Thông tin chuyên ngành Xi măng Việt Nam

>> Ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ ban đầu đến cường độ nén của hệ nền xi măng chứa tro bay hoạt hóa bằng natri sulfat (P2)

Dưỡng hộ ban đầu ở nhiệt độ cao đã cải thiện cường độ nén ở 3 ngày tuổi của mẫu chứa tro bay được hoạt hóa bằng Na₂SO₄. Tuy nhiên, cường độ nén ở 7 ngày và 28 ngày tuổi của các mẫu này lại thấp hơn khi so với mẫu được dưỡng hộ ở 27±2°C. Điều này chứng tỏ rằng dưỡng hộ ban đầu ở nhiệt độ cao đã ảnh hưởng bất lợi đến cường độ nén về sau của hệ nền xi măng chứa tro bay được hoạt hóa bằng Na₂SO₄.

1. Giới thiệu

Tro bay là phế thải từ các nhà máy nhiệt điện sử dụng than làm nguồn nhiên liệu chính và hiện đang được ứng dụng rộng rãi như một loại phụ gia khoáng hoạt tính thay thế một phần xi măng trong việc chế tạo bê tông [1-3]. Việc sử dụng tro bay đem lại nhiều lợi ích như giảm lượng dùng xi măng, kéo theo giảm việc khai thác đá vôi và đất sét và giảm lượng khí CO₂ thải ra từ quá trình sản xuất xi măng; tận dụng tối đa nguồn phế thải tro bay; giảm giá thành xây dựng và góp phần cải thiện một số tính chất cơ lý cũng như nâng cao độ bền cho bê tông tro bay [2, 4-6]. Tuy nhiên, bê tông xi măng chứa tro bay thỉnh thoảng có cường độ ban đầu thấp hơn so với bê tông chứa 100% xi măng [7-9], đặc biệt khi sử dụng hàm lượng tro bay lớn; điều này là do phản ứng pozzolanic của tro bay xảy ra rất chậm trong thời gian ban đầu [5, 10, 11]. Chính vì thế, bê tông tro bay vẫn còn hạn chế ở một số các ứng dụng thực tế khi yêu cầu cường độ ban đầu cao như các công trình cần rút ngắn tiến độ thi công, các cấu kiện bê tông đúc sẵn, bê tông cường độ cao... 

Việc sử dụng tỷ lệ nước/chất kết dính (N/CKD) thấp đã được đề xuất để khắc phục nhược điểm trên của tro bay cũng như mở rộng việc tận dụng tro bay trong bê tông cường độ cao [11, 12]. Lam và cs. [11] và Poon và cs. [12] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tro bay thay thế xi măng đến sự phát triển cường độ của bê tông có tỷ lệ N/CKD thấp và nhận thấy rằng tro bay đã góp phần chi phối đáng kể đến việc cải thiện cường độ nén của bê tông có tỷ lệ N/CKD thấp. Tuy nhiên, cường độ ban đầu của bê tông sử dụng tro bay và có tỷ lệ N/CKD thấp vẫn thấp hơn so với cường độ ban đầu của bê tông sử dụng 100% xi măng và 0% tro bay.

