Thành phần và vi cấu trúc của chất kết dính sử dụng xi măng poóc lăng, tro bay ở nhiệt độ cao (P1)
Trong nghiên cứu này, xi măng poóc lăng (PC) được thay thế bởi tro bay (FA) với hàm lượng 0, 20, 25, 30 và 35% theo khối lượng. Mẫu chất kết dính được nhào trộn và đúc trong khuôn kích thước 20×20×20 mm. Sau khi chế tạo, mẫu được chưng hấp trong 4 giờ. Tiếp theo, mẫu được sấy ở 100°C trong 24 giờ và đốt nóng tới 200, 400, 600 và 800°C trong 2 giờ với tốc độ không quá 5°C/phút. Sau đó, mẫu được làm nguội, các tính chất như độ co ngót và cường độ nén được xác định. Kết quả cho thấy PC được thay thế 25,2% FA cho các tính chất được cải thiện tốt nhất ở 800°C.
>> Thành phần và vi cấu trúc của chất kết dính sử dụng xi măng poóc lăng, tro bay ở nhiệt độ cao (P2)
1. Đặt vấn đề
Ở nhiệt độ cao, thành phần và tính chất của bê tông xi măng thay đổi dẫn đến mất khả năng làm việc [1-4]. Nghiên cứu ảnh hưởng của các phụ gia khoáng mịn như silica fume, tro bay, xỉ lò cao, đá bọt và mêta cao lanh đến sự gia tăng tính chất cơ học, vật lý, độ bền và khả năng làm việc của vữa, bê tông xi măng ở nhiệt độ cao được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm [5-8]. Lợi ích của các phụ gia khoáng trên là tạo ra phản ứng với thành phần calcium hydroxide (CH) tạo ra trong quá trình thủy hóa của xi măng. Tác hại của CH trước hết là các vết nứt tế vi xuất hiện trong khu vực tập trung của CH ở khoảng 300°C [2]. Sự tách nước của CH tạo ra CaO dẫn đến hiện tượng giãn nở gây phá hủy cấu trúc của mẫu khi gặp môi trường ẩm [9].
Tro bay (FA) là sản phẩm phụ của nhà máy nhiệt điện, có độ mịn khoảng 1500÷2000 cm2/g với thành phần khoáng chủ yếu là pha thủy tinh, ngoài ra còn chứa lượng than chưa cháy và một lượng nhỏ pha tinh thể [10]. Hiện nay, trữ lượng tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam tồn đọng rất lớn. Với khoảng gần 30 nhà máy, mỗi năm thải ra khoảng 18 triệu tấn tro xỉ nhưng mới chỉ ước tính xử lý được khoảng 30% khối lượng [11]. Do đó, việc sử dụng FA làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng đã và đang trở thành vấn đề cấp bách.
1. Đặt vấn đề
Ở nhiệt độ cao, thành phần và tính chất của bê tông xi măng thay đổi dẫn đến mất khả năng làm việc [1-4]. Nghiên cứu ảnh hưởng của các phụ gia khoáng mịn như silica fume, tro bay, xỉ lò cao, đá bọt và mêta cao lanh đến sự gia tăng tính chất cơ học, vật lý, độ bền và khả năng làm việc của vữa, bê tông xi măng ở nhiệt độ cao được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm [5-8]. Lợi ích của các phụ gia khoáng trên là tạo ra phản ứng với thành phần calcium hydroxide (CH) tạo ra trong quá trình thủy hóa của xi măng. Tác hại của CH trước hết là các vết nứt tế vi xuất hiện trong khu vực tập trung của CH ở khoảng 300°C [2]. Sự tách nước của CH tạo ra CaO dẫn đến hiện tượng giãn nở gây phá hủy cấu trúc của mẫu khi gặp môi trường ẩm [9].
Tro bay (FA) là sản phẩm phụ của nhà máy nhiệt điện, có độ mịn khoảng 1500÷2000 cm2/g với thành phần khoáng chủ yếu là pha thủy tinh, ngoài ra còn chứa lượng than chưa cháy và một lượng nhỏ pha tinh thể [10]. Hiện nay, trữ lượng tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam tồn đọng rất lớn. Với khoảng gần 30 nhà máy, mỗi năm thải ra khoảng 18 triệu tấn tro xỉ nhưng mới chỉ ước tính xử lý được khoảng 30% khối lượng [11]. Do đó, việc sử dụng FA làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng đã và đang trở thành vấn đề cấp bách.
