Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu bê tông chịu nhiệt sử dụng tro xỉ và phụ gia khoáng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu bê tông chịu nhiệt từ cốt liệu tro xỉ nhiệt điện và phụ gia khoáng mịn, ứng dụng trong xây dựng bền vững.

• Tác giả: Đỗ Thị Phượng
• Người hướng dẫn: PGS. Vũ Minh Đức
• Trường học: Trường Đại học Xây dựng Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Bê Tông Chịu Nhiệt Từ Tro Xỉ Nhiệt Điện Và Phụ Gia Khoáng
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT
• 3. CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT
• 4. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 5. NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA CKDCN SỬ DỤNG TRO BAY, BỘT NGÓI VÀ SILICA FUME
• 6. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Tóm tắt

I. Giới thiệu về bê tông chịu nhiệt

Bê tông chịu nhiệt (bê tông chịu nhiệt) là loại vật liệu xây dựng đặc biệt, được hình thành từ hỗn hợp chất kết dính, cốt liệu và phụ gia, có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao. Loại bê tông này được sử dụng rộng rãi trong các công trình công nghiệp như lò nung, ống khói và các cấu kiện chịu nhiệt khác. Việc sử dụng bê tông chịu nhiệt mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng thi công nhanh chóng và tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên, bê tông chịu nhiệt cũng gặp phải một số nhược điểm như độ co ngót lớn và tính toán cấp phối phức tạp. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các loại bê tông chịu nhiệt mới, sử dụng các nguyên liệu sẵn có trong nước như tro xỉ nhiệt điện, là rất cần thiết.

1.1. Tính chất của bê tông chịu nhiệt

Bê tông chịu nhiệt có nhiều tính chất nổi bật, bao gồm khả năng chịu nhiệt độ cao, độ bền cơ học tốt và khả năng chống lại sự phân hủy ở nhiệt độ cao. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng phụ gia khoáng mịn như tro bay và silica fume có thể cải thiện đáng kể tính chất của bê tông chịu nhiệt. Những phụ gia này không chỉ giúp tăng cường độ bền mà còn giảm thiểu độ co ngót, từ đó nâng cao tuổi thọ của công trình. Việc nghiên cứu các loại phụ gia khoáng mịn và ảnh hưởng của chúng đến tính chất bê tông chịu nhiệt là một trong những mục tiêu chính của luận án này.

II. Cơ sở khoa học nghiên cứu bê tông chịu nhiệt

Cơ sở khoa học của nghiên cứu bê tông chịu nhiệt dựa trên lý thuyết về phản ứng giữa các khoáng của xi măng poóclăng và phụ gia khoáng mịn. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc lựa chọn tỷ lệ giữa các thành phần là rất quan trọng để đảm bảo tính chịu nhiệt và độ bền của bê tông. Các nghiên cứu trước đây đã xác định rằng tro xỉ nhiệt điện có thể được sử dụng làm cốt liệu cho bê tông chịu nhiệt, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí. Việc sử dụng các phế liệu công nghiệp như tro xỉ không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến tính chất bê tông

Nhiệt độ cao có thể gây ra nhiều biến đổi trong cấu trúc và tính chất của bê tông. Các nghiên cứu cho thấy rằng bê tông chịu nhiệt có khả năng duy trì tính chất cơ học tốt ở nhiệt độ lên đến 800°C. Tuy nhiên, khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng này, bê tông có thể bị phân hủy và mất đi tính chất chịu lực. Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất bê tông là rất quan trọng để phát triển các loại bê tông chịu nhiệt có hiệu suất cao hơn.

III. Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau để đánh giá tính chất của bê tông chịu nhiệt. Các phương pháp này bao gồm phương pháp tổng hợp tài liệu, phương pháp thực nghiệm và phương pháp quy hoạch thực nghiệm. Việc áp dụng các phương pháp hiện đại như phân tích nhiệt và phân tích Rơnghen giúp xác định chính xác các biến đổi hóa lý và vi cấu trúc của bê tông chịu nhiệt. Những kết quả thu được từ các phương pháp này sẽ cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho việc phát triển các loại bê tông chịu nhiệt mới.

