CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI Ở VIỆT NAM VÀ CÁC NGHIÊN CỨU METAKAOLIN TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Tình hình xây dựng công trình Thủy Lợi ở Việt Nam Hiện nay ở nước ta có rất nhiều các công trình thủy lợi đã và đang được xây dựng, bao gồm các đập thủy điện, các công trình kè, cống, kênh mương, …. Các công trình thủy lợi ở nước ta đều được xây dựng bằng nhiều vật liệu như: đất, đá, bê tông, bê tông cốt thép, … Đặc biệt các công trình, cấu kiện công trình được xây dựng bằng vật liệu bê tông đã và đang được sử dụng rất nhiều, rộng rãi nhất. Do vật liệu bê tông sử dụng cho các công trình, cấu kiện công trình có nhiều ưu điểm, nổi trội nhất là khả năng chịu lực tốt, tuổi thọ cao, dễ tạo hình, dễ sản xuất, vận chuyển và tận dụng được vật liệu tại địa phương. Chính vì vậy trong lĩnh vực xây dựng bê tông là loại vật liệu chiếm ưu thế nhất.
Hiện nay ở nước ta có rất nhiều công trình thủy lợi sử dụng vật liệu bê tông để thi công như: Thủy điện Sơn La, Thủy điện Lai Châu, Thủy điện Sông Tranh, Thủy điện Sông Bung, Thủy điện Bản Chát … Hình 1.1: Thủy điện Sơn La -6- Hình 1.2: Thủy điện Lai Châu Hình 1.3: Thủy điện Bản Chát -7- Đập đất đá là loại đập đã được xây dựng rất nhiều và từ rất lâu trên thế giới, như ở các nước: Ấn Độ, Trung Quốc, Liên Xô … Ngày nay nhờ sự phát triển của nhiều ngành khoa học nên loại đập nay ngày càng được phát triển mạnh mẽ. Ở nước ta, đập đất đá là loại công trình dâng nước phổ biến nhất, các hồ chứa đã được xây dựng, đập đất đá chiếm đại đa số. Bởi yêu cầu chất lượng của nền với đập đất là không cao, đập đất đá có thể xây dựng được với nhiều địa hình, địa chất, khí hậu khác nhau, tận dụng được vật liệu địa phương, có khả năng cơ giới hóa được tất cả các khâu đào – đắp – vận chuyển vật liệu … Một số đập đất đá ở Việt Nam đã được xây dựng: Đập đá đổ Thác Bà, đập đất Cấm Sơn, đập đất Tà Keo … Nhưng đập đất đá không cho nước tràn qua, bởi khi nước tràn qua sẽ gây mất ổn định, phá hoại đập, ảnh hưởng các công trình sau đập … Vấn đề thấm qua đập đất đá là vấn đề rất quan trọng. Nó làm mất nước của hồ chưa, có thể làm mất ổn định cho đập như xói ngầm, trượt mái dốc… có thể còn gây nguy hiểm cho các công trình ở vùng tiếp xúc với đập.
Chúng ta đã có thể lý giải tại sao các công trình thủy lợi lại sử dụng vật liệu bê tông phổ biến nhất. Cụ thể như các công trình đập thủy lợi: Ta có thể so sánh đập bê tông và đập vật liệu địa phương (đập đất đá), thì ta thấy được đập bê tông có các ưu điểm vượt trội như: + Đập bê tông có khả năng bố trí công trình tháo lũ ngay trong thân đập (trên đỉnh hoặc dưới sâu) + Đập bê tông có thể cho ngập trong các cơn lũ và đập có thể thích nghi với lũ có tần suất lớn. + Đập bê tông có thể dễ dàng phối hợp với các công trình khác (tháo cạn, công trình lấy nước) và có thể xây dựng nhà máy thủy điện ngay trong thân đập. -8- + Đập bê tông có thể dễ dàng thiết kế để tháo nước để tràn qua thân đập trong quá trình thi công, nên có thể rút ngắn thời gian thi công và cho phép phục vụ cho lũ có tần suất khác nhau.
