Luận án tiến sĩ evaluation of the cementing efficiency factor of low calcium fly ash for strength development and chloride penetration resistance of concretes

Luận án tiến sĩ đánh giá hiệu quả tro bay ít canxi trong bê tông: phát triển cường độ, chống thấm clorua. Nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu xây dựng.

• Tác giả: Huynh Tan Phat
• Người hướng dẫn: Prof. Kenji Kawai
• Trường học: Hiroshima University
• Chuyên ngành: Civil and Environmental Engineering
• Đề tài: EVALUATION OF THE CEMENTING EFFICIENCY FACTOR OF LOW-CALCIUM FLY ASH FOR STRENGTH DEVELOPMENT AND CHLORIDE-PENETRATION RESISTANCE OF CONCRETES
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hiroshima

Mục lục chi tiết

• TÓM TẮT
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tổng quan
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Bố cục luận án
• 1.5. Tài liệu tham khảo Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Tính chất của tro bay
• 2.2. Tính chất của bê tông tro bay
• 2.3. HỆ SỐ HIỆU QUẢ KẾT DÍNH (GIÁ TRỊ K)
• 2.3.1. Giá trị k của tro bay đối với sự phát triển cường độ của bê tông
• 2.3.2. Giá trị k của tro bay đối với khả năng kháng thấm clo của bê tông
• 2.4. TÓM TẮT
• 2.5. Tài liệu tham khảo Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 3.1. TRỘN, ĐÚC VÀ BẢO DƯỠNG
• 3.2. Cường độ chịu nén của bê tông
• 3.3. Thí nghiệm ngâm đối với mẫu bê tông
• 3.4. Mức độ phản ứng của tro bay trong hồ xi măng
• 3.5. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.6. Hàm lượng Portlandite (CH) trong hồ xi măng
• 3.7. Phân bố kích thước lỗ rỗng của hồ xi măng
• 3.8. TÓM TẮT
• 3.9. Tài liệu tham khảo Chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA LOẠI XI MĂNG VÀ TỶ LỆ NƯỚC TRÊN CHẤT KẾT DÍNH ĐẾN GIÁ TRỊ K CỦA TRO BAY HÀM LƯỢNG CANXI THẤP ĐỐI VỚI SỰ PHÁT TRIỂN CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG
• 4.1. KẾT QUẢ VỀ MỨC ĐỘ PHẢN ỨNG CỦA TRO BAY TRONG HỒ XI MĂNG VÀ PHÂN TÍCH NHIỄU XẠ TIA X
• 4.1.1. Kết quả mức độ phản ứng của tro bay trong hồ xi măng
• 4.1.2. Kết quả phân tích XRD
• 4.2. HÀM LƯỢNG CH VÀ ĐÁNH GIÁ SỰ TIÊU THỤ CH TRONG HỒ XI MĂNG
• 4.2.1. Hàm lượng CH trong hồ xi măng
• 4.2.2. Đánh giá sự tiêu thụ CH trong hồ xi măng
• 4.3. CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ GIÁ TRỊ K CỦA TRO BAY ĐỐI VỚI SỰ PHÁT TRIỂN CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG
• 4.3.1. Cường độ chịu nén của bê tông
• 4.3.2. Đánh giá giá trị k của tro bay đối với sự phát triển cường độ bê tông
• 4.4. TÓM TẮT
• 4.5. Tài liệu tham khảo Chương 4
• 5. CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ ĐƠN GIẢN GIÁ TRỊ K CỦA TRO BAY HÀM LƯỢNG CANXI THẤP ĐỐI VỚI KHẢ NĂNG KHÁNG THẤM CLO CỦA BÊ TÔNG
• 5.1. BIỂU ĐỒ PHÂN BỐ NỒNG ĐỘ CLO VÀ ĐÁNH GIÁ GIÁ TRỊ K ĐỐI VỚI KHẢ NĂNG KHÁNG THẤM CLO CỦA BÊ TÔNG
• 5.1.1. Biểu đồ phân bố nồng độ clo
• 5.1.2. Đánh giá giá trị k của tro bay sử dụng hệ số khuếch tán clo
• 5.2. ĐỘ SÂU THẤM CLO VÀ ĐÁNH GIÁ GIÁ TRỊ K THEO PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN ĐƠN GIẢN
• 5.2.1. Độ sâu thấm clo
• 5.2.2. Đánh giá giá trị k của tro bay sử dụng độ sâu thấm clo
• 5.3. PHÂN BỐ KÍCH THƯỚC LỖ RỖNG CỦA HỒ XI MĂNG
• 5.4. TÓM TẮT
• 5.5. Tài liệu tham khảo Chương 5
• 6. CHƯƠNG 6: THẢO LUẬN VỀ GIÁ TRỊ K CỦA TRO BAY HÀM LƯỢNG CANXI THẤP ĐỐI VỚI SỰ PHÁT TRIỂN CƯỜNG ĐỘ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG THẤM CLO CỦA BÊ TÔNG
• 6.1. MỐI QUAN HỆ GIỮA GIÁ TRỊ K CỦA TRO BAY ĐỐI VỚI SỰ PHÁT TRIỂN CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG VÀ MỨC ĐỘ PHẢN ỨNG CỦA TRO BAY
• 6.2. ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ PHẢN ỨNG CỦA TRO BAY ĐẾN GIÁ TRỊ K ĐỐI VỚI KHẢ NĂNG KHÁNG THẤM CLO CỦA BÊ TÔNG
• 6.3. SỰ KHÁC BIỆT GIỮA GIÁ TRỊ K ĐỐI VỚI CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN VÀ GIÁ TRỊ K ĐỐI VỚI KHẢ NĂNG KHÁNG THẤM CLO
• 6.4. TÓM TẮT
• 6.5. Tài liệu tham khảo Chương 6
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 7.1. KẾT LUẬN
• 7.2. KIẾN NGHỊ

