Đánh giá cường độ và độ bền dài ngày của chất kết dính tạo bằng phương pháp sunphat hoạt hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND TỈNH THANH HÓA TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC TRẦN VĂN TIẾN ĐÁNH GIÁ CƯỜNG ĐỘ VÀ ĐỘ BỀN DÀI NGÀY CỦA CHẤT KẾT DÍNH TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SUNPHAT HOẠT HĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ XÂY DỰNG THANH HÓA, NĂM 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND TỈNH THANH HÓA TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC TRẦN VĂN TIẾN ĐÁNH GIÁ CƯỜNG ĐỘ VÀ ĐỘ BỀN DÀI NGÀY CỦA CHẤT KẾT DÍNH TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SUNPHAT HOẠT HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ XÂY DỰNG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 858.02.01 Người hướng dẫn khoa học: TS Ngô Sĩ Huy THANH HÓA, NĂM 2022 Danh sách Hội đồng chấm luận văn Thạc sỹ khoa học (Theo Quyết định số 1146/ QĐ- ĐHHĐ ngày 30 tháng năm 2022 Hiệu trưởng Trường Đại học Hồng Đức) Học hàm, học vị Họ tên Chức danh Cơ quan Công tác Hội đồng TS Nguyễn Văn Dũng ĐH Hồng Đức Chủ tịch HĐ PGS TS Nguyễn Anh Dũng ĐH Thủy Lợi UV Phản biện PGS TS Phạm Thái Hoàn ĐH Xây Dựng UV Phản biện TS Nguyễn Đăng Nguyên ĐH Xây Dựng Uỷ viên TS Mai Thị Hồng ĐH Hồng Đức Thư ký Xác nhận Người hướng dẫn Học viên chỉnh sửa theo ý kiến Hội đồng Ngày 12 tháng năm 2022 Ngô Sĩ Huy LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn khơng trùng lặp với khóa luận, luận văn, luận án cơng trình nghiên cứu cơng bố Thanh Hóa, tháng năm 2022 Người cam đoan Trần Văn Tiến i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS Ngơ Sĩ Huy, người trực tiếp hướng dẫn khoa học, bảo tận tình tạo điều kiện tốt giúp tơi suốt q trình nghiên cứu thực luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới thầy cô môn Kỹ thuật công trình, thầy khoa Kỹ thuật Cơng nghệ, Phịng Sau Đại học, Trường Đại Hồng Đức Thanh Hóa Các thầy cô trang bị tri thức khoa học tạo điều kiện học tập thuận lợi cho suốt thời gian qua Tôi xin cảm ơn giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi Trường Đại Học Hồng Đức tơi q trình thực luận văn Sau cùng, xin cảm ơn thực quên giúp đỡ tận tình Thầy (Cơ), bạn bè, anh, em động viên, tạo điều kiện người thân gia đình suốt trình thực luận văn Thanh Hóa, tháng năm 2022 Tác giả Trần Văn Tiến ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN - LỜI CÁM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU……………………………………………………………… … 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu: Ý nghĩa khoa học thực tiễn Chương TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Các nghiên cứu sử dụng xỉ lị cao làm chất kết dính 1.2 Các nghiên cứu sử dụng tro bay làm chất kết dính Chương VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 12 2.1 Vật liệu 12 2.2 Thiết kế thành phần cấp phối 13 2.3 Chuẩn bị mẫu phương pháp thí nghiệm 14 2.3.1 Chuẩn bị mẫu 14 2.3.2 Cường độ chịu nén 16 2.3.3 Độ hút nước độ rỗng 16 2.3.4 Vận tốc truyền xung siêu âm 18 2.3.5 Độ thấm ion clo 18 2.3.6 Quan sát vi cấu trúc vữa kính hiển vi điện tử quét (SEM) 19 Chương KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 21 iii 3.1 Cường độ chịu nén 21 3.2 Độ hút nước độ rỗng 23 3.3 Vận tốc truyền xung siêu âm 25 3.4 Độ thấm ion clo 27 3.5 Hình ảnh vi cấu trúc mẫu 29 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 33 Kết luận 33 Kiến nghị 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT N/CKD : Nước/chất kết dính X : Độ hút nước mẫu vữa  : Độ rỗng mẫu vữa mo : Khối lượng mẫu vữa trạng thái khô m1 : Khối lượng mẫu vữa bão hòa cân nước m2 : Khối lượng mẫu vữa bão hịa cân khơng khí v 3.2 Độ hút nước độ rỗng Độ hút nước độ rỗng yếu tố quan trọng vật liệu có liên quan chặt chẽ lẫn Mẫu vữa đặc có độ hút nước độ rỗng nhỏ, cường độ chịu nén cao Giá trị độ hút nước độ rỗng trung bình mẫu vữa nghiên cứu 28 56 ngày tuổi thể Bảng 3.2 Bảng 3.3 Trong nghiên cứu này, độ hút nước mẫu vữa 28 ngày tuổi thay đổi tương ứng từ 12,06  13,58% độ rỗng thay đổi từ 21,81  24,06% ; 56 ngày tuổi độ hút nước mẫu vữa thay đổi tương ứng từ 9,61  11,65%, độ rỗng thay đổi từ 17,99  21,59% Độ rỗng độ hút nước mẫu vữa giảm dần theo thời gian, 28 ngày tuổi cao so với độ rỗng độ hút nước mẫu vữa 56 ngày tuổi Mức giảm giá trị độ hút nước mẫu vữa T00, T05, T10, T15 T20 tương ứng là: 12%, 14,9%, 17,6%, 20,3% 17,4% tuổi mẫu từ 28 ngày tuổi đến 56 ngày tuổi Tương tự, mức giảm giá trị độ rỗng mẫu vữa T00, T05, T10, T15 T20 tương ứng là: 10,3%, 12,9%, 16,5%, 17,5% 13,1% tuổi mẫu từ 28 ngày tuổi đến 56 ngày tuổi Bảng 3.2 Độ hút nước trung bình mẫu vữa 28 56 ngày tuổi Đơn vị: % Hàm lượng tro bay 0% 5% 10% 15% 20% Mẫu 28 ngày 13,58 13,33 12,49 12,06 12,32 Mẫu 56 ngày 11,95 11,35 10,29 9,61 10,18 Bảng 3.3 Độ rỗng trung bình mẫu vữa 28 56 ngày tuổi Đơn vị: % Hàm lượng tro bay 0% 5% 10% 15% 20% Mẫu 28 ngày 24,06 23,85 23,04 21,81 22,06 Mẫu 56 ngày 21,59 20,77 19,23 17,99 19,16 23 Ảnh hưởng hàm lượng tro bay đến độ hút nước độ rỗng mẫu vữa thể Hình 3.2 Hình 3.3 Ở ngày tuổi, mẫu vữa khơng tro bay có độ hút nước độ rỗng cao nhất, độ hút nước độ rỗng mẫu vữa chứa 15% tro bay khối lượng thấp Nhìn chung, độ hút nước độ rỗng mẫu vữa giảm dần theo gia tăng hàm lượng tro bay hàm lượng tro bay mẫu vữa đạt 15% khối lượng, sau tăng nhẹ hàm lượng tro bay tăng lên đến 20% Điều giải thích với có mặt dung dịch Na2SO4 hoạt hóa, mẫu vữa có tro bay có thêm phản ứng puzolan tạo thành đá xi măng làm cấu trúc mẫu vữa đặc hơn, giảm độ hút nước độ rỗng mẫu vữa Tuy nhiên hàm lượng tro bay mẫu vữa vượt hàm lượng tối ưu (hàm lượng tối ưu khác nghiên cứu, phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp, chất lượng tro bay, loại nồng độ dung dịch hoạt hóa) độ hút nước độ rỗng mẫu vữa lại giảm Hình 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng tro bay đến độ hút nước mẫu 24 Hình 3.3 Ảnh hưởng hàm lượng tro bay đến độ rỗng mẫu vữa 3.3 Vận tốc truyền xung siêu âm Để đánh giá đồng kết cấu chất lượng tương đối mẫu vữa có mặt lỗ rỗng vết nứt mẫu, thí nghiệm xác định vận tốc truyền xung siêu âm vữa thực theo tiêu chuẩn ASTM C597 [9] Nhìn chung, giá trị vận tốc truyền xung siêu âm mẫu vữa cao phản ánh độ đặc tương đối tốt mẫu vữa tương ứng với vữa có chất lượng tốt Vận tốc truyền xung siêu âm trung bình (tính m/s) mẫu vữa nghiên cứu 28 56 ngày tuổi thể Bảng 3.4 Với hàm lượng tro bay, vận tốc truyền xung siêu âm mẫu vữa 56 ngày tuổi lớn so với vận tốc truyền xung siêu âm xác định mẫu 28 ngày tuổi Vận tốc truyền xung siêu âm 28 ngày tuổi đến 56 ngày tuổi mẫu vữa T00, T05, T10, T15 T20 tăng tương ứng 1,7%, 3,2%, 4,1%, 7,2% 7,1% Vận tốc truyền xung siêu âm mẫu vữa T15 T20 tăng xấp xỉ cao nhất, tăng thấp vận tốc truyền xung siêu âm mẫu vữa không chứa tro bay T00 25 Bảng 3.4 Vận tốc truyền xung siêu âm (UPV) trung bình mẫu vữa 28 56 ngày tuổi Đơn vị: m/s Hàm lượng tro bay 0% 5% 10% 15% 20% Mẫu 28 ngày 3150 3252 3284 3350 3317 Mẫu 56 ngày 3205 3356 3419 3590 3554 