NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG GEOPOLYMER

Qua các nghiên cứu trước đây thường ít đề cập đến sự làm việc tại bề mặt tiếp xúc giữa cốt thép và bê tông geopolymer, trong đó bê tông geopolymer được thực nghiệm với năm loạicấp phối d

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TẠ TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT THÉP TRONG

BÊ TÔNG GEOPOLYMER

NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG - 60580208

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TẠ TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT THÉP TRONG

BÊ TÔNG GEOPOLYMER

NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG - 60580208

Hướng dẫn khoa học:

TS PHẠM ĐỨC THIỆN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2016

Tạ Tuấn Anh

CẢM TẠ

Trước tiên, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Phạm ĐứcThiện và Thầy TS Phan Đức Hùng là người đã giúp tôi xây dựng ý tưởng của đề tài,

mở ra những hướng đi trên con đường tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học Thầy

đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu và giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian qua.Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy ở Khoa Xây dựng và cơ học ứng dụng, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiếnthức cho tôi trong suốt khóa Cao học

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến anh Nguyễn Hữu Hải đã đóng góp công sức cho

đề tài nghiên cứu thực nghiệm của tôi

Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình thực hiện, nhưng luận văn có thể không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả mong nhận được sự góp ý kiến của quý Thầy cô và bạn bè

Tp HCM, ngày … tháng … năm 2016

Tạ Tuấn Anh

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn là sự tiếp nối của các công trình nghiên cứu trước, và nhằm hiểu

rõ hơn về vật liệu geopolymer, mong muốn nó sẽ là vật liệu phát triển mạnh mẽ hơn nữa ở Việt Nam Bởi được biết đến trên thế giới như là một vật liệu xanh, thân thiệnvới môi trường và đồng thời có nhiều đặc tính kỹ thuật tốt Một cách tổng quát, vật liệugeopolymer được hình thành từ nguyên liệu ban đầu như là: tro bay, kaolin, metacaolin, nano silicat, tro trấu và dung dịch hoạt hoá có thể là: NaOH, KOH, Ca(OH)2 Qua các nghiên cứu trước đây thường ít đề cập đến sự làm việc tại bề mặt tiếp xúc giữa cốt thép

và bê tông geopolymer, trong đó bê tông geopolymer được thực nghiệm với năm loạicấp phối do sự thay đổi tỉ lệ của các thành phần dung dịch như: alkaline/tro bay và

Na2SiO3/NaOH, cốt thép sử dụng có đường kính Ø12, 14, 16, 20 trong đó Ø14 là thép trơn còn lại là thép gân Vì vậy, luận văn tập trung nghiên cứu vào lực kéo tuột cốt thép

ra khỏi mẫu bê tông geopolymer Do đó luận văn nghiên cứu với các vấn đề chính sau bao gồm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén do thay đổi tỉ lệ cácthành phần nguyên vật liệu của bê tông Geopolymer và độ bám dính của các cấp phối

bê tông Geopolymer đối với các loại thép có đường kính khác nhau Các kết quả nghiên cứu này sẽ giúp mở rộng ứng dụng của vật liệu geopolymer cũng như đến gần hơn vớiứng dụng thực tế của vật liệu này vào các kết cấu chịu lực chính của công trình

The current thesis is considered as an extension of the previous research with the aim to obtain the better comprehensive insights into geopolymer – the newly material having considerable potential for being widely applied in Vietnam Currently, it is largely accepted that geopolymer is a preferable material thanks to its environmentally friendly features and magnificent specifications Generally, geopolymer material is a compound or mixture of fly ash, kaolin, metacaolin, nano silica, rice husk ash and alkaline liquid such as NaOH, KOH, Ca(OH)2 Nevertheless, previous studies have not offered a large amount of information at the contact surface about the bond strength of steel bar in geopolymer conrete, and geopolymer concrete used in the experiment was designed with 5 types of gradation with the corresponding reliability level of B50; B40; B32,5; B45; B43,5 These kinds have changes about: Alkaline/fly ash and

Na2SiO3/NaOH The steel used in the experiments is of Ø12, 14, 16, and 20 in diameters The Ø14 diameter steel is smooth and the others are ribbed Therefore, there

is an urgent need for studying the traction slip into reinfoced conrete samples out of geopolymer Offal the purposes of this experimental research are to address the following include Survey of factors affecting the compressive strength by changing the ratio of the component materials of geopolymer concrete and the adhesion of the geopolymer concrete aggregate for all kinds of different diameter steel The results obtained from this study would contribute to the widespread applications of geopolymer material in general as well as show its remarkable potential for the main load bearing structure of the building

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC… …… ……… ….i

LỜI CAM ĐOAN……… …… iii

CẢM TẠ……… …….iv

TÓM TẮT……… …… v

ABSTRACT……… …… vi

MỤC LỤC…….……… …….vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH……… … x

DANH SÁCH CÁC BẢNG……… ……xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI……… ……… 1

1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU……… … 1

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI……… ….7

1.2.1 Nghiên cứu trên thế giới……… … … 7

1.2.2 Nghiên cứu trong nước……….……… ….12

1.3 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI ……… ….12

1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU……… ………… 13

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT……… 14

2.1 QUÁ TRÌNH GEOPOLYMER HÓA……… ……… 14

2.2 CƠ CHẾ HÓA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ GEOPOLYMER TRO BAY……… 17

2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC GEOPOLYMER ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN……….….19

