Nghiên cứu kỹ thuật bê tông geopolymer từ tro bay không sử dụng xi măng portland

Tro bay là chất thải của công nghiệp năng lượng rất phổ biến trên thế giới cũng nhà ở Việt Nam. Sử dụng tro bay để thay thế xi măng OPC góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường và chi phí.

THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 58 NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT BÊ TÔNG GEOPOLYMER TỪ TRO BAY KHÔNG SỬ DỤNG XI MĂNG PORTLAND ThS Vũ Huyền Trân Khoa x y d ng, tr ng i học X y d ng Miền Trung Tóm tắt: Tro bay chất thải công nghiệp l ợng phổ biến giới nh Việt Nam Sử dụng tro bay để thay xi măng OPC góp phần làm giảm ô nhiễm môi tr ng chi phí Trong tro bay có chứa nhiều oxit nhơm oxit silic vơ định hình nên tác dụng với kiềm sinh gel aluminosilicate đóng vai trị chất kết dính bê tơng geopolymer Tính chất bê tông geopolymer bị ảnh h ởng nhiều yếu tố nh thành phần tro bay, chất nồng độ chất ho t hóa kiềm, l ợng n ớc nhào trộn, th i gian nhiệt độ d ỡng hộ,… Bài báo tác giả tổng kết tính chất bê tơng geopolymer để nêu lên u điểm lo i vật liệu so với bê tông xi măng Giới thiệu Năm 1972 bắt đầu xuất vật liệu alumino silicate (kaolinite) đ ợc biến đổi nhiệt độ thấp th i gian ngắn thành tecto-aluminosilicate ba chiều Phản ứng t ơng t nh trình đa trùng ng ng ứng hết t o thành bê tông geopolymer [1] chất hữu Cơ chế đ ợc ứng dụng vào lĩnh v c tổng hợp zeolite Quá trình t o vật liệu silico- aluminate ba s hình thành cấu trúc tính chất lý bê tông geopolymer sau Phản ứng sinh gel aluminosilicate phụ thuộc vào số yếu tố nh thành phần hóa, l ợng pha thủy tinh tro bay, nồng độ chất chất ho t hóa Bên c nh q trình d ỡng hộ có ảnh h ởng lớn đến chiều có cấu trúc từ vơ định hình tới bán tinh thể hay gọi geopolymer thuật ngữ “geopolymer” đ ợc đ a vào năm 1978 Davidovits Mặc dù kỹ thuật geopolymer nh ng Chất kiềm hoạt hóa Hầu hết chất kiềm ho t hóa hỗn hợp NaOH KOH với thủy tinh lỏng (nSiO2.Na2O) C ng độ học geopolymer tăng nồng độ chất ho t hóa kiềm tăng [4] Tuy nhiên, có nguồn gốc cổ x a đ y vật liệu đ ợc sử dụng để x y kim t tháp nh cơng trình cổ x a khác [2] Bê tông geopolymer lo i bê tơng có c ng độ cao, bền axit, bền sunphat, bền nhiệt co ngót so với bê tơng th ng Chất kết dính đ ợc sử dụng tro bay giàu SiO2 Al2O3 vơ định hình mà tro bay đ ợc ho t hóa kiềm, Palomo A., Grutzek M.W Blanco M.T [5] nghiên cứu chứng tỏ chất ho t hóa với nồng độ kiềm 12M cho kết tốt 18M Chindaprasirt [3] báo cáo tỷ lệ thích hợp natri silicate natri hydroxit từ 0,67-1 nồng độ kiềm từ 10-20M Theo tác giả khác, việc sử dụng thủy tinh lỏng d ới tác dụng chất kiềm ho t hóa t o thành gel aluminosilicate Gel liên kết h t cốt liệu h t tro bay ch a phản với mođun silic từ 1-1,5 cho c ng độ cao sử dụng d ng bột c ng độ thấp d ng lỏng THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 59 Quá trình dƣỡng hộ D ỡng hộ nhiệt làm cho phản ứng dụng phụ gia siêu dẻo thông th vữa geopolymer xảy nhanh Cả nh ng l i làm hỏng c nhiệt độ th i gian d ỡng hộ ảnh geopolymer ng cải thiện tính thi cơng hỗn hợp bê tơng ng độ ma trận h ởng đến c ng độ chịu nén bê tông geopolymer [6] Khi d ỡng hộ nhiệt, 24 gi đầu c ng độ tăng nhanh, sau tốc độ tăng c ng độ chậm l i [7] Do th i gian d ỡng hộ không cần thiết phải 24 gi D ỡng hộ nhiệt d ỡng hộ nhiệt ẩm d ỡng hộ nhiệt khơng có n ớc C ng