Nghiên cứu bê tông gốm hệ alumô-silicát sử dụng chất kết dính huyền phù gồm nồng độ cao từ nguyên liệu mulít và thạch anh điện chảy

Nguyễn Thành Đoàn

Nghiên cứu bê tông gốm hệ alumô-silicát sử

dụng chất kết dính huyền phù gồm nồng độ cao

từ nguyên liệu mulít và thạch anh điện chảy

2015

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả

nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình

nghiên cứu nào khác.

Hà Nội, tháng 4 năm 2015

Tập thể hƣớng dẫn Nghiên cứu sinh

PGS.TS Đào Xuân Phái TS. Tạ Ngọc Dũng Nguyễn Thành Đoàn

ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo

sau đại học, Viện Kỹ thuật Hóa học và Bộ môn Công nghệ Vật liệu silicat đã cho

phép em thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện

Đào tạo sau đại học và Viện Kỹ thuật Hóa học về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt

quá trình tôi thực hiện nội dung luận án.

Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đào Xuân Phái và TS Tạ Ngọc Dũng đã

hướng dẫn hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để em thực hiện và hoàn

thành luận án.

Xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn Công nghệ Vật liệu silicat –

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và tạo điều kiện một cách thuận lợi

nhất để hoàn thành luận án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Nghiên cứu Sành sứ thủy tinh

Công nghiệp - Bộ Công thương đã tạo điều kiện giúp đỡ để tôi được sử dụng các

thiết bị phân tích thực hiện đề tài nghiên cứu, qua đó hoàn thành luận án này.

Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì, Lãnh

đạo Khoa Công nghệ hóa học cùng các đồng nghiệp Bộ môn Công nghệ Hóa silicat

đã giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.

Xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng

chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và đóng góp ý kiến để em có thể hoàn chỉnh luận

án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.

Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến người thân, bạn bè - những

người đã luôn động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực

hiện công trình này.

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thành Đoàn

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................. v

DANH MỤC CÁC BẢNG.....................................................................................viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ.............................................................. x

MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 1

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.................................................................................... 3

1.1. Tổng quan về bê tông chịu lửa......................................................................... 3

1.1.1. Khái niệm.................................................................................................. 3

1.1.2. Phân loại bê tông chịu lửa......................................................................... 3

1.1.3. Bê tông chịu lửa thông thường.................................................................. 4

1.1.4. Bê tông chịu lửa ít xi măng (LCC) và siêu ít xi măng (ULCC)................ 5

1.1.5. Bê tông chịu lửa không xi măng sử dụng chất kết dính ρ-Al2O3.............. 6

1.1.6. Bê tông gốm.............................................................................................. 7

1.2. Các xu hướng nghiên cứu, phát triển bê tông chịu lửa hiện tại và trong tương

lai ............................................................................................................................ 9

1.2.1. Bê tông chịu lửa ít xi măng tính năng cao. ............................................... 9

1.2.2. Bê tông chịu lửa chứa các bon .................................................................. 9

1.2.3. Bê tông chịu lửa công nghệ nano............................................................ 11

1.2.4. Bê tông gốm tính năng cao ..................................................................... 12

1.3. Cơ sở lý thuyết chế tạo HCBS và bê tông gốm.............................................. 13

1.3.1. Thành phần và cấu trúc bê tông gốm ...................................................... 13

1.3.2. Chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao............................................. 15

1.3.3. Tính toán cấp phối và tạo hình bê tông gốm........................................... 33

1.3.4. Gia cường bán thành phẩm ..................................................................... 36

1.4. Các công trình nghiên cứu về HCBS và bê tông gốm đã công bố ................ 38

1.5. Những vấn đề cần tiếp tục được nghiên cứu làm rõ về bê tông gốm ............ 45

CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................. 47

2.1. Các phương pháp tiêu chuẩn......................................................................... 47

2.2. Các phương pháp phi tiêu chuẩn................................................................... 47

2.2.1. Phân tích thành phần hóa học của nguyên liệu, vật liệu ......................... 47

2.2.2. Xác định độ bền uốn ở nhiệt độ thường của mẫu nghiên cứu ................ 47

2.2.3. Xác định tỷ trọng của HCBS................................................................... 48

2.2.4. Xác định độ nhớt của HCBS................................................................... 49

iv

2.2.5. Xác định pH của HCBS .......................................................................... 49

2.2.6. Phân tích thành phần hạt HCBS bằng phương pháp tán xạ lazer ........... 50

2.2.7. Xác định vi cấu trúc của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM )50

2.2.8. Đo độ chảy của bê tông........................................................................... 51