Tóm tắt

I. Tro Bay Ít Canxi Trong Bê Tông Tổng Quan Và Ưu Điểm Lớn

Tro bay, một phụ gia khoáng hoạt tính từ các nhà máy nhiệt điện than, ngày càng được sử dụng rộng rãi trong bê tông. Việc sử dụng tro bay mang lại nhiều lợi ích về kinh tế, kỹ thuật và môi trường. Nó giúp giảm phát thải CO2, hạ giá thành xây dựng, cải thiện tính công tác bê tông và nâng cao độ bền bê tông. Đặc biệt, tro bay ít canxi (còn gọi là tro bay loại F) thể hiện những ưu điểm vượt trội trong việc cải thiện khả năng chống thấm clorua và duy trì cường độ bê tông lâu dài. Nghiên cứu của Huynh Tan Phat (2021) nhấn mạnh vai trò của tro bay như một giải pháp bê tông bền vững, góp phần vào mục tiêu giảm phát thải CO2 trong xây dựng toàn cầu. Bài viết này sẽ đi sâu vào đánh giá hiệu quả sử dụng tro bay ít canxi trong bê tông, tập trung vào cường độ và khả năng chống lại sự xâm nhập của clorua.

1.1. Vai trò của tro bay ít canxi trong bê tông hiện đại

Tro bay ít canxi, với thành phần chủ yếu là silicat vô định hình, phản ứng với canxi hydroxit (CH) được tạo ra trong quá trình thủy hóa xi măng. Phản ứng puzolan này tạo ra các sản phẩm hydrat hóa bổ sung, lấp đầy các lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông, làm tăng độ bền và giảm tính thấm. Việc sử dụng tro bay góp phần quan trọng trong việc tạo ra vật liệu xây dựng xanh và bê tông bền vững, đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe về bảo vệ môi trường. Các tiêu chuẩn đánh giá bê tông tro bay ngày càng được hoàn thiện để đảm bảo chất lượng và hiệu quả sử dụng.

1.2. Lợi ích kinh tế kỹ thuật và môi trường khi dùng tro bay

Việc thay thế một phần xi măng bằng tro bay giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất bê tông. Đồng thời, tro bay cải thiện tính công tác bê tông, giúp dễ dàng thi công và giảm thiểu hiện tượng phân tầng, tách nước. Về mặt môi trường, việc sử dụng tro bay làm giảm nhu cầu sản xuất xi măng, từ đó giảm phát thải khí CO2, một trong những nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu. Ứng dụng tro bay trong bê tông là một giải pháp hiệu quả cho việc xử lý chất thải công nghiệp, biến chất thải thành nguồn tài nguyên có giá trị.

II. Thách Thức Ảnh Hưởng Clorua Và Bài Toán Cường Độ Bê Tông

Sự xâm nhập của clorua là một trong những nguyên nhân chính gây ra ăn mòn cốt thép trong bê tông, đặc biệt trong môi trường biển và các khu vực sử dụng muối khử băng. Ăn mòn cốt thép làm giảm độ bền và tuổi thọ của công trình. Ngoài ra, việc sử dụng tro bay đôi khi gây ra lo ngại về sự suy giảm cường độ bê tông ban đầu. Do đó, việc đánh giá hiệu quả sử dụng tro bay trong bê tông, đặc biệt là khả năng chống thấm clorua và duy trì cường độ, là vô cùng quan trọng. Các nhà nghiên cứu liên tục tìm kiếm các phương pháp tối ưu hóa tỷ lệ tro bay thay thế xi măng để đạt được hiệu quả cao nhất.

