Bên cạnh đó, sợi được giữ trong vữa bởi lực ma sát trên bề mặt sợi, mà các sợi này lại tròn trơn, nên khi lượng sợi quá nhiều, thực chất là kéo bó sợi này ra khỏi vữa, mà ít có sự liên kết của vật liệu vữa geopolymer. Hình 4.26 cho cái nhìn trực quan vấn đề trên.
Do loại sợi vơ cơ sử dụng, có độ mềm dẻo cao, nên trong q trình đơng rắn sợi bị xoắn lại, và sắp xếp ngẫu nhiên với mật độ cao, cản trở sự bay hơi của bọt khí, làm một lượng bọt khí ngưng tụ trên bề mặt sợi hay khơng thốt ra được khỏi hỗn hợp vữa. Điều này rất phù hợp với nghiên cứu của Rui M. Novais [20]. Hình 4.27 là kết quả từ nghiên cứu từ tác giả.
a) Mẫu vữa không sử dụng sợi b) Mẫu vữa có hàm lượng sợi hợp lý
c) Mẫu vữa có hàm lượng sợi nhiều d) Bề mặt mẫu thực tế
Hình 4.27 Hình ảnh SEM mẫu vữa Geopolymer có sử dụng sợi và khơng sử dụng
Chương 5
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
5.1 Kết luận
Đề tài sử dụng sợi thủy tinh thêm vào thành phần cấp phối nhằm mục đích tăng cường tính chất cơ lý của cấp phối vữa Geopolymer, từ đó đưa ra các đánh giá về sự thay đổi cường độ chịu nén, uốn và khả năng chống nứt khi thay đổi hàm lượng và kích thước sợi thủy tinh. Từ kết quả nghiên cứu có thể rút ra những nhận xét và kết luận như sau:
Vữa Geopolymer và vữa xi măng có cường độ chịu uốn và khả năng chống nứt tăng mạnh khi sử dụng sợi thủy tinh có kích thước 15 mm ở hàm lượng 0,4% với mức tăng so với khi khơng có sợi là 32,8%.
Cường độ chịu uốn và khả năng chống nứt của các cấp phối vữa sử dụng sợi thủy tinh có sự thay đổi khi ta thay đổi chiều dài và cấp phối vữa, cường độ chịu uốn và khả năng chống nứt đạt được cao nhất ở TLPTKL 0,4%.
Phá hoại khi uốn vữa geopolymer (có hoặc khơng có gia cường sợi) là phá hoại giòn, lực gây nứt tăng tuyến tính trong giai đoạn đàn hồi. Vữa xi măng cũng cho kết quả ứng xử tương tự.
Vữa gia cường sợi có độ cứng lớn hơn và giịn hơn mẫu khơng gia cường sợi, lực gây nứt tăng từ 19% đến 27%.
Hàm lượng sợi 0,4% là hàm lượng tối ưu cho vật liệu vữa geopolymer dùng trong thí nghiệm.
Cường độ chịu nén của vữa cũng ảnh hưởng đến khả năng chống nứt và chịu uốn củavữa geopolymer, cường độ chịu nén của vữa càng cao, thì khả năng chống nứt càng lớn.
Sợi thủy tinh dài 15 mm là kích thước tối ưu để mẫu vữa geopolymer đạt khả năng chống nứt và khả năng chịu uốn lớn nhất.
5.2 Hướng phát triển của đề tài
Để hoàn thiện hơn về khả năng ứng dụng sợi thủy tinh cho các cấp phối vữa Geopolymer, ta có thể nghiên cứu lý thuyết và thực hành thí nghiệm với các đề xuất sau:
- Phối hợp đa dạng các kích thước sợi trong cùng 1 cấp phối để đánh giá các chỉ tiêu về cường độ cho cấp phối vữa Geopolymer.
- Kết hợp sử dụng sợi thủy tinh với các loại sợi khác để đánh giá khả năng làm việc khi phối hợp nhiều thành phần chủng loại sợi trong cấp phối.
- Nghiên cứu phát triển ứng dụng sợi thủy tinh dạng lưới vào cấp phối vữa Geopolymer.
- Nghiên cứu sự thay đổi cường độ của cấp phối vữa Geopolymer khi thay đổi phương phân bố của sợi thủy tinh bên trong vữa Geopolymer (dạng thẳng đứng và dạng nằm ngang).
