Tính chất cơ học của bê tông geopolymer sử dụng tro bay gia cường sợi poly-propylene

Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của sợi poly-propylene đến các tính chất của bê tông geopolymer. Sợi poly-propylene với hàm lượng 0.5% - 1.5% theo thể tích và tỷ lệ chiều dài trên đường kính sợi từ 100 đến 500 được sử dụng trong nghiên cứu này. Bê tông geopolymer hoạt hóa từ tro bay đạt cấp độ bền B25.

VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MƠI TRƯỜNG TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER SỬ DỤNG TRO BAY GIA CƯỜNG SỢI POLY-PROPYLENE TS PHAN ĐỨC HÙNG Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh TS LÊ ANH TUẤN Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng 0.0031, mô đun đàn hồi thay đổi từ 21.32 GPa - sợi poly-propylene đến tính chất bê tông 26.1GPa hệ số Poisson đạt từ 0.12 - 0.152 geopolymer Sợi poly-propylene với hàm lượng 0.5% - 1.5% theo thể tích tỷ lệ chiều dài Từ khóa: Sợi poly-propylene, bê geopolymer, tro bay, dung dịch hoạt hóa đường kính sợi từ 100 đến 500 sử dụng Giới thiệu nghiên cứu Bê tơng geopolymer hoạt Nghiên cứu đặc tính học bê tông geopolymer nhiều tác giả thực so sánh với bê tông xi măng nhằm ứng dụng vật liệu nhiều cơng trình Đặc tính bê tơng geopolymer có tính chất cường độ, khả lưu biến mối quan hệ ứng suất biến dạng gần tương đồng với bê tông xi măng [1-4] Các nghiên cứu ứng dụng số loại sợi khác thêm vào bê tông geopolymer để xem xét ứng xử học bê tơng sợi hình hóa từ tro bay đạt cấp độ bền B25 Kết cho thấy sợi poly - propylene làm giảm độ linh động hỗn hợp bê tông Hàm lượng sợi, chiều dài sợi tỷ lệ chiều dài đường kính sợi ảnh hưởng nhiều đến tính chất bê tơng Tính chất học bê tơng geopolymer gia cường 0.5% hàm lượng sợi cải thiện tốt Kết thực nghiệm cho thấy giá trị biến dạng bê tông dùng sợi thay đổi từ 0.0022- tơng Hình Mối quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông sử dụng sợi Sợi tổng hợp, sợi thép loại sợi khác nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng nhằm gia cường số tính chất học nghiên cứu từ năm 1960 Đối với bê tông geopolymer, tác giả Monita Olivia [5] nghiên cứu sử dụng sợi poly-propylene cho vào bê tông geopolymer để xác định đặc tính lý nhận xét bám dính sợi poly propylene với bê tơng geopolymer 60 có khác biệt so với bê tông xi măng Nghiên cứu Zhang cộng [6] cho thấy sử dụng sợi poly –propylene có khả gia cường khả chịu kéo vật liệu geopolymer Sự xuất vết nứt bê tơng geopolymer cho thấy sợi tạo nên hiệu ứng chuyển tiếp qua lỗ rỗng có hại, khuyết tật thay đổi cách mở rộng vết nứt Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016 VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG Nghiên cứu sử dụng vật liệu bê tông geopolymer tổng hợp từ tro bay, kết hợp sử dụng sợi poly-propylene có tỷ lệ chiều dài đường kính sợi (l/d) thay đổi từ 100 đến 500 với hàm lượng đến 1.5% để đánh giá khả làm việc sợi bê tơng geopolymer đến tính chất bê tông geopolymer Nguyên vật liệu phương pháp thí nghiệm 2.1 Nguyên vật liệu Vật liệu sử dụng chế tạo bê tông geopolymer bao gồm: Tro bay có hàm lượng calcium thấp vật liệu nguồn cung cấp alumium-silicate, dung dịch hoạt hóa, cốt liệu đá dăm cát Ngoài ra, sợi poly-propylene thêm vào với hàm lượng tỷ lệ chiều dài sợi đường kính sợi (l/d) khác để khảo sát ứng xử loại bê tông Cốt liệu bao gồm đá dăm cát sông sử dụng có khối lượng riêng theo thứ tự 2700 2650kg/m3 Cỡ hạt lớn đá dăm Dmax 20mm Cát có mơ đun độ lớn 1.85 Tro bay loại F sử dụng có nguồn gốc từ nhà máy nhiệt điện, khối lượng riêng 2500 kg/m3, độ mịn 94% lượng lọt qua sàng có cỡ sàng 0.08 mm Thành phần hóa học tro bay trình bày bảng Bảng Thành phần hóa học tro bay Thành phần hoá học SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O + Na2O MgO SO3 MKN(*) % khối lượng 51.7 31.9 3.48 1.21 1.02 0.81 0.25 9.63 (*) MKN : nung Dung dịch hoạt hóa sử dụng thí nghiệm để hoạt hóa q trình geopolymer hóa bê tơng Dung dịch kết hợp sodium hydroxide sodium silicate Sodium hydroxide khan có dạng vảy rắn, màu trắng đục, độ tinh khiết 90% khối lượng riêng 2130kg/m3 Để chế tạo dung dịch sodium hydroxide, NaOH khan hòa tan vào nước theo nồng độ 16mol/l cho trước, tỷ trọng 1.17 g/cm Dung dịch sodium silicate sử dụng với hàm lượng Na2O SiO2 dao động từ 36% đến 38%, tỷ trọng 1.42±0.01 g/cm3 Hình dáng đặc tính loại sợi trình bày hình bảng a Sợi poly-propylene Trong phạm vi nghiên cứu, sợi polypropylene dùng để chế tạo mẫu với nhiều tỷ lệ chiều dài sợi đường kính sợi (l/d) khác Loại sợi Sợi PP Đường kính (mm) 0.05 Hình Sợi poly - propylene Bảng Đặc tính sợi sợi poly - propylene Chiều dài Khối lượng Mô đun đàn Tỷ lệ l/d (mm) riêng (kg/m3) hồi (MPa) 100 10 200 15 300 20 400 25 500 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016 910 3500 Cường độ chịu kéo (MPa) 700 61 VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MƠI TRƯỜNG 2.2 Cấp phối Các cấp phối bê tơng geopolymer sử dụng dung dịch sodium hydroxide có nồng độ 16 mol/lít, tỷ lệ dung dịch alkaline – tro bay 0.7, tỷ lệ dung dịch sodium silicate-dung dịch sodium hydroxide 2.5 Sợi polypropylene với tỷ lệ chiều dài – đường kính khác thêm vào với hàm lượng 0, 0.5, 1.0 1.5% theo thể tích Tỷ lệ chiều dài – đường kính sợi thay đổi từ 100 đến 500 Cấp phối bê tơng geopolymer trình bày bảng Bảng Cấp phối cho bê tông geopolymer (kg/m3) Đá dăm Cát Tro bay Dung dịch sodium silicate 1079 556 418 213 Hỗn hợp bê tơng geopolymer có sử dụng sợi poly - propylene chế tạo khn hình trụ theo ASTM C39 ASTM C78 Mẫu sau tạo hình để tĩnh định ngày tháo khuôn đem dưỡng hộ nhiệt 90oC 10 để q trình geopolymer hóa diễn Dung dịch sodium hydroxide 16M 86 nén theo ASTM C39 với tốc độ gia tải 0.2MPa/giây - Thực nghiệm xác định khả chịu uốn bê tông geopolymer theo ASTM C78 với tốc độ gia tải 4MPa/phút đặt môi trường phòng thí nghiệm - Thực nghiệm khả chịu kéo gián tiếp bê tông geopolymer theo ASTM C496 với tốc độ gia tải 1MPa/phút thực thí nghiệm xác định cường độ chịu nén Kết thí nghiệm cường độ chịu uốn ngày tuổi Kết thí nghiệm chịu nén, kéo gián tiếp (ép chẻ), uốn, mô đun đàn hồi hệ số Poisson bê tơng geopolymer (GPC) có gia cường sợi poly - propylene (PP) trình bày bảng Sau trình dưỡng hộ nhiệt, mẫu - Xác định mối quan hệ ứng suất - biến dạng hệ số poisson, mô đun đàn hồi Bảng Kết thí nghiệm Ký hiệu Tỷ lệ (l/d) Hàm lượng sợi (%) GPC P1-05 P1-10 P1-15 P2-05 P2-10 P2-15 P3-05 P3-10 P3-15 P4-05 P4-10 P4-15 P5-05 P5-10 P5-15 100 100 100 200 200 200 300 300 300 400 400 400 500 500 500 0.0 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 Cường độ chịu nén (MPa) 32.61 34.68 34.14 30.86 36.21 34.72 33.29 35.59 32.24 28.21 35.77 34.34 28.73 35.08 32.29 28.07 Cường độ kéo gián tiếp (ép chẻ) (MPa) 3.7 4.05 3.92 3.84 4.20 4.11 3.95 4.11 3.87 3.88 3.97 3.60 3.52 3.85 3.75 3.64 Cường độ chịu uốn (MPa) Độ bẹt (cm) Mô đun đàn hồi (GPa) Hệ số Poisson 5.89 6.27 6.55 6.71 6.31 6.69 6.90 6.45 7.45 7.98 6.30 7.17 7.32 6.27 6.69 7.11 63 56 51 47 53 49 45 52 47 45 50 45 42 48 44 42 25.40 25.80 24.02 22.71 26.10 25.37 23.09 25.82 25.15 21.32 26.08 25.23 21.87 25.93 22.98 21.88 0.128 0.141 0.132 0.129 0.152 0.139 0.132 0.146 0.140 0.129 0.143 0.128 0.122 0.140 0.125 0.120 3.1 Độ linh động bê tông geopolymer cốt sợi poly-propylene Xác định ảnh hưởng hàm lượng tỷ lệ l/d sợi đến độ linh động bê tông geopolymer thông qua thí nghiệm độ bẹt, kết thể hình 62 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016 VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MƠI TRƯỜNG Hình Mối quan hệ độ bẹt với hàm lượng tỷ lệ l/d sợi Kết cho thấy hàm lượng sợi tỷ lệ l/d sợi tăng độ bẹt hỗn hợp bê tơng giảm Nguyên nhân hàm lượng sợi cao dẫn đến vật liệu bị sợi chiếm chỗ dễ gây vón cục, làm hạn chế độ linh động bê tông 3.2 Khả chịu nén bê tông geopolymer sử dụng sợi poly - propylene Thí nghiệm nén mẫu kết hợp với đo biến dạng mẫu strain gauge thực nhằm xác định khả làm việc chịu nén bê tơng geopolymer cốt sợi poly-propylene Hình thể ảnh hưởng hàm lượng sợi tỷ lệ l/d sợi đến cường độ chịu nén cấp phối bê tơng geopolymer Hình Mối quan hệ cường độ chịu nén với hàm lượng tỷ lệ l/d sợi Kết cho thấy sử dụng hàm lượng sợi 0.5% cường độ chịu nén tăng, nhiên tăng hàm lượng sợi lên 1% 1.5% cường độ chịu nén lại có xu hướng giảm cho loại sợi có tỷ lệ l/d từ 100 đến 500 Sự tăng cường độ chịu nén khoảng 6.36% đến 11.05% hàm Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016 lượng sợi sử dụng 0.5%, tốt cấp phối sử dụng loại sợi có l/d 200 Hầu hết cấp phối sử dụng hàm lượng 1.5% nhỏ so với cấp phối không sợi giảm cường độ lớn lên đến 13.91% xảy cấp phối sử dụng loại sợi có l/d 500 63 VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MƠI TRƯỜNG Hình Mối quan hệ biến dạng tải lớn với hàm lượng tỷ lệ l/d sợi Ngoài ra, tăng hàm lượng sợi sử dụng bê tơng geopolymer có khả biến dạng tăng lên (hình 5) sợi poly - propylene phát huy tốt hiệu ứng bắc cầu bê tơng geopolymer Hình Mối quan hệ ứng suất nén biến dạng cấp phối bê tơng geopolymer cốt sợi poly-propylene có tỷ lệ l/d 