1.2.1 Khái niệm về Geopolymer
Hiện nay, đã có những cảnh báo về vấn đề ơ nhiễm mơi trường do rác thải, khí thải và hiện tượng trái đất nóng dần do hệ quả của hiệu ứng nhà kính. Một trong những ngun nhân đóng góp một lượng lớn khí CO2 vào khí quyển là cơng nghiệp sản xuất xi măng truyền thống. Theo ước tính của một số tác giả, sản xuất 1 tấn xi măng pooc lăng đồng nghĩa với việc thải ra 1 tấn khí CO2 từ đá vôi và than đốt. Chính vì vậy, một số nước đã khuyến khích phát triển một loại chất kết dính mới có thể thay thế xi măng pooc lăng truyền thống, đó là xi măng polime hay còn gọi là “Geopolymer - cement”. Bản chất cơ bản của Geopolymer là một polymer vô cơ, đã được các tác giả trên thế giới nghiên cứu từ những năm 70 của thế kỷ XX. Đi từ nguyên liệu thô là những phế thải trong cơng nghiệp như tro bay, xỉ lị, rác thải trong xây dựng,… qua xử lý và phối trộn với phụ gia hoạt tính ở tỉ lệ thích hợp, tạo thành một sản phẩm kết dính có thể thay thế hoàn toàn cho xi măng truyền thống. Về mặt kinh tế, giá thành của 1 tấn tro bay hoặc xỉ lò rẻ hơn nhiều lần so với giá của 1 tấn xi măng. Vì vậy sau khi tính cả giá của dung dịch kiềm kích hoạt thì giá của bê tông geopolymer sẽ thấp hơn khoảng 10-30% so với giá của bê tông xi măng, nên loại vật liệu này có thể cạnh tranh với xi măng pooc lăng đang có trên thị trường.
Về khả năng chịu lực, bê tông geopolymer sử dụng tro bay có thể cho cường độ cao sau khi phản ứng kiềm (20-30 MPa sau 48 giờ).
Về tính bền, bê tơng geopolymer được cho là chịu nhiệt tốt cả trong điều kiện mơi trường thường và khắc nghiệt, có khả năng chịu ăn mịn hóa học cực tốt.
Khả năng gắn kết với cốt thép của bê tông geopolymer đã được nghiên cứu và so sánh là tương đương hoặc cao hơn bê tông xi măng pooc lăng truyền thống.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước
J. Davidovits [1] đã nghiên cứu ra vật liệu geopolymer cùng với các tính chất hóa lý của vật liệu. Những loại geopolymer này dựa vào q trình nhiệt hoạt hóa các vật liệu tự nhiên hoặc sản phẩm của công nghiệp nhằm cung cấp nguồn vật liệu silic (Si) và nhơm (Al) hịa tan với dung dịch kiềm kích hoạt, sau q trình trùng hợp tạo thành chuỗi phân tử có trật tự, ổn định.
M.J.A. Mijarsh và cộng sự [2] đã sử dụng phương pháp Taguchi đánh giá 6 yếu tố đầu vào cùng 5 cấp độ để tìm ra cấp phối tối ưu. Kết quả cho thấy cường độ chịu nén đạt 47,27 ± 5,0 MPa sau 7 ngày. Các tính chất của hỗn hợp tối ưu cịn được phân tích thêm thơng qua nhiễu xạ tia X và quang phổ hồng ngoại biến đổi.
Mohammad Javad Khalaj [3] đã nghiên cứu về độ bền chịu kéo của bê tông geopolymer sử dụng xỉ thép gia cố bằng sợi thép và áp dụng phương pháp Taguchi để xác định các thông số và điều kiện tối ưu của chúng. Kết quả đánh giá bằng phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) cho rằng với nồng độ natri hydroxit 14 M, sợi thép chiếm 5%, mẫu được bảo dưỡng 14 ngày cho cường độ chịu kéo 8,87 ± 1,71 MPa.
Ahmer Ali Siyan và cộng sự [4] đã tiến hành các thí nghiệm được thiết kế theo phương pháp Taguchi để nghiên cứu về sự ảnh hưởng các thông số của bê tông sử dụng tro bay dựa trên các thiết lập về thời gian được cài đặt bởi thiết bị Vicat Needle. Kết quả cho thấy với tỷ lệ Si / Al là 1,8, tỉ lệ Na / Al là 1,0, tỷ số W / S là 0,2 và nhiệt độ 80°C sẽ làm cho q trình polymer hóa xảy ra nhanh hơn.
A.M.Mustafa và các cộng sự [5] đã giới thiệu về cơng thức hóa học cấu thành, quy luật hình thành và cấu trúc vi mơ của Geopolymer. Báo cáo chỉ ra quá trình polymer hóa bao gồm ba giai đoạn: (1) hịa tan các nguyên tử Si và Al thông qua hoạt động của các ion hydroxit, (2) ngưng tụ các ion tiền thân thành monomer, (3) quá trình trùng hợp cấu trúc phức hợp monomer.
1.2.3 Tình hình nghiên cứu trong nước
Tống Tơn Kiên và cộng sự [10] đã trình bày quá trình hình thành cấu trúc, các đặc tính và ứng dụng của bê tơng geopolymer và đề cập đến gepolymer là sản
5
phẩm của quá trình phản ứng giữa vật liệu có nguồn gốc silic và nhôm với dung dịch kiềm, vật liệu này có thể thay thế xi măng trong bê tông.
Nguyễn Văn Dũng [11] nghiên cứu chế tạo bê tông geopolymer từ tro bay, xác định cường độ và các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông geopolymer.
Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn [12] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến cường độ vữa geopolymer cũng như ảnh hưởng của chất xúc tác sinh nhiệt đến quá trình geopolymer hóa của vữa. Kết quả cho thấy sau q trình hoạt hóa thì thay thế tro bay bằng 20-60% silicafume và 20% tro trấu cho cường độ tốt hơn.
Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn [13] đã tái chế các loại phế thải xây dựng nhằm thay thế cốt liệu tự nhiên cho các hạng mục xây dựng như móng, nền đường giao thơng. Với tỷ lệ phối trộn, kích cỡ hạt và độ ẩm hợp lý, hỗn hợp phế thải tái chế từ bê tông thải và gạch thải đạt độ đặc chắc cao, khối lượng thể tích lớn nhất và khả năng chịu lực như cường độ, chỉ số sức chịu tải CBR (California bearing ratio) và mô đun đàn hồi đạt giá trị tối ưu.
Đỗ Văn Vũ [14] cho rằng quy hoạch thực nghiệm là cơ sở phương pháp luận của nghiên cứu thực nghiệm hiện đại. Quy hoạch thực nghiệm là tập hợp các tác động nhằm đưa ra chiến thuật làm thực nghiệm, từ giai đoạn đầu tiên đến giai đoạn kết thúc của quá trình nghiên cứu đối tượng. Cơ sở toán học nền tảng là thống kê với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồi qui. Cơng cụ này rất hữu ích trong việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật, tối ưu hóa sản phẩm.
Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn [15] cho biết phương pháp Taguchi được sử dụng để thiết kế các thí nghiệm và phân tích hồi quy đa biến, là một trong số những công cụ quan trọng được sử dụng cho thiết kế tối ưu trong sản xuất, phương pháp này đánh giá mô phỏng, các thực nghiệm để kiểm tra sự biến thiên của một tập hợp các biến số ứng với các thông số điều khiển bằng cách xem xét các thí nghiệm trong mảng trực giao với mục đích để đạt được các thiết lập tối ưu.
Ngoài các tác phẩm, đề tài nghiên cứu trên, cịn có nhiều bài viết của nhiều tác giả đăng trên Tạp chí, nhiều bài tiểu luận, luận văn về đề tài này được đánh giá rất cao, điển hình như: Đào Văn Đông (2009), Vật liệu “xanh” và bền vững – xu
hướng để phát triển xây dựng, Tạp chí Khoa học cơng nghệ Xây dựng; Phan Đức
Hùng, Lê Anh Tuấn (2015), Ảnh hưởng của chất xúc tác sinh nhiệt đến q trình
Geopolymer hóa của vữa, Tạp chí Khoa học cơng nghệ xây dựng số 02; Nguyễn
Thắng Xiêm (2013), khả năng ứng dụng tro bay làm phụ gia trong vữa và bê tông
trên nền Geopolymer, Tạp chí khoa học – cơng nghệ thủy sản số 01; Nguyễn Hữu
Lộc (2011), Qui hoạch và phân tích thực nghiệm, …
Trong đề tài nghiên cứu này sử dụng những cơng trình nghiên cứu khoa học, những bài báo trên làm tài liệu tham khảo.