Lựa chọn phụ gia khoáng cho bê tông chất lượng cao

Lựa chọn phụ gia khoáng
cho bê tông chất lượng cao
Selection of mineral aditives for high-perfomance concrete
Inozemtcev Aleksandr Sergeevich, Korolev Evgenij Valerjevich, Dương Thanh Qui

Tóm tắt
Tro bay hoạt tính và bột đá vôi nghiền
mịn, diatomit là những vật liệu có thể khai
thác, sản xuất tại Việt Nam, chúng có thể
sử dụng như những loại phụ gia khoáng,
dùng để điều chỉnh độ lưu động cũng như
giảm tỉ lệ N/X. Bài báo trình bày về nghiên
cứu ảnh hưởng của tro bay hoạt tính, bột
đá vôi nghiền mịn và bột diatomit tới tính
lưu biến và tính chất cơ lí trên các mẫu thí
nghiệm (vữa xi măng), trên cơ sở đó lựa
chọn phụ gia khoáng phù hợp và có hiệu
quả tốt nhất dành cho bê tông chất lượng
cao.
Từ khóa: Bê tông chất lượng cao, phụ gia khoáng,
tro bay, bột đá vôi, diatomit, độ lưu động, cường
độ

Abstract
Fly-ash, limestone powder and diatomite are
materials that can be produced and used in
Vietnam, it can be used as a mineral additive
for controlling the mobility of cement mortars
and reducing the W/C ratio. The paper presents
the results of a study of the influence of
thermally activated fly-ash, limestone powder

and diatomite on the rheological and physicomechanical properties of the model system
(cement mortar) to select the most effective
mineral additives for high-perfomance concrete.
Keywords: high-perfomance concrete, mineral
additive, fly-ash, limestone powder, diatomite,
flowability of concrete, strength
TS. Inozemtcev Aleksandr Sergeevich
Trung tâm khoa học và giáo dục
“Nanomaterials and nanotechnology”
Đại học nghiên cứu quốc gia xây dựng
Moscow
Email: <>
GS.TSKH. Korolev Evgenij Valerjevich
Trung tâm khoa học và giáo dục
“Nanomaterials and nanotechnology”
Đại học nghiên cứu quốc gia xây dựng
Moscow
Email: <>
NCS. Dương Thanh Qui
Trung tâm khoa học và giáo dục
“Nanomaterials and nanotechnology”
Đại học nghiên cứu quốc gia xây dựng
Moscow
Email: <>

1. Giới thiệu
Từ những năm 90 của thế kỷ 20 bê tông chất lượng cao có cường độ lớn đã
được sử dụng trong xây dựng và ngày càng trở nên phổ biến, được sử dụng ở nhiều
quốc gia trên thế giới. Loại bê tông này dùng để chế tạo các cấu kiện bê tông đúc
sẵn như: tấm sàn, cột, dầm... [1, 2].

Điểm đặc biệt của bê tông chất lượng cao có cường độ lớn so với bê tông
thường là trong thành phần của chúng có sử dụng phụ gia khoáng mịn, những phụ
gia này giúp điều chỉnh độ lưu động của hỗn hợp đồng thời ảnh hưởng đến độ đặc
chắc cũng như cường độ của bê tông thành phẩm [3-5]. Việc sử dụng phụ gia siêu
dẻo và phụ gia khoáng sẽ làm giảm tỉ lệ N/X mà vẫn giữ được độ chảy cần thiết,
đảm bảo được tính công tác của hỗn hợp bê tông [5, 6], những bê tông này được
gọi là bê tông thế hệ mới [3]. Từ những điểm khác biệt về thành phần khoáng-hóa
và độ phân tán của phụ gia khoáng làm cho bê tông có khả năng phản ứng và tính
lưu biến đa dạng, không chỉ giúp nâng cao khả năng thi công của hỗn hợp mà còn
cải thiện tính chất cơ lý và giảm lượng xi măng.
Trong số những phụ gia khoáng thường dùng để chế tạo bê tông chất lượng
cao, có thể kể đến tro bay, silicafume và bột đá vôi [7-11]. Đặc biệt các thành phần
khoáng này (tro bay, bột đá vôi, đá diatomit) đều là những vật liệu có thể dễ dàng
khai thác sản xuất tại Việt Nam.Theo các nghiên cứu [3, 7-9], cho thấy việc sử dụng
những phụ gia này thay thế xi măng một lượng 10-20% có thể sản xuất được bê
tông với cường độ nén tới hơn 150 Mpa.
Với các ưu điểm trên, việc nghiên cứu về ảnh hưởng của thành phần khoáng lên
cấu trúc, đặc tính của vữa xi măng để sản xuất bê tông chất lượng cao có cường
độ lớn là vô cùng cấp thiết. Bài báo trình bày kết quả thí nghiệm, nghiên cứu về khả
năng sử dụng bột đá vôi nghiền mịn, tro bay hoạt tính và bột diatomit như phụ gia
khoáng cho bê tông.
2. Nguyên liệu sử dụng và phương pháp nghiên cứu
Bài báo này nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia khoáng tới tính lưu biến và tính
chất cơ lý của bê tông. Thành phần cơ bản của vữa xi măng bao gồm: chất kết dính
- 500 kg, cốt liệu - 1690 kg, nước - 200 kg (N/X = 0,4) và phụ gia siêu dẻo - 5,0 kg.
Trong quá trình thí nghiệm phụ gia khoáng được dùng để thay thế một phần cốt liệu.
Vật liệu được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm:
- Xi măng CEM I 42.5
- Cát thạch anh với module độ lớn Mđl = 2,78 được sử dụng làm cốt liệu.
- Phụ gia siêu dẻo dòng polycarbonate Melflux F1681

