>> Chế tạo bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng hạt vi cầu rỗng từ tro bay (P1)

3. Kết quả và bàn luận

3.1. Tính công tác của hỗn hợp bê tông
  Độ chảy của HHBT FAC-HSLWC với tỷ lệ N/CKD = 0,4 và hàm lượng PGSD được cố định 0,6% theo khối lượng CKD thể hiện trong Hình 3(a) cho thấy, khi hàm lượng FAC tăng thì HHBT có xu hướng giảm tính công tác khi đánh giá thông qua độ chảy xòe. Cụ thể, độ chảy xòe của HHBT của mẫu đối chứng là 215 mm giảm xuống còn 190 mm và 165 mm, tương ứng giảm khoảng 11,6 đến 22,3% so với mẫu đối chứng khi FAC thay thế cát ở tỷ lệ 50 - 100%. Hiện tượng giảm tính linh động của HHBT có thể giải thích là do kích thước các hạt FAC nhỏ hơn cát nên khi thay thế cát bởi FAC thì tổng diện tích bề mặt trong hệ tăng lên do đó làm giảm lượng nước tự do trong hệ dẫn đến tính linh động của HHBT giảm. Ngoài ra, do đặc tính của các hạt FAC nên độ hút nước của FAC để đạt độ ẩm bão hòa cao hơn khá nhiều so với cát như thể hiện trong Bảng 1 cũng là nguyên nhân quan trọng làm giảm lượng nước tự do trong hỗn hợp. Với các cấp phối sử dụng OPC kết hợp với SF và GGBFS, độ chảy xòe của HHBT giảm khi sử dụng SF 10%, tính lưu động của HHBT được cải thiện hơn khi sử dụng kết hợp SF với GGBFS ở các tỷ lệ 20, 40 và 60% (Hình 3(b)).

Trong trường hợp giữ cố định độ chảy xòe của HHBT trong khoảng 180±5 mm thì lượng PGSD cần điều chỉnh tăng từ 0,41% đến 0,76% khi tỷ lệ FAC thay thế cát từ 0 đến 100%. Với các cấp phối sử dụng PGK, sử dụng SF10% thì lượng PGSD tăng từ 0,5% (OPC100) lên 0,76% (SF10GS0), lượng PGSD giảm khi sử dụng kết hợp SF với GGBFS ở tỷ lệ 20 - 60%.

3.2. Khối lượng thể tích khô và cường độ nén

KLTT của FAC-HSLWC thể hiện trong Hình5(a) cho thấy, khi tỷ lệ FAC thay thế cát trong HHBT tăng từ 0 (mẫu FAC0 - đối chứng) đến 50, 70 và100% thì KLTT khô của bê tông tương ứng từ 2180kg/m³ giảm xuống còn 1656, 1505 và 1322 kg/m³, tương ứng với mức giảm là 24,30,9 và 39,4%. Trong khi đó, khi thay thế cát bởi FAC thì cường độ nén của bê tông giảm khi tăng hàm lượng thể tích của FAC ở các tuổi khảo sát 7, 28 và 91 ngày.
  Cường độ nén tuổi 28 ngày của giảm từ 74,1 MPa (mẫu đối chứng) xuống còn 69,3, 68,6 và 63,3 MPa tương ứng với mức giảm 6,7, 7,4 và 14,6% khi tỷ lệ FAC/(FAC+C) tương ứng là 50, 70 và 100%. Sự giảm cường độ khi thay thế cát bởi FAC có thể giải thích là do các hạt FAC có bề mặt trơn nhẵn và độ rỗng cao nên ảnh hưởng đến cường độ nén của hệ. Hiện tượng giảm cường độ của FAC-HSLWC khi sử dụng FAC thay thế một phần cát tự nhiên cũng đã được một số nghiên cứu chỉ ra [29-32] và được giải thích do một số nguyên nhân chủ yếu sau. Đầu tiên phải kể đến đó là các hạt FAC có cấu tạo dạng hình cầu có lớp vỏ có thành phần chính là khoáng aluminosilicate ở dạng pha thủy tinh tương đối trơn nhẵn nên vùng tiếp giáp giữa đá xi măng và các hạt FAC (vùng ITZ) sẽ kém hơn so với các hạt cát tự nhiên, như trong một số nghiên cứu đã chỉ ra [33]. Khả năng liên kết giữa các hạt FAC và đá xi măng sẽ phụ thuộc nhiều vào phản ứng puzolanic giữa các khoáng silica vô định hình của FAC với canxi hydroxyt (CH) sinh từ phản ứng thủy hóa của xi măng tạo nên khoáng hydro canxi silicate (C-S-H) và làm giảm lượng CH điều này sẽ giúp cải thiện tốt hơn vùng ITZ. Tuy nhiên, tốc độ phản ứng puzolanic xảy ra chậm so với phản ứng thủy hóa của xi măng và khi lượng FAC trong hệ tăng quá cao sẽ dư thừa so với nồng độ CH trong hệ để các phản ứng puzolanic có thể tiếp tục xảy ra. Một lý do nữa liên quan đến độ rỗng trong bê tông khi sử dụng FAC. Khi sử dụng hạt FAC thì lượng khí cuốn vào HHBT tăng lên, hình thành nên các lỗ rỗng bọt khí điều này là do các hạt FAC có kích thước nhỏ, làm tăng đáng kể diện tích bề mặt trong hệ, điều này làm giảm khả năng thấm ướt vật liệu của dung dịch trong hệ dẫn đến tăng hàm lượng bọt khí. Hiện tượng này này cũng được chỉ ra trong nghiên cứu của Wang [34]. Các hạt lỗ rỗng kích thước lớn cũng là nguyên nhân làm giảm cường độ của bê tông.

Một thông số nữa để đánh giá phẩm chất của vật liệu thường được sử dụng cho bê tông nhẹ là cường độ riêng, đó là tỷ số giữa cường độ nén và khối lượng thể tích khô của bê tông. Đối với các cấp phối FAC-HSLWC nghiên cứu, kết quả thể hiện trong Hình5(b) cho thấy, cường độ riêng của các mẫu bê tông nhẹ tăng tỷ lệ với thể tích của FAC trong HHBT, cụ thể cường độ riêng của mẫu FAC0 từ 0,034 MPa/kg.m^-³ tăng lên 0,418; 0,0456 và 0,0479 MPa/kg.m^-³ tương ứng với mức tăng 12,3, 34,1, 40,9% khi tỷ lệ FAC thay thế cát là 50, 70 và 100%.

Ảnh hưởng của loại PGK trong CKD đến cường độ nén của FAC-HSLWC thể hiện trong Hình 6 cho thấy, khi SF thay thế OPC ở tỷ lệ 10% thì cường độ của bê tông tăng ở các tuổi khảo sát là 7, 28 và 91 ngày, mức độ tăng tương ứng là 6,6, 5,6 và 6,8%. Khi thay thế một phần OPC với PGK là SF và GGBFS ở tỷ lệ GGBF S20, 40 và 60% thì cường độ 7, 28, 91 ngày đều giảm so với mẫu chứa 10% SF (mẫu 10SFGS0). Tuy nhiên khi so sánh các mẫu chứa GGBFS với mẫu OPC (OPC100) thì ở tỷ lệ GGBFS từ 20 - 40%, cường độ nén ở tuổi 28 và 91 ngày là tương đương, trong khi ở tỷ lệ 60% GGBFS cường độ thấp hơn với mẫu OPC khoảng 8,7 và 4,4% ở tuối 28 và 91 ngày tương ứng. Cường độ riêng của các cấp phối sử dụng 20 - 60% GGBFS trong khoảng 0,0423 - 0,046 MPa/kg.m^-³, không chênh lệch nhiều so với 0,0444 MPa/kg.m^-³ của cấp phối OPC100.

