2.1.4 Tro bay
Tro bay là thành phần mịn nhất của tro xỉ than, là 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 Puzzolan nhân tạo với các thành phần chính là: SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO. Màu sắc của tro bay phụ thuộc vào hàm lƣợng của các hợp chất thành phần, và tủy vào loại than sử dụng mà tro bay có hàm lƣợng thành phần khác nhau. Đƣờng kính hạt từ 1µm – 20µm và hàm lƣợng than chƣa cháy (MKN) thƣờng yêu cầu không đƣợc vƣợt quá 5% khối lƣợng tro bay.
Hình 2.7 Cấu trúc SEM của vi hạt tro bay
Một trong những lý do lớn nhất để sử dụng tro bay trong bê tông Geopolymer nhằm tăng cƣờng độ của bê tơng trong q trình ninh kết và tăng độ bền liên kết trong quá trình sử dụng. Trong q trình hydrat hóa tro bay, tro bay sẽ tác dụng với Canxi hidroxit để tạo thành Canxi silicat và Canxi aluminat làm giảm đi hiện tƣợng thấm Canxi hidroxit(Ca(OH)2) trong bê tông và tăng khả năng chống thấm của bê tơng. Tro bay có cấu trúc phân tử tinh vi hình cầu vì vậy nó sẽ cải thiện và tăng độ bền của bê tơng vì tỷ lệ nƣớc trên chất kết dính sẽ giảm.
Theo ASTM 618, tro bay thơng thƣờng có hai loại là F và C. Tro bay loại F có hàm lƣợng CaO < 6%, lƣợng cacbon chƣa cháy chiếm 2%, có tính chất của puzzolan và khơng có khả năng tự đóng rắn. Tro bay loại C có hàm lƣợng CaO > 15%, lƣợng cacbon chƣa cháy chiếm 1%, có tính chất của puzzolan và có khả năng tự đóng rắn.
2.1.5 Dung dịch hoạt hóa
2.1.5.1 Dung dịch Sodium Hydroxyde (NaOH)
Dung dịch kiềm NaOH (hoặc KOH) có nhiệm vụ khử nhơm và silic trong các hạt tro bay từ đó quyết định một số tính chất nhƣ độ cứng, tăng tốc độ phản ứng, tính cơng tác tốt hơn của geopolymer. Dung dịch NaOH với vai trị nhƣ một chất kiềm hóa
kết hợp với dung dịch thủy tinh lỏng (Na2SiO3 hoặc K2SiO3 ) tạo thành dung dịch hoạt hóa đơng kết và tạo cƣờng độ cho geopolymer.
2.1.5.2 Dung dịch Sodium Silicat (thủy tinh lỏng)
Dung dịch thủy tinh lỏng (Sodium Silicat) đóng một vai trị quan trọng trong quá trình phản ứng tổng hợp chất kết dính Geopolymer. Khi cho dung dịch thủy tinh lỏng vào dung dịch NaOH thì xảy ra hiện tƣợng 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 q trình tan rã các hạt tro bay sẽ diễn ra nhanh chóng hơn.
2.2 Hạt xốp Polystyrene EPS
Hạt xốp polystyrene EPS là loại vật liệu mềm, nhẹ, cách điện đƣợc sản xuất từ các hạt nhựa polystyrene rắn. Độ rỗng trong các hạt EPS chiếm gấp 40 lần thể tích hạt ban đầu, các hạt có thể đƣợc tạo với các hình dạng khác nhau phù hợp với mục đích sử dụng [11].
Với những ƣu điểm nhƣ cách nhiệt, cách âm tốt, chống ẩm, độ bền cao, dễ vận chuyển, tỷ lệ về giá/ hiệu suất tốt nhất so với các vật liệu cách nhiệt khác. Hạt xốp polystyrene EPS đang ngày càng đƣợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng, cụ thể nhƣ các loại gạch nhẹ, bê tông nhẹ nhằm giảm tải cho cơng trình, giảm kích thƣớc mong, giảm thiệt hại do động đất,.... Hạt có khối lƣợng thể tích từ 10 – 20 kg/m3.
