Cấu trúc bê tông chất lượng cao

 Cấu trúc của bê tông chất lượng cao

Bê tông chất lượng cao là một vật liệu composit không đồng nhất, các tính chất của nó phụ thuộc vào ba cấp cấu trúc sau:
Cấu trúc vĩ mô (macro): là tỷ lệ lớn, xét các ứng xử cơ học để suy ra cường độ của vật liệu. Bê tông được xem là hệ 3 pha: cốt liệu, hồ xi măng và cấu trúc vùng chuyển
tiếp (theo lý thuyết đa cấu trúc của V.I.Xalomatov, Larad). Khi tính toán theo mô hình cấu trúc này có thể giả thiết bê tông là vật liệu đần hồi và tính toán theo các công thức của sức bền vật liệu.
Cấu trúc Meso: là tỷ lệ mili mét trong đó các hạt cát được phân biệt với các hạt xi măng và hạt cốt liệu. Việc quan sát trên kính hiển vi hoặc kính hiển vi điện tử quét với độ phóng đại nhỏ (300 - 1000 lần) cho thấy các khuyết tật của cấu trúc là các vết nứt và các vùng bị phá hủy. Theo mô hình Meso bê tông được tính toán như các vật liệu phi tuyến.
 Cấu trúc vi mô (micro): là tỷ lệ 1/100 mm để quan sát các hydrat (CSH, CH, CH Sulfo - aluminat), các hạt bụi, các hạt clinke chưa thủy hóa, các vết nứt vi mô, sự định hướng của các hạt CH trong vùng chuyển tiếp, mặt tiếp xúc giữa xi măng và cốt liệu, sự biến đổi của các hydrat trong môi trường xâm thực (etrigit thứ cấp, phản ứng kiềm cốt liệu).

1. Cấu trúc của hồ xi măng

Để cải tiến cấu trúc của bê tông đầu tiên cải tiến cấu trúc của vữa xi măng. Có thể cải tiến cấu trúc vữa xi măng bằng cách làm đặc vữa xi măng, giảm lượng nước thừa (tỷ lệ N/X nhỏ) sử dụng phụ gia siêu dẻo và các biện pháp công nghệ rung ép đặc biệt.
Lỗ rỗng luôn tồn tại trong cấu trúc của hồ xi măng và ảnh hưởng rất lớn tới tính bền của cấu trúc này. Các lỗ rỗng tồn tại dưới hai dạng: lỗ rỗng mao dẫn và lỗ rỗng trong khoảng giữa các hạt xi măng. Lỗ rỗng mao dẫn tạo ra do lượng nước dư thừa để lại các khoảng không trong hồ xi măng. Để hạn chế độ rỗng trong bê tông thì tỷ lệ N/X thích hợp là một vấn đề quan trọng. Trong bê tông cường độ cao tỷ lệ N/X được hạn chế dưới 0,3S mà kết hợp sử dụng phụ gia siêu dẻo để giải quyết tính công tác cho bê tông. Kết quả là tăng khối lượng các sản phẩm hydrat trong quá trình thuỷ hoá xi măng, đồng thời giảm đáng kể tỷ lệ các lỗ rỗng mao quản trong bê tông.
Hiện tượng vón cục các hạt xi măng và bản thân kích thức hạt xi măng vẫn lớn và tạo ra độ rỗng đáng kể cho bê tông. Một sản phẩm siêu mịn, ít có phản ứng hoá học (muội silic, tro bay) được bổ sung vào thành phần của bê tông cường độ cao. Lượng hạt này sẽ lấp đầy lỗ rỗng mà hạt xi măng không lọt vào được. Đồng thời với kích thước nhỏ hơn hạt xi măng nhiều, nó bao bọc quanh hạt xi măng tạo thành lớp ngăn cách không cho các hạt xi măng vón tụ lại với nhau.
Dưới đây xin trình bày một số loại hồ xi măng cải tiến

a.  Hồ xi măng cường độ cao

Làm nghẽn lỗ rỗng mao quản hay loại bớt nước nhờ đầm chặt hoặc giảm tỉ lệ X/N nhờ phụ gia là các phương pháp làm đặc vữa xi măng, làm cho nó đồng nhất hơn và có cấu trúc đặc biệt hơn vữa xi măng thông thường. Vữa xi măng cường độ cao cũng có thể đạt được bằng cách sử dụng xi măng có cường độ cao hơn.

b. Hồ xi măng với tỉ lệ N/X nhỏ

Féret, năm 1897, đã biểu thị cường độ nén của vữa xi măng bằng công thức
sau:
Rb = A. {X/( X + N + K)]2
Với X, N, K tương ứng là thể tích của xi măng, nước và không khí. Theo công thức này, sự giảm tỉ lệ N/X dẫn đến tăng cường độ vữa xi măng. Tuy nhiên có một giới hạn của tỉ lệ này, liên quan tính công tác của bê tông tươi. Vì nếu dùng lượng nước quá thấp sẽ khó tạo ra độ dẻo đủ cho vữa xi măng. Cấu trúc của loại vữa xi măng này sẽ có độ rỗng nhỏ hơn và lượng nước thừa ít hơn. Như vậy, khả năng tách nước khi rắn chắc là thấp (không tách nước trên mặt bê tông).

c. Hồ xi măng có phụ gia giảm nước:

Phụ gia siêu dẻo gốc naphtalene sulphonate, mêlamine, lignosulphonate hoặc viseo sử dụng để phân bố tốt hơn các hạt cốt liệu cho phép giảm nước đến 30% và tỉ lệ N/X = 0.21. Những nghiên cứu về cộng hưởng từ tính hạt nhân proton đã chứng minh rằng phụ gia hấp thụ trên các hạt xi măng tạo thành những màng, trong đó các phân tử nước vẫn chuyển động mạnh. Dưới tác động của màng cộng với sự phân tán của các hạt rắn hạt xi măng tạo ra một độ lưu biến tốt hơn. Cường độ nén 200 MPa nhận được trong các loại vữa dùng phụ gia siêu dẻo. Độ rỗng là 5% về thể tích, vữa đồng nhất và bề mặt vô định hình. Độ sụt bê tông đo bằng côn Abram có thể đạt tối đa đến 20 cm, trung bình là 10 - 12 cm.

d.   Hồ xi măng chịu ép lớn và rung động

Vữa xi măng có cường độ nén 600 MPa đã đạt được nhờ lực ép lớn ở nhiệt độ cao (1020 MPa, 1500C). Tổng lỗ rỗng chỉ còn 2%. Phần lớn các hyđrát được chuyển thành là gen. Độ thủy hoá của xi măng là 30% và silicát C-S-H gồm cả hạt xi măng, anhyđrit như một chất keo giữa các hạt cốt liệu. Các hyđrát của xi măng và các hạt clinke đồng thời tạo ra cường độ cao cho vữa đông cứng. Sự rung động loại bỏ các bọt khí tạo ra khi nhào trộn.

e. Hồ xi măng sử dụng các hạt siêu mịn

Hệ thống hạt siêu mịn được người Đan - Mạch đề xuất đầu tiên. Hệ thống này gồm xi măng poóc lăng, muội silic và phụ gia tạo ra cường độ cao tới 270 MPa. Muội silic là những hạt cầu kích thước trung bình 0.5 mm, chui vào trong các không gian rỗng kích thước từ 30 - 100 mm để lại bởi các hạt xi măng. Trước hết, muội silic đóng vai trò vật lý, là các hạt mịn. Mặt khác chúng chống vón cục hạt xi    măng, phân tán hạt xi    măng    làm xi    măng    dễ    thủy hoá, làm    tăng    tỉ    lệ hạt    xi
măng được thủy hoá.
Trong quá trình thủy hoá, muội silic tạo ra những vùng hạt nhân cho sản phẩm thủy hoá xi măng (Mehta) và sau một thời gian dài, phản ứng như một pu - zô - lan, tạo thành một silicát thủy hoá C-S-H có độ rỗng nhỏ hơn là C-S-H của xi măng poóc lăng và có cấu trúc vô định hình.
Cấu trúc    vữa    xi    măng    poóc    lăng    có N/X = 0,5 bao    gồm    (1) C-S-H    sợi,    (2)
Ca(OH)2, (3) lỗ rỗng mao quản .
Cấu trúc vữa xi măng có muội silic bao gồm (1) Ca(OH)2, (2) C-S-H vô định hình, (3) lỗ rỗng rất ít.

