Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Tổng quan
Sự gia tăng nhanh chóng trong ngành xây dựng đã dẫn đến sản xuất xi măng gia tăng, làm tăng lượng CO2 thải ra và gây ô nhiễm môi trường, cũng như gia tăng hiệu ứng nhà kính Kể từ năm 1970, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra geopolymer, một vật liệu thay thế cho xi măng trong bê tông, được tạo ra bằng cách trộn dung dịch alkali với tro bay Tuy nhiên, để đạt được cường độ cần thiết, loại bê tông này yêu cầu quá trình dưỡng hộ nhiệt trong thời gian dưới 24 giờ, với nhiệt độ từ 60°C đến 100°C.
Vào năm 1939, tác giả Feret đã nghiên cứu ứng dụng vật liệu xỉ trong sản xuất xi măng, tiếp theo là nghiên cứu của Purdon vào năm 1940 về việc sử dụng xỉ lò cao được kích hoạt bằng dung dịch hydroxit natri Theo Tống Tôn Kiên, quá trình phát triển cấu trúc diễn ra qua hai bước: đầu tiên là sự giải phóng các hợp chất nhôm-silic và hydroxit canxi, sau đó là quá trình hydrat hóa nhôm và silic cùng với việc tái tạo dung dịch kiềm.
Cấu trúc hóa học của geopolymer tương tự như vật liệu ziotit tự nhiên, nhưng ở dạng vô định hình Nghiên cứu cho thấy điều kiện dưỡng hộ và tỷ lệ dung dịch alkali/tro bay ảnh hưởng đến cường độ bê tông, với thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ là những yếu tố quan trọng Sự kết hợp giữa thủy tinh lỏng và dung dịch NaOH có thể đạt cường độ lên đến 60MPa khi được dưỡng hộ ở nhiệt độ 85°C trong 5 giờ (Palomo, Grutzeck và Blanco, 1999).
Van Jaarsveld (2002) khi nghiên cứu về các đặc tính của geopolymer do ảnh hưởng của sự hòa tan không hoàn toàn giữa các vật liệu trong quá trình
2 geopolymer hóa cho rằng hàm lượng nước, thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ ảnh hưởng đến đặc tính của geopolymer
Nghiên cứu về xi măng geopolymer (High – Akali – Poly) đã chỉ ra rằng loại xi măng này có ứng dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật như hàng không, xây dựng và công nghiệp chất dẻo Kết quả cho thấy xi măng này có khả năng đóng rắn nhanh ở nhiệt độ phòng, với cường độ chịu nén đạt tới 20MPa sau 4 giờ ở 200 độ C và có thể lên tới 70 – 100MPa sau 28 ngày bảo dưỡng (Davidovits, 2002).
Chất kết dính Geopolymer đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu tại Việt Nam trong thời gian gần đây, với nhiều công trình khoa học đáng chú ý PGS.TS Nguyễn Văn Chánh từ trường đại học Bách Khoa Tp.HCM đã nghiên cứu về bê tông Geopolymer vào năm 2008 Năm 2010, một nhóm nghiên cứu tại cùng trường đã phát triển gạch không nung bằng công nghệ Geopolymer, sử dụng tro bay và phế thải bùn đỏ cho xây dựng nhà ở vùng cao nguyên Năm 2011, nhóm nghiên cứu tại trường đại học Giao thông vận tải Hà Nội đã tìm hiểu về vữa và bê tông sử dụng chất kết dính polymer vô cơ Đến năm 2012, Nguyễn Văn Hoan đã tiến hành nghiên cứu sản xuất vật liệu không nung từ phế thải tro bay và sỉ lò cao dựa trên chất kết dính Geopolymer.
Bê tông geopolymer, giống như bê tông xi măng, có cường độ kéo uốn thấp hơn nhiều so với cường độ chịu nén, dẫn đến việc nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm khắc phục nhược điểm này Phương pháp phổ biến nhất là gia cường bằng cách thêm sợi vào trong quá trình trộn hỗn hợp, với nhiều loại sợi đa dạng như sợi thép, sợi carbon, sợi thủy tinh và sợi tổng hợp, đã đạt được nhiều kết quả khả quan.
Hình 1.1 Bêtông cốt sợi thép (Nguồn: st)
Vật liệu gia cường sợi đã có một lịch sử phát triển kéo dài 3500 năm, bắt đầu từ việc sử dụng rơm trộn với đất sét để làm vữa trát tường Vào năm 1900, Hatschek đã tạo ra sản phẩm bêtông gia cường sợi đầu tiên bằng cách trộn bêtông với amiăng để nâng cao khả năng chống nứt và tính chịu uốn Đến những năm 1950 – 1960, bêtông đã được thử nghiệm với sợi thủy tinh và sợi thép Hiện nay, với sự tiến bộ trong vật liệu xây dựng, nhiều loại sợi như sợi thép, sợi thủy tinh, amiăng, sợi nylon, sợi tổng hợp và sợi thiên nhiên được sử dụng rộng rãi để gia cường bêtông.
1.1.2 Các kết quả ứng dụng
Trong nhiều năm qua, bê tông cốt sợi phân tán đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng trên toàn thế giới Năm 1970, nhà xe sân bay Lockbourne ở bang Ohio, Mỹ, được xây dựng từ những tấm bê tông cốt sợi đúc tại chỗ với kích thước 10,7x14x0,15m và 1,5x6,7x0,15m Loại sợi sử dụng trong công trình này là sợi thép, với hàm lượng lên tới 106kg/m³ Sau khi hoàn thành, bề mặt các tấm bê tông cốt sợi được phủ bằng lớp lưới sợi Poly để tăng cường độ bền và bảo vệ.
Propylene có bề dày 0,2mm được sử dụng làm lớp đệm chống mài mòn trong các công trình Năm 1972, bêtông cốt sợi đã được áp dụng làm bản mặt cầu tại Pennsylvania, Virginia, và đến nay vẫn còn được sử dụng hiệu quả.
1980, bêtông có gia cường sợi đã được áp dụng rộng rãi trong xây dựng các
Vào năm 1983, 22 dự án sân bay tại Hoa Kỳ đã được hoàn thành với việc sử dụng bêtông cốt sợi cho bến bãi Đến những năm 1990, loại bêtông này đã được ứng dụng rộng rãi tại Châu Âu, với 1,9 triệu m² bến bãi trong các khu công nghiệp.
Vào năm 1970, tại Michigan, Mỹ, đường Niles được xây dựng bằng bê tông cốt sợi thép phân tán với độ dày 100mm và hàm lượng sợi thép là 120kg/m³ Sau khi đưa vào sử dụng, nghiên cứu cho thấy đường bê tông cốt sợi, mặc dù mỏng hơn (100mm) so với bê tông thông thường (180mm), lại có khả năng chịu tải, chống mài mòn và chống nứt tốt hơn.
Năm 1983, sân bay Frankfurt tại Đức được xây dựng với đường băng sử dụng bê tông cốt sợi thép phân tán, có hàm lượng sợi 60kg/m³, nhằm tăng cường khả năng chống mài mòn và co ngót Từ những năm 1980, sợi thép và sợi Polypropylene đã trở nên phổ biến trong ứng dụng bê tông bơm phụt, áp dụng cho cả quy trình khô và ướt.
Bê tông bơm phụt gia cường cốt sợi được ứng dụng rộng rãi trong việc ổn định mái dốc tự nhiên của các công trình hầm, bảo vệ bề mặt nền đá khỏi hiện tượng hóa mềm của đá bùn trong quá trình xây dựng đập, và phủ bề mặt hố chứa rác nhằm giảm thiểu sự xâm nhập của nước cũng như ngăn chặn rò rỉ chất độc hại ra môi trường.
Tại Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, TS Nguyễn Văn Chánh và cộng sự đã nghiên cứu và ứng dụng bê tông cốt sợi (BTCS) sử dụng vật liệu địa phương, gia cường bằng các loại sợi khác nhau như sợi xơ dừa, sợi tổng hợp, sợi thép và sợi Bazan Các tính chất của BTCS đã được nghiên cứu kỹ lưỡng để đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng trong xây dựng.
5 gồm: cấp phối thành phần của hỗn hợp, tính chất của hỗn hợp, tính chất cơ học, và đặc biệt là tính chất dẻo dai.
Sự cần thiết của đề tài và mục tiêu nghiên cứu
1.2.1 Sự cần thiết của đề tài Ô nhiễm môi trường do rác thải, khí thải, nạn chặt phá rừng bừa bãi, …và hiện tượng trái đất nóng dần do hệ quả của hiệu ứng nhà kính đã và đang là vấn đề cấp thiết được toàn xã hội quan tâm Một trong những nguyên nhân đóng góp một lượng lớn khí CO2 vào bầu khí quyển là ngành công nghiệp sản xuất xi măng truyền thống Việc sản xuất 1 tấn xi măng Portland đồng nghĩa với việc thải ra 1 tấn khí CO2 Trong đó khoảng 0,55 tấn là do phản ứng phân hủy đá vôi và 0,4 tấn là do quá trình đốt cháy nhiên liệu, Roy (1999) Vì lý do đó, một số nước đã khuyến khích phát triển một loại chất kết dính mới có thể thay thế xi măng portland truyền thống, đó là xi măng polime hay còn gọi là chất kết dính Geopolymer hoặc chất kết dính kiềm hoạt hóa
Hình 1.3 Khói bụi tại nhà máy sản xuất xi măng (nguồn: st)
Việc sử dụng than trong các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam đã dẫn đến việc sản xuất một lượng lớn tro bay Hiện nay, tổng công suất của các nhà máy nhiệt điện đốt than trong nước đạt khoảng 4800MW, với sản lượng tro xỉ thải lên đến 4,8 triệu tấn mỗi năm.
Trong bối cảnh phát triển kinh tế, mật độ xe cộ ngày càng gia tăng và trọng lượng xe cơ giới ngày càng nặng, công nghệ sản xuất vật liệu xây dựng đã có những bước đột phá Gia cường sợi trong bêtông là một trong những giải pháp hiện đại, giúp cải thiện khuyết điểm và nâng cao đặc tính của bêtông Việc áp dụng bêtông gia cường sợi cho mặt đường cấp cao không chỉ tăng khả năng chịu tải trọng và tính mài mòn của mặt đường mà còn giảm bề dày kết cấu, mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.
Bêtông nặng thường dễ bị nứt và có cường độ chịu kéo, chịu uốn, độ mài mòn cũng như khả năng chống va đập kém Tuy nhiên, bêtông cốt sợi (BTCS) đã khắc phục những nhược điểm này Nghiên cứu về các tính chất của hỗn hợp và tính chất cơ học của bêtông cốt sợi phân tán cho thấy loại bêtông này có tính dẻo dai cao, mở rộng khả năng ứng dụng trong các công trình xây dựng thủy lợi, cầu đường và cầu cảng.
Nghiên cứu khả năng chịu lực của dầm bê tông Geopolymer cốt sợi sử dụng tro bay tập trung vào các yếu tố như khả năng chịu uốn, sự hình thành vết nứt và biến dạng Các thử nghiệm được thực hiện nhằm đánh giá độ bền và tính ổn định của vật liệu này trong các điều kiện khác nhau, từ đó cung cấp thông tin quan trọng cho việc ứng dụng bê tông Geopolymer trong xây dựng.
Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
Trong phạm vi nghiên cứu, tập trung thực hiện các nội dung cụ thể:
Tỷ lệ sợi trong bê tông geopolymer có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực của dầm, đặc biệt là khả năng chịu uốn, sự hình thành vết nứt và biến dạng Việc sử dụng tro bay làm cốt sợi giúp cải thiện tính chất cơ học của bê tông, tăng cường độ bền và độ dẻo dai, từ đó giảm thiểu sự phát triển của vết nứt trong quá trình sử dụng Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa tỷ lệ sợi có thể mang lại hiệu quả cao hơn trong việc nâng cao khả năng chịu lực của dầm bê tông geopolymer.
Chiều dài sợi có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực của dầm bê tông geopolymer sử dụng tro bay Nghiên cứu cho thấy, sự thay đổi chiều dài sợi không chỉ ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn mà còn tác động đến sự hình thành vết nứt và biến dạng của vật liệu Việc tối ưu hóa chiều dài sợi sẽ nâng cao hiệu suất và độ bền của dầm bê tông geopolymer, góp phần cải thiện ứng dụng trong xây dựng.
- Xác định khả năng chịu uốn dầm bê tông Geopolymer cốt sợi sử dụng tro bay
- Phân tích kết quả thực nghiệm, đối chiếu với kết quả tính toán và kết quả nghiên cứu của một số tác giả đã thực hiện
- Khả năng ứng dụng thực tiễn của dầm bê tông Geopolymer cốt sợi sử dụng tro bay
Việc áp dụng nguồn tro bay tại nhà máy nhiệt điện Formosa đã cho thấy khả năng chịu lực của dầm thông qua nghiên cứu thực nghiệm Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xác định các chỉ tiêu hóa lý cụ thể trước khi sử dụng tro bay tại các nhà máy nhiệt điện khác, nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn trong ứng dụng.
Phương pháp nghiên cứu
- Sử dụng phương pháp thực nghiệm để xác định khả năng chịu lực của dầm bê tông geopolymer cốt sợi sử dụng tro bay, nội dung triển khai gồm:
+ Đúc mẫu và thí nghiệm cường độ chịu nén, uốn của mẫu bê tông Geopolymer sử dụng tro bay không gia cường cốt sợi
+ Đúc mẫu và thí nghiệm cường độ chịu nén, uốn của mẫu bê tông
Geopolymer sử dụng tro bay có gia cường cốt sợi
+ Đúc mẫu và thí nghiệm sự ảnh hưởng của tỷ lệ sợi, chiều dài sợi gia cường đến cường độ chịu nén, uốn
+ Đối chiếu kết quả đã thí nghiệm 03 dầm không sợi của tác giả Nguyễn Đức Hoành để so sánh với kết quả thực nghiệm Nguyễn Đức
+ Đúc mẫu và thí nghiệm 04 dầm bê tông geopolymer cốt sợi sử dụng tro bay
+ So sánh, đánh giá các kết quả thu được
- Nghiên cứu sự tương quan giữa kết quả thí nghiệm và tính toán, các kết quả thí nghiệm đã được công bố đối với dầm bê tông geopolymer
Cơ sở lý thuyết
Tro bay
Theo Hội khoa học và kỹ thuật Xây dựng Tp HCM, tro bay là phụ gia khoáng hoạt tính nhân tạo, được tạo ra từ các sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất công nghiệp như silicafum, tro xỉ nhiệt điện và xỉ hạt lò cao Trước đây, tro bay chỉ được coi là rác thải, nhưng nhờ vào nghiên cứu ứng dụng, nó đã trở thành nguồn thu tiềm năng Chất lượng tro bay phụ thuộc vào chất lượng than và công nghệ đốt than, bao gồm các phương pháp như đốt than phun, đốt than tầng sôi tuần hoàn, đốt than tầng sôi áp lực và công nghệ khí hóa than.
Kích thước và chất lượng của tro bay có sự khác biệt, do đó, cấp phối bê tông sử dụng tro bay từ các nguồn cung cấp cũng sẽ khác nhau Vì vậy, cần thực hiện việc xem xét và chọn lọc để áp dụng cho từng trường hợp cụ thể một cách phù hợp.
Tính chất vật lý: Tro bay là những tinh cầu tròn, siêu mịn, độ lọt sàn từ 0,05 – 50 nanomet (1 nanomet = 1x10 -9 m) tỉ diện 300 – 600m 2 /kg
Tro bay có thành phần hóa học chủ yếu bao gồm SiO2, Al2O3 và Fe2O3, chiếm từ 50-70% tổng khối lượng, trong đó tro bay Phả Lại có tỷ lệ SiO2 lên tới 84% Ngoài ra, tro bay còn chứa các oxit khác như CaO, MgO, Na2O, K2O, TiO2, Mn2O3, SO3 và LOI.
