Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tro bay và bột xỉ thép đến các tính chất cơ lý của bê tông geopolymer

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ MINH DƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA TRO BAY VÀ BỘT XỈ THÉP ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 1580802 SKC007533 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ MINH DƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA TRO BAY VÀ BỘT XỈ THÉP ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA BÊ TƠNG GEOPOLYMER NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHAN ĐỨC HÙNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Võ Minh Dương Giới tính:Nam Ngày, tháng, năm sinh: 25/05/979 Nơi sinh:Bến Tre Quê quán: Bến Tre Dân tộc:Kinh Chỗ riêng địa liên lạc:108 xã Phú Hưng , TP Bến Tre, Tỉnh Bến Tre Điện thoại quan: Điện thoại nhà :3828615 Fax: Email:vominhduong250579@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: qui Thời gian đào tạo từ 09/1998 đến 03/ 2003 Nơi học (trường, thành phố):Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Tphcm Ngành học:Xây dựng dân dụng công nghiệp Tên đồ án, luận án mơn thi tốt nghiệp:Tính tốn thiết kế cơng trình Bệnh viên Lao phổi Phạm Ngọc Thạch,Tphcm Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp:Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Tphcm Người hướng dẫn:PGS.TS Nguyễn Hữu Lân III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 01/10/2003 Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Trường TH Kỹ Thuật Công Nghiệp Bến Tre Giảng dạy 1/10/2004->NAY Trường Cao Đẳng Bến Tre i Giảng dạy LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2017 (Ký tên ghi rõ họ tên) Võ Minh Dương ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn PGS.TS Phan Đức Hùng tận tình bảo, giúp đỡ, hướng dẫn cung cấp tài liệu kiến thức cần thiết để tơi hồn thành luận văn Thạc sỹ Xin cảm ơn quý thầy cô giáo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tphcm nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Cuối muốn gởi lời cảm ơn chân thành đến tất người thân gia đình, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ nhiều công tác thí nghiệm tạo điều kiện cho tơi nghiên cứu Trong q trình nghiên cứu khơng tránh khỏi hạn chế, thiếu sót.Tơi mong đóng góp ý kiến quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện tốt Xin chân thành cảm ơn! iii TÓM TẮT Đề tài sử dụng nguồn nguyên vật liệu phụ phẩm, phế phẩm từ ngành công nghiệp khác xỉ thép, tro bay công nghệ geopolymer để sản suất bê tông geopolymer nhằm hoàn thiện làm phong phú chủng loại bê tông Sản phẩm tạo vừa tận dụng tốt nguồn phế phẩm tro bay xỉ thép ngành công nghiệp, vừa tiết kiệm nguyên vật liệu xi măng hạn chế gây ô nhiễm môi trường trước hàm lượng khí thải từ q trình sản xuất xi măng ngày tăng cao Mục tiêu nghiên cứu đề tài xác định tính chất lý sử dụng thành phần bột xỉ thép trạng thái nghiền mịn để phối hợp thay phần tro bay thành phần cấp phối bê tông geopolymer Từ đó, đề tài hướng đến phát triển sản phẩm xây dựng mang tính đa dạng bền vững nhằm phục vụ cho nhu cầu dài lâu người Đề tài nghiên cứu thay đổi cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn, cường độ chịu kéo, khối lượng thể tích bê tông Geopolymer thay đổi tỷ lệ tro bay xỉ thép dạng mịn Ngồi ra, đề tài cịn đề cập đến yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông điều kiện dưỡng hộ nhiệt, thời gian dưỡng hộ nhiệt, nồng độ dung dịch NaOH, tỷ lệ dung dịch/Tro, … Qua đưa nhận xét, đánh giá khách quan mức độ ảnh hưởng đến bê tông Geopolymer Các mẫu sau dưỡng hộ đặt tĩnh định bắt đầu thí nghiệm xác định tiêu lý Các mẫu bê tơng Geopolymer hình trụ 100x200 mm đem cân xác định khối lượng sau đem nén lấy giá trị cường độ chịu nén đem thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo gián tiếp phương pháp ép chẻ Đối với mẫu dầm bê tơng kích thước 150x150x600 mm đem uốn xác định cường độ chịu uốn iv ABSTRACT The subject material used is a by-product, scrap from different industries such as steel slag, fly ash and geopolymers technology to produce concrete geopolymers aims to improve and enrich rather than concrete types at present Create products just might make good use of sources such as scrap steel slag and fly ash of the industry, saving of materials such as cement as well as limiting environmental pollution emission concentrations from the cement manufacturing process are growing taller The research goal of the subject is to determine the physical properties when using steel slag powder ingredients finely State to coordinate and replace a portion of the ashes fly as part of the concrete distribution level geopolymers Since then, subject to the direction of development of products built to bring diversity and sustainable for the long term needs of the people Research on the change in compressive strength, flexural strength, tensile strength, density of geopolymer concrete to change the ratio between fly ash and steel smooth shape Additionally, subjects also mentions factors affecting the strength of the concrete as conditions of steam curing time curing temperature, concentration of NaOH, the rate of solution / Tro Over there can make comments, objective evaluation of its effect on the level of geopolymer concrete The samples after curing and static set the start of the experiment determining the mechanical indicators Geopolymer concrete samples 100x200 mm cylinder weighed determined then bring compressed volume retrieve values and compressive strength testing provides tensile strength determined indirectly by means of forced split For concrete beams sample size 150x150x600 mm was brought bending determine flexural strength v MỤC LỤC Trang tựa TRANG QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN .ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC BẢNG BIỂU xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Sự cần thiết đề tài nghiên cứu 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Khái niệm Geopolymer 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2.3 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Vị trí đề tài nghiên cứu 1.4 Mục tiêu đề tài 1.5 Nhiệm vụ đề tài 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Công nghệ Geopolymer 2.1.1 Lịch sử đời chất kết dính Geopolymer 2.1.2 Thành phần công thức hóa học 11 2.1.3 Cơ chế phản ứng trình Geopolymer hóa 12 2.1.4 Cơ sở hóa học cơng nghệ Geopolymer sử dụng tro bay 14 2.2 Nguyên vật liệu 17 vi 2.2.1 Tro bay 17 2.2.2 Dung dịch hoạt hóa Alkali 19 2.2.2.1 Dung dịch Sodium Hydroxyde (NaOH) 20 2.2.2.2 Dung dịch Sodium Silicate (Na2SiO3) 21 2.2.3 Xỉ thép dạng bột mịn 21 2.2.3.1 Nguồn gốc thành phần cấu tạo xỉ thép 21 2.2.3.2 Vai trò xỉ thép 23 CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 25 3.1 Nguyên vật liệu 25 3.1.1 Xỉ thép 25 3.1.2 Tro bay 26 3.1.3 Cốt liệu lớn 27 3.1.4 Cốt liệu nhỏ 29 3.1.5 Dung dịch hoạt hóa 30 3.1.5.1 Dung dịch Sodium Hydroxyde (NaOH) 30 3.1.5.2 Dung dịch Sodium Silicate (Na2SiO3) 31 3.2 Thành phần cấp phối 31 3.2.1 Phương pháp thiết kế cấp phối 31 3.2.2 Thiết kế thành phần cấp phối 32 3.3 Phương pháp tạo mẫu thí nghiệm 33 3.3.1 Phương pháp tạo mẫu 33 3.3.2 Phương pháp thí nghiệm 33 3.3.2.1 Nhào trộn đúc mẫu 33 3.3.2.2 Dưỡng hộ thí nghiệm 33 3.3.2.3 Nén mẫu 33 3.3.2.4 Xác định khối lượng thể tích mẫu 34 3.3.2.5 Xác định độ hút nước mẫu 34 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 35 vii Khi dùng xỉ mịn thay phần tro bay bê tơng geopolymer tính chất cường độ chịu uốn tăng theo thời gian dưỡng hộ nhiệt, giống bê tông Geopolymer tro bay thông thường Cường độ chịu uốn cấp phối tăng theo thời gian dưỡng hộ nhiệt khoảng từ đến 10 Cấp phối 03-2 có mức tăng cường độ chịu uốn thấp 6.542% từ 11.109 MPa đến 11.887 MPa, cấp phối ĐC-2 có mức tăng cao 20% từ 9.922 MPa đến 12.403 MPa Khi dùng xỉ mịn thay phần tro bay bê tơng geopolymer tính chất cường độ chịu kéo tăng theo thời gian dưỡng hộ nhiệt giống bê tông Geopolymer tro bay thông thường Cấp phối có nồng độ dung dịch sodium hydroxide cao cường độ chịu kéo cao Khi tăng nồng độ dung dịch sodium hydroxide từ 8M đến 12M 16M cường độ chịu kéo tăng theo thời gian dưỡng hộ nhiệt khoảng từ đến Trong cường độ chịu kéo tất cấp phối ổn định 5.2 Hướng phát triển đề tài Kết thí nghiệm cho thấy phát triển cường độ chịu nén, chịu uốn hay chịu kéo mẫu bê tông geopolymer sử dụng bột xỉ thay phần tro bay không chênh lệch nhiều so với bê tông geopolymer thông thường Để hoàn thiện khả ứng dụng bột xỉ cho thành phần cấp phối bê tông geopolymer kết hợp nghiên cứu lý thuyết thí nghiệm thực hành cho đề xuất sau:  Kết hợp bột xỉ mịn xi măng vào cấp phối bê tông geopolymer  Kết hợp bột xỉ phụ gia khoáng silicafume để nghiên cứu nâng cao cường độ bê tông geopolymer  Sử dụng nhiều loại thành phần bột xỉ khác thành phần hóa học tỷ lệ thành phần hợp chất cấu tạo nên bột xỉ Từ đánh giá đưa ảnh hưởng từ thành phần hóa có bột xỉ đến cường độ bê tơng geopolymer  Nghiền mịn bột xỉ nhỏ 0.01 mm để so sánh tốc độ tham gia phản ứng cho q trình geopolymer hóa vật liệu geopolymer gốc tro bay 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bài viết Năng lượng tái tạo, Wikipedia, Bách Khoa Toàn Thư [2] J.Davidovits, 1991, Geopolymers – Inorganic polymeric new materials, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry [3] Hardjito, Djwantoro, 2005, Studies of fly ash-based geopolymer concrete Ph.D.Curtin University of Technology, Dept of Civil Engineering [4] Mustafa, 2012, The Processing, Characterization, and Properties of fly ashes based on Geopolymer concrete [5] L.Krishnan S.Karthikeyan, S.Nathiya, K.Suganya, 2014 Geopolymer concrete an eco-friendly construction material [6] B.Vijaya Rangan, 2014, Geopolymer concrete for environment protection [7] A.M.Mustafa Al Bakri, Mechanism and Chemical Rection of Fly Ash Geopolymer cement [8] Shuguang Hu, Hongxi Wang, 2008, Bonding and abrasion resistance of Geopolymer repair material made with steel slag [9] Ryno Barnard, 2014, Mechanical properties of fly ash/slag based Geopolymet concrete with the addition of macro fibers [10] Abdel-Ghani, 2016, Geopolymer synthesis by the alkali-activation of blastfurnace steel slag and its fire-resistance [11] Omar, Heniegal, 2015, Effect of Local Steel Slag as a Coarse Aggregate on Properties of Fly Ash Based-Geopolymer Concrete [12] Tống Tôn Kiên, Phạm Thị Vinh Lanh, Lê Trung Thành, Bê tơng Geopolymer thành tựu, tính chất ứng dụng [13] Nguyễn Văn Dũng, 2014, Nghiên cứu chế tạo bê tông Geopolymer từ tro bay, tạp chí khoa học cơng nghệ Đà Nẵng [14] Phan Đức Hùng, Lê Anh Tuấn, 2015, Ảnh hưởng nhiệt độ cao đến cường độ vữa Geopolymer 52 [15] Kiều Đỗ Trung Kiên, 2016, Chế tạo gạch không nung từ Xỉ thép sở Geopolymer hóa [16] Nguyễn Quốc Hiển, 2015, Ứng dụng Xỉ thép lĩnh vực cơng trình xây dựng [17] Trần Hữu Bằng (2011), Nghiên cứu sử dụng phụ gia khoáng xỉ thép bê tông xi măng, Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật, Trường Đại học GTVT [18] Nguyễn Văn Du (2013), Nghiên cứu việc sử dụng xỉ thép sản xuất bê tơng nhựa nóng để làm đường tơ giới khả áp dụng làm mặt đường tơ khu vực phía Nam, Trường Đại học GTVT Danh mục tiêu chuẩn tham khảo Tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 Cốt liệu cho bê tông vữa – yêu cầu kỹ thuật Tiêu chuẩn TCVN 8262:2009 Tro bay – phương pháp phân tích hóa học Tiêu chuẩn TCVN 10302:2014 Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây xi măng 53 NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA TRO BAY VÀ BỘT XỈ THÉP ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA BÊ TƠNG GEOPOLYMER STUDY OF THE INFLUENCE OF FLY ASH AND STEEL SLAG POWDER TO MECHANICAL PROPERTIES OF GEOPOLYMER CONCRETE VÕ MINH DƯƠNG – Học viên cao học, Khoa XD, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM PHAN ĐỨC HÙNG – Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Tóm tắt: Bài báo khảo sát thay đổi cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, cường độ chịu kéo gián tiếp ép chẻ khối lượng thể tích bê tông Geopolymer sử dụng bột xỉ thép thay phần tro bay có cấp phối Khối lượng bột xỉ thép thay cho tro bay tăng từ 40%, 50% 60% có cấp phối Ngồi cịn có cấp phối đối chứng sử dụng 100% tro bay để so sánh với cấp phối bê tông Geopolymer sử dụng bột xỉ thép Kết cho thấy cấp phối bê tông Geopolymer sử dụng bột xỉ thép thay tro bay mức 40% 50% có giá trị cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn ép chẻ tương đương với cấp phối bê tông Geopolymer sử dụng 100% tro bay Khi tăng hàm lượng xỉ thép nhiều 50% giá trị cường độ bắt đầu có xu hướng giảm mạnh Kết nghiên cứu đề xuất sử dụng cấp phối bê tơng Geopolymer có hàm lượng xỉ mịn 40% 50% để chế tạo bê tông Geopolymer xỉ mịn Từ khóa: bê tơng Geopolymer xỉ mịn, xỉ thép, tro bay, … Abstract: The article surveys the change of intensity of compression resistant, mechanical strength drag when bending, mechanical strength pulled indirectly when pressed and split the volume the volume of the concrete using steel slag powder Geopolymers replaces a portion of the ashes fly there in levels The volume of steel slag powder fly ash replacement for turn up from 40%, 50% and 60% in the localizing level There are also levels confronting 100% ash use fly to comparable levels in concrete using steel slag powder Geopolymers The results showed that levels of concrete using steel slag powder Geopolymers replaced ash bay at 40% and 50% of the value of compression resistant strength, mechanical strength drag when bending and when pressed what appeared the equivalent levels in concrete using 100% fly ash Geopolymers When increasing the steel slag content of more than 50%, then the values of the intensity tends to start off strong The study results suggest using the level concrete mixing Geopolymers with 40% and 50% of finely slag to produce concrete Geopolymers smooth approximation Key words: Geopolymers smooth slag concrete, steel slag, fly ash, 54 truyền thống bê tông, gạch, vật liệu che phủ , … để hạn chế ô nhiễm bảo vệ môi trường Trong nhiều nghiên cứu vật liệu khái niệm Geopolymer ngày quan tâm nhiều tính ứng dụng xanh loại vật liệu Cơng nghệ Geopolymer áp dụng để chế tạo, sản xuất bê tông, vữa, gạch hay số cấu kiện đúc sẵn khác mà khơng cần dùng đến chất kết dính thơng thường xi măng Ưu điểm cơng nghệ phối hợp linh hoạt cách nguồn nguyên vật liệu khác để tạo nên sản phẩm cuối Trong nhiều nghiên cứu trước cho thấy, công nghệ Geopolymer hồn tồn có khả sử dụng phế thải để tạo nên sản phẩm xây dựng thân thiện với môi trường Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng tro bay bột xỉ thép đến tính chất lý bê tơng Geopolymer” trình bày rõ khả ứng dụng loại phế phẩm cơng nghiệp q trình chế tạo bê tông Geopolymer GIỚI THIỆU Con người sử dụng nguồn lực thiên nhiên với tốc độ nhanh tốc độ tái tạo cung cấp Trái Đất đến 20% Cụ thể khối lượng CO2 thải việc sản xuất xi măng phục vụ cho ngành Xây dựng chiếm đến 7% ~ 1,35 tỷ khí thải năm Nguồn tài nguyên thiên nhiên Trái đất bị thu hẹp số lượng chất lượng Nguyên nhân dẫn tới thực trạng hoạt động khai thác bừa bãi, với việc sử dụng tài ngun lãng phí, cơng tác quản lý yếu người Ngoài ra, nguồn phế phẩm từ ngành sản xuất công – nông nghiệp gây nhiều ảnh hưởng cho môi trường tự nhiên Đối với ngành công nghiệp nhiệt điện, hàng năm thải 780 triệu tro bay sử dụng khoảng 17-20% Bên cạnh đó, nguồn phế phẩm khác xỉ thép ngành công nghiệp luyện kim năm thải môi trường khối lượng đáng kể Hiện nước ta, có 30 nhà máy luyện thép hoạt động nhiều nhà máy khác giai đoạn xây dựng lập dự án Lượng xỉ thải từ nhà máy thông thường chiếm từ 11% - 12% khối lượng phôi đầu vào Như vậy, năm, lượng xỉ thải từ nhà máy luyện thép nước lên đến - 1,5 triệu NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1 Nguyên vật liệu 2.1.1 Bột xỉ thép Xỉ thép nghiên cứu lấy từ nhà máy luyện thép, có tính chất tương đồng với loại xỉ thép sử dụng giới Xỉ thép thí nghiệm xác định khối lượng riêng, khối lượng thể tích, độ hút nước, thành phần hạt xỉ thép nhỏ 0.15mm Bột xỉ thép đề tài sử dụng để thay 40%, 50% 60% lượng tro bay có cấp phối Kết thí nghiệm vật lý xỉ thép thể Bảng1 Từ thực trạng trên, phương châm phát triển xã hội thân thiện môi trường thiên nhiên áp dụng rộng rãi triệt để đến tất ngành nghề, lĩnh vực sống người Trong đó, ngành Xây dựng dần đổi đa dạng hóa chủng loai vật liệu xây dựng 55 kg/m3 có nồng độ là 8, 12 16 mol/l Dung dịch sodium silicate sử dụng với hàm lượng Na2O SiO2 dao động từ 36% đến 38%, tỷ trọng 1.42  0.01 g/ml Bảng Thí nghiệm vật lý xỉ thép Chỉ tiêu thí nghiệm Dmin - Dmax Khối lượng riêng Khối lượng thể tích trạng thái khơ Khối lượng thể tích trạng thái bảo hồ Độ hút nước Khối lượng thể tích xốp Độ rỗng hạt Phương pháp thí nghiệm TCVN 75722:2006 TCVN 75724:2006 TCVN 75724:2006 TCVN 75724:2006 TCVN 75724:2006 TCVN 75726:2006 TCVN 75726:2006 Kết TN 0.15-5mm 2.1.4 Cát 3600kg/m3 Cát sử dụng cát sơng Đồng Nai, cỡ hạt thơ Các tính chất lý khối lượng riêng, khối lượng thể tích, thành phần hạt … thí nghiệm theo Tiêu chuẩn Việt Nam Cát làm sấy khô trước đưa vào sử dụng, thoả mãn yêu cầu TCVN 1770 : 1986 “Cát xây dựng – Yêu cầu kỹ thuật” 3320kg/m3 3390kg/m3 3.4 % 1587kg/m3 32.8% Bảng Thành phần hóa học xỉ thép Thành phần hóa học % Khối lượng MKN (*) SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 3.55 23.11 12.52 22.55 26.99 3.77 (*): Mất nung 2.1.2 Tro bay Tro bay (FA) loại F sử dụng thí nghiệm có nguồn gốc từ nhà máy nhiệt điện với thành phần hóa trình bày Bảng Hình Biểu đồ thành phần hạt cát Bảng Thành phần hóa học tro bay Cốt liệu lớn sử dụng đá dăm khai thác từ mỏ đá Tân Đồng Hiệp, xã Tân Đơng Hiệp, huyện Dĩ An, Bình Dương Đá dăm đa số có dạng khối cầu, hạt dẹt góc cạnh Cỡ hạt đá lớn Dmax = 20 mm, khối lượng riêng 2700 kg/cm3, khối lượng thể tích 1510kg/cm3 Thành phần hoá học SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO MKN (*) % khối lượng 55.26 16.58 12.31 5.25 4.25 2.1.5 Đá (*): Mất nung 2.1.3 Dung dịch hoạt hóa Dung dịch hoạt hóa Alkali kết hợp Sodium Hydroxyde (NaOH) Sodium Silicate (Na2SiO3) Dung dịch sodium hydroxide pha chế từ tinh thể rắn với độ tinh khiết 90%, khối lượng riêng 2130 56 ĐC-1 ĐC-2 ĐC-3 1410 1410 1410 352.5 352.5 352.5 345 345 345 96 96 96 12 16 145 145 145 2.3 Phương pháp thí nghiệm 2.3.1 Nhào trộn đúc mẫu Đối với cấp phối dưỡng hộ thường, thành phần nguyên liệu sau định lượng nhào trộn khoảng phút tạo thành hỗn hợp khô Hỗn hợp dung dịch sodium hydroxide, sodium silicate nước chuẩn bị trước đổ vào hỗn hợp khơ bắt đầu q trình phút Hỗn hợp bê tơng tạo mẫu theo tiêu chuẩn ASTM C780 Hình Biểu đồ thành phần hạt đá 2.3.2 Phương pháp thí nghiệm Các mẫu sau dưỡng hộ nhiệt đặt tĩnh định, bắt đầu thí nghiệm xác định tiêu lý Các mẫu bê tơng Geopolymer hình trụ 100x200 mm đem cân xác định khối lượng sau đem nén lấy giá trị cường độ chịu nén đem thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo gián tiếp phương pháp ép chẻ Đối với mẫu dầm bê tơng kích thước 150x150x600 mm đem uốn xác định cường độ chịu kéo uốn 2.2 Cấp phối Thành phần cấp phối bê tông Geopolymer sử dụng xỉ mịn nhào trộn theo tỷ lệ Bột xỉ/Tro bay 0.6, 1, 1.5 Nồng độ dung dịch Sodium Hydroxide thay đổi 8mol/l, 12mol/l 16mol/l Ngoài cấp phối thay đổi thời gian dưỡng hộ nhiệt – -10 để theo dõi thay đổi cường độ bê tơng Geopolymer xỉ mịn Ngồi cịn đúc cấp phối bê tơng Geopolymer khơng dùng xỉ mịn để đối chứng KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch Sodium Hydroxide, tỷ lệ Xỉ/Tro thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ chịu nén bê tông Geopolymer xỉ mịn Bảng 4.Thành phần cấp phối Bột Xỉ/Tro CP Đá Cát Xỉ 01-1 01-2 01-3 02-1 02-2 02-3 03-1 03-2 03-3 1410 1410 1410 1410 1410 1410 1410 1410 1410 352,5 352,5 352,5 352,5 352,5 352,5 352,5 352,5 352,5 172 172 172 207 207 207 138 138 138 Tro bay 172 172 172 138 138 138 207 207 207 Sodium hydroxide Na2SO3 NaOH Mol 96 96 96 96 96 96 96 96 96 12 16 12 16 12 16 145 145 145 145 145 145 145 145 145 57 Hình Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt tỷ lệ xỉ/tro đến cường độ chịu nén bê tông Geopolymer xỉ mịn nồng độ dung dịch NaOH Mol Hình Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt tỷ lệ xỉ/tro đến cường độ chịu nén bê tông Geopolymer xỉ mịn cấp phối 01 03 theo loại nồng độ NaOH Hình Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt tỷ lệ xỉ/tro đến cường độ chịu nén bê tông Geopolymer xỉ mịn nồng độ dung dịch NaOH 12 Mol Kết thí nghiệm cho thấy dùng xỉ mịn thay phần tro bay bê tơng geopolymer tính chất cường độ chịu nén tăng theo thời gian dưỡng hộ nhiệt giống bê tơng Geopolymer tro bay thơng thường Cấp phối có nồng độ dung dịch sodium hydroxide cao cường độ chịu nén cao Khi tăng nồng độ dung dịch sodium hydroxide từ 8M đến 12M 16M cường độ chịu nén tăng theo thời gian dưỡng hộ nhiệt khoảng từ đến Riêng khoảng thời gian từ đến 10 có cấp phối đối chứng ĐC khơng sử dụng xỉ tiếp tục tăng cường độ chịu nén Hình Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt tỷ lệ xỉ/tro đến cường độ chịu nén bê tông Geopolymer xỉ mịn nồng độ dung dịch NaOH 16 Mol Tỷ lệ Xỉ/Tro ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ chịu nén mẫu bê tông Khi tăng hàm lượng xỉ thép có cấp phối cường độ chịu nén có xu hướng giảm Tuy nhiên, hàm lượng xỉ mịn chiếm từ 40% đến 50% cường độ chịu nén mẫu có giảm không chênh lệch nhiều Khi hàm lượng xỉ thép thay tro bay nhiều 50% cường độ chịu nén cấp phối có xu hướng 58 giảm mạnh Xỉ thép thay tro bay sử dụng đề tài sàng qua mắt sàng 0.15 mm kích thước hạt lớn tro bay (1µm đến 20µm) Chính khả phản ứng xỉ thép q trình kiềm hoạt hóa vật liệu alumino-silicate thấp so với tro bay Các hạt tro bay có kích thước nhỏ nên dễ dàng tham gia vào phản ứng phân hủy nguyên liệu dạng cấu trúc ổn định thấp phản ứng nội Xét thành phần hóa học xỉ thép có hàm lượng SiO2 (23.11%) Al2O3 (12.52%) thấp tro bay (SiO2 55.26% Al2O3 16.58%) Tro bay cung cấp hàm lượng đáng kể Silic Al trình bẻ gãy liên kết cộng hóa trị Si-O-Si Al-O-Si nồng độ pH dung dịch kiềm tăng cao Những nguyên tố chuyển sang hệ keo, xảy tích tụ sản phẩm bị phá hủy phản ứng nội chúng Từ tạo cấu trúc ổn định thấp cuối trình tạo nên cấu trúc đơng đặc hình thành cường độ tốt [2] Xỉ thép có kích thước lớn hàm lượng nguyên tố Si, Al thấp tro bay nên khơng thể giúp q trình geopolymer hóa diễn mạnh mẽ, khiến vật liệu phát triển cường độ chịu nén cao dưỡng hộ nhiệt Đề tài sử dụng bê tơng Geopolymer xỉ mịn có cường độ tương đương với bê tông xi măng mác 200 250 dùng phổ biến ngồi cơng trường Trong đề tài đề xuất điều kiện dưỡng hộ cho bê tông geopolymer xỉ mịn 1000C giờ, với tỷ lệ Xỉ/Tro 0.67 3.2 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch Sodium Hydroxide, tỷ lệ Xỉ/Tro thời gian dưỡng hộ nhiệt đến khối lượng thể tích bê tơng Geopolymer xỉ mịn Hình Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến khối lượng thể tích bê tơng Geopolymer xỉ mịn nồng độ NaOH Mol Khi tăng thời gian dưỡng hộ nhiệt phản ứng trùng ngưng q trình Geopolymer hóa xảy triệt để Bên cạnh đó, lượng nước bê tơng thoát nhiều hơn, làm cho mẫu đặc đạt cường độ chịu nén cao Tuy nhiên, cường độ chịu nén tăng nhanh thời gian đầu dưỡng hộ tăng chậm dần theo thời gian dưỡng hộ nhiệt Tính chất giống với tính chất bê tơng geopolymer tro bay [5][6] Tất mẫu bê tông geopolymer xỉ mịn đạt cường độ Hình Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến khối lượng thể tích bê tông Geopolymer xỉ mịn nồng độ NaOH 12 Mol 59 Ảnh hưởng tỷ lệ Xỉ/Tro thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ chịu uốn bê tông Geopolymer xỉ mịn Đề tài sử dụng cấp phối 01-2, 03-2 ĐC2 để đúc mẫu dầm bê tơng kích thước 150×150×600 mm với điều kiện dưỡng hộ nhiệt 10 nhiệt độ 1000C 3.3 Hình Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến khối lượng thể tích bê tơng Geopolymer xỉ mịn nồng độ NaOH 16 Mol Khối lượng thể tích tất cấp phối bê tơng giảm mạnh khoảng thời gian dưỡng hộ nhiệt từ đến dần ổn định khoảng đến 10 Bên cạnh đó, giảm nồng độ dung dịch sodium hydroxide cấp phối làm giảm khối lượng thể tích cấp phối Các cấp phối có nồng độ dung dịch NaOH 8M ln có khối lượng thể tích thấp cấp phối có nồng độ dung dịch NaOH 12M 16M Ở dưỡng hộ nhiệt, cấp phối 03-2, 03-3 có nồng độ dung dịch NaOH 12M 16M có khối lượng thể tích cao 0.538 % 1.082 % so với cấp phối 03-1 có nồng độ NaOH 8M Ở 10 dưỡng hộ nhiệt có kết tương tự Hình 10 Cường độ chịu uốn bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt Khi dùng xỉ mịn thay phần tro bay bê tơng geopolymer tính chất cường độ chịu uốn tăng theo thời gian dưỡng hộ nhiệt, giống bê tông Geopolymer tro bay thông thường Cường độ chịu uốn cấp phối tăng theo thời gian dưỡng hộ nhiệt khoảng từ đến 10 Cấp phối 03-2 có mức tăng cường độ chịu uốn thấp 6.542% từ 11.109 MPa đến 11.887 MPa, cấp phối ĐC-2 có mức tăng cao 20% từ 9.922 MPa đến 12.403 MPa Lượng nước thoát theo thời gian dưỡng hộ nhiệt làm cho khối lượng mẫu bê tông geopolymer xỉ mịn giảm, dẫn đến khối lượng thể tích giảm theo Với dung dịch NaOH nồng độ thấp chứa lượng nước hịa tan nhiều so với dung dịch NaOH nồng độ cao; mà lượng nước nhiều nên khối lượng thể tích thấp theo thời gian dưỡng hộ nhiệt Tỷ lệ Xỉ/Tro ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ chịu uốn mẫu bê tông Khi tăng hàm lượng xỉ thép có cấp phối cường độ chịu nén có xu hướng giảm Tuy 60 nhiên, hàm lượng xỉ mịn chiếm từ 40% đến 50% cường độ chịu uốn mẫu có giảm không chênh lệch nhiều Khi hàm lượng xỉ thép thay tro bay nhiều 50% cường độ chịu uốn cấp phối có xu hướng giảm mạnh 3.4 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch Sodium Hydroxide, tỷ lệ Xỉ/Tro thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ chịu kéo gián tiếp bê tông Geopolymer xỉ mịn Hình 13 Cường độ chịu kéo gián tiếp bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt nồng độ NaOH 16 Mol Hình 11 Cường độ chịu kéo gián tiếp bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt nồng độ NaOH Mol Hình 14 Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt tỷ lệ xỉ/tro đến cường độ chịu kéo gián tiếp bê tông Geopolymer xỉ mịn cấp phối 01 03 theo loại nồng độ NaOH Khi dùng xỉ mịn thay phần tro bay bê tơng geopolymer tính chất cường độ chịu kéo tăng theo thời gian dưỡng hộ nhiệt giống bê tông Geopolymer tro bay thông thường Cấp phối có nồng độ dung dịch sodium hydroxide cao cường độ chịu kéo cao Khi tăng nồng độ dung dịch sodium hydroxide từ 8M đến 12M 16M cường độ chịu kéo tăng Hình 12 Cường độ chịu kéo gián tiếp bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt nồng độ NaOH 12 Mol 61 theo thời gian dưỡng hộ nhiệt khoảng từ đến Trong cường độ chịu kéo tất cấp phối ổn định Từ kết nghiên cứu rút nhận xét kết luận sau: Cường độ chịu nén bê tông geopolymer xỉ mịn đề tài không cao so với vữa geopolymer sử dụng tro bay khiết loại xỉ thép có hàm lượng vơi cao, có làm ảnh hưởng đến cường độ không tạo chênh lệch nhiều Trong khoảng thời gian dưỡng hộ nhiệt từ đến giờ, tất cấp phối có mức phát triển cường độ tương tự nhau, mức chênh lệch không lớn Điển hình cấp phối 01 03 khác tỷ lệ Xỉ/Tro 0.67 lại tương đương mức tăng cường độ chịu nén Tuy nhiên, cấp phối 02-1, 02-2 02-3 không đạt giá trị cường độ chịu kéo sau dưỡng hộ Khi tiếp tục dưỡng hộ nhiệt đến 10 tất cấp phối lại tăng chậm dần Cường độ chịu nén cao đạt 5.646 MPa, tăng 132% cấp phối ĐC-3, mức tăng cường độ nhiều 175% từ 1.202 MPa đến 3.305 MPa cấp phối 01-1 Các kết cho thấy cường độ chịu uốn bê tông Geopolymer xỉ mịn tăng mạnh theo thời gian dưỡng hộ nhiệt từ đến Khi dùng xỉ mịn thay phần tro bay bê tông geopolymer tính chất cường độ chịu nén tăng theo thời gian dưỡng hộ nhiệt giống bê tông Geopolymer tro bay thơng thường Cấp phối có nồng độ dung dịch sodium hydroxide cao cường độ chịu nén cao Khi tăng nồng độ dung dịch sodium hydroxide từ 8M đến 12M 16M cường độ chịu nén tăng theo thời gian dưỡng hộ nhiệt khoảng từ đến Riêng khoảng thời gian từ đến 10 có cấp phối đối chứng ĐC không sử dụng xỉ tiếp tục tăng cường độ chịu nén Khi tăng thời gian dưỡng hộ nhiệt phản ứng trùng ngưng q trình Geopolymer hóa xảy triệt để Bên cạnh đó, lượng nước bê tơng thoát nhiều hơn, làm cho mẫu đặc đạt cường độ chịu nén cao Tuy nhiên, cường độ chịu nén tăng nhanh thời gian đầu dưỡng hộ tăng chậm dần theo thời gian dưỡng hộ nhiệt Xỉ thép thay tro bay sử dụng đề tài sàng qua mắt sàng 0.15 mm kích thước hạt lớn tro bay (1µm đến 20µm) Chính khả phản ứng xỉ thép q trình kiềm hoạt hóa vật liệu alumino-silicate thấp so với tro bay Các hạt tro bay có kích thước nhỏ nên dễ dàng tham gia vào phản ứng phân hủy nguyên liệu dạng cấu trúc ổn định thấp phản ứng nội Xét thành phần hóa học xỉ thép có hàm lượng SiO2 (23.11%) Al2O3 (12.52%) thấp tro bay (SiO2 55.26% Al2O3 16.58%) Tro bay cung cấp hàm lượng đáng kể Silic Al trình bẻ gãy liên kết cộng hóa trị Si-O-Si Al-O-Si nồng độ pH KẾT LUẬN Đề tài sử dụng nguồn nguyên vật liệu phụ phẩm, phế phẩm từ ngành công nghiệp khác xỉ thép, tro bay công nghệ geopolymer để sản suất bê tơng geopolymer nhằm hồn thiện làm phong phú chủng loại bê tông 62 dung dịch kiềm tăng cao Những nguyên tố chuyển sang hệ keo, xảy tích tụ sản phẩm bị phá hủy phản ứng nội chúng Từ tạo cấu trúc ổn định thấp cuối trình tạo nên cấu trúc đơng đặc hình thành cường độ tốt [2] Xỉ thép có kích thước lớn hàm lượng nguyên tố Si, Al thấp tro bay nên khơng thể giúp q trình geopolymer hóa diễn mạnh mẽ, khiến vật liệu phát triển cường độ [3] Hardjito, Djwantoro, 2005, Studies of fly ash-based geopolymer concrete Ph.D.Curtin University of Technology, Dept of Civil Engineering Khi tăng thời gian dưỡng hộ nhiệt phản ứng trùng ngưng q trình Geopolymer hóa xảy triệt để Bên cạnh đó, lượng nước bê tơng nhiều hơn, làm cho mẫu đặc đạt cường độ chịu nén cao Tuy nhiên, cường độ chịu nén tăng nhanh thời gian đầu dưỡng hộ tăng chậm dần theo thời gian dưỡng hộ nhiệt Tính chất giống với tính chất bê tơng geopolymer tro bay [5][6] Tất mẫu bê tông geopolymer xỉ mịn đạt cường độ chịu nén cao dưỡng hộ nhiệt Đề tài sử dụng bê tông Geopolymer xỉ mịn có cường độ tương đương với bê tơng xi măng mác 200 250 dùng phổ biến ngồi cơng trường Trong đề tài đề xuất điều kiện dưỡng hộ cho bê tông geopolymer xỉ mịn 1000C giờ, với tỷ lệ Xỉ/Tro 0.67 [6] B.Vijaya Rangan, 2014, Geopolymer concrete for environment protection [4] Mustafa, 2012, The Processing, Characterization, and Properties of fly ashes based on Geopolymer concrete [5] L.Krishnan S.Karthikeyan, S.Nathiya, K.Suganya, 2014 Geopolymer concrete an eco-friendly construction material [7] A.M.Mustafa Al Bakri, Mechanism and Chemical Rection of Fly Ash Geopolymer cement [8] Shuguang Hu, Hongxi Wang, 2008, Bonding and abrasion resistance of Geopolymer repair material made with steel slag [9] Ryno Barnard, 2014, Mechanical properties of fly ash/slag based Geopolymet concrete with the addition of macro fibers [10] Abdel-Ghani, 2016, Geopolymer synthesis by the alkali-activation of blastfurnace steel slag and its fire-resistance [11] Omar, Heniegal, 2015, Effect of Local Steel Slag as a Coarse Aggregate on Properties of Fly Ash Based-Geopolymer Concrete TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bài viết Năng lượng tái tạo, Wikipedia, Bách Khoa Toàn Thư [12] Tống Tôn Kiên, Phạm Thị Vinh Lanh, Lê Trung Thành, Bê tơng Geopolymer thành tựu, tính chất ứng dụng [2] J.Davidovits, 1991, Geopolymers – Inorganic polymeric new materials, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry [13] Nguyễn Văn Dũng, 2014, Nghiên cứu chế tạo bê tông Geopolymer từ tro bay, tạp chí khoa học cơng nghệ Đà Nẵng 63 [14] Phan Đức Hùng, Lê Anh Tuấn, 2015, Ảnh hưởng nhiệt độ cao đến cường độ vữa Geopolymer [15] Kiều Đỗ Trung Kiên, 2016, Chế tạo gạch không nung từ Xỉ thép sở Geopolymer hóa [16] Nguyễn Quốc Hiển, 2015, Ứng dụng Xỉ thép lĩnh vực cơng trình xây dựng [17] Trần Hữu Bằng (2011), Nghiên cứu sử dụng phụ gia khoáng xỉ thép bê tông xi măng, Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật, Trường Đại học GTVT [18] Nguyễn Văn Du (2013), Nghiên cứu việc sử dụng xỉ thép sản xuất bê tơng nhựa nóng để làm đường ô tô giới khả áp dụng làm mặt đường tơ khu vực phía Nam, Trường Đại học GTVT Danh mục tiêu chuẩn tham khảo Tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 Cốt liệu cho bê tông vữa – yêu cầu kỹ thuật Tiêu chuẩn TCVN 8262:2009 Tro bay – phương pháp phân tích hóa học Tiêu chuẩn TCVN 10302:2014 Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây xi măng 64 S K L 0 ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ MINH DƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA TRO BAY VÀ BỘT XỈ THÉP ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER. .. nghiên cứu cho thấy, bê tơng nhựa cốt liệu xỉ thép có khả kháng lún vệt bánh xe tốt 1.3 Vị trí đề tài nghiên cứu Nội dung đề tài ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng tro bay bột xỉ thép đến tính chất lý bê tơng Geopolymer? ??... tài ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng tro bay bột xỉ thép đến tính chất lý bê tơng Geopolymer? ?? trình bày rõ khả ứng dụng loại phế phẩm công nghiệp q trình chế tạo bê tơng Geopolymer Hình 1.4 Bê tơng Geopolymer