Lựa chọn phụ gia khoáng cho bê tông chất lượng cao

Lựa chọn phụ gia khoáng<br /> cho bê tông chất lượng cao<br /> Selection of mineral aditives for high-perfomance concrete<br /> Inozemtcev Aleksandr Sergeevich, Korolev Evgenij Valerjevich, Dương Thanh Qui<br /> <br /> Tóm tắt 1. Giới thiệu<br /> <br /> Tro bay hoạt tính và bột đá vôi nghiền Từ những năm 90 của thế kỷ 20 bê tông chất lượng cao có cường độ lớn đã<br /> được sử dụng trong xây dựng và ngày càng trở nên phổ biến, được sử dụng ở nhiều<br /> mịn, diatomit là những vật liệu có thể khai<br /> quốc gia trên thế giới. Loại bê tông này dùng để chế tạo các cấu kiện bê tông đúc<br /> thác, sản xuất tại Việt Nam, chúng có thể<br /> sẵn như: tấm sàn, cột, dầm... [1, 2].<br /> sử dụng như những loại phụ gia khoáng,<br /> dùng để điều chỉnh độ lưu động cũng như Điểm đặc biệt của bê tông chất lượng cao có cường độ lớn so với bê tông<br /> giảm tỉ lệ N/X. Bài báo trình bày về nghiên thường là trong thành phần của chúng có sử dụng phụ gia khoáng mịn, những phụ<br /> gia này giúp điều chỉnh độ lưu động của hỗn hợp đồng thời ảnh hưởng đến độ đặc<br /> cứu ảnh hưởng của tro bay hoạt tính, bột<br /> chắc cũng như cường độ của bê tông thành phẩm [3-5]. Việc sử dụng phụ gia siêu<br /> đá vôi nghiền mịn và bột diatomit tới tính<br /> dẻo và phụ gia khoáng sẽ làm giảm tỉ lệ N/X mà vẫn giữ được độ chảy cần thiết,<br /> lưu biến và tính chất cơ lí trên các mẫu thí<br /> đảm bảo được tính công tác của hỗn hợp bê tông [5, 6], những bê tông này được<br /> nghiệm (vữa xi măng), trên cơ sở đó lựa gọi là bê tông thế hệ mới [3]. Từ những điểm khác biệt về thành phần khoáng-hóa<br /> chọn phụ gia khoáng phù hợp và có hiệu và độ phân tán của phụ gia khoáng làm cho bê tông có khả năng phản ứng và tính<br /> quả tốt nhất dành cho bê tông chất lượng lưu biến đa dạng, không chỉ giúp nâng cao khả năng thi công của hỗn hợp mà còn<br /> cao. cải thiện tính chất cơ lý và giảm lượng xi măng.<br /> Từ khóa: Bê tông chất lượng cao, phụ gia khoáng, Trong số những phụ gia khoáng thường dùng để chế tạo bê tông chất lượng<br /> tro bay, bột đá vôi, diatomit, độ lưu động, cường cao, có thể kể đến tro bay, silicafume và bột đá vôi [7-11]. Đặc biệt các thành phần<br /> độ khoáng này (tro bay, bột đá vôi, đá diatomit) đều là những vật liệu có thể dễ dàng<br /> khai thác sản xuất tại Việt Nam.Theo các nghiên cứu [3, 7-9], cho thấy việc sử dụng<br /> những phụ gia này thay thế xi măng một lượng 10-20% có thể sản xuất được bê<br /> Abstract tông với cường độ nén tới hơn 150 Mpa.<br /> Fly-ash, limestone powder and diatomite are<br /> Với các ưu điểm trên, việc nghiên cứu về ảnh hưởng của thành phần khoáng lên<br /> materials that can be produced and used in<br /> cấu trúc, đặc tính của vữa xi măng để sản xuất bê tông chất lượng cao có cường<br /> Vietnam, it can be used as a mineral additive độ lớn là vô cùng cấp thiết. Bài báo trình bày kết quả thí nghiệm, nghiên cứu về khả<br /> for controlling the mobility of cement mortars năng sử dụng bột đá vôi nghiền mịn, tro bay hoạt tính và bột diatomit như phụ gia<br /> and reducing the W/C ratio. The paper presents khoáng cho bê tông.