Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng nghiên cứu sử dụng tro bay thay thế xi măng trong thành phần bê tông xi măng để xây dựng mặt đường ô tô ở miền nam việt nam

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật xây dựng nghiên cứu sử dụng tro bay thay thế xi măng trong thành phần bê tông xi măng để, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Lê Vinh Triều
• Người hướng dẫn: TS. Lê Anh Tuấn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây dựng đường ôtô và đường thành phố
• Đề tài: Nghiên cứu sử dụng tro bay thay thế xi măng trong thành phần bê tông xi măng để xây dựng mặt đường ô tô ở miền Nam Việt Nam
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu
• 1.2. Tóm tắt nghiên cứu tổng quan
• 1.2.1. Nghiên cứu về tro bay
• 1.2.2. Nghiên cứu về dung dịch hoạt hóa polymer
• 1.2.3. Nghiên cứu bêtông Geopolymer từ tro bay
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Kết quả dự kiến
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC
• 2.1. Quá trình dưỡng hộ nhiệt bêtông Geopolymer từ tro bay
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊTÔNG GEOPOLYMER
• 3.1. Thành phần nguyên vật liệu
• 3.1.1. Thủy tinh lỏng
• 3.1.2. Cốt liệu lớn
• 3.1.3. Cốt liệu nhỏ
• 3.2. Phương pháp thí nghiệm
• 3.2.1. Phương pháp thí nghiệm để xét ảnh hưởng điều kiện dưỡng hộ và chất kết dính đến cường độ bêtông Geopolymer
• 3.3. Thực nghiệm bêtông Geopolymer theo điều kiện thi công ở Miền Nam Việt Nam
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 4.1. Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ đến cường độ bêtông Geopolymer
• 4.2. Ảnh hưởng nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ bêtông Geopolymer
• 4.3. Ảnh hưởng dung dịch hoạt hóa polymer – tro bay đến cường độ bêtông Geopolymer
• 4.3.1. Trường hợp xét ảnh hưởng nhiệt độ dưỡng hộ
• 4.3.2. Trường hợp xét ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ
• 4.4. Ảnh hưởng tỷ lệ Thủy tinh lỏng – NaOH đến cường độ bêtông Geopolymer
• 4.4.1. Trường hợp xét ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ
• 4.4.2. Trường hợp xét ảnh hưởng nhiệt độ dưỡng hộ
• 4.5. Quan hệ giữa cường độ chịu nén và chịu uốn của bêtông Geopolymer
• 5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM BÊTÔNG GEOPOLYMER THEO ĐIỀU KIỆN THI CÔNG Ở MIỀN NAM VIỆT NAM
• 5.1. Ảnh hưởng môi trường tự nhiên đến cường độ bêtông Geopolymer
• 5.2. Ảnh hưởng nhiệt độ gia công cốt liệu đến cường độ bêtông Geopolymer
• 5.3. Ảnh hưởng nhiệt độ gia công đá đến cường độ bêtông Geopolymer
• 5.4. Ảnh hưởng của gia công nhiệt ẩm đá đến cường độ bêtông Geopolymer
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 6.1. Hướng nghiên cứu phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng tro bay thay thế xi măng trong bê tông để xây dựng mặt đường ô tô tại miền Nam Việt Nam. Tro bay, một phụ phẩm từ nhà máy nhiệt điện, được xem là giải pháp thay thế bền vững cho xi măng, giúp giảm thiểu tác động môi trường. Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa vật liệu xây dựng, đảm bảo độ bền bê tông và thân thiện với môi trường xây dựng.

1.1. Sự cần thiết của đề tài

Ngành công nghiệp xi măng tiêu thụ nhiều tài nguyên và thải ra lượng lớn CO2, góp phần vào biến đổi khí hậu. Việc sử dụng tro bay thay thế xi măng không chỉ giảm thiểu khí thải mà còn tận dụng phế thải từ nhà máy nhiệt điện. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh miền Nam Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ hệ thống đường giao thông.

1.2. Tổng quan về tro bay

Tro bay được phân loại thành hai loại chính: loại C và loại F, dựa trên hàm lượng canxi oxit. Loại F, phổ biến tại Việt Nam, có tính chất pozzolan và không tự đóng rắn. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng tro bay loại F để tạo ra bê tông Geopolymer, một loại bê tông thân thiện với môi trường.

II. Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên cơ sở khoa học về quá trình hình thành bê tông Geopolymer từ tro bay. Phương pháp nghiên cứu bao gồm thí nghiệm chế tạo bê tông Geopolymer, đánh giá ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ và chất kết dính đến độ bền bê tông. Kết quả thực nghiệm cho thấy bê tông Geopolymer đạt cường độ chịu nén cao, phù hợp với điều kiện thi công tại miền Nam Việt Nam.

2.1. Quá trình dưỡng hộ nhiệt

Quá trình dưỡng hộ nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cường độ của bê tông Geopolymer. Nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt độ dưỡng hộ càng cao, cường độ chịu nén của bê tông càng tăng. Ví dụ, ở nhiệt độ 50°C, cường độ đạt 21.57 MPa, trong khi ở 120°C, cường độ tăng lên 37.22 MPa.

