Chương 1 TỔNG QUAN Tính cấp thiết đề tài Ô nhiễm môi trường do rác thải, khí thải và hiện tượng trái đất nóng dần là hệ quả của hiệu ứng nhà kính đã và đang là vấn đề cấp thiết được toàn xã hội quan tâm. Một trong những nguyên nhân sinh ra lượng CO2 vào bầu khí quyển là ngành công nghiệp sản xuất xi măng truyền thống. Việc sản xuất 1 tấn xi măng Portland đồng nghĩa với việc thải ra 1 tấn khí CO2 [1].1 Khói bụi từ nhà máy Xi Măng Hạ Long ( xã Thống Nhất, Hoàng Bồ) bao phủ cả một khu vực [2] Ngành công nghiệp xây dựng và bê tông đã và đang sử dụng lượng lớn tài nguyên và năng lượng. Bê tông xi măng còn là một trong các dạng vật liệu sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng và công trình giao thông hạ tầng.
Trong đó, xi măng Portland đóng vai trò là chất kết dính trong việc sản xuất bê tông hiện nay. Sản lượng bê tông sản xuất trên toàn thế giới không ngừng gia tăng vào khoảng 1.56 tỷ tấn năm 1999 [3] lên khoảng 3.3 tỷ tấn trong năm 2010 [4] và đến năm 2018 là 4.1 tỷ 1 Luan van tấn trên toàn thế giới [5]. Riêng tại Việt Nam vào năm 2010 là khoảng 0.05 tỷ tấn [4] và đến năm 2018 lên khoảng 0. Vì lí do đó, một số nước đã khuyến khích phát triển một loại chất kết dính mới có thể thay thế xi măng Portland truyền thống, đó là xi măng Polymer hay còn gọi là chất kết dính Geopolymer.
Trong quá trình sử dụng có sự tác động xâm thực của môi trường đã làm suy giảm khả năng bảo vệ hay chịu lực các kết cấu công trình. Các vết nứt xuất hiện với bề rộng và mật độ lớn hơn giới hạn cho phép. Diện tích bề mặt cấu kiện bị ăn mòn, mất khả năng bảo vệ các kết cấu bên trong dẫn đến trường hợp phá hoại. Bên cạnh đó, do các tác động phụ thuộc thời gian như từ biến, co ngót, mỏi,.
dẫn đến kết cấu cũng bị suy giảm trong quá trình làm việc. Trong khi đó, vữa Geopolymer lại bền hơn trong môi trường xâm thực đặc biệt trong môi trường axit và sulfat [6]. Ngoài ra so với vữa xi măng Portland, vữa Geopolymer còn có nhiều ưu điểm như đạt cường độ sớm, có khả năng chống ăn mòn, chịu lửa chịu nhiệt cao. Việc sử dụng vữa Geopolymer được quan tâm và chú ý nhiều hơn.
Tuy nhiên trong thực tế dung dịch hoạt hóa có thể sử dụng các thành phần cation kiềm khác nhau với nhiều mục đích nghiên cứu khác nhau đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều đề tài nghiên cứu và đạt được những kết quả về ưu, nhược điểm của đặc tính cơ học vữa Geopolymer. Nhưng vấn đề xét đến ảnh hưởng của phụ gia nhằm thay đổi đặc tính cơ học của cấu trúc Geopolymer chưa được đề cập rộng rãi do đó đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng của Nano - silica đến tính chất cơ học của bê tông Geopolymer cốt liệu nhỏ ” đã được lựa chọn. Tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước J.
Davidovits (1979) [7] đã nghiên cứu về chất kết dính Mêta cao lanh sử dụng kiềm kích hoạt, sau này gọi là Geopolymer và được nhận bằng sáng chế. Theo ông chất kết dính geopolymer là loại polyme vì có sự chuyển biến hình thù, polyme hóa 2 Luan van và đóng rắn ở nhiệt độ thấp, nhưng chúng khá cứng và chịu nhiệt rất tốt. Có nhiều loại Geopolymer khác nhau, nhưng loại có thể ứng dụng nhiều nhất trong xây dựng là loại vật liệu Aluminosilicate. Loại Geopolymer này được hình thành nhờ vào quá trình nhiệt hoạt hóa các vật liệu tự nhiên (như Mêta caolanh) hoặc sản phẩm của ngành công nghiệp (như tro bay, xỉ) là vật liệu silic (Si) và nhôm (Al) sẽ được hòa tan với dung dịch kiềm kích hoạt rồi sau đó thực hiện quá trình trùng hợp tạo thành chuỗi phân tử tạo chất kết dính.
