Xỉ thép có màu xám đen, khối lượng nặng hơn đá basalt từ 20-25% và có dạng cục như sỏi, đá tự nhiên. Về bản chất, xỉ lò điện tương tự như nham thạch phun trào từ núi lửa.
Hình 2.10. Xỉ thép
Các phân tích của nhiều nghiên cứu khoa học cho thấy xỉ thép có chứa nhiều khống chất, chiếm đa số là Wustite (FeO), DiCalcium và TriCalcium Silicates (2CaO.SiO2, C2S và 3CaO.SiO2, C3S), Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, C4AF) và Mayenite (12CaO.7Al2O3, C12A7) và CaO, MgO tự do.
Hình 2.11. Thành phần khống trong Xỉ thép Thành phần khoáng chất của xỉ EAF bao gồm:
- W: Wustite (FeO);
- CS: Calcium Silicates (2CaO.SiO2, C2S và 3CaO.SiO2, C3S); - B: Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, C4AF);
- M: Mayenite (12CaO.7Al2O3, C12A7); - P: khe rỗng;
- Và thép (phần màu trắng).
2.2.3.2 Vai trò của xỉ thép
Xỉ thép sau khi qua tái chế được xem là “đá nhân tạo - Ecoslag” với chất lượng tin cậy có thể thay thế đá tự nhiên và được sử dụng linh hoạt như: làm nền móng kho bãi, nhà xưởng, gia cố mặt bằng; đường giao thông; bảo vệ các cơng trình thủy lợi.
Một trong những đặc điểm vượt trội của xỉ thép so với đá là khả năng hút nước 2,5%, cao gấp 3 lần đá (0,75%); có cấu trúc tổ ong và độ rỗng cao hơn đá. Sau khi xử lý qua quá trình nung luyện trong lị điện hồ quang ở nhiệt độ 16000C, xỉ thép sẽ có thành phần khống tương tự như thành phần khoáng của xi măng, đây là điều mà vật liệu tự nhiên khơng có. Với ưu điểm này, sử dụng xỉ thép sẽ tiêu tốn rất ít xi măng, năng lượng… tạo ra chất lượng cơng trình tốt hơn vật liệu tự nhiên bởi xỉ thép có độ cứng, độ ma sát và khả năng chống phân mảnh, chịu đựng được trong điều kiện thời tiết xấu tốt hơn đá. Cấu trúc tổ ong và hình trịn nếu sử dụng làm cốt liệu làm đường, bê tơng asphalt thì sẽ cho kết cấu tốt hơn so với cốt liệu đá. Trong
xỉ thép cịn có nhiều khống vi lượng, gốc vơi có thể cải tạo đất, phục hồi mơi trường.
Ngồi ra xỉ thép cịn có thể làm vật liệu lọc xử lý nước thải, xử lý kim loại nặng độc hại, các chất ô nhiễm trong môi trường nước thải công nghiệp và nước ngầm rất tốt. Qua q trình nung luyện trong lị điện hồ quang, xỉ thép có cấu trúc và tính chất rất đặc biệt. Khả năng hấp phụ kim loại nặng độc hại của xỉ thép rất cao, hấp phụ các hợp chất màu dye (nước thải dệt nhuộm), Phosphat. Với độ pH cao, xỉ thép được ứng dụng để xử lý nước thải nhiễm axit, cải tạo các nguồn nước nhiễm phèn. Tuy nhiên, ứng dụng lớn nhất của xỉ thép trong xử lý nước thải là sử dụng để xử lý Photpho có trong nước thải.
Một trong những thành phần chính của xỉ thép chủ yếu là khống CS, đây là loại khống chất chính có trong thành phần của xi măng Portland, hợp chất bao gồm các khoáng Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate (C2S), Tricalcium Aluminate (C3Al).
Ngoài ra, thành phần của xỉ thép còn có các khống Brownmillerite, Mayenite là một loại khống chất có trong đá vơi dùng cho ngành công nghiệp sản xuất xi măng.
CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
3.1 Nguyên vật liệu
Nguyên vật liệu để chế tạo bê tông xỉ Geopolymer bao gồm: xỉ thép, tro bay, đá, cát, dung dịch NaOH và dung dịch Na2SiO3.
3.1.1 Xỉ thép
Xỉ thép nghiên cứu đề tài này được lấy từ các nhà máy luyện thép trong khu công nghiệp Phú Mỹ 1, Huyện Tân Thành, Tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu. Xỉ thép ở đây có tính chất khá tương đồng với loại xỉ thép đã và đang được sử dụng trên thế giới. Bảng 3.1. Tính chất cơ lý của xỉ thép Phú Mỹ 1 theo TCVN
STT Tên chỉ tiêu
thử nghiệm Đơn vị Phương pháp thử Mẫu 1 Mẫ u 2 Mẫ u 3 Trung bình 1 Khối lượng thể tích đổ đống g/cm3 TCVN 7572-6:2006 1.82 1.88 1.84 1.85 2 Độ rỗng % TCVN 7572-6:2006 55.4 56 53.8 55.1 3 Khối lượng riêng g/cm 3 TCVN 7572-4:2006 3.47 3.66 3.68 3.60 4 Độ hút nước % TCVN 7572-4:2006 1.5 2.5 2.1 2.0
Xỉ thép sau khi thu thập về phịng được thí nghiệm xác định các tính chất cơ bản như thành phần hóa, khối lượng riêng và khối lượng thể tích.
Bảng 3.2. Thành phần hóa học của xỉ thép
Kết quả thử nghiệm (%)
MKN SiO2 Al2O3 FeO Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 P2O5 SO3
3.55 23.11 12.52 0.299 22.55 26.99 3.77 2.56 2.37 0.74 0.52 0.30
Do Xỉ thép được sử dụng trong đề tài này là để thay thế một phần cho Tro bay nên Xỉ thuộc dạng bột mịn, được thu gom sau khi đã sàng qua mắt sàng có kích thước 0,15 mm.
3.1.2 Tro bay
Tro bay chuẩn bị cho thí nghiệm được mua từ các cơ sở thu gom từ các nhà máy nhiệt điện hoặc các cơ sở đốt than đá.
Để đảm bảo chất lượng và các chỉ tiêu đặc trưng của tro bay, cần bảo quản tro bay một cách cẩn thận, tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời, cũng như những nơi ẩm ướt có độ ẩm cao, chúng sẽ làm cho tro bay bị hỏng và thay đổi tính chất.
Tro bay trong các bao tải lớn sẽ được chia ra chứa trong nhiều bao ni-lông nhỏ và cất giữ vào thùng ngăn nắp hợp lí nhằm thuận tiện cho quá trình sử dụng trộn vữa gạch.
Hình 3.1. Tro bay loại F
Tro bay được lấy từ nhà máy điện Formosa Đồng Nai, có thành phần như sau: Bảng 3.3. Thành phần hóa học của tro bay Formosa
Kết quả thử nghiệm (%)
MKN SiO2 Al2O3 FeO Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 P2O5 SO3
Bảng 3.4. Khảo sát vật lý của tro bay Thành phần Thành phần vật lý thí nghiệm Khối lượng riêng (g/cm3) Hàm lượng lọt sàng 0.05 mm (%) Chỉ số hoạt tính cường độ sau 28 ngày (%) Chỉ số hoạt tính cường độ sau 7 ngày (%) Lượng mất sau khi nung (g) Tiêu chuẩn áp dụng TCVN 4030-86 ASTM C311, TCVN 6016-95 ASTM C311, TCVN 6016-95 ASTM C311, TCVN 6016-95 ASTM C311, TCVN 141-98 Tro bay 2,4 93,5 90,7 79,6 1,0 3.1.3 Cốt liệu lớn
