�������

�� �� �����

�������

�����

������� ��

�� �����

�������

�����

�

� � � ����

��� � �� �� � � �� ��� ����� �� � �� ����

� ����� � � � ���� �� �! �"� �!���

�����

#$% ��� &" �!� �' ! ���(

�) * �)+*� , +

� ���

���� �� ��� � �� ����������� �� ��� ��� �� �������

�� � �������� ��� �� � � � ���� � �����

� �� �� ������� �����!�������� ����������� � �"� ����� ��� ��

�#� ��� ��� ����$��� � �� ���!� ���$�� ���� ������ ��� � �

��� ���%��� �&� �%� �������� ��� ���������� ������ !��"�#����

$%!�� �� � �� � � � �' ������� �#� ��� �����

�"� ����%($��$� ��(��)���� �� �� ����� ���� ���

�� �� � � �����

��%� ��� ����"� �%� �� !� ����� �� ����

� �� % $����� ��� ������ ����� ���$��� �� � �

#����� �� �*�#� ��� �����%($� � ��+��� *� ��� �� � �

� ���� �*��$�������� ��� �� �� ��

,��� ����& ��' (�$����) � (�#��� �)��� �-��

�����!������� .����#� �

/ �� �� ������(��)���� ��+��� ��!�'������� � � ����� � �

��� ��� �� ������������� � �� ��� ���� ��� ���

� � �� ����$*� � 0 ��$� �

�� ��� ����!�� .����#� % $�� ���� �� ������ � ��

���$�����

��!��� � 1��������������������������

�������� � ����������*� ���23��(� �45 2436

� ����+�� � ���� �

�* ���*�� �� �

- . /0� ��12

�+��� ��"� �! � ��� � � & �! � �3� &" �! �� 4 � �!5� �! �

���4 ��64 ����� ��� �� � !7� �! � �! � � � � & � �! � � � �!

�5�.��845� � 9 �� : �!3. �!�8 �! ��� � �

�5�.��845� � 9 �� : �!3. �7 �!� �!��� � 9 �

� � 9;�!� & � � � 9 � ��� ��� � .! .! �!3. � ��� ��"�!

���� ��!� . �!�� &" � � & �� �"� � 9 �� �� � . .! � & � :

�5�.��845� �!�� �!�� & � � / �!3.��� ��8� � � �" ���� � &" ��<� *��"� �� ���

� . .! � �7 �=�� � � 9��� 9 �! ��9��4 !89��:�95��9��4 �������5 #���,( � �� ��

� � �! �� 9��� 9 �!��� #00�2( �" ��1� ��� 4 � & � ! �! �� �

��> �! ?@! � �� ! �!� � @���

����� ? �� � �� . � �! ����� � ��"8 �� . �!5�� �"�

�A� �!� � � � . .! � & � �5�.��845� � 9 �� ��� &"�� &" � . .! � & �

�� �"4 ��� � . .! � �� 4 �! ��� ��� 4 � &"

�6� � 8 � �� � �!� ��64 !7� �!

� � 4 � �!5� �! � !7� �! � � 9 �� ��� � 4 9��� 9 �! ,���

,�B?� *���� C��B? &" *�B, �7 � ��D� ��� 4 � �! � ���� �!; ��!� 4 � �

�(� � ��"8� �? ��"8� ? ��"8� �� ��"8 E@� �F &"

�?� ��"8 ��64 4 � & � !7� �! �� ��� 4 � � 8 �� �! � 9��� 9 �!� ��� � �! � ��

� 4 �� �3� 4 �!

�! � �3��

*! � �!���� 4 � .! �!� � &"� � . .! � & �� �;�! ���� ��� &" 4��

�! � �3� � � & ��

��� 9��� 9 �! *���� C��B?� ,�B? &" �� 4 ����� 9��� 9 �! ,�� &" *�B,� $ � ��

�!; ��!� 4 ��� E@ ��"8 ��64 4 � �!� �! 8 �! �! � �3� � �

& � �5�.��845� � 9 �� : �� � �

4 � �!5� �! � ���� ��64 ����� 9��� 9 �! C��B? �!� �! 8 �7 � ! . �! 9���

9 �! ����� �� � ��� �� �! ��64� ����� �!� ��� 9��� 9 �! �!�� � � �"4 ��8 �� 4 �! �

�� 4 �� $ � �� ��!��� � � �!� �! 8 & � �5�.��845� � 9 �� : �!3. �7 �!

�! � � � �! �!��� ���� �"4 &� �� �!

�� �

,�-�.,���!5 .�.5� .�5�5��� �!5 �!���5� �� �!5 ��4.�5���&5 ���5���! ��9 4��� �G

�.5��45�� 9����� �!5 ������� ��45 �� 9�GG5�5�� �!54���� �����9� �� 5&�����5 �!5

9��������8 �G �5�.��845� 4����� ����� ��55� ���� �� � �5.���545�� �G ������� ���9 ��

&������ �������&5 5�&����45��� �!5�5 ��5 4��8 �9&�����5� ����� �5�.��845� 4�����

����� ��55� ���� �� ��� ���8 ��� ����� �545�� �� � ���95� ��� ���� 4����� ��5 �G H���5

.��9���� ���5 G�8 ��! ��9 ��55� ���� G��4 ��!5� ��9�����5� ��9 .���5�� �!5 5�&����45���

�!5 ������5 ��5� �!�55 9�GG5�5�� 4����� .��.������� �G ����G�8 ��! H��! �!5 ����� �� ����

� ��9 ��<� 25��95�� �!5 4����� .��.����� !�&5 �!5 ��45 ����� �G ��9��4

!89��:�95��9��4 �������5 #���,( �������� �� �� �!5 ����������! ����� �� ��1� �!5

��I5� �G �8���9����� 4����� ��5 ��>� �4 ��5 �54�&59 ��9 !5��59 �� @��� G�� ? !����

�G�5� ?@ !���� �G ������� JG�5� �!��� �!5�5 ��4.�5� �������5 �� �5 ������ G�� �!5 �5:� �

9�8�� ��4.�5� ��5 45����59 ��9 H5��!59 .���� �� �!54���� �445����� �� ���5�� �!5

��������� �5�������5 �G �!5 ��4.�5 �&5� ��45� K�&5 �!54����� ��5 ��59 �����95 ,���

,�B?� *���� C��B? ��9 *�B, �� � ����5�������� �G ��D� L:.5��45���� ��45���5�

H5�5 � 9�8� #�� �!54���� �445�����( � 9�8�� � 9�8�� �? 9�8�� ? 9�8�� �� 9�8� ��9

E@ 9�8� �G �!54���� �445������ ��4.�5� ��5 ���5� ��� �G �!5 ��������� H�.59 �GG H��!

� ��G� ��H5� ��9 �G�5� �!�� �!58 H��� �5 H5��!59� �5��I59� ��4.�5��59 �� 95�5�4��5 �!5

��4.�5���&5 ���5���!�

M� �5�5���� �!5 �!���5� 95.5�9 �� �!5 4����� .��.������� H���������8 ��9

�������&5 5�&����45���� �!5 ��4.�5���&5 ���5���! �G �5�.��845� 4����� �5�9� ��

����5��5 �� �.5��45�� ����59 �� *���� C��B? ��9 ,�B? ��9 �� 95��5��5 ��

�.5��45�� ����59 �� ,�� ��9 *�B,� L:.5��45���� �5����� �� E@ 9�8� �445��59

��4.�5� ��9����59 �!5 ������8 �� 4������� � ��4.�5���&5 ���5���! �G �5�.��845�

4����� ����� ��55� ���� �� �!5 ���&5 �������&5 5�&����45���� �!5 ����5��5 �G 4��� �G

��4.�5� �445��59 �� C��B? �������� ��9����5� �!�� �!5�5 �� �� �����.���� �� �������

��45� H!5�5��� 4��� �G ��4.�5� �445��59 �� *���� ,��� ,�B? �������� 95��5��5��

�!�� ���98 �!�H59 �!�� �5�.��845� 4����� ����� ��55� ���� ��� �5 �..��59 G�� 4�����

������N������ 5:������ �� 9�GG5�5�� �������&5 5�&����45��� ���! �� ������� ��������5��

�/!0�*12� �5�.��845� 4�����O ���������O ����O

1

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 8

1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu ...................................................................... 8

1.2 Tình hình nghiên cứu ........................................................................................ 16

1.2.1 Khái niệm về Geopolymer.......................................................................................... 16

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ............................................................................... 17

1.2.3 Tình hình nghiên cứu trong nước................................................................................ 19

1.3 Nhận xét các đề tài............................................................................................ 21

1.4 Vị trí của đề tài nghiên cứu .............................................................................. 21

1.5 Mục tiêu của đề tài............................................................................................ 22

1.6 Nhiệm vụ của đề tài .......................................................................................... 22

1.7 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 22

1.8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................... 22

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 22

2.1 Công nghệ Geopolymer .................................................................................... 23

2.1.1 Lịch sử ra đời chất kết dính Geopolymer .................................................................... 23

2.1.2 Cơ chế phản ứng trong quá trình Geopolymer hóa ...................................................... 26

2.1.3 Cơ sở hóa học của công nghệ Geopolymer sử dụng tro bay ........................................ 29

2.1.4 Nguyên vật liệu .......................................................................................................... 30

2.1.5 Tro bay ...................................................................................................................... 30

2.1.6 Dung dịch hoạt hóa Alkaline ...................................................................................... 34

2.1.7 Xỉ thép ....................................................................................................................... 35

2

2.2 Ăn mòn trong bê tông và vữa ........................................................................... 38

2.2.1 Các môi trường ăn mòn .............................................................................................. 38

2.2.2 Cơ chế của quá trình ăn mòn ...................................................................................... 39

2.2.3 Tốc độ ăn mòn ........................................................................................................... 47

2.2.4 Các loại tốc độ ăn mòn ............................................................................................... 48

2.2.5 Phân loại theo phạm vi ăn mòn ở kim loại .................................................................. 49

CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ............ 52

3.1 Nguyên vật liệu ................................................................................................. 52

3.1.1 Xỉ thép ....................................................................................................................... 52

3.1.2 Tro bay ...................................................................................................................... 53

3.1.3 Dung dịch hoạt hóa .................................................................................................... 54

3.2 Thành phần cấp phối......................................................................................... 58

3.2.1 Thành phần cấp phối .................................................................................................. 58

3.2.2 Phương pháp xác định thành phần cấp phối ................................................................ 60

3.3 Phương pháp tạo mẫu và thí nghiệm ................................................................ 60

3.3.1 Phương pháp tạo mẫu ................................................................................................. 60

3.3.2 Phương pháp thí nghiệm ............................................................................................ 61

3.3.3 Các phương pháp xác định ......................................................................................... 64

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM................................................................... 67

4.1 Kiểm tra trực quan ............................................................................................ 67

4.1.1 Vữa xỉ - geopolymer .................................................................................................. 67

4.1.2 Vữa xi măng .............................................................................................................. 71

4.2 Độ dư kiềm ....................................................................................................... 73

3

4.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ Xỉ/Tro và thời gian ngâm mẫu đến cường độ chịu nén của

mẫu 80

4.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ Xỉ/Tro và thời gian ngâm mẫu đến độ thay đổi khối lượng

của mẫu ...................................................................................................................... 87

4.5 Cường độ chịu nén của mẫu gạch theo thời gian ngâm trong các loại dung dịch

92

4.6 Độ thay đổi khối lượng của mẫu gạch theo thời gian ngâm trong các loại dung

dịch 93

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.................. 95

5.1 Kết luận ............................................................................................................. 95

5.2 Hướng phát triển và đóng góp của đề tài ......................................................... 96

4

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Lò gạch truyền thống tại Vĩnh Long[3] ............................................................ 9

Hình 1.2. Sản xuất gạch, ngói truyền thống ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên[4]. .... 10

Hình 1.3. Các loại gạch không nung trên thị trường[7]. ................................................. 12

Hình 1.4. Sự xâm thực của nước mặn và tác động ăn mòn từ nước thải ở các cống[8-9].

........................................................................................................................................ 14

Hình 1.5. Công trình sử dụng gạch không nung[10]. ...................................................... 15

Hình 2.1. Tinh thể Geopolymer .................................................................................... 24

Hình 2.2. Cấu trúc Poly (Sialates) theo Davidovits ...................................................... 27

Hình 2.3. Quá trình hoạt hóa vật liệu Aluminosilicate ................................................. 28

Hình 2.4. Mô tả phản ứng tro bay trong môi trường kiềm ............................................ 29

Hình 2.5. Hình ảnh SEM ............................................................................................... 30

Hình 2.6. Tro bay .......................................................................................................... 31

Hình 2.7. Sodium Silicate và Sodium Hydroxyde ........................................................ 34

Hình 2.8. Cơ sở cung cấp Xỉ thép Vật Liệu Xanh tại Bà Rịa ....................................... 35

Hình 2.9. Xỉ thép ........................................................................................................... 36

Hình 2.10. Thành phần khoáng trong xỉ thép[37] ........................................................... 37

Hình 2.11. Ăn mòn trong môi trường lỏng[31] ............................................................... 38

Hình 2.12. Sự hình thành H2S và sự ăn mòn do quá trình oxy hóa H2S thành H2SO4[28]

........................................................................................................................................ 44

Hình 3.1. Xỉ thép kích cỡ dạng hạt ............................................................................... 52

Hình 3.2. Biểu đồ thành phần kích thước hạt xỉ sử dụng .............................................. 53

Hình 3.3. Tro bay loại F ................................................................................................ 54

Hình 3.5. Dung dịch Sodium Silicate (Na2SiO3) .......................................................... 56

Hình 3.6. Cát ................................................................................................................. 57

Hình 3.7. Biểu đồ thành phần hạt cát sử dụng .............................................................. 58

5

Hình 3.8. Khuôn mẫu vữa và mẫu gạch ........................................................................ 61

Hình 3.9. Cân điện tử và máy trộn ................................................................................ 62

Hình 3.10. Mẫu vữa sau khi trộn được cho vào khuôn và đánh số thứ tự .................... 62

Hình 3.11. Dưỡng hộ nhiệt các mẫu bằng lò sấy .......................................................... 63

Hình 3.12. Ngâm mẫu vào các dung dịch hóa chất....................................................... 64

Hình 3.13. Thí nghiệm nén mẫu.................................................................................... 65

Hình 3.14. Mẫu vữa xỉ geopolymer sau khi nén ........................................................... 65

Hình 3.15. Chất kết dính giữa hai lớp gạch .................................................................. 66

Hình 4.1. Mẫu vữa xỉ - geopolymer được ngâm trong các dung dịch sau 140 ngày. ... 68

Hình 4.2. Tinh thể muối NaCl xuất hiện li ti trên bề mặt mẫu ..................................... 69

Hình 4.3. Các kết tủa bám trên mẫu ngâm MgSO4. ...................................................... 69

Hình 4.4. Kết tủa màu vàng bám trên mề mặt mẫu ngâm H2SO4. ................................ 70

Hình 4.5. Tinh thể hình kim và sự bong tróc bề mặt mẫu ngâm HCl. .......................... 70

Hình 4.6. Vết nứt trên bề mặt mẫu ngâm NaOH .......................................................... 71

Hình 4.7. Mẫu vữa xi măng được ngâm trong các dung dịch sau 140 ngày................. 72

Hình 4.8. Các kết tủa màu trắng trên mẫu vữa xi măng ngâm NaOH. ......................... 72

Hình 4.9. Phenolphtalein nguyên chất và cồn 90 độ. .................................................... 74

Hình 4.10. Chỉ thị màu phenolphtalein cho mẫu vữa xỉ - geopolymet ngâm trong các

dung dịch sau 140 ngày. ................................................................................................. 75

Hình 4.11. Chỉ thị màu của dung dịch phenolphtalein lên mẫu vữa xỉ - geopolymer và

vữa xi măng cốt liệu. ...................................................................................................... 76

Hình 4.12. Sử dụng giấy quỳ đo độ pH trên mẫu vửa xỉ -geopolymer. ........................ 77

Hình 4.13. Mẫu vữa xỉ - geopolymer và mẫu vữa geopolymer sử dụng cát vàng. ....... 78

Hình 4.14. Môi trường kiềm trong mẫu xi măng bị giới hạn khi ngâm NaCl và MgSO4.

........................................................................................................................................ 79

Hình 4.15. Sự giới hạn môi trường kiềm bên trong mẫu vữa xỉ - geopolymer và vữa xi

măng cốt liệu .................................................................................................................. 80

6

Hình 4.16. Cường độ chịu nén theo thời gian ngâm mẫu trong các dung dịch. ........... 84

Hình 4.17. Mẫu vữa được đúc từ cấp phối CP02 hoàn toàn biến dạng sau 140 ngày ngâm

trong dung dịch HCl. ...................................................................................................... 86

Hình 4.18. Sự thay đổi khối lượng theo thời gian ngâm mẫu trong các dung dịch ...... 90

Hình 4.19. Cường độ chịu nén mẫu gạch CPG01 theo thời gian ngâm các loại hóa chất.

........................................................................................................................................ 93

Hình 4.20. Độ thay đổi khối lượng của mẫu gạch CPG01 theo thời gian ngâm trong các

loại hóa chất ................................................................................................................... 94

7

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Thành phần vật lý của tro bay ...................................................................... 32

Bảng 2.2. Thành phần hóa học của Xỉ thép .................................................................. 36

Bảng 3.1. Tính chất cơ lý của xỉ thép Phú Mỹ 1 theo TCVN ....................................... 53

Bảng 3.2. Thành phần hóa học của tro bay ................................................................... 54

Bảng 3.3. Các chỉ tiêu của tro bay ................................................................................ 54

Bảng 3.4. Tỷ lệ thành phần dung dịch thủy tinh lỏng ................................................... 56

Bảng 3.5. Thành phần cấp phối vữa xỉ geopolymer ..................................................... 59

Bảng 3.6. Tỷ lệ phần trăm thành phần cấp phối theo khối lượng ................................. 59

Bảng 3.7. Cấp phối vữa xi măng cốt liệu (cát).............................................................. 59

Bảng 3.8. Cấp phối mẫu gạch geopolymer (CPG01) .................................................... 60

Bảng 4.1. Thành phần hóa học của xi măng Portland (%)............................................ 76

Bảng 4.2. Thành phần khoáng chính của xi măng ........................................................ 76

Bảng 4.3. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén (MPa) ............................................. 80

Bảng 4.4. Kết quả thí nghiệm sự thay đổi khối lượng mẫu (%) ................................... 87

Bảng 4.5. Cường độ chịu nén của mẫu gạch theo thời gian ngâm................................ 92

Bảng 4.6. Độ thay đổi khối lượng (%) của mẫu gạch CPG01 theo thời gian ngâm trong

các loại dung dịch........................................................................................................... 93

8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu

Ngày nay, song hành với những thành tựu phát triển xã hội hiện đại thì vẫn còn tồn

tại rất nhiều bất cập về sự thay đổi môi trường tự nhiên như hiệu ứng nhà kính, sa mạc

hóa, ô nhiễm môi trường hay những tác động ngược trở lại từ thiên nhiên như lũ lụt, gió

bão, động đất, sóng thần, …

Trong những năm qua, nền kinh tế được đẩy mạnh phát triển thông qua chuyển dịch

cơ cấu kinh tế theo hướng giảm tỷ trọng nông nghiệp, tăng tỷ trọng công nghiệp, xây

dựng và dịch vụ. Kết cấu cơ sở hạ tầng được cải thiện, các hoạt động xây dựng nhiều

công trình với quy mô lớn cũng như các công trình nhỏ lẻ của người dân đang diễn ra rất

mạnh mẽ, kéo theo đó là nhu cầu về vật liệu xây dựng ngày càng cao, đặc biệt là các loại

vật liệu cơ bản như gạch, ngói, cát, sỏi,… Các công trình xây dựng hiện nay vẫn sử dụng

bê tông cốt thép làm khung chịu lực chính. Vật liệu gạch được sử dụng để làm kết cấu

tường chắn, bao che hay ngăn cách giữa các không gian khác nhau trong công trình.

