TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Ngày nay, sự phát triển xã hội đi kèm với những thách thức môi trường nghiêm trọng như ấm lên toàn cầu, biến đổi khí hậu cực đoan và ô nhiễm môi trường, đặc biệt ở các nước đang phát triển Hơn nữa, việc khai thác quá mức các nguyên liệu hóa thạch để phục vụ nhu cầu sống đang dẫn đến cạn kiệt nguồn 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, dẫn đến nhu cầu vật liệu xây dựng tăng cao Năm 2012, cả nước tiêu thụ từ 20 đến 22 tỷ viên gạch mỗi năm, chủ yếu là gạch nung thủ công, chiếm 90% Đến năm 2020, lượng đất sét tiêu thụ để sản xuất gạch ước tính đạt 600 triệu m³, tương đương 30.000ha đất canh tác Tuy nhiên, sản xuất gạch nung còn gây ra lượng lớn khí thải, làm ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng 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 chỉ chiếm khoảng 4-5% tổng sản lượng gạch cả nước Nguyên nhân chủ yếu là do thói quen sử dụng gạch nung lâu đời, cùng với việc dây chuyền sản xuất gạch không nung chủ yếu 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 thay thế gạch đất nung bằng gạch không nung từ 20-25% vào năm 2015 và 30-40% vào năm 2020, hướng tới việc xóa bỏ hoàn toàn gạch đất nung thủ công Mục tiêu này nhằm thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành xây dựng.
Đến năm 2020, 40% vật liệu xây dựng không nung (VLXDKN) đạt khoảng 16,8 tỷ viên, yêu cầu đầu tư trung bình hàng năm là 1,6 tỷ viên Cần căn cứ vào nguồn nguyên liệu của từng vùng và nhu cầu thị trường để đầu tư vào các cơ sở sản xuất vật liệu xây dựng không nung phù hợp.
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 được cải thiện thông qua các phương pháp này, với khoảng 300 tiêu chuẩn quốc tế cho các kích thước khác nhau, sức chịu tải tối đa lên tới 35MPa.
Gạch không nung là sản phẩm đa dạng, được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng lớn nhỏ như xây tường, lát nền và trang trí Hiện nay, gạch không nung ngày càng trở nên phổ biến, thay thế gạch nung truyền thống và 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 xi măng – cát: Gạch đƣợc tạo thành từ xi măng và cát
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 Loại gạch này nổi bật với những ưu điểm như độ bền cao, trọng lượng siêu nhẹ và tính thân thiện với môi trường, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các công trình xây dựng hiện đại.
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, mang lại nhiều lợi ích cho ngành xây dựng Một trong những ưu điểm nổi bật của bê tông bọt là quy trình sản xuất không cần thiết bị lớn và đắt tiền, thường được thực hiện ngay tại công trường với thiết bị đơn giản Điều này khác biệt với bê tông khí chưng áp (AAC), chỉ có thể sản xuất trong điều kiện nhà máy cố định Sản phẩm gạch bê tông bọt thường có màu xám đặc trưng, với tỷ trọng từ 700-900kg/m³ và cường độ nén đạt tiêu chuẩn từ 2,5 đến 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 quy trình sản xuất đơn giản Loại gạch này có khả năng cách âm và cách nhiệt tốt nhờ vào cấu trúc hạt EPS Trọng lượng của gạch bê tông nhẹ dao động từ 600 đến 1500kg/m³, tùy thuộc vào 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, cách nhiệt và chống thấm hiệu quả Với nhiều kích thước phù hợp cho từng loại công trình, sản phẩm giúp rút ngắn thời gian thi công và tiết kiệm vữa xây, từ đó hạ giá thành tổng thể của công trình.
Sản phẩm được sản xuất bằng công nghệ tiên tiến, đảm bảo chất lượng và quy cách chuẩn xác Chúng tôi có khả năng phát triển các cơ sở sản xuất với nhiều quy mô khác nhau, linh hoạt trong việc lựa chọn mặt bằng sản xuất.
