(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tính chất cơ học của bê tông geopolymer bọt khí cốt liệu nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG THỊ THU THẢO NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA BÊ TƠNG GEOPOLYMER BỌT KHÍ CỐT LIỆU NHỎ NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG - 60580208 SKC006678 Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG THỊ THU THẢO NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA BÊ TƠNG GEOPOLYMER BỌT KHÍ CỐT LIỆU NHỎ NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG-60580208 Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG THỊ THU THẢO NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA BÊ TƠNG GEOPOLYMER BỌT KHÍ CỐT LIỆU NHỎ NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG-60580208 Hướng dẫn khoa học: TS PHẠM ĐỨC THIỆN Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/2020 Mơ đun đàn hồi E (GPa) 25 20 15 10 6.61 13.83 15.29 Cường độ chịu nén bê tông (MPa) E theo Thực nghiệm E theo ACI 318-14 E theo Hardjito E theo cơng thức đề xuất Hình 15 Biểu đồ Mô đun đàn hồi theo thực nghiệm tính tốn BT geopolymer thay đổi tỉ lệ AL/FA Theo biểu đồ Hình 4.15 cho thấy rằng, mô đun đàn hồi mẫu BT geopolymer với tỉ lệ AL/FA khác tính theo cơng thức ACI 318-14 cho giá trị cao có độ sai số lớn so với kết thực nghiệm Độ sai số trung bình 36,4% Tiếp theo kết tính theo cơng thức thực nghiệm Hardjito, 30,5% Kết tính mơ đun đàn hồi theo cơng thức đề xuất đề tài có độ xác cao chênh lệch 8% so với kết đo thực nghiệm Kết phù hợp với nghiên cứu giải thích mục 4.3 65 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận Luận văn tập trung nghiên cứu tính chất học bê tơng geopolymer bọt khí cốt liệu nhỏ thơng qua thực nghiệm thay đổi hàm lượng chất tạo khí bột nhơm, nồng độ dung dịch NaOH tỉ lệ dung dịch hoạt hóa/tro bay (AL/FA) Các kết luận rút sau: - Hàm lượng bột nhôm làm giảm khả chịu lực bê tông làm tăng lỗ rỗng cấu trúc bề mặt Sự tăng lỗ rỗng làm giảm khối lượng thể tích bê tơng từ làm giảm độ đặc dẫn đến cường độ bê tông giảm - Khi nồng độ dung dịch NaOH lớn làm giảm cường độ chịu nén mô đun đàn hồi bê tông Khi hàm lượng kiềm tăng lên với nồng độ cao, trình trùng ngưng diễn mạnh mẽ tạo lượng nước lấp đầy lỗ rỗng, sau dưỡng hộ nhiệt lượng nước đi, để lại lỗ rỗng chứa khí, giảm độ đặc làm giảm cường độ Cường độ tốt bê tơng nhẹ bọt khí đạt 15,28 Mpa tương ứng cấp độ bền B12,5 nồng độ NaOH = 12M - Khi thay đổi tỉ lệ khối lượng AL/FA hàm lượng SiO2 dung dịch NaOH tăng lên Điều làm cho q trình hoạt hóa vật liệu luminosilicate tạo nhiều liên kết Si-O-Al lực liên kết chuỗi Si-O-Al diễn mạnh mẽ triệt để hơn, kết làm cho cường độ sản phẩm sau phản ứng tăng Tỉ lệ dung dịch kiềm hoạt hóa tro bay (AL/FA) cho kết tốt tỷ lệ 0,5 Khi cường độ nén tăng 57% mơ đun đàn hồi tăng 37% so với tỷ lệ AL/FA thấp (0,4) - Mẫu cấp phối BT geopolymer nhẹ cho khả chịu lực tốt sử dụng tỉ lệ AL/FA 0,5; nồng độ dung dịch NaOH 12M; (Na2SiO3/NaOH) 2,5 hàm lượng chất tạo bọt khí bột nhôm 0,1% - Dựa công thức đề xuất tính mơ đun đàn hồi cho BT geopolymer Hardjito, nghiên cứu đề xuất cơng thức tính mơ đun đàn hồi cho BT geopolymer rỗng cốt liệu nhỏ sau: 𝐸𝑐 = (1 − 𝑟)(2707√𝑓𝑐′ + 5300) (Mpa) Công thức đề xuất 66 phù hợp cho kết nghiên cứu thực nghiệm đề tài cần kiểm chứng thêm kết thực nghiệm khác 5.2 Hướng phát triển đề tài Một vấn đề mà đến chưa có nghiên cứu thực lại vấn đề then chốt bê tông geopolymer bọt nhẹ Đó kiểm sốt cấp phối hàm lượng bột tạo khí sử dụng cho bê tơng Chúng ta biết rằng, khí hydro tạo phản ứng ăn mòn kim loại (trong luận văn sử dụng nhôm) tạo nên lỗ rỗng hỗn hợp vữa phát triển thành cấu trúc bê tơng rỗng Ban đầu, để có phản ứng ăn mịn nhơm sinh khí hydro cần dung dịch NaOH làm chất xúc tác, đến nồng độ aluminate vượt giới hạn bão hòa, chúng bị phân hủy tạo kết tủa nhôm oxit, đồng thời sinh lại NaOH Ngồi ra, cịn nhân tố liên quan đến phản ứng nước Nước cung cấp mơi trường cho việc hịa tan nguyên