Ảnh hưởng của sợi gia cường đến tính chất và khả năng chống nứt của vữa geopolymer

TĨM TẮT Nhằm hạn chế lượng khí thải CO2 từ ngành công nghiệp sản xuất sản xuất xi măng, đồng thời tận dụng nguồn phế phẩm tro bay thu từ nhà máy nhiệt điện, công nghệ geopolymer áp dụng để chế tạo vữa Geopolymer thân thiện với mơi trường Ngồi ra, sợi thủy tinh thêm vào vữa geopolymer để cải thiện khả chịu uốn, chống nứt,… Kết thực nghiệm trình bày nghiên cứu chothấy ảnh hưởng sợi thủy tinh đến cườngđộ chịu nén, uốn khả chống nứt vữa geopolymer Tuy nhiên, hàm lượng, kích thước sợi cần chọn lựa cách hợp lý đáp ứng yêu cầu thiết kế hiệu kinh tế v ABSTRACT In order to limit the emissions of CO2 from cement industrialproductions, as well utilizing the by-products like fly ash obtained from thermalpower plants, geopolymer technology can be applied to manufactureenvironmentally friendly geopolymer motar In addition, the fibers glass were added to geopolymer mortar to improve the bending resistance, resists cracking, The experimental results presented in the paper show the influence of the length and content of glass fibers to mechanical strength and flexural strength of geopolymer mortar However, the size of the yarn should be chosen in a reasonable manner meet the design requirements and economic efficiency vi MỤC LỤC TRANG TỰA TRANG QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ii LÝ LỊCH KHOA HỌC iii LỜI CAM ĐOAN iv LỜI CẢM ƠN v TÓM TẮT vi ABSTRACT vii MỤC LỤC viii DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT .x DANH MỤC HÌNH ẢNH xi DANH MỤC BẢNG BIỂU xii Chương TỔNG QUAN 12 1.1 Tính chất cấp thiết đề tài nghiên cứu 12 1.1.1 Vấn đề môi trường .12 1.1.2 Vấn đề vật liệu xây dựng tương lai 13 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 15 1.2.1 Những nghiên cứu nước .15 1.2.2 Những nghiên cứu nước .16 1.2.3 Nhận xét đề tài .17 1.3 Mục đích nghiên cứu 18 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu .18 1.5 Phương pháp nghiên cứu .19 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20 2.1 Công nghệ Geopolymer 20 2.1.1 Lịch sử đời chất kết dính Geopolymer .20 2.1.2 Thành phần công thức hóa học 23 2.1.3 Cơ chế phản ứng 25 vii 2.1.4 Tro bay (Fly Ash) 28 2.1.5 Q trình kiềm hóa (Alkali Activation) 29 2.1.6 Dung dịch Sodium Hydroxyde (NaOH) 30 2.1.7 Dung dịch thủy tinh lỏng (Sodium Silicat) 30 2.2 Đặc điểm vật liệu Geopolymer .30 2.2.1 Vật liệu thân thiện với môi trường 31 2.2.2 Đa dạng ứng dụng thực tiễn 31 2.2.1 Độ bền khả chịu lực cao 31 2.2.2 Tận dụng phế thải công nghiệp 32 2.2.3 Nhược điểm 32 2.3 Tổng quan sợi thủy tinh 32 2.3.1 Đặc tính sợi thủy tinh .34 2.3.2 Công dụng sợi thủy tinh xây dựng 35 2.3.3 Nhược điểm sợi thủy tinh 36 Chương NGUYÊN VẬT LIỆU, PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 37 3.1 Nguyên vật liệu .37 3.1.1 Chuẩn bị vật liệu .37 3.1.2 Chuẩn bị khuôn đúc mẫu .38 3.1.3 Cát .39 3.1.4 Tro bay .42 3.1.5 Dung dịch NaOH .44 3.1.6 Dung dịch thủy tinh lỏng 45 3.1.7 Sợi thủy tinh 45 3.2 Cấp phối 46 3.3 Phương pháp thí nghiệm .48 3.3.1 Cân đo nguyên vật liệu 48 3.3.2 Nhào trộn đúc mẫu 48 3.3.3 Dưỡng hộ mẫu 49 3.4 Xác định cường độ mẫu vữa 50 viii 3.4.1Thử uốn mẫu 51 3.4.2 Thử nén mẫu 53 3.5 Xử lý kết thí nghiệm .53 3.5.1Cường độ uốn 53 3.5.2 Cường độ nén 54 Chương KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 55 4.1 Ảnh hưởng tỷ lệ sợi thủy tinh kích thước sợi đến cường độ chịu nén vữa Geopolymer 55 4.2 Ảnh hưởng tỷ lệ sợi thủy tinh kích thước sợi đến cường độ chịu uốn vữa Geopolymer 66 4.3 Ứng xử nứt uốn 79 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 87 5.1 Kết luận 87 5.1 Hướng phát triển đề tài 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 