Phụ gia đông kết nhanh dùng cho bê tông phun

Phụ gia đông kết nhanh dùng cho bê tông phun 

Gửi bác Raklei, thể theo yêu cầu của bác, em chạy qua một chút về phụ gia đông kết nhanh dùng cho bê tông phun. Rút kinh nghiệm lần trước về lịch sử của phụ gia hóa dẻo bị các bác phê bình quá xá vì bỏ qua phần cơ chế hoạt động, lần này em làm ngược lại, đi thẳng vào phân tích hoạt động và ưu nhược của từng chú phụ gia đông kết nhanh (em tạm gọi là ACC bác nhé) luôn cho phẻ. Mong chút ít đóng góp này được bác hoan nghênh.

Phần chạy của em gồm 4 mục: Sơ lược về ACC truyền thống; ACC gốc alkaline-aluminate - và sự tham gia vào quá trình thủy hóa của xi măng; ACC gốc sodium silicate cải tiến hay thủy tinh lỏng; và ACC gốc alkali-free.

A.   Về ACC truyền thống (Traditional ACC)

Như tất cả các bác đã biết, công nghệ bê tông phun (sau đây gọi tắt là BTP) ướt (wet mix) yêu cầu việc thêm vào phụ gia đông kết nhanh tại đầu vòi phun nhằm thúc đẩy sự đông kết của bê tông. Mục đích cơ bản của việc sử dụng ACC là nhằm làm giảm độ sụt của bê tông (hay độ dẻo) tại thời điểm phun, giúp bê tông chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái sệt ngay trong khi còn lơ lửng trong không khí giữa khoảng cách từ đầu vòi phun đến bề mặt phun, và do vậy bê tông có khả năng bám dính lên bề mặt phun và tạo thành lớp (có chiều dày tăng dần theo quá trình phun). Với tác dụng của ACC, việc phun bê tông lên các bề mặt thẳng đứng và bề mặt vòm (overhead) mới có thể thực hiện được. Tác dụng đông kết nhanh của bê tông phun khi sử dụng ACC cho phép ứng dụng bê tông phun cho công tác gia cố ban đầu, một trong những chức năng quan trọng của NATM (là cái gì còn cãi nhau chán).
Thông thường, ACC có dạng lỏng và được thêm vào đầu vòi phun bằng thiết bị định lượng đặc biệt (bơm piston hoặc bơm ruột gà) nhưng cũng có rất nhiều sản phẩm ACC dạng bột dùng cho phun khô, mấy bác Nhật Bản là chuộng dùng ACC dạng bột lắm. Liều lượng sử dụng ACC phụ thuộc vào kỹ năng vận hành của người thi công, tỷ lệ N/X của cấp phối bê tông cơ sở (base concrete) , điều kiện bề mặt phun ...       

ACC truyền thống được sử dụng phổ biến cho đến đầu thập kỷ 90 của thế kỷ trước (và cho đến ngày nay, có ai dám nói là bỏ luôn đâu!! ) và có hai loại phổ biến, đó là ACC gốc alkaline-aluminate và ACC gốc sodium silicate cải tiến (hoặc sau đây gọi tắt là sodium silicate hoặc thủy tinh lỏng). Điểm khác biệt cơ bản giữa ACC gốc aluminate và ACC gốc sodium silicate là ACC aluminate có tham gia vào quá trình thủy hóa của xi măng và làm tăng cường độ ban đầu trong khoảng thời gian ban đầu (0.5-2 giờ, 1-2MPa).

Cũng giống như thuốc Tây thường có tác dụng phụ và cần phải lưu ý khi sử dụng (Viagra cũng không loại trừ đâu, bác nào có dùng phải để ý nghe!!), tác dụng phụ tai hại của ACC truyền thống là làm giảm cường độ cuối cùng của bê tông khi so sánh với bê tông không sử dụng ACC. Do vậy, lượng dùng của ACC phải được giữ ở mức tối thiểu để tránh tác hại này.

