Nghiên cứu thành phần, đặc tính cơ lý của bê tông geopolymer tro bay và ứng dụng cho kết cấu Cầu hầm

Viện công nghệ Geopolymer của Pháp “Geopolymer Institude” đã nghiên cứu và chế tạo thành công các sản phẩm từ chất kết dính geopolymer như: khuôn đúc cho các dụng cụ công nghệ cao; sản x

TRẦN VIỆT HƯNG

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, ĐẶC TÍNH CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY VÀ ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU CẦU HẦM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 11/2017

TRẦN VIỆT HƯNG

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, ĐẶC TÍNH CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY VÀ ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU CẦU HẦM

Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Chuyên ngành : Xây dựng cầu hầm

DỰ THẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Đào Văn Đông

PGS.TS Nguyễn Ngọc Long

Hà Nội – 11/2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác

Hà Nội, ngày 01 tháng 11 năm 2017 Tác giả

Trần Việt Hưng

LỜI CẢM ƠN

Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Đào Văn Đông

và PGS.TS Nguyễn Ngọc Long Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy hướng dẫn đã chỉ dẫn tận tình và đã đóng góp các ý kiến quý báu để giúp tôi thực hiện luận án này

Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.TS Phạm Duy Hữu đã đóng góp các ý kiến quý báu cho luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Giao Thông Vận tải, lãnh đạo khoa Công Trình, Phòng Đào tạo Sau đại học, bộ môn Cầu Hầm, bộ môn Kết Cấu, Trung tâm khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu

Tôi cũng xin trân trọng cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải, Trung tâm thí nghiệm Đường bộ cao tốc đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực nghiệm và nghiên cứu

Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình người thân đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu

Hà Nội, ngày 01 tháng 11 năm 2017 Tác giả

Trần Việt Hưng

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC HÌNH ẢNH VIII DANH MỤC BẢNG XII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU XIV

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER VÀ BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY 5

1.1 Bê tông xi măng 5

1.1.1 Sự phát triển của xi măng và bê tông 5

1.1.2 Sự cần thiết của vật liệu thay thế xi măng 6

1.2 Nghiên cứu về chất kết dính geopolymer trên thế giới 6

1.2.1 Nguồn gốc tên gọi 6

1.2.2 Quá trình nghiên cứu về chất kết dính Geopolymer 7

1.2.3 Cấu trúc hóa học và ứng dụng của chất kết dính Geopolymer 8

1.2.4 Cơ chế phản ứng Geopolymer hóa 9

1.2.5 Dung dịch kiềm kích hoạt 12

1.2.6 Nguyên liệu chế tạo nên vật liệu geopolymer 13

1.2.6.1 Nguyên liệu alumino-silicat 13

1.2.6.2 Tro bay 14

1.2.6.3 Sản lượng tro bay trên thế giới và ở Việt Nam 16

1.2.7 Geopolymer tro bay 17

1.3 Nghiên cứu về bê tông Geopolymer tro bay trên thế giới 18

1.3.1 Khái niệm cơ bản về bê tông geopolymer tro bay 18

1.3.2 Thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay 19

1.3.2.1 Xác định mục tiêu thiết kế hỗn hợp 19

1.3.2.2 Tỷ lệ nước/ chất rắn geopolymer (W/GPS) 20

1.3.2.3 Tỷ lệ dung dịch kiềm kích hoạt với tro bay theo khối lượng (AAS/FA) 21

1.3.2.4 Tỷ lệ Natri silicat với Natri hydroxit 21

1.3.2.5 Cốt liệu 22

1.3.3 Công nghệ chế tạo và thi công bê tông geopolymer tro bay 22

1.3.3.1 Công tác trộn, đổ khuôn và đầm nén 22

1.3.3.2 Công tác bảo dưỡng 23

1.3.4 Các tính chất kỹ thuật chủ yếu của bê tông geopolymer tro bay 24

1.3.4.1 Hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay tươi 24

1.3.4.2 Tỷ trọng 25

1.3.4.3 Mô đun đàn hồi 25

1.3.4.4 Hệ số Poison 25

1.3.4.5 Cường độ kéo gián tiếp 26

1.3.4.6 Sự phát triển của cường độ nén theo thời gian 26

1.3.4.7 Co ngót và từ biến 26

1.3.4.8 Bền Sunfat 27

1.3.4.9 Bền axit 28

1.3.4.10 Phản ứng kiềm cốt liệu (Alkali Silica Reaction - ASR) 28

1.3.4.11 Tính ổn định nhiệt 29

1.3.5 Các lợi ích về kinh tế và môi trường khi sử dụng bê tông geopolymer 30

1.3.5.1 Lợi ích về kinh tế 30

1.3.5.2 Lợi ích về môi trường 30

1.3.6 Sản phẩm thương mại bê tông geopolymer 32

1.3.7 Tiêu chuẩn tính toán thiết kế dành cho bê tông Geopolymer 36

1.3.8 Cơ hội phát triển dành cho bê tông Geopolymer tro bay 36

1.3.9 Những hạn chế của việc ứng dụng bê tông geopolymer tro bay 37

1.4 Nghiên cứu bê tông Geopolymer tro bay ở Việt Nam 38

1.5 Những yêu cầu nghiên cứu đặt ra cho luận án 39

1.6 Kết luận Chương 1 40

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY 41

2.1 Yêu cầu của việc thiết kế thành phần bê tông Geopolymer tro bay 41

2.2 Các tính chất của vật liệu được sử dụng 42

2.2.1 Tro bay 42

2.2.1.1 Yêu cầu kỹ thuật của vật liệu tro bay 42

2.2.1.2 Tro bay sử dụng trong thí nghiệm 43

2.2.2 Dung dịch kiềm kích hoạt 43

2.2.2.1 Dung dịch Natri Hydroxyt 43

2.2.2.2 Dung dịch Natri Silicat 44

2.2.2.3 Pha chế dung dịch kiềm kích hoạt 44

2.2.3 Cốt liệu lớn 44

2.2.4 Cốt liệu nhỏ 45

2.3 Chế tạo mẫu thử bê tông geopolymer tro bay 46

2.3.1 Trộn, đổ khuôn, đầm nén bê tông geopolymer tro bay 46

2.3.2 Bảo dưỡng mẫu 47

2.4 Phương pháp thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay 48

2.4.1 Lựa chọn hàm mục tiêu 48

2.4.2 Xác định yếu tố ảnh hưởng đến cường độ GPC 49

2.4.3 Xác định lượng cốt liệu thô và cốt liệu mịn 50

2.4.4 Xác định khối lượng của tro bay (FA) và dung dịch kiềm kích hoạt (AAS) 50

2.5 Lập kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu 50

2.6 Phân tích kết quả thí nghiệm 53

2.6.1 Phân tích hồi quy - phương sai 53

2.6.2 Đồ thị bề mặt chỉ tiêu 55

2.7 Xác định thành phần cấp phối cho bê tông geopolymer tro bay 55

2.8 Thí nghiệm kiểm tra cường độ của các hỗn hợp GPC thiết kế 57

2.9 Sơ bộ tính toán giá thành của bê tông geopolymer tro bay đã thiết kế 61

2.10 Kết luận Chương 2 63

CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CHỦ YẾU VÀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY 64

3.1 Mục đích nghiên cứu 64

3.2 Kế hoạch thí nghiệm 64

3.3 Xác định mô đun đàn hồi và cường độ kéo uốn 65

3.3.1 Chuẩn bị mẫu và tiến hành thí nghiệm 65

3.3.2 Mô đun đàn hồi của GPC 71

3.3.3 Cường độ kéo uốn 72

3.4 Thí nghiệm xác định ứng xử dính bám với cốt thép 73

3.4.1 Mục đích thí nghiệm 73

3.4.2 Phương pháp và mẫu thí nghiệm 74

3.4.3 Trình tự thí nghiệm 75

3.4.4 Kết quả thí nghiệm 75

3.4.5 Nhận xét, đánh giá kết quả thí nghiệm 77

3.5 Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của GPC 79

3.5.1 Mục đích thí nghiệm 79

3.5.2 Phương pháp và mẫu thí nghiệm 79

3.5.3 Kết quả thí nghiệm 80

3.5.4 Xây dựng mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng vùng nén của dầm bê tông geopolymer chịu uốn 83

3.5.4.1 Lý thuyết của Sargin, Hognestad và Popovics về thiết lập mô hình ứng suất - biến dạng khi nén 83

3.5.4.2 Xây dựng mô hình ứng suất biến dạng vùng nén cho bê tông Geopolymer trên cơ sở kết quả thí nghiệm 84

3.6 Thí nghiệm xác định tính thấm nước của GPC 87

3.6.1 Mục đích thí nghiệm 87

3.6.2 Phương pháp và mẫu thí nghiệm 87

3.6.3 Kết quả thí nghiệm 88

3.6.4 Nhận xét kết quả 89

3.7 Kết luận Chương 3 90

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM GEOPOLYMER TRO BAY CỐT THÉP 91

