Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu về hệ số giãn nở do nhiệt độ thay đổi (CTE) của bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép (GPCS) có cường độ chịu nén đặc trưng f’c = 25 MPa (GPCS25), 30 MPa (GPCS 30), 35 MPa (GPCS35).

 

Kết quả này được so sánh với hệ số giãn nở do nhiệt độ thay đổi của bê tông geopolymer tro bay (GPC 30) sử dụng cốt liệu tự nhiên (đá dăm, cát sông) và bê tông xi măng truyền thống có f’c = 30 MPa (OPC 30). Kết quả cho thấy, CTE của GPCS thu được dao động trong khoảng 8,34 đến 9,53 µε/^oC. Cường độ bê tông GPCS càng cao thì xu hướng của hệ số giãn nở nhiệt CTE càng nhỏ. Đồng thời, từ kết quả nghiên cứu phương trình hồi quy giữa CTE theo cường độ chịu nén đặc trưng của GPCS được thiết lập. Hơn nữa, kết quả CTE của GPCS 30 đạt giá trị thấp nhất là 8,65 µε/^oC. Trong khi đó, CTE của OPC 30 và GPC 30 khi sử dụng cốt liệu thông thường là 10,42 và 9,91 µε/^oC

1. Đặt vấn đề

Các loại vật liệu xây dựng thường thay đổi kích thước dẫn đến thay đổi thể tích khi chịu tác động của nhiệt độ trong khi áp suất được giữ không đổi. Bê tông xi măng cũng điển hình cho sự co, nở thể tích khi nhiệt độ môi trường giảm hoặc tăng. Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông được định nghĩa là một đại lượng vật lý đặc trưng cho sự thay đổi kích thước khi có quá trình trao đổi nhiệt. Sự thay đổi kích thước không đồng đều do nhiệt sẽ tạo ra ứng suất kéo trong khối bê tông. Khi ứng suất này vượt quá giới hạn thì bê tông sẽ bị nứt. Hệ số giãn nở do nhiệt thể hiện độ dốc của mối quan hệ giữa biến dạng theo và nhiệt độ tác động lên bê tông.

Sự hình thành và phân bố trường nhiệt độ, ứng suất trong lòng khối bê tông trên kết cấu rất phức tạp. Quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố nội tại, cấu trúc của bê tông cũng như các yếu tố bên ngoài liên quan đến môi trường và công nghệ thi công. Các yếu tố nội tại của bê tông có thể kể đến, gồm: thông số về nhiệt của vật liệu; loại và hàm lượng chất kết dính; các loại cốt liệu; tỉ lệ thành phần cấp phối; nhiệt độ bê tông khi đổ; nhiệt dung riêng của bê tông; tốc độ tỏa nhiệt; hình dạng; kích thước kết cấu. Các yếu tố bên ngoài bao gồm như: các thông số về môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió); phương pháp bảo dưỡng bê tông; điều kiện các bề mặt tiếp xúc (ván khuôn, nền đất); nhiệt độ tại mặt thoáng của khối bê tông; hệ số trao đổi nhiệt. Hệ số giãn nở do nhiệt của bê tông thường rất nhỏ và khó xác định.

Cấu trúc của bê tông có 3 pha, gồm cốt liệu, chất kết dính đóng rắn và lỗ rỗng. Đối với bê tông xi măng, cốt liệu thường là đá dăm và cát, những vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt thấp. Ngược lại, đá xi măng là sản phẩm thủy hóa của xi măng với nước, tạo nên các sản phẩm chủ yếu của C-S-H, cùng với cấu trúc lỗ rỗng được cho là khá nhạy cảm về thể tích dưới tác động của sự thay đổi của nhiệt độ. Bê tông geopolymer sử dụng là xỉ thép một mặt có quan hệ thể tích - nhiệt khác với đá dăm và  cát. Đồng thời, chất kết dính geopolymer, do có cấu trúc mạch polymer bền vững nên có nhiều khác biệt so với cấu trúc tinh thể C-S-H trong đá xi măng, dẫn tới sẽ có ứng xử thể tích do nhiệt khác biệt.

Bài viết này trình bày về hệ số giãn nở do nhiệt của bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép với các cấp cường độ chịu nén khác nhau. Kết quả thí nghiệm được so sánh với hệ số giãn nở do nhiệt của bê tông gepolymer tro bay sử dụng cốt liệu tự nhiên (đá dăm, cát sông) và bê tông xi măng truyền thống.

2. Chuẩn bị mẫu thử và tiến hành thí nghiệm

Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông (CTE) được xác định theo Tiêu chuẩn AASHTO T336. Thiết bị chính (Hình 2.1) được sử dụng bao gồm: bể nước ổn định nhiệt (nước trong bể có thể được thay đổi nhiệt độ trong khoảng từ 10^oC đến 50^oC, với độ chính xác 0,1^oC); LVDT để đo biến dạng, đầu đo nhiệt độ với độ chính xác đạt chuẩn do KYOWA ElECTRONIC INSTRUMENTS CO., LTD cung cấp; thiết bị thu tín hiệu đa kênh UCAM 60B cùng các cáp kết nối chuyên dụng; máy tính; khung giữ mẫu (bản mặt, bản đáy và thanh đỡ dọc làm bằng thép).

Mẫu thí nghiệm được chế bị cho 3 loại bê tông, bao gồm: bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép có cường độ chịu nén đặc trưng thiết kế lần lượt là 25; 30; 35 MPa (GPCS 25; GPCS 30; GPCS 35); bê tông geopolymer (GPC 30) sử dụng cốt liệu tự nhiên (đá dăm, cát sông) và bê tông xi măng truyền thống (OPC 30) có cùng cường độ chịu nén f’c = 30 MPa.

Cấp phối và số lượng mẫu thí nghiệm của các loại bê tông được sử dụng trong nghiên cứu được thể hiện ở Bảng 2.1.  
Mẫu trước khi thí nghiệm được đem đi mài phẳng sao cho các mặt cắt song song với nhau. Mẫu được ngâm trong một bể chứa nước ở 23 ± 2^oC ít nhất 48h. Tiến hành vớt mẫu, lau khô bề mặt mẫu, để khô ráo bên ngoài. Sau đó, đặt mẫu vào trong bể ổn định nhiệt độ.

Đặt nhiệt độ bể chứa là 10^oC, duy trì nhiệt độ này trong 1h để đạt được cân bằng nhiệt trong mẫu. Cân bằng nhiệt trong mẫu được giả định là khi thu được giá trị LVDT không đổi sau khi ghi liên tục cứ 10 phút một lần trong khoảng thời gian 1,5h. Ghi lại số đọc nhiệt độ từ (các) cảm biến chính xác đến 0,1^oC. Ghi lại LVDT đọc chính xác đến 0,00025 mm.

Sau đó, tăng nhiệt bể đến 50^oC, quá trình tăng nhiệt độ tối thiểu khoảng 2h, sau đó duy trì nhiệt độ trong bể khoảng 1h cho đến khi đạt trạng thái cân bằng trong mẫu và ghi lại kết quả tương tự như quá trình trên.

Lại hạ nhiêt độ trong bể xuống 10^oC để mẫu đạt cân bằng nhiệt và ghi lại các giá trị LVDT tương tự như trên.

Các giá trị CTE₁ thu được khi nhiệt độ tăng từ 10^oC đến 50^oC trong khi các CTE₂ thu được khi nhiệt độ giảm từ 50^oC đến 10^oC. Sau đó, kiểm tra sự khác biệt giữa các giá trị CTE₁ và CTE₂ trong hai quá trình tăng và giảm nhiệt độ trên. Nếu chênh lệch giữa hai giá trị CTE này nhỏ hơn 0,3 µm/^oC thì giá trị CTE của mẫu thử là giá trị trung bình của hai giá trị CTE₁ và CTE₂. Nếu chênh lệch giữa các CTE₁ và CTE₂ lớn hơn 0,3 µm/^oC, phép thử được lặp lại cho đến khi chênh lệch nằm trong phạm vi sai số.

Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông (CTE) được xác định theo công thức sau:
CTE = (∆L / L_o)/ ∆T
Trong đó: ∆L - Chiều dài thay đổi mẫu đo;
                L_o - Chiều dài ban đầu đo được của mẫu đo;
               ∆T - Sự chênh lệch nhiệt độ.
 
3. Kết quả thí nghiệm và thảo luận

Kết quả thí nghiệm thu được hiệu chuẩn với các đầu đo biến dạng, đầu đo nhiệt độ và tiến hành loại bỏ sai số thô theo ASTM E178. Chi tiết các kết quả được tổng hợp ở Bảng 3.1 và Hình 3.1, Hình 3.3.
Với 3 hỗn hợp bê tông geopolymer đang xét GPCS25, GPCS30, GPCS35, kết quả CTE thu được dao động trong khoảng 8,34 đến 9,53 µε/^oC. Cường độ bê tông GPCS càng cao thì xu hướng của hệ số giãn nở nhiệt CTE càng nhỏ nhưng chưa rõ rệt vì cường độ chịu nén đặc trưng GPCS chênh nhau không nhiều. Tuy nhiên, để nghiên cứu rõ hơn nữa về vấn đề này thì cần khảo sát với phạm vi nghiên cứu rộng hơn và khoảng chênh giữa các cấp bê tông cần lớn hơn để nhận thấy rõ sự khác biệt.

Phương trình hồi quy thực nghiệm giữa hệ số giãn nở nhiệt (CTE) với cường độ chịu nén đặc trưng thực nghiệm GPS 25 (f’c = 27,29 MPa); GPS 30 (f’c = 32,50 MPa); GPS 35 (f’c = 37,06 MPa) [7,8,6] của bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép được thể hiện như phương trình (1) và Hình 3.2.
   
Hình 3.3 cũng thể hiện quan hệ biến dạng theo nhiệt độ của bê tông gepolymer tro bay cốt liệu tự nhiên (GPC 30) và bê tông xi măng truyền thống (OPC 30) cùng cấp. Kết quả cho thấy, CTE của GPC30 cũng gần tương tự với OPC30. Kết quả này cũng tương đồng với các kết luận của các tác giả Hajito, Davidoit, Rangan. Kết quả CTE của (GPCS 30) sử dụng cốt liệu xỉ thép đạt giá trị thấp nhất là 8,65 µε/^oC. CTE của (OPC 30) và (GPC 30) khi sử dụng cốt liệu thông thường lần lượt là 10,42 và 9,91µε/^oC. Nguyên nhân có thể do sử dụng cốt liệu xỉ thép đã làm giảm độ giãn nở. Điều này phù hợp với kết quả nghiên cứu của tác giả như Neville và Brooks. Nghiên cứu đã chỉ ra hệ số CTE phụ thuộc vào loại cốt liệu, thời gian xác định, điều kiện môi trường và chu trình thay đổi nhiệt độ. Do cốt liệu chiếm một phần đáng kể theo thể tích trong thành phần hỗn hợp bê tông, nên mức độ thay đổi hàm lượng, tính chất vật liệu của cốt liệu sẽ ảnh hưởng nhiều đến sự biến dạng do nhiệt của bê tông. Từ các nghiên cứu đã chỉ ra mối quan hệ tuyến tính giữa lượng dùng cốt liệu lớn và hệ số CTE, hàm lượng và loại cốt liệu ảnh hưởng lớn đến CTE. Do sự biến thiên của CTE phụ thuộc vào nhiều vào loại vật liệu sử dụng mà chủ yếu là do cốt liệu.

Vì vậy, các kết quả thí nghiệm được trình bày ở trên đã cho thấy ảnh hưởng của loại cốt liệu, loại chất kết dính, cường độ chịu nén đến hệ số giãn nở nhiệt của bê tông. Điều này sẽ góp phần hiệu quả cho việc tính toán kích thước hình học của cấu kiện, giảm được vết nứt do nhiệt và tăng tuổi thọ công trình.

4. kết luận và kiến nghị

Từ các kết quả thực nghiệm đạt được về hệ số giãn nở nhiệt của bê tông geopolymer sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép khi so sánh với các loại bê tông đối chứng khác trong nghiên cứu này, các kết luận và kiến nghị sau có thể được rút ra:

- Kết quả CTE của (GPCS 30) sử dụng cốt liệu xỉ thép đạt giá trị thấp nhất là 8,65 µε/^oC. CTE của (OPC 30) và (GPC 30) khi sử dụng cốt liệu thông thường là 10,42 và 9,91 µε/^oC.

- Cường độ bê tông GPCS càng cao thì xu hướng của hệ số giãn nở nhiệt CTE càng nhỏ. Tuy nhiên, để nghiên cứu rõ hơn nữa về vấn đề này thì cần khảo sát với phạm vi nghiên cứu rộng hơn và khoảng chênh giữa các cấp bê tông cần lớn hơn để nhận thấy rõ sự khác biệt.

- Phương trình hồi quy thực nghiệm giữa hệ số giãn nở nhiệt (CTE) với cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông geopolymer tro bay sử dụng hoàn toàn cốt liệu xỉ thép trong phạm vi nghiên cứu được rút ra: