Công nghệ Geopolymer đƣợc nghiên cứu và ứng dụng lần đầu tiên tại Pháp năm 1973 – 1976 vào việc chế tạo các tấm panel gỗ cách nhiệt bằng cách phủ silic- aluminosilicate lên bề mặt sau khi đã xử lý qua quá trình gia nhiệt. Năm 1977 – 1978, ngành công nghiệp gốm sứ đã ứng dụng công nghệ Geopolymer tạo thành hợp chất gốm có khả năng bền nhiệt và hệ số giãn nỡ nhiết rất thấp.
Những năm sau đó, Cơng nghệ Geopolymer đƣợc ứng dụng và chế tạo thành công gạch nung ở nhiệt độ thấp bằng cách trộn phối liệu đất sét cao lanh trong dung dịch kiềm có độ hoạt tính cao, hỗn hợp tƣơng tác và hình thành chuỗi M-Polysiliate (M là kim loại kiềm có hoạt tính cao, thƣờng là Na hoặc K).. Sản phẩm này đã đƣợc công nhận và cấp bằng sáng chế ở nhiều nƣớc Châu Âu.
Trên cơ sở lý thuyết Geopolymer của Joseph Davidovits, Lone Star (một cty sản xuất xi măng hàng đầu của Mỹ) đã nghiên cứu và chế tạo thành công một loại xi măng mới, bằng cách kết hợp nguyên liệu sét và dung dịch kiềm hoạt tính cao, tạo thành chất kết dính vơ cơ mới có khả năng đóng rắn nhanh và cho cƣờng độ ban đầu rất tốt với tên
thế giới, và đang dần dần có ƣu thế hơn xi măng portland do có ƣu điểm về nguyên liệu sản xuất và phƣơng pháp sản xuất thân thiện với môi trƣờng. Một nghiên cứu khác về xi măng Geopolymer (High – Akali – Poly) đã cho thấy ứng dựng trong nhiều ngành kỹ thuật nhƣ hàng không, xây dựng, công nghiệp chất dẻo, kim loại…Kết quả nghiên cứu cho thấy xi măng mới này đóng rắn nhanh với nhiệt độ phịng, cƣờng độ chịu nén có thể đạt tới 20 MPa sau 4 giờ ở nhiệt độ 2000C và có thể đạt từ 70 – 100 MPa sau khi bảo dƣỡng 28 ngày [1].
Những nghiên cứu về Geopolymer xuất hiện riêng rẽ ở từng quốc gia và tài liệu khoa học thì rất ít. Cho đến những năm 1990, các tài liệu nghiên cứu khoa học về Geopolymer bắt đầu xuất hiện nhiều hơn, các nghiên cứu về ảnh hƣởng của từng loại vật liệu trong Geopolymer bắt đầu đƣợc nghiên cứu sâu hơn.
Ở Việt Nam, vật liệu Geopolymer chƣa đƣợc sử dụng rộng rãi trong các cơng trình xây dựng. Đã có một số nghiên cứu bƣớc đầu về bê tông Geopolymer nhƣ bê tông chịu lửa không xi măng của nhóm nghiên cứu ở viện vật liệu vây dựng. Bê tông cốt liệu không xi măng alphabond 300, bê tơng cốt liệu ít xi măng. Một nghiên cứu khác về ứng dụng chất kết dính Geopolymer là sản xuất vật liệu không nung từ phế thải tro bay và xỉ lò cao cũng đƣợc thực hiện vào năm 2011. Kết quả nghiên cứu đã xây dựng đƣợc quy trình sản xuất vật liệu gạch block bê tơng Geopolymer có cƣờng độ nén đạt trên 10MPa, có giá thành rẻ hơn gạch block bê tông xi măng cốt liệu khoảng 15%.
