Chất kết dính Manhêzi Phốtphát ứng dụng làm vật liệu cho các giải pháp chống cháy bị động

Nội dung text: Chất kết dính Manhêzi Phốtphát ứng dụng làm vật liệu cho các giải pháp chống cháy bị động

1. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG CHẤT KẾT DÍNH MANHÊZI PHỐTPHÁT ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU CHO CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG CHÁY BỊ ĐỘNG KS. NGUYỄN PHƯỚC VINH, KS. NGUYỄN HOÀNG, KS. NGUYỄN THANH NHÂN, TS. NGUYỄN KHÁNH SƠN Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh (HCMUT) Tóm tắt: Nghiên cứu này tập trung đánh giá ứng Chất kết dính hay xi-măng manhêzi phốtphát dụng chất kết dính manhêzi phốtphát (MPB) làm vật (MPB) được xếp vào nhóm vật liệu kiểu ceramic với liệu ngăn cháy, chống cháy bị động trong các hệ các dạng liên kết hoá học. Tính dính kết của MPB thống cửa ngăn cháy (fire door), bảo vệ (fireshield) kết được hình thành nhờ trải qua quá trình phản ứng kết cấu chịu lực bê-tông, thép, ống gen kỹ thuật. Thành tủa muối trong dung dịch nước dùng nhào trộn. Quá phần cấu tạo gồm khoáng kết tinh ngậm nước kiểu K- trình này có nét tương đồng với giai đoạn đóng rắn ở struvite, biểu hiện tính chịu lực, bền và nhiệt ẩn phản nhiệt độ thường tạo sản phẩm của vữa xi-măng ứng cao. Thành phần pha phân tán gồm các chất độn Póoclăng (XMP), nhưng hình thành cấu trúc tinh thể tro bay, cát, sợi thủy tinh bổ sung để tổng hợp sản thì lại tương tự như những vật liệu ceramic [2]. Từ phẩm compôzít. Kết quả biểu hiện truyền nhiệt với trước đến nay, những ứng dụng thực tế của loại vật mẫu panel 150x150x30mm theo thời gian cho thấy liệu kết dính này vẫn còn bị hạn chế trong lĩnh vực vật tính bền-ổn định nhiệt cũng như khả năng cách nhiệt liệu xây dựng, nguyên nhân là do giá thành nguyên nhiệt độ cao qua bề dày 30mm đáp ứng tiêu chí vật liệu sản xuất cao và cả những đặc thù điều kiện đóng liệu chống cháy TCVN 9311-1-2012. Mục tiêu ứng rắn của chất kết dính [3]. Theo lý thuyết, MPB định dụng giải pháp chống cháy bị động cho các công trình hình trong dung dịch phản ứng axít-bazơ giữa MgO 2- xây dựng, giao thông có thể được dự kiến. và muối axít phốtphoric (mônô hiđrô phốtphát HPO4 , đihiđrô phốtphát H PO -). Các đề xuất của nhiều tác Từ khoá: Chất kết dính manhêzi phốtphát, chống 2 4 giả trong [4] cho thấy cách đánh giá khác nhau về cơ cháy bị động, nhiệt ẩn chuyển pha, truyền nhiệt, ISO chế phản ứng đóng rắn MPB. Theo công bố gần đây 834. của Soudeé & Péra [5], tác giả đề nghị chia phản ứng 1. Giới thiệu và cơ chế phản ứng dính kết theo 2 giai đoạn khác nhau. Đầu tiên sẽ diễn ra quá + Thống kê trên thế giới và ở nước ta đều cho thấy trình hoà tan phân ly ion H trong dung môi nước của các vụ cháy lớn xảy ra trong các công trình nhà cao muối axít phốtphoric (pH<7) và một phần bazơ MgO tầng, trung tâm thương mại, công nghiệp hay các bền ngoài vỏ hạt. Tiếp theo đó là quá trình phản ứng hầm ngầm giao thông, để xe để lại những hậu quả trong dung dịch giữa các ion tạo sản phẩm kết tinh khủng khiếp. Kiểm soát, khống chế hiệu quả đám nước ở trên bề mặt hạt MgO và quá trình hòa tan cháy cũng như duy trì công trình bền vững khi cháy là phản ứng tiếp tục phát triển cho đến hết. những yêu cầu chính trong thiết kế giải pháp phòng Quá trình phân ly ion muối gốc axít hiđrô phốtphát cháy chữa cháy [1]. Các loại vật liệu biển hiện nhiệt (như (NH4)2HPO4 ; NH4H2PO4 hay K2HPO4; KH2PO4) ẩn chuyển pha lớn như thạch cao, silicát canxium trong dung môi nước cho đến khi đạt điểm bão hoà, đang được dùng phổ biến cấu tạo các bộ phận cửa 3- theo các phương trình (1), (2), (3) với các ion PO4 , ngăn cháy (fire door), lớp bảo vệ cách nhiệt cháy - 2- H2PO4 , HPO4 là sản phẩm: (fireshield) cho kết cấu chịu lực bê-tông, thép hay bọc H PO -→ PO 3- + 2H+ (1) bảo vệ cách nhiệt cháy ống gen kỹ thuật thông gió, 2 4 4 - 2- + thoát khói, cáp điện. Nhược điểm của chúng là tính ổn H2PO4 → HPO4 + H (2) định nhiệt không cao, cũng như có thể bị phá hủy ở 2- 3- + HPO4 → PO4 + H (3) nhiệt độ trên 12000C. Vật liệu manhêzi nói chung, vốn được sử dụng trong các ứng dụng chịu lửa lò công Thành phần bazơ ôxít MgO khó tan hơn và từ từ nghiệp nhiệt độ rất cao, có thể xem xét ứng dụng phân ly ion trong dung dịch theo các phương trình (4), trong xây dựng nếu đáp ứng các tiêu chí kinh tế kỹ (5), (6) và (7): + - thuật. MgO + H2O → MgOH + OH (4) 30 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014
2. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG + + MgOH + 2H2O → Mg(OH)2 + H3O (5) trong số hệ các sản phẩm phức schertelite, dittmarite, 2+ - newberyite, phosphorroesslerite, hayesite, kém bền. Mg(OH)2 → Mg + 2OH (6) Phản ứng kết hợp diễn ra theo mô hình như trên hình Mg2+ + 6H O → Mg(H O) 2+ (7) 2 2 6 1. Các tinh thể sản phẩm đầu tiên xuất hiện trên bề Đánh giá quá trình phản ứng kết hợp giữa ion sau bao ngoài các hạt MgO và tiếp tục phát triển theo đó, Abdelrazig và cộng sự, [6] đã chỉ ra trên kết quả hướng từ ngoài vào trong lõi hạt. Do đó, khi hiện chụp phổ XRD các píc nổi bật là sản phẩm tinh thể tượng đóng rắn bắt đầu diễn ra hỗn hợp mất tính linh kết tinh nước gồm 6 phân tử như struvite động, các liên kết, vi cấu trúc hình thành đồng thời (MgNH4PO4.6H2O) hay K-struvite (MgKPO4.6H2O) tùy lớp bao sản phẩm vỏ cứng cũng làm hạn chế quá theo gốc muối sử dụng. Nhìn chung đây không hẳn là trình tan, phân ly ion OH- của thành phần manhêzi sản phẩm kết tinh duy nhất mà là sản phẩm bền nhất chưa phản ứng ở trong lõi [7]. + 2+ 3- K + Mg(H2O)6 + PO4 MgKPO4.6H2O (K-struvite) + + 2- 2MgOH + K + 2HPO4 2MgKPO4.H2O (dittmarite) 2- Mg(OH)2 + HPO4 + H2O MgHPO4.3H2O (newberyite) 2+ + 3- Hình 1. Mô hình phản ứng kết hợp trong dung dịch giữa các ion Mg(H2O)6 , K , PO4 Trong phần tiếp theo của bài viết, chúng tôi sẽ tập như độ mịn cao (dưới sàng 90m) của bột manhêzi trung vào khảo sát sản phẩm chất kết dính MPB và dự đoán khả năng hoạt tính phản ứng tốt. Theo lý các pha phân tán trong khai thác tính cách nhiệt thuyết, mức độ hoạt tính hoá học của phản ứng bazơ chống cháy công trình xây dựng. Các biểu hiện ứng MgO với axít phụ thuộc đồng thời vào kích thước hạt xử trong điều kiện nhiệt độ cao của đám cháy có thể và các khuyết tật trên bề mặt, do hệ quả của các gia thử nghiệm mô phỏng trường hợp tiếp xúc gradient công nghiền sàng [7]. nhiệt lớn từ lò nung. Các bàn luận trên kết quả thử Một loại muối axít phốtphoric là kali đihiđrô nghiệm này sẽ được trình bày cùng với các đề xuất phốtphát KH2PO4 98% (KDP) được chúng tôi sử dụng để ứng dụng sản phẩm compôzít chế tạo. như thành phần nguyên liệu axít. Trong muối KDP có 2. Nguyên liệu sử dụng và thực nghiệm chứa các nguyên tố K, P vi lượng cho đất, cây trồng nên thường gọi chung là phân đạm. Độ hoà tan của Việc lựa chọn thành phần các chất độn khác muối phốtphát rõ ràng cao hơn nhiều so với bột nhau, một mặt thử nghiệm nhiệt lý nhiệt độ cao, mặt manhêzi, phụ thuộc vào nhiệt độ và dung môi sử khác góp phần quan trọng làm giảm giá thành sản dụng. Thêm vào đó, theo Soudée & Pera [5] quá trình phẩm khi ứng dụng. tan, phân ly ra ion H+ của muối axít phốtphoric sẽ giúp 2.1 Nguyên liệu kéo theo quá trình tan trong dung dịch của MgO đảm Bột manhêzi loại công nghiệp dùng phổ biến trong bảo đưa môi trường trở lại trung tính, điều này khá ngành sản xuất gốm sứ, vật liệu chịu lửa được chúng phổ biến trong trường hợp phản ứng axít bazơ. tôi sử dụng như thành phần bazơ trong các thí Theo nghiên cứu của Hall và cộng sự [8], vai trò nghiệm sau đây. Sản phẩm MgO công nghiệp này thu của phụ gia làm chậm lên quá trình phản ứng axit- được khi nung quá muối cácbônát manhê. Kết quả bazơ là tạo trên bề mặt hạt nguyên liệu bazơ MgO phân tích XRF (XEPOS-SPECTRO) cho ước lượng một lớp màng ngăn nước ngăn chặn quá trình phân ly thành phần ôxít manhê chủ yếu chiếm 85,7% theo ion OH-. Để duy trì khả năng thi công, đổ khuôn chất khối lượng. Một số pha khoáng chính manhêzi, bruxít, kết dính MPB, rất cần thiết kiểm soát phản ứng đóng đôlômít được phát hiện trên phổ chụp XRD (AXS D8 rắn nhanh và tính toả nhiệt lớn ban đầu. Muối borax Advance, cực CuK ). Thành phần bruxít, đôlômít tồn hay natri borat Na2B4O7·10H2O, đã được sử dụng như tại như sản phẩm phản ứng với môi trường bảo quản phụ gia làm chậm, là loại hoá chất dùng trong phòng hay các tạp chất không loại bỏ hết khi sản xuất quy thí nghiệm với độ tinh khiết 99,9%. Theo kết quả quan mô công nghiệp. Với hàm lượng MgO chủ yếu, cũng sát cấu trúc sản phẩm của Abdelrazig và cộng sự [6], Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 31
3. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG sử dụng hàm lượng borax dùng gây ảnh hưởng đến sát với từng loại cốt liệu một làm pha phân tán với quá trình kết tinh tinh thể, tạo các pha vô định hình, chất kết dính nền. kích thước nhỏ. Theo kết quả khảo sát, lượng phụ gia 2.2 Cấp phối và quy trình chế tạo 2,5% sử dụng cho phép nhào trộn dễ dàng cũng như Cần lưu ý rằng tỉ lệ phản ứng lý thuyết giữa hai kiểm soát tốt phản ứng. thành phần KDP/MgO là 1/1 theo mol hay 3,3/1 theo Ngoài ra, như đề cập trên đây các pha phân tán khối lượng. Đây cũng là tỉ lệ các chất phản ứng phù gồm sợi thủy tinh, tro bay và cát xây dựng được hợp để khảo sát chế tạo chất kết dính nền MPB. Phản nghiên cứu sử dụng chế tạo sản phẩm compôzít với ứng diễn ra với tốc độ rất nhanh, tỏa nhiệt rất mạnh chất kết dính MPB. Sự kết hợp thêm các chất độn đã và dung dịch hồ kết tủa đóng rắn ngay sau đó. Sơ đồ được ghi nhận vai trò gia tăng tính ổn định nhiệt, hạn quy trình phối trộn các bước khô–ướt trải qua 2 giai chế co nứt có thể xảy ra khi vật liệu chịu tốc độ tăng đoạn như sau: muối KDP và bột MgO được phối trộn nhiệt lớn [9]. Tro bay loại C (FA) với thành phần 26% khô cùng nhau và nghiền sơ bộ trong cối nghiền hành CaO, 43% SiO2 có nguồn gốc nhiệt điện Cà Mau, tinh nhằm đồng nhất hóa, tiếp theo đó được đổ từ từ dùng làm phụ gia khoáng cho sản xuất xi-măng. Cát vào trong nước đã hoà tan sẵn borax 2,5% kết hợp xây dựng (CS) sông Đồng Nai, môđun độ lớn 2,3 đáp khuấy liên tục. Nước đóng vai trò dung môi hòa tan, ứng theo tiêu chuẩn Việt Nam cốt liệu mịn sản xuất tạo tính công tác cho hỗn hợp vữa đồng thời là thành bê-tông. Sợi thủy tinh (GF) loại E–Glass dạng rời là phần nguyên liệu phản ứng đóng rắn. Ở đây, tỉ lệ sản phẩm thương mại sử dụng trong sản xuất nước/chất rắn được hiệu chỉnh lân cận với tỉ lệ lý compôzít nền nhựa. Hàm lượng dùng khảo sát sơ bộ thuyết phản ứng 5/1 theo mol hay 0,56 theo khối dựa theo các tiêu chí là cường độ chịu lực và khả lượng. Các thành phần chất độn được thêm vào ở năng tạo hình đổ khuôn. Ở đây chỉ giới hạn các khảo cuối giai đoạn nhào trộn để phân tán trong hồ. Bảng 1. Thành phần phối liệu chế tạo vữa MPB và hệ compôzít Borax Chất rắn (CR) Nước/ Pha phân tán (theo % CR) Kí hiệu mẫu (theo % CR MgO KDP CR) Sợi thủy tinh Tro bay Cát MPB (đối chứng) 3,3 1 0,56 2,5 - - - MPB-GF 3,3 1 0,56 2,5 0,5-0,75-1 - - MPB-FA 3,3 1 0,56 2,5 - 20-30-40 - MPB-CS 3,3 1 0,56 2,5 - - 100-150-200 Chúng tôi liệt kê 4 loại cấp phối các thành phần với các mẫu có tính chịu lực cao để đo tính cách nguyên liệu trong bảng 1, bao gồm MPB; MPB-FA (bổ nhiệt. Sau khi đổ khuôn tạo thanh hoặc tấm panen, sung thành phần tro bay); MPB-CS (bổ sung thành quan sát thấy hiện tượng tỏa nhiệt và đóng rắn sau phần cát) và MPB-GF (bổ sung thành phần sợi thủy đó. Thời gian kể từ khi mẫu đóng rắn hoàn toàn đến tinh). Lưu ý thời gian phối trộn để thu được hỗn hợp khi tháo khuôn là khoảng 60 phút. Tiếp theo, các mẫu có tính đồng nhất là rất khác nhau giữa các loại chất được lưu, phơi khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng và độn, cũng như giữa các tỉ lệ chất độn. Cát biểu hiện giám sát cân khối lượng hàng ngày để kiểm chứng. tính phân tán cao sau khoảng 5 phút nhào trộn, tro 2.2. Thí nghiệm truyền nhiệt qua bề dày tấm panel bay thì có tính hút nước và chỉ phân tán sau khoảng 10 phút nhào trộn. Đối với sợi thủy tinh, việc phân tán Vật liệu ứng dụng cách nhiệt chống cháy bị động vào nền kết dính rất khó khăn với sợi dài, với sợi cắt cho công trình cần thiết phải thoả mãn các tiêu chí cơ ngắn 20 mm thời gian nhào trộn khoảng 8 phút. Hàm bản gồm tính không cháy, tính cách nhiệt, tính toàn lượng chất độn càng cao thì càng khó phân tán và vẹn và tính chịu lực trong một số trường hợp. Vật liệu phải kiểm soát cẩn thận tránh bị đóng cục. Hai loại nguồn gốc khoáng vô cơ như chất kết dính MPB và mẫu được chế tạo gồm dạng thanh 40x40x160 (mm) chất độn đáp ứng một cách tự nhiên tính không bắt tương tự như với trường hợp vữa XMP (TCVN 6016- lửa cũng như không tham gia quá trình cháy. Ứng xử 0 1995) để đo cường độ chịu lực uốn/nén cho tất cả biểu hiện khả năng cách nhiệt cháy (đến 1200 C) cần cấp phối, và dạng tấm panel vuông, dày 30 mm đối thiết phải kiểm chứng qua các thí nghiệm kiểm định 32 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014
4. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG được thực hiện trong các trung tâm kiểm định ở quy cặp nhiệt điện (loại K và S) được bố trí trong thí mô kích thước và điều kiện gần thực tế được chuẩn nghiệm, nối với hệ thống ghi nhận tín hiệu tần suất 1 hóa [10]. Để nghiên cứu, chúng tôi phát triển hệ thống giây 1 lần. Hai cặp nhiệt điện S1 S2 được đặt trong thiết bị cho phép thử nghiệm truyền nhiệt một phương lồng lò và ngay vị trí cửa lò tiếp xúc với mặt trong mẫu nhằm đánh giá tính cách nhiệt cháy, dùng nguồn nhiệt tấm panel để ghi nhận nhiệt độ lò nung và nhiệt độ mô phỏng tỏa ra từ lò nung điện trở trong phòng. Bộ mặt trong tiếp xúc nhiệt lò (mặt nóng). Năm cặp nhiệt phận cửa để đóng kín lò khi gia nhiệt chính là tấm điện K1 K5 được đặt ngay trên mặt ngoài mẫu tấm panel thử nghiệm (hình 2). Kích thước tấm panel vật panel để ghi nhận nhiệt độ trung bình mặt tiếp xúc với liệu được cố định là 150x150x30 (mm), trong đó chiều không khí (mặt lạnh). Bộ điều khiển lò thiết lập dày 30mm chính là quãng đường nhiệt truyền qua từ chương trình nâng nhiệt độ dựa theo giá trị điểm trong lò ra ngoài không khí. Tỉ lệ mẫu chế tạo chiều (nhiệt độ vs. thời gian) của đường quan hệ nhiệt độ dày/cạnh ngang = 1/5, có thể xem đảm bảo bề dày thời gian tiêu chuẩn (ISO 834, phương trình nhỏ hơn nhiều so với cạnh ngang, nên cho phép bỏ T(t)=T0+345.log(8t+1) với t tính bằng phút [11]). Theo qua những chênh lệch nhiệt độ trên cùng mặt phẳng nguyên lý bố trí này thì tấm panel vật liệu thử nghiệm ngang và chỉ tập trung chênh lệch nhiệt độ theo chiều sẽ làm chậm quá trình truyền nhiệt cháy ISO 834 từ dày, tức truyền nhiệt 1 phương (1D). Tổng cộng có 7 trong lò ra ngoài qua bề dày 30mm. Lò nung công suất 4kW Mẫu panel 150x150x30mm Tí nhi Cặp nhiệt ệ u K1-K5 Cặp Cửa lò nung Cặp nhiệt nhiệt S2 Mặt ngoài Mặt trong (lạnh) (nóng) Hình 2. Hệ thống lò điện trở gia nhiệt, cấu tạo cửa lò bằng tấm panel (trái); hệ thống cặp nhiệt điện bố trí trên mặt trong và ngoài mẫu (phải) 3. Kết quả và bàn luận 3.1. Kết quả khảo sát đặc trưng cơ lý Một đặc điểm chung của chất kết dính manhêzi 3.1.1 Phát triển vi cấu trúc phốtphát là tính đóng rắn nhanh, sản phẩm đóng rắn Tất cả các mẫu vữa MPB và mẫu compôzít đều đặc chắc, nặng và có cường độ cao. Ở đây các kết biểu hiện đóng rắn phát triển cường độ khi bảo quả thực nghiệm trình bày chủ yếu tập trung vào sự dưỡng. Quan sát mặt gãy sản phẩm bằng mắt kết hợp của chất kết dính với pha phân tán, vai trò thường (hình 3) cho thấy dạng đặc chắc như đá tự ảnh hưởng cũng như đối chiếu với nền MPB đối nhiên. Cốt liệu phân tán tốt trên nền kết dính, đồng chứng. thời xuất hiện các bọt khí. 40 Sợi thủy tinh Tro bay vón cục Cốt liệu cát 40 Bọt khí Mẫu MPB Mẫu MPB-GF 0,75% Mẫu MPB-FA 20% Mẫu MPB-CS 100% Hình 3. Ảnh chụp mặt gãy mẫu 40x40x160 (mm) chất kết dính MPB và compôzít Quan sát cho thấy trên hình 4a các tinh thể K- tử quét (SEM) mẫu MPB. Điều này chứng tỏ quá trình struvite dạng tấm thô trên các ảnh chụp kính hiển vi điện phản ứng kết tinh tinh thể sản phẩm tốt. Cũng còn tồn Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 33
5. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG tại các chất không phản ứng (hạt sáng màu MgO) trên thể sản phẩm xen lẫn các dấu vết của tro bay, cốt liệu bề mặt tấm sản phẩm chính. Vùng phóng đại (x1300) bề cát và cả bọt khí bị cuốn vào trong khi nhào trộn. Với mặt của tinh thể rất đều đặn, đặc chắc. Sử dụng phụ gia mẫu có sợi thủy tinh thì vùng chụp quá bé nên không làm chậm muối borax giúp phản ứng trong dung dịch có quan sát thấy sợi (hình 4b). Nhưng, có các vết nứt khá kiểm soát, kết quả thu được phần lớn các tinh thể sản lớn, kéo dài trên ảnh chụp có thể lý giải nguyên nhân khi phẩm ở trạng thái kết tinh, đồng nghĩa cường độ chịu uốn nén phá vỡ mẫu với sự hiện diện của cốt sợi làm lực cao. Trên ảnh SEM của các mẫu compôzít (hình cho mẫu có tính dai, thời gian chịu lực kéo dài và các 4c,d) dễ dàng nhận thấy hình ảnh tương tự của các tinh phá hoại (do áp lực) lan truyền rộng khắp. Vết nứt Lỗ rỗng (a) MPB: x100 và x1300 (b) MPB-GF: x100 và x1300 Tro bay Lỗ rỗng Tro bay K-Struvite K-Struvite Cát (c) MPB-FA: x100 và x1300 (d) MPB-CS: x500 và x1000 Hình 4. Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) của các mẫu chất kết dính MPB và mẫu compôzít 3.1.2 Cường độ chịu nén, uốn khi quan sát ảnh chụp (hình 3, 4). Sử dụng phụ gia Đối với mẫu vữa MPB, kết quả cường độ chịu uốn muối borax cho phép duy trì trạng thái hồ đảm bảo và chịu nén trung bình (bảng 2) chỉ có chênh lệch nhỏ quá trình phản ứng diễn ra trước khi toàn khối vữa bị giữa thời điểm 1 và 3 ngày tuổi. Mẫu chuẩn chất kết đóng rắn, các vị trí nguyên liệu chưa phản ứng ít quan dính biểu hiện khả năng chịu lực khá cao so với vữa sát thấy. Điều này cũng đồng nghĩa với việc chỉ các TB xi-măng thông thường, R nén=24,63 MPa và tinh thể sản phẩm phát triển trong thành phần kết TB R uốn=1,02 MPa, đồng thời lôgíc với tính đặc chắc dính. Bảng 2. Cường độ chịu nén, uốn trung bình ở 1, 3 ngày tuổi trên mẫu thanh 40x40x160 (mm) RTB (MPa) RTB (MPa) Kí hiệu mẫu Chịu uốn Chịu nén 1 ngày 3 ngày 1 ngày 3 ngày MPB (đối chứng) 0,95 1,02 22,26 24,63 0,5% 1,0 1,09 19,91 20,39 MPB-GF 0,75% 1,11 1,14 22,11 23,94 1% 0,89 1,17 20,99 23,83 20% 0,92 1,04 26,24 27,31 MPB-FA 30% 0,70 0,72 16,89 18,97 40% 0,48 0,66 14,02 16,57 100% 0,51 0,61 19,20 19,21 MPB-CS 150% 0,64 0,55 18,78 18,75 200% 0,40 0,42 15,27 18,70 Trong khi đó, với mẫu compôzít, có sự khác biệt giảm so với mẫu đối chứng. Mẫu MPB-FA cho kết nhất định cường độ chịu lực ở 1 và 3 ngày tuổi cũng quả cường độ chịu nén, uốn tốt nhất, tương ứng là như ở các cấp phối chất độn (bảng 2). Khi sử dụng 27,31 MPa và 1,04 MPa nếu đảm bảo phối trộn đồng cát thay thế nguyên liệu tạo chất kết dính thì đồng nhất phần tro bay thay thế cho nguyên liệu tạo chất thời cả kết quả cường độ chịu nén và chịu uốn đều kết dính. Các hạt mịn tro bay phân tán cho phép thu 34 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014
6. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG được vi cấu trúc sản phẩm với độ đặc chắc cao hơn, 3.2. Kết quả khảo sát ứng xử ở nhiệt độ cao nhưng cũng khó nhào trộn, đổ khuôn do vón cục (hình 3.2.1 Hệ số dẫn nhiệt 3). Đối với mẫu cát khả năng nhào trộn tốt nhờ các hạt cát đóng vai trò như những viên bi giúp chà xát Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt trên các mẫu tấm đánh tan các cục bột nguyên liệu. Nhưng kích thước panel đặt trong điều kiện nhiệt độ phòng ổn định 250C. Thiết bị đo Quick Thermal Conductivity Meter hạt lớn thì liên kết với tinh thể dạng tấm K-struvite (QTM-500) ứng dụng nguyên lý đo nhanh trạng thái không tốt dẫn đến giảm cường độ. Sợi thủy tinh không ổn định với phương pháp Hot-wire. Giá trị trung thường có tính hòa tan trong môi trường kiềm của bình (bảng 3) lấy từ 5 lần đo ở 5 vị trí khác nhau trên vữa xi-măng, nhưng trong môi trường trung tính của mặt 150x150 (mm) của tấm mẫu panel. Trong khi 2 chất kết dính axit-bazơ như MPB thì khác [12]. Kết trường hợp sử dụng tro bay và sợi thủy tinh không quả cường độ chịu uốn của mẫu MPB-GF được cải cho thấy thay đổi đáng kể giá trị hệ số dẫn nhiệt sơ thiện khi dùng sợi thủy tinh là minh chứng. Nhưng, với mẫu đối chứng thì mẫu cát 100% lại cho thấy hiện cũng tương tự như hai loại chất độn dạng hạt, việc tượng tăng đột ngột giá trị hệ số dẫn nhiệt hơn 2 lần phân tán sợi thủy tinh vào nền kết dính cũng gặp khó mẫu đối chứng. Mẫu chứa cát cách nhiệt kém hơn và khăn, mẫu rất dễ bị đóng cục nếu không đánh tơi cần thiết những lưu ý để xem quá trình truyền nhiệt mạnh bằng cánh khuấy. qua mẫu này. Bảng 3. Giá trị đo hệ số dẫn nhiệt các tấm panel MPB và compôzít Kí hiệu mẫu MPB MPB-GF MPB-FA MPB-CS  (W/m.K) ở 250C 0,8778 0,9943 0,8758 2,1339 3.2.2 Quá trình truyền nhiệt nhiệt độ cao (12000C) một thềm đẳng nhiệt (từ thời điểm 0 giờ 30 phút đến 2 Biểu đồ biến thiên nhiệt độ theo thời gian đối với giờ 50 phút), trên đó nhiệt độ dao động tăng lên rất ít. mẫu panel đối chứng MPB (hình 5) chỉ rõ có sự khác Giá trị nhiệt độ ghi nhận bởi 5 cặp nhiệt điện loại K bố biệt nhất định ở biến thiên nhiệt độ lòng lò (■) với trí tại đây cũng rất thống nhất. Sau 6 giờ thử nghiệm 0 đường biểu diễn nhiệt độ lý thuyết ISO 834 (●). Khác truyền nhiệt, khi nhiệt độ ở mặt nóng (S2) là 1020 C biệt lớn nhất chủ yếu tập trung vào giai đoạn ban đầu thì nhiệt độ trung bình trên mặt nguội (cách ly bởi 0 khi gia nhiệt lò với quán tính do không gian cũng như 30mm bề dày mẫu) là khoảng 120 C. Kết quả này rõ đặc điểm nâng nhiệt của điện trở dây, nhưng từ ràng đã chứng tỏ vật liệu MPB biểu hiện khả năng khoảng 2 giờ trở đi thì chênh lệch là không nhiều và cách nhiệt, làm chậm quá trình truyền nhiệt ra. So với nhiệt độ lò duy trì 12000C tương đương với nhiệt độ lý yêu cầu tính cách nhiệt của các bộ phận ngăn cháy thuyết. So sánh nhiệt độ trong lòng lò với nhiệt độ của cho các dạng cấu kiện chịu lực, giá trị nhiệt độ gia mặt trong của tấm panel MPB (mặt nóng) cũng có sự tăng trung bình mọi điểm đo trên mặt không tiếp xúc chênh lệch giữa hai đường biến thiên nhiệt độ tại mọi với lửa không được vượt quá giới hạn cho phép, 0 0 thời điểm trong suốt quá trình thí nghiệm. Nguyên thường là 140 C và không có điểm nào >180 C, thì nhân của hiện tượng này chủ yếu do sự không đồng kết quả này hứa hẹn ứng dụng được. Lớp bảo vệ tính nhất trong toàn bộ không gian, cũng như tổn thất chịu lửa cho cấu kiện chịu lực bê - tông hay bọc bảo nhiệt tại các vị trí biên. Sau 2 giờ nâng nhiệt thì nhiệt vệ cách nhiệt cho các bộ phận công trình đảm bảo độ tại hai vị trí này lần lượt ghi nhận bởi cặp nhiệt công trình vận hành an toàn về mặt kỹ thuật trong điện loại S là 1200 và 10200C. Đường biểu diễn biến khoảng thời gian dài quá trình cháy xảy ra, cũng như thiên nhiệt độ trung bình theo thời gian ở trên mặt tiết kiệm sửa chữa nhanh chóng đưa vào vận hành lại ngoài của tấm panel MPB (mặt nguội) có xuất hiện sau cháy. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 35
7. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG Nhiệt độ (0C) Đường ISO 834 Mặt nóng Nhiệt lò nung 2 giờ Mặt lạnh Tấm MPB: trước (trái) và sau (phải) thử nghiệm ở 12000C tgian (giờ) Hình 5. Kết quả sau hơn 6 giờ thí nghiệm truyền nhiệt lò 12000C qua mẫu tấm panel MPB 150x150x30 (mm) Nhiệt độ (0C) Đường ISO 834 Mặt nóng Nhiệt lò nung 2 giờ Mặt lạnh Tấm MPB-GF: trước (trái) và sau (phải) thử nghiệm ở 12000C tgian (giờ) Hình 6. Kết quả sau hơn 6 giờ thí nghiệm truyền nhiệt lò 12000C qua mẫu tấm panel MPB-GF 0,75% (sợi thủy tinh) 150x150x30 (mm) Từ hình 6 đến hình 8 lần lượt là kết quả biến thiên có tro bay) cho thấy tính tương đồng. Nhiệt độ trung bình nhiệt độ theo thời gian đối với mẫu panel MPB-FA (20% đo tại mặt nguội dao động lần lượt trong khoảng 123- tro bay), MPB-CS (100% cát), MPB-FA (0,75% sợi thủy 1340C đối với mẫu có tro bay và trong khoảng 111-1410C tinh), tiến hành thí nghiệm tương tự trong vòng 6 giờ như đối với mẫu có sợi thủy tinh. Đồng thời thềm đẳng nhiệt mẫu đối chứng trên đây. Trong ba trường hợp, biểu đồ kéo dài khoảng gần 120 phút cho cả hai trường hợp, từ kết quả trên hình 6 (mẫu có sợi thủy tinh) và hình 7 (mẫu thời điểm 0 giờ 30 phút đến 2 giờ 30 phút. Nhiệt độ (0C) Đường ISO 834 Mặt nóng Nhò lò nung 2 giờ hours Mặt lạnh Tấm MPB-FA: trước (trái) và sau (phải) thử nghiệm ở 12000C tgian(giờ) Hình 7. Kết quả sau hơn 6 giờ thí nghiệm truyền nhiệt lò 12000C qua mẫu tấm panel MPB-FA 20% (tro bay) 150x150x30 (mm) 36 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014
8. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG Đối với mẫu có cát, nhiệt độ trung bình đo tại mặt tấm panel, nếu xem xét khả năng ứng xử cách nhiệt nguội biến động lớn hơn trong khoảng 131-1880C, của các mẫu ứng với các thời điểm 2 giờ và 4 giờ thí đồng thời thềm đẳng nhiệt chỉ kéo dài khoảng 70 phút nghiệm thì mẫu MPB-GF cách nhiệt nhiệt độ cao tốt từ thời điểm 0 giờ 20 phút đến 1 giờ 30 phút. Như vậy nhất, theo sau lần lượt bởi mẫu MPB (đối chứng), điều đó chứng tỏ khả năng cách nhiệt cháy của mẫu có MPB-FA và MPB-CS. Nếu xét về thời gian kéo dài cát là kém hơn so với hai trường hợp tro bay và sợi thềm đẳng nhiệt, vốn đóng vai trò quyết định trong việc thủy tinh, đồng thời cũng kém hơn so với mẫu đối làm chậm sự tăng lên của nhiệt độ trên mặt nguội mẫu chứng chỉ có chất kết dính MPB. Tính cách nhiệt kém panel, thì mẫu đối chứng MPB là dài nhất khoảng 140 của mẫu có cát thể hiện hoàn toàn lôgíc với kết quả hệ phút. Chúng tôi sẽ quay trở lại vấn đề này khi phân tích số dẫn nhiệt vượt trội trên bảng 3. Cùng bề dày 30 mm thành phần sau khi trải qua thí nghiệm truyền nhiệt. Nhiệt độ (0C) Đường ISO 834 Mặt nóng Nhiệt lò nung 2 giờ Mặt lạnh Tấm MPB-CS: trước (trái) và sau (phải) thử nghiệm ở 12000C tgian (giờ) Hình 8. Kết quả sau hơn 6 giờ thí nghiệm truyền nhiệt lò 12000C qua mẫu tấm