Nghiên cứu khả năng chịu uốn của sàn bê tông cốt thép geopolymer

TỔNG QUAN

Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu

1.1.1 Thực trạng sản xuất vật liệu xây dựng

Bê tông cốt thép toàn khối hiện nay là kết cấu chịu lực chủ yếu trong các công trình xây dựng, khiến bê tông trở thành sản phẩm phổ biến nhất trong ngành Cement Portland là chất kết dính chính để sản xuất bê tông, nhưng sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp sản xuất cement đã gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường và các vấn đề liên quan khác.

Ngành công nghiệp sản xuất xi măng đang đối mặt với thách thức lớn khi khai thác một lượng lớn nguyên vật liệu không thể tái tạo, bao gồm đá vôi và đất sét Hiện nay, trữ lượng đá vôi giảm nhanh chóng, trong khi việc khai thác đất sét cũng đã tiêu tốn đáng kể diện tích đất trồng cây lương thực.

Quá trình nung trong lò để sản xuất clanh-ke cho xi măng không chỉ tiêu tốn nhiều nhiệt năng mà còn gây lãng phí tài nguyên như than đá, dầu và điện Hơn nữa, việc này dẫn đến ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người do lượng khí thải CO2 gia tăng trong ngành công nghiệp Cụ thể, để sản xuất một tấn xi măng, có tới 770 kg khí thải được thải ra môi trường Năng lượng tiêu thụ trong sản xuất xi măng chỉ đứng sau thép và nhôm, cho thấy sự cần thiết phải cải tiến quy trình sản xuất để giảm thiểu tác động tiêu cực này.

Sản lượng xi măng Portland toàn cầu hiện đã vượt 2,6 tỷ tấn mỗi năm, với mức tăng trung bình 5% hàng năm Theo số liệu, ngành công nghiệp sản xuất xi măng thải ra khoảng 1,35 tấn CO2 mỗi năm, chiếm khoảng 7% tổng lượng CO2 toàn cầu (Malhotra) Sự gia tăng khí thải CO2 này góp phần vào hiệu ứng nhà kính, dẫn đến sự nóng lên của trái đất và biến đổi khí hậu, trở thành một trong những vấn đề được nhân loại đặc biệt quan tâm.

Hình 0.1 Quá trình sản xuất cement và khí thải CO2

1.1.2 Phương hướng phát triển vật liệu xây dựng Để góp phần hạn chế lượng khí thải CO2 từ các ngành công nghiệp sản xuất cement hay gạch nung truyền thống; đồng thời tận dụng nguồn tro bay - loại phế phẩm của ngành công nghiệp nhiệt điện thì công nghệ Geopolymer đã và đang được nghiên cứu, áp dụng để thay thế Cement Portland - chất kết dính trong sản xuất bê tông thông thường Sản phẩm của công nghệ này chính là bê tông và vữa Geopolymer – đây là một trong những sản phẩm xanh, thân thiện với môi trường của ngành vật liệu xây dựng hiện nay [3]

Bê tông Geopolymer ngày càng được chú ý và phát triển nhờ vào những ưu điểm nổi bật như khả năng chịu lực tốt, chống ăn mòn hiệu quả, chịu nhiệt cao, cách âm tốt, độ co ngót thấp và khả năng gắn kết mạnh mẽ với cốt thép trong bê tông.

Công nghệ Geopolymer đang được nghiên cứu đa dạng cho nhiều cấu kiện khác nhau, như dầm Geopolymer của M.V Nataraja và Muthumani Trong bối cảnh này, đề tài “Nghiên cứu khả năng chịu uốn của sàn bê tông cốt thép Geopolymer” sẽ tập trung vào việc khảo sát tính ứng dụng của công nghệ Geopolymer trong xây dựng.

Tình hình nghiên cứu

Công nghệ Geopolymer đang được nghiên cứu và áp dụng nhằm thay thế Cement Portland trong sản xuất bê tông, với mục tiêu giảm lượng khí thải CO2 từ các ngành công nghiệp như sản xuất gạch nung và xi măng Đồng thời, công nghệ này cũng tận dụng nguồn phế phẩm như tro bay từ các nhà máy nhiệt điện, góp phần bảo vệ môi trường.

Vào năm 1972, nhà hóa học người Pháp Joseph Davidovits đã phát triển thành công một vật liệu mới thông qua quy trình tổng hợp polymer từ khoáng chất Bằng cách kết hợp đất sét với dung dịch alkali silicates có nồng độ kiềm cao, ông đã tạo ra một hợp chất dạng gel, được gọi là Geopolymer Đây là một loại vật liệu mới với bản chất là polymer vô cơ, đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều tác giả trên toàn thế giới từ những năm cuối thế kỷ XX.

Theo Joseph Davidovits, bất kỳ nguyên vật liệu nào chứa dioxide silic và oxide nhôm đều có thể được sử dụng để sản xuất vật liệu geopolymer "Geopolymer" là thuật ngữ chỉ các vật liệu vô cơ tổng hợp từ nguồn gốc aluminosilicate Nguyên lý chế tạo vật liệu geopolymer dựa trên khả năng phản ứng của các vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm, tạo ra sản phẩm với các tính chất và cường độ vượt trội.

Vật liệu Geopolymer được chế tạo từ hai thành phần chính: nguyên liệu aluminosilicate và chất hoạt hóa kiềm Nguyên liệu aluminosilicate, như tro bay, metacaolanh và silicafume, cung cấp Si và Al cho quá trình Geopolymer hóa Chất hoạt hóa kiềm, chủ yếu là dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng Natri Silicat (Na2SiO3), tạo môi trường kiềm và tham gia vào các phản ứng Geopolymer hóa Khi được dưỡng hộ ở nhiệt độ thích hợp, vật liệu Geopolymer sẽ phát triển cường độ nhanh chóng và hiệu quả hơn.

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Chất kết dính Geopolymer, hay còn gọi là chất kết dính kiềm hoạt hóa, được nghiên cứu và ứng dụng bởi Joseph Davidovits Công nghệ này đang ngày càng phát triển trên toàn cầu và dần dần vượt trội hơn so với xi măng Portland nhờ vào nguyên liệu và phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường.

J Davidovits đã giới thiệu một loại vật liệu mới là Geopolymer, cũng như các tính chất lý hóa của Geopolymer Một nghiên cứu khác về xi măng geopolymer (High – Akali – Poly) đã cho thấy ứng dựng trong nhiều ngành kỹ thuật như: Hàng không, xây dựng, công nghiệp chất dẻo, … Kết quả nghiên cứu cho thấy xi măng mới này đóng rắn nhanh với nhiệt độ phòng, cường độ chịu nén có thể đạt tới 20 Mpa sau 4 giờ ở nhiệt độ 200 o C và có thể đạt từ 70 – 100 MPa sau khi bảo dưỡng 28 ngày

Xuất bản lần đầu vào năm 2008, cuốn sách "Geopolymer chemistry and application" của J Davidovits đã tổng hợp kiến thức về công nghệ Geopolymer, một lĩnh vực đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu Nghiên cứu chủ yếu tập trung vào thành phần và nồng độ dung dịch kiềm nhằm tăng tốc độ Geopolymer hóa Tại một số quốc gia phát triển như Pháp, Mỹ, Đức, Bỉ và Nam Phi, công nghệ này đã được áp dụng cho khoảng 70% - 80% sản lượng gạch không nung.

Palomo [6] đã chỉ ra rằng cấu trúc hóa học của geopolymer giống với vật liệu ziotit tự nhiên, tuy nhiên, cấu trúc này tồn tại dưới dạng vô định hình thay vì dạng tinh thể.

Nghiên cứu của Palomo, Grutzeck và Blanco chỉ ra rằng điều kiện dưỡng hộ và tỷ lệ dung dịch alkali/tro bay có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ bê tông Cả thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ đều tác động đến cường độ, với sự kết hợp giữa thủy tinh lỏng và dung dịch NaOH đạt cường độ lên đến 60MPa khi được dưỡng hộ ở nhiệt độ 85 o C trong 5 giờ.

