T NG QUAN 3 Ổ
T ổng quan về silica
Silica, hay còn gọi là silic điôxit (SiO2), là khoáng chất phổ biến trong lớp vỏ trái đất, tồn tại dưới dạng đơn chất hoặc kết hợp với các oxit khác trong các hợp chất silicat Silica thường được tìm thấy trong tự nhiên, chủ yếu dưới dạng cát hoặc thạch anh.
1.1.2 Các dạng tồn tại của silica
Silica tồn tại dưới hai dạng cấu trúc chính là dạng tinh thể và vô định hình Trong tự nhiên, silic dioxide chủ yếu tồn tại ở dạng tinh thể, với ba dạng tinh thể chính là thạch anh, triđimit và cristobalit, mỗi dạng lại có hai cấu trúc α và β, trong đó dạng α xuất hiện ở nhiệt độ thấp và dạng β ở nhiệt độ cao Tất cả các dạng tinh thể này đều bao gồm các nhóm tứ diện SiO4 liên kết với nhau qua các nguyên tử oxy Trong cấu trúc tứ diện SiO4, nguyên tử silic nằm ở tâm, liên kết với bốn nguyên tử oxy ở các đỉnh của tứ diện Do đó, mỗi nguyên tử oxy kết nối với hai nguyên tử silic từ hai tứ diện khác nhau, tạo nên công thức hóa học của silic dioxide là SiO2.
Hình 1 : Mô hình c u trúc t di n c a silica ấ ứ ệ ủ
Cấu trúc của silic điôxit có nhiều hình dạng khác nhau, với các nhóm tứ diện SiO4 trong tinh thể Trong thạch anh, các nhóm tứ diện được sắp xếp theo một đường xoắn ốc, trong khi ở triđimit, các nguyên tử Si chiếm vị trí của nguyên tử S và Zn trong mạng lưới vuazit Tương tự, trong cristobalit, các nguyên tử Si cũng thay thế vị trí của các nguyên tử S và Zn.
HVTH : LÊ THANH PHÚC 3 mạng lưới sphalerit Liên kết giữa các nguyên tử Si với nhau đều được thực hiện qua nguyên t O [2] ử
Tỷ khối của thạch anh là 2.56, triđimit là 2.3 và cristoblit là 2.2 Sự khác nhau giữa dạng α và dạng β của mỗi dạng thù hình là do sự quay một ít của các tứ diện đối với nhau, nhưng cách sắp xếp chung của các tứ diện không biến đổi Điều này giúp chúng ta dễ dàng hiểu được tại sao sự chuyển đổi giữa các dạng α và β lại xảy ra nhanh chóng và ở nhiệt độ thấp hơn so với sự chuyển đổi giữa các dạng thù hình khác Trong trường hợp thứ nhất, không đòi hỏi sự phá vỡ liên kết, trong khi trường hợp thứ hai đòi hỏi sự phá vỡ liên kết và xây dựng lại các liên kết.
Quá trình chuyển đổi giữa các dạng thù hình của silic điôxit diễn ra chậm và cần năng lượng hóa học cao, dẫn đến việc thạch anh, triđimit và cristobalit tồn tại chủ yếu trong tự nhiên Mặc dù ở nhiệt độ thường, thạch anh α là dạng bền nhất, nhưng các dạng tinh thể khác chỉ có tính bền tạm thời.
Ngoài ba dạng thù hình chính của silic điôxit, thiên nhiên còn tồn tại một số dạng khác với cấu trúc vi tinh thể Một trong những dạng phổ biến là mã não, một loại chất rắn có nhiều vùng màu sắc khác nhau và rất cứng Mã não thường được sử dụng để chế tạo cối, chày nhằm nghiền các vật liệu cứng và làm đồ trang sức.
Gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra hai dạng tinh thể mới của silic điôxit, đó là coesit và stishovit, với độ cứng vượt trội hơn thạch anh Coesit được hình thành dưới áp suất 35.000 atm và nhiệt độ 2500 °C, trong khi stishovit được tạo ra ở áp suất 120.000 atm và nhiệt độ 1300 °C Hai dạng silic điôxit này sau đó đã được tìm thấy trong các thiên thạch Khi nung nóng, coesit ổn định ở 1200 °C và stishovit cũng có sự thay đổi cấu trúc ở nhiệt độ tương tự.
400 0 C, chúng biến thành silic điôxit ở ạng thườ d ng [2]
Khi silic điôxit được nung nóng đến trạng thái nóng chảy, nó tạo ra một vật liệu vô định hình giống như thủy tinh Vật liệu này có một số đặc tính tương tự như chất rắn, nhưng lại có độ bền cơ học cao và tính dẻo dai lớn ở nhiệt độ thường Khi nhiệt độ tăng lên, vật liệu thủy tinh trở thành chất lỏng chậm đông với độ nhớt cao Khác với các chất rắn khác, thủy tinh có tính đẳng hướng và nhiệt độ nóng chảy không xác định Bằng phương pháp Rơnghen, người ta phát hiện rằng trong trạng thái thủy tinh, mỗi nguyên tử được bao quanh bởi các nguyên tử khác, nhưng sắp xếp một cách lộn xộn hơn so với trạng thái tinh thể.
Silica vô định hình có cấu trúc tinh thể không xác định và thường được nghiên cứu thông qua phương pháp nhiễu xạ tia X Trong tự nhiên, silica vô định hình chủ yếu tồn tại trong đá opan, một loại đá quý đặc biệt Đá opan được hình thành từ các hợp chất SiO2 liên kết với nhau, tạo ra những lỗ ống chứa khí, nước hoặc hơi nước Đặc biệt, các tập hợp đá opan có màu sắc đa dạng như vàng, nâu, đỏ và đen, mang lại giá trị thẩm mỹ cao.
Trong kỹ thuật t ng hổ ợp, silica vô định hình bao gồm các dạng : silica sol, silica gel, b t silica, silica k t t a, th y tinh khan ộ ế ủ ủ
Silica sol là dung dịch huyền phù chứa các hạt silica vô định hình có đường kính từ 1 đến 100 nm Silica sol bền và không chuyển thành gel, giữ được trạng thái lỏng trong thời gian dài Độ bền của silica sol phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, pH, nồng độ muối và sự có mặt của chất hoạt động bề mặt Để tạo ra dạng sol bền với hàm lượng silica cao, các hạt cần được phát triển đến kích thước ổn định và phân tán trong dung dịch kiềm yếu.
Những nhóm OH nằm giữa các mạch silica sol có khả năng tương tác để hình thành các phân tử ba chiều lớn hơn Quá trình này dẫn đến việc tạo ra các cấu trúc chứa ít nước hơn và có mạch nhánh Khi kích thước của các hạt keo vượt qua một ngưỡng nhất định, dung dịch keo (silica sol) sẽ có những biến đổi đáng kể.
Quá trình đông tụ của silica sol do Lê Thanh Phúc 5 thực hiện sẽ tạo ra sản phẩm cuối cùng là SiO₂ vô định hình Tùy thuộc vào điều kiện của quá trình, silica sol có thể lắng xuống dưới dạng kết tủa thô không tan với công thức chung là SiO₂·nH₂O, hoặc hình thành khối giống như thạch gọi là silicagel Quá trình ngưng tụ này diễn ra liên tục cho đến khi đạt được sản phẩm mong muốn.
Silica dạng hydrogel là loại gel có khả năng giữ nước trong mao quản, trong khi silica dạng xerogel là gel đã được loại bỏ phần lớn nước, dẫn đến sự thay đổi cấu trúc và giữ độ xốp của sản phẩm Nếu quá trình loại bỏ nước diễn ra mà không làm co ngót hay hỏng cấu trúc gel, sản phẩm thu được sẽ là silica dạng aerogel.
Silica kết tủa có thể hình thành qua quá trình kết tụ vật lý từ các hạt silica sol, hoặc từ pha hơi tạo ra "pyrogenic silica", cũng như từ quá trình kết tủa trong dung dịch Silica kết tủa thường có diện tích bề mặt mao quản lớn, và tính chất vật lý cũng như hóa học của nó có thể thay đổi tùy thuộc vào quy trình sản xuất.