ix DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT PCM Portland cement mortar OPC Ordinary portland cement GPM Geopolymer Mortar TLPTKL Tỷ lệ phần trăm khối lượng SEM Scanning electron microscope x DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Việc tận thu khiến tài nguyên ngày cạn kiệt 12 Hình 1.2 Nhà máy sản xuất xi măng gây nhiễm mơi trường 13 Hình 1.3 Mẫu vữa Geopolymer 14 Hình 2.1 Tinh thể Geopolymer 20 Hình 2.1 Cấu trúc poly(sialates) theo Davidovist 23 Hình 2.2 Metakaolin(a) tro bay(b) với NaOH 8M 25 Hình 2.3 Sự hoạt hóa vật liệu alumo-silicat 26 Hình 2.4 Mơ tả phản ứng tro bay dung dịch kiềm 27 Hình 2.5 Cấu trúc SEM vi hạt tro bay 28 Hình 2.7 Sợi thủy tinh 34 Hình 3.1 Khn đúc mẫu vữa 39 Hình 3.2 Cát vàng thí nghiệm 39 Hình 3.3Tro bay 42 Hình 3.4 Sợi thủy tinh 46 Hình 3.5 Máy trộn vữa 49 Hình 3.6 Tủ sấy 50 Hình 3.7 Thí nghiệm nén mẫu vữa 51 Hình 3.8 Sơ đồ ngun lý thí nghiệm cường độ uốn 52 Hình 3.9 Khn thí nghiệm uốn mẫu vữa 52 Hình 3.10 Khn thí nghiệm nén mẫu vữa 53 Hình 4.1 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sợi thủy tinh 50mm theo tỷ lệ khối lượng sợi 56 Hình 4.2 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sợi thủy tinh 30 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi 57 Hình 4.3 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sợi thủy tinh 15 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi 58 Hình 4.4 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sử dụng tỷ lệ 0,2% khối lượng sợi thủy tinh theo loại kích thước sợi 60 xi Hình 4.5 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sử dụng tỷ lệ 0,4% khối lượng sợi thủy tinh theo loại kích thước sợi 61 Hình 4.6 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sử dụng sợi thủy tinh kích thước 50 mm theo loại tỷ lệ phần trăm khối lượng sợi 62 Hình 4.7 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sử dụng sợi thủy tinh kích thước 30 mm theo loại tỷ lệ phần trăm khối lượng sợi 63 Hình 4.8 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sử dụng sợi thủy tinh kích thước 30 mm theo loại tỷ lệ phần trăm khối lượng sợi 64 Hình 4.9 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sợi thủy tinh 50mm theo tỷ lệ khối lượng sợi 67 Hình 4.10 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sợi thủy tinh 30 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi 68 Hình 4.11 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sợi thủy tinh 15 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi 69 Hình 4.12 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sử dụng tỷ lệ 0,2% khối lượng sợi thủy tinh theo loại kích thước sợi 71 Hình 4.13Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sử dụng tỷ lệ 0,4% khối lượng sợi thủy tinh theo loại kích thước sợi 72 Hình 4.14 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sử dụng sợi thủy tinh kích thước 50 mm theo loại tỷ lệ phần trăm khối lượng sợi 74 Hình 4.15 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sử dụng sợi thủy tinh kích thước 30 mm theo loại tỷ lệ phần trăm khối lượng sợi 75 Hình 4.16 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sử dụng sợi thủy tinh kích thước 30 mm theo loại tỷ lệ phần trăm khối lượng sợi 76 Hình 4.17 Biểu đồ mối quan hệ cường độ chịu nén chịu uốn GPM 78 Hình 4.18 Thí nghiệm uốn mẫu vữa 78 Hình 4.19 Mẫu vữa bị nứt gãy uốn 80 xii Hình 4.20 Biểu đồ tương quan lực gây nứt chuyển vị uốn 81 Hình 4.21 Biểu đồ lực gây nứt cấp phối vữa Geopolymer sử dụng sợi thủy tinh kích thước 50 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi 82 Hình 4.22 Biểu đồ lực gây nứt cấp phối vữa Geopolymer sử dụng sợi thủy tinh kích thước 30 