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 2 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.
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. 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. 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.
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 C618- 03; 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, 4 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.
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.
TỔNG QUAN VỀ CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER VÀ BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY 1. Bê tông xi măng 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.