1. Tổng quan về bê tông chất lượng siêu cao

Bê tông chất lượng siêu cao (BTCLSC) là loại bê tông có độ chảy cao, cường độ nén rất cao (thường lớn hơn 150 MPa), cường độ uốn lớn (khi sử dụng cốt sợi), độ thấm thấp và độ bền cao. Sự ra đời của bê tông chất lượng siêu cao đã đánh dấu một bước ngoặt trong công nghệ bê tông với các tính chất đặc biệt về cường độ, độ bền, và độ ổn định thể tích. Các nghiên cứu phát triển và ứng dụng loại bê tông này được bắt đầu từ năm 1980 của thế kỷ 20 và kể từ đó loại bê tông này đã được áp dụng ở một số nước phát triển như dùng cho các cấu kiện đúc sẵn, dùng để chế tạo các dầm cầu đúc sẵn, các tấm lát mặt cầu, chế tạo các silo.., hoặc dùng tại chỗ để sửa chữa các kết cấu đã bị hỏng, dùng cho các cột chịu tải trọng lớn, dùng cho các bể chứa phế thải hạt nhân...

Vật liệu để chế tạo BTCLSC thông thường bao gồm cát quắc với kích thước khoảng 100-600µm, , silica fume, nước và phụ gia siêu dẻo. Tuy nhiên, xét theo khía cạnh nguyên vật liệu cấu thành thì loại bê tông này có nhược điểm cơ bản đó là khi chế tạo cần phải sử dụng một lượng lớn silica fume, đây là một sản phẩm có giá thành cao. Điều này đã hạn chế việc sử dụng silica fume trong chế tạo BTCLSC đồng thời cũng là động lực cho việc tìm kiếm vật liệu với tính năng tương tự silica fume để thay thế loại vật liệu này. Trong số phụ gia khoáng dùng cho bê tông thì tro trấu được đánh giá là phù hợp để thay thế silica fume trong BTCLSC.

Xét trên khía cạnh tính chất kỹ thuật, tro trấu có cấu trúc hạt rỗng xốp vì vậy khi sử dụng với hàm lượng lớn sẽ làm giảm tính công tác, tăng hàm lượng phụ gia siêu dẻo. Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng phụ gia khoáng để khắc phục nhược điểm này có ý nghĩa rất lớn, trong số các phụ gia khoáng thì tro trấu là có triển vọng để thay thế xi măng trong BTCLSC, với hiệu quả đạt được về kỹ thuật, về kinh tế và môi trường. Xét về mặt kỹ thuật, tro bay có thành phần hoá học với tổng hàm lượng các ôxyt (Si¬O2+ Al2O3+ Fe2O3) lớn hơn 70% (tro bay loại F theo ASTM C618). Các oxyt hoạt tính này có khả năng phản ứng với sản phẩm thuỷ hoá của xi măng (phản ứng pozơlanic) tạo ra các sản phẩm dạng CSH có cường độ cao, bền với môi trường hơn, đặc biệt tăng khả năng chống ăn mòn cho bê tông. Bên cạnh đó, với hình dạng đặc trưng là các hạt hình cầu, mịn (đường kính hạt trung bình khoảng 9-15μm) nên việc sử dụng tro bay sẽ làm tăng tính dẻo cho hỗn hợp bê tông, giảm lượng nước nhào trộn, tăng độ đặc cho bê tông, sẽ làm tăng cường độ cũng như khả năng chống thấm của bê tông. Xét về mặt kinh tế - môi trường, theo thống kê, hàng năm ước tính các nhà máy nhiệt điện trên cả nước thải ra khoảng 2.3 triệu tấn tro bay, đến năm 2015 sẽ là 5 triệu tấn/năm, điều này sẽ ảnh hưởng rất lớn đến môi trường. Việc nghiên cứu sử dụng tro bay làm phụ gia khoáng sử dụng trong BTCLSC vừa góp phần làm giảm giá thành cho sản phẩm bê tông, giảm ô nhiễm môi trường, góp phần vào mục tiêu phát triển xây dựng bền vững đồng thời vẫn đảm bảo các tính chất kỹ thuật của BTCLSC.

Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu về sự ảnh hưởng của việc sử dụng hỗn hợp tro trấu và tro bay đến một số tính chất cơ lý của hỗn hợp bê tông và bê tông ở các điều kiện dưỡng hộ khác nhau. Trong đó, tro trấu được sử dụng với các hàm lượng khác nhau, từ 10-20%  và tro bay được sử dụng với hàm lượng từ 10-30% theo khối lượng chất kết dính (CKD), gồm xi măng, tro trấu và tro bay. Điều kiện bảo dưỡng mẫu được thực hiện ở 2 môi trường là dưỡng hộ tiêu chuẩn và dưỡng hộ nhiệt ẩm cao.

2. Vật liệu chế tạo và phương pháp nghiên cứu

2.1. Vật liệu chế tạo

Vật liệu được dùng trong nghiên cứu bao gồm xi măng Pooclăng PC40, với đường kính hạt trung bình khoảng 11.4μm. Tro trấu (RHA) có đường kính hạt trung bình khoảng 7.9μm. Cốt liệu sử dụng là cát quắc có đườngkính cỡ hạt lớn nhất là 600μm. Tro bay (FA) sử dụng trong nghiên cứu có đường kính cỡ hạt trung bình khoảng 5.83µm. Phụ gia siêu dẻo (PGSD) sử dụng có gốc polycarboxylate.

Thành phần hạt của các vật liệu được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ laze và được thể hiện ở Hình 1.

   
Hình 1: Thành phần hạt của vật liệu sử dụng

2.2. Phương pháp thực nghiệm

Tính công tác của hỗn hợp bê tông được xác định thông qua giá trị đường kính trung bình của độ chảy loang theo tiêu chuẩn BS 4551-1:1998. Trong nghiên cứu này giá trị đường kính trung bình độ chảy loang của hỗn hợp bê tông được điều chỉnh nằm trong khoảng 210-230mm.

Trong bê tông chất lượng siêu cao, việc xác định cường độ nén theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN3118-1993) với kích thước mẫu 150×150×150 mm3 là rất khó bởi vì cường độ nén của bê tông rất cao. Một số nghiên cứu đã khẳng định rằng, ảnh hưởng của kích thước khuôn đến cường độ nén của bê tông chất lượng siêu cao là không đáng kể. Do vậy, trong nghiên cứu này cường độ nén của bê tông được xác định với mẫu có kích thước 40×40×40 mm3.

Độ co được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C490, mẫu được xác định có kích thước 25×25×285 mm xác định đến 90 ngày

3. Thiết kế thành phần và quy trình thí nghiệm bê tông chất lượng siêu cao

3.1. Thiết kế thành phần hạt cốt liệu

Tối ưu hóa thành phần hạt là một trong những khâu then chốt của việc thiết kế cấp phối hỗn hợp BTCLSC. Tối ưu hóa hỗn hợp hạt trong nghiên cứu này được tính toán dựa theo phương pháp do de Larrard và Sedran đề xuất,trong đó hệ số nén của hỗn hợp hạt được lựa chọn giá trị là 12.5. Đối với hệ hỗn hợp hạt bốn cấu tử gồm cát - xi măng - RHA- FA, lượng RHA được cố định là 10% khối lượng chất kết dính (CKD); lượng FA sẽ thay thế lượng dùng xi măng tương ứng (từ 0-40%). Khi đó CKD sẽ bao gồm xi măng, RHA và FA. Như vậy, thành phần hạt ở đây được xem xét như là hệ hai cấu tử gồm cát và CKD.

Quan hệ giữa độ lèn chặt của hỗn hợp với tỷ lệ của vật liệu thành phần được thể hiện ở Hình 2. Qua kết quả thí nghiệm cho thấy, độ lèn chặt lớn nhất đạt được khi hàm lượng RHA khoảng 10% và hàm lượng FA khoảng 20% so với tổng khối lượng CKD. Như vậy, dựa trên kết quả tính toán thì lượng tối ưu được xác định với tỷ lệ Cát/(Cát + CKD) khoảng 0.5 theo khối lượng.

