Bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết (quá trình hydrat của chất kết dính; tính toán thể tích nước bù trừ co tự sinh và đảm bảo trạng thái bão hoà trong hệ lỗ rỗng của đá chất kết dính...) kết hợp thực nghiệm (độ hút và nhả nước; độ co tự sinh, cường độ của vữa) đã cho thấy, với các thông số kỹ thuật hợp lý, IC không những làm giảm đáng kể co tự sinh (AS) (đến 58%), cường độ 28 ngày tuổi tăng (5 - 11%, tuy cường độ tuổi 7 ngày giảm nhẹ so với mẫu đối chứng. Hiệu quả IC của LS tốt hơn SAP về giảm co tự sinh. Từ kết quả nghiên cứu này có thể sử dụng giải pháp IC với LS để giảm co do đó giảm nứt ở tuổi sớm và cải thiện cường độ tuổi muộn cho vữa cường độ cao.
1. Giới thiệu
Co nội sinh hay co tự sinh - Autogenous Shrinkage (AS), mô tả sự thay đổi thể tích bên ngoài của bê tông hay vữa xi măng (gọi chung là bê tông) mà nguyên nhân là co do các phản ứng hydrat của xi măng cũng như các quá trình hóa lý xảy ra trong nền chất kết dính [1,4]. Cơ chế AS do tự khô được mô tả trên Hình 1. [1]
Quá trình hydrat xi măng gây co thể tích, gọi là co hóa học. Bên cạnh đó sự hydrat cũng làm mất dần nước trong hệ thống mao quản và hình thành các lỗ rỗng nhỏ trong cấu trúc đá xi măng, theo thời gian lượng nước trong hệ thống lỗ rỗng mao quản giảm (hiện tượng tự làm khô) và tạo áp lực âm trong hệ thống lỗ rỗng mao quản, dẫn đến các phần tử vật chất rắn dịch lại gần nhau gây nên hiện tượng co ngót. Co hóa học (CS) và hiện tượng tự khô của đá xi măng hình thành co tự sinh (AS) trong bê tông. Co nội sinh trong bê tông phụ thuộc vào mức độ thủy hóa của xi măng, tỷ lệ N/X càng nhỏ thì mức độ co nội sinh càng lớn. Đây chính là biến dạng co mềm chủ yếu của hệ bê tông có tỷ lệ Nước/Chất kết dính thấp chứa lượng xi măng lớn.
Từ cơ sở lý thuyết này, giải pháp đưa một lượng nước dự trữ vào trong bê tông nhằm duy trì sự bão hoà ẩm trong hệ thống lỗ rỗng mao quản, bù thể tích co tự sinh đã được đề xuất [3,4]. Nội bảo dưỡng được định nghĩa bởi Viện Bê tông Mỹ (ACI) [4], đó là “việc cung cấp nước xuyên suốt cho hỗn hợp CKD vừa mới đóng rắn, nhờ vật liệu bão hòa nước phân bố đều trong bê tông và sẵn sàng nhả nước khi cần cho sự thủy hóa hoặc để bù đắp độ ẩm đã mất trong quá trình bay hơi nước hay do sự tự khô”. Như vậy, bản chất của nội bảo dưỡng là đưa vào bê tông một lượng nước dự trữ thông qua các vật liệu nội bảo dưỡng có khả năng ngậm nước ở mức độ phù hợp (cốt liệu rỗng, polyme siêu hút nước, sợi gỗ...), lượng nước này không tính vào nước trộn bê tông. Hiệu quả của IC phụ thuộc các yếu tố: lượng nước nội bảo dưỡng (Nic) và sự phân bố của Nic trong BT; mức độ chuyển dịch và khoảng cách thấm nhập của Nic vào nền đá xi măng; thành phần của BT và nhiệt độ của hỗn hợp [2,3,4].
Nguyên tắc cơ bản của IC là giữ cho độ ẩm tương đối trong các lỗ rỗng của đá chất kết dính luôn ở trạng thái bão hoà; Từ quan điểm thể tích nước dự trữ bởi vật liệu nội bảo dưỡng sẽ bù lại co hoá học của chất kết dính, ta có thể xác định lượng vật liệu nội bảo dưỡng (Mic) theo công thức (1) và (2) [3]
Mic = Vn/(S.Pic) (1)
Hình 1: Mô tả một nguyên nhân gây ra co tự sinh trong đá xi măng.
