Mục đích của nghiên cứu là quan sát sự ảnh hưởng của tro bay đến cơ tính của vữa và bê tông geopolymer. Cấu trúc của tro bay và geopolymer xi măng được thực hiện trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích nhiễu xạ tia X (EDX).
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2013 THÔNG BÁO KHOA HỌC KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRO BAY LÀM PHỤ GIA TRONG VỮA VÀ BÊ TÔNG TRÊN NỀN GEOPOLYMER POTENTIAL APPLICATIONS OF ADDING FLY ASH BASED GEOPOLYMER MORTAR AND CONCRETE Nguyễn Thắng Xiêm1 Ngày nhận bài: 11/10/2012; Ngày phản biện thông qua: 17/12/2012; Ngày duyệt đăng: 15/3/2013 TĨM TẮT Kể từ cơng thức hóa học vật liệu geopolymer tìm giáo sư người Pháp Joseph Davidovits, nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu tìm hiểu tất tính chất chúng nhằm áp dụng rộng rãi vật liệu vào sống Geopolymer lên vật liệu với tính chất thích hợp để bảo vệ môi trường; chúng xem vật liệu dùng để phủ, chất kết dính sợi composite xi măng bê tông Geopolymer xi măng tổng hợp từ bột xi măng đá phiến sét sau nung lò quay (10 nhiệt độ 7500C) theo tỷ lệ Si/Al = kết hợp với NaOH Na2SiO3 Mục đích nghiên cứu quan sát ảnh hưởng tro bay đến tính vữa bê tông geopolymer Cấu trúc tro bay geopolymer xi măng thực kính hiển vi điện tử quét (SEM) phân tích nhiễu xạ tia X (EDX) Từ khóa: tro bay, xi măng, cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn, lượng va đập ABSTRACT Since the chemistry of geopolymer materials was discovered by Prof Joseph Davidovits, many scientists have studied these new materials and investigated all properties of them that apply to our lives Geopolymers have emerged as a promising new material with environmentally sustainable properties And they also have promising as a new material for coatings and adhesives, a new binder for fiber composites, and new cement for concrete Geopolymer cement was synthesized from cement powder of shale burnt in rotary kiln (for 10 hours at 750 oC) with Si/Al molar ratio of 2.0 and combination with sodium hydroxide (NaOH) and sodium silicate (Na2SiO3) The purpose of this research is observing the influence of fly ash on mechanical properties of geopolymer mortar and concrete Microstructural observations of fly ash and geopolymer cement have been carried out by means of scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray analysis (EDX) Keywords: fly ash, cement, compressive strength, flexural strength, impact energy I ĐẶT VẤN ĐỀ Như biết việc sản xuất xi măng Portland thường thải lượng lớn khí CO2 vào bầu khí quyển, q trình phản ứng hóa học tạo CO2 từ việc nung đá vôi (canxi cacbonat - CaCO3) nhiệt độ cao (khoảng 1450 oC) với silic oxít (SiO2) theo phản ứng: 5CaCO3 + 2SiO2 → (3CaO,SiO2) + (2CaO,SiO2) + 5CO2 Quá trình sản xuất xi măng Portland thải khoảng khí CO2 vào bầu khí (Davidovits, 2008) Sự thật có khoảng 2,5 tỷ xi măng sản xuất năm, nghĩa người hành tinh phải gánh chịu 0,3 khí CO2 Đến năm 2050, sản lượng toàn cầu dự kiến đạt tỷ tấn, nghĩa thải khoảng tỷ CO2 vào khí (Temuujin, 2009) Vì nhu cầu cần tìm loại chất kết dính thân thiện với môi trường nhằm thay xi măng truyền thống điều cần thiết Gần đây, geopolymer lên vật liệu với tính chất thích hợp để bảo vệ môi trường Chúng thu hút quan tâm nhà khoa học tính chất chịu lửa tốt (lên đến 10000C), có tính độ bền lâu, có khả TS Nguyễn Thắng Xiêm: Khoa Xây dựng - Trường Đại học Nha Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ❖ 85 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2013 cố định ion kim loại nặng độ kháng axit (bao gồm nước biển), có độ co dẫn nhiệt thấp (Shuzheng cs, 2004; Hardjito cs, 2005; Duxson cs, 2007; Davidovits, 2008; Temuujin, 2009) Khả ứng dụng vật liệu geopolymer sử dụng nhiều ngành công nghiệp như: công nghiệp ô tô hàng không vũ trụ, đặc biệt cho ứng dụng mà yêu cầu cần chịu nhiệt độ cao cách nhiệt, gốm mới, xi măng, amiăng vật liệu công nghệ cao (Davidovits, 1991; Malhotra, 1991; Davidovits, 2008) Geopolymer tập hợp chuỗi hay mạng lưới phân tử khống vơ định hình liên kết với thông qua liên kết cộng hóa trị Q trình geopolymer hóa (là q trình tổng hợp để tạo thành vật liệu Geopolymer) liên quan đến phản ứng hóa học aluminosilicate oxit (Si2O5, Al2O2) với polysilicate kiềm nhằm dễ tạo phản ứng trùng ngưng polymer hình thành mối liên kết Si-O-Al Quá trình geopolymer hóa phụ thuộc vào tỷ lệ Si/Al, Davidovits phân biệt polysilicate thành bốn loại khác Poly(sialate) có dạng (-Si-O-Al-O-) với Si/Al = 1, Poly(sialate-siloxo) có dạng (-Si-O-Al-O-Si-O-) với Si/Al = 2, Poly(sialate-disiloxo) có dạng (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-) với Si/Al = 3, Poly (sialate-multisiloxo) với Si/Al >> (Shuzheng cs, 2004; Hardjito cs, 2005; Duxson cs, 2007; Davidovits, 2008) Nói chung, đất sét khống chất có chứa hàm lượng SiO2 Al2O3 cao pha lỗng vào dung dịch kiềm mạnh (như NaOH KOH) để tạo chuỗi phản ứng tỏa nhiệt q trình ge polymer hóa tạo vật liệu geopolymer Tro bay (fly ash) sản phẩm trình đốt cháy than nghiền nhà máy nhiệt điện Tro bay có kích thước hạt từ 1μm to 150μm đa số có hình cầu (mịn so với xi măng Portland vôi) Tùy thuộc vào nguồn thành phần than bị đốt cháy, thành phần hóa học tro bay có thay đổi đáng kể Tuy nhiên, thành phần tất tro bay tương tự có thành phần gần giống xi măng Portland SiO2, Al2O3, Fe2O3 CaO, Mg, K, Na, Ti, S chiếm số lượng Tùy thuộc vào hàm lượng cacbon nhiều hay mà tro bay có màu xám hay đen Nếu tro bay có màu sáng cho thấy hàm lượng cacbon thấp Hàng năm, nhà máy nhiệt điện thải lượng lớn tro bay, tro bay trở thành mối quan tâm nhà môi trường giới Sử dụng loại vật liệu giúp giảm chi phí sản xuất sản phẩm giảm đáng kể hiệu ứng nhà kính từ việc sản xuất xi măng bê tông (Malhotra, 1994; Assosiation, 2003; Lee cs, 2003; Potgieter cs, 2003; Hewlett, 2004; Fansuri, 2006; Mines, 2006; Ahmaruzzaman, 2010) Trong báo này, tác giả sử dụng bột xi măng hình thành từ đá phiến sét sau nung lò quay kết hợp với dung dịch kiềm để tạo vật liệu geopolymer xi măng Và mục đích nghiên cứu quan sát ảnh hưởng việc bổ sung tro bay đến tính vữa bê tông II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu 1.1 Hỗn hợp geopolymer Vật liệu geopolymer tổng hợp từ bột xi măng đá phiến sét đốt lò quay (ở nhiệt độ 750 oC với thời gian 10 giờ) với tỷ lệ Si/Al kết hợp với dung dịch kiềm (NaOH + Na2SiO3 với môđun 1,5) để tạo geopolymer xi măng Bột xi măng có diện tích bề mặt 20,8m2/g, kích thước trung bình d50 = 4,2μm d90 = 9.3μm Bảng mô tả thành phần hóa học bụi bay sau phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) Bảng Thành phần hóa học bụi bay xác định XRD Thành phần % khối lượng Al2O3 41.6 SiO2 52.6 Fe2O3 2.6 SO3 1.1 CaO LOI 0.8 1.3 (a) (b) Hình Hình SEM bột xi măng (a) với độ phóng đại 5000 lần geopolymer xi măng đóng rắn (b) phóng đại 500 lần 86 ❖ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2013 đóng rắn có nhiều vết nứt, việc thêm tro bay vào hỗn hợp geopolymer xi măng, vữa bê tông điều cần thiết để giảm tượng này, đồng thời ổn định tính giảm giá thành sản phẩm Bột xi măng (hình 1a) geopolymer xi măng sau đóng rắn (hình 1b) chụp từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) Bột xi măng nhìn chung có dạng sắc nhọn Từ hình 1b ta thấy bề mặt geopolymer xi măng sau Hình Biểu đồ phân bố kích thước hạt tro bay tốt để kết hợp với geopolymer tạo thành hỗn hợp bê tông 1.3 Đá dăm cát Đá dăm sử dụng có kích thước tiêu chuẩn từ mm đến 10 mm cát mịn có đường kính từ 0,14 đến 1,25 mm theo TCVN 7570 : 2006 Tất đá cát sấy khô trước đem chế tạo mẫu 1.2 Thành phần hóa học tro bay Hình 3a mơ tả tro bay có hình dạng sắc nhọn có kích thước trung bình khoảng 3,55μm quan sát biểu đồ phân bố kích thước hạt (hình 2) Từ giản đồ phân bố lượng quang phổ (hình 3b) bảng phân tích định lượng nguyên tố hóa học, ta thấy tro bay có chứa hàm lượng Al Si cao Điều cho thấy tro bay nguồn nguyên liệu Hình Hình SEM (a) có độ phóng đại từ 2000 đến 5000 lần biểu đồ phân bố lượng quang phổ (b) tro bay Bảng Phân tích định lượng ngun tố hóa học tro bay Yếu tố O Na Mg Al Si S K Ca Ti Fe As Nguyên tố [%] 52,81 1,81 0,97 14,73 23,97 0,39 0,41 1,69 0,57 2,57 0,09 Độ lệch chuẩn 0,52 0,10 0,06 0,18 0,52 0,05 0,04 0,29 0,06 0,11 0,01 Phương pháp chế tạo mẫu Công nghệ chuẩn bị mẫu tiến hành sau Ban đầu trộn bột xi măng với dung dịch hoạt tính kiềm nhiệt độ phòng khoảng phút với tốc độ 100rpm hỗn hợp đồng Tiếp theo, đổ tro bay, cát đá dăm vào hỗn hợp trộn hỗn hợp đồng (khoảng phút, tốc độ 100rpm) Đổ trực tiếp hỗn hợp vữa tươi bê tông tươi vào khuôn đặt bàn rung khoảng phút để loại bỏ bọt khí bên mẫu Mẫu sau TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ❖ 87 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản đúc xong bao phủ túi nhựa khoảng 48 Thử nghiệm cường độ chịu nén mẫu vữa thực với tiêu chuẩn Úc AS 1012,9 với kích thước hình trụ (Ø50 x 100) mm Sử dụng tiêu chuẩn quốc tế ASTM C39 để kiểm tra cường độ chịu nén bê tông với kích thước hình trụ (Ø100 x 200) mm Sử dụng mẫu thử cho lần thử nghiệm tính giá trị trung bình Kiểm tra cường độ chịu uốn thử nghiệm với mẫu có kích thước (40 x 40 x 160) mm theo tiêu chuẩn ASTM C348 - 08 thử nghiệm va đập mẫu vữa với kích thước (10 x 10 x 50) mm Tất mẫu xử lý nhiệt độ phòng ngày sau đúc Tiếp theo, tháo mẫu khỏi khuôn tiếp tục xử lý nhiệt độ phòng ngày thử nghiệm (7, 14, 28 90 ngày bê tông) Dụng cụ thiết bị Kiểm tra độ sụt theo tiêu chuẩn C143/C143M, bê tông tươi đổ vào khn hình nón cụt có chiều cao 300mm, đường kính đỉnh 100mm, đường kính đáy 200mm Kiểm tra uốn máy Instron Model 4202, tốc độ 2,0 mm/phút chiều dài nhịp 120mm dựa theo tiêu chuẩn ASTM C78/C78M - 10 Kiểm tra nén thực máy VEB Werktoff Prufmaschinen Leipzig, 500 kN theo tiêu chuẩn ASTM C 31/C 31M - 03a Soá 1/2013 III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Hình trình bày đường hồi quy tuyến tính cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn, môđun đàn hồi lượng va đập so với tỷ lệ phần trăm tro bay/xi măng có hỗn hợp Các hình cho thấy tính vữa geopolymer phụ thuộc vào tỷ lệ tro bay/xi măng, cường độ giảm tăng tỷ lệ tro bay/xi măng Khi vữa bê tơng geopolymer khơng có phụ gia tro bay cho kết cường độ chịu nén sau xử lý 28 ngày 59 MPa 34 MPa, kết cao so với mẫu có phụ gia tro bay Tuy nhiên, chịu uốn mẫu khơng có phụ gia tro bay cho kết nhỏ so với mẫu có tro bay, vữa geopolymer 5,2 MPa 6,7 MPa bê tông geopolymer Với tỷ lệ phần trăm tro bay/xi măng 0,5 (nghĩa hỗn hợp mẫu MLF’-2 theo bảng 3) cho kết lớn Mẫu vữa sau xử lý nhiệt độ phòng 28 ngày có trọng lượng riêng xấp xỉ 1650 Kg/m3 Các thử nghiệm lượng va đập thực trung bình mẫu hỗn hợp sau xử lý 28 ngày Kết thử nghiệm biểu diễn hình 5b Năng lượng va đập môđun đàn hồi tăng giảm tỷ lệ tro bay/xi măng Và dễ dàng nhìn thấy thời gian xử lý dài từ ngày tới 28 ngày mơđun đàn hồi, cường độ chịu nén cường độ chịu uốn tăng Bảng Thành phần hỗn hợp vữa tươi bê tông Vật liệu Hỗn hợp Vữa Bê tông Ký hiệu mẫu Tro bay [%] Xi măng [%] Kiềm [%] Cát mịn [%] Đá dăm [%] Nước [%] MLF’-2 20 39.5 40.5 - - - MLF’-3 30 33 38 - - - MLF’-4 40 22 38 - - - MLF’-6 25 28 38 - - MLF’-7 25 23 35 17 - - MLF’-8 25 18 32 25 - - MLF’-9 25 12 33 30 - - MLF’-10 25 31 36 - - M1 20 10 8.5 19 38 4.5 M2 15 13 11 19 38 M3 15 13 15 19 38 - M4 10 15 18 19 38 - M5 10 15 18 48 - M6 10 14 58 - 88 ❖ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2013 Hình Cường độ chịu nén (a) cường độ chịu uốn (b) vữa geopolymer Hình Mơđun đàn hồi (a) lượng va đập (b) vữa geopolymer Kết chụp từ kính hiển vi hỗn hợp MLF’- đến MLF’-8 SEM hỗn hợp MLF’-6 thể hình Quan sát hình ảnh bề mặt mẫu từ Fe2O3 chưa phản ứng từ ngun liệu đầu Vì nhờ cấu trúc vơ định hình liên tục làm cho vật liệu geopolymer có cường độ cao kính hiển vi ta thấy khơng có vết nứt, nhẵn Từ hình 7, ta thấy kết hỗn hợp M1 có thay đổi thành phần hỗn hợp khác M2 nhỏ so với kết khác, Và quan sát SEM, ta thấy cấu trúc vật hỗn hợp bổ sung nước, điều nên hạn liệu pha vơ định hình liên tục sít đặc Theo chế geopolymer nước làm giảm nồng độ Zang, G cộng cho có pha vơ định kiềm dẫn đến q trình geopolymer hóa giảm, hình nguyên liệu tham gia phản ứng pha vơ định hình bị gián đoạn làm giảm geopolymer hóa, pha tinh thể SiO2, cường độ chịu nén Hình Bề mặt vữa geopolymer với hỗn hợp từ MLF’- đến MLF’- phóng đại 500 lần hình SEM hỗn hợp MLF’- phóng đại 2000 lần TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ❖ 89 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2013 Hình Cường độ chịu nén (a) môđun đàn hồi (b) bê tông geopolymer Bảng Các tính chất geopolymer bê tơng xử lý nhiệt độ phòng Thời gian [Ngày] Tính chất M1 M2 M3 M4 M5 M6 235 230 205 205 195 210 2112 2135 2195 2222 2250 2250 90 1999 2033 2003 1984 2035 2104 1.03 0.68 1.46 1.40 1.64 1.51 90 1.21 0.92 1.73 1.69 1.78 1.73 Độ sụt [mm] Trọng lượng riêng [kg/m3] Cường độ chịu cắt [MPa] Hỗn hợp Độ sụt kiểm tra để đo lường tính khả ngun tác động thi bê tơng tươi Độ sụt tiêu quan trọng đến cường độ chịu nén bê tông geopolymer hỗn hợp bê tơng, đánh giá khả dễ Hình cho thấy mẫu sau xử lý chảy hỗn hợp bê tông tác dụng trọng 90 ngày nhiệt độ phòng cường độ lượng thân rung động Như độ sụt liên chịu nén hỗn hợp M5 cao so với quan đến khả thi công chất lượng bê hỗn hợp khác, có giá trị 32 MPa tơng, cần phải xác định môđun đàn hồi khoảng 21 GPa, theo quy luật Từ bảng thấy độ sụt tăng hàm lượng nước kiềm có hỗn hợp tăng, môđun đàn hồi tăng cường độ nén bê tông tăng lên Bảng Cường độ chịu uốn bê tơng geopolymer M5 xử lý nhiệt độ phòng Hỗn hợp M5 Cường độ chịu uốn [MPa] Độ biến dạng [%] ngày 14 ngày 28 14 ngày 28 ngày 4.80 ± 0.13 6.88 ± 0.98 7.09 ± 0.58 0.81 1.14 0.71 Hỗn hợp M5 sử dụng để kiểm tra cho thấy độ bền uốn bê tông geopolymer cường độ chịu uốn bê tông geopolymer Các tăng theo thời gian khoảng 30% từ ngày đến 14 mẫu xử lý nhiệt độ phòng từ 7, 14, 28 không đổi độ bền uốn xử lý Kết kiểm tra trình bày bảng Kết sau 90 ❖ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Soá 1/2013 trụ Bề mặt hỗn hợp M5 tương đối tốt, mặt trơn lán, sít đặc khơng có vết nứt Hình Kiểu phá hủy (trái) bề mặt hỗn hợp M5 (phải) bê tơng geopolymer có độ phóng đại 500 lần Hình biểu diễn kiểu phá hủy mẫu bê tông geopolymer gần giống với tiêu chuẩn ASTM C39-03 phương pháp tiêu chuẩn dùng để thử nghiệm cường độ chịu nén mẫu bê tông hình IV KẾT LUẬN Các kết cho thấy vữa bê tông geopolymer với phụ gia tro bay cho kết tính tốt, hoàn toàn phù hợp ứng dụng xây dựng kết cấu cạnh tranh với Portland bê tơng Tám hỗn hợp vữa sáu bê tông đánh giá đặc tính học, chúng phụ thuộc vào tỷ lệ tro bay/xi măng, thành phần cát đá dăm, nồng độ kiềm thời gian xử lý sau đúc Tuy nhiên, nghiên cứu bước đầu, cần tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ cao, điều kiện môi trường (axít, nước biển ) q trình lão hóa đến tính vữa bê tơng geopolymer với phụ gia tro bay TÀI LIỆU THAM KHẢO Ahmaruzzaman, M., 2010 A review on the utilization of fly ash Progress in Energy and Combustion Science, 36, 327–363 American Coal Ash Assosiation, 2003 Fly Ash Facts for Highway Engineers, 81 Davidovits, J., 1991 Geopolymers: Inorganic Polymeric New Materials Thermal Analysis, 37, 1633-1656 Davidovits, J., 2008 Geopolymer chemistry & application, Second Edition, Géopolymèr – France Duxson, P., cộng sự, 2007 The role of inorganic polymer technology in the development of ‘green concrete’ Cement and Concrete Research, 37, 1590 – 1597 Fansuri, H., 2006 Suitability Of Coal Fly Ashes To Aggregate Manufacture From Coal Fly Ash By Sintering 11th APCChE Congress, Kuala Lumpur Hardjito, D., cộng sự, 2005 Development and properties of Low-calcium fly ash-based Geopolymer concrete Research report GC1, Perth, Australia: Faculty of Engineering, Curtin University of Technology Hewlett, P C., 2004 Lea’s Chemistry of cement and concrete, Oxford: Elsevier, Butterworth–Heinemann, 1087 Lee, A P., cộng sự, 2003 Is fly ash an inferior building and structural material Science in Dispute 10 Malhotra, V M., 1991 Making Concrete “Greener” With Fly Ash ACI Concrete International, 21, 61-66 11 Malhotra, V M., 1994 Fly Ash in Concrete CANMET 12 Managing Coal Combustion Residues in Mines, 2006 Committee on Mine Placement of Coal Combustion Wastes, National Research Council of the National Academies 13 Potgieter, J H., cộng sự, 2003 Alternative procedure for classification of fly ash particle size fractions Proceedings of the international ash utilisation symposium, USA 14 Shuzheng, Z., cộng sự, 2004 Novel modification method for inorganic geopolymer by using water soluble organic polymers Lsevier B.V, 58, 1292-1296 15 Temuujin, J., 2009 Effect of mechanical activation of fly ash on the properties of geopolymer cured at ambient temperature Journal of Materials Processing Technology, 209, 5276–5280 16 Zhang, G., cộng sự, 2010 Synthesis, characterization, and mechanicalproperties of red mud-based geopolymers, Transportation Research Record, 2167, 1-9 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ❖ 91 ... với mẫu có phụ gia tro bay Tuy nhiên, chịu uốn mẫu khơng có phụ gia tro bay cho kết nhỏ so với mẫu có tro bay, vữa geopolymer 5,2 MPa 6,7 MPa bê tông geopolymer Với tỷ lệ phần trăm tro bay/ xi măng... hợp Các hình cho thấy tính vữa geopolymer phụ thuộc vào tỷ lệ tro bay/ xi măng, cường độ giảm tăng tỷ lệ tro bay/ xi măng Khi vữa bê tơng geopolymer khơng có phụ gia tro bay cho kết cường độ chịu... mẫu bê tơng hình IV KẾT LUẬN Các kết cho thấy vữa bê tông geopolymer với phụ gia tro bay cho kết tính tốt, hồn tồn phù hợp ứng dụng xây dựng kết cấu cạnh tranh với Portland bê tơng Tám hỗn hợp vữa