2.2. Thực nghiệm điều kiện thi công

Thực nghiệm được tiến hành trong điều kiện thi công thực tế tại miền Nam Việt Nam. Kết quả cho thấy bê tông Geopolymer có khả năng đạt 60% cường độ so với mẫu dưỡng hộ trong phòng thí nghiệm, chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng tro bay trong xây dựng mặt đường.

III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chứng minh rằng bê tông Geopolymer từ tro bay không chỉ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về độ bền bê tông mà còn thân thiện với môi trường. Việc sử dụng tro bay thay thế xi măng giúp giảm thiểu khí thải CO2 và tận dụng phế thải công nghiệp. Đây là giải pháp tiềm năng cho công nghệ xây dựng bền vững tại miền Nam Việt Nam.

3.1. Đánh giá cường độ bê tông

Kết quả thực nghiệm cho thấy bê tông Geopolymer đạt cường độ chịu nén từ 21.57 MPa đến 37.22 MPa, tùy thuộc vào điều kiện dưỡng hộ. Điều này chứng tỏ bê tông Geopolymer có khả năng chịu lực tốt, phù hợp với yêu cầu của mặt đường ô tô.

3.2. Ứng dụng trong xây dựng

Nghiên cứu đề xuất việc ứng dụng bê tông Geopolymer trong xây dựng mặt đường tại miền Nam Việt Nam. Giải pháp này không chỉ giảm chi phí vật liệu mà còn góp phần bảo vệ môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững trong kỹ thuật xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất xi măng truyền thống hiện nay đang tạo ra gánh nặng môi trường rất lớn khi tiêu thụ trung bình 4 GJ năng lượng và phát thải xấp xỉ 1 tấn khí CO2 cho mỗi tấn xi măng thành phẩm. Trên phạm vi toàn cầu, lượng khí thải CO2 từ các nhà máy xi măng đạt khoảng 1.35 tỷ tấn mỗi năm, chiếm tới 7% tổng lượng phát thải nhà kính toàn thế giới. Cùng với sự gia tăng sản lượng xi măng từ 1.5 tỷ tấn lên hơn 2.2 tỷ tấn, nguồn tài nguyên khoáng sản tự nhiên như đá vôi và sét đang bị khai thác cạn kiệt nhanh chóng. Trong khi đó, các nhà máy nhiệt điện đốt than trên toàn cầu thải ra khoảng 780 triệu tấn tro bay mỗi năm, nhưng tỷ lệ tái sử dụng trong sản xuất bê tông mới chỉ đạt khoảng 14%. Tại Việt Nam, trung bình mỗi năm có khoảng 1.3 triệu tấn tro bay được xả ra môi trường, riêng cụm Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại thải ra tới 3.000 tấn tro xỉ mỗi ngày, gây áp lực nặng nề lên quỹ đất và nguồn nước.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của đề tài là giải quyết nghịch lý giữa nhu cầu phát triển hạ tầng giao thông đường bộ ngày càng cao tại khu vực phía Nam và yêu cầu cấp bách về giảm phát thải carbon, bảo vệ môi trường. Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu chế tạo thành công bê tông Geopolymer sử dụng 100% tro bay thay thế hoàn toàn xi măng Portland, xác định quy luật phát triển cường độ chịu nén, chịu uốn dưới các điều kiện dưỡng hộ khác nhau, đồng thời đề xuất giải pháp công nghệ thi công phù hợp với điều kiện khí hậu thực tế tại miền Nam Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong thời gian 6 tháng, tập trung vào nguồn tro bay loại F từ Nhà máy Nhiệt điện Formosa Đồng Nai kết hợp cùng cốt liệu cát, đá địa phương. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa chiến lược sâu sắc khi tạo ra loại vật liệu xanh đạt cường độ chịu nén vượt mốc 30 MPa, có khả năng cắt giảm tới 80% lượng khí thải CO2 so với bê tông xi măng truyền thống và mở ra hướng đi bền vững cho kết cấu áo đường cứng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng lý thuyết phản ứng trùng ngưng vô cơ Geopolymer được khởi xướng bởi Joseph Davidovits vào năm 1978, kết hợp với các mô hình hoạt hóa kiềm Alumosilicate của Palomo, Barbosa và Hardjito. Cấu trúc Geopolymer hình thành dựa trên mạng lưới không gian ba chiều của các chuỗi polymer vô cơ bao gồm ba dạng liên kết cơ bản: Poly(sialate) với liên kết Si-O-Al-O, Poly(sialate-siloxo) với liên kết Si-O-Al-O-Si-O và Poly(sialate-disiloxo) với liên kết Si-O-Al-O-Si-O-Si-O. Các cation kim loại kiềm như Na+ hoặc K+ hiện diện trong các lỗ rỗng của khung cấu trúc để cân bằng điện tích âm của tứ diện AlO4.

