(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu vai trò của Cation kiềm đến cường độ của vữa Geopolymer

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 04 tháng 04 năm 2018
Nguyễn Tiền Ngân

v


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn thạc sĩ này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều từ
bạn bè và quý Thầy trong Khoa xây dựng - Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
TPHCM đã giảng dạy. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy Phan Đức Hùng đã tận
tình hướng dẫn, cung cấp các thơng tin nghiên cứu cần thiết và chỉ bảo tôi trong thời
gian tôi thực hiện luận văn thạc sĩ.
Tôi chân thành biết ơn gia đình cùng bạn bè đã động viên và giúp đỡ tôi
trong suốt thời gian tôi thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 04 năm 2018
Nguyễn Tiền Ngân

vi


TĨM TẮT
Tìm hiểu ưu - nhược điểm của các loại cation kiềm hiện nay. So sánh
để lựa chọn ra những cation kiềm sử dụng rộng rãi rong thực tế và phù hợp
cho việc kết hợp với thủy tinh lỏng để tạo ra dung dịch alkaline. Sau đó kết

hợp với tro bay để tạo thành chất kết dính Geopolymer.
Nghiên cứu các kết quả khoa học đi trước có sẵn ở trong nước và trên
thế giới, cùng với việc sử dụng phương pháp thực nghiệm nhiều lần để có
được cấp phối tối ưu tạo thuận lợi cho việc nghiên cứu.
Thay đổi nồng độ mol của dung dịch cation kiềm, tỉ lệ thủy tinh lỏng
trên dung dịch ankaline để đổ mẫu và thay đổi thời gian khi dưỡng hộ. Lấy
kết quả nén mẫu để so sánh cường độ giữa các cation kiềm, từ đó nhận xét vai
trị của cation kiềm đến cường độ vữa geopolymer.

vii


DANH MỤC HÌNH
Hn

Khói bụi tại nhà máy sản xuất xi măng Cẩm Phả ...................................... 2

Hn

Khói bụi tại nhà máy sản xuất xi măng Kiên Lương ................................. 2

Hn

Mẫu vữa geopolymer trong dung dich axit sulphuaric 45 ngày ................ 3

H n 1.4: Mẫu vữa geopolymer trong dung dich mangesium sulphate 45 ngày ....... 3
Hn

Thành phần vật liệu chế tạo vữa hay bê tông geopolymer ........................ 4

Hn

Các dạng biến đổi tinh thể geopolymer .................................................... 5

Hn

Natri hydroxyt dạng vảy ........................................................................... 9

Hình 2.1: Tro bay loại C và loại F (nguồn internet) ................................................ 12
Hn

2: Thủy tinh lỏng ......................................................................................... 13

H n 2.3: Qúa trình Geopolymer hóa ....................................................................... 16
Hình 2.4: Hình ảnh SEM ......................................................................................... 17
Hn

.5: Cấu trúc vi mơ của Geopolymer .............................................................. 18

Hình 2.6: Cấu trúc vi mơ của Geopolymer dưới kính hiển vi (Ubolluk Rattanasak,
2009).......................................................................................................................... 19
H n 2.7: Nguyên vật liệu sử dụng đúc mẫu ............................................................ 22
Hn

Tro bay sử dụng trong thí nghiệm ............................................................ 25

Hn

Dung dịch Ankaline ................................................................................. 26

H nh 3.3: KOH dạng khang...................................................................................... 27
Hn

Cốt liệu nhỏ .............................................................................................. 28

H n 3.5: Nguyên vật liệu sử dụng đúc mẫu ............................................................ 30
H n 3.6: Nhào trộn và đúc mẫu .............................................................................. 31
Hình 3.7: Lị sấy mẫu ............................................................................................... 31
H n 3.8: Thí nghiệm nén mẫu................................................................................. 32
Hình 3.9: Quy trình thí nghiệm ............................................................................... 33

viii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Thành phần hóa của tro bay ..................................................................... 26
Bảng 3.2: Thành phần hạt của cát ............................................................................ 27
Bảng 3.3: Cấp phối vữa Geopolymer (1m3) ............................................................. 29
Bảng 4.1: Kết quả thí nghiệm nén cấp phối mẫu vữa Geopolymer (Mpa) .............. 34
Bảng 4.2: Kết quả trung bình thí nghiệm nén cấp phối tổ mẫu vữa Geopolymer
(Mpa) ......................................................................................................................... 36
Bảng 4.3: So sánh cường độ giữa các Cation kiềm .................................................. 48

ix


DANH MỤC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 2.1: Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch ankali/tro bay và nhiệt độ dưỡng hộ đến
cường độ chịu nén của vữa geopolymer ................................................................... 20
Biểu đồ 2.2: Ảnh hưởng tỷ lệ Na2SiO3/NaOH và nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ

chịu nén của vữa geopolymer ................................................................................... 21
Biểu đồ 2.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian dưỡng hộ nhiệt ......................... 23
Biểu đồ 4.1: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 8h và tỉ lệ TTL/ dd
ankaline = 0,6 ............................................................................................................ 37
Biểu đồ 4.2: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 8h và tỉ lệ TTL/ dd
ankaline = 0,67 .......................................................................................................... 38
Biểu đồ 4.3: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 8h và tỉ lệ TTL/ dd
ankaline =0,71 ........................................................................................................... 38
Biểu đồ 4.4: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 10h và tỉ lệ TTL/ dd
ankaline = 0,6 ............................................................................................................ 39
Biểu đồ 4.5: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 10h và tỉ lệ TL/ dd
ankaline = 0,67 .......................................................................................................... 39
Biểu đồ 4.6: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 10h và tỉ lệ TTL/ dd
ankaline = 0,71 ......................................................................................................... 40
Biểu đồ 4.7: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 8h và sử dụng
cation kiềm có nồng độ 10M .................................................................................... 41
Biểu đồ 4.8: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 8h và sử dụng
cation kiềm có nồng độ 12M .................................................................................... 41
Biểu đồ 4.9: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 8h và sử dụng
cation kiềm có nồng độ 14M ................................................................................... 42
Biểu đồ 4.10: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 8h và sử dụng
cation kiềm có nồng độ 16M .................................................................................... 42

x


Biểu đồ 4.11: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 10h và sử dụng
cation kiềm có nồng độ 10M .................................................................................... 43
Biểu đồ 4.12: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 10h và sử dụng
cation kiềm có nồng độ 12M .................................................................................. . 43

Biểu đồ 4.13: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 10h và sử dụng
cation kiềm có nồng độ 14M .................................................................................. . 44
Biểu đồ 4.14: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 10h và sử dụng
cation kiềm có nồng độ 16M ..................................................................................... 44
Biểu đồ 4.15: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 8h và 10h với tỉ lệ
TTL/dd ankaline (NaOH) = 0,6 ............................................................................... 45
Biểu đồ 4.16: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 8h và 10h với tỉ lệ
TTL/dd ankaline (NaOH) = 0,67 ............................................................................. 46
Biểu đồ 4.17: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 8h và 10h với tỉ lệ
TTL/dd ankaline (NaOH) = 0,71 ............................................................................ 46
Biểu đồ 4.18: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 8h và 10h với tỉ lệ
TTL/dd ankaline (KOH) = 0,6 .................................................................................. 47
Biểu đồ 4.19: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 8h và 10h với tỉ lệ
TTL/dd ankaline (KOH) = 0,67 ................................................................................ 47
Biểu đồ 4.20: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ở thời gian dưỡng hộ 8h và 10h với tỉ lệ
TTL/dd ankaline (KOH) = 0,71 ............................................................................... 48

xi


MỤC LỤC
Quyết định giao đề tài ...................................................................................... i
Xác nhận của giáo viên hướng dẫn ................................................................ ii
Lý lịch khoa học ............................................................................................. iii
Lời cam đoan ................................................................................................... v
Lời cảm ơn ...................................................................................................... vi
Tóm tắt ...........................................................................................................vii
Danh mục hình ............................................................................................. viii
Danh mục bảng................................................................................................ ix
Danh mục biểu đồ ..................................................................................... x - xi

CHƢƠNG

TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU.................. 1

1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu ............................................................. 1
1.2 Tình hình nghiên cứu của đề tài ................................................................ 4
1.2.1 Khái niệm về Geopolymer ............................................................... 4
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước .................................................... 5
1.2.3 Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................... 7
1.2.4 Nhận xét các đề tài đã nghiên cứu ................................................... 8
1.2.5 Vị trí của đề tài đang nghiên cứu ..................................................... 8
1.3 Mục tiêu đề tài ........................................................................................... 8
1.4 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu ..................................... 8
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu ...................................................................... 8
1.4.2 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài ............................. 10
1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................ 10
CHƢƠNG

CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................... 11

xii


2.1 Giới thiệu và phân loại tro bay ................................................................ 11
2.1.1 Giới thiệu tro bay ............................................................................ 11
2.1.2 Phân loại tro bay ............................................................................. 12
2.2 Công nghệ Geopolymer .......................................................................... 13
2.2.1 Thủy tinh lỏng ............................................................................... 13
2.2.2 Q trình Geopolymer hóa ............................................................ 14
2.2.3 Cấu trúc vi mô của Geopolymer từ tro bay .................................. 16

2.3 Vật liệu Geopolymer .............................................................................. 19
2.3.1 Xác định cấp phối vữa Geopolymer từ tro bay ............................. 19
2.3.2 Chế tạo vữa Geopolymer từ tro bay ............................................. 21
2.3.3 Dưỡng hộ nhiệt vữa Geopolymer từ tro bay ................................. 22
CHƢƠNG

NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 25

3.1 Nguyên liệu sử dụng .............................................................................. 25
3.1.1 Tro bay ........................................................................................... 25
3.1.2 Dung dịch hoạt hóa ....................................................................... 26
3.1.3 Cốt liệu nhỏ ................................................................................... 27
3.1.4 Nước .............................................................................................. 28
3.2 Phương pháp thí nghiệm cấp phối mẫu vữa ............................................ 28
3.2.1 Tính tốn lựa chọn cấp phối .......................................................... 28
3.2.2 Quy trình thí nghiệm mẫu .............................................................. 29
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................. 34
4.1 Kết quả thí nghiệm ................................................................................... 34
4.2 Phân tích số liệu ....................................................................................... 36
4.2.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ thủy tinh lỏng/dd ankaline đến cường độ chịu
nén của mẫu ............................................................................................................... 36
4.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch ankaline đến cường độ chịu nén
của mẫu ................................................................................................................... 40
4.2.3 Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ đến cường độ chịu nén của mẫu.. 45
4.3 So sánh về cường độ chịu nén và giá trị kinh tế của các cation kiềm ..... 48

xiii


4.3.1 Về cường độ chịu nén .................................................................... 48

4.3.2 Về giá trị kinh tế ............................................................................ 50
CHƢƠNG

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............ 51

5.1 Kết luận .................................................................................................... 51
5.2 Một số vấn đề tồn tại ................................................................................ 51
5.3 Hướng phát triển đề tài ............................................................................. 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 52 - 54

xiv


CHƢƠNG

TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu
Ơ nhiễm mơi trường do rác thải, khí thải và hiện tượng trái đất nóng dần là
hệ quả của hiệu ứng nhà kính đã và đang là vấn đề cấp thiết được toàn xã hội quan
tâm. Một trong những nguyên nhân đóng góp một lượng lớn khí CO2 vào bầu khí
quyển là ngành cơng nghiệp sản xuất xi măng truyền thống. Việc sản xuất 1 tấn xi
măng Portland đồng nghĩa với việc thải ra 1 tấn khí CO2, trong đó khoảng 0,55 tấn
là do phản ứng phân hủy đá vôi và 0,4 tấn là do quá trình đốt cháy nhiên liệu (Roy,
1999).
Bên cạnh đó, việc sử dụng lượng lớn than trong các nhà máy nhiệt điện trên
thế giới hiện nay tạo ra một nguồn tro bay khá lớn. Riêng ở Việt Nam theo thống kê
cho thấy, tổng công suất các nhà máy nhiệt điện đốt than trong nước hiện nay
khoảng 4800MW, sản lượng tro xỉ thải là 4,8 triệu tấn/năm; nếu thải vào môi trường
sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và môi trường sống của con người.
Vì lý do đó, một số nước đã khuyến khích phát triển một loại chất kết dính

mới có thể thay thế xi măng portland truyền thống, đó là xi măng polymer hay cịn
gọi là chất kết dính geopolymer hoặc chất kết dính kiềm hoạt hóa. Hay nói cách
khác như: thông qua việc sử dụng tro bay để chế tạo vữa geopolymer góp phần làm
giảm chi phí xử lý. Do tro bay có chứa nhiều thành phần oxit nhơm và oxit silic vơ
định hình nên ta chọn geopolymer gốc tro bay chế tạo ra vật liệu vữa geopolymer để
nghiên cứu các đặc tính của nó.
Trong q trình sử dụng có sự tác động xâm thực của mơi trường đã làm suy
giảm khả năng bảo vệ hay chịu lực các kết cấu cơng trình. Các vết nứt xuất hiện với
bề rộng và mật độ lớn hơn giới hạn cho phép. Diện tích bề mặt cấu kiện bị ăn mịn,
mất khả năng bảo vệ các kết cấu bên trong dẫn đến trường hợp phá hoại. Bên cạnh
đó, do các tác động phụ thuộc thời gian như từ biến, co ngót, mỏi,.. dẫn đến kết cấu

1


cũng bị suy giảm trong quá trình làm việc. Trong khi đó, vữa geopolymer lại bền
hơn trong mơi trường xâm thực đặc biệt trong môi trường axit và sulfat (Shankar H.
Sanni, 2012).

n

n

Khói bụi tại nhà máy sản xuất xi măng Cẩm Phả

Khói bụi tại nhà máy sản xuất xi măng Kiên Lương

2

n

3: Mẫu vữa geopolymer trong dung dich axit sulphuaric 45 ngày

n 1.4: Mẫu vữa geopolymer trong dung dich angesium sulphate 45 ngày

Ngoài ra so với vữa xi măng Portland, vữa geopolymer cịn có các ưu điểm
như đạt cường độ sớm, có khả năng chống ăn mịn, chịu lửa và chịu nhiệt
cao,…Việc tận dụng nguồn tro bay để chế tạo vữa geopolymer nói chung nhằm
khắc phục những tồn tại, khiếm khuyết của vữa thơng thường hiện nay.
Với những tính chất, ứng dụng thực tiễn cũng như giải quyết được nhiều vấn
đề cấp thiết hiện nay như đã nêu ở trên. Bên cạnh đó sử dụng vữa geopolymer chủ
yếu để sản xuất các cấu kiện nhỏ - nhẹ mang tính chất thẩm mỹ dùng cho trang trí
nội – ngoại thất như: hoa văn, họa tiết… Nên việc sử dụng vữa geopolymer cần

3


được quan tâm và chú ý nhiều hơn. Tuy nhiên trong thực tế dung dịch hoạt hóa có
thể sử dụng các thành phần cation kiềm khác nhau với nhiều mục đích nghiên cứu
khác nhau. Do đó, để có thể đưa ra so sánh các ưu – nhược điểm về cường độ của
vữa geopolymer thì đề tài “ng iên cứu vai trò của CATION kiềm đến cường độ
của vữa geopolymer” đã được lựa chọn.
1.2 Tình hình nghiên cứu của đề tài
1.2.1 Khái niệm về Geopolymer
Geopolymer là loại vật liệu mới mà bản chất cơ bản của nó là một polymer
vơ cơ, đã được các tác giả trên thế giới nghiên cứu từ những năm cuối của thế kỷ
XX. Một trong những tác giả đã nghiên cứu và chế tạo thành công vật liệu mới này
là Joseph Davidovit, một nhà hóa học người Pháp.

nh 1.5: Thành phần vật liệu chế tạo vữa hay bê tông geopolymer

Joseph Davidovits (1972) đã chế tạo thành cơng chủng loại vật liệu này theo
một quy trình tổng hợp polymer từ các khoáng chất. Bằng cách trộn đất sét vào
dung dịch alkali silicates có nồng độ kiềm cao, Joseph Davidovits có được một hợp
chất ở dạng gel và được gọi là Geopolymer.

4


n 1.6: Các dạng biến đổi tinh thể geopolymer (internet)

Sự tạo thành cấu trúc cường độ sau quá trình gia nhiệt thích hợp sẽ giúp cho
vật liệu có tính chất cơ học như bê tông và vữa xi măng. Khi vật liệu geopolymer
chịu tác dụng của nhiệt độ, bên trong vật liệu diễn ra sự thay đổi pha bao gồm sự
phát triển tinh thể, sự khử nước và phân hủy vữa geopolymer. Q trình thay đổi có
ảnh hưởng đến tính chất cường độ của vật liệu geopolymer.
Theo Joseph Davidovits "Bất kỳ một nguyên vật liệu nào trong đó có chứa
dioxide silic và oxide nhơm đều có thể sử dụng để tạo ra vật liệu geopolymer".
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc
Ngành Công nghệ vật liệu Geopolymer ra đời từ những năm 1960, nhưng
được quan tâm và nghiên cứu nhiều hơn từ những năm 1972 đến nay. Hiện tại, đã
có rất nhiều bằng sáng chế, nghiên cứu và ứng dụng geopolymer vào các ngành
công nghệ vật liệu hiện đại (vật liệu cách nhiệt, vật liệu chống cháy, chất kết dính
vơ cơ, công nghệ xử lý chất thải…) được giới thiệu và ứng dụng trên thế giới.
Trước đó, tác giả Purdon (1940) đã nghiên cứu bằng cách sử dụng xỉ lò cao
được kích hoạt dung dịch hyroxit natri. Theo ơng q trình phát triển cấu trúc gồm

5

2 bước: trước tiên xảy ra q trình giải phóng các hợp nhất nhơm – silic và hydroxit
canxi. Sau đó xảy ra sự hydrat hóa nhơm và silic đồng thời tái tạo dung dịch kiềm.
Cấu trúc hóa học của geopolymer tương tự như vật liệu ziotit trong tự nhiên
nhưng cấu trúc ở dạng vơ định hình thay vì dạng tinh thể (Polano, 1999).
Palomo, Grutzeck và Blanco (1999), khi nghiên cứu về ảnh hưởng của điều
kiện dưỡng hộ và tỷ lệ dung dịch alkali/tro bay đến cường độ cho thấy cả thời gian
và nhiệt độ dưỡng hộ đều ảnh hưởng đến cường độ bê tông. Sự kết hợp giữa thủy
tinh lỏng và dung dịch NaOH tạo nên cường độ đến 60MPa khi dưỡng hộ ở nhiệt độ
850C với thời gian 5 giờ.
Van Jaarsveld (2002), khi nghiên cứu về các đặc tính của geopolymer do ảnh
hưởng của sự hịa tan khơng hồn tồn giữa các vật liệu trong q trình geopolymer
hóa cho rằng hàm lượng nước, thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ ảnh hưởng đến đặc
tính của geopolymer.
Một nghiên cứu khác về vật liệu geopolymer (High – Akali – Poly) đã cho
thấy ứng dựng trong nhiều ngành kỹ thuật như: Hàng không, xây dựng, công nghiệp
chất dẻo. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng chất kết dính mới này đóng rắn nhanh với
nhiệt độ phịng, cường độ chịu nén có thể đạt tới 20 MPa sau 4 giờ ở nhiệt độ 2000C
và có thể đạt từ 70 đến 100 MPa sau khi bảo dưỡng 28 ngày (Davidovits, 1994).
John L.Provis và Jannie S. J. van Deventer (2014), xuất bản ấn phẩm cấu
trúc, cơng nghệ, đặc tính và ứng dụng của Geopolymer với nội dung xoay quanh
cấu trúc tinh thể vữa geopolymer, từ đó đánh giá được đặc tính cũng như ứng dụng
loạt vật liệu này trong đời sống, sản xuất công nghiệp.
Chất kết dính Geopolymer hay cịn gọi là chất kết dính kiềm hoạt hóa đã
được Joseph Davidovits nghiên cứu ứng dụng.

6


1.2.3 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc

Hiện nay, cơng nghệ kết dính Geopolymer đã và 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.
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 ổn định, xử lý và tận dụng chất thải
boxite từ các quặng khai thác nhôm để chế tạo gạch khơng nung và đóng rắn nền
đường (Phạm Huy Khang, 2015).
Nguyễn Văn Chánh (12-2013) đã nghiên cứu cơ chế phá hủy cấu trúc bê
tông trong môi trường xâm thực muối Sunfat.
Tống Tơn Kiên (3-2014), 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 (GPC), các đặc tính và ứng dụng của GPC.
Vũ Huyền Trân (12-2010), đã giới thiệu về quy trình chế tạo của loại vật liệu
tổng hợp từ bùn đỏ và tro bay, đồng thời ngiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tính
chất của loại vật liệu này trên cơ sở Geopolymer hóa tro bay và bùn đỏ.
Nguyễn Văn Hoan (2012), nghiên cứu sản xuất vật liệu khơng nung từ phế
thải tro bay và sỉ lị cao trên cơ sở chất kết dính Geopolymer.
Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn (2015), đã giới thiệu sự ảnh hưởng của
thành phần hoạt hóa đến cường độ chịu uốn và chịu kéo gián tiếp của bê tông
geopolymer.

7


1.2.4 Nhận xét các đề tài đã ng iên cứu.

Các bài viết, bài báo và báo cáo nghiên cứu khoa học đã trình bày khá chi tiết
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, để có thể ứng dụng nhiệu hơn nữa vào cuộc sống thì cần có thêm
nhiều nghiên cứu về đặc tính - tính chất của vật liệu geopolymer, trong đó có vật
liệu vữa geopolymer.
1.2.5 Vị trí của đề tài đang ng iên cứu.
Đề tài “nghiên cứu vai trò của cation kiềm đến cƣờng độ của vữa
geopolymer” đã và đang tiếp nối quá trình nghiên cứu về công nghệ Geopolymer
để tạo ra các loại sản phẩm xây dựng có tính kinh tế và thân thiện với mơi trường.
Qua đó có thể đánh giá về tính ứng dụng vào các cơng trình thực tế của sản phẩm
này tại địa phương.
1.3 Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu cường độ chịu nén của vữa geopolymer khi sử dụng dung dịch
hoạt hóa có cation kiềm khác nhau, tỉ lệ thủy tinh lỏng trên dung dịch alkaline khác
nhau, nồng độ Mol của cation kiềm khác nhau và với thời gian gia nhiệt khác nhau.
Với mục đích chỉ rõ được vai trị của cation kiềm đến cường độ của vữa
geopolymer.
Đối tƣợng, phạm vi và p ƣơng p áp nghiên cứu.
1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu
Dung dịch hoạt hóa alkaline là sự kết hợp giữa thủy tinh lỏng Sodium
Silicate (Na2SiO3) và dung dịch cation kiềm. Dung dịch cation kiềm gồm nhiều loại,
chủ yếu thường gặp là: LiOH, KOH, Ba(OH)2, Ca(OH)2, NaOH, Mg(OH)2....
Trong đó:

8


* Hydroxit liti (LiOH) là hiđroxit kiềm có tính ăn mòn cao. Là chất rắn kết

tinh màu trắng, ưa ẩm. Hòa tan trong nước và hòa tan nhẹ trong etanol.
* Bari Hydroxit Ba(OH)2 chủ yếu được sử dụng làm chất phụ gia cho dầu bôi
trơn của động cơ đốt trong, Ba(OH)2 là nguyên liệu nhựa và tơ nhân tạo hòan tồn
có thể được sử dụng như nhựa ổn định PVC.
* Canxi Hydroxit Ca(OH)2 ăn mịn bê tơng cốt thép dạng hịa tan, ăn mịn do
tác dụng với axit có gốc sunfat gây ra ứng suất nội làm cho cấu trúc bê tông bị phá
hủy. (Khương Văn Huân, Lê Minh - 2017). Bên cạnh đó Ca(OH)2 gây nên hiện
tượng trắng mặt bê tơng (Nguyễn Quang Phích và cộng sự - 4/2013).

n 1.7: Natri hydroxyt dạng vảy.

* Kali hydroxit (KOH) là một kiềm mạnh có tính ăn mịn, tên thơng dụng là
potash ăn da. Là chất rắn kết tinh màu trắng, ưa ẩm và dễ hòa tan trong nước. Phần
lớn các ứng dụng của chất này do độ phản ứng của nó đối với axit và tính ăn mịn.
* Natri hydroxit (NaOH) có tính chất tương tự như KOH.
Do các đặc điểm và tính chất của từng loại cation kiềm như đã nêu trên, sinh
viên chọn 2 cation kiềm có tính thơng dụng và ít ăn mịn là: NaOH, KOH làm vật
liệu trong dung dịch hoạt hóa alkaline tạo vữa geopolymer để sử dụng trong đề tài
nghiên cứu.

9


1.4.2 Phạm vi và p ƣơng p áp nghiên cứu của đề tài.
Xác định thành phần cấp phối tối ưu để kiểm tra cường độ chịu nén của vữa
Geopolymer khi sử dụng các dung dịch hoạt hóa có hàm lượng; thời gian dưỡng hộ
khác nhau; nồng độ Mol và thành phần khác nhau như: NaOH, KOH.
Nghiên cứu lý thuyết về cơng nghệ Geopolymer trong và ngồi nước kết hợp
với thực nghiệm kiểm chứng. Nhằm so sánh cường độ chịu nén của các loại cấp
phối trên để làm căn cứ nhận xét, đánh giá các kết quả đã thực nghiệm.

1.5 Ý ng ĩa k oa ọc và thực tiễn của đề tài.
Làm phong phú thêm các kết quả về đặc điểm, tính chất và sự ảnh hưởng của
cation kiềm đến cường độ của vữa Geopolymer. Bên cạnh đó làm tiền đề cho việc
đưa vữa Geopolymer vào sử dụng trong thực tiễn sắp tới.
Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng trong công tác thiết kế và sản xuất các
thành phần cốt liệu phục vụ trong các lĩnh vực khác nhau. Các kết quả nghiên cứu
cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các đơn vị tư vấn xây dựng, cho các nhà
quản lý và làm tài liệu nghiên cứu giảng dạy.

10


CHƢƠNG

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chất kết dính Geopolymer được tổng hợp từ các vật liệu giàu Si (tro bay, sỉ
lò cao, tro trấu) và dung dịch Alkaline Silicate (hỗn hợp dung dịch kiềm và thủy
tinh lỏng). Trong đó, tro bay là vật liệu chủ yếu được nghiên cứu nhằm tận dụng
phế phẩm thải ra từ các nhà máy nhiệt điện tại Viêt Nam hiện nay.
Giới t iệu và p ân loại tro bay
2.1.1 Giới t iệu tro bay
Theo Hội KH&KT Xây dựng TP. HCM, tro bay là loại phụ gia khoáng, hoạt
tính nhân tạo, là các sản phẩm phụ hoặc phế thải thu được trong các q trình sản
xuất cơng nghiệp, bao gồm silicafum, tro xỉ nhiệt điện, xỉ hạt lò cao… Trước đây
tro bay chỉ được coi là rác thải, tuy nhiên khi con người đã nghiên cứu ứng dụng
trong thực tế và thấy được lợi ích nên xem như nguồn thu tiềm năng. Chất lượng
của tro bay phụ thuộc nhiều vào chất lượng than và công nghệ đốt than: đốt than
phun; đốt than tầng sơi tuần hồn; đốt than tầng sơi áp lực và cơng nghệ khí hóa
than. Do đó, kích thước và chất lượng tro bay sẽ có khác nhau, cấp phối bê tông sử
dụng tro bay từ các nguồn cung cấp cũng khác nhau, nên cần có sự điều chỉnh để

đạt được chất lượng tốt nhất.
Tính chất vật lý: Tro bay là những tinh cầu tròn, siêu mịn, độ lọt sàn từ 0,05
– 50 nanomet (1 nanomet = 1x10-9m) tỉ diện 300 – 600m2/kg.
Thành phần hóa học của tro bay bao gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 (thành phần
chủ yếu chiếm tối thiểu 50-70%, ví dụ tro bay Phả Lại chiếm tỷ lệ lên tới 84%) và
Cao, MgO, Na2O, K2O, TiO2, Mn2O3, SO3, LOI.
Dùng tro bay làm phụ gia sẽ làm tăng cường độ của vữa; làm tăng độ nhớt và
giúp vữa chui vào các khe lỗ dễ dàng.

11


Tro bay làm phụ gia sản xuất xi măng bền sulfat cho xây dựng cơng trình ở
các vùng nước lợ, nước mặn, cơng trình biển đảo.
Sử dung làm ngun liệu trong sản xuất xi măng (ví dụ trong bay Phả Lại
dùng trong sản xuất xi măng Hoàng Thạch với tỷ lệ trộn 14%, Sông Gianh 18%).
Tro bay cũng được ứng dụng trong xây dựng cơng trình giao thơng, thủy lợi, dân
dụng… và phụ gia khống để sản xuất bê tơng đầm lăn.
2.1.2 P ân loại tro bay

Hình 2.1: Tro bay loại C và loại F

Theo tiêu chuẩn ASTM C618, tro bay được phân thành hai loại sau:
Tro bay loại F: là tro bay được sinh ra từ than anthracite hay bitum, hàm
lượng canxi oxit (CaO ) trong thành phần hóa ít hơn 6%, là loại tro ít canxi, có tính
chất của puzzolan và khơng có khả năng tự đóng rắn. Mặt khác tro bay loại F có
lượng carbon chưa cháy hơn 2% tính theo lượng mất khi nung. Thành phần khống
chủ yếu có quartz, mullite và hematite.
Tro bay loại C: thường chứa hơn 15% canxi oxit (CaO) hay còn gọi là tro
bay giàu canxi. Nó được sử dụng trong cơng nghiệp bê tông khoảng 20 năm trở lại

đây. Tro bay loại này khơng chỉ có tính puzzolan mà cịn có khả năng tự đóng rắn.
Khi trộn nước tro bay sẽ phản ứng tương tự như trong xi măng Portland. Mức độ tự

12


đóng rắn phụ thuộc vào canxi oxit (CaO) trong tro bay. Hàm lượng CaO cao nói
chung mức độ đóng rắn của tro bay càng cao. Hàm lượng carbon chưa cháy trong
tro tính theo lượng mất khi nung là ít hơn 1%. Thành phần khoáng chủ yếu là
anhydride, tricanxi aluminat, đá vôi, quartz, periclase, mullite, merwinite và ferrite.
2.2 Công ng ệ Geopolymer
2.2.1 T ủy tin lỏng
Thủy tinh lỏng là dung dịch trong suốt, được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh
vực chất kết dính, sơn,…Khi tổng hợp geopolymer, thủy tinh lỏng đóng vai trị là
nguồn cung cấp oxit silic.
Thành phần hóa học của thủy tinh lỏng chủ yếu là hỗn hợp của M2O (oxit
của kim loại alkali, có thể là Na2O, K2O hay Li2O), SiO2 và nước. Cơng thức chung
có thể viết là M2O.nSiO2.mH2O.

n

2: Thủy tinh lỏng

Thủy tinh lỏng không cháy, không bị phân hủy và bền với axit nên có thể
dùng để sản xuất các loại vữa chịu axít.

13


2.2.2 Q trình Geopolymer hóa

Theo Van Jaarsveld (2002); Davidovits (1994), sự tạo thành Geopolymer có
thể được diễn tả bằng các phản ứng hóa học sau:
n(Si2O5Al2O2) +2nSiO2+4nH2O + NaOH hoặc KOH  Na+,K+ + n(OH)3 –Si–O Al–O–Si- (OH)3
(Vật liệu giàu Si - Al )
(OH)2

n(OH)3–Si–O–Al–O–Si–(OH)3+ NaOH hoặc KOH  (Na+, K+) – (Si–O–Al–O–Si–O-) + 4nH2O
(OH)2

O

O

O

(Bộ xương polyme vô cơ)
+ Nếu Si/Al = 1 thì quá trình diễn ra theo phản ứng sau :
KOH,NaOH

(.)

(Si2O5,Al2O2)n + nH2O  n(OH)3 – Si – O – Al(OH)3

(.)

KOH,NaOH

(.)

n(OH)3 – Si – O – Al – (OH)3  (Na,K) (– Si – O – Al – O )n+ 3nH2O

O
Orthosialate

O

(Na,K)-Poly(sialate)

+ Nếu Si/Al = 2 thì quá trình diễn ra theo phản ứng sau :
KOH,NaOH

(.)

(Si2O5,Al2O2)n + nSiO2 + nH2O  n(OH)3 – Si – O – Al – O – Si - (OH)3

14


(OH)2

(.)

KOH,NaOH

(.)

n(OH)3 – Si – O – Al – O – Si – (OH)3  (Na,K)(– Si – O – Al – O – Si – O – )n + nH2O

(OH)2

O

Oligo(sialate-siloxo)

O

O

(Na,K)-poly(sialate-siloxo)

Phương trình phản ứng trên chứng tỏ nước được sinh ra trong suốt quá trình
hình thành Geopolymer. Lượng nước này bị đẩy ra khỏi cấu trúc Geopolymer trong
cả quá trình đổ khn cũng như dưỡng hộ nhiệt sau đó. Khi đó, chúng để lại những
lổ rỗng không liên tục trong cấu trúc, tạo điều kiện cho Geopolymer được hình
thành. Lượng nước trong hỗn hợp Geopolymer khơng có vai trị gì trong phản ứng
hóa học nhưng nó tạo nên tính cơng tác cho hỗn hợp khi nhào trộn. Điều đó ngược
với nước trong hỗn hợp xi măng Portland cần thiết cho quá trình hydrat hóa.
Theo Davidovits năm 1994; Van Deventer năm 2002, qúa trình phản ứng
trên bao gồm ba giai đoạn:
+ Tách thành phần Si và Al ra khỏi nguyên liệu ban đầu (tro bay,…) nhờ tác
động của ion OH+ Những phần tử trên di chuyển, định hướng và kết hợp thành những
monomer
+ Những monomer này tham gia phản ứng trùng ngưng tạo thành sản phẩm
có cấu trúc polymer.
Tóm lại: Q trình tạo thành cấu trúc Geopolymer có thể được biểu diễn theo
sơ đồ sau:

15