Silica khói (fused silica) được hình thành ở nhiệt độ 1200 độ C và áp suất 13.8 Mpa từ silica, có thể được sản xuất bằng cách nung chảy cát silica chứa hàm lượng nhôm và các kim loại kiềm Sau quá trình nung, sản phẩm được làm lạnh để đạt kích thước yêu cầu, thường có đường kính hạt lớn hơn 8 mm Silica khói thường được ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu xây dựng và sản xuất các vật liệu chịu lửa.
1.1.3 Các tính chất của silica
T ổng quan về xi măng pooc lăng (XMP)
1.2.1 Khái niệm về xi măng pooc lăng
XMP là chất kết dính thủy, được chế tạo từ việc nghiền mịn clinker XMP với một lượng thạch cao cần thiết Trong quá trình nghiền, có thể sử dụng phụ gia công nghệ, nhưng không vượt quá 1% so với khối lượng clinker.
Clinker XMP được định nghĩa theo TCVN 5438 : 2004.
Thạch cao để sản xuất XMP có chất lượng theo quy định hiện hành (TCXD
Phụ gia công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện các tính chất của xi măng trong quá trình nghiền, vận chuyển, đóng gói và bảo quản mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng của xi măng, vữa và bê tông.
1.2.2 Khái niệm về xi măng pooc lăng hỗn h p ợ
XMP là loại chất kết dính thủy lực, được chế tạo bằng cách nghiền mịn hỗn hợp clinker XMP với các phụ gia khoáng và một lượng thạch cao cần thiết, hoặc bằng cách trộn đều các phụ gia khoáng đã nghiền mịn với XMP không chứa phụ gia khoáng.
Phụ gia khoáng để ả s n xu t XMP h n h p ph i th a mãn các yêu cầấ ỗ ợ ả ỏ u c a ủ TCVN 6882 : 2001 và quy chuẩn sử ụ d ng ph gia trong s n xuụ ả ất xi măng.
Phụ gia công nghệ đóng vai trò quan trọng trong quá trình nghiền, vận chuyển, đóng bao và bảo quản xi măng mà không làm thay đổi tính chất của xi măng, vữa và bê tông Hàm lượng phụ gia công nghệ trong xi măng không vượt quá 1%.
Tổng lượng phụ gia khoáng trong XMP hỗn hợp, không bao gồm thạch cao, phải được tính theo khối lượng xi măng và không vượt quá 40% Trong đó, tỷ lệ phụ gia đầy không được vượt quá 20%.
Thạch cao để ả s n xuất XMP hỗn hợp có chất lượng theo TCXD 168 : 89
XMP hỗn hợp gồm ba mác PCB30, PCB40 và PCB50, trong đó:
- PCB là quy ước cho XMP hỗn hợp;
- Các trị ố 30, 40 , 50 là cường độ s nén tối thiểu mẫu vữa chuẩ ởn tuổi 28 ngày đóng rắn, tính bằng MPa, xác định theo TCVN 6016 : 1995 (ISO
1.2.3 Thành phần của clinker xi măng pooc lăng
1.2.3.1 Khái niệm clinker xi măng pooc lăng
Clinker xi măng pooc lăng là nguyên liệu đầu vào c a quá trình s n xu t xi ủ ả ấ măng poóc lăng
Clinker xi măng pooc lăng đượ ạc t o thành do quá trình nung luy n ph i li u ệ ố ệ trong lò nung, nhiệt độ nung luy n vào kho ng 1450ệ ả o C
Chất lượng của clinker phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, hóa học và công ngh s n xu t.ệ ả ấ
1.2.3.2 Thành phần các pha trong clinker xi măng pooc lăng
Thành phần các pha trong clinker được trình bày trong bảng sau :
B ng 1 : Thành ph n pha c a clinker ả ầ ủ
Pha thủy tinh trong clinker XMP chiếm 15-25%, đóng vai trò quan trọng trong quá trình nung luyện clinker, giúp khoáng sản trở nên ổn định hơn và thúc đẩy sự hình thành C3S, khoáng chất thiết yếu trong xi măng Khi được làm nguội nhanh, pha lỏng sẽ chuyển hóa thành pha thủy tinh trong clinker, từ đó giúp tăng khả năng nghiền clinker.
1.2.3.3 Thành ph n hóa cầ ủa clinker xi măng pooc lăng
Thành ph n hóa hầ ọc của clinker được trình bày bở ảng dưới đây :
B ng 2 : Thành ph n hóa c a clinker ả ầ ủ
Thành ph n hóa h c ầ ọ CaO Al 2 O 3 SiO 2 Fe 2 O 3
Nguyên liệu sử dụng trong công nghệ sản xuất clinker XMP bao gồm các vật liệu tự nhiên, do đó thành phần của clinker luôn chứa những tập hợp chất đặc trưng Để đảm bảo tính chất chất lượng của sản phẩm, việc lựa chọn nguyên liệu phù hợp là rất quan trọng.
HVTH : LÊ THANH PHÚC 14 cần thiết của xi măng, các ôxít tạp chất phải nằm trong giới hạn cho phép quy định trong TCVN 7024 : 2013:
1.2.4 Các thông số ỹ k thuật quan trọng của xi măngpooc lăng
XMP có nh ng thông sữ ố ỹ k thuật quan trọng đáp ứng theo TCVN 6260 : 2009 quy nh cho s n ph m : đị ả ẩ
• Độ ị m n : xi măng có độ ị m n cao s d tác d ng vẽ ễ ụ ới nước, r n ch c nhanh ắ ắ
• Lượng nước tiêu chu n c a xi măng ẩ ủ : là lượng nước đảm b o ch t o h ả để ế ạ ồ xi măng đạt độ ẻ d o tiêu chuẩn Độ ẻ d o tiêu chuẩn được xác định b ng d ng c Vica ằ ụ ụ theo TCVN 6017 : 2015
Thời gian ninh kết của xi măng được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 6017:2015 bằng dụng cụ Vica Thời gian bắt đầu ninh kết là khoảng thời gian từ khi xi măng bắt đầu nhào trộn với nước đến khi kim Vica cắm sâu tới 38 – 39 mm Thời gian kết thúc ninh kết là khoảng thời gian từ khi nhào trộn xi măng với nước đến khi kim Vica cắm sâu được 1 – 2 mm Để điều chỉnh thời gian ninh kết của xi măng, người ta thường cho thêm 3 – 5% thạch cao khi nghiền xi măng.
Độ ổn định thể tích của xi măng thường thay đổi do sự trao đổi nước giữa xi măng và môi trường Khi ở trong không khí, xi măng có xu hướng co lại, trong khi trong môi trường nước, nó ít co hơn hoặc không co Những thay đổi về thể tích này có thể gây ra các hiện tượng có hại, như sinh ra ứng suất, dẫn đến nứt gãy cấu trúc.
• Cường độ và mác của xi măng: mác của xi măng được xác định d a theo ự cường độ ẫ m u vữa xi măng kích thước 4 x 4 x 16 cm ch t o t h n hế ạ ừ ỗ ợp xi măng /
HVTH: Lê Thanh Phúc cho biết rằng 15 cát tương đương với 1/3 lượng yêu cầu, mẫu được dưỡng hộ trong 28 ngày theo tiêu chuẩn TCVN 6016: 2011 Cường độ và tốc độ đóng rắn của đá xi măng phụ thuộc vào thành phần khoáng của clinker, độ mịn của xi măng, độ ẩm, nhiệt độ môi trường và thời gian bảo quản xi măng.
1.2.5 Quá trình hyđrat hoá và đóng rắn c a XMP ủ
XMP là một loại chất kết dính thủy lực, có khả năng đóng rắn khi tiếp xúc với nước, tạo ra sản phẩm bền vững trong môi trường không khí, ẩm ướt và dưới nước Nước đóng vai trò quan trọng trong quá trình này, giúp phát triển cường độ của XMP Khi kết hợp XMP với nước, một loạt các quá trình hóa lý phức tạp diễn ra, hình thành nên đá xi măng rắn chắc Quá trình hydrat hóa của XMP trải qua nhiều giai đoạn khác nhau.
Trong lĩnh vực lý học, cấu trúc tinh thể của các khoáng chất biến đổi thông qua quá trình hòa tan và tái kết tinh, tạo ra một cấu trúc keo và gel liên kết với nhau, đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ bền của đá xi măng.