Nghiên cứu của Mo Bing-hui và cộng sự cho thấy rằng cả nhiệt độ và thời gian dưỡng hộ đều có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ của bê tông geopolymer Cụ thể, nhiệt độ tối ưu để quá trình polymer hóa diễn ra nhanh chóng là trên 60 độ C, điều này giúp bê tông đạt cường độ sớm hơn.

Theo nghiên cứu của Theo D Hardjito và B.V Rangan, hệ số Poisson của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay nằm trong khoảng từ 0,12 đến 0,16 khi cường độ chịu nén từ 40 đến 90MPa, tương đương với bê tông cement Portland truyền thống Ngoài ra, họ cũng chỉ ra rằng mô đun đàn hồi tăng lên khi cường độ bê tông tăng Giá trị mô đun đàn hồi của bê tông Geopolymer gần giống với bê tông cement Portland truyền thống.

Nghiên cứu của Monita Olivia [10] cho thấy bê tông Geopolymer sử dụng tro bay hàm lượng Canxi thấp có độ bền vượt trội so với bê tông truyền thống Cường độ nén vữa và cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer cao hơn đáng kể, với cường độ chịu uốn được so sánh theo tiêu chuẩn AS3600.

Nghiên cứu của Manish Chand Kumain và Seema Rani đã chỉ ra rằng sàn bê tông Geopolymer, khi có và không có cốt thép, có khả năng chịu tải trọng tức thời tương đương hoặc cao hơn so với bê tông xi măng thông thường Trong thí nghiệm, sàn bê tông Geopolymer chịu tác động lặp đi lặp lại từ tải trọng với vận tốc thấp, và chiều cao thả rơi tự do của tải được tăng dần Kết quả cho thấy số lượng vết nứt trên sàn bê tông Geopolymer ít hơn so với sàn bê tông xi măng Portland, chứng tỏ tính ưu việt của công nghệ Geopolymer trong ứng dụng xây dựng.

Manheswaran, Dattareya và Karansingh [12] đã tiến hành nghiên cứu về cường độ chịu tác động và độ rung động của sàn Geopolymer bằng cách sử dụng thiết bị đo biến dạng, máy ghi nhận tín hiệu và bộ khuếch đại Kết quả cho thấy sàn bê tông Geopolymer có khả năng chống nứt tốt hơn so với sàn bê tông thông thường, với sàn bê tông thông thường bị phá hủy hoàn toàn và nứt lan rộng nhiều hơn so với sàn Geopolymer.

Nagan và Mohana đã tiến hành thí nghiệm với một quả bóng thép rơi tự do từ độ cao xác định để kiểm tra sàn bê tông Geopolymer sử dụng hệ cốt thép dạng lưới lục giác kết hợp lưới hình chữ nhật Họ ghi nhận thời điểm xuất hiện vết nứt gãy đầu tiên và cuối cùng trước khi sàn bị phá hoại Các giá trị cường độ chịu nén, độ bền kéo và độ bền uốn của mẫu bê tông và mẫu vữa cũng được so sánh với bê tông thông thường Kết quả cho thấy sàn Geopolymer có hiệu suất chịu tải vượt trội hơn khi kết hợp cả hai loại lưới.

Vị trí của đề tài nghiên cứu

Đề tài "Xác định khả năng chịu uốn của sàn bê tông Geopolymer" tiếp tục nghiên cứu công nghệ Geopolymer, nhằm sử dụng phế phẩm công nghiệp để sản xuất các sản phẩm xây dựng thân thiện với môi trường.

Đề tài nghiên cứu khả năng chịu lực, đặc biệt là khả năng chịu uốn của cấu kiện sàn sử dụng công nghệ Geopolymer Qua nghiên cứu này, chúng ta có thể đánh giá tính ứng dụng của sản phẩm Geopolymer trong các công trình thực tế.

Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu và ứng dụng chất kết dính Geopolymer trên toàn cầu và trong nước cho thấy việc chế tạo cấu kiện sàn bê tông cốt thép bằng công nghệ Geopolymer mang lại ý nghĩa thực tiễn lớn Sản phẩm này cần đảm bảo tính thân thiện với môi trường, khả năng chịu uốn tốt và tương thích hiệu quả với cốt thép.

Nghiên cứu khả năng chịu uốn của sàn Geopolymer cho thấy sự ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ nhiệt và kích thước cốt thép đến khả năng chịu lực của cấu kiện Các biểu đồ được vẽ để minh họa những ảnh hưởng này, từ đó rút ra các kết luận quan trọng về hiệu suất của sàn Geopolymer.

Nhiệm vụ của đề tài

Trong phạm vi nghiên cứu, chỉ tập trung vào bê tông cấp độ bền B20 Các nội dung thực hiện cụ thể:

- Xác định cấp phối để sử dụng cho sàn bê tông Geopolymer từ các yếu tố như nhiệt độ, điều kiện dưỡng hộ, thành phần nguyên vật liệu

- Xác định khả năng chịu uốn của sàn bê tông Geopolymer

- Đánh giá kết quả thực nghiệm, so sánh kết quả tính toán và kết quả mô hình hóa trên máy tính và rút ra nhận xét.

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu khả năng chịu uốn của sàn bê tông sử dụng công nghệ Geopolymer bằng phương pháp thí nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ Geopolymer trong và ngoài nước được kết hợp với thực nghiệm trên tấm sàn bê tông cốt thép, nhằm mục đích so sánh và đánh giá kết quả thu được.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Công nghệ Geopolymer đang ngày càng được chú trọng, không chỉ nhằm bổ sung và hoàn thiện kiến thức lý thuyết mà còn để làm phong phú thêm các sản phẩm xây dựng ứng dụng công nghệ này.

Nghiên cứu cho thấy rằng các sản phẩm xây dựng có khả năng giảm lượng phế thải công nghiệp, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường.

Dựa trên lý thuyết về công nghệ Geopolymer và ứng dụng tro bay, bài viết phân tích khả năng chịu lực của sàn bê tông cốt thép Nghiên cứu này đánh giá tính chất của sàn bê tông khi áp dụng công nghệ Geopolymer, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng và độ bền của vật liệu xây dựng.

Davidovits cho rằng dung dịch kiềm có thể phản ứng với silic và nhôm trong các nguồn vật liệu khoáng hoặc phế thải như tro bay và tro trấu để chế tạo chất kết dính, gọi là geopolymer do quá trình trùng hợp hóa học Tỷ lệ Si/Al là thông số quyết định tính chất và ứng dụng của geopolymer, với vật liệu xây dựng có tỷ lệ Si/Al khoảng 2 Trong đó, tro bay được nghiên cứu chủ yếu nhằm tận dụng phế phẩm từ các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam.

2.1 Công nghệ Geopolymer Đây là công nghệ chế tạo ra sản phẩm xây dựng “xanh”, nghĩa là các vật liệu được sử dụng, chế tạo theo những phương pháp thân thiện với môi trường Đây cũng chính là một trong những xu hướng phát triển trong ngành vật liệu xây dựng trên thế giới nói chung hiện nay

2.1.1 Lịch sử ra đời chất kết dính Geopolymer

Viện Geopolymer được thành lập tại Pháp vào năm 1972 với mục tiêu nghiên cứu vật liệu vô cơ có khả năng chống cháy và chịu nhiệt độ cao Joseph Davidovits đã phát hiện ra rằng sự tương tác giữa đất sét, cao lanh và dung dịch kiềm NaOH ở nhiệt độ từ 100 đến 150 độ C có thể tạo ra hợp chất mới.

Si2O5, Al2(OH)4 + NaOH ⇒ Na(-Si-O-Al-O)n [2]

Kaolinite Hydrosodalite Ðiều này là tiền đề cho việc nghiên cứu và phát triển của công nghệ vật liệu tổng hợp Geopolymer đến sau này

Vào năm 1978, Joseph Davidovits đã giới thiệu Geopolymer, một loại vật liệu kết dính tương tự như xi măng truyền thống, nhưng được sản xuất từ nguyên liệu phế thải công nghiệp, giảm thiểu tác động xấu đến môi trường Geopolymer đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia phát triển như châu Âu, Mỹ và Úc Chất kết dính này được hình thành từ phản ứng giữa dung dịch kiềm và các hợp chất chứa silic và nhôm, còn được gọi là chất kết dính kiềm hóa.

