Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn [18] đã xác định ảnh hƣởng của các yếu tố dung dịch hoạt hóa, thành phần tro bay, điều kiện dƣỡng hộ đến tính chất đặc tính chịu uốn và kéo gián tiếp của GPC.Cƣờng độ chịu uốn của GPC thay đổi theo sự thay đổi hàm lƣợng dung dịch hoạt hóa thơng qua sự thay đổi tỷ lệ dung dịch hoạt - tro bay (hình 2.8 a). Khi dƣỡng hộ trong 4 giờ, giá trị cƣờng độ chịu uốn đạt đƣợc là 4.35, 4.78 và 4.85MPa tƣơng ứng với tỷ lệ dung dịch hoạt - tro bay sử dụng là 0,4, 0.5 và 0.6. Ngồi ra, thời gian dƣỡng hộ giúp q trình GPC hóa diễn ra triệt để hơn giúp làm tăng cƣờng độ chịu uốn của GPC, tăng khoảng 30% khi đƣợc dƣỡng hộ trong 10 giờ so với chỉ đƣợc dƣỡng hộ trong 4 giờ ở cùng mức nhiệt. Thời gian dƣỡng hộ càng dài thì q trình GPC hóa diễn ra mạnh mẽ giúp tổng hợp các chuỗi monomer hoàn thiện hơn dẫn đến cƣờng độ chịu uốn của GPC tăng. Hình 2.8b trình bày kết quả thí nghiệm khi giữ nguyên tỷ lệ dung dịch hoạt - tro bay là 0.6 và thay đổi tỷ lệ sodium silicate - sodium hydroxide. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi dƣỡng hộ trong 4 giờ, giá trị cƣờng độ chịu uốn đạt đƣợc là 4.14, 4.41 và 4.85MPa tƣơng ứng với tỷ lệ sodium silicate - sodium hydroxide sử dụng là 1,2 và 2.5. So với tỷ lệ sodium silicate - sodium hydroxide sử dụng là 1 thì cƣờng độ tăng 6.5 và
19
17.1% khi sử dụng tỷ lệ sodium silicate - sodium hydroxide sử dụng là 2 và 2.5. Tuy nhiên, ngoài yếu tố giúp làm tăng cƣờng độ chịu uốn của GPC, khi tăng thời gian dƣỡng hộ thì sự phát triển cƣờng độ chịu uốn có khuynh hƣớng tăng nhanh khi sử dụng tỷ lệ sodium silicate - sodium hydroxide là 2.5 so với hai tỷ lệ cịn lại.
Hình 2-7: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng hoạt hóa đến cƣờng độ uốn [18]
Cƣờng độ chịu uốn của GPC khi thay đổi tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay ứng với tỷ lệ sodium silicate - sodium hydroxide là 2.5 (hình 2.8 a) hoặc thay đổi tỷ lệ sodium silicate - sodium hydroxide ứng với tỷ lệ dung dịch alkaline-tro bay là 0.6 (hình 2.8b). Tuy nhiên mức độ chênh lệch về cƣờng độ chịu kéo gián tiếp của GPC khi đƣợc dƣỡng hộ trong 4 giờ và 10 giờ có xu hƣớng thấp hơn. Do đó, vai trị của q trình geopolymer hóa có khả năng tạo cho bê tơng có khả năng phát triển khả năng chịu uốn, đồng thời tính chất chịu kéo cũng đƣợc gia cƣờng.