- Phụ gia khoáng:
◦ Tro bay với đường kính hạt trung bình 19 μm, thành phần bao gồm SiO2 – 50,0
%, Al2O3 – 39,3 %. Tro bay được sử dụng trong vữa dao động từ 8 đến 34% so với
khối lượng xi măng.
◦ Bột đá vôi nghiền mịn (Vùng Crimea) – đường kính hạt trung bình 5,6μm. Đươc
sử dụng với mục đích thay thế cốt liệu (đến 44 %), tương ứng là 149 % so với khối
lượng xi măng.
◦ Diatomit với kích thước hạt trung bình – 12,4 μm, thành phần bao gồm SiO2 76,6 %, Al2O3 - 7,5 %, sản xuất ở vùng Ulyanov- Liên bang Nga. Số lượng Diatomit
sử dụng trong nghiên cứu lên đến 29 % so với khối lượng xi măng.
Xác định cường độ mẫu được thực hiên theo tiêu chuẩn EN196-1:2016 với mẫu
bê tông 28 ngày tuổi, dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn, kích thước 40x40x160
mm bằng máy ép thủy lực “Advantest 9”.
3. Kết quả và phân tích
Mục đích của việc nghiên cứu là xác định tính lưu biến và phản ứng hoạt tính của
S¬ 28 - 2017

7


KHOA H“C & C«NG NGHª
Bảng 1. Tính lưu biến và tính chất cơ lý của vữa xi măng khi thay thế một phần cốt liệu bằng tro bay hoạt tính
№

Mẫu

PGK/C, %

PGK/X, %

CKD %

Dx, mm

ρ, •103 kg/m3

Rf, MPa

Rcom, MPa

1

ĐC

0,0%

0%

20,9

138,3

2,20

4,97

62,2

2

Z-2,5

2,5

8,4

22,7

151,3

2,23

6,14

74,9

3

Z-5,0

5,0

16,9

24,5

165,8

2,24

6,89

85,1

4

Z-7,5

7,5

25,3

26,2

207,8

2,27

7,25

92,0

5

Z-8,5

8,5

28,7

26,9

194,3

2,26

6,44

88,2

6

Z-10

10,0

33,8

28,0

177,1

2,19

5,22

70,3

Ghi chú: PGK/C – tỉ lệ về khối lượng của phụ gia khoáng so với khối lượng cát trong mẫu đối chứng; PGK/X – tỉ lệ về khối
lượng của phụ gia khoáng so với xi măng; CKD – tổng hàm lượng của chất kết dính trên 1m3 bê tông; Dx – đường kính
mẫu vữa sau khi dằn trên bàn dằn sau 30 lần dằn; ρ – khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông; Rf – cường độ chịu kéo

khi uốn; Rcom – cường độ chịu nén của bê tông ở tuổi 28 ngày.
Bảng 2. Tính lưu biến và tính chất cơ lý của vữa xi măng khi thay thế một phần cốt liệu bằng bột đá vôi
nghiền mịn
№

