LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu sử dụng Metakaolin Việt Nam chế tạo bê
tông cường độ cao, ứng dụng cho công trình thủy lợi” đã được tác giả hoàn thành
đúng thời hạn quy định và đảm bảo đầy đủ các yêu cầu trong đề cương được phê
duyệt.
Trong quá trình thực hiện, nhờ sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo
Trường Đại Học Thuỷ Lợi, các công ty tư vấn, các phòng thí nghiệm, tác giả đã
hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Trịnh Quang Minh và TS. Vũ
Quốc Vương, Trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ để
tác giả hoàn thành luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội,
các thầy cô trong khoa Công trình đã tận tụy giảng dạy tác giả trong suốt quá trình
học đại học và cao học tại trường.
Tuy đã có những cố gắng, song do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn
chế, luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót, tác giả mong nhận được
những ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo,các anh chị em
và bạn bè đồng nghiệp. Tác giả rất mong muốn những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác
giả phát triển ở mức độ nghiên cứu sâu hơn, góp phần ứng dụng những kiến thức
khoa học vào phục vụ đời sống và sản xuất.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 21 tháng 05 năm 2014.
HỌC VIÊN Chu Mạnh Quân
LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………………1

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI Ở VIỆT NAM VÀ CÁC
NGHIÊN CỨU METAKAOLIN TRÊN THẾ GIỚI ……………………………… 5
1.1 Tình hình xây dựng công trình Thủy Lợi ở Việt Nam …………………………
5
1.2 Tình hình nghiên cứu Metakaolin trên thế giới ………………………………
9
1.2.1 Tính chất của Metakaolin …………………………………………………….
9
1.2.2 Ảnh hưởng của Metakaolin đến tính chất của bê tông ……………………
11
1.3 Kết luận chương ………………………………………………………………
21

CHƯƠNG 2
VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM……………………
23
2.1 Vật liệu sử dụng để sản xuất bê tông cường độ cao ………………………… 23
2.1.1 Metakaolin …………………………………………………………………
23
2.1.2 Xi măng …………………………………………………………………… 24
2.1.3 Cát …………………………………………………………………………

3.1.1 Thí nghiệm hỗn hợp bê tông ………………………………………………
43
3.1.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén bê tông …………………………
45
3.1.3 Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ bê tông………………
51
3.1.4 Thí nghiệm xác định độ chống thấm của bê tông …………………………
54
3.2 Khả năng ứng dụng bê tông sử dụng vật liệu Metakaolin Việt Nam ………… 57
3.3 Công nghệ thi công bê tông …………………………………………………
58
3.4 Kết luận chương 3 …………………………………………………………….
59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ …………………………………………………… 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………
62


Hình 2.8: Máy trộn bê tông và khay chứa vật liệu ………………………………
34
Hình 2.9: Bàn rung và côn đo độ sụt …………………………………………….
34
Hình 2.10: Máy thí nghiệm nén, ép chẻ và thí nghiệm độ chống thấm …………
35
Hình 2.11: Bộ thí nghiệm ép chẻ bê tông …………………………………………
40
Hình 2.12: Sơ đồ máy thí nghiệm độ chống thấm ……………………………… 41
Hình 3.1: Mẫu bê tông sau khi nén và kết quả nén ……………………………….
46
Hình 3.2: Biểu đồ cường độ chịu nén của mẫu bê tông (sử dụng xi măng
PCB30) …………………………………………………………………………… 49
Hình 3.3: Biểu đồ cường độ chịu nén của mẫu bê tông với tỉ lệ MK khác nhau
(sử dụng xi măng PC40) …………………………………………………………. 51
Hình 3.4: Biểu đồ cường độ chịu kéo khi ép chẻ bê tông ………………………
54