20
Hình 2-8: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng hoạt hóa đến cƣờng độ kéo gián tiếp [18]
Hình 2.9 cho thấy tỷ lệ dung dịch alkaline - tro bay là 0.6 trong đó tỷ lệ sodium silicate - sodium hydroxide trong dung dịch hoạt hóa là 2.5 cho kết quả tốt nhất đối với cả cƣờng độ chịu uốn và chịu kéo gián tiếp của GPC. Sự chênh lệch về cƣờng độ của cấp phối này so với các cấp phối khác có chiều hƣớng gia tăng khi GPC đƣợc dƣỡng hộ trong thời gian dài. Bên cạnh đó, ta nhận thấy khi tỷ lệ sodium silicate – tro bay càng tăng từ 0.29 đến 0,43 trong cấp phối A1, A2 và A3 thì giá trị uốn và kéo gián tiếp cũng tăng theo. Kết quả này chứng tỏ hàm lƣợng của sodium silicate so với hàm VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MƠI TRƢỜNG Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 37 lƣợng (Al2O3 + SiO2) có trong tro bay càng tăng thì làm cho liên kết của Si-O-Si càng bền hơn, làm tăng cƣờng độ chịu uốn. Điều này có nhận xét tƣơng tự nhƣ các nghiên cứu trƣớc đây khi xác định vai trò của sodium silicate làm tăng độ đặc chắc của cấu trúc GPC, làm tăng cƣờng độ chịu nén [5-7]. Tuy nhiên khi tỷ lệ sodium silicate – tro bay là 0.3 và 0,4 của cấp phối A1B1 và A1B2 cao hơn tỷ lệ 0.29 và 0.36 của cấp phối A2 và A3 cho giá trị cƣờng độ thấp hơn. Điều này cho thấy khơng chỉ vai trị của sodium silicate làm tăng khả năng liên kết trong chuỗi GPC mà cần sự hỗ trợ của thành phần sodium hydroxide phù hợp.
21
Hình 2-9: Ảnh hƣởng của thành phần hoạt hóa đến cƣờng độ chịu uốn (a) và
chịu kéo gián tiếp (b) của GPC [18]
Bề mặt của bê tơng đƣợc phân tích bằng phƣơng pháp SEM trên hình 4 cho thấy q trình hoạt hóa tạo thành cấu trúc vơ định hình. Q trình tạo liên kết SiO- Si xảy ra phụ thuộc rất nhiều yếu tố làm cho các hạt hình cầu tro bay cịn tồn tại trên bề mặt chƣa đƣợc hoạt hóa. Do đó, thành phần của dung dịch hoạt hóa sẽ ảnh hƣởng lớn đến quá trình phản ứng với vật liệu alumino - silicate.
22
2.4 Những ƣu khuyết điểm của GPC
Ƣu điểm:
Tạo ra vật liệu xây dựng thân thiện với môi trƣờng • Tấm kết cấu gỗ chốngcháy
• Tấm tƣờng và panel cách điện • Sản xuất đá nhân tạo trang trí • Tấm panel bọt cách nhiệt • Vật liệu xây dựng thơ • Gạch khơng nung • Kết cấu chịu lửa
• Kết cấu chống sốc nhiệt
• Ứng dụng làm khn đúc nhơm • Bê tơng và chất kết dính GPC • Vật liệu cản lửa và gia cốsửa chữa
• Vật liệu chống cháy cơng nghệ cao dùng trong báy bay hoặc ơtơ • Vật liệu nhựa cơng nghệ cao
• Giảm chất thải cơng nghiệp và diện tích bãi chứa
Khuyết điểm:
• Cần dƣỡng hộ nhiệt, khó áp dụng vào tất cả các cấu kiện của cơng trình. • Sử dụng dung dịch kiềm trong bê tơng có thể ảnh hƣởng đến sự ăn mịn cốt thép trong bê tơng.
• Sử dụng dung dịch kiềm mạnh cũng địi hỏi q trình sản xuất bê tông phức tạp hơn, điều này dẫn đến gia tăng tiêu thụ năng lƣợng.
• Khả năng phát thải các chất kiềm kích hoạt vào mơi trƣờng nƣớc và khơng khí khi sử dụng sản phẩm GPC.
2.5 Giới thiệu về sợi thủy tinh (Fiber reinforced plastic)
Sợi thủy tinh, đƣợc kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi đƣợc (thủy tinh dệt), có đƣờng kính nhỏ vài chục micro mét. Khi đó các sợi này sẽ mất những nhƣợc điểm của thủy tinh khối, nhƣ: giòn, dễ nứt gãy, mà trở nên có nhiều ƣu điểm cơ học hơn.
23
Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khống chất nhƣ: silic, nhơm, magiê,... tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau.
Sợi thuỷ tinh có các đặc tính sau: Là chất vơ cơ dẻo hơn sợi thực vật hoặc động vật, không thể thắt nút, không đàn hồi hay dãn rộng ra. Không cháy, không dẫn điện.
Chúng kém mềm dẻo hơn sợi dệt có nguồn gốc thực vật hoặc động vật (sợi chỉ thuỷ tinh không thể thắt nút đƣợc dễ dàng), chúng không kéo giãn rộng ra, chúng bền vững ( bền vững hơn bất kỳ sợi dệt nào ), chúng không cháy, chúng không mục nát, không thấm nƣớc và bền với hầu hết các axit, chúng là một vật dẫn điện kém và trong một số trƣờng hợp là vật dẫn nhiệt và âm kém, chúng không hút ẩm.
