>> Ảnh hưởng của tro bay, slicafume và môi trường dưỡng hộ đến cường độ bê tông (P2)
Trong cả hai môi trường dưỡng hộ thì 20% xi măng được thay thế bởi tro bay và silicafume giảm cường độ chịu nén của bê tông và đạt tối đa 93% cường độ chịu nén so với mẫu đối chứng tại 90 ngày, trong khi đó 5% silicafume làm tăng cường độ chịu nén của bê tông. Cường độ chịu nén của bê tông có và không có tro bay hay silicafume thay thế xi măng khi được dưỡng hộ trong nước lớn hơn so với các mẫu bê tông tương ứng dưỡng hộ trong môi trường không khí, tỉ lệ cường độ giữa hai môi trường dưỡng hộ dao động trong khoảng từ 1,2 đến 1,7. Sai lệch lớn nhất về cường độ chịu nén giữa hai môi trường dưỡng hộ là khi sử dụng 20% tro bay để thay thế xi măng, trong khi đó sự khác biệt là nhỏ nhất khi 10% silicafume được sử dụng để thay thế xi măng.
1. Giới thiệu
Bê tông là vậy liệu xây dựng thông dụng phổ biến trên toàn Thế giới. Tuy nhiên công nghệ sản xuất xi măng sản sinh ra lượng lớn khí thải CO
2 gây ô nhiễm môi trường. Do đó, xu hướng phát triển và sử dụng vật liệu thải thay thế xi măng đang phát triển mạnh. Những loại vật liệu thay thế thông dụng được sử dung như tro bay và silica fume đang trở nên càng phổ biến bởi vì nó không chỉ sử dụng trong ngành công nghệ sản xuất bê tông mà còn góp phần giảm các tác động có hại cho môi trường.
Silicafume là vật liệu siêu mịn, chứa SiO
2 vô định hình, thu được trong quá trình sản xuất silic và hợp kim silic bằng hồ quang. Silicafume là phụ gia khoáng hoạt tính cao. Trong bê tông, silicafume có thể phân bố ở khoảng trống giữa các hạt xi măng và tham gia phản ứng với các sản phẩm thủy hóa xi măng hình thành các khoáng mới. Nhờ đó có thể cải thiện được cấu trúc, độ chống thấm, cường độ, độ bền lâu và khả năng bảo vệ cốt thép của bê tông trong các môi trường xâm thực [1, 2].
Tro bay là sản phẩm bụi khí dạng hạt mịn thu được từ quá trình đốt than đá ở các nhà máy nhiệt điện. Nó được thu gom từ buồn đốt qua ống khói nhà máy, trong đó các thành phần tạp chất bị loại bỏ. Tro bay là một loại pozzolan nhân tạo với thành phần chính tạo hiệu ứng pozzolan là các silic oxit, nhôm oxit. Ngày nay tro bay được sử dụng rộng rãi làm vật liệu thay thế một phần xi măng trong bê tông, góp phần lớn vào việc nâng cao giá trị kinh tế và môi trường, đặc biệt giảm lượng khi thải CO
2 [3-7]. Tro bay sử dụng thay thế một phần xi măng làm tăng độ linh động bê tông tươi, giảm nhiệt thủy hóa xi măng, nâng cao khả năng chống xâm thực axit, xâm thực sulfat và khả năng chống ăn mòn cốt thép trong bê tông [5, 8-12]. Ngoài ra việc sử dụng tro bay làm giảm độ rỗng của bê tông và tăng khả năng chống thấm [13, 14].
Môi trường dưỡng hộ là một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của bê tông. Việc dưỡng hộ được tiến hành ngay sau khi đúc mẫu, nó liên quan đến quá trình đảm bảo điều kiện nhiệt độ và độ ẩm môi trường cần thiết nhằm hạn chế việc mất nước trong quá trình thủy hóa của xi măng. Việc dưỡng hộ phù hợp giúp bảo đảm độ ẩm môi trường thuận lợi cho quá trình thủy hóa xi măng, vì thế sẽ giảm độ rỗng vữa xi măng [15-17]. Nhiều nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng hiệu quả của việc dưỡng hộ phụ thuộc vào cách thức dưỡng hộ, độ đặc chắc của loại bê tông, môi trường và thời gian dưỡng hộ [18-21].
