BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG & CƠ HỌC ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THÁI NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU GEOPOLYMER CỐT SỢI POLY-PROPYLEN ĐỂ CHẾ TẠO GẠCH NGÀNH : KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP - 60580208 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09/2016
79
Embed
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU GEOPOLYMER …fceam.hcmute.edu.vn/Resources/Docs/SubDomain/fceam/LuanVanThacSi/XDD… · nghiÊn cỨu tÍnh chẤt cƠ lÝ cỦa
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA XÂY DỰNG & CƠ HỌC ỨNG DỤNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM THÁI
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU
GEOPOLYMER CỐT SỢI POLY-PROPYLEN
ĐỂ CHẾ TẠO GẠCH
NGÀNH : KỸ THUẬT XÂY DỰNG
CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP - 60580208
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09/2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA XÂY DỰNG & CƠ HỌC ỨNG DỤNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM THÁI
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU
GEOPOLYMER CỐT SỢI POLY-PROPYLEN
ĐỂ CHẾ TẠO GẠCH
NGÀNH : KỸ THUẬT XÂY DỰNG
CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP – 60580208
Hướng dẫn khoa học : TS. PHAN ĐỨC HÙNG
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09/2016
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả, bảng biểu trình bày trong luận văn là trung thực, và chưa
từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng ... năm 201..
(Ký và ghi rõ họ tên)
PHẠM THÁI
iii
LỜI CẢM TẠ
Sau thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp.
Hồ Chí Minh, được sự quan tâm hướng dẫn chỉ bảo của các thầy trong và ngoài
trường tôi đã hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm Ban giám hiệu nhà
trường cùng các quý thầy cô đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập nâng cao trí
thức và lối sống.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban chủ nhiệm khoa Xây dựng & Cơ học ứng
dụng cùng các thầy cô Bộ môn đã quan tâm, giảng dạy, truyền đạt những kiến
thức vô cùng quý báu trong quá trình học tập cũng như trong thời gian thực hiện
luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Phan Đức Hùng đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ, hỗ trợ tôi từng bướt hoàn thành luận văn. Thầy đã trang bị và truyền đạt
cho tôi những kinh nghiệm và kiến thức quý báu để nghiên cứu và gợi ý những
hướng để tôi phát triển và hoàn thiện đề tài này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các bạn lớp XDC 2015A và các bạn
nhóm nghiên cứu về đề tài vật liệu xây dựng đã động viên, tư vấn, giúp đỡ và đưa
ra những lời khuyên giúp cho tôi hoàn thành luận văn này.
Luận văn này là một quá trình nghiên cứu lâu dài tại trường Đại học sư phạm
kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh. Dù đã cố gắng nghiên cứu, hoàn thiện luận văn một cách
tốt nhất nhưng không khỏi tránh những sai sót trong quá trình thực hiện. Rất mong
nhận được sự quan tâm, góp ý từ các quý thầy để luận văn này được hoàn thiện
hơn.
Trân trọng !
Tp. HCM, ngày 20 tháng 09 năm 2016
Học viên thực hiện
Phạm Thái
iv
TÓM TẮT
Nhằm hạn chế lượng khí thải CO2 từ các ngành công nghiệp sản xuất gạch đất
sét nung và sản xuất xi măng, đồng thời tận dụng nguồn phế phẩm tro bay thu được
từ các nhà máy nhiệt điện, công nghệ geopolymer có thể được áp dụng để chế tạo
gạch không nung thân thiện với môi trường. Ngoài ra, sợi polypropylene loại siêu
mảnh được thêm vào vữa geopolymer để cải thiện khả năng chịu uốn, chịu phá hoại
giòn, giảm độ co ngót,… Kết quả thực nghiệm trình bày trong nghiên cứu này cho
thấy sự ảnh hưởng rõ rệt của chiều dài và hàm lượng sợi polypropylene đến cường
độ chịu nén và uốn của vữa geopolymer trong các điều kiện dưỡng hộ khác nhau,
trong đó lưu ý hạn chế dưỡng hộ ở nhiệt độ cao.
v
ABSTRACT
In order to limit the emissions of CO2 from clay brick and cement industrial
productions, as well utilizing the by-products like fly ash obtained from thermal
power plants, geopolymer technology can be applied to manufacture
environmentally friendly un-fired bricks. In addition, the micro polypropylene
fibers were added to geopolymer mortar to improve the bending resistance, brittle
fracture resistant, shrinkage,... The experimental results presented in the paper show
the influence of the length and content of polypropylene fibers to the compressive
and flexural strength of geopolymer mortar in various curing conditions, whereas
restriction of curing in high temperature.
vi
MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
LỜI CẢM TẠ ............................................................................................................ iii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iv
ABSTRACT ................................................................................................................ v
MỤC LỤC ................................................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ x
DANH MỤC HÌNH ẢNH BIỂU ĐỒ ....................................................................... xi
Chương 1 TỔNG QUAN ............................................................................................1
1.1 Tính chất cấp thiết của đề tài nghiên cứu ............................................................. 1
1.1.1 Vấn đề về môi trường ........................................................................................ 1
1.1.2 Vấn đề vật liệu xây dựng mới trong tương lai. ................................................. 1
1.1.3 Thực trạng sử dụng gạch không nung trên thị trường hiện nay ........................ 3
1.2 Tình hình nghiên cứu đề tài trong và ngoài nước ................................................. 5
1.2.1 Những nghiên cứu trong nước ........................................................................... 5
1.2.2 Những nghiên cứu ngoài nước .......................................................................... 6
1.2.3 Nhận xét về các đề tài ........................................................................................ 6
thể geopolymer là cấu trúc vô định hình, không có hướng xác định và có tính kết
dính vật liệu khác.