Bảng 1.4: Đường kính trung bình lỗ rỗng của vữa [Poon và đồng nghiệp,
2001]……………………………………………………………………………….
15
Bảng 1.5: Kết quả thí nghiệm cường độ bê tông của Wild và đồng nghiệp (1996) 16
Bảng 1.6: Kết quả thí nghiệm nghiên cứu của Brooks và Johari (2001) ………….
17
Bảng 1.7: Kết quả thí nghiệm của Qian và Li (2001) về cường độ chịu kéo ……. .19
Bảng 1.8: Kết quả thí nghiệm của Qian và Li (2001) về cường độ chịu uốn ……
19
Bảng 2.1: Thành phần hóa học của Metakaolin …………………………………
23
Bảng 2.2: Tính chất hóa lý của Metakaolin Việt Nam …………………………… 24
Bảng 2.3: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của xi măng PCB30 ……………
25
Bảng 2.4: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của xi măng PC40 ………………
26
Bảng 2.5: Tổng hợp thí nghiệm thành phần hạt của cát ………………………… 28
Bảng 2.6 : Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu cát ………………
29
Bảng 2.7: Tổng hợp thí nghiệm thành phần hạt của đá ………………………… 30
Bảng 2.8 : Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đá ………………
31
Bảng 2.9: Cấp phối bê tông ……………………………………………………….
33
Bảng 2.10: Thành phần chất kết dính trong cấp phối bê tông ……………………. 33
Bảng 2.11: Số lượng mẫu đúc để thí nghiệm (sử dụng xi măng PCB30) ………
36
Bảng 2.12: Số lượng mẫu đúc để thí nghiệm (sử dụng xi măng PC40) …………. 36
Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm độ sụt của hỗn hợp bê tông ……………………….
44

Bảng 3.17: Độ chống thấm của các tổ mẫu bê tông ……………………………… 56

- 1 -
MỞ ĐẦU
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Quá trình sản xuất xi măng thải ra môi trường một hàm lượng rất lớn
CO
2
. Như chúng ta đã biết, thành phần chính của xi măng là clanhke, trong đó
hàm lượng canxi oxit chiếm một tỷ lệ đáng kể. Quá trình sản xuất CaO bằng
cách nung đá vôi sẽ thải ra môi trường một hàm lượng CO
2
lớn theo phương
trình (1):
CaCO
3
= CaO + CO
2
↑ (1)
100g 56g 44g
Ngoài ra quá trình nung các ô xít canxi, ô xít nhôm, ô xít sắt, ô xít silic

mác rất cao chỉ để cải thiện mác chống thấm cho bê tông đôi khi rất lãng phí,
do đó việc chế tạo loại bê tông mác cao vừa phải, nhưng có mác chống thấm
cao để xây dựng công trình thủy lợi là giải pháp kinh tế.
Metakaolin (MK) là vật liệu khoáng hoạt tính có các tác dụng hóa lý,
có khả năng kết hợp với vôi để tạo ra chất kết dính cải thiện cường độ của bê
tông. Ngoài ra Metakaolin có thể len lỏi vào các lỗ rỗng của bê tông để tăng
độ chặt cho bê tông, từ đó tăng mác chống thấm cho bê tông. Đối với vật liệu
Metakaolin truyền thống khi sản xuất ra 1 tấn Metakaolin thì sản sinh ra môi
trường 150 – 200 kg CO
2
, khi sản xuất theo phương pháp “flash”: để sản xuất
ra 1 tấn Metakaolin sẽ sản sinh ra 96kg CO
2
theo tài liệu nghiên cứu của
Trịnh Quang Minh [2]. Như vậy việc sản xuất xi măng gây ô nhiễm môi
trường hơn sản xuất Metakaolin, khi sản xuất 1 tấn xi măng sẽ thải ra môi
trường lượng CO
2
nhiều gấp khoảng 5 - 10 lần lượng CO
2
thải ra do sản xuất
1 tấn Metakaolin.
Một ưu điểm nữa của Metakaolin đáng được quan tâm, cũng giống như
muội silic hay tro bay, Metakaolin là vật liệu puzolan, khi thay thế một phần
xi măng trong hỗn hợp bê tông, làm giảm nhiệt lượng tạo ra do quá trình thủy
hóa của xi măng, giảm các vết nứt do co ngót của bê tông ở những ngày đầu
tiên sau khi đổ. Tính chất này rất phù hợp để ứng dụng trong xây dựng đập
thủy điện, khi lượng bê tông yêu cầu trong mỗi lần đổ là rất lớn.
Ở Việt Nam, theo tài liệu [13], nguồn tài nguyên để sản xuất
Metakaolin là rất lớn với trữ lượng Kaolin vào khoảng 900 triệu tấn. Nhưng


