Nghiên cứu kỹ thuật bê tông geopolymer từ tro bay không sử dụng xi măng portland

ra gel aluminosilicate đóng vai trò chất kết dính trong bê tông geopolymer. Tính chất của bê tông geopolymer bị ảnh h ởng bởi nhiều yếu tố nh thành phần của tro bay, bản chất và nồng độ của chất ho t hóa kiềm, l ợng n ớc nhào trộn, th i gian và nhiệt độ d ỡng hộ, Bài báo này tác giả tổng kết các tính chất của bê tông geopolymer để nêu lên những u điểm của lo i vật liệu mới này so với bê tông xi măng. 1. Giới thiệu Năm 1972 bắt đầu xuất hiện vật liệu alumino silicate (kaolinite) đ ợc biến đổi ở nhiệt độ thấp trong một th i gian ngắn thành tecto-aluminosilicate ba chiều. Phản ứng t ơng t nh quá trình đa trùng ng ng của chất hữu cơ. Cơ chế này đã đ ợc ứng dụng vào lĩnh v c tổng hợp zeolite. Quá trình này còn t o ra những vật liệu silico- aluminate ba chiều có cấu trúc từ vô định hình tới bán tinh thể hay còn gọi là geopolymer và thuật ngữ “geopolymer” này đ ợc đ a ra vào năm 1978 bởi Davidovits. Mặc dù kỹ thuật geopolymer khá mới hiện nay nh ng nó đã có nguồn gốc cổ x a và đ y cũng là vật liệu đ ợc sử dụng để x y kim t tháp cũng nh các công trình cổ x a khác [2]. Bê tông geopolymer là lo i bê tông có c ng độ cao, bền axit, bền sunphat, bền nhiệt và ít co ngót hơn so với bê tông th ng. Chất kết dính đ ợc sử dụng là tro bay giàu SiO2 và Al2O3 vô định hình mà d ới tác dụng của chất kiềm ho t hóa sẽ t o thành gel aluminosilicate. Gel này sẽ liên kết các h t cốt liệu và các h t tro bay ch a phản ứng hết t o thành bê tông geopolymer [1]. Phản ứng sinh ra gel aluminosilicate phụ thuộc vào một số yếu tố nh thành phần hóa, l ợng pha thủy tinh của tro bay, nồng độ và bản chất của chất ho t hóa. Bên c nh đó quá trình d ỡng hộ cũng có ảnh h ởng lớn đến s hình thành cấu trúc và tính chất cơ lý của bê tông geopolymer về sau. 2. Chất kiềm hoạt hóa Hầu hết chất kiềm ho t hóa là hỗn hợp của NaOH và KOH với thủy tinh lỏng (nSiO2.Na2O). C ng độ cơ học của geopolymer sẽ tăng khi nồng độ của chất ho t hóa kiềm tăng [4]. Tuy nhiên, đối với tro bay đ ợc ho t hóa kiềm, Palomo A., Grutzek M.W. và Blanco M.T. [5] đã nghiên cứu và chứng tỏ rằng chất ho t hóa với nồng độ kiềm 12M sẽ cho kết quả tốt hơn 18M. Chindaprasirt [3] báo cáo rằng tỷ lệ thích hợp giữa natri silicate và natri hydroxit là từ 0,67-1 khi nồng độ kiềm từ 10-20M. Theo các tác giả khác, việc sử dụng thủy tinh lỏng với mođun silic từ 1-1,5 thì cho c ng độ cao hơn và nếu sử dụng d ng bột thì c ng độ sẽ thấp hơn d ng lỏng. THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 59 3. Quá trình dƣỡng hộ D ỡng hộ nhiệt làm cho các phản ứng trong vữa geopolymer xảy ra nhanh hơn. Cả nhiệt độ và th i gian d ỡng hộ đều ảnh h ởng đến c ng độ chịu nén của bê tông geopolymer [6]. Khi d ỡng hộ nhiệt, 24 gi đầu c ng độ tăng rất nhanh, sau đó thì tốc độ tăng c ng độ chậm l i [7]. Do đó th i gian d ỡng hộ không cần thiết phải quá 24 gi . D ỡng hộ nhiệt có thể là d ỡng hộ nhiệt ẩm hoặc d ỡng hộ nhiệt không có hơi n ớc. C ng độ chịu nén khi d ỡng hộ nhiệt không có hơi n ớc cao hơn 15% so với khi d ỡng hộ nhiệt ẩm [7]. 