NGHIÊN CỨU SỰ PHÁT TRIỂN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN BÊ TÔNG GEOPOLYMER BẰNG THÍ NGHIỆM KHÔNG PHÁ HOẠI MẪU

t: Bài báo sử dụng phương pháp không phá hoại mẫu kết hợp giữa sóng siêu âm và búa bật nảy để nghiên cứu sự phát triển cường độ của bê tông geopolymer. Kết quả thí nghiệm cho thấy khi bê tông geopolymer được dưỡng hộ trong môi trường nhiệt độ cao với thời gian dưỡng hộ dài thì ngoài việc vận tốc truyền sóng tăng lên do cường độ tăng lên. Bên cạnh đó, khi nồng độ dung dịch NaOH tăng từ 1016M thì vận tốc truyền sóng cũng tăng khoảng 15% khi bê tông geopolymer được dưỡng hộ trong cùng một thời gian. Ngoài ra, mô hình hồi quy tuyến tính được sử dụng để phân tích số liệu kết quả thí nghiệm nhằm thiết lập mối tương quan giữa vận tốc truyền sóng, giá trị búa bật nảy và cường độ giúp dự đoán cường độ chịu nén cho loại bê tông này. Từ khóa: bê tông geopolymer; thí nghiệm không phá hoại mẫu; vận tốc siêu âm; súng bật nẩy. kỹ thuật Abstract: The paper used nondestructione test which combined usage of unltrasonic pulse velocity and rebound hammer to study developing of geopolymer concrete compressive strength. The results of stuied experimentally provide compressive strength and pulse velocity increase when geopolymer concrete were cured in high temperature environment with the curing long time. Beside, concentration of NaOH liquid growed up from 10 to 16M to be pulse velocity rised about 15 percent with the same curing time. In additon, linear regression model are appied to analyze the data of testing and setted correlation between the value of nondestructione test and compressive strength. Therefore, the concrete are predicted accuracy by this modelt: Bài báo sử dụng phương pháp không phá hoại mẫu kết hợp giữa sóng siêu âm và búa bật nảy để nghiên cứu sự phát triển cường độ của bê tông geopolymer. Kết quả thí nghiệm cho thấy khi bê tông geopolymer được dưỡng hộ trong môi trường nhiệt độ cao với thời gian dưỡng hộ dài thì ngoài việc vận tốc truyền sóng tăng lên do cường độ tăng lên. Bên cạnh đó, khi nồng độ dung dịch NaOH tăng từ 1016M thì vận tốc truyền sóng cũng tăng khoảng 15% khi bê tông geopolymer được dưỡng hộ trong cùng một thời gian. Ngoài ra, mô hình hồi quy tuyến tính được sử dụng để phân tích số liệu kết quả thí nghiệm nhằm thiết lập mối tương quan giữa vận tốc truyền sóng, giá trị búa bật nảy và cường độ giúp dự đoán cường độ chịu nén cho loại bê tông này. Từ khóa: bê tông geopolymer; thí nghiệm không phá hoại mẫu; vận tốc siêu âm; súng bật nẩy. kỹ thuật Abstract: The paper used nondestructione test which combined usage of unltrasonic pulse velocity and rebound hammer to study developing of geopolymer concrete compressive strength. The results of stuied experimentally provide compressive strength and pulse velocity increase when geopolymer concrete were cured in high temperature environment with the curing long time. Beside, concentration of NaOH liquid growed up from 10 to 16M to be pulse velocity rised about 15 percent with the same curing time. In additon, linear regression model are appied to analyze the data of testing and setted correlation between the value of nondestructione test and compressive strength. Therefore, the concrete are predicted accuracy by this modelt: Bài báo sử dụng phương pháp không phá hoại mẫu kết hợp giữa sóng siêu âm và búa bật nảy để nghiên cứu sự phát triển cường độ của bê tông geopolymer. Kết quả thí nghiệm cho thấy khi bê tông geopolymer được dưỡng hộ trong môi trường nhiệt độ cao với thời gian dưỡng hộ dài thì ngoài việc vận tốc truyền sóng tăng lên do cường độ tăng lên. Bên cạnh đó, khi nồng độ dung dịch NaOH tăng từ 1016M thì vận tốc truyền sóng cũng tăng khoảng 15% khi bê tông geopolymer được dưỡng hộ trong cùng một thời gian. Ngoài ra, mô hình hồi quy tuyến tính được sử dụng để phân tích số liệu kết quả thí nghiệm nhằm thiết lập mối tương quan giữa vận tốc truyền sóng, giá trị búa bật nảy và cường độ giúp dự đoán cường độ chịu nén cho loại bê tông này. Từ khóa: bê tông geopolymer; thí nghiệm không phá hoại mẫu; vận tốc siêu âm; súng bật nẩy. kỹ thuật Abstract: The paper used nondestructione test which combined usage of unltrasonic pulse velocity and rebound hammer to study developing of geopolymer concrete compressive strength. The results of stuied experimentally provide compressive strength and pulse velocity increase when geopolymer concrete were cured in high temperature environment with the curing long time. Beside, concentration of NaOH liquid growed up from 10 to 16M to be pulse velocity rised about 15 percent with the same curing time. In additon, linear regression model are appied to analyze the data of testing and setted correlation between the value of nondestructione test and compressive strength. Therefore, the concrete are predicted accuracy by this model

NGHIÊN CỨU SỰ PHÁT TRIỂN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN BÊ TÔNG GEOPOLYMER BẰNG THÍ NGHIỆM KHÔNG PHÁ HOẠI MẪU STUDY THE COMPRESSIVE STRENTH DEVELOPMENT OF GEOPOLYMER CONCRETE BY USING NON-DESTRUCTIVE TEST

NGUYỄN HỒNG ĐỨC a, PHAN ĐỨC HÙNG b a

Học viên cao học, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

b Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

Tóm tắt: Bài báo sử dụng phương pháp không phá hoại mẫu kết hợp giữa sóng siêu âm và

búa bật nảy để nghiên cứu sự phát triển cường độ của bê tông geopolymer Kết quả thí nghiệm cho thấy khi bê tông geopolymer được dưỡng hộ trong môi trường nhiệt độ cao với thời gian dưỡng hộ dài thì ngoài việc vận tốc truyền sóng tăng lên do cường độ tăng lên Bên cạnh đó, khi nồng độ dung dịch NaOH tăng từ 10-16M thì vận tốc truyền sóng cũng tăng khoảng 15% khi bê tông geopolymer được dưỡng hộ trong cùng một thời gian Ngoài

ra, mô hình hồi quy tuyến tính được sử dụng để phân tích số liệu kết quả thí nghiệm nhằm thiết lập mối tương quan giữa vận tốc truyền sóng, giá trị búa bật nảy và cường độ giúp dự đoán cường độ chịu nén cho loại bê tông này

Từ khóa: bê tông geopolymer; thí nghiệm không phá hoại mẫu; vận tốc siêu âm; súng bật nẩy kỹ thuật

Abstract: The paper used non-destructione test which combined usage of unltrasonic pulse

velocity and rebound hammer to study developing of geopolymer concrete compressive strength The results of stuied experimentally provide compressive strength and pulse velocity increase when geopolymer concrete were cured in high temperature environment with the curing long time Beside, concentration of NaOH liquid growed up from 10 to 16M to be pulse velocity rised about 15 percent with the same curing time In additon, linear regression model are appied to analyze the data of testing and setted correlation between the value of non-destructione test and compressive strength Therefore, the concrete are predicted accuracy by this model

Keywords: Geopolymer concrete; non-destructive test; ultrasonic pulse velocity; rebound

hammer

1 GIỚI THIỆU

Vật liệu Geopolymer là một cuộc cách mạng trong công nghệ vật liệu, đang được nghiên cứu nhiều và ứng dụng rộng rãi trong thời gian gần đây (J Davidovits, 1994) Đây

là vật liệu thân thiện với môi trường, giải quyết vấn đề cải thiện ô nhiễm xảy ra trong quá trình khai thác, sản xuất xi măng porland truyền thống (Louise K.Turner, 2013) và tiết kiệm được chi phí cho quá trình xử lý phụ phẩm của các ngành công nghiệp (Joseph Davidovits, 1994) Các loại phụ phẩm này (tro bay) có thể được tận dụng để chế tạo vật liệu geopolymer (bê tông geopolymer, GPC)

