Nghiên cứu ảnh hưởng xỉ lò cao đến tính chất bê tông mác cao

TÓM TẮT:

Bê tông cường độ siêu cao là một thế hệ bê tông mới, có chất lượng vượt trội, dùng cho các công trình xây dựng như các tòa nhà cao tầng, dầm cầu, bê tông đúc sẵn, cầu, đường cao tốc, cấu kiện bản mỏng, hạng mục đặc biệt,… Bê tông cường độ siêu cao làm từ nguồn nguyên liệu có sẵn ở miền Nam như xỉ, tro bay, silica fume, cát, phụ gia hóa học, xi măng đáp ứng cho các công trình hiện đại.

Bài viết nghiên cứu cấp phối tối ưu dùng 15% xỉ cho bê tông mác siêu cao đạt 122 MPa và có những đặc tính, cơ tính vượt trội[1]. Xỉ dùng trong bê tông giúp giảm giá thành, tạo hiệu quả kinh tế, đồng thời làm giảm lượng chất thải của ngành công nghiệp, bảo vệ môi trường, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững của ngành sản xuất bê tông.

Từ khóa: Xỉ, bê tông cường độ siêu cao, phụ gia hóa học, bê tông.

1. Đặt vấn đề

Xỉ lò cao là sản phẩm phụ của công nghiệp luyện gang thép bằng công nghệ lò cao khép kín. Theo Hiệp hội Thép thế giới, trung bình quá trình sản xuất mỗi tấn thép có thể thu được tới 400kg xỉ lò cao. Ở Việt Nam cũng sản xuất xỉ lò cao nghiền mịn để xuất khẩu, tiêu biểu là xỉ của Thép Hòa Phát Dung Quất. Với hai Khu liên hợp sản xuất gang thép tại Kinh Môn - Hải Dương và Dung Quất - Quảng Ngãi, Hòa Phát có thể cung cấp cho thị trường trong và ngoài nước 2,6 triệu tấn xỉ hạt lò cao nghiền mịn mỗi năm [2]. Việc sử dụng hiệu quả và phổ biến xỉ lò cao trong thay thế xi măng ở Việt Nam là cần thiết bởi chúng giúp gia cố nền đất yếu, giảm nhiệt thủy hóa, tăng bền nhiệt, chống thấm cho bê tông, đáp ứng nhu cầu tăng tuổi thọ cho các công trình, giảm chi phí sản xuất, tăng sức cạnh tranh sản phẩm, bảo vệ môi trường, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và đảm bảo yêu cầu phát triển dài lâu [3],[4].

2. Nguyên liệu

Các nguyên liệu trong đề tài là: Xi măng, cát, nước, phụ gia hóa học, xỉ và các phụ gia khoáng hoạt tính khác. Từng nguyên liệu đều được kiểm tra các tính chất và phải thỏa mãn các tiêu chuẩn khảo sát.

2.1. Xi măng: Đề tài đã sử dụng loại xi măng Vicem Hà Tiên PC40 - Công ty Xi măng VICEM Hà Tiên kiểm tra các chỉ tiêu thí nghiệm đáp ứng theo TCVN 2682: 2009 có cường độ 28 ngày đạt 45,6 MPa [5].

2.2. Phụ gia hóa học: Đề tài dùng Sika ViscoCrete 8100 là chất siêu hoá dẻo công nghệ cao gốc polyme thế hệ thứ 3 với hiệu quả thúc đẩy đông cứng cho bê tông [6]. Phù hợp với tiêu chuẩn ASTM C494 loại F. Dựa vào khảo sát, nghiên cứu chọn 3% phụ gia Sika để tính cấp phối.

2.3. Xỉ lò cao: Xỉ trong đề tài là xỉ Hòa Phát sản xuất tại Nhà máy Nhiệt điện Hòa Phát ở Dung Quất, Quảng Ngãi. Nguyên liệu thỏa mãn được tính chất theo TCVN 11586:2016.

2.4. Silica Fume (SF), Tro bay (TB): Silica Fume dùng trong đề tài là Elkem microsilica® 920 dạng nén 25 kg, nguyên liệu thỏa mãn TCVN 8827:2011. Tro bay dùng là tro bay duyên hải 1 ở Đồng bằng sông Cửu Long, thỏa mãn TCVN 10302:2014. Các phụ gia khoáng được đem đi khảo sát tính chất như Bảng 1.

2.5. Cát quartz: Cát có nguồn từ cát Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa. Đề tài dùng cát mịn (0,3 và 0,8) [7], cát nghiền [8] đã được đem khảo sát tính chất theo các phương pháp thử như Bảng 2.

Bảng 1. Tính chất cơ lý của xỉ Hòa Phát, Silica Fume (SF) và tro bay (TB)

 Bảng 2. Các chỉ tiêu kỹ thuật của Cát quartz

 3. Kết quả và nhận xét

Đề tài tiến hành các nghiên cứu thông qua các phương pháp thực hiện: Xác định lượng nước tiêu chuẩn, độ giảm nước của phụ gia, cường độ nén, uốn với hàm lượng xỉ thay đổi. Thêm vào đó, khảo sát laser sự phân bố kích thước hạt đối với mẫu chứa xỉ cho cường độ cao nhất và mẫu có cả 3 phụ gia khoáng.

