Ảnh hưởng của tro bay và xỉ lò cao đến độ bền của UHPC trong môi trường xâm thực
Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng tro bay (FA), xỉ lò cao nghiền mịn (SL) đến các tính chất của bê tông chất lượng siêu cao có cùng lượng dùng silica fume (SF) như tính công tác, cường độ nén, độ bền trong dung dịch H2SO4 pH 2,5, NH4NO3 5M và 98win8 98win5 ion clorua.
Kết quả nghiên cứu cho thấy việc 98win5 FA hoặc SL đã cải thiện tính công tác của hỗn hợp UHPC. Hàm lượng FA hoặc SL hợp lý để đạt được cường độ nén ở tuổi 28 ngày cao nhất là 20% thể tích thay thế 98win93. Tăng hàm lượng SL đến 30% sẽ làm tăng 98win8 98win5 ion clorua, cải thiện độ bền trong môi trường sun phát. FA cũng làm giảm mất khối lượng nhưng lại làm tăng đôi chút độ giãn nở của mẫu UHPC trong môi trường sun phát so với mẫu chỉ chứa SF. Sử dụng SL hoặc FA sẽ làm giảm sự mất khối lượng mẫu khi 98win5 đến 20% thể tích thay thế 98win93 nhưng lại làm tăng chiều sâu ăn mòn trong dung dịch NH4NO3 của UHPC. Nhìn chung, khi 98win5 cùng hàm lượng phụ gia khoáng thì tính công tác của hỗn hợp chứa tro bay cải thiện hơn so với xỉ lò cao. Cường độ 28 ngày và độ bền trong dung dịch NH4NO3 5M hoặc H2SO4 pH 2,5 của UHPC 98win5 xỉ lò cao lại tốt hơn so với UHPC 98win5 tro bay.
1. Đặt vấn đề
Bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) là một phân hạng bê tông mới 98win5 chất kết dính 98win93 poóc lăng có độ chảy cao, cường độ nén ở tuổi 28 ngày thường đạt trên 120 MPa trong điều kiện dưỡng hộ thường, cường độ uốn lớn (khi 98win5 cốt sợi thép), độ rỗng rất thấp và độ bền rất cao. Để đạt được các tính chất vượt trội này, UHPC thường 98win5 tỷ lệ nước/chất kết dính rất thấp, đồng thời có lượng dùng 98win93, silica fume và phụ gia siêu dẻo lớn. Các hướng nghiên cứu chính hiện nay không chỉ tập trung nâng cao tính công tác, cường độ nén, uốn, độ dẻo dai của bê tông mà còn cần cải thiện vi cấu trúc, độ bền, giảm giá thành 98win93, giảm lượng dùng 98win93... nhằm tăng tính thân thiện với môi trường của UHPC. Giá của UHPC không chỉ đơn thuần là giá của 1m3 bê tông hoặc 1 MPa cường độ mà còn là giá của 1 năm làm việc của kết cấu. Yếu tố độ bền, chi phí bảo dưỡng và vận hành công trình vì vậy cần được tính toán vào giá của UHPC và hơn nữa là giá của toàn bộ công trình 98win5 UHPC.