<br /> the results of a study of the influence of<br /> thermally activated fly-ash, limestone powder 2. Nguyên liệu sử dụng và phương pháp nghiên cứu<br /> and diatomite on the rheological and physico- Bài báo này nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia khoáng tới tính lưu biến và tính<br /> mechanical properties of the model system chất cơ lý của bê tông. Thành phần cơ bản của vữa xi măng bao gồm: chất kết dính<br /> (cement mortar) to select the most effective - 500 kg, cốt liệu - 1690 kg, nước - 200 kg (N/X = 0,4) và phụ gia siêu dẻo - 5,0 kg.<br /> mineral additives for high-perfomance concrete. Trong quá trình thí nghiệm phụ gia khoáng được dùng để thay thế một phần cốt liệu.<br /> Keywords: high-perfomance concrete, mineral Vật liệu được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm:<br /> additive, fly-ash, limestone powder, diatomite, - Xi măng CEM I 42.5<br /> flowability of concrete, strength - Cát thạch anh với module độ lớn Mđl = 2,78 được sử dụng làm cốt liệu.<br /> - Phụ gia siêu dẻo dòng polycarbonate Melflux F1681<br /> TS. Inozemtcev Aleksandr Sergeevich<br /> - Phụ gia khoáng:<br /> Trung tâm khoa học và giáo dục<br /> “Nanomaterials and nanotechnology” ◦ Tro bay với đường kính hạt trung bình 19 μm, thành phần bao gồm SiO2 – 50,0<br /> Đại học nghiên cứu quốc gia xây dựng %, Al2O3 – 39,3 %. Tro bay được sử dụng trong vữa dao động từ 8 đến 34% so với<br /> Moscow khối lượng xi măng.<br /> Email: ◦ Bột đá vôi nghiền mịn (Vùng Crimea) – đường kính hạt trung bình 5,6μm. Đươc<br /> GS.TSKH. Korolev Evgenij Valerjevich sử dụng với mục đích thay thế cốt liệu (đến 44 %), tương ứng là 149 % so với khối<br /> Trung tâm khoa học và giáo dục lượng xi măng.<br /> “Nanomaterials and nanotechnology”<br /> ◦ Diatomit với kích thước hạt trung bình – 12,4 μm, thành phần bao gồm SiO2 -<br /> Đại học nghiên cứu quốc gia xây dựng<br /> Moscow 76,6 %, Al2O3 - 7,5 %, sản xuất ở vùng Ulyanov- Liên bang Nga. Số lượng Diatomit<br /> Email: sử dụng trong nghiên cứu lên đến 29 % so với khối lượng xi măng.<br /> NCS. Dương Thanh Qui Xác định cường độ mẫu được thực hiên theo tiêu chuẩn EN196-1:2016 với mẫu<br /> Trung tâm khoa học và giáo dục bê tông 28 ngày tuổi, dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn, kích thước 40x40x160<br /> “Nanomaterials and nanotechnology” mm bằng máy ép thủy lực “Advantest 9”.