Bài báo nghiên cứu sự ảnh hưởng tổng hợp của thành phần cấp phối bê tông trong đó xi măng được thay thế bởi tro bay và silicafume lần lượt theo các tỉ lệ khác nhau tối đa 20% và môi trường dưỡng hộ đến cường độ chịu nén lâu dài của bê tông. Các mẫu bê tông được dưỡng hộ trong hai môi trường không không khí và nước. Các thông số kỹ thuật được khảo sát bao gồm độ sụt bê tông, khối lượng thể tích và cường độ chịu nén đến 90 ngày.
2. Chương trình thí nghiệm
2.1. Vật liệu
Hình 1. Thành phần cỡ hạt cát Diên Khánh.
Các loại vật liệu địa phương được sử dụng trong nghiên cứu này. Loại cát sử dụng là cát Diên Khánh, Nha Trang có thành phần cỡ hạt như trình bày ở Hình 1 đáp ứng yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 7570:2006 [22]. Các đặc tính cơ lý của cát sông Duyên Khánh được trình bày tại Bảng 1, so với TCVN 7570-2006 thì loại cát được sử dụng có mô đun độ lớn nằm trong khoảng 2,0 đến 3,3 nên được xếp vào loại cát thô.
Hình 2. Thành phần cỡ hạt đá Hòn Ngang (Nha Trang).
Cốt liệu lớn là đá 1 - 2 cm tại Hòn Ngang (Nha Trang) có thành phần cỡ hạt được trình bày ở Hình 2 đáp ứng yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 7570:2006 [22]. Các chỉ tiêu cơ lý của đá Hòn Ngang cũng được trình bày ở Bảng 2 đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 7570:2006 [22].
Xi măng được sử dụng là loại Nghi Sơn PCB40 có các thông số kỹ thuật được trình bày ở Bảng 3 đáp ứng TCVN 6260:2009 [23].
Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây dựng cần đáp ứng chỉ tiêu chất lượng quy định theo TCVN 10302:2014 - Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng [24]. Tro bay sử dụng trong chương trình thí nghiệm này là tro bay nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân (Bình Thuận) với các thông số kỹ thuật thể hiện trong Bảng 4 đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 10302:2014 [24] và được xếp vào loại F vì có tổng hàm lượng ôxit SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 > 70%.
Silica fume dạng bột do Công ty TNHH Xuất nhập khẩu Tổng hợp Vi Khanh cung cấp có các đặc tính lý hóa như Bảng 5, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 8827:2011 [25].
2.2. Thành phần cấp phối của các hỗn hợp bê tông
Thành phần tỉ lệ cấp phối bê tông được trình bày trong Bảng 6 với hệ số tổng bột (chất kết dính) bằng 1. Có 6 loại cấp phối, trong đó M1 là mẫu đối chứng không sử dụng tro bay và silicafume. Tro bay và silicafume được sử dụng để thay thế một phần xi măng theo các tỉ lệ khối lượng tương ứng là 20%, 10% và 5%. Các tỉ lệ khối lượng thay thế này được lựa chọn dựa trên các nghiên cứu trước đó về tro bay và silicafume đã được thực hiện [1, 11-13, 20, 26].
2.3. Đúc mẫu và dưỡng hộ mẫu
Hình 3. Dưỡng hộ bê tông.
Cốt liệu trước khi đúc mẫu được phơi khô, đảm bảo các mẻ được trộn cùng một điều kiện. Các loại xi măng, tro bay, silicafume, đá, cát được trộn trong vòng 10 phút để các loại vật liệu phân bố đều, sau đó nước được đổ dần dần vào thành phần hỗn hợp và trộn đều trong vòng 10 phút tiếp theo nhằm đảm bảo sự đồng đều của hỗn hợp bê tông. Với mỗi thành phần cấp phối, 39 mẫu hình lập phương cạnh 100 mm được đúc. Trong đó 9 mẫu được dùng để xác định khối lượng thể tích bê tông ở các trạng thái bão hòa nước (ký hiệu SAT), sau khi đúc mẫu 24h (AR), làm khô trong lò sấy (DR); 15 mẫu 100 × 100 × 100 mm được đúc và ngâm nước sau 24h đúc mẫu để xác định cường độ chịu nén tại các thời điểm 1, 7, 28, 56, 90 ngày (Hình 3(a)); 15 mẫu được dưỡng hộ trong phòng thí nghiệm (T = 30◦C) để xác định cường độ chịu nén tại các thời điểm 1, 7, 28, 56, và 90 ngày (Hình 3(b)).
2.4. Thí nghiệm xác định độ sụt
Độ sụt của bê tông được thí nghiệm dựa theo tiêu chuẩn TCVN 3106:1993 [27]. Độ sụt của hỗn hợp bê tông được xác định ngay sau khi trộn bê tông. Số liệu đo được làm tròn đến 0,5 cm.
2.5. Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích của bê tông
Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích được thực hiện theo tiêu chuẩn BS EN 12390-7:2009:Thí nghiệm bê tông - Phần 7: Khối lượng thể tích của bê tông [28]. Khối lượng thể tích của bê tông được xác định 3 loại bao gồm khối lượng thể tích của bê tông ngay sau khi tháo mẫu ở 1 ngày tuổi (AR) và khối lượng thể tích bão hòa nước sau khi ngâm mẫu trong nước 28 ngày (SAT) và mẫu dưỡng hộ khô trong lò sấy (DR) tại thời điểm 28 ngày.
2.6. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông
Cường độ chịu nén của bê tông được xác định theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3118:1993 - Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ chịu nén [29]. Cường độ nén từng viên mẫu bê tông (R )được tính bằng MPa. Máy nén mẫu điện tử TYA-300 được sử dụng. Tốc độ gia tải được sử dụng từ 4 daN/cm2/s đến 6 daN/cm2/s.
Tài liệu tham khảo
[1] ACI 234R-96 (2000). Guide for the use of silica fume in concrete. American Concrete Institute, Detroit.
[2] Thang, N. C., Tuan, N. V., Hanh, P. H. (2018). Ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến khả năng ăn mòn cốt thép trong bê tông chất lượng siêu cao. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 12 (2):86–91.
[3] Davis, R. E., Carlson, R. W., Kelly, J. W., Davis, H. E. (1937). Properties of cements and concretes containing fly ash. Proceedings American Concrete Institute, 33(5):577–612.
[4] Helmuth, R. (1987). Fly ash in cement and concrete. Portland Cement Association, Skokie, III.
[5] Malhotra, V. M., Ramezanianpour, A. A. (1994). Fly ash in concrete. second edition, CANMET, Ottawa.
[6] ACI 232.2R-96 (1996). Use of fly ash in concrete. American Concrete Institute, Detroit.
[7] Tuấn, N. V., Thắng, N. C., Hanh, P. H. (2015). Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ siêu cao sử dụng phụ gia khoáng thay thế một phần xi măng ở Việt Nam hướng tới phát triển bền vững. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 9(2):11-18.
[8] Lâm, N. T., Khánh, Đ. Đ. (2015). Độ bền sulfat của xi măng póc lăng hỗn hợp sử dụng phụ gia khoáng tro bay. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 9(2):34–39.
[9] Mehta, P. K. (2004). High-performance, high-volume fly ash concrete for sustainable development. Proceedings of the International Workshop on Sustainable Development and Concrete Technology, Iowa State University Ames, IA, USA, 3–14.
[10] Corral, R., Arredondo, S., Almaral, J., Gómez, J. (2013). Chloride corrosion of embedded reinforced steel on concrete elaborated from recycled coarse aggregates and supplementary cement materials. Revista Ingeniería de Construcción, 28(1):21–35.
[11] Nguyen, C. V., Lambert, P., Bui, V. N. (2020). Effect of locally sourced pozzolan on corrosion resistance of steel in reinforced concrete beams. International Journal of Civil Engineering, 1–12.
