Ngoài ra, ảnh hưởng của phụ gia khoáng là silica fume (SF) và xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GGBFS) trong chất kết dính đến cường độ của FAC-HSLWC cũng được nghiên cứu. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi thay thế cát bởi FAC, khối lượng thể tích giảmvà cường độ riêng tăng đáng kể. Sử dụng phụ gia khoáng SF và SF kết hợp GGBFS ở tỷ lệ 20 - 40% làm cải thiện cường độ nén và độ hút nước của bê tông, trong khi tỷ lệ GGBFS đến 60% mặc dù cải thiện độ hút nướcnhưng làm giảm cường độ 28 ngày so với chỉ sử dụng OPC. Ngoài ra, tương tự các loại bê tông nhẹ khác, hệ số dẫn nhiệt của FAC-HSLWC giảm đáng kể và phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ FAC thay thế cát hay khối lượng thể tích của bê tông.

1. Giới thiệu

Bê tông nhẹ có lịch sử lâu đời từ hơn 2000 năm trước. Tại khu vực Địa Trung Hải, những công trình được xây dựng từ thời La Mã cổ đại như Cảng Coca, mái vòm Pantheon và đấu trường La Mã đều sử dụng bê tông nhẹ. Trong giai đoạn này, cốt liệu cho bê tông nhẹ là các loại vật liệu nhẹ có nguồn gốc từ núi lửa. Đến đầu thế kỷ 20, khởi nguồn từ phát minh của StephenJ. Hayde (1908) - một nhà sản xuất gạch và gốm kỹ thuật (Viện ESCSI) đã cho ra đời các loại cốt liệu nhẹ nhân được nung phồng nở từ đất, đá sét tạo thành cốt liệu sử dụng cho bê tông [1].

So với bê tông nặng thông thường, việc sử dụng bê tông nhẹ kết cấu mang lại nhiều lợi ích bao gồm giảm tĩnh tải cho công trình do đó tiết kiệm cho kết cấu nền móng và gia cố, giảm kích thước kết cấu, tăng diện tích hoặc số tầng của công trình; cải thiện tính chất nhiệt; cải thiện khả năng chống cháy; chống động đất, tiết kiệm trong vận chuyển, thi công, lắp đặt và chế tạo các cấu kiện đúc sẵn. Tuy vậy, bê tông cốt liệu nhẹ phổ biển hiện nay vẫn có những nhược điểm cố hữu làm hạn chế việc sử dụng rộng rãi vào làm kết cấu công trình như cường độ và cơ tính thấp, độ giòn cao (khả năng chống lại nứt gãy dưới tác động của ngoại lực); cấu trúc với độ xốp cao. Bên cạnh đó, sản xuất cốt liệu nhẹ nhân tạo cũng làm tiêu tốn năng lượng, khai thác tài nguyên và phát thải lượng lớn CO₂. Bê tông nhẹ kết cấu và bê tông nhẹ cường độ cao vẫn đang là hướng nghiên cứu được quan tâm để sử dụng cho công trình xây dựng hiện đại như nhà cao tầng, kết cấu nổi ngoài khơi, kết cấu cầu đường [2].
Theo ACI 318-14 [3], bê tông nhẹ kết cấu là loại bê tông cốt liệu nhẹ có cường độ từ 17 MPa trở lên, tiêu chuẩn Châu Âu (EN 1992 [4]) quy định bê tông nhẹ kết cấu là loại từ LC 8/9 trở lên, tức cường độ nén đặc trưng mẫu trụ tối thiểu là 8 MPa và 9 MPa với mẫu lập phương. Ngoài ra theo ACI 213 [2] thì bê tông nhẹ cường độ cao là loại bê tông nhẹ kết cấu có cường độ nén không thấp hơn 40 MPa. Các loại cốt liệu sử dụng cho chế tạo các loại bê tông nhẹ này thường là cốt liệu nhẹ nhân tạo được chế tạo từ đất sét, đá phiến sét, phiến sét được nung phồng nở. Ưu điểm của loại cốt liệu này là có thể chế tạo ra được hạt cốt liệu với kích thước theo mong muốn từ cốt liệu lớn đến cốt liệu nhỏ. Các hạt cốt liệu nhẹ nung nở có cấu trúc xốp lớn. Độ hút nước của chúng phụ thuộc nhiều vào các cấu tạo của hệ thống lỗ rỗng, và thường có độ hút nước tương đối cao, từ 6 - 30% [5, 6]. Khi bê tông sử dụng các loại cốt liệu nhẹ,khả năng chống thấm bịgiảm, đặc biệt khi sử dụng cả cốt liệu nhẹ loại lớn và cốt liệu nhỏ [7]. Chính vì vậy, loại bê tông cốt liệu nhẹ này tương đối nhạy cảm trong môi trường ẩm do sự hút ẩm làm thay đổi khối lượng thể tích, thể tích của bê tông. Ngoài ra, để sản xuất được cốt liệu nhẹ phải trải qua nhiều công đoạn, điều này làm tăng giá thành và phát thải khí CO₂ trong quá trình sản xuất chúng. Cường độ của bê tông cốt liệu nhẹ phụ thuộc nhiều vào chất lượng, khối lượng thể tích của cốt liệu nhẹ, thông thường phổ biến trong khoảng 20 - 55 MPa tương ứng với khối lượng thể tích (KLTT) của bê tông 1440 - 1920 kg/m³ [8]. Các kết quả nghiên cứu về bê tông nhẹ cường độ cao có khả năng chế tạo cấu kiện chịu lực cho đến nay chủ yếu đạt được với khối lượng thể tích > 1800 kg/m³, nếu giảm khối lượng thể tích dưới 1800 kg/m³ thì cường độ nén bê tông thông thường chỉ đạt khoảng 30 MPa [9, 10]. Nhóm nghiên cứu của Nhật [11] đã phát triển loại bê tông nhẹ với khối lượng thể tích 1800 - 1850 kg/m³ và cường độ nén đạt được 47 - 54 MPa, tương ứng với cường độ riêng (tỷ số giữa cường độ nén với KLTT) là 0,0275 - 0,030MPa/kg.m³. Nhóm nghiên cứu của Brazil [10] cũng nghiên cứu được loại bê tông nhẹ có cường độ riêng tương tự sử dụng hạt xốp: khối lượng thể tích trung bình1450 - 1600kg/m³, cường độ nén 40 - 50 MPa. Để chế tạo được bê tông có cường độ trên 55 MPa với các tính năng đáp ứng cho chế tạo kết cấu bê tông cốt thép vẫn đang còn nhiều thách thức với các loại cốt liệu nhẹ truyền thống [12].

