Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch hoạt hóa đến tính chất cơ lý của bê tông geopolymer không sử dụng xi măng dùng trong công trình dân dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH --- PHẠM TRUNG TRỰC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG DỊCH HOẠT HÓA ĐẾN TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER KHÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

-

PHẠM TRUNG TRỰC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG DỊCH HOẠT HÓA ĐẾN TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER KHÔNG SỬ DỤNG XI MĂNG DÙNG

TRONG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ

CÔNG NGHIỆP

TP Hồ Chí Minh, Năm 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

-

PHẠM TRUNG TRỰC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG DỊCH HOẠT HÓA ĐẾN TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER KHÔNG SỬ DỤNG XI MĂNG DÙNG

TRONG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG

Chuyên ngành : Xây dựng Công trình dân dụng và Công nghiệp Mã số chuyên ngành : 60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ

CÔNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học:

Ts Lê Anh Tuấn

TP Hồ Chí Minh, Năm 2016

Tôi cam đoan rằng luận văn này với tên đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch hoạt hóa đến tính chất cơ lý của bê tông Geopolymer không sử dụng xi măng dùng trong công trình dân dụng” là bài nghiên cứu của chính tôi

Không có sản phẩm/nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong luận văn này mà không được trích dẫn theo đúng quy định Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các trường đại học hoặc cơ sở đào tạo khác

Thành phố Hồ Chí Minh, 2016 Người cam đoan

Phạm Trung Trực

LỜI CẢM ƠN

Thực hiện bài Luận văn này đánh dấu sự hoàn thành khóa học Thạc Sĩ và cũng

là kết quả sau một quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Mở TP.HCM Tôi vô cùng biết ơn đối với rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện nhiệt tình và quý báu trong suốt thời gian này

Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ba, Mẹ đã ủng hộ hết mực để hoàn thành khóa học này

Tôi xin chân thành lòng biết ơn đến Thầy hướng dẫn luận văn là TS Lê Anh Tuấn, người đã tận tình giúp đỡ từ lúc hình thành những ý tưởng đầu tiên của đề tài cũng như xuyên suốt quá trình hoàn thành luận văn này Bên cạnh đó Thầy cũng động viên về mặt tinh thần và truyền đạt những kiến thức xã hội bổ ích

Tôi xin chân thành cảm ơn đến các Thầy, Cô ở các bộ môn đã trực tiếp giảng dạy, truyền đạt những kiến thức và các phương pháp luận trong học tập

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo nhà trường, các Thầy Cô ở Phòng Đào Tạo Sau Đại học đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt khóa học

Tôi xin gởi lời cảm ơn các bạn trong lớp XD2 đã cùng nhau học tập, giúp đỡ lẫn nhau trong suốt quá trình học tập

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH vii

CHƯƠNG 1 1

MỞ ĐẦU 1

1.1 Tổng quan tình hình phát triển của bê tông Geopolymer 1

1.1.1 Cơ sở phát triển và khái niệm về bê tông Geopolymer 1

1.1.2 Tình hình nghiên cứu và phát triển Geopolymer 2

1.1.2.1 Tình hình phát triển trên thế giới 2

1.1.2.2 Tình hình phát triển ở Việt Nam 8

1.1.2.3 Tình hình nghiên cứu và sử dụng tro bay 9

1.3 Mục tiêu nghiên cứu: 11

CHƯƠNG 2 13

CƠ SỞ KHOA HỌC 13

2.1 Cơ sở khoa học của vật liệu Geopolymer 13

2.1.1 Cấu trúc phân tử của Geopolymer 13

2.1.2 Cơ chế hóa học của Geopolyner sử dụng tro bay 14

2.1.3 Cơ chế đóng rắn của Geopolymer sử dụng tro bay 16

2.2 Cơ sở lưu biến của vật liệu 21

2.2.1 Phương pháp số xác định độ linh động của hỗn hợp bê tông 25

CHƯƠNG 3 28

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 28

3.1 Nguyên liệu 28

3.1.1 Tro bay 28

3.1.2 Dung dịch hoạt hóa 28

3.1.2.1 Sodium silicate 28

3.1.2.2 Sodium hydroxide 29

3.1.3 Đá 29

3.1.4 Cát 30

3.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu 33

3.2.2 Nhào trộn, đúc mẫu và kiểm tra độ linh động 33

3.2.3 Phương pháp dưỡng hộ 35

3.2.4 Xác định các tính chất cơ học 36

3.2.5 Xác định độ linh động của hỗn hợp bằng phương pháp số 38

3.3 Thành phần cấp phối bê tông geopolymer 39

CHƯƠNG 4 42

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 42

4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và thành phần dung dịch hoạt hóa đến khả năng lưu biến của bê tông 42

4.1.1 Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và dung dịch đến độ linh động của bê tông ……… 44

4.1.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ dung dịch và thành phần SS-SH trong dung dịch 46

4.1.3 Ảnh hưởng của độ nhớt hỗn hợp bê tông đến độ linh động 49

4.2 Sự ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và dung dịch hoạt hóa đến độ co ngót của bê tông Geopolymer 60

4.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng tro trong điều kiện phòng 61

4.2.2 Ảnh hưởng của dung dịch hoạt hóa - tro bay đến độ co ngót của bê tông geopolymer trong điều kiện nhiệt độ phòng 63

4.2.3 Sự ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến độ co ngót của bê tông geopolymer ở điều kiện 90oC 65

4.2.4 Ảnh hưởng của dung dịch hoạt hóa đến độ co ngót của bê tông geopolymer ở điều kiện 90oC 68

4.3 Sự ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và tỷ lệ dung dịch hoạt hóa đến cường độ

của bê tông geopolymer 71

4.3.2 Sự ảnh hưởng của dung dịch hoạt hóa – tro bay đến cường độ bê tông geopolymer 75

CHƯƠNG 5 82

KẾT LUẬN – PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82

5.1 Kết luận 82

5.2 Hướng phát triển đề tài 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

DANH MỤC BẢNG

CHƯƠNG 1:

Bảng 1 1Mốc thời gian về sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu Geopolymer

(Roy, D.M., 1999) 3

Bảng 1 2 Mức sử dụng tro bay ở Mỹ vào những năm gần đây (Roy Della M., 1999) 7

CHƯƠNG 3: Bảng 3 1Thành phần hóa học tro bay Formosa (Bùi Đăng Trung, 2008) 28

Bảng 3 2 Chỉ tiêu của tiêu chuẩn ngành 64 TCN 38 – 86 28

Bảng 3 3 Thành phần cấp phối bê tông geopolymer 40

CHƯƠNG 4: Bảng 4 1Ảnh hưởng của dung dịch hoạt hóa và hàm lượng tro bay đến độ linh động của bê tông Geopolymer 42

Bảng 4 2 Xác định độ linh động theo công thức Coussot 50

Bảng 4 3 Độ linh động theo công thức Coussot đã hiệu chỉnh hệ số A1=234 53

Bảng 4 4 Độ linh động theo công thức Coussot đã hiệu chỉnh hệ số A2=4,9 54

Bảng 4 5 Độ linh động theo công thức Coussot đã hiệu chỉnh hệ số A3=6.6 56

Bảng 4 6 Độ co ngót của hỗn hợp bê tông geopolymer theo thời gian và nhiệt độ 60 Bảng 4 7 Cường độ nén của các mẫu bê tông Geopolymer 72

DANH MỤC HÌNH CHƯƠNG 1: Hinh 1 1 Các tấm panel bê tông E-Crete 55MPa ở Cảng Melbourne, Victoria, Úc 6 Hinh 1 2 Mô hình sản xuất, ứng dụng tro bay (Trần Thị Minh Huyền, 2012) 8

Hình 1 3 Tro bay tại NHiệt Điện Vĩnh Tân – Bình Thuận 10

Hình 1 4 Bãi thải tro bay tại nhà máy NHiệt Điện Vĩnh Tân – Bình Thuận 10 CHƯƠNG 2:

Hình 2 1 Bộ khung không gian được liên kết giữa các cầu nối – Si – O – Al – 13

Hình 2 2 Cấu trúc của các loại poly sialate 14

Hình 2 3 Mô hình quá trình hoạt hóa của dung dịch kiềm Alkali đối với tro bay 15

Hình 2 4 Thủy tinh lỏng phản ứng với nước 17

Hình 2 5 Sơ đồ cơ chế phản ứng (Davidovits, 1999) 17

Hình 2 6 Phản ứng tạo Poly sialate với tỉ lệ Si/Al=1 17

Hình 2 7 Phản ứng tạo Poly sialate với tỉ lệ Si/Al=2 18

Hình 2 8 Đồ thị lưu biến tương ứng với những loại ứng xử lưu biến khác nhau 22

Hình 2 9 Nguyên lý hoạt động lưu biến kế kiểu Poiseuille 23

Hình 2 10 Xác định độ lỏng của bê tông Geopolymer bằng thí nghiệm Abrams 26

CHƯƠNG 3: Hình 3 1 Sodium hydroxide rắn 29

Hình 3 2 Đá dăm theo TCVN 7570:2006 29

Hình 3 3 Cát theo tiêu chuẩn TCVN 1770:1986 30

Hình 3 4 Quy trình chuẩn bị mẫu 31

Hình 3 5 Quy trình thí nghiệm kiểm tra độ co ngót của bê tông Geopolymer 32

Hình 3 6 Định lượng hệ nguyên vật liệu 33

Hình 3 7 Quá trình nhào trộn và đúc mẫu bê tông Geopolymer bằng máy trộn 34

Hình 3 8 Thí nghiệm xác định độ linh động của bê tông Geopolymer 35

Hình 3 9 Bê tông Geopolymer dưỡng hộ trong khuôn theo tiêu chuẩn 35

Hình 3 10 Sấy mẫu bê tông Geopolymer ở 90oC sau 4 giờ 36

Hình 3 11Khuôn theo kích thước tiêu chuẩn ASTM C490 36

Hình 3 12 Đo co ngót bê tông Geopolymer theo tiêu chuẩn 37

Hình 3 13 Mẫu bê tông Geopolymer bị phá hoại sau khi nén 37

Hình 3 14 Lưu đồ tính toán độ linh động của hỗn hợp betong geopolymer 39

CHƯƠNG 4: Hình 4 1Mối quan hệ độ linh động và tro bay với tỉ lệ dung dịch/tro bay là 0,5 44

Hình 4 2 Mối quan hệ độ linh động và tro bay với tỉ lệ dung dịch/tro bay là 0,6 45

Hình 4 3 Mối quan hệ độ linh động và tro bay với tỉ lệ dung dịch/tro bay là 0,7 45

Hình 4 4 Mối quan hệ độ sụt và tỉ lệ SS-SH với hàm lượng tro bay 300kg 47

Hình 4 5 Mối quan hệ độ linh động và tỉ lệ SS-SH với hàm lượng tro bay 400kg 48

Hình 4 6 Mối quan hệ độ linh động và tỉ lệ SS-SH với hàm lượng tro bay 500kg 48

Hình 4 7 So sánh giá trị thực nghiệm và tính toán độ chảy xòe của hỗn hợp bê tông Geopolymer 51

Hình 4 8 Mối quan hệ giữa ngưỡng chảy và độ chảy xòe của hỗn hợp theo Cao

Xuân Phong(2009) 52

Hình 4 9 Độ chảy xòe thực nghiệm và tính toán khi hiệu chỉnh bằng hệ số A=234 58

Hình 4 10 Độ chảy xòe tính toán khi hiệu chỉnh bằng các hệ số A1=234, A2=4.9, A3=6.6 58

Hình 4 11 Độ co ngót sau 24 giờ và hàm lượng tro bay khác nhau 61

Hình 4 12 Độ co ngót sau 48 giờ và hàm lượng tro bay khác nhau 61

Hình 4 13 Độ co ngót sau 72 giờ và hàm lượng tro bay khác nhau 62

Hình 4 14 Mối quan hệ giữa độ co ngót sau 24 giờ và tỷ lệ dung dịch hoạt hóa/tro bay 63

Hình 4 15 Mối quan hệ giữa độ co ngót sau 48 giờ và tỷ lệ dung dịch hoạt hóa/tro bay 64

Hình 4 16 Mối quan hệ giữa độ co ngót sau 72 giờ và tỷ lệ dung dịch hoạt hóa/tro bay 64

Hình 4 17 Mối quan hệ giữa độ co ngót sau 24 giờ và hàm lượng tro bay với tỉ lệ dung dịch hoạt hóa/tro bay 0,3 ở điều kiện 90oC 66

Hình 4 18 Mối quan hệ giữa độ co ngót sau 48 giờ và hàm lượng tro bay với tỉ lệ dung dịch hoạt hóa/tro bay 0,3 ở điều kiện 90oC 66

Hình 4 19 Mối quan hệ giữa độ co ngót sau 72 giờ và hàm lượng tro bay với tỉ lệ dung dịch hoạt hóa/tro bay 0,3 ở điều kiện 90oC 67

Hình 4 20 Mối quan hệ giữa độ co ngót sau 24 giờ và tỷ lệ dung dịch hoạt hóa/tro bay ở điều kiện 90oC 68

Hình 4 21 Mối quan hệ giữa độ co ngót sau 48 giờ và tỷ lệ dung dịch hoạt hóa/tro bay ở điều kiện 90oC 69

Hình 4 22 Mối quan hệ giữa độ co ngót sau 72 giờ và tỷ lệ dung dịch hoạt hóa/tro bay ở điều kiện 90oC 69

Hình 4 23 So sánh co ngót của mẫu bê tông dưỡng hộ nhiệt và dưỡng hộ ở điều kiện thường theo nghiên cứu của D Hardjito and B V Rangan (2005) 71

Hình 4 24 Mối quan hệ cường độ và tro bay với tỉ lệ dung dịch/tro bay là 0.3, tỷ lệ SS/SH là 0.5 73

Hình 4 25 Mối quan hệ cường độ và tro bay với tỉ lệ dung dịch/tro bay là 0.6, tỷ lệ SS/SH là 0.5 74

Hình 4 26 Mối quan hệ cường độ và tro bay với tỉ lệ dung dịch/tro bay là 0.7, tỷ lệ SS/SH là 0.5 74

Hình 4 27 Mối quan hệ cường độ và tỉ lệ dung dịch/tro bay với tỷ lệ SS/SH là 0.5 75 Hình 4 28 Mối quan hệ cường độ và tỉ lệ dung dịch/tro bay với tỷ lệ SS/SH là 2.5 76 Hình 4 29 Mối quan hệ cường độ và tỉ lệ dung dịch sodium silicate - dung dịch sodium hydroxide – SS/SH=[0,5;1;2;2,5] với hàm lượng tro bay là 300kg 77

Hình 4 30 Mối quan hệ cường độ và tỉ lệ dung dịch sodium silicate - dung dịch sodium hydroxide – SS/SH=[0,5;1;2;2,5] với hàm lượng tro bay là 400kg 78 Hình 4 31 Mối quan hệ cường độ và tỉ lệ dung dịch sodium silicate - dung dịch sodium hydroxide – SS/SH=[0,5;1;2;2,5] với hàm lượng tro bay là 500kg 78 Hình 4 32 Bề mặt bê tông sau khi hoạt hóa 80 Hình 4 33 Bề mặt bêtông sau khi hoạt hóa hoàn chỉnh 80

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1 Tổng quan tình hình phát triển của bê tông Geopolymer

1.1.1 Cơ sở phát triển và khái niệm về bê tông Geopolymer

Xi măng Portland đóng vai trò thành phần chất kết dính trong việc sản xuất bê tông, được coi như vật liệu xây dựng thông dụng nhất trong thế kỉ 21 Sản lượng xi măng sản xuất trên toàn thế giới không ngừng gia tăng dự kiến từ khoảng 1.5 tỷ tấn trong năm 1995 lên khoảng 2.2 tỷ tấn trong năm 2010 (Mehta, 1999) Tuy nhiên thực tế, vào năm 2010 sản lượng xi măng trên toàn thế giới là 3.3 tỷ tấn (Mineral Commodity Summaries, 2011) Tuy nhiên, ngành công nghiệp sản xuất xi măng lại là một trong các ngành tiêu thụ rất lớn nguồn tài nguyên khoáng sản (đá vôi, cốt liệu) và năng lượng (than, dầu, điện) và cũng là một trong các ngành công nghiệp thải ra lượng CO2 rất lớn vào môi trường Số liệu điều tra cho thấy lượng khí CO2 từ ngành công nghiệp xi măng xấp xỉ 1.35 tỷ tấn/năm chiếm khoảng 7% lượng khí thải CO2 trên toàn thế giới (Malhotra, V.M., 2002) Theo thống kê trung bình để sản xuất ra 1 tấn xi măng đòi hỏi phải tiêu tốn 4GJ nhiên liệu và sẽ thải ra 1 tấn CO2 vào khí quyển góp phần gây ra hiệu ứng nhà kính làm cho Trái đất nóng lên (Roy D.M., 1999 và Davidovits J., 2002) Nhu cầu xây dựng và phát triển hạ tầng giao thông, thay thế và phát triển các đô thị mới trở nên ngày càng cấp thiết hơn nên đòi hỏi ngành công nghiệp sản xuất xi măng, sản phẩm bê tông phải cung cấp sản lượng lớn dần theo (McCaffrey, R., 2002) Lượng khí CO2 thải vào không khí sẽ tăng, làm ô nhiễm bầu không khí, tác động đến sự thay đổi khí hậu và đang trở nên vấn đề quan trọng của các nước phát triển và đang phát triển

