Kết hợp cát biển, tro bay và xỉ lò cao chế tạo bê tông Geopolymer cho các CT thủy lợi (P1)
Sử dụng cát biển, kết hợp tro bay, xỉ lò cao với dung dịch kiềm hoạt hóa và phụ gia siêu dẻo giảm nước để chế tạo bê tông Geopolymer có cường độ nén từ M30 đến M60. Bê tông Geopolymer thiết kế có tính công tác tốt, cường độ nén đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật cho thi công các công trình thủy lợi. Bê tông Geopolymer là một loại bê tông xanh thân thiện với môi trường. Đây là loại bê tông mới, không sử dụng xi măng portland, bê tông chế tạo có tính bền axit, bền sunfat và mác chống thấm cao.
1. Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, các công trình xây dựng nói chung và công trình thuỷ lợi nói riêng đã được xây dựng và phát triển ngày càng nhiều nhằm đáp ứng yêu cầu công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Đa số các công trình xây dựng đều theo xu hướng sử dụng bê tông thông thường với chất kết dính xi măng portland truyền thống, đây là chất kết dính truyền thống có ưu điểm về tính dễ thi công và đảm bảo độ tin cậy. Tuy nhiên, các công trình thủy lợi và công trình ven biển chịu tác động rất mạnh của việc xâm thực bê tông xi măng, cần thiết phải nghiên cứu một loại vật liệu mới như một sự bổ sung, đa dạng thêm vật liệu sử dụng cho công trình thủy lợi vùng biển.
Để từng bước hạn chế việc sử dụng xi măng portland làm chất kết dính chế tạo bê tông và hạn chế xâm thực bê tông xi măng cho các công trình bê tông thường xuyên làm việc trong môi trường nước như các công trình thủy lợi, thì một loại chất kết dính kiềm hoạt hoá mới đã và đang được nghiên cứu, dần dần từng bước ứng dụng vào thực tế xây dựng, đó là vật liệu Geopolymer. Vật liệu Geopolymer được hình thành do quá trình hoạt hóa giữa vật liệu Alumino-silicate trong môi trường dung dịch chứa kiềm. Trong đó vật liệu Alumino-silicate chứa các thành phần hoạt tính (SiO2 VĐH và Al2O3) có trong phụ gia khoáng (tro bay, xỉ lò cao nghiền mịn, tro trấu…). Quá trình phản ứng trong môi trường hoạt hóa sẽ tạo các chuỗi -Si-O-Al làm cho vật liệu có cường độ và bền vững theo thời gian. Chất kết dính kiềm hoạt hoá đó sử dụng dung dịch kiềm hoạt hóa gồm dung dịch xút và dung dịch thuỷ tinh lỏng, kết hợp sử dụng phụ gia khoáng vật hoạt tính với một số hoá chất thông thường khác [1].
Trong những năm gần đây, các công trình xây dựng nói chung và công trình thuỷ lợi nói riêng đã được xây dựng và phát triển ngày càng nhiều nhằm đáp ứng yêu cầu công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Đa số các công trình xây dựng đều theo xu hướng sử dụng bê tông thông thường với chất kết dính xi măng portland truyền thống, đây là chất kết dính truyền thống có ưu điểm về tính dễ thi công và đảm bảo độ tin cậy. Tuy nhiên, các công trình thủy lợi và công trình ven biển chịu tác động rất mạnh của việc xâm thực bê tông xi măng, cần thiết phải nghiên cứu một loại vật liệu mới như một sự bổ sung, đa dạng thêm vật liệu sử dụng cho công trình thủy lợi vùng biển.
Để từng bước hạn chế việc sử dụng xi măng portland làm chất kết dính chế tạo bê tông và hạn chế xâm thực bê tông xi măng cho các công trình bê tông thường xuyên làm việc trong môi trường nước như các công trình thủy lợi, thì một loại chất kết dính kiềm hoạt hoá mới đã và đang được nghiên cứu, dần dần từng bước ứng dụng vào thực tế xây dựng, đó là vật liệu Geopolymer. Vật liệu Geopolymer được hình thành do quá trình hoạt hóa giữa vật liệu Alumino-silicate trong môi trường dung dịch chứa kiềm. Trong đó vật liệu Alumino-silicate chứa các thành phần hoạt tính (SiO2 VĐH và Al2O3) có trong phụ gia khoáng (tro bay, xỉ lò cao nghiền mịn, tro trấu…). Quá trình phản ứng trong môi trường hoạt hóa sẽ tạo các chuỗi -Si-O-Al làm cho vật liệu có cường độ và bền vững theo thời gian. Chất kết dính kiềm hoạt hoá đó sử dụng dung dịch kiềm hoạt hóa gồm dung dịch xút và dung dịch thuỷ tinh lỏng, kết hợp sử dụng phụ gia khoáng vật hoạt tính với một số hoá chất thông thường khác [1].
