TỔNG QUAN
Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu
Con người đang khai thác tài nguyên thiên nhiên với tốc độ nhanh hơn 20% so với khả năng tái tạo của Trái Đất Từ năm 1961 đến 2001, mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch như than, khí đốt và dầu mỏ đã tăng 700% Trái Đất không kịp hấp thụ lượng CO2 khổng lồ do các hoạt động sản xuất và khai thác thải ra, trong đó ngành sản xuất xi măng đóng góp 7%, tương đương 1,35 tỷ tấn khí thải mỗi năm Hệ quả là lượng khí thải này đang dần hủy hoại tầng ô-zôn, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường.
Tài nguyên thiên nhiên của Trái đất đang bị suy giảm cả về số lượng lẫn chất lượng do khai thác bừa bãi, sử dụng lãng phí và quản lý kém Diện tích rừng tự nhiên giảm dần do khai thác trái phép và chuyển đổi sang đất nông nghiệp, trong khi các loài sinh vật quý hiếm đối mặt với nguy cơ tuyệt chủng Ô nhiễm nguồn nước trở thành vấn đề nghiêm trọng, dự báo đến năm 2025, 2/3 dân số thế giới sẽ sống trong vùng thiếu nước Tài nguyên khoáng sản cạn kiệt do khai thác quá mức, và đất nông nghiệp cũng bị chuyển đổi sang mục đích công nghiệp, trong khi tình trạng nhiễm mặn và sa mạc hóa ngày càng gia tăng.
Khai thác khoáng sản và khai thác đất đang gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường tự nhiên Các ngành công nghiệp nhiệt điện thải ra hơn 780 triệu tấn tro bay mỗi năm, nhưng chỉ sử dụng khoảng 17-20% lượng này Tại Việt Nam, tổng công suất của các nhà máy nhiệt điện đốt than đạt khoảng 4800MW, sản lượng tro và xỉ thải lên đến 4,8 triệu tấn/năm Lượng tro bay thải ra ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và môi trường sống của con người Ngoài ra, các nguồn phế phẩm từ ngành công nghiệp luyện kim, như xỉ thép, cũng thải ra một khối lượng đáng kể vào môi trường hàng năm.
Hiện tại, cả nước có 30 nhà máy luyện thép đang hoạt động và nhiều nhà máy khác đang trong quá trình xây dựng hoặc lập dự án Lượng xỉ thải từ các nhà máy này chiếm khoảng 11% - 12% khối lượng phôi đầu vào, dẫn đến việc mỗi năm có khoảng 1 - 1,5 triệu tấn xỉ thải ra Vấn đề này cần được chú trọng giải quyết kịp thời, bởi lượng phế thải từ các ngành công nghiệp ngày càng gia tăng, gây đe dọa đến môi trường sống của con người.
Ngày nay, con người nhận thức rõ rằng tài nguyên trái đất không phải là vô tận và việc khai thác tài nguyên cần phải được quản lý bền vững Môi trường có giới hạn khả năng đồng hóa chất thải, vì vậy cần sống hài hòa với tự nhiên Việc bảo vệ môi trường không chỉ mang lại lợi ích cho cộng đồng hiện tại mà còn cho các thế hệ tương lai, góp phần vào sự phát triển bền vững của nhân loại.
Phương châm phát triển xã hội thân thiện với môi trường đang được áp dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực, bao gồm ngành Xây dựng, nơi đang đổi mới và đa dạng hóa vật liệu để giảm ô nhiễm Geopolymer, một loại vật liệu xanh, ngày càng được chú trọng nhờ khả năng sản xuất bê tông, vữa và gạch mà không cần xi măng Công nghệ này cho phép linh hoạt kết hợp nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau và có khả năng sử dụng phế thải trong sản xuất các sản phẩm xây dựng thân thiện với môi trường Đề tài "Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tro bay và bột xỉ thép đến các tính chất cơ lý của bê tông Geopolymer" sẽ làm rõ khả năng ứng dụng của các phế phẩm công nghiệp trong chế tạo bê tông Geopolymer.
Tình hình nghiên cứu
Vật liệu geopolymer được phát triển từ quá trình polymer hóa nguyên liệu aluminosilicat trong môi trường kiềm, do giáo sư Joseph Davidovits đề xuất vào năm 1979 Ông khẳng định rằng bất kỳ nguyên vật liệu nào chứa dioxide silic và oxide nhôm đều có thể được sử dụng để tạo ra vật liệu geopolymer.
Cấu trúc cường độ của vật liệu Geopolymer được hình thành thông qua quá trình gia nhiệt thích hợp, giúp nó đạt được tính chất cơ học tương tự như bê tông xi măng Khi chịu tác động của nhiệt độ, vật liệu Geopolymer sẽ trải qua sự thay đổi về cấu trúc và thành phần, bao gồm sự cô đặc, nóng chảy, nứt vỡ, và thay đổi lỗ rỗng, dẫn đến sự phát triển tinh thể, khử nước và phân hủy vữa Geopolymer Những thay đổi này ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ của vật liệu Nguyên liệu chế tạo Geopolymer bao gồm hai thành phần chính: nguyên liệu aluminosilicate cung cấp Si và Al cho quá trình Geopolymer hóa, thường là tro bay, metacaolanh, và silicafume; và chất hoạt hóa kiềm, phổ biến là dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng Natri Silicat, tạo môi trường kiềm và tham gia vào các phản ứng Geopolymer hóa.
Hiện nay, kiến thức về cấu trúc bê tông geopolymer vẫn còn hạn chế, với nhiều nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc so sánh các thử nghiệm.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
J Davidovits [2] đã nghiên cứu ra vật liệu Geopolymer cùng với các tính chất hóa lý của vật liệu
Hardjito và Djwantoro đã mô tả quy trình sản xuất bê tông Geopolymer từ tro bay, bao gồm các phương pháp sản xuất, thử nghiệm mẫu và số liệu thu thập được.
A.M.Mustafa [4] và các cộng sự đã giới thiệu về công thức hóa học cấu thành, quy luật hình thành, đặc tính của từng loại nguyên vật liệu đầu vào của Geopolymer
L.Krishnan [5] và các cộng sự giới thiệu công thức, đặc tính của vật liệu Geopolymer, mức độ thân thiện với môi trường của Geopolymer và cách thức tiến hành thí nghiệm
N.A.Lloyd và B.V.Rangan [6] đã trình bày đặc tính hỗn hợp bê tông Geopolymer, cách thiết kế một cấp phối bê tông Gepolymer, về các sản phẩm bê tông đúc sẵn, sự đóng góp của bê tông Geopolymer đối với phát triển
A.M.Mustafa Al Bakri và các cộng sự [7] đã nghiên cứu về đề tài có tên là
The article discusses the mechanism and chemical reactions involved in fly ash geopolymer cement The authors introduce the chemical composition, formation principles, and characteristics of each type of raw material used in the mixing process.