Vn = CKD.CS.a/ρn (2)
Trong đó:
Vn: thể tích nước bù co hoá học của xi măng hay chất kết dính, m³;
Mic: khối lượng vật liệu nội bảo dưỡng, kg;
S: tỷ lệ trả lại nước từ vật liệu nội bảo dưỡng cho nền chất kết dính;
Pic: độ hút nước của vật liệu nội bảo dưỡng;
CKD: lượng chất kết dính trong 1m³ bê tông, kg;
ρn là khối lượng riêng của nước (≈1000 kg/m³);
CS: co hoá học của chất kết dính (CS ≈ 0,06÷0,07kg nước/1kg CKD);
a: hệ số hydrat lớn nhất của chất kết dính, xác định theo tỷ lệ nước – chất kết dính (W/CKD) như sau:
a = (W/CKD)/0,36 khi W/CKD ≤ 0,36
a = 1 khi W/CKD > 0,36
2. Vật liệu sử dụng và thành phần vữa thực nghiệm
2.1. Xi măng và phụ gia khoáng hoạt tính
Xi măng sử dụng trong nghiên cứu này là loại xi măng poóc lăng (PC40) sản xuất tại nhà máy Xi măng Nghi Sơn với các tính chất như trong bảng 1.
Bảng 1. Tính chất cơ lý của xi măng PC40 Nghi Sơn
Xi măng sử dụng đạt yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 2682:2009.
Để giảm bớt lượng dùng xi măng và cải thiện tính chất của vữa, đề tài sử dụng phụ gia khoáng Silicafume (SF) dạng hạt rời của Sika với tên thương mại là Sikacrete PP1, đạt yêu cầu theo TCVN 8827:2011, tính chất trình bày trong bảng 2.
Bảng 2. Tính chất của Silicafume
2.2. Cốt liệu
Cốt liệu sử dụng trong đề tài là cát tự nhiên (cát vàng), mô đun độ lớn 2,9, thành phần hạt đạt tiêu chuẩn TCVN 7570, tính chất cơ lý như trong bảng 3.
Bảng 3. Tính chất cơ lý của cốt liệu
2.3. Vật liệu nội bảo dưỡng
Polyme siêu hút nước (SAP) dùng trong nghiên cứu dạng bột màu trắng (100% lọt sàng 1,25 mm), khối lượng riêng 1,13 - 1,15 g/cm³, mạch chính là polyacrylate, độ hút nước bão hòa (ngâm 24h) là 15700%. SAP hút nước rất nhanh và mạnh, trở thành hạt dạng hydrogel chỉ trong vòng khoảng 30 phút ngâm nước. Với phân tử lượng lớn nên SAP không hoà tan trong nước, khi sấy khô trở về dạng gel khô sau đó lại có thể thấm hút và trương nở. Khi ngâm trong dung dịch kiềm hay dung dịch nước xi măng các hạt hydrogel SAP bị mất một phần nước hấp thụ, tồn tại bền vững, không thay đổi kích thước và trạng thái.
Với mục đích so sánh, ngoài SAP, còn sử dụng cát nhẹ keramzit (LS) là sản phẩm thông dụng được nung phồng nở từ sét, có khả năng hút và giữ nước. Tính chất cơ bản của LS như trong Bảng 4 và Bảng 5.
Bảng 4. Thành phần hạt của cát nhẹ
Bảng 5. Tính chất cơ lý của cát nhẹ
Theo ASTM C1761-17 [7], LS đạt yêu cầu làm vật liệu nội bảo dưỡng bê tông; Với SAP chưa có tiêu chuẩn riêng, tuy nhiên các đặc tính của nó có thể phù hợp với chức năng của vật liệu nội bảo dưỡng vữa và bê tông xi măng.
2.4. Phụ gia siêu dẻo (PGSD)
Sika ViscoCrete 3000-20M là phụ gia siêu dẻo gốc Polycarboxylate, loại G theo tiêu chuẩn TCVN 8826:2011, với đặc tính sau: chất lỏng màu nâu đậm; Khối lượng thể tích: 1,09 - 1,11kg/l; Liều lượng sử dụng: 0,7 - 2,5 lít/100kg xi măng; Độ pH: 4,5 - 6,5.
2.5. Nước
Nước máy sinh hoạt được sử dụng để trộn vữa và bão hòa vật liệu IC.
3. Kết quả thực nghiệm và luận bàn
3.1. Khảo sát sự hút và nhả nước của vật liệu nội bảo dưỡng
Độ hút và nhả nước là một tính chất quan trọng để tính toán lượng nước cung cấp cho việc nội bảo dưỡng bê tông, là cơ sở để tính toán lượng dùng vật liệu nội bảo dưỡng cho bê tông; xác định trên cơ sở tiêu chuẩn ASTM C1498-17 [6]. Để đánh giá hiệu quả của vật liệu nội bảo dưỡng thông qua tỷ lệ giữa độ nhả nước (D) với độ hút nước (A), ASTM C1761 quy định vật liệu IC cần có D ≥ 0.85A. [7]Để xác định độ hút nước của mẫu vật liệu nội bảo dưỡng (cát nhẹ), mẫu cát nhẹ (LS) được sấy khô đến khối lượng không đổi, sau đó được ngâm nước ở nhiệt độ phòng (ngập 20mm) và xác định độ hút nước ở điều kiện khô bề mặt sau các thời gian ngâm khác nhau. Kết quả đo được thể hiện trên Hình 2.
