Luận văn thạc sĩ: Ảnh hưởng của sợi gia cường đến tính chất và khả năng chống nứt của vữa Geopolymer

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ QUỐC THÁI

ẢNH HƯỞNG CỦA SỢI GIA CƯỜNG ĐẾN TÍNH
CHẤT VÀ KHẢ NĂNG CHỐNG NỨT
CỦA VỮA GEOPOLYMER

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN
Hướng dẫn khoa học:
TS PHẠM ĐỨC THIỆN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2017


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 … năm 2017
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

iii


CẢM TẠ
Sau thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Thành Phố Hồ Chí Minh, được sự chỉ hỗ trợ cuả quý thầy trong trường. Tơi đã hồn

thành luận văn tốt nghiệp. Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu cùng quý thầy
của trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập nâng cao cả tri thức và lối sống.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Chủ Nhiệm Khoa cùng các Thầy Cô
khoa Xây Dựng và Cơ Học Ứng Dụng đã quan tâm, giảng dạy và truyền đạt kiến
thức vơ cùng q báu trong q trình học tập cũng như trong thời gian thực hiện luận
văn tốt nghiệp của tôi.
Và đặc biệt tôi vô cùng biết ơn Thầy Phạm Đức Thiện đã tận tình giúp đỡ và
hỗ trợ chỉ bảo tôi ngay từ bước đầu làm luận văn; trang bị và truyền đạt cho tôi
những kinh nghiệm, kiến thức quý báo để nghiên cứu, cũng như gợi mở những phương
hướng thực hiện, hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp.
Và cảm ơn các bạn lớp XDC2016B cũng như các lớp khác đã nhiệt tình giúp
đở và chân thành góp ý kiến để luận văn hoàn chỉnh hơn.
Luận văn tốt nghiệp là quá trình nghiên cứu lâu dài và sự hỗ trợ quý Thầy
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM. Tuy rằng luận văn này được thực hiện
với sự cố gắng lớn lao, nhưng cũng khơng ít sai sót trong quá trình nghiên cứu. Rất
mong nhận được sự quan tâm góp ý kiến, cũng như chỉ bảo thật nhiều của quý thầy
để luận văn được hoàn thiện hơn.

Trân trọng!
Thành Phố Hồ Chính Minh,ngày 24 tháng 09 năm 2017
Học viên thực hiện
LÊ QUỐC THÁI
Lớp XDC2016B

iv


TĨM TẮT
Nhằm hạn chế lượng khí thải CO2 từ các ngành công nghiệp sản xuất sản xuất
xi măng, đồng thời tận dụng nguồn phế phẩm tro bay thu được từ các nhà máy nhiệt

điện, cơng nghệ geopolymer có thể được áp dụng để chế tạo vữa Geopolymer thân
thiện với môi trường. Ngoài ra, sợi thủy tinh được thêm vào vữa geopolymer để cải
thiện khả năng chịu uốn, chống nứt,… Kết quả thực nghiệm trình bày trong nghiên
cứu này chothấy sự ảnh hưởng của sợi thủy tinh đến cườngđộ chịu nén, uốn và khả
năng chống nứt của vữa geopolymer. Tuy nhiên, hàm lượng, kích thước sợi cần được
chọn lựa một cách hợp lý đáp ứng yêu cầu thiết kế và hiệu quả kinh tế.

v


ABSTRACT
In order to limit the emissions of CO2 from cement industrialproductions, as
well utilizing the by-products like fly ash obtained from thermalpower plants,
geopolymer technology can be applied to manufactureenvironmentally friendly
geopolymer motar. In addition, the fibers glass were added to geopolymer mortar to
improve the bending resistance, resists cracking,... The experimental results
presented in the paper show the influence of the length and content of glass fibers to
mechanical strength and flexural strength of geopolymer mortar. However, the size
of the yarn should be chosen in a reasonable manner meet the design requirements
and economic efficiency.

vi


MỤC LỤC
TRANG TỰA ................................................................................................ TRANG
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ................................................................................. i
XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN .......................................................... ii
LÝ LỊCH KHOA HỌC ........................................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... iv

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................v
TÓM TẮT ................................................................................................................ vi
ABSTRACT ............................................................................................................ vii
MỤC LỤC .............................................................................................................. viii
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT ...............................................................................x
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... xii
Chương 1 TỔNG QUAN ........................................................................................12
1.1 Tính chất cấp thiết của đề tài nghiên cứu ............................................12
1.1.1 Vấn đề về môi trường .....................................................................12
1.1.2 Vấn đề vật liệu xây dựng mới trong tương lai. .............................13
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .........................................15
1.2.1 Những nghiên cứu trong nước .......................................................15
1.2.2 Những nghiên cứu ngoài nước .......................................................16
1.2.3 Nhận xét về các đề tài .....................................................................17
1.3 Mục đích nghiên cứu ..............................................................................18
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu .............................................................................18
1.5 Phương pháp nghiên cứu.......................................................................19
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................20
2.1 Công nghệ Geopolymer .........................................................................20
2.1.1 Lịch sử ra đời chất kết dính Geopolymer .....................................20
2.1.2 Thành phần và cơng thức hóa học .................................................23
2.1.3 Cơ chế phản ứng..............................................................................25

vii


2.1.4 Tro bay (Fly Ash) ............................................................................28
2.1.5 Q trình kiềm hóa (Alkali Activation) ........................................29
2.1.6 Dung dịch Sodium Hydroxyde (NaOH) ........................................30