Gần đây, việc sử dụng các chất hoạt hóa, đặc biệt chất hoạt hóa sulfat đã được đề xuất để thúc đẩy phản ứng pozzolanic của tro bay và khắc phục nhược điểm về cường độ ban đầu thấp của bê tông tro bay [4, 7, 13-15]. Shi và Day [4] đã sử dụng chất hoạt hóa natri sulfat (Na₂SO₄) vào hệ nền vôi - tro bay và nhận thấy rằng việc sử dụng này đã làm gia tăng hoạt tính pozzolanic của tro bay, dẫn đến làm gia tăng cường độ của hệ nền. Các tác giả cũng kết luận rằng khi sử dụng Na₂SO₄ với hàm lượng từ 3 - 5% theo khối lượng chất kết dính thì việc cải thiện cường độ ở tuổi 90 và 180 ngày là đáng kể. Hiệu quả của chất hoạt hóa Na2SO4 đến quá trình thúc đẩy phản ứng pozzolanic của tro bay trong hệ nền xi măng cũng được đánh giá ở các nghiên cứu của Shi [13], Qian và cs. [7], Lee và cs. [14] và Bùi và cs. [15]. Lee và cs. [14] đã tìm thấy rằng khi 4% Na₂SO₄ được thêm vào hệ nền, cường độ ban đầu tăng nhanh nhưng giảm dần và đạt giá trị tương đương khi so với hệ nền không có chất hoạt hóa sau 7 và 28 ngày. Trong khi đó, Bùi và cs. [15] nhận thấy rằng 4% Na₂SO₄ đã làm gia tăng không những cường độ ban đầu mà còn về sau của hệ nền xi măng chứa 20 và 40% tro bay được dưỡng hộ ở 29±1 °C.

Điều này là do việc thêm chất hoạt hóa Na₂SO₄ vào hệ nền đã góp phần thúc đẩy sự hình thành sớm các khoáng ettringite (3CaO.Al₂O₃.3CaSO₄.32H₂O) lấp đầy lỗ rỗng và tăng độ đặc chắc cho hệ nền theo các phương trình phản ứng (1) và (2); đồng thời đã thúc đẩy phản ứng pozzolanic của tro bay theo các phương trình phản ứng (3) và (4) thông qua hàm lượng Ca(OH)₂ trong hệ nền giảm và hàm lượng các sản phẩm hydrat hóa (bao gồm canxi silicat và aluminat) tăng [15].

 

 

Nhìn chung, chất hoạt hóa Na₂SO₄ góp phần đem lại hiệu quả thúc đẩy phản ứng pozzolanic của tro bay trong hệ nền xi măng chủ yếu được dưỡng hộ ở nhiệt độ thường, đặc biệt khi hệ nền với hàm lượng tro bay lớn. Trong khi đó, việc áp dụng nhiệt độ dưỡng hộ cao cũng đang được xem là một trong những phương pháp nhằm cải thiện tính chất của tro bay [16, 17].

Do đó, mục tiêu của nghiên cứu này là khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ ban đầu đến cường độ nén của hệ nền xi măng chứa 40% tro bay được hoạt hóa bằng Na₂SO₄ nhằm đánh giá việc Na₂SO₄ áp dụng chế độ dưỡng hộ nhiệt ban đầu có thật sự phù hợp và hiệu quả để cải thiện các tính chất của hệ nền xi măng chứa hàm lượng lớn tro bay được hoạt hóa bằng Na₂SO₄, góp phần hướng đến nền công nghiệp xây dựng mang tính bền vững. Khi việc áp dụng chế độ dưỡng hộ nhiệt ban đầu có thể góp phần nâng cao tính chất của hệ nền xi măng chứa hàm lượng lớn tro bay thì ảnh hưởng của tổ hợp bao gồm chế độ dưỡng hộ nhiệt ban đầu và việc hoạt hóa bằng Na₂SO₄ đến các tính chất của bê tông sẽ được cân nhắc trong quá trình thiết kế cấp phối bê tông cũng như ứng dụng trong thực tế tại các nhà máy cấu kiện bê tông đúc sẵn. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của chất hoạt hóa Na₂SO₄ đến độ linh động, thời gian ninh kết và cường độ nén của hệ nền xi măng chứa và không chứa tro bay cũng được nghiên cứu.

2. Thực nghiệm

2.1. Hệ nguyên vật liệu

Xi măng Portland PC40 của nhà máy Vicem Hà Tiên thỏa mãn theo TCVN 2682:2009 [18] và tro bay loại F của nhà máy Duyên Hải 1 thỏa mãn theo TCVN 10302:2014 [19] được sử dụng như chất kết dính trong nghiên cứu này. Chỉ tiêu cơ lý và thành phần hóa học của xi măng và tro bay được thể hiện ở Bảng 1 và 2.