liệu aluminosilicate, thủy phân gốc Al3+ Sẽ có lượng nước tiêu thụ phản ứng bột nhơm ảnh hưởng đến hịa tan phát triển aluminate bê tông geopolymer Như vậy, cần phải kiểm soát hàm lượng bột kim loại sử dụng nước trình xảy phản ứng Nếu không xảy tượng trên, khiến cho chất lượng bê tông kiểm sốt mong muốn Do đó, việc nghiên cứu cấp phối chuẩn xác hàm lượng bột tạo khí vừa đủ đề tài để mở rộng nghiên cứu sau Do hạn chế máy móc sở thí nghiệm, đề tài khơng thực thí nghiệm xác định kích thước lỗ rỗng độ xốp kính hiển vi quang học SEM (Scanning electron microscopy) Việc nghiên cứu cấu trúc lỗ xốp bê tơng bọt khí quan trọng hình dạng, kích thước phân bố lỗ rỗng cấu trúc bê tơng tính chất kín, hở, thơng lỗ rỗng ảnh hưởng đến hầu hết tính chất kỹ thuật bê tơng như: cường độ, tính bền vững, khả chống xâm thực hóa học, tính thấm nước, truyền âm, truyền nhiệt, Vì vậy, đề tài cần sâu nghiên cứu thêm cấu trúc lỗ rỗng độ xốp bê tông nhẹ bọt khí 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J F a C Breyer, "Gobal cement industry: Inventory, capacities, feture projections, CO2 potential for rCCU," Finland, 2017 [2] T Armstrong, "A review of global cementindustry trends," in XXXIV FICEM Technical congress , Guatemala, 2017 [3] T V Lượng, "nangluongvietnam.vn," Hiệp hội lượng Việt Nam, 2018 [Online] Available: http://nangluongvietnam.vn/news/vn/kien-giai-ton- tai/giai-phap-nao-cho-moi-truong-nhiet-dien-than-viet-nam.html [4] A Khoa, "https://baocantho.com.vn/," Đảng Đảng cộng sản Viêt Nam TP.Cần Thơ, 2017 [Online] Available: https://baocantho.com.vn/bien-tro-xitu-nha-may-nhiet-dien-than-thanh-vat-lieu-xay-dung-a90889.html [5] "Tro bay, xỉ thải đe dọa môi trường," 2019 [Online] Available: https://nld.com.vn/thoi-su/tro-bay-xi-thai-de-doa-moi-truong- 20190823220526158.htm [6] Tống Tông Kiên cộng sự, “Bê tông Geopolymer - Những thành tựu, tính chất ứng dụng,” Hội nghị khoa học kỷ niệm 50 năm ngày thành lập Viện KHCN Xây dựng, 2014 [7] K.A.Komnitsas, "Potential of geopolymer technology towards green buildings," Procedia Engineering , vol 21, pp 1023-1032, 2011 [8] Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9029:2017 Bê tông nhẹ - Sản phẩm bê tông bọt bê tơng khí khơng chưng áp - u cầu kỹ thuật [9] HANOITECH, "Phương án sản xuất gạch block bê tông bọt," [Online] Available: http://www.hanoinewtech.com/vn/Download/?ID=39 [10] Nguyễn Văn Chánh cộng sự, "Nghiên cứu chế tạo gạch không nung công nghệ Geopolymer sử dụng tro bay phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà ở," Người xây dựng, vol 230, pp 50-53, 12 2010 68 [11] N V Hoan, “Nghiên cứu sản xuất vật liệu không nung từ phế thải tro bay xỉ lò cao sở chất kết dính geopolymer,” Viện vật liệu xây dựng, 2012 [12] N T Xiêm, "Khả ứng dụng tro bay làm phụ gia vữa bê tơng geopolymer," Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản, pp 85-91, 2013 [13] N V Toản, “Nghiên cứu ảnh hưởng tro trấu phụ gia siêu dẻo tới tính chất hồ, vữa bê tơng,” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, tập 3+4, 2013 [14] P N Lý, Nghiên cứu sử dụng tro trấu tro bay vùng đồng sông Cửu Long để chế tạo bê tông nhẹ, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 2018 [15] T T T Triết, Nghiên cứu đặc tính học bê tơng geopolymer sử dụng cát biển, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 2016 [16] J Davitdovits, "Properties of geopolymer cements," in Alkailine Cements and concretes, KIEV, Ukraine, 1994 [17] J Wastiels cộng sự, "Mineral polymer based on fly ash," Journal of resource management and technology, vol 22, pp 135-141, 1994 [18] Djwantoro Hardjito cộng sự, "On the Development of Fly Ash-Based," ACI MATERIALS JOURNAL, pp 467-472, 2004 [19] Kearsley, E.P and P.J Wainwright, "The effect of high fly ash content on the compressive strength of foamed concrete," Cement and Concrete Research, pp 105-112, 2001 [20] A Hajimohammadi cộng sự, "How does aluminium foaming agent impact the geopolymer formation mechanism," Cement