3.3. Độ hút nước
  Độ hút nước (Hp) của FAC-HSLWC với khi thay thế cát bởi FAC ở các tỷ lệ khác nhau thể hiện trong Hình 7(a) cho thấy, độ hút nước tăng khi tăng hàm lượng FAC. Độ hút nước tuổi 28 ngày từ 3,61% của mẫu đối chứng (FAC0) tăng lên 28,0, 39,9 và 71,7% tương ứng với tỷ lệ FAC thay thế cát 50, 70 và 100%. Hiện tượng tăng độ hút nước của FAC-HSLWC khi khi tăng hàm lượng FAC có thể giải thích là do các hạt FAC có khả năng hấp thụ nước lớn hơn các hạt cát. Kết quả thí nghiệm cho thấy độ hút nước của FAC là 10,3% so với 3,2% của cát. Chính vì vậy, bê tông chứa FAC sẽ hấp thụ lượng nước lớn hơn so với bê tông thông thường. Điều này sẽ làm tăng hệ thống lỗ rỗng trong đá xi măng khi một phần lượng nước trộn bay hơi để lại. Một nguyên nhân nữa cũng có thể ảnh hưởng đến độ hút nước của bê tông là khả năng cuốn khí của HHBT tăng lên khi FAC thay thế cát, do các hạt FAC có kích thước nhỏ hơn cát, làm tăng tổng diện tích bề mặt trong hệ, điều này cũng được một số nghiên cứu chỉ ra thông qua xác định độ xốp của bê tông FAC. Hiện tượng tăng lượng nước hấp thụ khi hàm lượng FAC tăng cũng được một số nghiên cứu khác chỉ ra [35, 36]. Khi sử dụng SF thay thế OPC, độ hút nước ở tuổi 7 và 28 ngày đều giảm, mức giảm 8,9 và 13,1% tương ứng ở tuổi 7 và 28 ngày so với mẫu OPC100. Khi sử dụng tiếp tục GGBFS thay thế OPC, độ hút nước của FAC-HSLWC giảm tăng thêm tương ứng với mức tăng hàm lượng GGBFS từ 20 - 60% ở cả tuổi 7 và 28 ngày. Mức độ giảm độ hút nước đạt được tốt nhất ở tỷ lệ GGBFS 60%, độ hút nước giảm từ 7,15% của mẫu đối chứng (OPC100) xuống còn 5,35% tương ứng với mức giảm 25,2% (Hình 7(b)).

3.4. Hệ số dẫn nhiệt
  Các công trình xây dựng ngày càng được chú trọng đến hiệu quả tiết kiệm năng lượng. Một trong  các thông số quan trọng ảnh hưởng đến truyền nhiệt của công trình xây dựng là hệ số truyền nhiệt của  các vật liệu bao che. Đối với bê tông nhẹ, một trong ưu điểm nổi bật của nó là khả năng dẫn nhiệt thấp do chứa các lỗ rỗng khí. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt của các loại bê tông nhẹ là không giống nhau, ngoài phụ thuộc vào khối lượng thể tích của nó, còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như loại và hàm lượng cốt liệu, tính chất của đá xi măng, kích thước và phân bố lỗ rỗng. Đối với FAC-HSLWC, kết quả xác định hệ số dẫn nhiệt thể hiện trong Hình 8(a) cho thấy, hệ số dẫn nhiệt giảm đáng kể từ 1,236 W/m.K  của mỗi đối chứng (FAC0) xuống còn 0,685, 0,530 và 0,363 W/m.K, tương đương với mức giảm 44,6, 57,1 và 70,6% khi thay thế cát bởi FAC ở tỷ lệ 50, 70 và 100%. Lưu ý rằng, mẫu đối chứng FAC0 ở đây là mẫu bê tông cốt liệu là cát, với bê tông có cốt liệu gồm cả đá và cát thì hệ số dẫn nhiệt khoảng 1,98 W/m.K, hoặc có thể thể cao hơn từ 2,6 - 2,7 như với cốt liệu đá granit [8]. Độ dẫn nhiệt của đá xi măng đã được một số nghiên cứu chỉ ra trong khoảng 0,6 - 0,73 với tỷ lệ N/XM trong khoảng 0,36 - 0,84 [37] hay 0,8 - 0,84 khi kết hợp OPC với SF [8]. Điều này cũng giải thích vì sao khi tăng hàm lượng các hạt vi cầu rỗng FAC, KLTT của bê tông giảm thì hệ số dẫn nhiệt cũng giảm. Với các cấp phối sử dụng OPC kết hợp với phụ gia khoáng SF và GGBFS trong Hình 8(b) cho thấy, hệ số dẫn nhiệt có xu hướng giảm tăng nhẹ khi sử dụng hai loại phụ gia khoáng này, tuy nhiên mức độ tăng không lớn, mức độ tăng lớn nhất đạt 8,8% với phụ gia khoáng là SF10% và GGBFS 60%. Độ dẫn nhiệt của bê tông tăng khi sử dụng SF, GGBFS có thể giải thích là do ảnh hưởng của các loại PGK này làm đặc chắc hơn cấu trúc của đá xi măng.

Mối quan hệ giữa KLTT và hệ số dẫn nhiệt của bê tông đã được nhiều nghiên cứu đưa ra. Hệ số dẫn nhiệt bê tông có thể dự đoán theo KLTT khô của bê tông cùng với ảnh hưởng của loại cốt liệu [38]. ACI213-14 đưa ra công thức dự đoán hệ số dẫn nhiệt của bê tông từ kết quả nghiên cứu của Vahore [39]:   
trong đó, k là hệ số dẫn nhiệt (W/m.K), W_c là KLTT khô của bê tông (kg/m³).

Khi so sánh kết quả thí nghiệm hệ số dẫn nhiệt FAC-HSLWC trong nghiên cứu này với kết quả tính toán hệ số dẫn nhiệt theo công thức (1) cho thấy, công thức dự đoán hệ số dẫn nhiệt (1) của Vahore cho kết quả thấp hơn so với thực tế. Phương trình hồi quy từ kết quả thí nghiệm dựa trên công thức của Vahore giữa hệ số dẫn nhiệt và KLTT của FAC-HSLWC như trong công thức (2) cho hệ số tương quan R₂ = 0,9835 (Hình 9).
4. Kết luận

Nghiên cứu phát triển hệ bê tông nhẹ cường độ cao sử dụng cenosphere (FAC-HSLWC) với các biến gồm tỷ lệ FAC thay thế cát tự nhiên từ 0 đến 100%; sử dụng xi măng OPC kết hợp các loại PGK khác nhau gồm SF và SF kết hợp với  GGBFS đã được thực hiện. Thông qua nghiên cứu xác định một số tính chất của FAC-HSLWC, một số kết luận cho phép rút ra như sau:

- Thay thế cát bởi FAC làm giảm đáng kể KLTT, làm giảm cường độ nén, nhưng cường độ riêng của FAC-HSLWC tăng. Với tỷ lệ N/CKD = 0,4 và CKD =750 kg/m³ trong nghiên cứu này, khi thay thế cát bởi FAC từ 50 đến 100% làm giảm KLTT tương ứng từ 24 đến 39,4%, cường độ nén tuổi 28 ngày giảm 6,7 đến 14,6%, nhưng cường độ riêng của FAC-HSLWC tăng từ 12,3 đến 40,9%.

- Sử dụng 10% SF, 10% SF kết hợp với GGBFS ở tỷ lệ 20 - 40% thay thế OPC làm tăng hoặc cho cường độ tương đương, trong khi tăng tỷ lệ GGBFS đến 60% làm giảm khoảng 8,7% cường độ 28 ngày của FAC-HSLWC so với mẫu đối chứng OPC.

- Độ hút nước của FAC-HSLWC tăng khi FAC thay thế cát, sử dụng OPC kết hợp với các loại PGK là SF và GGBFS làm giảm độ hút nước, trong đó sử dụng PGK gồm 10% SF kết hợp với 60% GGBFS cho hiệu quả cải thiện tốt nhất, mức giảm khoảng 25,2% so mẫu đối chứng OPC.

-Hệ số dẫn nhiệt của bê tông giảm đáng kể khi sử dụng FAC thay thế cát, mức độ giảm đến 70,6% khi thay thế hoàn toàn cát bằng FAC trong nghiên cứu này. Hệ số dẫn nhiệt tỷ lệ thuận với hàm lượng FAC, cũng như KLTT. Có thể dự đoán hệ số dẫn nhiệt từ KLTT của FAC-HSLWC với hệ số tương đồng khá cao.
(Hết)