Các mẫu vữa nghiên cứu có vận tốc truyền xung siêu âm xác định nhìn chung tăng dần theo hàm lượng tro bay có mẫu vữa ngày tuổi, cao mẫu vữa chứa hàm lượng tro bay 15% (mẫu T15), sau giảm nhẹ mẫu vữa chứa 20% tro bay (mẫu T20) Vận tốc truyền xung siêu âm cường độ nén mẫu vữa có mối quan hệ chặt chẽ với Điều chứng minh nghiên cứu trước [11,23] Cũng tương tự độ hút nước độ rỗng, mẫu vữa chứa nhiều tro bay hơn, với kích hoạt dung dịch Na2SO4 4,5% xảy nhiều phản ứng puzolan hơn, tạo nhiều đá xi măng làm cho mẫu vữa đặc chắc, số lượng lỗ rỗng giảm làm tăng vận tốc truyền xung siêu âm mẫu Tuy nhiên hàm lượng tro bay mẫu vữa vượt 15% khối lượng lại làm cho vận tốc truyền xung siêu âm mẫu giảm nhẹ 26 Hình 3.4 Ảnh hưởng hàm lượng tro bay đến vận tốc truyền xung siêu âm mẫu vữa 3.4 Độ thấm ion clo Để đánh giá độ bền mẫu vữa khả chống ăn mịn hóa học, thí nghiệm xác định độ thấm ion clo mẫu vữa thực theo tiêu chuẩn TCVN 9337-2012 [2] Nhìn chung, độ thấm ion clo mẫu vữa thấp phản ánh độ bền cao mẫu vữa tương ứng với chất kết dính sử dụng có chất lượng tốt Độ thấm ion clo mẫu vữa nghiên cứu đánh giá thông qua số điện lượng truyền qua mẫu thời gian quy định 6h (tính culơng) Giá trị độ thấm ion clo mẫu vữa nghiên cứu 28 56 ngày tuổi thể Bảng 3.5 Các mẫu vữa 28 ngày có điện lượng truyền qua mẫu thay đổi từ 406  669 culông, mẫu vữa 56 ngày có điện lượng truyền qua mẫu thay đổi từ 366  601 culông Các giá trị thể mức độ thấm ion clo mẫu vữa mức thấp, theo tiêu chuẩn đánh giá mức độ thấm ion clo TCVN 9337-2012 [2] 27 Bảng 3.5 Độ thấm ion clo trung bình mẫu vữa 28 56 ngày tuổi Đơn vị: Culông Hàm lượng tro bay 0% 5% 10% 15% 20% Mẫu 28 ngày 669 659 578 406 434 Mẫu 56 ngày 601 592 521 366 392 Ảnh hưởng hàm lượng tro bay đến độ thấm ion clo mẫu vữa nghiên cứu thể Hình 3.5 Độ thấm ion clo mẫu vữa giảm dần theo thời gian, thay đổi theo hàm lượng tro bay có mẫu vữa Các mẫu vữa 28 ngày tuổi có độ thấm ion clo cao so với độ thấm ion clo mẫu vữa 56 ngày tuổi Ở ngày tuổi mẫu vữa khơng có tro bay có độ thấm ion clo lớn nhất, độ thấm ion clo mẫu vữa có 15% tro bay khối lượng thấp Độ thấm ion clo mẫu vữa giảm dần hàm lượng tro bay mẫu vữa tăng từ  15%, hàm lượng tro bay mẫu vữa tăng lên đến 20% khối lượng độ thấm ion clo mẫu lại tăng nhẹ 28 Hình 3.5 Ảnh hưởng hàm lượng tro bay đến độ thấm ion clo mẫu vữa 3.5 Hình ảnh vi cấu trúc mẫu Kính hiển vi điện tử quét (SEM) sử dụng để quan sát hình ảnh vi cấu trúc bề mặt mẫu vữa, đặc biệt thủy hóa chất kết dính vữa Hình ảnh vi cấu trúc mẫu vữa sử dụng chất kết dính khơng xi măng minh họa Hình 3.6 Các hình ảnh phóng đại với tỉ lệ 1000 lần để quan sát Mẫu T00 khơng sử dụng tro bay có màu tối so với mẫu lại Khi tăng hàm lượng tro bay, màu mẫu vữa có xu hướng sáng dần lên, phản ứng kết hợp tro bay, xỉ lò cao nghiền mịn Na2SO4 tạo nên Đặc biệt mẫu T00, T10 T20 quan sát thấy số hạt xỉ lò cao nghiền mịn dạng tự chưa tham gia phản ứng Mẫu T05 T15 không quan sát thấy hạt xỉ lị cao nghiền mịn tự do, có nghĩa hầu hết chúng tham gia vào phản ứng polymer hóa Tuy nhiên, tinh thể mẫu T05 tương đối nhỏ so với tinh thể tạo thành mẫu T15 Điều giải thích mẫu T15 có khối lượng thể tích lớn nhất, cường độ chịu nén 29 vận tốc truyền xung siêu âm lớn nhất, độ hút nước độ thấm ion Clo thấp số mẫu vữa khảo sát Hình ảnh vi cấu trúc mẫu tương đồng với kết thí nghiệm đặc tính kỹ thuật mẫu vữa trình bày phần a) Mẫu T00 b) Mẫu T05 30 c) Mẫu T10 d) Mẫu T15 31 e) Mẫu T20 Hình 3.6 Hình ảnh vi cấu trúc độ phóng đại 1000 lần