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi 82 Hình 4.23 Biểu đồ lực gây nứt cấp phối vữa Geopolymer sử dụng sợi thủ3 tinh kích thước 15 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi 83 Hình 4.24 Biểu đồ ảnh hưởng chiều dài sợi đến lực gây nứt vữa 84 Hình 4.25 Hình ảnh SEM mẫu vữa Geopolymer hàm lượng sợi nhiều 85 Hình 4.26 Hình ảnh SEM mẫu vữa Geopolymer sau thí nghiệm uốn 85 Hình 4.27 Hình ảnh SEM mẫu vữa Geopolymer có sử dụng sợi khơng sử dụng sợi theo Rui M Novais mẫu thực tế thí nghiệm 86 xiii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Các tiêu cát theo mức nhóm cắt 40 Bảng 3.2 Đặc tính cát dùng cho vữa xây dựng 40 Bảng 3.3 Thành phần hạt cát 41 Bảng 3.4 Hàm lượng tạp chất cát 41 Bảng 3.5 Hàm lượng ion CL- cát 41 Bảng 3.6 Phân loại tro (TCVN 10302 – 2014) 42 Bảng 3.7 Tỉ lệ thành phần tro bay 43 Bảng 3.8 Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông vữa 43 Bảng 3.9 Tỉ lệ thành phần dung dịch thủy tinh lỏng 45 Bảng 3.10 Tỷ lệ phối trộn cho 1m3 vữa Geopolymer 46 Bảng 3.1 Tỷ lệ phối trộn cho 1m3 vữa xi măng 47 Bảng 4.1 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sợi thủy tinh 50mm theo tỷ lệ khối lượng sợi 55 Bảng 4.2 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sợi thủy tinh 30 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi 56 Bảng 4.3 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sợi thủy tinh 15 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi 58 Bảng 4.4 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sử dụng tỷ lệ 0,2% khối lượng sợi thủy tinh theo loại kích thước sợi 59 Bảng 4.5 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sử dụng tỷ lệ 0,4% khối lượng sợi thủy tinh theo loại kích thước sợi 60 Bảng 4.6 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sử dụng sợi thủy tinh kích thước 50 mm theo loại tỷ lệ phần tram khối lượng sợi 61 Bảng 4.7 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sử dụng sợi thủy tinh kích thước 30 mm theo loại tỷ lệ phần tram khối lượng sợi 62 Bảng 4.8 Cường độ chịu nén cấp phối vữa Geopolymer xi măng sử dụng sợi thủy tinh kích thước 30 mm theo loại tỷ lệ phần tram khối lượng sợi 64 xiv Do loại sợi vơ sử dụng, có độ mềm dẻo cao, nên q trình đơng rắn sợi bị xoắn lại, xếp ngẫu nhiên với mật độ cao, cản trở bay bọt khí, làm lượng bọt khí ngưng tụ bề mặt sợi hay khơng khỏi hỗn hợp vữa Điều phù hợp với nghiên cứu Rui M Novais [20] Hình 4.27 kết từ nghiên cứu từ tác giả a) Mẫu vữa không sử dụng sợi b) Mẫu vữa có hàm lượng sợi hợp lý c) Mẫu vữa có hàm lượng sợi nhiều d) Bề mặt mẫu thực tế Hình 4.27 Hình ảnh SEM mẫu vữa Geopolymer có sử dụng sợi khơng sử dụng sợi theo Rui M Novais [20] mẫu thực tế thí nghiệm 85 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận Đề tài sử dụng sợi thủy tinh thêm vào thành phần cấp phối nhằm mục đích tăng cường tính chất lý cấp phối vữa Geopolymer, từ đưa đánh giá thay đổi cường độ chịu nén, uốn khả chống nứt thay đổi hàm lượng kích thước sợi thủy tinh Từ kết nghiên cứu rút nhận xét kết luận sau: Vữa Geopolymer vữa xi măng có cường độ chịu uốn khả chống nứt tăng mạnh sử dụng sợi thủy tinh có kích thước 15 mm hàm lượng 0,4% với mức tăng so với khơng có sợi 32,8% Cường độ chịu uốn khả chống nứt cấp phối vữa sử dụng sợi thủy tinh có thay đổi ta thay đổi chiều dài cấp phối vữa, cường độ chịu uốn khả chống nứt đạt cao TLPTKL 0,4% Phá hoại uốn vữa geopolymer (có khơng có gia cường sợi) phá hoại giịn, lực gây nứt tăng tuyến tính giai đoạn đàn hồi Vữa xi măng cho kết ứng xử tương tự Vữa gia cường sợi có độ cứng lớn giịn mẫu khơng gia cường sợi, lực gây nứt tăng từ 19% đến 27% Hàm lượng sợi 0,4% hàm lượng tối ưu cho vật liệu vữa geopolymer dùng thí nghiệm Cường độ chịu nén vữa ảnh hưởng đến khả chống nứt chịu uốn củavữa geopolymer, cường độ chịu nén vữa cao, khả chống nứt lớn 86 Sợi thủy tinh dài 15 mm kích thước tối ưu để mẫu vữa geopolymer đạt khả chống nứt khả chịu uốn lớn 5.2 Hướng phát triển đề tài Để hoàn thiện khả ứng dụng sợi thủy tinh cho cấp phối vữa Geopolymer, ta nghiên cứu lý thuyết thực hành thí nghiệm với đề xuất sau: - Phối hợp đa dạng kích thước sợi cấp phối để đánh giá tiêu cường độ cho cấp phối vữa Geopolymer - Kết hợp sử dụng sợi thủy tinh với loại sợi khác để đánh giá khả làm việc phối hợp nhiều thành phần chủng loại sợi cấp phối - Nghiên cứu phát triển ứng dụng sợi thủy tinh dạng lưới vào cấp phối vữa Geopolymer - Nghiên cứu thay đổi cường độ cấp phối vữa Geopolymer thay đổi phương phân bố sợi thủy tinh bên vữa Geopolymer (dạng thẳng đứng dạng nằm ngang) - Nghiên cứu kết hợp sợi thủy tinh với thành phần phụ gia khoáng hóa chất (SilicaFume, phụ gia siêu dẻo,…) để chế tạo vữa Geopolymer cường độ cao 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tống Tôn Kiên, Phạm Thị Vinh Lanh, Lê Trung Thành, Bê tơng Geopolymer - thành tựu, tính chất ứng dụng [2] Phan Đức Hùng Lê Anh Tuấn,Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng sợi thép polypropylene cao đến cường độ bê tông Geopolymer, 2015 [3] Phan Đức Hùng Lê Anh Tuấn,Nghiên cứu ảnh hưởng tro trấu silicafume đến cường độ vữa Geopolymer, 2015 [4] Phan Đức Hùng Lê Anh Tuấn, Ứng xử bê tông Geopolymer tro bay sử dụng sợi Hook, 2015 [5] Phan Đức Hùng Lê Anh Tuấn, Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng sợi thép sợi polypropylene cao đến cường độ bê tông Geopolymer, 2015 [6] Lê Văn Tuấn, Phạm Xuân Anh Hiệu sử dụng cốt sợi thủy tinh polyme (gfrp) cho cơng trình xây dựng vùng biển, hải đảo Việt Nam Tạp chí Xây dựng, số 21, 2014 [7] Đỗ Đức Thắng Triển vọng ứng dụng cốt sợi thủy tinh gia cường Polymer thay cốt thép kết cấu bê tông cốt thép Việt Nam Tạp chí khoa học cơng nghệ xây dựng, số 14 2012 [8] L.Krishnan S.Karthikeyan, S.Nathiya, K.Suganya Geopolymer concrete an eco-friendly construction material, 2014 [9] A.M.Mustafa Al Bakri, H.Kamarudin, M.Bnhussain, I Khairul Nuzar, W.I.W Mastura Mechanism and chemical reaction of Fly ash Geopolymer cement, 2011 [10] N.A.Lloyd, B.V.Rangan Geopolymer Concrete with Fly Ash, 2010 [11] J Davidovits Geopolymers - Inorganic polymeric new materials, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 1991 [12] Zhang Zu-Hua et al Preparation and mechanical properties of polypropylene fiber reinforced calcined kaolin -fly ash based geopolymer, 2009 [13] Van Jaarsveld, Van Deventer and Lukey G.C The characterization of source materials in fly ash based geopolymers, 2002 88 [14] Thangaraj Sathanandam Experimental insight on the use of fly ash and glass fibre for making geopolymer concrete, 2017 [15] Van Jarsveld, van Deventer Lukey.The Effect of Composition and Temperature on the Properties of Fly Ash- and Kaolinite- Based Geopolymers, 2002 [16] Jang-Ho Jay Kim, Chan-Gi Park, Si-Won Lee, Jong-Pil Won.Effects of the geometry of recycled fiber reinforcement on shrinkage cracking of cement-based composites, 2008 [17] Marcus Menchawi, Ludvig Almgren Modeling of fiberglass reinforced epoxy composites in LS-DYNA 2014 [18] Lê Văn Tuấn, Phạm Xuân Anh Hiệu sử dụng cốt sợi thủy tinh polyme (gfrp) cho cơng trình xây dựng vùng biển, hải đảo Việt Nam Tạp chí Xây dựng, số 21, 2014 [19] Nguyễn Quang Phú Sử dụng cốt sợi thủy tinh để thiết kế bê tơng có cường độ kháng uốn cao ứng dụng cơng trình thủy lợi Khoa học kỹ thuật thủy lợi môi trường, số 54, 2016 [20] Rui M Novais, Effective mechanical reinforcement of inorganic polymers using glass fibre