độ chịu nén d ỡng hộ nhiệt khơng có n ớc cao 15% so với d ỡng hộ nhiệt ẩm [7] Tính chất bê tơng geopolymer 4.1 Tính thi công bê tông tƣơi Giống nh bê tông thơng th ng, n ớc đóng vai trị quan trọng bê tông geopolymer N ớc làm tăng tính thi cơng nh ng làm tăng độ rỗng n ớc bốc để l i [9] Chindaprasirt P, Chareerat T Siricicatnanon V [3] nhận thấy tăng nồng độ natri silicate natri hydroxit tính dẻo bê tơng giảm ể tăng tính thi cơng sử dụng phụ gia siêu dẻo thêm n ớc vào Khi l ợng n ớc thêm vào nhiều độ sụt bê tơng geopolymer tăng (Hình 1) [6] Tuy nhiên, sử dụng phụ gia siêu dẻo 2% l ợng tro bay để giảm n ớc g y tác động xấu đến c ng độ bê tông geopolymer Trong tr ng hợp sử dụng n ớc để tăng tính thi cơng c ng độ bê tơng cao dùng phụ gia siêu dẻo [8] Daniel L.Y Kong Jay G Sanjayan [14] thí nghiệm đ a kết luận: sử Hình – Ảnh h ởng l ợng n ớc thêm vào độ sụt 4.2 Cƣờng độ chịu nén C ng độ chịu nén tính chất quan trọng bê tông geopolymer th ng phụ thuộc nhiều yếu tố nh : - Nhiệt độ th i gian d ỡng hộ: nhiệt độ th i gian d ỡng hộ tăng c ng độ chịu nén tăng (Hình 2, Hình 3) Tuy nhiên nhiệt độ cao g y nên vết nứt ảnh h ởng xấu tới tính chất bê tơng geopolymer; Hình – Ảnh h ởng nhiệt độ d ỡng hộ c ng độ chịu nén THƠNG BÁO KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ* SỐ 1-2012 Hình – Ảnh h ởng th i gian d ỡng hộ c ng độ chịu nén - L ợng n ớc nhào trộn: bê tông xi măng, n ớc tham gia vào phản ứng thủy hóa với xi măng t o thành chất kết dính để liên kết cốt liệu thô cốt liệu mịn l i với (sinh sản phẩm phản ứng t o c ng độ cho bê tông), (nh ng trong) hỗn hợp bê tông geopolymer n ớc khơng tham gia vào phản ứng hóa học q trình hóa học t o nên chất kết dính geopolymer ối với geopolymer, tro bay tham gia phản ứng với chất kiềm ho t hóa t o thành gel aluminosilicate, gel đóng vai trị chất kết dính, tr ng hợp n ớc khơng tham gia vào phản ứng hóa học Tuy nhiên, nghiên cứu Barbosa [10] cho thấy l ợng n ớc bê tơng geopolymer có ảnh h ởng quan trọng đến tính chất bê tơng t nh bê tông rắn ể xác định l ợng n ớc có hỗn hợp bê tơng geopolymer, tỷ lệ H2O/Na2O đ ợc tính theo tỷ lệ mol oxit chất kiềm ho t hóa tro bay C ng độ chịu nén t i ngày tuổi ba hỗn hợp có tỷ lệ H2O/Na2O khác đ ợc d ỡng hộ 30, 45, 75 90 0C đ ợc thể hình Ph n tích biểu đồ quan hệ l ợng n ớc sử dụng có hỗn hợp c ng độ chịu nén geopolymer (hình 4) cho ta 60 thấy rằng, l ợng n ớc sử dụng tăng c ng độ bê tơng giảm [11] - Tuổi bê tông geopolymer: phản ứng hóa học sinh gel geopolymer diễn nhanh chóng nên c ng độ bê tơng geopolymer khơng khác nhiều ngày tuổi, điều trái ng ợc với bê tông xi măng th ng [11] - C ng độ chất kết dính gel aluminosilicate: gel aluminosilicate đóng vai trị liên kết cốt liệu vật liệu không phản ứng t o nên c ng độ cho bê tơng geopoloymer, c ng độ đóng phần quan trọng C ng độ gel aluminosilicate đ ợc định nhiều yếu tố nh : + Tỷ số Si/Al; + ộ mịn tro bay; + Hàm l ợng pha vơ định hình tro bay; + Thành phần nồng độ chất kiềm ho t hóa; Hàm l ợng Si Al tro bay hòa tan kiềm Hình – Ảnh h ởng l ợng n ớc nhào trộn c ng độ chịu nén [11] 4.3 Khả chống ăn mòn Rất nhiền thí nghiệm chứng minh đ ợc rằng, vật liệu geopolymer từ tro bay có khả chống ăn mịn mơi tr ng axit sunphat Với u điểm này, bê tông geopolymer từ tro bay đ ợc sử dụng để x y d ng cơng trình biển chế THƠNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 t o kết cấu x y d ng để sử dụng môi tr ng có tính ăn mịn cao Khi ng m bê tông geopolymer từ tro bay axit HCl 5%, độ khối l ợng mẫu t i 50 ngày 2% (Hình 5), cịn độ c ng độ 80% (Hình 6) Sathia [9] tiến hành ng m mẫu axit sulfuric, độ hao hụt khối l ợng bê tơng geopolymer axit có 0,5% bê tông xi măng 3% Ali Allahverdi [15] nghiên cứu chế ăn mòn vữa geopolymer đóng rắn mơi tr ng axit sunphuric Ở nồng độ axit t ơng đối cao (pH  1), chế ăn mòn gồm hai b ớc: B ớc bắt đầu với s trao đổi ion Na+, Ca2+, H+ H3O+ dung dịch với liên kết Si-O-Al L c hút điện tử proton axit làm cho tứ diện nhôm tách khỏi khung aluminasilicate; B ớc hai, Hình – ộ khối l ợng ng m mẫu dung dịch HCl 15%, tuần S hình thành gel aluminosilicate quan trọng độ bền geopolymer Vật liệu geopolymer có cấu trúc tinh thể nhiều bền với s x m th c môi tr ng axit sulfuric axit acetic geopolymer có cấu trúc vơ định hình Thokchom [12] ng m mẫu vữa geopolymer axit sulfuric 10% sau 18 tuần mẫu khơng có s thay đổi 61 ion canxi khung hòa tan vào dung dịch axit anion sunphat hòa tan theo h ớng ng ợc l i dẫn đến s hình thành tinh thể th ch cao lớp x m th c Ở nồng độ thấp axit sunphruic (pH  2), b ớc s trao đổi ion l c hút điện tử proton axit cơng liên kết Si-O-Al, q trình tiếp diễn dẫn đến s hình thành vết nứt co ngót Khi vết nứt đủ s u, anion bề mặt khuếch tán vào vết nứt dẫn đến s hình thành lắng đọng tinh thể th ch cao Với axit sulfuric với nồng độ t ơng đối thấp (pH  3) th i gian ng m mẫu giới h n (90 ngày), chế ăn mòn đơn giản s tách cation tích điện tứ diện nhơm mà khơng có s lắng đọng tinh thể th ch cao [16] Hình – ộ c ng độ ng m mẫu dung dịch HCl 5% nhận mắt th ng Bề mặt mẫu trình ăn mịn đ ợc quan sát kính hiển vi quang học Kết độ hao hụt khối l ợng nghiên cứu cho thấy vữa geopolymer có khả chịu ăn mịn tốt vữa xi măng OPC T i 18 tuần tuổi, mẫu vữa geopolymer đ ợc lo i bỏ kiềm hoàn tồn axit sulfuric (Hình 7) nh ng cịn độ bền nén đáng kể iều THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 chứng tỏ khả chịu ăn mịn mơi tr 62 ng axit [12] Hình – Mẫu geopolymer tr ớc sau ng m dung dịch axit sulfuric 10% Thokchom [12] khảo sát ảnh h ởng hàm l ợng NaOH độ bền geopolymer axit sulfuric Các mẫu với hàm l ợng kiềm khác cho thấy mức độ phá hủy khác ng m axit sulfuric Khi quan sát mắt th ng khơng có dấu hiệu phá hủy cấu trúc nh ng d ới kính hiển vi quang học bề mặt phá hủy đ ợc thấy rõ ràng th ng xuất mẫu có hàm l ợng kiềm thấp Mẫu đ ợc chế t o với hàm l ợng kiềm cao có độ c ng độ thấp so với mẫu có hàm l ợng kiềm thấp độ khối l ợng nhiều 4.4 Tính bền nhiệt độ Tính chất chịu lửa bê tơng tính chất th ng đ ợc xem xét an tồn cho ng i sử dụng Kalyan Kr Mandal, Suresh Thokchom Mithun Roy [13] tiến hành nghiên tính chất geopolymer nhiệt độ cao đ a kết luận rằng: - Màu sắc mẫu geopolymer điều kiện nhiệt độ cao thay đổi dần từ xám sang n u nhẹ; - ộ co thể tích xuất đột ngột từ 600-900 0C; - ộ khối l ợng diễn nhanh chóng 300 0C, sau khối l ợng thay đổi khơng đáng kể; - C ng độ l i mẫu có khuynh h ớng t ơng t Tuy nhiên, mẫu có hàm l ợng Na2O cao có độ c ng độ lớn đặt nhiệt độ cao Cũng nghiên cứu tính bền nhiệt độ bê tông geopolymer, Daniel L.Y Kong Jay G Sanjayan [14] cho c ng độ nhiệt độ cao phụ thuộc vào kích th ớc mẫu vữa geopolymer s chênh lệch nhiệt độ bề mặt lõi g y nứt nhiệt Kích