Cốt liệu lớn sử dụng đá dăm được khai thác từ mỏ đá Tân Đồng Hiệp, xã Tân Đông Hiệp, huyện Dĩ An, Bình Dương. Đá dăm đa số có dạng khối cầu, ít hạt dẹt và ít góc cạnh. Cỡ hạt đá lớn nhất Dmax = 20 mm, khối lượng riêng 2700 kg/cm3, khối lượng thể tích 1510kg/cm3. Thành phần hạt của đá dăm được trình bày trong bảng sau:
Bảng 3.5. Các chỉ tiêu cơ lý của đá sử dụng
Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thí
nghiệm Kếtquảthínghiệm
Dmin - Dmax TCVN 7576-2:2006 2,20 mm
Khốilượng riêng TCVN 7576-4:2006 2,70 g/cm3
Khối lượng thể tích ở trạng thái khơ TCVN 7576-4:2006 2,61 g/cm3 Khối lượng thể tích ở trạng thái bảo
hoà TCVN 7576-4:2006 2,67 g/cm3
Độ hút nước TCVN 7576-4:2006 2,5 %
Khối lượng thể tích xốp TCVN 7576-6:2006 1,51g/m3
Hình 3.2. Biểu đồ thành phần hạt của đá dăm Bảng 3.6. Thành phần hạt của đá Bảng 3.6. Thành phần hạt của đá
Kích thước lỗ sàng vng (mm) 20 10 5
Lượng sót sàn riêng biệt (kg) 0,09 0,35 0,64
Lượng sót tích lũy (%) 9 44 99
Hình 3.3. Đá sử dụng cho cấp phối bê tơng
0 20 40 60 80 100 5 10 15 20 25 L ượ n g sót t ích l ũ y (% ) Kích thước lỗ sàn (mm) Đá dăm Giới hạn thành phần hạt cát dùng trong XD theo TCVN 7576:2005
3.1.4 Cốt liệu nhỏ
Cốt liệu nhỏ dùng cho các cấp phối bê tông là cát. Cát dùng cho nghiên cứu phải thoả mãn các yêu cầu của TCVN 1770 : 1986 “Cát xây dựng – Yêu cầu kỹ thuật”.
Cát được sử dụng là cát sạch ở sơng Đồng Nai, cỡ hạt thơ. Các tính chất cơ lý như khối lượng riêng, khối lượng thể tích, thành phần hạt … được thí nghiệm theo Tiêu chuẩn Việt Nam. Cát đã được làm sạch và sấy khô trước khi đưa vào sử dụng.
Hình 3.4. Cát sử dụng cho cấp phối bê tông
3.1.5 Dung dịch hoạt hóa
Hỗn hợp dung dịch polymer hoạt hóa dùng để tạo phản ứng kết dính vật liệu hỗn hợp dung dịch Sodium Silicat (Na2SiO3) và dung dịch Sodium Hydroxit (NaOH).
3.1.5.1 Dung dịch Sodium Hydroxyde (NaOH)
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. dd 100 1000 M NaOH C M V m P
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
P là độ tinh khiết của dung dịch NaOH lấy bằng 99%
Dung dịch NaOH được pha chế từ Natri nguyên chất ở dạng rắn, màu trắng đục, độ tinh khiết trên 90%, khối lượng riêng 2,130 kg/m3
. Nồng độ mol pha chế và dùng trong thí nghiệm nghiên cứu là 10, 12, 14 mol.
3.1.5.2 Dung dịch Sodium Silicate (Na2SiO3)
Sodium Silicat trong thí nghiệm nghiên cứu này có tỉ lệ thành phần là SiO2 = 30.1%, Na2O = 9.4%, H2O = 60.5%. Hàm lượng SiO2/Na2O = 3.2, tỷ trọng 1.42
0.01 g/ml. Dung dịch này có màu trắng đục.
Dung dịch thủy tinh lỏng (Na2SiO3) là dung dịch có màu trắng đục, có đặc tính sệt, sánh, dễ dàng hịa tan trong nước. Thủy tinh lỏng là một dung dịch có khả năng tác dụng với nhiều chất ở dạng rắn, lỏng, khí. Thủy tinh lỏng dễ bị các axít phân hủy ngay cả axít cácboníc và tách ra kết tủa keo đơng tụ axít silicsic.