2.1. Tác động của clorua đến sự ăn mòn cốt thép trong bê tông

Clorua xâm nhập vào bê tông thông qua các lỗ rỗng và vết nứt, phá vỡ lớp bảo vệ thụ động xung quanh cốt thép. Khi nồng độ clorua vượt quá ngưỡng cho phép, quá trình ăn mòn bắt đầu, dẫn đến sự hình thành gỉ sét, làm tăng thể tích và gây ra ứng suất bên trong bê tông, cuối cùng dẫn đến nứt vỡ và phá hủy công trình. Việc kiểm soát và giảm thiểu sự xâm nhập của clorua là yếu tố then chốt để đảm bảo độ bền của các công trình bê tông, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt.

2.2. Lo ngại về cường độ bê tông khi sử dụng tro bay thay thế xi măng

Việc thay thế xi măng bằng tro bay có thể làm giảm cường độ bê tông ban đầu, đặc biệt là trong giai đoạn sớm. Điều này là do tro bay phản ứng chậm hơn xi măng, cần thời gian để phát huy hết khả năng puzolan. Tuy nhiên, về lâu dài, bê tông tro bay thường đạt được cường độ tương đương hoặc thậm chí cao hơn so với bê tông thông thường, nhờ vào sự phát triển của các sản phẩm hydrat hóa bổ sung từ phản ứng puzolan. Việc lựa chọn tỷ lệ tro bay phù hợp và đảm bảo điều kiện bảo dưỡng tốt là rất quan trọng để đạt được cường độ mong muốn.

III. Phương Pháp Đánh Giá Thí Nghiệm Cường Độ Và Chống Thấm Clorua

Để đánh giá hiệu quả sử dụng tro bay ít canxi trong bê tông, cần thực hiện các thí nghiệm về cường độ và khả năng chống thấm clorua. Thí nghiệm cường độ bê tông tro bay thường bao gồm đo cường độ chịu nén tại các thời điểm khác nhau (ví dụ: 7 ngày, 28 ngày, 90 ngày). Thí nghiệm khả năng chống thấm clorua có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, như đo hệ số khuếch tán clorua hoặc độ sâu xâm nhập clorua sau một thời gian tiếp xúc với dung dịch muối. Kết quả thí nghiệm sẽ cung cấp dữ liệu quan trọng để xác định tỷ lệ tro bay tối ưu và dự đoán tuổi thọ của công trình.

3.1. Quy trình thí nghiệm cường độ nén của bê tông tro bay

Thí nghiệm cường độ nén là một trong những thí nghiệm cơ bản nhất để đánh giá chất lượng bê tông. Mẫu bê tông được đúc thành hình trụ hoặc hình lập phương, sau đó được nén dưới tác dụng của lực cho đến khi phá hủy. Cường độ nén được tính bằng tỷ số giữa lực phá hủy và diện tích chịu lực. Thí nghiệm này thường được thực hiện theo các tiêu chuẩn quốc tế như ASTM C39 hoặc EN 12390. Các yếu tố như kích thước mẫu, tốc độ gia tải và điều kiện bảo dưỡng cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo kết quả chính xác.

3.2. Các phương pháp thí nghiệm khả năng chống thấm clorua hiệu quả

Có nhiều phương pháp thí nghiệm khả năng chống thấm clorua, bao gồm thí nghiệm khuếch tán clorua ổn định (steady-state diffusion test), thí nghiệm khuếch tán clorua không ổn định (non-steady-state diffusion test), thí nghiệm điện trở suất (electrical resistivity test) và thí nghiệm ngâm trong dung dịch muối. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các mục đích đánh giá khác nhau. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào điều kiện thực tế và yêu cầu của công trình.

3.3. Xác định hệ số hiệu quả xi măng k value của tro bay ít canxi

Hệ số hiệu quả xi măng (k-value) là một chỉ số quan trọng để đánh giá đóng góp của tro bay vào cường độ và độ bền của bê tông. Nó thể hiện khả năng của tro bay thay thế xi măng mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất của bê tông. Việc xác định k-value giúp thiết kế cấp phối bê tông chính xác hơn, đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật khi sử dụng tro bay. Nghiên cứu của Huynh Tan Phat (2021) đề xuất các phương pháp đơn giản để xác định k-value dựa trên kết quả thí nghiệm độ sâu xâm nhập clorua, giúp đơn giản hóa quá trình đánh giá.

IV. Nghiên Cứu Thực Tế Ảnh Hưởng Loại Xi Măng Và Tỷ Lệ Nước Chất Kết Dính

Nghiên cứu của Huynh Tan Phat (2021) đã chỉ ra rằng loại xi măng và tỷ lệ nước/chất kết dính (W/B) có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả sử dụng tro bay ít canxi trong bê tông. Loại xi măng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng puzolan của tro bay, trong khi tỷ lệ W/B ảnh hưởng đến cường độ ban đầu và khả năng chống thấm của bê tông. Nghiên cứu cũng đề xuất một phương trình điều chỉnh để đánh giá chính xác lượng canxi hydroxit (CH) tiêu thụ trong quá trình phản ứng puzolan, từ đó hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của tro bay.