3.2. Cấp phối bê tông chất lượng siêu cao

Sau khi thiết kế tối ưu hóa thành phần hạt, đề tài xác định được các tỷ lệ hợp lý của hỗn bê tông. Trên cơ sở phương pháp thể tích tuyệt đối tính toán thành phần bê tông, trong đó tỷ lệ N/CKD lấy cố định là 0.18 đề tài xác định thành phần hỗn hợp cấp phối được sử dụng trong nghiên cứu thể hiện trên bảng 1như sau:

Bảng 1: Cấp phối bê tông chất lượng siêu cao sủ dụng trong phân phối

STT	Khối lượng CKD tính cho 1 m3 bê tông, (kg)	N/CKD (theo khối lượng)	Cát/CKD (theo khối lượng)	RHA, % (theo khối lượng của CKD)	FA, % (theo khối lượng của CKD)	PGSD, % (theo khối lượng của CKD)
1	1141	0.18	1	0	0	1.2
2	1121	0.18	1	10	0	1.2
3	1101	0.18	1	20	0	1.3
4	1082	0.18	1	30	0	1.7
5	1109	0.18	1	10	10	1.0
6	1097	0.18	1	10	20	0.9
7	1085	0.18	1	10	30	0.8

3.3. Quy trình thí nghiệm
 
Máy trộn sử dụng trong nghiên cứu là máy trộn Habart có dung tích 20 lít. Quy trình trộn hỗn hợp bê tông có thể thấy ở Hình 3.

Cường độ nén của bê tông được xác định ở các tuổi 3, 7, 28, và 90 ngày, trên các mẫu có kích thước 40mm´40mm´40mm. Mẫu được dưỡng hộ ở điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 27±2oC trong thời gian 24±3h), mẫu được tháo ra khỏi khuôn và chia làm 2 nhóm tiếp tục dưỡng hộ trong 2 môi trường khác nhau:

    (1) Tiếp tục dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn (́27±2oC, RH>98%).
    (2) Dưỡng hộ 02 ngày ở điều kiện nhiệt ẩm (90±2oC) sau đó tiếp tục dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn (́27±2oC, RH>98%).

Độ co của bê tông được xác định trên mẫu có kích thước 25×25×285 mm Thí nghiệm này được xác định đến tuổi 90 ngày.

4. Kết quả và bàn luận

4.1. Tính công tác của hỗn hợp bê tông

Lượng dùng phụ gia siêu dẻo (PGSD) của hỗn hợp BTCLSC để đạt được giá trị đường kính độ chảy loang trung bình từ 210 - 230 mm được thể hiện ở Hình 4. Qua kết quả ta thấy, khi sử dụng FA thay thế xi măng 10 - 40% thì tính công tác của hỗn hợp bê tông tăng. Sự cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông khi có mặt tro bay có thể giải thích, do các hạt tro bay với hình dạng đặc trưng là các hạt hình cầu, mịn (đường kính hạt trung bình khoảng 7 μm) nên việc sử dụng tro bay sẽ cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông (hiệu ứng ổ bi – Ball bearing effect), làm tăng tính dẻo cho hỗn hợp bê tông, giảm lượng nước nhào trộn. Theo Hawkins cho rằng trong hỗn hợp bê tông có phụ gia siêu dẻo và tỷ lệ N/CKD thấp, các hạt FA siêu mịn chiếm chỗ của lượng nước lẽ ra nằm giữa các hạt xi măng vón tụ, làm tăng lượng nước tự do trong hồ và do đó làm tăng độ lưu động cho hỗn hợp bê tông.