B.   ACC gốc alkaline-aluminate - và sự tham gia vào quá trình thủy hóa của xi măng.

Xin phép các bác em quay về cơ bản và nói lòng vòng một chút về xi măng (sau đây gọi là XM): thành phần chủ yếu của clinker XM  - sản phẩm nung luyện trong lò bát quái của Thái Thượng Lão Quân ở nhiệt độ khoảng 1450^OC từ các loại nguyên liệu chính là đá vôi, đất sét, quặng và hầm bà lằng đủ thứ, nói đến thằng này mệt lắm!!. Bột clinker nghiền mịn về bản chất có phản ứng rất tự nhiên với nước tạo thành đá XM rắn chắc chỉ sau vài phút, do đó chỉ được sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt như làm chất kết dính cho bê tông. Để kiểm soát phản ứng nhanh nhạy này, người ta thêm vào thành phần của XM 2-5% thạch cao (Calcium sulphate) nhằm điều chỉnh thời gian đông kết của XM và tạo ra tính công tác cho bê tông. (Ngoài ra trong XM còn có hàng lô hàng lốc thứ khác, nhất là xi măng hỗn hợp PCB theo TCVN 6260-1997, mà phần lớn là chất độn vào cho nó rẻ!!!). Trong quá trình thủy hóa, thạch cao tác dụng với khoáng C₃A (là 1 trong 4 khoáng chính trong thành phần clinker) tạo thành lớp màng bao bọc quanh hạt XM (gọi là ettringite - chữ này khó dịch quá!!) làm cản trở - nhưng không hoàn toàn chặn đứng - sự xâm nhập của nước vào bề mặt hạt XM. Nhờ có sự trì hoãn này, bê tông giữ được tính công tác của nó trong một thời gian nhất định. Khi toàn bộ các thành phần “sulphate” phản ứng và liên kết với lớp màng kể trên, thành phần “aluminate” trong XM phản ứng với lớp màng và giải phóng ra thành phần “sulphate” đồng thời tạo ra “monosulphate”, các “monosulphate này có tính thấm nước cao hơn giúp nước tiếp tục xâm nhập vào bên trong hạt XM và do vậy cho phép phản ứng thủy hóa của XM diễn ra nhiều hơn và với tốc độ cao hơn. 

Bằng việc sử dụng ACC gốc aluminate (tức là tống thêm “aluminate” vào), hàm lượng “aluminate” cho phản ứng tạo ra “monosulphate” sẽ tăng nhanh đột ngột, điều này cho phép thúc đẩy quá trình thủy hóa của XM diễn ra nhanh hơn và tạo ra cường độ sớm hơn.

Thông thường, ACC có thời gian đông kết đầu <60 giây và thời gian đông kết cuối <3.5 phút. (Kiểm tra bằng kim Vicat - qui trình này ở An Nam ta chưa ban bố thì phải).

ACC gốc aluminate được sử dụng nhiều khi thi công trong vùng đá mềm, biến dạng lớn và khi cần cường độ sớm cũng như chiều dày lớp BTP lớn (>15cm) ngay sau khi khoan nổ.

ACC gốc aluminate bắt đầu phát triển cường độ sau 5-10 phút và sau khoảng 20-30 phút thì cường độ phát triển đủ lớn để lớp BTP có khả năng chịu được trọng lượng bản thân (>0.4MPa), do vậy, có thể thi công lớp BTP dày hơn so với khi sử dụng ACC gốc thủy tinh lỏng.

Với loại ACC này, chiều dày lớp BTP có thể đạt đến 20-50cm trên vòm. Qui trình thông thường là phun lớp BTP thứ nhất dày khoảng 6-10cm trên toàn bộ bề mặt phun. Sau khi lớp BTP thứ nhất đã đạt đủ cường độ yêu cầu, phun tiếp lớp thứ hai dày khoảng 10cm, sau đó lại phun tiếp các lớp cho đến khi được chiều dày BTP yêu cầu. 

ACC gốc alminate cũng có thể thích hợp khi gặp các vấn đề về nước rò rỉ. Qui trình thông thường khi đó là phun lớp BTP mỏng với hàm lượng ACC quá liều (overdose, khoảng 8-10% theo trọng lượng XM) và chờ khoảng 30 phút để lớp BTP này có khả năng chịu được áp lực nước. Sau đó tiếp tục phun như thông thường cho đến khi đạt được chiều dày lớp BTP cần thiết.

Nhược điểm của ACC gốc aluminate:

• Làm giảm cường độ cuối cùng nhiều hơn.
• Rất nhạy với xi măng: ACC gốc aluminate có thể không tác dụng với một số loại xi măng, do vậy cần phải kiểm tra khả năng tác dụng với xi măng trước khi tiến hành công tác phun BT.
• Có độ pH cao (>13) nên có hại cho da và mắt. Việc sử dụng sản phẩm này phải được kiểm soát nghiêm ngặt, người sử dụng phải được yêu cầu mang găng tay, mặt nạ, kính bảo hộ và tránh tiếp xúc trực tiếp với da.