waste, Journal of Cleaner Production, 2017 89 Danh mục tiêu chuẩn tham khảo Tiêu chuẩn TCVN 3121:2003 Vữa xây dựng – phương pháp thử Tiêu chuẩn TCVN 9028:2011 Vữa cho bê tông nhẹ 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 90 Nghiên cứu ảnh hưởng sợi thủy tinh gia cường đến tính chất vữa geopolymer TS Phạm Đức Thiện1,* KS Lê Quốc Thái2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM – Khoa Xây Dựng Học viên cao học Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM *Email: phamducthien@hcmute.edu.vn TĨM TẮT Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng sợi thủy tinh gia cường đến tính chất vật liệu vữa xây dựng dùng chất kết dính geopolymer Hai cấp phối vữa geopolymer với hàm lượng chiều dài sợi khác thí nghiệm để xác định ảnh hưởng yếu tố đến cường độ chịu nén cường độ chịu uốn vữa geopolymer, đồng thời xác định hàm lượng chiều dài sợi hợp lý để vữa geopolymer đạt cường độ tốt Thực nghiệm đồng thời thực cho vữa xi măng gia cường sợi thủy tinh làm sở tham chiếu Từ khóa: vữa geopolymer, vữa xi măng, sợi thủy tinh, cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển ngành xây dựng, nhu cầu sử dụng xi măng không ngừng gia tăng, điều dẫn đến hậu lâu dài cạn kiệt nguồn tài nguyên (đá vôi, đất sét, nhiên liệu hóa thạch…) gây nhiễm mơi trường Bên cạnh gia tăng ngày nhiều nhà máy nhiệt điện thải môi trường lượng lớn tro bay cần xử lý Việc nghiên cứu sử dụng chất kết dính geopolymer gốc tro bay thay cho xi măng hướng phù hợp cấp thiết Nhiều tác giả ngồi nước có cơng trình nghiên cứu tính chất bê tơng vữa geopolymer [1-5] Vữa geopolymer có tính chất tương đồng với vữa xi măng truyền thống, là: cường độ chịu nén tốt, cường độ chịu kéo chịu uốn Để cải thiện khả chịu ứng suất kéo khả chịu uốn vữa bê tông (chủ yếu vữa bê tông xi măng) tác giả đề xuất dùng nhiều hình dạng sợi gia cường với nhiều chủng loại vật khác nhau: sợi thép, sợi PP, sợi PE,…[6-12] Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất sử dụng sợi thủy tinh để cải thiện tính chất lý vữa xây dựng dùng chất kết dính geopolymer gốc tro bay Sợi thủy tinh thương phẩm gia cơng thành kích thước chiều dài 15mm, 30mm 50mm Sợi phối trộn với vữa geopolymer với hàm lượng từ 0; 0.2; 0.4; 0.5 0.8% theo khối lượng Mẫu vữa sau đưa xác định cường độ chịu nén cường độ chịu uốn, từ đánh giá ảnh hưởng chiều dài hàm lượng sợi thủy tinh đến cường độ vữa Các thí nghiệm thực cho vữa xi măng gia cường sợi thủy tinh để so sánh phân tích NGUYÊN VẬT LIỆU 2.1 Cốt liệu 91 Cốt liệu nhỏ sử dụng mẫu vữa geopolymer cát sông đạt tiêu theo TCVN 7570:2006 Cát có khối lượng riêng 2.63 g/cm3 môđun độ lớn 1.6 mm Thành phần hạt cát trình bày Bảng Hình Bảng Thành phần hạt cát (trong 100 kg) Kích thước lỗ sàng vng (mm) Lượng sót sàng (kg) 4.75 0.78 2.36 3.3 1.18 18.75 0.6 38.04 0.3 77.74 0.15 97.44 Lượng sót tích lũy (%) 20 40 60 Thành phần hạt cát 80 Giới hạn thành phần hạt cát theo TCVN 7570:2006 100 Kích thước lỗ sàng (mm) Hình Biểu đồ thành phần hạt cát 2.2 Tro bay Tro bay loại F sử dụng có nguồn gốc từ nhà máy nhiệt điện, khối lượng riêng 2,5g/cm3, độ mịn 66 % lượng lọt qua sàng có cỡ sàng 0,05 mm Thành phần hóa học cho Bảng Bảng Thành phần hóa học tro bay Thành phần hoá học SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O + Na2O MgO SO3 MKN % khối lượng 51.7 31.9 3.48 1.21 1.02 0.81 0.25 9.63 MKN: nung 2.3 Dung dịch hoạt hóa Dung dịch hoạt hóa hay cịn gọi dung dịch alkaline kết hợp sodium hydroxide (NaOH) sodium silicate (Na2 SiO3 ) Dung dịch sodium hydroxide có độ tinh khiết 90% có khối lượng riêng 2130 kg/m3 Để tạo dung dịch sodium hydroxide, NaOH dạng vảy rắn hòa tan vào nước theo nồng độ 14 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 