Nghiên cứu sử dụng tro trấu và tro bay tại vùng đồng bằng sông cửu long để chế tạo bê tông nhẹ

Nghiên cứu sử dụng tro trấu và tro bay tại vùng đồng bằng sông cửu long để chế tạo bê tông nhẹ Nghiên cứu sử dụng tro trấu và tro bay tại vùng đồng bằng sông cửu long để chế tạo bê tông nhẹ Nghiên cứu sử dụng tro trấu và tro bay tại vùng đồng bằng sông cửu long để chế tạo bê tông nhẹ Nghiên cứu sử dụng tro trấu và tro bay tại vùng đồng bằng sông cửu long để chế tạo bê tông nhẹ

iv

TÓM TẮT

Luận văn tập trung nghiên cứu thành phần cấp phối bê tông nhẹ dùng để làm vật liệu xây dựng nhằm giảm tải trọng của công trình tại các vùng đất yếu ở các tỉnh Đồng Bằng Sông Cửu Long Nghiên cứu ảnh hưởng của tro trấu là phế phẩm của sản xuất nông nghiệp và tro bay là phế phẩm của công nghiệp nhiệt điện đến tính chất của hỗn hợp bê tông nhẹ, các yêu cầu kỹ thuật của vật liệu Đánh giá khả năng sử dụng nguồn vật liệu tro trấu và tro bay tại đồng bằng sông Cửu Long để thay thế cho các nguyên liệu truyền thống trong sản xuất bê tông nhẹ, giảm giá thành nguyên liệu, tạo ra vật liệu mới có kết cấu nhẹ sử dụng trong các công trình xây dựng

Thành phần tro trấu và tro bay với hàm lượng 10 đến 50% thay thế thành phần

xi măng trong hệ nguyên liệu của bê tông nhẹ sử dụng bọt khí và bọt khoáng Thành phần tro bay có tác dụng làm giảm độ linh động, giảm độ phồng nở, kéo dài thời gian ninh kết của bê tông bọt khí và giảm cường độ đến 34% Tuy nhiên, bê tông bọt nhẹ được cải thiện độ linh động và độ phồng nở và giảm cường độ đến 11% Thành phần tro trấu cũng có tác dụng làm giảm độ linh động, giảm độ phồng nở, kéo dài thời gian ninh kết và giảm cường độ đến 24% Bê tông bọt nhẹ thì được cải thiện độ linh động

và độ phồng nở và cường độ giảm đến 22% Việc sử dụng kết hợp tro bay và tro trấu

sẽ giúp tận dụng cả hai nguồn vật liệu phế thải trong sản xuất bê tông nhẹ tại khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long

v

ABSTRACT

The study on the using of recycle materials on light weight mix proportion is considered in this research It is special application in Mekong area with soft soil characteristic The resource materials with fly ash and rice husk ash are used in light weight concrete They are known as wastes materials in power plan and agriculture

in Mekong Delta The replacement of fly ash and rice husk ash in mix proportion is focussed on reduce the cost, produce light weight concrete and friendly enviroment

In mix proportion, fly ash and rice husk ash in range of 10 – 50 by weight are used in non-autoclaved aerated concrete (NAAC) and Cellular Light weight Concrete (CLC), respectively In the results of non-autoclaved aerated concrete, the spread flow and expension degree are tend to reduce with fly ash The setting time is increased and strength is reduce about 34% However, the spread flow and expension degree are tend to improve with rice husk ash The setting time is increased and strength is reduce about 11%, in the case of foam concrete

In the results of rice husk ash, the spread flow and expension degree are tend

to reduce The setting time is increased and strength is reduce about 24%, in the case

of non autoclaved aerated concrete However, the spread flow and expension degree are tend to improve with rice husk ash The setting time is increased and strength is reduce about 22%, in the case of foam concrete The mixed between fly ash and rice husk ash can be improve the using of recycle materials on light weight concrete in Mekong Delta

vi

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC BẢNG VIẾT TẮT x

DANH MỤC BẢNG xi

DANH MỤC HÌNH xiii

1

Tính cấp thiết của đề tài 1

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 10

Nghiên cứu trên thế giới 10

Nghiên cứu tại Việt Nam 12

Mục tiêu của đề tài 14

Phương pháp nghiên cứu 14

Nội dung đề tài 15

16

Cơ Sở khoa học của chất kết dính Xi măng – Tro trấu – Tro bay 16

Xi măng 16

Quá trình ngưng kết và rắn chắc của xi măng 16

Cơ Sở khoa học của quá trình tạo rỗng 21

25

Nguyên vật liệu 25

Xi măng 25

vii

Tro bay 26

Tro trấu 27

Vôi 27

Cát 28

Chất tạo rỗng bọt nhẹ 28

Chất tạo rỗng bột nhôm 29

Phương pháp chuẩn bị và thành phần cấp phối 29

Phương pháp chuẩn bị thực nghiệm cho bê tông nhẹ 29

Thành phần cấp phối 31

Phương pháp thực nghiệm 34

Phương pháp xác định độ chảy xòe 34

Phương pháp xác định thời gian ninh kết 35

Phương pháp xác định độ phồng nở 36

Phương pháp xác định cường độ 38

40

Ảnh hưởng của tỷ lệ Nước / Rắn và hàm lượng chất tạo rỗng 40

Quan hệ giữa tỷ lệ Nước/Rắn và độ chảy xòe của bê tông nhẹ 41

Quan hệ giữa độ chảy xòe và độ phồng nở của bê tông nhẹ 43

Quan hệ giữa chất tạo khí và độ chảy xòe của bê tông bọt khí 45

Quan hệ giữa chất tạo khí và độ phồng nở của bê tông bọt khí 46

Quan hệ giữa chất tạo khí và cường độ của bê tông bọt khí 47

Quan hệ giữa tỉ lệ Nước/Rắn và cường độ của bê tông nhẹ 48

Quan hệ giữa khối lượng thể tích và cường độ của bê tông bọt khí 50

Ảnh hưởng hàm lượng tro bay đến tính chất BT nhẹ 50

Quan hệ giữa tro bay và hàm lượng hoạt tính của bê tông nhẹ 52

viii

Ảnh hưởng của tro bay đến độ linh động 53

Ảnh hưởng của tro bay đến độ phồng nở 55

Ảnh hưởng của tro bay đến thời gian ninh kết 56

Ảnh hưởng của tro bay đến cường độ 59

Ảnh hưởng hàm lượng tro trấu đến tính chất BT nhẹ 61

Quan hệ giữa tro trấu và hàm lượng hoạt tính của bê tông nhẹ 62

Ảnh hưởng của tro trấu đến độ linh động 63

Ảnh hưởng của tro trấu đến độ phồng nở 65

Ảnh hưởng của tro trấu đến thời gian ninh kết 67

Ảnh hưởng của tro trấu đến cường độ 69

Ảnh hưởng hàm lượng tro trấu – tro bay đến tính chất BT nhẹ 71

Quan hệ giữa tro trấu + tro bay và hàm lượng hoạt tính của BT nhẹ 72

Ảnh hưởng của tro trấu + tro bay đến độ linh động 73

Ảnh hưởng của tro trấu + tro bay đến độ phồng nở 75

Ảnh hưởng của tro trấu + tro bay đến thời gian ninh kết 77

Ảnh hưởng của tro trấu + tro bay đến cường độ 81

84

Kết luận 84

Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất của BT bọt khí và BT bọt nhẹ 84

Ảnh hưởng của tro trấu đến tính chất của BT bọt khí và BT bọt nhẹ 85

Ảnh hưởng của tro bay và tro trấu đến tính chất của BT bọt khí và BT bọt nhẹ 85

Hướng phát triển đề tài 86

x

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Phân loại bê tông bọt nhẹ [9] 8

