Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính chất cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1.1 Vấn đề về môi trường Vấn đề môi trườnglà một trong những đề tài nhức nhối đối với cuộc sống ngày nay,sự nóng lên toàn cầu do hiệu ứng nhà kính gây ra kéo theo đó là các hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu. Không những thế, việc khai thác các nguồn nguyên liệu hóa thạch để phục vụ cho hoạt động công nghiệp và năng lượng đang làm cạn kiệt dần tài nguyên, và trong một tương lai không xa thì nguồn tài nguyên tự nhiên này sẽ không còn có sẵn để khai thác nữa.1 Việc tận thu đang khiến tài nguyên ngày càng cạn kiệt Nước ta là một trong những nước nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của ô nhiễm môi trường và hiện tượng nóng lên toàn cầu và các hiện tượng biến đổi khí hậu như: mực nước biển dâng lên cao, hạn hán cục bộ, các hiện tượng lũ quét, sạt lỡ đất từ các hoạt động khai thác tài nguyên, khoáng sản, … Lượng khí thải CO2 từ các hoạt động sản xuất công nghiệp, đặc biệt là trong đó có ngành công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, lượng chất thải độc hại từ các hoạt động này có thể gây ra ô 12 nhiểm môi trường, phá hủy hệ sinh thái tự nhiên, lượng khí thải có thể gây ra thủng tầng ozon, từ đó gây ra các hiện tượng hiệu ứng nhà kính và nóng lên toàn cầu.2 Nhà máy sản xuất xi măng gây ô nhiễm môi trường 1.2 Vấn đề vật liệu xây dựng mới trong tương lai. Như đã biết, các công trình xây dựng trên thế giới nói chung và trên nước ta nói riêng thì hiện nay vẫn sử dụng vật liệu chủ yếu là bê tông cốt thép truyền thống để làm bộ khung chịu lực chính cho công trình và sử dụngvữaxi măng để xây, tô và hoàn thiện công trình. Ngành công nghiệp sản xuất xi măngsử dụng các nguồn nguyên liệu chủ yếu từ thiên nhiên như đá vôi, đá sét.Sau đó cần một lượng nhiệt để nung các nguyên liệu được khai thác này.
Lượng khí thải từ việc nung các nguyên liệu ảnh hưởng rất lớn đến vấn đề ô nhiễm môi trường, lượng khí CO2 thải ra môi trường, chưa kể đến là các khí thải độc hại và các chất thải từ quá trình sản xuất công nghiệp. Trong những năm gần đây, công nghệ Geopolymer ngày càng được sử dụng rộng rãi trong việc nâng cao khả năng làm việc vữa và bê tông sử dụng trong các kết cấu xây dựng. Việc thay thế xi măng bằng tro bay giúp làm giảm lượng khí thải CO2 do quá trình sản xuất xi măng, đồng thời tiêu thụ một lượng lớn phế phẩm công nghiệp để ứng dụng vào công trình xây dựng như chế tạo vật liệu xanh mà điển hình là vật liệu Geopolymer. Công nghệ Geopolymer lần đầu tiên sử dụng bởi Giáo sư Joseph Davidovits từ những năm 1970.
Nguyên lý chế tạo vật liệu Geopolymer (hay còn gọi 13 là vữa Geopolymer) dựa trên khả năng phản ứng của các vật liệu Aluminosilicate trong môi trường kiềm để tạo ra sản phẩm có các tính chất và cường độ tốt hơn. Trong đó, nguồn nguyên vật liệu có chứa nhiều thành phần oxit nhôm và oxit silic vô định có thể tìm được trong phụ phẩm công nghiệp nhiệt điện (tro bay) nên tro bay đã được chọn như một trong những loại vật liệu nền để chế tạo chất kết dính Geopolymer.3 Mẫu vữa Geopolymer Geopolymer được xem là vật liệu xanh và thân thiện với môi trường, thay thế cho xi măng Portland thông thường, nhờ độ bền, tính chất cơ học và khả năng chịu nhiệt. Tuy nhiên, tính giòn của vật liệu Geopolymer kết hợp với tác động của các hiện tượng từ biến, co ngót, mỏi … cũng như chịu tác động của tải trọng và sự xâm thực của môi trường làm khả năng chịu lực các kết cấu công trình bị suy giảm. Việc ứng dụng sợi có thể được coi là một giải pháp để cải thiện độ bền uốn và bền va đập.