4. Tính chất của bê tông geopolymer 4.1 Tính thi công của bê tông tƣơi Giống nh trong bê tông thông th ng, n ớc cũng đóng vai trò quan trọng đối với bê tông geopolymer. N ớc làm tăng tính thi công nh ng cũng làm tăng độ rỗng do n ớc bốc hơi để l i [9]. Chindaprasirt P, Chareerat T và Siricicatnanon V [3] nhận thấy rằng khi tăng nồng độ natri silicate và natri hydroxit thì tính dẻo của bê tông giảm. ể tăng tính thi công thì có thể sử dụng phụ gia siêu dẻo hoặc thêm n ớc vào. Khi l ợng n ớc thêm vào càng nhiều thì độ sụt của bê tông geopolymer càng tăng (Hình 1) [6]. Tuy nhiên, nếu sử dụng phụ gia siêu dẻo trên 2% l ợng tro bay để giảm n ớc thì sẽ g y tác động xấu đến c ng độ bê tông geopolymer. Trong tr ng hợp sử dụng n ớc để tăng tính thi công thì c ng độ của bê tông sẽ cao hơn khi dùng phụ gia siêu dẻo [8]. Daniel L.Y. Kong và Jay G. Sanjayan [14] đã thí nghiệm và đ a ra kết luận: sử dụng phụ gia siêu dẻo thông th ng cải thiện rất ít tính thi công của hỗn hợp bê tông nh ng l i làm hỏng c ng độ của ma trận geopolymer. Hình 1 – Ảnh h ởng của l ợng n ớc thêm vào đối với độ sụt 4.2 Cƣờng độ chịu nén C ng độ chịu nén là tính chất quan trọng đối với bê tông geopolymer và th ng phụ thuộc rất nhiều yếu tố nh : - Nhiệt độ và th i gian d ỡng hộ: nhiệt độ và th i gian d ỡng hộ tăng thì c ng độ chịu nén tăng (Hình 2, Hình 3). Tuy nhiên nếu nhiệt độ quá cao sẽ g y nên các vết nứt và ảnh h ởng xấu tới tính chất bê tông geopolymer; Hình 2 – Ảnh h ởng của nhiệt độ d ỡng hộ đối với c ng độ chịu nén THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 60 Hình 3 – Ảnh h ởng của th i gian d ỡng hộ đối với c ng độ chịu nén - L ợng n ớc nhào trộn: trong bê tông xi măng, n ớc tham gia vào các phản ứng thủy hóa với xi măng t o thành chất kết dính để liên kết cốt liệu thô và cốt liệu mịn l i với nhau (sinh ra các sản phẩm phản ứng t o c ng độ cho bê tông), (nh ng trong) đối với hỗn hợp bê tông geopolymer n ớc không tham gia vào các phản ứng hóa học vì quá trình hóa học chính t o nên chất kết dính là geopolymer. ối với geopolymer, tro bay tham gia phản ứng với chất kiềm ho t hóa t o thành gel aluminosilicate, gel này đóng vai trò là chất kết dính, và trong tr ng hợp này n ớc không tham gia vào phản ứng hóa học. Tuy nhiên, nghiên cứu của Barbosa [10] cho thấy l ợng n ớc trong bê tông geopolymer có ảnh h ởng quan trọng đến tính chất của bê tông t ơi cũng nh bê tông rắn. ể xác định l ợng n ớc có trong hỗn hợp bê tông geopolymer, tỷ lệ H2O/Na2O đ ợc tính theo tỷ lệ mol của các oxit trong chất kiềm ho t hóa và trong tro bay. C ng độ chịu nén t i 7 ngày tuổi của ba hỗn hợp có tỷ lệ H2O/Na2O khác nhau đ ợc d ỡng hộ ở 30, 45, 75 và 90 0C đ ợc thể