CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1. Khái quát về vật liệu Geopolymer 1. Giới thiệu chung Geopolymer là một loại chất kết dính kiềm hoạt hóa đã được Joseph Davidovits nghiên cứu năm 1972 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.
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", như là đất sét cao lanh, đá phún xuất có nguồn gốc núi lửa hay các phế phẩm công nghiệp như xỉ lò cao, tro bay,… 1. Quá trình nghiên cứu 1. Geopolymer Geopolymer là loại vật liệu mà bản chất cơ bản của nó là một polymer vô cơ, đã được các tác giả trên thế giới nghiên cứu từ những năm cuối của thế kỷ XX. Sau khi Joseph Davidovits công bố tổng hợp thành công polymer từ các khoáng chất năm 1972 [1].
Từ tiền đề trên, Geopolymer được xem như là một loại vật liệu xanh và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghệ và xây dựng. Trước đó, Purdon vào năm 1940 đã nghiên cứu vật liệu Geopolymer bằng cách sử dụng xỉ lò cao được kích hoạt bởi dung dịch natri hydroxit. Theo ông quá trình phát triển cấu trúc Geopolymer gồm 2 bước: Trước tiên xảy ra quá trình giải phóng các hợp chất nhôm – silic và canxi hydroxit. Sau đó xảy ra sự hydrat hóa nhôm và silic đồng thời tái tạo dung dịch kiềm [2].
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 và cộng sự , 1999) [3]. Van Jaarsveld và cộng sự (2002) [4] khi nghiên cứu về các đặc tính của Geopolymer do ảnh hưởng của sự hòa tan không hoàn toàn giữa các vật liệu trong quá trình Geopolymer hóa cho rằng hàm lượng nước, thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ ảnh hưởng đến đặc tính của Geopolymer. Một nghiên cứu khác về xi măng Geopolymer (High – Akali – Poly) đã được ứng dụng 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 ở nhiệt độ 1 phòng, cường độ chịu nén có thể đạt tới 20MPa sau 4 giờ ở nhiệt độ 2000C và có thể đạt từ 70 – 100MPa sau khi bảo dưỡng 24h (Davidovits, 1999) [5].
Chất kết dính Geopolymer cũng đã được quan tâm nghiên cứu ở Việt Nam trong thời gian gần đây. Cho đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học về loại vật liệu này như: Nguyễn và cộng sự (2008) [6] nghiên cứu về bê tông Geopolymer. Nhóm nghiên cứu ở trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM (2010) [7] đã nghiên cứu chế tạo gạch không nung bằng công nghệ Geopolymer sử dụng tro bay và phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà ở vùng cao nguyên Việt Nam. Trịnh (2012) [8] đã nghiên cứu về tính chất cơ lý của vữa Geopolymer để chế tạo gạch nhẹ.
Bê tông Geopolymer Hình 1. 1: Thành phần của bê tông Geopolymer [nguồn internet] Bê tông là loại vật liệu xây dựng được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới hiện nay. Do đó, việc sản xuất chế tạo đòi hỏi một lượng lớn chất kết dính là xi măng Portland, kèm theo lượng khí CO2 rất lớn thải vào môi trường. Khác với bê tông xi măng được chế tạo bằng cách sử dụng chất kết dính là xi măng Portland, bê tông Geopolymer được sử dụng chất kết dính Geopolymer, với lượng CO2 sinh ra thấp hơn bê tông xi măng Portland rất nhiều.
Theo Davidoits, bê tông Geopolymer giảm khả năng gây hiệu ứng nhà kính từ 26-45% so với bê tông xi măng thông thường. Về khả năng chịu lực, bê tông Geopolymer gốc tro bay sau khi dưỡng hộ nhiệt sẽ đạt cường độ cao. Trong nghiên cứu về cường độ chịu nén và vùng tiếp xúc bề mặt ITZ của bê tông Geopolymer, Nuruddin và cộng sự (2011) [9] đã khẳng định rằng sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer phụ thuộc vào điều kiện dưỡng hộ. Điều kiện dưỡng hộ thích hợp đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên cấu trúc của 2 Geopolymer.