Xuất phát từ nhu cầu thực tế, các hoạt động sản xuất vật liệu xây dựng, đặc biệt là

sản xuất gạch ngói đang phát triển rất mạnh mẽ và diễn ra tại rất nhiều địa phương trong

toàn quốc. Theo thống kê năm 2012, với hơn 9.000 xí nghiệp sản xuất gạch ngói thì trung

bình cả nước tiêu thụ 20 – 22 tỷ viên gạch một năm. Đến năm 2020, lượng gạch cần thiết

cho xây dựng ước tính sẽ gia tăng gấp đôi, khoảng 40 tỷ viên[1]. Điều đáng quan tâm là

số cơ sở sản xuất lớn tập trung, có kỹ thuật, được đầu tư trang thiết bị và công nghệ tiên

tiến, sản phẩm có chất lượng cao, khả năng cạnh tranh tốt trên thị trường và đặc biệt tiết

kiệm nguyên, nhiên liệu, ít gây ô nhiễm môi trường (như lò tuynen) chỉ chiếm từ 25-

30%[2]. Phần còn lại đa số đều là các lò sản xuất gạch, ngói theo phương pháp thủ công,

lạc hậu, chất lượng sản phẩm thấp, chỉ dùng than đá và củi để đốt nên có mức độ phát

thải gây ô nhiễm môi trường cao.

9

Hình 1.1. Lò gạch truyền thống tại Vĩnh Long[3]

Hầu hết các cơ sở đều sử dụng nguyên liệu đất được khai thác tại chỗ, các hoạt động

đào bới, san lấp diễn ra liên tục qua nhiều năm đã khiến cho bề mặt khu vực trở nên

nham nhở, biến dạng, hình thành nên các hố sâu chứa nước, gây sạt lở và ảnh hưởng rất

lớn đến chế độ thủy văn của khu vực. Để hình thành nên các lớp đất này phải trải qua

hàng trăm năm, thậm chí hàng nghìn năm bồi đắp của các con sông. Tuy nhiên, những

hoạt động khai thác đất nguyên liệu hiện nay đã làm biến đổi thành phần, cấu trúc bề mặt

đất, dẫn đến diện tích đất sau khi thai thác không thể tiến hành canh tác được hoặc nếu

có canh tác thì năng suất cây trồng rất thấp.

Tất cả các lò gạch thủ công đều sử dụng nhiên liệu là than đá phối trộn với các vật

liệu sẵn có tại địa phương như bùn ao, củi đốt nên có nhiệt lượng thấp, tỷ lệ phối trộn

nhiên liệu và không khí trong các lò gạch không được kiểm soát nên hiệu suất cháy

không cao, dẫn đến phát sinh nhiều khí thải độc hại như CO, SOx, NOx, các loại bụi có

kích thước khác nhau như PM10, PM2,5[2]. Bên cạnh đó, hầu hết các lò gạch đều không

có hệ thống thu hồi xử lý khí thải, thậm chí không có cả ống khói để tăng cường khả

năng pha loãng khí thải. Hậu quả là không khí khu vực xung quanh rất ngột ngạt, mùi

10

khét khó chịu; các hoạt động bốc dỡ, chuyên trở đất, gạch thành phẩm diễn ra thường

xuyên làm phát sinh bụi mù mịt khiến cho bầu không khí khu vực đã khó chịu càng trở

nên ngột ngạt hơn.

Theo kết quả nghiên cứu tính toán của Viện nghiên cứu KHCN Việt Nam, để sản

xuất một vạn viên gạch với kích thước tiêu chuẩn 20×10×5 (cm) cần tiêu thụ khoảng 1,8

tấn than đá, 3 m3 củi; mỗi năm một lò gạch có thể sản xuất khoảng 10 đến 15 vạn viên.

Như vậy chỉ ước tính riêng cho một lò gạch trung bình mỗi năm tiêu tốn hết 18 đến 27

tấn than, 30 đến 45 m3 củi[2]. Bên cạnh đó quá trình vận chuyển, phối trộn nhiên liệu cho

các lò đốt cũng đòi hỏi tốn nhiều năng lượng và nhân công, dẫn đến chi phí sản xuất và

giá thành sản phẩm cao nên khó cạnh trạnh với các sản phẩm cùng loại được sản xuất

theo quy mô công nghiệp.

Hình 1.2. Sản xuất gạch, ngói truyền thống ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên[4].

11

Trước nhu cầu vật liệu xây dựng ngày một tăng cũng như thực trạng hàng loạt các lò

gạch thủ công phát triển tự phát gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sản xuất và đời

sống của nhân dân, Thủ tướng Chính phủ đã ra quyết định số 115/2001/QĐ-TTg ngày

01/8/2001 yêu cầu tiến tới xoá bỏ việc sản xuất gạch đất sét nung bằng lò thủ công ở ven

các khu đô thị trước năm 2005 và các vùng khác vào năm 2010[2]. Việc hạn chế sản xuất

gạch nung và thay thế bằng gạch không nung đang là chủ trương lớn của Nhà nước và

các bộ, ngành địa phương. Để triển khai thực hiện Chính phủ đã ban hành Quyết định số

567/QĐ-TTg ngày 28-4-2010, Chỉ thị số 10/CT-TTg ngày 16-4-2012, theo đó Bộ Xây

dựng ban hành Thông tư số 09/2012/TT-BXD ngày 28/11/2012 quy định cụ thể việc sử

dụng vật liệu xây không nung trong công trình xây dựng với mục tiêu lộ trình đến sau

năm 2015 sử dụng 100% vật liệu xây không nung cho các công trình xây dựng được đầu

tư bằng nguồn vốn nhà nước[5].

Gạch không nung là loại gạch xây, sau khi được tạo hình sẽ tự đóng rắn và đạt các

chỉ tiêu về cơ học như cường độ chịu nén, chịu uốn, độ hút nước... mà không cần nung

ở nhiệt độ cao. Độ bền của gạch không nung có thể được gia tăng nhờ lực ép, lực rung

lên viên gạch và thành phần kết dính của chúng[6].

Sản phẩm gạch không nung có nhiều chủng loại; có thể sử dụng rộng rãi từ những

công trình phụ trợ nhỏ đến các công trình kiến trúc cao tầng, giá thành phù hợp với từng

công trình. Có nhiều loại dùng để xây tường, lát nền, kề đê và trang trí.

Các loại gạch không nung có mặt trên thị trường:

12

Hình 1.3. Các loại gạch không nung trên thị trường[7].

- Gạch Papanh:

Gạch không nung được sản xuất từ phế thải công nghiệp: xỉ than, vôi bột được sử

dụng lâu đời ở nước ta.

13

- Gạch Block:

Gạch được hình thành từ đá vụn, cát, xi măng, có cường độ chịu lực cao, có thể xây

nhà cao tầng. Ưu điểm nổi trội là cách âm, cách nhiệt tốt, cứng chắc và mang vẻ cổ xưa

nên thường được dùng xây tường rào, nhà xưởng, trang trí. Nhược điểm của loại gạch

này là nặng, to, khó xây nên chưa được áp dụng rộng rãi trên thị trường.

- Gạch xi măng – cát:

Gạch được tạo thành từ cát và xi măng.

� Gạch không nung tự nhiên:

Từ các biến thể và sản phẩm phong hóa của đá bazan. Loại gạch này chủ yếu sử dụng

ở các vùng có nguồn puzolan tự nhiên, hình thức sản xuất tự phát, mang tính chất địa

phương, quy mô nhỏ ...

- Gạch siêu nhẹ

Sản suất bằng công nghệ bọt khí. Thành phành cơ bản: Xi măng, tro bay nhiệt điện,

cát mịn, phụ gia tạo bọt.

- Gạch bê-tông khí chưng áp ( AAC )

Tên tiếng Anh là Autoclaved Aerated Concrete – gọi tắt là AAC được rất nhiều nước

trên thế giới ứng dụng rộng rãi với rất nhiều ưu điểm như thân thiện với môi trường, siêu

nhẹ, bền, tiết kiệm năng lượng hóa thạch do không phải nung đốt truyền thống, bảo ôn,

chống cháy, cách âm, cách nhiệt, chống thấm rất tốt so với vật liệu đất sét nung.

- Gạch bê tông bọt khí (Cellular Lightweight Concrete - CLC)

Bê tông bọt khí được phát minh tại châu Âu vào những năm 1960 một công nghệ khá

đơn giản và linh động có thể sản xuất bất cứ ở đâu với bất cứ ai với yêu cầu chỉ cần có

chất tạo bọt, xi măng, cát, nước là đủ. Do đó nó đã được sử dụng phổ biến khắp thế giới

vào rất nhiều ứng dụng khác nhau. Công nghệ sản xuất bê tông bọt khác biệt đáng kể so

với công nghệ sản xuất bê tông khí AAC.

14

Ưu điểm của gạch không nung :

- Không dùng nguyên liệu đất sét để sản xuất vì đất sét chủ yếu khai thác từ đất

nông nghiệp. Do vậy sẽ làm giảm diện tích đất trồng.

- Không dùng nhiên liệu như than, củi để đốt, tiết kiệm nhiên liệu năng lượng

và không thải khói bụi gây ô nhiễm môi trường.

- Sản phẩm có tính chịu lực cao, cách âm, cách nhiệt, phòng hoả, chống thấm,

chống nước, kích thước chuẩn xác, quy cách chuẩn xác hơn vật liệu nung.

- Tạo ra đa dạng loại hình sản phẩm, nhiều màu sắc khác nhau, kích thước khác

nhau, thích ứng đa dạng trong xây dựng, nâng cao hiệu quả kiến trúc.

- Cơ sở sản xuất có thể phát triển theo nhiều quy mô khác nhau, không bị khống

chế nhiều về mặt bằng sản xuất, đầu tư thấp hơn vật liệu nung…

- Mang lại hiệu quả cao và phù hợp với các TCVN do bộ xây dựng công bố.

Ngoài những lợi thế vốn có thì gạch không nung hiện đang được nghiên cứu về độ

bền trong các môi trường ăn mòn như axit hay muối, … Từ đó có thể ứng dụng để ngăn

chặn và bảo vệ công trình trước sự xâm thực của nước mặn và sự ăn mòn của các dòng

nước thải sinh hoạt, công – nông nghiệp. Qua đó có thể thấy gạch không nung đang dần

khẳng định tính ứng dụng cao trong ngành Xây dựng hiện nay.

Hình 1.4. Sự xâm thực của nước mặn và tác động ăn mòn từ nước thải ở các cống[8-9].

Hiện nay, gạch không nung đã và đang khẳng định chỗ đứng vững chắc trong các

công trình, nó đang dần trở nên phổ biến hơn và được ưu tiên phát triển. Có rất nhiều

15

công trình sử dụng gạch không nung, từ công trình nhỏ lẻ, phụ trợ cho đến các công trình

dân dụng, đình chùa, nhà hàng, sân golf, khu nghỉ dưỡng, cao ốc, ...

Bên cạnh đó, nhược điểm của các loại gạch không nung thông thường là khả năng

chịu lực chưa cao và chịu mài mòn kém. Các loại gạch không nung thông thường sử

dụng cát là cốt liệu chính. Cát là nguồn vật liệu tự nhiên không thể tái tạo được. Việc

khai thác cát ở sông, hồ có thể làm sạt lở đất, biến đổi hệ sinh thái, ô nhiễm môi trường…

Hình 1.5. Công trình sử dụng gạch không nung[10].

Tiếp nối sự thành công từ công nghệ vật liệu sản xuất gạch không nung - một loại

gạch đang dần thay thế gạch ngói thông thường thì gạch không nung sử dụng nguyên vật

liệu là các phế phẩm, phụ phẩm của các ngành công nghiệp cùng với công nghệ

geopolymer đã ra đời. Gạch không nung sử dụng xỉ thép và công nghệ geopolymer là

một loại gạch điển hình, sử dụng các nguồn phế phẩm của ngành công nghiệp luyện thép

và ngành công nghiệp nhiệt điện.

Xỉ là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất thép, có tính chất cơ học rất tốt do cấu trúc

tinh thể đặc biệt. Có thể thay thế đá để sản xuất bê tông, thay thế cát để làm vật liệu cho

gạch nhằm mục đích hạn chế khai thác cát, đá, bảo vệ môi trường, tiết kiệm năng lượng

và tận dụng lượng xỉ thải ra trong ngành công nghiệp luyện thép cũng như tận dụng được

khả năng chịu lực, độ ma sát tốt và chịu đựng tốt trong điều kiện thời tiết xấu của xỉ thép.

16

Bên cạnh đó, tro bay là thành phần mịn nhất của tro xỉ than, là sản phẩm phế thải

được tạo ra trong quá trình đốt cháy than ở các nhà máy nhiệt điện. Tro bay được thu

thập và phân loại bằng các luồng khí phân loại, những hạt to rơi xuống đáy, và những

thành phần hạt nhỏ hơn sẽ được thu gom ở cuối đường ống khói.

Với những tính chất cũng như tác dụng trên, gạch không nung cốt liệu xỉ thép sử

dụng công nghệ geopolymer cần được quan tâm, chú ý nhiều hơn. Đồng thời, để có thể

kết luận về tính bền trong các môi trường khắc nghiệt như xâm thực mặn, ăn mòn axit

thì đề tài nghiên cứu “Xác định độ bền trong các môi trường ăn mòn của gạch không

nung sử dụng xỉ thép và công nghệ Geopolymer” đã được lựa chọn.

1.2 Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Khái niệm về Geopolymer

“Geopolymer” là từ ngữ được sử dụng để chỉ các loại vật liệu vô cơ tổng hợp từ

vật liệu có nguồn gốc aluminosilicate. Khái niệm geopolymer lần đầu tiên được sử dụng

bởi giáo sư Joseph Davidovits từ năm 1970[11]. 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 aluminosilicate và chất hoạt hóa kiềm. Nguyên liệu aluminosilicate nhằm

cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình geopolymer hóa (thường dùng là tro bay,

metacaolanh, silicafume…). Chất hoạt hóa kiềm được sử dụng phổ biến nhất là các dung

dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng Sodium Silicate Na2SiO3 nhằm tạo môi trường kiềm

và tham gia vào các phản ứng Geopolymer hóa. Nếu được dưỡng hộ ở nhiệt độ thích

hợp, vật liệu sẽ phát triển cường độ nhanh và triệt để hơn.

Vật liệu geopolymer được nghiên cứu với mục tiêu tạo ra quá trình sản xuất thân

thiện với môi trường, giảm phát thải CO2, tận dụng các chất thải công nghiệp như tro xỉ,

bùn đỏ… thành các sản phẩm có tính năng sử dụng cao. Trên thế giới, các ứng dụng của

17

vật liệu geopolymer đã được sử dụng trong sản xuất xi măng đặc biệt như xi măng đóng

rắn nhanh, xi măng bền axit, sản xuất gạch và gốm không nung, ứng dụng trong vật liệu

công nghệ cao như vật liệu composite chống cháy, xử lý phế thải độc hại và chất thải

phóng xạ, ứng dụng trong vật liệu composite chịu nhiệt, ứng dụng trong khảo cổ học và

mỹ thuật.

Xỉ là một sản phẩm phụ của ngành công nghiệp sản xuất sắt, thép. Quặng sắt, than

cốc và đá vôi được đưa vào lò và xỉ nóng chảy, kết quả nổi trên sắt nóng chảy ở nhiệt độ

15000C về đến 16000C. Sau khi sắt nóng chảy được đưa ra khỏi lò, xỉ nóng chảy còn lại,

trong đó bao gồm chủ yếu là dư lượng silic và nhôm. Xỉ nóng chảy có một thành phần

của khoảng 30% đến 40% SiO2 và khoảng 40% CaO, mà gần với thành phần hóa học

của xi măng Portland. Xỉ gồm có 3 loại: xỉ lò cao BFS (Blast Furnace Slag), xỉ hạt lò cao

GBFS (Granulated Blast Furnace Slag) và xỉ GGBFS (Ground Granulated Blast Furnace

Slag)

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Vật liệu Geopolymer đã được nghiên cứu từ rất sớm trên thế giới vào những năm

70 của thế kỷ XX. Trên thế giới, công nghệ Geopolymer đã được nghiên cứu, áp dụng

để sản xuất xi măng đóng rắn nhanh, xi măng bền axit, chất kết dính, công nghệ xử lý

chất thải, vật liệu chống cháy, chịu nhiệt, v.v …

J. Davidovits đã nghiên cứu ra vật liệu Geopolymer cùng với các tính chất hóa lý

của vật liệu. Một nghiên cứu khác về xi măng geopolymer (High – Akali – Poly) đã cho

thấy ứng dựng trong nhiều ngành kỹ thuật như : Hàng không, xây dựng, công nghiệp

chất dẻo, … Kết quả nghiên cứu cho thấy xi măng mới này đóng rắn nhanh với nhiệt độ

phòng, cường độ chịu nén có thể đạt tới 20 Mpa sau 4 giờ ở nhiệt độ 2000C và có thể đạt

từ 70 – 100 MPa sau khi bảo dưỡng 28 ngày (Davidovits).[11]

Hardjito, Djwantoro đã trình bày quá trình để sản xuất bê tông Geopolymer sử

dụng tro bay, cách sản xuất và thí nghiệm mẫu cùng với các số liệu thu thập được.[12]

18

Ali Allahverdi và Frantisek Skvara đã trình bày cơ chế ăn mòn của axit sulfuric

đối với vữa Geopolymer cũng như khả năng chống ăn mòn của vữa Geopolymer khi chịu

tác dụng của axit ở nồng độ cao và nồng độ thấp.[13]

Frantisek SkVara và các cộng sự đã nghiên cứu về sự ảnh hưởng đến các nguyên

vật liệu tạo nên vữa Geopolymer khi chịu ăn mòn trong các môi trường NaCl, MgSO4,

Na2SO4.[14]

X.J.Song cùng các cộng sự đã nghiên cứu về độ bền của bê tông Geopolymer có

sử dụng tro bay khi được ngâm trong axit Sunfuric thông qua các chỉ tiêu như khối lượng,

cường độ, hình dạng mẫu.[15]

A.M.Mustafa Al Bakri và các cộng sự đã giới thiệu về công thức hóa học cấu

thành, quy luật hình thành, đặc tính của từng loại nguyên vật liệu đầu vào của

Geopolymer.[16]

Pawel Mazur và các cộng sự đã trình bày về khả năng hấp thụ độ ẩm của vữa

Geopolymer trong quá trình chịu ăn mòn. Từ đó khẳng định khả năng chống ăn mòn của

vữa.[17]

L.Krishnan và các cộng sự giới thiệu công thức, đặc tính của vật liệu Geopolymer,

mức độ thân thiện với môi trường của Geopolymer và cách thức tiến hành thí nghiệm.[18]

B.V.Rangan và N.A.Lloyd đã trình bày đặc tính hỗn hợp bê tông Geopolymer,

cách thiết kế một mẻ bê tông Gepolymer, về các sản phẩm bê tông đúc sẳn, sự đóng góp

của bê tông Geopolymer đối với phát triển.[19]

Faiz U.A Shaikh đã trình bày về sự ảnh hưởng của hàm lượng và nồng độ các

dung dịch kiềm có trong thành phần cấp phối đến khả năng chống ăn mòn chloride đối

với cốt thép trong bê tông Geopolymer.[20]

19

1.2.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt nam, từ những năm 2008 đã có khá nhiều đề tài khoa học nghiên cứu và

ứng dụng công nghệ này. Lần đầu tiên công nghệ geopolymer được ứng dụng chủ yếu

là để tận dụng nguồn phế phẩm công nghiệp là tro bay của các nhà máy nhiệt điện, tro

bay được thiết kế trong thành phần của bê tông, được ứng dụng vào công nghệ chế tạo

các loại mặt đường cứng (đường ô tô, đường sân bay…). Ngoài ra, công nghệ

Geopolymer còn được sử dụng để làm ổn định, xử lý và tận dụng chất thải boxite từ các

quặng khai thác nhôm để chế tạo gạch không nung và làm đóng rắn nền đường.

Hiện nay, vật liệu được tổng hợp theo công nghệ geopolymer đang là đề tài được

rất nhiều giáo viên và sinh viên ở các trường đại học nước ta quan tâm và nghiên cứu,

tạo nên nhiều sản phẩm hữu ích vừa có giá trị kinh tế vừa góp phần bảo vệ môi trường

bền vững hơn.

Tống Tôn Kiên đã nghiên cứu về đề tài bê tông geopolymer – những thành tựu,

tính chất và ứng dụng. Các tác giả đã trình bày những thành tựu nổi bật, các mốc thời

gian phát triển của chất kết dính hoạt hóa kiềm, quá trình hình thành cấu trúc bê tông

geopolymer, các đặc tính và cũng như ứng dụng của bê tông geopolymer.[21]

Nguyễn Văn Dũng nghiên cứu chế tạo bê tông Geopolymer từ tro bay, xác định

cường độ của bê tông Geopolymer và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của

bê tông Geopolymer.[22]

Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến

cường độ của vữa Geopolymer cũng như ảnh hưởng của chất xúc tác sinh nhiệt đến quá

trình Geopolymer hóa của vữa.[23]

Phan Đức Hùng đã nghiên cứu xác định độ bền của bê tông geopolymer trong các

môi trường xâm thực.[24]

Trần Văn Miền và các cộng sự đã nghiên cứu đặc tính thẩm thấu ion Clo của bê

tông có sử dụng xỉ lò cao. Kết quả thí nghiệm cho thấy, hàm lượng xỉ lò cao thay thế xi

20

măng PC50 tăng từ 0% đến 50% thì hệ số khuếch tán ion Clo của bê tông giảm dần và

hàm lượng ion clo liên kết trong bê tông tăng tương ứng. Có thể sử dụng xỉ lò cao thay

thế xi măng PC50 với hàm lượng 30% đến 40% để tăng khả năng chống thẩm thấu ion

clo mà vẫn không ảnh hưởng đến cường độ bê tông thiết kế.[25]

Ngọ Văn Toản đã nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cát mịn và

phụ gia khoáng hỗn hợp từ xỉ lò cao hoạt hóa và tro trấu. Kết quả đưa ra là có thể sử

dụng cát mịn và phụ gia khoáng từ xỉ lò cao để chế tạo bê tông có cường độ nén B60.[26]

Nguyễn Văn Chánh và Nguyễn Thị Thanh Hương đã nghiên cứu cơ chế phá hủy

cấu trúc bê tông trong môi trường xâm thực muối Sunfat. Kết quả nghiên cứu cho thấy

quá trình ăn mòn làm cho bê tông bị giãn nở chậm và sau đó tăng dần đến khi mẫu bị

phá hoại. Các sản phẩm ăn mòn tạo thành gây ứng suất làm nứt bê tông, dẫn đến phá hủy

công trình.[27]

Đồng Kim Hạnh và Dương Thị Thanh Hiền đã trình bày về tình trạng ăn mòn bê

tông cốt thép trong môi trường nước biển ở Việt Nam và các giải pháp khắc phục.[28]

Khương Văn Huân và Lê Minh đã trình bày đặc điểm môi trường nước phèn chua

gây ăn mòn bê tông cốt thép đối với các công trình thủy lợi ở đồng bằng sông Cửu Long.

Kết quả nghiên cứu cho thấy công trình bị ăn mòn do nằm trong môi trường phèn chua

có pH thấp, hàm lượng ion Sunfat cao.[29]

Huỳnh Thị Hạnh và một số cộng sự khác đã nghiên cứu giải pháp tăng cường độ

bền vững của bê tông trong môi trường ngập mặn Cần Giờ.[30]

Đinh Anh Tuấn, Nguyễn Mạnh Trường đã nghiên cứu thực trạng ăn mòn và phá

hủy các công trình bê tông cốt thép bảo vệ bờ biển ở Việt Nam.[31]

Nguyễn Thanh Lộc đã giới thiệu nguồn gốc, cơ chế ăn mòn, ứng xử của vật liệu

khi chịu tác động ăn mòn trong từng môi trường khác nhau, các chất ức chế ăn mòn.[32]

21

Trần Việt Liễn và cộng tác viên viện khí tượng thủy văn Hà Nội đã báo cáo tổng

kết đề mục “Ăn mòn khí quyển với bê tông và bê tông cốt thép vùng ven biển Việt

Nam”.[33]

1.3 Nhận xét các đề tài

Các bài viết, bài báo và báo cáo nghiên cứu khoa học đã trình bày khá chi tiết

về vật liệu geopolymer. Qua đó có thể hiểu rõ hơn về khái niệm geopolymer, lịch

sử ra đời, quy trình tạo mẫu, lý thuyết thí nghiệm cũng như ưu – nhược điểm và tính

ứng dụng của loại vật liệu này.

Tuy nhiên, hiện vẫn chưa có đề tài nào trình bày rõ về công nghệ geopolymer

sử dụng thêm phụ phẩm công nghiệp (xỉ thép dạng hạt) để sản xuất gạch không nung

cũng như xem xét độ bền của gạch trong các môi trường ăn mòn.

1.4 Vị trí của đề tài nghiên cứu

Đề tài “Xác định độ bền trong các môi trường ăn mòn của gạch không nung

sử dụng xỉ thép và công nghệ Geopolymer” đã và đang tiếp nối quá trình nghiên cứu

về công nghệ Geopolymer sử dụng các phế phẩm công nghiệp để tạo ra các loại sản

phẩm xây dựng thân thiện với môi trường.

Nội dung của đề tài là nghiên cứu về độ bền trong các môi trường ăn mòn theo

thời gian của sản phẩm vữa chế tạo gạch không nung, sử dụng công nghệ geopolymer

cũng như cốt liệu xỉ thép được thay thế cho cát – một loại vật liệu luôn được dùng

trong hỗn hợp vữa gạch không nung thông thường. Qua đó có thể đánh giá về tính

ứng dụng vào các công trình thực tế của sản phẩm này.

22

1.5 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu mức độ ăn mòn theo thời gian của các dung dịch hóa chất đối với vữa

tạo gạch không nung sử dụng xỉ thép và công nghệ geopolymer.

Xác định sự ảnh hưởng đến sư ăn mòn khi thay đổi tỉ lệ các thành phần cốt liệu

trong cấp phối vữa.

1.6 Nhiệm vụ của đề tài

Xác định các đặc trưng cơ lý của xỉ thay cát trong thành phần chính của gạch.

Xác định thành phần cấp phối vữa Geopolymer sử dụng xỉ thay cát.

Xác định sự thay đổi cường độ chịu nén và khối lượng của vữa xỉ Geololymer và

gạch xỉ geopolymer theo thời gian khi ngâm với hóa chất NaCl, MgSO4, HCl và H2SO4.

So sánh cường độ chịu nén và độ thay đổi khối lượng của vữa xỉ Geololymer với

vữa geopolymer sử dụng cát cũng như vữa xi măng cốt liệu thông thường.

1.7 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ Geopolymer trong và ngoài nước kết hợp với

thực nghiệm. Sau đó tiến hành so sánh và đánh giá kết quả.

1.8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Bổ sung và hoàn chỉnh thêm kiến thức lý thuyết về công nghệ Geopolymer. Bên

cạnh đó còn làm phong phú thêm các sản phẩm xây dựng sử dụng công nghệ này.

Kết quả nghiên cứu là các sản phẩm xây dựng có thể góp phần giảm thiểu trữ

lượng phế thải công nghiệp, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Dựa trên cơ sở lý thuyết về công nghệ Geopolymer sử dụng tro bay cũng như các

tính chất của xỉ thép. Từ đó xem xét cơ chế ăn mòn đối với sản phẩm của công nghệ này.

23

2.1 Công nghệ Geopolymer

Đây là công nghệ chế tạo ra sản phẩm xây dựng “xanh”, nghĩa là các vật liệu được

sử dụng, chế tạo theo những phương pháp thân thiện với môi trường. Đây cũng chính là

một trong những xu hướng phát triển trong ngành vật liệu xây dựng trên thế giới nói

chung hiện nay.

2.1.1 Lịch sử ra đời chất kết dính Geopolymer

Khởi đầu bằng việc Viện Geopolymer được thành lập tại Pháp năm 1972.

Xuất phát từ ý tưởng phải tìm ra vật liệu vô cơ có khả năng chống cháy và chịu được

nhiệt độ cao, Joseph Davidovits đã phát hiện ra hệ nguyên liệu bao gồm đất sét, cao lanh

có thể tương tác với dung dịch kiềm NaOH ở 100 – 1500C để tạo ra hợp chất mới.

Si2O5, Al2(OH)4 + NaOH Na(-Si-O-Al-O)n

Kaolinite Hydrosodalite

Đây chính là tiền đề cho việc nghiên cứu và phát triển của công nghệ vật liệu tổng

hợp Geopolymer sau này.

Vào năm 1978, Joseph Davidovits đã giới thiệu ra toàn thế giới về một loại vật

liệu có tên là Geopolymer được mô tả là một chất kết dính các vật liệu khác có đặc tính

tương tự như xi măng truyền thống nhưng có nhiều ưu điểm nổi trội hơn. Đó chính là

nguyên liệu và quá trình sản xuất của vật liệu này có thể tận dụng tốt nguồn vật liệu phế

thải công nghiệp và rất ít ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên. Chất kết dính Geopolymer

được tạo ra từ những phản ứng của dung dịch kiềm với các chất có chứa hàm lượng lớn

hợp chất Silic và Nhôm.[11]

24

Hình 2.1. Tinh thể Geopolymer

Công nghệ Geopolymer được quan tâm nghiên cứu rất nhiều tại Pháp, với ứng

dụng lần đầu tiên vào năm 1973 -1976 để chế tạo các tấm panel gỗ cách nhiệt bằng cách

phủ hai bề mặt của tấm panel gỗ bằng hợp chất silic-aluminosiliate sau khi xử lý qua quá

trình gia nhiệt (Công ty A.G.S và Saint-Gobain, Pháp). Năm 1977 -1978, công nghệ

Geopolymer tiếp tục được ứng dụng vào ngành công nghiệp sản xuất gốm sứ khi công

ty A.G.S tiếp tục nghiên cứu và tìm ra hợp chất nano composite mới (cấu trúc phân tử -

(Na-PS)-(SiO2)n-(Na-PS)-(SiO2)n-, tại điểm nhiệt độ 14600C, tạo thành hợp chất gốm

có khả năng bền nhiệt và hệ số giãn nở nhiệt rất thấp).[11]

Những năm sau đó, Công nghệ Geopolymer được ứng dụng và chế tạo thành công

gạch nung ở nhiệt độ thấp, còn gọi là gạch L.T.G.S (Low Temperature Geopolymeric

Setting). Sản phẩm này được chế tạo bằng cách phối trộn nguyên liệu đất sét cao lanh

trong dung dịch kiềm có độ hoạt tính cao, hỗn hợp tương tác và hình thành chuỗi M-

Polysiliate (M là kim loại kiềm có hoạt tính cao, thường là Na hoặc K). Gạch L.T.G.S

có khả năng chịu được nhiệt độ tối đa là 10000C, có khả năng bền hóa học và độ hút

nước thấp. Sản phẩm này đã được công nhận và cấp bằng sáng chế ở nhiều nước Châu

Âu.

Trên cơ sở lý thuyết Geopolymer của Joseph Davidovits, Lone Star (một cty sản

xuất xi măng hàng đầu của Mỹ) đã nghiên cứu và chế tạo thành công một loại xi măng

mới, bằng cách kết hợp nguyên liệu sét và dung dịch kiềm hoạt tính cao, tạo thành chất

kết dính vô cơ mới có khả năng đóng rắn nhanh và cho cường độ ban đầu rất tốt với tên

25

gọi là xi măng polymer. Công nghệ này nhanh chóng được phát triển rộng rải trên toàn

thế giới, và đang dần dần có ưu thế hơn xi măng portland do có ưu điểm về nguyên liệu

sản xuất và phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường. Một nghiên cứu khác về xi

măng Geopolymer (High – Akali – Poly) đã cho thấy ứng dụng đa dạng trong nhiều

ngành kỹ thuật như: hàng không, xây dựng, công nghiệp chất dẻo, kim loại…Kết quả

nghiên cứu cho thấy loại xi măng này đóng rắn nhanh với nhiệt độ phòng, cường độ chịu

nén có thể đạt tới 20 MPa sau 4 giờ ở nhiệt độ 2000C và có thể đạt từ 70 – 100 MPa sau

khi bảo dưỡng 28 ngày.[11]

Những năm sau đó, mối quan tâm tiếp theo về Geopolymer là khả năng ứng dụng

vào công nghệ đóng gói chất thải rắn, giúp tận dụng được nguồn chất thải độc hại thành

những vật liệu có ích, giúp bảo vệ môi trường tốt hơn.

Lần đầu xuất bản năm 2008, Geopolymer chemistry and application đã khái quát

toàn bộ kiến thức tổng thể về công nghệ Geopolymer. Các ứng dụng của công nghệ này

đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên toàn thế giới. Nghiên cứu đã tập trung vào

thành phần và nồng độ của dung dịch kiềm để thúc đẩy nhanh quá trình Geopolymer

hóa. Ở một số nước phát triển trên thế giới như: Pháp, Mỹ, Đức, Bỉ và Nam Phi đã sử

dụng khoảng 70% - 80% lượng gạch không nung của họ bằng công nghệ này.[34]

Công ty Zeobond Pty Ltd có trụ sở ở Melbourne (Úc) đã phát triển nhà máy sản

xuất thử nghiệm riêng của mình trong năm 2007 và hiện đang cung cấp sản phẩm bê

tông E-Crete(TM), cho các dự án hạ tầng cơ sở dân dụng lớn bao gồm dự án mở rộng

đường cao tốc và xây dựng, sửa chữa cầu khi được cấp phép. E-Crete sử dụng hỗn hợp

tro bay và xỉ lò cao như là một vật liệu kết dính kết hợp các thành phần hoạt hóa kiềm

và sản phẩm này đều được đăng ký độc quyền về sở hữu.[35]

Những năm sau đó, đã có nhiều thay đổi được áp dụng trong nghiên cứu công

nghệ geopolymer. Nhiều phương pháp phân tích hiện đại được áp dụng để làm sáng tỏ

các tác động của các thành phần khác nhau trong vật liệu geopolymer. Nhiều nguyên vật

26

liệu mới được quan tâm nghiên cứu như bột silicat nhôm tổng hợp, khoáng albite, khoáng

stilbite, sợi bazan, kiềm fenspat, xỉ lò cao … Vật liệu geopolymer trở nên phong phú và

đa dạng về nguồn nguyên vật liệu tạo thành, tuy nhiên việc lựa chọn nguyên liệu chủ yếu

vẫn dựa vào sự tác động đến môi trường khi tạo thành vật liệu mới, công nghệ

geopolymer ưu tiên nghiên cứu để giảm thiểu các chất thải công nghiệp và giúp môi

trường ngày càng bền vững hơn.

Ở Việt Nam, tuy chưa được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng nhưng

đã có khá nhiều nghiên cứu bước đầu về các sản phẩm từ công nghệ geopolymer như bê

tông chịu lửa không xi măng của nhóm nghiên cứu ở Viện vật liệu xây dựng và các

nghiên cứu khác.

2.1.2 Cơ chế phản ứng trong quá trình Geopolymer hóa

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

Về bản chất, quá trình Geopolymer hóa là quá trình kiềm hóa các loại vật liệu

giàu SiO2 và Al2O3. Từ đó, sản phẩm cuối cùng được tạo ra là một loại chất kết dính có

cấu trúc mạng vô định hình Poly-Sialate với công thức hóa học như sau:

Mn[-(SiO2)z – AlO2]n.wH2O

Trong đó :

M : là các ion dương kiềm như Ka, Na

n : là mức độ trùng ngưng của phản ứng

z : hệ số có giá trị 1,2,3

Đặc biệt, vật liệu Geopolymer khác với vật liệu polymer thông thường ở cấu trúc

mạng không gian vô định hình.

27

Hình 2.2. Cấu trúc Poly (Sialates) theo Davidovits

Cơ chế động học giải thích quá trình đông kết và rắn chắc của chất kết dính kiềm

hoạt hóa bao gồm các phản ứng phân hủy nguyên liệu dạng cấu trúc ổn định thấp và

phản ứng nội tại. Trước tiên là quá trình bẻ gãy các liên kết cộng hóa trị Si-O-Si và Al-

O-Si khi nồng độ pH của dung dịch kiềm tăng lên. Vì thế những nhóm nguyên tố này

chuyển sang hệ keo, sau đó xảy ra sự tích tụ các sản phẩm bị phá hủy với phản ứng nội

tại giữa chúng, tạo ra một cấu trúc ổn định và cuối cùng là quá trình hình thành cấu trúc

đông đặc.[11]

Các quá trình phản ứng tạo ra chất kết dính Geopolymer diễn ra khá phức tạp, có

rất nhiều quá trình phản ứng xảy ra đồng thời mà rất khó có thể nhận biết được. Các

bước phản ứng không diễn ra tuần tự mà hầu như diễn ra cùng lúc và chồng lắp vào nhau.

Theo một số nghiên cứu trước thì quá trình tổng hợp Geopolymer có thể được mô tả

thông qua những bước như sau :

28

Hình 2.3. Quá trình hoạt hóa vật liệu Aluminosilicate

Nhìn chung các sản phẩm được tạo ra trong quá trình Geopolymer hóa tùy thuộc

vào sự phá vỡ cấu trúc của tro bay trong khoảng thời gian đầu. Cuối cùng là quá trình

ngưng kết, tạo nên cấu trúc chuỗi có trật tự. Từ đó tạo ra sản phẩm có cường độ cơ học

cao.