2.1.3 Cơ chế phản ứng
Trên rất nhiều cơ sở nghiên cứu chất kết dính kiềm kích hoạt (alkaline-
activated Cement), có thể chấp nhận 2 khái niệm khác nhau là xỉ lò cao ngiền mịn
kiềm kích hoạt (alkaline activated GGBFS) và geopolymer. Chất kiềm kích hoạt của
GGBFS có kiểu (Ca+Si) và chất kết dính geopolymer có kiểu kết dính (Al+Si) với
metakaolin và tro bay làm vật liệu chính như Hình 2.3. Phân tích ảnh SEM cho
thấy, trước khi hoạt hóa tro bay có dạng hình cầu với nhiều kích cỡ khác nhau và
chứa tinh thể mulit và sắt. Sau khi hoạt hóa, một số hạt cầu chưa phản ứng và gel
Aluminosilicate (có tỉ lệ mol Si/Al : 1.6-1.8 và Na/Al : 0.46-0.68) trong vữa chỉ
chứa chất kích hoạt là NaOH. Khi chất kích hoạt có chứa nước thủy tinh thì sản
phẩm cuối cùng đặc hơn với tỷ lệ mol Si/AL : 2.7 và Na/Al : 1.5 [1].
Hình 2.3 Metakaolin(a) và tro bay(b) với NaOH 8M [13]
Cơ chế động học phản ứng tạo ra geopolymer giải thích quá trình đông kết và
rắn chắc của chất kết dính kiềm hoạt hóa vẫn còn là một bí ẩn. Theo Glukhovsky,
cơ chế quá trình kiềm hoạt hóa bao gồm các phản ứng phân hủy nguyên liệu dạng
cấu trúc ổn định thấp và phản ứng nội tại. Trước tiên là quá trình bẻ gảy các liên kết
cộng hóa trị Si-O-Si và Al-O-Si khi nồng độ pH của dung dịch kiềm tăng lên cao
[1]. Vì thế những nhóm nguyên tố này chuyển sang hệ keo, sau đó sảy ra sự tích tụ
các sản phẩm bị phá hủy với phản ứng nội tại giữa chúng tạo ra cấu trúc ổn định
thấp và cuối cùng là quá trình hình thành cấu trúc đông đặc.
15
Granizo đã nghiên cứu chất kết dính Metakaolin hoạt hóa kiềm và cho rằng có
2 phản ứng khác nhau khi chất kiềm hóa chỉ là NaOH hoặc thủy tinh lỏng. Ở trường
hợp thứ nhất, sau khi hòa tan một thời gian, các sản phẩm phá hủy bắt đầu tích tụ
[1]. Trong trường hợp thứ 2, ngay sau khi xảy ra sự hòa tan sẽ sảy ra quá trình trùng
hợp.
Trong quá trình phản ứng tạo ra chất kết dính geopolymer thì đồng thời cũng
phát sinh ra nhiệt độ và tỏa nhiệt ra bên ngoài có thể gây mất nước dung dịch toàn
cục. Theo kí hiệu hóa học của geopolymer do Davidovist đề xuất thì dùng tên là
“polysialates” mỗi “sialates” là một ký hiệu viết tắt của oxit kép aluminosilicate.
Các mạng lưới sialates bao gồm cái anion tứ diện [SiO4]4- và [AlO4]5- chung nhau
nguyên tử oxi và chúng cần các ion dương như Na+, K+, Li+, Ba2+, NH4+, H3O+ để
cân bằng điện tích của Al3+ trong khối tứ diện [1].
Hình 2.4 Sự hoạt hóa vật liệu alumo-silicat [1]
16
Palomo.et.al cũng có cùng quan điểm này khi cho rằng, có 2 kiểu hoạt tính
kiềm có thể sảy ra, kiểu thứ nhất xảy ra khi chất kích hoạt của xỉ lò cao (Si+Ca) là
dung dịch kiềm yếu, sản phẩm chủ yếu sẽ là CSH. Kiểu thứ 2 đối với chất hoạt hóa
kiềm của Metakaolin là dung dich kiềm từ trung bình đến mạnh. Sản phẩm cuối
cùng có dạng mạch trùng hợp và có cường độ cơ học cao. Với trường hợp đầu
tương tự như quá trình hình thành Zeoloite (khoáng Nhôm). Còn với chất hoạt hóa
kiềm của tro bay xảy ra sự tỏa nhiệt trong quá trình hòa tan, phân tách các liên kết
công hóa trị O-Si-O và Al-O-Al [1]. Nhìn chung các sản phẩm tùy thuộc vào sự phá
vỡ cấu trúc của tro bay trong khoảng thời gian đầu và cuối cùng là quá trình ngưng
kết tạo cấu trúc chuỗi một cách có trật tự tạo ra sản phẩm có cường độ cơ học cao.
Joseph Davidovist cho rằng dung dịch kiềm có thể sử dụng để phản ứng với
Silic và Nhôm trong nguồn vật liệu khoáng hoặc trong vật liệu phế thải tro bay, tro
trấu để chết tạo chất kết dính. Bởi vì phản ứng hóa học xảy ra trong trường hợp này
là quá trình trùng hợp cho nên ông gọi là geopolymer. Thông số chính quyết định
đến tính chất và dạng sử dụng của một loại geopolymer là tỷ lệ Si/Al, với vật liệu
xây dựng tỷ lệ Si/Al khoảng xấp xỉ 2.
Hình 2.5 Mô tả phản ứng tro bay trong dung dịch kiềm [9]
17
Hình 2.5 chỉ ra rằng quá trình tan rã của Nhôm và Silic sảy ra khi dung dịch
kiềm hóa được cho vào tro bay. Sau đó, các phân tử ngưng tụ thành dạng Gel. Dung
dịch kiềm hóa tấn công vào vào bề mặt tro bay tạo thành các hố lớn trên bề mặt, sau
đó lan ra các hố khác trên bề mặt tro bay. Quá trình phản ứng từ bên trong và bên
ngoài của hạt tro bay.
