Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu vật liệu Geopolymer kết hợp với đất để làm đường giao thông nông thôn

Việc nghiên cứu chế tạo và sử dụng Geopolymer từ tro baythay thế xi măng vừa hạn chế được việc s ử dụng nghiên liệu tự nhiên đồng thời giảmtối đa lượng khí thải CO2 vào không khí vừa xử

Tính cấp thiết của đề tài

1.1.1 Thực trạng sử dụng mặt đường bê tông xi măng ở các nước trên thế giới và ở Việt Nam:

Đường bê tông xi măng đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới nhờ tính ưu việt vượt trội so với bê tông nhựa Cụ thể, đường bê tông xi măng có khả năng chịu kéo và uốn cao hơn, cho phép sử dụng trên các tuyến đường có lưu lượng phương tiện lớn và tải trọng xe nặng.

Thời gian sử dụng lâu dài (từ 30-40 năm) [1] và công tác duy tu bảo dưỡng ít, đơn giản Đặc biệt sử dụng ở những nơi có chế độ thủy nhiệt bất lợi, hay bị ngập nước

Trên thế giới, phương pháp xây dựng mặt đường cứng áp dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia phát triển và đang phát triển Tại Mỹ và các quốc gia Châu Mỹ khác, mặt đường bê tông xi măng chiếm tới 85-90% trên các tuyến cao tốc Ở các nước Tây Âu, con số này là 65-80% Trong khi đó, ở Việt Nam, đã có những công trình sử dụng mặt cứng từ trước năm 1945, mặc dù công nghệ khi đó còn đơn giản với cường độ bê tông thấp và kích thước tấm nhỏ Tuy nhiên, độ bền của những con đường bê tông xi măng này đã được chứng minh qua thời gian sử dụng trên 20 năm.

Năm 2010, xây dựng thêm 500km đường bê tông xi măng có bề rộng 7m [4]

Tháng 4/2012, Bộ Giao thông Vận tải chỉ đạo Vụ Kế hoạch Đầu tư hoàn thiện quy hoạch sử dụng đường bê tông xi măng đến năm 2020, tầm nhìn đến 2030 Từ đó, Bộ sẽ có kế hoạch triển khai cụ thể, góp phần cải thiện chất lượng giao thông đường bộ, đáp ứng nhu cầu đi lại và vận tải ngày càng cao của người dân và phát triển kinh tế - xã hội.

1.1.2 Thực trạng đường giao thông nông thôn ở nước ta:

Xét về mạng lưới: Hiện nay trên cả nước có trên 295046km đường bộ, trong đó hệ thống giao thông nông thôn (đường huyện, đường xã, đường thôn) chiếm tới 85% Nếu xét trên diện rộng, mật độ giao thông nông thôn trên cả nước còn thấp (0.59km/km2) Trong đó mật độ đường huyện chỉ là 0.14km/km 2 với tỷ trọng 0.55km/1000 dân; Đường xã là 0.45km/km2 và 1.72km/1000 dân Tại khu vực nông thôn đồng bằng sông Hồng, mật độ này có cao hơn (khoảng 1.16km/km 2 ) song còn xa mới đạt được tỷ lệ hợp lý (trung bình ở các nước phát triển tỷ lệ chiều dài km đường nông thôn trên diện tích khoảng 8,86km/km2) [5]

Thực tế hiện tại đó là hệ thống đường nông thôn chưa theo kịp với tốc độ phát triển và tiềm lực của các vùng kinh tế sản xuất nông, lâm, ngư nghiệp Hệ thống đường giao thông nông thôn chưa được phủ kín và chưa có sự kết nối liên hoàn từ hệ thống đường tỉnh, đường huyện xuống nông thôn nhất là đối với vùng sâu, vùng xa, miền núi, biên giới, hải đảo Còn 149 xã chưa có đường ô tô tới trung tâm xã, trong đó khu vực Tây Nguyên chiếm đa số, thấp hơn 7 lần so với khu vực đồng bằng [5]

Trong những năm gần đây, việc xây dựng mặt đường bê tông xi măng vào Việt Nam đang được đẩy mạnh Theo số liệu thống kê năm 2008, tổng chiều dài đường bê tông xi măng được xây dựng ở Việt Nam là 22000km ( chiếm 9%, chưa kể tới đường đô thị và đường chuyên dùng), trong đó, tỷ lệ đường bê tông dùng cho giao thông nông thôn cao nhất (18900km, chiếm 85%) Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ bê tông xi măng làm đường (đặc biệt là đường giao thông nông thôn) còn chưa đồng đều và chưa phổ biến ở một số vùng Hiện nay, mạng lưới đường giao thông nông thôn đang được nhựa hóa hoặc bê tông hóa Tổng chiều dài đường giao thông nông thôn khoảng 250789km, trong đó, đường bê tông xi măng chiếm 7,5% so với tổng chiều dài đường giao thông nông thôn [6]

1.1.3 Tính hợp lý khi sử dụng kết cấu áo đường bê tông xi măng ở Việt Nam:

Việt Nam nằm trong vùng khí hậu thường xuyên biến đổi, lượng mưa lớn trung bình đạt 1.949 mm/năm, mùa hè nhiệt độ trung bình trên cả nước là 25 o C

Nhiệt độ mặt đường vào mùa hè lên tới 60÷70 o C nên khi sử dụng đường bê tông nhựa, mô đun đàn hồi của mặt đường bị giảm nhưng không bị ảnh hưởng đối với áo đường bê tông xi măng [5] Ở các tỉnh miền Tây Nam Bộ bề dày đất yếu lớn, khi sử dụng đường nhựa phải xử lý nền hoặc chấp nhận làm đường chờ lún Điều này có thể hạn chế được khi sử dụng áo đường bê tông xi măng do nguyên tắc làm việc của áo đường bê tông xi măng là ‘‘tấm cứng trên nền đàn hồi’’, tải trọng được phân bố đều khắp tấm cứng nên áp lực tác dụng xuống nền nhỏ nên không phải xử lý nhiều về nền đường Ở những vùng thường xuyên bị ngập lụt như các tỉnh miền miền Trung, miền tây, mặt đường cứng được sử dụng rất phổ biến do tính bền nước, thi công đơn giản và có thể tiến hành thủ công ở các nơi không có điều kiện cơ giới hóa [6]

Hiện nay, do tốc độ phát triển kinh tế nhanh nên mật độ xe và tải trọng xe ngày càng phát triển Việc sử dụng mặt đường cứng sẽ tăng thời gian sử dụng, hạn chế lún sụt, giảm giá thành duy tu, bảo dưỡng Các nhân tố này chính là những nguyên do nên đề xuất sử dụng mặt đường cứng ở nước ta

1.1.4 Tình hình ô nhiễm môi trường do sử dụng bêtông truyền thống và hướng phát triển mặt đường đất gia cố Geopolymer:

1.1.4.1 Tình hình ô nhiểm môi trường khí do sử dụng bê tông xi măng:

Quá trình sản xuất bê tông, đặc biệt là xi măng Portland, được xác định là một nguồn gây ô nhiễm môi trường đáng kể Xi măng Portland, chiếm 88% lượng khí CO2 thải ra từ bê tông, giải phóng một lượng lớn CO2 trong quá trình sản xuất Cụ thể, sản xuất một tấn xi măng Portland tạo ra gần một tấn khí CO2, trong đó 0,55 tấn do phản ứng phân hủy đá vôi và 0,4 tấn do đốt cháy nhiên liệu Lượng khí CO2 khổng lồ này thải vào môi trường góp phần đáng kể vào hiệu ứng nhà kính, đe dọa hệ sinh thái toàn cầu.

Kết quả là khí hậu bị biến đổi do trái đất nóng dần lên [9]

Hình 1.1 Biểu đồ khí thải CO2 do bê tông xi măng gây ra [13]

Sự phát triển của ngành xây dựng thúc đẩy sản xuất xi măng Portland Vào những năm 1990, thế giới sản xuất khoảng 1 tỷ tấn xi măng, thải ra 1 tỷ tấn CO2, chiếm 7% lượng khí thải toàn cầu Trung Quốc và Ấn Độ là những quốc gia sản xuất xi măng tăng nhanh, trong khi sản lượng tại các nước phát triển như Mỹ và châu Âu có xu hướng ổn định Năm 2005, Trung Quốc sản xuất 800 triệu tấn xi măng, chiếm 33% sản lượng toàn cầu Việt Nam đang tăng trưởng sản xuất xi măng 2,5% mỗi năm và dự kiến tăng từ 2,55 tỷ tấn năm 2006 lên 3,7-4,4 tỷ tấn năm 2050 Do đó, cần giải pháp hạn chế sử dụng xi măng để giảm khí thải vào môi trường.

1.1.4.2 Hướng phát triển mặt đường sử dụng đất gia cố Geopolymer:

Trước tình hình môi trường đang bị ảnh hưởng nghiêm trọng do sử dụng xi măng trong xây dựng, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu chất kết dính khác có thể thay thế cho xi măng nhưng thân thiện với môi trường Từ năm 1940, Purdon và Davidovits đã chứng minh vật liệu xây dựng, đặc biệt là bê tông có thể được tổng hợp bằng hỗn hợp dung dịch alkali và vật liệu không phải từ xi măng Portland Đến năm 1970, nhà khoa học Davidovits đã tạo thành công loại vật liệu rắn gọi là geopolymer được tổng hợp bởi dung dịch Alkali và tro bay, được đánh giá là chất kết dính có thể thay thế xi măng Portland nhưng lại thân thiện với môi trường do ít sản sinh khí CO2 (giảm 90% lượng khí CO2 so với xi măng Portland), và sử dụng lại phế thải của các nhà máy nhiệt điện là chính là tro bay Đây là nguồn tài nguyên bị lãng phí và nguồn gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý [12] Ở Việt Nam, 25% lượng điện được sản xuất từ các nhà máy điện đốt bằng than Hàng năm, các nhà máy nhiệt điện Việt Nam tiêu thụ gần 14 triệu tấn than và thải ra khoảng 4,5 triệu tấn tro xỉ phế thải Và trong vài năm tới, theo sơ đồ phát triển điện lực mới thì Việt Nam sẽ có thêm nhiều nhà máy nhiệt điện than Đến năm 2030, tổng công suất nhiệt điện đốt than là 77.000 MW thì lượng than tiêu thụ khoảng 176 triệu tấn, lượng tro xỉ thải sẽ đạt 35 triệu tấn/năm Lúc này, chắc chắn sẽ phải tốn rất nhiều diện tích đất để chôn lượng tro xỉ nhiệt điện khổng lồ này [13]

Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng tro bay thay thế xi măng làm chất kết dính trong bê tông là vấn đề cấp thiết

Xi măng là một trong là một trong các vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi nhất trong các công trình xây dựng và các công trình hạ tầng cơ sở Nó đóng vai trò là chất kết dính trong việc sản xuất bê tông Sản lượng xi măng sản xuất trên toàn thế giới không ngừng gia tăng, dự kiến khoảng 1,5 tấn trong năm 1995 lên khoảng 2,2 tấn trong năm 2010 (Mehta 1999) [14] Tuy nhiên, công nghiệp sản xuất xi măng lại là một trong các ngành tiêu thụ rất lớn nguồn tài nguyên khoáng sản (đá vôi) và năng lượng (than, dầu, điện) cũng như có sự thải ra lượng khí CO2 lớn vào khí quyển Số liệu điều tra cho thấy lượng khí CO2 từ công nghiệp sản xuất xi măng xấp xỉ 1,35 tấn / năm chiếm khoảng 7% lượng khí thải CO2 trên toàn thế giới (Malhotra 2002) [15] Theo thống kê trung bình để sản xuất ra 1 tấn xi măng đòi hỏi 4 GJ nhiên liệu và sẽ thải ra 1 tấn CO2 vào khí quyển góp phần gây nên hiện tượng hiệu ứng nhà kính làm co trái đất nóng dần lên (Roy 1999, Davidovits) [9] [10]

Trước áp lực dân số thế giới ngày càng gia tăng, nhu cầu xây dựng và phát triển cơ sở hạ tầng giao thôn sẽ trở nên cấp thiết hơn và đòi hỏi ngành công nghiệp sản xuất xi măng cung cấp sản lượng ngày càng nhiều, tăng khoảng 3% mỗi năm [11] Nguồn tài nguyên khoáng sản và các nguyên liệu khác để sản xuất xi măng sẽ được khai thác triệt để hơn và trể nên khan hiếm hơn Đồng thời, lượng khí thải CO2 do quá trình sản xuất xi măng tiếp tục gia tăng làm khí hậu toàn cầu nóng lên gây ra những hệ quả khôn lường

Phát triển bền vững đồng nghĩa với việc bảo vệ môi trường Tro xỉ than không phải là chất thải nếu chúng được sử dụng hiệu quả Hàng năm, hàng trăm tấn tro xỉ bị đổ bỏ, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Trước kia, vì mục tiêu cấp bách công nghiệp hóa, hiện đại hóa, chúng ta bỏ qua các biện pháp bảo vệ môi trường Nhưng hiện nay, chúng ta cần nghiêm túc giải quyết vấn đề môi trường để đảm bảo tương lai cho thế hệ sau Các ngành công nghiệp, trong đó có ngành điện, cần chú trọng hơn đến vấn đề môi trường, sử dụng tro xỉ than làm nguyên vật liệu sản xuất xi măng, thép Việc biến chất thải công nghiệp thành nguyên liệu quan trọng sẽ góp phần giải quyết bài toán ô nhiễm môi trường.

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo vật liệu đất, kết hợp phế thải của công nghiệp nhiệt điện để làm đường giao thông nông thôn

-Khảo sát các thành phần cấp phối thành phần nguyên liệu của vật liệu geopolymer kết hợp này có tính chất tương đương với vật liệu betong truyền thống

-Ứng dụng tính chất cơ học của vật liệu geopolymer đất trong bài toán tính toán kết cấu áo đường cho giao thông nông thôn.

Phương pháp nghiên cứu

Thí nghiệm xác định các tính chất cơ lý của nguyên vật liệu, của vật liệu geoplymer kết hợp với đất như cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn, khả năng chịu tải của vật liệu

Xác định các thành phần nguyên vật liệu, vật liệu geoplymer kết hợp với đất bằng các phương pháp phân tích hóa học

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với lý thuyết:

Xây dựng mô hình lý thuyết của geoplymer kết hợp với đất, xác định thành phần cấp phối thông qua các tính chất của nguyên vật liệu Tiến hành thực nghiệm các thành phần cấp phối, đánh giá đồng thời kết hợp với lý thuyết.

Ý nghĩa đề tài

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của đất kết hợp geopolymer không sử dụng ximăng Từ đó chọn ra cấp phối để tính kết cấu áo đường giao thông nông thôn ở nước ta

Việc gia cố đất bằng geopolymer cho mặt đường giao thông nông thôn sẽ làm tăng tính khả năng chịu tải trọng, tăng tính chống mài mòn, tăng độ bền và tuổi thọ của đường giao thông nông thôn Đặc biệt là khả năng chống bụi bẩn vào mùa hè, lầy lội vào mùa mưa, làm giảm giá thành duy tu bảo dưỡng của con đường Đồng thời sử dụng vật liệu đất gia cố geopolymer không sử dụng xi măng không gây ô nhiễm môi trường.

Tổng quan về vật liệu geopolymer

Davidovits đã đặt tên geopolymer vào năm 1978 để biểu trưng cho một dãy rộng của vật liệu được tiêu biểu bỡi mạng hay chuỗi phân tử vô cơ (Davidovits, 1979, 1993, 2008) và được diễn giải trong nhiều tác phẩm của ông về tiềm năng của GPs được sử dụng để xây kim tự tháp của người Ai Cập, dựa trên kính hiển vi, phổ quang học IR and NMR của mẫu nhỏ từ những công trình xây dựng của người Ai Cập cổ đại (Davidovits and Morris, 1988; Davidovits, 1999) Demortier đã quan sát sự khác nhau đáng chú ý trong những lỗ rỗng của những bộ phận đỉnh và đáy của kim tự tháp mà cũng được phân tích bằng tia X-ray để kết luận rằng kim tự tháp được làm cũng trải qua một quá trình bê tông hoá (Demortier, 2004) Sự sử dụng than bùn từ lớp chịu lực của những chỗ nối nằm ngang và nằm dọc giữa những dãy bao gồm các sợi trong những chỗ nối trong kim tự tháp chỉ ra khả năng cải thiện của bê tông giống như kỹ thuật của xây dựng kim tự tháp

Nhưng việc dựa trên alumino-silicate hiện đại ngày nay có thể được tìm thấy vào những năm 1930 khi mà oxit kiềm được sử dụng để phản ứng với xỉ trong thí nghiệm kiểm tra độ bền của chúng khi sử dụng trong xi măng Portland Chất kết dính xỉ rắn nhanh được trình bày vào năm 1940 bởi nhà khoa học Belgian (Purdon, 1940) Vào những 1950 Quân đội US sử dụng NaCl và Sodium hydroxyt để chế tạo vữa sử dụng trong quân đội (Malone et al, 1986) Năm 1965 Glukhovsky quan sát thấy rằng nhôm silicat hydrat như các sản phẩm chất kết dính rắn được hình thành trong quá trình kích hoạt kiềm xỉ và cũng nhận thấy trong quá trình điều trị kiềm đá và đất sét khoáng chất, khiến ông phải gọi các chất kết dính là xi măng đất và bê tông là đất silicat bê tông [Glukhovsky, 1965] Năm 1974, Davidovits and Legrand được nhận bằng sáng chế về Siliface process, mà liên quan đến việc sử dụng của Sodium hydroxyt, thạch anh, kaolinite, và nước Điều quan tâm ở đây là hoạt tính kiềm của xỉ về căn bản bao gồm các nguyên tố silicon trong một chuỗi chính, trong khi GPs có cấu trúc khung alkali-aluminosilicate (Duxon et al, 2007)

Tuy nhiên, sau khi Davidovits (1991) mô tả phát minh mới của ông về các chất kết dính aluminosilicate (tổng hợp bằng cách kích hoạt nung đất sét kaolinitic với dung dịch natri silicat ở nhiệt độ thấp) như Geopolymer cho lần đầu tiên, động lực thực sự cho lĩnh vực công nghệ GP bắt đầu Các Geopolymer là một chất aluminosilicate, silic và nhôm ở trạng thái gắn chặt hình tứ diện thông qua các nguyên tử oxy tạo thành các đơn vị monomer cơ bản là một sialate (O-Si-O - Al-O) mang dư điện tích âm xảy ra khi Al 3+ (của nguồn nguyên liệu như đất sét) được thay thế bằng Si 4+ Cơ cấu polysialate cân bằng do nhận cation kim loại kiềm (K + hoặc Na + )

Mặc dù thuật ngữ, geopolymer đã trở thành phổ biến hơn để đại diện cho các vật liệu tổng hợp kiềm aluminosilicate (được tạo bởi phản ứng của aluminosilicate rắn với một hydroxit kiềm, nước hoặc dung dịch silicate), nó là đáng để lưu ý rằng thuật ngữ sau đây cũng báo cáo mô tả các vật liệu tương tự:

- Polymer vô cơ [Van Wazer, 1970]

- Kính aluminosilicate nhiệt độ thấp [Rahier, 1996]

- Xi măng hoạt tính kiềm [Roy, năm 1999; Palomo năm 2003;]

- Kiềm - chất kết dính hoạt [Torgal, Gomes, và Jalali, 2008]

- Bê tông polyme vô cơ [Sofi, 2006]

- Vô cơ polymer kính [Rahier, 2003]

- Vật liệu kiềm tro [Rostami, 2003]

- Kiềm hoạt Binder [Provis và Deventer, 2009]

GP được xem là một chất kết dính đa năng được nghiên cứu bởi các nhà khoa học có nguồn gốc khác nhau về chuyên môn, nhưng có tiềm năng tốt để trở nên thân thiện với môi trường thay thế với xi măng Porland để sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật xây dựng

2.1.2 Ở Việt Nam [17]: Đất nước ta đang chuyển biến mạnh mẽ từng ngày, chúng ta đang dốc toàn bộ sức lực, tiền của và trí tuệ để xây dựng cơ sở hạ tầng cho một đất nước công nghiệp văn minh, dân giàu nước mạnh Trong cuộc kiến thiết đó không thể thực hiện được nếu chỉ trông cậy vào nguồn tiền đi vay, không thể trông cậy vào nguồn tài nguyên vốn có hạn của nước ta Trong điều kiện đó, chúng ta phải biết phát huy mọi nguồn lực Một trong những vấn đề đó là nghiên cứu tận dụng phế thải của công nghiệp điện (các nhà máy nhiệt điện) thải ra để sản xuất 1 loại tro bay để chế tạo bê tông dùng trong xây dựng Đây là một vấn đề đã được triển khai có hiệu quả, đang được áp dụng thử nghiệm ở nước ta

Trong lĩnh vực xây dựng, để sử dụng tro bay trong các dự án, các phòng thí nghiệm cần thiết kế thành phần bê tông tro bay Các đề tài nghiên cứu về bê tông mác cao, bê tông đầm cán, bê tông nhựa sử dụng tro bay nhiệt điện Phả Lại chủ yếu tập trung vào độ dẻo, cường độ và tính chống thấm của bê tông Tại Việt Nam, các nhà máy nhiệt điện than tiêu thụ khoảng 14 triệu tấn than mỗi năm, thải ra khoảng 4,5 triệu tấn tro xỉ phế thải Dự kiến đến năm 2030, lượng tro xỉ này sẽ tăng lên đáng kể do sự phát triển của các nhà máy nhiệt điện than, đặt ra thách thức về diện tích đất chôn lấp.

Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng tro bay thay thế xi măng làm chất kết dính trong bê tông là vấn đề cấp thiết.