hiện trong hình 4. Ph n tích biểu đồ quan hệ giữa l ợng n ớc sử dụng có trong hỗn hợp và c ng độ chịu nén của geopolymer (hình 4) cho ta thấy rằng, khi l ợng n ớc sử dụng càng tăng thì c ng độ bê tông càng giảm [11]. - Tuổi của bê tông geopolymer: các phản ứng hóa học sinh ra gel geopolymer diễn ra nhanh chóng nên c ng độ của bê tông geopolymer không khác nhau nhiều ở các ngày tuổi, điều này trái ng ợc với bê tông xi măng th ng [11]. - C ng độ của chất kết dính gel aluminosilicate: gel aluminosilicate đóng vai trò liên kết các cốt liệu và các vật liệu không phản ứng t o nên c ng độ cho bê tông geopoloymer, do đó c ng độ của nó đóng một phần rất quan trọng. C ng độ của gel aluminosilicate đ ợc quyết định bởi nhiều yếu tố nh : + Tỷ số Si/Al; + ộ mịn của tro bay; + Hàm l ợng pha vô định hình trong tro bay; + Thành phần và nồng độ của chất kiềm ho t hóa; Hàm l ợng Si và Al của tro bay hòa tan trong kiềm. Hình 4 – Ảnh h ởng của l ợng n ớc nhào trộn đối với c ng độ chịu nén [11] 4.3 Khả năng chống ăn mòn Rất nhiền các thí nghiệm đã chứng minh đ ợc rằng, vật liệu geopolymer từ tro bay có khả năng chống ăn mòn đối với môi tr ng axit và sunphat. Với u điểm này, bê tông geopolymer từ tro bay có thể đ ợc sử dụng để x y d ng các công trình biển và chế THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 61 t o các kết cấu x y d ng để sử dụng trong môi tr ng có tính ăn mòn cao. Khi ng m bê tông geopolymer từ tro bay trong axit HCl 5%, độ mất khối l ợng của mẫu t i 50 ngày là 2% (Hình 5), còn độ mất c ng độ là 80% (Hình 6). Sathia [9] cũng tiến hành ng m mẫu trong axit sulfuric, độ hao hụt khối l ợng của bê tông geopolymer trong axit chỉ có 0,5% trong khi bê tông xi măng là 3%. Ali Allahverdi [15] đã nghiên cứu cơ chế ăn mòn vữa geopolymer đã đóng rắn trong môi tr ng axit sunphuric. Ở nồng độ axit t ơng đối cao (pH 1), cơ chế ăn mòn gồm hai b ớc: B ớc một bắt đầu với s trao đổi ion giữa Na+, Ca2+, H+ hoặc H3O + trong dung dịch với các liên kết Si-O-Al. L c hút điện tử của proton axit làm cho tứ diện nhôm tách ra khỏi bộ khung aluminasilicate; B ớc hai, ion canxi trong khung hòa tan vào dung dịch axit và anion sunphat hòa tan theo h ớng ng ợc l i dẫn đến s hình thành tinh thể th ch cao trong lớp x m th c. Ở nồng độ thấp hơn của axit sunphruic (pH 2), b ớc đầu tiên cũng là s trao đổi ion và l c hút điện tử của proton axit tấn công các liên kết Si-O-Al, quá trình này tiếp diễn cho đến khi dẫn đến s hình thành các vết nứt do co ngót. Khi vết nứt đủ s u, các anion trên bề mặt khuếch tán vào vết nứt dẫn đến s hình thành và lắng đọng của các tinh thể th ch cao. Với axit sulfuric với nồng độ t ơng đối thấp (pH3) và th i gian ng m mẫu giới h n (90 ngày), cơ chế ăn mòn đơn giản chỉ là s tách các cation tích điện và tứ diện nhôm mà không có s lắng đọng của tinh thể th ch cao [16]. Hình 5 – ộ mất khối l ợng khi ng m mẫu trong dung dịch HCl 