2.4 Sợi thủy tinh Sợi thủy tinh dùng loạt thí nghiệm sợi thủy tinh thương phẩm, có thơng số kỹ thuật: đường kính 17 µm, mật độ 2400 Tex, độ bền gãy: 0.4 N/Tex, độ bền kéo đứt: 1970 Mpa 92 a) b) Hình a) Tro bay, b) Sợi thủy tinh 2.5 Thành phần cấp phối vữa Thí nghiệm thực cho cấp phối vữa dùng chất kết dính geopolymer (G1 G2) cấp phối vữa dùng chất kết dính xi măng truyền thống (X1) làm sở tham chiếu Thành phần cấp phối vữa trình bày bảng 4, dung dịch NaOH sử dụng có nồng độ 14M, tỷ lệ khối lượng tro bay-dung dịch alkalin tỷ lệ Na2 SiO3⁄NaOH 1.2 Cấp phối vữa xi măng thiết kế với mục tiêu đạt cường độ chịu nén xấp xỉ cấp phối vữa geopolymer không gia cường sợi Hàm lượng sợi thủy tinh gia cường thay đổi từ 0% đến 0,8% khối lượng chiều dài sợi biến thiên khoảng từ 15 mm đến 50 mm để khảo sát ảnh hưởng yếu tố đến tính chất mẫu vữa Bảng tổng hợp thống kê mẫu vữa có khơng có gia cường sợi thực nghiệm Bảng Thành phần cấp phối vữa geopolymer vữa ximăng (1m3) Ký hiệu Cát (kg) Xi măng (kg) Tro bay (kg) Na2SiO3 (kg) NaOH 14M (kg) Tro bay Alkaline Na2 SiO3 NaOH G1 786 - 943 236 236 G2 786 - 943 257 214 1.2 X1 1260 410.04 - - - - - Bảng Hàm lượng sợi thủy tinh mẫu vữa geopolymer vữa ximăng Ký hiệu mẫu G1.L50.00 G1.L50.02 G1.L50.04 G1.L50.05 G1.L50.08 G1.L30.00 Chiều dài sợi (mm) 50 50 50 50 50 30 Hàm lượng sợi (%) 0.2 0.4 0.5 0.8 Ký hiệu mẫu G2.L50.00 G2.L50.02 G2.L50.04 G2.L50.05 G2.L50.08 G2.L30.00 Chiều dài sợi (mm) 50 50 50 50 50 30 93 Hàm lượng sợi (%) 0.2 0.4 0.5 0.8 Ký hiệu mẫu X1.L50.00 X1.L50.02 X1.L50.04 X1.L50.05 X1.L50.08 X1.L30.00 Chiều dài sợi (mm) 50 50 50 50 50 30 Hàm lượng sợi (%) 0.2 0.4 0.5 0.8 G1.L30.02 G1.L30.04 G1.L30.05 G1.L30.08 G1.L15.00 G1.L15.02 G1.L15.04 G1.L15.05 G1.L15.08 30 30 30 30 15 15 15 15 15 0.2 0.4 0.5 0.8 0.2 0.4 0.5 0.8 G2.L30.02 G2.L30.04 G2.L30.05 G2.L30.08 G2.L15.00 G2.L15.02 G2.L15.04 G2.L15.05 G2.L15.08 30 30 30 30 15 15 15 15 15 0.2 0.4 0.5 0.8 0.2 0.4 0.5 0.8 X1.L30.02 X1.L30.04 X1.L30.05 X1.L30.08 X1.L15.00 X1.L15.02 X1.L15.04 X1.L15.05 X1.L15.08 30 30 30 30 15 15 15 15 15 0.2 0.4 0.5 0.8 0.2 0.4 0.5 0.8 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Mẫu vữa gia cơng tạo hình theo kích thước chuẩn 40x40x160 mm Sau tạo hình, mẫu tĩnh định 24 nhiệt độ phịng 250C, sau mẫu dưỡng hộ nhiệt 1000C vòng để đẩy mạnh q trình polymer hóa phát triển cường độ Các thí nghiệm xác định cường độ thực mẫu vữa đạt ngày tuổi Cường độ mẫu vữa thí nghiệm thiết bị HUMBOLDT INTERNATIONAL mã hiệu HDR-2000, có khả gia tải đến KN, sai số đo nhỏ 2% tốc độ gia tải 10 N/s – 50 N/s (Hình 3a,b) Tốc độ gia tải loạt thí nghiệm cố định giá trị thấp 10 N/s để mô khả chịu tải trọng tĩnh vật liệu a) b) 94 c) d) Hình a) Thí nghiệm nén, b) Thí nghiệm uốn mẫu vữa, c) Mẫu vữa sau thí nghiệm uốn, d) Quan hệ lực nén uốn – chuyển vị nén uốn Cường độ chịu nén 𝑅𝑛 cường độ chịu uốn 𝑅𝑢 mẫu vữa xác đinh theo TCVN 3121:2003 với: 𝑃𝑛 𝑃𝑢 × 𝑙 ; 𝑅𝑢 = 1,5 𝐴 𝑏 × ℎ2 đó: 𝑃𝑛 lực nén phá huỷ mẫu (N), A diện tích tiết diện nén mẫu (mm2), 𝑃𝑢 lực uốn gãy mẫu (N), l khoảng cách hai gối uốn (10 mm), bxh chiều rộng chiều cao mẫu thử (40x40 mm) KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÌNH LUẬN 𝑅𝑛 = Hình 3d thể mối tương quan lực nén uốn chuyển vị nén uốn Lực nén uốn tăng tỷ lệ thuận với chuyển vị nén uốn, lực nén uốn sau đạt giá trị lớn (tải phá hoại) giảm đột ngột 0, điều chứng tỏ ứng xử mẫu vữa phá hoại giòn Dạng nứt gãy mẫu thí nghiệm Hình 3c lần minh chứng cho nhận định ứng xử phá hoại giòn vật liệu Khi gia cường sợi từ 0.2% đến 0.8%, tải trọng phá hoại uốn tăng từ 17.2% đến 32.6% độ võng uốn giảm từ 1.12 mm đến 1.7 mm; kết cho thấy mẫu vữa gia cường sợi thủy tinh có độ cứng lớn giịn mẫu vữa