Luận văn khả năng chống mài mòn bê tông geopolymer sợi thép

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khả năng chống mài mòn của bê tông geopolymer gia cường sợi thép. Đánh giá chi tiết cơ tính và độ bền của vật liệu.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Cường
• 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 thép
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về khả năng chống mài mòn của bê tông geopolymer

Bê tông geopolymer là vật liệu xây dựng mới thay thế xi măng Portland. Nó sử dụng tro bay và dung dịch kiềm để tạo kết cấu không gian 3D. Khả năng chống mài mòn của loại bê tông này phụ thuộc vào cấu trúc nano và tính chất hóa học. Sợi thép được bổ sung để tăng cường độ bền và giảm độ nhạy với mài mòn. Nghiên cứu này tập trung vào hiệu quả của sợi thép trong việc cải thiện khả năng chống mài mòn. Đặc biệt quan trọng là hàm lượng và kích thước sợi. Bê tông geopolymer có độ bền cao hơn nhưng dễ bị mài mòn. Sợi thép cải thiện tính dẻo và giảm độ nhạy với mài mòn. Nghiên cứu này xác định hàm lượng sợi tối ưu từ 1.5% đến 2%.

1.1. Cấu trúc và cơ chế chống mài mòn của bê tông geopolymer

Cấu trúc nano của bê tông geopolymer tạo ra liên kết Si-O-Al-O. Điều này tạo ra độ bền cao nhưng cũng làm tăng độ nhạy với mài mòn. Sự kết hợp giữa tro bay và dung dịch kiềm tạo ra một mạng lưới không gian 3D. Mạng lưới này tăng cường độ bền nhưng cũng làm tăng độ nhạy với mài mòn. Sợi thép bổ sung vào hỗn hợp làm tăng độ dẻo và giảm độ nhạy với mài mòn. Cơ chế này dựa trên việc phân tán lực mài mòn và ngăn ngừa sự hình thành vết nứt. Sợi thép hoạt động như một lớp bảo vệ chống lại mài mòn bề mặt.

1.2. Vai trò của sợi thép trong cải thiện khả năng chống mài mòn

Sợi thép cải thiện khả năng chống mài mòn thông qua hai cơ chế chính. Thứ nhất, sợi thép phân tán lực mài mòn và ngăn ngừa sự hình thành vết nứt. Thứ hai, sợi thép tăng độ dẻo của bê tông. Điều này làm giảm khả năng bị mài mòn bề mặt. Hàm lượng sợi từ 0.5% đến 2% ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chống mài mòn. Kích thước sợi cũng quan trọng. Sợi dài hơn 3.5 cm có hiệu quả cao hơn. Nghiên cứu cho thấy hàm lượng sợi tối ưu là 1.5% đến 2%. Điều này cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn của bê tông geopolymer.

II. Phân tích vấn đề về độ mài mòn của bê tông geopolymer

Bê tông geopolymer thường có độ mài mòn cao hơn so với bê tông xi măng truyền thống. Nguyên nhân là do cấu trúc nano và độ bền cao. Mài mòn xảy ra khi bề mặt vật liệu bị xước hoặc bị phá hủy bởi lực cọ xát. Trong môi trường xây dựng, bê tông thường chịu tác động của xe cộ, gió và nước. Sợi thép được sử dụng để cải thiện độ bền và giảm độ mài mòn. Tuy nhiên, hàm lượng sợi quá thấp không hiệu quả. Hàm lượng quá cao làm giảm độ dẻo của hỗn hợp. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định hàm lượng sợi tối ưu. Kích thước sợi cũng ảnh hưởng đến hiệu quả chống mài mòn. Sợi dài hơn có khả năng cải thiện khả năng chống mài mòn hơn.

