CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA 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. Tổng sản lượng xi măng của thế giới đến năm 2030 dự kiến sẽ vào khoảng 4800 Mt [1]. Tuy nhiên, công nghệ sản xuất xi măng lại là một trong các ngành tiêu thụ rất lớn nguồn tài nguyên khoáng sản (đá vôi, cốt liệu) và năng lượng (than, dầu, điện) cũng như lượng khí thải CO2 rất lớn vào khí quyển. Số liệu điều tra cho thấy lượng khí CO2 từ công nghiệp sản xuất xi măng xấp xỉ 1.35 tấn/năm chiếm khoảng 7% lượng khí thải CO2 trên toàn thế giới [2].
Theo Malhotra và cộng sự, sản xuất 1 tấn xi măng phát ra 1 tấn CO2 vào khí quyển [3]. Đồng thời, nguyên vật liệu thô được sử dụng để sản xuất xi măng sẽ làm giảm trầm tích đá tự nhiên. Việc sản xuất xi măng cũng đòi hỏi nhiệt độ khoảng 1500oC để nung vôi tiêu thụ rất nhiều năng lượng. Do đó, cần phải sử dụng một vật liệu xanh, thân thiện với môi trường mà vẫn đảm bảo yếu tố bền vững có thể làm giảm ô nhiễm không khí, ô nhiễm đất cũng như giảm suy thoái tài nguyên thiên nhiên.
Tro bay, Metakeoline, Xỉ lò cao nghiền hạt, Tro trấu, Silica Fume là các chất thải công nghiệp và nông nghiệp có sẵn rất nhiều ở nước ta cũng như trên thế giới. Những chất thải này khi thải vào đất sẽ gây ô nhiễm cho đất. Những vật liệu phế thải sở hữu các đặc tính độc hại cho sức khỏe chúng ta. Trong tương lai nó sẽ được sử dụng làm vật liệu bổ sung trong xi măng để tăng khả năng làm việc, tính chất cơ học và độ bền của bê tông [4, 5].
1 Luan van Hình 1.1: Khói bụi gây ô nhiễm môi trường Hình 1.2: Lượng chất thải ra từ các nhà máy sản xuất xi măng [6] 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 2 Luan van 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. Hầu hết các nghiên cứu về bê tông geopolymer đã được sử dụng tro bay làm nguyên liệu nguồn aluminosilicate.
Quá trình địa hóa của tro bay yêu cầu bảo dưỡng lò ở nhiệt độ cao từ 60 đến 900C tiêu thụ rất nhiều năng lượng. Bảo dưỡng bê tông đúng cách giúp cải thiện các tính chất cơ học của bê tông geopolyme [7, 8]. 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 tự lèn là một loại bê tông có những đặc tính ưu việc so với các loại bê tông thông thường bởi các đặc tính như: có khả năng điền đầy và đầm chặt vào các khe hay các vị trí cốt thép dày mà không cần đầm rung, dễ dàng đổ bê tông ở các vị trí phần bị hạn chế, cải thiện độ bền và độ tin cậy của kết cấu bê tông, rút ngắn thời gian thi công [9, 10]. Tử những ưu điểm nêu trên thì bê tông geopolymer và bê tông tự lèn mang lại nhiều lợi ích cho ngành ngành xây dựng. Vì vậy, khuyến khích sản xuất ra những loại bê tông mới để thay thế việc sử dụng xi măng Porland.
Hiện nay, trên thế giới cũng như ở Việt Nam có rất ít nhà khoa học nghiên cứu các tính chất của bê tông geopolymer tự 3 Luan van lèn. Điển hình, một số nhà nghiên cứu cho thấy đã được thay thế tro bay bằng xỉ lò cao nghiền hạt với tỉ lệ 10 -100% sẽ giúp gia tăng cường độ nén và chịu kéo của bê tông. Ngoài ra, sử dụng xỉ lò cao nghiền hạt làm tăng tốc thời gian kết dính geopolymer và giảm thời gian đầm nén cho bê tông [11, 12]. Nếu gia tăng lượng xỉ sẽ làm giảm độ sụt của bê tông và độ loang chảy của vữa [13].
Memon et al. [14] đã nghiên cứu phát triển bê tông geopolymer tự lèn sử dụng tro bay làm nguyên liệu gốc bằng cách thay đổi nồng độ natri hydroxit, tỷ lệ natri silicat so với natri hydroxit, nhiệt độ đóng rắn ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của bê tông geopolymer tự lèn. Với những tính chất cũng như tác dụng trên, việc nghiên cứu bê tông Geopolymer tự lèn để thay thế bê tông xi măng mà chất lượng không hề thua kém các loại bê tông thông thường. Ngoài ra còn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng cả về mặt kinh tế lẫn khoa học do vừa xử lý được chất thải gây ra ô nhiễm vừa tạo ra được vật liệu có nhiều ứng dụng trong công nghiệp.
Nhưng vấn đề xét đến ảnh hưởng thành phần cấp phối của bê tông Geopolymer chưa được đề cập rộng rãi do đó đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần cấp phối đến tính chất của bê tông Geopolymer tự lèn” đã được lựa chọn để nghiên cứu.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1.1 Nghiên cứu trên thế giới D.Rangan (2005) [14] khi nghiên cứu về Quá trình phát triển và những đặc tính của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay đã 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. Ali Allahverdi và Frantisek Skvara (2005) [15] 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. 4 Luan van Hardjito và Djwantoro (2005) [16] đã trình bày quá trình để sản xuất bê tông Geopolymer sử dụng tro bay, cách sản xuất và thí nghiệm mẫu, các số liệu thu thập được.Rangan (2010) [17] 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 (2011) [18] 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 (2013) [19] 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.A Shaikh (2014) [20] đã trình bày về sự ảnh hưởng của hàm lượng và nồng độ các dung dịch kiềm có trong thành phần cấp phối đến khả năng chống ăn mòn chloride đối với cốt thép trong bê tông Geopolymer. Chayanee Tippayasam et at. (2014) [21] đã nghiên cứu cường độ vật liệu geopolymer kailin khi sử dụng kaolin (K), metakaolin (MK – được nung từ kaolin ở nhiệt độ cao: 600oC, 700oC, 800oC, với thời gian nung là 2 giờ và 6 giờ), tro trấu, bagasse ash và dung dịch kiềm kích hoạt Na2SiO3/NaOH = 3: 2, trong đó nồng độ mol của dung dịch NaOH là 10 mol/lít. Kích thước mẫu: 25 mm x 25 mm x 25 mm, mẫu được bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng, và được nén sau 7,14,21,28 và 91 ngày.
Kết quả nghiên ứu rằng sau 7 ngày mẫu MK geopolymer đạt cường độ lớn nhất (40.75 MPa) khi nung kaolin ở 600oC trong thời gian 6 giờ. Cường độ chịu nén của mẫu geopolymer 100% MK (29.6 MPa – Đăc biệt mẫu này yêu cầu bảo dưỡng ở 80oC trong thời gian 24h 5 Luan van sau đó bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng) xấp xỉ cường độ chịu nén của mẫu geopolymer 100 MK (30.9 Mpa) sau 91 ngày nén. Vì vậy có thể sử dụng kaolin thay thế maetakaolin trong hổn hợp vật liệu geopolymer, nhằm tiết kiệm năng lượng cũng như giảm hàm lượng khí thải CO2. Bên cạnh đó nghiên cứu cũng chỉ ra rằng ứng với mẫu geopolymer gồm 80% K và 20% RHA cho kết quả cường độ chịu nén lớn nhất 16.2 MPa ờ 28 ngày và 21.3 MPa ở 91 ngày nén.
Yun Yong Kim et at (2014) [22] tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng, nồng độ dung dịch kiềm hoạt hoát đến cường độ của mẫu vữa geopolymer. Đồng thời so sánh với mẫu vữa sử dụng xi măng Portland. Mẫu vữa geopolymer sử dụng tro trấu với dung dịch hoạt hóa sodium hydroxide (NaOH có nồng độ molt hay đổi 7,8,9,10mol/lít) và sodium silicate (Na2SiO3 được lấy theo tỷ lệ Na2SiO3/NaOH = 2.5/l), tỷ lệ tro trấu/cát = 1:2. Mẫu vữa geopolymer được bảo dưỡng ở hai điều kiện là nhiệt độ phòng và bảo dưỡng ở 60oC trong vòng 24 giờ sau đó ở nhiệt độ phòng.
Và mẫu vữa xi măng Porland có tỷ lệ giữa nước/xi măng = 0.45, được bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng.