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

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

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

Mã số: 62.58.02.05.03

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1: PGS.TS Đào Văn Đông

họp tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải,

vào hồi 8h30 ngày tháng năm 2017

Có thể tìm hiểu Luận án tại thư viện:

1 Thư viện Quốc gia

2 Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề nghiên cứu

Sản xuất xi măng poóclăng được cho là gây ô nhiễm nghiêm trọng do mức độ phát thải khí CO2 và bụi nhiều, tiêu tốn nhiều năng lượng và các nguồn tài nguyên thiên nhiên 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 Chất kết dính mới này được gọi là chất kết dính geopolymer

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 (GPC) Các kết quả nghiên cứu cho thấy GPC 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 cốt thép (RGPC) hiện vẫn chưa được đi sâu nghiên cứu Vì vậy, việc nghiên cứu ứng xử của GPC vào các kết cấu chịu lực, trong đó có kết cấu dầm cầu chịu uốn là cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

• Xác định được thành phần của GPC có thể sử dụng được trong kếtcấu cầu

• Xác định được mô hình cơ học của vật liệu GPC dùng để tính toánchịu uốn kết cấu dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép

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

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết để định hướng và dự kiến kết quả đạt được, dùngthực nghiệm để kiểm chứng

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

• Nêu rõ được bản chất của chất kết dính geopolymer, ưu, nhược điểmcủa GPC 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 cácvật liệu Việt Nam

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

• Đề xuất được phương pháp xác định sức kháng uốn của mặt cắt dầm bêtông geopolymer tro bay cốt thép

• Cung cấp được bằng thực nghiệm khả năng chịu uốn của dầm bê tônggeopolymer 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 thếchất kết dính xi măng poóclăng truyền thống trong sản xuất vật liệu xâydựng ở Việt Nam Trên cơ sở đó góp phần phát triển một thế hệ vật liệuxây 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

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

“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

Thuật ngữ “geopolymer” lần đầu tiên được giới thiệu với thế giới vào năm

1978 bởi nhà khoa học người Pháp Joseph Davidovits 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] 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

Bất kỳ dung dịch kiềm mạnh nào cũng có thể được sử dụng để làm chất kích hoạt cho việc tạo ra geopolymer 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

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 Trong đó, 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] 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 Tuy nhiên, ứng dụng thương mại của geopolymer dựa trên metakaolanh thường bị hạn chế bởi chi phí tăng cao khi nung cao lanh và cường độ sản phẩm tạo ra thấp 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 Việc sử dụng xỉ làm nguyên liệu geopolymer sẽ gặp nhiều khó khăn do các nguyên nhân kể trên

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 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… [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

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 Mô hình của việc hòa tan hạt tro bay trong môi trường kiềm được thể hiện như Hình 1.7 Việc kích hoạt tro bay và tỷ lệ hòa tan phụ thuộc rất nhiều vào độ

PH của dung dịch kích hoạt và một số điều kiện khác [46]

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

1.3.1 Khái niệm 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 Thành phần chính của bê tông geopolymer tro bay gồm:

• Nguyên liệu geopolymer là tro bay (FA);

• Dung dịch kiềm kích hoạt (AAS)

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

1.3.2 Thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay

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] 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 củaGPC cao hơn.

• Tỷ lệ khối lượng dung dịch natri silicat với dung dịch natri hydroxitcao hơn sẽ cho cường độ chịu nén của GPC cao hơn

• Độ sụt của hỗn hợp GPC tươi tăng khi thành phần nước trong hỗnhợp 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.Khi thiết kế bê tông geopolymer tro bay với hàm mục tiêu là cường độ nén, có xét đến tính công tác phù hợp thì có thể dựa theo Bảng 1.5 như sau: Bảng 1.5: Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ AAS/FA [82]

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

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 bao gồm các quá trình trộn, đúc mẫu và đầm nén

Bê tông geopolymer tro bay có thể được bảo dưỡng ở điều kiện thường như OPC Tuy nhiên, bảo dưỡng nhiệt thường được khuyến cáo sử dụng Chế độ bảo dưỡng hiệu quả nhất dành cho GPC là 60oC trong 24 giờ ở lò sấy khô

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

Tính công tác của GPC được cho là thấp Điều này là do hồ geopolymer có tính dính và độ nhớt cao [95] Khối lượng đơn vị của bê tông geopolymer tro bay ở tuổi 28 ngày thường trong khoảng 2360 ± 60 kg/m3 [52]

Mô đun đàn hồi của GPC có giá trị thấp hơn so với OPC có cùng cường độ nén [87] Hệ số Poisson của GPC có cường độ nén tương ứng từ 40 đến 90 MPa nằm trong khoảng từ 0,12-0,16 [52] Cường độ kéo của GPC cao hơn tất cả các giá trị tính toán theo khuyến cáo theo tiêu chuẩn Úc AS3600 và tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2 [90]

Co ngót khô và từ biến của GPC được đánh giá nhỏ hơn nhiều so với bê tông

xi măng [81] GPC có tính bền axit, bền sunfat và bền nhiệt cao [84] Phản ứng kiềm cốt liệu ít hơn bê tông xi măng [14]

