Phụ gia ứng dụng

Ảnh hưởng của hàm lượng hạt mịn đến tính chất của vữa và bê tông

Posted on by vlpus

Ảnh hưởng của hàm lượng hạt mịn (<75 µm) trong cát đến nứt bê tông và vữa

Giới thiệu

Hàm lượng hạt mịn (nhỏ hơn 75 µm, tức các hạt qua sàng #200) trong cát là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng bê tông và vữa. Hạt mịn có thể bao gồm bụi đá, bùn sét, hoặc các hạt khoáng rất nhỏ. Trong quá trình sản xuất cát nghiền nhân tạo, lượng hạt mịn thu được khá lớn và việc tận dụng hay loại bỏ chúng đang là vấn đề được quan tâm. Một mặt, một tỷ lệ hạt mịn nhất định có thể cải thiện độ đặc chắc của hỗn hợp, tăng cường độ và giảm phân tầng; mặt khác, quá nhiều hạt mịn có thể tăng nhu cầu nước, tăng độ co ngót và do đó tăng nguy cơ nứt cho bê tông/vữa. Bài viết này trình bày tổng quan chuyên sâu về ảnh hưởng của hàm lượng hạt mịn trong cát đến hiện tượng nứt của bê tông và vữa, tập trung vào các cơ chế co ngót dẻo, co ngót khô, tác động lên vùng quá độ (ITZ), cũng như mối quan hệ định lượng giữa tỷ lệ hạt mịn và khả năng chịu nứt. Đồng thời, các yếu tố liên quan như tỷ lệ nước/xi măng, cấp phối, phụ gia, điều kiện bảo dưỡng, đặc tính xi măng & cốt liệu cũng được phân tích bổ sung. Từ đó, đề xuất các giải pháp kiểm soát hàm lượng hạt mịn và biện pháp phòng ngừa nứt hợp lý nhằm hạn chế tối đa nguy cơ nứt trong thực tế.

Ảnh hưởng của hạt mịn đến hiện tượng nứt bê tông và vữa

Co ngót dẻo (plastic shrinkage) và nứt sớm

Co ngót dẻo xảy ra trong vài giờ đầu sau khi đổ bê tông/vữa, khi hỗn hợp còn trong trạng thái nhão. Nguyên nhân chính là bề mặt bị mất nước nhanh (do bốc hơi hoặc hút nước nền) trong khi bê tông chưa đủ cường độ, dẫn đến các vết nứt chân chim trên bề mặt. Hạt mịn trong cát ảnh hưởng mạnh đến quá trình này thông qua cơ chế thấm đẫm và bleeding (tượng nước):

  • Giảm bleeding: Hạt mịn <75 µm tăng diện tích bề mặt hạt, giữ nước nhiều hơn, làm giảm lượng nước rỉ (bleed water) ra bề mặt. Với cát nhiều hạt mịn, bê tông/vữa có rất ít nước tươm lên, dẫn đến bề mặt dễ bị khô nhanh nếu gặp gió nóng hoặc không được dưỡng ẩm kịp thời. Kết quả là co ngót dẻo tăng và nứt sớm xuất hiện nhiều hơn. Một nghiên cứu cho thấy khi tăng hàm lượng hạt mịn (AMF) trong cát nghiền, tốc độ bleeding giảm liên tục, kéo theo vết nứt co ngót dẻo có xu hướng xuất hiện nhiều hơn nếu không được kiểm soát.
  • Cải thiện độ nhớt và tính ổn định: Ở mức độ vừa phải, hạt mịn cải thiện tính dẻo và chống phân tầng của hỗn hợp. Bê tông có một lượng hạt mịn nhất định sẽ dính kết tốt hơn, không bị tách nước hoặc phân tầng, nhờ đó phân bố các lỗ rỗng đều và giảm nguy cơ nứt do lún dẻo cục bộ. Tuy nhiên, nếu quá nhiều hạt mịn, hồ xi măng sẽ quá đặc quánh, làm nước tự do khó di chuyển bên trong, dẫn đến bề mặt khô nhanh hơn và co ngót dẻo lớn hơn.
  • Hàm lượng tối ưu cho co ngót dẻo: Tồn tại một điểm tối ưu về hàm lượng hạt mịn để hạn chế nứt dẻo. Khi tăng dần tỷ lệ hạt mịn từ 0 lên cao, ban đầu vết nứt dẻo có thể giảm (do hỗn hợp ổn định hơn) nhưng nếu vượt quá mức tối ưu thì vết nứt lại tăng mạnh. Thí dụ, nghiên cứu của Wang et al. (2022) ghi nhận với bê tông dùng cát nghiền: ở W/C = 0.30, hàm lượng hạt mịn ~5% cho khả năng chống nứt dẻo tốt nhất; còn với W/C = 0.45–0.60, mức tối ưu khoảng 10%. Vượt quá các mức này, hiện tượng nứt sớm tăng rõ rệt. Trường hợp không có hạt mịn (0%), hỗn hợp có thể bị tách nước mạnh, cũng gây nứt do lún dẻo ở vùng tập trung hồ xi măng. Như vậy, quá ít hoặc quá nhiều hạt mịn đều bất lợi cho co ngót dẻo – cần duy trì ở mức trung bình tối ưu.