3.1. Thiết kế thành phần bê tông chịu nhiệt

Thiết kế thành phần bê tông chịu nhiệt là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong nghiên cứu này. Việc lựa chọn tỷ lệ giữa các thành phần như xi măng poóclăng, tro xỉ và phụ gia khoáng mịn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của bê tông. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỷ lệ nước/chất kết dính cũng cần được điều chỉnh để đảm bảo độ bền và khả năng chịu nhiệt của bê tông. Do đó, việc thiết kế thành phần bê tông chịu nhiệt cần được thực hiện một cách cẩn thận và khoa học.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng bê tông chịu nhiệt được chế tạo từ tro xỉ nhiệt điện và các phụ gia khoáng mịn có thể đạt được cường độ chịu nén tối thiểu 20 MPa ở nhiệt độ 800°C. Những kết quả này không chỉ khẳng định khả năng chế tạo bê tông chịu nhiệt tại Việt Nam mà còn mở ra hướng đi mới cho việc sử dụng các phế liệu công nghiệp trong xây dựng. Việc ứng dụng bê tông chịu nhiệt trong các công trình công nghiệp sẽ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí xây dựng.

4.1. Ứng dụng thực tiễn của bê tông chịu nhiệt

Bê tông chịu nhiệt có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp luyện kim đến xây dựng các công trình chịu nhiệt. Việc sử dụng bê tông chịu nhiệt không chỉ giúp nâng cao độ bền của công trình mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và sửa chữa. Hơn nữa, việc sử dụng các nguyên liệu sẵn có trong nước như tro xỉ nhiệt điện sẽ góp phần vào việc phát triển bền vững trong ngành xây dựng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết. Mục đích nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Cơ sở khoa học của đề tài. Phương pháp nghiên cứu. Những đóng góp mới của luận án. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT.

Giới thiệu bê tông chịu nhiệt. Tính chất của bê tông chịu nhiệt. Vật liệu chế tạo. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTCN trên thế giới.

Tình hình nghiên cứu BTCN trên thế giới. Tình hình ứng dụng BTCN trên thế giới. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTCN ở Việt Nam. Những vấn đề cần nghiên cứu của luận án trong điều kiện ở Việt Nam.

CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT. Cơ sở khoa học nghiên cứu CKDCN. Ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến biến đổi hoá lý của đá xi măng PC. Cơ sở sử dụng phụ gia khoáng mịn trong CKDCN.

Cơ sở lựa chọn PGKM hỗn hợp TB – BN, TB – SF chế tạo CKDCN. Cơ sở khoa học nghiên cứu cốt liệu chịu nhiệt. Cơ sở sử dụng tro xỉ nhiệt điện làm cốt liệu cho BTCN. Cơ sở thiết kế thành phần hạt cho BTCN.

Cơ sở khoa học nghiên cứu thành phần BTCN. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Vật liệu nghiên cứu. Chất kết dính.

Nước và phụ gia hoá học. Phương pháp nghiên cứu thành phần, tính chất CKDCN. Thiết kế thành phần CKDCN. Phương pháp nghiên cứu tính chất hỗn hợp CKDCN.

Phương pháp chế tạo mẫu CKDCN. Phương pháp nghiên cứu chế độ gia công nhiệt mẫu CKDCN. Phương pháp nghiên cứu tính chất CKDCN. Phương pháp nghiên cứu thành phần hạt cốt liệu chịu nhiệt.

Thiết kế thành phần hạt cốt liệu. Phương pháp nghiên cứu khối lượng thể tích của hỗn hợp hạt cốt liệu. Phương pháp nghiên cứu độ rỗng thực tế của hỗn hợp hạt cốt liệu. Phương pháp nghiên cứu thành phần, tính chất BTCN.

Thiết kế thành phần BTCN. Phương pháp nghiên cứu tính chất hỗn hợp BTCN. Phương pháp chế tạo mẫu BTCN. Phương pháp nghiên cứu chế độ gia công nhiệt mẫu BTCN.

Phương pháp nghiên cứu tính chất BTCN. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu thành phần tối ưu BTCN. NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA CKDCN SỬ DỤNG TRO BAY, BỘT NGÓI VÀ SILICA FUME. Ảnh hưởng của PGKM đến lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết của hỗn hợp CKDCN.

Ảnh hưởng của PGKM đến khối lượng thể tích của CKDCN ở các cấp nhiệt độ. Ảnh hưởng của PGKM đến độ co ngót của CKDCN ở các cấp nhiệt độ. Ảnh hưởng của PGKM đến cường độ chịu nén của CKDCN ở các cấp nhiệt độ. Phương trình hồi quy cường độ chịu nén của CKDCN ở 800oC.