15%, 7 tuần Hình 6 – ộ mất c ng độ khi ng m mẫu trong dung dịch HCl 5% S hình thành gel aluminosilicate cũng rất quan trọng đối với độ bền của geopolymer. Vật liệu geopolymer có cấu trúc tinh thể càng nhiều thì bền với s x m th c môi tr ng axit sulfuric và axit acetic hơn geopolymer có cấu trúc vô định hình. Thokchom [12] ng m mẫu vữa geopolymer trong axit sulfuric 10% sau 18 tuần thì các mẫu không có bất kỳ s thay đổi nào có thể nhận ra bằng mắt th ng. Bề mặt mẫu và quá trình ăn mòn chỉ có thể đ ợc quan sát bằng kính hiển vi quang học. Kết quả về độ hao hụt khối l ợng trong nghiên cứu này cho thấy vữa geopolymer có khả năng chịu ăn mòn tốt hơn vữa xi măng OPC. T i 18 tuần tuổi, các mẫu vữa geopolymer đ ợc lo i bỏ kiềm hoàn toàn bởi axit sulfuric (Hình 7) nh ng vẫn còn độ bền nén đáng kể. iều này THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 62 chứng tỏ khả năng chịu ăn mòn đối với môi tr ng axit [12]. Hình 7 – Mẫu geopolymer tr ớc và sau khi ng m trong dung dịch axit sulfuric 10% Thokchom [12] cũng khảo sát ảnh h ởng của hàm l ợng NaOH đối với độ bền của geopolymer trong axit sulfuric. Các mẫu với hàm l ợng kiềm khác nhau cho thấy mức độ phá hủy khác nhau khi ng m trong axit sulfuric. Khi quan sát bằng mắt th ng thì không có dấu hiệu phá hủy cấu trúc nh ng d ới kính hiển vi quang học thì bề mặt phá hủy đ ợc thấy rõ ràng và nó th ng xuất hiện ở những mẫu có hàm l ợng kiềm thấp. Mẫu đ ợc chế t o với hàm l ợng kiềm cao có độ mất c ng độ thấp hơn so với mẫu có hàm l ợng kiềm thấp tuy rằng độ mất khối l ợng nhiều hơn. 4.4 Tính bền nhiệt độ Tính chất chịu lửa của bê tông là một trong những tính chất th ng đ ợc xem xét bởi vì an toàn cho ng i sử dụng. Kalyan Kr. Mandal, Suresh Thokchom và Mithun Roy [13] đã tiến hành nghiên về tính chất của geopolymer ở nhiệt độ cao và đ a ra kết luận rằng: - Màu sắc của mẫu geopolymer trong điều kiện nhiệt độ cao thay đổi dần từ xám sang n u nhẹ; - ộ co thể tích xuất hiện đột ngột từ 600-900 0 C; - ộ mất khối l ợng diễn ra nhanh chóng cho tới 300 0C, sau đó thì khối l ợng thay đổi không đáng kể; - C ng độ còn l i của các mẫu có khuynh h ớng t ơng t nhau. Tuy nhiên, mẫu có hàm l ợng Na2O cao nhất có độ mất c ng độ lớn nhất khi đặt trong nhiệt độ cao. Cũng nghiên cứu về tính bền nhiệt độ của bê tông geopolymer, Daniel L.Y. Kong và Jay G. Sanjayan [14] cho rằng c ng độ ở nhiệt độ cao phụ thuộc vào kích th ớc của mẫu vữa geopolymer do s chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và lõi g y nứt vì nhiệt. Kích th ớc cốt liệu cũng là nh n tố quan trọng để xác định biểu hiện của geopolymer ở nhiệt độ cao. Cốt liệu có kích th ớc nhỏ (<10 mm) làm tăng s phá vỡ và nứt trên ph m vi rộng trong bê tông geopolymer trong khi bê tông geopolymer chứa cốt liệu lớn (>10 mm) thì bền hơn ở nhiệt độ cao. Ngoài ra, tính bền nhiệt của bê tông geopolymer có sử dụng phụ gia siêu dẻo rất kém, do