Bảng 2.1: Thành phần khoáng chính của xi măng 16

Bảng 3.1: Chỉ tiêu cơ lý của xi măng 25

Bảng 3.2: Thành phần hóa học của xi măng 25

Bảng 3.3: Thành phần hóa học của tro bay 26

Bảng 3.4: Thành phần hóa của tro trấu 27

Bảng 3.5: Đặc tính kỹ thuật của vôi 27

Bảng 3.6: Tính chất kỹ thuật của chất tạo bọt 28

Bảng 3.7: Cấp phối của BT nhẹ bọt khí dùng tro bay và tro trấu 32

Bảng 3.8: Cấp phối của BT bọt nhẹ dùng tro bay và tro trấu 33

Bảng 3.9: Hệ số điều chỉnh (  ) cường độ nén theo kích thước mẫu thử 39

Bảng 4.1: Ảnh hưởng của chất tạo rỗng và tỷ lệ N/R đến tính chất BT bọt khí 40

Bảng 4.2: Ảnh hưởng của chất tạo rỗng và tỷ lệ N/R đến tính chất BT bọt nhẹ 41

Bảng 4.3: Quan hệ giữa tỉ lệ N/R và độ chảy xòe của BT bọt nhẹ 42

Bảng 4.4: Mối quan hệ giữa tỉ lệ N/R và cường độ của BT nhẹ 49

Bảng 4.5: Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất của BT bọt khí 50

Bảng 4.6: Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất của BT bọt nhẹ 51

Bảng 4.7: Quan hệ giữa tro bay và độ chảy xòe của BT nhẹ 54

Bảng 4.8: Quan hệ giữa tro bay và độ phồng nở của BT nhẹ 56

Bảng 4.9: Quan hệ giữa tro bay và thời gian bắt đầu ninh kết 58

xi

Bảng 4.10: Quan hệ giữa tro bay và cường độ của BT nhẹ 60

Bảng 4.11: Ảnh hưởng của tro trấu đến tính chất của BT bọt khí 61

Bảng 4.12: Ảnh hưởng của tro trấu đến tính chất của BT bọt nhẹ 61

Bảng 4.13: Quan hệ giữa tro trấu và độ chảy xòe của BT nhẹ 64

Bảng 4.14: Quan hệ giữa tro trấu và độ phồng nở của BT nhẹ 66

Bảng 4.15: Quan hệ giữa tro trấu và thời gian bắt đầu ninh kết 68

Bảng 4.16: Quan hệ giữa tro trấu và cường độ của BT nhẹ 70

Bảng 4.17: Ảnh hưởng của tro trấu + tro bay đến tính chất của BT bọt khí 71

Bảng 4.18: Ảnh hưởng của tro trấu + tro bay đến tính chất của BT bọt nhẹ 71

Bảng 4.19: Quan hệ giữa tro trấu + tro bay và độ chảy xòe của BT nhẹ 74

Bảng 4.20: Quan hệ giữa tro trấu + tro bay và độ phồng nở của BT nhẹ 76

Bảng 4.21: Quan hệ giữa tro trấu + tro bay và thời gian bắt đầu ninh kết 80

Bảng 4.22: Quan hệ giữa tro trấu + tro bay và cường độ của BT nhẹ 83

xii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Khai thác đá – An Giang ……….1

Hình 1.2: Khai thác đất – An Giang 1

Hình 1.3: Khai thác cát – An Giang……….………1

Hình 1.4: Đất canh tác bị thu hẹp……….1

Hình 1.5: Sạc lở - An Giang 2

Hình 1.6: Nhà máy nhiệt điện……….…2

Hình 1.7: Trấu thải ra sông……… 2

Hình 1.8: Các phương pháp chế tạo bê tông bọt [9] 11

Hình 2.1: Quá trình đóng rắn của xi măng 18

Hình 2.2: Hồ xi măng rắn chắc 19

Hình 2.3: Cấu trúc bộ khung của tro trấu [19] 19

Hình 2.4: Cấu trúc bề mặt của tro trấu và tro bay [20] 20

Hình 2.5: Quá trình tương tác của tro trấu trong nền đóng rắn của XM [21] 20 Hình 2.6: Sự phân bố tạo thành cấu trúc rỗng trong BT 21

Hình 2.7: Cấu trúc rỗng của bê tông nhẹ 22

Hình 2.8: Sự phân bố rỗng trong bê tông nền 24

Hình 2.9: Quá trình nhào trộn chất tạo bọt và hỗn hợp bê tông 24

Hình 3.1: Xi măng 26

Hình 3.2: Tro bay 26

Hình 3.3: Tro trấu 27

xiii

Hình 3.4: Vôi 28

Hình 3.5: Chất tạo bọt 29

Hình 3.6: Bột nhôm 29

Hình 3.7: Phương pháp chuẩn bị thực nhiệm cho bê tông sử dụng bọt nhẹ 30

Hình 3.8: Phương pháp chuẩn bị thực nhiệm cho bê tông sử dụng bọt khí 30

Hình 3.9: Xác định đường kính chảy xòe 34

Hình 3.10: Ống đong xác định độ trương nở 36

Hình 3.11: Lỗ rỗng tạo ra do quá trình sinh khí 37

Hình 3.12: Lỗ rỗng tạo ra do bọt nhẹ 37

Hình 4.1: Quan hệ giữa tỷ lệ N/R và độ chảy xòe của BT nhẹ 41

Hình 4.2: Quan hệ giữa độ chảy xòe và độ phồng nở của BT nhẹ 43

Hình 4.3: Quan hệ giữa chất tạo khí và độ chảy xòe của BT bọt khí 45

Hình 4.4: Quan hệ giữa chất tạo khí và độ phồng nở của BT bọt khí 46

Hình 4.5: Quan hệ giữa chất tạo khí và cường độ của BT bọt khí 47

Hình 4.6: Quan hệ giữa tỷ lệ N/R và cường độ của BT nhẹ 48

Hình 4.7: Quan hệ giữa khối lượng thể tích và cường độ của BT bọt khí 50

Hình 4.8: Quan hệ giữa tro bay và hàm lượng hoạt tính của BT nhẹ 52

Hình 4.9: Quan hệ giữa tro bay và độ chảy xòe của BT nhẹ 53

Hình 4.10: Quan hệ giữa tro bay và độ phồng nở của BT nhẹ 55

Hình 4.11: Quan hệ giữa tro bay và thời gian bắt đầu ninh kết của BT nhẹ 56

Hình 4.12: Quan hệ giữa tro bay và thời gian ninh kết của BT nhẹ 57

Hình 4.13: Quan hệ giữa tro bay và cường độ của BT nhẹ 59

xiv

Hình 4.14: Quan hệ giữa tro trấu và hàm lượng hoạt tính của BT nhẹ 62

Hình 4.15: Quan hệ giữa tro trấu và độ chảy xòe của BT nhẹ 63

Hình 4.16: Quan hệ giữa tro trấu và độ phồng nở của BT nhẹ 65

Hình 4 17: Quan hệ giữa tro trấu và thời gian bắt đầu ninh kết của BT nhẹ 67

Hình 4.18: Quan hệ giữa tro trấu và thời gian ninh kết của BT nhẹ 67

Hình 4.19: Quan hệ giữa tro trấu và cường độ của BT nhẹ 69

Hình 4.20: Quan hệ giữa tro trấu + tro bay và hàm lượng hoạt tính của BT nhẹ 72

Hình 4.21: Quan hệ giữa tro trấu + tro bay và độ chảy xòe của BT bọt khí 73

Hình 4.22: Quan hệ giữa tro trấu + tro bay và độ chảy xòe của BT bọt nhẹ 73

Hình 4 23: Quan hệ giữa tro trấu + tro bay và độ phồng nở của BT bọt khí 75

Hình 4 24: Quan hệ giữa tro trấu + tro bay và độ phồng nở của BT bọt nhẹ 76

Hình 4 25: Quan hệ giữa tro trấu + tro bay và thời gian bắt đầu ninh kết 77

Hình 4.26: Mối quan hệ giữa tro trấu + tro bay và thời gian bắt đầu ninh kết 78

Hình 4.27: Quan hệ giữa tro trấu + tro bay và thời gian ninh kết 78

Hình 4.28: Quan hệ giữa tro trấu + tro bay và thời gian ninh kết 79

Hình 4.29: Quan hệ giữa tro trấu + tro bay và cường độ của BT bọt khí 81

Hình 4.30: Quan hệ giữa tro trấu + tro bay và cường độ của BT bọt nhẹ 82

1

TỔNG QUAN

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) hay còn gọi là miền Tây Nam Bộ có vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên đặc thù nên đất nền của vùng này tương đối yếu Trong khi đó công trình dân dụng và công nghiệp với kết cấu chính như móng, cột, dầm, sàn thường làm bằng cốt liệu bê tông cốt thép nên tải trọng công trình rất lớn

