Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp và xây dựng hiện nay, việc giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường là một thách thức lớn. Sản xuất xi măng truyền thống gây ra lượng khí CO2 chiếm khoảng 7% tổng lượng phát thải toàn cầu, đồng thời tạo ra khối lượng lớn phế thải như tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện than. Tại Việt Nam, lượng tro xỉ thải ra ước tính đạt khoảng 2,8 triệu tấn/năm và dự báo sẽ tăng lên 35 triệu tấn/năm vào năm 2030. Việc xử lý và tận dụng hiệu quả các phế phẩm này là cần thiết để bảo vệ môi trường và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên.

Công nghệ bê tông geopolymer (GPC) được xem là giải pháp tiềm năng thay thế bê tông xi măng truyền thống, sử dụng tro bay và xỉ thép làm nguyên liệu chính kết hợp với dung dịch kiềm hoạt hóa. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của sợi gia cường, đặc biệt là sợi thủy tinh, đến tính chất cơ lý và khả năng chống nứt của bê tông geopolymer. Mục tiêu cụ thể là đánh giá sự thay đổi cường độ chịu nén, chịu uốn, chịu kéo và khả năng chống nứt khi sử dụng các loại sợi thủy tinh với kích thước 3 cm và 5 cm, đồng thời so sánh với bê tông xi măng thông thường và bê tông cốt sợi thép.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm các thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2015-2017, sử dụng nguyên liệu tro bay loại F từ nhà máy nhiệt điện Formosa và các loại sợi thủy tinh có đặc tính kỹ thuật tiêu chuẩn. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, giảm thiểu phế thải công nghiệp và nâng cao hiệu quả kinh tế trong ngành xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: công nghệ geopolymer và công nghệ sợi thủy tinh gia cường (Fiber Reinforced Plastic - FRP). Công nghệ geopolymer được phát triển từ năm 1970, dựa trên phản ứng hóa học giữa các vật liệu aluminosilicate (tro bay, xỉ lò cao) với dung dịch kiềm (NaOH, Na2SiO3), tạo thành mạng lưới polymer vô định hình có cấu trúc bền vững và cường độ cao. Quá trình geopolymer hóa bao gồm hòa tan các phân tử Si và Al, định hướng các ion tạo monomer và đóng rắn thành cấu trúc polymer ba chiều.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của GPC gồm thành phần hóa học của tro bay, tỷ lệ dung dịch kiềm, thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ. Cường độ chịu uốn và kéo gián tiếp của GPC tăng khi tỷ lệ sodium silicate/sodium hydroxide đạt khoảng 2.5 và tỷ lệ dung dịch alkaline/tro bay là 0.6, đồng thời thời gian dưỡng hộ kéo dài giúp tăng cường độ lên đến 30%.

Về công nghệ sợi thủy tinh, sợi thủy tinh có đặc tính cơ lý vượt trội như độ bền kéo đứt cao (1970 MPa), không cháy, không dẫn điện và khả năng chống ăn mòn tốt. Các loại sợi thủy tinh phổ biến gồm sợi E, D, A, C, R và S, với các ứng dụng đa dạng trong xây dựng như gia cố bê tông, làm tấm lợp, panel cách nhiệt. Sợi thủy tinh có thể cải thiện khả năng chịu uốn, giảm co ngót và tăng khả năng chống nứt cho bê tông geopolymer.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Phần lý thuyết tổng hợp tài liệu, tiêu chuẩn kỹ thuật và các công trình nghiên cứu liên quan để xác định các chỉ tiêu thí nghiệm và phạm vi biến đổi của các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống nứt của GPC.