2.1.4 Tro bay (Fly Ash)
Tro bay hay còn gọi là “tro nguyên liệu phun” bao gồm các loại bột mịn thu
được từ việc đốt than trong các nhà máy nhiệt điện công nghiệp và có đường kính
cỡ hạt khác nhau. Tro bay được phân chia thành 2 cấp đó là F và C theo ASTM.
Thành phần hóa học của tro bay là các khoáng có trong các quặng thang đá và có
đặc tính phụ thuộc vào tỉ lệ thành phần khoáng cấu thành nên. Trong đó, thành phần
khoáng silicate (SiO2) chiếm khoảng từ 40 – 60% và khoáng Nhôm(Al) chiếm từ 20
– 30 (%), còn lại là hàm lượng Sắt thay đổi không xác định. Quá trình hoạt hóa tro
bay trong dung dịch kiềm rất phức tạp mà không thể đánh giá được đựa trên hàm
lượng cũng như là phần trăm tỷ lệ Kali/Natri [9].
Hình 2.6 Cấu trúc SEM của vi hạt tro bay [25]
Một trong những lý do lớn nhất để sử dụng tro bay trong bê tông geopolymer
nhằm tăng cường độ của bê tông trong quá trình ninh kết và tăng độ bền liên kết
trong quá trình sử dụng. Trong quá trình hydrat hóa tro bay, tro bay sẽ tác dụng với
canxi hydroxite để tạo thành Canxi silicat và Canxi aluminat làm giảm đi hiện
tượng thấm canxi hydroxite (Ca(OH)2) trong bê tông và tăng khả năng chống thấm
18
của bê tông. Tro bay có cấu trúc phân tử tinh vi hình cầu vì vậy nó sẽ cải thiện và
tăng độ bền của bê tông vì tỷ lệ nước trên chất kết dính sẽ giảm.
2.1.5 Quá trình kiềm hóa (alkaline activation)
Quá trình tan rã của Silic và Nhôm sảy ra khi tro bay được cho vào dung dịch
kiềm hoàn toàn. Các tinh thể bắt đầu động đặc và tạo thành dạng Gel, dung dịch
kiềm sẽ bao bọc bề mặt các hạt tro bay và mở rộng ra các lỗ rổng giữa các hạt tro
bay rồi đến các hạt nhỏ và các lỗ rỗng khác. Quá trình phản ứng kiềm hòa diễn ra từ
bê trong lẫn bên ngoài vì vậy hầu hết các hạt tro bay được tan rã trong dung dịch
kiềm.
Quá trình phản ứng của Alumino-silicat trong môi trường kiềm mạnh được mô
tả như sau : đầu tiên là quá trình bẻ gảy liên kết của Si-O-Si, các pha mới bắt đầu
xuất hiện, cơ chế này là quá trình hòa tan. Tiếp theo là sự xâm nhập của nguyên tố
Nhôm(Al) vào cấu trúc phân tử Si-O-Si, đây là quá trình đặc trưng nhất của phản
ứng kiềm. Gel Alumino-silicat được hình thành, hợp chất được tạo thành từ phản
ứng có công thức học học đặc trưng như sau : Mn[-(Si-O)z-Al-O]n.wH2O. Các pha
C-S-H và C-A-H được tạo thành phụ thuộc vào các nguồn vật liệu ban đầu, điều
kiện phản ứng và lượng nước trong quá trình phản ứng [9].
2.1.6 Dung dịch sodium hydroxyde (NaOH)
Dung dịch NaOH được sử dụng chủ yếu để làm chất hoạt hóa kiềm pha với
dung dịch thủy tinh lỏng như Natri silicat (Na2SiO3) hoặc Kali silicat (K2SiO3). Hỗn
hợp này đóng một vai trò cực kì quan trọng trong phản ứng kiềm hóa và có tác dụng
làm tan rã các thành phần khoáng của hạt tro bay. Chức năng tách ion Al3+ và Si4+
trong dung dịch natri hydroxite (NaOH) cũng tương tự như trong dung dịch kali
hydroxite (KOH) [9]. Do đó dung dịch kiềm có nhiệm vụ khử Nhôm và Silic trong
các hạt tro bay ban đầu và từ đó quyết định đặc tính độ cứng của geopolymer. Có
thể nói rằng, sự có mặt của dung dịch NaOH trong các phản ứng giúp tăng tốc độ
phản ứng và làm Gel tạo ra sẽ dẻo hơn. Gel được xem như sản phẩm của việc trộn
hỗn hợp dụng dịch kiềm và thủy tinh lỏng, vì vậy trong Gel sinh ra sẽ chứa rất
nhiều nguyên tố Na và Al.
19
2.1.7 Dung dịch sodium silicate (Na2SiO3)
Theo Palomo el all. (1999) đã kết luận rằng dung dịch thủy tinh lỏng (sodium
silicate) đóng một vai trò quan trọng trong quá trình phản ứng tổng hợp chất kết
dính geopolymer. Tốc độ sảy ra phản ứng sẽ cao khi dung dịch kiềm kích hoạt chứa
các ion silicate hòa tan trong dung dịch. Xu and Van Deventer(2000) chỉ ra rằng khi
cho dung dịch thủy tinh lỏng vào dung dịch NaOH thì sảy ra hiện tượng phản ứng
và sự trộn lẫn hai dung dịch lại với nhau. Tempest el al (2009) đã phát biểu rằng,
dung dịch thủy tinh lỏng trong dung dịch kiềm kích hoạt sẽ giúp quá trình tan rã các
hạt tro bay sẽ diễn ra nhanh chóng hơn [9].
