Tài liệu Luận án tiến sĩ nghiên cứu bê tông chịu nhiệt sử dụng cốt liệu tro xỉ nhiệt điện, xi măng poóclăng và các phụ gia khoáng mịn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Đỗ Thị Phượng NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT SỬ DỤNG CỐT LIỆU TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN, XI MĂNG POÓCLĂNG VÀ CÁC PHỤ GIA KHOÁNG MỊN Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – Năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Đỗ Thị Phượng NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT SỬ DỤNG CỐT LIỆU TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN, XI MĂNG POÓCLĂNG VÀ CÁC PHỤ GIA KHOÁNG MỊN Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Vũ Minh Đức Hà Nội – Năm 2022 LỜI CẢM ƠN Tác giả chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS Vũ Minh Đức đã hết lòng giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả chân thành cảm ơn trường Đại học Xây dựng Hà Nội, khoa Vật liệu xây dựng, phòng Quản lý đào tạo, bộ môn Công nghệ vật liệu xây dựng, bộ môn Vật liệu xây dựng đã giúp đỡ trong thời gian qua. Tác giả chân thành cảm ơn trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, khoa Xây dựng Cầu đường, Phòng thí nghiệm khoa Hóa, khoa Môi trường đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả trân trọng cảm ơn sự góp ý và giúp đỡ của PGS.TS. Nguyễn Ngọc Lâm, TS. Nguyễn Nhân Hoà – Trường Đại học Xây dựng Hà Nội. Tác giả cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè đã luôn động viên trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình tôi – những người thân đã luôn động viên trong suốt thời gian vừa qua. Tác giả luận án i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...............................................v DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................... ix MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết.......................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ...........................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................2 4. Cơ sở khoa học của đề tài ...................................................................................2 5. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................3 6. Ý nghĩa ................................................................................................................3 7. Những đóng góp mới của luận án .......................................................................4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT ......................................5 1.1. Giới thiệu bê tông chịu nhiệt ................................................................................5 1.1.1. Khái niệm ......................................................................................................5 1.1.2. Phân loại ........................................................................................................6 1.1.3. Tính chất của bê tông chịu nhiệt ...................................................................7 1.1.4. Vật liệu chế tạo............................................................................................11 1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTCN trên thế giới ....................................13 1.2.1. Tình hình nghiên cứu BTCN trên thế giới ..................................................13 1.2.2. Tình hình ứng dụng BTCN trên thế giới .....................................................18 1.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTCN ở Việt Nam .....................................22 1.4. Những vấn đề cần nghiên cứu của luận án trong điều kiện ở Việt Nam ...........24 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT.......26 2.1. Cơ sở khoa học nghiên cứu CKDCN .................................................................26 2.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến biến đổi hoá lý của đá xi măng PC ........26 2.1.2. Cơ sở sử dụng phụ gia khoáng mịn trong CKDCN ....................................28 iii 2.1.3. Cơ sở lựa chọn PGKM hỗn hợp TB – BN, TB – SF chế tạo CKDCN .......32 2.2. Cơ sở khoa học nghiên cứu cốt liệu chịu nhiệt ..................................................34 2.2.1. Cơ sở sử dụng tro xỉ nhiệt điện làm cốt liệu cho BTCN .............................34 2.2.2. Cơ sở thiết kế thành phần hạt cho BTCN ...................................................36 2.3. Cơ sở khoa học nghiên cứu thành phần BTCN .................................................38 CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................41 3.1. Vật liệu nghiên cứu ............................................................................................41 3.1.1. Chất kết dính ...............................................................................................41 3.1.2. Cốt liệu ........................................................................................................43 3.1.3. Nước và phụ gia hoá học.............................................................................46 3.2. Phương pháp nghiên cứu thành phần, tính chất CKDCN ..................................46 3.2.1. Thiết kế thành phần CKDCN ......................................................................46 3.2.2. Phương pháp nghiên cứu tính chất hỗn hợp CKDCN ................................47 3.2.3. Phương pháp chế tạo mẫu CKDCN ............................................................47 3.2.4. Phương pháp nghiên cứu chế độ gia công nhiệt mẫu CKDCN ..................47 3.2.5. Phương pháp nghiên cứu tính chất CKDCN ...............................................47 3.3. Phương pháp nghiên cứu thành phần hạt cốt liệu chịu nhiệt .............................51 3.3.1. Thiết kế thành phần hạt cốt liệu ..................................................................51 3.3.2. Phương pháp nghiên cứu khối lượng thể tích của hỗn hợp hạt cốt liệu......51 3.3.3. Phương pháp nghiên cứu độ rỗng thực tế của hỗn hợp hạt cốt liệu ............52 3.4. Phương pháp nghiên cứu thành phần, tính chất BTCN .....................................53 3.4.1. Thiết kế thành phần BTCN .........................................................................53 3.4.2. Phương pháp nghiên cứu tính chất hỗn hợp BTCN ....................................53 3.4.3. Phương pháp chế tạo mẫu BTCN ...............................................................54 3.4.4. Phương pháp nghiên cứu chế độ gia công nhiệt mẫu BTCN ......................54 3.4.5. Phương pháp nghiên cứu tính chất BTCN ..................................................54 3.5. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu thành phần tối ưu BTCN ....56 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA CKDCN SỬ DỤNG TRO BAY, BỘT NGÓI VÀ SILICA FUME ...............................................57 iv 4.1. Ảnh hưởng của PGKM đến lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết của hỗn hợp CKDCN .......................................................................................................57 4.2. Ảnh hưởng của PGKM đến khối lượng thể tích của CKDCN ở các cấp nhiệt độ ...................................................................................................................................59 4.3. Ảnh hưởng của PGKM đến độ co ngót của CKDCN ở các cấp nhiệt độ ..........62 4.4. Ảnh hưởng của PGKM đến cường độ chịu nén của CKDCN ở các cấp nhiệt độ ...................................................................................................................................65 4.5. Phương trình hồi quy cường độ chịu nén của CKDCN ở 800oC .......................69 4.6. Ảnh hưởng của loại PGKM đến tính chất của CKDCN ở các cấp nhiệt độ ......73 4.7. Phân tích hóa lý, vi cấu trúc CKDCN ................................................................76 4.7.1. Phân tích nhiệt .............................................................................................76 4.7.2. Phân tích Rơnghen ......................................................................................78 4.7.3. Phân tích kính hiển vi điện tử quét..............................................................82 CHƯƠNG 5. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT ..........................................................................................88 5.1. Thiết kế thành phần hạt cốt liệu cho BTCN.......................................................88 5.1.1. Thành phần hạt cốt liệu tính toán theo công thức Andersen .......................88 5.1.2. Khối lượng thể tích, độ rỗng thực của hỗn hợp hạt cốt liệu tương ứng với các chế độ công nghệ làm chặt ..............................................................................89 5.1.3. Phương trình hồi quy tính chất hỗn hợp hạt cốt liệu ...................................90 5.2. Thiết kế thành phần BTCN ................................................................................91 5.3. Tính chất của BTCN ..........................................................................................98 5.3.1. Đặc điểm bề mặt mẫu BTCN ở các cấp nhiệt độ ........................................98 5.3.2. Tính chất cơ lý của BTCN ở các cấp nhiệt độ ..........................................100 5.3.3. Độ bền nhiệt của BTCN ............................................................................105 KẾT LUẬN .............................................................................................................114 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ....................................117 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................118 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 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 1.1. Loại bê tông theo nhiệt độ sử dụng tối đa cho phép [116] .........................7 Bảng 1.2. Một số công trình sử dụng BTCN ở CHLB Nga [119] ............................19 Bảng 2.1. Hàm lượng CaO tự do trong đá CKD ở nhiệt độ cao [95] .......................30 Bảng 2.2. Sự phụ thuộc của mật độ khối xếp vào phương pháp sắp xếp và số điểm tiếp xúc của các hạt [117]..........................................................................................37 Bảng 2.3. Độ rỗng lý thuyết của hỗn hợp nhiều cỡ hạt [6], [117] ............................38 Bảng 3.1. Thành phần hóa vật liệu chế tạo CKDCN ................................................41 Bảng 3.2. Tính chất cơ lý của xi măng .....................................................................42 Bảng 3.3. Tính chất của các PGKM..........................................................................42 Bảng 3.4. Thành phần hóa của cốt liệu tro xỉ ...........................................................44 Bảng 3.5. Các tính chất của cốt liệu tro xỉ ................................................................44 Bảng 3.6. Thành phần hạt, độ lớn của cốt liệu tro xỉ trước và sau khi gia công.......45 Bảng 3.7. Khối lượng thể tích xốp của các cỡ hạt cốt liệu tro xỉ ..............................45 Bảng 3.8. Độ hút nước của các cỡ hạt cốt liệu tro xỉ ................................................45 Bảng 4.1. Ảnh hưởng của PGKM đến lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết của hỗn hợp CKDCN ................................................................................................57 Bảng 4.2. Thành phần và cường độ chịu nén CKDCN ở 800oC...............................71 Bảng 4.3. Tính chất cơ lý của CKDCN ....................................................................72 Bảng 4.4. Mất khối lượng của CKDCN ở các cấp nhiệt độ ......................................77 Bảng 5.1. Thành phần hạt của cốt liệu tro xỉ ............................................................90 Bảng 5.2. Cấp phối sơ bộ của BTCN ........................................................................91 Bảng 5.3. Cấp phối hiệu chỉnh của BTCN ................................................................92 Bảng 5.4. Bảng mã hóa quy hoạch thực nghiệm tính chất BTCN ở 800oC ..............93 Bảng 5.5. Bảng kế hoạch thực nghiệm tính chất BTCN ở 800oC .............................93 Bảng 5.6. Tỷ lệ thành phần vật liệu và kết quả tính toán tính chất BTCN theo phương trình hồi quy .................................................................................................96 Bảng 5.7. Kết quả thực nghiệm BTCN .....................................................................97 Bảng 5.8. Cấp phối tối ưu của BTCN .......................................................................97 viii Bảng 5.9. Thành phần hạt cốt liệu tro xỉ tối ưu của BTCN ......................................98 Bảng 5.10. Tính chất cơ lý của BTCN ở các cấp nhiệt độ ......................................100 Bảng 5.11. Kết quả độ bền nhiệt của mẫu BTCN AI..............................................106 Bảng 5.12. Kết quả độ bền nhiệt của mẫu BTCN BI ..............................................106 Bảng 5.13. Tính chất tấm BTCN sau nung thử nghiệm ..........................................111 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Lớp lót của tường tháp đốt nóng không khí ..............................................19 Hình 1.2. Sơ đồ kênh dẫn khí khói ............................................................................19 Hình 1.3. Buồng hoàn nhiệt từ lò Mactanh ...............................................................20 Hình 1.4. Nắp vòm lò đứng đốt nóng........................................................................20 Hình 3.1. Phân tích XRD của cốt liệu tro xỉ nhiệt điện ............................................43 Hình 3.2. Biều đồ đường cong nung mẫu CKDCN ..................................................47 Hình 3.3. Các bước thiết kế thành phần BTCN ........................................................53 Hình 4.1. Khối lượng thể tích các mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ ........................60 Hình 4.2. Sự suy giảm khối lượng thể tích các mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ so với ở 100oC................................................................................................................62 Hình 4.3. Độ co ngót các mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ ......................................63 Hình 4.4. Cường độ chịu nén các mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ .........................65 Hình 4.5. Sự suy giảm cường độ chịu nén các mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ so với ở 100oC................................................................................................................68 Hình 4.6. Ảnh hưởng của các loại PGKM đến cường độ chịu nén của CKDCN ở các cấp nhiệt độ ...............................................................................................................73 Hình 4.7. Ảnh hưởng của các loại PGKM đến khối lượng thể tích của CKDCN ....74 Hình 4.8. Ảnh hưởng của các loại PGKM đến độ co ngót của CKDCN ở các cấp nhiệt độ ......................................................................................................................75 Hình 4.9. Kết quả phân tích DSC, DTG mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ ..............77 Hình 4.10. Kết quả phân tích TGA mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ ......................78 Hình 4.11. Phân tích XRD mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ ...................................79 Hình 4.12. Phân tích XRD mẫu T1S ở các cấp nhiệt độ ...........................................80 Hình 4.13. Ảnh SEM mẫu CKDCN ở 25oC và 800oC ..............................................83 Hình 4.14. Ảnh SEM mẫu T1S ở các cấp nhiệt độ ....................................................84 Hình 5.1. Tính chất của hỗn hợp hạt TX1 ứng với các chế độ làm chặt ...................89 Hình 5.2. Bề mặt biểu diễn quan hệ tính chất BTCN (nhóm A) với N/CKD và n ...96 Hình 5.3. Bề mặt biểu diễn quan hệ tính chất BTCN (nhóm B) với N/CKD và n ...96 x Hình 5.4. Đặc điểm bề mặt mẫu BTCN ở các cấp nhiệt độ ......................................99 Hình 5.5. Đặc điểm bề mặt mẫu CKDCN ở các cấp nhiệt độ ..................................99 Hình 5.6. Khối lượng thể tích của BTCN ở các cấp nhiệt độ .................................101 Hình 5.7. Độ co ngót của BTCN ở các cấp nhiệt độ ...............................................102 Hình 5.8. Độ hút nước của BTCN ở các cấp nhiệt độ ............................................102 Hình 5.9. Cường độ chịu nén của BTCN ở các cấp nhiệt độ ..................................103 Hình 5.10. Ảnh SEM mẫu BTCN AI ở các cấp nhiệt độ ........................................107 Hình 5.11. Ảnh SEM mẫu BTCN BI ở các cấp nhiệt độ ........................................108 Hình 5.12. Hình ảnh sự phân bố vết nứt các mẫu BTCN ở 800oC .........................109 Hình 5.13. Hình ảnh khoáng trong các mẫu BTCN ở 800oC ..................................109 Hình 5.14. Tấm BTCN nung thực nghiệm tại Nhà máy gạch tuynen.....................111 1 MỞ ĐẦU 1. 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. Theo Viện vật liệu xây dựng, tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện Việt Nam hiện nay chiếm trữ lượng khá lớn, ước tính lượng tro xỉ tồn chứa và thải ra hằng năm khoảng gần 18 triệu tấn gây ô nhiễm đất, nước và không khí, nhưng mới tái sử dụng được khoảng 30% khối lượng [32]. Sử dụng nguồn phế thải này làm cốt liệu, thay thế một phần xi măng poóclăng, kết hợp với các phụ gia khoáng mịn là các vật liệu sẵn có trong nước như bột ngói đất sét nung, silica fume để chế tạo bê tông chịu nhiệt mang lại nhiều ý nghĩa. Do đó, luận án “nghiên cứu bê tông chịu nhiệt sử dụng cốt liệu tro xỉ nhiệt điện, xi măng poóclăng và các phụ gia khoáng mịn” được thực hiện. 2 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng cốt liệu từ tro xỉ nhiệt điện, chất kết dính từ xi măng poóclăng và hỗn hợp tro bay – bột ngói, tro bay – silica fume chế tạo bê tông chịu nhiệt có nhiệt độ làm việc đến khoảng 800oC trên cơ sở vật liệu sẵn có ở Việt Nam hướng đến làm cấu kiện đúc sẵn cho các công trình công nghiệp. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Bê tông chịu nhiệt sử dụng tro xỉ nhiệt điện, xi măng poóclăng và các phụ gia khoáng mịn. Phạm vi nghiên cứu: - Sử dụng chất kết dính từ xi măng poóclăng cùng các phụ gia khoáng mịn như tro bay, hỗn hợp tro bay – bột ngói, tro bay – silica fume. - Sử dụng cốt liệu là tro xỉ nhiệt điện có kích thước đến 5 mm. - Hỗn hợp bê tông chịu nhiệt có độ sụt 1÷2 cm (tương ứng độ cứng 25÷35 s), cường độ chịu nén bê tông ở tuổi 7 ngày (sau sấy 100oC) đạt tối thiểu 20 MPa. - Bê tông có nhiệt độ làm việc đến khoảng 800oC. - Nghiên cứu trong điều kiện phòng thí nghiệm. 4. Cơ sở khoa học của đề tài Sự phân hủy đá xi măng poóclăng xảy ra chủ yếu do sự tách nước của các khoáng thủy hóa và thủy hóa lần hai của oxyt canxi khi gặp môi trường ẩm. Để tăng tính chịu nhiệt cho xi măng poóclăng cần đưa vào các phụ gia khoáng mịn. Những phụ gia khoáng này cần có thành phần hoạt tính, có khả năng xảy ra phản ứng với các khoáng của đá xi măng poóclăng ở nhiệt độ cao tạo ra khoáng mới bền vững, khó nóng chảy, giảm co ngót để ổn định cấu trúc đá xi măng. Do đó, cơ sở khoa học của luận án dựa trên lý thuyết phản ứng giữa các khoáng của đá xi măng poóclăng và phụ gia khoáng mịn, sự lèn chặt cấu trúc, giảm co ngót trong đá chất kết dính ở nhiệt độ cao. Tỷ lệ giữa hàm lượng phụ gia khoáng mịn và chất kết dính cần thích hợp với từng cấp nhiệt độ. 3 Cốt liệu cho bê tông chịu nhiệt cần bền nhiệt, không bị nóng chảy và phân hủy ở nhiệt độ cao. Thành phần hỗn hợp hạt hợp lý tạo ra bộ khung cốt liệu đặc chắc làm tăng giá trị khối lượng thể tích, cường độ, độ bền nhiệt và nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng của bê tông chịu nhiệt. Vì vậy cơ sở khoa học của luận án dựa trên lý thuyết về tính toán và thiết kế thành phần hạt cốt liệu cho bê tông chịu nhiệt. Để chế tạo bê tông chịu nhiệt cần phải tính toán và lựa chọn thành phần cho bê tông trên cơ sở lượng dùng xi măng và tỷ lệ giữa nước và chất kết dính nhỏ, hàm lượng phụ gia khoáng mịn và thành phần hạt cốt liệu hợp lý để đảm bảo khối lượng thể tích lớn, độ co ngót và độ hút nước nhỏ, cường độ đảm bảo để làm việc, độ bền nhiệt lớn để kéo dài thời gian làm việc của kết cấu. 5. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp tổng hợp phân tích tài liệu, các phương pháp tiêu chuẩn, phương pháp phi tiêu chuẩn, phương pháp nghiên cứu tính toán kết hợp thực nghiệm và phương pháp quy hoạch thực nghiệm. Ngoài ra còn sử dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại để nghiên cứu quá trình biến đổi hóa lý, vi cấu trúc của vật liệu như phân tích nhiệt, phân tích Rơnghen và phân tích kính hiển vi điện tử quét. 6. Ý nghĩa Ý nghĩa khoa học: - Xác định được lượng dùng phụ gia khoáng mịn hợp lý nhằm nâng cao tính chịu nhiệt của xi măng poóclăng. - Thiết lập được quy luật biến đổi một số tính chất cơ lý, hóa lý và vi cấu trúc của chất kết dính theo loại, hàm lượng phụ gia khoáng mịn và nhiệt độ. - Thiết lập được quy luật ảnh hưởng của thành phần hạt cốt liệu tro xỉ nhiệt điện và tỷ lệ nước/chất kết dính đến một số tính chất của bê tông chịu nhiệt theo nhiệt độ. Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu của luận án đã khẳng định được khả năng chế tạo bê tông chịu nhiệt có nhiệt độ làm việc đến khoảng 8000C sử dụng cốt 4 liệu tro xỉ nhiệt điện, xi măng poóclăng cùng các phụ gia khoáng mịn tro bay, bột ngói và silica fume tại Việt Nam, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của một số công trình xây dựng, góp phần xử lý các phế liệu, phế thải tồn đọng. 7. Những đóng góp mới của luận án - Luận án đã lựa chọn thành công cấp phối bê tông chịu nhiệt hợp lý sử dụng cốt liệu tro xỉ nhiệt điện, chất kết dính hỗn hợp từ xi măng poóc lăng và các loại phụ gia khoáng mịn tro bay, bột ngói, silica fume có nhiệt độ làm việc đến khoảng 800oC. - Thiết lập quy luật ảnh hưởng của loại và hàm lượng các phụ gia khoáng mịn (tro bay, tro bay – bột ngói, tro bay – silica fume) đến thành phần, tính chất của chất kết dính chịu nhiệt theo nhiệt độ. Đánh giá được hiệu quả của phụ gia khoáng mịn hỗn hợp, vai trò của từng loại phụ gia khoáng mịn ở mỗi khoảng nhiệt độ. Sự xuất hiện của các khoáng mới ở khoảng nhiệt độ 800÷1000oC chứng minh tác dụng của các phụ gia khoáng mịn và khẳng định cơ chế tạo khoáng chịu nhiệt dưới tác dụng của nhiệt độ cao với sự có mặt của các oxyt hoạt tính. - Thiết lập quy luật ảnh hưởng của thành phần hạt cốt liệu tro xỉ nhiệt điện, tỷ lệ nước/chất kết dính đến một số tính chất của bê tông chịu nhiệt theo nhiệt độ. 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHỊU NHIỆT 1.1. Giới thiệu bê tông chịu nhiệt 1.1.1. Khái niệm Các công trình xây dựng là tổ hợp thiết bị nhiệt (như bệ đỡ, kết cấu bao che lò, ống khói, kênh dẫn, ...) phải làm việc trong các điều kiện nhiệt độ phức tạp. Điều đó làm thay đổi các tính chất cơ lý của các vật liệu sử dụng trong công trình. Để nâng cao tuổi thọ cho công trình và thực hiện công nghiệp hóa việc xây dựng các tổ hợp thiết bị nhiệt, trong nhiều năm qua bê tông chịu lửa (BTCL), bê tông chịu nhiệt (BTCN) và bê tông cốt thép chịu nhiệt (BTCT-CN) dưới dạng các blốc kích thước lớn, panen, các cấu kiện lắp ghép hay đổ toàn khối đã được sử dụng [119]. BTCN là loại vật liệu đá nhân tạo không nung, được hình thành do quá trình rắn chắc hỗn hợp chất kết dính chịu nhiệt với cốt liệu chịu nhiệt, nước và phụ gia (nếu có), có khả năng làm việc ở nhiệt độ từ 200oC đến không quá 1800oC [116]. BTCN là loại vật liệu