2.4 NHỮNG ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER………23

2.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……… ………24

2.5.1 Lý thuyết……….………….24

2.5.2 Thực nghiệm……… ……… 25

2.6 ĐỘ BÁM DÍNH GIỮA BÊ TÔNG VÀ CỐT THÉP ……… 26

2.6.1 Thí nghiệm xác định lực dính……… 26

2.6.2 Các nhân tố tạo nên lực bám dính……….27

2.6.3 Các nhân tố ảnh hưởng……….27

2.6.4 Trị số bám dính……….28

2.6.5 Lực kéo đứt cốt thép ……… ……….28

CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ……29

3.1 NGUYÊN VẬT LIỆU……… …….… 29

3.1.1 Tro bay……… ….… 29

3.1.2 Dung dịch hoạt hóa……… 30

3.1.3 Cát……… ……….31

3.1.4 Đá……… ……….….33

3.1.5 Nước pha dung dịch NaOH……… 34

3.1.6 Cốt thép……… ……….……34

3.2 THIẾT KẾ CẤP PHỐI VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM………35

3.2.1 Thiết kế thành phần cấp phối………35

3.2.2 Phương pháp thí nghiệm……… 37

3.2.2.1 Đúc mẫu xác định cường độ chịu nén……… 37

3.2.2.2 Xác định khối lượng cốt liệu của mẫu thí nghiệm………37

3.2.2.3 Nhào trộn và đúc mẫu………38

3.2.2.4 Dưỡng hộ nhiệt……… 40

3.2.2.5 Thí nghiệm kéo tuột……… 41

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ……… 43

4.1 CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN MẪU BÊ TÔNG GEOPOLYMER……… 43

4.2 CÁC DẠNG PHÁ HOẠI ĐIỂN HÌNH……… 45

4.3 MỐI QUAN HỆ GIỮA LỰC KÉO TUỘT VÀ CHUYỂN VỊ THIẾT BỊ KÉO…48 4.4 MỐI QUAN HỆ GIỮA LỰC KÉO VÀ ĐƯỜNG KÍNH THÉP………50

4.5 MỐI QUAN HỆ GIỮA LỰC KÉO, ĐƯỜNG KÍNH THÉP VÀ CHUYỂN VỊ

THIẾT BỊ KÉO……… ……… 52

4.6 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM KÉO TUỘT……… 55

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI…… ….…… 62

5.1 KẾT LUẬN……… … 62 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI……… ….63

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Thành phần chính của tro bay theo ASTM C618-94a ……… 29

Bảng 3.2: Thành phần hóa học của tro bay loại F, nhà máy nhiệt điện Phả Lại 30

Bảng 3.3: Thành phần hóa học của tro bay loại F, nhà máy nhiệt điện Fomosa 30

Bảng 3.4: Thành phần vật lý của tro bay .30

Bảng 3.5: Thành phần hạt cát (trong 100 kg) 31

Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm hạt cát 32

Bảng 3.7: Thành phần hạt đá (trong 100 kg) 33

Bảng 3.8: Kết quả thí nghiệm đá 33

Bảng 3.9: Thành phần cấp phối bê tông geopolymer (1m3) 36

Bảng 3.10: Khối lượng cốt liệu của một viên mẫu 38

Bảng 4.1: Cường độ chịu nén của bê tông geopolymer 43

Bảng 4.2: Giá trị lực kéo tuột max (thép trơn Ø14) 51

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Sản lượng xi măng trên thế giới qua các năm so với năm 2001 2

Hình 1.2: Tỷ lệ sản xuất xi măng ở các quốc gia trên thế giới .2

Hình 1.3: Lượng khí thải CO2trên thế giới năm 2013 3

Hình 1.4: Khói bụi gây ô nhiễm môi trường .4

Hình 1.5: Bơm tro xỉ lấp ao hồ .4

Hình 1.6: Tập kết tro xỉ ra bãi chứa 5

Hình 1.7: Xử lí tro bụi, xỉ tại bãi chứa 5

Hình 2.1: Cấu trúc vô định hình của geopolymer ……… 14

Hình 2.2: Phản ứng hóa học của quá trình geopolymer .15

Hình 2.3: Sơ đồ mô phỏng sự hoạt hóa vật liệu alumosilicate .16

Hình 2.4: Hình ảnh SEM các trạng thái vi hạt của tro bay .17

Hình 2.5: Mô hình miêu tả kích hoạt kiềm tro bay (Fernandez Jimanez et al.2005) .18

Hình 2.6: Cấu trúc polymer từ quá trình tổng hợp các monomer………… … 19

Hình 2.7: Cường độ chịu nén của vữa và hồ Geopolymer 20

Hình 2.8: Cấu trúc geopolymer khi tỉ lệ Na2SiO3/NaOH là 1,5 21

Hình 2.9: Cường độ chịu nén của vữa và hồ geopolymer khi thay đổi tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxit .21

Hình 2.10: Hình chụp SEM của vữa geopolymer .22

Hình 2.11: Cường độ geopolymer khi thay đổi tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay và sodium silicate/sodium hydroxit .23

Hình 2.12: Sơ đồ các bước thực nghiệm 25

Hình 2.13: Thí nghiệm xác định lực dính .27

Hình 3.1: Biểu đồ thành phần hạt cát 32

Hình 3.2: Biểu đồ thành phần hạt đá dăm 33

Hình 3.3: Hình ảnh các loại thép 34

Hình 3.4: Đúc mẫu xác định cường độ chịu nén 37

Hình 3.5: Chuẩn bị khuôn đúc mẫu thí nghiệm 38

Hình 3.6: Quá trình nhào trộn cốt liệu 39

Hình 3.7: Kết thúc quá trình đổ bê tông vào khuôn 39

Hình 3.8: Mẫu bê tông geopolymer 40, 41 Hình 3.9: Hình ảnh minh họa thí nghiệm .42

Hình 4.1: Ảnh hưởng của tỉ lệ Alkaline/Tro bay và Na2SiO3/NaOH đến cường độ .44

Hình 4.2: Ảnh hưởng của tỉ lệ alkaline/tro bay đến cường độ 45

Hình 4.3: Dạng phá hoại mẫu (trường hợp 1) 46

Hình 4.4: Dạng phá hoại mẫu (trường hợp 2) 47

Hình 4.5: Dạng phá hoại mẫu (trường hợp 3) 48

Hình 4.6: Mối quan hệ giữa lực phá hoại và chuyển vị thiết bị kéo 49

Hình 4.7: : Mối quan hệ giữa lực phá hoại và đường kính cốt thép 51

Hình 4.8: Mối quan hệ giữa lực phá hoại và chuyển vị thiết bị kéo 52, 53, 54 Hình 4.9: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm (thép gân Ø12) 55

Hình 4.10: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm (thép trơn Ø14) 55

Hình 4.11: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm (thép gân Ø16) 56

Hình 4.12: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm (thép gân Ø20) 56

Hình 4.13: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm theo đề xuất của tác giả (thép gân Ø12) 59

Hình 4.14: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm theo đề xuất của tác giả (thép trơn Ø14) 59

Hình 4.15: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm theo đề xuất của tác giả (thép gân Ø16) 60

Hình 4.16: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm theo đề xuất của tác giả (thép gân Ø20) 60

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Ngày nay, ngành công nghiệp xây dựng nói chung và công nghệ sản xuất xi măng