2.2 Đặc điểm của vật liệu geopolymer
“Geopolymer” là một chất kết dính kiềm kích hoạt hóa. Trong quá trình chế
tạo, nước chỉ đóng vai trò tạo tính công tác, không tham gia vào cấu trúc
geopolymer, không tham gia vào phản ứng hóa học và có thể loại ra trong quá trình
bảo dưỡng. Nhiều nghiên cứu cho rằng, bảo dưỡng nhiệt cho bê tông geopolymer sử
dụng tro bay có hàm lượng vôi thấp sẽ tạo cường độ cao, co khô ít, từ biến thấp,
chịu ăn mòn sunphat, ăn mòn axit tốt và có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng cơ sở
hạ tầng.
2.2.1 Vật liệu thân thiện với môi trường
Năm 1978, Davidovits đã giới thiệu cụm từ “geopolymer” được mô tả giống
như vật liệu có đặc tính giống với xi măng. Công nghệ geopolymer hạn chế khoảng
80% lượng nhiệt bởi vì quá trình sản xuất không yêu cầu sử dụng nhiệt độ cao để
nung giống như xi măng. geopolymer cũng bộc lộ những đặc tính chịu được lửa và
nhiệt độ cao giống như xi măng. Vật liệu này sử dụng rất ít các nguyên liệu có
nguồn gốc từ tự nhiên, yêu cầu rất ít năng lượng, và có rất ít khí CO2 thải ra môi
trường. Tro bay được xem như một loại hợp cất vô cơ là sản phẩm thải ra của quá
trình đốt than đá trong các lò nhiệt. Tro bay nếu phát tán ra môi trường mà không có
biện pháp thu xử lí thì sẽ rất gây ô nhiểm đến môi trường. geopolymer là một vật
liệu nhân tạo ngoài những đặc tính giống với xi măng thì còn có thể chứa được các
chất thải độc hại. Dung dịch kiềm tác dụng với silic và nhôm có trong các khoáng tự
20
nhiên. Việc sử dụng bê tông geopolymer kết dính tro bay có thể làm giảm hiện
tượng nóng lên của trái đất hạn chế hiệu ứng nhà kính từ 25 – 46 (%) so với bê tông
xi măng thông thường [1].
2.2.2 Đa dạng về ứng dụng thực tiễn
Vật liệu geopolymer có rất nhiều ứng dụng khác nhau như : tấm gỗ kết cấu
chồng cháy, tấm tường và panel cách điện, sản xuất đá nhân tạo trang trí, tấm panel
bọt cách nhiệt, vật liệu xây dựng thô, gạch không nung, kết cấu chịu lửa, kết cấu
chống sốc nhiệt, ứng dụng làm khuôn đúc nhôm, bê tông và chất kết dính
geopolymer, vật liệu cản lửa gia cố và sửa chửa, vật liệu chống cháy công nghệ cao
dùng cho máy bay và ô tô, vật liệu nhựa công nghệ cao.
2.2.3 Độ bền và khả năng chịu lực
Vật liệu geopolymer có thể chịu được tác động của nhiệt tốt ngay cả trong điều
kiện môi trường thường hay và khắc nghiệt, có khả năng chịu ăn mòn hóa học cực
tốt đặc biệt là khả năng chịu ăn mòn axit và muối.
Khả năng gắn kết cốt thép của vật liệu geopolymer được nghiên cứu và so sánh
tương đương hoặc cao hơn so với bê tông xi măng Sunfat. Bê tông geopolymer cho
cường độ cao sau vài giờ phản ứng kiềm (60 – 70 MPa sau 24 giờ).
2.2.4 Tận dụng phế thải công nghiệp
Cũng giống như bê tông geopolymer, gạch geopolymer tận dụng các phế thải
của quá trình sản xuất công nghiệp như tro bay của các nhà máy nhiệt điện công
nghiệp, xỉ lò cao của các nhà máy luyện gang thép, nên việc sử dụng gạch
geopolymer có thể giảm nguy cơ chất thải công nghiệp, tốn kém về diện tích bãi
chứa và giảm thiểu tối ra lượng nhiệt, khí thải thải ra ngoài môi trường.
2.2.5 Nhược điểm
Ngoài các ưu điểm trình bày bên trên thì vật liệu geopolymer cũng có những
nhược điểm mà chưa phổ biến ngoài thị trường. Hầu hết các nhà máy sản xuất lo
ngại về nguy cơ sụt giảm giá trị khi đầu tư vào loại vật liệu này. Trên những quan
điểm về công nghệ vật liệu xây dựng, khái niệm xi măng xanh mới chỉ được đề cập
như một khái niệm chưa được chứng minh bằng thực tiễn công nghệ. Vẫn còn nhiều
21
tranh cải về khả năng thải khí CO2 và tính kinh tế khi xem xét giá thành. Rõ ràng
rằng sự nguy hiểm nhất định khi sử dụng dung dịch kiềm mạnh và dung dịch kiềm
mạnh cũng đòi hỏi quá trình sản xuất bê tông phức tạp hơn.
Trên thực tế thì còn khá ít các thí nghiệm về tính chất vật lý của vật liệu
geopolymer. Quá trình phản ứng Polymer hóa chịu ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ
và đòi hỏi phải bảo dưỡng ở nhiệt độ cao và sự kiểm soát ngiêm ngặt nhiệt độ.
Ngoài ra, đối với bê tông geopolymer thì việc trộn trực tiếp ngoài công trình thì còn
nhiều khó khăn và hạn chế và không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, gạch geopolymer
cũng chỉ có thể sản xuất từ trong các xưởng sản xuất và nhà máy.