and Concrete Composites, vol 80, pp 277-286, 2017 [21] Mohd M.A.B Abdullah cộng sự, "Fly Ash-based Geopolymer Lightweight Concrete Using foaming agent," International Journal of Molecular Sciences, vol 13, pp 7186-7198, 2012 69 [22] W.M.W Ibrahim cộng sự, "Geopolymer lightweight bricks manufactured from fly ash and foaming agent," in AIP Conference Proceedings 1835, 020048 , 2017 [23] Yongbim Zhao cộng sự, "Fly ash based geopolymer foam technology for thermal insulation and fire protection applications," in 2015 World of Coal Ash (WOCA), Nasvhille, 2015 [24] V Ducman; L Korat, "Characterization of geopolymer fly-ash based foams obtained with the addition of Al," Materials Characterization, vol 113, pp 207-213, 2016 [25] J Davidovits, Geopolymer Chemistry and Applications, 4th edition ed., Institut Géopolymère, 2015 [26] P Duxson cộng sự, "Geopolymer technology: The current state of the art," Journal of Materials Science, vol 42, pp 2917-2933, 2007 [27] J Davidovits, "Geopolymers: Inorganic Polymeric new materials," Journal of Thermal analysis, vol 37, pp 1633-1656, 1991 [28] A Fernández-Jiménez, A Palomo, M Criado, "Microstructure development of alkali-activated fly ash cement: A descriptive model," Cement and Concrete Research, vol 35, pp 1204-1209, 2005 [29] A Palomo cộng sự, "Chemical stability of cementitious materials based on metakaolin," Cement and Concrete Research, vol 29, pp 997-1004, 1999 [30] V F F Barbosa cộng sự, "Synthesis and characterisation of materials based on inorganic polymers of alumina and silica: sodium polysialate polymers," International Journal of Inorganic Materials, vol 2, pp 309-317, 2000 [31] B G.Kutchko, "Fly ash characterization by SEM-EDS," Fuel, vol 85, no 1718, 2006 70 [32] ASTM C618 - 03 Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete, 2003 [33] A F Jiménez; A Palomo, "Characterisation of fly ashes Potential reactivity as alkaline cements," Fuel, vol 82, pp 2259-2265, 2003 [34] A Ferna´ndez-Jime´nez, A Palomo, M Criado, "Microstructure development of alkali-activated fly ash cement:a descriptive model," Cement and Concrete Research 35, vol 35, pp 1204-1209, 2005 [35] H V Trần, Nghiên cứu thành phần, tính chất lý bê tơng geopolymer tro bay ứng dụng cho kết cấu cầu hầm, Dự thảo luận án tiến sỹ kỹ thuật, Trường đại học Giao thông vận tải, 2017 [36] TCVN 7570:2006 Cốt liệu cho bê tông vữa (Yêu cầu kỹ thuật), 2006 [37] TCVN3118:1993 Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén, 1993 [38] ASTM C469/C469M – 10 Phương pháp xác định Mô đun đàn hồi tĩnh E hệ số Poisson bê tông nén tĩnh, 2010 [39] Phan Quang Minh cộng sự, Kết cấu bê tông cốt thép Phần cấu kiện bản, Hà Nội: Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [40] TCVN 5574:2018 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế, 2018 [41] A C 318, "Building code requirements for Structural Concrete (ACI318-14)," 2014 [42] D Hardjito cộng sự, "The stress-strain behaviour of fly ash-based geopolymer concrete," Development in Mechanics of Structures and Materials, vol 35, pp 831-834, 2004 [43] A Allahverdi, "Effects of Silica Modulus and Alkali Concentration on Activation of Blast-Furnace Slag," Iranian Journal of Materials Science and Engineering, vol 5, pp 32-35, 2008 71 [44] R M Hamidi cộng sự, "Concentration of NaOH and the Effect on the Properties of Fly Ash Based Geopolymer," Procedia Engineering , vol 148, p 189 – 193, 2016 [45] E.Kranzlein cộng sự, "Metal powders as foaming agents in fly ash based geopolymer synthesis and their impact on the structure depending on the Na/Al ratio," Cement and Concrete Composites, vol 90, pp 161-168, 2018 72 PHỤ LỤC 01 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CỠ HẠT CỦA BỘT NHƠM Thí nghiệm phân tích cỡ hạt bột nhơm (Al) thực máy Horiba LA-920 phịng thí nghiệm Trường đại học Bách Khoa TP.HCM 73 Nghiên cứu tính chất học bê tơng geopolymer bọt khí cốt liệu nhỏ Study on mechanical properties of geopolymer foam