Nghiên cứu sử dụng Metakaolin Việt Nam chế tạo bê tông cường độ cao, ứng dụng cho công trình thủy lợi

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
/>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

- 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 thế một phần xi măng 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, giúp cho giảm lượng xi măng trong bê tông, đồng thời giảm ô nhiễm
môi trường do sản xuất xi măng gây nên, giúp giảm giá thành khi sử dụng bê
tông chống thấm cao đặc biệt là công trình thủy lợi. Chính vì vậy mục đích
nghiên cứu của đề tài là:
- Tìm hiểu về vật liệu sử dụng và phương pháp thí nghiệm.
- Lựa chọn phương pháp thí nghiệm và thí nghiệm mẫu.
- Nghiên cứu bê tông pha phụ gia Metakaolin.
- Đánh giá kết quả thu 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, tổng hợp các tài
liệu liên quan từ đó đưa ra các giải 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
Hiện nay ở nước ta có rất nhiều 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, cấu kiện
công trình có nhiều ưu điểm, nổi trội nhất là khả năng chịu lực tốt, tuổi thọ
cao, dễ tạo hình, dễ sản xuất, vận chuyển và tận dụng được vật liệu tại địa
phương. Chính vì vậy trong lĩnh vực xây dựng bê tông là loại vật liệu chiếm
ưu thế nhất. Hiện nay ở nước ta có rất nhiều công trình thủy lợi sử dụng vật
liệu bê tông để thi công như: Thủy điện Sơn La, Thủy điện Lai Châu, Thủy
điện Sông Tranh, Thủy điện Sông Bung, Thủy điện Bản Chát …

Hình 1.1: Thủy điện Sơn La


- 6 -

Hình 1.2: Thủy điện Lai Châu


Hình 1.3: Thủy điện Bản Chát


- 7 -

Đập đất đá là loại đập đã được xây dựng rất nhiều và từ rất lâu trên thế
giới, như ở các nước: Ấn Độ, Trung Quốc, Liên Xô … Ngày nay nhờ sự phát
triển của nhiều ngành khoa học nên loại đập nay ngày càng được phát triển
mạnh mẽ. Ở nước ta, đập đất đá là loại công trình dâng nước phổ biến nhất,
các hồ chứa đã được xây dựng, đập đất đá chiếm đại đa số. Bởi yêu cầu chất
lượng của nền với đập đất là không cao, đập đất đá có thể xây dựng được với
nhiều địa hình, địa chất, khí hậu khác nhau, tận dụng được vật liệu địa
phương, có khả năng cơ giới hóa được tất cả các khâu đào – đắp – vận chuyển
vật liệu … Một số đập đất đá ở Việt Nam đã được xây dựng: Đập đá đổ Thác
Bà, đập đất Cấm Sơn, đập đất Tà Keo …
Nhưng đập đất đá không cho nước tràn qua, bởi khi nước tràn qua sẽ
gây mất ổn định, phá hoại đập, ảnh hưởng các công trình sau đập … Vấn đề
thấm qua đập đất đá là vấn đề rất quan trọng. Nó làm mất nước của hồ chưa,
có thể làm mất ổn định cho đập như xói ngầm, trượt mái dốc… có thể còn gây
nguy hiểm cho các công trình ở vùng tiếp xúc với đập.
Chúng ta đã có thể lý giải tại sao các công trình thủy lợi lại sử dụng vật
liệu bê tông phổ biến nhất. Cụ thể như các công trình đập thủy lợi: Ta có thể
so sánh đập bê tông và đập vật liệu địa phương (đập đất đá), thì ta thấy được
đập bê tông có các ưu điểm vượt trội như:
+ Đập bê tông có khả năng bố trí công trình tháo lũ ngay trong thân đập
(trên đỉnh hoặc dưới sâu)
+ Đập bê tông có thể cho ngập trong các cơn lũ và đập có thể thích nghi
với lũ có tần suất lớn.
+ Đập bê tông có thể dễ dàng phối hợp với các công trình khác (tháo
cạn, công trình lấy nước) và có thể xây dựng nhà máy thủy điện ngay trong
thân đập.