Sử dụng tro bay làm phụ gia trong bê tông không chỉ tăng cường độ bền mà còn cải thiện độ nhớt của vữa, giúp bê tông dễ dàng thẩm thấu vào các lỗ rỗng.
Trong các công trình thủy điện, việc sử dụng phụ gia tro bay cho phép đổ bê tông gián đoạn với những khối bê tông lớn, thay vì phải đổ liên tục như bê tông truyền thống.
Tro bay làm phụ gia sản xuất xi măng bền sulfat cho xây dựng công trình ở các vùng nước lợ, nước mặn, công trình biển đảo
Tro bay là nguyên liệu quan trọng trong sản xuất xi măng, ví dụ như tro bay Phả Lại được sử dụng với tỷ lệ 14% trong sản xuất xi măng Hoàng Thạch, trong khi tro bay Sông Gianh được trộn với tỷ lệ 18% Ngoài ra, tro bay còn được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng các công trình giao thông, thủy lợi và dân dụng, như trong vữa xây, trát, cũng như làm phụ gia khoáng để sản xuất bê tông đầm lăn.
Theo tiêu chuẩn ASTM C618, tro bay được phân thành hai loại sau:
Tro bay loại F là sản phẩm từ quá trình đốt than anthracite hoặc bitum, với hàm lượng canxi oxit (CaO) dưới 6% Đây là loại tro ít canxi, sở hữu tính chất puzzolan nhưng không có khả năng tự đóng rắn.
F có lượng carbon chưa cháy hơn 2% tính theo lượng mất khi nung Thành phần khoáng chủ yếu có quartz, mullite và hematite
Tro bay loại C, chứa hơn 15% canxi oxit (CaO), được biết đến là tro bay giàu canxi và đã được sử dụng trong ngành công nghiệp bê tông khoảng 20 năm qua Loại tro bay này không chỉ có tính puzzolan mà còn có khả năng tự đóng rắn khi trộn với nước, phản ứng tương tự như xi măng Portland Mức độ tự đóng rắn của tro bay phụ thuộc vào hàm lượng canxi oxit; hàm lượng CaO cao sẽ dẫn đến mức độ đóng rắn cao hơn Ngoài ra, hàm lượng carbon chưa cháy trong tro bay, tính theo lượng mất khi nung, thấp hơn 1% Thành phần khoáng chủ yếu của tro bay loại C bao gồm anhydride, tricanxi aluminat, đá vôi, quartz, periclase, mullite, merwinite và ferrite.
Thủy tinh lỏng
Thủy tinh lỏng là một dung dịch trong suốt, được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực như chất kết dính và sơn Trong quá trình tổng hợp geopolymer, thủy tinh lỏng cung cấp oxit silic, đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cấu trúc vật liệu.
Thủy tinh lỏng chủ yếu được cấu thành từ hỗn hợp M2O (oxit kim loại kiềm như Na2O, K2O hoặc Li2O), SiO2 và nước Công thức chung của nó có thể biểu diễn là M2O.nSiO2.mH2O.
Thủy tinh lỏng không cháy, không bị phân hủy và bền với axit nên có thể dùng để sản xuất các loại bê tông chịu axít.
Cấu trúc của Geopolymer
Cấu trúc Geopolymer và Zeolitic đều có đơn vị cấu trúc chính là các đa diện phối trí [SiO4] 4-, trong đó ion Al 3+ có khả năng thay thế một phần ion Si 4+ Ngoài ra, các ion kiềm như Na+ cũng góp mặt trong cấu trúc này.
K + ,…) nằm trong các lổ rỗng nhằm cân bằng điện tích, Davidovits (1999)
Hình 2.1 Cấu trúc tinh thể của Geopolymer (Nguồn: st) 2.3.1 Sự tạo thành liên kết ion và liên kết cộng hóa trị
Cấu trúc Geopolymer chủ yếu bao gồm bốn nguyên tố hóa học: Silic (Si), nhôm (Al), oxi (O) và kim loại kiềm (Na hoặc K) Những nguyên tố này tương tác với nhau thông qua việc cho hoặc nhận electron ở lớp vỏ ngoài cùng, tạo thành các liên kết bền vững, theo nghiên cứu của Davidovits (1999).
+ Nguyên tử Silic có 4 electron ngoài cùng, có thể là chất cho hoặc nhận electron
+ Nguyên tử Oxy có 6 electron ngoài cùng, là chất nhận electron
+ Nguyên tử nhôm có 3 electron lớp ngoài cùng, là chất cho electron trong môi trường axit và là chất nhận electron trong môi trường dung dịch alkali
+ Nguyên tử Natri có 1 electron lớp ngoài cùng, là chất cho electron
Ion Si 4+ kết hợp với bốn ion O - tạo thành một tứ diện phối trí Trong quá trình này, nguyên tử Silic chuyển giao 4 electron cho 4 nguyên tử oxy, dẫn đến sự hình thành cation Si 4+ Để đạt được trạng thái ổn định, mỗi nguyên tử oxy cần nhận electron thứ 8 ở lớp ngoài cùng, electron này có thể được cung cấp bởi các nguyên tử kim loại như Na, K, Ca, Mg hoặc từ các nguyên tử Silic khác.
Bằng cách chia sẽ lẫn nhau anion O 2- , hai hoặc nhiều hơn các tứ diện phối trí có thể liên kết với nhau tạo thành nhóm
Tứ diện phối trí (SiO4) hình thành từ sự cho nhận electron giữa một nguyên tử Silic và bốn nguyên tử Oxy, tạo ra liên kết hóa trị Để hoàn thiện cấu trúc này, cần bổ sung các cation kim loại như Na, K, Ca, Mg, và các nguyên tố khác.
Sự hình thành di-siloxonate, bao gồm hai hoặc nhiều tứ diện SiO4, diễn ra nhờ việc chia sẻ electron giữa nguyên tử silicon và oxy, trong đó oxy được gọi là oxy cầu (Oc) Để tạo thành di-siloxonate, cần bổ sung các cation kim loại như Na, K, Ca, và Mg.
Sự tạo thành liên kết Si-O-Al- xảy ra trong môi trường kiềm do nguyên tử
Khi một electron độc thân được lấy từ nguyên tử kim loại kiềm như natri (Na), nó tạo ra một chất có hóa trị bốn tương tự như silic (Si) Để cân bằng điện tích âm, cation Na+ sẽ được thêm vào phân tử sialate.
Hình 2.2 Quá trình tạo liên kết trong Geopolymer (Nguồn: st) 2.3.2 Cấu trúc Geopolymer
Quá trình polyme hóa diễn ra thông qua các phản ứng nhanh giữa nguyên liệu Si-Al trong môi trường dung dịch kiềm Kết quả của quá trình này là sự hình thành sản phẩm với cấu trúc chuỗi hoặc vòng polymer, đặc trưng bởi các liên kết Si-O-Al-.