Davidovist cho rằng dung dịch kiềm có thể sử dụng để phản ứng với Silic và

Nhôm trong nguồn vật liệu khoáng hoặc trong vật liệu phế thải tro bay, tro trấu để chiết

tạo chất kết dính. Bởi vì phản ứng hóa học xảy ra trong trường hợp này là quá trình trùng

hợp nên ông gọi là Geopolymer. Thông số chính quyết định đến tính chất và dạng sử

dụng của Geopolymer là tỷ lệ Si/Al, với vật liệu xây dựng tỷ lệ Si/Al khoảng xấp xỉ là

2.[11]

Bắt đầu bằng sự kiềm hóa một điểm nhỏ trên bề mặt của hạt tro bay, sau đó dần

lan rộng tạo thành lỗ lớn, rồi tiếp tục phản ứng với những hạt nhỏ hơn ở bên trong

29

(hình 2.4a). Phản ứng tiếp tục được duy trì và phát triển nhanh hơn theo hai chiều từ

ngoài vào vào trong và ngược lại (hình 2.4b). Phản ứng tiếp tục xảy ra cho đến khi hạt

tro bay được kiềm hóa hoàn toàn (hình 2.4c). Cơ chế của phản ứng ở giai đoạn này là cơ

chế hòa tan, gắn kết các hạt nhỏ hơn bên trong các hạt lớn hơn, gắn kết với nhau tạo

thành ma trận dày đặc. Quá trình được mô tả là không thống nhất giữa các gel tạo thành,

tùy thuộc và sự phân bố kích thước hạt và nồng độ của dung dịch tại từng vị trí.[35]

Hình 2.4. Mô tả phản ứng tro bay trong môi trường kiềm

2.1.3 Cơ sở hóa học của công nghệ Geopolymer sử dụng tro bay

Trong công nghệ geopolymer sử dụng tro bay thì tốc độ phản ứng cũng như các vi

cấu trúc và thành phần hóa học của các sản phẩm phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố.

Điển hình như sự phân bố kích thước hạt và thành phần khoáng của tro bay, dung dịch

kích hoạt và thời gian hằng nhiệt, v.v…

30

Hình 2.5. Hình ảnh SEM

(a) tro bay ban đầu

(b) tro bay được kích hoạt với NaOH

(c) tro bay được kích hoạt với Na2SiO3

Hình ảnh vi cấu trúc của tro bay được thể hiện rõ ràng qua phương pháp SEM

(Scanning Electron Microscope). (Hình 2.5a) thể hiện hình thái đặc trưng ban đầu của

tro bay trước phản ứng, là những tinh thể hình cầu có kích thước khác nhau, cấu trúc

thường rỗng và có thể chứa những hạt nhỏ hơn trong nó. (Hình 2.5b) và (Hình 2.5c) là

những thay đổi trong vi cấu trúc của tro bay dưới tác dụng của dung dịch kiềm và thời

gian hằng nhiệt, ta thấy kết quả của phản ứng là một loại gel gốc Natri-Silicat mới hình

thành qua quá trình đóng rắn các hạt tro bay và dung dịch kiềm. Tuy nhiên phản ứng

không xảy ra hoàn toàn nhanh chóng, vẫn còn một số thành phần tro bay phản ứng rất

chậm.[35]

2.1.4 Nguyên vật liệu

2.1.5 Tro bay

Tro bay là một Puzzolan nhân tạo với các thành phần chính là các oxit silic (SiO2),

oxit nhôm (Al2O3), oxit sắt (Fe2O3), canxi oxit (CaO), magie oxit (MgO). Tro bay càng

31

mịn càng phản ứng tốt. Đường kính của phần lớn các hạt nằm trong khoảng 1μm đến

20μm và hàm lượng than chưa cháy (MKN) thường yêu cầu không được vượt quá 5%

khối lượng tro bay. Tro bay là chất thải từ việc đốt than trong lò hơi của nhà máy nhiệt

điện. Những hạt bụi được đưa ra qua các đường ống khói sau đó được thu hồi bằng

phương pháp kết sương tĩnh điện hoặc máy thu chuyên dụng bằng phương pháp lốc

xoáy.[35]

Hình 2.6. Tro bay

Thành phần cũng như tỉ lệ thành phần hóa học của tro bay được quy định tại tiêu

chuẩn ASTM 618. Theo tiêu chuẩn, tro bay thông dụng có hai loại chủ yếu là loại F và

loại C. Tro bay loại F có hàm lượng CaO < 6%, lượng Cacbon chưa cháy chiếm hơn 2%,

có tính chất của puzzolan và không có khả năng tự đóng rắn. Tro bay loại C có hàm

lượng CaO > 15%, lượng Cacbon chưa cháy chiếm ít hơn 1%, vừa có tính chất của

puzzolan vừa có khả năng tự đóng rắn tương tự như xi măng.

Tính chất hóa học của tro còn phụ thuộc vào thành phần của than đốt (than non,

bitaum hoặc than đá thông thường). Tuy nhiên, không phải tất cả các loại tro bay đều

đáp ứng được tiêu chuẩn do ASTM 618 quy định. Thực tế, sự phân bố kích thước hạt và

thành phần hóa của tro bay cũng biến động liên tục do hiệu suất của nhà máy than và lò

32

hơi hoạt động. Chính vì thế, tại các nhà máy nhiệt điện đốt than, ta còn có các nhà máy

xử lý tro bay nhằm đảm bảo đúng hàm lượng các thành phần hóa theo ASTM 618.[34]

Tro bay chuẩn bị cho thí nghiệm được mua từ các cơ sở thu gom từ các nhà máy

nhiệt điện hoặc các cơ sở đốt than đá.

Để đảm bảo chất lượng và các chỉ tiêu đặc trưng của tro bay, cần bảo quản tro

bay một cách cẩn thận, tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời, cũng như những

nơi ẩm ướt có độ ẩm cao vì dễ làm cho tro bay bị hỏng và thay đổi tính chất.

Tro bay trong các bao tải lớn sẽ được chia ra chứa trong nhiều bao ni-lông nhỏ và

cất giữ vào thùng ngăn nắp hợp lí nhằm thuận tiện cho quá trình sử dụng trộn vữa gạch.

Bảng 2.1. Thành phần vật lý của tro bay

Thành phần

vật lý

thí nghiệm

Khối lượng

riêng (g/cm3)

Hàm lượng

lọt sàng 0.05

mm (%)

Chỉ số hoạt

tính cường

độ sau 28

ngày (%)

Chỉ số

hoạt tính

cường độ

sau 7

ngày (%)

Lượng

mất sau

khi nung

(g)

Tiêu chuẩn

áp dụng

TCVN

4030-86

ASTM C311,

TCVN

6016-95

ASTM

C311,

TCVN

6016-95

ASTM

C311,

TCVN

6016-95

ASTM

C311,

TCVN

141-98

Tro bay

Phả lại 2,74 88 85 78,5 4,76

Tro bay

Formosa 2,4 93,5 90,7 79,6 1,0

33

Tro bay có thành phần hóa như sau:

Bảng 2.2. Thành phần hóa học của tro bay

Kết quả thử nghiệm (%)

MKN SiO2 Al2O3 FeO Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 P2O5 SO3

2.39 55.26 16.58 0.124 12.31 5.25 4.25 0.62 0.71 1.206 0.129 0.211

Các chỉ tiêu cơ lí của tro bay được thể hiện ở Bảng 2.3.

Bảng 2.3. Các chỉ tiêu của tro bay

Thành phần vật

lý thí nghiệm

Khối lượng riêng

(g/cm3)

Hàm lượng lọt sàng 0.05 mm

(%)

Chỉ số hoạt tính

cường độ sau

28 ngày (%)

Chỉ số hoạt tính cường độ

sau 7 ngày (%)

Lượng mất sau khi nung

(g)

Tiêu chuẩn áp

dụng

TCVN 4030-86

ASTM C311, TCVN

6016-95

ASTM C311, TCVN

6016-95

ASTM C311, TCVN

6016-95

ASTM C311, TCVN 141-98

Tro bay Formosa 2,4 93,5 90,7 79,6 1,0

Một trong những lý do để sử dụng tro bay trong bê tông Geopolymer là nhằm

tăng cường độ của bê tông trong quá trình ninh kết và tăng độ bền liên kết trong quá trình

sử dụng. Trong quá trình hydrat hóa tro bay, tro bay sẽ tác dụng với Canxi hidroxit để

tạo thành Canxi silicat và và Canxi aluminat. Từ đó sẽ giúp giảm đi hiện tượng thấm

Canxi hidroxit (Ca(OH)2) vào trong bê tông và tăng khả năng chống thấm của bê tông.

Tro bay có cấu trúc phân tử hình cầu, vì vậy sẽ cải thiện được độ bền của bê tông.

34

2.1.6 Dung dịch hoạt hóa Alkaline

Dung dịch hoạt hóa Alkaline là sự kết hợp giữa dung dịch Sodium Hydroxyde

(NaOH) và Sodium Silicate (Na2SiO3).

Phản ứng Alkali là phản ứng giữa chất kiềm với cốt liệu. Trong đó, tro bay cũng

đóng vai trò rất quan trọng để phản ứng với dung dịch hoạt hóa.

Hình 2.7. Sodium Silicate và Sodium Hydroxyde

2.1.6.1 Dung dịch Sodium Hydroxyde (NaOH)

Dung dịch NaOH được sử dụng chủ yếu để làm chất hoạt hóa kiềm pha với dung

dịch thủy tinh lỏng Natri silicate (Na2SO3) hoặc Kali silicate (K2SO3). Hỗn hợp này đóng

một vai trò rất quan trọng trong phản ứng kiềm hóa và có tác dụng làm tan rã các thành

phần khoáng của hạt tro bay.

Chức năng tách ion Al3+ và Si4+ trong dung dịch Natri hydroxit (NaOH) cũng

tương tự như trong dung dịch Kali hydroxit (KOH). Do đó dung dịch kiềm có nhiệm vụ

khử Nhôm và Silic trong các hạt tro bay ban đầu và từ đó quyết định đặc tính độ cứng

của Geopolymer. Có thể nói rằng, sự có mặt của dung dịch NaOH trong các phản ứng

giúp tăng tốc độ phản ứng và làm gel tạo ra sẽ dẻo hơn.

35

2.1.6.2 Dung dịch Sodium Silicate (Na2SiO3)

Dung dịch thủy tinh lỏng Sodium Silicate là Natri Silicate (Na2SO3) hoặc Kali

Silicate (K2SO3) đóng 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. Dung dịch thủy tinh lỏng trong dung dịch kiềm kích

hoạt sẽ giúp quá trình tan rã các hạt tro bay sẽ diễn ra nhanh chóng hơn.

2.1.7 Xỉ thép

Xỉ thép được hình thành như là một sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất thép.

Các thành phần hóa học chính của xỉ thép là Canxi Ôxít, Ôxít Sắt, Magiê Ôxít, Mangan

Ôxít, Silic Ôxít và Nhôm Ôxít, …ở các phức bền vững, trong đó thành phần chính là

CaO, SiO2 và FexOy chiếm đến 80% trọng lượng của xỉ lò. Xỉ lò điện hồ quang

phát sinh từ quá trình luyện thép và được lấy ra ở nhiệt độ 1600oC. Ở nhiệt độ này, các

kim loại nặng, chất hữu cơ, chất dễ bay hơi độc hại hoàn toàn không có mặt trong xỉ thép

vì ở nhiệt độ lớn hơn 1.200oC thì mọi chất thải nguy hại đều bị tiêu hủy hoàn toàn.

Hình 2.8. Cơ sở cung cấp Xỉ thép Vật Liệu Xanh tại Bà Rịa

Xỉ thép có màu xám đen, khối lượng nặng hơn đá basalt từ 20-25% và có dạng

như sỏi, đá tự nhiên. Về bản chất, xỉ lò tương tự như nham thạch phun trào từ núi lửa.

36

Hình 2.9. Xỉ thép

Các phân tích của nhiều nghiên cứu khoa học cho thấy xỉ thép có chứa nhiều

khoáng chất, chiếm đa số là Wustite (FeO), DiCalcium và TriCalcium Silicates

(2CaO.SiO2, C2S và 3CaO.SiO2, C3S), Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, C4AF) và

Mayenite (12CaO.7Al2O3, C12A7) và CaO, MgO tự do.

Bảng 2.4. Thành phần hóa học của Xỉ thép

Kết quả thử nghiệm (%)

MKN SiO2 Al2O3 FeO Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 P2O5 SO3

3.55 23.11 12.52 0.299 22.55 26.99 3.77 2.56 2.37 0.74 0.52 0.30

37

Hình 2.10. Thành phần khoáng trong xỉ thép[37]

Thành phần khoáng chất của xỉ EAF bao gồm:

- W: Wustite (FeO);

- CS: Calcium Silicates (2CaO.SiO2, C2S và 3CaO.SiO2, C3S);

- B: Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, C4AF);

- M: Mayenite (12CaO.7Al2O3, C12A7);

- P: khe rỗng;

- Và thép (phần màu trắng).

Một trong những thành phần chính của xỉ thép chủ yếu là khoáng CS, đây là loại

khoáng chất chính có trong thành phần của xi măng Portland, hợp chất bao gồm các

khoáng Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate (C2S), Tricalcium Aluminate

(C3Al).

Ngoài ra, thành phần của xỉ thép còn có các khoáng Brownmillerite, Mayenite là

một loại khoáng chất có trong đá vôi dùng cho ngành công nghiệp sản xuất xi măng.

38

2.2 Ăn mòn trong bê tông và vữa

2.2.1 Các môi trường ăn mòn

Bê tông và vữa đều có thể bị ăn mòn ở cả ba môi trường tác động như: Rắn, lỏng

và khí.

Ăn mòn trong môi trường rắn khi vật liệu tiếp xúc với một số loại hóa chất như

phân khoáng, thuốc trừ sâu. Ăn mòn loại này cũng diễn ra khi các hóa chất bị ẩm.

Ăn mòn trong môi trường lỏng xảy ra khi bê tông tiếp xúc với nước biển, nước

phèn chua, nước khoáng, nước ngầm hoặc nước thải của các nhà máy xí nghiệp, ăn mòn

rửa trôi, vi sinh có trong nước ... Các loại nước này thường chứa các nhân tố có tính chất

gây ăn mòn. Ăn mòn trong môi trường lỏng là loại ăn mòn rất phổ biến tại các công trình

xây dựng, đặc biệt là các công trình xây dựng ở môi trường biển, các công trình làm việc

trong nước, dưới đất có nước ngầm, hay các nhà máy xí nghiệp sản xuất có sử dụng hóa

chất. Đây là đối tượng nghiên cứu được rất nhiều người quan tâm.

Hình 2.11. Ăn mòn trong môi trường lỏng[31]

39

Ăn mòn trong môi trường khí xảy ra khi vật liệu tiếp xúc với các loại khí có chứa

tác nhân gây ăn mòn (khí CO2, Cl, SO2, các Ion S, F, …) thường gặp ở khu vực xung

quanh các nhà máy có sử dụng và chế biến hóa chất hoặc công trình có tiếp xúc với

không khí biển và trong môi trường khí hậu ven biển. Khí hậu tại Việt Nam có các đặc

trưng là nhiệt đới ẩm ướt, gió mùa, nhiều nắng và mưa. Thời tiết có thể hanh khô và kèm

theo những đợt mưa phùn có độ ẩm cao. Trời nắng nóng làm nước bốc hơi nhanh nhưng

lại có những đợt mưa rào làm thấm ướt đột ngột. Các tác động trên cũng góp phần gây

nên quá trình khô - ẩm và làm khuếch đại tốc độ thẩm thấu của các chất xâm thực, gây

ăn mòn trên bề mặt vật liệu.

Sự ăn mòn của bê tông thông thường hay vữa xi măng nói chung trong môi trường

lỏng thường là dạng ăn mòn Cacbonat, Chloride, Sulfate và sự hydrat hóa của xi măng.

Quá trình ăn mòn đối với vật liệu Geopolymer thường được xem xét ở các môi

trường như: Chất tẩy rửa tổng hợp (Aceton), môi trường muối (NaCl, Na2SO4) hay môi

trường axit (HCl, H2SO4), v.v…

2.2.2 Cơ chế của quá trình ăn mòn

2.2.2.1 Ăn mòn Clorua

Clorua có thể tồn tại trong hỗn hợp bê tông hoặc vữa thông qua nhiều cách. Clorua

có thể được đúc vào kết cấu thông qua phụ gia CaCl2 (đã ngừng sử dụng), quá trình thi

công hoặc các ion clorua có thể tồn tại trong hỗn hợp cát, cốt liệu, nước, một cách vô

tình hay cố ý. Tuy nhiên, nguyên nhân chính của hiện tượng ăn mòn do clorua trong hầu

hết các công trình là do sự khuếch tán của ion clorua từ môi trường như:

� Kết cấu tiếp xúc trực tiếp với môi trường biển có nhiều muối; …

� Việc sử dụng muối làm tan băng hoặc các hợp chất hoá học có clorua.

40

Tương tự quá trình carbonat hoá, quá trình xâm nhập của clorua đóng vai trò như một

chất xúc tác cho quá trình ăn mòn các sản phẩm xây dựng. Tuy nhiên, cơ chế ăn mòn do

ion clorua khác quá trình carbonat hoá ở chỗ ion clorua xâm nhập qua lớp bê tông bảo

vệ và tấn công vào bên trong ngay cả khi độ pH trong hỗn hợp vẫn ở mức cao.

Tiếp xúc với môi trường biển (nước biển và không khí biển) là một trong những

nguyên nhân phổ biến dẫn đến sự giảm độ bền của các công trình xây dựng. Sự giảm độ

bền của bê tông, vữa hay các sản phẩm xây dựng trong môi trường biển nói chung là do

sự có mặt của các loại muối trong nước hoặc hơi nước biển. Trung bình, nước biển chứa

lượng muối hòa tan (clorua và Sulfate) khoảng 3,5% theo khối lượng, độ pH khoảng 8.2.

Bê tông hay vữa xây dựng tồn tại trong nước biển có thể bị phá do sự tác động của quá

trình hóa lý (tấn công Sulfate, ăn mòn clorua, phản ứng kiềm - cốt liệu, sự rữa trôi

portlandite, sự kết tinh muối, đông và tan băng, xói mòn và mài mòn do sóng, vi sinh

vật...), tùy thuộc vào tính chất của tác động, sự phá hoại có thể từ hồ xi măng, cốt liệu,

vật liệu gia cường hoặc phá hoại đồng thời. Trong đó, ăn mòn clorua và tấn công Sulfate

là những nhân tố chính đối với độ bền và tuổi thọ của công trình bê tông cốt thép tồn tại

trong môi trường biển. Clorua tác động đến độ bền bởi sự ăn mòn và Sulfate ảnh hưởng

đến độ bền bởi sự phá hoại cấu trúc của các sản phẩm bê tông và vữa. Theo ACI 318-

83, sự tấn công Sulfate bởi nước biển được phân loại ở mức trung bình (exposure class

S1: moderate). [36]

Liên quan đến khả năng liên kết ion clo trong bản thân cấu trúc của bê tông hay

vữa, ion clo trong bê tông tồn tại ở hai dạng cơ bản là ion clo tự do và ion clo liên kết.

� Ion clo tự do: là nhân tố xúc tác, làm giảm điện trở suất và tăng tốc độ ăn mòn,

có thể tồn tại sẵn trong bản thân các nguồn vật liệu như cát, đá, hay quá trình

cacbonat hóa xi măng cũng có thể giải phóng ion clo liên kết trở thành ion clo tự

do.[25]

41

� Ion clo liên kết: do liên kết hóa học, chủ yếu là canxi clorualuminat

(3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O) hoặc do canxi silicat hydrat (3CaO.2SiO2.3H2O) hấp

thụ trên thành lỗ rỗng.[25]

Do sự có mặt của các ion clorua nên các phản ứng hóa học giữa Sulfate trong

nước biển khác với dung dịch chỉ có Sulfate, cụ thể các mẫu bê tông hay vữa trong môi

trường biển ít gây ra sự trương nở. Kết quả của sự tấn công hóa học của nước biển đối

với các sản phẩm như bê tông hay vữa là tạo thành Mg(OH)2, CaCO3, SiO2.aq,

4MgO.SiO2.8H2O, CaSO4.2H2O và ettringite dẫn đến sự mềm hóa của hồ xi măng và

giảm cường độ của bê tông cũng như vữa xây dựng.

Nước biển chứa các thành phần hóa học tấn công làm tổn hại độ bền của bê tông.

Cụ thể Mg2+, SO42-, Cl- ... và CO2 tấn công sản phẩm hyđrat của xi măng (Ca(OH)2 ,

CaO.Al2O3.CaSO4.18H2O, C-S-H) được diễn giải theo các phản ứng dưới đây:

MgSO4 phản ứng với Ca(OH)2 hình thành brucite Mg(OH)2 và thạch cao

CaSO4.2H2O theo phương trình (1):

MgSO4 + Ca(OH)2 � Mg(OH)2 + CaSO4 .2H2O (1)

và phản ứng với monosulfoaluminate hydrate tạo thành ettringite theo phương trình (2):

MgSO4 + Ca(OH)2 + CaO.Al2O3.CaSO4.18H2O � Mg(OH)2 +

3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (2)

MgCl2 phản ứng với Ca(OH)2 hình thành brucite và calcium chloride CaCl2 theo

phương trình (3):

MgCl2 + Ca(OH)2 � Mg(OH)2 + CaCl2 (3)

42

Carbon dioxide CO2 hòa tan trong nước biển tác dụng với Ca(OH)2 tạo thành

aragonite CaCO3 theo phương trình (4), calcium bicarbonate theo phương trình (5) và

thạch cao theo phương trình (6):

CO2 + Ca(OH)2 � CaCO3 + H2O (4)

CaCO3 + H2O + CO2 � Ca(HCO)2 (5)

CO2 + Ca(OH) + CaO.Al2O3.CaSO4.18H2O � 3CaO.Al2O3.CaCO3.xH2O +

CaSO4.2H2O (6)

Thạch cao, calcium chloride và calcium bicarbonatetan tan trong nước biển, do

đó dễ dàng dẫn đến sự chiết tách (leaching) từ bê tông dẫn đến tăng độ rỗng, thấm và

giảm cường độ. Mặc dù nồng độ Sulfate trong nước biển đủ lớn để hình thành ettringite

theo (2) nhưng do có sự hiện diện của ion Cl - nên bản chất trương nở của ettringite giảm

đáng kể. MgSO4 và MgCl2 tác dụng với sản phẩm hyđrat của xi măng theo các phương

trình (1), (2) và (3) cho đến khi Ca(OH)2 cạn kiệt, sau đó MgSO4 khử canxi (decalcify)

từ các gen C-S-H (chất tạo nên dính kết chủ yếu của hồ xi măng) chuyển thành

magnesium silicate hydrate MgO.SiO2.H2O kém bền theo phương trình (7), đây là tác

nhân chính dẫn đến sự mềm hóa của hồ xi măng và giảm cường độ của bê tông và vữa

trong môi trường biển:

xCaO.SiO2.aq + 4Mg2+ + 4SiO42- + (4-x)Ca(OH)2nH2O � 4MgO.SiO2.8H2O +

4CaSO4.2H2O (7)[23]

43

Sự xâm nhập của clorua vào bê tông thông qua lực hút mao dẫn. Bên cạnh những ảnh

hưởng chiếm ưu thế của độ rỗng và sự phân bố kích thước các lỗ rỗng, tốc độ xâm nhập

và số lượng ion clorua còn có liên quan đến gradient độ ẩm hiện hữu trong mẫu bê tông

hoặc vữa được đúc khuôn cũng như tính chất hóa học của xi măng đông cứng.[36]

2.2.2.2 Ăn mòn Sulfate

Ion Sulfate (SO42-) là một trong những anion thường gặp trong môi trường tự

nhiên. Khi hàm lượng SO42- trong nước cao sẽ gây ảnh hưởng đến con người do tính chất

tẩy rửa của Sulfate. Từ lý do này, đối với nước cấp, nồng độ giới hạn của Sulfate là

250mg/l. Ngoài ra trong nước cấp cho công nghiệp và sinh hoạt, chỉ tiêu SO42- cũng rất

quan trọng do khả năng kết hợp với các ion kim loại trong nước hình thành cặn ở các

thiết bị đun nước, lò hơi hay các thiết bị trao đổi nhiệt. Trong xử lý nước thải, chỉ tiêu

SO42- cũng được quan tâm do vấn đề mùi và vấn đề ăn mòn đường ống, bể chứa hay hệ

thống cống rãnh.

Sự ăn mòn của các ion Sulfate thể hiện rõ nét hơn khi nước thải sinh hoạt có nhiệt

độ cao, thời gian lưu nhiệt dài và nồng độ Sulfat cao. Nguyên nhân của sự ăn mòn này

là do H2S và H2SO4 bởi quá trình khử Sulfate thành H2S và từ H2S thành H2SO4. Thực

ra H2S là một acid yếu, yếu hơn cả H2CO3 và ít ảnh hưởng đến bê tông chất lượng cao.

Tuy nhiên, H2S lại là nguyên nhân gián tiếp gây ra sự ăn mòn ở các vật liệu. Ngoài sự

tồn tại của acid H2SO4 trong nước thải, gây ăn mòn thì ở điều kiện hiếu khí, H2S cũng bị

vi khuẩn oxy hóa thành H2SO4 và theo thời gian, nồng độ H2SO4 trở nên đậm đặc, dẫn

đến ăn mòn công trình.[24]

44

Hình 2.12. Sự hình thành H2S và sự ăn mòn do quá trình oxy hóa H2S thành H2SO4[28]

Trong môi trường nước, nguồn cung cấp ion SO42- thường là các muối hòa toa

như: Na2SO4, K2SO4, MgSO4, ... Những dung dịch muối này có thể tồn tại tự nhiên trong

nước biển, nước thải và đất ngầm. Khi hàm lượng ion SO42- > 250mg/l sẽ gây xâm thực

rất mạnh đối với bê tông hoặc vữa. Nguyên nhân là ion SO42 tác dụng với các thành phần

khoáng của xi măng như C3AH6 trong quá trình sinh ra sản phẩm thủy hóa của xi măng

(Ca(OH)2), tạo ra các chất tích tụ như thạch cao (gypsum: CaSO4.2H2O) làm tăng thể

tích gấp 2,34 lần so với thể tích của Ca(OH)2. Ngoài ra CaSO4.2H2O lại có thể tiếp tục

tương tác với 3CaO.Al2O3.6H2O để tạo thành 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O (ettringite)

gây nở thể tích lên 4,8 lần. Hiện tượng tăng thể tích của các chất tích tụ sinh ra nội lực

bên trong, gây nứt mẫu bê tông. Cứ tiếp tục như thế, nước chứa ion SO42- tiếp tục thấm

sâu vào trong mẫu thông qua các vết nứt làm cho quá trình xâm thực diễn ra liên tục và

sâu rộng, làm phá vỡ cấu trúc của bê tông hay vữa.[27]

45

2.2.2.3 Ăn mòn kim loại

Sự ăn mòn kim loại là do phản ứng oxy hóa khử không thuận nghịch giữa

kim loại và một tác nhân oxy hóa trong môi trường.

Kim loại + tác nhân oxy hóa → kim loại bị oxy hóa + tác nhân oxy hóa bị khử.

Ví dụ: Fe (r) + 2HCl (dd) → FeCl2 (dd) + H2 (k)

Fe + 2H+ → Fe2+ + H2

H+: tác nhân oxy hóa

Hình 2.13. Phản ứng trao đổi ion của kim loại với môi trường

Trong môi trường trung tính hoặc kiềm, ăn mòn kim loại thường là do phản

ứng giữa kim loại và oxy hòa tan trong môi trường. Khi có ẩm, Fe bị ăn mòn và

tạo gỉ FeOOH

4Fe + 3O2 + 2H2O → 4FeOOH

Oxy cũng có thể tham gia vào ăn mòn kim loại trong môi trường axit. Tuy

nhiên nồng độ của nó rất nhỏ so với proton nên thường bỏ qua. Vì vậy trong môi

46

trường axít, ăn mòn kim loại là do H+.

Trong môi trường khô, oxy là tác nhân ăn mòn chỉ khi ở nhiệt độ cao (vài

trăm oC) .Vì vậy cần phân biệt hai loại ăn mòn: ăn mòn trong khí ẩm ở nhiệt độ

phòng (còn gọi là ăn mòn điện hóa) và ăn mòn trong khí khô ở nhiệt độ cao (còn

gọi là ăn mòn hóa học)

Tất cả phản ứng oxy hóa khử đều bao gồm hai phản ứng riêng phần: phản

ứng oxy hóa riêng phần (phản ứng anôt riêng phần) và phản ứng khử riêng phần

(phản ứng catôt riêng phần).

Fe → Fe2+ + 2e phản ứng anốt riêng phần

2H+ + 2e → H2 phản ứng catốt riêng phần

Fe + 2H+ → Fe2+ + H2 phản ứng tổng là một phản ứng điện hóa

Ảnh hưởng của sản phẩm ăn mòn

Bản chất vật lý của các sản phẩm ăn mòn ảnh hưởng mạnh đến tốc độ ăn

mòn. Có ba loại:

• ion hòa tan.

• lớp màng không sít chặt.

• lớp màng sít chặt.

Sự ăn mòn kim loại trong môi trường axit thường tạo các cation hydrat hóa

hoặc ở dạng phức trong dung dịch. Các ion hòa tan sẽ khuếch tán dễ dàng từ bề

mặt kim loại vào trong lòng dung dịch. Sự có mặt các ion này nói chung ít ảnh

hưởng đến tốc độ ăn mòn. Ví dụ ăn mòn thép trong axít.

Trong môi trường trung tính hoặc kiềm, đôi khi trong môi trường axit, các

sản phẩm ăn mòn ít hòa tan và kết tủa ở bề mặt kim loại dưới dạng hydroxyt

hoặc muối. Các lớp màng bề mặt này ít sít chặt hoặc xốp, thường không bảo vệ

được kim loại nhưng nó làm giảm tốc độ ăn mòn. Ví dụ: Sự tạo gỉ trên thép

ngoài khí quyển ẩm.

47

Các lớp màng sít chặt, thường là các oxyt, tạo một lớp ngăn cách giữa kim

loại và môi trường, do đó bảo vệ được kim loại nên được gọi là màng thụ động.

Ví dụ màng oxyt nhôm ngoài không khí ẩm, trên thép C trong môi trường kiềm.

Ở nhiệt độ cao, trong điều kiện ăn mòn khô, các cation và anion khuếch tán

dễ dàng qua lớp màng sít chặt. Lớp màng sẽ tăng liên tục với tốc độ bằng với tốc

độ ăn mòn.

Hình 2.14.Oxy hóa kim loại

M bị oxy hóa ở bề mặt kim loại – oxy, cation và e sẽ khuếch tán ra ngoài

màng oxyt. Tại đây O2 bị khử thành O2- và khuếch tán đến bề mặt kim loại –

oxyt. Lớp oxyt ở đây có thể xem như dung dịch điện ly và dây dẫn e.

Các ví dụ trên cho thấy tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào tính chất của sản

phẩm sinh ra, vì vậy các phép thử tăng tốc trong phòng thí nghiệm thường

không xác định đúng tính chất ăn mòn kim loại trong thực tế.

2.2.3 Tốc độ ăn mòn

48

Phương trình Nernst

R: hằng số khí = 8,314 J/mol.K T: nhiệt độ tuyệt đối (K)

F: hằng số Faraday = 96500 C/mol n: số điện tử trao đổi

a Men+ : hoat độ ion kim loại trong dung dịch

E n+ Me/Me : thế điện cực tiêu chuẩn của kim loại ứng với hoạt độ dung dịch

bằng 1 hoặc áp suất khí bằng 1 atm. Theo qui ước Stockholm năm 1953,

thế điện cực tiêu chuẩn tính cho các phản ứng điện cực được viết ở dạng

khử theo chiều từ trái sang phải.

Định luật Faraday

A: Nguyên tử (phân tử) lượng của kim loại

F: hằng số Faraday I = iS cường độ dòng điện (A)

i: mật độ dòng điện (A/m2) S: diện tích (m2)

τ: Thời gian điện phân (giây) n: số điện tử trao đổi.

2.2.4 Các loại tốc độ ăn mòn

Độ giảm khối lượng của mẫu / đơn vị diện tích / đơn vị thời gian:

49

Độ sâu ăn mòn/đơn vị thời gian hay bề dày lớp sản phẩm ăn mòn/đơn vị

thời gian

2.2.5 Phân loại theo phạm vi ăn mòn ở kim loại

2.2.5.1 Ăn mòn đều và ăn mòn cục bộ

Hình 2.15.Ăn mòn đều và ăn mòn cục bộ

• Ăn mòn đều

Ăn mòn đều xảy ra đồng nhất trên tất cả bề mặt của kim loại, ở mức độ vĩ

mô, không phân biệt được khu vực anôt, khu vực catôt. Bề mặt của kim loại vừa

là catôt vừa là anôt.

• Ăn mòn cục bộ

Ăn mòn xảy ra tại một nơi trên bề mặt, ở đó chỉ có phản ứng anôt. Ở đây

người ta có thể phân biệt rỏ ràng khu catốt, khu anôt. Trong thực tế ăn mòn cục

bộ là do tính dị thể của vật liệu hoặc của môi trường.

50

2.2.5.2 Nguồn gốc các dạng ăn mòn khác nhau ở kim loại

Tính chất ăn mòn của kim loại khi sử dụng phụ thuộc nhiều yếu tố:

o Thành phần hóa học và cấu trúc vi mô của kim loại.

o Thành phần hóa học của môi trường.

o Các thông số vật lý (nhiệt độ, đối lưu, bức xạ)

o Các tác động cơ học (ứng suất, sốc, ma sát)

Có tám dạng ăn mòn cơ bản:

Hình 2.16.Tám dạng ăn mòn ở kim loại

51

o Ăn mòn đều: (uniform corrosion): Mất vật liệu ít nhiều xảy ra đều đặn

trên toàn bề mặt. Loại này thường gặp khi kim loại tiếp xúc với môi trường

axit.

o Ăn mòn galvanic (galvanic corrosion) (vi pin): là ăn mòn giữa hai kim

loại do tạo thành pin điện hóa giữa chúng. Kim loại có thế âm hơn sẽ bị ăn

mòn.

o Ăn mòn hốc (crevice corrosion): do sự khác nhau về nồng độ oxy ở

hai phần của một cấu trúc, tạo thành pin điện hóa giữa chúng. Dạng này

thường

gặp trên các khe của kim loại hoặc trên các vùng mà oxy ít có khả năng

thấmvào.

o Ăn mòn lỗ (pitting corrosion): tạo nên bởi một vài anion (chủ yếu là

Cl-) trên các kim loại đã được bảo vệ bởi một lớp oxyt mỏng. Nó thường

tạo các lỗ hổng có đường kính khoảng vài chục micromet.

o Ăn mòn giữa các hạt (intergranular corrosion): ăn mòn có chọn lọc

trên biên giới hạt. Thông thường nó có liên quan đến các pha bị kết tinh

trong quá trình xử lý nhiệt.

o Ăn mòn chọn lọc (selective corrosion): ăn mòn do oxyt hóa một cấu tử

của hợp kim tạo thành một cấu trúc kim loại xốp.

o Ăn mòn xói mòn (erosion corrosion): do tác động kết hợp giữa một

phản ứng điện hóa và bào mòn cơ học. Dạng này thường xảy ra khi các kim

loại đặt trong dòng chất lỏng chảy nhanh.

o Ăn mòn dưới ứng suất (stress corrosion cracking): là sự kết hợp giữa

một ứng suất cơ học và một phản ứng điện hóa tạo nên các vết nứt trên kim

loại.

52

CHƯƠNG 3:

NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

3.1 Nguyên vật liệu

Nguyên vật liệu để chế tạo gạch xỉ Geopolymer bao gồm: xỉ thép, tro bay, dung

dịch NaOH và dung dịch Na2SiO3. Tuy nhiên, do có chế tạo mẫu so sánh, đối chứng với

mẫu vữa geopolymer nên có thêm nguyên liệu là xi măng và cát.

Hóa chất để tạo môi trường ăn mòn cho gạch xỉ Geopolymer là: HCl, H2SO4,

NaCl, MgSO4.

3.1.1 Xỉ thép

Xỉ thép nghiên cứu đề tài này được lấy từ các nhà máy luyện thép trong khu công

nghiệp Phú Mỹ 1, Huyện Tân Thành, Tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu. Xỉ thép ở đây có tính

chất khá tương đồng với loại xỉ thép đã và đang được sử dụng trên thế giới.

Hình 3.1. Xỉ thép kích cỡ dạng hạt

53

Bảng 3.1. Tính chất cơ lý của xỉ thép Phú Mỹ 1 theo TCVN

Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm

Dmin - Dmax TCVN 7572-2:2006 0.15-5 mm Khối lượng riêng TCVN 7572-4:2006 3600 kg/m3 Khối lượng thể tích ở trạng thái khô TCVN 7572-4:2006 3320 kg/m3 Khối lượng thể tích ở trạng thái bảo hoà TCVN 7572-4:2006 3390 kg/m3 Độ hút nước TCVN 7572-4:2006 3.4 % Khối lượng thể tích xốp TCVN 7572-6:2006 1587 kg/m3 Độ rỗng giữa các hạt TCVN 7572-6:2006 32.8 %

Xı thép sau khi thu thập về phòng đươc thí nghiệm xác định các tính chât cơ ban

như thanh phân hoa, khôi lương riêng và khôi lương thê tıch.

Hình 3.2. Biểu đồ thành phần kích thước hạt xỉ sử dụng

3.1.2 Tro bay

15.7

44.3

65.5

87.75

97.95

0102030405060708090

1000 0.5 1 1.5 2 2.5

Lượ

ng s

ót tí

ch lũ

y (%

)

Kích thước lỗ sàng (mm)

Thành phần hạt của xỉ

54

Hình 3.3. Tro bay loại F

3.1.3 Dung dịch hoạt hóa

Hỗn hợp dung dịch hoạt hóa dùng để tạo phản ứng kết dính vật liệu là hỗn hợp

hai dung dịch là Sodium Hydroxit (NaOH) và Sodium Silicate (Na2SiO3).

3.1.3.1 Dung dịch Sodium Hydroxyde (NaOH)

Đối với việc sử dụng dung dịch NaOH, yêu cầu độ sạch của dung dịch NaOH

phải đạt mức 98%. Yêu cầu cần phải xác định trước nồng độ dung dịch cần thiết để từ

55

đó pha trộn dung dịch với nồng độ Mol đúng nhất từ công thức xác định nồng độ Mol,

từ đó suy ra được khối lượng NaOH khan cần pha trộn vào dung dịch như sau.

dd 1001000

MNaOH

C M VmP

� � ��

�

Trong đó:

- mNaOH là khối lượng NaOH khan cần cho vào

- M là khối lượng Mol của NaOH (M=40)

- Vdd là thể tích dung dịch cần pha trộn

- P là độ tinh khiết của dung dịch NaOH lấy bằng 99%

Dung dịch NaOH được pha chế từ Natri hydroxit nguyên chất ở dạng rắn, màu

trắng, độ tinh khiết trên 90%, khối lượng riêng 2,130 kg/m3. Nồng độ mol pha chế và

dùng trong thí nghiệm nghiên cứu là 10 mol.

Hình 3.4. Dung dịch Sodium Hydroxit NaOH ở dạng vảy khan và dung dịch

3.1.3.2 Dung dịch Sodium Silicate (Na2SiO3)

Dung dịch thủy tinh lỏng (Na2SiO3) là dung dịch có màu trắng đục, có đặc tính

sệt, sánh, dễ dàng hòa tan trong nước. Thủy tinh lỏng là một dung dịch có khả năng tác

56

dụng với nhiều chất ở dạng rắn, lỏng, khí. Thủy tinh lỏng dễ bị các axít phân hủy ngay

cả carbonic acid và tách ra kết tủa keo đông tụ silicic acid.

Thủy tinh lỏng có thành phần như trong Bảng 3.4.

Bảng 3.2. Tỷ lệ thành phần dung dịch thủy tinh lỏng

Thành phần Tỉ lệ khối lượng (%) Na2O 13.7 SiO2 23.4 H2O 62.9

Hình 3.5. Dung dịch Sodium Silicate (Na2SiO3)

Dung dịch Sodium Silicat dùng trong thí nghiệm có tỷ trọng 1.42 � 0.01 g/ml và

có hàm lượng Na2O và SiO2 dao động từ 36 – 38 %.

3.1.3.3 Xi măng

Thí nghiệm sử dụng xi măng Hà Tiên PC40, đây là loại xi măng được sử dụng phổ

biến trên thị trường.

57

3.1.3.4 Cát

Cát dùng cho nghiên cứu phải thoả mãn các yêu cầu của TCVN 1770 : 1986 “Cát

xây dựng – Yêu cầu kỹ thuật”.

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. Cát đã được làm sạch và sấy khô trước khi đưa vào sử dụng.

Hình 3.6. Cát

58

Hình 3.7. Biểu đồ thành phần hạt cát sử dụng

3.2 Thành phần cấp phối

3.2.1 Thành phần cấp phối

Thành phần cấp phối vữa xỉ Geopolymer có tỷ lệ xỉ/tro lần lượt là 0.7, 1 và 1.3

tương ứng với cấp phối CP03, CP01 và CP02. Cấp phối vữa geopolymer sử dụng cát

vàng có tỷ lệ cát/tro là 1. Dung dịch hoạt hóa sử dụng cho các cấp phối có tỷ lệ sodium

silicate /sodium hydroxide (SS/SH) bằng 1, trong đó nồng độ của sodium hydroxide là

10 mol/l. Các cấp phối đều có cùng tỷ lệ khối lượng dung dịch/tro (DD/TB) là 0.5. Thành

phần cấp phối và khối lượng thể tích sau khi dưỡng hộ được trình bày trong Bảng 3.5.

0.783.3

18.75

38.04

77.74

97.44

0102030405060708090

1000 1 2 3 4 5

Lượ

ng s

ót tí

ch lũ

y (%

)

Kích thước lỗ sàng (mm)

Thành phần hạt của cát

59

Bảng 3.3. Thành phần cấp phối vữa xỉ geopolymer

Cấp phối

DD/TB

Cát (kg/m3)

Xỉ

(kg/m3)

Tro bay

(kg/m3)

Sodium hydroxit Sodium Silicate (kg/m3)

Khối lượng

thể tích vữa

(kg/m3)

(kg/m3) Nồng độ

Mol

CP01 0.5 --- 975 975 244 10 244 2111 CP02 0.5 --- 1175 900 225 10 225 2058 CP03 0.5 --- 743 1061 265 10 265 2033 CPI 0.5 975 --- 975 244 10 244 2138

Bảng 3.4. Tỷ lệ phần trăm thành phần cấp phối theo khối lượng

Tên

Cấp

phối

Xỉ

(%)

Cát

(%)

Tro

bay

(%)

Dung

dịch (%)

Tỉ lệ Nồng độ dd

NaOH (Mol) NaOH Na2SiO3

CP1 40 --- 40 20 1 1 10

CP2 46.53 --- 35.64 17.83 1 1 10

CP3 31.82 --- 45.45 22.73 1 1 10

CPI --- 40 40 20 1 1 10

Bảng 3.5. Cấp phối vữa xi măng cốt liệu (cát)

Cấp phối Mác vữa Xi măng (kg/m3) Cát vàng (kg/m3)

CPX 100 385.04 1526

‘

60

Bảng 3.6. Cấp phối mẫu gạch geopolymer (CPG01)

Thể tích V= 1 m3

Xỉ (kg) Tro(kg) TTL(kg) NaOH(kg) V(l)

975 975 244 244 1000

Thể tích 1 viên gạch (m3) = 2.2×1.05×0.65

Tính thể tích cần trộn V(l) = 1.5

Xỉ Tro TTL NaOH

1.462 1.462 0.366 0.366

3.2.2 Phương pháp xác định thành phần cấp phối

Khối lượng riêng của: Xỉ là 3600 kg/m3

Tro là 2200 kg/m3

SS là 1420 kg/m3

SH là 2130 kg/m3

Xác định thành phần cấp phối dựa trên nguyên tắc là thể tích tuyệt đối với V=1m3.

Các nguyên liệu trong từng cấp phối có tỉ lệ theo khối lượng tương ứng với nhau

sao cho tổng thể tích là 1m3.

3.3 Phương pháp tạo mẫu và thí nghiệm

3.3.1 Phương pháp tạo mẫu

Sử dụng hai loại khuôn là khuôn mẫu hình trụ 100×200 (mm) và khuôn mẫu gạch

65×105×220 (mm) để thực hiện và so sánh kết quả các thí nghiệm.

61

Hình 3.8. Khuôn mẫu vữa và mẫu gạch

Tạo ra vữa Xỉ Geopolymer nhằm xác định các tính chất cơ lý của vữa khi được

ngâm trong các môi trường ăn mòn và kiểm tra các số liệu thí nghiệm của mẫu gạch.

3.3.2 Phương pháp thí nghiệm

3.3.2.1 Nhào trộn và đúc mẫu

Các thành phần nguyên liệu sau khi định lượng bao gồm xỉ và tro bay sẽ được

nhào trộn khô trong khoảng 2 phút. Hỗn hợp dung dịch sodium hydroxide, sodium

silicate đã chuẩn bị trước được đổ vào hỗn hợp vữa khô. Quá trình nhào trộn ướt diễn ra

trong vòng 3 phút bằng máy trộn.

62

Hình 3.9. Cân điện tử và máy trộn

Hình 3.10. Mẫu vữa sau khi trộn được cho vào khuôn và đánh số thứ tự

63

3.3.2.2 Dưỡng hộ và thí nghiệm

Các mẫu vữa sau khi tĩnh định 48 giờ sẽ được tháo khuôn và dưỡng hộ nhiệt ở

800C trong 4 giờ. Sau đó, các mẫu tiếp tục được tĩnh định trong 7 ngày tiếp theo. Các

mẫu được đo kích thước và cân lấy số liệu ban đầu trước khi ngâm hóa chất để đánh giá

khả năng chống ăn mòn của mẫu theo thời gian.

Hình 3.11. Dưỡng hộ nhiệt các mẫu bằng lò sấy

Năm loại hóa chất được sử dụng bao gồm dung dịch HCl, H2SO4, NaCl, MgSO4

và NaOH có nồng độ 10%. Các mốc thời gian thí nghiệm lần lượt là 0 ngày (chưa ngâm

hóa chất), 7 ngày, 14 ngày, 42 ngày, 70 ngày, 98 ngày, 126 ngày và 140 ngày ngâm mẫu

với hóa chất. Các mẫu được lấy ra khỏi dung dịch, lau sạch bằng khăn mềm và ngay sau

đó tiến hành cân, đo lại kích thước mẫu, xác định độ hút nước cũng như nén mẫu để xác

định cường độ chịu nén.

64

Hình 3.12. Ngâm mẫu vào các dung dịch hóa chất

3.3.3 Các phương pháp xác định

3.3.3.1 Xác định cường độ chịu nén của vữa

Xác định cường độ chịu nén của vữa gạch bê tông để đánh giá Mác và chất lượng

của gạch theo TCVN 6476 – 1999. Cường độ chịu nén mẫu vữa gạch bê tông xác định

theo công thức.

� �2n

nn

P daNR cmF��

Trong đó:

Pn - Lực nén phá huỷ mẫu, tính bằng .

Fn - Diện tích má ép, tính bằng mm2.

α - Hệ số phụ thuộc chiều cao mẫu thử.

Tính trung bình cộng các kết quả thử. Loại bỏ giá trị có sai lệch lớn hơn 15% so

với giá trị trung bình. Kết quả cuối cùng là giá trị trung bình cộng của các giá trị hợp lệ

còn lại, chính xác tới 0,1N/mm2.

65

Hình 3.13. Thí nghiệm nén mẫu

Hình 3.14. Mẫu vữa xỉ geopolymer sau khi nén

66

3.3.3.2 Xác định cường độ chịu nén của gạch xây

Gạch xây dùng cho kết cấu thường chịu nén, cường độ chịu nén cũng là một chỉ tiêu

quan trọng để đánh giá mác và chất lượng của gạch, chỉ tiêu này được xác định theo

TCVN 6355:1 – 1998. Công thức xác đinh cường độ chịu nén của gạch xây như sau.

� �2n

nn

P daNR cmF�

Trong đó :

Pn : Tải trọng phá hoại mẫu khi nén, daN.

Fn : Diện tích mặt cắt ngang của mẫu thử khi nén, cm2.

Diện tích mặt cắt ngang của mẫu thử tính bằng trung bình cộng giá trị diện tích mặt trên

và mặt dưới mẫu thử đã đo.

Hình 3.15. Chất kết dính giữa hai lớp gạch

67

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Các mẫu vữa sau khi tĩnh định 48 giờ sẽ được tháo khuôn và dưỡng hộ nhiệt ở 800C

trong 4 giờ và được tĩnh định trong 7 ngày tiếp theo. Các mẫu được đo kích thước và cân

lấy số liệu ban đầu trước khi ngâm hóa chất nhằm thực hiện các chỉ tiêu để đánh giá khả

năng chống ăn mòn theo thời gian. Đối với mẫu trụ 100×200 mm, vữa xỉ - geopolymer

được đo lại kích thước, cân xác định khối lượng, xác định độ hút nước hoặc được nén để

xác định cường độ chịu nén của mẫu theo thời gian ngâm các loại dung dịch hóa chất

gây ăn mòn. Đối với mẫu gạch 220×110×65 mm, vữa xỉ - geopolymer được nén để xác

định cường độ chịu nén hoặc được cân để xác định độ thay đổi khối lượng theo thời gian

khi được ngâm trong các dung dịch hóa chất. Bên cạnh đó, các mẫu vữa xi măng và vữa

geopolymer sử dụng cát vẫn được chế tạo để so sánh với vữa xỉ - geopolymer.

4.1 Kiểm tra trực quan

4.1.1 Vữa xỉ - geopolymer

Các cấp phối vữa xỉ - geopolymer sau khi được ngâm trong các môi trường ăn mòn

đều có cùng sự biến đổi (về màu sắc, kết tủa, vết nứt, …) nhưng khác nhau về mức độ

phản ứng ăn mòn khi tiếp xúc với các hóa chất. Bên cạnh đó, thời gian ngâm mẫu cũng

thể hiện rõ hơn về mức độ phản ứng và tốc độ ăn mòn của vật liệu.

Chọn cấp phối CP01 để kiểm tra trực quan, các mẫu CP01 được ngâm trong các

dung dịch NaCl, MgSO4, H2SO4, HCl và NaOH (10%) sau 140 ngày.

68

Mẫu trước khi ngâm

Ngâm trong dung dịch NaCl

Ngâm trong dung dịch

MgSO4

Ngâm trong dung dịch

H2SO4

Ngâm trong dung dịch HCl

Ngâm trong dung dịch NaOH

Hình 4.1. Mẫu vữa xỉ - geopolymer được ngâm trong các dung dịch sau 140 ngày.

Kết quả ngâm cho thấy các mẫu vữa xỉ - geopolymer khi được ngâm trong dung

dịch NaCl không có xuất hiện vết nứt cũng như không có sự thay đổi về màu sắc. Tuy

nhiên, sau khi mẫu khô hoàn toàn thì trên bề mặt mẫu có xuất hiện các hạt tinh thể màu

trắng, đây là tinh thể muối Natri Clorua (NaCl).

69

Hình 4.2. Tinh thể muối NaCl xuất hiện li ti trên bề mặt mẫu

Các mẫu được ngâm trong dung dịch MgSO4 không có xuất hiện vết nứt nhưng

có sự thay đổi về màu sắc. Trong quá trình ngâm có sự lắng tụ các kết tủa màu cam đậm

trên mẫu. Sau khi được lấy ra khỏi dung dịch ngâm thì các kết tủa bám trên bề mặt mẫu

tiếp tục chuyển thành các mảng màu trắng. Đây là sản phẩm của Magnesium

alumosilicate, kết quả này cũng đã được chỉ ra trong nghiên cứu của Ali Allahverdi và

các cộng sự (2005).[13]

Hình 4.3. Các kết tủa bám trên mẫu ngâm MgSO4.

70

Đối với các mẫu được ngâm trong dung dịch H2SO4 thì mẫu không xuất hiện vết

nứt nhưng có sự thay đổi về màu sắc. Trong quá trình ngâm có xuất hiện một lớp phủ

màu vàng trên mẫu, sau khi được lấy ra khỏi dung dịch ngâm thì màu sắc trở nên rõ rệt

hơn. Đây là sản phẩm của thạch cao (CaSO4.2H2O), kết quả này cũng đã được chỉ ra

trong nghiên cứu của X. J. Song cùng các cộng sự (2005).[15]

Hình 4.4. Kết tủa màu vàng bám trên mề mặt mẫu ngâm H2SO4.

Khi ngâm trong dung dịch HCl, các mẫu xuất hiện nhiều vết nứt và có một lớp

phủ màu vàng. Trên mẫu xuất hiện nhiều kết tủa dạng tinh thể hình kim, bề mặt mẫu bị

nứt gãy và bong tróc, tuy nhiên các vết nứt sâu trên mẫu chưa ăn sâu vào mẫu mà chỉ

làm bong tróc lớp vỏ.

Hình 4.5. Tinh thể hình kim và sự bong tróc bề mặt mẫu ngâm HCl.

71

Đối với dung dịch NaOH, mẫu có xuất hiện vết nứt gãy nhỏ trên bề mặt nhưng

không có sự thay đổi về màu sắc.

Hình 4.6. Vết nứt trên bề mặt mẫu ngâm NaOH

4.1.2 Vữa xi măng

Mẫu trước khi ngâm

Ngâm trong dung dịch NaCl

Ngâm trong dung dịch

MgSO4

72

Ngâm trong dung dịch

H2SO4

Ngâm trong dung dịch HCl

Ngâm trong dung dịch NaOH

Hình 4.7. Mẫu vữa xi măng được ngâm trong các dung dịch sau 140 ngày.

Mẫu vữa xi măng sau khi được ngâm trong các dung dịch hóa chất đều có phản

ứng tương tự như vữa xỉ - geopolymer nhưng mức độ phản ứng diễn ra mạnh hơn và

nhanh hơn. Đặc biệt ở dung dịch H2SO4 và HCl có thể quan sát rõ lớp xi măng trên bề

mặt mẫu bị ăn mòn mạnh, chỉ còn trơ lại cốt liệu cát. Đối với dung dịch NaOH thì mẫu

ngâm có một lớp phủ các kết tủa màu trắng rất dày đặc.

Hình 4.8. Các kết tủa màu trắng trên mẫu vữa xi măng ngâm NaOH.

73

4.2 Độ dư kiềm

Sử dụng chất chỉ thị màu là dung dịch phenolphtalein 1% để kiểm tra độ dư kiềm

bên trong các mẫu theo thời gian ngâm hóa chất. Phenolphtalein là một hợp chất hóa học

với công thức C20H14O4 và thường được viết là "HIn" hoặc "phph" trong ký hiệu viết tắt.

Phenolphtalein thường được sử dụng trong chuẩn độ.

Phenolphtalein được sử dụng như một chất chỉ thị axit hoặc bazơ; phenolphtalein

sẽ ở trạng thái không màu trong các dung dịch có tính axit và chuyển sang màu hồng

trong các dung dịch bazơ. Nếu nồng độ của chất chỉ thị là đặc, phenolphtalein có thể

chuyển sang màu tím. Đây cũng là một thành phần trong chỉ số phổ quát - một dung dịch

bao gồm hỗn hợp của các chỉ số pH (thường là phenolphtalein, methyl đỏ, bromothymol

màu xanh, và thymol xanh). Khả năng chỉ thị axit - bazơ cho thấy khả năng của

phenolphthalein có thể dùng thử nghiệm các dấu hiệu của phản ứng cacbonat hóa trong

bê tông hoặc vữa.

Để pha chế 100 ml dung dịch phenolphtalein 1%, có thể sử dụng 1 gam

Phenolphtalein nguyên chất ở dạng bột màu trắng hòa cùng 90 ml dung dịch alcol 90%

(cồn 90 độ) và 10 ml nước cất, sau đó lắc đều hoặc khuấy để chất tan phản ứng hết. Dung

dịch phenolphtalein phải được bảo quản trong chai nhựa hoặc thủy tinh có màu tối và

đậy kín nắp.

74

Hình 4.9. Phenolphtalein nguyên chất và cồn 90 độ.

Để xác định sự ảnh hưởng cũng như mức độ xâm nhập của các loại hóa chất gây

ăn mòn, dung dịch phenolphtalein 1% được phun lên bề mặt mẫu cũng như mặt cắt bên

trong mẫu. Kết quả thí nghiệm được thể hiện thông qua mức độ chỉ thị màu của dung

dịch phenolphtalein nằm trên mề bặt phun.

Mẫu trước khi ngâm

Ngâm trong dung dịch NaCl

Ngâm trong dung dịch

MgSO4

75

Ngâm trong dung dịch

H2SO4

Ngâm trong dung dịch HCl

Phe

Ngâm trong dung dịch NaOH

Hình 4.10. Chỉ thị màu phenolphtalein cho mẫu vữa xỉ - geopolymet ngâm trong các dung dịch sau 140 ngày.

Kết quả chỉ thị màu của dung dịch phenolphtalein 1% lên các mẫu vữa xỉ -

geopolymer khi được ngâm trong các loại hóa chất theo thời gian đều chuyển sang màu

hồng hoặc tím. Qua đây cho thấy bản chất môi trường bên trong mẫu vữa đều là môi

trường kiềm (bazơ) nên đã làm cho dung dịch phenolphtalein 1% từ không màu chuyển

sang màu hồng.

Do trong thành phần cấp phối của vữa geopolymer nói chung và vữa xỉ -

geopolymer nói riêng đều có dung dịch NaOH (Sodium Hydroxide) mang tính kiềm.

Môi trường này cũng tương tự với các mẫu vữa xi măng. Bê tông hoặc vữa sử dụng xi

măng luôn có độ pH tự nhiên cao do hydroxide canxi hình thành khi xi măng Portland

phản ứng với nước. Chỉ số độ pH ở các lỗ rỗng nhỏ trong bê tông tươi có thể đạt hơn 14.

Khi sử dụng dung dịch phenolphthalein 1% phun lên bê tông thông thường, dung dịch

sẽ chuyển sang màu hồng tươi.

76

Tuy nhiên, nếu xét về mức độ chỉ thị màu thì màu hồng của dung dịch

phenolphtalein trên các mẫu vữa geopolymer luôn nhạt hơn so với xi măng; tùy vào nồng

độ kiềm bên trong mẫu ngâm mà dung dịch phenolphtalein có mức độ đậm nhạt khác

nhau.

