TP CHÍ KINH T - CÔNG NGHIP
S 39 Tháng 9/2024
103
NGHIÊN CU SÓNG MICROWAVE DÙNG HOT HÓA TRO BAY
TRONG BÊ TÔNG GEOPOLYMER
Study on microwave energy to improve activation of fly ash on Geopolymer
Concrete
Vũ Bách Hùng1, và Đỗ Đại Thắng2
1Hc viên cao hc Tờng Đại hc Kinh tế Công nghip Long An, Long An, Vit Nam
vubachhung78@gmail.com
2 Đại hc Quc Gia TP.HCM, Vit Nam
ddthang@vnuhcm.edu.vn
Tóm tt Nghiên cu này, s dng tro bay hot hóa geopolymer vi t l cht lng kim tro
bay khác nhau. Trong đó, quá trình ng h cho hot hóa tro bay bng nhiệt độ vi sóng. Năng
ng microwave s dng các mc 100, 200 400 W thời gian dưỡng h khác nhau. Kết qu
cho thấy trong điều kiện dưỡng h trong môi trường năng lượng microwave, ờng độ nén đạt được t
5 đến 7 MPa vi mức năng lượng microwave 100W trong khong thi gian t 3 đến 10 phút. Quá trình
geopolymer hóa th đưc ci thin với năng lượng vi sóng thời gian lưu nhiệt lâu hơn. Khi đó,
ờng độ nén khong 10 Mpa vi mức năng lượng microwave 400W trong 10 phút.
Abstract In this research, geopolymer is obtained from fly ash coal-thermal power with various
ratio of alkaline liquid and fly ash. Moreover, microwave energy in range of 100, 200 and 400 W is
used. The results are indicated that the compressive strength is obtained from 5 to 7 MPa with energy
100W in range from 3 to 10 minutes. The geopolymerization can be improved with higher in
microwave energy and curing time. Then, compressive strength is about 10 Mpa with energy 400W on
10 minutes curing.
T khóa Tro bay, hoạt hóa, bê tông geopolymer, cường độ, fly ash, activation.
1. S cn thiết của đề tài
Biến đổi khí hu hin nay không còn
vấn đề trên diễn đàn hc thuật đã trở
thành mt thách thc toàn cầu và đang là mt
nhim v cp thiết đối vi Vit Nam. Hi
đồng Công trình xanh thế giới (WGBC) đã
xây dng tầm nhìn đến năm 2030 v công
trình xanh, nhn mnh mc tiêu carbon vn
hành bng không gim 40% carbon hàm
chứa. Đến 2050, mc tiêu là có các công trình
vi carbon vn hành hàm cha bng
không. Chính ph Việt Nam cũng đã ban
hành Ngh định s 06/2022/NĐ-CP v vic
gim nh phát thi khí nhà kính bo v
tng ô-zon [2]. Điều này chng t s cam kết
quyết tâm ca ngành trong vic gim khí
thi và ng phó vi biến đổi khí hu.
Hình 1. Mô hình phát thải môi trường tiến đến Net-Zero carbon
Trên thế gii, các quc gia phát trin
luôn khuyến khích s dng tro bay t nhà
máy nhiệt điện trong nhiu công trình khác
nhau hướng đến gim phát thi cacbon. V
TP CHÍ KINH T - CÔNG NGHIP
S 39 Tháng 9/2024
104
mục đích khai thác, sử dng, tro bay ch yếu
được các nước y dùng như nguyên liu sn
xut vt liu xây dựng, đc biệt là đ sn xut
các sn phẩm xi măng (xi măng và bê tông).
Hình 2. ng dng tro bay trong nhiều lĩnh vực trên thế gii
Gii pháp tông xanh thut ng ch
loại tông được thiết kế nhm gim thiu
tác động tiêu cc đến môi trường tăng tính
bn vng của đối tượng y dng. Mt trong
nhng loi cht thi va được nghiên cu,
ng dng thành công để chế to tông xanh
tro bay. Thay thế xi măng với hàm lượng
cao trong sn xut tông, tro bay giúp gim
bt nhu cu v xi măng trong xây dng, khi
quá trình sn xuất xi măng đang gây ô
nhim ngày càng trm trọng cho môi trường
[4; 5].
Tác gi Das (2009) đã nghiên cứu
nhận định phương pháp dùng năng lượng
microwave đang nổi lên như một phương
pháp thiêu kết ci tiến cho nhiu vt liu
truyn thng t đất sét cũng như vật liu tng
hp polyme polyme. Nghiên cứu đã xử
các vt liệu định hình bng cách gia nhit
bng microwave. Bên cạnh đó, người ta đã nỗ
lc nghiên cứu đặc tính gia nhit ca vt liu
trong điện trường t trường tn s
microwave.
