TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Trong bối cảnh xã hội ngày nay, vấn đề môi trường đang đối mặt với nhiều thách thức nghiêm trọng như sự ấm lên toàn cầu, biến đổi khí hậu cực đoan và ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ở các nước đang phát triển Hơn nữa, việc khai thác quá mức các nguyên liệu hóa thạch để phục vụ cho nhu cầu sống đang dẫn đến sự cạn kiệt tài nguyên quý giá này.
Trong bối cảnh công nghiệp hóa – hiện đại hóa, Việt Nam chứng kiến sự gia tăng mạnh mẽ trong hoạt động xây dựng, kéo theo nhu cầu vật liệu xây dựng tăng cao Theo thống kê năm 2012, cả nước tiêu thụ từ 20 đến 22 tỷ viên gạch mỗi năm, chủ yếu là gạch nung thủ công, chiếm tới 90% Dự báo đến năm 2020, lượng đất sét tiêu thụ để sản xuất gạch sẽ đạt 600 triệu m³, tương đương với 30.000 ha đất canh tác Tuy nhiên, việc sản xuất gạch nung cũng dẫn đến ô nhiễm môi trường do phát thải khí thải lớn, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người.
Trong bối cảnh hiện nay, việc sử dụng gạch không nung trở thành xu thế tất yếu tại Việt Nam Mặc dù đã có một số cơ sở sản xuất gạch không nung, nhưng sản lượng vẫn còn hạn chế, chỉ chiếm khoảng 4-5% tổng sản lượng gạch toàn quốc Nguyên nhân chủ yếu là do thói quen lâu nay trong việc sử dụng gạch nung, cùng với việc dây chuyền sản xuất gạch không nung chủ yếu phải nhập khẩu và công nghệ phức tạp, dẫn đến giá thành sản phẩm cao.
Theo quyết định số 567/QĐ – TTG ngày 28/4/2010 của Thủ tướng Chính phủ, chương trình phát triển vật liệu xây dựng không nung yêu cầu tăng tỷ lệ sử dụng gạch không nung để thay thế gạch đất nung Cụ thể, mục tiêu là thay thế 20-25% gạch đất nung vào năm 2015 và 30-40% trong các năm tiếp theo.
Đến năm 2020, 40% vật liệu xây dựng không nung (VLXDKN) đạt 16,8 tỷ viên, yêu cầu đầu tư trung bình hàng năm là 1,6 tỷ viên Việc đầu tư các cơ sở sản xuất VLXDKN cần căn cứ vào nguồn nguyên liệu của từng vùng và nhu cầu thị trường để đảm bảo tính phù hợp và hiệu quả.
Hình 1.1 Lò gạch nung ở Bình Dương
Gạch không nung là loại gạch xây dựng tự đóng rắn mà không cần nhiệt độ, đạt các chỉ số cơ học cao nhờ lực ép và rung Độ bền của gạch không nung được cải thiện thông qua các phương pháp này, với khoảng 300 tiêu chuẩn quốc tế khác nhau về kích thước và sức chịu lực tối đa lên đến 35MPa.
Gạch không nung là sản phẩm đa dạng, được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng từ lớn đến nhỏ, phục vụ cho việc xây tường, lát nền và trang trí Hiện nay, gạch không nung ngày càng phổ biến và đang dần thay thế gạch nung truyền thống, được ưu tiên phát triển trong tương lai Một số công trình tiêu biểu tại Việt Nam sử dụng gạch không nung bao gồm Habico Tower, Keangnam Hà Nội, Land Tower, khách sạn Horinson, sân vận động Mỹ Đình và Sông Giá resort.
Hình 1.2 Công trình xây bằng gạch không nung
Các loại gạch không nung có mặt trên thị trường
Gạch Papanh: Gạch không nung đƣợc sản xuất từ phế thải công nghiệp xỉ than, vôi bột đƣợc sử dụng lâu đời ở Việt Nam
Gạch Block: Gạch được hình thành từ đá vụn, cát, xi măng, có cường độ chịu lực cao, có khả năng cách âm, cách nhiệt tốt nhƣng nặng
Gạch bê tông khí chưng áp (AAC) là loại vật liệu xây dựng được sản xuất từ cát, đá nghiền mịn, xi măng, thạch cao, hợp chất nhôm và nước Với ưu điểm nổi bật như độ bền cao, trọng lượng siêu nhẹ và tính thân thiện với môi trường, gạch AAC đang ngày càng được ưa chuộng trong ngành xây dựng.
Hình 1.3 a) Gạch papanh; b) Gạch block;c) Gạch xi măng cát; d) Gạch AAC
Gạch bê tông bọt (Cellular Lightweight Concrete - CLC) được sản xuất từ chất tạo bọt, xi măng, cát và nước Một trong những ưu điểm nổi bật của bê tông bọt là không cần thiết bị lớn hay đắt tiền trong quy trình sản xuất Thực tế, gạch này thường được sản xuất ngay tại công trường xây dựng với thiết bị đơn giản, trong khi gạch AAC yêu cầu điều kiện sản xuất cố định tại nhà máy Sản phẩm gạch bê tông bọt thường có màu xám do chứa nhiều xi măng, với tỷ trọng từ 700-900 kg/m³ và cường độ nén đạt tiêu chuẩn 2,5 – 3,5 N/mm².
Gạch bê tông hạt xốp polystyrol được sản xuất từ xi măng, cát, hạt xốp EPS, nước và phụ gia, mang lại nhiều ưu điểm như quy trình sản xuất đơn giản cùng khả năng cách âm và cách nhiệt hiệu quả nhờ cấu trúc hạt EPS Trọng lượng của gạch bê tông nhẹ dao động từ 600 đến 1500kg/m³ tùy theo cấp phối.
Hình 1.4 a) Gạch bọt CLC; b) gạch bê tông xốp polystyrol Ƣu điểm của gạch không nung
- Không dùng đất sét để làm nguyên liệu sản xuất, là loại đất sét đƣợc khai thác từ đất nông nghiệp
- Không dùng than, củi, để đốt tránh đƣợc khói bụi gây ô nhiễm
Sản phẩm này nổi bật với khả năng chịu lực cao, cách âm và cách nhiệt hiệu quả, đồng thời chống thấm tốt Với nhiều kích thước linh hoạt phù hợp cho từng loại công trình, sản phẩm giúp rút ngắn thời gian thi công, tiết kiệm vữa xây dựng và có thể giảm giá thành tổng thể của công trình.
Sản phẩm được chế tạo bằng công nghệ tiên tiến, đảm bảo chất lượng và tiêu chuẩn quy cách chính xác Chúng tôi có khả năng mở rộng quy mô sản xuất linh hoạt, không bị giới hạn về diện tích sản xuất.
Gạch không nung ngày càng được nghiên cứu và phát triển nhờ những ưu điểm vượt trội, đặc biệt là khả năng chống chịu ăn mòn trong các môi trường axit, muối Những nghiên cứu này mở ra ứng dụng thực tế nhằm bảo vệ công trình khỏi sự ăn mòn do chất thải sinh hoạt, chất thải công nghiệp và xâm thực từ nước biển.
Gạch không nung không chỉ sử dụng nguyên vật liệu thông thường mà còn tận dụng phế phẩm, phụ phẩm từ các ngành công nghiệp Một trong những loại gạch đáng chú ý là gạch không nung ứng dụng công nghệ geopolymer kết hợp với hạt xốp polystyrene Để đánh giá độ bền của loại vật liệu này trong các môi trường xâm thực có hại, nghiên cứu mang tên “Xác định độ bền trong các môi trường ăn mòn của gạch nhẹ sử dụng hạt xốp và công nghệ Geopolymer” đã được tiến hành.
Tình hình nghiên cứu
Geopolymer là vật liệu vô cơ tổng hợp từ nguồn gốc aluminosilicate, lần đầu tiên được giới thiệu bởi giáo sư Joseph Davidovits vào những năm 1970 Nguyên lý chế tạo geopolymer dựa trên khả năng phản ứng của vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm, tạo ra sản phẩm với các tính chất và cường độ vượt trội.
Hệ nguyên liệu để chế tạo vật liệu geopolymer bao gồm hai thành phần chính: nguyên liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm Nguyên liệu aluminosilicate, như tro bay, metacaolanh và silicafume, cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình geopolymer hóa Chất hoạt hóa kiềm phổ biến, bao gồm dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng Natri Silicat, tạo môi trường kiềm và tham gia vào các phản ứng geopolymer hóa.
Vật liệu geopolymer được nghiên cứu nhằm phát triển quy trình sản xuất thân thiện với môi trường, giảm thiểu phát thải CO2 và tái sử dụng chất thải công nghiệp như tro xỉ, bùn đỏ thành sản phẩm có giá trị cao Trên toàn cầu, geopolymer đã được ứng dụng trong sản xuất xi măng đặc biệt như xi măng đóng rắn nhanh và bền axit, cũng như trong sản xuất gạch và gốm không nung Ngoài ra, vật liệu này còn được sử dụng trong công nghệ cao như composite chống cháy, xử lý chất thải độc hại và phóng xạ, cũng như trong lĩnh vực khảo cổ học và mỹ thuật.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
J.Davidovits [1] đã giới thiệu một loại vật liệu mới là geopolymer, cũng nhƣ các tính chất lý hóa của Geopolymer Nghiên cứu cho thấy loại vật liệu mới này có nhiều ưu điểm như đóng rắn nhanh với nhiệt độ phòng, đạt cường độ cao sau khi bảo dưỡng trong 28 ngày
Hardjito và Djwantoro [2] đã nghiên cứu quá trình sản xuất bê tông geopolymer từ tro bay, bao gồm phương pháp sản xuất, thử nghiệm mẫu và thu thập dữ liệu về các tính chất của bê tông geopolymer Các thông số được khảo sát bao gồm mô đun đàn hồi, tỷ số Poisson và cường độ chịu kéo gián tiếp.
Ali Allahverdi và Frantisek Skvara đã tiến hành nghiên cứu khả năng chống ăn mòn của vữa geopolymer trong môi trường acid sulfuric với nhiều nồng độ khác nhau Nghiên cứu này trình bày chi tiết quá trình và cơ chế ăn mòn mà acid sulfuric tác động lên vữa geopolymer.
Frantisek Skvara, Tomas Jilek và Lubomir Kopecky đã tiến hành nghiên cứu khả năng chịu ăn mòn của vữa geopolymer khi tiếp xúc với các môi trường NaCl, Na2SO4 và MgSO4 trong thời gian 720 ngày Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết quan trọng về độ bền và tính ổn định của vữa geopolymer trong các điều kiện khắc nghiệt.
X.J.Song, M.Marosszeky, M.Brungs, R.Munn [5] Khảo sát độ bền của geopolymer trong môi trường acid sulfuric về các chỉ tiêu cường độ, khối lượng, hình dạng của mẫu
A.M.Mustafa Al Bakri, H.Kamarudin, M.Bnhussain, I Khairul Nuzar, W.I.W Mastura [6] đã giới thiệu về công thức hóa học cấu thành, cơ chế, vai trò của từng loại nguyên vật liệu đầu vào và cấu trúc vi mô của xi măng geopolymer
Pawel Mazur, Janusz Mikula, Jerzy S.Kowalski [7] đã nghiên cứu về khả năng chống ăn mòn của geopolymer sử dụng tro bay
L.Krishnan [8] đã nghiên cứu về thành phần cốt liệu và tỷ lệ cấp phối về tính thân thiện với môi trường của bê tông geopolymer
B.Vijaya Rangan [9] giới thiệu khái quát về khái niệm, thành phần của bê tông geopolymer, khả năng chống ăn mòn, tính thân thiện với môi trường, cách thức tạo mẫu, cách bão dƣỡng,
Eeydzah Aminudin, Mohd Fadhil Md Din, and their colleagues have presented insights into Expanded Polystyrene (EPS) beads and their applications in the construction materials industry.
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 Geopolymer đƣợc sử dụng để tận dụng nguồn phế phẩm tro bay và được ứng dụng vào xây dựng như làm mặt đường cứng (đường ô tô, sân bay,…) Hiện nay, vật liệu đất sét đƣợc tổng hợp theo công nghệ geopolymer đang là đề tài được rất nhiều giáo viên và sinh viên ở các trường đại học quan tâm và nghiên cứu, tạo nên nhiều sản phẩm hữu ích vừa có giá trị kinh tế vừa góp phần bảo vệ môi trường bền vững hơn
Tống Tôn Kiên và các cộng sự đã nghiên cứu sâu về bê tông geopolymer, nêu rõ những thành tựu nổi bật và các mốc thời gian quan trọng trong sự phát triển của chất kết dính hoạt hóa kiềm Họ cũng trình bày quá trình hình thành cấu trúc bê tông geopolymer, cùng với các đặc tính và ứng dụng đa dạng của loại vật liệu này.
Trần Anh Tiến đã nghiên cứu lịch sử phát triển của vật liệu geopolymer, bao gồm nguyên liệu chế tạo, phương pháp xác định tính chất và nhận xét kết quả Đồng thời, Đồng Kim Hạnh và Dương Thị Thanh Hiền đã phân tích nguyên nhân và môi trường gây ra tình trạng ăn mòn bê tông cốt thép trong nước biển tại Việt Nam, đồng thời đề xuất các giải pháp khắc phục hiệu quả.
Trịnh Xuân Sén [16] nghiên cứu về sự ăn mòn và bảo vệ vật liệu cũng nhƣ các phương pháp xác định mức độ ăn mòn của kim loại
Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến cường độ của vữa geopolymer sử dụng phụ gia silicafume với các hàm lượng khác nhau Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách thức nhiệt độ tác động đến tính chất của vữa geopolymer, mở ra hướng đi mới trong việc cải thiện chất lượng vật liệu xây dựng.
Vũ Huyền Trân và Nguyễn Văn Chánh đã giới thiệu các phương pháp chế tạo bê tông geopolymer xốp nhẹ, bao gồm việc sử dụng hạt đất sét nở phồng, cốt liệu từ bê tông block nhẹ tái chế, và ứng dụng chất tạo khí cùng bột nhôm.
Trịnh Ngọc Duy, Phan Đức Hùng, Lê Anh Tuấn [19]nghiên cứu về khả năng chế tạo gạch geopolymer nhẹ bằng cách sử dụng hạt xốp
Trần Trung Hậu, Phan Đức Hùng [20] nghiên cứu khả năng chống ăn mòn trong các môi trường khác nhau của vật liệu geopolymer sử dụng xỉ thép
1.2.4 Nhận xét các đề tài
Mục tiêu của đề tài nghiên cứu
Ảnh hưởng xấu của axit đối với công trình xây dựng đang trở thành mối quan tâm toàn cầu Mức độ ăn mòn không chỉ phụ thuộc vào loại và nồng độ axit mà còn vào tính chất của bê tông và loại xi măng sử dụng Vữa xi măng portland và các vật liệu kiềm có độ pH trên 12,5 rất dễ bị axit ăn mòn Do sự xuất hiện của các vật liệu mới như geopolymer, cần tiến hành nghiên cứu thí nghiệm chi tiết để đánh giá độ bền của chúng trong môi trường axit mạnh.
Nghiên cứu và ứng dụng chất kết dính geopolymer đang ngày càng phát triển trên toàn cầu và tại Việt Nam, cho thấy việc chế tạo gạch xốp bằng công nghệ geopolymer là một đề tài có ý nghĩa thực tiễn lớn Mẫu gạch cần đảm bảo các tiêu chí như nhẹ, thân thiện với môi trường, khả năng chịu nén và uốn tốt, đồng thời có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường ăn mòn và chịu được hóa chất.
Nghiên cứu đánh giá độ ăn mòn của vật liệu geopolymer với sự hiện diện của hạt xốp, đồng thời phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ các cốt liệu thành phần đến khả năng chống ăn mòn của vật liệu Kết quả nghiên cứu cho thấy mối liên hệ giữa tỷ lệ cốt liệu và độ bền với ăn mòn, từ đó xây dựng các biểu đồ thể hiện ảnh hưởng và rút ra kết luận rõ ràng về tính chất của vật liệu.
Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu
- Xác định thành phần cấp phối vữa geopolymer
- Xác định thành phần cấp phối vữa geopolymer sử dụng hạt xốp
- Xác định độ bền trong các môi trường ăn mòn của vữa geopolymer có sử dụng hạt xốp
- So sánh độ thay đổi khối lƣợng của vữa geopolymer hạt xốp trong các môi trường ăn mòn.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu vật liệu geopolymer sử dụng hạt xốp dựa trên lý thuyết có sẵn trong và ngoài nước, kết hợp với dữ liệu thu thập từ quá trình đúc mẫu thí nghiệm Sau đó, tiến hành nhận xét và đánh giá kết quả nghiên cứu.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Công nghệ Geopolymer
2.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển
Geopolymer là một vật liệu thân thiện với môi trường, được nghiên cứu nhằm giảm lượng khí thải CO2 và tận dụng phế thải công nghiệp như tro bay và xỉ thép Trên thế giới, geopolymer được ứng dụng trong sản xuất xi măng đóng rắn nhanh, xi măng bền acid, cũng như trong các vật liệu composite để xử lý chất thải độc hại.
Gepolymer là sản phẩm từ phản ứng giữa vật liệu silic và nhôm với dung dịch kiềm, đóng vai trò là chất kết dính thay thế cho xi măng Nghiên cứu cho thấy geopolymer có khả năng ứng dụng hiệu quả trong bê tông và vữa, mang lại sản phẩm với tính chất kỹ thuật ưu việt và thân thiện với môi trường.
Joseph Davidovits đã phát hiện ra rằng hỗn hợp đất sét và cao lanh có khả năng tương tác với dung dịch kiềm NaOH ở nhiệt độ từ 100 đến 150 độ C, tạo ra hợp chất mới mang tên Hydrosodialte Dựa trên phát hiện này, công nghệ geopolymer đã được tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong những năm sau đó.
Si 2 O 5 , Al 2 (OH) 4 + NaOH ⇒ Na(-Si-O-Al-O)n
Hình 2.1 Tinh thể Geopolymer Công nghệ Geopolymer đƣợc nghiên cứu và ứng dụng lần đầu tiên tại Pháp năm
Từ năm 1973 đến 1976, quá trình chế tạo các tấm panel gỗ cách nhiệt được thực hiện bằng cách phủ silic-aluminosilicate lên bề mặt sau khi đã qua gia nhiệt Đến năm 1977-1978, ngành công nghiệp gốm sứ đã áp dụng công nghệ Geopolymer để tạo ra hợp chất gốm với khả năng bền nhiệt và hệ số giãn nở nhiệt rất thấp.
Công nghệ Geopolymer đã được áp dụng thành công trong việc sản xuất gạch nung ở nhiệt độ thấp bằng cách trộn đất sét cao lanh với dung dịch kiềm hoạt tính cao, tạo ra chuỗi M-Polysiliate Sản phẩm này, sử dụng kim loại kiềm như Na hoặc K, đã được công nhận và cấp bằng sáng chế tại nhiều quốc gia châu Âu.
Dựa trên lý thuyết Geopolymer của Joseph Davidovits, công ty Lone Star đã phát triển một loại xi măng mới bằng cách kết hợp nguyên liệu sét và dung dịch kiềm hoạt tính cao, tạo ra chất kết dính vô cơ có khả năng đóng rắn nhanh và cường độ ban đầu tốt Xi măng này đang dần thay thế xi măng Portland nhờ vào ưu điểm về nguyên liệu và quy trình sản xuất thân thiện với môi trường Nghiên cứu về xi măng Geopolymer (High – Akali – Poly) cho thấy ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật như hàng không, xây dựng, công nghiệp chất dẻo và kim loại Kết quả cho thấy xi măng này có khả năng đóng rắn nhanh ở nhiệt độ phòng, với cường độ chịu nén đạt 20 MPa sau 4 giờ ở 200°C và từ 70 – 100 MPa sau 28 ngày bảo dưỡng.
Nghiên cứu về Geopolymer đã xuất hiện rời rạc ở nhiều quốc gia, và tài liệu khoa học về chủ đề này còn hạn chế Đến những năm 1990, số lượng tài liệu nghiên cứu về Geopolymer bắt đầu tăng lên, với các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của từng loại vật liệu Tại Việt Nam, vật liệu Geopolymer vẫn chưa được áp dụng rộng rãi trong xây dựng, mặc dù đã có một số nghiên cứu ban đầu về bê tông Geopolymer, như bê tông chịu lửa không xi măng từ viện vật liệu xây dựng Một nghiên cứu khác vào năm 2011 đã ứng dụng chất kết dính Geopolymer để sản xuất vật liệu không nung từ phế thải tro bay và xỉ lò cao, cho ra đời quy trình sản xuất gạch block bê tông Geopolymer với cường độ nén trên 10MPa, có giá thành rẻ hơn khoảng 15% so với gạch block bê tông xi măng cốt liệu.
Kể từ những năm 2000, nghiên cứu về tính hoạt hóa kiềm đã gia tăng mạnh mẽ trên toàn cầu, với hơn 100 trung tâm nghiên cứu được thành lập Tại Châu Á, công nghệ Geopolymer đất sét đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vận tải, đặc biệt trong sản xuất nhựa nền đường mới Công ty Zeobond Pty Ltd, có trụ sở tại Melbourne, Úc, đã phát triển nhà máy sản xuất thử nghiệm vào năm 2007 và hiện cung cấp sản phẩm bê tông E-Crete(TM) cho các dự án hạ tầng cơ sở E-Crete sử dụng hỗn hợp tro bay và xỉ lò cao làm vật liệu kết dính, kết hợp với các thành phần hoạt hóa kiềm độc quyền.
Trong những năm gần đây, nghiên cứu công nghệ Geopolymer đã chứng kiến nhiều thay đổi hiện đại với sự chú trọng vào các nguyên vật liệu mới như bột silicat nhôm tổng hợp, khoáng albite, khoáng stilbite, sợi bazan, kiềm fenspat và xỉ lò cao Sự phong phú và đa dạng của nguyên liệu tạo thành Geopolymer không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn hướng đến mục tiêu giảm thiểu chất thải công nghiệp và bảo vệ môi trường.
2.1.2 Thành phần và công thức hóa học
Chất kết dính Geopolymer được tạo ra từ phản ứng đa trùng ngưng giữa các khoáng alumino silicate oxides và dung dịch alkali metal silicate trong môi trường kiềm cao Cấu trúc phân tử của Geopolymer bao gồm các liên kết Si–O–Al và Si–O–Si, hình thành từ phản ứng này.
Cấu trúc phân tử Geopolymer được hình thành chủ yếu từ các phản ứng giữa khoáng nhôm và silic với dung dịch kiềm và dung dịch thủy tinh lỏng Quá trình này tạo ra một 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 biểu diễn như sau:
- M : là các ion kiềm nhƣ Ka, Na
- n : là mức độ trùng ngƣng của phản ứng
Theo Glukhovsky, quá trình kiềm hoạt hóa diễn ra thông qua các phản ứng phân hủy nguyên liệu có cấu trúc ổn định thấp và phản ứng nội tại Khi độ pH của dung dịch kiềm tăng, các liên kết cộng hóa trị Si-O-Si và Al-O-Si bị phá vỡ Nhóm nguyên tố này sau đó chuyển sang hệ keo, dẫn đến sự tích tụ của sản phẩm bị phá hủy, từ đó tạo ra cấu trúc ổn định thấp và cuối cùng hình thành cấu trúc đông đặc.
Hình 2.3 Metakaolin (a) và tro bay (b) với NaOH 8M n 2 z 2 n 2
Granizo đã nghiên cứu về chất kết dính Metakaolin hoạt hóa kiềm và chỉ ra rằng có hai phản ứng khác nhau khi sử dụng NaOH hoặc thủy tinh lỏng Trong trường hợp đầu tiên, sau một thời gian hòa tan, các sản phẩm phá hủy bắt đầu tích tụ, trong khi ở trường hợp thứ hai, quá trình trùng hợp diễn ra ngay sau khi hòa tan Palomo và các cộng sự cũng đồng tình với quan điểm này, cho rằng có hai kiểu hoạt tính kiềm: kiểu thứ nhất xảy ra khi chất kích hoạt của xỉ lò cao (Si+Ca) là dung dịch kiềm yếu, dẫn đến sản phẩm chủ yếu là CSH Kiểu thứ hai liên quan đến Metakaolin với dung dịch kiềm từ trung bình đến mạnh, tạo ra sản phẩm cuối cùng có dạng mạch trùng hợp với cường độ cơ học cao, tương tự như quá trình hình thành Zeolite (khoáng Nhôm).