Trong sản xuất bê tông cần thiết phải có cốt liệu mịn (cát). Do trữ lượng cát tự nhiên để sản suất bê tông của nước ta dần dần sẽ ít đi, phân bố không đồng đều ở các vùng miền nên nhiều nơi phải nhập khẩu cát hoặc vận chuyển xa, giá thành tăng lên, thiếu sự chủ động về nguồn cát để chế tạo bê tông. Trong khi đó, các tỉnh ven biển của Việt Nam có trữ lượng cát biển khá lớn, giá thành hạ, có tại vị trí xây dựng công trình. Vì vậy, nếu sử dụng được loại cát này sản xuất bê tông sẽ có thêm nguồn cốt liệu mịn, mở rộng được việc sử dụng tài nguyên thiên nhiên sẵn có, giải quyết được một phần khan hiếm về cát dùng cho bê tông hiện nay và về lâu dài. Ở một số vùng khan hiếm cát đạt tiêu chuẩn để sản xuất cho bê tông, nhưng sẵn nguồn cát biển với giá thành rẻ, khai thác tại chỗ, thì việc sử dụng cát biển thay thế cát tự nhiên sẽ góp phần làm giảm giá thành bê tông, giảm giá thành xây dựng công trình.
Để chế tạo bê tông Geopolymer, người ta thường sử dụng cốt liệu mịn (cát) có chất lượng tốt, cụ thể là cát có cấp phối hạt hợp lý, ít tạp chất bụi, bùn, sét…; cát có mô đun độ lớn Mdl≥2 (cát thô) thỏa mãn tiêu chuẩn TCVN 7570:2006. Tuy nhiên, ở nước ta có trữ lượng cát biển rất lớn, nhưng cát biển khá mịn và có mô đun độ lớn dưới 2. Vì vậy, cần phải nghiên cứu đưa loại cát biển này vào sản xuất bê tông Geopolymer cho tất cả các công trình xây dựng một cách hợp lý.
Tại Việt Nam, theo báo cáo của Bộ Công thương thì dự kiến đến năm 2020, cả nước có thêm 12 dự án nhiệt điện than đi vào hoạt động, khi đó sẽ thải thêm ra khoảng 23÷25 triệu tấn tro xỉ mỗi năm, như vậy nguy cơ không có đủ diện tích trống để làm bãi thải lượng tro xỉ thải ra, gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường. Bên cạnh đó, ở nước ta hiện nay công nghiệp luyện gang thép đã và đang được phát triển mang tính chủ động về nguồn thép sản xuất trong nước, điển hình là các nhà máy sản xuất thép Formosa Hà Tĩnh, Thái Nguyên, FuCo, Ponima, Nhà máy Thép Phú Mỹ, Khu liên hợp gang thép Hòa Phát tại Kinh Môn - Hải Dương,… hàng năm sẽ thải ra một lượng xỉ gang thép rất lớn. Do lượng xỉ gang thép thải ra nhiều, nên công tác tổ chức xử lý tốn kém và cần diện tích rất lớn để chứa xỉ, gây nên hiện tượng ô nhiễm môi trường và nguồn nước ngầm. Do đó cần nghiên cứu và xử lý, tận dụng nguồn xỉ lò cao hoạt tính và tro bay nhiệt điện than làm phụ gia khoáng để sản xuất bê tông mang lại hiệu quả kinh tế cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Xuất phát từ những ý tưởng trên, trong đề tài sử dụng cát biển thay thế cát tự nhiên để chế tạo bê tông Geopolymer (BT GPM). Đề tài ứng dụng các nguồn phụ phẩm công nghiệp (xỉ lò cao hoạt tính và tro bay) làm phụ gia khoáng, kết hợp với dung dịch hoạt hóa (dung dịch NaOH và Na2SiO3), kết hợp phụ gia siêu dẻo giảm nước để sản xuất bê tông Geopolymer ứng dụng cho các công trình thuỷ lợi và các công trình ven biển. Bê tông Geopolymer thiết kế có cường độ và tính bền cao, mác chống thấm vượt trội so với bê tông truyền thống, đặc biệt là khả năng chống xâm thực rất tốt. Bê tông Geopolymer là loại “bê tông xanh” thân thiện với môi trường, khi được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong các công trình xây dựng nói chung và công trình thủy lợi, công trình vùng biển nói riêng sẽ mang lại hiệu quả về kinh tế, góp phần bảo vệ môi trường.
2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1. Phụ gia khoáng
a. Tro bay
Tro bay: dùng loại tro bay nhiệt điện lấy trực tiếp chưa tuyển có độ ẩm 1,05%; khối lượng riêng 2,42 g/cm³; khối lượng thể tích xốp 1,18 g/cm³ và thành phần hóa học của tro bay như sau: SiO2 = 51,3%; Al2O3 = 31,65%; Fe2O3 = 3,61%; SO3= 0,29%; MgO = 0,82%; CaO = 0,81% và MKN = 5,24%. Chỉ số hoạt tính sau 7 ngày đạt 72,6% và sau 28 ngày đạt 89,8%. Diện tích bề mặt riêng 3600 cm²/g.
Tro bay được phân tích và kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý cho thấy loại tro bay nghiên cứu thuộc loại F, phù hợp TCVN 10302:2014 và ASTM C618-03.
b. Xỉ lò cao hoạt tính
Xỉ lò cao hoạt tính nghiền mịn có khối lượng riêng 2,67 g/cm³, diện tích bề mặt (độ mịn) 3600 cm²/g. Xỉ lò cao hoạt tính có thành phần hóa học cơ bản: SiO2 = 36,38%; Al2O3 = 15,76%; Fe2O3 = 0,55%; SO3 = 1,25% và MKN = 0,91%. Các chỉ tiêu cơ lý của xỉ lò cao hoạt tính thỏa mãn theo TCVN 11586:2016 và BS EN 15167-1:2006.
2.2. Cốt liệu
a. Cốt liệu mịn
Trong nghiên cứu sẽ sử dụng 2 loại cát để chế tạo bê tông Geopolymer: Cát biển và cát tự nhiên (cát sử dụng để sản xuất bê tông thông thường).
Cát tự nhiên: cát được lấy từ công trình và đưa về kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý tại phòng thí nghiệm. Cát có khối lượng riêng 2,62 g/cm³; khối lượng thể tích xốp 1,65 g/cm³; độ rỗng 37,0%; mô đun độ lớn 2,62; hàm lượng ion Clo Cl- = 0,0016%; tạp chất nằm trong phạm vi cho phép. Cát tự nhiên dùng chế tạo bê tông Geopolymer có thành phần hạt và các chỉ tiêu cơ lý phù hợp TCVN 7570:2006.
Cát biển: Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý được khối lượng riêng 2,55 g/cm³; khối lượng thể tích xốp 1,58 g/cm³; độ rỗng 38,04%; độ ẩm 3,5%; mô đun độ lớn 1,85; hàm lượng ion Clo Cl- = 0,22%; tạp chất nằm trong phạm vi cho phép. Thành phần hạt của cát biển như trong Bảng 1.
Một số chỉ tiêu cơ lý của cát biển (khối lượng riêng, khối lượng thể tích, tạp chất...) thỏa mãn yêu cầu TCVN 7570:2006. Tuy nhiên, về thành phần hạt và mô đun độ lớn của cát biển không thỏa mãn TCVN 7570:2006 (Mdl = 1,85<2) là do cát biển mịn hơn rất nhiều cát tự nhiên. Trong thiết kế thành phần BT GPM sẽ điều chỉnh hàm lượng PGK và phụ gia siêu dẻo hợp lý để đạt được các yêu cầu kỹ thuật của bê tông thiết kế.
b. Cốt liệu thô
Cốt liệu thô (đá dăm) lấy ở công trình xây dựng và được đưa về phòng để thí nghiệm phối trộn thành cấp phối liên tục có Dmax = 20mm, đá dăm cỡ (5 - 20) mm có hàm lượng hạt thoi dẹt 4,2%; khối lượng riêng 2,65 g/cm³; khối lượng thể tích xốp 1,68g/cm³; độ hút nước 1,25%; tạp chất nằm trong phạm vi cho phép. Đá có thành phần hạt và tính chất cơ lý đạt tiêu chuẩn TCVN 7570:2006.
2.3. Dung dịch hoạt hóa
Dung dịch hoạt hóa là hỗn hợp của dung dịch Natri hydroxyt (NaOH) và thuỷ tinh lỏng (Na2SiO3). Natri hydroxyt dạng vảy khô có độ tinh khiết trên 98%. Dung dịch Natri hydroxyt có nồng độ mol theo yêu cầu thiết kế. Dung dịch Natri silicat được đặt mua có tỷ lệ SiO2/Na2O = 2,5.
2.4. Phụ gia siêu dẻo
Để hỗn hợp BT GPM có tính công tác tốt thì hỗn hợp bê tông thiết kế không được phép xảy ra hiện tượng phân tầng và tách nước. Khi chế tạo BT GPM đề tài nghiên cứu đã sử dụng phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao gốc Polycarboxylate, giảm nước khoảng 40%; thông qua thí nghiệm để xác định tỷ lệ pha trộn hợp lý, đảm bảo tính công tác yêu cầu của hỗn hợp bê tông, cũng như điều kiện thi công của bê tông Geopolymer thiết kế.
(Còn nữa)
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.
VLXD.org (TH/ Tạp chí KHCNXD)
