Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng tro bay (FA), xỉ lò cao nghiền mịn (SL) đến các tính chất của bê tông chất lượng siêu cao có cùng lượng dùng silica fume (SF) như tính công tác, cường độ nén, độ bền trong dung dịch H2SO4 pH 2,5, NH4NO3 5M và khả năng chống thấm ion clorua.
Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng FA hoặc SL đã cải thiện tính công tác của hỗn hợp UHPC. Hàm lượng FA hoặc SL hợp lý để đạt được cường độ nén ở tuổi 28 ngày cao nhất là 20% thể tích thay thế xi măng. Tăng hàm lượng SL đến 30% sẽ làm tăng khả năng chống thấm ion clorua, cải thiện độ bền trong môi trường sun phát. FA cũng làm giảm mất khối lượng nhưng lại làm tăng đôi chút độ giãn nở của mẫu UHPC trong môi trường sun phát so với mẫu chỉ chứa SF. Sử dụng SL hoặc FA sẽ làm giảm sự mất khối lượng mẫu khi sử dụng đến 20% thể tích thay thế xi măng nhưng lại làm tăng chiều sâu ăn mòn trong dung dịch NH4NO3 của UHPC. Nhìn chung, khi sử dụng cùng hàm lượng phụ gia khoáng thì tính công tác của hỗn hợp chứa tro bay cải thiện hơn so với xỉ lò cao. Cường độ 28 ngày và độ bền trong dung dịch NH4NO3 5M hoặc H2SO4 pH 2,5 của UHPC sử dụng xỉ lò cao lại tốt hơn so với UHPC sử dụng tro bay.
1. Đặt vấn đề
Bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) là một phân hạng bê tông mới sử dụng chất kết dính xi măng poóc lăng có độ chảy cao, cường độ nén ở tuổi 28 ngày thường đạt trên 120 MPa trong điều kiện dưỡng hộ thường, cường độ uốn lớn (khi sử dụng cốt sợi thép), độ rỗng rất thấp và độ bền rất cao. Để đạt được các tính chất vượt trội này, UHPC thường sử dụng tỷ lệ nước/chất kết dính rất thấp, đồng thời có lượng dùng xi măng, silica fume và phụ gia siêu dẻo lớn. Các hướng nghiên cứu chính hiện nay không chỉ tập trung nâng cao tính công tác, cường độ nén, uốn, độ dẻo dai của bê tông mà còn cần cải thiện vi cấu trúc, độ bền, giảm giá thành sản xuất, giảm lượng dùng xi măng... nhằm tăng tính thân thiện với môi trường của UHPC. Giá của UHPC không chỉ đơn thuần là giá của 1m3 bê tông hoặc 1 MPa cường độ mà còn là giá của 1 năm làm việc của kết cấu. Yếu tố độ bền, chi phí bảo dưỡng và vận hành công trình vì vậy cần được tính toán vào giá của UHPC và hơn nữa là giá của toàn bộ công trình sử dụng UHPC.
Với hàm lượng xi măng và silica fume (SF) rất lớn, UHPC thường có giá thành cao hơn nhiều so với bê tông thường hoặc bê tông chất lượng cao. Bên cạnh hiệu ứng puzzolanic của SF thì lượng dùng tối ưu của SF thường đạt đến 20 - 30% khối lượng xi măng nhằm tăng cường hiệu quả điền đầy trong UHPC. Để thay thế một phần SF và xi măng, các loại phụ gia khoáng hoạt tính khác đã được sử dụng trong việc chế tạo UHPC. Khi tro bay (FA) được sử dụng để thay thế một phần xi măng sẽ cải thiện tính công tác nhưng lại làm suy giảm cường độ nén của UHPC. Tro bay có kích thước hạt thô hoặc siêu mịn sẽ ảnh hưởng xấu hoặc không ảnh hưởng đến tính công tác của hỗn hợp UHPC khi sử dụng tro bay để thay thế hoàn toàn bột quắc. Việc sử dụng tro bay siêu mịn để thay thế một phần SF sẽ làm tăng lượng dùng phụ gia siêu dẻo và làm chậm tốc độ phát triển cường độ nén trong điều kiện dưỡng hộ ở nhiệt độ thường. Nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng khi sử dụng tro bay siêu mịn để thay thế một phần xi măng sẽ cải thiện tính công tác, độ co ngót của hỗn hợp bê tông và làm giảm cường độ nén ở tuổi 3 và 7 ngày nhưng lại có thể làm tăng cường độ nén ở tuổi dài ngày cũng như khả năng kháng nứt của bê tông khi sử dụng với hàm lượng tro bay hợp lý. Xỉ lò cao nghiền mịn (SL) cũng đã được sử dụng nhằm thay thế một phần xi măng trong sản xuất UHPC. Kết quả nghiên cứu của các tác giả Thắng và Ân đều cho thấy việc thay thế một phần xi măng bằng SL sẽ cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông. Cường độ nén ở tuổi 28 ngày sẽ đạt mức cao nhất khi sử dụng hàm lượng SL hợp lý. Trong khi đó các nghiên cứu khác lại cho thấy việc sử dụng SL hoặc FA thay thế xi măng đều làm giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông. Cường độ nén ở tuổi 28 ngày của UHPC sử dụng 30% FA sẽ đạt cường độ cao nhất so với mẫu đối chứng và mẫu chứa 50% FA. Việc sử dụng FA sẽ làm giảm cường độ nén của UHPC so với mẫu đối chứng. Các kết quả về vi cấu trúc và độ bền của UHPC đều cho thấy khi sử dụng hàm lượng phụ gia khoáng FA hoặc SL hợp lý sẽ cải thiện các tính chất của UHPC trong các điều kiện ăn mòn so với mẫu đối chứng.
Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng sử dụng của FA hoặc SL thay thế một phần xi măng đến các đặc tính của bê tông chất lượng siêu cao. Độ chảy loang và cường độ nén của UHPC có sử dụng 0, 10, 20, 30% thể tích FA hoặc SL kết hợp với 15% thể tích SF thay thế xi măng đã được thí nghiệm. Hơn nữa, các dung dịch H2SO4 pH 2,5 và NH4NO3 5M cũng như thí nghiệm xác định mức độ thấm ion clorua cũng đã được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng và chủng loại phụ gia khoáng (PGK) đến độ bền của UHPC.
2. Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1. Nguyên vật liệu
Xi măng PC40, silica fume không kết nén, tro bay, xỉ lò cao hạt hoá nghiền mịn là các vật liệu chất kết dính được sử dụng trong nghiên cứu. Tro bay sử dụng có kích thước hạt trung bình là 7,87 µm, mịn hơn so với các loại tro bay thông dụng hiện nay. Cốt liệu dùng trong UHPC là cát quắc. Phụ gia siêu dẻo (SD) là loại phụ gia giảm nước tầm cao gốc polycarboxylate. Các đặc tính hóa lý của vật liệu sử dụng được trình bày ở Bảng 1 và Bảng 2.
2.2. Chế tạo UHPC
Bảng 3 trình bày 07 cấp phối bê tông UHPC sử dụng trong nghiên cứu. W/Fv là tỷ lệ thể tích của nước (gồm cả nước trong phụ gia siêu dẻo) và thể tích của vật liệu mịn (xi măng, phụ gia khoáng). Hàm lượng phụ gia siêu dẻo là tỷ lệ khối lượng của hàm lượng chất khô đối với chất kết dính. Thể tích hồ chất kết dính chiếm 57% thể tích bê tông, cao hơn 15% so với thể tích rỗng của cốt liệu không đầm chặt. Hàm lượng SF chiếm 15% thể tích chất kết dính trong tất cả các cấp phối. FA và SL lần lượt được sử dụng thay thế xi măng với hàm lượng tương ứng 0, 10, 20, 30% thể tích chất kết dính nhằm đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia khoáng đến các tính chất của UHPC.
Hỗn hợp UHPC được chế tạo theo quy trình trộn được nêu trong Hình 1. Mẫu thí nghiệm được tạo hình với thời gian rung trên bàn rung tạo hình 30 giây, dưỡng hộ trong phòng thí nghiệm và tháo khuôn sau 48 tiếng. Sau khi tháo khuôn, mẫu được dưỡng hộ trong nước cho đến ngày thí nghiệm.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
Độ chảy loang của UHPC được xác định bởi côn đo loại nhỏ (h = 60; d = 70 và D = 100) ngay sau khi trộn. Kết quả độ chảy loang là giá trị trung bình của kết quả đo 2 đường kính vuông góc sau 2 phút tự chảy loang của UHPC. Cường độ nén được thí nghiệm trên mẫu 40 × 40 × 160 mm3.
Dung dịch axít H2SO4 pH = 2,5 và dung dịch ammonium nitrate (NH4NO3) 5M được sử dụng để đánh giá khả năng ăn mòn của UHPC sử dụng các phụ gia khoáng khác nhau khi ngâm trong các môi trường ăn mòn này. Mỗi cấp phối UHPC sử dụng 3 mẫu có kích thước 10 × 40 × 160 mm3 đã được tạo hình với đầu đo chiều dài gắn ở 2 đầu và dưỡng hộ trong nước đến 28 ngày tuổi. Các mẫu thí nghiệm sẽ được ngâm trong dung dịch axít H2SO4 (pH = 2,5) ở điều kiện phòng thí nghiệm với thể tích dung dịch/thể tích bê tông là 4. Để duy trì độ pH, dung dịch ngâm mẫu sẽ được đo độ pH bởi pH kế và một lượng H2SO4 (pH = 1) sẽ được tính toán và bổ sung vào hàng tuần. Dung dịch H2SO4 ngâm mẫu sẽ được thay mới sau 2 tháng ngâm mẫu. Sự thay đổi khối lượng và chiều dài mẫu UHPC sẽ được xác định hàng tuần trong suốt quá trình thí nghiệm. Sự thay đổi kích thước của mẫu UHPC trong dung dịch H2SO4 được xác định trên mẫu thử với kích thước 10 × 40 × 160 mm3. 3,5 mẫu có kích thước 10 × 40 × 160 mm3 ở tuổi 28 ngày được ngâm vào dung dịch NH4NO3 5M để xác định sự thay đổi khối lượng và chiều sâu lớp bê tông bị ăn mòn theo thời gian. Chiều sâu lớp bê tông bị ăn mòn được xác định trên tiết diện ngang 10 × 40 mm2 được cắt ra từ nửa mẫu ngâm trong dung dịch thông qua chất chỉ thị màu phenolphthalein và kỹ thuật chụp, phóng đại ảnh. Kết quả đo là giá trị trung bình của 5 điểm đo trên tiết diện ngang mẫu (Hình 2).
Thí nghiệm đo khả năng chống thấm ion clorua của UHPC được thực hiện dựa trên tiêu chuẩn ASTM C1202-19 [21]. Thí nghiệm được thực hiện trên 03 mẫu UHPC có đường kính 100 mm và chiều dày 50 mm được cắt ra từ mẫu hình trụ 100 × 200 mm2 ở 28 ngày tuổi. Mặt bên của mẫu được sơn phủ bằng epoxy. Sau khi được bão hoà nước trong bình hút chân không, mẫu được lắp vào các khoang có chứa dung dịch NaCl 3% và NaOH 0,3N. Tổng số culông truyền qua mẫu dưới hiệu điện thế 60 V trong 6 tiếng được sử dụng để đánh giá khả năng thấm ion clorua của bê tông (Hình 3).
3. Kết quả thực nghiệm và bàn luận
3.1. Tính công tác và cường độ nén
Kết quả độ chảy loang và cường độ nén ở tuổi 28 ngày được đưa ra trên Bảng 4 đều cho thấy tất cả các hỗn hợp bê tông UHPC đều có độ chảy loang đạt trên 260 mm và cường độ nén vượt quá 130 MPa. Có thể thấy rằng khi tăng hàm lượng sử dụng xỉ lò cao hoặc tro bay đã cải thiện rõ rệt tính công tác của hỗn hợp UHPC. Tính công tác của hỗn hợp sử dụng FA tốt hơn so với sử dụng SL nhưng cường độ nén ở các tuổi tương ứng của hỗn hợp sử dụng SL lại cao hơn so với hỗn hợp sử dụng FA khi có cùng hàm lượng phụ gia khoáng sử dụng. Hỗn hợp sử dụng 20% SL cho cường độ nén cao nhất ở cả 7 và 28 ngày tuổi. Sử dụng FA với hàm lượng 20% trong thành phần chất kết dính (FA-20) cho cường độ nén ở tuổi 28 ngày cao nhất. Khi tăng hàm lượng FA sẽ làm giảm cường độ nén ở tuổi 7 ngày. Khi so sánh cường độ của các hỗn hợp có chứa FA hoặc SL so với cường độ nén của mẫu chỉ chứa silica fume (SF-15) cho thấy việc sử dụng phối hợp FA- SF hoặc SL- SF đã cải thiện cường độ nén của bê tông ở tuổi dài ngày. Ở 7 ngày tuổi, việc sử dụng tro bay sẽ làm giảm cường độ nén của bê tông so với mẫu không chứa tro bay. Sự giảm cường độ nén của mẫu có chứa xỉ lò cao so với mẫu không chứa xỉ lò cao ở tuổi 7 ngày chỉ xảy ra khi hàm lượng xỉ lò cao sử dụng đến 30% thể tích chất kết dính (SL-30). Kết quả nghiên cứu của Yu và cs. [9] lại cho thấy khi tăng hàm lượng sử dụng của SL hoặc FA thay thế xi măng thì lượng cần nước của hỗn hợp UHPC sẽ giảm. Lượng cần nước của hỗn hợp có chứa FA thấp hơn so với hỗn hợp có chứa SL do hiệu ứng ổ bi và có thể sự tương hợp giữa phụ gia siêu dẻo và của FA. Cường độ nén ở 28 và 91 ngày của mẫu có chứa SL cao hơn mẫu có chứa FA và đều thấp hơn mẫu đối chứng [9]. Ganesh và cs. [22] cũng cho thấy việc cải thiện độ chảy loang của hỗn hợp UHPC khi sử dụng đến 60% khối lượng SL thay thế xi măng. Ở chế độ dưỡng hộ thường, cường độ nén của UHPC có chứa 20% khối lượng SL thay thế xi măng sẽ đạt cường độ nén lớn nhất và cao hơn cường độ của mẫu đối chứng chỉ sử dụng SF.
3.2. Trong dung dịch H2SO4 pH 2,5
Kết quả sự thay đổi khối lượng và kích thước mẫu thử theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch H2SO4 pH 2,5 được thể hiện trên Hình 4. Trong những tuần đầu, các mẫu UHPC đều tăng khối lượng sau đó các mẫu gần như không thay đổi khối lượng đến khoảng tuần 16 trong dung dịch. Sự suy giảm khối lượng mẫu thử bắt đầu tăng lên từ tuần thứ 16 trở đi (Hình 4(a)). Trong khi đó, trong khoảng 10 đến 14 tuần đầu tiên trong dung dịch, kích thước các mẫu thử tăng gần như là tuyến tính. Tốc độ giãn nở mẫu ở các tuần đầu này nhanh hơn, sau đó thì giảm dần (Hình 4(b)). Kết quả trên Hình 4 cũng cho thấy càng tăng hàm lượng sử dụng SL thì càng giảm sự mất khối lượng cũng như độ giãn nở của mẫu thử trong dung dịch. Nghiên cứu trước đây cũng cho thấy SL nâng cao độ bền của UHPC sử dụng xi măng có hàm lượng C3A thấp trong dung dịch H2SO4 pH 2,5 so với UHPC chỉ sử dụng SF. Việc sử dụng FA cũng cải thiện khả năng mất khối lượng mẫu trong dung dịch. Tuy nhiên, độ giãn nở của các mẫu thử có chứa FA có phần cao hơn đôi chút ở thời gian đầu nhưng đến 40 tuần thì không có sự khác biệt nhiều với mẫu chỉ chứa SF. Điều này cho thấy độ bền của UHPC sử dụng SL tốt hơn so với mẫu UHPC sử dụng FA khi ngâm mẫu trong dung dịch H2SO4 pH 2,5.
3.3. Trong dung dịch NH4NO3 5M
Hình 5 thể hiện kết quả mất khối lượng và tăng chiều sâu ăn mòn của UHPC sử dụng hàm lượng phụ gia FA và SL khác nhau với thời gian ngâm mẫu 4, 8 và 12 tuần trong dung dịch NH4NO3 5M. Kết quả cho thấy rằng theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch thì khối lượng mẫu bị mất dần đi và chiều sâu lớp bê tông bị ăn mòn tăng lên. Ngoại trừ mẫu có chứa 30% thể tích SL thay thế xi măng (SL-30), sự kết hợp giữa SF và FA hoặc SL làm giảm mức độ mất khối lượng của bê tông trong dung dịch so với việc chỉ sử dụng SF. Khi sử dụng 20% thể tích FA hoặc SL thay thế xi măng sẽ làm khối lượng bê tông mất đi trong dung dịch là nhỏ nhất (Hình 5(a)). Kết quả chiều sâu lớp bê tông bị ăn mòn (Hình 5(b)) cho thấy khi tăng hàm lượng sử dụng tro bay hoặc xỉ lò cao sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn của bê tông. Khả năng chống lại sự xâm nhập của tác nhân ăn mòn vào trong bê tông sử dụng SL tốt hơn so với bê tông sử dụng FA. Kết quả quả cũng tương tự đối với ảnh hưởng của SL đến độ bền của hỗn hợp UHPC sử dụng xi măng có hàm lượng C3A thấp trong dung dịch NH4NO3 5M, SL cải thiện khả năng chống lại sự mất khối lượng nhưng lại làm tăng chiều dày lớp ăn mòn của mẫu UHPC trong dịch dịch so với mẫu chỉ chứa SF.
3.4. Thấm ion clorua
Kết quả thí nghiệm thấm ion clorua trên Bảng 5 cho thấy mức độ thấm ion clorua của tất cả các cấp phối bê tông đều đạt dưới 100 Culông, là mức được phân vào mức độ không bị thấm. Nhìn chung, khi sử dụng phụ gia FA hoặc SL kết hợp với SF đều cho khả năng chống thấm ion clorua cao hơn so với mẫu chỉ sử dụng SF. Khi tăng hàm lượng SL sử dụng lên trong khoảng thí nghiệm thì mức độ thấm clorua qua mẫu bê tông có giảm nhẹ. Đối với FA thì cấp phối sử dụng 20% thể tích tro bay thay thế xi măng dường như sẽ cho tổng điện lượng truyền qua mẫu thấp hơn so với cấp phối sử dụng với hàm lượng tro bay khác. Kết quả này phù hợp với các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia FA, SL đến khả năng chống thấm của UHPC trước đây. Kết quả nghiên cứu của Ganesh và cs. [22] cũng cho thấy khi tăng hàm lượng SL từ 0% đến 40% thì khả năng chống thấm clorua của UHPC tăng lên, sau đó giảm xuống khi sử dụng hàm lượng SL ở mức 60 và 80%.
4. Kết luận
Dựa vào các kết quả thực nghiệm thu được trong nghiên cứu, các kết luận sau đây được rút ra:
- Việc sử dụng FA hoặc SL thay thế một phần xi măng trong chế tạo UHPC sẽ cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông. Khi sử dụng cùng hàm lượng phụ gia khoáng thì độ chảy loang của hỗn hợp có chứa FA cao hơn so với hỗn hợp có chứa SL nhưng cường độ nén của hỗn hợp có chứa SL lại cao hơn. Với cùng lượng dùng 20% thì cường độ nén ở tuổi 7 và 28 ngày đối với bê tông có chứa SL và ở tuổi 28 ngày đối với bê tông sử dụng FA là cao nhất. Tuy nhiên, đối với mẫu sử dụng FA thì hàm lượng FA càng cao thì cường độ ở tuổi 7 ngày càng thấp.
- Khi tăng hàm lượng SL thì càng cải thiện độ bền của UHPC trong dung dịch H2SO4 pH 2,5, tăng khả năng chống thấm clorua so với mẫu đối chứng chỉ chứa SF. Trong dung dịch NH4NO3 5M, chiều sâu UHPC bị ăn mòn càng lớn khi hàm lượng sử dụng SL càng tăng trong khi mất khối lượng của mẫu có chứa 20% SL là thấp nhất.
- Mức độ chống ăn mòn khối lượng trong trong dung dịch sun phát và dung dịch amoni cũng như chống thấm clorua của mẫu UHPC có chứa FA và SF đã được cải thiện so với mẫu chỉ chứa SF. Trong khi đó, mức độ giãn nở trong môi trường sun phát cũng như chiều sâu ăn mòn trong dung dịch amoni của mẫu có chứa FA lại cao hơn so với mẫu đối chứng.
- Khi sử dụng cùng hàm lượng phụ gia khoáng thì độ bền trong dung dịch NH4NO3 5M và dung dịch H2SO4 pH 2,5 của UHPC sử dụng SL tốt hơn so với UHPC sử dụng FA. Khả năng chống thấm ion clorua của UHPC sử dụng FA hoặc SL thay thế một phần xi măng là rất cao (< 100 Culông) và không có sự khác biệt nhiều khi thay đổi hàm lượng các phụ gia khoáng trong khoảng 30% thể tích thay thế xi măng.
ximang.vn (TH/ Tạp chí KHCN)