Tại Việt Nam, việc đầu tư xây dựng công trình dân dụng và hệ thống hạ tầng đang diễn ra mạnh mẽ và là vấn đề ưu tiên cấp thiết đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế,

xã hội, văn hóa, du lịch Đáp ứng nhu cầu của xây dựng hạ tầng khắp nơi trên lãnh thổ, Việt Nam đầu tư công nghệ sản xuất xi măng từ công nghệ lò đứng, nghiền khô; lò nằm, nghiền khô, nghiền ướt chỉ nhằm đáp ứng nhu cầu trong nước Tuy nhiên, trong tình trạng biến đổi khí hậu toàn cầu và xu hướng sử dụng các nguyên liệu khác thân thiện

với môi trường để thay thế xi măng trong thành phần của bê tông ngày càng được quan tâm Do đó, việc nghiên cứu chất kết dính thân thiện với môi trường, giảm sự lệ thuộc vào xi măng đang là nhu cầu thật sự cần quan tâm Trên thế giới đã sử dụng tro bay thay thế một phần hoặc toàn xi măng trong thành phần bê tông Đến nay Việt Nam đang tiến hành nghiên cứu và đánh giá khả năng ứng dụng trong điều kiện thi công ở Việt Nam đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật như: đủ khả năng chịu lực, đạt cường độ sớm, khả năng chịu nhiệt cao, ổn định với nước và thân thiện với môi trường là vấn đề cần thiết hiện nay

Khái niệm chất kết dính vô cơ thiên nhiên được biết đến như tên gọi Geopolymer lần đầu tiên được sử dụng bởi giáo sư Joseph Davidovits từ những năm 1978 Nguyên

lý chế tạo vật liệu Geopolymer dựa trên khả năng phản ứng của các vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm để tạo ra sản phẩm bền và có cường độ Hệ nguyên liệu để chế tạo vật liệu Geopolymer bao gồm hai thành thần chính là các nguyên liệu có nguồn gốc từ thiên nhiên hay các nguyên liệu công nghiệp có chứa các thành phần hoạt tính và chất hoạt hóa kiềm Nguyên liệu ban đầu thường ở dạng aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình Geopolymer hóa xảy ra Chất hoạt hóa kiềm sử dụng phổ biến nhất là các chất lỏng có khả năng tạo môi trường kiềm và tham gia vào các phản ứng Geopolymer hóa (Glukhovsky, 1959, Davidovits, 1979) Việc sản xuất 1 tấn chất kết dính Geopolymer từ tro bay chỉ tạo ra khoảng 0,18 tấn CO2 từ sự đốt cháy nguyên liệu cacbon Như vậy, so với 1 tấn CO2 sinh ra khi sản xuất xi măng thì sản xuất chất kết dính Geopolymer thấp hơn gấp 6 lần Do đó, chất kết dính geopolymer có khả năng tăng nhu cầu cho phát triển hạ tầng và xây dựng cùng với giảm lượng khí CO2 thải ra môi trường (Davidovits J., 2002)

1.1.2 Tình hình nghiên cứu và phát triển Geopolymer

1.1.2.1 Tình hình phát triển trên thế giới

Ngành Công nghệ vật liệu Geopolymer ra đời từ những năm 1960, nhưng được quan tâm và nghiên cứu nhiều hơn từ những năm 1972 đến nay Hiện tại đã có rất nhiều bằng sáng chế, nghiên cứu và ứng dụng Geopolymer vào các ngành công nghệ vật liệu hiện đại được giới thiệu và ứng dụng trên toàn thế giới Bê tông Geopolymer là một loại

bê tông hoàn toàn không sử dụng chất kết dính xi măng Portland, tạo ra vật liệu rắn chắc là sản phẩm của phản ứng Các kết quả nghiên cứu quan trọng về sự phát triển của

chất kết dính kiềm hoạt hóa thuộc ngành công nghệ vật liệu Geopolymer trình bày trong bảng dưới đây

Bảng 1 1Mốc thời gian về sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu Geopolymer (Roy, D.M., 1999)

Glukhovsky 1959 Lý thuyết cơ bản và sự phát triển của chất kết dính kiềm Glukhovsky 1965 Lần đầu tiên gọi xi măng kiềm (Alkaline cements)

Langton and Sawyer 1984 Bằng sáng chế xi măng “Pyrament”

Talling and

Wu et al 1990 Chất hoạt hóa của xi măng xỉ

Roy et al 1991 Xi măng rắn nhanh kiềm hoạt hóa

Wang and Scrivener 1995 Vi cấu trúc của xỉ kiềm hoạt hóa

Shi 1996 Cường độ, cấu trúc lỗ rỗng và tính thấm nước của xỉkiềm hoạt hóa Fernandez-Jimenez

and Puertas 1997 Nghiên cứu động học của chất kết dính xỉ kiềm hoạt hóa Katz 1998 Vi cấu trúc của tro bay kiềm hoạt hóa Palomo 1999 Tro bay kiềm hoạt hóa – Chất kết dính cho tương lai Gong and Yan 2000 Chất kết dính bùn đỏ - Xỉ kiềm hoạt hóa Puertas 2000 Chất kết dính tro bay – Xỉ kiềm hoạt hóa Bakkharev 2001 – 2001 Bê tông xỉ kiềm hoạt hóa

Provis and Deventer 2009 Geopolymer: cấu trúc, quá trình sản xuất, tính chất,

và ứng dụng công nghiệp Năm 1969, Besson, Caillere và Henin, thực hiện tổng hợp các hydrosodalite từ phyllosilicates khác nhau ở 1000C trong dung dịch NaOH Năm 1972, là bước khởi đầu cho việc phát triển Geopolymer khi viện Geopolymer đầu tiên thành lập tại Pháp từ ý tưởng tìm ra loại vật liệu chống cháy và chịu nhiệt độ cao Joseph Davidovits đã phát hiện ra hệ nguyên liệu bao gồm đất sét, cao lanh có thể tương tác với kiềm NaOH ở 100-1500oC để tạo ra hợp chất mới là Hydrosodalite

Từ năm 1973-1976, Các sản phẩm ứng dụng Geopolymer đầu tiên xuất hiện (được phát triển nhờ JJ Legrand), chẳng hạn như tấm gỗ chịu lửa bao gồm một lõi gỗ ở giữa hai lớp phủ nanocomposite

Năm 1978, giáo sư Davidovits cho rằng chất kết dính Geopolymer có thể được tạo

ra bằng phản ứng polymer hóa giữa dung dịch Alkali silicat với silic và nhôm có trong nguồn nguyên liệu đất đá tự nhiên hay trong những sản phẩm phụ như tro bay, tro trấu… Ban đầu Geopolymer được ứng dụng rất giới hạn, chỉ dùng để chế tạo các sản phẩm thuộc dạng cao cấp như các khuôn đúc và dụng cụ cho ngành hàng không Năm 1983 các phát minh của xi măng Geopolymer độ bền cao: Công ty Lone Star (Mỹ) và Công ty dầu khí Shell công bố sự hình thành của Tổng công ty QUAZITE để phát triển, sản xuất xi măng Geopolymer (Davidovits J., 2002)

Những nghiên cứu về Geopolymer xuất hiện riêng lẽ ở từng quốc gia và tài liệu khoa học thì rất ít Cho đến những năm 1990, các tài liệu nghiên cứu khoa học về Geopolymer bắt đầu xuất hiện nhiều hơn, các nghiên cứu về ảnh hưởng của từng loại vật liệu trong Geopolymer bắt đầu được nghiên cứu sâu hơn Mối quan tâm đầu tiên về Geopolymer những năm này là ứng dụng vào công nghệ đóng gói chất thải rắn, giúp tận dụng nguồn chất thải độc hại thành những vật liệu có ích, giúp bảo vệ môi trường tốt hơn