Theo quan điểm thuyết Baicôp Rebinder, có thể chia quá trình đóng rắn – thành 3 giai đoạn:
Hình 5 : Quá trình đóng rắn c a XMP ủ Giai đoạn 1: u,
Các khoáng xi măng khi tiếp xúc với nước sẽ tạo ra một lớp sản phẩm trên bề mặt, chủ yếu là hydro silicat canxi (CSH) Quá trình này diễn ra trong giai đoạn đầu và đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cấu trúc vững chắc của xi măng.
HVTH: Lê Thanh Phúc đã nghiên cứu 16 phẩm mới, trong đó một phần hòa tan vào nước tạo ra dung dịch quá bão hòa khi lượng nước ít Phần không tan sẽ bám trên bề mặt hạt khoáng xi măng, tạo cấu trúc gel giúp tăng tốc độ nước thẩm thấu Thời gian tác động kéo dài không dưới 1 giờ.
Trong dung dịch quá bão hòa, hydro silicat canxi kết tinh tạo thành sợi và gel, góp phần tăng cường độ cho đá xi măng Thời gian ninh kết của xi măng tương ứng với giai đoạn tác động này.
T ổng quan về phụ gia cho xi măng
Phụ gia công nghiệp là các chất được sử dụng trong quá trình nghiền, vận chuyển, đóng gói và bảo quản xi măng, nhằm cải thiện hiệu suất mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng của xi măng, vữa và bê tông Hàm lượng phụ gia công nghiệp không vượt quá 1% để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của sản phẩm.
Phụ gia đầy là các vật liệu khoáng thiên nhiên hoặc nhân tạo, không tham gia vào quá trình hydrat hóa xi măng nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất của bê tông Chúng giúp tối ưu hóa cấu trúc hạt và thành phần của đá xi măng, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của công trình Việc sử dụng phụ gia đầy mang lại lợi ích lớn cho ngành xây dựng.
HVTH: Lê Thanh Phúc 19 trong ngành công nghiệp xi măng bao gồm các nguyên liệu như đá vôi, đá vôi silic màu đen, đá sét đen, và các loại bụi thu hồi từ ống bụi điện trong dây chuyền sản xuất xi măng Những nguyên liệu này được sử dụng như một loại phụ gia để cải thiện chất lượng sản phẩm.
1.3.3 Ph gia khoáng ho t tính (PGKHTụ ạ ) cho xi măng
1.3.3.1 Khái niệm và phân lo iạ
Phụ gia khoáng hoạt tính (PGKHT) chứa SiO2 hoặc cả SiO2 và Al2O3, có khả năng tác dụng với Ca(OH)2 trong nước ở nhiệt độ thường, tạo thành các sản phẩm có khả năng kết dính Khi được thêm vào vữa và bê tông, PGKHT tương tác với Ca(OH)2 - sản phẩm của quá trình hydrat hóa xi măng Portland Với đặc tính dễ thẩm thấu, PGKHT có khả năng lấp đầy các lỗ trống và cải thiện cấu trúc của vữa và bê tông, từ đó nâng cao nhiều tính chất cơ lý của chúng theo yêu cầu công nghệ hiện đại.
PGKHT được chia làm 4 nhóm:
Nhóm X: là các phụgia xỉ lò cao, x h t nghi n m n ỉ ạ ề ị Đây là ế ả ủph th i c a quá trình luyện gang, được sấy khô và nghi n mề ịn Chúng có ho t tính thu l c mạnh ạ ỷ ự
Hình 8 : X và SEM cỷ ủa xỷ
X ỉ có chứa chủ ế y u là SiO2 vô định hình kho ng 34-37% ả
Nhóm P là các phụ gia puzzoland khoáng thiên nhiên được hình thành từ nguồn gốc núi lửa, bao gồm mêta cao lanh, đất sét nung và đá phiến nung Thành phần chính của chúng là SiO2 hoặc SiO2 + Al2O3 hoạt tính Khi được nghiền mịn, các phụ gia này có khả năng phản ứng với Ca(OH)2, tạo thành các hợp chất có tính chất chịu lực như gel C-S-H.
• Phụ gia mêta cao lanh ( MK ) :
Mêta cao lanh thu được từ cao lanh lọc hoạt hóa ở nhiệt độ thích hợp từ 650
850 o C với thời gian lưu nhiệt tối thiểu 3 giờ và sau đó được nghiền mịn, sau khi nghiền mịn diện tích bề mặt riêng lớn hơn 15 m 2 /g
Hình 10 : Mê ta cao lanh và SEM của mê ta cao lanh
Tro bay, một loại phụ gia có hoạt tính, được tạo ra từ quá trình đốt cháy than nghiền và than bề mặt tại các nhà máy nhiệt điện Đây là một dạng puzzolan nhân tạo với hoạt tính từ trung bình đến mạnh, mang lại nhiều ứng dụng trong xây dựng và cải thiện tính chất của vật liệu.
Hình 11 : Tro bay và ảnh SEM h t tro bay ạ
Nhóm S : Là các phụ gia microsilica, c h t siêu m n, thành ph n chính là ỡ ạ ị ầ ôxit silic ho t tính ho c ôxit silic và ôxit nhôm ho t tính gạ ặc ả ạ ồm :
Tro trấu là sản phẩm thu được từ quá trình đốt trấu ở nhiệt độ 500-700°C trong khoảng thời gian một giờ, trong môi trường oxy hóa Quá trình này giúp tạo ra tro trấu với hàm lượng SiO2 hoạt tính cao nhất Hàm lượng SiO2 trong tro trấu dao động từ 86.9% đến 97.3%, tương đương với hàm lượng SiO2 trong muội ôxit silic Việc kiểm soát các điều kiện đốt thích hợp là rất quan trọng để thu được tro trấu có độ tinh khiết cao.
Tro trấu là một loại vật liệu chứa chủ yếu là SiO2 dưới dạng vô định hình, với cấu trúc rỗng, diện tích bề mặt lớn và hàm lượng SiO2 cao Nhờ những đặc điểm này, tro trấu có độ hoạt tính puzzolan rất cao, làm cho nó trở thành một thành phần quan trọng trong ngành xây dựng và sản xuất vật liệu xây dựng.
Hình 12 : nh SEM tro tr u Ả ấ
Muội silic (silica fume) hay còn gọi là microsilica, là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất chế phẩm chứa silic, tồn tại dưới dạng khói bay cực mịn Với kích thước rất nhỏ, từ 0.1 μm đến vài μm, đường kính trung bình khoảng 1.5 μm, muội silic được sử dụng chủ yếu để cải thiện tính chất cơ học của bê tông cường độ cao, đặc biệt trong các ứng dụng chế tạo vật liệu xây dựng.
Hình 13 : Silica fume và nh SEM cả ủa SF
Hình 14 : Kết qu XRD cả ủa SF
1.3.3.2 Cơ chế ho t hóa c a ph gia khoáng ho t tínhạ ủ ụ ạ
Tác dụng hoạt hóa của chủ ếu do có chứa các dạng SiO2, Al2O3, khoáng có tính kết dính như canxisilicat (CaO.SiO2 –volastonhite, khoáng thường
HVTH: Lê Thanh Phúc 24 cho thấy rằng xỉ lò cao chứa alumosilicat, mulite và pha thủy tinh có hoạt tính cao, có khả năng tương tác với vôi và nước trong quá trình hydrat hóa canxi oxit Sản phẩm của quá trình này là các hợp chất hydro silicat canxi (C-S-H) và hydro aluminat canxi (C-A-H) có khả năng chịu lực tốt.
Tình hình nghiên cứu về silica hoạt tính cao trong và ngoài nước, tính
cấp thiế ủa đềt c tài
1.5.1 Tình hình nghiên cứu về silica ho t tính cao ạ ở nước ngoài
Trên Thế Giới, nh ng nghiên c u vữ ứ ề mảng đề tài ph gia silica là rụ ất đáng k , ví d ể ụ như :
Nghiên cứu phương pháp sản xuất silica vô định hình từ tro trấu cho thấy rằng việc đốt tro trấu trong hệ thống tầng sôi ở nhiệt độ 650-750 độ C tạo ra silica vô định hình với hàm lượng cacbon dưới 1%.
