Bê tông tro bay hàm lượng cao (HVFC) được nghiên cứu để giải quyết các vấn đề về ô nhiễm tro thải nhiệt điện và các vấn đề môi trường do ngành công nghiệp sản xuất xi măng gây ra. Nghiên cứu này tiến hành tạo mẫu cấp phối bê tông với hàm lượng tro bay 70% thay thế chất kết dính thủy lực xi măng. Sự bổ sung phụ gia vôi và Silica Fume (SF) đã có những cải thiện đáng kể về đặc tính kỹ thuật của sản phẩm so với các mẫu HVFC đã công bố trước đó. Kết quả nghiên cứu của mẫu bê tông tro bay hàm lượng cao cũng được so sánh với sản phẩm đối chứng theo độ tuổi bảo dưỡng 3 ngày, 7 ngày, và 28 ngày.
>> Đánh giá đặc tính kỹ thuật của bê tông tro bay cao sử dụng phụ gia vôi và Silica Fume (P1)
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Đặc tính kỹ thuật của hỗn hợp bê tông tươi HVFC và đối chứng
Bê tông tươi chưa đóng rắn được thử nghiệm độ sụt và thời gian đông kết. Trong đó, độ sụt đặc trưng cho tính dẻo của hỗn hợp bê tông tươi là khả năng bê tông có thể lưu động và lấp đầy khuôn dưới tải trọng bản thân hoặc tải trọng chấn động. Tính lưu động giúp cho việc đổ khuôn và lèn chặt được dễ dàng. Nó đặc trưng cho tính dễ tạo hình của bê tông. Khi nước được trộn với các thành phần khác của bê tông, các phản ứng thủy hóa bắt đầu xảy ra. Quá trình đóng rắn của bê tông được đánh giá thông qua thời gian đông kết. Đặc tính và lượng dùng tro bay ảnh hướng đến thời gian đông kết của bê tông. Kết quả chi tiết của các giá trị này được thể hiện trong Bảng 3 dưới đây.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Đặc tính kỹ thuật của hỗn hợp bê tông tươi HVFC và đối chứng
Bê tông tươi chưa đóng rắn được thử nghiệm độ sụt và thời gian đông kết. Trong đó, độ sụt đặc trưng cho tính dẻo của hỗn hợp bê tông tươi là khả năng bê tông có thể lưu động và lấp đầy khuôn dưới tải trọng bản thân hoặc tải trọng chấn động. Tính lưu động giúp cho việc đổ khuôn và lèn chặt được dễ dàng. Nó đặc trưng cho tính dễ tạo hình của bê tông. Khi nước được trộn với các thành phần khác của bê tông, các phản ứng thủy hóa bắt đầu xảy ra. Quá trình đóng rắn của bê tông được đánh giá thông qua thời gian đông kết. Đặc tính và lượng dùng tro bay ảnh hướng đến thời gian đông kết của bê tông. Kết quả chi tiết của các giá trị này được thể hiện trong Bảng 3 dưới đây.
Ở cùng hàm lượng tro bay, bê tông có tỉ lệ nước/chất kết dính (N/B) càng lớn thì thì độ sụt càng cao. Ở tỉ lệ N/B là 24% thì bê tông HVFC có độ sụt 20,0 ± 1,0 cm, giá trị này thấp hơn ở 27% và 30% lần lượt là 20,5 ± 1,0 và 21,0 ± 1,0 cm. Mặc dù vậy, giá trị độ sụt của các mẫu bê tông HVFC cao hơn rất nhiều so với các mẫu bê tông đối chứng lần lượt tăng từ 14,0 lên 15 cm. Có thể giải thích điều này như sau: Tro bay góp phần làm thay đổi tính chảy của bê tông. Tăng thể tích phần hồ chứa tro bay làm tăng độ nhớt của hệ xi măng có tro bay do tro bay chứa các hạt cầu kích thước nhỏ, bề mặt dạng pha thủy tinh, trơn nhẵn tạo hiệu ứng ổ bi làm tăng độ dẻo của bê tông; Tỉ lệ N/B tỉ lệ thuận với độ sụt của hỗn hợp bê tông tươi. Tỉ lệ N/B càng lớn độ sụt càng lớn. Hàm lượng nước trên một mét khối bê tông tăng, thì bê tông càng dẻo, vì thế hàm lượng nước là nhân tố vô cùng quan trọng ảnh hưởng đến tính dẻo của bê tông; Phụ gia siêu dẻo hoạt động bề mặt có tác dụng cuốn khí làm tăng hoạt tính bề mặt, giảm lực ma sát giữa các phần tử. Chúng hoạt động cũng như cốt liệu mịn nhân tạo có bề mặt rất trơn nhẵn. Phụ gia hóa dẻo tạo ra các bong bóng khí nhỏ (bọt khí đường kính từ 10 - 1000 μm) có vai trò như những quả bóng lăn giữa các hạt cốt liệu làm cho chúng dễ dàng trượt lên nhau tăng độ dẻo; Phụ gia siêu dẻo làm tăng tính dẻo vô cùng lớn. Với một hỗn hợp bê tông có độ sụt ban đầu là từ 2 - 3 cm thì độ sụt sẽ tăng rất lớn ứng với một lượng phụ gia rất nhỏ. Do đó, ở những nghiên cứu tiếp theo nên giảm lượng phụ gia siêu dẻo này.
