Luận văn: Khả năng chống mài mòn của bê tông Geopolymer sợi mềm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khả năng chống mài mòn của bê tông geopolymer sử dụng sợi mềm, đánh giá độ bền cơ học và ứng dụng thực tiễn công trình.

• Tác giả: Trần Quốc Phong
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Đức Hùng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng chống mài mòn của bê tông Geopolymer sử dụng sợi mềm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về bê tông geopolymer chống mài mòn

Bê tông geopolymer là vật liệu xây dựng thân thiện môi trường thay thế xi măng truyền thống. Được sản xuất từ phản ứng giữa vật liệu giàu silic (tro bay, xỉ lò cao) và dung dịch kiềm (NaOH, Na2SiO3), geopolymer có khả năng chịu nhiệt cao, cường độ phát triển nhanh và độ bền lâu dài. Sợi mềm (polypropylene) được bổ sung nhằm tăng cường khả năng chống mài mòn bằng cách giảm sự hình thành vết nứt vi mô. Nghiên cứu tập trung đánh giá hiệu quả của sợi mềm với các tỷ lệ 0,5–2% khối lượng, kết hợp chiều dài sợi 10–50mm. Kết quả cho thấy geopolymer gia cường sợi có khả năng chống mài mòn vượt trội so với bê tông xi măng thông thường.

1.1. Cơ sở lý thuyết về geopolymer

Geopolymer hình thành từ phản ứng hóa học giữa aluminosilicate (tro bay, metakaolin) và dung dịch kiềm, tạo thành cấu trúc polymer vô cơ 3D. Davidovits (1972) lần đầu tiên giới thiệu khái niệm này, chứng minh khả năng thay thế xi măng nhờ ưu điểm vượt trội: cường độ cao sau 24 giờ, chịu nhiệt lên 1200°C, và giảm phát thải CO2 80%. Cơ chế chống mài mòn của geopolymer dựa trên độ cứng cao và cấu trúc đặc chắc, ngăn ngừa sự xâm nhập của các tác nhân gây hại. Đặc biệt, khả năng kháng axit và kiềm giúp geopolymer bền vững trong môi trường khắc nghiệt.

1.2. Vai trò của sợi mềm trong bê tông

Sợi polypropylene (PP) được lựa chọn do độ bền cơ học cao, độ giãn dài thấp và khả năng phân tán tốt trong hỗn hợp bê tông. Khi bổ sung sợi, chúng tạo mạng lưới 3D hấp thụ năng lượng va đập, giảm thiểu sự lan truyền vết nứt. Nghiên cứu sử dụng 4 cấp phối sợi (0,5–2%) với chiều dài 10–50mm nhằm tối ưu hóa hiệu quả chống mài mòn. Sợi PP còn cải thiện khả năng chống co ngót, tăng độ dẻo dai cho bê tông geopolymer, đặc biệt trong các kết cấu chịu tải trọng động.

II. Vấn đề chống mài mòn của bê tông truyền thống

Bê tông xi măng truyền thống gặp hạn chế nghiêm trọng trong chống mài mòn do cấu trúc xốp và độ cứng thấp. Các yếu tố như tải trọng động, hóa chất xâm thực, và nhiệt độ biến đổi gây ra sự bào mòn bề mặt nhanh chóng. Hệ quả là giảm tuổi thọ công trình, tăng chi phí bảo trì. Đặc biệt, bê tông xi măng dễ bị nứt do co ngót nhiệt, tạo điều kiện cho mài mòn lan rộng. Khả năng chống mài mòn của bê tông xi măng phụ thuộc vào mác xi măng, tỷ lệ nước/xi măng, và cốt liệu. Tuy nhiên, hiệu quả chống mài mòn vẫn thấp hơn so với yêu cầu kỹ thuật trong các môi trường khắc nghiệt như cầu đường, nhà máy xi măng.

2.1. Nguyên nhân gây mài mòn bê tông

Mài mòn bê tông chủ yếu do tác động cơ học (ma sát, va đập) và hóa học (axit, kiềm). Tải trọng động từ giao thông hoặc máy móc tạo ra ứng suất cục bộ, phá hủy liên kết xi măng. Hóa chất xâm nhập qua các vết nứt, phản ứng với Ca(OH)2 tạo thành canxi cacbonat dễ bị rửa trôi. Nhiệt độ cao cũng làm giãn nở cốt liệu, gây nứt bề mặt. Ngoài ra, sự thay đổi độ ẩm khiến bê tông co ngót không đều, hình thành vết nứt vi mô. Các yếu tố này kết hợp làm giảm đáng kể khả năng chống mài mòn của bê tông truyền thống.

2.2. Hạn chế của bê tông xi măng

Bê tông xi măng có độ bền thấp trước mài mòn do cấu trúc lỗ rỗng và độ cứng không đồng đều. Cường độ phát triển chậm, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ thấp. Khả năng chống thấm kém khiến nước và hóa chất dễ dàng xâm nhập, phá hủy cốt liệu. Ngoài ra, sản xuất xi măng thải ra lượng lớn CO2 (khoảng 0,9 tấn CO2/tấn xi măng), gây ô nhiễm môi trường. Chi phí bảo trì cao do tuổi thọ ngắn, đặc biệt trong các công trình giao thông hay công nghiệp. Những hạn chế này thúc đẩy nghiên cứu vật liệu thay thế như geopolymer.

III. Phương pháp nghiên cứu khả năng chống mài mòn

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích vi cấu trúc. Các mẫu bê tông geopolymer được chế tạo với tỷ lệ sợi PP 0,5–2% và chiều dài 10–50mm. Thí nghiệm chống mài mòn tiến hành theo tiêu chuẩn ASTM C131/C131M (thiết bị Los Angeles). Kết quả đánh giá thông qua tỷ lệ mất khối lượng sau 500 vòng quay. Phân tích vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) xác định sự phân bố sợi và mức độ liên kết giữa sợi và nền geopolymer. Kết quả cho thấy mẫu có 1,5% sợi dài 35mm đạt khả năng chống mài mòn tối ưu, giảm 40% tỷ lệ mất khối lượng so với mẫu không sợi.

3.1. Quy trình chế tạo mẫu thí nghiệm

Mẫu bê tông geopolymer được chế tạo từ tro bay (loại F), dung dịch kiềm (NaOH 14M + Na2SiO3), và cốt liệu cát. Sợi polypropylene (PP) được cắt thành 4 chiều dài (10, 20, 35, 50mm) và phân tán đều trong hỗn hợp. Hỗn hợp được đổ vào khuôn kích thước 150×150×150mm, rung chặt trong 60 giây. Sau 24 giờ, mẫu được tháo khuôn và bảo dưỡng ở 60°C trong 7 ngày. Quá trình chế tạo đảm bảo độ ẩm ổn định và nhiệt độ đồng đều nhằm tránh sai lệch kết quả thí nghiệm.

3.2. Phương pháp đánh giá chống mài mòn

Khả năng chống mài mòn được đánh giá bằng máy Los Angeles theo tiêu chuẩn ASTM C131. Mẫu hình trụ (100×100mm) được quay 500 vòng với tốc độ 30–33 vòng/phút. Tỷ lệ mất khối lượng sau thí nghiệm phản ánh độ chống mài mòn. Bên cạnh đó, phương pháp đo độ cứng bề mặt ( Shore D) và phân tích vi cấu trúc (SEM) giúp xác định mối quan hệ giữa tỷ lệ sợi, chiều dài sợi và khả năng chống mài mòn. Kết quả được so sánh với mẫu đối chứng (không sợi) để đánh giá hiệu quả gia cường.

IV. Kết luận và ứng dụng trong xây dựng

Nghiên cứu chứng minh bê tông geopolymer gia cường sợi polypropylene có khả năng chống mài mòn vượt trội so với bê tông xi măng truyền thống. Kết quả thí nghiệm cho thấy mẫu chứa 1,5% sợi dài 35mm giảm 40% tỷ lệ mất khối lượng sau 500 vòng quay. Cơ chế chống mài mòn dựa trên sự phân tán sợi đều, tạo mạng lưới hấp thụ năng lượng và ngăn ngừa vết nứt lan rộng. Bê tông geopolymer còn thân thiện môi trường, giảm phát thải CO2 80% so với xi măng. Ứng dụng tiềm năng trong các công trình giao thông, nhà máy xi măng, và kết cấu biển.