2.3 Giới thiệu về sợi polypropylene kỹ thuật ( PP )
Đặc tính của các loại bê tông hay gạch đất sét nung đó là khả năng chịu uốn rất
kém, đối với gạch geopolymer thì cũng không ngoại lệ. Vì khả năng chịu uốn kém
nên gạch geopolymer sẽ bị nứt và dẫn đến phá hoại. Để hạn chế vấn đề này có thể
sử dụng cốt sợi polypropylene vào gạch geopolymer để tăng khả năng chịu uốn của
gạch, hạn chế được vết nứt và phá hoại khi gạch geopolymer chịu uốn.
Sợi polypropylene là sản phẩm phụ của dầu mỏ tinh chế propylen làm nguyên
liệu thu được isotactic polypropylene sợi nhân tạo tên thương mại Trung Quốc (còn
được gọi là sợi polypropylene), nó được thực hiện từ quá trình trùng hợp của
propylene làm nguyên liệu bột giấy kéo sợi chảy [15]. Polypropylene chính thức bắt
đầu được biết đến vào năm 1957 trong sản xuất công nghiệp, là một ngôi sao đang
lên trong các sợi tổng hợp từ polypropylene với quá trình sản xuất đơn giản, sản
phẩm rẻ tiền, độ bền cao, mật độ sợi dày, v.v. Do đó, polypropylene phát triển
nhanh chóng. polypropylene hiện là sợi tổng hợp lớn thứ tư, là một sợi hóa học phổ
biến sợi nhẹ nhất.
22
Hình 2.7 Sợi polypropylene [22]
Hình 2.7 thấy rằng sợi polypropylene rất mảnh, nhẹ và có kích thước được cắt
sẵn. Sợi PP sử dụng thí nghiệm có màu trắng, óng ánh, mềm và mượt.
2.3.1 Đặc tính của sợi polypropylene
Sợi PP có rất nhiều ưu điểm vượt trội trong phù hợp trong việc làm cốt sợi vào
gạch geopolymer như : Tính bền cơ học cao (bền xé và bền kéo đứt), khá cứng
vững, không mềm dẻo như PE, không bị kéo giãn dài do đó được chế tạo thành sợi.
Đặc biệt khả năng bị xé rách dễ dàng khi có một vết cắt hoặc một vết thủng nhỏ.
Trong suốt, độ bóng bề mặt cao, nét in rõ. Sợi PP không màu, không mùi, không vị,
không độc. Sợi PP cháy sang với với ngọn lửa màu xanh nhạt, có dòng cháy dẻo.
Sợi PP chịu được nhiệt độ cao hơn 100oC, khả năng chống thấm với O2, hơi nước,
dầu mỡ và các khí khác. Sợi PP có đặc tính không dẫn điện, dẫn nhiệt [17].
Sợi polypropylene theo những nghiên cứu thì không gây hại đến sức khỏe con
người, an toàn lao động khi sử dụng. Khi bị đốt cháy, sợi PP có thể gây mùi khó
chịu đối với con người.
Còn đối với bê tông được cốt sợi polypropylene có những ưu điểm như : hạn
chế các vết nứt nhỏ cho bê tông, giúp cho bề mặt bê tông kín, phẳng và mịn ( không
có những lổ xốp), ít chịu ăn mòn, giúp cho sản phẩm bê tông được ổn định hơn, bền
vững hơn. Đặc biệt cốt sợi PP hiệu quả trong điều kiện thời tiết thay đổi nhiều.
2.3.2 Công dụng sợi polypropylene đối với cuộc sống
Với những đặc tính và ưu điểm của sợi PP được nêu bên trên, sợi PP có rất
nhiều công dụng thiết thực đối với đời sống như : sử dụng PP làm bao bì bảo vệ
23
thực phẩm mà không yêu cầu chống oxi hóa một cách ngiêm ngặc, tạo thành sợi dệt
thành bao bì đựng ngủ cốc và lượng thực lớn, PP cũng được sản xuất dạng màng
phủ ngoài đối với màng nhiều lớp để tăng tính chống thấm khí, hơi nước, tạo khả
năng in ấn cao, và dễ xé rách để mở bao bì (do có tạo sẵn một vết đứt) và tạo độ
bóng cao cho bao bì, dùng làm chai đựng nước, bình sữa cho bé, hộp bảo quản thực
phẩm, một số sản phẩm làm từ nhựa PP có khả năng chịu nhiệt tốt dùng được trong
lò vi sóng [17].
Trong xây dựng, sợi PP được trộn vào hỗn hợp vật liệu sau cùng, sau khi các
vậy liệu khác đã được trộn với nhau. Sợi PP được trộn vào hỗn hợp vật liệu nhằm
tăng khả năng kháng nứt, tăng độ bền, độ chống chịu mài mòn của vật liệu, cũng
như tăng cường khả năng chịu nén uốn.
2.3.3 Nhược điểm của sợi polypropylene
Đối với mỗi vật liệu đều có ưu điểm và nhược điểm riêng cho nó. Ngoài những
đặc tính vượt trội nêu trên thì sợi polypropylene cũng có những nhược điểm riêng
như là khả năng bám dính với bê tông kém, bị biến đổi tính chất khi gặp nhiệt độ
cao. Không những vậy sợi PP rất dễ bị phá hoại tính chất khi tiếp xúc với tia cực
tím, tiếp xúc trực tiếp của ánh sáng mặt trời [17].
2.3.4 Sự làm việc của sợi polypropylene trong vật liệu nền
Khi mẫu bê tông và vữa chịu nén, các sợi polypropylene đóng vai trò liên kết
các vật liệu nền, tránh hiện tường vỡ giòn thành từng mẫu vụn nhỏ.