đó sử dụng phụ gia siêu dẻo là không có lợi đối với bê tông geopolymer làm việc ở nhiệt độ cao. S chênh lệch nhiệt độ giữa cấu trúc geopolymer và thành phần cốt liệu gần nh là nguyên nh n của s suy giảm c ng độ của bê tông geopolymer ở nhiệt độ cao. iều THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 63 này đ ợc minh chứng bằng việc so sánh hai bê tông geopolymer đ ợc làm từ hai cốt liệu khác nhau có tính chất giãn nở nhiệt khác nhau. Mẫu có s chênh lệch lớn hơn thì s suy giảm c ng độ nhiều hơn. Tỷ lệ giãn nở nhiệt của cốt liệu là yếu tố có tính ảnh h ởng đến tính chất của bê tông geopolymer ở nhiệt độ cao [14]. 5. Kết luận Vật liệu geopolymer từ tro bay có tính năng tốt hơn bê tông thông th ng ở nhiều ph ơng diện nh c ng độ chịu nén cao, bền với ăn mòn của môi tr ng, có khả năng làm việc trong môi tr ng nhiệt độ cao. Với những đặc tính u việt trên, bê tông geopolymer hoàn toàn có thể thay thế bê tông xi măng OPC. Ngoài ra, việc ứng dụng vật liệu này giúp tận dụng phế thải tro bay và góp phần bảo vệ môi tr ng. Vì vậy, có thể nói bê tông geopolymer là bê tông của t ơng lai. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Wallah S.E. (2009). Drying Shrinkage of Heat-Cured Fly Ash-Based Geopolymer Concrete. Modern Appl. Sci., 3: 12. [2]. Davidovits, J. 2008. Geopolymer Chemistry and Applications. Institut Géopolymère, Saint-Quentin, France. [3]. Chindaprasirt P, Chareerat T, Siricicatnanon V (2007). Workability and strength of coarse high calcium fly ash geopolymer. Cement Concrete Compos., 29: 224-229. [4]. F Katz A. Microscopic study of alkali-activation fly ash. Cem Concr Res 1998;28: 197– 208. [5]. Palomo A, Grutzek MW, Blanco MT. Alkali-activated fly ashes. A cement for the future. Cem Concr Res 1999; 29:1323–9. [6]. Chanh NV, Trung BD, Tuan DV (2008). Recent research geopolymer concrete. The 3rd ACF International Coference –ACF/VCA. [7]. Hardjito, D. and Rangan, B. V. (2005), Development and Properties of Low-Calcium Fly Ash-based Geopolymer Concrete, Research Report GC1, Faculty of Engineering, Curtin University of Technology, Perth [8]. Djwantoro Hardjito. Studies on Fly Ash-Based Geopolymer Concrete. PhD Thesis Curtin University of Technology, November 2005. [9]. Sathia R, Babu KG, Santhanam M (2008). Durability study of low calcium fly ash geopolymer concrete. The 3 rd ACF International Coference –ACF/VCA. [10]. Barbosa, V.F.F., MacKenzie K.J.D., and Thaumaturgo C., Synthesis and Characterisation of Materials Based on Inorganic Polymers of Alumina and Silica: Sodium Polysialate Polymers. International Journal of Inorganic Materials, 2000. 2(4): pp. 309-317. [11]. Djwantoro Hardjito, Steenie E. Wallah, Dody M.J. Sumajouw, and B.V. Rangan. Factors influencing the compressive strength of fly ash-based geopolymer concrete. Civil engineering dimension, Vol. 6, No. 2, 88–93, September 2004, ISSN 1410-9530