Gia cố nền đường đất yếu bằng phương pháp Geopolymer

Báo cáo Nghiên cứu Khoa học cấp Sinh viên GVHD: ThS Lê Văn Hải Châu MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan đề tài 1.2 Tình hình sử dụng công nghệ geopolymer giới tiềm phát triển Việt Nam 1.2.1 Ứng dụng công nghệ Geopolymer giới 1.2.2 Tình hình ứng dụng công nghệ Geopolymer Việt Nam tiềm phát triển 1.3 Tình hình nghiêu cứu nước nước 1.3.1 Ngoài nước 1.3.2 1.4 Trong nước Mục tiêu nội dung nghiên cứu đề tài 10 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu 10 1.4.2 Nội dung nghiên cứu 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC .11 2.1 Thành phần hóa học cấu trúc phân tử nguyên vật liệu 11 2.1.1 Quá trình liên kết hạt sét .11 2.1.1.1 Thành phần hóa cấu trúc thành phần khoáng đất sét: 11 2.1.1.2 Biến tính khoáng sét 12 2.1.2 Tro bay 13 2.2 Cơ sở khoa học công nghệ Geopolymer 13 2.3 Cơ chế đóng rắn tro bay đất sét theo công nghệ Geopolymer 17 2.3.1 Cơ chế hóa học công nghệ geopolymer tro bay 17 2.3.2 Cơ chế hóa học công nghệ geopolymer đất sét 19 CHƯƠNG 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM .25 3.1 Nguyên liệu 25 3.1.1 Đất sét 25 Tr Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer Trang i Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer Báo cáo Nghiên cứu Khoa học cấp Sinh viên Tr GVHD: ThS Lê Văn Hải Châu 3.1.2 Cát .25 3.1.3 Tro bay 26 Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer Trang i Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer 3.1.4 Thủy tinh lỏng (Sodium silicate) .27 3.1.5 Dung dịch NaOH (Sodium hydroxit) 29 3.1.6 Xi măng 29 3.1.7 Vôi 30 3.2 Thiết kế thành phần cấp phối 30 3.3 Phương pháp thí nghiệm 31 3.3.1 Trình tự thí nghiệm 31 3.3.2 Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu 31 3.3.3 Giai đoạn nhào trộn đúc khuôn .32 3.3.4 Giai đoạn tĩnh định 34 3.3.5 Dưỡng hộ ẩm 34 3.3.6 Nén mẫu .35 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM .36 4.1 Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa/tro bay đến cường độ nén .36 4.1.1 Đối với cấp phối Cát 75% Sét 25% 36 4.1.2 Đối với cấp phối Cát 50% Sét 50% 37 4.1.3 Đối với cấp phối Cát 25% Sét 75% 38 4.2 Ảnh hưởng tỷ lệ phần trăm cát sét đến cường độ nén 39 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 40 5.1 Kết luận 40 5.2 Hướng phát triển đề tài 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO .41 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan đề tài Nhờ tiến khoa học kỹ thuật, ngành xây dựng giai đoạn có nhiều bước tiến vượt bậc Chính mà nhu cầu vật liệu cho ngành xây dựng ngày cao Hiện người không muốn sử dụng nguồn vật liệu truyền thống mà muốn tìm tòi, nghiên cứu đưa vào sử dụng nhiều nguồn nguyên liệu với công phù hợp Nhưng nguồn tài nguyên ngày cạn kiệt, hướng phát triển ngành vật liệu xây dựng năm gần tìm kiếm phát triển loại vật liệu bền vững giảm thiểu tối đa tác hại xấu đến môi trường Vì vật liệu Geopolymer đời Geopolymer sản phẩm trình phản ứng vật liệu có nguồn gốc silic nhôm với dung dịch kiềm Vật liệu thay xi măng bê tông, chế tạo gạch không nung, ứng dụng vào đất sét Hiện Geopolymer nghiên cứu rộng rãi cho thấy khả vật liệu xanh thay loại chất kết dính truyền thống Trong số ứng dụng vật liệu Geopolymer có tính chất kỹ thuật tốt, đồng thời giảm khả hiệu ứng nhà kính thay xi măng Pooclăng Geopolymer đạt cường độ tính chất tối ưu điều kiện nhiệt độ thời gian dưỡng hộ bảo đảm.Trong đề tài nghiên cứu khoa học nhóm sinh viên khoa Kỹ thuật xây dựng nghiên cứu ứng dụng Geopolymer cho đường giao thông đất yếu, ứng dụng thành công bước tiến không nhỏ lĩnh vực địa móng vật liệu xây dựng 1.2 Tình hình sử dụng công nghệ geopolymer giới tiềm phát triển Việt Nam 1.2.1 Ứng dụng công nghệ Geopolymer giới Năm 1969, Besson, Caillere Henin Bảo tàng lịch sử tự nhiên Pháp, thực tổng o hợp hydrosodlite từ phyllosilicates khác 100 C dung dịch NaOH Các sản phẩm ứng dụng (được phát triển nhờ JJ Legrand), chẳng hạn gỗ chịu lửa bao [2] gồm lõi gỗ hai lớp phủ nanocomposite SILIFACE Q Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer Tiếp nối vào năm 1972 Davidovits chế tạo thành công chủng loại vật liệu gọi “Geopolymer” Năm 1978, giáo sư Davidovits cho chất kết dính Geopolymer tạo phản ứng polymer hóa dung dịch Alkali silicat với silic nhôm có nguồn nguyên liệu đất đá tự nhiên hay sản phẩm phụ tro bay, tro trấu… Ban đầu Geopolymer ứng dụng giới hạn, dùng để chế tạo sản phẩm thuộc dạng cao cấp khuôn đúc dụng cụ cho ngành hàng không Nhưng sau, đặc biệt vào đầu thập niên 1990, người ý thức mối đe dọa từ khí thải CO , vật liệu Geopolymer dần quan tâm nhiều trở thành loại vật liệu xây dựng thay tốt cho loại xi măng truyền thống Năm 1983 phát minh xi măng Geopolymer độ bền cao: Công ty Lone Star (Mỹ) Công ty dầu khí Shell công bố hình thành Tổng công ty QUAZITE để phát triển, sản xuất xi măng Geopolymer [11] Những nghiên cứu Geopolymer xuất riêng lẽ quốc gia tài liệu khoa học Cho đến năm 1990, tài liệu nghiên cứu khoa học Geopolymer bắt đầu xuất nhiều hơn, nghiên cứu ảnh hưởng loại vật liệu Geopolymer bắt đầu nghiên cứu sâu Mối quan tâm Geopolymer năm ứng dụng vào công nghệ đóng gói chất thải rắn, giúp tận dụng nguồn chất thải độc hại thành vật liệu có ích, giúp bảo vệ môi trường tốt Năm 2002, giáo sư Yunsheng Zhang từ đại học Đông Nam giáo sư Zongjin từ đại học khoa học công nghệ Hồng Kông phối hợp nghiên cứu hệ thống chế tổng hợp, tính chất cấu trúc, tỷ lệ thiết kế độ bền học hiệu suất Geopolymer tự nhiên [12] nhân tạo Từ năm 2003, nhiều viện nghiên cứu quốc gia quốc tế tổ chức buổi hội thảo Geopolymer Hội nghị quốc tế Geopolymer năm 2005 kỉ niệm 26 năm kiện giáo sư Davidovits sáng lập viện Geopolymer Chủ đề hội nghị là: Geopolymer – hóa học phát triển Hội nghị gồm kiện diễn hai nơi: Hội nghị quốc tế lần thứ tư viện Geopolymer Saint-Quentin, Pháp hội thảo chất kết dính bê tông Geopolymer Perth, nước Áo tổ chức Đại học Công nghệ Curtin, Perth, đại học Alabama, Mỹ Hội nghị hội thảo xoay quanh vấn đề khoa học ứng dụng Geopolymer với có mặt 200 nhà khoa học 85 viện nghiêncứu, mắt 75 nghiên cứu Họ bàn luận hóa học Geopolymer, phế thải công nghiệp, tài nguyên thiên Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer nhiên, chất kết dính bê tông Geopolymer (bao gồm bê tông Geopolymer từ tro bay), ứng dụng vật liệu xây dựng, vật liệu công nghệ cao, vật liệu chịu lửa Năm 2009, họ đồng ý năm diễn kiện quốc tế: thứ hội nghị chuyên đề Geopolymer vào tháng bãi biển Daytona, Florida, Mỹ thứ hai trại hè Geopolymer vào tháng bảy SaintQuentin, Pháp, tổ chức viện Geopolymer Hiện nhu cầu phát triển ứng dụng Geopolymer tăng cao, có 60 phòng thí nghiệm toàn giới triển khai dự án nghiên cứu Geopolymer, Úc New Zealand Lần đầu xuất năm 2008, Geopolymer chemistry and application khái quát toàn kiến thức tổng thể công nghệ Geopolymer [3] Các ứng dụng công nghệ nghiên cứu phát triển rộng rãi toàn giới Nghiên cứu tập trung vào thành phần nồng độ dung dịch kiềm để thúc đẩy nhanh trình Geopolymer hóa Những năm sau đó, có nhiều thay đổi áp dụng nghiên cứu công nghệ Geopolymer Nhiều phương pháp phân tích đại áp dụng để làm sáng tỏ tác động thành phần khác vật liệu Geopolymer [9] Nhiều nguyên vật liệu quan tâm nghiên cứu bột silicat hỗn hợp nhôm tổng hợp, khoáng albite kiềm fenspat [7] , xỉ lò cao [8] [4] , khoáng stilbite [5] , sợi bazan [6] , … Vật liệu Geopolymer trở nên phong phú đa dạng nguồn nguyên vật liệu tạo thành, nhiên việc lựa chọn nguyên liệu chủ yếu dựa vào tác động bền môi trường tạo thành vật liệu mới, công nghệ Geopolymer ưu tiên nghiên cứu để giảm thiểu chất thải công nghiệp giúp môi trường ngày bền vững Hiện nay, Mỹ ứng dụng chủ yếu chất kết dính Geopolymer sản xuất xi măng đóng rắn nhanh (Pyrament Blended Cement – PBC) Sau PBC dùng nhiều nhà công nghiệp, đường cao tốc [11] Ở Úc, Geopolymer ứng dụng vào sản xuất bê tông để xây dựng đường ống cống loại cấu kiện bê tông đúc sẵn Với tính chất tốt kết cấu đúc sẵn cho cường độ tuổi sớm cao sau bảo dưỡng nước dưỡng hộ nhiệt Bê tông hoạt tính kiềm thương mại hóa Úc với nhãn hiệu kinh doanh E-Create ECreate tái chế từ tro bay xỉ lò cao với chất hoạt tính kiềm thích hợp có sẵn dạng đúc sẵn trộn sẵn Các sản phẩm đúc sẵn như: panel, ống, nắp đế cống, gạch lát vỉa hè, ốp lát trang trí cách âm… [10] Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer Hình 1-1 Các sản phẩm ứng dụng vật liệu Geopolymer Đến nay, chiều hướng ngày thuận lợi Nhiều nước châu Á khu vực Thái Bình Dương tài trợ cho nhiều công trình nghiên cứu sâu rộng vật liệu Geopolymer Đặc biệt Trung Quốc, cho đời mẻ xi măng Geopolymer vào năm 2006 Đây tín hiệu lạc quan việc góp phần bảo vệ môi trường sống khỏi tác [13] động hiệu ứng nhà kính đầy đe dọa 1.2.2 Tình hình ứng dụng công nghệ Geopolymer Việt Nam tiềm phát triển Ở Việt Nam, từ năm 2008 có nhiều đề tài khoa học nghiên cứu ứng dụng công nghệ Lần công nghệ Geopolymer áp dụng chủ yếu để tận dụng nguồn phế phẩm công nghiệp tro bay nhà máy nhiệt điện, tro bay thiết kế thành phần bê tông, ứng dụng vào công nghệ chế tạo loại mặt đường cứng (đường ô tô, đường sân bay…) Ngoài ra, công nghệ Geopolymer sử dụng để ổn định, xử lý tận dụng chất thải boxite từ trình khai thác quặng nhôm để chế tạo gạch không [2] nung đóng rắn đường Ngày 12 tháng năm 2010, Viện Vật liệu xây dựng tổ chức Hội nghị chuyên đề vật liệu Geopolymer ứng dụng Geopolymer lĩnh vực vật liệu xây dựng Vật liệu Geopolymer nghiên cứu với mục tiêu tạo trình sản xuất thân thiện với môi trường, giảm khí CO , tận dụng chất thải công nghiệp tro bay, bùn đỏ, xỉ…thành sản phẩm có khả sử dụng cao Các sản phẩm nước ta nghiên cứu thành công: - Nguyễn Văn Chánh (2009), “Tận dụng phế thải bùn đỏ từ quặng boxit để sản xuất gạch đất sét không nung nhiệt độ thấp”, Đại học Bách Khoa TpHCM - “Vữa bê tông xanh” TS Đào Văn Đông - Huỳnh Hoàng Min, “ Sự ảnh hưởng hàm lượng hạt sét đến tính chất vật liệu Geopolymer tổng hợp từ đất sét tro bay”, luận văn thạc sĩ, ĐHBK TP Hồ Chí Minh 1.3 Tình hình nghiêu cứu nước nước Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer 1.3.1 Ngoài nước Patimapon Sukmak, Suksun Horpibulsuk, Shui-Long Shen, Prinya Chindaprasirt, “Factors influencing strength development in clay-fly ash geopolymer” Construction and Building Materials 47 (2013) pp 1125-1136 Bài báo nghiên cứu phát triển cường độ mẫu với loại thành phần cốt liệu, phụ gia, nhiệt độ bảo dưỡng khác chế tạo vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất sét (Clay) tro bay (FA), đất sét nghiên cứu nằm độ sâu 3-4 m Nakhon Ratchasima, Thailand Kết nghiên cứu thí nghiệm phòng cho thấy, cường độ mẫu geopolymer đạt cao trường hợp sau đây: + Tỷ lệ Na2SiO3/NaOH = 0.7; + Tỷ lệ L/FA tỷ lệ nghịch với FA/Clay, cụ thể: L/FA = 0.6 FA/Clay = 0.3 L/FA = 0.5 FA/Clay = 0.7 (L: dung dịch kích hoạt, Liquid alkaline activator) + Độ ẩm (moisture content:MC): 1.00 MC FA/Clay = 0.3 0.8 MC FA/Clay = 0.5 0.6 MC FA/Clay = 0.7 o + Nhiệt độ bảo dưỡng mẫu tương ứng: 8.5 C/g FA/Clay = 0.3 o 7.57 C/g FA/Clay = 0.7 Olaniyan, O.S, Olaoye, R.A, Okeyinka, O.M, and Olaniyan, D.B, “Soil stabilization techniques using sodium hydroxide additives”, International Journal of Civil & Environmental Engineering IJCEE-IJENS Vol: 11 No: 06, (2011) pp 09-21 Bài báo nghiên cứu cường độ mẫu geopolymer thí nghiệm phòng Tác giả thí nghiệm tỷ lệ hàm lượng Sét/Cát với tỷ lệ 0.5; 0.67; Đồng thời, thí nghiệm với hàm lượng Sét/Cát hàm lượng dung dịch NaOH 7%; 10%; 13%; 16% với điều kiện dưỡng hộ khô ẩm Kết nghiên cứu cho thấy cường độ mẫu đạt giá trị cao khi: + Tỷ lệ Sét/Cát = 2, bảo dưỡng điều kiện khô + Tỷ lệ Sét/Cát = 1, hàm lượng dung dịch NaOH = 16%, bảo dưỡng điều kiện khô Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer Rui chen, “Bio stabolization for geopolymer enhancement and mine tailing dust control”, luận văn tiến sĩ 2014 Tác giả nghiên cứu chế tạo geopolymer đất từ vật liệu phế thải tro bay loại F xác lúa miến (một loại ngũ cốc) , ứng dụng công nghệ geopolymer hóa để xử lý chất thải rắn từ công nghiệp hầm mỏ xanthan gum (gel chiết xuất từ loại vi khuẩn rau cải) Kết nghiên cứu cho thấy, cường độ mẫu đạt giá trị cao tỷ lệ mol SiO2/ Al2O3 = 3.35, Nước/ Na2O = 11.08 = 11.1, hàm lượng lúa miến/FA = 0% 1.3.2 Trong nước Huỳnh Hoàng Min, “ Sự ảnh hưởng hàm lượng hạt sét đến tính chất vật liệu Geopolymer tổng hợp từ đất sét tro bay”, luận văn thạc sĩ, ĐHBK TP Hồ Chí Minh, GVHD: TS Lê Anh Tuấn Tác giả nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện dưỡng hộ, hàm lượng dung dịch kích hoạt, tỷ lệ dung dịch thành phần, ảnh hưởng hàm lượng Si đến cường độ mẫu Geopolymer đất thí nghiệm phòng Kết nghiên cứu cho thấy: o + Cường độ mẫu tăng gia tăng thời gian nhiệt độ bảo dưỡng (12 120 C) + Khi cố định hàm lượng hạt sét cường độ mẫu đạt giá trị cao tỷ lệ Na2SiO3/NaOH = 1.0 tương ứng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa/Tro bay (L/FA) = 0.40 + Khi cố định hàm lượng hạt sét 30.01%, hàm lượng Si dung dịch hoạt hóa 17.5 %, tỷ lệ L/FA = 0.3 cường độ mẫu đạt giá trị tối ưu 1.4 Mục tiêu nội dung nghiên cứu đề tài 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu Trên sở tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng đất sét, tro bay giới nước thấy việc nghiên cứu áp dụng công nghệ Geopolymer vào hỗn hợp nguyên liệu đất sét tro bay vấn đề có ý nghĩa thực tiễn lớn Vật liệu hình thành có khả đáp ứng yêu cầu kỹ thuật liên quan, thân thiện với môi trường, ứng dụng để cải thiện tính chất đất sét Tiến hành nghiên cứu thí nghiệm tiêu lý tính chất hỗn hợp geopolymer đất tro bay Thông qua kết thí nghiệm đó, tiến hành đánh giá thiết kế hỗn hợp geopolymer đất tro bay Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng hạt sét ảnh hưởng đến cường độ mẫu geopolymer đất sét Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer 1.4.2 Nội dung nghiên cứu Những tiêu mà nhóm thực đề tài + Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa ,tro bay đến tính chất cường độ nén vữa đất Geopolymer + Nghiên cứu khỏa sát ảnh hưởng tỷ lệ phần trăm cát sét đến tính chất cường độ nén vữa đất Geopolymer Với tiêu trên, nghiên cứu tiến hành với tỷ lệ dung dịch hoạt hóa, tro bay khác tỷ lệ cát sét khác Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer Hình 3-3 Tro bay 3.1.4 Thủy tinh lỏng (Sodium silicate) - Thủy tinh lỏng hay gọi sodium silicate ( Na2SiO3) dung dịch suốt, sánh, không màu màu vàng xanh Khi tổng hợp Geopolymer, thủy tinh lỏng đóng vai trò nguồn cung cấp oxit silic - Thủy tinh lỏng có phản ứng kiềm, có độ nhớt lớn keo Nếu bảo quản kín sử dụng lâu dài dễ bị phân rã để không khí Độ phân rã lớn modun silic cao Thủy tinh lỏng chất hoạt động hóa học, tác dụng với nhiều chất dạng rắn, khí, lỏng, dễ bị kết tủa keo - Thủy tinh lỏng tìm hiểu vào năm cuối kỉ 19 Zwick Vào năm 1648 Von Glauber tổng hợp Kali silicate cách nấu thạch anh với loại tro chứa K2CO3 Sau hòa tan vào nước hỗn hợp ông dung dịch nhờn Sản phẩm sản phẩm gây tò mò cho nhiều nhà khoa học đến năm 1818 tổng hợp thành công nhà khoa học Johann Nepomuk von Fuchs - Thủy tinh lỏng chủ yếu hỗn hợp M 2O (oxit kim loại kali), SiO nước M2O Na2O, K2O hay Li2O Công thức chung viết xSiO 2.M2O.zH2O Trong x mức độ polymer hóa, z số phần tử nước Nếu xét thủy tinh lỏng Geopolymer, diễn tả theo công thức: (Na,K) – (Si – O – O) n Hoặc (Na,K) – poly(siloxonate) - Tính thủy tinh lỏng thay đổi theo mức độ polymer hóa có mặt nước, dung dịch Hai thông số quang trọng biểu diễn chúng là: + Tỷ lệ khối lượng SiO2 M2O.(Tỷ lệ WR) + Tỷ số mol SiO2 M2O (Tỷ lệ MR) - Cả hai loại thông số sử dụng không khác biệt công nghiệp gây nhầm lẫn Tỷ lện MR thường sử dụng khoa học công nghệ Geopolymer Bởi khối lượng phân tử Na2O khối lượng phân tử SiO2 chênh lệch nên có khác biệt tỷ lệ MR WR thủy tinh lỏng - Để chế tạo thủy tinh lỏng, người ta sử dụng hai phương pháp sau: hòa trộn Alkali silicate sinh từ lò nung nước phương pháp thủy nhiệt - Thủy tinh lỏng ứng dụng nhiều nhiều ngành công nghiệp khác nhau: Sản xuất chất tây rửa, silicagel, làm keo gián, xử lý nước, phụ gia sản xuất gốm sứ, xi măng, tròn công nghiệp dệt nhuộm, sản xuất giấy Ngoài thủy tinh lỏng sử dụng để chế tạo xi măng bền axit, sơn silicat, men lạnh, chế tạo hợp chất silicat rỗng phục vụ cho việc lọc hợp chất khác Chế tạo vật liệu chịu nhiệt, cách âm, chất cách điện, chất bọc que hàn điện, vật liệu xây dựng, chất độn sử dụng dạng làm vật liệu chống ăn mòn Trong nghiên cứu khoa học ta sử dụng loại thủy tinh lỏng có thành phần SiO2 = 30.1%, Na2O = 9.4%, H2O = 60.5% Hàm lượng SiO2/Na2O = 3.2, tỷ 1.42 ± 0.01 g/ml Dung dịch có màu trắng đục Hình 3-4 Dung dịch sodium silicate Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer 3.1.5 Dung dịch NaOH (Sodium hydroxit) Trong trình chế tạo vật liệu Geopolymer, NaOH xem dung dịch hoạt hóa để tạo phản ứng polymer hóa Dung dịch có màu sắc vàng (phụ thuộc vào nồng độ mol dung dịch) Dung dịch hoạt hóa polymer đóng vai trò quan trọng trình Polymer hóa Tỷ lệ nồng độ mol SiO2 Na2O dung dịch hoạt hóa polymer nhiều nghiên cứu đề xuất Tuy nhiên luận văn ta sử dụng NaOH có chất lượng sau: Dung dịch NaOH pha chế từ Natri nguyên chất dạng rắn, màu trắng đục, độ tinh khiết 90%, khối lượng riêng 2.130 kg/m Nồng độ mol pha chế dùng thí nghiệm nghiên cứu 10 mol Dung dịch hòa tan có màu trắng đục, không mùi Hình 3-5 Sodium hydroxit 3.1.6 Xi măng Xi măng sử dụng xi măng Poóc – Lăng PCB 40 Thỏa mãn điều kiện tiêu chuẩn TCVN 2682:2009 Hình 3-6 Xi măng 3.1.7 Vôi Vôi bột tiến hành thí nghiệm, kiểm tra chất lượng theo tiêu chuẩn TCXDVN 312 : 2004 Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer Hình 3-7: Vôi bột 3.2 Thiết kế thành phần cấp phối Thành phần cấp phối tính toán cho phần nghiên cứu: Tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/ tro bay 0,6; 0,7 0,8 Tương ứng với tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa tỷ lệ thành phần Dung dịch hoạt hóa Sodium Silicat/Sodium Hydroxit 0,5; 1,0 2,0 Với cấp phối ta xác định ảnh hưởng thành phần đối cường độ mẫu tạo thành Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer với 3.3 Phương pháp thí nghiệm 3.3.1 Trình tự thí nghiệm - Trình tự thí nghiệm diễn tả theo sơ đồ Hình 3-8 Sơ đồ trình thí nghiệm vữa đất 3.3.2 Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu - Thành phần nguyên liệu chế tạo vữa đất Geopolymer luận văn bao gồm: vật liệu cung cấp Al2O3 (tro bay), dung dịch Alkali,vôi, đất sét,cát - Tro bay dạng hạt mịn chứa bao, định lượng trước nhào trộn - Dung dịch Alkali hỗn hợp dung dịch NaOH thủy tinh lỏng Để tạo dung dịch NaOH, ta hòa tan NaOH dạng vảy rắn vào nước theo nồng độ mol/l cho trước Hình 3-9 Cân, chuẩn bị nguyên liệu 3.3.3 Giai đoạn nhào trộn đúc khuôn - Các thành phần nguyên liệu sau định lượng nhào trộn tay khoảng phút tạo thành hỗn hợp vữa khô Hình 3-10 Trộn khô - Hỗn hợp dung dịch lỏng bao gồm dung dịch NaOH, thủy tinh lỏng chuẩn bị trước đổ vào hỗn hợp vữa khô bắt đầu trình nhào trộn ướt khoảng phút Hình 3-11 Trộn ướt - Tiến hành đổ khuân Hình 3-12 Tiến hành đổ khuôn - Tạo hình mẫu phương pháp ép mẫu 60x120mm, đầm tay, đầm lớp, lớp đầm 20 nhát chày 3.3.4 Giai đoạn tĩnh định - Mẫu tĩnh định khuôn khoảng ngày nhiệt độ phòng, sau tháo khuôn dưỡng hộ ẩm 3.3.5 Dưỡng hộ ẩm - Mẫu đặt thùng xốp, thùng có nước mẫu đặt phía mặt nước - Mẫu đặt thùng xốp ngày trước lấy để kiểm tra cường độ 3.3.6 Nén mẫu - Khi dưỡng hộ nhiệt, mẫu thử xác định khối lượng cân điện tử Từ ta tính toán khối lượng thể tích mẫu - Sau mẫu thử đặt vào máy nén để xác định lực nén tác dụng lên mẫu Qua đó, ta tính cường độ chịu nén mẫu vữa đất Geopolymer Từ số liệu ta vẽ biểu độ thể mối quan hệ cường độ chịu nén yếu tố ảnh hưởng Hình 3-13 Nén mẫu PHẦN 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4.1 Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa/tro bay đến cường độ nén: 4.1.1 Đối với cấp phối Cát 75% Sét 25% Tỷ lệ phần trăm (NaOH+TTL) Biểu đồ 4.1: Mối quan hệ tỷ lệ phần trăm (NaOH+TTL) cường độ nén với tỷ lệ Cát 75% Sét 25% Kết biểu đồ 4.1 cho Cườn thấy cường độ nén mẫu đất lúc chưa cho dung dịch g độ cho dung dịch Geopolymer với tỷ lệ %(NaOH+TTL) Geopolymer đạt giá trị 0.42 MPa Khi nén 10% cường độ nén mẫu tăng (Mlên 1.63 MPa, gần gấp lần so với lúc chưa có dung dịch ) Geopolymer Khi cho dung dịch Geopolymer với tỷ lệ %(NaOH+TTL) 15% cường độ nén mẫu tiếp tục tăng lên đạt giá trị 1.97 MPa, gấp gần lần so với lúc chưa có dung dịch Geopolymer, tăng 20% so với lúc có dung dịch Geopolymer với tỷ lệ %(NaOH+TTL) 10% 4.1.2 Đối với cấp phối Cát 50% Sét 50% Tỷ lệ phần trăm (NaOH+TTL) Biểu đồ 4.2: Mối quan hệ tỷ lệ phần trăm (NaOH+TTL) cường độ nén với tỷ lệ Cát 50% Sét 50% Cườn Kết biểu đồ 4.2 cho thấy cường độ nén mẫu đất lúc chưa cho dung dịch g độ Geopolymer đạt giá trị 0.09 MPa nén Khi cho dung dịch Geopolymer với tỷ lệ %(NaOH+TTL) (Mlên 1.29 MPa, gấp 14 lần so với lúc chưa có dung dịch 10% cường độ nén mẫu tăng ) Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer Geopolymer Khi cho dung dịch Geopolymer với tỷ lệ %(NaOH+TTL) 15% cường độ nén mẫu tiếp tục tăng lên đạt giá trị 1.73 MPa, gấp 22 lần so với lúc chưa có dung dịch Geopolymer, tăng 34% so với lúc có dung dịch Geopolymer với tỷ lệ %(NaOH+TTL) 10% 4.1.3 Đối với cấp phối Cát 25% Sét 75% Tỷ lệ phần trăm (NaOH+TTL) Biểu đồ 4.3: Mối quan hệ tỷ lệ phần trăm (NaOH+TTL) cường độ nén với tỷ lệ Cát 25% Sét 75% Kết biểu đồ 4.2 cho Cườn thấy cường độ nén mẫu đất lúc chưa cho dung dịch g độ 1.62 Geopolymer đạt giá trị 0.04 MPa.nén Khi cho dung dịch Geopolymer với tỷ lệ %(NaOH+TTL) (Mlên 1.03 MPa, gấp gần1.03 10% cường độ nén mẫu tăng 26 lần so với lúc chưa có dung dịch ) Geopolymer Khi cho dung dịch Geopolymer với tỷ lệ %(NaOH+TTL) 15% cường độ nén mẫu tiếp tục tăng lên đạt giá trị 1.62 MPa, gấp 40 lần so với lúc chưa có dung dịch 0.04 Geopolymer, tăng 57% so với lúc có dung dịch Geopolymer với tỷ lệ %(NaOH+TTL) 10% Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer 4.2 Ảnh hưởng tỷ lệ phần trăm cát sét đến cường độ nén: Tỷ lệ phần trăm (NaOH+TTL) Biểu đồ 4.4: Mối quan hệ tỷ lệ phần trăm (NaOH+TTL) cường độ nén với tỷ lệ Cát Sét Cườn g độ nénđộ nén mẫu tăng cho dung dịch Geopolymer Kết biểu đồ 4.4 cho thấy cường (M vào so với lúc chưa cho dung dịch Geopolymer Với mẫu có dung dịch Geopolymer tỷ lệ % ) (NaOH+TTL) 15% cường độ nén mẫu lớn so với mẫu có dung dịch Geopolymer tỷ lệ %(NaOH+TTL) 10% Cường độ nén mẫu ứng với tỷ lệ cát sét khác tăng dần theo thứ tự: Cát 25% Sét 75%, Cát 50% Sét 50%, Cát 75% Sét 25% Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận Bài nghiên cứu khoa học nghiên cứu ảnh hưởng thành phần hoạt hóa tỷ lệ cát sét đến vữa đất Geopolymer Qua tìm cấp phối có cường độ cao, từ kết nghiên cứu thực nghiệm, ta rút kết luận sau: Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa tro bay đến cường độ nén : Kết thí nghiệm cho thấy rằng, với mẫu có dung dịch Geopolymer tỷ lệ % (NaOH+TTL) 15% cường độ nén mẫu lớn so với mẫu có dung dịch Geopolymer tỷ lệ %(NaOH+TTL) 10% trường hợp có cường độ nén mẫu lơn so với mẫu dung dịch Geopolymer Ảnh hưởng hàm lượng hạt sét đến cường độ nén mẫu vữa Geopolmer: Kết thí nghiệm cho thấy tăng hàm lượng hạt sét cường độ nén giảm Cường độ nén mẫu ứng với tỷ lệ cát sét khác tăng dần theo thứ tự: Cát 25% Sét 75%, Cát 50% Sét 50%, Cát 75% Sét 25% 5.2 Hướng phát triển đề tài Xét mặt khoa học kết nghiên cứu thực nghiệm, đề tài nghiên cứu tìm cấp phối tốt vữa đất Geopolymer, tận dụng nguồn nguyên vật liệu sẵn có: đất sét, tro bay, cát Đề tài nghiên cứu so sánh tỷ lệ cát sét cho vữa đất Geopolymer Đề tài mở nhiều hướng nghiên cứu vật liệu geopolymer đất, mở rộng nhiều ngành công