Cơ chế hoạt động của chất giãn nở trong bê tông là gì?

Trong kỹ thuật xây dựng, việc xuất hiện các vết nứt bê tông và thấm nước là điều thường xuyên xảy ra, các vết nứt kết cấu có thể ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ hoặc trong trường hợp nghiêm trọng là sự an toàn của công trình. Do các yếu tố như sử dụng xi măng ngày càng tăng, yêu cầu cường độ cao hơn, điều kiện thi công và bảo dưỡng không thích hợp nên việc hình thành các vết nứt trong kết cấu bê tông là không thể tránh khỏi. Hiện nay, cách tiếp cận khả thi duy nhất trong kỹ thuật là kiểm soát các vết nứt trong giới hạn vô hại.

Nguyên nhân gây nứt bê tông

Có nhiều lý do khác nhau dẫn đến nứt bê tông trong các dự án xây dựng, bao gồm thiết kế kết cấu, bảo dưỡng công trình và nguyên liệu thô. Nguyên nhân chính gây ra vết nứt là ứng suất kéo được tạo ra khi bê tông chịu tải, biến dạng và trộn lẫn trong quá trình đông cứng. Các vết nứt xảy ra khi ứng suất kéo bên trong vượt quá cường độ kéo cuối cùng của bê tông. Trong đó, các vết nứt phi cấu trúc do biến dạng chiếm 80%, phần lớn các vết nứt phi cấu trúc này là do co ngót của bê tông (như co ngót tự sinh, co ngót dẻo, co ngót khô, co ngót nhiệt, v.v.).

Không có thông số kỹ thuật chi tiết để kiểm soát các vết nứt phi cấu trúc và các phương pháp phổ biến được sử dụng trong kỹ thuật bao gồm thiết kế các khe co giãn hoặc sử dụng "phương pháp nhảy kho" trong quá trình thi công. Tuy nhiên, cách làm này kéo dài thời gian xây dựng và tăng chi phí dọn dẹp. Các ứng dụng kỹ thuật mở rộng đã chứng minh rằng phương pháp hiệu quả nhất là sử dụng bê tông bù co ngót để kiểm soát vết nứt.

Cơ chế và ứng dụng của tác nhân mở rộng

Chất trương nở bê tông là chất phụ gia mà khi thêm vào bê tông sẽ làm cho bê tông nở ra về thể tích, bù đắp cho sự co ngót của bê tông. Các chất trương nở được phân loại dựa trên các thành phần giãn nở của chúng, chẳng hạn như canxi sulfoaluminate, gốc CaO, gốc MgO, canxi sulfoaluminate-canxi oxit và các loại hỗn hợp canxi-magiê. Do các thành phần mở rộng khác nhau nên hiệu suất mở rộng của chúng cũng khác nhau. Các cơ chế được chấp nhận rộng rãi nhất của các tác nhân giãn nở bao gồm lý thuyết tăng trưởng tinh thể, lý thuyết trương nở hấp thụ nước và lý thuyết giãn nở thể tích pha rắn.

2.1 Chất mở rộng dựa trên canxi Sulfoaluminate

Tác dụng giãn nở của các chất trương nở gốc canxi sulfoaluminate chủ yếu đạt được thông qua sự hình thành canxi ettringite (C3A-3CaSO4-32H2O) trong quá trình hydrat hóa. Các nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng tác động kết hợp của áp suất tăng trưởng tinh thể và lực trương nở hấp thụ nước của ettringite là nguyên nhân cơ bản của sự giãn nở, trong đó trương nở hấp thụ nước là yếu tố chi phối. Dựa trên lý thuyết này, phản ứng hydrat hóa của ettringite cần một lượng nước đáng kể, hạn chế ứng dụng của nó trong bê tông cường độ cao với tỷ lệ nước-xi măng thấp. Ngoài ra, bê tông có chứa chất trương nở gốc canxi sulfoaluminate cần được kiểm soát bảo dưỡng nghiêm ngặt. Việc bảo dưỡng không đúng cách không những không bù được độ co ngót mà còn làm tăng nguy cơ nứt. Hơn nữa, canxi ettringite có thể bị phân hủy trong môi trường nóng ẩm, ảnh hưởng đến độ bền và độ bền. Vì vậy, cần đặc biệt chú ý đến nhiệt độ môi trường khi sử dụng các chất trương nở gốc canxi sulfoaluminate trong kỹ thuật.

