Tài liệu Nghıên cứu khả năng chống thấm của bê tông có sử dụng silicafume và tro bay

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀO XUÂN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG SILICAFUME VÀ TRO BAY 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 Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN CHÍNH Đà Nẵng - Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Người cam đoan Đào Xuân Trường 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 ........................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 2 5. Kết quả dự kiến ................................................................................................... 2 6. Cấu trúc của luận văn.......................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG, TÍNH CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG; KHẢ NĂNG SỬ DỤNG SILICAFUME VÀ TRO BAY TRONG VIỆC THAY THẾ XI MĂNG TRONG BÊ TÔNG .................................................................. 4 1.1. Tổng quan về bê tông................................................................................................ 4 1.1.1. Khái niệm ...................................................................................................... 4 1.1.2. Cấu trúc của bê tông ...................................................................................... 4 1.1.3. Phân loại bê tông: .......................................................................................... 5 1.1.4. Tính chất cơ lý của bê tông ........................................................................... 7 1.1.5. Tính thấm nước của bê tông .......................................................................... 9 1.2. Tổng quan về silicafume ......................................................................................... 10 1.2.1. Khái niệm về silicafume.............................................................................. 10 1.2.2. Thành phần silicafume ................................................................................ 11 1.2.3. Đặc tính của silicafume ............................................................................... 11 1.2.4. Ứng dụng của silicafume trong xây dựng ................................................... 13 1.3. Tổng quan về tro bay .............................................................................................. 16 1.3.1. Khái niệm về tro bay ................................................................................... 16 1.3.2. Thành phần tro bay...................................................................................... 17 1.3.3. Cấu trúc hình thái của tro bay ..................................................................... 19 1.3.4. Phân loại tro bay.......................................................................................... 21 1.3.5. Sản lượng tro bay trong và ngoài nước ....................................................... 22 1.3.6. Tình hình sử dụng tro bay ........................................................................... 24 1.3.7. Các công trình nghiên cứu ứng dụng tro bay trong lĩnh vực xây dựng ....... 25 1.4. Các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng chống thấm của bê tông .............................. 27 1.5. Các phương pháp thí nghiệm xác định khả năng chống thấm của bê tông: ............ 27 1.5.1. Phương pháp xác định độ chống thấm tối đa: ............................................ 27 1.5.2. Phương pháp xác định hệ số thấm nước:..................................................... 27 1.5.3. Phương pháp xác định độ sâu thấm nước: .................................................. 28 1.6. Một số công trình nghiên cứu về khả năng chống thấm của bê tông ...................... 28 1.7. Kết luận chương ..................................................................................................... 29 CHƯƠNG 2: TIÊU CHUẨN, VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ................. 30 2.1. Các tiêu chuẩn sử dụng trong thí nghiệm ............................................................. 30 2.2. Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm ........................................................................ 30 2.2.1. Cốt liệu nhỏ (cát) ....................................................................................... 30 2.2.2. Cốt liệu lớn (đá 1x2). ................................................................................. 32 2.2.3. Xi măng ...................................................................................................... 35 2.2.4. Silicafume .................................................................................................. 36 2.2.5. Tro bay ....................................................................................................... 