2.
3.8. Phương pháp tạo mẫu và thí nghiệm:
3.8.1. Phương pháp tạo mẫu:
Hỗn hợp phối liệu được nhào trộn theo thành phần cấp phối với lượng nước nhào trộn từ 15 – 20 % đủ để đảm bảo đủ độ dẻo nhào trộn cần thiết. Phương pháp nhào trộn tuân theo TCVN 385 – 2006 và 22TCN 333-2006.
3.8.2. Phương pháp thí nghiệm:
Xác định tính chất cơ lý: cường độ chịu nén theo tiêu chuẩn 22TCN-333- 2006 do Bộ Xây Dựng ban hành. Sau khi tạo mẫu, bão dưỡng ở nhiệt độ phòng trong vòng 24 giờ, mẫu cho vào tủ sấy với các cấp nhiệt độ quy định, sau đó nén và tiến hành đánh giá cường độ, chu kỳ thí nghiệm thực hiện liên tục khi hết số lượng mẫu.
Trang44
Mẫu sau khi nén, được đánh giá và tiến hành các thí nghiệm phân tích cấu trúc bề mặt SEM và XDR để kết luận lại khả năng đóng rắn của geopolymer đất sét và tro bay. Từ đó, rút ra kết luận và nhận xét cụ thể từng trường hợp.
(a) Chuẩn bị phối liệu. (b)Nhào trộn sơ bộ.
(c)Cho phối liệu vào khuôn. (d)Mẫu bảo dưỡng tự nhiên.
Hình 3. 1 Quá trình tạo mẫu trụ.
Trang45
(a)Mẫu trong lò dưỡng hộ nhiệt. (b)Mẫu sau dưỡng hộ nhiệt.
(c)Mẫu chuẩn bị nén. (d)Đồ thị kết quả nén.
Trang46
CHƯƠNG 4
THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
4.1. Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ đến cường độ của vật liệu geopolymer đất khi cố định hàm lượng sét: đất khi cố định hàm lượng sét:
Điều kiện dưỡng hộ tác động trực tiếp đến cường độ của vật liệu gồm có hai yếu tố chính là thời gian dưỡng hộ và nhiệt độ dưỡng hộ.
4.1.1. Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ:
Hàm lượng hạt sét cố định ở từng cấp tỉ lệ thành phần dung dịch hoạt hóa, tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay cố định là 0.3. Sau đó được dưỡng hộ nhiệt ở nhiệt độ 600C với thời gian dưỡng hộ thay đổi từ 6, 8, 10 và 12 giờ trong thiết bị sấy. Kết quả thực nghiệm được trình bày trong bảng 4.1.
Bảng 4. 1 Kết quả thí nghiệm khi thay đổi thời gian dưỡng hộ Cấp
phối Hàm lượng hạt sét (%)
TL thành phần
Dung dịch hoạt hóa Thời gian dưỡng hộ (giờ ) Sodium
Hydroxit Sodium Silicat 6 8 10 12 M11 35.44 1 2 2.45 3.25 4.21 4.75 M21 35.44 1 1 3.15 3.72 4.64 5.44 M31 35.44 2 1 2.78 3.48 4.58 5.22 M41 31.01 1 2 2.93 3.91 5.11 5.73 M51 31.01 1 1 3.77 4.33 5.62 6.72 M61 31.01 2 1 3.37 4.25 5.59 6.33 M71 26.58 1 2 3.35 4.45 5.73 6.27 M81 26.58 1 1 4.25 4.95 6.22 7.27 M91 26.58 2 1 3.82 4.58 6.11 6.93 Mối quan hệ giữa thời gian dưỡng hộ nhiệt và cường độ chịu nén được thể hiện qua biểu đồ hình 4.1.
