Sử dụng phụ gia Silica Fume trong công nghiệp bê tông

Silica fume là bột mịn thu được từ việc khử thạch anh(quartz) độ sạch cao bằng than trong lò điện hay lò cao ở nhiệt độ trên 2000^oC trong quá trình sản xuất ra silicon hay hợp kim ferrosilicon (silicon sắt). Silica fume bốc lên như một chất hơi oxy hoá từ lò cao. Nó nguội, lắng đọng và được thu hồi trong các bao vải lớn. Silica fume lắng đọng đó được xử lý để khử các tạp chất và kiểm soát kích thước hạt. Sản phẩm cuối cùng có dung trọng 200 - 250 kg/m³. Khi đóng gói bình thường dung trọng lên tới 300 kg/m³ và tăng tới 500 - 700 kg/m³ khi đóng gói chặt và vận chuyển bằng khí nén để đưa bột silica fume vào chứa trong các silô. Điều này tạo ra cho các hạt liên kết với nhau bằng lực hút Van de Waals, làm tăng dung trọng của chúng. Sơ đồ sản xuất Silica fume như sau:

Nguyên liệu[Cácbon(cốc, than, củi) + Thạch anh(quartz)] → Lò cao nhiệt độ >2000^oC → FerroSilicon + Lọc bụi túi thu Silica fume lắng đọng

Cơ chế hoạt động của phụ gia

Silica fume thường hoạt động ở 2 chức năng: thứ nhất có tác dụng như một chất pudơlan hay tác dụng hoá học. Phản ứng pudơlan là phản ứng giữa dioxyt silic nồng độ cao(SiO₂ > 85%) trong silica fume với Ca(OH)₂ được tạo ra do thuỷ hoá xi măng. Phản ứng tạo ra gel CSH liên kết chặt chẽ hơn với cốt liệu và đồng thời làm giảm sản phẩm Ca(OH)₂ không có lợi sinh ra trong thuỷ hoá xi măng. Ca(OH)₂ yếu hơn không làm tăng cường độ, và bê tông dễ bị ăn mòn sulfate, tác động hoá học và các phản ứng cốt liệu kiềm khi hàm lượng Ca(OH)₂ cao trong bê tông.

Vai trò của CSH là làm tăng cường độ tổng thể , đặc biệt là cường độ cao và độ bền vững cao cho bê tông ở tuổi sớm.

Nghiên cứu được tiến hành ở Na uy và Canada chứng tỏ rằng, trong bê tông với tỷ lệ N/X ≤ 0,55 thì silica fume có hệ số hiệu quả đạt 3 - 4. Điều này có nghĩa là trong phạm vi thay thế 0 - 10%, thì 1 kg silica fume có thể thay thế 3 - 4 kg xi măng trong bê tông mà không gây ảnh hưởng tới cường độ nén.

Chức năng thứ hai, silica fume đóng vai các chất kết dính về mặt vật lý. Vì silica fume có kích thước hạt nhỏ hơn kích thước hạt xi măng 100 - 150 lần, nó lấp đầy các lỗ rỗng do nước tự do thoát ra trong đệm xi măng. Với liều lượng điển hình bằng 8% khối lượng xi măng, sẽ có khoảng 100.000 hạt dành cho mỗi hạt xi măng sẽ lấp đầy không gian chứa nước trong bê tông tươi.

Độ siêu mịn cho phép silica fume lấp đầy các lỗ rỗng vi mô giữa các hạt xi măng và hiệu quả của vi chất lấp đầy này là làm giảm mạnh khả năng thấm nước và tăng mạnh liên kết giữa cốt liệu với hồ xi măng của bê tông silica fume so với bê tông thông thường.

Những ứng dụng silica fume

1. Bê tông cường độ cao

Với các tiêu chuẩn hiện có về silica fume và các dự án tham khảo trên toàn thế giới, bê tông cường độ cao được cải tiến với silica fume tạo ra cho các kiến trúc sư và kỹ sư có khả năng thiết kế mềm dẻo hơn. Theo truyền thống trong các nhà cao tầng sử dụng các cột nhỏ hơn có lợi hơn(tăng không gian sử dụng), bê tông cường độ cao chứa silica fume thường dùng trong các rầm dự ứng lực tiền chế, cho phép tăng khẩu độ trong thiết kế rầm cầu. Bê tông silica fume có cường độ nén lên tới 100 MPa, mô đun đàn hồi cao hơn 40.000 MPa, cường độ uốn đạt 14 MPa ở tuổi 28 ngày đối với tấm lát sân bay và cường độ cao ở tuối sớm đối với các dự án thi công nhanh và sử dụng cho bê tông đúc sẵn.

2. Bê tông tính năng cao và bền vững cao

Bê tông tính năng cao(HPC) chứa silica fume là vật liệu có ưu điểm lớn cần thiết đối với việc cải tạo cơ sở hạ tầng. Bên cạnh cường độ và độ bền vững tăng đáng kể, HPC được chế tạo với silica fume có độ chống thấm cao, tăng khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn. Sự ăn mòn cốt thép trong bê tông xảy ra khi clorua xâm nhập vào bê tông, phá hoại lớp bảo vệ yếu bao quanh cốt thép, gây ra gỉ và rỗ. Quá trình cacbonat hoá là nguyên nhân khác gây ăn mòn cốt thép, khi bê tông cacbonat hoá tới mức tiếp giáp với thanh thép, thì môi trường trung hoà (trung tính) sẽ thay thế dần môi trường kiềm bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mòn. Dưới điều kiện đó, cốt thép không còn thụ động nữa và nhanh chóng bị ăn mòn. Mức độ ăn mòn do cacbonat hoá vỏ bọc bê tông xảy ra chậm hơn so với ăn mòn do clorua gây ra. Việc cho thêm silica fume vào bê tông công trình biển giảm độ thấm của bê tông sẽ có hiệu quả cao đối với chống xâm nhập của các ion clo. Sự kích thích ăn mòn cốt thép và sự phá hoại bê tông được khống chế rõ dệt, làm giảm các chi phí bảo trì công trình. Silica fume được dùng phù hợp với bất kỳ công trình nào ở các khu vực có clorua và nước ngầm, ở dưới đất hoặc trong không khí.

Công trình khai thác nước Changi ở Singapore được khai trương tháng 8/2006 là một cột mốc trong sự phát triển hệ thống kỹ thuật vệ sinh của nước này. Nó được thiết kế sử dụng bê tông silica fume nhằm đảm bảo yêu cầu độ bền vững như độ hút nước < 1%(BS 1881: Phần 122), khả năng thấm < 1000 culông(AASHTO T-2777), độ xâm nhập nước < 10 mm(DIN 1048), khả năng thấm các lỗ rỗng < 4% (ASTM C642) và độ hấp thụ < 10%(ASTM C642).

3. Bê tông phun (Shotcrete)

Bê tông phun Silica fume tiết kiệm được chi phí và thời gian và sử dụng hiệu quả hơn bê tông phun làm ổn định đá, đường hầm mỏ và sửa chữa các cầu bị hư hỏng, sửa chữa các cột và cọc ngoài biển. Silica fume làm tăng độ dính kết cho phép với độ dày lớn hơn giảm được đáng kể cường độ bật nẩy và đạt cường độ uốn lớn hơn.

4. Sử dụng làm vữa kết dính sửa chữa

Silica fume thường được dùng làm thành phần các sản phẩm kết dính sửa chữa. Vữa trát hay phun hay vữa phun khô biến tính bằng silica fume có thể được cấp phối cho nhiều ứng dụng khác nhau. Đó là sử dụng cho sửa chữa các kết cấu bê tông hư hỏng trong môi trường biển, nơi cần tăng độ chống thấm và độ kháng xâm nhập của ion clo.

5. Sử dụng để trát bít các giếng dầu

Trong lĩnh vực phun trát bít vách giếng dầu, phun vữa giống như chất trát bít thuỷ lực trong vách giếng dầu để sửa chữa kể cả các chỗ bị dò rỉ, đục phá và hàn vá các vùng bị hư hỏng, việc cho thêm silica fume(bên cạnh việc tạo ra hiệu ứng bao bọc trong giếng dầu, vữa phun còn ngăn ngừa sự thấm gas), silica fume tạo ra dòng chảy tốt cho vữa và dễ dàng thi công hơn. Vữa silica fume giảm độ thấm nước rất đáng kể, có khả năng kiểm soát sự thấm gas, trong khi đó làm tăng độ bền vững và cường độ nén.

6. Sử dụng làm vật liệu chịu lửa

Sử dụng silica fume trong vật liệu chịu lửa tạo ra độ sắp xếp các hạt tốt hơn và đòi hỏi ít nước hơn, mà không làm giảm độ lưu động. Nó cũng tăng khả năng tổng hợp và tạo thành mullite ở nhiệt độ thấp trong đệm chịu lửa.Vật liệu chịu lửa chứa silica fume có cường độ cao hơn so với không chứa silica fume, đặc biệt dưới nhiệt độ cao và với độ đặc cao hơn chúng duy trì được độ rỗng nhỏ hơn và ổn định thể tích hơn.

Silica fume thường được sử dụng để làm vữa kết dính dùng cho sửa chữa và cho sản xuất vật liệu chịu lửa.

Kết luận

Silica fume là vật liệu pudơlan có hiệu quả cao, có khả năng đáng kể sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau gồm có bê tông và vữa. Bê tông trong tất cả các công trình có sử dụng silica fume đều đảm bảo có tính năng cao và độ bền vững cao, tạo ra nhiều lợi ích trong xây dựng. Các nhà sản xuất vữa khô trộn sẵn cũng bắt đầu đưa silica fume vào trong thành phần của vữa cải thiện các tính chất của vữa nhằm làm tăng độ bền vững.

Có nhiều tiêu chuẩn về silica fume đã được biên soạn như tiêu chuẩn Mỹ ASTM C 1240, tiêu chuẩn châu Âu EN 13263, tiêu chuẩn Canada CAN/CSA A23.5, tiêu chuẩn Na uy NS 3045:1992 và cả tiêu chuẩn Trung Quốc GB/T18736 - 2002.

Những tài liệu khác có liên quan tới silica fume như tiêu chuẩn ACI Ban 234, hướng dẫn sử dụng silica fume trong bê tông. Tiêu chuẩn này vừa qua đã được tái bản thành ACI 234 R-06 - Hướng dẫn sử dụng silica fume trong bê tông.

Do số nhà cung cấp còn hạn chế và giá còn cao hơn so với xỉ và tro bay, nên silica fume được khuyến nghị sử dụng nhằm giải quyết những trường hợp đặc biệt cần thiết và nhằm đáp ứng những yêu cầu chuyên ngành.

Theo: World Cement