37 2.2.6. Nước ........................................................................................................... 39 2.3. Thiết bị sử dụng ..................................................................................................... 40 2.3.1. Ván khuôn .................................................................................................. 40 2.3.2. Máy trộn ..................................................................................................... 40 2.3.3. Thiết bị đầm bê tông. ................................................................................. 41 2.3.4. Bảo dưỡng mẫu bê tông ............................................................................. 41 2.3.5. Thiết bị do độ sụt bê tông .......................................................................... 41 2.3.6. Máy nén mẫu kiểm tra cường độ bê tông ................................................. 42 2.3.7. Thiết bị thí nghiệm thấm ........................................................................... 42 2.4. Kết luận chương ..................................................................................................... 43 CHƯƠNG 3. TH NGHIỆM X C ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA SILICAFUME VÀ TRO BAY ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN VÀ KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG ...................................................................................................................... 44 3.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................... 44 3.2. Vật liệu sử dụng thí nghiệm ................................................................................... 44 3.3. Thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông ................................................................... 45 3.4. Đúc mẫu và bảo dưỡng mẫu ................................................................................... 46 3.4.1. Đúc mẫu ...................................................................................................... 46 3.4.2. Bão dưỡng mẫu ........................................................................................... 48 3.5. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông............................................. 48 3.5.1. Quy trình nén mẫu....................................................................................... 48 3.5.2. Công thức xác định cường độ chịu nén[51]................................................... 50 3.6. Thí nghiệm xác định cấp chống thấm của bê tông ................................................. 50 3.6.1. Quy trình thí nghiệm ................................................................................... 50 3.6.2. Tính kết quả, xác định độ cấp chống thấm .................................................. 52 3.7. Kết quả và thảo luận ............................................................................................... 54 3.7.1. Độ sụt của các hỗn hợp bê tông .................................................................. 54 3.7.2. Ảnh hưởng của tro bay đến cường độ chịu nén của bê tông. ...................... 55 3.7.3. Ảnh hưởng của tro bay và silicafume đến khả năng chống thấm của bê tông .. 57 3.7.4. Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và cấp chống thấm. .......................... 59 3.8. Kết luận chương ..................................................................................................... 60 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KİẾN NGHỊ ........................................................................ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 62 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 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG CÓ SỬ DỤNG SILICAFUME VÀ TRO BAY Học viên: Đào Xuân Trường Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 Khóa: K34, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Khả năng chống thấm của bê tông là một trong những đặc tính vật lý quan trọng ảnh hưởng đến độ bền của bê tông. Đề tài nghiên cứu khả năng chống thấm của bê tông có sử dụng silicafume và tro bay từ nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 4. Tỉ lệ các thành phần cấp phối là xi măng: cát: đá = 1:2:3 và giữ không đổi trong suốt thí nghiệm. Xi măng portland (OPC) được thay thế bởi silicafume và tro bay loại F với các tỉ lệ thay thế lần lượt là 20% tro bay, 15% tro bay 5% silicafume, 10% tro bay 10% silicafume, 5% tro bay 15% silicafume và 20% silicafume trong khi tỉ lệ nước/tổng bột (tổng của xi măng, silicafume và tro bay) là 0.55. Các thí nghiệm cường độ chịu nén được thực hiện trên mẫu lập phương kích thước 150x150x150mm trong khi các thí nghiệm khả năng chống thấm được thực hiện trên mẫu hình trụ có đường kính 150mm và chiều cao 150mm. Tất cả các thí nghiệm được thực hiện tại các thời điểm 28 ngày, 56 ngày và 90 ngày. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng khi 20% tro bay được sử dụng để thay thế xi măng cường độ chịu nén thấp hơn mẫu đối chứng sử dụng 100% xi măng, tuy nhiên cấp chống thấm của bê tông được cải thiện sau 56, 90 ngày tuổi. Khi thay thế 20% lượng xi măng bằng silicafume và tro bay với tỷ lệ phối trộn lần lượt 5%, 10% 15% thì khả năng chống thấm của bê tông được cải thiện tốt ở 28, 56, 90 ngày tuổi và cường độ chịu nén của bê tông giảm từ 1.1% đến 15.5%. Khi 20% silicafume được sử dụng để thay thế xi măng cường độ chịu nén tại thời điểm 28, 56, 90 ngày thấp hơn mẫu đối chứng sử dụng 100% xi măng lần lượt 7.38% đến 16.38%, tuy nhiên khả năng chống thấm của bê tông vẫn được cải thiện tốt. Nằm trong giới hạn nghiên cứu của đề tài, tác giả đề xuất sử dụng 10% silicafume và 10% tro bay thay thế 20% lượng xi măng trong hỗn hợp bê tông vì góp phần tăng cao khả năng chống thấm của bê tông trong khi vẫn đảm bảo cường độ chịu nén. Từ khóa – silicafume; tro bay; cường độ chịu nén; cấp độ thấm, độ linh động. FOR SAVING THE WATERPROOFING ABILITY OF CONCRETE USING SILICAFUME AND FLY ASH Abstract: Water resistance of concrete is one of the most important factors affecting the durability of concrete. The project studied the effect of silicafume and class F fly ash from Vinh Tan 4 power station on the water resistance of concrete. The mix composition was cement: sand: coarse aggregate of 1:2:3 and kept constrantly during the project while orginal portland cement was replaced by silicafume and class F fly ash on the mass basic of total cementitious material at the replacement portion of 5%, 10%, 15% 20% when the water and cementitious material (CM) ratio was constant at 0.55. 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 when 20% fly ash was used to replace OPC, the compressive strengths are lower than that of the control samples, however the water resistances are the improved at 56 days and 90 days. At 20% OPC replaced by silicafume and fly ash with turn rate 5%, 10%, 15%, the water resistance of concrete are higher than that of the control samples at 28 days, 56 days and 90 days while the compressive strength decreased from 1.1% to 15.5%. At 20% silicafume replacement, the compressive strengths at 28 days, 56 days, 90 days reduce by 7.38% to 16.38%, howerver the water resistance of concrete increases in compared with the control samples. Within the range of investigation, the authors recommend to replace 20% of OPC by 10% silicafume and 10% fly ash as this replacement portion contributes to the imporvements of both compressive strength and water resistance. Keywords: silicafume, concrete, fly ash, compressive strength, workability, water resistance DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Chỉ tiêu cơ lý của xi măng, tro bay, silicafume ............................................ 11 Bảng 1.2. Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền [9] ..................................... 17 Bảng 1.3. Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác nhau18 Bảng 1.4. Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 [21] ..................................................... 21 Bảng 1.5. Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước [26] ......................... 23 Bảng 2.1. Thành phần hạt của cát.................................................................................. 30 Bảng 2.2. Hàm lượng các tạp chất trong cát ................................................................. 31 Bảng 2.3. Hàm lượng ion Cl- trong cát.......................................................................... 31 Bảng 2.4. Đặc tính cơ lý của cát (sông cái Diên Khánh) .............................................. 32 Bảng 2.5. Thành phần cỡ hạt cát (sông cái Diên Khánh) .............................................. 32 Bảng 2.6. Thành phần hạt của cốt liệu lớn .................................................................... 33 Bảng 2.7. Hàm lượng bùn, bụi, sét trong cốt liệu lớn ................................................... 33 Bảng 2.8. Mác của đá dăm từ đá thiên nhiên theo độ nén dập ...................................... 34 Bảng 2.9. Đặc tính cơ lý của đá 1x2 (Hòn Ngang) ....................................................... 34 Bảng 2.10. Thành phần cỡ hạt đá 1x2 (Hòn Ngang) ..................................................... 35 Bảng 2.11. Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng poóc lăng hỗn hợp ............................ 35 Bảng 2.12. Thông số xi măng Nghi Sơn ....................................................................... 