Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến khả năng chống thấm của bê tông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẶNG VĂN MẾN NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA TRO BAY ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và công nghiệp Mã số : 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN CHÍNH Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Ngƣời cam đoan Đặng Văn Mến MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ........................................................................... 1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 1 4. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................... 2 5. Kết quả dự kiến ................................................................................................... 2 6. Cấu trúc của luận văn.......................................................................................... 2 CHƢƠNG 13. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ PHẠM Vİ ỨNG DỤNG CỦA TRO BAY TRONG XÂY DỰNG ............................................................................................ 3 1.1. Bê tông và các đặc tính cơ lý của bê tông ................................................................. 3 1.1.1. Bê tông .......................................................................................................... 3 1.1.2. Nguồn gốc bê tông ........................................................................................ 3 1.1.3. Các loại bê tông hiện đại điển hình ............................................................... 5 1.1.4. Cấu trúc của bê tông. ..................................................................................... 8 1.1.5. Các tính chất cơ lý của bê tông ..................................................................... 9 1.2. Tổng quan về tro bay .............................................................................................. 11 1.2.1. Khái niệm về tro bay ................................................................................... 11 1.2.2. Thành phần tro bay...................................................................................... 12 1.2.3. Cấu trúc hình thái của tro bay ..................................................................... 15 1.2.4. Phân loại tro bay.......................................................................................... 16 1.2.5. Sản lƣợng tro bay trong và ngoài nƣớc ....................................................... 18 1.2.6. Tính ƣu việt của tro bay. ............................................................................. 21 1.2.7. Tình hình sử dụng tro bay ........................................................................... 22 1.3. Các công trình nghiên cứu ứng dụng tro bay. ......................................................... 23 1.3.1. Công trình trong nƣớc ................................................................................. 23 1.3.2. Công trình ngoài nƣớc................................................................................. 25 1.4. Kết luận chƣơng ..................................................................................................... 27 CHƢƠNG 2. TİÊU CHUẨN, VẬT LİỆU VÀ THİẾT BỊ THÍ NGHİỆM ................. 28 2.1. Các tiêu chuẩn sử dụng trong thí nghiệm ............................................................. 28 2.2. Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm ........................................................................ 28 2.2.1. Cốt liệu nhỏ (cát) ....................................................................................... 28 2.2.2. Cốt liệu lớn (đá 1x2). ................................................................................. 30 2.2.3. Xi măng ...................................................................................................... 33 2.2.4. Tro bay ....................................................................................................... 34 2.2.5. Nƣớc ........................................................................................................... 36 2.2.6. Phụ gia ........................................................................................................ 36 2.3. Thiết bị sử dụng ..................................................................................................... 38 2.3.1. Ván khuôn .................................................................................................. 38 2.3.2. Máy trộn ..................................................................................................... 38 2.3.3. Thiết bị đầm bê tông. ................................................................................. 39 2.3.4. Bảo dƣỡng mẫu bê tông ............................................................................. 39 2.3.5. Thiết bị do độ sụt bê tông .......................................................................... 40 2.3.6. Máy nén mẫu kiểm tra cƣờng độ bê tông ................................................. 40 2.3.7. Thiết bị thí nghiệm thấm ........................................................................... 41 2.4. Kết luận chƣơng ..................................................................................................... 42 CHƢƠNG 3. THÍ NGHIỆM X C ĐỊNH ẢNH HƢỞNG CỦA TRO BAY ĐẾN CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN VÀ KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG ......... 43 3.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................... 43 3.2. Vật liệu sử dụng thí nghiệm ................................................................................... 43 3.3. Thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông ................................................................... 43 3.4. Đúc mẫu và bảo dƣỡng mẫu ................................................................................... 45 3.4.1. Đúc mẫu ...................................................................................................... 45 3.4.2. Bão dƣỡng mẫu ........................................................................................... 47 3.5. Thí nghiệm xác định độ sụt .................................................................................... 47 3.6. Thí nghiệm xác định cƣờng độ chịu nén của bê tông............................................. 48 3.7. Thí nghiệm xác định cấp chống thấm của bê tông ................................................. 49 3.7.1. Quy trình thí nghiệm ................................................................................... 49 3.7.2. Tính kết quả, xác định độ cấp chống thấm .................................................. 51 3.8. Kết quả và thảo luận ............................................................................................... 53 3.8.1. Độ sụt của các hỗn hợp bê tông .................................................................. 53 3.8.2. Ảnh hƣởng của tro bay đến cƣờng độ chịu nén của bê tông ....................... 54 3.8.3. Ảnh hƣởng của tro bay đến khả năng chống thấm của bê tông. .................. 56 3.8.4. Mối quan hệ giữa cƣờng độ chịu nén và cấp chống thấm. .......................... 57 3.9. Kết luận chƣơng ..................................................................................................... 58 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KİẾN NGHỊ ........................................................................ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 60 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHİÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA TRO BAY ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG Học viên: Đặng Văn Mến Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình DD và CN Mã số: 60.58.02.08 Khóa: K33, Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Tính chất cơ lý của bê tông phụ thuộc chủ yếu vào thành phần cấp phối, loại xi măng, loại cốt liệu, hàm lƣợng xi măng, hàm lƣợng nƣớc (tỉ lệ N/X), ... Độ bền của bê tông có thể đƣợc xem phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc lỗ rỗng bên trong bê tông. Bê tông có thể bị phá hoại do sự xâm thực của các nhân tố có hại nhƣ chloride và CO2, ... Hiện nay có nhiều nghiên cứu để tìm ra các nguồn vật liệu thay thế xi măng nhằm nâng cao cƣờng độ và độ bền của bê tông. Đề tài nghiên cứu ảnh hƣởng của tro bay loại F từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải đối với cƣờng độ chịu nén và khả năng chống thấm của bê tông. Tỉ lệ các thành phần cấp phối là xi măng: cát: đá = 1 : 2.2 : 2.7 và giữ không đổi trong suốt thí nghiệm. Xi măng portland (OPC) đƣợc thay thế bởi tro bay loại F với các tỉ lệ thay thế lần lƣợt là 0%, 10%, 20% và 40%, trong khi tỉ lệ nƣớc/chất kết dính (tổng của xi măng và tro bay) là 0.3 và đồng thời phụ gia giảm nƣớc cũng đƣợc sử dụng ở tỉ lệ 0.008 khối lƣợng chất kết dính. Các thí nghiệm cƣờng độ chịu nén đƣợc thực hiện trên mẫu lập phƣơng kích thƣớc 150x150x150mm trong khi các thí nghiệm khả năng chống thấm đƣợc thực hiện trên mẫu hình trụ có đƣờng kính 150mm và chiều cao 150mm. Tất cả các thí nghiệm đƣợc thực hiện tại các thời điểm 28 ngày, 56 ngày và 90 ngày. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng nằm trong giới hạn nghiên cứu của đề tài, tro bay góp phần nâng cao độ linh động của bê tông ƣớt vì nó giúp tăng độ sụt. Khi 10% tro bay đƣợc sử dụng để thay thế xi măng cƣờng độ chịu nén cao hơn mẫu đối chứng khi không có tro bay, tuy nhiên cấp chống thấm giống nhƣ mẫu đối chứng ở các thời điểm 28 ngày, 56 ngày, 90 ngày. Khi 20% tro bay đƣợc sử dụng để thay thế xi măng, cƣờng độ chịu nén và cấp chống thấm đều cao hơn so với mẫu đối chứng không có tro bay tại các thời điểm 28 ngày, 56 ngày và 90 ngày. Khi 40% tro bay đƣợc sử dụng để thay thế xi măng cƣờng độ chịu nén tại thời điểm 28 ngày thấp hơn mẫu đối chứng không có tro bay, tuy nhiên cƣờng độ chịu nén phát triển đến giá trị cao hơn cƣờng độ chịu nén của mẫu đối chứng tại thời điểm 56 ngày và 90 ngày. Ngoài ra, cấp chống thấm của bê tông có 40% tro bay thay thế xi măng cao hơn mẫu đối chứng tại các thời điểm thí nghiệm tƣơng ứng. Nhìn chung, cƣờng độ chịu nén của mẫu 40% tro bay thay thế xi măng nhỏ hơn mẫu 20% tro bay thay thế xi măng, tuy nhiên cấp chống thấm của mẫu 40% tro bay thì cao hơn mẫu 20% tro bay. Nằm trong giới hạn nghiên cứu của đề tài, tác giả đề xuất sử dụng 20% tro bay thay thế xi măng vì góp phần nâng cao cả cƣờng độ chịu nén và cấp chống thấm. Từ khóa – tro bay; cƣờng độ chịu nén; cấp độ thấm, độ linh động. Abstract: The mechanical and physical properties of concrete depend upon the mix proportions, type of cement, type of aggregates, cement content, water content, etc. The durability of concrete depends upon the pore structures. The concrete can be damaged by the penetration of aggressive substances such as cholide and carbon dioxide,… There are many researchs relating to the alternative materials used to replace orginal portland cement (OPC) for strengths and durability improvements. The project studied the effect of class F fly ash from Duyen Hai power station on the compressive strength and water resistance of concrete. The mix composition was cement: sand: coarse aggregate of 1 : 2.2 : 2.7 and kept constrantly during the project while orginal portland cement was replaced by class F fly ash on the mass basic of total cementitious material (total of OPC and fly ash) at the replacement portion of 0%, 10%, 20% and 40% when the water and cementitious material (CM) ratio was constant at 0.3, the water reducing admixtures were also used at the proportion of 0.008 by mass of cementitious materials. The compressive strength tests were conducted on the cubes dimensions of 150x150x150 mm. The water resistance tests were conducted on the cylinders dimensions of 150mm diameter and 150mm height. All the tests were conducted at 28 days, 56 days and 90 days. The test results show that within the range of investigation, the fly ash improves the workability of fresh concrete by increase the slump. When 10%FA was used to replace OPC, the compressive strengths are higher than that of the control samples, however the water resistances are the same as the control samples at 28 days, 56 days and 90 days. At 20%FA replacement, the compressive strength and water resistance of concrete are higher than that of the control samples at 28 days, 56 days and 90 days. At 40%FA replacement, the compressive strength at 28 days is less than that of the control samples, however the compressives increase to the values higher than that of the control samples at 56 days and 90 days. Moreover, the water reisistances of 40%FA replacement concrete are higher than that of the control samples at 28 days, 56 days and 90 days. In general, the compressive strengths of 40%FA replacement samples are less than that of 20%FA replacement samples however the water reisistance of 40%FA is higher than that of the 20%FA replacement samples at all ages. Within the range of investigation, the authors recommend to replace 20% of OPC by fly ash as this replacement portion contributes to the imporvements of both compressive strength and water resistance. Keywords: concrete, fly ash, compressive strength, workability, water resistance DANH MỤC CÁC BẢNG Số Tên bảng hiệu 1.1. Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền [9] Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu 1.2. khác nhau 1.3. Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 [15] 1.4. Sản lƣợng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nƣớc [21] 1.5. Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030 2.1. Thành phần hạt của cát 2.2. Hàm lƣợng các tạp chất trong cát 2.3. Hàm lƣợng ion Cl- trong cát 2.4. Đặc tính cơ lý của cát (sông cái Diên Khánh) 2.5. Thành phần cỡ hạt cát (sông cái Diên Khánh) 2.6. Thành phần hạt của cốt liệu lớn 2.7. Hàm lƣợng bùn, bụi, sét trong cốt liệu lớn 2.8. Mác của đá dăm từ đá thiên nhiên theo độ nén dập 2.9. Đặc tính cơ lý của đá 1x2 (Hòn Thị) 2.10. Thành phần cỡ hạt đá 1x2 (Hòn Thị) 2.11. Các chỉ tiêu chất lƣợng của xi măng poóc lăng hỗn hợp 2.12. Thông số xi măng Nghi Sơn 2.13. Chỉ tiêu chất lƣợng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây 2.14. Thông số kỹ thuật của tro bay Duyên Hải Hàm lƣợng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion 2.15. clorua và cặn không tan trong nƣớc trộn vữa 2.16. Yêu cầu về độ đồng nhất của phụ gia hóa học 2.17. Thông số kỹ thuật phụ gia Vinkems Poly 72NT 2.18. Thông số côn thử độ sụt 3.1. Thành phần tỉ lệ cấp phối 3.2. Thành phần cốt liệu 01 mẻ trộn 3.3. Thông số kỹ thuật máy nén mẫu TYE 2000 3.4. Thông số kỹ thuật máy thí nghiệm thấm 3.5. Kết quả kiểm tra độ sụt bê tông các mẽ trộn 3.6. Cƣờng độ chịu nén của hỗn hợp bê tông So sánh cƣờng độ chịu nén của hỗn hợp bê tông các mẫu M1, M2, 3.7. M3 so với mẫu M0 3.8. Kết quả kiểm tra khả năng chống thấm các hỗn hợp bê tông. Trang 13 14 17 20 20 28 29 29 30 30 31 31 32 32 33 33 34 34 35 36 37 38 40 44 45 48 51 53 54 54 56 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. 1.13. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8.1 3.8.2 3.8.3 Tên hình Trang Đấu trƣờng Colosseum - Rome, Italy. Tro núi lửa pozzolana - Bê tông thời cổ đại. Bê tông cốt thép Bê tông tiêu thấm Bê tông nano Tro bay Sự tƣơng phản về kích thƣớc giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và các hạt nhỏ Biểu diễn đặc trƣng dạng cầu của các hạt trong khoảng kích thƣớc thƣờng thấy nhiều hơn Cấu trúc hạt tro bay sau khi tiếp xúc ngắn với dung dịch HF Cấu trúc tro bay tiếp xúc dung dịch HF trong thời gian dài Biểu đồ lƣợng tro bay tạo thành, tro bay sử dụng và phần trăm sử dụng tro bay ở Trung Quốc từ 2001-2008 Đập Puylaurent ở Pháp Bê tông asphalt sử dụng tro bay Máy trộn cƣỡng bức Máy trộn tự do Máy trộn tự hành Côn thử độ sụt Máy nén cơ Máy nén điện tử Máy thí nghiệm thấm Cân đông cấp phối Trộn cấp phối Lấy mẫu kiểm tra cƣờng độ Lấy mẫu thấm Bảo dƣỡng mẫu Máy nén mẫu TYE 2000 tại trạm trộn bê tông (VCN) Máy thí nghiệm thấm HS-4 (Las XD 1059) Thí nghiệm kiểm tra khả năng chống thấm bê tông Thí nghiệm kiểm tra khả năng chống thấm bê tông Thí nghiệm kiểm tra khả năng chống thấm bê tông 4 4 5 6 7 12 15 15 16 16 19 25 25 38 39 39 40 41 41 41 46 46 46 46 47 48 50 51 52 52 Số Tên hình hiệu 3.9. Biểu đồ độ sụt các mẫu thí nghiệm 3.10. Biểu đồ so sánh cƣờng độ chịu nén của hổn hợp bê tông Biểu đồ so sánh khả năng chống thấm các hỗn hợp bê tông theo thời 3.11. gian Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa cƣờng độ chịu nén và khả năng 3.12. chống thấm của bê tông Trang 53 55 56 57 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Tính chống thấm nƣớc luôn là một vấn đề quan trọng đối với bê tông. Nƣớc thấm vào bê tông, phá hoại bê tông từ trong ra ngoài và gây ăn mòn cốt thép rất nguy hiểm, nhƣ vậy tính chống thấm liên quan với tính bền vững của bê tông và tính ổn định của công trình bê tông cốt thép. Hiện tƣợng thấm sẽ làm mất nƣớc trong hồ chứa, kênh mƣơng, bể nƣớc, gây thấm dột mái nhà, khu vệ sinh khi trời mƣa, nƣớc đọng [1]. Nhiều công trình xây dựng không quan tâm đến vấn đề chống thấm mà chỉ dựa vào cƣờng độ bê tông yêu cầu để thiết kế thành phần bê tông. Vì vậy sau một thời gian nhiều công trình bê tông cốt thép ở trong nƣớc và dƣới đất bắt đầu bị ăn mòn dẫn đến hƣ hỏng [1]. Tro bay là những tinh cầu