Trong các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bê tông thì cường độ chịu nén là một chỉ tiêu quan trọng cần được xác định Bên cạnh phương pháp nén mẫu truyền thống thì phương pháp thí nghiệm không phá hoại mẫu (non-destructive test, NDT) cũng được sử dụng nhiều trong các điều kiện cần hạn chế bớt số mẫu thí nghiệm hay thí nghiệm tại hiện trường đối với công trình hiện hữu Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, NDT được cải tiến rất nhiều giúp cho việc xác định cường độ chịu nén của bê tông với độ chính xác ngày càng cao, trong đó phương pháp siêu âm và súng bật nảy được sử dụng phổ biến nhất bởi kết quả cường độ cho ra nhanh, chính xác và thực hiện đơn giản

Trong bài báo này, tác giả xác định sự phát triển cường độ chịu nén của GPC bằng phương pháp NDT có kể đến yếu tố ảnh hưởng bao gồm điều kiện dưỡng hộ và nồng độ NaOH trong dung dịch hoạt hóa

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cơ chế phản ứng

Khái niệm geopolymer được giới thiệu bởi Joseph Davidovit trong những năm

1970, và sau đó được nói đến và phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực Bản chất của cơ chế phản ứng là quá trình geopolymer hóa với sự tác động của dung dịch kiềm alkaline đến vật liệu nguồn giàu alumino-silica (tro bay) dưới môi trường dưỡng hộ nhiệt Quá trình geopolymer hóa từ nguồn nguyên liệu đến sản phẩm cuối cùng được trình bày Hình 1 (Davidovits, 1994)

Hình 1 Cơ chế phản ứng của vật liệu Geopolymer

2.2 Phương pháp thí nghiệm

Phương pháp không phá hoại mẫu thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 9335:2012 Bê tông nặng – Xác định cường độ nén sử dụng kết hợp máy đo siêu âm và súng bật nẩy Phương pháp xác định cường độ nén dựa trên mối tương quan giữa cường độ chịu nén của

bê tông với hai số đo đặc trưng của phương pháp không phá hoại là vận tốc siêu âm (UPV)

và độ cứng bề mặt của bê thông qua trị số (n) được trên súng bật nẩy Ngoài ra, còn sử dụng các số liệu kỹ thuật có liên quan đến thành phần bê tông Vận tốc siêu âm v được xác định theo công thức:

3 10

l UPV

t

 

Trong đó: UPV là vận tốc truyền xung siêu âm (m/s), l là khoảng cách truyền xung siêu âm hay khoảng cách giữa hai đầu thu và phát của máy (mm), t là thời gian truyền của xung siêu âm (μs) Cường độ chịu nén của bê tông được xác định bằng biểu đồ hoặc bảng tra thông qua UPV và n đo được trên mẫu bê tông

3 NGUYÊN VẬT LIỆU

3.1 Vật liệu

3.1.1Đá dăm

Đá dăm sử dụng có dạng khối cầu, ít hạt dẹt và ít góc cạnh,có Dmax = 20 mm, khối lượng riêng 2700 kg/cm3, khối lượng thể tích 1510 kg/cm3 Thành phần hạt của đá dăm được trình bày trong Bảng 1 và Hình 2

Bảng 1: Thành phần hạt đá

Lượng sót riêng biệt (g) 21,58 496,34 561,08

0

20

40

60

80

100

Kích thước lỗ sàng vuông (mm)

Đá dăm Giới hạn thành phần hạt cát dùng trong XD theo TCVN 7576:2005

Hình 2 Biểu đồ thành phần hạt của đá dăm

3.1.2 Cát

Cát sử dụng cho bê tông đáp ứng theo TCVN 7576 Do hạn chế của nghiên cứu không thể xem xét hết sự ảnh hưởng hóa lý của tạp chất trong cát tự nhiên, nên cát được được rửa sạch và sấy khô trước khi được sử dụng trong thí nghiệm Cát có môdul độ lớn là

Mdl=2,104 và lượng sót sàn tích lũy A0.63=21,95 % thuộc cát hạt trung bình – nhỏ Kết quả thí nghiệm cát có khối lượng riêng là 2610kg/m3, khối lượng thể tích là 1450kg/m3

và thành phần hạt như sau:

Bảng 2: Thành phần hạt cát

Kích thước lỗ sàng vuông (mm) 5 1,25 0,63 0,315 0,14 Lượng sót tích lũy (%) 0,78 18,75 38,04 77,74 97,44

20

40

60

80

100

Kích thước lỗ sàng vuông (mm)

Cát sông Giới hạn thành phần hạt cát dùng trong XD theo TCVN 7576:2005

Hình 3 Biểu đồ thành phần hạt của đá dăm

3.1.3 Tro bay

Tro bay (FA) sử dụng trong thí nghiệm có nguồn gốc từ nhà máy nhiệt điện Formosa Đồng Nai được xếp loại F với thành phần hóa được trình bày trong Bảng 3

Bảng 3 Thành phần hóa của tro bay

Oxit SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O & Na2O MgO SO3 MKN Hàm

lượng(%) 51,7 31,9 3,48 1,21 1,02 0,81 0,25 9,63

3.1.4 Dung dịch Alkaline

Dung dịch kiềm hoạt hóa alkaline (AL), là hợp chất được tạo nên từ hai dung dịch sodium hydroxide (NaOH) và sodium silicate (Na2SiO3) Dung dịch NaOH được tạo ra từ việc hòa tan trong nước hydroxide dạng khan với độ tinh khiết chiếm 99%, khối lượng riêng 2130 kg/m3 Na2SiO3 có chứa Na2O và SiO2 chiếm 36-38% khối lượng

3.2 Cấp phối

Trong thành phần cấp phối, khối lượng cốt liệu chiếm khoảng 70-80%, trong đó cát chiếm khoảng 25-30% (P Pavithra, 2015) Tỷ lệ tối ưu đối với dung dịch AL/FA và

Na-2SiO3/NaOH lần lượt là 0,7 và 1,5 (Marios Soutsos, 2015)

Bảng 4 Cấp phối bê tông Geopolymer (kg/m3)

Stt Nồng độ NaOH Đá Cát Tro bay Dung dịch

Na2SiO3

Dung dịch NaOH

Bê tông được đúc thành mẫu 15 x 15 x 60 cm theo tiêu chuẩn TCVN 9335:2012 Sau khi đổ khuôn, các mẫu được tĩnh định trong điều kiện tự nhiên 24 giờ, trước khi được dưỡng hộ nhiệt Các mẫu được dưỡng hộ tại bốn mức nhiệt là 600

C, 800C, 1000C, 1200C trong những khoảng thời gian khác nhau, lần lượt là 2h, 4h, 6h, 8h

4 Kết quả và thảo thuận

Bảng 5 trình bày kết quả thí nghiệm các cấp phối bê tông geopolymer với các giá trị vận tốc truyền sóng (UPV), giá trị súng bật nẩy (n), cường độ chịu nén trực tiếp bằng phương pháp phá hoại mẫu và cường độ tính toán theo hàm bậc nhất

Bảng 5 Kết quả thí nghiệm

Stt

Nhiệt độ

( 0 C)

Thời gian (h)

NaOH (M)

UPV (m/s) n

Cường độ chịu nén (MPa)

Cường độ chịu nén tính toán (hàm bậc nhất) (MPa)