Hình 2. Độ hút nước của mẫu cát nhẹ (LS) theo thời gian.
Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu LS hút nước mạnh trong khoảng 5 - 6 giờ đầu, sau 12 giờ thì chậm lại và đến khoảng 48 giờ thì gần như bão hoà trong điều kiện thí nghiệm. Điểm bão hòa nước ở trạng thái ướt bề mặt (độ ẩm tổng) của cát nhẹ xác định sau 48h ngâm mẫu, MT = 34,3%; độ hút nước bão hòa khô bề mặt, MSD = 17,5%, như vậy độ ẩm bề mặt: Ms = MT - MSD = 16,8%.
Đối với SAP, tốc độ hút nước và giá trị hút nước bão hòa lớn hơn nhiều so với LS, mẫu hút nước rất nhanh trong những giờ đầu và các hạt SAP trương nở và tồn tại như thể gel, sau 6 - 8h đã gần như bão hòa nước; độ hút nước sau 24h ngâm đạt trung bình 157 lần so với khối lượng khô (15700%).
Mẫu vật liệu IC là LS và SAP sau khi đã bão hòa nước (khô bề mặt) được cho vào cốc gốm và đặt trong tủ khí hậu (nhiệt độ 27 ± 2°C, độ ẩm tương đối 94 ± 2%) để khảo sát khả năng thoát ẩm bằng phương pháp cân mẫu sau thời gian lưu tăng dần. Thí nghiệm kết thúc khi sau hai lần cân liên tiếp mà khối lượng mẫu thay đổi không quá 0,1%. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trên Hình 3.
Hình 3. Độ nhả nước của LS và SAP theo thời gian.
Kết quả thực nghiệm cho thấy, cả hai mẫu LS và SAP nhả ẩm nhanh trong vòng 3 ngày đầu, sau khoảng 6 - 7 ngày thì gần như nhả hết nước đã thấm hút; tỷ lệ độ ẩm còn lại của LS và SAP so với độ ẩm ban đầu lần lượt là 2,4% và 8,1%, hay tỷ lệ nhả ẩm tương ứng là 98% và 92% đạt yêu cầu làm vật liệu IC theo ASTM C1761. [16]
3.2. Tính toán lựa chọn thành phần vữa nghiên cứu
Thành phần vữa ban đầu (đối chứng) được xác định từ các số liệu: CL/CKD; N/CKD; SF/CKD = 10%; PGSD được điều chỉnh để các hỗn hợp vữa có độ chảy ban đầu 200 - 220 mm. Lượng vật liệu IC (bão hòa nước) được được tính toán theo phương trình (1) và (2) với độ co hóa học CS = 0,065, sau đó tính thể tích hạt tương ứng. Với cấp phối IC,thiết kế thành phần theo nguyên tắc tổng thể tích cốt liệu (cát nặng và vật liệu IC) là không đổi, nghĩa là vật liệu IC sẽ được thay một phần cốt liệu theo thể tích. Kết quả các cấp phối được trình bày trong Bảng 6.
Bảng 6. Tỷ lệ vật liệu cho các mẫu vữa
(*): Giải thích ký hiệu: V là vữa; Vic và Vcln là thể tích của vật liệu IC và cốt liệu nhỏ; chỉ số 30 và 35 là tỷ lệ N/CKD (%); LS và SAP là loại vật liệu IC.
3.3. Độ co tự sinh của vữa
Độ co nội sinh (AS) của vữa được thí nghiệm trên cơ sở ASTM C1698-19 [6]. Dụng cụ thí nghiệm bao gồm một ống nhựa mềm polyethylene có gân với kích thước 23x420mm với các nút nhựa để giữ lại mẫu vữa trong ống. Dụng cụ này được đặt trên một khung cứng (làm bằng thép hợp kim) có gắn đồng hồ đo biến dạng ngót của vữa. Khung và mẫu được đặt trong phòng thí nghiệm với điều kiện chuẩn để tránh sai số do biến dạng nhiệt và ẩm.
Hình 4. Thiết bị thí nghiệm co tự sinh theo ASTM C1698(xem tiếp trang 98).
Kết quả độ co tự sinh của các mẫu vữa được thể hiện trên Hình 5.
Hình 5. Đồ thị biểu diễn độ co tự sinh của vữa.