2.5.1 Lƣợc sử công nghệ sử dụng công nghệ sợi thủy tinh composite (GFRP )
nói chung
Năm Lƣợc sử công nghệ
1930 FRP đƣợc sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong ngành hàng không.
1932 Phát hiện sợi thủy tinh (Fiber Glass) và đƣa vào nghiên cứu.
1936 Nhựa cốt sợi thủy tinh (GRP) đƣợc hãng Du Pont (Hoa Kỳ) tìm ra và
phát triển.
1937 Sản xuất chiếc thuyền đầu tiên bằng nhựa tổng hợp thay cho gỗ, thép
1950 Bắt đầu sản xuất nhựa sợi carbon cho cuộc chạy đua vào vũ trụ, đẩy
nhanh q trình tìm tịi vật liệu nhựa tổng hợp mới
1960 Sản xuất nhựa sợi bông (aramid).
1970 Polymer đƣợc sản xuất phổ biến
Ngày nay Ngày nay, việc sử dụng sợi tổng hợp đã trở nên phổ biến trong tất cả ngành. Kiến trúc – Xây dựng đang ứng dụng những thành tựu công nghệ này để phát triển vƣơn đến những hình khối mới.
2.5.2 Các loại cốt sợi thủy tinh
Có nhiều loại sợi thủy tinh nhƣ: Sợi thủy tinh E: Dẫn điện tốt
24 Sợi thủy tinh D: Cách điện tốt
Sợi thủy tinh A: Hàm lƣợng kiềm cao Sợi thủy tinh C: Độ bền hóa học cao Sợi thủy tinh R, S: Độ bền cơ học cao
Ngồi ra, hình dáng sợi và sự sắp xếp giữa các sợi thủy tinh với nhau cũng tạo ra nhiều sản phẩm nhƣ:
Sợi Mat: gồm các lớp sợi liên tục hoặc gián đoạn phân bố hỗn loạntrên một mặt phẳng các sợi đƣợc giữ với nhau nhờ chất liên kết cóthể hồ tan đƣợc trong nhựa.
Vải thuỷ tinh: tập hợp những dây thuỷ tinh dài liên tục đƣợc đan lại với nhau nhờ vào kỹ thuật dệt. Vải thuỷ tinh thƣờng dùng để gia cố lớp đầu và cuối của sản phẩm để tăng khả năng chịu lực của sản phẩm.
Sợi Rovinggun: sợi đƣợc kéo thành từ dây dài và đƣợc đóng thành cuộn. Sợi Povinggun thƣờng đƣợc dùng cho súng phun hỗn hợp và nhựa Polyester hoặc để dùng đan các sản phẩm mỹ nghệ
Sợi Kevla(Giáp): loại đặc biệt không đƣợc dệt từ thuỷ tinh mà đƣợc dệt từ sợi tổng hợp nó có tác dụng liên kết giống nhƣ Roving và có nhiều màu sắc khác nhau. Loại sợi này có tính năng rất đặc biệt khi đƣợc gia cƣờng bởi Polyester sẽ trở thành vật liệu có tính năng siêu việt: Chống mài mòn, chịu nhiệt độ cao, khơng biến dạng, chịu đàn hồi, có độ rắn chắc tốt.
2.5.3 Tính chất của sợi thủy tinh
Đặc tính chịu lực: sợi thủy tinh chống biến dạng tốt nhất trong trƣờng hợp khi các sợi chịu lực theo cấu trúc có phƣơng song song nhau. Đồng thời, khả năng chống biến dạng kém nhất khi các sợi chịu lực theo cấu trúc vng góc nhau. Tuỳ vào từng trƣờng hợp mà khả năng của sợi thủy tinh đem lại lợi thế hay hạn chế cho cấu kiện. Trong thành phần của nhựa sợi thủy tinh GFRP,
25
các sợi đƣợc bố trí theo kiểu dệt 2 chiều hoặc 3 chiều, nhƣ thế loại trừ đƣợc khả năng điểm yếu của cấu kiện.
Đặc tính cấu trúc: Sợi thủy tinh là một vật liệu nhẹ, cực kỳ bền, và cứng. Mặc dù thuộc tính vật lí của sợi thủy tinh thấp hơn so với sợi carbon: nó ít cứng, ít giịn, nhƣng các nguyên vật liệu rẻ hơn. GFRP nhìn bằng mắt thƣờng. Ta có thể thấy rõ các sợi của nó.
Đặc tính cơ lý: Vật Liệu Trọng lƣợng riêng (so với nƣớc) Cƣờng độ chịu kéo MPa (ksi) Cƣờng độ chịu nén MPa (ksi)
Polyester resin (Not reinforced) 1.28 55 (7.98) 140 (20.3)
Polyester and Chopped Strand Mat
Laminate 30% E-glass 1.4 100 (14.5) 150 (21.8)
Polyester and Woven Rovings Laminate
45% E-glass 1.6 250 (36.3) 150 (21.8)
Polyester and Satin Weave Cloth
Laminate 55% E-glass 1.7 300 (43.5) 250 (36.3)
Polyester and Continuous Rovings
Laminate 70% E-glass 1.9 800 (116) 350 (50,8)
E-Glass Epoxy composite 1.99 1,770
(257) -
S-Glass Epoxy composite 1.95 2,358
(342) -
So sánh bê tông cốt sợi thủy tinh và bê tông cốt thép
Bê tông cốt thép Bê tông cốt sợi thủy tinh
Trọng lƣợng nặng Trọng lƣợng giảm còn 1/3
Tỷ lệ cát/bê tông: 1:0.6 Tỷ lệ cát/bê tông: 1:1
Thép gỉ Sợi thủy tinh khơng gỉ
Gặp khó khăn trong thi cơng hình dáng phức tạp.
26
Tạo hình cơ bản Tạo nên hình dáng độc đáo, định
hƣớng cho kiến trúc tƣơng lai
2.5.4 Ứng dụng của sợi thủy tinh trong xây dựng
Nhựa GFRP và bê tông GFRC đƣợc sử dụng rộng rãi trong các cơng trình. Nhƣ làm tấm lợp mái, bao bọc các cấu kiện, trang trí nội thất, tạo các thiết bị nội thất đặc biệt.
Thạch cao gia cố sợi thuỷ tinh đƣợc dùng cho thiết kế trần, đặc biệt là trần cong, các gờ chỉ và nhiều ứng dụng phong phú khác.
Các loại vật liệu có sử dụng sợi thuỷ tinh cũng đƣợc ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam. Đã có khá nhiều công ty Việt tự sản xuất GFRP, GFRC, hay các loại composite sợi thuỷ tinh khác. Tuy nhiên vẫn còn những vấn đề về chất độc hại trong quá trình sản xuất do công nghệ chƣa cao.
27
CHƢƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
3.1 Nguyên vật liệu
3.1.1 Tro bay
Tro bay (FlyAsh) là thành phần mịn nhất của tro xỉ than, sản phẩm phế thải đƣợc tạo ra trong quá trình đốt cháy than ở các nhà máy nhiệt điện.Tro bay đƣợc thu thập và phân loại bằng các luồng khí phân loại, những hạt to rơi xuống đáy, và những thành phần hạt nhỏ hơn sẽ đƣợc thu gom ở cuối đƣờng ống khói . Tro bay là một loại Puzzolan nhân tạo, là tro đốt của than cám nên bản thân nó đã rất mịn , cỡ hạt từ 1-20 m, tỷ diện khoảng 250 - 600 m2/kg [8]
Theo tiêu chuẩn ASTM C618-94a [32], tro bay đƣợc phân thành 3 loại sau: Class N: do các chất bùn, đá phiến sét bị đốt cháy tạothành.
ClassF: là sản phẩm của quá trình đốt cháy than bitum và than anthracite trong nhà máy nhiệt điện,có hàm lƣợng than chƣa cháy từ 2–10%.Tro bay loại này có tính chất gần giống puzzoland (phụ gia thủy vơ cơ hoạt tính). Hàm lƣợng CaO trong loại này thƣờng nhỏ hơn 10%.
Class C : có tính chất gần giống nhƣ trong bay class F nhƣng là sản phẩm thu đƣợc từ việc than non (lignit) bị đốt cháy, hàm lƣợng than chƣa cháy thƣờngít hơn 2 %. Hàm lƣợng CaO trong loại này thƣờng lớn hơn 10 %. Loại tro bay này chất lƣợng cao nhƣng khó sản xuất.
28