2.1.7 Dung dịch thủy tinh lỏng (Sodium Silicat) ...................................30
2.2 Đặc điểm của vật liệu Geopolymer .......................................................30
2.2.1 Vật liệu thân thiện với môi trường ................................................31
2.2.2 Đa dạng về ứng dụng thực tiễn ......................................................31
2.2.1 Độ bền và khả năng chịu lực cao ...................................................31
2.2.2 Tận dụng phế thải công nghiệp ......................................................32
2.2.3 Nhược điểm ......................................................................................32
2.3 Tổng quan về sợi thủy tinh ....................................................................32
2.3.1 Đặc tính của sợi thủy tinh...............................................................34
2.3.2 Công dụng sợi thủy tinh trong xây dựng ......................................35
2.3.3 Nhược điểm của sợi thủy tinh ........................................................36
Chương 3 NGUYÊN VẬT LIỆU, PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM .................37
3.1 Nguyên vật liệu .......................................................................................37
3.1.1 Chuẩn bị vật liệu .............................................................................37
3.1.2 Chuẩn bị khuôn đúc mẫu ...............................................................38
3.1.3 Cát .....................................................................................................39
3.1.4 Tro bay .............................................................................................42
3.1.5 Dung dịch NaOH .............................................................................44
3.1.6 Dung dịch thủy tinh lỏng ................................................................45
3.1.7 Sợi thủy tinh.....................................................................................45
3.2 Cấp phối ..................................................................................................46
3.3 Phương pháp thí nghiệm .......................................................................48
3.3.1 Cân đo nguyên vật liệu ...................................................................48
3.3.2 Nhào trộn và đúc mẫu ....................................................................48
3.3.3 Dưỡng hộ mẫu .................................................................................49
3.4 Xác định cường độ mẫu vữa .................................................................50

viii

3.4.1Thử uốn mẫu ....................................................................................51
3.4.2 Thử nén mẫu ....................................................................................53
3.5 Xử lý kết quả thí nghiệm .......................................................................53
3.5.1Cường độ uốn ...................................................................................53
3.5.2 Cường độ nén...................................................................................54
Chương 4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ....................................................................55
4.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh và kích thước sợi đến cường độ chịu
nén của vữa Geopolymer ....................................................................................55
4.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ sợi thủy tinh và kích thước sợi đến cường độ chịu
uốn của vữa Geopolymer ....................................................................................66
4.3 Ứng xử nứt khi uốn ................................................................................79
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................87
5.1 Kết luận ...................................................................................................87
5.1 Hướng phát triển của đề tài ..................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................89

ix


DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
PCM

Portland cement mortar

OPC

Ordinary portland cement

GPM

Geopolymer Mortar

TLPTKL

Tỷ lệ phần trăm khối lượng

SEM

Scanning electron microscope

x


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Việc tận thu đang khiến tài nguyên ngày càng cạn kiệt ............................. 12
Hình 1.2 Nhà máy sản xuất xi măng gây ô nhiễm môi trường ................................. 13
Hình 1.3 Mẫu vữa Geopolymer ................................................................................ 14
Hình 2.1 Tinh thể Geopolymer ................................................................................. 20
Hình 2.1 Cấu trúc poly(sialates) theo Davidovist ..................................................... 23
Hình 2.2 Metakaolin(a) và tro bay(b) với NaOH 8M ............................................... 25
Hình 2.3 Sự hoạt hóa vật liệu alumo-silicat .............................................................. 26
Hình 2.4 Mơ tả phản ứng tro bay trong dung dịch kiềm ........................................... 27
Hình 2.5 Cấu trúc SEM của vi hạt tro bay ................................................................ 28
Hình 2.7 Sợi thủy tinh ............................................................................................... 34
Hình 3.1 Khn đúc mẫu vữa ................................................................................... 39
Hình 3.2 Cát vàng thí nghiệm ................................................................................... 39
Hình 3.3Tro bay ........................................................................................................ 42
Hình 3.4 Sợi thủy tinh ............................................................................................... 46
Hình 3.5 Máy trộn vữa .............................................................................................. 49
Hình 3.6 Tủ sấy ......................................................................................................... 50

Hình 3.7 Thí nghiệm nén mẫu vữa............................................................................ 51
Hình 3.8 Sơ đồ ngun lý thí nghiệm cường độ uốn ................................................ 52
Hình 3.9 Khn thí nghiệm uốn mẫu vữa ................................................................. 52
Hình 3.10 Khn thí nghiệm nén mẫu vữa ............................................................... 53
Hình 4.1 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sợi thủy
tinh 50mm theo tỷ lệ khối lượng sợi ......................................................................... 56
Hình 4.2 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sợi thủy
tinh 30 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi ........................................................................ 57
Hình 4.3 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sợi thủy
tinh 15 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi ........................................................................ 58
Hình 4.4 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
tỷ lệ 0,2% khối lượng sợi thủy tinh theo từng loại kích thước sợi............................ 60

xi


Hình 4.5 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
tỷ lệ 0,4% khối lượng sợi thủy tinh theo từng loại kích thước sợi............................ 61
Hình 4.6 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
sợi thủy tinh kích thước 50 mm theo từng loại tỷ lệ phần trăm khối lượng sợi........ 62
Hình 4.7 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
sợi thủy tinh kích thước 30 mm theo từng loại tỷ lệ phần trăm khối lượng sợi........ 63
Hình 4.8 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
sợi thủy tinh kích thước 30 mm theo từng loại tỷ lệ phần trăm khối lượng sợi........ 64
Hình 4.9 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sợi thủy
tinh 50mm theo tỷ lệ khối lượng sợi ......................................................................... 67
Hình 4.10 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sợi thủy
tinh 30 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi ........................................................................ 68
Hình 4.11 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sợi thủy
tinh 15 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi ........................................................................ 69

Hình 4.12 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
tỷ lệ 0,2% khối lượng sợi thủy tinh theo từng loại kích thước sợi............................ 71
Hình 4.13Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
tỷ lệ 0,4% khối lượng sợi thủy tinh theo từng loại kích thước sợi............................ 72
Hình 4.14 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
sợi thủy tinh kích thước 50 mm theo từng loại tỷ lệ phần trăm khối lượng
sợi ................................................................................................................................ 7
4 ................................................................................................................................. 74
Hình 4.15 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
sợi thủy tinh kích thước 30 mm theo từng loại tỷ lệ phần trăm khối lượng sợi........ 75
Hình 4.16 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
sợi thủy tinh kích thước 30 mm theo từng loại tỷ lệ phần trăm khối lượng sợi........ 76
Hình 4.17 Biểu đồ mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và chịu uốn GPM ............ 78
Hình 4.18 Thí nghiệm uốn mẫu vữa ......................................................................... 78
Hình 4.19 Mẫu vữa bị nứt gãy khi uốn ..................................................................... 80

xii


Hình 4.20 Biểu đồ tương quan giữa lực gây nứt và chuyển vị khi uốn .................... 81
Hình 4.21 Biểu đồ lực gây nứt của các cấp phối vữa Geopolymer sử dụng sợi thủy
tinh kích thước 50 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi ...................................................... 82
Hình 4.22 Biểu đồ lực gây nứt của các cấp phối vữa Geopolymer sử dụng sợi thủy
tinh kích thước 30 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi ...................................................... 82
Hình 4.23 Biểu đồ lực gây nứt của các cấp phối vữa Geopolymer sử dụng sợi thủ3
tinh kích thước 15 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi ...................................................... 83
Hình 4.24 Biểu đồ ảnh hưởng chiều dài sợi đến lực gây nứt vữa ............................. 84
Hình 4.25 Hình ảnh SEM mẫu vữa Geopolymer hàm lượng sợi nhiều .................... 85
Hình 4.26 Hình ảnh SEM mẫu vữa Geopolymer sau thí nghiệm uốn ...................... 85
Hình 4.27 Hình ảnh SEM mẫu vữa Geopolymer có sử dụng sợi và không sử dụng sợi

theo Rui M. Novais và mẫu thực tế của thí nghiệm .................................................. 86

xiii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Các chỉ tiêu của cát theo mức nhóm cắt .................................................... 40
Bảng 3.2 Đặc tính của cát dùng cho vữa xây dựng ................................................... 40
Bảng 3.3 Thành phần của hạt cát ............................................................................. 41
Bảng 3.4 Hàm lượng tạp chất trong cát ................................................................... 41
Bảng 3.5 Hàm lượng ion CL- trong cát ..................................................................... 41
Bảng 3.6 Phân loại tro (TCVN 10302 – 2014) ........................................................ 42
Bảng 3.7 Tỉ lệ thành phần tro bay ............................................................................. 43
Bảng 3.8 Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa ................................ 43
Bảng 3.9 Tỉ lệ thành phần dung dịch thủy tinh lỏng ................................................. 45
Bảng 3.10 Tỷ lệ phối trộn cho 1m3 vữa Geopolymer .............................................. 46
Bảng 3.1 Tỷ lệ phối trộn cho 1m3 vữa xi măng........................................................ 47
Bảng 4.1 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sợi thủy
tinh 50mm theo tỷ lệ khối lượng sợi ......................................................................... 55
Bảng 4.2 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sợi thủy
tinh 30 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi ........................................................................ 56
Bảng 4.3 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sợi thủy
tinh 15 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi ........................................................................ 58
Bảng 4.4 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
tỷ lệ 0,2% khối lượng sợi thủy tinh theo từng loại kích thước sợi............................ 59
Bảng 4.5 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
tỷ lệ 0,4% khối lượng sợi thủy tinh theo từng loại kích thước sợi............................ 60
Bảng 4.6 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
sợi thủy tinh kích thước 50 mm theo từng loại tỷ lệ phần tram khối lượng sợi........ 61
Bảng 4.7 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng

sợi thủy tinh kích thước 30 mm theo từng loại tỷ lệ phần tram khối lượng sợi........ 62
Bảng 4.8 Cường độ chịu nén của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
sợi thủy tinh kích thước 30 mm theo từng loại tỷ lệ phần tram khối lượng sợi........ 64

xiv


Bảng 4.9 Cường độ chịu uốn của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sợi thủy
tinh 50mm theo tỷ lệ khối lượng sợi ......................................................................... 66
Bảng 4.10 Cường độ chịu uốn của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sợi thủy
tinh 30 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi ........................................................................ 67
Bảng 4.11 Cường độ chịu uốn của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sợi thủy
tinh 15 mm theo tỷ lệ khối lượng sợi ........................................................................ 68
Bảng 4.12 Cường độ chịu uốn của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
tỷ lệ 0,2% khối lượng sợi thủy tinh theo từng loại kích thước sợi............................ 70
Bảng 4.13Cường độ chịu uốn của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
tỷ lệ 0,4% khối lượng sợi thủy tinh theo từng loại kích thước sợi............................ 71
Bảng 4.14 Cường độ chịu uốn của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
sợi thủy tinh kích thước 50 mm theo từng loại tỷ lệ phần tram khối lượng sợi........ 73
Bảng 4.15 Cường độ chịu uốn của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
sợi thủy tinh kích thước 30 mm theo từng loại tỷ lệ phần tram khối lượng sợi........ 74
Bảng 4.16 Cường độ chịu uốn của các cấp phối vữa Geopolymer và xi măng sử dụng
sợi thủy tinh kích thước 30 mm theo từng loại tỷ lệ phần tram khối lượng sợi........ 76

xv


Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Tính chất cấp thiết của đề tài nghiên cứu
1.1.1 Vấn đề về môi trường
Vấn đề môi trườnglà một trong những đề tài nhức nhối đối với cuộc sống ngày
nay,sự nóng lên tồn cầu do hiệu ứng nhà kính gây ra kéo theo đó là các hiện tượng
biến đổi khí hậu tồn cầu. Khơng những thế, việc khai thác các nguồn nguyên liệu
hóa thạch để phục vụ cho hoạt động công nghiệp và năng lượng đang làm cạn kiệt
dần tài nguyên, và trong một tương lai không xa thì nguồn tài ngun tự nhiên này sẽ
khơng cịn có sẵn để khai thác nữa.

Hình 1.1 Việc tận thu đang khiến tài nguyên ngày càng cạn kiệt
Nước ta là một trong những nước nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng nặng nề
nhất của ô nhiễm môi trường và hiện tượng nóng lên tồn cầu và các hiện tượng biến
đổi khí hậu như: mực nước biển dâng lên cao, hạn hán cục bộ, các hiện tượng lũ quét,
sạt lỡ đất từ các hoạt động khai thác tài nguyên, khoáng sản, … Lượng khí thải CO2
từ các hoạt động sản xuất cơng nghiệp, đặc biệt là trong đó có ngành cơng nghiệp sản
xuất vật liệu xây dựng, lượng chất thải độc hại từ các hoạt động này có thể gây ra ơ

12


nhiểm môi trường, phá hủy hệ sinh thái tự nhiên, lượng khí thải có thể gây ra thủng
tầng ozon, từ đó gây ra các hiện tượng hiệu ứng nhà kính và nóng lên tồn cầu.

