Giới thiệu
Thuật ngữ “ microsilica” (MS) thường được dùng để mô tả loại bột rất mịn, tách ra từ khí thải của các lò nung silicon và ferrosilicon, và được dùng trong chế tạo bêtông nhằm nâng cao các tính năng của bêtông. Các thuật ngữ khác của sản phẩm này là silica fume (SF) và silica fume tạo hạt (CSF).
Mục đích chính của việc đưa vật liệu này vào bêtông là để tạo nền ximăng đặc chắc với các hạt silica fume rất mịn và có hoạt tính. Các hạt microsilica tham gia phản ứng pozolan với hydroxyt canxi hình thành khi xi măng thuỷ hoá; do vậy làm tăng tổng các sản phẩm thuỷ hoá và giảm lượng hydroxyt canxi. Khi sử dụng đúng, microsilica sẽ làm tăng cường độ và giảm khả năng thấm của bêtông làm bêtông trở nên bền lâu hơn.
Một lượng nhỏ microsilica có thể làm hỗn hợp bêtông trở nên hiệu quả hơn, liều lượng thông dụng sử dụng trong khoảng 5-10%.
Nguồn gốc và hình dạng
Nhu cầu sử dụng microsilica làm phụ gia cho bêtông được thực hiện đầu tiên tại Nauy từ năm 1952. Tiêu chuẩn Nauy về sử dụng microsilica làm phụ gia trong xi măng được ban hành năm 1976. Microsilica có tại các nước, khu vực có công nghiệp phát triển như bán đảo Scanđinavia, Canađa, Nam Phi, Úc, Trung quốc… Microsilica sử dụng tại Đông Nam Á được nhập khẩu chủ yếu từ
Scanđinavia , Aixơ len và Trung quốc. Tiêu chuẩn quốc tế thường được sử dụng đối với microsilica là ASTM C1240 và EN 13263.
Microsilica là loại bột có độ mịn rất cao với kích thước hạt trung bình 0,1-0,2 micron và diện tích bề mặt riêng lên tới 15.000-20.000 m2/kg. Các hạt microsilica có dạng hình cầu. Để so sánh có thể nêu diện tích bề mặt riêng của xi măng Poóc lăng là 350-500m2/kg, như vậy microsilica có kích thước khoảng 100 lần nhỏ hơn hạt xi măng. Thành phần hoá của microsilica chủ yếu là silica -SiO2 ( hơn 90%), còn lại là các oxyt kim loại và cacbon.
Do kích thước hạt rất mịn nên microsilica rất khó vận chuyển, bảo quản, sử dụng nếu không có biện pháp xử lý. Cách xử lý thường là tạo tập hợp hạt to hơn hoặc trộn với dung dịch tạo bột nhão. Microsilica có thể được cung cấp dưới dạng “nén”, trong đó các hạt cố kết yếu với nhau và dễ dàng tách khỏi nhau dưói tác động của máy trộn bêtông. Khối lượng đổ đống của microsilica khi không nén là 200-300 kg/m3 và 500-600 kg/m3 khi nén.
Hiệu ứng của silica fume lên hỗn hợp bêtông
Việc đưa một lượng các hạt silica fume siêu mịn vào hỗn hợp bêtông bên cạnh tính cố kết hơn của vật liệu này còn tạo ra hiệu ứng “ bôi trơn” trong bêtông do các hạt silica fume có dạng hình cầu. Nhu cầu nước để duy trì tính công tác tăng sẽ được điều chỉnh bình thường khi bổ xung các phụ gia siêu dẻo, giảm nước hay dẻo hoá. Do vậy hỗn hợp bêtông sẽ vẫn có tính dính so với hỗn hợp bêtông thường. Tuy nhiên, bêtông có phụ gia silica fume thể hiện khả năng lưu biến và khi bị đầm rung nó trở nên linh động nên thuận lợi cho việc đầm chặt.
Bêtông chứa silica fume thường được thiết kế với tính công tác cao để dễ đổ bêtông. Trong các trường hợp này tính công tác nên được kiểm tra theo phương pháp của tiêu chuẩn Anh xác định độ chảy của vữa bêtông (BS EN 13395). Các phép thử này nên dùng cho bêtông có tính công tác rất cao. Phép đo độ sụt là phép đo thống kê không cho thấy cách của vữa bêtông ứng xử khi đổ và đầm chặt. Do vậy phép đo độ sụt vữa bêtông không nên sử dụng với vữa bêtông có tính công tác cao hay vữa bêtông có tính lưu biến như vữa bêtông chứa microsilica.
Do có tính dính hơn so với vữa bêtông thường, nên vữa bêtông có microsilica có khuynh hướng kém phân tầng ngay cả khi có tính công tác cao và do vậy không thấy có tách nước. Tính chất này của microsilica cho phép nó rất thích hợp cho các loại vữa và bêtông bơm; trong các ứng dụng này, microsilica được phân loại như phụ gia “chống tách nứơc”. Việc sử dụng microsilica cho phép tạo bêtông bơm với hàm lượng xi măng rất thấp: bêtông bơm với lượng xi măng 50 kg/m3. Tính dính và ổn định cao của bêtông có microsilica cho phép tiến hành đổ bêtông dưới nước với nguy cơ phân lớp tối thiểu. Ngoài ra microsilica còn được sử dụng như phụ gia biến tính dính hiệu quả khi chế tạo bêtông tự đầm. Kết hợp với phụ gia tiên tiến, bêtông tự đầm với thời gian công tác dài đã được sử dụng trong điều kiện thời tiết nóng. Thời gian đông kết tương tự như của các bêtông thường.
Tỷ lệ phối trộn
Tỷ lệ sử dụng microsilica trong hỗn hợp bêtông thường được thể hiện theo tỷ lệ phần trăm so với khối lượng xi măng. Nó thường được coi như phụ gia bổ xung vào xi măng hay chất kết dính của cấp phối mà không phải thay thế xi măng. Lượng microsilica đưa vào bêtông nên được xác định theo trường hợp cụ thể và với các mẻ trộn thí nghiệm kiểm tra. Với các chất kêt dính khác, thì microsilica sẽ hoạt động khác với các loại phụ gia hoá học khác nhau do đó các mẻ trộn thử rất quan trọng. Các hướng dẫn thông dụng sử dụng hàm lượng microsilica như sau:
|
Bê tông thông thường
Bêtông cường độ cao
hay bêtông tính năng cao
Phụ gia trợ bơm
|
5 - 10% khối lượng xi măng
5 - 15% khối lượng xi măng
2 - 5% khối lượng xi măng
|
Nói chung thường sử dụng kết hợp với các phụ gia dẻo hoá hay siêu dẻo để hỗn hợp bêtông có tính công tác thích hợp. Có thể giảm hàm lượng cát nếu cần thiết, và nên sử dụng cát thô. Microsilica tương thích với tro bay và xỉ hạt lò cao do vậy cũng có thể dùng để nâng cao các tính năng của các loại bêtông có chứa các phụ gia này.
Việc sử dụng cả 3 loại phụ gia này trong bêtông cho kết quả rất tốt đối với độ bền lâu và được áp dụng cho các công trình tượng đài từ những năm 1990.
Đóng rắn
Do bề mặt riêng rất lớn nên microsilica có hoạt tính cao hơn hẳn so với tro bay hay xỉ. Phản ứng của microsilica với hydroxyt canxi hình thành khi thuỷ hoá xi măng tạo thêm hydrat silicat canxi bổ xung vào các sản phẩm thuỷ hoá của xi măng. Hiệu ứng vật lý của việc tạo thêm các sản phẩm thuỷ hoá làm đặc chắc và tăng khả năng chống thấm của nền ximăng.
Microsilica không làm tăng nhiệt thuỷ hoá trong bêtông ở tuổi sớm cũng như không kéo dài do tốc dộ phản ứng nhanh (hoạt tính cao). Microsilica nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ hơn so với xi măng Poóclăng, tro bay hay xỉ hạt lò cao nên cần phải quan tâm đến môI trường nhiệt độ thấp hay cao để bảo đảm bêtông có microsilica được dưỡng hộ đúng. Microsilica được sử dụng để chế tạo bêtông nhiệt thuỷ hoá thấp do có thể giảm lượng xi măng Poóclăng sử dụng nếu ở cùng cường độ.
Các tính chất thi công hoàn thiện của bêtông có microsilica rất tốt vì thế nó rất dễ trải rộng. Cần đặc biệt quan tâm dưỡng hộ bêtông đúng ngay sau khi hoàn thiên để tránh nứt bề mặt.
Cường độ của bêtông
Việc sử dụng microsilica thường liên quan đến bêtông cường độ cao mặc dù còn nhu cầu khác cũng cần tương đương thậm chí trong nhiều trường hợp còn quan trọng hơn, đó là độ bền lâu.
Việc thực hiện tăng cường độ phụ thuộc vào sự trộn đồng nhất phối liệu, tính công tác thích hợp của vữa để lèn chặt và dưỡng hộ bêtông đúng.
Đối với công tác bêtông có bề mặt lớn như sàn cần đặc biệt bảo đảm rằng việc dưỡng hộ được thực hiện đúng. Cường độ bêtông 100-130 N/mm2 đã được thực hiện trên thực tế tại các dự án nhà cao tầng ở Bắc Mỹ, châu Âu cũng như ở châu Á. Cường độ uốn của bêtông có microsilica cũng tăng. Bêtông có microsilica tăng cường liên kết nền xi măng với cốt liệu, cốt thép, sợi gia cường cũng như khả năng liên kết với nền bêtông cũ khi tiến hành sửa chữa.
Phát triển bền vững và bêtông cường độ cao
Việc thiết kế các kết cấu cường độ cao đem lại lợi ích kép:
· Thứ nhất : giảm kích thước kết cấu
· Thứ hai: tăng diện tích sử dụng của công trình ở các khu vực có giá thuê mặt bằng cao.
Ví dụ ở Hồng Kông bêtông mác 90-100 MPa được sử dụng chuyên cho các cột và tường lõi của các toà nhà cao tầng mới xây dựng.
Dưỡng hộ
Dưỡng hộ là quá trình ngăn chặn tổn thất độ ẩm của bêtông ở nhiệt độ thích hợp. Dưỡng hộ và bảo vệ bêtông cần tiến hành ngay sau đầm lèn bêtông nhằm tránh bêtông bị khô, chênh lệch nhiệt cao trong và ngoài bêtông. Các công việc cần làm sau khi đổ bêtông là tháo dỡ khuôn, phủ kín bề mặt bêtông hay phun tạo màng dưỡng hộ bề mặt. Việc dưỡng hộ bêtông có phụ gia microsilica đặc biệt quan trọng nhằm tránh nứt, hỏng bề mặt hay giảm cường độ. Thời gian dưỡng hộ tuỳ thuộc điều kiện môi trường nhưng nói chung không ít hơn 7 ngày.
Độ thấm và độ bền lâu
Khả năng thấm nước của bêtông chứa microsilica (MS) thấp hơn so với của bêtông thường, thậm chí có thể coi là không thấm dưới áp lực.
Sự giảm thấm này chủ yếu do cấu trúc của đá xi măng có các vi hạt MS hoạt động như các tâm thuỷ hoá bổ xung. Sự giảm khả năng thấm nước có hiệu ứng tích cực đối với độ bền lâu của bêtông khi bị xâm thực sulphat, clo, axit, cacbonat hoá hay băng giá. Phản ứng của MS với hydroxyt canxi giảm, thậm chí có thể dừng lại, hàm lượng hydroxyt canxi của nền ximăng ảnh tích cực đến độ bền lâu của bêtông. Tuy nhiên, khả năng bền lâu của bêtông đối với mọi tác động xâm thực phụ thuộc vào việc dưỡng hộ bêtông đúng.
Việc ngăn chặn xâm thực ion clo tuỳ thuộc độ pH của bêtông xung quanh cốt thép. Trong bêtông có MS, độ pH thấp hơn so với trong bêtông thường tuy nhiên sự giảm thấm mạnh của bêtông sẽ cân bằng hiệu ứng này và do đó làm giảm nguy cơ xâm thực clo.
Thực nghiệm tại Nauy đã cho thấy rằng bêtông có MS có độ bền sulphát tốt như của bêtông làm từ bêtông bền sulphát, còn khi MS được dùng kết hợp với tro bay hay xỉ hạt lò cao, khả năng bền sulphát còn cao hơn.
Bền với các môi trường
Việc sử dụng phụ gia MS vào bêtông cho phép làm tăng khả năng bền với tác đông xâm thực của axít thích hợp cho các ứng dụng trong nông nghiệp. Việc bảo quản hay ủ các sản phẩm nông nghiệp trong các silô có thể làm tăng các a xit hữu cơ có tác hại đến bêtông. Việc sử dụng MS trong bêtông làm bể, bồn chứa, đường trang trại hay lát sân sẽ làm tăng khả năng bền a xit của bêtông.
Khả năng bền cacbônát hoá của bêtông có chứa MS nói chung cao hơn so với bêtông thường. Đối với bêtông mác 40N/mm2, khả năng thấm của bêtông có MS thấp hơn so với bêtông thường do đó tốc độ cácbônát hoá thấp hơn.
Bêtông có MS được dùng nhiều cho các sàn chịu mài mòn cao. Trong nhiều trường hợp còn bổ xung thêm sợi thép để tăng khả năng chịu mài mòn. Các công trình chịu mài mòn nhiều như đê chắn sóng, đập tràn sử dụng bêtông có MS.
Tổng hợp các lưu ý và khuyến cáo về sử dụng và thi công bêtông có MS
· Phải làm các mẻ trộn thử để xác định cấp phối cuối cùng cho mỗi sử dụng cụ thể.
· Bêtông có MS có tính dính và có tính thi công thấp, tuy nhiên sau khi đầm sẽ có các tính chất hoàn thiện tốt.
· Bề mặt thoáng của bêtông cần được dưỡng hộ bằng cách phủ hay phun vật liệu dững hộ ngay sau khi kết thúc hoàn thiện bêtông tránh nguy cơ nứt.
· Bêtông có thể có hiện tượng tách nước thấp, tuy nhiên nếu không có hiên tượng tách nước không có nghĩa là bêtông dóng rắn sớm.
· Cần dưỡng hộ bêtông tối thiểu 7 ngày để tránh tổn thất cường độ.
· Phụ gia MS dùng để chế tạo bêtông cường độ cao và tính năng cao có sử dụng phụ gia hoá học thích hợpnhằm giảm nhu cầu nước mà vẫn bảo đảm tính năng thi công.
· Bêtông có MS có tính dính cao đặc biệt thích hợp cho bêtông tự đầm và đổ bêtông dưới nước.
· Phụ gia MS được dùng như phụ gia trợ bơm.
· Bêtông có MS có liên kết tốt với cốt thép hay sợi gia cường.
· Vữa hay bêtông có MS có liên kết tốt với bêtông cũ và thích hợp cho thi công sửa chữa và thi công phun.
· Bêtông có MS bền với các tác nhân xâm thực như sulphat, a xít, clo, và mài mòn do đó thích hợp sử dụng trong các trường hợp có các tác nhân xâm thực nêu trên.
(Theo tài liệu của Hội nghị Quốc tế bêtông châu Á ACF / VCA - 2008)