Ảnh hưởng của loại PGKM đến tính chất của CKDCN ở các cấp nhiệt độ. Phân tích hóa lý, vi cấu trúc CKDCN. Phân tích nhiệt. Phân tích Rơnghen.

Phân tích kính hiển vi điện tử quét. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT. Thiết kế thành phần hạt cốt liệu cho BTCN. Thành phần hạt cốt liệu tính toán theo công thức Andersen.

Khối lượng thể tích, độ rỗng thực của hỗn hợp hạt cốt liệu tương ứng với các chế độ công nghệ làm chặt. Phương trình hồi quy tính chất hỗn hợp hạt cốt liệu. Thiết kế thành phần BTCN. Tính chất của BTCN.

Đặc điểm bề mặt mẫu BTCN ở các cấp nhiệt độ. Tính chất cơ lý của BTCN ở các cấp nhiệt độ. Độ bền nhiệt của BTCN .114 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ .117 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. PL1 v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT KÍ HIỆU DIỄN GIẢI BTCL Bê tông chịu lửa BTCN Bê tông chịu nhiệt BTCT-CN Bê tông cốt thép – chịu nhiệt BN Bột ngói vỡ đất sét nung CKD Chất kết dính CHLB Cộng hòa liên bang CKDCN Chất kết dính chịu nhiệt CH Hydroxyt canxi CSH Hydro silicat canxi CAH Hydro aluminat canxi CASH Hydro aluminat silicat canxi CS Wollastonit C2AS Gehlenit CAS2 Anorthit DTG Derivative Thermal Gravimetric analysis DSC Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry) GOST Tiêu chuẩn Nga HHBT Hỗn hợp bê tông ITZ Vùng liên kết giữa đá xi măng-cốt liệu (Interfacial Tranzition Zone) MKN Mất khi nung N Nước N/CKD Nước/chất kết dính N/X Nước/xi măng PC Xi măng poóclăng vi PCB Xi măng poóclăng hỗn hợp PG Phụ gia PG/CKD Phụ gia/chất kết dính PG/XM Phụ gia/xi măng PGKM Phụ gia khoáng mịn PGSD Phụ gia siêu dẻo SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) SF Silica fume TB Tro bay TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TGA Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal Gravimetric Analysis) TX Tro xỉ nhiệt điện XRD Phân tích Rơnghen (X-Ray Diffraction) vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.

Loại bê tông theo nhiệt độ sử dụng tối đa cho phép [116]. Một số công trình sử dụng BTCN ở CHLB Nga [119]. Hàm lượng CaO tự do trong đá CKD ở nhiệt độ cao [95]. Sự phụ thuộc của mật độ khối xếp vào phương pháp sắp xếp và số điểm tiếp xúc của các hạt [117].

Độ rỗng lý thuyết của hỗn hợp nhiều cỡ hạt [6], [117]. Thành phần hóa vật liệu chế tạo CKDCN. Tính chất cơ lý của xi măng. Tính chất của các PGKM.

Thành phần hóa của cốt liệu tro xỉ. Các tính chất của cốt liệu tro xỉ. Thành phần hạt, độ lớn của cốt liệu tro xỉ trước và sau khi gia công. Khối lượng thể tích xốp của các cỡ hạt cốt liệu tro xỉ.

Độ hút nước của các cỡ hạt cốt liệu tro xỉ. Ảnh hưởng của PGKM đến lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết của hỗn hợp CKDCN. Thành phần và cường độ chịu nén CKDCN ở 800oC. Tính chất cơ lý của CKDCN.

Mất khối lượng của CKDCN ở các cấp nhiệt độ. Thành phần hạt của cốt liệu tro xỉ. Cấp phối sơ bộ của BTCN. Cấp phối hiệu chỉnh của BTCN.

Bảng mã hóa quy hoạch thực nghiệm tính chất BTCN ở 800oC. Bảng kế hoạch thực nghiệm tính chất BTCN ở 800oC. Tỷ lệ thành phần vật liệu và kết quả tính toán tính chất BTCN theo phương trình hồi quy. Kết quả thực nghiệm BTCN.

Cấp phối tối ưu của BTCN. Thành phần hạt cốt liệu tro xỉ tối ưu của BTCN. Tính chất cơ lý của BTCN ở các cấp nhiệt độ. Kết quả độ bền nhiệt của mẫu BTCN AI.

Kết quả độ bền nhiệt của mẫu BTCN BI. Tính chất tấm BTCN sau nung thử nghiệm .111 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. Lớp lót của tường tháp đốt nóng không khí. Sơ đồ kênh dẫn khí khói.

