Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu bê tông chịu nhiệt sử dụng cốt liệu tro xỉ nhiệt điện, xi măng poóclăng và các phụ gia khoáng mịn có mục tiêu nhiên cứu sử dụng cốt liệu từ tro xỉ nhiệt điện, chất kết dính từ xi măng poóclăng và hỗn hợp tro bay - bột ngói, tro bay – silica fume chế tạo BTCN có nhiệt độ làm việc đến khoảng 800 0C trên cơ sở vật liệu sẵn có ở Việt Nam hướng đến làm cấu kiện đúc sẵn cho các công trình công nghiệp.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Đỗ Thị Phượng NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT SỬ DỤNG CỐT LIỆU TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN, XI MĂNG PCLĂNG VÀ CÁC PHỤ GIA KHỐNG MỊN Chun ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã ngành: 9520309 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – Năm 2022 Công trình hồn thành Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Vũ Minh Đức Phản biện 1:……………………………………………………… … ……………………………………………………………………… Phản biện 2: ……………………………………………………… … ……………………………………………………………………… Phản biện 3: ……………………………………………………… … ……………………………………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Vào hồi ngày tháng năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án thư viện Quốc Gia thư viện Trường Đại học Xây dựng Hà Nội MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Bê tơng chịu nhiệt (BTCN) có phạm vi ứng dụng rộng ngành cơng nghiệp luyện kim, hố chất, chế tạo máy đặc biệt ngành sản xuất vật liệu xây dựng với hầm lò, kênh dẫn, ống khói, va gơng Tuy nhiên, nguồn cốt liệu chất kết dính để chế tạo loại bê tơng Việt Nam cịn có nhiều hạn chế Cơng bố khoa học loại bê tơng cịn thực hiện, đặc biệt loại bê tông chịu nhiệt sử dụng xi măng poóclăng (PC) phế liệu, phế thải công nghiệp Theo Viện vật liệu xây dựng, phế thải tro xỉ nhà máy nhiệt điện Việt Nam chiếm trữ lượng lớn, ước tính lượng tro xỉ tồn chứa thải năm khoảng gần 18 triệu gây ô nhiễm đất, nước khơng khí, tái sử dụng khoảng 30% khối lượng Sử dụng nguồn phế thải làm cốt liệu thay phần xi măng PC, kết hợp với phụ gia khoáng mịn (PGKM) vật liệu có sẵn nước bột ngói đất sét nung, silica fume để chế tạo bê tông chịu nhiệt mang lại nhiều ý nghĩa Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng cốt liệu từ tro xỉ nhiệt điện, chất kết dính từ xi măng poóclăng hỗn hợp tro bay – bột ngói, tro bay – silica fume chế tạo BTCN có nhiệt độ làm việc đến khoảng 800oC sở vật liệu sẵn có Việt Nam hướng đến làm cấu kiện đúc sẵn cho cơng trình cơng nghiệp Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu BTCN sử dụng tro xỉ nhiệt điện, xi măng PC PGKM 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Sử dụng chất kết dính từ xi măng PC phụ gia khoáng mịn tro bay, hỗn hợp tro bay – bột ngói, tro bay – silica fume - Sử dụng cốt liệu tro xỉ nhiệt điện có kích thước đến mm - Hỗn hợp BTCN có độ sụt 1÷2 cm (tương ứng độ cứng 25÷35s), cường độ chịu nén bê tơng tuổi ngày (sau sấy 100oC) đạt tối thiểu 20 MPa - Bê tơng có nhiệt độ làm việc đến khoảng 800oC - Nghiên cứu điều kiện phịng thí nghiệm Cơ sở khoa học - Lý thuyết phản ứng khoáng xi măng PC PGKM, lèn chặt cấu trúc, chống co ngót đá chất kết dính Hàm lượng phụ gia khống mịn/chất kết dính cần thích hợp với cấp nhiệt độ tương ứng - Lý thuyết tính tốn thiết kế thành phần hạt cốt liệu cho bê tông chịu nhiệt - Tính tốn lựa chọn thành phần cho bê tơng sở lượng dùng xi măng nước/chất kết dính nhỏ, hàm lượng PGKM thành phần hạt cốt liệu hợp lý Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu thực nghiệm Ý nghĩa 6.1 Ý nghĩa khoa học - Xác định lượng dùng PGKM hợp lý nhằm nâng cao tính chịu nhiệt xi măng PC - Thiết lập quy luật biến đổi số tính chất lý, hóa lý vi cấu trúc chất kết dính theo loại, hàm lượng PGKM nhiệt độ - Thiết lập quy luật ảnh hưởng thành phần hạt cốt liệu tro xỉ nhiệt điện tỷ lệ nước/chất kết dính đến số tính chất BTCN theo nhiệt độ 6.2 Ý nghĩa thực tiễn Các kết nghiên cứu luận án khẳng định khả chế tạo BTCN có nhiệt độ làm việc đến khoảng 8000C sử dụng xi măng PC tro xỉ nhiệt điện, ngói vỡ silica fume Việt Nam, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật số công trình xây dựng, góp phần xử lý phế liệu, phế thải tồn đọng Những đóng góp luận án - Luận án lựa chọn thành công cấp phối BTCN hợp lý sử dụng cốt liệu tro xỉ nhiệt điện, chất kết dính hỗn hợp từ xi măng PC loại PGKM tro bay, bột ngói, silica fume có nhiệt độ làm việc đến khoảng 800oC - Thiết lập quy luật ảnh hưởng loại hàm lượng PGKM (tro bay, tro bay – bột ngói, tro bay – silica fume) đến thành phần, tính chất chất kết dính chịu nhiệt theo nhiệt độ Đánh giá hiệu phụ gia khoáng hỗn hợp, vai trị loại phụ gia khống mịn khoảng nhiệt độ Sự xuất khống khoảng nhiệt độ 800÷1000oC chứng minh tác dụng phụ gia khoáng khẳng định chế tạo khoáng chịu nhiệt tác dụng nhiệt độ cao với có mặt oxyt hoạt tính - Thiết lập quy luật ảnh hưởng thành phần hạt cốt liệu tro xỉ nhiệt điện, tỷ lệ nước/chất kết dính đến số tính chất BTCN theo nhiệt độ Cấu trúc luận án Luận án trình bày 127 trang A4 (khơng kể phụ lục) Cấu trúc luận án gồm phần Mở đầu, chương, phần Kết luận, danh mục công trình cơng bố, tài liệu tham khảo phần Phụ lục CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT 1.1 Giới thiệu bê tông chịu nhiệt 1.1.1 Khái niệm BTCN loại vật liệu đá nhân tạo không nung, hình thành trình rắn hỗn hợp chất kết dính chịu nhiệt với cốt liệu chịu nhiệt, nước phụ gia (nếu có), có khả làm việc nhiệt độ từ 200oC đến không 1800oC 1.1.2 Phân loại BTCN phân loại theo dấu hiệu: Theo mục đích sử dụng, cấu trúc, loại chất kết dính, loại phụ gia khống mịn, theo loại cốt liệu nhiệt độ Luận án nghiên cứu BTCN kết cấu, cấu trúc đặc, sử dụng xi măng poóclăng số phụ gia khoáng mịn (tro bay, bột ngói, silica fume) cốt liệu tro xỉ nhiệt điện với nhiệt độ làm việc đến khoảng 800oC 1.1.3 Tính chất bê tông chịu nhiệt BTCN loại vật liệu mang tính chất bê tơng vật liệu chịu lửa Luận án nghiên cứu BTCN có nhiệt độ làm việc đến khoảng 800oC sử dụng làm cấu kiện đúc sẵn cho cơng trình cơng nghiệp (như hầm sấy, ống khói, kênh dẫn khí nóng, móng lị cơng nghiệp, lớp lát va gơng…), tính chất đặc trưng cho chất lượng bê tơng chủ yếu tiêu lý (khối lượng thể tích, độ co ngót, độ hút nước, cường độ nén) độ bền nhiệt 1.1.4 Vật liệu chế tạo Chất kết dính chịu nhiệt (CKDCN) bao gồm loại chất kết dính rắn mơi trường nước xi măng alumin, cao alumin, bari alumin; chất kết dính rắn mơi trường khơng khí thủy tinh lỏng, phosphat magie; xi măng poóclăng xỉ, xi măng poóclăng puzolan Xi măng PC đưa vào nghiên cứu chế tạo BTCN, nhiên cần sử dụng PGKM Các cốt liệu sử dụng cho BTCN sa mốt, cốt liệu caoalumin, corun, magie thiêu kết, dolomit thiêu kết, quặng cromit, cacbua silic, forsterit, cordierit, cordierit – mulit, periclazo, cốt liệu nhẹ Phụ gia tăng dẻo sử dụng cho BTCN Nước sử dụng cho BTCN dùng xi măng PC cần có yêu cầu kỹ thuật bê tơng thơng thường 1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng BTCN giới Bê tông làm việc nhiệt độ cao nghiên cứu ứng dụng giới từ năm 40-50 kỷ XX Một số vấn đề liên quan nhà nghiên cứu quan tâm gần như: ảnh hưởng nhiệt độ cao đến thành phần tính chất bê tơng; ảnh hưởng PGKM đến tính chất đá CKDCN, BTCN sử dụng xi măng PC; ảnh hưởng cốt liệu đến tính chất BTCN BTCN ứng dụng trước hết CHLB Nga, Cộng hòa Ba Lan, Cộng hòa Séc CHLB Đức chủ yếu dạng blốc, cấu kiện lắp ghép đúc sẵn ngành công nghiệp luyện kim, hoá dầu, lượng, chế tạo máy cơng nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng 1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng BTCN nước BTCN nghiên cứu từ năm 70 kỷ XX Việt Nam Các loại bê tông nặng chịu nhiệt, bê tông nhẹ chịu nhiệt – cách nhiệt nhóm nghiên cứu trường Đại học xây dựng thực thu số kết khả quan Và BTCN ứng dụng số đơn vị sản xuất vật liệu xây dựng lát mặt va gơng lị nung tuyen, dầm đỡ lát chụp lò đứng nung xi măng, kênh dẫn khí nóng, ống rót nhiên liệu 1.3 Những vấn đề cần nghiên cứu luận án điều kiện Việt Nam Nguồn cốt liệu chất kết dính chế tạo BTCN nước không phổ biến Luận án nghiên cứu chế tạo BTCN sử dụng vật liệu sẵn có nước Nghiên cứu ảnh hưởng loại, lượng PGKM TB, TBBN, TB-SF đến tính chất lý, hố lý, vi cấu trúc chất kết dính sử dụng xi măng PC khoảng 100÷1000oC Nghiên cứu thành phần hạt cốt liệu từ tro xỉ nhiệt điện Nghiên cứu thành phần đánh giá tính chất lý, nhiệt vi cấu trúc BTCN khoảng 100÷800oC CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT 2.1 Cơ sở khoa học nghiên cứu CKDCN 2.1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ cao đến tính chất đá xi măng PC Sự nước đá xi măng PC phân hủy khống thủy hóa có vai trị quan trọng phá hủy kết cấu bê tông nhiệt độ cao Đầu tiên bay nước lỗ rỗng gel, lỗ rỗng mao quản đá xi măng nhiệt độ 105oC Ở nhiệt độ lớn hơn, q trình nước vật lý, hóa học phân hủy sản phẩm đá xi măng xảy Độ rỗng đá xi măng tăng lên Và đá xi măng nóng chảy khoảng 1350oC 2.1.2 Cơ sở sử dụng phụ gia khoáng mịn CKDCN Để hạn chế thành phần canxi hydroxyt (CH) CaO tự có đá xi măng nguyên nhân gây nở thể tích thuỷ hố chậm, cần sử dụng PGKM Thành phần hoạt tính SiO2, Al2O3 có PGKM xảy phản ứng với CH có đá xi măng Kết gel C-S-H, C-A-S-H hình thành với tỷ lệ CaO/SiO2 thấp Ở khoảng nhiệt độ 800÷900oC, xảy phân hủy sản phẩm thủy hóa đá CKDCN hình thành khống wollastonit (CS), gehlenit (C2AS), larnit (βC2S), harturit (C3S) Ngồi ra, nhiệt độ cao cịn xảy phản ứng pha rắn thành phần khống hình thành khống C2AS khống anorthit (CAS2) nhiệt độ 1100÷1200oC 2.1.3 Cơ sở lựa chọn PGKM TB-BN, TB-SF chế tạo CKDCN Thành phần tro bay (TB) có chứa Al2O3 SiO2 vơ định hình TB tăng khả chịu nhiệt xi măng PC khoảng nhiệt độ 200÷400oC, chí đến 600oC nhiệt độ cao có hình thành pha nóng chảy Sự bổ sung bột ngói đất sét nung (BN) làm giảm tương đối co đá xi măng nhiệt độ cao Silica fume (SF) lấp đầy lỗ rỗng, tăng độ đặc SF có hàm lượng SiO2 vơ định hình lớn nên có khả phản ứng với CH để tạo C-S-H nâng cao cường độ SF loại trừ hàm lượng CaO tự có đá xi măng mà kể có TB Vì phối hợp TB – SF tăng cường độ nén khả chịu nhiệt cho đá xi măng 2.1.4 Ảnh hưởng PGKM TB-BN, TB-SF đến tính chất CKDCN Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất CKDCN loại, hàm lượng PGKM, độ mịn PGKM, lượng nước nhào trộn 2.2 Cơ sở khoa học nghiên cứu cốt liệu chịu nhiệt 2.2.1 Cơ sở sử dụng tro xỉ nhiệt điện làm cốt liệu cho BTCN Tro xỉ nhiệt điện (TX) sản phẩm phụ công nghiệp nhiệt điện, qua khâu nung luyện nên ổn định cấu trúc so với cốt liệu tự nhiên Ngoài ra, thành phần TX chứa hàm lượng Al2O3 cao tăng tính chịu nhiệt cho BTCN Tuy nhiên cần lưu ý thành phần SO3, CaO, MgO tự thành phần nung (MKN) tro xỉ nhiệt điện sử dụng làm cốt liệu cho BTCN Ảnh hưởng cốt liệu TX đến tính chất BTCN độ lớn, hình dạng hạt, tính chất bề mặt hạt, thành phần hạt 2.2.2 Cơ sở thiết kế thành phần hạt cho BTCN Luận án nghiên cứu BTCN cấu trúc đặc, việc thiết kế thành phần hạt dựa theo mật độ xếp cỡ hạt với số điểm tiếp xúc lớn dựa theo nguyên tắc P.Y Bozenov Y.O Cainarski Khi hỗn hợp có nhiều cấp hạt, khả lấp đầy khoảng trống lớn, độ rỗng giảm, tăng mật độ, dẫn tới tăng cường độ, độ ổn định thể tích cho BTCN cấu trúc đặc Để tăng khả tiếp xúc hạt phối hợp cỡ hạt khác áp dụng chế độ công nghệ đầm rung 2.3 Cơ sở khoa học nghiên cứu thành phần BTCN Thành phần BTCN hợp lý phải cho giá trị khối lượng thể tích lớn, độ co ngót bé, độ hút nước nhỏ cường độ phải đảm bảo để làm việc, độ bền nhiệt lớn để kéo dài thời gian làm việc thiết bị BTCN cần có thành phần hạt cốt liệu, tỷ lệ phụ gia/chất kết dính phù hợp, hàm lượng xi măng nhỏ, tỷ lệ nước/chất kết dính (N/CKD) thấp, hỗn hợp bê tơng có độ dẻo thấp, phù hợp với cơng nghệ tạo hình cấu kiện đúc sẵn CHƯƠNG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Vật liệu sử dụng 3.1.1 Chất kết dính Vật liệu gồm xi măng PC40 Sông Gianh TB1 (Vĩnh Tân – Bình Thuận), TB2 (Duyên Hải – Trà Vinh), BN (Đại Hưng – Quảng Nam) SF (Sika) 3.1.1 Cốt liệu Nghiên cứu cốt liệu từ tro xỉ nhiệt điện TX1 (Vĩnh Tân 2) TX2 (Duyên Hải 3) 3.1.3 Nước phụ gia hoá học Nước dùng nghiên cứu có tiêu đảm bảo theo tiêu chuẩn TCVN 4506 : 2012 Phụ gia siêu dẻo ADVA® CAST 5388V hãng Grace gốc polymer có tỷ trọng 1,08 kg/l sử dụng 3.2 Phương pháp nghiên cứu thành phần, tính chất CKDCN 3.2.1 Thiết kế thành phần CKDCN Bốn nhóm CKD đưa nghiên cứu gồm: - Nhóm hồn tồn xi măng PC (PC); - Nhóm gồm xi măng PC phụ gia TB (T1, T2): với tỷ lệ phụ gia/xi măng (PG/XM) 20/80; 25/75; 30/70; 35/65; 40/60; 45/55 50/50; - Nhóm gồm xi măng PC phụ gia (PG1) TB phụ gia (PG2) BN (T1N, T2N): với tỷ lệ PG1/PG2/XM 10/10/80; 20/10/70; 30/10/60; 40/10/50; 10/20/70; 10/30/60 10/40/50; - Nhóm gồm xi măng PG1 TB PG2 SF (T1S, T2S): với tỷ lệ PG1/PG2/XM 15/5/80; 25/5/70; 35/5/60; 45/5/50; 10/10/80; 20/10/70; 30/10/60 40/10/50 3.2.2 Phương pháp nghiên cứu tính chất hỗn hợp CKDCN Lượng nước tiêu chuẩn thời gian đông kết xác định theo TCVN 6017:2015 3.2.3 Phương pháp chế tạo mẫu CKDCN Mẫu chế tạo với kích thước 20x20x20 mm Bảo dưỡng mẫu cách để mẫu điều kiện 27±2oC, độ ẩm không nhỏ 95% 20h chưng hấp (nhiệt độ 100oC với thời gian 4h kể từ sôi) 3.2.4 Phương pháp nghiên cứu chế độ gia công nhiệt mẫu CKDCN Sấy mẫu 100oC đến khối lượng không đổi nung cấp nhiệt độ 200, 400, 600, 800 1000oC Thời gian nhiệt 2h, tốc độ nâng nhiệt không 5oC/ph 3.2.5 Phương pháp nghiên cứu tính chất CKDCN 3.2.5.1 Khối lượng thể tích (KLTT) CKDCN Xác định phương pháp cân đo 3.2.5.2 Độ co ngót CKDCN Xác định độ co thể tích phương pháp đo, từ tính độ co dài mẫu 3.2.5.3 Cường độ nén CKDCN a) Cường độ nén nhiệt độ thường b) Cường độ nén đá CKDCN sau nung Có thể đánh giá cường độ nén đá CKDCN nhiệt độ làm việc qua giá trị cường độ nén lại hay cường độ suy giảm so với 100oC 3.2.5.4 Phân tích hố lý, vi cấu trúc CKDCN Áp dụng phương pháp phân tích nhiệt (DSC, TGA), phân tích Rơnghen (XRD) kính hiển vi điện tử quét (SEM) 3.3 Phương pháp nghiên cứu thành phần hạt cốt liệu chịu nhiệt 3.3.1 Thiết kế thành phần hạt cốt liệu 𝑑 Theo công thức Andersen: 𝑌𝑖 = ( 𝑖)𝑛 100, % Trong đó: Yi hàm 𝐷 lượng cỡ hạt có kích thước nhỏ giá trị di cho trước (%); D kích thước lớn hạt (mm); n = 0,33÷0,5 3.3.2 Phương pháp nghiên cứu khối lượng thể tích hỗn hợp hạt cốt liệu Xác định KLTT hỗn hợp hạt tương ứng chế độ đầm rung 0s, 30s, 60s, 90s 120s 3.3.3 Phương pháp nghiên cứu độ rỗng thực tế hỗn hợp hạt cốt liệu Áp dụng phương pháp thể tích nước tuyệt đối xác định độ rỗng hở độ rỗng hạt 3.4 Phương pháp nghiên cứu thành phần, tính chất BTCN 2.4.1 Thiết kế thành phần BTCN Theo phương pháp tính tốn kết hợp thực nghiệm Cấp phối sơ tính theo công thức P.P.Melnhicop đề xuất 2.4.2 Phương pháp nghiên cứu tính chất hỗn hợp BTCN Xác định tính công tác hỗn hợp BTCN theo TCVN 3107:1993, khối lượng thể tích theo TCVN 3108:1993 3.4.3 Phương pháp chế tạo mẫu BTCN Mẫu đúc khn kích thước 70,7x70,7x70,7 mm cho rung 25÷35 s Dưỡng hộ mẫu ngày (1 ngày khuôn ngày nước) nhiệt độ 27 ± 2oC, độ ẩm 95% 3.4.4 Phương pháp nghiên cứu chế độ gia công nhiệt mẫu BTCN Mẫu sấy 100oC đến khối lượng không đổi nung cấp nhiệt độ 200, 400, 600 800oC lò điện Thời gian nhiệt 2h Tốc độ nâng nhiệt không 5oC/ph 3.4.5 Phương pháp nghiên cứu tính chất BTCN 11 Hình 4.3 Độ co ngót mẫu CKDCN cấp nhiệt độ 4.4 Ảnh hưởng PGKM đến cường độ chịu nén CKDCN cấp nhiệt độ Hình 4.4 Cường độ chịu nén mẫu CKDCN cấp nhiệt độ 12 4.5 Phương trình hồi quy cường độ chịu nén CKDCN 800oC Kết thực nghiệm cho thấy, mẫu PC bị phá huỷ hoàn toàn 1000oC, mẫu chứa PGKM có cường độ chịu nén suy giảm lớn So với 1000oC, cường độ chịu nén mẫu chứa PGKM 800oC cao khoảng 1,6÷4,0 lần Nên khả làm việc thích hợp mẫu đá CKDCN khoảng 800oC Để tìm mối quan hệ thống kê cường độ chịu nén hàm lượng PGKM để dự đoán cường độ chịu nén 800oC, phân tích hồi quy áp dụng Sử dụng công cụ (mã nguồn mở) Matlab 2016 để thiết lập phương trình phân tích phương sai để đánh giá độ tin cậy mơ hình Trong phần này, liệu để phân tích hồi quy gồm hàm mục tiêu cường độ chịu nén 44 cấp phối CKDCN, biến hàm lượng PGKM gồm tro bay TB1, tro bay TB2, bột ngói, silica fume a Phương trình hồi quy cường độ chịu nén CKDCN sử dụng TB 800oC Lựa chọn mơ hình hồi quy có dạng yRn = bo + b1x + b2x2 với x hàm lượng TB Các phương trình (4.1) (4.2) thể mối quan hệ cường độ nén 800oC hàm lượng tro bay TB1 TB2 Mức độ dự đốn biến phụ thuộc mơ hình tốt, 85%: R2 = 0,896 cho phương trình (4.1) 0,871 cho phương trình (4.2), hệ số F 81,9 64,4 với hệ số p 4,55e-10 3,44e-09 < 0,05 yRnT1 = 20,2541 + 0,8629x – 0,0171x2 (4.1) yRnT2 = 19,1390 + 0,7798x – 0,0152x (4.2) b Phương trình hồi quy cường độ chịu nén đá CKDCN sử dụng TB – BN, TB – SF 800oC Lựa chọn mơ hình hồi quy có dạng yRn = bo + b1x1 + b2x2 + b12x1x2 + b1x12 + b2x22 với x1 hàm lượng tro bay, x2 hàm lượng bột ngói/silica fume Các phương trình (4.3), (4.4), (4.5) (4.6) thể mối quan hệ cường độ chịu nén 800oC hàm lượng PGKM hỗn hợp TB1 – BN, TB2 – BN, TB1 – SF TB2 – SF Kết phân tích hồi quy cho thấy mức độ dự đốn biến phụ thuộc mơ hình tốt, 80%: R2 = 0,937 cho phương trình (4.3), 0,837 cho phương trình (4.4), 0,893 cho phương trình (4.5) 0,933 cho phương trình (4.6), hệ số F 165; 56,4; 97,8 164 với hệ số p 7,08e-26; 9,3e-17; 3,62e-22 5,43e-27 nhỏ 0,05 yRnT1N=18,7002+1,15574x1 + 0,2984x2 – 0,0354x12 – 0,0121x22 (4.3) yRnT2N=17,7795+1,16648x1 + 0,19314x2 – 0,0406x12 – 0,0101x22 (4.4) 13 yRnT1S = 22,3275 + 0,9508x1 + 7,9709x2 – 0,0298x12 – 0,7479x22 (4.5) yRnT2S = 24,1772 + 0,4328x1 + 7,5983x2 – 0,0198x12 – 0,6669x22 (4.6) Hàm lượng hợp lý PGKM (khối lượng, so với CKDCN) cường độ nén 800oC thể Bảng 4.2 Bảng 4.2 Thành phần cường độ chịu nén CKDCN 800oC Thành phần CKDCN, % ST Rn theo lý Mẫu T thuyết, MPa TB BN SF PC T1 25,2 74,8 31,1 T2 25,6 74,4 29,1 T1N 22,0 12,3 65,7 37,7 T2N 20,5 9,5 70,0 35,8 T1S 16,0 5,3 78,7 51,2 T2S 11,0 5,7 83,3 48,2 4.6 Ảnh hưởng loại PGKM đến tính chất CKDCN cấp nhiệt độ a) b) Hình hưởngcủa PGKM đến cường nén củaở Hình4.7 4.1 Ảnh Ảnh hưởng cáccác loạiloại PGKM đến cường độ chịu độ nénchịu CKDCN CKDCNcác cấp nhiệt độ cấp nhiệt độ Đốt nóng đến 200oC, cường độ chịu nén mẫu đá CKDCN tăng qđộ trình hấp” cónén thểcịn dolại phản ứng củaoCthành a) Cường chịu“tự nén;chưng b) Cường độ chịu so với 100 phần CH đá xi măng với thành phần hoạt tính có PGKM làm tăng cường độ ban đầu Từ 200÷800oC, cường độ chịu nén KLTT mẫu giảm, độ co ngót tăng lên Mẫu PC suy giảm cường độ chịu nén mạnh, mẫu chứa PGKM tốc độ suy giảm cường độ chậm 14 a) b) Hình 4.8 Ảnh hưởng loại PGKM đến KLTT CKDCN cấp nhiệt độ Phụ gia khoáng mịn hỗn hợp cải thiện tính chất xi măng PC tốt phụ gia đơn, đặc biệt hệ TB – SF nâng cao cường độ cho mẫu đá CKDCN hầu hết cấp nhiệt độ, gấp 1,1÷1,6 lần so với mẫu chứa TB, chứng tỏ vai trò phụ gia SF Hệ TB – BN cho độ co ngót khối lượng mẫu đá CKDCN nhỏ hầu hết cấp nhiệt độ, cường độ Hình 4.9 Ảnh hưởng chịu nén mẫu cao mẫu chứa loại PGKM đến độ co ngót o TB 600÷800 C khoảng 1,2 lần, CKDCN cấp nhiệt độ chứng tỏ vai trò phụ gia BN đặc biệt khoảng nhiệt độ lớn 600oC Ở khoảng 200÷800oC, mẫu chứa TB1 cho giá trị cường độ chịu nén, KLTT lại so với 100oC cao độ co ngót nhỏ so với mẫu chứa TB2 Hàm lượng CaO TB2 cao nguyên nhân dẫn đến tính chất lý đá CKD suy giảm 4.7 Phân tích hóa lý, vi cấu trúc CKDCN Nghiên cứu biến đổi hoá lý vi cấu trúc thực mẫu chứa phụ gia TB1, gồm mẫu T1 (chứa 25,2% TB1), mẫu T1N (chứa 22,0% TB1 12,3% BN), mẫu T1S (chứa 16% TB1 5,3% SF) đối chứng với mẫu PC 4.7.1 Phân tích nhiệt 15 Hình 4.10 Kết phân tích DSC DTG mẫu CKDCN Hình 4.11 Kết phân tích TGA mẫu CKDCN 4.7.2 Phân tích Rơnghen Hình 4.12 Phân tích XRD mẫu CKDC cấp nhiệt độ (1=CH; 2=CaCO3; 3=C-S-H; 4=C3S; 5=C2S; 6=CaO; 7=SiO2; 8=CS; 9=C2AS) Hình 4.13 Phân tích XRD mẫu T1S cấp nhiệt độ (1=CH; 2=CaCO3; 3=C-S-H; 4=C3S; 5=C2S; 6=CaO; 10=C2ASH8) 4.7.3 Phân tích kính hiển vi điện tử qt 16 Hình 4.14 Ảnh SEM mẫu CKDCN 25oC 800oC 17 Hình 4.15 Ảnh SEM mẫu T1S cấp nhiệt độ Kết hợp với kết phân tích DSC, DTG, XRD SEM, khoáng đá CKDCN mà đại diện mẫu T1S biến đổi theo nhiệt độ sau: Từ 25÷100oC mẫu có khống xuất với cường độ mạnh CH, βC2S, C3S, CaCO3, C-S-H Từ 100÷200oC, có xuất khống C2ASH8, CH, C-S-H khử nước phần, CaCO3, βC2S, C3S Từ 200÷400oC bổ sung khống C-S-H biến tính C-S-H nước (nesosilicat mới) Từ 400÷600oC xảy tách nước CH, mẫu có CaO, C-S-H biến tính C-S-H nước (nesosilicat mới), C2ASH8 pha khan Từ 600÷800oC, mẫu có 18 khống CH, C-S-H, pha khan (βC2S, C3S), CaCO3, CS C2AS Từ 800÷1000oC, khống βC2S, C3S, CS C2AS xuất với cường độ mạnh Như vậy, phản ứng khoáng đá xi măng PC thành phần hoạt tính PGKM hạn chế thành phần CH CaO tự do, tạo khoáng bền nhiệt hơn, làm ổn định cấu trúc đá CKDCN nhiệt độ cao CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT 5.1 Thiết kế thành phần hạt cốt liệu cho BTCN 5.1.1 Thành phần hạt cốt liệu tính tốn theo cơng thức Andersen Chỉ số n tăng từ 0,33 đến 0,50 hàm lượng cỡ hạt thô tăng dần, làm trị số Mđl tăng đáng kể tăng đồng 5.1.2 Khối lượng thể tích, độ rỗng thực hỗn hợp hạt tương ứng với chế độ cơng nghệ làm chặt Hình 5.1 Tính chất hỗn hợp hạt TX1 ứng với chế độ làm chặt Luận án lựa chọn loại TX1 để chế tạo BTCN Ở chế độ đầm rung 90s, cốt liệu TX1 có n = 0,33÷0,37 cho KLTT hỗn hợp hạt tăng độ rỗng giảm, n > 0,37 KLTT lại giảm độ rỗng tăng lên Với n = 0,33÷0,50 hỗn hợp cốt liệu TX1 có độ rỗng hạt thay đổi từ 5,5÷6,2% độ rỗng hạt từ 44,6÷47,2% 5.1.3 Phương trình hồi quy tính chất hỗn hợp hạt cốt liệu Phương trình hồi quy KLTT hỗn hợp hạt thiết lập dựa công cụ (mã nguồn mở) Matlab 2016, nhân tố ảnh hưởng n 𝑦𝛾𝑜𝑇𝑋1 = 737,45 + 1317,7x – 1869,9 x2 (5.1) 19 Hỗn hợp cốt liệu cho giá trị KLTT lớn 969,6 kg/m3 n = 0,352 ứng với chế độ làm chặt 90s Thực nghiệm nhằm kiểm tra kết lý thuyết cho thấy giá trị sai khác không nhiều Hỗn hợp cốt liệu TX1 có KLTT 983,8 kg/m3 độ rỗng hạt thực tế 44,4%, độ rỗng hở thực tế 5,8% 5.2 Thiết kế thành phần bê tông chịu nhiệt Nghiên cứu chế tạo BTCN làm việc đến khoảng 800oC hai nhóm cấp phối: Nhóm A có tỷ lệ TB1/BN/PC = 22,0/12,3/65,7 Nhóm B có tỷ lệ TB1/SF/PC = 16/5,3/78,7 Yêu cầu cường độ BTCN đạt 20 MPa tuổi ngày (sau sấy 100oC), độ sụt HHBT 1÷2 cm (độ cứng 25÷35 s) Dựa vào cơng thức P.P Melnhicop, tính tốn cấp phối sơ Điều chỉnh tính cơng tác cường độ BTCN, cấp phối sau hiệu chỉnh thể Bảng 5.3 Bảng 5.3 Cấp phối hiệu chỉnh BTCN TX1, PC, TB1, BN, SF, PG CP N, l kg kg kg kg kg SD, l A 1024,9 363,8 122,1 68,3 304,8 5,5 B 1056,6 407,0 74,4 24,9 308,8 7,6 đó: PGSD phụ gia siêu dẻo Để tìm cấp phối tối ưu cho BTCN, tiến hành lập phương trình hồi quy theo kế hoạch tâm xoay Box Hunter kết hợp công cụ (mã nguồn mở) Maple 17.0 Chọn hàm mục tiêu cường độ chịu nén, khối lượng thể tích độ co ngót (co nung) BTCN nhiệt độ 800oC, yếu tố ảnh hưởng đến hàm mục tiêu N/CKD thành phần hạt cốt liệu (thể qua số n cơng thức Andersen) Mã hóa biến N/CKD x1, số n x2 Nhóm A: yRn =15,6939 – 0,405x1 + 0,5519x2–0,5525x1x2–0,5582x12–1,0359x22 yγo=1446,82+5,5553x2–10,7113x1–16,463x22 yC= 0,2760+ 0,0198x1 – 0,0230x2 + 0,0325x1x2+0,0458x12+0,0683x22 Nhóm B: yRn=13,8579+0,6761x2–0,425x1x–0,764x12–1,0291x22 yγo=1412,68–17,7458x1+ 23,0399x2 – 17,35x1x2–19,8923x12–32,90x22 yC=0,44–0,0494x2+0,0475x1x2+0,1300x12+0,1475x22 (5.2) (5.3) (5.4) (5.5) (5.6) (5.7) Bề mặt biểu diễn quan hệ tính chất BTCN với N/CKD n thể thiện Hình 5.2 Hình 5.3 Thành phần hạt cốt liệu ảnh hưởng đến tính chất BTCN lớn so với tỷ lệ N/CKD 20 Hình 5.2 Bề mặt biểu diễn quan hệ tính chất BTCN (nhóm A) với N/CKD n a) Cường độ chịu nén; b) KLTT; c) Độ co ngót Hình 5.3 Bề mặt biểu diễn quan hệ tính chất BTCN (nhóm B) với N/CKD n a) Cường độ chịu nén; b) KLTT; c) Độ co ngót Cấp phối tối ưu hai loại BTCN tìm theo Bảng 5.8 Bảng 5.8 Cấp phối tối ưu BTCN Tỷ lệ thành phần vật liệu CP PGSD, N/CKD n TB1, % BN, % SF, % % AI 0,54 0,358 22 12,3 1,18 BI 0,61 0,357 16 5,3 1,53 Thành phần vật liệu BN/SF, PGSD, - TX1, kg PC, kg TB1, kg kg N, l l AI 1020,8 368,6 123,7 69,2 303,3 6,6 BI 1055,3 406,1 75,4 25,2 309,1 7,8 đó: tỷ lệ PGKM so với khối lượng CKDCN 5.3 Tính chất BTCN 5.3.1 Đặc điểm bề mặt mẫu BTCN cấp nhiệt độ 21 Sự giảm cường độ nén thay đổi màu sắc bê tông kết thay đổi cấu trúc thành phần bê tông nhiệt độ cao Hình 5.4 Đặc điểm bề mặt mẫu BTCN cấp nhiệt độ 5.3.2 Tính chất lý BTCN cấp nhiệt độ 5.3.2.1 Khối lượng thể tích a) b) Hình 5.6 KLTT BTCN cấp nhiệt độ 5.3.2.2 Độ co ngót Hình 5.7 Độ co ngót BTCN cấp nhiệt độ 5.3.2.3 Độ hút nước 5.3.2.4 Cường độ chịu nén Hình 5.8 Độ hút nước BTCN cấp nhiệt độ 22 a) b) Hình 5.9 Cường độ chịu nén BTCN cấp nhiệt độ 5.3.3 Độ bền nhiệt BTCN Sau 23 lần trao đổi nhiệt, quan sát bề mặt mẫu không xuất vết nứt hở to, nhiên xuất vết rạn Giá trị khối lượng nhỏ 10% Một vài vết nổ xuất bề mặt ảnh hưởng hàm lượng chất nóng chảy có thành phần cốt liệu TX 5.3.4 Phân tích vi cấu trúc BTCN Khu vực tiếp xúc cốt liệu đá xi măng (ITZ) thể ảnh SEM bao gồm chiu rng t 0,05ữ0,57 àm tớnh t b mt vi cốt liệu Quan sát cho thấy diện tích lỗ rỗng ITZ mẫu tăng tăng nhiệt độ từ 100 đến 800oC 5.4 Nghiên cứu thử nghiệm cấu kiện Tấm BTCN có kích thước 400 x 400 x 40 mm sở cấp phối AI BI Quá trình chế tạo BTCN thực phịng thí nghiệm Cơng đoạn sấy nung thử nghiệm thực Nhà máy gạch tuynen địa phương Theo đánh giá ngoại quan, BTCN không bị sứt góc, mẻ cạnh chí khơng có tượng rạn nứt Hình 5.14 Tấm BTCN nung “sợi tóc” bề mặt sau gia thực nghiệm Nhà máy gạch nhiệt đến 878oC Tấm có KLTT tuynel khoảng 1298,9÷1264,9 kg/m , độ co khoảng 0,62÷0,8% độ hút nước khoảng 20,9÷21,2% 23 KẾT LUẬN Kết luận Dựa kết nghiên cứu đạt được, luận án đưa số kết luận Dự kiến kết nghiên cứu bổ sung kiến thức có thơng qua mở rộng sở liệu thí nghiệm cung cấp cơng thức thực nghiệm, phương trình hồi quy để dự đốn tiêu lý học BTCN sử dụng tro xỉ nhiệt điện, xi măng PC PGKM khác Sử dụng cốt liệu tro xỉ nhiệt điện, chất kết dính từ xi măng PC với TB – BN, TB – SF chế tạo BTCN có cường độ chịu nén lớn 20 MPa, độ bền nhiệt lớn 23, làm việc đến khoảng 800oC điều kiện Việt Nam Tại nhiệt độ 800oC, cường độ chịu nén lại BTCN đạt 54%, KLTT lại 98%, độ co ngót nhỏ 1% độ hút nước nhỏ 19% Đã tìm quy luật khoa học ảnh hưởng loại, hàm lượng PGKM đến tính chất lý, thành phần vi cấu trúc đá CKDCN theo nhiệt độ cho phép xác định phạm vi sử dụng CKDCN Các PGKM cải thiện tốt cường độ chịu nén xi măng PC nhiệt độ nhỏ 1000oC với 25,2÷25,6% TB cho mẫu chứa PGMK đơn; 22,0÷20,5% TB 12,3÷9,5% BN, 16÷11% TB 5,3÷5,7% SF cho mẫu chứa PGKM hỗn hợp Đã đánh giá hiệu PGKM hỗn hợp việc chế tạo CKDCN Hệ TB – SF nâng cao cường độ chịu nén cho mẫu CKDCN hầu hết cấp nhiệt độ, gấp 1,1÷1,6 lần so với mẫu chứa TB chứng tỏ vai trò SF Hệ TB – BN cho độ co ngót khối lượng mẫu CKDCN nhỏ hầu hết cấp nhiệt độ, cường độ chịu nén mẫu cao mẫu chứa TB 600÷800oC khoảng 1,2 lần chứng tỏ vai trị BN, đặc biệt khoảng nhiệt độ lớn 600oC Sự kết tinh số sản phẩm C-S-H, C-A-S-H mẫu CKDCN xác nhận hình thành khống bổ sung từ phản ứng thành phần hoạt tính SiO2, Al2O3 PGKM đá xi măng Các khoáng chịu nhiệt CS C2AS hình thành khoảng 800÷1000oC, đặc biệt có mặt TB SF, lèn chặt ổn định cấu trúc đá CKDCN giải thích tượng gia tăng cường độ chịu nén mẫu chứa PGKM so với mẫu đối chứng PC 24 Tối ưu hóa thành phần BTCN sở thiết lập phương trình hồi quy mô tả ảnh hưởng tỷ lệ N/CKD thành phần hạt cốt liệu đến tính chất lý (cường độ chịu nén, khối lượng thể tích, độ co ngót) BTCN Cấp phối tối ưu hai loại BTCN sau: Tỷ lệ thành phần vật liệu CP PGSD, N/CKD n TB1, % BN, % SF, % % AI 0,54 0,358 22 12,3 1,18 BI 0,61 0,357 16 5,3 1,53 Thành phần vật liệu BN/SF, PGSD, - TX1, kg PC, kg TB1, kg kg N, l l AI 1020,8 368,6 123,7 69,2 303,3 6,6 BI 1055,3 406,1 75,4 25,2 309,1 7,8 Đã khẳng định việc áp dụng công thức Andersen kết hợp chế độ đầm chặt 90s để thiết kế thành phần hạt cho BTCN tính tốn lượng chất kết dính thành phần BTCN Khi số n tăng, khối lượng thể tích hỗn hợp cốt liệu tăng cường độ nén BTCN tăng Khi n lớn 0,352 khối lượng thể tích hỗn hợp hạt cốt liệu giảm cường độ chịu nén BTCN có xu hướng tăng chứng minh xếp hạt cốt liệu, liên kết đá xi măng vi cốt liệu ảnh hưởng lớn đến tính chất BTCN nhiệt độ cao Kiến nghị Trên sở kết đạt được, số hướng nghiên cứu đề tài sau: Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố công nghệ đến trình chế tạo BTCN thời gian trộn, chế độ làm chặt, dưỡng hộ, chế độ gia công nhiệt nhằm nâng cao chất lượng BTCN hồn thiện cơng nghệ sản xuất BTCN Nghiên cứu bổ sung tiêu độ bền nhiệt BTCN cấu kiện BTCN luận án chứng minh tuổi thọ vật liệu chế tạo Nghiên cứu tính chất BTCN làm việc mơi trường ăn mịn (như nhà máy hóa chất), khả chống cháy, khả làm việc BTCN cốt thép môi trường nhiệt độ cao nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng 25 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Thi Phuong Do, Nguyen Lam, Minh Duc Vu (2020) Study on particle size distribution of aggregate from coal ash for heat-resistant concrete IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, FORM 2020, 869 https://doi.org/10.1088/1757-899X/869/3/032044 Thi Phuong Do, Nguyen Lam, Minh Duc Vu (2020) Effect of temperature on the physico-mechanical and microstructure properties of cement pastes containing fly ash and silica fume IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, FORM 2020, 869 https://doi.org/10.1088/1757899X/869/3/032045 Thi Phuong Do, Van Quang Nguyen, Minh Duc Vu (2021) A Study on Property Improvement of Cement Pastes Containing Fly Ash and Silica Fume After Treated at High Temperature Proceedings of the International Conference GTSD 2020, Computational Intelligence Methods for Green Technology and Sustainable Development, ISBN 978-3-03062324-1, 1284, 532–542 https://doi.org/10.1007/978-3-03062324-1_45 ... loại phụ gia khống mịn, theo loại cốt liệu nhiệt độ Luận án nghiên cứu BTCN kết cấu, cấu trúc đặc, sử dụng xi măng pclăng số phụ gia khống mịn (tro bay, bột ngói, silica fume) cốt liệu tro xỉ nhiệt. .. PC PGKM 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Sử dụng chất kết dính từ xi măng PC phụ gia khoáng mịn tro bay, hỗn hợp tro bay – bột ngói, tro bay – silica fume - Sử dụng cốt liệu tro xỉ nhiệt điện có kích... lỏng, phosphat magie; xi măng poóclăng xỉ, xi măng poóclăng puzolan Xi măng PC đưa vào nghiên cứu chế tạo BTCN, nhiên cần sử dụng PGKM Các cốt liệu sử dụng cho BTCN sa mốt, cốt liệu caoalumin, corun,