1.3.5 Lợi ích khi sử dụng bê tông geopolymer tro bay

Giá của GPC ước tính rẻ hơn OPC khoảng 10%-30% [80] Bê tông geopolymer tro bay có độ co khô ít, từ biến thấp, bền axit và bền sunfat tốt, nên mang lại những lợi ích kinh tế bổ xung do giảm được chi phí vòng đời của dự án Lượng khí CO2 thải ra của GPC thấp hơn 9% so với việc sản xuất

bê tông sử dụng 100% xi măng poóclăng [94]

1.3.6 Sản phẩm thương mại bê tông geopolymer

Công ty Zeobond có trụ sở ở Melbourne đã phát triển nhà máy sản xuất sản phẩm bê tông E-Crete(TM), cho các dự án hạ tầng cơ sở dân dụng lớn bao gồm

dự án mở rộng đường cao tốc và xây dựng, sửa chữa các công trình dân dụng khác Công ty Rocla, đã sản xuất thương mại các cấu kiện bê tông geopolymer đúc sẵn như ống thoát nước, cống hộp, tà vẹt đường sắt, hầm

mộ nghĩa trang…[98] Công ty WAGNERS có trụ sở tại bang Queensland,

đã phát triển sản phẩm bê tông thương mại trộn sẵn EFC (Earth Friendly Concrete),có lượng thí thải cacbon thấp và tiêu thụ ít năng lượng từ năm

2005 EFC sử dụng chất kết dính geopolymer được làm từ hai thải phẩm công nghiệp là tro bay và xỉ lò cao

Hình 1.19: Dầm sàn Tòa nhà

Global Change Institute

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

1.4 Nghiên cứu bê tông Geopolymer tro bay ở Việt Nam

Tại Việt Nam, mới có 1 sản phẩm thương mại duy nhất sử dụng công nghệ geopolymer là gạch đất không nung của công ty Huệ Quang - gạch silicat Các nghiên cứu bê tông geopolymer từ tro bay tại Việt Nam chưa có nhiều PGS.TS Nguyễn Văn Dũng đã nghiên cứu chế tạo GPC từ tro bay, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông geopolymer như môđun silicat, nhiệt độ, thời gian dưỡng hộ và lượng nước trộn [3] PGS TS Nguyễn Văn Chánh đã xác định ảnh hưởng của nhiệt độ bảo dưỡng đến thời gian ninh kết, cường độ nén của GPC GPC có độ bền chống ăn mòn cao đối với cả hai dung dịch axit HCl 5% và H2SO4 10% [34] PGS.TS Đào Văn Đông đã xác định được thành phần, các tính chất cơ học như cường độ nén, kéo, uốn, các tính chất về độ bền trong môi trường biển và chịu nhiệt độ cao của vữa và bê tông geopolymer tro bay [5, 6, 7, 8] TS Lê Anh Tuấn đã thực hiện được một số nghiên cứu về ảnh hưởng của điều kiện gia nhiệt, chất xúc tác sinh nhiệt đến quá trình geopolymer hóa của vữa; ảnh hưởng của tro trấu, silica fume, cốt sợi… đến cường độ của vữa geopolymer [68]

Chương 2: THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG GEOPOLYMER

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

Thành phần của GPC bao gồm cốt liệu thô (đá), cốt liệu mịn (cát), tro bay

và dung dịch kiềm kích hoạt Trong luận án này, tác giả sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm nhằm tìm ra nồng độ mol của dung dịch kiềm kích hoạt và tỷ lệ khối lượng AAS/FA tối ưu dành cho bê tông geopolymer tro bay Hàm mục tiêu lựa chọn là cường độ nén của GPC ở tuổi 28 ngày giống như quan niệm của bê tông truyền thống

2.2 Vật liệu sử dụng

Tro bay sử dụng trong thí nghiệm được mua từ nhà máy tro bay Vina F&C, nguồn lấy từ tro thải của nhiệt điện Phả Lại Thành phần hóa học đạt yêu cầu của tro bay loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618 - 03 [33]

Dung dịch kiềm kích hoạt phải được chuẩn bị bằng cách hòa tan NaOH dạng vảy khô vào nước theo nồng độ yêu cầu, sau đó trộn dung dịch NaOH

và dung dịch Na2SiO3 theo tỷ lệ đã định trước

Cốt liệu lớn được sử dụng cho bê tông thí nghiệm là đá dăm, có nguồn gốc đá bazan, mua từ mỏ đá Hòa Thạch - Hà Nội, được phối trộn lại để thỏa mãn thành phần hạt theo qui định của tiêu chuẩn ASTM C33-99 [29] Cốt liệu nhỏ dùng để chế tạo bê tông thí nghiệm là cát vàng thô có thành phần hạt theo tiêu chuẩn ASTM C136-01 [31]