kỹ thuật đặc biệt, về tính chất lý – hóa thì mang đặc tính của vật liệu chịu lửa (VLCL), về phương pháp chế tạo thì mang đặc tính chế tạo của vật liệu bê tông nên nó thể hiện được ưu điểm của cả hai loại vật liệu. Kinh nghiệm xây dựng và sử dụng các tổ hợp thiết bị nhiệt được xây dựng từ BTCN đã chỉ ra những tính năng ưu việt của loại bê tông này [118], [119]. Khi sử dụng BTCN không cần thiết phải nung (là điểm khác biệt so với VLCL), giảm quá trình lao động nặng nhọc so với khi xây dựng từ các viên sản phẩm kích thước nhỏ đơn chiếc, có thể thi công toàn khối hoặc lắp ghép, cho khả năng công nghiệp hóa và cơ khí hóa các quá trình công nghệ xây dựng, đẩy nhanh tiến độ thi công, giảm giá thành xây dựng, rút ngắn thời gian sửa chữa, cho khả năng chế tạo các kết cấu có hình dạng bất kỳ của tổ hợp thiết bị nhiệt, tăng độ bền vững của công trình khi làm việc, cho khả năng sử dụng các nguyên liệu địa phương, phế thải công nghiệp và tiết kiệm được các loại VLCL dị hình, đắt tiền. Tuy nhiên, BTCN có những nhược điểm so với gạch chịu lửa như độ co ngót lớn, tính toán cấp phối phức tạp, chưa có tiêu chuẩn thiết kế và ban hành dẫn đến việc ứng dụng vào thực tế ở Việt Nam còn khó khăn. 6 1.1.2. Phân loại BTCN được phân loại theo các dấu hiệu sau [116]: a. Theo mục đích sử dụng - BTCN kết cấu: yêu cầu chất lượng xác định bằng các chỉ tiêu cơ lý. - BTCN kết cấu và cách nhiệt: yêu cầu chất lượng xác định bằng các chỉ tiêu cơ lý đồng thời cần hệ số dẫn nhiệt nhỏ. - BTCN cách nhiệt hay còn gọi là BTCN nhẹ: mục đích chủ yếu cách nhiệt nên yêu cầu chất lượng xác định bằng hệ số dẫn nhiệt nhỏ. b. Theo cấu trúc - BTCN cấu trúc đặc: phần không gian giữa các hạt cốt liệu được lấp đầy bằng cốt liệu mịn và chất kết dính. - BTCN cấu trúc bán đặc chắc: phần không gian giữa các hạt cốt liệu không được lấp đầy hoàn toàn bằng các cốt liệu mịn và chất kết dính, phụ gia điều chỉnh độ rỗng với khối lượng không quá 6%. - BTCN cấu trúc rỗng: phần không gian giữa các hạt cốt liệu để hở, bê tông được tạo nên bằng cách kết khối các hạt cốt liệu bằng hồ chất kết dính. c. Theo loại chất kết dính Gồm các loại xi măng poóclăng (bao gồm cả xi măng poóclăng đông kết nhanh và xi măng poóclăng xỉ), xi măng alumin (alumin và cao alumin), chất kết dính silicat (thủy tinh lỏng có chất đóng rắn, silicat dạng rắn với chất đóng rắn). d. Theo các loại phụ gia khoáng mịn BTCN có các loại phụ gia như sa mốt, cordierit, tro và xỉ, keramzit, manhezi, periclazo, alumocromit, cacborun, aluminosilicat, tro bay, … e. Theo loại cốt liệu BTCN có các loại cốt liệu được phân loại như sa mốt, corun mulit, corun, manhezi, cacbonrun, cordierit, cordierit – mulit, mulit – cordierit, xỉ, tro và xỉ, đá 7 bazan, diaba, andezit, diorit, keramzit, peclit, vermiculit, phế liệu bê tông, aluminosilicat, … f. Theo nhiệt độ Các loại BTCN được thiết lập tương ứng với nhiệt độ sử dụng tối đa cho phép thể hiện trong Bảng 1.1. Bảng 1.1. Loại bê tông theo nhiệt độ sử dụng tối đa cho phép [116] Loại BTCN Nhiệt độ sử dụng tối đa cho phép, oC Loại BTCN Nhiệt độ sử dụng tối đa cho phép, oC I2 200 - - I3 300 I11 1100 I4 400 I12 1200 I5 500 I13 1300 I6 600 I14 1400 I7 700 I15 1500 I8 800 I16 1600 I9 900 I17 1700 I10 1000 I18 1800 trong đó: BTCN I13÷I18 được thiết lập dành cho các sản phẩm, kết cấu không chịu lực. 1.1.3. Tính chất của bê tông chịu nhiệt BTCN là loại bê tông mang các tính chất của bê tông và VLCL. Để có thể nghiên cứu và chế tạo vật liệu này, cần khảo sát những tính chất chuyên dụng của nó. 1.1.3.1. Khối lượng thể tích Khi làm việc ở nhiệt độ cao, khối lượng thể tích của bê tông sẽ giảm do sự mất ẩm, sự phân hủy của các khoáng hydro silicat canxi (C-S-H), hydroxyt canxi (CH), hydro aluminat canxi, etringit và CaCO3. Toàn bộ cấu trúc của mẫu bê tông sẽ bị phá hủy khi khối lượng của bê tông không ngừng giảm khi tăng nhiệt độ [55], [73]. Tuy nhiên đến một mức nhiệt độ nào đó thì sự suy giảm khối lượng thể tích của bê tông