<br /> Đại học nghiên cứu quốc gia xây dựng<br /> Moscow 3. Kết quả và phân tích<br /> Email: Mục đích của việc nghiên cứu là xác định tính lưu biến và phản ứng hoạt tính của<br /> <br /> <br /> S¬ 28 - 2017 7<br />  KHOA H“C & C«NG NGHª<br /> <br /> <br /> Bảng 1. Tính lưu biến và tính chất cơ lý của vữa xi măng khi thay thế một phần cốt liệu bằng tro bay hoạt tính<br /> <br /> № Mẫu PGK/C, % PGK/X, % CKD % Dx, mm ρ, •103 kg/m3 Rf, MPa Rcom, MPa<br /> <br /> 1 ĐC 0,0% 0% 20,9 138,3 2,20 4,97 62,2<br /> 2 Z-2,5 2,5 8,4 22,7 151,3 2,23 6,14 74,9<br /> 3 Z-5,0 5,0 16,9 24,5 165,8 2,24 6,89 85,1<br /> 4 Z-7,5 7,5 25,3 26,2 207,8 2,27 7,25 92,0<br /> 5 Z-8,5 8,5 28,7 26,9 194,3 2,26 6,44 88,2<br /> 6 Z-10 10,0 33,8 28,0 177,1 2,19 5,22 70,3<br /> Ghi chú: PGK/C – tỉ lệ về khối lượng của phụ gia khoáng so với khối lượng cát trong mẫu đối chứng; PGK/X – tỉ lệ về khối<br /> lượng của phụ gia khoáng so với xi măng; CKD – tổng hàm lượng của chất kết dính trên 1m3 bê tông; Dx – đường kính<br /> mẫu vữa sau khi dằn trên bàn dằn sau 30 lần dằn; ρ – khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông; Rf – cường độ chịu kéo<br /> khi uốn; Rcom – cường độ chịu nén của bê tông ở tuổi 28 ngày.<br /> <br /> Bảng 2. Tính lưu biến và tính chất cơ lý của vữa xi măng khi thay thế một phần cốt liệu bằng bột đá vôi<br /> nghiền mịn<br /> <br /> № Mẫu PGK/C, % PGK/X, % CKD % Dx, mm ρ, •103 kg/m3 Rf, MPa Rcom, MPa<br /> <br /> 1 ĐC 0,0 0,0 20,9 138,3 2,20 4,97 62,2<br /> 2 BĐV-12 12,0 40,6 29,4 255,0* 2,33 5,65 80,1<br /> 3 BĐV-20 20,0 67,6 35,1 255,0* 2,31 7,70 91,1<br /> 4 BĐV-28 28,0 94,6 40,7 255,0* 2,30 8,89 89,3<br /> 5 BĐV-36 36,0 121,7 46,4 255,0* 2,29 8,61 80,0<br /> 6 BĐV-44 44,0 148,7 52,0 255,0* 2,27 5,65 69,9<br /> Ghi chú: * – hỗn hợp vữa bê tông tự đầm, có đường kính mẫu vữa trên bàn dằn lớn hơn 255 mm sau 0 lần dằn.<br /> <br /> phụ gia khoáng nói trên xét theo đường kính chảy xòe của Việc cải thiện độ lưu động của hỗn hợp - hiển nhiên sẽ<br /> hỗn hợp, cường độ chịu uốn và cường độ nén tương ứng. ảnh hưởng đến đặc tính cường độ của mẫu thử. Có thể thấy<br /> Kết quả thí nghiệm mẫu xi măng với phụ gia khoáng được rằng sự thay đổi về tính chất cơ lý có tương quan đến sự thay<br /> trình bày ở bảng 1-3. đổi tính công tác: hỗn hợp có độ lưu động tốt nhất Z-7,5 và<br /> Kết quả nghiên cứu thay thế cát thạch anh bằng tro bay Z-8,5 có cường độ uốn và nén tốt hơn các mẫu thử còn lại<br /> được trình bày ở bảng 1, qua đó có thể thấy khi thay thế cốt lần lượt là 6,44; 7,25 và 88,2; 92,0 MPa. Trong trường hợp<br /> liệu nhỏ trong hỗn hợp bằng thành phần có kích thước siêu này cường độ chịu uốn tăng lên 45,9 %, và cường độ nén –<br /> nhỏ sẽ xuất hiện hiệu ứng lưu biến và cải thiện tính đàn hồi tăng lên đến 47,9 %. Sự ảnh hưởng này được giải thích bởi<br /> dẻo. Bên cạnh đó cũng thấy rằng hỗn hợp có 7,5 % cốt liệu hai yếu tố:<br /> thay thế bằng tro bay có độ chảy tốt nhất 207,8 mm tốt hơn + Hỗn hợp được tạo ra có cấu trúc đặc (giảm độ rỗng) có<br /> so với mẫu đối chứng (ký hiệu ĐC trong bảng 1, 2, 3). Trong độ lưu động cao.<br /> đó lượng tro bay bằng 25,3 % khối lượng của xi măng, tương + Tác dộng của tro bay với thành phần chứa đến 50%<br /> ứng tổng tỉ lệ chất kết dính trên 1m3 hỗn hợp là 26,2 %. Ảnh SiO2, cùng với Ca(OH)2 trong quá trình thủy hóa xi măng tạo<br /> hưởng cụ thể của tro bay liên quan đến sự đồng nhất và nên thêm một lượng Canxi hydrosillicat (CSH).<br /> phân bố của hệ cấu hỗn hợp (topology of concrete mixture),<br /> Ảnh hưởng của bột đá vôi lên độ lưu động và cường độ<br /> có đặc điểm làm tăng mật độ các hạt được bao phủ, phân bố<br /> của hỗn hợp được trình bày ở bảng 2. Có thể thấy rằng việc<br /> đều nước trên bề mặt hạt từ đó tăng khả năng dịch chuyển<br /> sử dụng bột đá vôi như một loại phụ gia khoáng cho vữa xi<br /> tự do của chúng. Điều này được gọi là hiệu ứng “ổ bi”, khi<br /> măng giúp lấp đầy những khoảng trống bằng những hạt mịn<br /> những hạt phụ gia khoáng mịn hình thành trên bề mặt những<br /> hơn, ảnh hưởng trực tiếp đến tính lưu biến. Khi tăng tỉ lệ<br /> hạt cát thô một lớp bao phủ đồng đều, làm giảm sự ma sát<br /> những hạt mịn lên 29,4 % (mẫu BĐV-12) tức là 40,6 % lượng<br /> giải thích cho việc tăng độ lưu động của hỗn hợp.<br /> bột đá vôi so với khối lượng xi măng sẽ tạo thành hỗn hợp<br /> Khi xem xét bảng 1 cho thấy độ chảy xòe của vữa theo có độ lưu động cao tương đương với hỗn hợp tự đầm. Điều<br /> hàm lượng tro bay có sự phụ thuộc như sau: khi tăng thành này cho thấy rằng phụ gia được sử dụng có hiệu quả trong<br /> phần tro bay trên 25,3 % so với khối lượng xi măng thì độ việc điều chỉnh độ lưu đông của vữa xi măng. Trong đó sự<br /> chảy giảm xuống, điều này liên quan đến việc tăng hàm tham gia của các liên kết Canxi và Sillicat trong bột đá vôi<br /> lượng hạt mịn trong hỗn hợp trong khi lượng nước không trong quá trình thủy hóa sẽ gây ra ảnh hưởng đồng thời làm<br /> thay đổi. Sau khi tiếp tục tăng thành phần của tro bay đến cải thiện tính năng kỹ thuật của hỗn hợp, với cấu trúc đặc và<br /> 33,8% so với khối lượng xi măng sẽ dẫn đến việc độ dày của cứng hơn làm tăng các thông số về cường độ.<br /> lớp nước trên bề mặt các hạt rắn bị giảm đi và từ đó làm giảm<br /> Từ bảng 2 có thế thấy rằng, hỗn hợp đạt được cường độ<br /> tính lưu biến của hỗn hợp.<br /> <br /> <br /> 8 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG<br /> Bảng 3. Tính lưu biến và tính chất cơ lý của vữa xi măng khi thay thế một phần cốt liệu bằng bột diatomit<br /> <br /> № Mẫu PGK/C, % PGK/X, % CKD % Dx, mm ρ, •103 kg/m3 Rf, MPa Rcom, MPa<br /> <br /> 1 ĐC 0,0 0,0 20,9 138,3 2,20 4,97 62,2<br /> 2 D-2 2,0 6,8 22,3 160,8 2,28 5,92 64,9<br /> 3 D-4 4,0 13,5 23,7 187,0 2,24 7,25 68,2<br /> 4 D-6 6,0 20,3 25,2 130,5 2,25 7,34 69,7<br /> 5 D-8 8,0 26,5 26,8 104,0 2,14 4,64 34,9<br /> 6 D-9 9,0 29,2 27,8 102,0 1,84 2,82 20,4<br /> <br /> lớn nhất khi tỉ lệ cát giảm đi 20 – 28 %. Hàm lượng của bột Không xét đến việc phải sử dụng lượng bột đá vôi lớn hơn,<br /> đá vôi trong những hỗn hợp này nằm trong khoảng từ 67,6 – sử dụng loại phụ gia khoáng với thành phần SiO2 nhỏ hơn<br /> 94,6 %, khi đó cường độ chịu kéo khi uốn có thể đạt đến 8,89 này cũng giúp chế tạo được hỗn hợp bê tông với độ lưu động<br /> MPa và khi nén là 91,1 MPa, có nghĩa là cao hơn 78,8 % và và cường độ tương tự so với tro bay hoạt tính.