Nước sử dụng trong nghiên cứu này là nước thủy cục, không chứa váng dầu mỡ, không có tạp chất, không màu, không mùi thỏa mãn theo TCVN 4506:2012 [20]. Chất hoạt hóa natri sulfat được sử dụng ở dạng rắn khan, chứa 99% Na₂SO₄ và có khối lượng riêng là 2,66 g/cm³.

2.2. Thành phần cấp phối

Hệ nền xi măng với tỷ lệ N/CKD thấp là 0,30 được chuẩn bị để cải thiện một phần cường độ ban đầu cho hệ nền đồng thời tận dụng một hàm lượng lớn tro bay trong hệ nền. Hàm lượng tro bay thay thế xi măng là 0 và 40% theo khối lượng chất kết dính. Hàm lượng chất hoạt hóa Na₂SO₄ cho vào trong hệ nền là 0 và 4% theo khối lượng chất kết dính, dựa trên nghiên cứu của Bùi và cs. [15]. Bảng 3 thể hiện thành phần cấp phối theo tỷ lệ khối lượng của hệ nền xi măng trong nghiên cứu này.

2.3. Quy trình nhào trộn

Việc nhào trộn hồ chất kết dính được thực hiện thông qua máy trộn vữa tự động theo TCVN 6016:2011 [21]. Đối với hệ nền có chứa chất hoạt hóa, nước và Na₂SO₄ được hòa tan với nhau để tạo thành dung dịch kiềm. Sau khi cân định lượng từng nguyên vật liệu thành phần, xi măng và tro bay được đưa vào trong cối trộn và dùng bay trộn đều hỗn hợp khô. Sau đó, tiến hành cho nước hoặc dung dịch kiềm (bao gồm nước và chất hoạt hóa Na₂SO₄ đã được chuẩn bị trước đó) vào cối trộn và bắt đầu trộn trong 30 giây. Sau khi dừng máy trộn và tiến hành vét lượng hồ bám dính ở thành cối và tâm cối, tiếp tục nhào trộn hỗn hợp trong 90 giây. Sau khi nhào trộn đồng nhất, các tính chất kỹ thuật của hỗn hợp được tiến hành kiểm tra theo mục 2.4.

2.4. Kiểm tra độ chảy xòe và thời gian ninh kết

a. Độ chảy xòe

Độ chảy xòe của hỗn hợp được kiểm tra với việc tham khảo TCVN 3121-3:2003 [22] và có điều chỉnh phù hợp cho hệ nền xi măng, cụ thể theo các bước sau: (1) hỗn hợp được cho vào trong côn đã được làm ẩm và đặt ở giữa bàn dằn, theo hai lớp, mỗi lớp đầm 10 cái bằng que đầm; (2) nhấc côn lên theo phương thẳng đứng; (3) dằn 15 cái trong 15 giây; (4) dùng thước đo hai đường kính lớn nhất của hỗn hợp trên bàn dằn. Độ chảy xòe của hỗn hợp được xác định bằng giá trị trung bình của hai đường kính lớn nhất.

b. Thời gian ninh kết

Thời gian ninh kết bao gồm thời gian bắt đầu và kết thúc ninh kết của hỗn hợp được xác định theo TCVN 6017:2015 [23]. Thời gian bắt đầu ninh kết là thời gian tính từ thời điểm chất kết dính nhào trộn với nước hoặc dung dịch kiềm, cho đến khi kim nhỏ Vicat cách đáy vành khâu từ 3 - 9 mm. Trong khi đó, thời gian kết thúc ninh kết là thời gian tính từ thời điểm chất kết dính nhào trộn với nước hoặc dung dịch kiềm, cho đến khi kim Vicat cắm vào hồ là 0,5 mm.

