Xác định tỉ lệ hợp lý phụ gia khoáng hoạt tính tro bay và tro trấu trong bê tông - ThS. Nguyễn Tiến Trung

XÁC ĐỊNH TỈ LỆ HỢP LÝ PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH TRO BAY VÀ
TRO TRẤU TRONG BÊ TÔNG
ThS Nguyễn Tiến Trung

Tóm tắt
Phụ gia tro bay và tro trấu đều là các phụ gia khoáng hoạt tính có ảnh hưởng đối với
các tính chất của bê tông. Tuy nhiên chúng cũng có ưu và nhược điểm, đặc biệt là một số ưu
điểm của phụ gia này lại là nhược điểm của phụ gia kia và ngược lại. Nếu dùng cả tro bay và
tro trấu theo một tỉ lệ thích hợp trong bê tông sẽ phát huy được ưu điểm và khắc phục được
nhược điểm của từng loại phụ gia, và có tác dụng tốt đối với bê tông, trong đó có vấn đề
chống thấm. Để xác định tỉ lệ hợp lý của hai loại phụ gia đã dùng phương pháp toán qui hoạch
thực nghiệm nhằm mục đích giảm khối lượng thí nghiệm, mà vẫn đạt được bê tông có độ hút
nước nhỏ nhất. Tỉ lệ cụ thể là tro bay 16%, tro trấu 6%. Hiệu quả của các phụ gia khoáng hoạt
tính chủ yếu phụ thuộc vào thành phần SiO2ht, Al2O3ht, Fe2O3ht trong phụ gia, vì chúng có khả
năng tương tác với vôi Ca(OH)2 là chất dễ hòa tan, đông cứng yếu trong bê tông để tạo ra các
hợp chất hóa học mới không hòa tan cứng hóa tốt và có cường độ làm đặc chắc bê tông.
I- MỞ ĐẦU
Bê tông trong công trình thủy lợi trong nhiều trường hợp yêu cầu chống thấm. Có nhiều
phương pháp để nâng cao đô chống thấm của bê tông, trong đó có biện pháp dùng phụ gia
khoáng hoạt tính [1]. Tác dụng của các phụ gia khoáng hoạt tính mịn là cùng với xi măng
nhét đầy các khe kẽ trong bê tông, đặc biệt những hạt cực mịn nhét cả khe kẽ của xi măng,
làm cho bê tông đặc chắc. Ngoài ra các thành phần hoạt tính của phụ gia như SiO2, Al2O3,
Fe2O3 sẽ tương tác với Ca(OH)2 trong xi măng là chất dễ hòa tan, kém ổn định để tạo thành
hydro canxi silicat và hydro canxi aluminat không hòa tan, biến cứng và ổn định, làm đặc
chắc bê tông. Tro bay và tro trấu có ưu và nhược điểm riêng trong ứng xử đối với các tính
chất của bê tông. Nếu dùng hỗn hợp của chúng sẽ phát huy được ưu điểm và khắc phục được
nhược điểm của từng loại phụ gia. Tuy nhiên cần xác định tỉ lệ hợp lý của hai loại phụ gia đó
để cải thiện tính chất mong muốn của bê tông, mà ở đây là tinh chống thấm. Độ chống thấm
có liên quan đến độ thấm nước [2], nên chúng tôi đã thí nghiệm độ hút nước thay cho độ thấm
nước, vì thí nghiệm độ thấm nước khá phức tạp và đòi hỏi nhiều thời gian và chi phí.
II- VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU

1.1 Xi măng – Dùng xi măng poóc lăng PC40 Bút Sơn có thành phần khoáng như trong
bảng1.
Bảng 1: Thành phần khoáng của xi măng, %
C3S

C2S

C3A

C4AF

49,2

24,7

14,4

10,4


1.2 Tro bay Tro bay l ph thi t than cỏm ca nh mỏy nhit in Ph Li thuc loi F
ó qua tuyn loi bt than cha chỏy v t yờu cu ca cỏc tiờu chun [3,4]. Tro bay cú
mn tng t xi mng. Thnh phn húa ca tro bay Ph Li nh trong bng 2.
Bng 2: Thnh phn húa hc ca tro bay Ph Li, %
SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

K2O

Na2O

SO3

MKN

59,14

23,53

6,06

0,84

0,60

3,30

0,27

0,30

5,74

1.3 Tro tru Tro tru l sn phm t tru theo mt cụng ngh c bit (nhit v thi
gian t c khng ch cht ch), c nghin mn ớt nht gp ụi xi mng v t yờu cu
tiờu chun [5]. Thnh phn húa ca tro tru c nờu trong bng 3.
Bng 3: Thnh phn húa hc ca tro tru
SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

