Tính chất cơ học của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay gia cường sợi poly-propylene

Nội dung text: Tính chất cơ học của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay gia cường sợi poly-propylene

1. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER SỬ DỤNG TRO BAY GIA CƯỜNG SỢI POLY-PROPYLENE TS. PHAN ĐỨC HÙNG Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh TS. LÊ ANH TUẤN Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của 0.0031, mô đun đàn hồi thay đổi từ 21.32 GPa - sợi poly-propylene đến các tính chất của bê tông 26.1GPa và hệ số Poisson đạt từ 0.12 - 0.152. geopolymer. Sợi poly-propylene với hàm lượng Từ khóa: Sợi poly-propylene, bê tông 0.5% - 1.5% theo thể tích và tỷ lệ chiều dài trên geopolymer, tro bay, dung dịch hoạt hóa. đường kính sợi từ 100 đến 500 được sử dụng 1. Giới thiệu trong nghiên cứu này. Bê tông geopolymer hoạt Nghiên cứu đặc tính cơ học của bê tông hóa từ tro bay đạt cấp độ bền B25. Kết quả cho geopolymer đã được nhiều tác giả thực hiện và thấy sợi poly - propylene làm giảm độ linh động so sánh với bê tông xi măng nhằm ứng dụng vật của hỗn hợp bê tông. Hàm lượng sợi, chiều dài liệu này trong nhiều công trình. Đặc tính của bê sợi và tỷ lệ giữa chiều dài trên đường kính sợi tông geopolymer có các tính chất về cường độ, khả năng lưu biến và mối quan hệ giữa ứng suất ảnh hưởng nhiều đến tính chất của bê tông. Tính biến dạng gần như tương đồng với bê tông xi chất cơ học của bê tông geopolymer được gia măng [1-4]. Các nghiên cứu ứng dụng một số loại cường 0.5% hàm lượng sợi được cải thiện tốt sợi khác nhau thêm vào trong bê tông nhất. Kết quả thực nghiệm cho thấy giá trị biến geopolymer để xem xét các ứng xử cơ học của dạng của bê tông dùng sợi thay đổi từ 0.0022- bê tông nền và sợi như trên hình 1. Hình 1. Mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng trong bê tông sử dụng sợi Sợi tổng hợp, sợi thép và các loại sợi khác có sự khác biệt so với bê tông xi măng. đã được nghiên cứu ứng dụng trong bê tông xi Nghiên cứu của Zhang và cộng sự [6] cho thấy măng nhằm gia cường một số tính chất cơ học khi sử dụng sợi poly –propylene có khả năng đã được nghiên cứu từ những năm 1960. Đối gia cường khả năng chịu kéo của vật liệu với bê tông geopolymer, tác giả Monita Olivia geopolymer. Sự xuất hiện của vết nứt trong bê [5] đã nghiên cứu sử dụng sợi poly-propylene tông geopolymer cho thấy rằng sợi có thể tạo cho vào bê tông geopolymer để xác định các nên một hiệu ứng chuyển tiếp qua các lỗ rỗng đặc tính cơ lý của nó và nhận xét sự bám dính có hại, các khuyết tật và thay đổi cách mở của sợi poly propylene với bê tông geopolymer rộng các vết nứt. 60 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016
2. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG Nghiên cứu này sử dụng vật liệu nền là bê Ngoài ra, sợi poly-propylene được thêm vào với tông geopolymer tổng hợp từ tro bay, kết hợp sử các hàm lượng và tỷ lệ chiều dài sợi trên đường dụng sợi poly-propylene có tỷ lệ chiều dài trên kính sợi (l/d) khác nhau để khảo sát ứng xử của đường kính sợi (l/d) thay đổi từ 100 đến 500 với loại bê tông này. các hàm lượng 0 đến 1.5% để đánh giá khả năng Cốt liệu bao gồm đá dăm và cát sông được làm việc của sợi trong bê tông geopolymer đến sử dụng có khối lượng riêng theo thứ tự là 2700 các tính chất của bê tông geopolymer. và 2650kg/m3. Cỡ hạt lớn nhất của đá dăm Dmax 2. Nguyên vật liệu và phương pháp thí nghiệm là 20mm. Cát có mô đun độ lớn 1.85. 2.1 Nguyên vật liệu Tro bay loại F sử dụng có nguồn gốc từ nhà Vật liệu sử dụng chế tạo bê tông geopolymer máy nhiệt điện, khối lượng riêng 2500 kg/m3, độ bao gồm: Tro bay có hàm lượng calcium thấp mịn 94% lượng lọt qua sàng có cỡ sàng là 0.08 như là vật liệu nguồn cung cấp alumium-silicate, mm. Thành phần hóa học của tro bay được trình dung dịch hoạt hóa, cốt liệu là đá dăm và cát. bày trong bảng 1. Bảng 1. Thành phần hóa học của tro bay Thành phần K2O + SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 MKN(*) hoá học Na2O % khối lượng 51.7 31.9 3.48 1.21 1.02 0.81 0.25 9.63 (*) MKN : mất khi nung Dung dịch hoạt hóa được sử dụng trong thí nhau. Hình dáng và đặc tính loại sợi trình bày nghiệm để hoạt hóa quá trình geopolymer hóa trong hình 2 và bảng 2. của bê tông. Dung dịch này là sự kết hợp giữa sodium hydroxide và sodium silicate. Sodium hydroxide khan có dạng vảy rắn, màu trắng đục, độ tinh khiết trên 90% và khối lượng riêng là 2130kg/m3. Để chế tạo dung dịch sodium hydroxide, NaOH khan được hòa tan vào nước theo nồng độ 16mol/l cho trước, tỷ trọng 1.17 g/cm3. Dung dịch sodium silicate sử dụng với hàm lượng Na2O và SiO2 dao động từ 36% đến 38%, tỷ trọng 1.42±0.01 g/cm3. a. Sợi poly-propylene Trong phạm vi nghiên cứu, sợi poly- propylene được dùng để chế tạo mẫu với nhiều tỷ lệ chiều dài sợi trên đường kính sợi (l/d) khác Hình 2. Sợi poly - propylene Bảng 2. Đặc tính sợi sợi poly - propylene Loại Đường kính Chiều dài Khối lượng Mô đun đàn Cường độ chịu Tỷ lệ l/d 3 sợi (mm) (mm) riêng (kg/m ) hồi (MPa) kéo (MPa) 5 100 10 200 Sợi 15 300 0.05 910 3500 700 PP 20 400 25 500 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016 61
3. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG 2.2 Cấp phối polypropylene với các tỷ lệ chiều dài – đường Các cấp phối bê tông geopolymer sử dụng kính khác nhau được thêm vào với hàm lượng dung dịch sodium hydroxide có nồng độ 16 là 0, 0.5, 1.0 và 1.5% theo thể tích. Tỷ lệ chiều mol/lít, tỷ lệ dung dịch alkaline – tro bay là 0.7, dài – đường kính sợi thay đổi từ 100 đến 500. trong đó tỷ lệ dung dịch sodium silicate-dung Cấp phối bê tông geopolymer nền được trình dịch sodium hydroxide là 2.5. Sợi bày trong bảng 3. Bảng 3. Cấp phối cho bê tông geopolymer (kg/m3) Dung dịch sodium Đá dăm Cát Tro bay Dung dịch sodium silicate hydroxide 16M 1079 556 418 213 86 Hỗn hợp bê tông geopolymer có sử dụng sợi nén theo ASTM C39 với tốc độ gia tải là poly - propylene được chế tạo khuôn hình trụ 0.2MPa/giây. theo ASTM C39 và ASTM C78. Mẫu sau khi tạo - Thực nghiệm xác định khả năng chịu uốn hình được để tĩnh định 2 ngày rồi tháo khuôn và bê tông geopolymer theo ASTM C78 với tốc độ o đem dưỡng hộ nhiệt ở 90 C trong 10 giờ để quá gia tải là 4MPa/phút. trình geopolymer hóa diễn ra. - Thực nghiệm khả năng chịu kéo gián tiếp Sau quá trình dưỡng hộ nhiệt, mẫu được của bê tông geopolymer theo ASTM C496 với tốc được đặt trong môi trường phòng thí