Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM là một phương pháp nghiên cứu đặc điểm hình dáng bề mặt vật liệu, hình thái cấu trúc (cung cấp thông tin về sự kết tinh, kích thước hạt, cho phép quan sát vi cấu trúc), thành phần cấu tạo. Ngoài ra ảnh SEM còn cung cấp thông tin về thành phần pha, sự tương tác và phân bố giữa các pha.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM – Scanning Electron Microscope) là một kỹ thuật phân tích cho phép sự tạo ảnh bề mặt mẫu với độ phân giải cao. Ở đây, một chum điện tử hẹp được quét đi quét lại bề mặt mẫu, bức xạ phát ra sau khi tương tác với mẫu sẽ được thu lại và phân tích, từ đó tạo ảnh biểu trưng hình thái cấu trúc của vật liệu. Kỹ thuật này được phát minh từ những năm 1940 của thế kỷ trước, thiết bị SEM thương mại đầu tiên được sản xuất tại Cambridge (Anh) năm 1965. Sau đó chúng được thay đổi cải tiến nhiều và trở thành một thiết bị thông dụng để nghiên cứu vật liệu.
Việc phát điện tử trong thiết bị SEM sử dụng sung phóng điện tử phát xạ nhiệt hoặc phát xạ trường, sau đó tăng tốc cho chum điện tử. Thế tăng tốc của SEM thường đạt từ 10kV đến 50kV. Điện tử sau khi được tăng tốc sẽ hội tụ
28
đó quét trên bề mặt mẫu nhờ lực quét tĩnh điện. Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ.
Khi tương tác với bề mặt mẫu chất rắn sẽ sinh ra một đám mây điện tử bật ngược trở lại, các tín hiệu này cho phép tạo ảnh bề mặt mẫu và thực hiện một số các phép phân tích như EDS, WDS, phổ Auger, phổ huỳnh quang catot.
Những hình ảnh SEM trong bản luận văn này được chụp tại phòng Bêtông, Viện khoa học công nghệ Xây dựng.
*Ưu điểm của SEM:
+ Các thiết bị của SEM cho phép phóng đại > 100 000 lần.
+ Phân tích không cần phá hủy mẫu và làm việc ở mức độ chân không bình thường.
+ Chuẩn bị mẫu và điều khiển thiết bị đơn giản . + Giá thành thiết bị rẻ.
29
Chương 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Xác định thành phần hoá học của tro bay
Tro bay được lấy từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại có thành phần hoá học như bảng 3.1:
Bảng 3.1: Thành phần hoá học của tro bay:
Thành phần MKN SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO R2O TiO2 SO3
Tỉ lệ % m 9.52 56.25 20.04 6.60 1.90 1.30 2.49 0.40 0.58
Ta thấy tro bay chứa hai thành phần pha SiO2(56.25%), Al2O3(20.04%)
là chủ yếu và một số khoáng cặn khác. 3.2. Độ hoạt tính của tro bay
Tiến hành xác định độ hút vôi kết quả thu được như bảng 3.2: Bảng 3.2: Độ hút vôi của phụ gia tro bay
STT V(ml) V, (ml) 1 14.0 19.8 2 15.0 19.8 3 15.0 19.8 4 15.5 19.8 5 13.2 19.8 6 13.5 19.8 7 13.0 19.8 8 13.3 19.8 9 13.2 19.8 10 14.1 19.8 11 13.0 19.8 12 13.6 19.8 13 14.7 19.8 14 14.2 19.8 15 13.1 19.8
30
V- là thể tích HCl 0.5N dùng để chuẩn độ nước vôi trong bình nón
V’- là thể tích HCl 0.5 dùng để chuẩn độ nước vôi trong
Tổng số mg CaO/1g phụ gia: 208,4 mg. Từ kết quả cho thấy tro bay có độ hoạt tính rất mạnh.