Hình 1.2 Nhà máy sản xuất xi măng gây ô nhiễm môi trường
1.1.2 Vấn đề vật liệu xây dựng mới trong tương lai.
Như đã biết, các cơng trình xây dựng trên thế giới nói chung và trên nước ta
nói riêng thì hiện nay vẫn sử dụng vật liệu chủ yếu là bê tông cốt thép truyền thống
để làm bộ khung chịu lực chính cho cơng trình và sử dụngvữaxi măng để xây, tơ và
hồn thiện cơng trình. Ngành cơng nghiệp sản xuất xi măngsử dụng các nguồn nguyên
liệu chủ yếu từ thiên nhiên như đá vôi, đá sét.Sau đó cần một lượng nhiệt để nung các

nguyên liệu được khai thác này. Lượng khí thải từ việc nung các nguyên liệu ảnh
hưởng rất lớn đến vấn đề ô nhiễm môi trường, lượng khí CO2 thải ra môi trường, chưa
kể đến là các khí thải độc hại và các chất thải từ q trình sản xuất cơng nghiệp.
Trong những năm gần đây, công nghệ Geopolymer ngày càng được sử dụng
rộng rãi trong việc nâng cao khả năng làm việc vữa và bê tông sử dụng trong các kết
cấu xây dựng. Việc thay thế xi măng bằng tro bay giúp làm giảm lượng khí thải CO2
do q trình sản xuất xi măng, đồng thời tiêu thụ một lượng lớn phế phẩm cơng nghiệp
để ứng dụng vào cơng trình xây dựng như chế tạo vật liệu xanh mà điển hình là vật
liệu Geopolymer. Công nghệ Geopolymer lần đầu tiên sử dụng bởi Giáo sư Joseph
Davidovits từ những năm 1970. Nguyên lý chế tạo vật liệu Geopolymer (hay còn gọi

13


là vữa Geopolymer) dựa trên khả năng phản ứng của các vật liệu Aluminosilicate
trong môi trường kiềm để tạo ra sản phẩm có các tính chất và cường độ tốt hơn. Trong
đó, nguồn nguyên vật liệu có chứa nhiều thành phần oxit nhơm và oxit silic vơ định
có thể tìm được trong phụ phẩm công nghiệp nhiệt điện (tro bay) nên tro bay đã được
chọn như một trong những loại vật liệu nền để chế tạo chất kết dính Geopolymer.

Hình 1.3 Mẫu vữa Geopolymer
Geopolymer được xem là vật liệu xanh và thân thiện với môi trường, thay thế
cho xi măng Portland thơng thường, nhờ độ bền, tính chất cơ học và khả năng chịu
nhiệt. Tuy nhiên, tính giịn của vật liệu Geopolymer kết hợp với tác động của các hiện
tượng từ biến, co ngót, mỏi … cũng như chịu tác động của tải trọng và sự xâm thực
của môi trường làm khả năng chịu lực các kết cấu cơng trình bị suy giảm.
Việc ứng dụng sợi có thể được coi là một giải pháp để cải thiện độ bền uốn và
bền va đập. Các loại sợi ngắn phân tán được nghiên cứu như một phần củng cố cho
một cấu trúc của Geopolymer. Hồn tồn có thể biến một vật liệu vốn khá giòn thành
một vật liệu dẻo dai hơn. Sợi có khả năng ảnh hưởng đến tính chất cơ học và ổn định

14


thể tích trong vật liệu Geopolymer. Kết quả phân tích bề mặt cấu trúc với sự xuất hiện
của vết nứt cho thấy rằng sợi có thể tạo nên một hiệu ứng chuyển tiếp qua các lỗ rỗng
[4]. Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của dạng hình học củasợi thủy tinh đến khả
năng chống nứt của vữa Geopolymer là cần thiết, từ đó đưa ra hàm lượng, hình dạng
sợi phù hợp với cấp phối, làm tăng những đặc tính có lợi, hạn chế các nhược điểm
của vật liệu Geopolymer.
Nghiên cứu này sử dụng vật liệu nền là vữa Geopolymer, kết hợp sử dụng sợi
thủy tinh có tỷ lệ chiều dài trên đường kính sợi thay đổi để nghiên cứu đánh giá khả
năng làm việc của sợi đến các tính chất cơ học chủ yếu của vữa Geppolymer.
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
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 rải 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.
1.2.1 Những nghiên cứu trong nước
Tống Tôn Kiên [1] và các cộng sự đã nghiên cứu về đề tài Bê tơng 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 tông
Geopolymer.
Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn [2] đã nghiên cứu về đề tài Nghiên cứu ảnh
hưởng hàm lượng sợi thép và polypropylene cao đến cường độ của bê tơng
Geopolymer. Các tác giả đã trình bày về cường độ chịu nén và chịu kéo của bê tông
khi bổ sung sợi thép và polypropylene.
Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn [3] đã nghiên cứu về đề tài Nghiên cứu ảnh

hưởng của tro trấu và silicafume đến cường độ của vữa Geopolymer. Các tác giả đã
đánh giá ảnh hưởng của tro trấu và silicafume thay thế một phần tro bay để chế tạo
vữa Geopolymer và tận dụng phế thải công nghiệp, nông nghiệp và đánh giá ảnh

