Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu sử dụng tro trấu dùng cho cọc đất ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long bằng công nghệ Geopolymer

Từ yêu cầu đó nên luận văn nghiên cứu với các vẫn đề chính sau: thứ nhất là khảosát các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén va module bién dạng của mẫugeopolymer thông qua thí nghiệm

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC BACH KHOA

NGUYEN TAN NO

NGHIEN CUU SU DUNG TRO TRAU DUNG CHO COC DAT

Ở KHU VUC DONG BANG SÔNG CUU LONGBANG CONG NGHE GEOPOLYMER

Chuyên ngành : Dia kỹ thuật xây dựng

Mã số : 60580211

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp HCM, tháng 12 năm 2015

CÔNG TRINH DUOC HOÀN THÀNH TẠITRUONG ĐẠI HOC BACH KHOA — DHQG-HCM

Can bộ hướng dẫn khoa học 1: TS Lê Anh Tuấn - 2-5 se sex sscseei

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS TS Nguyễn Minh Tâm

Cán bộ chấm nhận XÉT Ï: - (G63 96919198 E9 E311 E1 8E E11 rrei

Cán bộ chấm nhận XÉT 2:: (G61 93919198 E911 9158 1 5 15811 5111811 re

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tai Trường Dai học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCMngày tháng năm 2015.

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

KY THUẬT XÂY DUNG

Ngày, tháng, năm sinh: 14/04/1990 Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Dia kỹ thuật xây dung Mã số: 60580211I TÊN DE TÀI: Nghiên cứu sir dụng tro trấu dùng cho coc đất ở khu vực Đồng

băng sông Cửu Long bằng công nghệ Geopolymer.H NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tạo thành vật liệu geopolymer từ tro trau hoạt hoá.2 Khảo sát các yếu tô ảnh hưởng đến cường độ chịu nén, module biến dạng của đất

yếu ở khu vực Đông băng sông Cửu Long khi xử lý băng công nghệ geopolymer.3 Đánh giá khả năng ứng dụng của phương pháp gia cố đất yếu băng công nghệ

geopolymer tổng hop từ tro trâu hoạt hoá qua so sánh với phương pháp dat trộnXI măng về cường độ chịu nén va module biến dạng

4 Phân tích kết qua thí nghiệm, kết luận va đề xuất hướng phát triển đề tài.HI NGÀY GIAO NHIỆM VU : 06/07/2015

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 04/12/2015V CAN BỘ HUONG DAN: TS Lê Anh Tuấn

PGS TS Nguyễn Minh Tâm

Tp HCM, ngày tháng năm 2015CAN BO HƯỚNG DAN 1 CAN BO HUONG DAN 2 CHU NHIEM BO MON

DAO TAO

TS Lé Anh Tuan PGS TS Nguyễn Minh Tâm

TRUONG KHOA KY THUẬT XÂY DỰNG

LOI CAM ON

Trước tiên, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thay TS Lê AnhTuan và thay PGS TS Nguyễn Minh Tâm người đã giúp tôi xây dựng ý tưởng của đềtài, mở ra những hướng đi trên con đường tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học.Thay đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt chặng

đường vừa qua.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đạihọc Bách Khoa Tp HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi từ khitôi học Đại học và trong suốt khóa Cao học

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến NCS Nguyễn Tân Hưng, KS Nguyễn QuangDiệu, KS Nguyễn Công Nguyên đã có nhiều chia sẽ giúp tôi hiểu rõ hơn đề tài nghiên

TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn là sự tiếp nối của các công trình nghiên cứu trước, và nhằm hiểu rõhơn về vật liệu geopolymer như một mong muốn sẽ là vật liệu phát triển mạnh mẽ honnữa ở Việt Nam Bởi được biết đến trên thé giới như là một vật liệu xanh, thân thiệnvới môi trường, và đồng thời có nhiều đặc tính kỹ thuật tốt Một cách tong quat, vatliệu geopolymer được hình thành từ nguyên liệu ban đầu như là: tro bay, kaolin,metacaolin, nano silica, tro trâu và dung dịch hoạt hoá có thể là: NaOH, KOH,Ca(OH)> Qua các nghiên cứu trước đây thường ít dé cập đến nguyên liệu ban dau làtro trâu để tổng hợp nên vật liệu geopolymer, cũng như ứng dụng loại vật liệugeopolymer này vào xử lý nên đất yếu Vì vậy, luận văn tập trung nghiên cứu vàocường độ chịu nén và module biến dạng của mẫu geopolymer tong hop từ tro trâu hoạthoá Từ yêu cầu đó nên luận văn nghiên cứu với các vẫn đề chính sau: thứ nhất là khảosát các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén va module bién dạng của mẫugeopolymer thông qua thí nghiệm trong phòng gồm: thời gian bảo dưỡng, hàm lượngdung dịch hoạt hoá và hàm lượng tro trâu hoạt hoá Và thứ hai là đánh giá khả năngứng dụng của phương pháp gia cô đất yêu băng công nghệ geopolymer tong hợp từ trotrầu hoạt hoá qua so sánh với phương pháp dat trộn xi măng về cường độ chịu nén vàmodule biến dạng Các kết quả nghiên cứu này sẽ giúp mở rộng ứng dụng của vật liệugeopolymer cũng như đến gan hơn với ứng dụng thực tế của vật liệu này vào xử lý nềnđất yếu

ABSTRACT

This thesis is considered as an extension of the previous research with the aim toobtain the better comprehensive insights geopolymer — the newly material havingconsiderable potential for applying widely in Vietnam Nowadays, it is largelyaccepted that geopolymer material is a preferable material thanks to its environmentalfriendly materials and technical characteristics Generally, geopolymer material is acompound or mixture of fly ash, kaolin, metacaolin, nano silica, rice husk ash andalkaline liquid such as NaOH, KOH, Ca(OH)2 In the previous research, the rice huskash is considered as initial component of geopolymer is not widely taken intoconsideration; besides, its application in the field of soft soil improvement is generallyrestricted Therefore, this thesis concentrates on the investigation of the compressivestrengths and Young’s modulus of the specimens made from rice husk ash basedgeopolymer; hence, the experimental concerns with two main objectives aredominantly addressed by soil laboratory tests The first objective is to observe therelated factors affecting the compressive strengths and the Young’s modulus ofspecimens, namely time of curing, the proportion of alkaline liquid and the proportionof rice husk ash The second objective is to access the practical ability of methodemploying rice husk ash based geopolymer to improve the soft soil when comparingthe efficiency between the current and soil cement column method in terms ofcompressive strengths and Young’s modulus The results obtained from this studywould widen the applications of geopolymer material in general as well as show itsremarkable potential for enhance the behavior of soft soil.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của

thay TS Lê Anh Tuan va thay PGS TS Nguyễn Minh Tâm.Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu

khác.Tôi xin chịu trách nhiệm vệ công việc thực hiện cua minh.

Tp HCM, ngày tháng năm 2015

Nguyễn Tan Nô

MỤC LỤC

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ -G- Es xxx 23 1E ng ng re i

LOI CAM 90 ::::‹::i iiTOM TAT LUẬN VĂN THAC SĨ - 6+ EEEeEeEeEsEeEskrkresesees iii

[2_ Mục tiêu nghiÊn CỨU G00 nọ 3I3 Phương pháp nghiÊn CỨU (<< S90 vn 4

L4 Ý nghĩa khoa học và thực tiỄn ¿-¿ 2 + 2 E S22 E2E+EEE+EEEEsErereree 4PHAN II NỘI DUNG NGHIÊN CUU G6 2 + 6E E#ESE+E£E+EEEEeEsEeeseseesed 5CHƯƠNG 1 TONG QUAN G191 1191 1 1 5111115111 5 111113 E111 rrred 61.1 Tinh hình nghiên cứu va phát triển công nghệ geopolymer 61.1.1 Các công trình nghiên cứu trên thé giới -<- 6

1.1.2 Các công trình nghiên cứu trong nƯỚC «« «<2 9

1.2 Kết luận chương - - + E2 TS TT 151211 te 11CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYET woeeecccccccccccscsssscssssssessesesessesesessesssessssesesssseeeseeses 122.1 Tổng quan về vật liệu geopolyImer- - + +52 s+s+s+£s+x+xzscxee 122.2 Cơ sở hoá học tạo thành vật liệu geopolymer đất yếu và tro trấu 122.3 Kết luận chương ¿-c-E SE EkEE 1E 9 5131311 1511111111111 l6CHUONG 3 THÍ NGHIEM VA PHAN TÍCH KET QUÁ . -5-: 17

3.1 Vật liệu ieee ccscscescscscscssescsescscsssscscscssssesescesssssssesessssssssestessssessesteceneess 17

3.1.1 DAC cceccccccccccccccccecceccssecsscesecsecsscescesecsssssccsessscsscsscesscssessessessessessessseeaes 17

cóc 19

3.1.3 Xi măng Portland - (<< 9001 khen 203.1.4 Dung dịch hoạt hod - (<< 1199211010111 113 99 111 hen 203.1.5 Môi trường dưỡng hỘ - - - -GG Ăn ng re 21

3.1.6 Thiết kế thành phan cấp phOi ccccccccsessesesessssesessescseseseseeseseeees 213.1.7 Phuong pháp tạo mẫu va phương pháp thí nghiệm 21

3.1.7.1 Phương pháp tạo Mau o.ceececccesccscscscscsesescscscscscseseesesssesesssees 21

3.1.7.2 Phuong pháp thí nghiệm - 5 Ặ se 22

3.2 Kết quả thí nghiệm . -2- S222 SE 2E 2E EErrrrrrrrkee 233.2.1 Ảnh hưởng của thời gian bảo dưỡng đến cường độ chịu nén,module biến dạng của đất gia cỐ +: 52522 2E‡EEEEEeErkrrerrrrrree 25

322 Ảnh hưởng của hàm lượng dung dịch hoạt hoá đến cường độ chịunén, module biến dạng của đất gia cỐ :- + ¿©2552 +s+Esecevrererersee 27

3.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng tro trâu đến cường độ chịu nén,module biến dạng của đất gia cỐ +: 52522 2E‡EEEEEeErkrrerrrrrree 31

3.2.3.1 Khi hàm lượng tro trâu chiếm 30 % theo khối lượng 313.2.3.2 Khi hàm lượng tro trâu chiếm 40 % theo khối lượng 333.2.3.3 Khi hàm lượng tro trâu chiếm 50 % theo khối lượng 393.2.4 Anh hưởng của hàm lượng xi măng đến cường độ chịu nén,module biến dạng của đất gia cỐ +: 52522 2E‡EEEEEeErkrrerrrrrree 46

3.2.5 Đánh giá cường độ chịu nén, module biến dạng của mẫu đất đượcxử lý bang công nghệ geoplymer tổng hợp từ tro trâu và phương pháp đất trộn

XI MAN Họ 46

3.3 Phân tích kết quả thí nghiệm - +2 252 +E+E£+£EvEeEereerrrererree 493.3.1 Theo vật liệu đầu vào cv cn k1 2S 1g ng ng reg 493.3.2 Theo hình dạng vết nứt khi mẫu phá hoại - 493.3.3 Theo kết quả phân tích cấu trúc mẫu geopolymer bang phươngpháp pho hồng ngoại FT-IR - ¿2-2 255 S2 SE+E+EE£E£EeEEEEeEeEererrrrrerree 52

3.3.4 Theo kết quả phân tích cau trúc bề mặt bang phương pháp kínhhiển vi điện tử quét (SEM) ¿ :- E2 2 1 1 1115111511 11211111 11111111 54

3A Kết luận chương voce cscscscsesesscscscscscscssscssscsesesessssessesesscscscacssevenseens 62CHUONG 4 KET LUẬN VA HUONG PHAT TRIEN DE TÀI 644.1 KOt luận SG QC 11121111 1111111 TH ng ng ưu 644.2 Hướng phat triỂn dé tài ¿655cc 2x22 E22 Errrerrrrreee 65TÀI LIEU THAM KHẢO GG- G + E1 3911 E3 31121 1 918151 1E vn ree 66

PHU LỤC: (SG 0 Tre 69

Phụ luc A - Kết quả thí nghiệm mẫu đất nguyên dạng - -555¿ 69Phụ lục B - Kết quả thí nghiệm mẫu geopolymer tổng hop từ 30 % RHA 70Phụ lục C - Kết quả thí nghiệm mẫu geopolymer tổng hop từ 40 % RHA 74Phụ lục D - Kết qua thí nghiệm mau geopolymer tong hợp từ 50 % RHA 79Phụ lục E - Kết quả thí nghiệm mẫu đất trộn xi IAI - + seeesss S5LY LICH TRÍCH NGANG - E111 E111 2111 5 111113 111811 rrei 87

Hình I.1.Hình 1.2.Hình I.3.Hình 2.1.Hình 2.2.Hình 2.3.Hình 3.1.Hình 3.2.Hình 3.3.Hình 3.4.Hình 3.5.Hình 3.6.Hình 3.7.Hình 3.8.Hình 3.9.

DANH MỤC CÁC HÌNH VE

Sản lượng xi măng trên thé giới qua các năm so với năm 2001 2

Ty lệ sản xuất xi măng ở các quốc gia trên thé giới -5-+ s52 2Lượng khí thải CO trên thế giới năm 2013 - 2 - 2 2 s22 cs+xszscs2 3Phương trình hố học tạo thành Monomer mÚI + +<<<++ 13Trang thái của poly ( SIaÏ24f€) - - << c0 HH re 13Qua trình tao thành vật liệu øeopoÌyIeT 5539999555551 15Biểu đồ ứng suất - bién dạng của mẫu đất nguyên dạng - 18

Dat được nghiền bang máy nghiên bi và sử dụng máy rung dé ray 19

Phơi khơ tro trâu trước khi nghiền, và sử dụng máy rung dé ray 20

Hỗn hợp dat và tro trâu được trộn thủ cơng thành hỗn hợp đồng nhất 22

Máy trộn hỗn hợp geopolymer, khuơn đúc mẫu và mẫu geopolymer 22

Máy nén CBR - - HH nọ re 23Biểu đồ ứng suất - biễn dạng - + 22 S2 SE+EEE£EEEEEEEerkrkerrrrrerree 24Quy trình thí nghiỆm - - - << 19000 0n re 25Biểu đồ ứng suất - bién dạng, khi 30% RHA, L/(RHA+SSs)= 0.4 26Hình 3.10 Biểu đồ ứng suất - biến dạng, khi 30% RHA, thời gian bảo dưỡng 7

ngày, L/((RHA+SSS)= 0.4, 0.5 oo eeeessneeeecceessseeeeecesssseeeeeceesssaeeeeeesees 28

Hình 3.11 Biéu đồ ứng suất - biến dang, khi 30% RHA, thời gian bao dưỡng 14

ngày, L/CRHA+SSS)= OA, 0.5 Cà 29

Hình 3.12 Biéu đồ ứng suất - biến dang, khi 30% RHA, thời gian bao dưỡng 28

ngày, L/((RHA+SSS)= 0.4, 0.5 oo eeeessneeeecceessseeeeecesssseeeeeceesssaeeeeeesees 30

Hình 3.13 Biểu đồ ứng suất - thời gian bảo dưỡng, khi 30 % RHA,

L/(RHA+SSs)= 0.4, 0.5 ccccssecssscsesssessvsssecsuecsesssecssessesssecsusssessuessucssecsesssecaveen 32

Hình 3.14 Biéu đồ module biến dạng - thời gian bảo dưỡng, khi 30 % RHA,

L/(RHA+SSs)= 0.4, 0.5 ccccssecssscsesssessvsssecsuecsesssecssessesssecsusssessuessucssecsesssecaveen 32

Hình 3.15 Biểu đồ ứng suất - biến dạng, khi 40% RHA, thời gian bao dưỡng 7

ngày, L/((RHA+SSS)= 0.4, 0.5 oo eeeessneeeecceessseeeeecesssseeeeeceesssaeeeeeesees 33

Hình 3.16 Biéu đồ ứng suất - biến dạng, khi 40% RHA, thời gian bảo dưỡng 14

Hình 3.27 Biểu đỗ ứng suất - biến dang, khi xi măng= 30, 40, 50 %, nước/xi

Hình 3.28 Biéu dé so sánh cường độ chịu nén của mẫu geopolymer tro trau và

mẫu đất trộn xi măng, khi thời gian bảo dưỡng mẫu 28 ngày 46Hình 3.29 Hình dạng vết nứt khi mẫu phá hoại tương ứng với cấp phối 30 % và

40 % xi măng theo khối lượng, tỷ lệ nước/xi măng= l - 50Hình 3.30 Hình dạng vết nứt khi mẫu phá hoại với cap phối 50 % xi măng theo

khối lượng, tỷ lệ nước/xi măng= Ì 2 2 + 2 SE+E£E+EeE£ErErkeeerrsred 50

Hình dạng vết nứt khi mẫu phá hoại tương ứng với cấp phối 50 %

RHA (ty lệ L/(RHA+SSs)= 0.4) và 40 % RHA (ty lệ L(RHA+SSs)=

0.5) theo khối lượngg ¿-¿- + 2522621 12 E1 121 1515111111 111111111 11111 ce 51Hình 3.33 Hình chụp FT-IR cua mẫu gdm đất, tro trâu hoạt hoá và nước sạch sau

28 ngày bảo đưỡng - - - - < s00 Tre 53

Hình 3.34 Hình chụp FT-IR của mẫu geopolymer tổng hợp từ tro trâu hoạt hoá

sau 28 ngày bảo dưỡng - s0 re 53

Hinh 3.35 Hinh chup SEM cua mau 1, ty lệ 1:300 occ ceecceeeseeeeeecceeeeeeeeeeeeeeeeeees 55Hinh 3.36 Hinh chup SEM cua mau 1, ty lệ 125000 00 eee eeccccceeeeeeeeceeeeeeeeeeeeeeeeees 56

Hình 3.37 Hình chụp EDS của mẫu đất và mẫu tro trâu ty lệ 1:500 - 56

Hình 3.38 Hình chụp SEM của mẫu 2, ty lệ 121000 200 eccceeeeeeceeeeeeeeeeeeeeeeees 57Hinh 3.39 Hinh chup SEM cua mau 3, ty lệ 121000 200 eccceeeeeeceeeeeeeeeeeeeeeeees 58Hinh 3.40 Hinh chup SEM cua mau 3, ty lệ 125000 00 eee eeccccceeeeeeeeceeeeeeeeeeeeeeeeees 58Hình 3.41 Hình chụp SEM cua mau 4, ty lệ 1:300 occ ceecceeeseeeeeecceeeeeeeeeeeeeeeeeees 59Hình 3.42 Hình chụp SEM cua mau 4, ty lệ 121000 200 eccceeeeeeceeeeeeeeeeeeeeeeees 60Hình 3.43 Hình chụp SEM cua mau 5, ty lệ 1:300 occ ceecceeeseeeeeecceeeeeeeeeeeeeeeeeees 61Hinh 3.44 Hinh chup SEM cua mau 5, ty lệ 121000 200 eccceeeeeeceeeeeeeeeeeeeeeeees 61

DANH MỤC CÁC BANG BIEU

Bảng 3.1 Thành phan hạt của đất -¿ ¿5-5226 E23 E231 1112111211111 re 17Bang 3.2 Thành phan hoá học của đất - ¿+ +52 E2E£EEEEEEEEEkerrrkrkrrerrreo 17Bang 3.3 Thành phan hoá học của tro trẫu ¿-¿- ¿2252 5++E+E£££E+EeEEzterererrerersreo 19Bang 3.4 Kết qua qu, Eso, khi 30% RHA, L/(RHA+SSS)= O.4 ccccscsccsessssesessesesseseseseees 26

Bang 3.5 Kết qua qu, Eso, khi 30% RHA, thời gian bao dưỡng 7 ngày 28

Bang 3.6 Kết qua qu, Eso, khi 30% RHA, thời gian bao dưỡng 14 ngày 29

Bang 3.7 Kết qua qu, Eso, khi 30% RHA, thời gian bao dưỡng 28 ngày 30

Bang 3.8 Kết qua qu, Eso, khi 40% RHA, thời gian bao dưỡng 7 ngày 34

Bang 3.9 Kết quả qu, Eso, khi 40% RHA, thời gian bảo dưỡng 14 ngày 35

Bảng 3.10 Kết qua qu, Eso, khi 40% RHA, thời gian bảo dưỡng 28 ngày 36

Bảng 3.11 Kết quả qu, Eso, khi 50% RHA, thời gian bảo dưỡng 7 ngày 40

Bang 3.12 Kết quả qu, Eso, khi 50% RHA, thời gian bảo dưỡng 14 ngày 41

Bảng 3.13 Kết qua qu, Eso, khi 50% RHA, thời gian bảo dưỡng 28 ngày 42Bảng 3.14 Kết quả qu, Eso sau 28 ngày dưỡng hộ, khi xi măng chiém 30, 40, 50

% theo khối lượng ¿+ + ©%+E+S£+E+E+EE£E£E£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrrrrrrree ATBang 3.15 Kết qua Eso sau 28 ngày dưỡng hO c.ccccccsesscsesessesesessssesesesssssseseseeseseeeees 49

SEM

TCVNUD

MOT SO KY HIEU VA VIET TAT

Luc dinh

Module bién dang

Dung dich hoat hoaCường độ sức khang nén đơn

Biến dạng phá hoạiTro trâu hoạt hoáĐất

Phương pháp pho tán sắc năng lượng tia X ( Energy-dispersive

Công nghệ geopolymer đã được biết đến trên thế giới cách đây rất lâu Vào năm

1972, tại Viện nghiên cứu Cordi SA sau này gọi là Cordi-Géopolymère đã tìm ra vật

liệu vô cơ mới, geopolymer nhựa, chất kết dính, xi măng Đến cuối năm 2006, hàngtrăm bai báo nghiên cứu đã dé cập đến khoa học và công nghệ geopolymer Ngày 31

thang 8 năm 2005, Viện geopolymer, Pháp đã tự hào thông báo từ năm 1997 đã có

30000 tài liệu tại trang web của họ được tải xuống bởi 15000 nhà khoa học trên khắpthế giới [1] Như một cuộc cach mạng về vật liệu mới, công nghệ geopolymer đã pháttriển một cách mạnh mẽ khi có các tính chất kỹ thuật tốt, đồng thời được biết đến như

một vật liệu xanh, thân thiện với môi trường khi giảm khả năng gây hiệu ứng nhà kính:

khi sản xuất 1 tan xi măng geopolymer thải ra môi trường 0.18 tan CO, trong khi sanxuất | tan xi măng Portland thải ra môi trường 1 tan COa, giảm gan 6 lần khí khải CO2

[1].

Bên cạnh đó, với tình hình hiện nay của ngành sản xuất xi măng Portland đang ở mứcđáng quan tâm Khi sản lượng xi măng Portland tăng nhanh ở các nước đang phát triểnđiển hình như Trung Quốc chiếm 58.6 % trong 4 tỷ tan xi măng và có xu hướng khôngđối tại các nước phát triển như Mỹ, châu Au trong đó Mỹ chỉ chiếm 1.9 % trong 4 tỷtan xi mang cua thé gidi nam 2013 [2]

Mở đầu 2

Index 2001 = 100

—®— Africa ~@- America “tr Asia

——ŒœE "wr Europe ~®- Oceania

L Lõi HH “==

502001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

Hình 1.1 Sản lượng xi măng trên thê giới qua các năm so với năm 2001

Japan

1.5%

Hình L2 Ty lệ san xuất xi măng ở các quốc gia trên thé giới

Và hậu quả là lượng khí thai CO2 vào môi trường ngày cảng tăng, lam tăng kha năng

xảy ra hiệu ứng nhà kính Dưới đây là biéu dé thé hiện lượng khí thải trên toàn thế giớinăm 2013 đã vượt mốc 35 tỷ tan, đạt mức kỷ lục từ trước đến nay [3]

1000 million tonnes CO,

40 ¬ ETT International transport

Developing countries30 4 [ ] Other developing countries

ET Other large developing countries

mM chinaIndustrialised countries (Annex 1)

20 ¬

Other Economies In Transition (EIT)

1o — Russian Federationeu.europa eu

Other OECD1990 countries

‘|=lapan

pbIl.nl / jre

European Union (EU28)1990 1994 1998 2002 2006 2010 2014 Ei United States

Hình 1.3 Lượng khí thải COa trên thé giới năm 2013

L2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định cấp phối tối ưu cho đất sau khi xử lý có cường độ chịu nén va modulebiến dạng tốt nhất so với mẫu đất nguyên dạng thông qua:

o Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ đến cường độ chịu nén,module biến dạng của đất được xử lý băng công nghệ geopolymer.o Khao sát sự thay đối hàm lượng dung dịch hoạt hoá đến cường độ chịu

nén, module biến dạng của đất được xử lý băng công nghệ geopolymer.o Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng tro trau hoạt hoá đến cường độ

chịu nén, module biến dạng của đất được xử lý băng công nghệ

geopolymer.

- Đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu geopolymer tổng hop từ tro trâu hoạthoá thông qua: đánh giá cường độ chịu nén, module biến dạng của đất sau khixử lý băng công nghệ geopolymer tổng hop từ tro trau hoạt hoá và bangphương pháp mẫu đất trộn xi măng

Mở đầu 4

L3 Phuong pháp nghiên cứu

Phương pháp lý thuyết: nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cơ chế hình thành cường độcủa dat gia cô khi sử dụng công nghệ geopolymer tổng hợp từ tro trâu hoạt hoá

Phương pháp thí nghiệm: chế bị mẫu thử và thí nghiệm để giải quyết mục tiêu củadé tài

I4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễnNghiên cứu như là một hướng phát triển của ứng dụng vật liệu geopolymer trongxử lý nền đất yếu Nhằm đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành xây dựng làsản xuất ra vật liệu xanh, thân thiện với môi trường nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu về

kỹ thuật.

Qua nghiên cứu có thể hiểu rõ hơn về sự phát triển cường độ chịu nén, modulebiến dang của vật liệu geopolymer được tổng hợp từ tro trâu hoạt hoá, khi ứng dung déxử lý nền đất yếu trong điều kiện địa chất khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long

Nội dung nghiên cứu 5

PHAN II.

NOI DUNG NGHIEN CUU

ngày bảo dưỡng.Chayanee Tippayasam et at ( 2014) [5] nghiên cứu cường độ vật liệu geopolymerkaolin khi sử dung kaolin ( K), metakaolin ( MK - được nung từ kaolin ở nhiệt độ cao:

600°C, 700°C, 800°C, với thời gian nung là 2 giờ, và 6 giờ), tro trâu ( RHA), bagasseash ( BA) và dung dịch kiểm kích hoạt Na2SiO3/NaOH= 3:2, trong đó nồng độ mol

của dung dịch NaOH là 10 mol/lít Kích thước mẫu: 25 mm x 25 mm x 25 mm, mẫu

được bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng, và được nén sau 7, 14, 21, 28, và 91 ngày Kết quảnghiên cứu chỉ ra rằng sau 7 ngày mẫu MK geopolymer đạt cường độ lớn nhất ( 40.75

MPa) khi nung kaolin ở 600°C trong thời gian 6 giờ Cường độ chịu nén của mẫu

geopolymer 100%K (29.6 MPa - Đặc biệt mẫu này yêu cau bảo dưỡng ở 80°C trongthời gian 24h sau đó bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng) xấp xỉ cường độ chịu nén của mẫugeopolymer 100% MK ( 30.9 MPa) sau 91 ngày nén Vì vậy có thé sử dung kaolinthay thé metakaolin trong tong hợp vật liệu geopolymer, nhăm tiết kiệm năng lượng,

Tổng quan 7

cũng như giảm lượng lớn khí thải COa Bên cạnh đó nghiên cứu cũng chỉ ra rằng ứngvới mẫu geopolymer gồm 80% K và 20% RHA cho kết quả cường độ chịu nén lớnnhất 16.2 MPa ở 28 ngày và 21.3 MPa ở 91 ngày nén

Yun Yong Kim et at ( 2014) [6] tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiệnbảo dưỡng, nông độ dung dịch kiềm hoạt hoá đến cường độ của mẫu vữa geopolymer.Dong thời so sánh với mẫu vữa sử dụng xi măng Portland Mẫu vữa geopolymer sửdụng tro trau với dung dịch hoạt hoá sodium hydroxide ( NaOH có nông độ mol thayđối 7, 8, 9, 10 mol/lit) và sodium silicate ( Na2SiO3 được lay theo tỷ lệ Na2SiO3/NaOH= 2.5/1), tỷ lệ tro trâu/cát= 1:2 Mau vữa geopolymer được bảo dưỡng ở haiđiều kiện là nhiệt độ phòng và bảo dưỡng ở 60°C trong vòng 24 giờ sau đó ở nhiệt độ

phòng Và mẫu vữa xi măng Podtland có tỷ lệ giữa nước/xi măng = 0.45, được bảo

dưỡng ở nhiệt độ phòng Kết quả cường độ chịu nén của mẫu (mẫu có kích thước 100

mm x 100 mm x 100 mm) tăng theo thời gian bảo dưỡng mau là 7 ngày, 14 ngày, 28

ngày và dat giá trị lớn nhất 45 MPa khi mẫu có bảo dưỡng 24 giờ ở 60°C và 40.7 MPa

với mẫu bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng sau 28 ngày, với NaOH = 10 mol/lít, trong khimẫu vữa xi măng Portland đạt giá trị 25 MPa

Nuno Cristelo ef at (2013) [7] đã khảo sát ảnh hưởng của dung dịch kiềm hoạthoá và tro bay nhóm F ( mẫu A) đến cường độ chịu nén của đất yếu và được so sánhvới mẫu sử dụng xi mang Portland ( mẫu B) Khao sát với tỷ lệ phan trăm theo khốilượng của đất + tro bay là 20%, 30%, 40%, tương ứng tỷ lệ giữa tro bay/đất = 0.25,0.43, 0.67 Ty lệ Na2Si0O3/NaOH = 2, với nông độ mol dung dịch NaOH là 10.0, 12.5,15.0 mol/lít Mẫu B có: tỷ lệ nudc/xi mang= 0.50, 0.75, 1.00, 1.25 va phan trăm ximăng theo khối lượng mẫu là 20%, 30%, 40% Tất cả các mẫu được bảo dưỡng ở nhiệtđộ phòng Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng ở mẫu A cường độ chịu nén của mẫu tăngkhi ty lệ dung dịch hoạt hoá/tro bay giảm và đạt giá tri lớn nhất là 43.4 MPa sau 365ngày bảo dưỡng Bên cạnh đó, cường độ chịu nén của mẫu ở 28 ngày tương đối giốnggiữa mẫu A và mẫu B Tuy nhiên từ kết quả thí nghiệm mẫu A, cường độ chịu nén củamẫu A ở 28 ngày đạt khoảng 20 — 40 % cường độ chịu nén lớn nhất ở 365 ngày, trong

khi mẫu B được dự báo theo công thức tính toán của Eurocode 2 ( 1992) đạt khoảng

80 — 85 % cường độ chịu nén lớn nhất ở 365 ngày

Tổng quan 8

R Dayakar Babu et at ( 2013) [8] trình bày nghiên cứu ảnh hưởng của phan tramvật liệu geopolymer tro trâu ( 0%, 5%, 10%, 15%) đến các đặc trưng sức chống cắt (lực dính và góc ma sát trong) của đất cát, đất yếu và hỗn hợp đất yếu trộn đất cát Vớimục dich là tận dụng nguồn nguyên vật liệu có sẵn, giảm lượng khí thải CO› dựa trêncông nghệ geopolymer để cải tạo nên đất đất yếu Tác giả sử dụng vật liệu geopolymergôm tro trau, 8 mol/lít dung dịch NaOH ( 25.2% NaOH ran và 74.8% nước), dung dịchNazSiO3 được tạo thành từ: NazO= 14.7%, SiOa= 29.4% và nước = 55.9% theo khối

lượng Khuôn đúc mẫu có đường kính 100 mm và cao 200 mm, và khuôn có khả năng

tách đôi dọc thân mẫu để tiễn hành thí nghiệm cắt 3 trục ( theo tiêu chuẩn I.S: 2720 (Part-XII)-1981) theo sơ đồ cô kết không thoát nước ( CU) Mẫu được thí nghiệm cắt 3trục sau 7 ngày bảo dưỡng Kết quả nghiên cứu cho thấy: sức chống cắt của đất có xuhướng tăng khi phần trăm vật liệu geopolymer tăng Khi mẫu có phân trăm đất yếu lớnhơn so với dat cát, sức chống cắt của mẫu tăng nhẹ khi phan trăm vật liệu geopolymertăng và ngược lại khi mẫu có phan trăm dat cát lớn hơn so với đất yếu

Jian He et at ( 2013) [9] nghiên cứu sử dụng bùn đỏ ( RM), tro trâu ( RHA) vàdung dịch hoạt hoá NaOH dé tong hợp vật liệu geopolymer Mẫu thí nghiệm có đường

kính 20 mm và cao 50 mm và bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng Thí nghiệm A: Khảo sát

thời gian bảo dưỡng 7, 14, 21, 28, 35, 42, 49 ngày đến cường độ chịu nén của mẫugeopolymer tổng hợp từ RHA/RM = 0.4, dung dịch NaOH = 4 mol/lít Kết quả thínghiệm: Cường độ chịu nén của mẫu tăng ( of), biến dạng giảm ( £r), và Young’s

modulus ( E) tăng theo thời gian bảo dưỡng, giá trị đạt được sau 49 ngày nén mẫu

tương ứng là: 11.70 MPa, 0.75%, 1.77 GPa Thí nghiệm B: thí nghiệm ảnh hưởng tỷ lệ

Si/Al = 1.68, 2.24, 2.80 và 3.35 bằng cách thay đổi tương ứng ty lệ RHA/RM = 0.3,0.4, 0.5, 0.6 đến cường độ chịu nén của mẫu geopolymer Kết quả chỉ ra rằng: or, er, Etăng khi tỷ lệ Si/AI tăng từ 1.68 đến 2.80, giá trị ơi er, E lớn nhất tương ứng: 20.46MPa, 1.13%, 1.89 GPa Thí nghiệm C: đánh giá sự thay doi của dung dịch NaOH = 2,4,6 mol/lit đến cường độ chịu nén của mẫu geopolyer sau 60 ngày bảo dưỡng Kết quảcho thay: giá trị of lớn nhất ( 15.23 MPa), tương ứng ef lớn nhất ( 2.62%) và giá trị Ebang 0.89 khi NaOH = 2 mol/lít Thí nghiệm D: Khảo sát ảnh hưởng của kích cỡ hạtRHA ( hạt bình thường va hat min) dén cường độ chịu nén cua mẫu geopolymer, khi

Tổng quan 9

NaOH băng 4 mol/lít Kết quả cho thay kích cỡ hạt min cho giá tri of, er, E lớn hon

tuong tng: 16.08 MPa, 0.91%, 2.03 GPa.

Nuno Cristelo et at ( 2011) [10] đã nghiên cứu vé SỬ dung dung dich kiém hoathóa sodium hydroxide ( NaOH) dé tong hop geopolymer từ tro bay dé gia cố đất yếu.Bang thí nghiệm trong phòng, tác giả xác định cường độ chịu nén khi trộn tro bay vớiđất với mẫu thí nghiệm đường kính 38 mm và cao 76 mm, và mẫu thí nghiệm lấy từhiện trường có đường kính 69 mm, cao trung bình khoảng 96 mm Kết quả so sánhtrong điều kiện: thời gian bảo dưỡng 90 ngày, nồng độ dung dịch NaOH là 12.5mol/lít, phần trăm theo khối lượng của tro bay: 30%, 40%, điều kiện bảo dưỡng: “bảodưỡng bình thường — mát” và “bảo dưỡng kín — mát” Kết quả so sánh tương quan

cường độ chịu nén của mẫu hiện trường/trong phòng là 1.05, 0.87 và 0.32 tương ứng

với mau K ( 30% FA), G ( 40% FA), va C (40% FA) Với kết quả cường độ chịu nén

của mẫu ngoài hiện trường của loại K, G, C tương ứng là: 6.6 MPa, 15.3 MPa, 9.1MPa.

Ali Nazari et at ( 2011) [11] nghiên cứu anh hưởng kích thước cỡ hạt ( f-hat min

và c-hạt thô) của hỗn hợp tro bay ( FA/F — Fly ash) và tro trâu ( RHBA/R — Rice huskbark ash), và dung dịch kích hoạt NaOH ( 4, 8, 12 mol/lít) với điều kiện bảo dưỡng

khác nhau ( ở nhiệt độ phòng khoảng 25°C và sau 36 giờ bảo dưỡng ở các nhiệt 40, 60,

80, 90°C) đến cường độ chịu nén của mẫu geopolymer sau 7 và 28 ngày bảo dưỡng.Thí nghiệm trên các mẫu geopolymer fF — fR với sự thay doi nồng độ mol dung dịchNaOH, cho kết quả cường độ chịu nén của mẫu lớn nhất khi NaOH băng 12 mol/lít vànhiệt độ bảo dưỡng trong 36 giờ là 80°C Với dung dịch NaOH băng 12 mol/lít, tiếptục thí nghiệm trên các mẫu geopolymer Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịunén của mẫu tăng khi nhiệt độ bảo dưỡng mẫu trong 36 giờ tăng ( đạt giá trị lớn nhất ở

80°C) và khi thời gian bảo dưỡng mẫu tăng Sau 7 ngày, mẫu geopolymer fF (70%) —

fR ( 30%) ( tương ứng tỷ lệ Si02/Al203 = 2.99) cho cường độ chịu nén lớn nhất đạt 44MPa Sau 28 ngày, mẫu trên cũng dat giá trị cường độ lớn nhất là 58.9 MPa

1.1.2 Các công trình nghiên cứu trong nước

Nguyễn Minh Tâm, Võ Thế An và Lê Anh Tuan, ( 2015) [12] nghiên cứu cườngđộ chịu nén của mẫu geopolymer khi tổng hợp từ tro bay và dung dịch kích hoạt có tỷ

Tổng quan 10

lệ Na2SiO3/NaOH = 0.5, 1.0 va 2.0, ty lệ dung dịch hoạt hóa L/tro bay = 0.35, 0.40,

0.45 và ở điều kiện bảo dưỡng nhiệt độ khác nhau Kết quả nghiên cứu cho thay,cường độ chịu nén của mẫu dat giá trị lớn nhất khi NaaSiOz/NaOH = 0.50, L/tro bay =

