Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa, ngành xây dựng tại Việt Nam và trên thế giới đang chứng kiến sự gia tăng mạnh mẽ nhu cầu sử dụng bê tông. Ước tính hàng năm có khoảng 25 tỷ tấn bê tông được sản xuất toàn cầu, trong đó Việt Nam tiêu thụ khoảng 60,3 triệu tấn xi măng vào năm 2016. Việc khai thác tài nguyên đá tự nhiên để làm cốt liệu bê tông gây ra nhiều áp lực lên môi trường và tài nguyên thiên nhiên. Do đó, việc nghiên cứu sử dụng cốt liệu tái chế thay thế cốt liệu tự nhiên trong bê tông là rất cần thiết nhằm giảm thiểu khai thác tài nguyên và xử lý phế thải xây dựng.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến tính chất cơ lý của bê tông Geopolymer, một loại vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường, có khả năng giảm phát thải CO2 so với bê tông xi măng truyền thống. Mục tiêu cụ thể là chế tạo bê tông xi măng và bê tông Geopolymer có cường độ 20MPa và 30MPa, đồng thời thay thế cốt liệu đá tự nhiên bằng cốt liệu tái chế với tỷ lệ từ 0% đến 100% để đánh giá cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp của bê tông.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 2019-2021, sử dụng nguyên liệu tro bay từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải Trà Vinh và cốt liệu tái chế từ bê tông xi măng và bê tông Geopolymer tự chế tạo. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững, góp phần giảm thiểu khai thác tài nguyên thiên nhiên và xử lý phế thải xây dựng, đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết Geopolymer hóa được giới thiệu bởi Davidovits (1978), trong đó Geopolymer là polymer vô cơ được tổng hợp từ các khoáng vật aluminosilicate như tro bay, xỉ lò cao, đất sét cao lanh. Quá trình Geopolymer hóa bao gồm các bước hòa tan các phân tử silic và nhôm trong dung dịch kiềm, định hướng các ion tạo thành monomer, và đóng rắn các monomer qua phản ứng trùng ngưng polymer để tạo thành cấu trúc mạng không gian vững chắc. Thành phần chính của Geopolymer là các cầu nối Si-O-Al tạo bộ khung không gian vô định hình.

Ngoài ra, nghiên cứu cũng áp dụng các khái niệm về cốt liệu tái chế (Recycled Concrete Aggregate - RCA), bao gồm đặc tính vật lý và cơ học của cốt liệu tái chế, ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế đến tính chất bê tông. Lý thuyết về ảnh hưởng của các thành phần hóa học tro bay (SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO) và dung dịch alkaline (NaOH, Na2SiO3) đến quá trình hoạt hóa và phát triển cường độ bê tông Geopolymer cũng được sử dụng.

Ba khái niệm chính được tập trung gồm:

  • Quá trình Geopolymer hóa và cấu trúc polymer vô cơ
  • Tính chất cơ lý của bê tông Geopolymer và bê tông xi măng
  • Ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp của bê tông

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm với cỡ mẫu gồm các mẫu bê tông hình trụ tròn kích thước 100×200 mm. Cốt liệu tái chế được lấy từ bê tông xi măng và bê tông Geopolymer tự chế tạo, có khối lượng riêng 2,73 g/cm³, được sàng lọc kích thước 20mm và 10mm. Tro bay loại F từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải Trà Vinh được sử dụng làm nguyên liệu chính cho bê tông Geopolymer, với thành phần hóa học SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 chiếm hơn 70%, CaO dưới 10%, phù hợp tiêu chuẩn ASTM C618.

Dung dịch alkaline gồm NaOH 12 mol và dung dịch thủy tinh lỏng Na2SiO3 được pha chế để kích hoạt quá trình Geopolymer hóa. Quá trình dưỡng hộ nhiệt được thực hiện ở 100°C trong 10 giờ nhằm tăng tốc độ phản ứng và phát triển cường độ bê tông.