Trường hợp khi thay thế tro trấu trong BTCLSC thì khi hàm lượng tro trấu tăng thì tính công tác của hỗn hợp bê tông giảm, đặc biệt khi thay thế đến 30% thì lượng phụ gia siêu dẻo tăng rất nhiều để đạt được tính công tác của hỗn hợp bê tông. Điều này có thể giải thích là do các hạt tro trấu có cấu trúc rỗng nên đã hút một phần nước nhào trộn và làm giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông. Khi sử dụng kết hợp giữa tro trấu với hàm lượng 10% kết hợp với tro bay sẽ cải thiện đáng kể tính công tác cho hỗn hợp bê tông. Điều này là do hiệu ứng tương hỗ giữa tro trấu và tro bay đó là các hạt tro bay sẽ hạn chế một số hiệu ứng bất lợi của tro trấu đối với tính công tác của hỗn hợp bê tông và có thể thấy rõ khi kết hợp 10% tro trấu với tro bay thì để đạt được tính công tác theo yêu cầu lượng phụ gia siêu dẻo sử dụng trong hỗn hợp bê tông giảm đáng kể (Hình 4).

4.2. Ảnh hưởng của lượng dùng tro trấu đến cường độ nén của bê tông chất lượng siêu cao

Ảnh hưởng của hàm lượng tro trấu tới sự phát triển cường độ nén của bê tông theo thời gian thể hiện ở Hình 5. Ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn (t = 27±2oC), khi tăng hàm lượng tro trấu từ 10% đến 30% thì cường độ nén của bê tông có xu hướng giảm, tuy nhiên vẫn cao hơn so với mẫu đối chứng. Sự phát triển cường độ ở tuổi 28 ngày khá lớn, ở tuổi về sau tốc độ phát triển cường độ chậm dần, đặc biệt là ở tuổi 90 ngày, kết quả này cao hơn đáng kể so với mẫu không sử dụng phụ gia khoáng mịn. Với các mẫu được dưỡng hộ trong điều kiện nhiệt ẩm (t = 90o±5oC), tốc độ phát triển cường độ ở những ngày đầu tăng, nhưng tốc độ phát triển cường độ ở tuổi dài ngày tăng không nhiều, chẳng hạn cường độ nén ở tuổi 90 ngày tăng không nhiều so với tuổi 28 ngày. Khi hàm lượng tro trấu sử dụng tăng lên từ 10% đến 30% thì cường độ nén của bê tông giảm, tương ứng với các điều kiện dưỡng hộ.

Kết quả về ảnh hưởng của lượng tro trấu đến cường độ nén của BTCLSC thể hiện ở  Hình 5cho thấy, cường độ nén BTCLSC sử dụng 10% tro trấu đạt giá trị lớn nhất ở cả chế độ dưỡng hộ tiêu chuẩn và dưỡng hộ nhiệt ẩm, tương ứng là 155MPa và 154.4MPa. Tiếp tục tăng hàm lượng tro trấu đến 30% thì cường độ nén của bê tông giảm.

Như vậy, cường độ nén BTCLSC sử dụng 10% tro trấu đạt giá trị lớn nhất đối với cả hai chế độ dưỡng hộ tiêu chuẩn và dưỡng hộ nhiệt ẩm cao.

4.3. Ảnh hưởng của sự kết hợp giữa tro trấu và tro bay đến cường độ nén của bê tông chất lượng siêu cao

Ảnh hưởng của hàm lượng tro trấu và tro bay đến hàm lượng PGSD sử dụng và cường độ nén của BTCLSC thể hiện ở Hình 4và Hình 6. Qua kết quả thí nghiệm ta thấy khi có sự kết hợp giữa tro trấu và tro bay hỗn hợp bê tông có lượng dùng PGSD ít hơn so với khi dùng đơn phụ gia khoáng tro trấu, đồng thời cường độ nén của bê tông cao hơn khi sử dụng đơn phụ gia khoáng là tro bay với cùng hàm lượng.

