1. Vật liệu
1.1. Tính chất vật lý và hĩa học của hạt nix trước và sau khi sử dụng
a) Tính chất vật lý của hạt nix (NG) và sau khi sử dụng (NGW)
NG là vật liệu cĩ dạng hạt cấu thành từ sắt, đá vơi và oxit sillic (SiO2) trong quá trình luyện đồng. Trong quá trình tinh luyện này, đồng tinh khiết nĩng chảy nằm dưới đáy bể trong khi đĩ cĩ 1 lớp khơng tinh khiết nổi trên bề mặt người ta gọi là xỉ. Sau đĩ NG được hình thành do đột ngột đơng kết (bằng cách sử dụng các biện pháp cơng nghiệp, nước biển hoặc làm mát bằng khơng khí) từ trạng thái nĩng chảy và sau đĩ được rửa bằng nước áp lực cao (xem hình 3a) [5].
Hình 1. Bãi chứa NGW được phủ bằng tơn xi măng chụp từ google earch (trái) và tường bao bằng gạch (phải) được chụp ngày 6/12/2014
Trong quá trình sửa chữa và đĩng mới tàu thuyền, HVS đã sử dụng NG để làm sạch các vết bẩn bám trên bề mặt thân tàu. Quá trình này đã phát tán một lượng lớn bụi kim
loại nặng vào trong khơng khí và dễ dàng ngấm vào nguồn nước như hình 2b. Các tính chất vật lý của NG và NGW được thể hiện ở bảng 1.
(a) (b) (c) Hình 2. Hình dạng của NG (a), NGW theo dịng chảy ngấm vào đất (b)
và SEM của NGW với độ phĩng đại 35 lần (c)
Bảng 1. Các tính chất vật lý của hạt nix trước và sau khi sử dụng [13÷27]
Các tính chất vật lý NG NGW
Hình dạng Khơng đều (sắc, nhọn) Hạt hơi trịn đến gĩc cạnh
Màu sắc Đen sáng Đen và một số màu khác
Mùi Khơng mùi Cĩ mùi
Nhiệt độ nĩng chảy 1250 oC 1250 oC
Độ phát tán kim loại nặng Khơng vượt qua mức quy đinh Vượt quá mức quy định
Tỷ lệ phần trăm lỗ rỗng 43.2 % 41 %
Trọng lượng riêng 3.90 3.57
Mơ đun độ lớn của hạt* 2.45 2.12
Độ cứng (6.7 ÷ 7.0) Mohs -
Độ hịa tan trong nước Khơng tan Khơng tan
Độ hút nước (0.3 ÷ 0.4) % (0.3 ÷ 0.4) %
Độ ẩm 0.1 % 3.09 %
Hàm lượng bụi bẩn 0.2 % 1.30 %
* Mơ đun độ lớn của NG và NGW được tính thơng qua việc tính lượng sĩt riêng biệt và tích lũy được mơ tả ở bảng 2.
Bảng 2. Mơ đun độ lớn của NG và NGW Cỡ sàng tiêu
chuẩn [mm]
NG NGW
Lượng sĩt
trên sàng [g] Lượng sĩt riêng biệt [%] Lượng sĩt tích lũy [%] Lượng sĩt trên sàng [g] Lượng sĩt riêng biệt [%] Lượng sĩt tích lũy [%]
5,0 0 0 0 0 0 0 2,5 21 4,2 4,2 0 0 0 1,25 98 19,6 23,8 89 8,9 8,9 0,63 161 32,2 56 362 36,2 45,1 0,315 37 7,4 63,4 272 27,2 72,3 0,14 170 34,0 97,4 136 13,6 85,9 Bottom 13 2,6 100 141 14,1 100
Từ bảng 3 ta thấy rằng, NGW tồn tại nhiều kim loại nặng độc hại và hợp chất hữu cơ đều vượt các tiêu chuẩn cho phép, những chất độc hại này cĩ thể gây ra nhiều nguy hiểm cho sức khỏe con người. Và theo bảng 2, mơ đun độ lớn của NGW đã nhỏ đi nhiều sau khi bắn phá vào thân tàu khoảng 2,12 nên chúng cĩ thể di chuyển xa và chui được vào nhiều nơi, kể cả cơ thể con người. Điều đặc biệt trong phân tích thì thành phần SiO2 cũng tương đối cao, nĩ rất thích hợp để tạo phản ứng thủy hĩa, giúp hỗn hợp liên kết được tốt hơn.
1.2. Một số phụ gia
1.2.1. Muội silic
Muội silic cĩ dạng hình cầu, bề mặt trơn phẳng, hạt cĩ đường kính trung bình khoảng 150 nm chỉ bằng khoảng 1/100 cỡ hạt của xi măng. Muội silic cĩ khối lượng đơn vị ở trạng thái đổ đống rất nhỏ, vào khoảng (0,15 ÷ 0,2) tấn/m3. Muội silic cĩ hàm lượng ơxit silíc hoạt tính cao vào khoảng (85 ÷ 98) %. Muội silic được dùng chủ yếu làm nguyên liệu tạo thêm tính chất pozzolan cho bê tơng cường độ cao chế tạo từ xi măng Portland. Khi được
thêm vào thành phần của hỗn hợp vữa NGW, muội silic sẽ bao quanh các hạt xi măng, NGW và lấp đầy các lỗ rỗng siêu nhỏ mà các hạt xi măng khơng lọt tới được. Làm cho khối hỗn hợp được đặc chắc hơn, hình thành một mơi trường xi măng - NGW cĩ tính liên tục và đồng nhất cao sau khi hỗn hợp ninh kết, và làm tăng khả năng chịu lực của đá nhân tạo, tạo nên bê tơng cường độ cao [6, 7].
1.2.2. Phụ gia chống thấm
Dùng để bọc cốt liệu lớn ngăn cản sự tiếp xúc giữa nước với NGW, đồng thời làm tăng khả năng kháng hĩa chất, tăng cường độ cho mẫu và giảm thiểu độ co ngĩt, nứt nẻ của mẫu.
2. Phương pháp chế tạo mẫu
2.1. Chế tạo cốt liệu lớn theo mác vữa M400
Vữa được chế tạo theo TCVN 6016: 1995 với tỷ lệ 60% hạt nix, (30 ÷ 40) % xi măng và phụ gia (0 ÷ 10) %, đồng thời xác định lượng nước vừa đủ để vữa đạt được độ dẻo yêu cầu. Sau khi trộn xong, đổ vữa vào các loại khuơn để chế tạo cốt liệu lớn (cĩ kích thước và hình dạng khác nhau) và đổ vào khuơn hình lăng trụ cĩ kích thước (40 x 40 x 160) mm để xác định Mơ đun độ lớn của NG: Mđl = 4,2 + 23,8 + 56 + 63,4 + 97,4 = 2,45
100
Mơ đun độ lớn của NGW: Mđl = 8,9 + 45,1 + 72,2 + 85,9 = 2,12 100
b) Tính chất hĩa học của NGW
Hạt nix sau khi sử dụng cịn cĩ thêm một số nguyên tố sau: C hữu cơ, As, Cr, Ni, sơn, dầu mõ, chất bẩn, sắt vụn và một số kim loại nặng khác (bảng 3).
Bảng 3. Thành phần hĩa học của NGW sau khi sử dụng TT Chỉ tiêu phân tích Hàm lượng tổng [μg/l]
1 Sắt (Fe) 266 2 Kẽm (Zn) 7399 3 Đồng (Cu) 7042 4 Chì (Pb) 1113 5 Cadimi (Cd) 14,4 6 Crơm (Cr) 166,8 7 Thủy ngân (Hg) 0,54 8 Asen (As) 28 10 Sơn và HC (%) 0,54 11 C hữu cơ (%) 2,54
cường độ chịu uốn và nén. Gõ nhẹ khuơn xuống nền nhà hay để lên bàn giằn (đối với khuơn hình lăng trụ) nhằm loại bỏ khơng khí, đồng thời giúp phần lớn NGW được dồn vào giữa. Sau đĩ dùng thước thẳng gạt bỏ phần
vữa thừa trên bề mặt khuơn và dưỡng hộ mẫu ở nhiệt độ phịng trong 48 giờ. Sau 48 giờ tháo mẫu ra khỏi khuơn và tiếp tục ngâm dưỡng hộ mẫu ở trong nước cho đến khi thử mẫu ở 7, 14, 28 và 90 ngày (hình 4).
Hình 4. Quy trình chế tạo cốt liệu lớn
2.2. Phương pháp phân tích mẫu nước
Các mẫu hạt nix, mẫu MWG nung trên 1000oC, mẫu vữa cĩ NGW, mẫu vữa bọc bằng geopolymer, mẫu bê tơng khơng cĩ NGW và
các mẫu bê tơng cĩ NGW được ngâm trong mẫu nước cất cĩ pH = 6,5 giống như nước mưa với thời gian 2 tuần. Quy trình thí nghiệm được trình bày trong hình 5 như sau:
Lấy 500 g NGW và 500 g NGW sau khi nung 1000oC ngâm trong 2,5 lít nước cất.
Lấy 3 mẫu vữa cĩ hạt nix thải cĩ kích thước (40 x 40 x 160) mm, cĩ khối lượng riêng là 2,24 g/cm3 ngâm trong 3,5 lít nước cất.
Các mẫu bê tơng cĩ và khơng cĩ NGW cĩ kích thước (150 x 150 x 150) mm, cĩ khối lượng 7,9 kg trong 3,5 lít nước cất.
Nước ngâm các loại mẫu được lấy ra phân tích sau 2 tuần và dùng máy khối phổ phát xạ plasma phản ứng cao tần ICP-MS.
2.3. Chế tạo bê tơng theo mác M400
Trước khi trộn bê tơng cần xác định chính xác cấp phối bê tơng, nghĩa là tìm ra tỷ lệ hợp lý các loại nguyên vật liệu nước, xi măng, cát,
cốt liệu lớn và phụ gia cho các mẻ trộn bê tơng để đạt các chỉ tiêu kỹ thuật. Sau đĩ kiểm tra độ sụt của hỗn hợp bê tơng và điều chỉnh thành phần vật liệu để hỗn hợp bê tơng đạt độ sụt. Tiếp theo đổ hỗn hợp vào khuơn đúc cĩ kích thước (150 x 150 x 150) mm và dựa trên tiêu chuẩn TCVN 3105:1993 [8]. Sau khi đổ hỗn hợp vào khuơn xong, cho khuơn lên bàn rung cho tới khi thốt hết bọt khí lớn và hồ xi măng nổi đều, rồi dùng bay gạt bỏ hỗn hợp thừa và xoa phẳng mặt mẫu. Tiếp theo các mẫu được phủ ẩm trong khuơn ở nhiệt độ phịng trong 72 giờ, sau đĩ tháo khuơn rồi tiếp tục ngâm dưỡng hộ mẫu ở trong nước cho đến ngày thử mẫu (hình 6).
Hình 6. Quy trình chế tạo mẫu bê tơng kích thước (150 x 150 x 150) mm
2.4. Ảnh hưởng của phụ gia đến đến cơ tính của vữa
Mỗi loại mẫu vữa cĩ thành phần khác nhau thì được đặt tên từ V1 ÷ V6 như bảng 4. Nhằm
tận dụng tối đa lượng NGW cĩ trong hỗn hợp mẫu vữa, tác giả đã tính chọn tỷ lệ NGW là 60 % và lượng nước cũng được cố định trong tất cả các loại mẫu là 185 lít/m3.
2.5. Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng của cốt liệu lớn đến đến cơ tính của bê tơng
Mỗi loại bê tơng đều được ký hiệu từ B1 ÷ B5 theo kích thước và hình dạng của cốt liệu lớn như bảng 5. Loại B2 ÷ B5 là sử dụng cốt liệu lớn cĩ chứa NGW và cĩ khối lượng riêng gần bằng nhau là 2,24 g/cm3. Loại B1 dùng cốt liệu lớn là đá dăm được khai thác từ thiên nhiên cĩ Dmax = 30 mm, cĩ khối lượng riêng là 2,65
g/cm3. Loại B2 dùng cốt liệu lớn cĩ hình dạng giống viên kim cương với D max = 30 mm. Loại B3 dùng cốt liệu lớn cĩ hình dạng lập phương với Dmax = 20 mm. Loại B4 dùng cốt liệu lớn cĩ dạng hình lăng trụ cĩ đáy là tam giác với Dmax = 30 mm. Loại B5 dùng cốt liệu lớn cĩ dạng hình nĩn cụt cĩ đáy là hình trịn với Dmax = 10 mm. Độ sụt của tất cả các loại hỗn hợp bê tơng khoảng từ (60 ÷ 80) mm.
Bảng 4. Thành phần của mẫu vữa với các tỷ lệ khác nhau Hỗn hợp Thành phần V1 V2 V3 V4 V5 V6 Xi măng [kg/m3] 400 400 300 350 370 0 Cát [kg/m3] 600 0 0 0 0 100 Hạt nix [kg/m3] 0 600 600 600 600 600 Nước [lít/m3] 185 185 185 185 185 185 SiO2 [kg/m3] 0 0 100 50 30 0 Sika [kg/m3] 0 0 0 0 0 300
Bảng 5. Thành phần của mẫu vữa với các tỷ lệ khác nhau Hỗn hợp
Thành phần B1 B2 B3 B4 B5
Khối lượng riêng [kg/m3] 2340 2300 2360 2560 2290
Độ hút nước [%] 5,4 6,8 6,5 7,1 7,2 Xi măng [kg/m3] 315 315 315 315 315 Cát [kg/m3] 690 690 690 690 690 Cốt liệu lớn [kg/m3] 1000 1008 1008 1008 1008 Nước [lít/m3] 180 180 180 180 180 SiO2 [kg/m3] 50 50 50 50 50