Gạch không nung ngày càng được nghiên cứu và phát triển nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó, đặc biệt là khả năng chống chịu ăn mòn trong các môi trường khắc nghiệt như axit và muối Những nghiên cứu này đã mở ra ứng dụng thực tế, giúp 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 được sản xuất từ nguyên liệu phế phẩm và phụ phẩm của các ngành công nghiệp đang ngày càng phát triển, trong đó gạch sử dụng công nghệ geopolymer kết hợp với hạt xốp polystyrene là một ví dụ tiêu biểu Nghiên cứu về độ bền của loại gạch này trong các môi trường xâm thực có hại là cần thiết, vì vậy đề tài "Xác định độ bền trong các môi trường ăn mòn của gạch nhẹ sử dụng hạt xốp và công nghệ Geopolymer" đã được lựa chọn để thực hiện.
Tình hình nghiên cứu
Geopolymer là vật liệu vô cơ tổng hợp từ aluminosilicate, lần đầu tiên được giới thiệu bởi giáo sư Joseph Davidovits vào những năm 1970 Nguyên lý chế tạo geopolymer dựa trên phản ứng của aluminosilicate trong môi trường kiềm, tạo ra sản phẩm với 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 Si và Al cho quá trình geopolymer hóa Chất hoạt hóa kiềm phổ biến nhất là 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 phát thải CO2 và tận dụng chất thải công nghiệp như tro xỉ, bùn đỏ để tạo ra sản phẩm có tính năng cao Trên toàn cầu, vật liệu geopolymer đã được ứng dụng trong sản xuất xi măng, bao gồm xi măng đóng rắn nhanh và xi măng bền axit, cũng như trong sản xuất gạch và gốm không nung Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong các vật liệu công nghệ cao như composite chống cháy, xử lý phế thải độc hại và phóng xạ, cũng như trong các 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 đã nghiên cứu quy trình sản xuất bê tông geopolymer từ tro bay, bao gồm các phương pháp sản xuất và thí nghiệm mẫu Họ cũng đã thu thập dữ liệu về các tính chất quan trọng của bê tông geopolymer, như 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 các nồng độ khác nhau Nghiên cứu này trình bày chi tiết về 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 chống ăn mòn của vữa geopolymer khi tiếp xúc với các môi trường NaCl, Na2SO4 và MgSO4 trong thời gian 720 ngày.
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 an overview of 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 về bê tông geopolymer, trình bày những thành tựu nổi bật và mốc thời gian phát triển của chất kết dính hoạt hóa kiềm Họ cũng phân tích quá trình hình thành cấu trúc bê tông geopolymer, các đặc tính của nó, cùng với những ứng dụng thực tiễn trong xây dựng và công nghiệp.
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 đánh giá 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 tiến hành nghiên cứu về tác động của nhiệt độ cao đối với cường độ của vữa geopolymer, trong đó sử dụng phụ gia silicafume với các hàm lượng khác nhau Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về mối liên hệ giữa nhiệt độ và tính chất cơ học của vữa geopolymer, góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng trong xây dựng.
Vũ Huyền Trân và Nguyễn Văn Chánh đã giới thiệu những 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, cùng với chất tạo khí và 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
Axit có tác động tiêu cực đến các công trình xây dựng, gây lo ngại toàn cầu Mức độ ăn mòn phụ thuộc vào loại và nồng độ axit, cũng như các đặc tính của bê tông và loại xi măng sử dụng Xi măng portland và vật liệu kiềm với độ pH trên 12,5 dễ bị axit tấn công nghiêm trọng Việc nghiên cứu độ bền của các vật liệu mới như geopolymer trong môi trường axit mạnh là cần thiết để đảm bảo tính ổn định của công trình.
Nghiên cứu và ứng dụng chất kết dính geopolymer đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu và trong nước, cho thấy việc chế tạo gạch xốp từ công nghệ này mang lại ý nghĩa thực tiễn lớn Các mẫu gạch cần được thiết kế nhẹ, thân thiện với môi trường, và có khả năng chịu nén, chịu uốn, đồng thời hoạt động hiệu quả trong môi trường ăn mòn và kháng hóa chất.
