1.3.3.1. Tính toán cấp phối của bê tông gốm
Các cấp phối hạt bê tông gốm được chọn lựa sao cho mật độ sắp xếp cấu trúc tối đa. Có nhiều mô hình để tính cấp phối hạt của bê tông gốm, trong đó mô hình của Furnas và mô hình của Andreasen được quan tâm hơn cả.
Theo mô hình của Furnas (Hình 1.14) thì đối với phối liệu BTCL có cỡ hạt Dmax = 4,8 mm, để đảm bảo mật độ tối đa, lượng cấp hạt < 74 µm phải đạt 37,6 %, trong đó lượng < 4,5 µm là 15,1 % [97]. Tuy nhiên cấp phối hạt Furnas là mô hình thể tích và chỉ đúng về tỷ lệ khối lượng giữa các cấp hạt khi phối liệu BTCL là thuần nhất và khi các hạt đặc tuyệt đối và có dạng tròn lý tưởng. Còn cấp phối thực tế của BTCL thường xác định theo khối lượng các cỡ hạt và gồm nhiều chất khác nhau với khối lượng riêng khác nhau, các hạt không có hình tròn tuyệt đối. Như vậy có thể khẳng định cấp phối hạt tối ưu của BTCL không phân bố theo một đường cong tối ưu nào đó, mà phân bố trong một vùng nhất định.
Hình 1.14: Đường cong cấp phối hạt lý thuyết của Furnas theo kích thước hạt lớn
nhất Dmax: Dmax=0,3 (Đường cong 1); Dmax=0,6 (2); Dmax=1,2 (3); Dmax=2,4 (4); Dmax=4,8 (5,6). (nguồn [97])
- Công thức Andreasen:
y = CPFT = *100 (1.6)
- Công thức Andreasen sửa đổi:
y = CPFT = *100 (1.7)
Trong đó các thông số:
CPFT : Phần trăm hạt phân bố (Cumulative Percent Fine Than). d : Kích thước hạt trung gian, mm.
dm : Kích thước hạt tối thiểu, mm. Dmax : Kích thước hạt lớn nhất, mm. q : Hệ số phân bố, q = 0,2-0,3.
Nhận thấy sự khác biệt trong các công thức (1.6) và (1.7): Công thức Andreasen sửa đổi đưa vào giải hạt BTCL một kích thước hạt tối thiểu trong khi phân phối Adreasen đưa ra giải phân bố vô hạn với các hạt nhỏ. Trên đồ thị lôgarít, phương trình Adreasen cho một đường thẳng, trong khi phương trình Adreasen sửa đổi cho một đường cong dốc xuống (Hình 1.15).
Hình 1.15: Mô hình phân bố cỡ hạt theo công thức Adreasen và Adreasen sửa đổi
(nguồn [28])
Trong luận án này sử dụng công thức Andreasen để tính cấp phối bê tông gốm, bởi vì nó khá đơn giản, dễ tính toán.
35
1.3.3.2. Công nghệ tạo hình bê tông gốm
Các phương pháp để tạo hình bê tông gốm gồm có: ép tĩnh, đầm rung, đúc li tâm, rung ép và tự chảy, trong đó phương pháp rung ép (vibropressing) được đánh giá là tối ưu khi tạo hình bê tông gốm [54], bởi vì nó tạo ra bán thành phẩm có độ xốp thấp cũng như phù hợp với các tính chất rung biến (vibrorheology) của hỗn hợp bê tông. Một số mô hình của quá trình rung ép được thể hiện ở Hình 1.16.
Hình 1.16: Các mô hình rung ép: a) trọng lực; b) tải với lò xo; c) rung; d) khí nén;
e) đòn bẩy; 1) mộc; 2) khuôn; 3) bàn rung; 4+10) lò xo; 5) nền; 6+11) tải kim loại; 7) tấm ép; 8) đệm khí nén cao su; 9) tấm phủ kim loại; 12) nguồn phát rung; 13)
đòn bẩy; (nguồn [54])
Một sự so sánh giữa phương pháp tạo hình bằng rung ép với phương pháp ép tĩnh khi chế tạo bê tông gốm thạch anh [54]: Trộn 35 % HCBS (theo trọng lượng khô) + 65 % cốt liệu (cát thạch anh mịn) thu được hỗn hợp có độ ẩm 5 %. Hỗn hợp
lần lượt được thử nghiệm: rung ép với tải trọng 0,01-0,11 MPa và ép tĩnh với tải trọng 50-100 MPa (Hình 1.17). Nghiên cứu cho thấy, mẫu rung ép có độ xốp từ 16,4-21,5 %, còn mẫu ép tĩnh cho độ xốp 24,2-32,2 %, qua đó thấy rằng phương pháp rung ép có ưu thế vượt trội
Hình 1.17: So sánh phương pháp tạo hình rung ép và ép tĩnh cho bê tông gốm
thạch anh. Mối liên hệ giữa độ xốp Pc và tải trọng p; 1. Rung ép; 2. Ép tĩnh; (nguồn [54])
1.3.4. Gia cƣờng bán thành phẩm
Nguyên lý của phương pháp này là bán thành phẩm VLCL được tạo hình và sấy khô, sau đó được ngâm tẩm trong các môi trường dung dịch (như kiềm, a xít, muối,…) với nồng độ loãng song có hoạt tính hóa học đối với thành phần VLCL và cuối cùng được sấy khô trở lại ( to ≤ 120 o
C). Tùy thuộc vào phương pháp ngâm tẩm, sấy mà thành phần hóa học của sản phẩm không thay đổi nhiều so với bán thành phẩm, tuy nhiên độ bền cơ học của sản phẩm không nung thu được tương đương với giá trị của VLCL nung kết khối ở nhiệt độ cao [51]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đối với các vật liệu chứa ô xít silic hay aluminosilicat được ngâm tẩm trong môi trường kiềm có nồng độ thấp. Quá trình gia cường nhờ sự trợ giúp của các dung dịch có thể chia ra 3 giai đoạn [51]: bão hòa, tác dụng tương hỗ và sấy. Giai đoạn bão hòa được quyết định bởi khối lượng của bán thành phẩm, nồng độ của dung
37
gia cường của gốm không nung trong các điều kiện khác nhau được thể hiện qua Hình 1.18.
Hình 1.18: Ảnh hưởng của tỷ trọng và nồng độ của dung dịch thủy tinh lỏng (a) và
sô đa (b) tới pH (đường cong 1) và độ bền uốn của gốm thạch anh không nung được gia cường bời các chế độ khác nhau: 2) giữ trong dung dịch 24 h khi nhiệt độ t=(221)oC; 3) giữ trong dung dịch 170 h khi nhiệt độ t=(221)oC; 4) giữ trong dung dịch 24 h sau đó thủy nhiệt dưới áp suất 1MPa trong 5 h; 5) giữ trong dung dịch 30 phút khi nhiệt độ t=(221)oC; 6) giữ trong dung dịch 6 h khi nhiệt độ t=(221)oC; 7) giữ trong dung dịch 140 h khi nhiệt độ t=(221)oC; 8) giữ trong dung dịch 30 phút sau đó thủy nhiệt dưới áp suất 0,8MPa trong 8 h; 9) giữ trong dung dịch 140 giờ sau đó thủy nhiệt dưới áp suất 0,8MPa trong 8 h; (nguồn [51])
Khi bão hòa các mẫu bằng dung dịch thủy tinh lỏng trong thời gian 24 giờ thì độ bền của vật liệu dần dần tăng lên với sự tăng tỷ trọng của thủy tinh lỏng tới 1,15 g/cm3, còn trong thời gian 170 giờ - tại tỷ trọng 1,03 g/cm3thì bắt đầu giảm mạnh độ bền uốn. Tương tự như vậy tỷ trọng của thủy tinh lỏng có ảnh hưởng tới độ bền của vật liệu ở trạng thái được bảo dưỡng dưới điều kiện thủy nhiệt [51]. Hiệu ứng gia cường đáng kể không chỉ với sản phẩm đổ rót từ HCBS mà còn đối với bê tông gốm, tức là các hệ có cốt liệu gầy dạng hạt với HCBS đóng vai trò chất kết dính, đặc tính của các vật liệu gốm không nung và bê tông gốm được thể hiện ở Bảng 1.5.
Bảng 1.5: Đặc tính của các vật liệu gốm không nung và bê tông gốm (nguồn [102])
Pcst, % σu1, MPa Môi trƣờng gia cƣờng σu2, MPa σu3, MPa Thủy tinh thạch anh (99,8 % SiO2)
10-14 1,5-4,0 Thủy tinh lỏng 20-40 45-75 Cát thạch anh (99% SiO2) 12-16 1,5-3,5 Thủy tinh lỏng 15-40 30-48 Sô đa 20-56 40-56 Sa mốt cao nhôm 15-22 1,5-4,0 Thủy tinh lỏng 20-40 58-72 Mullit tổng hợp 18-21 2,2-2,5 Thủy tinh lỏng 20-30 30-40 Dinas 14-15 2,0-2,5 Thủy tinh lỏng 10-12 12-16
Bê tông gốm trên cơ sở mảnh vỡ dinas và HCBS của cát thạch anh
18-19 15 Thủy tinh lỏng 56 110
Bê tông gốm thạch anh
15-16 22 Thủy tinh lỏng 50 65
Chú thích: σu1: độ bền uốn của bán thành phẩm ban đầu σu2: độ bền uốn sau khi gia cường trong dung dịch
σu3: độ bền uốn sau khi gia cường trong dung dịch có xử lý thủy nhiệt tiếp theo.
1.4. Các công trình nghiên cứu về HCBS và bê tông gốm đã công bố
Ở Việt Nam, công nghệ bê tông gốm dựa trên HCBS còn khá mới, chưa được nghiên cứu chuyên sâu, chỉ mới được nghiên cứu thăm dò thông qua một số luận văn thạc sĩ. Một số luận văn liên quan đến công nghệ bê tông gốm được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã được bảo vệ trong thời gian 2010-
39
* Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu chế tạo gạch chịu lửa samốt A theo công
nghệ Bê tông gốm sử dụng chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao” [5] của tác
giả Trần Thị Hoa (2010), đã thu được một số kết quả như sau:
+ Chế tạo huyền phù sử dụng hỗn hợp nguyên liệu sạn gạch phế sa mốt A, cao lanh Đại Từ, cát thạch anh theo tỷ lệ 80:15:5, nạp liệu 3 bước, thời gian nghiền 25-27 giờ, bổ sung phụ gia là thủy tinh lỏng 0,5 – 0,8 %, phụ gia lignosunfonat 0,25 %, phụ gia napthalen sunfonat 0,15% thu được huyền phù có độ ẩm là 23,43 %, độ nhớt đạt 1,989 Pa.s.
+ Chế tạo gạch chịu lửa sa mốt A sử dụng 30% kết dính huyền phù + 70% sạn sa mốt A, sau khi nung ở 1250 oC, thu được gạch chịu lửa có cường độ nén 40,1 MPa, độ xốp 21,1 %.
* Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu chế tạo gạch chịu lửa cao alumin hệ Mulit-
Corun theo công nghệ Bê tông gốm, sử dụng chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao” [2] của tác giả Nguyễn Thị Kim (2010), đã thu được một số kết quả như sau:
+ Chế tạo huyền phù sử dụng hỗn hợp nguyên liệu đầu là sạn cao nhôm cấp phối: 90 %, đất sét chịu lửa: 5 %, silica fume: 4 %, phụ gia siêu dẻo napthalen sunfonat 1 %, nạp liệu theo 3 bước nghiền trong 28 giờ, thu được huyền phù có độ ẩm 21,15 %, hàm lượng hạt < 5,122 µm đạt 42,38 %.
+ Ổn định huyền phù bằng hỗn hợp phụ gia 0,1 % sunfonat naptalen + 0,15 % lignosunfonat kết hợp khuấy trộn 12h thu được huyền phù có độ nhớt 85 giây.