Co ngót khô (drying shrinkage) và nứt do khô

Co ngót khô xảy ra dài hạn, khi bê tông/vữa đã hóa cứng và mất độ ẩm dần dần ra môi trường. Đây là nguyên nhân chính gây nứt trong vài tuần đến vài tháng sau thi công, đặc biệt tại các kết cấu mỏng hoặc không được chống ẩm đúng cách. Hàm lượng hạt mịn trong cát ảnh hưởng đến co ngót khô thông qua các cơ chế:

  • Lấp đầy lỗ rỗng & áp lực mao dẫn: Hạt mịn hoạt động như chất độn lấp vào các lỗ rỗng giữa cốt liệu mịn, làm cấu trúc bê tông đặc hơn nhưng kích thước lỗ rỗng mao quản nhỏ đi. Điều này dẫn tới áp lực mao dẫn cao hơn khi nước bay hơi, làm tăng biến dạng co ngót khô. Nói cách khác, với cùng độ mất ẩm, mẫu có nhiều hạt mịn sẽ co rút mạnh hơn do sức hút mao dẫn lớn trong các lỗ nhỏ.
  • Tăng sản phẩm hydrat & co ngót tự sinh: Các hạt mịn (nhất là loại rất nhỏ như bụi đá vôi) có tác dụng nucleation – tạo mầm cho sự hydrat hóa xi măng. Chúng thúc đẩy phản ứng hydrat diễn ra nhanh và nhiều hơn ở sớm kỳ, làm tăng lượng sản phẩm hydrat (C-S-H) sinh ra. Hệ quả là co ngót tự sinh (autogenous shrinkage) ở tuổi sớm cũng cao hơn do nội ma tít rút nước nhiều hơn. Mặc dù điều này cải thiện cường độ, nó lại bất lợi cho biến dạng thể tích.
  • Tăng độ co ngót tổng: Kết hợp các hiệu ứng trên, mẫu bê tông chứa nhiều hạt mịn có tổng biến dạng co ngót khô lớn hơn hẳn mẫu thông thường. Thí nghiệm đo co ngót tự do trong 72 giờ đầu (ở 20±2°C, 60% RH) cho thấy: với bê tông W/C = 0.45, khi tăng tỷ lệ “stone powder” (bụi đá <75 µm) từ 0% lên 20%, biến dạng co ngót cộng dồn 72h tăng từ ~390 με lên 880 με. Tương tự, bê tông W/C = 0.32 có co ngót 72h tăng từ ~570 lên 1140 με khi bụi đá tăng từ 0% lên 20%. Như vậy, hạt mịn càng nhiều, co ngót sớm càng cao ở cả bê tông thường và bê tông mác cao. Lưu ý bê tông W/C thấp (nhiều xi măng) chịu co ngót mạnh hơn: tại cùng 10% hạt mịn, mẫu W/C 0.32 co ngót sớm cao hơn đáng kể so với W/C 0.45.
  • Giảm thời gian và tăng độ nghiêm trọng nứt do khô: Khi co ngót khô xảy ra trong kết cấu có ràng buộc (cốt thép, nền móng…), ứng suất kéo nội sinh sẽ tích lũy cho đến khi bê tông nứt. Nếu hỗn hợp có độ co ngót lớn do nhiều hạt mịn, vết nứt sẽ xuất hiện sớm hơn và mật độ nứt nhiều hơn so với hỗn hợp thông thường. Park và cộng sự (2015) nhận thấy việc sử dụng cát rất mịn (ví dụ cát sa mạc) làm tăng nguy cơ nứt khô: thời gian xuất hiện vết nứt rút ngắn 16–25% và tốc độ phát triển ứng suất tăng ~33% khi so sánh bê tông dùng cát rất mịn với bê tông cát thường. Mặc dù cường độ tăng nhờ cát mịn, nguy cơ nứt không tăng tuyến tính theo hàm lượng hạt mịn mà đạt đỉnh rồi ổn định; nhưng nhìn chung bê tông/vữa chứa nhiều hạt mịn dễ nứt do khô hơn nếu không có biện pháp phòng ngừa.

Ảnh hưởng lên vùng chuyển tiếp ITZ

Vùng chuyển tiếp ITZ (Interfacial Transition Zone) là lớp hồ xi măng mỏng bao quanh cốt liệu lớn (và cốt liệu mịn hạt thô). ITZ thường là điểm yếu, có nhiều lỗ rỗng và vi nứt, do hiệu ứng thành hồ và tách nước tại bề mặt cốt liệu. Hàm lượng hạt mịn có thể tác động hai mặt đến ITZ:

  • Cải thiện vi cấu trúc ITZ (khi hàm lượng hợp lý): Các hạt mịn hoạt động như chất điền đầy lọt vào khoảng trống quanh cốt liệu, giảm độ rỗng và độ dày ITZ, khiến vùng này đặc chắc hơn so với bê tông không có hạt mịn. Đặc biệt, bột đá vôi trong cát nghiền đã được chứng minh có lợi cho ITZ: Soroka et al. (1976) quan sát thấy hạt đá vôi <75 µm có khả năng hấp thụ Ca2+ từ dung dịch lỗ rỗng, giảm sự kết tinh định hướng của Ca(OH)_2 và tăng cường sự hình thành C-S-H tại vùng tiếp xúc cốt liệu. Nói cách khác, hạt mịn tạo ra nhiều sản phẩm dính kết hơn trong ITZ, làm tăng cường liên kết hồ – cốt liệu. Kết quả là cường độ và tính dẻo dai của bê tông được cải thiện, ít phát sinh vi nứt hơn tại ITZ khi chịu ứng suất.
  • Gia tăng vi nứt quanh cốt liệu (khi hàm lượng quá cao hoặc hạt mịn kém chất lượng): Nếu tỷ lệ hạt mịn quá lớn, hồ xi măng trở nên “giàu bột” xung quanh cốt liệu, dễ co ngót nhiều và tạo ứng suất kéo tự nội tại ITZ khi khô đi. Thêm vào đó, nếu hạt mịn chứa đất sét hoặc tạp chất (thể hiện qua giá trị methylene blue cao), ITZ có thể yếu hơn do hạt sét bọc quanh cốt liệu làm cản trở sự dính kết với hồ xi măng. Nghiên cứu chỉ ra rằng giá trị MB quá cao (hàm ý nhiều sét) sẽ dẫn đến tăng đáng kể nứt sớm và co ngót của bê tông, do tương tác kém tại ITZ và biến dạng không đều. Vì vậy, chất lượng hạt mịn (thành phần khoáng, % sét) quyết định liệu ITZ được cải thiện hay suy giảm. Hạt mịn trơ (đá vôi, granite nghiền sạch) có lợi cho ITZ hơn là hạt mịn chứa sét.

Mối quan hệ giữa tỷ lệ hạt mịn và khả năng chịu nứt

Từ các phân tích trên có thể thấy mối quan hệ không tuyến tính giữa hàm lượng hạt mịn trong cát và khả năng chống nứt của bê tông, vữa:

  • Lợi ích ở hàm lượng mịn vừa phải: Phần lớn tài liệu khuyến nghị nên có một lượng hạt mịn vừa phải (~5–15% theo khối lượng cát) để đạt tính chất tối ưu. Ở mức này, hạt mịn đóng vai trò như chất độn và chất bôi trơn hạt, cải thiện độ lưu động và độ đặc chắc của bê tông mà không gây tác hại lớn đến co ngót. Bê tông cát nghiền nếu giữ ~10% bụi đá có thể đạt độ làm việc và độ bền tương đương bê tông cát sông, trong khi tận dụng được nguồn vật liệu. Thật vậy, nghiên cứu của Zhang et al. (2023) gợi ý hàm lượng bụi đá tối ưu ~10% cho bê tông W/C 0.32 và dưới 20% cho bê tông W/C 0.45. Trong khoảng tối ưu này, bê tông có khả năng chống nứt tốt nhất – vừa đủ mịn để ngăn phân tầng, tăng kết dính, cải thiện ITZ, nhưng chưa đến mức gây co ngót quá mức.
  • Tác hại khi hàm lượng mịn quá cao: Khi tỷ lệ hạt mịn vượt quá khoảng hợp lý (thường >15–20%), nguy cơ nứt tăng vọt. Lúc này, độ rỗng mao quản nhỏ tăng nhiều, bê tông cần nhiều nước hơn để đảm bảo độ sụt, dẫn tới co ngót khô lớn. Kết quả thử nghiệm cho thấy vượt quá 15% fines, cường độ và độ bền bê tông suy giảm, co ngót sớm tăng đáng kể. Đặc biệt, cát nghiền có MB cao (hàm lượng sét) càng làm trầm trọng thêm hiện tượng nứt sớm. Thậm chí với bê tông mác cao (W/C thấp), chỉ cần >10% bụi mịn đã có thể làm tăng rủi ro nứt do co ngót rõ rệt. Như đã nêu, mẫu C0.32-15 và C0.32-20 (15% và 20% bụi đá, W/C 0.32) có độ co ngót sớm rất lớn và thực tế vết nứt sớm xuất hiện nhiều hơn so với mẫu chứa 10%. Vì vậy cần giới hạn trần hàm lượng hạt mịn theo khuyến cáo tiêu chuẩn (thường 5–7% với cát tự nhiên và ~10–15% với cát nghiền).
  • So sánh bê tông thường và vữa: Đối với vữa xây, vữa trát, thường dùng cát mịn hơn bê tông, do đó tỷ lệ hạt qua sàng #200 có thể cao (thậm chí 10–20%). Điều này phần nào giải thích tại sao vữa trát tường thường hay bị nứt chân chim khi khô nếu không bảo dưỡng tốt – hàm lượng hạt mịn cao dẫn đến co ngót cao. Tuy nhiên, vữa thường có tỷ lệ xi măng cao và hay bổ sung vôi, phụ gia giữ nước để chống mất nước, nên cần đánh giá tổng hòa. Nhìn chung, vữa với cát sạch (ít bùn sét) và phối liệu hợp lý sẽ ít nứt hơn vữa dùng cát nhiều tạp chất mịn. Các nghiên cứu về vữa trộn cát nghiền mịn cho thấy tuy cường độ tăng, nguy cơ nứt do khô cũng tăng nếu không có biện pháp giảm co ngót. Do đó, nguyên tắc tối ưu cho cả bê tông và vữa là không cực đoan về hàm lượng hạt mịn: duy trì ở mức vừa phải, kiểm soát chất lượng hạt mịn, kết hợp với cấp phối và phụ gia phù hợp để cân bằng giữa cường độ và biến dạng.