để phục vụ cho các cấu kiện sử dụng bê tông nói riêng đã và đang sử dụng một lượng rất lớn nguồn tài nguyên thiên nhiên và năng lượng Bê tông còn là một trong các dạngvật liệu được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng Trong đó, xi măng Portland là chất kết dính trong việc sản xuất bê tông hiện nay

Ước tính hàng năm có khoảng 25 tỷ tấn bê tông được sản xuất trên toàn thế giới,

và sản lượng bê tông vẫn tiếp tục có xu hướng tăng lên Năm 2010 có khoảng 3.300 triệu tấn xi măng được sản xuất trên toàn thế giới, và lượng xi măng này tiếp tục tăng lên khoảng 3.585 triệu tấn (năm 2011) và 3.736 triệu tấn (năm 2012) Các nước ở Châu

Á đã tiêu thụ lượng xi măng lớn, trong đó Việt Nam tiêu thụ khoảng 70 triệu tấn/năm [1] Theo tính toán, để sản xuất ra một tấn xi măng thì nhà máy sẽ thải ra môi trường sấp xỉ một tấn CO2, khí này gây hiệu ứng nhà kính, góp phần làm trái đất nóng lên Khí

CO2thải ra từ công nghiệp sản xuất xi măng chiếm khoảng 7% lượng CO2trên toàn thếgiới.Bên cạnh đó, với tình hình hiện nay của ngành sản xuất xi măng Portland đang ởmức đáng quan tâm Khi sản lượng xi măng Portland tăng nhanh ở các nước đang phát triển điển hình như Trung Quốc chiếm 58.6 % trong 4 tỷ tấn xi măng và có xu hướng không đổi tại các nước phát triển như Mỹ, châu Âu trong đó Mỹ chỉ chiếm 1.9 % trong

4 tỷ tấn xi măng của thế giới năm 2013 [2]

Hình 1.1: Sản lượng xi măng trên thế giới qua các năm so với năm 2001

Hình 1.1: Tỷ lệ sản xuất xi măng ở các quốc gia trên thế giới

Và hậu quả là lượng khí thải CO2 vào môi trường ngày càng tăng, làm tăng khả năng xảy ra hiệu ứng nhà kính Dưới đây là biểu đồ thể hiện lượng khí thải trên toàn thế giớinăm 2013 đã vượt mốc 35 tỷ tấn, đạt mức kỷ lục từ trước đến nay [3]

Hình 1.2: Lượng khí thải CO2trên thế giới năm 2013

Thống kê cho thấy, công suất phát điện của các nhà máy điện đốt than trong nướctrên 5.000MW chạy bằng than antraxit trong nước, với lượng tiêu thụ hằng năm vào khoảng 16 triệu tấn than Lượng tro xỉ thải ra là 5,7 triệu tấn Từ năm 2013, riêng lượng tro xỉ thải hằng năm tại 5 nhà máy nhiệt điện đốt than của Tập đoàn Than - Khoáng sảnViệt Nam (TKV) khi phát đủ công suất ước tính khoảng 2,8 triệu tấn/năm (trong đó khoảng 1,7 triệu tấn là tro đáy) Dự báo, đến năm 2030, khi tổng công suất nhiệt điệnđốt than của cả nước tăng lên khoảng 77.000MW, kéo theo tăng lượng than tiêu thụ là

176 triệu tấn thì lượng tro xỉ thải sẽ đạt 35 triệu tấn/năm và thải ra bầu khí quyển mộtlượng khí CO2khổng lồ, ước tính khoảng 5 triệu tấn/năm [4] Phần lớn tro bay thải ra

từ nhà máy tập kết ở bãi chứa, lấp các ao hồ, đất ruộng, chiếm rất nhiều diện tích và gây ô nhiễm môi trường

Hình 1.4: Khói bụi gây ô nhiễm môi trường [5]

Hình 1.5: Bơm tro, xỉ lấp ao hồ [6]

Hình 1.6: Tập kết tro xỉ ra bãi chứa [7]

Hình 1.7: Xử lí tro bụi, xỉ tại bãi chứa [8]

Trước nhu cầu giảm thiểu lượng CO2trong quá trình sản xuất xi măng và tận dụng các phế phẩm trong các nhà máy nhiệt điện dùng than, các nhà nghiên cứu đã tìm ra được một loại chất kết dính khác có thể thay thế xi măng Portland thông dụng đó là tro bay Từ đó công nghệ Geopolymer như là một giải pháp tiềm năng nhằm thay thế bê tông xi măng truyền thống

Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông geopolymer vào thực tiễn là rất cầnthiết, với mục đích tận dụng phế thải và bảo vệ môi trường nhằm hạn chế đến mức thấpnhất khối lượng chất thải tồn đọng ở bãi chứa và những ảnh hưởng xấu của chúng đếnmôi trường xung quanh như: đất, nước, không khí và sức khỏe con người Các nhà khoa học trong nước đã đạt được những kết quả nhất định trong nghiên cứu sử dụng tro bay trong sản xuất xi măng, bê tông, vật liệu xây dựng nhưng việc ứng dụng còn rất hạnchế Tro bay của Việt Nam có nhược điểm là hàm lượng than chưa cháy cao, hoạt tính thuỷ lực thấp nên trên thực tế chưa có nhà máy nào sử dụng tro bay trong sản xuất xi măng trừ các nhà máy xi măng liên doanh, nhưng lại sử dụng tro bay nhập ngoại Hiệnnay, tro bay của các nhà máy nhiệt điện dùng than trừ Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại đượckhai thác, xử lý chủ yếu là để làm nhiên liệu nung vôi, gạch… với khối lượng không lớn Riêng tro bay Phả Lại, do hàm lượng than chưa cháy thấp hơn, khó sử dụng làm nhiên liệu đốt nên tồn đọng ngày càng nhiều Tuy nhiên tro bay mới được sử dụng như phụ gia trong bê tông xi măng nhưng chiếm tỉ lệ không lớn

Việc sử dụng bê tông Geopolymer trên cơ sở chất kết dính tro bay kiềm hoạt hóa

có khả năng góp phần giảm hiện tượng nóng dần của trái đất Bên cạnh đó còn tận dụng được nguồn phế thải của quá trình sản xuất công nghiệp như tro bay của nhà máy nhiệtđiện, xỉ lò cao của nhà máy luyện gang thép… do đó, việc sử dụng bê tông Geoplymer trong ngành công nghiệp xây dựng còn mang lại nhiều lợi ích như giảm nguy cơ chấtthải công nghiệp và diện tích bãi chứa chất thải, cải thiện đặc tính lâu dài của bê tông (co ngót khô 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…

Với mục tiêu là tìm vật liệu mới thân thiện với môi trường để chế tạo bê tông có các tính chất cơ lý hóa tương đương hoặc tốt hơn bê tông truyền thống, thì bê tông Geopolymer sử dụng tro bay là vấn đề cần được quan tâm.

Bê tông Geopolymer là loại bê tông không sử dụng chất kết dính xi măngpooclăng thông thường mà sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa (chất kết dính geopolymer),

nó là sản phẩm của phản ứng giữa dung dịch kiềm và các loại vật liệu có chứa hàm lượng lớn hợp chất silic và nhôm

Geopolymer là sản phẩm của quá trình phản ứng giữa vật liệu có nguồn gốc silic

và nhôm với dung dịch kiềm Hiện nay Geopolymer đã và đang được nghiên cứu rộng rãi và cho thấy khả năng là vật liệu xanh có thể thay thế bê tông xi măng trong một sốứng dụng, do bê tông Geopolymer vừa có các tính chất kỹ thuật tốt, đồng thời giảmlượng khí thải khi thay thế xi măng OPC

Để đưa bê tông Geopolymer vào ứng dụng trong thực tiễn, các nhà nghiên cứu

đã tiến hành rất nhiều thí nghiệm nhằm phân tích và đánh giá các tính chất cơ lý của bê tông Geopolymer so với bê tông OPC Trong đó có nghiên cứu về sự làm việc chung giữa cốt thép và bê tông Geopolymer

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1.2.1 Nghiên cứu trên thế giới

Ngành công nghiệp vật liệu Geopolymer ra đời từ những năm 1960, đến năm 1972 nhà hoá học người Pháp Joseph Davidovits chế tạo thành công chủng loại vật liệu đượcgọi là “Geopolymer” theo một quy trình tổng hợp polyme từ các khoáng chất Phát minh trên xuất phát từ ý tưởng thúc bách trước một thực tế là vật liệu polyme hữu cơ luôn có tính “bắt lửa” cao Bằng cách hoà trộn đất sét, vốn được cấu tạo chủ yếu từ dioxide silic

và oxide nhôm – vào dung dịch alkali silicates có nồng độ kiềm cao (hỗn hợp này có chất nền là oxide silic, xút và kali)

Si2O5,Al2(OH)4+ NaOH => Na(-Si-O-Al-O)n

Kaolinite Hydrosodalite

Joseph Davidovits có được một hợp chất ở dạng gel Hợp chất này sẽ đóng rắn ởnhiệt độ thường chỉ sau vài giờ và trở nên rất cứng khi được dưỡng hộ nhiệt Đề cập kếtquả nghiên cứu này, tác giả cho biết: “Bất kỳ một nguyên vật liệu nào trong đó có chứadioxide silic và oxide nhôm đều có thể sử dụng để tạo ra vật liệu Geopolymer” Và chính ông đã thành lập viện Geopolymer và sau đó là một công ty tư nhân có tên Cordi- Géopolymère nhằm nghiên cứu, triển khai và quảng bá sâu rộng hơn các sản phẩm từloại vật liệu tổng hợp này Joseph Davidovits giải thích: “Ban đầu Geopolymer đượcứng dụng rất giới hạn, chỉ dùng để chế tạo các sản phẩm thuộc dạng cao cấp như các khuôn đúc và dụng cụ cho ngành hàng không Nhưng càng về sau, đặc biệt là vào đầuthập niên 1990, khi con người đã ý thức được mối đe doạ từ khí thải CO2, vật liệuGeopolymer mới dần được quan tâm nhiều hơn và từ đó nó đã trở thành một loại vậtliệu xây dựng thay thế tốt nhất cho các loại xi măng truyền thống Do nhu cầu về phát triển ứng dụng Geopolymer luôn tăng cao nên hiện nay đã có đến trên dưới 60 phòng thí nghiệm trên thế giới triển khai các dự án nghiên cứu về Geopolymer, nhất là tại Úc

và New Zealand”

Hiện tại đã có rất nhiều bằng sáng chế, nghiên cứu và ứng dụng Geopolymer vào các ngành công nghệ vật liệu hiện đại (tấm kết cấu gỗ chống cháy, tấm sườn và panel cách điện, sản xuất đá nhân tạo trang trí, tấm panel bọt cách nhiệt, vật liệu xây dựng thô, gạch không nung, kết cấu chịu lửa, kết cấu chống sốc nhiệt, ứng dụng làm khuôn đúc nhôm, bê tông và chất kết dính Geopolymer, vật liệu cản lửa và gia cố/ sửa chữa, vật liệu chống cháy công nghệ cao dùng trong máy bay hoặc ô tô, vật liệu nhựa công nghệ cao ) được giới thiệu và ứng dụng trên toàn thế giới

Trên cơ sở lý thuyết Geopolymer của Joseph Davidovits, Lone Star (một công ty sản xuất xi măng hàng đầu của Mỹ) đã nghiên cứu và chế tạo thành công một loại xi măng mới bằng cách kết hợp nguyên liệu sét và dung dịch kiềm hoạt tính cao, tạo thành chất kết dính vô cơ mới có khả năng đóng rắn nhanh và cho cường độ ban đầu rất tốtvới tên gọi xi măng polymer Công nghệ này nhanh chóng được phát triển trên toàn thế

giới và đang có ưu thế hơn xi măng protland do có ưu điểm về nguyên liệu sản xuất và phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường [9]

Lần đầu tiên xuất bản năm 2008, Geopolymer chemistry and Application đã khái quát toàn bộ kiến thức về công nghệ Geopolymer [10] Các ứng dụng của công nghệnày đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi Nghiên cứu đã tập trung vào thành phần

và nồng độ của dung dịch kiềm để thúc đẩy nhanh quá trình Geopolymer hóa

Thuật ngữ “Geopolymer” được giới thiệu bởi GS.TS Davidovits vào năm 1978 để

mô tả chất kết dính với thành phần hóa học tương tự với zeolite nhưng có vi cấu trúc

vô định hình [11] Ông đề xuất thuật ngữ “poly(sialate)” cho thiết kế hóa học củaGeopolymer dựa trên siloco-aluminate (Davidovits, 1988a, 1988b, 1991; van Jaarsveld

et Al., 2002a); Sialate là từ viết tắt của silicon-oxo-aluminate

Từ những 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 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 Palomo, Grutzeck, and Blanco (1999)[12], nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độdưỡng 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 phứctạp trong quá trình Geopolymer hóa cho rằng hàm lượng nước, thời gian và nhiệt độdưỡng 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 D.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 D.Hardjito và B.V.Rangan (2005), khi nghiên cứu về Quá trình phát triển

và những đặc tính của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay [15] đã có những nhận xét

về những tính chất ảnh hưởng đến cường độ của bê tông Geopolymer như: Nồng độMole của dung dịch NaOH, tỉ lệ thủy tinh lỏng/dung dịch NaOH, nhiệt độ dưỡng hộ,thời gian dưỡng hộ

Suresh.G.Patil [16], nghiên cứu về Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông Geopolymer Ông đã thử nghiệm với nồng độ NaOH 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.Trong nghiên cứu về Cường độ chịu nén và vùng tiếp xúc bề mặt ITZ của bê tông Geopolymer [17], Muhd Fadhil Nuruddin đã khẳng định rằng sự phát triển cường độchịu 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 Mustafa Al Bakri [18], nghiên cứu về Cường độ chịu nén và đặc tính cấu trúc củaGeopolymer sử dụng tro bay, cường độ của bê tông Geopolymer phụ thuộc vào tỉ lệdung dịch alkaline/tro bay và Na2SiO3/NaOH, sự hòa tan SiO2 và Al2O3 trong quá trình Geopolymer hóa, nhiệt độ dưỡng hộ không nên quá cao góp phần tạo cường độ cao cho

bê tông Geopolymer

Theo Zejak [19], cho rằng cường độ chịu nén của hồ Geopolymer tăng khi có thêm hàm lượng cát Ông đã chỉ ra Module đàn hồi của vữa Geopolymer có tương quan vớicường độ chịu nén, module đàn hồi và cường độ chịu nén của vữa Geopolymer tăng khi

tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxide tăng Hàm lượng cát cho thêm vào hồGeopolymer làm tăng cường độ chịu nén do sự thay đổi cấu trúc trong quá trình Geopolymer hóa và tính chất cơ lý tốt của hạt cát làm cho cường độ của vữaGeopolymer tăng

Trong quyển “Geopolymer chemistry and application” của Joshep Davidovits cho rằng cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer có giá trị cao hơn so với bê tông OPC [10].

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 [20], cho rằng cường độ nén bửa và cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer cao hơn bê tông OPC Theo D.Hardjito and B.V.Rangan (2005) [15] cho rằng hệ số Poission của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay từ 0,12 – 0,16 đối với cường độ chịu nén từ 40 - 90 MPa, 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

Trong nghiên cứu về độ bền của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay của Monita Olivia [20], đã cho thấy rằng module đàn hồi của bê tông Geopolymer vào khoảng 25,33 – 31,26 GPa, trong khi bê tông OPC có giá trị cao hơn từ 34,16 – 38,33 GPa Giá trịtrung bình thực nghiệm của hệ số Poission của bê tông Geopolymer từ 0,13 – 0,17 Sumajouw and Rangan (2006) [21] đã 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 (xi măng Portland) Kết quả chứng minh rằng, những tính toán sử dụng trong bê tông cốtthép truyền thống cho cấu kiện dầm và cột có thể sử dụng được cho bê tông Geopolymer

M Sofi (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 cốtthép dựa trên tiêu chuẩn ASTM C 234-91

Prabir Kumar 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

1.2.2 Nghiên cứu trong nước

Một số nghiên cứu bước đầu về bê tông Geoplymer ở Việt Nam như [24] :

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

x Chế tạo gạch không nung bằng công nghệ Geopolymer sử dụng tro bay và phếthải bùn đỏ để xây dựng nhà ở vùng cao nguyên Việt Nam của nhóm nghiên cứu ở trường Đại học Bách Khoa TPHCM 2010

x Vữa và bê tông sử dụng chất kết dính polymer vô cơ của nhóm nghiên cứu ởtrường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội 2011

x Bê tông chịu lửa và gạch không nung sử dụng chất kết dính Geopolymer củaViện 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 nguồngốc 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 gạchblock bê tông Geopolymer có cường độ nén đạt trên 10 MPa, có giá thành rẻ hơn gạchblock bê tông xi măng cốt liệu khoảng 15 % [25]

Qua hầu hết những nghiên cứu đã có về bê tông Geopolymer trên thế giới và ởViệt Nam, có thể thấy rằng bê tông Geopolymer có hầu hết những đặc tính gần giống với bê tông OPC từ hệ số Possion và Module đàn hồi Tuy nhiên về cường độ chịu uốn

và chịu kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer có giá trị cao hơn bê tông OPC với sựthay đổi từng thành phần trong cấp phối bê tông Geopolymer

1.3 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Đề cập đến hệ số bám dính giữa cốt thép và bê tông Geopolymer

1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu tính bám dính giữa cốt thép và bê tông geopolymer sử dụng tro bay,

để xác định khả năng chống kéo tuột của thanh thép ra khỏi bê tông geopolymer Cácmẫu được đúc để tiến hành thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTMA944

Mục tiêu chính là tìm ra mối quan hệ giữa lực phá hoại, đường kính và chuyển vị của thiết bị kéo Trong đó, có xét đến sự ảnh hưởng của năm loại cấp phối đến các yếu

tố đã nêu khi

x Thay đổi tỉ lệ Na2SiO3/NaOH từ 2 - 2,5, trong đó nồng độ NaOH là 16 Mole

x Thay đổi tỉ lệ Alkaline/tro bay từ 0,6 - 0,65 - 0,7

Đường kính cốt thép đặt trong mẫu bê tông : Ø12, Ø14, Ø16, Ø20 (trong đó Ø14

là thép trơn, các loại thép còn lại là thép gân)

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 QUÁ TRÌNH GEOPOLYMER HÓA

Bằng nghiên cứu của mình, Davidovits (1978) đã dùng thuật ngữ Geopolymer đểgiới thiệu loại polymer mới được tổng hợp từ các khoáng vật thuộc nhóm Aluminoilicate Thành phần chủ yếu của Geopolymer là các nguyên tố Si2+, Al3+ và O2

có nguồn gốc từ khoáng sản tự nhiên (đất sét, cao lanh, đá fenpat… ) hoặc sản phẩm từsản xuất (tro bay, xỉ lò cao)… Vật liệu Geopolymer khác với vật liệu polymer thông thường ở cấu trúc mạng không gian vô định hình