panel MPB-CS 100% (cát) 150x150x30 (mm) 3.2.3 Tính biến dạng và ổn định nhiệt phát triển mở rộng đồng thời kéo dài của các vết nứt Đồng thời trên hình 5 đến hình 8 cũng chỉ rõ ảnh là biểu hiện đầu tiên của mất ổn định nhiệt hay biến chụp tiêu biểu các mẫu tấm panel trước và sau thí dạng nhiệt lớn gây nội ứng suất phá hoại. Bổ sung nghiệm truyền nhiệt trong vòng 6 giờ. Cũng lưu ý với thành phần chất độn khác nhau đã có tác dụng điều số lượng thí nghiệm cho từng trường hợp là 3 tấm. chỉnh quá trình này, cụ thể mẫu có sợi thủy tinh và cát Có thể thấy trên các ảnh chụp hư hại, vết nứt xuất cho thấy số lượng, độ mở rộng và quy mô nói chung hiện trên các mặt trong, mặt ngoài và cả trên bề dày của các vết nứt là ít hơn so với mẫu đối chứng và có các mẫu so với trước khi thử nghiệm. Nhưng nếu xét tro bay. Điều này đúng cho cả mặt nóng lẫn mặt nguội về trạng thái thì tất cả các tấm panel đều chưa bị phá mẫu panel, sợi thủy tinh và cát giúp đảm bảo tính hủy hoàn toàn sau 6 giờ tiếp xúc nhiệt độ cao trong toàn vẹn của mẫu trong điều kiện cháy. Mẫu có tro đó cực đại lên đến 12000C. Điều đó chứng tỏ tính ổn bay biểu hiện tính đặc chắc lớn, cường độ chịu lực định hình dạng trong điều kiện thử nghiệm với cao, song có hạn chế là bị nứt vỡ phá hoại và mất ổn gradient nhiệt lớn là tương đối tốt. Sự xuất hiện và định nhiệt hơn. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 37
9. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG Lỗ rỗng Fly ash KMgPO4 Lỗ rỗng KMgPO4 (a) MPB : x100 và x500 KMgPO4 Lỗ rỗng KMgPO4 Lỗ rỗng (b) MPB : x100 và x500 Hình 9. Ảnh chụp SEM của mẫu MPB tại vị trí mặt nóng (a) và mặt nguội (b), sau khi thí nghiệm truyền nhiệt nhiệt lò Kết quả tiến hành phân tích ảnh chụp vi cấu trúc giờ thí nghiệm cũng có thể giải thích từ quá trình phản vật liệu lấy từ hai vị trí lân cận với mặt nóng và mặt ứng chưa hoàn toàn kết thúc. nguội. Dưới tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ cao liên tục 4. Kết luận trong vòng 6 giờ, vật liệu chất kết dính MPB sẽ bị chuyển trạng thái và phá hủy. Hình 9a cho thấy điều Chất kết dính manhêzi phốtphát đã được tổng này, có thể nhận thấy dạng vi cấu trúc vô định hình, hợp trong nghiên cứu này từ nguyên liệu bột bazơ kích thước nhỏ, gãy gọn [13] của chính các pha thành MgO, muối có tính axít KDP, nước và phụ gia làm chậm phản ứng muối borax 2,5%. Kéo dài thời gian phần dehydrát KMgPO4. Các lỗ rỗng kích thước lớn cũng xuất hiện nhiều giữa các nứt gãy. Trong khi đó, phối trộn và khuấy đồng nhất các thành phần nguyên trên hình 9b cho thấy một số khác biệt tại vị trí mặt liệu đảm bảo cho quá trình phản ứng tạo sản phẩm nguội so với mặt nóng. Trên ảnh chụp vẫn có các lỗ kết tinh cao K-struvite (ngậm 6 phân tử nước) và dính rỗng và bề mặt bị làm phẳng, kích thước hạt bé. Tuy kết đóng rắn. Sản phẩm compôzít có thể được chế nhiên, độ đặc chắc cao hơn hẳn và tương quan hơn tạo từ sử dụng các pha phân tán dạng sợi, bột hay so với ảnh chụp vi cấu trúc sản phẩm MPB trên hình hạt cốt liệu kết hợp với nền chất kết dính MPB. Theo 4a (x100). Điều đó có nghĩa rằng vật liệu MPB ở mặt tiêu chí tính chất cơ lý cao và khả năng thi công tạo nguội đã diễn ra phản ứng đề hidrát hóa một phần. hình, ba loại sản phẩm đã được trình bày gồm MPB- Phân tích thành phần khoáng làm sáng tỏ điều này GF 0,75% (dùng sợi thủy tinh), MPB-FA 20% (dùng với các đỉnh của khoáng K-struvite còn hiện diện. Như tro bay loại C), MPB-CS 150% (dùng cát sông). Tro vậy có thể nói cùng với quá trình truyền nhiệt 1 bay giúp cải thiện tính chịu nén, sợi thủy tinh giúp cải phương qua 30mm bề dày tấm panel là sự dịch thiện tính chịu kéo và cát giúp cải thiện tính lưu động chuyển của mặt giới hạn chuyển pha (front of phase vữa để tạo hình khối lớn. Đối với ứng xử cách nhiệt 0 transition) từ mặt nóng đến mặt nguội. Phản ứng thu cháy với nhiệt độ lên đến 1200 C, mô phỏng từ lò nhiệt (đề hidrát hóa và hóa hơi nước) của quá trình điện trở trong phòng thí nghiệm, các mẫu tấm panel này làm nên thềm đẳng nhiệt kéo dài như đề cập trên 150 x 150 x 30 (mm) cho thấy khả năng cách nhiệt và đây. Giá trị nhiệt ẩn hay nhiệt hấp thụ trên một đơn vị ổn định theo thời gian đáng lưu ý. Cụ thể nhiệt độ đo khối lượng MPB được ước lượng trên kết quả phân được ở mặt ngoài cách ly qua 30mm bề dày mặt 0 tích nhiệt vi sai khoảng 910 J/g [14]. Đồng thời sự trong tiếp xúc nhiệt độ cao chỉ xấp xỉ 100-120 C sau 4 0 chuyển pha thành phần khoáng cũng là nguyên nhân giờ với mẫu MPB, MPB-GF, MPB-FA và xấp xỉ 150 C của biến dạng nhiệt và mất ổn định, cần thiết chất độn với mẫu MPB-CS. Lưu ý so với tiêu chuẩn yêu cầu như sợi thủy tinh để tăng tính ổn định thể tích. Việc tính cách nhiệt (nhiệt độ gia tăng trung bình mọi điểm 0 0 mẫu tấm panel MPB chưa bị sụp đổ hoàn toàn sau 6 nhỏ hơn 140 C và không có điểm nào >180 C), thì 38 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014
10. VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG 30mm bề dày vật liệu đó có thể đáp ứng làm lớp bảo 6 ABDELRAZIG B.E.I., SHARP J.H. and EI-JAZAIRI vệ tính chịu lửa cho cấu kiện chịu lực bê-tông làm B.,”The chemical composition of mortars made from việc an toàn. Thềm đẳng nhiệt kéo dài từ 70-140 phút magnesia – phosphate cement”, Cement and Concrete tùy theo loại pha phân tán đóng vai trò quyết định làm Research 18 (3), pp.415-425 (1988). chậm quá trình tăng nhiệt độ trung bình trên mặt 7 SOUDÉE E., PÉRA J., “Influence of magnesia surface ngoài của 30 mm bề dày. Tính ổn định nhiệt được on the setting time of magnesia – phosphate cement”, kiểm chứng qua thí nghiệm truyền nhiệt liên tục trong Cement and Concrete Research, Vol. 32, N01, pp. 153- 6 giờ, các mẫu tấm panel bị nứt nhưng không bị phá 157(5) (2002). hủy, đặc biệt trong trường hợp có dùng sợi thủy tinh gia cường. Với khả năng cách nhiệt đảm bảo làm việc 8 HALL D.A., STEVENS R. and EL-JAZAIRI B., "The ở nhiệt độ 12000C thử nghiệm như trên, hoàn toàn có effect of retarders on the microstructure and khả năng mở rộng quy mô thử nghiệm trên các kích mechanical properties of magnesia phosphate cement thước, bề dày khác nhau, trên các môi trường làm (MPC) mortar", Cement and Concrete Research, Vol. việc ẩm cũng như so sánh đối chứng với các loại vật 31, pp.455-465 (2001). liệu sản phẩm thương mại thạch cao, silicát canxium 9 FEJEAN J., LANOS C., MELINGE Y., BAUX nhằm ứng dụng thực tế trong các bộ phận chống C.,“Behavior of fire proofing materials containing cháy bị động công trình. gypsum, modifications induced by incorporation of inert Lời cảm ơn: Các tác giả cảm ơn tài trợ kinh phí fillers”. Trans IchemE, vol. 81, Part A- Chemical nghiên cứu (Đề tài NCKH, năm 2012) từ Nippon Engineering Research and Design, pp.1230-1236, Sheet Glass Foundation for Material Science and (2003). Engineering (Nhật Bản). 10 TCVN 9311-1 : 2012 “Thử nghiệm chịu lửa - Các bộ TÀI LIỆU THAM KHẢO phận công trình xây dựng - Phần 1 - Yêu cầu chung”. 1 LONG PHAN, “Best pratice guidelines for strutural fire 11 ISO 834-INTERNATIONAL STANDARD, “Fire- resistance design of concrete and steel buildings”, Hội thảo tiêu chuẩn VN-HK trong thương mại và thiết kế resistance tests — Elements of building construction”, PCCC cho nhà và công trình, Hà Nội, 9/9/2009. Ed. 1999. 2 WAGH ARUN S., “Chemically bonded phosphate 12 PERA J., AMBROISE J., “Fiber-reinforced Magnesia ceramics: Twenty-First Century Materials with Diverse Phosphate Cement Composite for Rapid Repair”, Applications”; ELSEVIER 2004 ISBN: 0-08-044505-5. Cement and Concrete Composites, vol.20, Iss.1, pp.31–39 (1998). 3 LI Z., DING Z., ZHANG Y., “Development of sustainable cementitious materials”, Proceedings of the 13 ABDELRAZIG B.E.I., SHARP J.H., “Phase changes on International Workshop on Sustainable Development heating ammonium magnesium phosphate hydrates”. and Concrete Technology Ed. Kejin Wang, Beijing, Thermochimica Acta 129(2),pp.197-215 (1988). China May 20–21, 2004, pp55-76. 14 KHANH-SON NGUYEN, PHUOC-VINH NGUYEN, 4 ABDELRAZIG B.E.I., SHARP J.H., SIDDY P.A., EL- HOANG NGUYEN, THANH-NHAN NGUYEN, THAI- JAZAIRI B. “Chemical reactions in magnesia-phosphate cement”. Proceedings of the British Ceramic Society HOA NGUYEN, “Use of phosphate magnesium material 35, pp.141-154 (1984). in fire protection of concrete”, Proceeding of The 5th ACF Conference, 24-26 October 2012, Pattaya, 5 SOUDÉE E., PÉRA J., “Mechanism of setting reaction Thailand, pp.1-6. in magnesia-phosphate cements”, Cement and Concrete Research 30, pp.315–321(2000). Ngày nhận bài sửa: 2/9/2014. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 39