O, Davidovits (1999), nó được diễn tả theo công thức sau:
Mn[-(SiO2)z-Al2O3]n.wH2O Trong đó:
+ M là nguyên tố Alkali hoặc cation như Natri, Kali hoặc Canxi + Kí hiệu “-“ giữa (SiO2)z và (Al2O3) đại diện cho liên kết giữa chúng
+ n là mức độ polymer hóa + z có thể là 1,2,3 hoặc nhiều hơn có khi lên tới 32
Tùy thuộc vào tỉ lệ giữa Si và Al trong Geopolymer mà vật liệu này có thể là một trong bốn dạng cơ bản sau:
+ Khi Si/Al = 1: Sialate, poly (sialate)
(-Si-O-Al-O-) dạng chuỗi hoặc vòng, là kết quả của quá trình polyme hóa của các monome (OH)3-Si-O-Al-(OH)3 (ortho-sialate)
Hình 2.3 Cấu trúc Sialate (Nguồn: st)
+ Khi Si/Al = 2: Sialate-siloxo, poly( sialate-siloxo)
(-Si-O-Al-O-Si-O-) được xem là sản phẩm của quá trình kết hợp giữa orthosialate và ortho silicic, acid Si(OH)4
Hình 2.4 Cấu trúc Sialate-siloxo (Nguồn: st)
+ Khi Si/Al = 3: Sialate-disiloxo, poly ( sialate-disiloxo)
(-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-) được xem là sản phẩm của quá trình kết hợp giữa hai orthosialate và ortho silicic, acid Si(OH)4
Hình 2.5 Cấu trúc sialate-disiloxo (Nguồn: st)
+ Khi Si/Al > 3: Sialate link, poly(sialate-multisiloxo)
Loại này gồm một Si-O-Al nằm giữa hai chuỗi poly (siloxonate), hoặc hai poly (silanol) hoặc poly (sialate )
Hình 2.6 Cấu trúc sialate link (Nguồn: st)
Geopolymer là vật liệu polymer đặc biệt, được cấu tạo từ các đơn vị đa diện phối trí [SiO4] 4- Trong cấu trúc này, các ion Al 3+ có khả năng thay thế một phần ion Si 4+, trong khi các ion kiềm như Na + và K + nằm trong các lỗ rỗng để cân bằng điện tích.
Quá trình Geopolymer hóa
Theo Van Jaarsveld (1997); Davidovits (1999), sự tạo thành Geopolymer có thể được diễn tả bằng hai phản ứng hóa học sau:
+ Nếu Si/Al = 1 thì quá trình diễn ra theo phản ứng sau:
+ Nếu Si/Al = 2 thì quá trình diễn ra theo phản ứng sau:
Phương trình phản ứng cho thấy nước được sinh ra trong quá trình hình thành Geopolymer, nhưng lượng nước này bị đẩy ra khỏi cấu trúc trong quá trình đổ khuôn và dưỡng hộ nhiệt, để lại những lỗ rỗng không liên tục Những lỗ rỗng này tạo điều kiện cho Geopolymer phát triển Mặc dù nước trong hỗn hợp Geopolymer không tham gia vào phản ứng hóa học, nhưng nó lại đóng vai trò quan trọng trong việc tạo tính công tác cho hỗn hợp khi nhào trộn, điều này trái ngược với nước trong hỗn hợp xi măng Portland, mà lại cần thiết cho quá trình hydrat hóa.
Theo Davidovits (1985) và cộng sự, quá trình phản ứng trên bao gồm ba giai đoạn:
+ Tách thành phần Si và Al ra khỏi nguyên liệu ban đầu (tro bay,…) nhờ tác động của ion OH -
+ Những phần tử trên di chuyển, định hướng và kết hợp thành những monomer
+ Những monomer này tham gia phản ứng trùng ngưng tạo thành sản phẩm có cấu trúc polymer
2.4.1 Tách thành phần Si và Al ra khỏi nguồn nguyên liệu ban đầu
Khi nhào trộn tro bay (Si, Al) với dung dịch kiềm, độ pH của hỗn hợp tăng lên Ion OH- từ dung dịch xâm nhập vào hạt tro bay, làm bẻ gãy liên kết Si-O-Si và tạo thành Si(OH)3O- và Al(OH)4.
- được tạo thành tương tự theo phương trình phản ứng sau: Al-Si (thành phần rắn) + OH - = Al(OH)4
Sự có mặt của kim loại kiềm như Na và K giúp trung hòa điện tích của các sản phẩm phản ứng thông qua việc tạo thành -Si-O - -Na + Sản phẩm này ổn định trong môi trường kiềm, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình di chuyển và keo tụ Nhờ đó, các cation này đóng vai trò chất xúc tác, duy trì lực liên kết ion và tham gia vào quá trình biến đổi liên kết thành các phần tử dạng keo.
M + + Al(OH) 4 ↔ M +- OAl(OH) 3 + H2O (M là Na , K,…)
Trong giai đoạn này, các sản phẩm riêng lẻ được hình thành trong giai đoạn đầu bắt đầu kết tụ với nhau Thành phần OSi(OH)3 kết hợp với Al(OH)4, tạo ra các monome mới.
Phản ứng hóa học diễn ra dưới sự xúc tác của ion OH-, trong đó kim loại kiềm đóng vai trò xúc tác ở giai đoạn đầu và sau đó tham gia vào cấu trúc của các monome Một số dạng monome được trình bày như hình ảnh trong nghiên cứu của Davidovits (1999).
Hình 2.7 Cấu trúc một số loại monomer (Nguồn: st) 2.4.3 Phản ứng trùng ngưng giữa các monomer tạo thành polymer
Các monomer định hướng và kết hợp với nhau Đúng hơn đó là sự kết hợp lại của những nhóm chức OH, tạo ra phân tử nước
Hình 2.8 Quá trình polime hóa tạo Geopolymer (Nguồn: st)
Tóm lại: Quá trình tạo thành cấu trúc Geopolymer có thể được biểu diễn theo sơ đồ sau:
Hình 2.9 Quá trình Geopolymer hóa (Nguồn: st) 2.4.4 Cấu trúc vi mô của Geopolymer từ tro bay
Trong hỗn hợp Geopolymer, có nhiều hạt tro bay hình cầu với kích thước khác nhau, thường rỗng và đôi khi chứa các hạt nhỏ hơn bên trong Dung dịch kiềm alkali và quá trình dưỡng hộ nhiệt tác động lên các thành phần này, tạo ra sản phẩm ở trạng thái gel Sản phẩm gel này liên kết với gel từ các phần tử khác, dẫn đến việc hình thành một cấu trúc đồng nhất.
Có 18 sản phẩm có tính dính kết, trong khi một số phần tử tro bay chưa phản ứng và được bao bọc bởi sản phẩm của quá trình phản ứng, dẫn đến việc những phần tử này phản ứng rất chậm.
Trong Geopolymer, sự hiện diện của một lượng nhỏ vật liệu Zeolitic có lợi cho cường độ cơ học và thường xuất hiện trong các lỗ trống Tuy nhiên, nếu Zeolitic hình thành với số lượng lớn, nó sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến sản phẩm gel Khi sử dụng thủy tinh lỏng (Natri silicat), silic oxit thường làm chậm quá trình hình thành Zeolitic.
Mô hình quá trình hoạt hóa của dung dịch kiềm alkali đối với tro bay được minh họa như sau, Davidovits (1999):
Hình 2.10 Cấu trúc vi mô của Geopolymer (Nguồn: st)
Phản ứng hóa học bắt đầu tại một điểm trên bề mặt hạt tro bay, sau đó lan rộng tạo ra những lỗ lớn hơn, làm lộ cấu trúc bên trong hạt, có thể rỗng hoặc chứa các phần tử nhỏ hơn Sự tác động của dung dịch kiềm alkali diễn ra theo hai chiều: từ ngoài vào trong và từ trong ra ngoài, dẫn đến sự hình thành sản phẩm phản ứng cả bên trong hạt tro bay.
Dung dịch kiềm alkali thẩm thấu vào cấu trúc rỗng của hạt tro bay, phản ứng với các phần tử nhỏ bên trong Kết quả là không gian rỗng bên trong hạt tro được lấp đầy bởi sản phẩm của phản ứng này.
Quá trình tích tụ sản phẩm phản ứng tạo ra lớp sản phẩm bao bọc hạt cầu tro bay, ngăn cản chúng tiếp xúc với dung dịch alkali Các phản ứng tiếp theo hình thành sản phẩm kết nối lớp này, diễn ra đồng thời với sự tác động của môi trường pH Tro bay nằm dưới lớp sản phẩm có thể không bị ảnh hưởng bởi pH cao, tùy thuộc vào chất hoạt hóa sử dụng, mà chất này đóng vai trò quan trọng trong khuếch tán Mức độ phản ứng khác nhau tại các thời điểm tạo ra sản phẩm với độ thấm khác nhau Hệ thống này bao gồm các phần tử chưa phản ứng, phần tử đã bị tấn công nhưng vẫn giữ hình dạng cầu, và sản phẩm của quá trình phản ứng, với sự khác biệt giữa các điểm trong cấu trúc do kích thước phần tử và hoạt động hóa học.