3.3. Kết quả thí nghiệm xác định lượng nước tiêu chuẩn Bảng 3.3: Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu chứa phụ gia tro bay Bảng 3.3: Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu chứa phụ gia tro bay
Ký hiệu mẫu Lượng nước
tiêu chuẩn M-0 29,0% M-1 30,0% M-2 31,5% M-3 33,5% M-4 35,0%
31 0.00% 5.00% 10.00% 15.00% 20.00% 25.00% 30.00% 35.00% 40.00% M-0 M-1 M-2 M-3 M-4
Đồ thị 3.1: Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu chứa phụ gia tro bay.
Bảng 3.4: Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu chứa phụ gia CMC
Ký hiệu mẫu Lượng nước tiêu chuẩn
M-0 29,00%
M-5 28,75%
M-6 28,50%
M-7 28,25%
32
Đồ thị 3.2: Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu phụ gia CMC.
Bảng 3.5: Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu phụ gia hỗn hợp
Ký hiệu mẫu Lượng nước tiêu chuẩn
M-0 29,0%
M-9 29,5%
M-10 31,0%
M-11 33,0%
33 26.00% 27.00% 28.00% 29.00% 30.00% 31.00% 32.00% 33.00% 34.00% 35.00% M-0 M-9 M-10 M-11 M-12
Đồ thị 3.3 : Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu chứa phụ gia hỗn hợp.
Nhận xét: Từ bảng kết quả trên ta thấy
Khi sử dụng phụ gia tro bay thì tỷ lệ nước/xi tăng lên theo tỷ lệ phụ gia. Còn khi sử dụng phụ gia CMC thì tỷ lệ nước/xi giảm theo tỷ lệ phụ gia.
Khi sử dụng hỗn hợp hai phụ gia trên thì tỷ lệ nước/xi cũng tăng lên nhưng tỷ lệ tăng đó giảm so với việc sử dụng phụ gia tro bay một mình, và tăng lên so với việc sử dụng một mình phụ gia CMC.
Nguyên nhân là do:
Khi sử dụng phụ gia tro bay thì nó là các hạt mịn, thành phần là SiO2 ht,
Al2O3 ht và còn có CaO, MgO... Vì vậy có thể xảy ra phản ứng với nước như
trong phần tổng quan đã giải thích:
Al2O3 ht + Ca(OH)2 +(n-1) H2O = Al2O3.CaO.nH2O SiO2 ht + Ca(OH)2 + (n-1) H2O = SiO2.CaO.nH2O
Lượng nước bị tiêu tốn thêm với các chất trong tro bay. Vì vậy hàm lượng tro bay tăng, đồng thời lượng nước tiêu thụ trong quá trình phản ứng thủy hóa sẽ tăng lên.
34
Đối với phụ gia CMC nó bị hấp phụ lên bề mặt xi măng làm phân tán đều trong môi trường nước, tạo tính trơn trượt giữa các hạt xi măng do đó làm giảm khả năng hút nước.
Khi kết hợp hai loại phụ gia này thì nó mang theo những ưu điểm và loại bỏ những nhược điểm của từng phụ gia. Do vậy khi sử dụng kết hợp hai loại phụ gia lượng nước tiêu chuẩn không ảnh hưởng nhiều đến tính chất thủy hóa của xi măng.
3.4. Kết quả xác định thời gian đông kết
Kết quả thí nghiệm thu được trình bày ở bảng sau:
Bảng 3.6: Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết
Mẫu Thời gian bắt đầu đông kết
(phút)
Thời gian kết thúc đông kết (phút) M-0 131 212 M-1 181 365 M-2 228 409 M-3 233 422 M-4 237 431 M-5 222 372 M-6 229 415 M-7 236 432 M-8 247 452 M-9 206 370 M-10 219 412 M-11 234 435 M-12 245 486
35
Nhận xét:
Đối với phụ gia tro bay thì thời gian bắt đầu đông kết và kết thúc đông kết tăng theo tỷ lệ phụ gia.
