Nghiên cứu vai trò của cation kiềm đến cường độ bê tông Geopolymer

NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA CATION KIỀM ĐẾN CƢỜNG ĐỘ BÊ

TÔNG GEOPOLYMER

STUDY OF THE ROLE OF CATIONGEOPOLYMER CONCRETE MEASUREMENT

PHAN PHÚ LỘC¹, PHAN ĐỨC HÙNG²

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

^bTrường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Tóm tắt: Bài báo sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm so sánh

và đánh giá kết quả so sánh với thí nghiệm được công bố. Nội dung của bài báo là nghiên cứu

vai trò của cation kiềm khi thay đổi tỷ lệ thủy tinh lỏng với cation kiềm, thay đổi nồng độ mol

của dung dịch Cation kiềm và thay đổi thời gian dưỡng hộ bê tông Geopolymer từ tỷ lệ và nồng

độ trước đó ảnh hưởng như thế nào đến cường độ chịu nén.

Từ khóa: Geopolymer, Bê tông Geopolymer, Cation kiềm, NaOH, KOH.

Abstract: This paper uses theoretical research methodology combined with comparative

experiments and results evaluation compared with published experiments. The content of the

paper is to study the role of alkaline cations when changing the ratio of liquid glass to alkaline

cation, changing the molar concentration of alkaline solution and changing the time of concrete

cure Geopolymer from proportions and concentrations How does the previous degree affect the

Compressive strength?

Key words: Geopolymer, Geopolymer Concrete, Alkaline Cation, NaOH, KOH.

Quá trình tổng hợp để tạo thành vật

liệu Geopolymer được gọi là quá trình

Geopolymer hóa các nguyên vật liệu

Aluminosilicate ban đầu nhờ vào các dung

dịch hoạt hóa kiềm. Quá trình hoạt hóa kiềm

cho các vật liệu Aluminosilicate là một quá

trình phức tạp và đến nay vẫn chưa được mô

tả một cách rõ ràng

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Khái niệm Geopolymer lần đầu tiên được

sử dụng bởi giáo sư Joseph Davidovits từ

những năm 1970. 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 có các

tính chất và cường độ tốt hơn. Nguyên liệu

để chế tạo vật liệu Geopolymer bao gồm

hai thành phần chính là các nguyên liệu ban

đầu và chất hoạt hóa kiềm.

Về bản chất, quá trình Geopolymer

hóa là quá trình kiềm hóa các loại vật liệu

giàu SiO₂và Al₂O₃. Từ đó, sản phẩm cuối

cùng được tạo ra là một loại chất kết dính

Dung dịch phổ biến là NaOH và KOH kết hợp

với thủy tinh lỏng nhằm tạo môi trường kiềm

và tham gia vào các phản ứng Geopolymer

hóa.

H nh 2.2 Mô hình quá trình họat hóa của

dung dịch kiềm Alkali đối vơi tro bay [15]

Trong bài báo này nghiên cứu vai trò

của cation kiềm khi thay đổi tỷ lệ thủy tinh

lỏng với cation kiềm, thay đổi nồng độ mol

của dung dịch Cation kiềm và thay đổi thời

gian dưỡng hộ bê tông ảnh hưởng như thế nào

đến cường độ chịu nén của bê tông

Geopolymer.

2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

có cấu trúc mạng vô định hình Poly-

Sialate với công thức hóa học như sau:

2.1. Cơ chế phản ứng trong quá tr nh

Geopolymer hóa

M_n[-(SiO₂)_z– AlO₂]_n.wH₂O

56

Trong đó :

3. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG

PHÁP THÍ NGHIỆM

M : là các ion dương kiềm như Ka+,

3.1. Nguyên vật liệu

Na+

Tro bay : Tro bay loại F được sử dụng để chế

tạo bê tông Geopolymer Thành phần hóa học

được trình bày bảng 1.

n : là mức độ trùng ngưng của phản

ứng Z: hệ số có giá trị 1,2,3

Theo một số nghiên cứu trước thì quá

Bảng 1. Thành phần hóa học của tro bay

trình tổng hợp Geopolymer có thể được mô tả

thông qua những bước như sau :