2.5. Chuẩn bị mẫu và quy trình dưỡng hộ

a. Chuẩn bị mẫu

Sau khi nhào trộn đồng nhất, hỗn hợp được cho vào trong các khuôn thép có kích thước 50×50×50 mm đã được vệ sinh và bôi dầu, theo hai lớp và mỗi lớp được dằn 60 cái bằng bàn dằn nhằm đảm bảo cho hỗn hợp lấp đầy khuôn.

b. Quy trình dưỡng hộ

Sau khi tạo hình, các mẫu được dưỡng hộ trong khuôn trong 24 giờ ở điều kiện phòng thí nghiệm. Sau 24 giờ, các mẫu được tháo khuôn và được dưỡng hộ ở các điều kiện sau: (1) ở 60°C trong 6 giờ trong lò sấy; và (2) ở 100°C trong 6 giờ trong lò sấy. Sau 6 giờ dưỡng hộ nhiệt trong lò sấy, các mẫu được dưỡng hộ ở 27±2 °C cho đến ngày xác định cường độ nén. Bên cạnh đó, các mẫu đối chứng được dưỡng hộ ở 27±2 °C cho đến ngày xác định cường độ nén cũng được chuẩn bị để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ ban đầu đến cường độ nén của hệ nền xi măng chứa tro bay được hoạt hóa bằng natri sulfat.

2.6. Kiểm tra cường độ nén

Cường độ nén của các mẫu được xác định ở tuổi 1, 3, 7 và 28 ngày thông qua máy nén thủy lực theo TCVN 6016:2011 [21]. Giá trị cường độ nén của mỗi cấp phối ở từng độ tuổi cụ thể là giá trị trung bình của ba mẫu tương ứng.

Tài liệu tham khảo

[1] Zachar, J. (2011). Sustainable and Economical Precast and Prestressed Concrete Using Fly Ash as a Cement Replacement. Journal of Materials in Civil Engineering, 23(6):789-792.

[2] Hemalatha, T., Ramaswamy, A. (2017). A review on fly ash characteristics - Towards promoting high volume utilization in developing sustainable concrete. Journal of Cleaner Production, 147:546–559.

[3] Hemalatha, T., Sasmal, S. (2019). Early-age strength development in fly ash blended cement composites: investigation through chemical activation. Magazine of Concrete Research, 71(5):260-270.

[4] Shi, C., Day, R. L. (1995). Acceleration of the reactivity of fly ash by chemical activation. Cement and Concrete Research, 25(1):15–21.

[5] Baert, G., Poppe, A.-M., Belie, N. D. (2008). Strength and durability of high-volume fly ash concrete. Structural Concrete, 9(2):101–108.

[6] Camões, A., Ferreira, R. M., Aguiar, B., Jalali, S. (2002). Durability of High Performance Concrete With Fly Ash. Proceedings of Challenges of Concrete Construction: Concrete for Extreme Conditions, 357–366.

[7] Qian, J., Shi, C., Wang, Z. (2001). Activation of blended cements containing fly ash. Cement and Concrete Research, 31(8):1121–1127.

[8] Durán-Herrera, A., Juárez, C. A., Valdez, P., Bentz, D. P. (2011). Evaluation of sustainable high-volume fly ash concretes. Cement and Concrete Composites, 33(1):39–45.

[9] Bui, P. T., Ogawa, Y., Nakarai, K., Kawai, K., Sato, R. (2017). Internal curing of Class-F fly-ash concrete using high-volume roof-tile waste aggregate. Materials and Structures, 50(4):1–12.

[10] Feldman, R. F., Carette, G. G., Malhotra, V. M. (1990). Studies on mechanics of development of physical and mechanical properties of high-volume fly ash-cement pastes. Cement and Concrete Composites, 12 (4):245–251.

[11] Lam, L., Wong, Y., Poon, C. (2000). Degree of hydration and gel/space ratio of high-volume fly ash/cement systems. Cement and Concrete Research, 30(5):747-756.