Phụ gia CMC thời gian bắt đầu đông kết và kết thúc đông kết tăng theo tỷ lệ phụ gia.
Khi kết hợp hai loại phụ gia này thì tương tự như việc sử dụng từng loại phụ gia riêng lẻ, thời gian bắt đầu đông kết và kết thúc đông kết tăng theo tỷ lệ phụ gia.
Tuy vậy, đối với việc sử dụng phụ gia CMC thời gian bắt đầu đông kết và kết thúc đông kết hoàn toàn dài hơn so với việc sử dụng phụ gia tro bay.
Nguyên nhân:
Do khi sử dụng phụ gia CMC, tỷ lệ nước/xi thấp nhưng nó có tác dụng bao bọc xung quang các hạt clinker, không cho chúng kết bông lại với nhau làm tăng tính lưu biến của vữa, làm kéo dài thời gian đông kết. Như giải thích ở phần tổng quan, do đó các hạt xi măng phân tán một cách dễ dàng trong nước, vừa tạo điều kiện cho quá trình hyđrat hoá, vừa giảm được lỗ rỗng trong vữa.
Ta thấy được hiệu quả của sự ảnh hưởng của phụ gia tro bay, phụ gia CMC và hỗn hợp hai phụ gia này đã cải thiện được tính chất, thời gian bắt đầu đông kết và kết thúc đông kết, và làm giảm tỷ lệ nước/xi. Trên cơ sở đó, chúng ta có thể sử dụng trong quá trình tạo vữa hay bê tông phục vụ cho quá trình thi công tuỳ theo thời gian thi công.
3.5. Kết quả thí nghiệm xác định cường độ kháng nén
Kết quả xác định cường độ kháng nén của các mẫu thí nghiệm được trình bày trong bảng sau:
36
Bảng 3.7: Cường độ kháng nén của mẫu chứa phụ gia tro bay Mẫu
Độ bền nén (N/mm2)
7 ngày 28 ngày 56 ngày
M-0 27.1 35.4 42.9
M-1 26.8 39.8 47.3
M-2 24.3 35.2 45.6
M-3 21.4 36.1 42.3
M-4 23.9 35.7 44.2
Đồ thị 3.4: Cường độ kháng nén của mẫu phụ gia chứa tro bay. Bảng 3.8: Cường độ kháng nén của mẫu chứa phụ gia CMC
Mẫu Độ bền nén (N/mm2)
7 ngày 28 ngày 56 ngày
M-0 27.1 35.4 42.9
M-5 26.9 44.5 68.6
M-6 25.5 43.3 62.7
M-7 24.1 43.7 56.9
37
Đồ thị 3.5: Cường độ kháng nén của mẫu chứa phụ gia CMC. Bảng 3.9: Cường độ kháng nén của mẫu chứa phụ gia hỗn hợp tro bay +CMC
Mẫu Độ bền nén (N/mm2)
7 ngày 28 ngày 56 ngày
M-0 27.1 35.4 42.9
M-9 30.6 57.9 79.7
M-10 29.2 55.4 74.6
M-11 28.5 56.7 77.0
38
Đồ thị 3.6: Cường độ kháng nén của mẫu chứa phụ gia hỗn hợp tro bay + CMC.
Nhận xét: Từ kết quả ta thấy:
Ở 7 ngày tuổi cường độ kháng nén của mẫu phát triển chưa cao so với mẫu đối chứng do phụ gia chỉ ở dạng tự do nên không làm tăng được cường độ kháng nén.