Hình 1.1: Khai thác đá – An Giang Hình 1.2: Khai thác đất – An Giang

(http://www.bamboocap.com.vn) (http://moitruong24h.vn/an-giang- tang-cuong-xu-ly-viec-khai-thac-dat-mat)

Hình 1.3: Khai thác cát – An Giang Hình 1.4: Đất canh tác bị thu hẹp

(http://plo.vn/thoi-su/an-giang-thuc-hien- (https://baotintuc.vn/tay-bac-tay-nguyen- nghiem-chi-dao-cua-pho-thu-tuong) tay-nam-bo/hien-ke-cai-tao-dat-lua)

2

Hình 1.5: Sạc lở - An Giang

(https://nld.com.vn/thoi-su-trong-nuoc/bo-song-o-an-giang-rinh-rap-sat-lo)

Hình 1.6: Nhà máy nhiệt điện Hình 1.7: Trấu thải ra sông

Duyên Hải – Trà Vinh Đồng bằng sông Cửu Long

(http://icon.com.vn/vn-s83-125599-661/ (http://dantri.com.vn/xa-hoi/vo-trau-ngap- Dep-lung-linh-nhung-cong-trinh-dien/) mat-song-1241975182.htm)

Cuối tháng 9/2014, Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số TTg về một số giải pháp thực hiện xử lý tro, xỉ, thạch cao của nhà máy nhiệt điện, nhà máy hóa chất phân bón để làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng (VLXD), đến năm 2020, chỉ cấp diện tích bãi thải cho các dự án nhà máy nhiệt điện, hóa chất, phân bón với dung lượng chứa tối đa cho 2 năm sản xuất tương đương với quy mô, công suất của dự án

1696/QĐ-Theo ông Trương Quang Hoài Nam – Phó chủ tịch Ủy Ban Nhân Dân Thành phố Cần Thơ phát biểu tại hội thảo "Sử dụng tro, xỉ, thạch cao của các nhà máy nhiệt điện làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long" sáng 3/10/2017” [1]

3

Theo hoạch điện VII, ĐBSCL từ năm 2020 đến năm 2030 sẽ có 9 nhà máy nhiệt điện than hoạt động, nâng tổng công suất phát điện lên 18.225MW, mỗi năm tiêu thụ khoảng 54,68 triệu tấn than và thải ra khoảng 13,67 triệu tấn tro, xỉ, thạch cao Lượng tro, xỉ thải ra rất cần phải sử dụng một diện tích đất khổng lồ để làm bãi chứa, nếu không có giải pháp tháo gỡ, thúc đẩy xử lý, sử dụng thì tổng lượng tích lũy tro, xỉ, thạch cao trên các bãi chứa của các nhà máy nhiệt điện sẽ phát sinh rất lớn Vì vậy, việc đẩy mạnh xử lý, sử dụng tro, xỉ, thạch cao là yêu cầu cấp thiết

Theo khảo sát, ở ĐBSCL lượng trấu thải ra hàng năm khoảng hơn 3 triệu tấn/năm, nhưng chỉ sử dụng khoảng 10% trong số đó, số còn lại các nhà máy xay xát

đổ xuống sông, rạch Trấu trôi lềnh bềnh khắp nơi và chìm xuống đáy gây ô nhiễm nguồn nước Trung bình mỗi ngày mỗi nhà máy xay xát ở tỉnh Hậu Giang thải ra 24,5 tấn trấu Các nhà máy thường un trấu thành phân trấu, đổ thành đống cao hoặc dùng làm chất đốt (củi trấu - trấu ép lại thành dạng thanh) Các sản phẩm làm từ trấu thuộc loại cồng kềnh, cần phải có diện tích lớn để chứa nên không mang lại hiệu quả kinh

Từ những vấn đề cấp bách nêu trên, việc lựa chọn giải pháp kết cấu nhằm làm giảm bớt tải trọng công trình, tiết kiệm thời gian thi công để phù hợp với vùng đất yếu là thay vật liệu bê tông thông thường bằng vật liệu bê tông nhẹ, thân thiện với

môi trường

Bê tông nhẹ (Cellurla Light Weight Concrete) là loại bê tông (BT) sử dụng xi măng (XM) Porlan là gốc, các loại phụ gia và chất tạo bọt làm thành phần chính với cấu trúc bao gồm vô số các lỗ rỗng li ti phân bố đều trong bê tông Bằng cách điều

lỗ rỗng trong cấu trúc

Hiện nay trong ngành xây dựng ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới và trong khu vực sử dụng phổ biến hai loại công nghệ BT nhẹ:

- Bê tông khí chưng áp (Autoclaved Aerated Concrete - AAC)

- Bê tông bọt khí (Cellular Light weight Concrete - CLC)

Các công nghệ này đều dựa trên nguyên lý đưa bọt khí vào vữa nhằm làm giảm trọng lượng đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm Chúng được sử dụng làm khung, sàn, tường cho các nhà nhiều tầng, dùng trong các kết cấu vỏ mỏng, tấm cong, trong cấu tạo các cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn

Bê tông khí chưng áp: Là sản phẩm được sản xuất từ xi măng, vôi, cát, thạch anh (nghiền mịn), nước và chất tạo khí (có thể thay thế cát bằng bột nhôm, các khoáng silic hoạt tính như xỉ bazơ dưới dạng nghiền mịn) hỗn hợp vật liệu được trộn đều, tạo hình bằng khuôn thép Trong thời gian bắt đầu đông kết phản ứng sinh khí tạo ra các

lỗ rỗng kín làm cho hỗn hợp bê tông trương nở, nhờ đó bê tông có khối lượng thể tích thấp Sau khi đóng rắn sơ bộ sản phẩm được tháo khuôn, cưa thành từng blốc theo kích thước yêu cầu và được đưa vào thiết bị Autoclave, tại đó sản phẩm được phát triển trong môi trường hơi nước bảo hòa có nhiệt độ và áp suất cao Gạch bê tông khí chưng áp có tỷ trọng từ 400 - 1.000kg/m3, chỉ tương đương 1/3 gạch đặc, 2/3 gạch rỗng 2 lỗ, bằng 1/5 tỷ trọng của gạch bê tông thông thường Các công trình kiến trúc

sử dụng gạch bê tông khí chưng áp cho phép giảm tải trọng toà nhà, nâng cao được khả năng chống chấn động cho công trình [3]