Tác gi Somaratna và cng s (2010)
nghiên cu và cho thy rng gia nhit th tích
được cung cp bởi phương pháp x lý bng
microwave giúp phát triển đặc tính nhanh
hơn so với phương pháp xử bng nhit
thông thưng. Tác gi Cheng cng s
(2022) nghiên cu s khác bit v thông s
quá trình chế thiêu kết gia thiêu kết
microwave thiêu kết thông thường cho
thy vic s dụng năng lượng microwave
kh năng thúc đẩy các phn ứng đồng đều
hiu qu hơn.
Nghiên cu này s dng tro bay làm vt
liu alumino - silicate để hot hóa vi môi
trường dung dch kim nhm tạo cường độ
cho tông geopolymer. Quá trình hot hóa
được thc nghim bng các mức năng lượng
microwave khác nhau và thời gian dưỡng h
khác nhau nhằm đánh giá ảnh hưởng đến quá
trình geopolymer hóa.
2. Nguyên vt liu và phương pháp thực
nghim
2.1. Nguyên vt liu
- Tro bay được tái s dng t các nhà
máy nhiệt điện khối lượng riêng 2,5
g/cm3 độ mn thỏa điều kin 94% lt qua
c sàng 0,08 mm. Thành phn hóa trình y
trong Bng 1.
Bng 1. Thành phn hóa ca tro bay
Thành phn
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
MKN
%
53,5
34,8
4,1
1,2
0,83
8,87
- Đá được s dng Dmax 20 mm,
khối lượng riêng 2,72 g/cm3, khối lượng th
tích 1,62 g/cm3.
- Cát được s dng cát sông, khi
ng riêng 2,61 g/cm3, khối lượng th tích
1,45 g/cm3. Mô đun độ ln 1,8.
TP CHÍ KINH T - CÔNG NGHIP
S 39 Tháng 9/2024
105
- Dung dch hoạt hóa dùng đ to phn
ng kết dính vt liu hn hp chính dung
dch Natri silicate (Na2SiO3) dung dch
Natri hydroxide (NaOH). Trong dung dch
sodium silicate thì t l SiO2/Na2O = 3,2.
2.2. Thành phn cp phi phương
pháp thc nghim
Nhào trn khô các thành phn nguyên
liệu sau khi định lượng như đá, cát, tro bay
trong vòng 2 phút bng y trn. Dung dch
sodium hydroxit được pha trn theo t l 10
mol/lít bng cách s dng nguyên liu khô
pha với nước để nguội đến nhiệt độ phòng
trong 24 gi. Hn hp dung dch hot hóa
bao gm Natri silicate Sodium hydroxide
được định lượng theo t l 1-1 pha trộn để
to thành dung dch. Sau đó dung dịch hot
hóa được cho vào hn hợp tông đã trộn
khô nhào trộn ướt, quá trình nhào trộn ướt
trong khong 3 phút bng máy trn. tông
được chế to cấp độ bn thiết kế B25 theo
TCVN 5574:2018. Tro bay được dùng làm
nguyên liu chính cho quá trình hot hóa
geopolymer vi khối lượng 300 kg/m3. Dung
dch hoạt hóa geopolymer được thay đổi vi
t l dung dch hot hóa - tro bay lần lượt
0,6; 0,7; 0,8; 0,9 và 1 theo khối lượng. Thành
phn cp phi của tông được trình y
trong Bng 2.
Bng 2. Thành phn cp phi bê tông geopolymer
Cp phi
T l dung dch/tro
Tro bay (kg)
Cát (kg)
Đá (kg)
Dung dch (lít)
A1
0,6
300
840
1130
180
A2
0,7
300
810
1130
210
A3
0,8
300
780
1130
240
A4
0,9
300
750
1130
270
A5
1
300
720
1130
300
Hn hp tông sau khi nhào trn theo
thành phn cp phi s được xác định đ st
to mu trong khuôn. tông geopolymer
được dưỡng h thiết b microwave s dng
các mức năng lượng trung bình (100 W);
mức năng lượng trung bình cao (200 W);
mức năng lượng cao (400 W). Thi gian
dưỡng h lần lượt 3 phút, 5 phút, 10 phút.
tông geopolymer s được xác định cường
độ nén theo TCVN 3118-2022.
3. Kết qu thc nghiệm và đánh giá
3.1. nh ng dung dch hoạt hóa đến
độ linh động ca hn hp bê tông
Hình 3. Mi quan h gia dùng dch hoạt hóa và độ st hn hp bê tông
Kết qu thc nghim hình 3, khi t l
dung dch hot hóa - tro bay 0.6 thì đ sụt đt
2 cm. Khi tăng t l dung dch hot hóa trong
cp phối thì độ do ca hn hp tông
xu hướng tăng dn. Khi t l dung dịch tăng
t 0.6 đến 1 theo khối lượng tro bay thì độ st
tăng khoảng 10 lần và đạt đến 21 cm. Do đó
độ st ca hn hp tông s dng tro bay
dung dch hoạt hóa xu hướng tăng
tuyến tính vi t l dung dch s dng.