15


hưởng của các thành phần hoạt tính của tro trấu và silicafume khi kết hợp với tro bay
đến tính chất cường độ của vữa ở điều kiện thường và nhiệt độ cao.
Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn [4] đã nghiên cứu về đề tài Ứng xử của bê
tông Geopolymer tro bay sử dụng sợi Hook. Các tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng
của sợi thép đến ứng xử của bê tông Geopolymer nền nhằm xác định khả năng ứng
dụng của bê tơng trong thực tế. Xác định được tính chất cơ học của bê tông
Geopolymer được gia cường tốt nhất với 1% hàm lượng sợi Hook, kết quả thực
nghiệm cho thấy giá trị biến dạng của bê tông dùng sợi thay đổi từ 0,0024 – 0,0028
với giá trị modun đàn hồi 25 – 30 GPa, hệ số Poisson đạt 0,013 – 0,016.
Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn [5] đã nghiên cứu về đề tài Nghiên cứu ảnh
hưởng hàm lượng sợi thép và sợi polypropylene cao đến cường độ của bê tông
Geopolymer. Các tác giả đã xác định được bê tơng Geopolymer bổ sung sợi
polypropylene có cường độ nén giảm 2,8% và cường độ chịu uốn tăng không đáng
kể (0,9%). Trong khi đó, cường độ chịu nén và chịu uốn của bê tông Geopolymer
tăng cao theo hàm lượng sợi thép bổ sung, lên đến 41,1% cho cường độ chịu nén và
60,2% cho cường độ chịu uốn ứng với hàm lượng sợi thép sử dụng là 1,5%.
Nguyễn Quang Phú [19] đã nghiên cứu Sử dụng cốt sợi thủy tinh để thiết kế
bê tơng có cường độ kháng uốn cao ứng dụng trong cơng trình thủy lợi. Tác giả đã
chỉ ra được với lượng dùng cốt sợi thủy tinh (l =50mm) là 1,5% chất kết dính thì
cường độ chịukéo khi uốn và cường độ nén của các mẫu thínghiệm đều tăng từ 15%
đến 30%.
1.2.2 Những nghiên cứu ngoài nước
L.Krishnan và các cộng sự [8] đã nghiên cứu về đề tài có tên là“Geopolymer

concrete an Eco–friendly construction material”. Các tác giả đã giới thiệu cơng thức
của vật liệu Geopolymer, đặc tính của Geopolymer và cách thức tiến hành thí nghiệm.
A.M.Mustafa Al Bakri và các cộng sự [9] đã nghiên cứu về đề tài có tên là
“Mechanism and Chemical Rection of Fly Ash Geopolymer cement”. Các tác giả đã
giới thiệu về công thức hóa học cấu thành, quy luật hình thành, đặc tính của từng loại
nguyên liệupha trộn đầu vào, và các tác giả kết luận: Các thuộc tính mong muốn của

16


sản phẩm geopolymer làm từ tro bay trong các giải pháp kiềm, chẳng hạn nhưđộ bền
cơ học, khả năng làm việc và chống lại các điều kiện môi trường bất lợicó thể được
tăng cường bởi sự kiểm sốt số lượng tương đối của chất phản ứng được sửdụng và
kiểm soát các điều kiện xảy ra phản ứng.
N.A.Lloyd và B.V.Rangan [10] đã nghiên cứu về đề tài có tên là “Geopolymer
Concrete with Fly Ash”. Tác giả đã trình bày đặc tính hỗn hợp bê tông Geopolymer,
cách thiết kế một mẻ bê tông Gepolymer, về các sản phẩm bê tông đúc sẵn, sự đóng
góp của bê tơng Geopolymer đối với sự phát triển toàn cầu.
J. Davidovits [11] đã nghiên cứu về đề tài có tên là “Properties of Geopolymer
cement”. Tác giả đã nghiên cứu ra vật liệu Geopolymer và trình bày về các tính chất
của bê tơng Geopolymer.
Zhang và cộng sự [12] cho thấy khi sử dụng sợi poly –propylene có khả năng
gia cường khả năng chịu kéo của vật liệu geopolymer. Sự xuất hiện của vết nứt trong
bê tông geopolymer cho thấy rằng sợi có thể tạo nên một hiệu ứng chuyển tiếp qua
các lỗ rỗng có hại, các khuyết tật và thay đổi cách mở rộng các vết nứt.
Van Jarsveld, van Deventer và Lukey [13] nghiên cứu về 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 cho rằng hàm lượng nước, thời gian và nhiệt độ
dưỡng hộ ảnh hưởng đến đặc tính của Geopolymer, đặc biệt là điều kiện dưỡng hộ và
nhiệt độ gia nhiệt ảnh hưởng đến cường độ. Khi gia nhiệt ở 700C trong 24 giờ, cường

