Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử của cọc rỗng bê tông GEOPOLYMER

Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử của cọc rỗng bê tông GEOPOLYMER Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử của cọc rỗng bê tông GEOPOLYMER Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử của cọc rỗng bê tông GEOPOLYMER

MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu: 1

1.1.1 Vấn đề môi trường: 1

1.1.2 Vật liệu xây dựng thân thiện môi trường: 3

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài: 6

1.2.1 Nghiên cứu trên thế giới: 6

1.2.2 Nghiên cứu trong nước 9

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 10

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 11

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

2.1 Vật liệu bê tông Geopolymer 12

2.1.1 Quá trình geopolymer hóa các nguyên liệu giàu nhôm và silic: 12

2.1.2 Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer tro bay: 15

2.1.3 Ảnh hưởng của cấu trúc geopolymer đến cường độ bê tông: 17

2.1.4 Thành phần Bê tông Geopolymer 19

2.1.5 Những ưu khuyết điểm của GPC 21

2.1.6 Điều kiện dưỡng hộ nhiệt 22

2.2 Cọc rỗng bê tông 23

2.2.1 Khái niệm 23

2.2.2 Ưu khuyết điểm: 24

2.2.3 Phạm vi ứng dụng: 25

2.2.4 Tính toán thiết kế cọc rỗng OPC và GPC 25

2.3 Tính toán khả năng chịu uốn của cọc rỗng 25

2.3.1 Cường độ chịu uốn của cọc rỗng 25

2.3.2 Mô men kháng nứt của cọc rỗng 26

2.3.3 Mô men kháng gãy của cọc rỗng 27

Chương 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 28

3.1 Nguyên vật liệu 28

3.1.1 Tro bay 28

3.1.2 Dung dịch hoạt hóa 29

3.1.3 Sodium hydroxide (NaOH) 29

3.1.4 Dung dịch Sodium Silicate (Na2SiO3) 30

3.1.5 Cốt liệu Cát vàng 30

3.1.6 Cốt liệu Đá 31

3.2 Cấp phối bê tông GPC 33

3.2.1 Xác định cấp phối 33

3.2.2 Đúc mẫu xác định cường độ nén 33

3.2.3 Dường hộ nhiệt ẩm 34

3.3 Thiết kế thành phần cấp phối bê tông OPC B45 (M600) 35

3.3.1 Xác định cấp phối 35

3.3.2 Đúc mẫu xác định cường độ nén 37

3.3.3 Dưỡng hộ nhiệt ẩm 37

3.4 Kích thước cọc 38

3.5 Quy trình sản xuất thí nghiệm cấu kiện cọc rỗng bê tông GPC 39

3.6 Thí nghiệm cọc 45

3.6.1 Xác định độ bền uốn nứt thân cọc rỗng 45

3.6.2 Xác định độ bền uốn gãy thân cọc rỗng 46

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47

4.1 Cường độ chịu nén của mẫu bê tông OPC và GPC 47

4.2 Khả năng chịu tải của cọc theo lý thuyết 49

4.2.1 Bê tông 49

4.2.2 Thép……… 49

4.2.3 Tính toán mô men bền uốn của cọc rỗng 49

4.2.4 Tính mô men kháng nứt của cọc rỗng 51

4.2.5 Tính mô men kháng gãy của cọc rỗng 51

4.3 Kết quả thí nghiệm 51

4.4 Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến khả năng bền uốn thân cọc 52 4.4.1 Khả năng bền nứt thân cọc 52

4.4.2 Khả năng bền gãy thân cọc 54

4.4.3 Quan hệ lực gây nứt và độ võng tại thời điểm nứt 56

4.4.4 Quan hệ giữa mô men uốn nứt Mcrc tn và mô men uốn gãy Mbr tn 58

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 59

5.1 Kết luận 59

5.2 Hướng phát triển đề tài 59

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Khói bụi từ các nhà máy gây ô nhiễm môi trường [3] 2 Hình 1.2: Thành phần trong GPC [5] 3 Hình 1.3: Bê tông E-Crete 25Mpa lát nền đường cao tốc Westgate, Cảng

nhỏ.[36] 15

Hình 2.4: Biểu diễn đặc trưng dạng hình cầu của các hạt trong khoảng kích thước

thường thấy nhiều hơn.[36] 15

Hình 2.5: Sự tương tác của tro bay trong dung dịch hoạt hóa kiềm [37] 16 Hình 2.6: Cấu trúc chuỗi poly (sialates) Si-O-Al [38] 17 Hình 2.7: Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch ankali/tro bay và nhiệt độ dưỡng hộ đến

cường độ chịu nén của GPC [39] 18

Hình 2.8: Ảnh hưởng tỷ lệ Na2SiO3/NaOH và nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ chịu

nén của GPC [40] 18

Hình 2.9: Cọc rỗng bê tông ứng suất trước 24

Hình 3.1: Nguyên vật liệu sử dụng đúc mẫu 28

Hình 3.2: Biểu đồ thành phần hạt cát sử dụng 31

Hình 3.3: Biểu đồ thành phần hạt của đá dăm 32

Hình 3.4: Nhào trộn các thành phần cốt liệu bê tông geopolymer 34

Hình 3.5: Đúc mẫu lăng trụ định hình và mẫu sau khi tháo khuôn 34

Hình 3.6: Dưỡng hộ nhiệt ẩm bê tông geopolymer 35

Hình 3.7: Cấu tạo và kích thước cọc 38

Hình 3.8: Khuôn cọc và pha trộn dung dịch 39

Hình 3.9: Trộn cốt liệu thô 40

Hình 3.10: Cọc rỗng Geopolymer đổ xong và tháo khuôn 40

Hình 3.11: Cọc được tập kết và đưa vào dàn thí nghiệm 42

Hình 3.12: Xác định bề rộng vết nứt và hiển thị kết quả 42

Hình 3.13 Xác định lực bền gãy cọc và hiển thị kết quả 43

Hình 3.14: Qui trình sản xuất và thí nghiệm 44

Hình 3.15: Sơ đồ thí nghiệm độ bền uốn nứt thân cọc 45

Hình 4.1: Ảnh hưởng của tỉ lệ Alkaline/Tro bay và Na2SiO3/NaOH đế cường độ 48 Hình 4.2: Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến tải trọng gây nứt Ptn crc 53

Hình 4.3: Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến mô men uốn nứt Mtn crc 54

Hình 4.4: Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến tải trọng gãy Pcr 55

Hình 4.5: Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến mô men uốn gãy Mtn

br 56

Hình 4.6: Mối quan hệ giữa lực gây nứt Ptn

crc và độ võng tại thời điểm nứt khi uốn cấu kiện cọc GPC 57

Hình 4.7: Mối quan hệ giữa mô men uốn nứt Mtn

crc và độ võng tại thời điểm nứt khi uốn cấu kiện cọc GPC 57

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Dự báo nhu cầu xi măng theo QĐ 1488/TTg, ngày 29/08/2011 [1] 1

Bảng 2.1: Thành phần chính của tro bay theo ASTM C618-94a [42] 19

Bảng 3.1: Thành phần hóa học của tro bay [44] 29

Bảng 3.2: Các chỉ tiêu cơ lý của cát sử dụng 30

Bảng 3.3: Thành phần hạt của cát 31

Bảng 3.4: Các chỉ tiêu cơ lý của đá sử dụng 31

Bảng 3.5: Thành phần hạt của đá 32

Bảng 3.6: Thành phần cấp phối bê tông geopolymer (1m3) 33

Bảng 3.7: Thành phần cho 1m3 bê tông Mác 600 không phụ gia 37

Bảng 3.8: Khối lượng cọc thực nghiệm 41

Bảng 4.1: Cường độ chịu nén của bê tông OPC và GPC 47

Bảng 4.2:Thành phần cấp phối cọc rỗng bê tông Geopolymer (1m3) 49

Bảng 4.3: Khả năng chịu tải của cọc OPC tính toán 51

Bảng 4.4: Tải trọng thí nghiệm cọc thực tế 52

Bảng 4.5: Kết quả tính toán mô men nứt 53

Bảng 4.6: Kết quả tính toán mô men gãy 55

Bảng 4.7: mô men nứt và mô men uốn gãy 58

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu:

1.1.1 Vấn đề môi trường:

Hiện nay nghành công nghiệp xây dựng của nước ta đang phát triển rất nhanh, đáp ứng tốc độ phát triển của nền kinh tế quốc dân, nhu cầu sử dụng các loại vật liệu xây dựng ngày càng lớn, cả về số lượng và chất lượng, trong đó xi măng là loại vật liệu xây dựng rất quan trọng, được sử dụng hầu hết các công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp, giao thông, thủy lợi

Bảng 1.1: Dự báo nhu cầu xi măng theo QĐ 1488/TTg, ngày 29/08/2011 [1]

Năm Nhu cầu xi măng (Triệu tấn)

để sản xuất ra một tấn xi măng thì nhà máy sẽ thải ra môi trường xấp xỉ một tấn khí

CO2 sau những công đoạn nung nguyên liệu, khí này gây hiệu ứng nhà kính góp phần làm trái đất nóng lên Khí CO2 thải ra từ công nghiệp sản xuất xi măng chiếm khoảng 7% lượng CO2 trên toàn thế giới

Hình 1.1: Khói bụi từ các nhà máy gây ô nhiễm môi trường [3]

Theo thống kê của Tổng cục Năng lượng (Bộ Công thương), hiện có 19 nhà máy nhiệt điện than công suất đạt 14.300 MW đang vận hành và tiêu thụ khoảng 42 triệu tấn than/năm Ngoài ra, còn có 12 nhà máy (11.700 MW) đang xây dựng và 12 nhà máy đã và đang phê duyệt đầu tư (12.900 MW) với tổng số than tiêu thụ khoảng

63 triệu tấn/năm và lượng tro xỉ thải ra khoảng 14,7 triệu tấn/năm Diện tích bãi thải

xỉ khoảng hơn 1.100 ha Như vậy tính đến năm 2022 - 2023, Việt Nam sẽ có 43 nhà máy, tiêu thụ khoảng 110 triệu tấn than và thải ra khoảng 29 triệu tấn tro xỉ/năm, lượng tro xỉ thải ra một phần nằm lại dưới lò, những hạt rất nhỏ bị cuốn theo khí từ những ống nhà máy thải ra môi trường một lượng rất lớn Như vậy, nếu cứ để tình trạng này diễn ra thì núi tro xỉ thải ở các NMNĐ ngày càng ùn ứ, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng cuộc sống con người [4]

Thực tế cho thấy, việc sử dụng bê tông geopolymer để sản xuất các cấu kiện

bê tông đúc sẵn là rất phù hợp, cần được đầu tư nghiên cứu và mở rộng các ứng dụng trong đó ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử của cọc bê tông geopolymer vẫn chưa được nhắc đến trong các nghiên cứu trước đây Vì vậy nội dung cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển đặc tính của bê tông geopolymer nói chung và cấu kiện cọc

nói riêng để có thể thương mại hóa các sản phẩm ở quy mô lớn và phát triển trên thị trường

1.1.2 Vật liệu xây dựng thân thiện môi trường:

Geopolymer là loại vật liệu kết dính polymer vô cơ, được phát triển đầu tiên nhờ nhà khoa học người Pháp Joseph Joseph Davidovits từ những năm 1970 Phản ứng Geopolymer hóa là một phản ứng hóa học diễn ra giữa các oxit của nhôm và silic với dung dịch có tính kiềm mạnh để tạo ra các mạch có cấu trúc ba chiều rắn chắc chứa các liên kết Si-O-Al Phản ứng geopolymer hóa diễn ra dưới áp suất khí quyển

ở nhiệt độ dưới 100oC Sản phẩm geopolymer cuối cùng được tạo ra sẽ được đặc trưng bởi nhiều yếu tố liên quan đến thành phần hóa học của các nguyên liệu và dung dịch kiềm kích hoạt

Bê tông geopolymer là bê tông sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa (chất kết dính geopolymer) Trong quá trình chế tạo, nước chỉ đóng vai trò tạo tính công tác, không tham gia tạo cấu trúc Geopolymer, không tham gia phản ứng hóa học mà có thể bị loại ra trong quá trình bảo dưỡng và sấy (không giống như xi măng cần nước

để thủy hóa) Nhiều nghiên cứu cho rằng, bảo dưỡng nhiệt cho bê tông geopolymer

sử dụng tro bay có hàm lượng vôi thấp sẽ tạo cường độ cao, co khô ít, từ biến thấp, chịu ăn mòn sunphat, chịu axit tốt và có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng cơ sở hạ tầng

Hình 1.2: Thành phần trong GPC [5]

Nguyên liệu giàu Nhôm và Silic được sử dụng cho phản ứng geopolymer hóa thường là các phế thải công nghiệp như tro bay, xỉ thép, xỉ lò cao….Trong đó tro bay

là nguyên liệu phù hợp nhất cho phản ứng cả về kích thước hạt và thành phần hóa học của nó

Bê tông geopymer từ tro bay được nghiên cứu và sử dụng cho các công trình xây dựng dân dụng, đường bộ và mặt đường sân bay tại Australia trong khoảng 10 năm trở lại đây Tại các quốc gia khác thì việc ứng dụng vật liệu này trong xây dựng càng hạn chế

Các ứng dụng thực tiễn theo Joseph Davidovits [6] đã thống kê các dạng ứng dụng chất kết dính geopolymer nói chung như sau: tấm kết cấu gỗ chống cháy, tấm tường và panel cách điện, sản xuất đá nhân tạo trang trí, sản xuất đá nhân tạo trang trí, tấm panel bọt cách nhiệt, vật liệu xây dựng thô, gạch không nung, vật liệu chống cháy công nghệ cao dùng trong máy bay và ô tô, ứng dụng làm khuôn đúc nhôm, bê tông và chất kết dính geopolymer, vật liệu cản lửa và gia cố/ sửa chữa, kết cấu chịu lửa, kết cấu chống sốc nhiệt, vật liệu chống cháy công nghệ cao dùng trong máy bay

và ô tô

Ở Mỹ, chất kết dính geopolymer ứng dụng chủ yếu là sản xuất xi măng geopolymer đóng rắn nhanh (Pyrament Blended Cement – PBC) PBC được nghiên cứu sản xuất và ứng dụng trong các sân bay quân sự từ những năm 1985 Sau đó được dùng nhiều trong sửa chữa đường băng bê tông, sàn nhà công nghiệp, đường cao tốc (loại xi măng này có thể đạt cường độ 20 Mpa sau 4 - 6h đóng rắn) Một loại xi măng khác cũng được nghiên cứu sử dụng là xi măng geopolymer bền axit đã được công ty Zeo tech corp thương mại hóa năm 1997 Sản phẩm được dùng nhiều trong các nhà máy hóa chất và thực phẩm