Năm 2002, giáo sư Yunsheng Zhang từ đại học Đông Nam và giáo sư Zongjin từ đại học khoa học công nghệ Hồng Kông phối hợp cùng nhau nghiên cứu hệ thống cơ chế tổng hợp, tính chất cấu trúc, tỉ lệ thiết kế độ bền cơ học và hiệu suất của Geopolymer tự nhiên và nhân tạo

Từ năm 2003, nhiều viện nghiên cứu quốc gia và quốc tế đã tổ chức những buổi hội thảo về Geopolymer Hội nghị quốc tế về Geopolymer năm 2005 đã kỉ niệm 26 năm

sự kiện giáo sư Davidovits sáng lập viện Geopolymer Chủ đề chính của hội nghị là: Geopolymer – hóa học và sự phát triển Hội nghị gồm 2 sự kiện diễn ra tại hai nơi: Hội nghị quốc tế lần thứ tư của viện Geopolymer tại Saint-Quentin, Pháp và hội thảo về chất kết dính và bê tông Geopolymer tại Perth, nước Áo được tổ chức bởi Đại học Công nghệ Curtin, Perth, đại học Alabama, Mỹ Hội nghị và hội thảo xoay quanh vấn về hóa học Geopolymer, phế thải công nghiệp, tài nguyên thiên nhiên, chất kết dính và bê tông Geopolymer (bao gồm bê tông Geopolymer từ tro bay), ứng dụng trong vật liệu xây dựng, vật liệu công nghệ cao, vật liệu chịu lửa dùng trong vật liệu hiện đại

Năm 2008, các nghiên cứu về geopolymer đã khái quát toàn bộ kiến thức về công nghệ Geopolymer.Các ứng dụng của công nghệ này đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên toàn thế giới Nghiên cứu đã tập trung vào thành phần và nồng độ của dung dịch kiềm để thúc đẩy nhanh quá trình geopolymer hóa

Năm 2009, các nhà khoa học thống nhất mỗi năm diễn ra 2 sự kiện quốc tế: thứ nhất là hội nghị chuyên đề về Geopolymer vào tháng 1 tại bãi biển Daytona, Florida,

Mỹ và thứ hai là trại hè Geopolymer vào tháng bảy tại Saint-Quentin, Pháp, được tổ chức bởi viện Geopolymer Hiện nay nhu cầu về phát triển ứng dụng Geopolymer luôn tăng cao, các nước phát triển đang thành lập các cơ sở nghiên cứu để đẩy nahnh khả năng ứng dụng và tiêu chuẩn sử dụng vật liệu geopolymer Tại Úc, người ta đã chế tạo các đường ống, cấu kiện bê tông đúc sẵn Đặc biệt nổi bật với hai dự án là: dự án nâng cấp đường cao tốc Westgate, cảng Melbourne, Victoria và dự án Vicroad (180 tấm panel đúc sẵn đặt ngang cầu phố Salmon ở cảng Melbourne, Victoria (N.K.L dịch từ Global Cement Magazine, 2/2011)

Hinh 1 1 Các tấm panel bê tông E-Crete 55MPa ở Cảng Melbourne, Victoria, ÚcĐến nay, chiều hướng ngày càng thuận lợi hơn Nhiều nước châu Á và khu vực Thái Bình Dương đã tài trợ cho nhiều công trình nghiên cứu sâu rộng hơn về vật liệu Geopolymer Đặc biệt Trung Quốc, đã cho ra đời những mẻ xi măng Geopolymer đầu tiên vào năm 2006 Đây cũng chính là tín hiệu lạc quan trong việc góp phần bảo vệ môi trường sống khỏi tác động của hiệu ứng nhà kính đầy đe dọa (Global Cement Magazine, 2/2011)

Theo một cuộc khảo sát khi sử dụng bê tông Geopolymer trong xây dựng ta thấy: Tro bay là phế thải công nghiệp nhiệt điện sử dụng than đá làm nhiên liệu Khí thải từ lò đốt trước khi ra ngoài môi trường sẽ đi qua hệ thống lọc bụi, bụi được thu hồi chính là tro bay Hàng năm lượng tro bay được tạo ra ở Mỹ khoảng 68 triệu tấn Trong đó chỉ 32% lượng tro bay được sử dụng, chủ yếu trong lĩnh vực xây dựng (theo ACAA năm 2003) Tương tự, năm 2007 sản lượng tro bay tại Úc là khoảng 14,5 triệu tấn nhưng chỉ khoảng 2,3 triệu tấn được sử dụng (N A Lloyd - B V Rangan, 2010) Lượng tro bay trên toàn thế giới năm 1998 trên 390 triệu tấn, phần lớn được tạo ra tại Trung Quốc và Ấn

Độ Và lượng tro bay được sử dụng chỉ chiếm khoảng 14%, lượng còn lại trở thành rác thải ảnh hưởng tới môi trường (Malhotra, 1999) Đến năm 2010, toàn thế giới tạo ra khoảng 780 triệu tấn (Malhotra, 1999) Nếu ta sử dụng được nguồn tro bay lớn này vào lĩnh vực chế tạo bê tông nặng lượng giảm lượng khí thải và tiết kiệm được nguồn nguyên liệu tự nhiên (D Hardjito, 2005)

Bảng 1 2 Mức sử dụng tro bay ở Mỹ vào những năm gần đây (Roy Della M., 1999)

Năm Lượng tro bay

tạo ra (triệu tấn) Tro bay sử dụng (%) Tro bay không sử dụng (%)

- Ứng dụng trong sản xuất tro bay và bê tông: Tro bay đang là một phụ gia đặc biệt cho bê tông, có thể thay thế tới 20% xi măng

- Ứng dụng làm vật liệu xây dựng: Người ta sử dụng tro bay để thay thế đất sét, đá bột CaO và sỏi…làm vật liệu xây dựng cầu đường, sản xuất các loại gạch, tấm panel sản xuất gạch cho sân phơi, đường nông thôn, nhà tạm, hoặc dùng tro làm vật liệu nền đường

- Ứng dụng trong nông nghiệp: Tro bay được ứng dụng làm chất kích thích tăng trưởng cho cây trồng Bên cạnh đó viêc kết hợp tro bay nhẹ với nước bùn thải có giá trị làm phân bón…Chuyển hóa tro bay thành sản phẩm chứa zeolite

có thể dùng để cải tạo đất, chống chua, khô cằn và bạc màu

- Ứng dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ xử lý ô nhiễm nước: tro bay ngoài các ứng dụng kể trên còn được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực xử lý các chất

ô nhiễm môi trường Có rất nhiều các tài liệu nghiên cứu khả năng xử lý các chất

ô nhiễm nước bằng bằng phương pháp hấp phụ sử dụng tro bay

Hinh 1 2 Mô hình sản xuất, ứng dụng tro bay (Trần Thị Minh Huyền, 2012) Trong vật liệu Geopolymer, tro bay đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu trong chế tạo Để tìm được nguồn tro bay có tính chất tốt nhất cũng là mục tiêu hàng đầu của những nhà nghiên cứu Tại châu Âu, một dự án mang tên GEOASH triển khai năm 2004, quy tụ các chuyên gia đầu ngành về lĩnh vực tro than đến từ các đại học của những nước Tây Ban Nha, Bỉ, Hà Lan và cả của công ty Cordi – Geopolymer Mục tiêu của dự án là kiểm định khi sử dụng những loại tro bay từ 15 quốc gia khác nhau để tìm

ra sự ảnh hưởng của từng loại tro bay đến cường độ của vật liệu Geopolymer như thế nào (N.K.L dịch từ Global Cement Magazine, 2/2011)

1.1.2.2 Tình hình phát triển ở Việt Nam

Ở Việt Nam, từ những năm 2008 đã có khá nhiều đề tài khoa học nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này Lần đầu tiên công nghệ Geopolymer được áp dụng chủ yếu là để tận dụng nguồn phế phẩm công nghiệp là tro bay của các nhà máy nhiệt điện, tro bay được thiết kế trong thành phần bê tông, được ứng dụng vào công nghệ chế tạo các loại mặt đường cứng (đường ô tô, đường sân bay…) Ngoài ra, công nghệ Geopolymer còn được sử dụng để ổn định, xử lý tận dụng chất thải boxite từ quá trình khai thác quặng nhôm để chế tạo gạch đất sét nungở nhiệt độ thấp và đóng rắn nền đường (Nguyễn Văn Chánh, 2009)

