T nh cấp thiết của đề tài
Geopolymer là sản phẩm từ phản ứng giữa chất kết dính (CKD) và chất hoạt tính (CHH), có khả năng thay thế xi măng trong bê tông Nghiên cứu hiện nay cho thấy geopolymer là vật liệu xanh hơn, với tính chất kỹ thuật tốt và giảm thiểu hiệu ứng nhà kính so với bê tông xi măng CKD trong bê tông geopolymer được tạo thành từ sự kết hợp giữa tro bay (FA) và xỉ lò cao (BFS) Tuy nhiên, các đặc tính cơ học của geopolymer phụ thuộc nhiều vào loại vật liệu và điều kiện xây dựng, đặc biệt ở các vùng ven biển có vật liệu nhiễm mặn.
Nghiên cứu và đánh giá vai trò của vật liệu trong đặc tính của GPC sử dụng cát biển Nghệ An là rất cần thiết Nghệ An, với đường bờ biển dài, đang có nhiều công trình xây dựng tại các khu vực khó khăn về việc cung cấp vật liệu không bị nhiễm mặn Việc này không chỉ giúp cải thiện chất lượng công trình mà còn đảm bảo tính bền vững trong xây dựng.
Mục tiêu nghiên cứu
- Chế tạo thành công GPC sử dụng cát, nước biển và cốt liệu thô tại Nghệ
- Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ CHH/CKD đến đặc trưng cơ học của bê tông geopolymer.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1.Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Bê tông GPC sử dụng tro bay và xỉ lò cao làm chất kết d nh thay thế xi măng
Đề tài nghiên cứu này nhằm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ CHH/CKD đến đặc trưng cơ học của bê tông GPC Nghiên cứu được thực hiện với các thành phần chính bao gồm cát, nước biển và cốt liệu thô tại Nghệ An.
Phương pháp nghiên cứu
Dùng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá.
Kết quả đạt đƣợc và vấn đề còn tồn tại
Nghiên cứu thành công việc chế tạo GPC tại Nghệ An, đánh giá các chỉ tiêu cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo và môđun đàn hồi của GPC khi sử dụng các loại cốt liệu thô, cát và nước biển trong khu vực.
Giới thiệu chung về sử dụng GPC trong xây dựng công trình
Bê tông geopolymer (Geopolymer Concrete - GPC) là loại bê tông không sử dụng chất kết d nh xi măng pooc lăng thông thường (Ordinary Portland Cement
OPC là sản phẩm của phản ứng giữa dung dịch kiềm và các vật liệu chứa hàm lượng lớn hợp chất silic và nhôm, còn được gọi là chất kết dính kiềm hoạt hóa Chất kết dính này chủ yếu được tạo ra từ xỉ lò cao được kích hoạt bằng dung dịch hydroxit natri Quá trình phát triển cấu trúc diễn ra qua hai bước: đầu tiên là giải phóng các hợp chất nhôm-silic và hydroxit canxi, sau đó là sự hydrat hóa nhôm và silic, đồng thời tái tạo dung dịch kiềm.
Nghiên cứu về chất kết dính kiềm hoạt hóa chủ yếu tập trung vào xi măng xỉ kiềm, hay còn gọi là xi măng xỉ kiềm hoạt hóa, được sản xuất từ xỉ lò cao - sản phẩm phụ của ngành công nghiệp thép Mặc dù là vật liệu kết dính có chất lượng thấp, nhưng khi kết hợp với chất kiềm kích hoạt, xi măng xỉ kiềm có khả năng đạt được cường độ nén rất cao.
Chất kết dính kiềm hoạt hóa, được nghiên cứu chủ yếu bởi Purdon vào những năm 1940, sử dụng xỉ lò cao kích hoạt bằng dung dịch hydroxit natri Quá trình phát triển cấu trúc của nó diễn ra qua hai bước: đầu tiên là giải phóng các hợp chất nhôm-silic và hydroxit canxi, tiếp theo là hydrat hóa nhôm và silic, đồng thời tái tạo dung dịch kiềm Mặc dù Purdon có những đóng góp quan trọng, Gluskhovsky được cho là người đầu tiên khảo sát chất kết dính trong xây dựng ở thời kỳ La Mã và Ai Cập cổ đại, cho rằng các công trình này được tạo nên từ hợp chất hydro canxi aluminat giống như xi măng poóc lăng, cùng với pha thủy tinh analcite, điều này giải thích tính bền vững của chúng.
Gluskhovsky đã phát triển xi măng đất (Soil-cement) dựa trên khảo sát, với thành phần từ hỗn hợp đất chứa muối Aluminosilicat và phế thải công nghiệp giàu kiềm Tên geopolymer (GP) được giáo sư Davidovits sử dụng lần đầu vào năm 1978 để chỉ các vật liệu có mạng lưới phân tử vô cơ Các GP này phụ thuộc vào vật liệu tự nhiên như Meta kaolinite hoặc sản phẩm phụ công nghiệp như tro bay và xỉ, cung cấp silic (Si) và nhôm (Al) Silic và nhôm hòa tan trong dung dịch kích hoạt kiềm, sau đó trùng hợp thành chuỗi phân tử, tạo ra chất kết dính Phản ứng giữa tro bay và dung dịch nước chứa NaOH và Natri Silicat theo tỷ lệ khối lượng tạo ra vật liệu có cấu trúc chuỗi polime ba chiều và vòng liên kết.
Trong quá trình chế tạo bê tông geopolymer, nước chỉ đóng vai trò tạo tính công tác mà không tham gia vào cấu trúc hoặc phản ứng hóa học, và có thể bị loại bỏ trong quá trình bảo dưỡng và sấy Sự khác biệt này ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ học và hóa học của bê tông geopolymer, giúp nó có khả năng chịu nhiệt, thấm nước, phản ứng tổng hợp kiềm kiềm và các tính chất ăn mòn tốt hơn so với bê tông xi măng thông thường.
Các vật liệu sau đây đƣợc yêu cầu để sản xuất bê tông này:
- Tro bay - Sản phẩm phụ của nhà máy nhiệt điện
- Xỉ - Sản phẩm phụ của nhà máy thép
- Cốt liệu mịn và cốt liệu thô theo yêu cầu cho bê tông thường
Chất lỏng xúc tác được sử dụng làm dung dịch hoạt hóa kiềm, bao gồm sự kết hợp của các giải pháp silicat kiềm, hydroxit và nước cất Dung dịch này có vai trò quan trọng trong việc kích hoạt các vật liệu nguồn địa vật lý chứa silicon (Si).
Al nhƣ tro bay và GGBS
Hình 1.1 Một số thành phần của GPC
Định nghĩa bê tông GPC
Bê tông Geopolyme là loại vật liệu xây dựng tiên tiến được tạo ra thông qua phản ứng giữa vật liệu chứa aluminate và silicat với chất hoạt hóa Thông thường, các vật liệu phế thải như tro bay hoặc xỉ từ sản xuất quặng sắt và kim loại được tận dụng để chế tạo Geopolymer Ưu điểm nổi bật của bê tông Geopolyme là không đòi hỏi nhiệt trong quá trình sản xuất, do đó không tạo ra khí CO2, giúp giảm thiểu tác động môi trường so với bê tông truyền thống sử dụng xi măng Portland.
1.2.2 Quá trình hình thành cấu trúc của bê tông Geopolymer
Geopolyme, vật liệu vô cơ đầu tiên do nhà khoa học Pháp Davidovits phát triển vào những năm 1970, được hình thành từ phản ứng giữa dung dịch kiềm với silic (Si) và nhôm (Al) trong nguồn khoáng hoặc vật liệu phế thải như tro bay và tro trấu Quá trình hóa học này là một dạng trùng hợp, do đó Davidovits đã đặt tên là Geopolymer.
Geopolymer là một loại polyme vô cơ có thành phần hóa học tương tự như zeolit tự nhiên, một khoáng chất silicat nhôm với cấu trúc vi mô vô định hình thay vì tinh thể Vật liệu này được tổng hợp từ nguyên liệu aluminosilicate kết hợp với dung dịch kiềm, tạo ra sản phẩm có độ bền cao và cường độ tốt.
Quá trình geopolymer diễn ra thông qua phản ứng hóa học có thể được mô tả bằng hai phương trình, trong đó phương trình (1) là: n(Si2O5,Al2O2) + 2nSiO2 + 4nH2O + NaOH/KOH → Na+, K+ + n(OH)3–Si–O-Al - -O–Si-OH.
(n(OH) 3 -Si O-Al O-Si-(OH) 3 +NaOH/KOH(Na + ,K + )-(-Si-O-Al O-Si-O-)+
Hình 1.2 Sơ đồ liên kết không gian của geopolymer (Nguồn: Wikipedia)
Trong quá trình hình thành geopolymers, nước được giải phóng theo phản ứng hóa học, nhưng chỉ đóng vai trò tạo tính công tác và không tham gia vào cấu trúc của geopolymers Nước có thể bị loại bỏ trong quá trình bảo dưỡng và sấy, điều này trái ngược với vai trò của nước trong xi măng portland, nơi nó tham gia vào quá trình hydrat hóa.
Cơ chế động học của phản ứng đông kết và rắn chắc của chất kết dính kiềm hoạt hóa vẫn chưa được làm rõ, mặc dù có giả thuyết cho rằng nó phụ thuộc vào loại vật liệu ban đầu và chất kiềm kích hoạt được sử dụng.
Cơ chế quá trình kiềm kích hoạt theo Glukhovsky bao gồm các phản ứng phân hủy nguyên liệu thành dạng cấu trúc ổn định thấp và các phản ứng nội tại Đầu tiên, quá trình này liên quan đến việc bẻ gãy các liên kết cộng hóa trị Si-O-Si.
Khi pH của kiềm tăng lên, các nhóm nguyên tố sẽ chuyển sang hệ keo, dẫn đến sự tích tụ của các sản phẩm bị phá hủy do phản ứng nội tại giữa chúng, tạo ra cấu trúc ổn định thấp Ở giai đoạn thứ ba, trong môi trường kiềm, các dạng có cấu trúc ổn định thấp sẽ sắp xếp lại một cách có trật tự, hình thành cấu trúc chuỗi, từ đó nâng cao cường độ cơ học.
Hình 1.3 Sơ đồ mô phỏng sự hoạt hóa vật liệu alumosilicat
Phân loại bê tông GPC
Các loại xi măng geopolyme bao gồm:
Xi măng geopolyme gốc xỉ
Xi măng geopolyme gốc đá
Xi măng geopolyme gốc tro bay
+ loại 1: geopolyme tro bay hoạt hóa kiềm
+ loại 2: xi măng geopolyme gốc xỉ / bay tro
Xi măng geopolyme gốc sắt
1.3.1 Xi măng geopolyme gốc xỉ
Thành phần: metakaolin + xỉ lò cao + silicat kiềm (thân thiện với người dùng)
1.3.2 Xi măng geopolyme gốc đá
Thay thế một lượng nhất định MK-750 bằng tuffs núi lửa giúp sản xuất xi măng geopolyme với tính chất vượt trội và giảm phát thải CO2 so với xi măng geopolyme chỉ dựa trên xỉ.