2.2.9. Phân tích mẫu bằng phổ hồng ngoại IR.................................................. 51

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 53

3.1. Lựa chọn nguyên liệu và phụ gia................................................................... 53

3.1.1. Nguyên liệu để chế tạo HCBS ................................................................. 53

3.1.2. Cốt liệu chịu lửa...................................................................................... 54

3.1.3. Phụ gia .................................................................................................... 54

3.1.4. Phụ gia keo tán........................................................................................ 55

3.1.5. Vật liệu ngâm tẩm ................................................................................... 56

3.2. Nghiên cứu quá trình đóng rắn và phát triển cường độ của HCBS từ thạch

anh điện chảy ........................................................................................................ 56

3.3. Nghiên cứu giải pháp công nghệ chế tạo HCBS ........................................... 61

3.3.1. Chế tạo HCBS gốc từ mullite – thạch anh điện chảy.............................. 61

3.3.2. So sánh tính chất của HCBS từ mullite-thạch anh điện chảy với đất sét 76

3.4. Nghiên cứu bê tông gốm dựa trên HCBS ...................................................... 82

3.4.1. Tính chất của HCBS từ mullite – thạch anh nóng chảy.......................... 82

3.4.2. Tính cấp phối bê tông.............................................................................. 82

3.4.3. Độ chảy của bê tông............................................................................... 83

3.4.4. Tính chất cơ lý của bê tông sau sấy và sau nung .................................... 84

3.4.5. Nghiên cứu vi cấu trúc của bê tông gốm ................................................ 87

3.5. Nghiên cứu, so sánh các tính chất của bê tông gốm với bê tông chịu lửa ít xi

măng...................................................................................................................... 88

3.6. Tăng bền bán thành phẩm ............................................................................. 92

KẾT LUẬN ........................................................................................................... 100

NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN............................................................... 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 102

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 111

PHỤ LỤC .............................................................................................................. 113