không gia cường sợi 4.1 Ảnh hưởng sợi thủy tinh đến cường độ chịu nén vữa Hình trình bày mối quan hệ cường độ chịu nén vữa hàm lượng sợi thủy tinh gia cường cho cấp phối vữa kích cỡ chiều dài sợi thủy tinh Kết thực nghiệm cho thấy gia cường sợi thủy tinh hàm lượng hợp lý làm tăng cường độ chịu nén mẫu vữa, vữa xi măng vữa geopolymer 95 a) b) c) d) Hình Quan hệ cường độ chịu nén – hàm lượng sợi thủy tinh với chiều dài sợi: a) 15mm, b) 30mm, c) 50mm, d) Quan hệ cường độ chịu nén – chiều dài sợi (hàm lượng 0.4%) Cường độ chịu nén mẫu vữa đạt giá trị lớn hàm lượng sợi tối ưu 0.4% Khi tăng hàm lượng sợi thủy tinh 0.4%, cường độ mẫu vữa có xu hướng giảm Khi hàm lượng sợi tăng đến 0.8%, cường độ chịu nén mẫu vữa tương đương, chí trường hợp khơng có gia cường sợi Cấp phối vữa G2 có cường độ chịu nén tốt khơng có gia cường sợi (30.98 MPa) có gia cường sợi (37.5 Mpa) Kết thực nghiệm cho thấy, sợi thủy tinh có chiều dài 30 mm làm gia tăng đáng kể cường độ chịu nén vữa geopolymer vữa xi măng, tăng đến 21% so với khơng có sợi (hình 4b) Đồ thị hình 4d cho thấy, với hàm lượng tối ưu 0.4%, sợi có chiều dài 30 mm làm cho tất cấp phối vữa đạt cường độ chịu nén lớn Cường độ chịu nén vữa xi măng tăng không đáng kể gia cường sợi thủy tinh chiều dài 15 mm 50 mm, mức tăng khoảng 2.4% đến 7.4% (hình 4a 4c) Sợi thủy tinh chiều dài 50 mm giúp gia tăng cường độ chịu nén vữa nhất, khoảng 7.8% (hình 4c) Khi tăng hàm lượng sợi 50 mm lên đến 0.8% cường độ chịu nén mẫu trường hợp khơng có sợi Hiện tượng giải thích chiều dài sợi lớn so với cốt liệu cần liên kết lớn kích thước mẫu, điều dẫn đến tượng uốn cong xoắn sợi mẫu vữa Hàm lượng sợi lớn dẫn đến tượng vón cục sợi mẫu vữa, tạo số lỗ rỗng hút nướt, làm liên tục mạch vữa, làm giảm độ đặc dẫn đến giảm cường độ chịu nén mẫu 96 4.2 Ảnh hưởng sợi thủy tinh đến cường độ chịu uốn vữa Mối tương quan cường độ chịu uốn vữa hàm lượng sợi thủy tinh thể đồ thị Hình 5a, b, c Hàm lượng sợi 0.4% lần xác định hàm lượng sợi tối ưu để tất cấp phối vữa đạt cường độ chịu uốn cao a) b) c) d) Hình Quan hệ cường độ chịu uốn – hàm lượng sợi thủy tinh với chiều dài sợi: a) 15mm, b) 30mm, c) 50mm, d) Quan hệ cường độ chịu uốn – chiều dài sợi (hàm lượng 0.4%) Cường độ chịu uốn tất cấp phối có xu hướng giảm tăng hàm lượng sợi từ 0.4% lên 0.8% Nhìn chung, vữa gia cường 0.8% sợi không cải thiện khả chịu uốn so với vữa không gia cường sợi Khi thay đổi hàm lượng sợi thủy tinh từ đến 0.4 %, cấp phối vữa geopolymer G2 trộn sợi 15mm cho độ nhạy cao nhất, cường độ chịu uốn tăng đến 58.8% (hình 5a); cấp phối vữa G1 gia cường sợi 50mm có gia tăng cường độ chịu uốn thấp nhất, 9% (hình 5c) Đồ thị hình 5d thể mối quan hệ cường độ chịu uốn mẫu vữa chiều dài sợi thủy tinh gia cường (ở hàm lượng tối ưu 0.4%) Kết thực nghiệm cho thấy mẫu vữa xi măng đạt cường độ chịu uốn lớn chiều dài sợi 30mm, kết tương đồng với kết quản thu từ thí nghiệm cường độ chịu nén Đối với cấp phối vữa geopolymer, cường độ chịu uốn liên tục giảm (khoảng 35% đến 41%) chiều dài sợi gia cường tăng từ 15 đến 50mm, chưa thể xác định chiều dài sợi để tối ưu cường độ chịu uốn vữa geopolymer 97 4.3 Quan hệ cường độ chịu uốn cường độ chịu nén vữa Các biểu đồ Hình thể mối tương quan cường độ chịu nén cường độ chịu uốn mẫu vữa geopolymer Thực nghiệm cho thấy, cường độ chịu uốn xem cách tương đối quan hệ tuyến tính với cường độ chịu nén (Hình 6a, b, c) a) b) c) d) Hình Quan hệ cường độ chịu nén – cường độ chọi uốn với chiều dài sợi: a) 15mm, b) 30mm, c) 50mm, d) Tổng hợp Vữa geopolymer gia cường sợi 15 mm có độ nhạy lớn phát triển cường độ chịu uốn nhanh tăng cường độ chịu nén Ngược lại vữa gia cường sợi 50 mm cho khả phát triển cường độ chịu uốn chậm tăng