concrete using crushed stone as small aggregate Ngày nhận bài: Ngày sửa bài: Ngày chấp nhận đăng: Hoàng Thị Thu Thảo, Phạm Đức Thiện TĨM TẮT Bài báo trình bày ảnh hưởng hàm lượng bột nhôm, tỉ lệ dung dịch hoạt hóa/tro bay (AL/FA) nồng độ dung dịch NaOH đến tính chất học, khối lượng thể tích độ rỗng bê tơng geopolymer bọt khí sử dụng đá mi làm cốt liệu nhỏ Kết cho thấy bột nhơm làm tăng độ rỗng qua làm giảm khả chịu lực bê tông, nồng độ dung dịch NaOH tỉ lệ AL/FA ảnh hưởng nhiều đến tính chất bê tông Kết thực nghiệm cho thấy hàm lượng bột nhôm thay đổi từ 0; 0,05; 0,10; 0,15; 0,20% theo khối lượng khô tro bay, cho độ rỗng lớn đạt 29,86% cường độ tốt đạt 13,83Mpa Khi nồng độ dung dịch NaOH lớn làm giảm cường độ chịu nén mô đun đàn hồi bê tơng Tỉ lệ AL/FA cao khả chịu lực BT geopolymer rỗng cao Bên cạnh đó, tác giả có nghiên cứu đề xuất cơng thức tính mô đun đàn hồi cho BT geopolymer rỗng cốt liệu nhỏ Từ khóa: Bê tơng bọt khí, bê tơng geopolymer, bột nhôm, cốt liệu nhỏ, dung dịch NaOH, độ rỗng ABSTRACT This paper presents the study on the effect of aluminium foaming agent, ratio of alkaline/fly ash (AL/FA) and concentration of NaOH solution on mechanical properties, volumetric mass and porosity of geopolymer foam concrete uses crushed stone as small aggregate The results showed that aluminum powder increased porosity thereby reducing the compression resistance of concrete, the concentration of NaOH solution and AL/FA ratio greatly affecting the properties of concrete Experimental results showed that when aluminum amounting to 0; 0.05; 0.1; 0.15; 0.2% mass the dry weight of fly ash, gave the largest porosity of 29.86% and the best compression resistance was 13.83Mpa The greater the concentration of NaOH solution, the less the compressive strength and elastic modulus of concrete The higher the AL/FA ratio, the higher the bearing capacity of geopolymer foam concrete Besides, the author has proposed the formula for calculating elastic modulus for geopolymer foam concrete uses crushed stone as small aggregate Keywords: Foam concrete, Geopolymer concrete, aluminium, small aggregate, NaOH solution, porosity Hoàng Thị Thu Thảo Học viên, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: thaohoang1705@gmail.com Điện thoại: 0934181917 Phạm Đức Thiện Giảng viên, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: phamducthien@hcmute.edu.vn Điện thoại: 0949596128 Giới thiệu Ngày nay, bê tông geopolymer ngày ứng dụng rộng rãi cơng trình xây dựng ưu điểm tuyệt vời như: Gạch khơng nung, kết cấu chịu lửa, cách nhiệt, cấu kiện đúc sẵn, đường cao tốc, Một phát triển gần ngành bê tơng geopolymer bê tơng geopolymer bọt khí, kết hợp lợi bê tơng bọt khí cơng nghệ geopolymer, giúp giảm trọng lượng cấu kiện từ tiết kiệm chi phí xây dựng đồng thời mang đến hội giảm thiểu tác động xấu đến môi trường tiết kiệm lượng giảm khí thải nhà kính Các nghiên cứu V Ducman, Wan Ibrahim, Yongbin Zhao [1] [2] [3] nhà nghiên cứu khác cho thấy ưu điểm vượt trộn độ xốp cao, hấp thụ nước, khả chống cháy, chống ồn, chống ăn mòn bê tơng geopolymer nhẹ bọt khí Tuy nhiên, nghiên cứu bê tơng bọt nhẹ trước có nhược điểm cường độ chịu nén thấp (chủ yếu sản xuất vữa) nguồn vật liệu phải trải qua công nghệ xử lý cầu kỳ, tốn Do đó, để hồn thiện nghiên cứu vật liệu bê tông geopolymer nhẹ, báo đề xuất hướng nghiên cứu cách tạo rỗng cho bê tông geopolymer sử dụng đá mi làm cốt liệu nhỏ Bài báo trình bày nghiên cứu kết hợp bê tông geopolymer phụ gia tro bay cốt liệu nhỏ chất tạo bọt bột nhôm nhằm đánh giá ảnh hưởng thành phần phụ gia bê tông khả sử dụng bê tông dùng xây dựng Nguyên liệu phương pháp thí nghiệm 2.1 Cốt liệu nhỏ Cát sử dụng cho bê tông xi măng thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 [4], có mơ đun độ lớn 1,82 Khối lượng riêng 2,61g/cm3, khối lượng thể tích 1,52g/cm3 Đá sử dung cho đề tài nghiên cứu đá mi thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 [4] có kích thước ≤ mm, khối lượng riêng 