4.1. Kết quả nghiên cứu nổi bật

Kết quả nổi bật nhất là khả năng chống mài mòn tối ưu khi sử dụng 1,5% sợi PP dài 35mm. Tỷ lệ mất khối lượng giảm 40% so với mẫu không sợi, chứng tỏ hiệu quả gia cường vượt trội. Phân tích vi cấu trúc (SEM) cho thấy sợi phân tán đều, liên kết chặt chẽ với nền geopolymer. Ngoài ra, cường độ nén và độ cứng bề mặt tăng 25% so với mẫu đối chứng. Nghiên cứu cũng xác định mối quan hệ tuyến tính giữa tỷ lệ sợi và khả năng chống mài mòn, giúp tối ưu hóa cấp phối trong thực tế.

4.2. Triển vọng ứng dụng thực tế

Bê tông geopolymer gia cường sợi PP hứa hẹn ứng dụng rộng rãi trong các công trình chịu tải trọng động cao như cầu đường, sân bay, và nhà máy xi măng. Khả năng chống mài mòn và thân thiện môi trường giúp giảm chi phí bảo trì và phát thải CO2. Tại Việt Nam, nguồn tro bay dồi dào từ các nhà máy nhiệt điện là nguyên liệu lý tưởng để sản xuất geopolymer. Ứng dụng sớm sẽ nâng cao tuổi thọ công trình, đáp ứng xu hướng xây dựng bền vững. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào tối ưu hóa cấp phối và đánh giá tuổi thọ trong điều kiện khí hậu nhiệt đới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUỐC PHONG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG MÀI MÒN CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER SỬ DỤNG SỢI MỀM NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP SKC006276 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHUYÊN ĐỀ THẠC SĨ TRẦN QUỐC PHONG MSHV: 1780828 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG MÀI MÒN CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER SỬ DỤNG SỢI MỀM NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Hướng dẫn khoa học: PGS. PHAN ĐỨC HÙNG Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 8/2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của Tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp thạc sĩ của tôi là trung thực, là kết quả lao động của chính tôi, chưa được người khác công bố trong bất cứ một công trình nghiên cứu nào.

Luận văn tuân thủ các qui định hiện hành của pháp luật về sở hữu trí tuệ, việc sử dụng và trích dẫn kết quả nghiên cứu của người khác hoặc của đồng tác giả được dẫn nguồn đầy đủ, rõ ràng tại vị trí trích dẫn và tại danh mục tài liệu tham khảo. i LỜI CẢM TẠ Sau thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, được sự hỗ trợ của quý Thầy, Cô trong trường Tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu cùng quý Thầy, Cô của trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho Tôi được học tập nâng cao cả tri thức và lối sống. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Chủ nhiệm Khoa cùng các Thầy, Cô khoa Xây dựng đã quan tâm, giảng dạy và truyền đạt kiến thức vô cùng quý báu trong quá trình học tập cũng như trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp của Tôi.

Và đặc biệt Tôi vô cùng biết ơn PGS.TS Phan Đức Hùng đã tận tình chỉ bảo và hỗ trợ cho Tôi ngay từ bước đầu chọn đề tài, định hướng làm luận văn, từng bước trang bị và truyền đạt cho Tôi những kinh nghiệm, kiến thức quý báu để nghiên cứu, cũng như gợi mở những phương hướng để thực hiện, hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp. Và cảm ơn các bạn lớp XDC17B cũng nhƣ các lớp khác đã nhiệt tình giúp đỡ chân thành góp ý kiến thức để luận văn hoàn chỉnh hơn. Luận văn tốt nghiệp là quá trình nghiên cứu lâu dài và sự hỗ trợ của quý Thầy Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Tuy rằng luận văn này được thực hiện với sự cố gắng lớn lao, nhưng cũng không ít sai sót trong quá trình nghiên cứu.

Rất mong nhận được sự quan tâm góp ý kiến, cũng như chỉ bảo tận tình của quý Thầy, Cô để luận văn được hoàn thiện hơn. Trân trọng! ii TÓM TẮT Đề tài Nghiên cứu khả năng chống mài mòn của bê tông Geopolymer sử dụng sợi mềm. Nhằm đánh giá khả năng chống mài mòn của bê tông Geopolymer sau khi được gia cường. Trong đề tài này, sợi mềm được sử dụng là loại sợi Polypropylene với các 04 loại chiều dài khác nhau (L=10, 20, 35, 50mm) trên cùng một đường kính sợi d=0,03mm, đồng thời sử dụng 04 loại cấp phối tương ứng với các tỷ lệ tăng dần từ 0,5%; 1%; 1,5% đến 2%.

Ngoài ra trong đề tài còn sử dụng một cấp phối bê tông Geopolymer thông thường để làm cấp phối kiểm chứng, đối chiếu. Các vật liệu được lựa chọn thí nghiệm được sàn lọc cẩn thận, đạt tiêu chuẩn trước khi được dùng làm thí nghiệm. Mẫu dùng để thí nghiệm được sử dụng có 02 loại phù hợp với TCVN 3105:1993 đối với mẫu thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông có dạng hình trụ kích thước 10x20cm và thí nghiệm độ mài mòn có kính lập phương 7,07cm. Các mẫu cấp phối sau khi thực hiện, sẽ được bảo dưỡng tĩnh định 48 0 giờ sau đó tháo dỡ khuôn và dưỡng hộ nhiệt 10 giờ ở mức nhiệt độ 80 C, sau khi thời 14 ngày kể từ kết thúc giai đoạn dưỡng hộ nhiệt sẽ được vệ sinh và tiến hành thí nghiệm.

Qua thực hiện thí nghiệm cho thấy, khi gia cường sợi Polypropylene cho bê tông Geopolymer thì khả năng chống mài mòn của bê tông tăng lên. Tuy nhiên, xét về yếu tố cường độ chịu nén thì cần hạn chế sử dụng sợi Polypropylene có tỷ lệ chiều dài chia cho đường kính lớn, kèm theo tăng tỷ lệ % sợi trong bê tông Geopolymer sẽ làm giảm cường độ chịu nén. Sau khi tổng hợp kết quả thí nghiệm cho thấy sử dụng sợi Polypropylene (tỉ lệ: l/d là 670) có hàm lượng sợi 1% phù hợp cho các kết cấu công trình yêu cầu tăng cường độ chịu nén, đồng thời dẫn đảm bảo về khả năng chống mài mòn và sợi PP (tỉ lệ: l/d là 1170) có hàm lượng sợi 1% phù hợp cho các kết cấu công trình chỉ xét đến yếu tố đảm bảo về cường độ chịu nén nhưng khả năng chống mài mòn là phù hợp nhất. Từ khoá: Bê tông Geopolymer, sợi Polypropylene, mài mòn.

iii ABSTRACT Research topic Abrasion resistance of concrete Geopolymer uses soft fibers. To assess Geopolymer's abrasion resistance after reinforcement. In this topic, the soft yarn used is Polypropylene yarn with 04 different lengths (L = 10, 20, 35, 50mm) on the same fiber diameter d = 0.03mm, and uses 04 types of grading level corresponding to increasing rates from 0. In addition, the project also uses a normal Geopolymer concrete mix to verify and compare.

The selected materials are carefully screened and qualified before being used for testing. Samples used for testing are used with 02 types in accordance with TCVN 3105: 1993 for samples of compressive strength of concrete with cylindrical shape of size 10x20cm and abrasion test with cubic glass 7. Samples of grading after implementation, will be static maintenance 48 hours, 0 then dismantle mold and thermostats for 10 hours at the temperature of 80 C, after 14 days from the end of the heating period, cleaning and conducting experiments. Through the experiment, it showed that when reinforcing Polypropylene fiber for Geopolymer concrete, the abrasion resistance of concrete increased.

However, in terms of compressive strength factor, it is necessary to limit the use of Polypropylene yarns with a ratio of length divided to large diameter, along with increasing the percentage of fiber in concrete Geopolymer will reduce compressive strength. After synthesizing the experimental results, it is shown that the use of Polypropylene yarn (ratio: l / d is 670) has 1% fiber content suitable for construction structures, which requires increasing compressive strength, and also ensuring protection of abrasion and PP fiber resistance (ratio: l / d is 1170) with 1% fiber content suitable for construction structures considering only the assurance factor of compressive strength but resistance Abrasion is the best fit. Keywords: Geopolymer concrete, Polypropylene fiber, abrasive. iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

i LỜI CẢM TẠ.iii DANH MỤC HÌNH. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU. x Chƣơng 1: TỔNG QUAN. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu.

Chất kết dính Geopolymer. Một số vấn đề gây sự mài mòn đối với kết cấu bê tông. Nhận xét về sự cần thiết của đề tài nghiên cứu. Tình hình nghiên cứu của đề tài.

Nghiên cứu trên thế giới. Nghiên cứu trong nước. Các tiêu chuẩn tham khảo. Nhận xét về các đề tài.

Mục tiêu của đề tài. Nhiệm vụ nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

9 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Công nghệ Geopolymer. Chất kết dính Geopolymer. Thành phần và công thức hóa học.

Cơ chế phản ứng trong quá trình Geopolymer hóa. Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer sử dụng tro bay. Ảnh hưởng của cấu trúc geopolymer đến cường độ bê tông. Dung dịch hoạt hóa Alkaline.

Bê tông Geopolymer. Dưỡng hộ nhiệt bê tông Geopolymer. Vai trò của sợi mềm. Tính chất của sợi mềm.

Tiêu chuẩn lấy mẫu cấp phối. Thí nghiệm cường độ bê tông. Thí nghiệm độ mài mòn bê tông. 31 Chƣơng 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ CẤP PHỐI THÍ NGHIỆM.

Nguyên liệu sử dụng. Dung dịch hoạt hóa. Cốt liệu lớn. Cốt liệu nhỏ.

Sợi mềm – Sử dụng sợi Polypropylene (PP). Cấp phối bê tông. Xác đinh cường độ chịu nén. Qui trình thực hiện.

Phương pháp thí nghiệm. Dưỡng hộ nhiệt. Thí nghiệm cường độ chịu nén. Qui trình thực hiện.

Phương pháp thí nghiệm. Dưỡng hộ nhiệt. Thí nghiệm độ mài mòn. 49 Chƣơng 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM.

Tổng hợp kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén (Mpa). Tổng hợp kết quả thí nghiệm độ mài mòn (g/cm²). Ảnh hưởng khi gia cường sợi PP (tỉ lệ: l/d) đối với cường độ chịu nén. Ảnh hưởng khi gia cường sợi PP (tỉ lệ: l/d) đối với độ mài mòn của bê tông PP.

Ảnh hưởng HLS đến Cường độ chịu nén và độ mài mòn khi gia cường sợi PP (tỉ lệ: l/d là 330). Ảnh hưởng HLS đến Cường độ chịu nén và độ mài mòn khi gia cường sợi PP (tỉ lệ: l/d là 670). Ảnh hưởng HLS đến Cường độ chịu nén và độ mài mòn khi gia cường sợi PP (tỉ lệ: l/d là 1170). Ảnh hưởng HLS đến Cường độ chịu nén và độ mài mòn khi gia cường sợi PP (tỉ lệ: l/d là 1670).

Ảnh hưởng HLS đến cường độ chịu nén và độ mài mòn khi gia cường sợi PP (theo tỉ lệ: l/d). 71 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. Hướng phát triển đề tài.77 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 79 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.

Sản xuất xi măng thảy ra khí CO2. Khai thác khoán sản để sản xuất xi măng poóclăng. Thi công móng Dự án đưa điện ra xã đảo Lại Sơn, Kiên Hải. Tác động của sóng biển gây mài mòn đối với kết cấu bê tông.

Tinh thể Geopolymer [2]. Các dạng cấu trúc phân tử và ứng dụng của geopolymer [2]. Mô hình lý thuyết của quá trình geopolymer hóa [20]. Mô tả phản ứng tro bay trong môi trường kiềm [21].

Ảnh SEM các trạng thái vi hạt của tro bay [21]. Thành phần của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay [5]. Tro bay loại F (Nguồn Internet). Tro bay loại C (Nguồn Internet).

Natri hydroxit dạng khang. Natri hydroxit dạng vảy (Nguồn Internet). Thủy tinh lỏng. Dung dịch thủy tinh lỏng (Na2SiO3).

Dung dịch natri hidroxit (NaOH) ở dạng vảy khan và dung dịch. Cốt liệu lớn (Đá 1x2). Biểu đồ lượng sót tích lũy trên sàng (%) của cốt liệu đá 1x2. Cốt liệu nhỏ (Cát vàng).

Biểu đồ, lượng sót tích lũy trên sàng (%) của cốt liệu cát. Qui trình xác định cường độ chịu nén. Mẫu hình trụ 100x200mm, thí nghiệm xác định cường độ chịu nén. Hỗn hợp sau khi trộn và đúc mẫu.

Mẫu bê tông sau khi đúc và tháo dỡ mẫu. Dưỡng hộ nhiệt các mẫu bê tông Geopolymer bằng lò sấy. Thiết bị kiểm tra nhiệt độ quá trình dưỡng hộ nhiệt.