CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1.1 Môi trường – vấn đề chung của toàn cầu Cùng với tốc độ phát triển xã hội như hiện nay, nó kéo theo nhiều vấn đề, một trong những vấn đề đặc biệt quan trọng đó chính là ô nhiễm môi trường. Kinh tế phát triển kéo theo lượng rác thải ra môi trường ngày càng nhiều, làm cho môi trường sống đang bị ô nhiễm một cách trầm trọng. Có nhiều biện pháp làm giảm ô nhiễm môi trường như là: Trồng nhiều cây xanh, tận dụng năng lượng mặt trời để sử dụng, biến thức ăn thừa thành phân bón, hạn chế sử dụng túi ni lon, … đặc biệt là tái chế chất thải thành vật liệu xây dựng, một nhóm nghiên cứu đến từ đại học Teknologi MARA ở Malaysia đã sử dụng vật liệu tro bay, cốt liệu tái chế và nhôm ở thể sợi để tạo ra “bê tông xanh” thân thiện với môi trường, nó có tác dụng và lợi ích rất lớn trong sự phát triển của xã hội và với môi trường sống của chúng ta.1: Khối bê tông làm từ xi măng polymer vô cơ “xanh”.2 Tìm kiếm và phát triển nguồn vật liệu xây dựng cho tương lai Ngành công nghiệp xây dựng đã và đang sử dụng lượng lớn nguồn tài nguyên thiên nhiên, các nguyên liệu tự nhiên để chế tạo xi măng truyền thống như đá vôi, đất sét đang bị sử dụng quá mức và có nguy cơ thiếu hụt trong tương lai gần. Vì vậy, ngày nay con người không ngừng tìm kiếm, cải tiến và hoàn thiện những vật liệu mới 1 thân thiện với môi trường nhưng vẫn đảm bảo chất lượng.
Việc khám phá và tìm kiếm nguồn vật liệu mới là mục tiêu mũi nhọn của các nhà khoa học nhằm tìm ra nguồn vật liệu xây dựng cho tương lai trước bối cảnh các nguồn tài nguyên đang bị khai thác cạn kiệt. Polymer vô cơ đang dần khẳng định vị trí của mình trong khoa học công nghệ vật liệu, vì loại vật liệu này không chỉ đạt được các tính chất tương tự hoặc tốt hơn so với các loại vật liệu sử dụng chất kết dính truyền thống mà còn tận dụng được chất thải công nghiệp, bảo vệ nguồn nước khỏi bị ô nhiễm và giảm sự phát tán chất thải ra môi trường. Bê tông polymer vô cơ hay còn gọi là Geopolymer với lượng khí thải CO2 thấp hơn bê tông truyền thống nhưng có thể tạo ra các cơ sở hạ tầng có tuổi thọ hàng trăm năm đồng thời mang lại nhiều ưu điểm trong việc tăng độ bền, khả năng chống ăn mòn, cường độ cao cho kết cấu. Bên cạnh đó, chất kết dính geopolymer cũng tận dụng các phế thải của quá trình sản xuất công nghiệp như tro bay của nhà máy nhiệt điện chạy than; xỉ lò của nhà máy luyện gang, thép, .3 Tối ưu hóa thành phần cấp phối và phương pháp Taguchi Việc tính toán cấp phối bê tông rất quan trọng vì nó quyết định chất lượng của bê tông cũng như giá thành.
Đã có nhiều nghiên cứu về cấp phối bê tông trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Nhìn chung, những phương pháp này đều có phạm vi ứng dụng riêng, đều đưa ra được quy trình tính toán có xét đến tỷ lệ tối ưu giữa các thành phần vật liệu nhằm tiết kiệm cốt liệu nhưng vẫn đảm bảo cường độ thiết kế. Tuy nhiên, đa số các phương pháp đều sử dụng những cách tính toán khá phức tạp, sử dụng các bảng tra, những phần mềm hỗ trợ hoặc có nhiều hệ số kinh nghiệm cần chọn trong quá trình tính toán,. điều này dẫn đến khó khăn trong quá trình thiết kế và việc ứng dụng các phương pháp này sẽ không còn mang lại hiệu quả cao.
Đối với bê tông thông thường quy trình thiết kế cấp phối tương đối đơn giản, chi phí thí nghiệm cũng không nhiều. Tuy nhiên, đối với bê tông geopolymer do phải xác định cấp phối sao cho thỏa mãn đồng thời các yêu cầu kỹ thuật, các nhà nghiên cứu thường đang phải tốn rất nhiều công sức, kinh phí để làm thí nghiệm. Chính vì vậy đề tài này sử dụng phương pháp Taguchi để tìm ra thành phần cấp phối tối ưu 2 cho bê tông Geopolymer nhằm thỏa mãn các yêu cầu về cường độ, giảm giá thành cho kết cấu nhưng số lần thí nghiệm phải ít nhất để giảm chi phí thí nghiệm. Để giải quyết phần nào những vấn đề cấp thiết nêu trên thì đề tài nghiên cứu “Tối ưu hóa thành phần cấp phối của bê tông Geopolymer bằng phương pháp Taguchi” đã được lựa chọn.2 Tình hình nghiên cứu 1.1 Khái niệm về Geopolymer Hiện nay, đã có những cảnh báo về vấn đề ô nhiễm môi trường do rác thải, khí thải và hiện tượng trái đất nóng dần do hệ quả của hiệu ứng nhà kính.
Một trong những nguyên nhân đóng góp một lượng lớn khí CO2 vào khí quyển là công nghiệp sản xuất xi măng truyền thống. Theo ước tính của một số tác giả, sản xuất 1 tấn xi măng pooc lăng đồng nghĩa với việc thải ra 1 tấn khí CO2 từ đá vôi và than đốt. Chính vì vậy, một số nước đã khuyến khích phát triển một loại chất kết dính mới có thể thay thế xi măng pooc lăng truyền thống, đó là xi măng polime hay còn gọi là “Geopolymer - cement”. Bản chất cơ bản của Geopolymer là một polymer vô cơ, đã được các tác giả trên thế giới nghiên cứu từ những năm 70 của thế kỷ XX.
Đi từ nguyên liệu thô là những phế thải trong công nghiệp như tro bay, xỉ lò, rác thải trong xây dựng,… qua xử lý và phối trộn với phụ gia hoạt tính ở tỉ lệ thích hợp, tạo thành một sản phẩm kết dính có thể thay thế hoàn toàn cho xi măng truyền thống. Về mặt kinh tế, giá thành của 1 tấn tro bay hoặc xỉ lò rẻ hơn nhiều lần so với giá của 1 tấn xi măng. Vì vậy sau khi tính cả giá của dung dịch kiềm kích hoạt thì giá của bê tông geopolymer sẽ thấp hơn khoảng 10-30% so với giá của bê tông xi măng, nên loại vật liệu này có thể cạnh tranh với xi măng pooc lăng đang có trên thị trường. Về khả năng chịu lực, bê tông geopolymer sử dụng tro bay có thể cho cường độ cao sau khi phản ứng kiềm (20-30 MPa sau 48 giờ).
Về tính bền, bê tông geopolymer được cho là chịu nhiệt tốt cả trong điều kiện môi trường thường và khắc nghiệt, có khả năng chịu ăn mòn hóa học cực tốt. Khả năng gắn kết với cốt thép của bê tông geopolymer đã được nghiên cứu và so sánh là tương đương hoặc cao hơn bê tông xi măng pooc lăng truyền thống.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước J. Davidovits [1] đã nghiên cứu ra vật liệu geopolymer cùng với các tính chất hóa lý của vật liệu. Những loại geopolymer này dựa vào quá trình nhiệt hoạt hóa các vật liệu tự nhiên hoặc sản phẩm của công nghiệp nhằm cung cấp nguồn vật liệu silic (Si) và nhôm (Al) hòa tan với dung dịch kiềm kích hoạt, sau quá trình trùng hợp tạo thành chuỗi phân tử có trật tự, ổn định.
Mijarsh và cộng sự [2] đã sử dụng phương pháp Taguchi đánh giá 6 yếu tố đầu vào cùng 5 cấp độ để tìm ra cấp phối tối ưu. Kết quả cho thấy cường độ chịu nén đạt 47,27 ± 5,0 MPa sau 7 ngày. Các tính chất của hỗn hợp tối ưu còn được phân tích thêm thông qua nhiễu xạ tia X và quang phổ hồng ngoại biến đổi. Mohammad Javad Khalaj [3] đã nghiên cứu về độ bền chịu kéo của bê tông geopolymer sử dụng xỉ thép gia cố bằng sợi thép và áp dụng phương pháp Taguchi để xác định các thông số và điều kiện tối ưu của chúng.
Kết quả đánh giá bằng phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) cho rằng với nồng độ natri hydroxit 14 M, sợi thép chiếm 5%, mẫu được bảo dưỡng 14 ngày cho cường độ chịu kéo 8,87 ± 1,71 MPa. Ahmer Ali Siyan và cộng sự [4] đã tiến hành các thí nghiệm được thiết kế theo phương pháp Taguchi để nghiên cứu về sự ảnh hưởng các thông số của bê tông sử dụng tro bay dựa trên các thiết lập về thời gian được cài đặt bởi thiết bị Vicat Needle. Kết quả cho thấy với tỷ lệ Si / Al là 1,8, tỉ lệ Na / Al là 1,0, tỷ số W / S là 0,2 và nhiệt độ 80°C sẽ làm cho quá trình polymer hóa xảy ra nhanh hơn.Mustafa và các cộng sự [5] đã giới thiệu về công thức hóa học cấu thành, quy luật hình thành và cấu trúc vi mô của Geopolymer. Báo cáo chỉ ra quá trình polymer hóa bao gồm ba giai đoạn: (1) hòa tan các nguyên tử Si và Al thông qua hoạt động của các ion hydroxit, (2) ngưng tụ các ion tiền thân thành monomer, (3) quá trình trùng hợp cấu trúc phức hợp monomer.3 Tình hình nghiên cứu trong nước Tống Tôn Kiên và cộng sự [10] đã trình bày quá trình hình thành cấu trúc, các đặc tính và ứng dụng của bê tông geopolymer và đề cập đến gepolymer là sản 4 phẩm của quá trình phản ứng giữa vật liệu có nguồn gốc silic và nhôm với dung dịch kiềm, vật liệu này có thể thay thế xi măng trong bê tông.
Nguyễn Văn Dũng [11] nghiên cứu chế tạo bê tông geopolymer từ tro bay, xác định cường độ và các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông geopolymer. Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn [12] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến cường độ vữa geopolymer cũng như ảnh hưởng của chất xúc tác sinh nhiệt đến quá trình geopolymer hóa của vữa. Kết quả cho thấy sau quá trình hoạt hóa thì thay thế tro bay bằng 20-60% silicafume và 20% tro trấu cho cường độ tốt hơn. Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn [13] đã tái chế các loại phế thải xây dựng nhằm thay thế cốt liệu tự nhiên cho các hạng mục xây dựng như móng, nền đường giao thông.
Với tỷ lệ phối trộn, kích cỡ hạt và độ ẩm hợp lý, hỗn hợp phế thải tái chế từ bê tông thải và gạch thải đạt độ đặc chắc cao, khối lượng thể tích lớn nhất và khả năng chịu lực như cường độ, chỉ số sức chịu tải CBR (California bearing ratio) và mô đun đàn hồi đạt giá trị tối ưu. Đỗ Văn Vũ [14] cho rằng quy hoạch thực nghiệm là cơ sở phương pháp luận của nghiên cứu thực nghiệm hiện đại. Quy hoạch thực nghiệm là tập hợp các tác động nhằm đưa ra chiến thuật làm thực nghiệm, từ giai đoạn đầu tiên đến giai đoạn kết thúc của quá trình nghiên cứu đối tượng. Cơ sở toán học nền tảng là thống kê với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồi qui.