Lượng dùng thông thường của ACC gốc aluminate: 4-8% theo trọng lượng xi măng.

Phân loại ACC gốc aluminate: có hai loại

• Sodium aluminate (chứa Na2O)
• Potassium aluminate (chứa K2O)

ACC gốc potassium aluminate có khả năng tác dụng với nhiều loại xi măng hơn và cũng có thời gian đông kết ngắn hơn, cho cường độ sớm cao hơn ACC gốc sodium aluminate.

Yêu cầu về thời gian đông kết của ACC gốc aluminate:

Bắt đầu:

<30 giây: đánh giá - tốt.

<60 giây: đánh giá - đạt yêu cầu.

>60 giây: đánh giá - không đạt yêu cầu.

Kết thúc:

<3 phút: đánh giá - tốt.

<4 phút: đánh giá - đạt yêu cầu.

>4 phút: đánh giá - không đạt yêu cầu.

Yêu cầu của xi măng khi sử dụng ACC gốc aluminate:

Hàm lượng C₃A:  5-10 %, tốt nhất là 7-9%

Blaine >3500, tốt nhất là >4000

Ngoài ra cần lưu ý đến hàm lượng tro bay, xỉ và thạch cao trong xi măng.

C.   ACC gốc sodium silicate cải tiến hay thủy tinh lỏng (modified sodium silicate - cái này có nghe kêu là biến tính biến thái chi chi đó):

Khác với ACC gốc aluminate, ACC gốc sodium silicate chỉ cho tác dụng kết dính tức thời (trong vòng khoảng 10 giây) mà không tham gia vào quá trình thủy hóa của xi măng (nếu lượng dùng không vượt quá 20% theo trọng lượng).

Cơ chế tác dụng của ACC loại này rất đơn giản: sodium silicate làm khô/đặc lượng nước có trong bê tông làm giảm độ sụt của bê tông rất nhanh và tạo nên sự bám dính của bê tông lên bề mặt phun. Lượng dùng của ACC gốc thủy tinh lỏng do vậy tỷ lệ thuận với tỷ lệ N/X trong cấp phối bê tông cơ sở. ACC gốc sodium silicate không cho cường độ cao trong 2-4 giờ đầu, thời gian đông kết cuối thông thường lớn hơn 30 phút và phụ thuộc vào loại xi măng và nhiệt độ môi trường.

Ưu điểm của ACC gốc thủy tinh lỏng là có thể tác dụng với hầu hết các loại xi măng, ít làm giảm cường độ cuối cùng của bê tông hơn ACC gốc aluminate, tác dụng kết dính rất cao và thân thiện hơn với môi trường (không làm hại da, pH <11.5 - nhưng tốt nhất vẫn nên tránh tiếp xúc trực tiếp với da, nói chung cứ thấy hóa chất thì ta nên té các bác ạ!!), hàm lượng kiềm trong ACC loại này ít hơn so với gốc aluminate (<8.5% Na₂O).
Nhược điểm: tính năng phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường (không dùng được ở nhiệt độ<5^OC) và chiều dày lớp phun hạn chế (8-15cm).

Ứng dụng của ACC gốc thủy tinh lỏng:

• Trong gia cố vĩnh viễn.

• Trong gia cố tạm thời cho khu vực không yêu cầu cường độ sớm (như cho khu vực đá cứng).

• Trong công tác sửa chữa.

• Cho khu vực hạn chế chiều dày lớp BTP trên vòm đến 10-15cm.

Lượng dùng thông thường của ACC gốc thủy tinh lỏng: 3-6% theo khối lượng xi măng.

ACC gốc thủy tinh lỏng thông thường không được sử dụng bởi với lượng dùng cao cần thiết (>10-12%, thực tế là 20%) sẽ làm giảm cường độ cuối cùng và cho chất lượng bê tông kém. Tiêu chuẩn châu Âu về BTP (EFNARC) chỉ cho phép lượng dùng ACC gốc thủy tinh lỏng tối đa là 8% theo trọng lượng xi măng.