Nghiên cứu độ ăn mòn của vật liệu geopolymer với hạt xốp cho thấy ảnh hưởng của tỉ lệ các cốt liệu thành phần đến khả năng chịu ăn mòn Kết quả cho phép vẽ các biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng này và rút ra kết luận về tính chất bền vững 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 hiện có trong và ngoài nước, kết hợp với dữ liệu thu thập từ quá trình đúc mẫu thí nghiệm Cuối cùng, tiến hành đánh giá và nhận xét về kết quả đạt được.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Công nghệ Geopolymer
2.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển
Geopolymer là vật liệu thân thiện với môi trường, giúp giảm lượng khí thải CO2 và tận dụng phế thải công nghiệp như tro bay và xỉ thép Trên toàn cầu, geopolymer được ứng dụng trong sản xuất xi măng đóng rắn nhanh, xi măng bền acid, và 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 tiềm năng ứng dụng 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 đất sét và cao lanh có thể tương tác với dung dịch kiềm NaOH ở nhiệt độ từ 100 đến 150 độ C để tạo ra hợp chất mới gọi là Hydrosodialte Dựa trên phát hiện này, công nghệ geopolymer đã được tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong thời gian sau.
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, công nghệ chế tạo tấm panel gỗ cách nhiệt đã được phát triển bằng cách phủ silic-aluminosilicate lên bề mặt sau khi qua quá trình gia nhiệt Đến năm 1977-1978, ngành công nghiệp gốm sứ đã ứng dụng công nghệ Geopolymer, tạo ra hợp chất gốm có 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 kết hợp đất sét cao lanh với dung dịch kiềm hoạt tính cao, tạo ra chuỗi M-Polysiliate M trong chuỗi này đại diện cho kim loại kiềm hoạt tính, thường là Natri (Na) hoặc Kali (K) Sản phẩm này đã nhận được sự 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 thành công xi măng polymer mới bằng cách kết hợp nguyên liệu sét và dung dịch kiềm hoạt tính cao, tạo ra chất kết dính vô cơ với khả năng đóng rắn nhanh và cường độ ban đầu tốt Công nghệ này đang ngày càng phổ biến trên toàn cầu và dần vượt trội hơn xi măng portland nhờ vào 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, và công nghiệp chất dẻo Kết quả cho thấy xi măng này có khả năng đóng rắn nhanh ở nhiệt độ phòng, đạt cường độ chịu nén lên tới 20 MPa sau 4 giờ ở 200 độ C và từ 70 – 100 MPa sau 28 ngày bảo dưỡng.
Nghiên cứu về Geopolymer đã xuất hiện rải rác ở nhiều quốc gia, nhưng tài liệu khoa học về lĩnh vực này vẫn còn hạn chế Từ những năm 1990, số lượng nghiên cứu về Geopolymer bắt đầu gia tăng, đặc biệt là về ảnh hưởng của các loại vật liệu trong Geopolymer Tại Việt Nam, việc ứng dụng vật liệu Geopolymer trong xây dựng vẫn chưa phổ biến, mặc dù đã có một số nghiên cứu ban đầu về bê tông Geopolymer, như bê tông chịu lửa không xi măng và bê tông cốt liệu ít xi măng Năm 2011, một nghiên cứu về ứng dụng chất kết dính Geopolymer trong sản xuất vật liệu không nung từ phế thải tro bay và xỉ lò cao đã được thực hiện, dẫn đến 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 đáng kể 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 dân E-Crete sử dụng hỗn hợp tro bay và xỉ lò cao như là vật liệu kết dính, kết hợp các thành phần hoạt hóa kiềm độc quyền.
Trong những năm gần đây, nghiên cứu công nghệ Geopolymer đã có nhiều tiến bộ với việc áp dụng các nguyên vật liệu hiện đại 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 các nguyên liệu này đã làm cho vật liệu Geopolymer trở nên hấp dẫn hơn Tuy nhiên, công nghệ Geopolymer vẫn ưu tiên nghiên cứu nhằm 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 hình thành 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, được tạo ra từ phản ứng này.