Hình 2.8 Hạt xốp Polystyrene EPS
Ngoài ra hạt xốp polystyrene EPS vơ cùng an tồn khi sử dụng, không độc hại và hồn tồn trơ, kháng acid và kiềm, cũng khơng có giá trị dinh dƣỡng nên khơng thể phát triển các vi nấm gây hại và có thể tái chế đƣợc [12]. Một sản phẩm có thể đóng góp tốt hơn vào việc cải thiện môi trƣờng trong lĩnh vực xây dựng là hạt xốp polystyrene EPS.
2.3 Ăn mịn trong bê tơng và vữa
2.3.1 Các mơi trƣờng gây ăn mịn trong bê tơng
Bê tơng và vữa có thể bị ăn mịn ở cả ba mơi trƣờng sử dụng: Rắn, lỏng và khí. Ăn mịn trong mơi trƣờng lỏng xảy ra khi bê tông tiếp xúc với nƣớc biển, nƣớc phèn chua, nƣớc khoáng, nƣớc ngầm hoặc nƣớc thải của các nhà máy xí nghiệp. Các loại nƣớc này thƣờng chứa các nhân tố có tính chất gây ăn mòn. Ăn mòn trong môi trƣờng lỏng là loại ăn mịn rất phổ biến tại các cơng trình xây dựng, đặc biệt là các cơng trình xây dựng ở mơi trƣờng biển, các cơng trình làm việc trong nƣớc, dƣới đất có nƣớc ngầm, hay các nhà máy xí nghiệp sản xuất có sử dụng hóa chất. Đó là đối tƣợng
Ăn mịn trong mối trƣờng rắn khi bê tông tiếp xúc với một số loại hóa chất nhƣ phân khống, thuốc trừ sâu. Ăn mịn loại này cũng diễn ra khi các hóa chất bị ẩm.
Ăn mòn trong mối trƣờng khí xảy ra khi bê tơng tiếp xúc với các loại khí có chứa tác nhân gây ăn mịn (khí CO2, Cl, SO2,…), thƣờng gặp ở khu vực xung quanh
các nhà máy có sử dụng và chế biến hóa chất hoặc cơng trình có tiếp xúc với khơng khí biển và trong mơi trƣờng khí hậu ven biển.
Sự ăn mịn trong bê tơng và vữa diễn ra rất phức tạp và đa dạng, do nhiều yếu tố và nguyên nhân, có thể là kết hợp của hai hoặc cả ba mơi trƣờng ăn mịn với nhau.
Hình 2.9 Ăn mịn bê tơng trong các môi trƣờng
Đối với bê tơng và vữa xi măng thơng thƣờng thì sự ăn mòn chủ yếu là các dạng ăn mòn cacbonat, chloride, sunfate và sự hydrat hóa của xi măng. Đối với vật liệu geopolymer thì sự ăn mịn xảy ra ở các môi trƣờng nhƣ môi trƣờng muối (NaCl, Na2SO4,…) và acid (H2SO4, HCl,…). Quá trình ăn mịn bê tơng và vữa diễn ra mạnh hay yếu, nhanh hay chậm cũng phụ thuộc vào đặc tính của loại vật liệu của bê tông và
vữa, chất phụ gia, nồng độ của các mơi trƣờng ăn mịn, nhiệt dộ mơi trƣờng, tải trọng làm việc của cấu kiện.
