Sử dụng hiệu quả phụ gia khoáng
cho sản xuất bê tông đầm lăn tại Việt Nam
ThS. Nguyễn Văn Đoàn - Viện Vật liệu xây dựng
1. Giới thiệu chung
Bê tông đầm lăn (BTĐL) là loại bê tông không có độ sụt, được đầm chặt bằng máy lu rung, phương pháp thi công tương tự như thi công đường giao thông và đập đất đá, được sử dụng chủ yếu để xây dựng đường giao thông và đập chắn nước cho các công trình thủy lợi, thủy điện.
Trên thế giới, BTĐL đã được sử dụng rộng rãi từ những năm 70 thế kỷ 20, là một trong những sự phát triển quan trọng nhất trong công nghệ xây dựng đập nhờ hiệu quả kinh tế cao và thời gian thi công nhanh hơn so với bê tông thông thường. Một ưu điểm nữa của BTĐL là do sử dụng hàm lượng xi măng ít nên nhiệt thủy hóa sinh ra trong quá trình rắn chắc của bê tông thấp, làm giảm đáng kể nhiệt độ trong khối bê tông, hạn chế ứng suất nhiệt gây nứt và phá hủy kết cấu bê tông. Đối với kết cấu bê tông khối lớn, nhiệt độ và ứng suất nhiệt phát sinh trong quá trình bê tông rắn chắc là vấn đề quan trọng nhất cần được giải quyết, sử dụng BTĐL sẽ rất hiệu quả trong việc giải quyết vấn đề này.
ở nước ta, BTĐL vẫn còn tương đối mới mẻ, việc nghiên cứu và sử dụng loại bê tông này chưa được quan tâm ở mức độ cần thiết. Hiện nay, nhiều công trình thủy điện ở nước ta đã và đang bắt đầu chú ý đến việc sử dụng BTĐL để xây dựng các đập trọng lực cho hồ chứa, một số công trình đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm các đặc tính kỹ thuật và công nghệ thi công BTĐL.
Các vật liệu sử dụng để chế tạo BTĐL cũng tương tự như bê tông truyền thống, bao gồm xi măng, phụ gia khoáng, phụ gia hóa học, cốt liệu và nước. Tuy nhiên, do đặc điểm chính của hỗn hợp BTĐL là không có độ sụt và lượng xi măng sử dụng ít do đó thành phần các vật liệu của BTĐL khác nhiều so với bê tông thông thường, trong đó cấp phối hạt cốt liệu và hàm lượng hạt mịn là các yếu tố quan trọng trong việc định lượng thành phần cấp phối và quyết định tính chất của hỗn hợp bê tông và BTĐL khi rắn chắc.
Hạt mịn sử dụng cho BTĐL là các loại vật liệu có kích thước hạt nhỏ hơn 75 mm, tùy thuộc vào khối lượng chất kết dính (xi măng) và kích thước lớn nhất của cốt liệu được sử dụng, yêu cầu về hàm lượng hạt mịn có thể chiếm đến 10% khối lượng cốt liệu trong BTĐL. Các loại hạt mịn được sử dụng trong BTĐL thường là các loại poozolan, tro bay, silicafum, xỉ lò cao, ... được gọi chung là phụ gia khoáng. Việc lựa chọn và sử dụng hợp lý nguồn phụ gia khoáng cho BTĐL là vấn đề rất cần thiết, có liên quan trực tiếp đến địa điểm xây dựng công trình, yêu cầu và chất lượng bê tông, khả năng cung cấp và giá thành công trình xây dựng.
2. Vai trò của phụ gia khoáng trong BTĐL
Phụ gia khoáng (PGK) là các vật liệu khoáng vô cơ có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, được phân ra thành hai loại là PGK hoạt tính và PGK không hoạt tính. PGK hoạt tính có nguồn gốc tự nhiên là các khoáng sản được hình thành trong thiên nhiên, có nguồn gốc từ núi lửa hoặc trầm tích sinh học bao gồm: tro núi lửa, tuf núi lửa, đá bọt, đá bazan phong hóa, đá silic, ... thuộc nhóm vật liệu có hoạt tính poozolanic, thường được gọi là phụ gia khoáng poozolan. Thành phần hóa học và khoáng vật trong đá dao động rất lớn, gồm các pha thủy tinh và các pha kết tinh, trong đó pha thủy tinh và các oxít silic hoạt tính là thành phần cơ bản làm cho đá có hoạt tính poozolanic. PGK hoạt tính có nguồn gốc nhân tạo gồm các loại phế thải thu được trong các quá trình sản xuất công nghiệp, bao gồm silicafum, tro bay nhiệt điện, xỉ hạt lò cao, ... PGK không hoạt tính là các loại bột đá tự nhiên không hoặc ít có hoạt tính poozolanic, tác dụng chủ yếu là cải thiện cấp phối hạt, nâng cao độ đặc chắc của cấu trúc vữa và bê tông. Loại này bao gồm đá vôi, đá đôlômit, đá bazan, các loại sa khoáng khác.
Như đã giới thiệu ở trên, đặc điểm của BTĐL là sử dụng lượng xi măng ít, lượng nước nhào trộn thấp, trong bê tông không đủ lượng hồ xi măng để lấp đầy khoảng rỗng giữa các hạt cốt liệu và bôi trơn bề mặt các hạt cốt liệu, dẫn đến hỗn hợp bê tông dời rạc và kém dẻo. Để giải quyết vấn đề này, việc sử dụng tro bay hoặc các loại PGK tự nhiên nghiền mịn cho BTĐL là rất cần thiết, nhằm tăng thể tích hồ, bổ xung lượng hạt mịn (vi cốt liệu) còn thiếu để lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu và tạo cho hỗn hợp BTĐL có tính dẻo tốt, có khả năng chịu đầm.
Ngoài ra, PGK hoạt tính còn có tác dụng về mặt hóa học là tham gia các phản ứng với Ca(OH)2 sinh ra trong quá trình thủy hóa xi măng, tạo ra các khoáng mới có cường độ, nâng cao độ đặc chắc, cường độ nén, khả năng chống thấm và các tính chất khác của bê tông. Do đó, PGK hoạt tính còn có tác dụng làm giảm đáng kể hàm lượng xi măng sử dụng mà BTĐL vẫn đảm bảo được cường độ nén theo yêu cầu thiết kế.
Kinh nghiệm của các nước đã sử dụng nhiều cho thấy, hỗn hợp BTĐL có hàm lượng chất kết dính thấp cần được bổ sung nhiều hơn thành phần PGK nghiền mịn để tăng hàm lượng bột mịn và lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu.
Như vậy, vai trò của PGK trong BTĐL là rất quan trọng, là thành phần không thể thiếu khi chế tạo BTĐL, được sử dụng để giải quyết các vấn đề sau:
1) Thay thế một phần xi măng để giảm lượng nhiệt thủy hóa và ứng suất nhiệt trong BTĐL sử dụng cho các kết cấu bê tông khối lớn.
2) Cải thiện cấp phối hạt cốt liệu, tăng độ đặc chắc của kết cấu bê tông, từ đó nâng cao cường độ nén, khả năng chống thấm và các tính chất khác của BTĐL.
3) Cải thiện tính dẻo và hạn chế sự phân tầng của hỗn hợp BTĐL, tăng khả năng chịu đầm chặt trong quá trình thi công.
4) Thay thế một phần xi măng để giảm chi phí xây dựng công trình.
Về khía cạnh kỹ thuật, PGK hoạt tính sử dụng cho BTĐL vừa có tác dụng về mặt hóa học, thể hiện qua khả năng tham gia các phản ứng thủy hóa tạo khoáng có cường độ, vừa có tác dụng về mặt cơ học, thể hiện qua hiệu quả cải thiện cấp phối hạt cốt liệu và tính công tác của hỗn hợp BTĐL. PGK không hoạt tính chỉ có tác tác dụng về mặt cơ học, do đó khi sử dụng loại PGK này cho BTĐL sẽ không hiệu quả bằng PGK hoạt tính. Một số loại PGK có thể làm tăng lượng nước nhào trộn, giảm cường độ nén và tạo ra hỗn hợp bê tông dính, gây khó khăn cho quá trình thi công bê tông.
Do đó, khi chế tạo BTĐL cho một công trình cụ thể cần chú ý đến bản chất của vật liệu sử dụng làm PGK, nguồn và khả năng cung cấp nhằm sử dụng có hiệu quả nguồn PGK sẵn có, đáp ứng yêu cầu kinh tế kỹ thuật của công trình.
3. Sử dụng hiệu quả phụ gia khoáng cho btđl tại việt nam
Trên thế giới, PGK thường được sử dụng để chế tạo BTĐL là tro bay nhiệt điện hoặc poozolan tự nhiên, trong đó tro bay thường được sử dụng nhiều hơn do có nhiều ưu điểm như độ mịn cao và hạt hình cầu, khả năng hoạt tính poozolanic cao, lượng cần nước thấp, giảm được đáng kể lượng dùng xi măng mà vẫn đảm bảo yêu cầu độ dẻo hỗn hợp bê tông phù hợp cho thi công và cường độ nén của bê tông khi rắn chắc. Ngược lại, hầu hết các loại PGK poozolan tự nhiên thường có hoạt tính poozolanic thấp hơn, lượng cần nước cao hơn và do đó cần lượng dùng xi măng cao hơn so với khi sử dụng tro bay.
Việt Nam có nguồn PGK tự nhiên và nhân tạo rất đa dạng, có thể sử dụng để chế tạo BTĐL. Nguồn PGK poozolan tự nhiên có chất lượng tốt, trữ lượng lớn, nằm dải rác khắp các vùng trong cả nước. Nguồn tro bay có khối lượng khoảng 700.000 tấn/năm, được cung cấp chủ yếu từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại - Hải Dương và một số nhà máy nhiệt điện khác ở khu vực phía Bắc.
Các công trình đã và đang dự kiến sử dụng BTĐL tại nước ta đều là các công trình đập thủy lợi, thủy điện, nằm ở các khu vực miền núi trong cả nước. Hầu hết các công trình này đều gần các mỏ PGK tự nhiên, rất thuận lợi cho việc khai thác, vận chuyển và sử dụng chế tạo BTĐL. Tuy nhiên, các đơn vị tư vấn thiết kế và thi công đều có xu hướng sử dụng tro bay làm PGK cho chế tạo BTĐL, nguồn tro bay ở nước ta chủ yếu tập trung ở khu vực phía bắc, trong khi đó các công trình sử dụng nhiều đến tro bay lại nằm rất dải rác và xa nguồn cung cấp. Mặt khác, tro bay có khối lượng thể tích rất nhỏ nên việc vận chuyển đến nơi sử dụng gặp nhiều khó khăn, chi phí vận chuyển cao.
Một vấn đề đáng quan tâm nữa là chất lượng nguồn tro bay nhiệt điện của nước ta không tốt. Theo phân loại trong tiêu chuẩn ASTM C618 - 99, tro bay của nước ta thuộc loại F, có khả năng hoạt tính không cao, hàm lượng mất khi nung quá lớn. Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy, chỉ số hoạt tính cường độ với xi măng poóclăng chỉ ở mức trung bình, khoảng 80 - 85% đối với tro bay đã tuyển, hàm lượng mất khi nung của tro bay nếu không qua tuyển từ dây chuyền 1 của nhà máy nhiệt điện Phả Lại là từ 25 - 30%, của dây chuyền 2 từ 12 - 17%, trong khi đó giới hạn cho phép là nhỏ hơn 6%. Điều này ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng bê tông, vì vậy phải qua công đoạn tuyển chọn mới sử dụng được. Hiện nay, công nghệ tuyển chọn này rất đơn giản, lạc hậu, quy mô nhỏ, gây ảnh hưởng xấu đến môi trường, … chính vì vậy không đáp ứng đủ cho nhu cầu sử dụng.
Xuất phát từ các vấn đề kinh tế kỹ thuật nêu trên, việc nghiên cứu và sử dụng hợp lý các nguồn PGK tự nhiên ngoài tro bay hoặc kết hợp sử dụng cả hai loại để chế tạo BTĐL cho các công trình thủy lợi, thủy điện ở nước ta là hết sức cần thiết, nhất là với công trình thuỷ điện Sơn La có khối lượng bê tông có yêu cầu sử dụng PGK rất lớn.
Như đã phân tích, vai trò của PGK poozolan tự nhiên hoặc tro bay là tham gia phản ứng tạo khoáng mới và cải thiện cấp phối hạt cốt liệu, lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu trong BTĐL, hàm lượng sử dụng trong thành phần bê tông tương đối lớn. Tuy nhiên, do BTĐL là loại bê tông nghèo xi măng, lượng xi măng sử dụng thấp nên lượng Ca(OH)2 sinh ra khi thuỷ hoá không nhiều, vì vậy lượng PGK hoạt tính (tro bay hoặc pozzolan) cần để thực hiện phản ứng poozolanic không nhiều. Phần lớn lượng PGK hoạt tính trong thành phần BTĐL chỉ phát huy hiệu quả về mặt cơ học là cải thiện cấp phối hạt, lấp đầy lỗ rỗng và bôi trơn các hạt cốt liệu, cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông, lượng PGK hoạt tính này có thể được thay thế bằng các loại PGK không hoạt tính (phụ gia điền đầy). Điều này rất quan trọng đối với các công trình nằm ở xa nguồn cung cấp tro bay, có thể tìm kiếm nguồn PGK ở các khu vực lân cận. Một số kết quả nghiên cứu sơ bộ gần đây cũng cho thấy khả năng có thể sử dụng PGK tự nhiên thay thế tro bay để chế tạo BTĐL.
Như vậy, việc sử dụng hoàn toàn tro bay để chế tạo BTĐL tại các công trình ở xa nguồn cung cấp là không cần thiết và làm tăng giá thành công trình, có thể giải quyết bằng cách sử dụng PGK poozolan thay thế tro bay hoặc kết hợp sử dụng cả hai loại. Vấn đề đặt ra là sử dụng tro bay và các loại PGK như thế nào cho hợp lý và hiệu quả, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, kinh tế và khả năng cung cấp cho các công trình có sử dụng BTĐL.
Để giải quyết vấn đề này, Viện Vật liệu xây dựng đã đề xuất và được Bộ Xây dựng giao nhiệm vụ thực hiện đề tài Nghiên cứu sử dụng hợp lý các loại PGK cho chế tạo BTĐL phục vụ cho xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện. Đề tài đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu là xác định các nguồn PGK có thể sử dụng để chế tạo BTĐL, khả năng kết hợp sử dụng tro bay và các loại PGK khác nhau để chế tạo BTĐL, nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật đối với các công trình sử dụng BTĐL, đặc biệt là đối với các công trình ở các vùng không có hoặc có ít nguồn pozzolan, xa nguồn cung cấp tro bay. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, xây dựng tiêu chuẩn chất lượng PGK cho bê tông. Đề tài đang trong giai đoạn bắt đầu triển khai thực hiện.
Công trình thủy điện Sơn La cần sử dụng khối lượng bê tông rất lớn, theo thiết kế khoảng 5 triệu m3, trong đó bê tông thông thường khoảng 2 triệu m3 và BTĐL khoảng 3 triệu m3. Để đáp ứng yêu cầu cho bê tông sẽ cần khoảng 2,75 triệu m3 cát, nguồn cát tự nhiên tại khu vực tỉnh Sơn La có trữ lượng rất ít, không đáp ứng đủ nhu cầu cát cho công trình. Nguồn cát mỏ Kỳ Sơn - Hòa Bình nằm ở xa nên khi vận chuyển đến công trình có giá thành cao, khả năng cung cấp không đáp ứng kịp thời khi tiến độ thi công bê tông ở thời kỳ cao điểm. Để giải quyết vấn đề này, công trình thủy điện Sơn La sẽ sử dụng cát nghiền thay thế cát tự nhiên. Kết quả thí nghiệm các mẫu cát nghiền từ đá bazan không rửa đang sản xuất tại Sơn La cho thấy hàm lượng hạt nhỏ hơn 75 mm tương đối cao, khoảng 15 – 18%, vượt quá nhiều so với mức tiêu chuẩn quy định, không phù hợp cho bê tông. Để phù hợp với quy định, cát sau khi nghiền sàng phải qua công đoạn rửa để loại bỏ bớt các hạt mịn. Khối lượng hạt mịn phải loại bỏ rất lớn dẫn đến giá thành cát nghiền tương đối cao. Lượng hạt mịn này có thể sử dụng làm chất độn mịn để thay thế một phần PGK cho chế tạo BTĐL tại công trình, góp phần làm giảm giá thành công trình.
4. Kết luận
· PGK là thành phần rất quan trọng cho chế tạo BTĐL, được sử dụng để giảm lượng dùng xi măng, giảm nhiệt thủy hóa, cải thiện cấp phối hạt cốt liệu, nâng cao các tính chất của hỗn hợp bê tông và BTĐL.
· Tại Việt Nam có nhiều nguồn PGK có thể sử dụng để chế tạo BTĐL, sử dụng hợp lý nguồn PGK sẽ nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật của công trình.
Tài liệu tham khảo
1. Nguyễn Văn Đoàn - Báo cáo kết quả nghiên cứu mỏ đá Tạ Bú - Sơn La làm phụ gia khoáng cho sản xuất xi măng và bê tông, Viện Vật liệu xây dựng, 2004.
2. Nguyễn Văn Đoàn - Báo cáo dự án xây dựng tiêu chuẩn Cát nghiền cho bê tông và vữa, Viện Vật liệu xây dựng, 2005.
3. Vũ Hồng Phong - Báo cáo kết quả nghiên cứu mỏ đá bazan phong hóa Quảng Ngãi làm phụ gia khoáng cho sản xuất xi măng và bê tông, Viện Vật liệu xây dựng, 2004.
4. Nguyễn Văn Chiến, Trịnh ích, Phan Trường Thị - Thạch học, Nhà xuất bản Bộ ĐH và THCN, 1983.
5. Roller- Compacted Mass Concrete, Reported by ACI Committee 207-ACI 207.5R-99.
6. ASTM C618 - 99 Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use a Mineral Admixture in Concrete./.
Hà Nội, 1/2007.
|