Dung dịch thủy tinh lỏng (Sodium Silicat) đóng một vai trị quan trọng trong q trình phản ứng tổng hợp chất kết dính Geopolymer. Tốc độ xảy ra phản ứng sẽ cao khi dung dịch kiềm kích hoạt chứa các ion silicate hòa tan trong dung dịch. Khi cho dung dịch thủy tinh lỏng vào dung dịch NaOH thì xảy ra hiện tượng phản ứng và sự trộn lẫn hai dung dịch lại với nhau. Dung dịch thủy tinh lỏng trong dung dịch kiềm kích hoạt sẽ giúp quá trình tan rã các hạt tro bay sẽ diễn ra nhanh chóng hơn.
Hình 3.7. Dung dịch Sodium Silicate (Na2SiO3)
3.2 Thành phần cấp phối
3.2.1 Phương pháp thiết kế cấp phối
Khối lượng riêng của các nguyên vật liệu trong thành phần cấp phối bê tông là:
O Xỉ thép dạng bột mịn: 3600 kg/m3.
O Sodium Hydroxide: 2130 kg/m3.
O Sodium Silicate: kg/m3.
Xác định thành phần cấp phối dựa trên nguyên tắc là thể tích tuyệt đối V = 1m3
. Các nguyên vật liệu trong từng cấp phối có tỉ lệ khối lượng tương ứng với nhau, sao cho tổng thể tích là 1 m3.
3.2.2 Thiết kế thành phần cấp phối
Thành phần cấp phối bê tông Geopolymer sử dụng xỉ mịn được nhào trộn theo tỷ lệ Bột xỉ/Tro bay lần lượt là 0.6, 1, và 1.5. Nồng độ của dung dịch Sodium Hydroxide cũng được thay đổi là 8mol/l, 12mol/l và 16mol/l
Ngồi ra các cấp phối cịn thay đổi thời gian dưỡng hộ nhiệt là 2 – 6 -10 giờ để theo dõi sự thay đổi cường độ của bê tông Geopolymer xỉ mịn. Ngồi ra cịn đúc cấp phối bê tông Geopolymer không dùng xỉ mịn để đối chứng.
Bảng 3.7. Tỷ lệ phần trăm thành phần cấp phối theo khối lượng (kg/m3)
Tên cấp phối Đá Cát Bột Xỉ/Tro Sodium hydroxide Sodium Silicate Xỉ dạng bột
mịn Tro bay NaOH
Nồng độ (Mol) 01-1 1410 352,5 172,794 172,794 96,765 8 145,147 01-2 1410 352,5 172,794 172,794 96,765 12 145,147 01-3 1410 352,5 172,794 172,794 96,765 16 145,147 02-1 1410 352,5 207,352 138,235 96,765 8 145,147 02-2 1410 352,5 207,352 138,235 96,765 12 145,147 02-3 1410 352,5 207,352 138,235 96,765 16 145,147 03-1 1410 352,5 138,235 207,352 96,765 8 145,147 03-2 1410 352,5 138,235 207,352 96,765 12 145,147 03-3 1410 352,5 138,235 207,352 96,765 16 145,147 ĐC-1 1410 352.5 345,587 96,765 8 145,147 ĐC-2 1410 352.5 345,587 96,765 12 145,147 ĐC-3 1410 352.5 345,587 96,765 16 145,147
3.3 Phương pháp tạo mẫu và thí nghiệm 3.3.1 Phương pháp tạo mẫu 3.3.1 Phương pháp tạo mẫu
Sử dụng khn là khn mẫu hình trụ 100x200 (mm) để thực hiện các thí nghiệm.
Hình 3.8. Khn mẫu hình trụ 100x200 (mm)
Tạo ra bê tông Xỉ Geopolymer nhằm xác định tính chất cơ lý của bê tơng
3.3.2 Phương pháp thí nghiệm
3.3.2.1 Nhào trộn và đúc mẫu
Đối với cấp phối dưỡng hộ thường, các thành phần nguyên liệu sau khi định lượng được nhào trộn trong khoảng 1 phút tạo thành hỗn hợp khô. Hỗn hợp dung dịch sodium hydroxide, sodium silicate và nước đã chuẩn bị trước được đổ vào hỗn hợp khơ bắt đầu q trình 1 phút. Hỗn hợp bê tông được tạo mẫu theo tiêu chuẩn ASTM C780.
