Cường độ chịu nén của bê tông sử dụng sợi poly-propylene và silica fume

TS. Phan Đức Hùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh TS. Lê Anh Tuấn Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh Người phản biện: TS. Lê Anh Thắng  TS. Nguyễn Mạnh Tuấn

Tóm tắt: Bài báo xem xét ảnh hưởng của sợi poly-propylene và silica fume đến cường độ chịu nén của bê tông. Các cấp phối kết hợp sử dụng sợi poly-propylene với hàm lượng 0,5 và 1% theo thể tích và silica fume thay thế xi măng với tỷ lệ 5, 10 và 15% theo khối lượng và cấp phối đối chứng. Nghiên cứu chỉ ra việc sử dụng phụ phẩm như silica fume thay thế từ 5 đến 10% khối lượng xi măng giúp cải thiện cường độ chịu nén của bê tông. Ngoài ra, kết quả cho thấy cường độ chịu nén giảm từ 5 đến 12% khi thêm từ 0,5 đến 1% sợi poly-propylene. Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm cũng cho thấy việc sử dụng 5 hoặc 10% silica fume kết hợp với hàm lượng sợi 0,5% theo thể tích cho cường độ chịu nén cao hơn so với mẫu đối chứng.

Từ khóa: Sợi poly-propylene, silica fume, bê tông, cường độ chịu nén.

Abstract: The paper considers the effect of poly-propylene fibers and silica fume on compressive strength of concrete. Many mixes have been studied by combination between poly-propylene fibers with the fractions of 0.5 and 1% by volume and silica fume with cement replacement of 5, 10 and 15% by weight in addition to reference mix. The study revealed that the use of waste material like silica fume improved the compressive strength of concrete as a partial replacement of cement about 5-10% by weight. Besides, the results showed that the compressive strength decreases by about 5-12% when adding 0,5-1% polypropylene fibers. However, results show that the use of 5% or 10% silica fume combined with 0,5% fiber volume fraction results in higher compressive strength of concrete comparing to reference mix.

Keywords: Poly-propylene fiber, silica fume, concrete, compressive strength.

1. Giới thiệu

Sự phát triển của nền kinh tế đòi hỏi sự phát triển đồng bộ của cơ sở hạ tầng, trong đó bê tông sử dụng cho các công trình cần có tính năng cao như khả năng chịu kéo, va đập, chịu tải trọng động, hạn chế khe nứt… Bê tông truyền thống có cường độ chịu nén tốt nhưng khả năng chịu kéo và khả năng chống va đập kém. Việc sử dụng sợi gia cường giúp tăng khả năng chịu lực và nâng cao tuổi thọ kết cấu thông qua khả năng chịu uốn và chịu kéo tốt hơn bê tông thông thường. Do đó, bê tông cốt sợi được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng như: Mặt đường ô tô, mặt đường sân bay, bản mặt cầu đường hầm, giữ ổn định mái dốc, sàn nhà công nghiệp, kết cấu chịu tải trọng động... Tính dẻo của sợi gia cường phụ thuộc vào đặc tính bắc cầu khi vết nứt xuất hiện và khả năng biến dạng của sợi [1]. Vai trò chính của sợi trong bê tông là kiểm soát vết nứt, tăng cường khả năng chịu kéo, độ cứng và biến dạng, tuy nhiên chúng còn phụ thuộc vào loại sợi sử dụng. [2] Trong các loại sợi, sợi poly-propylene không phản ứng với các chất hóa học nên khi có sự tác động của các chất hóa học, bê tông luôn bị phá hoại trước sợi.

Khi kết hợp với các phụ gia khoáng như tro bay, silica fume, xỉ hạt lò cao… bê tông sợi có khả năng tạo nên vật liệu rất phù hợp với tình hình Việt Nam, giúp gia tăng hiệu quả kinh tế, hạn chế gây ô nhiễm môi trường. Murahari và Rao [3] đã nghiên cứu ảnh hưởng của sợi poly-propylene trong bê tông tro bay với hàm lượng sợi thấp kết luận cường độ chịu nén tăng lên với hàm lượng sợi 0,15% đến 0,3%.

Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi poly-propylene trong bê tông sử dụng silica fume thay thế một phần xi măng, từ đó tìm ra loại, hàm lượng sợi và silica fume thích hợp và tính chất của bê tông này.

2. Nguyên vật liệu và phương pháp thí nghiệm

2.1. Nguyên vật liệu

2.1.1. Cốt liệu

Cốt liệu nhỏ sử dụng cát tự nhiên sạch, có khối lượng riêng 2,67g/cm³, khối lượng thể tích 1,7g/cm³, thành phần hạt thể hiện trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Thành phần hạt của cát

Cốt liệu thô sử dụng đá sạch, có khối lượng riêng 2,78g/cm³, khối lượng thể tích 1,5g/cm³, Dmax bằng 15mm.

2.1.2. Xi măng

Sử dụng xi măng pooclăng PC40 với thành phần hóa học, độ mịn phải phù hợp với các tiêu chuẩn TCVN 2682-91 và TCVN 2682-89 với các đặc tính cơ lý của xi măng như khối lượng riêng 3,1g/cm³.

2.1.3. Silica fume

Silica fume sử dụng trong bê tông nhằm tăng cường khả năng chịu lực, giảm độ thấm nước có đặc tính được thể hiện trong Bảng 2.2.

Bảng 2.2. Thành phần hóa học của silicafume

 

2.1.4. Sợi

Trong nghiên cứu này, sử dụng loại sợi tổng hợp poly-propylene (PP) có tỷ lệ chiều dài trên đường kính sợi (l/d) là 150 và các thông số kỹ thuật theo nhà sản xuất được trình bày trong Bảng 2.3.