- Nghiên cứu sự kết hợp giữa sợi thủy tinh với các thành phần phụ gia khoáng hoặc hóa chất (SilicaFume, phụ gia siêu dẻo,…) để chế tạo vữa Geopolymer cường độ cao hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tống Tôn Kiên, Phạm Thị Vinh Lanh, Lê Trung Thành, Bê tông Geopolymer - những thành tựu, tính chất và ứng dụng.
[2] Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn,Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng sợi
thép và polypropylene cao đến cường độ của bê tông Geopolymer, 2015.
[3] Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn,Nghiên cứu ảnh hưởng của tro trấu và
silicafume đến cường độ của vữa Geopolymer, 2015.
[4] Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn, Ứng xử của bê tông Geopolymer tro bay sử dụng sợi Hook, 2015.
[5] Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn, Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng sợi
thép và sợi polypropylene cao đến cường độ của bê tông Geopolymer, 2015.
[6] Lê Văn Tuấn, Phạm Xuân Anh. Hiệu quả khi sử dụng cốt sợi thủy tinh polyme (gfrp) cho các cơng trình xây dựng ở vùng biển, hải đảo Việt Nam. Tạp chí
Xây dựng, số 21, 2014.
[7] Đỗ Đức Thắng. Triển vọng ứng dụng cốt sợi thủy tinh gia cường Polymer thay thế cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép ở Việt Nam. Tạp chí khoa học cơng
nghệ xây dựng, số 14. 2012.
[8] L.Krishnan S.Karthikeyan, S.Nathiya, K.Suganya. Geopolymer concrete
an eco-friendly construction material, 2014.
[9] A.M.Mustafa Al Bakri, H.Kamarudin, M.Bnhussain, I Khairul Nuzar, W.I.W Mastura. Mechanism and chemical reaction of Fly ash Geopolymer cement, 2011.
[10] N.A.Lloyd, B.V.Rangan. Geopolymer Concrete with Fly Ash, 2010. [11] J. Davidovits. Geopolymers - Inorganic polymeric new materials, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 1991.
[12] Zhang Zu-Hua et al. Preparation and mechanical properties of polypropylene fiber reinforced calcined kaolin -fly ash based geopolymer, 2009.
[14] Thangaraj Sathanandam. Experimental insight on the use of fly ash and
glass fibre for making geopolymer concrete, 2017.
[15] Van Jarsveld, van Deventer và Lukey.The Effect of Composition and
Temperature on the Properties of Fly Ash- and Kaolinite- Based Geopolymers, 2002.
[16] Jang-Ho Jay Kim, Chan-Gi Park, Si-Won Lee, Jong-Pil Won.Effects of
the geometry of recycled fiber reinforcement on shrinkage cracking of cement-based composites, 2008.
[17] Marcus Menchawi, Ludvig Almgren. Modeling of fiberglass reinforced
epoxy composites in LS-DYNA. 2014.
[18] Lê Văn Tuấn, Phạm Xuân Anh. Hiệu quả khi sử dụng cốt sợi thủy tinh polyme (gfrp) cho các cơng trình xây dựng ở vùng biển, hải đảo Việt Nam. Tạp chí
Xây dựng, số 21, 2014.
[19] Nguyễn Quang Phú. Sử dụng cốt sợi thủy tinh để thiết kế bê tơng có cường độ kháng uốn cao ứng dụng trong cơng trình thủy lợi. Khoa học kỹ thuật thủy
lợi và môi trường, số 54, 2016.
[20] Rui M. Novais, Effective mechanical reinforcement of inorganic polymers using glass fibre waste, Journal of Cleaner Production, 2017.
Danh mục tiêu chuẩn tham khảo
Tiêu chuẩn TCVN 3121:2003 Vữa xây dựng – phương pháp thử. Tiêu chuẩn TCVN 9028:2011 Vữa cho bê tông nhẹ.
Tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 Cốt liệu cho bê tông và vữa – yêu cầu kỹ thuật. Tiêu chuẩn TCVN 8262:2009 Tro bay – phương pháp phân tích hóa học.
Tiêu chuẩn TCVN 10302:2014 Phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bê tông, vữa xây và xi măng.
Nghiên cứu ảnh hưởng của sợi thủy tinh gia cường đến tính chất của vữa geopolymer
TS. Phạm Đức Thiện1,* và KS. Lê Quốc Thái2
1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM – Khoa Xây Dựng
2 Học viên cao học Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
*Email: phamducthien@hcmute.edu.vn
TĨM TẮT.
Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của sợi thủy tinh gia cường đến tính chất của vật liệu vữa xây dựng dùng chất kết dính geopolymer. Hai cấp phối vữa geopolymer với các hàm lượng và chiều dài sợi khác nhau được thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của các yếu tố này đến cường độ chịu nén và cường độ chịu uốn của vữa geopolymer, đồng thời xác định hàm lượng và chiều dài sợi hợp lý để vữa geopolymer đạt cường độ tốt nhất. Thực nghiệm cũng đồng thời được thực hiện cho vữa xi măng gia cường sợi thủy tinh làm cơ sở tham chiếu.
Từ khóa: vữa geopolymer, vữa xi măng, sợi thủy tinh, cường độ chịu nén, cường độ
chịu uốn.
1. MỞ ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành xây dựng, nhu cầu sử dụng xi măng không ngừng gia tăng, điều này dẫn đến hậu quả lâu dài là cạn kiệt nguồn tài nguyên (đá vôi, đất sét, nhiên liệu hóa thạch…) và gây ơ nhiễm mơi trường. Bên cạnh đó sự gia tăng ngày một nhiều các nhà máy nhiệt điện đã thải ra môi trường một lượng lớn tro bay cần xử lý. Việc nghiên cứu sử dụng chất kết dính geopolymer gốc tro bay thay thế cho xi măng đang là một hướng đi phù hợp và khá cấp thiết. Nhiều tác giả trong và ngồi nước đã có các cơng trình nghiên cứu tính chất của bê tơng và vữa geopolymer [1-5].
Vữa geopolymer có tính chất cơ khá tương đồng với vữa xi măng truyền thống, như là: cường độ chịu nén tốt, cường độ chịu kéo và chịu uốn khá kém. Để cải thiện khả năng chịu ứng suất kéo và khả năng chịu uốn của vữa và bê tông (chủ yếu là vữa và bê tông xi măng) các tác giả đã đề xuất dùng nhiều hình dạng sợi gia cường với nhiều chủng loại vật khác nhau: sợi thép, sợi PP, sợi PE,…[6-12].
Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất sử dụng sợi thủy tinh để cải thiện tính chất cơ lý của vữa xây dựng dùng chất kết dính geopolymer gốc tro bay. Sợi thủy tinh thương phẩm sẽ được gia cơng thành các kích thước chiều dài 15mm, 30mm và 50mm. Sợi được phối trộn với vữa geopolymer với hàm lượng từ 0; 0.2; 0.4; 0.5 và 0.8% theo khối lượng. Mẫu vữa sau đó được đưa đi xác định cường độ chịu nén và cường độ chịu uốn, từ đó đánh giá ảnh hưởng của chiều dài và hàm lượng sợi thủy tinh đến cường độ của vữa. Các thí nghiệm cũng được thực hiện cho vữa xi măng gia cường sợi thủy tinh để so sánh phân tích.
2. NGUYÊN VẬT LIỆU 2.1. Cốt liệu
Cốt liệu nhỏ sử dụng trong các mẫu vữa geopolymer là cát sông đạt các chỉ tiêu theo TCVN 7570:2006. Cát có khối lượng riêng 2.63 g/cm3 và môđun độ lớn 1.6 mm. Thành phần hạt của cát được trình bày trong Bảng 1 và Hình 1.
Bảng 1. Thành phần hạt cát (trong 100 kg)
Kích thước lỗ sàng vng (mm) 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 Lượng sót trên sàng (kg) 0.78 3.3 18.75 38.04 77.74 97.44
Hình 1. Biểu đồ thành phần hạt cát
2.2. Tro bay
Tro bay loại F sử dụng có nguồn gốc từ nhà máy nhiệt điện, khối lượng riêng 2,5g/cm3, độ mịn 66 % lượng lọt qua sàng có cỡ sàng là 0,05 mm. Thành phần hóa học cho bởi Bảng 2.
Bảng 2. Thành phần hóa học của tro bay
Thành phần hoá học SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O + Na2O MgO SO3 MKN
% khối lượng 51.7 31.9 3.48 1.21 1.02 0.81 0.25 9.63
MKN: mất khi nung
2.3. Dung dịch hoạt hóa
Dung dịch hoạt hóa hay cịn gọi là dung dịch alkaline là sự kết hợp giữa sodium hydroxide (NaOH) và sodium silicate (Na2SiO3). Dung dịch sodium hydroxide có độ tinh khiết trên 90% có khối lượng riêng 2130 kg/m3. Để tạo dung dịch sodium hydroxide, NaOH dạng vảy rắn được hòa tan vào nước theo nồng độ 14 Mol/l. Dung dịch sodium silicate sử dụng với hàm lượng Na2O và SiO2 dao động từ 36% đến 38%, tỷ trọng 1.42 ± 0.01 g/ml.
2.4. Sợi thủy tinh
Sợi thủy tinh dùng trong loạt thí nghiệm là sợi thủy tinh thương phẩm, có các thơng số kỹ thuật: đường kính 17 µm, mật độ 2400 Tex, độ bền gãy: 0.4 N/Tex, độ bền kéo đứt: 1970 Mpa. 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 L ượ ng só t tí ch lũ y (% ) Kích thước lỗ sàng (mm) Thành phần hạt cát . . . . . Giới hạn thành phần hạt cát theo TCVN 7570:2006
a) b)
Hình 2. a) Tro bay, b) Sợi thủy tinh
2.5. Thành phần cấp phối vữa
Thí nghiệm được thực hiện cho 2 cấp phối vữa dùng chất kết dính geopolymer (G1 và G2) và 1 cấp phối vữa dùng chất kết dính xi măng truyền thống (X1) làm cơ sở tham chiếu. Thành phần cấp phối vữa được trình bày trong bảng 4, trong đó dung dịch NaOH sử dụng có nồng độ 14M, tỷ lệ khối lượng tro bay-dung dịch alkalin là 2 và tỷ lệ Na2SiO3⁄NaOH lần lượt là 1 và 1.2. Cấp phối vữa xi măng được thiết kế với mục tiêu đạt cường độ chịu nén xấp xỉ cấp phối vữa geopolymer khi không gia cường sợi.
Hàm lượng sợi thủy tinh gia cường được thay đổi từ 0% đến 0,8% khối lượng và chiều dài sợi biến thiên trong khoảng từ 15 mm đến 50 mm để khảo sát ảnh hưởng của 2 yếu tố này đến tính chất của mẫu vữa. Bảng 5 tổng hợp thống kê các mẫu vữa có hoặc khơng có gia cường sợi đã được thực nghiệm.
Bảng 4. Thành phần cấp phối vữa geopolymer và vữa ximăng (1m3)
Ký hiệu Cát (kg) Xi măng (kg) Tro bay (kg) Na2SiO3 (kg) NaOH 14M (kg) Tro bay Alkaline Na2SiO3 NaOH G1 786 - 943 236 236 2 1 G2 786 - 943 257 214 2 1.2 X1 1260 410.04 - - - - -
Bảng 5. Hàm lượng sợi thủy tinh trong mẫu vữa geopolymer và vữa ximăng
Ký hiệu mẫu Chiều dài sợi (mm) Hàm lượng sợi (%) Ký hiệu mẫu Chiều dài sợi (mm) Hàm lượng sợi (%) Ký hiệu mẫu Chiều dài sợi (mm) Hàm lượng sợi (%) G1.L50.00 50 0 G2.L50.00 50 0 X1.L50.00 50 0 G1.L50.02 50 0.2 G2.L50.02 50 0.2 X1.L50.02 50 0.2 G1.L50.04 50 0.4 G2.L50.04 50 0.4 X1.L50.04 50 0.4 G1.L50.05 50 0.5 G2.L50.05 50 0.5 X1.L50.05 50 0.5 G1.L50.08 50 0.8 G2.L50.08 50 0.8 X1.L50.08 50 0.8 G1.L30.00 30 0 G2.L30.00 30 0 X1.L30.00 30 0
G1.L30.02 30 0.2 G2.L30.02 30 0.2 X1.L30.02 30 0.2 G1.L30.04 30 0.4 G2.L30.04 30 0.4 X1.L30.04 30 0.4 G1.L30.05 30 0.5 G2.L30.05 30 0.5 X1.L30.05 30 0.5 G1.L30.08 30 0.8 G2.L30.08 30 0.8 X1.L30.08 30 0.8 G1.L15.00 15 0 G2.L15.00 15 0 X1.L15.00 15 0 G1.L15.02 15 0.2 G2.L15.02 15 0.2 X1.L15.02 15 0.2 G1.L15.04 15 0.4 G2.L15.04 15 0.4 X1.L15.04 15 0.4 G1.L15.05 15 0.5 G2.L15.05 15 0.5 X1.L15.05 15 0.5 G1.L15.08 15 0.8 G2.L15.08 15 0.8 X1.L15.08 15 0.8 3. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
Mẫu vữa được gia cơng tạo hình theo kích thước chuẩn 40x40x160 mm. Sau khi tạo hình, các mẫu được tĩnh định trong 24 giờ ở nhiệt độ phịng 250C, sau đó mẫu được dưỡng hộ nhiệt ở 1000C trong vòng 7 giờ để đẩy mạnh q trình polymer hóa và phát triển cường độ. Các thí nghiệm xác định cường độ được thực hiện khi mẫu vữa đạt 7 ngày tuổi.
