Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu sử dụng tro bay hàm lượng calcium thấp để chế tạo bê tông geopolymer

Nghiên cứu ứng dụng tro bay calcium thấp trong sản xuất bê tông geopolymer, hướng tới giải pháp bền vững và thân thiện môi trường.

• Tác giả: Lê Vĩnh Phước
• Người hướng dẫn: TS. Lê Anh Tuấn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - TP.HCM
• Chuyên ngành: Vật liệu và công nghệ vật liệu xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu sử dụng tro bay hàm lượng calcium thấp trong chế tạo bê tông geopolymer
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP HCM

Tóm tắt

I. Tổng quan về bê tông geopolymer

Bê tông geopolymer là một loại vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường, được sản xuất từ các nguyên liệu có nguồn gốc aluminosilicate như tro bay. Việc sử dụng tro bay trong sản xuất bê tông geopolymer không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có. Nghiên cứu cho thấy, bê tông geopolymer có khả năng thay thế cho bê tông truyền thống, đặc biệt trong bối cảnh gia tăng nhu cầu xây dựng và bảo vệ môi trường. Theo các nghiên cứu, bê tông geopolymer có tính chất cơ học vượt trội, bao gồm cường độ chịu nén cao và khả năng chống lại các tác động môi trường. Điều này làm cho bê tông geopolymer trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các công trình xây dựng hiện đại.

1.1. Tính bền vững và lợi ích của việc sử dụng bê tông geopolymer

Việc sử dụng bê tông geopolymer mang lại nhiều lợi ích về mặt bền vững. Đầu tiên, nó giúp giảm thiểu lượng khí CO2 thải ra trong quá trình sản xuất so với bê tông truyền thống. Thứ hai, tro bay là một loại chất thải công nghiệp, việc sử dụng nó trong sản xuất bê tông không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên. Nghiên cứu cho thấy, bê tông geopolymer có thể đạt được cường độ cao hơn so với bê tông thông thường, đặc biệt khi được bổ sung các thành phần như SiO2 từ silica fume. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng mới trong xây dựng và công nghiệp.

II. Ảnh hưởng của hàm lượng calcium trong tro bay

Hàm lượng calcium thấp trong tro bay có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ của bê tông geopolymer. Nghiên cứu cho thấy, khi hàm lượng calcium trong tro bay ở mức tối ưu khoảng 3.9%, cường độ của bê tông geopolymer sẽ được cải thiện rõ rệt. Ngược lại, nếu hàm lượng calcium quá cao, sẽ làm giảm hiệu quả của quá trình geopolymer hóa, dẫn đến cường độ thấp hơn. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc kiểm soát hàm lượng calcium trong tro bay để đảm bảo chất lượng của bê tông geopolymer. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, ngoài calcium, các thành phần khác như SiO2 và NaOH cũng có vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất của bê tông geopolymer.

2.1. Tác động của SiO2 và NaOH

Sự hiện diện của SiO2 và NaOH trong tro bay và dung dịch hoạt hóa có ảnh hưởng lớn đến quá trình geopolymer hóa. SiO2 từ silica fume có thể làm tăng cường độ của bê tông geopolymer lên đến 40% so với mẫu không có silica fume. Nghiên cứu cho thấy, hàm lượng SiO2 tối ưu được bổ sung từ silica fume là 29 kg/m3. Tuy nhiên, nếu hàm lượng SiO2 quá cao, sẽ gây cản trở cho quá trình geopolymer hóa, dẫn đến giảm cường độ. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tối ưu hóa tỷ lệ các thành phần trong công thức chế tạo bê tông geopolymer.

III. Phương pháp nghiên cứu và thí nghiệm

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp thí nghiệm hiện đại như SEM và XRD để phân tích cấu trúc của bê tông geopolymer. Các mẫu được chế tạo với tỷ lệ dung dịch kiềm hoạt hóa và tro bay khác nhau, sau đó được dưỡng hộ ở nhiệt độ 60°C trong 4 giờ. Kết quả cho thấy, các mẫu có hàm lượng calcium thấp và bổ sung SiO2 từ silica fume đạt được cường độ cao nhất. Phân tích cấu trúc cho thấy sự hình thành các sản phẩm thủy hóa có ảnh hưởng tích cực đến tính chất cơ học của bê tông geopolymer. Việc áp dụng các phương pháp phân tích này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế geopolymer hóa mà còn cung cấp thông tin quý giá cho việc tối ưu hóa công thức chế tạo.