Các nghiên cứu về bê tông cốt liệu nhẹ cũng đã được thực hiện từ vài thập niên gần đây ở Việt Nam như bê tông cốt liệu keramzit [13-15], bê tông cốt liệu tro bay vê viên [16], bê tông cốt liệu porystyrene phồng nở [17-19]. Nhìn chung, các nghiên cứu đã nghiên cứu chế tạo loại bê tông keramzit có khối lượng thể tích 1200 - 1900 kg/m³ và cường độ trong khoảng 15 - 40 MPa. Tuy nhiên, vấn đề sản xuất cốt liệu keramzit trong nước còn đang khó khăn, nguồn cung cấp chủ yếu từ nhập khẩu,do vậy giá thành cho loại bê tông này còn cao (đặc biệt với loại sử dụng cả cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ), ngoài ra bê tông này còn đỏi hỏi những yêu cầu riêng về mặt thi công, bảo dưỡng so với bê tông thông thường và vấn đề giữ nước và thoát ẩm chậm, độ đồng nhất về cấu trúc của loại bê tông này cũng cần phải lưu ý khi sử dụng. Bên cạnh các loại bê tông cốt liệu nhẹ phổ biến, bê tông nhẹ sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay(fly ash cenospheres-FAC) được quan tâm và phát triển trong khoảng hơn thập niên trở lại đây. FAC là các hạt nhẹ có trong tro bay nhà máy nhiệt điện, khối lượng thể tích của chúng thường trong khoảng 0,4 - 0,9 g/cm³, kích thước hạt trong khoảng 1 - 300 μm, với các hạt chủ yếu trong khoảng 20 - 300 μm, chúng là những hạt có kích thước lớn trong tro bay so với các hạt tro bay khác có kích thước hạt chủyếu dưới 20 μm, chiều dày thành vách trong khoảng 1 - 18 μm [20, 21]. Ngoài ra, các hạt cenosphere có lớp vỏ có khả năng chống thấm khí và nước [22], khả năng kháng nén dập của hạt khoảng 15,6-17,5MPa [23], cao hơn khá nhiều so với cốt liệu nhẹ phổ biến là keramzit trong khoảng 0,82 - 5,6 MPa [5]. Chính vì vậy, các nghiên cứu về sử dụng FAC làm vi cốt liệu nhẹ cho chế tạo bê tông nhẹ là chủ đề được quan tâm, thực hiện khá nhiều trong những năm gần đây. Bê tông nhẹ sử dụng FAC (FAC LWC) được ghi nhận có khối lượng thê tích thấp và cường độ cao hơn so với các loại bê tông cốt liệu nhẹ truyền thống. FAC LWC cơ bản đáp ứng được tiêu chuẩn yêu cầu về cường độ với bê tông nhẹ kết cấu với dải KLTT từ khoảng 1100 kg/m³ trở lên.

