Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành xây dựng tại Việt Nam đang tăng trưởng mạnh mẽ, kéo theo nhu cầu sử dụng bê tông xi măng ngày càng lớn. Ước tính toàn cầu mỗi năm sản xuất khoảng 25 tỷ tấn bê tông, trong đó Việt Nam tiêu thụ khoảng 60,3 triệu tấn xi măng tính đến năm 2016. Việc khai thác cốt liệu đá tự nhiên phục vụ xây dựng gây áp lực lớn lên tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Do đó, nghiên cứu phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, tiết kiệm tài nguyên là rất cần thiết.

Bê tông Geopolymer, sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa thay thế xi măng poóc lăng truyền thống, được xem là giải pháp xanh với khả năng giảm phát thải CO2 và tiêu thụ năng lượng trong sản xuất. Vật liệu này được hình thành từ các nguyên liệu giàu silic và nhôm như tro bay, xỉ lò cao, đất sét hoạt tính, kết hợp dung dịch kiềm. Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng cốt liệu tái chế từ bê tông xi măng và bê tông Geopolymer thay thế cốt liệu đá tự nhiên nhằm giảm khai thác tài nguyên và xử lý phế thải xây dựng.

Mục tiêu chính của luận văn là đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế đến tính chất cơ lý của bê tông Geopolymer và bê tông xi măng, cụ thể là cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mẫu bê tông có cường độ thiết kế 20MPa và 30MPa, với tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế từ 0% đến 100%. 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 tại Việt Nam.

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 vật liệu Geopolymer là polymer vô cơ được tổng hợp từ các khoáng vật aluminosilicate giàu silic (Si) và nhôm (Al). Quá trình Geopolymer hóa bao gồm các bước hòa tan, định hướng và trùng ngưng các monomer silic và nhôm trong dung dịch kiềm (NaOH, Na2SiO3), tạo thành mạng lưới polymer vô định hình có cấu trúc bền vững. Cơ chế phản ứng hóa học được mô tả qua các phương trình liên quan đến sự hình thành gel Natri-Silicat từ tro bay và dung dịch kiềm.

Ngoài ra, nghiên cứu cũng áp dụng các khái niệm về cốt liệu tái chế (Recycled Aggregate - RCA), là vật liệu được nghiền từ bê tông phế thải, có đặc tính cơ học và cấu trúc khác biệt so với cốt liệu tự nhiên do tồn tại lớp vữa cũ bám dính và các vết nứt. Việc sử dụng cốt liệu tái chế trong bê tông Geopolymer nhằm giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên và xử lý phế thải xây dựng.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Bê tông Geopolymer (BTG): Bê tông sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa thay thế xi măng.
  • Cốt liệu tái chế (CLTC): Cốt liệu được tái sử dụng từ bê tông phế thải.
  • Cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp: Các chỉ tiêu cơ lý quan trọng đánh giá khả năng chịu lực của bê tông.
  • Dung dịch kiềm hoạt hóa: Hỗn hợp NaOH và Na2SiO3 kích hoạt phản ứng Geopolymer hóa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế đến tính chất cơ lý của bê tông Geopolymer và bê tông xi măng. Các bước chính bao gồm:

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu gồm tro bay loại F từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải Trà Vinh, cát sông, đá tự nhiên, cốt liệu tái chế được nghiền từ bê tông xi măng và bê tông Geopolymer tự chế tạo. Dung dịch kiềm gồm NaOH 12 mol và dung dịch thủy tinh lỏng Na2SiO3.
  • Thiết kế cấp phối: Thay thế cốt liệu đá tự nhiên bằng cốt liệu tái chế với tỷ lệ 0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%. Cường độ thiết kế bê tông là 20MPa và 30MPa.
  • Quy trình tạo mẫu: Đúc mẫu bê tông hình trụ kích thước 100x200 mm, dưỡng hộ nhiệt ở 100°C trong 10 giờ sau 2-3 ngày tĩnh định.
  • Phương pháp phân tích: Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp theo tiêu chuẩn TCVN. Số lượng mẫu thí nghiệm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy.
  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong giai đoạn 2019-2021 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến các chỉ tiêu cơ lý của bê tông, từ đó đề xuất các giải pháp ứng dụng phù hợp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến cường độ chịu nén của bê tông xi măng:
    Khi tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế tăng từ 0% đến 40%, cường độ chịu nén của bê tông xi măng tăng lên, đạt giá trị tối ưu tại 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 đến cường độ chịu nén của 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%. Sau đó, cường độ giảm nhẹ khi tỷ lệ thay thế vượt quá 40%, nhưng vẫn duy trì trên 90% so với mẫu đối chứng.

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

  4. So sánh giữa bê tông xi măng và bê tông Geopolymer:
    Bê tông Geopolymer có khả năng duy trì cường độ tốt hơn bê tông xi măng khi sử dụng cốt liệu tái chế, đặc biệt ở các tỷ lệ thay thế cao. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng bê tông Geopolymer trong việc sử dụng vật liệu tái chế hiệu quả hơn.