Ở Úc, bê tông geopolymer đã và đang ứng dụng trong thực tiễn như: các thanh

tà vẹt đúc sẵn, đường ống cống và các loại cấu kiện bê tông đúc sẵn khác trong xây dựng Với đặc tính tốt của các kết cấu đúc sẵn là cho cường độ tuổi sớm cao khi được bảo dưỡng hơi nước hoặc dưỡng hộ nhiệt [7,8] Kết cấu bê tông geopolymer có thể

dễ dàng sản xuất bằng công nghệ sản xuất bê tông hiện tại mà không cần phải thay đổi lớn nào Một số nhà nghiên cứu khác cũng đã sản xuất các sản phẩm ống cống bê tông geopolymer cốt thép đúc sẵn có đường kính từ 375 - 1800mm; các cống hộp bê tông geopolymer cốt thép có kích thước 1200 x 600 x 1200 mm Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng chịu môi trường nước thải xâm thực rất tốt và tương đương sản phẩm bê tông xi măng

Bê tông geopolymer có hoạt tính kiềm cũng đã được thương mại hóa ở Úc với nhãn hiệu kinh doanh E-Crete™ E-Crete được tái chế từ tro bay và xỉ lò cao cùng với các chất hoạt tính kiềm thích hợp và hiện có sẵn ở dạng đúc sẵn và trộn sẵn Các sản phẩm đúc sẵn của E-Crete chủ yếu như: các panel đúc sẵn (Hình 1.3; Hình 1.4); các ống, nắp và đế cống; cống hộp; bể xí tự hoại; hố thu rác, gạch lát vỉa hè; tấm ốp lát trang trí hoặc cách âm;… [9]

Hình 1.4: Các tấm panel bê tông

E-Crete 55 Mpa đúc sẵn ở Cầu Phố Salmon, Cảng Melbourne, Victoria,

Úc.[9]

Ở Việt nam, mới chỉ có một số dạng sản phẩm thương mại có nguồn gốc từ bê tông geopolymer là gạch đất không nung Đã có một số nghiên cứu bước đầu về bê tông geopolymer như bê tông chịu lửa không xi măng của nhóm nghiên cứu ở Viện Vật liệu Xây dựng [10] Bê tông cốt liệu không xi măng dựa trên liên kết rho-alumia

Hình 1.3: Bê tông E-Crete 25Mpa lát

nền đường cao tốc Westgate, Cảng

Melbourne, Victoria, Úc [9]

tên thương phẩm là alphabond 300, so với BTCL ít xi măng là công nghệ chế tạo đơn giản, thời gian sử dụng của vật liệu này tăng, tính chất cơ nhiệt tốt như tăng nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng và tăng độ bền uốn ở nhiệt độ cao Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công BTCL không xi măng ứng dụng thử vào thực tế Một nghiên cứu khác

về ứng dụng chất kết dính geopolymer là sản xuất vật liệu không nung từ phế thải tro bay và xỉ lò cao cũng được thực hiện năm 2011 Kết quả nghiên cứu đã xây dựng quy trình sản xuất vật liệu gạch block bê tông geopolymer có cường độ én đạt >10 Mpa,

có giá thảnh rẻ hơn gạch block bê tông xi măng cốt liệu 15% [11]

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài:

1.2.1 Nghiên cứu trên thế giới:

Bê tông geopolymer được xem như một loại vật liệu thể hiện các đặc tính cơ

lý tốt có thể thay thế được bê tông xi măng truyền thống Và từ đó, hàng loạt những nghiên cứu về tính chất cơ lý của bê tông geopolymer đã được thực hiện nhằm đánh giá và so sánh với bê tông OPC

Angel Palomo, Grutzeck, và Blanco (1999) [12], nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ, thời gian dưỡng hộ và tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay đến cường

độ của bê tông geopolymer và nhóm đã nhận xét rằng thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ đều ảnh hưởng đến cường độ bê tông Việc kết hợp giữa Sodium hydroxide (NaOH)

và Sodium silicate (Na2SiO3) tạo nên cường độ cao nhất đến 60 MPa khi gia nhiệt ở

850C kéo dài trong 5 giờ

Van Jarsveld, Van Deventer và Lukey (2002) [13] nghiên cứu về Những đặc tính của Geopolymer ảnh hưởng bởi sự hòa tan không hoàn toàn của những vật liệu phức tạp trong quá trình geopolymer hóa cho rằng hàm lượng nước, thời gian và nhiệt

độ dưỡng hộ ảnh hưởng đến đặc tính của geopolymer, đặc biệt là điều kiện dưỡng hộ

và nhiệt độ gia nhiệt ảnh hưởng đến cường độ Khi gia nhiệt ở 700C trong 24 giờ, cường độ tăng đáng kể Thời gian dưỡng hộ càng dài, cường độ của Geopolymer càng tăng

Qua những kết quả trong nghiên cứu về những yếu tố ảnh hưởng đến cường

độ bê tông geopolymer sử dụng tro bay của Djwantoro Hardjito (2004) [14] thấy rằng

thời gian dưỡng hộ dài sẽ phát triển quá trình polymer hóa trong bê tông, cường độ chịu nén không bị ảnh hưởng bởi ngày tuổi của bê tông

Theo Djwantoro Hardjito và Vijaya Rangan (2005) [15], khi nghiên cứu về Quá trình phát triển và những đặc tính của bê tông geopolymer sử dụng tro bay đã có những nhận xét về những tính chất ảnh hưởng đến cường độ của bê tông geopolymer như: Nồng độ Mole của dung dịch NaOH, tỉ lệ thủy tinh lỏng/dung dịch NaOH, nhiệt

độ dưỡng hộ, thời gian dưỡng hộ

Mo Bing-hui, He Zhu, Cui Xue-min, He Yan và Gong Si-yu (2014) [16], 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 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 600C, điều này làm bê tông sớm đạt cường độ

Trong nghiên cứu về Cường độ chịu nén và vùng tiếp xúc bề mặt ITZ của bê tông geopolymer [17], Nuruddin 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 Geopolymer

Theo Al Bakri, Kamarudin, và Binhussain (2012) [18], cường độ chịu nén và đăc tính cấu trúc của geopolymer sử dụng tro bay đã được tổng hợp để tạo nên cường

độ cao cho geopolymer

Theo Djwantoro Hardjito và Vijaya Rangan (2005) [19] 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 xi măng truyền thống Với báo cáo trên, ông cũng cho rằng module đàn hồi tăng khi cường độ tăng Giá trị của module đàn hồi của bê tông geopolymer cũng gần đúng với bê tông xi măng truyền thống

