Tăng cường độ bền bê tông Geopolymer trong môi trường acid bằng Silica Fume
TĂNG CƯỜNG ĐỘ BỀN BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRONG MÔI TRƯỜNG ACID
BẰNG SILICA FUME
INCREASE THE DURABILITY OF GEOPOLYMER CONCRETE IN ACID
BY SILICA-FUME
TRƯƠNG THANH HÙNG a, NGUYỄN HỒNG ĐỨC b, PHAN ĐỨC HÙNG c
a Học viên cao học, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
b Nghiên cứu sinh, Khoa Xây dựng, Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
c Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
TÓM TẮT
Bài báo trình bày nghiên cứu tăng cường khả năng chống ăn mòn trong môi trường
acid cho bê tông geopolymer (GPC) bằng silica fume, nhằm đánh giá độ bền của GPC có sử
dụng hàm lượng silica fume từ 5 đến 15% thay thế tro bay. Nhìn chung mức độ thay đổi phụ
thuộc vào hàm lượng silica fume thay thế và môi trường acid ăn mòn. Cường độ chịu nén của
GPC hàm lượng từ 5 đến 15% silica fume thay thế tro bay đều có khuynh hướng tăng trong
các dung dịch acid H2SO4, HCl có nồng độ 10%. Kết quả thí nghiệm sau 90 ngày ngâm mẫu
cho thấy khả năng duy trì cường độ chịu nén cao hơn và sau 120 ngày có sự thay đổi về khối
lượng của mẫu. Khối lượng mẫu đều có khuynh hướng giảm ít hơn so với GPC thông thường,
điều này cho thấy GPC sử dụng hàm lượng silica fume thay thế tro bay hình thành dựa trên
quá trình geopolymer hóa tạo ra các sản phẩm khó bị tác động bởi hóa chất. Kết quả nghiên
cứu này rất phù hợp cho các công trình làm việc trong môi trường có hóa chất như ống cống,
ống nước thải công – nông nghiệp, bể chứa hóa chất, nhà máy sản xuất phân bón.
Từ khóa: Bê tông geopolymer, silica fume, môi trường acid, cường độ chịu nén, khối
lượng mẫu.
ABSTRACT
This paper evaluates ability of corrosion resistance of geopolymer concrete (GPC)
with silica fume in acidic environment. Fly ash is replaced by silica fume (SF) with dosage
from 5 to 15% to assess the durability of GPC. The experiment result indicates the level of
changes depends on the dosage of SF and type of acidic in corrosive environment. Also, there
was an increase in compressive strength when the amount of SF replaced fly ash rise from 5
to 15% in both corrosive environments, including 10% sulfuric and hydrochloric acid. The
compressive strength of concrete peaked at 90 days after exposed to an acid solution. The
density of concrete saw a considerable reduce after immersed in 10% sulfuric acid solution in
120 days. The density of sample used SF, tending to decrease less than original GPC. GPC
used SF based on the polymerization process to avoid being affected by chemical matter. The
results of this study are suitable to applicate in chemicals environments such as sewer pipes,
industrial - agricultural wastewater pipes, chemical tanks, fertilizer production plants
Keywords: Geopolymer concrete, silica fume, acidic environment, compressive
strength, sample mass.
1. Giới thiệu
Xi măng porland được biết đến là nguồn nguyên liệu chính trong nền công nghiệp bê
tông. Với tốc phát triển ngành xây dựng, nhu cầu sử dụng ngày một tăng cao, theo các báo
cáo từ IEA [1] sản lượng sản phẩm bê tông ước tính tăng từ 12% đến 23% năm 2050. Điều
này làm tổn hại đặc biệt nghiêm trọng đến môi trường, với mỗi tấn xi măng được sản xuất,
thải ra môi trường hơn nửa tấn CO2, và lượng khí thải chiếm 7% trong tổng số nguồn ô nhiễm
CO2 mỗi năm [1]. Nhu cầu sử dụng ngày một tăng còn gây áp lực lớn đến nguồn nguyên liệu
clinke đang bị khai thác quá mức, phá hủy môi trường sinh thái trong khu vực và đây là tín
hiệu báo động đến trữ lượng clinke trên thế giới. Bên cạnh đó, khi sử dụng bê tông xi măng
portland (OPC) thông thường cho các công trình chịu xâm thực mạnh của môi trường như
1
acid, muối biển… thì cấu kiện bị ăn mòn và hư hại, dẫn đến giảm chất lượng bê tông và gia
tăng chi phí bảo dưỡng, sửa chữa.
Những bất lợi trên đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học để tìm ra các giải
pháp thay thế nguồn nguyên liệu này mà vẫn đáp ứng được nhu cầu sử dụng tăng hàng năm
và giảm lượng khí thải ra môi trường. Một trong những vật liệu thay thế tiềm năng, được
Davidovits giới thiệu là vật liệu geopolymer [2]. Các ưu điểm của loại vật liệu mới này đã
được khai thác đa dạng trong rất nhiều lĩnh vực và đang được áp dụng mạnh mẽ trong ngành
khoa học vật liệu và hóa học.
Kế thừa từ các thành công trước đây, tận dụng khả năng kháng ăn mòn cao của GPC
[3] và nâng cao chất lượng và cải thiện đánh kể tính chất cơ lý [4]. Tác giả kết hợp sử dụng
silica fume, trên nên vật liệu nền geopolymer để đánh giá khả năng chống ăn mòn của GPC
trong môi trường xâm thực acid.
Phá vỡ liên kết
(Giai đoạn 2)
Gel hóa
(Giai đoạn 3)
Tác động dung dịch kích hoạt
(Giai đoạn 1)
Trùng ngưng
(Giai đoạn 4)
Gia tăng liên kết
(Giai đoạn 5)
Hình 1 . Quá trình geopolymer
Nguồn nguyên liệu để sản xuất vật liệu geopolymer là aluminosilicate và dung dịch
alkaline (dung dịch kiềm hoạt hóa). Các nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng thành phần
hóa học của nguyên liệu và dung dịch hoạt hóa ảnh hưởng mạnh quá trình trùng ngưng (Hình
1) cấu thành polymer và tính chất cơ lý của vật liệu geopolymer [5, 6, 7]. Tro bay (Fly ash –
FA) loại F là nguồn aluminosilicate được sử dụng phổ biển bởi tính phổ biến và có trữ lượng
lớn. Bất lợi đối với vật liệu gepolymer sử dụng tro bay là cần dưỡng hộ nhiệt trong một
khoảng thời gian [8]. Dung dịch hoạt hóa bao gồm dung dịch sodium silicate (Na2SiO3 - SS)
và sodium hydroxide (NaOH - SH). Tỷ lệ SS/SH có ảnh hưởng lớn đến đặc tính của bê tông
geopolymer (GPC). Tuy nhiên, không nhiều các nghiên cứu chỉ ra tỷ lệ và phương pháp tính
toán cấp phối phù hợp cho loại bê tông này, mà chỉ đề xuất kết quả đạt được dựa trên những
ràng buộc đặc tính vật liệu, cho từng nghiên cứu. Nhưng phổ giá trị đối với tỷ lệ SS/SH trong
khoảng 0.4 đến 2.5 được cho là đảm bảo về cường độ và khả năng thay thế được OPC [6, 9]
Trong bài báo này, tác giả không khai thác cấp phối tối ưu của vật liệu mà chỉ xem xét
hàm lượng silica fume được bổ sung và thay thế vào hỗn hợp nhất định, để đánh giá khả năng
kháng xâm thực trong hai môi trường acid H2SO4 và HCl có nồng độ 10%.
2. Vật liệu và phương pháp thí nghiệm
2.1. Vật liệu
Tro bay (loại F- ASTM) sử dụng có nguồn gốc từ nhà máy nhiệt điện có khối lượng
riêng 2400 kg/m3, độ mịn 94% lượng lọt qua sàng có cỡ sàng là 0.08 mm. Thành phần hóa
học được xác định bởi phương pháp phân tích X-Ray Fluorescence (XRF) và được trình bày
trong Bảng 1.
