Kết hợp cát biển, tro bay và xỉ lò cao chế tạo bê tông Geopolymer cho các CT thủy lợi (P2)

>> Kết hợp cát biển, tro bay và xỉ lò cao chế tạo bê tông Geopolymer cho các CT thủy lợi (P1)

3. Thiết kế bê tông geopolymer và kết quả thí nghiệm

3.1. Thiết kế thành phần bê tông Geopolymer

Thiết kế và lựa chọn thành phần các loại vật liệu của BT GPM như sau:

- Phụ gia khoáng (PGK) là tro bay (FA) và xỉ lò cao hoạt tính nghiền mịn (GBFS); 

- Dung dịch kiềm hoạt hóa (DD) được sử dụng trong thí nghiệm để kích hoạt quá trình geopolymer hóa. Dung dịch này là sự kết hợp giữa NaOH và Na₂SiO₃, tỷ lệ khối lượng dung dịch Na₂SiO₃/NaOH theo thiết kế.

Từ các vật liệu xây dựng đã thí nghiệm ở trên, dựa vào các lựa chọn về PGK và dung dịch kiềm hoạt hóa, tiến hành tính toán thành phần vật liệu cho các cấp phối bê tông khác nhau như ở trong Bảng 2.

Tiến hành trộn các mẫu bê tông Geopolymer thiết kế theo cấp phối ở Bảng 2, thí nghiệm kiểm tra tính công tác của các hỗn hợp bê tông (độ sụt, Sn). Khi các hỗn hợp bê tông đạt yêu cầu về tính công tác, tiếp tục đúc mẫu kiểm tra cường độ nén (R_n), mác chống thấm, độ bền axit và độ bền sunfat cho các cấp phối bê tông GPM sử dụng cát biển. Thay thế cát biển bằng cát tự nhiên, tiến hành các thí nghiệm tương tự để so sánh và đánh giá. 

3.2. Kết quả thí nghiệm độ sụt của hỗn hợp bê tông GPM

Trộn các hỗn hợp bê tông GPM với cấp phối đã thiết kế như trong Bảng 2, sử dụng nón cụt tiêu chuẩn thí nghiệm xác định độ sụt của các hỗn hợp bê tông (HHBT) theo tiêu chuẩn TCVN 3106:2007. Kết quả thí nghiệm độ sụt (Sn, cm) của các hỗn hợp bê tông thể hiện như trong Bảng 3.

Trong quá trình làm thí nghiệm, quan sát các hỗn hợp BT GPM sau khi trộn cũng thấy được độ đồng nhất của HHBT tươi rất tốt, không có hiện tượng phân tầng và không xuất hiện tách nước tại mép rìa ngoài của HHBT sau khi trộn và sau khi làm thí nghiệm kiểm tra độ sụt.

Nhận xét: Từ kết quả về độ sụt của các HHBT ở Bảng 3 nhận thấy, khi tỷ lệ dung dịch kiềm hoạt hóa và phụ gia khoáng tăng lên thì độ sụt của HHBT GPM sử dụng cát biển tăng lên, tăng từ 15,8 - 20,2 cm. Khi sử dụng cát tự nhiên, thì độ sụt tăng lên từ 19,2 - 23,8 cm tương ứng. Độ sụt của HHBT GPM sử dụng cát biển giảm từ 3,4 - 3,6 cm so với HHBT GPM sử dụng cát tự nhiên; tuy nhiên các cấp phối bê tông GPM thiết kế đều thỏa mãn yêu cầu về tính công tác cho bê tông thi công các công trình thủy lợi theo TCVN 8218:2009 (Bê tông thủy công - Yêu cầu kỹ thuật) và TCVN 9139:2012 (Công trình thủy lợi - Kết cấu bê tông, bê tông cốt thép vùng ven biển - Yêu cầu kỹ thuật). Điều này cho thấy, cát biển mịn hơn cát tự nhiên rất nhiều nên hút nước mạnh hơn (Mô đun độ lớn của cát biển M_đl = 1,85; còn cát tự nhiên M_đl = 2,62), sẽ làm cho độ sụt của HHBT sử dụng cát biển giảm mạnh. Sự có mặt của phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao gốc Polycarboxylate trong BT GPM sử dụng cát biển là rất cần thiết để duy trì độ sụt của HHBT trong quá trình thi công.