4.1 Đặt vấn đề nghiên cứu 91

4.2 Chuẩn bị mẫu dầm và tiến hành thí nghiệm 91

4.2.1 Nội dung nghiên cứu thực nghiệm 91

4.2.2 Hỗn hợp cấp phối 92

4.2.3 Thiết kế và sản xuất các mẫu dầm thí nghiệm 92

4.2.4 Quá trình thí nghiệm 94

4.3 Kết quả thí nghiệm 96

4.3.1 Quan hệ tải trọng - độ võng 96

4.3.2 Quan hệ momen - độ cong tại mặt cắt giữa nhịp của các dầm thí nghiệm 97

4.3.3 Nhận xét kết quả thí nghiệm 99

4.3.4 Biến dạng của cốt thép chịu kéo và bê tông mặt trên của dầm 99

4.3.5 Xác định tải trọng - độ võng tại các giai đoạn chịu lực của dầm thí nghiệm 101

4.4 Mô hình hóa dầm thí nghiệm bằng phần mềm ABAQUS 102

4.4.1 Cốt thép 103

4.4.2 Bê tông 103

4.4.3 Chia phần tử 105

4.5 Phân tích ứng xử uốn của dầm bê tông Geopolymer tro bay 106

4.5.1 Giai đoạn I - Giai đoạn bê tông chưa nứt 106

4.5.1.1 Trạng thái làm việc 106

4.5.1.2 Momen gây nứt 107

4.5.2 Giai đoạn II - Giai đoạn bê tông vùng kéo đã nứt, bê tông vùng nén làm việc trong giai đoạn đàn hồi 108

4.5.2.1 Trạng thái làm việc 108

4.5.2.2 Momen chảy dẻo cốt thép của mặt cắt 109

4.5.3 Giai đoạn III - gần phá hoại, dầm ở trạng thái giới hạn về cường độ 111

4.5.3.1 Trạng thái làm việc 111

4.5.3.2 Đề xuất giá trị biến dạng cực đại ɛcu của bê tông vùng nén trên dầm 112

4.5.3.3 Xác định hệ số khối ứng suất chữ nhật của mặt cắt dầm RGPC 115

4.5.3.4 Tính toán hệ số khối ứng suất chữ nhật cho mặt cắt dầm RGPC 117

4.5.3.5 So sánh với các đề xuất biến dạng nén lớn nhất của bê tông xi măng 121

4.5.3.6 Momen cực hạn của mặt cắt dầm RGPC 124

4.5.4 Độ võng của dầm theo các giai đoạn chịu lực 126

4.5.5 Tính dẻo của dầm 129

4.5.6 Dạng phá hoại trên dầm 130

4.5.7 Nhận xét về thực nghiệm ứng xử uốn của dầm bê tông geopolymer cốt thép 132

4.6 Nguyên tắc tính toán thiết kế chịu uốn dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép sử dụng

hỗn hợp bê tông G_40 133

4.7 Phân tích ứng xử của dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép ở trạng thái giới hạn cường độ 134

4.7.1 Tiêu chuẩn sử dụng 134

4.7.2 Các số liệu từ thực nghiệm phục vụ phân tích ứng xử uốn của dầm cầu bê tông Geopolymer tro bay 134

4.7.3 Các thông số của dầm cầu tính toán 135

4.7.3.1 Kết cấu nhịp 135

4.7.3.2 Lựa chọn mặt cắt ngang dầm 136

4.7.3.3 Bố trí cốt thép 137

4.7.3.4 Đặc trưng hình học của mặt cắt 138

4.7.4 Tính nội lực dầm 138

4.7.5 Nội dung tính duyệt dầm 138

4.7.5.1 Sức kháng uốn 138

4.7.5.2 Kiểm tra độ võng 139

4.7.5.3 Kết quả tính duyệt 139

4.8 Kết luận Chương 4 140

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 141

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 143

TÀI LIỆU THAM KHẢO 144

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sản lượng xi măng toàn cầu 1990 - 2050 [70] 5

Hình 1.2: Sự gia tăng các trung tâm nghiên cứu và các xuất bản về geopolymer [98] 8

Hình 1.3: Phương trình phản ứng geopolymer hóa [40] 10

Hình 1.4: Mô hình lý thuyết của quá trình geopolymer hóa [42] 11

Hình 1.5: Hình ảnh của hạt tro bay loại F 15

Hình 1.6: Bãi thải tro bay nhiệt điện 17

Hình 1.7: Mô hình kích hoạt kiềm của tro bay [46] 17

Hình 1.8: Vi cấu trúc của hạt tro bay phản ứng [46] 18

Hình 1.9: Ảnh hưởng của tỷ lệ W/GPS đến cường độ chịu nén của GPC [52] 20

Hình 1.10: Ranh giới giữa chất kết dính và cốt liệu trong GPC (a), (b) và OPC (c) [48] 22

Hình 1.11: Ảnh hưởng của chế độ bảo dưỡng đến cường độ nén của GPC [52] 23

Hình 1.12: Ảnh hưởng của thời gian bảo dưỡng đến cường độ nén của GPC [52] 24

Hình 1.13: Co ngót khô của GPC bảo dưỡng nhiệt và điều kiện thường [81] 27

Hình 1.14: Ảnh hưởng của cường độ nén đến từ biến của GPC bảo dưỡng nhiệt [81] 27

Hình 1.15: Độ bền axit sunfuric của bê tông geopolymer tro bay [84] 28

Hình 1.16: Tóm tắt các quá trình phát thải khí CO2 của GPC và OPC cùng cấp 40 [94] 31

Hình 1.17: Sản phẩm bê tông tươi E-Crete™ và các công trình sử dụng [100] 33

Hình 1.18: Sản phẩm thương mại GPC của Rocla 33

Hình 1.19: Tòa nhà Global Change Institute, trường Đại học Queensland 34

Hình 1.20: Sân bay Wellcamp xây dựng bằng bê tông EFC [98] 34

Hình 1.21: Mặt đường trong thành phố Toowoomba - bang Queensland, Australia 35

Hình 1.22: Tường chắn EFC bằng các tấm panel đúc sẵn 40MPa 35

Hình 1.23: Mặt đường EFC tại cảng Brisbane 35

Hình 1.24: Các đoạn vỏ hầm EFC đúc sẵn của WAGNERS được sản xuất tại Australia và Malaysia 36

Hình 1.25: Cầu bản trên đường ô tô bằng EFC cường độ 40MPa tại thành phố Toowoomba 36 Hình 2.1: Tro bay tại phòng thí nghiệm 43

Hình 2.2: Vật liệu của dung dịch kiềm kích hoạt 44

Hình 2.3: Cấp phối cát, đá dăm sau khi sàng trên máy theo ASTM C136-01 [31] 44

Hình 2.4: Biểu đồ cấp phối hạt của đá theo ASTM C33-99 [29] 45

Hình 2.5: Biểu đồ cấp phối hạt của cát theo ASTM C136 - 01 [31] 46

Hình 2.6: Công tác cân và trộn vật liệu 46

Hình 2.7: Đo độ sụt, đầm nén và chế tạo mẫu thử 46

Hình 2.8: Ảnh hưởng của chế độ bảo dưỡng đến cường độ nén của mẫu [13] 47

Hình 2.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ bảo dưỡng đến cường độ nén của mẫu [13] 47

Hình 2.10: Bảo dưỡng mẫu thử trong lò sấy khô 48

Hình 2.11: Phát triển cường độ nén theo thời gian [13] 49

Hình 2.12: Sơ đồ thí nghiệm hỗn hợp tâm xoay-mặt 51

Hình 2.13: Chế tạo mẫu cho thí nghiệm tâm xoay-mặt 51

Hình 2.14: Đồ thị đánh giá số dư 54

Hình 2.15: Đồ thị đường mức và đồ thị bề mặt cho hàm hồi quy 55

Hình 2.16: Kết quả hồi quy cho các cường độ yêu cầu của GPC 56

Hình 2.17: Các mẫu thử kiểm tra cường độ của các cấp phối GPC nghiên cứu 57

Hình 2.18: Kết quả kiểm tra cường độ của các hỗn hợp GPC đã thiết kế 61

Hình 2.19: So sánh giá thành của 1m3 GPC với OPC 62

Hình 3.1: Quá trình đúc các mẫu dầm và trụ để xác định tính chất cơ học 65

Hình 3.2: Các mẫu xác định mô đun đàn hồi và cường độ kéo uốn 65

Hình 3.3: Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi và cường độ kéo uốn 65

Hình 3.4: Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ nén của GPC 71

Hình 3.5: Quan hệ giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén của GPC 73

Hình 3.6: Quan hệ ứng suất dính bám và chuyển vị trượt thanh thép [47] 74

Hình 3.7: Sơ bộ cấu tạo mẫu thí nghiệm xác định ứng xử dính bám 74

Hình 3.8: Chuẩn bị đúc bê tông mẫu thí nghiệm dính bám với thanh thép 22 mm 75

Hình 3.9: Mẫu thí nghiệm dính bám sau khi đúc 75

Hình 3.10: Bố trí mẫu thí nghiệm trên máy kéo 75

Hình 3.11: Quan hệ lực kéo - trượt giữa bê tông G_30 với cốt thép 22 76

Hình 3.12: Quan hệ lực kéo - trượt giữa bê tông G_40 với cốt thép 22 76

Hình 3.13: Quan hệ lực kéo - trượt giữa bê tông G_50 với cốt thép 22 76

Hình 3.14: Mô hình quan hệ ứng suất dính bám - chuyển vị trượt thanh thép theo MC 90 [27] 77

Hình 3.15: So sánh ứng suất dính bám trung bình của GPC thí nghiệm với max theo MC-90 78

Hình 3.16: Dạng phá hoại mẫu bê tông trong thí nghiệm dính bám 78

Hình 3.17: Thí nghiệm xác định quan hệ ứng suất biến dạng GPC 79

Hình 3.18: Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của các mẫu G_30 82

Hình 3.19: Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của các mẫu G_40 82

Hình 3.20: Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của các mẫu G_50 82

Hình 3.21: So sánh các mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của các mẫu G_30 85

Hình 3.22: So sánh các mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của các mẫu G_40 85

Hình 3.23: So sánh các mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của các mẫu G_50 85

Hình 3.24: Quan hệ ứng suất - biến dạng đặc trưng khi nén của GPC 86

Hình 3.25: Sơ đồ thiết bị máy thử độ chống thấm nước 87

Hình 3.26: Mẫu thử thí nghiệm chống thấm nước 88

Hình 3.27: Kết quả thấm nước của mẫu GPC ở mức áp lực B12 89

Hình 4.1: Sơ đồ thí nghiệm uốn hai lực tập trung đối xứng [10] 92

Hình 4.2: Sơ đồ cấu tạo của dầm thí nghiệm 93

Hình 4.3: Quá trình sản xuất 9 dầm thí nghiệm 94

Hình 4.4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm uốn dầm (kích thước mm) 95

Hình 4.5: Gắn các thiết bị thí nghiệm trên dầm 95

Hình 4.6: Quan hệ tải trọng - độ võng của các dầm thí nghiệm 97

Hình 4.7: Độ cong của dầm 97

Hình 4.8: Quan hệ momen - độ cong tại mặt cắt giữa nhịp của các dầm thí nghiệm 98

Hình 4.9: Biến dạng cốt thép chịu kéo và mặt trên bê tông chịu nén dầm D_14 99

Hình 4.10: Biến dạng cốt thép chịu kéo và mặt trên bê tông chịu nén dầm D_16 100

Hình 4.11: Biến dạng cốt thép chịu kéo và mặt trên bê tông chịu nén dầm D_18 100

Hình 4.12: Dầm bị phá hoại do vỡ bê tông vùng nén 100

Hình 4.13: Xác định các giai đoạn chịu lực của dầm thí nghiệm 101

Hình 4.14: Vị trí các gối và tải trọng trong mô hình 102

Hình 4.15: Quan hệ ứng suất - biến dạng khai báo của cốt thép 103

Hình 4.16: Mặt phá hoại của bê tông trong ứng suất phẳng 104

Hình 4.17: Mô hình cứng hóa biến dạng của bê tông 104

Hình 4.18: Mô hình phần tử sử dụng mô hình hóa dầm 105

Hình 4.19: Chia lưới phần tử trong ABAQUS 105

Hình 4.20: Biến dạng trên dầm mô hình bằng ABAQUS 106

Hình 4.21: Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép ở giai đoạn I [10] 106

Hình 4.22: Biểu đồ so sánh giá trị momen gây nứt giữa thực nghiệm và tính toán 108

Hình 4.23: Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép ở giai đoạn II [10] 109

Hình 4.24: Biểu đồ so sánh giá trị momen chảy dẻo giữa thực nghiệm và tính toán 110

Hình 4.25: Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép ở giai đoạn III [10] 111

Hình 4.26: Quan hệ ứng suất - biến dạng theo mô hình của Hognestad [54] 113

Hình 4.27: Quan hệ giữa biến dạng nén và cường độ nén của GPC 114

Hình 4.28: Mô hình khối ứng suất cho dầm mặt cắt chữ nhật [55] 115

Hình 4.29: Tính gần đúng tích phân theo công thức Simpson 117

Hình 4.30: Mô men uốn danh định tính theo biến dạng lớn nhất ɛcu 123

Hình 4.31: Biểu đồ so sánh giá trị momen cực hạn giữa thực nghiệm, tính toán và đề xuất 125 Hình 4.32: Mô hình thí nghiệm và biến dạng trong thí nghiệm uốn bốn điểm 126