36 Bảng 2.13. Yêu cầu kỹ thuật đối với silicafume dạng bột rời ....................................... 36 Bảng 2.14. Thông số kỹ thuật của silicafume ViKhanh Co,Ltđ ................................... 37 Bảng 2.15. Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây .......................... 37 Bảng 2.16. Thông số kỹ thuật của tro bay Vĩnh Tân 4 (Bình Thuận) ........................... 38 Bảng 2.17. Hàm lượng tối đa cho phép của muối hòa tan, ion sunfat, ion clorua và cặn không tan trong nước trộn vữa ................................................................... 39 Bảng 2.18. Thông số côn thử độ sụt .............................................................................. 42 Bảng 3.1. Thành phần tỉ lệ cấp phối .............................................................................. 46 Bảng 3.2. Thành phần cốt liệu 01 mẻ trộn .................................................................... 47 Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật máy nén mẫu TYE 2000 ................................................. 49 Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật máy thí nghiệm thấm ...................................................... 52 Bảng 3.5. Kết quả kiểm tra độ sụt bê tông các mẽ trộn................................................. 54 Bảng 3.6. Cường độ chịu nén của hỗn hợp bê tông ...................................................... 55 Bảng 3.7. So sánh cường độ chịu nén của hỗn hợp bê tông các mẫu S2, S3, S4, S5, S6 so với mẫu S1 ............................................................................................. 56 Bảng 3.8. Kết quả kiểm tra khả năng chống thấm các hỗn hợp bê tông. ...................... 57 Bảng 3.9. Kết quả cường độ chịu nén và khả năng chống thấm của bê tông................ 59 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất silicafume .............................................................................. 10 Hình 1.2. Silica Fume có màu dao động từ màu trắng đến màu xám đậm ................... 11 Hình 1.3. So sánh kích thước các hạt xi măng (trái) và các hạt silicafume (phải) ở cùng độ phóng đại. Ký hiệu thanh màu trắng dài hơn ở phía silicafume ký hiệu kích thước 1 µm ......................................................................................... 12 Hình 1.4. Khách sạn Burj Al-Arab (Dubai) – Công trình khách sạn cao 321m sử dụng bê tông cường độ cao có thành phần silicafume (>80MPa) ....................... 14 Hình 1.5. Bê tông phun có sử dụng silicafume được sử dụng để sửa chữa mố cầu đã xuống cấp. Tính công tác cao cho phép bê tông phun có độ nảy ít hơn và cho phép nâng chiều cao phun so với bê tông phun không sử dụng silicafume ................................................................................................... 15 Hình 1.6. Offshore Troll Platform ................................................................................. 16 Hình 1.7. Tro bay........................................................................................................... 16 Hình 1.8. Sự tương phản về kích thước giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và các hạt nhỏ ........................................................................................................ 19 Hình 1.9. Cấu trúc hạt tro bay sau khi tiếp xúc ngắn với dung dịch HF ....................... 20 Hình 1.10. Cấu trúc tro bay tiếp xúc dung dịch HF trong thời gian dài ........................ 20 Hình 2.1. Máy trộn cưỡng bức ...................................................................................... 40 Hình 2.2. Máy trộn tự do ............................................................................................... 40 Hình 2.3. Máy trộn tự hành ........................................................................................... 40 Hình 2.4. Thiết bị đo độ sụt bê tông .............................................................................. 41 Hình 2.5. Máy nén cơ .................................................................................................... 42 Hình 2.6. Máy nén điện tử ............................................................................................. 42 Hình 2.7. Máy thí nghiệm thấm..................................................................................... 43 Hình 3.1. Bảo dưỡng mẫu ............................................................................................. 48 Hình 3.2. Máy nén mẫu TYE 2000 tại Las-XD 1396 (Nha Trang) .............................. 49 Hình 3.3. Máy thí nghiệm thấm HS-4 (Las-XD 1059) ................................................. 51 Hình 3.4. Thí nghiệm kiểm tra khả năng chống thấm bê tông ...................................... 52 Hình 3.5. Thí nghiệm kiểm tra khả năng chống thấm bê tông ...................................... 