CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 SỰ CẦN THIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Để đáp ứng nhu cầu phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, ngành xây dựng đã phát triển rất nhanh do đó việc sử dụng bê tông xi măng ngày càng tăng lên. Ước tính hàng năm có khoảng 25 tỷ tấn bê tông được sản xuất trên toàn thế giới, và sản lượng bê tông vẫn tiếp tục có xu hướng tăng lên.300 triệu tấn xi măng được sản xuất trên toàn thế giới và lượng xi măng này tiếp tục tăng lên khoảng 3.585 triệu tấn (năm 2011) và 3. Các nước ở Châu Á đã tiêu thụ lượng xi măng lớn, trong đó Việt Nam tiêu thụ 60,3 triệu tấn theo số liệu thống kê đến tháng 12 năm 2016 [1]. Phế thải từ xây dựng [1] 1 Chính vì vậy, sự phát triển một cách nhanh chóng và mạnh mẽ của bê tông không sử dụng xi măng đã làm giảm lượng khí thải CO2 cũng như giảm tiêu thụ năng lượng cần thiết trong quá trình nung đốt.
Bê tông Geopolymer là bê tông sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa (chất kết dính Geopolymer) nó là sản phẩm của phản ứng giữa dung dịch kiềm và các loại vật liệu có chứa hàm lượng lớn hợp chất silic và nhôm. Hiện nay, bê tông Geopolymer đã và đang được nghiên cứu rộng rãi và cho thấy khả năng là vật liệu xanh hơn thay thế bê tông xi măng trong một số ứng dụng do bê tông Geopolymer vừa có các tính chất kỹ thuật tốt, đồng thời giảm khả năng gây hiệu ứng nhà kính. Hai thành phần chính của Geopolymer là nguyên liệu gốc phải giàu Si và Al và các chất lỏng kiềm. Chất thải các vật liệu như tro bay, metakeoline, xỉ lò cao nghiền hạt, tro trấu, silica fume hoặc các khoáng chất tự nhiên như kaolinite và đất sét có thể được sử dụng làm nguyên liệu gốc.
Công nghệ Geopolymer giúp giảm lượng khí thải CO2 phát ra từ sản xuất xi măng cũng như sử dụng chất thải công nghiệp hoặc các sản phẩm phụ bao gồm alumin silicat và chuyển thành vật liệu xây dựng bền vững. Do đó, việc sử dụng Geopolymer trong ngành xây dựng là rất cần thiết cho môi trường bền vững. Trong công cuộc hiện đại hóa, công nghiệp hóa trên thế giới ngành xây dựng có sự phát triển vượt bậc. Nước ta là một nước đang phát triển nên nhu cầu xây dựng rất cao, ngày càng có nhiều công trình lớn mọc lên ở khắp nơi.
Vì vậy, cần phải có một lượng lớn vật liệu xây dựng để đáp ứng nhu cầu trên. Bê tông Geopolymer sử dụng cốt liệu tái chế đã và đang được nghiên cứu quan tâm nhiều về đặc tính vật liệu, đồng thời giảm sử dụng vật liệu đá tự nhiên. Để tận dụng phế thải của bê tông, có thể sử dụng các phế thải bê tông trong sản xuất bê tông Geopolymer. Nhiều tác giả đã tập trung nghiên cứu từ quá trình tái chế phế thải bê tông đến việc thiết kế thành phần bê tông và nghiên cứu các tính chất cơ lý, độ bền lâu của bê tông cốt liệu tái chế [2].