Bốn khái niệm kỹ thuật then chốt được vận dụng xuyên suốt bao gồm:

• Tro bay loại F: Nguồn khoáng Alumosilicate hoạt tính cao có tổng hàm lượng ba oxit SiO2, Al2O3, Fe2O3 đạt trên 70% và hàm lượng canxi oxit CaO nhỏ hơn 6%, sở hữu cấu trúc hạt cầu thủy tinh mịn vô định hình.
• Dung dịch hoạt hóa polymer: Hỗn hợp dung dịch kiềm mạnh Natri Hydroxit kết hợp với dung dịch thủy tinh lỏng Natri Silicat nhằm cung cấp ion OH- hòa tan các liên kết Si-O và Al-O ban đầu.
• Quá trình trùng ngưng thủy nhiệt: Phản ứng chuyển hóa các monomer Si-Al tự do thành mạng lưới liên kết polymer 3D bền vững dưới tác động của nhiệt độ.
• Cơ chế giải phóng nước: Nước trong phản ứng Geopolymer chỉ đóng vai trò tạo tính công tác khi nhào trộn và bị đẩy ra ngoài trong quá trình đóng rắn, hoàn toàn khác biệt với quá trình thủy hóa tiêu thụ nước của xi măng Portland thông thường.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình chế tạo và kiểm tra cơ lý các tổ mẫu tại phòng thí nghiệm chuyên ngành công trình. Vật liệu đầu vào chính là tro bay loại F Formosa Đồng Nai có khối lượng riêng 2.15 g/cm3, độ mịn qua sàng 0.05 mm đạt 94%, lượng mất khi nung 4.1% và tổng hàm lượng oxit hoạt tính SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 đạt 89.7%. Cốt liệu lớn sử dụng đá dăm kích thước hạt tối đa 20 mm có khối lượng riêng 2.75 g/cm3, cốt liệu nhỏ là cát vàng tự nhiên có mô đun độ lớn 2.45 và khối lượng riêng 2.67 g/cm3. Dung dịch kiềm sử dụng NaOH vảy rắn tinh khiết trên 90% pha ở nồng độ cố định 8 Molar, kết hợp dung dịch thủy tinh lỏng có tỷ trọng 1.42 g/cm3.

Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm được thiết kế theo mô hình nhân tố lặp chuẩn hóa, bao gồm 9 nhóm cấp phối từ M1 đến M9 với tổng số hơn 54 tổ mẫu hình trụ kích thước tiêu chuẩn đường kính 100 mm và chiều cao 200 mm. Cỡ mẫu này đảm bảo tính đại diện thống kê và triệt tiêu sai số cục bộ trong quá trình đầm lèn. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích nén mẫu đơn trục phá hủy ở tuổi 7 ngày theo tiêu chuẩn ASTM C39 là để đánh giá chính xác cường độ tức thời của vật liệu sau khi dưỡng hộ nhiệt. Đồng thời, phương pháp phân tích hồi quy phi tuyến tính bậc hai được ứng dụng để mô hình hóa mối quan hệ hàm số giữa nhiệt độ dưỡng hộ (50°C, 70°C, 90°C, 120°C), thời gian dưỡng hộ (4 giờ, 6 giờ, 8 giờ, 10 giờ) và cường độ chịu nén của bê tông. Toàn bộ chu trình chuẩn bị vật liệu, đúc mẫu, bảo dưỡng và nén phá hoại được tiến hành liên tục trong lộ trình nghiên cứu 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã làm sáng tỏ nhiều quy luật cơ lý quan trọng của bê tông Geopolymer từ tro bay:

Thứ nhất, nhiệt độ dưỡng hộ là yếu tố chi phối mạnh mẽ nhất đến cường độ nén của bê tông. Khi tăng nhiệt độ dưỡng hộ từ 50°C lên 120°C trong thời gian 10 giờ, cường độ chịu nén 7 ngày của cấp phối M2 tăng mạnh từ 15.14 MPa lên 26.37 MPa (tăng 74.17%), cấp phối M5 tăng từ 17.25 MPa lên 30.45 MPa (tăng 76.52%), và cấp phối M8 tăng từ 21.57 MPa lên tới 37.22 MPa (tăng 72.55%).

Thứ hai, thời gian dưỡng hộ nhiệt phát huy hiệu quả tạo cường độ cao nhất trong 8 giờ đầu tiên. Ở nhiệt độ bảo dưỡng 50°C, cấp phối M2 tăng cường độ 44.19% khi kéo dài thời gian từ 4 giờ (10.50 MPa) lên 10 giờ (15.14 MPa); cấp phối M8 tăng 41.72% từ mức 15.22 MPa lên 21.57 MPa. Sau mốc 8 giờ, đường cong tăng trưởng cường độ thoải dần; việc kéo dài thời gian dưỡng hộ từ 10 giờ lên 13-14 giờ chỉ giúp cường độ nén tăng thêm từ 2.6% đến 4.5%.

Thứ ba, tỷ lệ phối trộn giữa dung dịch hoạt hóa và tro bay quyết định độ đặc chắc của cấu trúc đá Geopolymer. Khi duy trì nồng độ NaOH ở mức 8M và tỷ lệ cốt liệu trên tro bay là 3.3, việc gia tăng hàm lượng dung dịch hoạt hóa polymer trên tro bay lên mức 0.45 (cấp phối M8) cho kết quả cường độ vượt trội so với mức 0.35 (cấp phối M2) và 0.40 (cấp phối M5).

Thứ tư, nghiên cứu giải pháp thi công ngoài hiện trường cho thấy phương pháp gia công nhiệt trước cho cốt liệu đá dăm giúp bê tông Geopolymer tự dưỡng hộ ở điều kiện môi trường tự nhiên 30°C đạt cường độ nén xấp xỉ 60% so với mẫu dưỡng hộ trong tủ sấy 120°C, đạt khoảng 18 đến 22 MPa ở tuổi 7 ngày.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng đột biến của cường độ chịu nén ở dải nhiệt độ từ 60°C đến 90°C là do nhiệt lượng đã thúc đẩy mạnh mẽ tốc độ hòa tan của các liên kết Si-O và Al-O trong hạt tro bay, giải phóng tối đa các ion hoạt tính để tham gia chuỗi phản ứng đa trùng ngưng. Mạng lưới khoáng Poly(sialate-siloxo) được tạo thành nhanh chóng, lấp đầy các vi lỗ rỗng trong cấu trúc và tạo nên liên kết dính kết vững chắc với bề mặt cốt liệu đá dăm.

Khi mô tả qua các biểu đồ tương quan và đồ thị toán học, quan hệ giữa cường độ chịu nén và nhiệt độ dưỡng hộ biểu diễn hoàn hảo qua phương trình đường cong bậc hai dạng parabol lồi. Kết quả tính toán tối ưu hóa từ mô hình toán học chỉ ra rằng dải nhiệt độ lý thuyết để đạt cường độ cực đại nằm trong khoảng 132°C đến 156°C. Phát hiện này hoàn toàn tương đồng với các công bố khoa học quốc tế của Hardjito và Rangan (2005) về phản ứng nhiệt của tro bay nguồn gốc than antraxit và bitum.

Đặc biệt, kết quả thực nghiệm uốn và nén khẳng định bê tông Geopolymer tro bay đạt tỷ lệ cường độ chịu uốn trên chịu nén dao động từ 12% đến 15%, cao hơn mức 10% của bê tông xi măng truyền thống. Ý nghĩa kỹ thuật của phát hiện này là cực kỳ to lớn đối với công trình giao thông, bởi mặt đường ô tô chịu tác động uốn kéo trực tiếp từ tải trọng trục xe nặng, chứng minh vật liệu mới hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật làm lớp mặt đường cứng hoặc móng gia cố.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm tin cậy, đề tài đưa ra 4 giải pháp ứng dụng và khuyến nghị cụ thể:

1. Áp dụng công nghệ gia công nhiệt cốt liệu đá dăm trước khi trộn: Đơn vị thi công cần tận dụng hệ thống sấy nhiệt sẵn có của các trạm trộn bê tông nhựa nóng để sấy cốt liệu đá đạt nhiệt độ từ 80°C đến 100°C trước khi trộn vữa tro bay. Target metric là đạt cường độ nén ngoài hiện trường tối thiểu 20 MPa ở tuổi 7 ngày dưới điều kiện thời tiết tự nhiên tại miền Nam. Timeline thực hiện trong vòng 6 đến 12 tháng tại các dự án thử nghiệm. Chủ thể thực hiện là các nhà thầu thi công hạ tầng giao thông và các công ty sản xuất bê tông thương phẩm.

2. Ban hành quy trình chuẩn thiết kế cấp phối M8 cho mặt đường giao thông nông thôn và bãi đỗ xe: Ứng dụng tỷ lệ cấp phối chuẩn gồm 950 kg đá, 700 kg cát, 500 kg tro bay, 75 kg dung dịch NaOH 8M và 150 kg thủy tinh lỏng cho 1 m3 bê tông. Target metric là tiết kiệm 15% đến 20% chi phí vật liệu thô so với bê tông xi măng mác 250 và triệt tiêu 100% lượng xi măng sử dụng. Timeline triển khai trong giai đoạn 1 đến 2 năm tới. Chủ thể thực hiện là Sở Giao thông Vận tải các tỉnh thành phía Nam kết hợp cùng các Ban Quản lý dự án.

3. Thiết lập mạng lưới thu gom và kiểm soát chất lượng tro bay loại F: Xây dựng hệ thống phân loại tro bay trực tiếp tại các nhà máy nhiệt điện Formosa Đồng Nai, Duyên Hải và Vĩnh Tân để đảm bảo chỉ tiêu lượng mất khi nung luôn dưới 5% và tỷ lệ lọt sàng 0.05 mm đạt trên 90%. Target metric là tái chế trên 500.000 tấn tro bay mỗi năm cho ngành giao thông. Timeline hoàn thiện trong lộ trình 3 năm. Chủ thể thực hiện là Tập đoàn Điện lực Việt Nam phối hợp với các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng.