Mẫu

PGK/C, %

PGK/X, %

CKD %

Dx, mm

ρ, •103 kg/m3

Rf, MPa

Rcom, MPa

1

ĐC

0,0

0,0

20,9

138,3

2,20

4,97

62,2

2

BĐV-12

12,0

40,6

29,4

255,0*

2,33

5,65

80,1

3

BĐV-20

20,0

67,6

35,1

255,0*

2,31

7,70

91,1

4

BĐV-28

28,0

94,6

40,7

255,0*

2,30

8,89

89,3

5

BĐV-36

36,0

121,7

46,4

255,0*

2,29

8,61

80,0

6

BĐV-44

44,0

148,7

52,0

255,0*

2,27

5,65

69,9

Ghi chú: * – hỗn hợp vữa bê tông tự đầm, có đường kính mẫu vữa trên bàn dằn lớn hơn 255 mm sau 0 lần dằn.
phụ gia khoáng nói trên xét theo đường kính chảy xòe của
hỗn hợp, cường độ chịu uốn và cường độ nén tương ứng.
Kết quả thí nghiệm mẫu xi măng với phụ gia khoáng được
trình bày ở bảng 1-3.
Kết quả nghiên cứu thay thế cát thạch anh bằng tro bay
được trình bày ở bảng 1, qua đó có thể thấy khi thay thế cốt
liệu nhỏ trong hỗn hợp bằng thành phần có kích thước siêu
nhỏ sẽ xuất hiện hiệu ứng lưu biến và cải thiện tính đàn hồi
dẻo. Bên cạnh đó cũng thấy rằng hỗn hợp có 7,5 % cốt liệu
thay thế bằng tro bay có độ chảy tốt nhất 207,8 mm tốt hơn
so với mẫu đối chứng (ký hiệu ĐC trong bảng 1, 2, 3). Trong
đó lượng tro bay bằng 25,3 % khối lượng của xi măng, tương
ứng tổng tỉ lệ chất kết dính trên 1m3 hỗn hợp là 26,2 %. Ảnh
hưởng cụ thể của tro bay liên quan đến sự đồng nhất và
phân bố của hệ cấu hỗn hợp (topology of concrete mixture),
có đặc điểm làm tăng mật độ các hạt được bao phủ, phân bố
đều nước trên bề mặt hạt từ đó tăng khả năng dịch chuyển
tự do của chúng. Điều này được gọi là hiệu ứng “ổ bi”, khi
những hạt phụ gia khoáng mịn hình thành trên bề mặt những
hạt cát thô một lớp bao phủ đồng đều, làm giảm sự ma sát

giải thích cho việc tăng độ lưu động của hỗn hợp.
Khi xem xét bảng 1 cho thấy độ chảy xòe của vữa theo
hàm lượng tro bay có sự phụ thuộc như sau: khi tăng thành
phần tro bay trên 25,3 % so với khối lượng xi măng thì độ
chảy giảm xuống, điều này liên quan đến việc tăng hàm
lượng hạt mịn trong hỗn hợp trong khi lượng nước không
thay đổi. Sau khi tiếp tục tăng thành phần của tro bay đến
33,8% so với khối lượng xi măng sẽ dẫn đến việc độ dày của
lớp nước trên bề mặt các hạt rắn bị giảm đi và từ đó làm giảm
tính lưu biến của hỗn hợp.

8

Việc cải thiện độ lưu động của hỗn hợp - hiển nhiên sẽ
ảnh hưởng đến đặc tính cường độ của mẫu thử. Có thể thấy
rằng sự thay đổi về tính chất cơ lý có tương quan đến sự thay
đổi tính công tác: hỗn hợp có độ lưu động tốt nhất Z-7,5 và
Z-8,5 có cường độ uốn và nén tốt hơn các mẫu thử còn lại
lần lượt là 6,44; 7,25 và 88,2; 92,0 MPa. Trong trường hợp
này cường độ chịu uốn tăng lên 45,9 %, và cường độ nén –
tăng lên đến 47,9 %. Sự ảnh hưởng này được giải thích bởi
hai yếu tố:
+ Hỗn hợp được tạo ra có cấu trúc đặc (giảm độ rỗng) có
độ lưu động cao.
+ Tác dộng của tro bay với thành phần chứa đến 50%
SiO2, cùng với Ca(OH)2 trong quá trình thủy hóa xi măng tạo
nên thêm một lượng Canxi hydrosillicat (CSH).
Ảnh hưởng của bột đá vôi lên độ lưu động và cường độ
của hỗn hợp được trình bày ở bảng 2. Có thể thấy rằng việc
sử dụng bột đá vôi như một loại phụ gia khoáng cho vữa xi

măng giúp lấp đầy những khoảng trống bằng những hạt mịn
hơn, ảnh hưởng trực tiếp đến tính lưu biến. Khi tăng tỉ lệ
những hạt mịn lên 29,4 % (mẫu BĐV-12) tức là 40,6 % lượng
bột đá vôi so với khối lượng xi măng sẽ tạo thành hỗn hợp
có độ lưu động cao tương đương với hỗn hợp tự đầm. Điều
này cho thấy rằng phụ gia được sử dụng có hiệu quả trong
việc điều chỉnh độ lưu đông của vữa xi măng. Trong đó sự
tham gia của các liên kết Canxi và Sillicat trong bột đá vôi
trong quá trình thủy hóa sẽ gây ra ảnh hưởng đồng thời làm
cải thiện tính năng kỹ thuật của hỗn hợp, với cấu trúc đặc và
cứng hơn làm tăng các thông số về cường độ.

T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG

Từ bảng 2 có thế thấy rằng, hỗn hợp đạt được cường độ


Bảng 3. Tính lưu biến và tính chất cơ lý của vữa xi măng khi thay thế một phần cốt liệu bằng bột diatomit
№

Mẫu

PGK/C, %

PGK/X, %

CKD %

Dx, mm

ρ, •103 kg/m3

Rf, MPa

Rcom, MPa

1

ĐC

0,0

0,0

20,9

138,3

2,20

4,97

62,2

2

D-2

2,0

6,8

22,3

160,8

2,28

5,92

64,9

3

D-4

4,0

13,5

23,7

187,0

2,24

7,25

68,2

4

D-6

6,0

20,3

25,2

130,5

2,25

7,34

69,7

5

D-8

8,0

26,5

26,8

104,0

2,14

4,64

34,9

6

D-9

9,0

29,2

27,8

102,0

1,84

2,82

20,4

lớn nhất khi tỉ lệ cát giảm đi 20 – 28 %. Hàm lượng của bột
đá vôi trong những hỗn hợp này nằm trong khoảng từ 67,6 –
94,6 %, khi đó cường độ chịu kéo khi uốn có thể đạt đến 8,89
MPa và khi nén là 91,1 MPa, có nghĩa là cao hơn 78,8 % và
46,5 % so với mẫu đối chứng.
Phân tích ảnh hưởng của bột diatomit lên tính chất lưu

biến và cơ lý của vữa xi măng (bảng 3) cho thấy loại hỗn
hợp này đòi hỏi sử dụng nhiều nước hơn. Độ chảy xòe của
hỗn hợp khi sử dụng diatomit trong hỗn hợp D-4 bằng 187,0
mm,khi tăng tỉ lệ thành phần khoáng lên 4,0% làm giảm độ
lưu động của vữa D=130,5mm (30 %). Khi tăng tổng hàm
lượng chất kết dính lên từ 20,9 đến 23,7 % trên 1 m3 hỗn
hợp, trong trường hợp này tính công tác của hỗn hợp đạt
được là tốt nhất, đồng thời cường độ chịu kéo khi uốn cũng
tăng lên từ 4,97 đến 7,25 MPa tương ứng với cường độ nén
là 66,5 đến 70,2 MPa.
Việc phân tích, so sánh hiệu quả sự thay đổi độ lưu động
và cường độ của bê tông khi sử dụng những thành phần
khoáng nêu trên chứng tỏ rằng, tro bay hoạt tính và bột đá
vôi nghiền mịn không những làm tăng độ chảy xòe của hỗn
hợp lên hơn 200 mm mà còn làm tăng cường độ kéo khi chịu
uốn lên trên 7,0 MPa và cường độ nén lên hơn 90 MPa. Qua
các thí nghiệm cho thấy bột diatomit ít ảnh hưởng hơn đến
tính chất lưu biến và cơ lý của hỗn hợp. Độ lưu động của
những hỗn hợp này đều nhỏ hơn 187 mm và cường độ nén
đạt được là 70 MPa.
Bên cạnh đó, có thể thấy là hàm lượng sử dụng tro bay
hoạt tính và bột đá vôi là khác nhau, hiệu quả đạt được tốt
nhất khi sử dụng tro bay hoạt tính với tỉ lệ nhỏ hơn 8 % còn
với bột đá vôi là 20 %, tương ứng tỉ lệ chất kết dính trên 1m3
bê tông là 26,2 % và 35,1 %. Sở dĩ như vậy là do lượng
Sillicat hoạt tính có trong tro bay lớn hơn trong bột đá vôi.
Tài liệu tham khảo
1. Yu. M. Bazhenov, Technology of concrete. ASV Publ., Moscow, 2003.
2. P.-C. Aitcin, High-Performance Concrete, E&FN Spon, London, 1998.
3. O. V. Tarakanov and V. I. Kalashnikov, Perspektivy primeneniya

