(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến tính chất của bê tông Geopolymer

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 1
1.1 SỰ CẦN THIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ...................................................... 1
1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI ................................... 3
1.2.1 Những nghiên cứu ngoài nước ................................................................... 4
1.2.2 Những nghiên cứu trong nước ...................................................................5
1.3 NHẬN XÉT VỀ ĐỀ TÀI .................................................................................. 6
1.4 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ................................................................................ 7
1.5 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI ........................................................................................... 7
1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC ĐỀ TÀI ..................................................................... 7
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................8
2.1 Q TRÌNH GEOPOLYMER HĨA ............................................................. 8
2.2 ĐẶC TÍNH BÊ TƠNG GEOPOLYMER ..................................................... 12
2.3 GIỚI THIỆU VÀ LỢI ÍCH CỦA CỐT LIỆU TÁI CHẾ............................ 13
2.3.1 Giới thiệu về cốt liệu tái chế .....................................................................13
2.3.2 Lợi ích của việc sử dụng cốt liệu tái chế ..................................................14
CHƯƠNG 3:NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIÊM….15
3.1 NGUYÊN VẬT LIÊU. .................................................................................... 15
3.1.1 Tro bay. .......................................................................................................15
3.1.2 Cát................................................................................................................16
3.1.3 Cốt liệu lớn ..................................................................................................17
3.1.4 Dung dịch Alkaline. ....................................................................................20
3.2 DƯỠNG HỘ NHIỆT ...................................................................................... 22
3.3 THÀNH PHẦN CẤP PHỐI VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM. .......... 22
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................................ 33

4.1 TỔNG HỢP KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ....................................................... 33
4.1.1 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo gián tiếp
bê tông cốt liệu thay thế là bê tông xi măng...........................................................33
4.1.2 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo gián tiếp
bê tông cốt liệu thay thế là bê tông Geopolymer ...................................................36

4.2 ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT LIÊU TÁI CHẾ ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN
CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG. ....................................................................................43


4.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT LIỆU TÁI CHẾ ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU
NÉN CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER. ...............................................................45
4.4 ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT LIỆU TÁI CHẾ ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU
KÉO GIÁN TIẾP CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG. ....................................................47
4.5. ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT LIỆU ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU KÉO GIÁN
TIẾP CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER. ..............................................................49
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................. 51

5.1 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 51
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. ........................................................ 51


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Bùi Văn Hiền
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 2 0/12/1977
Nơi sinh: Nam Định.
Quê quán: Nam Định
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng: Phường 1, Thành phố Cao Lãnh, Tỉnh Đồng Tháp
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng: 0918.097.375
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC:
Hệ đào tạo: Chính Qui

Thời gian đào tạo từ 2001 - 2005
Nơi học: Trường Đại Học Kiến Trúc Hà Nội
Ngành học: Xây Dựng.Dân Dụng Công Nghiệp
Bảo vệ đồ án: Năm 2005
Nơi bảo vệ đồ án: Trường Đại Học Kiến Trúc Hà Nội
Người hướng dẫn: GS.TS Đào Cường
III. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO THẠC SỈ
Hệ đào tạo: Chính Qui
Thời gian đào tạo từ 2019 - 2021
Nơi học: Trường Đại Học SPKT TP.HCM
Ngành học: Kỹ thuật xây dựng
IV. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT
NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian
Từ 2005 – 2007
Từ 2007 – đến nay

Nơi công tác
Công Ty Tư Vấn Thiết Kế NN Đồng
Tháp
Công Ty Tư Vấn Thiết Kế Đầu Tư
Xây Dựng EPC

Công việc đảm
nhiệm
Ks Thiết kế
Giám đốc


LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng 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 cơng trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng 5 năm 2021

Bùi Văn Hiền


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS. Phạm
Đức Thiện 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 q báu và giúp đỡ tơi rất nhiều trong thời gian qua.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy ở Khoa Xây dựng Trường Đại học
Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tơi
trong suốt khóa Cao học.
Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình thực hiện, nhưng luận văn có thể khơng
tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả mong nhận được sự góp ý kiến của quý Thầy cô
và bạn bè.
Trân trọng xin chân thành cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng 5 năm 2021

Bùi Văn Hiền

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Luận văn là sự tiếp nối của các cơng trình nghiên cứu trước đây nhằm giúp
hiểu rõ hơn về bê tông Geopolymer và mong muốn sẽ trở thành vật liệu phát triển
mạnh mẽ hơn nữa trong ngành xây dựng ở Việt Nam. Một cách tổng quát, vật liệu
Geopolymer được hình thành từ nguyên liệu ban đầu là tro bay, cốt liệu mịn, đá,
dung dịch alkaline và phụ gia. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng cốt liệu
tái chế từ bê tông xi măng và bê tông Geopolymer thay thế cốt liệu đá tự nhiên để
chế tạo ra bê tông xi măng và bê tông Geopolymer nhằm hạn chế việc sử dụng cốt
liệu đá tự nhiên để giảm cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên của nước ta.
Nghiên cứu tính chất của bê tơng Geopolymer là rất rộng . Tuy nhiên, luận
văn này tập trung nghiên cứu các vấn đề chính sau: Thứ nhất là nghiên cứu chế tạo
ra bê tông xi măng và bê tơng Geopolymer có cường độ 20MPa và 30MPa. Thứ hai
là thay thế hàm lượng cốt liệu tái chế thay thế cốt liệu đá tự nhiên từ 0% đến 100%
nhằm xác định được cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông.
Kết quả nghiên cứu cho thấy khi thay thế hàm lượng cốt liệu tái chế từ 0%
đến 40% sẽ cho kết quả cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo gián tiếp của bê
tông tăng. Khi thay đổi hàm lượng cốt liệu tái chế lớn hơn 40% thì cường độ chịu
nén và cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tơng có xu hướng giảm dần. Cường độ
chịu nén và chịu kéo gián tiếp tốt nhất ở tỷ lệ thay thế là 40% cốt liệu tái chế.
Từ khóa: Bê tơng Geopolyer, bê tơng Geopolymer cốt liệu tái chế, bê tông cốt
liệu tái chế.


ABSTRACT
The thesis is a continuation of previous studies to help better understand
Geopolymer concrete and aspires to become a stronger development material in the
construction industry in Vietnam. In general, Geopolymer materials are formed
from the starting materials of fly ash, fine aggregates, rocks, alkaline solutions and
additives. This study focuses on using recycled aggregate from cement concrete and
Geopolymer concrete instead of natural stone aggregate to make cement concrete

and Geopolymer concrete in order to limit the use of stone aggregate. natural
resources to reduce the depletion of our country's natural resources.
Research on properties of Geopolymer concrete is very extensive. However,
this thesis focuses on the following main issues: The first is to study the
manufacture of cement concrete and Geopolymer concrete with strength of 20MPa
and 30MPa. The second is to replace the content of recycled aggregate to replace
natural stone aggregate from 0% to 100% in order to determine the compressive
strength and indirect tensile strength of concrete.
Research results show that replacing recycled aggregate content from 0% to
40% will result in increased compressive strength and indirect tensile strength of
concrete. When the content of recycled aggregate is greater than 40%, the
compressive strength and indirect tensile strength of concrete tend to decrease
gradually. The best indirect compressive and tensile strength at a replacement ratio
of 40% recycled aggregate.
Keywords: Geopolyer concrete, recycled aggregate Geopolymer concrete,
recycled aggregate concrete.


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

STT
1
2
3
4
5
6
7

TỪ KHĨA

Bê tơng Geopolymer
Bê tơng xi măng
Bê tông xi măng cốt liệu tái chế bê tông xi măng
Bê tông xi măng cốt liệu tái chế bê tông Geopolymer
Bê tông Geopolymer cốt liệu tái chế bê tông xi măng
Bê tông Geopolymer cốt liệu tái chế bê tông Geopolymer
Cốt liệu tái chế

KÝ HIỆU
BTG
BTXM
BX.CX
BX.CG
BG.CX
BG.CG
CLTC


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Thành phần chính của tro bay loại F…………….. .............................. 15
Bảng 3.2: Thành phần hạt cát .............................................................................. 16
Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm cát ......................................................................... 18
Bảng 3.4 : Thành phần hạt đá .............................................................................. 17
Bảng 3.5: Kết quả thí nghiệm đá .......................................................................... 18
Bảng 3.6: Bảng cấp phối bê tông xi măng ........................................................... 22
Bảng 3.7: Bảng cấp phối bê tơng Geopolymer………………...……………….24
Bảng 3.8: Số lượng mẫu thí nghiệm………………………………………..…..28
Bảng 4.1: Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén và cường độ
chịu kéo gián tiếp ................................................................................................ 33
Bảng 4.2: Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén và cường độ

chịu kéo gián tiếp ................................................................................................. 36
Bảng 4.3: Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của mẩu bê
tông đối chứng ..................................................................................................... 39
Bảng 4.4: Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của mẫu bê tông
đối chứng
……………………………………………………………………….41


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Phế thải xây dựng .................................................................................. 1
Hình 2.1: Cấu trúc vơ định hình của Geopolymer ................................................ 8
Hình 2.2: Phản ứng hóa học của q trình Geopolymer ....................................... 9
Hình 2.3: Sơ đồ mơ phỏng sự hoạt hóa vật liệu alumosilicate ........................... 10
Hình

3.1:

Tro

bay

nhà

máy

nhiệt

điện

Duyên

hải

Trà

Vinh…………………………………………………………………………......13
Hình 3.2: Biểu đồ thành phần cát ……………………………………...... …….14
Hình 3.3: Biểu đồ thành phần đá ......................................................................... 16
Hình 3.4: Các mẫu bê tơng đúc sẳn đển tiến hành đập vỡ làm cốt liệu tái chế ... 17
Hình 3.5: Dung dịch NaOH .................................................................................. 17
Hình 3.6: Dung dịch thủy tinh lỏng ..................................................................... 18
Hình 3.7: Dưỡng hộ nhiệt ..................................................................................... 19
Hình 3.8: Mẫu trụ 100x200 ............................................................................... 24
Hình 3.9: Mẫu bê tơng sau khi đổ ........................................................................ 25
Hình 3.10: Mẫu bê tơng đặt trong tủ dưỡng hộ nhiệt............................................ 25
Hình 3.11: Thí nghiệm nén ................................................................................ 26
Hình 3.12: Mẫu bị phá hoại sao khi nén ............................................................ 26
Hình 3.13: Thí nghiệm xác định cường độ chíu kéo gián tiếp .............................. 27
Hình 4.1: Biểu đồ ảnh hưởng cốt liệu tái chế (20Mpa) đến cường độ chịu nén
của bê tơng xi măng .............................................................................................. 43
Hình 4.2: Biểu đồ ảnh hưởng cốt liệu tái chế (30Mpa) đến cường độ chịu nén
của bê tơng xi mặng .............................................................................................. 44
Hình 4.3: Biểu đồ ảnh hưởng cốt liệu tái chê (20Mpa) đến cường độ chịu nén
của bê tơng xi măng .............................................................................................. 45
Hình 4.4: Biểu đồ ảnh hưởng cốt liệu tái chế (30Mpa) đến cường độ chịu nén
của bê tơng xi măng .............................................................................................. 46
Hình 4.5: Biểu đồ ảnh hưởng cốt liệu tái chế (20Mpa) đến cường độ chịu kéo
gián tiếp của bê tông xi măng ............................................................................... 47

Hình 4.6: Biểu đồ ảnh hưởng cốt liệu tái chế (30Mpa) đến cường độ chịu kéo
gián tiếp của bê tông xi măng ............................................................................... 48
Hình 4.7 Biểu đồ ảnh hưởng cốt liệu tái chế (20Mpa) đến cường độ chịu kéo
gián tiếp của bê tơng Geopolymer ........................................................................ 49
Hình 4.8 Biểu đồ ảnh hưởng cốt liệu tái chế (30Mpa) đến cường độ chịu kéo
gián tiếp của bê tông Geopolymer ........................................................................ 50


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 SỰ CẦN THIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Để đáp ứng nhu cầu phát triển cơng nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, ngành
xây dựng đã phát triển rất nhanh do đó việc sử dụng bê tơng xi măng ngày càng tăng
lên. Ước tính hàng năm có khoảng 25 tỷ tấn bê tơng được sản xuất trên tồn thế giới,
và sản lượng bê tơng 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 60,3 triệu tấn theo
số liệu thống kê đến tháng 12 năm 2016 [1].

Hình 1.1. Phế thải từ xây dựng [1]

1


Chính vì vậy, sự phát triển một cách nhanh chóng và mạnh mẽ của bê tông
không sử dụng xi măng đã làm giảm lượng khí thải CO2 cũng như giảm tiêu thụ
năng lượng cần thiết trong quá trình nung đốt. Bê tơng Geopolymer là bê tơng 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. Hiện nay, bê tông Geopolymer đã và đang được nghiên cứu rộng rãi

và cho thấy khả năng là vật liệu xanh hơn thay thế bê tông xi măng trong một số ứng
dụng do bê tơng Geopolymer vừa có các tính chất kỹ thuật tốt, đồng thời giảm khả
năng gây hiệu ứng nhà kính. Hai thành phần chính của Geopolymer là nguyên liệu
gốc phải giàu Si và Al và các chất lỏng kiềm. Chất thải các vật liệu như tro bay,
metakeoline, xỉ lò cao nghiền hạt, tro trấu, silica fume hoặc các khoáng chất tự nhiên
như kaolinite và đất sét có thể được sử dụng làm ngun liệu gốc. Cơng nghệ
Geopolymer giúp giảm lượng khí thải CO2 phát ra từ sản xuất xi măng cũng như sử
dụng chất thải công nghiệp hoặc các sản phẩm phụ bao gồm alumin silicat và
chuyển thành vật liệu xây dựng bền vững. Do đó, việc sử dụng Geopolymer trong
ngành xây dựng là rất cần thiết cho môi trường bền vững.
Trong công cuộc hiện đại hóa, cơng nghiệp hóa trên thế giới ngành xây dựng
có sự phát triển vượt bậc. Nước ta là một nước đang phát triển nên nhu cầu xây dựng
rất cao, ngày càng có nhiều cơng trình lớn mọc lên ở khắp nơi. Vì vậy, cần phải có
một lượng lớn vật liệu xây dựng để đáp ứng nhu cầu trên. Bê tông Geopolymer sử
dụng cốt liệu tái chế đã và đang được nghiên cứu quan tâm nhiều về đặc tính vật
liệu, đồng thời giảm sử dụng vật liệu đá tự nhiên. Để tận dụng phế thải của bê tơng,
có thể sử dụng các phế thải bê tông trong sản xuất bê tông Geopolymer. Nhiều tác
giả đã tập trung nghiên cứu từ quá trình tái chế phế thải bê tơng đến việc thiết kế
thành phần bê tơng và nghiên cứu các tính chất cơ lý, độ bền lâu của bê tông cốt liệu
tái chế [2]. Có thể thấy rằng, Bê tơng cốt liệu tái chế thường có các tính chất cơ học
thấp hơn so với bê tông cốt liệu tự nhiên [3], khả năng chịu lực của kết cấu bê tông
cốt liệu tái chế cũng thấp hơn so với kết cấu bê tông cốt liệu tự nhiên [4]. Điều này
là do hạt cốt liệu tái chế thường có cấu tạo rỗng xốp do có phần vữa cũ bám dính, có
nhiều vết nứt do q trình gia cơng cốt liệu. Nhưng loại bê tơng này vẫn có thể đảm
bảo yêu cầu của một số dạng kết cấu nhất định, kể cả trong kết cấu chịu lực khi sử

2


dụng các biện pháp nâng cao chất lượng [ 5]

Gần đây, nhiều nghiên cứu có xu hướng sử dụng chất kết dính khơng xi măng
trong chế tạo bê tơng do loại chất kết dính này có cường độ và độ bền cao, đồng thời
giảm thiểu các tác động môi trường do q trình sản xuất xi măng pc lăng. Loại
chất kết dính này là hỗn hợp của các phế thải cơng nghiệp (tro bay nhiệt điện, xỉ lị
cao hạt hóa) hoặc vật liệu puzơlan (đất puzơlan, mê ta cao lanh) được hoạt hóa bằng
các chất kiềm. Collins và Sanjayan [6] cho rằng cường độ chịu nén và cường độ chịu
kéo gián tiếp của bê tông cốt liệu tái chế sử dụng chất kết dính xỉ kiềm hoạt hóa có
thể bằng hoặc cao hơn so với bê tông cốt liệu tái chế sử dụng xi măng. Điều này có
thể do bản thân trong hạt cốt liệu bê tông tái chế đã có sẵn chất kiềm Ca(OH)2 là sản
phẩm thủy hóa của xi măng cho nên hiệu ứng hoạt hóa và hiệu ứng puzơlanic của Xỉ
lị cao nghiền mịn có thể sẽ tăng mạnh. Hơn nữa, hạt cốt liệu bê tông tái chế cũng
cịn một phần clanhke xi măng chưa thủy hóa sẽ tiếp tục thủy hóa trong hỗn hợp bê
tơng cốt liệu tái chế và sẽ góp phần làm tăng cường độ và độ bền lâu của bê tông.
Tuy nhiên, các nghiên cứu này mới chủ yếu được phân tích trên các mẫu thí nghiệm
nhỏ, chưa có nhiều nghiên cứu trên các kết cấu chịu lực.
Với các nhận xét đánh giá như trên, việc nghiên cứu sử dụng cốt liệu tái chế
thay thế cho cốt liệu đá tự nhiên để chế tạo ra bê tơng xi măng và bê tơng
Geopolymer có cùng cường độ mà chất lượng tương đương sẽ tiết kiệm chi phí
mang lại hiệu quả kinh tế cho xã hội, nghiên cứu có tính ứng dụng cao, có ý nghĩa
thực tế và một hướng đi mới mẻ cần thiết để góp phần giảm thiểu khai thác tài
nguyên thiên nhiên hạn chế chất thải ra mơi trường. Do đó đề tài “Nghiên cứu ảnh
hưởng của cốt liệu tái chế đến tính chất của bê tơng Geopolymer” đã được lựa chọn
để nghiên cứu.
1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Vật liệu mới Geopolymer đã được nghiên cứu từ rất sớm trên thế giới vào
những năm 70 của thế kỷ XX. Đối với nước ta thì vật liệu Geopolymer chưa được sử
dụng rộng rãi và phổ biến. Nhưng cũng đã có khá nhiều những nghiên cứu, bài báo
khoa học trong và ngoài nước về loại vật liệu Geopolymer này.
Một số ngiên cứu và bài báo khoa học về vật liệu Geopolymer như:

3


1.2.1 Những nghiên cứu ngồi nước
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
pane tự 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 khn đúc nhơm, bê tơng 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.
Joseph Davidovits [7] 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 vơ cơ mới có khả năng đóng rắn nhanh và cho cường độ ban đầu rất tốt
với tên gọi xi măng polymer. Cơng nghệ này nhanh chống được phát triển trên tồn
thế giới và đang dần dần có ưu thế hơn xi măng pooc lăng do có ưu điểm về nguyên
liệu sản xuất và phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường.
Ali Allahverdi và Frantisek Skvara [8] đã trình bày cơ chế ăn mòn của axit
sulfuric đối với vữa Geopolymer cũng như khả năng chống ăn mòn của vữa
Geopolymer khi chịu tác dụng của axit ở nồng độ cao và nồng độ thấp.
N.A.Lloyd và B.V.Rangan [9] đã nghiên cứu về đề tài có tên là “Geopolymer
Concrete with Fly Ash”. Tác giả đã trình bày đặc tính hỗn hợp bê tơng Geopolymer,
cách thiết kế một mẻ bê tông gepolymer, về các sản phẩm bê tơng đúc sẵn, sự đóng
góp của bê tơng Geopolymer đối với sự phát triển toàn cầu.
Mustafa Al Bakri và cộng sư [10] đã nghiên cứu về cường độ chịu nén và
đặc tính cấu trúc của Geopolymer sử dụng tro bay, cường độ của bê tông
Geopolymer phụ thuộc vào tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay và Na2SiO3/NaOH, sự
hòa tan SiO2 và Al2O3 trong q trình Geopolymer hóa, nhiệt độ dưỡng hộ khơng
nên q cao góp phần tạo cường độ cao cho bê tông Geopolymer.
Suresh.G.Patil và cộng sự [11] nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến

cường độ bê tơng Geopolymer. Ơng 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.

4


J.G.S Van Jaarsveld và cộng sự [12] bắt đầu nghiên cứu ảnh hưởng của thành
phần và nhiệt độ đến tính chất Geopolymer sản xuất từ tro bay và kaolinite. Những
đặc tính của Geopolymer ảnh hưởng bởi sự hịa tan khơng hồn tồn của những vật
liệu phức tạp trong q trình Geopolymer hóa, cụ thể là hàm lượng nước, tỷ lệ
tro/kaolinite, silicate được sử dụng, 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.
Peem Nuaklong và cộng sự [13] nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu tái chế
đến các đặc tính của bê tông Geopolymer. Kết quả nghiên cứu cho thấy cốt liệu bê
tơng tái chế có thể được sử dụng làm cốt liệu thô trong bê tông Geopolymer tro bay
nhiều canxi với cường độ nén trong 7 ngày là 30,6–38,4 MPa, thấp hơn một chút so
với bê tông Geopolymer tro bay hàm lượng canxi cao có chứa đá vơi nghiền.
Vanchai Sata và cộng sự [14] nghiên cứu tính chất của bê tông Geopolymer
thẩm thấu bằng cách sử dụng cốt liệu tái chế. Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ
nén, cường độ chịu kéo gián tiếp, tỷ lệ rỗng tổng và hệ số thấm nước của bê tông
Geopolymer đã được xác định. Kết quả chỉ ra rằng cả thành phần bê tông kết cấu
nghiền và gạch đất sét nghiền đều có thể được sử dụng làm cốt liệu thơ tái chế để tạo
bê tơng Geopolymer với các đặc tính chấp nhận được.
P. Saravanakumar [15] nghiên cứu về cường độ và độ bền trên bê tông
Geopolymer sử dụng cốt liệu tái chế. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khả năng làm
việc của bê tông Geopolymer giảm hơn so với bê tông đối chứng và mất hơn 24 giờ
để đông kết. Dựa trên đặc tính cơ lý của bê tơng Geopolymer sử dụng bê tông cốt
liệu tái chế thể hiện cường độ và độ bền tốt hơn so với bê tông cốt liệu tái chế thông

thường.
1.2.2 Những nghiên cứu trong nước
Ở Việt nam, từ những năm 2008 đã có khá nhiều đề tài khoa học nghiên cứu
và ứng dụng công nghệ này. Lần đầu tiên công nghệ Geopolymer được ứng dụng
chủ yếu là để tận dụng nguồn phế phẩm công nghiệp là tro bay của các nhà máy
nhiệt điện, tro bay được thiết kế trong thành phần của bê tông, được ứng dụng vào
công nghệ chế tạo các loại mặt đường cứng (đường ơ tơ, đường sân bay…). Ngồi
ra, cơng nghệ Geopolymer còn được sử dụng để làm ổn định, xử lý và tận dụng chất
5


thải boxite từ các quặng khai thác nhôm để chế tạo gạch khơng nung và làm đóng
rắn nền đường. Hiện nay, vật liệu được tổng hợp theo công nghệ Geopolymer đang
là đề tài được rất nhiều giáo viên và sinh viên ở các trường đại học nước ta quan tâm
và nghiên cứu, tạo nên nhiều sản phẩm hữu ích vừa có giá trị kinh tế vừa góp phần
bảo vệ mơi trường bền vững hơn.
Tống Tôn Kiên và cộng sự [16] 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, q trình hình
thành cấu trúc bê tơng Geopolymer, các đặc tính và cũng như ứng dụng của bê tơng
Geopolymer.
Đặng Quang huy và cộng sự [17] nghiên cứu khả năng ứng dụng bê tông sử
dụng cốt liệu từ bê tông phế thải để làm đường bê tông nông thôn. Kết quả nghiên
cứu cho thấy, nếu lượng cốt liệu tái chế thay thế cốt liệu tự nhiên ở mức dưới 30%
thì cường độ bê tông đạt được bị giảm đi nhưng không đáng kể với bê tông đối
chứng. Khi lượng cốt liệu tái chế tăng lên, cường độ của bê tông giảm rõ rệt tuy
nhiên vẫn có thể đáp ứng được yêu cầu cường độ của bê tông sử dụng làm đường
nông thôn.
Phan Đức Hùng, Lê Anh Tuấn [18] nghiên cứu của tỷ lệ phối trộn, kích cỡ
hạt và độ ẩm đến khả năng thay thế cốt liệu tự nhiên của phế thải xây dựng. Kết quả

nghiên cứu cho thấy cốt liệu tái chế nên được phối trộn với tỷ lệ là 80% cốt liệu lớn
và 20% cốt liệu nhỏ ứng với độ ẩm 10%, tuy nhiên bê tông thải và gạch thải nên sử
dụng Dmax tương ứng lần lượt là 20mm và 12.5mm.
Tống Tôn Kiên, Lê Trung Thành [19] nghiên cứu ảnh hưởng của xỉ lị cao
nghiền mịn đến tính chất của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế. Kết quả nghiên cứu
cho thấy, một trong những cách tận dụng cốt liệu tái chế ở hàm lượng cao torng chế
tạo bê tông là sử dụng kết hợp với 25% xỉ lị cao nghiền mịn, do có thể khắc phục
một phần các hạn chế về cường độ nén và độ hút nước mao quản, độ thấm ion clo
của bê tông sử dụng cốt liệu tái chế thay thế cốt liệu tự nhiên.
1.3 NHẬN XÉT VỀ ĐỀ TÀI
Các bài viết, bài báo và báo cáo nghiên cứu khoa học đã trình bày khá chi tiết

6


về vật liệu Geopolymer. Qua đó có thể hiểu rõ hơn về khái niệm Geopolymer, lịch
sử ra đời, quy trình tạo mẫu, lý thuyết thí nghiệm cũng như ưu – nhược điểm và tính
ứng dụng của loại vật liệu này.
Tuy nhiên, hiện vẫn chưa có đề tài nào trình bày rõ về công nghệ Geopolymer
sử dụng thêm cốt liệu tái chế từ bê tông xi măng và bê tông Geopolymer thay thế đá
tự nhiên để sản xuất ra bê tông Geopolymer.
1.4 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu tái chế đến cường
độ của bê tơng Geopolymer. Qua đó có thể đánh giá về tính ứng dụng vào các cơng
trình thực tế của sản phẩm này.
1.5 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Nghiên cứu sự thay đổi cường độ chịu kéo và chịu nén của bê tông xi măng
và bê tông geopolymer khi thay thế dần cốt liệu đá tự nhiên bằng cốt liệu tái chế từ
bê tông geopolymer và bê tông xi măng phế thải.
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu nén và chịu kéo gián tiếp của bê tông
Geopolymer khi cốt liệu tự nhiên được thay đổi bằng cốt liệu tái chế
1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC ĐỀ TÀI
Bổ sung và hoàn chỉnh thêm kiến thức và các hiểu biết về cơng nghệ bê tơng
Geopolymer. Bên cạnh đó cịn làm phong phú thêm các sản phẩm xây dựng sử dụng
công nghệ này. Kết quả nghiên cứu là các sản phẩm xây dựng có thể góp phần giảm
thiểu trữ lượng phế thải công nghiệp, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi
trường

7


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Q TRÌNH GEOPOLYMER HĨA
Bằng nghiên cứu của mình, Davidovits (1978) đã dùng thuật ngữ Geopolymer để
giới thiệu loại polymer mới được tổng hợp từ các khống 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 từ
sản 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 vơ định hình của Geopolymer cơ bản được tạo thành từ lưới cấu trúc của
những Alumino-Silico hay còn gọi là Poly-sialate. Sialate là viết tắt của Silic-OxyNhôm, 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 AlO4 được nối xen kẻ với nhau
bằng các nguyên tố Oxy. Những ion dương (Na+, K+, Li+ Ca2+, Ba2+, NH4+, H3O- ) phải
hiện diện trong các hốc của khung để cân bằng điện tích của Al3+ [20] và hình thành
monomer mới theo phương trình sau:
|

|

− Si − O − Al = O
|
|O|
|
− Si −
|

+ OH- Na+,H2O

Na+
O OH
− Si − O − Al
|
| OH
|O|
OH
|
− Si −
|

(2-1)

Hình 2.1: Cấu trúc vơ định hình của Geopolymer [20]
Q trình Geopolymer hóa liên quan đến hàng loạt phản ứng nhanh của ngun liệu
Si-Al trong mơi trường dung dịch hoạt hóa polymer. Kết quả tạo thành sản phẩm có cấu
trúc dạng chuỗi hay dạng vịng. Sản phẩm tổng hợp có cấu trúc từ vơ định hình đến bán
tinh thể được gọi là Geopolymer.
Những Geopolymer cơ bản dựa trên hệ aluminosilico. Các cầu nối Si-O-Al tạo bộ
khung không gian vững chắc bên trong cấu trúc. Dựa vào q trình hoạt hóa kiềm của

8


metakaolinite (SiO2O5Al2O2)n, Davidovits đã đề xuất toàn bộ các phản ứng hóa học
thơng qua ha phản ứng hóa học sau tuy cơ chế chính xác vẫn chưa rõ ràng.
Phản ứng hóa học của q trình Geopolymer có thể diễn ra theo 1 trong 2 phương
trình (2.2) hoặc (2.3) sau:

(2.
1)

Hình 2.2: Phản ứng hóa học của q trình Geopolymer [21,22]
Theo hai phản ứng trên, các vật liệu Si-Al hoạt tính phải trở thành nguồn ngun liệu
chính cho q trình Geopolymer hóa. Cơ chế đóng rắn của Geopolymer bao gồm sự hịa
tan, biến đổi và định hướng. Muối kim loại kiềm hay hidroxit kiềm là cần thiết cho q
trình hịa tan oxit silic và nhôm cũng như xúc tác cho phản ứng trùng ngưng.
Q trình Geopolymer hóa bắt đầu với sự hịa 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
gopolymer.
Theo D.Hardjito (2005) [23], q 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 thơng qua các phản ứng trùng ngưng polymer để tạo thành
các cấu trúc polymer vô cơ.

9

Hình 2.3: Sơ đồ mơ phỏng sự hoạt hóa vật liệu alumosilicate [24]
Cơ chế động học phản ứng giải thích q trình đơng kết và rắn chắc của chất kết dính
kiềm hoạt hóa vẫn là một bí ẩn, mặc dù người ta cho rằng nó sẽ phụ thuộc vào vật liệu
ban đầu và chất kiềm hoạt. Theo Glukhovshy [24], cơ chế q trình kiềm hoạt hóa 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 dạng 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, tiếp theo ở giai đoạn thứ 3 là q trình hình thành cấu trúc đơng đặc.
Ơng cho rằng dung dịch kiềm có thể được sử dụng để phản ứng với silic và nhơm
trong nguồn vật liệu khống 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 nên nên Ơng gọi là Geopolymer. Thơng số quyết định đến tính chất và dạng sử dụng
của một loại Geopolymer là tỷ lệ Si/Al. Với vật liệu xây dựng Si/Al khoảng xấp xỉ 2.

10


2.2 Cơ sở hóa học của cơng nghệ Geopolymer sử dụng tro bay
Trong công nghệ geopolymer sử dụng tro bay thì tốc độ phản ứng cũng như các
vi cấu trúc và thành phần hóa học của các sản phẩm phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu
tố. Điển hình như sự phân bố kích thước hạt và thành phần khống của tro bay, dung
dịch kích hoạt và thời gian hằng nhiệt, v.v…

b)
a)
(b
(a
) hạt của tro bay [25]

Hình 2.4 )Hình ảnh SEM các trạng thái vi

c)
(c
)

(a) Tro bay ban đầu
(b) Tro bay được kích hoạt với NaOH
(c) Tro bay được kích hoạt với Na2SiO3
Hình ảnh vi cấu trúc của tro bay được thể hiện rõ ràng qua phương pháp SEM
(Scanning Electron Microscope). (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 rỗng và có thể chứa những hạt nhỏ hơn trong nó. (Hình 2.4b) và (Hình 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, ta thấy kết quả của phản ứng là một loại gel gốc Natri-Silicat mới hình
thành qua q trình đóng rắn các hạt tro bay và dung dịch kiềm. Tuy nhiên phản ứng
khơng xảy ra hồn tồn nhanh chóng, vẫn cịn một số thành phần tro bay phản ứng rất
chậm.

11


Hình 2.5 Mơ hình miêu tả kích hoạt kiềm tro bay (Fernandez Jimanez et al.2005) [26]
Hình 2.5 là mơ 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 phản
ứng 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 ngồi vào trong và ngược lại (hình 2.5b). Phản
ứng tiếp tục xảy ra cho đến khi hạt tro bay được kiềm hóa hồn tồn (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 độ dung
dịch tại từng vị trí.
2.3 ĐẶC TÍNH BÊ TƠNG GEOPOLYMER
Bê tơng Geopolymer là bê tơng sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa (chất kết
dính Geopolymer). Trong q trình chế tạo, nước chỉ đóng vai trị 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 q trình bảo dưỡng và sấy (khơng 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 vơi thấp sẽ tạo cường độ cao, co khơ ít, từ biến thấp, chịu ăn mịn

12


sunphat, chịu axit tốt và có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng cơ sở hạ tầng.
Về khả năng chịu lực, Bê tơng Geopolymer sử dụng tro bay có thể cho cường
độ cao sau vài giờ phản ứng kiềm (60-70 Mpa sau 24h).
Về tính bền, bê tơng Geopolymer được cho là có tính chất chịu hóa học, chịu
nhiệt tốt cả trong điều kiền môi trường thường và khắc nghiệt. Trường đại học Curtin
đã khảo sát độ bền cống hộp đúc sẵn từ bê tơng Geopolymer chịu tác động ăn mịn cực
mạnh của môi trường khô ẩm của đất lẫn nhiều muối sunphat . Kết luận đưa ra là bê
tông Geopolymer có khả năng chịu ăn mịn hóa học cực tốt và tốt nhất là khả năng
chịu axit.
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 tơng xi măng sunphat. Tuy nhiên nhìn chung
Geopolymer chế tạo từ Mê ta cao lanh cần nhiều nước (làm tăng lỗ rỗng) và quá mềm
cho nhiều ứng dụng xây dựng thực tế. Dường như rất ít nghiên cứu sử dụng bê tơng
Geopolymer với cốt sợi.
2.4 GIỚI THIỆU VÀ LỢI ÍCH CỦA CỐT LIỆU TÁI CHẾ
2.4.1 Giới thiệu về cốt liệu tái chế
Trước đây, vòng đời của chất thải xây dựng từ các cơng trình bị phá hủy sẽ kết

thúc ở các bãi chôn lấp, chiếm rất nhiều không gian như những loại vật liệu không phân
hủy sinh học. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các chuyên gia đã nghiên cứu rằng
việc sử dụng bê tơng thực sự có lợi ích cho tất cả mọi người và môi trường. Cốt liệu bê
tơng tái chế là vật liệu có giá trị sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau đã được nhiều
quốc gia phát triển trên thế giới như Mỹ, Singapore, Pháp, Đức áp dụng một cách hiệu
quả.
Cốt liệu bê tông tái chế được sử dụng theo quy trình khác với bê tông mới bởi bê
tông tái chế được sàng lọc cẩn thận để loại bỏ các mảnh kim loại, sắt thép hay các mảnh
vật liệu vỡ khác có thể ảnh hưởng đến tính tồn vẹn của vật liệu. Bê tơng tái chế sau đó
được nghiền nhỏ với kích thước tùy thuộc vào nhu cầu cụ thể của từng dự án.

13


2.4.2 Lợi ích của việc sử dụng cốt liệu tái chế
Sử dụng cốt liệu bê tông tái chế (RCA) mang lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế và
mơi trường như sau:
+ Tiết kiệm được một khoản chi phí lớn khi sử dụng RCA, do đó các nhà xây
dựng có thể dành nhiều chi phí hơn cho vật liệu trang trí bề mặt.
+ Thân thiện với mơi trường sinh thái, đây là lợi thế quan trọng nhất của vật liệu
xanh này. Q trình khai thác đá, sau đó nghiền nhỏ đòi hỏi phải sử dụng các nguồn tài
nguyên thiên nhiên và chế biến cơ khí. Việc tái chế bê tơng sẽ tạo ra vòng đời mới cho
cốt liệu đòi hỏi chế biến rất ít nên ngun liệu tự nhiên khơng bị ảnh hưởng. Thêm vào
đó việc xử lý bê tơng tái chế chiếm ít khơng gian hơn việc để bê tơng phân hủy ở bãi
chơn lấp.
+ Có tính linh hoạt cao, có thể được sử dụng với nhiều chức năng khác nhau phù
hợp với các ứng dụng trong xây dựng như các dự án cảnh quan hay cải tạo nhà ở.

14