Thành phần cấp phối bê tông được thiết kế với tỷ lệ thay thế cốt liệu đá tự nhiên bằng cốt liệu tái chế lần lượt là 0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%. Các chỉ tiêu kỹ thuật được xác định gồm cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo gián tiếp, được đo theo tiêu chuẩn TCVN. Số lượng mẫu thí nghiệm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến cường độ chịu nén bê tông xi măng: Khi thay thế cốt liệu đá tự nhiên bằng cốt liệu tái chế từ 0% đến 40%, cường độ chịu nén của bê tông xi măng tăng lên, đạt giá trị tối đa tại tỷ lệ 40%. Cường độ chịu nén tăng khoảng 5-8% so với bê tông đối chứng không sử dụng cốt liệu tái chế. Tuy nhiên, khi tỷ lệ thay thế vượt quá 40%, cường độ chịu nén giảm dần, giảm khoảng 10% khi thay thế 100%.

  2. Ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến cường độ chịu nén bê tông Geopolymer: Tương tự bê tông xi măng, bê tông Geopolymer có cường độ chịu nén tăng khi thay thế cốt liệu tái chế đến 40%, với mức tăng khoảng 7-10% so với mẫu không thay thế. Khi tỷ lệ thay thế vượt quá 40%, cường độ giảm nhẹ nhưng vẫn duy trì trên 90% so với mẫu đối chứng.

  3. Ảnh hưởng đến cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông xi măng và Geopolymer: Cường độ chịu kéo gián tiếp của cả hai loại bê tông cũng tăng khi thay thế cốt liệu tái chế đến 40%, tăng khoảng 6-9%. Sau đó, cường độ chịu kéo gián tiếp giảm dần khi tỷ lệ thay thế tăng lên, giảm khoảng 12% ở mức 100% thay thế.

  4. So sánh giữa bê tông xi măng và bê tông Geopolymer: Bê tông Geopolymer có cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp cao hơn khoảng 10-15% so với bê tông xi măng cùng cấp phối và tỷ lệ cốt liệu tái chế. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng bê tông Geopolymer trong các công trình yêu cầu tính bền vững và hiệu suất cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự tăng cường độ khi thay thế cốt liệu tái chế đến 40% là do cốt liệu tái chế có bề mặt nhám và cấu trúc rỗng xốp giúp tăng cường độ bám dính giữa cốt liệu và chất kết dính, đồng thời tận dụng được phần clinker xi măng chưa thủy hóa còn lại trong cốt liệu tái chế, góp phần tăng cường độ bê tông. Khi tỷ lệ cốt liệu tái chế vượt quá 40%, sự gia tăng lỗ rỗng và các vết nứt trong cốt liệu tái chế làm giảm khả năng chịu lực của bê tông.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế và trong nước, kết quả này phù hợp với báo cáo của các tác giả về ảnh hưởng tích cực của cốt liệu tái chế đến tính chất cơ lý bê tông trong giới hạn tỷ lệ nhất định. Việc sử dụng bê tông Geopolymer với cốt liệu tái chế không chỉ giúp giảm phát thải CO2 mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng phế thải xây dựng, góp phần bảo vệ môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế và cường độ chịu nén, chịu kéo gián tiếp của bê tông xi măng và bê tông Geopolymer, giúp minh họa rõ ràng xu hướng tăng giảm cường độ theo tỷ lệ thay thế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Khuyến khích sử dụng cốt liệu tái chế trong bê tông xây dựng: Các nhà thầu và chủ đầu tư nên áp dụng tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế khoảng 40% trong bê tông xi măng và bê tông Geopolymer để tối ưu hóa cường độ và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên. Thời gian áp dụng có thể bắt đầu ngay trong các dự án xây dựng hiện tại.

  2. Phát triển công nghệ sản xuất bê tông Geopolymer quy mô công nghiệp: Các cơ quan nghiên cứu và doanh nghiệp cần đầu tư phát triển dây chuyền sản xuất bê tông Geopolymer sử dụng cốt liệu tái chế, nhằm giảm phát thải khí nhà kính và nâng cao chất lượng vật liệu xây dựng. Mục tiêu triển khai trong vòng 3-5 năm tới.

  3. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho bê tông cốt liệu tái chế: Bộ Xây dựng và các tổ chức chuyên ngành cần hoàn thiện và ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật về sử dụng cốt liệu tái chế trong bê tông, đảm bảo an toàn và hiệu quả công trình. Thời gian thực hiện trong 2 năm tới.