Hình 4.11. Chỉ thị màu của dung dịch phenolphtalein lên mẫu vữa xỉ - geopolymer và vữa xi măng cốt liệu.

Bảng 4.1. Thành phần hóa học của xi măng Portland (%)

Oxit SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO SO3 K2O Na2O

Hàm lượng (%) 19-25 2-9 62-67 1-5 0-3 1-3 0.6 0.2

Bảng 4.2. Thành phần khoáng chính của xi măng

Thành phần khoáng trong xi măng

Tỉ lệ trong

hỗn hợp

XM (%)

Nhiệt lượng

riêng

(cal/g)

Nhiệt lượng

đóng góp

(cal/g)

C3S (3CaO. SiO2 : Alit) 55 120 66.0

C2S (2CaO. SiO2 : Belit) 15 62 9.3

77

C3A (3CaO. Al2O3 : Tricanxi Aluminat) 10 207 20.7

C4AF (4CaO. Al2O3. Fe2O3 : Alumoferit canxi) 8 100 8.0

Đối với các mẫu vữa xỉ - geopolymer, hàm lượng và nồng độ môi trường kiềm

(dung dịch NaOH) có thể được kiểm soát ngay trong quá trình thiết kế cấp phối. Trong

quá trình dưỡng hộ, nhiệt càng cao thì hàm lượng NaOH sẽ càng giảm (do NaOH tham

gia vào quá trình phản ứng trùng ngưng tạo liên kết geopolymer dưới sự tác động của

nhiệt độ). Kết quả sử dụng giấy quỳ đo độ pH trên mẫu vữa xỉ - geopolymer trong thí

nghiệm này nằm trong khoảng 12 đến 13. Như vậy, môi trường bên trong mẫu vữa xỉ -

geopolymer là môi trường kiềm.

Hình 4.12. Sử dụng giấy quỳ đo độ pH trên mẫu vửa xỉ -geopolymer.

Tuy nhiên, do xỉ thép trong vữa xỉ - geopolymer có độ hút nước cao cũng như

thành phần hóa của xỉ chứa nhiều CaO nên trong quá trình nhào trộn và đúc mẫu, một

số hạt xỉ thép được hấp thụ thêm một lượng kiềm nhất định. Do đó, dung dịch

phenolphtalein sẽ thể hiện màu hồng đậm hơn ở những vị trí phân bố của các hạt xỉ bên

trong mẫu. Đối với các mẫu vữa geopolymer dùng cát vàng thông thường để kiểm chứng

78

thì không xảy ra hiện tượng này, các hạt cốt liệu (cát) không chứa thành phần kiềm nên

không bị đổi màu trước dung dịch phenolphtalein.

Hình 4.13. Mẫu vữa xỉ - geopolymer và mẫu vữa geopolymer sử dụng cát vàng.

Qua đây có thể nhận xét môi trường kiềm tồn tại bên trong mẫu xi măng có nồng

độ cao hơn mẫu vữa xỉ - geopolymer thông qua kết sự hiển thị màu của dung dịch

phenolphtalein.

Đối với các mẫu ngâm trong dung dịch NaCl và MgSO4 thì dung dịch

phenolphtalein đều hiển thị màu hồng nhạt trên khắp về mặt phun, không có sự giới hạn

về phạm vi chỉ thị màu hồng của phenolphtalein. Qua đó cho thấy môi trường kiềm vẫn

được duy trì bên trong mẫu vữa xỉ - geopolymer sau khi ngâm NaCl và MgSO4. Ở các

mẫu vữa xi măng thì môi trường kiềm bị giới hạn, phạm vi hiển thị màu hồng bị thu hẹp

và cách mép ngoài một khoảng 0.8 cm.

79

Hình 4.14. Môi trường kiềm trong mẫu xi măng bị giới hạn khi ngâm NaCl và MgSO4.

Đối với các dung dịch axit như H2SO4 và HCl thì có sự thay đổi về phạm vi giới

hạn môi trường kiềm bên trong mẫu. Ở các mẫu vữa xỉ - geopolymer thì màu hồng của

dung dịch phenolphtalein bị giới hạn thu hẹp lại, cách mép ngoài cùng từ 2.5 mm đến 3

mm. Đối với các mẫu vữa xi măng thì khoảng cách này lớn hơn (khoảng 2 cm) và có thể

quan sát rõ ràng hơn.

Môi trường axit thâm nhập vào bên trong mẫu thông qua các lỗ rỗng trên bề mặt

mẫu, cũng như tính hút nước của mẫu. Các phân tử axit từ môi trường dung dịch bên

ngoài được thẩm thấu vào bên trong mẫu làm hòa tan và mất đi tính kiềm vốn có của

mẫu. Khi dung phương pháp phelnolphtalein xịt lên bề mặt mẫu sẽ cho thấy phạm vi

phân bổ của môi trường kiềm bên trong mẫu bị thu hẹp lại. Qua đây có thể kết luận về

sự xâm nhập của axit đã làm phá vỡ đi môi trường kiềm vốn tồn tại bên trong mẫu ngâm

(Dung dịch phenolphtalein chuyển sang không màu trong môi trường axit). Ở các mẫu

vữa xỉ - geopolymer thì sự xâm nhập của axit ảnh hưởng không nhiều như xi măng, bên

trong mẫu ngâm vẫn còn tồn tại môi trường kiềm.

80

Hình 4.15. Sự giới hạn môi trường kiềm bên trong mẫu vữa xỉ - geopolymer và vữa xi măng cốt liệu

4.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ Xỉ/Tro và thời gian ngâm mẫu đến cường độ chịu nén

của mẫu

Kết quả thí nghiệm về cường độ chịu nén theo thời gian ngâm mẫu trong các môi trường

ăn mòn được trình bày trong Bảng 4.3.

Bảng 4.3. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén (MPa)

Ngâm hóa chất NaCl

0 ngày 7 ngày 14

ngày 42

ngày 70

ngày 98

ngày 126

ngày 140

ngày CP01

12.998

14.227 15.472 16.014 16.958 17.204 17.123 17.022

CP02

11.657

11.951 12.013 12.122 12.642 12.997 12.775 12.7

CP03

16.189

17.807 18.64 18.994 19.201 19.578 19.338 19.215

CPI 18.19

7 18.91

8 19.661 21.42 21.041 20.856 19.722 18.831

81

CPX 9.878 10.81

2 10.759 10.17 9.88 9.075 7.013 6.936 Ngâm hóa chất MgSO4

0 ngày 7 ngày 14

ngày 42

ngày 70

ngày 98

ngày 126

ngày 140

ngày CP01

12.998

14.879 16.514 17.554 17.842 18.151 18 17.994

CP02

11.657

11.892 12.147 13.176 14.118 14.864 14.775 14.691

CP03

16.189

17.891 19.453 20.145 20.885 21.169 21.014 20.946

CPI 18.19

7 19.83

1 21.12 22.576 22.478 22.411 22.2 22.121

CPX 9.878

5 11.30

8 11.55 10.341 10.099 9.794 9.68 8.675 Ngâm hóa chất HCl

0 ngày 7 ngày 14

ngày 42

ngày 70

ngày 98

ngày 126

ngày 140

ngày CP01

12.998

13.214 13.547 13.887 14.02 13.23 12.12 11.145

CP02

11.657

11.854 11.398 10.631 9.203 8.06 6.529 ---

CP03

16.189

16.881 16.967 18.113 18.334 18.771 18.012 17.561

CPI 18.19

7 19.5 19.966 19.842 19.628 19.522 18.968 18.603

CPX 9.878

5 8.042

6 7.2957 6.5541 5.6552 3.0548 2.2112 --- Ngâm hóa chất H2SO4

0 ngày 7 ngày 14

ngày 42

ngày 70

ngày 98

ngày 126

ngày 140

ngày CP01

12.998

13.441 14.019 15.004 15.204 15.121 15.007 14.886

CP02

11.657

12.274 13.027 13.251 13.456 13.254 12.019 11.457

CP03

16.189

17.023 17.274 18.413 19.245 19.446 19.045 18.749

CPI 18.19

7 18.81

7 19.627 21.006 22.286 22.169 21.01 20.84

82

CPX 9.878

5 8.215

2 7.6544 6.403 5.555 5.492 5.4053 4.3134 Ngâm hóa chất NaOH

0 7 14 42 70 98 126 140 CP01

12.998

12.425 11.589 11.456 11.007 10.779 10.581 10.14

CP02

11.657

11.227 11.014 10.884 10.079 7.146 6.907 6.007

CP03

16.189

15.146 13.075 12.338 11.467 9.461 8.674 8.102

CPI 18.19

7 18.39

5 17.224 17.038 16.41 16.091 15.813 15.196

CPX 9.878

5 9.443 8.8076 8.7066 8.3653 8.192 8.0416 7.7064

6

8

10

12

14

16

18

20

22

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Cườ

ng đ

ộ ch

ịu n

én (

MPa

)

Thời gian (ngày)

CP01 CP02 CP03 CPI CPX

(a) Cường độ chịu nén theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch NaCl

83

8

10

12

14

16

18

20

22

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Cườ

ng đ

ộ ch

ịu n

én (

MPa

)

Thời gian (ngày)

CP01 CP02 CP03 CPI CPX

(b) Cường độ chịu nén theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch MgSO4

2

7

12

17

22

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Cườ

ng đ

ộ ch

ịu n

én (

MPa

)

Thời gian (ngày)

CP01 CP02 CP03 CPI CPX

(c) Cường độ chịu nén theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch HCl

84

468

10121416182022

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Cườ

ng đ

ộ ch

ịu n

én (

MPa

)

Thời gian (ngày)

CP01 CP02 CP03 CPI CPX

(d) Cường độ chịu nén theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch H2SO4

468

10121416182022

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Cườ

ng đ

ộ ch

ịu n

én (

MPa

)

Thời gian (ngày)

CP01 CP02 CP03 CPI CPX

(e) Cường độ chịu nén theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch NaOH

Hình 4.16. Cường độ chịu nén theo thời gian ngâm mẫu trong các dung dịch.

85

Kết quả thí nghiệm được biểu diễn trên Hình 4.16 cho thấy dung dịch NaCl (a)

và MgSO4 (b) có khuynh hướng làm tăng cường độ chịu nén của cả bốn cấp phối

geopolymer trong suốt quá trình ngâm. Đối với cấp phối vữa xi măng cốt liệu (CPX) thì

cường độ có tăng 9.5% và giảm dần theo thời gian ngâm mẫu, sau 140 ngày, cường độ

mẫu vữa xi măng giảm hơn 64%. Ở cấp phối CP01 có mức tăng cường độ cao hơn những

cấp phối còn lại, cường độ mẫu tăng hơn 32% trong dung dịch NaCl và 39% trong dung

dịch MgSO4. Sau 42 ngày ngâm NaCl và MgSO4, cấp phối vữa geopolymer sử dụng cát

(CPI) có xu hướng giảm cường độ trong khi cường độ của các cấp phối vữa xỉ -

geopolymer vẫn tiếp tục tăng nhẹ (khoảng 6%). Các cấp phối vữa Geopolymer nói chung

và vữa xỉ - geopolymer khi ngâm trong dung dịch MgSO4 có cường độ chịu nén lớn hơn

khoảng 5% so với ngâm trong dung dịch NaCl. Qua đây có thể nhận thấy sự ảnh hưởng

của dung dịch NaCl, cụ thể là các ion Clorua (Cl- ) có khả năng tác động mạnh hơn các

ion sulfate (SO42-) đối với quá trình ăn mòn vật liệu.

Ở ba cấp phối vữa xỉ - geopolymer, dung dịch axit HCl (c) có khuynh hướng làm

giảm cường độ chịu nén của cấp phối CP01 và CP02 nhiều hơn dung dịch H2SO4 (d).

Cường độ chịu nén của các mẫu vữa đúc từ cấp phối CP02 giảm nhiều nhất, khoảng 8.06

MPa khi ngâm trong dung dịch HCl. Ở 140 ngày ngâm HCl, CP02 hoàn toàn mất cường

độ, mẫu bị biến dạng hoàn toàn và không thể thực hiện thí nghiệm nén mẫu.

86

Hình 4.17. Mẫu vữa được đúc từ cấp phối CP02 hoàn toàn biến dạng sau 140 ngày ngâm trong dung dịch HCl.

Riêng cường độ chịu nén của CP03 vẫn tiếp tục tăng nhẹ trong cả hai loại dung

dịch axit. Do xỉ thép có độ hút nước cao và trong thành phần cấp phối CP03 có hàm

lượng xỉ thép ít hơn hai cấp phối còn lại nên hỗn hợp vữa khi nhào trộn không bị khô,

đảm bảo tính công tác tốt. Qua đó mẫu vữa của cấp phối CP03 có độ đặc chắc cao hơn

nên khả năng chống lại sự xâm nhập của hóa chất cũng tốt hơn. Tương tự, cấp phối vữa

geopolymer sử dụng cát (CPI) cũng có tính công tác tốt (do cát vàng hút nước ít hơn xỉ

thép) nên độ đặc chắc cao, cường độ có giảm dần theo thời gian ngâm nhưng luôn ổn

định cũng như mức giảm cường độ không nhiều. Qua đây có thể thấy tính công tác trong

quá trình đúc mẫu có vai trò rất quan trọng vì đây chính là yếu tố quyết định độ đặc chắc

của mẫu, từ đó có thể hạn chế được sự xâm nhập của các ion gây ăn mòn. Kết quả trong

thí nghiệm này tương tự như nhận định của Frantisek Skvara và các cộng sự (2005), sự

xâm nhập của các ion Clorua lớn hơn ion Sunfat vì trên thực tế các ion Clorua có kích

thước nhỏ hơn nhiều lần so với ion Sunfat.

Đối với cấp phối sử dụng xi măng cốt liệu (CPX) thì cường độ chịu nén giảm dần

đều trong dung dịch H2SO4, riêng dung dịch HCl làm cường độ chịu nén của mẫu giảm

87

mạnh sau 70 ngày và mất cường độ hoàn toàn ở 140 ngày ngâm. Mẫu vữa bị ăn mòn

mạnh, mất đi lớp xi măng, chỉ còn trơ lại cốt liệu cát. Khi thực hiện thí nghiệm nén, mẫu

nhanh chóng bị phá hoại.

Khi ngâm trong môi trường kiềm là dung dịch NaOH (e), cường độ chịu nén của

các cấp phối đều giảm, trong đó cấp phối CP03 có tốc độ giảm nhiều nhất, khoảng 58%

sau 98 ngày ngâm mẫu. Dung dịch NaOH tồn tại trong cấp phối CP03 lớn vì không bị

ảnh hưởng nhiều bởi độ hút nước của Xỉ thép khi hàm lượng xỉ trong cấp phối này ít hơn

hai cấp phối còn lại. Do đó cần xem xét sự tác động của hàm lượng NaOH tồn tại trong

cấp phối đến cường độ chịu nén của mẫu khi được ngâm trong môi trường kiềm. Cường

độ chịu nén của cả ba cấp phối vửa xỉ - geopolymer đều giảm mạnh trong 14 ngày đầu

tiên, từ 5.52% đến 19.23% cho thấy có sự tác động mạnh của hóa chất. Cường độ chịu

nén của các mẫu dần ổn định ở những ngày tiếp theo.

4.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ Xỉ/Tro và thời gian ngâm mẫu đến độ thay đổi khối lượng

của mẫu

Kết quả thí nghiệm về độ thay đổi khối lượng (%) của các cấp phối được ngâm

trong các môi trường ăn mòn trong 140 ngày được trình bày trong Bảng 4.4

Bảng 4.4. Kết quả thí nghiệm sự thay đổi khối lượng mẫu (%)

Ngâm hóa chất NaCl 7 ngày 14 ngày 42 ngày 70 ngày 98 ngày 126 ngày 140 ngày CP01 1.1 1.3 1.2 1 0.6 0.55 0.55 CP02 1.3 1.4 1.4 1.2 1 0.9 0.85 CP03 0.5 0.7 0.8 0.6 0.5 0.5 0.5 CPI 0.4 0.55 0.55 0.5 0.45 0.4 0.4

88

CPX 1.4 1.6 1.5 1.3 1 0.85 0.75 Ngâm hóa chất MgSO4

7 ngày 14 ngày 42 ngày 70 ngày 98 ngày 126 ngày 140 ngày CP01 1.2 1.3 1.3 1.3 1.4 1.4 1.4 CP02 1.3 1.4 1.4 1.45 1.5 1.45 1.4 CP03 1 1.2 1.2 1.3 1.45 1.4 1.4 CPI 0.8 0.85 0.96 1.04 1.16 1.12 1.12 CPX 1.3 1.4 1.5 1.5 1.5 1.45 1.4

Ngâm hóa chất HCl 7 ngày 14 ngày 42 ngày 70 ngày 98 ngày 126 ngày 140 ngày CP01 -0.5 -0.8 -1 -1 -1.1 -1.1 -1.1 CP02 -0.8 -0.9 -1.1 -1.2 -1.5 -2.6 -2.8 CP03 -0.2 -0.5 -0.9 -1 -1 -1 -1 CPI -0.16 -0.4 -0.72 -0.8 -0.8 -0.8 -0.8 CPX -0.8 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.5 -2

Ngâm hóa chất H2SO4

7 ngày 14 ngày 42 ngày 70 ngày 98 ngày 126 ngày 140 ngày CP01 -0.4 -0.5 -0.5 -0.55 -0.6 -0.65 -0.65 CP02 -0.6 -0.7 -0.7 -0.9 -1 -1 -1.1 CP03 -0.2 -0.2 -0.5 -0.6 -0.6 -0.6 -0.6 CPI -0.15 -0.2 -0.3 -0.45 -0.45 -0.5 -0.5 CPX -0.6 -0.7 -0.8 -0.9 -0.95 -1 -1.05

Ngâm hóa chất NaOH 7 ngày 14 ngày 42 ngày 70 ngày 98 ngày 126 ngày 140 ngày CP01 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.5 -1.6 -1.7 CP02 -1 -1 -1.3 -1.3 -1.3 -1.45 -1.6 CP03 -0.6 -1.1 -1.1 -1.2 -1.2 -1.4 -1.45 CPI -0.5 -0.85 -0.85 -0.95 -1 -1.1 -1.1 CPX -0.5 -0.75 -0.85 -0.85 -1 -1.1 -1.2

89

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140Phần

tră

m t

hay

đổi k

hối l

ượng

(%

)

Thời gian (ngày)

CP01 CP02 CP03 CPI CPX

(a) Sự thay đổi khối lượng theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch NaCl.

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140Phần

tră

m t

hay

đổi k

hối l

ượng

(%

)

Thời gian (ngày)

CP01 CP02 CP03 CPI CPX

(b) Sự thay đổi khối lượng theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch MgSO4.

90

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140Phần

tră

m t

hay

đổi k

hối l

ượng

(%

)

Thời gian (ngày)

CP01 CP02 CP03 CPI CPX

(c) Sự thay đổi khối lượng theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch HCl.

-1.1

-0.9

-0.7

-0.5

-0.3

-0.1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140Phần

tră

m t

hay

đổi k

hối l

ượng

(%

)

Thời gian (ngày)

CP01 CP02 CP03 CPI CPX

(d) Sự thay đổi khối lượng theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch H2SO4.

c (e) Sự thay đổi khối lượng theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch NaOH.