3.3. Kết quả thí nghiệm cường độ nén của bê tông GPM

Để kiểm tra cường độ nén của các cấp phối bê tông GPM, tiến hành đúc các tổ mẫu thí nghiệm được chế tạo theo TCVN 3105:1993, các mẫu bê tông sau khi đúc sẽ được tháo khuôn, bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn cho đến khi mẫu đủ ngày tuổi thí nghiệm; thí nghiệm kiểm tra cường độ nén của các cấp phối bê tông GPM ở 28 ngày tuổi. Kết quả thí nghiệm cường độ nén ở 28 ngày tuổi của các cấp phối bê tông GPM thiết kế với cát biển và cát tự nhiên như trong Bảng 4 và Hình 1.

Nhận xét: Từ kết quả thí nghiệm cường độ nén của các cấp phối BT GPM thiết kế nhận thấy: tất cả các cấp phối BT GPM thiết kế có cường độ nén ở tuổi 28 ngày đều đạt mác trên 30 ÷ 60 MPa, mác BT GPM thiết kế phù hợp với một số mác bê tông thi công cho các công trình thủy lợi và các công trình vùng biển. 

Cường độ nén của các mẫu BT GPM chế tạo bằng cát biển giảm từ 6 - 15% so với các mẫu BT GPM chế tạo bằng cát tự nhiên, sự giảm cường độ nén như vậy cũng không phải là chênh lệnh quá nhiều khi thay thế cát biển bằng cát tự nhiên để chế tạo BT GPM. Như vậy, việc thay thế cát biển bằng cát tự nhiên để chế tạo BT GPM là khả thi.

3.4. Kết quả thí nghiệm mác chống thấm của bê tông GPM

Các mẫu bê tông thí nghiệm mác chống thấm được chuẩn bị và thí nghiệm theo TCVN 3116:2007. Tiến hành đúc 06 mẫu kích thước (D15xH15)cm cho mỗi cấp phối bê tông GPM thiết kế, các mẫu bê tông sau khi đúc được tháo khuôn và bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn cho đến khi mẫu đủ 28 ngày tuổi, sau đó tiến hành kiểm tra mác chống thấm.

Kết quả thí nghiệm mác chống thấm của các cấp phối bê tông GPM thiết kế sau 28 ngày tuổi được thể hiện trong Bảng 5.

Về mác chống thấm thì cả 2 loại BT GPM chế tạo bằng cát biển và cát tự nhiên đều đạt mác chống thấm rất cao từ W12 - W16. Tất cả các mẫu BT GPM thiết kế đều vượt mác chống thấm yêu cầu của bê tông dùng cho các công trình thủy lợi (TCVN 8218:2009, Bê tông thủy công - Yêu cầu kỹ thuật và TCVN 9139:2012, Công trình thủy lợi - Kết cấu bê tông, bê tông cốt thép vùng ven biển - Yêu cầu kỹ thuật). 

Từ kết quả thí nghiệm ở Bảng 5 và so sánh với một số nghiên cứu về mác chống thấm của bê tông cùng mác thiết kế sử dụng 100% là xi măng [10], nhận thấy: mác chống thấm của BT GPM cao hơn mác chống thấm của bê tông sử dụng xi măng truyền thống cùng mác từ 2 - 3 cấp (mỗi cấp 2at). Điều này cho thấy, mặt tiếp xúc giữa chất kết dính Geopolymer và cốt liệu trong bê tông Geopolymer là bền chắc và đặc xít hơn so với bê tông xi măng. Đối với BT GPM sử dụng PGK tro bay và xỉ lò cao hoạt hóa, đặc điểm của ranh giới giữa chất kết dính Geopolymer và cốt liệu là không có vùng chuyển tiếp, do đó BT GPM có các tính chất cơ học và độ bền tốt hơn bê tông xi măng thông thường, điều này cũng phù hợp với cường độ nén của bê tông thí nghiệm được tương ứng.