53 Hình 3.6. Thí nghiệm kiểm tra khả năng chống thấm bê tông ...................................... 53 Hình 3.7. Biểu đồ độ sụt các mẫu thí nghiệm ............................................................... 54 Hình 3.8. Biểu đồ cường độ chịu nén của hỗn hợp bê tông .......................................... 56 Hình 3.9. Biểu đồ so sánh khả năng chống thấm các hỗn hợp bê tông theo thời gian . 58 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Tính chống thấm nước là một trong chỉ tiêu vật lý quan trọng của bê tông. Nước thấm vào bê tông, phá hoại bê tông từ trong ra ngoài và gây ăn mòn cốt thép rất nguy hiểm, như 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 tượng thấm sẽ làm mất nước trong hồ chứa, kênh mương, bể nước, gây thấm dột mái nhà, khu vệ sinh khi trời mưa, nước đọng[1]. Nhiều công trình xây dựng không quan tâm đến vấn đề chống thấm mà chỉ dựa vào cường 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 nước và dưới đất bắt đầu bị ăn mòn dẫn đến hư hỏng[1]. Silicafume là vật liệu rất mịn, chứa oxít silic vô định hình, thu được từ việc khử thạch anh độ sạch cao bằng than trong lò điện hay lò cao ở nhiệt độ trên 2000oC silicafume bốc lên như một chất hơi oxy hoá từ lò cao. Nó nguội, lắng đọng và được thu hồi bởi các bộ lọc. Silicafume lắng đọng đó được xử lý để khử các tạp chất và kiểm soát kích thước hạt. Kích thước hạt của silicafume có đường kính trung bình <1μm. Silicafume có màu dao động từ màu trắng đến màu xám đậm[2]. Tro bay là loại thải phẩm bụi mịn thu được tại bộ phận lắng bụi khí thải của nhà máy nhiệt điện từ quá trình đốt than. Tro bay có kích thước hạt từ 1 - 10μm. Tro bay được phân ra hai loại với các đặc điểm khác nhau: Tro bazơ (loại C) có hàm lượng canxi oxit CaO ≥ 10%. Tro axit (loại F) có hàm lượng canxi oxit CaO < 10%. Tro bay là loại phế thải, nếu không được thu gom, tận dụng sẽ không chỉ là một sự lãng phí lớn mà còn là một hiểm họa đối với môi trường nhất là trong thời kỳ phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp hiện nay [3]. Nhờ độ mịn cao, độ hoạt tính lớn cộng với lượng SiO2 có rất nhiều trong silicafume và 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. Khả năng chống thấm của bê tông chịu ảnh hưởng chủ yếu từ yếu tố chất kết dính và lỗ rỗng giữa các cốt liệu liên kết với nhau, vấn đề được đặt ra là sử dụng tỉ lệ thành phần silicafume, tro bay và xi măng như thế nào trong thành phần cấp phối bê tông để mang lại hiệu quả chống thấm cho bê tông mà vẫn đạt yêu cầu về cường độ. Đây chính là lý do tác giả làm đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu khả năng chống thấm của bê tông có sử dụng silicafume và tro bay”. 2 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu khả năng chống thấm của bê tông có sử dụng silicafume và tro bay. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Các loại vật liệu: Cát Sông Cái (Diên Khánh, Khánh Hòa); đá Hòn Ngang (Nha Trang, Khánh Hòa); xi măng Nghi Sơn PCB 40; Silicafume ViKhanh Co,Ltđ; tro bay Nhà máy Nhiệt điện Vĩnh Tân 4 (Bình Thuận). - Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến khả năng chống thấm của bê tông sau 28, 56, 90 ngày. - Xem xét mức độ ảnh hưởng của silicafume hay tro bay lớn hơn đối với khả năng chống thấm của bê tông từ đó tìm ra tỷ lệ tốt nhất giữa tro bay và silicafume trong việc thay thế tổng tỉ lệ 20% xi măng. 4. Phương 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 dưỡng mẫu thử; TCVN 3106:1993: Hỗn hợp bê tông nặng - Phương pháp thử độ sụt TCVN 3116:1993: Bê tông - Phương pháp xác định độ chống thấm TCVN 3118:1993: Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén - Tiến hành thí nghiệm với 6 tổ mẫu S1, S2, S3, S4, S5, S6 trong đó mẫu S1 là mẫu đối chứng sử dụng 100% xi măng, mẫu S2 đến S6 trong đó 20% xi măng sẽ được thay thế bằng silicafume và tro bay. - Phân tích các kết quả thí nghiệm. - Phân tích các kết quả thí nghiệm, so sánh về mức độ ảnh hưởng của silicafume và tro bay đến khả năng chống thấm của bê tông. 5. Kết quả dự kiến - Xác định khả năng sử dụng silicafume và tro bay trong thành phần cấp phối vừa đảm bảo cường độ chịu nén vừa mang lại hiệu quả chống thấm của bê tông. - Đưa ra các kiến nghị khi ứng dụng trong thiết kế thành phần cấp phối bê tông. - Tìm ra tỉ lệ tối ưu giữa thành phần thay thế xi măng, silicafume và tro bay trong khối lượng thay thế 20% xi măng để có đề xuất áp dụng. 3 6. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn gồm có các chương như sau: Chương 1: Tổng quan về bê tông, tính chống thấm của bê tông; khả năng sử dụng silicafume và tro bay trong việc thay thế xi măng trong bê tông Chương 2: Tiêu chuẩn, vật liệu và thiết bị thí nghiệm. Chương 3: Thí nghiệm xác định khả năng chống thấm của bê tông thương phẩm khi sử dụng silicafume và tro bay thay thế một phần xi măng. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG, TÍNH CHỐNG THẤM CỦA BÊ TÔNG; KHẢ NĂNG SỬ DỤNG SILICAFUME VÀ TRO BAY TRONG VIỆC THAY THẾ XI MĂNG TRONG BÊ TÔNG 1.1. Tổng quan về bê tông 1.1.1. Khái niệm Bê tông là một loại đá nhân tạo, được hình thành bởi việc nhào trộn các thành phần: Cốt liệu thô, cốt liệu mịn, chất kết dính theo một tỷ lệ nhất định tạo nên một hỗn hợp keo. Hỗn hợp keo này biến đổi qua một quá trình lý hoá khá phức tạp và đông kết tạo thành đá xi măng. Toàn bộ quá trình này diễn ra trong 28 ngày trong điều kiện tiêu chuẩn sẽ đạt cường độ tiêu chuẩn được qui uớc trong tính toán và thiết kế công trình. Bê tông là vật liệu dòn, tính đồng nhất kém và dị hướng[4]. Nguyên lý tạo nên bê tông là dùng các cốt liệu lớn làm thành bộ khung, cốt liệu nhỏ lấp đầy các khoảng trống và dùng xi măng làm chất kết dính liên kết chúng lại thành một thể đặc chắc có khả năng chịu lực và chống lại các biến dạng[4]. Bê tông có cấu trúc không đồng nhất vì hình dáng, kích thước cốt liệu khác nhau, sự phân bố của cốt liệu và chất kết dính không thật đồng đều, trong bê tông vẫn còn lại một ít nước thừa và những lỗ rỗng li ti (do nước thừa bốc hơi). Quá trình khô cứng của bê tông là quá trình thủy hóa của xi măng, quá trình thay đổi lượng nước cân bằng, sự giảm keo nhớt, sự tăng mạng tinh thể của đá xi măng. Các quá trình này làm cho bê tông trở thành vật liệu vừa có tính đàn hồi vừa có tính dẻo[5]. 1.1.2. Cấu trúc của bê tông 1.1.2.1. Sự hình thành cấu trúc của bê tông Sau khi tạo hình các cấu tử của hỗn hợp bê tông được sắp xếp chặt chẽ hơn. Cùng với sự thuỷ hoá của xi măng, cấu trúc của bê tông được hình thành. Giai đoạn này gọi là giai đoạn hình thành cấu trúc. Các sản phẩm mới được hình thành do xi măng thuỷ hoá dần dần tăng lên, đến một lúc nào đó chúng tách ra khỏi dung dịch quá bão hoà. Số lượng sản phẩm mới tách ra tăng lên đến một mức nào đó thì cấu trúc keo tụ chuyển sang cấu trúc tinh thể, làm cho cường độ của bê tông tăng lên. Sự hình thành cấu trúc tinh thể sẽ sinh ra 2 hiện tượng ngược nhau: tăng cường độ và hình thành nội ứng suất trong mạng lưới tinh thể. Đó là nguyên nhân sinh ra vết nứt và giảm cường độ của bê tông. 5 Khoảng thời gian hình thành cấu trúc, cũng như cường 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 nước-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 trường hợp cần duy trì tính công tác của hỗn hợp bê tông trong lúc vận chuyển cũng như thời tiết nóng có thể dùng phụ gia chậm cứng rắn [6]. 1.1.2.2. 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. Khi thi công nếu đầm nén tốt thể tích lỗ rỗng khí sẽ giảm đi, điều đó chophép tăng cường độ chịu lực, tăng khả năng chống thấm và cải thiện nhiều tính chất kỹ thuật khác. Cần lưu ý đến tỷ lệ N/X, lượng nước, lượng xi măng phải thích hợp để đảm bảo cấu trúc của bê tông được đặc chắc. Cấu trúc vi mô của bê tông được đặc trưng bằng cấu trúc của vật rắn, độrỗng và đặc trưng của lỗ rỗng trong từng cấu tử tạo nên bê tông (cốt liệu, đá xi măng) cũng như cấu tạo của lớp tiếp xúc giữa chúng. Lượng nước nhào trộn một phần dùng để bôi trơn hạt cốt liệu, một phầndùng để tạo thành hồ của đá xi măng, 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 nước ở bên trong, nước sẽ đọng lại trên bề mặt hạt cốt liệu lớn và làm yếu mối liên kết giữa chúng với phần vữa[7]. Độ bền của mối liên kết giữa cốt liệu và đá xi măng phụ thuộc vào bản chấtcủa cốt liệu, vào độ rỗng, độ nhám của bề mặt, độ sạch của cốt liệu, cũng như 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); - Lỗ rỗng trong cốt liệu; - Lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu (khoảng không gian giữa các hạt cốt liệukhông được chèn hồ xi măng). 1.1.3. Phân loại bê tông: 6 - Theo dạng chất kết dính bê tông được phân làm các loại sau[6]: + Bê tông xi măng, bê tông silicat (chất kết dính là vôi), bê tông thạch cao, bê tông chất kết dính hỗn hợp, bêtông polime, bê tông dùng chất kết dính đặc biệt. + Do khối lượng thể tích của bê tông biến đổi trong phạm vi rộng nên độ rỗng của chúng cũng thay đổi đáng kể, như bê tông tổ ong dùng để cách nhiệt có r = 70 85%, bê tông thủy công r = 8 - 10%. - Theo công dụng bê tông được phân làm các loại sau[6]: + Bê tông thường dùng trong các kết cấu bê tông cốt thép (móng, cột, dầm, sàn). + Bê tông thủy công, dùng để xây đập, âu thuyền, phủ lớp mái kênh, các công trình dẫn nước... + Bê tông dùng cho mặt đường, sân bay, lát vỉa hè. + Bê tông dùng cho kết cấu bao che (thường là bê tông nhẹ). + Bê tông có công dụng đặc biệt như bê tông chịu nhiệt, chịu axit, bê tông chống phóng xạ. - Theo dạng cốt liệu bê tông được chia thành bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng, bê tông cốt liệu đặc biệt (chống phóng xạ, chịu nhiệt, chịu axit). - Theo khối lượng thể tích bê tông được phân loại như sau[6]: + Bê tông đặc biệt nặng (γ > 2500kg/m3), chế tạo từ cốt liệu đặc biệt, dùng cho những kết cấu đặc biệt. + Bê tông nặng (γ = 2200 - 2500 kg/m3), chế tạo từ cát, đá, sỏi thông thường dùng cho kết cấu chịu lực. + Bê tông tương đối nặng (γ = 1800 - 2200 kg/m3), dùng chủ yếu cho kết cấu chịu lực. + Bê tông nhẹ (γ = 500 - 1800 kg/m3), trong đó gồm có bê tông nhẹ cốt liệu rỗng (nhân tạo hay thiên nhiên), bê tông tổ ong (bê tông khí và bê tông bọt), chế tạo từ hỗn hợp chất kết dính, nước, cấu tử silic nghiền mịn và chất tạo rỗng, và bê tông hốc lớn (không có cốt liệu nhỏ). + Bê tông đặc biệt nhẹ cũng là loại bê tông tổ ong và bê tông cốt liệu rỗng nhưng có γ < 500 kg/m3. 