Ngày 12 tháng 5 năm 2010, Viện Vật liệu xây dựng đã tổ chức Hội nghị chuyên đề

về vật liệu Geopolymer và ứng dụng của Geopolymer trong lĩnh vực vật liệu xây dựng

Vật liệu Geopolymer được nghiên cứu với mục tiêu tạo ra quá trình sản xuất thân thiện với môi trường, giảm khí CO2, tận dụng các chất thải công nghiệp như tro bay, bùn đỏ, xỉ…thành các sản phẩm có khả năng sử dụng cao

Các sản phẩm hiện nay nước ta đã nghiên cứu thành công:

- Công nghệ sản xuất gạch không nung của công ty Huệ Quang (2009)

- Nghiên cứu chế tạo gạch không nung bằng công nghệ geopolymer sử dụng tro bay và phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà ở vùng cao nguyên Việt Nam – Nhóm nghiên cứu trường đại học Bách Khoa TPHCM (2010)

- Bê tông sử dụng chất kết dính polymer vô cơ của nhóm nghiên cứu trường đại học Giao Thông Vận Tải Hà Nội (2011)

- Bê tông chịu lửa và gạch không nung sử dụng chất kết dính Geopolymer của nhóm nghiên cứu Viện Vật Liệu Xây Dựng (2012)

1.1.2.3 Tình hình nghiên cứu và sử dụng tro bay

Hiện nay, việc nghiên cứu tái sử dụng tro bay đang được quan tâm và phát triển mạnh mẽ trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng để tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu dồi dào này, đồng thời góp phần đáng kể cải tạo môi trường sống, giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Tại Việt Nam, lượng tro bay sản xuất ra là 600.000 tấn nhưng chỉ có 100.000 tấn được sử dụng (Nguyễn Văn Chánh, 2008) Ở nước ta, các nhà máy nhiệt điện ước tính hằng năm thải ra khoảng 1,3 triệu tấn tro bay (Hoàng Trọng Minh, 2007) Riêng nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 (Hải Dương) trung bình mỗi ngày thải ra khoảng 3.000 tấn tro

xỉ, trong đó 30% là than chưa cháy hết, còn lại là tro bay rất mịn Theo dự báo, đến năm 2020 sẽcó thêm 28 nhà máy nhiệt điện đốt than đi vào hoạt động (Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020, 2011), lúc đó lượng tro xỉ thải ra hàng năm sẽ vào khoảng 12 triệu tấn, đó là chưa kể lượng tro bay khá lớn thải ra từ hàng loạt các lò cao ở các khu công nghiệp gang thép sử dụng nhiên liệu than Vì vậy việc xử lí

để tái sử dụng chất thải rắn này là vấn đề vô cùng cấp bách

Hình 1 3 Tro bay tại NHiệt Điện Vĩnh Tân – Bình Thuận

Hình 1 4 Bãi thải tro bay tại nhà máy NHiệt Điện Vĩnh Tân – Bình Thuận

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Sự phát triển về nhu cầu cơ sở hạ tầng và công nghiệp của Việt Nam nói chung và các tỉnh ở khu vực phía Nam nói riêng đang là chiến lược chung của phát triển đất nước Đồng thời với quá trình phát triển là đảm bảo sự bền vững và môi trường thân thiện, giảm khí thải của công nghiệp sản xuất.Tro bay là một dạng vật liệu thải của công nghiệp nhiệt điện Trước đây, tro bay đã được sử dụng để thay thế một phần ximang trong các công trình sử dụng bê tông như bê tông công trình đập, bê tông hạn chế tỏa nhiệt, bê tông đầm lăn tại nước ta Theo xu thế của thế giới và vật liệu hiện đại, chất kết dính Geopolymer có khả năng tận dụng các phế thải của quá trình sản xuất công nghiệp như tro bay của các nhà máy nhiệt điện, xỉ lò cao của các nhà máy luyện gang – thép Việc sử dụng tro bay thay thế toàn bộ hàm lượng ximăng trong bê tông sẽ mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường nhiều hơn trước đây Bê tông Geopolymer trong công nghiệp xây dựng còn có thể mang lại nhiều lợi ích khác như: giảm nguy cơ chất thải công nghiệp và diện tích bãi chứa chất thải, cải thiện chất lượng vật liệu, độ bền, khả năng chịu lực cao, ổn định với nước, hao mòn ít, giảm được lượng khí thải CO2 và giảm chi phí đầu tư và bảo trì các kết cấu

Do đó, nghiên cứu ứng dụng tro bay nhiệt điện của Việt Nam trong thành phần của

bê tông geopolymer là khả năng phát triển bền vững cho nhu cầu phát triển hạ tầng cơ

sở và đáp ứng tốc độ đô thị hóa ngày càng cao

1.3 Mục tiêu nghiên cứu:

- Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần nguyên liệu tro bay thay thế hoàn toàn ximăng đến tính chất của bê tông Geopolymer

- Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch hoạt hóa đến độ linh động cao và khả năng co ngót của hỗn hợp bê tông Geopolymer

- Sử dụng mô hình số học của các chất lỏng có tính lưu biến để đánh giávà so sánh khả năng linh động của hỗn hợp bê tông Geopolymer so với bêtông ximăng, và xây dựng được hệ số ảnh hưởng đến độ linh động của hỗn hợp bê tông Geopolymer

- Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần tro bay và dung dịch hoạt hóa đến khả năng đóng rắn và cường độ của bê tông Geopolymer

1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và thành phần dung dịch hoạt hóa đến khả năng lưu biến, độ co ngót, cường độ của bê tông geopolymer:

- Tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay=0.3-0.7;

- Tỷ lệ Sodium silicate/Sodium hydroxit = 0.5, 1, 2, 2.5;

- Nồng độ Mol Sodium hydroxit của dung dịch chất đóng rắn:18M

- Nghiên cứu sự ảnh của điều kiện dưỡng hộ đến độ co ngót của bê tông geopolymer:

- Dưỡng hộ mẫu ở điều kiện phòng;

- Dưỡng hộ mẫu 4 giờ ở nhiệt độ 90oC

- Sử dụng phương pháp số (chương trình Matlab) để đánh độ linh động và xây dựng hệ số hiệu chỉnh sử dụng cho bê tông geopolymer

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ KHOA HỌC

2.1 Cơ sở khoa học của vật liệu Geopolymer

2.1.1 Cấu trúc phân tử của Geopolymer

Davidovits (1978) cho rằng thành phần chủ yếu của Geopolymer là các nguyên tố

Si2+, Al3+ và O2- có nguồn gốc từ khoáng sản tự nhiên (đất sét, cao lanh, đá fenspat,…) hoặc sản phẩm sản xuất từ sản xuất (tro bay, xỉ lò cao) Vật liệu Geopolymer khác với vật liệu polymer thông thường ở cấu trúc mạng không gian vô định hình

Theo Palomo et al (1999) cho rằng khi sử dụng chất kích hoạt kiềm tro bay sẽ xảy

ra sự tỏa nhiệt trong quá trình hòa tan, phân tách các liên kết cộng hóa trị Silic – Oxy – Nhôm tạo nên nhiều mạch không có hình dạng nhất định gần giống như Zeolite* Các cầu nối – Si – O – Al – tạo thành các bộ khung không gian vững chắc bên trong cấu trúc

Hình 2 1 Bộ khung không gian được liên kết giữa các cầu nối – Si – O – Al –

- Cấu trúc hóa học vô định hình của Geopolymer cơ bản được tạo thành từ mạng lưới cấu trúc của những Alumino – Silico hay còn gọi là Poly – Sialate Sialate là viết tắt của Silic – Oxy – Nhôm

Hình 2 2 Cấu trúc của các loại poly sialate Công thức thực nghiệm của poly sialate (D Hardjito, 2005):

Mn(-(SiO2)z-AlO2)n.wH2O Trong đó: M – Các cation kim loại kiềm hay kiềm thổ

n – mức độ polymer hóa

z = 1, 2, 3 … cao nhất là 32

Tùy theo tỉ lệ Si/Al, trạng thái poly sialate bao gồm những loại sau:

 Si/Al=1 gọi là Poly (sialate): (-Si-O-Al-O-) dạng chuỗi, là kết quả của quá trình polymer hóa của các monomer (OH)3-Si-O-Al-(OH)3 (ortho – sialate)

 Si/Al=2 gọi là Poly (sialate – siloxo): (-Si-O-Al-O-Si-O-) được xem là sản phẩm giữa quá trình kết hợp giữa orthosialate và ortho silicic, axit Si(OH)4

 Si/Al=3 gọi là Poly (sialate – disiloxo): (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-) được xem là sản phẩm giữa quá trình kết hợp giữa của hai orthosialate và ortho silicic, axit Si(OH)4.