Đo biến dạng của mẫu ngay sau khi tạo hình và gá vào giá đo. Ở 30 phút đầu, cả 3 mẫu thí nghiệm có độ co ngót gần như nhau, sau 30 phút giá trị co bắt đầu có sự khác biệt. Trong khoảng 5 giờ đầu độ co tăng khá nhanh, đặc biệt mẫu SAP có sự co ngót mạnh hơn so với mẫu ĐC và LS, tuy nhiên sau 5 giờ mẫu SAP và LS cho độ co ổn định, trong khi đó mẫu ĐC vẫn tiếp tục tăng. Sau khoảng 5 - 24h mẫu SAP và LS có độ co ngót phát triển rất chậm, trong đó mẫu LS ổn định hơn. Như vậy, mẫu LS có độ co nội sinh ổn định và ở mức thấp. Mẫu SAP co ngót mạnh trong khoảng 5h đầu nhưng sau đó ổn định. Mẫu ĐC có độ co tăng liên tục khá đều trong thời gian đo đến 24h.
Từ kết quả thực nghiệm có thể kết luận, nội bảo dưỡng bằng LS bão hòa nước có tác dụng giảm khá mạnh co nội sinh của vữa (hơn 58%). Tuy nhiên khi nội bảo dưỡng bằng SAP thì co nội sinh của vữa trong vòng 4 - 5h đầu lại tăng nhanh, điều này có thể do trong môi trường hồ xi măng có sự trao đổi ion kiềm với SAP (ở dạng hydrogel) đã giải phóng một phần nước trong gel SAP gây co ngót thể tích gel và dẫn đến tăng co nội sinh của vữa. Cũng lưu ý rằng, nếu thực hiện đo và tính toán biến dạng của mẫu SAP bắt đầu khi kết thúc đông kết (khoảng 5 - 6h) thì mẫu SAP có độ co rất nhỏ và thấp nhất trong các mẫu thí nghiệm.
3.4. Cường độ của vữa
Cường độ chịu nén của vữa được thử nghiệm dựa theo TCVN 6016 về kích thước, tạo hình và bảo dưỡng mẫu, kết quả trình bày trong bảng 7.
Bảng 7. Cường độ nén của các mẫu vữa
Kết quả thực nghiệm cho thấy các mẫu vữa IC nhìn chung đạt cường độ ở tuổi sớm (7 ngày) thấp hơn khoảng 5% - 10%, nhưng cường độ tuổi 28 ngày lại cao hơn, khoảng 4% - 11%, so với cấp phối đối chứng. Sự có mặt của SF có cái thiện cường độ của vữa. Có thể giải thích các hiện tượng trên như sau: ở tuổi sớm, khi có mặt LS hoặc SAP bão hòa, hiệu ứng có ích của IC chưa bù đắp được sự suy giảm về cường độ của vữa (do cường độ của hỗn hợp cốt liệu suy giảm và độ ẩm bên trong vữa cao hơn). Ở tuổi muộn, hiệu ứng tích cực của nội bảo dưỡng đã phát huy như giảm và bù co ngót tự sinh, tăng cường thủy hóa xi măng, do đó cường độ của vữa được cải thiện. Trong nghiên cứu này cũng cho thấy hiệu quả chưa rõ của silicafume về cường độ của vữa khi kết hợp nội bảo dưỡng, có thể hiệu ứng này sẽ phát huy ở tuổi muộn hơn.
Bảng 6. Kết quả đánh giá của ví dụ 3
Bên cạnh các nhận xét đã nêu ở phần 2 và phần 3, có thể kết luận thêm rằng, phương pháp đánh giá theo TCVN 9381:2012 rất dễ áp dụng, tuy nhiên phương pháp đánh giá này còn nhiều bất cập, và kết quả đánh giá có thể không chính xác.
4. Kết luận
Cát nhẹ LS và SAP sản xuất trong nước có thể đáp ứng yêu cầu kỹ thuật để làm vật liệu nội bảo dưỡng cho vữa cường độ cao. Sử dụng LS đem lại hiệu quả giảm co nội sinh cho vữa tốt hơn SAP. Khi sử dụng SAP cần lưu ý hiện tượng biến đổi cấu trúc nước hấp thụ bởi tác động của môi trường kiềm hồ xi măng.
Với các đặc tính hút nước, nhả nước phù hợp của LS, trên cơ sở tính toán và lựa chọn hàm lượng của nó theo các cơ sở lý thuyết về nội bảo dưỡng, có thể đem lại hiệu quả tốt về giảm co nội sinh (trên 50%) và nâng cao cường độ chịu nén của vữa (5 - 11%) so với mẫu đối chứng.
ximang.vn (TH/ Tạp chí KHKTXD)