Các nghiên cứu còn chỉ ra rằng tác dụng làm giảm cường độ cuối cùng của ACC gốc thủy tinh lỏng phụ thuộc vào điều kiện bảo dưỡng, ví dụ với lượng dùng 15% ACC, cường độ có thể giảm đến 50% nhưng nếu bảo dưỡng mẫu trong nước, cường độ chỉ giảm 30%. 
D.   ACC gốc akali-free

Cho đến thời gian gần đây, các yêu cầu về an toàn và môi trường sinh thái ngày càng có ảnh hưởng chi phối đến việc sử dụng ACC trong bê tông phun. Ở một số nước như Pháp, Thụy Sỹ, Anh, Hồng Kông, Singapore, Áo .. và một số nước khác, việc sử dụng ACC gốc alkaline-aluminate bị cấm do ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Thêm vào đó, yêu cầu về chất lượng và độ bền của bê tông cũng ngày càng cao hơn.

Việc cường độ bê tông bị tổn thất hoặc hiện tượng thôi rửa của “alkaline” (Từ này ta xét sau các bác nhé) có trong ACC ra môi trường làm ảnh hưởng đến sinh thái là động lực thúc đẩy việc phải tạo ra các sản phẩm có đặc tính cao hơn và thân thiện với môi trường. Theo thông tin từ báo cáo của Hội nghị về BTP do ITA tổ chức năm 1996 tại Washington, việc sử dụng BTP theo phương pháp ướt ở Brazil càng phổ biến hơn do sức khỏe công nhân bị ảnh hưởng bởi bụi khi thi công BTP theo phương pháp khô.

Thông thường, người thi công BTP thường gặp phải các vấn đề về ô nhiễm bụi và ảnh hưởng sức khỏe khác như “cháy” da, cay mắt (hỏi mấy bác nozzleman của Sông Đà 10 thì rõ) hạn chế tầm nhìn và thậm chí các rủi ro do đá rơi trong hầm. Xu hướng chung trên toàn thế giới là cần phải thay đổi và hạn chế điều kiện làm việc nguy hiểm kể trên và do đó, trong khoảng thập kỷ 90 của thế kỷ trước, nền công nghiệp xây dựng đã đặt ra đòi hỏi việc phải tìm ra các sản phẩm ACC có chất lượng cao hơn và không ảnh hưởng đến môi trường cũng như sức khỏe con người. Và thế là, ACC gốc alkali-free dạng lỏng không gây hại đến sức khỏe (non-caustic) đã xuất hiện, mang đến một thế hệ BTP an toàn, chất lượng cao và hiệu quả về mặt kinh tế, và việc sử dụng các phụ gia ACC gây hại gốc aluminate hoặc thủy tinh lỏng không còn được chấp nhận nữa. Trách nhiệm cải tiến việc thi công BTP cho an toàn với môi trường và con người đặt lên vai các chủ công trình, nhà thiết kế và nhà thi công.

Về cơ chế tác dụng, ACC gốc alkali-free cũng hành xử tương tự như ACC gốc aluminate (do cũng có thành phần cơ bản là aluminum sulphate - bác raklei nhớ cho em cái thông tin về sáng chế của ông MBT bác có cái, cảm ơn bác!!).   

Do có thành phần hóa học phức tạp hơn, ACC gốc alkali-free có giá thành đắt hơn ACC truyền thống. Tuy nhiên, khi đánh giá một cách tổng thể hơn, chi phí cho ACC gốc alkali-free ảnh hưởng không nhiều đến tổng giá thành của một m³ BTP nếu xét đến những hiệu quả mà nó mang lại như tiết kiệm thời gian thi công, giảm lượng rơi vãi (rebound), tăng cường chất lượng bê tông và một lợi ích không kém phần quan trọng đó là ảnh hưởng môi trường.

Trong các tài liệu về ACC dùng cho BTP, cụm từ “không gây hại - noncaustic” và “alkali-free” đi dung dăng dung dẻ với nhau rất nhiều lần. Tại sao vậy, trước tiên phải xét đến nghĩa kép của cụm từ “alkaline” trong tiếng Anh:

1. Là một dung dịch có tính kiềm (pH 7-14), ví dụ dung dịch Calcium Hydroxide có pH =13 là một dung dịch có tính kiềm mạnh (=alkaline) nhưng không chứa cation kim loại kiềm.
2. Là một dung dịch có chứa các cation kim loại kiềm như Na+, K+, Li+ .. ví dụ như dung dịch muối ăn (NaCl). Dung dịch này chứa cation kim loại kiềm, nhưng lại không có tính kiềm (độ pH tương đương 7 - trung tính).

Vậy đó, thuật ngữ  “có tính kiềm” (alkalinity) và “có chứa kiềm” là hai tính chất hoàn toàn khác biệt. Trong ACC cho BTP, thuật ngữ “alkali-free” chỉ có một nghĩa, đó là ACC không có chứa kim loại kiềm (hoặc hàm lượng kiềm <1%).    