Hình 4.33: So sánh quan hệ tải trọng - độ võng của dầm D_14 thí nghiệm và tính toán 128

Hình 4.34: So sánh quan hệ tải trọng - độ võng của dầm D_16 thí nghiệm và tính toán 128

Hình 4.35: So sánh quan hệ tải trọng - độ võng của dầm D_18 thí nghiệm và tính toán 128

Hình 4.36: Quan hệ chỉ số dẻo của dầm và hàm lượng cốt thép chịu kéo 129

Hình 4.37: Dạng phá hoại và hình thành vết nứt của nhóm dầm D_14 130

Hình 4.38: Dạng phá hoại và hình thành vết nứt của nhóm dầm D_16 130

Hình 4.39: Dạng phá hoại và hình thành vết nứt của nhóm dầm D_18 131

Hình 4.40: Ứng suất theo phương dọc trục dầm thời điểm xuất hiện vết nứt 131

Hình 4.41: Vùng có khả năng xuất hiện vết nứt của dầm mô hình bằng ABAQUS 131

Hình 4.42: Mặt cắt ngang cầu 135

Hình 4.43: Mặt cắt ngang tại giữa nhịp dầm cầu chữ T-12m 137

Hình 4.44: Bố trí cốt thép dọc chủ trên mặt cắt ngang dầm cầu 137

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các dạng cấu trúc phân tử và ứng dụng của geopolymer [37, 38]: 9

Bảng 1.2: Nguyên liệu aluminosilicat phổ biến cho việc tổng hợp geopolymer [83] 13

Bảng 1.3: Phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C618-03 15

Bảng 1.4: Dữ liệu cho thiết kế hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay ít canxi [82]: 21

Bảng 1.5: Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ AAS/FA [82] 21

Bảng 2.1: Chỉ tiêu chất lượng của tro bay loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618-03 [33] 42

Bảng 2.2: Thành phần hoá học của tro bay tính theo % khối lượng 43

Bảng 2.3: Thành phần hạt của tro bay sử dụng trong nghiên cứu 43

Bảng 2.4: Khối lượng của NaOH rắn cần thiết để tạo thành 1kg dung dịch NaOH [52] 44

Bảng 2.5: Thành phần cấp phối đá theo sau khi phối trộn tiêu chuẩn ASTM C33-99 [29] 45

Bảng 2.6: Thành phần hạt của cát thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM C136-01 [31] 45

Bảng 2.7: Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng 49

Bảng 2.8: Bảng khối lượng của Na2SiO3 và NaOH cho 1m3 bê tông 50

Bảng 2.9: Bảng mã hóa các biến số và các điểm quy hoạch thực nghiệm 51

Bảng 2.10: Kết quả thí nghiệm theo kế hoạch hỗn hợp tâm xoay-mặt 52

Bảng 2.11: Thông tin mô hình hồi quy cho kết quả thí nghiệm nén 53

Bảng 2.12: Phân tích phương sai ANOVA cho mô hình hồi quy đã xây dựng 53

Bảng 2.13: Quy định về cường độ nén trung bình yêu cấu theo ACI 318-11 [17] 55

Bảng 2.14: Giá trị hai biến ứng với cường độ GPC yêu cầu 56

Bảng 2.15: Thành phần cấp phối của GPC cấp 30, 40, 50 MPa 57

Bảng 2.16: Kết quả xác định cường độ nén đặc trưng của bê tông Geopolymer G_30 58

Bảng 2.17: Kết quả xác định cường độ nén đặc trưng của bê tông Geopolymer G_40 59

Bảng 2.18: Kết quả xác định cường độ nén đặc trưng của bê tông Geopolymer G_50 60

Bảng 2.19: Sơ bộ tính toán giá thành 1m3 bê tông Geopolymer tro bay 61

Bảng 2.20: Sơ bộ tính toán giá thành của 1m3 bê tông xi măng cùng cường độ: 62

Bảng 3.1: Số lượng mẫu thí nghiệm các tính chất cơ học 64

Bảng 3.2: Kết quả xác định mô đun đàn hồi đặc trưng của bê tông Geopolymer G_30 66

Bảng 3.3: Kết quả xác định mô đun đàn hồi đặc trưng của bê tông Geopolymer G_40 67

Bảng 3.4: Kết quả xác định mô đun đàn hồi đặc trưng của bê tông Geopolymer G_50 68

Bảng 3.5: Kết quả xác định cường độ kéo uốn đặc trưng của bê tông Geopolymer G_30 69

Bảng 3.6: Kết quả xác định cường độ kéo uốn đặc trưng của bê tông Geopolymer G_40 69

Bảng 3.7: Kết quả xác định cường độ kéo uốn đặc trưng của bê tông Geopolymer G_50 70

Bảng 3.8: Kết quả mô đun đàn hồi thực nghiệm và tính toán 71

Bảng 3.9: Kết quả cường độ kéo uốn thực nghiệm và tính toán 72

Bảng 3.10: Kết quả thí nghiệm xác định ứng suất dính bám của GPC 78

Bảng 3.11: Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của mẫu G_30 80

Bảng 3.12: Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của mẫu G_40 81

Bảng 3.13: Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của mẫu G_50 81

Bảng 3.14: Các thông số của quan hệ ứng suất biến dạng GPC theo mô hình Sargin 83

Bảng 3.15: Kết quả thí nghiệm chống thấm 88

Bảng 4.1: Thành phần và tính chất của bê tông Geopolymer G_40 dùng chế tạo dầm RGPC 92 Bảng 4.2: Cấu tạo, diện tích và tỷ lệ hàm lượng cốt thép chịu kéo 93

Bảng 4.3: Chủng loại và số lượng thiết bị đo bố trí cho 01 dầm trong thí nghiệm 95

Bảng 4.4: Số liệu kết quả quan hệ tải trọng - độ võng của các dầm thí nghiệm 96

Bảng 4.5: Số liệu kết quả quan hệ momen - độ cong tại mặt cắt giữa nhịp của dầm thí nghiệm 98

Bảng 4.6: Tổng hợp số liệu thí nghiệm tải trọng - độ võng tại các thời điểm đặc biệt 101

Bảng 4.7: Các thông số của cốt thép sử dụng trong khai báo ABAQUS 103

Bảng 4.8: Các thông số của bê tông Geopolymer sử dụng trong khai báo ABAQUS 103

Bảng 4.9: So sánh Momen gây nứt giữa thực nghiệm và lý thuyết tính toán 107

Bảng 4.10: So sánh Momen chảy dẻo giữa thực nghiệm và lý thuyết tính toán 109

Bảng 4.11: Số liệu tính toán biến dạng cực đại của bê tông vùng nén trên dầm 113

Bảng 4.12: Đề xuất giá trị biến dạng nén lớn nhất của GPC dùng tính toán 114

Bảng 4.13: Số liệu quan hệ ứng suất - biến dạng đặc trưng dùng tính toán k k1, 2 117

Bảng 4.14: Tính toán giá trị hệ số khối ứng suất chữ nhật 120

Bảng 4.15: Giá trị các hệ số khối ứng suất chữ nhật sử dụng tính toán 121

Bảng 4.16: Giá trị mô men uốn danh định tính theo biến dạng lớn nhất ɛcu 122

Bảng 4.17: Giá trị các hệ số khối ứng suất sử dụng tính toán 124

Bảng 4.18: So sánh Momen cực hạn giữa thực nghiệm và lý thuyết tính toán 124

Bảng 4.19: Chỉ số dẻo của các dầm thí nghiệm 129

Bảng 4.20: Các giá trị tính toán của G_40 dùng cho thiết kế dầm cầu 135

Bảng 4.21: Kích thước hình học giữa nhịp của dầm cầu chữ T-12m 137

Bảng 4.22: Đặc trưng hình học mặt cắt dầm 138

Bảng 4.23: Kết quả kiểm toán dầm cầu T12 m 139

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

AAS: Dung dịch kiềm kích hoạt (Alkaline activator solution)

ASR: Phản ứng kiềm cốt liệu (Alkali Silica Reaction)

FA: Tro bay (Fly ash)

GPC: Bê tông geopolymer (Geopolymer concrete)

GPS: Chất rắn geopolymer (Geopolymer solid)

C-S-H: Calcium-silicate-hydrate

GGBS: Xỉ lò cao (Ground Granulated Blast Furnace Slag)

OPC: Xi măng Poóclăng thông thường (Ordinary Portland Cement) RGPC: Bê tông geopolymer cốt thép (Reinforced geopolymer concrete) ROPC: Bê tông xi măng cốt thép (Reinforced ordinary portland concrete) SSS: Dung dịch natri silicat (Sodium Silicate Solution)

W/C: Tỷ lệ nước/ xi măng (Water/Cement ratio)

TTGH: Trạng thái giới hạn

PTHH: Phần tử hữu hạn

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề nghiên cứu

Trong những năm gần đây, các công trình xây dựng nói chung và công trình giao thông nói riêng được xây dựng và phát triển ngày càng nhiều nhằm đáp ứng yêu cầu công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước Đa số các công trình xây dựng đều theo hướng sử dụng bê tông với chất kết dính xi măng poóclăng Đây là chất kết dính có ưu điểm cả về tính dễ thi công và độ tin cậy Bê tông cốt thép truyền thống luôn được ưu tiên lựa chọn do có những ưu điểm về khả năng chịu lực cũng như giá thành xây dựng

Tuy nhiên, sản xuất xi măng poóclăng được cho là gây ô nhiễm nghiêm trọng do mức độ phát thải khí CO2 và bụi nhiều Việc sản xuất một tấn xi măng phát ra khoảng hơn một tấn carbon dioxide vào bầu khí quyển, điều này cũng dẫn đến nhiều hệ lụy, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường Sản xuất xi măng không chỉ tiêu tốn nhiều năng lượng, mà còn tiêu thụ đáng kể các nguồn tài nguyên thiên nhiên

Đất nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa với tốc độ tăng trưởng kinh tế cao, khoảng 6%/năm Quá trình công nghiệp hoá đòi hỏi ngành sản xuất điện phát triển ngày càng nhiều các nhà máy nhiệt điện chạy than Tro bay là một thải phẩm của các nhà máy này Hầu hết tro bay không được sử dụng một cách hiệu quả, phần lớn của nó được xử lý trong các bãi chôn lấp Việc nghiên cứu tận dụng các chất thải công nghiệp, như tro bay nhiệt điện, ngày càng trở nên cấp thiết ở trên thế giới và cả Việt Nam Vì vậy, giảm dần lượng xi măng sử dụng và tìm kiếm một loại chất kết dính “xanh” thân thiện với môi trường là yêu cầu được đặt ra Vật liệu xây dựng “xanh” có thể được định nghĩa là các vật liệu được chế tạo và sử dụng theo các phương pháp thân thiện với môi trường Quá trình sản xuất vật liệu xanh phải được nghiên cứu sao cho hoặc có thể kết hợp sử dụng được chất thải từ các ngành khác tạo ra, hoặc giảm thiểu tối đa sự phát tán chất thải Đây là xu hướng đang rất được quan tâm ở hầu hết các quốc gia trên thế giới

Để từng bước hạn chế việc sử dụng xi măng poóclăng trong xây dựng, đồng thời tận dụng có hiệu quả chất thải công nghiệp tro bay nhiệt điện thì một loại chất kết dính mới đang được nghiên cứu và từng bước ứng dụng vào thực tế xây dựng Chất kết dính

đó sử dụng tro bay nhiệt điện kết hợp với một số hợp chất hoá học thông thường Cơ chế của chất kết dính mới này là quá trình polymer hoá các thành phần đioxít silíc trong tro bay để tạo ra lực dính kết, hình thành bộ khung vô cơ bền vững và có khả năng chịu lực Chất kết dính mới này được gọi là chất kết dính geopolymer

Vật liệu geopolymer là loại vật liệu mới nhận được từ hỗn hợp bao gồm chất kết dính geopolymer và các thành phần chất độn Sau khi nhào trộn, đầm nén, tạo hình và

dưỡng hộ sản phẩm phát triển cường độ và đạt được các tính chất kỹ thuật cần thiết Chất kết dính geopolymer có tính dính kết cao và có khả năng dính kết với hầu hết các loại cốt liệu trong quá trình rắn chắc Vật liệu sử dụng chất kết dính geopolymer được gọi là vật liệu geopolymer

Vật liệu geopolymer được phát triển lần đầu tiên từ những năm 1970 bởi nhà khoa học người Pháp là Joseph Davidovits Sau đó nó được tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng ở các nước Châu Âu, Mỹ, Úc và một số quốc gia phát triển khác và đã đạt được những thành tựu khả quan

Viện công nghệ Geopolymer của Pháp “Geopolymer Institude” đã nghiên cứu và chế tạo thành công các sản phẩm từ chất kết dính geopolymer như: khuôn đúc cho các dụng cụ công nghệ cao; sản xuất gạch, vật liệu xây dựng với chi phí thấp; vật liệu chịu lửa, chịu nhiệt trong các ứng dụng cho kết cấu vỏ bảo vệ phạm vi nhiệt độ từ 300oC đến

1000oC; vật liệu cho các công trình che chắn, ngăn chặn lâu dài ảnh hưởng của các chất thải độc hại và chất phóng xạ

Đại học Curtin, Australia đã có các nghiên cứu sâu về sự phát triển, quá trình chế tạo, ứng xử và các ứng dụng của bê tông geopolymer Bê tông geopolymer tro bay chế tạo được có các tính chất như: cường độ cao, chống thấm, bền hóa chất và cách nhiệt tốt…Các nghiên cứu bước đầu đã thử nghiệm bê tông geopolymer cốt thép cho các mẫu cột, dầm trong xây dựng dân dụng, các cầu bản và cầu dầm bê tông geopolymer cốt thép đúc sẵn…Các kết quả nghiên cứu nêu trên cho thấy bê tông geopolymer tro bay đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật, giá cạnh tranh và nhất là tính thân thiện với môi trường

so với bê tông xi măng truyền thống

Tuy nhiên, vấn đề này vẫn còn mới mẻ ở Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh vực vật liệu xây dựng và các ứng dụng trong các kết cấu Kết cấu bê tông geopolymer tro bay cốt thép hiện vẫn chưa được đi sâu nghiên cứu Vì vậy, việc nghiên cứu ứng xử của bê tông geopolymer tro bay vào các kết cấu chịu lực, trong đó có kết cấu dầm chịu uốn là cần thiết

2 Đối tượng nghiên cứu

- Thành phần của bê tông geopolymer tro bay

- Các tính chất cơ học chủ yếu của các hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay có cường độ đặc trưng 30-50 MPa gồm: cường độ nén, mô đun đàn hồi, cường độ kéo uốn, khả năng dính bám với cốt thép, quan hệ ứng suất biến dạng khi nén, và

độ bền chống thấm nước

- Ứng xử chịu uốn của dầm bê tông geopolymer tro bay cốt thép

3 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định được thành phần của bê tông geopolymer có thể sử dụng được trong kết cấu cầu

- Xác định được mô hình cơ học của vật liệu bê tông geopolymer dùng để tính toán chịu uốn kết cấu dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép

- Xác định sự phù hợp của mô hình tính toán với kết quả thí nghiệm ứng xử uốn của dầm bê tông geopolymer có cốt thép

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết để định hướng và dự kiến kết quả đạt được, dùng thực nghiệm để kiểm chứng Trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm, ứng dụng lý thuyết quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm theo phương pháp thống kê toán học để đánh giá và xử lý số liệu thu được

5 Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu của vật liệu thành phần:

 Tro bay sử dụng là tro bay đạt loại F ít can xi theo tiêu chuẩn ASTM 03;

C618- Dung dịch kiềm kích hoạt có nguồn gốc từ Natri bao gồm xút NaOH và thủy tinh lỏng Na2SiO3;

 Các cốt liệu của bê tông geopolymer bao gồm đá, cát được lựa chọn giống như đối với bê tông xi măng để đảm bảo độ chặt của hỗn hợp

- Phạm vi nghiên cứu về các tính chất cơ học của bê tông geopolymer:

 Cường độ chịu nén;

 Cường độ kéo uốn;

 Mô đun đàn hồi;

 Khả năng dính bám với cốt thép;

 Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén;

 Mô hình cơ học của vật liệu khi sử dụng để tính toán dầm bê tông geopolymer cốt thép chịu uốn

 Khả năng chống thấm nước

- Phạm vi nghiên cứu của kết cấu bê tông geopolymer cốt thép:

 Thực nghiệm ứng xử uốn của dầm;

 Phân tích các giai đoạn làm việc của dầm chịu uốn,

 Xác định lại sự phù hợp của việc tính toán dầm dựa trên mô hình vật liệu

đã đề xuất với kết quả trên các dầm thực nghiệm;

 Phân tích ứng xử uốn của dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Nêu rõ được bản chất của chất kết dính geopolymer, ưu, nhược điểm của bê tông geopolymer cũng như khả năng sử dụng của vật liệu này trong xây dựng

- Đề xuất được phương pháp chế tạo bê tông geopolymer tro bay với các vật liệu Việt Nam

- Xác định được một số tính chất cơ lý quan trọng của các cấp bê tông geopolymer tro bay đã chế tạo

- Đề xuất được phương pháp xác định sức kháng uốn của mặt cắt dầm bê tông geopolymer tro bay cốt thép

- Cung cấp được bằng thực nghiệm khả năng chịu uốn của dầm bê tông geopolymer tro bay cốt thép

- Kiến nghị nguyên tắc thiết kế dầm bê tông geopolymer tro bay cốt thép

- Về thực tiễn: Đề xuất một giải pháp kỹ thuật mới để tận dụng vật liệu có nguồn gốc thải phẩm công nghiệp (tro bay nhiệt điện) để thay thế chất kết dính xi măng poóclăng truyền thống trong sản xuất vật liệu xây dựng ở Việt Nam Trên cơ sở

đó góp phần phát triển một loại vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER VÀ

BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY

1.1 Bê tông xi măng

1.1.1 Sự phát triển của xi măng và bê tông

Kể từ khi phát minh ra xi măng poóclăng, bê tông xi măng đã trở thành vật liệu xây dựng phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới Năm 1900, tổng sản lượng xi măng của thế giới là khoảng 10 triệu tấn [20] và đã tăng lên tới 3,31 tỷ tấn trong năm 2010 [96] Sản lượng xi măng toàn cầu tiếp tục tăng trưởng khoảng trên 5% mỗi năm và tập trung chủ yếu ở các nước đang phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ…

Hình 1.1: Sản lượng xi măng toàn cầu 1990 - 2050 [70]

Ngành công nghiệp xi măng của Việt Nam đã có lịch sử phát triển trên 100 năm, bắt đầu từ Nhà máy xi măng Hải Phòng được thành lập năm 1899 Từ năm 1991 đến nay là giai đoạn phát triển mạnh nhất của ngành xi măng Việt Nam Năm 2010, tổng công suất thiết kế của các nhà máy xi măng đã tăng gấp 13 lần, đạt 63 triệu tấn/năm và Việt Nam trở thành nước đứng đầu khối ASEAN về sản lượng xi măng, về cơ bản cung

đã vượt cầu Theo định hướng quy hoạch phát triển ngành xi măng Việt Nam, tổng công suất năm 2015 là 94 triệu tấn và đến năm 2030 là 139 triệu tấn [11]

Kể từ khi xi măng poóclăng ra đời, ngành công nghiệp xi măng và bê tông đã phải đối mặt với các vấn đề lớn về môi trường và năng lượng Việc sản xuất xi măng không chỉ tiêu thụ đáng kể năng lượng và tài nguyên thiên nhiên mà còn thải ra một lượng lớn bụi và khí nhà kính như CO2, NO2 và CH4… Khi các quốc gia xây dựng chính sách phát triển bền vững, thì những ngành công nghiệp tiêu thụ năng lượng hoặc tài

nguyên thiên nhiên nhiều hơn sẽ phải chịu chính sách mức giá cao hơn để khuyến khích phát triển thị trường theo hướng bền vững hơn Các ngành công nghiệp xi măng và bê tông cũng nằm trong số các ngành công nghiệp đó

1.1.2 Sự cần thiết của vật liệu thay thế xi măng

Quá trình sản xuất xi măng tiêu thụ rất nhiều năng lượng và các nguồn tài nguyên thiên nhiên không tái tạo như trầm tích đá vôi, than đá… Sản xuất một tấn xi măng phát thải khoảng 1-1,2 tấn CO2, một loại khí nhà kính gây nóng lên toàn cầu Hơn 7% sản lượng CO2 trên thế giới là do liên quan đến sản xuất xi măng [65] Vì vậy, việc tìm kiếm chất kết dính mới thay thế xi măng poóclăng đáp ứng yêu cầu phát triển ngành công nghiệp xây dựng bền vững, thân thiện môi trường là cần thiết Tuy nhiên, vật liệu chất kết dính mới cũng cần có cường độ đạt yêu cầu và tính chất độ bền ít nhất tương tự như

xi măng truyền thống

Trong khoảng bốn thập kỷ qua, các nhà khoa học đã có những nghiên cứu sâu rộng với mục đích tạo ra những công trình xây dựng thân thiện với môi trường hơn Một trong các hướng nghiên cứu đó là tìm kiếm các vật liệu có thể thay thế xi măng poóclăng trong sản xuất bê tông “Geopolymer” đã được nghiên cứu và dần cho thấy nó có thể góp phần đa dạng hóa các giải pháp về chất kết dính, có thể thay thế một phần thị trường của xi măng Ngoài ra, geopolymer còn tận dụng nguyên liệu là các chất thải công nghiệp như tro bay, tro trấu, xỉ lò cao… cho nên geopolymer còn đáp ứng những yêu cầu về môi trường đối với chất kết dính xanh hơn và thân thiện hơn