- 8 -
+ Đập bê tông có thể dễ dàng thiết kế để tháo nước để tràn qua thân đập

trong quá trình thi công, nên có thể rút ngắn thời gian thi công và cho phép
phục vụ cho lũ có tần suất khác nhau. Điều này cho phép xây dựng các công
trình tháo lũ tạm thời khác kinh tế hơn.
+ Đập bê tông có thể thi công ngay trong mùa mưa, trong khi đó đối
với đập vật liệu địa phương thì không thể. Chính việc giảm thời gian thi công
để đưa công trình vào sử dụng sớm là yếu tố quan trọng nhất trong việc lựa
chọn giữa đập bê tông hay đập vật liệu địa phương trong nhiều dự án gần đây.
+ Đập bê tông ít bị tác dụng với hiện tượng ăn mòn bên trong đập và
ngay cả trong vùng tiếp xúc của đập và nền.
+ Đập bê tông có khả năng chống động đất rất tốt.
+ Đập bê tông có hình dạng gọn và khối lượng vật liệu ít hơn nhiều so
với đập vật liệu địa phương.
Mặc dù các công trình, cấu kiện công trình thi công bằng vật liệu bê
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 cao. Nhưng 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 hiện nhiều khuyết tật
do độ bền chưa cao, khả năng chống thấm và chống ăn mòn thấp, do đó sẽ


- 9 -
làm giảm đáng kể tuổi thọ của công trình. Hiện nay trên thế giới đã có các

nghiên cứu về việc sử dụng vật liệu Metakaolin thay thế một phần xi măng
với tỉ lệ thích hợp để sản xuất ra bê tông có nhiều tính chất, ưu điểm hơn bê
tông thường: cường độ tăng, độ chống thấm tăng, sức kháng ăn mòn hóa học
tăng. Việc sử dụng vật liệu Metakaolin để sản xuất bê tông áp dụng cho công
trình thủy lợi là rất hợp lý, có khả năng giải quyết được các vấn đề về thấm
qua đập, kéo dài tuổi thọ của công trình.

1.2 Tình hình nghiên cứu Metakaolin trên thế giới
1.2.1 Tính chất của Metakaolin
1.2.1.1 Khái quát về Metakaolin
- Metakaolin là một loại vật liệu puzolan thu được bằng cách nung
kaolinit ở nhiệt độ dao động từ 700°C đến 800°C.
- Theo tài liệu nghiên cứu của Trịnh Quang Minh [24], khi sản xuất ra 1
tấn Metakaolin bằng phương pháp đèn chớp sẽ sản sinh ra môi trường 96kg
CO
2
, ít hơn rất nhiều so với sản xuất xi măng (xấp xỉ 1 tấn CO
2
/1 tấn xi
măng) như trong bảng 1.1, Metakaolin là một loại vật liệu thân thiện với môi
trường.
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
Quá trình
Metakaolin Flash
Xi măng (95% clinker)
Phát thải khí CO
2
(kg/t)
96

913,6
Nhiệt lượng tỏa ra (MJ/t)
2211
7954
- Phản ứng nung Kaolinit tạo thành Metakaolin:
Al
2
Si
2
O
5
(OH)
4
=> Al
2
Si
2
O
7
+ 2H
2
O (2)


- 10 -
Kaolinit Metakaolin
Khi có mặt portlandite (vôi), tùy theo tỷ lệ khác nhau mà các sản phẩm tạo ra
do phản ứng puzolan giữa vôi và Metakaolin cũng khác nhau.
- Phản ứng của Metakaolin với Ca(OH)
2

theo Murat [17]:
CH/AS
2
= 1 AS
2
+ 3CH + 6H => C
2
ASH
8
+ C-S-H (3)
CH/AS
2
= 1,67 AS
2
+ 5CH + 3H => C
3
AH
6
+ 2C-S-H
(4)
CH/AS
2
= 2 AS
2
+ 6CH + 9H => C
4
AH
13
+ 2C-S-H (5)

1.2.1.2 Tính chất hóa lý của Metakaolin
- Metakaolin có màu trắng hoặc gần trắng (độ sáng từ 79 – 82 /100),
dạng bột với khối lượng riêng vào khoảng 2,5 g/cm
3

- Kích thước hạt rất nhỏ với 99% hạt nhỏ hơn 16 µm, kích thước hạt
trung bình khoảng 2,23 - 3 µm, diện tích bề mặt của Metakaolin vào khoảng
12 - 15,5 m
2
/g
- Công thức hóa học của Metakaolin là Al
2
Si
2
O
7
, thành phần hóa học
của Metakaolin chủ yếu là SiO
2
và Al
2
O
3
và các thành phần hóa học chiếm
khối lượng nhỏ khác. Cụ thể theo Ambroise và đồng nghiệp (1994) đã xác
định thành phần hóa học của vật liệu Metakaolin như ở bảng 1.2:

- 11 -



Bảng 1.2: Thành phần hóa học của Metakaolin
Thành phần hóa học của Metakaolin
% Theo khối lượng
SiO
2

