Giáo trình Thực nghiệm và đánh giá quá trình cacbonat hoá cưỡng bức vật liệu bê-Tông cốt thực vật

Nội dung text: Giáo trình Thực nghiệm và đánh giá quá trình cacbonat hoá cưỡng bức vật liệu bê-Tông cốt thực vật

1. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH CACBONAT HOÁ CƯỠNG BỨC VẬT LIỆU BÊ-TÔNG CỐT THỰC VẬT ThS. NGUYỄN NGỌC TRÍ HUỲNH, KS. TRẦN ANH TÚ, TS. NGUYỄN KHÁNH SƠN Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh (HCMUT) Tóm tắt: Có thể nhận thấy tiềm năng của việc nguyên liệu thực vật cũng như mục đích sử dụng sử dụng phế phẩm nông nghiệp trong chế tạo các tùy thuộc đặc điểm khí hậu theo khu vực địa lý ở loại vật liệu nhẹ không chịu tải, khai thác các biểu các nước trên thế giới. Điển hình như ở Pháp và hiện tính chất cách âm, cách nhiệt. Trong nghiên một số nước châu Âu, bã gai dầu (hemp shives) cứu này, chúng tôi sử dụng vỏ trấu làm thành phần cốt liệu kết hợp với nền kết dính là vôi tôi và meta đang được sử dụng chế tạo bê-tông nhẹ làm vách cao-lanh để chế tạo sản phẩm bê-tông cốt thực vật. cách nhiệt bảo ôn cho công trình [1]. Hoặc như ở Dự kiến các khảo sát đánh giá trên mẫu bê-tông Mã-Lai thuộc khu vực Đông Nam Á, vốn nổi tiếng thực vật gồm: phân tích thành phần, vi cấu trúc sản xuất dầu cọ và dừa, phế thải dạng hạt và sợi cũng như đặc trưng cơ lý. Ngoài ra, thí nghiệm đánh cũng được sử dụng làm cốt liệu cho bê-tông xi- giá tác động của việc bảo dưỡng mẫu trong môi măng hay bê-tông xi-măng vôi [2]. Cốt liệu thực vật trường cacbonat hóa cưỡng bức cũng được thiết kế và bố trí thực hiện. Kết quả thu được khi bảo dưỡng có một ưu điểm hiếm có là tính tự nhiên và không ở điều kiện nồng độ CO2 4% rất khả quan khi xét phát thải thậm chí phát thải âm khí gây hiệu ứng đến các chỉ tiêu cơ lý, từ đó có thể dự đoán được nhà kính do đặc điểm sinh trưởng của thực vật là hiệu quả sử dụng của loại bê-tông cốt thực vật vỏ hút khí CO2 và thải ra khí O2. Do đó khi kết hợp cốt trấu nếu được đưa vào thực tế. thực vật với vật liệu kết dính từ vôi cũng là thành Từ khóa: bê-tông thực vật, vỏ trấu, meta cao- phần nhìn chung có tính không phát thải khí gây lanh, cacbonat hoá hiệu ứng nhà kính nhờ chu trình kín khử cacbonat – Abstract: Recent studies show the potential of cacbonat hoá của vôi có thể xem là đáp ứng rất tốt using agricultural by-products as aggregates for với tiêu chí vật liệu xây dựng thân thiện với môi lightweight concretes. This bio-based aggregate trường phù hợp mục tiêu phát triển xây dựng bền concrete or also called as agro-concrete can be used as non-load-bearing element in building with vững hiện nay. Hơn nữa, ngoài đặc điểm cách regards to performance of thermal and acoustic nhiệt, cách âm tốt, một ưu điểm nữa của vật liệu bê- insulation. In this paper, rice husk aggregate was tông cốt thực vật khi sử dụng trong vách tường mixed with lime-based binder and metakaolin. công trình xây dựng là đặc điểm vi khí hậu, đó là Concrete samples were produced and performed khả năng có thể hút – xả ẩm, lọc sạch không khí component analysis, structural