Gia cố nền đường đất yếu bằng phương pháp Geopolymer

Báo cáo Nghiên cứu Khoa học cấp Sinh viên

GVHD: ThS. Lê Văn Hải Châu

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU....................................................4

1.1.

Tổng quan về đề tài..........................................................................................................4

1.2. Tình hình sử dụng công nghệ geopolymer trên thế giới và tiềm năng phát triển tại Việt Nam
4.........................................................................................................................................

1.2.1.

Ứng dụng công nghệ Geopolymer trên thế giới................................................... 4

1.2.2.

Tình hình ứng dụng công nghệ Geopolymer ở Việt Nam và tiềm năng phát triển.
7

1.3.

Tình hình nghiêu cứu trong nước và ngoài nước.............................................................8

1.3.1. Ngoài nước............................................................................................................8
1.3.2.
1.4.

Trong nước............................................................................................................9

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài.................................................................. 10

1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu........................................................................................... 10
1.4.2.

Nội dung nghiên cứu...........................................................................................10

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC.........................................................................................11

2.1.

Thành phần hóa học và cấu trúc phân tử của nguyên vật liệu....................................... 11

2.1.1. Quá trình liên kết của hạt sét...............................................................................11
2.1.1.1. Thành phần hóa và cấu trúc thành phần khoáng của đất sét:..............................11
2.1.1.2. Biến tính khoáng sét........................................................................................... 12
2.1.2.

Tro bay................................................................................................................ 13

2.2.

Cơ sở khoa học của công nghệ Geopolymer................................................................. 13

2.3.

Cơ chế đóng rắn của tro bay và đất sét theo công nghệ Geopolymer............................17

2.3.1. Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer tro bay........................................... 17
2.3.2.

Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer đất sét............................................ 19

CHƯƠNG 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM...............................25

3.1. Nguyên liệu..................................................................................................................................25
3.1.1. Đất sét................................................................................................................. 25
Tr

Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer

Trang i

Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


Báo cáo Nghiên cứu Khoa học cấp Sinh viên

Tr

GVHD: ThS. Lê Văn Hải Châu

3.1.2.

Cát.......................................................................................................................25

3.1.3.

Tro bay................................................................................................................ 26

Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer

Trang i

Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


3.1.4.

Thủy tinh lỏng (Sodium silicate).........................................................27

3.1.5.

Dung dịch NaOH (Sodium hydroxit)..................................................29

3.1.6.

Xi măng........................................................................................29

3.1.7.

Vôi....................................................................................................... 30

3.2. Thiết kế thành phần cấp phối.............................................................................30
3.3. Phương pháp thí nghiệm....................................................................................31
3.3.1.

Trình tự thí nghiệm..............................................................................31

3.3.2.

Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu...........................................................31

3.3.3.

Giai đoạn nhào trộn và đúc khuôn.......................................................32

3.3.4.

Giai đoạn tĩnh định.............................................................................. 34

3.3.5.

Dưỡng hộ ẩm....................................................................................... 34

3.3.6.

Nén mẫu...............................................................................................35

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM...............................................................36

4.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung dịch hoạt hóa/tro bay đến cường độ nén.................36
4.1.1.

Đối với cấp phối Cát 75% Sét 25%.....................................................36

4.1.2.

Đối với cấp phối Cát 50% Sét 50%.....................................................37

4.1.3.

Đối với cấp phối Cát 25% Sét 75%.....................................................38

4.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ phần trăm của cát và sét đến cường độ nén......................39
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI......................40

5.1. Kết luận........................................................................................................................ 40
5.2. Hướng phát triển của đề tài..........................................................................................40
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................41


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.1.

Tổng quan về đề tài
Nhờ sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, ngành xây dựng trong giai đoạn hiện nay đang có

nhiều bước tiến vượt bậc. Chính vì thế mà nhu cầu về vật liệu cho ngành xây dựng ngày càng
cao. Hiện tại con người không chỉ muốn sử dụng nguồn vật liệu truyền thống mà còn muốn
tìm tòi, nghiên cứu và đưa vào sử dụng nhiều nguồn nguyên liệu mới với công năng phù hợp
hơn.
Nhưng nguồn tài nguyên ngày càng cạn kiệt, hướng phát triển trong ngành vật liệu xây
dựng những năm gần đây là tìm kiếm và phát triển những loại vật liệu bền vững nhưng giảm
thiểu tối đa tác hại xấu đến môi trường. Vì thế vật liệu Geopolymer ra đời.
Geopolymer là sản phẩm của quá trình phản ứng giữa vật liệu có nguồn gốc silic và
nhôm với dung dịch kiềm. Vật liệu này có thể thay thế xi măng trong bê tông, chế tạo gạch

không nung, ứng dụng vào trong đất sét. Hiện nay Geopolymer đã và đang được nghiên cứu
rộng rãi và cho thấy khả năng là vật liệu xanh thay thế những loại chất kết dính truyền thống.
Trong một số ứng dụng do vật liệu Geopolymer có các tính chất kỹ thuật tốt, đồng thời giảm
khả năng hiệu ứng nhà kính khi thay thế xi măng Pooclăng.
Geopolymer có thể đạt được cường độ và tính chất tối ưu nhất khi điều kiện về nhiệt độ
và thời gian dưỡng hộ được bảo đảm.Trong đề tài nghiên cứu khoa học này nhóm các sinh
viên khoa Kỹ thuật xây dựng sẽ nghiên cứu ứng dụng Geopolymer cho nền đường giao thông
trên đất yếu, nếu ứng dụng thành công đây sẽ là một bước tiến không nhỏ trong lĩnh vực địa
cơ nền móng cũng như vật liệu xây dựng.