Natalie A Lloyd và Vijaya Rangan (2010) [20] đã nghiên cứu về đề tài có tên

là “Geopolymer Concrete with Fly Ash” Tác giả đã trình bày đặc tính hỗn hợp bê tông geopolymer, cách thiết kế một mẻ bê tông gepolymer, về các sản phẩm bê tông đúc sẵn, sự đóng góp của bê tông geopolymer đối với phát triển

Benny Joseph và George Mathew (2012) [21], dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm, khẳng định rằng GPC khi được tổng hợp từ cốt liệu, điều kiện dưỡng hộ và hàm lượng dung dịch thích hợp, sẽ chế tạo được bê tông có chất lượng tốt hơn OPC

Sofi, Van Deventer, Mendis và Lukey (2007) [22] Nghiên cứu về khả năng liên kết giữa cốt thép và bê tông geopolymer Ông đã tiến hành thí nghiệm về Liên kết giữa bê tông geopolymer và cốt thép dựa trên tiêu chuẩn ASTM C234-91

Sarker (2011) [23] Nghiên cứu về ứng xử giữa cốt thép và bê tông 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 OPC có cùng cường độ

Hình 1.5: Công trình đầu tiên ở Úc sử dụng GPC năm 2013 [24]

Hình 1.6: Công trình sử dụng vật liệu GPC năm 2015 cùng giáo sư Joseph Joseph

Davidovits [25]

Trong nghiên cứu về các đặc tính liên quan đến độ bền của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay hàm lượng Calci thấp được thực hiện bởi Monita Olivia [26], cho rằng cường độ nén bửa và cường độ chịu uốn của bê tông geopolymer cao hơn bê tông OPC

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 (xi măng Portland) Kết quả chứng minh rằng, 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

1.2.2 Nghiên cứu trong nước

Tống Tôn Kiên và các cộng sự đã nghiên cứu về đề tài “Bê tông geopolymer – những thành tựu, tính chất và ứng dụng” Các tác giả đã trình bày những thành tựu nổi bật, các mốc thời gian phát triển của chất kết dính hoạt hóa kiềm, quá trình hình thành cấu trúc bê tông geopolymer, các đặc tính và cũng như ứng dụng của bê tông geopolymer [27]

- Công nghệ sản xuất gạch không nung của Công ty Huệ Quang 2009

- 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 của nhóm nghiên cứu ở trường Đại học Bách Khoa TPHCM 2010

- Bê tông chịu lửa và gạch không nung sử dụng chất kết dính

Geopolymer của Viện vật liệu xây dựng 2012

Dựa vào những nghiên cứu đó, đã có một số ứng dụng vào thực tiễn ở Việt Nam mà nổi bật nhất là sản phẩm gạch không nung, một dạng sản phẩm thương mại

có nguồn gốc từ bê tông geopolymer Tuy nhiên chưa được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng Kết quả nghiên cứu đã xây dựng được quy trình sản xuất vật liệu gạch block bê tông geopolymer có cường độ nén đạt trên 10 MPa, có giá thành rẻ hơn gạch block bê tông xi măng cốt liệu khoảng 15 % [28]

Phan Đức Hùng, Lê Anh Tuấn và Dương Văn Dũng (2016) [29] đã nghiên cứu

đề tài “Ảnh hưởng của sợi poly-propylene đến ứng xử chịu uốn của dầm bê tông

geopolymer cốt thép sử dụng tro bay” Nhóm nghiên cứu đã sử dụng sợi poly – propylen có chiều dài 19 mm và 25 mm được bổ sung với hàm lượng sợi 0,5% và 1,0% theo thể tích để đánh giá ảnh hưởng của sợi đến khả năng chịu uốn của cấu kiện dầm bê tông geopolymer Kết quả cho thấy với hàm lượng sợi 0,5% cải thiện tốt cường độ chịu nén và uốn, chỉ cải thiện cường độ chịu uốn khi hàm lượng sợi 1,0% Tuy nhiên, trong cấp phối bê tông nếu sử dụng tỷ lệ chiều dài – đường kính sợi là 380 với hàm lượng là 0,5% thì khả năng chịu uốn tốt nhất khi làm việc trong dầm

Trần Văn Miền (2016) [30] đã nghiên cứu đề tài “Quy trình dưỡng hộ nhiệt

ẩm cho bê tông đúc sẵn” nhóm tác giả đã trình bày phương pháp dưỡng hộ bằng cách cung cấp hơi nước ở nhiệt độ cao dưới áp suất thường đặc biệt các cấu kiện có kích thước phổ biến là các cấu kiện bê tông ứng suất trước Kết quả cho thấy tùy thuộc vào hàm lượng tro bay thay thế xi măng và mục tiêu cần đạt cường độ ở độ tuổi xác định có thể xác lập quy trình dưỡng hộ phù hợp

Ở Việt Nam tại thời điểm hiện tại ngoài các nghiên cứu về ứng xử dầm bê tông geopolymer và một sản phẩm thương mại có nguồn gốc từ bê tông geopolymer là gạch block không nung thì chưa có nhiều nghiên cứu về cấu kiện Tuy nhiên, về lâu dài các cấu kiện đúc sẵn bằng vật liệu bê tông geopolymer sẽ dần thay thế vật liệu bê tông xi măng OPC truyền thống

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Qua tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy mẫu bê tông geopolymer có tính chất tương đồng với bê tông xi măng truyền thống Một số nghiên cứu ứng dụng vật liệu bê tông gepolymer vào cấu kiện dầm, sàn,… cho kết quả khả quan Luận văn trình bày nghiên cứu ứng dụng vật liệu bê tông geopolymer để sản xuất cọc rỗng trên cơ sở sử dụng cơ sở vật chất, máy móc thiết bị của nhà máy bê tông ly tâm; trong đó đáng chú ý là quy trình dưỡng hộ nhiệt cấu kiện là dưỡng hộ nhiệt ẩm – có sự khác biệt đáng kể so với dưỡng hộ nhiệt khô thường được tìm thấy trong các nghiên cứu khác

Cọc rỗng bê tông có nhiều ưu điểm tương đồng với cọc bê tông ly tâm thiết kế theo TCVN 7888 : 2014 về khả năng chịu lực, vận chuyển cẩu lấp trong quá trình thi công Vì vậy, có thể tham khảo quy trình thử nghiệm để có những nghiên cứu so sánh phù hợp

Do đó mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt ẩm đến ứng xử chịu uốn của cọc rỗng bê tông geopolymer ứng với 07 cấp thời gian dưỡng hộ nhiệt: 6 giờ, 7 giờ, 8 giờ, 9 giờ, 10 giờ, 11 giờ và 12 giờ

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử của cọc rỗng

bê tông geopolymer: thí nghiệm chịu uốn (uốn nứt, uốn gãy) trong phòng thí nghiệm nội dung vận dụng theo phương pháp dựa trên TCVN 7888 : 2014:

- Xác định thành phần cấp phối bê tông xi măng OPC cấp độ bền B45

- Xác định thành phần cấp phối bê tông geopolymer tương đương cấp

độ bền B45

- Xác định sự thay đổi về khả năng chịu uốn của cọc GPC trong điều kiện thời gian dưỡng hộ nhiệt khác nhau

Nội dung của đề tài là nghiên cứu về khả năng chịu uốn nứt, uốn gãy cọc rỗng

bê tông geopolymer có ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt ẩm Qua đó có thể so sánh với cọc OPC bằng vật liệu thông thường từ đó sử dụng sản phẩm cọc GPC vào trong môi trường thực tế thay thế dần cọc OPC