analysis and góp phần điều hoà, kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm tạo mechanical resistance. In addition, we invesitgated the effect of the carbonation reaction on the global sự thoái mái cho người sử dụng công trình [3–6]. properties of the sample by using an designed Khả năng tiến hành phản ứng cacbonat hoá để liên accelerated carbonation testing chamber. The level tục phát triển cường độ theo thời gian cũng phù hợp of carbonation reaction in the cacbonation test với phương thức hấp thụ cacbon (CO2 chamber controls the initial concentration of CO2 sequestration) của nền sản xuất đi kèm mục tiêu (4%) show significant improvement of compressive không phát thải hiện nay. strength at early age. From this, we could envisage some perspective of pratical production of this type Ở Việt Nam, chúng ta cũng có một nền nông of concrete. nghiệp lâu đời và phát triển phong phú. Khai thác Keywords: bio-based aggregate concrete, agro- nguồn phế phẩm nông nghiệp lớn này làm cốt liệu concrete, rice husk, metakaolin, carbonation thực vật cũng đã được các nhà nghiên cứu quan 1. Tổng quan tâm như công bố của [7]. Tuy nhiên do ưu tiên sử dụng xi-măng làm thành phần kết dính nên hạn chế Có thể nói ý tưởng sử dụng thực vật làm cốt liệu của những nghiên cứu này vẫn là tính nhẹ và phần cho bê-tông đã được các nhà khoa học quan tâm từ nào chưa phù hợp sử dụng làm vật liệu vách. Gần rất sớm. Phần nhiều các công bố khoa học đã tập đây, nhóm nghiên cứu chúng tôi đã tiếp cận cách trung khai thác đặc điểm thổ nhưỡng, cây trồng, thức nghiên cứu vật liệu bê-tông cốt thực vật sử 48 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017
2. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG dụng vôi làm chất kết dính chính theo như xu được chúng tôi dự kiến sử dụng làm thành phần hướng của thế giới để sản xuất một vật liệu thực sự phụ gia khoáng hoạt tính puzơlanic khi kết hợp với “xanh” và không gây phát thải. Gần đây, công bố vôi ở giai đoạn sau khi tạo hình trong khuôn. Ngoài nghiên cứu [8] của chúng tôi tập trung vào khảo sát ra, hệ thống thí nghiệm buồng cacbonat hoá cưỡng hệ vỏ trấu vôi và các đặc trưng cơ lý của vật liệu bức (nồng độ %CO2, độ ẩm) cũng được thiết kế chế theo dõi theo thời gian trải qua quá trình cacbonat tạo nhằm kích thích quá trình bảo dưỡng cacbonat hoá tự nhiên. Kết quả đo giá trị hệ số dẫn nhiệt xấp hoá tạo cường độ chịu lực cho sản phẩm. Các kết xỉ 0,27 W/m.K của mẫu bê-tông vỏ trấu ứng với giá quả khảo sát thành phần, tính chất cơ lý của mẫu trị khối lượng thể tích từ 800-900kg/m3. Đây là cơ bê-tông thực vật vỏ trấu trong hai trường hợp: mẫu sở để khai thác tính cách nhiệt và cách âm của vật đối chứng với chất kết dính vôi và bảo dưỡng không liệu này như cách thức ứng dụng loại bê-tông gai khí và mẫu cải tiến với chất kết dính vôi-meta cao- dầu trên thế giới. Tuy nhiên, ngoài ưu điểm về tính lanh và bảo dưỡng buồng cacbonat hoá cưỡng bức dẻo dễ tạo hình kiểu đầm lèn thì dùng vôi làm thành sẽ được đối sánh và nhận xét. phần kết dính chính, chúng tôi còn gặp hạn chế về 2. Thành phần nguyên liệu và chế tạo mẫu bê - tính co khô khi tháo khuôn bảo dưỡng, dễ gây biến tông cốt thực vật dạng, cong vênh mẫu. Ngoài ra quá trình phát triển độ bền chịu nén của mẫu bê-tông thực vật còn Các nguyên liệu sau được sử dụng: vôi tôi từ chậm do đặc điểm phản ứng cacbonat hoá rất Công ty TNHH Nhật Mỹ Phát, meta cao-lanh nghiền chậm, điều này cũng ảnh hưởng đến khả năng tạo mịn từ cao-lanh Lâm Đồng, vỏ trấu khô. hình sản phẩm. Trên cơ sở tiếp nối nghiên cứu trước đây, Trong nghiên cứu lần này, chúng tôi sẽ trình bày chúng tôi đề xuất sử dụng cấp phối thành phần khắc phục hai hạn chế trên đây đối với sản phẩm nguyên liệu như sau (bảng 1) để khảo sát chế tạo bê-tông thực vật vỏ trấu. Theo đó meta cao-lanh mẫu bê-tông thực vật. Bảng 1. Cấp phối mẫu bê-tông thực vật, tính cho 1m3 bê-tông Vôi (kg) Meta cao-lanh (kg) Trấu* (kg) N/KD 975 418 209 0,7 Lượng N/KD được tính bằng nước/tổng lượng 70x70x70mm. Quy trình chế tạo mẫu bê-tông cốt chất kết dính vôi và meta cao-lanh. thực vật được tiến hành theo các bước mô tả trong Việc lựa chọn cốt liệu vỏ trấu bên cạnh các ưu sơ đồ hình 1. Theo đó, để thuận lợi cho quá trình thế về khối lượng lớn, dễ kiếm và dễ nhào trộn, còn trộn đều hỗn hợp cấp phối trong cối, cốt liệu vỏ trấu nhiều lý do khác, trong đó có phần của vỏ trấu. Vỏ được cho ngâm nước trước sau đó vớt ra để trong trấu có hàm lượng xen-lu-lô-zơ cao, đây là thành không khí cho ráo bề mặt rồi mới tiến hành trộn phần bền kiềm. cối.Sau khi nhào trộn đều ở tốc độ cao trong cối Thông thường, bê-tông thực vật có thể được sử hành tinh, lần lượt cho hỗn hợp vào khuôn theo dụng ở hai dạng tạo hình thành viên blốc hoặc để từng lớp 20mm, và được đầm bằng chày gỗ tiết dạng vữa phun điền đầy vào cốp pha vách. Ở thí diện 17x17mm. Quá trình đổ từng lớp được thực nghiệm này, chúng tôi chọn cách tạo hình đúc mẫu hiện như vậy cho đến khi đầy khuôn và mẫu được bê-tông cốt thực vật trong khuôn lập phương làm bằng mặt. Hình 1. Quy trình chế tạo các mẫu bê-tông cốt thực vật Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017 49
3. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Sau khi tạo hình xong, mẫu được tiếp tục lưu mẫu nhằm hạn chế mẫu bị biến dạng. Các mẫu sau trong khuôn trong vòng 1 ngày, để nơi không khí 1 tuần được kí hiệu, phân thành hai nhóm, một tính không có gió nhằm hạn chế mất nước nhanh nhóm bảo dưỡng tự nhiên trong không khí (mẫu đối trên bề mặt gây nứt. Sau đó cẩn thận tháo khuôn 3 chứng) và một nhóm trong buồng cacbonat hóa mặt và tiếp tục để yên bảo dưỡng không di chuyển cưỡng bức (mẫu cải tiến). Hình 2. Các mẫu bê-tông cốt thực vật bảo dưỡng trong môi trường không khí Các mẫu bê-tông cốt thực vật sau khi tháo điểm chúng tôi khắc phục được hạn chế về khuôn ít bị biến dạng, nứt vỡ ở các cạnh và khả năng tạo hình của nghiên cứu công bố góc (hình 2). Có thể thấy vai trò của meta trước đây [8] khi chỉ sử dụng vôi làm chất kết cao-lanh bổ sung trong thành phần chất kết dính chính. dính tạo cường độ sớm đảm bảo khả năng tạo 3. Thiết kế và chế tạo buồng bảo dưỡng mẫu hình đúc khuôn mẫu bê-tông thực vật. Đây là trong điều kiện cacbonat hoá cưỡng bức 50 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017
4. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Hình 3. Chế tạo hệ thống thực nghiệm buồng cacbonat hóa cưỡng bức Với hệ thống cacbonat hóa cưỡng bức, khí CO2 nhóm còn lại trong điều kiện độ ẩm cao, được kiểm từ bình khí nén được đưa vào buồng hòa trộn soát trong khoảng 70%-90% bằng dung dịch muối (buồng 1) với lưu lượng 1 lít/phút và áp suất trong bão hòa. Cường độ chịu nén của các mẫu bê-tông van lưu lượng duy trì ở mức 2kPa nhằm giảm thất cốt thực vật cũng được đánh giá bằng máy nén bê- thoát khí trong buồng. Nồng độ CO2 trong buồng đạt tông MATEST C071, tốc độ gia tải 0,5kN/giây. Mức mức 4% yêu cầu sau khoảng thời gian 1 phút 30 độ cacbonat hóa được đánh giá qua phân tích trực giây bơm khí. Lúc này, quạt thông khí được mở để quan bằng chất chỉ màu; phân tích thành phần ổn định nồng độ, nhiệt độ và độ ẩm. Đồng thời, khí khoáng XRD và phổ hồng ngoại FTIR. CO2 đã ổn định được đẩy qua ống thông khí sang 4. Kết quả thực nghiệm buồng chứa mẫu (buồng 2). Khi hệ thống đã ổn 4.1 Tính chất nhiệt lý định, quạt tắt, mẫu bên trong bắt đầu quá trình hấp thụ CO2. Hệ thống thực nghiệm đã được chế tạo và Để đánh giá mẫu bê-tông cốt thực vật, các tính tiến hành thử với các mẫu bê-tông cốt thực vật chất nhiệt lý được xác định thông qua đánh giá khối 70x70x70mm. Sau một thời gian đưa vào buồng, lượng thể tích và độ dẫn nhiệt. Khối lượng thể tích giá trị nồng độ CO2 bắt đầu giảm do bị mẫu hấp thụ. khô các mẫu bê-tông cốt thực vật trung bình đạt 3 Đến mức giới hạn nhất định, CO2 tiếp tục được bổ 970kg/cm . Cấp phối sử dụng kết hợp meta cao- sung thêm vào buồng thông qua hệ thống van xả lanh trong nghiên cứu này cho kết quả mẫu đặc nhằm duy trì quá trình cacbonat hóa cưỡng bức. chắc hơn so với chỉ sử dụng vôi [8] (trung bình Nhiệt độ bên trong hệ thống được duy trì ổn định ở 880kg/cm3), thể hiện ở khối lượng thể tích cao. Hệ mức nhiệt độ phòng. Các mẫu trong buồng số dẫn nhiệt của các mẫu bê-tông cốt thực vật sử cacbonat được chia thành hai nhóm. Một nhóm dụng vỏ trấu đạt xấp xỉ 0,53±0,3W/m.K. Mức độ dẫn trong điều kiện độ ẩm không khí bình thường và nhiệt phụ thuộc nhiều vào hàm lượng cũng như loại Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017 51
5. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG cốt liệu thực vật trong cấp phối. Hàm lượng cốt liệu tăng hàm lượng vỏ trấu từ 15 lên 20%, hệ số dẫn thực vật càng cao, khối lượng thể tích của bê-tông nhiệt giảm xuống 0,41±0,4W/m.K. càng giảm, độ dẫn nhiệt cũng giảm tương ứng. Khi 4.2 Cường độ chịu nén Hình 4. Phát triển cường độ chịu nén mẫu bê-tông cốt thực vật theo thời gian Cường độ chịu nén của mẫu bê-tông cốt thực bảo dưỡng trong môi trường độ ẩm không khí thông vật bảo dưỡng trong buồng cacbonat hoá cưỡng thường. Ở giai đoạn sớm ngày, các mẫu còn mềm, bức tăng cao hơn mẫu bê-tông bảo dưỡng ở điều mức độ kháng lực chưa cao, cường độ chịu nén kiện trong môi trường không khí. Điều này cho thấy của các mẫu ít chênh lệch. Tuy nhiên, khi thời gian tác động của quá trình cacbonat hoá diễn ra làm bảo dưỡng càng dài, sự chênh lệch cường độ giữa tăng cường cường độ chịu nén của mẫu. Bên cạnh nhóm mẫu bảo dưỡng trong điều kiện tự nhiên với đó, trong điều kiện độ ẩm cao (85%), cường độ chịu nhóm mẫu trong buồng cacbonat hóa cưỡng bức nén các mẫu đạt giá trị cao hơn so với trường hợp càng thể hiện rõ rệt. Hình 3. Đường cong thực nghiệm tải trọng – thời gian của các mẫu bê-tông cốt thực vật trong điều kiện bảo dưỡng tự nhiên và cacbonat hóa cưỡng bức 52 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017
6. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Có thể thấy trên biểu đồ hình 3, các mẫu bê- huỷ. Với trường hợp bảo dưỡng trong điều kiện của tông cốt thực vật trải qua các giai đoạn ứng xử cơ buồng cacbonat cưỡng bức, giá trị chịu tải của mẫu học chính như sau: chịu tải định hình ban đầu - chịu cao hơn so với bảo dưỡng tự nhiên. Khoảng biến tải cao hơn - sắp xếp lại trạng thái mới - vỏ trấu bị dạng (hình 3) thể hiện tính dẻo dai của mẫu bị thu ép, tải trọng tác dụng tăng lên đến cực đại - tiếp tục hẹp lại, tuy nhiên ở mức không đáng kể. Quá trình chịu tải sau khi mẫu bị biến dạng. Trong cả hai cacbonat hóa cưỡng bức làm tính chất các mẫu bê- trường hợp bảo dưỡng, các mẫu đều không thể tông cốt thực vật phát triển theo chiều hướng tăng hiện tính giòn như bê-tông thường mà biểu hiện độ cứng và biểu hiện tính giòn. Điều này được thể kiểu ứng xử compozit kết dính - vỏ trấu có tính dai, hiện qua sự khác biệt ở đường cong tải - thời gian sau khi bị nén ép, cấu trúc lớp trấu được bên trong của hai mẫu trong giai đoạn cuối quá trình gia tải, xếp chặt. Do đó, lực tác dụng tăng lên cho đến khi trước khi mẫu bị phá hủy. mẫu bị biến dạng. Sau khi biến dạng, mẫu lại sắp 4.3 Theo dõi bề dày lớp cacbonat hóa xếp trạng thái mới tiếp tục chịu lực đến khi bị phá Hình 6. Phát triển lớp bề dày cacbonat hóa và thành phần cacbonat so với bảo dưỡng dự nhiên Hình 6 cho thấy khác biệt về màu sắc khá rõ nét xit (CaCO3) với cường độ cao và sắc nét. Kết quả của mẫu bê-tông thực vật sau khi phủ chất chỉ thị phân tích hồng ngoại (FTIR) trong môi cacbonat hóa màu phenolphthalein: mặt ngoài mẫu gần như cưỡng bức thể hiện rõ các peak liên kết đặc trưng không đổi màu, mặt trong của mẫu có sự thay đổi của CaCO3 có cường độ cao hơn hẳn khi so sánh sang màu hồng, đậm dần từ ngoài vào trong. Mặt với mẫu bảo dưỡng tự nhiên. trong của mẫu ở lớp ngoài cùng không đổi màu với 5. Kết luận chiều dày không đều, càng vào sâu bên trong, màu sắc chỉ thị trên mẫu càng đậm hơn. Thông qua Như vậy mục tiêu nghiên cứu về vật liệu bê- chiều dày lớp cacbonat hoá, có thể nhận thấy tốc độ tông thực vật trên cơ sở meta cao-lanh-vỏ trấu đã cacbonat hoá của mẫu bê-tông cốt thực vật được được chúng tôi trình bày, khảo sát và đánh giá tính chất. Việc sử dụng kết hợpvôi kết hợp meta cao- bảo dưỡng trong điều kiện nồng độ CO2 cao đã gia tăng đáng kể cacbonat hóa mẫu bê-tông cốt thực lanhtỷ lệ 70:30 cùng với cốt liệu vỏ trấu theo tỷ lệ vật diễn ra mạnh.Trong kết quả phân tích thành cốt liệu so với chất kết dính là 15% đã tạo ra sản 3 phần pha (XRD), ngoài các peak đặc trưng của phẩm có khối lượng thể tích xấp xỉ 970kg/cm , độ bền nén khá tốt (khoảng 7MPa) cho thấy tiềm năng porlandite (Ca(OH)2), còn xuất hiện các píc của can- Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017 53
7. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG sử dụng như một loại bê-tông nhẹ. Tuy nhiên, trong structural members,” Adv. Mater. Sci. Eng., vol. nhiều trường hợp, tính đồng đều về độ bền cơ của 2014, 2014. mẫu chưa ổn định. Mặt khác, để tăng tính nhẹ cho [3] E. P. Aigbomian and M. Fan, “Development of Wood- bê-tông, khối lượng thể tích có thể điều chỉnh khi Crete building materials from sawdust and waste tăng hàm lượng cốt liệu thực vật cao hơn. Trong paper,” Constr. Build. Mater., vol. 40, pp. 361–366, điều kiện cacbonat hóa cưỡng bức, cường độ chịu 2013. nén và ứng xử cơ học của các mẫu bê-tông cốt thực vật thể hiện kết quả tốt, cao hơn nhiều so với [4] E. P. Aigbomian and M. Fan, “Development of wood- bảo dưỡng trong điều kiện tự nhiên. Kết quả khảo crete from treated sawdust,” Constr. Build. Mater., sát bước đầu cho thấy phương án dùng meta cao- vol. 52, pp. 353–360, 2014. lanh trong sản xuất bê-tông thực vật là rất đáng [5] K. Ip and A. Miller, “Life cycle greenhouse gas quan tâm và là tiền đề hứa hẹn, có thể phát triển emissions of hemp–lime wall constructions in the mở rộng, hướng đến ứng dụng chế tạo các kết cấu UK,” Resour. Conserv. Recycl., vol. 69, pp. 1–9, bê-tông nhẹ, có khả năng cách âm, cách nhiệt cho 2012. các công trình xây dựng. Các nghiên cứu tiếp theo [6] S. Benfratello, C. Capitano, G. Peri, G. Rizzo, G. sẽ tập trung vào khảo sát các điều kiện bảo dưỡng Scaccianoce, and G. Sorrentino, “Thermal and nhằm đưa vào các ứng dụng thực tiễn trong sản structural properties of a hemp–lime biocomposite,” xuất. Constr. Build. Mater., vol. 48, pp. 745–754, 2013. Lời cảm ơn: Nghiên cứu được tài trợ bởi Trường [7] C. Nguyen Van and M. Tran Van, “Basalte Fiber Đại học Bách Khoa – Đại học Quóc Gia – Hồ Chí Minh Reinforced High Strength Concrete,” presented at the trong khuôn khổ Đề tài mã số T-CNVL-2017-12. 28th Conference on Our World in Concrete & TÀI LIỆU THAM KHẢO Structure, 2003, vol. Volume XXII. [1] M. Karus and D. Vogt, “European hemp industry: [8] N. K. Son, N. P. A. Toan, T. T. T. Dung, and N. N. T. Cultivation, processing and product lines,” Euphytica, Huynh, “Investigation of Agro-concrete using by- vol. 140, no. 1, pp. 7–12, 2004. products of Rice Husk in Mekong Delta of Vietnam,” Procedia Eng., vol. 171, pp. 725–733, 2017. [2] K. H. Mo, U. J. Alengaram, and M. Z. Jumaat, “A review on the use of agriculture waste material as Ngày nhận bài: 21/12/2017. lightweight aggregate for reinforced concrete Ngày nhận bài sửa lần cuối: 05/02/2018. 54 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2017