nghiệp sản xuất tượng đất sét, gạch đất sét không nung, hướng kỹ thuật gia cố đất yếu Nếu tiến hành nghiên cứu sâu hơn, khảo sát rõ trình hoạt hóa geopolymer đất đến tính chất mẫu tạo thành ta thay tro bay tro trấu để khảo sát trình hoạt hóa Geopolymer, hóa đá đất sét công nghệ Geopolymer để tăng cường độ từ mở nhiều hướng cho phù hợp thân thiện với môi trường TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Chánh (2009), Tận dụng phế thải bùn đỏ từ quặng boxit để sản xuất gạch đất sét không nung nhiệt độ thấp, Đại học Bách Khoa TpHCM Jose Davidovit, Man – Make rock geosynthesic and the resulting development of very early high strength cement J Davidovits (2011), Geopolymer Chemistry and Applications, Saint –Quenten – France, Geopolymer Institute , 612 page H Xu and J.S.Jvan Deventer (2002), Microstructural characterization of multiple minerals Minerals – Engeneering, pp1131 – 1139 H Xu and J.S.Jvan Deventer (2002), Microstructural characterization of Geopolymers synthesized from kaolinitestibite mixturesusing XRD, MÁ – NMR, SEM/EDX, TEM/EDX and HREM, Cement and Concrete Research 32, pp 1705 – 1716 J.L Bel and M Gordon W MKriven (2002), Microstructure and micro chemistry of fully reacted, Geopolymer and Geopolymer matrix composites, ceramic transactions, số Advances in ceramic Matrix Composites IX, pp 227 – 250 H Xu and J.S.Jvan Deventer (2002), The effect of Alkali metals on the fornation of Geopolymeric gels from Alkali – fekspars, Colloids and Surfaces, số A Physicochemical and Engerneering Aspects, pp 24- 27 T.WCheng and J.PChiu (2003), Fire – Resistant Geopolymer proceduced by granulated blast furnace slag, Minerals Egeneering, pp 205 – 210 Catheric Anne Rees (2007), Mechanisms and kinetics of gel gformation in Geopolymers, A thesis of Doctor of Philosophy, (Department of Chemical and Biomolecular Egeneering, The University of Melnourne) 10 Prof Dr Joseph Davidovits (2002), 30 Years of successes and Failures in Geopolymer Applications, Market Trends and Potential Break throughs, Geopolymer 2002 Conference 11 Joseph Davidovits, Enviromentally driven Geopolymer cement Application 12 Zongjin Li, Zhu Ding and Yunshen Zhang, Development of sustainable Cementitious Marterial, pp 55 – 73 13 N.K.L (Dịch tuef Global Cement Magazine, tháng 2/2011) Bê tông Geopolymer – Một sản phẩm thương mại Đề tài: Gia cố đất yếu đường giao thông phương pháp Geopolymer 14 J Davidovits, Davidovits, R., and James, C (1999), The Proceeding of Geopolymer 99, 2nd International Conference on geopolymers, tr 368 15 Qingyuan Liu Eric C Moloy, Alexandra Navrotsky (2006), Formation and hydration enthalpies of the hydrosodalite family of materials, Microporous and Mesoporous Materials, số 88(1-3) 16 D Hardjito (2005), Development and properties of low-calcium fly ash based geopolymer concrete, Curtin University of Technology Perth, Australia 17 John L Provis (2009), Geopolymers: Structure, processing, properties and industrial applications 18 Praha Skvara (2007), Alkali actived material – geopolymer 19 H Kamarudina Y.M Liewa , A.M Mustafa Al Bakri (2012), Processing and characterization of calcined kaolin cement powder, Construction and Building Materials, số 30, tr 794–802 20 Davidovits (1994) “Properties of Geopolymer Cements” The proceeding First International Conference on Alkaline Cements and concretes, pp 131 -139 21 J Davidovits, Davidovits, R and James, C (1990), The Procceeding of Geopolymer 99, 2nd International Conference on Geopolymer, pp 368 A Fernadez – Jimenez (2005), Microstructure development off Alkali – activated fly ash cement: a descriptive model, cement and concrete research 35 22 Bùi Đăng Trung (2008), “Nghiên cứu chế tạo bê tông bền vững không sử dụng xi măng Portland”, Luận văn thạc sỹ, Đại học Bách Khoa TpHCM [...]... tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer nhau và dựa vào đó, khoáng vật sẽ được xác định Kiểu nhiễu xạ của các khoáng vật đã biết sẽ được xuất bản và căn cứ vào đó để so sánh Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer với các khoáng vật chưa biết Nhưng vấn đề rắc rối gặp phải là với những loại đất là hỗn hợp các khoáng vật sét, đất có chứa hữu... hydrosodalite có cấu trúc vô định hình, nên phải kết hợp các phương pháp phân tích hiện đại mới có thể xác định được Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer CHƯƠNG 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 3.1 Nguyên liệu 3.1.1 Đất sét Đất sét sử dụng là nguồn đất sét trong tự nhiên: Thí nghiệm theo TCVN 4195:1995 và TCVN 4197:1995, Đất có các tính chất vật lý như sau: - 3 Khối lượng... Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer với 3.3 Phương pháp thí nghiệm 3.3.1 Trình tự thí nghiệm - Trình tự thí nghiệm được diễn tả theo sơ đồ Hình 3-8 Sơ đồ quá trình thí nghiệm vữa đất 3.3.2 Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu - Thành phần nguyên liệu chế tạo vữa đất Geopolymer trong luận văn này bao gồm: vật liệu cung cấp và Al2O3 (tro bay), dung dịch Alkali,vôi, đất sét,cát... phản ứng một cách riêng biệt (Palomo et al 1999) [14] Phản ứng hóa học của quá trình geopolymer có thể diễn ra theo 1 trong 2 phương trình (2-2) hoặc (2-3) bên dưới: [3] [14] Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer (D.Hardjito, 2005) [16] Tuy nhiên, quá trình phản ứng hóa học tạo thành geopolymer có thể được phân ra thành các bước chính sau: Hòa tan các phân tử Si và Al... * Clay = khoáng sét Như vậy bằng phản ứng trao đổi cation , mạch hydrocacbon dài được gắn lên bề mặt các lớp khoáng sét Các mạch hydrocacbon một mặt làm tăng khoảng cách giữa các lớp khoáng sét, mặt khác chúng có thể tương hợp tốt với các mạch polymer trong quá trình chế tạo vật liệu đất sét mới 2.1.2 Tro bay Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer Tro bay là một Puzzolan... hình hành các anion tạm thời và có khả năng hấp thụ cation mạnh Từ đó các cation kim loại đóng vai trò là cầu nối hình thành các monomer đất có cấu trúc bền vững hơn Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer Hình 2-9 Sơ đồ cấu trúc monomer đất sét dưới tác dụng của dung dịch Sodium Hydroxit [15] [19] Cấu trúc của hydrosodalite đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu , đây là... Khối lượng riêng: 2.63 (g/cm ) - 3 Khối lượng thể tích khô: 2.56 (g/cm ) 3 Khối lượng thể tích ở trạng thái bão hòa: 2.58 (g/cm ) Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer Hình 3-2 Cát 3.1.3 Tro bay Tro bay loại F: là sản phẩm thu được chủ yếu sau quá trình đốt cháy than bitum hoặc than anthracite trong nhà máy nhiệt điện Tro bay loại F có lượng than chưa cháy 2- 10% tính... Thành phần khoáng chủ yếu có quartz, mullite và hematite Thành phần hóa của hai loại tro bay F theo tiêu chuẩn ASTM C618 – 94a được thể hiện như bảng sau: Bảng 3-5 Phân loại tro bay theo TC ASTM C618 – 94a Thành phần hóa học (%) Loại F Min (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) 70 Max (SiO3) 5 Max ( hàm lượng sau khi nung) 6 Max (CaO) 10 Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer Hình 3-3... H2O = 60.5% Hàm lượng SiO2/Na2O = 3.2, tỷ trong 1.42 ± 0.01 g/ml Dung dịch có màu trắng đục Hình 3-4 Dung dịch sodium silicate Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer 3.1.5 Dung dịch NaOH (Sodium hydroxit) Trong quá trình chế tạo vật liệu Geopolymer, NaOH được xem là dung dịch hoạt hóa để tạo ra phản ứng polymer hóa Dung dịch có màu sắc hơi vàng (phụ thuộc vào nồng độ mol... Những ion dương (Na , K , Li , Ca , Ba , NH , H3O ) phải hiện diện 3+ [18] trong các hốc của khung để cân bằng điện tích của Al và hình thành monomer mới như hình bên dưới: Công thức kinh nghiệm của poly sialate: [3] M (-(SiO2) z-AlO2)n wH2O n Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer Trong đó : M – các cation kim loại kiềm hay kiềm thổ; n – mức độ polymer hoá; z = 1,2,3…cao