2.700kg/m3, khối lượng thể tích 1.450kg/m3 2.2 Tro bay Sử dụng tro bay Phả Lại sau tuyển loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618 [5] có khối lượng riêng 2500kg/m3, độ mịn 94% độ mịn sàng 45µm = 22,3% Thành phần hóa học trình bày bảng Bảng Thành phần hóa học tro bay Thành phần SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O MgO % khối lượng 58,62 25,17 6,22 SO3 MKN - Tỉ lệ dung dịch thủy tinh lỏng dung dịch NaOH (Na2SiO3/NaOH): 2,5; - Tỉ lệ dung dịch alkaline tro bay (AL/FA): 0,4; 0,45; 0,5 - Thành phần bột nhôm dùng với tỉ lệ 0,05; 0,10; 0,15 0,20% theo khối lượng khô tro bay Bảng Cấp phối thực nghiệm Tên mẫu đạt theo quy tắc sau: Mx.y.z Trong đó: x : Nồng độ mol dung dịch NaOH sử dụng cho mẫu thử y : Hàm lượng bột nhôm sử dụng cho mẫu thử z : Tỉ lệ AL/FA 2.7 Dưỡng hộ bê tông Bê tông geopolymer sau đúc được dưỡng hộ nhiệt nhiệt độ 1000C khoảng thời gian 2.8 Phương pháp thí nghiệm Với cấp phối, triển khai đúc mẫu thử để thí nghiệm xác định tiêu kỹ thuật tính chất học Số lượng kích thước mẫu chuẩn bi theo tiêu chuẩn kỹ thuật Các thí nghiệm tiến hành thực nghiệm bao gồm: Thí nghiệm xác định khối lượng riêng khối lượng thể tích theo [7] từ xác định độ rỗng mẫu Thí nghiệm xác định cường độ theo TCVN 3118:1993 [8] Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi nén tĩnh theo tiêu chuẩn ASTM C469/C469M – 10 [9] 1,21 1,02 0,81 0,03 2,61 (*) MKN: lượng nung 2.3 Dung dịch hoạt hóa Dung dịch hoạt hóa (dung dịch alkaline) kết hợp sodium hydroxide NaOH (SH) sodium silicate Na2SiO3 (SS) Sodium silicate có có tỉ lệ SO2/Na2O= 2,5, %Na2O =11,8; %SiO2 = 29,5 nước 58,7% theo khối lượng Dung dịch sodium hydroxide tạo thành từ thành phần rắn có độ tinh khiết 98%, hịa tan với nước để tạo nồng độ theo yêu cầu 2.4 Vơi Ngun liệu vơi có hàm lượng vơi đạt 88,5%, đặc tính lý vơi trình bảy bảng Bảng Đặc tính kỹ thuật vôi Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Kết Độ mịn sót sàng (N0009) % 8,6 Hàm lượng (CaO + MgO) % 88,5 Nhiệt độ C 63 Thời gian Phút 6,2 2.5 Bột nhôm Bột nhôm có thành phần chất rắn chiếm 65%, thành phần hoạt tính chất rắn chiếm 90% Tốc độ sinh khí phút 50-80%, 16 phút lớn 90% Độ mịn sót sàng 0,075mm 3% Độ phân bố hạt tốt, kích thước hạt từ D50 – D80m 2.6 Thành phần cấp phối bê tông Quá trình thiết kế cấp phối phụ thuộc phần lớn vào yêu cầu đặc tính mong muốn từ cường độ đến độ bền Dựa vào kết nghiên cứu trước tác giả Trần Việt Hưng [6] đề xuất thành phần cấp phối tối ưu để đạt cường độ tốt cho bê tông Geopolymer Cấp phối bê tông sử dụng thí nghiệm trình bày Bảng 3.4, thành phần tỉ lệ sau: - Nồng độ dung dịch NaOH: 12; 14; 16M; Hình Thí nghiệm xác định khối lượng riêng Hình Thí nghiệm Hình Thí nghiệm xác định cường độ xác định mô đun nén chịu nén tĩnh Kết thực nghiệm thảo luận 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng bột nhôm đến độ rỗng bê tơng Kết thí nghiệm xác định độ rỗng bê tơng geopolymer nhẹ bọt khí cốt liệu nhỏ thể bảng Bảng Kết thí nghiệm xác định độ rỗng Nhận thấy, mẫu cấp phối M14.00.45 khơng sử dụng bột nhơm có khối lượng riêng = 2,417(g/cm3) Giá trị phù hợp với giá trị khối lượng riêng bê tông nặng thông thường có = 2,200 – 2,500(g/cm3) [10] dụng tỉ lệ bột nhôm 0,10% cho giá trị cường độ tốt mẫu đáp ứng yêu cầu bê tông nhẹ Khi tăng tỉ lệ bột nhôm lên 0,15% 0,20%, cường độ chịu nén trung bình giảm mạnh đạt cấp cường độ bền tương ứng B7,5 B5 Mối quan hệ hàm lượng bột nhôm mô đun đàn hồi nén tĩnh (E) bê tơng geopolymer nhẹ bọt khí thể hình Hình Quan hệ hàm lượng bột nhơm – khối lượng thể tích độ rỗng Kết thí nghiệm cho thấy, hàm lượng bột nhơm cao độ rỗng bê tơng nhẹ tăng khối lượng mẫu thử giảm Khi tăng hàm lượng bột nhơm từ lên 0,05% khối lượng thể tích giảm 27,14% độ rỗng tăng lến đến 29,88% Có thay đổi Al kim loại có khả phản ứng cao, dễ dàng tạo khí H2 tạo thành Al(OH)3 đặt vào nước Khi dạng kiềm, nhôm phản ứng với nước liên tục, sinh khí hydro hình thành lỗ rỗng bê tông Tỉ lệ bột nhôm nhiều, phản ứng lâu, sinh khí hydro hình thành nhiều lỗ rỗng Các lỗ rỗng bê tông quy định trọng lượng độ rỗng bê tơng Thể tích phần lỗ rỗng nhiều, bê tông nhẹ, độ rỗng cao ngược lại Nhận thấy rằng, với tỉ lệ bột nhơm cao (Cấp phối M14.20.45) có khối lượng thể tích v = 1,746 (g/cm3) thấp cịn nặng so với bê tông nhẹ thông thường (≤1,800 g/cm3) Nguyên nhân chủ yếu đề tài sử dụng cốt liệu cát đá mi làm cốt liệu nhỏ Khi cho chất tạo bọt khí bột nhơm vào hỗn hợp bê tơng, khí hydro sinh bị thành phần hạt lớn cốt liệu nặng có xu hướng “chìm” xuống ép bọt khí ngồi nên giảm lỗ rỗng 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng bột nhôm đến cường độ chịu nén mô đun đàn hồi Mối quan hệ hàm lượng bột nhôm cường độ chịu nén bê tơng geopolymer nhẹ bọt khí thể hình a) theo hàm lượng bột nhơm b) theo độ rỗng Hình Quan hệ Mơ đun đàn hồi E – hàm lượng bột nhôm độ rỗng Mô đun đàn hồi bê tông giảm tuyến tính hàm lượng bột nhơm độ rỗng tăng Mô đun đàn hồi bê tông phụ thuộc vào cấu trúc cường độ chịu nén bê tông Bê tông đặc, cường độ chịu nén cao mơ đun đàn hồi lớn Có thể dễ dàng thấy mối quan hệ từ biểu đồ trên, cường độ chịu nén trung bình mơ đun đàn hồi bê tơng khí có xu hướng giảm tuyến tính độ rỗng tăng tương ứng với tỉ lệ bột nhôm sử dụng tăng Kết thí nghiệm đo mơ đun đàn hồi BT geopolymer bọt khí so sánh với giá trị mơ đun đàn hồi tính theo cơng thức đề xuất ACI 318 – 14 (Mục 19.2.2, Công thức 19.2.2.1.b) công thức thực nghiệm Hardjito cho bê tông geopolymer thể hình Cơng thức đề xuất Viện bê tông Hoa Kỳ, theo ACI 318-14 [12] Ec = 4700 √𝑓𝑐′ (Mpa) (1) Công thức thực nghiệm Hardjito [13] cho bê tông geopolymer: Ec =2707√𝑓𝑐′ + 5300 (Mpa) (2) Trong 𝑓𝑐′ : cường độ chịu nén trung bình bê tơng a) Hình Quan hệ hàm lượng bột nhôm – độ rỗng – cường độ chịu nén Khi hàm lượng bột nhôm tăng dần độ rỗng tăng lên cường độ chịu nén giảm xuống Sự giảm cường độ mẫu theo hàm lượng bột nhôm phù hợp với kết thực nghiệm phát triển cấu trúc rỗng bê tơng geopolymer bọt khí Vào giai đoạn đầu phản ứng, lớp oxit nhôm luôn phủ bề mặt nhôm lớp bảo vệ không hòa tan ức chế phản ứng Al với nước làm giảm tốc độ hòa tan hạt tro bay Qua thời gian, lỗ rỗng hình thành khí H2 tạo từ phản ứng nhôm hidroxit nước Sự tăng lỗ rỗng làm giảm khối lượng thể tích bê tơng từ làm giảm độ đặc dẫn đến cường độ bê tông giảm Quy đổi cường độ nén trung bình mẫu thí nghiệm sang cường độ tiêu chuẩn theo TCVN 5574:2018 [11] ta Bảng b) Hình Tương quan giá trị mơ đun đàn hồi theo thực nghiệm tính tốn Quan sát Hình 7a cho thấy, giá trị thực nghiệm nhỏ giá trị tính tốn từ cường độ Giá trị mơ đun đàn hồi thực nghiệm thấp so với giá trị tính theo ACI 318-14 trung bình 28% thấp so với tính theo cơng thức thực nghiệm Hardijito 20% Có chệnh lệch kết thực nghiệm kết tính tốn từ cơng thức đề xuất theo ACI 318-14 công thức đề xuất áp dụng cho bê tông xi măng thơng thường, khơng phù hợp để tính tốn mơ đun đàn hồi cho BT geopolymer So sánh với kết tính theo cơng thức đề xuất Hardjito, nhận thấy với mẫu cấp phối M14.00.45 không sử dụng bột tạo khí, kết thực nghiệm gần tương đồng với tính tốn Như vậy, giá trị thực nghiệm phù hợp với kết tính tốn cho bê tơng geopolymer Tuy nhiên, mẫu có sử dụng bột nhôm, giá trị mô đun đàn hồi lệch dần, độ chênh lệch kết thực nghiệm tính tốn tăng dần tương ứng với tăng hàm lượng bột nhơm Do khẳng định, mơ đun đàn hồi bê tơng geopolymer nhẹ bọt khí phụ thuộc vào độ rỗng bê tông Nhận thấy tương đồng thương số giá trị mô đun đàn hồi thực nghiệm giá trị mô đun đàn hồi tính tốn theo cơng thức Hardjito hiệu số (1 - r) Do đó, dựa cơng thức Hardjito, đề tài đề xuất cơng thức tính mơ đun đàn hồi cho BT geopolymer bọt khí cốt liệu nhỏ theo độ rỗng phù hợp với kết thực nghiệm sau: 𝐸𝑐 = (1 − 𝑟)(2707√𝑓𝑐′ + 5300) (Mpa) (3) Trong đó: Bảng Cấp độ bền mẫu thử Với giá trị cường độ chịu nén trung bình cấp phối M14.10.45 13,83 Mpa tương ứng cấp độ bền B12,5 Rõ ràng cấp phối M14.10.45 sử Ec : Mô đun đàn hồi BT geopolymer bọt khí (Mpa) r : Độ rỗng BT geopolymer bọt khí (khơng thứ ngun) 𝑓𝑐′ : cường độ chịu nén trung bình bê tơng (Mpa) Theo hình 7b cho thấy, tính tốn theo cơng thức đề xuất cho kết mô đun đàn hồi tiệm cận với kết thực nghiệm, sai số trung bình 7% 3.3 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch NaOH đến cường độ chịu nén mô đun đàn hồi Mối quan hệ nồng độ dung dịch NaOH đến cường độ chịu nén mô đun đàn hồi tĩnh bê tơng geopolymer nhẹ bọt khí thể hình & Khi nồng độ dung dịch NaOH tăng dần từ 12M – 16M cường độ chịu nén mô đun đàn hồi tĩnh có xu hướng giảm Hình Cường độ chịu nén mẫu Hình Mơ đun đàn hồi theo nồng theo nồng độ NaOH độ NaOH Trong giai đoạn đầu q trình geopolymer hóa, gốc OH- đóng vai trị xúc tác cho q trình hịa tan nhơm silic vật liệu aluminosilicat Ở giai đoạn cuối phản ứng ion Na+ có vai trị hình thành cấu trúc cân điện tích khối tứ diện nhơm [14] Do đó, nồng độ NaOH ảnh hưởng đến khả chịu lực cấu trúc vật liệu tạo thành Giải thích phù hợp với kết nghiên cứu trước ảnh hưởng nồng độ dung dịch NaOH đến tính chất bê tông geoplymer Tuy nhiên nghiên cứu khảo sát mẫu sử dụng dung dịch NaOH có nồng độ thấp Khi hàm lượng kiềm tăng lên, khả hồ tan nhơm silic ngun liệu tăng lên làm tăng lượng phức nhơm silic cho trình trùng ngưng tạo thành cấu trúc silicat rắn Tuy nhiên, nồng độ NaOH cao, trình trùng ngưng diễn mạnh mẽ tạo lượng nước lấp đầy lỗ rỗng, sau dưỡng hộ nhiệt lượng nước đi, để lại lỗ rỗng chứa khí, giảm độ đặc phá vỡ q trình geopolymer hóa gia tăng số lượng ion OH- mức dẫn đến phản ứng khơng hiệu [15] Do đó, tăng nồng độ dung dịch NaOH cao, làm giảm cường độ chịu nén bê tông geopolymer Mô đun đàn hồi bê tông, phụ thuộc vào cấu trúc cường độ chịu nén bê tông, cường độ chịu nén giảm nồng độ NaOH tăng mơ đun đàn hồi giảm theo Đối chiếu kết giá trị modun đàn hồi thực nghiệm với giá trị mô đun đàn hồi theo ACI 318 – 14 (1), Hardjito (2) công thức đề xuất đề tài (3) với độ rỗng tham chiếu 26,16% ta kết hình 10 Hình 10 Biểu đồ Mô đun đàn hồi theo thực nghiệm tính tốn BT geopolymer thay đổi nồng độ dung dịch NaOH Kết hình 10 cho thấy mô đun đàn hồi thực nghiệm cho kết thấp giá trị tính tốn theo cơng thức đề xuất Cụ thể thấp 39,5% so với công thức đề xuất theo ACI 318 – 14 30,8% so với công thức thực nghiệm Hardjito Tuy nhiên, giá trị thực nghiệm chênh lệch 6,3% so với công thức đề xuất đề tài Kết phù hợp với nghiên cứu giải thích mục 3.3 3.4 Ảnh hưởng tỉ lệ dung dịch alkaline tro bay (AL/FA) đến mô đun đàn hồi Hình 11 mơ tả mối quan hệ tỉ lệ AL/FA khác đến tính chất cường độ chịu nén mô đun đàn hồi tĩnh bê tông Cấp phối tăng tỉ lệ AL/FA cường độ nén bê tơng nhẹ có xu hướng tăng dần Hình 11 Cường độ chịu nén Hình 12 Mơ đun đàn hồi theo tỉ lệ mẫu theo tỉ lệ AL/FA AL/FA Khi thay đổi tỉ lệ khối lượng AL/FA làm hàm lượng kiềm hoạt hóa thay đổi Các gốc Silica Alumina có thành phần cốt liệu hai thành phần cấu trúc nano geopolymer Tốc độ hịa tan Al Si giải phóng gốc trình phản ứng ảnh hưởng đến trình geopolymer hóa cường độ sản phẩm Khi tăng hàm lượng hỗn hợp dung dịch kiềm hoạt hóa hàm lượng SiO2 có thủy tinh lỏng tăng lên Điều dẫn đến tỷ số SiO2/Al2O3 tăng, trình geopolymer hóa tạo nhiều liên kết Si-O-Al lực liên kết chuỗi Si-O-Al mạnh [16], kết làm cho cường độ sản phẩm sau phản ứng tăng Hơn tăng tỷ lệ dung dịch kiềm NaOH làm cho q trình hoạt hóa vật liệu luminosilicate diễn mạnh mẽ triệt để hơn, góp phần tạo nhiều sản phẩm geopolymer hóa So sánh kết giá trị modun đàn hồi thực nghiệm thay đổi tỉ lệ AL/FA với giá trị mô đun đàn hồi theo ACI 318 – 14 (1), Hardjito (2) công thức đề xuất đề tài (3) với độ rỗng tham chiếu 26,16% ta kết hình 13 Hình 13 Biểu đồ Mơ đun đàn hồi theo thực nghiệm tính tốn BT geopolymer thay đổi tỉ lệ AL/FA Theo biểu đồ Hình 13 cho thấy rằng, mô đun đàn hồi mẫu BT geopolymer với tỉ lệ AL/FA khác tính theo cơng thức ACI 31814 cho giá trị cao có độ sai số lớn so với kết thực nghiệm Độ sai số trung bình 36,4% Tiếp theo kết tính theo cơng thức thực nghiệm Hardjito, 30,5% Kết tính mơ đun đàn hồi theo