CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GPC VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM GPC CỐT THÉP Các nghiên cứu trên thế giới về vật liệu sử dụng chất kết dính geopolymer bắt đầu từ nghiên cứu về bê tông xỉ kiềm Purdon (1940) [67], rồi đến khái niệm về chất kết dính geopolymer đề xuất bởi Davidovits (1978) [39]. Tiếp đó, bê tông sử dụng chất kết dính geopolymer được nghiên cứu về thành phần, cấp phối, tính chất của bê tông geopolymer những năm đầu thế kỷ 21. Các nghiên cứu này tập trung vào sử dụng hai loại vật liệu chính thuộc nhóm alumino silicate là tro bay, xỉ lò cao được hoạt hóa kiềm tạo nên chất kết dính geopolymer. Tính chất của bê tông geopolymer rất đa dạng phụ thuộc thành phần vật liệu của chất kết dính và điều kiện dưỡng hộ.
Trong chương này sẽ trình bày tổng quan các kết quả nghiên cứu nổi bật về thành phần chế tạo, các đặc tính cơ học chủ yếu của bê tông geopolymer từ tro bay và xỉ lò cao. Ngoài ra, mô hình quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông xi măng và lý thuyết tính toán sự làm việc trên tiết diện thẳng góc của dầm bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2018 [15] sẽ được tóm tắt làm cơ sở để thiết lập qui trình tính toán phù hợp với đặc tính của bê tông geopolymer.1 Giới thiệu về bê tông geopolymer 1.1 Khái niệm bê tông geopolymer Bê tông geopolymer (geopolymer concrete – GPC) là bê tông sử dụng chất kết dính geopolymer được tạo thành từ các hợp chất giàu alumino-silicat (tro bay, xỉ lò cao, mêta cao lanh.) được hoạt hóa trong môi trường kiềm. Chất kết dính geopolymer có cấu trúc được hành thành từ liên kết của các polymer theo Davidovits [41]. Davidovits đã nghiên cứu phát triển và được nhận bằng sáng chế về chất kết dính mêta cao lanh sử dụng kiềm hoạt hóa, sau này gọi là geopolymer vào năm 1978.
Tiếp đó, geopolymer được nghiên cứu rộng rãi với việc sử dụng hợp chất giàu alumino-silicat như tro bay, xỉ lò cao… được hoạt hóa kiềm làm chất kết dính thay thế xi măng. Cấu trúc geopolymer có thể có một trong ba dạng cơ bản như (i) Poly (sialate) có [-Si-O-Al- O-] lặp lại, (ii) Poly (sialate-siloxo) có [-Si-O-Al-O-Si-O-] lặp lại, (iii) Poly (sialate- disiloxo) có [-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-] lặp lại [39]. Các dạng kết hợp khác nhau của poly (sialate) được chỉ ra trong Hình 1. Các dạng cấu trúc cơ bản của geopolymer [39] Không giống như xi măng, chất kết dính geopolymer không hình thành calciumsilicate-hydrates (C-S-H) để tạo các liên kết mạng tinh thể và tạo nên cường độ, mà dựa trên quá trình trùng ngưng các hợp chất chứa silica, alumina trong môi trường hàm lượng kiềm cao để hình thành mạng liên kết dạng polyme vô cơ tạo nên cường độ bê tông.
Thành phần của geopolymer tương tự như các vật liệu zeolit tự nhiên, nhưng cấu trúc vi mô vô định hình thay vì cấu trúc tinh thể. Do đó các đặc trưng cơ học của GPC này phụ thuộc nhiều vào nguồn vật liệu đầu vào chứa alumino-silicat như thành phần hóa, thành phần khoáng, độ mịn của các hạt. Đồng thời nồng độ kiềm hoạt hóa, nhiệt độ dưỡng hộ là hai yếu tố quyết định đến tốc độ và hiệu suất phản ứng hình thành liên kết geopolymer [41]. Bê tông geopolymer là vật liệu thân thiện với môi trường.
Thứ nhất, GPC sử dụng tro bay và xỉ lò cao là các sản phẩm phụ, phế thải công nghiệp. Do vậy, tiêu thụ các nguồn vật liệu này sẽ góp phần xử lý môi trường do giảm được nguy cơ gây ô nhiễm của hai nguồn vật liệu với khối lượng lớn này và chưa có khả năng giảm thải trong tương lai. Thứ hai, GPC có khả năng thay thế xi măng sẽ làm giảm nhu cầu sản xuất xi măng sẽ góp phần hạn chế lượng phát thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính. Mc Lellana (2011) tổng hợp và so sánh về phát thải CO2 của quá trình sản xuất của các vật liệu thành phần tạo nên chất kết dính geopolymer và xi măng, số liệu thống kê cho thấy chất kết dính geopolymer có chỉ số phát thải CO2 chỉ khoảng 27-45% so với xi măng.2 Thành phần vật liệu của chất kết dính geopolymer Tro bay và xỉ lò cao là hai vật liệu phổ biến thuộc nhóm alumino silictate được hoạt hóa trong dung dịch kiềm tạo nên chất kết dính geopolymer.
Tro bay và xỉ lò cao có tính trơ, phản ứng rất yếu với nước nên không thể dùng độc lập như xi măng OPC. Trong công nghiệp bê tông xi măng, tro bay và xỉ lò cao là sản phẩm phụ gia khoáng, có thể thay thế một phần xi măng để chế tạo xi măng puzzolan nhằm cải thiện một số tính chất của bê tông xi măng. Khi dùng làm chất kết dính geopolymer, tro bay và xỉ lò cao cũng cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật tương tự như sản phẩm dùng làm phụ gia puzzolan.1 Tro bay Tro bay (Fly ash – FA) là loại sản phẩm chất thải bụi mịn thu được tại bộ phận lắng bụi khí thải của nhà máy nhiệt điện từ quá trình đốt than [19]. Sau đó, tro bay được qua công nghệ xử lý tuyển khô hoặc tuyển ướt để loại bớt thành phần không mong muốn, nhằm nâng cao thành phần chất lượng hữu ích trong sử dụng.
Tro bay là những tinh cầu tròn siêu mịn được cấu thành từ các hạt silic có kích thước hạt cỡ micromet, nhờ bị thiêu đốt ở nhiệt độ rất cao trong lò đốt (đạt khoảng 1400°C) nên nó có tính puzzolan là tính hút vôi rất cao. Nhờ có độ mịn cao, độ hoạt tính lớn cộng với lượng silic tinh ròng (SiO2) có rất nhiều trong tro bay, nên tro bay khi kết hợp với xi măng porland hay các loại chất kết dính khác sẽ tạo ra các sản phẩm bê tông với cường độ nén vượt trội có khả năng chống thấm cao, tăng độ bền với thời gian, không nứt nẻ, giảm độ co ngót, có tính chống kiềm và tính bền sulfat, dễ thao tác, rút ngắn tiến độ thi công do không phải xử lý nhiệt. Thành phần hóa của tro bay gồm nhiều nguyên tố hóa học (hơn 30 nguyên tố) khác nhau, tồn tại chủ yếu ở các dạng oxit SiO 2, Al2O3, CaO, MgO, Fe2O3, FeO, TiO2, Cr2O3, V2O5, MnO, SO3, Na2O, K2O, B2O3. Trong các oxit trên thì SiO2, Al2O3, CaO, MgO được coi là chủ yếu vì chúng có hàm lượng lớn và quyết định đến các tính chất cơ bản của tro bay.
Nguồn gốc của các loại oxit này phụ thuộc chủ yếu vào nguồn gốc và loại nhiên liệu, các oxit FeO, TiO2, Cr2O3, V2O5, MnO, B2O3 thường có mặt với hàm lượng rất thấp. Một số loại oxit thuộc nhóm này có thể không gặp trong tro bay. Các oxit CaO tự do, MgO tự do, Na2O, K2O, SO3 và thành phần than chưa cháy được coi là có hại cần phải lưu ý khi sử dụng vì chúng làm thay 9 đổi thể tích sản phẩm thủy hóa chất kết dính trong quá trình rắn chắc hoặc là gây ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông (đối với OPC). Vì thế khi sử dụng các tiêu chuẩn hiện hành đều khống chế các hàm lượng này trong yêu cầu kĩ thuật của tro bay Bảng 1.1 tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10302:2014.1 Tiêu chuẩn tro bay theo TCVN 10302 - 2014 [19] Loại tro Chỉ tiêu bay 1.