51,52
Al
2
O
3

40,18
Fe
2
O
3

1,23
CaO
2,0
MgO

0,12
K
2
O
0,53
SO
3

0,06
TiO
2

2,27
Na
2
O
0,08
L.O.I
2,01

1.2.2 Ảnh hưởng của Metakaolin đến tính chất của bê tông
Bằng việc thay thế một phần hợp lý xi măng bởi Metakaolin, nhiều nghiên
cứu đã chỉ ra rằng sự có mặt Metakaolin cải thiện đáng kể nhiều chỉ tiêu cơ lý
của bê tông.
1.2.2.1 Độ hút nước của bê tông
Metakaolin có độ hút nước lớn hơn là xi măng, điều này được chứng minh
bởi các nghiên cứu trên thế giới:
+ Courard và đồng nghiệp (2003) đã nghiên cứu khả năng hấp thụ nước
của bê tông chứa Metakaolin với phần trăm thay thế từ 0% đến 20%. Với kết
quả nghiên cứu của Courard và đồng nghiệp, hỗn hợp vữa có sự xuất hiện của

Metakaolin có độ hút nước lớn hơn so với mẫu vữa không có Metakaolin do


- 12 -
vật liệu Metakaolin có diện tích bề mặt lớn hơn so với xi măng, do đó hỗn
hợp vữa có Metakaolin sẽ có khả năng hấp thụ nước cao hơn. Độ hút nước đó
được thể hiện ở bảng 1.3:
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
Vật liệu
Sau 28 ngày Sau 14 tháng
Tỷ lệ giảm
CEM I 42.5
8,16
7,82
4,1
5% Metakaolin
8,39
8,04
4,1
10% Metakaolin
8,78
8,44
3,9
20% Metakaolin
9,71
8,77
9,7
25% Metakaolin

9,70
8,97
7,5
10% Kaolin
9,51
7,90
16,9
Khatib và Clay (2004) đã nghiên cứu đặc tính hấp thụ nước của bê tông
có Metakaolin. Họ đã chỉ ra rằng hỗn hợp bê tông có Metakaolin thay thế xi
măng sẽ có độ hút nước lớn hơn hỗn hợp bê tông không có Metakaolin, đặc
biệt mẫu bê tông có hàm lượng Metakaolin trong chất kết dính là 20% có độ
hút nước cao nhất sau 28 ngày, nhưng sau 14 tháng thì độ hút nước của bê
tông có 25% Metakaolin cao nhất.


- 13 -

Hình 1.4: Biểu đồ độ hút nước của các mẫu bê tông theo nghiên cứu của
Khatib và Clay
Có thể lý giải kết quả thí nghiệm của Khatib và Clay: Hỗn hợp bê tông
có 20% Metakaolin có độ hút nước lớn nhất do diện tích bề mặt của vật liệu
Metakaolin lớn hơn diện tích bề mặt của xi măng, nên độ hấp thụ nước của
các 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 chống thấm của bê tông
Nghiên cứu của Khatib và Wild [20] đã chỉ ra rằng hỗn hợp bê tông có tỉ

lệ Metakaolin thay đổi, thì có khả năng chống thấm cũng thay đổi. Với một
lượng Metakaolin thay thế xi măng trong hỗn hợp bê tông: 0%, 5%, 10%,
15%, với tỷ lệ nước/chất kết dính là 0,55, thí nghiệm các mẫu bê tông đó cho
thấy rằng khi thay thế 15% xi măng bằng một lượng Metakaolin như vậy thì
bê tông đó có độ chống thấm tốt nhất, do Metakaolin là vật liệu có kích thước


- 14 -
hạt nhỏ và phản ứng với Ca(OH)
2
tạo ra C-S-H, tạo sự kết dính các hạt cốt
liệu trong bê tông. Với diện tích bề mặt của Metakaolin lớn (12 – 15,5 m
2
/g),
Metakaolin có kích thước hạt nhỏ hơn kích thước hạt xi măng, nó có khả năng
len lỏi vào các lỗ rỗng của hỗn hợp bê tông làm bê tông trở nên đặc chắc. Hai
nguyên nhân trên lí giải sự có mặt của vật liệu Metakaolin trong hỗn hợp bê
tông làm cho hệ số thấm của bê tông thay đổi: Đặc biệt bê tông có 15%
Metakaolin có độ chống thấm lớn hơn các bê tông có 0%, 5%, 10%
Metakaolin. Trong hỗn hợp bê tông có 15% Metakaolin, lượng Ca(OH)
2
do
quá trình thủy hóa xi măng sinh ra, sẽ được tiêu thụ hết, còn trong các hỗn
hợp bê tông có 0%, 5%, 10% Metakaolin, lượng Ca(OH)
2
vẫn còn dư thừa.
Như vậy bê tông có 15% Metakaolin có kích thước lỗ rỗng bê tông là nhỏ hơn
so với bê tông có 0%, 5%, 10% Metakaolin theo đồ thị hình 1.5.