Hình 2.2 Cấu trúc poly(sialates) theo Davidovist
Cấu trúc phân tử Geopolymer được hình thành từ quá trình phản ứng giữa các khoáng nhôm và silic với dung dịch kiềm cùng 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 viết lại 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 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 bẻ gãy Nhóm nguyên tố này sau đó chuyển sang hệ keo, dẫn đến sự tích tụ sản phẩm bị phá hủy Cuối cùng, phản ứng nội tại tạo ra cấu trúc ổn định thấp, và quá trình này sẽ dẫn đến sự 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, sản phẩm phá hủy bắt đầu tích tụ sau một thời gian hòa tan, trong khi ở trường hợp thứ hai, quá trình trùng hợp xảy ra ngay sau khi hòa tan Palomo và các cộng sự cũng đồng tình rằng có hai kiểu hoạt tính kiềm: kiểu thứ nhất xảy ra khi chất kích hoạt xỉ lò cao (Si+Ca) là dung dịch kiềm yếu, dẫn đến sản phẩm chủ yếu là CSH Kiểu thứ hai liên quan đến chất hoạt hóa kiềm của Metakaolin, sử dụng 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 Sự phá vỡ cấu trúc của tro bay trong giai đoạn đầu là yếu tố quyết định đến các sản phẩm cuối cùng, dẫn đến quá trình ngưng kết có trật tự, tạo ra cấu trúc chuỗi và sản phẩm với cường độ cơ học cao.
Davidovist cho rằng dung dịch kiềm có thể phản ứng với silic và nhôm trong vật liệu khoáng hoặc phế thải như tro bay và tro trấu để tạo ra chất kết dính Phản ứng hóa học này là quá trình trùng hợp, do đó ông gọi nó là Geopolymer Tỷ lệ Si/Al là thông số chính quyết định tính chất và ứng dụng của Geopolymer, trong đó tỷ lệ Si/Al khoảng xấp xỉ 2 là phù hợp 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 mềm, nhẹ và có khả năng cách điện, được sản xuất từ các hạt nhựa polystyrene rắn Đặc biệt, độ rỗng trong hạt EPS chiếm đến 40 lần thể tích ban đầu, cho phép tạo ra các hình dạng đa dạng để phù hợp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau.
Hạt xốp polystyrene EPS nổi bật với nhiều ưu điểm như khả năng cách nhiệt và cách âm hiệu quả, chống ẩm tốt, độ bền cao và dễ dàng vận chuyển Với tỷ lệ giá/hiệu suất vượt trội so với các vật liệu cách nhiệt khác, EPS ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng, đặc biệt trong các sản phẩm như gạch nhẹ và bê tông nhẹ Việc sử dụng hạt xốp này giúp giảm tải cho công trình, giảm kích thước mong muốn và hạn chế thiệt hại do động đất Khối lượng thể tích của hạt xốp EPS dao động từ 10 – 20 kg/m³.
Hình 2.8 Hạt xốp Polystyrene EPS
Hạt xốp polystyrene EPS rất an toàn khi sử dụng, không độc hại và hoàn toàn trơ, có khả năng kháng acid và kiềm Do không có giá trị dinh dưỡng, hạt này không thể phát triển các vi nấm gây hại và có thể 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 cả 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, do các yếu tố ăn mòn có trong những loại nước này Đây là vấn đề phổ biến tại các công trình xây dựng, đặc biệt ở khu vực ven biển, dưới nước hoặc nơi có nước ngầm 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 xảy ra khi bê tông tiếp xúc với các khí như CO2, Cl và SO2, thường gặp ở các khu vực gần nhà máy chế biến 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 và nguyên nhân khác nhau Các yếu tố này có thể bao gồm sự kết hợp của hai hoặc ba môi trường ăn mòn, tạo nên sự ảnh hưởng lớn đến độ bền và tuổi thọ của công trình.