2.1. Nguyên nhân gây mài mòn trong bê tông geopolymer

Mài mòn trong bê tông geopolymer chủ yếu do cấu trúc nano và độ bền cao. Khi bề mặt vật liệu chịu lực cọ xát, các hạt nhỏ bị xước và phá hủy. Điều này làm giảm độ bền và tuổi thọ của bê tông. Môi trường xây dựng có nhiều yếu tố gây mài mòn như xe cộ, gió và nước. Bê tông geopolymer có độ bền cao nhưng cũng dễ bị mài mòn. Nguyên nhân là do cấu trúc nano và độ nhạy với lực cọ xát. Sợi thép bổ sung vào hỗn hợp làm tăng độ dẻo và giảm độ nhạy với mài mòn. Điều này giúp cải thiện khả năng chống mài mòn của bê tông.

2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng và kích thước sợi thép

Hàm lượng sợi thép từ 0.5% đến 2% ảnh hưởng đáng kể đến độ mài mòn. Hàm lượng thấp không hiệu quả. Hàm lượng cao làm giảm độ dẻo của hỗn hợp. Kích thước sợi cũng quan trọng. Sợi dài hơn 3.5 cm có hiệu quả cao hơn. Nghiên cứu cho thấy hàm lượng sợi tối ưu là 1.5% đến 2%. Điều này cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn. Sợi dài hơn phân tán lực mài mòn hiệu quả hơn. Điều này ngăn ngừa sự hình thành vết nứt và cải thiện độ bền bề mặt.

III. Giải pháp và phương pháp nghiên cứu khả năng chống mài mòn

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thí nghiệm để đánh giá khả năng chống mài mòn của bê tông geopolymer. Các mẫu bê tông được chế tạo với hàm lượng sợi thép khác nhau. Kích thước sợi cũng được thay đổi. Thí nghiệm mài mòn được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM C944. Kết quả được đo bằng độ mài mòn (g/cm²). Cường độ chịu nén cũng được đo để đánh giá độ bền của bê tông. Hàm lượng sợi tối ưu được xác định là 1.5% đến 2%. Kích thước sợi dài hơn 3.5 cm hiệu quả hơn. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học cho việc sử dụng sợi thép trong bê tông geopolymer.

3.1. Phương pháp thí nghiệm và tiêu chuẩn đánh giá

Phương pháp thí nghiệm sử dụng tiêu chuẩn ASTM C944 để đánh giá độ mài mòn. Các mẫu bê tông được chế tạo với hàm lượng sợi thép từ 0.5% đến 2%. Kích thước sợi được thay đổi từ 3.5 cm đến 6 cm. Thí nghiệm mài mòn được thực hiện bằng cách sử dụng máy mài mòn. Kết quả được đo bằng độ mài mòn (g/cm²). Cường độ chịu nén cũng được đo để đánh giá độ bền của bê tông. Tiêu chuẩn này đảm bảo tính chính xác và tái tạo của kết quả.

3.2. Kết quả và phân tích hiệu quả của sợi thép

Kết quả cho thấy hàm lượng sợi tối ưu là 1.5% đến 2%. Độ mài mòn giảm đáng kể khi sử dụng hàm lượng sợi này. Kích thước sợi dài hơn 3.5 cm hiệu quả hơn. Sợi dài hơn phân tán lực mài mòn hiệu quả hơn. Điều này ngăn ngừa sự hình thành vết nứt và cải thiện độ bền bề mặt. Cường độ chịu nén của bê tông tăng khi sử dụng sợi thép. Điều này chứng minh hiệu quả của sợi thép trong cải thiện khả năng chống mài mòn của bê tông geopolymer.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu xác định rằng sợi thép cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn của bê tông geopolymer. Hàm lượng sợi tối ưu là 1.5% đến 2%. Kích thước sợi dài hơn 3.5 cm hiệu quả hơn. Kết quả này có ứng dụng thực tiễn trong xây dựng. Bê tông geopolymer có thể được sử dụng cho các công trình chịu mài mòn cao như sân bay, đường cao tốc và bến cảng. Sợi thép cải thiện độ bền và tuổi thọ của bê tông. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học cho việc sử dụng bê tông geopolymer trong các công trình xây dựng hiện đại.

4.1. Kết quả chính và ứng dụng trong xây dựng

Kết quả chính của nghiên cứu là hàm lượng sợi tối ưu là 1.5% đến 2%. Điều này cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn của bê tông geopolymer. Kích thước sợi dài hơn 3.5 cm hiệu quả hơn. Bê tông geopolymer có thể được sử dụng cho các công trình chịu mài mòn cao như sân bay, đường cao tốc và bến cảng. Sợi thép cải thiện độ bền và tuổi thọ của bê tông. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học cho việc sử dụng bê tông geopolymer trong các công trình xây dựng hiện đại.

4.2. Đề xuất và hướng nghiên cứu tiếp theo

Đề xuất sử dụng bê tông geopolymer với sợi thép cho các công trình chịu mài mòn cao. Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc sử dụng các loại sợi khác như sợi thủy tinh hoặc sợi carbon. Ngoài ra, nghiên cứu có thể tập trung vào việc cải thiện tính chất chống mài mòn của bê tông geopolymer trong môi trường khắc nghiệt. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu tương lai về vật liệu xây dựng bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu Theo số liệu của Liên đoàn Bê tông Châu Á cho biết bê tông đang là vật liệu xây dựng được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới. Từ ngày 31/10 đến 2/11 tại Hà Nội diễn ra hội nghị quốc tế lần thứ 7 của Liên đoàn Bê tông châu Á (ACF 2016) với chủ đề “Phát triển bê tông bền vững cho hiện tại và tương lai”. Ước tính hàng năm có khoảng 35 tỷ tấn bê tông được sản xuất trên toàn cầu, các nước ở Châu Á hiện đang tiêu thụ lượng xi măng rất lớn, trong đó Việt Nam tiêu thụ 60 triệu tấn năm 2016. Hiện tại theo báo cáo của Cục Quản lý giá (Bộ Tài chính) công bố, Năm 2017, ước đạt khoảng 65 triệu tấn, tăng 5 triệu tấn, tăng khoảng 7% so với cùng kì năm trước.

Theo tính toán, để sản xuất ra một tấn xi măng thì nhà máy sẽ thải ra môi 2 trường sấp xỉ một tấn CO , khí này gây hiệu ứng nhà kính, góp phần làm trái đất 2 nóng lên. Khí CO thải ra từ công nghiệp sản xuất xi măng chiếm khoảng 7% lượng 2 CO trên toàn thế giới. Bên cạnh đó, với tình hình hiện nay của ngành sản xuất xi măng Portland đang ở mức đáng quan tâm.1 Khói bụi tại nhà máy sản xuất xi măng Hà Tiên – Kiên Giang (nguồn Internet) 1 Bên cạnh đó, việc sử dụng lượng lớn than trong các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam hiện nay tạo ra một nguồn tro bay khá lớn. Theo thống kê cho thấy, hiện cả nước có 21 nhà máy nhiệt điện đốt than đang hoạt động, tổng công suất lắp đặt khoảng 14.310 MW, lượng nhiên liệu tiêu thụ khoảng 40 triệu tấn than/năm, phát sinh lượng tro, xỉ thải mỗi năm khoảng 15.

Việc xử lý các chất thải này còn mang tính cầm chừng, chưa triệt để, nên về lâu dài sẽ ảnh hưởng đến môi trường sống của người dân do khí bụi, ô nhiễm nguồn nước.2 Tro bay, được xử lý chôn lấp tại các nhà máy điện (nguồn Internet) Ngoài ra, việc dùng sợi để tăng cường khả năng chịu lực cho bê tông xi măng là một ý tưởng được đề ra từ rất lâu. Bê tông cốt sợi đã được bắt đầu nghiên cứu từ đầu những năm 1960. Ngày nay các dạng kết cấu như: dầm, bản, vỏ bằng bê tông xi măng hoặc bê tông cốt thép có gia cường bằng sợi thép nhỏ, sợi polyme, sợi thủy tinh bền kiềm, sợi cacbon, sợi gỗ, sợi thực vật đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trên thế giới cũng như bước đầu được quan tâm ở nước ta. Ứng dụng của bê tông cốt sợi thép mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng trong một số trường hợp, bê tông cốt sợi thép không thể thay thế hoàn toàn bê tông cốt thép, ví dụ như trong trường hợp chịu ứng suất kéo lớn.