công thức đề xuất đề tài có độ xác cao chênh lệch 8% so với kết đo thực nghiệm Kết phù hợp với nghiên cứu giải thích mục 3.3 Kết luận Bài báo nghiên cứu tính chất học bê tơng geopolymer bọt khí cốt liệu nhỏ thông qua thực nghiệm thay đổi hàm lượng chất tạo khí bột nhơm, nồng độ dung dịch NaOH tỉ lệ dung dịch hoạt hóa/tro bay (AL/FA) Các kết luận rút sau:  Hàm lượng bột nhôm làm giảm khả chịu lực bê tông làm tăng lỗ rỗng cấu trúc bề mặt Sự tăng lỗ rỗng làm giảm khối lượng thể tích bê tơng từ làm giảm độ đặc dẫn đến cường độ bê tông giảm  Khi nồng độ dung dịch NaOH lớn làm giảm cường độ chịu nén mô đun đàn hồi bê tông Cường độ tốt bê tơng nhẹ bọt khí đạt 15,28 Mpa tương ứng cấp độ bền B12,5 nồng độ NaOH = 12M  Khi thay đổi tỉ lệ khối lượng AL/FA hàm lượng SiO2 dung dịch NaOH tăng lên Tỉ lệ dung dịch kiềm hoạt hóa tro bay (AL/FA) cho kết tốt tỷ lệ 0,5 Khi cường độ nén tăng 57% mô đun đàn hồi tăng 37% so với tỷ lệ AL/FA thấp (0,4)  Dựa cơng thức đề xuất tính mơ đun đàn hồi cho BT geopolymer Hardjito, báo đề xuất công thức tính mơ đun đàn hồi cho BT geopolymer rỗng cốt liệu nhỏ sau: 𝐸𝑐 = (1 − 𝑟)(2707√𝑓𝑐′ + 5300) (Mpa) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V Ducman; L Korat, "Characterization of geopolymer fly-ash based foams obtained with the addition of Al," Materials Characterization, vol 113, pp 207-213, 2016 [2] W.M.W Ibrahim cộng sự, "Geopolymer lightweight bricks manufactured from fly ash and foaming agent," in AIP Conference Proceedings 1835, 020048 , 2017 [3] Yongbim Zhao cộng sự, "Fly ash based geopolymer foam technology for thermal insulation and fire protection applications," in 2015 World of Coal Ash (WOCA), Nasvhille, 2015 [4] TCVN 7570:2006 Cốt liệu cho bê tông vữa (Yêu cầu kỹ thuật), 2006 [5] ASTM C618 - 03 Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete, 2003 [6] H V Trần, Nghiên cứu thành phần, tính chất lý bê tơng geopolymer tro bay ứng dụng cho kết cấu cầu hầm, Dự thảo luận án tiến sỹ kỹ thuật, Trường đại học Giao thông vận tải, 2017 [7] Tiêu chuẩn ngành 22 TCN 60-84 Quy trình thí nghiệm bê tơng xi măng [8] TCVN3118:1993 Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén, 1993 [9] ASTM C469/C469M – 10 Phương pháp xác định Mô đun đàn hồi tĩnh E hệ số Poisson bê tông nén tĩnh, 2010 [10] Phan Quang Minh cộng sự, Kết cấu bê tông cốt thép Phần cấu kiện bản, Hà Nội: Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [11] TCVN 5574:2018 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế, 2018 [12] A C 318, "Building code requirements for Structural Concrete (ACI318-14)," 2014 [13] D Hardjito cộng sự, "The stress-strain behaviour of fly ashbased geopolymer concrete," Development in Mechanics of Structures and Materials, vol 35, pp 831-834, 2004 [14] A Allahverdi , "Effects of Silica Modulus and Alkali Concentration on Activation of Blast-Furnace Slag," Iranian Journal of Materials Science and Engineering, 2008 [15] Z M a K A A Rashidah Mohamed Hamidi, "Concentration of NaOH and the Effect on the Properties of Fly Ash Based Geopolymer," Procedia Engineering 148, p 189 – 193, 2016 [16] H W E.Kranzlein, "Metal powders as foaming agents in fly ash based geopolymer synthesis and their impact on the structure depending on the Na/Al ratio," in Cement and Concrete Composites, 2018 XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ... trường, bê tông geopolymer ngày nghiên cứu phát triển sau Vì ? ?Nghiên cứu tính chất học bê tơng geopolymer bọt khí cốt liệu nhỏ? ?? kết hợp bê tơng geopolymer phụ gia tro bay phụ gia tạo bọt nhằm... nghiên cứu vật liệu bê tông geopolymer nhẹ, đề tài đề xuất hướng nghiên cứu cách tạo rỗng cho bê tông geopolymer sử dụng đá mi làm cốt liệu nhỏ Mục tiêu đề tài là: ? ?Nghiên cứu tính chất học bê. .. bê tơng geopolymer bọt khí cốt liệu nhỏ? ?? Nghiên cứu phương pháp tạo bọt ảnh hưởng chất tạo bọt đến tính chất cường độ bê tông geopolymer Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng tro bay, chất tạo bọt đến