Tuy nhiên, để chế tạo FAC LWC có một số khó khăn cần giải quyết đó là thành phần loại bê tông này chứa lượng lớn xi măng, các hạt mịn như FAC, cát, điều này dẫn đến diện tích bề mặt của các hạt vật liệu trong hệ lớn làm tăng lượng nước trộn và tỷ lệ N/XM. Ngoài ra, do độ hấp thụ nước của các FAC cũng lớn hơn cát nên cũng góp phần làm tăng lượng nước trộn. Các hạt FAC với đặc tính bề mặt nhám thấp, do vậy dẫn đến độ bám dính giữa bề mặt vi cầu và đá xi măng thấp. Điều này làm giảm tính liên kết trong vi cấu trúc bê tông dẫn đến ảnh hưởng độ bền lâu của bê tông. FAC LWC cũng được ghi nhận là có tình giòn, mô đun đàn hồi thấp, tương tự như các loại bê tông cốt liệu nhẹ khác.Vấn đề này xuất phát từ nguyên nhân, FAC LWC không có bộ khung cốt liệu đặc chắc như bê tông thông thường, FAC có kích thước nhỏ và độ rỗng lớn hơn so với cốt liệu thông thường. Ngoài ra, sử dụng hàm lượng xi măng lớn sẽ làm tăng lượng hồ xi măng trong hệ, dẫn đến tăng tính dòn và co ngót cho bê tông. Để nâng cao chất lượng của FAC-HSLWC, khắc phục các nhược điểm đó, việc thiết kế thành phần cấp phối và chế tạo loại bê tông này thường áp dụng các nguyên tắc sau: Giảm kích thước lớn nhất của cốt liệu để tăng độ đồng nhất cấu trúc bê tông, giảm lượng dùng chất kết dính bằng cách tối ưu hóa thành phần hạt cốt liệu, tăng độ đặc chắc cấu trúc và vùng ITZ bằng việc sử dụng PGK siêu mịn, và giảm co ngót, tăng khả năng kháng nứt bằng cách sử dụng cốt sợi phân tán. Đối với cốt liệu cho FAC LWC, các nghiên cứu chế tạo loại bê tông này hiện nay chủ yếu không sử dụng cốt liệu kích thước lớn, đặc chắc. Điều này tốt cho việc giảm KLTT, tránh phân tầng, đồng nhất cấu trúc của bê tông, nhưng có nhược điểm là tăng tính giòn và khả năng biến dạng dưới tải trọng của bê tông. Việc sử dụng các loại cốt liệu đặc chắc có kích thước nhỏ (thường 0,6 mm) tương tự như loại sử dụng cho bê tông siêu tính năng (UHPC) là giải pháp cân bằng cho các vấn đề vừa nêu. Sử dụng cốt sợi phân tán như sợi polypropylene để giảm co ngót, hạn chế nứt cho bê tông đã được nhiều các nghiên cứu thực hiện và đánh giá là hiệu quả [24-26]. Tỷ lệ sử dụng sợi polypropylene ở mức 0,25 - 0,5% theo thể tích HHBT thường được ghi nhận là hiệu quả trong giảm co ngót, tăng kháng nứt của bê tông. Ở hàm lượng cao hơn (0,5%) không hiệu quả trong việc giảm co ngót, đồng thời giảm tính công tác và cường độ nén của bê tông [27, 28].

Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao trên cơ sở sử dụng vi cầu rỗng từ tro bay (FAC-HSLWC) và hệ chất kết dính đa cấu tử (xi măng kết hợp với phụ gia khoáng) được phát triển cho kết cấu bê tông nhẹ chịu lực với khối lượng thể tích trong khoảng 1300 - 1600 kg/m³, cường độ nén lớn hơn 40 MPa và so sánh với bê tông thông thường thông qua thông số cường độ riêng. Ngoài ra, các tính chất khác của FAC-HSLWC như độ hút nước và hệ số dẫn nhiệt cũng được nghiên cứu và so sánh với bê tông thông thường.