Điều này cho phép xây dựng các công trình tháo lũ tạm thời khác kinh tế hơn. + Đập bê tông có thể thi công ngay trong mùa mưa, trong khi đó đối với đập vật liệu địa phương thì không thể. Chính việc giảm thời gian thi công để đưa công trình vào sử dụng sớm là yếu tố quan trọng nhất trong việc lựa chọn giữa đập bê tông hay đập vật liệu địa phương trong nhiều dự án gần đây. + Đập bê tông ít bị tác dụng với hiện tượng ăn mòn bên trong đập và ngay cả trong vùng tiếp xúc của đập và nền.
+ Đập bê tông có khả năng chống động đất rất tốt. + Đập bê tông có hình dạng gọn và khối lượng vật liệu ít hơn nhiều so với đập vật liệu địa phương. Mặc dù các công trình, cấu kiện công trình thi công bằng vật liệu bê tông đã đưa vào sử dụng có rất nhiều ưu điểm nêu trên, nhưng chúng vẫn có một số mặt hạn chế như nhất định như độ chống thấm chưa cao, cường độ bê tông chưa cao… Để giải quyết các vấn đề đó ta cần nghiên cứu các vật liệu để sản xuất ra bê tông có các tính chất phù hợp với yêu cầu của công trình, cấu kiện công trình. Hầu hết các công trình thủy lợi ở nước ta đều yêu cầu sử dụng vật liệu có độ chống thấm cao.
Nhưng vật liệu thi công các đập thủy lợi hầu hết là vật liệu bê tông có mác thấp (mác bê tông vào khoảng 20 – 30 Mpa), đồng nghĩa với mác thấm của các loại bê tông này thường chưa cao. Việc nghiên cứu sản xuất ra bê tông có cường độ cao và khả năng chống thấm tốt là cần thiết bởi thực tế đã cho thấy các công trình thủy lợi sử dụng các loại bê tông thường sau một thời gian công trình đi vào hoạt động thì xuất hiện nhiều khuyết tật do độ bền chưa cao, khả năng chống thấm và chống ăn mòn thấp, do đó sẽ -9- làm giảm đáng kể tuổi thọ của công trình. Hiện nay trên thế giới đã có các nghiên cứu về việc sử dụng vật liệu Metakaolin thay thế một phần xi măng với tỉ lệ thích hợp để sản xuất ra bê tông có nhiều tính chất, ưu điểm hơn bê tông thường: cường độ tăng, độ chống thấm tăng, sức kháng ăn mòn hóa học tăng. Việc sử dụng vật liệu Metakaolin để sản xuất bê tông áp dụng cho công trình thủy lợi là rất hợp lý, có khả năng giải quyết được các vấn đề về thấm qua đập, kéo dài tuổi thọ của công trình.2 Tình hình nghiên cứu Metakaolin trên thế giới 1.1 Tính chất của Metakaolin 1.1 Khái quát về Metakaolin - Metakaolin là một loại vật liệu puzolan thu được bằng cách nung kaolinit ở nhiệt độ dao động từ 700°C đến 800°C.
- Theo tài liệu nghiên cứu của Trịnh Quang Minh [24], khi sản xuất ra 1 tấn Metakaolin bằng phương pháp đèn chớp sẽ sản sinh ra môi trường 96kg CO 2 , ít hơn rất nhiều so với sản xuất xi măng (xấp xỉ 1 tấn CO 2 /1 tấn xi măng) như trong bảng 1.1, Metakaolin là một loại vật liệu thân thiện với môi trường.1 Kết quả đánh giá ảnh đến môi trường khi sản xuất Metakaolin theo phương pháp đèn chớp và sản xuất xi măng Quá trình Metakaolin Flash Xi măng (95% clinker) Phát thải khí CO 2 (kg/t) 96 913,6 Nhiệt lượng tỏa ra (MJ/t) 2211 7954 - Phản ứng nung Kaolinit tạo thành Metakaolin: Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 => Al 2 Si 2 O 7 + 2H 2 O (2) - 10 - Kaolinit Metakaolin Khi có mặt portlandite (vôi), tùy theo tỷ lệ khác nhau mà các sản phẩm tạo ra do phản ứng puzolan giữa vôi và Metakaolin cũng khác nhau. - Phản ứng của Metakaolin với Ca(OH) 2 theo Murat [17]: CH/AS 2 = 1 AS 2 + 3CH + 6H => C 2 ASH 8 + C-S-H (3) CH/AS 2 = 1,67 AS 2 + 5CH + 3H => C 3 AH 6 + 2C-S-H (4) CH/AS 2 = 2 AS 2 + 6CH + 9H => C 4 AH 13 + 2C-S-H (5) 1.2 Tính chất hóa lý của Metakaolin - Metakaolin có màu trắng hoặc gần trắng (độ sáng từ 79 – 82 /100), dạng bột với khối lượng riêng vào khoảng 2,5 g/cm3 - Kích thước hạt rất nhỏ với 99% hạt nhỏ hơn 16 µm, kích thước hạt trung bình khoảng 2,23 - 3 µm, diện tích bề mặt của Metakaolin vào khoảng 12 - 15,5 m2/g - Công thức hóa học của Metakaolin là Al 2 Si 2 O 7 , thành phần hóa học của Metakaolin chủ yếu là SiO 2 và Al 2 O 3 và các thành phần hóa học chiếm khối lượng nhỏ khác. Cụ thể theo Ambroise và đồng nghiệp (1994) đã xác định thành phần hóa học của vật liệu Metakaolin như ở bảng 1.2: Thành phần hóa học của Metakaolin Thành phần hóa học của Metakaolin % Theo khối lượng SiO 2 51,52 Al 2 O 3 40,18 Fe 2 O 3 1,23 CaO 2,0 MgO 0,12 K2O 0,53 SO 3 0,06 TiO 2 2,27 Na 2 O 0,08 L.2 Ảnh hưởng của Metakaolin đến tính chất của bê tông Bằng việc thay thế một phần hợp lý xi măng bởi Metakaolin, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự có mặt Metakaolin cải thiện đáng kể nhiều chỉ tiêu cơ lý của bê tông.1 Độ hút nước của bê tông Metakaolin có độ hút nước lớn hơn là xi măng, điều này được chứng minh bởi các nghiên cứu trên thế giới: + Courard và đồng nghiệp (2003) đã nghiên cứu khả năng hấp thụ nước của bê tông chứa Metakaolin với phần trăm thay thế từ 0% đến 20%. Với kết quả nghiên cứu của Courard và đồng nghiệp, hỗn hợp vữa có sự xuất hiện của Metakaolin có độ hút nước lớn hơn so với mẫu vữa không có Metakaolin do - 12 - vật liệu Metakaolin có diện tích bề mặt lớn hơn so với xi măng, do đó hỗn hợp vữa có Metakaolin sẽ có khả năng hấp thụ nước cao hơn.
Độ hút nước đó được thể hiện ở bảng 1. Kết quả thí nghiệm của Courard và đồng nghiệp (2003) về độ hút nước (% khối lượng) của các mẫu vữa có xi măng CEM I 42.5, Metakaolin và Kaolin Vật liệu Sau 28 ngày Sau 14 tháng Tỷ lệ giảm CEM I 42.5 8,16 7,82 4,1 5% Metakaolin 8,39 8,04 4,1 10% Metakaolin 8,78 8,44 3,9 20% Metakaolin 9,71 8,77 9,7 25% Metakaolin 9,70 8,97 7,5 10% Kaolin 9,51 7,90 16,9 Khatib và Clay (2004) đã nghiên cứu đặc tính hấp thụ nước của bê tông có Metakaolin. Họ đã chỉ ra rằng hỗn hợp bê tông có Metakaolin thay thế xi măng sẽ có độ hút nước lớn hơn hỗn hợp bê tông không có Metakaolin, đặc biệt mẫu bê tông có hàm lượng Metakaolin trong chất kết dính là 20% có độ hút nước cao nhất sau 28 ngày, nhưng sau 14 tháng thì độ hút nước của bê tông có 25% Metakaolin cao nhất.