Chất hoạt hóa kiềm trong tro bay gây ra hiện tượng tỏa nhiệt khi hòa tan, làm phân tách các liên kết công hóa trị Si-O và Al-O-Al Quá trình này dẫn đến việc phá vỡ cấu trúc của tro bay, từ đó hình thành sản phẩm cuối cùng với cấu trúc chuỗi được ngưng kết một cách có trật tự, mang lại cường độ cơ học cao cho sản phẩm.
Davidovist cho rằng dung dịch kiềm có thể phản ứng với silic và nhôm trong nguồn vật liệu khoáng hoặc phế thải như tro bay và tro trấu để tạo ra chất kết dính Quá trình hóa học này được gọi là Geopolymer do nó là một quá trình trùng hợp Tỷ lệ Si/Al là thông số chính quyết định tính chất và ứng dụng của Geopolymer, với tỷ lệ khoảng 2 cho vật liệu xây dựng.
Hình 2.4 Sự hoạt hóa vật liệu aluminosilicate
Hình 2.5 Mô tả phản ứng tro bay trong dung dịch kiềm
Hạt xốp Polystyrene EPS
Hạt xốp polystyrene EPS là vật liệu nhẹ và cách điện, được sản xuất từ hạt nhựa polystyrene rắn Đặc điểm nổi bật của hạt EPS là độ rỗng chiếm tới 40 lần thể tích ban đầu, cho phép tạo ra các hình dạng đa dạng phù hợp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau.
Hạt xốp polystyrene EPS được ưa chuộng trong ngành xây dựng nhờ vào những ưu điểm nổi bật như khả năng cách nhiệt, cách âm tốt, chống ẩm, độ bền cao và dễ vận chuyển Với tỷ lệ giá/hiệu suất tốt nhất so với các vật liệu cách nhiệt khác, hạt EPS được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm như gạch nhẹ và bê tông nhẹ, giúp giảm tải cho công trình, tối ưu kích thước và giảm thiệt hại do động đất Khối lượng thể tích của hạt EPS dao động từ 10 – 20 kg/m³.
Hình 2.8 Hạt xốp Polystyrene EPS
Hạt xốp polystyrene EPS an toàn khi sử dụng, không độc hại, hoàn toàn trơ và kháng acid, kiềm Do không có giá trị dinh dưỡng, hạt xốp này không tạo điều kiện cho vi nấm phát triển và có khả năng tái chế Sản phẩm này đóng góp tích cực vào việc cải thiện môi trường trong lĩnh vực xây dựng.
Ăn mòn trong bê tông và vữa
2.3.1 Các môi trường gây ăn mòn trong bê tông
Bê tông và vữa có thể bị ăn mòn trong ba môi trường: rắn, lỏng và khí Ăn mòn trong môi trường lỏng xảy ra khi bê tông tiếp xúc với nước biển, nước phèn chua, nước khoáng, nước ngầm hoặc nước thải, thường chứa các yếu tố gây ăn mòn, đặc biệt phổ biến ở các công trình xây dựng ven biển và dưới nước Trong môi trường rắn, bê tông bị ăn mòn khi tiếp xúc với hóa chất như phân khoáng và thuốc trừ sâu, đặc biệt khi các hóa chất này bị ẩm Cuối cùng, ăn mòn trong môi trường khí diễn ra khi bê tông tiếp xúc với các khí như CO2, Cl, và SO2, thường thấy ở khu vực xung quanh các nhà máy hóa chất hoặc trong khí hậu ven biển.
Sự ăn mòn trong bê tông và vữa là một quá trình phức tạp và đa dạng, xảy ra do nhiều yếu tố khác nhau Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn có thể là sự kết hợp của hai hoặc ba môi trường ăn mòn khác nhau.
Ăn mòn bê tông và vữa xi măng thường gặp chủ yếu do các yếu tố như cacbonat, chloride, sunfate và quá trình hydrat hóa của xi măng Đối với vật liệu geopolymer, sự ăn mòn xảy ra đặc biệt trong môi trường muối, như NaCl.
Na 2 SO 4 ,…) và acid (H 2 SO 4 , HCl,…) Quá trình ăn mòn bê tông và vữa diễn ra mạnh hay yếu, nhanh hay chậm cũng phụ thuộc vào đặc tính của loại vật liệu của bê tông và vữa, chất phụ gia, nồng độ của các môi trường ăn mòn, nhiệt dộ môi trường, tải trọng làm việc của cấu kiện
2.3.2 Cơ chế của quá trình ăn mòn
Sự tiếp xúc với môi trường biển làm giảm độ bền của các công trình, do nước biển chứa khoảng 3.5% muối hòa tan (clorua và sulfate) và độ pH khoảng 8.2 Bê tông và vữa dễ bị hư hại dưới tác động của các quá trình lý hóa như ăn mòn sulfate, ăn mòn clorua, phản ứng kiềm cốt liệu, sự kết tinh muối và vi sinh vật.
Quá trình ăn mòn vật liệu Geopolymer thường được nghiên cứu trong các môi trường khác nhau, bao gồm chất tẩy rửa tổng hợp như Aceton, môi trường muối như NaCl và Na2SO4, cũng như môi trường axit như HCl và H2SO4.
Clorua có thể xâm nhập vào vữa và bê tông qua nhiều con đường khác nhau, bao gồm việc sử dụng phụ gia CaCl2 (đã bị ngừng sử dụng) hoặc do sự hiện diện của các ion clorua trong cát, nước và cốt liệu Tuy nhiên, nguyên nhân chính gây ra hiện tượng ăn mòn do clorua trong các công trình thường là sự khuếch tán của ion clorua từ môi trường, đặc biệt là khi kết cấu tiếp xúc trực tiếp với môi trường biển giàu muối hoặc khi sử dụng muối để tan băng cùng với các hợp chất hóa học chứa clorua.
Ion clorua có khả năng gây ăn mòn bê tông bằng cách xâm nhập qua lớp bảo vệ, khác với quá trình cacbonat hóa, vì chúng có thể tấn công trực tiếp vào bên trong ngay cả khi độ pH vẫn cao (12-13) Có bốn cơ chế chính cho sự xâm nhập của ion clorua: sự hút mao dẫn, thẩm thấu do nồng độ ion clorua cao trên bề mặt, thẩm thấu dưới áp lực căng bề mặt và dịch chuyển do chênh lệch điện thế.
Ion clo trong cấu trúc bê tông và vữa tồn tại dưới hai dạng chính: ion clo tự do và ion clo liên kết Sự hiện diện của các ion này ảnh hưởng đến khả năng liên kết và tính bền vững của vật liệu xây dựng.
Ion clo tự do là yếu tố chính gây ăn mòn trong bê tông, có thể xâm nhập từ nguồn bên ngoài hoặc tồn tại trong cốt liệu Ngoài ra, quá trình cacbonat hóa cũng có thể giải phóng ion clo liên kết thành ion clo tự do.
Ion linkages are formed through chemical bonds, primarily involving calcium chloraluminate (3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O - Friedel's salt) and calcium silicate hydrate (3CaO.2SiO3.3H2O), which are absorbed on the walls of porous structures.
Ion sulfate là một trong những cation thường gặp trong tự nhiên, khi hàm lượng
SO 4 2- trong nước cao sẽ gây ra ăn mòn gây hư hại cho công trình và sức khỏe con người do tính chất tẩy rửa của sulfate Do đó đối với nước cấp, nồng độ sulfate được giới hạn ở mức 250 mg/l Trong vấn đề nước cấp cho công nghiệp và sinh hoạt chỉ tiêu
SO 4 2- cũng rất quan trọng do khả năng kết hợp với cacsi ion kim loại trong nước hình thành các cặn bã trong các thiệt bị ống, thiết bị đun nước, các thiết bị trao đổi nhiệt
Trong xử lý nước thải, chỉ tiêu SO4²- rất quan trọng do ảnh hưởng của nó đến mùi hôi và khả năng ăn mòn đường ống Quá trình khử sulfate thành hydrogen sulfide trong điều kiện kị khí là nguyên nhân chính gây ra vấn đề này.