Kể từ những năm 2000, nghiên cứu về tính hoạt hóa kiềm đã tăng lên đáng kể trên khắp thế giới, với hơn 100 trung tâm nghiên cứu đƣợc thành lập. Ở Châu Á, công nghệ Geopolymer đất sét đƣợc ứng dụng nhiều vào ngành công nghiệp vận tải, trong việc chế tạo nhựa nền đƣờng mới. Công ty Zeobond Pty Ltd có trụ sở ở Melbourne (Úc) đã phát triển nhà máy sản xuất thử nghiệm riêng của mình trong năm 2007 và hiện đang cung cấp sản phẩm bê tông E-Crete(TM), cho các dự án hạ tầng cơ sở dân
cấp phép. E-Crete sử dụng hỗn hợp tro bay và xỉ lị cao nhƣ là một vật liệu kết dính kết hợp các thành phần hoạt hóa kiềm có đăng ký độc quyền sở hữu.
Những năm sau đó, đã có nhiều thay đổi đƣợc áp dụng hiện đại hơn trong nghiên cứu công nghệ Geopolymer. Nhiều nguyên vật liệu mới đƣợc quan tâm nghiên cứu nhƣ bột silicat nhơm tổng hợp, khống albite, khoáng stilbite, sợi bazan, kiềm fenspat, xỉ lò cao… Vật liệu Geopolymer trở nên phong phú và đa dạng về nguồn nguyên vật liệu tạo thành, tuy nhiên công nghệ Geopolymer ƣu tiên nghiên cứu để giảm thiểu các chất thải công nghiệp và bảo vệ môi trƣờng.
2.1.2 Thành phần và cơng thức hóa học
Chất kết dính Geopolymer đƣợc tổng hợp từ phản ứng đa trùng ngƣng giữa các khoáng alumino silicate oxides và dung dịch alkali metal silicate trong điều kiện môi trƣờng kiềm cao. Cấu trúc phân tử của Geopolymer bao gồm các phân tử có các nguyên tố đó là Si–O–Al và Si–O–Si đƣợc sinh ra từ phản ứng đƣợc đề cập ở trên.
Cấu trúc phân tử Geopolymer đƣợc hình thành về căn bản là quá trình các phản ứng của các khống Nhơm và Silic với dung dịch kiềm cùng với dung dịch thủy tinh lỏng, tạo ra cấu trúc không gian 3 chiều chứa các nguyên tử Si-O-Al-O [1], có thể viết lại cơng thức hóa học của phân tử Geopolymer nhƣ sau :
Trong đó:
- M : là các ion kiềm nhƣ Ka, Na
- n : là mức độ trùng ngƣng của phản ứng - z : có giá trị 1,2,3
2.1.3 Cơ chế phản ứng
Theo Glukhovsky, cơ chế quá trình kiềm hoạt hóa bao gồm các phản ứng phân hủy nguyên liệu dạng cấu trúc ổn định thấp và phản ứng nội tại. Đầu tiên khi độ pH của dung dịch kiềm tăng lên gây bẻ gãy các liên kết cộng hóa trị Si-O-Si và Al-O-Si. Sau đó nhóm nguyên tố này chuyển sang hệ keo, xảy ra sự tích tụ sản phẩm bị phá hủy với phản ứng nội tại tạo ra cấu trúc ổn định thấp và cuối cùng sẽ thành cấu trúc đơng đặc.
Hình 2.3 Metakaolin (a) và tro bay (b) với NaOH 8M
n 2 z 2 n 2
Granizo đã nghiên cứu chất kết dính Metakaolin hoạt hóa kiềm và cho rằng có 2 phản ứng khác nhau khi chất kiềm hóa chỉ là NaOH hoặc thủy tinh lỏng. Ở trƣờng hợp thứ nhất, sau khi hòa tan một thời gian, các sản phẩm phá hủy bắt đầu tích tụ. Trong trƣờng hợp thứ 2, ngay sau khi xảy ra sự hòa tan sẽ sảy ra quá trình trùng hợp. Palomo.et.al cũng có cùng quan điểm này khi cho rằng, có 2 kiểu hoạt tính kiềm có thể sảy ra, kiểu thứ nhất xảy ra khi chất kích hoạt của xỉ lị cao (Si+Ca) là dung dịch kiềm yếu, sản phẩm chủ yếu sẽ là CSH. Kiểu thứ 2 đối với chất hoạt hóa kiềm của Metakaolin là dung dich kiềm từ trung bình đến mạnh. Sản phẩm cuối cùng có dạng mạch trùng hợp và có cƣờng độ cơ học cao. Với trƣờng hợp đầu tƣơng tự nhƣ quá trình hình thành Zeoloite (khống Nhơm).