Sử dụng nước càng nhiều thì thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết càng bị kéo dài. Bê tông HVFC có hàm lượng tro bay 70% ở lượng nước N/B 24% (đối với mẫu T70V10S6W24) có thời gian bắt đầu đông kết nhanh nhất là 30 phút và kết thúc đông kết sớm ở 113 phút. Các mẫu T70V10S6W27 và T70V10S6W30 có thời gian bắt đầu đông kết lần lượt 180 phút và 220 phút và kết thúc đông kết lần lượt là 220 và 250 phút. Trong khi đó, các mẫu đối chứng có thời gian bắt đầu đông kết dao động từ 195 đến 230 phút và thời gian kết thúc đông kết trong khoảng 355 - 375 phút khi thay đổi tỉ lệ nước từ 24% lên 30%. Hình 3 cũng cho thấy khoảng thời gian giữa bắt đầu và kết thúc đông kết của mẫu HVFC ngắn hơn rất nhiều so với mẫu đối chứng (các chấm xanh ở rất gần chấm đỏ). Như vậy các mẫu HVFC thời gian đông kết ngắn hơn so với các mẫu đối chứng rất nhiều. Phụ gia vôi và silica fume làm rắn chắc nhanh do tận dụng được lượng nhiệt toả ra khi tôi với nước để tạo ra phản ứng silicat. Bột vôi càng mịn sẽ thuỷ hoá với nước càng nhanh và càng triệt để, nhiệt độ tôi càng lớn và tốc độ tối càng nhanh sản lượng vôi càng nhiều càng làm rắn nhanh bê tông. Phụ gia tăng tốc NaSCN được biết đến như một chất tăng tốc cho Xi măng Portland hydrat hóa. Nó có tác dụng tăng tốc đối với quá trình hydrat hóa xi măng (cả hai pha C3S và C3A). Phụ gia siêu đông DEA làm rắn nhanh giúp giảm thời gian ninh kết của bê tông, đóng vai trò là chất tăng tốc cho các phản ứng C3A. Phụ gia trợ nghiền Glyxerol là chất tăng tốc cho cả hai pha C3S và C3A trong xi măng với liều lượng từ 0,075% so với xi măng. Sử dụng cả 3 phụ gia này giúp tăng tốc tối ưu hơn từng chất riêng lẻ làm cho bê tông rắn nhanh hơn 1 cách đáng kể. Việc nắm rõ thời gian đông kết sẽ giúp điều chỉnh sao cho bê tông đạt chất lượng tốt nhất và thiết lập kế hoạch công trình theo ý muốn. So sánh với kết quả thử nghiệm của Chindaprasirt và Rukzon [28], với cấp phối chỉ sử dụng cát, đá, xi măng và tro bay loại C mà không có các phụ gia khác cho thời gian bắt đầu đông kết rất chậm từ 400 - 550 phút. Qua đó, có thể thấy sự ảnh hưởng rất lớn của nhóm phụ gia làm rắn nhanh đến quá trình đông kết bê tông HVFC và sự làm chậm quá trình đông kết của tro bay.
3.2. Khối lượng thể tích và độ hút nước bê tông HVFC so với bê tông đối chứng
Sử dụng các hạt chất kết dính tro bay rất mịn làm khả năng lèn chặt của hỗn hợp bê tông, bên cạnh đó phụ gia hóa dẻo và tro bay giúp giữ nước và chống phân tầng, tách nước làm giảm sự xuất hiện các lỗ rỗng gây hao khối lượng. Khối lượng thể tích được dùng để dự đoán một số tính chất của vật liệu như cường độ chịu lực, độ đặc, độ rỗng, khả năng hút nước, và các tính chất khác. Trong khi đó, độ hút nước cho biết khả năng ngậm nước của bê tông ở điều kiện thường. Kết quả đo độ hút nước và khối lượng thể tích của các mẫu HVFC và mẫu đối chứng sau khi bảo dưỡng 28 ngày được thể hiện trong Bảng 4 dưới đây.