kompleksnykh dobavok v betonakh novogo pokoleniya, proceedings
of Kazan state University of architecture and construction, No 1 (39),
223-229, 2017.
4. J.F. Burroughs, J. Shannon, T.S. Rushing, K. Yi and D.W. Harrelson,
Potential of finely ground limestone powder to benefit ultra-high
performance concrete mixtures, Construction and Building Materials,
Vol. 141, 335-342, 2017.
5. G. I. Berdov, N. And. Nikonenko, L. V. Ilyina, Vliyanie
vysokodispersnykh mineral’nykh dobavok na mekhanicheskuyu
prochnost’ cementnogo kamnya, News of higher educational
institutions. Contruction, No 12, 25-30, 2011.
6. D.P. Bentz, C.F. Ferraris, S.Z. Jones, D. Lootens and F. Zunino,
Limestone and silica powder replacements for cement: Early-age
performance, Cement and Concrete Composites, Vol. 78, 43-56, 2017.
7. Nguyễn Công Thắng, Nguyễn Văn Tuấn, Phạm Hữu Hanh, Nguyễn

Không xét đến việc phải sử dụng lượng bột đá vôi lớn hơn,
sử dụng loại phụ gia khoáng với thành phần SiO2 nhỏ hơn
này cũng giúp chế tạo được hỗn hợp bê tông với độ lưu động
và cường độ tương tự so với tro bay hoạt tính.
Việc sử dụng tro bay hoạt tính cho kết quả tốt phụ thuộc
vào mối tương quan với đặc điểm của hỗn hợp cũng như
hàm lượng phụ gia cần thiết để đạt được những hiệu quả
đã nêu. Bột đá vôi cải thiện tính lưu biến có thể sử dụng như
một loại phụ gia giảm nước cho phép giảm tỉ lệ N/X và lượng
xi măng cần dùng. Bột diatomit khi đưa vào vữa xi măng mà
không được xử lý thêm sẽ không có nhiều cải thiện đáng kể
về tính chất của hỗn hợp.
4. Kết luận
Sau khi phân tích kết quả thực nghiệm nghiên cứu về

sự ảnh hưởng của tro bay hoạt tính, bột đá vôi mịn và bột
diatomit có thể đưa ra những kết luận sau:
1. Bột mịn tro bay hoạt tính và bột đá vôi có thể sử dụng
với vai trò làm phụ gia khoáng dùng để điểu chỉnh độ lưu
động của vữa xi măng cũng như làm giảm tỉ lệ N/X. Trong
đó khối lượng tro bay hoạt tính cần dùng để đạt được những
đặc tính tương tự ít hơn so với lượng bột đá vôi cần thiết.
2. Trên cơ sở những kết quả thu được trong quá trình
nghiên cứu, có thể thấy rằng:
- Khi sử dụng tro bay hoạt tính với hàm lượng nhỏ hơn
25% so với khối lượng xi măng có thể sản xuất được bê tông
chất lượng cao với cường độ lên đến 92 MPa.
- Khi sử dụng bột đá vôi nghiền mịn với tổng tỉ lệ chất kết
dính trên 1m3 hỗn hợp không vượt quá 40,7% có thể giúp
điều chỉnh được được độ lưu động của hỗn hợp.
- Việc sử dụng vật liệu Diatomit có thể khả quan sau khi
có những đánh giá thêm về hiệu quả kinh tế./.
Trọng Lâm, Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao sử dụng
hỗn hợp phụ gia khoáng silica fume và tro bay sẵn có ở Việt nam,
Trường Đại học Xây dựng,Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng số
2, 21-29, 2013.
8. M. O. Korovkin, V. I. Kalashnikov, N.. Eroshkina Vliyanie
vysokokal’tsievoi zoly-unosa na svoistva samouplotnyayushiesya
betona, architecture and construction, No 1, 49-53, 2015.
9. B. Mahalingam, K. Nagamani, L.S. Kannan, K.M. Haneefa and A.
Bahurudeen, Assessment of hardened characteristics of raw fly ash
blended self-compacting concrete, Perspectives in Science, Vol. 8,
709-711, 2016.
10.V. L. Tang, B. I. Bulgakov, O. V. Aleksandrova, O. A. Larsen,
Vozmozhnost’ ispol’zovaniya zol’nykh ostatkov dlya proizvodstva

materialov stroitel’nogo naznacheniya vo Vietname. Vestnik of
Belgorod state technological University n. a. V. G. Shukhov, No. 6,
6-12, 2017.
11.A. Ergün, Effects of the usage of diatomite and waste marble powder
as partial replacement of cement on the mechanical properties of
concrete, Construction and Building Materials, Vol. 25, No 2, 806-812,
2011.

S¬ 28 - 2017

9