7 1.1.4. 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 lượng, đặc trưng của vật liệu, thành phần cấp phối, tỷ lệ nước/xi măng, biện pháp thi công. Tính cơ học bao gồm cường độ (kéo, nén, ...). Tính vật lý bao gồm tính công tác, co ngót, từ biến, khả năng chống thấm nước, ... Trong giới hạn đề tài chỉ tập trung nghiên cứu đến khả năng chống thấm nước của bê tông. 1.1.4.1. 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 nhưng vẫn đảm bảo được độ đồng nhất trong một điều kiện đầm nén nhất định. Để đánh giá tính công tác của hỗn hợp bê tông người ta thường dùng hai chỉ tiêu đó là độ lưu động và độ cứng. Độ lưu động là chỉ tiêu quan trọng nhất của hỗn hợp bê tông, nó đánh giá khả năng dễ chảy của hỗn hợp bê tông dưới tác dụng của trọng lượng bản thân hoặc rung động. Độ lưu động được xác định bằng độ sụt của khối hỗn hợp bê tông trong khuôn hình nón cụt có kích thước tùy thuộc vào cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu. Độ cứng của hỗn hợp bê tông là thời gian rung động cần thiết để san bằng và lèn chặt hỗn hợp bê tông trong bộ khuôn hình nón cụt và hình lập phương. Khả năng giữ nước 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 hướng chìm xuống và xích lại gần nhau, nước 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 nước của bê tông giảm. Một phần nước thừa đọng lại bên trong hỗn hợp tạo thành những hốc rỗng, ảnh hưởng xấu đến cấu trúc và tính chất của bê tông. Việc giảm lượng nước nhào trộn và nâng cao khả năng giữ nước của hỗn hợp bêtông 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 hưởng đến tính công tác của hỗn hợp bê tông: Lượng nước nhào trộn: Là yếu tố quan trọng quyết định tính công tác của hỗn hợp bê tông. Lượng nước nhào trộn bao gồm lượng nước tạo ra hồ xi măng và lượng nước dùng cho cốt liệu để tạo ra độ dẻo cần thiết cho quá trình thi công. 8 Khả năng hấp thụ nước 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 trưng bề mặt của cốt liệu thay đổi thì độ cần nước cũng thay đổi. Vì vậy, khi xác định thành phần bê tông thì việc xác định tỷ lệ cốt liệu nhỏcốt liệu lớn tối ưu để đảm bảo cho hồ xi măng nhỏ nhất là rất quan trọng. Để đảm bảo cho bê tông có cường độ yêu cầu thì tỷ lệ nước - xi măng phải giữ ở giá trị không đổi và do đó khi độ cần nước của cốt liệu tăng thì dẫn đến chi phí quá nhiều xi măng [5]. Việc xây dựng lượng nước nhào trộn phải thông qua các chỉ tiêu về tính công tác có tính đến loại và độ lớn của cốt liệu. Khi lượng nước còn quá ít, dưới tác dụng của lực hút phân tử, nước chỉ đủ để hấp phụ trên bề mặt vật rắn mà chưa tạo ra độ lưu động của hỗn hợp.Lượng nước tăng lên đến một giới hạn nào đó sẽ xuất hiện nước tự do, màng nước trên bề mặt vật rắn dày thêm, nội ma sát giữa chúng giảm xuống, độ lưu động tăng lên. Lượng nước ứng với lúc hỗn hợp bê tông có độ lưu động tốt nhất mà không bị phân tầng gọi là khả năng giữ nước của hỗn hợp bê tông. Đối với hỗn hợp bê tông dùng xi măng. Loại và lượng xi măng: Nếu hỗn hợp bê tông có đủ xi măng để cùng với nước lấp đầy lỗ rỗng của cốt liệu, bọc và bôi trơn bề mặt của chúng thì độ dẻo sẽ tăng. Độ lưu 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 lượng nước tiêu chuẩn, độ mịn, thời gian đông kết và rắn chắc. Lượng 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 trượt. Phụ gia hoạt động bề mặt (phụ gia dẻo hoặc siêu dẻo) mặc dù cho vào hỗn hợp bê tông với một lượng nhỏ (0,15-1,2% khối lượng xi măng) nhưng 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 đường ống, đồng thời giảm đáng kể tỉ lệ N/X mà vẫn đảm bảo độ lưu động và có thể tạo ra các loại bê tông mác cao[5]. 