Cịn với chất hoạt hóa kiềm của tro bay xảy ra sự tỏa nhiệt trong quá trình hịa tan, phân tách các liên kết cơng hóa trị Si-O và Al-O-Al. Nhìn chung các sản phẩm tùy thuộc vào sự phá vỡ cấu trúc của tro bay trong khoảng thời gian đầu và cuối cùng là quá trình ngƣng kết tạo cấu trúc chuỗi một cách có trật tự tạo ra sản phẩm có cƣờng độ cơ học cao.
Davidovist cho rằng dung dich kiềm có thể sử dụng để phản ứng với Silic và Nhôm trong nguồn vật liệu khoáng hoặc trong vật liệu phế thải tro bay, tro trấu để chết tạo chất kết dính. Bởi vì phản ứng hóa học xảy ra trong trƣờng hợp này là quá trình trùng hợp cho nên ơng gọi là Geopolymer. Thơng số chính quyết định đến tính chất và dạng sử dụng của một loại Geopolymer là tỷ lệ Si/Al, với vật liệu xây dựng tỷ lệ Si/Al khoảng xấp xỉ 2 [1].
Hình 2.4 Sự hoạt hóa vật liệu aluminosilicate
2.1.4 Tro bay
Tro bay là thành phần mịn nhất của tro xỉ than, là sản phẩm phế thải đƣợc tạo ra trong quá trình đốt cháy than ở các nhà máy nhiệt điện. Tro bay đƣợc thu thập và phân loại bằng các luồng khí phân loại, những hạt to rơi xuống đáy, và những thành phần hạt nhỏ hơn sẽ đƣợc thu gom ở cuối đƣờng ống khói.
Tro bay là một Puzzolan nhân tạo với các thành phần chính là: SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO. Màu sắc của tro bay phụ thuộc vào hàm lƣợng của các hợp chất thành phần, và tủy vào loại than sử dụng mà tro bay có hàm lƣợng thành phần khác nhau. Đƣờng kính hạt từ 1µm – 20µm và hàm lƣợng than chƣa cháy (MKN) thƣờng yêu cầu không đƣợc vƣợt quá 5% khối lƣợng tro bay.
Hình 2.7 Cấu trúc SEM của vi hạt tro bay
Một trong những lý do lớn nhất để sử dụng tro bay trong bê tông Geopolymer nhằm tăng cƣờng độ của bê tông trong quá trình ninh kết và tăng độ bền liên kết trong quá trình sử dụng. Trong q trình hydrat hóa tro bay, tro bay sẽ tác dụng với Canxi hidroxit để tạo thành Canxi silicat và Canxi aluminat làm giảm đi hiện tƣợng thấm Canxi hidroxit(Ca(OH)2) trong bê tông và tăng khả năng chống thấm của bê tơng. Tro bay có cấu trúc phân tử tinh vi hình cầu vì vậy nó sẽ cải thiện và tăng độ bền của bê tơng vì tỷ lệ nƣớc trên chất kết dính sẽ giảm.
Theo ASTM 618, tro bay thơng thƣờng có hai loại là F và C. Tro bay loại F có hàm lƣợng CaO < 6%, lƣợng cacbon chƣa cháy chiếm 2%, có tính chất của puzzolan và khơng có khả năng tự đóng rắn. Tro bay loại C có hàm lƣợng CaO > 15%, lƣợng cacbon chƣa cháy chiếm 1%, có tính chất của puzzolan và có khả năng tự đóng rắn.
2.1.5 Dung dịch hoạt hóa
2.1.5.1 Dung dịch Sodium Hydroxyde (NaOH)
Dung dịch kiềm NaOH (hoặc KOH) có nhiệm vụ khử nhôm và silic trong các hạt tro bay từ đó quyết định một số tính chất nhƣ độ cứng, tăng tốc độ phản ứng, tính cơng tác tốt hơn của geopolymer. Dung dịch NaOH với vai trò nhƣ một chất kiềm hóa
kết hợp với dung dịch thủy tinh lỏng (Na2SiO3 hoặc K2SiO3 ) tạo thành dung dịch hoạt hóa đơng kết và tạo cƣờng độ cho geopolymer.