2. Vật liệu sử dụng và phương pháp nghiên cứu

2.1. Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu
  Cốt liệu gồm cát sông cỡ hạt 0,15 - 0,63 mm,cenospheres (FAC) từ tro bay nhà máy nhiệt điện. Chất kết dính gồm xi măng poóc lăng (OPC) loại PC50 theo TCVN 2682:2009 của Công ty Xi măng Nghi Sơn, silica fume (SF) dạng hạt rời của hãng Elkem và xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GGBFS) loại S95 của Công ty CHC Việt Nam. Phụ gia siêu dẻo (PGSD) gốc polycarboxylate PCE loại F theo ASTM C494 được sử dụng để điều chỉnh tính công tác của HHBT. Sợi poly propylene (PP) dạng sợi tơ mảnh bó cụm với chiều dài 12 - 20 mm, khối lượngriêng 0,91 g/cm³, cường độ kéo 450 MPa, mô đun đàn hồi 3500 MPa được sử dụng cho nghiên cứu.Các tính chất cơ lý và thành phần hóa vật liệu sử dụng được trình bày trong Bảng 1 và Bảng 2 tương ứng. Thành phần hạt của vật liệu thể hiện trong Hình 1. Hình dạng các hạt FAC khi đổ đống và khi phóng đại thể hiện trong Hình 2.
  2.2. Cấp phối bê tông
  Tổng cộng có 8 cấp phối được thiết kế sử dụng trong nghiên cứu này. Các cấp phối được chia ra thành 2 nhóm: (1) nhóm thay thế cát bằng FAC với tỷ lệ FAC/(cát + FAC) là 0, 50, 70 và 100% tính theo thể tích; và (2) nhóm sử dụng phụ gia khoáng (PGK) là SF và GGBFS. Các cấp phối có tỷ lệ N/CKD và hàm lượng CKD được cố định tương ứng là 0,4 và 750 kg/m³. Cốt sợi PP sử dụng ở tỷ lệ 0,5% theo thể tích hỗn hợp bê tông (HHBT). Để khảo sát ảnh hưởng của PGK đến tính chất bê tông, cấp phối đối chứng sử dụng CKD là OPC, các cấp phối sử dụng PGK gồm SF với tỷ lệ 10% và kết hợp với GGBFS với tỷ lệ 0, 20, 40 và 60%. Các cấp phối FAC-HSLWC khống chế độ chảy của HHBT trong khoảng 160 - 180 mm bằng cách sử dụng PGSD để điều chỉnh. Chi tiết thành phần cấp phối thể hiện trong Bảng 3.

2.3. Quy trình trộn

Máy trộn sử dụng trong nghiên cứu là máy trộn hành tinh 20L. Quy trình cấp vật liệu trộn vào máy như sau: cát, cenospheres, xi măng và phụ gia khoáng được đưa vào máy trộn khô đều trong khoảng 2 phút, sau đó cho khoảng 70% nước trộn đều trong khoảng 2 phút, làm sạch cối trộn và cho phụ gia siêu dẻo +30% nước còn lại trộn khoảng 2 phút, tiếp đó cho dần sợi PP vào hỗn hợp trộn đều trong vòng 2 phút. Liều lượng PGSD được điều chỉnh để hỗn hợp bê tông đảm bảo tính công tác như mong muốn.

2.4. Phương pháp thí nghiệm

Độ chảy của HHBT được xác định theo tiêu chuẩn BS EN 1015-3:1999. Giá trị độ chảy được lấy bằng trung bình đường kính của hai lần đo vuông góc. Các mẫu thử được đúc trong khuôn thép, đầm chặt trên bàn rung và bảo dưỡng ẩm ở độ ẩm tương đối trên 95%, nhiệt độ 27±2°C. Cường độ nén được xác định với mẫu lập phương 100×100×100 mm theo tiêu chuẩn BS EN 12390-3:2009. Khối lượng thể tích khô và độ hút nước được xác định với mẫu kích thước 40×40×160 mm theo tiêu chuẩn BS EN 1015-10:1999. Mẫu bê tông được sấy khô đến khối lượng không đổi ở 105±5°C và cân được khối lượng mẫu khô, sau đó ngâm bão hòa nước trong 48 giờ để cân khối lượng ẩm. Độ hút nước là phần trăm chênh lệch khối lượng mẫu ẩm và mẫu khô của 3 mẫu thí nghiệm song song. Hệ số dẫn nhiệt được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C518-04. Mẫu thử nghiệm được đúc trong khuôn hình lăng trụ 300×300×55,3 mm và được bảo dưỡng điều kiện tiêu chuẩn đến 28 ngày. Sau đó được sấy khô ở nhiệt độ 105±5°C đến khối lượng không đổi trước khi tiến hành thí nghiệm.
(Còn nữa)