LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu sử dụng Metakaolin Việt Nam chế tạo bê tông cường độ cao, ứng dụng cho công trình thủy lợi” đã được tác giả hoàn thành đúng thời hạn quy định và đảm bảo đầy đủ các yêu cầu trong đề cương được phê duyệt. Trong quá trình thực hiện, nhờ sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo Trường Đại Học Thuỷ Lợi, các công ty tư vấn, các phòng thí nghiệm, tác giả đã hoàn thành luận văn này. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Trịnh Quang Minh và TS. Vũ Quốc Vương, Trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội, các thầy cô trong khoa Công trình đã tận tụy giảng dạy tác giả trong suốt quá trình học đại học và cao học tại trường. Tuy đã có những cố gắng, song do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế, luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót, tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo,các anh chị em và bạn bè đồng nghiệp. Tác giả rất mong muốn những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát triển ở mức độ nghiên cứu sâu hơn, góp phần ứng dụng những kiến thức khoa học vào phục vụ đời sống và sản xuất. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 21 tháng 05 năm 2014. HỌC VIÊN Chu Mạnh Quân LỜI CAM ĐOAN Họ và tên học viên: CHU MẠNH QUÂN Lớp cao học: CH20C11 Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu sử dụng Metakaolin Việt Nam chế tạo bê tông cường độ cao, ứng dụng cho công trình thủy lợi”. Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn do tôi làm, những kết quả nghiên cứu thí nghiệm, tính toán trung thực. Trong quá trình làm luận văn tôi có tham khảo các tài liệu liên quan nhằm khẳng định thêm sự tin cậy và tính cấp thiết của đề tài. Tôi không sao chép từ bất kỳ nguồn nào khác, nếu vi phạm tôi xin chịu trách nhiệm trước Khoa và Nhà trường. Hà Nội, ngày 21 tháng 05 năm 2014 Học viên Chu Mạnh Quân MỤC LỤC MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………………1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI Ở VIỆT NAM VÀ CÁC NGHIÊN CỨU METAKAOLIN TRÊN THẾ GIỚI ……………………………… 5 1.1 Tình hình xây dựng công trình Thủy Lợi ở Việt Nam ………………………… 5 1.2 Tình hình nghiên cứu Metakaolin trên thế giới ……………………………… 9 1.2.1 Tính chất của Metakaolin ……………………………………………………. 9 1.2.2 Ảnh hưởng của Metakaolin đến tính chất của bê tông …………………… 11 1.3 Kết luận chương ……………………………………………………………… 21 CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM…………………… 23 2.1 Vật liệu sử dụng để sản xuất bê tông cường độ cao ………………………… 23 2.1.1 Metakaolin ………………………………………………………………… 23 2.1.2 Xi măng …………………………………………………………………… 24 2.1.3 Cát ………………………………………………………………………… 26 2.1.4 Đá ………………………………………………………………………… 29 2.1.5 Nước ……………………………………………………………………… 31 2.1.6 Phụ gia ……………………………………………………………………… 31 2.2 Thành phần cấp phối và phương pháp thí nghiệm……………………………. 32 2.2.1 Thành phần cấp phối ……………………………………………………… 32 2.2.2 Công tác chuẩn bị ………………………………………………………… 33 2.2.3 Công tác đúc mẫu ………………………………………………………… 35 2.3 Phương pháp thí nghiệm mẫu…………………………………………………. 38 2.3.1 Phương pháp xác định cường độ chịu nén …………………………………. 38 2.3.2 Phương pháp xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ …………………… 39 2.3.3 Phương pháp xác định độ chống thấm …………………………………… 40 2.4 Kết luận chương 2…………………………………………………………… 41 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM, ỨNG DỤNG VÀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG BÊ TÔNG SỬ DỤNG METAKAOLIN ……………………………………………………… 43 3.1 Kết quả thí nghiệm và bàn luận……………………………………………… 43 3.1.1 Thí nghiệm hỗn hợp bê tông ……………………………………………… 43 3.1.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén bê tông ………………………… 45 3.1.3 Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ bê tông……………… 51 3.1.4 Thí nghiệm xác định độ chống thấm của bê tông ………………………… 54 3.2 Khả năng ứng dụng bê tông sử dụng vật liệu Metakaolin Việt Nam ………… 57 3.3 Công nghệ thi công bê tông ………………………………………………… 58 3.4 Kết luận chương 3 ……………………………………………………………. 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ …………………………………………………… 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………… 62 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Thủy điện Sơn La ……………………………………………………… 5 Hình 1.2: Thủy điện Lai Châu ………………………………………………………6 Hình 1.3: Thủy điện Bản Chát …………………………………………………… 6 Hình 1.4: Biểu đồ độ hút nước của các mẫu bê tông theo nghiên cứu của Khatib và Clay …………………………………………………………………………… 12 Hình 1.5: Biểu đồ thay đổi bán kính các lỗ rỗng trong bê tông ứng với các mẫu có Metakaolin [Khatib và Wild, 1996] …………………………………………… 14 Hình 1.6. Cường độ nén của mẫu vữa xi măng [Li và Ding, 2003]………………. 18 Hình 1.7: Biểu đồ kết quả thí nghiệm của Courard và đồng nghiệp (2003) về cường độ chịu uốn của vữa ………………………………………………………. 20 Hình 2.1: Vật liệu Metakaolin ……………………………………………………. 24 Hình 2.2: Xi măng PCB30 ……………………………………………………… 25 Hình 2.3: Cân điện tử phục vụ thí nghiệm thành phần cấp phối cát …………… 27 Hình 2.4: Máy sàng điện và bộ sàng tiêu chuẩn …………………………………. 27 Hình 2.5: Biểu đồ đường cấp phối cát …………………………………………… 28 Hình 2.6: Cân điện tử phục vụ thí nghiệm thành phần cấp phối đá ……………… 29 Hình 2.7: Phụ gia Vmat-PC01 ………………………………………………… 32 Hình 2.8: Máy trộn bê tông và khay chứa vật liệu ……………………………… 34 Hình 2.9: Bàn rung và côn đo độ sụt ……………………………………………. 34 Hình 2.10: Máy thí nghiệm nén, ép chẻ và thí nghiệm độ chống thấm ………… 35 Hình 2.11: Bộ thí nghiệm ép chẻ bê tông ………………………………………… 40 Hình 2.12: Sơ đồ máy thí nghiệm độ chống thấm ……………………………… 41 Hình 3.1: Mẫu bê tông sau khi nén và kết quả nén ………………………………. 46 Hình 3.2: Biểu đồ cường độ chịu nén của mẫu bê tông (sử dụng xi măng PCB30) …………………………………………………………………………… 49 Hình 3.3: Biểu đồ cường độ chịu nén của mẫu bê tông với tỉ lệ MK khác nhau (sử dụng xi măng PC40) …………………………………………………………. 51 Hình 3.4: Biểu đồ cường độ chịu kéo khi ép chẻ bê tông ……………………… 54 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Kết quả đánh giá ảnh đến môi trường khi sản xuất Metakaolin theo phương pháp đèn chớp và sản xuất xi măng ………………………………………. 9 Bảng 1.2: Thành phần hóa học của Metakaolin ………………………………… 11 Bảng 1.3. Kết quả thí nghiệm của Courard và đồng nghiệp (2003) về độ hút nước (% khối lượng) của các mẫu vữa có xi măng CEM I 42.5, Metakaolin và Kaolin …………………………………………………………………………… 12 Bảng 1.4: Đường kính trung bình lỗ rỗng của vữa [Poon và đồng nghiệp, 2001]………………………………………………………………………………. 15 Bảng 1.5: Kết quả thí nghiệm cường độ bê tông của Wild và đồng nghiệp (1996) 16 Bảng 1.6: Kết quả thí nghiệm nghiên cứu của Brooks và Johari (2001) …………. 17 Bảng 1.7: Kết quả thí nghiệm của Qian và Li (2001) về cường độ chịu kéo ……. .19 Bảng 1.8: Kết quả thí nghiệm của Qian và Li (2001) về cường độ chịu uốn …… 19 Bảng 2.1: Thành phần hóa học của Metakaolin ………………………………… 23 Bảng 2.2: Tính chất hóa lý của Metakaolin Việt Nam …………………………… 24 Bảng 2.3: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của xi măng PCB30 …………… 25 Bảng 2.4: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của xi măng PC40 ……………… 26 Bảng 2.5: Tổng hợp thí nghiệm thành phần hạt của cát ………………………… 28 Bảng 2.6 : Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu cát ……………… 29 Bảng 2.7: Tổng hợp thí nghiệm thành phần hạt của đá ………………………… 30 Bảng 2.8 : Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đá ……………… 31 Bảng 2.9: Cấp phối bê tông ………………………………………………………. 33 Bảng 2.10: Thành phần chất kết dính trong cấp phối bê tông ……………………. 33 Bảng 2.11: Số lượng mẫu đúc để thí nghiệm (sử dụng xi măng PCB30) ……… 36 Bảng 2.12: Số lượng mẫu đúc để thí nghiệm (sử dụng xi măng PC40) …………. 36 Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm độ sụt của hỗn hợp bê tông ………………………. 44 Bảng 3.2: Cường độ chịu nén của mẫu bê tông có 0% Metakaolin (sử dụng xi măng PCB30) ………………………………………………………………… 47 Bảng 3.3: Cường độ chịu nén của mẫu bê tông có 10% Metakaolin (sử dụng xi măng PCB30) ………………………………………………………………… 47 Bảng 3.4: Cường độ chịu nén của mẫu bê tông có 20% Metakaolin (sử dụng xi măng PCB30) ………………………………………………………………… 47 Bảng 3.5: Cường độ chịu nén của mẫu bê tông có 30% Metakaolin (sử dụng xi măng PCB30) ………………………………………………………………… 48 Bảng 3.6: Cường độ chịu nén của mẫu bê tông có 0% Metakaolin (sử dụng xi măng PC40) ……………………………………………………………………. 48 Bảng 3.7: Cường độ chịu nén của mẫu bê tông có 10% Metakaolin (sử dụng xi măng PC40) ……………………………………………………………………. 48 Bảng 3.8: Cường độ nén của các tổ mẫu bê tông (sử dụng xi măng PCB30) ……. 49 Bảng 3.9: Cường độ nén của các tổ mẫu bê tông (sử dụng xi măng PC40) …… 51 Bảng 3.10: Cường độ ép chẻ của mẫu bê tông có 0% Metakaolin ……………… 52 Bảng 3.11: Cường độ ép chẻ của mẫu bê tông có 10% Metakaolin ……………… 53 Bảng 3.12: Cường độ ép chẻ của mẫu bê tông có 20% Metakaolin ……………… 53 Bảng 3.13: Cường độ ép chẻ của mẫu bê tông có 30% Metakaolin ……………… 53 Bảng 3.14: Cường độ ép chẻ của các tổ mẫu bê tông …………………………… 54 Bảng 3.15: Kết quả thí nghiệm độ chống thấm của các tổ mẫu bê tông (sử dụng xi măng PCB 30) …………………………………………………………………. 55 Bảng 3.16: Kết quả thí nghiệm độ chống thấm của các tổ mẫu bê tông (sử dụng xi măng PC 40) …………………………………………………………………… 56 Bảng 3.17: Độ chống thấm của các tổ mẫu bê tông ……………………………… 56 - 1 - MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Quá trình sản xuất xi măng thải ra môi trường một hàm lượng rất lớn CO 2 . Như chúng ta đã biết, thành phần chính của xi măng là clanhke, trong đó hàm lượng canxi oxit chiếm một tỷ lệ đáng kể. Quá trình sản xuất CaO bằng cách nung đá vôi sẽ thải ra môi trường một hàm lượng CO 2 lớn theo phương trình (1): CaCO 3 = CaO + CO 2 ↑ (1) 100g 56g 44g Ngoài ra quá trình nung các ô xít canxi, ô xít nhôm, ô xít sắt, ô xít silic … để tạo ra clanhke đòi hỏi nhiệt độ lên tới 1400 - 1500°C, tiêu tốn một nhiệt năng rất lớn, và hàm lượng CO 2 thải ra môi trường do quá trình nung này lên đến 400-500 kg/tấn clanhke. Như vậy có thể thấy rằng, để sản xuất 1 tấn xi măng, lượng khí thải CO 2 ra môi trường cũng xấp xỉ 1 tấn CO 2 . Trong đó, ngành công nghiệp xây dựng đang ngày càng tiêu thụ một hàm lượng lớn xi măng. Theo thông tin của http://ashui.com/mag/vatlieu-thietbi/vat-lieu-xay-dung/2610-xi-mang- novacem-se-thay-the-xi-mang-portland.html [25] thống kê trên thế giới cho đến năm 2009, có đến 2,8 tỉ tấn xi măng được sản xuất, lượng khí CO 2 thải ra môi trường chiếm 5% tổng lượng khí thải toàn cầu. Chính vì vậy việc tìm kiếm một loại vật liệu khác thân thiện với môi trường, để thay thế một phần xi măng có một ý nghĩa rất thiết thực. Bê tông sử dụng cho công trình thủy lợi thông thường là những vật liệu có mác từ 20-30 Mpa, đối với một số cấu kiện đặc biệt có thể sử dụng bê tông mác cao hơn. Tuy nhiên, đối với bê tông thường mác từ 20-30 Mpa khả năng - 2 - chống thấm không cao. Đây là một trong những tính chất khá quan trọng đối với vật liệu xây dựng công trình thủy lợi. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng mác chống thấm của bê tông không chỉ phụ thuộc vào cường độ của bê tông, mà còn phụ thuộc vào thành phần cấp phối sử dụng. Việc sử dụng bê tông mác rất cao chỉ để cải thiện mác chống thấm cho bê tông đôi khi rất lãng phí, do đó việc chế tạo loại bê tông mác cao vừa phải, nhưng có mác chống thấm cao để xây dựng công trình thủy lợi là giải pháp kinh tế. Metakaolin (MK) là vật liệu khoáng hoạt tính có các tác dụng hóa lý, có khả năng kết hợp với vôi để tạo ra chất kết dính cải thiện cường độ của bê tông. Ngoài ra Metakaolin có thể len lỏi vào các lỗ rỗng của bê tông để tăng độ chặt cho bê tông, từ đó tăng mác chống thấm cho bê tông. Đối với vật liệu Metakaolin truyền thống khi sản xuất ra 1 tấn Metakaolin thì sản sinh ra môi trường 150 – 200 kg CO 2 , khi sản xuất theo phương pháp “flash”: để sản xuất ra 1 tấn Metakaolin sẽ sản sinh ra 96kg CO 2 theo tài liệu nghiên cứu của Trịnh Quang Minh [2]. Như vậy việc sản xuất xi măng gây ô nhiễm môi trường hơn sản xuất Metakaolin, khi sản xuất 1 tấn xi măng sẽ thải ra môi trường lượng CO 2 nhiều gấp khoảng 5 - 10 lần lượng CO 2 thải ra do sản xuất 1 tấn Metakaolin. Một ưu điểm nữa của Metakaolin đáng được quan tâm, cũng giống như muội silic hay tro bay, Metakaolin là vật liệu puzolan, khi thay thế một phần xi măng trong hỗn hợp bê tông, làm giảm nhiệt lượng tạo ra do quá trình thủy hóa của xi măng, giảm các vết nứt do co ngót của bê tông ở những ngày đầu tiên sau khi đổ. Tính chất này rất phù hợp để ứng dụng trong xây dựng đập thủy điện, khi lượng bê tông yêu cầu trong mỗi lần đổ là rất lớn. Ở Việt Nam, theo tài liệu [13], nguồn tài nguyên để sản xuất Metakaolin là rất lớn với trữ lượng Kaolin vào khoảng 900 triệu tấn. Nhưng việc nghiên cứu sử dụng Metakaolin ở nước ta lại hạn chế, chỉ có công trình [...]... trong bê tông 1.2 Mục đích của đề tài Sử dụng vật liệu Metakaolin để sản xuất bê tông đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới, nhưng ở Việt Nam thì mới nghiên cứu bước đầu và chỉ dừng lại ở nghiên cứu cường độ bê tông pha phụ gia Metakaolin Việc nghiên cứu sử dụng vật liệu Metakaolin ở Việt Nam để sản xuất bê tông cường độ cao, cải thiện được độ chống thấm sẽ mở ra một hướng mới trong việc sản xuất bê tông, ... được và bàn luận - Ứng dụng và công nghệ thi công bê tông 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu vật liệu Metakaolin Việt Nam và sử dụng vật liệu này để sản xuất bê tông cường độ cao áp dụng cho công trình thủy lợi 1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu -4- Trên cơ sở các tài liệu thu thập được về vật liệu Metakaolin và việc sử dụng vật liệu Metakaolin để sản xuất bê tông trên thế giới,... các công trình thủy lợi đã và đang được xây dựng, bao gồm các đập thủy điện, các công trình kè, cống, kênh mương, … Các công trình thủy lợi ở nước ta đều được xây dựng bằng nhiều vật liệu như: đất, đá, bê tông, bê tông cốt thép, … Đặc biệt các công trình, cấu kiện công trình được xây dựng bằng vật liệu bê tông đã và đang được sử dụng rất nhiều, rộng rãi nhất Do vật liệu bê tông sử dụng cho các công trình, ...-3- nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất Metakaolin của KS Trần Quốc Tế [12] Nhưng công trình này mới chỉ nghiên cứu về cường độ bê tông, mà chưa nghiên cứu về mác chống thấm, khả năng chịu kéo khi ép chẻ của bê tông Đề tài luận văn này nghiên cứu tiếp tục cả cường độ bê tông và đặc biệt nghiên cứu cả độ chống thấm, khả năng chịu kéo khi ép chẻ khi sử dụng vật liệu Metakaolin để thay... pháp nghiên cứu và thực hiện Phương pháp nghiên cứu: thí nghiệm trên mẫu bê tông với tỷ lệ Metakaolin thay đổi từ 0%, 10%, 20%, 30% Thí nghiệm xác định cường độ nén, kéo khi ép chẻ, độ chống thấm của mẫu bê tông và tổng hợp đánh giá kết quả thu được -5- CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI Ở VIỆT NAM VÀ CÁC NGHIÊN CỨU METAKAOLIN TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Tình hình xây dựng công trình Thủy Lợi ở Việt Nam. .. vật liệu thi công các đập thủy lợi hầu hết là vật liệu bê tông có mác thấp (mác bê tông vào khoảng 20 – 30 Mpa), đồng nghĩa với mác thấm của các loại bê tông này thường chưa cao Việc nghiên cứu sản xuất ra bê tông có cường độ cao và khả năng chống thấm tốt là cần thiết bởi thực tế đã cho thấy các công trình thủy lợi sử dụng các loại bê tông thường sau một thời gian công trình đi vào hoạt động thì xuất... mẫu bê tông có hàm lượng Metakaolin càng cao, thì hỗn hợp bê tông có độ hút nước càng lớn (biểu đồ hình 1.4) và ngược lại mẫu bê tông không chứa Metakaolin sẽ có độ hút nước thấp hơn so với các mẫu có Metakaolin Do khả năng hút nước cao so với mẫu bê tông không có Metakaolin, nên khi sử dụng Metakaolin cần phải sử dụng thêm một lượng phụ gia hóa dẻo phù hợp để tăng độ linh động cho bê tông 1.2.2.2 Độ. .. của Metakaolin trong bê tông lớn hơn 20%, thì lượng Ca(OH) 2 được tương tác hết, lúc đó lượng Metakaolin sẽ dư thừa và không tham gia vào phản ứng puzolan, nó cũng tạo ra các lỗ rỗng trong bê tông khiến bê tông đó không đặc chắc như bê tông có 20% Metakaolin Điều đó khiến cho cường độ chịu nén của bê tông có 20% Metakaolin lớn hơn cường độ chịu nén của bê tông có các tỉ lệ Metakaolin khác Nghiên cứu. .. vôi để tạo thành C-S-H trong bê tông Nghiên cứu của Wild và đồng nghiệp cho thấy với 20% Metakaolin có thể tương tác hết Ca(OH) 2 dư thừa trong bê tông làm cho hỗn hợp bê tông đó đặc chắc nhất (cường độ cao nhất) Ngược lại với hàm lượng Metakaolin trong bê tông là 0%, 5%, 10%, 15%, thì không đủ để tiêu thụ hết Ca(OH) 2 , khiến độ đặc chắc (cường độ nén) của bê tông không bằng bê tông có 20% Metakaolin. .. tông đã đưa vào sử dụng có rất nhiều ưu điểm nêu trên, nhưng chúng vẫn có một số mặt hạn chế như nhất định như độ chống thấm chưa cao, cường độ bê tông chưa cao… Để giải quyết các vấn đề đó ta cần nghiên cứu các vật liệu để sản xuất ra bê tông có các tính chất phù hợp với yêu cầu của công trình, cấu kiện công trình Hầu hết các công trình thủy lợi ở nước ta đều yêu cầu sử dụng vật liệu có độ chống thấm . CH20C11 Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Tên đề tài luận văn: Nghiên cứu sử dụng Metakaolin Việt Nam chế tạo bê tông cường độ cao, ứng dụng cho công trình thủy lợi . Tôi xin cam đoan đề. LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu sử dụng Metakaolin Việt Nam chế tạo bê tông cường độ cao, ứng dụng cho công trình thủy lợi đã được tác giả hoàn thành đúng thời hạn. QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI Ở VIỆT NAM VÀ CÁC NGHIÊN CỨU METAKAOLIN TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Tình hình xây dựng công trình Thủy Lợi ở Việt Nam Hiện nay ở nước ta có rất nhiều các công trình thủy lợi