200 Hình thể ứng xử bê tơng geopolymer sử dụng sợi poly - propylene có tỷ lệ l/d 200 chịu nén Các đường cong ứng suất-biến dạng cho thấy bê tơng geopolymer có giá trị biến dạng ứng suất đỉnh đạt khoảng 0.0021, cấp phối sử dụng sợi có tỷ lệ l/d 200 với hàm lượng từ 0.5% đến 1.5% có giá trị biến dạng nằm khoảng từ 0.0024 đến 0.0031 3.3 Khả chịu kéo gián tiếp bê tông geopolymer cốt sợi poly - propylene Thí nghiệm kéo gián tiếp (ép chẻ) uốn mẫu thực nhằm xác định khả làm việc chịu kéo gián tiếp bê tông geopolymer sử dụng sợi poly - propylene Hình thể ảnh hưởng hàm lượng sợi tỷ lệ l/d sợi đến cường độ chịu kéo gián tiếp cấp phối bê tơng geopolymer 64 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016 VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG Hình Mối quan hệ cường độ chịu kéo gián tiếp với hàm lượng tỷ lệ l/d sợi Kết cho thấy ảnh hưởng sợi poly - độ chịu gián tiếp đạt 4.2MPa, tăng 13.51% so với propylene đến khả chịu kéo gián tiếp bê cấp phối bê tông geopolymer Khác với khả chịu nén kéo gián tiếp, cường độ chịu uốn bê tông geopolymer tăng theo hàm lượng sợi sử dụng cho với tất tỷ lệ l/d sợi poly - propylene, kết thể hình Trong đó, cấp phối sử dụng loại sợi có tỷ lệ l/d 300 với hàm lượng 1.5% cường độ chịu uốn đạt 7.98MPa, tăng 35.48% so với cấp phối không sợi tông geopolymer sử dụng sợi poly propylene tương tự khả chịu nén, cường độ chịu kéo gián tiếp có khuynh hướng tăng hàm lượng sợi sử dụng 0.5% giảm tăng hàm lượng sợi sử dụng lên 1% 1.5% Khi sử dụng hàm lượng sợi poly-propylene 0.5% có tỷ lệ l/d 200 cường Hình Mối quan hệ cường độ chịu uốn với hàm lượng tỷ lệ l/d sợi Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016 65 VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MƠI TRƯỜNG Hình Mối quan hệ lực uốn chuyển vị cấp phối bê tơng geopolymer cốt sợi polypropylene có tỷ lệ l/d 300 Hình thể ứng xử bê tơng geopolymer sử dụng sợi poly - propylene có tỷ lệ l/d 300 chịu uốn Các đường cong lực chuyển vị cho thấy cấp phối bê tông geopolymer sử dụng sợi poly - propylene với hàm lượng 0.5%, cường độ uốn bê tông geopolymer tăng không đáng kể tính dẻo bê tơng cải thiện, chuyển vị dầm cốt sợi poly - propylene cao mẫu khơng sợi hình Kết tương đồng với nhận xét tác giả Zhang cộng [6] sử dụng sợi poly propylene có khả tăng độ dẻo dai nhiều cho bê tông geopolymer Khi hàm lượng tăng lên 1% 1.5%, khả chịu uốn tăng cao chuyển vị dầm tăng lên 3.4 Xác định mô đun đàn hồi hệ số Poisson bê tơng geopolymer cốt sợi poly - propylene Hình 10 Mối quan hệ mô đun đàn hồi với hàm lượng tỷ lệ l/d sợi 66 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016 VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MƠI TRƯỜNG Hình 11 Mối quan hệ hệ số Poisson với hàm lượng tỷ lệ l/d sợi Mối quan hệ mô đun đàn hồi hệ số Poisson với hàm lượng tỷ lệ l/d sợi tương tự cường độ chịu nén (hình 10 hình 11) Khi sử dụng loại sợi poly - propylene có đường kính chiều dài trên, giá trị mô đun đàn hồi lớn ứng với cấp phối bê tông geopolymer sử dụng sợi 0.5% có tỷ lệ l/d 200 đạt 26.1GPa Hệ số Poisson bê tông geopolymer đạt 0.128, cấp phối bê tông geopolymer sử dụng hàm lượng sợi với tỷ lệ l/d khác cho giá trị dao động từ 0.12 – 0.152 Kết luận Bài báo nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng sợi poly-propylene có tỷ lệ chiều dài đường kính sợi thay đổi với giá trị 100, 200, 300, 400 500 hàm lượng sử dụng 0.5%, 1.0% 1.5% thể tích đến bê tơng geopolymer sử dụng tro bay Các đặc tính học bê tơng geopolymer thay đổi sau: - Hỗn hợp bê tông geopolymer sử dụng sợi poly - propylene có độ linh động giảm nhiều so với cấp phối không sợi - Bê tơng geopolymer có khả gia cường cường độ nén, cường độ kéo mô đun đàn hồi sử dụng thêm sợi polypropylene với hàm lượng sợi khoảng 0.5% - Tỷ lệ chiều dài đường kính sợi polypropylene ảnh hưởng đến tính chất học bê tơng geopolymer Tỷ lệ l/d có giá trị tốt khoảng từ 200 đến 300 - Khi sử dụng sợi poly - propylene mơ đun đàn hồi đạt giá trị khoảng từ 21.32 đến 26.1GPa hệ số Poisson đạt khoảng từ 0.12 đến 0.152 Cần ý hàm lượng tỷ lệ l/d Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016 sợi sử dụng cho bê tơng geopolymer có khả làm suy giảm mơ đun đàn hồi hệ số Poisson TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Davidovits J (2011), Geopolymer Chemistry and Application, 3rd edition, Geopolymer Institute, French [2] Hardjito D and Rangan B.V (2005), “Development and properties of low-calcium fly ash-based geopolymer concrete”, Research Report GC1 Faculty of Engineering Curtin University of Technology Perth, Australia [3] Palomo A., Grutzeck M.W and Blanco M.T (1999), “Alkali-activated fly ashes – A cement for the future” Cement and Concrete Research, 29(8), pp 1323–1329 [4] Van Jaarsveld, Van Deventer and Lukey G.C (2003), “The characterization of source materials in fly ash based geopolymers” Materials Letters, 57(7), pp 1272-1280 [5] Monita Olivia (2011), “Durability Related Properties of Low Calcium Fly ash based Geopolymer Concrete” PhD Thesis Department of Civil Engineering, School of Civil and Mechanical Engineering, Curtin University of Technology, Australia [6] Zhang Zu-Hua et al (2009), “Preparation and mechanical properties of polypropylene fiber reinforced calcined kaolin-fly ash based geopolymer” Journal of Central South University of Technology, 16, pp 49-52 Ngày nhận bài: 14/12/2015 Ngày nhận sửa lần cuối: 04/01/2016 67 ... tính học bê tơng geopolymer thay đổi sau: - Hỗn hợp bê tông geopolymer sử dụng sợi poly - propylene có độ linh động giảm nhiều so với cấp phối không sợi - Bê tông geopolymer có khả gia cường cường... làm việc sợi bê tơng geopolymer đến tính chất bê tông geopolymer Nguyên vật liệu phương pháp thí nghiệm 2.1 Nguyên vật liệu Vật liệu sử dụng chế tạo bê tông geopolymer bao gồm: Tro bay có hàm... lớn ứng với cấp phối bê tơng geopolymer sử dụng sợi 0.5% có tỷ lệ l/d 200 đạt 26.1GPa Hệ số Poisson bê tông geopolymer đạt 0.128, cấp phối bê tông geopolymer sử dụng hàm lượng sợi với tỷ lệ l/d