2.3.2 Cơ chế của q trình ăn mịn
Sự tiếp xúc với môi trƣờng biển là một trong những yếu tố làm giảm độ bền của các cơng trình. Trung bình nƣớc biển chứa một lƣợng muối hòa tan (clorua và sufate) khoảng 3.5% theo khối lƣợng và độ pH khoảng 8.2 . Bê tơng hay vữa đều có thể bị hƣ hại dƣới tác động của q trình lý hóa khi nhƣ ăn mịn sunfate, ăn mòn clorua, phản ứng kiềm cốt liệu, sự kết tinh muối, vi sinh vật,…
Q trình ăn mịn đối với vật liệu Geopolymer thƣờng đƣợc xem xét ở các môi trƣờng nhƣ: Chất tẩy rửa tổng hợp (Aceton), môi trƣờng muối (NaCl, Na2SO4) hay môi trƣờng axit (HCl, H2SO4), v.v…
2.3.2.1 Ăn mịn clorua
Clorua có thể tồn tại trong vữa và bê tông thông qua nhiều cách khác nhau. Clorua có thể đƣợc đúc vào kết cấu thơng qua phụ gia CaCl2 (đã đƣợc ngừng sử dụng), hoặc các ion clorua tồn tại trong cát, nƣớc, cốt liệu một cách vơ tình hay cố ý. Tuy nhiên nguyên nhân chính của hiện tƣợng ăn mịn do clorua trong hầu hết các cơng trình là do sự khuếch tán ion clorua từ môi trƣờng nhƣ : Kết cấu tiếp xúc trực tiếp với môi trƣờng biển có nhiều muối hay việc sử dụng muối làm tan băng hoặc các hợp chất hóa học có clorua.
Tƣơng tự q trình cacbonat hóa, ion clorua xúc tác gây ra quá trình ăn mịn nhƣng khác với q trình cacbonat hóa là ion clorua xâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ và tấn công trực tiếp vào bên trong ngay cả khi độ pH trong hỗn hợp vẫn ở mức cao (12-13). Có 4 cơ chế xâm nhập ion clorua qua lớp bảo vệ bê tông : sự hút mao dẫn, sự thẩm thấu do tập trung hàm lƣợng ion clorua cao trên bề mặt, thẩm thấu dƣới áp lực
Liên quan đến khả năng liên kết ion clo trong cấu trúc bê tông hay vữa, ion clo tồn tại ở hai dạng là ion clo tự do và ion clo liên kết.
- Ion clo tự do là nhân tố xúc tác ăn mịn, có thể đƣợc đƣa vào trong bê tơng từ nguồn bên ngoài hoặc có sẵn trong cốt liệu hay q trình cacbonat hóa cũng có thể giải phóng ion clo liên kết thành ion clo tự do [21].
- Ion clo liên kết là do liên kết hóa học, chúng chủ yếu là canxi clorualuminat (3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O – muối Friedelt) và canxi silicat hydrat (3CaO.2SiO3.3H2O) hấp thụ trên thành lỗ rỗng [21].
2.3.2.2 Ăn mòn sulfate
Ion sulfate là một trong những cation thƣờng gặp trong tự nhiên, khi hàm lƣợng SO42- trong nƣớc cao sẽ gây ra ăn mòn gây hƣ hại cho cơng trình và sức khỏe con ngƣời do tính chất tẩy rửa của sulfate. Do đó đối với nƣớc cấp, nồng độ sulfate đƣợc giới hạn ở mức 250 mg/l. Trong vấn đề nƣớc cấp cho công nghiệp và sinh hoạt chỉ tiêu SO42- cũng rất quan trọng do khả năng kết hợp với cacsi ion kim loại trong nƣớc hình thành các cặn bã trong các thiệt bị ống, thiết bị đun nƣớc, các thiết bị trao đổi nhiệt. Ngoài ra trong xử lý nƣớc thải, chỉ tiêu SO42- cũng đƣợc quan tâm về vấn đề mùi và ăn mòn đƣờng ống do quá trình khử sulfate thành hydrogen sulfide trong điều kiện kị khí.
Sự ăn mịn sulfate thể hiện rõ trong các đƣờng ống nƣớc thải bằng bê tông nơi mà nƣớc thải sinh hoạt có nhiệt độ cao, thời gian lƣu lại trong ống dài và nồng độ sulfate cao. Nguyên nhân của sự ăn mòn đƣợc cho là do HsS và H2SO4 bởi quá trình khử sulfate thành H2S và từ H2S thành H2SO4. Vi khuẩn có khả năng oxy hóa H2S thành H2SO4 có mặt ở khắp nơi trong tự nhiên và trong nƣớc thải, thêm vào đó do điều kiện hiếu khí ln tồn tại trong hệ thống cống dẫn đến sự hình thành H2SO4 và sau đó trở nên đậm đặc ăn mịn bê tơng.