K2O

Na2O

SO3

MKN

90,21

0,68

0,74

1,41

0,59

2,38

0,25

-

3,12

III- XC NH T L THCH HP CA PH GIA KHONG HOT TNH
TRO BAY V TRO TRU TRONG Bấ TễNG CHNG THM
2.1 Dựng phng phỏp qui hoch thc nghim xỏc nh t l hp lý tro bay v tro tru
[6,7]. Sử dụng mô hình qui hoạch thực nghiệm bậc 2 tâm xoay với yếu tố ảnh hưởng là tỷ lệ
của phụ gia tro trấu và tro bay trong hỗn hợp chất dính kết (xi măng + tro trấu + tro bay) lên
độ hút nước của bờ tụng.
Để xác định tỷ lệ dùng các loại phụ gia tro trấu và tro bay hợp lý, qua tham khảo nhiều
tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước, chọn khoảng biến thiên của các biến (tỉ lệ phụ gia tro
trấu, tỉ lệ phụ gia tro bay) ln lt là : 3 - 10% và 10 - 25%.
Mô hình qui hoạch được lựa chọn là mô hình thống kê phi tuyến bậc hai, hai mức tối ưu
toàn phần có dạng như sau : Y = bo + b1x1 + b2x2 + b12x1x2 + b1x12 + b2x22
Số thí nghiệm N = 2n + 2n + No = 22 + 2x2 + 1 = 9. Để làm tăng tính chính xác của mô
hình thu được, tiến hành thực nghiệm 5 lần tại tâm kế hoạch nên tổng s thí nghiêm N = 9 + 5
= 13 thí nghiệm, bậc tự do của thí nghiệm lặp ở tâm f0 = m -1 = 5 - 1 = 4.
Ma trận thực nghiệm theo mô hình tâm xoay bậc hai với 5 thí nghiệm ở tâm được cho
trong bảng 4.
Bảng 4 : Ma trận kế hoạch hóa thực nghiệm tâm xoay bậc hai
Biến mã

Biến thực

x1x2

x12

x22

25

+1

+1

+1

10

10

-1

+1

+1

+1

3

25

-1

+1

+1

-1

3

10

+

+1

+1

N

Xo

X1

X2

Z1

Z2

1

+1

+1

+1

10

2

+1

+1

-1

3

+1

-1

4

+1

-1

5

+1

+ 1.414

0

11.4

17.5

0

2

0

6

+1

- 1.414

0

1.6

17.5

0

2

0

7

+1

0

+ 1.414

6.5

28.1

0

0

2

8

+1

0

-1.414

6.5

6.9

0

0

2

9

+1

0

0

6.5

17.5

0

0

0

10

+1

0

0

6.5

17.5

0

0

0

11

+1

0

0

6.5

17.5

0

0

0

12

+1

0

0

6.5

17.5

0

0

0

13

+1

0

0

6.5

17.5

0

0

0

Ma trận qui hoạch và cấp phối thí nghiệm được cho trong bảng 5.
Bảng 5 : Ma trận qui hoạch và cấp phối bê tôngthí nghiệm
N

X1

X2

Z1

Z2

Xi mng

Tro
tru

Tro
bay

ỏ

Cỏt

1

1

1

10

25

260

40

100

1094

639

191

0.379

0.50

2

1

-1

10

10

320

40

40

1094

641

196

0.380

0.52

3

-1

1

3

25

288

12

100

1094

654

189

0.384

0.50

4

-1

-1

3

10

348

12

40

1094

656

194

0.385

0.51

5

1.414

0

11.4

17.5

284

46

70

1094

635

195

0.377

0.51

6

-1.414

0

1.6

17.5

324

6

70

1094

666

188

0.388

0.49

7

0

1.414

6.5

28.1

262

26

112

1094

641

191

0.379

0.50

8

0

-1.414

6.5

6.9

346

26

28

1094

654

194

0.384

0.51

Nc C/(C+) N/X

9

0

0

6.5

17.5

304

26

70

1094

649

192

0.382

0.51

10

0

0

6.5

17.5

304

26

70

1094

649

192

0.382

0.51

11

0

0

6.5

17.5

304

26

70

1094

649

192

0.382

0.51

12

0

0

6.5

17.5

304

26

70

1094

649

192

0.382

0.51

13

0

0

6.5

17.5

304

26

70

1094

649

192

0.382

0.49

2.2 Tính toán xử lý kết quả theo mô hình
Phương trình qui hoạch thực nghiệm để xác định độ hút nước của bê tông
Đề tài sử dụng phần mềm Maple10 [8] để xác đinh các hệ số hồi qui bj. Kiểm tra lại
tính có nghĩa của các hệ số bj theo chuẩn Studient, sau đó kiểm tra lại tính phù hợp của mô
hình kế hoạch thực nghiệm bằng chuẩn Fisher.
Các điều kiện để đảm bảo tính có nghĩa và tính phù hợp là :
-

Tính có nghĩa của các hệ số bJ : t tính > t bảng (P, fo = No -1)

Theo mô hình qui hoạch : fo = 4 và lấy xác xuất P = 0.05 ; Vậy tbảng = 2.776
-

Tính phù hợp

Ftinh

s


2
phù hợp

s

2
0

Fb ả ng ( P, f fh , f 0 )


s

với

2
phù hợp

(y

u

N0



y u ) 2 ( y u0 y) 2
u 1

[ N 1 ( N 0 1)]

trong đó :
f0 = N0 -1 : bậc tự do của thí nghiệm lặp ở tâm
ffh = [N - l - (N0 -1)] : bậc tự do của phương sai phù hợp
l : hệ số có nghĩa còn lại của phương trình hồi qui
Kết quả thí nghiệm độ hút nước của bê tông được cho trong bảng 6
Bảng 6 : Kết quả thí nghiệm độ hút nước của bê tông
Biến mã

Biến thực

Độ hút nước, %

N

Xo

X1

X2

Z1

Z2

H28

H90

1

+1

+1

+1

10

25

4.69

3.840

2

+1

+1

-1

10

10

4.34

3.720

3

+1

-1

+1

3

25

5.38

4.120

4

+1

-1

-1

3

10

4.21

4.270

5

+1

+ 1.414

0

11.4

17.5

4.19

4.070

6

+1

- 1.414

0

1.6

17.5

5.03

3.880

7

+1

0

+ 1.414

6.5

28.1

4.59

3.570

8

+1

0

-1.414

6.5

6.9

4.26

3.620

9

+1

0

0

6.5

17.5

4.66

3.490

10

+1

0

0

6.5

17.5

4.37

3.470

11

+1

0

0

6.5

17.5

4.40

3.540

12

+1

0

0

6.5

17.5

4.50

3.330

13

+1

0

0

6.5

17.5

4.52

3.510

Kết quả tính toán và kiểm tra các hệ số của phương tình hồi qui và tính tương hợp của
mô hình đã xác định được phương trình hi qui độ hút nước tui 28 v 90 ngynhư sau:
H28 = 4.490-0.218x1+0.248x2-0.205x1x2
H90 = 3.474 - 0.0802X1 + 0.3011X12+ 0.3011X22
2.3 Phân tích các kết quả thí nghiệm
a) ảnh hưởng của phụ gia tro trấu và tro bay lên độ hút nước của bê tông
Bề mặt biểu hiện và đường đồng mức của độ hút nước của bờ tụng H28 được biểu thị trong
các hình 1, 2.


Hình 1 : Bề mặt biểu hiện hàm mục tiêu hút nước

Hình 2: Đường đồng mức bề mặt biểu hiện hàm mục

của bê tông H28 theo biến mã (X1 là tỉ lệ phụ gia tro

tiêu độ hút nước của bê tông ở tuổi 28 ngày, theo biến

trấu, X2 là tỉ lệ phụ gia tro bay, %)

mã (X1 là tỉ lệ tro trấu, X2 là tỉ lệ tro bay, %)

Sư dụng phần mềm Maple10 [8], tính được cực tiểu của hàm mục tiêu Hmin ở các giá trị
X1= - 0.36 và X2 = - 1.40
Chuyển các biến mã thành biến thực Z1 và Z2 được
Z1 = 5.2 % tỉ lệ tro trấu và Z2 = 7.0% tỉ lệ phụ gia tro bay
b) ảnh hưởng của phụ gia tro trấu và tro bay lên độ hút nước của vữa ở tuổi 90 ngày
Bề mặt biểu hiện và đường đồng mức của độ hút nước của vữa ở tuổi 90 ngày được biểu
thị trên hình 3 và 4.