tròn siêu mịn đƣợc cấu thành từ các hạt silic có kích thƣớc hạt là 0,05 micromet, nhờ bị thiêu đốt ở nhiệt độ rất cao trong lò đốt nên có tính hút vôi rất cao [2]. Nhờ độ mịn cao, độ hoạt tính lớn cộng với lƣợng silic tinh ròng (SiO2) có rất nhiều trong tro bay, nên khi kết hợp với ximăng puzzolan hay các loại chất kết dính khác sẽ tạo ra các sản phẩm bê tông có khả năng chống thấm cao, tăng độ bền với thời gian [2]. Khả năng chống thấm của bê tông chịu ảnh hƣởng chủ yếu từ yếu tố chất kết dính và lỗ rỗng giữa các cốt liệu liên kết với nhau. Vấn đề đƣợc đặt ra là trong thành phần cấp phối bê tông sử dụng tỉ lệ thành phần tro bay và xi măng nhƣ thế nào để mang lại hiệu quả chống thấm cho bê tông mà vẫn đạt yêu cầu về cƣờng độ. Đây chính là lý do tác giả làm đề tài “Nghiên cứu ảnh hƣởng của tro bay đến khả năng chống thấm của bê tông”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu ảnh hƣởng của tro bay đến khả năng chống thấm của bê tông. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Các loại vật liệu: Cát Sông Cái (Diên Khánh, Khánh Hòa); đá Hòn Thị (Nha Trang, Khánh Hòa); xi măng Nghi Sơn PCB 40; tro bay Công ty Nhiệt điện Duyên Hải (Trà Vinh); phụ gia. - Thí nghiệm đánh giá ảnh hƣởng của tro bay đến khả năng chống thấm và cƣờng độ chịu nén của các hỗn hợp bê tông sau 28, 56, 90 ngày. 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Thực hiện các thí nghiệm dựa trên tiêu chuẩn: TCVN 3105:1993: Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng - Lấy mẫu, chế tạo và bảo dƣỡng mẫu thử; TCVN 3106:1993: Hỗn hợp bê tông nặng - Phƣơng pháp thử độ sụt TCVN 3116:1993: Bê tông - Phƣơng pháp xác định độ chống thấm TCVN 3118:1993: Bê tông nặng - Phƣơng pháp xác định cƣờng độ nén - Các mẫu bê tông thí nghiệm có thành phần tỷ lệ tro bay thay thế xi măng là 0%, 10%, 20% và 40%. - Phân tích các kết quả thí nghiệm. - Đánh giá sự ảnh hƣởng của tro bay đến khả năng chống thấm của bê tông. 5. Kết quả dự kiến - Xác định khả năng sử dụng tro bay trong thành phần cấp phối vừa đảm bảo cƣờng độ chịu nén vừa mang lại hiệu quả chống thấm của bê tông. - Đƣa ra các kiến nghị, ứng dụng trong thiết kế thành phần cấp phối bê tông. 6. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn gồm có các chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ PHẠM Vİ ỨNG DỤNG CỦA TRO BAY TRONG XÂY DỰNG Chƣơng 2: TİÊU CHUẨN, VẬT LİỆU VÀ THİẾT BỊ THÍ NGHİỆM Chƣơng 3: THÍ NGHIỆM X C ĐỊNH ẢNH HƢỞNG CỦA TRO BAY ĐẾN CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN VÀ KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ PHẠM Vİ ỨNG DỤNG CỦA TRO BAY TRONG XÂY DỰNG 1.1. Bê tông và các đặc tính cơ lý của bê tông 1.1.1. Bê tông Bê tông là đá nhân tạo đƣợc chế tạo từ các vật liệu rời (cát, đá, sỏi) và chất kết dính (thƣờng là xi măng), nƣớc và có thể thêm phụ gia. Vật liệu rời còn gọi là cốt liệu, cốt liệu có 2 loại nhỏ và lớn. Loại nhỏ là cát có kích thƣớc từ 1-5 mm, loại lớn là sỏi hoặc đá dăm có kích thƣớc từ 5-40 mm. Chất kết dính là xi măng trộn với nƣớc hoặc các chất dẻo khác [3]. Phụ gia nhằm cải thiện một số tính chất của bê tông trong lúc thi công cũng nhƣ trong quá trình sử dụng. Có nhiều loại phụ gia nhƣ phụ gia nâng cao độ dẻo của hỗn hợp bê tông, tăng nhanh hoặc kéo dài thời gian đông kết của bê tông, nâng cao cƣờng độ của bê tông trong thời gian đầu, chống thấm [3]. Nguyên lý tạo nên bê tông là dùng các cốt liệu lớn làm thành bộ khung, cốt liệu nhỏ lấp đầy các khoảng trống và dùng xi măng làm chất kết dính liên kết chúng lại thành một thể đặc chắc có khả năng chịu lực và chống lại các biến dạng [4]. Bê tông có cấu trúc không đồng nhất vì hình dáng, kích thƣớc cốt liệu khác nhau, sự phân bố của cốt liệu và chất kết dính không thật đồng đều, trong bê tông vẫn còn lại một ít nƣớc thừa và những lỗ rỗng li ti (do nƣớc thừa bốc hơi). Quá trình khô cứng của bê tông là quá trình thủy hóa của xi măng, quá trình thay đổi lƣợng nƣớc cân bằng, sự giảm keo nhớt, sự tăng mạng tinh thể của đá xi măng. Các quá trình này làm cho bê tông trở thành vật liệu vừa có tính đàn hồi vừa có tính dẻo [3]. 1.1.2. Nguồn gốc bê tông Bê tông là vật liệu nhân tạo đƣợc hình thành từ vật liệu rời (cát, đá, sỏi) và chất kết dính (thƣờng là xi măng), nƣớc và có thể thêm phụ gia. Mặc dù vậy, nó chỉ đúng với dạng bê tông hiện đại, trong khi đó, bê tông lại có nguồn gốc từ rất lâu rồi. Theo các nghiên cứu khảo cổ khoảng 2 ngàn năm trƣớc, ngƣời dân La Mã đã biết sửa dụng tro núi lửa trộn với nƣớc nhƣ một loại "bê tông đặc biệt" trong việc tạo nên những công trình thế kỷ sau này, điển hình là đấu trƣờng Colosseum tại thủ đô Rome, (hình 1.1) [5]. 4 Cụ thể, những thợ thủ công cổ đại của thành phố cảng Pozzuoli (nay là thủ phủ tỉnh Naples, Italy) trở nên cực kỳ nổi tiếng nhờ một loạt vật liệu có tên pozzolana thành phần chính là tro núi lửa của ngọn núi Campi Flegrei gần đó, (hình 1.2). Theo những ghi chép khảo cổ, pozzolana đƣợc mệnh danh là "vật liệu thần thánh" khi chỉ cần trộn nó với nƣớc là đƣợc một loại đất dẻo có thể tạo hình theo ý muốn và khi để khô nó sẽ cùng với đá khối tạo ra những bức tƣờng thành bất khả xâm phạm với kẻ thù. Đây chính là dạng "bê tông" đầu tiên của nhân loại [5]. Hình 1.1. Đấu trƣờng Colosseum Rome, Italy. Hình 1.2.Tro núi lửa pozzolana - Bê tông thời cổ đại. Các nhà khảo cổ đã phát hiện ra pozzolana là hỗn hợp của Silic dioxide (SiO2), có nhiều trong cát, và vôi sống (CaO) - hai trong ba thành phần chính của bê tông trƣớc khi xi măng xuất hiện. Ngay lập tức, đội ngũ khảo cổ đã nhờ đến sự trợ giúp của các chuyên gia địa chất của đại học Stanford để nghiên cứu khu vực miệng núi lửa Campi Flegrei [5]. Đội ngũ nghiên cứu sau khi thu thập đủ dữ liệu đã phát hiện ra khu vực miệng núi lửa có rất nhiều đá vôi (CaCO3), dƣới nhiệt cực cao của khu vực này thì một phản ứng hóa học cơ bản đã xảy ra: CaCO3 → CaO + CO2 Khi núi lửa phun trào, lớp CaO tích tụ lâu ngày sẽ bắn lên không trung và bay xa. Không ít mảng lớn sẽ bay về phía bờ biển cách đó không xa và lẫn với cát biển, những ngƣời thợ thủ công tại Pozzuoli đã phát hiện ra chúng và họ tình cờ nhận thấy những mảng bị ẩm ƣớt có thể trở nên cực kỳ rắn chắc khi chúng bị phơi khô dƣới ánh nắng. Bê tông có nguồn gốc từ đây [5]. 5 1.1.3. Các loại bê tông hiện đại điển hình Sau khi đế chế La Mã sụp đổ, năm 1824, Joseph Aspdin chính thức sáng tạo ra xi măng Portland - đặt nền móng cho bê tông hiện đại. Với việc nung đá vôi và đất sét giàu silic dƣới điều kiện 600 oC, Joseph Aspdin đã tạo canxi silicat (Ca2SiO4) giống nhƣ cách núi lửa Campi Flegrei đã từng làm. Với sự xuất hiện của xi măng Portland, ngành xây dựng thực sự đã thay đổi sau những năm 40 của thế kỷ 19. Thậm chí, các chuyên gia đã tạo ra nhiều loại bê tông khác nhau để phù hợp với những mục đích sử dụng cụ thể [5]. 1.1.3.1. Bê tông cốt thép Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng kết hợp của hai loại vật liệu là bê tông và thép. Sự kết hợp này đem lại nhiều ƣu điểm nổi bật cho bê tông cốt thép. Thép và bê tông có hệ số giãn nở nhiệt gần giống nhau, do đó tránh đƣợc sự ảnh hƣởng của nhiệt độ môi trƣờng [5]. Bê tông bảo vệ cốt thép khỏi sự xâm thực của môi trƣờng, thép định vị bê tông nhằm tránh nứt vỡ. Bê tông có đặc tính chịu kéo và uốn kém, khi có cốt thép nhƣợc điểm này sẽ đƣợc khắc phục do thép là vật liệu chịu kéo khá tốt. Trong hầu hết các công trình hiện nay, bê tông cốt thép đóng vai trò là kết cấu chịu lực chính cho cả công trình, (hình 1.3) [5]. Hình 1.3. Bê tông cốt thép 6 1.1.3.2. Bê tông tiêu thấm Bê tông tiêu thấm nƣớc với những ƣu điểm vƣợt trội nhƣ làm giảm thiểu ô nhiễm nƣớc mƣa, bảo vệ nguồn nƣớc ngầm là một hƣớng mới về công nghệ bê tông thân thiện với môi trƣờng. Công nghệ bê tông mới này đang đƣợc các nƣớc trên thế giới chú trọng phát triển đặc biệt là với những nƣớc mà vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc và ô nhiễm môi trƣờng mang tới những hậu quả nghiêm trọng. Khả năng cho nƣớc thấm qua bê tông mà vẫn đảm bảo về cƣờng độ và tuổi thọ giúp cho loại bê tông này vƣợt trội hơn các loại bê tông truyền thống. Trên thế giới, đã có một số nƣớc áp dụng bê tông thấm nƣớc vào trong các công trình xây dựng nhƣ đƣờng giao thông, vỉa hè, bãi đỗ xe,… và đã đạt đƣợc hiệu quả cao về mặt môi trƣờng, kinh tế, kết cấu, thẩm mỹ,…(hình 1.4) [5]. Hình 1.4. Bê tông tiêu thấm 1.1.3.3. Bê tông sinh học Những công trình làm từ bê tông theo thời gian sẽ xuất hiện những vết nứt không thể chữa lành. Giáo sƣ sinh vật Jonkers đã đề xuất loại một loại bê tông có thể tự "hàn gắn" các vết nứt chỉ nhờ vào vi khuẩn và nƣớc mƣa. Những loại vi khuẩn Bacillus hoặc Sporosarcina sẽ đƣợc cho ngủ đông và đóng gói trong những hạt rất nhỏ, tƣơng tự nhƣ bột trắng, mịn và bổ sung vào kết cấu bê tông trong quá trình xây dựng. Chúng sẽ đƣợc đóng gói cùng với thức ăn là canxi lactat. 