Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp xây dựng hiện nay đang đối mặt với thách thức lớn về môi trường do lượng khí CO2 phát thải từ sản xuất xi măng Portland truyền thống, với tỷ lệ phát thải tương đương 1 tấn CO2 cho mỗi tấn xi măng sản xuất. Sản lượng bê tông toàn cầu đã tăng từ khoảng 1.56 tỷ tấn năm 1999 lên 4.1 tỷ tấn vào năm 2018, trong đó Việt Nam cũng ghi nhận sự gia tăng đáng kể. Trước thực trạng này, việc phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường như bê tông Geopolymer được xem là giải pháp bền vững. Bê tông Geopolymer sử dụng các vật liệu phế thải công nghiệp như tro bay thay thế xi măng Portland, giúp giảm phát thải khí nhà kính và tăng cường tính bền vững.

Tuy nhiên, bê tông Geopolymer vẫn còn hạn chế về một số tính chất cơ học, đặc biệt khi sử dụng cốt liệu nhỏ. Do đó, nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia Nano-silica đến tính chất cơ học của bê tông Geopolymer cốt liệu nhỏ là cần thiết nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu này trong xây dựng. Mục tiêu chính của nghiên cứu là đánh giá tác động của hàm lượng và độ mịn của Nano-silica đến cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer cốt liệu nhỏ, với phạm vi nghiên cứu tại Tp. Hồ Chí Minh trong năm 2019. Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện kiến thức về công nghệ Geopolymer, đồng thời hỗ trợ phát triển sản phẩm xây dựng thân thiện môi trường, giảm thiểu phế thải công nghiệp và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Công nghệ Geopolymer là quá trình tạo ra chất kết dính vô cơ từ phản ứng kiềm hóa các vật liệu giàu silic (SiO2) và nhôm (Al2O3), điển hình là tro bay, với dung dịch kiềm như NaOH và Na2SiO3. Sản phẩm cuối cùng là mạng poly-sialate có cấu trúc vô định hình, có khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn vượt trội so với xi măng Portland truyền thống. Tỷ lệ Si/Al trong vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học của Geopolymer, với tỷ lệ khoảng 2 được xem là tối ưu.

Công nghệ Nano trong bê tông, đặc biệt là sử dụng Nano-silica, giúp cải thiện tính chất cơ học nhờ kích thước hạt rất nhỏ và cấu trúc hình cầu, tạo ra gel C-S-H mật độ cao, làm tăng độ đặc chắc và giảm độ rỗng trong cấu trúc bê tông. Phản ứng Pozzolanic giữa Nano-silica và Ca(OH)2 thúc đẩy sự hình thành gel C-S-H, tăng cường độ chịu nén và kéo gián tiếp của bê tông.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Geopolymer hóa: quá trình phản ứng tạo chất kết dính từ tro bay và dung dịch kiềm.
  • Gel C-S-H: gel calcium-silicate-hydrate tạo nên độ bền cho bê tông.
  • Phản ứng Pozzolanic: phản ứng giữa vật liệu silicate hoạt tính và Ca(OH)2.
  • Nano-silica: phụ gia có kích thước hạt nano giúp tăng cường cấu trúc bê tông.
  • Cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp: chỉ tiêu đánh giá tính cơ học của bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm với cỡ mẫu khoảng 30 mẫu bê tông Geopolymer cốt liệu nhỏ, được thiết kế theo tỷ lệ đá mi : cát = 75:25. Phụ gia Nano-silica được sử dụng ở hai cấp độ mịn khác nhau: NS.32 (D90 = 31 µm) và NS.09 (D90 = 9 µm), với hàm lượng thay thế tro bay từ 1% đến 5%. Dung dịch hoạt hóa gồm hỗn hợp NaOH 14M và dung dịch thủy tinh lỏng Na2SiO3.

Mẫu bê tông được đúc, bảo dưỡng 2-3 ngày ở nhiệt độ phòng, sau đó dưỡng hộ nhiệt ở 100°C trong 8 và 10 giờ để thúc đẩy quá trình Geopolymer hóa. Phân tích cường độ chịu nén và chịu kéo gián tiếp được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN tương ứng. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên, đảm bảo tính đại diện. Phân tích số liệu sử dụng phương pháp thống kê mô tả và so sánh tỷ lệ phần trăm tăng giảm cường độ giữa các nhóm mẫu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng hàm lượng Nano-silica NS.32 đến cường độ chịu nén:
    Khi sử dụng 3% Nano-silica NS.32 thay thế tro bay, cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer tăng 17.03% so với mẫu không sử dụng phụ gia, dưỡng hộ nhiệt 10 giờ ở 100°C. Khi hàm lượng vượt quá 3%, cường độ không tăng thêm mà có xu hướng giảm do phân tán không đồng đều.

  2. Ảnh hưởng hàm lượng Nano-silica NS.09 đến cường độ chịu nén:
    Với 3% Nano-silica NS.09 siêu mịn, cường độ chịu nén tăng 18.89% so với mẫu đối chứng, dưỡng hộ nhiệt 10 giờ. Độ mịn cao hơn giúp tăng hiệu quả phản ứng Pozzolanic, cải thiện cấu trúc gel C-S-H.

  3. Ảnh hưởng đến cường độ chịu kéo gián tiếp:
    Cường độ chịu kéo gián tiếp tăng 19.32% với 3% NS.32 và tương tự với NS.09, cho thấy Nano-silica không chỉ cải thiện cường độ nén mà còn tăng khả năng chịu kéo của bê tông Geopolymer.

  4. Tỷ lệ cốt liệu tối ưu:
    Tỷ lệ đá mi : cát = 75:25 kết hợp với 3% Nano-silica thay thế tro bay tạo ra cấp phối bê tông Geopolymer cốt liệu nhỏ có tính chất cơ học tốt nhất, cân bằng giữa độ đặc chắc và tính công tác.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự tăng cường độ là do Nano-silica với kích thước hạt nhỏ và hình cầu giúp tăng diện tích bề mặt phản ứng, thúc đẩy quá trình hydrat hóa và hình thành gel C-S-H mật độ cao, làm giảm lỗ rỗng và tăng tính đồng nhất trong cấu trúc bê tông. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vai trò của Nano-silica trong bê tông có hàm lượng tro bay cao.

Việc giảm hiệu quả khi vượt quá 3% hàm lượng Nano-silica được giải thích bởi hiện tượng kết tụ hạt, phân tán không đồng đều, gây cản trở phản ứng hóa học và tạo lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông. Điều này cũng tương tự với các nghiên cứu trước đây về phụ gia nano trong vật liệu xây dựng.

Biểu đồ so sánh cường độ chịu nén và kéo gián tiếp giữa các mẫu với hàm lượng Nano-silica khác nhau và thời gian dưỡng hộ nhiệt minh họa rõ ràng xu hướng tăng cường độ tối ưu tại 3% phụ gia và 10 giờ dưỡng hộ. Bảng tổng hợp số liệu chi tiết hỗ trợ phân tích này.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng hàm lượng Nano-silica 3% trong sản xuất bê tông Geopolymer cốt liệu nhỏ:
    Để tối ưu hóa tính cơ học, các nhà sản xuất nên sử dụng Nano-silica với hàm lượng 3% thay thế tro bay, ưu tiên loại siêu mịn NS.09 để đạt hiệu quả cao nhất.

  2. Dưỡng hộ nhiệt ở 100°C trong 10 giờ:
    Quy trình dưỡng hộ nhiệt cần được áp dụng để thúc đẩy quá trình Geopolymer hóa, giúp tăng cường độ bê tông nhanh và ổn định hơn, phù hợp cho các công trình yêu cầu thời gian thi công nhanh.

  3. Tỷ lệ cốt liệu đá mi : cát 75:25:
    Cần duy trì tỷ lệ này để đảm bảo sự cân bằng giữa độ đặc chắc và tính công tác của hỗn hợp bê tông, tránh hiện tượng phân tầng hoặc giảm cường độ do tỷ lệ cốt liệu không phù hợp.

  4. Kiểm soát phân tán Nano-silica:
    Cần áp dụng kỹ thuật trộn và phân tán hiệu quả để tránh hiện tượng kết tụ hạt Nano-silica, đặc biệt khi hàm lượng phụ gia tăng, nhằm duy trì tính đồng nhất và hiệu quả phản ứng.

  5. Chủ thể thực hiện:
    Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và các đơn vị thi công cần phối hợp triển khai các giải pháp trên trong vòng 1-2 năm để ứng dụng rộng rãi bê tông Geopolymer thân thiện môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. 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 Nano-silica, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu và luận văn liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng:
    Thông tin về cấp phối, phụ gia và quy trình dưỡng hộ giúp cải tiến sản phẩm bê tông thân thiện môi trường, nâng cao chất lượng và tính cạnh tranh.

  3. Chuyên gia thiết kế và thi công công trình:
    Hiểu rõ về tính chất cơ học của bê tông Geopolymer giúp lựa chọn vật liệu phù hợp, tối ưu hóa thiết kế kết cấu và quy trình thi công.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách:
    Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng vật liệu xây dựng xanh, giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nano-silica là gì và vai trò trong bê tông Geopolymer?
    Nano-silica là phụ gia có kích thước hạt nano, giúp tăng diện tích bề mặt phản ứng, thúc đẩy quá trình hydrat hóa và hình thành gel C-S-H, từ đó tăng cường độ chịu nén và kéo của bê tông Geopolymer.

  2. Tại sao hàm lượng Nano-silica 3% được xem là tối ưu?
    Ở mức 3%, Nano-silica phân tán đồng đều, tăng cường phản ứng hóa học hiệu quả. Khi vượt quá 3%, hiện tượng kết tụ hạt làm giảm tính đồng nhất và cường độ bê tông.

  3. Quy trình dưỡng hộ nhiệt ảnh hưởng thế nào đến tính chất bê tông?
    Dưỡng hộ nhiệt ở 100°C trong 10 giờ giúp đẩy nhanh quá trình Geopolymer hóa, tăng cường độ bê tông nhanh hơn so với dưỡng hộ ở nhiệt độ phòng, phù hợp với yêu cầu thi công nhanh.

  4. Tỷ lệ cốt liệu đá mi : cát 75:25 có ý nghĩa gì?
    Tỷ lệ này đảm bảo sự cân bằng giữa các hạt cốt liệu, giúp hỗn hợp bê tông có độ đặc chắc cao, giảm lỗ rỗng và tăng tính công tác, từ đó nâng cao tính cơ học.

  5. Bê tông Geopolymer có thân thiện môi trường hơn bê tông xi măng truyền thống không?
    Có, bê tông Geopolymer sử dụng phế thải công nghiệp như tro bay thay thế xi măng Portland, giảm phát thải CO2 và tận dụng nguồn nguyên liệu tái chế, góp phần bảo vệ môi trường.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã chứng minh phụ gia Nano-silica ở hàm lượng 3% giúp tăng cường độ chịu nén lên đến 18.89% và cường độ chịu kéo gián tiếp lên đến 19.32% cho bê tông Geopolymer cốt liệu nhỏ.
  • Độ mịn của Nano-silica ảnh hưởng tích cực đến sự phát triển cường độ, với loại siêu mịn NS.09 cho kết quả tốt hơn.
  • Tỷ lệ cốt liệu đá mi : cát 75:25 kết hợp với 3% Nano-silica là cấp phối tối ưu cho bê tông Geopolymer cốt liệu nhỏ.
  • Dưỡng hộ nhiệt ở 100°C trong 10 giờ là điều kiện lý tưởng để phát triển cường độ bê tông nhanh và ổn định.
  • Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xây dựng xanh, thân thiện môi trường, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và sử dụng hiệu quả phế thải công nghiệp.

Tiếp theo, cần triển khai ứng dụng thực tế quy trình sản xuất bê tông Geopolymer có phụ gia Nano-silica trong các công trình xây dựng, đồng thời nghiên cứu mở rộng về tính bền lâu và khả năng chịu môi trường của vật liệu này. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp để phát triển sản phẩm và công nghệ mới, góp phần thúc đẩy ngành xây dựng bền vững.

Hãy bắt đầu áp dụng công nghệ bê tông Geopolymer với Nano-silica để xây dựng tương lai xanh và bền vững hơn!