Ngoài ra, còn có một vài yếu tố khác ảnh hưởng đến cường độ của bê tông Geopolymer. Patil và Manojkumar (2013) [10] đã nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông Geopolymer. Ông đã thử nghiệm với nồng độ natri hydroxit khác nhau, tỉ lệ alkaline/tro bay và Na2SiO3/NaOH để đánh giá và so sánh tỉ lệ nào đạt cường độ cao nhất và thấp nhất. Về tính bền: Bê tông Geopolymer sử dụng tro bay có độ bền cao hơn bê tông xi măng Portland về chịu hóa học, chịu nhiệt và cả trong môi trường khắc nghiệt.
Hardjito và Rangan (2005) [11] cho rằng hệ số Poisson của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay từ 0,12 – 0,16 đối với cường độ chịu nén từ 40 - 90MPa, kết quả này tương tự với bê tông xi măng truyền thống. Về sự làm việc với cốt thép: Bê tông Geopolymer có khả năng làm việc với cốt thép như bê tông xi măng. Sofi và cộng sự (2007) [12] đã nghiên cứu về ứng xử giữa cốt thép và bê tông Gepolymer sử dụng tro bay. Thí nghiệm này dựa trên tiêu chuẩn ASTMA944 và ông đã kết luận: Khả năng chịu kéo của thanh thép ra khỏi mẫu bê tông Geopolymer cao hơn so với mẫu bê tông xi măng có cùng cường độ.
Về khả năng chịu ăn mòn: Bê tông Geopolymer chịu ăn mòn tốt hơn bê tông xi măng. Trường đại học Curtin đã khảo sát độ bền cống hộp đúc sẵn từ bê tông Geopolymer chịu tác động ăn mòn cực mạnh của môi trường khô ẩm của đất lẫn nhiều muối sunphat. Kết luận đưa ra là bê tông Geopolymer chịu tác động ăn mòn hóa học tốt và tốt nhất là khả năng chịu axit. a) Bê tông Geopolymer lát nền đường b) Các tấm panel bê tông Geopolymer Hình 1.
2:Ứng dụng bê tông Geopolymer vào thực tế tại Melbourne, Victoria, Úc [13] 3 1. Cấu kiện Geopolymer Ngoài bê tông Geopolymer những cấu kiện được chế tạo từ loại bê tông này cũng được quan tâm và nghiên cứu như là: Sumajouw và Rangan (2006) [14] đã nghiên cứu ứng xử và cường độ của cấu kiện sử dụng bê tông Geopolymer gốc tro bay cho kết quả tương tự như bê tông xi măng. Do đó, có thể sử dụng tiêu chuẩn thiết kế bê tông hiện hành cho việc thiết kế cấu kiện bê tông Geopolymer. Khả năng gắn kết với cốt thép của bê tông Geopolymer đã được nghiên cứu và so sánh là tương đương hoặc cao hơn bê tông xi măng.
Vì vậy, hoàn toàn có thể sử dụng để chế tạo cấu kiện bê tông cốt thép Geopolymer nói chung và cho cấu kiện dầm nói riêng. Trước đó, Balaguru và cộng sự (1999) [15] cho rằng hỗn hợp Geopolymer được dùng để gia cố cho kết cấu bê tông điển hình là lớp Geopolymer bảo vệ các công trình giao thông. Trong đó, hỗn hợp Geopolymer đã được ứng dụng thành công trong việc gia cố các dầm bê tông chịu lực. Mặt khác so với vật liệu polymer hữu cơ, vật liệu Geopolymer có các đặc tính tốt hơn như khả năng chịu lửa, bền dưới ánh sáng tia cực tím và không chứa các thành phần độc hại.