Cấu trúc vô định hình của Geopolymer cơ bản được tạo thành từ lưới cấu trúc củanhững Alumino-Silico hay còn gọi là Poly-sialate Sialate là viết tắt của Silic-Oxy-Nhôm, các cầu nối –Si-O-Al- tạo thành các bộ khung không gian vững chắc bên trong cấu trúc Khung Sialate bao gồm những tứ diện SiO và AlO4được nối xen kẻ với nhau bằng các nguyên tố Oxy Những ion dương (Na+, K+, Li+Ca2+, Ba2+, NH4+, H3O- ) phảihiện diện trong các hốc của khung để cân bằng điện tích của Al3+ [26] và hình thành monomer mới theo phương trình sau:

Si Al

O Si

Na ,H O Si Al

O Si

O Na

OH

OH OH

Hình 2.1: Cấu trúc vô định hình của Geopolymer [26]

Quá trình tổng hợp để tạo thành vật liệu Geopolymer gọi là quá trình Geopolymer hóa các nguyên vật liệu aluminosilicate ban đầu nhờ vào các dung dịch hoạt hóa kiềm Quá trình hoạt hóa kiềm cho các vật liệu aluminosilicate là một quá trình phức tạp và đến nay vẫn chưa được mô tả một cách rõ ràng Các bước phản ứng không diễn ra tuần

tự mà hầu như diễn ra cùng lúc và chồng lắp vào nhau Do đó, rất khó phân biệt cũng như khảo sát các bước phản ứng một cách riêng biệt (Palomo et al 1999) [12]

(2.1)

Phản ứng hóa học của quá trình Geopolymer có thể diễn ra theo 1 trong 2 phương trình (2.2) hoặc (2.3) sau [9][10]

Hình 2.2: Phản ứng hóa học của quá trình Geopolymer [9],[10]

Theo D.Hardjito (2005) [27], quá trình phản ứng hóa học tạo thành Geopolymer

có thể được phân ra thành các bước chính sau :

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

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

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

Glukhovshy [28] đã đưa ra một cơ chế tổng quát cho sự hoạt hóa kiềm đối với vậtliệu có chứa oxit silic và oxit nhôm hoạt tính Những năm gần đây, nhiều tác giả đã mởrộng lý thuyết của Glukhovshky, áp dụng vào lĩnh vực tổng hợp zeolite và giải thích quá trình Geopolymer hóa nói chung như hình 2.3 Cơ chế phản ứng trong sơ đồ trênphác thảo quá trình chuyển hóa từ vật liệu alumosilicat rắn sang vật liệu kiềmalumosilicat tổng hợp, những quá trình này có thể xảy ra tuần tự như trên hoặc xảy ra đồng thời

Hình 2.3: Sơ đồ mô phỏng sự hoạt hóa vật liệu alumosilicate [28]

Alumosilicat rắn hòa tan trong dung dịch kiềm sinh ra những dạng hợp chất silicat

và hợp chất nhôm Chính sự hòa tan của các phân tử hạt rắn trên bề mặt đã giải phóng

ra những hợp chất silicat và hợp chất nhôm này vào trong dung dịch Đây là cơ chếchuyển hóa của những phân tử rắn khi tham gia vào quá trình Geopolymer hóa

Những hợp chất được giải phóng khỏi bề mặt hạt rắn bằng cách hòa tan trong dung dịch thì lại kết hợp với nhau trong pha lỏng Một hỗn hợp của các chất silicate,aluminate và aluminosilicate được tạo thành Những hợp chất aluminosilicate vô định hình hòa tan nhanh chóng ở môi trường có pH cao và tạo ra dung dịch aluminosilicate quá bão hòa Khi dung dịch trở nên đậm đặc hơn thì các gel oligomer bắt đầu sinh ra vàtrở thành một mạng lưới lớn khi dung dịch càng cô đặc Quá trình này còn giải phóng

ra nước trong quá trình hòa tan Nước đóng vai trò chất trung gian phản ứng nhưng nước được giải phóng ra lại tồn tại bên trong của gel Loại cấu trúc gel này có hai pha

là chất rắn aluminosilicate và nước

Thời gian để dung dịch aluminosilicate quá bão hòa tạo thành gel sẽ khác nhau đối với các loại vật liệu ban đầu, quá trình phản ứng, thành phần dung dịch và điều kiệntổng hợp khác nhau Mặc dù vậy có những hệ thống không bao giờ tạo thành gel Sau khi tạo thành gel, hệ thống tiếp tục tổ chức lại và mạng lưới gel ngày càng gia tăng, kết quả là tạo thành mạng lưới aluminosilicate ba chiều Điều này được miêu tảtrong hình 2.3 bằng sự hiện diện của nhiều giai đoạn gel Sự hòa tan, sự tạo thành nhân của vật liệu alumiosilicate và sự tạo thành những dạng polymer thì phụ thuộc nhiều vào những thông số nhiệt động, động học trong hai bước đầu của quá trình được đưa ra bởiGlukhovsky

2.2 CƠ CHẾ HÓA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ GEOPOLYMER TRO BAY

Theo định nghĩa về công nghệ của 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 liệuGeopolymer [14] Cơ chế đóng rắn của tro bay cũng tuân theo quy luật và các phản ứng công nghệ Geopolyer được trình bày ở trên

Công nghệ Geopolymer có tốc độ phản ứng kích hoạt cũng như các vi cấu trúc và thành phần hóa học của các sản phẩn phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cụ thể là sựphân bố kích thước hạt và thành phần khoáng chất của tro bay ban đầu, dung dịch kích hoạt và thời gian hằng nhiệt [29]

(a) Tro bay ban đầu (b) Tro bay được kích hoạt với NaOH (c) Tro bay được kích hoạt với Na2SiO3 Hình 2.4 thể hiện hình ảnh vi cấu trúc của tro bay được thể hiện rõ qua phương pháp SEM Hình 2.4a thể hiện hình thái đặc trưng ban đầu của tro bay trước phản ứng,

là những tinh thể hình cầu có kích thước khác nhau, cấu trúc thường rổng và có thểchứa những hạt nhỏ hơn trong nó Hình 2.4b và 2.4c là những thay đổi trong vi cấu trúc của tro bay dưới tác dụng của dung dịch kiềm và thời gian hằng nhiệt, kết quả phản ứng

là một loại gel Natri-Silicat mới hình thành qua quá trình đóng rắn các hạt tro bay và dung dịch kiềm Tuy nhiên phản ứng không xảy ra nhanh chóng, vẫn còn một số thành phần tro bay phản ứng chậm

Hình 2.5: Mô hình miêu tả kích hoạt kiềm tro bay (Fernandez Jimanez et al.2005)[30]

Hình 2.5 là mô hình hạt tro bay khi bị kích hoạt kiềm Bắt đầu bằng sự kiềm hóa một điểm nhỏ trên bề mặt hạt tro bay, sau đó lan rộng tạo thành lỗ lớn, rồi tiếp tục phảnứng với những hạt nhỏ hơn ở bên trong (hình 2.5a) Phản ứng tiếp tục được duy trì và phát triển nhanh hơn theo hai chiều từ ngoài vào trong và ngược lại (hình 2.5b) Phảnứng tiếp tục xảy ra cho đến khi hạt tro bay được kiềm hóa hoàn toàn (hình 2.5c) Cơ

chế phản ứng ở giai đoạn này là cơ chế hòa tan, gắn kết các hạt nhỏ hơn bên trong các hạt lớn hơn, gắn kết với nhau tạo thành ma trận dày đặc Quá trình được mô tả không thống nhất giữa các gel tạo thành, tùy thuộc vào sự phân bố kích thước hạt và nồng độdung dịch tại từng vị trí

2.3 ẢNH HƯỞNG CẤU TRÚC GEOPOLYMER ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN

Phản ứng hóa học trong bê tông xi măng bê tông Geopolymer ảnh hưởng trực tiếpđến cường độ bê tông, quá trình hydrate hóa liên tục làm lắp đầy các lỗ rỗng trong bê tông OPC Sự phát triển cường độ của bê tông Geopolymer phụ thuộc vào hàm lượng dung dịch alkaline, điều kiện dưỡng hộ và hàm lượng cốt liệu trong bê tông Có ba yếu

tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến cấu trúc làm thay đổi cường độ của bê tông: tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay, tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxit và điều kiện 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 polymer từ quá trình tổng hợp các monomer

Quá trình phản ứng giữa tro bay và dung dịch alkaline ảnh hưởng trực tiếp đếncường độ của bê tông Geopolymer, bên cạnh đó nó cũng chịu tác động của vữa và hồGeopolymer Khi tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay và tỉ lệ Na2SiO3/NaOH thay đổi dẫnđến cấu trúc của Geopolymer thay đổi và dẫn đến cường độ cũng thay đổi.

Đồ thị ở hình 2.7 cho thấy, khi thay đổi tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxit thì cường độ của vữa cao hơn cường độ của hồ Geopolymer cao hơn vữa hồ xi măng khoảng 1,5 lần Radomir Zejak [32] cho rằng nguyên nhân dẫn đến sự chênh lệch cường

độ này là do sự liên kết tốt giữa cát và vữa Geopolymer Cường độ của hồ và vữaGeopolymer tăng khi tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxit tăng và giảm nếu ngược lại.Cấu trúc của Geopolymer bị ảnh hưởng khi tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxit thay đổi, từ đó dẫn đến cường độ của vữa và hồ thay đổi theo

Hình 2.7: Cường độ chịu nén của vữa và hồ Geopolymer [32]

Vữa Geopolymer là sự liên kết giữa cát và hồ Geopolymer (Hình 2.8a) VữaGeopolymer bao gồm pha gel (a) và những hạt tro bay chưa hoạt hóa (hình 2.8b) Cường

độ vữa Geopolymer phụ thuộc vào cường độ của gel, sự liên kết giữa gel và cốt liệu tạo

ra cường độ của vữa Những hạt tro bay chưa hoạt hóa đóng vai trò là những hạt cốtliệu siêu nhỏ để tạo nên cường độ cao nhất cho vữa Geopolymer

Hình 2.8: Cấu trúc Geopolymer khi tỉ lệ Na2SiO3/NaOH là 1,5 [32]

Theo Mustafa Al Bakri [18] cho rằng cường độ bê tông Geopolymer cao nhất khi

tỉ lệ dung dịch alkaline/ tro bay = 0,5 và Na2SiO3/NaOH = 2,5 đạt cường độ 70 MPa ở

7 ngày và nhiệt độ dưỡng hộ là 700C (hình 2.9) Khi Na2SiO3/NaOH = 3,0 thì cường độGeopolymer giảm ở tất cả các tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay

Na 2 SiO 3 /NaOH ratio

Hình 2.9: Cường độ Geopolymer khi thay đổi tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay và

Hình 2.10 cho thấy cấu trúc Geopolymer thay đổi khi tỉ lệ FA/AA thay đổi từ 0,4; 0,5 và 0,66 Nó cho thấy vật liệu không đồng nhất với tro bay chưa hạt hóa tồn tại dày đặc trong chất kết dính Hình 2.10b cho thấy nhiều chất kết dính hơn và ít tro bay chưa hoạt hóa góp phần làm tăng cường độ Hàm lượng dung dịch trong cấu trúc ảnh hưởng đến mức độ bảo hòa ion và cường độ của Geopolymer Khi tro bay được trộn với một lượng nhỏ dung dịch alkaline làm cho vữa đóng rắn nhanh hơn Do đó, làm cho các gel (sản phảm của quá trình hoạt hóa) không có không gian để kết tinh thành tinh thể Với

tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay = 0,5 là tỉ lệ tốt nhất làm phát triển cường độ cao cho Geopolymer

Thành phần tỉ lệ giữa các dung dịch thay đổi ảnh hưởng đến cấu trúc của Geopolymer và được chụp dưới kính hiển vi điện tử SEM

Hình 2.10: Hình chụp SEM của vữa Geopolymer [18]

(a) Alkaline/FA = 0,66; Na2SiO3/NaOH = 2,5 (b) Alkaline/FA = 0,5; Na2SiO3/NaOH = 2,5 (c) Alkaline/FA = 0,4; Na2SiO3/NaOH = 2,5

(c)

Đến nay, đã có nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước nghiên cứu về bê tông Geopolymer kết luận rằng thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ ảnh hưởng đến cường độ của

bê tông Geoplymer Nhiệt độ càng cao và thời gian dưỡng hộ càng dài sẽ làm tăng cường độ của bê tông Geopolymer, quá trình Geopolymer hóa diễn ra nhanh hơn khi được dưỡng hộ nhiệt

Bê tông Geopolymer vẫn phát triển cường độ trong môi trường tự nhiên, nhưng quá trình này diễn ra rất chậm, cường độ chiụ nén của mẫu bê tông Geopolymer trong cùng mẽ trộn chênh lệch rất lớn khi được dưỡng hộ nhiệt và dưỡng hộ ở nhiệt độ phòng

Curing Duration (Hour)

Hình 2.11: Cường độ chịu nén của hồ Geopolymer ở 1200C khi thay đổi thời gian

dưỡng hộ [33]

Arioz [33], cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer tăng khi thời gian dưỡng

hộ kéo dài Sự phát triển cường độ đáng kể nhất trong khoảng thời gian từ 6 đến 15 giờ.Khi thời gian dưỡng hộ lên đến 15 giờ, cường độ chịu nén tăng gấp 3 lần so vớithời gian dưỡng hộ 6 giờ (hình 2.11)

2.4 NHỮNG ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER

Ưu điểm:

Tạo ra vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường [42]

• Tấm kết cấu gỗ chống cháy

• Tấm tường và panel cách điện

• Sản xuất đá nhân tạo trang trí

• Bê tông và chất kết dính geopolymer

• Vật liệu cản lửa và gia cố/sửa chữa

• Vật liệu chống cháy công nghệ cao dùng trong máy bay hoặc ô tô

• Vật liệu nhựa công nghệ cao

• Giảm chất thải công nghiệp và diện tích bãi chứa

Khuyết điểm:

• Cần dưỡng hộ nhiệt, khó áp dụng vào tất cả các cấu kiện của công trình

• Sử dụng dung dịch kiềm trong bê tông có thể ảnh hưởng đến sự ăn mòn cốt thép trong bê tông

• Sử dụng 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

• Khả năng phát thải các chất kiềm kích hoạt vào môi trường nước và không khí khi sử dụng sản phẩm bê tông geopolymer

2.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.5.1 Lý thuyết

Tham khảo đề tài và những bài báo khoa học về bê tông geopolymer và đặc biệt

là những đề tài nghiên cứu về kéo tuột, mục đích để hiểu được đặc tính cơ lý, các ứng

xử giữa bê tông geopolymer và cốt thép khi có lực kéo tác dụng lên thanh thép, từ đó định hướng được hướng đi của đề tài

2.5.2 Thực nghiệm

Tiến hành đúc mẫu bê tông hình trụ tròn kích thước DxL = 15x30 cm với 5 loại

cấp phối và 4 loại đường kính khác nhau, thanh thép được đặt tại tâm của viên mẫu có chiều dài tiếp xúc giữa cốt thép và bê tông bằng 10 cm, mẫu sau khi đúc được dưỡng

hộ ở nhiệt độ phòng và dưỡng hộ nhiệt có điều kiện theo sơ đồ hình 1.5 Thực hiện thí nghiệm kéo tuột các thanh cốt thép ra khỏi mẫu bê tông Geopolymer, từ kết quả thuđược sẽ tiến hành so sánh, đánh giá các kết quả tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết và kếtquả thực nghiệm Và nêu ra các kết luận khi áp dụng các công thức tính toán cho bê tông thường vào bê tông geopolymer

Các bước thực nghiệm được tiến hành theo sơ đồ sau:

2.6 ĐỘ BÁM DÍNH GIỮA BÊ TÔNG VÀ CỐT THÉP

Độ bám dính giữa cốt thép và bê tông là yếu tố cơ bản đảm bảo sự làm chung củahai loại vật liệu làm cho cốt thép và bê tông cùng biến dạng và có sự truyền lực qua lạigiữa chúng

2.6.1 Thí nghiệm xác định lực dính

Chế tạo mẫu bằng cách đổ bê tông ôm lấy đoạn cốt thép Thí nghiệm bằng cách kéo hoặc nén cho cốt thép tuột khỏi bê tông (hình 2.13) Cường độ trung bình của lựcdínhτđược xác định theo biểu thức:

l: chiều dài đoạn cốt thép chôn trong bê tông

Để thí nghiệm làm cốt thép tuột khỏi bê tông thì chiều dài đoạn l phải được hạn chế trong một phạm vi nào đó Nếu l quá lớn thì khi thí nghiệm, cốt thép có thể bị kéo

hoặc nén quá giới hạn chảy (thậm chí có thể bị kéo đứt) mà không bị tuột Kết quả thí nghiệm cho thấy sự phân bố lực dính dọc theo đoạn cốt thép là không điều, nó bằng không ở hai đầu mút và đạt giá trịτmax ở nơi cách tiết diện đầu tiên một khoảng C

l

4

13

Hình 2.13: Thí nghiệm xác định lực dính [31]

2.6.2 Các nhân tố tạo nên lực bám dính

Các nhân tố tạo nên lực bám dính bao gồm:

- Lực ma sát: khi bê tông khô cứng, do ảnh hưởng của co ngót mà bê tông ôm chặt

lấy cốt thép, tạo nên lực ma sát giữa chúng

- Sự bám: với cốt thép có gờ, phần bê tông nằm dưới các gờ chống lại sự trượt của

cốt thép

- Lực bám: chất keo trong bê tông có tác dụng như hồ dán cốt thép vào bê tông

- Với cốt thép tròn trơn nhân tố lực ma sát là chủ yếu, cốt thép có gờ nhân tố bám

là quan trọng Lực dán chỉ chiếm một phần nhỏ trong giá trị củaτ.

2.6.3 Các nhân tố ảnh hưởng

Các nhân tố ảnh hưởng lực bám dính bao gồm:

- Trạng thái chịu lực: với cốt thép chịu nén lực dính bám lớn hơn so với cốt thép

chịu kéo

- Chiều dài đoạn l: khi thay đổi chiều dài đoạn l thì giá trị τmax không thay đổi

nhưng giá trị trung bình τ có thay đổi chút ít vì khi tăng l thì hệ số hoàn chỉnh biểu đồ

m: hệ số phụ thuộc bề mặt cốt thép Cốt thép tròn trơn m = 5 y 6, cốtthép có gờ m = 3 y 3,5

D: hệ số phụ thuộc trạng thái chịu lực Khi cốt thép chịu kéo D = 1; cốtthép chịu nén D = 1,5

R bn: cường độ chịu nén tiêu chuẩn của bê tông

Biến đổi công thức một cách tương đối

Từ (2.4)(2.5)(2.6) =>

m

R bn

DZZW

W max (2.7)

=> Lực kéo tuột:

m

R l

KT LT

DZSISIW

2.6.5 Lực kéo đứt cốt thép

(2.9) Trong đó:

s

b V A

P