Một trong những lý do cho việc xuất hiện ACC gốc alkali-free là sản phẩm này giúp giảm các rủi ro do phản ứng giữa các cation kim loại kiềm với các thành phần khoáng hoạt tính có trong cốt liệu như silica (SiO₂) (phản ứng kiềm-cốt liệu). Nếu phản ứng này xảy ra, các hạt cốt liệu sẽ bị nứt vỡ do dãn nở và làm ảnh hưởng đến cấu trúc của khối BTP.

Ưu điểm của ACC gốc alkali-free dạng lỏng

Nhu cầu sử dụng ACC gốc alkali-free cho BTP ngày càng tăng do một trong các lợi ích sau:

1. Giảm rủi ro do phản ứng kiềm-cốt liệu, do giảm được hàm lượng cation kim loại kiềm như khi sử dụng ACC gốc alkaline-aluminate.
2. Cải thiện điều kiện làm việc do giảm tính gây hại của ACC đối với mắt, da, cơ quan hô hấp và ảnh hưởng tầm nhìn.
3. Bảo vệ môi trường do giảm được hàm lượng các chất gây hại phát tán ra nguồn nước từ BTP hoặc do lượng BTP rơi vãi.
4. Giảm tổn thất cường độ cuối cùng (thông thường là 15-50% khi sử dụng ACC truyền thống).

Tuy nhiên tùy theo khu vực và yêu cầu thi công mà các lợi ích trên được nhìn nhận và phát huy khác nhau. Ví dụ như khi BTP được dùng chủ yếu cho gia cố tạm thời thì điểm 2 và 3 quan trọng nhất nhưng khi BTP được dùng để gia cố vĩnh viễn thì điểm 1 và 4 lại quan trọng hơn.

Nhược điểm:

Cũng giống như ACC gốc aluminate, ACC gốc alkali-free cũng nhạy với xi măng nên việc kiểm tra tác dụng với xi măng trước khi phun bê tông là việc làm vô cùng cần thiết (Nhiều khi bận quá bỏ qua đến lúc phun hông thấy dính mới ngớ người ra thì chết).

Làm giảm cường độ cuối cùng của bê tông, tuy mức độ ảnh hưởng không kinh khủng như ACC gốc aluminate nhưng cũng kha khá (bạn chắc quanglan rành sáu câu).

Ngoài ra, có một số sản phẩm do độ pH khá thấp (theo bác raklei cung cấp là 2-3) nên ăn mòn máy móc thiết bị (các bác có để ý bọn này toàn được chứa trong phuy nhựa không, dùng ống tuýp sắt ngoáy mấy bữa bị mòn ngó thấy).     

Lượng dùng thông thường của ACC gốc alkali-free: 3-10% theo trọng lượng.

Yêu cầu về thời gian đông kết của ACC gốc alkali-free (Kiểm tra bằng kim Vicat với phương pháp “con chuột”)

-  Bắt đầu:

<2 phút: đánh giá - tốt.

<4 phút: đánh giá - đạt yêu cầu.

>4 phút: đánh giá - không đạt yêu cầu.

-  Kết thúc:

<5 phút: đánh giá - tốt.

<8 phút: đánh giá - đạt yêu cầu.

>8 phút: đánh giá - không đạt yêu cầu.

Những thông tin trên em tập hợp từ tài liệu nước ngoài, chủ yếu trong quyển “Sprayed concrete for rock support” của ông Tom Melbye và một số tài liệu khác, kết hợp với nghe lỏm được từ các cuộc nhậu với mấy bác thi công. Nếu trong cách dùng từ có chỗ nào chưa chính xác bác chỉnh giúp, em là dân ngoài nghề. Cũng phải nói cho rõ là em chưa từng dùng qua ACC gốc thủy tinh lỏng, alkaline-aluminate hay alkali-free chi cả. Trước đây nghe nói ở Việt Nam có dùng thủy tinh lỏng (cho Yaly thì phải, dùng cái máy Aliva từ năm 80 của Sông Đà mà nghe đâu bây giờ vẫn còn dùng) còn alkaline thì chưa được biết tới. Sau này chỉ nghe nói về alkali-free ở dự án Hải Vân (Meyco SA 160, Sigunit L54AF và Imagun - mãi mãi là thí nghiệm) và gần đây có biết tới Mapequick AF400. Nói chung mỗi cái mỗi kiểu, lúc nào có hứng ta bàn đến từng thằng sau.

Posted in: Bê tông phun