7 Khi các vết nứt xuất hiện trên kết cấu công trình, những viên siêu nhỏ sẽ vỡ ra, nƣớc xâm nhập vào và vi khuẩn bị đánh thức. Khi đó chúng bắt đầu "ăn thức ăn" đã dự trữ sẵn. Kết quả là chúng sẽ thải ra hợp chất đá vôi cứng, lấp vào các vết nứt và ngăn chặn nƣớc tiếp cận phá hủy cấu trúc công trình [5]. Theo giáo sƣ Jonkers, phần lớn các công trình có tuổi thọ vào khoảng 20-30 năm thì chủng vi khuẩn này có thể ngủ yên trong 200 năm mà không cần thức ăn. Do đó, cách làm này có thể kéo dài tuổi thọ của công trình xây dựng thêm nhiều thập kỷ so với bình thƣờng [5]. 1.1.3.4. Bê tông nano Hiện nay, bê tông trên cơ sở chất kết dính xi măng là loại vật liệu xây dựng đƣợc sản xuất nhiều nhất trên thế giới. Trong đó quá trình sản xuất xi măng tiêu thụ rất nhiều năng lƣợng, với lƣợng sản xuất hàng năm trên thế giới khoảng 2,1 tỉ tấn xi măng tƣơng đƣơng phát thải khoảng 5 % lƣợng khí trên toàn cầu [5]. Những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng việc sử dụng vật liệu nano nhƣ là phụ gia đối với vật liệu xây dựng trên cơ sở chất kết dính xi măng đã tạo ra độ bền chắc ở những vùng chuyển tiếp làm cho các tính chất của chúng đƣợc cải thiện rõ rệt. Với việc sử dụng bột nano và sợi nano nhƣ là phụ gia trong sản xuất bê tông không chỉ làm cho cƣờng độ của bê tông tính năng siêu việt, có thể tăng lên gấp hàng chục lần, mà còn nhiều tính chất khác nhƣ độ chảy và bám dính, bền ăn mòn hoặc ngăn cản từ trƣờng có thể đạt đƣợc tối ƣu nhất, (hình 1.5) [5]. Hình 1.5. Bê tông nano 8 1.1.4. Cấu trúc của bê tông. 1.1.4.1. Sự hình thành cấu trúc của bê tông Sau khi tạo hình các cấu tử của hỗn hợp bê tông đƣợc sắp xếp chặt chẽ hơn. Cùng với sự thuỷ hoá của xi măng, cấu trúc của bê tông đƣợc hình thành. Giai đoạn này gọi là giai đoạn hình thành cấu trúc. Khoảng thời gian hình thành cấu trúc, cũng nhƣ cƣờng độ đầu tiên của bê tông phụ thuộc vào thành phần của bê tông, dạng chất kết dính và phụ gia hoá học. Hỗn hợp bê tông cứng và kém dẻo với tỷ lệ nƣớc-xi măng không lớn có giai đoạn hình thành cấu trúc ngắn. Việc dùng xi măng và phụ gia rắn nhanh rút ngắn giai đoạn hình thành cấu trúc. Trong trƣờng hợp cần duy trì tính công tác của hỗn hợp bê tông trong lúc vận chuyển cũng nhƣ thời tiết nóng có thể dùng phụ gia chậm cứng rắn [3]. 1.1.4.2. Cấu trúc vĩ mô và cấu trúc vi mô Cấu trúc vĩ mô: Bê tông là loại vật liệu có cấu trúc vĩ mô phức tạp. Trong một đơn vị thể tích hỗn hợp bê tông đã lèn chặt bao gồm thể tích của cốt liệu, thể tích hồ xi măng và thể tích lỗ rỗng khí [3]. Khi thi công nếu đầm nén tốt thể tích lỗ rỗng khí sẽ giảm đi, điều đó cho phép tăng cƣờng độ chịu lực, tăng khả năng chống thấm và cải thiện nhiều tính chất kỹ thuật khác. Cần lƣu ý đến tỷ lệ N/X, lƣợng nƣớc, lƣợng xi măng phải thích hợp để đảm bảo cấu trúc của bê tông đƣợc đặc chắc [3]. Cấu trúc vi mô của bê tông đƣợc đặc trƣng bằng cấu trúc của vật rắn, độ rỗng và đặc trƣng của lỗ rỗng trong từng cấu tử tạo nên bê tông (cốt liệu, đá xi măng) cũng nhƣ cấu tạo của lớp tiếp xúc giữa chúng. Lƣợng nƣớc nhào trộn một phần dùng để bôi trơn hạt cốt liệu, một phần dùng để tạo thành hồ của đá ximăng, còn một phần bị cốt liệu rỗng hút vào. Vì vậy hỗn hợp bê tông dẻo sau khi đổ khuôn còn có xảy ra sự tách nƣớc ở bên trong, nƣớc sẽ đọng lại trên bề mặt hạt cốt liệu lớn và làm yếu mối liên kết giữa chúng với phần vữa [3]. 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 của bề mặt, độ sạch của cốt liệu, cũng nhƣ vào loại xi măng và độ hoạt tính của nó; vào tỷ lệ N/X và điều kiện rắn chắc của bê tông. Độ rỗng trong bê tông bao gồm những lỗ rỗng nhỏ li ti và lỗ rỗng mao quản. Độ rỗng của nó có thể lên tới 10 -15% và bao gồm: - Lỗ rỗng trong đá xi măng (lỗ rỗng gen, lỗ rỗng mao quản, lỗ rỗng do khí cuốn vào); 9 - Lỗ rỗng trong cốt liệu; - Lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu (khoảng không gian giữa các hạt cốt liệu không đƣợc chèn hồ xi măng). 