4.1 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH đến cường độ chịu nén (phá hoại mẫu)

và vận tốc truyền xung siêu âm

Các kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ GPC có giá trị trung bình thấp nhất khoảng 22,7 MPa khi sử dụng dung dịch NaOH 10M và dưỡng hộ trong 2 giờ, đạt đỉnh 30 MPa khi sử dụng dịch NaOH 16M và dưỡng hộ trong 8 giờ Mức chênh lệch này tương đối lớn, xấp xỉ 36% Ngoài ra, kết quả trên Hình 3 cũng cho thấy sự thay đổi cường độ ứng với từng nồng độ NaOH khi dưỡng hộ cùng một chu kì nhiệt, trong đó cấp phối sử dụng dung dịch NaOH 16M hầu như không có sự thay đổi nhiều giữa 2 giờ và 8 giờ dưỡng hộ (chênh lệch 6 tiếng), cụ thể qua 2 giờ dưỡng hộ đạt 28 MPa sau đó đến 8 giờ đạt 30 MPa, tăng 7% Đối với các cấp phối sử dụng dung dịch NaOH có nồng độ 10M, 12M và 14M có khoảng lệch tương đối lớn khoảng 15% (3,5 MPa) từ 22,7 MPa lên 26,2 MPa (cấp phối sử dụng dung dịch NaOH 10M) Bên cạnh đó, với cùng một thời gian dưỡng hộ, cường độ đối với dung dịch 16M cao nhất, và thấp nhất đối với GPC sử dụng dung dịch 10M Nhìn chung cường độ tăng đều, ít có sự biến động lớn trong chù kì dưỡng hộ đối với từng dung dịch khảo sát

Hình 3 Mối tương quan giữa cường độ chịu nén và nồng độ dung dịch NaOH khi dưỡng

hộ ở 1000C Các kết quả nhận được tương tự như nhận định của Marios Soutsos (2015), cường

độ chịu nén của GPC phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ dung dịch NaOH Quá trình thực nghiệm cho thấy, khi lượng mol chất tan trong dung dịch NaOH tăng lên thì bê tông đóng

rắn càng nhanh, chứng tỏ khi tăng nồng độ NaOH làm tăng sự kích hoạt dung dịch alkaline

và tăng quá trình phản ứng với tro bay Hiện tượng này phù hợp với đánh giá của Ubolluk Rattanasak (2009) khi nói về tốc độ phản ứng của quá trình trùng ngưng tạo gel liên kết

Theo Sakonwan Hanjitsuwan (2013), hiện tượng trên xảy ra do sau một thời gian hòa tan dung dịch alkaline vào tro bay, với đủ lượng ion AL3+ cần thiết, quá trình hình thành gel bắt đầu Khi tăng nồng độ NaOH thì sự hình thành thể gel có 2 tác động đối lập:

- Một là, sản phầm Gel từ quá trình trùng ngưng được hình thành, khi tăng nồng độ dung dịch kích hoạt kiềm NaOH phản ứng với alumino silicate, dẫn đến tăng nhanh sự đông đặc của hỗn hợp kết dính, sự đông đặc này làm lượng gel sản phẩm bắt đầu dính với nhau tạo thành cấu trúc liên kết, rõ ràng là quá trình giải phóng các ion SiO4+ và AL3+ trong tro bay vào dung dịch triệt để hơn, sử dụng hết toàn bộ lượng ion hiện có, lượng ion trên bề mặt hạt tro bay này thay thế bằng lượng gel sản phầm liên kết, dẫn đến làm giảm thể tích hạt tro bay, làm cấu trúc của vật liệu ít lỗ rỗng, vật liệu trở nên đặc chắc

- Hai là, với lượng NaOH vừa đủ tránh được hiện tượng cô đặc của dung dịch, do lớp sản phầm bao bọc trên bề mặt hạt tro bay Lớp gel này hình thành rất sớm khi alumino silicate tiếp xúc với dung dịch alikaline, dẫn đến tính linh động thấp của dung dịch và đặc biệt là lớp sản phẩm này làm chậm sự hòa tan các ion trên bề mặt hạt tro bay hay ngăn cản phần tro bay bên trong tiếp xúc với dung dịch kiềm để tạo gel liên kết