Shuguang Hu và Hongxi Wang đã nghiên cứu khả năng liên kết và tăng cường chống ăn mòn của vật liệu Xỉ thép khi sử dụng làm cốt liệu thô trong bê tông Geopolymer.
Ryno Barnard đã tiến hành nghiên cứu các đặc tính cơ học của bê tông Geopolymer bằng cách thay đổi tỷ lệ giữa Xỉ và Tro, đồng thời bổ sung các loại sợi khác nhau.
Abdel-Ghani và cộng sự [10] đã nghiên cứu quá trình Geopolymer hóa, đặc biệt là khi được kích hoạt trong môi trường kiềm Nghiên cứu cũng chỉ ra khả năng chống cháy của Geopolymer khi có sự bổ sung Xỉ thép, mở ra hướng đi mới cho vật liệu xây dựng an toàn và bền vững.
Omar, Heniegal [11] đã trình bày về sự ảnh hưởng về cường độ của Xỉ thép thay thế cốt liệu thô của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay
1.2.3 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt nam, từ những năm 2008 đã có khá nhiều đề tài khoa học nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này Lần đầu tiên công nghệ geopolymer được ứng dụng chủ yếu là để tận dụng nguồn phế phẩm công nghiệp là tro bay của các nhà máy nhiệt điện, tro bay được thiết kế trong thành phần của bê tông, được ứng dụng vào công nghệ chế tạo các loại mặt đường cứng (đường ô tô, đường sân bay…) Ngoài ra, công nghệ Geopolymer còn được sử dụng để làm ổn định, xử lý và tận dụng chất thải boxite từ các quặng khai thác nhôm để chế tạo gạch không nung và làm đóng rắn nền đường
Tống Tôn Kiên [12] đã trình bày quá trình hình thành cấu trúc bê tông Geopolymer, các đặc tính và ứng dụng của bê tông Geopolymer
Nguyễn Văn Dũng đã nghiên cứu chế tạo bê tông Geopolymer từ tro bay, xác định cường độ của loại bê tông này và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông Geopolymer Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí khoa học và công nghệ Đà Nẵng.
Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn đã nghiên cứu tác động của dung dịch hoạt hóa đến hiệu suất của hỗn hợp bê tông Geopolymer Nghiên cứu này cũng xem xét ảnh hưởng của môi trường hoạt hóa và điều kiện dưỡng hộ đối với cường độ của bê tông Geopolymer cao.
Kiều Đỗ Trung Kiên [15] đã giới thiệu chế tạo gạch không nung từ Xỉ thép trên cơ sở Geopolymer hóa
Nguyễn Quốc Hiển đã nghiên cứu ứng dụng của xỉ thép trong xây dựng, cho thấy xỉ thép có thể thay thế cốt liệu trong bê tông, được sử dụng làm nền và móng đường, sản xuất bê tông nhựa, xây dựng công trình thủy lợi, làm chất ổn định nền cho kho bãi và nhà xưởng, cũng như trong chế tạo gốm sứ.
Vị trí của đề tài nghiên cứu
Đề tài "Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tro bay và bột xỉ thép đến các tính chất cơ lý của bê tông Geopolymer" tập trung vào việc phân tích sự biến đổi của cường độ chịu nén, khối lượng thể tích và độ hút nước của bê tông Geopolymer khi tỷ lệ giữa tro bay và xỉ thép dạng mịn được điều chỉnh Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng xem xét các yếu tố tác động đến cường độ bê tông như điều kiện và thời gian dưỡng hộ nhiệt, nồng độ dung dịch NaOH, cũng như tỷ lệ dung dịch so với tro bay.
… Qua đó có thể đưa ra các nhận xét, đánh giá khách quan về mức độ ảnh hưởng này đến bê tông Geopolymer.
Mục tiêu của đề tài
Xác định các tính chất đặc trưng cơ lý của xỉ dạng bột mịn trong thành phần chính của bê tông Geopolymer
Xác định đặc trưng cơ lý cũng như thành phần cấp phối bê tông Geopolymer sử dụng Tro bay kết hợp Xỉ thép dạng bột mịn
So sánh các đặc tính cơ lý của bê tông Geopolymer xỉ mịn với bê tông Geopolymer không sử dụng xỉ mịn.
Nhiệm vụ của đề tài
Ứng dụng công nghệ Geopolymer vào chế tạo bê tông Geopolymer sử dụng xỉ bột mịn kết hợp với tro bay
Xác định chỉ tiêu cơ lý của bê tông Geopolymer dựa trên những tiêu chuẩn đã có ở trong nước cũng như ngoài nước.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ Geopolymer trong và ngoài nước kết hợp với thực nghiệm Sau đó tiến hành so sánh và đánh giá kết quả.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Bổ sung và hoàn thiện kiến thức lý thuyết về công nghệ Geopolymer là cần thiết để nâng cao hiểu biết trong lĩnh vực này Đồng thời, việc phát triển và làm phong phú thêm các sản phẩm xây dựng sử dụng công nghệ Geopolymer sẽ góp phần thúc đẩy ứng dụng thực tiễn và cải thiện chất lượng công trình.
Nghiên cứu cho thấy rằng các sản phẩm xây dựng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm lượng phế thải công nghiệp, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Công nghệ Geopolymer
Công nghệ chế tạo sản phẩm xây dựng "xanh" đang ngày càng trở thành xu hướng phát triển chủ đạo trong ngành vật liệu xây dựng toàn cầu Các vật liệu được sản xuất theo phương pháp thân thiện với môi trường, góp phần bảo vệ hệ sinh thái và nâng cao chất lượng cuộc sống.
Geopolymer là công nghệ tiên tiến nhằm sản xuất bền vững, giảm thiểu phát thải CO2 và tái sử dụng chất thải công nghiệp như tro xỉ và bùn đỏ thành các sản phẩm có giá trị sử dụng cao Trên toàn cầu, vật liệu Geopolymer đã được ứng dụng trong sản xuất xi măng đặc biệt, bao gồm xi măng đóng rắn nhanh và xi măng bền axit, cũng như trong sản xuất gạch và gốm không nung Ngoài ra, Geopolymer còn được sử dụng trong vật liệu công nghệ cao như composite chống cháy, xử lý chất thải độc hại và phóng xạ, vật liệu composite chịu nhiệt, cũng như trong lĩnh vực khảo cổ học và mỹ thuật.