Khi nghiên cứu về ảnh hưởng của FA đến tính chất của xi măng poóc lăng (PC) và bê tông ở nhiệt độ cao, một số tác giả cho rằng FA cải thiện cường độ còn lại của đá xi măng và cải thiện đáng kể ở nhiệt độ trên 300°C [12]. Tác giả Yigang và cs. [13] nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng FA đến các tính chất của bê tông ở nhiệt độ cao. Kết quả cho thấy, mẫu bê tông sử dụng FA có chất lượng tốt hơn mẫu bê tông sử dụng PC ở nhiệt độ 650°C. Bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu đá bọt với FA thay thế xi măng 30% cho cường độ cao nhất trong khoảng 20÷800°C là nghiên cứu của tác giả Tanyildizi [14]. Ở 800°C, bê tông có cường độ nén so với ở 20°C là 42,15% và cường độ kéo là 43,15%. Một số tác giả đã nghiên cứu khả năng chịu nhiệt của sản phẩm khi sử dụng FA với hàm lượng lớn thay thế xi măng. Aydin [15] cho rằng FA thay thế 60% PC (theo khối lượng) cho vữa cốt liệu đá bọt có khả năng chịu nhiệt tốt nhất.
Sử dụng FA trong chất kết dính bao gồm xi măng ở nhiệt độ cao xảy ra những biến đổi về thành phần hóa lý và vi cấu trúc. Tác giả Tanyildizi [14] cho rằng FA ngăn cản sự giảm cường độ của bê tông ở nhiệt độ cao do hiệu quả của phản ứng puzolanic. Nghiên cứu sử dụng FA (chiếm 9% so với tổng thể tích vữa) chế tạo vữa, tác giả Terzíc [16] cho thấy ở 1300°C vữa có cường độ nén 8MPa, còn khoảng 93% so với ở nhiệt độ thường, khối lượng thể tích còn khoảng 96,6% so với nhiệt độ thường. Phân tích XRD mẫu ở 1300°C, xuất hiện các khoáng chịu nhiệt gehlenite và rankinite. Gần đây, tác giả Rashad [17] công bố kết quả nghiên cứu về bê tông làm việc ở khoảng 400÷1000°C khi thay thế xi măng đến 70% FA (theo khối lượng). Ở 400°C, mẫu có cường độ nén cao nhất do trong mẫu có các sản phẩm thủy hóa bao gồm khoáng tobermorite (5CaO.6 SiO2.xH2O), nó vững chắc hơn khoáng calcium silicate hydrate (C-S-H) gấp 2÷3 lần. Ở 800°C mẫu có hàm lượng khoáng mulite cao hơn ở 1000°C.
Sử dụng vật liệu có sẵn ở Việt Nam, bài báo nghiên cứu xác định tỷ lệ thích hợp của PC và FA sử dụng làm chất kết dính cho bê tông chịu nhiệt làm việc ở 800°C. Ngoài ra, những biến đổi hóa lý, vi cấu trúc của đá chất kết dính cũng được thể hiện trong bài báo này.
2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1. Vật liệu
PC và FA trong nghiên cứu là xi măng PC40 Sông Gianh và tro bay nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 2. Thành phần hóa của các vật liệu được đưa ra ở Bảng 1. Xi măng có các tính chất cơ lý thể hiện trong Bảng 2, thỏa mãn TCVN 2682:2009 [18], FA trong nghiên cứu thuộc loại F [19] phù hợp làm phụ gia khoáng cho vữa và bê tông, có một số tính chất thể hiện ở Bảng 3.
Phương pháp nghiên cứu
Các mẫu chất kết dính được chuẩn bị từ PC, FA và nước theo các tỷ lệ như ở Bảng 4. Nước nhào trộn là nước tiêu chuẩn của hỗn hợp chất kết dính (Ntc) được xác định theo TCVN 6017:2015 [21].
Sau khi định lượng hỗn hợp chất kết dính, tiến hành nhào trộn và đúc mẫu trong khuôn 20×20×20 mm. Bảo dưỡng mẫu bằng cách để khuôn mẫu trong điều kiện 27 ± 2°C, độ ẩm không nhỏ hơn 95% trong 20 h rồi tháo mẫu và đem chưng hấp (nhiệt độ 100°C với thời gian 4h kể từ khi sôi. Tiếp theo, mẫu được sấy ở 100°C trong 24h và được đưa vào lò điện nung ở 200, 400, 600 và 800°C với tốc độ nâng nhiệt không quá 5 °C/ph, thời gian hằng nhiệt là 2h. Sau đó, mẫu được làm nguội đến nhiệt độ phòng với tốc độ không lớn hơn 1°C/ph và được xác định các chỉ tiêu là độ co ngót và cường độ nén.