- 4 -
Trên cơ sở các tài liệu thu thập được về vật liệu Metakaolin và việc sử
dụng vật liệu Metakaolin để sản xuất bê tông trên thế giới, tổng hợp các tài
liệu liên quan từ đó đưa ra các giải pháp nghiên cứu và thực hiện.
Phương pháp nghiên cứu: thí nghiệm trên mẫu bê tông với tỷ lệ
Metakaolin thay đổi từ 0%, 10%, 20%, 30%. Thí nghiệm xác định cường độ
nén, kéo khi ép chẻ, độ chống thấm của mẫu bê tông và tổng hợp đánh giá kết
quả thu được.

- 7 -
Đập đất đá là loại đập đã được xây dựng rất nhiều và từ rất lâu trên thế
giới, như ở các nước: Ấn Độ, Trung Quốc, Liên Xô … Ngày nay nhờ sự phát
triển của nhiều ngành khoa học nên loại đập nay ngày càng được phát triển
mạnh mẽ. Ở nước ta, đập đất đá là loại công trình dâng nước phổ biến nhất,
các hồ chứa đã được xây dựng, đập đất đá chiếm đại đa số. Bởi yêu cầu chất
lượng của nền với đập đất là không cao, đập đất đá có thể xây dựng được với
nhiều địa hình, địa chất, khí hậu khác nhau, tận dụng được vật liệu địa
phương, có khả năng cơ giới hóa được tất cả các khâu đào – đắp – vận chuyển
vật liệu … Một số đập đất đá ở Việt Nam đã được xây dựng: Đập đá đổ Thác
Bà, đập đất Cấm Sơn, đập đất Tà Keo …
Nhưng đập đất đá không cho nước tràn qua, bởi khi nước tràn qua sẽ
gây mất ổn định, phá hoại đập, ảnh hưởng các công trình sau đập … Vấn đề
thấm qua đập đất đá là vấn đề rất quan trọng. Nó làm mất nước của hồ chưa,
có thể làm mất ổn định cho đập như xói ngầm, trượt mái dốc… có thể còn gây
nguy hiểm cho các công trình ở vùng tiếp xúc với đập.
Chúng ta đã có thể lý giải tại sao các công trình thủy lợi lại sử dụng vật
liệu bê tông phổ biến nhất. Cụ thể như các công trình đập thủy lợi: Ta có thể
so sánh đập bê tông và đập vật liệu địa phương (đập đất đá), thì ta thấy được
đập bê tông có các ưu điểm vượt trội như:
+ Đập bê tông có khả năng bố trí công trình tháo lũ ngay trong thân đập
(trên đỉnh hoặc dưới sâu)
+ Đập bê tông có thể cho ngập trong các cơn lũ và đập có thể thích nghi
với lũ có tần suất lớn.
+ Đập bê tông có thể dễ dàng phối hợp với các công trình khác (tháo
cạn, công trình lấy nước) và có thể xây dựng nhà máy thủy điện ngay trong
thân đập. - 8 -

làm giảm đáng kể tuổi thọ của công trình. Hiện nay trên thế giới đã có các
nghiên cứu về việc sử dụng vật liệu Metakaolin thay thế một phần xi măng
với tỉ lệ thích hợp để sản xuất ra bê tông có nhiều tính chất, ưu điểm hơn bê
tông thường: cường độ tăng, độ chống thấm tăng, sức kháng ăn mòn hóa học
tăng. Việc sử dụng vật liệu Metakaolin để sản xuất bê tông áp dụng cho công
trình thủy lợi là rất hợp lý, có khả năng giải quyết được các vấn đề về thấm
qua đập, kéo dài tuổi thọ của công trình.