Với hàm lượng 98win93 và silica fume (SF) rất lớn, UHPC thường có giá thành cao hơn nhiều so với bê tông thường hoặc bê tông chất lượng cao. Bên cạnh hiệu ứng puzzolanic của SF thì lượng dùng tối ưu của SF thường đạt đến 20 - 30% khối lượng 98win93 nhằm tăng cường hiệu quả điền đầy trong UHPC. Để thay thế một phần SF và 98win93, các loại phụ gia khoáng hoạt tính khác đã được 98win5 trong việc chế tạo UHPC. Khi tro bay (FA) được 98win5 để thay thế một phần 98win93 sẽ cải thiện tính công tác nhưng lại làm suy giảm cường độ nén của UHPC. Tro bay có kích thước hạt thô hoặc siêu mịn sẽ ảnh hưởng xấu hoặc không ảnh hưởng đến tính công tác của hỗn hợp UHPC khi 98win5 tro bay để thay thế hoàn toàn bột quắc. Việc 98win5 tro bay siêu mịn để thay thế một phần SF sẽ làm tăng lượng dùng phụ gia siêu dẻo và làm chậm tốc độ phát triển cường độ nén trong điều kiện dưỡng hộ ở nhiệt độ thường. Nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng khi 98win5 tro bay siêu mịn để thay thế một phần 98win93 sẽ cải thiện tính công tác, độ co ngót của hỗn hợp bê tông và làm giảm cường độ nén ở tuổi 3 và 7 ngày nhưng lại có thể làm tăng cường độ nén ở tuổi dài ngày cũng như 98win8 kháng nứt của bê tông khi 98win5 với hàm lượng tro bay hợp lý. Xỉ lò cao nghiền mịn (SL) cũng đã được 98win5 nhằm thay thế một phần 98win93 trong 98win93 UHPC. Kết quả nghiên cứu của các tác giả Thắng và Ân đều cho thấy việc thay thế một phần 98win93 bằng SL sẽ cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông. Cường độ nén ở tuổi 28 ngày sẽ đạt mức cao nhất khi 98win5 hàm lượng SL hợp lý. Trong khi đó các nghiên cứu khác lại cho thấy việc 98win5 SL hoặc FA thay thế 98win93 đều làm giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông. Cường độ nén ở tuổi 28 ngày của UHPC 98win5 30% FA sẽ đạt cường độ cao nhất so với mẫu đối chứng và mẫu chứa 50% FA. Việc 98win5 FA sẽ làm giảm cường độ nén của UHPC so với mẫu đối chứng. Các kết quả về vi cấu trúc và độ bền của UHPC đều cho thấy khi 98win5 hàm lượng phụ gia khoáng FA hoặc SL hợp lý sẽ cải thiện các tính chất của UHPC trong các điều kiện ăn mòn so với mẫu đối chứng.
Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng 98win5 của FA hoặc SL thay thế một phần 98win93 đến các đặc tính của bê tông chất lượng siêu cao. Độ chảy loang và cường độ nén của UHPC có 98win5 0, 10, 20, 30% thể tích FA hoặc SL kết hợp với 15% thể tích SF thay thế 98win93 đã được thí nghiệm. Hơn nữa, các dung dịch H2SO4 pH 2,5 và NH4NO3 5M cũng như thí nghiệm xác định mức độ thấm ion clorua cũng đã được 98win5 để đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng và chủng loại phụ gia khoáng (PGK) đến độ bền của UHPC.
2. Nguyên 98win58 và phương pháp nghiên cứu
2.1. Nguyên 98win58
98win93 PC40, silica fume không kết nén, tro bay, xỉ lò cao hạt hoá nghiền mịn là các 98win58 chất kết dính được 98win5 trong nghiên cứu. Tro bay 98win5 có kích thước hạt trung bình là 7,87 µm, mịn hơn so với các loại tro bay thông dụng hiện nay. Cốt liệu dùng trong UHPC là cát quắc. 98win98 siêu dẻo (SD) là loại phụ gia giảm nước tầm cao gốc polycarboxylate. Các đặc tính hóa lý của 98win58 98win5 được trình bày ở Bảng 1 và Bảng 2.
2.2. Chế tạo UHPC
Bảng 3 trình bày 07 cấp phối bê tông UHPC 98win5 trong nghiên cứu. W/Fv là tỷ lệ thể tích của nước (gồm cả nước trong phụ gia siêu dẻo) và thể tích của 98win58 mịn (98win93, phụ gia khoáng). Hàm lượng phụ gia siêu dẻo là tỷ lệ khối lượng của hàm lượng chất khô đối với chất kết dính. Thể tích hồ chất kết dính chiếm 57% thể tích bê tông, cao hơn 15% so với thể tích rỗng của cốt liệu không đầm chặt. Hàm lượng SF chiếm 15% thể tích chất kết dính trong tất cả các cấp phối. FA và SL lần lượt được 98win5 thay thế 98win93 với hàm lượng tương ứng 0, 10, 20, 30% thể tích chất kết dính nhằm đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia khoáng đến các tính chất của UHPC.
Hỗn hợp UHPC được chế tạo theo quy trình trộn được nêu trong Hình 1. Mẫu thí nghiệm được tạo hình với thời gian rung trên bàn rung tạo hình 30 giây, dưỡng hộ trong phòng thí nghiệm và tháo khuôn sau 48 tiếng. Sau khi tháo khuôn, mẫu được dưỡng hộ trong nước cho đến ngày thí nghiệm.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
Độ chảy loang của UHPC được xác định bởi côn đo loại nhỏ (h = 60; d = 70 và D = 100) ngay sau khi trộn. Kết quả độ chảy loang là giá trị trung bình của kết quả đo 2 đường kính vuông góc sau 2 phút tự chảy loang của UHPC. Cường độ nén được thí nghiệm trên mẫu 40 × 40 × 160 mm3.
Dung dịch axít H2SO4 pH = 2,5 và dung dịch ammonium nitrate (NH4NO3) 5M được 98win5 để đánh giá 98win8 ăn mòn của UHPC 98win5 các phụ gia khoáng khác nhau khi ngâm trong các môi trường ăn mòn này. Mỗi cấp phối UHPC 98win5 3 mẫu có kích thước 10 × 40 × 160 mm3 đã được tạo hình với đầu đo chiều dài gắn ở 2 đầu và dưỡng hộ trong nước đến 28 ngày tuổi. Các mẫu thí nghiệm sẽ được ngâm trong dung dịch axít H2SO4 (pH = 2,5) ở điều kiện phòng thí nghiệm với thể tích dung dịch/thể tích bê tông là 4. Để duy trì độ pH, dung dịch ngâm mẫu sẽ được đo độ pH bởi pH kế và một lượng H2SO4 (pH = 1) sẽ được tính toán và bổ sung vào hàng tuần. Dung dịch H2SO4 ngâm mẫu sẽ được thay mới sau 2 tháng ngâm mẫu. Sự thay đổi khối lượng và chiều dài mẫu UHPC sẽ được xác định hàng tuần trong suốt quá trình thí nghiệm. Sự thay đổi kích thước của mẫu UHPC trong dung dịch H2SO4 được xác định trên mẫu thử với kích thước 10 × 40 × 160 mm3. 3,5 mẫu có kích thước 10 × 40 × 160 mm3 ở tuổi 28 ngày được ngâm vào dung dịch NH4NO3 5M để xác định sự thay đổi khối lượng và chiều sâu lớp bê tông bị ăn mòn theo thời gian. Chiều sâu lớp bê tông bị ăn mòn được xác định trên tiết diện ngang 10 × 40 mm2 được cắt ra từ nửa mẫu ngâm trong dung dịch thông qua chất chỉ thị màu phenolphthalein và kỹ thuật chụp, phóng đại ảnh. Kết quả đo là giá trị trung bình của 5 điểm đo trên tiết diện ngang mẫu (Hình 2).
Thí nghiệm đo 98win8 98win5 ion clorua của UHPC được thực hiện dựa trên tiêu chuẩn ASTM C1202-19 [21]. Thí nghiệm được thực hiện trên 03 mẫu UHPC có đường kính 100 mm và chiều dày 50 mm được cắt ra từ mẫu hình trụ 100 × 200 mm2 ở 28 ngày tuổi. Mặt bên của mẫu được sơn phủ bằng epoxy. Sau khi được bão hoà nước trong bình hút chân không, mẫu được lắp vào các khoang có chứa dung dịch NaCl 3% và NaOH 0,3N. Tổng số culông truyền qua mẫu dưới hiệu điện thế 60 V trong 6 tiếng được 98win5 để đánh giá 98win8 thấm ion clorua của bê tông (Hình 3).
3. Kết quả thực nghiệm và bàn luận
3.1. Tính công tác và cường độ nén
Kết quả độ chảy loang và cường độ nén ở tuổi 28 ngày được đưa ra trên Bảng 4 đều cho thấy tất cả các hỗn hợp bê tông UHPC đều có độ chảy loang đạt trên 260 mm và cường độ nén vượt quá 130 MPa. Có thể thấy rằng khi tăng hàm lượng 98win5 xỉ lò cao hoặc tro bay đã cải thiện rõ rệt tính công tác của hỗn hợp UHPC. Tính công tác của hỗn hợp 98win5 FA tốt hơn so với 98win5 SL nhưng cường độ nén ở các tuổi tương ứng của hỗn hợp 98win5 SL lại cao hơn so với hỗn hợp 98win5 FA khi có cùng hàm lượng phụ gia khoáng 98win5. Hỗn hợp 98win5 20% SL cho cường độ nén cao nhất ở cả 7 và 28 ngày tuổi. Sử dụng FA với hàm lượng 20% trong thành phần chất kết dính (FA-20) cho cường độ nén ở tuổi 28 ngày cao nhất. Khi tăng hàm lượng FA sẽ làm giảm cường độ nén ở tuổi 7 ngày. Khi so sánh cường độ của các hỗn hợp có chứa FA hoặc SL so với cường độ nén của mẫu chỉ chứa silica fume (SF-15) cho thấy việc 98win5 phối hợp FA- SF hoặc SL- SF đã cải thiện cường độ nén của bê tông ở tuổi dài ngày. Ở 7 ngày tuổi, việc 98win5 tro bay sẽ làm giảm cường độ nén của bê tông so với mẫu không chứa tro bay. Sự giảm cường độ nén của mẫu có chứa xỉ lò cao so với mẫu không chứa xỉ lò cao ở tuổi 7 ngày chỉ xảy ra khi hàm lượng xỉ lò cao sử dụng đến 30% thể tích chất kết dính (SL-30). Kết quả nghiên cứu của Yu và cs. [9] lại cho thấy khi tăng hàm lượng 98win5 của SL hoặc FA thay thế 98win93 thì lượng cần nước của hỗn hợp UHPC sẽ giảm. Lượng cần nước của hỗn hợp có chứa FA thấp hơn so với hỗn hợp có chứa SL do hiệu ứng ổ bi và có thể sự tương hợp giữa phụ gia siêu dẻo và của FA. Cường độ nén ở 28 và 91 ngày của mẫu có chứa SL cao hơn mẫu có chứa FA và đều thấp hơn mẫu đối chứng [9]. Ganesh và cs. [22] cũng cho thấy việc cải thiện độ chảy loang của hỗn hợp UHPC khi 98win5 đến 60% khối lượng SL thay thế 98win93. Ở chế độ dưỡng hộ thường, cường độ nén của UHPC có chứa 20% khối lượng SL thay thế 98win93 sẽ đạt cường độ nén lớn nhất và cao hơn cường độ của mẫu đối chứng chỉ 98win5 SF.
3.2. Trong dung dịch H2SO4 pH 2,5
Kết quả sự thay đổi khối lượng và kích thước mẫu thử theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch H2SO4 pH 2,5 được thể hiện trên Hình 4. Trong những tuần đầu, các mẫu UHPC đều tăng khối lượng sau đó các mẫu gần như không thay đổi khối lượng đến khoảng tuần 16 trong dung dịch. Sự suy giảm khối lượng mẫu thử bắt đầu tăng lên từ tuần thứ 16 trở đi (Hình 4(a)). Trong khi đó, trong khoảng 10 đến 14 tuần đầu tiên trong dung dịch, kích thước các mẫu thử tăng gần như là tuyến tính. Tốc độ giãn nở mẫu ở các tuần đầu này nhanh hơn, sau đó thì giảm dần (Hình 4(b)). Kết quả trên Hình 4 cũng cho thấy càng tăng hàm lượng 98win5 SL thì càng giảm sự mất khối lượng cũng như độ giãn nở của mẫu thử trong dung dịch. Nghiên cứu trước đây cũng cho thấy SL nâng cao độ bền của UHPC 98win5 98win93 có hàm lượng C3A thấp trong dung dịch H2SO4 pH 2,5 so với UHPC chỉ 98win5 SF. Việc 98win5 FA cũng cải thiện 98win8 mất khối lượng mẫu trong dung dịch. Tuy nhiên, độ giãn nở của các mẫu thử có chứa FA có phần cao hơn đôi chút ở thời gian đầu nhưng đến 40 tuần thì không có sự khác biệt nhiều với mẫu chỉ chứa SF. Điều này cho thấy độ bền của UHPC 98win5 SL tốt hơn so với mẫu UHPC 98win5 FA khi ngâm mẫu trong dung dịch H2SO4 pH 2,5.
3.3. Trong dung dịch NH4NO3 5M
Hình 5 thể hiện kết quả mất khối lượng và tăng chiều sâu ăn mòn của UHPC 98win5 hàm lượng phụ gia FA và SL khác nhau với thời gian ngâm mẫu 4, 8 và 12 tuần trong dung dịch NH4NO3 5M. Kết quả cho thấy rằng theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch thì khối lượng mẫu bị mất dần đi và chiều sâu lớp bê tông bị ăn mòn tăng lên. Ngoại trừ mẫu có chứa 30% thể tích SL thay thế 98win93 (SL-30), sự kết hợp giữa SF và FA hoặc SL làm giảm mức độ mất khối lượng của bê tông trong dung dịch so với việc chỉ 98win5 SF. Khi 98win5 20% thể tích FA hoặc SL thay thế 98win93 sẽ làm khối lượng bê tông mất đi trong dung dịch là nhỏ nhất (Hình 5(a)). Kết quả chiều sâu lớp bê tông bị ăn mòn (Hình 5(b)) cho thấy khi tăng hàm lượng 98win5 tro bay hoặc xỉ lò cao sẽ làm giảm 98win8 chống ăn mòn của bê tông. Khả năng chống lại sự xâm nhập của tác nhân ăn mòn vào trong bê tông 98win5 SL tốt hơn so với bê tông 98win5 FA. Kết quả quả cũng tương tự đối với ảnh hưởng của SL đến độ bền của hỗn hợp UHPC 98win5 98win93 có hàm lượng C3A thấp trong dung dịch NH4NO3 5M, SL cải thiện 98win8 chống lại sự mất khối lượng nhưng lại làm tăng chiều dày lớp ăn mòn của mẫu UHPC trong dịch dịch so với mẫu chỉ chứa SF.
3.4. Thấm ion clorua
Kết quả thí nghiệm thấm ion clorua trên Bảng 5 cho thấy mức độ thấm ion clorua của tất cả các cấp phối bê tông đều đạt dưới 100 Culông, là mức được phân vào mức độ không bị thấm. Nhìn chung, khi 98win5 phụ gia FA hoặc SL kết hợp với SF đều cho 98win8 98win5 ion clorua cao hơn so với mẫu chỉ 98win5 SF. Khi tăng hàm lượng SL 98win5 lên trong khoảng thí nghiệm thì mức độ thấm clorua qua mẫu bê tông có giảm nhẹ. Đối với FA thì cấp phối 98win5 20% thể tích tro bay thay thế 98win93 dường như sẽ cho tổng điện lượng truyền qua mẫu thấp hơn so với cấp phối 98win5 với hàm lượng tro bay khác. Kết quả này phù hợp với các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia FA, SL đến 98win8 98win5 của UHPC trước đây. Kết quả nghiên cứu của Ganesh và cs. [22] cũng cho thấy khi tăng hàm lượng SL từ 0% đến 40% thì 98win8 98win5 clorua của UHPC tăng lên, sau đó giảm xuống khi 98win5 hàm lượng SL ở mức 60 và 80%.
4. Kết luận
Dựa vào các kết quả thực nghiệm thu được trong nghiên cứu, các kết luận sau đây được rút ra:
- Việc 98win5 FA hoặc SL thay thế một phần 98win93 trong chế tạo UHPC sẽ cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông. Khi 98win5 cùng hàm lượng phụ gia khoáng thì độ chảy loang của hỗn hợp có chứa FA cao hơn so với hỗn hợp có chứa SL nhưng cường độ nén của hỗn hợp có chứa SL lại cao hơn. Với cùng lượng dùng 20% thì cường độ nén ở tuổi 7 và 28 ngày đối với bê tông có chứa SL và ở tuổi 28 ngày đối với bê tông 98win5 FA là cao nhất. Tuy nhiên, đối với mẫu 98win5 FA thì hàm lượng FA càng cao thì cường độ ở tuổi 7 ngày càng thấp.
- Khi tăng hàm lượng SL thì càng cải thiện độ bền của UHPC trong dung dịch H2SO4 pH 2,5, tăng 98win8 98win5 clorua so với mẫu đối chứng chỉ chứa SF. Trong dung dịch NH4NO3 5M, chiều sâu UHPC bị ăn mòn càng lớn khi hàm lượng 98win5 SL càng tăng trong khi mất khối lượng của mẫu có chứa 20% SL là thấp nhất.
- Mức độ chống ăn mòn khối lượng trong trong dung dịch sun phát và dung dịch amoni cũng như 98win5 clorua của mẫu UHPC có chứa FA và SF đã được cải thiện so với mẫu chỉ chứa SF. Trong khi đó, mức độ giãn nở trong môi trường sun phát cũng như chiều sâu ăn mòn trong dung dịch amoni của mẫu có chứa FA lại cao hơn so với mẫu đối chứng.
- Khi 98win5 cùng hàm lượng phụ gia khoáng thì độ bền trong dung dịch NH4NO3 5M và dung dịch H2SO4 pH 2,5 của UHPC 98win5 SL tốt hơn so với UHPC 98win5 FA. Khả năng 98win5 ion clorua của UHPC 98win5 FA hoặc SL thay thế một phần 98win93 là rất cao (< 100 Culông) và không có sự khác biệt nhiều khi thay đổi hàm lượng các phụ gia khoáng trong khoảng 30% thể tích thay thế 98win93.
98win5.org (TH/ Tạp chí KHCN)