Phần thực nghiệm sử dụng tro bay loại F từ nhà máy nhiệt điện Formosa, dung dịch kiềm hoạt hóa gồm NaOH 16M và Na2SiO3, cốt liệu cát vàng và đá dăm đạt tiêu chuẩn TCVN. Sợi thủy tinh có chiều dài 3 cm và 5 cm được sử dụng với các hàm lượng khác nhau trong cấp phối bê tông.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm khoảng 30 mẫu bê tông geopolymer và bê tông xi măng thông thường, được chế tạo theo quy trình chuẩn, dưỡng hộ nhiệt độ thích hợp. Các thí nghiệm chính gồm: thí nghiệm nén xác định cường độ chịu nén, thí nghiệm uốn xác định cường độ chịu uốn, thí nghiệm ép chẻ xác định cường độ chịu kéo gián tiếp. Phân tích số liệu sử dụng phương pháp thống kê so sánh tỷ lệ phần trăm tăng giảm cường độ giữa các mẫu, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của kích thước và hàm lượng sợi thủy tinh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của sợi thủy tinh đến cường độ chịu nén: Mẫu bê tông geopolymer (GPC) sử dụng sợi thủy tinh kích thước 5 cm có cường độ chịu nén tăng khoảng 15% so với mẫu GPC không gia cường. Khi so sánh với bê tông xi măng (OPC), GPC có sợi thủy tinh đạt cường độ chịu nén cao hơn khoảng 10%. Sợi thép gia cường cho kết quả cường độ chịu nén tương đương hoặc cao hơn sợi thủy tinh khoảng 5%.

  2. Ảnh hưởng đến cường độ chịu uốn: Cường độ chịu uốn của GPC gia cường sợi thủy tinh 3 cm tăng khoảng 20% so với GPC không gia cường, trong khi sợi thủy tinh 5 cm tăng khoảng 25%. So với bê tông xi măng cốt sợi thép, GPC cốt sợi thủy tinh có cường độ chịu uốn cao hơn 12%.

  3. Ảnh hưởng đến cường độ chịu kéo gián tiếp: GPC sử dụng sợi thủy tinh 5 cm có cường độ chịu kéo gián tiếp tăng khoảng 18% so với mẫu không gia cường. Sợi thủy tinh 3 cm cũng cải thiện cường độ chịu kéo khoảng 12%. So với bê tông xi măng cốt sợi thép, GPC cốt sợi thủy tinh có khả năng chịu kéo tương đương.

  4. Khả năng chống nứt: Thí nghiệm uốn cho thấy GPC gia cường sợi thủy tinh có khả năng hạn chế sự phát triển vết nứt tốt hơn so với GPC không gia cường và bê tông xi măng truyền thống. Sợi thủy tinh giúp phân tán ứng suất, giảm co ngót và tăng độ dẻo dai của vật liệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện tính chất cơ lý là do sợi thủy tinh có độ bền kéo cao, khả năng liên kết tốt với ma trận geopolymer, giúp tăng cường khả năng chịu lực kéo và uốn. Kích thước sợi 5 cm cho hiệu quả gia cường tốt hơn do khả năng tạo mạng lưới liên kết rộng hơn trong bê tông. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng sợi poly-propylene và sợi thép trong GPC.

So sánh với bê tông xi măng cốt sợi thép, GPC cốt sợi thủy tinh có ưu thế về trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn và thân thiện môi trường. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cường độ chịu nén, uốn và kéo gián tiếp theo từng loại sợi và kích thước, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả gia cường.

Tuy nhiên, việc lựa chọn hàm lượng và kích thước sợi cần cân nhắc để đảm bảo hiệu quả kinh tế và đáp ứng yêu cầu thiết kế. Ngoài ra, quá trình dưỡng hộ nhiệt độ và tỷ lệ dung dịch kiềm cũng ảnh hưởng lớn đến chất lượng GPC.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa hàm lượng và kích thước sợi thủy tinh: Khuyến nghị sử dụng sợi thủy tinh kích thước 5 cm với hàm lượng khoảng 0.5% thể tích bê tông để đạt hiệu quả gia cường tối ưu, áp dụng trong vòng 6 tháng tới tại các dự án xây dựng dân dụng.

  2. Áp dụng công nghệ GPC gia cường sợi thủy tinh trong công trình thực tế: Đề xuất các chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng nghiên cứu và triển khai thí điểm sử dụng GPC gia cường sợi thủy tinh cho các kết cấu chịu uốn và kéo, nhằm giảm trọng lượng và tăng tuổi thọ công trình.

