Thực nghiệm và đánh giá quá trình cacbonat hoá cưỡng bức vật liệu bê-tông cốt thực vật

Có thể nhận thấy tiềm năng của việc sử dụng phế phẩm nông nghiệp trong chế tạo các loại vật liệu nhẹ không chịu tải, khai thác các biểu hiện tính chất cách âm, cách nhiệt. Trong nghiên cứu này, các tác giả sử dụng vỏ trấu làm thành phần cốt liệu kết hợp với nền kết dính là vôi tôi và meta cao-lanh để chế tạo sản phẩm bê-tông cốt thực vật. Dự kiến các khảo sát đánh giá trên mẫu bê-tông thực vật gồm: phân tích thành phần, vi cấu trúc cũng như đặc trưng cơ lý.

VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ Q TRÌNH CACBONAT HỐ CƯỠNG BỨC VẬT LIỆU BÊ-TƠNG CỐT THỰC VẬT ThS NGUYỄN NGỌC TRÍ HUỲNH, KS TRẦN ANH TÚ, TS NGUYỄN KHÁNH SƠN Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh (HCMUT) Tóm tắt: Có thể nhận thấy tiềm việc sử dụng phế phẩm nông nghiệp chế tạo loại vật liệu nhẹ khơng chịu tải, khai thác biểu tính chất cách âm, cách nhiệt Trong nghiên cứu này, sử dụng vỏ trấu làm thành phần cốt liệu kết hợp với kết dính vơi tơi meta cao-lanh để chế tạo sản phẩm bê-tông cốt thực vật Dự kiến khảo sát đánh giá mẫu bê-tông thực vật gồm: phân tích thành phần, vi cấu trúc đặc trưng lý Ngồi ra, thí nghiệm đánh giá tác động việc bảo dưỡng mẫu mơi trường cacbonat hóa cưỡng thiết kế bố trí thực Kết thu bảo dưỡng điều kiện nồng độ CO2 4% khả quan xét đến tiêu lý, từ dự đốn hiệu sử dụng loại bê-tông cốt thực vật vỏ trấu đưa vào thực tế Từ khóa: bê-tơng thực vật, vỏ trấu, meta caolanh, cacbonat hoá Abstract: Recent studies show the potential of using agricultural by-products as aggregates for lightweight concretes This bio-based aggregate concrete or also called as agro-concrete can be used as non-load-bearing element in building with regards to performance of thermal and acoustic insulation In this paper, rice husk aggregate was mixed with lime-based binder and metakaolin Concrete samples were produced and performed component analysis, structural analysis and mechanical resistance In addition, we invesitgated the effect of the carbonation reaction on the global properties of the sample by using an designed accelerated carbonation testing chamber The level of carbonation reaction in the cacbonation test chamber controls the initial concentration of CO2 (4%) show significant improvement of compressive strength at early age From this, we could envisage some perspective of pratical production of this type of concrete Keywords: bio-based aggregate concrete, agroconcrete, rice husk, metakaolin, carbonation Tổng quan Có thể nói ý tưởng sử dụng thực vật làm cốt liệu cho bê-tông nhà khoa học quan tâm từ sớm Phần nhiều công bố khoa học tập trung khai thác đặc điểm thổ nhưỡng, trồng, 48 nguyên liệu thực vật mục đích sử dụng tùy thuộc đặc điểm khí hậu theo khu vực địa lý nước giới Điển Pháp số nước châu Âu, bã gai dầu (hemp shives) sử dụng chế tạo bê-tông nhẹ làm vách cách nhiệt bảo ơn cho cơng trình [1] Hoặc Mã-Lai thuộc khu vực Đông Nam Á, vốn tiếng sản xuất dầu cọ dừa, phế thải dạng hạt sợi sử dụng làm cốt liệu cho bê-tông ximăng hay bê-tông xi-măng vôi [2] Cốt liệu thực vật có ưu điểm có tính tự nhiên khơng phát thải chí phát thải âm khí gây hiệu ứng nhà kính đặc điểm sinh trưởng thực vật hút khí CO2 thải khí O2 Do kết hợp cốt thực vật với vật liệu kết dính từ vơi thành phần nhìn chung có tính khơng phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính nhờ chu trình kín khử cacbonat – cacbonat hố vơi xem đáp ứng tốt với tiêu chí vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường phù hợp mục tiêu phát triển xây dựng bền vững Hơn nữa, đặc điểm cách nhiệt, cách âm tốt, ưu điểm vật liệu bêtông cốt thực vật sử dụng vách tường cơng trình xây dựng đặc điểm vi khí hậu, khả hút – xả ẩm, lọc khơng khí góp phần điều hồ, kiểm sốt nhiệt độ độ ẩm tạo thối mái cho người sử dụng cơng trình [3–6] Khả tiến hành phản ứng cacbonat hoá để liên tục phát triển cường độ theo thời gian phù hợp với phương thức hấp thụ cacbon (CO2 sequestration) sản xuất kèm mục tiêu không phát thải Ở Việt Nam, có nông nghiệp lâu đời phát triển phong phú Khai thác nguồn phế phẩm nông nghiệp lớn làm cốt liệu thực vật nhà nghiên cứu quan tâm công bố [7] Tuy nhiên ưu tiên sử dụng xi-măng làm thành phần kết dính nên hạn chế nghiên cứu tính nhẹ phần chưa phù hợp sử dụng làm vật liệu vách Gần đây, nhóm nghiên cứu tiếp cận cách thức nghiên cứu vật liệu bê-tơng cốt thực vật sử Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG dụng vơi làm chất kết dính theo xu hướng giới để sản xuất vật liệu thực “xanh” không gây phát thải Gần đây, công bố nghiên cứu [8] tập trung vào khảo sát hệ vỏ trấu vôi đặc trưng lý vật liệu theo dõi theo thời gian trải qua q trình cacbonat hố tự nhiên Kết đo giá trị hệ số dẫn nhiệt xấp xỉ 0,27 W/m.K mẫu bê-tông vỏ trấu ứng với giá trị khối lượng thể tích từ 800-900kg/m3 Đây sở để khai thác tính cách nhiệt cách âm vật liệu cách thức ứng dụng loại bê-tơng gai dầu giới Tuy nhiên, ngồi ưu điểm tính dẻo dễ tạo hình kiểu đầm lèn dùng vơi làm thành phần kết dính chính, chúng tơi gặp hạn chế tính co khơ tháo khuôn bảo dưỡng, dễ gây biến dạng, cong vênh mẫu Ngồi q trình phát triển độ bền chịu nén mẫu bê-tơng thực vật chậm đặc điểm phản ứng cacbonat hoá chậm, điều ảnh hưởng đến khả tạo hình sản phẩm Trong nghiên cứu lần này, chúng tơi trình bày khắc phục hai hạn chế sản phẩm bê-tơng thực vật vỏ trấu Theo meta cao-lanh dự kiến sử dụng làm thành phần phụ gia khống hoạt tính puzơlanic kết hợp với vơi giai đoạn sau tạo hình khn Ngồi ra, hệ thống thí nghiệm buồng cacbonat hố cưỡng (nồng độ %CO2, độ ẩm) thiết kế chế tạo nhằm kích thích q trình bảo dưỡng cacbonat hoá tạo cường độ chịu lực cho sản phẩm Các kết khảo sát thành phần, tính chất lý mẫu bê-tông thực vật vỏ trấu hai trường hợp: mẫu đối chứng với chất kết dính vơi bảo dưỡng khơng khí mẫu cải tiến với chất kết dính vơi-meta caolanh bảo dưỡng buồng cacbonat hố cưỡng đối sánh nhận xét Thành phần nguyên liệu chế tạo mẫu bê tông cốt thực vật Các nguyên liệu sau sử dụng: vôi từ Công ty TNHH Nhật Mỹ Phát, meta cao-lanh nghiền mịn từ cao-lanh Lâm Đồng, vỏ trấu khô Trên sở tiếp nối nghiên cứu trước đây, đề xuất sử dụng cấp phối thành phần nguyên liệu sau (bảng 1) để khảo sát chế tạo mẫu bê-tông thực vật Bảng Cấp phối mẫu bê-tơng thực vật, tính cho 1m bê-tơng Vơi (kg) 975 Meta cao-lanh (kg) 418 **Lượng N/KD tính nước/tổng lượng chất kết dính vơi meta cao-lanh Việc lựa chọn cốt liệu vỏ trấu bên cạnh ưu khối lượng lớn, dễ kiếm dễ nhào trộn, nhiều lý khác, có phần vỏ trấu Vỏ trấu có hàm lượng xen-lu-lơ-zơ cao, thành phần bền kiềm Thông thường, bê-tông thực vật