Thành phần sản xuất: metakaolin, xỉ lò cao, tuff núi lửa (nung hoặc không nung), chất thải mỏ và silicat kiềm (thân thiện với người dùng)
1.3.3 Xi măng geopolyme gốc tro bay
Hiện tại, có hai loại dựa trên tro bay silic (EN 197) hoặc Class F (ASTM C618):
Loại 1: geopolymer tro hoạt hóa kiềm (ít sử dụng hơn):
Trong nhiều trường hợp, quá trình xử lý nhiệt cần được thực hiện ở nhiệt độ từ 60-80°C Thay vì sản xuất riêng như xi măng, sản phẩm được tạo ra trực tiếp dưới dạng bê tông gốc tro bay Phản ứng giữa NaOH và tro bay dẫn đến việc một phần các hạt tro bay được nhúng trong gel alumino-silicate.
Loại 2: xi măng geopolyme gốc xỉ / tro bay (thân thiện với người dùng):
Xi măng đƣợc đông cứng ở nhiệt độ phòng Dung dịch silicat + xỉ lò cao + tro bay: các hạt tro bay đƣợc nhúng trong pha nền
1.3.4 Xi măng geopolyme gốc sắt
Các tính chất tương tự như của xi măng geopolyme gốc đá nhưng thành phần có chứa hàm lƣợng oxit sắt cao hơn
1.3.5 Các loại chất kết d nh, chất hoạt hóa sử dụng trong sản xuất GPC
NaOH/Na2SiO3 (Hỗn hợp)
Na2Sio3.nH2o Dạng tinh thể Hình 1.4 Một số dạng chất hoạt hóa đƣợc sử dụng để chế tạo GPC
Bảng 1.1 Một số dạng chất kết dính sử dụng để chế tạo GPC
CKD Metakaolin Xỉ lò cao Tro bay Bùn đỏ Tro trấu
Đặc tính của bê tông GPC
Cải thiện cường độ tuổi sớm
Cho geopolymer cường độ cao
Giá thành thấp và nguồn cung dồi dào
Cung cấp pH phù hợp cho quá trình geopolymer hóa
Thứ phẩm Độ tinh khiết và độ ổn định cao
Geopolymer có độ bền thấp và không sử dụng trong công nghiệp xây dựng
Tốc độ đóng rắn phụ thuộc vào cỡ hạt
Cần xử lý trước khi sử dụng
Cường độ phát triển chậm
Chất lƣợng nguồn cung ở Việt Nam chƣa đƣợc kiểm tra
Chỉ cung cấp 1 thành phần cho phản ứng polymer hóa
1.4 Đặc t nh của bê tông GPC
+ Về khả năng chịu lực, bê tông geopolymer sử dụng tro bay có thể cho cường độ cao sau vài giờ phản ứng kiềm (60-70 Mpa sau 24h)
Bê tông Geopolymer có cường độ nén cao hơn đáng kể so với bê tông xi măng Portland thông thường, với cường độ nén gấp khoảng 1,5 lần khi sử dụng cùng một cấp phối Ngoài ra, bê tông Geopolymer còn thể hiện cường độ tuổi sớm rất ấn tượng và tính công tác tốt hơn so với bê tông xi măng Portland truyền thống.
Bê tông geopolymer có khả năng co ngót thấp sau khi đông cứng, giúp hạn chế biến dạng cho các khối bê tông lớn Hơn nữa, loại bê tông này cũng ít bị ảnh hưởng bởi từ biến, mang lại hiệu quả cao trong xây dựng.
Tính rỗng xốp của cấu trúc geopolymer mang lại đặc tính không thấm nước cho bê tông geopolymer, ngăn chặn các phân tử nước lớn xâm nhập ngay cả trong điều kiện áp suất cao Điều này giúp các kết cấu bê tông geopolymer không cần chống thấm nước bổ sung, từ đó giảm chi phí sản xuất và xây dựng, cũng như rút ngắn thời gian bàn giao công trình Đặc tính bền hóa học của bê tông geopolymer cũng rất quan trọng cho các công trình ven biển và những nơi thường xuyên chịu tác động của môi trường xâm thực.
Do không có các liên kết canxi trong cấu trúc của mình, bê tông geopolyme có tính bền sulfat cực cao, kháng đƣợc nhiều loại muối và axit
Bê tông geopolymer, giống như xi măng poóc lăng, duy trì độ kiềm cao trong môi trường, giúp thụ động hóa bề mặt cốt thép và bảo vệ chống ăn mòn Độ kiềm cao này là yếu tố quyết định cho khả năng bảo vệ cốt thép trong bê tông Với cấu trúc xốp rỗng, bê tông geopolymer có khả năng bền băng giá vượt trội, cho phép ứng dụng ở nhiệt độ thấp đến -20°C mà không cần gia nhiệt bổ sung.
Bê tông geopolymer sở hữu chỉ số co ngót rất thấp cùng nhiều ưu điểm kỹ thuật vượt trội so với bê tông xi măng pooc lăng Cường độ nén và uốn của bê tông geopolymer được cải thiện nhờ vào việc lựa chọn hợp lý cấp phối, cốt liệu trơ và các phụ gia đặc biệt, bao gồm cốt sợi phân tán mỏng Việc đạt được cường độ cao cho bê tông geopolymer dễ dàng hơn do độ nhạy cảm của nó đối với chất lượng vật liệu trơ thấp Đặc biệt, cường độ nén cao có thể đạt được ngay cả khi sử dụng vật liệu trơ có cường độ thấp hơn Hơn nữa, khoảng 50% cường độ của bê tông geopolymer sẽ được hình thành trong 3 ngày đầu, giúp rút ngắn thời gian xây dựng.
Bê tông geopolymer nổi bật với khả năng chịu ăn mòn hóa học, đặc biệt là khả năng chống axit, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các công trình ven biển và trên biển Đặc tính này rất phù hợp với điều kiện phát triển kinh tế biển, đảo của Việt Nam hiện nay.
+ Bê tông geopolymer chịu nhiệt tốt cả trong điều kiện môi trường thường và khắc nghiệt
Bê tông geopolymer, với các cốt liệu được lựa chọn đúng cách, có khả năng chống cháy và chịu lửa tuyệt vời, chịu được nhiệt độ lên tới 1200°C Cấu trúc ba chiều của silic nhôm trong lưới geopolymer tạo ra độ rỗng xốp, cho phép các phân tử nước liên kết (nhóm hydroxyl - OH) bay hơi khi bị nung nóng mà không làm phá vỡ bê tông từ bên trong, khác với xi măng pooc lăng Các thử nghiệm cho thấy cường độ nén của các phân tử (K, Ca) - poly (sialat-siloxo) trong xi măng geopolymer duy trì ở mức 20 MPa sau 3 giờ ở 1100°C (90 MPa ở 20°C) So với bê tông cường độ cao từ xi măng pooc lăng (100 MPa ở 20°C), thường bị phá vỡ từ 300°C đến 400°C do nước trong kết cấu không thể thoát ra, gây ra các sự cố nghiêm trọng như tại đường hầm Mont Blanc và Towern vào năm 1999.
Khả năng gắn kết của bê tông geopolymer với cốt thép được nghiên cứu cho thấy tương đương hoặc vượt trội hơn so với bê tông xi măng sunphat Tuy nhiên, bê tông geopolymer chế tạo từ Mê ta cao lanh thường cần nhiều nước, dẫn đến việc tăng lỗ rỗng và độ mềm mại, không phù hợp cho nhiều ứng dụng xây dựng thực tế Hiện tại, nghiên cứu về việc sử dụng bê tông geopolymer kết hợp với cốt sợi còn rất hạn chế.
1.5 Ƣu nhƣợc điểm và những nghiên cứu đã đƣợc thực hiện
Bê tông Geopolymer (GPC) mang lại nhiều lợi thế vượt trội so với bê tông tiêu chuẩn, với tuổi thọ kéo dài hàng trăm năm và yêu cầu sửa chữa ít, giúp tiết kiệm chi phí đáng kể GPC có khả năng chống ăn mòn và chịu lửa tốt hơn, cùng với cường độ chịu nén và độ bền kéo cao, đồng thời có độ co ngót thấp hơn so với bê tông OPC truyền thống.
Hiện nay, geopolymer đang được nghiên cứu sâu rộng và chứng minh là vật liệu xanh, có khả năng thay thế bê tông xi măng trong nhiều ứng dụng Vật liệu này không chỉ sở hữu các tính chất kỹ thuật ưu việt mà còn góp phần bảo vệ môi trường.
- Hiệu quả kinh tế và lợi ích cho môi trường:
Việc sử dụng bê tông geopolymer từ chất kết dính tro bay kiềm hoạt hóa có thể giúp giảm hiện tượng nóng dần của trái đất Theo Davidoits, bê tông geopolymer có khả năng giảm hiệu ứng nhà kính từ 26-45% so với bê tông xi măng thông thường, nhờ vào lượng khí CO2 phát thải trong quá trình sản xuất chất kết dính geopolymer thấp hơn gần 6 lần so với xi măng.
Việc áp dụng bê tông geopolymer trong ngành xây dựng không chỉ giảm thiểu chất thải mà còn tối ưu hóa diện tích bãi chứa nhờ vào việc sử dụng các phế thải từ quá trình sản xuất công nghiệp như tro bay từ nhà máy nhiệt điện và xỉ lò cao từ nhà máy luyện gang, thép.
Về mặt kinh tế, giá thành của một tấn tro bay/xỉ chỉ chiếm một phần nhỏ so với giá của một tấn xi măng Khi tính cả chi phí của dung dịch kiềm kích hoạt, giá bê tông geopolymer từ tro bay sẽ rẻ hơn khoảng 10-30% so với bê tông xi măng truyền thống.
Bê tông geopolymer đang gặp khó khăn trong việc phổ biến trên thị trường do nhiều nhà máy xi măng lo ngại về nguy cơ giảm lợi nhuận khi đầu tư vào công nghệ mới này.
Việc sử dụng dung dịch kiềm mạnh trong sản xuất bê tông geopolymer có thể gây ra những nguy hiểm nhất định và làm cho quy trình sản xuất trở nên phức tạp hơn Điều này không chỉ dẫn đến việc gia tăng tiêu thụ năng lượng mà còn tạo ra hiệu ứng nhà kính.
CHỊU NÉN, KÉO VÀ MODUL ĐÀN HỒI 2.1 Ảnh hưởng của thành phần cấu tạo nên GPC
Vật liệu đƣợc chế tạo GPC bao gồm:
- Cốt liệu: bao gồm đá và cát Nghệ An
- Nước: sử dụng nước biển ở vùng biển Nghệ An
Tro bay (Fly ash – FA) là bụi khí thải mịn thu được từ quá trình đốt than trong các nhà máy nhiệt điện Nó được thu hồi từ khí thải bằng các phương pháp như lắng, tuyển nổi, lọc tĩnh điện và lọc tay áo Tro bay là loại nhỏ mịn, bay lên cùng khói lò, trong khi loại không bay lên được gọi là tro cặn (tro đáy).
Thành phần hóa học của tro bay gồm nhiều nguyên tố hóa học (hơn 30 nguyên tố) khác nhau, tồn tại chủ yếu ở dạng oxit S i O 2 , Al 2 O 3 , CaO, MgO,
Trong số các oxit như Fe2O3, FeO, TiO2, Cr2O3, V2O5, MnO, SO3, Na2O, K2O, B2O3, SiO2, Al2O3, CaO và MgO được coi là chủ yếu do hàm lượng lớn và ảnh hưởng quyết định đến các tính chất cơ bản của tro bay Nguồn gốc của các oxit này chủ yếu phụ thuộc vào loại nhiên liệu và nguồn gốc của chúng.