3.2. Ảnh hưởng của năng lượng
microwave thời gian đến kh năng hoạt
hóa
y = 0.7857x2- 0.0143x + 1.4
R² = 0.998
0
5
10
15
20
25
0.6 0.7 0.8 0.9 1
Độ sụt (cm)
Tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro
TP CHÍ KINH T - CÔNG NGHIP
S 39 Tháng 9/2024
106
Hình 4. Mi quan h gia dung dch hot hóa và năng lưng microwave 100W trong 3 phút
Kết qu thc nghim trên hình 4 cho
thy khi t l dung dch hot hóa - tro bay 0.6
trong môi trường dưỡng h bng sóng
microwave vi khong thi gian 3 phút thì
ờng đ của tông đạt 4,1 MPa. Khi tăng
t l dung dch hot hóa - tro bay t 0.6 đến
0.9 thì cường đ xu hướng tăng dần đến
5,5 MPa. t l dung dch hot hóa - tro bay
1 thì cường độ ca tông có xu hướng gim
đến 20%. Điều y cho thy tro bay cha các
thành phn alumino - silicate có kh năng
hot hóa tạo cường độ trong môi trường năng
ng sóng microwave, quá trình này xu
hướng tăng cường các chui polymer do
ờng độ tăng dần theo hàm lượng dung dch
kim. Khi dung dch kiềm vượt quá kh năng
hoạt hóa thì cường độ ca tông xu
hướng gim.
Hình 5. Mi quan h gia dung dch hot hóa và năng lượng microwave 100W trong 5 và 10 phút
Khi s dng thc nghim vi thi gian
dưỡng h kéo dài thì cường độ tông xu
hướng được ci thin. Hình 5 cho thấy cường
độ tông đạt đến 4,9 6,6 MPa vi t l
dung dch hot hóa 0,6 ng hơn 20% khi kéo
dài thời gian dưỡng h microwave đến 5
10 phút. Khi tăng dần hàm lượng dung dch
hot hóa đến 0,7 0,8 so vi tro bay thì
ờng độ hoạt hóa đều xu hướng tăng dần
đến 30% khi dùng 5 10 phút. Khi hàm
ng dung dịch tăng đến 0,9 1 vi vi tro
bay thì cường độ hot hóa lại xu hướng
gim. Kết qu này cho thy khi t l dung
dch hot hóa - tro bay trong tông
geopolymer mc 0.8 phù hp với điu
kiện dưỡng h bng sóng microwave 100 W.
0
1
2
3
4
5
6
0.6 0.7 0.8 0.9 1
Cường độ nén (MPa)
Tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0.6 0.7 0.8 0.9 1
Cường độ nén (MPa)
Tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay
Microwave 5 phút
Microwave 10 phút
TP CHÍ KINH T - CÔNG NGHIP
S 39 Tháng 9/2024
107
3.3. Ảnh hưởng năng lượng microwave khác nhau đến quá trình hot hóa
Hình 6. Mi quan h gia dung dch hot hóa và năng lưng microwave 200W
Hình 6 cho thy khi tăng tỷ l dung dch
hot hóa - tro bay t 0.6 đến 0.8 thì cường độ
xu hướng tăng dần hu hết c các mc
thời gian dưỡng h. Khi t l dung dch hot
hóa - tro bay 0.9 thì cường độ ca bê tông ch
tăng mc thi gian 3 phút so vi t l dung
dịch trước đó, còn các thời gian khác thì đu
gim. t l dung dch hot hóa - tro bay 1
thì cường độ ca bê tông ch đạt xp x vi t
l dung dch hot hóa - tro bay 0.6. Kết qu
này cho thy khi t l dung dch hot a -
tro bay trong tông geopolymer mc 0.8
phù hp với điều kiện dưỡng h bng sóng
microwave 200 W.
Khi tăng t l dung dch hot hóa - tro
bay t 0.6 đến 0.8 thì cường độ xu hướng
tăng dn hu hết c các mc thi gian
dưỡng h như trên hình 7. Khi t l dung
dch hot hóa - tro bay 0,9 thì cường độ ca
tông ch tăng mc thi gian 5 phút so
vi t l dung dịch trước đó nhưng giá trị
tăng không nhiều, còn các môc thi gian khác
thì đều gim.
Hình 7 Mi quan h gia dung dch hot hóa và năng lưng microwave 400W
0
2
4
6
8
10
12
14
0.6 0.7 0.8 0.9 1
Cường độ nén (MPa)
Tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay
Microwave 3 phút
Microwave 5 phút
Microwave 10 phút
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0.6 0.7 0.8 0.9 1
Cường độ nén (MPa)
Tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay
Microwave 3 phút
Microwave 5 phút
Microwave 10 phút