1.1.4.2. Tính co ngót Trong quá trình rắn chắc, bê tông thường phát sinh biến dạng thể tích, nở ra trong nước và co lại trong không khí. Về giá trị tuyệt đối độ co lớn hơn nở 10 9 lần. Ở một giới hạn nhất định độ nở có thể làm tốt hơn cấu trúc của bê tông, còn hiện tượng co ngót luôn luôn kéo theo hậu quả xấu. Bê tông bị co ngót do nhiều nguyên nhân, trước hết là sự mất nước trong các gel đá xi măng. Khi mất nước các mầm tinh thể xích lại gần nhau và đồng thời các gel cùng dịch chuyển làm cho bê tông bị co. Quá trình cacbonat hóa hyđrôxi can xi trong đá xi măng cũng là nguyên nhân gây ra co ngót, co ngót còn là hậu quả của việc giảm thể tích tuyệt đối của hệ xi măng - nước. Do bị co ngót nên bê tông bị nứt, giảm cường độ, độ chống thấm, độ ổn định của bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường xâm thực[5]. Vì vậy đối với những kết cấu bê tông có chiều dài và diện tích lớn, để tránh nứt người ta phân đoạn để tạo thành các khe co giãn. Độ co ngót phát triển mạnh trong thời kỳ đầu và giảm dần theo thời gian sau đó tắt hẳn. 1.1.4.3. Cường độ chịu nén Cường đô chịu nén của bê tông là khả năng chịu ứng suất nén của mẫu bê tông. Mẫu có thể chế tạo bằng các cách khác nhau: lấy hỗn hợp bê tông đã được nhào trộn để đúc mẫu hoặc dùng thiết bị chuyên dùng khoan lấy mẫu từ kết cấu có sẵn. Mẫu để đo cường độ có kích thước 150x150x150(mm), được thực hiện theo điều kiện tiêu chuẩn trong thời gian 28 ngày. 1.1.5. Tính thấm nước của bê tông Sau khi tạo hình, các thành phần của hỗn hợp bê tông được sắp xếp chặt chẽ, kết hợp với sự thủy hóa của xi măng hình thành nên cấu trúc bê tông. Khoảng thời gian hình thành cấu trúc, cũng như cường độ đầu tiên của bê tông phụ thuộc vào thành phần của bê tông, dạng chất kết dính và phụ gia hóa học. Độ rỗng của bê tông là tổng các độ rỗng của đá xi măng, của khung cốt liệu và của các liên kết giữa đá xi măng và khung cốt liệu. Độ rỗng được định nghĩa là tỷ số giữa thể tích các lỗ rỗng của bê tông và thể tích tổng. Đối với bê tông thường, độ rỗng có thể đạt tới 10% thể tích của bê tông. Trong khi với bê tông chất lượng cao, độ rỗng có thể giảm xuống dưới 3%. Độ thấm được định nghĩa là khả năng cho phép các chất lưu thẩm thấu qua của một môi trường rỗng do sự chênh lệch thế năng. Độ thấm của bê tông, một loại vật liệu rỗng phụ thuộc nhiều vào các tham số của môi trường bê tông như độ rỗng, độ ngoằn ngoèo của các lỗ rỗng và tính thông nhau giữa các lỗ rỗng. Khi độ rỗng và độ thông nhau giữa các lỗ rỗng trong bê tông tăng lên, độ bền chống thấm của bê tông bị giảm xuống, và khi các lỗ rỗng càng thẳng, dòng chảy thấm có tốc độ càng nhanh. Dưới tác độ cơ học hoặc nhiệt độ đủ lớn, sự phá hủy trong bê tông kèm theo các đường nứt làm 10 gia tăng các thông số trên, độ thấm của bê tông vì vậy cũng sẽ tăng nhanh. Dưới áp lực thuỷ tĩnh nước có thể thấm qua những lỗ rỗng mao quản. Thực tế nước chỉ thấm qua những lỗ rỗng có đường kính lớn hơn 1μm, vì màng nước hấp phụ trong các mao quản đã có chiều dày đến 0,5μm. Đối với các công trình có yêu cầu về độ chống thấm nước thì cần phải xác định độ chống thấm theo áp lực thuỷ tĩnh thực dụng. Căn cứ vào chỉ tiêu này chia bê tông thành các loại mác chống thấm: CT-2, CT-4, CT-6, CT-8, CT-10, CT-12 (hoặc B2, B4, B6, B8, B10, B12). Tính chống thấm của bê tông được xác định theo TCVN 3116:1993[5]. 1.2. Tổng quan về silicafume 1.2.1. Khái niệm về silicafume Silicafume là vật liệu siêu mịn, chứa SiO2 vô định hình, thu được trong quá trình sản xuất silic và hợp kim silic bằng hồ quang. Tỷ lệ SiO2 trong silicafume phụ thuộc vào loại hợp kim sản xuất. Silicafume thu được khi sản xuất hợp kim 50% ferrosilicon chứa khoảng từ 74% đến 84% SiO2, thu được khi sản xuất hợp kim 75% ferrosilicon chứa khoảng 84% đến 91% SiO2, còn thu được khi sản xuất silic chứa khoảng 87% đến 98% SiO2[8]. SILICAFUME: Quá trình sản xuất Nguyên liệu đầu vào (Carbon, than cốc, than đá, dăm gỗ) + Thạch anh Hợp kim silic Lò luyện (Nhiệt độ trên 2000oC) Ngừng gia nhiệt Silicafume Bộ lọc Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất silicafume 11 Hình 1.2. Silica Fume có màu dao động từ màu trắng đến màu xám đậm Silicafume là phụ gia khoáng hoạt tính cao. Trong bê tông, silicafume có thể phân bố ở khoảng trống giữa các hạt xi măng và tham gia phản ứng với các sản phẩm thủy hóa xi măng hình thành các khoáng mới. Nhờ đó có thể cải thiện được cấu trúc, độ chống thấm, cường độ, độ bền lâu và khả năng bảo vệ cốt thép của bê tông trong các môi trường xâm thực. 1.2.2. Thành phần silicafume Đặc tính kỹ thuật của silicafume được thể hiện tại bảng dưới đây Bảng 1.1. Chỉ tiêu cơ lý của xi măng, tro bay, silicafume Thông số Tính chất cơ lý - Trọng lượng riêng (kg/dm3) - Độ mịn (m2/kg) - Kích thước hạt Tính chất hóa học - SiO2 (%) - CaO (%) - Fe2O3 (%) - Al2O3 (%) Xi măng portland Tro bay loại F Tro bay loại C Silicafume 3.15 370 2.38 420 <10 µm 2.65 420 <10 µm 2.22 >15000 >1µm 21 62 3 5 52 5 11 23 35 21 6 18 >85 <1 - 1.2.3. Đặc tính của silicafume Silicafume là vật liệu vô định hình, khác với vật liệu tinh thể, vật liệu vô định hình có thể tham gia hòa tan, phản ứng trong bê tông tương tự như xi măng. Silicafume có hàm lượng SiO2 cao (không nhỏ hơn 85%). Ngoài ra trong silicafume còn có thể có một số vật liệu khác tùy thuộc theo kim loại được sản xuất trong lò luyện, tuy nhiên thông thường các vật liệu này không có tác động đến hiệu suất làm