Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp xây dựng tại Việt Nam đang phát triển nhanh chóng, kéo theo nhu cầu sử dụng vật liệu xây dựng tăng cao, đặc biệt là xi măng với dự báo tiêu thụ khoảng 95 triệu tấn vào năm 2020 và có thể lên tới 113-115 triệu tấn vào năm 2030. Tuy nhiên, sản xuất xi măng là nguồn phát thải lớn khí CO2, chiếm khoảng 7% tổng lượng CO2 toàn cầu, góp phần làm gia tăng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu. Bên cạnh đó, các nhà máy nhiệt điện than thải ra khoảng 29 triệu tấn tro xỉ mỗi năm, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nếu không được xử lý hiệu quả.

Trong bối cảnh đó, bê tông geopolymer (GPC) được xem là vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, sử dụng phế thải công nghiệp như tro bay làm nguyên liệu chính, giúp giảm phát thải khí nhà kính và tận dụng nguồn phế thải. Bê tông geopolymer có nhiều ưu điểm như cường độ cao, khả năng chống ăn mòn, co ngót thấp và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, việc ứng dụng bê tông geopolymer trong các cấu kiện xây dựng, đặc biệt là cọc rỗng bê tông geopolymer, vẫn còn hạn chế và chưa được nghiên cứu sâu về ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử chịu uốn của cọc.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt ẩm (từ 6 đến 12 giờ) đến khả năng chịu uốn nứt và uốn gãy của cọc rỗng bê tông geopolymer, so sánh với cọc bê tông xi măng truyền thống có cùng cấp độ bền B45. Nghiên cứu được thực hiện tại nhà máy bê tông ly tâm thuộc Công ty TNHH Xây dựng Bách Khoa, tỉnh An Giang, trong năm 2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển và ứng dụng bê tông geopolymer làm vật liệu xanh thay thế bê tông xi măng truyền thống trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Bê tông geopolymer là vật liệu kết dính polymer vô cơ được hình thành từ phản ứng geopolymer hóa giữa các oxit nhôm và silic trong môi trường kiềm mạnh. Quá trình này tạo ra mạng lưới polysialate với liên kết Si-O-Al bền vững, diễn ra ở nhiệt độ dưới 100°C. Nguyên liệu chính là tro bay, một phế thải công nghiệp có kích thước hạt siêu mịn và thành phần hóa học giàu SiO2, Al2O3, Fe2O3, phù hợp cho phản ứng geopolymer hóa.

Hai lý thuyết chính được áp dụng trong nghiên cứu là:

  1. Cơ chế geopolymer hóa: Mô tả quá trình hòa tan, định hướng và trùng ngưng polymer của các ion Si và Al trong dung dịch kiềm, tạo thành cấu trúc mạng lưới polymer vô cơ bền chắc. Tỷ lệ Si/Al và điều kiện dưỡng hộ nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc và cường độ của bê tông geopolymer.

  2. Lý thuyết ứng xử chịu uốn của cọc rỗng bê tông: Dựa trên tiêu chuẩn TCVN 7888:2014, nghiên cứu tính toán mô men uốn nứt và mô men uốn gãy của cọc rỗng bê tông, từ đó đánh giá khả năng chịu lực và độ bền của cấu kiện.

Các khái niệm chính bao gồm: thời gian dưỡng hộ nhiệt ẩm, mô men uốn nứt, mô men uốn gãy, cường độ chịu nén bê tông, và cấu trúc mạng lưới geopolymer.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là kết quả thí nghiệm mẫu cọc rỗng bê tông geopolymer và bê tông xi măng OPC cấp độ bền B45, được sản xuất và dưỡng hộ tại nhà máy bê tông ly tâm. Cỡ mẫu gồm 7 nhóm cọc với thời gian dưỡng hộ nhiệt ẩm lần lượt là 6, 7, 8, 9, 10, 11 và 12 giờ ở nhiệt độ 100°C.

Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên từ cùng một mẻ bê tông để đảm bảo tính đồng nhất. Các mẫu được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm theo quy trình tiêu chuẩn, bao gồm xác định cường độ chịu nén, thử uốn nứt và uốn gãy thân cọc.

Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp thống kê mô tả và so sánh tỷ lệ phần trăm thay đổi giữa các nhóm mẫu. Mối quan hệ giữa mô men uốn nứt và mô men uốn gãy được biểu diễn qua đồ thị để đánh giá ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong 12 tháng, từ khâu chuẩn bị nguyên vật liệu, sản xuất mẫu, dưỡng hộ, đến thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ chịu nén: Mẫu bê tông geopolymer dưỡng hộ nhiệt 12 giờ ở 100°C đạt cường độ chịu nén tương đương mẫu bê tông xi măng cùng cấp độ bền B45, với giá trị cường độ khoảng 45 MPa. Cường độ tăng dần theo thời gian dưỡng hộ, từ 6 giờ đạt khoảng 70% cường độ cuối cùng, đến 12 giờ đạt 100%.

  2. Khả năng chịu uốn nứt của cọc rỗng: Tải trọng gây nứt (Ptn) của cọc geopolymer tăng từ khoảng 6 giờ đến 12 giờ dưỡng hộ, đạt mức tương đương với cọc bê tông xi măng. Mô men uốn nứt (Mtn) cũng tăng theo thời gian dưỡng hộ, với sự chênh lệch không quá 5% so với cọc xi măng.

  3. Khả năng chịu uốn gãy của cọc rỗng: Tải trọng gãy (Pcr) và mô men uốn gãy (Mbr) của cọc geopolymer tăng rõ rệt khi thời gian dưỡng hộ tăng, đạt mức tương đương hoặc cao hơn cọc xi măng ở thời điểm 12 giờ. Sự tăng trưởng này cho thấy quá trình geopolymer hóa tiếp tục phát triển trong thời gian dưỡng hộ nhiệt.

  4. Mối quan hệ giữa mô men uốn nứt và mô men uốn gãy: Kết quả thí nghiệm cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa mô men uốn nứt và mô men uốn gãy của cọc geopolymer ở các thời điểm dưỡng hộ khác nhau, tương tự như cọc bê tông xi măng. Điều này chứng tỏ tính ổn định và khả năng dự đoán ứng xử chịu uốn của cọc geopolymer.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng cường độ và khả năng chịu uốn theo thời gian dưỡng hộ là do quá trình geopolymer hóa diễn ra mạnh mẽ hơn dưới điều kiện nhiệt độ ẩm, tạo ra mạng lưới polymer Si-O-Al bền vững và liên kết chắc chắn giữa các hạt cốt liệu. So với bê tông xi măng truyền thống, bê tông geopolymer không phụ thuộc vào quá trình thủy hóa mà dựa vào phản ứng polymer hóa, do đó thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ có ảnh hưởng rõ rệt đến đặc tính cơ lý.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với nhận định rằng thời gian dưỡng hộ và nhiệt độ là yếu tố quyết định cường độ bê tông geopolymer. Việc sử dụng thời gian dưỡng hộ nhiệt ẩm từ 6 đến 12 giờ là phù hợp để đạt được cường độ và ứng xử cơ học tương đương bê tông xi măng cấp B45.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự tăng trưởng cường độ chịu nén, mô men uốn nứt và mô men uốn gãy theo thời gian dưỡng hộ, giúp minh họa rõ ràng xu hướng phát triển tính chất cơ học của cọc geopolymer.

Kết quả nghiên cứu mở ra triển vọng ứng dụng bê tông geopolymer trong sản xuất cấu kiện cọc rỗng thân thiện môi trường, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và tận dụng phế thải công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình dưỡng hộ nhiệt ẩm: Khuyến nghị áp dụng thời gian dưỡng hộ nhiệt ẩm từ 10 đến 12 giờ ở 100°C để đạt hiệu quả tối ưu về cường độ và ứng xử chịu uốn của cọc geopolymer. Chủ thể thực hiện là các nhà máy sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn, thời gian áp dụng trong vòng 6 tháng.

  2. Phát triển công nghệ sản xuất cọc rỗng bê tông geopolymer quy mô công nghiệp: Đầu tư thiết bị và quy trình sản xuất phù hợp với vật liệu geopolymer, đảm bảo kiểm soát chất lượng và đồng nhất sản phẩm. Chủ thể thực hiện là doanh nghiệp xây dựng và nhà máy bê tông ly tâm, thời gian triển khai 12-18 tháng.

  3. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thi công cho cọc geopolymer: Cập nhật các tiêu chuẩn hiện hành để bao gồm vật liệu geopolymer, hướng dẫn dưỡng hộ và kiểm tra chất lượng. Chủ thể thực hiện là cơ quan quản lý nhà nước và viện nghiên cứu, thời gian hoàn thiện trong 1 năm.

  4. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng ứng dụng bê tông geopolymer trong các cấu kiện khác: Tăng cường nghiên cứu về ứng xử cơ học, độ bền môi trường và khả năng tái chế của các sản phẩm bê tông geopolymer khác như dầm, sàn, tấm panel. Chủ thể thực hiện là các trường đại học và viện nghiên cứu, thời gian nghiên cứu liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và cơ sở lý thuyết về bê tông geopolymer, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan đến vật liệu xây dựng xanh.

  2. Doanh nghiệp sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn: Tham khảo quy trình sản xuất và dưỡng hộ nhiệt ẩm để ứng dụng bê tông geopolymer trong sản xuất cọc rỗng, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí môi trường.

  3. Cơ quan quản lý và xây dựng tiêu chuẩn: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng hoặc cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến vật liệu bê tông geopolymer và cấu kiện bê tông rỗng.

  4. Chuyên gia tư vấn và thiết kế công trình xây dựng: Áp dụng kiến thức về ứng xử chịu uốn của cọc geopolymer để thiết kế các công trình thân thiện môi trường, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông geopolymer khác gì so với bê tông xi măng truyền thống?
    Bê tông geopolymer sử dụng chất kết dính polymer vô cơ từ phản ứng geopolymer hóa, không cần xi măng và nước tham gia phản ứng thủy hóa. Điều này giúp giảm phát thải CO2 và tận dụng phế thải công nghiệp như tro bay, đồng thời có khả năng chống ăn mòn và co ngót thấp hơn.

  2. Tại sao thời gian dưỡng hộ nhiệt ảnh hưởng đến cường độ bê tông geopolymer?
    Thời gian dưỡng hộ nhiệt ảnh hưởng đến quá trình polymer hóa, giúp mạng lưới Si-O-Al phát triển hoàn chỉnh hơn, tăng cường độ và tính ổn định của bê tông. Dưỡng hộ nhiệt ẩm từ 6 đến 12 giờ giúp bê tông đạt cường độ tối ưu.

  3. Cọc rỗng bê tông geopolymer có thể thay thế cọc bê tông xi măng không?
    Kết quả nghiên cứu cho thấy cọc rỗng bê tông geopolymer có khả năng chịu uốn nứt và uốn gãy tương đương cọc bê tông xi măng cùng cấp độ bền, do đó có tiềm năng thay thế trong các công trình xây dựng thân thiện môi trường.

  4. Quy trình dưỡng hộ nhiệt ẩm được thực hiện như thế nào?
    Quy trình dưỡng hộ nhiệt ẩm bao gồm đặt mẫu cọc trong môi trường có nhiệt độ khoảng 100°C và độ ẩm cao trong thời gian từ 6 đến 12 giờ, giúp kích hoạt phản ứng geopolymer hóa và tăng cường độ bê tông.

  5. Lợi ích kinh tế khi sử dụng bê tông geopolymer là gì?
    Bê tông geopolymer sử dụng nguyên liệu phế thải giá rẻ như tro bay, giảm chi phí nguyên liệu chính so với xi măng, đồng thời giảm chi phí bảo trì do khả năng chống ăn mòn và co ngót thấp, góp phần giảm tổng chi phí đầu tư và vận hành công trình.

Kết luận

  • Bê tông geopolymer dưỡng hộ nhiệt ẩm 12 giờ ở 100°C đạt cường độ chịu nén và khả năng chịu uốn tương đương bê tông xi măng cấp B45.
  • Thời gian dưỡng hộ nhiệt ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng chịu uốn nứt và uốn gãy của cọc rỗng bê tông geopolymer, với sự gia tăng cường độ theo thời gian dưỡng hộ từ 6 đến 12 giờ.
  • Mối quan hệ giữa mô men uốn nứt và mô men uốn gãy của cọc geopolymer tương tự như cọc bê tông xi măng, cho phép áp dụng các phương pháp tính toán truyền thống.
  • Nghiên cứu mở ra triển vọng ứng dụng bê tông geopolymer làm vật liệu xanh trong sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và tận dụng phế thải công nghiệp.
  • Đề xuất áp dụng quy trình dưỡng hộ nhiệt ẩm tối ưu và phát triển công nghệ sản xuất quy mô công nghiệp để thương mại hóa sản phẩm cọc rỗng bê tông geopolymer trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo là triển khai nghiên cứu mở rộng về các đặc tính cơ lý và môi trường của bê tông geopolymer, đồng thời phối hợp với doanh nghiệp để thử nghiệm sản xuất quy mô lớn. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển vật liệu xây dựng xanh, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành xây dựng.