5

Bê tông bọt khí: Là hỗn hợp “ Bê tông có chứa bọt ” Hàm lượng bọt trong bê tông có thể lên đến 75% thể tích Bê tông bọt là một loại vật liệu nhẹ, khi còn ở dạng vữa thì dễ chảy như cháo loang; Có thể ứng dụng trong rất nhiều hạng mục công trình Khi khô nó có tỷ trọng khoảng 400 - 1600kg/m3 và có độ chịu nén từ 1-15MPa Vữa

bê tông bọt có thể đúc dễ dàng, và có thể bơm bằng bơm bê tông Khi đổ vào khuôn thì không cần dùng đầm Bê tông bọt có tính không thấm nước do cấu trúc đặc biệt của nó gồm các hạt bọt khí liên kết với nhau bằng xi măng tạo ra một bức tường ngăn cản nước hữu hiệu Bê tông bọt còn có tính chịu đông giá, có khả năng cách âm và cách nhiệt rất cao Với tính đa năng của thành phần cấu tạo, nó có thể được điều chỉnh công thức cấp phối khi sản xuất để phù hợp với các mục tiêu sử dụng khác nhau, cho hiệu quả kỹ thuật và kinh tế tối ưu Công thức cấp phối có thể thay đổi, có nghĩa là

bê tông bọt không phải là một sản phẩm duy nhất với một công thức cấp phối duy nhất cho một loại tỷ trọng nhất định Loại trừ một số sản phẩm đúc sẵn, bê tông bọt không phải là sản phẩm có sẵn dành cho một mục tiêu nào đó Nó hầu như được sản xuất tại công trường, với một công thức cấp phối tối ưu do người sản xuất lựa chọn

để phù hợp cho một mục đích sử dụng nhất định [2]

Mặc dù hay được gọi là bê tông nhẹ hay bê tông bọt, thực ra không phải là bê tông theo nghĩa thông thường hay dùng Bê tông bọt là dạng đông cứng của vữa xi măng - cát chứa bọt khí Vữa có thể là hỗn hợp của xi măng - nước, hoặc xi măng với cát và nước Người ta có thể cho thêm vào như tro bay, tro trấu, microsilica, xỉ lò cao xay nhỏ, phụ gia hóa học… để cải thiện tính chất cơ lý, tiết kiệm xi măng hoặc thay thế xi măng Khác với bê tông thông thường bê tông bọt không chứa cốt liệu thô Do cấu tạo như vậy nên bê tông bọt không có các đặc tính giống như bê tông thông thường

Bê tông bọt được sản xuất bằng cách trộn bọt khí đặc biệt vào vữa xi măng Bọt khí được sản xuất bằng chất tạo bọt, sử dụng máy phun bọt Chất tạo bọt có thể được chế tạo với nhiều nguồn gốc khác nhau, vô cơ hoặc hữu cơ, hoặc hỗn hợp cả hai loại Điều quan trọng là bạn phải chọn được loại cho bọt mịn, đều, có độ bền vững cao để đảm bảo bọt không bị vỡ khi trộn và trong thời gian bê tông đông cứng Bê tông nhẹ

có những ưu và nhược điểm sau:

- Cách âm: Tốt hơn hẳn loại bê tông nặng và tường gạch, do bao gồm cấu trúc bọt nên vừa có khả năng phản hồi vừa hấp thụ âm thanh, tạo nên khả năng cách âm, nâng cao môi trường sống cả bên ngoài lẫn bên trong

- Cách nhiệt, chống cháy: Do được sản xuất từ các vật liệu là chất vô cơ không cháy và bên trong lại có cấu trúc bọt xốp vì vậy hệ số dẫn nhiệt, truyền nhiệt thấp nên khả năng chống cháy có thể vượt hơn 4 giờ Mặt khác, AAC hoàn toàn trơ, nó không thải ra khí độc ngay cả khi tiếp xúc với lửa

- Trọng lượng nhẹ: Tỷ trọng khô của bê tông có thể đáp ứng trong phạm vi từ

250 - 1000kg/m3, tùy thuộc vào phương pháp chế tạo mà cho tỷ trọng khác nhau So với bê tông nặng thì chỉ nặng bằng 1/4, so với gạch đất sét nung chỉ bằng 1/2 nên giảm chi phí vận chuyển và chi phí về nền móng rất nhiều

- Lắp đặt nhanh: Do trọng lượng nhẹ, kích thước lớn và độ chính xác cao nên khả năng xây dựng, lắp đặt rất nhanh tại nơi xây dựng nên chi phí thi công giảm

- Dễ làm việc: Do có thể đổ mẫu theo yêu cầu sử dụng, cưa, khoan, đóng đinh

và tạo rãnh nên làm tăng đáng kể hiệu suất làm việc và tính sáng tạo ngay tại nơi làm việc

- Linh hoạt: Sản phẩm có thể dùng cho tất cả các ứng dụng, bao gồm tường, mái, sàn và ban công

- Giá thành hợp lý: Do sử dụng các vật liệu có trong tự nhiên và nhân tạo (Cát,

xi măng, vôi, thạch cao, tro bay, tro trấu,…)

* Nhược điểm:

- Rất ít nhà thầu quen thuộc với sản phẩm, thợ thi công phải qua đào tạo

7

* Ứng dụng trong thực tế của bê tông nhẹ:

- Làm gạch xây nhà, tường vây nhà cao tầng Đây là ứng dụng đang được quan tâm nhất hiện nay Các tường bao không chịu tải cũng có thể được xây bằng cách đổ khuôn trực tiếp trong cốp pha Tường xây bằng gạch bê tông bọt rất nhanh, lắp đặt điện nước dễ dàng, tải trọng công trình giảm đáng kể giúp tiết kiệm rất nhiều chi phí làm móng

- Thi công nhà một tầng với chi phí thấp (đổ trực tiếp tường trong cốp pha định hình tiêu chuẩn, cho phép thi công 1 căn hộ/1 ngày tại Indonesia) Phải sử dụng cốp pha thép, kín, chắc chắn để đảm bảo cốp pha không bị bục ra, hay rò rỉ khi đổ bê tông bọt vào Chỉ nên đổ cao 1m/lần

- Dùng để làm tường kho lạnh, bể dưỡng bê tông vì bê tông bọt có tính cách nhiệt cao, hệ số truyền nhiệt chỉ bằng 15 - 20% gạch đỏ Dùng bê tông bọt có tỷ trọng thấp đổ mái trần vì thi công nhanh, dễ dàng và chi phí rất thấp

- Lấp các hào rãnh: Bê tông bọt không lún Không cần dùng máy đầm để đầm chặt, nó lấp hết các lỗ hổng đào ra trong hào, rãnh Vì vậy thi công san lấp rãnh rất nhanh, chất lượng mặt đường rất tốt, không cần chờ lâu ngày mới hoàn thiện Đặt đường ống xong là hoàn thiện đường ngay

- Lấp các lỗ hổng: Vữa bê tông bọt rất lỏng dễ chảy nên có thể chảy đến mọi vị trí khó nhất, khe nhỏ nhất để lấp đầy Đặc biệt hữu hiệu trong sửa chữa công trình, lắp các đường ống cống, hầm ngầm

- Xây dựng đường hầm: Bơm bê tông bọt vào các khe, hốc tạo ra khi đào hầm qua đất đá, bơm trám trong hoàn thiện thành hầm

- Làm sàn nhà: Dùng bê tông bọt tỷ trọng thấp thi công sàn nhà, sân bãi hay các mặt phẳng trong công trình rất nhanh, dễ dàng, mặt rất phẳng, giá thành rẻ

- Thi công nền đường: Tại Hà Lan, người ta đổ bê tông nhẹ lên lớp lót bằng màng PVC tạo ra một lớp móng nhẹ và dày, có sức nâng được một con đường nhỏ để cho người đi bộ hay xe đạp qua đầm lầy

- Xây bể bơi: Có thể thi công một bể bơi tại vườn nhà, dùng bê tông bọt làm móng rất nhanh và hiệu quả, tiết kiệm được rất nhiều chi phí so với phương pháp thi công bể bơi thông thường

8

- Lấn biển, xây cảng tại những nơi đất yếu

- BT bọt hầu như không bị ảnh hưởng bởi quá trình đóng và tan băng giá, điều này cho phép sử dụng trong những điều kiện khí hậu rất khác nhau Thành phần tính chất kỹ thuật của bê tông bọt nhẹ được phân loại theo Bảng 1.1

Bảng 1.1: Phân loại bê tông bọt nhẹ [2]

Khối lượng

thể tích

(kg/m 3 )