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]
Theo nghiên cứu của Poon và đồng nghiệp (2001), khi thay thế một


- 15 -
lượng xi măng bằng một lượng Metakaolin: 5%, 10%, 20% kết quả nghiên
cứu cho thấy kích thước các lỗ rỗng trung bình trong hỗn hợp vữa, bê tông sẽ
giảm đi rất nhiều so với mẫu không có mặt của Metakaolin như được thể hiện
ở bảng 1.4, đặc biệt là khi thay thế 20% xi măng bằng 20% Metakaolin trong
chất kết dính thì kích thước trung bình các lỗ rỗng giảm đi rõ rệt: 3 ngày giảm
từ 0,038μm xuống 0,024μm, 7 ngày giảm từ 0,0371μm xuống 0,0143μm, 28
ngày giảm từ 0,0362μm xuống 0,0122μm, 90 ngày giảm từ 0,0348μm xuống
0,0114μm. Lý giải về kết quả nghiên cứu của Poon và đồng nghiệp cũng
giống như cách lý giải về kết quả thí nghiệm của Khatib và Wild. Việc giảm
kích thước các lỗ rỗng trung bình trong mẫu vữa, bê tông sẽ làm tăng độ
chống thấm cho vữa, bê tông.
Bảng 1.4: Đường kính trung bình lỗ rỗng của vữa
[Poon và đồng nghiệp, 2001]
Mẫu
Đường kính lỗ rỗng trung bình (μm)
3 ngày
7 ngày
28 ngày
90 ngày
Mẫu đối chứng
0,0380
0,0371
0,0362
0,0348
5% MK

0,0357
0,0279
0,0257
0,0243
10% MK
0,0287
0,0251
0,0197
0,0186
20% MK
0,0204
0,0143
0,0122
0,0114
5% SF
0,0366
0,0370
0,0367
0,0349
10% SF
0,0353
0,0341
0,0325
0,0306
20% FA
0,0368
0,0356
0,0347
0,0339

1.2.2.3 Cường độ nén của bê tông
Wild và đồng nghiệp (1996) [20] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thay đổi
tỉ lệ phần trăm Metakaolin đến cường độ nén của bê tông. Khi thay thế xi
măng bởi Metakaolin với các tỉ lệ phần trăm tương ứng: 5%, 10%, 15%, 20%,


- 16 -
25%, 30%. Kết quả thí nghiệm cường độ nén cho ở 90 ngày của họ được trình
bày ở bảng 1.5:









Bảng 1.5: Kết quả thí nghiệm nghiên cứu của Wild và đồng nghiệp (1996)
(MK) (%)
Khối lượng
thể tích
(kg/m
3
)
Cường độ nén (MPa)
1 ngày

7 ngày

14
ngày
28
ngày
90
ngày
0
2490
19,07
50,23
57,10
62,60
72,43
5
2440
21,50
53,80
58,97
63,50
71,63
10
2460
22,43
62,30
69,23
71,00
80,07
15
2470
20,23

64,80
74,67
76,00
83,70
20
2480
19,33
66,47
75,73
82,47
85,13
25
2470
15,73
62,50
69,77
73,93
82,23
30
2480
14,53
60,53
72,33
76,73
81,80
Kết quả thí nghiệm ở bảng 1.5 cho thấy thí nghiệm tại 7 ngày, 14 ngày, 28
ngày, 90 ngày khi thay thế lượng xi măng trong hỗn hợp bê tông bằng một
lượng Metakaolin hợp lý (20%) thì sẽ cho ta một sản phẩm bê tông có cường
độ lớn hơn hẳn so với bê tông có 0%, 5%, 10%, 15%, 25%, 30% Metakaolin
trong chất kết dính của bê tông. Có thể giải thích được kết quả đó như sau:

- 17 -
Trong hỗn hợp bê tông luôn có một lượng Ca(OH)
2
dư thừa của quá trình
thủy hóa xi măng, trong khi đó Metakaolin là vật liệu puzolan có khả năng
phản ứng với 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. Tương tự như vậy hàm
lượng 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 của Brooks và Johari (2001) cũng đã chỉ ra cường độ chịu
nén của bê tông có chứa 0%, 5%, 10%, 15% Metakaolin. Kết quả nghiên cứu
cho thấy với 10% Metakaolin trong hỗn hợp bê tông thì bê tông đó ở 28 ngày
tuổi có cường độ nén cao nhất như bảng 1.6. Cách giải thích cũng giống như
cách giải thích kết quả thí nghiệm của Wild và đồng nghiệp.

Bảng 1.6: Kết quả thí nghiệm nghiên cứu của Brooks và Johari (2001)
Hỗn hợp bê tông chứa
Cường độ chịu nén (MPa)
OPC
87,0
MK5
91.5
MK10
104,0
MK15
103,5
Poon và đồng nghiệp (2001) cũng có nghiên cứu chứng minh được rằng
hỗn hợp bê tông có chứa từ 0% - 20% Metakaolin có cường độ nén cao hơn