mẫu vữa 32 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đề tài nghiên cứu việc sử dụng xỉ lị cao tro bay làm chất kết dính với hoạt hóa dung dịch natri sunphat Các tỉ lệ xỉ lò cao nghiền mịn/tro bay sử dụng 100/0, 95/5, 90/10, 85/15 80/20 khối lượng Một số kết luận rút dựa kết thí nghiệm trình bày sau: 1) Bổ sung tro bay vào thành phần cấp phối làm tăng cường độ chịu nén, vận tốc truyền xung siêu âm đồngp thời làm giảm độ hút nước, độ rỗng độ thấm ion clo mẫu vữa theo thời gian 2) Sử dụng tỉ lệ xỉ lò cao nghiền mịn/tro bay 85/15 khối lượng cho mẫu vữa có chất lượng tốt 3) Nghiên cứu cho thấy hồn tồn sử dụng phế thải cơng nghiệp (xỉ lị cao tro bay) để sản xuất chất kết dính khơng xi măng theo phương pháp sunphat hoạt hóa sử dụng xây dựng với cường độ chịu nén cao độ bền lâu dài Kiến nghị Việc sử dụng xỉ lò cao tro bay làm chất kết dính khơng xi măng sử dụng phương pháp sunphat hoạt hóa giúp cải thiện cường độ chịu nén độ bền lâu dài mẫu vữa Sử dụng phế thải công nghiệp làm chất kết dính giúp giảm giá thành sản xuất, thân thiện với môi trường Tuy nhiên, tỷ lệ N/CKD sử dụng nghiên cứu 0,3, cần phải tiến hành thêm thí nghiệm khác sử dụng tỷ lệ N/CKD khác với tỷ lệ trình bày nghiên cứu 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Bộ xây dựng (2003), Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 3121- Vữa xây dựng - Phương pháp thử [2] Bộ xây dựng (2012), Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9337- Bê tông nặng - Xác định độ thấm ion clo phương pháp đo điện lượng Tiếng Anh [3] A.M Rashad, Y Bai, P.A.M Basheer, N.C Collier, N.B Milestone (2012), “Chemical and mechanical stability of sodium sulfate activated slag after exposure to elevated temperature”, Cement and Concrete Research, 42, pp 333-343 [4] A.M Rashad, S.R Zeedan, H.A Hassan (2012), “A preliminary study of autoclaved alkali-activated slag blended with quartz powder”, Construction and Building Materials, 33, pp70–77 [5] A.M Rashad (2014), “An exploratory study on alkali-activated slag blended with quartz powder under the effect of thermal cyclic loads and thermal shock cycles”, Construction and Building Materials, 70 (2014), pp 165–174 [6] Alaa M Rashad (2015), “Influence of different additives on the properties of sodium sulfate activated slag”, Construction and Building Materials, 79, pp 379-389 [7] Alaa M Rashad, Dina M Sadek (2020), “Behavior of alkaliactivated slag pastes blended with waste rubber powder under the effect of freeze/thaw cycles and severe sulfate attack”, Construction and Building Materials, 265, 120716 [8] ASTM C109/C109M - 16a, Standard Test Method for Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars (Using 2-in or (50 mm) Cube Speciments 34 [9] ASTM C597 (2016), Standard tets method for pulse velocity through concrete, American Society of Testing Materials [10] ASTM C618, Standard specification for coal fly ash and raw or calcined natural pozzolan for use in concrete [11] Bogas, J A., Gomes, M G., Gomes, A (2013), “Compressive strength evaluation of structural lightweight concrete by nondestructive ultrasonic pulse velocity method”, Ultrasonic, 53(5), pp 962-972 [12] C Shi, R.L Day (1995), “Acceleration of the reactivity of fly ash by chemical activation”, Cement and Concrete Research, 25 , pp 15–21 [13] D.J.M Flower, J.G Sanjayan (2007), Green house gas emissions due to concrete manufacture, The International Journal of Life Cycle Assessment, 12, 282 [14] Hamdy El-Didamony, “Ahmed