Hình 3 : Bề mặt biểu hiện hàm mục tiêu độ hút nước
của bê tôngH90 theo biến mã (X1 là tỉ lệ phụ gia tro
trấu, X2 là tỉ lệ phụ gia tro bay, %)

Hình 4: Đường đồng mức bề mặt biểu hiện hàm mục
tiêu độ hút nước của bê tôngH90, theo biến mã (X1 là tỉ
lệ tro trấu, X2 là tỉ lệ tro bay, %)

Hàm mục tiêu có cực tiểu tại Hmin tại X1 = 0.10 và X2 = 0. Chuyển các biến mã hóa sang
biến thực Z1 và Z2.
Z1 = 6.8 % tỉ lệ tro trấu và Z2 = 17.2 % tỉ lệ tro bay.
Tỷ lệ hợp lý của tro trấu và tro bay để đạt được độ hút nước nhỏ nhất của bờ tụng ở các
tuổi 28 ngày được tổng hợp trong bảng 7.
Bảng 7 : Các tỉ lệ phối hợp hp lý của phụ gia khoáng hoạt tính tro trấu
và tro bay để hàm mục tiêu đạt cực trị đối với độ hút nước
Tuổi 28
ngày

Tỉ lệ phụ gia
tro trấu, %
(CKD)

Tỉ lệ phụ gia
tro bay, %
(CKD)

Tuổi 90
ngày

Tỉ lệ phụ gia
tro trấu, %
(CKD)

Tỉ lệ phụ gia
tro bay, %
(CKD)


H28 min

5.20

7.00

H90 min

6.80

17.20

Kt qu phõn tớch cỏc phng trỡnh hi qui cho thy: ở tuổi 28 ngày v 90 ngy cỏc t l
tro bay v tro tru tỡm c l khỏc nhau. Tuy nhiờn ph gia khoỏng phỏt huy tui di ngy

tt hn tui ớt ngy vỡ phn ng puzlan (tng tỏc vi vụi) xy ra chm, vỡ vy chn t l
hp lý ca ph gia tro bay v tro tru tui 90 ngy. Ngoi thm nc cng kt hp xỏc
nh phng trỡnh hi qui v cng , nhng khụng trỡnh by õy bi bỏo khụng quỏ
di
IV- KT LUN
T các kết quả nghiên cứu có thể đưa ra một số kết luận như sau :
- Vic s dng kt hp tro bay v tro tru ó phỏt huy c u im v khc phc
c nhc im ca tng loi ph gia n l.
- Vic áp dụng mô hình toán học bậc hai tâm xoay để xác định tỉ lệ phối hợp hợp lý
của phụ gia tro bay và tro trấu trong bê tông rỳt ngn c thi gian v s lng thớ nghim
xỏc nh t l ca tro tru v tro bay hp lý trong trong bờ tụng.
- Kt hp kt qu nghiờn cu thm nc v cng tui di ngy (90 ngy), thỡ
t l hp lý tro bay v tro tru trong bờ tụng ngh l 6% v 16% ca khi lng cht kt
dớnh.
- Nu s dng ph gia khoỏng hot tớnh tro tru v tro bay kt hp thờm ph gia gim
nc, s em li thờm hiu qu tớch cc n chng thm nc ca bờ tụng, vỡ khi gim
lng nc trn s lm cho bờ tụng c chc hn.
TI LIU THAM KHO
1. Bryant Mather (2002), Concrete primer, International ACI.
2. B xõy dng (1998), Ch dn k thut chn thnh phn bờ tụng cỏc loi, NXB xõy dng.
3. ASTM C618 -05 Specification for fly ash and raw or calcined natural pozzolan for use
as a mineral admixture in Portland cement concrete.
4. 14TCN 65-1999 Ph gia khoỏng cho bờ tụng v va Yờu cu k thut.
5. TCXDVN 311:2004 Ph gia khoỏng hot tớnh cao cho bờ tụng v va : Silicafume v
Tro tru nghin mn.
6. Nguyn Minh Tuyn, Phm Vn Thiờm (1997), K thut h thng cụng ngh húa hc, tp
1, NXB KHKT.
7. Lờ c Ngc (2001) X lý s liu v k hoch húa thc nghim, Trng i hc KHTN.

8. Maple 10 software
Summary
DETERMINING RATIONAL DOSAGE OF FLY ASH
AND RICE HUSK ASH IN CONCRETE
Fly ash and Rice husk ash are active mineral admixtures for concrete. However they have
advantages and also inconvenients, especially some advantages of one admixture are
inconvenient of the other and vice versa. If both admixtures are used together with rational
proportions in concrete, these advantages will be developed and inconvenients will be
overcome and concrete will have better properties, especially watertightness. In order to
determine their rational proportion, using experimental planning mathematic method with the
aim to reduce the quantity of laboratory test and obtain concrete with minimum water
absorption. The efficiency of active mineral admixtures is based on their proportion of oxides
SiO2ht, Al2O3ht, Fe2O3ht , because these factors can react with lime Ca(OH)2, which is soluble
matter, weakly hardened in concrete to give new chemical compounds, stable in concrete.