Sự ăn mòn sulfate trong các đường ống nước thải bằng bê tông xảy ra khi nước thải sinh hoạt có nhiệt độ cao, thời gian lưu lại lâu và nồng độ sulfate cao Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do sự chuyển hóa sulfate thành H2S và từ H2S thành H2SO4 Vi khuẩn có khả năng oxy hóa H2S thành H2SO4 tồn tại rộng rãi trong tự nhiên và nước thải, cùng với điều kiện hiếu khí trong hệ thống cống, dẫn đến sự hình thành và tích tụ H2SO4, gây ăn mòn bê tông.
NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
Nguyên vật liệu
Sau khi tìm hiểu về geopolymer và cơ chế ăn mòn, các bước chuẩn bị cho việc đúc mẫu và thí nghiệm cần được tiến hành một cách khoa học và hợp lý Để đảm bảo vệ sinh cho phòng thí nghiệm và thu được kết quả khách quan, cần lập kế hoạch cụ thể cho từng giai đoạn thí nghiệm Việc lựa chọn vật liệu làm khuôn, cấu trúc khuôn đúc, cũng như cơ chế lắp ráp và tháo khuôn là rất quan trọng để đảm bảo kích thước mẫu sau khi tháo khuôn đạt yêu cầu.
Nguyên vật liệu để chế tạo vữa geopolymer xốp gồm: tro bay, cát, dung dịch NaOH, dung dịch Na 2 SiO 3 và hạt xốp EPS
Các môi trường hóa chất để ngâm kiểm tra khả năng chịu ăn mòn của vật liệu gồm: NaCl, Na 2 SO 4 , H 2 SO 4
Hạt xốp EPS, hay còn gọi là hạt polystyrene phồng nở, sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật như không thấm nước, không độc hại, nhẹ và dễ sản xuất với đa dạng hình dạng và kích thước Chúng thường được ứng dụng làm vật liệu làm nhẹ trong vữa và bê tông Hạt EPS có công thức cấu tạo là (CH[C 6 H 5 ]-CH 2 ) n, với đường kính từ 1mm đến 2mm và khối lượng thể tích đạt 21g/l.
Hình 3.1 Sử dụng hạt xốp EPS đường kính 1-2 mm
Tro bay được thu gom từ các nhà máy nhiệt điện và cơ sở đốt than đá cần được bảo quản cẩn thận để đảm bảo chất lượng và các chỉ tiêu đặc trưng Việc tránh tiếp xúc với ánh nắng mặt trời và các khu vực ẩm ướt là rất quan trọng, vì điều này có thể làm hỏng và thay đổi tính chất của tro bay Để tiện lợi cho quá trình sử dụng trong việc trộn vữa geopolymer xốp, tro bay trong các bao tải lớn nên được chia ra và cất giữ ngăn nắp trong thùng.
Tro bay đƣợc lấy từ nhà máy điện Formosa Đồng Nai, có thành phần nhƣ trong bảng sau:
Bảng 3.1 Thành phần hóa học của tro bay Formosa
Thành phần hóa học SiO 2 Al 2 O 3 FeO Fe 2 O 3 CaO MgO
Thành phần hóa học Na 2 O K 2 O TiO 2 P 2 O 5 SO 3 MKN
Bảng 3.2 Khảo sát vật lý tro bay Formosa
Thành phần vật lý thí nghiệm
Hàm lƣợng lọt sàng 0,05mm (%)
Chỉ số hoạt tính cường độ sau 28 ngày
Chỉ số hoạt tính cường độ sau 7 ngày
Lƣợng mất sau khi nung (g)
Nước dùng phải tuân theo tiêu chuẩn TCXDVN 302:2004; “Nước trộn bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật”
Nước sử dụng để pha chế dung dịch hoạt hóa geopolymer cần phải sạch, không chứa tạp chất hóa học, nhằm đảm bảo không làm ảnh hưởng đến thời gian tĩnh định và quá trình đóng rắn của geopolymer.
Sử dụng dung dịch NaOH có nồng độ 14M
Dung dịch NaOH 14M yêu cầu độ sạch đạt 98% Trước khi sử dụng, cần xác định nồng độ dung dịch cần thiết để pha trộn đúng nồng độ Mol Từ công thức xác định nồng độ Mol, có thể tính toán khối lượng NaOH khan cần pha trộn vào dung dịch.
m NaOH là khối lƣợng NaOH khan cần cho vào
M là khối lƣợng 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%
3.1.5 Dung dịch thủy tinh lỏng ( Na 2 SiO 3 )
Dung dịch thủy tinh lỏng (Na2SiO3) là một dung dịch trắng đục, có tính sệt và dễ hòa tan trong nước Nó có khả năng tương tác với nhiều chất ở dạng rắn, lỏng và khí Tuy nhiên, thủy tinh lỏng dễ bị phân hủy bởi các axít, bao gồm cả axít cacbonic, dẫn đến việc tạo ra kết tủa keo từ axít silic.
Dung dịch thủy tinh lỏng (Sodium Silicat) đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp chất kết dính geopolymer Tốc độ phản ứng tăng cao khi dung dịch kiềm chứa các ion silicate hòa tan Khi dung dịch thủy tinh lỏng được thêm vào dung dịch NaOH, phản ứng xảy ra và hai dung dịch trộn lẫn với nhau Sự hiện diện của dung dịch thủy tinh lỏng trong dung dịch kiềm kích hoạt giúp tăng tốc độ tan rã của các hạt tro bay.
Cát sử dụng là cát sạch từ sông Đồng Nai với kích thước hạt thô Các tính chất cơ lý như khối lượng riêng, khối lượng thể tích và thành phần hạt đã được kiểm tra theo Tiêu chuẩn Việt Nam Trước khi sử dụng, cát đã được làm sạch và sấy khô.
Các yêu cầu về đặc tính cơ lý của cát được quy định theo tiêu chuẩn TCVN 1770-1986, bao gồm hàm lượng hạt cát lớn hơn 5mm và hàm lượng bùn, bụi, sét bẩn trong cát Những yêu cầu này có thể thay đổi theo các hợp đồng thỏa thuận Tiêu chuẩn TCVN 1770-1986 cũng cung cấp bảng chỉ tiêu cát đối với vữa trong xây dựng.
Hình 3.4 Cát nằm trong đường chuẩn cốt liệu Dựa vào thành phần kích cỡ hạt cát đƣợc phân chia thành các lớp theo tiêu chuẩn TCVN 1770-1986 nhƣ sau
Bảng 3.3 Các chỉ tiêu của cát theo mức nhóm cát
STT Tên các chỉ tiêu Theo mức nhóm cắt
To Vừa Nhỏ Rất nhỏ
1 Môđun độ lớn Lớn hơn
2 Khối lƣợng thể tích xốp
Lƣợng hạt nhỏ hơn 0,14 mm, tính bằng % khối lƣợng cát, không lớn hơn
Tùy theo nhóm cát mà ta có đường biểu diễn thành phần hạt nằm trong vùng gạch của bảng sau
To Vừa Nhỏ Rất nhỏ
Cát mịn chứa nhiều tạp chất như bụi, bùn, sét sẽ hình thành một lớp màng mỏng trên bề mặt cốt liệu, gây cản trở sự tiếp xúc giữa xi măng và cốt liệu, dẫn đến giảm tính kết dính và cường độ của vữa và bê tông Gạch bê tông sử dụng cốt liệu từ cát và tro bay cũng chịu ảnh hưởng tương tự khi có cát mịn lẫn tạp chất Do đó, không nên sử dụng cát mịn, cát bị nhiễm mặn, nhiễm phèn hoặc cát có nhiều tạp chất Cát thô với thành phần được quy định trong TCVN 7570:2006 là lựa chọn phù hợp để chế tạo bê tông và vữa.