<br /> 46,5 % so với mẫu đối chứng. Việc sử dụng tro bay hoạt tính cho kết quả tốt phụ thuộc<br /> Phân tích ảnh hưởng của bột diatomit lên tính chất lưu vào mối tương quan với đặc điểm của hỗn hợp cũng như<br /> biến và cơ lý của vữa xi măng (bảng 3) cho thấy loại hỗn hàm lượng phụ gia cần thiết để đạt được những hiệu quả<br /> hợp này đòi hỏi sử dụng nhiều nước hơn. Độ chảy xòe của đã nêu. Bột đá vôi cải thiện tính lưu biến có thể sử dụng như<br /> hỗn hợp khi sử dụng diatomit trong hỗn hợp D-4 bằng 187,0 một loại phụ gia giảm nước cho phép giảm tỉ lệ N/X và lượng<br /> mm,khi tăng tỉ lệ thành phần khoáng lên 4,0% làm giảm độ xi măng cần dùng. Bột diatomit khi đưa vào vữa xi măng mà<br /> lưu động của vữa D=130,5mm (30 %). Khi tăng tổng hàm không được xử lý thêm sẽ không có nhiều cải thiện đáng kể<br /> lượng chất kết dính lên từ 20,9 đến 23,7 % trên 1 m3 hỗn về tính chất của hỗn hợp.<br /> hợp, trong trường hợp này tính công tác của hỗn hợp đạt<br /> được là tốt nhất, đồng thời cường độ chịu kéo khi uốn cũng 4. Kết luận<br /> tăng lên từ 4,97 đến 7,25 MPa tương ứng với cường độ nén Sau khi phân tích kết quả thực nghiệm nghiên cứu về<br /> là 66,5 đến 70,2 MPa. sự ảnh hưởng của tro bay hoạt tính, bột đá vôi mịn và bột<br /> Việc phân tích, so sánh hiệu quả sự thay đổi độ lưu động diatomit có thể đưa ra những kết luận sau:<br /> và cường độ của bê tông khi sử dụng những thành phần 1. Bột mịn tro bay hoạt tính và bột đá vôi có thể sử dụng<br /> khoáng nêu trên chứng tỏ rằng, tro bay hoạt tính và bột đá với vai trò làm phụ gia khoáng dùng để điểu chỉnh độ lưu<br /> vôi nghiền mịn không những làm tăng độ chảy xòe của hỗn động của vữa xi măng cũng như làm giảm tỉ lệ N/X. Trong<br /> hợp lên hơn 200 mm mà còn làm tăng cường độ kéo khi chịu đó khối lượng tro bay hoạt tính cần dùng để đạt được những<br /> uốn lên trên 7,0 MPa và cường độ nén lên hơn 90 MPa. Qua đặc tính tương tự ít hơn so với lượng bột đá vôi cần thiết.<br /> các thí nghiệm cho thấy bột diatomit ít ảnh hưởng hơn đến 2. Trên cơ sở những kết quả thu được trong quá trình<br /> tính chất lưu biến và cơ lý của hỗn hợp. Độ lưu động của nghiên cứu, có thể thấy rằng:<br /> những hỗn hợp này đều nhỏ hơn 187 mm và cường độ nén<br /> - Khi sử dụng tro bay hoạt tính với hàm lượng nhỏ hơn<br /> đạt được là 70 MPa.<br /> 25% so với khối lượng xi măng có thể sản xuất được bê tông<br /> Bên cạnh đó, có thể thấy là hàm lượng sử dụng tro bay chất lượng cao với cường độ lên đến 92 MPa.