Cr2O3, V2O5, MnO và B2O3 thường xuất hiện với hàm lượng rất thấp trong tro bay, và một số oxit trong nhóm này có thể không có mặt Các oxit như CaO tự do, MgO tự do, Na2O, K2O, SO3 và thành phần than chưa cháy được coi là có hại, cần lưu ý khi sử dụng vì chúng có thể làm thay đổi thể tích sản phẩm thủy hóa chất kết dính trong quá trình rắn chắc và gây ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông thông thường.
Tro bay được chia thành hai loại chính: tro bay loại C và tro bay loại F Tro bay loại C có hàm lượng vôi (CaO) lớn hơn 20% và được sản xuất từ bụi thải trong quá trình đốt than bùn non Trong khi đó, tro bay loại F là sản phẩm từ bụi thải của quá trình đốt than đá (than cốc), với hàm lượng vôi (CaO) hơn 7%, cùng với các thành phần khác như sắt oxit, silica thủy tinh (silic oxit), nhôm oxit và natri silicat (thủy tinh nước).
Bảng 2.1 Chỉ tiêu của tro bay theo ASTM C 618
Tính chất hóa học Loại F Loại C
Hàm lƣợng mất khi nung Max% 5 5
Tính chất vật lý Loại F Loại C Độ mịn (+325) Max% 34 34
Tính chất puzzolan/xi măng (07 ngày) Min% 75 75
Tính chất puzzolan/xi măng (28 ngày) Min% 75 75
Lượng nước yêu cầu Max% 105 105 Độ nở trong nồi hấp Max% 0,8 0,8
T nh đồng nhất về mật độ Max% 5 5
T nh đồng nhất về độ mịn Max% 5 5
Tăng độ co khô Max% 0,03 0,03
T nh đồng nhất hòa tan trong không khí
Phản ứng kiềm hóa Max% 0,020 -
Mất khi nung (LOI) là hiện tượng carbon cháy hết trong tro, ảnh hưởng đến chất lượng vật liệu bằng cách tăng nhu cầu nước, giảm độ mịn và tác động đến phản ứng pozzolanic Theo tiêu chuẩn ASTM C618 (2008), mức tối đa cho LOI được quy định là 5%.
Hình 2.1 Tro bay (Fly ash)
Hình 2.2 cho thấy ảnh chụp từ ống phóng của kính hiển vi điện tử quét (SEM) với độ phóng đại 750 lần, giúp phát hiện cấu trúc mặt cắt ngang của các hạt tro bay.
Tro bay trong geopolymer yêu cầu một hàm lượng Silic dioxit (SiO2) hoặc tổng hàm lượng SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 cần thiết để đảm bảo phản ứng Việc kích hoạt tro bay trong môi trường axit hoặc cơ bản với nồng độ canxi cao sẽ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng Do đó, tro bay loại F được ưa chuộng hơn tro bay loại C trong sản xuất xi măng và chất kết dính vô cơ geopolymer, nhờ vào hàm lượng Aluminosilicate vô định hình cao và khả năng làm việc tốt.
Tro bay có đặc tính rất bền nhiệt, ít bị co ngót k ch thước, bền với các loại hóa chất, giá thành rẻ
Nghiên cứu này sử dụng tro bay loại F từ nhà máy nhiệt điện với khối lượng riêng 2500 kg/m3 và độ mịn 94%, cho thấy 94% lượng tro bay lọt qua sàng có kích thước 0.08 mm Thành phần hóa học của tro bay được trình bày chi tiết trong bảng 1.
Xỉ lò cao (Blast Furnace Slag – BFS) là sản phẩm phụ trong ngành luyện kim, hình thành trong quá trình sản xuất kim loại từ quặng sắt hoặc tinh chế kim loại không nguyên chất Trong quặng sắt thường chứa tạp chất như sét và cát, do đó, để cải thiện quá trình sản xuất, người ta thường bổ sung một lượng đá vôi thích hợp vào lò nung Khi nung, quặng sắt và đá vôi phản ứng với nhau, tạo ra các hợp chất silicat canxi, silicat alumin và silicat aluminate canxi magie, dẫn đến sự hình thành xỉ lò cao.
Ở nhiệt độ từ 1400 đến 1500 độ C, các hợp chất trong lò cao sẽ hoàn toàn nóng chảy Những hợp chất này có khối lượng riêng nhỏ hơn so với gang, do đó chúng nổi lên trên bề mặt Sau khi được tách ra, chúng được gọi là xỉ Sản phẩm xỉ lò cao có ba dạng khác nhau, tùy thuộc vào quá trình nung luyện và chế độ làm lạnh sau khi nấu chảy.
Xỉ thép tái chế có thành phần hóa và khoáng tương tự như xi măng mác thấp, và khi được nghiền mịn cùng với nước, nó có khả năng đóng rắn và tạo cường độ Đây là nguồn nguyên liệu quan trọng cho ngành sản xuất vật liệu xây dựng, bao gồm phụ gia xi măng, vật liệu không nung và vật liệu cho đường giao thông, theo Văn bản số 31/BXD-VLXD ngày 07/6/2011 của Bộ Xây dựng.
Xỉ lò cao chủ yếu bao gồm các oxit như CaO, MgO và Al2O3, chiếm từ 90 đến 95% tổng thành phần hóa học Hàm lượng các oxit này có sự biến động lớn, phụ thuộc vào thành phần hóa học của quặng sắt và tro nhiên liệu được sử dụng.