Geopolymer là sản phẩm được hình thành từ phản ứng giữa vật liệu chứa silic và nhôm với dung dịch kiềm, có khả năng thay thế xi măng trong bê tông Hiện nay, Geopolymer đang được nghiên cứu rộng rãi nhờ vào khả năng thay thế bê tông xi măng trong một số ứng dụng, không chỉ vì tính chất kỹ thuật ưu việt mà còn vì khả năng giảm thiểu hiệu ứng nhà kính khi thay thế xi măng pooclăng.
2.1.1 Lịch sử ra đời chất kết dính Geopolymer
Ngành công nghệ vật liệu Geopolymer, ra đời từ những năm 1960, đã thu hút sự quan tâm và nghiên cứu đáng kể từ năm 1972 đến nay Hiện nay, nhiều bằng sáng chế và nghiên cứu đã được công bố, cho thấy ứng dụng rộng rãi của Geopolymer trong các lĩnh vực công nghệ vật liệu hiện đại, bao gồm vật liệu cách nhiệt, vật liệu chống cháy, chất kết dính vô cơ và công nghệ xử lý chất thải, trên toàn cầu.
Viện Geopolymer được thành lập tại Pháp vào năm 1972, đánh dấu bước khởi đầu quan trọng trong nghiên cứu vật liệu mới Joseph Davidovits, với ý tưởng phát triển vật liệu vô cơ có khả năng chống cháy và chịu nhiệt độ cao, đã phát hiện ra rằng hỗn hợp đất sét và cao lanh có thể tương tác với dung dịch kiềm NaOH ở nhiệt độ từ 100 đến 150 độ C, tạo ra hợp chất mới đầy tiềm năng.
Si 2 O 5 , Al 2 (OH) 4 + NaOH ⇒ Na(-Si-O-Al-O) n
Kaolinite Hydrosodalite Điều này là tiền đề cho việc nghiên cứu và phát triển của công nghệ vật liệu tổng hợp Geopolymer đến sau này
Vào năm 1978, Joseph Davidovits đã giới thiệu Geopolymer, một loại vật liệu kết dính tương tự như xi măng nhưng sử dụng nguyên liệu từ phế thải công nghiệp, giảm thiểu tác động xấu đến môi trường Sau đó, Geopolymer đã được nghiên cứu và ứng dụng tại nhiều quốc gia phát triển như châu Âu, Mỹ và Úc Chất kết dính này được hình thành từ phản ứng giữa dung dịch kiềm và các hợp chất chứa silic và nhôm, còn được gọi là chất kết dính kiềm hóa.
Công nghệ Geopolymer, được nghiên cứu nhiều tại Pháp, lần đầu tiên được ứng dụng từ năm 1973-1976 để chế tạo các tấm panel gỗ cách nhiệt bằng cách phủ hợp chất silic-aluminosilate lên bề mặt sau khi xử lý nhiệt Tiếp theo, vào năm 1977-1978, công nghệ này được áp dụng trong ngành công nghiệp sản xuất composite mới, tạo ra hợp chất gốm có khả năng bền nhiệt và hệ số giãn nở nhiệt rất thấp, với cấu trúc phân tử -(Na-PS)-(SiO2)n-(Na-PS)-(SiO2)n- ở nhiệt độ 1460°C.
2.1.2 Thành phần và công thức hóa học
Quá trình hình thành cấu trúc phân tử Geopolymer chủ yếu liên quan đến phản ứng giữa các khoáng Nhôm và Silic trong môi trường dung dịch kiềm kết hợp với dung dịch thủy tinh lỏng Kết quả của các phản ứng này là sự tạo ra cấu trúc không gian ba chiều chứa các nguyên tử Si-O-Al-O Công thức hóa học của phân tử Geopolymer có thể được diễn đạt như sau:
M n [-SiO 2 ) 2 – AlO 2 ] n wH 2 O Trong đó :
Các ion dương kiềm như Ka và Na, cùng với mức độ trùng ngưng của phản ứng (n) và giá trị z (1, 2, 3), đóng vai trò quan trọng trong quá trình tạo ra chất kết dính Geopolymer Quá trình phản ứng này diễn ra phức tạp với nhiều phản ứng đồng thời, khó có thể nhận biết Theo một số nghiên cứu trước, quá trình tổng hợp Geopolymer có thể được mô tả bằng các phương trình phản ứng cụ thể.
O O n(Si O , Al O ) 2nSiO 4nH O NaOH / KOH Na , K n(OH) Si O Al O Si (OH) (1) n(OH) Si O Al O Si (OH) NaOH / KOH (Na , Ka )
Từ 2 phương trình phản ứng tổng hợp chất kết dính Geopolymer được trình bày bên trên, có thể thấy rằng ở phương trình thứ nhất có thể tạm gọi là quá trình tan rã các nguyên tố Si và Al vào trong dung dịch kiềm, từ đó sản phẩm tạo ra sẽ tiếp tục tác dụng với dung dịch kiềm ở phương trình thứ hai để tạo ra cấu trúc xương sống của phân tử Geopolymer [2]
Các phân tử riêng lẻ tạo thành cấu trúc xương sống của chất kết dính Geopolymer sẽ tiếp tục quá trình đa trùng ngưng, hình thành chuỗi liên kết vô hạn Qua quan sát dưới kính hiển vi điện tử, cấu trúc tinh thể của Geopolymer được nhận diện là vô định hình, không có hướng xác định và có khả năng kết dính với các vật liệu khác.
2.1.3 Cơ chế phản ứng trong quá trình Geopolymer hóa
Quá trình tổng hợp vật liệu Geopolymer, được gọi là Geopolymer hóa, sử dụng các nguyên vật liệu Aluminosilicate và dung dịch hoạt hóa kiềm Quá trình này khá phức tạp và chưa được mô tả rõ ràng Đặc biệt, vật liệu Geopolymer có cấu trúc mạng không gian vô định hình, khác biệt so với vật liệu polymer thông thường.
Theo Glukhovsky, cơ chế động học trong quá trình đông kết và rắn chắc của chất kết dính kiềm hoạt hóa liên quan đến phản ứng phân hủy nguyên liệu có cấu trúc ổn định thấp và các phản ứng nội tại Đầu tiên, khi nồng độ pH của dung dịch kiềm tăng, các liên kết cộng hóa trị Si-O-Si và Al-O-Si bị bẻ gãy, dẫn đến việc các nhóm nguyên tố chuyển sang hệ keo Sau đó, các sản phẩm bị phá hủy tích tụ và phản ứng nội tại giữa chúng diễn ra, tạo ra một cấu trúc ổn định, cuối cùng hình thành cấu trúc đông đặc.