3.1. Lượng nước tiêu chuẩn: Lượng nước tiêu chuẩn của các mẫu thực hiện theo TCVN 6017:1995. Khi dùng phụ gia giúp giảm nước cao (tạo cường độ và tính chống thấm cao), thúc đẩy phát triển cường độ. Chất lượng bê tông tốt hơn nhờ giảm lỗ rỗng khi giảm được lượng nước dùng. Với lượng dùng là 3% thì cho độ giảm nước lên đến 46,3%. 

Bảng 3. Kết quả độ giảm nước của phụ gia cho bê tông

3.2. Cấp phối sử dụng xỉ

Lượng xỉ thay thế xi măng ở 0%; 5%; 10%; 15%; 20%. Sika Viscocrete 8100 thay đổi giảm theo phần trăm độ giảm của xi măng bởi tỉ lệ Phụ gia/ CKD là 3% (ở đây CKD là xi măng). Mặc dù thay đổi tỉ lệ phụ gia khoáng là xỉ vẫn phải đảm bảo 1m³, sau đó cố định tỉ lệ cát 0,3: cát 0,8: cát nghiền là 1: 2 : 1.

Bảng 4. Cấp phối trên 1m³ bê tông đối với các tỉ lệ xỉ

Hình 1: Biểu đồ cường độ uốn của các cấp phối khi thay đổi tỷ lệ xỉ

Cường độ uốn, nén của các cấp phối tăng dần theo lượng phần trăm thay thế xi măng của xỉ tăng. Ở 28 ngày tuổi, cấp phối 15X đạt cường độ nén cao nhất là 98,9 ± 1,8 MPa và thấp nhất là 0X có cường độ là 81,2 ± 0,2 MPa. 

Hình 2: Biểu đồ cường độ nén của các cấp phối khi thay đổi tỷ lệ xỉ

Kết quả cho thấy, mẫu chứa xỉ trong thành phần cho hiệu quả về cường độ uốn, nén tốt hơn mẫu không chứa xỉ ở cường độ trễ ngày bởi các phản ứng trong quá trình thủy hóa.

3.3. Kết quả lỗ rỗng

Độ rỗng của vật liệu là tỷ lệ phần trăm thể tích pha không phải rắn (khí, lỏng) trên thể tích tự nhiên của khối vật liệu. Dựa vào khối lượng thể tích  và khối lượng riêng  của bê tông xác định độ rỗng của các mẫu theo công thức:

Độ rỗng của mẫu 15X nhỏ nhất với 5,58% và cường độ nén khảo sát ở trên cao nhất, khối lượng thể tích cao hơn các cấp phối khác khi đạt 2,37%. Chọn ra được 15X là cấp phối có phần trăm xỉ tối ưu để đưa vào cấp phối hỗn hợp tối ưu. Tương tự khi khảo sát độ rỗng của Silica Fume và tro bay, lần lượt thu được kết quả độ rỗng thấp, khối lượng thể tích cao và cường độ cao nhất là 20S với 5,18% và 10F là nhỏ nhất - với 6,77%. Chọn được 15X, 20S, 10F làm tỷ lệ phần trăm đưa vào cấp phối.

3.4. Kết quả mẫu hỗn hợp

Cấp phối hỗn hợp dùng 15% xỉ, 20% Silica Fume, 10% tro bay khối lượng xi măng. Thông qua kết quả tính toán cấp phối tối ưu hỗn hợp gồm đủ các phụ gia khoáng, tiến hành đổ mẫu, bảo dưỡng sau đó kiểm tra các tính chất. Đo thí nghiệm cường độ nén, uốn theo TCVN 6016:2011. 

Bảng 6. Cấp phối của mẫu hỗn hợp tối ưu

   Hình 3. Biểu đồ cường độ uốn               Hình 4. Biểu đồ cường độ nén 

 Mẫu đạt được cường độ uốn khá cao là 35,0 MPa ở 28 ngày: Cường độ nén ở 7 ngày tuổi đã tăng lên 99,8 ± 1,4 MPa và ở 28 ngày thì cường độ là 121,9 ± 0,9 MPa.

Xét về độ rỗng đã được đo, so với các mẫu đã khảo sát ở trên thì mẫu tối ưu cho độ rỗng thấp nhất là 4,78%, khối lượng thể tích 2,39 g/cm³ và cường độ là cao nhất là 121,9 MPa.

Tương ứng với độ rỗng các mẫu tăng dần thì cường độ giảm dần và khối lượng thể tích giảm dần.

3.5. Đường phối hạt của nguyên liệu và các cấp phối

Dựa vào biểu đồ đường và kết quả nhiễu xạ kích thước hạt laser đã khảo sát, ta nhận được kết quả: Kích thước hạt của xỉ nhỏ nhất (D_tb=17,96 µm), sau đó đến xi măng (D_tb=22,70 µm), Silica Fume (D_tb = 27,22 µm), tro bay (D_tb = 37,05 µm), cát nghiền (D_tb = 53,98 µm), cát 0,3 (D_tb = 306,00 µm) và cát 0,8 (D_tb = 309,56 µm).  Do đó, khi phối hợp các nguyên liệu với nhau sẽ tạo ra hiện tượng điền đầy lỗ trống do các hạt kích thước lớn tạo ra bằng các hạt có kích thước nhỏ hơn. 

Hình 5. Biểu đồ tích lũy kích thước hạt của nguyên liệu

và các cấp phối 15X

Đường phần trăm tích lũy kích thước hạt của cấp phối tối ưu nằm về phía tích lũy hạt nhỏ hơn 15X và những biểu hiện về các tính chất như cường độ nén, uốn; độ rỗng của tối ưu cho cường độ cao hơn 15X. Điều này cho thấy, kích thước hạt nhỏ của phụ gia khoáng tạo khả năng điền đầy, giảm lỗ rỗng, tăng độ đặc - chắc và cho hiệu quả cao hơn về cường độ.

4. Kết luận

Đề tài nghiên cứu đã đưa ra tỉ lệ sử dụng xỉ Hòa Phát trong cấp phối bê tông mác cao là 15% cho cường độ nén ở 28 ngày là 98,9 MPa, cường độ uốn là 33,2 MPa, độ rỗng là 5,58%, khối lượng thể tích 2,37 g/cm³. Bên cạnh đó, cấp phối dùng cả ba phụ gia khoáng 15% xỉ; 20% Silica Fume; 10% tro bay cho độ rỗng thấp nhất là 4,78%;khối lượng thể tích 2,39 g/cm³; cường độ là cao nhất là 121,9 MPa và khả năng điền đầy hạt nhỏ vào lỗ trống giữa các hạt có kích thước lớn hơn.

Lưu ý: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, trong khuôn khổ đề tài mã số T-CNVL-2020-42.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Nguyễn Công Thắng, Nguyễn Văn Tuấn, Phạm Hữu Hanh, Nguyễn Trọng Lâm (2013). Nghiên cứu chế tạo Bê tông chất lượng siêu cao sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng Silica Fume và Tro bay sẵn có ở Việt Nam. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng 2013, số 2, tr.24-31.
2. Thục Quyên (2020). Lần đầu tiên Việt Nam xuất khẩu xỉ hạt lò cao nghiền mịn S95. <https://www.tienphong.vn/kinh-te/lan-dau-tien-viet-nam-xuat-khau-xi-hat-lo-cao-nghien-min-s95-1719510.tpo.>
3. Quỳnh Trang (2016). Xỉ lò cao trong sản xuất xi măng và bê tông (P2). <https://ximang.vn/nguyen-nhien-lieu/xi-lo-cao-trong-san-xuat-xi-mang-va-betong-p2--8728.htm.>
4. Đỗ Quang Minh, Trần Bá Việt (2009). Công nghệ sản xuất xi măng Pooc Lăng và các chất kết dính vô cơ. NXB Đại học Quốc gia, TP. Hồ Chí Minh.

5. Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Ngọc Long, Nguyễn Đức Thị Thu Định (2004). Phụ gia và hóa chất dùng cho bê tông, NXB Xây dựng, Hà Nội.
6. Trần Bá Việt (2015), U.H.S., Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép và tro trấu đến bê tông cường độ siêu cao - UHPSFC. Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng. số 1: p. 116-118.
7. Ramachandran V. S. (1995). Concrete admixtures handbook: Properties, Science, and Technology, Noyes Publications.
8. Vương Hằng (2018). Biến xỉ hạt lò cao thành vật liệu xây dựng: HPG sẽ có thêm hàng trăm tỷ đồng mỗi năm. <https://viettimes.vn/bien-xi-hat-lo-cao-thanh-vat-lieu-xay-dung-hpg-se-cothem-hang-tram-ty-dong-moi-nam-305535.htm>

AN ANALYSIS IN THE EFFECT OF SLAG ON

THE PRODUCTION OF ULTRA-HIGH PERFORMANCE CONCRETE

Master. Le Minh Son¹

Phung Thi Hoa Mai¹  

Ph.D Tran Ba Viet²

Master. Nguyen Vu Uyen Nhi­­¹

Master. Huynh Ngoc Minh¹

¹ Ho Chi Minh City University of Technology

² Vietnam Institute for Building Science and Technology

ABSTRACT:

Ultra-high performance concrete (UHPC) is a new concrete generation with superior quality and it is used in the construction of high-rise buildings, bridge girders, precast concrete, bridges, highways, plate structure, and special items. The UHPC can be produced from materials like slag, fly ash, silica fume, sand, chemical additives and cement which are available in Southern Vietnam. This study examines the mix proportion of UHPC with 15% slag at 122 MPa to have outstanding mechanical properties. The use of slag in the UHPC production would reduce the costs, increase the economic efficiency and reduce the amount of industrial waste, protecting environment and natural resources, and supporting the sustainable development of concrete industry.

Keywords: Slag, ultra-high performance concrete, chemical admixture, concrete.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, 

Số 28, tháng 12 năm 2021]