Khi thiết kế thành phần bê tông GPM với hàm lượng pha trộn phụ gia khoáng và dung dịch hoạt hóa, kết hợp phụ gia siêu dẻo giảm nước hợp lý sẽ được một loại bê tông GPM có mác chống thấm rất cao, điều này cho thấy bê tông GPM thiết kế có độ đặc chắc rất cao. Với các mác chống thấm cao như vậy thì BT GPM thiết kế có thể sử dụng cho một số công trình Thủy lợi vùng biển có yêu cầu cao về chống thấm, chống xâm thực.

3.5. Hiệu quả ứng dụng BT Geopolymer cho các công trình thủy lợi

Một trong những nguyên nhân gây ra hư hỏng cho các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép công trình thủy lợi đó là sự thấm nước qua bê tông. Do đặc điểm của công trình thủy lợi là có một bộ phận hoặc toàn bộ công trình thường xuyên, hoặc không thường xuyên tiếp xúc với nước. Trong môi trường nước có thể có chứa các tác nhân ăn mòn bê tông như CO₂; SO4^-2 ; Ca⁺²; Mg⁺²; NH₃… nếu như bê tông có chất lượng tốt, đặc chắc, ít lỗ rỗng, khả năng chống thấm nước cao thì nước khó có thể thấm vào bên trong kết cấu, không gây ra hiện tượng ăn mòn và phá hủy cốt thép; ngược lại, khả năng chống thấm nước thấp, nước sẽ thấm vào bê tông, với những tác nhân ăn mòn trong nước làm rỉ cốt thép, nở thể tích gây nứt vỡ kết cấu bê tông, khi đó hiện tượng xâm thực xảy ra có nguy cơ phá vỡ kết cấu và làm suy giảm cường độ cũng như tính bền của công trình.

Một số dạng phá hủy các công trình bê tông và bê tông cốt thép thường xuyên làm việc trong môi trường nước là hiện tượng xâm thực hóa học, xâm thực cơ học, xâm thực vi sinh vật và xâm thực của ion Clo (Cl^-). 

Để khắc phục sự phá hoại bê tông và bê tông cốt thép các công trình thủy lợi có nhiều giải pháp khác nhau, tuy nhiên tùy vào từng hạng mục công trình và điều kiện làm việc của các công trình khác nhau, sẽ đưa ra các giải pháp hạn chế xâm thực và phá hoại các kết cấu bê tông. Một trong các giải pháp ngay từ đầu là lựa chọn loại bê tông thích hợp với từng hạng mục công trình, sau đó tính toán và thiết kế cấp phối một cách hợp lý. 

Thiết kế và sử dụng bê tông GPM với các loại phụ gia khoáng gồm tro bay và xỉ lò cao hoạt tính được kích hoạt bằng chất hoạt hóa gồm (Na₂SiO₃ và NaOH) là một ý tưởng cần được quan tâm trong xây dựng công trình nói chung và ứng dụng cho các công trình thủy lợi nói riêng. Đây là giải pháp mới hiệu quả, giúp tăng cường độ kéo uốn cho bê tông, tăng độ đặc chắc, tăng độ bền cho bê tông; bê tông Geopolymer chế tạo có khả năng chịu va đập và chống nứt tốt, mác chống thấm cao, bê tông có khả năng chống xâm thực tốt khi làm việc trong môi trường nước có các tác nhân xâm thực mạnh như môi trường nước biển, môi trường nước thải của các khu công nghiệp, môi trường chứa axit, môi trường sulfat… 