4.1. Tác động của loại xi măng đến phản ứng puzolan của tro bay

Các loại xi măng khác nhau có thành phần khoáng và độ mịn khác nhau, ảnh hưởng đến tốc độ thủy hóa và lượng CH được tạo ra. Tro bay phản ứng với CH để tạo ra các sản phẩm hydrat hóa bổ sung, lấp đầy các lỗ rỗng và cải thiện độ bền của bê tông. Nghiên cứu cho thấy rằng xi măng Portland thông thường (OPC) và xi măng Portland cường độ cao (HSPC) có ảnh hưởng khác nhau đến tốc độ phản ứng puzolan của tro bay, do sự khác biệt về độ mịn và thành phần khoáng.

4.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước chất kết dính đến cường độ và độ bền

Tỷ lệ W/B là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến cường độ và độ bền của bê tông. Tỷ lệ W/B thấp giúp giảm độ rỗng và tăng mật độ của bê tông, dẫn đến cường độ cao hơn và khả năng chống thấm tốt hơn. Tuy nhiên, tỷ lệ W/B quá thấp có thể gây khó khăn trong quá trình thi công. Việc lựa chọn tỷ lệ W/B phù hợp là rất quan trọng để cân bằng giữa cường độ, độ bền và tính công tác của bê tông.

V. Kết Quả Tro Bay Ít Canxi Cải Thiện Khả Năng Chống Thấm Clorua Vượt Trội

Nghiên cứu đã chứng minh rằng tro bay ít canxi có thể cải thiện đáng kể khả năng chống thấm clorua của bê tông. Việc thay thế xi măng bằng tro bay giúp giảm độ sâu xâm nhập clorua và tăng hệ số chống thấm của bê tông. Kết quả cũng cho thấy rằng k-value của tro bay đối với khả năng chống thấm clorua cao hơn so với k-value đối với cường độ nén, cho thấy tro bay đặc biệt hiệu quả trong việc bảo vệ bê tông khỏi sự xâm nhập của clorua. Ứng dụng tro bay trong bê tông biển là một ví dụ điển hình về hiệu quả của vật liệu này trong môi trường khắc nghiệt.

5.1. Giảm độ sâu xâm nhập clorua nhờ tro bay ít canxi

Tro bay lấp đầy các lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông, làm giảm kích thước và số lượng các mao quản, từ đó hạn chế sự xâm nhập của clorua. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng bê tông chứa tro bay có độ sâu xâm nhập clorua thấp hơn đáng kể so với bê tông thông thường, đặc biệt sau thời gian tiếp xúc lâu dài với dung dịch muối.

5.2. Tăng hệ số chống thấm clorua của bê tông khi có tro bay

Hệ số chống thấm clorua là một chỉ số quan trọng để đánh giá khả năng chống lại sự xâm nhập của clorua của bê tông. Bê tông có hệ số chống thấm cao sẽ có tuổi thọ cao hơn trong môi trường biển hoặc các khu vực sử dụng muối khử băng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng tro bay giúp tăng hệ số chống thấm clorua của bê tông, cho thấy tro bay có khả năng bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn hiệu quả.

VI. Kết Luận Tro Bay Giải Pháp Bền Vững Cho Bê Tông Chịu Mặn

Đánh giá hiệu quả sử dụng tro bay ít canxi trong bê tông cho thấy đây là một giải pháp đầy tiềm năng để cải thiện cường độ và khả năng chống thấm clorua của vật liệu này. Việc sử dụng tro bay không chỉ mang lại lợi ích về kinh tế và môi trường mà còn giúp tăng độ bền và tuổi thọ của các công trình bê tông, đặc biệt trong môi trường biển. Nghiên cứu sâu hơn về tối ưu hóa tỷ lệ tro bay và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của nó sẽ mở ra những ứng dụng rộng rãi hơn trong tương lai. Bê tông bền vững và vật liệu xây dựng xanh sẽ ngày càng đóng vai trò quan trọng trong ngành xây dựng toàn cầu.

6.1. Tóm tắt những ưu điểm vượt trội của bê tông tro bay ít canxi

Bê tông tro bay ít canxi thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội so với bê tông thông thường, bao gồm giảm chi phí sản xuất, cải thiện tính công tác, tăng cường độ và độ bền, đặc biệt là khả năng chống thấm clorua, và góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc giảm phát thải CO2. Đây là một giải pháp bền vững và hiệu quả cho ngành xây dựng, đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe về chất lượng và môi trường.