Hình 4 Mối tương quan giữa UPV và nồng độ dung dịch NaOH khi dưỡng hộ ở 1000C

Ở cùng một thời gian dưỡng hộ, UPV đối với dung dịch 16M là cao nhất và dung dịch 10M là thấp nhất (Hình 4) Vận tốc trong khoảng từ 4200 – 4600 m/s Mức chênh lệch giữa vận tốc lớn nhất và nhỏ nhất trong cùng một thời gian dưỡng hộ là khoảng 300-400

m/s Với hai nồng độ thấp 10M và 12M vận tốc dao động từ 4200 m/s đến 4400 m/s, tuy nhiên khi nồng độ tăng lên 14M và 16M vận tốc truyền ổn định ở mức 4550 m/s đến 4650 m/s

UPV phụ thuộc vào tính đàn hồi và mật độ môi trường vật chất Nồng độ dung dịch càng cao, vận tốc truyền sóng càng cao, điều này được hiểu khi phản ứng polymer hóa diễn

ra hoàn toàn, hình thành vật liệu đặc chắc với cấu trúc chuỗi polymer (–O-Si-O-Al ), lèn chặt các lỗ rỗng Ngoài ra, quá trình dưỡng hộ nhiệt làm lượng nước từ phản ứng và bản thân của cốt liệu bị bay hơi góp phần làm tăng tính đàn hồi của môi trường Kết quả là khi tăng nồng độ NaOH tham gia phản ứng, thì vận tốc truyền sóng tăng

4.2 Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ đến cường độ chịu nén (phá hoại mẫu) và vận tốc truyền xung siêu âm

Kết quả thực nghiệm (Hình 5) cho thấy sự ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ có tác động trực tiếp đến cường độ chịu nén bê tông geopolymer Tại cùng một thời gian dưỡng hộ, GPC được dưỡng hộ ở nhiệt độ cao hơn có cường độ lớn hơn Khi dưỡng hộ với một mức nhiệt không đổi, càng kéo dài thời gian dưỡng hộ từ 2 giờ lên 8 giờ, thì cường độ nén càng tăng, tuy nhiên khoảng chênh lệch này là không lớn Điều này thấy rõ đối với cấp phối 14M, khi được dưỡng hộ ở 1000C trong 2 giờ có cường độ chịu nén đạt 26,6 MPa , tăng 9,8 % so với dưỡng hộ trong 8 giờ

Hình 5 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và điều kiện dưỡng hộ

Kết quả chứng tỏ yếu tố nhiệt độ quyết định đến sự phát triển cường độ của bê tông geopolymer Khi được dưỡng hộ nhiệt, ở mức nhiệt càng cao thì cường độ chịu nén của vật liệu geopolymer càng tăng Nhiệt độ cao thúc đẩy quá trình kết hợp giữa các khoáng

alumino silicate có trong tro bay và dung dịch alkaline làm phản ứng trùng ngưng giữa những monomer xảy ra nhanh, ngoài ra khi thời gian hằng nhiệt đủ dài điều này còn làm các phản ứng tạo chuỗi –O-Si-O-Al xảy ra triệt để hơn Giải thích cho cường độ bê tông geopolymer cao ở mức nhiệt 1000C là do lượng hơi nước giảm đi dẫn đến lực liên kết giữa các phân tử gel có trong hỗn hợp bê tông tăng lên

Hình 6 Mối tương quan giữa UPV và điều kiện dưỡng hộ

Kết quả thực nghiệm (Hình 6) cho thấy khi tăng nhiệt độ, và dưỡng hộ mẫu trong thời gian dài, vận tốc trung bình 4550 - 4626 m/s ở các mức nhiệt 60, 80, 1000C vận tốc tăng tương đối chậm, ổn định trong suốt 4 giờ dưỡng hộ, sau đó tăng nhẹ Khi nhiệt độ tăng, làm cấu trúc của GPC trở nên cứng hơn, vật liệu ít lỗ rỗng và trở nên đặc chắc, điều này làm giá trị UPV tăng Kết quả này tương tự với nhận định của Sakonwan Hanjitsuwan (2013)

4.3 Xác định cường độ chịu nén GPC bằng phương pháp không phá hoại