Khi mẫu bê tông và vữa chịu uốn, vết nứt đầu tiên xuất hiện, sợi polypropylene
đóng vai trò bắt cầu đến các vết nứt tiếp theo. Bề mặt sợi xuất hiện lực lực kéo nên
khả năng chịu uốn của cấu kiện sẽ tăng. [5]
Hơn nữa, sợi polypropylene còn làm giảm độ co ngót hay sự mất nước trong
quá trình cấu kiện sử dụng chất kết dính geopolymer đóng rắn nên mức độ biến
dạng của cấu kiện sẽ ít hơn không thêm sợi polypropylene.
24
Chương 3
NGUYÊN VẬT LIỆU & PHƯƠNG PHÁP
THÍ NGHIỆM
3.1 Nguyên liệu tạo mẫu
Trước khi tiến hành quá trình chuẩn bị vật liệu thí nghiệm, cũng cần phải xem
xét kỹ lưỡng những vật liệu có thể tận dụng để sử dụng trong phòng thí nghiệm, sắp
xếp, tập kết vật liệu thí nghiệm đúng vị trí một cách hợp lí để phục vụ cho quá trình
lấy vật liệu, cân đo đong đếm, quản lí, bảo quản thuận tiện nhất. Ngoài ra, còn phải
chuẩn bị các loại máy móc và thiết bị phục vụ cho quá trình pha trộn mẫu thí
nghiệm và máy móc đo đạc số liệu thí nghiệm như cân điện tử, bình thủy tinh chứa
dung dịch pha trộn, máy trộn bê tông, các dụng cụ để nhào trộn đầm nén, v.v.
Để tránh việc thiếu hụt vật liệu sử dụng pha trộn trong xuyên suốt quá trình thí
nghiệm, cần phải xác định trước cấp phối sơ bộ, lựa chọn tỉ lệ giữa các vật liệu trộn
đầu vào, xác định số lượng thí nghiệm sẽ tiến hành từ đó xác định được số lượng
mẫu sẽ thực hiện và khối lượng vật tư cần thiết cho thí nghiệm. Với việc dự trù
trước khối lượng vật tư cần thiết cho thí nghiệm sẽ tránh được tình trạng sử dụng
vật liệu pha trộn có đặc tính khác nhau, vì vậy mà có thể so sánh kết quả thu được
một cách khách quan thống nhất giữa các mẫu. Không những vậy, việc dự trù khối
lượng vật liệu cần thí cho các thí nghiệm sẽ làm cho quá trình thí nghiệm diễn ra
một cách trôi chảy, đảm bảo đúng tiến độ thí nghiệm để có thể thu được kết quả
sớm nhất có thể.
Đối với những vật liệu không có sẵn trong phòng thí nghiệm, cần thiết phải liên
hệ các cơ sở sản xuất, các cửa hàng mua bán vật liệu xây dựng để tiến hành đặt mua
đủ theo khối lượng vật liệu đã dự kiến.
Đối với mỗi loại cốt liệu cần xác định chính xác các chỉ tiêu cơ lí của chúng
như khối lượng riêng, khối lượng thể tích xốp, thành phần hạt, môđun độ lớn, v.v.
Để lựa chọn cốt liệu nhào trộn thành vữa geopolymer thí nghiệm hợp lí nhất.
25
3.1.1 Cát
Dựa vào thành phần kích cỡ hạt cát được phân chia thành các lớp theo tiêu
chuẩn TCVN 1770-1986 như sau.
Bảng 3.1 Các chỉ tiêu của cát theo mức nhóm cắt
STT Tên các chỉ tiêu Theo mức nhóm cắtTo Vừa Nhỏ Rất nhỏ
1 Môđun độ lớn Lớn hơn 2.5 đến 3 2 đến 2.5 1 đến nhỏ
hơn 20.7 đến nhỏ
hơn 1
2Khối lượng thể tíchxốp (kg/m3 ) không nhỏ hơn.
1400 1300 1200 1150
3
Lượng hạt nhỏ hơn 0.14 mm, tính bằng % khối lượng cát, không lớn hơn
10 10 20 35
Tùy theo nhóm cát mà ta có đường biểu diễn thành phần hạt nằm trong vùng
gạch của bảng sau.
Bảng 3.2 Nhóm cát
To Vừa Nhỏ Rất nhỏVùng 1 Vùng 2 Vùng 3 Vùng 4
Các yêu cầu về đặc tính cơ lí của cát được quy định theo tiêu chuẩn TCVN
1770-1986. Hàm lượng hạt cát lớn hơn 5mm và hàm lượng bùn, bụi, sét bẩn trong
cát được quy định khác hoặc theo các hợp đồng thỏa thuận. Cũng theo tiêu chuẩn
TCVN 1770-1986 có được bảng chỉ tiêu cát đối với vữa trong xây dựng.
Bảng 3.3 Đặc tính của cát dùng cho vữa xây dựng
STT Tên các chỉ tiêu Mức theo mác vữaNhỏ hơn 75 Lớn hơn hoặc bằng 75
1 Môđun độ lớn không nhỏ hơn 7.5 1.5
2 Sét, á sét, các tạp chất khác ởdạng cục. Không Không
3 Lượng hạt trên 5 mm Không Không
26
4 Khối lượng thể tích xốp, tính bằng kg/m3, không nhỏ hơn 1150 1250
5Hàm lượng muối gốc sunfat, sunfit tính ra SO3, tính bằng % khối lượng cát, không lớn hơn.
2 1
6 Hàm lượng bùn, bụi, sét tính bằng % khối lượng cát , không lớn hơn. 10 3
7Lượng hạt nhỏ hơn 0.14mm, tính bằng % khối lượng cát, không lớnhơn.