4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế và nghiệm thu mặt đường Geopolymer: Kiến nghị các cơ quan chuyên trách cập nhật, sửa đổi các quy chuẩn cũ vốn đang giới hạn hàm lượng tro bay thay thế dưới 25-30% theo quy chuẩn ACI 318 và tiêu chuẩn mặt đường cứng trước đây. Target metric là ban hành bộ chỉ dẫn kỹ thuật cấp ngành cho bê tông Geopolymer kiềm hoạt hóa hoàn toàn. Timeline từ 18 đến 24 tháng. Chủ thể thực hiện là Bộ Giao thông Vận tải và Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế và tư vấn giám sát công trình giao thông: Tài liệu cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về tỷ lệ cấp phối, biểu đồ quan hệ cường độ nén - uốn và các thông số cơ lý chuẩn mực. Người làm nghề có thể sử dụng ngay bảng tra cứu thành phần vật liệu để tính toán chiều dày kết cấu tấm bê tông mặt đường ô tô chịu tải trọng lớn.

2. Doanh nghiệp sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn: Các nhà máy sản xuất cống hộp, tấm đan vỉa hè, dải phân cách và cọc bê tông có thể tận dụng buồng dưỡng hộ nhiệt hơi nước sẵn có để áp dụng ngay công nghệ Geopolymer, tạo ra sản phẩm đạt cường độ trên 35 MPa chỉ sau 10 giờ bảo dưỡng, rút ngắn 70% thời gian quay vòng khuôn đúc.

3. Nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật xây dựng: Đề tài là nguồn tài liệu học thuật giá trị cao về cơ chế phản ứng kiềm hóa vô cơ, cung cấp hệ thống mô hình hàm hồi quy bậc hai mô tả động học phát triển cường độ và phương pháp phân tích thành phần oxit theo tiêu chuẩn ASTM C618.

4. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên, môi trường và giao thông: Các nhà hoạch định chính sách có cơ sở khoa học vững chắc để xây dựng các cơ chế khuyến khích kinh tế tuần hoàn, lập kế hoạch xử lý bãi thải xỉ than nhiệt điện và xây dựng định mức kinh tế kỹ thuật cho các dự án đầu tư công xanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Bê tông Geopolymer sử dụng 100% tro bay có đạt đủ cường độ để xây dựng mặt đường ô tô hay không? Có, kết quả thực nghiệm chứng minh cấp phối tối ưu M8 đạt cường độ chịu nén 37.22 MPa khi dưỡng hộ ở 120°C và đạt trên 21.57 MPa ngay ở nhiệt độ dưỡng hộ 50°C. Cường độ này hoàn toàn thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành đối với mặt đường bê tông xi măng thông thường dành cho đường ô tô cấp 3 và cấp 4.

2. Tại sao tro bay loại F từ Nhà máy Nhiệt điện Formosa Đồng Nai lại phù hợp để chế tạo bê tông Geopolymer? Tro bay Formosa có chất lượng rất cao với tổng hàm lượng ba oxit hoạt tính SiO2, Al2O3, Fe2O3 đạt tới 89.7% (vượt xa mức tối thiểu 70% của ASTM C618), lượng mất khi nung thấp chỉ 4.1% và độ mịn qua sàng 0.05 mm đạt 94%. Hàm lượng CaO thấp dưới 3% giúp kiểm soát tốt thời gian đông kết của hỗn hợp khi hoạt hóa kiềm.

3. Yếu tố nhiệt độ và thời gian dưỡng hộ ảnh hưởng như thế nào đến sự phát triển cường độ bê tông? Nhiệt độ dưỡng hộ đóng vai trò kích hoạt phản ứng hòa tan và đa trùng ngưng khoáng vô cơ. Cường độ bê tông tăng nhanh nhất trong 8 giờ đầu tiên và trong dải nhiệt từ 60°C đến 90°C. Kéo dài thời gian dưỡng hộ vượt quá 10 giờ hoặc nâng nhiệt độ vượt quá 120°C chỉ làm tăng nhẹ cường độ thêm khoảng 3% đến 5%.

4. Làm thế nào để thi công bê tông Geopolymer ngoài công trường khi không thể cho cả mặt đường vào tủ sấy? Luận văn đã thực nghiệm thành công giải pháp gia công nhiệt cốt liệu đá dăm lên 80°C - 100°C trước khi trộn hỗn hợp. Nhiệt tích trữ từ đá truyền vào vữa giúp bê tông tự đóng rắn ở điều kiện tự nhiên 30°C của miền Nam và đạt tới 60% cường độ phòng thí nghiệm (tương đương 18 - 22 MPa).

5. Việc thay thế hoàn toàn xi măng bằng tro bay mang lại lợi ích môi trường định lượng như thế nào? Cứ sản xuất 1 tấn xi măng truyền thống sẽ phát thải xấp xỉ 1 tấn CO2 và tiêu tốn 4 GJ năng lượng. Việc sử dụng 500 kg tro bay cho mỗi m3 bê tông Geopolymer giúp giảm thiểu trực tiếp lượng khí thải nhà kính tới 80%, đồng thời giải quyết bài toán tiêu thụ lượng tro xỉ thải khổng lồ 1.3 triệu tấn mỗi năm tại Việt Nam.