Ăn mòn bê tông và vữa xi măng chủ yếu do các tác nhân như cacbonat, chloride, sunfate và sự hydrat hóa của xi măng Đối với vật liệu geopolymer, ăn mòn thường xảy ra trong môi trường muối, đặc biệt là 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
Tiếp xúc với môi trường biển là yếu tố quan trọng làm giảm độ bền của các công trình xây dựng Nước biển chứa khoảng 3.5% muối hòa tan (clorua và sulfate) và có độ pH khoảng 8.2, gây ra nhiều tác động tiêu cực đến bê tông và vữa Các quá trình lý hóa như ăn mòn sulfate, ăn mòn clorua, phản ứng kiềm cốt liệu, kết tinh muối và tác động của vi sinh vật đều có thể gây hư hại cho vật liệu xây dựng.
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 cách, bao gồm việc đúc vào kết cấu thông qua phụ gia CaCl2 (đã ngừng sử dụng) hoặc từ các ion clorua có trong cát, nước, và cốt liệu Tuy nhiên, nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng ăn mòn do clorua trong các công trình là sự khuếch tán ion clorua từ môi trường, đặc biệt là khi kết cấu tiếp xúc trực tiếp với môi trường biển có nhiều muối hoặc khi sử dụng muối để tan băng cùng các hợp chất hóa học chứa clorua.
Ion clorua có khả năng gây ăn mòn bê tông thông qua việc xâm nhập vào lớp bảo vệ, khác với quá trình cacbonat hóa, diễn ra ngay cả khi độ pH của hỗn hợp 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, và thẩm thấu dưới áp lực.
Ion clo trong cấu trúc bê tông hoặc vữa tồn tại dưới hai dạng chính: ion clo tự do và ion clo liên kết Việc hiểu rõ sự hiện diện của các dạng ion này là rất quan trọng trong việc đánh giá khả năng liên kết của chúng trong vật liệu xây dựng.
Ion clo tự do là yếu tố quan trọng gây ăn mòn, có thể xâm nhập vào bê tông từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm nguồn bên ngoài, cốt liệu sẵn có, hoặc thông qua quá trình cacbonat hóa, khi đó ion clo liên kết sẽ được giải phóng thành ion clo tự do.
Ion linkages are primarily formed through chemical bonds, mainly involving calcium chloraluminate (3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O – Friedel's salt) and calcium silicate hydrate (3CaO.2SiO3.3H2O), which are absorbed on the surfaces of porous materials.
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 SO4^2- đóng vai trò quan trọng liên quan đến mùi hôi và sự ăn mòn đường ống Điều này xảy ra do quá trình khử sulfate thành hydrogen sulfide trong môi trường kị khí.
Sự ăn mòn sulfate trong các đường ống nước thải bê tông xảy ra do nước thải sinh hoạt có nhiệt độ cao, thời gian lưu lâu và nồng độ sulfate cao Nguyên nhân chính là sự chuyển hóa sulfate thành H2S và sau đó thành H2SO4, với vi khuẩn có khả năng oxy hóa H2S thành H2SO4 tồn tại trong tự nhiên và trong nước thải Điều kiện hiếu khí trong hệ thống cống góp phần vào sự hình thành H2SO4, dẫn đến sự ăn mòn đáng kể bê tông.
NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
Nguyên vật liệu
Sau khi tìm hiểu về geopolymer và cơ chế ăn mòn, chúng tôi tiến hành chuẩn bị cho việc đúc mẫu và thí nghiệm Để đảm bảo quy trình phối trộn, đúc mẫu và thực hiện thí nghiệm đúng kỹ thuật và khoa học, cần có kế hoạch cụ thể cho từng bước thực hiện Việc lựa chọn vật liệu làm khuôn, cấu tạo khuôn đúc và cơ chế lắp ráp, tháo khuôn cũng 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 (hạt polystyrene phồng nở) có 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 sử 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 là 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 môi trường ẩm ướt là rất quan trọng, vì những yếu tố này có thể làm hỏng và thay đổi tính chất của tro bay Tro bay trong các bao tải lớn nên được chia nhỏ và cất giữ gọn gàng trong thùng để thuận tiện cho việc sử dụng trong quá trình trộn vữa geopolymer xốp.
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 chế tạo dung dịch hoạt hóa geopolymer cần phải sạch, không chứa tạp chất hóa học, nhằm đảm bảo không ảnh hưởng tiêu cực đến thời gian tĩnh định của sản phẩm.
Sử dụng dung dịch NaOH có nồng độ 14M
Dung dịch NaOH 14M yêu cầu độ sạch tối thiểu là 98% Trước khi sử dụng, cần xác định nồng độ dung dịch cần thiết để pha trộn đúng theo công thức tính nồng độ Mol Từ đó, chúng ta có thể tính toán khối lượng NaOH khan cần pha trộn vào dung dịch một cách chính xác.
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 chất lỏng màu trắng đục, có tính sệt và dễ hòa tan trong nước Nó có khả năng tương tác với nhiều dạng chất khác nhau, bao gồm rắn, lỏng và khí Tuy nhiên, thủy tinh lỏng dễ bị phân hủy bởi các axit, bao gồm cả axit carbonic, dẫn đến việc hình thành kết tủa keo của axit silic.
Dung dịch thủy tinh lỏng (Sodium Silicat) là yếu tố quan trọng trong quá trình tổng hợp chất kết dính geopolymer Tốc độ phản ứng tăng cao khi dung dịch kiềm kích hoạt chứa các ion silicate hòa tan Khi dung dịch thủy tinh lỏng được thêm vào dung dịch NaOH, một phản ứng xảy ra, dẫn đến sự hòa trộn của hai dung dịch Sự hiện diện của dung dịch thủy tinh lỏng trong dung dịch kiềm kích hoạt thúc đẩy quá trình tan rã các hạt tro bay diễn ra nhanh chóng hơn.
Cát sử dụng trong xây dựng là cát sạch lấy 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 để đảm bảo chất lượng.
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 tiêu chuẩn này có thể khác biệt tùy 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 và sét sẽ tạo ra một lớp màng mỏng trên bề mặt cốt liệu, làm giảm sự tiếp xúc giữa xi măng và cốt liệu, từ đó ảnh hưởng đến tính kết dính và cường độ của vữa và bê tông Gạch bê tông sử dụng cốt liệu từ cát và tro bay cũng gặp phải vấn đề tương tự khi cát mịn có nhiều tạp chất Do đó, không nên sử dụng cát mịn, cát nhiễm mặn, nhiễm phèn hoặc cát có nhiều tạp chất Cát thô với thành phần được quy định trong TCVN 7570:2006 là loại cát được phép sử dụng 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, tiến hành trộn cốt liệu khô gồm cát và tro bay trong 1 phút để tạo thành hỗn hợp vữa khô Tiếp theo, cho dung dịch sodium hydroxide và sodium silicate vào và trộn trong 2 phút Hỗn hợp vữa sau đó được tạo mẫu theo tiêu chuẩn ASTM C780 Cuối cùng, cho hạt xốp EPS vào và trộn đều trong 3 phút trước khi đổ vữa vào khuôn 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 mẫu vữa được tĩnh định trong 48 giờ, chúng sẽ được dƣỡng hộ ở nhiệt độ 70 °C trong 8 giờ, tiếp theo là dƣỡng hộ tự nhiên trong 24 giờ Tuy nhiên, đối với vật liệu hạt xốp EPS, việc dƣỡng hộ ở nhiệt độ trên 70 °C có thể dẫn đến hiện tượng cháy xốp, gây 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 thời điểm khác nhau, 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 Để tính toán cường độ chịu nén của mẫu vữa, cần áp dụng công thức cụ thể.
Pn: Lực nén phá hoại mẫu (N)
Fn: Diện tích bề mặt tiếp xúc (mm 2 )
: Hệ số phụ thuộc chiều cao mẫu
Tính toán trung bình cộng các kết quả nén, đồng thời loại bỏ những giá trị sai lệch vượt quá 15% so với giá trị trung bình, với độ chính xác đạt 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 100x200mm được kiểm tra kích thước thực tế và xác định độ hút nước, sau đó được nén để đánh giá cường độ chịu nén trong môi trường ăn mòn H2SO4.
Na 2 SO 4 , NaCl theo từng mốc thời gian khác nhau
Kiểm tra mẫu thí nghiệm cho thấy tất cả các mẫu 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
Hình 4.1 Mẫu ngâm trong H 2 SO 4 sau 20 tuần
Kết quả quan sát cho thấy mẫu vữa geopolymer hạt xốp EPS ngâm trong dung dịch H2SO4 đã xuất hiện sự thay đổi màu sắc, với bề mặt mẫu được phủ lớp màu vàng cam do sản phẩm thạch cao (CaSO4.2H2O) tạo 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 có sự thay đổi rõ rệt về màu sắc, hình dáng và kích thước, đồng thời 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 màu sắc với một lớp tinh thể màu trắng nhỏ và mịn bám trên bề mặt Đây là các tinh thể muối natri clorua (NaCl) kết tủa, trong khi hình dạng và kích thước của mẫu không có sự thay đổi.
Hình 4.3 Mẫu ngâm trong NaCl sau 20 tuần
Kiểm tra độ dƣ kiềm
Để kiểm tra độ dư kiềm trong mẫu sau khi ngâm hóa chất, sử dụng dung dịch phenolphtalein 1% Phenolphtalein, với công thức hóa học C20H14O4, thường được viết tắt là “HIn” hoặc “phph” Để pha chế 100ml dung dịch phenolphtalein 1%, cần 1g phenolphtalein nguyên chất dạng bột màu trắng, hòa trộn 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 Khả năng này cho phép phenolphtalein được sử dụng để kiểm tra dấu hiệu 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 4.6 Mẫu ngâm Na 2 SO 4 sau 4, 8, 12, 16 tuần ( từ trái sang phải)
Sau 4, 8, 12 và 16 tuần ngâm trong dung dịch NaCl, tất cả các mẫu vữa đều chuyển sang màu tím khi được phun dung dịch phenolphtalein 1%, điều này cho thấy môi trường kiềm bên trong các mẫu vữa geopolymer xốp Sự chuyển màu này chứng tỏ sự hiện diện của dung dịch kiềm trong thành phần của vữa geopolymer.
NaOH có tính kiềm, tương tự như môi trường của vữa xi măng và bê tông, do hydroxide canxi hình thành khi xi măng portland phản ứng với nước Trong thiết kế cấp phối và quá trình bảo dưỡng vữa geopolymer xốp, môi trường kiềm có thể được kiểm soát, với nhiệt độ bảo dưỡng cao làm giảm lượng NaOH do nó tham gia vào phản ứng trùng ngưng tạo liên kết geopolymer Sau khi ngâm trong dung dịch ăn mòn, các mẫu vẫn duy trì tính kiềm, với phần màu hồng do phenolphtalein phun 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 các mẫu được dƣỡng hộ nhiệt và để tĩnh định ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ, chúng đã 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 (%)
Ở cấp phối D1, D2 và D3, độ hút nước có xu hướng giảm, với D1 đạt 2,4% là cao nhất và D3 chỉ 1,61% là thấp nhất Ngược lại, ở các cấp phối C1, C2 và C3, độ hút nước tương đối cao, trong đó C3 đạt 4,14% là lớn nhất, còn C2 là 3,6% là thấp nhất.
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng các cấp phối D có độ hút nước thấp hơn so với các cấp phối C Sự khác biệt này được giải thích bởi hàm lượng xốp giữa hai cấp phối, với cấp phối D có hàm lượng xốp chỉ 45%, dẫn đến độ rỗng ít hơn và khả năng hút nước thấp hơn so với cấp phối C có hàm lượng xốp 55%.