Bảng 3.5 Đặc tính của cát dùng cho vữa xây dựng
STT Tên các chỉ tiêu Mức theo mác vữa
1 Môđun độ lớn không nhỏ hơn 7,5 1,5
2 Sét, á sét, các tạp chất khác ở dạng cục Không Không
3 Lƣợng hạt trên 5 mm Không Không
4 Khối lƣợng thể tích xốp, tính bằng kg/m3, không nhỏ hơn 1150 1250
5 Hàm lƣợng muối gốc sunfat, sunfit tính ra SO3, tính bằng
% khối lƣợng cát, không lớn hơn 2 1
6 Hàm lƣợng bùn, bụi, sét tính bằng % khối lƣợng cát , không lớn hơn 10 3
7 Lƣợng hạt nhỏ hơn 0,14mm, tính bằng % khối lƣợng cát, không lớn hơn 35 20
8 Hàm lượng tạp chất hữu cơ thử theo phương pháp so mẫu, mẫu của dung dịch trên cát không sẫm hơn
Bảng 3.6 Thành phần của hạt cát
Kích thước lỗ sàn Lượng sót tích lũy trên sàn, đơn vị %
1,25mm Từ 15 đến 45 Từ 0 đến 15
630àm Từ 35 đến 70 Từ 0 đến 35
315àm Từ 65 đến 90 Từ 5 đến 65
140àm Từ 90 đến 100 Từ 65 đến 90
Hình 3.5 Thành phần hạt của cát Tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 quy định về thành phần tạp chất trong cát nhƣ sau
Bảng 3.7 Hàm lƣợng tạp chất trong cát
Hàm lƣợng tạp chất % khối lƣợng không lớn hơn
Bê tông cấp cao hơn B30
Bê tông cấp thấp hơn B30 Vữa
Sét cục và các tạp chất dạng cục Không đƣợc có 0,25 0,5
Hàm lƣợng bùn, bụi, sét 1,50 3,00 10,00
Bảng 3.8 Hàm lƣợng ion CL - trong cát
Loại bê tông và vữa Hàm lƣợng ion Cl-, % khối lƣợng không lớn hơn
Bê tông dùng cho các kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước 0,01
Bê tông dùng cho các kết cấu bê tông, bê tông cốt thép và vữa thông thường 0,05
Thành phần cấp phối
Bảng 3.9 Khối lƣợng riêng của thành phần cốt liệu
Tro Thủy tinh lỏng NaOH 14M Cát Xốp
Bảng 3.10 Phần trăm thể tích cốt liệu
Bảng 3.11 Khối lƣợng cốt liệu
Bảng 3.12 Tỷ lệ các thành phần cốt liệu
Cấp phối Na 2 SiO 3 /NaOH Dung dịch/tro Cát/tro Dung dịch /cốt liệu khô
Phương pháp tạo mẫu
Dùng khuôn mẫu hình trụ 100×200mm để tạo mẫu vữa và dùng khuôn 65×105×220 (mm) để tạo mẫu gạch
Hình 3.6 Khuôn trụ tạo mẫu vữa và khuôn gạch
3.3.1 Cân đo nguyên vật liệu
Sau khi tính toán khối lƣợng, thành phần nguyên vật liệu cho một mẻ thí nghiệm, tiến hành cân đo bằng cân điện tử
3.3.2 Nhào trộn và đúc mẫu
Sau khi định lượng các thành phần nguyên liệu, trộn cốt liệu khô bao gồm cát và tro bay trong 1 phút để tạo thành hỗn hợp vữa khô Tiếp theo, chuẩn bị dung dịch sodium theo tiêu chuẩn ASTM C780 Hạt xốp EPS được thêm vào sau cùng và trộn đều trong 3 phút Cuối cùng, đổ vữa vào khuôn có kích thước 100x200mm để tạo mẫu.
Sử dụng máy trộn cầm tay để chế tạo mẫu với số lƣợng ít và máy trộn dung tích lớn để đúc mẫu với số lƣợng lớn
Hình 3.9 Trộn vữa bằng máy trộn cầm tay
Hình 3.10 Trộn vữa bằng máy dung tích lớn
Dưỡng hộ và phương pháp thí nghiệm
Sau khi tĩnh định 48 giờ, mẫu vữa được dưỡng hộ ở nhiệt độ 70°C trong 8 giờ và sau đó dưỡng hộ tự nhiên trong 24 giờ Tuy nhiên, đối với vật liệu hạt xốp EPS, việc dưỡng hộ ở nhiệt độ trên 70°C có thể gây hiện tượng cháy xốp, dẫn đến hư hại cho mẫu.
Hình 3.11 Dƣỡng hộ nhiệt cho mẫu bằng tủ sấy
Các cấp phối vữa đã được ngâm trong môi trường H2SO4, Na2SO4 và NaCl với nồng độ 5% trong thời gian 20 tuần Sau đó, tiến hành kiểm tra cường độ nén và xác định mức độ ăn mòn theo các mốc thời gian, từ đó thực hiện đánh giá và so sánh kết quả.
Hình 3.12 Mẫu đƣợc ngâm trong hóa chất
3.4.2 Xác định cường độ chịu nén của mẫu
Theo tiêu chuẩn TCVN 6476-1999, cường độ chịu nén của vữa gạch bê tông được xác định nhằm đánh giá mác và chất lượng của vật liệu Cường độ chịu nén của mẫu vữa được tính toán dựa trên công thức cụ thể.
Pn: Lực nén phá hoại mẫu (N)
Fn: Diện tích bề mặt tiếp xúc (mm 2 )
Tính toán giá trị trung bình cộng của các kết quả nén, đồng thời loại bỏ những kết quả có sai số vượt quá 15% so với giá trị trung bình Kết quả được làm tròn chính xác tới 0,1 N/mm².
Hình 3.13 Máy nén mẫu thí nghiệm
3.4.3 Xác định độ hút nước của mẫu
Theo TCVN 3121-18:2003 Vữa xây dựng – phương pháp thử, Xác định độ hút nước của mẫu vữa đã đóng rắn Độ hút nước H(%) được tính theo công thức:
Trong đó: m1: Khối lƣợng mẫu khô (g) m2: Khối lượng mẫu bão hòa nước (g)
Kết quả độ hút nước là giá trị trung bình của 3 mẫu thử, chính xác tới 0,01%
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Kiểm tra trực quan
Sau khi đúc xong, mẫu thí nghiệm được để tĩnh định ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ Tiếp theo, mẫu sẽ được tháo khuôn và dƣỡng hộ nhiệt ở 70°C trong 8 giờ Cuối cùng, mẫu được dƣỡng hộ tự nhiên trong 24 giờ trước khi tiến hành thí nghiệm.
Mẫu trụ có kích thước 100x200mm được tiến hành cân và đo lại kích thước thực tế, từ đó xác định độ hút nước Ngoài ra, mẫu trụ cũng được nén để kiểm tra cường độ chịu nén trong các môi trường ăn mòn như H2SO4.
Na 2 SO 4 , NaCl theo từng mốc thời gian khác nhau
Kiểm tra mẫu trực quan cho thấy tất cả các mẫu thí nghiệm đều trải qua sự biến đổi về hình dạng, màu sắc và kích thước sau khi ngâm trong dung dịch ăn mòn Mức độ ăn mòn khác nhau tùy thuộc vào loại hóa chất và thời gian ngâm.
Quan sát mẫu ở cấp phối D1 và D2 sau khi ngâm trong các dung dịch H 2 SO 4 ,
Na 2 SO 4 , NaCl sau 20 tuần
Kết quả quan sát cho thấy mẫu vữa geopolymer hạt xốp EPS ngâm trong dung dịch H2SO4 đã thay đổi màu sắc, với bề mặt phủ lớp màu vàng cam do sản phẩm thạch cao (CaSO4.2H2O) hình thành, tương tự như nghiên cứu của X.J.Song năm 2005 Ngoài ra, hình dáng bên ngoài của mẫu không có dấu hiệu hư hại.
Hình 4.2 Mẫu ngâm trong Na 2 SO 4 sau 20 tuần
Sau 20 tuần ngâm trong dung dịch Na2SO4, các mẫu không cho thấy sự thay đổi rõ rệt về màu sắc, hình dáng và kích thước; bề mặt của mẫu vẫn giữ được độ cứng.
Sau 20 tuần ngâm trong dung dịch NaCl, các mẫu đã xuất hiện sự thay đổi về màu sắc với lớp tinh thể màu trắng nhỏ và mịn bám trên bề mặt, chính là tinh thể muối natri clorua (NaCl) kết tủa Tuy nhiên, không ghi nhận sự thay đổi về hình dạng và kích thước của mẫu.
Hình 4.3 Mẫu ngâm trong NaCl sau 20 tuần
Kiểm tra độ dƣ kiềm
Để kiểm tra độ dư kiềm trong mẫu sau thời gian ngâm hóa chất, sử dụng dung dịch phenolphtalein 1% Phenolphtalein, có công thức hóa học C20H14O4, thường được viết tắt là “HIn” hoặc “phph” Để chuẩn bị 100ml dung dịch phenolphtalein 1%, cần hòa tan 1g phenolphtalein nguyên chất dạng bột màu trắng với 90ml cồn 90 độ và 10ml nước cất, sau đó khuấy đều.