Oxit

SiO₂

Hàm lƣợng (%)

51,7

31,9

3,48

1,21

1,02

0,81

0,25

9,63

Al₂O₃

Fe₂O₃

CaO

K₂O và Na₂O

MgO

SO₃

MKN

H nh 2.1 Quá trình Geopolymer hóa

khối lượng NaOH khan cần pha trộn vào dung

dịch như sau:

3.1.1. Dung dịch thủy tinh lỏng (Na₂SiO₃)

Dung dịch thủy tinh lỏng (Na₂SiO₃) là dung

dịch có màu trắng đục, có đặc tính sệt, sánh,

dễ hòa tan trong nước, có khả năng tác dụng

với nhiều chất ở dạng rắn, lỏng, khí. Thủy

tinh lỏng dễ bị các acid phân hủy ngay cả

Carbonic acid và tách ra kết tủa keo đông tụ

silic acid.

C_Mx M x V_ddx 100

m_NaOH= -------------------------

1000 x P

Trong đó:

m_NaOHlà khối lượng NaOH khan cần cho vào

M là khối lượng Mol của NaOH (M=40)

V_ddlà thể tích dung dịch cần pha trộn

Dung dịch Sodium Silicat dùng trong thí

nghiệm có tỷ trọng 1.42

0.01 g/ml và có

hàm lượng Na₂O và SiO₂dao động từ 36 – 38

%.

P là độ tinh khiết của dung dịch chế từ

NaOH.

3.1.2. Dung dịch NaOH

Đối với việc sử dụng dung dịch NaOH, yêu

cầu độ sạch của dung dịch NaOH phải đạt

mức 99%. 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

3.1.3. Dung dịch KOH

Đối với việc sử dụng dung dịch KOH, yêu

cầu độ sạch của dung dịch KOH phải đạt mức

90%. Yêu cầu cần phải xác định trước nồng

57

độ dung dịch cần thiết để từ đó pha trộn dung

dịch với

Cát được sử dụng là cát sạch ở sông Đồng

Nai, cỡ hạt thô. Các tính chất cơ lý như khối

lượng riêng, khối lượng thể tích, thành phần

hạt … cũng được thí nghiệm theo Tiêu chuẩn

Việt Nam.

nồng độ Mol đúng nhất từ công thức xác định

nồng độ Mol, từ đó suy ra được khối lượng

KOH khan cần pha trộn vào dung dịch.

3.1.5. Đá dăm:

3.1.4. Cát :

Đá dăm được sử dụng cho bê tông có Dmax

= 20mm theo TCXD7570:2006 “cốt liệu cho

bê tông và vữa. Đá được rửa sạch, phơi khô

trước khi sử dụng .

Cát dùng cho nghiên cứu phải thoả mãn các

yêu cầu của TCVN 7570 : 2006 “Cát xây

dựng – Yêu cầu kỹ thuật”.

3.2. Cấp phối

Bảng 2: Cấp phối bê tông Geopolymer (1m³)

Cation

TTL/

cation

kiềm

0.5

1

Mẫu

Đá

Cát

Tro

TTL

kiềm

Mol

M11

1079

593

420

87

173

130

87

14M

16M

M12

M13

M14

M21

M22

M23

M24

130

173

185

87

2

75

2.5

0.5

1

173

130

87

130

173

185

2

75

2.5

Mẫu được dưỡng hộ nhiệt ở nhiệt độ

100⁰C với hai khoảng thời gian 8 giờ và thời

gian 10 giờ. Sau đó mẫu được lưu tại điều

kiện thường trong khoảng từ 5-7 ngày trước

khi tiến hành nén mẫu.

3.3 Quy trình thí nghiệm:

Bƣớc 1: Chuẩn bị nguyên vật liệu, khuôn

mẫu: Các vật liệu được tính cho từng tổ mẫu

(03 mẫu/1 tổ) được tính toán và cân đong

từng chủng loại.

Bƣớc 4: Nén mẫu thí nghiệm kiểm tra cường

độ.

Bƣớc 2: Nhào trộn và đúc mẫu

Trộn khô đá, cát và tro bay. Sau khi đều thì

tiến hành đổ dung dịch vào và tiếp tục trộn

đều cho đến khi bê tông đạt yêu cầu.

Đổ bê tông vào khuôn thành 2 lớp và tiến

hành đầm bằng que đầm (25-30 lần/ lớp).

Làm phẳng bề mặt mẫu sau khi đúc và lưu

mẫu tại phòng thí nghiệm trong thời gian 5

ngày. Sau đó tháo khuôn và tiến hành dưỡng

hộ nhiệt.

Bƣớc 3: Dưỡng hộ nhiệt

58

4. KẾT QUẢ

4.1. Kết quả so sánh theo thời gian dưỡng hộ nhiệt

Biểu đồ 4.1 So sánh cường độ khi thay đổi thời gian dưỡng hộ nhiệt của cation kiềm NaOH cùng

nồng độ là 14M

Nhận xét: Thời gian sấy 8 giờ thì cường độ phát triển tăng dần từ 5.6% và cao nhất

là13.1% ở tỷ lệ SS/SH = 2.5

Thời gian sấy 10 giờ cường độ phát triển nhanh ở tỷ lệ từ 0.5 lên đến tỷ lệ 1.0 từ tỷ lệ

SS/SH =2.0 đến tỷ lệ SS/SH =2.5 phát triển chậm lại nhưng cường độ cao nhất vẫn ở tỷ lệ 2.5

cường độ tăng từ 8.1% đến 13.7%.

Biểu đồ 4.2 So sánh cường độ khi thay đổi thời gian dưỡng hộ nhiệt của cation kiềm NaOH cùng

nồng độ là 16M

Nhận xét: khi nồng độ 16M đối với thời gian sấy 8 giờ cường độ tăng từ 6.45% đến 15.04% khi

thời gian sấy 8 giờ và cường độ tăng từ 3.4% đến 14.6% khi sấy 10 giờ.

59

Biểu đồ 4.3 So sánh cường độ khi thay đổi thời gian dưỡng hộ nhiệt của cation kiềm KOH cùng

nồng độ là 14M

Biểu đồ 4.4 So sánh cường độ khi thay đổi thời gian dưỡng hộ nhiệt của cation kiềm KOH cùng

nồng độ là 16M

Nhận xét: Thời gian dưỡng hộ nhiệt 10 giờ có cường độ cao hơn thời gian dưỡng hộ nhiệt là 8

giờ khi cùng tỷ lệ SS/SH, cùng nồng độ mol qua đó cho thấy rằng thời gian dưỡng hộ lâu hơn

thì quá trình geopolymer ngày càng hoàn thiện giúp tổng hợp các chuỗi monomer hòa thiện hơn

dẫn đến cường độ bê tông geopolymer tăng.

4.2 So sánh cường độ chịu nén của NaOH và KOH cùng nồng độ và cùng thời gian dưỡng hộ

nhiệt.

Biểu đồ 4.5 So sánh cường độ của dung dịch NaOH và dung dịch KOH, cùng nồng độ là 14 M

và cùng thời gian bảo dưỡng là 8 giờ

60

Biểu đồ 4.6 So sánh cường độ của dung dịch NaOH và dung dịch KOH, cùng nồng độ là 14 M

và cùng thời gian bảo dưỡng là 10 giờ

Biểu đồ 4.7 So sánh cường độ của dung dịch NaOH và dung dịch KOH cùng nồng độ là 16 M và

cùng thời gian bảo dưỡng là 8 giờ

Biểu đồ 4.8 So sánh cường độ của dung dịch NaOH và dung dịch KOH, cùng nồng độ là 16 M

và cùng thời gian bảo dưỡng là 10 giờ

Nhận xét: Cường độ chịu nén của mẫu bê tông khi sử dụng cation kiềm NaOH luôn cao

hơn khi sử dụng cation Kiềm KOH khi cùng tỷ lệ TTL/dung dịch, cùng nồng độ mol và cùng

thời gian bão dưỡng từ 60% đến 64%.

61

4.3. So sánh cƣờng độ khi thay đổi nồng độ mol.

Biểu đồ 4.9 So sánh cường độ khi thay đổi nồng độ của dung dịch dung dịch kiềm NaOH cùng

tỷ lệ và cùng thời gian bảo dưỡng là 8 giờ

Biểu đồ 4.10 So sánh cường độ khi thay đổi nồng độ của dung dịch dung dịch kiềm KOH cùng

tỷ lệ và cùng thời gian bảo dưỡng là 8 giờ

Biểu đồ 4.11 So sánh cường độ khi thay đổi nồng độ của dung dịch dung dịch kiềm NaOH cùng

tỷ lệ và cùng thời gian bảo dưỡng là 10 giờ

62

Biểu đồ 4.12 So sánh cường độ khi thay đổi nồng độ của dung dịch dung dịch kiềm KOH cùng

tỷ lệ và cùng thời gian bảo dưỡng là 10 giờ

Nhận xét: Khi thay đổi nồng độ mol thì cường độ bê tông geopolymer thay đổi đáng kể

Với thời gian dưỡng hộ 10 giờ nồng độ mol tăng từ 14M lên 16M thì cường độ chịu nén của bê

tông geopolymer tăng khoảng 38%.

Qua kết quả nghiên cứu cho thấy vai trò của

cation kiềm đến cường độ bê tông

geopolymer là rất quan trọng vì khi thiếu

cation kiềm không thể tạo thành dung dịch

kiềm hoạt hóa.

5. KẾT LUẬN

Từ kết quả thí nghiệm ta thấy các yếu tố ảnh

hưởng đến cường độ mẫu bê tông

Geopolymer bao gồm:

Khi thay đổi Tỷ lệ TTL/ cation kiềm cường

độ bê tông Geopolymer sẽ thay đổi và Tỷ lệ là

2.5 cho cường độ cao hơn khi cùng nồng độ

mol, cùng thời gian dưỡng hộ nhiệt.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Davidovit J., “Geopolymer chemistry and

Applications”, Institute Geopolymer, Saint

Quentin, France. 2^rdEd, 2008.

Nồng độ mol ( M): Khi thay đổi nồng độ mol

thì cường độ bê tông Geopolymer thay đổi

đáng kể với thời gian dưỡng hộ là 8 giờ nồng

độ mol thay đổi từ 14M đến 16M thì cường

độ bê tông tăng khoảng 15.6% tuy nhiên khi

tăng khi tăng thời gian dưỡng hộ lên 10 giờ

thì cường độ bê tông tăng lên khoảng 38%.

[2] Hardjito, “Study on fly ash-based

geopolymer concrete”. Curtin University of

Technology Perth, Autralia, 2005.

[3] TCVN 5574:2012, Kết cấu bê tông và bê

tông cốt thép – tiêu chuẩn thiết kế.

Thời gian dưỡng hộ: Thời gian dưỡng hộ

Lâu hơn thì quá trình geopolymer hóa càng

hoàn thiện giúp tổng hợp các chuổi monomer

hoàn thiện hơn dẫn đến cường độ bê tông

geopolymer tăng.

So sánh cường độ giữa dung dịch kiềm NaOH

và dung dịch kiềm là KOH có một số điểm

tương đồng có nghĩa các yếu tố ảnh hưởng

đến cường độ mẫu bao gồm TTL/cation kiềm,

nồng độ mol, điều kiện dưỡng hộ và thời gian

dưỡng hộ đều tăng và phù hợp với các kết quả

đã nghiên cứu.

Tuy nhiên khi lựa chọn dung dịch kiềm

NaOH và dung dịch KOH thì khuyến cáo sử

dụng dung dịch NaOH sẽ cho kết quả tốt hơn.

63

Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:

Họ tên: Phan Phú Lộc

Đơn vị:

Điện thoại: 0988.988.640

Email: [email protected]

Xác nhận của giảng viên hướng dẩn

64

BÀI BÁO KHOA HỌC

THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ

Bài báo khoa học của học viên

có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn

Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.

Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý

của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!

Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.