Sợi thủy tinh được sử dụng chủ yếu để sản xuất các tấm bê tông phẳng cốt sợi. Những loại sợi thủy tinh E sử dụng trong bê tông đều bị phân hủy trong môi trường kiềm của xi măng poóclăng.
29
Hình 2.9 Sợi thuỷ tinh (nguồn Internet) 2.6.3 Sợi tổng hợp polyme
Sợi tổng hợp polyme được sản xuất từ các sản phẩm của công nghệ dầu mỏ và công nghệ dệt. Những loại sợi polyme đã sử dụng với vật liệu nền xi măng gồm: acrylic, aramid, nylon, polyester, polyethylen và polypropylen. Chúng có cường độ chịu kéo cao, nhưng hầu hết các sợi này có môđun đàn hồi thấp. Đường kính của sợi rất nhỏ nên tỉ số chiều dài trên đường kính sợi là cao, như vậy, chúng rất có ích đối với sự gia cường bê tông. Những thuận lợi của các loại sợi polyme là khả năng bền trong môi trường kiềm của xi măng. Tuy nhiên, bất lợi là môđun đàn hồi thấp, tính bám dính với vật liệu nền kém, nhạy cảm với bức xạ mặt trời và bị oxy hóa. Hạn chế cơ bản của các loại sợi này là giá thành cao hơn so với một số sợi khác. Các tác giả Balaguru, Bohra, Khajuria đã nghiên cứu độ bền sau 10 năm của các tấm xi măng gia cường bằng các sợi polypropylen, nylon, polyester, mẫu thử được chế tạo với sợi có độ dài 19 mm, hàm lượng xi măng 307kg/m3 và tỉ số N/X 0.57, bảo dưỡng sau 28 ngày và sau đó thử độ bền theo các chu kỳ 0; 4; 8; 16; 32; 52 tuần lễ, điều kiện mẫu thử ngâm trong nước vôi bão hòa ở nhiệt độ 500C. Kết quả đạt được cường độ của bê tông với các loại cốt sợi khác nhau đều tăng
30
Bảng 2.5 Kết quả nghiên cứu của Khajuria cùng cộng sự [19]
2.6.4 Sợi carbon
Sợi cacbon có giá thành cao hơn sợi polyme nên việc sử dụng chúng để gia cường cho vật liệu nền xi măng bị hạn chế. Sợi carbon có môđun đàn hồi cao như sợi thép, chúng rất nhẹ, tỉ trọng khoảng 1,9 và đặc biệt là bền vững trong hầu hết các môi trường hóa học. Sợi cacbon được sản xuất thành bó sợi, có trên 12.000 sợi nhỏ riêng biệt. Sợi cacbon có cường độ và môđun đàn hồi cao hơn so với các loại sợi polyme. Một số công trình tại Nhật đã dùng các tấm bê tông sợi cacbon làm vật liệu bao che cho các tòa nhà cao tầng. Tuy nhiên, sợi cacbon nhào trộn thường khó khăn, chúng có khuynh hướng cuộn tròn và phân tán không đồng nhất, đặc biệt khi hàm lượng theo thể tích sợi lớn hơn 3%.
Bảng 2.6 Đặc tính sợi carbon
Nylon Polypropyien Polyester
0 313 262 450 4 309 274 282 8 438 381 356 16 350 431 378 32 406 400 456 52 543 444 481
Cường độ chịu uốn tối đa (psi) Chu kỳ thử
(Tuần lể)
Sợi cácbon (% thể tích sợi)
Tải trọng tối đa (N)
Độ dẻo dai (N /mm)
Cường độ chịu uốn ở giới hạn đàn hồi
(Mpa)
Cường độ chịu uốn tối đa
(Mpa)
0 79 3 4.6 4.6
1 272 102 11.4 15.7
3 365 229 16.5 21.1
31
Hình 2.10 Sợi carbon (nguồn Internet) 2.6.5 Sợi bazan
Theo Tiến sĩ Djcgiric Makhôva [20], sợi bazan và các vật liệu từ sợi bazan có tính cách ẩm, cách nhiệt, tính kết cấu cao. Sợi bazan hơn hẳn sợi thủy tinh và các loại sợi khác về độ bền nhiệt. Giới hạn nhiệt sử dụng của sợi bazan từ 269°C - 900°C, trong khi đó sợi thủy tinh là 60°C - 450°C. Độ hút ẩm của sợi bazan nhỏ hơn 1%, còn của sợi thủy tinh tới 10 - 20 %. Về tính bền thủy phân sợi bazan được xếp vào nhóm đầu, còn về tính bền xít, bazơ và hơi nước, sợi bazan hơn hẳn sợi thủy tinh và các sợi khác. Do những tính chất cơ lý cao, sợi bazan dùng để sản xuất các loại bê tông sẽ đem lại hiệu quả cao.