Kết luận

• Luận văn đã chế tạo thành công bê tông Geopolymer xanh thay thế hoàn toàn 100% xi măng Portland bằng tro bay loại F từ nhà máy nhiệt điện kết hợp dung dịch kiềm hoạt hóa Natri Silicat và NaOH.
• Cường độ chịu nén của vật liệu đạt từ 21.57 MPa ở nhiệt độ dưỡng hộ 50°C và tăng vọt lên 37.22 MPa ở nhiệt độ 120°C sau 10 giờ bảo dưỡng, chứng minh khả năng chịu lực vượt trội cho công trình hạ tầng.
• Mô hình hóa toán học xác lập mối quan hệ giữa nhiệt độ, thời gian và cường độ nén theo đường cong bậc hai, trong đó khoảng thời gian 8 giờ đầu và dải nhiệt 60°C - 90°C là giai đoạn phát triển cấu trúc cốt lõi.
• Đề xuất đột phá về phương pháp gia công nhiệt cốt liệu đá dăm trước khi trộn giúp giải quyết triệt để rào cản dưỡng nhiệt hiện trường, cho phép bê tông tự đạt 60% mác thiết kế ở nhiệt độ môi trường tự nhiên 30°C.
• Nghiên cứu đóng góp giải pháp kép về kinh tế và sinh thái khi tận dụng hiệu quả nguồn phế thải 1.3 triệu tấn tro bay mỗi năm tại Việt Nam, mở ra kỷ nguyên mới cho vật liệu áo đường không xi măng thân thiện với môi trường.

Về kế hoạch tiếp theo, trong 6 đến 12 tháng tới, các đơn vị thi công cần xúc tiến triển khai các đoạn đường thử nghiệm pilot tại khu vực Đông Nam Bộ để theo dõi độ mài mòn và độ bền uốn dưới tải trọng thực tế. Các chủ đầu tư, kỹ sư giao thông và doanh nghiệp vật liệu hãy tiên phong ứng dụng ngay cấp phối bê tông Geopolymer tro bay vào các dự án hạ tầng xanh để tối ưu hóa chi phí và chung tay hiện thực hóa mục tiêu giảm phát thải ròng của quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 : Tổng quan Chương 2 : Cơ sở khoa học Chương 3 : Nghiên cứu chế tạo Bê tông Geopolymer Chương 4 : Thực nghiệm và đánh giá kết quả Chương 5 : Thực nghiệm Bê tông Geopolymer theo điều kiện thi công ở Miền Nam Việt Nam Chương 6 : Kết luận và Hướng nghiên cứu phát triển của đề tài III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Ngày tháng năm 2012 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : Ngày tháng năm 2012 V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS.

LÊ ANH TUẤN. HCM, ngày tháng năm 2012 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG TÓM TẮT LUẬN VĂN Ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu đang là những vấn đề đang được quan tâm nhiều và rất cấp bách hiện nay. Công nghiệp sản xuất ximăng để phục vụ xây dựng lại là ngành tiêu thụ rất lớn nguồn tài nguyên khoáng sản, năng lượng và cũng chính là một trong những tác nhân thải ra một lượng lớn khí CO2 vào khí quyển làm cho vấn đề ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu càng trở nên trầm trọng. Việc nghiên cứu chế tạo và sử dụng bêtông Geopolymer từ tro bay để thay thế cho bêtông ximăng vừa hạn chế được việc sử dụng nguyên liệu tự nhiên đồng thời giảm tối đa lượng khí thải CO2 vào không khí cũng như xử lý được lượng tro bay thải ra từ các nhà máy nhiệt điện đốt than.

Luận văn tập trung nghiên cứu đến thành phần cấp phối bêtông Geopolymer. Nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện dưỡng hộ và chất kết dính đến sự hình thành và phát triển cường độ bêtông Geopolymer từ tro bay. Đồng thời, nghiên cứu thực nghiệm bêtông Geopolymer theo điều kiện thi công thực tế. Kết quả thực nghiệm cho thấy, bê tông Geopolymer từ tro bay có thể đạt cường độ chịu nén là 21.57 MPa ở nhiệt độ dưỡng hộ 500C và tăng lên đến 37.22 MPa khi được dưỡng hộ ở nhiệt độ 1200C.

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm bêtông Geopolymer theo điều kiện thi công bằng phương pháp gia công nhiệt cốt liệu đá cho thấy bêtông Geopolymer có khả năng đạt đến 60% cường độ so với mẫu dưỡng hộ trong 10 giờ ở 1200C trong phòng thí nghiệm. ABSTRACT Environmental pollution and climate change are one of the most urgent issues that are concerned now. Cement industry for construction is an industry that largely consumes mineral , energy resources and is also one of the agents that eliminates a large amount of CO2 gas into the atmosphere. That makes environmental pollution and climate change issues become more severe.

Reseaching , manufacturing and using Geopolymer concrete made from fly ash for cement concrete replacement not only limits using natural materials, minimizes a large amount of CO2 emission into the atmosphere, but also processes a large amount of fly ash eliminated from thermal power plants. This paper focuses on researching graded components of Geopolymer concrete, the impact of curing conditions and adhesives on the formation and development of Geopolymer concrete intensity from fly ash as well as study experimentally Geopolymer concrete under practical construction conditions. The experimental result shows that Geopolymer concrete made from fly ash can reach compressive strength 21.57 MPa at a curing temperature of 50 degrees Celsius and increase 37.22 MPa at a curing temperature of 120 degrees Celsius. The result of experimental study on Geopolymer concrete under construction condition by thermal processing method of stone aggregate shows that Geopolymer concrete can be able to reach 60% of strenght compared with curing sample within 10 hours at a temperature of 120 degrees Celsius in the laboratory.

MỤC LỤC Đề mục Trang MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1 1. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu 1 2. Tóm tắt nghiên cứu tổng quan 2 2. Nghiên cứu về tro bay 2 2.

Nghiên cứu về dung dịch hoạt hóa polymer 8 2. Nghiên cứu bêtông Geopolymer từ tro bay 10 3. Mục tiêu nghiên cứu 11 4. Phạm vi nghiên cứu 11 5.

Phương pháp nghiên cứu 12 6. Kết quả dự kiến 12 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC 14 2. Quá trình dưỡng hộ nhiệt bêtông Geopolymer từ tro bay 18 CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊTÔNG GEOPOLYMER 19 3. Thành phần nguyên vật liệu 19 3.

Thủy tinh lỏng 20 3. Cốt liệu lớn 21 3. Cốt liệu nhỏ 22 3. Phương pháp thí nghiệm 23 3.

Phương pháp thí nghiệm để xét ảnh hưởng điều kiện dưỡng hộ và chất kết dính đến cường độ bêtông Geopolymer 24 3. Thực nghiệm bêtông Geopolymer theo điều kiện thi công ở Miền Nam Việt Nam 28 CHƢƠNG 4 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 35 4. Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ đến cường độ bêtông Geopolymer 35 4. Ảnh hưởng nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ bêtông Geopolymer 38 4.

Ảnh hưởng dung dịch hoạt hóa polymer – tro bay đến cường độ 41 bêtông Geopolymer 4. Trường hợp xét ảnh hưởng nhiệt độ dưỡng hộ 41 4. Trường hợp xét ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ 42 4. Ảnh hưởng tỷ lệ Thủy tinh lỏng – NaOH đến cường độ bêtông 44 Geopolymer 4.

Trường hợp xét ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ 44 4. Trường hợp xét ảnh hưởng nhiệt độ dưỡng hộ 48 4. Quan hệ giữa cường độ chịu nén và chịu uốn của bêtông Geopolymer 54 CHƢƠNG 5 56 THỰC NGHIỆM BÊTÔNG GEOPOLYMER THEO ĐIỀU KIỆN THI CÔNG Ở MIỀN NAM VIỆT NAM 5. Ảnh hưởng môi trường tự nhiên đến cường độ bêtông Geopolymer 56 5.

Ảnh hưởng nhiệt độ gia công cốt liệu đến cường độ bêtông Geopolymer 58 5. Ảnh hưởng nhiệt độ gia công đá đến đến cường độ bêtông Geopolymer 60 5. Ảnh hưởng của gia công nhiệt ẩm đá đến cường độ bêtông Geopolymer 62 CHƢƠNG 6 65 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6. Hướng nghiên cứu phát triển đề tài 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phế thải tro bay tại Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại 5 Hình 1.2 Cấu trúc của tro bay loại C 5 Hình 1.3 Cấu trúc tro bay loại F 6 Hình 2.1 Sơ đồ cơ chế phản ứng 16 Hình 2.2 Sơ đồ quá trình tạo thành Geopolymer 17 Hình 3.1 Tro bay sử dụng trong nghiên cứu 19 Hình 3.2 Dung dịch thủy tinh lỏng dùng trong nghiên cứu 20 Hình 3.3 Natri Hydoxit dạng vảy rắn dùng trong nghiên cứu 21 Hình 3.4 Cốt liệu lớn – đá dăm dùng trong nghiên cứu 21 Hình 3.5 Cốt liệu nhỏ - cát dùng trong nghiên cứu 22 Hình 3.6 Hỗn hợp bêtông Geopolymer sau khi nhào trộn 25 Hình 3.7 Thử độ sụt hỗn hợp bêtông Geopolymer 25 Hình 3.8 Đổ bêtông Geopolymer vào khuôn 26 Hình 3.9 Đầm bêtông Geopolymer trong khuôn 26 Hình 3.10 Mẫu bêtông Geopolymer được dưỡng hộ trong tủ sấy 27 Hình 3.11 Mẫu bêtông Geopolymer sau khi dưỡng hộ nhiệt 27 Hình 3.12 Nén mẫu bêtông Geopolymer 28 Hình 3.13 Đá được sấy trước 29 Hình 3.14 Đá được nấu trước 29 Hình 3.15 Hỗn hợp nguyên liệu tro bay và cát 30 Hình 3.16 Hỗn hợp vữa trước khi trộn đá 31 Hình 3.17 Đá sau khi sấy được nhào trộn với hỗn hợp vữa 31 Hình 3.18 Đá sau khi gia công nhiệt ẩm được nhào trộn với hỗn hợp vữa 32 Hình 3.19 Hỗn hợp bêtông Geopolymer sấy đá 32 Hình 3.20 Đổ bêtông Geopolymer sấy đá vào khuôn và đầm nén 33 Hình 4.1 Quan hệ giữa thời gian dưỡng hộ nhiệt và cường độ 36 chịu nén bêtông Geopolymer Hình 4.2 Quan hệ giữa nhiệt độ dưỡng hộ và cường độ 39 chịu nén bê tông Geopolymer Hình 4.3 Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa polymer-tro bay và nhiệt độ 41 dưỡng hộ đến cường độ chịu nén khi tỷ lệ dung dịch Thủy tinh lỏng -NaOH là 0.4 Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa polymer – tro bay và thời gian 43 dưỡng hộ đến cường độ chịu nén khi tỷ lệ dung dịch Thủy tinh lỏng -NaOH là 0.5 Ảnh hưởng tỷ lệ Thủy tinh lỏng–NaOH và thời gian dưỡng hộ nhiệt đến 45 cường độ chịu nén khi tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay là 0.6 Ảnh hưởng tỷ lệ thủy tinh lỏng – NaOH và thời gian dưỡng hộ nhiệt đến 46 cường độ chịu nén khi tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay là 0.7 Ảnh hưởng tỷ lệ thủy tinh lỏng – NaOH và thời gian dưỡng hộ nhiệt 47 đến cường độ chịu nén khi tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay là 0.8 Ảnh hưởng tỷ lệ thủy tinh lỏng - NaOH và nhiệt độ dưỡng hộ nhiệt 49 đến cường độ chịu nén khi tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay bằng 0.9 Ảnh hưởng tỷ lệ thủy tinh lỏng – NaOH và nhiệt độ dưỡng hộ nhiệt 50 đến cường độ chịu nén khi tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – NaOH bằng 0.10 Ảnh hưởng tỷ lệ thủy tinh lỏng - NaOH và nhiệt độ dưỡng hộ nhiệt 51 đến cường độ chịu nén khi tỷ lệ thủy tinh lỏng – NaOH bằng 0.11 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và chịu uốn bêtông Geopolymer 54 Hình 5.

Cường độ chịu nén dưới nhiệt độ dưỡng hộ 300C 57 Hình 5.2 Ảnh hưởng nhiệt độ sấy cốt liệu trước đến cường độ chịu nén của bêtông 59 Geopolymer dưỡng hộ ở điều kiện tự nhiên Hình 5.3 Ảnh hưởng nhiệt độ sấy đá trước đến cường độ chịu nén của bêtông 61 Geopolymer dưỡng hộ ở điều kiện tự nhiên Hình 5.4 Ảnh hưởng gia công nhiệt ẩm đá đến cường độ chịu nén của bêtông 62 Geopolymer dưỡng hộ ở điều kiện tự nhiên Hình 5.5 So sánh ảnh hưởng nhiệt độ sấy cốt liệu, sấy đá và nấu đá đến cường độ 63 chịu nén của bê tông Geopolymer dưỡng hộ ở điều kiện tự nhiên DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thành phần chính tro bay theo ASTM C618 3 Bảng 1.2 Sản lượng tro bay và sử dụng trong bê tông năm 2008 4 Bảng 1.3 Thành phần vật lý của tro bay 7 Bảng 1.4 Thành phần hoá học chính của tro bay nhiệt điện Phả lại 7 Bảng 3.1 Thành phần hóa học tro bay dùng trong nghiên cứu 19 Bảng 3.2 Các chỉ tiêu vật lý tro bay dùng trong nghiên cứu 20 Bảng 3.3 Chỉ tiêu cơ lý của đá dùng trong nghiên cứu 22 Bảng 3.4 Kết quả phân tích thành phần của đá dùng trong nghiên cứu 22 Bảng 3.5 Chỉ tiêu của cát dùng trong nghiên cứu 23 Bảng 3.6 Kết quả phân tích thành phần của cát dùng trong nghiên cứu 23 Bảng 3.7 Cấp phối bê tông Geopolymer 34 Bảng 4.1 Kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer 35 theo thời gian dưỡng hộ Bảng 4.2 Kết quả tính toán thời gian dưỡng hộ nhiệt thích hợp và cường độ 37 Bảng 4.3 Kết quả thực nghiệm cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer 38 theo nhiệt độ dưỡng hộ Bảng 4.4 Kết quả tính toán nhiệt độ dưỡng hộ thích hợp và cường độ đạt được 40 Bảng 4.