6.2. Hướng nghiên cứu và ứng dụng tiềm năng trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa tỷ lệ tro bay và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của nó, như kích thước hạt tro bay, loại xi măng và điều kiện bảo dưỡng. Việc nghiên cứu về ứng dụng tro bay trong bê tông chịu tải trọng động và trong các công trình đặc biệt (ví dụ: bê tông biển, bê tông chịu mặn) cũng rất quan trọng. Sự phát triển của các tiêu chuẩn đánh giá bê tông tro bay sẽ thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi hơn vật liệu này trong ngành xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sản xuất xi măng hiện nay đóng góp khoảng 5% đến 8% tổng lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu. Việc ứng dụng tro bay có hàm lượng canxi thấp từ các nhà máy nhiệt điện đốt than để thay thế một phần xi măng Poóc-lăng là giải pháp then chốt nhằm phát triển vật liệu xây dựng xanh. Tuy nhiên, tro bay loại F thường có hoạt tính thủy lực ban đầu rất thấp, dẫn đến việc đánh giá đóng góp thực tế của nó vào cường độ và độ bền của bê tông gặp nhiều thách thức trong thiết kế cấp phối.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá định lượng hệ số hiệu quả xi măng của tro bay canxi thấp đối với quá trình phát triển cường độ chịu nén và khả năng kháng xâm nhập ion clorua trong dài hạn. Nghiên cứu thực hiện đánh giá thực nghiệm toàn diện trong phạm vi thời gian bảo dưỡng từ 3 ngày đến 364 ngày và thời gian phơi nhiễm dung dịch muối kéo dài tới 39 tuần. Kết quả nghiên cứu làm sáng tỏ cơ chế phản ứng pozzolanic, sự tiêu thụ canxi hydroxit và mức độ tinh chế cấu trúc lỗ rỗng vi mô.

Nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn lớn khi cung cấp hệ số quy đổi chính xác, giúp tối ưu hóa hàm lượng tro bay thay thế từ 20% đến 40% khối lượng xi măng. Điều này cho phép giảm thiểu từ 15% đến 30% lượng xi măng tiêu thụ, đồng thời duy trì độ bền vượt trội trước tác nhân ăn mòn xâm thực trong môi trường biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết hệ số hiệu quả xi măng được khởi xướng bởi Smith, trong đó lượng tro bay được nhân với một hệ số tương đương để xác định tỷ lệ nước trên chất kết dính hiệu quả. Mô hình phản ứng pozzolanic theo Papadakis và Daimon cũng được tích hợp nhằm phân tích phản ứng giữa silica vô định hình trong tro bay với canxi hydroxit sinh ra từ quá trình thủy hóa xi măng.

Ba khái niệm học thuật then chốt được phát triển chuyên sâu gồm: hệ số hiệu quả cường độ chịu nén, hệ số hiệu quả kháng xâm nhập ion clorua, và mức độ phản ứng của hạt tro bay. Ngoài ra, định luật khuếch tán Fick thứ hai và mô hình biến đổi cấu trúc lỗ rỗng vi mô đóng vai trò là cơ sở để liên kết giữa biến đổi pha hóa học và các đặc tính cơ lý vĩ mô của bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ các mẫu paste và bê tông chế tạo tại phòng thí nghiệm của Đại học Hiroshima. Vật liệu sử dụng gồm tro bay canxi thấp Loại II theo tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản JIS A 6201 có độ mịn Blaine đạt 3530 cm2/g, hàm lượng vô định hình 12.8% và mất khi nung 1.08%. Hai loại xi măng chuẩn theo tiêu chuẩn JIS R 5210 được đối chứng là xi măng Poóc-lăng thường có độ mịn 3290 cm2/g chứa 4.2% canxi cacbonat và xi măng Poóc-lăng cường độ sớm có độ mịn 4450 cm2/g.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm hơn 180 mẫu hình trụ và lăng trụ với các tỷ lệ nước trên chất kết dính biến thiên từ 0.30 đến 0.60. Phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng nhằm loại bỏ sai số cục bộ trong quá trình đúc và dưỡng hộ mẫu. Lý do lựa chọn tổ hợp các phương pháp phân tích nâng cao bao gồm:

• Phương pháp hòa tan chọn lọc axit để xác định chính xác mức độ phản ứng của tro bay qua từng giai đoạn.
• Nhiễu xạ tia X kết hợp tinh chỉnh Rietveld nhằm định lượng các pha khoáng và tinh thể monocarbonate, ettringite.
• Đo độ sâu thâm nhập ion clorua bằng phương pháp phun dung dịch bạc nitrat 0.1M kết hợp chuẩn độ đo nồng độ clorua theo chiều sâu sau các mốc ngâm 13, 26 và 39 tuần trong dung dịch natri clorua 10%.
• Phương pháp ép thủy ngân đo phân bố độ xốp để đánh giá mức độ lấp đầy lỗ rỗng vi mô.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện quan trọng có ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Thứ nhất, loại xi măng ảnh hưởng sâu sắc đến hệ số hiệu quả cường độ của tro bay. Mặc dù mức độ phản ứng tro bay trong hồ xi măng thường thấp hơn trong hồ xi măng cường độ sớm, bê tông xi măng thường phối trộn tro bay lại ghi nhận sự gia tăng cường độ nén mạnh mẽ hơn nhờ sự hiện diện của 4.2% calcite giúp ổn định khoáng monocarbonate và ettringite.

Thứ hai, tỷ lệ nước trên chất kết dính thấp (0.30) thúc đẩy hiệu ứng tăng tốc thủy hóa xi măng ở giai đoạn sớm, giúp hệ số hiệu quả cường độ đạt giá trị cao hơn so với tỷ lệ 0.50 trước thời điểm 28 ngày.

Thứ ba, hệ số hiệu quả kháng xâm nhập clorua dựa trên độ sâu thâm nhập dao động từ 1.00 đến 2.69 đối với các tỷ lệ thay thế 20% và 40% tro bay sau 13 đến 39 tuần ngâm trong dung dịch muối 10%. Đặc biệt, mẫu bê tông chứa 40% tro bay với tỷ lệ nước trên chất kết dính 0.50 đạt khả năng cản trở khuếch tán clorua tương đương với bê tông xi măng nguyên chất có tỷ lệ nước trên xi măng là 0.30 sau 39 tuần thử nghiệm.

Thứ tư, hệ số hiệu quả kháng xâm nhập clorua cao gấp khoảng 2.5 lần so với hệ số hiệu quả cường độ nén ở cùng mốc thời gian đối với bê tông xi măng thường có tỷ lệ nước trên chất kết dính 0.50.

Thảo luận kết quả

Sự khác biệt vượt trội của khả năng kháng clorua so với cường độ nén bắt nguồn từ cơ chế kép: phản ứng pozzolanic kéo dài làm giảm đáng kể thể tích các lỗ rỗng có đường kính từ 0.01 đến 0.33 micromet, đồng thời lượng gel C-S-H và pha aluminat gia tăng giúp tăng cường khả năng liên kết hóa học và hấp phụ vật lý các ion clo tự do.

Dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa sinh động thông qua biểu đồ phân tán hồi quy tuyến tính thể hiện tương quan chặt chẽ giữa mức độ phản ứng của tro bay và hệ số hiệu quả xi măng. Ngoài ra, biểu đồ đường lũy tích phân bố lỗ rỗng và bảng so sánh ma trận khuếch tán clorua cung cấp minh chứng rõ nét cho thấy cấu trúc vi mô của bê tông tro bay đặc chắc hơn rõ rệt sau 364 ngày bảo dưỡng so với bê tông đối chứng không dùng tro bay.

Đề xuất và khuyến nghị

Để ứng dụng hiệu quả các kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất và thi công, các khuyến nghị cụ thể được đề xuất như sau:

Áp dụng linh hoạt hệ số hiệu quả xi măng thay vì sử dụng một giá trị cố định 0.40 như tiêu chuẩn EN 206-1 hiện hành. Các kỹ sư thiết kế cấp phối cần tính toán giá trị hệ số riêng biệt cho độ bền (từ 1.00 đến 2.69) và cường độ chịu nén (từ 0.25 đến 0.85) tùy thuộc vào mục tiêu công trình.

Tối ưu hóa tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro bay canxi thấp ở mức 30% đến 40% cho các công trình hạ tầng ven biển, đê kè và cảng biển. Giải pháp này giúp các đơn vị thi công giảm từ 20% đến 30% hàm lượng xi măng Poóc-lăng, qua đó giảm tương ứng chi phí nguyên vật liệu clinker và giảm khoảng 120 kg phát thải khí nhà kính trên mỗi mét khối bê tông.

Ban hành quy trình kiểm tra độ sâu xâm nhập ion clorua bằng dung dịch chỉ thị bạc nitrat 0.1M định kỳ tại các mốc 13, 26 và 39 tuần như một phương pháp kiểm định nhanh tại hiện trường, thay thế cho các thí nghiệm đo hệ số khuếch tán phức tạp và tốn kém.

Bổ sung phương trình hiệu chỉnh lượng tiêu thụ canxi hydroxit có xét đến hệ số tăng cường thủy hóa vào tiêu chuẩn thiết kế cấp phối bê tông tro bay trong vòng 12 đến 24 tháng tới do các Viện nghiên cứu vật liệu và cơ quan quản lý tiêu chuẩn ngành xây dựng chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Kỹ sư thiết kế cấp phối và chuyên gia tư vấn giám sát công trình biển: Nắm bắt phương pháp tính toán tương đương chất kết dính chính xác, giúp thiết kế kết cấu bê tông có tuổi thọ thiết kế trên 50 năm trong môi trường xâm thực mặn mà không cần tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ quá mức.

Nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Vật liệu Xây dựng: Khai thác mô hình tính toán lượng tiêu thụ canxi hydroxit hiệu chỉnh và mối tương quan định lượng giữa mức độ phản ứng khoáng với các đặc tính cơ lý - độ bền vĩ mô.

Các trạm trộn bê tông thương phẩm và doanh nghiệp xử lý tro xỉ nhiệt điện: Xây dựng giải pháp kỹ thuật nhằm tiêu thụ khối lượng lớn tro bay loại F (chiếm tỷ lệ 20% đến 40% khối lượng chất kết dính), biến phụ phẩm công nghiệp thành sản phẩm thương mại có giá trị gia tăng cao.

Cơ quan quản lý nhà nước và ban soạn thảo quy chuẩn kỹ thuật: Cập nhật cơ sở khoa học để điều chỉnh hệ số quy đổi tro bay trong các tiêu chuẩn thiết kế bê tông bền vững và công trình xanh tại địa phương.

Câu hỏi thường gặp

Hệ số hiệu quả xi măng của tro bay là gì và có ý nghĩa như thế nào trong thiết kế bê tông? Hệ số này biểu thị tỷ lệ khối lượng xi măng tương đương mà một đơn vị khối lượng tro bay có thể thay thế để đạt được cùng một chỉ tiêu kỹ thuật. Trong thực tế, việc nhân lượng tro bay với hệ số hiệu quả giúp kỹ sư tính toán chính xác tỷ lệ nước trên chất kết dính tương đương, đảm bảo bê tông đạt chuẩn cường độ và độ bền.

Tại sao khả năng kháng ion clorua của bê tông tro bay lại vượt trội hơn nhiều so với cường độ nén? Sau 39 tuần ngâm dung dịch muối 10%, hệ số hiệu quả kháng clorua đạt từ 1.00 đến 2.69, cao gấp khoảng 2.5 lần hệ số cường độ nén. Nguyên nhân là phản ứng pozzolanic tinh chế các lỗ rỗng trong dải 0.01 đến 0.33 micromet và tăng cường khả năng hấp phụ ion clo, ngăn chặn sự dịch chuyển của muối hiệu quả hơn cơ chế tăng cứng khung cốt liệu.

Phương pháp đo độ sâu xâm nhập clorua bằng phun bạc nitrat có đáng tin cậy không? Phương pháp đo độ sâu thâm nhập bằng dung dịch bạc nitrat 0.1M cho kết quả tương thích cao với hệ số khuếch tán biểu kiến thu được từ chuẩn độ nồng độ ion clo. Đây là giải pháp đơn giản, trực quan, tiết kiệm thời gian và hoàn toàn đủ độ tin cậy để xác định hệ số hiệu quả độ bền của bê tông.

Khoáng canxi cacbonat trong xi măng ảnh hưởng ra sao đến hiệu quả của tro bay? Hàm lượng canxi cacbonat khoảng 4.2% trong xi măng Poóc-lăng thường phản ứng với pha nhôm của tro bay để hình thành và ổn định khoáng monocarbonate cùng ettringite. Quá trình này giúp bê tông xi măng thường đạt mức tăng trưởng cường độ vượt bậc khi phối trộn tro bay so với khi dùng xi măng cường độ sớm.

Tỷ lệ thay thế tro bay bao nhiêu là tối ưu cho công trình môi trường biển? Mức thay thế từ 20% đến 40% tro bay canxi thấp mang lại hiệu quả cao nhất. Sau 39 tuần phơi nhiễm, bê tông chứa 40% tro bay ở tỷ lệ nước trên chất kết dính 0.50 có khả năng ngăn chặn clorua tương đương bê tông thông thường có tỷ lệ 0.30, giúp công trình kéo dài tuổi thọ và tiết kiệm chi phí bảo trì.