32
2.6.6 Sợi xenlulô
Sợi thực vật được chú ý sử dụng là sợi xenlulô. Qua nghiên cứu sử dụng dạng sợi xenlulô đã gặp phải khó khăn là sự thay đổi độ ẩm trong sợi xenlulô. Trong những năm 1970. ở Na Uy và Phần Lan, những nhà sản xuất (đã thành công trong việc sử dụng sợi xenlulô cùng với một lượng nhỏ sợi polypropylen. P. Soroushian và S. Marikunte [21] đã tiến hành nghiên cứu xi măng – xenlulô. Thí nghiệm cường độ chịu uốn được thực hiện tại các chu kì nhiệt ẩm khác nhau. Kết quả nghiên cứu này chỉ ra rằng, các chu kì ẩm nhiệt được lặp đi lặp lại có ảnh hưởng không đáng kể đến cường độ chịu uốn của xi măng - bột nhưng lại làm giảm tính dẻo và làm vật liệu trở nên giòn hơn.
Hình 2.12 Sợi xenlulô (nguồn Internet) 2.7. Cơ chế mài mòn
Sự mài mòn do ma sát, trượt với tải trọng lớn ép trên bề mặt hoặc trượt giữa vật thể trên bề mặt bê tông. Độ mài mòn bê tông bị ảnh hưởng rõ rệt bởi nhiều yếu tố, sự gia tăng hàm lượng cốt liệu, bổ sung phụ gia polymer và khoáng chất, cũng như thêm cốt sợi, góp phần đáng kể vào việc cải thiện khả năng chống mài mòn [22, 23, 24, 25]. Ngoài ra còn tăng tính chất của cốt liệu, chất làm cứng hoặc cải thiện bề mặt, điều kiện dưỡng hộ, tỷ lệ hàm lượng xi măng, độ sụt và hàm lượng không khí cũng tác động phần nào đến khả năng chống mài mòn của bê tông [26, 27, 28].
Tuy nhiên, ít có nghiên cứu xét đến khả năng hoạt hóa của xi măng trong bê tông, kết quả phân tích của Richards và Ramezanianpour [29, 30] cho thấy tốc độ
33
hydrat hóa ban đầu của xi măng cũng một phần ảnh hưởng đến độ mài mòn, điều này được tác giả nhận định, một lượng lớn sản phẩm thủy hóa C-S-H của hạt xi măng phát tán ngay khi gặp nước, khi các hạt xi măng ở rất gần nhau giải phóng sản phầm thủy hóa, sẽ tạo nên các khe và lỗ rỗng ở cấu trúc vi mô, làm hỗn hợp vữa sau phản ứng có độ xốp. Do hạn chế về mặt thời gian và cơ sở vật chất, trong báo cáo này tác giả sẽ không xét đến khía cạnh này của vật liệu.
Hình 2.13 TEM mẫu vữa với nước/xi=0.4 thủy hóa trong môi trường 200C sau 3 tháng [29]
Dựa trên các báo cáo trước đây đối với bê tông xi măng, có hai phương pháp tiếp cận chính để đánh giá khả năng chống mài mòn của bê tông: đánh giá dựa trên đặt tính cơ lý của bê tông (cường độ chịu nén) và đặt tính bề mặt của bê tông.
2.7.1. Đặc tính cơ lý
Với khuynh hướng đánh giá dựa trên cường độ chịu nén của bê tông, nghiên cứu trước đây xem yếu tố này là quan trọng nhất đối với khả năng chống mài mòn [31]. Cách tiếp cận này chỉ ra rằng, cường độ chịu nén của bê tông càng cao thì khả năng chống mài mòn càng lớn [32, 33]. Hạt xi măng Hạt xi măng Sản phẩm phản ứng C-S-H Lỗ rỗng
34
Một kết quả đặt trưng cho yếu tố này được phân tích bởi Atis [12] với mục tiêu thay thế từ 50% đến 70% tro bay đối với bê tông OPC nhằm cải thiện cường độ bê tông. Một số nhận đinh rút ra từ kết quả nghiên cứu, được xem là cơ sở đánh giá cho nghiên cứu của tác giả:
Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và độ mài mòn đạt độ chính xác cao hơn đối với hàm hyperblolic so với hàm tuyến tính.
Khi bê tông được thay thế hàm lượng tro bay phù hợp giúp cải thiện cường độ chịu nén so với bê tông OPC, điều này được giải thích do khả năng giảm độ rổng đáng kể trong ma trận vật chất nền.
Ảnh hưởng của phụ gia siêu dẻo và điều kiện dưỡng hộ, không đáng kể đối với khả năng chống mài mòn.
2.7.2. Đặc tính bề mặt
Xem xét đến yếu tố bề mặt, mài mòn xảy ra do sự chà xát của vật liệu có độ cứng cao hơn lên bề mặt vật liệu có độ cứng nhỏ hơn và để lại các vết xước, phá hủy bề mặt. Nguyên nhân giảm khối lượng của vật liệu khi mài mòn là mất khối lượng do chà xát, xước và do bong tróc hạt vật liệu trên bề mặt. Do đó, có thể nói rằng độ mài mòn phụ thuộc chủ yếu tính chất của hạt cốt liệu, cường độ của đá xi măng cũng như liên kết giữa đá xi măng và cốt liệu. Mặc dù, cường độ của cát cao hơn cường độ của đá (thang độ cứng Mohs) nhưng khi chịu tác động của mài mòn, hạt cát liên kết với nền kém hơn so với hạt đá. Đó là do kích thước của hạt cát sử dụng trong bê tông so với hạt cát mài gần như nhau nên khả năng hạt cát bị cát mài tác động, đẩy tách ra khỏi nền đá xi măng cao hơn hạt cốt liệu lớn.
Một số nghiên cứu lại đồng ý với khả năng chống mài mòn không phụ thuộc vào cường độ chịu nén do đặt tính ma trận vật chất nền, mà độ mài mòn phần lớn dựa trên đặt tính bề mặt của vật liệu [34]. Theo Grdic cùng cộng sự [35], ngoài yếu tố cường độ, khả năng chống mài mòn còn phụ thuộc vào bề mặt hoàn thiện và điều kiện dưỡng hộ, trong báo cáo tác giả cũng xét đến khả năng bổ sung sợi polypropylene trong hỗn hợp bê tông, kết quả cho thấy, yếu tố sợi không ảnh hưởng
35
quá lớn đến khả năng chống mài mòn của bê tông, chỉ cải thiện độ mài mòn từ 7% - 8%, cường độ chịu nén tăng nhẹ so với không sử dụng sợi.
Hình 2.14 Mối quan hệ giữa độ mài mòn và tỷ lệ nước/xi [35]
Hình 2.15 Bề mặt mẫu bê tông sau khi cắt bằng tia nước nước/xi=0.7 (trái), nước/xi=0.5 (phải) [35]
Kết quả nghiên cứu (Hình 2.15) chỉ ra rằng bề mặt hoàn thiện của bê tông ảnh hưởng trực tiếp đến độ mài mòn, khi lỗ rổng trong bê tông càng nhiều (nước/xi=0.7), độ đặc chắc càng giảm, làm bê tông dễ bị mài mòn hơn khi so sánhvới bê tông ít lỗ rổng hơn (nước/xi=0.5) như phân tích trong Hình 2.14.