Thủy tinh lỏng trong dung dịch hoạt hóa đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển cấu trúc vi mô tương tự như cấu trúc xi măng Cấu trúc này ổn định, không thay đổi hình dạng và ít có độ rộng Sự gián đoạn trong cấu trúc chỉ xảy ra khi có sự hiện diện của các phần tử tro bay không phản ứng và hạt tro Thành phần natri (Na) và silic (Si) trong cấu trúc này thường cao hơn khi chỉ sử dụng NaOH để kích hoạt Tuy nhiên, cấu trúc vi mô hình thành với thủy tinh lỏng thường tương tự như cấu trúc được kích hoạt bởi dung dịch kiềm và quá trình dưỡng hộ nhiệt kéo dài.
Các loại sợi thường sử dụng cho gia cường trong bêtông
Sợi thép là một trong những loại sợi được sử dụng phổ biến nhất để gia cường và nâng cao đặc tính của bê tông Thép carbon thường là loại thép được lựa chọn nhiều trong ứng dụng này.
20 thép không rỉ có cường độ chịu kéo 345 ÷ 1380MPa, môđun đàn hồi khoảng
200GPa và có các hình dạng sau:
- Sợi tròn, thẳng có đường kính 0,25 ÷ 1mm
- Sợi dẹp, thẳng cú tiết diện chữ nhật (dày 0,6àm ữ 1,5 àm; rộng 2 àm ữ 2,5 àm)
- Sợi lượn sóng trên toàn chiều dài hoặc chỉ uốn cong hai đầu
Các sợi thép được ngâm trong dung dịch keo để thuận tiện cho việc vận chuyển và trộn Trong quá trình trộn, keo sẽ bị hòa tan và phân tán đều trong hỗn hợp.
Hình 2.11 Sợi thép (loại 2 đầu móc) dùng gia cường trong bê tông (Nguồn: st)
Sợi thủy tinh có đường kính từ 10 đến 20 micromet, thường được tết thành từng bó khoảng 200 sợi Tuy nhiên, sợi thủy tinh gặp vấn đề về tính kháng kiềm thấp, dẫn đến độ bền bị giảm khi tiếp xúc với hóa chất trong vữa ximăng Để khắc phục vấn đề này, sợi thủy tinh AR đã được phát triển, giúp tăng cường độ bền và tuổi thọ cho bê tông.
Sợi amiăng là loại sợi khoáng tự nhiên đầu tiên được sử dụng để gia cường trong bêtông, với đường kính từ 0,1mm hoặc nhỏ hơn Có hai loại sợi amiăng chính là Amphibole và Chrysotile Tuy nhiên, vào những năm 1960-1970, người ta phát hiện ra tính độc hại của sợi amiăng đối với sức khỏe con người trong quá trình sản xuất, dẫn đến việc cấm sử dụng ở hầu hết các quốc gia Mặc dù vậy, khi được gia cường trong bêtông, ảnh hưởng của amiăng đối với sức khỏe vẫn được cho là không đáng kể.
Sợi tổng hợp bao gồm các loại sợi như acrylic, aramid, nylon, polyester, poly-ethylene và poly-propylene, có đường kính từ 10µm đến 1000µm Những sợi này sở hữu cường độ kéo cao nhưng môđun đàn hồi thấp, với tỉ số chiều dài và đường kính lớn, rất phù hợp cho việc gia cường bêtông.
Sợi polyme có khả năng chống kiềm cao và bền trong môi trường bêtông, nhưng lại có môđun đàn hồi thấp và tính bám dính kém với vật liệu nền Ngoài ra, sợi polyme cũng nhạy cảm với bức xạ mặt trời, dẫn đến tình trạng oxy hóa cao Do đó, việc gia cường sợi polyme cần được thực hiện với lớp phủ bên ngoài để nâng cao hiệu quả sử dụng.
Sợi thiên nhiên đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong gia cường bê tông nhẹ, với khả năng chịu kéo từ 20MPa đến 750MPa và đường kính từ 0,1mm đến 0,2mm Các loại sợi này có thể được chia thành 4 loại khác nhau, góp phần nâng cao tính chất cơ lý của bê tông.
- Sợi vỏ thu được từ cuống lá và cành cây
- Sợi bề mặt thu từ các vỏ và hạt
Bảng 2.1 Các loại sợi hay sử dụng gia cường bê tông (Nguồn: st)
Cường độ kéo (GPa) Độ dãn dài khi đứt (%)
Sợi gỗ 1500 71 0,9 có ưu điểm nổi bật là dễ sản xuất và giá thành rẻ, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho xây dựng nhà cửa với chi phí thấp Hơn nữa, việc trộn sợi thiên nhiên với các loại sợi khoáng như sợi thủy tinh, sợi amiăng hoặc sợi polyme có thể giúp giảm giá thành sản phẩm.
Ngoài sợi thủy tinh, còn có nhiều loại sợi khác như sợi carbon và sợi bazan Tuy nhiên, do giá thành cao và điều kiện sử dụng hạn chế, những loại sợi này ít được ứng dụng trong gia cường bê tông.
Tính chất của sợi gia cường trong bê tông
Sợi gia cường trong bê tông cần có cường độ chịu kéo tối thiểu và được kiểm tra bằng máy Instron với tốc độ kéo 12,7 mm/phút, theo nghiên cứu của Arnon Bentur và Sidney Mindess (2007).
Bảng 2.2 Cường độ chịu kéo của các sợi gia cường trong bê tông (Nguồn: st)
Cường độ kéo (GPa) Độ dãn dài khi đứt (%)
2.6.2 Độ ổn định hóa học của sợi
Công trình xây dựng cần có độ bền lâu dài, vì vậy các thành phần trong bê tông phải ổn định theo thời gian Khi trộn bê tông geopolymer, dung dịch kiềm tạo ra môi trường kiềm mạnh với độ pH từ 10 đến 12 Do đó, cần tránh sử dụng các loại sợi phản ứng với kiềm như sợi thủy tinh, amiăng và acrylic Trong khi đó, các sợi poly - propylene, poly - ethylene và nylon không bị ảnh hưởng bởi môi trường kiềm Hiện nay, sợi thủy tinh AR, có khả năng kháng kiềm, được sử dụng để gia cường trong bê tông (Youjiang Wang, Stanley Backer, Victor C Li, 1987).
2.6.3 Tính dính bám với hỗn hợp bê tông
Theo nghiên cứu của Youjiang Wang và các cộng sự (1987), tính dính bám là yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn loại sợi gia cường cho bê tông Kết quả cho thấy sợi nylon và polyester có tính dính bám thấp với hỗn hợp bê tông, trong khi sợi acrylic và aramid lại có tính dính bám cao.
24 tính dính bám còn phụ thuộc rất nhiều vào bề mặt các loại sợi, hình dạng sợi gia cố.
Bê tông Geopolymer gia cường sợi
Năm 2010, K Vijai, R Kumuthaa và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng sợi thủy tinh vào bê tông geopolymer với các tỷ lệ 0,01%, 0,02% và 0,03% thể tích Trong nghiên cứu, cấp phối hạt chiếm từ 70-80% thể tích, với tỷ lệ dung dịch alkali so với tro bay là 0,4 và tỷ lệ dung dịch Na(OH) kết hợp với thủy tinh lỏng là 2,5.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi gia cường sợi thủy tinh với tỷ lệ 0,01% và 0,02%, cường độ chịu nén giảm từ 6% đến 16% Tuy nhiên, khi hàm lượng sợi tăng lên 0,03%, cường độ chịu nén lại tăng 6% Tương tự, đối với cường độ chịu kéo, khi sử dụng 0,01% và 0,02% sợi thủy tinh, cường độ chịu kéo giảm từ 27% đến 30%, nhưng tăng 1% khi đạt 0,03% Kết quả kiểm tra cường độ chịu uốn cũng cho thấy cường độ giảm 1% và 12% với 0,01% và 0,02% sợi, và tăng 16% khi hàm lượng sợi đạt 0,03%.
Hình 2.13 Cường độ chịu uốn của bê tông geopolyme gia cường sợi thủy tinh với hàm lượng khác nhau (Nguồn: st)
Nghiên cứu của Don Wimpenny (2010) đã khảo sát tác động của việc thêm sợi thép và sợi tổng hợp vào bê tông geopolymer và bê tông xi măng, đồng thời so sánh các kết quả đạt được từ hai loại bê tông này.
Nghiên cứu của Don Wimpenny (2010) và các cộng sự đã so sánh hiệu quả của sợi thép và sợi tổng hợp poly-olefin trong bê tông geopolymer và bê tông xi măng Cụ thể, sợi tổng hợp được sử dụng với tỷ lệ 1%, chiều dài 60mm và đường kính từ 0,5mm đến 1mm, trong khi sợi thép có hàm lượng 0,5%, chiều dài 60mm và đường kính 0,75mm.
Tiến hành thí nghiệm và có kết quả như sau:
Bảng 2.3 Bảng so sánh sử dụng sợi cho bê tông xi măng và bê tông geopolymer
Bê tông xi măng gia cường sợi tổng hợp
Bê tông geopolymer gia cường sợi thép
Bê tông geopolymer gia cường sợi tổng hợp
Cường độ chịu nén sau 28 ngày MPa 52,5 46 49,5
Cường độ chịu kéo sau 28 ngày MPa 4,8 4 3,4
Cường độ chịu uốn sau 28 ngày MPa 5,5 6,4 7,4
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng khả năng dính bám của sợi trong bê tông geopolymer tương đương với bê tông xi măng, góp phần nâng cao các tính chất cơ lý của bê tông geopolymer.
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành kiểm tra sự ăn mòn của môi trường axít đối với bê tông geopolymer có sử dụng sợi gia cường bằng cách ngâm các mẫu thử trong dung dịch sulphuric có độ pH là 2 Sau 150 ngày, các mẫu được đem ra kiểm tra và cho thấy kết quả đáng chú ý về mức độ ảnh hưởng của axít đến tính chất của bê tông geopolymer.
Hình 2.14 Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu ăn mòn và số ngày ngâm
Hình 2.15 Mẫu bê tông có gia cường sợi và không gia cường sợi (Nguồn: st)
Kết quả cho thấy bê tông geopolymer gia cường sợi thì khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với bê tông xi măng
Và trong các nghiên cứu khác về bê tông gia cường sợi đã đưa ra nhận xét, Youjiang Wang (1987) và các cộng sự
- Tỉ lệ chiều dài và đường kính sợi l/D nên từ 50 -100, nếu tỉ lệ l/D dưới
50 sẽ không có hiệu quả
Tỉ lệ sợi trộn vào bê tông ảnh hưởng đáng kể đến tính công tác và độ rỗng của hỗn hợp, có thể dẫn đến sự suy giảm các tính chất của bê tông Đối với phương pháp trộn thông thường, tỷ lệ tối ưu là từ 0,25% đến 1,5% Khi sử dụng tỉ lệ lớn hơn, cần áp dụng các biện pháp thi công hợp lý để đảm bảo chất lượng bê tông.
Khi gia cường sợi thép cho bê tông, tổng số lượng vết nứt có thể không giảm, nhưng số lượng vết nứt lại tăng lên, dẫn đến việc giảm trung bình bề rộng của các vết nứt.
Nguyên vật liệu và phương pháp thí nghiệm
Nguyên liệu sử dụng
Bê tông geopolymer gia cường sợi được chế tạo từ các nguyên liệu tương tự như bê tông cốt sợi thông thường, nhưng điểm khác biệt chính là việc sử dụng chất kết dính geopolymer thay cho xi măng Portland.
Nguyên liệu sử dụng bao gồm tro bay, đá, cát, dung dịch alkali (hỗn hợp của NaOH và thủy tinh lỏng), sợi Poly - propylene và nước
Kích thước của dầm thí nghiệm là 200mm chiều rộng, 300mm chiều cao và 3300mm chiều dài, với hai loại chiều dài sợi là 19mm và 25mm Dầm được chia thành 04 tổ mẫu thí nghiệm, sử dụng các nguyên liệu đã được chọn lọc.
Hình 3.1 Tro bay sử dụng trong thí nghiệm
Tro bay sử dụng trong thí nghiệm là loại F vì có hàm lượng CaO ít hơn 6% (theo tiêu chuẩn ASTM C618), với thành phần hóa học cho bởi bảng sau:
Bảng 3.1 Thành phần hóa của tro bay (Nguồn: st)
Oxit SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO K 2 O và Na 2 O MgO SO 3 MKN
Từ đó ta thấy tỷ lệ SiO2 trên Al2O3 của tro bay này là 1,62, hàm lượng CaO thấp nhưng hàm lượng mất khi nung khá cao (9,63%)
Các chỉ tiêu vật lý: Khối lượng riêng: 2150 kg/m 3 , Độ mịn: 94% lượng tro bay lọt qua sàng có cỡ sàng là 0,08 mm
Dung dịch hoạt hóa dung để tạo phản ứng kết dính gồm các vật liệu hỗn hợp chính là thủy tinh lỏng (Na2SiO3) và natri hidroxit (NaOH):
Thủy tinh lỏng là dung dịch màu trắng sệt, tỷ lệ thành phần được sử dụng trong thí nghiệm bao gồm Na2O = 9,4%, SiO2 = 30,1% và H2O = 60,5% Tỷ trọng 1,42 0,01 g/ml
Dung dịch Natri hydroxit được tạo ra từ Na2O dạng vảy rắn, có màu trắng đục và độ tinh khiết trên 90% Khối lượng riêng của dung dịch này là 2130 kg/m³, và H2O được sử dụng để pha chế Nồng độ của dung dịch Natri hydroxit trong thí nghiệm là 16M.
Hình 3.3 Natri hydroxyt dạng vảy
3.1.3 Cốt liệu lớn Đá tự nhiên được sử dụng để đúc mẫu đối chứng là đá Hóa An, Đồng Nai Đá tự nhiên được rửa sạch, phơi khô và sàng theo kích thước chuẩn, đảm bảo chỉ tiêu cơ lý, có kích thước trung bình 20mm, cỡ hạt đồng đều cùng cấp chất lượng, có cường độ đảm bảo theo tiêu chuẩn TCXD7570:2006
Hình 3.4 Đá dăm Bảng 3.2 Các chỉ tiêu cơ lý của đá sử dụng
Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thí nghiệm Kết quả thí nghiệm
Khối lượng riêng TCVN 7572-4:2006 2,78 g/cm 3
Khối lượng thể tích ở trạng thái khô TCVN 7572-4:2006 2,61 g/cm 3
Khối lượng thể tích ở trạng thái bảo hoà TCVN 7572-4:2006 2,67 g/cm 3 Độ hút nước TCVN 7572-4:2006 2,5 %
Khối lượng thể tích xốp TCVN 7572-6:2006 1415 kg/m 3 Độ rỗng giữa các hạt TCVN 7572-6:2006 45,8 %
Bảng 3.3 Thành phần hạt đá
Cỡ sàng (mm) Lượng sót riêng (%)
Hình 3.5 Biểu đồ thành phần hạt của đá sử dụng 3.1.4 Cốt liệu nhỏ
Cát vàng được chế biến từ cát sông, trải qua quy trình rửa sạch, phơi khô và sàng lọc để loại bỏ các hạt nhỏ, đảm bảo đạt tiêu chuẩn TCVN 7572:2006 Đặc biệt, các thành phần hạt và độ sạch của cát phải tuân thủ theo quy định trong TCVN 1770-1986.
Hình 3.5 Cát vàng Bảng 3.4 Các chi tiêu cơ lý của cát sử dụng
Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thí nghiệm Kết quả thí nghiệm
Mô đun độ lớn TCVN 7572-2:2006 2,50mm
Khối lượng riêng TCVN 7572-4:2006 2,60 g/cm 3
Khối lượng thể tích ở trạng thái khô TCVN 7572-4:2006 2,43 g/cm 3 Khối lượng thể tích ở trạng thái bảo hoà TCVN 7572-4:2006 2,49 g/cm 3 Độ hút nước TCVN 7572-4:2006 2,9 %
Khối lượng thể tích xốp TCVN 7572-2:2006 1545 kg/m 3 Độ rỗng giữa các hạt TCVN 7572-2:2006 36,4 %
Bảng 3.5 Thành phần cát sử dụng
Hình 3.6 Biểu đồ thành phần hạt cát sử dụng 3.1.5 Thép thanh
Thép thanh được sử dụng theo tiêu chuẩn TCVN 1651-2:2008, trong đó cốt thép chịu kéo sử dụng thép có đường kính 14 với diện tích tiết diện ngang As = 153,9mm² Đối với cốt thép chịu nén, sử dụng thép 12 có diện tích tiết diện ngang As = 113,1mm² Cốt thép đai chịu cắt sử dụng thép 6 với khoảng cách a = 150mm, có diện tích tiết diện ngang As = 28,3mm² Giá trị đặc trưng của giới hạn chảy cũng được quy định trong tiêu chuẩn này.
ReH00MPa, giá trị đặc trưng của giới hạn bền kéo RmE0MPa
Cỡ hạt (mm) Lượng sót riêng (%)
Trong phạm vi nghiên cứu, loại sợi được dùng để chế tạo mẫu là sợi Poly- propylene
Hình 3.7 Sợi poly-propylene Bảng 3.6 Đặc tính sợi sợi poly-propylene (Nguồn: st)
Mô đun đàn hồi (MPa)
Cường độ chịu kéo (MPa)
Sợi poly-propylene có khả năng chịu nhiệt với nhiệt độ nóng chảy lên tới 165°C, do đó, ở nhiệt độ dưỡng hộ 90°C, các thuộc tính của sợi vẫn được đảm bảo không bị ảnh hưởng.
Nước sử dụng trộn bê tông theo TCXDVN 302:2004 Nước trộn bê tông và vữa – yêu cầu kỹ thuật Nước được sử dụng trong thí nghiệm là nước thủy cục
Thí nghiệm cấp phối mẫu bê tông
3.2.1 Tính toán lựa chọn cấp phối
Việc thiết kế hỗn hợp bê tông Geopolymer tương tự như bê tông thông thường, dựa trên các chỉ tiêu đặc trưng như cường độ và tính công tác Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính của bê tông Geopolymer bao gồm tỷ lệ khối lượng dung dịch alkali trên tro bay, nhiệt độ, thời gian dưỡng hộ và nồng độ mol/l.
Sự khác biệt chính giữa bê tông geopolymer và bê tông xi măng Portland nằm ở loại chất kết dính sử dụng Thành phần cốt liệu của bê tông geopolymer có thể được thiết kế dựa trên công cụ của bê tông xi măng Portland, với cốt liệu nhỏ và lớn chiếm từ 75 đến 80% khối lượng tổng thể của bê tông.
Bê tông geopolymer được chế tạo từ tro bay kết hợp với dung dịch polymer hoạt hóa, đóng vai trò là chất kết dính Tỉ lệ các thành phần trong dung dịch polymer và tính chất của nguyên liệu đầu vào có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ và tính công tác của bê tông geopolymer.
Dung dịch polymer hoạt hóa là hỗn hợp giữa dung dịch NaOH và dung dịch thủy tinh lỏng, chủ yếu bao gồm M2O (oxit kim loại alkali), SiO2 (oxit silic) và nước M2O có thể là Na2O, K2O hoặc Li2O, với công thức chung được biểu diễn là xSiO2.M2O.zH2O, trong đó x đại diện cho mức độ polymer hóa và z là số lượng phân tử nước Các kết quả thực nghiệm từ các nghiên cứu trước đã chỉ ra những thông tin quan trọng về tính chất và ứng dụng của dung dịch này.
Tỉ lệ nước trên geopolymer rắn dao động từ 0,2 đến 0,4, bao gồm nước từ thủy tinh lỏng, dung dịch Natri hydroxyt và nước thêm vào để cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông Khối lượng geopolymer rắn là tổng khối lượng của tro bay, Natri hydroxyt rắn và phần rắn trong thủy tinh lỏng (Na2O và SiO2) Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ này ảnh hưởng đáng kể đến cường độ và tính công tác của bê tông geopolymer; khi tỷ lệ nước tăng, tính công tác của hỗn hợp cải thiện nhưng cường độ mẫu bê tông lại giảm, tương tự như trong bê tông xi măng Portland.
Tỉ lệ khối lượng dung dịch kiềm trên khối lượng tro bay được khuyến cáo nằm trong khoảng từ 0,3 đến 0,45 Nếu tỉ lệ này vượt quá 0,47, cường độ của bê tông geopolymer sẽ không còn phát triển nữa, theo nghiên cứu của D Hardjito và B V Rangan.
Tỉ lệ thủy tinh lỏng và dung dịch NaOH thường dao động từ 2,0 đến 2,5 Theo Davidovits (2008), thủy tinh lỏng nên được mua dưới dạng dimer hoặc trimer thay vì monomer, và việc trộn thủy tinh lỏng với dung dịch kiềm trước sẽ hỗ trợ quá trình polyme hóa.
Nồng độ mol của dung dịch NaOH ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ nén, với nồng độ lý tưởng từ 8M đến 16M Đặc biệt, dung dịch NaOH đạt nồng độ 16M sẽ mang lại cường độ nén cao nhất, theo nghiên cứu của Davidovits (2008).
Bê tông geopolymer được pha trộn với dung dịch sodium hydroxide nồng độ 16 mol/lít và tỷ lệ dung dịch alkaline – tro bay là 0,7, trong đó tỷ lệ dung dịch sodium silicate so với dung dịch sodium hydroxide là 2,5 Sợi poly-propylene được thêm vào với các tỷ lệ chiều dài – đường kính khác nhau, với hàm lượng 0, 0,5, 1,0 và 1,5% theo thể tích Tỷ lệ chiều dài – đường kính của sợi dao động từ 100 đến 500 Thông tin chi tiết về cấp phối bê tông geopolymer được trình bày trong bảng 3.5.
Bảng 3.7 Cấp phối cho bê tông geopolymer (kg/m 3 ) Đá dăm Cát Tro bay Dung dịch sodium silicate
Hỗn hợp bê tông geopolymer sử dụng sợi poly-propylene được chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM C39 và ASTM C78 Sau khi tạo hình khuôn trụ, mẫu bê tông được để tĩnh trong 2 ngày, sau đó tháo khuôn và dưỡng hộ nhiệt ở 90 độ C trong 10 giờ để kích thích quá trình geopolymer hóa.
Sau khi trải qua quá trình dưỡng hộ nhiệt, mẫu được đưa vào môi trường phòng thí nghiệm để thực hiện thí nghiệm xác định cường độ chịu nén và cường độ chịu uốn sau 7 ngày tuổi.
3.2.2 Quy trình thí nghiệm mẫu
Với từng cấp phối mẫu nêu trên:
- Đúc mẫu vật liệu hình lăng trụ với kích thước 100x200 mm cho thí nghiệm cường độ nén
- Đúc mẫu vật liệu hình trụ có kích thước 100x100x400 mm cho thí nghiệm cường độ kéo uốn
Các bước thực hiện theo trình tự như sau:
Bước 1: Chuẩn bị nguyên vật liệu, khuôn mẫu
Nguyên vật liệu cho quá trình đúc mẫu đã được chuẩn bị sẵn Đặc biệt, đối với các loại vật liệu như đá và cát, cần phải rửa sạch và phơi khô trước khi sử dụng để đảm bảo chất lượng.
Các vật liệu được tính cho từng tổ mẫu (03 mẫu/1 tổ) được tính toán và cân đo từng chủng loại
Sợi được tách nhỏ ra và cân thành từng phần tương ứng theo tỷ lệ
Khuôn mẫu được vệ sinh và gia công lại đảm bảo độ kín, chặt chẽ trong suốt quá trình đúc mẫu
Hình 3.8 Nguyên vật liệu sử dụng đúc mẫu Bước 2: Nhào trộn và đúc mẫu
Trộn khô phối liệu bao gồm các thành phần như đá, cát và tro bay, sau đó cho sợi vào theo tỷ lệ đã xác định Sợi được thêm vào từng mảng nhỏ để quá trình trộn diễn ra dễ dàng hơn.
Để kiểm soát và hạn chế sự vón cục của bê tông sợi, cần tiến hành trộn đều trước khi đổ dung dịch vào Sau đó, tiếp tục trộn cho đến khi bê tông đạt tiêu chuẩn yêu cầu.
Tiến hành kiểm tra độ sụt mẫu bằng dụng cụ đo độ sụt Đổ bê tông vào khuôn thành 2 lớp và tiến hành đầm bằng que đầm (25-
Làm phẳng bề mặt mẫu sau khi đúc và bảo quản mẫu tại phòng thí nghiệm ở nhiệt độ phòng trong 5 ngày Sau đó, tháo khuôn và tiến hành quá trình dưỡng hộ nhiệt cho mẫu hình trụ có kích thước cụ thể.
Rxh 100x200mm b.Mẫu uốn kích thước BxHxL 100x100x400 mm
Hình 3.9 Đúc mẫu và thành phẩm Bước 3: Dưỡng hộ nhiệt
Mẫu được dưỡng hộ nhiệt ở nhiệt độ 90 o C trong thời gian 10 giờ Sau đó được lưu tại điều kiện thường trong khoảng từ 5-7 ngày trước khi tiến hành nén mẫu
Bước 4: Nén và uốn mẫu
Thí nghiệm cấu kiện dầm
Các vật liệu thí nghiệm đã được chuẩn bị sẵn với chủng loại và thành phần đúng tiêu chuẩn như đã nêu trong mục 3.1 Đồng thời, các dụng cụ và thiết bị thí nghiệm cũng được chuẩn bị để thực hiện việc cân đo và pha chế theo tỷ lệ quy định.
Cốp pha được gia công sẵn và lắp ghép tạo thành khuôn có kích thước lọt lòng 200x300x3300 mm Liên kết giữa các bộ phận được thực hiện bằng bulong, đảm bảo sự chắc chắn và ổn định trong suốt quá trình đúc dầm, ngăn ngừa hiện tượng biến dạng và cong vênh.
Thộp dọc được gia công với 2 thanh thộp ỉ12 có chiều dài 3,45m, tạo neo 2 đầu mỗi đoạn 0,1m, cùng với 5 thanh thộp ỉ14 đặt dưới có chiều dài 3,25m, phân thành 02 lớp (lớp dưới 03 cây, lớp trên 02 cây) Việc cắt thép này đảm bảo rằng khung thép sau khi gia công có thể được đặt trong cốp pha, với khoảng cách lớp bê tông bảo vệ mỗi đầu là 2,5cm.
Thộp đai: Gia cụng cốt thộp đai bằng sắt ỉ6, chiều dài mỗi thanh thộp 0,88m Uốn thành cốt đai có kích thước 15x25cm
Sau khi hoàn tất gia công thép dọc và cốt đai, chúng ta sẽ liên kết chúng bằng dây kẽm Cốt đai được đặt đều theo cốt dọc với khoảng cách 15cm.
Hình 3.11 Cấu tạo cốt thép dầm
Sau khi hoàn tất gia công cốt pha và cốt thép, tiến hành đặt cốt thép vào trong cốt pha Cần cố định khung thép trong cốt pha với khoảng cách lớp bê tông bảo vệ là 2,5cm để đảm bảo chất lượng và độ bền của công trình.
Hình 3.12 Gia công cốt thép và ván khuôn 3.3.3 Nhào trộn và đúc khuôn
Trộn khô phối liệu bao gồm tro bay, cốt liệu và sợi được thực hiện bằng máy trộn trong khoảng 3 phút Sau đó, dung dịch thủy tinh lỏng được pha trộn với nước sẽ được thêm vào hỗn hợp khô và tiếp tục trộn trong 4 phút Nếu có sử dụng phụ gia, cần trộn thêm chúng trước khi hoàn tất quá trình nhào trộn.
Tiến hành kiểm tra độ sụt trước khi đúc mẫu Đổ hỗn hợp bê tông tươi vào khuôn chia thành 02 lớp để đầm
Trong quá trình đổ bê tông, mẫu bê tông hình trụ có đường kính 100mm và chiều cao 200mm được lấy để kiểm tra Tất cả các mẫu này được đầm nén và dưỡng hộ nhiệt giống như các mẫu dầm, sau đó được nén để xác định cường độ bê tông trong thí nghiệm dầm.
Hình 3.13 Trộn cấp phối hạt và sợi
Sau khi đổ đầy bê tông vào khuôn, ta tiến hành làm phẳng bề mặt dầm
Hình 3.14 Sản phẩm bê tông và hoàn thành thành đúc khuôn
Dựa trên kết quả nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của trường, quá trình dưỡng hộ nhiệt sẽ được thực hiện như sau: Sau khi đúc khuôn, các mẫu sẽ được để ở nhiệt độ thường trong 10 ngày Tiếp theo, mẫu sẽ được dưỡng hộ nhiệt ở nhiệt độ 90°C trong 10 giờ Sau khi hoàn tất quá trình dưỡng hộ, các mẫu sẽ được lưu trữ tại khu vực lưu mẫu của phòng thí nghiệm để tiến hành nén mẫu.
Hình 3.15 Dưỡng hộ nhiệt 3.3.5 Lắp đặt và thí nghiệm
Tất cả các dầm đã được thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM, với dầm được đặt trên gối tựa cách nhịp 3000mm Tải trọng tập trung được áp dụng tại giữa nhịp dầm, trong khi thiết bị đo biến dạng và chuyển vị được lắp đặt tại giữa dầm để ghi nhận kết quả Ngoài ra, thiết bị đo chuyển vị cũng được gắn tại vị trí L/4 để thu thập dữ liệu bổ sung.
CAÁU KIEÄN DAÀM KHUNG UOÁN 50T
Hình 3.16 Mô hình uốn dầm
Trình tự thực hiện cụ thể như sau:
Để bắt đầu, cần vệ sinh bề mặt dầm và bả mastic, sau đó chà nhám để tạo độ nhẵn Tiến hành kẽ ô vuông với kích thước 5x5cm nhằm dễ dàng quan sát các vết nứt trong quá trình gia tải thí nghiệm.
Hình 3.17 Kẻ ô tạo lưới dầm chuẩn bị uốn Bước 2: Lắp đặt dầm
Dầm được di chuyển bằng cầu trục và đặt vào vị trí khung uốn sao cho vị trí giữa nhịp dầm trùng với vị trí gia tải
Hình 3.18 Lắp đặt dầm trước khi uốn
Bước 3: Vệ sinh đáy dầm tại vị trí gắn thiết bị đo
Bước 4: Gắn thiết bị đo
Thiết bị đo bao gồm Strain Gauges để đo biến dạng, được lắp đặt giữa nhịp dầm, cùng với thiết bị đo chuyển vị tại hai vị trí giữa dầm, cách nhau 1/4 nhịp dầm Tất cả các thiết bị này được kết nối với máy đo để ghi nhận kết quả chính xác.
Hình 3.19 Gắn thiết bị đo biến dạng Bước 5: Gia tải và ghi nhận kết quả
Biến dạng và chuyển vị được theo dõi qua máy đo tự động, cho phép ghi nhận chính xác sự hình thành và phát triển của vết nứt Việc quan sát trực tiếp giúp xác định khoảng cách giữa các vết nứt, tải trọng gây ra sự xuất hiện của chúng, cũng như tải trọng phá hoại của dầm.
Hình 3.20 Thiết bị ghi nhận kết quả đo chuyển vị và biến dạng