a. Cấu trúc của muội silic b. Cấu trúc của hồ xi măng Hình 2.1. Cấu trúc của muội silic và xi măng

f.    Hồ xi măng pôlime

Khi làm đặc vữa xi măng, tạo ra khả năng tăng cường độ nén của bê tông bằng cách bịt các lỗ rỗng bằng vật liệu pôlime thích hợp.
Trong vữa xi măng độ rỗng thấp, một pôlyme tan trong nước (xenlulô hyđrô propylmethyl hoặc polyvinylacetat thủy phân) phân tán và bôi trơn các hạt xi măng trong vữa xi măng. Pôlyme tạo thành một gen cứng. Khi ninh kết và rắn chắc, pôlyme không thủy hoá trong khi đó, xi măng thủy hoá. Trong vật liệu đông cứng, pôlyme vẫn liên kết tốt với các hạt xi măng và độ rỗng cuối cùng dưới 1% về thể tích.
Hỗn hợp vữa xi măng pôlyme gồm: 100 phần xi măng (về khối lượng), 7 phần pôlyme và 10 phần nước.
Cấu trúc vi mô gần với cấu trúc vữa xi măng có tỉ lệ N/X thấp. Tính chất chủ yếu là một gen đặc và vô định hình bao quanh các hạt clinke. Các tinh thể Ca(OH)2 ở dạng lá mỏng phân tán trong vữa, trái với các tinh thể lớn chất đống trong vữa xi măng poóc lăng thường. Khoảng không gian rất hẹp dành cho sự tạo thành các tinh thể lớn tránh được sự hình thành các sợi dài theo mặt thớ của các tấm Ca(OH)2 chồng lên nhau. Cường độ là 1S0 MPa ứng với sự vắng mặt của các lỗ rỗng mao quản và vết nứt.
Vữa xi măng pôlyme có thể được đổ khuôn, ép, định hình như các vật liệu dẻo. Nó có thể đưa vào trong các vật liệu composit chứa cát, bột kim loại, sợi để tăng độ bền và cường độ chống mài mòn.

2.    Cấu trúc của cốt liệu bê tông cường độ cao.

Cấu trúc của cốt liệu lớn tạo nên khung chịu lực cho bê tông, nó phụ thuộc vào cường độ bản thân cốt liệu lớn, tính chất cấu trúc (diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu) và cường độ liên kết giữa các hạt. Thông thường, cường độ bản thân cốt liệu có cấp phối hạt hợp lý đã giải quyết được các lỗ rỗng trong bê tông và tăng diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu (giữa các hạt với nhau và các hạt xung quanh một hạt). Trong bê tông chất lượng cao nên sử dụng các cốt liệu có nguồn gốc đá vôi, đá granit, đá quắc, đá bazan. Các loại đá đó có cường độ cao và cho các tính năng cơ học và vật lý ổn định. Cấp phối hạt của đá cần phù hợp với các tiêu chuẩn hiện hành. Đường kính lớn nhất của đá, D, quyết định cường độ và độ đồng nhất của hỗn hợp bê tông. Nên chọn D từ 19-25mm cho bê tông có cường độ yêu cầu không lớn hơn 62MPa và D từ 9.5-12.5mm cho bê tông có cường độ nén yêu cầu ^2MPa.

3.  Cấu trúc vùng tiếp xúc hồ xi măng - cốt liệu

Cấu trúc của vùng tiếp xúc hồ xi măng - cốt liệu có ý nghĩa quyết định cho loại bê tông cường độ cao. Cấu trúc thông thường của bê tông gồm ba vùng: cấu trúc cốt liệu, cấu trúc hồ xi măng và cấu trúc vùng tiếp xúc hồ xi măng - cốt liệu. Vùng tiếp xúc hồ xi măng - cốt liệu trong bê tông thường, gọi là “vùng chuyển tiếp”, vùng này có cấu trúc kết tinh, rỗng nhiều hơn và cường độ nhỏ hơn vùng hồ do ở vùng này chứa nước tách ra khi hồ xi măng rắn chắc. Ở vùng này còn chứa các hạt xi măng chưa thủy hoá và các hạt CaO tự do.
Các đặc tính của vùng liên kết hồ xi măng - cốt liệu trong bê tông thường gồm mặt nứt, vết nứt, cấu trúc C-S-H và bề mặt các hyđrat. Ví dụ các vết nứt xuất hiện bao quanh các hạt silic và phát triển vượt qua hồ xi măng. Trên mặt trượt của cốt liệu, các hyđrat gồm tấm Ca(OH)2 và các sợi silicát (sợi C-S-H). Chúng chỉ được liên kết rất yếu vào cốt liệu và tách ra dễ dàng. Sự kết tinh có định hướng Ca(OH)2 cũng quan sát thấy trên các hạt cốt liệu silic.
Vùng liên kết giữa hồ xi măng - cốt liệu có độ rỗng lớn và đã được cải thiện nhờ muội silic. Biến đổi cấu trúc của bê tông theo cường độ phát triển theo ba cấp độ sau:
Trong bê tông thường vùng liên kết xi măng - cốt liệu là vùng tiếp xúc rỗng có các mặt nứt và các vết nứt. Cấu trúc C - H - H có dạng sợi.
Vùng tiếp xúc hồ xi măng - cốt liệu ở bê tông cường độ cao có cấu trúc C-S- H vô định hình và tinh thể Ca(OH)2 định hướng (P) trên các hạt cứng, các vết nứt giảm rõ ràng .
Vùng tiếp xúc của bê tông cường độ cao tỉ lệ N/X < 0,3, do tỉ diện tích hạt muội silic rất cao nên vùng này không chứa nước, không tồn tại CaO tự do, vữa xi măng có độ đặc rất lớn và lực dính bám với cốt liệu cao.
Bê tông cường độ rất cao vùng liên kết chuyển thành đá, hồ xi măng - cốt liệu đồng nhất. Không có vết nứt trên bề mặt.
Hiện nay, khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (MEB) một vài mảnh bê tông cường độ cao đã cứng rắn, thấy rằng bê tông CĐC và CĐRC có cấu trúc rất đặc, chủ yếu vô định hình và bao gồm một thể tích không bình thường của các hạt không có nước, đó là phần còn lại của xi măng chưa liên kết do thiếu nước sử dụng được. Ngoài ra, các mặt tiếp xúc vữa xi măng/cốt liệu rất ít rỗng và không thể hiện sự tích tụ thông thường của các tinh thể vôi. Điều đó là do hoạt động của muội silic bắt nguồn từ phản ứng pôzulan giữa silic và vôi tự do sinh ra bởi xi măng khi    thủy    hoá. Việc    đo    độ    xốp    bằng    thủy ngân chỉ    ra    sự    mất    đi của    độ xốp
mao quản. Cuối cùng người ta có thể đo được độ ẩm của môi trường trong các lỗ rỗng của bê tông theo tuổi của vật liệu. Trong khi đối với bê tông thông thường luôn luôn bằng 100% (khi không có sự trao đổi với môi trường xung quanh), nó giảm tới 75% ở tuổi 28 ngày đối với bê tông cường độ cao.
Cuối cùng, từ các nhận định khác nhau cho phép trình bày về cấu trúc của bê tông cường độ cao như sau:
-    Tỉ lệ phần hồ xi măng trong bê tông giảm đi, các hạt không được thủy hoá được bổ sung vào thành phần cốt liệu của bê tông đã cứng rắn. Như vậy trong bê tông cường độ cao không nhất thiết phải dùng lượng xi măng cao (X = 380 - 450 kg/m3 với cường độ nén của xi măng từ 400 -500 daN/cm2 ).
-    Hồ xi măng có độ rỗng tổng cộng nhỏ
-    Rất ít nước tự do, các lỗ rỗng nhỏ nhất cũng bị bão hoà nước.
-    Các mặt tiếp giáp hồ xi măng - cốt liệu đã được cải thiện và hóa đá, từ đó mất đi một vùng thường yếu về cơ học của bê tông. Cường độ bê tông tăng lên. vết nứt của bê tông khi phá hoại sẽ đi qua các hạt cốt liệu.
-    Hàm lượng vôi tự do nhỏ
-    Trong bê tông xuất hiện trạng thái ứng suất mới được minh hoạ một cách vĩ mô bằng co ngót nội tại và chắc chắn nó sinh ra một sự siết chặt mạnh vào các cốt liệu, làm tăng lực dính giữa cốt liệu và hồ xi măng, cải tiến cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi cho bê tông cường độ cao.