Tổng quan nghiên cứu

Ngành xây dựng hiện nay đang phát triển mạnh mẽ nhằm đáp ứng nhu cầu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Theo ước tính, tổng sản lượng xi măng toàn cầu đến năm 2030 sẽ đạt khoảng 4800 triệu tấn, tuy nhiên, quá trình sản xuất xi măng lại tiêu thụ lượng lớn tài nguyên khoáng sản và năng lượng, đồng thời phát thải khoảng 1.35 tấn CO2 cho mỗi tấn xi măng, chiếm khoảng 7% tổng lượng khí thải CO2 toàn cầu. Điều này đặt ra thách thức lớn về môi trường và tài nguyên, thúc đẩy việc nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường. Bê tông geopolymer, được hình thành từ phản ứng giữa dung dịch kiềm và các vật liệu chứa silic, nhôm như tro bay, xỉ lò cao, được xem là giải pháp xanh thay thế xi măng truyền thống. Bê tông tự lèn, với khả năng chảy dẻo cao và tự lèn chặt mà không cần đầm rung, giúp rút ngắn thời gian thi công và nâng cao độ bền kết cấu, cũng là một hướng phát triển quan trọng trong xây dựng hiện đại.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần cấp phối đến tính chất của bê tông geopolymer tự lèn, với mục tiêu thiết kế hai cấp phối bê tông có cường độ chịu nén từ 20 MPa đến 30 MPa, sử dụng phụ gia Roadcon – SR 5000F và MasterPozzolith R132 để cải thiện tính lưu động và cường độ cơ học. Nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam, sử dụng nguyên liệu địa phương như tro bay từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải Trà Vinh và cốt liệu sông Đồng Tháp, trong khoảng thời gian nghiên cứu từ năm 2019 đến 2020. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tận dụng phế thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết công nghệ geopolymer, được giới thiệu lần đầu bởi giáo sư Joseph Davidovits năm 1979. Geopolymer là vật liệu vô cơ có cấu trúc mạng ba chiều từ các tứ diện SiO4 và AlO4 liên kết qua nguyên tử oxy, hình thành từ phản ứng giữa vật liệu aluminosilicate (tro bay, xỉ lò cao) và dung dịch kiềm (NaOH, Na2SiO3). Quá trình geopolymer hóa bao gồm hòa tan các phân tử Si và Al, định hướng các ion tạo monomer, và trùng ngưng polymer để tạo mạng lưới aluminosilicate rắn chắc. Cấu trúc vô định hình của geopolymer giúp vật liệu có tính bền cao, khả năng chịu ăn mòn và chịu nhiệt tốt.

Bê tông tự lèn là loại bê tông có khả năng chảy dưới trọng lượng bản thân, tự lèn chặt mà không cần đầm rung, với yêu cầu kỹ thuật về tính chảy dẻo cao và không phân tầng. Thành phần bê tông tự lèn bao gồm chất kết dính (trong nghiên cứu là geopolymer), cốt liệu, nước và phụ gia siêu dẻo. Phụ gia Roadcon – SR 5000F được sử dụng để giảm nước, kéo dài thời gian ninh kết và tăng cường độ, trong khi MasterPozzolith R132 chủ yếu cải thiện tính tự lèn của bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp thực nghiệm với cỡ mẫu khoảng 30 mẫu bê tông geopolymer tự lèn, thiết kế hai cấp phối với cường độ mục tiêu 20 MPa và 30 MPa. Nguyên liệu chính gồm tro bay loại F từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải Trà Vinh, cát sông Đồng Tháp, cát nghiền và đá có kích thước tối đa 20 mm, dung dịch kiềm pha trộn NaOH 12 mol và Na2SiO3. Phụ gia Roadcon – SR 5000F được thay đổi hàm lượng từ 0.5%, phụ gia MasterPozzolith R132 từ 0.3% để đánh giá ảnh hưởng đến tính lưu động và cường độ bê tông.

Các chỉ tiêu thí nghiệm bao gồm: độ chảy xòe, thời gian chảy qua phễu V, khả năng chảy qua hộp chữ L theo tiêu chuẩn TCVN 12209:2018, cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo gián tiếp. Mẫu bê tông được bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng trong thời gian 28 ngày. Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp so sánh trực tiếp giữa các cấp phối và hàm lượng phụ gia nhằm xác định ảnh hưởng của từng thành phần cấp phối đến tính chất bê tông.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính lưu động của bê tông geopolymer tự lèn: Các cấp phối thí nghiệm đều đạt yêu cầu về độ chảy xòe (khoảng 650-700 mm), thời gian chảy qua phễu V dưới 10 giây và khả năng chảy qua hộp chữ L đạt mức 0.8-1.0, nằm trong giới hạn tiêu chuẩn của bê tông tự lèn. Khi tăng hàm lượng phụ gia Roadcon – SR 5000F từ 0.5%, độ chảy xòe tăng khoảng 15%, thời gian chảy giảm 20%, cho thấy phụ gia này cải thiện đáng kể tính lưu động.

  2. Ảnh hưởng của phụ gia Roadcon – SR 5000F đến cường độ chịu nén: Khi tăng hàm lượng phụ gia Roadcon – SR 5000F từ 0.5%, cường độ chịu nén của bê tông geopolymer tự lèn tăng từ 22 MPa lên 28 MPa (tăng khoảng 27%). Điều này chứng tỏ phụ gia không chỉ cải thiện tính công tác mà còn tăng cường độ cơ học.

  3. Ảnh hưởng của phụ gia MasterPozzolith R132 đến tính tự lèn và cường độ: Phụ gia MasterPozzolith R132 chủ yếu ảnh hưởng đến tính tự lèn của bê tông, làm tăng khả năng chảy qua hộp chữ L lên khoảng 10%, nhưng không có tác động đáng kể đến cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp, giữ nguyên ở mức 20-30 MPa.

  4. Cường độ chịu kéo gián tiếp: Cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông geopolymer tự lèn tăng từ 2.5 MPa lên 3.2 MPa khi sử dụng phụ gia Roadcon – SR 5000F, tương đương tăng 28%, cho thấy sự cải thiện đồng bộ về tính năng cơ học.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng phụ gia Roadcon – SR 5000F không chỉ nâng cao tính lưu động mà còn tăng cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp của bê tông geopolymer tự lèn. Điều này có thể giải thích do phụ gia giúp cải thiện sự phân bố hạt và giảm lượng nước hiệu quả, từ đó tăng mật độ liên kết trong mạng geopolymer. Phụ gia MasterPozzolith R132 tập trung cải thiện tính tự lèn, giúp bê tông dễ dàng chảy qua các khe hẹp mà không làm giảm cường độ, phù hợp với yêu cầu thi công tại các công trình có mật độ cốt thép cao.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này tương đồng với báo cáo của các nhà nghiên cứu quốc tế về ảnh hưởng của phụ gia siêu dẻo và tỷ lệ dung dịch kiềm đến tính chất bê tông geopolymer. Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng phụ gia và các chỉ tiêu kỹ thuật có thể minh họa rõ ràng sự gia tăng tính lưu động và cường độ, hỗ trợ việc lựa chọn cấp phối tối ưu cho ứng dụng thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường sử dụng phụ gia Roadcon – SR 5000F trong sản xuất bê tông geopolymer tự lèn nhằm nâng cao tính lưu động và cường độ chịu lực, đặc biệt trong các công trình yêu cầu độ bền cao. Thời gian áp dụng: 6-12 tháng, chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất vật liệu xây dựng.

  2. Ứng dụng phụ gia MasterPozzolith R132 để cải thiện tính tự lèn cho bê tông trong các công trình có mật độ cốt thép dày, giúp rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí nhân công. Thời gian áp dụng: 6 tháng, chủ thể: nhà thầu xây dựng và kỹ sư thiết kế.

  3. Phát triển quy trình thiết kế cấp phối bê tông geopolymer tự lèn dựa trên kết quả nghiên cứu để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong sản xuất đại trà. Thời gian: 12 tháng, chủ thể: viện nghiên cứu và trường đại học.

  4. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các kỹ sư và công nhân xây dựng về kỹ thuật thi công bê tông geopolymer tự lèn, nhằm nâng cao chất lượng công trình và bảo vệ môi trường. Thời gian: liên tục, chủ thể: các tổ chức đào tạo và doanh nghiệp xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ geopolymer và bê tông tự lèn, hỗ trợ phát triển đề tài và luận án liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Tham khảo để ứng dụng công nghệ mới, cải tiến sản phẩm bê tông thân thiện môi trường, nâng cao năng lực cạnh tranh.

  3. Kỹ sư thiết kế và thi công công trình xây dựng: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu phù hợp, tối ưu hóa quy trình thi công, đảm bảo chất lượng và tiến độ.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Sử dụng luận văn làm cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách khuyến khích phát triển vật liệu xây dựng xanh, giảm phát thải khí nhà kính.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông geopolymer tự lèn là gì?
    Bê tông geopolymer tự lèn là loại bê tông sử dụng chất kết dính geopolymer thay thế xi măng, có khả năng chảy dẻo và tự lèn chặt mà không cần đầm rung, giúp thi công dễ dàng và nâng cao độ bền kết cấu.

  2. Phụ gia Roadcon – SR 5000F có tác dụng gì trong bê tông?
    Phụ gia này giúp giảm lượng nước cần thiết, kéo dài thời gian ninh kết và tăng cường độ chịu lực của bê tông, đồng thời cải thiện tính lưu động, phù hợp với bê tông tự lèn.

  3. Tại sao cần sử dụng phụ gia MasterPozzolith R132?
    MasterPozzolith R132 chủ yếu cải thiện tính tự lèn của bê tông, giúp hỗn hợp dễ dàng chảy qua các khe hẹp và cốt thép dày mà không làm giảm cường độ, rất hữu ích trong thi công các kết cấu phức tạp.

  4. Cường độ chịu nén của bê tông geopolymer tự lèn đạt được là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy cường độ chịu nén có thể đạt từ 20 MPa đến 30 MPa, phù hợp với nhiều ứng dụng xây dựng dân dụng và công nghiệp.

  5. Lợi ích môi trường khi sử dụng bê tông geopolymer tự lèn là gì?
    Bê tông geopolymer giảm phát thải CO2 so với bê tông xi măng truyền thống, tận dụng phế thải công nghiệp như tro bay, giảm tiêu thụ tài nguyên thiên nhiên và năng lượng, góp phần bảo vệ môi trường bền vững.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và thử nghiệm thành công hai cấp phối bê tông geopolymer tự lèn với cường độ chịu nén từ 20 MPa đến 30 MPa, sử dụng nguyên liệu địa phương và phụ gia phổ biến.
  • Phụ gia Roadcon – SR 5000F cải thiện đáng kể tính lưu động và cường độ chịu lực của bê tông, trong khi MasterPozzolith R132 nâng cao tính tự lèn mà không ảnh hưởng đến cường độ.
  • Kết quả thí nghiệm đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ chảy xòe, thời gian chảy và khả năng chảy qua hộp chữ L của bê tông tự lèn.
  • Nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xây dựng xanh, thân thiện môi trường, giảm phát thải khí nhà kính và tận dụng phế thải công nghiệp.
  • Đề xuất tiếp tục mở rộng nghiên cứu ứng dụng bê tông geopolymer tự lèn trong các công trình thực tế và phát triển quy trình sản xuất đại trà.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất và thi công thực tế, đồng thời đào tạo kỹ thuật cho các bên liên quan nhằm thúc đẩy phát triển vật liệu xây dựng bền vững tại Việt Nam.