Trang47
Hình 4. 1 Mối quan hệ giữa thời gian dưỡng hộ nhiệt và cường độ chịu nén khi tỷ lệ Sodium Hydroxit – Sodium Silicat là 1-1
Biểu đồ hình 4.1 cho thấy, khi thời gian dưỡng hộ nhiệt tăng từ 6 giờ, 8 giờ, 10 giờ đến 12 giờ thì cường độ chịu nén của mẫu geopolymer đất càng tăng. Khi đó, cấp phối M21 có cường độ chịu nén tăng lên 72.69%, từ 3.15Mpa tại 6 giờ lên đến 5.44Mpa tại 12 giờ. Cấp phối M51 có cường độ chịu nén tăng lên 78.25%, từ 3.77Mpa tại 6 giờ lên đến 6.72Mpa tại 12 giờ. Trong khi, cấp phối M81 có cường độ chịu nén tăng lên 71.06%, từ 4.25Mpa lên đến 7.27Mpa. Tốc độ phát triển cường độ khi tăng thời gian dưỡng hộ của cấp phối M51 là nhanh nhất.
Khi thời gian dưỡng hộ nhiệt tăng từ 6 giờ lên 10 giờ thì cường độ của cả 3 cấp phối M21, M51 và M81 đều gia tăng nhanh hơn so với trường hợp thời gian dưỡng hộ nhiệt lớn hơn 8 giờ. Quá trình gia nhiệt ban đầu cung cấp năng lượng cho quá trình tạo cường độ cho vật liệu, nhất là trong thời gian 10 giờ đầu tiên. Giai đoạn kéo dài thời gian dưỡng hộ nhằm giúp cho quá trình đóng rắn, tạo khoáng có cường độ ổn định và hoàn chỉnh hơn.
Kết quả cho thấy khi cố định hàm lượng hạt sét, thời gian dưỡng hộ và cường độ vật liệu tỉ lệ thuận với nhau. Cường độ sẽ tăng khi thời gian dưỡng hộ tăng nhưng càng về sau thì mức độ cũng như tốc độ tăng cường độ giảm dần. Ngoài
3.15 3.72 4.64 5.44 3.77 4.33 5.62 6.72 4.25 4.95 6.22 7.27 y = 0.0144x2+ 0.1308x + 1.8245 R² = 0.9964 y = 0.0337x2- 0.1005x + 3.112 R² = 0.9919 y = 0.0219x2+ 0.1228x + 2.6865 R² = 0.9942 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 2 4 6 8 10 12 14 C ườ ng đ ộ c hị u n én (M Pa)
Thời gian dưỡng hộ nhiệt (giờ) Cấp phối M21 Cấp phối M51 Cấp phối M81
Trang48
ra, khi thay đổi hàm lượng hạt sét thì cường độ của vật liệu tạo thành cũng thay đổi theo. Trong các cấp phối này, hàm lượng hạt sét và cường độ có mối quan hệ tỉ lệ nghịch, hàm lượng đất sét giảm thì cường độ tăng và ngược lại.
4.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ:
Tương tự như sự ảnh hưởng của điều kiện thời gian dưỡng hộ, ta tiến hành thực nghiệm thành phần cấp phối với Hàm lượng hạt sét cố định ở từng cấp tỉ lệ thành phần dung dịch hoạt hóa, tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay cố định là 0.3. Tỉ lệ thành phần dung dịch Sodium Hydroxit - Sodium Silicat thay đổi từ 0.5, 1 và 2, mẫu được bảo dưỡng ở các cấp nhiệt độ 600C, 800C, 1000C và 1200C trong thời gian là 12 giờ . Kết quả thí nghiệm được trình bày ở bảng 4.2 và hình 4.2.
Bảng 4. 2 Kết quả thí nghiệm khi thay đổi nhiệt độ dưỡng hộ. Cấp phối Hàm lượng hạt sét (%) TL thành phần
Dung dịch hoạt hóa Nhiệt độ dưỡng hộ (0C) Sodium
Hydroxit Sodium Silicat 60 80 100 120 M12 35.44 1 2 4.75 5.63 7.41 8.25 M22 35.44 1 1 5.44 6.28 8.72 9.16 M32 35.44 2 1 5.22 6.20 7.57 8.32 M42 31.01 1 2 5.73 6.78 8.92 9.45 M52 31.01 1 1 6.72 7.66 10.52 11.36 M62 31.01 2 1 6.33 7.48 9.22 10.44 M72 26.58 1 2 6.27 7.44 9.78 11.12 M82 26.58 1 1 7.27 8.24 11.83 12.34 M92 26.58 2 1 6.93 8.12 10.83 11.73 Khi nhiệt độ dưỡng hộ tăng từ 600C lên 1200C, cường độ chịu nén của cả 3 cấp phối M22, M52, M82 đều gia tăng. Trong đó, cấp phối M22 có cường độ chịu nén tăng lên 68.38%, từ 5.44Mpa ở 600C lên đến 9.16Mpa ở 1200C. Cấp phối M52 có cường độ chịu nén tăng lên 69.05%, từ 6.72Mpa lên đến 11.36Mpa ở 1200C. Tương tự, cấp phối M82 có cường độ chịu nén tăng lên 69.74%, từ 7.27Mpa lên đến 12.34Mpa 1200C. Sự phát triển cường độ của cấp phối M82 là nhanh nhất, cấp phối M5, M2 có sự phát triển cường độ chậm hơn. Các cấp phối còn lại ở cùng tỉ lệ dung dịch (M12, M42 và M72; M32, M62 và 92) cũng có sự phát triển cường độ tương tự.