+ Chế tạo gạch cao alumin sử dụng 65 % cốt liệu cao nhôm 0-5 mm + 35 % huyền phù, sau khi nung ở 1250 oC đạt độ bền nén 142,6 MPa, độ xốp 15,2 %.
* Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu chế tạo bê tông chịu lửa hệ Alumosilicat
theo công nghệ bê tông gốm sử dụng chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao” [1] (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
của tác giả Nguyễn Đức Thành (2013), tác giả đã thu được một số kết quả như sau: + Chế tạo chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao từ hỗn hợp nguyên liệu bô xít nung chứa 80,47 % Al2O3 và thạch anh điện chảy trong máy nghiền bi ướt dung tích 200 lít với 3 bước nạp liệu có nv = 0,92, Cv = 0,62, HCBS gốc đạt độ mịn qua sàng vạn lỗ/cm2, trong đó có 50 % cỡ hạt < 8,124(µm), độ nhớt biểu kiến trước
khi ổn định là 26,1 Pa.s tương ứng với pH = 7,9. Ổn định HCBS gốc bằng 2 loại phụ gia phân tán polycarboxylate ethers (PCE) và sodium tripolyphosphate (STPP), trong đó phụ gia PCE hiệu quả hơn với hàm lượng bổ sung tối ưu là 0,18 %, HCBS sau khi ổn định có giá trị độ nhớt là 0,65 Pa.s.
+ Chế tạo bê tông gốm cốt liệu bauxite nung (80,4 % Al2O3) với hàm lượng HCBS dao động từ 31-36 %, mẫu bê tông gốm với 34 % HCBS cho kết quả độ bền nén sau sấy, sau nung ở 1200 oC cao nhất là 136,7 MPa, độ xốp thấp nhất là 16,1 %. * Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu chế tạo gạch chịu lửa không nung hệ alumo-
silicát từ samốt đất sét Trúc Thôn theo công nghệ bê tông gốm sử dụng chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao(HCBS)” [4] của tác giả Trần Thị Minh Hải
(2013), thu được một số kết quả sau:
+ Chế tạo và ổn định chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao samốt – cát thạch anh qua 3 bước nạp liệu với Cv = 0,60, HCBS có độ mịn 50 % kích thước hạt nhỏ hơn 5,896 µm.
+ Chế tạo gạch chịu lửa theo công nghệ bê tông gốm với cường độ sau nung 1000 oC đạt 38,5 MPa tương đương với cường độ của gạch samốt B sản xuất theo phương pháp truyền thống (35,5 MPa) nung ở nhiệt độ cao hơn.
+ Chế tạo gạch chịu lửa không nung sử dụng phương pháp hoạt hóa các mạch tiếp xúc với môi trường hoạt hóa là dung dịch thủy tinh lỏng pha loãng với d = 1,08 g/cm3, ngâm tẩm trong 2h, cường độ mẫu sau sấy đạt 12,8 MPa, sau nung 1000 oC đạt 48,8 MPa.
+ Nhiệt độ biến dạng sau tải trọng của mẫu gạch không nung cao hơn mẫu gạch thường (công nghệ truyền thống) trong đó mẫu ngâm tẩm ở mật độ nước thủy tinh 1,08 g/cm3 có Tbd=1310 oC, mẫu samốt B có Tbd =1250 oC.
Trên thế giới, bê tông gốm dựa trên chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao HCBS được nghiên cứu từ những năm 1980 tại Liên Xô cũ. Những điểm nhấn quan trọng trong sự phát triển của bê tông gốm hệ alumino-silicate sử dụng chất kết dính HCBS là (Bảng 1.6):
41
Bảng 1.6: Tóm lược các giai đoạn nghiên cứu và phát triển HCBS và bê tông gốm
STT Hạng mục nghiên cứu Năm Nguồn
1 Phát triển công nghệ chế tạo HCBS và bê
tông gốm trên cơ sở silica. 1968-1986 [29,50-52] 2 Các nghiên cứu về tính chất của HCBS 1987-1990 [37,40,42,53] 3 Phát triển lý thuyết về bê tông chịu lửa
mới 1991-1995 [32,54-55]
4 Phát triển lý thuyết về lưu biến trong công
nghệ gốm và vật liệu chịu lửa 1994-2000 [56-67]
5
Phát triển công nghệ HCBS trên cơ sở bauxite nung và bê tông gốm cao nhôm Bê tông gốm dựa trên chất kết dính HCBS dẻo
Phát triển công nghệ HCBS dựa trên bauxite và thủy tinh thạch anh
Phát triển vật liệu dựa trên HCBS biến tính
1995-nay [36,18-21,68- 69,70-93]
6
Phát triển công nghệ bê tông gốm công nghệ nano dựa trên HCBS
Vật liệu xây dựng dựa trên HCBS
2003-nay
[12,14,16-17]
Đến nay đã có một số bài báo khoa học liên quan đến HCBS và bê tông gốm đã được công bố, các bài báo khoa học đã đề cập đến những vấn đề sau:
* Công nghệ chế tạo HCBS, Yu.E.Pivinskii mô tả quá trình nghiền ướt trong máy nghiền bi gián đoạn là tối ưu [39], trong đó các điểm cần lưu ý sau đây: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguyên liệu: Các ô xít có giá trị thế ion (IP) cao như SiO2, Al2O3 (IP = 6- 10) có khả năng kết hợp với nước tạo thành huyền phù gốm nồng độ cao [40] nên các nguyên liệu để tạo thành HCBS là: thạch anh điện chảy, mullite, bauxite nung, corundum, đất sét,...
Nguyên lý tăng nhiệt độ theo thời gian nghiền [39]: Trong quá trình nghiền, nhiệt được giải phóng do sự chuyển đổi năng lượng động học thành
năng lượng nhiệt, nhiệt độ tăng làm giảm độ nhớt đồng thời sự tăng nhiệt độ làm tăng quá trình phân tách của các hạt rắn kéo theo gia tăng thành phần hạt mịn trong HCBS.
Nguyên lý pha loãng tối ưu của HCBS và sự phân giải của pha phân tán: Trong công nghệ chế tạo HCBS, quá trình nghiền ướt xảy ra một loạt các quá trình hóa lý phức tạp đó là sự tương tác giữa pha lỏng với pha rắn làm thay đổi trị số pH của môi trường phân tán, mỗi loại HCBS có một dải giá trị pH tối ưu, nó quyết định đến tính chất lưu biến và đặc tính liên kết của HCBS [39], do vậy phải kiểm soát trị số này trong quá trình nghiền. Đối với hệ alumino-silicate thì giá trị pH tối ưu trong khoảng từ 9-10,5. Ở điều kiện này thì độ nhớt nhỏ nhất.
* Chất kết dính HCBS hệ alumino-silicate: Theo phân loại của Yu.E.Pivinskii [40], hệ này được xếp vào nhóm a xít-lưỡng tính, các tính chất của hệ này như sau:
Trị số thế ion IP = 6-8,5.
Điều kiện sản xuất tối ưu: Quá trình nghiền ướt trong môi trường kiềm kết hợp với ổn định bằng khuấy trộn.
Hệ số nồng độ thể tích pha rắn Cv = 0,6-0,75. Độ co sau khi sấy: 0,2-0,8 %.
Độ xốp sau sấy: 15-22 %. Độ bền uốn sau sấy: 2-5 MPa.
Sau khi tăng bền cường độ nén đạt 30-80 MPa.
Tỷ lệ độ bền uốn ở 900oC với độ bền uốn sau sấy (khi chưa tăng bền) đạt 200-400%.
Nhiệt độ sử dụng cao nhất của vật liệu dựa trên HCBS: 1600-1900 o
C.
* Chế tạo HCBS trên cơ sở mullite tổng hợp: Yu.E.Pivinskii và các cộng sự [85] cho thấy: Khi nghiền ướt hỗn hợp tỷ lệ mullite 70-95 % với 5-30 % thạch anh phân
43
có tỷ trọng từ 2,4-2,7 g/cm3, độ ẩm 12-15 % (theo trọng lượng khô), kích thước hạt nhỏ hơn 5 µm từ 20-35 %. Các tác giả tìm thấy rằng ở tỷ lệ mullite/thạch anh =