[12] Nguyen, C. V., Lambert, P., Tran, Q. H. (2019). Effect of Vietnamese fly ash on selected physical properties, durability and probability of corrosion of steel in concrete. Materials, 12(4):593.
[13] Nguyễn, V. C., Đặng, V. M. (2019). Ảnh hưởng của tro bay nhiệt điện Duyên Hải đến cường độ chịu nén và khả năng chống thấm của bê tông. Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, 17:11–14.
[14] Fraay, A. L. A., Bijen, J. M., De Haan, Y. M. (1989). The reaction of fly ash in concrete a critical examination. Cement and Concrete Research, 19(2):235–246.
[15] Zemajtis, J. Z. Role of concrete curing. PCA America’s Cement Manufacturers.
[16] James, T., Malachi, A., Gadzama, E. W., Anametemok, A. (2011). Effect of curing methods on the compressive strength of concrete. Nigerian Journal of Technology, 30(3):14–20.
[17] Wedatalla, A. M. O., Jia, Y., Ahmed, A. A. M. (2019). Curing effects on high-strength concrete properties. Advances in Civil Engineering, 2019.
[18] Zeyad, A. M. (2019). Effect of curing methods in hot weather on the properties of high-strength concretes. Journal of King Saud University-Engineering Sciences, 31(3):218–223.
[19] Aldea, C.-M., Young, F., Wang, K., Shah, S. P. (2000). Effects of curing conditions on properties of concrete using slag replacement. Cement and Concrete Research, 30(3):465–472.
[20] Mohamed, H. A. (2011). Effect of fly ash and silica fume on compressive strength of self-compacting concrete under different curing conditions. Ain Shams Engineering Journal, 2(2):79–86.
[21] Kim, J. K., Han, S. H., Song, Y. C. (2002). Effect of temperature and aging on the mechanical properties of concrete: Part I. Experimental results. Cement and Concrete Research, 32(7):1087–1094.
[22] TCVN 7570:2006. Cốt liệu cho bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[23] TCVN 6260:2009. Xi măng Pooc lăng hỗn hợp - Yêu cầu kỹ thuật. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[24] 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.
[25] TCVN 8827:2011. Phụ gia khoáng hoạt tính cao dùng cho bê tông và vữa - ilicafume và tro trấu nghiền mịn. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[26] PCA Committee (2002). Design and Control of Concrete Mixtures, Chapter 3: Fly Ash, Slag, Silica Fume, and Natural Pozzolans. EB001.
[27] TCVN 3106:1993. Hỗn hợp bê tông nặng - Phương pháp thử độ sụt. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[28] BS EN 12390-7:2019. Testing hardened concrete- Density of hardened concrete. British Standard Institute, London.
[29] TCVN 3118:1993. Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ chịu nén. Bộ Khoa học và Công nghệ, Việt Nam.
[30] Arezoumandi, M., Volz, J. S. (2013). Effect of fly ash replacement level on the shear strength of highvolume fly ash concrete beams. Journal of Cleaner Production, 59:120–130.
[31] Ajileye, F. V. (2012). Investigations on microsilica (silica fume) as partial cement replacement in concrete. Global Journal of Research In Engineering, 12(1-E).
[32] Thomas, M. D. A. (2007). Optimizing the use of fly ash in concrete, volume 5420. Portland Cement Association Skokie, IL.
[33] http://concretebasics.org/articles/chemical-nature-fly-ash-concrete/.
[34] Raveendran, K. G., Rameshkumar, V., Saravanan, M., Kanmani, P., Sudhakar, S. (2015). Performance of silica fume on strength and durability of concrete. International Journal of Innovative Research in Science Engineering and Technology, 4:10162–10166.
[35] Mehta, P. K., Gjørv, O. E. (1982). Properties of portland cement concrete containing fly ash and condensed silica-fume. Cement and Concrete Research, 12(5):587–595.
[36] Carette, G. G., Malhotra, V. M. (1983). Mechanical properties, durability, and drying shrinkage of Portland cement concrete incorporating silica fume. Cement, Concrete and Aggregates, 5(1):3–13.
ximang.vn (TH/ Tạp chí KHCNXD)