2.1.5.2 Dung dịch Sodium Silicat (thủy tinh lỏng)
Dung dịch thủy tinh lỏng (Sodium Silicat) đóng một vai trị quan trọng trong quá trình phản ứng tổng hợp chất kết dính Geopolymer. Khi cho dung dịch thủy tinh lỏng vào dung dịch NaOH thì xảy ra hiện tƣợng phản ứng và sự trộn lẫn hai dung dịch lại với nhau. Dung dịch thủy tinh lỏng trong dung dịch kiềm kích hoạt sẽ giúp q trình tan rã các hạt tro bay sẽ diễn ra nhanh chóng hơn.
2.2 Hạt xốp Polystyrene EPS
Hạt xốp polystyrene EPS là loại vật liệu mềm, nhẹ, cách điện đƣợc sản xuất từ các hạt nhựa polystyrene rắn. Độ rỗng trong các hạt EPS chiếm gấp 40 lần thể tích hạt ban đầu, các hạt có thể đƣợc tạo với các hình dạng khác nhau phù hợp với mục đích sử dụng [11].
Với những ƣu điểm nhƣ cách nhiệt, cách âm tốt, chống ẩm, độ bền cao, dễ vận chuyển, tỷ lệ về giá/ hiệu suất tốt nhất so với các vật liệu cách nhiệt khác. Hạt xốp polystyrene EPS đang ngày càng đƣợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng, cụ thể nhƣ các loại gạch nhẹ, bê tông nhẹ nhằm giảm tải cho cơng trình, giảm kích thƣớc mong, giảm thiệt hại do động đất,.... Hạt có khối lƣợng thể tích từ 10 – 20 kg/m3.
Hình 2.8 Hạt xốp Polystyrene EPS
Ngồi ra hạt xốp polystyrene EPS vơ cùng an tồn khi sử dụng, khơng độc hại và hoàn toàn trơ, kháng acid và kiềm, cũng khơng có giá trị dinh dƣỡng nên khơng thể phát triển các vi nấm gây hại và có thể tái chế đƣợc [12]. Một sản phẩm có thể đóng góp tốt hơn vào việc cải thiện môi trƣờng trong lĩnh vực xây dựng là hạt xốp polystyrene EPS.
2.3 Ăn mịn trong bê tơng và vữa
2.3.1 Các môi trƣờng gây ăn mịn trong bê tơng
Bê tơng và vữa có thể bị ăn mịn ở cả ba mơi trƣờng sử dụng: Rắn, lỏng và khí. Ăn mịn trong mơi trƣờng lỏng xảy ra khi bê tông tiếp xúc với nƣớc biển, nƣớc phèn chua, nƣớc khoáng, nƣớc ngầm hoặc nƣớc thải của các nhà máy xí nghiệp. Các loại nƣớc này thƣờng chứa các nhân tố có tính chất gây ăn mịn. Ăn mịn trong mơi trƣờng lỏng là loại ăn mòn rất phổ biến tại các cơng trình xây dựng, đặc biệt là các cơng trình xây dựng ở mơi trƣờng biển, các cơng trình làm việc trong nƣớc, dƣới đất có nƣớc ngầm, hay các nhà máy xí nghiệp sản xuất có sử dụng hóa chất. Đó là đối tƣợng
Ăn mịn trong mối trƣờng rắn khi bê tông tiếp xúc với một số loại hóa chất nhƣ phân khống, thuốc trừ sâu. Ăn mịn loại này cũng diễn ra khi các hóa chất bị ẩm.
Ăn mịn trong mối trƣờng khí xảy ra khi bê tơng tiếp xúc với các loại khí có chứa tác nhân gây ăn mịn (khí CO2, Cl, SO2,…), thƣờng gặp ở khu vực xung quanh
các nhà máy có sử dụng và chế biến hóa chất hoặc cơng trình có tiếp xúc với khơng khí biển và trong mơi trƣờng khí hậu ven biển.
Sự ăn mịn trong bê tơng và vữa diễn ra rất phức tạp và đa dạng, do nhiều yếu tố và nguyên nhân, có thể là kết hợp của hai hoặc cả ba mơi trƣờng ăn mịn với nhau.