Phương pháp thử nghiệm đánh giá co ngót và nứt (ASTM C157, C1581, C596)

Để nghiên cứu định lượng ảnh hưởng của hạt mịn đến co ngót và nứt, các phương pháp thử tiêu chuẩn thường được áp dụng trong phòng thí nghiệm:

  • ASTM C157 – Thử co ngót tự do của bê tông/mortar: Phương pháp này đo độ biến dạng dài hạn của mẫu bê tông hoặc vữa khi khô. Các prism (dầm nhỏ 25x25x285 mm hoặc 75x75x285 mm tùy tiêu chuẩn) được đúc, dưỡng hộ ẩm 28 ngày đầu, sau đó đưa vào môi trường khô tiêu chuẩn (50% RH, 23°C) và đo độ co ngót (rút ngắn chiều dài) ở các mốc thời gian (7, 28, 56, 90 ngày…). Thí nghiệm C157 cho biết hỗn hợp có co ngót nhiều hay ít khi không bị ràng buộc. Qua đó, ta thấy rõ xu hướng: bê tông chứa nhiều hạt mịn sẽ có độ co ngót dài hạn lớn hơn bê tông thường. Ví dụ, trong 3 ngày đầu, mẫu 20% bụi đá đã co rút ~880 με so với ~390 με ở mẫu không bụi. C157 rất hữu ích để so sánh các cấp phối về tiềm năng co ngót; giá trị co ngót càng cao thì nguy cơ nứt (khi bị giữ kìm) càng lớn.
  • ASTM C1581 – Thử co ngót có kìm hãm (vòng restrain): Đây là phương pháp đánh giá khả năng nứt do co ngót một cách trực quan. Hỗn hợp bê tông được đổ vào khuôn hình vòng (dày ~75 mm) bao quanh một vòng thép ở giữa. Khi bê tông khô, vòng thép ngăn cản bê tông co lại, gây ứng suất kéo trong bê tông. Thời điểm xuất hiện vết nứt đầu tiên, số vết nứt và độ rộng vết nứt có thể ghi nhận. Ngoài ra, biến dạng hay ứng suất trong vòng thép cũng được đo để đánh giá tốc độ phát sinh ứng suất. C1581 mô phỏng tình huống thực tế khi bê tông bị ràng buộc (ví dụ dính với kết cấu cũ hoặc cốt thép dày). Đối với bê tông có hạt mịn nhiều, co ngót lớn, thí nghiệm này thường cho kết quả nứt sớm hơn. Chẳng hạn, bê tông dùng cát rất mịn (dune sand) có thể nứt sau thời gian ngắn hơn ~20% so với bê tông cát thường trong phép thử vòng. Ngoài ra, mật độ vết nứt ở bê tông nhiều hạt mịn cũng có thể dày hơn (nhiều vết hơn) do co ngót phân bố. Thông qua C1581, ta xác định được hỗn hợp có chịu nứt sớm hay không: nếu mẫu nào nứt sau 7 ngày thì hỗn hợp đó có nguy cơ nứt cao tại công trường, cần điều chỉnh.
  • ASTM C596 – Thử co ngót khô của vữa: Tiêu chuẩn này tương tự C157 nhưng áp dụng cho vữa xây trát (mẫu thanh vữa 25x25x285 mm). Do vữa thường dùng cát mịn, C596 đặc biệt hữu ích để đánh giá ảnh hưởng của hạt mịn, sét trong cát đến co ngót. Vữa trát tường thường hay nứt chân chim do co ngót, nên phép thử này giúp so sánh các loại cát. Ví dụ, vữa trộn cát nhiều bụi sẽ cho độ co ngót % cao hơn vữa cát rửa sạch. Kết quả C596 có thể kết hợp với C157 (bê tông) để có cái nhìn tổng quát: nếu cả bê tông và vữa đều cho co ngót cao vượt mức cho phép, cần kiểm soát lại cốt liệu mịn.

Nhìn chung, các phương pháp tiêu chuẩn trên cho phép các nhà nghiên cứu lượng hóa mối quan hệ giữa hàm lượng hạt mịn và biến dạng/nứt. ASTM C157 và C596 đánh giá “độ co ngót tiềm năng”, còn ASTM C1581 đánh giá trực tiếp “khả năng nứt” khi co ngót bị kiềm chế. Kết hợp thông tin từ cả ba, ta có thể xác định ngưỡng hàm lượng hạt mịn chấp nhận được. Thí dụ, nếu cát nghiền 15% bụi làm bê tông co ngót 56 ngày vượt 800 με và nứt ở 10 ngày, trong khi cát 10% bụi co ngót 600 με và không nứt trong 28 ngày, thì rõ ràng cần khống chế bụi đá ~10% max.

Các yếu tố khác ảnh hưởng đến nứt và tương tác với hàm lượng hạt mịn

Bên cạnh hàm lượng hạt mịn trong cát, hiện tượng nứt do co ngót ở bê tông và vữa còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác. Sự tương tác giữa các yếu tố này với hàm lượng hạt mịn có thể làm tăng hoặc giảm ảnh hưởng đến nứt:

  • Tỷ lệ Nước/Xi măng (W/C): W/C quyết định lượng hồ xi măng và nước tự do trong hỗn hợp, do đó ảnh hưởng trực tiếp đến co ngót. Bê tông W/C thấp (mác cao) chứa nhiều xi măng, ít nước, thường co ngót tự sinh lớn nhưng co ngót khô ít hơn trên đơn vị thể tích hồ (do ít nước bay hơi hơn). Tuy nhiên, khi có nhiều hạt mịn, bê tông W/C thấp có thể trở nên rất “khát nước” – mặc dù nước/bột thấp, hạt mịn hút nước mạnh làm hồ xi măng mất nước nhanh, gây co ngót tự sinh và co ngót dẻo cao. Thực nghiệm chỉ ra bê tông W/C = 0.32 có độ co ngót sớm cao hơn nhiều so với W/C = 0.45 tại cùng một hàm lượng hạt mịn. Ngược lại, bê tông W/C cao (0.5 trở lên) có nhiều nước hơn, dễ co ngót khô nhiều (do thừa nước bay hơi) nhưng lại bù đắp phần nào co ngót tự sinh. Tổng thể, W/C trung bình (~0.4–0.5) thường cho co ngót toàn phần thấp nhất. Khi thiết kế cấp phối có hạt mịn, cần điều chỉnh W/C hợp lý: tránh quá thấp nếu không có biện pháp bù co ngót, và tránh quá cao vì thừa nước + hạt mịn sẽ tạo nhiều lỗ rỗng sau khi khô. Thông thường, với bê tông W/C cao (0.45–0.50), có thể chấp nhận tỷ lệ hạt mịn hơi cao (10–15%) mà không nứt, còn bê tông W/C thấp (~0.30–0.35) nên giới hạn hạt mịn ở mức thấp hơn (~5–10%).
  • Cấp phối và hàm lượng xi măng: Cấp phối quyết định tỷ lệ hồ xi măng so với cốt liệu. Nếu cấp phối quá “giàu xi măng” (cement-rich mix) – ví dụ dùng nhiều xi măng để bù cho cát quá mịn – thì tổng thể tích hồ tăng, co ngót tăng. Ngược lại, nếu phối nhiều cốt liệu (đặc biệt cốt liệu lớn) – hồ xi măng giảm, co ngót giảm do cốt liệu đóng vai trò khung xương hạn chế biến dạng (hiệu ứng Pickett). Do đó, khi cát có nhiều bụi mịn, một giải pháp là giảm lượng xi măng (hoặc dùng phụ gia khoáng thay thế xi măng) để giữ tỉ lệ hồ vừa phải, đồng thời tăng cốt liệu thô. Độ lớn cốt liệu tối đa cũng quan trọng: cốt liệu lớn hơn giúp giảm co ngót vì giảm diện tích bề mặt hồ tiếp xúc. Thí dụ, bê tông dùng đá 20mm sẽ co ngót ít hơn đá 10mm trong cùng cấp phối. Hạt mịn trong cát cũng ảnh hưởng đến fineness modulus (FM) của cát: cát càng mịn (FM thấp) thì cần nhiều xi măng hơn để bù độ rỗng, nên co ngót cao hơn. Các nghiên cứu cho thấy dùng cát quá mịn (FM ~1.5–1.8) làm bê tông co ngót, nứt nhiều hơn so với cát vừa (FM ~2.5–2.8). Vì vậy, cấp phối tối ưu sẽ cân bằng lượng xi măng và cốt liệu sao cho hạt mịn được tận dụng để lấp chỗ trống, giảm rỗng, nhưng không làm tăng lượng hồ vượt nhu cầu.
  • Phụ gia siêu dẻo (PCE): Sử dụng phụ gia giảm nước (loại polycarboxylate ether – PCE) là gần như bắt buộc khi làm bê tông có hàm lượng hạt mịn cao. Hạt mịn làm tăng nhu cầu nước của hỗn hợp do diện tích bề mặt lớn; nếu chỉ thêm nước để đạt độ sụt sẽ làm W/C tăng, co ngót tăng. Thay vào đó, thêm PCE giúp duy trì độ sụt mà không cần thêm nhiều nước. Chẳng hạn, Zhang et al. (2023) ghi nhận phải tăng lượng PCE khi tăng bụi đá để giữ độ làm việc cho bê tông. Nhờ PCE, bê tông nhiều hạt mịn vẫn thi công tốt mà W/C không đổi, hạn chế tác động xấu đến co ngót. Tuy nhiên, PCE cũng có mặt trái: nó giảm độ tách nước (bleeding), do đó bê tông dễ bị khô bề mặt hơn nếu không dưỡng ẩm – điều này cần chú ý đặc biệt với bê tông nhiều hạt mịn + PCE. Tóm lại, PCE giúp dùng hạt mịn an toàn hơn, nhưng phải kết hợp với biện pháp bảo dưỡng chống nứt dẻo.
  • Phụ gia kiểm soát co ngót: Hai nhóm chính là phụ gia giảm co SHRINKAGE-REDUCING (SRA) và phụ gia trương nở (expansive). SRA là hóa chất (thường gốc polyol) pha vào nước trộn (~1% khối lượng xi măng) nhằm giảm sức căng bề mặt của nước lỗ rỗng, qua đó giảm áp lực mao dẫn khi khô và giảm co ngót. SRA có thể giảm 30–50% độ co ngót khô, dẫn đến giảm đáng kể nứt do co ngót. Với bê tông nhiều hạt mịn (co ngót lớn), SRA tỏ ra rất hiệu quả: ví dụ, một loại SRA thương mại (MasterLife SRA 035) được hãng BASF báo cáo có thể giảm tốc độ hình thành vết nứt và giãn rộng khoảng cách khe (giảm cong vênh) ở bê tông có khuynh hướng co ngót cao. Trong khi đó, phụ gia trương nở (ví dụ như sợi thép nở, xi măng giãn nở chứa CaO/CSA) có tác dụng sinh ra một độ nở bù vào co ngót, giữ cho thể tích bê tông ổn định hơn. Chúng thường dùng trong bê tông khối lớn hoặc bê tông sàn không có khe co. Đối với bê tông có nhiều hạt mịn, kết hợp một lượng nhỏ chất trương nở có thể bù lại phần co ngót tăng thêm do hạt mịn. Lưu ý cần kiểm tra liều lượng tối ưu, tránh dư gây nở quá mức (cũng nứt). Tóm lại, phụ gia kiểm soát co ngót là giải pháp kỹ thuật hiệu quả để nâng cao khả năng chống nứt khi không thể giảm hàm lượng hạt mịn (ví dụ do yêu cầu kỹ thuật hoặc kinh tế).
  • Điều kiện bảo dưỡng: Đây là yếu tố then chốt đặc biệt với nứt do co ngót dẻo và co ngót sớm. Trong phòng thí nghiệm, các phép thử co ngót thường tiến hành ở điều kiện chuẩn (độ ẩm trung bình 50-60%, nhiệt độ ~23°C, không có gió). Nhưng ở hiện trường, bê tông/vữa thường đối mặt nắng, gió, nhiệt – những tác nhân làm bay hơi nước mạnh. Nếu không được bảo dưỡng, bê tông chứa nhiều hạt mịn (ít bleeding) sẽ bốc hơi nước rất nhanh trên bề mặt, gây nứt dẻo chỉ trong vài giờ đầu. Do đó, khi thi công thực tế, càng nhiều hạt mịn càng phải bảo dưỡng sớm và liên tục. Biện pháp gồm phủ tấm nhựa, bao bố ướt, phun hơi nước, hoặc xịt hợp chất bảo dưỡng ngay sau khi xoa mặt. Một nghiên cứu cảnh báo rằng bê tông cát nghiền (nhiều mịn) nếu không bảo dưỡng tăng cường trong khoảng 12 giờ đầu thì khả năng nứt sớm rất cao. Về co ngót khô dài hạn, bảo dưỡng ẩm kéo dài 7–14 ngày có thể giảm co ngót cuối cùng đáng kể, vì mẫu được ngậm nước đầy đủ, lỗ rỗng được lấp sản phẩm hydrat nhiều hơn trước khi khô. Ngược lại, dưỡng hộ kém (tháo cốp-pha sớm, không giữ ẩm) khiến bê tông mất nước sớm, co ngót nhiều hơn và xuất hiện vết nứt nội trong tuổi đầu. Tóm lại, điều kiện bảo dưỡng có thể làm trầm trọng hoặc giảm thiểu tác động của hạt mịn đến nứt: bảo dưỡng tốt = giảm hại của hạt mịn; bảo dưỡng tồi = phóng đại nhược điểm của hạt mịn.
  • Đặc tính xi măng: Xi măng khác nhau sẽ cho mức độ co ngót khác nhau. Xi măng mịn hơn (diện tích bề mặt lớn) làm bê tông phát triển cường độ nhanh nhưng cũng co ngót nhiều hơn ở sớm kỳ do phản ứng nhanh. Xi măng có nhiệt hydrat cao (như xi măng nhiều C3A, C3S) có thể gây co ngót nhiệt và tự sinh cao, dễ nứt. Khi dùng cát nhiều hạt mịn, nên chọn xi măng có độ ổn định thể tích tốt, tỏa nhiệt vừa phải. Ngoài ra, khoáng bổ sung trong xi măng như puzzolan, tro bay, xỉ… thường giảm co ngót do giảm lượng xi măng clinker và tạo sản phẩm trễ hơn. Thực nghiệm cho thấy thêm 10% bột đá vôi (một dạng hạt mịn) thay thế xi măng có thể giảm co ngót hóa học và tự sinh của hồ xi măng. Tương tự, tro bay mịn thay cát cũng giảm co ngót khô do tro bay phản ứng chậm và tăng lượng keo gel xốp. Như vậy, thành phần xi măng và phụ gia khoáng có thể được điều chỉnh phối hợp với hàm lượng hạt mịn trong cát để đạt co ngót thấp nhất.
  • Đặc tính cốt liệu thô và mịn khác: Loại đá dăm (cốt liệu thô) ảnh hưởng đến mô-đun đàn hồi và hệ số giãn nở của bê tông. Đá cứng (granite, basalt) có mô-đun cao, hạn chế co ngót tốt hơn so với đá mềm (đá vôi, đá cát kết) – mặc dù đá vôi mềm nhưng có thể phản ứng kiềm giảm co ngót một chút. Hình dạng và kích cỡ cốt liệu thô cũng tác động: đá góc cạnh liên kết tốt với hồ, tăng khả năng chống kéo trong ITZ, cản trở sự co rút. Về cát (cốt liệu mịn), ngoài hàm lượng hạt <75 µm, độ hạt và hình dạng hạt cũng quan trọng. Cát sông hạt tròn, thô vừa (FM ~2.5) thường cho bê tông ít co ngót hơn cát nghiền từ đá granit (hạt sắc cạnh, nhiều mịn). Song cát nghiền từ đá vôi có thể hữu ích vì bột đá vôi phản ứng tạo CaCO3 trong hồ (carbonation) hoặc tham gia tạo mono-carboaluminate, làm giảm một phần co ngót. Tóm lại, cần xem xét toàn diện đặc điểm cốt liệu: nếu cát bắt buộc nhiều mịn thì có thể chọn đá thô cứng hơn để bù, hoặc ngược lại.

