CHƯƠNG I TỔNG QUAN I. TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA CHO BÊ TÔNG: I. Giới thiệu: [16] Thuật ngữ mô tả hợp chất có tác dụng làm tăng tính dẻo, tính công tác cho hỗn hợp bê tông và vữa, làm tăng độ bền cho bê tông và vữa như mô tả trên Hình1.1 gọi là phụ gia cho bê tông và vữa. Từ đây gọi tắt là phụ gia.
Chức năng chính của phụ gia hoá dẻo đơn giản chỉ là làm phân tán các hạt xi măng và các thành phần khoáng trong hỗn hợp bê tông. Bằng cách này sẽ cải thiện được rất nhiều tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông. Tuy nhiên, việc cải thiện các tính chất của bê tông mới chỉ là bắt đầu của câu chuyện… Sự tương tác của phụ gia và hỗn hợp bê tông xi măng mang lại những lợi ích cho tính công tác của bê tông. Khi mà hỗn hợp bê tông có thể được chế tạo với độ chảy cao, ngay cả khi lượng nước sử dụng thấp.
Vì thế phụ gia đã mở ra những khả năng mới cho công tác đổ và công tác hoàn thiện bề mặt bê tông. Bê tông bơm, bê tông tự phẳng mặt và bê tông tự lèn là những sản phẩm trực tiếp từ công nghệ phụ gia. Những sản phẩm bê tông này đã làm thay đổi về biện pháp thi công các công trình, ví dụ như việc đổ bê tông những kết cấu dày đặc cốt thép và cốp pha, tốc độ đổ bê tông sẽ liên quan đến các chi phí thời gian và tiền bạc. Nếu không có phụ gia thì những công trình xây dựng lớn trên thế giới không thể thực hiện được.
Một khía cạnh khác quan trọng về lợi ích của phụ gia đó là sự tác động trực tiếp lên các tính chất của bê tông. Bởi vì phụ gia siêu hoá dẻo có thể cho phép giảm lượng nước từ 20-45% trong hỗn hợp hồ xi măng đồng nghĩa với việc giảm lượng lỗ rỗng trong hồ xi măng sau khi rắn chắc. Điều này ảnh hưởng đến cường độ và độ thấm của bê tông, đặc biệt là: cường độ có thể tăng gấp ba lần hoặc hơn trong khi tính thấm của bê tông sẽ giảm.1 Sơ đồ ảnh hưởng của phụ gia giảm nước lên tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông [25]. Việc giảm tính thấm trong bê tông sẽ góp phần quan trọng đến độ bền của bê tông.
Sự xâm nhập trong môi trường không khí (oxy, CO2), nước (clo, sun phát, axit, cacbonate) là ảnh hưởng lớn nhất đến độ bền. Bê tông có độ thấm thấp sẽ kéo dài tuổi thọ công trình và giảm thấp chi phí bảo trì sửa chữa trong quá trình sử dụng. Độ bền của bê tông sử dụng phụ gia ngày nay cho phép thiết kế những kết cấu bê tông ngoài trời có tuổi thọ lên đến 100 năm. 3 Xem ra, lợi ích của phụ gia trong bê tông bao gồm tính công tác, cường độ và độ bền trong công nghệ bê tông vẫn chưa đủ, chỉ mới là một phần của vấn đề… Sự ảnh hưởng của phụ gia liên quan đến nhiều lĩnh vực quan trọng như công nghệ và tiến trình kinh tế xã hội ở các nước đã và đang phát triển.
Đặc biệt, phụ gia còn đóng góp trực tiếp đến sự gia tăng tính bền vững của công trình ở nhiều mức độ khác nhau, cụ thể là: bởi sự tiện ích của sản phẩm, sự bảo tồn các nguồn tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường. Đầu tiên, phụ gia đóng vai trò chủ yếu là cho phép hoặc là phương tiện tạo sự tương tác của các thành phần chất khoáng của xi măng (silica fume, tro bay, xỉ lò cao, meta cao lanh.) trong bê tông xi măng portland. Những chất khoáng này có tác dụng làm tăng các tính chất của bê tông và tăng hiệu quả kinh tế, có thể tạo ra những sản phẩm công nghiệp có ích trong khi bản thân các chất khoáng này có thể là mối nguy hại cho môi trường. Thứ hai, khi phụ gia cho phép sử dụng các chất khoáng để thay thế cho thành phần xi măng, góp phần làm giảm lượng tiêu thụ xi măng portland, vì thế làm giảm lượng khí thải CO2 trong quá trình sản xuất xi măng.
Nếu lấy giá trị sản xuất xi măng Portland trên toàn cầu hiện nay xấp xỉ 2tỉ tấn/năm, 20% được thay thế đồng nghĩa với việc giảm CO2 được 400triệu tấn/năm, một con số rất đáng kể! Thứ ba, tính giảm nước của phụ gia cũng ảnh hưởng trực tiếp đến nhu cầu nước cho sản xuất bê tông. Với số liệu sử dụng xi măng ở trên thì với khả năng giảm nước là 20% thì phụ gia có thể giúp giảm 200triệu m3 nước/năm. Khi mà hạ tầng bê tông đang rất cần ở những nước đang phát triển, trong khi đó các nguồn nước thường bị sự cố, nên việc giảm lượng nước sử dụng có thể trở thành vấn đề đáng quan tâm. Ngoài việc trực tiếp góp phần bảo tồn tài nguyên và bảo vệ môi trường, phụ gia còn góp phần giảm thiểu năng lượng ở nhiều mức độ khác nhau của quá trình sản xuất xi măng (ví dụ nhiên liệu nung clinke, năng lượng nghiền) và sản xuất bê tông (như năng lượng cho việc trộn, bơm, đổ, hoàn thiện …).
4 Ngoài ra trong tiện ích bảo vệ môi trường vẫn còn khía cạnh khác đó là việc thi công bê tông có phụ gia sẽ giảm được việc đầm nén, giảm tiếng ồn ở các công trình xây dựng đặc biệt là thi công vào ban đêm. Vào năm 1980, một trong những tác giả đã nói rằng, “sự phát triển của phụ gia là một hướng chiến lược, mà sẽ có một tầm ảnh hưởng đáng kể vào sản xuất và sử dụng bê tông trong tương lai”. Sau hai mươi năm nghiên cứu và thực hành đã chứng minh tính chính xác của lời dự báo này. Không ai khác ngoài nhóm hoá chất có khả năng ảnh hưởng lớn, từ kỹ thuật đến môi trường và lợi ích về sự phát triển bền vững… cùng một lúc! I.
Lịch sử phát triển: [17] • 1909, phát minh ra chất xoa nền cốt sợi thép. • 1934, phát minh ra vữa không co ngót. • 1935, phát minh ra phụ gia chống thấm cho bê tông. • 1937, giới thiệu phụ gia giảm nước đầu tiên trên thế giới.
• 1949, giới thiệu phụ gia cuốn khí đầu tiên trên thế giới. • 1954, phát triển vữa epoxy đầu tiên trên thế giới. • 1962, phát minh phụ gia kéo dài thời gian đông kết và giới thiệu phụ gia giảm nước Pozzolith. • 1966, giới thiệu phụ gia siêu dẻo Melamine.
• 1973, giới thiệu phụ gia siêu dẻo BNS. • 1973, giới thiệu phụ gia chống ăn mòn cốt thép. • 1984, giới thiệu Micro Air® tác nhân cuốn khí. • 1986, giới thiệu phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate.
• 1986, giới thiệu Pozzutec®, phụ gia dùng cho thời tiết lạnh. • 1987, phát minh ra DELVO®, phụ gia điều khiển thời gian đông kết. 5 • 1989, phát minh ra Rheodynamic® dùng cho hệ thống bê tông tự lèn. • 1991, giới thiệu bê tông có độ chảy cao.
• 1993, cấp bằng sáng chế hầu hết hệ thống sản phẩm nhựa để sửa chữa bê tông mà nhiệt độ đóng rắn trong khoảng -250 đến 450oC. • 1994, sản phẩm bê tông đầu tiên trong không gian với NASA. • 1996, giới thiệu đầu tiên phụ gia đóng rắn nhanh không clo. • 1998, giới thiệu Rheomac® VMA, phụ gia tạo nhớt.
• 2000, giới thiệu hệ thống bê tông không năng lượng đầu tiên trên thế giới. • 2000, giới thiệu phụ gia siêu dẻo cho bê tông cường độ siêu cao. • 2002, giới thiệu tấm lợp Nanolight®. • 2007, giới thiệu vật liệu sửa chữa Emaco® Nanocrete, phù hợp tiêu chuẩn EN 1504.
• 2007, giới thiệu công nghệ sureTEC, công nghệ phụ gia siêu duy trì độ sụt. • 2008, giới thiệu Rheoplus® siêu dẻo với đặc tính giảm co ngót. Phân loại phụ gia: I. Loại B: phụ gia kéo dài ninh kết.
Loại C: phụ gia rút ngắn thời gian ninh kết. Loại D: phụ gia giảm nước và kéo dài thời gian ninh kết. Loại E: phụ gia giảm nước và rút ngắn thời gian ninh kết. Loại F: phụ gia giảm nước mạnh (siêu dẻo).
6 Loại G: phụ gia giảm nước mạnh và kéo dài thời gian ninh kết. Những loại phụ gia cho bê tông và vữa xi măng chính hiện nay: [18] Phụ gia thường được cung cấp dưới dạng lỏng và có thể được cho vào bê tông đến 5% xi măng. Hầu hết các loại được cho vào dưới 1.6%, và rất nhiều loại được sử dụng dưới 0. Hầu hết các loại phụ gia đều phù hợp với tiêu chuẩn Châu Âu EN 934.
Theo Hội liên hiệp phụ gia xi măng CAA (Cement Admixtures Association), hiện nay có những loại phụ gia chính sau: I. Phụ gia giảm nước bình thường / phụ gia hoá dẻo: Thường có gốc lignosulphonate Hình 1.2, chúng thường tăng tính công tác với cùng lượng nước sử dụng và hoặc giảm 10% lượng nước. Được sử dụng ở hầu hết các trạm trộn bê tông tươi để tối ưu các đặc tính cho bê tông thông thường.2 Cấu trúc gốc lignosulfonate và Bảng1.1 phân tích thành phần Canxi và Natri lignosulphonate dạng bột[25] Bảng 1.1 Phân tích thành phần (%) Canxi và Natri lignosulfonate ở dạng bột: I. Phụ gia giảm nước mạnh / siêu dẻo: 7 Thường có gốc là sulphonated Naphthalene hay Melamine formaldehyde đậm đặc, Vinyl polymers hay Polycarboxylate Ethers.
+ Cấu tạo hoá học của phụ gia siêu dẻo: [25] R CH2 H n * CH2 CH CH2 CH C O C O SO3M SO3M OCH3 n OCH2CH2(EO)12CH2CH2O SNF EO: Ethylene oxit (Sulfonated nathalene formaldehyte) (Polycarboxylate este) H H HO CH2 N N N CH2O H N N n H NCH2SO3M M=Na SMF (Sulfonated melamine formaldehyte) CH3 CH3 H CH2 C CH2 C H C O n C O m OM O CH2 CH2 k OR (Polymer kết hợp giữa axit acrylic carboxylic với este acrylic) Về cơ bản, có ba loại phụ gia siêu dẻo: (i) Sản phẩm sulfonated naphthalene formaldehyte (SNF) 8 + H2SO4 SO3H CH2O SO3H CH2 * n NaOH SO3Na CH2 * n Quá trình sản xuất SNF (ii) Sản phẩm sulfonated melamine formaldehyte (SMF) H2N N NH2 HOH2CHN N NHCH2OH C C 3 CH2O C C N N Formadehyde N N C C NH2 NHCH2OH Melamine Trimethylol melamine NaHSO3 Sodium bisulfite HOH2CHN N NHCH2OH C C N N C Polymerization NHCH2SO3Na H OH2CHN N NHCH2 O C C N N C n H NCH2SO3Na Quá trình sản xuất SMF (iii) Sản phẩm polymer dựa trên polyacrylate 9 CH3 CH3 H CH2 C CH2 C H C O n C O m OM O CH2 CH2 k OR (Polymer kết hợp giữa axit acrylic carboxylic với este acrylic) Những phụ gia này có những tính chất cao hơn loại phụ gia hoá dẻo. Chúng thường cho tính công tác rất cao và mức độ giảm nước từ 12 đến hơn 30%.