Trang49
Hình 4. 2 Mối quan hệ giữa nhiệt độ dưỡng hộ và cường độ chịu nén với tỷ lệ Sodium Hydroxit – Sodium Silicat là 1-1
Hình 4.2 cho thấy cường độ của cả 3 cấp phối M22, M52 và M82 đều gia tăng nhanh hơn khi nhiệt độ dưỡng hộ tăng từ 600C lên 1000C so với giai đoạn nhiệt độ dưỡng hộ tăng từ 1000C lên 1200C:
- Cấp phối M22 khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 1000C có cường độ tăng thêm 3.28Mpa (tăng 60.29%) so với khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 600C (từ 5.44Mpa ở 600C lên đến 8.72Mpa ở 1000C). Nhưng khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 1200 cường độ chỉ tăng thêm 0.44Mpa (tăng 50.05%) so với khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 1000C (từ 8.72Mpa ở 1000C lên đến 9.16Mpa ở 1200C).
- Cấp phối M52 khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 1000C có cường độ chịu nén tăng thêm 3.8Mpa (tăng 56.55%) so với khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 600C (từ 6.72Mpa ở 600C lên đến 10.52Mpa ở 1000C). Nhưng khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 1200C cường độ chỉ tăng thêm 7.98% so với khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 1000C (từ 10.52Mpa ở 1000C lên đến 11.36Mpa ở 1200C).
- Cấp phối M82 khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 1000C có cường độ chịu nén tăng thêm 62.72% so với khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 600C (từ 7.27Mpa ở 600C lên đến 11.83Mpa ở 1000C). Khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 1200C cường độ chỉ tăng thêm 4.31%
5.44 6.28 8.72 9.16 6.72 7.66 10.52 11.36 7.27 8.24 11.83 12.34 M22: y = -0.0003x2+ 0.113x - 0.62 R² = 0.9348 M52: y = -0.0002x2+ 0.1099x + 0.4 R² = 0.9475 M82: y = -0.0003x2+ 0.1458x - 0.73 R² = 0.916 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 40 60 80 100 120 140 C ườ ng đ ộ c hị u n én (M pa) Nhiệt độ dưỡng hộ (độ C) Cấp phối M22 Cấp phối M52 Cấp phối M82
Trang50
(từ 11.83Mpa ở 1000C lên đến 12.34Mpa ở 1200C). Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển cường độ geopolymer đất.
Như vậy, khi cố định hàm lương hạt sét thì cường độ của vật liệu geopolymer đất tăng khi điều kiện nhiệt độ dưỡng hộ tăng. Tốc độ tăng cường độ ở giai đoạn đầu khá tốt, tuy nhiên sự phụ thuộc này không theo tỷ lệ thuận.
Tiếp tục quan sát hình 4.2 ta thấy rõ mối quan hệ giữa nhiệt độ dưỡng hộ và cường độ nén là một phương trình bậc hai. Với phương trình bậc hai thu được, ta có thể thống kê và dự đoán được nhiệt độ thích hợp và cường độ tốt nhất mà mẫu geopolymer đất có thể đạt được ở bảng sau.