Buồng hoàn nhiệt từ lò Mactanh. Nắp vòm lò đứng đốt nóng. Phân tích XRD của cốt liệu tro xỉ nhiệt điện. Biều đồ đường cong nung mẫu CKDCN.

Các bước thiết kế thành phần BTCN. Khối lượng thể tích các mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ. Sự suy giảm khối lượng thể tích các mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ so với ở 100oC. Độ co ngót các mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ.

Cường độ chịu nén các mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ. Sự suy giảm cường độ chịu nén các mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ so với ở 100oC. Ảnh hưởng của các loại PGKM đến cường độ chịu nén của CKDCN ở các cấp nhiệt độ. Ảnh hưởng của các loại PGKM đến khối lượng thể tích của CKDCN.

Ảnh hưởng của các loại PGKM đến độ co ngót của CKDCN ở các cấp nhiệt độ. Kết quả phân tích DSC, DTG mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ. Kết quả phân tích TGA mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ. Phân tích XRD mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ.

Phân tích XRD mẫu T1S ở các cấp nhiệt độ. Ảnh SEM mẫu CKDCN ở 25oC và 800oC. Ảnh SEM mẫu T1S ở các cấp nhiệt độ. Tính chất của hỗn hợp hạt TX1 ứng với các chế độ làm chặt.

Bề mặt biểu diễn quan hệ tính chất BTCN (nhóm A) với N/CKD và n. Bề mặt biểu diễn quan hệ tính chất BTCN (nhóm B) với N/CKD và n. Đặc điểm bề mặt mẫu BTCN ở các cấp nhiệt độ. Đặc điểm bề mặt mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ.

Khối lượng thể tích của BTCN ở các cấp nhiệt độ. Độ co ngót của BTCN ở các cấp nhiệt độ. Độ hút nước của BTCN ở các cấp nhiệt độ. Cường độ chịu nén của BTCN ở các cấp nhiệt độ.

Ảnh SEM mẫu BTCN AI ở các cấp nhiệt độ. Ảnh SEM mẫu BTCN BI ở các cấp nhiệt độ. Hình ảnh sự phân bố vết nứt các mẫu BTCN ở 800oC. Hình ảnh khoáng trong các mẫu BTCN ở 800oC.

Tấm BTCN nung thực nghiệm tại Nhà máy gạch tuynen. Tính cấp thiết Bê tông chịu nhiệt đã được nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới từ những năm 40-50 của thế kỷ XX trong các lĩnh vực như công nghiệp luyện kim, hoá chất, chế tạo máy và đặc biệt là công nghiệp vật liệu xây dựng với các hầm lò, kênh dẫn, ống khói, va gông,. Việc sử dụng bê tông chịu nhiệt dưới dạng các cấu kiện đúc sẵn thay cho sản phẩm gạch chịu lửa đơn chiếc mang lại nhiều lợi ích như: bê tông không nung nên giảm chi phí nhiệt, có thể thi công toàn khối hoặc lắp ghép nên đẩy nhanh tiến độ thi công, giảm giá thành xây dựng, rút ngắn thời gian sửa chữa, tăng độ bền vững của công trình khi sử dụng. Ở Việt Nam, bê tông chịu nhiệt đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng ngày càng nhiều.

Tuy nhiên, nguồn vật liệu chế tạo loại bê tông này chủ yếu là xi măng đặc biệt, cốt liệu và phụ gia khoáng chịu lửa phần lớn được nhập khẩu. Công bố khoa học về loại bê tông này không nhiều, đặc biệt là loại bê tông chịu nhiệt sử dụng xi măng poóclăng và các phế liệu, phế thải công nghiệp. Bên cạnh đó, xu hướng trong ngành công nghiệp vật liệu xây dựng là nghiên cứu chế tạo vật liệu xanh, bền vững nhằm sử dụng một cách hợp lý, tiết kiệm và có hiệu quả cao nhất các loại tài nguyên, khoáng sản thiên nhiên, thực hiện công nghệ sản xuất không phế thải, giảm chi phí nguyên liệu, nhiên liệu, sức lao động và vốn đầu tư trong sản xuất. Như vậy vấn đề cấp thiết đặt ra là nghiên cứu sử dụng các phế liệu, phế thải công nghiệp cũng như các vật liệu sẵn có ở Việt Nam để chế tạo bê tông chịu nhiệt.