Kết quả cho thấy cường độ nén lớn nhất của tổ hợp này đạt được khi lượng dùng tro bay là 20%, tương ứng giá trị cường độ nén của mẫu ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn và nhiệt ẩm đạt được tại tuổi 28 ngày là 158 MPa và 161 MPa. Ở cả điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn và nhiệt ẩm, khi lượng dùng tro bay là 10% và 20% thì cường độ nén của bê tông đều đạt lớn hơn 150 MPa. Như vậy, kể đến lượng dùng cố định tro bay là 10% thì tổng lượng dùng của phụ gia khoáng trong trường hợp này có thể nâng lên đến 30%, điều này mang lại ý nghĩa rất lớn trong việc sử dụng phụ gia khoáng thay thế xi măng để chế tạo BTCLSC. Tốc độ phát triển cường độ nén ở các tuổi khác nhau ở 2 chế độ dưỡng hộ khác nhau thể hiện ở Hình 6. Kết quả thí nghiệm có thể thấy rằng cường độ nén của BTCLSC ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn cũng giống như quy luật phát triển cường độ của bê tông khi sử dụng đơn phụ gia khoáng, nghĩa là khi sử dụng tro bay thì ở tuổi ban đầu cường độ nén cao hơn so với mẫu đối chứng, cường độ bê tông tiếp tục tăng nhanh đến tuổi 28 ngày, tốc độ phát triển cường độ ở tuổi 90 ngày tiếp tục tăng nhưng với tốc độ chậm hơn. Trong khi đó với điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm, cường độ nén bê tông ở những ngày đầu tăng nhanh, và tăng không nhiều ở tuổi 28 và 90 ngày.

4.4. Độ co của bê tông chất lượng siêu cao

Thí nghiệm đo co tự sinh của BTCLSC được thực hiện trên các mẫu có kích thước 25´25´285 mm. Hình ảnh đo co được thể hiện ở hình 7

Từ kết quả có thể thấy rằng việc sử dụng tro trấu và sự kết hợp giữa tro trấu và tro bay đã cải thiện đáng kể độ co ngót của BTCLSC, hiệu quả của quá trình này phụ thuộc vào hàm lượng thay thế, khi lượng tro trấu thay thế tăng thì độ co của BTCLSC giảm, đồng thời sự kết hợp giữa tro trấu và tro bay thì độ co cũng giảm, điều này có thể giải thích là trong BTCLSC tỷ lệ N/CKD thấp và hàm lượng chất kết dính cao, quá trình tự làm khô khi xảy ra phản ứng thủy hóa sẽ làm tăng độ co trong bê tông. Khi bổ sung tro trấu và tro bay trong hỗn hợp BTCLSC do các hạt tro trấu và tro bay có cấu trúc rỗng có khả năng hút một phần nước nhất định trong cấu trúc bê tông, theo thời gian, quá trình thủy hóa xi măng sẽ làm giảm lượng nước trong hỗn hợp đồng thời làm giảm độ ẩm tương đối trong bê tông khi đó lượng nước trong hạt tro trấu và tro bay sẽ được hút ra ngoài bù lại độ ẩm tương đố trong đá xi măng, từ đó sẽ làm giảm độ co ngót trong bê tông.

5. Kết luận

Dựa trên các kết quả nghiên cứu đề tài đưa ra một số kết luận như sau:      

- Hoàn toàn có thể sử dụng tro trấu và tro bay thay thế từng phần xi măng để chế tạo BTCLSC.

- Việc sử dụng tro trấu thay thế xi măng sẽ làm tăng cường độ cho BTCLSC. Lượng dùng 10% tro trấu thay thế xi măng là tối ưu để chế tạo BTCLSC, khi đó cường độ nén cao nhất đạt được ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn và dưỡng hộ nhiệt ẩm, tương ứng là 155MPa và 154.4MPa.

- Khi sử dụng kết hợp tro trấu và tro bay sẽ cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông đồng thời làm tăng cường độ nén của BTCLSC. Tổng lượng dùng phụ gia khoáng có thể thay thế xi măng đến 30% mà cường độ nén lớn nhất đạt được là 158MPa và 161MPa tương ứng với chế độ bảo dưỡng tiêu chuẩn và bảo dưỡng nhiệt ẩm cao.

- Việc sử dụng tro trấu sẽ làm giảm độ co ngót trong bê tông chất lượng siêu cao, tùy thuộc vào hàm lượng thay thế mà hiệu quả của quá trình này khác nhau. Việc kết hợp giữa tro trấu và tro bay cũng làm giảm độ co ngót của bê tông chất lượng siêu cao.