1.2 Tình hình nghiên cứu Metakaolin trên thế giới
1.2.1 Tính chất của Metakaolin
1.2.1.1 Khái quát về Metakaolin
- Metakaolin là một loại vật liệu puzolan thu được bằng cách nung
kaolinit ở nhiệt độ dao động từ 700°C đến 800°C.
- Theo tài liệu nghiên cứu của Trịnh Quang Minh [24], khi sản xuất ra 1
tấn Metakaolin bằng phương pháp đèn chớp sẽ sản sinh ra môi trường 96kg
CO
2
, ít hơn rất nhiều so với sản xuất xi măng (xấp xỉ 1 tấn CO
2
/1 tấn xi
măng) như trong bảng 1.1, Metakaolin là một loại vật liệu thân thiện với môi
trường.
Bảng 1.1 Kết quả đánh giá ảnh đến môi trường khi sản xuất Metakaolin theo
phương pháp đèn chớp và sản xuất xi măng
Quá trình
Metakaolin Flash
Xi măng (95% clinker)
Phát thải khí CO
2
(kg/t)

2
theo Murat [17]:
CH/AS
2
= 1 AS
2
+ 3CH + 6H => C
2
ASH
8
+ C-S-H (3)
CH/AS
2
= 1,67 AS
2
+ 5CH + 3H => C
3
AH
6
+ 2C-S-H
(4)
CH/AS
2
= 2 AS
2
+ 6CH + 9H => C
4
AH
13
+ 2C-S-H (5)
- 11 -
Bảng 1.2: Thành phần hóa học của Metakaolin
Thành phần hóa học của Metakaolin
% Theo khối lượng
SiO
2

51,52
Al
2
O
3

40,18
Fe
2
O
3

1,23
CaO
2,0

quả nghiên cứu của Courard và đồng nghiệp, hỗn hợp vữa có sự xuất hiện của
Metakaolin có độ hút nước lớn hơn so với mẫu vữa không có Metakaolin do - 12 -
vật liệu Metakaolin có diện tích bề mặt lớn hơn so với xi măng, do đó hỗn
hợp vữa có Metakaolin sẽ có khả năng hấp thụ nước cao hơn. Độ hút nước đó
được thể hiện ở bảng 1.3:
Bảng 1.3. Kết quả thí nghiệm của Courard và đồng nghiệp (2003) về độ hút
nước (% khối lượng) của các mẫu vữa có xi măng CEM I 42.5, Metakaolin và
Kaolin
Vật liệu
Sau 28 ngày Sau 14 tháng
Tỷ lệ giảm
CEM I 42.5
8,16
7,82
4,1
5% Metakaolin
8,39
8,04
4,1
10% Metakaolin
8,78
8,44
3,9
20% Metakaolin
9,71
8,77
9,7