Có thể thấy rằng, Bê tông cốt liệu tái chế thường có các tính chất cơ học thấp hơn so với bê tông cốt liệu tự nhiên [3], khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt liệu tái chế cũng thấp hơn so với kết cấu bê tông cốt liệu tự nhiên [4]. Điều này là do hạt cốt liệu tái chế thường có cấu tạo rỗng xốp do có phần vữa cũ bám dính, có nhiều vết nứt do quá trình gia công cốt liệu. Nhưng loại bê tông này vẫn có thể đảm bảo yêu cầu của một số dạng kết cấu nhất định, kể cả trong kết cấu chịu lực khi sử 2 dụng các biện pháp nâng cao chất lượng [ 5] Gần đây, nhiều nghiên cứu có xu hướng sử dụng chất kết dính không xi măng trong chế tạo bê tông do loại chất kết dính này có cường độ và độ bền cao, đồng thời giảm thiểu các tác động môi trường do quá trình sản xuất xi măng poóc lăng. Loại chất kết dính này là hỗn hợp của các phế thải công nghiệp (tro bay nhiệt điện, xỉ lò cao hạt hóa) hoặc vật liệu puzơlan (đất puzơlan, mê ta cao lanh) được hoạt hóa bằng các chất kiềm.
Collins và Sanjayan [6] cho rằng cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông cốt liệu tái chế sử dụng chất kết dính xỉ kiềm hoạt hóa có thể bằng hoặc cao hơn so với bê tông cốt liệu tái chế sử dụng xi măng. Điều này có thể do bản thân trong hạt cốt liệu bê tông tái chế đã có sẵn chất kiềm Ca(OH)2 là sản phẩm thủy hóa của xi măng cho nên hiệu ứng hoạt hóa và hiệu ứng puzơlanic của Xỉ lò cao nghiền mịn có thể sẽ tăng mạnh. Hơn nữa, hạt cốt liệu bê tông tái chế cũng còn một phần clanhke xi măng chưa thủy hóa sẽ tiếp tục thủy hóa trong hỗn hợp bê tông cốt liệu tái chế và sẽ góp phần làm tăng cường độ và độ bền lâu của bê tông. Tuy nhiên, các nghiên cứu này mới chủ yếu được phân tích trên các mẫu thí nghiệm nhỏ, chưa có nhiều nghiên cứu trên các kết cấu chịu lực.
Với các nhận xét đánh giá như trên, việc nghiên cứu sử dụng cốt liệu tái chế thay thế cho cốt liệu đá tự nhiên để chế tạo ra bê tông xi măng và bê tông Geopolymer có cùng cường độ mà chất lượng tương đương sẽ tiết kiệm chi phí mang lại hiệu quả kinh tế cho xã hội, nghiên cứu có tính ứng dụng cao, có ý nghĩa thực tế và một hướng đi mới mẻ cần thiết để góp phần giảm thiểu khai thác tài nguyên thiên nhiên hạn chế chất thải ra môi trường. Do đó đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến tính chất của bê tông Geopolymer” đã được lựa chọn để nghiên cứu.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Vật liệu mới Geopolymer đã được nghiên cứu từ rất sớm trên thế giới vào những năm 70 của thế kỷ XX. Đối với nước ta thì vật liệu Geopolymer chưa được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Nhưng cũng đã có khá nhiều những nghiên cứu, bài báo khoa học trong và ngoài nước về loại vật liệu Geopolymer này.
Một số ngiên cứu và bài báo khoa học về vật liệu Geopolymer như: 3 1.1 Những nghiên cứu ngoài nước Hiện tại đã có rất nhiều bằng sáng chế, nghiên cứu và ứng dụng Geopolymer vào các ngành công nghệ vật liệu hiện đại (tấm kết cấu gỗ chống cháy, tấm sườn và pane tự cách điện, sản xuất đá nhân tạo trang trí, tấm panel bọt cách nhiệt, vật liệu xây dựng thô, gạch không nung, kết cấu chịu lửa, kết cấu chống sốc nhiệt, ứng dụng làm khuôn đúc nhôm, bê tông và chất kết dính Geopolymer, vật liệu cản lửa và gia cố/sửa chữa, vật liệu chống cháy công nghệ cao dùng trong máy bay hoặc ô tô, vật liệu nhựa công nghệ cao.) được giới thiệu và ứng dụng trên toàn thế giới. Joseph Davidovits [7] 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 vô cơ mới có khả năng đóng rắn nhanh và cho cường độ ban đầu rất tốt với tên gọi xi măng polymer. Công nghệ này nhanh chống được phát triển trên toàn thế giới và đang dần dần có ưu thế hơn xi măng pooc lăng do có ưu điểm về nguyên liệu sản xuất và phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường. Ali Allahverdi và Frantisek Skvara [8] đã trình bày cơ chế ăn mòn của axit sulfuric đối với vữa Geopolymer cũng như khả năng chống ăn mòn của vữa Geopolymer khi chịu tác dụng của axit ở nồng độ cao và nồng độ thấp.Rangan [9] đã nghiên cứu về đề tài có tên là “Geopolymer Concrete with Fly Ash”.
Tác giả đã trình bày đặc tính hỗn hợp bê tông Geopolymer, cách thiết kế một mẻ bê tông gepolymer, về các sản phẩm bê tông đúc sẵn, sự đóng góp của bê tông Geopolymer đối với sự phát triển toàn cầu. Mustafa Al Bakri và cộng sư [10] đã nghiên cứu về cường độ chịu nén và đặc tính cấu trúc của Geopolymer sử dụng tro bay, cường độ của bê tông Geopolymer phụ thuộc vào tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay và Na2SiO3/NaOH, sự hòa tan SiO2 và Al2O3 trong quá trình Geopolymer hóa, nhiệt độ dưỡng hộ không nên quá cao góp phần tạo cường độ cao cho bê tông Geopolymer.Patil và cộng sự [11] nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông Geopolymer. Ông đã thử nghiệm với nồng độ NaOH khác nhau, tỉ lệ alkaline/tro bay và Na2SiO3/NaOH để đánh giá và so sánh tỉ lệ nào đạt cường độ cao nhất và thấp nhất.S Van Jaarsveld và cộng sự [12] bắt đầu nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần và nhiệt độ đến tính chất Geopolymer sản xuất từ tro bay và kaolinite. Những đặc tính của Geopolymer ảnh hưởng bởi sự hòa tan không hoàn toàn của những vật liệu phức tạp trong quá trình Geopolymer hóa, cụ thể là hàm lượng nước, tỷ lệ tro/kaolinite, silicate được sử dụng, thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ ảnh hưởng đến đặc tính của geopolymer, đặc biệt là điều kiện dưỡng hộ và nhiệt độ gia nhiệt ảnh hưởng đến cường độ.
Peem Nuaklong và cộng sự [13] nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến các đặc tính của bê tông Geopolymer. Kết quả nghiên cứu cho thấy cốt liệu bê tông tái chế có thể được sử dụng làm cốt liệu thô trong bê tông Geopolymer tro bay nhiều canxi với cường độ nén trong 7 ngày là 30,6–38,4 MPa, thấp hơn một chút so với bê tông Geopolymer tro bay hàm lượng canxi cao có chứa đá vôi nghiền. Vanchai Sata và cộng sự [14] nghiên cứu tính chất của bê tông Geopolymer thẩm thấu bằng cách sử dụng cốt liệu tái chế. Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ nén, cường độ chịu kéo gián tiếp, tỷ lệ rỗng tổng và hệ số thấm nước của bê tông Geopolymer đã được xác định.
Kết quả chỉ ra rằng cả thành phần bê tông kết cấu nghiền và gạch đất sét nghiền đều có thể được sử dụng làm cốt liệu thô tái chế để tạo bê tông Geopolymer với các đặc tính chấp nhận được. Saravanakumar [15] nghiên cứu về cường độ và độ bền trên bê tông Geopolymer sử dụng cốt liệu tái chế. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khả năng làm việc của bê tông Geopolymer giảm hơn so với bê tông đối chứng và mất hơn 24 giờ để đông kết. Dựa trên đặc tính cơ lý của bê tông Geopolymer sử dụng bê tông cốt liệu tái chế thể hiện cường độ và độ bền tốt hơn so với bê tông cốt liệu tái chế thông thường.