Cường độ của mẫu vữa được thí nghiệm bằng thiết bị HUMBOLDT INTERNATIONAL mã hiệu HDR-2000, có khả năng gia tải đến 5 KN, sai số đo nhỏ hơn 2% và tốc độ gia tải 10 N/s – 50 N/s (Hình 3a,b). Tốc độ gia tải trong loạt thí nghiệm được cố định ở giá trị thấp nhất 10 N/s để mô phỏng khả năng chịu tải trọng tĩnh của vật liệu.
c) d)
Hình 3. a) Thí nghiệm nén, b) Thí nghiệm uốn mẫu vữa,
c) Mẫu vữa sau thí nghiệm uốn, d) Quan hệ lực nén uốn – chuyển vị nén uốn
Cường độ chịu nén 𝑅𝑛 và cường độ chịu uốn 𝑅𝑢 của mẫu vữa được xác đinh theo TCVN 3121:2003 với:
𝑅𝑛 =𝑃𝑛
𝐴 ; 𝑅𝑢 = 1,5
𝑃𝑢× 𝑙
𝑏 × ℎ2
trong đó: 𝑃𝑛 là lực nén phá huỷ mẫu (N), A là diện tích tiết diện nén của mẫu (mm2), 𝑃𝑢 là lực uốn gãy mẫu (N), l là khoảng cách giữa hai gối uốn (10 mm), bxh là chiều rộng và chiều cao mẫu thử (40x40 mm)
4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÌNH LUẬN
Hình 3d thể hiện mối tương quan giữa lực nén uốn và chuyển vị nén uốn. Lực nén uốn hầu như tăng tỷ lệ thuận với chuyển vị nén uốn, lực nén uốn sau khi đạt được giá trị lớn nhất (tải phá hoại) thì giảm đột ngột về 0, điều này chứng tỏ ứng xử của các mẫu vữa là phá hoại giịn. Dạng nứt gãy của các mẫu thí nghiệm như Hình 3c một lần nữa minh chứng cho nhận định ứng xử phá hoại giòn của vật liệu.
Khi gia cường sợi từ 0.2% đến 0.8%, tải trọng phá hoại khi uốn tăng từ 17.2% đến 32.6% và độ võng khi uốn giảm từ 1.12 mm đến 1.7 mm; kết quả trên cho thấy mẫu vữa gia cường sợi thủy tinh có độ cứng lớn hơn và giịn hơn mẫu vữa không gia cường sợi.
4.1. Ảnh hưởng của sợi thủy tinh đến cường độ chịu nén của vữa
Hình 4 trình bày mối quan hệ giữa cường độ chịu nén của vữa và hàm lượng sợi thủy tinh gia cường cho 3 cấp phối vữa và 3 kích cỡ chiều dài sợi thủy tinh. Kết quả thực nghiệm cho thấy gia cường sợi thủy tinh ở một hàm lượng hợp lý làm tăng cường độ chịu nén của các mẫu vữa, cả vữa xi măng và vữa geopolymer.
a) b)
c) d)
Hình 4. Quan hệ cường độ chịu nén – hàm lượng sợi thủy tinh với chiều dài sợi: a) 15mm, b) 30mm, c) 50mm, d) Quan hệ cường độ chịu nén – chiều dài sợi (hàm lượng 0.4%)
Cường độ chịu nén các mẫu vữa đạt giá trị lớn nhất ở hàm lượng sợi tối ưu 0.4%. Khi