Quá trình phản ứng tạo ra chất kết dính Geopolymer rất phức tạp, với nhiều phản ứng diễn ra đồng thời, khó nhận biết Các bước phản ứng không diễn ra tuần tự mà chồng lắp vào nhau Theo các nghiên cứu trước, quá trình tổng hợp Geopolymer có thể được mô tả qua những bước cụ thể.
Quá trình hoạt hóa vật liệu Aluminosilicate trong Geopolymer hóa phụ thuộc vào sự phá vỡ cấu trúc của tro bay trong giai đoạn đầu Kết quả cuối cùng là quá trình ngưng kết, hình thành cấu trúc chuỗi có trật tự và tạo ra sản phẩm với cường độ cơ học cao.
Nguyên vật liệu
Tro bay là một Puzzolan nhân tạo với các thành phần chính là các oxit silic
Tro bay là sản phẩm phụ từ quá trình đốt than trong lò hơi của nhà máy nhiệt điện, bao gồm các thành phần chính như SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO và MgO Hàm lượng các oxit này phụ thuộc vào loại than sử dụng, và màu sắc của tro bay cũng phản ánh sự đa dạng trong thành phần hóa học Tro bay có kích thước hạt mịn, với đường kính chủ yếu từ 1 đến 20 micromet, và hàm lượng than chưa cháy (MKN) không được vượt quá 5% khối lượng tro bay Các hạt bụi này được thu hồi qua các ống khói bằng phương pháp kết sương tĩnh điện hoặc thiết bị thu hồi chuyên dụng bằng phương pháp lốc xoáy.
Tro bay, theo tiêu chuẩn ASTM 618, được phân loại thành hai loại chính là loại F và loại C Tro bay loại F có hàm lượng CaO dưới 6% và lượng carbon chưa cháy hơn 2%, mang tính chất puzzolan nhưng không có khả năng tự đóng rắn Ngược lại, tro bay loại C có hàm lượng CaO trên 15% và lượng carbon chưa cháy dưới 1%, vừa có tính chất puzzolan vừa có khả năng tự đóng rắn giống như xi măng.
Tính chất hóa học của tro phụ thuộc vào loại than được đốt, như than non, bitaum hoặc than đá thông thường Không phải tất cả tro bay đều đạt tiêu chuẩn ASTM 618, và sự phân bố kích thước hạt cùng thành phần hóa của tro bay có thể thay đổi liên tục do hiệu suất của nhà máy than và lò hơi Vì lý do này, các nhà máy nhiệt điện đốt than thường có các cơ sở xử lý tro bay để đảm bảo hàm lượng các thành phần hóa học phù hợp với tiêu chuẩn ASTM 618.
Bảng 2.1 Thành phần vật lý của tro bay
Thành phần vật lý thí nghiệm
Hàm lượng lọt sàng 0.05 mm (%)
Chỉ số hoạt tính cường độ sau 28 ngày (%)
Chỉ số hoạt tính cường độ sau 7 ngày (%)
Lượng mất sau khi nung (g)
Tại Việt Nam, nguồn cung tro bay chủ yếu đến từ hai nhà máy nhiệt điện lớn là Phả Lại (Nghệ An) và Formosa (Đồng Nai) Mặc dù có một số loại tro bay nhập khẩu từ Trung Quốc, nhưng chúng không được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp Sự hạn chế về số lượng nhà máy sản xuất tro bay trong nước khiến cho việc khai thác và sử dụng nguồn tài nguyên này gặp nhiều khó khăn.
Sử dụng tro bay trong bê tông Geopolymer giúp tăng cường độ bê tông trong quá trình ninh kết và cải thiện độ bền liên kết trong suốt thời gian sử dụng Trong quá trình hydrat hóa, tro bay tương tác với Canxi hidroxit để tạo ra Canxi silicat và Canxi aluminat, từ đó giảm thiểu hiện tượng thấm Canxi hidroxit vào bê tông và nâng cao khả năng chống thấm Với cấu trúc phân tử hình cầu, tro bay còn góp phần cải thiện độ bền tổng thể của bê tông.
2.2.2 Dung dịch hoạt hóa Alkali
Dung dịch hoạt hóa Alkali là sự kết hợp giữa Sodium Hydroxyde (NaOH) và Sodium Silicate (Na 2 SiO 3 )
Phản ứng kiềm là quá trình tương tác giữa chất kiềm và cốt liệu, trong đó tro bay đóng vai trò quan trọng trong việc phản ứng với dung dịch hoạt hóa.
Hình 2.6 Sodium Silicate và Sodium Hydroxyde
2.2.2.1 Dung dịch Sodium Hydroxyde (NaOH)
Dung dịch NaOH là chất hoạt hóa kiềm quan trọng, thường được pha trộn với dung dịch thủy tinh lỏng như Natri silicat (Na2SO3) hoặc Kali silicat (K2SO3) Hỗn hợp này đóng vai trò thiết yếu trong quá trình phản ứng kiềm hóa, giúp làm tan rã các thành phần khoáng của hạt tro bay.
Dung dịch Natri hydroxit (NaOH) đóng vai trò quan trọng trong việc tách ion Al³⁺ và Si⁴⁺, tương tự như dung dịch Kali hydroxit (KOH) Sự hiện diện của dung dịch kiềm này không chỉ khử Nhôm và Silic trong hạt tro bay mà còn quyết định độ cứng của Geopolymer Ngoài ra, NaOH giúp tăng tốc độ phản ứng và làm cho gel được tạo ra trở nên dẻo hơn Gel này là sản phẩm từ sự kết hợp giữa dung dịch kiềm và thủy tinh lỏng, do đó chứa nhiều nguyên tố Na và Al.
2.2.2.2 Dung dịch Sodium Silicate (Na 2 SiO 3 )
Dung dịch thủy tinh lỏng (Sodium Silicate) là yếu tố quan trọng trong quá trình tổng hợp chất kết dính Geopolymer Tốc độ phản ứng sẽ tăng cao khi dung dịch kiềm kích hoạt có chứa các ion silicate hòa tan.