Giải pháp kiểm soát hàm lượng hạt mịn và phòng ngừa nứt

Từ các phân tích trên, có thể đề ra một số định hướng và giải pháp thực tiễn nhằm kiểm soát hàm lượng hạt mịn và giảm thiểu nguy cơ nứt cho bê tông và vữa:

  • Kiểm soát hàm lượng hạt mịn trong cát: Lựa chọn cốt liệu mịn đúng yêu cầu kỹ thuật là bước đầu tiên. Cát dùng cho bê tông thường được khuyến cáo giới hạn phần lọt sàng #200 khoảng 3–5% đối với cát tự nhiên và ≤10–15% đối với cát nghiền. Do cát nghiền khó giảm hạt mịn dưới 10% (trong thực tế >60% mẫu mỏ cát nghiền ở Quảng Đông – TQ có hạt mịn >10%), nên có thể chấp nhận một mức mịn cao hơn chút nhưng không vượt quá ~15% nếu không có thí nghiệm chứng minh an toàn. Khi cát có hàm lượng mịn cao, cần rửa hoặc sàng loại bớt phần <75 µm trước khi dùng. Tuy nhiên, cũng không nên rửa trôi hết toàn bộ hạt mịn vì như vậy làm mất luôn các hạt tốt 0.15–0.6 mm, gây thô cát và giảm độ đặc chắc. Tốt nhất, nên giữ lại khoảng 5–10% hạt mịn để tận dụng lợi ích, còn lại loại bỏ. Ngoài ra, kiểm tra độ sạch của hạt mịn: nếu chỉ số MB cao (ví dụ >1.4 theo ASTM/CN), cần xử lý (rửa đất sét, hoặc thay cát khác) để tránh sét gây nứt. Trong hồ sơ vật liệu, nên yêu cầu nhà cung cấp cát báo hàm lượng hạt <75 µm và chỉ số MB để kiểm soát đầu vào.
  • Điều chỉnh cấp phối và W/C: Khi buộc phải dùng cát có nhiều mịn, kỹ sư cần thiết kế cấp phối phù hợp. Có thể giảm lượng xi măng bằng cách dùng phụ gia khoáng (tro bay, xỉ) – những chất này vừa là hạt mịn bổ sung vừa giảm nhiệt và co ngót. Đảm bảo tỷ lệ cốt liệu (cả thô lẫn mịn) không quá thấp so với hồ xi măng; nói cách khác, tránh bê tông quá “giàu vữa”. Tỷ lệ cát/đá cần tối ưu để đạt độ đặc chắc cao nhất – thường cát chiếm ~35–45% tổng cốt liệu cho bê tông thường. Nếu cát quá mịn, có thể giảm tỷ lệ cát, tăng đá để giảm nhu cầu hồ. Đồng thời, giảm W/C ở mức thấp nhất có thể nhưng vẫn phải đủ độ chảy (nhờ dùng phụ gia siêu dẻo thay vì thêm nước). Một mẹo là: với cát nhiều mịn, khi trộn thử nếu thấy cần thêm quá nhiều nước cho đủ độ sụt, đó là tín hiệu cảnh báo – nên thêm PCE và điều chỉnh lại cấp phối (hoặc đổi cát). Đối với vữa xây tô, có thể thêm sợi hoặc vôi ngậm nước để tăng tính dẻo và giữ nước, giảm nứt. Cấp phối vữa nên theo TCVN/ASTM quy định về cát mịn (modul độ lớn ≥1.5) để hạn chế co ngót. Tóm lại, cấp phối tối ưu sẽ giúp hệ thống bền vững hơn trước tác động xấu của hạt mịn.
  • Sử dụng phụ gia giảm co ngót và sợi gia cường: Như đã đề cập, SRA là giải pháp hiệu quả cho bê tông khối lượng thể tích lớn hoặc bê tông mác cao dễ nứt. Dùng SRA có thể không loại bỏ hoàn toàn vết nứt nhưng sẽ giảm độ rộng và mật độ nứt, kéo dài thời gian nứt, nhờ đó có thể kịp thời bảo dưỡng, cưa khe hoặc xử lý trước khi nứt lan rộng. Với vữa trát, có thể trộn sợi polypropylen (PP) liều lượng nhỏ (~0.9 kg/m³) – sợi PP rất mảnh (dia ~18 µm) giúp kiểm soát nứt dẻo sớm bằng cách giữ các hạt hồ lại với nhau khi co ngót. Các sợi thủy tinh kháng kiềm cũng thường được cho vào vữa xi măng để hạn chế nứt chân chim trên bề mặt trát. Nếu cát có nhiều mịn, vai trò của sợi càng quan trọng để tạo mạng lưới vi cốt thép, ngăn vết nứt phát triển. Trong bê tông, cốt thép phân tán (như sợi thép, sợi basalt) cũng có tác dụng hạn chế mở rộng vết nứt do co ngót. Nhìn chung, phụ gia giảm co và sợi là các “công cụ” giúp bảo hiểm cho hỗn hợp bê tông/vữa khi hàm lượng hạt mịn chưa tối ưu.
  • Biện pháp thi công và bảo dưỡng: Cuối cùng nhưng rất quan trọng là quy trình thi công, bảo dưỡng tại hiện trường. Một hỗn hợp bê tông tốt (ít co ngót) vẫn có thể nứt nếu thi công không đúng cách, đặc biệt khi có nhiều hạt mịn. Do vậy, cần thực hiện: (1) Tránh đổ bê tông dưới thời tiết khắc nghiệt (nắng gắt, gió mạnh, độ ẩm thấp). Nếu bắt buộc, phải che chắn gió, làm mát cốt pha, và có sẵn phương án bảo dưỡng ngay lập tức. (2) Bảo dưỡng sớm: Ngay sau khi hoàn thiện bề mặt (đối với bê tông sàn hoặc vữa trát ngoài trời), tiến hành phủ ẩm. Với bê tông sàn lớn, nên dùng hợp chất dưỡng hộ phun ngay khi bề mặt se (hoặc máy phun sương liên tục). Bê tông có hạt mịn ít bleeding càng phải giữ ẩm liên tục trong 24h đầu để tránh bề mặt bị căng kéo do khô. (3) Thiết kế khe co giãn: Với cấu kiện lớn (sàn, tường bê tông), cần bố trí khe co hoặc khe giả ở khoảng cách phù hợp để “dẫn đường” cho vết nứt nếu có, ngăn nứt tùy tiện. (4) Kiểm soát nhiệt độ: Bê tông khối có nhiều xi măng và hạt mịn sẽ nóng lên do thủy hóa, gây chênh lệch nhiệt – nên làm mát hoặc cách nhiệt để giảm nứt nhiệt. (5) Gia cường kết cấu hợp lý: Bố trí cốt thép đủ và đúng vị trí, nhất là ở góc, chỗ thay đổi tiết diện, nơi tập trung ứng suất – những nơi dễ nứt. Thép đúng cách sẽ kiềm chế mở rộng nứt do co ngót. Tất cả các biện pháp trên kết hợp sẽ giảm thiểu tối đa nguy cơ nứt trong thực tế, ngay cả khi bê tông sử dụng cát nhiều hạt mịn.

Kết luận

Hàm lượng hạt mịn (<75 µm) trong cát là con dao hai lưỡi đối với tính năng bê tông và vữa. Một lượng nhỏ hạt mịn (vài phần trăm) có lợi cho hỗn hợp, đóng vai trò chất độn làm đặc cấu trúc, cải thiện vùng chuyển tiếp ITZ và tăng cường độ, đồng thời tăng độ dính kết giảm phân tầng. Tuy nhiên, hàm lượng hạt mịn quá cao sẽ làm tăng cả co ngót dẻo lẫn co ngót khô, do giảm bleeding và tăng áp lực mao dẫn trong bê tông. Kết quả là nguy cơ nứt sớm và nứt muộn đều gia tăng. Mối quan hệ giữa hạt mịn và nứt không tuyến tính: luôn tồn tại mức tối ưu về hạt mịn để đạt cân bằng. Thông qua các phương pháp thử (ASTM C157, C1581, C596,…), người ta có thể xác định rõ ngưỡng hạt mịn gây hại. Chẳng hạn, nhiều nghiên cứu khuyến cáo nên khống chế hạt mịn ~5–10% cho bê tông thông thường để tránh ảnh hưởng xấu (với bê tông mác cao có thể thấp hơn, và với bê tông ẩm ướt có thể cao hơn đôi chút). Để đảm bảo bê tông và vữa bền, cần kết hợp nhiều giải pháp: kiểm soát chất lượng cát (rửa loại sét, giới hạn % mịn), thiết kế cấp phối và chọn vật liệu phù hợp (giảm xi măng, dùng phụ gia khoáng, PCE, SRA), thi công và bảo dưỡng đúng kỹ thuật. Cách tiếp cận đồng bộ này giúp hạn chế tối đa nguy cơ nứt do co ngót trong cả điều kiện phòng thí nghiệm lẫn công trình thực tế, ngay cả khi sử dụng cát có lượng hạt mịn cao.

Biện pháp khắc phục:

Phụ gia VLP Wall Speed là giải pháp tối ưu giúp giảm thiểu tình trạng nứt chân chim, nứt co ngót trên tường xây tô. Với công thức đặc biệt, VLP Wall Speed cải thiện đáng kể độ dẻo, tăng khả năng giữ nước và hạn chế tối đa co ngót khô, giúp bề mặt tường luôn phẳng mịn, bền đẹp theo thời gian. Sản phẩm dễ sử dụng, tiết kiệm chi phí, phù hợp với các công trình dân dụng và công nghiệp. Chọn VLP Wall Speed để tường xây tô chắc khỏe, giảm nứt hiệu quả ngay từ hôm nay!

Tài liệu tham khảo:

  1. Zhang, M. et al. (2023). “Influence of Stone Powder Content from Manufactured Sand Concrete on Shrinkage, Cracking, Compressive Strength, and Penetration.” Buildings, 13(7), 1833. DOI: 10.3390/buildings13071833
  2. Wang, Y. et al. (2022). “Effect of aggregate micro fines in machine-made sand on bleeding, autogenous shrinkage and plastic shrinkage cracking of concrete.” Materials and Structures, 55, Article 98.
  3. Sunbo, Z. et al. (2023). “Effects of Fines Content on Durability of High-Strength Manufactured Sand Concrete.” Materials, 16(2), 522. DOI: 10.3390/ma16020522
  4. Park, S.J. & Lee, E.B. (2015). “Effects of Very Fine Sand on Properties of Concrete Mixture and Drying Shrinkage Cracking.” J. of the Architectural Institute of Korea, 31(6), 75-82.
  5. Celik, T. & Marar, K. (1996). “Effects of crushed stone dust on some properties of concrete.” Cement and Concrete Research, 26(7), 1121-1130.
  6. ASTM C157/C157M-08 (2008). “Standard Test Method for Length Change of Hardened Hydraulic-Cement Mortar and Concrete.” ASTM International.
  7. ASTM C1581/C1581M-18 (2018). “Standard Test Method for Determining Age at Cracking and Induced Tensile Stress Characteristics of Mortar and Concrete under Restrained Shrinkage.” ASTM International.
  8. ASTM C596-18 (2018). “Standard Test Method for Drying Shrinkage of Mortar Containing Hydraulic Cement.” ASTM International.

 

Translate »