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 khả năng tương tác tốt với chất kết dính, đồng thời tận dụng được phần vữa cũ còn bám trên bề mặt hạt cốt liệu, tạo nên liên kết chắc chắn hơn. Khi tỷ lệ cốt liệu tái chế vượt quá 40%, các khuyết tật như rỗng xốp, vết nứt trên cốt liệu tái chế làm giảm khả năng chịu lực của bê tông.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của ngành xây dựng cho thấy bê tông cốt liệu tái chế có tính chất cơ học thấp hơn bê tông cốt liệu tự nhiên nhưng vẫn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật khi được kiểm soát tỷ lệ hợp lý. Bê tông Geopolymer thể hiện ưu thế hơn nhờ cơ chế hoạt hóa kiềm giúp tăng cường liên kết giữa cốt liệu và chất kết dính.

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, giúp trực quan hóa xu hướng tăng giảm và xác định tỷ lệ thay thế tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Khuyến khích sử dụng cốt liệu tái chế trong bê tông xây dựng:
    Đề xuất áp dụng tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế tối ưu khoảng 40% trong sản xuất bê tông xi măng và bê tông Geopolymer để tăng cường tính bền vững và giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên. Thời gian áp dụng trong 1-3 năm, chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp xây dựng và nhà sản xuất vật liệu.

  2. Phát triển công nghệ chế tạo bê tông Geopolymer sử dụng cốt liệu tái chế:
    Đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng công nghệ Geopolymer trong sản xuất bê tông thân thiện môi trường, tận dụng phế thải xây dựng. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ vật liệu.

  3. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho bê tông cốt liệu tái chế:
    Thiết lập các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật về thành phần, tỷ lệ cốt liệu tái chế và phương pháp kiểm tra chất lượng bê tông để đảm bảo an toàn và hiệu quả sử dụng. Chủ thể thực hiện là cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức tiêu chuẩn.

  4. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức về vật liệu tái chế:
    Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho kỹ sư, công nhân xây dựng về lợi ích và kỹ thuật sử dụng bê tông cốt liệu tái chế và bê tông Geopolymer. Chủ thể thực hiện là các trường đại học, trung tâm đào tạo nghề 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:
    Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ Geopolymer và ứng dụng cốt liệu tái chế, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu xây dựng bền vững.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng:
    Tham khảo để phát triển sản phẩm bê tông thân thiện môi trường, tối ưu hóa chi phí nguyên liệu và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Chuyên gia thiết kế và thi công công trình xây dựng:
    Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu phù hợp, đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trong các dự án xây dựng.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức tiêu chuẩn:
    Sử dụng luận văn làm cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật về sử dụng vật liệu tái chế và bê tông Geopolymer trong ngành xây dựng.

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 thế xi măng poóc lăng. Ưu điểm gồm giảm phát thải CO2, tăng cường độ chịu lực nhanh, khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt tốt hơn. Ví dụ, bê tông Geopolymer có thể đạt cường độ 60-70 MPa sau 24 giờ.

  2. Cốt liệu tái chế có ảnh hưởng như thế nào đến tính chất bê tông?
    Cốt liệu tái chế có thể làm tăng hoặc giảm cường độ bê tông tùy theo tỷ lệ sử dụng. Thay thế đến 40% cốt liệu đá tự nhiên bằng cốt liệu tái chế giúp tăng cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp, nhưng vượt quá tỷ lệ này sẽ làm giảm tính chất cơ học do cấu trúc rỗng xốp của cốt liệu tái chế.

  3. Phương pháp dưỡng hộ nhiệt có vai trò gì trong sản xuất bê tông Geopolymer?
    Dưỡng hộ nhiệt ở 100°C trong 10 giờ giúp đẩy nhanh quá trình Geopolymer hóa, tăng cường độ và rút ngắn thời gian đóng rắn của bê tông Geopolymer, đặc biệt quan trọng khi sử dụng tro bay có hàm lượng vôi thấp.

  4. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng cốt liệu tái chế?
    Cốt liệu tái chế cần được sàng lọc kỹ lưỡng để loại bỏ tạp chất, kim loại và vật liệu vỡ. Các chỉ tiêu kỹ thuật như khối lượng riêng, độ hút nước, kích thước hạt được kiểm tra theo tiêu chuẩn TCVN để đảm bảo phù hợp với yêu cầu bê tông.

  5. Ứng dụng thực tế của bê tông Geopolymer sử dụng cốt liệu tái chế là gì?
    Bê tông này phù hợp cho các công trình xây dựng dân dụng, hạ tầng giao thông, công trình chịu ăn mòn hóa học hoặc nhiệt độ cao. Ví dụ, bê tông Geopolymer đã được sử dụng làm cống hộp đúc sẵn chịu môi trường khắc nghiệt với hiệu quả bền vững cao.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu thành công ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến tính chất cơ lý của bê tông Geopolymer và bê tông xi măng với cường độ thiết kế 20MPa và 30MPa.
  • Tỷ lệ thay thế cốt liệu tái chế tối ưu là khoảng 40%, giúp tăng cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp của bê tông.
  • Bê tông Geopolymer thể hiện khả năng duy trì tính chất tốt hơn bê tông xi măng khi sử dụng cốt liệu tái chế.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xây dựng bền vững, giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên và xử lý phế thải xây dựng.
  • Đề xuất áp dụng công nghệ và tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp để thúc đẩy ứng dụng bê tông Geopolymer cốt liệu tái chế trong thực tế xây dựng.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các doanh nghiệp và viện nghiên cứu tiếp tục phát triển và ứng dụng bê tông Geopolymer sử dụng cốt liệu tái chế, đồng thời xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách hỗ trợ phù hợp.