1.2 Nghiên cứu về chất kết dính geopolymer trên thế giới

1.2.1 Nguồn gốc tên gọi

Thuật ngữ “geopolymer” lần đầu tiên được giới thiệu với thế giới vào năm 1978 bởi nhà khoa học người Pháp Joseph Davidovits Ông giải thích rằng việc sản xuất đất

đá nhân tạo ở nhiệt độ dưới 100oC tạo ra sản phẩm có đặc tính như đá tự nhiên là một lĩnh vực khoa học mới Davidovits đề xuất rằng dung dịch kiềm có thể được sử dụng để phản ứng với một nguyên liệu chứa nhiều khoáng silic (Si) và nhôm (Al) (nguyên liệu aluminosilicat), có nguồn gốc địa chất (cao lanh, tro bụi núi lửa…) hoặc các thải phẩm công nghiệp (tro bay, tro trấu, xỉ lò cao…) để tạo ra chất kết dính Các phản ứng hóa học diễn ra trong trường hợp này là một quá trình polymer hóa nên Davidovits đã đặt ra thuật ngữ “geopolymer” để đại diện cho các chất kết dính này [36, 37]

Thuật ngữ “geopolymer” hiện nay đã trở nên phổ biến để đại diện cho vật liệu tổng hợp kiềm aluminosilicat Một số tên gọi khác của các tác giả khác nhau được đặt

ra để mô tả những vật liệu tương tự geopolymer như polymer vô cơ, chất kết dính kiềm kích hoạt… Tuy nhiên, thuật ngữ được sử dụng phổ biến hơn cả là “geopolymer” sẽ được dùng trong suốt luận án này

1.2.2 Quá trình nghiên cứu về chất kết dính Geopolymer

Trong cuốn sách “Kim tự tháp: Một lời giải bí ẩn”, Davidovits đã giải thích về khả năng geopolymer được người Ai Cập sử dụng để xây dựng các kim tự tháp, dựa trên các mẫu vật rải rác trong các công trình của Ai Cập cổ đại [41]

Tuy nhiên, sản phẩm thực sự hiện đại dựa trên alumino-silicat có thể được bắt nguồn từ những năm 1930 khi nhà khoa học người Bỉ là Purdon sử dụng phản ứng giữa các oxit kiềm với xỉ luyện kim để tạo ra một chất kết dính cứng nhanh chóng, có thể thay thế được xi măng trong bê tông [76] Trong những năm 1950, quân đội Hoa Kỳ sử dụng NaOH kích hoạt xỉ để sản xuất chất kết dính sử dụng trong các ứng dụng quân sự [64] Vào những năm 1970-1973, Davidovits phát triển những vật liệu này cho các ứng dụng chịu nhiệt sau một loạt các vụ cháy ở châu Âu và các sản phẩm ra đời sau đó được ứng dụng cho việc phòng cháy trên tàu du lịch, và nhiều ứng dụng khác [40]

Sau khi Davidovits đưa ra những kết quả nghiên cứu mới của ông về chất kết dính aluminosilicate là “geopolymer” lần đầu tiên (được tổng hợp bằng cách kích hoạt cao lanh, đất sét nung với dung dịch natri silicat ở nhiệt độ thấp) vào năm 1991 [40], thì động lực nghiên cứu vào lĩnh vực geopolymer đã được bắt đầu Các nghiên cứu thời kỳ này chủ yếu thực hiện dựa trên các nguyên liệu metakaolanh và xỉ

Nghiên cứu về geopolymer tro bay được bắt đầu phát triển từ báo cáo của Wastiels tại hội nghị quốc tế về quản lý chất thải rắn năm 1993 tại Philadelphia [97] Đây là báo cáo đầu tiên, đáng tin cậy chỉ ra geopolymer tính năng cao được chế tạo bằng cách kích hoạt kiềm của tro bay và sản phẩm thu được có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực xây dựng Đến nay, phần lớn các nghiên cứu ứng dụng về vật liệu geopolymer đều tập trung vào việc sử dụng nguyên liệu từ tro bay

Khoa học về geopolymer đã được nghiên cứu ở một số phòng thí nghiệm, các trường đại học và một số tổ chức Đã có sự gia tăng mạnh mẽ trong nghiên cứu geopolymer trong khoảng gần 10 năm trở lại đây (Hình 1.2)

Hình 1.2: Sự gia tăng các trung tâm nghiên cứu và các xuất bản về geopolymer [98]

Từ năm 2009, Viện Geopolymer của Pháp và Đại học ILLINOIS, Hoa Kỳ đã thống nhất tổ chức hai hội nghị khoa học chính thức về geopolymer mỗi năm bao gồm: Hội nghị chuyên đề tháng Giêng được tổ chức tại Daytona Beach, Florida nằm trong khung của Hội nghị quốc tế về gốm sứ và Composite ICACC và Hội nghị tháng Bảy GeopolymerCamp được tổ chức tại Saint-Quentin, Pháp [98]

1.2.3 Cấu trúc hóa học và ứng dụng của chất kết dính Geopolymer

Geopolymer là một trong các hợp chất polymer vô cơ Thành phần hóa học của vật liệu geopolymer tương tự như các vật liệu zeolite tự nhiên, nhưng vi cấu trúc là vô định hình [72, 103]

Davidovits cho rằng bộ xương cấu trúc của geopolymer này là “poly-sialate” Poly

là nhiều và sialate là viết tắt của silico-oxo-aluminate Các mạng poly-sialate là một khung bao gồm các cấu trúc ba chiều rất cứng chắc của  4

4

4

AlO ở dạng tứ diện liên kết theo mọi hướng bằng cách chia sẻ các nguyên tử oxy với các mức độ khác nhau để thay thế aluminat (nhôm ở dạng oxit) [40] Các ion dương (cation) phải có mặt

để trung hòa điện tích âm của các đơn vị tứ diện  5

Các mức độ thay thế aluminat khác nhau sẽ tạo ra các cấu trúc phân tử geopolymer khác nhau Tỷ lệ nguyên tử Si:Al trong cấu trúc sialate sẽ xác định các tính chất và định hướng ứng dụng của geopolymer [37]

Bảng 1.1: Các dạng cấu trúc phân tử và ứng dụng của geopolymer [37, 38]:

200oC-600oC,

- Vật liệu chịu lửa

1.2.4 Cơ chế phản ứng Geopolymer hóa

Quá trình geopolymer hóa liên quan đến một phản ứng hóa học xảy ra nhanh giữa các oxit aluminosilicat và các silicat khác nhau trong điều kiện kiềm mạnh Đó là một phản ứng tỏa nhiệt Sự hình thành vật liệu geopolymer có thể được mô tả từ các phương trình 1.2 và 1.3 [40]

Các phương trình 1.2 và 1.3 cho thấy, nước là một trong những sản phẩm cuối cùng của quá trình geopolymer hóa Nước bị loại khỏi chất kết dính geopolymer trong suốt quá trình bảo dưỡng và trong suốt thời kỳ hóa rắn và để lại các lỗ rỗng nhỏ kích thước nano không liên tục trong chất kết dính [52] Hardjito và Rangan còn cho rằng nước trong hỗn hợp geopolymer không có vai trò trong quá trình geopolymer hóa Do

đó, nước không có vai trò trong khi phản ứng hóa học diễn ra, trái ngược với phản ứng hóa học của nước trong hỗn hợp bê tông xi măng, nó chỉ đơn thuần làm tăng tính công tác của hỗn hợp [52]

Hình 1.3: Phương trình phản ứng geopolymer hóa [40]

Cơ chế động học của phản ứng geopolymer hóa chịu ảnh hưởng của ít nhất ba yếu

tố sau [89]:

 Thành phần của aluminosilicat và các khoáng chất bao gồm lượng SiO2 và

Al2O3 vô định hình trong nguyên liệu, tỷ lệ hòa tan của SiO2 và Al2O3, các tính chất vật lý của nguyên liệu và các tạp chất

 Loại và nồng độ của dung dịch kích hoạt, liên quan đến hàm lượng silicat (SiO2/M2O), loại Cation kim loại kiềm, nồng độ của dung dịch kiềm (tỷ lệ

H2O/M2O) và hàm lượng nước (tỷ lệ nước/chất kết dính)

 Điều kiện bảo dưỡng, ghi nhận tác động của nhiệt độ, thời gian và độ ẩm trong suốt quá trình bảo dưỡng nhiệt

Duxson đã tổng kết các bước của quá trình geopolymer hóa như Hình 1.4 [42] Ông mô tả cơ chế phản ứng ở dạng đơn giản hóa cao cho quá trình geopolymer hóa Ông phác thảo các quy trình quan trọng xảy ra trong quá trình chuyển đổi nguyên liệu aluminosilicat ở dạng bột rắn thành dạng tổng hợp kiềm aluminosilicat Phần lớn các quá trình này xảy ra đồng thời Hòa tan nguyên liệu aluminosilicat rắn bằng cách kiềm thủy phân (tiêu tốn nước) để tạo ra các dạng aluminat và silicat trong quá trình tổng hợp geopolymer Mặc dù vậy, quá trình chuyển đổi thực tế từ hạt thành gel cũng chưa được khẳng định trong những môi trường có tính kiềm cao và trong điều kiện hòa tan kém của quá trình tổng hợp geopolymer nhưng sự hòa tan trên bề mặt sẽ được giả định trong mô hình cơ học đơn giản đó [42]

Hình 1.4: Mô hình lý thuyết của quá trình geopolymer hóa [42]

Nghiên cứu của Xu khẳng định rằng, khi nguyên liệu aluminosilicat rắn tiếp xúc với dung dịch kiềm thì sự khử nguyên tử Al và Si trong nguyên liệu bắt đầu Mức độ khử kiềm phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch kiềm, loại dung dịch kiềm, tốc độ trộn

và cấu trúc thành phần của nguyên liệu aluminosilicat Vật liệu aluminosilicat có mức

độ hòa tan cao hơn khi tăng nồng độ của dung dịch kiềm, và khả năng hòa tan trong dung dịch NaOH là tốt hơn so với dung dịch KOH [103]

Sau khi được khử ra từ bề mặt của nguyên liệu aluminosilicat, nguyên tử Al và

Si được dịch chuyển và khuyếch tán vào trong pha gel, làm giảm nồng độ của các nguyên

tử Al và Si trên bề mặt nguyên liệu aluminosilicat, và do đó, kích thích phản ứng khử kiềm hơn nữa của các nguyên tử Al và Si [102] Trong bước khuyếch tán, thời gian và cường độ trộn là các yếu tố chi phối Một khoảng thời gian dài khử kiềm và cường độ trộn mạnh hơn có thể phát huy tối đa khả năng hòa tan nguyên tử Al và Si trên bề mặt

và thúc đẩy sự khuyếch tán của các nguyên tử Al và Si Trong quá trình cứng hóa, không

có chuyển động rõ ràng của các hạt [102]