Nghiên cứu sản xuất aerogel từ tro trấu bắt đầu bằng việc rửa sạch và khử hoạt tính tro trấu bằng axit sulfuric, sau đó phơi khô và đốt trong buồng gió ở nhiệt độ cao Quá trình này tạo ra tro trấu có thành phần chính là silic không kết tinh và các hạt nano có hoạt tính cao Tro trấu được hòa tan trong dung dịch hydroxit natri để tạo thành silicat natri, sau đó sử dụng axit sulfuric để chuyển đổi sang thể hyđrogel Cuối cùng, hyđrogel được chuyển đổi thành alcogel bằng cách thêm rượu etanol để đẩy nước ra, tạo ra aerogel thương phẩm có dạng nhẹ, giòn và trong suốt với kích thước hạt nano mịn.
Nhóm tác giả từ Khoa Kỹ thuật Xây dựng – Trường Đại học HanYang và Đại học Bucheon, Hàn Quốc, gồm Byung Wan Jo, Chang Hyun Kim, Ghi ọ ố – – – Ho Tae và Jong – Bin Park, đã nghiên cứu đặc tính của vữa xi măng chứa hạt nano SiO2 Kết quả cho thấy cường độ của các mẫu vữa có chứa nano silica cao hơn so với các mẫu chứa silica fume sau 7 và 28 ngày Điều này chỉ ra rằng hạt nano SiO2 có tác dụng tích cực hơn trong việc kích thích cường độ so với silica fume Hơn nữa, phân tích SEM cho thấy lượng khoáng portlandite Ca(OH)2 còn lại trong các mẫu.
Nano silica không chỉ là tác nhân lấp đầy mà còn đóng vai trò quan trọng như chất kích hoạt, thúc đẩy phản ứng puzolan trong bê tông Lê Thanh Phúc 25 đã chỉ ra rằng việc sử dụng nano silica có thể nâng cao hiệu suất và tính chất của vật liệu xây dựng.
Nghiên cứu toàn cầu đã chỉ ra rằng việc sử dụng nano silica dưới hai dạng: bột mịn và dung dịch keo silica hoạt tính, trong sản phẩm bê tông xi măng mang lại kết quả tích cực đáng kể.
1.5.2 Tình hình nghiên cứu về silica ho t tính cao Vi t Nam ạ ở ệ
Trong lĩnh vực nghiên cứu bê tông, việc sử dụng tro trấu làm phụ gia đã trở nên phổ biến tại Việt Nam Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng tro trấu có thể cải thiện một số tính chất của bê tông, đồng thời thay thế cho các phụ gia đắt tiền Những kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng các vật liệu sẵn có trong xây dựng.
Nghiên cứu góp phần hoàn thiện công nghệ đốt rác thải ở Việt Nam Vỏ củ được đốt trong lò khống chế nhiệt độ từ 500-700 độ C Quá trình đốt đảm bảo không khí được tuần hoàn để tạo điều kiện cho phản ứng xảy ra hiệu quả.
Kết quả nghiên cứu cho thấy tro trấu đáp ứng đầy đủ yêu cầu về phụ gia pozzolanic cho bê tông xi măng Nghiên cứu đề xuất công nghệ đốt tại các nhà máy nhiệt điện sử dụng trấu, nhằm tối ưu hóa chất lượng tro trấu, thay thế các phụ gia khoáng nhập ngoại, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Nghiên cứu ảnh hưởng của tro trấu đến cường độ và tính chống thấm của bê tông cho thấy tro trấu có khả năng nâng cao độ bền và khả năng chống thấm cho bê tông Việc sử dụng tro trấu trong bê tông không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế mà còn phù hợp với điều kiện tại Việt Nam, nơi sản lượng trấu thu được hàng năm khá lớn Nghiên cứu này góp phần giảm thiểu việc nhập khẩu muối silic từ nước ngoài, đồng thời thúc đẩy việc sử dụng nguyên liệu sẵn có trong nước.
Tuy nhiên, h n chạ ế ủ c a nh ng nghiên c u này là tro tr u chữ ứ ấ ứa hàm lượng cacbon cao, có tác d ng xụ ấu đến k t c u bê tông c t thép khi s dế ấ ố ử ụng
1.5.3 Tính cấp thiế ủa đềt c tài
Bê tông xi măng là vật liệu phổ biến và quan trọng trong ngành xây dựng, chiếm phần lớn trong tổng sản lượng xi măng toàn cầu Nhu cầu sử dụng bê tông ngày càng tăng do tính năng vượt trội và khả năng ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng.
Sản xuất xi măng tạo ra một lượng lớn khí thải CO2, gây ra nhiều vấn đề về môi trường Để giảm thiểu lượng xi măng trong cấp phối bê tông, một giải pháp hiệu quả là sử dụng các loại phụ gia silica thay thế cho xi măng.
Nghiên cứu các dạng phụ gia chứa silica là một yêu cầu thiết yếu trong việc phát triển vật liệu xây dựng như bê tông và xi măng có tính năng cao, nhằm phục vụ cho các mục đích chuyên biệt trong lĩnh vực xây dựng Đồng thời, việc này cũng góp phần bảo vệ và cải thiện chất lượng môi trường sống.
Các nghiên cứu về việc sử dụng silica hoạt tính trong công nghệ xi măng và bê tông trên thế giới đã chứng minh hiệu quả của nhiều loại phụ gia chứa silica như silica fume, tro trấu, xỉ lò cao và tro bay, giúp cải thiện đáng kể tính năng của bê tông và vữa xi măng Tại Việt Nam, việc nghiên cứu và ứng dụng các loại phụ gia chứa ôxit silic đang được triển khai tại các nhà máy xi măng, trạm trộn bê tông và công trình xây dựng để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật thi công đặc biệt Phụ gia silica chủ yếu được sử dụng ở dạng bột mịn với thành phần chính là ôxit silic Tuy nhiên, ứng dụng phụ gia silica hoạt tính ở dạng khác như dung dịch keo hay gel vẫn chưa được nghiên cứu và triển khai tại Việt Nam.
Nghiên cứu này nhằm khám phá và tìm hiểu sự sử dụng của phụ gia gel silica dạng bột mịn, khô, khác biệt với các loại phụ gia silica hoạt tính hiện có, để ứng dụng trong ngành xi măng và bê tông xi măng Việc áp dụng phụ gia này có thể mang lại những lợi ích đáng kể cho chất lượng và hiệu suất của sản phẩm xây dựng.
Bột gel silica có bản chất khác biệt so với các loại phụ gia khác như silica fume hay tro bay, do đó, việc nghiên cứu cơ chế hoạt động và hiệu quả của bột gel silica khi sử dụng làm phụ gia cho xi măng là một điểm mới trong luận án.
NGUYÊN LI ỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨ U
Nguyên liệu sử ụ d ng
Xi măng OPC FiCO được sử dụng trong nghiên cứu này là sản phẩm ẩm, được nghiền mịn từ hỗn hợp gồm 96% clinker và 4% thạch cao Mẫu xi măng OPC yêu cầu có độ mịn Blaine đạt 3100 ± 100 (cm2/g) và phần còn lại trên sàng 0.09 mm không lớn hơn 10%.
- Clinker: ngu n gồ ốc từ Nhà máy Xi măng Tây Ninh.
B ng 3 : Thành ph n h t và màu s c clinker ả ầ ạ ắ
Xám - nâu ≤ 1 mm 1 ÷ 5 mm 5 ÷ 25 mm ≥ 25 mm
B ng 4 : Thành ph n hóa c a clinker Tây Ninh ả ầ ủ
MKN CKT SO3 SiO2 CaO MgO Al2O3 Fe2O3 R2O CaOtd
B ng 5 : Thành ph n khoáng và các h s c a clinker Tây Ninh ả ầ ệ ố ủ
Thành ph n khoáng ầ Các hệ ố s
(%) KH LSF MS MA Liquid
- Th ch cao: ngu n gạ ồ ốc nhậ ừp t Thái Lan
B ng 6 : Tính ch t th ch cao Thái Lan ả ấ ạ
Ch tiêu ỉ Đơn vị Phương pháp thử nghi m ệ K t qu ế ả
Cát sử dụng trong đề tài là cát FiCO Cam Ranh, đã được chứng nhận phù hợp theo tiêu chuẩn TCVN 6227:1996 Đây là loại cát tiêu chuẩn, đảm bảo chất lượng để xác định cường độ của xi măng.