Hình 2.10 Sự hình thành H2S và chuyển hóa thành H2SO4 gây ăn mịn trong ống cống Đối với xi măng Portland thơng thƣờng, ăn mịn trong môi trƣờng axit đƣợc biểu hiện rõ ràng bởi sự lắng đọng của một lớp màu trắng, chính là tinh thể thạch cao trên bề mặt tiếp xúc axit của mẫu.
Cơ chế của sự ăn mòn xi măng Geopolymer ở các nồng độ nhẹ của acid sulfuric (pH≈2): Đầu tiên của q trình ăn mịn là sự phản ứng trao đổi ion giữa các ion dƣơng của hệ liên kết aluminosilicate (nhƣ natri Na+ và canxi Ca2+) và ion H+ hay H3O+ từ dung dịch axit vào liên kết Si-O-Al polymer, tiếp tục cho dến khi xuất hiện sự mở rộng của vết nứt. Đến khi vết nứt đủ rộng thì các ion Sunfat sẽ khuếch tán vào các vết nứt và sẽ phản ứng với các ion Ca dẫn đến sự hình thành và lắng đọng của tinh thể thạch cao bên trong lớp ăn mòn. Các tinh thể thạch cao này phủ lên trên bề mặt vết nứt tạo ra một lớp bảo vệ, gây ức chế quá trình xuống cấp của vật liệu [3].
Ở nồng độ tƣơng đối thấp của axit sulfuric (pH≈3) và trong điều kiện hạn chế (≈90 ngày) thì cơ chế ăn mòn tƣơng tụ nhƣ với axit nitric, chỉ là sự bù đắp các ion dƣơng chứ khơng có lắng đọng thạch cao [3].
2.3.3 Tốc độ ăn mòn kim loại
Độ giảm khối lƣợng của mẫu/ đơn vị diện tích/ đơn vị thời gian (áp dụng cho trƣờng hợp ăn mòn đều) 0 1 m m m S.t S.t Trong đó: : tốc độ ăn mịn
m0: khối lƣợng ban đầu (g) hoặc (mg) m1: khối lƣợng lúc sau (g) hoặc (mg) S: diện tích bề mặt
t: thời gian (giờ) hoặc (ngày,đêm) hoặc năm
Đánh giá tốc độ ăn mòn theo tổn thất chiều sâu. .365 P d (cm/năm) Trong đó:
P: chiều dày bị ăn mịn (cm/năm)
: tốc độ ăn mòn (g/cm2/ngày) d: khối lƣợng riêng (g/cm3)
CHƢƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM NGHIỆM
3.1 Nguyên vật liệu
Sau khi tìm hiểu tổng quan và cơ sở lý thuyết về geopolymer và cơ chế ăn mòn đã đƣợc trình bày nhƣ ở trên, đắt đầu tiến hành các bƣớc chuẩn bị cho việc đúc mẫu và thí nghiệm mẫu. Để việc tiến hành phối trộn, đúc mẫu và tiến hành thí nghiệm đúng kỹ thuật, khoa học hợp lí, đảm bảo việc giữ vệ sinh chung cho phịng thí nghiệm và đặc biệt là để kết quả thu đƣợc là khách quan chính xác nhất, cần phải có kế hoạch cụ thể cho từng quá trình tiến hành, giai đoạn thực hiện cho thí nghiệm. Nhằm đảm bảo kích thƣớc mẫu đúc ra sau khi tháo khn đạt đúng kích thƣớc đã lựa chọn thì việc lựa chọn vật liệu làm khuôn, cấu tạo khuôn đúc, cơ chế lắp ráp và tháo khuôn cũng rất quan trọng.
