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

Đỗ Thị Phượng NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT SỬ DỤNG CỐT LIỆU TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN, XI MĂNG POÓCLĂNG VÀ CÁC PHỤ GIA KHOÁNG MỊN Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309 LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Đỗ Thị Phượng

NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT SỬ DỤNG CỐT LIỆU TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN, XI MĂNG

POÓCLĂNG VÀ CÁC PHỤ GIA KHOÁNG MỊN

Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu

Mã số: 9520309

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội – Năm 2022

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

POÓCLĂNG VÀ CÁC PHỤ GIA KHOÁNG MỊN

Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu

Mã số: 9520309

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS Vũ Minh Đức

LỜI CẢM ƠN

Tác giả chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Vũ Minh Đức đã hết

lòng giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tác giả chân thành cảm ơn trường Đại học Xây dựng Hà Nội, khoa Vật liệu xây dựng, phòng Quản lý đào tạo, bộ môn Công nghệ vật liệu xây dựng, bộ môn Vật liệu xây dựng đã giúp đỡ trong thời gian qua

Tác giả chân thành cảm ơn trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, khoa Xây dựng Cầu đường, Phòng thí nghiệm khoa Hóa, khoa Môi trường đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tác giả trân trọng cảm ơn sự góp ý và giúp đỡ của PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâm, TS Nguyễn Nhân Hoà – Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

Tác giả cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè đã luôn động viên trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình tôi – những người thân

đã luôn động viên trong suốt thời gian vừa qua

Tác giả luận án

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN i

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Cơ sở khoa học của đề tài 2

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa 3

7 Những đóng góp mới của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT 5

1.1 Giới thiệu bê tông chịu nhiệt 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Phân loại 6

1.1.3 Tính chất của bê tông chịu nhiệt 7

1.1.4 Vật liệu chế tạo 11

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTCN trên thế giới 13

1.2.1 Tình hình nghiên cứu BTCN trên thế giới 13

1.2.2 Tình hình ứng dụng BTCN trên thế giới 18

1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTCN ở Việt Nam 22

1.4 Những vấn đề cần nghiên cứu của luận án trong điều kiện ở Việt Nam 24

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT 26

2.1 Cơ sở khoa học nghiên cứu CKDCN 26

2.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến biến đổi hoá lý của đá xi măng PC 26

2.1.2 Cơ sở sử dụng phụ gia khoáng mịn trong CKDCN 28

2.1.3 Cơ sở lựa chọn PGKM hỗn hợp TB – BN, TB – SF chế tạo CKDCN 32

2.2 Cơ sở khoa học nghiên cứu cốt liệu chịu nhiệt 34

2.2.1 Cơ sở sử dụng tro xỉ nhiệt điện làm cốt liệu cho BTCN 34

2.2.2 Cơ sở thiết kế thành phần hạt cho BTCN 36

2.3 Cơ sở khoa học nghiên cứu thành phần BTCN 38

CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41

3.1 Vật liệu nghiên cứu 41

3.1.1 Chất kết dính 41

3.1.2 Cốt liệu 43

3.1.3 Nước và phụ gia hoá học 46

3.2 Phương pháp nghiên cứu thành phần, tính chất CKDCN 46

3.2.1 Thiết kế thành phần CKDCN 46

3.2.2 Phương pháp nghiên cứu tính chất hỗn hợp CKDCN 47

3.2.3 Phương pháp chế tạo mẫu CKDCN 47

3.2.4 Phương pháp nghiên cứu chế độ gia công nhiệt mẫu CKDCN 47

3.2.5 Phương pháp nghiên cứu tính chất CKDCN 47

3.3 Phương pháp nghiên cứu thành phần hạt cốt liệu chịu nhiệt 51

3.3.1 Thiết kế thành phần hạt cốt liệu 51

3.3.2 Phương pháp nghiên cứu khối lượng thể tích của hỗn hợp hạt cốt liệu 51

3.3.3 Phương pháp nghiên cứu độ rỗng thực tế của hỗn hợp hạt cốt liệu 52

3.4 Phương pháp nghiên cứu thành phần, tính chất BTCN 53

3.4.1 Thiết kế thành phần BTCN 53

3.4.2 Phương pháp nghiên cứu tính chất hỗn hợp BTCN 53

3.4.3 Phương pháp chế tạo mẫu BTCN 54

3.4.4 Phương pháp nghiên cứu chế độ gia công nhiệt mẫu BTCN 54

3.4.5 Phương pháp nghiên cứu tính chất BTCN 54

3.5 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu thành phần tối ưu BTCN 56

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA CKDCN SỬ DỤNG TRO BAY, BỘT NGÓI VÀ SILICA FUME 57

4.1 Ảnh hưởng của PGKM đến lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết của

hỗn hợp CKDCN 57

4.2 Ảnh hưởng của PGKM đến khối lượng thể tích của CKDCN ở các cấp nhiệt độ 59

4.3 Ảnh hưởng của PGKM đến độ co ngót của CKDCN ở các cấp nhiệt độ 62

4.4 Ảnh hưởng của PGKM đến cường độ chịu nén của CKDCN ở các cấp nhiệt độ 65

4.5 Phương trình hồi quy cường độ chịu nén của CKDCN ở 800oC 69

4.6 Ảnh hưởng của loại PGKM đến tính chất của CKDCN ở các cấp nhiệt độ 73

4.7 Phân tích hóa lý, vi cấu trúc CKDCN 76

4.7.1 Phân tích nhiệt 76

4.7.2 Phân tích Rơnghen 78

4.7.3 Phân tích kính hiển vi điện tử quét 82

CHƯƠNG 5 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT 88

5.1 Thiết kế thành phần hạt cốt liệu cho BTCN 88

5.1.1 Thành phần hạt cốt liệu tính toán theo công thức Andersen 88

5.1.2 Khối lượng thể tích, độ rỗng thực của hỗn hợp hạt cốt liệu tương ứng với các chế độ công nghệ làm chặt 89

5.1.3 Phương trình hồi quy tính chất hỗn hợp hạt cốt liệu 90

5.2 Thiết kế thành phần BTCN 91

5.3 Tính chất của BTCN 98

5.3.1 Đặc điểm bề mặt mẫu BTCN ở các cấp nhiệt độ 98

5.3.2 Tính chất cơ lý của BTCN ở các cấp nhiệt độ 100

5.3.3 Độ bền nhiệt của BTCN 105

KẾT LUẬN 114

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 117

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 PHỤ LỤC PL1

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BTCT-CN Bê tông cốt thép – chịu nhiệt

DSC Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential Scanning

Calorimetry)

ITZ Vùng liên kết giữa đá xi măng-cốt liệu (Interfacial

Tranzition Zone)

PCB Xi măng poóclăng hỗn hợp

SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy)

TGA Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal Gravimetric

Analysis)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Loại bê tông theo nhiệt độ sử dụng tối đa cho phép [116] 7

Bảng 1.2 Một số công trình sử dụng BTCN ở CHLB Nga [119] 19

Bảng 2.1 Hàm lượng CaO tự do trong đá CKD ở nhiệt độ cao [95] 30

Bảng 2.2 Sự phụ thuộc của mật độ khối xếp vào phương pháp sắp xếp và số điểm tiếp xúc của các hạt [117] 37

Bảng 2.3 Độ rỗng lý thuyết của hỗn hợp nhiều cỡ hạt [6], [117] 38

Bảng 3.1 Thành phần hóa vật liệu chế tạo CKDCN 41

Bảng 3.2 Tính chất cơ lý của xi măng 42

Bảng 3.3 Tính chất của các PGKM 42

Bảng 3.4 Thành phần hóa của cốt liệu tro xỉ 44

Bảng 3.5 Các tính chất của cốt liệu tro xỉ 44

Bảng 3.6 Thành phần hạt, độ lớn của cốt liệu tro xỉ trước và sau khi gia công 45

Bảng 3.7 Khối lượng thể tích xốp của các cỡ hạt cốt liệu tro xỉ 45

Bảng 3.8 Độ hút nước của các cỡ hạt cốt liệu tro xỉ 45

Bảng 4.1 Ảnh hưởng của PGKM đến lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết của hỗn hợp CKDCN 57

Bảng 4.2 Thành phần và cường độ chịu nén CKDCN ở 800oC 71

Bảng 4.3 Tính chất cơ lý của CKDCN 72

Bảng 4.4 Mất khối lượng của CKDCN ở các cấp nhiệt độ 77

Bảng 5.1 Thành phần hạt của cốt liệu tro xỉ 90

Bảng 5.2 Cấp phối sơ bộ của BTCN 91

Bảng 5.3 Cấp phối hiệu chỉnh của BTCN 92

Bảng 5.4 Bảng mã hóa quy hoạch thực nghiệm tính chất BTCN ở 800oC 93

Bảng 5.5 Bảng kế hoạch thực nghiệm tính chất BTCN ở 800oC 93

Bảng 5.6 Tỷ lệ thành phần vật liệu và kết quả tính toán tính chất BTCN theo phương trình hồi quy 96

Bảng 5.7 Kết quả thực nghiệm BTCN 97

Bảng 5.9 Thành phần hạt cốt liệu tro xỉ tối ưu của BTCN 98

Bảng 5.10 Tính chất cơ lý của BTCN ở các cấp nhiệt độ 100

Bảng 5.11 Kết quả độ bền nhiệt của mẫu BTCN AI 106

Bảng 5.12 Kết quả độ bền nhiệt của mẫu BTCN BI 106

Bảng 5.13 Tính chất tấm BTCN sau nung thử nghiệm 111

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Lớp lót của tường tháp đốt nóng không khí 19

Hình 1.2 Sơ đồ kênh dẫn khí khói 19

Hình 1.3 Buồng hoàn nhiệt từ lò Mactanh 20

Hình 1.4 Nắp vòm lò đứng đốt nóng 20

Hình 3.1 Phân tích XRD của cốt liệu tro xỉ nhiệt điện 43

Hình 3.2 Biều đồ đường cong nung mẫu CKDCN 47

Hình 3.3 Các bước thiết kế thành phần BTCN 53

Hình 4.1 Khối lượng thể tích các mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ 60

Hình 4.2 Sự suy giảm khối lượng thể tích các mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ so với ở 100oC 62

Hình 4.3 Độ co ngót các mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ 63

Hình 4.4 Cường độ chịu nén các mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ 65

Hình 4.5 Sự suy giảm cường độ chịu nén các mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ so với ở 100oC 68

Hình 4.6 Ảnh hưởng của các loại PGKM đến cường độ chịu nén của CKDCN ở các cấp nhiệt độ 73

Hình 4.7 Ảnh hưởng của các loại PGKM đến khối lượng thể tích của CKDCN 74

Hình 4.8 Ảnh hưởng của các loại PGKM đến độ co ngót của CKDCN ở các cấp nhiệt độ 75

Hình 4.9 Kết quả phân tích DSC, DTG mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ 77

Hình 4.10 Kết quả phân tích TGA mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ 78

Hình 4.11 Phân tích XRD mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ 79

Hình 4.12 Phân tích XRD mẫu T1S ở các cấp nhiệt độ 80

Hình 4.13 Ảnh SEM mẫu CKDCN ở 25oC và 800oC 83

Hình 4.14 Ảnh SEM mẫu T1S ở các cấp nhiệt độ 84

Hình 5.1 Tính chất của hỗn hợp hạt TX1 ứng với các chế độ làm chặt 89

Hình 5.2 Bề mặt biểu diễn quan hệ tính chất BTCN (nhóm A) với N/CKD và n 96

Hình 5.4 Đặc điểm bề mặt mẫu BTCN ở các cấp nhiệt độ 99

Hình 5.5 Đặc điểm bề mặt mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ 99

Hình 5.6 Khối lượng thể tích của BTCN ở các cấp nhiệt độ 101

Hình 5.7 Độ co ngót của BTCN ở các cấp nhiệt độ 102

Hình 5.8 Độ hút nước của BTCN ở các cấp nhiệt độ 102

Hình 5.9 Cường độ chịu nén của BTCN ở các cấp nhiệt độ 103

Hình 5.10 Ảnh SEM mẫu BTCN AI ở các cấp nhiệt độ 107

Hình 5.11 Ảnh SEM mẫu BTCN BI ở các cấp nhiệt độ 108

Hình 5.12 Hình ảnh sự phân bố vết nứt các mẫu BTCN ở 800oC 109

Hình 5.13 Hình ảnh khoáng trong các mẫu BTCN ở 800oC 109

Hình 5.14 Tấm BTCN nung thực nghiệm tại Nhà máy gạch tuynen 111

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Bê tông chịu nhiệt đã được nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới từ những năm 40-50 của thế kỷ XX trong các lĩnh vực như công nghiệp luyện kim, hoá chất, chế tạo máy và đặc biệt là công nghiệp vật liệu xây dựng với các hầm lò, kênh dẫn, ống khói, va gông, Việc sử dụng bê tông chịu nhiệt dưới dạng các cấu kiện đúc sẵn thay cho sản phẩm gạch chịu lửa đơn chiếc mang lại nhiều lợi ích như: bê tông không nung nên giảm chi phí nhiệt, có thể thi công toàn khối hoặc lắp ghép nên đẩy nhanh tiến

độ thi công, giảm giá thành xây dựng, rút ngắn thời gian sửa chữa, tăng độ bền vững của công trình khi sử dụng Ở Việt Nam, bê tông chịu nhiệt đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng ngày càng nhiều Tuy nhiên, nguồn vật liệu chế tạo loại bê tông này chủ yếu là xi măng đặc biệt, cốt liệu và phụ gia khoáng chịu lửa phần lớn được nhập khẩu Công bố khoa học về loại bê tông này không nhiều, đặc biệt là loại bê tông chịu nhiệt sử dụng xi măng poóclăng và các phế liệu, phế thải công nghiệp

Bên cạnh đó, xu hướng trong ngành công nghiệp vật liệu xây dựng là nghiên cứu chế tạo vật liệu xanh, bền vững nhằm sử dụng một cách hợp lý, tiết kiệm và có hiệu quả cao nhất các loại tài nguyên, khoáng sản thiên nhiên, thực hiện công nghệ sản xuất không phế thải, giảm chi phí nguyên liệu, nhiên liệu, sức lao động và vốn đầu tư trong sản xuất Như vậy vấn đề cấp thiết đặt ra là nghiên cứu sử dụng các phế liệu, phế thải công nghiệp cũng như các vật liệu sẵn có ở Việt Nam để chế tạo bê tông chịu nhiệt Theo Viện vật liệu xây dựng, tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện Việt Nam hiện nay chiếm trữ lượng khá lớn, ước tính lượng tro xỉ tồn chứa và thải ra hằng năm khoảng gần 18 triệu tấn gây ô nhiễm đất, nước và không khí, nhưng mới tái sử dụng được khoảng 30% khối lượng [32] Sử dụng nguồn phế thải này làm cốt liệu, thay thế một phần xi măng poóclăng, kết hợp với các phụ gia khoáng mịn là các vật liệu sẵn

có trong nước như bột ngói đất sét nung, silica fume để chế tạo bê tông chịu nhiệt mang lại nhiều ý nghĩa Do đó, luận án “nghiên cứu bê tông chịu nhiệt sử dụng cốt liệu tro xỉ nhiệt điện, xi măng poóclăng và các phụ gia khoáng mịn” được thực hiện

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên 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 bê tông chịu nhiệt có nhiệt độ làm việc đến khoảng 800oC trên cơ sở vật liệu sẵn có ở Việt Nam hướng đến làm cấu kiện đúc sẵn cho các công trình công nghiệp

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Bê tông chịu nhiệt sử dụng tro xỉ nhiệt điện, xi măng poóclăng và các phụ gia khoáng mịn

Phạm vi nghiên cứu:

- Sử dụng chất kết dính từ xi măng poóclăng cùng các phụ gia khoáng mịn như tro bay, hỗn hợp tro bay – bột ngói, tro bay – silica fume

- Sử dụng cốt liệu là tro xỉ nhiệt điện có kích thước đến 5 mm

- Hỗn hợp bê tông chịu nhiệt có độ sụt 1÷2 cm (tương ứng độ cứng 25÷35 s), cường độ chịu nén bê tông ở tuổi 7 ngày (sau sấy 100oC) đạt tối thiểu 20 MPa

- Bê tông có nhiệt độ làm việc đến khoảng 800oC

- Nghiên cứu trong điều kiện phòng thí nghiệm

4 Cơ sở khoa học của đề tài

Sự phân hủy đá xi măng poóclăng xảy ra chủ yếu do sự tách nước của các khoáng thủy hóa và thủy hóa lần hai của oxyt canxi khi gặp môi trường ẩm Để tăng tính chịu nhiệt cho xi măng poóclăng cần đưa vào các phụ gia khoáng mịn Những phụ gia khoáng này cần có thành phần hoạt tính, có khả năng xảy ra phản ứng với các khoáng của đá xi măng poóclăng ở nhiệt độ cao tạo ra khoáng mới bền vững, khó nóng chảy, giảm co ngót để ổn định cấu trúc đá xi măng Do đó, cơ sở khoa học của luận án dựa trên lý thuyết phản ứng giữa các khoáng của đá xi măng poóclăng và phụ gia khoáng mịn, sự lèn chặt cấu trúc, giảm co ngót trong đá chất kết dính ở nhiệt độ cao Tỷ lệ giữa hàm lượng phụ gia khoáng mịn và chất kết dính cần thích hợp với