Khối lượng thể tích của các mẫu bê tông HVFC từ 2456 - 2471 kg/m³ thấp hơn các mẫu đối chứng 2492 - 2502 kg/m³. Do hàm lượng tro bay thay thế lớn, nguyên liệu lại có dạng cầu rỗng nên với cùng thể tích xi măng tương đương thì các hạt xi măng sẽ có khối lượng thể tích lớn hơn. Bê tông HVFC có cùng hàm lượng tro bay có tỉ lệ nước sử dụng càng cao thì khối lượng thể tích càng giảm do lượng nước cao khi bê tông đóng rắn tỏa nhiệt nước sẽ bay hơi và làm xuất hiện các lỗ rỗng. Do khối lượng thể tích nhỏ hơn nên bê tông HVFC có độ hút nước khoảng 1,8 đến 19% cao hơn so với mẫu đối chứng 1,5 đến 1,6%. Các giá trị này vẫn có độ hút nước thấp hơn các bê tông thi công thực tế trên công trường ở mức 2 - 4%.
3.3. Độ bền cơ học của bê tông HVFC so với bê tông đối chứng
Bê tông sau khi đóng rắn được tháo khuôn và cho vào bể bao dưỡng để ngâm ngập trong nước rồi mang đi kiểm tra đặc tính cơ học. Các đặc tính cơ học bao gồm cường độ nén sau 3 ngày, 7 ngày, và 28 ngày, cường độ uốn sau 28 ngày, và cường độ ép chẻ sau 28 ngày. Độ bền cơ học là đặc trưng cơ bản của bê tông nhằm phản ánh khả năng chịu tải trọng của lực bên ngoài tác động lên nó. Cường độ của bê tông thường phát triển nhanh trong thời gian 7 ngày đầu và sau đó chậm dần cho đến một lúc nào đó thì ngừng phát triển. Với bê tông tro bay hàm lượng cao thì cường độ tuổi sớm sẽ thấp hơn nhưng sẽ cải thiện dần về sau do phản ứng thủy hóa chậm của các hạt tro bay. Kết quả kiểm tra độ bền cơ học của các mẫu HVFC và bê tông đối chứng được cho trong Bảng 5.
Cường độ chịu nén của bê tông HVFC ở độ tuổi sớm khá thấp như mẫu T70V10S6W30 chỉ đạt 32,2MPa. Bê tông HVFC có hàm lượng tro bay cao có cường độ nén thấp hơn so với mẫu đối chứng do phản ứng thủy hóa chậm của tro bay trong bê tông. Ở ngày thứ 7 và 28 các mẫu bê tông HVFC có tốc độ phát triển cường độ nhanh hơn các mẫu không tro bay một cách rõ rệt như trên Hình 4.
Sự phát triển cường độ ở các mẫu tro bay nhanh hơn các mẫu đối chứng do phản ứng thủy hóa của tro bay trong bê tông vẫn đang diễn ra làm tăng cường độ dài ngày của bê tông HVFC. Với tốc độ phát triển cường độ lâu dài của các mẫu HVFC thì dự đoán ở ngày 90 cường độ của các mẫu HVFC sẽ vượt qua các mẫu đối chứng mặc dù cường độ tuổi sớm thấp hơn rất nhiều. Ở một khía cạnh khác, bê tông HVFC có cùng hàm lượng tro bay có tỉ lệ N/B càng cao thì có cường độ nén càng thấp. Như vậy, tỉ lệ N/B ảnh hưởng đến cường độ của bê tông HVFC. Tỉ lệ nước quá thấp hoặc quá cao sẽ làm giảm cường độ của bê tông. Khi tỉ lệ nước quá nhỏ thì không đủ nước để thủy hóa hoàn toàn nên cường độ bê tông giảm. Tỉ lệ nước cao sẽ chiếm một phần thể tích của bê tông, khi bê tông đóng rắn nước sẽ bay hơi tạo nên các lỗ rỗng làm giảm cường độ.
Hình 5 là biểu đồ biểu diễn giá trị độ bền uốn và cường độ chẻ bửa của các mẫu bê tông HVFC và bê tông đối chứng sau khi được bảo dưỡng 28 ngày. Bê tông có hàm lượng tro bay càng cao thì cường độ uốn càng thấp. Bên cạnh đó, bê tông HVFC có cùng hàm lượng tro bay có tỉ lệ N/B cao hơn có cường độ uốn thấp hơn. Bê tông HVFC có cường độ uốn nhỏ hơn cường độ ép chẻ trong khi bê tông đối chứng thì không có sự khác nhau nhiều giữa hai tính chất này. Về mặt tổng thể thì cả hai loại bê tông có cùng dãy giá trị cường độ uốn từ 10,1MPa - 18,5MPa và cường độ chẻ bửa từ 16,6MPa - 21,5MPa. Cường độ ép chẻ và uốn có ý nghĩa trong lĩnh vực giao thông vận tải làm cầu đường. Cường độ ép chẻ của bê tông có vai trò rất quan trọng, nó giúp khống chế vết nứt và các tác động xấu đến tính chất độ cứng hay độ bền của bê tông. Cường độ ép chẻ còn liên quan đến tác động của lực cắt lên bề mặt bê tông. Do sử dụng lượng nước vừa phải cùng với các phụ gia tăng cường độ như SF, vôi, phụ gia 3 thành phần nên cường độ ép chẻ được cải thiện một cách rõ rệt, cao hơn rất nhiều so với nghiên cứu cùng loại [29].
4. Kết luận
Nghiên cứu đã sử dụng tro bay để thay thế xi măng trong cấp phối bê tông thông thường trong xây dựng giúp làm giảm kinh phí đầu tư tạo lợi ích lớn về mặt kinh tế. Đặc biệt, lượng tro bay đã thay thế đến 70% xi măng OPC trong các cấp phối thử nghiệm. Tận dụng nguồn tro bay thay thế xi măng cũng giúp giảm lượng lớn phát thải khí CO2 trên toàn cầu, giúp bảo vệ môi trường, tiết kiếm được diện tích đất chôn lấp và bụi tro gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Bê tông HVFC trong nghiên cứu này có thể điều chỉnh thời gian đông kết, nhờ sử dụng do tro bay, vôi, silica fume, và phụ gia siêu dẻo trong thành phần cấp phối. Trong đó HVFC có thời gian bắt đầu đông kết dao động trong khoảng 180 phút đến 220 phút (tương đương với các mẫu đối chứng cùng loại), và thời gian kết thúc đông kết từ 220 phút đến 250 phút (nhanh hơn khoảng trên 120 phút so với các mẫu đối chứng cùng loại). Vì thế trong công trình chúng ta có thể điều chỉnh thời gian đông kết theo ý muốn để phù hợp với môi trường và thời gian làm việc. Ngoài ra, bê tông HVFC có cường độ uốn và ép chẻ cao từ 10,1 đến 19,7 MPa và chúng có thể ứng dụng trong lĩnh vực giao thông vận tải làm cầu đường. Cường nén ở tuổi sớm của bê tông HVFC thấp hơn so với các mẫu đối chứng, do phản ứng thủy hóa chậm của các hạt cầu tro bay nhưng tăng cường độ về lâu dài. Cụ thể cường độ nén của HVFC ở 3 ngày tuổi từ 32,2 đến 36,9 MPa; 7 ngày tuổi từ 48,4 đến 59,1 MPa; 28 ngày tuổi từ 54,9 đến 74,0 MPa. Mặc dù các mẫu HVFC đã sử dụng lượng silica fume và vôi để tăng cường độ tuổi sớm cho bê tông HVFC nhưng vẫn chưa thể mang lại hiệu quả như mẫu đối chứng với giá trị thu được từ 80,0 đến 85,5 MPa. Do đó các nghiên cứu tiếp theo nên cải thiện đặc tính này, đồng thời giảm bớt tỉ lệ phụ gia siêu dẻo để đáp ứng với giá trị độ sụt yêu cầu.
(Hết)
Tài liệu tham khảo
1. ASTM C618 2003, Standard specification for fly ash and raw calcined natural pozzolan for use as mineral admixture in portland cement concrete, C-618, Annual Book of ASTM Standard, West Conshohocken, PA, US (2003).
2. AS 3582.1 2016, Supplementary cementitious materials for use with portland and blended cement - Fly ash, Standards Australia, Strathfield, Australia (2016).
3. McCarthy M., Dhir R. - Development of high volume fly ash cements for use in concrete construction. Fuel 84 (11) (2005) 1423-1432.
4. Nayak D.K., Abhilash P.P., Singh R., Kumar R., Kumar V. - Fly ash for sustainable construction: A review of fly ash concrete and its beneficial case studies. Cleaner Materials 6 (2022) 100143.
5. Nguyen H.T., Le V.Q. - Influences of Silica Fume to Engineering Properties of High Volume Fly Ash Concrete (HVFC). Journal of Polymer and Composites 9 (3) (2021) 33-44.
6. Nguyen H.T., Bui K.T., Do Q.M. - Influence of Curing Regimes on Engineering and Microstructural Properties of Geopolymer-Based Materials from Water Treatment Residue and Fly Ash. International Journal of Technology 12 (4) (2021) 700-710.
7. Nguyen H.T., Dang T.P. - Fly Ash-Based Geopolymer: Green Material in CarbonConstrained Society. Solid State Phenomena 321 (2021) 65-71.
8. Montgomery D., Hughes D., Williams R. - Fly ash in concrete - a microstructure study. Cement and Concrete Research 11 (4) (1981) 591-603.
9. Kaura P., Ojha P.N., Singh B. - Performance of High Volume Fly Ash Concrete in Structural Applications. Journal of Building Materials and Structures 10 (1) (2023) 1- 15.
10. Nath N., Sarker P. - Effect of Fly Ash on the Durability Properties of High Strength Concrete, Procedia Engineering 14 (2011) 1149-1156.
11. Malhotra V., Mehta P. - High Performance, High-Volume Fly Ash Concrete: materials, mixture proportioning, properties, construction practice, and case histories. Suplementary Cementing Materials for Sustainable Development Inc., Ottawa Canada, Ottawa, Canada (2002) 1-101.
12. Malhotra V. - Durability of concrete incorporating high-volume of low-calcium (ASTM Class F) fly ash. Cement and Concrete Composites 12 (4) (1990) 271-277.
13. Marceau M., Gajda J., VanGeem M. - Use of Fly Ash in Concrete: Normal and High Volume Ranges. Portland Cement Association R&D Serial 2604 (2002) 1-6.
14. Glavind M., Munch-Petersen C. - Green concrete in Denmark, structural concretelondon-thomas telford limited 1 (2000) 19-26.
15. Obla K.H. - What is Green Concrete?, The Indian Concrete Journal 24 (2009) 26-38.
16. Suhendro B. - Toward green concrete for better sustainable environment, Procedia Engineering 95 (2014) 305-20.
17. Ho D., Mak S.L., Sagoe-Crentsil K.K. - Clean concrete construction: an Australian perspective, Proceedings, Concrete Technology for a Sustainable Development in the 21st Century, ed. by OE Gjørv and K. Sakai (E & FN Spon, London and New York, 2000) (2000) 236-245.
18. Griffin C. - Sustainability, Performance and Mix Design of High Volume Fly Ash Concrete. University of California, Berkeley (2005) 1-31.
19. Aggarwal V., Gupta S., Sachdeva S. - High volume fly ash concrete: A green concrete. Journal of Environmental Research And Development 6 (3A) (2012) 884-887.
20. TCVN 3015:1993, Hỗn hợp bê tông nặng và bê tông nặng-lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử, Tiêu chuẩn Việt Nam (1993).
21. TCVN 3106:1993, Phương pháp thử độ sụt, Tiêu chuẩn Việt Nam (1993).
22. TCVN 9338:2012, Phương pháp xác định thời gian đông kết, Tiêu chuẩn Việt Nam (2012).
23. TCVN 3108:1993, Phương pháp xác định khối lượng thể tích, Tiêu chuẩn Việt Nam (1993).
24. TCVN 3113:1993, Phương pháp xác định độ hút nước, Tiêu chuẩn Việt Nam (1993).
25. TCVN 3118:1993, Phương pháp xác định cường độ nén, Tiêu chuẩn Việt Nam (1993).
26. TCVN 3119:1993, Phương pháp xác định cường độ uốn, Tiêu chuẩn Việt Nam (1993).
27. TCVN 3120:1993, Phương pháp thử cường độ kéo khi bửa, Tiêu chuẩn Việt Nam (1993).
28. Chindaprasirt P., Rukzon S. - Strength, porosity and corrosion resistance of ternary blend cement, rice husk ash and fly ash mortar. Construction and Building Materials 22 (2008) 1601-1606.
29. Nguyễn Thanh Sang, Trương Văn Quyết, Phạm Đình Huy Hoàng - Thiết kế thành phần và đặc tính kỹ thuật của bê tông tro bay cao làm lớp móng mặt đường ô tô. Tạp chí Khoa học Công nghệ 3 (2021) 72-75.
ximang.vn (TH/ Tạp chí KHCN)