2.3 Chế tạo mẫu thử bê tông geopolymer tro bay

Trong phòng thí nghiệm, các cốt liệu đá, cát và tro bay được trộn khô với nhau trong máy trộn cưỡng bức trong khoảng 3 phút Dung dịch kiềm kích hoạt được được pha sẵn theo nồng độ và tỷ lệ yêu cầu từ ngày hôm trước Dung dịch sau đó được thêm vào nguyên liệu khô và tiếp tục trộn trong 4 phút nữa Bê tông tươi có thể được đúc, đầm nén bằng phương pháp thông thường của bê tông xi măng [52, 84, 92]

Hình 2.6: Công tác trộn

vật liệu

Hình 2.7: Chế tạo mẫu thử Hình 2.10: Bảo

dưỡng mẫu Lựa chọn chế độ bảo dưỡng mẫu hiệu quả nhất là sấy mẫu ở 60oC trong 24 giờ để đảm bảo cả về cường độ và năng lượng tiêu thụ [52]

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

Do chưa có tiêu chuẩn thiết kế thành phần bê tông nên trong luận án này chọn phương pháp thiết kế thành phần của Rangan [82], kết hợp với phương pháp quy hoạch thực nghiệm Lựa chọn vật liệu thành phần theo kinh nghiệm của Rangan [82] như sau:

• Tro bay Phả Lại, đạt loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618-03 [33]

• Tỷ lệ khối lượng dung dịch 𝑁𝑎2𝑆𝑖𝑂3⁄𝑁𝑎𝑂𝐻 = 2,5;

• Cốt liệu lựa chọn có khối lượng 75% - 80% khối lượng bê tông.Trong phạm vi nghiên cứu, tác giả lựa chọn hai yếu tố ảnh hưởng nhất đến cường độ nén là nồng độ mol của dung dịch kiềm NaOH (biến X1) và tỷ lệ khối lượng dung dịch kiềm kích hoạt/tro bay (AAS/FA - biến X2) như sau:

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

2,5

112,65 45,06

2.5 Lập kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu:

Xây dựng kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu thể hiện trên Hình 2.12:

Thí nghiệm hai

mức đầy đủ

Thí nghiệm dọc trục

Thí nghiệm hỗn hợp tâm xoay

Hình 2.12: Sơ đồ thí nghiệm hỗn hợp tâm

2.6 Phân tích kết quả thí nghiệm

Phương trình hồi quy không mã hóa:

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

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

Xây dựng bảng thành phần cấp phối cho bê tông geopolymer tro bay có các cường độ đặc trưng mong muốn '

đó xác định được thành phần của ba hỗn hợp bê tông geopolymer như sau:

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

Thành phần của hỗn hợp GPC G_30 G_40 G_50 Tro bay (kg) 372,52 375,84 390,35 Cốt liệu lớn (kg)

(Đường kính mm)

2,36-4,75 64,68 64,68 64,68 4,75-9,50 420,42 420,42 420,42 9,50-19,0 743,82 743,82 743,82 19,0-25,0 65,68 65,68 65,68 Cốt liệu nhỏ (kg) 554,0 554,0 554,0 Dung dịch NaOH (kg) 51,28(12 M) 50,33(14 M) 46,18(16 M) Dung dịch Na2SiO3 (kg) 128,20 125,83 115,46

Tỷ lệ Na2SiO3/NaOH 2,5 2,5 2,5

Tỷ lệ AAS/FA 0,4818 0,4687 0,4141 Các mẫu được bảo dưỡng trong lò sấy ở 60oC trong 24 giờ

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

Tiến hành đúc mỗi cấp phối 30 mẫu trụ 15x30 cm để kiểm tra cường độ nén:

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

X1

16 14

14 12 0,50

1 14 16 1

60

) a M ( Y

1 2

Y m à a c t ặ m ề ị h t ồ Đ

Chương 3: XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CHỦ YẾU

VÀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY 3.1 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu là đối với các cấp phối GPC đã thiết kế ở Chương

2, cần phải xác định các tính chất cơ học chủ yếu cũng như độ bền để xét xem nó có đáp ứng được các yêu cầu của một kết cấu chịu lực hay không?

3.2 Kế hoạch thí nghiệm

Bảng 3.1: Số lượng mẫu thí nghiệm các tính chất cơ học stt Nội dung thí nghiệm Số lượng mẫu/1 cấp phối GPC

1 Xác định mô đun đàn hồi 30

2 Xác định cường độ kéo uốn 18

3 Xác định quan hệ ứng suất - biến

4 Xác định ứng xử dính bám với cốt

5 Xác định tính thấm nước 6

3.3 Mô đun đàn hồi và cường độ kéo uốn

Mô đun đàn hồi đặc trưng của bê tông Geopolymer tro bay có giá trị bé hơn so với mô đun đàn hồi tính toán cho bê tông xi măng có cùng cường độ

Cụ thể, thấp hơn 2-14% so với tính toán theo tiêu chuẩn ACI 363-11, và thấp hơn 10-30% so với tính toán theo tiêu chuẩn AASHTO-2007 Tuy nhiên, giá trị mô đun đàn hồi của GPC thu được lại cao hơn so với mô đun đàn hồi của GPC chế tạo ở Australia theo kết quả của Hardjito [51]