Palomo và cộng sự [8], đã nghiên cứu về ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ và tỷ lệ dung dịch alkali/tro bay đến cường độ. Palomo và cộng sự cho thấy rằng cả thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ đều ảnh hưởng đến cường độ bê tông. Việc kết hợp giữa Sodium hydroxide (NaOH) và Sodium silicate (Na2SiO3) tạo nên cường độ cao nhất đến 60 MPa khi gia nhiệt ở 85oC trong thời gian 5 giờ.S Van Jaarsveld và cộng sự [9] bắt đầu nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần và nhiệt độ đến tính chất Geopolymer sản xuất từ tro bay và kaolinite. Những đặc tính của Geopolymer ảnh hưởng bởi sự hòa tan không hoàn toàn của những vật liệu phức tạp trong quá trình Geopolymer hóa, cụ thể là hàm lượng nước, tỷ lệ tro/kaolinite, silicate được sử dụng, thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ ảnh hưởng đến đặc tính của Geopolymer, đặc biệt là điều kiện dưỡng hộ và nhiệt độ gia nhiệt ảnh hưởng đến cường độ.M Al Bakri và cộng sự [10] đã giới thiệu công thức hóa học, đặc tính, vai trò, ứng dụng và cấu trúc của vật liệu xi măng Geopolymer từ tro bay.
Geopolymer là loại vật liệu xi măng nhôm silicate vô định hình. Geopolymer có thể được tổng hợp bởi phản ứng polycondensation của tiền chất Geopolymeric và kiềm polysilicate. Mỗi vật liệu được sử dụng trong xi măng Geopolymer đều có chức năng và vai trò của chúng để tạo ra phản ứng và thành phần hoá học.Krishnan [11] và cộng sự đã nghiên cứu công thức của vật liệu Geopolymer, đặc tính của vật liệu Geopolymer, mức độ thân thiện với môi trường của Geopolymer và cách thức tiến hành thí nghiệm. Theo kết quả nghiên cứu cho thấy các khối bê tông 3 Luan van Geopolymer tăng cường độ trong vòng 24 giờ ở nhiệt độ môi trường xung quanh mà không cần xử lý nước.
Độ bền của bê tông Geopolymer cũng đã tăng lên cùng với tăng tỷ lệ xỉ lò cao trong hỗn hợp. Nhận thấy rằng với tỷ lệ 60% tro bay và 40% xỉ lò cao sẽ cho cường độ nén tối đa là 80,50 N/mm2, ngoài ra khả năng chịu kéo và chịu uốn của hỗn hợp cũng tăng. Do đó bê tông Geopolymer được coi là một vật liệu không gây ô nhiễm môi trường. Zhang và cộng sự (2012) [12] đã nghiên cứu sử dụng Nano-silica để tăng cường độ sớm và giảm thời gian hình thành bê tông với khối lượng xỉ lớn.
Theo kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng sự kết hợp một lượng nhỏ Nano-silica giảm thời gian hình thành và tăng cường độ nén 3 và 7 ngày của mức cao bê tông xỉ so với bê tông xỉ tham chiếu không bao gồm Nano-silica. Shaikh và cộng sự (2014) [13] đã nghiên cứu ảnh hưởng của Nano-silica đến cường độ chịu nén của vữa và bê tông với khối lượng lớn tro bay. Theo nghiên cứu cho thấy rằng ảnh hưởng của cường độ Nano-silica đến cường độ nén của vữa và bê tông có chứa hàm lượng tro khác nhau (HVFA: High Volume Fly Ash) từ 40% đến 70% (tính theo trọng lượng) khi thay thế một phần xi măng. Kết quả cho thấy rằng hàm lượng Nano-silica 2% được thêm vào vữa và bê tông HVFA đã cải thiện cường độ nén của vữa có chứa 40% và 50% tro tương ứng là 5% và 7%.