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1. Chữ viết tắt

A Al2O3

BTCL Bê tông chịu lửa

C CaO

CMOR Độ bền uốn ở nhiệt độ thường

CAC Xi măng cao nhôm

CCS Độ bền nén nguội

F Fe2O3

FG Graphit vảy

FV Độ chảy khi rung bê tông

H H2O

HCBS Kết dính huyền phù gốm nồng độ cao

HMOR Độ bền uốn ở nhiệt độ cao

IP Thế ion

IR Phổ hồng ngoại

KLTT Khối lượng thể tích

LCC Bê tông chịu lửa ít xi măng

MS Silica fume hoặc microsilica

PCE Poly Carboxylate Ethers

RC Bê tông chịu lửa thông thường

RKB Bô xít nung bằng lò quay

RUL Nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng

S SiO2

SHMP Sodium Hexametaphosphate

STPP Sodium Tripolyphosphate

SEM Kính hiển vi điện tử quét

vi

UNITECR Hội nghị quốc tế về vật liệu chịu lửa

ULCC Bê tông chịu lửa siêu ít xi măng

XRD Nhiễu xạ tia X

XRF Huỳnh quang tia X

2. Ký hiệu

Cv Hệ số nồng độ thể tích pha rắn trong hệ phân tán

Cvcr Hệ số nồng độ thể tích pha rắn tới hạn trong hệ phân tán

Cw Hệ số nồng độ thể tích pha lỏng trong hệ phân tán

Cwk Nồng độ thể tích của môi trường phân tán động

Cws Nồng độ thể tích của môi trường liên kết động

Cwf Nồng độ thể tích của môi trường liên kết lý - hóa

Cwm Nồng độ thể tích của môi trường liên kết cơ học

d Tỷ trọng của nước thủy tinh

σu Độ bền uốn



Tốc độ cắt

Lc Độ co dài sau khi sấy

c

Lv

Độ co thể tích sau khi sấy

η Độ nhớt

 min

Độ nhớt nhỏ nhất của HCBS

ηω Độ nhớt của HCBS tại tốc độ khuấy trộn ω

ρd Tỷ trọng của HCBS

ρs Khối lượng riêng của pha rắn trong HCBS

w 

Tỷ trọng của môi trường phân tán

ρrel Độ đặc tương đối của vật liệu sau khi sấy khô

ρcast Độ rỗng của vật liệu sau khi sấy khô

ρ-Al2O3 Rho - alumina

vii

P Ứng suất trượt

Pcast Độ xốp

τ Thời gian nghiền HCBS

τn Thời gian khuấy trộn

Tbđ Nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng

T4 Nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng 4%

ω Tốc độ quay khi ổn định HCBS bằng khuấy trộn

Vd Thể tích pha rắn trong HCBS

Vw Thể tích pha lỏng trong HCBS

w Độ ẩm tương đối

Xbk Độ xốp biểu kiến

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Phân loại các nhóm HCBS...................................................................... 18

Bảng 1.2: Nguyên liệu, phương pháp sản xuất và tính chất của HCBS dựa trên vật

liệu silic..................................................................................................................... 21

Bảng 1.3: Nguyên liệu, phương pháp sản xuất và tính chất của HCBS dựa trên vật

liệu hệ aluminosilicate .............................................................................................. 22

Bảng 1.4: Sự thay đổi của các thông số HCBS trong quá trình nghiền ướt ............ 24

Bảng 1.5: Đặc tính của các vật liệu gốm không nung và bê tông gốm ................... 38

Bảng 1.6: Tóm lược các giai đoạn nghiên cứu và phát triển HCBS và bê tông gốm

.................................................................................................................................. 41

Bảng 2.1: Tiêu chuẩn cần xác định và phương pháp thử......................................... 47

Bảng 3.1: Thành phần và tính chất của thạch anh điện chảy................................... 53

Bảng 3.2: Thành phần và tính chất của mullite tổng hợp ........................................ 54

Bảng 3.3: Thành phần và tính chất của microsilica................................................. 55

Bảng 3.4: Loại và nguồn gốc phụ gia keo tán ......................................................... 55

Bảng 3.5: Tính chất của thủy tinh lỏng.................................................................... 56

Bảng 3.6: Tính chất và thành phần hạt của huyền phù thạch anh điện chảy........... 57

Bảng 3.7: Phối liệu chế tạo HCBS mullite - thạch anh điện chảy........................... 62

Bảng 3.8: Tính chất huyền phù sau 28 h nghiền với các phụ gia khác nhau.......... 63

Bảng 3.9: Tính chất của HCBS mullite – thạch anh điện chảy sau 28 h nghiền ... 65

Bảng 3.10: Thành phần hạt ứng với phối liệu M90Q10 sau 12h nghiền................. 66

Bảng 3.11: Thành phần hạt ứng với phối liệu M90Q10 sau 18h nghiền................. 67

Bảng 3.12: Thành phần hạt ứng với phối liệu M90Q10 sau 28h nghiền................. 68

Bảng 3.13: Ảnh hưởng của phụ gia PCE đến độ nhớt và pH của HCBS ................ 70

Bảng 3.14: Ảnh hưởng của phụ gia SHMP đến độ nhớt và pH của HCBS ............ 71

Bảng 3.15: Tính chất của HCBS mullite – thạch anh điện chảy theo phối liệu

M90Q10.................................................................................................................... 76

Bảng 3.16: Thành phần hạt của đất sét Trúc Thôn .................................................. 77

Bảng 3.17: Yêu cầu và các kết quả đạt được khi nghiên cứu chế tạo HCBS.......... 81

Bảng 3.18: Thành phần của bê tông nghiên cứu sử dụng cốt liệu mullite .............. 82

