Luận văn thạc sĩ Công nghệ vật liệu: Nghiên cứu độ bền của vữa sử dụng phụ gia Polyvinyl Acetate trong môi trường nhiệt ẩm

- Nghiên cứu độ bền cơ học của vữa các tính chất cơ học chủ yếu sử dụng phụ gia polymer trong mơi trường nhiệt ẩm so với mơi trường thường.. Ở Đức bê tông polymer sử dụng keo acrilat đã

TỔNG QUAN

Khái niệm chung

Vữa xây dựng là một loại vật liệu đá nhân tạo được hình thành do sự cứng hóa của hỗn hợp bao gồm: chất kết dính (xi măng, vôi, đất sét, thạch cao…), nước, cốt liệu nhỏ đặc và rỗng (cát, xỉ đập nhỏ…) Để nâng cao tính chất và cấu trúc của vữa xây dựng người ta đưa vào các phụ gia hóa học và các thành phần khoáng nghiền mịn Tất cả các nguyên vật liệu được nhào trộn theo liều lượng nhất định, phù hợp với từng yêu cầu sử dụng Vữa xây dựng có thể coi như là một loại bê tông hạt nhỏ, việc thay đổi thành phần hạt của pha rắn của vữa có thể chỉ bằng cách thay đổi tỷ lệ chất kết dính và cát Cũng giống như bê tông, vữa cũng yêu cầu có tính lưu động, cường độ và tính bền nhất định

Nhiệm vụ chính của vữa xây dựng là liên kết các vật liệu xây như gạch, đá thành một khối xây thống nhất Vữa xây dựng góp phần chịu tải trọng và truyền lực từ lớp vật liệu xây trên xuống lớp vật liệu xây dưới Ngoài ra, vữa còn có tác dụng bảo vệ vật liệu xây, tuy nhiên khả năng chịu lực của vữa thường không bằng bê tông.

Giới thiệu về bê tông và vữa sử dụng phụ gia polymer

Bê tông sử dụng phụ gia polymer được định nghĩa là hỗn hợp gồm: xi măng Portland, cốt liệu trộn đồng thời với polymer hữu cơ được hòa tan hay không hòa tan trong nước Polymer hữu cơ là hợp chất phức tạp bao gồm sự kết hợp của hàng nghìn các đơn phân tử (monomer) để tạo thành các hợp chất đa phân tử (polymer)

Phản ứng kết hợp các monomer được gọi là phản ứng trùng hợp polymer

Chất hòa tan polymer thêm vào vữa hoặc bê tông được sử dụng nhiều năm như là một loại phụ gia để cải thiện các tính chất sau cùng của sản phẩm và được phát minh ở thập niên 1940 [3] Tác dụng chủ yếu của phụ gia polymer bao gồm:

 Nâng cao tính chịu kéo và khả năng chống nứt của bê tông, vữa Một số polymer có thể đồng thời nâng cao cường độ chịu nén của bê tông và vữa

 Giảm tính dòn, nâng cao khả năng chống va đập, mài mòn và tính biến dạng dẻo Cải thiện đáng kể tính bám dính cho vữa và bê tông

 Nâng cao độ đặc chắc và tính chống thấm nước đáng kể

Các polymer latex thường được sử dụng trong vữa và bê tông như: acrylate, styren - butadien, co - polymer, poly(vinylidene) clorua, epoxy, polyvinyl acetate và poly(vinyl) ester

Hình 1.1 Polymer và Monomer dùng làm phụ gia cho vữa và bê tông [4]

Các nghiên cứu sâu rộng đã chỉ ra nhiều lợi ích đáng kể khi sử dụng polymer làm phụ gia cho vữa và bê tông.

 Cải tạo kết cấu lỗ rỗng

 Độ bền chống sự xâm nhập của ion clorid

Polymer và Monomer dùng làm phụ gia cho vữa và bê tông

Latex đàn hồi Latex nhiệt dẻo Latex nhiệt cứng

Latex bitum Latex hỗn hơp Bột Polymer phân tán

Polymer tan trong nướcNhựa lỏngMonomer

Tổng quan về tình hình nghiên cứu bê tông và vữa có sử dụng phụ gia

Với nhu cầu ngày càng tăng trong việc tạo ra những loại bê tông và vữa đặc biệt, đáp ứng nhu cầu xây dựng ngày càng cao, các nhà nghiên cứu đã tích cực tìm ra những vật liệu mới đưa vào bê tông và vữa để cải thiện và tăng cường những tính năng cho bê tông và vữa

Thời xưa những người Babylon, Ai Cập, Ấn Độ đã biết dùng những loại polymer tự nhiên như nhựa đường để thêm vào vữa vôi và đất sét Người Châu Âu thời trung cổ đã biết dùng máu bò và trứng để làm tăng tính dai, bền của vữa vôi

Cuối thế kỷ 15 với sự phát triển của nhựa butadiene styrene, polychloroprene và acrylic, đã có những nghiên cứu dùng những vật liệu này như phụ gia cho bê tông và vữa, dùng để sửa chữa công trình Sợi polymer đã được sử dụng để xây cầu và phủ lên bề mặt garage ở Mỹ và Canada từ thế kỷ 17 [3]

Việc sử dụng xi măng kết hợp với keo đã được đã được khởi đầu từ đầu thế kỷ 20 Vào năm 1923, nhà nghiên cứu Cresson [5] người Anh đã nhận bằng phát minh về những vật liệu lát sử dụng keo cao su thiên nhiên kết hợp với xi măng như là một chất làm đầy Một năm sau đó Lefebure [6] đã áp dụng những phương pháp mới về nhựa polymer để sản xuất vữa và bê tông có sử dụng nhựa cao su thiên nhiên

Cũng trong năm 1932, lần đầu tiên nhựa cao su tổng hợp đã được sử dụng để thay thế nhựa cao su thiên nhiên Những loại nhựa tổng hợp như poly chloroprene, polyacrylic ester, polyvinyl acetate đã được sử dụng cho vữa và bê tông từ những năm 1940 Chúng được dùng để xây cầu, làm vật liệu lợp, vật liệu chống ăn mòn, vật liệu bám dính, vỏ bọc boong tàu [3] Ở Nga việc nghiên cứu và áp dụng bê tông và vữa polymer được tổ chức rộng rãi và phát triển mạnh, mạnh nhất là vào giai đoạn cuối thập kỷ 60 Nga là một trong những nước đi đầu trong lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng Phần lớn đối với các nước có nền khoa học kỹ thuật phát triển, việc ứng dụng bê tông và vữa polymer cũng bắt đầu được chú ý tại các trung tâm nghiên cứu khoa học lớn Người ta đã nghiên cứu các tính chất cơ lý, vật lý và tính chất hóa học của bê tông và vữa

Bê tông polymer là vật liệu tổng hợp với thành phần đa dạng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng Nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Kỹ thuật Quốc gia Phần Lan đã chế tạo bê tông polymer từ keo furfuryl axeton chiết xuất từ hạt hướng dương Với hàm lượng keo từ 14-17%, bê tông polymer này sở hữu các chỉ số cơ lý và độ bền hóa học tương đối cao Khi sử dụng keo polyester và keo epoxy, cường độ nén của bê tông polymer đạt lần lượt là R = 80-100 MPa và cường độ uốn cũng đạt mức cao.

R u = 25 37,5 Mpa, trong mọi trường hợp hàm lượng keo chiếm 15% [3] Ở Đức bê tông polymer sử dụng keo acrilat đã được sản xuất với khối lượng lớn trong một số các nhà máy công nghiệp vật liệu xây dựng để chế tạo các vật liệu có độ bền hóa học cao, có thể chống lại các tác dụng ăn mòn của axit, kiềm, muối hoặc các chất ăn mòn khác Các sản phẩm bể chứa axit, bể chứa nước chống thấm, các bức tường… cũng được làm từ bê tông polymer Cường độ của bê tông polymer khi sử dụng keo acrylat là Rn= 120 140 MPa, cường độ chịu uốn R u = 30 35 MPa [3]

Ngoài ra, việc nghiên cứu bê tông và vữa polymer trên cơ sở dạng keo cũng được tiến hành ở Mỹ, Anh, Ý, Nhật Bản và nhiều nước khác

Nghiên cứu ứng dụng bê tông polymer với keo epoxy được thực hiện từ thập niên 70 bởi các nhà khoa học Nga, đóng vai trò quan trọng trong việc sửa chữa mặt đường bê tông cốt thép trên đường ô tô và cả các bản vỡ mặt cầu Vật liệu này thể hiện ưu điểm là có khả năng bám dính cao với bề mặt bê tông cũ, thời gian đông cứng nhanh, chịu lực tốt và đặc biệt là khả năng chống mài mòn vượt trội so với bê tông thông thường Tuy nhiên, quá trình thi công đòi hỏi sự tỉ mỉ và chính xác.

Ohama [4] đã nghiên cứu nguyên lý và những tính chất tiêu biểu của bê tông và vữa sử dụng nhựa cải biến Những nghiên cứu của Ohama cho thấy bê tông và vữa sử dụng nhựa cải biến có sự phát triển tốt về cường độ, độ bám dính, cấu trúc đặc chắc, độ bền nước tốt và độ bền cao trong những môi trường ăn mòn

Mandel và Said [7] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của polymer acrylic khi đưa vào vữa và nhận thấy rằng những tính chất hóa học, tính chất cơ lý của vữa

5 HVTH: Phạm Ngọc Lân và tính bám dính giữa vữa và sợi thép được cải thiện đáng kể khi thêm vào polymer acrylic

Kim [8] đã nghiên cứu so sánh những tính chất của bê tông và vữa sử dụng phụ gia polyvinyl (với hàm lượng 2% so với khối lương của xi măng) so với bê tông và vữa không dùng polyvinyl Bằng phương pháp sử dụng kính hiển vi phân cực và kính hiển vi điện tử quét để khảo sát sự chuyển hóa bề mặt phân giới và bề mặt vết nứt, Kim nhận thấy vữa dùng polyvinyl có sự tỏa nhiệt và chống thấm tốt hơn vữa không dùng polyvinyl

Qua những phân tích trên cho thấy bê tông và vữa sử dụng phụ gia polymer đã được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nơi trên thế giới, tuy nhiên vẫn còn là vật liệu mới ở Việt Nam.

Các nghiên cứu về vữa polymer tại Việt Nam

ThS Hoàng Sơn Đỉnh [9] đã nghiên cứu những nguyên nhân gây hư hỏng của công trình cảng, đề xuất việc sử dụng vật liệu polymer trong sửa chữa kết cấu bê tông cốt thép với thành phần vật liệu là epoxy và loại Polyetylen Polyamin có hoạt tính hoá học phù hợp với điều kiện thi công sửa chữa thực tế của nước ta là khí hậu nhiệt đới, sửa chữa đơn chiếc và thủ công, khối lượng nhỏ nhằm phục hồi khả năng chịu lực, nâng cao tuổi thọ của công trình

Kết quả cho thấy khi nhiệt độ hiện trường vượt quá 35 0 C, không nên tiến hành thi công sửa chữa công trình có sử dụng vữa polymer đơn tính Trong trường hợp cần thiết thì phải phối hợp với phụ gia dẻo với tỷ lệ thích hợp để kéo dài thời gian đông cứng của vữa polyme Khi sửa chữa các phần sâu bên trong của các bộ phận kết cấu BTCT hoặc trong điều kiện nhiệt độ môi trường cao có thể tăng tỷ lệ phụ gia dẻo từ 15 20% Vữa polymer đơn tính thường được sử dụng có hiệu quả để sửa chữa các vết nứt, bảo vệ và gia cường khả năng chịu lực của kết cấu BTCT Không sử dụng vữa polymer đơn tính trong các trường hợp phải chịu tác động trực tiếp của ánh nắng mặt trời, dẫn đến sự lão hoá, dòn và nguy cơ nứt vỡ

Nghiên cứu của Phạm Ngọc Lân trong đề tài "Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo vữa khô trộn sẵn dùng trong các công trình xây dựng" tại Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã chỉ ra rằng các loại vữa khô trộn sẵn có tiềm năng ứng dụng trong xây dựng.

Tỷ lệ phụ gia polymer trong hỗn hợp vữa xi măng ảnh hưởng đến độ dẻo và độ bám dính của vữa Khi tăng hàm lượng PVAc (Polyvinyl acetate), độ bám dính tăng và tính dẻo được cải thiện nhờ MC (Methyl cellulose) Tuy nhiên, nếu hàm lượng PVAc quá cao (PVAc = 0,8% và MC = 0,4%), độ lưu động của vữa sẽ giảm so với hàm lượng phụ gia thấp hơn.

- Cường độ chịu uốn của vữa tăng khi hàm lượng phụ gia tăng và có giá trị cao trong khoảng PVAc = 0,6 0,8% và MC = 0,2 0,3%, có thể tăng hơn 30% so với vữa thông thường không có phụ gia Đồng thời độ bền chịu va đập của vữa polymer cao hơn nhiều so với vữa xi măng thông thường

- Vữa xi măng khi có phụ gia polymer thì cường độ chịu nén không bị ảnh hưởng nhiều, nhưng với tỷ lệ tối ưu thì cường độ chịu nén có thể tăng hơn 30% so với vữa thông thường, mác vữa xi măng polymer này là 250 KG/cm 2

Biện luận đề tài, nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu

Trong xã hội hiện đại, nhu cầu phát triển xây dựng ngày càng cao, đối với các công trình xây dựng khi hoàn thiện cần một lớp vữa bao phủ bề mặt với các ưu điểm như: chống thấm cao, có khả năng giữ nước, chống co ngót, giảm các vết nứt nẻ trong mọi điều kiện môi trường, có tính bám dính cao, tăng cường liên kết, cường độ chịu uốn, chịu nén và cường độ chịu kéo cao, có tính công tác tốt, làm bề mặt thi công phẳng và đẹp hơn

Chất lượng của lớp vữa sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của công trình, nếu lớp vữa bên ngoài không bám dính tốt, khả năng chống thấm nước kém sẽ xuất hiện các vết nứt chân chim và bị co ngót, độ bền mau giảm, đặc biệt trong điều kiện môi trường ẩm ướt ở nước ta Khi lớp vữa bao phủ bị hư hại, hiện tượng thấm xâm nhập vào trong bê tông sẽ gây ra hiện tượng carbonate hóa và ăn mòn bê tông làm cho

Phạm Ngọc Lân cảnh báo rằng khi vữa bị hoen ố vàng và bong tróc, khối bê tông bên trong sẽ dễ bị ăn mòn, dẫn đến giảm tuổi thọ công trình Đây là vấn đề nghiêm trọng cần được chú ý và khắc phục kịp thời để đảm bảo độ bền và tính thẩm mỹ của các công trình xây dựng.

Thành phố Hồ Chí Minh nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình với hai mùa: mùa khô và mùa mưa Quanh năm, nhiệt độ và độ ẩm rất cao, đặc biệt là vào mùa hè, từ tháng 5 đến tháng 9 Cũng như lượng mưa, độ ẩm không khí ở thành phố lên cao vào mùa mưa, 80%, và xuống thấp vào mùa khô, 74,5% Trung bình, độ ẩm không khí đạt bình quân/năm 79,5% thể hiện tại bảng 1.1

Bảng 1.1 Khí hậu bình quân của Thành phố Hồ Chí Minh [11]

Khí hậu bình quân của Thành phố Hồ Chí Minh

Nhiệt độ và độ ẩm cao sẽ ảnh hưởng đến các loại vữa sử dụng phụ gia polymer thường được dùng làm lớp chống thấm trên mái của các tòa nhà Chất lượng của các loại vữa này thường bị giảm theo thời gian sử dụng do tác dụng của môi trường nóng ẩm

Vì vậy, tác giả chọn đề tài: Nghiên cứu độ bền của vữa sử dụng phụ gia polyvinyl acetate trong môi trường nhiệt ẩm

1.5.2 Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu tỉ lệ thành phần nguyên vật liệu thích hợp của vữa sử dụng phụ gia polymer để tạo hỗn hợp vữa polymer tối ưu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của polymer đến các tính chất của vữa (độ lưu động, độ co ngót, độ bền)

- Nghiên cứu độ bền cơ học của vữa (các tính chất cơ học chủ yếu) sử dụng phụ gia polymer trong môi trường nhiệt ẩm so với môi trường thường

- Nghiên cứu tình hình bê tông và vữa có sử dụng phụ gia polymer trong nước và trên thế giới

- Tìm hiểu cơ chế của phụ gia polymer trong nền vữa xi măng

- Tìm hiểu cơ chế, ảnh hưởng của tác động môi trường đến đến độ bền của vữa (các tính chất cơ học chủ yếu) sử dụng phụ gia polymer trong điều kiện tiêu chuẩn và trong môi trường nhiệt ẩm

- Tìm hiểu cấu trúc của vữa sử dụng phụ gia PVAc bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành song song với nghiên cứu lý thuyết

- Dùng các thí nghiệm để kiểm tra lại độ bền cơ học của vữa (các tính chất cơ học chủ yếu) sử dụng phụ gia polymer trong môi trường nhiệt ẩm, các ảnh hưởng của polymer đến vữa So sánh độ bền của vữa sử dụng phụ gia polymer trong môi trường thường và trong chu kỳ dưỡng hộ nhiệt ẩm

CƠ SỞ KHOA HỌC

Quá trình rắn chắc của xi măng và sự hình thành cấu trúc đá xi măng

Khi gặp nước các thành phần khoáng vật của xi măng sẽ tác dụng với nước sinh ra những thành phần mới Tất cả các quá trình tác dụng tương hỗ của từng khoáng với nước để tạo ra những sản phẩm mới xảy ra đồng thời, xen kẽ và ảnh hưởng lẫn nhau Các sản phẩm mới cũng có thể tác dụng tương hỗ với nhau và với các khoáng của clinker để hình thành những liên kết mới Do đó hồ xi măng là một hệ rất phức tạp cả về cấu trúc và thành phần cũng như sự biến đổi

Mặc dù đã đạt được những thành tựu đáng kể trong nghiên cứu các chất kết dính vô cơ, cho đến nay vẫn chưa có một lý thuyết nào được thừa nhận rộng rãi về sự rắn chắc của xi măng Portland Điều này là do tính chất phức tạp của hệ thống xi măng, bao gồm nhiều thành phần và phản ứng hóa học khác nhau diễn ra trong quá trình đông kết và rắn chắc.

: hòa tan, hóa keo và kết tinh măng u trong khi ) y,

Nếu duy trì trong hệ một lượng nước đầy đủ và bảo đảm độ ẩm môi trường thì quá trình thủy hóa và rắn chắc của xi măng Portland sẽ tiến triển trong một thời gian dài, nhưng tốc độ thủy hóa sẽ yếu dần

2.1.2.2 lớn hơn khoảng 3 đến 4 vữa và bê tông nhau

, nhũ li ti cú đường kớnh từ 1†50 àm c)

Cơ chế hydrat hóa của chất kết dính xi măng – polymer

Grosskurth [13] đề xuất một mô hình cho thấy cơ chế hydrat hóa của chất kết dính xi măng sử dụng phụ gia polymer qua mô hình đơn giản gồm 3 bước như hình

Nghiên cứu của Sugita [14] đã phát hiện lớp mặt phân giới giữa quá trình hydrat hóa xi măng và các hạt polymer trên cốt liệu và xi măng Phát hiện này cho thấy sự phân tán của các hạt polymer và sự hình thành màng polymer đóng vai trò quan trọng trong việc giải thích cơ chế hoạt động phức tạp của polymer trong vữa xi măng và bê tông.

Hình 2.1 Cơ chế hydrat hóa của chất kết dính xi măng sử dụng phụ gia polymer [4]

Bước 1 Khi polymer latex được nhào trộn với vữa xi măng hoặc hỗn hợp bê tông tươi, các hạt polymer đều được phân tán trong pha kết dính xi măng Trong hỗn hợp xi măng – polymer, quá trình hydrat hóa hình thành gel xi măng và

13 HVTH: Phạm Ngọc Lân Ca(OH) 2 , các hạt polymer keo tụ từng phần trên bề mặt của các hạt xi măng chưa bị hydrat hóa Có khả năng là Ca(OH)2 trong pha nước sẽ phản ứng với bề mặt silicate của cốt liệu để tạo thành lớp Calcium silicate Điều đó khẳng định rằng quá trình hình thành Ca(OH) 2 và ettringite trong vùng tiếp xúc giữa xi măng và cốt liệu để bám dính giữa các sản phẩm xi măng hydrat hóa và cốt liệu bền vững hơn như hình 2.2

Hình 2.2 Sự tạo thành lớp màng polymer trong quá trình hydrat hóa của xi măng [4]

Su, Bijen và Larbi [15], [16] đã tìm thấy sự tương tác giữa polymer và cốt liệu qua việc hình thành tinh thể Ca(OH)2 ở vùng tương tác hoặc vùng bề mặt chung giữa xi măng và đá vôi hoặc đá granite với sự có mặt của polymer Afridi [17], [18] cũng chỉ ra rằng ứng xử và sự hình thành hình dạng của tinh thể Ca(OH) 2 trong vữa sử dụng phụ gia polymer ảnh hưởng đến những tính chất của nó

Bước 2 Cùng với sự bốc hơi nước trong quá trình phát triển của cấu trúc gel xi măng, các hạt polymer dần dần lấp vào các lỗ rỗng mao quản Quá trình hydrat hóa tiếp diễn, nước trong các lỗ rỗng bay hơi càng nhiều, các hạt polymer keo tụ lại tạo thành một lớp màng trên bề mặt các hạt xi măng không bị hydrat hóa và đồng thời bám dính với lớp silicate trên bề mặt cốt liệu Điều này chỉ ra rằng trong khi kích thước của các lỗ rỗng trong xi măng từ vài trăm picromet tới vài trăm nanomet, kích thước của các hạt polymer trong khoảng từ 50-500 nanomet Lỗ rỗng lớn hơn trong hỗn hợp bị các hạt polymer bám dính một cách tự động và chặt chẽ, tổng độ rỗng và thể tích lỗ rỗng có xu hướng giảm khi tăng tỷ lệ polymer so với xi măng

Những phản ứng hóa học có thể diễn ra giữa các bề mặt phản ứng của polymer như polyacrylic ester (PAE), poly styren acrylic ester (PSAE), poly vinylidene chloride vinyl chloride (PVDC) và cao su chloropren (CR) và ion calcium (Ca 2+ ), bề mặt tinh thể Ca(OH) 2 hoặc bề mặt silicat của cốt liệu Dựa trên các nghiên cứu được trích dẫn, Ohama đề xuất cơ chế của các phản ứng này thể hiện trong hình 2.3

Những phản ứng này cho thấy sự cải thiện về khả năng chống thấm, chống nứt, tính liên kết và cường độ của bê tông và vữa sử dụng phụ gia polymer

Hình 2.3 Sơ đồ minh họa phản ứng giữa polymer với nhóm carboxylate (liên kết ester), xi măng portland và cốt liệu [4]

Khi xi măng hydrat hóa, nước bốc hơi gần hết Lúc này, các hạt polymer hình cầu kề sát nhau, tạo khoảng cách tới hạn Sức căng bề mặt gây biến dạng thể cầu giữa các hạt, hình thành khối latex hình cầu do các phân tử kết dính.

Hạt polymer đóng kín trên hạt xi măng đã hydrat tạo thành màng đồng nhất liên tục và kết nối các hạt xi măng đã hydrat để tạo thành một mạng lưới vững chắc Mạng lưới này phát triển tạo nên cường độ cho vữa và bê tông.

Tính chất cơ học và vật lý của vữa sử dụng phụ gia polymer

Cấu trúc đá xi măng được tạo thành chủ yếu là do sự dính kết nhau của các canxi silicat, aluminat và hydroxite bởi lực Vander Wall Do đó các vế nứt vi mô dễ dàng xuất hiện dưới tác dụng của ngoại lực, làm cho cường độ chịu uốn và độ dai chắc của vữa kém Theo cơ chế hình thành của chất kết dính xi măng sử dụng phụ gia polymer tại hình 2.4 ta thấy tính chất cơ học và vật lý của vữa xử dụng phụ gia polymer sẽ được cải thiện đáng kể do các vết nứt sẽ được nối lại nhờ sự bám dính của các hạt polymer; chúng hạn chế tỷ lệ và phạm vi dịch chuyển của các vết nứt vi mô trong cấu trúc bằng việc tạo ra lớp màng polymer Nếu có sự hình thành các vết nứt vi mô thì các màng polymer sẽ trám vào các vết nứt, làm cầu nối, nối liền các vết nứt và ngăn chặn sự lan truyền vết nứt, kết quả dẫn đến cường độ chịu uốn và độ dai chắc tăng

Hình 2.4 SEM của cấu trúc đá xi măng sử dụng phụ gia polymer [4]

Sự phân tán và tạo màng polymer trong vữa góp phần gia tăng mối liên kết giữa vật liệu nền và cốt liệu Điều này cải thiện vùng truyền bề mặt và tạo ra những thay đổi trong hình dạng của tinh thể, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng vữa và độ bền của công trình.

Ca(OH) 2 , tăng cường độ nền chất kết dính, giảm lỗ rỗng và bao bọc khe hở của lỗ rỗng gây ảnh hưởng đến vi cấu trúc tại vùng yếu nhất của vữa Do đó, polymer có khả năng chống xâm thực trong điều kiện mội trường khắc nghiệt tốt hơn so với vữa và bê tông thông thường Các ảnh hưởng này phụ thuộc vào loại, tỷ lệ và hàm lượng polymer sử dụng so với xi măng trong vữa.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính kết dính của polymer

Cho đến nay, sự phụ thuộc giữa khối lượng phân tử và tính chất kết dính của polymer không được nghiên cứu đầy đủ Tuy nhiên, có thể nhận thấy một điều là khi mức độ trùng hợp thấp, sản phẩm tạo thành có nhiệt độ nóng chảy thấp, kết dính ngoại tốt, nhưng kết dính nội kém Những polymer khối lượng phân tử lớn hòa tan khó, có nhiệt độ nóng chảy quá cao, kết dính nội tốt nhưng kết dính ngoại lại kém

2.4.2 Độ co ngót và ứng suất nội tại

Trong quá trình tạo màng keo dán, sự co ngót xảy ra do thải dung môi, đóng cứng hoặc trùng hợp/trùng ngưng các thành phần của keo Hiện tượng này dẫn đến ứng suất nội tại ảnh hưởng đến độ bền liên kết Mức độ co ngót và ứng suất phụ thuộc vào bản chất hóa học của các thành phần keo, cũng như đặc điểm và điều kiện hình thành liên kết Các loại keo có độ co ngót đáng kể bao gồm monomer và dẫn xuất axit acrylic/metacrylic, đồng trùng hợp polyester không no, oligomer polyester acrylat, nhựa phenol-formandehyt, ure-formandehyt và đặc biệt là nhựa recosin.

17 HVTH: Phạm Ngọc Lân Tuy nhiên, không phải trong tất cả các trường hợp co ngót nhiều là nguyên nhân gây nên ứng suất nội tại đáng kể Đối với polymer cấu tạo thẳng, mạch của chúng có một độ mềm dẻo nhất định

Những polyme nhiệt rắn đặc trưng bởi cấu trúc không gian chặt chẽ, dẫn đến ứng suất nội tại cao khi ở trạng thái đóng rắn Ngược lại, các loại keo có nguồn gốc từ polyme đàn hồi (elastome) hoặc polyme nhiệt rắn biến tính bằng polyme nhiệt dẻo hoặc elastome không biểu hiện ứng suất nội tại đáng kể Đặc tính này mang lại lợi thế về độ bền và độ ổn định cho các hệ thống keo này.

2.4.3 Nhiệt độ và thời gian đóng rắn hệ keo

Nhiệt độ và thời gian đóng rắn hệ keo dán có vai trò đặc biệt quan trọng khi giải quyết những vấn đề có liên quan đến việc lựa chọn những điều kiện tối ưu để tạo nên những liên kết dán bền vững Tùy thuộc vào bản chất hóa học và thành phần của các chất Có thể tiến hành đóng rắn hỗn hợp keo dán ở nhiệt độ thường hay nhiệt độ cao

Những hệ thống đóng rắn không cần đun nóng là các dung dịch polymer mạch thẳng trong các dung môi hưu cơ (ví dụ keo clopren) hay trong monomer và oligomer Trong trường hợp đó tạo hình lớp keo tiến hành ở nhiệt độ thường nhờ thải dung môi hay trùng hợp dưới tác dụng của chất khởi đầu hay xúc tác

Khảo sát quá trình đóng rắn các màng keo dán ở những nhiệt độ khác nhau có thể rút ra mấy kết luận sau:

- Nhiệt độ tăng thì thời gian hình thành kết dính giảm, còn độ bền và độ chịu nhiệt của liên kết dán tăng lên

- Ở một nhiệt độ xác định, tăng thời gian đóng rắn sẽ tăng tốc độ bền của các liên kết

- Áp suất có giá trị quan trọng khi dán Áp suất thừa tạo thành mối dán mỏng, áp suất thiếu sẽ làm cho liên kết có lỗ rỗng không bền, chiều dày lớn và không đều

Nhiều công trình nghiên cứu đã thiết lập được rằng, độ bền của liên kết dán tăng lên khi giảm chiều dày màng keo dán Chiều dày của lớp keo dán phụ thuộc vào bản chất hóa học, tính lưu biến và lượng keo đem quét và cũng phụ thuộc vào áp suất khi dán Ảnh hưởng của phụ gia: trong những trường hợp riêng biệt, phụ gia không những làm tăng độ bền mà còn làm tăng độ chịu nhiệt cảu các liên kết dán.

Sự phân hủy polymer

Phản ứng phân hủy là phản ứng làm đứt liên kết cả mạch phân tử cơ sở và làm giảm trọng lượng phân tử polymer nhưng không làm thay đổi thành phần hóa học của nó Phản ứng phân hủy là phản ứng rất quan trọng trong hóa học các hợp chất cao phân tử Người ta sử dụng nó để xác định cấu tạo của những hợp chất cao phân tử và cũng để điều chế những chất thấp phân tử quý giá từ polymer thiên nhiên

Quá trình cắt đại phân tử polymer có tạo thành những gốc tự do lớn Người ta lợi dụng điều đó để tạo thành những polymer biến tính

Sự phân hủy polymer có thể thực hiện nhờ những tác nhân hóa học (nước, axit, lcol, oxy,…) hoặc dưới ảnh hưởng của những tác nhân vật lý (nhiệt, ánh sáng, bức xạ ion hóa, năng lượng cơ học…)

Phân hủy hóa học là đặc trưng của polymer dị mạch, thường làm đứt liên kết giữa carbon và dị tố, tạo ra monomer Ngược lại, polymer mạch carbon no khó bị phân hủy hóa học do liên kết carbon-carbon bền vững, trừ khi có nhóm làm giảm độ bền liên kết trong mạch chính hoặc trong điều kiện khắc nghiệt.

Sự phân hủy dưới ảnh hưởng của những tác động vật lý thường tiến triển không chọn lọc vì đặc trưng năng lượng của tất cả những liên kết hóa học khá gần nhau

19 HVTH: Phạm Ngọc Lân Cơ chế phân hủy hóa học của những polymer dị mạch được nghiên cứu kỹ hơn cả Cơ chế phân hủy dưới ảnh hưởng của những tác nhân vật lý chỉ mới bắt đầu được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây Những dữ kiện thu được đã chỉ ra rằng phản ứng phân hủy tiến hành dưới ảnh hưởng của những năng lượng khác nhau vẫn rất giống nhau về cơ chế Nhiều dạng phân hủy vật lý như phân hủy cơ học và phân hủy dưới ảnh hưởng của những hạt năng lượng cao bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật

Sự phân hủy hóa học xảy ra dưới tác dụng của những chất phân cực như nước, axit amin, alcol hoặc oxy

Quá trình phân hủy hóa học phổ biến nhất của polyme là thủy phân, trong đó liên kết hóa học bị cắt đứt khi kết hợp với phân tử nước Quá trình thủy phân được xúc tác bởi ion hydro hoặc hydroxyl Sự thủy phân của một số hợp chất cao phân tử được tăng tốc bởi xúc tác thiên nhiên là enzyme, có khả năng chọn lọc một số liên kết Bản chất của nhóm chức và liên kết trong cấu trúc polyme quyết định xu hướng thủy phân.

Khi thủy phân những nhóm chức bên cạnh, thành phần hóa học của polymer bị thay đổi; khi thủy phân những liên kết có trong thành phần mạch cơ sở thì xảy ra sự phân hủy và làm giảm trọng lượng phân tử polymer Nhóm tận cùng của phân tử mới được tạo thành về bản chất không khác với nhóm tận cùng của polymer ban đầu phân hủy ở mức độ thấp thì phần nhóm chức mới tạo thành nhỏ nên nó không ảnh hưởng gì đến thành phần hóa học của polymer và tính chất hóa học của polymer thực tế không thay đổi Tăng mức độ phân hủy phần nhóm chức tận cùng tăng lên và ảnh hưởng của nó đến tính chất của polymer trở nên rõ ràng

Mặc dù liên quan đến quá trình cắt mạch hóa học, sự phân hủy oxy hóa của polymer diễn ra ít chọn lọc hơn so với các dạng phân hủy hóa học khác Điều này là do tính chất oxy hóa của tác nhân phân hủy, dẫn đến phản ứng đồng thời ở các liên kết mạch khác nhau trong polymer.

20 HVTH: Phạm Ngọc Lân Sự phân hủy oxy hóa không phải chỉ đặc trưng cho những polymer dị mạch mà còn cả polymer mạch carbon Những hợp chất cao phân tử mạch carbon cũng bị oxy không khí hoặc chất oxy hóa khác oxy hóa, những phản ứng này luôn luôn kèm theo sự phân hủy

Quan trọng hơn cả là sự oxy hóa polymer bằng oxy của không khí trong quá trình sử dụng dưới ánh sáng, nhiệt và những dạng năng lượng khác Những phản ứng này gây nên sự lão hóa polymer (sự thay đổi tính chất hóa lý và tính chất cơ lý của polymer)

Quá trình phân hủy polymer kiểu này có ý nghĩa thực tế rất lớn, vỉ trong khi sử dụng, hầu như polymer luôn chịu tác dụng của ánh sáng Phản ứng xảy ra khi chiếu sáng polymer giữ vai trò lớn trong quá trình lão hóa polymer và thường nó quyết định thời gian sử dụng sợi thiên nhiên và tổng hợp, những thành phẩm từ cao su và chất dẻo, những lớp sơn phủ

Phân hủy cơ học làm đứt đại phân tử polyme tạo nên các gốc tự do, dẫn đến phản ứng tái hợp hoặc bất tỷ phân, làm thay đổi trọng lượng phân tử và cấu trúc của polyme Nếu không có oxy, gốc tự do có thể gây ra phân hủy oxy hóa, làm trầm trọng thêm quá trình phân hủy Quá trình lão hóa polyme liên quan trực tiếp đến sự hình thành gốc tự do, gây ra sự thay đổi trọng lượng phân tử và cấu trúc Sử dụng các chất kết hợp gốc tự do có thể ngăn chặn quá trình phá hủy này, làm tăng tuổi thọ vật liệu.

Quá trình phân hủy nhiệt polymer hoàn toàn giống với quá trình cracking hydrocarbon Cơ chế phản ứng dây chuyền đã được xác định rõ ràng Tính bền khi đun nóng, tốc độ phân hủy nhiệt và đặc tính của sản phẩm tạo thành phụ thuộc vào cấu trúc hóa học của polymer Giai đoạn khởi đầu của phản ứng phân hủy nhiệt luôn là tạo thành gốc tự do, sau đó phản ứng tiếp diễn theo cơ chế đứt liên kết và giảm phân tử lượng Phản ứng có thể kết thúc khi các gốc tự do tái hợp hoặc phân hủy bất đối xứng, tạo thành liên kết đôi ở cuối đại phân tử, thay đổi thành phần phân đoạn, tạo thành cấu trúc phân nhánh và không gian.

2.5.6 Phân hủy dưới ảnh hưởng của những tác động vật lý

Sự phân hủy polymer dưới ảnh hưởng của năng lượng ánh sáng, bức xạ ion hóa năng lượng cơ học và nhiệt học xảy ra theo cơ chế dây chuyền qua sự tạo thành những gốc tự do

Phản ứng xảy ra khi chiếu sáng, đốt nóng hoặc tác động cơ học lên polymer thường được gọi một cách quy ước là phân hủy Thực tế đây là một quá trình phức tạp mà trong đó cùng với sự cắt đứt liên kết (phân hủy hoàn toàn), còn xuất hiện những liên kết mới và thay đổi cấu trúc của polymer

HỆ NGUYÊN VẬT LIỆU - CÁC THÍ NGHIỆM CHÍNH

Hệ nguyên vật liệu

Thành phần nguyên vật liệu của vữa gồm có:

- Chất kết dính: Xi măng Portland PCB 40 Hà Tiên

- Cát: Sử dụng loại cát có cỡ hạt loại trung bình, rửa sạch và sấy khô trước khi thí nghiệm

- Nước: Sử dụng nước ngọt, sạch

- Phụ gia: Polyvinyl acetate dạng dung dịch

3.1.1 Các tính năng kỹ thuật cần khảo sát của xi măng

Xi măng sử dụng là xi măng Portland PCB40 Hà Tiên Trước khi xuất xưởng xi măng đã được kiểm tra chặt chẽ các chỉ tiêu cơ lý nhưng để đảm bảo quá trình thí nghiệm được chính xác cần phải kiểm tra lại trước khi sử dụng

Các tính năng kỹ thuật cần khảo sát của xi măng:

- Xác định khối lượng riêng của xi măng ( ): thí nghiệm TCVN 4030:2003 Xi măng – Phương pháp xác định độ mịn

- Xác định khối lượng thể tích của xi măng ( ): thí nghiệm TCVN 4030:2003 Xi măng – Phương pháp xác định độ mịn

- Xác định độ bền nén của vữa xi măng: thí nghiệm TCVN 6016:1995 Xi măng – Phương pháp thử - xác định độ bền

- Xác định lượng nước tiêu chuẩn: thí nghiệm TCVN 6017:1995 Xi măng – Phương pháp thử - xác định thời gian đông kết và độ ổn định

- Thời gian bắt đầu ninh kết: thí nghiệm TCVN 6017:1995 Xi măng – Phương pháp thử - xác định thời gian đông kết và độ ổn định

- Thời gian kết thuùc ninh kết: thí nghiệm theo TCVN 6017:1995 Xi măng – Phương pháp thử - xác định độ bền

23 HVTH: Phạm Ngọc Lân Bảng 3.1 Kết quả các chỉ tiêu thí nghiệm của xi măng

STT Chỉ tiêu kiểm tra Đơn vị Kết quả Phương pháp thử

1 Khối lượng riêng g/cm 3 3,1 TCVN 4030:2003

2 Khối lượng thể tích g/cm 3 1,14 TCVN 4030:2003

3 Độ bền nén MPa 45,5 TCVN 6016:1995

4 Độ bền uốn Mpa 2,14 TCVN 6016:1995

5 Lượng nước tiêu chuẩn % 28 TCVN 6017:1995

Nhận xét: Các chỉ tiêu của xi măng thí nghiệm đạt yêu cầu dùng để thí nghiệm

3.1.2 Các tính năng kỹ thuật cần khảo sát của cát

Cát tạo nên bộ khung xương cứng chịu lực trong vữa và làm cho vữa bớt co ngót Chất lượng của cát có ảnh hưởng nhiều đến cường độ của vữa Do đó cần kiểm tra các tính chất của cát trước khi đưa vào sử dụng

Các tính năng kỹ thuật cần khảo sát của cát:

- Xác định khối lượng riêng của cát ( ): thí nghiệm TCVN 7572- 4:2006 Cốt liệu cho bê tông và vữa – Phương pháp thử

- Xác định khối lượng thể tích xốp của cát ( ): thí nghiệm TCVN 7572-6:2006 Cốt liệu cho bê tông và vữa – Phương pháp thử

- Xác định thành phần hạt và module độ lớn của cát: thí nghiệm TCVN 7572-2:2006 Cốt liệu cho bê tông và vữa – Phương pháp thử

- Xác định hàm lượng bụi bùn sét của cát (S c ): thí nghiệm TCVN 7572-8:2006 Cốt liệu cho bê tông và vữa – Phương pháp thử

24 HVTH: Phạm Ngọc Lân Bảng 3.2 Kết quả các chỉ tiêu thí nghiệm của cát

STT Chỉ tiêu kiểm tra Đơn vị Kết quả Phương pháp thử

1 Khối lượng riêng g/cm 3 2,62 TCVN 7572-4:2006

2 Khối lượng thể tích ( ) g/cm 3 1,42 TCVN 7572-6:2006

4 Hàm lượng bụi bùn sét (S c ) % 0,7 TCVN 7572-8:2006

Bảng 3.3 Thành phần hạt và module độ lớn của cát

Cỡ sàng (mm) 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14