0.45, và nhiệt độ bảo dưỡng mẫu ở 90°C

Huỳnh Hoàng Min, Lê Anh Tuan ( 2013) [13] nghiên cứu ảnh hưởng của hạt sétđến cường độ của mẫu vữa Geopolymer tro bay, với tro bay chiếm 10 % và tỷ lệ của

dung dịch hoạt hoá Naz2SiO3/NaOH = 0.5, 1.0, 2.0 Mau duoc bao dưỡng ở nhiệt độ

phòng 32°C - 35°C trong 3 giờ sau đó tháo khuôn và cho vào lò say ở các điều kiệnnhiệt độ khác nhau 60, 80, 100, 120°C trong thời gian 6, 8, 10, 12 giờ Kết quả nghiêncứu cho thay: Cường độ chịu nén của mẫu vữa geopolymer tăng khi thời gian bảo

dưỡng mẫu tăng (chi thí nghiệm trên mẫu bảo dưỡng ở nhiệt độ 60°C, và ty lệ dung

dịch hoạt hoá/tro bay băng 0.3) và đạt giá trị lớn nhất bằng 7.27 MPa, khi tỷ lệ

NaaSiOz/NaOH = | và sau khi bảo dưỡng mẫu vữa ở 12 giờ Bên cạnh đó, Cường độchịu nén của mẫu vữa geopolymer tăng khi nhiệt độ bảo dưỡng mẫu tăng và đạt giá trị

lớn nhất băng 12.34 MPa, khi tỷ lệ Na›SiO›/NaOH = 1, sau 12 giờ nén mẫu Và cường

độ chịu nén của mẫu vữa geopolymer tăng khi hàm lượng hạt sét giảm, đạt giá trị lớn

nhất bang 7.2 MPa, khi hàm lượng hạt sét chiếm 13.29 %, có tỷ lệ NaaSiOz/NaOH =1, bảo dưỡng ở 120°C và sau 12 giờ nén mẫu

Ngọ Văn Toản, ( 2013) [14] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tro trâu ( 0— 60 %) vaphụ gia siêu dẻo ( Có tên thương phẩm Mighty — 100 của hãng Kao, Nhật Bản) tới tínhchất của hồ, vữa và bê tông sử dụng xi măng Portland ( 40 — 100%) Kết quả thínghiệm cho thay, đối với hồ xi măng khi trộn hỗn hợp gồm tro trau với xi măng thì độdẻo tiêu chuẩn của hồ xi măng tăng lên tỷ lệ thuận theo hàm lượng tro trâu Tuy nhiênhàm lượng tro trâu < 30% thì độ dẻo của hồ xi măng tăng lên không nhiều, chỉ khilượng tro trâu từ 40% trở lên thì sự tăng độ dẻo của hồ có sự đột biến Với mẫu vữa ximang có kích thước 40 mm x 40 mm x 160 mm, được kiém tra cường độ chịu nén, uốnsau 7, 28, 60 ngày bảo dưỡng Kết quả thí nghiệm cho thấy: Cường độ chịu nén, uốncủa mẫu vữa tăng theo thời gian bảo dưỡng Mẫu vữa có ty lệ tro trâu 10%, xi măng90% và nước/chất kết dính bang 0.46 cho cường độ chịu nén, uốn mẫu lớn nhất tươngứng 72.5 daN/cm2, 560 daN/cm? ở 60 ngày Đối với mẫu bê tông có kích thước 100

Tổng quan II

mm x 100 mm x 100mm, được nén sau 1, 3, 7,28 ngày bảo dưỡng Kết quả thí nghiệmcho thay: Khi thay thế một phan xi măng băng tro trâu và phối hợp với phụ gia siêudẻo, cường độ chịu nén của bê tông tro trâu cao hơn so với bê tông đối chứng Với tylệ nước/chất kết dính = 0.3 và hàm lượng tro trâu 25%, xi măng 75% mẫu bê tông chocường độ chịu nén lớn nhất là 1017 daN/cm? ở 28 ngày

Nguyễn Tiến Trung, ( 2009) [15] đã nghiên cứu sử dụng hỗn hợp gồm xi măngPortland, tro bay ( 10% - 25%), tro trau ( 3% - 10%) để khảo sát độ hút nước của mẫuvữa bê tông sau 28, 90 ngày bão dưỡng Kết quả độ hút nước nhỏ nhất khi ở 28 ngàymẫu vữa có tỷ lệ tro trâu 5.2% và tỷ lệ tro bay 7.0% trong khi ở 90 ngày ty lệ tro trau

6.8% và tỷ lệ tro bay 17.2%.

12 Kết luận chươngNhư vậy tác giả nhận thấy, phần lớn các công trình nghiên cứu tập trung vào

nghiên cứu vật liệu mới - Vật liệu geopolymer Tuy nhiên việc ứng dụng vật liệu mới

này vào xử lý, cải tạo nền đất yếu còn hạn chế Bên cạnh đó, các dé tài chưa nghiêncứu sâu về tro trâu hoạt hoá, trong khi tro trâu cũng là một nguyên liệu ban đầu có độhoạt tính cao và có thé tham gia vào quá trình tong hợp vật liệu geopolymer

Vì những hạn chế trên nên đề tài nghiên cứu này được ra đời Như một hướngnghiên cứu dé ứng dụng vật liệu mới này vào xử lý nền đất yêu Cũng như hiểu sâu sắchơn về vật liệu geopolymer tổng hợp từ tro trâu hoạt hoá

Các nghiên cứu thường sử dụng nguyên vật liệu ban đầu như tro bay, tro trau détong hợp vật liệu geopolymer có hàm lượng từ 0 đến 50 % theo khối lượng hỗn hop.Và nồng độ mol của dung dịch hoạt hoá NaOH khoảng từ 8 đến 15 mol/lít, và tỷ lệdung dịch NaaSiOz/NaOH khoảng từ 0.5 đến 2.0

Cơ sở lý thuyết 12

CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LY THUYET

2.1 Tong quan về vật liệu geopolymer

Vật liệu geopolymer hay còn gọi là polymer vô cơ được nhà khoa học người Pháp

Joseph Davidovits đặt tên năm 1970, là một loại vật liệu rắn tong hop gom haithành phân chính là nguyên liệu ban dau ở dang aluminosilicate với dung dịch kiềm détạo ra sản phẩm bên và có cường độ [1] Nguyên liệu ban đầu ở dạng aluminosilicatenhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình geopolymer hóa thường dùng là tro bay,xi, kaolin, metakaolin, tro trau, silica fume, nano silica va chat hoạt hóa kiềm thường

là các dung dịch NaOH, KOH, Ca(OH)› và thủy tinh long Sodium Silicate Na2SiO3

nhằm tạo môi trường kiềm, tham gia vào phản ứng geopolymer hóa.Khi cho tác dụng với dung dịch kiềm mạnh và tiến hành bảo dưỡng ở nhiệt độphòng, vật liệu aluminosilicate nhanh chóng hòa tan vào dung dịch để tạo thành tứdiện SiO4 và AlOx Trong quá trình xảy ra phản ứng, nước dan dan tách ra và nhữngcụm tứ diện SiOa và AlOa liên kết nhau băng nguyên tử oxi và tạo nên nhữngmonomer đầu tiên ( - SiOa - AlOa -, hoặc - SiOa - AlOa - SiOa -, hoặc - SiOa - AlOa -S104 - S1O4 -) Day là ưu điểm nỗi bật của vật liệu aluminosilicate được ứng dụngtốt vào công nghệ geopolymer

2.2 Cơ sở hoá học tạo thành vật liệu geopolymer đất yếu và tro trauBang nghiên cứu của mình, Davidovits ( 1978) đã dùng thuật ngữ geopolymer dégiới thiệu loại polymer vô cơ mới được tổng hợp từ các khoáng vật thuộc nhómaluminosilicate Thành phần chủ yếu của geopolymer là các nguyên tổ Si2*, Al?* và O?có nguồn gốc từ các khoáng tự nhiên: đất yếu, kaolin hoặc sản phẩm từ sản xuất như:tro bay, xi lò cao, tro trâu

Cau trúc hóa học của geopolymer [16] co bản được tạo thành từ mạng lưới cautrúc của những Silica - Aluminate hay còn gọi là poly ( sialate) Sialate là viết tắt của

Cơ sở lý thuyết 13Silic — Oxy — Nhôm Các cau nối — Si — O — AI — tạo thành các bộ khung không gianvững chắc bên trong cau trúc Khung sialate bao gồm những tứ diện SiO4 và AlOsđược nối xen kẹp với nhau băng các nguyên tô oxy Những ion dương ( Nat, K*, Li*,Ca?*, Ba**, NH**, HaO*) có mặt trong khung để cân bang điện tích của Al?* và hình

thành monomer mới như hình bên dưới:

Khảo sát thực nghiệm ty lệ Si/AI, trạng thái poly ( sialate) bao gồm những loại sau

SiuAl>3 Sialate link

Hình 2.2 Trang thái cua poly ( sialate)

Qua trình tong hop dé tao thanh vat liéu geopolymer được gọi là qua trình

geopolymer hóa các nguyên vật liệu aluminosilicate ban đâu nhờ vào các dung dịch

Cơ sở lý thuyết 14hoạt hóa kiềm Quá trình hoạt hóa kiềm cho các vật liệu aluminosilicate là một quátrình phức tạp và đến nay vẫn chưa được mô tả một cách rõ ràng Các bước phản ứngxảy ra phức tạp và chong lắp vào nhau Do đó, rất khó phân biệt cũng như khảo sát các

bước phản ứng một cách riêng biệt ( Palomo et al 1999).

Phản ứng hóa học của quá trình geopolymer [16] có thé diễn ra theo | trong 2

phương trình sau:

(-)

n(Si,O;,AlO.) + 2nSiO,+ 4nH,O NaOH,KOH, OE ar OES, (2.2)

(+C) » |

NOH) LOO or sáo - NaOH,KOH

(Na,K)-(-Si-O-(OH)

>— eŒ@— Ọ>+=Ss H

NMO

| (2.3)‘ |

Hardjito et at ( 2005) [IS] trình bày quá trình phan ứng hóa hoc tạo thành

geopolymer có thé được phân ra thành các bước chính sau:- Hoa tan các phân tử Si và Al trong nguyên liệu ban đầu nhờ vào các ion

hydroxide trong dung dịch.

- Những phân tử trên di chuyền, định hướng và kết hợp thành những monomer.- Những monomer này tham gia phản ứng trùng ngưng tạo thành sản phẩm có

cầu trúc polymer vô cơ.Theo Glukhovsky et ai ( 1980) [19], co chế quá trình kiềm kích hoạt bao gồm cácphan ứng phân hủy nguyên liệu thành dạng cấu trúc 6n định thấp và phản ứng nội tại.Trước tiên là quá trình bẻ gãy các liên kết cộng hóa trị Si - O — Si và AI — O — Si khipH của dung dịch kiềm tang lên Vì thế những nhóm nguyên tố này được chuyển sanghệ keo Sau đó xảy ra sự tích tụ các sản phẩm bị phá hủy với phản ứng nội tại giữachúng tao cấu trúc ôn định thấp, tiếp theo ở giai đoạn thứ ba là quá trình hình thànhcau trúc đông đặc

Palomo et al ( 1999) [20] cũng có cùng quan điểm trên khi cho rang, có hai cáchhoạt tính kiềm có thé xảy ra, cách thứ nhất xảy ra khi chất hoạt hoá của xỉ lò cao ( Si +Ca) là dung dịch kiềm yếu, sản phẩm chủ yếu sẽ là C — S — H Cách thứ hai đối vớichất hoạt hóa kiềm của metakaolin là dung dịch kiểm từ trung bình đến mạnh Sảnphẩm cuỗi cùng có dạng mạch trùng hop và có cường độ cơ học cao Với trường hopđầu tương tự như quá trình hình thành zeolite Với chất hoạt hoá của metakaolin tạo

Cơ sở lý thuyết 15nên nhiều mạch không có hình dạng nhất định và gần giống như zeolite Còn với chấtchất hoạt hóa kiểm của tro bay xảy ra sự tỏa nhiệt trong quá trình hòa tan, phân táchcác liên kết cộng hóa trị Si — O và AI—O— AI.

Quá trình tạo thành cấu trúc Geopolymer có thể được biểu diễn theo sơ đồ sau

SpeciationEquilibrium

Gelation

HO —| Reorganization

4% “1,0 <S— Polymerization

and Hardening

=F «FF 4 # ^% TF B&F

“id ER

Hình 2.3 Qua trình tao thành vat hiệu geopolymer

Hình vẽ trên là một ví dụ cụ thể của quá trình geopolymer hóa vật liệualuminosilicate, với các phản ứng xảy ra liên tục và phức tap Ban dau, các hạt rắndưới tác dụng của môi trường kiềm hình thành các phân tử hòa tan vô định hình, giảiphóng ra các monomer aluninate và silicate Tiếp đó các monomer sẽ tiếp tục phảnứng để tạo nên chuỗi polymer dài hơn, khi dung dịch đạt đến độ bão hòa sẽ xuất hiệnkeo aluminosiliate kết tủa, các phân tử keo này chứa nhiều ion Al** vì ban dau liên kếtAI—O yếu hơn liên kết Si - O nên ion Al?* trong dung dich dễ dàng tách ra và gắn vàocác chuỗi polymer tạo thành Khi phản ứng tiếp tục xảy ra, các nhóm Si — O trong chat

Cơ sở lý thuyết l6ran ban dau hòa tan, làm tăng nồng độ silicate trong dung dịch, day nhanh quá trìnhhình thành các cấu trúc zeolite vô định hình.

Quá trình phản ứng tiếp tục xảy ra, phân tử tạo thành liên tục được sắp xếp vàphân bố lại cau trúc, lắp đầy các lỗ rỗng nhỏ hơn hình thành khối vật liệu liên kết vữngchắc có cau trúc zeolite vô định hình Giả thuyết nay được xem là quá trình co ban détạo thành cau trúc geopolymer hay còn gọi là quá trình geopolymer hóa

2.3 Kết luận chương

Như vậy, quá trình tạo thành vật liệu geoplymer là một quá trình phản ứng hoá họcphức tạp, tạo thành các chuỗi liên kêt mới có cau trúc bên vững hơn.

Thí nghiệm và phân tích kết quả 17

CHUONG 3.

THI NGHIEM VA PHAN TICH KET QUA

3.1 Vatliéu

3.1.1 DatDat được lay ở khu vực Đông băng sông Cửu Long, dưới độ sâu khoảng 10 m.Phân tích theo tiêu chuẩn TCVN 4198:1995 : Đất xây dựng — Các phương pháp xácđịnh thành phan hat trong phòng thí nghiệm, đất được nghiên min bang máy nghiền cóthành phân hạt và thành phần hóa học như sau:

Bang 3.1 Thành phan hạt của đấtThành phân hạt (%)

Sét Bui Cat Sối Cuội

SiO2 AhOsz KaO FeO Na2O MgO TiO2 C

63.25 26.54 3.22 2.10 0.53 1.50 0.88 1.98

Thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 4195:1995 : Dat xây dựng — Phương pháp xácđịnh khối lượng riêng trong phòng thí nghiệm và TCVN 4197:1995 : Đất xây dựng —Phương pháp xác định giới hạn dẻo và giới hạn chảy trong phòng thí nghiệm, đất có

Thí nghiệm và phân tích kết quả 18các tính chất vật lý như sau:

- Độ am: 67.2 %- Khối lượng riêng: 1.553 (g/cm?)- Hệ số rỗng: e= 1.811

- Gidi hạn chảy: W= 52.0 %- Giới hạn dẻo: Wp= 33.6 %

- Chỉ số dẻo: 18.3 %

- Độ sệt: 1.83

Như vậy đất sử dụng có hàm lượng hạt sét khoảng 45 %.Kết quả nén mẫu nguyên dạng có cường độ sức kháng nén đơn qu đạt khoảng 21kPa, tương ứng với biến dang phá hoại er khoảng 4 % và có module biến dang Eso đạt840 kPa Kết quả thí nghiệm được trình bày trong phan phụ lục

2422

Thí nghiệm và phân tích kết quả 19

Bang 3.3 Thanh phan hoá học của tro trấuPhan trăm khối lượng (%) thành phan hoá học của tro trau

SiO2 AhOs K,.0 FeO Na2O MgO CaO Cl C

82.44 0.54 1.94 0.45 0.15 0.48 1.16 0.27 12.57

Thí nghiệm và phân tích kết quả 20

Hình 3.3 Phơi khô tro trdu trước khi nghiên, và sử dụng máy rung để ray

3.1.3 Xi mang Portland

Su dung xi mang Portland hỗn hợp PCB40 Vicem Hà Tiên được san xuất theo ISO9001:2008, tiểu chuẩn hiện hành TCVN 6260:2009 : Xi măng poóc lăng hỗn hợp —Yêu cầu kỹ thuật

3.1.4 Dung dịch hoạt hoa

Hỗn hợp dung dich polymer hoạt hóa dùng dé tạo phan ứng kết dính vật liệu hỗn

hợp chính là dung dich Sodium silicate (Na2SiO3) va dung dich Sodium Hydroxit(NaOH).