Nghiên cứu của Khatib và Wild [20] đã chỉ ra rằng hỗn hợp bê tông có tỉ
lệ Metakaolin thay đổi, thì có khả năng chống thấm cũng thay đổi. Với một
lượng Metakaolin thay thế xi măng trong hỗn hợp bê tông: 0%, 5%, 10%,
15%, với tỷ lệ nước/chất kết dính là 0,55, thí nghiệm các mẫu bê tông đó cho
thấy rằng khi thay thế 15% xi măng bằng một lượng Metakaolin như vậy thì
bê tông đó có độ chống thấm tốt nhất, do Metakaolin là vật liệu có kích thước - 14 -
hạt nhỏ và phản ứng với Ca(OH)
2
tạo ra C-S-H, tạo sự kết dính các hạt cốt
liệu trong bê tông. Với diện tích bề mặt của Metakaolin lớn (12 – 15,5 m
2
/g),
Metakaolin có kích thước hạt nhỏ hơn kích thước hạt xi măng, nó có khả năng
len lỏi vào các lỗ rỗng của hỗn hợp bê tông làm bê tông trở nên đặc chắc. Hai
nguyên nhân trên lí giải sự có mặt của vật liệu Metakaolin trong hỗn hợp bê
tông làm cho hệ số thấm của bê tông thay đổi: Đặc biệt bê tông có 15%
Metakaolin có độ chống thấm lớn hơn các bê tông có 0%, 5%, 10%
Metakaolin. Trong hỗn hợp bê tông có 15% Metakaolin, lượng Ca(OH)
2
do
quá trình thủy hóa xi măng sinh ra, sẽ được tiêu thụ hết, còn trong các hỗn
hợp bê tông có 0%, 5%, 10% Metakaolin, lượng Ca(OH)
2
vẫn còn dư thừa.
Như vậy bê tông có 15% Metakaolin có kích thước lỗ rỗng bê tông là nhỏ hơn
so với bê tông có 0%, 5%, 10% Metakaolin theo đồ thị hình 1.5.


5% MK
0,0357
0,0279
0,0257
0,0243
10% MK
0,0287
0,0251
0,0197
0,0186
20% MK
0,0204
0,0143
0,0122
0,0114
5% SF
0,0366
0,0370
0,0367
0,0349
10% SF
0,0353
0,0341
0,0325
0,0306
20% FA
0,0368
0,0356
0,0347
0,0339


14
ngày
28
ngày
90
ngày
0
2490
19,07
50,23
57,10
62,60
72,43
5
2440
21,50
53,80
58,97
63,50
71,63
10
2460
22,43
62,30
69,23
71,00
80,07
15
2470

trong chất kết dính của bê tông. Có thể giải thích được kết quả đó như sau: - 17 -
Trong hỗn hợp bê tông luôn có một lượng Ca(OH)
2
dư thừa của quá trình
thủy hóa xi măng, trong khi đó Metakaolin là vật liệu puzolan có khả năng
phản ứng với vôi để tạo thành C-S-H trong bê tông. Nghiên cứu của Wild và
đồng nghiệp cho thấy với 20% Metakaolin có thể tương tác hết Ca(OH)
2
dư
thừa trong bê tông làm cho hỗn hợp bê tông đó đặc chắc nhất (cường độ cao
nhất). Ngược lại với hàm lượng Metakaolin trong bê tông là 0%, 5%, 10%,
15%, thì không đủ để tiêu thụ hết Ca(OH)
2
, khiến độ đặc chắc (cường độ nén)
của bê tông không bằng bê tông có 20% Metakaolin. Tương tự như vậy hàm
lượng của Metakaolin trong bê tông lớn hơn 20%, thì lượng Ca(OH)
2
được
tương tác hết, lúc đó lượng Metakaolin sẽ dư thừa và không tham gia vào
phản ứng puzolan, nó cũng tạo ra các lỗ rỗng trong bê tông khiến bê tông đó
không đặc chắc như bê tông có 20% Metakaolin. Điều đó khiến cho cường độ
chịu nén của bê tông có 20% Metakaolin lớn hơn cường độ chịu nén của bê
tông có các tỉ lệ Metakaolin khác.
Nghiên cứu của Brooks và Johari (2001) cũng đã chỉ ra cường độ chịu
nén của bê tông có chứa 0%, 5%, 10%, 15% Metakaolin. Kết quả nghiên cứu
cho thấy với 10% Metakaolin trong hỗn hợp bê tông thì bê tông đó ở 28 ngày
tuổi có cường độ nén cao nhất như bảng 1.6. Cách giải thích cũng giống như