Tổng quan về vật liệu geopolymer - đất dùng cho công trình giao thông

2.2.1 Tình hình nghiên cứu vật liệu geopolymer - đất [18]:

Bê tông geopolymer được biết như bê tông hoạt hoá kiềm hay bê tông polymer vô cơ Có nhiều nghiên cứu được tiến hành để nghiên cứu đặc tính cơ học của geopolymer Từ những nghiên cứu này cho thấy, geopolymer có những đặc tính tốt như: sớm đạt cường độ cao, sự co ngót thể tích ít, độ bền chống ăn mòn sun phát cao (Davidovits et al 1990, Davidovits 1987, Sofi et al 2006)

Davidovits (1999) đã nghiên cứu tì mỉ thành phần hoá học của geoplymer dựa vào silico-aluminates Ông đã sử dụng cao lanh nung nguyên chất được gọi là Kandoxı (Kaolinite, Nacrite, Dickite Oxide) được sản xuất từ vật liệu kaolinitic nung khoảng 6 giờ ở nghiệt độ 750 o C như nguồn vật liệu để sản xuất geoplymer

Mẫu vữa geoplymer được chế tạo từ PZ-Geopoly cement có Kandoxı đạt cường độ chịu nén 20Mpa sau 4 giờ ở nhiệt độ 20 o C Cường độ sau 28 ngày đạt được từ 70Mpa đến 100Mpa Từ nghiên cứu của ông, người ta đã nhận ra thời gian dưỡng hộ càng dài thì cường độ chịu nén của geopolymer càng cao

Trong nghiên cứu của Palomo, Grutzeck, and Blanco (1999) về thành phần cơ học của geoplymer dựa trên sự ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ, thời gian dưỡng hộ và tỷ lệ của tro bay, dung dịch hoà tan, hoạt hoá kiềm kali của tro bay hoạt hoá Palomo và cộng sự đã kết luận rằng polyomer vô định hình tạo ra hoạt hoá kiềm của cao lanh biến đổi màu là tiền thân của zeolit Từ những nghiên cứu của họ, họ đã kết luận rằng ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay và chất hoạt hoá là không đáng kể và sự tăng nhanh nhiệt độ bảo dưỡng làm tăng nhanh sự hoạt hoá của tro bay

Tuy nhiên, trong một nghiên cứu của Alonso và Palomo (2001) nghiên cứu sự thay đổi mà ảnh hưởng đến hoạt hoá của kali trong cao lanh cứng có chứa hydroxit can xi Họ kết luận rằng: sự tăng dung dịch hoạt hoá trên 10m dẫn đến sự hình thành polymer chậm do sự ổn định hình dạng ion và sự thay đổi ion, điều này dẫn đến sự tăng cường độ uốn trong polymer

Trong nghiên cứu của van Jaarsveld, van Deventer and Lukey (2002) có mục tiêu là nghiên cứu những ảnh hưởng của thành phần nguồn vật liệu và quá trình dưỡng hộ trên thành phần cơ lý của geoplymer cuối cùng

Nghiên cứu của Barbosa, MacKenzie và Thaumaturgo (1999) đã xác định điều kiện tối ưu để hình thành polyme natri gồm tỷ lệ Na2O:SiO2 là 0,25 và H2O:Na2O là 10 Tuy nhiên, lượng Na2O quá cao có thể cản trở quá trình trùng hợp, trong khi lượng nước dư thừa làm giảm phản ứng và rửa trôi các thành phần hòa tan Do đó, việc kiểm soát tỷ lệ các thành phần này là rất quan trọng để đạt được quá trình trùng hợp thành công.

Van Jaarsveld, van Deventer, Lukey (2003) cũng tiến hành thí nghiệm và kết luận rằng nguồn vật liệu quyết định thành phành phần geoplymer đặc biệt là hàm lượng CaO và tỷ lệ tro bay với nước

Một nghiên cứu của Daniel, Sanjayan and Sagoe-Crentsil (2006) về sự làm việc của tro bay dựa trên vữa và bê tông geoplymer ở nhiệt độ cao Trong nghiên cứu, tác giả thấy rằng khi tỷ lệ chất hoạt hoá tăng lên thì cường độ nén cũng tăng lên, thời gian dưỡng hộ dưới nhiệt độ cao dài không ảnh hưởng đáng kể đến sự hình thành cường độ của vữa geoplymer Tác giả kết luận tỷ lệ chất hoạt hoá tro bay không phải là thông số quyết định nhất đối với việc đánh giá nhiệt độ hình thành theo tỷ lệ silicat natri và hydroxit kali trong dung dịch hoạt hoá

Do đó, để chế tạo được vật liệu geopolymer cần thiết phải có thành phần cung cấp hoạt tính, đóng vai trò như chất kết dính, đồng thời phải có mặt dung dịch hoạt hóa kiềm và quá trình xảy ra phản ứng khi có nhiệt độ sẽ giúp tạo ra vật liệu có cường độ

Trong những năm gần đây, người ta ngày càng chú ý nhiều đến vấn đề dùng keo để làm chất kết dính mặt đường Vật liệu geolymer – đất tổng hợp được nhiều đặc tính có ý nghĩa cực kỳ quan trọng trong làm đường Trong những đặc tính này trước hết phải kể đến sự dính bám cao (kể cả sự dính bám mặt ngoài với các phân tử khác và dính bám nội bộ giữa những phân tử chất liên kết), sự đông cứng nhanh và có thể khống chế được chất kết dính

Sự phát triển nhanh của ngành công nghiệp đã làm tăng sản lượng của chất kết dính mà thành phần chủ yếu của nó là tro bay, thuỷ tinh lỏng và natri hydroxit

Cấu trúc của polymer xác định tính cứng và tính dẻo của nó và do đó cũng quyết định đặc điểm cấu trúc của đất gia cố Ở nhiệt độ thấp hơn 100 o C, sự polymer hoá khoáng vật là phản ứng hoá học giữa các Oxyt-silicate với Polisilicate kiềm tạo thành một khung xương Si-O-Al

Trạng thái vô định hình đến nửa kết tinh cấu trúc các Silicate-Aluminate theo 3 chiều trong không gian là Polysialate, Polysialate-Siloxo và Polysialate-Disiloxo

Với tiền thân của polymer hoá khoáng caolinite, sự đa trùng ngưng bằng phương pháp thuỷ nhiệt ở 150 o C trong môi trường kiềm trong thời gian 20 giây.

Nghiên cứu về vật liệu tro bay

Tro bay (Fly ash) là thành phần mịn nhất của tro xỉ than Gọi là tro bay vì người ta dùng các luồng khí để phân loại tro: khi thổi một luồng khí nhất định thì hạt to sẽ rơi xuống trước và thành phần hạt nhỏ sẽ bay xa hơn Theo ACI 116 thì tro bay được định nghĩa là phần phế thải thu được do việc đốt than ở nhà máy nhiệt điện và được chuyển từ buồng đốt qua nồi hơi bởi ống khối [20]

Theo tiêu chuẩn ASTM C618 tro bay được phân thành 2 loại:

- Tro bay loại C: thường lớn hơn 15% canxi oxit (CaO) hay còn gọi là tro bay giàu canxi Loại này được sử dụng trong công nghiệp bê tông trong khoảng 20 năm trở lại đây Tro bay loại này không chỉ có tính puzolan mà còn có khả năng tự đóng rắn Khi trộn với nước, tro bay sẽ phản ứng tương tự như xi măng Portland Mực độ đóng rắn phụ thuộc vào canxi oxit tro bay Hàm lượng canxi oxit càng cao thì mức độ đóng rắn của tro bay cũng càng cao Hàm lượng cacbon chưa cháy trong tro tính theo lượng mất khi nung là ít hơn 1%

Tro bay loại F có hàm lượng CaO < 6%, không có khả năng tự đóng rắn và có tính puzzolan Loại tro bay này chứa > 2% cacbon chưa cháy, với các khoáng chất chính là thạch anh, mulit và hematite Khi tiếp xúc với nước, tro bay loại F phản ứng với đá vôi hoặc Ca(OH)2, tạo thành vữa tương tự xi măng Portland Việc sử dụng tro bay loại F giúp giảm nước trong bê tông và cải thiện khả năng chống ăn mòn bởi sunfat và ion clorua.

Thành phần hóa học của hai loại tro bay C và F theo tiêu chuẩn ASTM C618-94a cũng được thể hiện như bảng 2.1

Bảng 2.1 Thành phần chính của tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C618-94a [21]

Thành phần hóa học (%) Loại C Loại F

Max (hàm lượng sau khi nung) 5 5

Sản lượng tro bay trên toàn thế giới có xu hướng tăng cao Đến năm 2010, sản lượng tro bay trên toàn thế giới tạo ra khoảng 780 triệu tấn (Molhotra 1999) Tỷ lệ tro bay được sử dụng trong chế tạo bê tông chỉ chiếm khoảng 14%, lượng còn lại trở thành phế thải ảnh hưởng rất lớn đến môi trường

Bảng 2.2 Sản lượng tro bay và sử dụng trong bê tông năm 2008 [22]

Nước Sản lượng (triệu tấn) Sử dụng trong bê tông (%)

Trung Quốc >600 15 Ấn Độ >110 15 Mỹ >60 10

Tại Việt Nam, tro bay thuộc loại F có nguồn từ các nhà máy nhiệt điện như: nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Formosa – Đồng Nai Trung bình hàng năm, các nhà máy nhiệt điện trong cả nước thải ra khoảng 1.3 triệu tấn tro bay Trong năm 2010, có khoảng 2.3 triệu tấn tro bay thải ra Theo số liệu thu thập được mỗi ngày, nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 thải ra khoảng 3 ngàn tấn tro xỉ, trong đó có 30% là than chưa cháy hết, còn lại là tro bay mịn Do hàm lượng than dư này không cao nên khó tận thu làm nhiên liệu đốt mà thường được thải ra hồ chứa Cùng với lượng tro xỉ tương đương cả nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1 thì mỗi ngày hai nhà máy này đang xả lượng chất thải khổng lồ vào môi trường [20,22]

Hình 2.1 Phế thải tro bay tại nhà máy nhiệt điện Phả Lại [20]

- Hình thái hạt tro bay:

Các nhà nghiên cứu Mehta (1988), Joshi và Lam (1987) sử dụng kính hiển vi và phương pháp phân tích X-ray đã chỉ ra rằng tro bay có cấu trúc hình cầu, thủy tinh rỗng và xốp Cấu trúc rỗng này đôi khi chứa các hạt tro bay hình cầu khác Bề mặt tro bay có hàm lượng canxi oxit thấp thường trơn nhẵn và rõ ràng hơn so với tro bay giàu canxi oxit.

Hình 2.2 Cấu trúc tro bay loại C Hình 2.3 Cấu trúc tro bay loại F

- Độ mịn tro bay: Độ mịn tro bay là một trong những đặc trưng vật lý quan trọng của tro bay vì có liên quan mật thiết đến khả năng tham gia phản ứng Puzzolan của tro bay

Kích thước phân tử của tro bay thay đổi từ 1 – 120 μm Theo tiêu chuẩn ASTM C618, lượng tro bay tối đa giữ lại trên sàn cỡ 45 μm là 34% Độ mịn của tro bay đặc trưng bỡi đại lượng tỷ diện tích bề mặt xác định bằng phương pháp Blaine hoặc phương pháp hấp phụ Nito Tùy theo nguồn gốc mà tro bay có độ mịn khác nhau Tro bay thường có độ mịn từ 2400 – 4000 cm 2 /g

Khối lượng riêng của tro bay phụ thuộc vào hình dạng, màu sắc và thành phần hóa học, và là yếu tố ảnh hưởng đến những đặc tính của tro bay Theo Joshi (1968), khối lượng riêng của tro bay dao động từ 1,3 - 4,8 tấn/m³ (Joshi 1968) Tro bay có hàm lượng Maghetite và Hematite (màu nâu) cao sẽ có khối lượng riêng lớn hơn (3,6 - 4,8 tấn/m³ (Joshi 1968, 1979)) Ngược lại, khi hàm lượng tinh thể quartz và mulite tăng, khối lượng riêng của tro bay sẽ giảm.

Thành phần vật lý Khối lượng riêng

Hàm lượng lọt sàng 0.05mm (%)

Bảng 2.3 Thành phần vật lý của tro bay [20,22]

- Tính chất hóa học của tro bay:

Tro bay là một Puzzolan nhân tạo với các thành phần chính là các oxit SiO2,

Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, SO3, Na2O, K2O và lượng cácbon chưa cháy hết (MKN) thường yêu cầu không vượt quá 5% khối lượng tro bay [24], [10]

Tổng hàm lượng SiO2 và Al2O3 chiếm khoảng 40 – 80% hàm lượng tro bay

Bảng 2.4 Thành phần hóa học chính của tro bay nhiệt điện Phả Lại

Thành phần hóa học SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O MKN

- Khả năng Puzoolan hóa của tro bay:

Khả năng Puzzolan hóa của tro bay phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng nhất có thể kể đến như độ mịn, dạng tồn tại vô định hình, thành phần khoáng, thành phần hóa học, hàm lượng cacbon chưa cháy hết hay lượng mất khi nung của tro bay (Joshi 1979) Tro bay càng mịn thì khả năng Puzzolan hóa cũng tăng lên đáng kể, tuy nhiên nếu tỷ diện tích bề mặt của tro bay lớn hơn 6000 cm 2 /g thì tác dụng của nó không đáng kể (Joshi và Marsh 1987)

Nếu xét đến thành phần hóa học thì canxi oxit và lượng cacbon của tro bay là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng Puzzolan hóa của tro bay Tro bay loại C có hàm lượng CaO cao thể hiện tính tự đóng rắn bên cạnh khả năng puzzolan hóa Lượng cacbon chưa cháy hết làm giảm khả năng puzzolan hóa của tro bay và làm phát sinh cỡ hạt có kích thước lớn hơn 45μm Vì vậy, thường giới hạn hàm lượng mất sau khi nung từ 3 – 6% Đối với tro bay loại F, khi hàm lượng mất khi nung vượt quá 0.5% sẽ ảnh hưởng đến khả năng puzzolan hóa của tro bay (Joshi và Lohtia 1995)

- Ứng xử của tro bay đối với sự hình thành Geopolymer: khả năng phản ứng của tro bay phụ thuộc vào thành phần vô định hình tồn tại trong nó Ứng xử của tro bay trong môi trường kiềm như sau: Đầu tiên, xảy ra phản ứng giữa thủy tinh silic và nước Khi đó, nước sẽ tấn công liên kết Si-O trong thủy tinh Kết quả tạo thành là những nhóm OH và chúng không cố định Tiếp theo, phân tử nước lại xâm nhập và bẻ gãy liên kết SiO trong những phần tử mới sinh ra nó Theo đó, một lượng lớn phân tử bị hòa tan và quá trình thủy phân chỉ chậm lại khi có sự hình thành Si(OH)4

Sau đó, khi độ pH của dung dịch tăng lên và trong trường hợp này sự khuếch tán của phân tử nước không giữa vai trò chủ đạo nữa Khi đó, ion OH - phản ứng với Si(OH)4:

Si(OH)4 + OH - Si(OH)3O - + H2O Liên kết Si – O vẫn tồn tại, do đó, dễ bị tấn công bỡi phân tử nước và sự hòa tan nhanh chóng xảy ra

2.4 Nghiên cứu về dung dịch hoạt hóa polymer (dung dịch sodium silicat và

Sodium silicate là dung dịch trong suốt, được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh lực chất kết dính, sơn, Khi tổng hợp geoplymer, Sodium silicate đóng vai trò là nguồn cung cấp oxit silic

Sodium silicate là hỗn hợp của R2O, SiO2 và nước R2O có thể là Na2O hoặc K2O Công thức chung có thể viết là (R2O.nSiO2) (R là Na thì n = 2.5-3, R là K thì n = 3 – 4) Nếu Sodium silicate là 1 geoplymer, nó có thể được diễn tả theo công thức:

Cơ sở khoa học geopolymer

Davidovits (1978) đã giới thiệu thuật ngữ “geoplymer” Đây là một polymer được trùng hợp từ các khoáng vật thuộc nhóm Alumosilicate Thành phần chủ yếu là các nguyên tố silic và nhôm có nguồn gốc địa chất hoặc sản phẩm từ sản xuất (zeolite, tro bay, ) Trong đề tài nghiên cứu này, tro bay sẽ được sử dụng đóng vai trò cung cấp oxit silic và oxit nhôm Geoplymer thuộc lớp vật liệu polymer vô cơ

Thành phần hóa học của vật liệu địa trùng hợp này tương tự như zeolit tự nhiên, nhưng chúng biểu hiện ở dạng cấu trúc vô định hình thay vì cấu trúc tinh thể như zeolit Sự khác biệt về cấu trúc này ảnh hưởng đến các đặc tính của vật liệu, như khả năng trao đổi ion, khả năng hấp phụ và xúc tác.

Polymer hóa là quá trình phản ứng nhanh chóng giữa nguyên liệu Si-Al trong môi trường dung dịch hoạt hóa polymer, tạo thành sản phẩm có cấu trúc dạng chuỗi hoặc vòng polymer Sản phẩm tổng hợp có cấu trúc vô định hình đến nửa tinh thể này được gọi là Geopolymer.

− Poly (sialte-siloxo) (-Si-O-Al-O-Si-O-)

− Poly (sialate-disiloxo) (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-)

Những Geoplolymer cơ bản dựa trên những Alumino-Silico là Polysialate

Sialate là viết tắc của Silic-Oxy-Nhôm Các cấu trúc nối –Si-O-Al- tạo thành bộ khung không gian vữa chắc bên trong cấu trúc Khung Sialate bao gồm những tứ diện SiO4 và AlO4 được nối xen kẹp với nhau bằng các nguyên tố oxy Những ion dương (N + , K + , Li + , Ca ++ , Ba ++ , NH4 +, H3O + ) phải hiện diện trong các hốc của khung để cân bằng đện tích của Al3 ++

Quá trình polyme hoá vô cơ (hay còn gọi là polyme hoá khoáng vật) là phản ứng hoá học (phản ứng thế) diễn ra rất nhanh trong các môi trường kiềm của các khoáng vật silíc – nhôm Kết quả của phản ứng là mạch polyme 3 chiều và cấu trúc chuỗi bao gồm bộ khung Si-O-Al-O [16] Thành phần hoá học của polyme vô cơ tương tự như các vật liệu zeolit tự nhiên, nhưng cấu trúc của chúng lại ở dạng vô định hình Cho đến nay, cơ chế chính xác của quá trình ninh kết và rắn chắc của chất kết dính polyme vô cơ vẫn chưa được làm sáng tỏ Sự tạo thành Geopolymer có thể được diễn tả bằng hai phản ứng hóa học sau (Davidovits năm 1999):

Nếu Si/Al = 1 thì quá trình diễn ra theo phản ứng sau:

Nếu Si/Al =2 thì quá trình diễn ra theo phản ứng sau:

Phản ứng hình thành Geopolymer giải phóng nước, nước này bị đẩy ra khỏi cấu trúc Geopolymer trong quá trình đổ khuôn và dưỡng hộ Quá trình này để lại các lỗ rỗng không liên tục trong cấu trúc, tạo điều kiện cho Geopolymer hình thành.

Trong hỗn hợp Geopolymer, nước không tham gia phản ứng hóa học nhưng đóng vai trò quan trọng trong tính công tác của hỗn hợp khi nhào trộn Điều này trái ngược với nước trong hỗn hợp xi măng Portland, vốn là thành phần thiết yếu cho quá trình hydrat hóa.

Quá trình phản ứng trên bao gồm ba giai đoạn sau:

− Tách nguyên tử Si và Al ra khỏi nguyên liệu ban đầu (tro bay,…) nhờ tác động của ion OH -

− Những phần tử trên di chuyển, định hướng và kết hợp thành những monomer

− Những monomer này tham gia phản ứng trùng ngưng tạo thành sản phẩm có cấu trúc polymer

Sau quá trình đầm nén, các thành phần của hỗn hợp sắp xếp chặt chẽ hơn, tạo nên quá trình hình thành cấu trúc Quá trình polymer hóa dần dần tăng lên, dẫn đến sự hình thành các sản phẩm mới Khi dung dịch đạt đến trạng thái quá bão hòa, các sản phẩm mới bắt đầu tách ra khỏi dung dịch Sự gia tăng của số lượng sản phẩm tách ra làm cấu trúc keo tụ chuyển thành cấu trúc tinh thể, dẫn đến sự gia tăng cường độ Tuy nhiên, sự hình thành cấu trúc tinh thể cũng tạo ra các hiện tượng ngược nhau: tăng cường độ và tạo ứng suất bên trong mạng lưới tinh thể Đây là nguyên nhân gây ra các vết nứt và làm giảm cường độ của vật liệu.

Khoảng thời gian hình thành cấu trúc, cũng như cường độ dẻo (cường độ đầu tiên) của bê tông phụ thuộc vào thành phần của bê tông, dạng chất kết dính và phụ gia hoá học Hỗn hợp bê tông cứng và kém dẻo với tỷ lệ phụ gia khác nhau không lớn có giai đoạn hình thành cấu trúc ngắn.Việc dùng chất kết dính và phụ gia rắn nhanh sẽ rút ngắn giai đoạn hình thành cấu trúc.

Cơ sở khoa học geopolymer - đất [33]

Gia cường đất là làm thay đổi hay bảo quản một trong những thuộc tính tốt của đất, cải thiện tính chất của đất nhằm làm tăng cường độ của đất, làm tăng khả năng chịu tải của đất và làm tăng khả năng chống cắt của đất khi chịu tác dụng của thời tiết và tải trọng

Gia cường đất bằng phương pháp vật lý hay phương pháp cơ học là làm giảm độ rỗng của đất bằng cách làm thay đổi thành phần và kết cấu hạt của đất Phương pháp hoá học là phương pháp thông dụng bởi vì nó làm đất có cường độ và độ bền cơ học cao hơn hai phương pháp trên Phương pháp hoá học phụ thuộc vào phản ứng giữa các hạt đất và các chất hoá học được thêm vào để tạo thành một mạng cứng do các hạt đất được gắn kết lại tạo nên Polymer vô cơ là loại vô định hình bán kết tinh được tạo thành ở môi trường khí xung quanh Về hoá học, polymer vô cơ bao gồm các phân tử AlO4 và SiO4 liên kết ngang thành khối tứ diện Trong đó, sự cân bằng ion (Na + , k + , Li + , Ca 2+ , Ba 2+ , HO 3+ ) được tạo ra nhờ thuỷ tinh lỏng kiềm (Davidovids, 1991; ASTM, 1992) theo cơ sở khoa học như trên.

Phương pháp thí nghiệm

Tro bay sử dụng trong thí nghiệm có nguồn gốc từ nhà máy nhiệt điện Formosa Đây là tro bay loại F vì có hàm lượng Carbon chưa cháy hết nằm trong khoảng 2% đến 10% (theo tiêu chuẩn ASTM C618), và có thành phần hóa học như bảng sau:

Bảng 3.1 Thành phần hóa học của tro bay

Oxit SiO2 Al2O3 Fe2O3 Na2O CaO Hàm lượng (%) 53.9 34.5 4.0 0.3 1.0

Hình 3.1 Mẫu tro bay của nhà máy nhiệt điện Formosa – Đồng Nai

Hỗn hợp dung dịch polymer hoạt hóa dùng để tạo phản ứng kết dính vật liệu hỗn hợp chính là sodium silicat và dung dịch Na(OH)

Sodium silicat có tổng hàm lượng Na2O và SiO2 dao động từ 36% đến 38%, tỷ trọng 1.42±0.01 g/ml

Dung dịch NaOH được pha chế từ Natri hydroxit ở dạng vảy rắn, màu trắng đục, độ tinh khiết trên 90%, khối lượng riêng 2130 kg/m 3 a) Sodium hydroxyt dạng vảy b) Sodium silicat

Hình 3.2 Natri hydroxit dạng vảy và sodium silicat

Hình 3.3 Dung dịch polymer hoạt hóa (dung dịch Alkali)

3.3.1.3 Đất: Đất trong đề tài nghiên cứu là đất sét bụi, lẫn ít sạn sỏi, màu xám vàng nâu và có thành phần hạt, độ dẻo như sau:

Bảng 3.2 Thành phần hạt và độ dẻo của đất thí nghiệm theo TCVN 4198:1995.

Thành phần hạt , % Giới hạn

Cuội Sỏi Cát Bụi Sét Giới Giới Chỉ hạn hạn số

3.3.2 Phương pháp tạo mẫu và thí nghiệm: a Chuẩn bị nguyên liệu:

− Đất được phơi khô, đập nhỏ đến cỡ hạt lọt qua sàng 5mm

− Tro bay dạng hạt mịn chứa trong các bao được định lượng trước khi nhào trộn

− Dung dịch hoạt hóa polymer là hỗn hợp của dung dịch kiềm và sodium silicat Hòa tan Sodium hydroxyt dạng vảy vào nước với nồng độ mol cho trước tạo ra dung dịch Sodium hydroxyt Sau đó, dung dịch Sodium hydroxyt được hòa trộn với dung dịch sodium silicat tạo thành dung dịch hoát hóa polymer a Giai đoạn nhào trộn:

Phương pháp nhào trộn tuân theo 22TCN 333-2006, các thành phần nguyên liệu sau khi định lượng được nhào trộn bằng tay trong khoảng 3-4 phút tạo thành hỗn hợp đất tro bay Sau đó, hỗn hợp dung dịch bao gồm sodium hydroxyt, sodium silicat đã được chuẩn bị trước được đổ vào hỗn hợp và bắt đầu nhào trộn ướt trong khoảng 4-5 phút b Đúc mẫu:

Tham khảo tiêu chuẩn ASTM D1633; h = 2d Đúc mẫu hình trụ kích thước 55x110cm

Hình 3.4 Mẫu vữa geopolymer c Giai đoạn bảo dưỡng:

Hỗn hợp vữa geopolymer từ tro bay không đóng rắn ngay lập tức ở nhiệt độ phòng thí nghiệm Giai đoạn bảo dưỡng nhiệt rất quan trọng cho quá trình xảy ra phản ứng polymer hóa cho nên nhiệt độ được kiểm tra thường xuyên

Sau khi nhào trộn và đầm mẫu, mẫu sẽ tĩnh định trong khuôn Tiếp theo, mẫu được tháo khỏi khuôn và đưa vào tủ sấy để dưỡng hộ nhiệt ở nhiệt độ từ 60 độ C đến 120 độ C.

Hình 3.5 Mẫu vữa geopolymer được dưỡng hộ nhiệt trong tủ sấy

Khi quá trình dưỡng hộ nhiệt kết thúc, mẫu thử được lấy ra khỏi tủ sấy và được đặt trong môi trường phòng thí nghiệm, chờ ngày nén mẫu d Nén mẫu:

Cường độ chịu nén: Đặt lên máy nén các mẫu đã đạt tuổi vào chính giữa trục của bộ phận nén Sau khi đặt bản nén lên mặt trên của mẫu bắt đầu cho lực nén tác dụng

Hình 3.6 Thí nghiệm nén mẫu vữa geopolymer

Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ

4.1.1 Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ:

Vật liệu đất sau khi nhào trộn với hỗn hợp dung dịch hoạt hóa có nồng độ mol thay đổi từ 12mol, 14mol, 16mol, và có tỷ lệ tro bay – đất theo khối lượng thay đổi từ 0.2, 0.3 và 0.4, được tiến hành dưỡng hộ nhiệt ở nhiệt độ 60 o C, thời gian dưỡng hộ thay đổi từ 6 giờ, 8 giờ, 10 giờ và 12 giờ Kết quả thực nghiệm cường độ nén như sau:

− Khi số mol dung dịch là 12 Mol:

Bảng 4.1 Kết quả thay đổi cường độ theo thời gian khi số mol dung dịch 12mol:

Phần trăm thay đổi cường độ nén (%) Ký hiệu

Mối quan hệ giữa thời gian dưỡng hộ và cường độ nén bê tông tro bay được phản ánh qua các hình 4.1, 4.2 và 4.3, ứng với tỷ lệ dung dịch – tro bay là 0,3; 0,4 và 0,5.

Thời gian dưỡng hộ (giờ)

C ườ ng độ né n ( M pa )

Cấp phối CP11 Cấp phối CP21 Cấp phối CP31

Hình 4.1 Kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén của vữa theo thời gian dưỡng hộ, số số mol dung dịch 12 Mol, tỷ lệ dung dịch – tro bay: 0.3

C ườ ng độ nén (M pa )

Hình 4.2 Kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén của vữa theo thời gian dưỡng hộ, số mol dung dịch 12 Mol, tỷ lệ dung dịch – tro bay: 0.4

C ườ ng độ nén ( M pa )

Bảng 4.2 Kết quả thay đổi cường độ theo thời gian dưỡng hộ, số mol dung dịch là

Phần trăm thay đổi cường độ nén (%) Ký hiệu

6 8 10 12 CP11 0.00 9.87 38.93 56.53 CP12 0.00 14.10 25.82 50.73 CP13 0.00 29.98 64.73 89.24 CP21 0.00 17.27 48.91 73.97 CP22 0.00 23.86 32.68 59.97 CP23 0.00 28.61 62.83 83.92 CP31 0.00 15.89 37.92 61.65

Mối quan hệ giữa thời gian dưỡng hộ và cường độ nén được thể hiện lần lượt ở các hình 4.4, 4.5 và 4.6 tương ứng tỷ lệ dung dịch – tro bay: 0.3, 0.4 và 0.5:

Hình 4.4 Kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén của vữa theo thời gian dưỡng hộ, số mol dung dịch 14 Mol, dung dịch – tro bay: 0.3

Bảng 4.3 Kết quả thay đổi cường độ theo thời gian dưỡng hộ nhiệt, số mol dung dịch là 16 Mol:

Phần trăm thay đổi cường độ (%) Ký hiệu

6 8 10 12 CP11 0.00 8.29 29.62 49.76 CP12 0.00 11.15 24.36 49.57 CP13 0.00 24.51 56.70 85.29 CP21 0.00 17.12 47.95 74.20 CP22 0.00 20.80 32.20 59.17 CP23 0.00 29.63 60.81 78.79 CP31 0.00 20.16 41.29 59.10 CP32 0.00 18.99 29.54 50.77 CP33 0.00 26.73 52.53 89.10 Mối quan hệ giữa thời gian dưỡng hộ và cường độ nén được thể hiện lần lượt ở các hình 4.7, 4.8 và 4.9 tương ứng tỷ lệ dung dịch – tro bay: 0.3, 0.4 và 0.5:

Thơi gian dưỡng hộ (giờ)

Cấp ph ối CP13 Cấp ph ối CP23 Cấp ph ối CP33

Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi thời gian dưỡng hộ tăng thì cường độ nén của vữa cũng tăng Từ đồ thị hàm số và kết quả tính toán trên, chúng ta thấy rằng: trong các mẫu có nồng độ 12mol, Mẫu CP13 có phần trăm thay đổi cường độ chịu nén tăng 30.68% từ 5.28 Mpa tại 6 giờ lên 6.9 Mpa tại 8 giờ Cấp phối CP23 có phần trăm thay đổi cường độ chịu nén tăng 31.73% từ 6.24Mpa tại 6 giờ lên 8.22Mpa tại 8 giờ Cấp phối CP33 có phần trăm thay đổi cường độ chịu nén tăng 31.40% từ 6.72Mpa tại 6 giờ lên 8.83Mpa tại 8 giờ Tốc độ phát triển cường độ khi tăng thời gian dưỡng hộ mẫu CP23 là nhanh nhất

Từ hình 4.3 cho thấy rằng quan hệ thời gian dưỡng hộ tại nhiệt độ 60 o C và cường độ chịu nén là đường cong bậc 2 Mối quan hệ giữa thời gian dưỡng hộ và cường độ nén của 3 cấp phối CP13, CP23, CP33 được thể hiện qua 3 phương trình: y = -0.0137x2 + 1.0825x - 0.76 với R 2 = 0.9977, y = -0.0669x2 + 2.1032x - 4.0605 với R 2 = 0.9906, y = -0.0094x2 + 1.1793x - 0.0145 với R 2 = 1 Từ đó, chúng ta có thể đánh giá thời gian dưỡng hộ nhiệt của 3 mẫu vật liệu cũng như cường độ vật liệu mà mẫu có thể đạt được

Như vậy, khi thời gian dưỡng hộ tăng thì cường độ nén của mẫu cũng tăng theo Kết quả thí nghiệm này giống với kết quả thí nghiệm của F A Memon và các cộng sự [34]

4.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ:

Nhiệt độ chính là môi trường để hình thành cường độ trong vữa Để xác định mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ chịu nén, học viên tạo mẫu có tỷ lệ tro bay – đất theo khối lượng thay đổi thay đổi: 0.2, 0.3, 0.4, số mol dung dịch thay đổi: 12mol, 14mol và 16mol Sau đó, mẫu được dưỡng hộ trong thời gian 12h và nhiệt độ dưỡng hộ thay đổi ở các nhiệt độ: 60 o C , 80 o C, 100 o C, 120 o C Kết quả thực nghiệm được trình bày như sau:

Bảng 4.4 Kết quả tính phần trăm thay đổi nhiệt độ theo nhiệt độ dưỡng hộ, số mol dung dịch là 12 Mol:

60 80 100 120 CP11 0.00 15.44 60.29 68.38 CP12 0.00 15.63 45.55 67.92 CP13 0.00 12.63 28.31 39.47 CP21 0.00 13.99 56.25 69.05 CP22 0.00 13.06 48.19 67.51 CP23 0.00 17.80 37.00 44.24 CP31 0.00 13.34 62.31 69.74 CP32 0.00 17.29 50.66 69.57

Mối quan hệ giữa nhiệt độ dưỡng hộ và cường độ nén được thể hiện như hình 4.10, 4.11, 4.12 tương ứng với tỷ lệ dung dịch – tro bay: 0.3, 0.4 và 0.5:

Nhiệt độ dưỡng hộ (độ C)

Hình 4.10 Kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén của vữa theo nhiệt độ dưỡng hộ, số mol dung dịch 12 Mol, tỷ lệ dung dịch – tro bay: 0.3

Bảng 4.5 Kết quả thay đổi phần trăm thay đổi cường độ theo nhiệt độ dưỡng hộ, số mol dung dịch hoạt hóa 14 Mol:

60 80 100 120 CP11 0.00 34.24 73.94 108.52 CP12 0.00 22.84 51.15 73.15 CP13 0.00 23.77 38.30 50.33 CP21 0.00 27.55 70.21 86.29 CP22 0.00 23.29 55.98 67.93 CP23 0.00 22.37 31.28 45.31 CP31 0.00 26.47 76.02 80.60 CP32 0.00 29.79 48.36 67.60 CP33 0.00 24.01 30.09 46.05 Mối quan hệ giữa nhiệt độ dưỡng hộ và cường độ nén được thể hiện như hình 4.13, 4.14, 4.15 tương ứng với tỷ lệ dung dịch – tro bay: 0.3, 0.4 và 0.5 :

Hình 4.15 Kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén của vữa theo nhiệt độ dưỡng hộ, số mol dung dịch 14 Mol, tỷ lệ tro bay – đất: 0.5

Bảng 4.6 Kết quả thay đổi cường độ nén theo nhiệt độ dưỡng hộ, số mol dung dịch hoạt hóa 16 Mol:

60 80 100 120 CP11 0.00 32.28 79.11 114.87 CP12 0.00 9.29 43.12 62.16 CP13 0.00 25.22 35.63 50.35 CP21 0.00 27.52 65.53 99.87 CP22 0.00 27.78 58.57 68.64 CP23 0.00 21.76 34.64 50.90 CP31 0.00 24.23 69.99 87.21

Mối quan hệ giữa nhiệt độ dưỡng hộ và cường độ nén được thể hiện như hình 4.16, 4.17, 4.18 tương ứng với tỷ lệ dung dịch – tro bay: 0.3, 0.4 và 0.5:

Cấp ph ối CP13 Cấp ph ối CP23 Cấp ph ối CP33

Khi nhiệt độ dưỡng hộ tăng từ 60 0 C lên 120 0 C, cường độ chịu nén của các cấp phối đều gia tăng, đối với các cấp phối có số mol dung dịch là 12 mol, cường độ của 3 cấp phối CP11, CP21, CP31 đều gia tăng có cường độ nén là 5.44Mpa tương ứng với nhiệt độ dưỡng hộ là 60 o C tăng lên Trong đó, cấp phối CP11 tăng cường độ lên 68.38% từ 5.44Mpa ở nhiệt độ 60 o C lên đến 9.16Mpa ở 120 o C, cấp phối CP21 tăng cường độ nén 69.05% từ 6.72 ở nhiệt độ 60 o C lên đến 11.36Mpa ở 120 o C Tương tự, cấp phối CP31 tăng cường độ nén lên 69.74% từ 7.27Mpa ở nhiệt độ 60 o C lên đến 12.34Mpa ở 120 o C Sự phát triển cường độ cấp phối CP31 nhanh nhất, cấp phối CP11, CP21 có sự phát triển cường độ nén chậm hơn

Hình 4.15 cho thấy cường độ của các cấp phối đều gia tăng khi nhiệt độ dưỡng hộ tăng, nhưng không phải tăng đều nhau ở các cấp nhiệt độ, cường độ tăng nhanh hơn khi nhiệt độ dưỡng hộ tăng từ 60 0 C lên 80 0 C so với giai đoạn nhiệt độ dưỡng hộ tăng từ 60 0 C lên 120 0 C

Mối quan hệ đường cong bậc 2 của cường độ và nhiệt độ giúp chúng ta xác định được nhiệt độ thích hợp cho cường độ vật liệu geopolymer đạt kết quả cao nhất có thể Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cường độ chịu nén của đất gia cố geopolymer là đáng kể, nhiệt độ dưỡng hộ tăng sẽ giúp gia tăng cường độ vật liệu Kết quả nghiên cứu này tương tự như kết quả như kết quả nghiên cứu của D Hardjito và các đồng sự [34]

Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay

Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến cường độ nén đất gia cố địa trùng hợp, thí nghiệm xác định cường độ chịu nén đã được thực hiện trên các mẫu chế tạo với nồng độ dung dịch thay đổi (12 mol, 14 mol, 16 mol), tỷ lệ sodium hydroxyt : sodium silicat theo khối lượng là 1, thời gian bảo dưỡng 12 giờ, nhiệt độ bảo dưỡng 80 độ C và tỷ lệ đất : tro bay thay đổi (0,2; 0,3; 0,4 khối lượng).

Bảng 4.7 Kết quả thay đổi cường độ chịu nén của mẫu vữa khi thay đổi thay đổi tỷ lệ tro bay – đất từ 0.2, 0.3 và 0.4

Phần trăm thay đổi cường độ (%) Nhiệt độ dưỡng hộ ( o C)

Tỷ lệ dung dịch – tro bay

Kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén của vữa khi thay đổi thay đổi tỷ lệ tro bay – đất là 0.2, 0.3 và 0.4, thể hiện ở hình 4.19

Tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay

TL tro bay : đất: 0.2 TL tro bay : đất: 0.3 TL tro bay : đất: 0.4

Hình 4.19 Kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén của vữa Geopolymer, số mol dung dịch 12mol, tỉ lệ tro bay – đất thay đổi 0.2, 0.3 và 0.4

Bảng 4.8 Kết quả thay đổi cường độ chịu nén của mẫu vữa khi thay đổi thay đổi tỷ lệ tro bay – đất từ 0.2, 0.3 và 0.4

Phần trăm thay đổi cường độ (%) Nhiệt độ dưỡng hộ ( o C)

Tỷ lệ dung dịch – tro bay

Tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay

Bảng 4.9 Kết quả thay đổi cường độ chịu nén của mẫu vữa khi thay đổi tỷ lệ tro bay

Phần trăm thay đổi cường độ nén (%) Nhiệt độ dưỡng hộ ( o C)

Thời gian dưỡng hộ Tỷ lệ dung dịch – tro bay

T ỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay

Cường độ nén của các mẫu đất gia cố geopolymer có xu hướng tăng khi tỷ lệ tro bay so với đất gia tăng Đối với dung dịch có số mol là 12 mol, cường độ nén của cấp phối CP1 tăng lên 83,44% từ 6,28 MPa khi tỷ lệ dung dịch so với tro bay theo khối lượng là 0,3 đến 11,52 MPa khi tỷ lệ này là 0,5 Còn cấp phối CP2 tăng cường độ nén 76,50% từ 7,66 MPa đến 13,52 MPa khi tỷ lệ dung dịch so với tro bay theo khối lượng tăng từ 0,3 lên 0,5.

Tương tự, cấp phối CP3 tăng cường độ nén lên 77.79% từ 8.24Mpa khi tỷ lệ dung dịch – tro bay theo khối lượng: 0.3 lên đến 14.65Mpa khi tỷ lệ dung dịch – tro bay theo khối lượng: 0.5 Sự phát triển cường độ cấp phối CP31 nhanh nhất, cấp phối CP11, CP21 có sự phát triển cường độ nén chậm hơn Sự phát triển cường độ của các mẫu không đều nhau nhưng tất cả đều tăng khi hàm lượng tro bay tăng lên

Hàm lượng tro bay đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển cường độ của đất gia cố geopolymer.

Ảnh hưởng của tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay

4.3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay và nhiệt độ dưỡng hộ:

Thí nghiệm cường độ chịu nén của vữa theo số mol dung dịch là 12 mol, nhiệt độ dưỡng hộ thay đổi từ 60 o C, 80 o C, 100 o C và 120 o C, thời gian dưỡng hộ 12 giờ và số mol dung dịch hoạt hóa mol, tỷ lệ tro bay – đất theo khối lượng: 0.2, tỷ lệ dung dịch - tro bay theo khối lượng: 0.3, 0.4, 0.5 Kết quả thí nghiệm nén như sau:

− Khi tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat theo khối lượng: 0.5

Bảng 4.10 Kết quả tính toán phần trăm thay đổi cường độ của vữa theo tỷ lệ dung dịch – tro bay và nhiệt độ dưỡng hộ, tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat = 0.5:

Phần trăm thay đổi cường độ nén (%)

TL dung dịch - tro bay: 0.3

Tỷ lệ dung dịch - tro bay

Hình 4.22 biểu thị kết quả thí nghiệm về cường độ chịu nén của vữa khi thay đổi tỷ lệ dung dịch - tro bay và nhiệt độ bảo dưỡng, tỷ lệ sodium hydroxyt - sodium silicat là 0,5.

− Khi tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat theo khối lượng : 1

Bảng 4.11 Kết quả tính toán phần trăm thay đổi cường độ của vữa theo tỷ lệ dung dịch – tro bay và nhiệt độ dưỡng hộ, tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat = 1

Phần trăm thay đổi cường độ nén (%) Nhiệt độ dưỡng hộ (độ C) TL dung dịch - tro bay: 0.3

Hình 4.23 Kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén của vữa khi thay đổi tỷ lệ dung dịch – tro bay và nhiệt độ dưỡng hộ, tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat: 1

− Khi tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat: 2

Bảng 4.12 thể hiện kết quả tính toán phần trăm thay đổi cường độ của vữa theo tỷ lệ giữa dung dịch tro bay và nhiệt độ bảo dưỡng, tỷ lệ giữa sodium hydroxyt và sodium silicat là 2.

Hình 4.24 Kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén của vữa khi thay đổi tỷ lệ dung dịch – tro bay và nhiệt độ dưỡng hộ, tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat: 2

Kết quả thực nghiệm từ Hình 4.22, 23 và 24 cho thấy, cường độ nén của cấp phối đất gia cố geopolymer sẽ tăng theo tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay theo khối lượng và nhiệt độ dưỡng hộ, xét mẫu có số mol dung dịch là 12 Mol, tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat theo khối lượng: 1, thời gian dưỡng hộ 12 giờ, tỷ lệ dung dịch – tro bay theo khối lượng từ 0.3 đến 0.5, khi nhiệt độ dưỡng hộ 60 o C, cường độ tăng lên 87.68% từ 5.44Mpa lên đến 10.21Mpa, khi nhiệt độ dưỡng hộ 80 o C, cường độ tăng lên 83.44% từ 6.28Mpa lên đến 11.52Mpa, khi nhiệt độ dưỡng hộ 100 o C, cường độ tăng lên 50.34% từ 8.72Mpa lên đến 13.11Mpa, tương tự, khi nhiệt độ dưỡng hộ 120 o C, cường độ tăng lên 55.46% từ 9.16Mpa lên đến 14.24Mpa Tốc độ phát triển cường độ của các cấp phối với hàm lượng dung dịch hoạt hóa polymer khác nhau khi thay đổi nhiệt độ dưỡng hộ

Dung dịch hoạt hóa polymer có tác dụng làm cho quá trình polymer hóa tạo thành khoáng có cường độ dưới ảnh hưởng của nhiệt độ sẽ giúp cho vật liệu có cường độ tốt hơn Ở cùng một nhiệt độ dưỡng hộ, cấp phối có tỷ lệ dung dịch hoạt hóa polymer – tro bay lớn hơn sẽ có cường độ chịu nén cao hơn Nhưng cường độ nén không chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ dung dịch hoạt hóa polymer – tro bay mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ dưỡng hộ

So với các mẫu có cùng số mol dung dịch là 12 mol, thời gian dưỡng hộ 12 giờ, tỷ lệ tro bay – đất là 0,2, tỷ lệ dung dịch - tro bay là 0,3; 0,4; 0,5 thì mẫu có tỷ lệ sodium hydroxyt - sodium silicat theo khối lượng là 1 có phần trăm thay đổi cường độ nén cao hơn đáng kể so với mẫu có tỷ lệ sodium hydroxyt - sodium silicat theo khối lượng là 0,5 và 2.

4.3.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay và thời gian dưỡng hộ:

Thí nghiệm cường độ chịu nén của vữa theo số mol dung dịch hoạt hóa 12 Mol, tỷ lệ dung dịch - tro bay theo khối lượng: 0.3, 0.4 và 0.5, thời gian dưỡng hộ thay đổi 6 giờ, 8 giờ, 10 giờ và 12 giờ, nhiệt độ dưỡng hộ 60 o C, tỷ lệ tro bay – đất theo khối lượng: 0.2 Kết quả thực nghiệm cường độ nén của mẫu được được thể hiện như sau:

− Khi tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat theo khối lượng: 0.5

Bảng 4.13 thể hiện kết quả tính toán phần trăm thay đổi cường độ của vữa theo thời gian dưỡng hộ cũng như tỷ lệ dung dịch – tro bay, tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat là 0,5.

Hình 4.25 Kết quả thực nghiệm cường độ nén của vữa theo thời gian dưỡng hộ và tỷ lệ dung dịch – tro bay, tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat: 0.5

− Khi tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat theo khối lượng: 1

Bảng 4.14 Kết quả tính toán phần trăm thay đổi cường độ vữa theo thời gian dưỡng hộ và tỷ lệ dung dịch – tro bay, tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat: 1

Hình 4.26 Kết quả thực nghiệm cường độ nén của vữa theo thời gian dưỡng hộ và tỷ lệ dung dịch – tro bay, tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat: 1

− Khi tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat theo khối lượng: 2

Bảng 4.15 Kết quả tính toán phần trăm thay đổi cường độ của vữa theo thời gian dưỡng hộ và tỷ lệ dung dịch – tro bay, tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat: 2

Phần trăm thay đổi cường độ nén (%) Thời gian dưỡng hộ (giờ) TL dung dịch - tro bay: 0.3

Hình 4.27 Kết quả thực nghiệm cường độ nén của vữa theo thời gian dưỡng hộ và tỷ lệ dung dịch – tro bay, tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat: 2

Từ kết quả thí nghiệm, cường độ nén đất gia cố geopolymer phụ thuộc vào thời gian dưỡng hộ nhiệt độ Khi thời gian dưỡng hộ này tăng, cường độ nén đất cũng tăng đáng kể Cụ thể, khi thời gian dưỡng hộ là 6 giờ, cường độ tăng từ 3,15Mpa lên 5,28Mpa (tăng 67,62%); 8 giờ thì cường độ lên 6,90Mpa (tăng 85,48%); 10 giờ đạt 8,81Mpa (tăng 89,87%); và 12 giờ đạt 10,21Mpa (tăng 87,68%).

Ảnh hưởng của số mol dung dịch hoạt hóa

Kết quả thực nghiệm về cường độ chịu nén của vữa có sự thay đổi về số mol dung dịch hoạt hóa (12mol, 14mol, 16mol) và tỷ lệ sodium hydroxyt - sodium silicat theo khối lượng (1) Các mẫu được dưỡng hộ 12 giờ trong nhiệt độ dưỡng hộ 100 o C, cho kết quả cường độ nén tương ứng.

− Khi tỷ lệ tro bay – đất theo khối lượng: 0.2

Bảng 4.16 Kết quả tính toán phần trăm thay đổi cường độ của vữa theo khi số mol dung dịch hoạt hóa, tỷ lệ tro bay – đất: 0.2

Phần trăm thay đổi cường độ nén (Mpa) Tỷ lệ dung dịch - tro bay 12 Mol 14 Mol 16 Mol

Nồng độ dung dịch (mol)

Cường độ nén (Mpa) CP1

Hình 4.28 Kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén của vữa theo số mol dung dịch hoạt hóa, tỷ lệ tro bay – đất: 0.2

− Khi tỷ lệ tro bay – đất theo khối lượng: 0.3

Bảng 4.17 Kết quả tính toán phần trăm thay đổi cường độ của vữa theo khi số mol dung dịch hoạt hóa, tỷ lệ tro bay – đất: 0.3

− Khi tỷ lệ tro bay – đất theo khối lượng: 0.4 Bảng 4.18 Kết quả tính toán phần trăm thay đổi cường độ của vữa theo khi số mol dung dịch hoạt hóa, tỷ lệ tro bay – đất: 0.4

Kết quả trong Hình 4.28, 29 và 30 cho thấy, các mẫu vật liệu khi có cùng khối lượng đất, khối lượng tro bay, cùng thời gian dưỡng hộ và nhiệt độ dưỡng hộ nhưng có số mol dung dịch khác nhau thì cường độ nén cũng khác nhau Trong đó, Mẫu đất có tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat theo khối lượng: 0.5, tỷ lệ tro bay – đất theo khối lượng: 0.2, tỷ lệ dung dịch – tro bay theo khối lượng: 0.3 thì cường độ nén của mẫu có số mol dung dịch 16 Mol tăng lên 29.82% so với cường độ nén của mẫu có số mol dung dịch 12mol, tỷ lệ dung dịch – tro bay theo khối lượng: 0.4 thì cường độ nén của mẫu có số mol dung dịch 16 Mol tăng lên 15.24% so với cường độ nén của mẫu có số mol dung dịch 12mol, tương tự tỷ lệ dung dịch

– tro bay theo khối lượng: 0.5 thì cường độ nén của mẫu có số mol dung dịch 16 Mol tăng lên 17.32% so với cường độ nén của mẫu có số mol dung dịch 12mol Vì vậy, số mol dung dịch cũng là một trong những yếu tố có ảnh hưởng lớn đến cường độ nén của đất gia cố geopolymer

Khi nồng độ mol tăng lên thì cường độ nén cũng tăng theo Kết quả này tương ứng với kết quả của G S Manjunath trước đây [36]

Mudun đàn hồi của vật liệu geopolymer

Giá trị modun đàn hồi của vật liệu được trình bày theo hình bên dưới [37]:

Hình 4.31 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng

Mođun biến dạng E được xác định bằng độ dốc của đường cong ứng suất - biến dạng trong vùng biến dạng như hình 4.3, và xác định theo công thức:

E = σ / ε với: σ; ε - lần lượt là ứng suất và biến dạng dọc trong vùng đàn hồi.

Kết luận

Từ các kết quả thí nghiệm được trình bày và phân tích đánh giá ở trên Nhận xét thấy cường độ nén của đất gia cố geopolymer để làm đường giao thông nông thôn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: điều kiện dưỡng hộ (bao gồm thời gian dưỡng hộ, nhiệt độ dưỡng hộ), hàm lượng tro bay, hàm lượng dung dịch hoạt hóa và số mol dung dịch hoạt hóa, nhưng khi thời gian dưỡng hộ từ 6 giờ đến 12 giờ, nhiệt độ dưỡng hộ từ 80 O C đến 120 O C, hàm lượng tro bay – đất từ 0.2 đến 0.4, tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay theo khối lượng từ 0.3 đến 0.5, tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat theo khối lượng từ 0.5 đến 2 thì cường độ nén của đất gia cố geopolymer sẽ thay đổi từ 2.45Mpa đến 19.22Mpa

Dựa trên các cơ sở nghiên cứu về vật liệu geopolymer, chọn mẫu vật liệu có tỷ lệ tro bay – đất theo khối lượng: 0.2, tỷ lệ sodium hydroxyt – sodium silicat theo khối lượng: 1, tỷ lệ dung dịch – tro bay theo khối lượng: 0.3, thời gian dưỡng hộ 10 giờ, nhiệt độ dưỡng hộ 60 o C, số mol dung dịch: 12mol

Bảng 4.37 Cấp phối của đất gia cố geopolymer Đất (kg)

Tính toán kết cấu (theo 22 TCN211-06)

5.1.1 Định kết cấu và tham số tính toán: a Thông số kỹ thuật:

− Đối tượng tính toán : Áo đường

− Cấp công trình : Cấp VI đồng bằng

− Tải trọng tính toán : 10 T/trục

− Độ tin cậy thiết kế : 0.9

− Thời hạn thiết kế mặt đường : 4 năm

− Áp lực tính toán trên mặt đường : 6 daN/cm 2

− Đường kính vệt bánh xe : 33cm

− Vận tốc thiết kế : 30 km/h

− Tỷ lệ tăng trưởng xe : 7% b Nền đường:

− Mo đun đàn hồi : 40 Mpa c Số xe năm hiện tại:

− Tải vừa: 8 xe/h d Dự báo thành phần xe ở cuối năm thiết kế như sau:

Kết quả dự báo xe ở cuối năm thiết kế như bảng 5.1:

Bảng 5.1 Dự báo số thành phần xe cuối năm thiết kế:

Trọng lượng trục Pi (kN)

LL xe 2 chiều Loại xe

Số bánh xe của mỗi cụm bánh ở trục sau

K/c giữa các trục sau (m) ni

+ Tải vừa 25.80 69.60 1 2 160 e Xác định số trục xe tiêu chuẩn về trục tiêu chuẩn:

− N: tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán sẽ thông qua đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm trên cả hai chiều

− ni: số lần tác dụng của tại trọng i có trọng lượng trục Pi cầnđược quy đổi về tải trọng trục tính toán Ptt

− Với C1 = 1+1,2*(m-1) Với m là số trục của cụm trục i

− C2 = 6,4 cho các trục trước và trục sau loại mỗi cụm bánh chỉ có 1 bánh

− C2 = 1,0 cho các trục sau loại mỗi cụm bánh có hai bánh (cụm bánh đôi)

Bảng 5.2 tính số trục xe quy đổi về số trục tiêu chuẩn 100 kN

Số bánh xe của mỗi cụm bánh xe

Trục trước 18.00 1 1 0 1 6.40 208 0 Tải nhẹ Trục sau 56.00 2 1 0 1 1.00 208 16

Trục trước 25.80 1 1 0 1 6.40 160 3 Tải vừa Trục sau 69.60 2 1 0 1 1.00 160 32 Tổng số trục xe tiêu chuẩn qui đổi ở cuối thời kỳ thiết kế (trục/ngđ) Ntk= 51 f Xác định số trục xe tính toán trên 1 làn xe:

Ntt = Ntk.fl = 51 (trục/làn.ngđêm) Trong đó:

Ntk : đãtính bên trên 51 trục fl : hệ số phân bố trục xe tính toán trên mỗi làn: 1

Ntt = 51 x 1 = 51(trục/làn.ngđêm) g Tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế

Q : tỷ lệ tăng trưởng giao thông trung bình hằng năm: 5%

Ntt : sốtrục xe tiêu chuẩn trung bình ngày đêm của năm cuối thời hạn thiết kế: 100 (trục/làn.ngđêm) t : thời hạn thiết kế mặt đường: 4 năm

5.1.2 Bài toán thiết kế kết cấu áo đường đất gia cố xi măng:

5.1.2.1 Định kết cấu áo đường:

Các lớp kết cấu được dự kiến dựa trên cơ sở các qui định chi tiết về chiều dày tối thiểu trong tiêu chuẩn 22TCN 211-06

Bảng 5.3 Bảng kết cấu áo đường đất gia cố xi măng dự kiến

Các lớp kết cấu (tính từ dưới lên) Bề dày lớp (cm) Moduyn đàn hồi E (MPa)

Tính độ võng đàn hồi

Nền đất 40 Đất gia cố xi măng 10% 25 250

5.1.2.2 Kiểm tra cường độ chung của kết cấu theo tiêu chuẩn của độ võng đàn hồi: a Xét đến hệ số điều chỉnh b = f(H/D):

Tải trọng tác dụng theo hướng H: 0,758MN, tra bảng 3.6 22TCN 211-06, được hệ số điều chỉnh β = 1,07 Kết cấu có môđun đàn hồi trung bình E trung bình theo tường là: E_ttrungbình = β E_tb = 1,07 x 250 = 267,54 MPa Để tính hệ số đàn hồi ngang của tường cần sử dụng đồ thị hình 3.1 - 22TCN 211-06.

Ta có H/D = 0.758 Eo/E dc tb = 0.150 Từ 2 tỷ số trên tra toán đồ hình 3-1 trong 22TCN211-06, được:

Ech/E1 = Ech/E dc tb = 0.348 Vậy Ech = 93.1 Mpa c Điều kiện kiểm toán:

− Từ số trục xe tính toán trong 1 ngày đêm trên 1 làn xe là 51 trục/ làn.ngày đêm

− Tra Bảng 3-4 tìm được Eyc = 82.24 Mpa

− Kiểm tra Eyc so với giá trị Eyc tối thiểu với cấp đường tương ứng theo Bảng 3-5, mặt đường cấp VI không có yêu cầu, do vậy lấy Eyc = 82.24 Mpa để kiểm toán

− Chọn độ tin cậy thiết kế theo cấp đường từ Bảng 3-3: K = 0.9

− Từ độ tin cậy, tìm hệ số cường độ về độ võng: K dv cd= 1.1

Vậy, K dc tb.Eyc = 90.46pa

Vậy, với kết cấu dự kiến đảm bảo yêu cầu cường độ theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép

5.1.3 Bài toán thiết kế kết cấu áo đường đất gia cố geopolymer:

Các lớp kết cấu được dự kiến dựa trên cơ sở các qui định chi tiết về chiều dày tối thiểu trong tiêu chuẩn 22TCN 211-06

Bảng 5.4 Bảng kết cấu áo đường đất gia cố geopolymer dự kiến

Các lớp kết cấu (tính từ dưới lên) Bề dày lớp (cm) Moduyn đàn hồi E (MPa)

Tính độ võng đàn hồi

Nền đất 40 Đất á sét gia cố geopolymer 17 500

5.1.3.2 Kiểm tra cường độ chung của kết cấu theo tiêu chuẩn của độ võng đàn hồi: a Xét đến hệ số điều chỉnh b = f(H/D):

Với H/D = 0.515 Tra Bảng 3.6 22TCN 211-06, được hệ số điều chỉnh β = 1.035 Vậy kết cấu có mô đun đàn hồi trung bình E dc tb =β Etb' = 517.59 Mpa b Tính Ech của cả kết cấu: sử dụng tóan đồ hình 3.1 - 22TCN 211-06

Eo/E dc tb = 0.077 Từ 2 tỷ số trên tra toán đồ hình 3-1 trong 22TCN211-06, được:

Ech/E1 = Ech/E dc tb = 0.187 Vậy Ech = 96.79 Mpa c Điều kiện kiểm toán:

− Từ số trục xe tính toán trong 1 ngày đêm trên 1 làn xe là 51 trục/ làn.ngày đêm

− Tra Bảng 3-4 tìm được Eyc = 82.24 Mpa

− Kiểm tra Eyc so với giá trị Eyc tối thiểu với cấp đường tương ứng theo Bảng 3-5, mặt đường cấp VI không có yêu cầu, do vậy lấy Eyc = 82.24 Mpa để kiểm toán

− Chọn độ tin cậy thiết kế theo cấp đường từ Bảng 3-3: K = 0.9

− Từ độ tin cậy, tìm hệ số cường độ về độ võng: K dv cd= 1.1

Vậy, K dc tb.Eyc = 90.46 Mpa

Ech = 96.79 > K dc tb.Eyc = 90.46 Vậy, với kết cấu dự kiến đảm bảo yêu cầu cường độ theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép.

Kết luận

Sử dụng mặt đường đất gia cố geopolymer thay vì đất gia cố xi măng truyền thống cho thiết kế áo đường nông thôn, khi cùng điều kiện tải trọng, vật liệu đắp nền và thời hạn thiết kế, sẽ giúp giảm chiều dày lớp kết cấu áo đường lên tới 32% Điều này tiết kiệm chi phí xây dựng và vật liệu, đồng thời vẫn đáp ứng yêu cầu về cường độ của mặt đường theo tiêu chuẩn 22 TCN211-06, đảm bảo độ võng đàn hồi cho phép.

Việc sự dụng vật liệu đất gia cố geopolymer thay thế vật liệu đất gia cố xi măng cho mặt đường giao thông nông thôn sẽ giảm chi phí xây dựng, góp phần giảm ô nhiễm môi trường, cải thiện điều kiện đi lại cho người ở nông thôn.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Nghiên cứu gia cố đất bằng công nghệ geopolymer không sử dụng chất kết dính ximang, tận dụng phế thải của công nghiệp nhiệt điện đạt được kết quả thực nghiệm như sau:

− Khi nhào trộn đất với hàm lượng phế thải tro bay là 20%, sử dụng dung dịch hoạt hóa và bảo dưỡng trong nhiệt độ 60 0 C trong 6 giờ thì cường độ đạt được từ 2,45- 5,3 Mpa Bằng cách gia tăng thời gian dưỡng hộ cho quá trình geopolymer hóa lên 12 giờ thì vật liệu đất geopolymer có thể tăng cường độ lên 90% Khi sử dụng biện pháp tăng nhiệt độ hoạt hóa geopolymer lên 120 0 C thì cường độ của đất gia cố có thể tăng thêm đến 70%

− Khi cấp phối gia tăng hàm lượng tro bay trong thành phần nguyên liệu lên đến 40% khối lượng trong cùng điều kiện hoạt hóa và dung dịch sử dụng thì cường độ có thể được gia tăng khoảng 20% Cường độ của các cấp phối có thể đạt được đến 17 Mpa

− Nghiên cứu cho thấy, chất kết dính tro bay được sử dụng đóng vai trò không quan trọng bằng điều kiện dưỡng hộ để quá trình của phản ứng trùng ngưng xảy ra

Do đó chúng ta có thể cải thiện tính chất của vật liệu đất bằng cách thay đổi điều kiện hoạt hóa

Tỷ lệ giữa dung dịch hoạt hóa và tro bay phế thải ảnh hưởng đáng kể đến cường độ vật liệu đất Khi tỷ lệ này tăng từ 0,3 lên 0,5, cường độ vật liệu có thể tăng tới 60% Điều này cho thấy dung dịch hoạt hóa đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành chuỗi liên kết trong vật liệu, dẫn đến sự gia tăng cường độ của đất.

Thí nghiệm cho thấy tỷ lệ tối ưu của dung dịch hoạt hóa sodium silicat và sodium hydroxyt là 1:1 Tỷ lệ này là cần thiết để tạo ra điều kiện thuận lợi cho quá trình tạo chuỗi polymer O-Si-O, đồng thời tránh dư thừa hóa chất làm cản trở quá trình hoạt hóa của vật liệu đất địa trùng hợp.

− Nghiên cứu thực nghiệm số mol dung dịch hoạt hóa thay đổi từ 12 Mol đến 16 Mol thì cường độ tăng lên khoảng 30% Giá trị cường độ của vật liệu đất geopolymer có thể đạt đến 20 Mpa

− Quá trình geopolymer diễn ra trong vật liệu đất sẽ phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ, thời gian gia công nhiệt, hàm lượng chất kết dính, dung dịch hoạt hóa và thành phần dung dịch Bằng cách thay đổi quá trình hoạt hóa có thể thay đổi tính chất cường độ của vật liệu đất Quá trình hoạt hóa của vật liệu đất geopolymer sẽ diễn ra theo hai quá trình, hoạt hóa giữa tro bay và dung dịch, hoạt hoát giữa các thành phần Si trong đất và dung dịch

6.2 Hướng phát triển của đề tài:

− Nghiên cứu khả năng ứng dụng vật liệu đất geopolymer trong công trình giao thông bằng điều kiện dưỡng hộ tự nhiên

− Nghiên cứu biện pháp thi công và triển khai tại các công trình giao thông nông thôn

− Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình khai thác đến ứng xử của vật liệu đất geopolymer.

Tiêu đề	Nghiên cứu vật liệu Geopolymer kết hợp với đất để làm đường giao thông nông thôn
Tác giả	Lâm Thị Nhã
Người hướng dẫn	TS. Lê Anh Tuấn
Trường học	Đại học Quốc gia TP. HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật xây dựng
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2013
Thành phố	Tp. HCM

Định dạng
Số trang	99
Dung lượng	1,45 MB