Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu: 1. Vấn đề môi trường: Hiện nay nghành công nghiệp xây dựng của nước ta đang phát triển rất nhanh, đáp ứng tốc độ phát triển của nền kinh tế quốc dân, nhu cầu sử dụng các loại vật liệu xây dựng ngày càng lớn, cả về số lượng và chất lượng, trong đó xi măng là loại vật liệu xây dựng rất quan trọng, được sử dụng hầu hết các công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp, giao thông, thủy lợi.1: Dự báo nhu cầu xi măng theo QĐ 1488/TTg, ngày 29/08/2011 [1] Năm Nhu cầu xi măng (Triệu tấn) 2011 54 - 55 2015 75 - 76 2020 93 – 95 2030 113 - 115 Để đáp ứng nhu cầu xi măng cho ngành Xây dựng, hiện nay cả nước ta có 13 nhà máy xi măng lò quay, 54 nhà máy xi măng lò đứng với tổng công suất thiết kế khoảng 23 triệu tấn/năm [2]. Theo bảng thống kê tình hình tiêu thụ lượng xi măng lớn ước tính vào năm 2020 nước ta tiêu thụ khoảng 95 triệu tấn/năm.
Theo tính toán để sản xuất ra một tấn xi măng thì nhà máy sẽ thải ra môi trường xấp xỉ một tấn khí CO2 sau những công đoạn nung nguyên liệu, khí này gây hiệu ứng nhà kính góp phần làm trái đất nóng lên. Khí CO2 thải ra từ công nghiệp sản xuất xi măng chiếm khoảng 7% lượng CO2 trên toàn thế giới.1: Khói bụi từ các nhà máy gây ô nhiễm môi trường [3]. Theo thống kê của Tổng cục Năng lượng (Bộ Công thương), hiện có 19 nhà máy nhiệt điện than công suất đạt 14.300 MW đang vận hành và tiêu thụ khoảng 42 triệu tấn than/năm. Ngoài ra, còn có 12 nhà máy (11.700 MW) đang xây dựng và 12 nhà máy đã và đang phê duyệt đầu tư (12.900 MW) với tổng số than tiêu thụ khoảng 63 triệu tấn/năm và lượng tro xỉ thải ra khoảng 14,7 triệu tấn/năm.
Diện tích bãi thải xỉ khoảng hơn 1. Như vậy tính đến năm 2022 - 2023, Việt Nam sẽ có 43 nhà máy, tiêu thụ khoảng 110 triệu tấn than và thải ra khoảng 29 triệu tấn tro xỉ/năm, lượng tro xỉ thải ra một phần nằm lại dưới lò, những hạt rất nhỏ bị cuốn theo khí từ những ống nhà máy thải ra môi trường một lượng rất lớn. Như vậy, nếu cứ để tình trạng này diễn ra thì núi tro xỉ thải ở các NMNĐ ngày càng ùn ứ, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng cuộc sống con người [4]. Thực tế cho thấy, việc sử dụng bê tông geopolymer để sản xuất các cấu kiện bê tông đúc sẵn là rất phù hợp, cần được đầu tư nghiên cứu và mở rộng các ứng dụng trong đó ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử của cọc bê tông geopolymer vẫn chưa được nhắc đến trong các nghiên cứu trước đây.
Vì vậy nội dung cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển đặc tính của bê tông geopolymer nói chung và cấu kiện cọc 2 nói riêng để có thể thương mại hóa các sản phẩm ở quy mô lớn và phát triển trên thị trường. Vật liệu xây dựng thân thiện môi trường: Geopolymer là loại vật liệu kết dính polymer vô cơ, được phát triển đầu tiên nhờ nhà khoa học người Pháp Joseph Joseph Davidovits từ những năm 1970. Phản ứng Geopolymer hóa là một phản ứng hóa học diễn ra giữa các oxit của nhôm và silic với dung dịch có tính kiềm mạnh để tạo ra các mạch có cấu trúc ba chiều rắn chắc chứa các liên kết Si-O-Al. Phản ứng geopolymer hóa diễn ra dưới áp suất khí quyển ở nhiệt độ dưới 100oC.
Sản phẩm geopolymer cuối cùng được tạo ra sẽ được đặc trưng bởi nhiều yếu tố liên quan đến thành phần hóa học của các nguyên liệu và dung dịch kiềm kích hoạt. Bê tông geopolymer là bê tông sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa (chất kết dính geopolymer). Trong quá trình chế tạo, nước chỉ đóng vai trò tạo tính công tác, không tham gia tạo cấu trúc Geopolymer, không tham gia phản ứng hóa học mà có thể bị loại ra trong quá trình bảo dưỡng và sấy (không giống như xi măng cần nước để thủy hóa). Nhiều nghiên cứu cho rằng, bảo dưỡng nhiệt cho bê tông geopolymer sử dụng tro bay có hàm lượng vôi thấp sẽ tạo cường độ cao, co khô ít, từ biến thấp, chịu ăn mòn sunphat, chịu axit tốt và có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng cơ sở hạ tầng.2: Thành phần trong GPC [5] 3 Nguyên liệu giàu Nhôm và Silic được sử dụng cho phản ứng geopolymer hóa thường là các phế thải công nghiệp như tro bay, xỉ thép, xỉ lò cao….Trong đó tro bay là nguyên liệu phù hợp nhất cho phản ứng cả về kích thước hạt và thành phần hóa học của nó.