cường độ chịu nén Kết lần giải thích chiều dài sợi lớn hàm lượng sợi nhiều làm tăng lỗ rỗng, giảm đọ đặc liên tục mạch vữa từ làm giảm cường độ mẫu KẾT LUẬN Đề tài sử dụng sợi thủy tinh thêm vào thành phần cấp phối nhằm mục đích tăng cường tính chất lý cấp phối vữa geopolymer, từ đưa đánh giá thay đổi cường độ chịu nén cường độ chịu uốn vữa thay đổi hàm lượng kích thước sợi thủy tinh Từ kết nghiên cứu rút nhận xét kết luận sau:  Hàm lượng sợi thủy tinh 0.4% phù hợp để vữa geoplymer vữa xi măng đạt cường độ chịu uốn cường độ chịu nén lớn  Cả vữa xi măng vữa geopolymer đạt cường độ chịu nén tối ưu chiều dài sợi 30mm (ở hàm lượng 0.4%) 98    Vữa xi măng đạt cường độ chịu uốn tốt chiều dài sợi 30mm Có thể xem cường độ chịu uốn mẫu vữa có quan hệ tuyến tính với cường độ chịu nén Ứng xử uốn mẫu vữa phá hoại giòn, mẫu vữa gia cường sợi có độ cứng lớn giịn mẫu khơng gia cường Tài liệu tham khảo [1] L.Krishnan, S.Karthikeyan, S.Nathiya, K.Suganya Geopolymer concrete an eco-friendly construction material, International Journal of Research in Engineering and Technology, 3, (11), (2014), pp 164-167 [2] A.M.Mustafa Al Bakri, H.Kamarudin, M.Bnhussain, I Khairul Nuzar, W.I.W Mastura Mechanism and chemical reaction of Fly ash Geopolymer cement, Journal of Asian Scientific Research, 1, (5), (2011) [3] N.A.Lloyd, B.V.Rangan Geopolymer Concrete with Fly Ash, Second International Conference on Sustainable Construction Materials and Technologies, 3, (2010), pp 1493-1504 [4] Van Jaarsveld, Van Deventer and Lukey G.C The characterization of source materials in fly ash based geopolymers, Materials Letters, 57, (2002), pp 1272-1280 [5] Phan Đức Hùng Lê Anh Tuấn Nghiên cứu ảnh hưởng tro trấu silicafume đến cường độ vữa Geopolymer, Tạp chí Xây dựng, 7, (2015), pp 53-55 [6] Thangaraj Sathanandam Experimental insight on the use of fly ash and glass fibre for making geopolymer concrete, Sustainable Environment Research, 27, (3), (2017), pp 146-153 [7] Zhang Zu-Hua et al Preparation and mechanical properties of polypropylene fiber reinforced calcined kaolin -fly ash based geopolymer, Journal of Central South University of Technology, 16, (1), (2009), pp 49–52 [8] Jang-Ho Jay Kim, Chan-Gi Park, Si-Won Lee, Jong-Pil Won Effects of the geometry of recycled fiber reinforcement on shrinkage cracking of cement-based composites, Composites Part B: Engineering, 39, (3), (2008), pp 442-450 [9] Phan Đức Hùng, Lê Anh Tuấn Tính chất học bê tông geopolymer sử dụng tro bay gia cường sợi poly-propylene Tạp chí KHCN Xây dựng, (2016), pp 60-66 [10] Lê Văn Tuấn, Phạm Xuân Anh Hiệu sử dụng cốt sợi thủy tinh polyme (gfrp) cho cơng trình xây dựng vùng biển, hải đảo Việt Nam Tạp chí Xây dựng, số 21, (2014) [11] Đỗ Đức Thắng.Triển vọng ứng dụng cốt sợi thủy tinh gia cường Polymer thay cốt thép kết cấu bê tơng cốt thép Việt Nam Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng, số 14, (2012) [12] Nguyễn Quang Phú Sử dụng cốt sợi thủy tinh để thiết kế bê tơng có cường độ kháng uốn cao ứng dụng cơng trình thủy lợi Khoa học kỹ thuật thủy lợi môi trường, số 54, (2016) 99 ... 55 4.1 Ảnh hưởng tỷ lệ sợi thủy tinh kích thước sợi đến cường độ chịu nén vữa Geopolymer 55 4.2 Ảnh hưởng tỷ lệ sợi thủy tinh kích thước sợi đến cường độ chịu uốn vữa Geopolymer. .. dụng chất kết dính Geopolymer vào sản xuất vữa, có gia cường sợi thủy tinh để tăng khă chống nứt, đề tài có ý nghĩa thực tiễn lớn Mục tiêu đề tài nghiên cứuảnh hưởng sợi thủy tinh gia cường đến tính. .. lượng sợi Xác định đặc trưng lý vữa Geopolymer sử dụng sợi thủy tinh Xác định chênh lệch thay đổi cường độ chịu nén, uốn vữa thay đổi cấp phối Đánh giá ảnh hưởng sợi gia cường đến khả chống nứt vữa