Bảng 4. 3Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và nhiệt độ dưỡng hộ
Cấp
phối Mối quan hệ giữa cường độ nén và nhiệt độ dưỡng hộ
Nhiệt độ dưỡng hộ thích hợp (0C) Cường độ có thể đạt được (Mpa) M22 y = -0.0003x2 + 0.113x - 0.62 190 10.02 M52 y = -0.0002x2 + 0.1099x + 0.4 280 23.33 M82 y = -0.0003x2 + 0.1458x - 0.73 240 16.98
Mối quan hệ đường cong bậc hai của cường độ và nhiệt độ dưỡng hộ giúp chúng ta xác định được nhiệt độ thích hợp cho cường độ vật liệu geopolymer đất đạt kết quả cao nhất có thể. Khi đó, cấp phối geopolymer sử dụng đất sét và tro bay có thể đạt được cường độ là 10.02Mpa, 23.33Mpa và 16.98Mpa tương ứng với hàm lượng hạt sét cố định là 35.44%, 31.01% và 26.58%. Nhiệt độ cần thiết để dưỡng hộ vật liệu là từ 190 - 2800C. Khi cố định hàm lượng hạt sét, ảnh hưởng của nhiệt độ đến cường độ chịu nén của geopolymer đất là đáng kể, khi tăng nhiệt độ dưỡng hộ sẽ giúp gia tăng cường độ vật liệu, tùy vào từng thành phần cấp phối mà nhiệt độ thích hợp sẽ cho cường độ tốt nhất. Khi cùng cấp phối tỉ lệ thành phần thì hàm lượng hạt sét thay đổi thì cường độ cũng thay đổi theo chiều hướng tỷ lệ nghịch, hàm lượng sét giảm thì cường độ tăng và ngược lại.
Như vậy, sự ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình geopolymer hóa đất như sau: khi hàm lượng hạt sét được cố định, điều kiện dưỡng hộ tăng thì cường độ vật liệu cũng tăng dần theo, nhưng sự phụ thuộc này không tuyến tính.
Trang51
Xét về thành phần cấu trúc của vật liệu tạo thành, kết quả của quá trình geopolymer hóa là sự kết hợp của cấu trúc geopolymer hóa tro bay (cấu trúc vô định hình) và cấu trúc tinh thể zeolite của các khoáng sét. Hàm lượng hạt sét tham gia trực tiếp tạo thành cấu trúc tinh thể zeolite, đồng thời cấu trúc geopolymer vô định hình cũng bao bọc lấy các tinh thể tạo thành này. Quá trình này làm cho cấu trúc của toàn bộ vật liệu bị trộn lẫn, bộ xương của cấu trúc vô định hình bị xem kẽ bởi cấu trúc xương của tinh thể zeolite. Nếu xét riêng từng cấu trúc thì đều có cường độ của riêng mình, tuy nhiên sự kết hợp các cấu trúc này không cho cường độ là tổng cường độ của hai cấu trúc. Cả hai cấu trúc chỉ đạt được cường độ thích hợp khi các tỉ lệ thành phần thích hợp. Khi hàm lượng hạt sét vừa đủ thì cấu trúc tinh thể tạo thành vừa đủ kết hợp với cấu trúc vô định hình và cho kết quả nén tốt nhất. Khi hàm lượng hạt sét thay đổi nhiều hơn, thì các cấu trúc tinh thể có nguy cơ phá vỡ cường độ của cấu trúc vô định hình.
Tiến hành phương pháp phân tích cấu trúc qua kính siêu hiển vi điện tử Scanning Electron Microscope (SEM) ta thấy cụ thể cấu trúc của geopolymer đất trong hình 4.3 và 4.4.
Trang52
(b) Hình phóng to tại vị trí đánh dấu ở hình (a)
Hình 4. 3Bề mặt vật liệu sau khi đóng rắn.
Bề mặt vật liệu geopolymer đất lồi lõm, không đồng nhất thể hiện rõ ở hình 4.3. Tiến hành với tỉ lệ phóng to hơn, ta thấy được những chi tiết sau.
(a)Bề mặt vật liệu tỉ lệ 1:5000. Tinh thể đóng rắn chưa hoàn chỉnh Tinh thể đóng rắn bao bọc tinh thể zeolite
Trang53
(b)Một vị trí khác bề mặt vật liệu tỉ lệ 1:5000.
Hình 4. 4 Hình SEM cấu trúc của các tinh thể được hình thành do đất và tro bay sau khi geopolymer hóa.