1.2.5 Dung dịch kiềm kích hoạt

Bất kỳ dung dịch kiềm mạnh nào cũng có thể được sử dụng để làm chất kích hoạt cho việc tạo ra geopolymers Alonso và Palomo đã từng sử dụng Ca(OH)2 để tạo ra geopolymer [21] Davidovits cho rằng, từ xa xưa, các kim tự tháp được xây dựng bằng cách sử dụng tro bụi núi lửa làm nguyên liệu và dung dịch Ca(OH)2 làm chất kích hoạt [40] Hiện nay, các dung dịch kiềm kích hoạt thường được sử dụng phổ biến nhất là NaOH hoặc KOH kết hợp với Na2SiO3 hoặc K2SiO3

Các dung dịch kiềm đóng vai trò quan trọng trong quá trình geopolymer hóa Fernández-Jiménez và Palomo đã nghiên cứu ba loại dung dịch kiềm của Natri trong quá trình geopolymer hóa Ba dung dịch kiềm này là NaOH, Na2CO3 và Na2SiO3 Kết quả cho thấy, geopolymer được sản xuất bằng cách sử dụng NaOH cho cường độ nén cao nhất, sau đó là dung dịch Na2SiO3 Hàm lượng Na2O trong hỗn hợp geopolymer có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ cơ học của geopolymer Hàm lượng Na2O cao hơn tương ứng với cường độ nén cao hơn Sự hiện diện của silic hòa tan trong dung dịch kích hoạt cũng ảnh hưởng đến sự phát triển của cường độ [46]

Trong một nghiên cứu khác, Palomo và cộng sự cũng chứng minh rằng khi dung dịch kiềm có chứa silic hòa tan như dung dịch Natri silicat (Na2SiO3) hoặc Kali silicat (K2SiO3), thì phản ứng geopolymer hóa xảy ra ở một tỷ lệ cao hơn so với khi chỉ có hydroxit kiềm được sử dụng để kích hoạt [71] Điều này đã được xác nhận bởi Xu và Van Deventer, trong việc bổ xung dung dịch natri silicat với dung dịch natri hydroxit, tạo thành dung dịch kiềm kích hoạt, giúp tăng cường sự hình thành của tiền chất geopolymer khi có tiếp xúc của khoáng chất với dung dịch kích hoạt [103] Fernández-Jimenez cũng cho thấy sự hiện diện của silic hòa tan trong dung dịch kiềm dẫn đến một

sự cải thiện đáng kể về độ bền cơ học của geopolymer Điều này là do sự hiện diện của silic hòa tan trong dung dịch làm tăng tỷ trọng của hồ, nhưng làm giảm tính công tác của nó [44]

Khối lượng kiềm kích hoạt trong hỗn hợp cũng ảnh hưởng đến cường độ của geopolymer Xie và Xi đã nghiên cứu các thuộc tính của kiềm kích hoạt tro bay, cho rằng cường độ cao hơn có thể đạt được bằng cách tăng tỉ lệ của tổng lượng dung dịch kích hoạt với tro bay [101]

Ngoài khối lượng chất kích hoạt kiềm thêm vào thì sử dụng chất kích hoạt có tính kiềm mạnh như NaOH hay KOH cũng là cần thiết cho quá trình geopolymer hóa Tăng nồng độ mol của dung dịch kiềm sẽ tạo ra sự hòa tan lớn hơn của nguyên liệu [77, 103, 104] Kết quả là cường độ nén của geopolymer sẽ tăng lên cùng với việc tăng nồng độ mol của dung dịch kiềm Fernández-Jimenez kết luận rằng sử dụng NaOH 12,5M mang

lại cường độ nén cao hơn khi sử dụng NaOH 8M [44] Tuy nhiên, nồng độ kiềm cao quá cũng được gợi ý là làm giảm cường độ của geopolymer Palomo đã kết luận rằng hồ geopolymer được tạo ra bởi KOH 12M có kết quả kích hoạt nhanh hơn và cường độ nén cao hơn so với hồ geopolymer được tạo ra bởi KOH 18M [72] Lý do cho ứng xử này vẫn chưa được làm rõ

1.2.6 Nguyên liệu chế tạo nên vật liệu geopolymer

1.2.6.1 Nguyên liệu alumino-silicat

Bất kỳ nguyên liệu nào chứa oxit silic và oxit nhôm ở dạng vô định hình đều có thể được sử dụng để tạo ra geopolymer Các nghiên cứu cho đến nay đã sử dụng những nguyên liệu chính, như sau [93]:

6 Hỗn hợp tro bay và metakaolanh;

Trong tất cả các nguyên liệu aluminosilicat, Barbosa cho biết geopolymer được tạo thành từ các nguyên liệu nung như metakaolanh, tro bay và xỉ có cường độ nén cao hơn khi so sánh với việc tổng hợp chúng từ các vật liệu không nung như đất sét, kao lanh và các khoáng tự nhiên [26]

Trạng thái của nguyên liệu sẽ ảnh hưởng đến tỷ lệ hòa tan trong môi trường kiềm Nguyên liệu ở dạng tinh thể sẽ tan chậm hơn so với nguyên liệu ở dạng vô định hình Các nguyên liệu aluminosilicat thường sử dụng và một số thông tin về thành phần của chúng được thể hiện trong Bảng 1.2

Bảng 1.2: Nguyên liệu aluminosilicat phổ biến cho việc tổng hợp geopolymer [83]

Metakaolanh SiO2 + Al2O3 = 80-99%

Tro bay loại C SiO2 + Al2O3 = 30-50%

Si:Al = 1-10

Lượng CaO thường > 10%, Oxit sắt, thạch anh, mullite, than chưa cháy <6%

Tro bay loại F SiO2 + Al2O3 = 30-70%

Metakaolanh được đánh giá là nguyên liệu rất tinh khiết của nhôm và silic ở dạng

vô định hình và rất thích hợp cho việc geopolymer hóa Vật liệu metakaolanh được coi

là lý tưởng cho các nghiên cứu cơ bản về geopolymer Metakaolanh là sản phẩm thu được từ việc nung cao lanh, đất sét ở nhiệt độ khoảng 700oC sau thời gian khoảng 24 giờ Vì vậy, ứng dụng thương mại của geopolymer dựa trên metakaolanh thường bị hạn chế bởi chi phí tăng cao khi nung cao lanh Cấu trúc tinh thể của metakaolanh dạng tấm dẹt nên cần nhiều nước hơn so với các nguyên liệu aluminosilicat khác khi chế tạo geopolymer [56] Điều này làm tăng độ xốp và khiến cho sản phẩm geopolymer thu được trở nên quá mềm, giảm chất lượng khi ứng dụng trong xây dựng Mặc dù vậy, geopolymer metakaolanh vẫn còn quan trọng cho các ứng dụng như vật liệu chất dính kết, sơn phủ và hydroceramic

Khoáng xỉ lò cao là một phụ phẩm của ngành công nghiệp sản xuất thép Nó thường chứa nhôm và silic dạng kết tinh Trạng thái cấu trúc của xỉ tương tự tro bay Xỉ

lò cao thường được sử dụng để phản ứng với nguyên liệu có chứa ion canxi (thường là CaO hoặc Ca(OH)2) để tạo thành geopolymer ở nhiệt độ thường Điều này làm cho geopolymer xỉ có thể được bảo dưỡng ngay ở nhiệt độ thường

Xỉ lò cao thường có thành phần hóa học phức tạp, không đồng nhất Kích thước hạt xỉ thường lớn cho nên phải tốn chi phí nghiền nếu muốn sử dụng Điều này làm cho giá thành của geopolymer xỉ lên cao Việc sử dụng xỉ làm nguyên liệu geopolymer sẽ gặp nhiều khó khăn do các nguyên nhân kể trên

Tro bụi núi lửa có thành phần hóa học rất phức tạp, nhiều ô xít sắt Vì vậy không phù hợp cho việc tổng hợp geopolymer trong lĩnh vực xây dựng

1.2.6.2 Tro bay

Tro bay là một loại phế phẩm của các nhà máy nhiệt điện, là một khoáng chất mịn còn lại khi đốt nhiên liệu than đá hoặc khí gas Tuy nhiên, khối lượng tro bay đến nay

chủ yếu là từ các nhà máy nhiệt điện chạy than Quá trình đốt cháy đã biến vật chất này thành dạng cấu trúc tinh thể hoặc vô định hình Tính chất vật lý và hóa học của các hạt tro bay thường khác nhau, phụ thuộc vào các khoáng chất có trong than nhiên liệu, cơ chế đốt và công nghệ làm mát sau khi đốt Nhiệt độ cao và làm mát nhanh những hạt tro bay trong khí thải của nhà máy điện đốt than làm cho chúng kết hợp lại thành dạng hình cầu Một số hạt tích tụ hoặc vón cục lại với nhau tạo nên độ rỗng hoặc xốp và gây nên

sự trương nở về thể tích Kích thước hạt tro bay từ 0.5 m đến 100 m và thường trên 75% các hạt tro lọt qua sàng 45 m

Hình 1.5: Hình ảnh của hạt tro bay loại F

A- Điển hình tro bay hình cầu B- Cắt ngang hạt tro bay hình cầu rỗng

Tro bay là nguyên liệu rất thích hợp cho geopolymer vì nó có chứa tinh thể aluminosilicat hoạt tính có kích thước hạt mịn, có lợi cho phản ứng hóa học Điều này làm cho tro bay trở nên lý tưởng để thay thế metakaolanh do giảm được chi phí vật liệu đầu vào Đồng thời, tro bay cũng là nguyên liệu phổ biến trên toàn thế giới do sự phát triển của ngành công nghiệp nhiệt điện, nhất là nhiệt điện chạy than Geopolymer tro bay có tiềm năng thương mại rất lớn do tính kinh tế và đặc điểm vật chất của chúng

Có hai nhóm tro bay sử dụng làm geopolymer như sau:

Bảng 1.3: Phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C618-03

Tro bay loại F

ít canxi

Là tro bay loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618-03 [33];

Lượng CaO ít hơn 10%;

Thường được sản xuất từ than antraxit và than bitum

Tro bay loại C

nhiều canxi

Là tro bay loại C theo tiêu chuẩn ASTM C618-03 [33]; Lượng CaO nhiều hơn 10%;

Thường được sản xuất từ than non hoặc than á bitum

Fernández-Jiménez và Palomo đã nghiên cứu nhiều loại tro bay và xác định sự phù hợp của chúng khi làm nguyên liệu cho geopolymer Kết quả thu được trong nghiên cứu này cho thấy hầu hết các tro bay loại F ít can xi đều nhạy cảm với chất kích hoạt kiềm

để tạo ra một vật liệu có đặc tính kết dính tốt Ngoài ra, để tạo ra một chất kết dính tối

ưu, thì tro bay nên có các đặc điểm như [45]:

 Tỷ lệ vật liệu chưa cháy nên thấp hơn 5%;

 Hàm lượng Fe2O3 không cao hơn 10%;

 Hàm lượng CaO thấp;

 Hàm lượng silic phản ứng Si2O3 trong khoảng 40%-50%;

 Tỷ lệ các hạt tro bay có kích thước nhỏ hơn 45 m nên là 80-90%

Cả hai loại tro bay trên đều phù hợp cho sản xuất geopolymer Tuy nhiên, tro bay loại F ít canxi là nguyên liệu được ưa thích hơn so với tro bay loại C nhiều canxi Rangan

đã sản xuất ra bê tông geopolymer tro bay với cường độ nén hơn 80MPa [80]

1.2.6.3 Sản lượng tro bay trên thế giới và ở Việt Nam

Hiện nay ở Trung Quốc và Ấn Độ, hơn 300 triệu tấn tro bay được tạo ra mỗi năm [67] Trong khi đó, đến năm 1998 chưa đến 20 triệu tấn tro bay được sử dụng [63] Tại Hoa Kỳ, hơn một nửa lượng điện được tạo ra từ than đá, và khoảng 64 triệu tấn tro bay được tạo ra từ các nhà máy điện trong năm 2004 nhưng chỉ có 25 triệu tấn tro bay đã được sử dụng [19] Ở Úc, than đá cung cấp 78% lượng điện quốc gia và có khoảng 11 triệu tấn tro bay được tạo ra mỗi năm nhưng chỉ có 32% được đưa vào các hoạt động có lợi [53] Với dân số thế giới đang bùng nổ, nhu cầu về năng lượng điện sẽ nhanh chóng gia tăng, khi mà các nguồn năng lượng “xanh” chưa có nhiều thì rõ ràng, lượng tro bay vẫn sẽ tăng lên nhiều trong tương lai

Hiện nay, một phần rất ít tro bay được sử dụng trong các ngành công nghiệp xi măng và bê tông, các ứng dụng địa kỹ thuật, ứng dụng khai thác mỏ và các ngành công nông nghiệp [19, 53] Phần tro bay chưa được sử dụng còn lại đang được đổ vào các bãi chôn lấp hoặc xả một cách trực tiếp vào các đại dương [63] Do đó, các vật liệu có giá trị tiềm năng này không chỉ lãng phí, mà còn làm tổn hại đến môi trường

Tại Việt Nam, hiện có 19 nhà máy nhiệt điện và nhiều nhà máy sản xuất hóa chất, phân bón, luyện thép đang hoạt động, trong đó có 10 nhà máy sử dụng công nghệ đốt than phun, 9 nhà máy sử dụng công nghệ đốt tầng sôi Hàng năm, các nhà máy này thải

ra môi trường khoảng 11 triệu tấn tro, 5 triệu tấn xỉ đáy lò và khoảng 4 triệu tấn bã thạch cao Theo quy hoạch đến năm 2020, cả nước sẽ có thêm nhiều nhà máy nhiệt điện chạy than và nhiều cơ sở sản xuất phân bón Dự kiến, hàng năm các nhà máy trên phát thải

30 - 40 triệu tấn phế thải trong đó, 80% là tro bay và 20% là tro xỉ, do đó cần khoảng

600 nghìn ha diện tích đất dành cho bãi thải, như vậy là cứ 4 năm thì sẽ mất diện tích đất của một xã trung bình [9]

Hình 1.6: Bãi thải tro bay nhiệt điện

Một số dây chuyền thu hồi chế biến tro bay ở nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Cao Ngạn… nhưng công suất còn rất nhỏ so với lượng tro thải ra Sản phẩm đã được cung cấp cho các công trình thủy điện Sơn La, Bản Chát, Lai Châu và các nhà máy bê tông trong nước Có thể còn phụ thuộc vào công nghệ và năng lực của các nhà máy chế biến tro bay nhưng nếu như thay thế 10% lượng xi măng sử dụng bằng tro bay trong bê tông thì cũng không thể tiêu thụ hết lượng tro bay nhiệt điện thải ra của nước ta Hầu hết lượng tro xỉ đổ thẳng ra các hồ chôn lấp Nếu không được xử lý triệt để, lượng tro xỉ này

sẽ gây ảnh hưởng lớn đến môi trường sống

Geopolymer là một chất kết dính có thể thay thế xi măng trong bê tông Việc sử dụng bê tông từ geopolymer tro bay sẽ giải quyết hai vấn đề: giảm lượng tiêu thụ xi măng poóclăng, và tận dụng được chất thải tro bay, góp phần rất lớn cho việc bảo vệ môi trường sống của chúng ta

1.2.7 Geopolymer tro bay

Hình 1.7: Mô hình kích hoạt kiềm của tro bay [46]

Geopolymer tro bay là sản phẩm của phản ứng kiềm kích hoạt tro bay Jimenez đã đề xuất mô hình cho việc hòa tan của một số loại hạt tro bay trong môi trường kiềm như Hình 1.7 Việc kích hoạt tro bay và tỷ lệ hòa tan phụ thuộc rất nhiều

Fernandez-vào độ PH của dung dịch kích hoạt và một số điều kiện khác [46] Hình ảnh hạt tro bay phản ứng với dung dịch kiềm được thể hiện trên Hình 1.8

Hình 1.8: Vi cấu trúc của hạt tro bay phản ứng [46]

Quá trình kiềm kích hoạt tro bay trải qua các bước như sau [46]:

(a) Tro bay hình cầu khi bắt đầu quá trình hòa tan khi đã có một phần nhỏ của vỏ hòa tan (b) Chi tiết về sự tác động hai chiều của dung dịch kiềm trên mặt tro bay hình cầu Việc hòa tan bên ngoài vẫn tiếp tục diễn ra, trong khi dung dịch kiềm đã thâm nhập vào bên trong quả cầu tro bay và bắt đầu hòa tan từ trong ra ngoài Do đó, sản phẩm của phản ứng (gel aluminosilicat) gây ra cả ở bên trong và bên ngoài của quả cầu tro bay Khi các sản phẩm phản ứng tạo thành bên trong hạt tro bay nhiều có thể sẽ ngăn chặn dung dịch kiềm thâm nhập để tiếp tục phản ứng với các hạt nhỏ bên trong để chúng không phản ứng sau quá trình hòa tan

(c) Hạt tro bay gần như hòa tan hoàn toàn, sự phát triển của lỗ rỗng và vi cấu trúc của geopolymer tro bay được tạo ra trong giai đoạn này

(d) Geopolymer tro bay điển hình với một loạt các hạt đã hòa tan hoàn toàn, một phần các hạt không tan nằm lại trong gel geopolymer

(e) Quá trình hòa tan không đồng nhất trong gel và các biến thể có thể xảy ra do thay đổi cục bộ về độ PH của dung dịch kích hoạt và kích thước hạt tro

Đây là mô hình khái niệm đơn giản dựa trên hình ảnh về sự phát triển vi cấu trúc theo thời gian Chất kết dính được hình thành là kết quả của kiềm kích hoạt tro bay [46]

1.3 Nghiên cứu về bê tông Geopolymer tro bay trên thế giới

1.3.1 Khái niệm cơ bản về bê tông geopolymer tro bay

Bê tông geopolymer tro bay được nghiên cứu rộng rãi nhất của các sản phẩm bê tông geopolymer nói chung, phần lớn là do những lợi thế về môi trường, sự phong phú của tro bay, kích thước hạt mịn, và hàm lượng silic và nhôm trong tro bay cao

Thành phần chính của bê tông geopolymer tro bay gồm:

 Nguyên liệu geopolymer là tro bay;

 Dung dịch kiềm kích hoạt

 Cốt liệu bao gồm cốt liệu thô (đá dăm, sỏi) và cốt liệu mịn (cát);

Như vậy, bê tông geopolymer tro bay được xem tương tự với bê tông xi măng

Hồ xi măng trong bê tông thông thường sẽ được thay bằng hỗn hợp của tro bay và dung dịch kiềm kích hoạt Các thành phần cốt liệu của bê tông xi măng được giữ nguyên trong

bê tông geopolymer [79]

Bê tông geopolymer tro bay là một loại vật liệu mới (hoàn toàn không có xi măng poóclăng), phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp truyền thống của bê tông xi măng thường không thể áp dụng trực tiếp Việc xây dựng công thức của các hỗn hợp bê tông geopolymer đòi hỏi rất nhiều các nghiên cứu có hệ thống về các vật liệu có sẵn Tuy nhiên, khái niệm cơ bản liên quan đến sự lèn chặt các hạt, tính lưu biến của hỗn hợp tươi…có thể được sử dụng một cách thận trọng trong việc phát triển hỗn hợp bê tông geopolymer [79]

1.3.2 Thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay

Đã có một số nghiên cứu thiết kế chế tạo hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay, nhưng rất ít nghiên cứu được tiến hành trên các quy trình thiết kế hỗn hợp tương tự như OPC có thể phù hợp với loại bê tông mới này Năm 2008, B V Rangan đã đề xuất phương pháp thiết kế cấp phối cho GPC dựa trên nhiều năm nghiên cứu của ông [82] Nội dung chính của phương pháp thiết kế GPC do Rangan đề xuất như sau:

1.3.2.1 Xác định mục tiêu thiết kế hỗn hợp

Sự khác biệt chính giữa bê tông geopolymer và bê tông xi măng là ở chất kết dính Các oxit silic và oxit nhôm trong tro bay phản ứng với dung dịch kiềm kích hoạt tạo thành hồ nhão để liên kết các hạt cốt liệu thô, mịn và các vật liệu không phản ứng rời rạc khác với nhau để tạo thành bê tông geopolymer tro bay Như trong trường hợp của

bê tông xi măng, cốt liệu thô và cốt liệu mịn chiếm khoảng 75-80% khối lượng của bê tông geopolymer Thành phần này của bê tông geopolymer có thể được thiết kế bằng cách sử dụng các quy trình sẵn có áp dụng cho bê tông xi măng Cường độ nén và tính công tác của GPC bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ và tính chất của thành phần các nguyên liệu tạo nên chất kết dính geopolymer Kết quả thực nghiệm của Hardjito và Rangan chỉ ra như sau [52]:

 Nồng độ mol của dung dịch NaOH cao hơn sẽ cho cường độ nén của GPC cao hơn

 Tỷ lệ khối lượng dung dịch natri silicat với dung dịch natri hydroxit cao hơn sẽ

cho cường độ chịu nén của GPC cao hơn

 Độ sụt của hỗn hợp GPC tươi tăng khi thành phần nước trong hỗn hợp tăng

 Việc bổ xung siêu dẻo có thể cải thiện tính công tác của GPC tươi, tuy nhiên sẽ

có sự sụt giảm cường độ của bê tông cứng

 Khi tỷ lệ mol H2O/Na2O tăng, thì cường độ nén của GPC giảm

Như vậy, tác động của các tham số khác nhau đến cường độ chịu nén và tính công

tác của hỗn hợp bê tông geopolymer là rất phức tạp Quá trình thiết kế hỗn hợp GPC