3.3.2.2 Dưỡng hộ và thí nghiệm
Sau khi tĩnh định 24 giờ, mẫu vữa được dưỡng hộ nhiệt và sau đó là dưỡng hộ tự nhiên trong 24 giờ.
3.3.2.3 Nén mẫu
Việc nén mẫu được tiến hành tại Phịng thí nghiệm vật liệu Trường ĐHSPKT TP.HCM. Kết quả nén mẫu được ghi nhận cho từng tổ mẫu ứng với từng cấp phối để tiến hành tổng hợp, tính tốn cường độ.
3.3.2.4 Xác định khối lượng thể tích mẫu
Mẫu bê tơng được sử dụng cho thí nghiệm là mẫu trụ (100×200 mm). Khối lượng thể tích của từng viên mẫu được tính theo cơng thức:
ρ = m/V (T/m3
, kg/m3, g/cm3) Trong đó:
ρ là khối lượng thể tích của mẫu bê tơng
m- Khối lượng của viên mẫu ở trạng thái cần thử Vv- Thể tích của viên mẫu
Khối lượng thể tích của bê tơng được tính bằng kg/m3 chính xác tới 10kg/m3 là trung bình số học của ba kết quả thử trên ba viên trong cùng một tổ mẫu.
3.3.2.5 Xác định độ hút nước của mẫu
Đặt các viên mẫu vào thùng ngâm
Để nước ngập 1/3 chiều cao mẫu trong một giờ. Sau đó tiếp tục đổ nước ngập 2/3 chiều cao mẫu trong một giờ nữa. Cuối cùng, đổ nước ngập qua khỏi mẫu hơn 5 cm và giữ độ cao này đến khi mẫu bão hòa nước.
Cứ sau 24 giờ thì lấy mẫu, lau ráo nước mặt và cân chính xác tới 0.5%. Mẫu được xem là bão hòa nước khi sau hai lần cân liên tiếp mà khối lượng mẫu chênh lệch nhau không quá 0.2%.
Các viên mẫu sau khi bão hịa nước sẽ được sấy khơ ở nhiệt độ 105-110 độ C cho đến khi khối lượng mẫu khơng đổi.
Tính tốn kết quả:
H = (m1 – m0 )*100/m0 Trong đó:
m1 – Khối lượng mẫu ở trạng thái bão hòa nước
m0 – Khối lượng mẫu ở trạng thái sấy khô đến khối lượng không đổi H – Độ hút nước của mẫu
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Các mẫu sau khi dưỡng hộ và đặt tĩnh định bắt đầu thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý. Các mẫu bê tơng Geopolymer hình trụ 100x200 mm được đem cân xác định khối lượng sau đó đem nén lấy giá trị cường độ chịu nén và đem thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo gián tiếp bằng phương pháp ép chẻ. Đối với mẫu dầm bê tơng kích thước 150x150x600 mm được đem uốn xác định cường độ chịu kéo khi uốn.
4.1 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Sodium Hydroxide, tỷ lệ Xỉ/Tro và thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer xỉ mịn.
Thay đổi nồng độ của dung dịch Sodium Hydroxide lần lượt là 8M, 12M và 16M trong cấp phối. Sau đó dưỡng hộ nhiệt ở 1000C trong 2 giờ, 6 giờ và 10 giờ rồi đặt mẫu tĩnh định trong 24h tiếp theo. Thực hiện phương pháp nén phá hoại mẫu để xác định cường độ chịu nén như bảng 4.1.
Bảng 4-1. Cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt
Cấp phối
Cường độ chịu nén bê tông Geopolymer xỉ mịn theo thời gian dưỡng hộ nhiệt ở 1000C (MPa)
2h 6h 10h 01-1 6.108 15.271 16.798 01-2 7.939 17.643 19.584 01-3 9.743 22.143 24.800 02-1 3.531 10.700 10.807 02-2 3.850 12.031 12.392 02-3 4.981 16.067 17.513