B ng 7 : Thành ph n ôxit silic trong cát tiêu chu n FiCO ả ầ ẩ
M u ẫ Phân tích hàm lượng SiO2 Trung bình
Hàm lượng SiO2 trung bình của cát tiêu chuẩn 97.31%, phù hợp với yêu c u cầ ủa tiêu chuẩn TCVN 6227:1996 quy định hàm lượng SiO 2 > 96%
Nước s dử ụng trong đề tài là nước c t lo i 3 phù h p v i yêu c u k thuấ ạ ợ ớ ầ ỹ ật của TCVN 4506 : 2012
Thủy tinh lỏng là dung dịch của silicat natri có công thức là
Natri silicat (Na2O.mSiO2.nH2O) khi hòa tan trong nước sẽ phân ly thành các ion và tạo ra axit silisic, từ đó hình thành dung dịch silicat natri Quá trình phân ly này giải phóng các cation natri.
Na+ và anion monome [H3SiO4]- tham gia vào quá trình cân bằng giữa các polymer và monomer Nồng độ và pH của dung dịch chịu ảnh hưởng từ dung môi, dẫn đến sự phân hủy và hình thành các polymer mới.
Axit silisic là một axit yếu, ít phân ly Khi natri silicat phản ứng với axit, các cation natri được thay thế bởi các proton, dẫn đến việc axit silisic hình thành nhanh chóng Quá trình này giải phóng nước và tạo ra gel poly axit silisic Cấu trúc của axit silisic có dạng mạch, thường ở dạng lớp hoặc không gian, với các anion được phân tử hóa Các tứ diện SiO4 liên kết với nhau qua các đỉnh chung, bên trong tứ diện chứa một số nhóm hydroxyl.
Silicat natri có cấu trúc phức tạp với các giả thuyết cho rằng nó chứa những cấu trúc cao phân tử nhỏ, không có tính chu kỳ nhưng vẫn có trật tự Cấu trúc này tương tự như khung xương gần với cấu trúc tinh thể, và tùy thuộc vào mô đun, silicat natri có thể có các hình thức cấu trúc khác nhau.
Silicat natri được coi là một trường hợp riêng trong lĩnh vực vật liệu silicat Cấu trúc của silicat phụ thuộc vào tỷ lệ giữa các oxit kim loại, kiềm và silic oxit, có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như mạch dài, mạch kép, mạng lưới vòng hoặc cấu trúc không gian vòng.
Trong silicat, có hai loại liên kết chính là liên kết ion giữa natri và ôxy, cùng với liên kết cộng hóa trị giữa silic và ôxy Silicat natri giàu ôxit natri có cấu trúc bao gồm gốc kiềm hoặc gốc ôxit silic (Si-O-Si) được nối với nhau nhờ ôxit natri, trong khi silicat natri nghèo ôxit natri có cấu trúc dạng khung liên kết Tính chất của silicat natri được quyết định bởi loại liên kết: liên kết ion cho silicat giàu ôxit natri và liên kết cộng hóa trị cho silicat nghèo ôxit natri Cấu trúc của silicat rất phức tạp và trước đây được coi là hệ keo ưa dung môi, nhưng gần đây đã có giả thuyết cho rằng nó là dung dịch polymer vô cơ với các cation (Na+, H+) và anion (OH-, silisic).
2.1.6 Điều chế gel SiO 2 khô dạng bột mịn
Sơ đồ ch t o ế ạ và kiểm tra đặc tính gel silica khô mịn :
Th y tinh l ng ủ ỏ Dd axit HCl
Gel silica khô, độ ị m n ~ XM OPC Độ hút vôi Trương nở th tích ể
Xác định đặc tính gel
Hình 18 : Sơ đồ chế ạ t o và kiểm tra đặc tính silica khô
Gel silica được tạo ra bằng cách cho dung dịch thủy tinh lỏng phản ứng với dung dịch axit HCl Để đảm bảo phản ứng hoàn toàn với Na+, lượng HCl được sử dụng là dư, dẫn đến sự hình thành muối NaCl.
Gel SiO2 được tạo thành trong môi trường axit (kiểm tra bằng quỳ tím hóa đỏ)
Hỗn hợp tạo thành sau phả ứn ng gồm có axit HCl còn dư, muối NaCl và gel SiO2 n m trong dung dằ ịch
Ta cần loại b toàn bỏ ộ HCl dư và muố ồi t n t i trong dung dạ ịch để thu được gel silica sạch :
Để loại bỏ HCl còn lại trong dung dịch sau phản ứng, cần lọc và rửa hỗn hợp bằng nước ấm cho đến khi dung dịch dưới phễu lọc không còn làm quỳ tím hóa đỏ.
Để kiểm tra độ ồn tạp của muối cation, cần rửa nhiều lần cho đến khi dung dịch nước dưới phễu lọc không còn hiện diện Cl- (kiểm tra bằng AgNO3) Quy trình chế tạo, lọc rửa và kiểm tra độ sạch của gel silica được hình thành, nhằm phục vụ cho việc thực hiện xuyên suốt luận án khi chế tạo gel SiO2.
Sau khi phả ứn ng, gel silica sạch thu được ở trạng thái ẩm Gel silica ẩm được sấy đến khối lượng không đổi và sau đó nghiền mịn đến độ mịn tương đương với xi măng OPC Tính chất của bột gel silica khô và mịn được thể hiện trong bảng dưới đây.
B ng 8 : Các ch s ả ỉ ố cơ lý hóa của OPC và bột gel silica khô
Ch ỉtiêu ĐVT OPC Gel silica Độ ị m n Blaine cm 2 /g 3160 3250
99.69 5.50 - Độ ổn định th tích ể
Gel silica khô được sản xuất dưới dạng bột có độ mịn tương đương với xi măng mịn OPC, với chỉ số Blaine đạt 3250 g/cm² và tỷ lệ sót sàng 0.045 mm là 13.5% Hình ảnh SEM của hạt gel silica được thể hiện trong hình 19 bên dưới.
Gel silica có cấu trúc đặc, khác biệt với silica fume hay tro trấu, vốn có cấu trúc rỗng và hoạt tính mạnh Quan sát SEM cho thấy gel silica khô có những đặc điểm riêng biệt, tạo nên sự khác biệt trong tính chất và ứng dụng của nó.
Gel silica khô dạng bột có tính chất puzzolanic, giúp hút vôi trong quá trình phản ứng bề mặt Sau 28 ngày ngâm trong vữa xi măng, các hạt gel silica vẫn giữ nguyên cấu trúc ban đầu mà không bị biến mất, cho thấy khả năng ổn định cao trong môi trường ẩm ướt.
Hình 19 : nh SEM h t gel silica khô Ả ạ
- Thành phần SiO2 trong gel silica là 99.69%, SiO2 tồn tại ở trạng thái vô định hình K t quế ả phân tích XRD của mẫu b t gel silica khô theo hình 20 dưới đây : ộ
Hình 20 : Kết qu phân tích XRD cả ủa mẫu bột gel silica khô
Phương pháp nghiên cứu – th ực nghiệ m
2.2.1 Sơ đồquy trình thực nghiệm
2.2.2 Phương pháp kiểm tra độ ho t tính c a gel silica khô ạ ủ
2.2.2.1 Kiểm tra độ hoạt tính c a gel SiOủ 2 bằng chỉ ố hoạt tính cường độ s
Gel silica là một dạng của silica có cấu trúc hình thái đặc biệt Để kiểm tra tính chất của gel silica, các tiêu chuẩn và phương pháp kiểm tra phi tiêu chuẩn được áp dụng theo các TCVN liên quan đến phế liệu chứa silica.
