7 2022ISSN 2734 9888 81 nNgày nhận bài 10/4/2022 nNgày sửa bài 03/5/2022 nNgày chấp nhận đăng 07/6/2022 Ảnh hưởng của Nanosilica đến cường độ bê tông Geopolymer cốt liệu nhỏ Influence of nanosilica on[.]
nNgày nhận bài: 10/4/2022 nNgày sửa bài: 03/5/2022 nNgày chấp nhận đăng: 07/6/2022 Ảnh hưởng Nanosilica đến cường độ bê tông Geopolymer cốt liệu nhỏ Influence of nanosilica on the strength of fine-aggregate geopolymer concrete > TS PHẠM ĐỨC THIỆN, THS TRƯƠNG ĐÌNH TƯỜNG Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: thienpd@hcmute.edu.vn TÓM TẮT: Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng hàm lượng cấp độ mịn phụ gia nanosilica (khi thay phần tro bay) đến cường độ bê tông geopolymer cốt liệu nhỏ Nghiên cứu đồng thời thực để khảo sát ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt tỷ lệ cốt liệu đến cường độ bê tông Kết thực nghiệm hàm lượng phụ gia nanosilica tỷ lệ cốt liệu hợp lý để làm gia tăng cường độ bê tông geopolymer cốt liệu nhỏ Từ khóa: Bê tơng geopolymer cốt liệu nhỏ; nanosilica; cường độ chịu nén; cường độ chịu kéo ABSTRACT: This paper presents an experimental study on the influence of the content and fine-level of nanosilica (when partially replacing fly ash) on the strength of fine-aggregate geopolymer concrete The study was also carried out to investigate the effect of heat curing time and aggregate ratio on the strength of concrete Experimental results indicate the appropriate nanosilica content and reasonable aggregate ratio to increase the strength of fine-aggregate geopolymer concrete Keywords: Fine-aggregate geopolymer concrete; nanosilica; compressive strength; tensile strength ĐẶT VẤN ĐỀ Nhằm mục tiêu giảm thiểu tác động đến tài nguyên thiên nhiên giảm gây ô nhiễm môi trường, ngành Xây dựng nhiều hướng nghiên cứu mở nhằm tìm cách cải tiến tối ưu cơng nghệ sản xuất, tìm nguyên liệu thay việc khai thác sử dụng tài nguyên thiên nhiên,… hướng nghiên cứu ứng dụng bê tông geopolymer thay bê tông xi măng xây dựng ngày chứng minh tính hiệu Khác với chất kết dính xi măng dùng bê tơng truyền thống, chất kết dính geopolymer sản phẩm trình polymer hóa dung dịch hoạt hóa (chủ yếu Na2SiO3 NaOH) thành phần khoáng tro bay [1-7] Việc ứng dụng chất kết dính geopolymer thay xi măng lúc giải vấn đề môi trường cấp bách: giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên để sản xuất xi măng (đá vơi, đất sét); giảm phát thải khí CO2 (do nung clinker sản xuất xi măng) tiêu thụ phế phẩm tro bay nhà máy nhiệt điện Rất nhiều nghiên cứu nước thời gian dài minh chứng bê tơng geopolymer có tiêu lý đặc tính học cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi, khả chống thấm, khả chống ăn mòn, khả ứng dụng vào kết cấu…tương đương có phần vượt trội so với bê tông xi măng truyền thống [8-16] Nhằm gia tăng khả chịu lực vật liệu bê tông, nhiều phương pháp nghiên cứu đề xuất, có việc thêm hạt cốt liệu siêu nhỏ để lấp đầy lỗ rỗng lại bê tông, gia tăng đặc nâng cao đặc tính học cho bê tơng Trong nghiên cứu công bố năm 2012, Zhang cộng phụ gia nanosilica giúp làm giảm thời gian đông kết gia tăng cường độ sớm tuổi ngày bê tông xi măng xỉ thép [17] Nghiên cứu Shaikh cộng (2014) cho thấy phụ gia nanosilica giúp làm tăng cường độ bê tông xi măng thêm vào hàm lượng phù hợp [18] Nghiên cứu thực để khảo sát ảnh hưởng hàm lượng phụ gia nanosilica đến cường độ chịu nén chịu kéo bê tông geopolymer cốt liệu nhỏ nhằm tìm hàm lượng phụ gia nanosilica hợp lý để gia tăng cường độ bê tông geopolymer Nghiên cứu đồng thời thực để khảo sát ảnh hưởng cấp độ mịn nanosilica, thời gian dưỡng hộ nhiệt tỷ lệ cốt liệu đến cường độ bê tông geopolymer NGUN LIỆU VÀ THÍ NGHIỆM Thành phần bê tơng geopolymer cốt liệu nhỏ bao gồm đá mi, cát, chất kết dính từ tro bay dung dịch hoạt hóa Ngoài nanosilica với cấp độ mịn thêm vào cấp phối bê tông để nghiên cứu ảnh hưởng đến cường độ sản phẩm 2.1 Cốt liệu Bê tông geopolymer cốt liệu nhỏ sử dụng đá mi có Dmax = mm, khối lượng riêng 2730 kg/m3, khối lượng thể tích 1450 kg/m3 tính chất lý thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 7570:2006 cốt liệu cho bê tông vữa [19] Cát dùng hỗn hợp bê tông cát xây dựng có tính chất lý thành phần hạt phù hợp tiêu chuẩn xây dựng TCVN 7570:2006 Cát có mơdul độ lớn Mdl = 2.1 lượng sót sàng tích lũy A0.63 = 21.95% thuộc cát hạt trung bình-nhỏ Kết thí nghiệm cho thấy cát có khối lượng riêng 2610 kg/m3 khối lượng thể tích 1450 kg/m3 2.2 Tro bay ISSN 2734-9888 7.2022 81 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Bảng Thành phần hóa học tro bay SiO2 Thành phần hóa học % khối lượng 51.7 Al2O3 31.9 Fe2O3 3.48 K2O +Na2O 1.02 CaO 1.21 SO3 MKN(*) 0.25 9.63 (*) MKN: nung MgO 0.81 Bảng Tính chất vật lí Nanosilica Tên mẫu Đặc điểm mẫu NS.32 NS.09 Nghiền mịn Nghiền siêu mịn Độ ẩm (%) Trọng lượng riêng (g/ml) 4.67 4.67 Bảng Cấp phối bê tông geopolymer Đá mi Cát Ký hiệu Đá mi:Cát (kg/m3) (kg/m3) CP0.0 1200.07 399.967 CP1.1 CP1.2 1200.07 399.967 CP1.3 CP1.4 CP1.5 75:25 CP2.1 CP2.2 1200.07 399.967 CP2.3 CP2.4 CP2.5 CP3.1 1280.09 319.941 80:20 CP3.2 CP4.1 1120.04 479.993 70:30 CP4.2 0.117 0.105 7.2022 ISSN 2734-9888 Kích thước hạt (μm) D(50) D(90) 7.627 31.88 5.554 9.598 Tro bay (kg/m3) 347.215 343.743 340.271 336.799 333.326 329.854 343.743 340.271 336.799 333.326 329.854 SS (kg/m3) 132.615 SH (kg/m3) 75.780 132.615 75.780 132.615 75.780 336.799 132.615 75.780 336.799 132.615 75.780 Tro bay sử dụng thí nghiệm tro bay loại F, có hàm lượng CaO thấp 6%, theo tiêu chuẩn ASTM C618 [20] Hàm lượng oxit tro bay trình bày Bảng Thành phần chủ yếu tro bay SiO2 (chiếm 51.7%) Al2O3 (chiếm 31.9%), lượng khu nung cao mức 9.63% Thành phần hóa học tro bay trình bày bảng 2.3 Dung dịch hoạt hóa Dung dịch hoạt hóa kết hợp sodium hydroxide NaOH sodium silicate Na2SiO3 Dung dịch sodium hydroxide (SH) pha chế từ tinh thể rắn độ tinh khiết 90%, khối lượng riêng 2130 kg/m3 có nồng độ 14 mol/l Dung dịch sodium silicate (SS) sử dụng với hàm lượng Na2O SiO2 dao động từ 36-38 %, tỷ trọng 1.42 ± 0.01g/ml 2.4 Phụ gia Nanosilica Nanosilica sử dụng cấp độ nghiền mịn nghiền siêu mịn Thành phần tính chất vật lí trình bày bảng 2, D(10), D(50) D(90) phân bố kích thước hạt tích lũy mẫu tỷ lệ đạt tương ứng 10%, 50% 90% 2.5 Cấp phối bê tông geopolymer Các cấp phối bê tơng geopolymer dùng cho nghiên cứu trình bày Bảng Để nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia nanosilica, cấp phối CP0, CP1 CP2 dùng chung tỷ lệ cốt liệu 75:25 tỷ lệ SS/SH = 1.75, hàm lượng nanosilica NS.32 NS.09 thay tro bay từ 1% đến 5% khối lượng Ngoài cấp phối CP3 CP4 với tỷ lệ cốt liệu 80:20 70:30 thiết kế thực nghiệm để khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ cốt liệu đến tính chất học bê tơng geopolymer Mẫu thí nghiệm sau đúc khuôn bảo quản nhiệt độ phịng 24 giờ, sau dưỡng hộ nhiệt độ 1000C thời gian 10 để tạo cường độ Cường độ chịu 82 D(10) 3.067 3.175 (%) 3 - NS.32 (kg/m3) 3.472 6.944 10.416 13.889 17.361 10.416 10.416 - pH Hàm lượng SiO2 (%) 6 99.6 99.6 (%) 3 NS.09 (kg/m3) 3.472 6.944 10.416 13.889 17.361 10.416 10.416 nén bê tông geopolymer xác định theo tiêu chuẩn TCVN 3118:1993 “Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén” [21], cường độ chịu kéo xác định theo tiêu chuẩn TCVN 8862:2011 “Quy trình thí nghiệm xác định cường độ kéo ép chẻ vật liệu hạt liên kết chất kết dính” [22] KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng nanosilica đến cường độ bê tông geopolymer Ảnh hưởng hàm lượng nanosilica đến cường độ chịu nén chịu kéo cấp phối bê tông geopolymer cốt liệu nhỏ trình bày Hình Hình Kết thực nghiệm cho thấy, thay tro bay đến 5% khối lượng, nanosilica làm gia tăng cường độ chịu nén bê tông geopolymer từ 0.8% đến 18.3% làm gia tăng cường độ chịu kéo đến 26.9% Ngoài ra, cường độ chịu nén chịu kéo cấp phối đạt giá trị cao hàm lượng nanosilica 3% Ta thấy, nanosilica - với kích thước hạt nhỏ - thêm vào hổn hợp bê tông với tỷ lệ phù hợp lấp đầy lỗ rỗng vi cấu trúc vật liệu [18,23], làm tăng tính đặc tăng liên kết hạt từ làm gia tăng cường độ chịu nén chịu kéo bê tông Kết thực nghiệm đồng khẳng định độ tin cậy cho nhận xét hàm lượng nanosilica khoảng 3% tối ưu để tăng cường khả chịu nén chịu kéo cấp phối bê tông geopolymer Khi hàm lượng nanosilica vượt 3%, lượng nanosilica “thừa” khó phân tán lại có tác dụng ngược làm cản trở phá vỡ liên kết hạt, lượng nanosilica “thừa” tạo vùng yếu dạng lỗ rỗng bên cấu trúc vật liệu [24] làm giảm tính đặc cấu trúc từ làm giảm cường độ bê tơng geopolymer quan sát Hình Hình Ảnh hưởng hàm lượng nanosilica đến cường độ chịu nén bê tơng geopolymer Hình Ảnh hưởng hàm lượng nanosilica đến cường độ chịu kéo bê tơng geopolymer Hình Ảnh hưởng độ mịn nanosilica đến cường độ chịu nén bê tơng geopolymer Hình Ảnh hưởng độ mịn nanosilica đến cường độ chịu kéo bê tông geopolymer thế, nanosilica nghiền siêu mịn NS.09 có khả làm gia tăng cường độ 3.2 Ảnh hưởng độ mịn nanosilica đến cường độ bê tông chịu nén tốt nanosilica nghiền mịn NS.32 từ 0.6% đến 2.6% geopolymer Nanosilica NS.09 làm tăng cường độ chịu kéo tốt NS.32 đến Ảnh hưởng độ mịn nanosilica đến cường độ bê tông geopolymer 6.7% Khi hàm lượng nanosilica bê tông lớn, chệnh lệch cường thể thông qua kết thực nghiệm trình bày độ mẫu dùng NS.09 NS.32 thể rõ ràng Hình Hình Kết thực nghiệm cho thấy, với hàm lượng thay ISSN 2734-9888 7.2022 83 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Kết phân tích Bảng cho thấy nanosilica NS.09 có đa số kích thước hạt nhỏ (D(90) = 9.598 μm) so với nanosilica NS.32 (D(90) = 31.88 μm), NS.09 dễ dàng phân tán lấp đầy lỗ rỗng vi cấu trúc bê tơng geopolymer hơn, ngồi hạt nano-slica kích thước nhỏ tham gia phản ứng pozzolanic dễ dàng triệt để hơn, từ làm tăng cường độ bê tông geopolymer tốt so với NS.32 3.3 Ảnh hưởng tỷ lệ cốt liệu đến cường độ bê tông geopolymer Hình Hình trình bày kết thí nghiệm xác định cường độ chịu nén chịu kéo cập phối bê tông geopolymer tỷ lệ cốt liệu Đá-mi:Cát 80:20, 75:25 70:30 Kết thực nghiệm cho thấy, cường độ chịu kéo chịu nén tất cấp phối bê tông geopolymer đạt giá trị cao tỷ lệ cốt liệu 75:25 Bê tông geopolymer dùng tỷ lệ cốt liệu 75:25 cho cường độ chịu nén cao từ 13.4% đến 20.8% cường độ chịu kéo cao từ 3.3% đến 13.9% so với cấp phối cịn lại Bê tơng geopolymer dùng tỷ lệ cốt liệu 70:30 cho khả chịu nén kéo xấp xỉ cao không nhiều so với bê tông dùng tỷ lệ cốt liệu 80:20 Có thể nhận xét tỷ lệ cốt liệu Đá-mi: Cát khoảng 75:25 tối ưu dùng cho cấp phối bê tông geopolymer cốt liệu nhỏ, lượng đá mi vừa đủ để tạo thành khung chịu lực cho bê tông geopolymer, lượng cát vừa đủ để lấp đầy lỗ rỗng đá mi từ giảm thiểu độ rỗng làm gia tăng cường độ vật liệu Khi tăng hàm lượng đá mi giảm cát (tỷ lệ 80:20) hình thành thêm nhiều lỗ rỗng hạt đá khơng có đủ lượng cát để lấp đầy; giảm lượng đá mi tăng cát (tỷ lệ 70:30) khơng đủ đá để hình thành khung chịu lực, lượng cát thừa tạo nên vùng giảm yếu bên bê tông geopolymer; trương hợp dẫn đến kết làm giảm cường độ vật liệu 3.4 Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ bê tông geopolymer Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ chịu kéo nén bê tông geopolymer dùng phụ gia nanosilica khảo sát nghiên cứu Kết thực nghiệm cho thấy tăng thời gian dưỡng hộ nhiệt từ lên 10 giờ, cường độ chịu nén bê tông geopolymer tăng từ 5.3% đến 10.5% cường độ chịu kéo tăng từ 6.5% đến 10.9% Sự gia tăng cường độ chịu nén kéo lớn tìm thấy cấp phối có hàm lượng nanosilica 3% Như khẳng định nhiều nghiên cứu trước đó, nhiệt lượng đóng vai trị quan trọng cho phản ứng geopolymer-hóa tạo chất kết dính phát triển cường độ cho bê tông geopolymer [8-12] Xu hướng tiếp tục gia tăng khả chịu nén chịu kéo loạt cấp phối bê tông geopolymer hoàn toàn phù hợp Tuy nhiên, để tăng thêm khoảng 10% cường độ chịu kéo nén, ta phải cung cấp thêm 25% nhiệt lượng (thêm dưỡng hộ), vấn đề cần cân nhắc toán kinh tế tổng thể lựa chọn quy trình sản xuất cấu kiện bê tơng geopolymer Hình Ảnh hưởng tỷ lệ cốt liệu đến cường độ chịu nén bê tơng geopolymer Hình Ảnh hưởng tỷ lệ cốt liệu đến cường độ chịu kéo bê tông geopolymer KẾT LUẬN Cường độ chịu nén chịu kéo cấp phối bê tơng Bài báo trình bày nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng geopolymer đạt giá trị cao hàm lượng nanosilica 3% độ mịn phụ gia nanosilica đến tính chất học bê tông Với hàm lượng thay thế, nanosilica nghiền siêu mịn geopolymer cốt liệu nhỏ Bài viết đồng thời trình bày kết NS.09 có khả làm gia tăng cường độ chịu nén tốt khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ cốt liệu Đá-mi: Cát thời gian dưỡng nanosilica nghiền mịn NS.32 đến 2.6% làm tăng cường độ chịu hộ nhiệt đến cường độ vật liệu Một số kết luận đúc kết kéo tốt NS.32 đến 6.7% sau: Bê tông geopolymer dùng tỷ lệ cốt liệu 75:25 cho cường độ Khi thay tro bay đến 5% khối lượng, nanosilica làm gia chịu nén cao từ 13.4% đến 20.8% cường độ chịu kéo cao tăng cường độ chịu nén bê tông geopolymer từ 0.8% đến 18.3% từ 3.3% đến 13.9% so với cấp phối dùng tỷ lệ cốt liệu làm gia tăng cường độ chịu kéo đến 26.9% 80:20 70:30 84 7.2022 ISSN 2734-9888 Hình Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ chịu nén bê tơng geopolymer Hình 8: Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ chịu kéo bê tông geopolymer Cung cấp thêm 25% nhiệt lượng làm cho cấp phối bê tông geopolymer cốt liệu nhỏ gia tăng đến khoảng 10% cường độ chịu nén chịu kéo Lời cảm ơn This work belongs to the project grant No: T2021-114TĐ funded by Ho Chi Minh City University of Technology and Education, Vietnam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Davidovits (1991), Geopolymers - Inorganic polymeric new materials, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol 37 [2] J Davidovits (1994), Properties of Geopolymer cement, Proceding first International conference on Akaline cements and concretes [3] J Davidovits (2015), Geopolymer Chemistry and Applications, Geopolymer Science and Technics, Geopolymer Institute Library [4] A Palomo et al (1992), Physical, chemical and mechanical characterization of Geopolymers, 9th International Congress on Chemistry of Cements [5] J.L Provis et al (2009), Valorisation of fly ash by Geopolymerisation, Global NEST Journal, Vol 11(2) [6] A M Mustafa, Al Bakri Abdullah et al (2011), Microstructure of different NaOH molarity of fly ash-based green polymeric cement, Journal of Engineering and Technology Research, Vol 3(2) [7] J.L Provis, J.S.J van Devente (2009), Geopolymers: Structure, processing, properties and industrial applications, Woodhead Publishing [8] Phạm Đức Thiện, Phan Đức Hùng, Nguyễn Trọng Nam (2021), Ảnh hưởng số phế phẩm công nghiệp đến cường độ chịu nén bê tông geopolymer, Tạp chí Xây dựng [9] Phạm Đức Thiện, Phan Đức Hùng (2020), Nghiên cứu ứng xử chịu uốn dầm bán lắp ghép lớp dùng bê tông geopolymer bê tơng xi măng, Tạp chí Xây dựng [10] Phạm Đức Thiện, Lê Hữu Hoàng Dự (2019), Ảnh hưởng dạng đầu neo đến làm việc chung bê tơng geopolymer cốt thép, Tạp chí Xây dựng [11] Phạm Đức Thiện, Tạ Tuấn Anh, Phan Đức Hùng (2017), Nghiên cứu bám dính bê tơng geopolymer cốt thép, Tạp chí Xây dựng [12] Phạm Đức Thiện, Lê Quốc Thái ((2017), Nghiên cứu ảnh hưởng sợi thủy tinh gia cường đến tính chất vữa geopolymer”, Tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Tập 3-Cơ học Vật rắn, Quyển 1, Nhà xuất Khoa học Tự nhiên Công nghệ [13] J Davidovits and M Davidovits (1987), Geopolymer poly(sialate)/poly(sialate-siloxo) mineral matrices for composite materials, 6th International Conference on Composite Materials [14] A Palomo, M.W Grutzeck, M.T Blanco (1999), Alkali-activated fly ashes: A cement for the future Cement and Concrete Research, Vol 29 [15] J.G.S van Jaarsveld, J.S.J van Deventer, G.C Lukey (2002), The effect off composition and temperature on the properties of fly ash and kaolinite-based geopolymers Chemical Engineering Journal, Vol 89 [16] Djwantoro Hardjito, Steenie E Wallah, Dody M.J Sumajouw, B.V Rangan (2004), Factors influencing the compressive strength of fly ash based Geopolymer concrete Civil Engineering Dimension, Vol 6(2) [17] Min-Hong Zhang, Jahidul Islam, Sulapa Peethamparan (2012), Use of nanosilica to increase early strength and reduce setting time of concretes with high volumes of slag Cement & Concrete Composites, Vol 34 [18] F.U.A Shaikh, S.W.M Supit, P.K Sarker (2014), A study on the effect of nano silica on compressive strength of high volume fly ash mortars and concretes Materials and Design, Vol 60 [19] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7570:2006, Cốt liệu cho bê tông vữa - Yêu cầu kỹ thuật Bộ Khoa học Công nghệ, Việt Nam [20] ASTM C618, Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete American Society for Testing and Materials [21] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3118:1993, Bê tông nặng - phương pháp xác định cường độ nén Bộ Khoa học Công nghệ, Việt Nam [22] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8862:2011, Quy trình thí nghiệm xác định cường độ kéo ép chẻ vật liệu hạt liên kết chất kết dính Bộ Khoa học Cơng nghệ, Việt Nam [23] Khater H.M (2016), Physicomechanical properties of nanosilica effect on geopolymer composites, Journal of Building Material and Structural [24] Hui Li, Jie Yuan Hui-gang Xiao, Jinping Ou (2003), Microstructure of cement mortar with nano-particles, Composite Part B: Engineering ISSN 2734-9888 7.2022 85 ... Hình Ảnh hưởng hàm lượng nanosilica đến cường độ chịu kéo bê tơng geopolymer Hình Ảnh hưởng độ mịn nanosilica đến cường độ chịu nén bê tơng geopolymer Hình Ảnh hưởng độ mịn nanosilica đến cường độ. .. bên bê tông geopolymer; trương hợp dẫn đến kết làm giảm cường độ vật liệu 3.4 Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ bê tông geopolymer Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ. .. hưởng tỷ lệ cốt liệu đến cường độ chịu nén bê tơng geopolymer Hình Ảnh hưởng tỷ lệ cốt liệu đến cường độ chịu kéo bê tông geopolymer KẾT LUẬN Cường độ chịu nén chịu kéo cấp phối bê tơng Bài