Hình 4.18. Sự thay đổi khối lượng theo thời gian ngâm mẫu trong các dung dịch

91

Kết quả ngâm mẫu trong các dung dịch được thể hiện ở Hình 4.18 cho thấy khi ngâm trong dung dịch NaCl (a), hầu hết các cấp phối đều có khối lượng tăng ít nhất là từ 0.4% trở lên. Trong 14 ngày đầu tiên, tất cả các cấp phối đều có sự gia tăng khối lượng đáng kể, điều đó cho thấy có sự tác động mạnh của hóa chất; sau đó khối lượng các mẫu có sự ổn định và giảm dần trong những ngày tiếp theo. Ở các cấp phối vữa xỉ - geopolymer có mức gia tăng khối lượng nhiều hơn cấp phối vữa geopolymer sử dụng cát CPI là do xỉ thép có khả năng liên kết mạnh với các ion clo (Cl-) để giữ lại trong thành phần khoáng. Từ đó làm giảm nồng độ clo tự do trong hóa chất thông qua phản ứng tạo muối Fridel. Các muối Fridel hình bên trong mẫu làm khối lượng mẫu tăng mạnh trong thời gian đầu.[25]

Cl- + Ca2+� CaCl2

CaCl2 + C3A + 10H2O � C3A.CaCl2.10H2O (Muối Fridel)

Riêng dung dịch MgSO4 (b) làm tăng khối lượng tất cả các cấp phối, nhiều nhất

ở cấp phối CP02 và CPX từ 1.4% đến 1.5% trong suốt thời gian ngâm. Kết quả này cũng

được giải thích bởi Frantisek Skvara về sự hòa tan mẫu trong môi trường muối Sunfat,

đặc biệt là muối Maigie Sulfate sẽ dẫn đến sự hình thành kết tủa Magnesium

alumosilicate bám trên bề mặt mẫu bền vững hơn các muối Natri Sulfate, làm khối lượng

mẫu tăng theo thời gian.

Khi ngâm trong dung dịch HCl (c) và H2SO4 (d), các cấp phối đều giảm khối

lượng. Trong đó, các mẫu đúc từ cấp phối CP02 có độ sụt giảm khối lượng nhiều hơn

CP01 và CP03, khoảng 1% trong dung dịch HCl và 1.5% trong dung dịch H2SO4. Do xỉ

thép có độ hút nước cao và trong thành phần cấp phối CP02 có hàm lượng xỉ thép nhiều

hơn hai cấp phối còn lại nên hỗn hợp vữa khi nhào trộn bị khô hơn, tính công tác khó.

Qua đó mẫu vữa của cấp phối CP02 có độ đặc chắc yếu hơn nên khả năng chống lại sự

xâm nhập của hóa chất cũng kém hơn. Kết quả này giống với nghiên cứu của X.J. Song[15]

khi mẫu có vết nứt hay độ đặc chắc kém, các ion góc Sunfat SO42- từ dung dịch axit sẽ

khuếch 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). Những tinh thể thạch cao gây ăn mòn một

92

phần bề mặt vật liệu Geopolymer nhưng cũng trở thành lớp phủ bảo vệ, gây ức chế quá

trình thâm nhập sâu hơn của ion Sunfat, hạn chế sự xuống cấp của vật liệu.

Khi ngâm trong dung dịch NaOH (e), các mẫu được đúc từ cấp phối CP03 có độ

sụt giảm khối lượng nhiều hơn hai cấp phối còn lại trong suốt quá trình ngâm, khoảng

1.8%. Các cấp phối CP01 và CP02 có mức độ sụt giảm khối lượng mạnh, khoảng 1%

trong 14 ngày đầu và dần ổn định ở những ngày tiếp theo.

4.5 Cường độ chịu nén của mẫu gạch theo thời gian ngâm trong các loại dung dịch

Kết quả thí nghiệm về cường độ chịu nén của mẫu gạch được đúc từ cấp phối CPG01 có tỷ lệ xỉ/tro là 1, dung dịch SS/SH là 1 với nồng độ của dung dịch SH là 10 mol được thể hiện ở bảng 4.5.

Bảng 4.5. Cường độ chịu nén của mẫu gạch theo thời gian ngâm

Mẫu gạch CPG01 0 ngày 7 ngày 14 ngày 42 ngày 70 ngày 98 ngày 126 ngày 140 ngày NaCl 17.612 19.278 20.965 21.699 22.978 23.311 23.202 23.065 MgSO4 17.612 20.161 22.376 23.786 24.176 24.595 24.39 24.382 HCl 17.612 17.905 18.356 18.817 18.997 17.927 16.423 15.101 H2SO4 17.612 18.213 18.996 20.33 20.601 20.489 20.334 20.171 NaOH 17.612 16.836 15.703 15.523 14.914 14.606 14.337 13.74

93

13

15

17

19

21

23

25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Cườ

ng đ

ộ ch

ịu n

én (

MPa

)

Thời gian (ngày)

NaCl MgSO4 HCl H2SO4 NaOH

Hình 4.19. Cường độ chịu nén mẫu gạch CPG01 theo thời gian ngâm các loại hóa chất.

Kết quả thí nghiệm cho thấy mẫu gạch được đúc vừa vữa xỉ - geopolymer có cường độ chịu nén tăng dần và ổn định trong các dung dịch NaCl, MgSO4, H2SO4 và giảm dần trong dung dịch HCl và NaOH. Trong môi trường muối MgSO4, mẫu gạch có mức độ phát triển cường độ chịu nén cao nhất, tăng hơn 30% trong suốt thời gian ngâm. Ở môi trường kiềm NaOH, mẫu gạch bị giảm cường độ nhiều hơn 20%, tuy vậy, không có mẫu nào hoàn toàn bị phá hoại trong suốt quá trình ngâm.

4.6 Độ thay đổi khối lượng của mẫu gạch theo thời gian ngâm trong các loại dung

dịch

Kết quả thí nghiệm về độ thay đổi khối lượng của mẫu gạch được đúc từ cấp phối vửa xỉ - geopolymer được thề hiện trong bảng 4.6.

Bảng 4.6. Độ thay đổi khối lượng (%) của mẫu gạch CPG01 theo thời gian ngâm trong các loại dung dịch.

Mẫu gạch CPG01 7 14 42 70 98 126 140 NaCl 1.49 1.761 1.626 1.355 0.813 0.745 0.745 MgSO4 1.626 1.761 1.761 1.761 1.897 1.897 1.897

94

HCl -0.677 -1.084 -1.355 -1.355 -1.49 -1.49 -1.49 H2SO4 -0.542 -0.677 -0.677 -0.745 -0.813 -0.88 -0.88 NaOH -1.084 -1.355 -1.626 -1.897 -2.032 -2.168 -2.303

-2.5-2

-1.5-1

-0.50

0.51

1.52

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140Phần

tră

m t

hay

đổi k

hối l

ượng

(%

)

Thời gian (ngày)

NaCl MgSO4 HCl H2SO4 NaOH

Hình 4.20. Độ thay đổi khối lượng của mẫu gạch CPG01 theo thời gian ngâm trong các loại hóa chất

Độ thay đổi khối lượng ở các mẫu gạch được đúc từ cấp phối vữa xỉ - geopolymer

có sự thể hiện rõ ràng khi hai dung dịch NaCl và MgSO4 làm tăng khối lượng mẫu, các

hóa chất còn lại làm giảm đáng kể khối lượng mẫu. Đối với dung dịch MgSO4, mẫu gạch

tăng khối lượng trong suốt quá trình ngâm do mẫu tác dụng với hóa chất tạo nên nhiều

kết tủa bám trên bề mặt mẫu cũng như các vết nứt trên mẫu, khiến khối lượng gia tăng

đáng kể. Ở môi trường axit, mẫu gạch có dấu hiện sụt giảm khối lượng nhưng ổn định

theo thời gian.

95

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

CỦA ĐỀ TÀI

5.1 Kết luận

Đề tài sử dụng nguồn nguyên vật liệu là phụ phẩm, phế phẩm từ các ngành công

nghiệp khác nhau như xỉ thép, tro bay và công nghệ geopolymer để sản suất gạch xỉ

geopolymer nhằm hoàn thiện và làm phong phú hơn về chủng loại gạch không nung hiện

nay. Sản phẩm tạo ra vừa có thể tận dụng tốt nguồn phế phẩm như tro bay và xỉ thép của

các ngành công nghiệp, vừa tiết kiệm nguyên vật liệu như cát, xi măng cũng như hạn chế

gây ô nhiễm môi trường vì đây là loại vật liệu không nung.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xác định độ bền của sản phẩm trong các môi

trường ăn mòn theo thời gian. Từ đó, đề tài hướng đến phát triển các sản phẩm mang

tính bền vững theo thời gian nhằm phục vụ cho các nhu cầu dài lâu của con người.

Từ kết quả nghiên cứu có thể rút ra những nhận xét và kết luận như sau:

� Cường độ chịu nén của vữa xỉ geopolymer trong đề tài này không cao hơn so

với vữa geopolymer sử dụng cát vàng do loại xỉ thép này có hàm lượng vôi cao

nhưng không tạo sự chênh lệch nhiều. Tuy nhiên, khi thay đổi tỉ lệ phối trộn

xỉ/tro trong các cấp phối thì cường độ có thể tăng cao hơn 24% ở cấp phối CP03

và giảm đi 10% ở cấp phối CP02 so với cấp phối CP01 ban đầu. Nguyên nhân

là do thành phần xỉ thép trong cấp phối có độ hút nước cao nên sẽ ảnh hưởng

đến tính công tác trong khi nhào trộn và đúc mẫu. Với cùng tỷ lệ dung dịch/tro

thì cấp phối CP02 có hàm lượng xỉ cao sẽ khô hơn trong quá trình nhào trộn,

dẫn đến độ đặc chắc kém và cường độ thấp hơn 10% so với CP01, cũng như dễ

bị ảnh hưởng từ các môi trường ăn mòn.

96

� Khả năng chống ăn mòn đối với các loại hóa chất cũng thể hiện rõ rệt khi thay

đổi các thành phần nguyên vật liệu trong cấp phối. Đối với các cấp phối có sử

dụng nguyên liệu xỉ thép, cường độ các mẫu có xu hướng được bảo toàn và phát

triển tốt khi cấp phối tạo ra có tính công tác tốt trong quá trình đúc mẫu vì có độ

đặc chắc cao, hạn chế được sự xâm nhập của các ion gây ăn mòn từ môi trường.

Cấp phối CP03 có thể tăng cường độ lên đến 29% trong môi trường muối

MgSO4. Ở cấp phối sử dụng cát, sự ảnh hưởng từ môi trường ăn mòn đã làm các

mẫu có xu hướng giảm cường độ sớm hơn (sau 42 ngày ngâm) so với các cấp

phối sử dụng xỉ thép. Riêng cấp phối sử dụng vữa xi măng có xu hướng giảm

cường độ ngay trong những ngày đầu ngâm mẫu.

� Cường độ vữa xỉ geopolymer có thể tăng tự nhiên sau khi dưỡng hộ nhiệt và

ngay khi được ngâm trong các môi trường ăn mòn. Cấp phối CP01 có cường độ

tăng hơn 38% ở môi trường muối MgSO4 suốt quá trình ngâm. Riêng trong môi

trường axit, cường độ của các cấp phối vữa xỉ geopolymer có thể tăng tự nhiên

15% (ở CP01) trong hơn 70 ngày ngâm mẫu.

� Môi trường kiềm vẫn tồn tại bên trong mẫu của các cấp phối vữa xỉ geopolymer

và giúp hạn chế sự xâm nhập bởi các hóa chất thông qua sự chỉ thị màu của dung

dịch phenolphtalein.

� Để hạn chế việc khai thác cát là nguồn nguyên liệu tự nhiên, hạn chế các vấn đề

sạt lở, xói mòn đất ven sông khu vực lấy cát thì có thể hoàn toàn thay thế cát

bằng xỉ thép để sản xuất gạch không nung sử dụng công nghệ geopolymer.

5.2 Hướng phát triển và đóng góp của đề tài

Kết quả thí nghiệm cho thấy sự phát triển về cường độ chịu nén cũng như độ thay

đổi khối lượng của mẫu vữa xỉ geopolymer trong các môi trường ăn mòn không chênh

lệch nhiều so với vữa geopolymer sử dụng cát và ít bị tác động hơn so với vữa xi măng.

97

Để có thể dự đoán nghiên cứu chuyên sâu hơn về những khả năng chống chịu trước

nhiều yếu tố tác động khác từ môi trường, đề tài có thể tiếp tục phát triển thêm về mảng

mô phỏng ăn mòn, có thể sử dụng thêm các chất hóa học gây ăn mòn khác nhau.

Ngoài ra có thể sử dụng các loại sản phẩm gạch không nung trên thị trường thử

nghiệm mức độ ăn mòn để có thể dễ dàng so sánh, đánh giá các loại gạch với nhau. Có

thể kết hợp so sánh với các loại vữa tô chống ăn mòn hay gạch chống ăn mòn cùng loại

trên thị trường.

Trong thành phần phối trộn cấp phối có thể thay đổi linh hoạt các nguồn nguyên

vật liệu khác như xỉ đen nguyên chất, gạch, đá bazan, …

Cần chú ý về khả năng làm việc và liên kết với các kết cấu khác trước, trong và sau

quá trình ăn mòn của sản phẩm để có cái nhìn trực quan hơn.

98

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Danh mục tài liệu điện tử

1. http://www.xaydung.gov.vn/en/trang-chi-tiet/-/tin-chi-

tiet/Z2jG/86/226447/thuc-trang-va-giai-phap-phat-trien-vat-lieu-gach-xay-

khong-nung.html

2. http://tnmtvinhphuc.gov.vn/index.php/vi/news/Moi-truong/Thuc-trang-o-nhiem-

moi-truong-do-hoat-dong-khai-thac-san-xuat-gach-ngoi-thu-cong-tren-dia-ban-

tinh-1779/

3. http://lcee.vn/tin-tuc/tin-moi/t107/hoi-thao-chuong-trinh-ho-tro-dau-tu-xanh-

cho-dn-gach-gom-vinh-long.html

4. http://phapluatxahoi.vn/giao-thong-do-thi/phu-tho-cong-ty-co-phan-cmc-san-

xuat-gach-gay-o-nhiem-moi-truong-110268

5. http://enternews.vn/phat-trien-gach-khong-nung-tu-khau-tieu-thu.html

6. https://vi.wikipedia.org/wiki/G%E1%BA%A1ch_kh%C3%B4ng_nung

7. https://sites.google.com/site/cosoepgachtantai/

8. http://dantri.com.vn/moi-truong/ruong-dong-nut-ne-lua-chay-kho-vi-han-man-

1430380014.htm

9. http://www.baodongnai.com.vn/tintuc/201501/nguoi-dan-lai-phat-hien-xa-nuoc-

thai-ra-moi-truong-2363593/

10. http://www.xaydung.gov.vn/vi/web/guest/trang-chi-tiet/-/tin-chi-

tiet/Z2jG/86/277458/phat-trien-vat-lieu-khong-nung-can-giai-phap-dong-bo-de-

phat-trien.html

Danh mục tài liệu tham khảo tiếng Anh và tiếng Việt

11. J.Davidovits, 1991, Geopolymers – Inorganic polymeric new materials, Journal

of Thermal Analysis and Calorimetry.

99

12. Hardjito, Djwantoro, 2005, Studies of fly ash-based geopolymer concrete.

Ph.D.Curtin University of Technology, Dept. of Civil Engineering.

13. Ali Allahverdi, Frantisek Skvara, 2005, Sulfuric acid attack on hardened paste of

Geopolymer cements – Part 1, Part 2.

14. Frantisek Skvara, Tomas Jilek, Lubomir Kopecky, 2005, Geopolymer materials

based on fly ash.

15. X.J.Song, M.Marosszeky, M.Brungs, R.Munn, 2005, Durability of fly ash based

Geopolymer concrete against sulfuric acid attack.

16. A.M.Mustafa Al Bakri, H.Kamarudin, M.Bnhussain, I Khairul Nuzar, W.I.W

Mastura, 2011, Mechanism and chemical reaction of Fly ash Geopolymer cement.

17. Pawel Mazur, Janusz Mikula, Jerzy S.Kowalski, 2013, The corrosion resistance

of the base Geopolymer fly ash.

18. L.Krishnan S.Karthikeyan, S.Nathiya, K.Suganya, 2014, Geopolymer concrete an

eco-friendly construction material.

19. B.Vijaya Rangan, 2014, Geopolymer concrete for environment protection.

20. Faiz U.A Shaikh, 2014, Effects of alkali solutions on corrosion durability of

geopolymer concrete.

21. Tống Tôn Kiên, Phạm Thị Vinh Lanh, Lê Trung Thành, Bê tông Geopolymer -

những thành tựu, tính chất và ứng dụng.

22. Nguyễn Văn Dũng, 2014, Nghiên cứu chế tạo bê tông Geopolymer từ tro bay.

23. Phan Đức Hùng, Lê Anh Tuấn, 2015, Ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến cường độ

của vữa Geopolymer.

24. Phan Đức Hùng, 2015, Xác định độ bền của bê tông geopolymer trong các môi

trường xâm thực.

25. Trần Văn Mền, Nguyễn Thị Hải Yến, Cao Nguyên Thi, 2012, Nghiên cứu đặc

tính thẩm thấu ion Clo của bê tông có sử dụng xỉ lò cao.

100

26. Ngọ Văn Toàn, 2014, Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cát mịn

và phụ gia khoáng hỗn hợp từ xỉ lò cao hoạt hóa và tro trấu.

27. Nguyễn Văn Chánh, Nguyễn Thị Thanh Hương, 2003, Nghiên cứu cơ chế phá

hủy cấu trúc bê tông trong môi trường xâm thực muối Sunfat.

28. Đồng Kim Hạnh, Dương Thị Thanh Hiền, 2013, Tình trạng ăn mòn bê tông cốt

thép và giải pháp chống ăn mòn cho công trình bê tông cốt thép trong môi trường

biển Việt Nam.

29. Khương Văn Huân, Lê Minh, Đặc điểm môi trường nước chua phèn gây ăn mòn

bê tông cốt thép công trình thủy lợi ở đồng bằng sông Cửu Long.

30. Huỳnh Thị Hạnh, Võ Đình Lương, Nguyễn Ngọc Thành, Đặng Thanh Kim Mai,

Nguyễn Hùng Thắng, Nguyễn Thị Ngọc Gương, Trần Hồng Minh, Trịnh Thị

Thanh Vân, Nghiên cứu giải pháp tăng cường độ bền vững của bê tông trong môi

trường ngập mặn Cần Giờ.

31. Đinh Anh Tuấn, Nguyễn Mạnh Trường, 2013, Thực trạng ăn mòn và phá hủy các

công trình bê tông cốt thép bảo vệ bờ biển ở Việt Nam.

32. Nguyễn Thanh Lộc, 2012, Ăn mòn vật liệu trong môi trường biển.

33. Trần Việt Liễn và cộng tác viên viện khí tượng thủy văn Hà Nội, 2014, Ăn mòn

khí quyển với bê tông và bê tông cốt thép vùng ven biển Việt Nam.

34. ASTM C618-94a, 1994, Immobilization of intermediate – level wastes in

Geopolymers.

35. J.Davidovits, 1999, The proceeding of Geopolymer 99.

36. Nguyễn Văn Tươi, Phạm Huy Khang, Nguyễn Văn Hướng, Tấn công sunfat và

ăn mòn clorua là những nhân tố chính đối với độ bền và tuổi thọ của công trình

bê tông cốt thép tồn tại trong môi trường biển.

37. Henki, 2015, effects of steel slag substitution in geopolymer concrete on

compressive strength and corrosion rate of steel reinforcement in seawater and an

rain eviroment.