CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu Con người hiện nay đang sử dụng nguồn lực thiên nhiên với một tốc độ nhanh hơn tốc độ tái tạo và cung cấp của Trái Đất đến 20%. Trong vòng 40 năm, từ năm 1961 đến 2001, mức tiêu thụ nguồn nhiên liệu khai thác từ lòng đất, như than, khí đốt và dầu hỏa, đã tăng với tỉ lệ đáng phải quan tâm là 700%. Trong khi đó, Trái Đất không có đủ thời gian để hấp thụ hết một lượng khí CO2 khổng lồ thải ra từ những hoạt động sản xuất và khai thác của con người. Cụ thể khối lượng CO2 được thải ra trong việc sản xuất xi măng phục vụ cho ngành Xây dựng chiếm đến 7% ~ 1,35 tỷ tấn khí thải mỗi năm.
Hậu quả là lượng khí thải không được hấp thụ đó đã dần dần hủy hoại tầng ô-zôn bảo vệ Trái Đất [1]. Khí thải CO2 gây ô nhiễm môi trường Nguồn tài nguyên thiên nhiên của Trái đất hiện nay đang bị thu hẹp cả về số lượng và chất lượng. Nguyên nhân chính dẫn tới thực trạng này chính là do hoạt động khai thác một các bừa bãi, cùng với việc sử dụng tài nguyên lãng phí, cũng như công tác quản lý yếu kém của con người. Cụ thể như tài nguyên rừng đang bị thu hẹp theo từng ngày, diện tích rừng tự nhiên che phủ giảm dần do khai thác trái phép, đất rừng bị chuyển qua đất nông công nghiệp, các loài sinh vật quý hiếm thì đứng trước nguy cơ tuyệt chủng rất cao.
Tình trạng ô nhiễm nguồn nước là vấn đề nghiêm trọng nhất đối với tài nguyên nước và theo dự báo đến năm 2025, 2/3 người trên thế giới có thể sẽ phải sống trong những vùng thiếu nước trầm trọng. Tài nguyên khoáng sản đang dần cạn kiệt sau việc khai thác quá mức và sử dụng lãng phí. Tài nguyên đất thì cũng đang gặp rất nhiều khó khăn như đất nông nghiệp đang 1 bị chuyển dần qua đất phục vụ cho công nghiệp và dịch vụ, đất bị nhiễm mặn, bị sa mạc hóa ngày một tăng. Khai thác khoáng sản và khai thác đất Ngoài ra, nguồn phế phẩm từ các ngành sản xuất công – nông nghiệp cũng đã và đang gây ra nhiều ảnh hưởng cho môi trường tự nhiên.
Đối với các ngành công nghiệp nhiệt điện, hàng năm đã thải ra hơn 780 triệu tấn tro bay nhưng chỉ sử dụng khoảng 17-20%. Riêng ở Việt Nam, theo thống kê cho thấy, tổng công suất các nhà máy nhiệt điện đốt than trong nước hiện nay khoảng 4800MW, sản lượng tro, xỉ tro thải là 4,8 triệu tấn/năm. Lượng tro bay này khi thảy vào môi trường nó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và môi trường sống của con người. Bên cạnh đó, các nguồn phế phẩm khác như xỉ thép của các ngành công nghiệp luyện kim mỗi năm cũng thải ra môi trường một khối lượng đáng kể.
Hiện nay ở nước ta, có hơn 30 nhà máy luyện thép đang hoạt động và nhiều nhà máy khác đang trong giai đoạn xây dựng hoặc lập dự án. Lượng xỉ thải ra từ các nhà máy thông thường chiếm từ 11% - 12% khối lượng phôi đầu vào. Như vậy, mỗi năm, lượng xỉ thải ra từ các nhà máy luyện thép trên cả nước sẽ lên đến 1 - 1,5 triệu tấn. Đây cũng là một trong những vấn đề cần được quan tâm giải quyết kịp thời khi các nguồn phế thải, phế phẩm từ các ngành công nghiệp thải ra ngày càng nhiều, đe dọa và ảnh hưởng đến môi trường sống của con người.
Bãi tập kết tro bay và xỉ thép Ngày nay, con người đã biết nguồn tài nguyên của trái đất không phải là vô tận, không thể khai thác hoặc thống trị theo ý mình. Khả năng đồng hóa chất thải của môi trường trái đất là có giới hạn nên con người cần phải biết sống hài hòa với tự nhiên; phải tính toán đến lợi ích chung của cộng đồng, của các thế hệ tương lai và các bảo vệ môi trường chính là bảo vệ sự phát triển của con người sau này. Từ những thực trạng trên, phương châm phát triển xã hội thân thiện cùng môi trường thiên nhiên hiện đang được áp dụng rộng rãi và triệt để đến tất cả các ngành nghề, lĩnh vực trong cuộc sống của con người. Trong đó, ngành Xây dựng cũng đang dần đổi mới và đa dạng hóa các chủng loai vật liệu xây dựng truyền thống như bê tông, gạch, vật liệu che phủ , … để hạn chế ô nhiễm cũng như bảo vệ môi trường.
Trong nhiều nghiên cứu về vật liệu thì khái niệm Geopolymer ngày càng được quan tâm nhiều hơn vì tính ứng dụng xanh của loại vật liệu này. Công nghệ Geopolymer có thể được áp dụng để chế tạo, sản xuất ra bê tông, vữa, gạch hay một số cấu kiện đúc sẵn khác mà không cần dùng đến chất kết dính thông thường là xi măng. Ưu điểm của công nghệ này là có thể phối hợp linh hoạt cách nguồn nguyên vật liệu khác nhau để tạo nên sản phẩm cuối cùng. Trong nhiều nghiên cứu trước đây đã cho thấy, công nghệ Geopolymer hoàn toàn có khả năng sử dụng các phế thải để tạo nên các sản phẩm xây dựng thân thiện với môi trường.
Đề tài “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tro bay và bột xỉ thép đến các tính chất cơ lý của bê tông Geopolymer” sẽ trình bày rõ hơn về khả năng ứng dụng của các loại phế phẩm công nghiệp trong quá trình chế tạo bê tông Geopolymer. Bê tông Geopolymer 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.1 Khái niệm về Geopolymer Vật liệu geopolymer được chế tạo nhờ vào quá trình polymer hóa nguyên liệu aluminosilicat trong môi trường kiềm do giáo sư Joseph Davidovits[2] đưa ra năm 1979. Theo Joseph Davidovits: "Bất kỳ một nguyên vật liệu nào trong đó có chứa dioxide silic và oxide nhôm đều có thể sử dụng để tạo ra vật liệu geopolymer". Sự hình thành cấu trúc cường độ cùng với quá trình gia nhiệt thích hợp sẽ giúp cho vật liệu Geopolymer có tính chất cơ học như bê tông xi măng.
Khi vật liệu geopolymer chịu tác dụng của nhiệt độ thì sẽ gây ra sự thay đổi cấu trúc và thành phần bên trong vật liệu như sự cô đặc, nóng chảy, nứt vỡ và sự thay đổi của lỗ rỗng, sự thay đổi bao gồm sự phát triển tinh thể, sự khử nước và phân hủy vữa geopolymer. Quá trình thay đổi có ảnh hưởng đến tính chất về cường độ của vật liệu geopolymer. Hệ nguyên liệu để chế tạo vật liệu Geopolymer bao gồm hai thành phần chính là các nguyên liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm. Nguyên liệu aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình Geopolymer hóa xảy ra (thường dùng là tro bay, metacaolanh, silicafume…).
Chất hoạt hóa kiềm được sử dụng phổ biến nhất là các dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng Natri Silicat nhằm tạo môi trường kiềm và tham gia vào các phản ứng Geopolymer hóa. Cho đến hiện nay, sự hiểu biết về cấu trúc bê tông geopolymer vẫn còn một số hạn chế. Một số nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở việc so sánh các thử nghiệm và phân tích các khía cạnh ảnh hưởng đến đặc tính của bê tông geopolymer.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước J. Davidovits [2] đã nghiên cứu ra vật liệu Geopolymer cùng với các tính chất hóa lý của vật liệu.
Hardjito, Djwantoro [3] đã trình bày quá trình để sản xuất bê tông Geopolymer sử dụng tro bay, cách sản xuất và thí nghiệm mẫu cùng với các số liệu thu thập được.Mustafa [4] và các cộng sự đã giới thiệu về công thức hóa học cấu thành, quy luật hình thành, đặc tính của từng loại nguyên vật liệu đầu vào của Geopolymer.Krishnan [5] và các cộng sự giới thiệu công thức, đặc tính của vật liệu Geopolymer, mức độ thân thiện với môi trường của Geopolymer và cách thức tiến hành thí nghiệm.Rangan [6] đã trình bày đặc tính hỗn hợp bê tông Geopolymer, cách thiết kế một cấp phối bê tông Gepolymer, về các sản phẩm bê tông đúc sẵn, sự đóng góp của bê tông Geopolymer đối với phát triển.Mustafa Al Bakri và các cộng sự [7] 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 liệu pha trộn đầu vào. Shuguang Hu, Hongxi Wang [8] đã giới thiệu về khả năng liên kết, tăng cường chống ăn mòn của vật liệu Xỉ thép khi thay thế cho cốt liệu thô trong bê tông Geopolymer. Ryno Barnard [9] đã nghiên cứu về các tính chất cơ học của bê tông Geopolymer khi thay đổi tỷ lệ giữa Xỉ/Tro cùng với việc bỏ sung các loại sợi.
Abdel-Ghani và cộng sự [10] đã giới thiệu về quá trình Geopolymer hóa khi được kích hoạt trong môi trường kiềm cũng như khả năng chống cháy khi có sử dụng bổ sung Xỉ thép. Omar, Heniegal [11] đã trình bày về sự ảnh hưởng về cường độ của Xỉ thép thay thế cốt liệu thô của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay.3 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt nam, từ những năm 2008 đã có khá nhiều đề tài khoa học nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này. Lần đầu tiên 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 trong thành phần của bê tông, được ứng dụng vào công nghệ chế tạo các loại mặt đường cứng (đường ô tô, đường sân bay…). Ngoài ra, công nghệ Geopolymer còn được sử dụng để làm ổn định, xử lý và tận dụng chất thải boxite từ các quặng khai thác nhôm để chế tạo gạch không nung và làm đóng rắn nền đường.
Tống Tôn Kiên [12] đã trình bày quá trình hình thành cấu trúc bê tông Geopolymer, các đặc tính và ứng dụng của bê tông Geopolymer. Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn [14] đã nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch hoạt hóa đến khả năng công tác của hỗn hợp bê tông Geopolymer. Ảnh hưởng của môi trường hoạt hóa và điều kiện dưỡng hộ cho bê tông Geopolymer cường độ cao. Kiều Đỗ Trung Kiên [15] đã giới thiệu chế tạo gạch không nung từ Xỉ thép trên cơ sở Geopolymer hóa.
Nguyễn Quốc Hiển [16] đã trình bày về ứng dụng của Xỉ thép trong lĩnh vực công trình xây dựng.