Với các công trình thủy lợi thường xuyên làm việc trong môi trường nước, thường xuyên chịu áp lực nước, đặc biệt là các công trình ven biển thì các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép luôn chịu tác động của môi trường xâm thực khắc nghiệt. Vì vậy, nếu ứng dụng BT GPM trong xây dựng cho các công trình thủy lợi sẽ có những tác dụng tích cực, vì BT GPM bền sunfat, bền axit, không gây trương nở.

a. Bê tông Geopolymer bền Axit

Nghiên cứu về độ bền của các mẫu BT GPM ngâm trong dung dịch axit Sulfuric (H₂SO₄) nồng độ 0,5%; 1% và 2%. Sau một năm, bề mặt mẫu bị ăn mòn tăng lên khi nồng độ dung dịch axit càng tăng. Quan sát các mẫu thí nghiệm thấy hiện tượng ăn mòn chỉ xảy ra ở lớp vỏ bên ngoài khoảng 3 ÷ 9 mm đối với mẫu trụ (D10 x H20) cm. Sự mất mát khối lượng tối đa của mẫu thử thu được là khoảng 2,5 ÷ 3,5% sau 1 năm, kết quả này là tương đối nhỏ so với bê tông xi măng poóclăng. Sự sụt giảm về cường độ nén cũng phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch axit và thời gian tiếp xúc.

Các kết quả nghiên cứu trước đây cho thấy vật liệu Geopolymer kháng axit tốt hơn so với xi măng Poóclăng [3]. Tính chất vượt trội này là do lượng Canxi (Ca⁺²) trong BT GPM thấp hơn rất nhiều so với bê tông xi măng Poóclăng, do đó có thể ứng dụng BT GPM cho các công trình có yêu cầu độ bền cao, các công trình chịu các tác nhân ăn mòn của môi trường nước có chứa nhiều các loại axit như cống dẫn nước, các công trình ngầm, đập ngăn nước, các công trình vùng biển, các khu nuôi trồng thủy sản...

b. Bê tông Geopolymer bền Sunfat

Để nghiên cứu về độ bền Sunfat của các mẫu BT GPM được ngâm trong dung dịch Na₂SO₄ 5% trong thời gian một năm. Hình ảnh trực quan của các mẫu sau khi ngâm không có bất kỳ dấu hiệu của sự xói mòn bề mặt, nứt hoặc nứt vỡ. Các thử nghiệm cũng cho thấy không có sự thay đổi đáng kể trong khối lượng và cường độ nén của các mẫu thử trong các thời điểm tiếp xúc khác nhau sau một năm ngâm mẫu. Sự thay đổi chiều dài mẫu là rất nhỏ và ít hơn 0,012% đến 0,015%. Kết quả này cũng phù hợp với một số nghiên cứu của các tác giả ở nước ngoài [4, 5].

Sự suy thoái của bê tông xi măng Poóclăng chịu xâm thực Sunfat là do sự hình thành của thạch cao (CaSO₄.2H₂O) và Ettrigite (3CaO.Al₂O₃. 3CaSO₄.31H₂O) gây ra giãn nở dẫn đến nứt, nứt vỡ bên trong làm giảm cường độ và độ bền cơ học của bê tông. Bê tông Geopolymer rất ít canxi (Ca⁺²) trải qua một cơ chế khác hoàn toàn so với bê tông xi măng Poóclăng do sản phẩm của quá trình Geopolymer hóa khác với sản phẩm của quá trình thủy hóa. Không có thạch cao hay Ettrigite hình thành trong sản phẩm của quá trình Geopolymer hóa, do đó không có cơ chế của sự tác dụng Sunfat vào bê tông Geopolymer. Vì vậy, BT GPM bền trong môi trường Sunfat, rất phù hợp thi công các công trình thủy lợi và công trình vùng biển.