0-50%, SiO2(-38%, Al2O3 = 8-24%, MgO=1-18% và S=1-2,5% Thành phần thuận lợi nhất của chất nóng chảy lò cao nằm trong hàm lƣợng giới hạn các oxit kiềm
- oxit axit thể thủy tinh (SiO2+Al2O3)F-55%,
- hàm lƣợng oxit kiềm 50-52%, trong đó có 3-65 MgO,
- modul kiềm (CaO+MgO) %/(SiO2+Al2O3)%>1,
- hợp chất sắt trong xỉ không vƣợt quá 1%,
Thành phần xỉ lò cao theo ASTM-C109 SiO22-40%
Thành phần khoáng của xỉ lò cao thay đổi tùy thuộc vào tốc độ làm lạnh Khi xỉ được làm lạnh chậm, thành phần khoáng chủ yếu là Ghilenit (2CaO.Al2O3.SiO2, CaO.SiO2, 2CaO.SiO2) Ngược lại, nếu xỉ được làm lạnh nhanh, các hợp chất phụ từ pha nóng chảy sẽ chuyển sang pha thủy tinh, bao gồm các khoáng CaO.SiO2, 2CaO.SiO2, CaO.Al2O3 và 12CaO.7Al2O3 Mặc dù những khoáng này có khả năng hydrat hóa, nhưng cường độ của chúng không cao.
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, xỉ thép có những ƣu điểm:
- Độ ma sát tốt hơn so với bê tông asphalt
- Chịu đựng tốt trong môi trường thời tiết xấu
- Thành phần chủ yếu là các khoáng chất tương tự như thành phần của xi măng portland
Hình 2.3 Xỉ lò cao (Blast Furnace Slag)
Cốt liệu cho bê tông đƣợc áp dụng theo TCVN 7570:2006 ”Cốt liệu cho bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật”
Luận văn này nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu thô, bao gồm đá 1x2 và đá 0,5x1, tại tỉnh Nghệ An Đá có khối lượng riêng lần lượt là 2700 kg/m3 và 2650 kg/m3, với kích thước hạt lớn nhất Dmax = 20mm Cát được sử dụng có mô đun độ lớn là 2.
Trong quá trình chế tạo bê tông geopolymer, nước chỉ đóng vai trò tạo tính công tác và không tham gia vào cấu trúc hay phản ứng hóa học, do đó có thể bị loại bỏ trong quá trình bảo dưỡng và sấy Bài viết này nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng nước biển tại Nghệ An trong sản xuất bê tông geopolymer.
2.1.5 Phụ gia (chất hoạt hóa)
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC THAY ĐỔI TỶ LỆ CHH/CKD ĐẾN ĐẶC TRƢNG CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG GPC
3.1 Mục đ ch của th nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm này nhằm xác định các đặc trưng cơ học của bê tông geopolymer, bao gồm cường độ chịu nén, chịu kéo bửa và mô đun đàn hồi tại các thời điểm 3, 7, 28, 60 và 120 ngày Bê tông được chế tạo từ cốt liệu mịn là cát biển Nghệ An với tỷ lệ CHH/CKD khác nhau là 5% và 8%.
Các cấp phối bê tông geopolymer sử dụng gồm 2 cấp phối:
Cấp phối 1: tỷ lệ chất hoạt hóa trên chất kết dính: CHH/CKD=5%
Cấp phối 2: tỷ lệ chất hoạt hóa trên chất kết dính: CHH/CKD=8%
Bảng 3.1 trình bày 2 cấp phối chế tạo bê tông GPC sử dụng cát biển, nước biển có tỷ lệ chất hoạt hóa trên chất kết dính khác nhau
Bảng 3.1 Thành phần cấp phối bê tông GPC Vật liệu
Khối lƣợng cho 1m 3 bê tông (Kg)
Xỉ lò cao (Slag - BFS) 200 200
3.2 Th nghiệm xác định cường độ chịu nén của GPC sử dụng đá dăm, cát và nước biển Nghệ An
Tro bay có hàm lượng canxi thấp, thường được sử dụng để sản xuất GPC, cần có khoảng 80% khối lượng là oxit silic và oxit nhôm với tỷ lệ Si phù hợp.
Al = 2 Trong đó, hàm lƣợng oxit sắt chiếm khoảng 10 – 20% khối lƣợng và lƣợng oxit canxi phải t hơn 2%
Tro bay được thu thập từ nhà máy Nhiệt điện Phả Lại, đã trải qua quá trình xử lý tuyển nổi Tính chất vật lý và hóa học của tro bay này được cung cấp theo công bố chất lượng của nhà sản xuất.
Bảng 3.2 Thành phần hóa học của tro bay nhiệt điện Phả Lại
Thành phần MKN SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO R2O TiO2 SO3
Bảng 3.3 Thành phần hạt của tro bay nhiệt điện Phả Lại
% Cỡ hạt có k ch thước < D 10 25 50 75 90 Đường kớnh hạt (àm) 3,261 10,53 28,47 60,69 105,9
K ch thước trung bỡnh (àm) 28,47
Khối lƣợng thể tích (kg/m 3 ) 950
Diện tích bề mặt riêng
Xỉ lò cao là sản phẩm phụ thu được trong quá trình sản xuất thép, được tạo ra ở đáy lò và chứa các thành phần chính như CaO, oxit sắt, MgO, MnO2, SiO2 và nhôm Al2O3 Silic và nhôm là hai thành phần chính chiếm tỷ lệ cao trong xỉ lò cao, làm cho nó trở thành một nguồn tài nguyên quý giá.
Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng xỉ lò cao từ nhà máy sản xuất thép Thái Nguyên (TISCO), được nghiền mịn tại Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng của Trường Đại học Xây dựng Thành phần hóa học của xỉ lò cao (BFS) sẽ được phân tích và trình bày trong bài viết.