Bê tông geopymer từ tro bay được nghiên cứu và sử dụng cho các công trình xây dựng dân dụng, đường bộ và mặt đường sân bay tại Australia trong khoảng 10 năm trở lại đây. Tại các quốc gia khác thì việc ứng dụng vật liệu này trong xây dựng càng hạn chế. Các ứng dụng thực tiễn theo Joseph Davidovits [6] đã thống kê các dạng ứng dụng chất kết dính geopolymer nói chung như sau: tấm kết cấu gỗ chống cháy, tấm tường và panel cách điện, sản xuất đá nhân tạo trang trí, sản xuất đá nhân tạo trang trí, tấm panel bọt cách nhiệt, vật liệu xây dựng thô, gạch không nung, vật liệu chống cháy công nghệ cao dùng trong máy bay và ô tô, ứng dụng làm khuôn đúc nhôm, bê tông và chất kết dính geopolymer, vật liệu cản lửa và gia cố/ sửa chữa, kết cấu chịu lửa, kết cấu chống sốc nhiệt, vật liệu chống cháy công nghệ cao dùng trong máy bay và ô tô Ở Mỹ, chất kết dính geopolymer ứng dụng chủ yếu là sản xuất xi măng geopolymer đóng rắn nhanh (Pyrament Blended Cement – PBC). PBC được nghiên cứu sản xuất và ứng dụng trong các sân bay quân sự từ những năm 1985.
Sau đó được dùng nhiều trong sửa chữa đường băng bê tông, sàn nhà công nghiệp, đường cao tốc (loại xi măng này có thể đạt cường độ 20 Mpa sau 4 - 6h đóng rắn). Một loại xi măng khác cũng được nghiên cứu sử dụng là xi măng geopolymer bền axit đã được công ty Zeo tech corp thương mại hóa năm 1997. Sản phẩm được dùng nhiều trong các nhà máy hóa chất và thực phẩm. Ở Úc, bê tông geopolymer đã và đang ứng dụng trong thực tiễn như: các thanh tà vẹt đúc sẵn, đường ống cống và các loại cấu kiện bê tông đúc sẵn khác trong xây dựng.
Với đặc tính tốt của các kết cấu đúc sẵn là cho cường độ tuổi sớm cao khi được bảo dưỡng hơi nước hoặc dưỡng hộ nhiệt [7,8]. Kết cấu bê tông geopolymer có thể 4 dễ dàng sản xuất bằng công nghệ sản xuất bê tông hiện tại mà không cần phải thay đổi lớn nào. Một số nhà nghiên cứu khác cũng đã sản xuất các sản phẩm ống cống bê tông geopolymer cốt thép đúc sẵn có đường kính từ 375 - 1800mm; các cống hộp bê tông geopolymer cốt thép có kích thước 1200 x 600 x 1200 mm. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng chịu môi trường nước thải xâm thực rất tốt và tương đương sản phẩm bê tông xi măng.
Bê tông geopolymer có hoạt tính kiềm cũng đã được thương mại hóa ở Úc với nhãn hiệu kinh doanh E-Crete™. E-Crete được tái chế từ tro bay và xỉ lò cao cùng với các chất hoạt tính kiềm thích hợp và hiện có sẵn ở dạng đúc sẵn và trộn sẵn. Các sản phẩm đúc sẵn của E-Crete chủ yếu như: các panel đúc sẵn (Hình 1.4); các ống, nắp và đế cống; cống hộp; bể xí tự hoại; hố thu rác, gạch lát vỉa hè; tấm ốp lát trang trí hoặc cách âm;… [9] Hình 1.3: Bê tông E-Crete 25Mpa lát Hình 1.4: Các tấm panel bê tông E- nền đường cao tốc Westgate, Cảng Crete 55 Mpa đúc sẵn ở Cầu Phố Melbourne, Victoria, Úc. [9] Salmon, Cảng Melbourne, Victoria, Úc.[9] Ở Việt nam, mới chỉ có một số dạng sản phẩm thương mại có nguồn gốc từ bê tông geopolymer là gạch đất không nung.
Đã có một số nghiên cứu bước đầu về bê tông geopolymer như bê tông chịu lửa không xi măng của nhóm nghiên cứu ở Viện Vật liệu Xây dựng [10]. Bê tông cốt liệu không xi măng dựa trên liên kết rho-alumia 5 tên thương phẩm là alphabond 300, so với BTCL ít xi măng là công nghệ chế tạo đơn giản, thời gian sử dụng của vật liệu này tăng, tính chất cơ nhiệt tốt như tăng nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng và tăng độ bền uốn ở nhiệt độ cao. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công BTCL không xi măng ứng dụng thử vào thực tế. Một nghiên cứu khác về ứng dụng chất kết dính geopolymer là sản xuất vật liệu không nung từ phế thải tro bay và xỉ lò cao cũng được thực hiện năm 2011.
Kết quả nghiên cứu đã xây dựng quy trình sản xuất vật liệu gạch block bê tông geopolymer có cường độ én đạt >10 Mpa, có giá thảnh rẻ hơn gạch block bê tông xi măng cốt liệu 15% [11]. Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài: 1. Nghiên cứu trên thế giới: Bê tông geopolymer được xem như một loại vật liệu thể hiện các đặc tính cơ lý tốt có thể thay thế được bê tông xi măng truyền thống. Và từ đó, hàng loạt những nghiên cứu về tính chất cơ lý của bê tông geopolymer đã được thực hiện nhằm đánh giá và so sánh với bê tông OPC.
Angel Palomo, Grutzeck, và Blanco (1999) [12], nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ, thời gian dưỡng hộ và tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay đến cường độ của bê tông geopolymer và nhóm đã nhận xét rằng 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 850C kéo dài trong 5 giờ. Van Jarsveld, Van Deventer và Lukey (2002) [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.