Cường độ (MPa)

Modun đàn hồi (GPa)

Hệ số truyền nhiệt (3% ẩm) (W/mK)

Co ngót khô (%)

Hiện nay, trên thế giới cũng như ở Việt Nam đang rất quan tâm đến việc nghiên cứu sử dụng tro trấu, tro bay làm phụ gia khoáng hoạt tính để làm tăng chất lượng cho xi măng, bê tông mà giá thành rất thấp

- Trấu là một phế thải nông nghiệp ở nước ta với trữ lượng thải ra hàng năm rất lớn, hơn nữa trấu là loại vật liệu có khối lượng thể tích nhỏ (khoảng 0,1 tấn/m3) nên cần phải tốn một diện tích rất lớn để chứa loại phế thải này, việc vận chuyển trấu để

xử lý là không kinh tế Do đó, người ta thường đốt trấu tạo thành tro và dùng như một loại phân bón tự nhiên, tuy nhiên giá trị kinh tế rất thấp

9

- Các công trình nghiên cứu cho thấy trong tro trấu có một hàm lượng SiO2 rất cao (86,9 - 97,3%) Hàm lượng SiO2 này trong tro trấu tương đương hàm lượng SiO2 trong muội của oxit silic Đốt trấu trong điều kiện thích hợp sẽ thu được tro trấu có

độ xốp rất lớn, hạt tro trấu này có cấu trúc rỗng, hàm lượng SiO2 vô định hình cao do

đó độ hoạt tính puzơlan cũng rất cao Ngoài ra, SiO2 trong tro trấu là có thể tái hồi chứ không giống muội oxyt silic Tro trấu có những ưu điểm vượt trội như: Tính chống thấm cao; Rất mịn nên làm tăng tuổi thọ của bê tông; Chứa nhiều oxit silic ở trạng thái vô định hình; Có hoạt tính puzơlan rất cao tương đương với muội silic Vì vậy, nếu tro trấu được điều chế đúng kỹ thuật, được gia công thích hợp thì có thể thay thế muội silic trong bê tông Tận dụng tro trấu để làm nguyên liệu chế tạo nên bê tông không chỉ làm tăng chất lượng bê tông, mang đến hiệu quả kinh tế cao còn góp phần bảo vệ tài nguyên và môi trường [4]

- Tro bay là một loại bụi khí thải được tạo ra từ quá trình đốt than của các nhà máy nhiệt điện Là một vật liệu rất mịn chủ yếu là các hạt thủy tinh nhỏ hình cầu Nó thu được bằng máy tách cơ khí thì có kích thước hạt tương đối lớn còn thu được từ tấm hút tách tĩnh điện thì khá mịn và có tỉ diện bề mặt tương đối lớn 3000 - 5000

cm2/g Vì vậy tro bay có cỡ hạt mịn hơn xi măng, thành phần chính là:SiO2, Al2O3, CaO, MgO, SO3 … Loại vật liệu này một thời đã được coi là rác thải khó xử lí và khó phân hủy, nhưng hiện nay nó được coi là vật liệu có giá trị cao khi sử dụng kết hợp như là một phụ gia

- Tro bay là những phần tử hình cầu có cấu trúc thủy tinh, rỗng, xốp và rất nhẹ nên có thể nổi trên mặt nước Đôi khi bên trong cấu trúc rỗng đó lại chứa những phần

tử tro bay hình cầu khác Hình dạng hạt và đặt trưng bề mặt của tro bay có thể dùng làm thành phần khoáng hoạt tính để lấp đầy các lỗ rỗng trong cấu trúc của bê tông xi măng Tro bay tồn tại cả các khoáng tinh thể lẫn các khoáng thủy tinh Nói chung tro bay có từ 15 - 45% thành phần tinh thể Khả năng hoạt tính hóa của tro bay phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng nhất có thể kể đến như độ mịn, dạng tồn tại vô định hình, thành phần khoáng và hóa học [5]

Do đó, nghiên cứu sử dụng tro trấu và tro bay là một phế thải nông nghiệp và công nghiệp kết hợp với các thành phần nguyên liệu để sản xuất bê tông nhẹ có khả

10

năng tái sử dụng các nguồn chất thải Bên cạnh đó, nghiên cứu sử dụng vật liệu nhẹ theo công nghệ bọt nhẹ và công nghệ bọt khí nhưng không sử dụng nhiệt và áp suất cao đảm bảo khả năng ứng dụng tại các địa phương thuộc ĐBSCL

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Nghiên cứu trên thế giới

Bê tông nhẹ đã được sử dụng ở Châu Âu hơn 70 năm, được bắt đầu sử dụng ở vùng Viễn Đông và Trung Đông từ cách đây hơn 40 năm, Châu Úc và Châu Mỹ cách đây hơn 20 năm Bê tông bọt khí được phát minh tại châu Âu với công nghệ khá đơn giản và linh động có thể sản xuất bất cứ ở đâu với bất cứ ai với yêu cầu chỉ cần có chất tạo bọt, XM, cát, nước được nghiên cứu ban đầu từ Đan Mạch và Thụy Điển Đến những năm 1980, bê tông bọt nhẹ được phát triển mạnh tại Châu Âu, đặc biệt là tại Đức, sau đó là phát triển mạnh tại Anh [2, 3]

- Theo tác giả Koudriashoff [6,1949] thì tác nhân tạo foam cần phải tạo được hỗn hợp bọt đồng đều và ổn định, phân bố trong lớp vữa nền đồng đều và không ảnh hưởng đến bộ khung chịu lực của vữa nền

- Tác giả Byun và cộng sự [7, 1998] đã nghiên cứu sử dụng các loại foam tạo bọt khác nhau và cho thấy sự tương tác của các bọt có liên hệ mật thiết với vữa nền, đặc biệt là trong quá trình nhào trộn và trình tự nhào trộn các thành phần với nhau

- Tác giả Aldridge và cộng sự [8, 2001], [9, 2005] nghiên cứu về các loại foam tạo rỗng khác nhau thì nhận định có thể dùng foam khô hoặc dạng lỏng để nhào trộn chung với vữa nền, tuy nhiên khi dùng mỗi loại thì cần phương pháp tạo foam và nhào trộn khác nhau, phụ thuộc vào kích thước của bọt foam tạo ra

- Tác giả Mehta [10, 1977] đã nghiên cứu và cho thấy sự kết hợp được giữa các vật liệu puzơlan với các thành phần khoáng của xi măng, đặc biệt là puzơlan xuất phát từ vật liệu nông nghiệp như tro trấu

- Tác giả Zhang và cộng sự [11, 1996] đã nghiên cứu sử dụng tro trấu trong hồ

xi măng và bê tông và cho thấy ảnh hưởng của tro trấu trong quá trình đóng rắn, tác động đến vùng liên kết bề mặt của vật liệu nền

11

- Tác giả Kearsley và cộng sự [12, 2001] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến tính chất của bê tông bọt nhẹ, đánh giá thành phần của tro bay đến tính chất cường

độ, làm thay đổi một số đặc tính kỹ thuật của bê tông bọt

- Theo tác giả Ramamuthy [13, 2009] bê tông bọt sau đó được nghiên cứu trên

cơ sở nhào trộn thêm các thành phần nguyên liệu khác như cát, xi măng, nước để tạo thành hỗn hợp bao bọc các bọt khí rỗng tạo ra Thành phần hỗn hợp dung dịch tạo bọt sẽ cần hỗn hợp hồ xi măng yêu cầu Có nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra hỗn hợp bọt nhỏ, đồng đều, kết hợp được với lớp vữa nền tạo thành bê tông rắn chắc

Hình 1.8: Các phương pháp chế tạo bê tông bọt [13]

Các nghiên cứu đã cho thấy bê tông bọt nhẹ đang được nghiên cứu để ứng dụng trong các công trình xây dựng trên thế giới Đồng thời, việc sử dụng tro trấu và tro bay có thể thay thế một phần xi măng như phụ gia puzơlan trong hỗn hợp bê tông bọt nhẹ

12

Nghiên cứu tại Việt Nam

Ở Việt Nam, vật liệu xây dựng nhẹ đang được thúc đẩy nghiên cứu và phát triển nhằm thay thế cho vật liệu truyền thống

- Các nghiên cứu của GS Phạm Duy Hữu [14, 2005] dùng bê tông cốt liệu nhẹ khối lượng thể tích dưới 1.900kg/m3, có cường độ tương đương bê tông thường và nhẹ hơn khoảng 25 - 35% Sử dụng phương pháp thiết kế thành phần bê tông cốt liệu nhẹ trên cơ sở vật liệu trong nước nhằm chế tạo các loại bê tông cốt liệu nhẹ cường

độ cao đáp ứng yêu cầu chịu lực của công trình cầu Kết quả thực nghiệm cho thấy, nếu sử dụng sỏi nhẹ kezamzit sản xuất trong nước có thể chế tạo được bê tông có cường độ lên tới 40MPa và khối lượng thể tích từ 1.911 - 1.981kg/m3 khi sử dụng vữa xi măng có cường độ nén hơn 100MPa

- Tác giả Đào Quốc Hùng [15, 2012] đã nghiên cứu “Chế tạo chất tạo bọt sử

dụng trong sản xuất bê tông nhẹ nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu không nung” mã số RD 29 - 10, trong đó vật liệu bê tông bọt với thành phần nguyên liệu là

xi măng, cát, xỉ lò cao, nước cùng một số phụ gia tạo bọt khí là một trong những sản phẩm vật liệu không nung được dùng để thay thế cho vật liệu nung hiện nay ở Việt Nam Nghiên cứu đã lựa chọn loại nguyên liệu để chế tạo chất tạo bọt (nguyên liệu

có nguồn gốc động - thực vật; Những chất khác như NaOH, SLS, SLES và một số chất ổn định Walocel, PVA, CMeC), nghiên cứu xác lập quy trình chế tạo chất tạo bọt trên cơ sở các nguyên liệu đó, sản phẩm của đề tài - được tạo ra bằng phương pháp thủy phân Albumin có nguồn gốc tự nhiên kết hợp với chất hoạt động bề mặt SLES, sử dụng chất ổn định Walocel với tỷ lệ các thành phần được xác định cụ thể –

có chất lượng tương đương với phụ gia tạo bọt Eabassoc (nhập từ Anh)

- Tại An Giang, Ông Hoàng Xuân Phương (nguyên giám đốc nhà máy Silico)

đã phát triển nhà máy sản xuất gạch bê tông bọt nhẹ Bê tông nhẹ có được cường độ tương đương vật liệu truyền thống, trong điều kiện thi công bình thường và cao hơn

nữa trong điều kiện thi công đặc biệt Kết hợp giữa hai yếu tố nhẹ và cường độ cao

tạo ra sản phẩm bê tông nhẹ siêu mỏng với độ mỏng tới 0,7cm

- Tác giả Nguyễn Tiến Trung [16, 2009] đã nghiên cứu sử dụng kết hợp phụ gia tro bay và tro trấu trong bê tông và cho thấy khi sử dụng kết hợp cả hai loại này thì

13

sự bổ sung lẫn nhau của thành phần SiO2, Al2O3, Fe2O3 hoạt tính của hệ tro bay – tro trấu làm cho bê tông chống thấm nước tốt hoặc đặc chắc hơn khi dùng riêng lẻ tro bay hoặc tro trấu

- Nguyễn Văn Tuấn và cộng sự [17, 2012] đã nghiên cứu sử dụng tro trấu làm phụ gia khoáng cho bê tông chất lượng siêu cao, khi đó các thành phần khoáng hoạt tính của tro trấu có thể kết hợp với xi măng làm tăng độ đặc chắc của thành phần đóng rắn của bê tông Việc sử dụng tro trấu cung cấp thêm thành phần SiO2 hoạt tính làm nâng cao tính chất của vật liệu

- Tác giả Nguyễn Công Thắng và cộng sự [18, 2012] đã nghiên cứu việc sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng silica fume và tro bay để thay thế một phần xi măng trong chế tạo bê tông chất lượng siêu cao làm cải thiện đáng kể tính công tác và tăng cường độ nén của bê tông Thành phần SiO2 trong silicafume và tro bay có thể dùng nâng cao tính chất của betong

- Trần Đức Trung và cộng sự [19,2013] đã nghiên cứ về sử dụng cát mịn phối hợp với hỗn hợp phụ gia khoáng hoạt tính xỉ lò cao - tro trấu để chế tạo bê tông tự lèn có cường độ nén đạt hơn 60MPa Việc kết hợp tro trấu và xỉ lò cao có thể phối trộn các thành phần hoạt tính có trong nguyên liệu để nâng cao tính chất của bêtong cường độ cao

- Tác giả Bạch Đình Thiên và cộng sự [20, 2015] đã nghiên cứu sử dụng kết hợp phụ gia tro bay và tro trấu đến tính chất cơ lý của bê tông chất lượng cao, kết quả cho thấy việc sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng tro trấu - tro bay với hàm lượng hợp

lý sẽ cho hỗn hợp bê tông có tính công tác tốt Việc kết hợp tro bay và tro trấu tận dụng được tỷ lệ thành phần hoạt tính khác nhau của SiO2 và Al2O3 có ảnh hưởng tốt tính chất cường độ của vật liệu

Việc nghiên cứu tro bay và tro trấu đã được các tác giả sử dụng như phụ gia khoáng dùng kết hợp với ximăng và cải thiện một số tính chất của bê tông và bê tông chất lượng cao Tuy nhiên việc sử dụng kết hợp cả tro bay và tro trấu trong vật liệu nhẹ, đặc biệt trong bê tông nhẹ không sử dụng nhiệt độ và áp suất cao chưa được đánh giá

14

Do đó, nghiên cứu phát triển vật liệu bê tông nhẹ là yêu cầu cần thiết cho việc phát triển vật liệu xây dựng ở An Giang và các tỉnh ĐBSCL Đồng thời thành phần khoáng có trong tro bay và tro trấu có khả năng kết hợp với nhau để cải thiện các tính chất của bê tông chất lượng cao Vì vậy, “Nghiên cứu sử dụng tro trấu và tro bay tại vùng đồng bằng sông Cửu Long để chế tạo bê tông nhẹ” là kết hợp hệ phụ gia tro trấu – tro bay vào thành phần bê tông nhẹ nhằm đánh giá ảnh hưởng và khả năng sử dụng chất thải rắn để phát triển vật liệu xây dựng bền vững và bảo vệ môi trường tại khu vực ĐBSCL

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu khả năng sử dụng của tro bay, tro trấu thay thế ximăng trong thành phần nguyên liệu của bê tông nhẹ sử dụng bọt khí và bọt khoáng

- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tro bay, tro trấu đến khả năng làm việc của tính chất cường độ của bê tông nhẹ bọt khí

- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tro bay, tro trấu đến khả năng làm việc của tính chất cường độ của bê tông nhẹ sử dụng chất tạo bọt

- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và tro trấu kết hợp đến khả năng làm việc của tính chất cường độ của bê tông nhẹ

- Đánh giá khả năng sử dụng tro bay và tro trấu trong sản xuất vật liệu nhẹ dùng trong xây dựng

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tro trấu và tro bay đến khả năng làm việc

và ảnh hưởng đến cấu trúc của hệ vật liệu

- Đánh giá và xây dựng qui luật tác động của thành phần hạt tro trấu và tro bay đến tính lưu biến của vật liệu, tải trọng và hệ số rỗng của vật liệu

- Thực nghiệm và đánh giá khả năng sử dụng tro trấu và tro bay trong bê tông nhẹ để áp dụng cho các công trình xây dựng

15

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Luận văn này gồm 5 chương:

- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài, mục đích nghiên cứu và tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước của các đề tài có liên quan

- Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu được sử dụng đến trong đề tài

- Chương 3: Trình bày tính chất vật liệu dùng trong nghiên cứu và các phương pháp đánh giá

- Chương 4: Trình bày kết quả của quá trình thực nghiệm

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Bảng 2.1: Thành phần khoáng chính của ximăng

Thành

phần

C3S (3CaO.SiO2)

C2S (2CaO.SiO2)

C3A (3CaO.Al2O3)

C4AF (4CaO.Al2O3.Fe2O3)

(Nguồn: thành phần khoáng hóa của ximang fico) Alit (C3S): Khoáng này phản ứng nhanh với nước, tỏa nhiều nhiệt, cho sản phẩm đông rắn cao nhất sau 28 ngày

Belit (C2S): Khoáng này phản ứng với nước tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm có độ đông rắn chậm nhưng 28 ngày cũng đạt được yêu cầu bằng Alit

Celit (C4AF): Khoáng cho phản ứng tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm ứng với độ đông rắn thấp

Canxi aluminat (C3A): Khoáng này phản ứng nhanh với nước tỏa nhiều nhiệt Cho sản phẩm phản ứng ban đầu đông rắn nhanh nhưng sau đó chậm lại

Quá trình ngưng kết và rắn chắc của xi măng

- Khi nhào trộn xi măng với nước ở giai đoạn đầu xảy ra phản ứng thủy hóa giữa các khoáng trong xi măng với nước Trong đó phản ứng của alit (C3S) với nước xảy ra như sau: [21]

2(3CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H 2O + 3Ca(OH)2 (1)

17

Vì đã có Ca(OH)2 tách ra từ alit nên bêlit (C2S) thủy hóa chậm hơn và tách ra ít Ca(OH)2 hơn:

2(2CaO.SiO2) + 4H2O →3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2 (2)

(C3A) và (C4AF) cũng phản ứng với nước:

3CaO.Al2O3 + 6H2O → 3CaO Al2O3.6H2O (3)

4CaO.Al2O3.Fe2O3+mH2O→3CaO.Al2O3.Fe2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.nH2O (4) Phản ứng (3) xảy ra rất nhanh và làm xi măng khô sớm Do đó, để làm chậm quá trình ngưng kết, khi nghiền clinke cần cho thêm một lượng 3 - 5% đá thạch cao đóng vai trò là chất hoạt động hoá học của xi măng, tác dụng với canxi aluminat (C3A) ngay từ đầu để tạo thành sunfoaluminat canxi (khoáng etringit) [21]

thạch cao

3CaO.Al2O3 + 3(CaSO4.2 H2O) + 26 H2O → 3CaO.Al2O3.3(CaSO4) 32 H2O

- Khi xi măng rắn chắc, các quá trình vật lý và hóa lí phức tạp đi kèm theo các phản ứng hóa học có một ý nghĩa rất lớn và tạo ra sự biến đổi tổng hợp, khiến cho xi măng khi nhào trộn với nước, lúc đầu chỉ là hồ dẻo và sau đó biến thành đá có cường

độ Tất cả các quá trình tác dụng tương hỗ của từng khoáng với nước để tạo ra các sản phẩm mới xảy ra đồng thời, xen kẽ và ảnh hưởng lẫn nhau Các sản phẩm mới cũng có thể tác dụng tương hỗ với nhau và với các khoáng khác của clinke để hình thành các liên kết mới Do đó hồ xi măng là một hệ phức tạp cả về cấu trúc thành phần cũng như sự biến đổi Để giải thích quá trình rắn chắc của xi măng người ta dùng thuyết Baikor – Rebinder Theo thuyết này, quá trình rắn chắc của xi măng được chia làm 3 giai đoạn:

+ Giai đoạn hòa tan: Khi nhào trộn xi măng với nước các thành phần khoáng của clinke sẽ tác dụng với nước ngay trên bề mặt hạt xi măng Trong hợp chất mới tạo thành có Ca(OH)2 và 3CaO.Al2O3.6H2O là dễ hòa tan nhất nên tan ngay vào nước làm xuất hiện lớp xi măng mới tiếp tục tác dụng với nước rồi tiếp tục hòa tan

và cường độ tăng

Tóm lại quá trình rắn chắc của xi măng có thể biểu diễn như sau:

Hình 2.1: Quá trình đóng rắn của xi măng [21]

19

Hình 2.2: Hồ xi măng rắn chắc [21]

Khi sử dụng hệ chất kết dính tro trấu – tro bay – xi măng sẽ xảy ra quá trình phản ứng Khả năng hoạt tính của phụ gia đã làm giảm lượng Ca(OH)2 dễ hòa tan trong xi măng và tạo thành gel CaO-SiO2-H2O có khả năng rắn chắc:

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

Hình 2.3: Cấu trúc bộ khung của tro trấu [22]

20

Hình 2.4: Cấu trúc bề mặt của tro trấu và tro bay [23]

Hình 2.5: Quá trình tương tác của tro trấu trong nền đóng rắn của XM [24]

21

Thành phần hạt mịn của tro bay, tro trấu lấp đầy các lỗ trống mao quản làm tăng

độ chắc đặc cho đá xi măng Đồng thời cấu trúc của nền xi măng cũng sẽ được cải thiện

CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TẠO RỖNG

Cấu trúc vĩ mô của bê tông đặc trưng bằng cấu trúc của vật rắn, độ rỗng và đặc trưng của lỗ rỗng của từng cấu tử tạo nên bê tông cũng như cấu tạo của lớp tiếp xúc giữa chúng Độ bền của mối liên kết giữa cốt liệu và đá xi măng phụ thuộc vào bản chất của cốt liệu, vào độ rỗng, độ nhám bề mặt, độ sạch của mặt cốt liệu, cũng như vào loại xi măng và độ hoạt tính của nó; Tỷ lệ nước/xi măng và điều kiện rắn chắc của bê tông Đối với bê tông cốt liệu đặc, lớp liên kết kém bền hơn đá xi măng Lỗ rỗng trong bê tông bao gồm:

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

- Lỗ rỗng trong cốt liệu;

- Lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu - khoảng không gian giữa các hạt cốt liệu không được chèn đầy hồ xi măng Các lỗ rỗng được tạo thành dựa trên sự sắp xếp các hạt cốt liệu cùng kích cỡ, liên kết với nhau bằng lượng hồ xi măng hợp lý tại các điểm tiếp xúc Có nhiều lỗ rỗng với đường kính khoảng 2 - 8mm trong bê tông rỗng vì thế nước có thể thấm qua bê tông một cách nhanh chóng nhưng cường độ thì thấp do có

lỗ rỗng

Hình 2.6: Sự phân bố tạo thành cấu trúc rỗng trong BT [25]

22

Trong đá xi măng luôn có các lỗ rỗng (chiếm từ 2 - 30% tùy thuộc vào chất lượng vữa xi măng) Kích thước các lỗ rỗng tùy thuộc vào tỷ lệ nước/xi măng, phương pháp thi công, sử dụng phụ gia, chất lượng xi măng Có thể phân chia lỗ rỗng theo kích thước của đá xi măng như sau:

+ Lỗ rỗng lớn: Có kích thước lớn hơn 100µm

+ Lỗ rỗng vừa: Có kích thước từ 1,6 – 100µm

+ Lỗ rỗng nhỏ: Có kích thước từ 0,6 – 106 µm

+ Lỗ rỗng siêu nhỏ: Có kích thước nhỏ hơn 0.6µm

* Lỗ rỗng có ảnh hưởng của chúng tới tính chất của đá xi măng

+ Lỗ rỗng có đường kính ≈ 2µm liên quan đến sự khuếch tán, xâm thực của các ion như Cl-, SO42- … làm ảnh hưởng đến độ bền vững của công trình

+ Lỗ rỗng từ vài chục đến vài trăm µm liên quan đến sự thấm nước và thấm khí của công trình

Hình 2.7: Cấu trúc rỗng của bê tông nhẹ [25]

23

Hỗn hợp bê tông nhẹ sử dụng hệ chất kết dính bao gồm xi măng, tro bay, tro trấu sẽ có sự thay đổi về điện tích Khi đó tồn tại thành phần hạt mịn là các hạt tro bay, tro trấu, xi măng và có thể có các hạt khoáng siêu mịn, phụ gia hóa học Trong

đó, tro bay được tạo ra do quá trình đốt cháy than và được nhiệt hóa tạo thành các hạt cầu có kích thước rất nhỏ dao động trong khoảng 1 - 100μm Các hạt tro trấu mịn là

do quá trình đốt trấu ở nhiệt độ cao, sau đó nghiền mịn Sự tạo thành này làm cho tro bay, tro trấu có tồn tại những nơi tích điện dương và những nơi tích điện âm trên bề mặt hạt mịn Nhìn chung, các hạt mịn thường tích điện âm nhiều hơn (khoảng 3 lần)

so với tích điện dương, các điện tích âm thường tập trung ở những chỗ bằng phẳng

và ngược lại, các điện tích dương thường tập trung ở những nơi góc cạnh của hạt mịn Các hạt chứa điện tích này sẽ làm thay đổi môi trường nước, làm thay đổi khả năng tạo ra các trạng thái hóa keo, hòa tan của hạt xi măng Khi đó hỗn hợp vữa tạo ra từ

hệ chất dính xi măng - tro trấu - tro bay sẽ có độ lưu biến cao và các hạt khí sẽ dễ dàng phân bố trong nền của bê tông hơn, cấu trúc rỗng của bê tông sẽ đều hơn

* Cơ chế tạo lỗ rỗng khi dùng bọt khí:

Phương trình phản ứng tạo rỗng bằng bọt khí như sau:

4Al + 3O2 = 2 Al2O3 Nhôm oxit ở trong điều kiện không khí và nước sẽ ổn định Trong sinh hoạt hàng ngày những sản phẩm nhôm mà ta đang sử dụng đã có một màng nhôm oxit bảo

vệ, nhằm ngăn không cho nhôm kim loại tiếp tục oxi hóa, nhưng nhôm oxit (Al2O3)

dễ bị phá vỡ lớp bảo vệ khi ở trong môi trường axit hoặc kiềm, phản ứng với axit hoặc kiềm, sinh ra muối mới, gây nên tầng bảo vệ bị phá vỡ

Al2O3 + 6H+ = 2Al + 3H2O Al2O3 + 2OH- = 2AlO2- + H2O Nhôm kim loại sau khi bị phá vỡ lớp bảo vệ sẽ phản ứng khi gặp nước và kiềm,

và tạo ra khoáng CSH và khí hydro

2Al + 3 Ca(OH)2 + 6H2O →3CaO.Al2O3.6H2O + 3H2↑

Vì thế, nếu dùng bột nhôm làm nguyên liệu bay hơi thì nên tiến hành phản ứng bay hơi dưới tác dụng kiềm

24

Nhôm phản ứng với nước sinh ra Al(OH)3, và cũng cản trở việc nhôm phản ứng với nước ở bước tiếp theo, nhưng Al(OH)3 cũng có thể hòa tan trong dung dịch kiềm, sinh ra Aluminat:

Al(OH)3 + OH- = AlO2- + 2H2O

Vì vậy, khi ở dạng kiềm, nhôm sẽ có thể phản ứng với nước liên tục, sinh ra khí hydro cho đến khi nhôm kim loại tan hết

Hình 2.8: Sự phân bố rỗng trong bê tông nền [25]

* Cơ chế tạo lỗ rỗng khi dùng bọt nhẹ:

Phương trình phản ứng tạo rỗng bằng bọt nhẹ là phản ứng thủy phân este trong môi trường kiềm như sau:

Tổng quát:

Ry(COO)xyR’x + xyNaOH → yR(COONa)x + xR’(OH)y

mchất rắn sau phản ứng = mmuối + mkiềm dư

Các bọt nhẹ được tạo thành phản ứng thủy phân có khả năng phân phối đều trong hỗn hợp vữa nền và ổn định theo thời gian

Cơ chế tạo thành hỗn hợp vữa nhẹ với chất tạo bọt như Hình 2.9

Hình 2.9: Quá trình nhào trộn chất tạo bọt và hỗn hợp bê tông [25]

và thành phần hóa trình bày trong Bảng 3.1

Bảng 3.1: Chỉ tiêu cơ lý của xi măng

Bảng 3.2: Thành phần hóa học của xi măng

Thành phần

hoá học SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO

K2O + Na2O

MgO SO3 MKN(*)

% khối lượng 21,3 5,58 4,32 61,92 - 1,35 1,69 1,17

(*) MKN: mất khi nung

26

Hình 3.1: Xi măng Tro bay

Tro bay loại F theo tiêu chuẩn ASTM từ các nhà máy nhiệt điện có khối lượng

riêng là 2,5g/cm3 và độ mịn thỏa điều kiện 94% lọt qua cỡ sàng 0,08mm Thành phần

hóa học của tro bay được trình bày trong Bảng 3.3

Bảng 3.3: Thành phần hóa học của tro bay

Thành phần

hoá học SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO

K2O + Na2O

MgO SO3 MKN(*)

% khối lượng 51,7 31,9 3,48 1,21 1,02 0,81 0,25 9,63

(*) MKN: mất khi nung

Hình 3.2: Tro bay

27

Tro trấu

Tro trấu thu được sau khi đốt trấu trong lò nung, thời gian đốt khoảng 24 giờ, nhiệt độ cao nhất trong lò đạt 8000C Tro trấu sau khi để nguội được nghiền mịn bằng máy nghiền bi có khối lượng riêng là 2,1g/cm3 và độ mịn lọt qua cỡ sàng 0,08mm đạt 90% Thành phần hóa của tro trấu trình bày trong Bảng 3.4

Bảng 3.5: Đặc tính kỹ thuật của vôi

28

Hình 3.4: Vôi Cát

Cát sử dụng cho bê tông xi măng phải thoả mãn yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006, có mô đun độ lớn 1,82 Khối lượng riêng là 2,61g/cm3, khối lượng thể tích là 1,52 g/cm3

Chất tạo rỗng bọt nhẹ

Chất tạo bọt FA - P12 có tính ổn định cao Dung dịch sau khi qua máy phun sẽ tạo bọt vững chắc, màu trắng, với thể tích bọt tăng gấp 25 - 30 lần so với thể tích dung dịch Lượng sử dụng FA - P12 điển hình: 0,8 - 1 lít/1m3 bê tông xốp Pha chất tạo bọt trong nước ở tỷ lệ 5% Tính chất kỹ thuật trình bày trong Bảng 3.6

Bảng 3.6: Tính chất kỹ thuật của chất tạo bọt

29

Hình 3.5: Chất tạo bọt Chất tạo rỗng bột nhôm

Chất tạo rỗng bằng bột nhôm GLS - 65, ở dạng gốc nước, thành phần chất rắn chiếm 65%, thành phần hoạt tính trong chất rắn chiếm 90% Tốc độ sinh khí trong 4 phút là 50 - 80%, trong 16 phút là lớn hơn 90% Độ mịn sót trên sàng 0,075mm là 3%

Hình 3.6: Bột nhôm PHƯƠNG PHÁP CHUẨN BỊ VÀ THÀNH PHẦN CẤP PHỐI

Phương pháp chuẩn bị thực nghiệm cho bê tông nhẹ

Các thành phần nguyên liệu được định lượng và nhào trộn tro bay, tro trấu với chất kết dính ximăng, sau đó được nhào trộn với cát thành hỗn hợp khô Nước được cho vào để nhào trộn ướt Hỗn hợp bê tông sau đó được thực nghiệm xác định các chỉ