Nghiên cứu vai trò của Cation kiềm đến cường độ của vữa Geopolymer

NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA CATION KIỀM ĐẾN CƢỜNG ĐỘ CỦA

VỮA GEOPOLYMER

RESEARCH ON CATION ALKALI’S INFLUENCE

ON GEOPOLER PLASTER’S INTENSITY

KS. Nhuyễn Tiền Ngân¹, PGS.TS Phan Đức Hùng²

¹Học viên cao học, Khoa Xây dựng, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

²Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Tóm tắt: Tìm hiểu ưu - nhược điểm của các loại cation kiềm hiện nay. So sánh để lựa chọn ra

những cation kiềm sử dụng rộng rãi rong thực tế và phù hợp cho việc kết hợp với thủy tinh lỏng

để tạo ra dung dịch alkaline. Sau đó kết hợp với tro bay để tạo thành chất kết dính Geopolymer.

Nghiên cứu các kết quả khoa học đi trước có sẵn ở trong nước và trên thế giới, cùng với việc sử

dụng phương pháp thực nghiệm nhiều lần để có được cấp phối tối ưu tạo thuận lợi cho việc

nghiên cứu. Thay đổi nồng độ mol của dung dịch cation kiềm, tỉ lệ thủy tinh lỏng trên cation

kiềm để đổ mẫu và thay đổi thời gian khi dưỡng hộ. Lấy kết quả nén mẫu để so sánh cường độ

giữa các cation kiềm, từ đó nhận xét vai trò của cation kiềm đến cường độ vữa geopolymer.

Key words: Geopolymer, Vữa geopolymer, Nanji Hu, Denis Bernsmeier.

Abstract: Summary Discover the advantages and disadvantages of recent kinds of cation alkali.

We make a comparison to choose the kind of cation alkali that widely used and suitable to

combine with liquid glass to create alkaline, then combining with ash to create a kind of adhesive

named Geopolymer. Based on scientific research conducted in both Vietnam and worldwide, we

also do experimental research for many times to get the best result. Changing the osmolarity of

cation alkali and the proportion of liquid glass on cation alkali to make a tester and adjusting

fostering time. That result will be pressed to compare the intensity between diverse types of

cation alkali, from that we can conclude cation alkali’s role in influencing geopolymer’s

intensity.

1. GIỚI THIỆU CHUNG

CO₂vào bầu khí quyển là ngành công nghiệp

sản xuất xi măng truyền thống. Bên cạnh đó,

việc sử dụng lượng lớn than trong các nhà máy

nhiệt điện trên thế giới hiện nay tạo ra một

nguồn tro bay khá lớn. Vì lý do đó, một số

Ô nhiễm môi trường do rác thải, khí thải và

hiện tượng trái đất nóng dần là hệ quả của hiệu

ứng nhà kính đã và đang là vấn đề cấp thiết

được toàn xã hội quan tâm. Một trong những

nguyên nhân đóng góp một lượng lớn khí

nước đã khuyến khích phát triển một loại chất

1

kết dính mới có thể thay thế xi măng portland

truyền thống, đó là xi măng polymer hay còn

gọi là chất kết dính geopolymer hoặc chất kết

dính kiềm hoạt hóa. Hay nói cách khác như:

thông qua việc sử dụng tro bay để chế tạo vữa

geopolymer góp phần làm giảm chi phí xử lý.

Do tro bay có chứa nhiều thành phần oxit

nhôm và oxit silic vô định hình nên ta chọn

geopolymer gốc tro bay chế tạo ra vật liệu vữa

geopolymer để nghiên cứu các đặc tính của nó.

Cốt liệu sử dụng trong đề tài này là cát

sông, tro bay và dung dịch hoạt hóa alkaline.

Cát sông là loại cát được khai thác từ sông,

kênh, rạch.

2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Chất kết dính Geopolymer

Ngành Công nghệ vật liệu Geopolymer ra

đời từ giữa thế kỷ trước, nhưng được quan tâm

và nghiên cứu nhiều hơn từ những năm 1970

đến nay. Năm 1972 Viện Geopolymer được

thành lập tại Pháp. Năm 1979, Davidovits [¹]

đã nghiên cứu về chất kết dính Mêta cao lanh

sử dụng kiềm kích hoạt, sau này gọi là

Geopolymer và được nhận bằng sang chế.

Cuối những năm 1990, Van Jaarsveld và cộng

sự [²] bắt đầu nghiên cứu hiệu quả cố định của

geopolymer sản xuất từ tro bay.

3. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG

PHÁP THÍ NGHIỆM

3.1 Nguyên vật liệu

Nguyên vật liệu bao gồm: cát, tro bay, dung

dịch cation kiềm (NaOH và KOH), dung dịch

Na₂SiO₃, nước.

3.1.1 Tro bay

Tro bay được lấy từ nhà máy nhiệt điện đốt

than Formosa, tro bay thu được có chất lượng

khá tốt, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn theo

ASTM C618. Thành phần hóa học được trình

bày trong Bảng 1.

Thành phần chất kết dính Geopolymer sử

dụng trong nghiên cứu này gồm tro bay và

dung dịch hoạt hóa alkaline.

2.2 Thành phần cốt liệu

Bảng 1. Thành phần hóa học của tro bay

Thành phần

K₂O +

SiO₂

Al₂O₃Fe₂O₃CaO

MgO SO₃

MKN(*)

hoá h

ọ

c

Na

₂

O

1.02

% khối lượng

51.7

31.9

3.48

1.21

0.81

0.25 9.63

trong phản ứng kiềm hóa và có tác dụng làm

tan rã các thành phần khoáng của hạt tro bay.

3.1.2 Dung dịch NaOH và KOH

Dung dịch NaOH và KOH được sử

3.1.3 Dung dịch thủy tinh lỏng Na₂SiO₃

dụng chủ yếu để làm chất hoạt hóa kiềm pha

với dung dịch thủy tinh lỏng Na₂SiO₃. Hỗn

hợp này đóng một vai trò cực kì quan trọng

Dung dịch thủy tinh lỏng Na₂SiO₃là dung

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

2

dễ dàng hòa tan trong nước. Dung dịch

Na₂SiO₃đóng một vai trò quan trọng trong quá

trình phản ứng tổng hợp chất kết dính

Geopolymer. Tốc độ xảy ra phản ứng sẽ cao

khi dung dịch kiềm kích hoạt chứa các ion

silicate hòa tan trong dung dịch.

3.3 Thành phần cấp phối

Tương tự vữa xi măng portland thông

thường (áp dụng TCVN 4314:2003), việc thiết

kế hỗn hợp vữa geopolymer dựa vào các chỉ

tiêu đặc trưng của nó như cường độ, tính công

tác...Trong vữa Goepolymer, các yếu tố ảnh

hưởng đến đặc trưng bao gồm tỷ lệ khối lượng

dung dịch thủy tinh lỏng trên khối lượng dung

dịch ankaline, tro bay, nhiệt độ, thời gian

dưỡng hộ, nồng độ mol, ....Bên cạnh đó kết

hợp với các lần đổ thực nghiệm, cũng như

tham khảo các nghiên cứu đi trước nên đã xác

định được thành phần cấp phối cho vữa theo tỉ

lệ như sau:

3.1.4 Nƣớc

Nước dùng phải tuân theo tiêu chuẩn

TCXDVN 302:2004 “Nước trộn bê tông và

vữa – Yêu cầu kỹ thuật”.

3.1.5 Cốt liệu Cát

Cát dùng cho nghiên cứu phải thỏa mãn các

yêu cầu của TCVN 7570:2006 “Cốt liệu cho

bê tông và vữa - Yêu cầu kỹ thuật”. Do hạn

chế của nghiên cứu nên không thể xem xét sự

ảnh hưởng hóa lý của cát, nên cát chỉ được rửa

sạch và sấy khô trước khi được sử dụng trong

thí nghiệm.

+ Cát / tro bay = 3

+ Dung dịch Alkaline / (cát + tro bay) = 0,2

+ Thủy tinh lỏng / dung dịch ankaline =

0,6; 0,67; 0,71

+ H₂O = 1% dung dịch Alkaline

3.2 Điều kiện dƣỡng hộ nhiệt

Trong đề tài này các mẫu cấp phối được

dưỡng hộ ở nhiệt độ 100^oC trong thời gian 8

giờ và 10 giờ.

Bảng 3.3: Cấp phối vữa Geopolymer (1m³)

Cát(kg) Tro(kg) TTL(kg) NaOH/KOH(kg)

STT Mẫu

Mol TTL/Ankaline

1

2

3

4

5

6

7

8

9

M1

M2

M3

M4

M5

M6

M7

M8

M9

1358

452,67 217,28 144,85

452,67 241,42 120,71

452,67 258,67 103,47

452,67 217,28 144,85

452,67 241,42 120,71

452,67 258,67 103,47

452,67 217,28 144,85

452,67 241,42 120,71

452,67 258,67 103,47

10M

12M

14M

0,6

0,67

0,71

0,6

0,67

0,71

0,6

0,67

0,71

3

10

11

12

M10

M11

M12

1358

452,67 217,28 144,85

452,67 241,42 120,71

452,67 258,67 103,47

16M

0,6

0,67

0,71

3.4 Phƣơng pháp tạo mẫu

3.5 Phƣơng pháp thí nghiệm

Với từng cấp phối mẫu nêu trên, ta triển

khai đúc mẫu bê tông bằng hình trụ tròn 100 x

200 mm, căn cứ theo tiêu chuẩn TCVN

4314:2003

Xác định cường độ chịu nén của mẫu trụ

tròn 100 x 200 mm bằng máy thử nén bê tông

4. KẾT QUẢ VÀ SO SÁNH

Bảng 4.2: Kết quả trung bình thí nghiệm nén cấp phối tổ mẫu vữa Geopolymer (Mpa)

TTL/

Cation

kiềm

Thời gian dƣỡng hộ

8 giờ

STT Tổ

mẫu

Mol

10 giờ

NaOH

17,076

NaOH

KOH

1

M1

10M

12M

14M

16M

0,6

16,607

11,027

11,455

2

M2

M3

M4

M5

M6

M7

M8

M9

M10

M11

M12

0,67

0,71

0,6

17,875

19,052

20,498

21,932

22,737

23,945

24,945

25,927

26,925

27,942

28,954

11,924

12,864

13,914

14,011

16,020

17,027

18,016

19,015

19,948

21,036

22,040

18,591

19,633

21,101

22,109

23,976

24,934

25,823

26,929

27,847

29,447

30,707

12,827

13,840

14,543

15,960

17,000

17,961

18,967

20,152

21,033

21,867

22,759

3

4

5

0,67

0,71

0,6

6

7

8

0,67

0,71

0,6

9

10

11

12

0,67

0,71

tăng đáng kể. Tỷ lệ thủy tinh lỏng trên dung

dịch ankaline = 0,71 cho cường độ cao hơn ở

cả hai tỉ lệ còn lại. Cường độ của vữa

geopolymer dựa trên sự liên kết tốt giữa các

cốt liệu trong vữa.

4.2 Phân tích , đánh giá số liệu.

4.2.1 Ảnh hƣởng của tỉ lệ thủy tinh lỏng

trên dung dịch ankaline đến cƣờng độ chịu

nén của mẫu.

Từ kết quả thí nghiệm nén mẫu ta thấy, khi

thay đổi tỷ lệ thủy tinh lỏng trên dung dịch

ankaline thì cường độ vữa sẽ thay đổi.

Tăng tỷ lệ thủy tinh lỏng trên dung dịch

ankaline từ 0,6 đến 0,71 thì cường độ của vữa

Kết quả thực nghiệm cũng phù hợp kết quả

nghiên cứu của Joshi (2012). Kết quả thực

nghiệm cũng phù hợp kết quả nghiên cứu của

Radomir, Zejak. Theo Radomir, Zejak, 2012,

4

một trong những nguyên nhân dẫn đến sự thay

đổi này là sự liên kết tốt giữa cát và hồ

geopolymer. Vữa geopolymer bao gồm các

pha gel và những hạt tro bay chưa hoạt hóa.

Cường độ của vữa geopolymer phụ thuộc

cường độ của gel (sản phẩm của quá trình hoạt

hóa), sự liên kết giữa gel và cốt liệu tạo nên

cường độ trong cấu trúc của vữa. Ngoài ra,

những hạt tro bay chưa hoạt hóa cũng đóng vai

trò là như hạt cốt liệu siêu nhỏ góp phần tạo

nên cường độ tối đa cho vữa Geopolymer.

Thời gian dưỡng hộ; qua biểu đồ ta thấy,

trong cùng cấp phối khi thời gian dưỡng hộ

tăng thì cường độ của vữa tăng. Thời gian

dưỡng hộ càng lâu thì quá trình geopolymer

hóa càng hoàn thiện giúp tổng hợp các chuỗi

monomer hoàn thiện hơn dẫn đến cường độ

vữa geopolymer tăng.

Kết quả chứng tỏ yếu tố nhiệt độ quyết định

đến sự phát triển cường độ của vữa

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.

4.2.2 Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch

Ankaline đến cƣờng độ chịu nén của mẫu.

Nồng độ Mol; khác với việc thay đổi tỷ lệ

thủy tinh lỏng trên dung dịch ankaline, khi

thay đổi nồng độ M thì cường độ vữa

geopolymer thay đổi đáng kể. Với thời gian

dưỡng hộ là 8h và 10h, khi nồng độ M thay đổi

tư 10M lên 16M thì cường độ chịu nén của

vữa tăng. Kết quả thí nghiệm cũng phù hợp

với kết quả nghiên cứu của Hardjito (2005).

Trong cùng điều kiện dưỡng hộ, nồng độ M

tăng thì cường độ chịu nén của vữa tăng.

4.3 So sánh về cƣờng độ chịu nén và giá

trị kinh tế của các cation kiềm

4.3.1 Cƣờng độ chịu nén

Cường độ chịu nén của các cation kiềm

được tổng hợp trong bảng sau đây:

4.2.3 Ảnh hƣởng của điều kiện dƣỡng hộ

đến cƣờng độ chịu nén của mẫu.

Bảng 4.3: So sánh cường độ chịu nén giữa các cation kiềm.

NaOH

8h

KOH

STT Nội dung

10h

+

8h

10h

+

1

Khi tăng tỉ lệ

TTL/Cation kiềm từ

+

1,5 -> 2,5

14,72% 14,97% 16,66% 20,82%

(ở nồng độ 10M)

5

2

3

4

5

6

7

Khi tăng tỉ lệ

TTL/Cation kiềm từ

1,5 -> 2,5

+

13,62% +

+

10,92%

15,14% 16,89%

(ở nồng độ 12M)

Khi tăng tỉ lệ

TTL/Cation kiềm từ

1,5 -> 2,5

+

+ 8%

+

8,28%

11,68% 12,20%

(ở nồng độ 14M)

Khi tăng tỉ lệ

TTL/Cation kiềm từ

1,5 -> 2,5

+

+ 8,21%

7,54%

10,27% 10,49%

(ở nồng độ 16M)

Khi tăng nồng độ

từ 10M

–

16M +

+

+ 80,9%

+

(TTL/Cation kiềm = 62,13% 63,08%

83,61%

1,5)

Khi tăng nồng độ

từ 10M

–

16M +

+

(TTL/Cation kiềm = 56,32% 58,39% 76,42% 70,48%

2)

Khi tăng nồng độ

từ 10M

–

16M +

+

(TTL/Cation kiềm = 51,97% 56,41% 71,33% 64,44%

2,5)

Qua bảng so sánh cường độ chịu nén của

cation kiềm nhận thấy rằng:

cường độ chịu nén của tổ mẫu tăng + 14,72%.

Cường độ vẫn tăng nhưng có chiều hướng tăng

giảm dần (+7,54%) khi NaOH ở nồng độ

16mol.

a) Khi tăng tỉ lệ thủy tinh lỏng trên NaOH

từ 1,5 -> 2,5 (NaOH ở nồng độ 10mol) thì

6

b) Khi tăng tỉ lệ thủy tinh lỏng trên KOH từ

1,5 -> 2,5 (KOH ở nồng độ 10mol) thì cường

độ chịu nén của tổ mẫu tăng + 16,66%. Cường

độ vẫn tăng nhưng có chiều hướng tăng giảm

dần (+10,49%) khi KOH ở nồng độ 16mol.

c) Khi tăng nồng độ mol NaOH từ 10mol ->

16mol (tỉ lệ thủy tinh lỏng trên NaOH = 1,5)

thì cường độ chịu nén của tổ mẫu tăng +

62,13%. Cường độ vẫn tăng nhưng có chiều

hướng tăng giảm dần (+51,97%) khi tỉ lệ thủy

tinh lỏng trên NaOH = 2,5).

gồm tỷ lệ TTL/NaOH, nồng độ Mol, điều kiện

dưỡng hộ và thời gian dưỡng hộ là phù hợp

với các kết quả đã nghiên cứu.

Thực nghiệm cũng chịu ảnh hưởng do sai

sót khó kiểm từ quá trình gia công, thí nghiệm.

Các lý thuyết tính toán của vữa Geoplymer

có thể sử dụng lý thuyết tính toán của vật liệu

vữa xi măng theo tiêu chuẩn hiện hành.

5.2 Một số vấn đề tồn tại.

Tiêu chuẩn Việt Nam về sử dụng tro bay

trong chế tạo bê tông, vữa xây dựng chưa được

d) Khi tăng nồng độ mol KOH từ 10mol ->

16mol (tỉ lệ thủy tinh lỏng trên KOH = 1,5) thì

cường độ chịu nén của tổ mẫu tăng + 80,9%.

Cường độ vẫn tăng nhưng có chiều hướng tăng

giảm dần (+71,33%) khi tỉ lệ thủy tinh lỏng

trên KOH = 2,5).

ban hành.

5.3 Hƣớng phát triển đề tài.

Nghiên cứu thí nghiệm đối với cấu kiện đúc

sẵn có thể ứng dụng thực tế để lắp ghép như:

hoa văn trang trí, các cấu kiện nhẹ….của vữa

Geoplymer sử dụng tro bay trong điều kiện

Việt Nam.

e) Khi tăng thời gian dưỡng hộ nhiệt thì

cường độ của mẫu vẫn tăng nhưng không đáng

kể.

Nghiên cứu ứng dụng vật liệu sử dụng làm

phụ gia tự gia nhiệt thay cho việc dưỡng hộ

vữa geopolymer để sử dụng rộng rãi trong thực

tế.

4.3.2 Giá trị kinh tế

Trên thị trường tùy theo thời điểm cation

kiềm có giá bán khác nhau, nhưng khi mua để

làm thí nghiệm thì có giá như sau:

6. TÀI LIỆU THAM KHẢO

NaOH có giá bán = 12.000 đ / 1kg.

[1] Davidovits J, Synthesis of New High-

Temperature Geo-Polymers for Reinforced

Plastics/Composites. SPE PACTEC ’79,

Society of Plastic Engineers, Brookfield

Center, USA, p.151-154, 1979.

KOH có giá bán = 25.500 đ / 1kg.

5. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN

[2] Van Jaarsveld, J. G. S., van Deventer, J. S.

J., Lorenzen L, Factors Affecting the

Immobilisation of Metals in Geopolymerised

Fly Ash. Metallurgical and Materials

Transactions B, 29B, 283-291, 1998; J. G. S.

V. Jaarsveld, J. S. J. V. Deventer, and G. C.

Lukey, The effect of composition and

temperature on the properties of fly-ash and

ĐỀ TÀI

5.1 Kết luận: Do KOH có giá thị trường cao

hơn 2,125 lần và có cường độ chịu nén mẫu

nhỏ hơn so với NaOH, nên khuyến khích sử

dụng NaOH.

Từ kết quả thí nghiệm mẫu ta thấy các yếu

tố ảnh hưởng đến cường độ mẫu bê tông bao

kaolinite-based

geopolymers.

Chemical

Engineering Journal, vol. 89, pp. 63-73, 2002.

7

Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:

Họ tên: NGUYỄN TIỀN NGÂN

Đơn vị: Xí nghiệp môi trường đô thị huyện

Thoại Sơn

Điện thoại: 0919 32 42 10

Email: [email protected]om

Xác nhận của giảng viên hướng dẩn

8

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.