Các loại sợi ngắn phân tán được nghiên cứu như một phần củng cố cho một cấu trúc của Geopolymer. Hoàn toàn có thể biến một vật liệu vốn khá giòn thành một vật liệu dẻo dai hơn. Sợi có khả năng ảnh hưởng đến tính chất cơ học và ổn định 14 thể tích trong vật liệu Geopolymer. Kết quả phân tích bề mặt cấu trúc với sự xuất hiện của vết nứt cho thấy rằng sợi có thể tạo nên một hiệu ứng chuyển tiếp qua các lỗ rỗng [4].
Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của dạng hình học củasợi thủy tinh đến khả năng chống nứt của vữa Geopolymer là cần thiết, từ đó đưa ra hàm lượng, hình dạng sợi phù hợp với cấp phối, làm tăng những đặc tính có lợi, hạn chế các nhược điểm của vật liệu Geopolymer. Nghiên cứu này sử dụng vật liệu nền là vữa Geopolymer, kết hợp sử dụng sợi thủy tinh có tỷ lệ chiều dài trên đường kính sợi thay đổi để nghiên cứu đánh giá khả năng làm việc của sợi đến các tính chất cơ học chủ yếu của vữa Geppolymer.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Vật liệu mới Geopolymer đã được nghiên cứu từ rất sớm trên thế giới vào những năm 70 của thế kỷ XX.Đối với nước ta thì vật liệu Geopolymer chưa được sử dụng rộng rải và phổ biến. Nhưng cũng đã có khá nhiều những nghiên cứu, bài báo khoa học trong và ngoài nước về loại vật liệu Geopolymer này.Một số ngiên cứu và bài báo khoa học về vật liệu Geopolymer như.1 Những nghiên cứu trong nước Tống Tôn Kiên [1] và các cộng sự đã nghiên cứu về đề tài Bê tông Geopolymer – những thành tựu, tính chất và ứng dụng. Các tác giả đã trình bày những thành tựu nổi bật, các mốc thời gian phát triển của chất kết dính hoạt hóa kiềm, quá trình hình thành cấu trúc bê tông Geopolymer, các đặc tính và cũng như ứng dụng của bê tông Geopolymer.
Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn [2] đã nghiên cứu về đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng sợi thép và polypropylene cao đến cường độ của bê tông Geopolymer. Các tác giả đã trình bày về cường độ chịu nén và chịu kéo của bê tông khi bổ sung sợi thép và polypropylene. Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn [3] đã nghiên cứu về đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng của tro trấu và silicafume đến cường độ của vữa Geopolymer. Các tác giả đã đánh giá ảnh hưởng của tro trấu và silicafume thay thế một phần tro bay để chế tạo vữa Geopolymer và tận dụng phế thải công nghiệp, nông nghiệp và đánh giá ảnh 15 hưởng của các thành phần hoạt tính của tro trấu và silicafume khi kết hợp với tro bay đến tính chất cường độ của vữa ở điều kiện thường và nhiệt độ cao.
Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn [4] đã nghiên cứu về đề tài Ứng xử của bê tông Geopolymer tro bay sử dụng sợi Hook. Các tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của sợi thép đến ứng xử của bê tông Geopolymer nền nhằm xác định khả năng ứng dụng của bê tông trong thực tế. Xác định được tính chất cơ học của bê tông Geopolymer được gia cường tốt nhất với 1% hàm lượng sợi Hook, kết quả thực nghiệm cho thấy giá trị biến dạng của bê tông dùng sợi thay đổi từ 0,0024 – 0,0028 với giá trị modun đàn hồi 25 – 30 GPa, hệ số Poisson đạt 0,013 – 0,016. Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn [5] đã nghiên cứu về đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng sợi thép và sợi polypropylene cao đến cường độ của bê tông Geopolymer.
Các tác giả đã xác định được bê tông Geopolymer bổ sung sợi polypropylene có cường độ nén giảm 2,8% và cường độ chịu uốn tăng không đáng kể (0,9%). Trong khi đó, cường độ chịu nén và chịu uốn của bê tông Geopolymer tăng cao theo hàm lượng sợi thép bổ sung, lên đến 41,1% cho cường độ chịu nén và 60,2% cho cường độ chịu uốn ứng với hàm lượng sợi thép sử dụng là 1,5%. Nguyễn Quang Phú [19] đã nghiên cứu Sử dụng cốt sợi thủy tinh để thiết kế bê tông có cường độ kháng uốn cao ứng dụng trong công trình thủy lợi. Tác giả đã chỉ ra được với lượng dùng cốt sợi thủy tinh (l =50mm) là 1,5% chất kết dính thì cường độ chịukéo khi uốn và cường độ nén của các mẫu thínghiệm đều tăng từ 15% đến 30%.2 Những nghiên cứu ngoài nước L.Krishnan và các cộng sự [8] đã nghiên cứu về đề tài có tên là“Geopolymer concrete an Eco–friendly construction material”.
Các tác giả đã giới thiệu công thức của vật liệu Geopolymer, đặc tính của Geopolymer và cách thức tiến hành thí nghiệm.Mustafa Al Bakri và các cộng sự [9] đã nghiên cứu về đề tài có tên là “Mechanism and Chemical Rection of Fly Ash Geopolymer cement”. Các tác giả đã giới thiệu về công thức hóa học cấu thành, quy luật hình thành, đặc tính của từng loại nguyên liệupha trộn đầu vào, và các tác giả kết luận: Các thuộc tính mong muốn của 16 sản phẩm geopolymer làm từ tro bay trong các giải pháp kiềm, chẳng hạn nhưđộ bền cơ học, khả năng làm việc và chống lại các điều kiện môi trường bất lợicó thể được tăng cường bởi sự kiểm soát số lượng tương đối của chất phản ứng được sửdụng và kiểm soát các điều kiện xảy ra phản ứng.Rangan [10] đã nghiên cứu về đề tài có tên là “Geopolymer Concrete with Fly Ash”. Tác giả đã trình bày đặc tính hỗn hợp bê tông Geopolymer, cách thiết kế một mẻ bê tông Gepolymer, về các sản phẩm bê tông đúc sẵn, sự đóng góp của bê tông Geopolymer đối với sự phát triển toàn cầu. Davidovits [11] đã nghiên cứu về đề tài có tên là “Properties of Geopolymer cement”.
Tác giả đã nghiên cứu ra vật liệu Geopolymer và trình bày về các tính chất của bê tông Geopolymer. Zhang và cộng sự [12] cho thấy khi sử dụng sợi poly –propylene có khả năng gia cường khả năng chịu kéo của vật liệu geopolymer. Sự xuất hiện của vết nứt trong bê tông geopolymer cho thấy rằng sợi có thể tạo nên một hiệu ứng chuyển tiếp qua các lỗ rỗng có hại, các khuyết tật và thay đổi cách mở rộng các vết nứt. Van Jarsveld, van Deventer và Lukey [13] nghiên cứu về 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 cho rằng hàm lượng nước, 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.
Khi gia nhiệt ở 700C trong 24 giờ, cường độ tăng đáng kể. Thời gian dưỡng hộ càng dài, cường độ của Geopolymer càng tăng.