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
Hình 4.10 Ảnh hưởng của hàm lượng xốp đến khối lượng vữa với cát/tro=1,6
Kết quả thí nghiệm cho thấy hàm lượng xốp ảnh hưởng đáng kể đến khối lượng vữa, với mẫu vữa có 55% xốp tăng khối lượng từ 9% đến 12,9% sau 12 tuần ngâm và từ 8,1% đến 11% sau 20 tuần Trong khi đó, mẫu vữa 45% xốp chỉ tăng khối lượng từ 5,4% đến 8,6% sau 12 tuần và từ 5,1% đến 7,9% sau 20 tuần ngâm Sự khác biệt này chủ yếu do độ rỗng lớn hơn ở mẫu 55% xốp, tạo điều kiện cho hiện tượng mao dẫn diễn ra mạnh mẽ hơn khi ngâm trong dung dịch Ngoài ra, mẫu vữa ngâm trong Na2SO4 và NaCl có mức tăng khối lượng tương tự nhau, 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 ngâm chỉ 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%
Các mẫu vữa xốp 45% cho thấy mức độ giảm cường độ sau quá trình ngâm ăn mòn chỉ khoảng 2%, ít hơn so với mẫu vữa xốp 55%, nhưng lại có biên độ dao động ổn định hơn Cấp phối C3 giảm cường độ đáng kể và có thể mất khả năng chịu lực nếu tiếp xúc lâu trong môi trường ăn mòn Mẫu vữa với lượng 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 nếu ngâm lâu Cuối cùng, lượng xốp tối đa 55% với tỷ lệ cát/tro 1,6 có khả năng tạo ra vữa đạt yêu cầu cho gạch chịu được tác động của sự 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 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 với các cấp phối vữa có hàm lượng xốp 0%, cường độ của vữa xốp tăng dần theo tỉ lệ cát/tro 1,3, 1,6, 1,9, nhưng cấp phối C3 với hàm lượng xốp 55% lại 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, đối với vữa xốp 55%, 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
Tỉ lệ cát/tro lớn trong vữa geopolymer xốp mang lại cường độ ban đầu cao hơn, với cường độ của vữa có tỉ lệ cát/tro 1,6 và 1,9 cao hơn khoảng 12% và 22% so với tỉ lệ 1,3 Tuy nhiên, vữa này dễ bị ăn mòn trong môi trường xâm thực, với cường độ giảm khoảng 11% và 19% sau 20 tuần ngâm trong dung dịch ăn mòn Đặc biệt, cấp phối C3 với hàm lượng xốp 55% có cường độ thấp 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, gây khó khăn trong việc tạo liên kết geopolymer và 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, với xu hướng tăng cường độ đến tuần thứ 8 và giảm dần sau đó Các 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% – 10,2%, trong khi mẫu ngâm Na2SO4 tăng từ 5,9% – 21,7% và NaCl từ 0,8% – 24,6% Cấp phối 55% xốp tăng cường độ nhiều nhưng kém ổn định hơn cấp phối 45% xốp Sau 20 tuần, mẫu trong H2SO4 giảm cường độ từ 4,7% – 9,6%, Na2SO4 thay đổi từ -3,7% đến +1,8%, và NaCl từ -6,8% đến +1,8% Cấp phối C3 giảm mạnh từ 20,7% – 28,2% và có thể mất cường độ trong các tuần tiếp theo Kết quả chỉ ra rằng dung dịch H2SO4 có tác động mạnh hơn, làm giảm cường độ vữa geopolymer xốp từ 3% – 6% so với NaCl và Na2SO4, trong đó ion clorua (Cl-) gây mất cường độ lớn hơn khoảng 3% so với ion sulfate (SO4 2-) do kích thước phân tử nhỏ hơn.
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 thử nghiệm cho thấy cường độ chịu nén của gạch D2 tăng lên cho đến tuần thứ 8, với mức tăng lần lượt là 3,9% trong dung dịch H2SO4, 5,4% trong Na2SO4 và 7% trong NaCl so với giá trị 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 hủy.
Bảng 4.6 Độ thay đổi khối lƣợng gạch sau khi ngâm (%)
Hóa chất 4 tuần 8 tuần 12 tuần 16 tuần 20 tuần
Kết quả khảo sát khối lượng gạch D2 cho thấy, tương tự như mẫu vữa hình trụ, khối lượng mẫu tăng liên tục cho đến tuần thứ 12, sau đó giảm dần trong các tuần tiếp theo Tuy nhiên, sau 20 tuần, khối lượng vẫn cao hơn so với mức ban đầu, dao động từ 5,3% đến 7,7%.