Palomo và cộng sự (2004) [16] cho rằng bê tông Geopolymer từ tro bay có thể được sử dụng để chế tạo những dầm đỡ đường sắt và cho thấy rằng các kết cấu bê tông Geopolymer có thể được chế tạo dễ dàng dựa trên công nghệ bê tông có sẵn mà không thay đổi đáng kể. Các đặc tính kỹ thuật của các sản phẩm này rất tốt và có độ co ngót nhỏ. Sumajouw cũng đã tiếp tục tiến hành nghiên cứu mở rộng về bê tông sử dụng tro bay và nhận xét, tro bay có hàm lượng calcium thấp trong bê tông Geopolymer có thể sử dụng cho kết cấu dầm và cột. Những dạng ứng xử và hư hỏng của bê tông Geopolymer được gia cường cốt thép cho cấu kiện dầm và cột tương đồng với ứng xử như bê tông xi măng truyền thống [14].
Kết quả của nghiên cứu một lần nửa khẳng định, những tính toán sử dụng trong bê tông cốt thép truyền thống cho cấu kiện dầm và cột có thể sử dụng được cho bê tông Geopolymer. Tuy có những đặc tính tương đồng như bê tông xi măng truyền thống như là về cường độ, khả năng làm việc với cốt thép. Thậm chí, bê tông Geopolymer còn có những tính chất vượt trội hơn hẳn so với bê tông xi măng truyền thống. Tuy nhiên, bê tông Geopolymer vẫn rất ít được áp dụng thực tế.
Bởi chúng phải trải qua giai đoạn dưỡng hộ nhiệt mới đạt cường độ chính vì thế mà nó không thể thi công đổ toàn khối ngoài công trình. Đều nay cho thấy việc sử dụng bê tông Geopolymer chỉ phù hợp tại nhà máy hoặc thi công bán phần. Một phần cấu kiện sử dụng bê tông 4 Geopolymer đổ tại nhà máy sau đó vận chuyển đến lắp dựng vào vị trí để thi công phần còn lại với bê tông xi măng truyền thống. Để thực hiện được điều này cần có thêm những nghiên cứu để có những cơ sở khoa học áp dụng sau này.
Trong đó, Behnial và cộng sự (2016) [17] đã nghiên cứu dầm tạo từ 2 lớp bê tông Geopolymer và bê tông xi măng. Lớp bê tông Geopolymer nằm dưới chịu kéo và lớp bê tông xi măng nằm trên chịu nén, nghiên cứu đã thay đổi chiều dày lớp bê tông Geopolymer và so sánh với dầm bê tông xi măng và dầm bê tông Geopolymer cho thấy khả năng chịu tải của của các dầm tăng cùng chiều dày lớp bê tông Geopolymer bên dưới tăng. Nghiên cứu trên đã cung cấp những thông tin kỹ thuật về loại cấu kiên loại này trong quá trình thực hiện luân văn. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu 1.
Vấn đề môi trường Ô nhiễm môi trường do rác thải, khí thải và hiện tượng nóng dần lên của trái đất không còn là một khái niệm xa vời. Hệ quả của quá trình ấy đã và đang là vấn đề cấp thiết được toàn xã hội quan tâm. Nguyên nhân của quá trình nóng dần lên của trái đất là hàm lượng khí CO2 trong không khí quá cao. Một trong những nguồn thải một lượng lớn khí CO2 vào bầu khí quyển là ngành công nghiệp sản xuất xi măng.
Hằng năm có khoảng 35 tỷ tấn bê tông được sản xuất trên toàn thế giới. Bê tông thường có khối lượng thành phần bao gồm 12% xi măng, 80% cốt liệu cát đá và 8% nước. ACF cho biết điều này có nghĩa là khoảng 4,2 tỷ tấn xi măng, 28 tỷ tấn cát đá và 2,8 tỷ tấn nước được sử dụng hằng năm để chế tạo bê tông.