2.2 Chất mở rộng dựa trên canxi oxit

Cơ chế giãn nở của các chất trương nở gốc canxi oxit liên quan đến quá trình hydrat hóa canxi oxit (CaO) để tạo thành canxi hydroxit (Ca(OH)2). Quá trình này làm tăng thể tích pha rắn và sự tích tụ cục bộ của các sản phẩm hydrat hóa làm tăng thể tích lỗ rỗng, dẫn đến sự giãn nở thể tích của bột nhão. So với các chất trương nở gốc canxi sulfoaluminate, các chất trương nở gốc canxi oxit cần ít nước hơn, có hiệu suất giãn nở cao hơn và tiết kiệm chi phí hơn nên chúng được sử dụng rộng rãi hơn. Tuy nhiên, CaO phản ứng tỏa nhiệt với nước, điều này gây bất lợi cho việc kiểm soát các vết nứt nhiệt độ trong bê tông. Ngoài ra, tốc độ hydrat hóa nhanh của CaO dẫn đến sự giãn nở đáng kể bị tiêu hao trong giai đoạn dẻo của bê tông, khiến nó không hiệu quả trong việc bù đắp độ co ngót ở giai đoạn sau. CaO cũng nhạy cảm với độ ẩm môi trường, cần phải đóng gói cẩn thận để ngăn chặn sự hấp thụ độ ẩm, có thể làm giảm hiệu quả giãn nở của nó. Hơn nữa, Ca(OH)2 hòa tan dưới áp lực nước nhất định, vì vậy cần thận trọng khi sử dụng các chất trương nở gốc canxi oxit trong các dự án xây dựng dưới nước.

2.3 Chất mở rộng dựa trên oxit magiê

Hiệu ứng giãn nở của các chất trương nở gốc magie oxit xảy ra thông qua quá trình hydrat hóa magie oxit (MgO) để tạo thành magie hydroxit (Mg(OH)2), với sự thay đổi thể tích được thúc đẩy bởi lực trương nở hấp thụ nước của Mg(OH)2 trong giai đoạn đầu của quá trình hydrat hóa và áp suất phát triển tinh thể của Mg(OH)2 ở giai đoạn sau. Các nghiên cứu mở rộng và ứng dụng kỹ thuật đã chỉ ra rằng các chất giãn nở dựa trên oxit magie biểu hiện sự giãn nở chậm và chu kỳ giãn nở dài, có thể bù đắp hiệu quả cho sự co ngót do nhiệt độ trong quá trình làm mát và làm khô co ngót. Tính chất cơ học của chúng ổn định và cần ít nước hơn để hydrat hóa. Các chất trương nở gốc oxit magie còn có ưu điểm là sản phẩm hydrat hóa ổn định và đặc tính giãn nở có thể điều chỉnh được, khiến chúng được áp dụng rộng rãi trong các dự án bê tông quy mô lớn như đập nước. Trong thực tế, cần xem xét các yếu tố như cấp cường độ bê tông, kích thước kết cấu và môi trường xây dựng khi lựa chọn chất chống nứt bê tông hiệu suất cao hoặc chất trương nở oxit magiê có khả năng phản ứng khác nhau (loại R, loại M, loại S) để bù đắp cho sự co ngót của bê tông, nhờ đó đạt được khả năng kiểm soát vết nứt toàn chu kỳ và đơn giản hóa các biện pháp kiểm soát nhiệt độ. Tuy nhiên, phải chú ý đến liều lượng của các chất trương nở gốc magie oxit, vì lượng quá nhiều có thể gây ra sự giãn nở quá mức, dẫn đến độ ổn định thể tích kém.

2.4 Đại lý mở rộng nguồn mở rộng kép

Các chất mở rộng nguồn mở rộng kép phổ biến trên thị trường bao gồm các chất mở rộng dựa trên canxi sulfoaluminate-canxi oxit (như HCSA, CSA, FQY, v.v.) và các chất mở rộng hỗn hợp canxi-magiê.

Chất mở rộng gốc Canxi Sulfoaluminate-Canxi Oxide: Nguồn giãn nở của các tác nhân này là ettringit và Ca(OH)2. Khi các chất này được sử dụng trong bê tông, Ca(OH)2 bù đắp cho sự co ngót sớm, trong khi ettringite bù đắp cho sự co ngót ở giai đoạn sau. Sự giãn nở từ các nguồn này xảy ra ở các giai đoạn khác nhau, đạt được hiệu quả bù co ngót hiệu quả. So với các tác nhân nguồn giãn nở đơn, các tác nhân giãn nở gốc canxi sulfoaluminate-canxi có ưu điểm là giãn nở lớn hơn, nhu cầu nước thấp hơn và thời gian giãn nở ổn định sớm hơn. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các dự án như kết cấu bê tông tự chống thấm và xây dựng liền mạch các kết cấu siêu dài.

Chất mở rộng tổng hợp canxi-magiê: Các tác nhân này được tạo ra bằng cách kết hợp oxit magie cháy nhẹ với canxi oxit, với nguồn giãn nở từ Ca(OH)2 và Mg(OH)2. Tốc độ giãn nở của các chất tổng hợp này được điều chỉnh bằng tốc độ hydrat hóa canxi oxit nhanh hơn và tốc độ hydrat hóa magie oxit chậm hơn. Sự điều chỉnh này cho phép bù đắp theo giai đoạn, toàn chu kỳ cho độ co ngót của bê tông. Hơn nữa, chất giãn nở hỗn hợp canxi-magiê khắc phục được độ nhạy nhiệt độ của các chất giãn nở gốc canxi oxit đơn lẻ, khiến chúng phù hợp với các dự án có yêu cầu kiểm soát nhiệt độ ít nghiêm ngặt hơn.