 1.4: Sơ đồ qui trình sản xuất metacaolanh [25]

Theo qui trình này, cao lanh đã đợc xử lý sơ bộ đợc tiếp tục làm sạch để giảm hàm lợng các tạp chất nh mica và quắc Polyvinylalcol (PVA) đợc sử dụng để nâng cao tính ổn định của huyền phù caolinit nhằm dễ dàng loại bỏ tạp chất và nâng cao tỉ lệ rắn-lỏng của huyền phù Sau đó polyetylen glycol (PEG) đợc đa vào huyền phù caolinit để làm tăng tốc độ sa lắng Caolanh sạch đợc để khô đến

độ ẩm 17-18% rồi tạo bánh, sau đó đợc nung ở 700-900oC trong ít nhất 3 giờ rồi

đợc nghiền trong máy nghiền bi với sự có mặt của chất trợ nghiền để thu đợc sản phẩm là metacaolanh

1.5 Sự phối kết hợp giữa các loại phụ gia khoáng

Ngày nay các phụ gia khoáng đã đợc sử dụng rộng rãi trong công nghệ xi măng và bê tông Sự trộn lẫn phụ gia khoáng với xi măng pooclăng ảnh hởng tới hầu hết các đặc tính của xi măng và bê tông, tuy nhiên mức độ ảnh hởng đợc quyết định bởi đặc tính của phụ gia khoáng và mức độ thay thế Sự tăng trong cấu trúc hồ cũng nh trong vùng chuyển tiếp bề mặt (ITZ) giữa hồ và các hạt cốt liệu do ảnh hởng puzơlanic và ảnh hởng lấp đầy của phụ gia khoáng là nhân tố cơ bản làm tăng cờng độ của xi măng và bê tông

Ngời ta có thể sử dụng một loại phụ gia hoạt tính hay hỗn hợp phụ gia hoạt tính trong bê tông tùy thuộc vào mục đích và giá thành của loại bê tông đó [69] Trong tiêu chuẩn TCXD 191:1995 có định nghĩa phụ gia hỗn hợp là phụ gia đợc chế biến từ các phụ gia khác nhau và có khả nâng điều chỉnh một số tính chất của bê tông Tại Mỹ, giáo s Michael Thomas đã nghiên cứu phối hợp hai loại phụ gia khoáng hoạt tính là tro bay và muội silic dùng trong bê tông tính năng cao [48] Các kết quả nghiên cứu cho thấy khi kết hợp muội silic tro bay theo tỷ

lệ hợp lý sẽ cho kết quả tốt hơn so với việc sử dụng riêng từng loại Từ các nghiên cứu trong [52,53] đã công bố có thể nhận thấy rằng sự sử dụng kết hợp các phụ gia khoáng nh tro nhiên liệu (PFA), tro bay (FA), silicafum (SF) và MK

đạt đợc hiệu quả tốt Rõ ràng, khi phối hợp hai loại phụ gia này với nhau, thì những u điểm của loại phụ gia này đã hạn chế một phần các nhợc điểm của phụ gia khác

Các thành phần chính của một số loại phụ gia hoạt tính đợc khái quát trong (hình 1.5)

Xi măng PC

Muội silic, tro trấu SiO2

Hỗn hợp phụ gia khoáng hoạt tính tro trấu và metacaolanh có thể cải biến

hòa, để tạo thành một khoáng mới là gel C-S-H Gel C-S-H đợc tạo nên ngày càng nhiều lấp đầy các lỗ rỗng trong cấu trúc vật liệu nền xi măng, trong khi đó

metacaolanh) do đó cũng giảm Vậy có thể nói rằng sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng tro trấu và metacaolanh để cải biến tính chất của xi măng và bê tông là rất tốt

Hình 1.5: Thành phần hóa học của một số loại phụ gia hoạt tính tro trấu, muội

silic, metacaolanh, tro bay, xỉ và xi măng pooclăng

1.6 Phơng pháp qui hoạch thực nghiệm

Trong luận văn sử dụng phơng pháp qui hoạch thực nghiệm để xác định tỷ

lệ hợp lý của phụ gia tro trấu và metacaolanh

Mô hình thực nghiệm đa nhân tố

Mô hình toán học là quá trình biểu diễn một qui luật nào đó dới dạng một phơng trình toán học Phơng trình toán học tổng quát nhất là đa thức, vì với mọi loại hàm số, cuối cùng đều có thể qui về dạng đa thức Tơng ứng với bậc của đa thức (phơng trình hồi qui-PTHQ) là độ chính xác của mô hình.Bậc càng cao thì mô hình mô tả càng chính xác qui luật.[17,18]

Hàm mục tiêu có thể biểu diễn dới dạng tổng quát sau:

+ 2 + +

+ +

n i ii k

j i pk j

i n j i p i

n i

b y

ở đây:

- y: hàm mục tiêu

- bij: hệ số qui hồi bậc1, mô tả ảnh hởng đồng thời của hai nhân tố xi và xj

- bii: hệ số qui hồi bậc 2, mô tả ảnh hởng bậc hai của nhân tố xi

Hệ số qui hồi của PTHQ có trị số tuyệt đối lớn, thì nó ảnh hởng mạnh và ngợc lại, nếu có trị số tuyệt đối nhỏ, thì ảnh hởng yếu hoặc là không ảnh hởng

đến hàm mục tiêu Hệ số có dấu dơng thì ảnh hởng tích cực lên hàm mục tiêu,

hệ số có dấu âm ảnh hởng tiêu cực lên hàm mục tiêu (HMT) Khi tìm đợc HMT (PTHQ) mô tả đúng thực nghiệm, chúng ta sẽ tính đợc giá trị của hàm mục tiêu, nghĩa là tính đợc kết quả nghiên cứu mà không cần làm thực nghiệm

Trong luận văn này chúng tôi sử dụng phơng pháp qui hoạch thực nghiệm tâm xoay bậc 2 nhằm mục đích xây dựng mô hình toán thống kê, trên cơ sở

đánh giá mức độ ảnh hởng của các nhân tố đến các tính chất của đá xi măng nh cờng độ nén, uốn và độ thấm nớc nhằm đa ra các kết luận về tỷ lệ pha trộn hợp

lý của hai phụ gia hoạt tính tro trấu và metacalanh

Nguyên lý của phơng pháp nh sau:

Chọn biến và khoảng biến và khoảng biến của các biến

Trong đề tài nghiên cứu chon hai biến:

Z1: lợng tro trấu (% chất kết dính)

Phơng pháp tiến hành xây dựng mô hình đợc tiến hành theo 5 bớc sau:

B

ớc 1 : Mã hóa các yếu tố thí nghiệm (mã hóa các biến)

Giá trị mã hóa quan hệ với các giá trị thực Z theo công thức sau:

i

goc thuc Z Z

d xi

tại tâm qui hoạch thực nghiệm là (0) và giá trị trên các trục X1 và X2

(+∞,-∞) để đảm bảo tính quay đợc của qui hoạch bậc hai tâm xoay

Để tính toán đợc đơn giản, các đại lợng có thứ nguyên đợc chuyển sang hệ trục không có thứ nguyên (hệ mã hóa) Và lúc này các biến mã hóa đợc tính theo công thức:

n J Z

Z Z X

tb j j

ớc 2 : Thiết lập ma trận trên kế hoạch hóa thực nghiệm

Lập ma trận qui hoạch hóa thực nghiệm, tiến hành thí nghệm theo ma trận, xác định hàm mục tiêu và các giá trị tơng ứng Trong ma trận thực nghiệm bớc

đ-ợc chọn lớn hơn 2 lần độ lệch bình phơng trung bình của nhân tố i [17,18,19]+ Tính chuẩn hóa: Tổng bình phơng các giá trị trong một cột bằng số thí nghiệm:

n i

N X

N u

i j i x

; 0