Tổng hàm lượng ôxit SiO2 + Al2O3 + F 70 Fe2O3, % khối lượng, không nhỏ hơn C 45 2. Hàm lượng lưu huỳnh, hợp chất lưu F 3 huỳnh tính quy đổi ra SO3, % khối lượng, C 5 không lớn hơn 3. Hàm lượng canxi ôxit tự do CaOtd, % F - khối lượng, không lớn hơn C 2 4. Hàm lượng mất khi nung MKN, % F 12 khối lượng, không lớn hơn C 5 5.
Hàm lượng kiềm có hại (kiềm hòa tan), F % khối lượng, không lớn hơn C F 6. Độ ẩm, % khối lượng, không lớn hơn C 7. Lượng sót sàng 45mm, % khối F 25 lượng, không lớn hơn C 1.2 Xỉ lò cao Xỉ lò cao (Blast Furnace Slag – BFS) là phế thải trong quá trình sản xuất kim loại từ quặng sắt hay quá trình tinh chế kim loại không nguyên chất, chúng có cấu trúc dạng thủy tinh, ban đầu có dạng hạt khi được làm lạnh nhanh bằng nước. Sau đó được nghiền mịn đến độ mịn yêu cầu.
Thành phần hoá chính của xỉ lò cao gồm các oxit CaO, MgO, SiO2 và Al2O3 với tổng hàm lượng là 90 – 95%. Hàm lượng các oxit dao động trong phạm vi rộng vì phụ thuộc vào thành phần hoá của quặng sắt và tro. CaO = 30 – 50%, SiO2 = 28 – 38%, Al2O3 = 8 –24%, MgO = 1 – 18% và S = 1 – 2. Thành phần thuận lợi nhất của chất nóng chảy lò cao nằm trong hàm lượng giới hạn các oxit kiềm.
Tuỳ thuộc vào chế độ và tốc độ làm lạnh mà xỉ lò cao có các thành phần khoáng khác nhau. Nếu xỉ được làm lạnh chậm thì thành phần khoáng chủ yếu là: Ghilenit 10 (2CaO. Ngoài ra còn có Monticelit (CaO.SiO2), Akemanit (2CaO.2SiO2), Merwinit (3CaO.2SiO2), Anorthit (CaO.2SiO2), Spinel (MgO.Al2O3), Fortenit (2MgO.SiO2) và các Aluminate canxi (CaO. Nếu xỉ được làm lạnh nhanh thì các hợp chất phụ từ pha nóng chảy chuyển sang pha thuỷ tinh.
Có các khoáng CaO.Al2O3 và 12CaO.7Al2O3 có khả năng hydrat hoá nhưng cho cường độ không cao. Xỉ lò cao nghiền mịn (Ground Granulated Blast Furnace Slag – GGBFS) là sản phẩm dùng trong công nghiệp xi măng và bê tông thỏa mãn các yêu cầu kĩ thuật của xỉ lò cao theo tiêu chuẩn Việt Nam trong Bảng 1.2 Yêu cầu kỹ thuật của xỉ hạt lò cao theo TCVN 11586:2016 [21] Mức Chỉ tiêu S60 S75 S95 S105 1. Khối lượng riêng, g/cm , không nhỏ hơn 3 2,8 2. Bề mặt riêng, cm2/g, không nhỏ hơn 2 750 3 500 5 000 7 000 3.
Chỉ số hoạt tính cường độ, %, không nhỏ hơn 7 ngày - 55 75 95 28 ngày 60 75 95 105 91 ngày 80 95 - - 4. Tỷ lệ độ lưu động, %, không nhỏ hơn 95 95 90 85 5. Độ ẩm, %, không lớn hơn 1,0 6. Hàm lượng magiê oxit (MgO), %, không lớn hơn 10,0 7.
Hàm lượng anhydric sulfuric (SO3), %, không lớn 4,0 hơn 1.3 Chất hoạt hóa Bất kỳ dung dịch kiềm mạnh nào cũng có thể sử dụng để hoạt hóa cho quá trình phản ứng polymer. Ban đầu, chất hoạt hóa được sử dụng là Ca(OH)2 để tạo geopolymer: Davidovits (1991) [39] cho rằng từ xa xưa các kim tự tháp đã được xây dựng từ hỗn hợp tro bay núi lửa và dung dịch (Ca(OH)2 làm chất hoạt hóa. Alonso và Palomo (2001) [27] cũng sử dụng Ca(OH)2 làm chất hoạt hóa tạo geopolymer tro bay.