  3. Nâng cao quy trình dưỡng hộ và kiểm soát chất lượng: Khuyến khích các phòng thí nghiệm và nhà sản xuất vật liệu xây dựng áp dụng quy trình dưỡng hộ nhiệt độ từ 60-80°C trong 10 giờ để tăng cường độ GPC, đồng thời kiểm soát tỷ lệ dung dịch kiềm theo tiêu chuẩn.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp cần phối hợp tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo về công nghệ GPC và ứng dụng sợi thủy tinh gia cường, nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng cho kỹ sư, công nhân xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ geopolymer và ứng dụng sợi thủy tinh, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu xây dựng mới.

  2. Chuyên gia thiết kế kết cấu: Thông tin về tính chất cơ lý và khả năng chống nứt của GPC gia cường giúp thiết kế các kết cấu nhẹ, bền vững và thân thiện môi trường.

  3. Nhà sản xuất vật liệu xây dựng: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm bê tông geopolymer gia cường sợi thủy tinh, mở rộng thị trường vật liệu xanh.

  4. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng: Giúp đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật khi áp dụng công nghệ GPC trong các dự án xây dựng, giảm chi phí và tăng tuổi thọ công trình.

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 vật liệu xây dựng sử dụng tro bay và dung dịch kiềm thay thế xi măng, có ưu điểm giảm phát thải CO2, tăng cường độ bền và khả năng chống ăn mòn, thân thiện môi trường.

  2. Sợi thủy tinh có tác dụng gì trong bê tông geopolymer?
    Sợi thủy tinh gia cường giúp tăng cường khả năng chịu kéo, chịu uốn, giảm nứt và co ngót, nâng cao độ bền và độ dẻo dai của bê tông geopolymer.

  3. Kích thước sợi thủy tinh ảnh hưởng thế nào đến tính chất bê tông?
    Sợi thủy tinh dài 5 cm tạo mạng lưới liên kết rộng hơn, cải thiện cường độ chịu lực tốt hơn so với sợi 3 cm, tuy nhiên cần cân nhắc hàm lượng để tránh ảnh hưởng đến tính thi công.

  4. Quy trình dưỡng hộ ảnh hưởng ra sao đến chất lượng GPC?
    Dưỡng hộ nhiệt độ từ 60-80°C trong 10 giờ giúp phản ứng geopolymer hóa diễn ra triệt để, tăng cường độ chịu uốn và kéo gián tiếp lên đến 30% so với dưỡng hộ ngắn hơn.

  5. Có thể ứng dụng bê tông geopolymer gia cường sợi thủy tinh trong công trình nào?
    GPC gia cường thích hợp cho các kết cấu chịu uốn, chịu kéo như sàn, dầm, tấm panel, đặc biệt trong công trình cần vật liệu nhẹ, chống ăn mòn và thân thiện môi trường.

Kết luận

  • Bê tông geopolymer sử dụng tro bay kết hợp sợi thủy tinh gia cường cải thiện đáng kể cường độ chịu nén, uốn và kéo gián tiếp, tăng khả năng chống nứt.
  • Sợi thủy tinh kích thước 5 cm cho hiệu quả gia cường tốt hơn so với 3 cm, với mức tăng cường độ lên đến 25%.
  • Công nghệ GPC thân thiện môi trường, giảm phát thải CO2 và tận dụng phế thải công nghiệp hiệu quả.
  • Quy trình dưỡng hộ và tỷ lệ dung dịch kiềm là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng bê tông geopolymer.
  • Khuyến nghị áp dụng GPC gia cường sợi thủy tinh trong các dự án xây dựng dân dụng và công nghiệp nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên triển khai thí điểm ứng dụng công nghệ này trong thực tế, đồng thời phát triển các sản phẩm bê tông geopolymer đa dạng hơn. Hãy liên hệ với các viện nghiên cứu và trường đại học để nhận hỗ trợ kỹ thuật và đào tạo chuyên sâu về công nghệ bê tông geopolymer gia cường.