Nghiên cứu ảnh hưởng của nano silica đến khả năng chống ăn mòn rong môi trường axit cho bê tông geopolymer

Chuyên khảo môi trường phân tích Nghiên cứu ảnh hưởng của nano silica đến khả năng chống ăn mòn rong môi trường axit cho bê tông, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng

• Tác giả: Lê Văn Được
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Đức Hùng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của nano silica đến khả năng chống ăn mòn trong môi trường axit cho bê tông geopolymer
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá tác động của nano silica đến khả năng chống ăn mòn axit trong bê tông geopolymer. Bê tông geopolymer là một loại vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường, được phát triển để thay thế bê tông truyền thống. Nano silica được sử dụng như một phụ gia để cải thiện tính chất cơ học và độ bền hóa học của bê tông. Nghiên cứu này nhằm mục đích tìm hiểu cách nano silica ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn của bê tông geopolymer trong môi trường axit, đặc biệt là axit sulfuric và axit clohydric.

1.1. Sự cần thiết của nghiên cứu

Ngành xây dựng đang đối mặt với thách thức lớn về ô nhiễm môi trường do quá trình sản xuất xi măng. Bê tông geopolymer được xem là giải pháp thay thế bền vững, giảm thiểu lượng khí thải CO2. Tuy nhiên, khả năng chống ăn mòn của bê tông geopolymer trong môi trường axit vẫn cần được cải thiện. Nano silica với kích thước hạt siêu nhỏ có khả năng lấp đầy các lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông, tăng cường độ bền vật liệu và khả năng chống ăn mòn.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này nhằm xác định ảnh hưởng của nano silica đến cường độ chịu nén và khả năng chống ăn mòn của bê tông geopolymer trong môi trường axit. Các mẫu bê tông được ngâm trong dung dịch axit sulfuric và axit clohydric với nồng độ 5% và 10% trong thời gian 120 ngày. Kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp vào việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững và chịu axit.

II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết về quá trình geopolymer hóa và cơ chế ăn mòn trong môi trường axit. Nano silica được sử dụng như một phụ gia để tăng cường độ đặc chắc và khả năng chống ăn mòn của bê tông. Các mẫu bê tông geopolymer được chế tạo với hàm lượng nano silica từ 0% đến 4% và được ngâm trong dung dịch axit để đánh giá cường độ chịu nén và độ giảm khối lượng theo thời gian.

2.1. Quá trình geopolymer hóa

Quá trình geopolymer hóa là phản ứng hóa học giữa các vật liệu aluminosilicate (như tro bay) và dung dịch kiềm mạnh (như NaOH và Na2SiO3). Quá trình này tạo ra các liên kết Si-O-Al bền vững, hình thành cấu trúc ba chiều đặc chắc. Nano silica tham gia vào quá trình này bằng cách lấp đầy các lỗ rỗng và tăng cường độ bền hóa học của bê tông.

2.2. Phương pháp thí nghiệm

Các mẫu bê tông geopolymer được chế tạo với năm cấp phối khác nhau, hàm lượng nano silica từ 0% đến 4%. Mẫu được ngâm trong dung dịch axit sulfuric và axit clohydric với nồng độ 5% và 10%. Sau các mốc thời gian 30, 60, 90 và 120 ngày, mẫu được lấy ra để đo cường độ chịu nén và độ giảm khối lượng. Kết quả được so sánh với bê tông geopolymer không sử dụng nano silica.

III. Kết quả và đánh giá

Kết quả nghiên cứu cho thấy nano silica có tác động tích cực đến khả năng chống ăn mòn và cường độ chịu nén của bê tông geopolymer. Mẫu bê tông sử dụng 3% nano silica cho kết quả tốt nhất về độ bền hóa học và cường độ chịu nén sau 90 ngày ngâm trong dung dịch axit. Độ giảm khối lượng của mẫu có nano silica cũng thấp hơn so với mẫu không sử dụng phụ gia này.

3.1. Ảnh hưởng của nano silica đến cường độ chịu nén

Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu nén của bê tông geopolymer tăng lên khi hàm lượng nano silica tăng từ 1% đến 4%. Mẫu sử dụng 3% nano silica đạt cường độ chịu nén cao nhất, đặc biệt sau 90 ngày ngâm trong dung dịch axit. Điều này chứng tỏ nano silica có khả năng tăng cường độ đặc chắc và độ bền hóa học của bê tông.