nghiệm và độ gia tải là 1MPa/phút. thực hiện thí nghiệm xác định cường độ chịu nén 3. Kết quả thí nghiệm và cường độ chịu uốn ở 7 ngày tuổi. Kết quả thí nghiệm chịu nén, kéo gián tiếp (ép chẻ), uốn, mô đun đàn hồi và hệ số Poisson của - Xác định mối quan hệ ứng suất - biến bê tông geopolymer (GPC) có gia cường sợi poly dạng và các hệ số poisson, mô đun đàn hồi khi - propylene (PP) được trình bày trong bảng 4. Bảng 4. Kết quả thí nghiệm Cường Cường độ Hàm Cường độ Mô đun Tỷ lệ độ chịu kéo gián tiếp Độ bẹt Hệ số Ký hiệu lượng chịu uốn đàn hồi (l/d) nén (ép chẻ) (cm) Poisson sợi (%) (MPa) (GPa) (MPa) (MPa) GPC 0 0.0 32.61 3.7 5.89 63 25.40 0.128 P1-05 100 0.5 34.68 4.05 6.27 56 25.80 0.141 P1-10 100 1.0 34.14 3.92 6.55 51 24.02 0.132 P1-15 100 1.5 30.86 3.84 6.71 47 22.71 0.129 P2-05 200 0.5 36.21 4.20 6.31 53 26.10 0.152 P2-10 200 1.0 34.72 4.11 6.69 49 25.37 0.139 P2-15 200 1.5 33.29 3.95 6.90 45 23.09 0.132 P3-05 300 0.5 35.59 4.11 6.45 52 25.82 0.146 P3-10 300 1.0 32.24 3.87 7.45 47 25.15 0.140 P3-15 300 1.5 28.21 3.88 7.98 45 21.32 0.129 P4-05 400 0.5 35.77 3.97 6.30 50 26.08 0.143 P4-10 400 1.0 34.34 3.60 7.17 45 25.23 0.128 P4-15 400 1.5 28.73 3.52 7.32 42 21.87 0.122 P5-05 500 0.5 35.08 3.85 6.27 48 25.93 0.140 P5-10 500 1.0 32.29 3.75 6.69 44 22.98 0.125 P5-15 500 1.5 28.07 3.64 7.11 42 21.88 0.120 3.1 Độ linh động của bê tông geopolymer cốt sợi poly-propylene Xác định ảnh hưởng của hàm lượng và tỷ lệ l/d của sợi đến độ linh động của bê tông geopolymer thông qua thí nghiệm độ bẹt, kết quả thể hiện trên hình 3. 62 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016
4. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG Hình 3. Mối quan hệ giữa độ bẹt với hàm lượng và tỷ lệ l/d của sợi Kết quả cho thấy hàm lượng sợi và tỷ lệ l/d Thí nghiệm nén mẫu kết hợp với đo biến của sợi càng tăng thì độ bẹt của hỗn hợp bê tông dạng mẫu bằng strain gauge được thực hiện càng giảm. Nguyên nhân là do khi hàm lượng sợi nhằm xác định khả năng làm việc khi chịu nén cao dẫn đến vật liệu nền bị các sợi chiếm chỗ và của bê tông geopolymer cốt sợi poly-propylene. dễ gây vón cục, do đó làm hạn chế độ linh động của bê tông nền. Hình 4 thể hiện ảnh hưởng của hàm lượng sợi và 3.2 Khả năng chịu nén của bê tông tỷ lệ l/d của sợi đến cường độ chịu nén của các geopolymer nền sử dụng sợi poly - propylene cấp phối bê tông geopolymer. Hình 4. Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén với hàm lượng và tỷ lệ l/d của sợi Kết quả cho thấy khi sử dụng hàm lượng sợi lượng sợi sử dụng là 0.5%, và tốt nhất đối với 0.5% thì cường độ chịu nén tăng, tuy nhiên khi cấp phối sử dụng loại sợi có l/d bằng 200. Hầu tăng hàm lượng sợi lên 1% và 1.5% thì cường độ hết các cấp phối sử dụng hàm lượng 1.5% đều chịu nén lại có xu hướng giảm cho các loại sợi có nhỏ hơn so với cấp phối không sợi và sự giảm tỷ lệ l/d từ 100 đến 500. Sự tăng cường độ chịu cường độ lớn nhất lên đến 13.91% xảy ra đối với nén trong khoảng 6.36% đến 11.05% khi hàm cấp phối sử dụng loại sợi có l/d bằng 500. Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016 63
5. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG Hình 5. Mối quan hệ giữa biến dạng tại tải lớn nhất với hàm lượng và tỷ lệ l/d của sợi Ngoài ra, khi tăng hàm lượng sợi sử dụng thì bê tông geopolymer có khả năng biến dạng tăng lên (hình 5) do sợi poly - propylene đã phát huy tốt hiệu ứng bắc cầu trong bê tông geopolymer. Hình 6. Mối quan hệ giữa ứng suất nén và biến dạng của các cấp phối bê tông geopolymer cốt sợi poly-propylene có tỷ lệ l/d 200 Hình 6 thể hiện ứng xử của bê tông geopolymer sử dụng sợi poly - propylene có tỷ lệ l/d 200 khi chịu nén. Các đường cong ứng suất-biến dạng cho thấy bê tông geopolymer nền có giá trị biến dạng tại ứng suất đỉnh đạt khoảng 0.0021, trong khi các cấp phối sử dụng sợi có tỷ lệ l/d 200 với các hàm lượng từ 0.5% đến 1.5% có giá trị biến dạng nằm trong khoảng từ 0.0024 đến 0.0031. 3.3 Khả năng chịu kéo gián tiếp của bê tông geopolymer cốt sợi poly - propylene Thí nghiệm kéo gián tiếp (ép chẻ) và uốn mẫu được thực hiện nhằm xác định khả năng làm việc chịu kéo gián tiếp của bê tông geopolymer sử dụng sợi poly - propylene. Hình 7 thể hiện ảnh hưởng của hàm lượng sợi và tỷ lệ l/d của sợi đến cường độ chịu kéo gián tiếp của các cấp phối bê tông geopolymer. 64 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016
6. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG Hình 7. Mối quan hệ giữa cường độ chịu kéo gián tiếp với hàm lượng và tỷ lệ l/d của sợi Kết quả cho thấy ảnh hưởng của sợi poly - độ chịu gián tiếp đạt 4.2MPa, tăng 13.51% so với propylene đến khả năng chịu kéo gián tiếp của bê cấp phối bê tông geopolymer nền. tông geopolymer nền sử dụng sợi poly - Khác với khả năng chịu nén và kéo gián tiếp, propylene này cũng tương tự như khả năng chịu cường độ chịu uốn của bê tông geopolymer tăng theo hàm lượng sợi sử dụng cho với tất cả các tỷ nén, trong đó cường độ chịu kéo gián tiếp có lệ l/d của sợi poly - propylene, kết quả thể hiện khuynh hướng tăng khi hàm lượng sợi sử dụng là trên hình 8. Trong đó, cấp phối sử dụng loại sợi 0.5% và giảm khi tăng hàm lượng sợi sử dụng có tỷ lệ l/d là 300 với hàm lượng 1.5% thì cường lên 1% và 1.5%. Khi sử dụng hàm lượng sợi độ chịu uốn đạt 7.98MPa, tăng 35.48% so với poly-propylene 0.5% có tỷ lệ l/d là 200 thì cường cấp phối không sợi. Hình 8. Mối quan hệ giữa cường độ chịu uốn với hàm lượng và tỷ lệ l/d của sợi Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016 65
7. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG Hình 9. Mối quan hệ giữa lực uốn và chuyển vị của các cấp phối bê tông geopolymer cốt sợi poly- propylene có tỷ lệ l/d 300 Hình 9 thể hiện ứng xử của bê tông không sợi như trên hình 8. Kết quả này tương geopolymer sử dụng sợi poly - propylene có tỷ lệ đồng với nhận xét của tác giả Zhang và cộng sự l/d 300 khi chịu uốn. Các đường cong lực - [6] khi sử dụng sợi poly propylene có khả năng chuyển vị cho thấy khi cấp phối bê tông tăng độ dẻo dai nhiều cho bê tông geopolymer. geopolymer nền sử dụng sợi poly - propylene với Khi hàm lượng tăng lên 1% và 1.5%, khả năng hàm lượng 0.5%, cường độ uốn của bê tông chịu uốn tăng cao và chuyển vị của dầm cũng geopolymer tăng không đáng kể nhưng tính dẻo tăng lên. của bê tông cũng đã được cải thiện, chuyển vị 3.4 Xác định mô đun đàn hồi và hệ số Poisson của dầm cốt sợi poly - propylene cao hơn mẫu của bê tông geopolymer cốt sợi poly - propylene Hình 10. Mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi với hàm lượng và tỷ lệ l/d của sợi 66 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016
8. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG Hình 11. Mối quan hệ giữa hệ số Poisson với hàm lượng và tỷ lệ l/d của sợi Mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi và hệ số của sợi khi sử dụng cho bê tông geopolymer vì Poisson với hàm lượng và tỷ lệ l/d của sợi cũng có khả năng làm suy giảm mô đun đàn hồi và hệ tương tự như cường độ chịu nén (hình 10 và số Poisson. hình 11). Khi sử dụng loại sợi poly - propylene có TÀI LIỆU THAM KHẢO đường kính và chiều dài như trên, giá trị mô đun đàn hồi lớn nhất ứng với cấp phối bê tông nền [1] Davidovits J. (2011), Geopolymer Chemistry geopolymer sử dụng sợi 0.5% có tỷ lệ l/d 200 đạt and Application, 3rd edition, Geopolymer 26.1GPa. Hệ số Poisson của bê tông nền Institute, French. geopolymer đạt 0.128, các cấp phối bê tông [2] Hardjito D. and Rangan B.V. (2005), geopolymer sử dụng các hàm lượng sợi với các “Development and properties of low-calcium fly tỷ lệ l/d khác nhau cho giá trị dao động từ 0.12 – ash-based geopolymer concrete”, Research 0.152. Report GC1 Faculty of Engineering Curtin 4. Kết luận University of Technology Perth, Australia. Bài báo nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng [3] Palomo A., Grutzeck M.W. and Blanco M.T. của sợi poly-propylene có tỷ lệ chiều dài trên (1999), “Alkali-activated fly ashes – A cement for đường kính sợi thay đổi với các giá trị 100, 200, the future”. Cement and Concrete Research, 300, 400 và 500 và hàm lượng sử dụng là 0.5%, 29(8), pp 1323–1329. 1.0% và 1.5% thể tích đến bê tông geopolymer [4] Van Jaarsveld, Van Deventer and Lukey G.C. nền sử dụng tro bay. Các đặc tính cơ học của bê (2003), “The characterization of source tông geopolymer thay đổi như sau: materials in fly ash based geopolymers”. - Hỗn hợp bê tông geopolymer sử dụng sợi Materials Letters, 57(7), pp 1272-1280. poly - propylene có độ linh động giảm nhiều so [5] Monita Olivia (2011), “Durability Related với cấp phối không sợi. Properties of Low Calcium Fly ash based - Bê tông geopolymer nền có khả năng Geopolymer Concrete”. PhD Thesis. được gia cường về cường độ nén, cường độ kéo Department of Civil Engineering, School of Civil và mô đun đàn hồi khi sử dụng thêm sợi poly- and Mechanical Engineering, Curtin University propylene với hàm lượng sợi khoảng 0.5%. of Technology, Australia. Tỷ lệ chiều dài trên đường kính sợi poly- - [6] Zhang Zu-Hua et al. (2009), “Preparation and propylene cũng ảnh hưởng đến các tính chất cơ mechanical properties of polypropylene fiber học của bê tông geopolymer. Tỷ lệ l/d có giá trị tốt reinforced calcined kaolin-fly ash based nhất trong khoảng từ 200 đến 300. geopolymer”. Journal of Central South - Khi sử dụng sợi poly - propylene thì mô University of Technology, 16, pp 49-52. đun đàn hồi đạt giá trị trong khoảng từ 21.32 đến 26.1GPa và hệ số Poisson đạt khoảng từ 0.12 Ngày nhận bài: 14/12/2015. đến 0.152. Cần chú ý về hàm lượng và tỷ lệ l/d Ngày nhận bài sửa lần cuối: 04/01/2016. Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016 67