Sodium silicate trong thí nghiệm nghiên cứu này có tỷ lệ thành phan theo khốilượng là SiO› = 30.86%, NaaO = 10.48%, H2O = 58.66%, tỷ lệ SiO2/Na2O xấp xi 3:1,khối lượng riêng 1.450 g/cm, có modul 2.87 Dung dịch có màu trang đục

Dung dịch Sodium Hydroxit được pha chế từ Sodium nguyên chat ở dạng ran,mau trang đục, độ tinh khiết từ 95 — 99%, khối lượng riêng 2.130 g/cm Nong độ molpha chế và dùng trong thí nghiệm là 14 mol/lít

Nước dùng phải tuân theo tiêu chuẩn TCVN 4506:2012 : Nước cho bê tông và vữa— Yêu cau kỹ thuật Nhăm tránh các thành phan tạp chất ảnh hưởng đến chất lượng củadung dịch NaOH cũng như cường độ của mẫu đất gia cô theo công nghệ geopolymertong hop tu tro trâu hoạt hoá

Thí nghiệm và phân tích kết quả 21

3.1.5 Môi trường dưỡng hộ

Vật liệu geopolymer tổng hop từ tro trâu hoạt hoá sau khi tạo mẫu trong khuôn sẽđược bảo dưỡng trong thùng xốp với nhiệt độ cỗ định khoảng 27°C + 2°C trong 72 giờcho mẫu 6n định, sau đó tháo khuôn và tiếp tục bảo dưỡng trong thùng xốp đến ngàynén mẫu Môi trường dưỡng hộ mẫu tuân theo tiêu chuẩn TCVN 9403:2012 : Gia cốđất nền yếu — phương pháp trụ đất xi măng

3.1.6 Thiết kế thành phan cấp phốiVới mẫu dat được xử lý bang công nghệ geopolymer tong hợp từ tro trâu hoạt hoácó thành phan cấp phối là:

Hàm lượng tro trau hoạt hoá trong hỗn hợp chiếm 30, 40, 50 % theo khối

lượng.Ty lệ dung dịch hoạt hóa (L) Sodium SilicateSodum HydroxIt

(Na2SiO3/NaOH) là 1, với nồng độ mol của dung dịch NaOH là 14 mol/lít.Ty lệ khối lượng dung dịch hoạt hóa/( tro trâu hoạt hoá + đất) [L/( RHA+SSs)],

lần lượt là 0.4, 0.5.Thời gian nén mẫu sau khi bảo dưỡng ở thùng xốp 7, 14, 28 ngày.Với mẫu đất được xử lý bằng phương pháp đất trộn xi măng có thành phần cấpphối là:

- Tỷ lệ nước/xi măng băng 1.- Thời gian nén mẫu sau khi bảo dưỡng ở thùng xốp 28 ngày.3.1.7 Phương pháp tạo mẫu và phương pháp thí nghiệm

3.1.7.1 Phương pháp tạo mẫu

Hỗn hợp phối liệu được nhào trộn theo thành phần cấp phối Trước hết trộn khôkhoảng 3 phút hỗn hợp gồm dat và tro trâu tạo thành một hỗn hop màu đồng nhất, tiếptục cho dung dịch hoạt hoá gom dung dich NazSiO3 va dung dịch NaOH vào hỗn hợptrên, và trộn thủ công khoảng 3 phút để hỗn hop đất, tro trâu, dung dịch đồng nhất Sauđó cho hỗn hợp này vào máy trộn và trộn trong thời gian khoảng 5 phút Và tiễn hànhđúc mẫu; khuôn đúc mẫu có đường kính 40 mm và chiều cao 80 mm Phương phápđúc mẫu tuân theo tiêu chuẩn TCVN 9403:2012 : Gia cố đất nền yếu — phương pháp

Thí nghiệm và phân tích kết quả 22trụ đất xi măng.

Hình 3.5 Máy trộn hỗn hợp geopolymer, khuôn đúc mẫu và mẫu geopolymer

3.1.7.2 Phương pháp thí nghiệm

Xác định cường độ chịu nén của mẫu theo tiêu chuẩn ASTM D2166: Standard

Test Method for Unconfined Compressive Strength of Cohesive Soil Sau khi tạo mẫu

trong khuôn, bảo dưỡng mẫu trong thùng xốp ở nhiệt độ ồn định trong vòng 72 giờ,sau đó tháo khuôn và tiếp tục bảo dưỡng mẫu trong thùng xốp Sau đó nén và tiếnhành đánh giá cường độ chịu nén, module biến dạng của mẫu đất sau khi xử lý, thực

Thí nghiệm và phân tích kết quả 23hiện thí nghiệm liên tục khi hết số lượng mẫu.3.2 Kết quả thí nghiệm

Mục đích của tiêu chuẩn ASTM D2166 : Standard Test Method for Unconfined

Compressive Strength of Cohesive Soil là xác định cường độ sức kháng nén đơn qu,

trên mẫu đất hình lăng trụ tròn có chiều cao gấp 2 lần đường kính khi phá hoại, vàđược xác định là lực lớn nhất trên mỗi đơn vị diện tích ( ứng suất) hay ứng suất khimẫu đạt 15 % biến dạng dọc trục

Để xác định giá trị qu, sử dụng máy nén CBR ( California Bearing Ratio) để thínghiệm, có tốc độ nén không đổi là 1.27 mm/phút, do đó giá trị bién dạng của mẫu đấtđược xác định thông qua tốc độ nén này, giá trị lực được ghi nhận thông qua giá trịbiến dạng của vòng lực, có hệ số vòng Cr bằng 0.2223 kN/div ( div hay vạch ở đồnghồ đo biến dạng được gan trong vòng lực có độ lớn | div = 0.01 mm)

Thí nghiệm và phân tích kết quả 24Tính toán kết quả thí nghiệm như sau:- Tính biến dạng e( %) của mẫu đất:

ỉ

E.= Mi x 100%Io

O day:

AL, - bién dang của mẫu dat;tạ - chiều dai ( chiều cao) ban đầu của mau dat.- ‘Tinh ứng suất dọc trục o ( kPa) của mẫu đất:

Ở đây:

P - lực nén tác dụng lên mẫu đất, P.=CpR (KN), Cr - hệ số vòng ;R - số đọc biến dạng của vòng lực ( div.)

A, - diện tích tiết diện ngang của mẫu ứng với biến dạng là e ( %) ;

Thí nghiệm và phân tích kết quả 25- _ Xác định cường độ sức kháng nén don qu ( kPa): là lực lớn nhất trên mỗi đơn vị

diện tích ( ứng suất) hay ứng suất khi mẫu đạt 15 % biến dạng dọc trục ( như

hình vẽ trên).

- Module Eso là độ dốc của đường thăng được xác định theo hình trên

SSs SS SH RHA

¥ Ỷ\ - Ỷ _ Ƒ

Phơi ( sấy) khô L Phơi ( sấy) khô

3.2.1 Anh hưởng của thời gian bao dưỡng đến cường độ chịu nén, module biến

dang cua dat gia cô

Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian bao dưỡng 7, 14, 28 ngày đến cườngđộ chịu nén của đất gia cố, khi ty lệ dung dịch hoạt hoá so với hỗn hợp tro trâu và đấtbang 0.4, tỷ lệ giữa dung dich NazSiOa và dung dịch NaOH băng 1, dung dịch NaOHcó nồng độ mol là 14 mol/lít, với 30 % hàm lượng tro trâu hoạt hoá Mẫu được néntrên máy nén CBR trong điều kiện bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng Kết quả thí nghiệmchi tiết được trình bày trong phan phụ lục Kết quả, biểu đô thé hiện quan hệ ứng suất -