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Vật liệu bê tông Geopolymer

2.1.1 Quá trình geopolymer hóa các nguyên liệu giàu nhôm và silic:

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 bền và có cường

độ Hệ nguyên liệu để chế tạo vật liệu geopolymer bao gồm hai thành phần chính là các nguyên liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm Nguyên liệu ban đầu thường ở dạng aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình geopolymer hóa xảy ra

Với thành phần gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 và được cấu tạo bởi những tinh cầu tròn, siêu mịn, độ lọt sàn từ 0,05 – 50 nanomet, tỉ diện 300 – 600 m2/kg, tro bay được xem là một loại “puzzolan" nhân tạo chất lượng cao Việc thay thế xi măng bằng tro bay giúp làm giảm lượng khı́ thải CO2 do quá trı̀nh sản xuất xi măng, đồng thời tiêu thụ một lượng lớn phế phẩm công nghiệp để ứng dụng vào công trı̀nh xây dựng như chế tạo “bê tông xanh – bê tông geopolymer ” Cơ chế hı̀nh thành geopolymer được nhà khoa học người Pháp Joseph Joseph Davidovits đưa ra năm 1970 Vật liệu geopolymer từ aluminosilicate tạo thành từ mạng lưới polysialate trên cơ sở các các

tứ diện SiO4 và AlO4 với công thức:

Mn [ –– (SiO2)z –– ]n wH2O (2.1) Trong đó: M - nguyên tố kiềm như K, Na, Ca; z = 1,2,3 có thể cao hơn đến 32;

n - mức độ ngưng tụ; w - số phân tử nước Joseph Davidovits (1999) đề xuất toàn bộ phản ứng hóa học thông qua hai phản ứng hóa học hình thành geopolymer được mô

tả theo sơ đồ phản ứng sau: [31]

Quá trình geopolymer hóa bắt đầu với sự hòa tan của Al và Si từ vật liệu Si –

Al trong dung dịch kiềm tạo ra các sản phẩm phản ứng hydrat với NaOH và KOH tạo thành gel [Mx(AlO2)y,(SiO2)z.nMOH.mH2O] Sau một thời gian ngắn, gel sẽ hóa cứng thành gepolymer

Theo Djwantoro Hardjito (2005) [32], quá trình phản ứng hóa học tạo thành geopolymer có thể được phân ra thành các bước chính sau:

Hòa tan các phân tử Si và Al trong nguyên liệu nhờ vào các ion hydroxide trong dung dịch

Định hướng lại các ion trong dung dịch tạo thành các monomer

Đóng rắn các monomer thông qua các phản ứng trùng ngưng polymer để tạo thành các cấu trúc polymer vô cơ

Hình 2.1: Quá trình phản ứng của vật liệu geopolymer [33]

Theo Glukhovsky, Rostovskaja và Rumyna [34], cơ chế quá trình kiềm kích hoạt bao gồm các phản ứng phân hủy nguyên liệu thành dạng cấu trúc ổn định thấp

và phản ứng nội tại Trước tiên là quá trình bẻ gãy các liên kết cộng hóa trị Si-O-Si

và Al-O-Si khi PH của kiềm tăng lên Vì thế những nhóm nguyên tố này được chuyển sang hệ keo Sau đó xảy ra sự tích tụ các sản phẩm bị phá hủy với phản ứng nội tại giữa chúng tạo cấu trúc ổn định thấp, giai đoạn tiếp theo là quá trình hình thành cấu trúc đông đặc, hình 2.1 Còn đối với chất hoạt hóa kiềm của tro bay xảy ra sự tỏa nhiệt trong quá trình hòa tan, phân tách các liên kết cộng hóa trị Si-O và Al-O-Al Nhìn chung các sản phẩm tùy thuộc vào sự phá vỡ cấu trúc của tro bay trong khoảng thời gian đầu và cuối cùng là quá trình ngưng kết tạo cấu trúc chuỗi một cách có trật

tự tạo khả năng có cường độ cơ học cao

Quá trình tạo thành cấu trúc geopolymer có thể được biểu diễn tóm tắt theo sơ

đồ sau:

Hình 2.2: Quá trình Geopolymer hóa [35]

Joseph Davidovits cho rằng dung dịch kiềm có thể được sử dụng để phản ứng với silic và nhôm trong nguồn vật liệu khoáng hoặc trong vật liệu phế thải như tro bay, tro trấu để chế tạo chất kết dính Bởi vì phản ứng hóa học xảy ra trong trường hợp này là quá trình trùng hợp cho nên ông gọi là geopolymer Thông số chính quyết định đến tính chất và dạng sử dụng của một loại geopolymer là tỷ lệ Si/Al

2.1.2 Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer tro bay:

Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác nhau, các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bọc và có hình dáng rất khác nhau [36] Các hạt tro bay thường chia ra làm 02 dạng: dạng đặc và dạng rỗng Thông thường các hạt tro bay hình cầu, rắn được gọi là các hạt đặc và các hạt tro bay hình cầu mà bên trong rỗng có tỷ trọng thấp hơn 1,0 g/cm3 được gọi là các hạt rỗng Các dạng thường thấy ở tro bay thường được tạo nên bởi các hợp chất có dạng tinh thể như thạch anh, mulit và hematit, các hợp chất có dạng thủy tinh như thủy tinh oxit silic và các oxit khác, tùy thuộc vào hàm lượng cacbon nhiều hay ít mà tro bay có màu xám hay đen, nếu tro bay có màu sáng cho thấy hàm lượng cacbon thấp

Hình 2.3: Sự tương phản về kích thước

giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và các

hạt nhỏ.[36]

Hình 2.4: Biểu diễn đặc trưng dạng

hình cầu của các hạt trong khoảng kích

thước thường thấy nhiều hơn.[36]

Nguyên liệu tro bay chứa các thành phần hoạt tính Si và Al được cấu tạo bởi những tinh cầu tròn, siêu mịn có khả năng kết hợp hoạt hóa trong môi trường dung dịch chứa kiềm cao có khả năng đóng rắn Tốc độ phản ứng đóng rắn cũng như các

vi cấu trúc và thành phần hóa của các sản phẩm phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu

tố, sự phân bố kích thước hạt và thành phần khoáng chất của tro bay ban đầu, dung dịch kích hoạt và thời gian hằng nhiệt

Chất kết dính geopolymer là tập hợp các chuỗi hay mạng lưới của các phân

tử khoáng vô định hình liên kết với nhau thông qua các liên kết cộng hóa trị Quá trình geopolymer hóa (là quá trình tổng hợp để tạo thành vật liệu Geopolymer) liên quan đến phản ứng hóa học của aluminosilicate oxit (Si2O5, Al2O2) với polysilicate kiềm nhằm dễ tạo ra phản ứng trùng ngưng polymer hình thành mối liên kết giữa Si-O-Al Quá trình geopolymer hóa phụ thuộc vào tỷ lệ Si/Al, Joseph Davidovits đã phân biệt polysilicate thành bốn loại khác nhau là Poly(sialate) có dạng (-Si-O-Al-O-) với Si/Al = 1, Poly(sialate-siloxo) có dạng (-Si-O-Al-O-Si-O-) với Si/Al = 2, Poly(sialate-disiloxo) có dạng (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-) với Si/Al = 3, Poly (sialate-multisiloxo) với Si/Al >> 3

Hình 2.5: Sự tương tác của tro bay trong dung dịch hoạt hóa kiềm [37]

Sự tương tác trên là mô hình hạt tro bay khi bị kích hoạt kiềm Bắt đầu bằng

sự kiềm hóa một điểm nhỏ trên bề mặt hoạt tro bay, sau đó lan rộng và tạo thành lỗ lớn và tiếp tục phản ứng với những hạt nhỏ ở bên trong Phản ứng tiếp tục duy trì và phát triển nhanh hơn theo hai chiều từ ngoài vào trong và ngược lại Phản ứng tiếp tục xảy ra cho đến khi hạt tro bay được kiềm hóa hoàn toàn, cơ chế phản ứng hòa tan

gắn kết các hạt nhỏ bên trong các hạt lớn, gắn kết tạo thành ma trận dày đặc Các hạt này phản ứng với dung dịch hoạt hóa dưới tác dụng của nhiệt độ tạo ra cường độ cho vật liệu geopolymer

2.1.3 Ảnh hưởng của cấu trúc geopolymer đến cường độ bê tông:

Bê tông là vật liệu có cấu trúc phức tạp, được tạo nên bởi ba thành phần sau: cốt liệu, chất kết dính và hệ thống mao quản Với bê tông công trình có cấu tạo toàn khối liện tục, trong đó hạt cốt liệu lớn, cốt liệu mịn và chất kết dính được phân bố tương đối đồng đều, ngoài ra còn chứa một lượng lớn không khí Cốt liệu lớn và cốt liệu mịn chiếm khoảng 70-80% thể tích của hỗn hợp bê tông Các tính chất cốt liệu thực sự ảnh hưởng đến tính chất của bê tông [37] Phản ứng hóa học trong bê tông OPC cũng như bê tông Geopolymer ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ bê tông, quá trình hydrate hóa liên tục làm lấp đầy các lỗ rỗng trong bê tông OPC Sự phát triển

về cường độ GPC phụ thuộc vào hàm lượng dung dịch alkaline, điều kiện thời gian dưỡng hộ, hàm lượng cốt liệu trong bê tông và các thành phần khác Trong đó có 3 yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc làm thay đổi cường độ bê tông: tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxit, tỉ lệ dung dịch alkakine/tro bay và điều kiện, thời gian dưỡng hộ Những yếu tố này làm thay đổi cấu trúc của vật liệu trong quá trình phản ứng tạo nên chuỗi polymer Si-O-Al

Hình 2.6: Cấu trúc chuỗi poly (sialates) Si-O-Al [38]

Các chỉ tiêu đặc trưng của GPC phụ thuộc vào ứng dụng của nó Trong đó, cường độ chịu nén của bê tông đặc chắc và tính công tác của hỗn hợp bê tông là hai chỉ tiêu quan trọng Các yếu tố ảnh hưởng đến các đặc trưng đó có thể kể là nồng độ dung dịch NaOH, tỷ lệ thủy tinh lỏng (TTL) và dung dịch NaOH, tỷ lệ khối lượng dung dịch alkaline và khối lượng tro bay, thời gian nhào trộn hỗn hợp ướt, nhiệt độ

và thời gian dưỡng hộ nhiệt

Tỷ lệ khối lượng dung dịch alkaline trên khối lượng tro bay thường khuyến cáo từ 0,3 đến 0,45 Tuy nhiên, theo Cherdsak Suksiripattanapong (2015), cường độ của GPC vẫn tăng khi tỷ lệ dung dịch ankali/tro bay trên 0,5 và dưới 0,65

Hình 2.7: Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch ankali/tro bay và nhiệt độ dưỡng hộ đến

cường độ chịu nén của GPC [39]

Thủy tinh lỏng có giá thành thường rẻ hơn Natri hydroxide rắn Kinh nghiệm

từ phòng thí nghiệm các nhà khoa học khuyên sử dụng tỷ lệ thủy tinh lỏng trên dung dịch kiềm khoảng 2,5

Hình 2.8: Ảnh hưởng tỷ lệ Na2SiO3/NaOH và nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ chịu

nén của GPC [40]

2.1.4 Thành phần Bê tông Geopolymer

 Tro bay

Tro bay (Fly Ash) là thành phần mịn nhất của tro xỉ than, sản phẩm phế thải được tạo ra trong quá trình đốt cháy than ở các nhà máy nhiệt điện Tro bay được thu thập và phân loại bằng các luồng khí phân loại, những hạt to rơi xuống đáy, và những hạt nhỏ được thu gom ở cuối đường ống khói Tro bay là một loại Puzzolan nhân tạo,

là tro đốt của than cám nên bản thân nó đã rất mịn, cỡ hạt từ 1 - 20 m, tỷ diện khoảng

250 - 600 m2/kg [41]

Theo tiêu chuẩn ASTM C618-94a [42], tro bay được phân thành 3 loại sau:

- Class N: do các chất bùn, đá phiến sét bị đốt cháy tạo thành

- Class F: là sản phẩm của quá trình đốt cháy than bitum và than anthracite trong nhà máy nhiệt điện, có hàm lượng than chưa cháy từ 2 – 10 % Tro bay loại này có tính chất gần giống puzzoland (phụ gia thủy vô cơ hoạt tính) Hàm lượng CaO trong loại này thường nhỏ hơn 10 %

- Class C: có tính chất gần giống như trong bay class F nhưng là sản phẩm thu được từ việc than non (lignit) bị đốt cháy, hàm lượng than chưa cháy thường

ít hơn 2% Hàm lượng CaO trong loại này thường lớn hơn 10 % Loại tro bay này chất lượng cao nhưng khó sản xuất

Bảng 2.1: Thành phần chính của tro bay theo ASTM C618-94a [42]

Thành phần hóa học (%) Loại N Loại F Loại C

Min (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) 70 70 50

Max (CaO) 5 10 30

 Dung dịch hoạt hóa

Dung dịch hoạt hóa còn gọi là dung dịch Alkaline là sự kết hợp giữa sodium

hydroxide (NaOH) và sodium silicate (Na2SiO3), được sử dụng trong quá trình

Polymer hóa là sự kết hợp của các dung dịch Natri hydroxit (NaOH) hay Kali hydroxit

(KOH) với thủy tinh lỏng (R2.nSiO2) (R là Na thì n = 2,5 – 3,2 nếu R là K thì

n = 3 - 4) Khả năng tương tác của dung dịch phụ thuộc vào nồng độ mole dung dịch

kiềm hoạt tính

Dung dịch sodium hydroxide được chế tạo bằng cách hòa tan NaOH dạng vảy

rắn vào nước theo nồng độ 16 Mole Dung dịch sodium hydroxide thu được có độ

tinh khiết trên 90 % và khối lượng riêng 2130 kg/m3

Lượng nước thêm vào để tạo dung dịch và pha loãng dung dịch là nước sạch,

lượng nước thêm vào từ 18 - 22% khối lượng đúc mẫu Lượng nước này có tác dụng

chủ yếu là làm tăng độ ẩm và tính dẻo để quá trình geopolymer tốt hơn Dung dịch

pha trộn có màu trắng đục, không mùi

 Nước pha dung dịch NaOH

Nước dùng phải theo TCVN 302:2004 “Nước trộn bê tông và vữa – Yêu cầu

kỹ thuật”

Nước dùng pha loãng NaOH khan phải đảm bảo không chứa các thành phần

hóa học tạp chất để không ảnh hưởng xấu đến thời gian đóng rắn của bê tông

Geopolymer

 Vật liệu Cát

Cát sử dụng là cát sông Hậu, sông Tiền phải thỏa mãn các yêu cầu của TCVN

7572 : 2006 “Cát xây dựng – Yêu cầu kỹ thuật”

Cát được sử dụng là cát sạch, cỡ hạt thô, các tính chất cơ lý như khối lượng

riêng, khối lượng thể tích, thành phần hạt cũng được thí nghiệm theo TCVN

7570 :2006, TCVN 7572 : 2006

2.1.5 Những ưu khuyết điểm của GPC

 Ưu điểm của GPC:

Việc sử dụng bê tông geopolymer trên cơ cở chất kết dính tro bay kiềm hoạt hóa có khả năng góp phần giảm hiện tượng nóng dần của trái đất Bê tông geopolymer

có khả năng gây hiệu ứng nhà kính giảm 26 - 45 % so với bê tông xi măng thông thường Bên cạnh đó, chất kết dính geopolymer cũng tận dụng các phế thải của quá trình sản xuất công nghiệp như tro bay của nhà máy nhiệt điện; xỉ lò cao của nhà máy luyện gang, thép; Cho nên việc sử dụng bê tông geopolymer trong công nghiệp xây dựng còn có thể mang lại nhiều lợi ích khác như: giảm nguy cơ chất thải công nghiệp

và diện tích bãi chứa chất thải, cải thiện chất lượng ở tuổi dài ngày của bê tông (co ngót khô rất thấp, từ biến thấp, khả năng chống ăn mòn sunphat và axit rất tốt), từ đó giảm chi phí đầu tư và bảo trì các kết cấu sử dụng bê tông geopolymer,

Về mặt kinh tế, giá thành của 1 tấn tro bay/xỉ chỉ bằng một phần nhỏ so với giá của 1 tấn xi măng Vì vậy sau khi tính cả giá của dung dịch kiềm kích hoạt thì giá của bê tông geopolymer tro bay sẽ thấp hơn khoảng 10 - 30% so với giá của bê tông

xi măng

 Khuyết điểm của GPC:

Bê tông geopolymer vẫn được cho là khó có thể phổ biến trên thị trường hiện nay Phần lớn các nhà máy xi măng còn lo ngại về nguy cơ sụt giảm lợi nhuận khi đầu tư Trên quan điểm công nghiệp xây dựng, xi măng xanh mới chỉ được đề cập đến như một khái niệm chứ chưa được chứng minh bằng thực tiễn công nghệ Vẫn còn có sự tranh cãi về khả năng giảm thiểu khí CO2 và tính kinh tế khi xem xét đến giá thành và sự tồn tại của chất hoạt hóa kiềm trong bê tông geopolymer Rõ ràng là

có sự nguy hiểm nhất định khi sử dụng dung dịch kiềm mạnh và dung dịch kiềm mạnh cũng đòi hỏi quá trình sản xuất bê tông phức tạp hơn, điều này dẫn đến gia tăng tiêu thụ năng lượng cũng như phát sinh hiệu ứng nhà kính Trên thực tế, còn có ít nghiên cứu về các tính chất vật lý của bê tông geopolymer, mặc dù điều này khá phức tạp và cần thiết thực hơn bê tông thường Ví dụ như: quá trình phản ứng polyme hóa chịu ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ và thường đòi hỏi phải bảo dưỡng ở nhiệt độ cao cùng với sự kiểm soát nghiêm ngặt chế độ nhiệt Khả năng phát thải các chất kiềm kích hoạt vào môi trường nước và không khí khi sử dụng sản phẩm bê tông geopolymer

2.1.6 Điều kiện dưỡng hộ nhiệt

Các thí nghiệm diễn ra trước đây đều cho thấy bê tông geopolymer từ tro bay không đông cứng tức thời ở nhiệt độ phòng Khi nhiệt độ phòng cao hơn 30oC thì hỗn hợp bê tông mới đóng rắn ít nhất 24 giờ sau đi đổ vào khuôn, khuôn mẫu sẽ được tĩnh định trong 2 ngày để đóng rắn để có thể chịu được trọng lượng bản thân Theo Djwantoro Hardjito [43] cho rằng thời gian lưu mẫu, nghĩa là từ lúc kết thúc việc đúc mẫu đến khi mẫu bắt đầu được dưỡng hộ nhiệt, có thể kéo dài đến 5 ngày, thời gian lưu mẫu càng lâu thì cường độ càng cao, cường độ phát triển mạnh nhất trong 3 ngày đầu

Tương tự, sau khi cấu kiện cọc được chế tạo, sản phẩm được đưa sang khu vực tĩnh định Sau đó bắt đầu dưỡng hộ nhiệt Phương pháp dưỡng hộ sử dụng trong nhà máy tạo hình là dưỡng hộ hơi nước

Để tăng nhanh quá trình đóng rắn của hỗn hợp bê tông GPC và phát triển cường độ nhanh thì phải tiến hành dưỡng hộ nhiệt ẩm cấu kiện

Quá trình dưỡng hộ cấu kiện cọc bê tông GPC bao gồm các giai đoạn:

o Tĩnh định:

Sau khi đổ bê tông cọc và trước khi dưỡng hộ nhiệt cần phải được tĩnh định để đảm bảo cho bê tông có cường độ ban đầu tối thiểu cần thiết để nó có thể chịu được tác dụng nhiệt mà cấu trúc của nó không bị phá hoại

o Nâng nhiệt:

Đây là giai đoạn nâng nhiệt từ từ cho đến khi đạt được nhiệt độ cao nhất theo yêu cầu

o Hằng nhiệt:

Khi đến nhiệt độ cao nhất cho phép thì phải hằng nhiệt trong một thời gian nhất định để làm tăng nhanh cường độ của bê tông, đây là giai đoạn quan trọng nhất trong quá trình dưỡng hộ

o Hạ nhiệt:

Đây là giai đoạn hạ thấp nhiệt độ và làm nguội dần sản phẩm

Chọn chế độ dưỡng hộ bê tông cho cấu kiện cọc bê tông GPC như sau:

+ Thời gian tĩnh định: mỗi cấu kiện 48 giờ

+ Thời gian nâng nhiệt: mỗi cấu kiện 30 phút + Thời gian hằng nhiệt: mỗi cấu kiện 1 mốc thời gian Mốc thời gian 6h, 7h, 8h, 9h, 10h, 11h, 12h;

+ Thời gian hạ nhiệt: tất cả các sản phẩm 60 phút

2.2 Cọc rỗng bê tông

2.2.1 Khái niệm

Cọc rỗng bê tông ứng suất trước là cọc được sản xuất bằng phương pháp quay

ly tâm, cường độ nén không nhỏ hơn 60 MPa với mẫu thử là mẫu hình trụ có kích thước (150 x 300) mm, có hình trụ rỗng có chiều dài từ 6 - 30m, tiết diện cọc hình vành khuyên có đường kính ngoài 300 - 1200mm tương ứng với chiều dày thành cọc

là 60 - 150mm thể hiện ở hình 2.9

Chú thích:

L Chiều dài cọc

D Đường kính ngoài cọc

d Chiều dày thành cọc

a Đầu cọc hoặc đầu mối nối

b Mũi cọc hoặc đầu mối nối

Hình 2.9: Cọc rỗng bê tông ứng suất trước

2.2.2 Ưu khuyết điểm:

 Ưu điểm:

Cọc rỗng bê tông ứng suất trước được sản xuất và quản lý trong môi trường nhà máy nên chất lượng đồng đều được duy trì Sử dụng bê tông mác cao 60-80N/mm2 cùng với quá trình quay ly tâm, và tác động của ứng suất trước làm cải thiện được kết cấu chịu lực của cọc và các tính năng ưu việt khác của cọc:

- Tài dọc trục cao

- Khả năng chịu kéo cao

- Momen uốn lớn

- Chống nứt cọc

- Chống ăn mòn sun phát và chống ăn mòn cốt thép

- Không xuất hiện ứng suất gây xoắn nứt trong quá trình đóng

- Cho phép đóng xuyên qua các lớp địa tầng cứng

 Khuyết điểm:

Do sử dụng bê tông có cấp độ bền và thép cường độ cao nên giá thành cao hơn cọc bê tông cốt thép thông thường

2.2.3 Phạm vi ứng dụng:

Là loại cọc có khá nhiều ưu điểm nên rất thông dụng trong các lĩnh vực như: cầu đường, cảng biển, công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, công trình tường chắn sóng, đất…

2.2.4 Tính toán thiết kế cọc rỗng OPC và GPC

Cọc rỗng Bê tông tính toán tương tự tham khảo dựa theo lý thuyết từ TCVN

7888 : 2014 – Tiêu chuẩn cọc bê tông ly tâm ứng lực trước Tuy nhiên, do đề tài nghiên cứu về ứng xử của cọc rỗng bê tông nên tác giả bỏ qua tính toán ứng suất trước (không căng thép để tạo ứng suất như theo tiêu chuẩn)

2.3 Tính toán khả năng chịu uốn của cọc rỗng

2.3.1 Cường độ chịu uốn của cọc rỗng

Trên thế giới và trong nước hiện nay vân chưa có tiêu chuẩn tính toán cường

độ chịu uốn của cấu kiện GPC, do đó nghiên cứu vận dụng TCVN 5574 : 2012 để tính toán khả năng chịu uốn của cọc rỗng Theo tiêu chuẩn TCVN 5574 : 2012 mô men uốn cọc rỗng được xác định như cấu kiện chịu uốn tính toán theo trạng thái giới hạn I với các giả thuyết: ứng suất kéo/nén của thép đạt cường độ chịu kéo/nén; ứng suất nén của bê tông bằng cường độ chịu nén của bê tông, không xét đến khả năng chịu kéo của bê tông, mặt phẳng vẫn phẳng sau biến dạng Các giá trị tính toán có ý nghĩa tham khảo

Cường độ chịu uốn của cọc rỗng tiết diện vành khuyên có có tỷ số giữa bán kính trong và bán kính ngoài 𝑟1

𝑟 2 > 0,5, cốt thép phân bố đều theo chu vi (số thanh cốt thép dọc không nhỏ hơn 6), được tính toán theo mục 6.2.2.9 và 6.2.2.12 của TCVN

5574 : 2012 như sau:

𝑀 = (𝛾𝑏𝑅𝑏𝐴𝑟𝑚+ 𝑅𝑠𝑐𝐴𝑠,𝑡𝑜𝑡𝑟𝑠)𝑠𝑖𝑛𝜋𝜉𝑐𝑖𝑟

𝜋 + 𝑅𝑠𝐴𝑠,𝑡𝑜𝑡𝜑𝑠𝑧𝑠 (2.2) Trong đó: 𝑟1: bán kính trong tiết diện

𝑟2: bán kính ngoài tiết diện

𝑟𝑚: bán kính trung bình tiết diện

𝛾𝑏: hệ số điều kiện làm việc của bê tông, lấy 𝛾𝑏 = 0,9

𝑅𝑏: cường độ chịu nén của bê tông 𝐴: diện tích tiết diện vành khuyên, 𝐴 = 𝜋(𝑟22− 𝑟12)

𝑅𝑠𝑐: cường độ chịu nén của cốt thép

𝐴𝑠,𝑡𝑜𝑡: tổng diện tích cốt thép

𝑟𝑠: bán kính qua trọng tâm tiết diện cốt thép

𝜉𝑐𝑖𝑟: diện tích tương đối của bê tông vùng chịu nén

𝜉𝑐𝑖𝑟 = 𝜔1𝑅𝑠𝐴𝑠,𝑡𝑜𝑡

𝛾𝑏𝑅𝑏𝐴 + (𝑅𝑠𝑐 + 𝜔2𝑅𝑠)𝐴𝑠,𝑡𝑜𝑡 ≥ 0,15 (2.3)

𝛿 = 1,5 + 6𝑅𝑠10−4, 𝑅𝑠 lấy theo MPa

𝑧𝑠: khoảng cách từ hợp lực của cốt thép chịu kéo đến trọng tâm tiết diện

𝑧𝑠 = (0,2 + 1,3𝜉𝑐𝑖𝑟)𝑟𝑠 ≤ 𝑟𝑠

2.3.2 Mô men kháng nứt của cọc rỗng

Momen kháng nứt của tiết diện cọc rỗng được xác định theo mục 7.1.2.4 của TCVN 5574 : 2012 như sau:

𝑀𝑐𝑟𝑐 = 𝑅𝑏𝑡,𝑠𝑒𝑟𝑊𝑝𝑙 (2.5) Trong đó: 𝑅𝑏𝑡,𝑠𝑒𝑟: cường độ chịu kéo của bê tông theo TTGH II

𝑊𝑝𝑙: Momen kháng uốn của tiết diện quy đổi đối với thớ chịu kéo ngoài cùng, có thể được tính gần đúng theo công thức:

2.3.3 Mô men kháng gãy của cọc rỗng

Theo TCVN 7888 : 2014 mô men kháng gãy của cọc được tính từ mô men kháng nứt thực nghiệm với quan hệ:

𝑀𝑏𝑟 = 1,5𝑀𝑐𝑟𝑐 (2.9)

Chương 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

THÍ NGHIỆM

3.1 Nguyên vật liệu

Thành phần nguyên vật liệu chế tạo GPC tương tự nguyên liệu chế tạo bê tông thông thường, khác biệt chủ yếu là việc sử dụng chất kết dính geopolymer thay vì cement Portland Nguyên liệu sử dụng bao gồm tro bay, đá, cát, dung dịch alkali (hỗn hợp của Sodium hydroxide và Sodium silicate)

Hình 3.1: Nguyên vật liệu sử dụng đúc mẫu 3.1.1 Tro bay

Sử dụng tro bay loại F có nguồn gốc từ nhà máy nhiệt điện địa phương, khối lượng riêng 2500 kg/m3, độ mịn 94% lượng lọt qua sàng có cỡ sàng là 0,08 mm