Đặt vấn đề nghiên cứu Hiện nay, BTXM Portland là vật liệu được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong các công trình xây dựng. Tuy nhiên, lượng khí thải phát ra trong quá trình sản xuất xi măng có tác động đáng kể đến hiệu ứng nhà kính, một trong những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu. Điều đó đặt ra yêu cầu về một loại vật liệu có thể thay thế BTXM truyền thống trong các công trình xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển hạ tầng đang tăng nhanh chóng, đồng thời không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường. Kết quả là, bê tông geopolymer (GPC) đã xuất hiện như một trong những phát minh quan trọng nhất trong ngành bê tông có thể đáp ứng được cả hai tiêu chí trên.
Chất kết dính geopolymer thu được bằng cách kết hợp những vật liệu giàu aluminosilicat (thường là một số chất thải công nghiệp như tro bay, xỉ lò cao nghiền mịn, tro trấu…) với dung dịch kiềm hoạt tính. Trong đó, geopolymer sử dụng tro bay, thải phẩm từ các nhà máy nhiệt điện đốt than, được sử dụng và nghiên cứu nhiều nhất. Việc sử dụng tro bay trong sản xuất GPC giúp giảm đáng kể lượng khí thải CO2 so với xi măng, tức là, thấp hơn tới 5 đến 6 lần. Trên thế giới đã có nhiều ứng dụng chất kết dính geopolymer vào thực tế từ kết cấu đường, nhà, cầu, cống, vỏ hầm, tà vẹt.
Tiêu biểu là sân bay Brisbane West Wellcamp Airport, Úc (đi vào hoạt động từ 11/2014) đã sử dụng 40000 m3 bêtông geopolymer, đã tiết kiệm hơn 6600 tấn khí thải cácbon trong việc xây dựng sân bay so với BTXM…[102]. Ở một khía cạnh khác, ưu điểm tương đối nổi bật của chất kết dính geoplymer là tính dính kết cao và tương thích với hầu hết các loại cốt liệu (tự nhiên và nhân tạo) trong quá trình rắn chắc. Khi ngành công nghiệp xây dựng phát triển đòi hỏi nhu cầu về cốt liệu tăng lên trong khi cốt liệu tự nhiên ngày càng khan hiếm, thì việc sử dụng vật liệu nhân tạo thay thế cốt liệu khoáng tự nhiên là xu hướng tất yếu. Bên cạnh đó, chất thải công nghiệp đang gia tăng đáng kể dẫn đến nhiều chủ đề môi trường trong trường hợp không có phương pháp xử lý hợp lý.
Ví dụ, tại Việt Nam, ước tính có khoảng 1,5 triệu tấn xỉ thép được thải ra mỗi năm và chủ yếu được đem 2 đi chôn lấp. Điều này gây lãng phí đất đai, tài nguyên và năng lượng và môi trường gây ô nhiễm và có hại cho sức khỏe con người do hàm lượng kim loại nặng cao. Vì vậy, nếu xỉ thép được sử dụng để thay thế cho cốt liệu khoáng tự nhiên trong xây dựng, đó sẽ là một giải pháp hiệu quả. Với một số tính chất vượt trội như hình khối, góc cạnh nhiều, thô ráp, độ rỗng lớn, bề mặt rỗ làm các hạt có thể chèn móc vào nhau, ổn định cao nếu được đầm chặt; hàm lượng tạp chất hữu cơ và hạt thoi dẹt thấp, độ mài mòn Los-Angeles, độ nén dập trong xi lanh đều rất tốt, xỉ thép (thải phẩm của quá trình luyện thép) có thể dùng thay thế cho cốt liệu đá dăm Trên thế giới, xỉ thép đã được nghiên cứu, sử dụng làm cốt liệu để sản xuất bê tông nhựa (BTN) trong xây dựng đường ô tô ở nhiều nước như: Mỹ, Nga, Trung Quốc.
Tuy nhiên, xỉ thép ít được dùng làm cốt liệu trong BTXM. Bởi nhiều nghiên cứu chỉ ra quá trình thủy hóa như trong BTXM (BTXM) thông thường gây ra sự trương nở thể tích cho BTXM sử dụng cốt liệu xỉ thép [49]. Ngược lại, theo các kết quả nghiên cứu của Ashadi H. Khan [77]… đã chỉ ra rằng trong bê tông geopolymer quá trình phát triển cường độ là quá trình polyme hoá các hợp chất vô cơ và ít có phản ứng hóa học giữa CaO và oxít kim loại gây trương nở thể tích.
Do đó, xỉ thép có thể dùng để làm cốt liệu thay thế cho cốt liệu đá dăm và cát truyền thống. Điều này nhằm hạn chế các tác động đến môi trường từ quá trình khai thác cát đá tự nhiên (tránh làm sạt lở bờ sông, nổ mìn mỏ đá…), tận dụng hiệu quả chất thải tránh gây ô nhiễm môi trường. Xuất phát từ thực tế đó, luận án đã đề xuất và thực hiện đề tài với tên gọi: “Nghiên cứu một số tính chất chủ yếu của bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép trong xây dựng mặt đường ô tô ở Việt Nam”. Kết quả nghiên cứu đạt được sẽ góp phần tạo ra một lượng vật liệu không nhỏ để giải quyết việc khan hiếm vật liệu trong xây dựng đường ô tô hiện nay, góp phần giảm giá thành xây dựng và ô nhiễm môi trường.