<br /> hoạt tính và bột đá vôi là khác nhau, hiệu quả đạt được tốt<br /> - Khi sử dụng bột đá vôi nghiền mịn với tổng tỉ lệ chất kết<br /> nhất khi sử dụng tro bay hoạt tính với tỉ lệ nhỏ hơn 8 % còn<br /> dính trên 1m3 hỗn hợp không vượt quá 40,7% có thể giúp<br /> với bột đá vôi là 20 %, tương ứng tỉ lệ chất kết dính trên 1m3<br /> điều chỉnh được được độ lưu động của hỗn hợp.<br /> bê tông là 26,2 % và 35,1 %. Sở dĩ như vậy là do lượng<br /> Sillicat hoạt tính có trong tro bay lớn hơn trong bột đá vôi. - Việc sử dụng vật liệu Diatomit có thể khả quan sau khi<br /> có những đánh giá thêm về hiệu quả kinh tế./.<br /> <br /> Tài liệu tham khảo Trọng Lâm, Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao sử dụng<br /> hỗn hợp phụ gia khoáng silica fume và tro bay sẵn có ở Việt nam,<br /> 1. Yu. M. Bazhenov, Technology of concrete. ASV Publ., Moscow, 2003.<br /> Trường Đại học Xây dựng,Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng số<br /> 2. P.-C. Aitcin, High-Performance Concrete, E&FN Spon, London, 1998. 2, 21-29, 2013.<br /> 3. O. V. Tarakanov and V. I. Kalashnikov, Perspektivy primeneniya 8. M. O. Korovkin, V. I. Kalashnikov, N.. Eroshkina Vliyanie<br /> kompleksnykh dobavok v betonakh novogo pokoleniya, proceedings vysokokal’tsievoi zoly-unosa na svoistva samouplotnyayushiesya<br /> of Kazan state University of architecture and construction, No 1 (39), betona, architecture and construction, No 1, 49-53, 2015.<br /> 223-229, 2017.<br /> 9. B. Mahalingam, K. Nagamani, L.S. Kannan, K.M. Haneefa and A.<br /> 4. J.F. Burroughs, J. Shannon, T.S. Rushing, K. Yi and D.W. Harrelson, Bahurudeen, Assessment of hardened characteristics of raw fly ash<br /> Potential of finely ground limestone powder to benefit ultra-high blended self-compacting concrete, Perspectives in Science, Vol. 8,<br /> performance concrete mixtures, Construction and Building Materials, 709-711, 2016.<br /> Vol. 141, 335-342, 2017.<br /> 10. V. L. Tang, B. I. Bulgakov, O. V. Aleksandrova, O. A. Larsen,<br /> 5. G. I. Berdov, N. And. Nikonenko, L. V. Ilyina, Vliyanie Vozmozhnost’ ispol’zovaniya zol’nykh ostatkov dlya proizvodstva<br /> vysokodispersnykh mineral’nykh dobavok na mekhanicheskuyu materialov stroitel’nogo naznacheniya vo Vietname. Vestnik of<br /> prochnost’ cementnogo kamnya, News of higher educational Belgorod state technological University n. a. V. G. Shukhov, No. 6,<br /> institutions. Contruction, No 12, 25-30, 2011. 6-12, 2017.<br /> 6. D.P. Bentz, C.F. Ferraris, S.Z. Jones, D. Lootens and F. Zunino, 11. A. Ergün, Effects of the usage of diatomite and waste marble powder<br /> Limestone and silica powder replacements for cement: Early-age as partial replacement of cement on the mechanical properties of<br /> performance, Cement and Concrete Composites, Vol. 78, 43-56, 2017. concrete, Construction and Building Materials, Vol. 25, No 2, 806-812,<br /> 7. Nguyễn Công Thắng, Nguyễn Văn Tuấn, Phạm Hữu Hanh, Nguyễn 2011.<br /> <br /> <br /> S¬ 28 - 2017 9<br />