Si/Al >3: Loại này gồm một Si-O-Al nằm giữa hai chuỗi poly (siloxonate), hoặc hai poly (silanol) hoặc poly (sialate )

2.1.2 Cơ chế hóa học của Geopolyner sử dụng tro bay

Trong hỗn hợp Geopolymer, tồn tại hàng loạt những hạt tro bay dạng hình cầu, với nhiều kích thước khác nhau Những khối cầu này thường rỗng, đôi khi bên trong chúng

lại chứa những khối cầu khác có kích thước nhỏ hơn Tác động của dung dịch kiềm Alkali và quá trình dưỡng hộ nhiệt lên những thành phần này tạo thành sản phẩm ở trạng thái gel Sản phẩm dạng gel này lại liên kết với sản phẩm dạng gel ở những phần

tử khác Kết quả là tạo thành sản phẩm có tính dính kết

Trong Geopolymertồn tại một lượng nhỏ vật liệu Zeolite Điều này có lợi vì ảnh hưởng đến cường độ cơ học và thường xuất hiện trong những lỗ trống.Tuy nhiên nếu Zeolite hình thành với lượng lớn sẽ ảnh hưởng xấu đến sản phẩm gel nói trên Khi thủy tinh lỏng được sử dụng, sự có mặt của silic oxit thường làm chậm sự hình thành Zeolite

Hình 2 3 Mô hình quá trình hoạt hóa của dung dịch kiềm Alkali đối với tro bay

(A Fernadez – Jimenez, 2005) Phản ứng hóa học này đầu tiên xảy ra tại một điểm trên bề mặt của hạt tro bay, sau

đó mở rộng ra tạo thành những lỗ lớn hơn trên bề mặt làm lộ cấu trúc bên trong hạt tro bay, rỗng hoặc một phần chứa những phần tử nhỏ hơn Từ đó, sự tác động của dung dịch kiềm Alkali theo hai chiều: từ ngoài vào trong và từ trong ra ngoài Do đó, sản phẩm của phản ứng này được sinh ra cả bên trong lẫn bên ngoài lớp vỏ của hạt tro bay Cùng lúc đó, dung dịch kiềm Alkali cũng đi vào cấu trúc rỗng của hạt tro và phản ứng với những phần tử nhỏ hơn bên trong hạt tro lớn Kết quả là không gian rỗng bên trong được lắp đầy bằng sản phẩm của phản ứng (Cao Xuân Phong – Hoàng Thanh Liêm, 2009)

Kết quả của quá trình tích tụ sản phẩm phản ứng là tạo thành lớp sản phẩm bao bọc một phần những hạt cầu tro bay Lớp sản phẩm này ngăn cản phần tro bay bên trong tiếp xúc với dung dịch Alkali Các phản ứng kế tiếp tạo thành sản phẩm kết nối lớp sản phẩm trên, xảy ra đồng thời với tác động của môi trường pH qua lớp sản phẩm của tro bay đã phản ứng Phần tro bay nằm nên dưới lớp sản phẩm trên có thể không bị tác động bởi môi trường pH cao, điều này liên quan phụ thuộc vào chất hoạt hóa được

sử dụng Trong trường hợp này, chất hoạt hóa giữ vai trò chủ đạo trong quá trình khuếch tán hóa lý Các mức độ phản ứng ở nhiều thời điểm khác nhau tạo ra sản phẩm

có độ thấm khác nhau

Hơn nữa, quá trình được mô tả trên không thay đổi trong toàn bộ gel tạo thành nhưng sẽ khác biệt tại điểm này so với điểm khác trong cấu trúc, phụ thuộc vào kích thước phần tử phản ứng và hoạt động hóa học Nói chung, nó là một hệ thống bao gồm: các phần tử chưa phản ứng, phần tử đã bị tấn công bởi dung dịch Alkali nhưng vẫn giữ nguyên hình dạng cầu và sản phẩm của quá trình phản ứng

2.1.3 Cơ chế đóng rắn của Geopolymer sử dụng tro bay

Geopolymer được tổng hợp bằng cách hòa tan các vật liệu aluminosilicat và silicat qua từng giai đoạn, trong đó có tro bay Theo như nhiều cuộc nghiên cứu, quá trình tổng hợp dễ nhận thấy nhất là trong môi trường kiềm cao.Môi trường dưỡng hộ với thời gian

và nhiệt độ cao hợp lý sẽ làm cho quá trình đóng rắn diễn ra nhanh chóng và bê tông sớm đạt cường độ Các sản phẩm mới được hình thành do sự trùng ngưng từ các khoáng vật thuộc nhóm alumosilicate có cấu trúc không gian 3 chiều bền vững nên bê tông tro bay có độ bền và có thể đạt cường độ cao.Khoảng thời gian hình thành cấu trúc cũng như cường độ của bê tông phụ thuộc vào thành phần của bê tông, nhiệt độ, nồng độ dung dịch đóng rắn và phụ gia hóa học.Ứng xử của tro bay trong môi trường kiềm cao như sau(Davidovits, 1994):

- Đầu tiên, phản ứng giữa thủy tinh lỏng với nước diễn ra Khi đó, nước sẽ tấn công liên kết Si – O trong thủy tinh Kết quả tạo thành là những nhóm OH và chúng không cố định

Hình 2 4 Thủy tinh lỏng phản ứng với nước

- Tiếp theo phân tử nước lại xâm nhập và bẻ gãy liên kết Si-O trong những phần tử

mới sinh ra đó Từ đó một lượng lớn phần tử bị hòa tan và quá trình thủy phân chỉ chậm

lại khi có sự hình thành Si(OH)4.Sau đó, khi độ pH của dung dịch tăng lên và trong

trường hợp này sử dụng khuếch tán của phân tử nước không còn giữ vai trò chủ đạo mà

khi đó ion OH phản ứng với Si(OH)4

Si(OH) + (OH) => 𝑆𝑖(OH) O + H O Liên kết Si – O vẫn tồn tại, do đó dễ bị tấn công bởi phân tử nước và sự hòa tan

nhanh chóng xảy ra.Sự tạo thành Geopolymer có thể được diễn tả bằng hai phản ứng

hóa học sau (van Jaarsveld et al., 1997; Davidovits, 1999 ):

Hình 2 5 Sơ đồ cơ chế phản ứng (Davidovits, 1999) + Nếu Si/Al = 1 thì quá trình diễn ra theo phản ứng sau:

Hình 2 6 Phản ứng tạo Poly sialate với tỉ lệ Si/Al=1 + Nếu Si/Al = 2 thì quá trình diễn ra theo phản ứng sau:

Commented [A1]:

Hình 2 7 Phản ứng tạo Poly sialate với tỉ lệ Si/Al=2 Phương trình phản ứng trên chứng tỏ nước được sinh ra trong suốt quá trình hình thành Geopolymer Lượng nước này bị đẩy ra khỏi cấu trúc Geopolymer trong cả quá trình đổ khuôn cũng như dưỡng hộ nhiệt sau đó Khi đó, chúng để lại những lỗ rỗng không liên tục trong cấu trúc, tạo điều kiện cho Geopolymer được hình thành Lượng nước trong hỗn hợp Geopolymer không có vai trò gì trong phản ứng hóa học nhưng nó tạo nên tính công tác cho hỗn hợp khi nhào trộn Điều đó ngược với nước trong hỗn hợp

xi măng Portland cần thiết cho quá trình hydrat hóa

Vật liệu Geopolymer tạo thành là kết quả của quá trình phản ứng hóa học dị thể phức tạp giữa liên kết Si – Al của vật liệu rắn và dung dịch silicat kiềm mạnh Phản ứng Geopolymer là phản ứng tỏa nhiệt và diễn ra dưới áp suất khí quyển tại nhiệt độ dưới

1000C Mặc dù có nhiều nghiên cứu phản ứng Geopolymer trên các nguyên liệu aluminosilicate khác nhau và phát triển dài rộng các nguyên liệu Geopolymer nhưng cơ chế chính xác diễn ra trong các quá trình Geopolymer hóa chưa được hiểu rõ Cơ chế của quá trình Geopolymer được đề xuất gồm 4 giai đoạn, các quá trình này song song vì vậy khó có thể phân biệt:

- Hòa tan Si và Al từ vật liệu aluminosilicat rắn trong dung dịch kiềm mạnh

- Tạo thành các monomer Si-Si hoặc Si-Al trong pha lỏng

- Quá trình đa trùng ngưng các monomer tạo thành khung mạng aluminosilicat 3 chiều

- Liên kết các hạt rắn vào mạng Geopolymer và đóng rắn toàn bộ hệ thống trong cấu trúc polymer rắn cuối cùng

Hệ Geopolymer đã thu hút rất nhiều nhà khoa học tham gia nghiên cứu trong suốt hai thập niên qua và hiện nay nhóm nguyên liệu thường được sử dụng nhất vẫn là các chất thải công nghiệp như tro bay, xỉ luyện kim, bùn đỏ, xà gỗ…

Cơ chế tạo thành Geopolymer được đề xuất nhiều nhất gồm có 4 giai đoạn sau: Giai đoạn:Hòa tan Si và Al từ vật liệu aluminosilicate rắn trong dung dịch kiềm mạnh Khi nhào trộn nguyên liệu Si, Al (ở đây là tro bay) với dung dịch kiềm Alkali làm độ pH của môi trường tăng lên Khi đó ion OH- của dung dịch xâm nhập vào hạt tro bay, làm liên kết Si – O – Si bi bẻ gãy tạo thành Si(OH)3O- Al(OH)4- được tạo thành tương tự như Si Sự hòa tan Si và Al từ vật liệu ban đầu có thể được mô tả bởi phương trình hóa học:

(SiO2.Al2O3) + 2MOH + 5H2O Si(OH)2 + 2Al(OH)3 + 2M* (1)

Trong đó: M là Na hoặc K

Trong dung dịch, sự hòa tan hóa học của khoáng Al-Si và vật liệu aluminosilicat nói chung thuận lợi khi ở trong khoảng giá trị pH cao, tỉ lệ hòa tan của các vật liệu này tăng đáng kể khi pH dung dịch tăng Ngoài ra tỉ lệ hòa tan của vật liệu aluminosilicat phụ thuộc nhiều vào kích thước hạt vì nó liên quan đến phản ứng hóa học dị thể đặc trưng Sự có mặt của kim loại kiềm (Na, K) sẽ tham gia trung hòa điện tích của các sản phẩm tạo thành Sản phẩm này ổn định trong môi trường kiềm, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình di chuyển và keo tụ của những sản phẩm phản ứng trên Do đó, các cation này giữ vai trò là phụ gia phản ứng, duy trì lực liên kết ion và bằng cách này tham gia vào quá trình biến đổi liên kết thành những phân tử dạng keo

Giai đoạn:Sự tạo thành các monomer Si-Si hoặc Si-Al trong pha lỏng

Khi nồng độ của Si và Al trong pha lỏng tăng dần thì bắt đầu xuất hiện những phản ứng hóa học giữa các phức hydroxyl Kết quả của những phản ứng này tạo thành các tiền chất Geopolymer là những dạng monomer (đa vòng hydroxyl phức hợp) bao gồm các liên kết polymer của Si-O-Si và Si-O-Al được diễn tả bằng phương trình hóa học:

Si(OH) + Si(OH) ↔ (OH) Si − O − Si(OH) (2) Si(OH) + Al(OH) ↔ (OH) Si − O − Al(OH) (3) 2Si(OH) + Al(OH) ↔ (OH) Si − O − Al − (OH) − O − Si(OH) + 2H O (4)

Sự tồn tại của các silicat hòa tan trong dung dịch kiềm của hệ polymer tăng cường thêm sự tạo thành các dạng monomer Silicat hòa tan trong pha lỏng làm tăng nồng độ Si dịch chuyển chủ yếu ở phương trình (2) theo hướng hình thành nhóm Si-O-

Si cũng như phương trình (3), (4) theo hướng hình thành các nhóm monomer cần thiết cho sự phát triển khung mạng Geopolymer

Giai đoạn:Quá trình đa trùng ngưng các monomer tạo thành khung mạng aluminosilicat

Sự tăng nồng độ các monomer trong pha lỏng ảnh hưởng đến sự đa trùng ngưng của chúng, do đó dẫn đến sự phát triển của một khung mạng 3 chiều của tứ diện SiO4, AlO4 được liên kết luân phiên bằng các ion oxy, được mô tả bằng phương trình hóa học

Phản ứng đa trùng ngưng tạo liên kết hóa học trong các tiền chất Geopolymer bằng cách loại bỏ đồng thời các phân tử nước Quá trình này được gọi là sự trùng ngưng Các monomer có thể phản ứng với mỗi nhóm OH- tạo thành các chuỗi phân tử hoặc các vòng phân tử và kết quả là tạo ra khung mạng không gian 3 chiều

Giai đoạn:Liên kết các hạt rắn vào mạng Geopolymer và đóng rắn toàn bộ hệ thống trong cấu trúc polymer rắn cuối cùng

Khi cấu trúc polymer được phát triển trong pha lỏng, nó đi qua các bề mặt hoạt hóa của các hạt rắn nơi có thể tạo liên kết với các hạt không hòa tan trong cấu trúc polymer cuối cùng theo phương trình hóa học

Trong đó: T là Si hoặc Al

Các vị trí bề mặt hoạt hóa của các hạt rắn, nơi có nhóm T-OH trong phương trình (6), đó là nhóm silanol (Si=OH) và aluminol (Al-OH) Nó có thể là các chuỗi phân tử hoặc vòng phân tử lớn trong cấu trúc polymer tạo nên loại liên kết Si-O-Si hoặc Si-O-Al

ở các vị trí này, liên kết các hạt không tan trong mạng polymer Sau đó, đóng rắn mạng lưới polymer, lượng nước thừa xuất hiện được loại bỏ từ các mạng polymer trong suốt quá trình bảo dưỡng, dẫn đến sự bền và cứng của vật liệu

2.2 Cơ sở lưu biến của vật liệu

Mô hình ứng xử lưu biến được đặc trưng bởi độ nhớt µ không đổi và được xem

là độ nhớt tuyệt đối Mô hình này có thể được ứng dụng cho một số chất lỏng như các dung dịch hòa tan, các dung dịch huyền phù rất loãng, vữa xi măng có công thức toán học:

𝜏 = 𝜇𝛾̇ (2.1) Trong thực tế người ta gặp rất nhiều chất lỏng có ứng xử lưu biến tuyệt đối nhớt phi tuyến thuộc loại chảy lỏng (Shear – Thinning ) Để mô tả những loại ứng xử lưu biến này, người ta thường sử dụng mô hình lưu biến Ostwald được đặc trưng bởi hai thông số: độ đặc K và số mũ n Tùy theo giá trị của n mà, mô hình Ostwald có thể mô tả ứng xử lưu biến chảy lỏng (n<1), ứng xử lưu biến Newton(n=1), hay ứng xử lưu biến chảy đặc (n>1)

𝜏 = 𝐾𝛾̇ (2.2) Người ta cũng có thể gặp một số lượng lớn các vật liệu trong thực tế có ứng xử lưu biến nhớt – dẻo Để mô tả ứng xử nhớt – dẻo của những vật liệu này, mô hình lưu biến Bingham đặc trưng hai thông số: ngưỡng chảy 𝜏 và độ nhớt dẻo 𝜂 thường sử dụng [3-6] Mô hình này có thể được viết dưới dạng sau:

𝛾̇ = 0 𝑘ℎ𝑖 𝜏 ≤ 𝜏

𝜏 = 𝜏 + 𝜂𝛾̇ 𝑘ℎ𝑖 𝜏 > 𝜏 (2.3)

Mô hình lưu biến Bingham không cho phép miêu tả ứng xử phi tuyến của phần lớn các vật liệu nhớt dẻo So với ngưỡng chảy thực tế của vật liệu, mô hình Bingham cho ngưỡng chảy cao hơn đối với vật liệu chảy lỏng và ngược lại, cho ngưỡng chảy thấp hơn, thậm chí phi thực tế (ngưỡng chảy âm), đối với vật liệu chảy đặc Để miêu tả chính xác hơn ứng xử lưu biến phi tuyến của vật liệu nhớt dẻo, người ta thưởng sử dụng mô hình Herschel – Bulkley đặc trưng bởi ba thông số: ngưỡng chảy 𝜏 , độ đặc K và số mũ

n Mô hình Herschel – Bulkley thực chất là mô hình kết hợp giữa mô hình Bingham và

mô hình Ostwald, có thể được biểu diễn dưới dạng sau:

𝛾̇ = 0 𝑘ℎ𝑖 𝜏 ≤ 𝜏

𝜏 = 𝜏 + 𝐾𝛾̇ 𝑘ℎ𝑖 𝜏 > 𝜏 (2.4)

Hình 2 8 Đồ thị lưu biến tương ứng với những loại ứng xử lưu biến khác nhau

Để xác định các tính chất lưu biến của vật liệu, ta sử dụng lưu biến kế (Rheometer) Lưu biến kế Poiseuille hay còn gọi là nhớt kế mao dẫn thường được sử dụng cho việc

đo nhanh độ nhớt tuyệt đối của chất lỏng Newton Đôi khi chúng cũng được dùng để xác định các tính chất lưu biến của các chất lỏng phi Newton khi người ta đã dự đoán trước được quy luật ứng xử lưu biến của chất lỏng đó

Hình 2 9 Nguyên lý hoạt động lưu biến kế kiểu Poiseuille

Trong quá trình chảy tầng, chất lỏng bị phân thành những lớp mỏng hình trụ đồng trục trượt tương đối so với nhau Xét một phân tố chất lỏng giới hạn bởi mặt trụ có bán kính r và bởi hai mặt cắt ngang cách đầu vào ống trụ lần lượt là z và z+dz, phân tố sẽ chịu tác động của ba lực thẳng đứng sau (dấu của lực dương hay âm tùy thuộc vào chiều tác động của lực cùng hướng hay ngược hướng với trục Z như chọn trên hình 2.10):

𝜏 = 𝑟

2 𝜌𝑔 +

∆𝑃

𝐿 (2.9)

Ký hiệu 𝑉 là vận tốc chảy của phân tố chất lỏng cách trục ống trụ một khoảng r

Do 𝑉 là hàm nghịch biến của r (đạt cực đại tại trục ông và bằng không tại thành ống), vận tốc biến dạng trượt 𝛾̇ tại vị trí cách trục ống một khoảng r vì vậy có dạng như sau:

𝛾̇ =−𝑑𝑉

𝑑𝑟 (2.10) Thay các phương trình 2.9 và 2.10 vào phương trình ứng xử lưu biến Herschel – Bulkley (P.T 2.4), ta có thể suy ra vận tốc chảy của chất lỏng trên tiết diện ngang của ống trụ như sau:

Δ𝑃

𝐿 (𝑅 − 𝑟 ) (2.13) Khi 𝑟 ≥ 𝑅, chất lỏng không thể chảy được Ngược lại, khi 𝑟 ≤ 𝑅, ta có thể suy ra

PT 2.11 và PT 2.13 lưu lượng Q của chất lỏng như sau:

𝑄 = 𝜋𝑛𝑅3𝑛 + 1

𝑅2𝐾 𝜌𝑔 +

∆𝑃

𝑟

𝑅 (2.14) Trong đó:

𝑓 𝑟

𝑅 = 1 +

2𝑛2𝑛 + 1

𝑟

2𝑛(𝑛 + 1)(2𝑛 + 1)

đầu ống trụ Phương pháp này cũng có thể được áp dụng để xác định các tính chất lưu biến của chất lỏng Newton, Ostwald và Bingham là các trường hợp đặc biệt của chất lỏng Herschel – Bulkley Đối với trường hợp đặc biệt này, PT 2.14 được đơn giản hóa dưới dạng như sau:

 Chất lỏng Newton (PT 2.1):

𝑄 = 𝜋𝑅8𝜇 𝜌𝑔 +

∆𝑃

𝐿 (2.16)

 Chất lỏng Ostwald (PT 2.2):

𝑄 = 𝜋𝑛𝑅3𝑛 + 1

𝑅2𝐾 𝜌𝑔 +

𝑟

13

𝑟

𝑅 (2.18) Với mong muốn nghiên cứu một cách tổng quát và chính xác nhất có thể, như đã trình bày ở trên thì bê tông là chất nhớt dẻo Herschel – Bulkley (PT 2.4) với các thông

số lưu biến 𝜏 , K, n dao động trong phạm vi rộng, bao gồm cả bê tông thường (𝜏 >200𝑃𝑎, 𝑛 < 1) và bê tông đầm lèn (𝜏 < 100𝑃𝑎, 𝑛 ≈ 1)

2.2.1 Phương pháp số xác định độ linh động của hỗn hợp bê tông

Độ lỏng của bê tông Geopolymer trong môi trường không có vật cản được xác định bằng thí nghiệm nón cụt Abrams (kích thước mô tả trên H 2.10) Thí nghiệm Abrams là thí nghiệm tiêu chuẩn, được dùng rộng rãi trên toàn thế giới nhằm xác định

độ sụt cũng như độ linh động của bê tông

Hình 2 10 Xác định độ lỏng của bê tông Geopolymer bằng thí nghiệm Abrams (a) Nón cụt Abrams (kích thước theo cm), (b) Đo độ sụt với bê tông thường, (c) Đo

đường kính chảy xòe với bê tông tự lèn Theo nghiên cứu, đường kính chảy xòe càng lớn thì độ lỏng của bê tông càng cao

và ngược lại Đặc biệt, đối với bê tông tự lèn thì đường kính chảy xòe thường dao động

từ 60 – 70 cm, không có sự phân tách rõ rệt giữa các lớp vật liệu.Cho đến hiện nay rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm cũng như lý thuyết về mối quan hệ giữa độ sụt H và đường kính chảy xòe D, hay ngưỡng chảy 𝜏 của bê tông Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn chỉ trình bảy mối quan hệ giữa ngưỡng chảy 𝜏 và đường kính chảy xòe D của bê tông Geopolymer rút ra từ nghiên cứu lý thuyết của Coussot và có thể được biểu diễn dưới dạng sau:

𝜏 =225𝜌𝑔𝑉4𝜋 𝐷 (2.19) Trong đó: 𝜌 và V lần lượt là trọng lượng riêng và thể tích của mẫu bê tông Theo nghiên cứu của tác giả, mối liên hệ giữa giá trị độ linh động D được xây dựng theo Do Trong đó:

𝐷 = 𝑘𝐷 (2.20) Với: 𝐷 là đường kính chảy xòe khi chất lỏng có quán tính rất nhỏ, được xác định từ

PT 2.19 và có dạng như sau:

CHƯƠNG 3 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

3.1 Nguyên liệu

3.1.1 Tro bay

Tro bay sử dụng trong thí nghiệm có nguồn gốc từ nhà máy nhiệt điện Formosa Đây là tro bay loại F vì có hàm lượng CaO ít hơn 6% (theo tiêu chuẩn ASTM C618), với chỉ tiêu hóa học:

Bảng 3 1Thành phần hóa học tro bay Formosa (Bùi Đăng Trung, 2008) Oxit SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O và Na2O MgO SO3 MKN Hàm lượng(%) 51,7 31,9 3,48 1,21 1,02 0,81 0,25 9,63

- Kết quả thí nghiệm thành phần vật lý cho thấy tro bay tại Formosa có tỷ lệ lọt sàng 0.05mm lớn hơn 66%, lượng mất sau khi nung nhỏ hơn 5%, chỉ số hoạt tính rất lớn

và tro bay có độ mịn cao Khối lượng riêng là 2.2 g/cm3

3.1.2 Dung dịch hoạt hóa

Dung dịch hoạt hóa là sự kết hợp của dung dịch sodium silicate và sodium hydroxide

3.1.2.1 Sodium silicate

Sodium silicate (Na2SiO3) là dung dịch trong suốt Theo tiêu chuẩn ngành 64 TCN

38 – 86 quy định các chỉ tiêu lý hóa và ngoại quan của dung dịch phải thỏa mãn như bảng sau :

Bảng 3 2 Chỉ tiêu của tiêu chuẩn ngành 64 TCN 38 – 86

1. Trạng thái bên ngoài Chất lỏng đồng nhất, sánh, trong suốt cho

5. Modul silic 2,3 – 2,5

6. Cặn không tan trong nước, tính theo % 0,5

Trong nghiên cứu này, Sodium silicate có thành phần là SiO2 = 30.1%, Na2O = 9.4%, H2O = 60.5% Hàm lượng SiO2/Na2O = 3,2, tỷ trọng 1.42 ± 0.01 g/ml Dung dịch

Đá dăm sử dụng loại Dmax = 20mm, có hình dạng tròn, ít hạt dẹt và ít góc cạnh Áp dụng cho bê tông thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 7570:2006 “Cốt liệu cho bê tông và vữa” Khối lượng riêng là 2.72 g/cm3, khối lượng thể tích là 1.45 g/cm3

Hình 3 2 Đá dăm theo TCVN 7570:2006