Mục đích nghiên cứu Mục tiêu của luận án là nghiên cứu sử dụng được xỉ thép làm cốt liệu để thay thế cả cốt liệu lớn (đá dăm) và cốt liệu nhỏ (cát) để sản xuất bê tông geopolymer dùng cho các ứng dụng xây dựng nói chung và mặt đường nói riêng, cụ thể như sau: 3 Xác định được các tính chất cơ lý và thành phần hóa khoáng của cốt liệu xỉ thép lò hồ quang điện từ nhà máy gang thép Thái Nguyên, đánh giá sự phù hợp của cốt liệu xỉ thép trong bê tông geoplymer tro bay; Xác định được thành phần của bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép có thể sử dụng được trong kết cấu mặt đường cứng; Xác định các tính chất chủ yếu của các hỗn hợp bê tông và bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép có cường độ đặc trưng 25, 30, 35 MPa gồm: Tính công tác, thời gian đông kết, vi cấu trúc, cường độ nén theo thời gian, cường độ chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, độ mài mòn, co ngót và hệ số giãn nở do nhiệt; Xác định các kết cấu mặt đường cứng điển hình sử dụng bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép có thể áp dụng được ở Việt Nam. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3. Đối tƣợng nghiên cứu - Các tính chất cơ lý và thành phần hóa khoáng của cốt liệu xỉ thép; - Vật liệu thành phần của chất kết dính geopolymer; - Phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp của bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép; - Các tính chất chủ yếu của các hỗn hợp bê tông và bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép có cường độ đặc trưng 25, 30, 35 MPa phục vụ cho việc phục vụ phân tích, thiết kế, và thi công kết cấu mặt đường; - Các kết cấu mặt đường cứng sử dụng bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép ở Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu Các mẫu thí nghiệm được tiến hành chế bị và thực hiện thí nghiệm ở trong phòng thí nghiệm của các Trường Đại học và Viện nghiên cứu.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4. Ý nghĩa khoa học Làm rõ được cơ sở khoa học của sự kết hợp giữa chất kết dính geopolymer tro bay và cốt liệu xỉ thép thông qua cấu trúc vi mô, cơ chế phản ứng. 4 Phân tích và làm rõ được tính chất và thành phần của xỉ thép từ đó đưa ra được phương pháp thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay sử dụng cốt liệu xỉ thép. Làm rõ được các tính chất chủ yếu của bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép để phục vụ tính toán thiết kế và thi công mặt đường ô tô ở Việt Nam.
Phân tích, tính toán và đề xuất áp dụng một số kết cấu mặt đường cứng điển hình sử dụng bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần hiện thực hóa chủ trương tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường và tận dụng vật liệu tái chế (xỉ thép luyện kim, tro bay nhiệt điện) trong xây dựng đường ô tô, góp phần phát triển một loại vật liệu xây dựng mới thân thiện với môi trường. Đề xuất được thành phần cấp phối và phương pháp thiết kế của bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép sử dụng cho mặt đường cứng. Đề xuất được các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép dùng trong tính toán thiết kế và xây dựng mặt đường ô tô.
Đề xuất phạm vi áp dụng và một số kết cấu áo đường cứng trong xây dựng đường ô tô ở Việt Nam. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, phân tích các cơ sở khoa học về các vấn đề liên quan đến các tính chất chủ yếu của xỉ thép, chất kết dính geopolymer và bê tông geopolymer cốt liệu xỉ thép để phục vụ thiết kế mặt đường cứng. Nghiên cứu thực nghiệm xác định các tính chất cơ lý, thành phần hóa học và khoáng vật của xỉ thép Thái Nguyên cũng như các tính chất chủ yếu của bê tông geopolymer cốt liệu xỉ thép để phục vụ thiết kế mặt đường cứng. Các nghiên cứu thực nghiệm thực hiện trong phòng trên các thiết bị đã được kiểm định và chứng nhận về chất lượng đảm bảo độ chính xác cho thí nghiệm.
Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để thiết kế thành phần bê tông geopolymer cốt liệu xỉ thép và phân tích xác suất thống kê trong thiết kế thực nghiệm, để xử lý kết quả thí nghiệm, đảm bảo có ý nghĩa thống kê của kết quả nghiên cứu. Sử dụng phần mềm Minitab để hỗ trợ phân tích thống kê đảm bảo độ tin cậy. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY SỬ DỤNG CỐT LIỆU XỈ THÉP VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƢỜNG Ô TÔ Ở VIỆT NAM 1. Bêtông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép 1.
Khái niệm Bêtông geopolymer tro bay (fly ash based-geopolymer concrete) là một loại đá nhân tạo nhận được sau khi nhào trộn, tạo hình, đầm nén và bảo dưỡng từ một hỗn hợp cấp phối được lựa chọn một cách hợp lí bao gồm chất kết dính geopolymer tro bay, cốt liệu (đá dăm, và cát), dung dịch kiềm kích hoạt (bao gồm: Thủy tinh lỏng- Na2SiO3; Xút khan-NaOH và nước). Sau khi rắn chắc, bê tông geopolymer tro bay có các tính chất ít nhất tương tự như BTXM truyền thống. Bêtông geopolymer tro bay có sử dụng cốt liệu xỉ thép thay thế cho đá dăm và cát gọi là bêtông geopolymer tro bay cốt liệu xỉ thép Hình 1. Vật liệu thành phần của bê tông gepolymer tro bay [102], [103] 1.
Chất kết dính geopolymer tro bay 1.