35 20
8
Hàm lượng tạp chất hữu cơ thửtheo phương pháp so mẫu, mẫucủa dung dịch trên cát không sẫmhơn.
Mẫu số hai Mẫu chuẩn
Cát mịn chứa nhiều tạp chất như bụi, bùn, sét sẽ tạo nên một màng mỏng trên
bề mặt cốt liệu ngăn cản sự tiếp xúc giữa xi măng và các thành phần cốt liệu sẽ làm
giảm tính kết dính và sẽ giàm giảm cường độ của vữa và bê tông. Đối với gạch bê
tông có cốt liệu từ cát và tro bay thì cũng chịu ảnh hưởng tương tự khi cát mịn lẫn
nhiều tạp chất. Không nên sử dụng cát mịn, cát bị nhiễm mặn, nhiễm phèn, lẫn
nhiều tạp chất. Cát thô có thành phần được quy đinh trong bảng sau thì được phép
sử dụng để chết tạo bê tông và vữa ( theo TCVN 7570:2006)
Bảng 3.4 Thành phần của hạt cát
Kích thước lỗ sàn Lượng sót tích lũy trên sàn, đơn vị %Cát thô Cát mịn
2.5mm Từ 0 đến 20 01.25mm Từ 15 đến 45 Từ 0 đến 15630µm Từ 35 đến 70 Từ 0 đến 35315µm Từ 65 đến 90 Từ 5 đến 65140µm Từ 90 đến 100 Từ 65 đến 90
Lượng qua sàn 140µmkhông lớn hơn 10 35
Tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 quy định về thành phần tạp chất trong cát như
sau.
27
Bảng 3.5 Hàm lượng tạp chất trong cát
Tạp chấtHàm lượng tạp chất. % khối lượng không lớn hơn
Bê tông cấp cao hơn B30
Bê tông cấp thấphơn B30 Vữa
Sét cục và các tạpchất dạng cục Không được có 0.25 0.5
Hàm lượng bùn, bụi, sét 1.50 3.00 10.00
Bảng 3.6 Hàm lượng ion Cl- trong cát
Loại bê tông và vữa Hàm lượng ion Cl-, % khối lượng không lớn hơn
Bê tông dùng cho các kết cấu bê tông cốtthép ứng suất trước 0.01
Bê tông dung cho các kết cấu bê tông, bê tông cốt thép và vữa thông thường 0.05
Cát sử dụng trong suốt quá trình thí nghiệm có khối lượng riêng γd = 2560
kg/m3 và khối lượng thể tích xốp γxốp = 1491 kg/m3. Cát được rửa sạch, sấy khô, sàn
qua sàn 5mm có lượng sót tích lũy như hình vẽ.
Hình 3.1 Biểu đồ thành phần hạt cát
Hình 3.1 thấy rằng cát sử dụng thí nghiệm nằm trong đường chuẩn theo quy
định của tiêu chuẩn hiện hành.
3.1.2 Tro bay
28
Tro bay chuẩn bị cho thí nghiệm được mua từ các cơ sở thu gom từ các nhà
máy nhiệt điện hoặc các cơ sở đốt than đá. Để đảm bảo chất lượng và các chỉ tiêu
đặc trưng của tro bay cần bảo quản tro bay một cách cẩn thận, tránh tiếp xúc trực
tiếp với ánh nắng mặt trời, cũng như những nơi ẩm ướt có độ ẩm cao, chúng sẽ làm
cho tro bay bị hỏng và thay đổi tính chất. Tro bay trong các bao tải lớn được chia ra
chứa trong nhiều bao ni-lông nhỏ và cất giữ vào thùng ngăn nắp hợp lí nhằm thuận
tiện cho quá trình sử dụng nhào trộn vữa gạch.
Hình 3.2 Tro bay dùng để thí nghiệm
Bảng 3.7 Phân loại tro(TCVN 10302 – 2014)
Loại tro Định nghĩa
Tro bay (Fly ash) Loại thải phẩm bụi mịn thu được tại bộ phận lắng bụikhí thải của nhà máy nhiệt điện từ quá trình đốt than.
Tro tuyển (Fly ash selected)
Tro bay đã qua công nghệ xử lý tuyển khô hoặc tuyểnướt để loại bớt thành phần không mong muốn, nhằmnâng cao thành phần chất lượng hữu ích trong sử dụng.
Tro axit (Acid ash) - F Tro bay thu được từ đốt than nhà máy nhiệt điện, trong đó hàm lượng canxi oxit đến 10%.
Tro bazơ (Basic ash) - C Tro bay thu được từ đốt than nhà máy nhiệt điện, trong đó hàm lượng canxi oxit lớn hơn 10%.
Theo thành phần hóa học tro bay được chia làm 2 loại bao gồm tro bay axit có
hàm lương canxi oxit đến 10% có ký hiệu F, tro bay bazơ có hàm lượng canxi oxit
lớn hơn 10% có ký hiệu C.
Tro bay khi mua về, cất giờ trong phòng thí nghiệm cũng cần thiết phải xác
định các chỉ tiêu cơ lí của tro bay như khối lượng riêng, thành phần tạp chất, .v.v.
29
Tro bay dùng trong thí nghiệm loại F, có khối lượng riêng γtrobay = 2500 kg/m3,
với độ mịn 94% lọt qua sàn 0.08 mm. Tro bay được thí nghiệm theo tiêu chuẩn
TCVN 7131 : 2002 có thành phần hóa học như sau.
Bảng 3.8 Tỉ lệ thành phần tro bay (đơn vị : % khối lượng)
Ngoài ra, căn cứ vào tiêu chuẩn TCVN 10302:2014 tro bay dùng cho bê tông
và vữa xây phải đáp ứng các yêu cầu sau đây.
