CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu 1.1 Thực trạng sản xuất vật liệu xây dựng Với phần lớn kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng hiện nay đều là hệ bê tông cốt thép toàn khối thì bê tông đã trở thành là một trong những loại sản phẩm được sử dụng nhiều nhất trong ngành xây dựng. Chất kết dính thông thường để sản xuất bê tông là cement Portland. Tuy nhiên, song hành cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp sản xuất cement đã gây ra nhiều ảnh hưởng nặng nề đến môi trường tự nhiên và một số hệ lụy khác. Ngành công nghiệp sản xuất cement đã đòi hỏi việc khai thác một trữ lượng lớn về nguyên vật liệu; đó chính là các nguồn tài nguyên thiên thiên không thể tái tạo như đá vôi và đất sét, … Hiện tại, trữ lượng đá vôi đang ngày giảm một cách nhanh chóng cũng như việc khai thác đất sét đã làm tiêu tốn một trữ lượng đáng kể diện tích đất trồng cây lương thực.
Ngoài ra, cùng với quá trình nung trong lò tạo “Clanh-ke” cho việc sản xuất cement thì cũng làm lãng phí rất nhiều nhiệt năng. Từ đó lại dẫn đến sự tổn hao cho các nguồn tài nguyên khác như than đá, dầu, điện, … và gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng sức khỏe con người vì khí thải CO2 trong ngành công nghiệp ngày càng tăng. Để sản xuất ra một tấn cement sẽ có 770 kg khí thải vào không khí sau những công đoạn nung nguyên liệu. Năng lượng để sản xuất cement chỉ đứng thứ ba sau sản xuất thép và nhôm [1].
Sản lượng cement Portland được tiêu thụ trên toàn thế giới hiện tại đã vượt qua ngưỡng 2,6 tỷ tấn một năm và hàng năm tăng trung bình 5%. Số liệu điều tra cho thấy lượng khí thải CO2 từ công nghiệp sản xuất cement xấp xỉ 1,35 tấn/năm, chiếm khoảng 7% lượng CO2 trên toàn thế giới (Malhotra). Với sự tăng trưởng về lượng khí thải CO2 này đã 15 góp phần gây hiệu ứng nhà kính, làm cho trái đất nóng lên, thay đổi khí hậu toàn cầu và thực trạng này đã trở thành một trong những vấn đề được cả nhân loại quan tâm [2]. Quá trình sản xuất cement và khí thải CO2 1.2 Phương hướng phát triển vật liệu xây dựng Để góp phần hạn chế lượng khí thải CO2 từ các ngành công nghiệp sản xuất cement hay gạch nung truyền thống; đồng thời tận dụng nguồn tro bay - loại phế phẩm của ngành công nghiệp nhiệt điện thì công nghệ Geopolymer đã và đang được nghiên cứu, áp dụng để thay thế Cement Portland - chất kết dính trong sản xuất bê tông thông thường.
Sản phẩm của công nghệ này chính là bê tông và vữa Geopolymer – đây là một trong những sản phẩm xanh, thân thiện với môi trường của ngành vật liệu xây dựng hiện nay [3]. Bê tông Geopolymer đã được quan tâm, nghiên cứu và phát triển ngày càng nhiều vì những ưu điểm nổi bật như: khả năng chịu lực, khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt, cách âm, độ co ngót nhỏ hay khả năng gắn kết tốt với cốt thép trong bê tông, … Công nghệ Geopolymer hiện nay đang được nghiên cứu đa dạng hơn khi áp dụng cho các cấu kiện khác nhau, điển hình như dầm Geopolymer của M. Nataraja [4] hay Muthumani [5], … Đi cùng với xu hướng ấy, đề tài “Nghiên cứu khả năng chịu uốn của sàn bê tông cốt thép Geopolymer” sẽ nghiên cứu tính ứng dụng của công nghệ này.2 Tình hình nghiên cứu 1.1 Khái quát về Geopolymer Với mục tiêu hạn chế lượng khí thải CO2 từ các ngành công nghiệp như: sản xuất gạch nung và sản xuất Cement Portland, đồng thời tận dụng nguồn phế phẩm như tro bay thu được từ các nhà máy nhiệt điện thì công nghệ Geopolymer đang được nghiên cứu và áp dụng để thay thế Cement Portland - chất kết dính trong sản xuất bê tông thông thường. Năm 1972, một nhà hóa học người Pháp có tên là Joseph Davidovits [2] đã chế tạo thành công loại vật liệu mới theo một quy trình tổng hợp polymer từ các khoáng chất.
Bằng cách trộn đất sét vào dung dịch alkali silicates có nồng độ kiềm cao, Joseph Davidovits có được một hợp chất ở dạng gel và được gọi là Geopolymer. Geopolymer là loại vật liệu mới mà bản chất cơ bản của nó là một polymer vô cơ, đã được một số tác giả trên thế giới nghiên cứu từ những năm cuối của thế kỷ XX. 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". “Geopolymer” là từ ngữ được sử dụng để chỉ các loại vật liệu vô cơ tổng hợp từ vật liệu có nguồn gốc aluminosilicate.
Nguyên lý chế tạo vật liệu 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. Nguyên liệu để chế tạo vật liệu Geopolymer bao gồm hai thành phần chính là các nguyên liệu aluminosilicate và chất hoạt hóa kiềm. Nguyên liệu aluminosilicate sẽ cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình Geopolymer hóa (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 Na2SiO3 nhằm tạo môi trường kiềm và tham gia vào các phản ứng Geopolymer hóa.
Nếu được dưỡng hộ ở nhiệt độ thích hợp, vật liệu Geopolymer sẽ phát triển cường độ nhanh và triệt để hơn.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Chất kết dính Geopolymer hay còn gọi là chất kết dính kiềm hoạt hóa đã được Joseph Davidovits nghiên cứu ứng dụng. Công nghệ này nhanh chóng được phát triển trên toàn thế giới và đang dần dần có ưu thế hơn cement Portland với ưu điểm nổi trội về nguyên liệu và phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường. Davidovits đã giới thiệu một loại vật liệu mới là Geopolymer, cũng như các tính chất lý hóa của Geopolymer. Một nghiên cứu khác về xi măng geopolymer (High – Akali – Poly) đã cho thấy ứng dựng trong nhiều ngành kỹ thuật như: Hàng không, xây dựng, công nghiệp chất dẻo, … Kết quả nghiên cứu cho thấy xi măng mới này đóng rắn nhanh với nhiệt độ phòng, cường độ chịu nén có thể đạt tới 20 Mpa sau 4 giờ ở nhiệt độ 200oC và có thể đạt từ 70 – 100 MPa sau khi bảo dưỡng 28 ngày.
Lần đầu xuất bản năm 2008, Geopolymer chemistry and application của J. Davidovists đã khái quát toàn bộ kiến thức tổng thể về công nghệ Geopolymer. Các ứng dụng của công nghệ này đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên toàn thế giới. Nghiên cứu đã tập trung vào thành phần và nồng độ của dung dịch kiềm để thúc đẩy nhanh quá trình Geopolymer hóa.
Ở một số nước phát triển trên thế giới như: Pháp, Mỹ, Đức, Bỉ và Nam Phi đã sử dụng khoảng 70% - 80% lượng gạch không nung của họ bằng công nghệ này. Palomo [6] trình bày cấu trúc hóa học của geopolymer tương tự như vật liệu ziotit trong tự nhiên nhưng cấu trúc ở dạng vô định hình thay vì dạng tinh thể. Palomo, Grutzeck và Blanco [7] khi nghiên cứu về ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ và tỷ lệ dung dịch alkali/tro bay đến cường độ cho thấy cả thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ đều ảnh hưởng đến cường độ bê tông. Sự kết hợp giữa thủy tinh lỏng và dung dịch NaOH tạo nên cường độ đến 60MPa khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 85oC với thời gian 5 giờ.
Mo Bing-hui và cộng sự [8], nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ, thời gian dưỡng hộ đến cường độ bê tông geopolymer, qua đó cho thấy cả thời gian và nhiệt độ 18 dưỡng hộ đều ảnh hưởng đến cường độ bê tông. Nhiệt độ thích hợp để quá trình polymer hóa diễn ra với tốc độ cao là trên 60oC, điều này làm bê tông sớm đạt cường độ. Rangan [9] cho rằng hệ số Poission của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay từ 0,12 đến 0,16 đối với cường độ chịu nén từ 40 đến 90MPa, kết quả này tương tự với bê tông cement Portland truyền thống. Với báo cáo trên, ông cũng cho rằng Module đàn hồi tăng khi cường độ tăng.
Giá trị Module đàn hồi của bê tông Geopolymer cũng gần đúng với bê tông cement Portland truyền thống. Trong nghiên cứu về các đặc tính liên quan đến độ bền của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay hàm lượng Canxi thấp được thực hiện bởi Monita Olivia [10], cho rằng cường độ nén vữa và cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer cao hơn bê tông truyền thống. Giá trị của cường độ chịu uốn cao hơn so với bê tông thường khi được so sánh dựa theo AS3600. Xét về các loại cấu kiện sử dụng công nghệ Geopolymer thì Manish Chand Kumain và Seema Rani [11] đã nghiên cứu về cách ửng xử của sàn bê tông Geopolymer có sử dụng cốt thép và không sử dụng cốt thép khi chịu tác dụng của tải trọng tức thời.
Ở nghiên cứu này, sàn bê tông Geopolymer chịu tác dụng lặp đi lặp lại bởi sự tác động của một tải trọng theo một vận tốc thấp và đều đặn. Chiều cao thả rơi tự do của tải được tăng dần. Mục đích của nghiên cứu này là nghiên cứu khả năng chịu tác động của tấm sàn bê tông Geopolymer khi có cốt thép và không có cốt thép rồi so sánh kết quả với sàn bê tông sử dụng xi măng thông thường. Kết quả cho thấy khả năng chịu tác động của tải trọng tức thời ở sàn bê tông Geopolymer bằng hoặc lớn hơn so với bê tông xi măng thông thường.
Sau quá trình thí nghiệm, các vết nứt xuất hiện của sàn bê tông Geopolymer cũng ít hơn số vết nứt của sàn bê tông xi măng Portland thông thường. Manheswaran, Dattareya và Karansingh [12] đã sử dụng các thiết bị đo biến dạng, máy ghi nhận tín hiệu và bộ khuếch đại để đo cường độ chịu tác động và độ rung động của sàn Geopolymer khi chịu tác động của tải trọng rơi tự do. Kết quả thu được cho thấy sàn bê 19 tông Geopolymer chống nứt tốt hơn sàn bê tông thông thường. Sàn bê tông thông thường đã hoàn toàn bị phá hủy trước cũng như độ nứt lan rộng nhiều hơn sàn Geoplymer.
Nagan và Mohana [13] đã dùng một quả bóng thép rơi tự do từ một độ cao xác định cho sàn bê tông Geopolymer có sử dụng hệ cốt thép dạng lưới lục giác kết hợp lưới hình chữ nhật. Các tác giả đã thả rơi tự do quả bóng thép cho đến khi sàn xuất hiện vết nứt gãy đầu tiên và vết nứt gãy cuối cùng trước khi bị phá hoại.