A Amer, Hamdy Abd Ela-ziz (2012), Properties and durability of alkali-activated slag pastes immersed in sea water”, Ceramics International, 38, pp 3773–3780 [15] M Shariq, J Prasad, A “Masood (2010), Effect of GGBFS on time dependent compressive strength of concrete”, Construction and Building Materials, 24, 1469–1478 [16] M Shariq, J Prasad, H Abbas (2016), “Creep and drying shrinkage of concrete containing GGBFS”, Cement and Concrete Composites, 68, 35–45 [17] M.F Montemor, A.M.P Simões, M.M Salta (2000), “Effect of fly ash on concrete reinforcement corrosion studied by EIS”, Cement and Concrete Composites, 22, 175–185 [18] M Criado, A Fernández Jiménez, A Palomo (2010), “Effect of sodium sulfate on the alkali activation of fly ash”, Cement & Concrete Composites, 32, pp 589-594 [19] M.R Karim, M.M Hossain, M.F.M Zain, M Jamil, F.C Lai (2017), Durability properties of a non-cement binder made up of 35 pozzolans with sodium hydroxide, Construction and Building Materials, 138, pp 174-184 [20] M.H Shehata, M.D.A Thomas (2000), “The effect of fly ash composition on the expansion of concrete due to alkali–silica reaction”, Cement and Concrete Research, 30, 1063–1072 [21] Neda Mobasher, Susan A Bernal, John L Provis (2016), “Structural evolution of an alkali sulfate activated slag cement”, Journal of Nuclear Materials 468, pp 97–104 [22] N Mobasher, S.A Bernal, J.L Provis (2016), “Structural evolution of an alkali sulfate activated slag cement”, Journal of Nuclear Materials, 468, 97–104 [23] Ngo, S.H., Le, T.T.T., Huynh, T.P (2020), “Effect of NaOH concentrations on properties of the thermal power plant ashes-bricks by alkaline activation”, Journal of Wahan University of TechnologyMater Sci Ed., 35, pp.131-139 [24] P.T Bui, Y Ogawa, K Kawai (2020), “Effect of sodium sulfate activator on compressive strength and hydration of fly-ash cement pastes”, Journal of Materials in Civil Engineering, 32, 04020117 [25] P Nath, P Sarker (2011), “Effect of fly ash on the durability properties of high strength concrete”, Procedia Engineering, 14, 1149–1156 [26] Q Li, Z Li, G Yuan (2012), “Effects of elevated temperatures on properties of concrete containing ground granulated blast furnace slag as cementitious material”, Construction and Building Materials, 35, 687–692 [27] S Gi, M Frias, I Vegas, R García (2014), “Sodium sulphate effect on the mineralogy of ternary blended cements elaborated with activated paper sludge and fly ash”, Construction and Building Materials, 54, pp 313–319 [28] Siva Uppalapati, Lucie Vandewalle, Özlem Cizer (2020), “Autogenous shrinkage of slag-fly ash blends activated with hybrid 36 sodium silicate and sodium sulfate at different curing temperatures”, Construction and Building Materials, 265, 121276 [29] R.M Hamidi, Z Man, K.A Azizli (2016), “Concentration of NaOH and the Effect on the Properties of Fly Ash Based Geopolymer”, Procedia Engineering, 148, 189–193 [30] U Rattanasak, P Chindaprasirt (2009), “Influence of NaOH solution on the synthesis of fly ash geopolymer”, Minerals Engineering, 22, 1073–1078 [31] V.M Malhotra (2002) “Introduction: Sustainable development and concrete technology”, Concrete International, 24 [32] Yingliang Zhao, Jingping Qiu, Shiyu Zhang, Zhenbang Guo, Zhengyu Ma, Xiaogang Sun, Jun Xing (2020), “Effect of sodium sulfate on the hydration and mechanical properties of lime-slag based eco-friendly binders”, Construction and Building Materials, 250, 118630 37