được thực hiện trên một phạm vi rộng của các yếu tố ảnh hưởng và thường phải dựa trên

các tiêu chí chất lượng Các tiêu chí này lại phụ thuộc vào mục đích ứng dụng của bê

tông Để đơn giản, thì hàm mục tiêu khi thiết kế là cường độ nén, có xét đến tính công

tác phù hợp cho các ứng dụng

Đối với bê tông xi măng thì xác định tỷ lệ nước/ xi măng là việc phải xem xét

chính duy nhất cho cường độ và tính công tác; còn đối với bê tông geopolymer tro bay

thì nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng và các yếu tố này tương tác qua lại với nhau

một cách phức tạp và tương đối rõ

1.3.2.2 Tỷ lệ nước/ chất rắn geopolymer (W/GPS)

Để hỗ trợ cho việc thiết kế hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay ít canxi thì tham

số đầu tiên là tỷ lệ nước/chất rắn geopolymer (W/GPS) theo khối lượng đã được các nhà

khoa học đưa ra [82], và hiện nay đang được sử dụng bởi hầu hết các nghiên cứu về hỗn

hợp bê tông geopolymer Trong đó, khối lượng nước ở đây bao gồm nước trong dung

dịch Na2SiO3, trong dung dịch NaOH và lượng nước thêm vào hỗn hợp bê tông để cải

thiện tính công tác nếu có Khối lượng các chất rắn geopolymer là tổng của khối lượng

tro bay, khối lượng chất rắn natri hydroxit và khối lượng chất rắn trong dung dịch natri

silicat (gồm Na2O và SiO2) Đây được coi là chỉ số quan trọng đầu tiên cần phải xét đến,

tương tự như tỉ lệ nước/ xi măng trong bê tông xi măng

Hình 1.9: Ảnh hưởng của tỷ lệ W/GPS đến cường độ chịu nén của GPC [52]

Hardjito và Rangan đã tiến hành các thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của tỷ lệ W/GPS theo khối lượng đến cường độ nén và tính công tác của bê tông geopolymer Tất

cả các mẫu được bảo dưỡng nhiệt trong 24 giờ Kết quả như trên Hình 1.9, cho thấy cường độ nén giảm và tính công tác tăng khi tỷ lệ này tăng [52] Xu hướng này là tương

tự như ảnh hưởng của tỷ lệ nước/xi măng đến cường độ chịu nén của bê tông xi măng Rangan đã đề xuất tỷ lệ W/GPS cho thiết kế thành phần GPC như Bảng 1.4 [82]:

Bảng 1.4: Dữ liệu cho thiết kế hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay ít canxi [82]:

1.3.2.3 Tỷ lệ dung dịch kiềm kích hoạt với tro bay theo khối lượng (AAS/FA)

Đây là chỉ số quan trọng thứ hai để thiết kế hỗn hợp bê tông geopolymer Có một

sự liên hệ giữa tỷ lệ W/GPS và tỷ lệ AAS/FA như trong Bảng 1.5

Bảng 1.5: Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ AAS/FA [82]

Tỷ lệ khối lượng AAS/FA Tỷ lệ W/GPS Tính công tác Cường độ thiết kế (MPa)

1.3.2.4 Tỷ lệ Natri silicat với Natri hydroxit

Đây là chỉ số quan trọng thứ ba vì nó quyết định các tính chất của dung dịch kiềm kích hoạt Nghiên cứu của Rangan cho thấy tỷ lệ này tốt nhất là 2,5 Khi tỷ lệ này tăng lên thì cũng không tăng đáng kể cường độ nén [52] Tỷ lệ này đã được giữ cũng bởi NaOH đắt hơn so với Na2SiO3 Giá trị tỷ lệ 2,5 cho kết quả tối ưu nhất cả về cường độ nén và giá thành của dung dịch kích hoạt

1.3.2.5 Cốt liệu

Chức năng của các cốt liệu trong bê tông geopolymer được cho là giống như trong

bê tông xi măng Chất kết dính geopolymer liên kết các hạt cốt liệu lại trong khi bảo dưỡng, tạo ra cường độ và ổn định khối lượng cho GPC

Nghiên cứu của Lee và Van Deventer cho thấy mặt tiếp xúc giữa chất kết dính và cốt liệu trong vữa và bê tông geopolymer là bền chắn hơn so với vữa và bê tông xi măng [60] Đối với bê tông xi măng poóclăng thông thường thì vùng chuyển tiếp giữa hồ xi măng và cốt liệu có cấu trúc kết tinh, rỗng nhiều hơn, có các mặt nứt, vết nứt và cường

độ nhỏ hơn vùng hồ [15] Chiều dày của lớp chuyển tiếp này là từ 20-100m Đối với

bê tông geopolymer tro bay, đặc điểm của ranh giới giữa chất kết dính geopolymer và cốt liệu là không có vùng chuyển tiếp Điều này trái ngược với bê tông xi măng poóclăng (Hình 1.10) [48] Do vậy, bê tông geopolymer tro bay có thể có tính chất cơ học cao hơn

và độ bền tốt hơn bê tông xi măng thông thường

Hình 1.10: Ranh giới giữa chất kết dính và cốt liệu trong GPC (a), (b) và OPC (c) [48]

Sự ảnh hưởng của cốt liệu, về mặt cấp phối, hình dạng và cường độ được coi như tương tự trong trường hợp bê tông xi măng Cốt liệu thô và cốt liệu mịn sử dụng trong sản xuất bê tông xi măng cũng được sử dụng một cách tương tự cho bê tông geopolymer Khối lượng của cốt liệu có thể lấy trong khoảng 75-80% khối lượng của bê tông geopolymer [82] Mô đun độ mịn kết hợp tốt nhất của các cốt liệu là 5,0 để cho phép tương tác và kết dính tối đa với dung dịch hồ chất kết dính geopolymer [84]

1.3.3 Công nghệ chế tạo và thi công bê tông geopolymer tro bay

1.3.3.1 Công tác trộn, đổ khuôn và đầm nén

Bê tông geopolymer tro bay có thể được sản xuất bằng cách áp dụng các kỹ thuật thông thường được sử dụng trong sản xuất bê tông xi măng Trong phòng thí nghiệm, các cốt liệu và tro bay được trộn khô với nhau trong máy trộn cưỡng bức trong khoảng

3 phút Dung dịch kiềm kích hoạt được trộn với phụ gia siêu dẻo và nước thêm vào, nếu

có Dung dịch sau đó được đổ vào nguyên liệu khô và tiếp tục trộn trong 4 phút nữa Thời gian thi công của bê tông tươi có thể lên đến 120 phút mà không có bất kỳ sự suy giảm cường độ nén Bê tông tươi có thể được đúc, đầm nén bằng các phương pháp thông thường của bê tông xi măng [52, 84, 92] Cường độ nén và độ rỗng của bê tông geopolymer cũng phụ thuộc vào thời gian trộn Khi thời gian trộn tăng lên thì cường độ chịu nén của bê tông geopolymer tăng lên cùng với một sự mất mát nhỏ của tính công tác của bê tông tươi [52]

1.3.3.2 Công tác bảo dưỡng

Bê tông geopolymer tro bay có thể được bảo dưỡng ở điều kiện thường như bê tông xi măng Tuy nhiên, bảo dưỡng nhiệt thường được khuyến cáo sử dụng Nhiệt độ bảo dưỡng hỗ trợ đáng kể cho các phản ứng hóa học xảy ra trong chất kết dính geopolymer Các nghiên cứu trước đây đã chủ yếu sử dụng nhiệt độ bảo dưỡng từ nhiệt

độ phòng đến khoảng 90oC và thời gian bảo dưỡng từ 1-24 giờ Kết quả cho thấy, cả hai yếu tố thời gian và nhiệt độ bảo dưỡng đều ảnh hưởng đến cường độ nén của bê tông geopolymer [52]

Ảnh hưởng của nhiệt độ bảo dưỡng đến cường độ của bê tông geopolymer tro bay được mô tả trên Hình 1.11 [52] Nhiệt độ bảo dưỡng cao hơn sẽ dẫn đến cường độ nén cao hơn [72] Tuy nhiên, việc tăng nhiệt độ bảo dưỡng quá 60oC không làm tăng đáng

kể cường độ nén [52]

Bảo dưỡng nhiệt có thể được tiến hành bằng hai cách là bảo dưỡng khô hoặc bảo dưỡng hơi nước Kết quả thử nghiệm của Hardjito và Rangan cho thấy cường độ của bê tông geopolymer tro bay được bảo dưỡng khô (hỗn hợp 1) lớn hơn khoảng 15% so với bảo dưỡng bằng hơi nước (hỗn hợp 2) [52]

Hình 1.11: Ảnh hưởng của chế độ bảo dưỡng đến cường độ nén của GPC [52]Ảnh hưởng của thời gian bảo dưỡng đến cường độ nén của mẫu bê tông geopolymer được thể hiện trên Hình 1.12 Các mẫu GPC được bảo dưỡng trong lò khô

ở nhiệt độ 60oC Thời gian bảo dưỡng dài hơn sẽ làm tăng quá trình geopolymer hóa và cường độ nén sẽ tăng cao hơn Cường độ của bê tông geopolymer tăng nhanh trong khoảng 24 giờ đầu bảo dưỡng Sau 24 giờ thì cường độ tăng không mạnh nữa Vì vậy, thời gian dưỡng hộ không cần phải lớn hơn 24 giờ được áp dụng cho các ứng dụng thực

tế [52]

Hình 1.12: Ảnh hưởng của thời gian bảo dưỡng đến cường độ nén của GPC [52]

Để tối ưu hóa việc sử dụng khuôn đúc trong phòng thí nghiệm thì các sản phẩm sau khi đúc nên bảo dưỡng nhiệt trong khoảng 4 giờ đầu Việc bảo dưỡng sau đó dừng lại một thời gian để tiến hành tháo khuôn Sau đó tiếp tục bảo dưỡng nhiệt trong thời gian còn lại theo yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm Hai giai đoạn của chế độ bảo dưỡng nhiệt này không tạo ra bất kỳ sự suy giảm nào về cường độ của sản phẩm [52]

Thời điểm bảo dưỡng nhiệt của bê tông geopolymer có thể bắt đầu sau vài ngày

kể từ khi hoàn thành việc đúc khuôn Các thử nghiệm của Hardjito và Rangan cho thấy các sản phẩm được bắt đầu bảo dưỡng sau 5 ngày kể từ khi đúc khuôn cũng không có bất kỳ sự suy giảm về cường độ mà ngược lại còn làm tăng đáng kể cường độ nén Điều này có thể là do quá trình geopolymer hóa xảy ra trước khi bắt đầu bảo dưỡng nhiệt [52]

Sự linh hoạt trong chế độ bảo dưỡng của bê tông geopolymer tro bay có thể được

áp dụng trong việc sản xuất ra các sản phẩm được sử dụng theo các yêu cầu thực tế

1.3.4 Các tính chất kỹ thuật chủ yếu của bê tông geopolymer tro bay

1.3.4.1 Hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay tươi

Tính công tác hay còn gọi là tính dễ thi công là một tính chất kỹ thuật của hỗn hợp

bê tông tươi [14] Tính công tác của geopolymer được cho là thấp Việc trộn hỗn hợp bột rắn nguyên liệu của geopolymer với dung dịch kiềm gốc natri là khó khăn hơn trộn

xi măng với nước Điều này là do hồ geopolymer có tính dính và độ nhớt cao [95]