Quá trình thủy hóa và hình thành cấu trúc bê tông và bê tông tự lèn trong giai đoạn đóng rắn. Công nghệ bê tông tự lèn đã được áp dụng ở Việt Nam nhưng mới chỉ sử dụng ở một số công trình đặc biệt. Bài viết bàn về quá trình thủy hóa và hình thành cấu trúc bê tông và bê tông tự lèn trong giai đoạn đóng rắn để có thêm cơ sở khoa học cho việc xây dựng quy trình bảo dưỡng bê tông và bê tông tự lèn trong thời gian tới.
Phản ứng thuỷ hoá
Khi nhào trộn xi măng với nước, ở giai đoạn đầu xảy ra quá trình tác dụng nhanh của khoáng alit với nước tạo ra hyđrosilicat canxi và hyđroxit canxi.
2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2.
Vì đã có hyđroxit canxi tách ra từ khoáng alit nên khoáng belit thuỷ hoá chậm hơn alit và tách ra ít Ca(OH)2 hơn. :
2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2.
Hyđrosilicat canxi hình thành khi thuỷ hoá hoàn toàn đơn khoáng silicat tricanxi ở trạng thái cân bằng với dung dịch bão hoà hyđroxit canxi. Tỷ lệ CaO/SiO2 trong các hyđrosilicat trong hồ xi măng có thể thay đổi phụ thuộc vào thành phần vật liệu, điều kiện rắn chắc và các yếu tố khác. Pha chứa alumô chủ yếu trong xi măng là aluminat tricanxi 3CaO.Al2O3, đây là pha hoạt động nhất. Ngay sau khi trộn với nước, trên bề mặt các hạt xi măng đã có lớp sản phẩm xốp, không bền có tinh thể dạng tấm mỏng lục giác của 4CaO.Al2O3.9H2O và 2.CaO.Al2O3.8H2O. Cấu trúc dạng tơi xốp này làm giảm độ bền nước của xi măng. Dạng ổn định của nó là hyđroaluminat 6 nước có tinh thể hình lập phương được tạo thành từ phản ứng:
3CaO.Al2O3 + 6H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O
Để làm chậm quá trình đông kết khi nghiền clinke cần cho thêm một lượng đá thạch cao (3% ÷ 5% so với khối lượng xi măng). Sunfat canxi sẽ đóng vai trò là chất hoạt động hoá học của xi măng, tác dụng với aluminat tricanxi ngay từ đầu để tạo thành sunfoaluminat canxi ngậm nước (khoáng etringit) :
3CaO.Al2O3 + 3 (CaSO4.2H2O) + 26H2O = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O
Trong dung dịch bão hoà Ca(OH)2, ngay từ đầu etringit sẽ tách ra ở dạng keo phân tán mịn đọng lại trên bề mặt 3CaO.Al2O3 làm chậm sự thuỷ hoá của nó và kéo dài thời gian đông kết của xi măng. Sự kết tinh của Ca(OH)2 từ dung dịch quá bão hoà sẽ làm giảm nồng độ hyđroxit canxi trong dung dịch và etringit chuyển sang tinh thể dạng sợi, tạo ra cường độ ban đầu cho xi măng. Etringit có thể tích lớn gấp 2 lần so với thể tích các chất tham gia phản ứng, có tác dụng chèn lấp lỗ rỗng của đá xi măng, làm cường độ và độ ổn định của đá xi măng tăng lên. Cấu trúc của đá xi măng cũng sẽ tốt hơn do hạn chế được những chỗ yếu của hyđroaluminat canxi. Sau đó etringit còn tác dụng với 3CaO.Al2O3 còn lại sau khi đã tác dụng với đá thạch cao để tạo ra muối kép của sunfat :
2(3CaO.Al2O3)+3CaO.Al2O3.3Ca.SO4.32H2O+22H2O = (3CaO.Al2O3.CaSO4.18H2O).
Feroaluminat tetracanxi tác dụng với nước tạo ra hyđroaluminat và hyđroferit canxi :
4CaO.Al2O3.Fe2O3 + mH2O = 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.nH2O.
Hyđroferit sẽ nằm lại trong thành phần của gen xi măng, còn hyđro-aluminat sẽ tác dụng với đá thạch cao như phản ứng trên.