Kết luận

• Luận văn đã xác lập phương pháp luận khoa học và thực nghiệm toàn diện nhằm định lượng hệ số hiệu quả xi măng của tro bay canxi thấp đối với cả cường độ nén và khả năng kháng thâm nhập ion clorua.
• Chứng minh hệ số hiệu quả kháng xâm nhập clorua của tro bay (1.00 đến 2.69) cao vượt trội, gấp khoảng 2.5 lần so với hệ số hiệu quả về cường độ chịu nén ở cùng điều kiện thí nghiệm.
• Làm sáng tỏ vai trò của 4.2% khoáng calcite trong xi măng Poóc-lăng thường đối với việc ổn định monocarbonate, góp phần tối ưu hóa cấu trúc lỗ rỗng vi mô dưới 0.33 micromet.
• Đề xuất mô hình tính toán lượng tiêu thụ canxi hydroxit cải tiến có xét đến hiệu ứng tăng cường thủy hóa sớm của hạt khoáng mịn tro bay.
• Lộ trình triển khai tiếp theo cần tập trung chuẩn hóa tiêu chuẩn thiết kế cấp phối trong giai đoạn 2026-2028 và áp dụng thử nghiệm trên các công trình biển trọng điểm để tối ưu hóa chi phí vòng đời công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

EVALUATION OF THE CEMENTING EFFICIENCY FACTOR OF LOW-CALCIUM FLY ASH FOR STRENGTH DEVELOPMENT AND CHLORIDE-PENETRATION RESISTANCE OF CONCRETES （コンクリートの強度発現性および塩分浸透抵抗性に関するフライアッ シュのセメント有効係数の評価） March 2021 Huynh Tan Phat EVALUATION OF THE CEMENTING EFFICIENCY FACTOR OF LOW-CALCIUM FLY ASH FOR STRENGTH DEVELOPMENT AND CHLORIDE-PENETRATION RESISTANCE OF CONCRETES （コンクリートの強度発現性および塩分浸透抵抗性に関するフライアッ シュのセメント有効係数の評価） Huynh Tan Phat A THESIS SUBMITTED FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF ENGINEERING DEPARTMENT OF CIVIL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING HIROSHIMA UNIVERSITY March 2021 ABSTRACT Fly ash which is a principal by-product of coal-fired power plants is used enormously due to its economic, environmental, and technical advantages. Besides the mitigation of the CO2 emission, the use of fly ash to replace a part of cement in concrete leads to (1) a reduction in the construction cost, (2) an increase of the workability of fresh concretes, (3) improvement of the mechanical and durability properties of concretes, and so on. Fly ash is known as a pozzolanic material, which possesses a little or no cementitious value. When fly ash is used to replace part of the cement in the concrete, its cementing efficiency factor (k-value) that indicates its contribution to the mechanical and durability properties of concretes has been investigated by several studies.

The quantity of the fly ash in concrete can be multiplied by the k-value to estimate the equivalent cement content, which can be added to the existing cement content for the determination of the water-to-cement ratio in the mixture. This leads to the more effective design of concrete mixture proportion that contains the fly ash as a supplementary cementitious material. Most of the proposed methods for determining the k-value of fly ash are for the compressive strength of concretes due to the simplicity and reliability of compression tests. Only a few studies have evaluated the k-value of fly ash for the durability of concretes, especially for the chloride-penetration resistances.

Additionally, the effects of cement type and water-to-binder (W/B) ratio on the k-value of fly ash for strength development of concretes have not been evaluated in a chemical approach yet. There is a lack of research evaluating the effect of fly ash reaction degree on its k-value, and the correlation between the k-value of fly ash for strength development and that for chloride-penetration resistance of concretes has not been discussed in previous studies. Therefore, the three objectives of this research are the following: (1) evaluation of the effect of cement type and W/B ratio on the k-value of fly ash for the concrete-strength development for a long period, (2) investigation in a simple approach the k-value of fly ash for the chloride-penetration resistance of concretes using the chloride- i penetration depth as a concrete-durability property (3) experimental evaluation of the effect of fly ash reactions on its k-value for the concrete-strength development and chloride-penetration resistance of concretes. In addition to these, the correlation between the k-value of fly ash for the strength and durability of the concrete is obtained.

The discussion on these evaluations would be shown by using the results of chemical analysis and/or pore structure analysis. To deal with these problems, this thesis is organized as follow: Chapter 1 provides the background and motivation of this study. Chapter 2 presents a brief review on fly ash and its k-value for the concrete-strength development and chloride-penetration resistance of concretes. Chapter 3 describes the experimental program consisting of materials and mixture proportions, the mixing, casting, and curing condition for the paste and concrete specimens.

The test procedures were conducted to evaluate the k-value of fly ash. This study uses a low- calcium fly ash which is one of the most popular fly ashes in Japan. Control concrete samples with W/B ratios of 0.60 by mass were prepared to experimentally evaluate the k-value of fly ash. Cement was partially replaced with fly ash at ratios of 20% to 40% by mass for the paste and concrete specimens with a W/B ratio of 0.

To evaluate the k-value of fly ash for the strength development of concretes, two types of cement, namely, ordinary Portland cement (OPC) and high-early-strength Portland cement (HSPC) were used for making paste and concrete specimens. In addition, a W/B ratio of 0.