3.2. Ảnh hưởng của nano silica đến khả năng chống ăn mòn

Mẫu bê tông sử dụng nano silica có độ giảm khối lượng thấp hơn so với mẫu không sử dụng phụ gia này. Điều này cho thấy nano silica có khả năng ngăn chặn sự xâm nhập của các ion axit vào cấu trúc bê tông, từ đó tăng cường khả năng chống ăn mòn. Mẫu sử dụng 3% nano silica cho kết quả tốt nhất về độ bền hóa học.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này đã chứng minh rằng nano silica có tác động tích cực đến khả năng chống ăn mòn và cường độ chịu nén của bê tông geopolymer trong môi trường axit. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững và chịu axit, đặc biệt là trong các công trình như ống cống, bể chứa nước thải công nghiệp và các công trình làm việc trong môi trường khắc nghiệt.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp xây dựng

Kết quả nghiên cứu cho thấy bê tông geopolymer sử dụng nano silica là vật liệu lý tưởng cho các công trình làm việc trong môi trường axit. Nano silica không chỉ cải thiện độ bền hóa học mà còn tăng cường cường độ chịu nén của bê tông. Điều này mở ra hướng phát triển mới cho công nghệ vật liệu xây dựng và kỹ thuật xây dựng.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu này là cơ sở để tiếp tục phát triển các loại vật liệu composite và phụ gia bê tông mới, nhằm tăng cường tính năng chống ăn mòn và độ bền vật liệu. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa hàm lượng nano silica và kết hợp với các loại phụ gia khác để đạt hiệu quả cao hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu: Ngày nay ngành xây dựng luôn đi tiên phong trong việc tạo dựng nên cơ sở hạ tầng để đáp ứng kịp thời nhu cầu phát triển chung của đất nước, do đó nhu cầu sử dụng xi măng làm chất kết dính rất lớn, tuy nhiên quá trình sản xuất xi măng sẽ tiêu tốn nguồn tài nguyên thiên nhiên và gây ô nhiễm môi trường. Vấn đề đặt ra làm thế nào để có một sản phẩm bê tông sử dụng vật liệu xanh, thân thiện với môi trường, giảm tối đa lượng khí thải CO2 vào khí quyển.1 Ô nhiễm môi trường từ công nghiệp sản xuất xi măng Hiện nay, dưới sự phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa cơ sở hạ tầng, nhu cầu vật liệu cho ngành xây dựng đòi hỏi phải đáp ứng, đặc biệt là xi măng. Ước tính trong năm 2019 nước ta tiêu thụ 95 triệu tấn xi măng [1], việc sản xuất xi măng tăng cao kéo theo các vấn nạn về ô nhiễm môi trường, các số liệu tính toán để sản xuất 1 tấn xi măng sẽ sản sinh ra khối lượng tương đương 1,2 – 1,5 tấn khí khải CO2 ra môi trường [2], làm gia tăng các nguy cơ về ô nhiễm không khí, ô nhiễm môi trường.1: Nhà máy xi măng đang xả khói gây ô nhiễm môi trường [3] 1 Ngoài ra nước ta hiện đang có 20 nhà máy nhiệt điện thang đang hoạt động với tổng công suất 14.675 MW, tiêu thụ khoảng 40 triệu tấn than/năm. Lượng tiêu thụ than lớn sẽ sinh ra các phụ phẩm tro, xỉ thải khoảng 15,8 triệu tấn mỗi năm [4].

Lượng tro xỉ lớn đòi hỏi tốn kém kho bãi để lưu trữ. Đồng thời các hạt tro có thành phần hóa học và kích thước nhỏ dễ dàng phát tán ra ngoài môi trường bên ngoài gây ô nhiễm môi trường không khí, môi trường nước. Vì nhưng lý do trên, Bê tông Geopolymer ngày càng được quan tâm, vì đáp ứng được nguồn vật liệu cho ngành xây dựng đồng thời việc sản xuất bê tông Geopolymer tận dụng được các nguồn chất thải, tro xỉ của các ngành công nghiệp góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Bê tông geopolymer: Khác với loại bê tông truyền thống sử dụng chất kết dính là xi măng.

Bê tông Geopolymer được phát triển nhờ nhà khoa học người Pháp Joseph Davidovits từ những năm 1970 sử dụng vật liệu kết dính vô cơ tổng hợp có nguồn gốc aluminosilicate giữa các oxit của nhôm, silic với dung dịch kiềm mạnh để tạo ra các liên kết Si-O-Al có cấu trúc ba chiều vững chắc [5]. Vì những đặc tính thân thiện với môi trường nên ngày nay bê tông Geopolymer ngày càng được nghiên cứu rộng rãi để đáp ứng cho ngành xây dựng đồng thời làm vật liệu có thể thay thế bê tông xi măng. Tuy nhiên cũng giống như bê tông xi măng truyền thống, đối với các công trình đặc thù tiếp xúc với hóa chất, các công trình làm việc ở môi trường nước biển, nhiễm phèn, nước thải… thường xuyên bị các tác động làm giảm khả năng chịu lực, gây hư hại cho cấu kiện… một trong số các tác động đó được chú ý là ăn mòn.3 Ăn mòn bê tông Các công trình, cấu kiện bê tông làm việc trong các môi trường khác nhau như môi trường không khí, môi trường nước biển, đất nhiễm phèn, môi trường nước thải bẩn của các nhà máy công nghiệp. Theo thời gian các thành phần hóa học trong môi trường sẽ tác động mạnh mẽ lên bê tông, phá vỡ các liên kết của bê tông làm 2 giảm khả năng chịu lực, gây hư hỏng cho công trình xây dựng.

Do đó cần phải có các giải pháp đảm bảo tính ổn định, lâu dài cho công trình.2: Bê tông cốt thép bị ăn mòn [6] 1.4 Các giải pháp chống ăn mòn bê tông Các công trình xây dựng làm việc ở các môi trường khác nhau có các giải pháp chống ăn mòn khác nhau. Như sử dụng chất tạo màng như Urethan, Neopren, Epoxy mặt ngoài công trình để bảo vệ kết cấu bê tông không tiếp xúc với các hóa chất gây ăn mòn. Sử dụng các loại phụ gia, phụ phẩm làm tăng cấu trúc đặc chắc bê tông, ngăn cản sự khuếch tán các ion xâm nhập, lấp đầy lỗ rỗng, chống tác nhân xâm thực gây ăn mòn bê tông. Trong đó Nano silica được biết đến nhiều trong ngành luyện kim, sản xuất lốp ô tô, sơn chống bán bẩn.

Các kích thước nhỏ của nano silica nó có khả năng xâm nhập vào mọi khoảng trống để lấp đầy giữa các hạt trong cấu trúc bê tông và làm tăng mật độ cũng như ngăn nước cho bê tông, cải thiện một số tính chất cho bê tông như: 3 - Bảo vệ bê tông chống ăn mòn - Tăng độ cứng và đặc chắc bê tông - Tăng cường độ chịu nén, cường độ uốn và độ đồng nhất tốt - Chống lại sự thay đổi thể tích tốt Việc nghiên cứu chống ăn mòn bê tông geopolymer để đưa vào ứng dụng trong thực tiễn, đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới và trong nước về bê tông geopolymer, về cơ chế ăn mòn, về phụ gia nano silica [7].2 Tình hình nghiên cứu 1.1 Nghiên cứu trên thế giới Vật liệu Geopolymer ra đời từ những năm 1960, đến năm 1972, Joseph Davidovits đã nghiên cứu thành công một loại xi măng mới bằng cách kết hợp nguyên liệu sét vốn được cấu tạo chủ yếu từ dioxit silic, oxit nhôm 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 gọi xi măng polymer [5]. Từ thành tựu đạt được trên, Geopolymer xem như một loại vật liệu xanh, được ứng dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng dân dụng, công nghiệp, giao thông, hạ tầng kỹ thuật. Bê tông Geopolymer được xem như một loại vật liệu thể hiện các đặc tính cơ lý có thể thay thế được bê tông xi măng truyền thống. Từ đó, những nghiên cứu về tính chất cơ lý và ứng dụng của bê tông Geopolymer đã được thực hiện.V vả cộng sự [8] đã nghiên cứu về quá trình phát triển và những đặc tính của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay có hàm lượng canxi thấp.

Kết quả cho thấy bê tông Geopolymer có cường độ nén tốt, ít co ngót, kháng sunfat và axit, chi phí sản xuất 2,5m3 bê tông Geopolymer sử dụng khoảng 01 tấn tro bay rẽ hơn so với chi phí 01 tấn xi măng portland và được sử dụng trong nhiều ứng dụng cơ sở hạ tầng.Mustafa Al Bakri [9] đã nghiên cứu cơ chế và phản ứng hóa học của tro bay và dung dịch kiềm hoạt hóa để tạo ra xi măng Geopolymer gồm 3 bước giải thể, 4 định hướng và làm cứng, từ đó đánh giá một bước quan trọng cho việc thay thế xi măng trong sản xuất ngành công nghệ gốm.Krishnan [10] đã nghiên cứu bê tông Geopolymer là sản phẩm thân thiện với môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy bê tông vẫn tăng cường độ trong 24 giờ ở nhiệt độ môi trường mà không cần bảo dưỡng nước.V [11] đã nghiên cứu bê tông Geopolymer bảo vệ môi trường. Kết quả nghiên cứu bê tông có cường độ chịu nén tốt và mất khối lượng khoảng 3% khi ngâm trong axit sunfuaric với nồng độ 2%, 1%, 0,5% sau thời gian 01 năm. Hardjito, D [12] đã nghiên cứu bê tông Geopolymer sử dụng tro bay, cho thấy thời gian đóng rắn để tăng cường độ nhanh hơn bê tông thường, các tính chất đàn hồi của bê tông gốc tro bay cứng, mođun đàn hồi, tỷ lệ poisson, độ bền kéo gián tiếp tương tự như bê tông xi măng thông thường.

Ali Allahverdi và Frantisek Skvara [13] 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.J [14] đã nghiên cứu bê tông Geopolymer sử dụng tro bay khi được ngâm trong axit Sunfuric 10% trong thời gian 56 ngày điều kiện bảo dưỡng ở nhiệt độ 230C hoặc 700C, cho kết quả mất khối lượng dưới 3%, cấu trúc bê tông còn nguyên vẹn đảm bảo khả năng chịu tải. Sudipta Naskar, Arun Kumar Chakraborty [15] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nano silica, titan dioxit đến cường độ bê tông Geopolymer khi thay thế 0,75% -6% tro bay. Kết quả nghiên cứu cho thấy titan dioxit và nano silica giúp cải thiện cường độ cho bê tông Geopolymer.2 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 geopolymer và nano silica. Một trong những thành tựu đó là xác định được độ bền của bê tông geopolymer trong môi trường xâm thực củng như vật liệu nano silica cải thiện được cường độ và độ đặc chắc của bê tông.

5 Đặng Thị Thanh Lê, Vương Đặng Lê Mai, Vũ Việt Cường, Hoàng Anh Tuấn [7] đã nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu nano SiO2 điều chế từ tro trấu đến khả năng chống thấm ion clo của bê tông xi măng nhiều tro bay. Kết quả nghiên cứu cho thấy nano SiO2 sản xuất từ tro trấu khi cho vào bê tông xi măng nhiều tro bay đã làm tăng khả năng chống thấm ion clo của bê tông, làm giảm sự khuếch tán của ion, góp phần hạn chế sự ăn mòn. Đoàn Duy Khánh, Lê Anh Tuấn [16] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hạt nano silica và sợi polymer trong kết cấu bê tông. Kết quả cho thấy cường độ bê tông tăng lên từ 15% sau khi sử dung hạt nano silica 1%-3% và sợi polymer 0,5% - 2%.

Phan Đức Hùng, Lê Anh Tuấn [17] đã nghiên cứu tính chất cơ học của bê tông geopolymer sử dụng tro bay gia cường sợi poly-propylene. Kết quả cho thấy sợi poly - propylene làm giảm độ linh động của hỗn hợp bê tông. Hàm lượng sợi, chiều dài sợi và tỷ lệ giữa chiều dài trên đường kính sợi ảnh hưởng nhiều đến tính chất của bê tông. Tính chất cơ học của bê tông geopolymer được gia cường 0.5% hàm lượng sợi được cải thiện tốt nhất.

Phan Đức Hùng, Lê Anh Tuấn [18] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần hoạt hóa đến cường độ chịu uốn và kéo gián tiếp của bê tông geopolymer. Kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay và tỷ lệ sodium silicate – sodium hydroxide càng lớn thì cường độ chịu uốn và chịu kéo gián tiếp của bê tông geopolymer càng tăng. Khi thời gian dưỡng hộ tăng lên cũng làm tăng cường độ uốn và kéo do quá trình hoạt hóa diễn ra triệt để.