Theo đó, để ki m tra ch s hoể ỉ ố ạt tính cư ng đờ ộ ủ c a gel silica, ta th c hi n ự ệ theo TCVN 6882 : 2011 – ph ụ gia khoáng cho xi măng và theo TCVN 8827 : 2011
- SEM quan sát cấu trúc
- EDX phân tích khoáng hình thành
Tạo mẫu ki m tra ể độ hút nước
Tạo mẫu ki m tra ể h s hút ệ ố nước mao dẫn
OPC Gel silica Cát Nước
Hình 21 : Sơ đồ quy trình th c nghi m ự ệ
HVTH : LÊ THANH PHÚC 36 dành cho silica fume và tro trấu Các c p phấ ối th nghiử ệm theo bảng dưới đây :
B ng 9 : C p ph i th nghi m ch s hoả ấ ố ử ệ ỉ ố ạt tính cường độ gel silica khô theo TCVN 6882:2011
M u ẫ OPC Gel silica Puzzoland Tro bay
Cát tiêu chuẩn Nước N/CKD
OPC 450 gam 0 gam 0 gam 0 gam 1350 gam 225 ml 0.50
GS 360 gam 90 gam 0 gam 0 gam 1350 gam 225 ml 0.50
PU 360 gam 0 gam 90 gam 0 gam 1350 gam 225 ml 0.50
TR 360 gam 0 gam 0 gam 90 gam 1350 gam 225 ml 0.50
Ghi chú : M u chẫ ứa 20% gel silica khô khi được tạo theo c p ph i này khá khô và ấ ố khó t o m u ạ ẫ
Mẫu puzzoland và tro bay đượ c thử nghiệm song song nhằm kiểm tra đối chứng
B ng 10 ả : Cấp ph i th nghi m ch s hoố ử ệ ỉ ố ạt tính cường độ gel silica khô theo TCVN 8827:2011
Cát tiêu chuẩn Nước N/CKD Độ ch y ả OPC 500 gam 0 gam 0 gam 1375 gam 294 ml 0.59 210 mm
GS 450 gam 50 gam 0 gam 1375 gam 318 ml 0.71 205 mm
SF 450 gam 0 gam 50 gam 1375 gam 335 ml 0.74 210 mm
Mẫu SF được chế ạo song song để đố t i ch ng ứ
2.2.2.2 Kiểm tra độ hoạt tính c a gel SiOủ 2 bằng cách đo độ hút vôi
Hoạt tính của gel silica được xác định thông qua phương pháp đo độ hút vôi, theo tiêu chuẩn TCVN 3735:82 dành cho puzzoland Phương pháp này dựa vào phản ứng giữa SiO2 hoạt tính và Ca(OH)2 Độ hút vôi được tính bằng số mg CaO hấp thụ trên 1 gam vật liệu hoạt tính.
Thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ 27 ± 2 oC Đầu tiên, cân 2g mẫu b và cho vào ống thủy tinh hình trụ đã được rửa sạch và sấy khô Sử dụng pipét hút 100 ml dung dịch vôi bão hòa cho vào ống chứa mẫu, đậy nắp và lắc mạnh trong một phút để mẫu thấm ướt hoàn toàn Sau 24 giờ, lắc lại một lần trong không quá một phút Sau 48 giờ, tiến hành lấy 50 ml dung dịch bằng pipét (cẩn thận không làm vẩn đục) cho vào bình hình nón 250 ml, thêm một hai giọt chỉ thị metyl da cam và chuẩn độ bằng dung dịch HCl 0,05N đến khi chuyển từ màu vàng sang hồng nhạt Cuối cùng, bổ sung 50 ml dung dịch vôi bão hòa vào ống chứa mẫu thử ban đầu và lắc trong một phút, sau đó để yên dung dịch trong 24 giờ và lắc lại một lần nữa.
Thí nghiệm được thực hiện bằng cách thêm dung dịch vôi bão hòa và sử dụng pipét để hút 50 ml dung dịch Sau đó, chuẩn bị dung dịch HCl 0,05N như lần đầu tiên Quy trình này được lặp lại cho đến khi tổng số lần chuẩn đạt 15 lần trong khoảng thời gian 720 giờ Nếu thể tích mẫu trong ống thủy tinh hình trụ quá lớn, gây khó khăn cho việc hút dung dịch, thì lượng mẫu thí nghiệm cần giảm xuống còn 1 g.
B ng 11 ả : Đánh giá độ hoạt tính theo độ hút vôi
Đánh giá độ hoạt tính của phụ gia hấp thụ được phân loại như sau: Độ hoạt tính yếu từ 30 đến 50 mg CaO/1g phụ gia; độ hoạt tính trung bình yếu từ 50 đến 70 mg CaO/1g phụ gia; độ hoạt tính trung bình từ 70 đến 100 mg CaO/1g phụ gia; độ hoạt tính mạnh từ 100 đến 150 mg CaO/1g phụ gia; và độ hoạt tính rất mạnh khi lớn hơn 150 mg CaO/1g phụ gia.
2.2.3 Nghiên cứu khả năng trương nở th ể tích của gel silica khô khi ngậm nước
Cho b t gel silica khô ộ vào ống nghi m có chia vệ ạch, ghi nh n lậ ại thể tích chiếm chỗ ban đầu của mẫu gel silica khô m n ị
Cho nước c t vào ng nghi m để thấm ướt hoàn toàn bột gel khô Ống nghiệm được bịt kín bằng nylon nhằm ngăn chặn sự thoát hơi nước trong suốt quá trình thí nghiệm.
Chúng tôi đã quan sát sự tăng thể tích của bột gel silica theo thời gian trong các thí nghiệm Mỗi lần quan sát đều ghi nhận sự gia tăng thể tích chính xác 0.05 ml Các thử nghiệm được thực hiện lặp lại 3 chu kỳ, kéo dài khoảng 48 giờ cho đến khi gel khô và không còn thay đổi thể tích Mục đích là kiểm tra khả năng làm việc của gel silica khô trong việc hút nước, cũng như khả năng trương nở thể tích khi tiếp xúc với nước trong điều kiện bê tông hoặc vữa xi măng có mức nước thay đổi Sau mỗi 48 giờ, gel silica được sấy khô và ngậm nước trở lại, tiếp tục quy trình kiểm tra trong 48 giờ tiếp theo.
Hình 22 : Thử nghiệm khả năng trương nở tích c a gel silica thể ủ
2.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng c a gel SiOủ 2 đến mộ ốt s tính chất của h ồ xi măng
2.2.4.1 Phương pháp xác định lư ng nư c tiêu chuẩn ( NTC ) hay độ ẻo tiêu ợ ớ d chuẩn
Xác định độ ẻ d o tiêu chu n c a vẩ ủ ữa xi măng theo TCVN 6017 : 2015 ằ b ng
HVTH : LÊ THANH PHÚC 39 d ng c Vica ụ ụ
Nguyên tắc xác định độ ẻo của hồ xi măng là nó phải đạt tiêu chuẩn để có khả năng cản sự lún của kim tiêu chuẩn Để xác định lượng nước cần thiết cho hồ xi măng đạt độ ẻo tiêu chuẩn, cần tiến hành thử nghiệm độ lún của kim Vica trên các mẫu hồ xi măng với các hàm lượng nước khác nhau.
2.2.4.2 Phương pháp xác định thời gian ninh kết (TGNK) của hồ xi măng – gel
Xác định th i gian bờ ắt đầu và k t thúc ninh k t c a hồ xi măng theo TCVN ế ế ủ
Nguyên tắc xác định thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết của hồ xi măng là dựa vào độ lún của kim tiêu chuẩn Hồ xi măng đạt độ ẻ d o tiêu chu n cần có sức cản nhất định đối với sự lún của kim, và quá trình này diễn ra cho đến khi kim đạt giá trị qui định.
Các mẫu thử nghiệm NTC và TGNK của hồ xi măng được thực hiện theo cấp độ phức tạp 12, trong đó hàm lượng gel silica thay thế cho OPC lần lượt được trình bày.
0 % - 0.5 – 1.0 - 1.5 – 2.0 – 3.0 – 4.0 và 5.0 %, s dử ụng dụng cụVica.
Nghiên cứu ảnh hưở ng c a gel SiO ủ 2 đế n cư ờng độ m ẫu vữa xi măng
Xác định cường độ kháng nén c a vủ ữa xi măng theo TCVN 6016 : 2011
Nguyên tắc : phương pháp bao gồm cách xác định cường độ nén, cường độ u n ( khi có yêu c u ) cố ầ ủa các mẫu th ử hình lăng trụ có kích thước 4 x 4 x 16 cm
Các mẫu thử được chế tạo từ một phần mác xi măng, ba phần cát tiêu chuẩn và một nửa phần nước, với tỷ lệ N/CKD = 0.5 tính theo khối lượng Cát tiêu chuẩn lấy từ các nguồn và quốc gia khác nhau có thể được sử dụng miễn là cường độ xi măng không bị ảnh hưởng đáng kể so với cát tiêu chuẩn Trong quy trình chuẩn bị, hỗn hợp được trộn bằng máy và nén chặt trong khuôn bằng thiết bị chuyên dụng Các mẫu thử được bảo dưỡng trong khuôn ở môi trường ẩm.