độ tăng đáng kể. Thời gian dưỡng hộ càng dài, cường độ của Geopolymer càng tăng.
Thangaraj Sathanandam [14] Nghiên cứu về việc sử dụng tro bay và sợi thủy
tinh cho bê tông Geopolymer. Nghiên cứu đã cho thấy độ bền kéo tăng 5-10% trong
bê tơng geopolymer có chứa 0,1-0,5% sợi thủy tinh.
1.2.3 Nhận xét về các đề tài
Các bài báo, đề tài nghiên cứu và các báo cáo khoa học trên trình bày rất tổng
quan và chi tiết về vật liệu Geopolymer, về lịch sử ra đời, cơng thức tạo mẫu, phương
pháp thí nghiệm, cũng như là những ưu điểm và nhược điểm của vật liệu Geopolymer
này. Nhưng chưa có các cơng trình nghiên cứu sự ảnh hưởng của sợi thủy tinh đến

17


khả năng chống nứt của vữa Geopolymer (GPM – GeopolymerMortar), nhất là vật
liệu GPM dùng nguyên liệu tro bay và sợi thủy tinh trong nước.
1.3 Mục đích nghiên cứu
Trên cơ sở tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng chất kết dính
Geopolymer từ tro bay trên thế giới cũng như trong nước, có thể thấy việc nghiên cứu
áp dụng chất kết dính Geopolymer vào sản xuất vữa, có gia cường sợi thủy tinh để
tăng khă năng chống nứt, là một đề tài có ý nghĩa thực tiễn rất lớn.
Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứuảnh hưởng của sợi thủy tinh gia cường
đến tính chất và khả năng chống nứt của vữa Geopolymer.
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu
Thiết kế thành phần cấp phối của vữa Geopolymer sử dụng sợi thủy tinh, trong
đó nguyên liệu sợi thủy tinh được chọn lựa về chủng loại, kích thước, hàm lượng sợi.
Xác định các đặc trưng cơ lý của vữa Geopolymer sử dụng sợi thủy tinh.
Xác định sự chênh lệch cũng như sự thay đổi về cường độ chịu nén, uốn của
vữa khi thay đổi cấp phối.
Đánh giá ảnh hưởng của sợi gia cường đến khả năng chống nứt của vữa
geopolymer.

So sánh cường độ của vữa Geopolymer với vữa xi măng.
Đưa ra cấp phối Geopolymer sử dụng sợi thủy tinh phù hợp với mục đích
nghiên cứu.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp tài liệu, các tiêu chuẩn và các cơng trình
nghiên cứu có liên quan, từ đó xác định các thí nghiệm và các chỉ tiêu cần thí nghiệm
để xác định cường độ và khả năng chống nứt của GPM, xác định sơ bộ các gia số ảnh
hưởng đến khả năng chống nứt của GPM và khoảng giới hạn các gia số thí nghiệm.
Nghiên cứu thực nghiệm: tiến hành các thí nghiệm xác định tính chất, cường
độ và khả khả năng chống nứt của GPM gia cường sợi thủy tinh thơng qua các thí
nghiệm:
- Thí nghiệm nén, xác định cường độ chịu nén của GPM và PCM tham chiếu.

18


- Thí nghiệm uốn, xác định cường độ chịu uốn khi nén của GPM và PCM tham
chiếu.
- Xác định giá trị lực gây nứt của các cấp phối vữa, ứng xử khi nứt của vữa và
dạng phá hoại của vữa.

19


Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Công nghệ Geopolymer
Vật liệu xây dựng “xanh” có thể được định nghĩa là các vật liệu được sử dụng
theo các phương pháp thân thiện với mơi trường. Để áp ứng tiêu chí đó thì q trình

sản xuất vật liệu xanh phải được nghiên cứu sao cho kết hợp sử dụng chất thải từ các
ngành khác tạo ra. Đây là xu thế mới đang được hầu hết các nước trên thế giới quan
tâm.
2.1.1 Lịch sử ra đời chất kết dính Geopolymer
Vào năm 1978, Joseph Davidovits [11] đã giới thiệu ra toàn thế giới về một
loại vật liệu có tên làGeopolymer được mơ tả là một chất kết dính các vật liệu khác
có đặc tính tương tự như xi măng truyền thống nhưng có nguyên liệu và quá trình sản
xuất tận dụng nguồn vật liệu phế thải cơng nghiệp và rất ít có ảnh hưởng xấu đến mơi
trường. Sau đó, chất kết dính Geopolymer tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng tại
các nước châu Âu, Mỹ, Úc và một số quốc gia phát triển khác. Chất kết dính
Geopolymer được tạo ra từ những phản ứng của dung dịch kiềm với các chất có chứa
hàm lượng lớn hợp chất Silic và Nhơm. Chất kết dính này cịn được gọi với một cái
tên khác là chất kết dính kiềm hóa.

20


Hình 2.1 Tinh thể Geopolymer [11]
Vật liệu Geopolymer vô cơ là loại vật liệu mới nhận được từ hỗn hợp bao gồm
chất kết dính Polyme vơ cơ và các thành phần chất độn.Sau khi nhào trộn, đầm nén,
tạo hình và dưỡng hộ sản phẩm phát triển cường độ và đạt tới các tính chất kỹ thuật
cần thiết.Q trình phát triển cường độ của sản phẩm phụ thuộc vào quá trình Polymer
hóa các hợp chất vơ cơ của chất kết dính Polyme vơ cơ.
Khái niệm chất kết dính Geopolymer và vật liệu Polyme thường gắn liền với
nguồn gốc hữu cơ như keo epoxy, chất dẻo tổng hợp.Trước những năm 80 của thế kỷ
trước, khái niệm polymer vơ cơ cịn khá mới mẻ và ít được thừa nhận.Tuy nhiên, khi
đi sâu vào việc phân tích hóa lý cho thấy q trình hút nhau giữa các điện tích trái
dấu ở một số vật liệu phù hợp sẽ hình thành nên các mạch Polyme đa phân tử rất dài
với bộ xương là các khoáng vật liệu bền vững. Các Polyme thu được có những tính
chất hóa học, lý học và cơ học bền vững, có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh

vực.Các nghiên cứu về chất kết dính Polyme vơ cơ và vật liệu Polymer vô cơ đã được
triển khai ở một số nước trên thế giới và đã đạt được nhiều thành tựu khả quan.Tuy
nhiên, vấn đề này ở nước ta vẫn còn khá mới mẻ, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng.
Ở Mỹ, ứng dụng chủ yếu của chất kết dính Geopolymer là sản xuất xi măng
Geopolymer đóng rắn nhanh (Pyrament Blended Cement – PBC). PBC được nghiên
cứu sản xuất và ứng dụng trong các sân bay quân sự từ năm 1985. Sau đó PBC được
dùng nhiều trong sửa chữa đường băng máy bay làm từ bê tông, sàn nhà công nghiệp,

21


đường cao tốc, loại xi măng này có thể đạt được cường độ 20 MPa chỉ sau 4-6h đóng
rắn.Một loại xi măng Geopolymer khác cũng được nghiên cứu sử dụng là xi măng
Geopolymer bền axit. Năm 1997, công ty Zeo tech corp đã thương mại hóa sản phẩm
bê tơng Geopolymer bền axit. Sản phẩm này được dùng nhiều trong các nhà máy hóa
chất và thực phẩm [11].
Ở Úc, bê tơng Geopolymer đã và đang ứng dụng trong thực tiễn như các thanh
tà vẹt đúc sẵn, đường ống cống và các loại cấu kiện bê tông đúc sẵn khác trong xây
dựng. Với các đặc tính tốt nhất của các cấu kiện đúc sẵn là cho cường độ tuổi sớm
cao sau khi bảo dưỡng hơi nước hoặc dưỡng hộ nhiệt. Trong báo cáo về quá trình sản
xuất các thanh tà vẹt bê tông Geopolymer trên cơ sở Geopolymer tro bay, Palomo et
al. cho rằng các kết cấu bê tơng Geopolymer có thể dễ dàng được sản xuất bằng những
công nghệ sản xuất bê tơng hiện tại mà khơng cần phải có những thay đổi lớn nào.Một
số nghiên cứu khác cũng đã sản xuất các sản phẩm ống cống bê tông Geopolymer cốt
thép đúc sẵn có đường kính từ 375-1800mm, các cống hơp bê tơng Geopolymer cốt
thép có kích thước 1200x600x1200mm. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng chịu
mơi trường ăn mịn như nước thải xâm thực rất tốt và tương đương các sản phẩm bê
tông xi măng [14].
Ở Việt Nam, vật liệu Geopolymer chưa được sử dụng rộng rãi trong các cơng
trình xây dựng. Đã có một số nghiên cứu bước đầu về bê tông Geopolymer như bê

tông chịu lửa không xi măng của nhóm nghiên cứu ở Viện Vật liệu Xây dựng. Bê
tông cốt liệu không xi măng dựa trên liên kết alumina có tên thương mại là alphabond
300, bê tơng cốt liệu ít xi măng là cơng nghệ chế tạo đơn giản, thời gian sử dụng của
vật liệu này tăng, tính chất cơ nhiệt tốt như tăng nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng và
tăng độ bền uốn ở nhiệt độ cao. Nhóm ngiên cứu đã chế tạo thành công bê tông cốt
liệu không xi măng ứng dụng vào thực tế. Một nghiên cứu khác về ứng dụng chất kết
dính Geopolymer là sản xuất vật liệu khơng nung từ phế thải tro bay và xỉ lò cao cũng
được thực hiện vào năm 2011. Kết quả nghiên cứu đã xây dựng được quy trình sản
xuất vật liệu gạch block bê tơng Geopolymer có cường độ nén đạt trên 10MPa, có giá
thành rẻ hơn gạch block bê tông xi măng cốt liệu khoảng 15% [1].

22