th ớc cốt liệu nh n tố quan trọng để xác định biểu geopolymer nhiệt độ cao Cốt liệu có kích th ớc nhỏ (10 mm) bền nhiệt độ cao Ngồi ra, tính bền nhiệt bê tơng geopolymer có sử dụng phụ gia siêu dẻo kém, sử dụng phụ gia siêu dẻo khơng có lợi bê tơng geopolymer làm việc nhiệt độ cao S chênh lệch nhiệt độ cấu trúc geopolymer thành phần cốt liệu gần nh nguyên nh n s suy giảm c ng độ bê tông geopolymer nhiệt độ cao iều THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 đ ợc minh chứng việc so sánh hai bê tông geopolymer đ ợc làm từ hai cốt liệu khác có tính chất giãn nở nhiệt khác Mẫu có s chênh lệch lớn s suy giảm c ng độ nhiều Tỷ lệ giãn nở nhiệt cốt liệu yếu tố có tính ảnh h ởng đến tính chất bê tơng geopolymer nhiệt độ cao [14] Kết luận Vật liệu geopolymer từ tro bay có tính tốt bê tông thông th ng nhiều 63 ph ơng diện nh c ng độ chịu nén cao, bền với ăn mịn mơi tr ng, có khả làm việc môi tr ng nhiệt độ cao Với đặc tính u việt trên, bê tơng geopolymer hồn tồn thay bê tơng xi măng OPC Ngồi ra, việc ứng dụng vật liệu giúp tận dụng phế thải tro bay góp phần bảo vệ mơi tr ng Vì vậy, nói bê tơng geopolymer bê tông t ơng lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wallah S.E (2009) Drying Shrinkage of Heat-Cured Fly Ash-Based Geopolymer Concrete Modern Appl Sci., 3: 12 [2] Davidovits, J 2008 Geopolymer Chemistry and Applications Institut Géopolymère, Saint-Quentin, France [3] Chindaprasirt P, Chareerat T, Siricicatnanon V (2007) Workability and strength of coarse high calcium fly ash geopolymer Cement Concrete Compos., 29: 224-229 [4] F Katz A Microscopic study of alkali-activation fly ash Cem Concr Res 1998;28: 197– 208 [5] Palomo A, Grutzek MW, Blanco MT Alkali-activated fly ashes A cement for the future Cem Concr Res 1999; 29:1323–9 [6] Chanh NV, Trung BD, Tuan DV (2008) Recent research geopolymer concrete The 3rd ACF International Coference –ACF/VCA [7] 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 [8] Djwantoro Hardjito Studies on Fly Ash-Based Geopolymer Concrete PhD Thesis Curtin University of Technology, November 2005 [9] Sathia R, Babu KG, Santhanam M (2008) Durability study of low calcium fly ash geopolymer concrete The 3rd ACF International Coference –ACF/VCA [10] Barbosa, V.F.F., MacKenzie K.J.D., and Thaumaturgo C., Synthesis and Characterisation of Materials Based on Inorganic Polymers of Alumina and Silica: Sodium Polysialate Polymers International Journal of Inorganic Materials, 2000 2(4): pp 309-317 [11] Djwantoro Hardjito, Steenie E Wallah, Dody M.J Sumajouw, and B.V Rangan Factors influencing the compressive strength of fly ash-based geopolymer concrete Civil engineering dimension, Vol 6, No 2, 88–93, September 2004, ISSN 1410-9530 ... nghiệm chứng minh đ ợc rằng, vật liệu geopolymer từ tro bay có khả chống ăn mịn mơi tr ng axit sunphat Với u điểm này, bê tông geopolymer từ tro bay đ ợc sử dụng để x y d ng cơng trình biển chế... axit sulfuric, độ hao hụt khối l ợng bê tông geopolymer axit có 0,5% bê tơng xi măng 3% Ali Allahverdi [15] nghiên cứu chế ăn mòn vữa geopolymer đóng rắn mơi tr ng axit sunphuric Ở nồng độ axit... việt trên, bê tơng geopolymer hồn tồn thay bê tơng xi măng OPC Ngồi ra, việc ứng dụng vật liệu giúp tận dụng phế thải tro bay góp phần bảo vệ mơi tr ng Vì vậy, nói bê tơng geopolymer bê tông t ơng