Đến 28 ngày tuổi thì cường độ kháng nén bắt đầu phát triển cao. Đến 56 ngày tuổi thì cường độ kháng nén tiếp tục phát triển thêm. Đối với mẫu sử dụng phụ gia tro bay cường độ kháng nén cao hơn so với mẫu ko có phụ gia. Ở đây vai trò của phụ gia như đã giải thích ở phần tổng quan, nó có tác dụng làm giảm pha pooclandit và tăng pha kết dính CSH, CAH. Tuy nhiên, tro bay có cấu trúc hình cầu do vậy nó có khả năng chèn và lấp đầy các lỗ trống mao quản trong đá xi măng làm cường độ của đá xi măng tăng lên. Với tỷ lệ 2% thì cho cường độ kháng nén cao nhất do có tác dụng vừa đủ để tạo nên
39
Đối với mẫu sử dụng phụ gia CMC có cường độ kháng nén tương đối cao, cao hơn so với sử dụng phụ gia tro bay. Với tỷ lệ phụ gia 0.2% thì cho cường độ
kháng nén cao nhất. Như ở phần tổng quan cho thấy cường độ kháng nén Rn tỷ
lệ nghịch với tỷ lệ nước/xi, nước giảm thì Rn tăng. Tuy nhiên, khi dùng CMC
làm giảm được lượng nước nên tỷ lệ nước/xi giảm. Nếu dùng dư CMC thì sinh ra
nhiều bọt khí tạo nên độ rỗng làm giảm cường độ kháng nén Rn.
Đối với mẫu sử dụng hỗn hợp hai loại phụ gia đã thể hiện tính ưu việt. Các mẫu có cường độ kháng nén cao hơn so với các mẫu chứa từng phụ gia. Sử dụng với tỷ lệ 2% tro bay+0.2% CMC thì cho cường độ kháng nén tốt hơn cả.
3.6. Xác định độ hút nước bão hòa
Trong quá trình thi công lượng nước luôn được cho dư rất nhiều so với tỷ lệ trong các phản ứng thủy hóa của các pha xi măng nên sau khi thi công lượng nước dư sẽ thoát ra ngoài gây hiện tượng rỗ công trình dễ bị môi trường xâm
thực. Đồng thời trong nước có khí CO2 sẽ phản ứng với Ca(OH)2 tạo thành
CaCO3 làm giảm tính kết dính của xi măng và làm tăng thể tích dẫn đến vữa xi
măng hay bê tông bị trương nở gây ra sự rạn nứt cho bê tông, ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm.
Kết quả xác định độ hút nước bão hòa của các mẫu thí nghiệm được trình bày trên bảng dưới đây:
Bảng 3.10: Độ hút nước của mẫu chứa phụ gia tro bay
Tên mẫu
Độ hút nước bão hòa (%)
7 ngày 28 ngày 56 ngày 90 ngày
M-0 11.23 8.74 5.14 4.21
M-1 18.92 9.31 5.22 4.27
M-2 23.56 11.55 6.23 4.43
M-3 27.89 12.67 5.79 5.15
40
Đồ thị 3.7: Độ hút nước bão hòa của mẫu phụ gia chứa tro bay.
Nhận xét: Độ hút nước tăng theo tỷ lệ phụ gia tro bay trong cả 7 ngày, 28
ngày, 56 ngày và 90 ngày. Tuy vậy độ hút nước giảm dần theo ngày tuổi. Ở 7 ngày thì độ hút nước tương đối cao đến 35.67%.
Điều này được giải thích như sau: Trong thời gian đầu nước đầy chui vào lỗ trống hở của xi măng do bọt khí, nước bay hơi đi nhiều. Tuy nhiên khi thời gian thủy phân càng dài thì sự tạo nên pha kết dính tăng. Các pha kết dính phát triển lớn dần lên đan xen vào nhau va các hạt mịn tro bay dạng hình cầu chiếm vào lỗ trống nên làm giảm lỗ trống xốp làm tăng cường độ kháng nén xi măng lên cao. Khi ngày tuổi càng nhiều phản ứng thủy hóa xảy ra gần 100%, đồng thời phụ gia:
2SiO2 + 3CaO + 3H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O. Do vậy tạo ra pha kết
41
Bảng 3.11: Độ hút nước của mẫu chứa phụ gia CMC
Mẫu Độ hút nước bão hòa (%)
7 ngày 28 ngày 56 ngày 90 ngày
M-0 11.23 8.74 5.23 4.11
M-5 17.21 9.58 5.15 4.89
M-6 16.39 8.67 6.07 4.23
M-7 16.15 8.22 4.67 4.98
M-8 15.97 7.73 4.68 3.84
Đồ thị 3.8: độ hút nước bão hòa của mẫu chứa phụ gia CMC.
Nhận xét: Như đối với phụ gia tro bay, phụ gia CMC có khả năng hút
nước cao ở độ tuổi 7 ngày. Khả năng hút nước giảm theo tỷ lệ phụ gia. Sau đó độ hút nước cũng bắt đầu giảm dần theo ngày tuổi. Độ hút nước bão hòa ở các ngày tuổi của phụ gia CMC nhỏ hơn so với phụ gia tro bay do giảm được tỷ lệ nước/xi nên lượng nước dư không nhiều nên khi thủy phân và kết tinh không để lại lỗ trống, lỗ trống giảm, cường độ kháng nén tăng. Như vậy xi măng sử dụng phụ gia CMC có độ chống thấm tốt hơn dùng phụ gia tro bay.
42
Bảng 3.12: Độ hút nước của mẫu chứa phụ gia hỗn hợp tro bay + CMC.
Tên mẫu Độ hút nước bão hòa (%)
7 ngày 28 ngày 56 ngày 90 ngày
M-0 11.09 8.56 5.12 4.15
M-9 17.36 8.73 6.12 4.16
M-10 21.19 11.07 5.25 4.34
M-11 26.94 11.92 5.87 4.39
M-12 34.38 12.54 5.96 4.67
Đồ thị 3.9: Độ hút nước bão hòa của mẫu chứa phụ gia hỗn hợp tro bay +CMC.
Nhận xét:
Đối với phụ gia hỗn hợp thì độ hút nước bão hòa cũng không có gì khác nhiều so với hai loại phụ gia kia. Độ hút nước bão hòa cao ở độ tuối 7 ngày, sau đó giảm dần ở các ngày tuổi tiếp theo. Đến 56 ngày, 90 ngày thì không có sự thay đổi nhiều giữa các mẫu.
43
Đối với các mẫu từ M-0 đến M-13 thì ở 7 ngày khả năng hút nước mạnh vì ở độ tuổi 7 ngày các mẫu mới tham gia quá trình thuỷ hoá, phản ứng hiđrat hoá xảy ra chậm lại nên khả năng hút nước của xi măng, cát, phụ gia trong mẫu là lớn. Đặc biệt là đối với phụ gia tro bay là một phụ gia hoạt tính nên có khả năng hút nước tương đối cao. Sau đó đến 28 ngày, 56 ngày, 90 ngày độ hút nước gần như bão hòa. Do thủy phân và hidrat hóa xảy ra theo thời gian càng lâu thì càng triệt để, để lại lỗ trống ít, cường độ kháng nén tăng.
3.7. Kết quả phân tích mẫu bằng phương pháp XRD
Kết quả thí nghiệm khi phân tích bằng phương XRD trình bày trên bảng sau: Bảng 3.13: Kết quả phân tích XRD của mẫu nghiên cứu
Mẫu
Các peak đặc trưng của Ca(OH)2
7 ngày 28 ngày 56 ngày
2.θ (0) d I 2.θ (0) D I 2.θ (0) D I M-0 28.8 3.109 25 28.8 3.112 24 34.1 2.267 60 34.1 2.626 125 M-1 28.8 3.114 35 28.8 3.115 25.5 28.8 3.101 15 34.1 3.628 200 34.1 2.631 134 34.1 2.624 50 M-5 28.8 3.112 36 28.8 3.112 20 28.8 3.111 20 34.1 2.630 190 34.1 2.023 90 34.1 2.629 85 M-9 28.8 3.112 55 28.8 3.105 25 28.8 3.110 22