Công nghệ Geopolymer đã được nghiên cứu sâu rộng tại Pháp, bắt đầu từ ứng dụng đầu tiên vào năm 1973-1976 để chế tạo các tấm panel gỗ cách nhiệt Quá trình này bao gồm việc phủ hai bề mặt của tấm panel gỗ bằng hợp chất silic-aluminosilicate sau khi gia nhiệt, do Công ty A.G.S và Saint-Gobain thực hiện Đến năm 1977-1978, công nghệ Geopolymer tiếp tục được áp dụng trong ngành sản xuất gốm sứ, khi A.G.S nghiên cứu và phát triển hợp chất nano composite mới với cấu trúc phân tử độc đáo.

PS)-(SiO2)n-, tại điểm nhiệt độ 1460 0 C, tạo thành hợp chất gốm có khả năng bền nhiệt và hệ số giãn nỡ nhiệt rất thấp) [2]

2.1.2 Cơ chế phản ứng trong quá trình Geopolymer hóa

Geopolymer là vật liệu polymer có cấu trúc đặc trưng với các đơn vị đa diện phối trí [SiO4] 4- Trong cấu trúc này, ion Al 3+ có khả năng thay thế một phần ion Si 4+, trong khi các ion kiềm như Na+ và K+ được phân bố trong các lỗ rỗng để cân bằng điện tích.

Hình 0.2 Cấu trúc tinh thể của Gelpolymer [2]

Quá trình tổng hợp vật liệu Geopolymer, được gọi là Geopolymer hóa, diễn ra thông qua việc sử dụng các dung dịch hoạt hóa kiềm để xử lý các nguyên vật liệu Aluminosilicate ban đầu Tuy nhiên, quá trình hoạt hóa kiềm cho các vật liệu này vẫn còn phức tạp và chưa được mô tả một cách rõ ràng.

Quá trình Geopolymer hóa là quá trình kiềm hóa các vật liệu chứa nhiều SiO2 và Al2O3, dẫn đến việc hình thành một chất kết dính có cấu trúc mạng vô định hình Poly-Sialate Sản phẩm cuối cùng này có công thức hóa học đặc trưng, thể hiện tính chất độc đáo của nó trong xây dựng và vật liệu.

M là các ion dương kiềm như K+ và Na+, n là mức độ trùng ngưng của phản ứng, còn z là hệ số có giá trị từ 1, 2, 3 cho đến 32 Đặc biệt, vật liệu Geopolymer khác với vật liệu polymer thông thường nhờ vào cấu trúc mạng không gian vô định hình của nó.

Hình 0.3 Cấu trúc Poly (Sialates) theo Davidovits [2]

Theo Glukhovsky, cơ chế động học của quá trình đông kết và rắn chắc của chất kết dính kiềm hoạt hóa liên quan đến phản ứng phân hủy các nguyên liệu cấu trúc ổn định thấp và phản ứng nội tại Đầu tiên, khi nồng độ pH của dung dịch kiềm tăng, các liên kết cộng hóa trị Si-O-Si và Al-O-Si bị bẻ gãy, dẫn đến việc các nhóm nguyên tố chuyển sang hệ keo Tiếp theo, sự tích tụ các sản phẩm bị phá hủy xảy ra, cùng với phản ứng nội tại giữa chúng, tạo ra một cấu trúc ổn định Cuối cùng, quá trình này dẫn đến hình thành cấu trúc đông đặc.

Quá trình tạo ra chất kết dính Geopolymer rất phức tạp với nhiều phản ứng diễn ra đồng thời, khó nhận biết Các bước phản ứng không diễn ra tuần tự mà thường chồng lắp lên nhau Theo một số nghiên cứu trước, quá trình tổng hợp Geopolymer có thể được mô tả qua những bước cụ thể.

Hình 0.4 Quá trình hoạt hóa vật liệu Aluminosilicate [2]

Sản phẩm từ quá trình Geopolymer hóa chủ yếu phụ thuộc vào sự phá vỡ cấu trúc của tro bay trong giai đoạn đầu Cuối cùng, quá trình ngưng kết diễn ra, hình thành cấu trúc chuỗi có trật tự, mang lại sản phẩm với cường độ cơ học cao.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN