Báo cáo Tóm tắt Nghiên cứu sử dụng muội Silic trong sản xuất bê tông cường độ cao

ii ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao MỤC LỤC Trang Danh sách những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài và đơn vị phối hợp ..... i Mục lục ........ ............................................................................................................. ii Danh mục bảng biểu ................................................................................................ iii Danh mục hình ảnh .................................................................................................. iv Danh mục ký hiệu, từ và chữ viết tắt ...................................................................... v Thông tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Việt ...................................................... vi Thông tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Anh ..................................................... vii MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu ................................................................. 1 2. Những đóng góp khoa học của đề tài ................................................................. 1 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................ 3 Chương 1: MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................................................................... 3 1. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................. 3 2. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu .................................................. 3 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................................ 3 Chương 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ........................................................... 5 2.1. Những đặc trưng của bê tông bột hoạt tính ..................................................... 5 2.2. Xi măng Porland ................................................................................................ 6 2.3. Sự thủy hóa xi măng và phát triển vi cấu trúc trong quá trình thủy hóa ...... 6 2.4. Muội silic ............................................................................................................ 7 Chương 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỬ ............................................ 8 3.1. Vật liệu ................................................................................................................ 8 3.2. Lựa chọn cầp phối nghiên cứu ......................................................................... 8 3.3. Phương pháp thử ................................................................................................ 8 ii ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao Chương 4: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO QUÁ TRÌNH THỦY HÓA XI MĂNG ....................................................................................................................... 9 4.1. Mô hình động học cho quá trình thủy hóa mỗi thành phần khoáng trong xi măng ............................................................................................................. 9 4.2. Mô hình động học cho quá trình thủy hóa của hỗn hợp xi măng và muội silic ............................................................................................................. 10 4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa .............................................. 11 4.4. Mô hình sự phát triển nhiệt và tốc độ phát triển nhiệt của quá trình thủy hóa .................................................................................................................... 11 4.5. Mô hình phát triển thể tích các pha trong hồ kết dính trong suốt quá trình thủy hóa.................................................................................................... 12 4.6. Các tham số động học của quá trình thủy hóa hỗn hợp chất kết dính ........ 12 Chương 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 15 5.1. Tốc độ thủy hóa và bậc thủy hóa ................................................................... 15 5.2. Sự phát triển nhiệt và tốc độ phát triển nhiệt thủy hóa ................................ 15 5.3. Sự phát triển vi cấu trúc trong bê tông trong quá trình thủy hóa ................ 16 5.4. Lỗ rỗng tổng cộng và độ rỗng tổng cộng của hồ kết dính ........................... 16 5.5. Lỗ rỗng thủy hóa và co ngót hóa học ............................................................ 