Bảng 3.4Thành phần hóa học của Xỉ lò cao nhà máy thép Thái Nguyên
Thành phần SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO R2O TiO2 SO3 S 2-
Bảng 3.5 Thành phần hạt của Xỉ lò cao nhà máy thép Thái Nguyên
Tính chất cơ bản Đơn vị Kết quả Đường kính hạt ứng với hàm lượng sót t ch lũy (%)
90 àm 18,91 Đường kớnh hạt trung bỡnh àm 6,670
Chỉ số hoạt tính với xi măng % 106
Cốt liệu nhỏ được chọn cho dự án là cát biển Nghệ An, một loại cốt liệu phổ biến tại khu vực này Cát được sàng lọc để loại bỏ các hạt có kích thước lớn hơn 5mm, sau đó tiến hành kiểm tra các tính chất cơ lý của cát.
Hình 3.1 Cát biển Nghệ An đang đƣợc sàng Bảng 3.6 Kết quả tính chất cơ lý của cát biển Nghệ An
Khối lƣợng riêng (g/cm3): 2,63 Mô đun độ lớn: 2,04
Khối lƣợng thể tích xốp (Kg/m3): 1340 Lƣợng hạt trên sàng 5mm (%): 0 Độ xốp (%): 50,6 Lƣợng bùn, bụi, sét (%): 2,7
Lỗ sàng Lƣợng sót trên từng sàng Lƣợng sót tích lũy
Cốt liệu lớn trong cấp phối 1 sử dụng đá dăm có kích thước tối đa Dmax = 10 mm Đá được sàng lọc để loại bỏ các hạt có kích thước lớn hơn 10 mm, sau đó tiến hành kiểm tra các tính chất cơ lý của vật liệu.
Bảng 3.7 Các tính chất cơ lý của đá 0,5x1
CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ
Khối lƣợng thể tích (g/cm3): 2,72 Lƣợng hạt thoi dẹt (%): 32
Khối lƣợng thể tích xốp
(Kg/m3): 1430 Lƣợng bùn, bụi, sét
Cỡ hạt nhỏ nhất-Dmin (mm): 5 Độ nén dập (%): 12,5
Cỡ hạt lớn nhất-Dmax (mm): 10 Độ hổng (%): 47,43
Lỗ sàng Lƣợng sót trên từng sàng Lƣợng sót t ch lũy mm g % %
Nước dùng để chế tạo GPC sử dụng nước biển tại Nghệ An, được lấy tại bãi biển Cửa Lò
3.2.1.5 Phụ gia (chất hoạt hóa)
Trong thí nghiệm này, tác giả sử dụng chất hoạt hóa dạng tinh thể rắn đƣợc cung cấp bởi Phòng thí nghiệm của Trường Đại học xây dựng
Hình 3.2 Tro bay, xỉ lò cao và chất hoạt hóa
3.3 Chế tạo mẫu thí nghiệm
3.3.1 Mẫu thí nghiệm cường độ chịu nén
Bảng 3.8 Chế tạo mẫu thí nghiệm cường độ chịu nén
SỐ LƯỢNG MẪU TN CƯỜNG ĐỘ CHỊU
CP1 Nén mẫu lập phương
CP2 Nén mẫu lập phương
3.3.2 Mẫu thí nghiệm cường độ chịu kéo
Bảng 3.9 Chế tạo mẫu thí nghiệm cường độ chịu kéo
SỐ LƯỢNG MẪU TN CƯỜNG ĐỘ CHỊU
CP1 Ép bửa mẫu trụ
CP2 Ép bửa mẫu trụ
3.3.3 Mẫu thí nghiệm mô đun đàn hồi
Bảng 3.10 Chế tạo mẫu thí nghiệm mô đun đàn hồi
SỐ LƯỢNG MẪU TN CƯỜNG ĐỘ CHỊU
CP1 Ép mẫu trụ D150mm 3
Sử dụng lại mẫu cũ
Sử dụng lại mẫu cũ
Sử dụng lại mẫu cũ
Sử dụng lại mẫu cũ
CP2 Ép mẫu trụ D150mm 3
Sử dụng lại mẫu cũ
Sử dụng lại mẫu cũ
Sử dụng lại mẫu cũ
Sử dụng lại mẫu cũ
3.4 Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm cường độ chịu nén của GPC sử dụng đá dăm và nước biển Nghệ An
Kết quả thí nghiệm nén mẫu CP1 và CP2 đƣợc ghi trên bảng 3.11 và 3.12 Bảng 3.11 Kết quả cường độ chịu nén của cấp phối CP1 (CHH/CKD=5%)
STT Cấp phối Tên mẫu Tuổi BT
Cường độ nén từng viên (Mpa)
Cường độ nén TB (Mpa)
Cường độ chịu nén của bê tông GPC (cấp phối CP1- CHH/CKD=5%) sử dụng cát biển và nước biển sẽ tăng theo thời gian Điều này là do quá trình phản ứng polymer hóa giữa dung dịch kiềm và các khoáng chứa Al, Si vẫn tiếp tục diễn ra, góp phần cải thiện tính chất của bê tông.
Cường độ chịu nén của bê tông GPC tăng nhanh trong 3 ngày đầu, với cấp phối CP1 đạt 19.73 MPa tại R3, tương đương khoảng 72% cường độ ở R28 Đây là một trong những ưu điểm nổi bật của bê tông GPC.
Bảng 3.12 Kết quả cường độ chịu nén của cấp phối CP2 (CHH/CKD=8%)
STT Cấp phối Tên mẫu Tuổi BT
Cường độ nén từng viên (Mpa)
Cường độ nén TB (Mpa)
Cường độ chịu nén của bê tông GPC (cấp phối CP2) sử dụng cát biển và nước biển gia tăng theo thời gian Điều này xảy ra do quá trình phản ứng polymer hóa giữa dung dịch kiềm và các khoáng chứa Al, Si vẫn tiếp tục diễn ra.
Cường độ chịu nén của bê tông GPC tăng nhanh trong 3 ngày đầu Đối với cấp phối CP2, cường độ chịu nén đạt 21.37 MPa tại 3 ngày tuổi, tương đương khoảng 41% cường độ ở 28 ngày (R28).
3.5 Th nghiệm xác định cường độ chịu kéo của GPC sử dụng đá dăm, cát và nước biển Nghệ An
Bảng 3.13 Kết quả cường độ chịu kéo bửa của cấp phối CP1 (CHH/CKD=5%)
STT Cấp phối Tên mẫu Tuổi BT
Cường độ ép từng viên (Mpa)
Cường độ nén TB (Mpa)
- Cường độ chịu kéo khi bửa của CP1 tăng đều theo thời gian bỏ dưỡng của mẫu thử;
- Cường độ tại R3= 2,37 MPA tương đương với khoảng 79% cường độ tại R28 ngày
Bảng 3.14 Kết quả cường độ chịu kéo bửa của cấp phối CP2 (CHH/CKD=8%)
STT Cấp phối Tên mẫu Tuổi BT
Cường độ ép từng viên (Mpa)
Cường độ nén TB (Mpa)
- Cường độ chịu kéo khi bửa của CP1 tăng đều theo thời gian bỏ dưỡng của mẫu thử;
- Cường độ tại R3= 1,17 MPA tương đương với khoảng 46% cường độ tại R28 ngày
3.6 Th nghiệm xác định môđun đàn hồi của GPC sử dụng đá dăm, cát và nước biển Nghệ An
Bảng 3.15 Kết quả mô đun đàn hồi của cấp phối CP1 (CHH/CKD=5%)
STT Cấp phối Tên mẫu Tuổi BT
Mô đun đàn hồi (MPA)
- Mô đung đàn hồi của CP1 tăng đều theo thời gian bỏ dƣỡng của mẫu thử;
- Mô đung đàn hồi R3= 25902 tương đương với khoảng 89% cường độ tại R28 ngày
Bảng 3.16 Kết quả mô đun đàn hồi của cấp phối CP2 (CHH/CKD=8%)
STT Cấp phối Tên mẫu Tuổi BT
Mô đun đàn hồi (MPA)
- Mô đung đàn hồi của CP1 tăng đều theo thời gian bỏ dƣỡng của mẫu thử;
- Mô đung đàn hồi R3= 26213 tương đương với khoảng 70% cường độ tại R28 ngày
3.7 So sánh các đặc trưng cơ học của GPC sử dụng cát và nước biển Nghệ An khi thay đổi tỉ lệ CHH/CKD
Cấp phối 1: tỷ lệ chất hoạt hóa trên chất kết dính: CHH/CKD=5%
Cấp phối 2: tỷ lệ chất hoạt hóa trên chất kết dính: CHH/CKD=8%
3.7.1 So sánh cường độ chịu nén của 2 cấp phối
Bảng 3.17 So sánh cường độ chịu nén của hai cấp phối
Cường độ chịu nén mẫu 15x15x15 (Mpa)
Cường độ chịu nén của bê tông GPC ở cả hai cấp phối phát triển nhanh trong 3 ngày đầu, với sự khác biệt không đáng kể Tuy nhiên, đến 28 ngày tuổi, bê tông sử dụng cấp phối 2 cho thấy cường độ nén cao hơn gần gấp đôi so với cấp phối 1, chứng tỏ rằng chất hoạt hóa có ảnh hưởng lớn đến cường độ nén của bê tông.
3.7.2 So sánh cường độ chịu kéo của 2 cấp phối
Bảng 3.18 So sánh cường độ chịu kéo của hai cấp phối
Cường độ chịu kéo khi bửa (Mpa)
Hình 3.4 cho thấy sự so sánh ảnh hưởng của CHH/CKD đến cường độ kéo bửa của bê tông Ban đầu, cường độ chịu kéo bửa của bê tông GPC CP1 cao hơn GPC CP2 Tuy nhiên, sau 28 ngày, cường độ kéo bửa của GPC CP2 lại vượt trội hơn GPC CP1, điều này chứng tỏ rằng chất hoạt hóa có ảnh hưởng lớn đến cường độ chịu kéo của bê tông.
3.7.2 So sánh mô đun đàn hồi của 2 cấp phối
Bảng 3.18 So sánh mô đun đàn hồi của hai cấp phối
Mô đun đàn hồi Eb
Mô đun đàn hồi của hai cấp phối bê tông với tỷ lệ CHH/CKD tương đương nhau, cho thấy rằng tỷ lệ này không ảnh hưởng đến sự phát triển của mô đun đàn hồi.
3.8 So sánh các đặc trưng cơ học của GPC sử dụng cát và nước biển Nghệ An khi thay đổi tỉ lệ CHH/CKD giữa kết quả thí nghiệm thực tế và công thức theo tiêu chuẩn ACI 318 (Yêu cầu quy phạm xây dựng đối với bê tông cốt thép và diễn giải)
3.8.1 So sánh cường độ chịu nén giữa kết quả th nghiệm và công thức thực nghiệm
Trong đó: R(t): Cường độ chịu nén của bê tông tại ngày thứ t;
R28: Cường độ chịu nén của bê tông tại 28 ngày (Kết quả thí nghiệm) t: Tuổi bê tông ngày thứ t
Bảng 3.19 So sánh cường độ chịu nén theo thực tế và tính toán theo công thức của hai cấp phối
Cường độ chịu nén mẫu 15x15x15 (Mpa)
Hình 3.6 So sánh cường độ chịu nén thực tế và tính toán theo công thức của CP1