Hình 2.9 Ăn mịn bê tơng trong các môi trƣờng
Đối với bê tơng và vữa xi măng thơng thƣờng thì sự ăn mòn chủ yếu là các dạng ăn mòn cacbonat, chloride, sunfate và sự hydrat hóa của xi măng. Đối với vật liệu geopolymer thì sự ăn mịn xảy ra ở các môi trƣờng nhƣ môi trƣờng muối (NaCl, Na2SO4,…) và acid (H2SO4, HCl,…). Q trình ăn mịn bê tơng và vữa diễn ra mạnh hay yếu, nhanh hay chậm cũng phụ thuộc vào đặc tính của loại vật liệu của bê tông và
vữa, chất phụ gia, nồng độ của các môi trƣờng ăn mịn, nhiệt dộ mơi trƣờng, tải trọng làm việc của cấu kiện.
2.3.2 Cơ chế của q trình ăn mịn
Sự tiếp xúc với môi trƣờng biển là một trong những yếu tố làm giảm độ bền của các cơng trình. Trung bình nƣớc biển chứa một lƣợng muối hịa tan (clorua và sufate) khoảng 3.5% theo khối lƣợng và độ pH khoảng 8.2 . Bê tơng hay vữa đều có thể bị hƣ hại dƣới tác động của q trình lý hóa khi nhƣ ăn mịn sunfate, ăn mòn clorua, phản ứng kiềm cốt liệu, sự kết tinh muối, vi sinh vật,…
Q trình ăn mịn đối với vật liệu Geopolymer thƣờng đƣợc xem xét ở các môi trƣờng nhƣ: Chất tẩy rửa tổng hợp (Aceton), môi trƣờng muối (NaCl, Na2SO4) hay môi trƣờng axit (HCl, H2SO4), v.v…
2.3.2.1 Ăn mòn clorua
Clorua có thể tồn tại trong vữa và bê tông thông qua nhiều cách khác nhau. Clorua có thể đƣợc đúc vào kết cấu thơng qua phụ gia CaCl2 (đã đƣợc ngừng sử dụng), hoặc các ion clorua tồn tại trong cát, nƣớc, cốt liệu một cách vơ tình hay cố ý. Tuy nhiên ngun nhân chính của hiện tƣợng ăn mịn do clorua trong hầu hết các cơng trình là do sự khuếch tán ion clorua từ môi trƣờng nhƣ : Kết cấu tiếp xúc trực tiếp với mơi trƣờng biển có nhiều muối hay việc sử dụng muối làm tan băng hoặc các hợp chất hóa học có clorua.
Tƣơng tự q trình cacbonat hóa, ion clorua xúc tác gây ra q trình ăn mịn nhƣng khác với quá trình cacbonat hóa là ion clorua xâm nhập qua lớp bê tơng bảo vệ và tấn công trực tiếp vào bên trong ngay cả khi độ pH trong hỗn hợp vẫn ở mức cao (12-13). Có 4 cơ chế xâm nhập ion clorua qua lớp bảo vệ bê tông : sự hút mao dẫn, sự thẩm thấu do tập trung hàm lƣợng ion clorua cao trên bề mặt, thẩm thấu dƣới áp lực căng bề mặt và sự dịch chuyển do chênh lệch điện thế.
Liên quan đến khả năng liên kết ion clo trong cấu trúc bê tông hay vữa, ion clo tồn tại ở hai dạng là ion clo tự do và ion clo liên kết.
- Ion clo tự do là nhân tố xúc tác ăn mịn, có thể đƣợc đƣa vào trong bê tơng từ nguồn bên ngồi hoặc có sẵn trong cốt liệu hay q trình cacbonat hóa cũng có thể giải phóng ion clo liên kết thành ion clo tự do [21].
- Ion clo liên kết là do liên kết hóa học, chúng chủ yếu là canxi clorualuminat (3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O – muối Friedelt) và canxi silicat hydrat (3CaO.2SiO3.3H2O) hấp thụ trên thành lỗ rỗng [21].
2.3.2.2 Ăn mòn sulfate
Ion sulfate là một trong những cation thƣờng gặp trong tự nhiên, khi hàm lƣợng