18 5.6. Cường độ nén của bê tông .............................................................................. 21 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................... 24 6.1. Kết luận ............................................................................................................. 24 6.2. Kiến nghị .......................................................................................................... 25 iii ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1. Điển hình thành phần của bê tông bột hoạt tính ................................... 5 Bảng 3.1. Các đặc trưng của các cấp phối .............................................................. 8 Bảng 5.1. Kết quả thử cường độ nén trên các mẫu bê tông ................................ 15 iv ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 4.1. Sơ đồ mô tả các giai đoạn của quá trình thủy hóa một thành phần pha khoáng xi măng ......................................................................................................... 9 Hình 4.2. Sơ đồ mô tả thể tích các thành phần trong một đơn vị thể tích ......... 14 Hình 5.1. Sự phát triển bậc thủy hóa (Trường hợp B4: E/C=0.11 ; FS/C=0.2)15 Hình 5.2. Sự phát triển tốc độ trình thủy hóa (Trường hợp B4:E/C=0.11; FS/C=0.2) ................................................................................................................. 16 Hình 5.3. Bậc thủy hóa và tốc độ thủy hóa: so sánh giữa mô hình và thực nghiệm (trường hợp B4: E/C=0.11 ; FS/C=0.2) ................................................................ 17 Hình 5.4. Sự phát triển nhiệt và tốc độ phát triển nhiệt thủy hóa: so sánh giữa thực nghiệm và mô hình (trường hợp B4: E/C=0.11 ; FS/C=0.2) ..................... 18 Hình 5.5. Ảnh hưởng hàm lượng muội silic đến sự phát triển nhiệt thủy hóa . 19 Hình 5.6. Ảnh hưởng hàm lượng muội silic đến tốc độ phát triển nhiệt ........... 19 Hình 5.7. Sự phát triển các thành phần pha trong hồ kết dính theo hàm bậc thủy hóa của xi măng (trường hợp B4: E/C=0.11 ; FS/C=0.2). ................................. 20 Hình 5.8. Sự phát triển độ rỗng tổng cộng theo thời gian của các mẫu bê tông21 Hình 5.9. Sự phát triển cường độ nén bê tông theo theo hàm SF/C .................. 22 Hình 5.10. Quan hệ ứng suất và thời gian khi thử các mẫu bê tông (trường hợp B4) ............................................................................................................................ 23 v ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao MỘT SỐ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt bằng tiếng Việt BT : Bê tông BTCT : Bê tông cốt thép BTCLC : Bê tông chất lượng cao BTCS : Bê tông cốt sợi BTHM : Bê tông hạt mịn BTXM : Bê tông xi măng C : Xi măng FS : Muội silic SB : Cát mịn QB : Bột đá SP : Phụ gia dẻo E : Nước TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam Chữ viết tắt bằng tiếng Anh ASTM : American society of testing materials AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials ACI : American concrete institute CH : Hyđrôxít canxi C-S-H : Hyđrô silicát canxi vi ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao - Mã số: B2016-DNA-30-TT - Chủ nhiệm đề tài: TS. Bạch Quốc Sĩ. - Tổ chức chủ trì: Đại học Đà Nẵng. - Thời gian thực hiện: từ 12/2016 đến 10 /2018. 2. Mục tiêu: Nghiên cứu khả năng sử dụng muội silic trong việc chế tạo bê tông cường độ cao. 3. Tính mới và sáng tạo: - Nghiên cứu được triển khai trên bê tông chất lượng siêu cao. - Đánh giá một cách định lượng sự phát triển vi cấu trúc trong bê tông. 4. Kết quả nghiên cứu: - Đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng muội silic trong việc thay thế một phần xi măng đến các tính chất của bê tông chất lượng siêu cao bao gồm cường độ nén, nhiệt phát triển và co ngót. - Phân tích sự phát triển vi cấu trúc trong hồ kết dính theo thời gian và ảnh hưởng của chúng đến các tính chất bê tông. 5. Sản phẩm: 5.1. Sản phẩm khoa học: Các bài báo công bố: 1. Bạch Quốc Sĩ (2017), "Chemical Shrinkage Characteristics of Binder Pastes in Ultra High Performance Concrete Made from Different Types of Cement", CIGOS-2017 (Congrès International de Géotechnique - Ouvrages – Structures, 2017) on "New Challenges in Civil Engineering", pp. 354 - 366, ISBN: 978-981-10-6712-9, Springer. 2. Bạch Quốc Sĩ (2018), "Investigation of blended cement hydration in vi ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao the Reactive Powder Concrete with increasing levels of silica fume addition", MMMS-2018 (International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development) on "Research development in industrial material, machining and methods towards sustainability", pp. 642 - 650, ISBN: 978-604-95-0502-7, Nhà xuất bản Bách Khoa, Hà Nội. 3. Bạch Quốc Sĩ (2018), "Quantitative study of hydration of C3S and C2S in the Reactive Powder Concrete together with its strength development", MMMS-2018 (International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development) on "Research development in industrial material, machining and methods towards sustainability", pp. 651 - 660, ISBN: 978-604-95-0502-7, Nhà xuất bản Bách Khoa, Hà Nội. 4. Bạch Quốc Sĩ (2018), "Ảnh hưởng hàm lượng muội silic đến cường độ nén của bê tông chất lượng siêu cao", Tạp chí Xây dựng Việt Nam - Bộ Xây dựng, Số: 11-2017; pp 116-121, ISBN: 0866-8762. 5.2. Sản phẩm đào tạo: Hỗ trợ đào tạo thạc sĩ: Nguyễn Văn Lợi (2018), Nghiên cứu đánh giá độ bền của bê tông cường độ cao sử dụng muội silic trong các kết cấu nhịp cầu, Luận văn thạc sĩ Công nghệ vật liệu xây dựng, Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội. 5.3. Sản phẩm ứng dụng 1. Chế tạo thành công mẫu bê tông có cường độ nén đạt trên 150 MPa. 2. Phần mềm thủy hóa chất kết dính (bao gồm xi măng và muội silic). 3. Kết quả đo đạc thực nghiệm các tính chất bê tông về cường độ nén, nhiệt thủy hóa và co ngót hóa học. 6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu: Đề tài được sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các sinh viên và giảng viên ở các trường Đại học chuyên ngành xây dựng; đang học chuyên vii ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: - Project title: Study of High Strength Concrete using silica fume - Code number: B2016-DNA-30-TT - Coordinator: Dr. Bạch Quốc Sĩ - Implementing institution: The University of Danang - Duration: from 12/2016 to 10/2018 2. Objective: The research work focuses on the production of Ultra High Performance Concrete (UHPC) with the using silica fume. 3. Creativeness and innovativeness: 1. The research was carried out on Ultra High Performance Concrete. 2. Evaluate quantitatively the microstructure development in concrete. 4. Research results: - Evaluate the effect of silica fume content in the substitution of cement to the properties of UHPC including compressive strength, cumulative heat development, and chemical shrinkage. - Analyze the microstructure development in the binder paste by time and their effects on concrete properties. 5. Products: 5.1. Scientific publications There are 04 published papers: 1. Bach Quoc Si (2017), "Chemical Shrinkage Characteristics of Binder Pastes in Ultra High Performance Concrete Made from Different Types of Cement", CIGOS-2017 (Congrès International de Géotechnique - Ouvrages – Structures, 2017) on "New Challenges in Civil Engineering", pp. 354 - 366, ISBN: 978-981-10-6712-9, Springer. 2. Bach Quoc Si (2018), "Investigation of blended cement hydration in the Reactive Powder Concrete with increasing levels of silica fume addition", MMMS-2018 (International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development) on "Research development in vii ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao industrial material, machining and methods towards sustainability", pp. 642 - 650, ISBN: 978-604-95-0502-7, Bach Khoa Publishing House, Hanoi. 3. Bach Quoc Si (2018), "Quantitative study of hydration of C3S and C2S in the Reactive Powder Concrete together with its strength development", MMMS-2018 (International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development) on "Research development in industrial material, machining and methods towards sustainability", pp. 651 - 660, ISBN: 978-604-95-0502-7, Bach Khoa Publishing House, Hanoi. 4. Bạch Quốc Sĩ (2018), " Influence of mineral composition in cement on shrinkage chemical of ultra high performance concrete", Vietnam journal of constuction, pp. 116 - 121, ISBN: 0866-8762. 5.2. Training products There is 01 support a master's degree candidate: Nguyen Van Loi (2018), Studying on the evaluation of durability in high strength concrete using silica in the bridge structure, Masters thesis on construction material technology, Hanoi Transportation University. 5.3. Application products 1. Fabricated successfully concrete sample with a compressive strength over 150 MPa. 2. Created a software of the hydration for binder paste (including cement and silica fume). 3. Experimental results of concrete properties including compressive strength, cumulative heat development during the reaction process of blended cement and chemical shrinkage. 6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results: This project is a useful reference for students and lecturers at the Universities of civil engineering; the construction consulting companies. 1 ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Muội silic hay khói silic (tiếng Anh: silica fume), là một dạng cấu trúc vô định hình (không phải tinh thể) của silic điôxít (ôxit silic, hay silica). Muội silic là sản phẩm phụ của công nghiệp sản suất chế phẩm chứa silic, thoát ra dưới dạng khói bay cực mịn. Muội silic có kích thước rất nhỏ bé, khoảng từ 0,1 μm đến vài μm, đường kính hạt trung bình 1,5 μm. Muội silic được dùng chủ yếu làm nguyên liệu tạo thêm tính chất pozzolan cho bê tông cường độ cao chế tạo từ xi măng Portland. Tính chất pozzolan chính là phản ứng của ôxit silic tác dụng với thành phần vôi tự do (canxi hydroxit), xuất hiện sau khi phản ứng thủy hóa trong bê tông xảy ra, để tạo ra chính thành phần đá bê tông là canxi silicat hydrat (CSH), ngăn cản phản ứng cacbonat hóa vôi tự do tạo nên độ rỗng trong bê tông do hòa tan muối này. Nghiên cứu vật liệu mới, trong đó có bê tông chất lượng cao là hướng phát triển nhằm hạ giá thành, tăng tính mỹ quan mà kết cấu vẫn đủ khả năng khai thác. Do vậy, nghiên cứu khả năng sử dụng muội Silic trong sản xuất bê tông cường độ cao là vấn đề có tính cấp thiết. 2. Những đóng góp khoa học của đề tài Đề tài là công trình nghiên cứu có hệ thống, cụ thể là: 1. Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan, đề tài đã khái quát về đặc điểm về phụ gia hoạt tính nói chung và muội silic nói riêng. Bên cạnh đó, những vấn đề cơ bản về thủy hóa xi măng cùng có sự tham gia của muội silic cũng được trình bày. 2. Đề tài đã xây dựng được một chương trình mô phỏng sự thủy hóa chất kết dính bao gồm xi măng và muội silic. Qua đó, chương trình đã tính toán được sự hình thành các pha trong quá trình thủy hóa và nhiệt thủy hóa. 3. Đề tài đã phân tích, luận giải những vấn đề liên quan giữa vi cấu trúc và các tính chất của bê tông (cường độ nén, co ngót hóa học và nhiệt thủy 2 ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao hóa) và khả năng sử dụng muội silic trong việc sản xuất bê tông cường độ cao. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài Đề tài đã xây dựng được mô hình tính toán dự báo sự thủy hóa hồ kết dính xi măng - muội silic. Từ đó làm sáng tỏ sự hình thành và phát triển các tính chất của bê tông như: co ngót hóa học, cường độ nén, nhiệt thủy hóa. Nghiên cứu đề tài giúp hiểu sâu sắc và có hệ thống hơn về bê tông cường độ cao, cũng như khả năng sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể xây dựng thành chuyên đề giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành xây dựng, đồng thời là một tài liệu tham khảo thiết thực cho giảng viên ngành xây dựng ở các trường Đại học và những ai quan tâm tới vấn đề này. Dựa vào kết quả nghiên cứu của đề tài, tác giả mong muốn đóng góp một phần vào việc giáo dục ý thức bảo vệ môi trường, phát triển bền vững trong ngành xây dựng. 3 ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao CHƯƠNG 1 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của đề tài này là: - Từ vật liệu trong nước, nghiên cứu chế tạo ra bê tông cường độ siêu cao từ 150 đến 200MPa. - Nghiên cứu ảnh hưởng của muội Silic tới sự phát triển vi cấu trúc trong cấu trúc bê tông chất lượng siêu cao. - Nghiên cứu ảnh hưởng của muội silic tới sự phát triển co ngót hóa học của bê tông chất lượng siêu cao. - Nghiên cứu ảnh hưởng của muội silic tới sự phát triển cường độ nén của bê tông chất lượng siêu cao. 2. Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu 2.1. Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu bê tông cường độ cao; - Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao. 2.2. Phạm vi nghiên cứu - Đề tài được nghiên cứu gói gọn trong loại bê tông có cường độ siêu cao (Ultra-High Performance Concrete - UHPC). - Loại bê tông có cường độ siêu cao được chọn để nghiên cứu là bê tông bột hoạt tính (Reactive Powder Concretes - RPC). 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3.1. Cách tiếp cận Đề tài tiếp cận các vấn đề nghiên cứu từ các góc độ sau: - Tiếp cận từ lý thuyết: từ cơ sở lý luận và tổng quan về bê tông cương độ cao, đề tài xây dựng một một chương trình thủy hóa xi măng cùng với muội silic. Qua đó làm cơ sở phân tích các tính chất của bê tông khi có sử dụng muội silic. 4 ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT Nghiên cứu sử dụng muội silic trong s