Dung dịch thủy tinh lỏng trong dung dịch kiềm kích hoạt sẽ giúp quá trình tan rã các hạt tro bay sẽ diễn ra nhanh chóng hơn
Hình 2.8 Dung dịch Na 2 SiO 3
2.2.3 Xỉ thép dạng bột mịn
2.2.3.1 Nguồn gốc và thành phần cấu tạo của xỉ thép
Xỉ thép là sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất thép, bao gồm các thành phần hóa học chính như Canxi Ôxít, Ôxít Sắt, Magiê Ôxít, Mangan Ôxít, Silic Ôxít và Nhôm Ôxít Trong đó, CaO, SiO2 và FexOy chiếm đến 80% trọng lượng của xỉ lò Xỉ lò điện hồ quang được hình thành từ quá trình luyện thép và được thu thập ở nhiệt độ 1600 oC Ở nhiệt độ này, các kim loại nặng, chất hữu cơ và chất dễ bay hơi độc hại không còn tồn tại trong xỉ thép, vì mọi chất thải nguy hại đều bị tiêu hủy hoàn toàn ở nhiệt độ trên 1.200 oC.
Hình 2.9 Cơ sở cung cấp Xỉ thép Vật Liệu Xanh tại Bà Rịa
Xỉ thép có màu xám đen và nặng hơn đá basalt từ 20-25%, có hình dạng giống như cục sỏi hoặc đá tự nhiên Về bản chất, xỉ lò điện tương tự như nham thạch phun trào từ núi lửa.
Xỉ thép chứa nhiều khoáng chất quan trọng, chủ yếu là Wustite (FeO), DiCalcium và TriCalcium Silicates (2CaO.SiO2, C2S và 3CaO.SiO2, C3S), cùng với Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, C4AF) và Mayenite (12CaO.7Al2O3, C12A7), bên cạnh đó còn có CaO và MgO tự do.
Hình 2.11 Thành phần khoáng trong Xỉ thép Thành phần khoáng chất của xỉ EAF bao gồm:
- CS: Calcium Silicates (2CaO.SiO 2 , C 2 S và 3CaO.SiO 2 , C 3 S);
- B: Brownmillerite (Ca 2 (Al,Fe) 2 O 5 , C 4 AF);
- Và thép (phần màu trắng)
2.2.3.2 Vai trò của xỉ thép
Xỉ thép tái chế được coi là “đá nhân tạo - Ecoslag” với chất lượng đáng tin cậy, có khả năng thay thế đá tự nhiên Sản phẩm này được sử dụng linh hoạt cho nhiều mục đích như làm nền móng cho kho bãi, nhà xưởng, gia cố mặt bằng, xây dựng đường giao thông và bảo vệ các công trình thủy lợi.
Xỉ thép có khả năng hút nước lên tới 2,5%, cao gấp ba lần so với đá (0,75%) và có cấu trúc tổ ong với độ rỗng vượt trội Sau quá trình nung luyện ở nhiệt độ 1600°C, xỉ thép sở hữu thành phần khoáng tương tự như xi măng, điều mà vật liệu tự nhiên không có Sử dụng xỉ thép giúp tiết kiệm xi măng và năng lượng, đồng thời nâng cao chất lượng công trình nhờ vào độ cứng, độ ma sát và khả năng chống phân mảnh tốt hơn so với đá, đặc biệt trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt Cấu trúc tổ ong và hình tròn của xỉ thép khi làm cốt liệu cho đường và bê tông asphalt mang lại kết cấu vượt trội Bên cạnh đó, xỉ thép còn chứa nhiều khoáng vi lượng và gốc vôi, có khả năng cải tạo đất và phục hồi môi trường.
Xỉ thép không chỉ là một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất thép mà còn được sử dụng hiệu quả trong xử lý nước thải, đặc biệt là trong việc loại bỏ kim loại nặng độc hại và các chất ô nhiễm Nhờ vào cấu trúc và tính chất đặc biệt sau khi nung luyện trong lò điện hồ quang, xỉ thép có khả năng hấp phụ cao đối với các hợp chất màu và Photphat Với độ pH cao, xỉ thép thích hợp để xử lý nước thải nhiễm axit và cải tạo các nguồn nước ô nhiễm Ứng dụng nổi bật nhất của xỉ thép là trong việc xử lý Photpho, giúp cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp và nước ngầm.
NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
Nguyên vật liệu
Nguyên vật liệu để chế tạo bê tông xỉ Geopolymer bao gồm: xỉ thép, tro bay, đá, cát, dung dịch NaOH và dung dịch Na 2 SiO 3
Xỉ thép nghiên cứu được thu thập từ các nhà máy luyện thép tại khu công nghiệp Phú Mỹ 1, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, có tính chất tương đồng với xỉ thép đang được sử dụng toàn cầu Bảng 3.1 trình bày các tính chất cơ lý của xỉ thép Phú Mỹ 1 theo tiêu chuẩn TCVN.
STT Tên chỉ tiêu thử nghiệm Đơn vị Phương pháp thử Mẫu 1 Mẫ u 2
1 Khối lượng thể tích đổ đống g/cm 3 TCVN 7572-6:2006 1.82 1.88 1.84 1.85
3 Khối lượng riêng g/cm 3 TCVN 7572-4:2006 3.47 3.66 3.68 3.60
Sau khi thu thập, xỉ thép được đưa vào phòng thí nghiệm để xác định các tính chất cơ bản, bao gồm thành phần hóa học, khối lượng riêng và khối lượng thể tích.
Bảng 3.2 Thành phần hóa học của xỉ thép
Kết quả thử nghiệm (%) MKN SiO 2 Al 2 O 3 FeO Fe 2 O 3 CaO MgO Na 2 O K 2 O TiO 2 P 2 O 5 SO 3
Xỉ thép được sử dụng trong nghiên cứu này nhằm thay thế một phần cho tro bay, với dạng bột mịn được thu gom sau khi sàng lọc qua mắt sàng có kích thước 0,15 mm.
Tro bay được thu thập từ các nhà máy nhiệt điện hoặc cơ sở đốt than đá cần được bảo quản cẩn thận để duy trì chất lượng và các chỉ tiêu đặc trưng Việc tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời và những khu vực ẩm ướt có độ ẩm cao là rất quan trọng, vì những yếu tố này có thể làm hỏng và thay đổi tính chất của tro bay.
Tro bay sẽ được chia nhỏ từ các bao tải lớn thành nhiều bao ni-lông nhỏ, sau đó được cất giữ gọn gàng trong thùng để thuận tiện cho việc sử dụng trong quá trình trộn vữa gạch.
Hình 3.1 Tro bay loại F Tro bay được lấy từ nhà máy điện Formosa Đồng Nai, có thành phần như sau: Bảng 3.3 Thành phần hóa học của tro bay Formosa
Kết quả thử nghiệm (%) MKN SiO 2 Al 2 O 3 FeO Fe 2 O 3 CaO MgO Na 2 O K 2 O TiO 2 P 2 O 5 SO 3
Bảng 3.4 Khảo sát vật lý của tro bay
Thành phần vật lý thí nghiệm
Hàm lượng lọt sàng 0.05 mm (%)
Chỉ số hoạt tính cường độ sau 28 ngày (%)
Chỉ số hoạt tính cường độ sau 7 ngày (%)
Lượng mất sau khi nung (g)
Cốt liệu lớn cho bê tông được lấy từ đá dăm tại mỏ đá Tân Đồng Hiệp, xã Tân Đông Hiệp, huyện Dĩ An, Bình Dương Đá dăm chủ yếu có hình dạng khối cầu, với ít hạt dẹt và góc cạnh Kích thước hạt lớn nhất đạt Dmax = 20 mm, khối lượng riêng là 2700 kg/cm3, trong khi khối lượng thể tích là 1510 kg/cm3 Thành phần hạt của đá dăm được trình bày chi tiết trong bảng sau.
Bảng 3.5 Các chỉ tiêu cơ lý của đá sử dụng
Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thí nghiệm Kếtquảthínghiệm
Khối lượng thể tích ở trạng thái khô TCVN 7576-4:2006 2,61 g/cm3 Khối lượng thể tích ở trạng thái bảo hoà TCVN 7576-4:2006 2,67 g/cm3 Độ hút nước TCVN 7576-4:2006 2,5 %
Khối lượng thể tích xốp TCVN 7576-6:2006 1,51g/m3 Độ rỗng giữa các hạt TCVN 7576-6:2006 45,8 %
Hình 3.2 Biểu đồ thành phần hạt của đá dăm Bảng 3.6 Thành phần hạt của đá
Kích thước lỗ sàng vuông (mm) 20 10 5
Lượng sót sàn riêng biệt (kg) 0,09 0,35 0,64
Hình 3.3 Đá sử dụng cho cấp phối bê tông
Kích thước lỗ sàn (mm) Đá dăm
Giới hạn thành phần hạt cát dùng trong XD theo TCVN 7576:2005
Cốt liệu nhỏ trong các cấp phối bê tông chủ yếu là cát, và cát sử dụng cho nghiên cứu cần đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật theo TCVN 1770:1986 “Cát xây dựng – Yêu cầu kỹ thuật”.
Cát sử dụng trong bài viết là cát sạch lấy từ sông Đồng Nai, với kích thước hạt thô Các đặc tính cơ lý như khối lượng riêng, khối lượng thể tích và thành phần hạt được kiểm tra theo Tiêu chuẩn Việt Nam Trước khi đưa vào sử dụng, cát đã được làm sạch và sấy khô.
Hình 3.4 Cát sử dụng cho cấp phối bê tông
Hình 3.5 Biểu đồ thành phần kích cỡ hạt cát
Hỗn hợp dung dịch polymer hoạt hóa bao gồm dung dịch Sodium Silicat (Na2SiO3) và dung dịch Sodium Hydroxit (NaOH) được sử dụng để tạo ra phản ứng kết dính cho các vật liệu.
3.1.5.1 Dung dịch Sodium Hydroxyde (NaOH) Đối với việc sử dụng dung dịch NaOH, yêu cầu độ sạch của dung dịch NaOH phải đạt mức 98% Yêu cầu cần phải xác định trước nồng độ dung dịch cần thiết để từ đó pha trộn dung dịch với nồng độ Mol đúng nhất từ công thức xác định nồng độ Mol, từ đó suy ra được khối lượng NaOH khan cần pha trộn vào dung dịch như sau dd 100 1000
m NaOH là khối lượng NaOH khan cần cho vào
M là khối lượng Mol của NaOH (M@)
V dd là thể tích dung dịch cần pha trộn
P là độ tinh khiết của dung dịch NaOH lấy bằng 99%
Dung dịch NaOH được tạo ra từ natri nguyên chất, có dạng rắn màu trắng đục và độ tinh khiết trên 90% Khối lượng riêng của dung dịch này là 2,130 kg/m³ Nồng độ mol của NaOH được pha chế và sử dụng trong các thí nghiệm nghiên cứu là 10, 12 và 14 mol.
3.1.5.2 Dung dịch Sodium Silicate (Na 2 SiO 3 )
Trong thí nghiệm nghiên cứu này, Sodium Silicat có thành phần bao gồm SiO2 30.1%, Na2O 9.4% và H2O 60.5% Tỉ lệ SiO2/Na2O là 3.2, với tỷ trọng đạt 1.42±0.01 g/ml Dung dịch Sodium Silicat này có màu trắng đục.
Dung dịch thủy tinh lỏng (Na2SiO3) là một chất lỏng màu trắng đục, có tính sệt và dễ hòa tan trong nước Nó có khả năng tương tác với nhiều loại chất ở dạng rắn, lỏng và khí Tuy nhiên, thủy tinh lỏng dễ bị phân hủy bởi các axit, bao gồm cả axit cacbonic, dẫn đến sự hình thành kết tủa keo silic.
Dung dịch thủy tinh lỏng (Sodium Silicate) đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp chất kết dính Geopolymer Tốc độ phản ứng tăng cao khi dung dịch kiềm kích hoạt chứa ion silicate hòa tan Khi kết hợp dung dịch thủy tinh lỏng với NaOH, phản ứng xảy ra và hai dung dịch hòa trộn Sự có mặt của dung dịch thủy tinh lỏng trong dung dịch kiềm kích hoạt giúp tăng tốc quá trình tan rã các hạt tro bay.
Hình 3.7 Dung dịch Sodium Silicate (Na 2 SiO 3 )
Thành phần cấp phối
3.2.1 Phương pháp thiết kế cấp phối
Khối lượng riêng của các nguyên vật liệu trong thành phần cấp phối bê tông là:
O Xỉ thép dạng bột mịn: 3600 kg/m 3
Để xác định thành phần cấp phối, cần tuân theo nguyên tắc thể tích tuyệt đối V = 1m³ Các nguyên vật liệu trong từng cấp phối phải có tỉ lệ khối lượng tương ứng, đảm bảo tổng thể tích đạt 1 m³.
3.2.2 Thiết kế thành phần cấp phối
Bê tông Geopolymer được tạo thành từ việc trộn lẫn xỉ mịn với tỷ lệ Bột xỉ/Tro bay lần lượt là 0.6, 1 và 1.5 Ngoài ra, nồng độ dung dịch Sodium Hydroxide cũng được điều chỉnh với các mức 8mol/l, 12mol/l và 16mol/l để tối ưu hóa tính chất của bê tông.
Các cấp phối bê tông Geopolymer được điều chỉnh với thời gian dưỡng hộ nhiệt từ 2 đến 10 giờ để theo dõi sự biến đổi cường độ Bên cạnh đó, một cấp phối bê tông Geopolymer không sử dụng xỉ mịn cũng được đúc ra để làm đối chứng.
Bảng 3.7 Tỷ lệ phần trăm thành phần cấp phối theo khối lượng (kg/m 3 )
Tên cấp phối Đá Cát
Bột Xỉ/Tro Sodium hydroxide
Xỉ dạng bột mịn Tro bay
Nồng độ (Mol) 01-1 1410 352,5 172,794 172,794 96,765 8 145,147 01-2 1410 352,5 172,794 172,794 96,765 12 145,147 01-3 1410 352,5 172,794 172,794 96,765 16 145,147 02-1 1410 352,5 207,352 138,235 96,765 8 145,147 02-2 1410 352,5 207,352 138,235 96,765 12 145,147 02-3 1410 352,5 207,352 138,235 96,765 16 145,147 03-1 1410 352,5 138,235 207,352 96,765 8 145,147 03-2 1410 352,5 138,235 207,352 96,765 12 145,147 03-3 1410 352,5 138,235 207,352 96,765 16 145,147 ĐC-1 1410 352.5 345,587 96,765 8 145,147 ĐC-2 1410 352.5 345,587 96,765 12 145,147 ĐC-3 1410 352.5 345,587 96,765 16 145,147
Phương pháp tạo mẫu và thí nghiệm
Sử dụng khuôn là khuôn mẫu hình trụ 100x200 (mm) để thực hiện các thí nghiệm
Hình 3.8 Khuôn mẫu hình trụ 100x200 (mm) Tạo ra bê tông Xỉ Geopolymer nhằm xác định tính chất cơ lý của bê tông
3.3.2.1 Nhào trộn và đúc mẫu Đối với cấp phối dưỡng hộ thường, các thành phần nguyên liệu sau khi định lượng được nhào trộn trong khoảng 1 phút tạo thành hỗn hợp khô Hỗn hợp dung dịch sodium hydroxide, sodium silicate và nước đã chuẩn bị trước được đổ vào hỗn hợp khô bắt đầu quá trình 1 phút Hỗn hợp bê tông được tạo mẫu theo tiêu chuẩn ASTM C780
3.3.2.2 Dưỡng hộ và thí nghiệm
Sau khi tĩnh định 24 giờ, mẫu vữa được dưỡng hộ nhiệt và sau đó là dưỡng hộ tự nhiên trong 24 giờ
Việc nén mẫu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm vật liệu của Trường ĐHSPKT TP.HCM, với kết quả nén được ghi nhận cho từng tổ mẫu tương ứng với từng cấp phối, nhằm tổng hợp và tính toán cường độ.
3.3.2.4 Xác định khối lượng thể tích mẫu
Mẫu bê tông được sử dụng cho thí nghiệm là mẫu trụ (100×200 mm)
Khối lượng thể tích của từng viên mẫu bê tông được xác định bằng công thức ρ = m/V, với ρ là khối lượng thể tích, m là khối lượng của viên mẫu cần thử, và V là thể tích của viên mẫu Đơn vị đo khối lượng thể tích có thể là T/m³, kg/m³ hoặc g/cm³.
Khối lượng thể tích của bê tông, được tính bằng kg/m3 với độ chính xác 10kg/m3, là giá trị trung bình số học của ba kết quả thử nghiệm trên ba viên trong cùng một tổ mẫu.
3.3.2.5 Xác định độ hút nước của mẫu Đặt các viên mẫu vào thùng ngâm Để nước ngập 1/3 chiều cao mẫu trong một giờ Sau đó tiếp tục đổ nước ngập 2/3 chiều cao mẫu trong một giờ nữa Cuối cùng, đổ nước ngập qua khỏi mẫu hơn 5 cm và giữ độ cao này đến khi mẫu bão hòa nước
Sau mỗi 24 giờ, cần lấy mẫu và lau khô bề mặt, sau đó cân chính xác với độ chính xác 0.5% Mẫu được coi là bão hòa nước khi hai lần cân liên tiếp cho kết quả chênh lệch không quá 0.2%.
Các viên mẫu sau khi bão hòa nước sẽ được sấy khô ở nhiệt độ 105-110 độ C cho đến khi khối lượng mẫu không đổi
H = (m 1 – m 0 )*100/m 0 Trong đó: m 1 – Khối lượng mẫu ở trạng thái bão hòa nước m 0 – Khối lượng mẫu ở trạng thái sấy khô đến khối lượng không đổi
H – Độ hút nước của mẫu
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Sodium Hydroxide, tỷ lệ Xỉ/Tro và thời gian dưỡng hộ nhiệt đến khối lượng thể tích của bê tông Geopolymer xỉ mịn
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH, tỷ lệ Xỉ/Tro và thời gian dưỡng hộ nhiệt đến khối lượng thể tích của bê tông Geopolymer xỉ mịn, kết quả được trình bày trong bảng 4.2.
Bảng 4-2 Khối lượng thể tích bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt
Khối lượng thể tích bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt ở 100 0 C
Hình 4.5 Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến khối lượng thể tích của bê tông Geopolymer xỉ mịn ở nồng độ NaOH 8 Mol
Hình 4.6 Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến khối lượng thể tích của bê tông Geopolymer xỉ mịn ở nồng độ NaOH 12 Mol
Hình 4.7 Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến khối lượng thể tích của bê tông Geopolymer xỉ mịn ở nồng độ NaOH 16 Mol
Khối lượng thể tích của mẫu bê tông được xác định theo TCVN 7572-6:
Khối lượng thể tích của các cấp phối bê tông giảm mạnh trong khoảng thời gian dưỡng hộ nhiệt từ 2 đến 6 giờ, sau đó dần ổn định từ 6 đến 10 giờ Ngoài ra, việc giảm nồng độ dung dịch sodium hydroxide trong cấp phối cũng góp phần làm giảm khối lượng thể tích của các cấp phối bê tông.
Trong nghiên cứu về các cấp phối với nồng độ dung dịch NaOH 8M, bao gồm 01-1, 02-1, 03-1 và ĐC-1, khối lượng thể tích giảm mạnh nhất là 4.742% ở cấp phối ĐC-1, với các giá trị lần lượt là 2.307, 2.198 và 2.188 (T/m³) khi thực hiện quá trình dưỡng hộ nhiệt từ 2 đến 6 giờ Sau giai đoạn này, khối lượng thể tích tiếp tục giảm nhẹ thêm 0.427% trong 4 giờ dưỡng hộ nhiệt tiếp theo.
Các cấp phối với nồng độ dung dịch NaOH 8M có khối lượng thể tích thấp hơn so với các cấp phối có nồng độ NaOH 12M và 16M Cụ thể, sau 6 giờ dưỡng hộ nhiệt, cấp phối 03-2 và 03-3 với nồng độ NaOH 12M và 16M có khối lượng thể tích cao hơn cấp phối 03-1 (NaOH 8M) lần lượt là 0.538% và 1.082% Kết quả tương tự cũng được ghi nhận sau 10 giờ dưỡng hộ nhiệt.
Trong quá trình dưỡng hộ nhiệt, lượng nước thoát ra làm giảm khối lượng của dung dịch NaOH nồng độ thấp, khiến nó chứa nhiều nước hòa tan hơn so với dung dịch NaOH nồng độ cao Do đó, dung dịch nồng độ thấp có thể tích nhỏ hơn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt do lượng nước thoát ra nhiều hơn.
Ảnh hưởng của tỷ lệ Xỉ/Tro và thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer xỉ mịn
Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng cấp phối 01-2, 03-2 và ĐC-2 để đúc các mẫu dầm bê tông có kích thước 150×150×600 mm, với điều kiện dưỡng hộ nhiệt là 6 giờ và 10 giờ ở nhiệt độ 100°C Kết quả phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ Xỉ/Tro và thời gian dưỡng hộ nhiệt đến khối lượng thể tích của bê tông Geopolymer xỉ mịn được trình bày trong bảng 4.3.
Bảng 4-3.Cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt Cấp phối
Cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt ở 100 0 C (MPa)
Hình 4.8 Cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt
Việc sử dụng xỉ mịn để thay thế một phần tro bay trong bê tông geopolymer đã cho thấy sự gia tăng cường độ chịu uốn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt, tương tự như bê tông geopolymer thông thường Cường độ chịu uốn của các cấp phối tăng đều từ 6 đến 10 giờ, với cấp phối 03-2 có mức tăng thấp nhất là 6.542%, từ 11.109 MPa lên 11.887 MPa, trong khi cấp phối ĐC-2 đạt mức tăng cao nhất 20%, từ 9.922 MPa lên 12.403 MPa.
Trong thời gian dưỡng hộ nhiệt từ 6 đến 10 giờ, cấp phối 03-2 và ĐC-2 có sự khác biệt về tỷ lệ Xỉ/Tro, lần lượt là 0.67 và 0.00, nhưng giá trị cường độ chịu uốn không chênh lệch nhiều Cụ thể, cường độ chịu uốn của cấp phối 03-2 chỉ chênh lệch 10.683% so với ĐC-2 ở 6 giờ và 4.161% ở 10 giờ Kết quả này cho thấy cường độ chịu uốn của cấp phối 03-2, với 40% xỉ mịn thay thế cho tro bay, không khác biệt nhiều so với cấp phối ĐC-2.
Tỷ lệ xỉ mịn và tro bay trong cấp phối bê tông ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ chịu uốn Khi hàm lượng xỉ thép tăng, cường độ chịu nén có xu hướng giảm Tuy nhiên, nếu hàm lượng xỉ mịn chiếm từ 40% đến 50%, cường độ chịu uốn chỉ giảm nhẹ Ngược lại, khi xỉ thép thay thế tro bay vượt quá 50%, cường độ chịu uốn của bê tông sẽ giảm mạnh.
Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Sodium Hydroxide, tỷ lệ Xỉ/Tro và thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer xỉ mịn
Thực hiện phương pháp nén phá hoại mẫu để xác định cường độ chịu nén như bảng 4.4
Bảng 4-4 Cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt
Cường độ chịu kéo bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt ở 100 0 C (MPa)
Hình 4.9 Cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt ở nồng độ NaOH 8 Mol
Hình 4.10 Cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt ở nồng độ NaOH 12 Mol
Hình 4.11 Cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt ở nồng độ NaOH 16 Mol
Thời gian dưỡng hộ nhiệt và tỷ lệ xỉ/tro có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer xỉ mịn ở các cấp phối 01 và 03, tùy thuộc vào từng loại nồng độ NaOH.
Sử dụng xỉ mịn để thay thế một phần tro bay trong bê tông geopolymer giúp tăng cường độ chịu kéo theo thời gian dưỡng hộ nhiệt, tương tự như bê tông geopolymer truyền thống Cường độ chịu kéo tăng lên khi nồng độ dung dịch sodium hydroxide cao hơn; cụ thể, khi nồng độ tăng từ 8M lên 12M và 16M, cường độ chịu kéo cũng tăng đều trong khoảng thời gian dưỡng hộ nhiệt từ 2 đến 6 giờ Sau 4 giờ tiếp theo, cường độ chịu kéo của tất cả các cấp phối sẽ ổn định.
Trong khoảng thời gian dưỡng hộ nhiệt từ 2 đến 6 giờ, các cấp phối đều phát triển cường độ tương tự, với sự chênh lệch không lớn Cấp phối 01 và 03, mặc dù có tỷ lệ Xỉ/Tro khác nhau (1 và 0.67), nhưng lại cho thấy mức tăng cường độ chịu nén tương đương Ngược lại, các cấp phối 02-1, 02-2 và 02-3 không đạt giá trị cường độ chịu kéo sau 2 giờ dưỡng hộ.
Khi tiếp tục dưỡng hộ nhiệt đến 10 giờ, tất cả các cấp phối đều tăng chậm dần Cường độ chịu nén cao nhất đạt 5.646 MPa, với sự gia tăng 132% ở cấp phối ĐC-3, trong khi cấp phối 01-1 ghi nhận mức tăng cường độ 175% từ 1.202 MPa lên 3.305 MPa Kết quả cho thấy cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer xỉ mịn tăng mạnh nhất trong khoảng thời gian dưỡng hộ nhiệt từ 2 giờ đến 6 giờ.
Xỉ thép có kích thước lớn và chứa hàm lượng Si, Al thấp hơn so với tro bay, điều này làm giảm khả năng hỗ trợ quá trình geopolymer hóa, dẫn đến việc vật liệu phát triển cường độ kém hơn.
Khi thời gian dưỡng hộ nhiệt được tăng cường, các phản ứng trùng ngưng trong quá trình Geopolymer hóa diễn ra hiệu quả hơn, dẫn đến việc thoát hơi nước trong bê tông nhiều hơn Điều này giúp mẫu bê tông trở nên đặc chắc và đạt được cường độ chịu nén cao Tuy nhiên, cường độ chịu nén tăng nhanh trong 6 giờ đầu của quá trình dưỡng hộ, sau đó tăng chậm lại trong 4 giờ tiếp theo.