[12] Poon, C. S., Lam, L., Wong, Y. L. (2000). A study on high strength concrete prepared with large volumes of low calcium fly ash. Cement and Concrete Research, 30(3):447–455.

[13] Shi, C. (1996). Early microstructure development of activated lime-fly ash pastes. Cement and Concrete Research, 26(9):1351–1359.

[14] Lee, C. Y., Lee, H. K., Lee, K. M. (2003). Strength and microstructural characteristics of chemically activated fly ash–cement systems. Cement and Concrete Research, 33(3):425–431.

[15] Bui, P. T., Ogawa, Y., Kawai, K. (2020). Effect of Sodium Sulfate Activator on Compressive Strength and Hydration of Fly-Ash Cement Pastes. Journal of Materials in Civil Engineering, 32(6):04020117.

[16] Bakharev, T. (2005). Geopolymeric materials prepared using Class F fly ash and elevated temperature curing. Cement and Concrete Research, 35(6):1224–1232.

[17] de Vargas, A. S., Molin, D. C. D., Vilela, A. C., da Silva, F. J., Pavão, B., Veit, H. (2011). The effects of Na2O/SiO2 molar ratio, curing temperature and age on compressive strength, morphology and microstructure of alkali-activated fly ash-based geopolymers. Cement and Concrete Composites, 33(6): 653–660.

[18] TCVN 2682:2009. Xi măng Poóclăng - Yêu cầu kỹ thuật. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam. 

[19] TCVN 10302:2014. Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[20] TCVN 4506:2012. Nước cho bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[21] TCVN 6016:2011. Xi măng - Phương pháp thử - Xác định cường độ. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[22] TCVN 3121-3:2003. Vữa xây dựng - Phương pháp thử - Phần 3: Xác định độ lưu động của vữa tươi (phương pháp bàn dằn). Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[23] TCVN 6017:2015. Xi măng - Phương pháp xác định thời gian đông kết và độ ổn định thể tích. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.

[24] Huang, C.-H., Lin, S.-K., Chang, C.-S., Chen, H.-J. (2013). Mix proportions and mechanical properties of concrete containing very high-volume of Class F fly ash. Construction and Building Materials, 46:71–78.

[25] Chính, N. V., Thuật, Đ. C. (2020). Ảnh hưởng của tro bay, silicafume và môi trường dưỡng hộ đến cường độ chịu nén của bê tông. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 14(3V):60–72.

[26] Bui, P. T., Nguyen, A. K., Nguyen, N. H., Ogawa, Y., Kawai, K. (2018). Effects of sodium-sulfate addition on consistency, setting time and compressive strength at early ages of fly ash-cement paste. Proceedings of the 8th International Conference of Asian Concrete Federation, Fuzhou, China.

[27] AzariJafari, H., Kazemian, A., Ahmadi, B., Berenjian, J., Shekarchi, M. (2014). Studying effects of chemical admixtures on the workability retention of zeolitic Portland cement mortar. Construction and Building Materials, 72:262–269.

[28] Kumar, S., Rao, C. V. S. K. (1994). Effect of sulfates on the setting time of cement and strength of concrete. Cement and Concrete Research, 24(7):1237–1244.

[29] Klausen, A. E., Kanstad, T., Bjøntegaard, Ø., Sellevold, E. J. (2018). The effect of realistic curing temperature on the strength and E-modulus of concrete. Materials and Structures, 51(6):168.

[30] Cui, S., Liu, P., Su, J., Cui, E., Guo, C., Zhu, B. (2018). Experimental study on mechanical and microstructural properties of cement-based paste for shotcrete use in high-temperature geothermal environment. Construction and Building Materials, 174:603–612.

[31] Wang, M., Hu, Y., Wang, Q., Tian, H., Liu, D. (2019). A study on strength characteristics of concrete under variable temperature curing conditions in ultra-high geothermal tunnels. Construction and Building Materials, 229:116989.

ximang.vn (TH/ Tạp chí KHCNXD)