Bảng 2.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật của sợi polymer

 

Hình 2.1: Sợi poly-propylene gia cường trong bê tông

2.2. Cấp phối

Các cấp phối bê tông có sử dụng sợi poly-propylene với hàm lượng thay đổi là 0, 0,5, 1% và silica fume với hàm lượng thay đổi là 0, 5, 10, 15%. Cấp phối và cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi được trình bày trong Bảng 2.4.

Bảng 2.4. Cấp phối và cường độ chịu nén (MPa)

 

3. Kết quả thí nghiệm

3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng silica fume đến cường độ chịu nén

Hình 3.1: Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng silica fume

Kết quả biểu diễn trên Hình 3.1 cho thấy sự ảnh hưởng của phụ gia khoáng silica fume đến cường độ chịu nén của bê tông với hàm lượng thay đổi từ 0 đến 15%. Cường độ chịu nén của bê tông đều có khuynh hướng tăng khi sử dụng phụ gia khoáng silica fume với hàm lượng từ 5 đến 10%. So với mẫu đối chứng, mức tăng cường độ tương ứng là 4 và 5,4% khi thay thế xi măng bằng silica fume với hàm lượng tương ứng là 5 và 10%. Tuy nhiên, khi hàm lượng silica fume tăng lên 15% thì cường độ chịu nén của cấp phối bê tông này lại giảm xuống 2,2% so với cấp phối sử dụng hàm lượng silica fume 10%.

Theo Shanmugavalli [4], cấp phối sử dụng 10% silica fume thay thế xi măng sẽ cải thiện đáng kể khả năng chịu nén của bê tông do có hàm lượng pozzolanic tự nhiên cao, giúp phản ứng với calcium hydroxide để hình thành thể gel calcium hydroxide hydrate tăng cường cơ tính cho bê tông.

3.2. Xác định ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến cường độ chịu nén

Sự ảnh hưởng của sợi poly-propylene và phụ gia khoáng silica fume đến cường độ chịu nén của bê tông được trình bày trong Hình 3.2.

Hình 3.2: Mối quan hệ giữa hàm lượng sợi, hàm lượng silica fume và cường độ chịu nén

 Hình 3.2 cho thấy, khi kết hợp sử dụng sợi poly-propylene thì cường độ chịu nén của bê tông có sử dụng phụ gia khoáng silica fume có xu hướng thay đổi cường độ gần giống nhau. Cường độ chịu nén càng giảm khi hàm lượng sợi sử dụng càng tăng, so với mẫu không sử dụng sợi (hàm lượng sợi 0% - mẫu S1) cường độ chịu nén giảm 5,1% và 12% tương ứng với cấp phối chứa 0,5% và 1% hàm lượng sợi poly-propylene.

Trong nghiên cứu của mình, Zinkaah [5] cũng chỉ ra sự giảm cường độ chịu nén khi sử dụng sợi poly-propylene trong bê tông. Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm cũng cho thấy, khi kết hợp sử dụng sợi và phụ gia khoáng với một hàm lượng nhất định trong bê tông có khả năng làm tăng cường độ chịu nén cho bê tông so với mẫu đối chứng không có sợi và phụ gia khoáng. Cụ thể, khi sử dụng hàm lượng sợi 0,5%, nên kết hợp với việc thay thế 5 hoặc 10% xi măng bằng silica fume sẽ cho giá trị cường độ chịu nén tăng tương ứng là 2,0 và 3,7% so với mẫu đối chứng. Kết quả chụp SEM (scanning electron microscope) mẫu bê tông geopolymer sợi poly-propylene thể hiện trong Hình 3.3.

Hình 3.3: Sợi poly-propylene trong mẫu bê tông geopolymer

4. Kết luận

Nghiên cứu sử dụng các loại phụ phẩm công nghiệp như silica fume để chế tạo bê tông có khả năng cải thiện cơ tính của bê tông. Kết hợp với việc sử dụng sợi poly-propylene, một vài kết luận có thể rút ra từ kết quả thí nghiệm như sau:

- Có thể sử dụng silica fume thay thế từ 5 đến 10% hàm lượng xi măng, cường độ chịu nén đạt giá trị cao ứng với hàm lượng 10%.

- Cường độ chịu nén của bê tông có khuynh hướng giảm khi chỉ thêm sợi poly-propylene vào cấp phối, giảm khoảng từ 5 đến 12% so với cấp phối không gia cường sợi. Tuy nhiên, nếu kết hợp với hàm lượng nhất định phụ gia khoáng silica fume thay thế xi măng vẫn có thể đảm bảo gia tăng về cường độ chịu nén.

Tài liệu tham khảo

[1]. Madhavi T.C, Raju L.S., Mathur D. (2014), Polypropylene Fiber Reinforced Concrete- A Review, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Vol. 4(4), pp.114-119.

[2]. Don Wimpenny et al (2010), The use of steel and synthetic fibres in concrete under extreme conditions, Science Agenda Investment Fund.

[3]. Murahari K., Rao R.M (2013), Effects of Polypropylene fibres on the strength properties of fly ash based concrete, International Journal of Engineering Science Invention, Vol.2(5), pp.13-19.

[4]. Raj I.R.I, Shanmugavalli B. (2015), A study on the effect of silica fume on the properties of recycled aggregate concrete, Journal of Mechanical And Civil Engineering, Vol.2(3), pp.5-15.

[5]. Othman Hameed Zinkaah (2014), Effect of hybrid micro steel-polypropylene fibers on high strength concrete with micro silica fume, Journal for Engineering Sciences, Vol.3(1), pp.90-102.