2.8. Vai trò của sợi Thép
- Chống biến dạng co ngót trong bê tông.
- Có vai trò kết nối bắc cầu trong bê tông làm tăng khả năng chống nứt gãy, đồng thời giảm sự phát triển và mở rộng vết nứt.
36
- Tăng cường tác động bên ngoài và khả năng chống mài mòn bề mặt bê tông.
- Tăng khả năng sức chịu tải của bê tông - Tăng độ bền theo thời gian.
- Gia cường bề mặt bê tông, sẽ có ít lỗ thủng do thi công bề mặt và co ngót.
37
3. Chương 3: NGUYÊN VẬT LIỆU 3.1 Nguyên liệu sử dụng
Thành phần nguyên vật liệu chế tạo bê tông geopolymer có sử dụng sợi thép tương tự nguyên liệu chế tạo bê tông thông thường, khác biệt chủ yếu là việc sử dụng chất kết dính geopolymer thay vì cement Portland.
Nguyên liệu sử dụng bao gồm: Tro bay, đá, cát, dung dịch alkali (hỗn hợp của NaOH và thủy tinh lỏng), nước và Sợi thép.
3.1.1Tro bay
Tro bay sử dụng trong thí nghiệm là tro bay loại F vì có hàm lượng CaO ít hơn 6% (theo tiêu chuẩn ASTM C618)
38
Bảng 3.1 Tính chất hóa học của Tro bay
STT Các tiêu chí thí nghiệm Phương pháp
thử Đơn vị Kết quả
1 Khối lượng riêng TCVN 4030:
2003 g/cm3 2,20
2 Khối lượng thể tích xốp 1084
3 Chỉ số hoạt tính tuổi 7 ngày so với mẫu đối chứng
14TCN
108:1999 % 75,50
4 Chỉ số hoạt tính tuổi 28 ngày so với mẫu đối chứng
14TCN
108:1999 % 85,000
5 Hàm lượng mất khi nung TCVN
8262:2009 % 4,0 6 Hàm lương SiO2 TCVN 8262:2009 % 85,10 7 Hàm lượng Fe2O3 TCVN 8262:2009 % 1,75 8 Hàm lượng Al2O3 TCVN 8262:2009 % 9,87 9 Hàm lượng CaO TCVN 8262:2009 % 1,09
39
3.1.2Thủy tinh lỏng (Na2SiO3)
Thủy tinh lỏng là dung dịch màu trắng đục, có đặc tính sệt, dễ dàng hòa tan trong nước. Thủy tinh lỏng dung trong thí nghiệm có tổng hàm lượng Na2O và SiO2 dao động từ 36 đến 38 %. Tỷ trọng 1.42 ± 0.01 g/ml,
Hình 3.2 Thủy tinh lỏng 3.1.3Natri hydroxit (NaOH)
Dung dịch Natri hydroxit được pha chế từ Na2O ở dạng vảy rắn, màu trắng đục, độ tinh khiết trên 90%, khối lượng riêng 2130 kg/m3 và H2O, nồng độ pha chế và sử dung trong thí nghiệm là 14M.
40
Hình 3.3 Natri hydroxit dạng vảy
Đối với việc sử dụng dung dịch NaOH, yêu cầu độ sạch của dung dịch NaOH phải đạt mức 98%. Yêu cầu cần phải xác định trước nồng độ dung dịch cần thiết để từ đó pha trộn dung dịch với nồng độ Mol đúng nhất từ công thức xác định nồng độ Mol, từ đó suy ra được khối lượng NaOH khan cần pha trộn vào dung dịch như sau. M dd NaOH C M V 100 m 1000 P Trong đó:
mNaOH là khối lượng NaOH khan cần cho vào M là khối lượng Mol của NaOH (M=40) Vdd là thể tích dung dịch cần pha trộn CM là nồng mol/l của dung dịch
41
Hình 3.4 Dung dịch Sodium Hydroxit NaOH 3.1.4Cốt liệu lớn
Đá sử dụng là đá Biên Hòa, thỏa yêu cầu của TCVN 7570:2006 và TCVN 7572:2006 “Cốt liệu cho bê tông và vữa”. Đá được rửa sạch, phơi khô trước khi sử dụng. Kết quả thí nghiệm đá có khối lượng riêng là 2700 kg/ m3, khối lượng thể tích là 1620 kg/m3, đá sử dụng phải sạch, có đường kính Dmax =20mm.
42
Phân tích thành phần hạt đá, thu được kết quả và được thể hiện ở hình 3.6. Qua biểu đồ xét thấy, đá sử dụng trong thí nghiệm hoàn toàn nằm trong đường giới hạn thành phần hạt theo TCVN 7570:2006.
Thí nghiệm thành phần hạt của đá (trong 100kg)
Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm thành phần hạt
Kính thước lổ sàn (mm)
Lượng sót tích lũy trên sàng, % khối lượng, ứng với kích thước hạt liệu nhỏ
nhất và lớn nhất. nghiệm (%) Kết quả thí Kính thước (Min) Kính thước (Max)
20 0 10 3
10 40 70 48
5 90 100 98
Hình 3.6 Biểu đồ lượng sót tích lũy trên sàng (%) của cốt liệu đá 1x2. 3.1.1. Cốt liệu nhỏ.
Cát dùng cho nghiên cứu phải thỏa mãn các yêu cầu của TCVN 7572:2006 “Cát xây dựng – Yêu cầu kỹ thuật”. Cát sử dụng cho thí nghiệm cũng được rửa sạch, phơi khô trước khi sử dụng. Kết quả thí nghiệm cát có khối lượng riêng: 2610kg/m3, khối lượng thể tích: 1450kg/m3. 5mm 10mm 20mm Min 90 40 0 Max 100 70 10 KQTN 98 48 3 0 20 40 60 80 100 120 L ượ n g sót t ích l ũ y tr ên sàn g ( % ) Min Max KQTN
43
Hình 3.7 Cát vàng
Phân tích thành phần cát, thu được kết quả và được thể hiện ở hình 3.8. Qua biểu đồ xét thấy, cát sử dụng trong thí nghiệm hoàn toàn nằm trong đường giới hạn thành phần hạt theo TCVN 7570:2006.
Thí nghiệm thành phần hạt của cát (trong 25kg)
Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm thành phần hạt
Kính thước lổ sàn
(mm)
Lượng sót tích lũy trên sàng, % khối lượng, ứng với kích thước hạt liệu nhỏ nhất
và lớn nhất. nghiệm (%) Kết quả thí
Kính thước (Min) Kính thước (Max)
2,5 0 20 5 1,25 15 45 22 0,63 35 70 50 0,32 65 90 73 0,14 90 100 98 .
44
Hình 3.8 Biểu đồ, lượng sót tích lũy trên sàng (%) của cốt liệu cát. 3.1.5Cát tiêu chuẩn sử dụng thí nghiệm
Cát sử dụng cho thí nghiệm được mua từ cơ sở bán lẻ, đống gói sẵn và trực tiếp sử dụng, không thông qua quy trình sàn rửa. Kết quả thí nghiệm cát có khối lượng riêng: 2610kg/m3, khối lượng thể tích: 1350kg/m3
Các yêu cầu về đặc tính cơ lí của cát đạt quy định theo tiêu chuẩn TCVN 6227:1996. Hàm lượng hạt cát lớn hơn 5mm và hàm lượng bùn, bụi, sét bẩn trong cát được quy định khác.
Bảng 3.4 Tiêu chuẩn đặc tính cơ lý của cát
TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Mức chất
lượng HIMAT TCVN 6227:1996 1 Cỡ sàng: mm 2,00 0 0 1,60 7 2 7 5 1,00 33 2 33 5 0,50 67 3 67 5 0,16 87 2 87 5 0,08 99 1 99 1
2 Khối lượng cát chứa
trong mỗi túi g 1350 ± 2 1350 ± 5