Nguyên vật liệu để chế tạo vữa geopolymer xốp gồm: tro bay, cát, dung dịch NaOH, dung dịch Na2SiO3 và hạt xốp EPS.
Các mơi trƣờng hóa chất để ngâm kiểm tra khả năng chịu ăn mòn của vật liệu gồm: NaCl, Na2SO4, H2SO4.
3.1.1 Hạt xốp Polystyrene EPS
Hạt xốp EPS (expanded polystyrene beads hay còn gọi là hạt polystyrene phồng nở) có nhiều ƣu điểm: hạt khơng thấm nƣớc, khơng độc hại, nhẹ, dễ sản xuất với nhiều hình dạng và kích thƣớc khác nhau nên thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ vật liệu làm nhẹ trong vữa và bê tơng. Hạt có cơng thức cấu tạo là (CH[C6H5]-CH2)n. Sử dụng hạt EPS có đƣờng kính từ 1mm đến 2mm. Khối lƣợng thể tích của hạt là 21g/l .
Hình 3.1 Sử dụng hạt xốp EPS đƣờng kính 1-2 mm
3.1.2 Tro bay
Tro bay chuẩn bị cho thí nghiệm đƣợc mua từ các cơ sở thu gom từ các nhà máy nhiệt điện hoặc các cơ sở đốt than đá. Để đảm bảo chất lƣợng và các chỉ tiêu đặc trƣng của tro bay cần bảo quản tro bay một cách cẩn thận, tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời, cũng nhƣ những nơi ẩm ƣớt có độ ẩm cao, chúng sẽ làm cho tro bay bị hỏng và thay đổi tính chất. Tro bay trong các bao tải lớn đƣợc chia ra và cất giữ vào thùng ngăn nắp hợp lí nhằm thuận tiện cho quá trình sử dụng trộn vữa geopolymer xốp. Tro bay đƣợc lấy từ nhà máy điện Formosa Đồng Nai, có thành phần nhƣ trong bảng sau:
Bảng 3.1 Thành phần hóa học của tro bay Formosa
Thành phần
hóa học SiO2 Al2O3 FeO Fe2O3 CaO MgO % khối lƣợng 55,26 15,58 0,12 12,31 5,25 4,25
Thành phần
hóa học Na2O K2O TiO2 P2O5 SO3 MKN % khối lƣợng 0,62 0,71 0,25 0,13 0,21 2,39
Bảng 3.2 Khảo sát vật lý tro bay Formosa
Thành phần vật lý thí nghiệm Khối lƣợng riêng (g/cm3) Hàm lƣợng lọt sàng 0,05mm (%) Chỉ số hoạt tính cƣờng độ sau 28 ngày Chỉ số hoạt tính cƣờng độ sau 7 ngày Lƣợng mất sau khi nung
(g) Tiêu chuẩn 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 3.1.3 Nƣớc
Nƣớc dùng phải tuân theo tiêu chuẩn TCXDVN 302:2004; “Nƣớc trộn bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật”.
Nƣớc để chế tạo dung dịch hoạt hóa của geopolymer phải đảm bảo khơng chứa các thành phần hóa học tạp chất để khơng ảnh hƣởng xấu đến thời gian tĩnh định và
3.1.4 Dung dịch NaOH
Sử dụng dung dịch NaOH có nồng độ 14M
Hình 3.2 Dung dịch NaOH 14M
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 trƣớc 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 đƣợc khối lƣợng NaOH khan cần pha trộn vào dung dịch nhƣ sau.
M dd NaOH C M V 100 m 1000 P mNaOH là khối lƣợng NaOH khan cần cho vào M là khối lƣợng Mol của NaOH (M=40) Vdd là thể tích dung dịch cần pha trộn
3.1.5 Dung dịch thủy tinh lỏng ( Na2SiO3)
Dung dịch thủy tinh lỏng (Na2SiO3) là dung dịch có màu trắng đục, có đặc tính sệt, sánh, dễ dàng hòa tan trong nƣớc. 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