3.1. Thiết kế thí nghiệm

Thiết kế thí nghiệm bao gồm việc xác định các tỷ lệ thành phần trong dung dịch hoạt hóa và tro bay. Các mẫu được chuẩn bị với các nồng độ khác nhau của sodium hydroxide và sodium silicate, từ đó đánh giá ảnh hưởng của chúng đến cường độ của bê tông geopolymer. Kết quả thí nghiệm cho thấy, việc điều chỉnh tỷ lệ các thành phần có thể cải thiện đáng kể tính chất cơ học của sản phẩm cuối cùng. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các loại vật liệu xây dựng bền vững và hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------------------------- LÊ VĨNH PHƯỚC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO BAY HÀM LƯỢNG CALCIUM THẤP ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG GEOPOLYMER. Chuyên ngành: Vật liệu và công nghệ vật liệu xây dựng Mã số: 605880 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2014 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – TP.HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Lê Anh Tuấn Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Mạnh Phát Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Trần Văn Miền Luân văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG, TP.

ngày 09 tháng 08 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1.TS Nguyễn Văn Chánh - Chủ tịch Hội đồng 2. Vũ Quốc Hoàng – Thư ký Hội đồng 3.TS Nguyễn Mạnh Phát – Ủy viên Phản biện 1 4. Trần Văn Miền – Ủy viên Phản biện 2 5. Lê Anh Tuấn – Ủy viên Hội đồng Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA XÂY DỰNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ VĨNH PHƯỚC MSHV: 10190720 Ngày, tháng, năm sinh: 29/03/1986 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Vật liệu và công nghệ vật liệu xây dựng Mã số : 605880 I.

TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu sử dụng tro bay hàm lượng calcium thấp để chế tạo bê tông geopolymer II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ các thành phần trong dung dịch đóng rắn, ảnh hưởng của hàm lượng vôi tự do trong tro bay, tỉ lệ của các thành phần hóa ảnh hưởng đến cường độ của mẫu geopolymer tro bay. - Nghiên cứu vai trò, ảnh hưởng của tro bay calcium thấp trong quá trình geopolymer hóa. - Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng vôi trong tro bay calcium thấp đối với cường độ của bê tông Geopolymer.

- Nghiên cứu tính toán thiết kế thành phần cấp phối bê tông tro bay - Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch chất đóng rắn đến cường độ với các tỷ lệ nồng độ khác nhau. - Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian dưỡng hộ đến cường độ của bê tông geopolymer. - Nghiên cứu vai trò, ảnh hưởng của bê tông geopolymer khi có thêm thành phần SiO2 từ dung dịch kiềm hoạt hóa và SiO2 từ silica fume. - Sử dụng các phân tích cấu trúc như SEM và XRD đế xác định quá trình và ảnh hưởng của các thành phần.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : …………………… IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/6/2014 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Lê Anh Tuấn Tp. HCM, ngày 20 tháng 6 năm 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS LÊ ANH TUẤN PGS.TS NGUYỄN VĂN CHÁNH TRƯỞNG KHOA XÂY DỰNG LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện Luận văn cao học, đề tài “Nghiên cứu sử dụng tro bay hàm lượng calcium thấp để chế tạo bê tông geopolymer”, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của các thầy cô ở bộ môn Vật liệu và công nghệ vật liệu xây dựng, Khoa Xây dựng trường Đại học Bách Khoa, TPHCM.

Các thầy cô là những người đã giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên ngành trong suốt những năm học đại học và cao học vừa qua để tôi có thể thực hiện đề tài này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành về sự giúp đỡ quí báu của các thầy cô. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Lê Anh Tuấn, người đã từng trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi kiến thức nghiên cứu khoa học, giúp cho tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp Đại học và bây giờ là luận văn cao học.

Bên cạnh đó, tôi xin ghi nhận công sức và sự nhiệt tình của các em SV trong ngành đã giúp đỡ tôi trong việc thực hiện các thí nghiệm trong đề tài. Những sự hỗ trợ, giúp đỡ của các em là điều quan trọng giúp tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin chân thành cám ơn những người thân trong gia đình, đặc biệt là ba mẹ và anh trai đã luôn động viên, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua để tôi có thể hoàn tất chương trình học và luận văn cao học này. TP HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2014 TÁC GIẢ LUẬN VĂN: LÊ VĨNH PHƯỚC TÓM TẮT NỘI DUNG Betong geopolymer là một vật liệu than thiện với môi trường có khả năng thay thế cho vật liệu truyền thống.

Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng calcium trong tro bay đối với cường độ của bê tông Geopolymer nhằm đánh giá khả năng sử dụng trong điều kiện Việt Nam. Thành phần cấp phối có tỷ lệ hàm lượng dung dịch kiềm hoạt hóa – tro bay là 0.35, với tỉ lệ sodium hydroxit - sodium silicate là 1-3. Nồng độ mol dung dịch thay đổi từ 8M, 10M và 12M. Betong geopolymer được dưỡng hộ ở 600C trong 4 giờ.

Kết quả nghiên cứu cho thấy tỉ lệ calcium trong tro bay ảnh hưởng đáng kể đến việc phát triển cường độ của bê tông geopolymer và hàm lượng calcium trong tro bay nên ở mức 3.9%; hàm lượng calcium quá cao sẽ làm giảm hiệu quả quá trình hoạt hóa của tro bay. Đồng thời, nghiên cứu còn nhận thấy ngoài ảnh hưởng của calcium trong tro bay còn có xuất hiện ảnh hưởng của SiO2, NaOH trong tro bay và dung dịch hoạt hóa đến tính chất của betong geopolymer. Bên cạnh đó, nghiên cứu tiếp tục xem xét vai trò, ảnh hưởng của SiO2 hoạt tính được bổ sung từ silica fume với cường độ của bê tông geopolymer. Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ bê tông có thể tăng lên đến 40% so với khi chưa bổ sung SiO2 hoạt tính từ silica fume.