Bê tông cốt sợi thép cũng 2 không thể thay thế được bê tông cốt thép dự ứng lực nhưng lại có thể kết hợp để tạo thành kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực pha sợi thép với những tính năng chịu lực đặc biệt.Việc sử dụng cốt thép sợi sẽ làm cải thiện đáng kể các đặc tính chịu lực của bê tông. Trong những trường hợp có yêu cầu riêng về độ ổn định và hạn chế sử dụng cốt thép hoặc những công trình cần phải gia cường (ví dụ bê tông phun làm vỏ hầm, vỏ tàu thủy), bê tông cốt sợi thép có thể là một giải pháp hợp lý khi ứng dụng cho các cấu kiện chịu lực tập trung lớn. Một số ưu điểm của cốt sợi đối với bê tông:  Ứng dụng bê tông cốt sợi thép đã làm giảm kích thước cấu kiện dẫn đến giảm khối lượng các cấu kiện.  Bê tông cốt sợi thép có cường độ lớn nên rất phù hợp với quá trình sản xuất hàng loạt.

 Bê tông cốt sợi thép có khả năng chống cắt lớn nên có thể giảm hoặc thậm chí loại bỏ cốt xiên trong các cấu kiện không chịu lực lớn.  Gia cường cốt sợi thép trong bê tông đã làm tăng độ bền của bê tông cốt sợi thép. Giảm co ngót và giảm nứt đáng kể nên bảo vệ cốt thép tốt hơn khi chịu tác động của điều kiện môi trường.  Giảm các thanh thép ở các vùng chịu trọng tải tập trung dẫn đến tiết kiệm thời gian và tiền bạc cho các kết cấu cốt thép phức tạp.

Phản ứng thuỷ hoá giữa xi măng và nước được biết đến tạo ra sự co ngót rõ rệt của hồ xi măng đông cứng. Hàm lượng cốt liệu thô hợp lí mang tính hai mặt vừa tiết kiệm được khối lượng hồ xi măng, vừa là một thành phần chống lại sự co ngót do thuỷ hoá. Hsu cùng cộng sự [1] đã chỉ ra rằng có những vết nứt vi mô tại bề mặt của các phần tử cốt liệu thô kích thước lớn. Các vết nứt này tồn tại ở trạng thái không tải trọng.

Khi bê tông bị kéo dưới các tải trọng khác nhau, bao gồm cả quá trình mỏi, các vết nứt vi mô sẽ lan rộng theo bề mặt của cốt liệu và một phần ở khối bê tông xung quanh cốt liệu.Vì khối bê tông chứa hồ xi măng và các cốt liệu nhỏ hơn nên trong đó các sợi thép được trộn và sắp xếp một cách ngẫu nhiên do các sợi 3 này có thể bị thay đổi vị trí tương đối với cốt liệu thô. Khối bê tông trở thành hỗn hợp được tăng cường bởi sợi thép. Các quá trình liên quan đến sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền chủ yếu xảy ra trong vùng tương đối nhỏ xung quanh sợi và vật liệu nền. Sợi vĩ mô Sợi vi mô Hiệu ứng cầu nối Hiệu ứng cầu đối với sợi vĩ mô nối đối với sợi vi Vết nứt lớn vết nứt vi mô Hình 1.3 Hiệu ứng cầu nối của sợi khi bê tông ở trạng thái nứt [1] Mặc khác, sự mài mòn là do tác động của các nguyên tố được vận chuyển bằng nước trong cấu trúc thủy lực của bê tông.

Các cấu trúc thủy lực bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi các quá trình mài mòn là các bề mặt của đập tràn, bể lắng, tường của hồ chứa thượng nguồn, ống thoát nước và đường hầm thủy lực, ngoài ra còn có sự mài mòi do tác động từ các yếu tố bên ngoài như ma sát giữa vật thể bên ngoài đối với các kết cấu hạ tầng như mặt đường.4 Mài mòn do dòng chảy tại đập thủy điện Hòa Bình và mặt đường bị mài mòn do xe lưu thông (nguồn Internet) 4 Để giảm tác động mài mòn đối với các kết cấu bê tông, cũng đã có các đề tài nghiên cứu về sử dụng chất phụ gia, gia cường các loại sợi xây dựng cho bê tông nhằm tăng khả năng chống mài mòn, đồng thời đối với vật liệu thân thiện với môi trường cũng đã có các đề tài nghiên cứu về chất kết dính Geopolymer. Để nghiên cứu thêm một loại vật liệu, góp phần giảm tác động đến môi trường, đồng thời có khả năng giảm tác động mài mòn từ bên ngoài đối với các kết cấu, đề tài chọn nghiên cứu bê tông geopolymer có sử dụng thêm cốt sợi thép để hạm chế và giảm mài mòn đối với kết cấu bê tông. Các loại sợi thép thông dụng hiện nay như: Sợi thép hình dạng tròn trơn, có đầu Hook; sợi xoắn trơn, có đầu mốc. Có đặc tính tăng cường độ cho bê tông, giảm độ co ngót, tăng khả năng chống mài mòn, va đập, giảm khả năng bị nứt.2 Tình hình nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Vật liệu geopolymer được chế tạo nhờ vào quá trình polymer hóa nguyên liệu aluminosilicat trong môi trường kiềm do giáo sư Joseph Davidovits [2] đưa ra.

Theo Joseph Davidovits: "Bất kỳ một nguyên vật liệu nào trong đó có chứa dioxide silic và oxide nhôm đều có thể sử dụng để tạo ra vật liệu geopolymer". Joseph Davidovits [3] 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. Từ những tiền đề trên, Geopolymer được xem như là một loai vật liệu xanh và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghệ và xây dựng.

Bê tông Geopolymer được xem như một loại vật liệu thể hiện các đặc tính cơ lý có thể thay thế được bê tông xi măng truyền thống. Và từ đó, hàng loạt những nghiên cứu về tính chất cơ lý của bê tông Geopolymer đã được thực hiện.Rangan [4] nghiên cứu về Quá trình phát triển và những đặc tính của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay, có những nhận xét về những tính chất ảnh hưởng đến cường độ của bê tông Geopolymer như: Nồng độ Mole của dung dịch NaOH, tỉ lệ thủy tinh lỏng/dung dịch NaOH, nhiệt độ dưỡng hộ, thời gian dưỡng hộ. Mustafa Al Bakri [5], cường độ chịu nén và đăc tính cấu trúc của geopolymer sử dụng tro bay đã được tổng hợp để tạo nên cường độ cao cho geopolymer. Hardjito, Djwantoro [6] đã trình bày quá trình để sản xuất bê tông Geopolymer sử dụng tro bay, cách sản xuất và thí nghiệm mẫu cùng với các số liệu thu thập được.Naveen Kumar, Dr.Ramujee [7], nghiên cứu Khả năng chống mài mòn của bê tông Geopolymer, các kết quả thử nghiệm cuối cùng đã chỉ ra rằng sự kết hợp của các sợi dẫn đến việc cải thiện khả năng chống mài mòn nhiều hơn trong bê tông geopolymer so với bê tông xi măng.

Bê tông sợi thép được nghiên cứu từ những năm 1960. Tác giả Romualdi và Batson [8] đã dùng sợi thép để đánh giá khả năng gia cường sợi đến cường độ của bê tông. Các nghiên cứu về khả năng làm việc của hỗn hợp bê tông cốt sợi thép, ảnh hưởng của chiều dài sợi, tỷ lệ sợi, hàm lượng sợi đến các tính chất cơ lý của bê tông sợi thép [9, 10, 11], Tác giả RamaKrishna [12] và Kukreja [13] đã nghiên cứu ảnh hưởng của sợi có móc 2 đầu (Hook) và sợi thẳng (Straight) về cơ học phá hủy, tính chất cơ lý và cho thấy sợi Hook sẽ gia cường tốt hơn sợi thẳng. Khảo sát về ảnh hưởng của tỷ lệ chiều dài và đường kính sợi thép đến các tính chất của bê tông.