sử dụng hai dạng tạo hình thành viên blốc để dạng vữa phun điền đầy vào cốp pha vách Ở thí nghiệm này, chúng tơi chọn cách tạo hình đúc mẫu bê-tơng cốt thực vật khuôn lập phương Trấu* (kg) 209 N/KD** 0,7 70x70x70mm Quy trình chế tạo mẫu bê-tơng cốt thực vật tiến hành theo bước mô tả sơ đồ hình Theo đó, để thuận lợi cho q trình trộn hỗn hợp cấp phối cối, cốt liệu vỏ trấu cho ngâm nước trước sau vớt để khơng khí cho bề mặt tiến hành trộn cối.Sau nhào trộn tốc độ cao cối hành tinh, cho hỗn hợp vào khuôn theo lớp 20mm, đầm chày gỗ tiết diện 17x17mm Quá trình đổ lớp đầy khn mẫu làm mặt Hình Quy trình chế tạo mẫu bê-tơng cốt thực vật Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017 49 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MƠI TRƯỜNG Sau tạo hình xong, mẫu tiếp tục lưu khn vòng ngày, để nơi khơng khí tính khơng có gió nhằm hạn chế nước nhanh bề mặt gây nứt Sau cẩn thận tháo khn mặt tiếp tục để yên bảo dưỡng không di chuyển mẫu nhằm hạn chế mẫu bị biến dạng Các mẫu sau tuần kí hiệu, phân thành hai nhóm, nhóm bảo dưỡng tự nhiên khơng khí (mẫu đối chứng) nhóm buồng cacbonat hóa cưỡng (mẫu cải tiến) Hình Các mẫu bê-tơng cốt thực vật bảo dưỡng mơi trường khơng khí Các mẫu bê-tông cốt thực vật sau tháo điểm khắc phục hạn chế khn bị biến dạng, nứt vỡ cạnh khả tạo hình nghiên cứu cơng bố góc (hình 2) Có thể thấy vai trò meta trước [8] sử dụng vôi làm chất kết cao-lanh bổ sung thành phần chất kết dính dính tạo cường độ sớm đảm bảo khả tạo Thiết kế chế tạo buồng bảo dưỡng mẫu điều kiện cacbonat hố cưỡng hình đúc khn mẫu bê-tơng thực vật Đây 50 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MƠI TRƯỜNG Hình Chế tạo hệ thống thực nghiệm buồng cacbonat hóa cưỡng Với hệ thống cacbonat hóa cưỡng bức, khí CO2 từ bình khí nén đưa vào buồng hòa trộn (buồng 1) với lưu lượng lít/phút áp suất van lưu lượng trì mức 2kPa nhằm giảm thất khí buồng Nồng độ CO2 buồng đạt mức 4% yêu cầu sau khoảng thời gian phút 30 giây bơm khí Lúc này, quạt thơng khí mở để ổn định nồng độ, nhiệt độ độ ẩm Đồng thời, khí CO2 ổn định đẩy qua ống thơng khí sang buồng chứa mẫu (buồng 2) Khi hệ thống ổn định, quạt tắt, mẫu bên bắt đầu trình hấp thụ CO2 Hệ thống thực nghiệm chế tạo tiến hành thử với mẫu bê-tông cốt thực vật 70x70x70mm Sau thời gian đưa vào buồng, giá trị nồng độ CO2 bắt đầu giảm bị mẫu hấp thụ Đến mức giới hạn định, CO2 tiếp tục bổ sung thêm vào buồng thông qua hệ thống van xả nhằm trì q trình cacbonat hóa cưỡng Nhiệt độ bên hệ thống trì ổn định mức nhiệt độ phòng Các mẫu buồng cacbonat chia thành hai nhóm Một nhóm điều kiện độ ẩm khơng khí bình thường Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017 nhóm lại điều kiện độ ẩm cao, kiểm soát khoảng 70%-90% dung dịch muối bão hòa Cường độ chịu nén mẫu bê-tông cốt thực vật đánh giá máy nén bêtông MATEST C071, tốc độ gia tải 0,5kN/giây Mức độ cacbonat hóa đánh giá qua phân tích trực quan chất màu; phân tích thành phần khống XRD phổ hồng ngoại FTIR Kết thực nghiệm 4.1 Tính chất nhiệt lý Để đánh giá mẫu bê-tông cốt thực vật, tính chất nhiệt lý xác định thơng qua đánh giá khối lượng thể tích độ dẫn nhiệt Khối lượng thể tích khơ mẫu bê-tơng cốt thực vật trung bình đạt 970kg/cm3 Cấp phối sử dụng kết hợp meta caolanh nghiên cứu cho kết mẫu đặc so với sử dụng vôi [8] (trung bình 880kg/cm3), thể khối lượng thể tích cao Hệ số dẫn nhiệt mẫu bê-tông cốt thực vật sử dụng vỏ trấu đạt xấp xỉ 0,53±0,3W/m.K Mức độ dẫn nhiệt phụ thuộc nhiều vào hàm lượng loại 51 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG cốt liệu thực vật cấp phối Hàm lượng cốt liệu thực vật cao, khối lượng thể tích bê-tông giảm, độ dẫn nhiệt giảm tương ứng Khi tăng hàm lượng vỏ trấu từ 15 lên 20%, hệ số dẫn nhiệt giảm xuống 0,41±0,4W/m.K 4.2 Cường độ chịu nén Hình Phát triển cường độ chịu nén mẫu bê-tông cốt thực vật theo thời gian Cường độ chịu nén mẫu bê-tông cốt thực vật bảo dưỡng buồng cacbonat hoá cưỡng tăng cao mẫu bê-tông bảo dưỡng điều kiện môi trường khơng khí Điều cho thấy tác động q trình cacbonat hố diễn làm tăng cường cường độ chịu nén mẫu Bên cạnh đó, điều kiện độ ẩm cao (85%), cường độ chịu nén mẫu đạt giá trị cao so với trường hợp bảo dưỡng mơi trường độ ẩm khơng khí thơng thường Ở giai đoạn sớm ngày, mẫu mềm, mức độ kháng lực chưa cao, cường độ chịu nén mẫu chênh lệch Tuy nhiên, thời gian bảo dưỡng dài, chênh lệch cường độ nhóm mẫu bảo dưỡng điều kiện tự nhiên với nhóm mẫu buồng cacbonat hóa cưỡng thể rõ rệt Hình Đường cong thực nghiệm tải trọng – thời gian mẫu bê-tông cốt thực vật điều kiện bảo dưỡng tự nhiên cacbonat hóa cưỡng 52 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MƠI TRƯỜNG Có thể thấy biểu đồ hình 3, mẫu bêtơng cốt thực vật trải qua giai đoạn ứng xử học sau: chịu tải định hình ban đầu - chịu tải cao - xếp lại trạng thái - vỏ trấu bị ép, tải trọng tác dụng tăng lên đến cực đại - tiếp tục chịu tải sau mẫu bị biến dạng Trong hai trường hợp bảo dưỡng, mẫu tính giòn bê-tơng thường mà biểu kiểu ứng xử compozit kết dính - vỏ trấu có tính dai, sau bị nén ép, cấu trúc lớp trấu bên xếp chặt Do đó, lực tác dụng tăng lên mẫu bị biến dạng Sau biến dạng, mẫu lại xếp trạng thái tiếp tục chịu lực đến bị phá huỷ Với trường hợp bảo dưỡng điều kiện buồng cacbonat cưỡng bức, giá trị chịu tải mẫu cao so với bảo dưỡng tự nhiên Khoảng biến dạng (hình 3) thể tính dẻo dai mẫu bị thu hẹp lại, nhiên mức không đáng kể Quá trình cacbonat hóa cưỡng làm tính chất mẫu bêtông cốt thực vật phát triển theo chiều hướng tăng độ cứng biểu tính giòn Điều thể qua khác biệt đường cong tải - thời gian hai mẫu giai đoạn cuối trình gia tải, trước mẫu bị phá hủy 4.3 Theo dõi bề dày lớp cacbonat hóa Hình Phát triển lớp bề dày cacbonat hóa thành phần cacbonat so với bảo dưỡng dự nhiên Hình cho thấy khác biệt màu sắc rõ nét mẫu bê-tông thực vật sau phủ chất thị màu phenolphthalein: mặt ngồi mẫu gần khơng đổi màu, mặt mẫu có thay đổi sang màu hồng, đậm dần từ vào Mặt mẫu lớp ngồi khơng đổi màu với chiều dày không đều, vào sâu bên trong, màu sắc thị mẫu đậm Thông qua chiều dày lớp cacbonat hố, nhận thấy tốc độ cacbonat hố mẫu bê-tơng cốt thực vật bảo dưỡng điều kiện nồng độ CO2 cao gia tăng đáng kể cacbonat hóa mẫu bê-tơng cốt thực vật diễn mạnh.Trong kết phân tích thành phần pha (XRD), ngồi peak đặc trưng porlandite (Ca(OH)2), xuất píc can- Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017 xit (CaCO3) với cường độ cao sắc nét Kết phân tích hồng ngoại (FTIR) mơi cacbonat hóa cưỡng thể rõ peak liên kết đặc trưng CaCO3 có cường độ cao hẳn so sánh với mẫu bảo dưỡng tự nhiên Kết luận Như mục tiêu nghiên cứu vật liệu bêtông thực vật sở meta cao-lanh-vỏ trấu chúng tơi trình bày, khảo sát đánh giá tính chất Việc sử dụng kết hợpvôi kết hợp meta caolanhtỷ lệ 70:30 với cốt liệu vỏ trấu theo tỷ lệ cốt liệu so với chất kết dính 15% tạo sản phẩm có khối lượng thể tích xấp xỉ 970kg/cm3, độ bền nén tốt (khoảng 7MPa) cho thấy tiềm 53 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG sử dụng loại bê-tông nhẹ Tuy nhiên, nhiều trường hợp, tính đồng độ bền mẫu chưa ổn định Mặt khác, để tăng tính nhẹ cho bê-tơng, khối lượng thể tích điều chỉnh tăng hàm lượng cốt liệu thực vật cao Trong điều kiện cacbonat hóa cưỡng bức, cường độ chịu nén ứng xử học mẫu bê-tông cốt thực vật thể kết tốt, cao nhiều so với bảo dưỡng điều kiện tự nhiên Kết khảo sát bước đầu cho thấy phương án dùng meta caolanh sản xuất bê-tông thực vật đáng quan tâm tiền đề hứa hẹn, phát triển mở rộng, hướng đến ứng dụng chế tạo kết cấu bê-tơng nhẹ, có khả cách âm, cách nhiệt cho cơng trình xây dựng Các nghiên cứu tập trung vào khảo sát điều kiện bảo dưỡng nhằm đưa vào ứng dụng thực tiễn sản xuất structural members,” Adv Mater Sci Eng., vol 2014, 2014 [3] E P Aigbomian and M Fan, “Development of WoodCrete building materials from sawdust and waste paper,” Constr Build Mater., vol 40, pp 361–366, 2013 [4] E P Aigbomian and M Fan, “Development of woodcrete from treated sawdust,” Constr Build Mater., vol 52, pp 353–360, 2014 [5] K Ip and A Miller, “Life cycle greenhouse gas emissions of hemp–lime wall constructions in the UK,” Resour Conserv Recycl., vol 69, pp 1–9, 2012 [6] S Benfratello, C Capitano, G Peri, G Rizzo, G Scaccianoce, and G Sorrentino, “Thermal and structural properties of a hemp–lime biocomposite,” Constr Build Mater., vol 48, pp 745–754, 2013 Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Qc Gia – Hồ Chí Minh khuôn khổ Đề tài mã số T-CNVL-2017-12 [7] C Nguyen Van and M Tran Van, “Basalte Fiber Reinforced High Strength Concrete,” presented at the 28th Conference on Our World in Concrete & TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] 54 Structure, 2003, vol Volume XXII M Karus and D Vogt, “European hemp industry: [8] N K Son, N P A Toan, T T T Dung, and N N T Cultivation, processing and product lines,” Euphytica, Huynh, “Investigation of Agro-concrete using by- vol 140, no 1, pp 7–12, 2004 products of Rice Husk in Mekong Delta of Vietnam,” K H Mo, U J Alengaram, and M Z Jumaat, “A Procedia Eng., vol 171, pp 725–733, 2017 review on the use of agriculture waste material as Ngày nhận bài: 21/12/2017 lightweight Ngày nhận sửa lần cuối: 05/02/2018 aggregate for reinforced concrete Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017 ... mẫu bê-tông cốt thực vật sử dụng vỏ trấu đạt xấp xỉ 0,53±0,3W/m.K Mức độ dẫn nhiệt phụ thuộc nhiều vào hàm lượng loại 51 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG cốt liệu thực vật cấp phối Hàm lượng cốt liệu. .. điều kiện cacbonat hoá cưỡng hình đúc khn mẫu bê-tơng thực vật Đây 50 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017 VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MƠI TRƯỜNG Hình Chế tạo hệ thống thực nghiệm buồng cacbonat hóa cưỡng Với... đầy vào cốp pha vách Ở thí nghiệm này, chúng tơi chọn cách tạo hình đúc mẫu bê-tông cốt thực vật khuôn lập phương Trấu* (kg) 209 N/KD** 0,7 70x70x70mm Quy trình chế tạo mẫu bê-tông cốt thực vật