Tính chất và sự hình thành cấu trúc của hồ xi măng
Hồ xi măng tạo thành sau khi nhào trộn xi măng với nước là loại huyền phù đặc của nước. Trước khi tạo hình hỗn hợp bê tông và bắt đầu đông kết, hồ xi măng có cấu trúc ngưng tụ. Trong đó những hạt rắn hút nhau bằng lực Vanđecvan và liên kết với nhau bằng lớp vỏ hyđrat. Cấu trúc này sẽ bị phá huỷ khi có lực cơ học tác dụng (nhào, trộn, rung…) nó trở thành chất lỏng nhớt, dễ tạo hình.
Việc chuyển hồ sang trạng thái chảy mang đặc trưng xúc biến, có nghĩa là khi loại bỏ tác dụng của lực cơ học thì liên kết cấu trúc trong hệ lại được phục hồi.
Tính chất cơ học – cấu trúc của hồ xi măng tăng theo mức độ thuỷ hoá xi măng. Thí dụ ứng suất trượt của hồ đo được sau khi nhào trộn là 0,1kG/cm2, khi bắt đầu đông kết tăng lên 15 lần (1,5 kG/cm2), còn khi kết thúc đông kết lên 50 lần (5kG/cm2).
Như vậy, hồ xi măng có khả năng thay đổi nhanh tính lưu biến trong khoảng 1 ÷ 2 giờ.
Sự hình thành cấu trúc của hồ xi măng và cường độ của nó xảy ra như sau : Những phân tố cấu trúc đầu tiên được hình thành sau khi nhào trộn xi măng với nước là etringit, hyđroxit canxi và các sợi gen CSH. Etringit dạng lăng trụ lục giác được tạo thành sau 2 phút, còn mầm tinh thể Ca(OH)2 xuất hiện sau vài giờ. Phần gen của hyđrosilicat canxi đầu tiên ở dạng ‘bó”. Những lớp gen mỏng tạo thành xen giữa các tinh thể Ca(OH)2 làn đặc chắc thêm hồ xi măng.
Đến cuối giai đoạn đông kết cấu trúc cơ bản của hồ xi măng được hình thành làm cho nó biến đổi thành đá xi măng.
Giải thích quá trình rắn chắc của xi măng
Khi xi măng rắn chắc, các quá trình vật lý và hoá lý phức tạp đi kèm theo các phản ứng hoá học có một ý nghĩa rất lớn và tạo ra sự biến đổi tổng hợp, khiến cho xi măng khi nhào trộn với nước, lúc đầu chỉ là hồ dẻo và sau biến thành đá cứng có cường độ.
Tất cả các quá trình tác dụng tương hỗ của từng khoáng với nước để tạo ra những sản phẩm mới xảy ra đồng thời, xen kẽ và ảnh hưởng lẫn nhau. Các sản phẩm mới cũng có thể tác dụng tương hỗ với nhau và với các khoáng khác của clinke để hình thành những liên kết mới. Do đó hồ xi măng là một hệ rất phức tạp cả về cấu trúc thành phần cũng như sự biến đổi.
Để giải thích quá trình rắn chắc người ta thường dùng thuyết của Baikov – Rebinder. Theo thuyết này, quá trình rắn chắc của xi măng được chia làm 3 giai đoạn:
- Giai đoạn hoà tan : Khi nhào trộn xi măng với nước các thành phần khoáng của clinke sẽ tác dụng với nước ngay trên bề mặt hạt xi măng. Những sản phẩm mới tan được [Ca(OH)2; 3CaO.Al2O3.6H2O] sẽ tan ra. Nhưng vì độ tan của nó không lớn và lượng nước có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên quá bão hoà.
- Giai đoạn hoá keo : Trong dung dịch quá bão hoà, các sản phẩm Ca(OH)2; 3CaO.Al2O3.6H2O mới tạo thành sẽ không tan nữa mà tồn tại ở trạng thái keo. Còn các sản phẩm etringit, CSH vốn không tan nên vẫn tồn tại ở thể keo phân tán.
- Nước vẫn tiếp tục mất đi (bay hơi, phản ứng với xi măng), các sản phẩm mới tiếp tục tạo thành, tỷ lệ rắn/lỏng ngày một tăng, hỗn hợp mất dần tính dẻo, các sản phẩm ở thể keo liên kết với nhau thành thể ngưng keo.
- Giai đoạn kết tinh : Nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mất đi , các sản phẩm mới ngày càng nhiều. Chúng kết tinh lại thành tinh thể rồi chuyển sang thể liên tinh làm cho cả hệ thống hoá cứng và cường độ tăng.