Bảng 3.19: Độ bền nén nguội của bê tông cốt liệu mullite...................................... 84

Bảng 3.20: Độ xốp biểu kiến, khối lượng thể tích và độ co của mẫu 32 % HCBS

theo nhiệt độ nung .................................................................................................... 86

ix

Bảng 3.21: Thành phần hóa học của bê tông gốm và bê tông ít xi măng................ 89

Bảng 3.22: Độ bền nén nguội (CCS) của bê tông gốm và bê tông chịu lửa ít xi

măng ......................................................................................................................... 89

Bảng 3.23: Kết quả thử tính chất cơ nhiệt ở nhiệt độ cao ....................................... 91

Bảng 3.24: Độ bền uốn theo thời gian ngâm tẩm mẫu tại các mật độ thủy tinh lỏng

khác nhau.................................................................................................................. 93

Bảng 3.25: Độ bền nén theo thời gian ngâm tẩm mẫu tại các mật độ thủy tinh lỏng

khác nhau.................................................................................................................. 93

Bảng 3.26: Độ xốp của mẫu nghiên cứu.................................................................. 97

Bảng 3.27: Độ tăng khối lượng Δm của mẫu theo thời gian tại các mật độ............ 98

Bảng 3.28: Độ co của mẫu sau sấy và sau nung...................................................... 99

Bảng 3.29: Độ bền cơ học của bê tông gốm sau khi gia cường .............................. 99

x

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Các nhóm cấu trúc của bê tông gốm........................................................ 13

Hình 1.2: Sơ đồ hình thành vùng tiếp xúc trong bê tông gốm với cốt liệu xốp ...... 14

Hình 1.3: Mối liên hệ giữa độ ẩm w; tỷ trọng của huyền phù ρd với hệ số Cv........ 16

Hình 1.4: Mô hình trạng thái và các chỉ số cơ bản của HCBS trong trạng thái chảy

sệt, nồng độ tới hạn, và trạng thái mộc sau sấy khô ................................................ 16

Hình 1.5: Các miền chỉ số theo thể tích của HCBS (Cv, Cvcr, nv, Cwk) đối với các

vật liệu; ..................................................................................................................... 17

Hình 1.6: Mối liên hệ giữa thời gian nghiền với hệ số nồng độ thể tích pha rắn Cv

và độ nhớt η của HCBS............................................................................................ 23

Hình 1.7: Quy luật biến đổi của các chỉ số nạp khối lượng của máy nghiền; lượng

sót sàng trên 63 µm; Độ xốp và độ bền uốn khi thu HCBS bằng phương pháp nạp

liệu bán liên tục ........................................................................................................ 26

Hình 1.8: Sự phụ thuộc của ηω vào thời gian khuấy trộn cơ học τn của HCBS thủy

tinh thạch anh ........................................................................................................... 27

Hình 1.9: Sự ảnh hưởng của thời gian khuấy trộn τn tới độ nhớt tối thiểu ηmin ...... 28

Hình 1.10: Sự phụ thuộc của các chỉ số pH, độ nhớt riêng của HCBS thủy tinh

thạch anh .................................................................................................................. 29

Hình 1.11: Thế năng tương tác của các hạt theo thuyết DLVO ............................. 30

Hình 1.12: Mô hình trao đổi ion trên lớp điện kép ................................................. 31

Hình 1.13: Công thức và cấu trúc của phụ gia PCE ............................................... 32

Hình 1.14: Đường cong cấp phối hạt lý thuyết của Furnas theo kích thước hạt lớn

nhất ........................................................................................................................... 33

Hình 1.15: Mô hình phân bố cỡ hạt theo công thức Adreasen và Adreasen sửa đổi

.................................................................................................................................. 34

Hình 1.16: Các mô hình rung ép.............................................................................. 35

Hình 1.17: So sánh phương pháp tạo hình rung ép và ép tĩnh cho bê tông gốm thạch

anh. Mối liên hệ giữa độ xốp Pc và tải trọng p ......................................................... 36

Hình 1.18: Ảnh hưởng của tỷ trọng và nồng độ của dung dịch thủy tinh lỏng và sô

đa tới pH và độ bền uốn của gốm thạch anh không nung được gia cường bời các chế

độ khác nhau............................................................................................................. 37

Hình 3.1: Phân bố cỡ hạt của huyền phù thạch anh điện chảy sau 3h nghiền......... 57

Hình 3.2: Phổ IR của huyền phù thạch anh điện chảy............................................. 59

Hình 3.3: Phổ IR của huyền phù thạch anh điện chảy sau khi sấy khô ở 110 oC.... 60

xi

Hình 3.4: Phổ IR của huyền phù thạch anh điện chảy sau khi gia nhiệt ở 500 oC.. 61

Hình 3.5: Mối liên hệ giữa thời gian nghiền và hệ số nồng độ thể tích pha rắn Cv

ứng với phối liệu M90Q10 ....................................................................................... 64

Hình 3.6: Phân bố hạt ứng với phối liệu M90Q10 sau 12h nghiền......................... 66

Hình 3.7: Phân bố hạt ứng với phối liệu M90Q10 sau 18h nghiền ......................... 67

Hình 3.8: Phân bố hạt ứng với phối liệu M90Q10 sau 28h nghiền......................... 68

Hình 3.9: Đường cong lũy tiến kích thước hạt của HCBS mullite-thạch anh điện

chảy sau khi nghiền ở các thời gian khác nhau ........................................................ 69

Hình 3.10: Ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia PCE và SHMP đến độ nhớt biểu

kiến và pH của HCBS ứng với phối liệu M90Q10 sau 28h nghiền ......................... 72

Hình 3.11: Minh họa cơ chế phân tán của phụ gia PCE ......................................... 73

Hình 3.12: Mô hình cơ chế phân tán kép của phụ gia PCE..................................... 73

Hình 3.13: Mô hình phân tán của PCE đối với hệ chứa SiO2.................................. 74

Hình 3.14: Ảnh SEM của HCBS sau nung ở 1200 oC ........................................... 75

Hình 3.15: Phổ XRD của HCBS sau nung ở 1200 oC............................................ 75

Hình 3.16: Phân bố cỡ hạt của đất sét Trúc Thôn ................................................... 77

Hình 3.17: Cường độ uốn của HCBS và đất sét sau khi sấy, nung ở các nhiệt độ.. 78

Hình 3.18: Ảnh SEM của HCBS và đất sét sau khi sấy ở 110oC............................ 79

Hình 3.19: Ảnh SEM của HCBS và đất sét sau khi nung ở 400oC/1h .................... 79

Hình 3.20: Ảnh SEM của HCBS và đất sét sau khi nung ở 600oC/1h .................... 80

Hình 3.21: Ảnh SEM của HCBS và đất sét sau khi nung ở 1000oC/1h .................. 80

Hình 3.22: Độ chảy của bê tông với thành phần HCBS khác nhau ........................ 83

Hình 3.23: Độ bền nén của bê tông gốm cốt liệu mullite sau sấy và sau nung....... 85

Hình 3.24: Ảnh hưởng của hàm lượng HCBS đến độ xốp và độ bền nén của sản

phẩm bê tông gốm sau nung ở 1000 oC.................................................................... 86

Hình 3.25: Độ xốp biểu kiến, khối lượng thể tích của mẫu bê tông với 32% HCBS

theo nhiệt độ nung .................................................................................................... 87

Hình 3.26: Độ co của mẫu bê tông với 32% HCBS theo nhiệt độ nung ................. 87

Hình 3.27: Ảnh SEM của mẫu bê tông gốm với 32 % HCBS sau sấy ở 110 oC và

sau nung ở 1200 oC................................................................................................... 88

Hình 3.28: Độ bền nén nguội ở các nhiệt độ khác nhau của bê tông gốm và bê

tôngchịu lửa ít xi măng............................................................................................ 90

Hình 3.29: Ảnh SEM của bê tông chịu lửa ít xi măng và bê tông gốm sau nung ở

1000 oC ..................................................................................................................... 91