Cốt liệu lớn và cốt liệu mịn được sàng rửa để loại bỏ tạp chất và sấy khô đạt trạng thái
khô bề mặt theo TCVN 9205:2012. Đá tự nhiên có Dmax = 20 mm, khối lượng riêng 2700
kg/cm3, khối lượng thể tích 1510 kg/cm3 và đảm bảo thành phần hạt trong vùng quy phạm.
Cát có môdul độ lớn là Mdl=2.36 và lượng sót sàng tích lũy A0.63=21,95% thuộc cát hạt trung
2
bình – nhỏ, khối lượng riêng là 2650 kg/m3, khối lượng thể tích là 1450kg/m3 và đảm bảo
thành phần hạt trong vùng quy phạm (TCVN 9205:2012).
Bảng 1 Thành phần hóa học tro bay
Oxide
% khối lượng
51.7
Silicon dioxide (SiO2)
Aluminum oxide (Al2O3)
Ferric oxide (Fe2O3)
Calcium oxide (CaO)
Sodium oxide (Na2O)
Magnesium oxide (MgO)
Sulfur trioxide (SO3)
Mất khi nung
31.9
3.48
1.21
1.02
0.81
0.3
9.63
Dung dịch hoạt hóa alkaline, là hợp chất được tạo nên từ hai dung dịch sodium
hydroxide và sodium silicate. Sodium hydroxide (NaOH) công nghiệp ở dạng vảy rắn đạt 99%
độ tinh khiết với khối lượng riêng 2130 kg/m3, được hòa tan vào nước đạt nồng độ 10mol/l
theo yêu cầu của thí nghiệm. Sản phẩm sodium silicate ở dạng dung dịch với hàm lượng Na2O
= 13.7%, SiO2 = 23.4% và nước 62.9%
Silica fume (SF) sử dụng trong thành phần cấp phối GPC với hàm lượng 5, 10 và 15%
có khối lượng riêng 2400 kg/m3 và đảm bảo theo tiêu chuẩn TCVN 8827:2011 và yêu cầu kỹ
thuật ASTM C 1240-00. Các thành phần hóa học của SF được trình bày trong Bảng 2.
Bảng 2 Thành phần hóa học silica fume
Oxide
% khối lượng
2.76
Độ ẩm
Silicon dioxide (SiO2)
Silicon trioxide (SiO3)
Calcium oxide (CaO)
Anion Cl-
88.15
0.05
0.66
0.01
Mất khi nung
2.82
Hai dung dịch acid được sử dụng như môi trường ăn mòn là acid HCl, H2SO4 có nồng
độ 10%.
2.2. Cꢀp phꢁi và điều kiện dưỡng hộ
Tương tự như bê tông OPC, các cấp phối GPC có hàm lượng cốt liệu chiếm từ 70-80%
khối lượng. Cấp phối chuẩn CP1 không sử dụng SF có tỷ lệ Al/FA là 0.72 tương ứng với tỷ lệ
SS/SH là 1.2 và nồng độ mol NaOH là 10M. Với hàm lượng FA này, SF được bổ sung và
thay thế với hàm lượng là 5, 10, 15% tương ứng với cấp phối CP2, CP3, CP4 để đánh giá khả
năng tăng cường độ bền GPC trong môi trường acid. Thành phần cấp phối thí nghiệm được
trình bày trong Bảng 3 .
Bảng 3 Cꢀp phꢁi bê tông (kg/m3)
Thành phần
Cốt liệu đá
Cốt liệu cát
NaOH
CP1 – 0% SF
1,245.4
685.1
CP2 – 5% SF
1,245.4
685.1
CP3 – 10% SF
1,245.4
685.1
CP4 – 15% SF
1,245.4
685.1
158.1
158.1
158.1
158.1
Na2SiO3
189.7
189.7
189.7
189.7
Tro bay
Silica fume
483.3
459.135
24.165
434.97
48.33
410.805
72.495
0
GPC được đúc mẫu để thí nghiệm có hình trụ tròn với kích thước 100x200mm theo
TCVN 9335:2012. Sau khi tĩnh định 48 giờ, mẫu được tháo khuôn và dưỡng hộ nhiệt ở 800C
trong 10 giờ và sau đó được tĩnh định trong 24 giờ tiếp theo. Các mẫu được đo kích thước và
cân lấy số liệu ban đầu trước khi ngâm hóa chất H2SO4, HCl có nồng độ 10%. Tại các mốc
3
thời gian 0 ngày (chưa ngâm hóa chất), 30 ngày, 60 ngày, 90 ngày, 120 ngày, mẫu được lấy ra,
lau sạch bằng khăn mềm và lưu mẫu 48 giờ ở nhiệt độ phòng, đem cân xác định khối lượng
và nén theo TCVN 5574:2012.
3. KꢂT QUꢃ THÍ NGHIꢄM
Kết quả thí nghiệm được trình bày từ Bảng 4 và bảng 5
Bảng 4 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén (MPa)
Môi
Hàm lượng
0 ngày
30 ngày
60 ngày
90 ngày
120 ngày
trường Silica fume
0%
5%
10%
15%
0%
14.99
19.98
25.66
16.34
14.99
17.08
22
28.11
19.77
16.53
18.93
23
29.51
21.56
18.36
18.59
22.99
30.89
21.76
17.96
17.99
22.54
30.53
20.97
16.81
5%
10%
15%
19.98
25.66
16.34
21.22
27.81
18.69
21.89
28.98
20.06
22.36
30.11
20.77
21.24
29.3
19.89
Bảng 5 Kết quả thí nghiệm sự thay đổi khꢁi lượng mẫu (%)
Môi
trường
Hàm lượng
Silica fume
30 ngày
60 ngày
90 ngày
120 ngày
0%
5%
10%
15%
0%
-0.69
-0.45
-0.13
-0.34
-1.62
-1
-1.43
-0.74
-0.48
-0.64
-2.15
-1.66
-0.9
-0.56
-0.82
-2.34
-0.53
-0.41
-0.45
-2.02
5%
10%
15%
-1.22
-0.29
-1
-1.51
-0.7
-1.17
-1.71
-0.93
-1.61
-1.84
-0.96
-1.69
3.1.Hình thức bên ngoài.
Nhìn chung các mẫu GPC còn nguyên vẹn về mặt cấu trúc và duy trì khả năng chịu
nén. Kết quả ngâm mẫu trong dung dịch H2SO4 cho thấy, mẫu không xuất hiện vết nứt, nhưng
bị ăn mòn bề mặt như bị rỗ và có xuất hiện lớp phủ ngã màu hơi vàng trên mẫu. Đây chính là
sản phẩm của thạch cao (CaSO4.2H2O), kết quả này cũng đã được chỉ ra trong nghiên cứu của
X. J. Song [10]. Đối với mẫu ngâm trong dung dịch HCl (Hình 2) có xuất hiện vết nứt làm
bong tróc lớp vỏ tuy nhiên vết nứt chưa ăn sâu vào bên trong. So sánh với bê tông OPC với
cùng điều kiện ăn mòn, kết quả trực quan cho thấy, GPC sử dụng SF có khả năng ngăn cản sự
xâm thực của acid.
4
Hình 2 Mẫu GPC ngâm HCl 10% (trái), H2SO4 10% (giữa) trong 120 ngày và mẫu OPC
ngâm H2SO4 5% trong 28 ngày [3]
3.2.ꢃnh hưởng hàm lượng silica fume đến cường độ chịu nén
Kết quả biểu diễn trên Hình 3 cho thấy sự ảnh hưởng của phụ gia khoáng SF đến
cường độ chịu nén của bê tông. Cường độ trung bình bê tông sử dụng SF là trên 20 MPa.
Cường độ độ chịu nén tăng với hàm lượng SF tăng từ 0% lên 10%, sau đó bắt đầu giảm.
cường độ chịu nén đạt đỉnh tại 10% SF (25.66 MPa), tăng 41.6% so với cấp phối không sử
dụng phụ gia khoáng SF. Khi hàm lượng SF lần lượt là 5% và 15%, cường độ tăng tương ứng
với 25% (20.2 MPa) và 8.3% (16.34 MPa). Nguyên nhân dẫn đến cường độ giảm khi vượt
ngưỡng 10% SF là do SF có độ mịn rất cao với đặc tính háo nước, nên làm giảm độ linh động
của các hạt vật chất trong hỗn hợp, hạn chế sự di chuyển và lèn chặt của các hạt. Ngoài ra,
lượng SF dư sau phản ứng pozzoland đã không tạo ra gel liên kết các hạt, mà ở dưới dạng
trạng thái thô làm vật liệu không đồng nhất. Tuy nhiên khi làm lượng SF là 10% thì sẽ cải
thiện đáng kể khả năng chịu nén của bê tông. SF được biết đến là nguồn pozzoland tự nhiên,
khi lượng SF này phản ứng hết với lượng vôi calcium hydroxide có trong tro bay, đã tạo ra đá
bê tông Calcium silicate hydrate (C-S-H) tăng cường cơ tính cho bê tông. Đối chiếu với báo
cáo của Shanmugavalli [11] kết quả đạt được là tương tự.
Không ngâm
120 ngày - H2SO4
15% SF
10% SF
5% SF
0% SF
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
Cường độ chịu nén (MPa)
Hình 3 Mꢁi quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng silica fume
Kết quả thí nghiệm được biểu diễn trên Hình 3 và 4 cho thấy khi ngâm mẫu trong hai
dung dịch H2SO4 và HCl với nồng độ 10%, cường độ chịu nén có khuynh hướng tăng. Đối
với môi trường H2SO4. Cường độ chịu nén tăng sau 120 ngày ngâm mẫu, tăng lần lượt là
16.7%, 11.4%, 16% và 22.1% tương ứng với các cấp phối có hàm lượng SF là 0%, 5%, 10%
và 15%. Kết quả tương tự đối với môi trường HCL, cường độ độ chịu nén tăng sau 120 ngày
ngâm mẫu, lần lượt là 10.83%, 5.93%, 12.24% và 17.85% tương ứng với các cấp phối có hàm
lượng SF là 0%, 5%, 10% và 15%. GPC sử dụng hàm lượng SF thay thế tro bay hình thành
5
dựa trên quá trình geopolymer hóa tạo ra các sản phẩm khó bị tác động bởi hóa chất do không
có sự hình thành gypsum hay ettringite từ quá trình thủy hóa xi măng. Kết quả này cũng đã
được chỉ ra trong nghiên cứu của Wallah và Rangan [7].
Không ngâm
120 ngày - HCL
15% SF
10% SF
5% SF
0% SF
40
30
20
20
30
40
10
0
0
10
Cường độ chịu nén (MPa)
Hình 4 Mꢁi quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng silica fume
Ngoài ra khi xét đến ảnh hưởng của loại dung dịch ngâm, tác động đến cường độ chịu
nén, kết quả đạt được là cường độ chịu nén đối với mẫu ngâm trong dung dịch H2SO4 cao hơn
so với trong dung dịch HCL, chênh lệch từ 4.2% (ở cấp phối 10% SF) đến 7.02% (ở cấp phối
không SF).
3.3.ꢃnh hưởng của thời gian ăn mòn đến cường độ chịu nén
Sự thay đổi về cường độ chịu nén của mẫu bê tông geopolymer theo thời gian ngâm
mẫu trong các dung dịch H2SO4, HCl có nồng độ 10% thể hiện trong Hình 5 và 6.
35
0% SF
5% SF
10% SF
15% SF
30
25
20
15
10
0
30
60
Thời gian ngâm mẫu (ngày)
90
120
Hình 5 Cường độ chịu nén theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch H2SO4 10%
Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng, hai dung dịch H2SO4 và HCl nồng độ 10% có khuynh
hướng làm tăng cường độ trong thời gian đầu và tương đối ổn định, ít biến động. Đối với cấp
phối 0% SF, có sự suy giảm cường độ sớm sau 60 ngày ngâm mẫu trong cả hai môi trường
acid. Cường độ chịu nén tăng trong 90 ngày ngâm, tại đây cường độ chịu nén đạt cao nhất,
cường độ chịu nén tương ứng với hàm lượng 5%, 10% và 15% SF lần lượt là 22.9 MPa,
30.89 MPa và 21.76 MPa tăng 13.1%, 16.9% và 24.9% so với cường độ ban đầu đối với dung
dịch H2SO4. Cường độ chịu nén tương ứng với hàm lượng 5%, 10% và 15% SF lần lượt là
22.36 MPa, 30.11 MPa và 20.77 MPa tăng 10.64%, 14.78% và 21.33% Đối với dung dịch
HCL. Sau mốc thời gian này, cường độ bắt đầu giảm, dấu hiệu cho việc bắt đầu bị ăn mòn.
6
35
30
25
20
15
10
0% SF
5% SF
10% SF
15% SF
0
30
60
Thời giang ngâm mẫu (ngày)
90
120
Hình 6 Cường độ chịu nén theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch HCl 10%
Kết quả thí nghiệm được biểu thị trong Hình 5, cường độ chịu nén của cấp phối không
bổ sung SF tăng lên 26% sau 60 ngày ngâm trong hóa chất và giảm xuống 6% sau 120 ngày
ngâm trong hóa chất. Cường độ chịu nén CP3 tăng lên 106% sau 90 ngày ngâm trong hóa
chất và giảm xuống 3% sau 120 ngày ngâm trong hóa chất so với cấp phối 0% SF. Bên cạnh
đó cho thấy cấp phối bê tông không có SF đạt cường độ tốt nhất sau 60 ngày ngâm hóa chất,
sau đó giảm dần cường độ, còn cấp phối có SF thay thế tro bay lần lượt là 5%, 10% và 15%
tiếp tục tăng cường độ đến 90 ngày, sau đó cường độ giảm ổn định ở 120 ngày.
Kết quả biểu diễn trên Hình 6 cho thấy cấp phối không có SF đạt cường độ tốt nhất
sau 60 ngày ngâm trong hóa chất, khi đó cấp phối có 5%, 10% và 15% SF có cường độ tiếp
tục hình thành đến 90 ngày, sau đó giảm dần. Mức tăng cường độ tương ứng với cấp phối 0%,
5%, 10% và 15% là 22.4%, 49.1%, 100.8% và 38.5% và giảm mạnh ở 0% là 10.3% so với
cấp phối đối chứng.
3.4.ꢃnh hưởng của hàm lượng silica fume đến khꢁi lượng
Phần trăm khối lượng còn lại so của mẫu GPC được trình bày trong Hình 7 và 8. Đối
với cấp phối có SF, ngâm trong H2SO4, khối lượng mẫu giảm rất ít (nhỏ hơn 1%) so với với
không sử dụng SF là hơn 1.5 %. Kết quả này tương tự đối với cấp phối ngâm trong HCL, cấp
phối có SF có khối lượng giảm nhỏ hơn 2% và không SF là gần 2.5% so với khối lượng ban
đầu. Kết quả thí nghiệm còn chỉ ra rằng, mẫu ngâm trong thời gian dài thì phần trăm giảm
khối lượng mẫu lại có xu hướng giảm bớt theo thời gian. Kết quả này có thể giải thích sau
thời gian đầu có sự tác động mạnh của dung dịch ngâm mẫu thì lại xảy ra hiện tượng hấp thụ
dung dịch vào trong mẫu.
7
100.5
100
99.5
99
0% SF
5% SF
10% SF
15% SF
98.5
98
97.5
0
30
60
Thời gian ngâm mẫu (ngày)
90
120
Hình 7 Phần trăm khꢁi lượng giảm của mẫu ngâm trong H2SO4
Cấp phối 10%SF có độ giảm khối lượng thấp nhất sau 120 ngày, trên cả 2 dung dịch
ngâm. Giảm 0.56% - dung dịch H2SO4 và 0.96% - dung dịch HCL. Cấp phối không SF có độ
giảm khối lượng lớn nhất sau 120 ngày, tương ứng với 2 dung dịch trên là 1.66% và 2.34%.
Bên cạnh đó, khi hàm lượng SF không phù hợp (15%SF) cũng làm gia tăng độ giảm khối
lượng với cùng thời gian khảo sát, cụ thể ở 120 ngày, khối lượng giảm 0.82% và 1.69% tương
ứng với H2SO4 và HCL.
Khi cấp phối với hàm lượng SF phù hợp (10%), sẽ tạo ra bê tông có độ đặc chắc cải
thiện khả năng chống xâm thực của hóa chất, dẫn đến bảo vệ cho GPC có khả năng làm việc
trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt do khả năng kháng xâm thực cao. Khi GPC không
được bổ sung SF để thực hiện cơ chế điền đầy như mong muốn, dẫn đến hình thành vết nứt
sau quá trình dưỡng hộ nhiệt. Vết nứt này tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm thực của ion gốc
sunfat SO42- từ dung dịch axit sẽ khuyếch tán vào các lỗ rỗng và phản ứng với các ion Canxi
Ca2+ của vật liệu, dẫn đến sự lắng đọng tinh thể thạch cao (CaSO4.2H2O). Các tinh thể thạch
cao gây ăn mòn một phần bề mặt vật liệu geopolymer nhưng cũng trở thành lớp phủ bảo vệ,
gây ức chế quá trình thâm nhập vào sâu hơn của ion sunfat, hạn chế được ăn mòn phù hợp với
nghiên cứu của X.J. Song [10]
100.5
0% SF
5% SF
10% SF
15% SF
100
99.5
99
98.5
98
97.5
0
30
60
Thời gian ngâm mẫu (ngày)
90
120
Hình 8 Phần trăm khꢁi lượng giảm của mẫu ngâm trong HCL
Một lý do khác là khi vật liệu geopolymer làm việc trong môi trường acid sẽ khử
polymer của quá trình trung ngưng và giải phóng silicic acid, sự khử này làm các cation Na+
8
và K+ bị thay thế bởi hydrogen hoặc hydronium ion. Kết quả là phá vỡ cấu trúc của polymer
dẫn đến hình thành các khe nứt vi mô trong vật liệu polymer.
4. KꢂT LUẬN
Bài báo nghiên cứu thực nghiệm về tăng cường khả năng chống ăn mòn trong môi
trường acid H2SO4, HCl có nồng độ 10% cho bê tông geopolymer bằng SF có hàm lượng từ 0
đến 15% nhằm đánh giá độ bền và khả năng chống ăn mòn của loại bê tông này trong điều
kiện môi trường làm việc khắc nghiệt. Một số nhận xét và kết luận được rút ra như sau:
- Bê tông geopolymer sử dụng SF thay thế tro bay sau một thời gian ngâm trong môi
trường acid có cường độ chịu nén tương đối ổn định. Điều này cho thấy khả năng làm
việc của bê tông geopolymer sử dụng SF thay thế tro bay trong môi trường xâm thực.
- Khả năng chống ăn mòn đối với các loại hóa chất cũng thể hiện rõ rệt khi tăng hàm lượng
SF. Đối với cấp phối sử dụng hàm lượng 5% đến 10% SF thay thế tro bay sau thời gian
120 ngày ngâm trong môi trường acid H2SO4, HCl nồng độ 10% có tổn thất khối lượng
thấp, mức giảm khối lượng tương ứng với hàm lượng 5% SF là 0.9, 1.84% với hàm lượng
10% SF là 0.56, 0.96%. Tuy nhiên khi hàm lượng SF tăng lên 15% thì mức giảm khối
lượng nhiều hơn tương ứng là 0.26, 0.73%, so với mức giảm khối lượng của bê tông có
hàm lượng 10% SF. Trong khi cấp phối bê tông đối chứng có mức giảm khối lượng rất
lớn tương ứng là 1.66, 2.34%.