Sự hình thành vật liệu geopolymer đất dưới tác dụng của điều kiện dưỡng hộ đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Geopolymer của đất sét và tro bay có cấu trúc vô định hình do quá trình geopolymer hóa tro bay tạo thành [31] trộn lẫn cấu trúc zeolite do quá trình geopolymer hóa khoáng sét tạo thành [37] . Theo như kết quả thực nghiệm thu được ở hình 4.4 ta thấy rõ điều này. Các tinh thể zeolite đóng rắn và hòa lẫn vào cấu trúc vô định hình của geopolymer tro bay. Sự kết hợp này có ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ của vật liệu geopolymer đất tạo thành.
Xét riêng rẽ sự đóng rắn của từng loại cấu trúc, Mustafa Al Bakri và C.Y. Heah (2012) đã tiến hành nghiên cứu khảo sát đóng rắn riêng rẽ khoáng sét trên nền công nghệ geopolymer [8]. Kết quả thu được là khoáng sét chỉ đóng rắn một phần, cường độ thu được chưa cao, phần còn lại đóng rắn chậm và cần thời gian dưỡng hộ. Đặc biệt, qua khảo sát cấu trúc SEM của mẫu chưa geopolymer hóa, ta quan sát hình 4.5 cấu trúc của khoáng sét (điển hình là khoáng kaolinite) khi chưa phản ứng, cấu trúc đơn thuần là những tấm mỏng, có chiều dài khoảng 5 µm, các tấm liên kết nhau thành những khối nhỏ.
Tinh thể zeolite riêng rẽ
Đất không phản ứng
Trang54
(a)Cấu trúc SEM của Kaolinite [7]
(b) Cấu trúc SEM của kaolinite và Illite[3]
Hình 4. 5 Cấu trúc SEM của khoáng sét.
Quá trình geopolymer hóa khoáng sét là quá trình cần thời gian dài dưỡng hộ mẫu, đặc trưng của quá trình đóng rắn là hình thành các tinh thể Zeolite X [8], các tinh thể này liên kết nhau tự do, không đồng nhất và không theo quy định nhất định.
Trang55
Mustafa Al Bakri và C.Y. Heah đã thể hiện rõ cấu trúc này bằng nghiên cứu của mình, với thời gian dưỡng hộ mẫu lần lượt là 1, 7 và 60 ngày. Với thời gian 1 ngày sau khi đóng rắn, cấu trúc mẫu hình thành các khối nhỏ với hình dạng không xác định có kích thước từ 5 đến 10µm. Quá trình geopolymer hóa vẫn tiếp tục diễn ra và với mốc thời gian đóng rắn là 7 ngày, hình thành các tinh thể zeolite nhỏ hơn, kích thước các khối liên kết thu nhỏ hơn nữa, kích thước từ 2 đến 5µm. Ở mốc thời gian là 60 ngày, cấu trúc bề mặt vật liệu trở nên mịn hơn, các khối zeolite liên kết nhau nhưng kích thước các khối rất nhỏ, chỉ với khoảng 1 đến 2µm.
Hình 4. 6 Cấu trúc SEM của kaolinite ở các mốc thời gian lần lượt là 1, 7 và 60 ngày đóng rắn (tỉ lệ Sodium Hydroxit/Sodium Silicat = 1.0) [8]
Ngoài ra với một nghiên cứu khác, Y.M. Liew, H. Kamarudin và A.M. Mustafa Al Bakri, đã chỉ ra cấu trúc của geopolymer đất có cấu trúc hạt zeolite với kích thước chuẩn từ 1 đến 2 µm[36]. Quan sát hình 4.7 ta thấy, ban đầu hỗn hợp đóng rắn chậm, với đa phần của nguyên liệu vẫn chưa đóng rắn. Dưới tác dụng của dung
Trang56
dịch kiềm và thời gian dưỡng hộ tăng dần, hỗn hợp tiếp tục đóng rắn dạng keo trên bề mặt. Các tinh thể đóng rắn dạng keo tiếp tục phản ứng với nước để tạo thành tập hợp các khối cầu nhỏ, kết thúc quá trình geopolymer là sự xuất hiện của các tinh thể zeolite (hình 4.7 h).