1.1.5. Các tính chất cơ lý của bê tông Các tính chất cơ lý của bê tông bao gồm: tính cơ học và tính vật lý. Tính chất cơ lý của bê tông phụ thuộc vào: chất lƣợng, đặc trƣng của vật liệu, thành phần cấp phối, tỷ lệ nƣớc/xi măng, biện pháp thi công. Tính cơ học bao gồm cƣờng độ (kéo, nén, ...), biến dạng. Tính vật lý bao gồm tính công tác, co ngót, từ biến, khả năng chống thấm nƣớc, chống mài mòn, ...Trong giới hạn đề tài chỉ nghiên cứu đến cƣờng độ chịu nén và khả năng chống thấm nƣớc của bê tông. 1.1.5.1. Tính công tác Tính công tác hay còn gọi là tính dễ tạo hình, là tính chất kỹ thuật cơ bản của hỗn hợp bê tông, nó biểu thị khả năng lấp đầy khuôn nhƣng vẫn đảm bảo đƣợc độ đồng nhất trong một điều kiện đầm nén nhất định. Để đánh giá tính công tác của hỗn hợp bê tông ngƣời ta thƣờng dùng hai chỉ tiêu đó là độ lƣu động và độ cứng. Độ lƣu động là chỉ tiêu quan trọng nhất của hỗn hợp bê tông, nó đánh giá khả năng dễ chảy của hỗn hợp bê tông dƣới tác dụng của trọng lƣợng bản thân hoặc rung động. Độ lƣu động đƣợc xác định bằng độ sụt (SN, cm) của khối hỗn hợp bê tông trong khuôn hình nón cụt có kích thƣớc tùy thuộc vào cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu. Độ cứng của hỗn hợp bê tông (ĐC) là thời gian rung động cần thiết (s) để san bằng và lèn chặt hỗn hợp bê tông trong bộ khuôn hình nón cụt và hình lập phƣơng. Khả năng giữ nƣớc là tính chất nhằm để đảm bảo độ đồng nhất của hỗn hợp bê tông trong quá trình vận chuyển, đổ khuôn và đầm nén. Khi đầm nén hỗn hợp bê tông dẻo, các hạt cốt liệu có khuynh hƣớng chìm xuống và xích lại gần nhau, nƣớc bị ép tách ra khỏi cốt liệu và cốt thép, nổi lên phía trên cùng với xi măng chui qua kẽ hở của cốp pha ra ngoài, tạo thành những lỗ rỗng, làm khả năng chống thấm nƣớc của bê tông giảm. Một phần nƣớc thừa đọng lại bên trong hỗn hợp tạo thành những hốc rỗng, ảnh hƣởng xấu đến cấu trúc và tính chất của bêtông. Việc giảm lƣợng nƣớc nhào trộn và nâng cao khả năng giữ nƣớc của hỗn hợp bê tông có thể thực hiện bằng sử dụng phụ gia hoạt động bề mặt và lựa chọn thành phần hạt cốt liệu một cách hợp lý. Các yếu tố ảnh hƣởng đến tính công tác của hỗn hợp bê tông: 10 Lƣợng nƣớc nhào trộn: Là yếu tố quan trọng quyết định tính công tác của hỗn hợp bê tông. Lƣợng nƣớc nhào trộn bao gồm lƣợng nƣớc tạo ra hồ xi măng và lƣợng nƣớc dùng cho cốt liệu để tạo ra độ dẻo cần thiết cho quá trình thi công. Khả năng hấp thụ nƣớc của cốt liệu là một đặc tính công nghệ quan trọng của nó. Khi diện tích bề mặt các hạt cốt liệu thay đổi, hay nói cách khác tỷ lệ các cấp hạt của cốt liệu, độ lớn của nó và đặc trƣng bề mặt của cốt liệu thay đổi thì độ cần nƣớc cũng thay đổi. Vì vậy, khi xác định thành phần bê tông thì việc xác định tỷ lệ cốt liệu nhỏcốt liệu lớn tối ƣu để đảm bảo cho hồ xi măng nhỏ nhất là rất quan trọng. Để đảm bảo cho bê tông có cƣờng độ yêu cầu thì tỷ lệ nƣớc - xi măng phải giữ ở giá trị không đổi và do đó khi độ cần nƣớc của cốt liệu tăng thì dẫn đến chi phí quá nhiều xi măng [3]. Việc xây dựng lƣợng nƣớc nhào trộn phải thông qua các chỉ tiêu về tính công tác có tính đến loại và độ lớn của cốt liệu. Khi lƣợng nƣớc còn quá ít, dƣới tác dụng của lực hút phân tử, nƣớc chỉ đủ để hấp phụ trên bề mặt vật rắn mà chƣa tạo ra độ lƣu động của hỗn hợp. Lƣợng nƣớc tăng lên đến một giới hạn nào đó sẽ xuất hiện nƣớc tự do, màng nƣớc trên bề mặt vật rắn dày thêm, nội ma sát giữa chúng giảm xuống, độ lƣu động tăng lên. Lƣợng nƣớc ứng với lúc hỗn hợp bê tông có độ lƣu động tốt nhất mà không bị phân tầng gọi là khả năng giữ nƣớc của hỗn hợp bê tông. Đối với hỗn hợp bê tông dùng xi măng [3]. Loại và lƣợng xi măng: Nếu hỗn hợp bê tông có đủ xi măng để cùng với nƣớc lấp đầy lỗ rỗng của cốt liệu, bọc và bôi trơn bề mặt của chúng thì độ dẻo sẽ tăng. Độ lƣu động còn phụ thuộc vào loại xi măng và phụ gia vô cơ nghiền mịn, vì bản thân mỗi loại xi măng sẽ có đặc tính riêng về các chỉ tiêu lƣợng nƣớc tiêu chuẩn, độ mịn, thời gian đông kết và rắn chắc [3]. Lƣợng hỗn hợp xi măng: Nếu vữa xi măng (hồ xi măng + cốt liệu nhỏ) chỉ đủ để lấp đầy lỗ rỗng của cốt liệu lớn thì hỗn hợp bê tông rất cứng, thi công sẽ khó khăn. Để tạo cho hỗn hợp có độ dẻo cần thiết thì phải đẩy xa các hạt cốt liệu lớn và bọc xung quanh chúng một lớp hỗn hợp xi măng, do đó thể tích phần hỗn hợp sẽ bằng thể tích phần rỗng trong cốt liệu lớn nhân với hệ số trƣợt. Phụ gia hoạt động bề mặt (phụ gia dẻo hoặc siêu dẻo) mặc dù cho vào hỗn hợp bê tông với một lƣợng nhỏ (0,15-1,2% khối lƣợng ximăng) nhƣng có tác dụng pha loãng hỗn hợp bê tông. Phụ gia siêu dẻo cho phép sử dụng để chế tạo các sản phẩm bê tông khi thi công bằng bơm và vận chuyển bê tông trong các đƣờng ống, đồng thời giảm đáng kể tỉ lệ N/X mà vẫn đảm bảo độ lƣu động và có thể tạo ra các loại bê tông mác cao [3].