  4. Tăng cường đào tạo và truyền thông về lợi ích của bê tông Geopolymer và cốt liệu tái chế: Các trường đại học, viện nghiên cứu và các tổ chức xây dựng cần tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng ứng dụng vật liệu xanh này trong ngành xây dựng. Thời gian triển khai liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ Geopolymer và ứng dụng cốt liệu tái chế, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển vật liệu xây dựng bền vững.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Thông tin về thành phần, quy trình sản xuất và tính chất bê tông Geopolymer giúp doanh nghiệp cải tiến sản phẩm, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

  3. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng: Hiểu rõ về hiệu quả kỹ thuật và kinh tế khi sử dụng bê tông cốt liệu tái chế, từ đó đưa ra quyết định lựa chọn vật liệu phù hợp cho các công trình xây dựng.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức xây dựng tiêu chuẩn: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định về sử dụng vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, góp phần phát triển ngành xây dựng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông Geopolymer là gì và có ưu điểm gì so với bê tông xi măng?
    Bê tông Geopolymer là loại bê tông sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa thay cho xi măng poóc lăng. Ưu điểm gồm giảm phát thải CO2, cường độ cao, khả năng chịu ăn mòn và nhiệt tốt, thân thiện môi trường. Ví dụ, bê tông Geopolymer có thể đạt cường độ 60-70 MPa sau 24 giờ dưỡng hộ nhiệt.

  2. Cốt liệu tái chế có ảnh hưởng như thế nào đến tính chất bê tông?
    Cốt liệu tái chế có bề mặt nhám và cấu trúc rỗng giúp tăng cường độ bám dính, làm tăng cường độ bê tông khi thay thế dưới 40%. Tuy nhiên, tỷ lệ cao hơn gây giảm cường độ do tăng lỗ rỗng và vết nứt. Nghiên cứu cho thấy cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp tăng khoảng 5-10% khi thay thế 40%.

  3. Quá trình dưỡng hộ nhiệt trong bê tông Geopolymer có vai trò gì?
    Dưỡng hộ nhiệt ở 100°C trong 10 giờ giúp đẩy nhanh quá trình Geopolymer hóa, tăng cường độ phát triển nhanh chóng của bê tông. Nếu không dưỡng hộ, bê tông Geopolymer đông kết chậm và cường độ thấp hơn nhiều.

  4. Có thể sử dụng 100% cốt liệu tái chế trong bê tông không?
    Mặc dù có thể sử dụng 100% cốt liệu tái chế, nhưng cường độ bê tông sẽ giảm khoảng 10-12% so với bê tông sử dụng cốt liệu tự nhiên. Do đó, tỷ lệ thay thế tối ưu là khoảng 40% để đảm bảo hiệu suất và tiết kiệm tài nguyên.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế xây dựng?
    Các nhà thầu có thể áp dụng tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế 40% trong thiết kế cấp phối bê tông, đồng thời sử dụng bê tông Geopolymer cho các công trình yêu cầu bền vững. Cần phối hợp với các chuyên gia để điều chỉnh quy trình sản xuất và kiểm soát chất lượng phù hợp.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã chứng minh cốt liệu tái chế có ảnh hưởng tích cực đến cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp của bê tông xi măng và bê tông Geopolymer khi tỷ lệ thay thế không vượt quá 40%.
  • Bê tông Geopolymer sử dụng cốt liệu tái chế có cường độ cao hơn khoảng 10-15% so với bê tông xi măng cùng điều kiện.
  • Việc sử dụng cốt liệu tái chế góp phần giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên, xử lý phế thải xây dựng và giảm phát thải khí nhà kính.
  • Đề xuất áp dụng tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế 40% trong sản xuất bê tông để tối ưu hiệu quả kỹ thuật và kinh tế.
  • Các bước tiếp theo bao gồm phát triển công nghệ sản xuất bê tông Geopolymer quy mô công nghiệp, hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và đào tạo nhân lực ứng dụng vật liệu xanh này trong ngành xây dựng.

Hành động ngay hôm nay để thúc đẩy ứng dụng bê tông Geopolymer và cốt liệu tái chế, góp phần xây dựng ngành xây dựng bền vững và thân thiện môi trường.