Phenolphtalein là một chất chỉ thị axit-bazơ, không màu khi tiếp xúc với axit và chuyển sang màu hồng hoặc tím khi gặp bazơ Nhờ khả năng này, phenolphtalein có thể được sử dụng để kiểm tra các dấu hiệu của phản ứng cacbonat hóa trong vữa hoặc bê tông.
Hình 4.4 Cồn 90 0 và Phenolphtalein nguyên chất Dung dịch phenolphtalein đƣợc phu lên bề mặt mẫu để xác định mức độ xâm nhập của hóa chất ăn mòn
Hình 4.5 Mẫu ngâm H 2 SO 4 sau 4, 8, 12, 16 tuần ( từ trái sang phải)
Hình 4.6 Mẫu ngâm Na 2 SO 4 sau 4, 8, 12, 16 tuần ( từ trái sang phải)
Hình 4.7 Mẫu ngâm NaCl sau 4, 8, 12, 16 tuần ( từ trái sang phải)
Kết quả nghiên cứu cho thấy tất cả các mẫu vữa geopolymer xốp đều chuyển sang màu tím khi phun dung dịch phenolphtalein 1%, chứng tỏ môi trường kiềm bên trong các mẫu này Điều này xuất phát từ sự hình thành hydroxide canxi khi xi măng Portland phản ứng với nước Môi trường kiềm trong vữa geopolymer có thể được kiểm soát thông qua thiết kế cấp phối và quá trình bảo dưỡng; nhiệt độ bảo dưỡng cao sẽ làm giảm lượng NaOH do NaOH tham gia vào phản ứng trùng ngưng tạo liên kết geopolymer Sau khi ngâm trong các dung dịch ăn mòn, các mẫu vẫn duy trì tính kiềm, với phần màu hồng sau khi phun phenolphtalein bị thu hẹp từ 0,5cm đến 1,5cm, cho thấy ảnh hưởng của dung dịch ăn mòn là không đáng kể.
Kiểm tra độ hút nước
Sau khi được dương hộ nhiệt và để tĩnh định ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ, các mẫu được kiểm tra độ hút nước theo tiêu chuẩn TCVN 3121-18:2003 Kết quả kiểm tra được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 4.1 Độ hút nước trung bình của các cấp phối
Khối lƣợng thể tích (kg/m 3 )
Khối lƣợng sau khi ngâm nước (g) Độ hút nước (%)
Các cấp phối D1, D2, D3 cho thấy xu hướng giảm độ hút nước, với D1 có độ hút nước cao nhất là 2,4% và D3 thấp nhất là 1,61% Trong khi đó, các cấp phối C1, C2, C3 có độ hút nước tương đối cao, với C3 đạt 4,14% và C2 thấp nhất là 3,6%.
Kết quả nghiên cứu cho thấy các cấp phối D có độ hút nước thấp hơn so với các cấp phối C, điều này xuất phát từ sự chênh lệch về hàm lượng xốp giữa hai cấp phối Cụ thể, cấp phối D với 45% hàm lượng xốp có độ rỗng ít hơn, dẫn đến khả năng hút nước thấp hơn so với cấp phối C có 55% hàm lượng xốp.
4.4 Ảnh hưởng của hàm lượng xốp đến độ thay đổi khối lượng theo thời gian ngâm
Kết quả thí nghiệm cho thấy sự thay đổi khối lượng của mẫu theo phần trăm (%) sau 20 tuần ngâm trong các môi trường ăn mòn được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 4.2 Độ thay đổi khối lượng mẫu theo phần trăm trong các môi trường ăn mòn(%)
Ngâm hóa chất H 2 SO 4 Cấp phối Mẫu ngâm nước 4 tuần 8 tuần 12 tuần 16 tuần 20 tuần
Ngâm hóa chất Na 2 SO 4 Cấp phối Mẫu ngâm nước 4 tuần 8 tuần 12 tuần 16 tuần 20 tuần
Ngâm hóa chất NaCl Cấp phối Mẫu ngâm nước 4 tuần 8 tuần 12 tuần 16 tuần 20 tuần
Hình 4.9 Ảnh hưởng của hàm lượng xốp đến khối lượng vữa với cát/tro=1,3
Kết quả thí nghiệm cho thấy hàm lượng xốp ảnh hưởng đáng kể đến khối lượng vữa, với các mẫu vữa có hàm lượng xốp 55% (C1, C2, C3) tăng khối lượng từ 9% đến 12,9% sau 12 tuần ngâm, và từ 8,1% đến 11% sau 20 tuần Trong khi đó, các mẫu vữa với hàm lượng xốp 45% (D1, D2, D3) chỉ tăng từ 5,4% đến 8,6% sau 12 tuần và từ 5,1% đến 7,9% sau 20 tuần Mẫu vữa 55% xốp có độ rỗng lớn hơn, dẫn đến sự tiếp xúc nhiều hơn giữa các hạt xốp EPS và geopolymer, tạo ra hiện tượng mao dẫn mạnh hơn và do đó tăng khối lượng nhiều hơn so với mẫu 45% xốp Ngoài ra, sự khác biệt về mức tăng khối lượng giữa các mẫu ngâm trong Na2SO4 và NaCl không đáng kể, chỉ cao hơn khoảng 2% so với mẫu ngâm trong H2SO4.
Ảnh hưởng của hàm lượng xốp đến cường độ nén theo thời gian ngâm
Kết quả thí nghiệm về cường độ chịu nén (MPa) của mẫu sau khi ngâm trong các môi trường ăn mòn 20 tuần được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 4.3 Cường độ chịu nén (MPa) của mẫu sau 20 tuần ngâm trong các môi trường ăn mòn
Ngâm hóa chất H 2 SO 4 Cấp phối Nén lúc đầu 4 tuần 8 tuần 12 tuần 16 tuần 20 tuần
Ngâm hóa chất Na 2 SO 4 Cấp phối Nén lúc đầu 4 tuần 8 tuần 12 tuần 16 tuần 20 tuần
Ngâm hóa chất NaCl Cấp phối Nén lúc đầu 4 tuần 8 tuần 12 tuần 16 tuần 20 tuần
Hình 4.12 Ảnh hưởng của hàm lượng xốp đến cường độ nén của vữa cát/tro=1,3
Hình 4.13 Ảnh hưởng của hàm lượng xốp đến cường độ nén của vữa cát/tro=1,6
Hình 4.14 Ảnh hưởng của hàm lượng xốp đến cường độ nén của vữa cát/tro=1,9
Kết quả thí nghiệm cho thấy các mẫu vữa sau 8 tuần ngâm trong dung dịch có xu hướng tăng cường độ nén, tuy nhiên bắt đầu giảm nhẹ ở các tuần tiếp theo Đặc biệt, các mẫu ngâm trong Na2SO4 và NaCl sau 20 tuần cho thấy sự giảm cường độ ít hơn so với mẫu ngâm trong H2SO4.
Sau 8 tuần ngâm mẫu trong hóa chất, các cấp phối vữa C1, C2, C3 với hàm lượng xốp 55% tăng cường độ từ 0,8% – 24,6% so với ban đầu, riêng cấp phối C3 ngâm trong H 2 SO 4 bị giảm cường độ 4,2% Các cấp phối D1, D2, D3 với hàm lượng xốp 45% tăng cường độ từ 3% – 13,9% Sau 20 tuần ngâm hóa chất, cấp phối C1, C2 có cường độ nén dao động từ -9,5% đến +1,8%, riêng cấp phối C3 giảm mạnh 20,5% – 28,1% Các mẫu vữa của cấp phối D1, D2, D3 giảm cường độ nén ít và ổn định hơn, dao động từ -7,4% đến +0,5%
Mẫu vữa xốp 45% cho thấy mức độ giảm cường độ sau quá trình ngâm ăn mòn chỉ khoảng 2% so với mẫu vữa xốp 55%, nhưng có độ ổn định cao hơn Cấp phối C3 giảm cường độ mạnh mẽ và có thể mất hoàn toàn khả năng chịu lực nếu tiếp xúc lâu trong môi trường ăn mòn Các mẫu vữa xốp 45% có độ đặc chắc cao hơn, do đó ít bị xâm thực hơn so với mẫu vữa xốp 55% Kết quả cường độ nén cho thấy cấp phối B3 với tỷ lệ cát/tro 1,9 đạt cường độ cao nhất, trong khi vữa xốp 45% cũng duy trì cường độ ổn định trong suốt quá trình ngâm Ngược lại, mẫu vữa xốp 55% với tỷ lệ cát/tro 1,9 dễ bị mất cường độ hơn và có nguy cơ mất hoàn toàn khả năng chịu nén nếu ngâm lâu Điều này cho thấy tỷ lệ xốp tối đa là 55% với tỷ lệ cát/tro 1,6 có khả năng tạo ra vữa đạt yêu cầu cho gạch chịu tác động ăn mòn.
Bảng 4.4 Kết quả cường độ nén của mẫu vữa 0% xốp
Dung dịch/tro Cát/tro Dung dịch/ cốt liệu khô
Khối lƣợng thể tích (Kg/m 3 )
Ảnh hưởng của tỷ lệ cát/ tro đến cường độ nén theo thời gian ngâm
Hình 4.15 Ảnh hưởng của cát/tro đến cường độ nén của vữa ngâm H 2 SO 4
Hình 4.16 Ảnh hưởng của cát/tro đến cường độ nén của vữa ngâm Na 2 SO 4
Hình 4.17 Ảnh hưởng của cát/tro đến cường độ nén của vữa ngâm NaCl
Kết quả thí nghiệm nén mẫu cho thấy, ở vữa xốp 55%, cấp phối C1 có cường độ nén thấp hơn 9,2% so với C2 và cao hơn 22% so với C3 Đối với vữa xốp 45%, cấp phối D1 có cường độ nén thấp hơn 13,4% so với D2 và thấp hơn 22,7% so với D3 Điều này cho thấy tỉ lệ cát/tro ảnh hưởng đáng kể đến cường độ của vữa xốp geopolymer So sánh với các cấp phối vữa có hàm lượng xốp 0%, cường độ của vữa xốp tăng dần theo các tỉ lệ cát/tro 1,3, 1,6, 1,9 Tuy nhiên, cấp phối C3 với hàm lượng xốp 55% có cường độ thấp hơn do tỉ lệ dung dịch/cốt liệu khô (cát+tro) không đủ để tạo liên kết geopolymer, gây khó khăn trong quá trình thao tác tạo mẫu.
Kết quả thí nghiệm cho thấy sau 8 tuần ngâm hóa chất, các mẫu vữa có xu hướng tăng cường độ nén so với ban đầu Cụ thể, vữa xốp 55% với cấp phối C1 tăng từ 7,1% đến 24,6%, cấp phối C2 tăng từ 6,8% đến 18,5%, và cấp phối C3 thay đổi từ -4,2% đến +16,7% Đối với vữa xốp 45%, cấp phối D1 tăng từ 9,3% đến 13,9%, cấp phối D2 tăng từ 3,1% đến 6,3%, và cấp phối D3 tăng từ 3% đến 5,9%.
Sau 20 tuần ngâm, các mẫu vữa giảm cường độ dần và ổn định hơn Đối với vữa xốp 55%, cấp phối C1 thay đổi từ -4,7% đến +1,8% so với ban đầu, cấp phối C2 giảm từ 1,1% – 9,5% , riêng cấp phối C3 giảm mạnh từ 20,5% – 28,1% Đối với vữa 45% xốp , cấp phối D1 thay đổi từ -5,2% đến +0,5% so với ban đầu, cấp phối D2 giảm từ 2,7% – 7,1%, cấp phối D3 giảm từ 3,7% – 7,4% Sau 20 tuần, cường độ nén của cấp phối C1 thấp hơn từ 0% – 6,1% so với C2 và cao hơn từ 39,1% – 42,6% so với C3, cường độ nén của cấp phối D1 thấp hơn từ 9,9% – 11,9% so với D2 và thấp hơn từ 17,6% – 20,5% so với D3
Nghiên cứu cho thấy rằng vữa geopolymer xốp với tỉ lệ cát/tro lớn đạt cường độ ban đầu cao hơn, cụ thể là vữa với tỉ lệ 1,6 và 1,9 cao hơn khoảng 11% và 19% so với tỉ lệ 1,3 sau 20 tuần ngâm trong dung dịch ăn mòn Tuy nhiên, cấp phối C3 với hàm lượng xốp 55% lại có cường độ thấp hơn và giảm mạnh sau khi ngâm, có thể mất hoàn toàn cường độ nén nếu ngâm lâu do tỉ lệ dung dịch/cốt liệu khô (cát+tro) thấp, dẫn đến việc không đủ tạo liên kết geopolymer và gây khó khăn trong quá trình thao tác tạo mẫu.
Ảnh hưởng của thời gian ngâm giữa các dung dịch hóa chất
Hình 4.18 Sự thay đổi cường độ nén so với ban đầu sau 4 tuần ngâm
Hình 4.19 Sự thay đổi cường độ nén so với ban đầu sau 8 tuần ngâm
Hình 4.20 Sự thay đổi cường độ nén so với ban đầu sau 12 tuần ngâm
Hình 4.21 Sự thay đổi cường độ nén so với ban đầu sau 16 tuần ngâm
Hình 4.22 Sự thay đổi cường độ nén so với ban đầu sau 20 tuần ngâm
Kết quả thí nghiệm cho thấy dung dịch 5% không tạo ra sự chênh lệch cường độ lớn giữa các hóa chất sau thời gian ngâm Tất cả hóa chất đều làm tăng cường độ mẫu đến tuần thứ 8, sau đó giảm dần Mẫu ngâm trong H2SO4 giảm cường độ mạnh hơn so với Na2SO4 và NaCl Sau 8 tuần, mẫu trong H2SO4 tăng cường độ từ 3% đến 10,2%, trong khi C3 giảm 4,2% Mẫu ngâm Na2SO4 tăng từ 5,9% đến 21,7%, và NaCl từ 0,8% đến 24,6% Các cấp phối 55% xốp tăng cường độ nhiều hơn nhưng kém ổn định hơn 45% xốp Sau 20 tuần, mẫu trong H2SO4 giảm từ 4,7% đến 9,6%, Na2SO4 thay đổi từ -3,7% đến +1,8%, và NaCl từ -6,8% đến +1,8% Cấp phối C3 trong các dung dịch đều giảm mạnh từ 20,7% đến 28,2% Kết quả chỉ ra rằng H2SO4 tác động mạnh và làm mất cường độ vữa geopolymer xốp nhiều hơn 3% đến 6% so với NaCl và Na2SO4, với NaCl gây mất cường độ lớn hơn khoảng 3% so với Na2SO4 do ion Cl- có kích thước nhỏ hơn ion SO4 2-.
Độ thay đổi khối lượng và cường độ của mẫu gạch theo thời gian ngâm
Kết quả thí nghiệm cho thấy sự thay đổi khối lượng và cường độ nén của mẫu gạch được đúc từ cấp phối D2 với tỷ lệ cát/tro là 0,6, Na2SiO3/NaOH là 2,5 và cát/tro là 1,6.
Bảng 4.5 Kết quả cường độ nén của gạch cấp phối D2
Hóa chất Nén lúc đầu 4 tuần 8 tuần 12 tuần 16 tuần 20 tuần
Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu nén của gạch D2 tăng mạnh đến tuần thứ 8, với mẫu trong dung dịch H2SO4 tăng 3,9%, Na2SO4 tăng 5,4% và NaCl tăng 7% so với ban đầu Tuy nhiên, sau 20 tuần ngâm, mẫu trong H2SO4 giảm 6,6%, Na2SO4 giảm 1,8% và NaCl giảm 4,5% Mặc dù mẫu ngâm trong môi trường axit có sự giảm cường độ nhiều hơn, nhưng không có mẫu nào bị phá hoại.
Bảng 4.6 Độ thay đổi khối lƣợng gạch sau khi ngâm (%)
Hóa chất 4 tuần 8 tuần 12 tuần 16 tuần 20 tuần
Khối lượng gạch D2 cho thấy sự thay đổi tương tự như mẫu vữa hình trụ, với khối lượng tăng dần cho đến tuần thứ 12 Sau đó, khối lượng giảm dần trong các tuần tiếp theo, tuy nhiên, sau 20 tuần, khối lượng vẫn cao hơn so với ban đầu từ 5,3% đến 7,7%.