4. Kết luận

Trong đề tài đã sử dụng phụ gia khoáng là tro bay và xỉ lò cao hoạt tính, dung dịch hoạt hóa (dung dịch NaOH và Na₂SiO₃), kết hợp phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao gốc Polycarboxylate để chế tạo BT GPM cát biển và cát tự nhiên đạt mác bê tông thiết kế trên 30 ÷ 60 MPa. Khi sử dụng cát biển thay thế cát tự nhiên chế tạo BT GPM thì cường độ nén của BT GPM cát biển giảm từ 6 - 15% so với BT GPM sử dụng cát tự nhiên. Mác chống thấm thì tương đương nhau, đều đạt từ W12 - W14. Tất cả các mác bê tông GPM thỏa mãn yêu cầu thi công cho một số công trình thủy lợi và công trình vùng biển.

Qua đó cho thấy, việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng cát biển thay thế cát tự nhiên để sản xuất BT GPM là rất cần thiết ở vùng ven biển có nguồn cát biển dồi dào. Khi sử dụng loại cát biển này trong chế tạo BT GPM sẽ có thêm nguồn cốt liệu mịn đa dạng, tận dụng được tài nguyên thiên nhiên sẵn có tại chỗ, giải quyết một phần khan hiếm về cát dùng cho bê tông hiện nay và về lâu dài, cần được nghiên cứu và đưa vào thử nghiệm với các công trình thực tế.

BT GPM có mác chống thấm cao, tính bền axit và bền sunfat, phù hợp thi công một số công trình thủy lợi và công trình vùng biển (giới hạn cho một số hạng mục công trình không có cốt thép hoặc ít cốt thép) thường xuyên làm việc trong môi trường nước, chịu các tác nhân của hiện tượng xâm thực mạnh. Trong thiết kế BT GPM cần thiết phải điều chỉnh hàm lượng PGK, dung dịch hoạt hóa và phụ gia siêu dẻo giảm nước hợp lý để đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật theo yêu cầu.
 
Tài liệu tham khảo

1. Davidovits. J (2011), Geopolymer Chemistry and Application, 3 rd edition, Geopolymer Institute.

2. Feng Rao, Qi Liu, (2015), Geopolymerization and Its Potential Application in Mine Tailings Consolidation: A Review, Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review 36.

3. J. T. Gourley and G. B. Johnson (2005), “Developments in Geopolymer Precast Concrete”. Paper presented at the International Workshop on Geopolymers and Geopolymer Concrete, Perth, Australia.

4. Palomoa, P. Krivenkob, I. Garcia-Lodeiroa, E. Kavalerovab (2014), A review on alkaline activation: New analytical perspectives Materiales de construccion, vol 64, No 315.

5. S.E. Wallah and B.V. Rangan (2006), “Low calcium fly ash based geo-polymer concrete: Long term properties, Research report GC2”. Curtin University of Technology, Australia.

6. S.V. Joshi and M.S. Kadu (2012), “Role of akaline activator in development of Eco-friendly fly ash based Geopolymer Concrete”, International Journal of Enviromental Science and Development, vol.3 (5), pp. 417- 421.

7. Sarker. P., A (2008), Constitutive model for fly ash based Geopolymer concrete. Architecture Civil Engineering Environment.

8. Turner. L. K and Collins. F. G (2013), Carbon dioxide equivalent (CO2-e) emissions: A comparison between geopolymer and OPC cement concrete, Construction and Building Materials, vol.43, pp. 125-130.

9. XU. H, Van Deventer. J.S.J (2000), the geopolymerisation of alumino-silicate minerals, International Journal of Mineral Processing, vol.59, pp. 247-266.

10. Nguyễn Quang Phú, Cao Đức Việt, Hoàng Phó Uyên (2010), Nghiên cứu xác định mối quan hệ mác chống thấm W và hệ số thấm K của bê tông truyền thống dùng trong các công trình thủy lợi. Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, số tháng 9/2010.

ximang.vn (TH/ Tạp chí KHCNXD)