Để xác định giá trị độ co ngót của các mẫu chất kết dính ở các cấp nhiệt độ, sử dụng phương pháp đo. Thể tích mẫu tính bằng giá trị trung bình của 3 lần đo kích thước tương ứng 3 vị trí theo 3 phương của mẫu. Giá trị độ co thể tích của mẫu (Cv,%) được xác định theo công thức (1). Trong đó, Vo là thể tích của mẫu ở 25°C là nhiệt độ phòng sau dưỡng hộ (cm3); V1 là thể tích của mẫu sau khi gia nhiệt sấy hoặc nung (cm3). Độ co dài của mẫu (Cl,%) được tính toán theo Cv, thể hiện trong công thức (2).
Giá trị cường độ nén (Rch, MPa) được xác định sau khi mẫu được đốt nóng và làm nguội đến nhiệt độ phòng, tính theo công thức (3). Trong đó: P là tải trọng nén (kN), F là diện tích chịu nén (cm2). Sự suy giảm cường độ nén (Rn giảm,%) được tính theo công thức (4). Trong đó, Rtn là cường độ nén của mẫu ở các cấp nhiệt độ, R100n là cường độ nén của mẫu ở 100°C.
Để tìm mối quan hệ thống kê giữa giữa cường độ nén và hàm lượng phụ gia khoáng để dự đoán cường độ nén ở 800°C cũng như tìm hàm lượng phụ gia khoáng hợp lý ở khoảng nhiệt độ này, phân tích hồi quy phi tuyến tính đơn giản với biến phụ thuộc là cường độ nén và một biến độc lập là hàm lượng phụ gia khoáng được áp dụng. Sử dụng công cụ là phần mềm Matlab 2016 và phân tích phương sai đánh giá độ tin cậy của mô hình.
Ngoài ra, bài báo còn thể hiện kết quả nghiên cứu mất khối lượng của mẫu theo nhiệt độ bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng, vi cấu trúc của mẫu bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng và phân tích Rơnghen. Phân tích nhiệt (TGA, STA 6000), các mẫu được đo trong môi trường oxy đến 900°C với tốc độ gia nhiệt 10°C/ph. Mẫu sau khi gia công, ngừng quá trình hydrat bằng cách bổ sung isopropanol. Các khoáng tinh thể trong mẫu được phát hiện bởi phương pháp phân tích Rơnghen (XRD, Rigaku SmartLab) sử dụng bức xạ Cu, Kα (λ = 0,154 nm) với hiệu điện thế 40 kV, góc quét 2θ từ 10÷80°.
Tài liệu tham khảo
[1] Krishna, D. A., Priyadarsini, R. S., Narayanan, S. (2019). Effect of Elevated Temperatures on the Mechanical Properties of Concrete. Structural Integrity, 14:384–394.
[2] Arioz, O. (2007). Effects of elevated temperatures on properties of concrete. Fire Safety Journal, 42(8): 516-522.
[3] Hager, I. (2013). Behaviour of cement concrete at high temperature. Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences, 61(1):145-154.
[4] Do, T. P., Lam, N., Vu, M. D. (2020). Study on particle size distribution of aggregate from coal ash for heat-resistant concrete. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 869:032044.
[5] Yazıcı,S., Sezer, G.I., S¸engul, H. (2012). The effect of high temperature on the compressive strength of mortars. Construction and Building Materials, 35:97-100.
[6] Nadeem, A., Memon, S. A., Lo, T. Y. (2014). The performance of Fly ash and Metakaolin concrete at elevated temperatures. Construction and Building Materials, 62:67-76.
[7] Do, T. P., Lam, N., Vu, M. D. (2020). Effect of temperature on the physico-mechanical and microstructure properties of cement pastes containing fly ash and silica fume. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 869:032045.
[8] Lam, N. N. (2020). Heat resistant mortar using Portland cement and waste clay bricks. CIGOS 2019, Innovation for Sustainable Infrastructure, Springer, 549-554.
[9] Remnev, V. V. (1996). Heat-resistant properties of cement stone with finely milled refractory additives. Refractories and Industrial Ceramics, 37(5):151-152.
[10] Tung, T. H. (2017). Phát triển bền vững vật liệu xây dựng trong điều kiện biến đổi khí hậu Việt Nam, phần 2 “Sử dụng phế thải công nghiệp trong sản xuất xi măng và bê tông”. Bài giảng môn học ngành Kỹ thuật vật liệu, Đại học Xây dựng Hà Nội.
[11] Viện Vật liệu xây dựng (2020). Hội thảo chuyên đề “Tro xỉ nhiệt điện, xu hướng trong sản xuất vật liệu xây dựng nói chung và làm nguyên liệu sản xuất clanhke xi măng nói riêng”.
[12] Grainger, B. N. Concrete at high temperatures. Central Electricity Research Laboratories, UK.
[13] Yigang, X., Wong, Y. L., Poon, C.-S. (2000). Damage to PFA concrete subject to high temperatures. Proceedings of International Symposium on High Performance Concrete-Workability, Strength and Durability, 1093-1100.
[14] Tanyildizi, H., Coskun, A. (2008). The effect of high temperature on compressive strength and splitting tensile strength of structural lightweight concrete containing fly ash. Construction and Building Materials, 22(11):2269-2275.
[15] Aydın, S., Baradan, B. (2007). Effect of pumice and fly ash incorporation on high temperature resistance of cement based mortars. Cement and Concrete Research, 37(6):988-995.
[16] Terzic, A., Pavlovi'c, L., Radojevi'c, Z., Pavlovi'c, V., Miti'c, V. (2013). Novel Utilization of Fly Ash for High-Temperature Mortars: Phase Composition, Microstructure and Performances Correlation. International Journal of Applied Ceramic Technology, 12(1):133-146.
[17] Rashad, A. M. (2015). An investigation of high-volume fly ash concrete blended with slag subjected to elevated temperatures. Journal of Cleaner Production, 93:47-55.
[18] TCVN 2682:2009. Xi măng poóc lăng - Yêu cầu kỹ thuật. Bộ Khoa học và Công nghệ.
[19] TCVN 10302:2014. Phụ gia khoáng hoạt tính - Tro bay cho bê tông, vữa và xi măng. Bộ Khoa học và Công nghệ.
[20] TCVN 6016:2011. Xi măng - Phương pháp thử - Xác định cường độ. Bộ Khoa học và Công nghệ.
[21] TCVN 6017:2015. Xi măng - Phương pháp xác định thời gian đông kết và độ ổn định thể tích. Bộ Khoa học và Công nghệ.
[22] TCVN 4030:2003. Xi măng - Phương pháp xác định độ mịn. Bộ Khoa học và Công nghệ.
[23] TCVN 7572-6:2006. Cốt liệu cho bê tông và vữa - Phương pháp thử Phần 6: Xác định khối lượng thể tích xốp và độ hổng. Bộ Khoa học và Công nghệ.
[24] TCVN 7572-7:2006. Cốt liệu cho bê tông và vữa-Phương pháp thử Phần 7: Xác định độ ẩm. Bộ Khoa học và Công nghệ.
[25] Hilsdorf, H. K. (1967). A method to estimate the water content of concrete shields. Nuclear Engineering and Design, 6(3):251–263.
[26] Alonso, C., Fernandez, L. (2004). Dehydration and rehydration processes of cement paste exposed to high temperature environments. Journal of Materials Science, 39(9):3015-3024.
[27] Heikal, M. (2008). Effect of elevated temperature on the physico-mechanical and microstructural properties of blended cement pastes. Building Research Journal, 56(2):157–172.
[28] Rehsi, S. S., Garg, S. K. (1976). Heat resistance of Portland fly ash cement. Cement, 4(2):14-16.
[29] Phuong, D. T., Tri, L. V., Duc, V. M., Hoa, N. N. (2018). Chất kết dính chịu nhiệt sử dụng tro bay. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đaị học Đà Nẵng, 5(126):51–55.
[30] Ninh, C. T. H., Đức, V. M. (2015). Nghiên cứu chế tạo chất kết dính chịu nhiệt dùng xi măng pooc lăng hỗn hợp với phụ gia phế thải tro bay nhiệt điện. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXDHN, 9(2):52–58.
ximang.vn (TH/ Tạp chí KHCNXD)