Chakraborty [14] đã nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu Nano đến bê tông Geopolymer khi thay thế tỷ lệ khác nhau của vật liệu Nano. Kết quả cho thấy sự cải tiến đáng kể về cường độ nén mặc dù độ PH vẫn gần như giống nhau trong mọi trường hợp. Tình hình nghiên cứu trong nước Từ giữa những năm 2010 đã có khá nhiều đề tài khoa học nghiên cứu và ứng dụng công nghệ Geopolymer. Công nghệ Geopolymer được ứng dụng chủ yếu là để tận dụng nguồn phế phẩm công nghiệp là tro bay của các nhà máy nhiệt điện, tro bay được thiết kế để thay thế xi măng.
4 Luan van Tống Tôn Kiên và cộng sự [15] đã nghiên cứu về đề tài bê tông Geopolymer – những thành tựu tính chất và ứng dụng. Nghiên cứu này trình bày tóm tắt lịch sử phát triển, các tính chất bê tông Geopolymer cũng như các ứng dụng công nghệ Geopolymer trong nhưng năm gần đây trên thế giới và Việt Nam. Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn (2015) [16] đã nghiên cứu về đề tài Ảnh hưởng của thành phần hoạt hóa đến cường độ chịu uốn và kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer. Kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay và tỷ lệ Sodium silicate – Sodium hydroxide càng lớn thì cường độ chịu uốn và chịu kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer càng tăng.
Khi thời gian dưỡng hộ tăng lên cũng làm tăng cường độ uốn và kéo do quá trình hoạt hóa diễn ra triệt để. Phạm Đức Thiện, Phan Đức Hùng, Tạ Tuấn Anh (2017) [17] đã nghiên cứu về đề tài sự bám dính giữa bê tông Geopolymer và cốt thép. Kết quả thực nghiệm thực hiện cho nhiều loại đường kính cốt thép và nhiều cấp phối bê tông Geopolymer, được so sánh và phân tích với kết quả tính toán bằng công thức lý thuyết (thiết lập cho bê tông xi măng) từ đó đưa ra các hệ số hiệu chỉnh để phù hợp với bê tông Geopolymer. Đoàn Duy Khánh, Lê Anh Tuấn [18] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hạt Nano- silica và sợi Polymer trong kết cấu bê tông.
Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của thành phần hạt Nano-silica đến tính cơ học của vật liệu bê tông nền, đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng sợi polymer đến các tính chất cơ học của bê tông, đánh giá khả năng làm việc của sợi polymer và các hạt Nano-silica trong kết cấu bê tông xi măng. Kết quả khi sử dụng hàm lượng Silicafume từ 5% đến 10% và hàm lượng Nano-silica từ 1% đến 3% thì sẽ làm giảm độ sụt bê tông và tăng cường độ bê tông. Các bài báo, đề tài nghiên cứu và các báo cáo khoa học ngoài nước và trong nước đã trình bày tổng quan và chi tiết về vật liệu Geopolymer, công thức tạo mẫu, lý thuyết thí nghiệm, cũng như là những ưu điểm trong việc tăng độ bền, khả năng chống ăn mòn, chống nhiệt, cách âm. Về phụ gia Nano-silica đã có nhiều bài báo, đề tài nghiên cứu ngoài nước công bố trước đó nhưng chủ yếu kết hợp phụ gia Nano- 5 Luan van silica với bê tông khối lượng xỉ lớn, bê tông có hàm lượng cao tro bay hay sự kết hợp của nhiều vật liệu Nano với bê tông Geopolymer là những nghiên cứu rộng rải và phổ biến nhất.
Các nghiên cứu trong nước về phụ gia Nano-silica kết hợp với bê tông thường đã được nghiên cứu nhưng ảnh hưởng của phụ gia Nano-silica đến bê tông Geopolymer chưa được nghiên cứu, ứng dụng nhiều.