Bảng 3.9 Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa
STT Chỉ tiêuLoạiTrobay
Lĩnh vực sử dụng – Mức
a b c d
1Tổng hàm lượng ôxit SiO2+ Al2O3 + Fe2O3, % khốilượng, không nhỏ hơn
FC
7045
2
Hàm lượng lưu huỳnh,hợp chất lưu huỳnh tính quy đổi ra SO3, % khốilượng, không lớn hơn
FC
35
55
36
33
3Hàm lượng canxi ôxit tựdo CaOtd, % khối lượng, không lớn hơn
FC
-2
-4
-4
-2
4Hàm lượng mất khi nung MKN, % khối lượng, không lớn hơn
FC
125
159
8*7
5*5
5Hàm lượng kiềm có hại(kiềm hòa tan), % khốilượng, không lớn hơn
FC 1.5
6 Độ ẩm, % khối lượng, không lớn hơn
FC 3
7Lượng sót sàng 45µm, % khối lượng, không lớnhơn
FC 25 34 40 18
8Lượng nước yêu cầu so với mẫu đối chứng, %, không lớn hơn
FC 105 105 100 105
9 Hàm lượng ion Cl-, % F 0.1 - - 0.1
30
khối lượng, không lớnhơn
C
10
Hoạt độ phóng xạ tựnhiên Aeff, (Bq/kg) củatro bay dùng
- Đối với công trình nhà ở và công cộng,không lớn hơn
- Đối với công trình công nghiệp, đường đô thịvà khu dân cư, không lớnhơn
370
740
Khi đốt than Antraxit, có thể sử dụng tro bay với hàm lượng mất khi nung tương ứng: lĩnh vực c tới 12 %; lĩnh vực d tới 10 %, theo thỏa thuận hoặc theo kết quả thửnghiệm được chấp nhận.
Phương pháp xác định các thành phần cơ lí của tro bay tương tự như phương
pháp xác định chỉ tiêu cơ lí của xi măng như phương pháp xác định khối lượng
riêng, lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết, v.v.
Vì tro bay là một loại bột rất mịn vì vậy chúng rất dễ hình thành các hạt bụi li ti
lơ lững ngoài môi trường, nên yêu cầu tiến hành các hoạt động với tro bay phải nhẹ
nhàng, hợp lí hạn chế việc tro bay lan ra môi trường khiến người thí nghiệm và
người xung quanh hít phải. Bụi của tro bay gây ảnh hưởng rất lớn đối với sức khỏe
khi bị hít phải.
3.1.3 Dung dịch sodium hydroxide (NaOH)
Đối với việc sử dụng dung dịch NaOH, yêu cầu độ sạch của dung dịch NaOH
phải đạt mức 98%. Yêu cầu cần phải xác định trước nồng độ dung dịch cần thiết để
từ đó pha trộn dung dịch với nồng độ Mol đúng nhất từ công thức xác định nồng độ
Mol, từ đó suy ra được khối lượng NaOH khan cần pha trộn vào dung dịch như sau.
dd 1001000
MNaOH
C M VmP
dd 100M Vd
100MCM M
P
Trong đó :
▫ MNaOH là khối lượng NaOH khan cần cho vào
▫ M là khối lượng Mol của NaOH (M = 40)
31
▫ Vdd là thể tích dung dịch ta cần pha trộn
▫ P là độ tinh khuyết của dung dịch NaOH lấy bằng 99%
Dung dịch sodium hydroxide sử dụng cho thí nghiệm có nồng độ Mol lần lượt
là 14M và 12M.
3.1.4 Dung dịch sodium silicate (Na2SiO3)
Dung dịch sodium silicate (Thủy tinh lỏng) là dung dịch có màu trắng đục, có
đăc tính sệt, sánh, dễ dàng hòa tan trong nước. Thủy tinh lỏng là một dung dịch có
khả năng tác dụng với nhiều chất ở dạng rắn, lỏng, khí. Thủy tinh lỏng dễ bị các
axít phân hủy ngay cả axít cácboníc và tách ra kết tủa keo đông tụ axít silicsic.
Dung dịch sodium silicate dùng trong thí nghiệm có tỷ trọng 1.42 0.01 g/ml
và có hàm lượng Na2O và SiO2 dao động từ 36 – 38 (%).
Bảng 3.10 Tỉ lệ thành phần dung dịch thủy tinh lỏng
Thành phần Tỉ lệ khối lượng (%)Na2O 13.7SiO2 23.4H2O 62.9
3.1.5 Sợi polypropylene (PP)
Sợi polypropylene sử dụng theo tiêu chuẩn ASTM C1116 với kích thược được
cắt sẵn từ nhà – nơi cung cấp.
Bảng 3.11 Thông số sợi polypropylene
Đường kính(μm)
Cường độ bềnkéo (MPa)
Trọng lượng riêng (g/cm3)
Nhiệt độ chảy(oC)
Chiều dài(cm)
12 700 1.38 252 0.9,1.6,1.9,2.5
3.2 Cấp phối
Các mẻ vữa trộn đúc cho mẫu trụ và mẫu gạch thí nghiệm được thay đổi tỉ lệ
phối trộn khác nhau với nồng độ dung dịch sodium hydroxide 12M và 14M. Tỉ lệ
tro bay – cát lần lượt là 0.9, 1, 1.2, 1.4. Tỉ lệ dung dịch sodium silicate – sodium
hydroxide lần lượt 0.9, 1, 1.2. Hàm lượng sợi polypropylene lần lượt 0, 0.2, 0.4, 0.5,
0.8 (%) với kích thước sợi lần lượt 0.9, 1.9, 2.5 (cm).
32
Bảng 3.12 Tỷ lệ phối trộn và thành phần cấp phối cho 1 m3 vữa