Hàm lượng SiO2 được bổ sung tối ưu ở mức 29. Khi hàm lượng SiO2 được bổ sung từ silica fume quá cao cũng sẽ làm giảm quá trình geopolymer hóa, làm giảm cường độ của bê tông geopolymer. ABSTRACT Geopolymer is an environmentally material and has potential to use instead of traditional material. This thesis presents the effect of calcium content to compressive strength of fly ash-based geopolymer concrete for evaluation efficiency using under conditions of Vietnamese climate.

Mix specimens were prepared at alkaline solution/fly ash which is 0. The used activators are an equal mix of sodium hydroxide and silicate in the ratio of 1:3; concentration of sodium hydroxide were changed from 8M – 10M – 12M. The specimens were cured at 600C in 4 hours. Test results indicate that calcium content effect significantly to compressive strength of geopolymer concrete and the optimal calcium content should be in range of 3.9%; however, higher content will interfere to activator processing of fly ash which decreases compressive strength.

Besides that, the research also found significant influence of silica (SiO2) and sodium hydroxide (NaOH) in fly ash and activating solution to properties of geopolymer concrete. Moreover, this study also examines effect of activating silica (SiO2) which were added from silica fume to compressive of fly ash based geopolymer concrete. Test results show that the compressive strength can increase ~40%, compare to species without silica fume. The optima content of SiO2 from silica fume should be from 29.45 kg/m3; higher content will have bad effect to compressive of strength.

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Các đoạn trích dẫn và số liệu sử dụng trong luận văn đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi. TP HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2014 Tác giả luận văn LÊ VĨNH PHƯỚC MỤC LỤC 1.

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỔNG HỢP GEOPOLYMER. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu. Lịch sử phát triển của ngành công nghệ vật liệu Geopolymer từ tro bay:. Lịch sử phát triển và tình hình ứng dụng công nghệ Geopolymer trên thế giới.

Tình hình ứng dụng công nghệ Geopolymer ở Việt Nam. Tổng quan về bê tông Geopolymer. Tính bền vững và lợi ích của việc sử dụng bê tông Geopolymer. Các lĩnh vực ứng dụng.

Những hạn chế khi sử dụng bê tông Geopolymer. Tổng quan về nguyên vật liệu sử dụng để chế tạo bê tông Geopolymer. Dung dịch đóng rắn. Mục tiêu của đề tài.

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC LÀM NỀN TẢNG CHẾ TẠO BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY. Thành phần hóa học và cấu trúc phân tử của tro bay. Cơ chế đóng rắn của bê tông Geopolymer tro bay. Cơ sở hóa học của công nghệ Geopolymer.

Các sản phẩm thủy hóa của quá trình geopolymer hóa. Ảnh hƣởng của tác nhân kiềm hoạt hóa tới quá trình geopolymer hóa. Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer tro bay. Cơ chế vật lý của quá trình Geopolymer hóa.

CHƢƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM. Dung dịch hoạt hóa. Nƣớc nhào trộn. Chế độ dƣỡng hộ.

Thiết kế thành phần cấp phối. Phƣơng pháp tạo mẫu và thí nghiệm. Phƣơng pháp tạo mẫu. Phƣơng pháp thí nghiệm.

CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng tro bay. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Calcium trong tro bay đến quá trình geopolymer. Ảnh hƣởng của tỉ lệ hàm lƣợng CaO tự do trong tro bay với các thành phần SiO2 và Al2O3.

Ảnh hƣởng của tỉ lệ CaO tự do với SiO2 trong dung dịch hoạt hóa. Ảnh hƣởng của tỉ lệ CaO tự do với SiO2 trong tro bay. Ảnh hƣởng của tỉ lệ CaO tự do với Al2O3 trong tro bay. Ảnh hƣởng của tỉ lệ SiO2 trong dung dịch hoạt hóa với các thành phần SiO2 & Al2O3 trong tro bay và với NaOH trong dung dịch kiềm.

Ảnh hƣởng của dung dịch sodium hydroxit. Ảnh hƣởng của điều kiện dƣỡng hộ. Ảnh hƣởng của thời gian dƣỡng hộ. Ảnh hƣởng của nhiệt độ dƣỡng hộ.

Nghiên cứu bê tông geopolymer tro bay khi bổ sung thêm silicafume vào thành phần cấp phối. Sự phát triển cƣờng độ của bê tông geopolymer tro bay – silicafume theo thời gian. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng SiO2 đƣợc bổ sung từ silicafume đến cƣờng độ bê tông geopolymer tro bay. Ảnh hƣởng của tỉ lệ SiO2 sau khi đƣợc bổ sung từ Silica fume với thành phần Al2O3 trong tro bay, SiO2 trong dung dịch hoạt hóa:.

Phân tích cấu trúc của các mẫu geopolymer tro bay bằng các phƣơng pháp phân tích hiện đại. CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. Hƣớng phát triển và đóng góp của đề tài.