- Cấp phối bê tông geopolymer sử dụng hàm lượng 10% SF thay thế tro bay sau thời
gian 120 ngày ngâm trong môi trường acid H2SO4 và HCl 10% đạt cường độ chịu nén
cao hơn 83% so với cấp phối bê tông geopolymer đối chứng và mất khối lượng là 0.96%.
Trong khi cấp phối bê tông geopolymer đối chứng (cấp phối không có SF) cường độ chịu
nén tăng đến 20% và mất khối lượng lên đến 2.34% sau 120 ngày tiếp xúc với acid
H2SO4 và HCl nồng độ 10%.
TÀI LIꢄU THAM KHꢃO
[1] Bloomberg, "Cement produces more pollution than all the trucks in the world,"
Manufacturing the stone-like building material is responsible for 7% of global carbon
dioxide emissions, more than what comes from all the trucks in the world, 23 June 2019.
[2] J.Davidovits, Geopolymers – Inorganic polymeric new materials, Journal of Thermal
Analysis and Calorimetry, 1991.
[3] Faris Matalkah, Talal Salem, Parviz Soroushian, "Acid Resistance and Corrosion
Protection Potential of Concrete Prepared with Alkali Aluminosilicate Cement," Journal
of Building Engineering, vol. 20, pp. 705-711, 2018.
[4] Jianhe Xie, Liang Huang , Yongchang Guo, Zhijian Li, Chi Fang, Lijuan Li a, Junjie
Wang, "Experimental study on the compressive and flexural behaviour of recycled
aggregate concrete modified with silica fume and fibres," Construction and Building
Materials, vol. 178, pp. 612-623, 2018.
[5] Duxson, P., Fernández-Jiménez, A., Provis, J.L., Lukey, G.C., Palomo, A., Van Deventer,
J., "Geopolymer technology: the current state of the art. Journal of materials science,"
Journal of materials science, vol. 42, no. 9, pp. 2917-2933, 2007.
[6] Nath, P. and Sarker, P.K., "Effect of GGBFS on setting, workability and early strength
properties of fly ash geopolymer concrete cured in ambient condition," Construction and
Building materials, vol. 66, pp. 163-171, 2014.
[7] Wallah, S. and Rangan, B.V., "Low-calcium fly ash-based geopolymer concrete: Long-
term properties," Curtin University of Technology, Perth, 2006.
[8] Fareed Ahmed Memon, Muhd Fadhil Nuruddin, Samuel Demie and Nasir Shafiq, "Effect
of Curing Conditions on Strength of Fly ash-based Self-Compacting Geopolymer
Concrete," International Journal of Civil, Environmental, Structural, Construction and
Architectural Engineering, vol. 5, no. 8, pp. 342-345, 2011.
9
[9] Morsy, M., Alsayed, S., Al-Salloum, Y., and Almusallam, T., "Effect of sodium silicate to
sodium hydroxide ratios on strength and microstructure of fly ash geopolymer binder,"
Arabian Journal for Science and Engineering, vol. 39, no. 6, pp. 4333-4339, 2014.
[10] X. J. Song, M. Marosszeky, M. Brungs, R. Munn, "Durability of fly ash based
Geopolymer concrete against sulphuric acid attack," in Durability of Building Materials
and Components LYON, France, 2005.
[11] Raj I.R.I, Shanmugavalli B, "A study on the effect of silica fume on the properties of
recycled aggregate concrete," Journal of Mechanical And Civil Engineering, vol. 2, no. 3,
pp. 5-15, 2015.
Xác nhận của giáo viên hướng dẫn
Thầy: PGS.TS Phan Đức Hùng
Công tác: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Email: [email protected]
Số điện thoại: 0916.548.639
10
10 trang
12/01/2024
15560
Free
Bạn đang xem tài liệu "Tăng cường độ bền bê tông Geopolymer trong môi trường acid bằng Silica Fume", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tang_cuong_do_ben_be_tong_geopolymer_trong_moi_truong_acid_b.pdf