Sau 24 giờ, mẫu bê tông sẽ được tháo khuôn và ngâm trong nước cho đến khi đạt yêu cầu về cường độ Khi đến thời điểm cần thiết, các mẫu sẽ được lấy ra khỏi nơi bảo dưỡng và kiểm tra cường độ bằng phương pháp gãy đôi Cường độ nén sẽ được xác định để nghiên cứu ảnh hưởng của gel silica đến cường độ của bê tông.
HVTH: Lê Thanh Phúc đã thực hiện thí nghiệm với 41 mẫu vữa có kích thước 4 x 4 x 16 cm, sử dụng gel silica thay thế cho OPC với tỷ lệ từ 0% đến 5% Các cấp phối vữa được xác định theo bảng 13 Mẫu vữa được dưỡng hộ và kiểm tra cường độ nén tại các thời điểm 1, 3, 7 và 28 ngày Sau 28 ngày, ba thanh mẫu được lấy ra khỏi thùng dưỡng hộ và để tự nhiên trong không khí, sau đó kiểm tra cường độ ở 56 ngày Phương pháp này nhằm đánh giá khả năng tự dưỡng hộ của các mẫu vữa khi có mặt của bột gel silica khô.
B ng 13 ả : Cấp ph i th nghi m ố ử ệ ảnh hưởng của gel silica khô đến cường độ ữ v a xi măng
N/CKD OPC Gel Silica Cát tiêu chuẩn CĐ00 0.0 450.00 0.00 1350 0.5
Nghiên cứu ả nh hư ở ng của gel SiO 2 đế n đ hút nước củ ộ a m u v a xi ẫ ữ măng gel silica đóng rắ – n
Độ hút nước là chỉ số quan trọng phản ánh khả năng hấp thụ nước của mẫu vữa trong điều kiện nhất định, đồng thời cho thấy tính thấm nước của vữa sau khi đóng rắn Để xác định độ hút nước của mẫu vữa, chúng ta thực hiện thử nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 3121 – 18: 2003.
Theo đó : mẫu vữa đóng rắn được bảo dưỡng trong điều kiện không dưới 28
HVTH : LÊ THANH PHÚC 42 ngày Lấy các miếng v a có th tích t ữ ể ừ 50 đến 500 cm 3 , sấy khô mẫ ởu nhiệt độ + 70
Để xác định độ hút nước (H) của mẫu, trước tiên cần cân mẫu ở nhiệt độ phòng thí nghiệm và ghi lại khối lượng m1 Sau đó, ngâm mẫu trong nước ở nhiệt độ thường trong 24 ± 2 giờ Sau khi vớt ra, dùng vải sạch lau khô nước còn đọng trên bề mặt mẫu và cân lại để thu được khối lượng m2 Độ hút nước được tính theo phần trăm bằng công thức: H = [(m2 - m1) / m1] × 100% Việc kiểm tra khối lượng không đổi giữa hai lần cân không được vượt quá 0.2% khối lượng mẫu khô.
Kết quả độ hút nước được tính là giá trị trung bình cộng của ba mẫu thử với độ chính xác đạt 0.01% Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành thử nghiệm độ hút nước của vữa xi măng – gel silica đóng rắn bằng cách kiểm tra độ hút nước của mẫu vữa có kích thước 4 x 4 x 16 cm, được đúc theo tiêu chuẩn TCVN.
6016 : 2011, trong đó hàm lượng gel silica dùng để thay thế xi măng OPC lần lượt là
0 % - 0.5 – 1.0 - 1.5 – 2.0 – 3.0 – 4.0 và 5.0 % v i cớ ấp ph i v a theo b ng ố ữ ả 13
Nghiên cứu ả nh hư ở ng của gel SiO 2 đế n đ hút nước mao dẫn của mẫu ộ vữa xi măng – gel silica ướt đóng rắn
Độ hút nước mao dẫn là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá khả năng thẩm thấu của vật liệu xây dựng và sự di chuyển của nước trong quá trình hoạt động mao dẫn Chỉ số này giúp dự đoán thời gian làm việc của các cấu kiện bê tông xi măng Để xác định độ hút nước mao dẫn của mẫu vữa đóng rắn, cần thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 9028:2011, mục 7.10.
Nguyên tắc của hắc ệ ố hút nước sợi mao dẫn được xác định thông qua việc đo lường sự gia tăng khối lượng của mẫu sau khi đã được sấy khô và nhúng vào nước ở độ sâu từ 5 mm đến 10 mm, trong điều kiện áp suất không khí ổn định trong một khoảng thời gian nhất định.
• Chuẩn bị ẫ m u th ử: Chuẩn bị3 viên mẫu hình lăng trụ kích thước 16 x
Kích thước mẫu thử là 4 x 4 cm Sau 28 ngày bảo dưỡng, bao bọc bốn mặt bên của các viên mẫu bằng vật liệu đã quy định (parafin), sau đó thực hiện bẻ mỗi viên thành hai nửa.
Sấy khô là quá trình làm khô các viên mẫu đến khi đạt khối lượng không đổi trong tủ sấy ở nhiệt độ 60 ± 5 °C Mẫu được coi là đạt khối lượng không đổi khi chênh lệch giữa hai lần cân liên tiếp không vượt quá 0.2% tổng khối lượng của mẫu.
• Quy trình thử nghi m : ệ Đặt các n a viên m u vào khay v i b mặử ẫ ớ ề t gãy của lăng trụ quay xuống dưới
Mẫu được đỡ bởi 4 miếng đệm để không chạm đáy khay Trong suốt quá trình thử nghiệm, cần nhúng mẫu vào nước với độ sâu từ 5 đến 10 mm Để đảm bảo các viên mẫu không bị mắc khí ở phía dưới, cần nhúng chúng theo bề mặt nghiêng dần, giúp viên mẫu hoàn toàn ngập trong nước mà vẫn giữ được độ nhám cần thiết.
Kích ho t thi t bạ ế ị đế m th i gian, duy trì mờ ực nước không đổi trong su t thố ời gian thử nghi m ệ
Hình 24 : Mẫu th ửnghiệm độ hút nước mao dẫn Chú d nẫ :
1 Viên mẫu hình lăng trụ
B : chiều sâu nhúng nước c a mẫủ u th ử
Sau khi nhúng mẫu trong 10 phút, hãy lấy mẫu ra khỏi khay và nhanh chóng lau khô nước trên bề mặt mẫu Tiến hành cân mẫu để xác định khối lượng m1, sau đó đặt mẫu vào khay Lặp lại quy trình tương tự sau 90 phút và cân lại để xác định khối lượng m2.
Hệ số hút nước mao dẫn của vữa được xác định qua độ ẩm, liên kết các điểm đo thực hiện tại thời điểm 10 phút và 90 phút.
- C : h s ệ ố hút nước mao d n c a m t viên mẫ ủ ộ ẫu đơn lẻ , kg/m 2 phút 0.5
- m1: khối lượng của viên mẫu sau ngâm 10 phút, gam
- m2: khối lượng của viên mẫu sau ngâm 90 phút, gam
Tính toán các giá trị đơn lẻ C được làm tròn đến 0.05 kg/m².phút 0.5 Kết quả thu được là giá trị trung bình cộng của các hệ số hút nước mao dẫn đơn lẻ, được làm tròn đến 0.1 kg/m².phút 0.5 Trong nghiên cứu này, thử nghiệm độ hút nước của mũ vẫy xi măng gel silica ướt sau khi đóng rắn được thực hiện với các thanh mẫu có kích thước 4 x 4 x 16 cm, theo tiêu chuẩn TCVN 6016.
2011, với hàm lượng gel silica thay thế xi măng OPC ần lượl t là 0 % - 0.5 – 1.0 - 1.5 – 2.0 – 3.0 – 4.0 và 5.0 %, cấp phố ữi v a theo b ng 13 ả
2.2.8 Nghiên cứu ảnh hưởng của b t ộ gel SiO 2 khô đến khả năng chống thấm c a ủ bê tôngxi măng – gel silica
Nghiệm nghiệm kiểm tra khả năng chống thấm của mẫu bê tông được thực hiện theo TCVN 3116: 1993, sử dụng phương pháp xác định độ chống thấm nước của bê tông Các mẫu bê tông chứa 0%, 2.0% và 5.0% gel silica khô thay thế cho xi măng OPC, thuộc cấp phối M300/12±2 cm Cố gắng phối thiết kế và thực nghiệm được thực hiện theo bảng dưới đây, trong đó tỷ lệ N/CKD không thay đổi và lượng phụ gia hóa học được điều chỉnh để đảm bảo hỗn hợp bê tông đạt độ đặc chắc thiết kế.
B ng 14 ả : Cấp phối bê tông xi măng - gel silica khô th nghiử ệm độ chống th m ấ
Cát nghi n ề (kg) Đá 20 mm (kg)
PGHH Sika 204(lit) Độ ụ s t thực tế (cm)
CP1 2.0 323.4 6.6 642 255 1020 3.47 13.5 0.55 CP2 5.0 313.5 16.5 642 255 1020 3.63 14.0 0.55 Ghi chú : Xi măng OPC FiCO – Cát sông Tân Châu Mô đun = 1.4 – Cát nghi n ề Phước Hòa Mô đun = 3.35 – Đá Tân Cang Dmax = 20 mm
Các tổ mẫu bê tông chứa gel silica với tỉ lệ 0, 2, 5% có đường kính và chiều cao bằng 150 mm được thực hiện theo quy trình TCVN 3116:1993 để đánh giá khả năng chống thấm Mẫu thử được chuẩn bị theo TCVN 3105:1993, mỗi tổ mẫu gồm 6 viên bê tông hình trụ, được bảo dưỡng trong 28 ngày trước khi tiến hành thử nghiệm.
Để thực hiện quy trình, đầu tiên, sấy nóng áo mẫu đến 60 độ C Sau đó, sử dụng mỡ bi ô tô hoặc parafin đã được đun chảy, quét đều lên xung quanh thành mẫu Tiếp theo, ép mẫu vào áo thép sao cho khe hở giữa chúng được lấp đầy hoàn toàn bằng mỡ đặc hoặc parafin.
Kẹp chặt 06 áo có mẫu thử vào bàn máy bằng găng cao su và các bu lông hãm.
Bơm nước cho đầy các ống và khoang chứa, mở van xả hết không khí giữa các mẫu thử và cột nước bơm, sau đó đóng van xả khí.
Bơm nước tạo áp lực tăng dần từng cấp, mỗi cấp 2daN/cm 2 Thời gian giữ mẫu ở một cấp áp lực là 16 giờ.
Tiến hành tăng áp cho đến khi xuất hiện nước xuyên qua bề mặt viên mẫu, sau đó khoá van và ngừng thử viên mẫu đó Tiếp tục thử các viên còn lại và dừng lại khi có 4 trong 6 viên bị nước thấm qua Kết quả độ chống thấm nước của bê tông được xác định bằng áp lực nước tối đa mà tại đó 4 trong 6 viên mẫu thử chưa bị thấm nước, được gọi là mức chống thấm của mẫu và ký hiệu bằng B2, B4, B6, B8, B10 và B12.
Hình 25 : Máy th ửchống th m bê tông ấ
2.2.9 Nghiên cứu vi cấu trúc vữa b ng SEM ằ
Để xác định vi cấu trúc của vữa xi măng, phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng, cho phép nghiên cứu đặc điểm hình dáng bề mặt và hình thái cấu trúc Phương pháp này cung cấp thông tin về sự kết tinh, kích thước hạt, cũng như quan sát vi cấu trúc và thành phần cấu tạo Bên cạnh đó, SEM còn cung cấp thông tin về thành phần pha, sự tương tác và phân bố giữa các pha trong vữa.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một kỹ thuật phân tích cho phép chụp ảnh bề mặt mẫu với độ phân giải cao Kỹ thuật này hoạt động bằng cách quét một chùm điện tử trên bề mặt mẫu, thu thập và phân tích các tín hiệu phát ra sau khi tương tác với mẫu SEM được phát minh vào những năm 1940, với thiết bị thương mại đầu tiên được sản xuất tại Cambridge, Anh vào năm 1965 Kể từ đó, SEM đã trải qua nhiều cải tiến và trở thành một công cụ thiết yếu trong nghiên cứu vật liệu.
HVTH : LÊ THANH PHÚC 47 c u v t li u ứ ậ ệ
Khi tương tác với mẫu vật chất rắn, một đám mây điện tử sẽ được sinh ra, tạo ra các tín hiệu cho phép tái tạo lại bề mặt mẫu Những tín hiệu này hỗ trợ thực hiện nhiều phương pháp phân tích như EDX, WDS, phân tích Auger và phân tích huỳnh quang catot.
Hình 26 : Thiế ịt b chụp SEM
2.2.10 Nghiên cứu thành phần vữa bằng EDX
Nghiên cứu vi cấu trúc vữ a b ng SEM 47 ằ
Để xác định vi cấu trúc của vữa xi măng, phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng, cho phép nghiên cứu đặc điểm hình dáng bề mặt và hình thái cấu trúc Phương pháp này cung cấp thông tin về sự kết tinh, kích thước hạt và vi cấu trúc, đồng thời cho phép quan sát thành phần cấu tạo Bên cạnh đó, SEM cũng cung cấp thông tin về thành phần pha, sự tương tác và phân bố giữa các pha trong vữa.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một kỹ thuật phân tích cho phép chụp ảnh bề mặt mẫu với độ phân giải cao Kỹ thuật này hoạt động bằng cách quét một chùm điện tử trên bề mặt mẫu, thu thập các tín hiệu phát ra từ sự tương tác giữa chùm điện tử và mẫu SEM được phát minh từ những năm 1940, với thiết bị thương mại đầu tiên được sản xuất tại Cambridge, Anh vào năm 1965 Kể từ đó, SEM đã trải qua nhiều cải tiến và trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu vật liệu.
HVTH : LÊ THANH PHÚC 47 c u v t li u ứ ậ ệ
Khi tương tác với mẫu vật chất, một đám mây điện tử được sinh ra và phản hồi lại, tạo ra các tín hiệu cho phép phân tích bề mặt mẫu vật Những tín hiệu này hỗ trợ thực hiện nhiều phép phân tích như EDX, WDS, phân tích Auger và phân tích huỳnh quang catot.
Hình 26 : Thiế ịt b chụp SEM
Nghiên cứu thành phần vữa bằng EDX
Kỹ thuật EDX chủ yếu được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử, nơi ảnh vi cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao tương tác với vật thể Khi chùm điện tử có năng lượng lớn chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử và tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử đó Tương tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bước sóng đặc trưng tỷ lệ thuận với nguyên tố sử dụng.
Tần số tia X phát ra từ mỗi nguyên tử đặc trưng cho các chất có mặt trong chất rắn Việc ghi nhận phổ tia X giúp cung cấp thông tin về các nguyên tố hóa học hiện diện và tỷ lệ của chúng trong mẫu vật.
- K thu t ghi nhỹ ậ ận và độ chính xác a EDX : củ
Tia X phát ra từ ậ v t rắn (do tương tác với chùm điện tử ẽ có năng lượ) s ng bi n thiên trong dế ải rộng, s ẽ được đưa đến hệ tán s c và ghi nhắ ận ( năng lượng ) nh ờ detector d ch chuyị ển (thường là Si, Ge hay Li ) được làm l nh bạ ằng nitơ lỏng, là một con chip nhỏ ạo ra điện tử ứ ấp do tương tác với tia X, rồi được lái vào một t th c anốt nhỏ Cường độ tia X t l v i t ph n nguyên tỉ ệ ớ ỉ ầ ố có mặt trong mẫu Độ phân giải
Phép phân tích phụ thuộc vào kích cỡ chùm điện tử và độ nhạy của detector, cụ thể là vùng hoạt động tích cực của detector EDX không cho kết quả hiệu quả đối với một số nguyên tố như B, C, và các nguyên tố khác.
