Các chỉ tiêu cường độ cao của bê tông có thể đạt được bằng cách điều chỉnh tính chất của bê tông thông qua việc tối ưu hóa thành phần hạt của chất độn cũng như giảm độ xốp của bê tông, sử dụng các loại xi măng đặc biệt, phụ gia hóa dẻo, phụ gia có độ phân tán mỏng (cốt liệu). Do vậy, để có thể tạo ra bê tông hạt mịn, việc lựa chọn thành phần nguyên liệu cần bảo đảm không chỉ khối lượng chất thấm cacbon, mà cả sự phân bố hiệu quả các thành phần cấu tạo, bảo đảm cỡ hạt tối ưu của cốt liệu cũng như của các phần tử xi măng. Với điều kiện này, bê tông hạt mịn có độ đặc chắc cao, cường độ ban đầu và cường độ cuối cùng đạt được đều rất cao.
Thông thường, vữa xi măng lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu và làm các hạt này ít nhiều có sự chuyển dịch. Khi các hạt dịch chuyển lại gần nhau, các tính chất của cốt liệu phân tán sẽ có ảnh hưởng rõ rệt tới cường độ bê tông.
Một trong những phương pháp cải thiện tính chất của bê tông hạt mịn - các tính chất cho phép điều chỉnh cấu trúc và có thể làm giảm lượng nguyên liệu của các thành phần trong bê tông - là ứng dụng các cốt liệu phân tán khác nhau ở trạng thái phân tán cao và cực cao. Vật liệu có cấu trúc nano phân tán - loại vật liệu có năng lượng bề mặt dư thừa và có khả năng phản ứng - cần được nghiên cứu tỉ mỉ, đặc biệt là những thay đổi về tính chất của các thành phần. Tuy nhiên, phương pháp tổng hợp hình thành các hỗn hợp phân tán có tỷ trọng tối ưu các thành phần có cấu trúc nhỏ hoặc cấu trúc nano đòi hỏi việc nghiên cứu cách tính toán các thông số năng lượng bề mặt các vật liệu phân tán, dựa vào sự đánh giá độ lưu động nhiệt của năng lượng bề mặt tự do trong các cốt liệu có độ phân tán cao.
Bài viết này nghiên cứu những ảnh hưởng của phụ gia phân tán tới khối lượng riêng của vữa khô trong sản xuất bê tông mịn hạt. Cát sông từ vùng Arkhanghen được sử dụng làm cốt liệu, xi măng portland mác B42,5 được sử dụng làm chất kết dính.
Trọng lượng riêng tiêu chuẩn của cát sông được xác định theo phương pháp quy định trong tiêu chuẩn GOST 5180-84 “Đất. Các phương pháp được tiến hành trong phòng thí nghiệm nhằm xác định các tính chất vật lý”; trọng lượng riêng trung bình và thành phần hạt - theo GOST 8735-88 “Cát dùng trong thi công xây dựng. Các phương pháp thử”.
Các tính chất của cát sông vùng Arkhangen như sau:
Trọng lượng riêng tiêu chuẩn 2,64
trung bình 1,667
Độ rỗng xốp % 36,9
Module độ lớn 2,23
Nhóm cát trung bình
Cát có phẩm chất loại I.
Theo tiêu chuẩn GOST 30459-2008 “Phụ gia dùng cho bê tông và vữa xây dựng. Định nghĩa và đánh giá tính hiệu quả”, cát sông được lựa chọn làm cốt liệu đáp ứng được các yêu cầu đối với nguyên liệu được ứng dụng để tạo nên thành phần cơ bản của bê tông.
Các nhà nghiên cứu đã sử lý cát sông là chủ yếu để thu nhận được phụ gia (cốt liệu) - cát được rửa trước cho sạch các phân tử á sét được sấy khô ở nhiệt độ liên tục 1050C. Từ lượng cát này, các nhà nghiên cứu đã tách riêng các phần tử có kích cỡ lớn hơn 5mm, phần còn lại được nghiền mịn. Nguyên liệu ban đầu được nghiền trên các máy nghiền MB 20-1,5 ứng dụng phương pháp khô làm phân tán cơ học.
Các nhà nghiên cứu đã thu được mẫu ở trạng thái nano phân tán bằng phương pháp quang phổ trên máy đo phổ Shimadzu EDX-800 HS tại Trung tâm thiết bị khoa học Artika. Thành phần hóa học của các phần tử cơ bản trong mẫu thử nghiệm như sau: SiO2 - 58%; MgO - 8%; Al2O 3 - 9%; Fe2O3 - 5%; CaO - 14%.
Thành phần cỡ hạt của cát ở trạng thái phân tán cao được xác định bằng thiết bị phân tích kích cỡ siêu nhỏ (submicro) của các phần tử (Delsa Nano Series Zeta Potential & submicron Particle Sizes Analyzers) và bằng thiết bị phân tích bằng tia laze (Lasentec D600E).
Các kết quả xác định kích cỡ các thành phần của cát ở trạng thái nano phân tán trên thiết bị phân tích với thời gian nghiền 480 phút; và các kết quả xác định kích cỡ và số lượng các phân tử của mẫu cát được nghiên cứu cho thấy: khi phân tích kích cỡ các phân tử trên thiết bị Delsa Nano, chỉ có cấu trúc nano và cấu trúc keo của chất là được tính toán; các phần tử có độ phát tán sâu hơn (là những cấu trúc không bền vững), lắng xuống nhanh chóng. Trong khi đó, thiết bị laze Lasentec D600E cho phép giải được những bài toán liên quan tới việc xác định một cách chuẩn xác sự phân chia phân tử đối với các cấu tử có kích thước lớn hơn 500 nanomet. Do đó, để tiến hành phân tích cấu trúc phân tán tổng hợp về mặt kích cỡ hạt một cách toàn diện - bằng cách sử dụng kỹ thuật nano như đã đề cập tới trên đây - cần kết hợp cả hai phương pháp.
Để xác định tính chất tỷ diện của mẫu cát thí nghiệm ở trạng thái phân tán cao, các nhà nghiên cứu áp dụng phương pháp được xây dựng trên cơ sở học thuyết BET, thực hiện trên thiết bị phân tích Auto Sorb - IQ MP (tỷ diện của mẫu là 1289m2/kg), và áp dụng phương pháp thấm khí trên thiết bị Tovarov (tỷ diện mẫu 971, 77m2/kg).
Một điều dễ nhận thấy là: Có thể đạt được thành phần cỡ hạt tối ưu của vữa bằng cách trộn các thành phần nguyên liệu thực tế với thành phần hạt theo một tỷ lệ tối ưu. Nhằm xác định tỷ lệ thành phần phụ gia cát ở trạng thái phân tán cao, xi măng portland và cát - các tỷ lệ bảo đảm các phân tử đóng khối rắn chắc (vai trò chính của khối lượng riêng của vữa khô), một thí nghiệm đã được tiến hành với việc ứng dụng phép toán quy hoạch trực giao cấu trúc trung tâm, đồng thời thay đổi các thành phần: phần chất kết dính (400 - 600 kg), cát (1400 - 1600 kg), thành phần cát ở trạng thái phân tán cao hoặc cát nano 2 - 6 %, các thông số khác không thay đổi.
Dựa trên những tính toán về việc cân bằng sự thoái hóa, các nhà nghiên cứu đã xây dựng toán đồ trình bày rõ sự phụ thụôc của khối lượng riêng vào thành phần của xi măng và chất phụ gia. Toán đồ cho phép xác định thành phần vữa với kích cỡ hạt tối ưu. Thành phần 1: xi măng 500gr; phụ gia cát nano - 6%. Thành phần 2: cát 1525 g; phụ gia cát nano - 6%.
Phản ứng của khối lượng riêng của vữa khô xây dựng đối với các thành phần được thay đổi đã khẳng định vai trò to lớn của phụ gia cát ở trạng thái nano phấn tán cao đối với việc gia tăng độ đặc chắc của khối phần tử trong các phân tử.
Thành phần tối ưu của phụ gia cũng được xác định bằng tác động của phụ gia tới quá trình thủy hóa xi măng, hình thành khu vực tiếp xúc giữa các phần tử phụ gia và đá xi măng.
Tính hiệu quả của phụ gia cát nano được quy định theo tiêu chuẩn GOST 24211-2008 “Các phụ gia dành cho bê tông và vữa xây dựng. Những điều kiện kỹ thuật chung”, và tiêu chuẩn GOST 30459-2008 “Các phụ gia dành cho bê tông và vữa xây dựng. Định nghĩa và đánh giá hiệu quả”. Theo các tiêu chuẩn này, để đánh giá các tính chất được hình thành của phụ gia được nghiên cứu, cần chuẩn bị các mẫu vữa bê tông không có phụ gia theo tiêu chuẩn GOST 26633-91 “Bê tông nặng và bê tông hạt mịn. Các điều kiện kỹ thuật”, và mẫu vữa bê tông có phụ gia.
Việc chuẩn bị và thử nghiệm trên các mẫu vữa bê tông được tiến hành trong điều kiện nhiệt độ không khí bên ngoài 17…230C theo tiêu chuẩn GOST 10181-2000 “Vữa bê tông. Các phương pháp thử”. Hỗn hợp vữa bê tông được điều chế thủ công (bằng tay). Độ lớn côn sụt hình nón của vữa bê tông có phụ gia cát nano ở trạng thái phân tán cao là 15 cm. Cường độ kháng nén của các mẫu bê tông được xác định ở 1,2,3,7 và 28 ngày tuổi. Các kết quả thử nghiệm cho thấy: Module uốn ban đầu không chỉ xác định các thành phần được nghiên cứu của bê tông có phụ gia. Như vậy, nhờ phương pháp toán đồ, các nhà nghiên cứu đã thu nhận được mô hình khối lượng riêng của vữa khô xây dựng, có phụ thụôc vào thành phần của xi măng, cát, phụ gia cát nano, từ đó có thể thiết lập thành phần tối ưu của bê tông hạt mịn.
Việc cải thiện cường độ của mẫu cơ bản của bê tông dưới 28 ngày tuổi khác so với các mẫu kiểm tra. Cường độ trước tiên gia tăng còn chậm. Tuy nhiên, cường độ sẽ đạt 70% cường độ tiêu chuẩn của các mẫu cơ bản ở bê tông 9 ngày tuổi trong điều kiện nhiệt độ 200C, giống như mẫu kiểm tra.
Sự gia tăng module uốn ban đầu của bê tông ở vữa bê tông có phụ gia có thể nhận thấy rất rõ so với ở vữa bê tông không phụ gia.
Các kết quả trên cho thấy: Tối ưu hóa lượng phụ gia đưa vào dưới dạng cốt liệu có cấu trúc nano phân tán cho phép thu nhận bê tông với các đặc tính được cải thiện về cường độ, và nâng cấp bê tông mà không cần tiêu hao thêm xi măng.
L.Veshniakova (Nguồn: Tạp chí Xây dựng dân dụng & Xây dựng công nghiệp Nga tháng 11/2012)