1.2.

Tình hình sử dụng công nghệ geopolymer trên thế giới và tiềm năng phát triển

tại Việt Nam.

1.2.1. Ứng dụng công nghệ Geopolymer trên thế giới
Năm 1969, Besson, Caillere và Henin tại Bảo tàng lịch sử tự nhiên Pháp, thực hiện tổng
o
hợp các hydrosodlite từ phyllosilicates khác nhau ở 100 C trong dung dịch NaOH. Các sản
phẩm ứng dụng đầu tiên (được phát triển nhờ JJ Legrand), chẳng hạn như tấm gỗ chịu lửa bao
[2]
gồm một lõi gỗ ở giữa hai lớp phủ nanocomposite SILIFACE Q.
Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


Tiếp nối đó là vào năm 1972 Davidovits đã chế tạo thành công chủng loại vật liệu được
gọi là “Geopolymer”. Năm 1978, giáo sư Davidovits cho rằng chất kết dính
Geopolymer có thể được tạo ra bằng phản ứng polymer hóa giữa dung dịch Alkali silicat với
silic và nhôm có trong nguồn nguyên liệu đất đá tự nhiên hay trong những sản phẩm phụ như

tro bay, tro trấu… Ban đầu Geopolymer được ứng dụng rất giới hạn, chỉ dùng để chế tạo các
sản phẩm thuộc dạng cao cấp như các khuôn đúc và dụng cụ cho ngành hàng không. Nhưng
càng về sau, đặc biệt vào đầu thập niên 1990, khi con người đã ý thức mối đe dọa từ khí thải
CO , vật liệu Geopolymer mới dần được quan tâm nhiều hơn và do đó trở thành một loại vật
2
liệu xây dựng thay thế tốt nhất cho các loại xi măng truyền thống.
Năm 1983 các phát minh của xi măng Geopolymer độ bền cao: Công ty Lone Star (Mỹ)
và Công ty dầu khí Shell công bố sự hình thành của Tổng công ty QUAZITE để phát triển,
sản xuất xi măng Geopolymer.

[11]

Những nghiên cứu về Geopolymer xuất hiện riêng lẽ ở từng quốc gia và tài liệu khoa
học thì rất ít. Cho đến những năm 1990, các tài liệu nghiên cứu khoa học về Geopolymer bắt
đầu xuất hiện nhiều hơn, các nghiên cứu về ảnh hưởng của từng loại vật liệu trong
Geopolymer bắt đầu được nghiên cứu sâu hơn. Mối quan tâm đầu tiên về Geopolymer những
năm này là ứng dụng vào công nghệ đóng gói chất thải rắn, giúp tận dụng nguồn chất thải độc
hại thành những vật liệu có ích, giúp bảo vệ môi trường tốt hơn.
Năm 2002, giáo sư Yunsheng Zhang từ đại học Đông Nam và giáo sư Zongjin từ đại
học khoa học công nghệ Hồng Kông phối hợp cùng nhau nghiên cứu hệ thống cơ chế tổng
hợp, tính chất cấu trúc, tỷ lệ thiết kế độ bền cơ học và hiệu suất của Geopolymer tự nhiên và
[12]

nhân tạo.

Từ năm 2003, nhiều viện nghiên cứu quốc gia và quốc tế đã tổ chức những buổi hội
thảo về Geopolymer. Hội nghị quốc tế về Geopolymer năm 2005 đã kỉ niệm 26 năm sự kiện
giáo sư Davidovits sáng lập viện Geopolymer. Chủ đề chính của hội nghị là: Geopolymer –
hóa học và sự phát triển. Hội nghị gồm 2 sự kiện diễn ra tại hai nơi: Hội nghị quốc tế lần thứ
tư của viện Geopolymer tại Saint-Quentin, Pháp và hội thảo về chất kết dính và bê tông

Geopolymer tại Perth, nước Áo được tổ chức bởi Đại học Công nghệ Curtin, Perth, đại học
Alabama, Mỹ. Hội nghị và hội thảo xoay quanh vấn đề khoa học và ứng dụng của
Geopolymer với sự có mặt của hơn 200 nhà khoa học và 85 viện nghiêncứu, ra mắt 75 bài
nghiên cứu. Họ bàn luận về hóa học Geopolymer, phế thải công nghiệp, tài nguyên thiên
Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


nhiên, chất kết dính và bê tông Geopolymer (bao gồm bê tông Geopolymer từ tro bay), ứng
dụng trong vật liệu xây dựng, vật liệu công nghệ cao, vật liệu chịu lửa. Năm 2009, họ đồng ý
mỗi năm diễn ra 2 sự kiện quốc tế: thứ nhất là hội nghị chuyên đề về Geopolymer vào tháng 1
tại bãi biển Daytona, Florida, Mỹ và thứ hai là trại hè Geopolymer vào tháng bảy tại SaintQuentin, Pháp, được tổ chức bởi viện Geopolymer. Hiện nay nhu cầu về phát triển ứng dụng
Geopolymer luôn tăng cao, đến nỗi đã có trên dưới 60 phòng thí nghiệm trên toàn thế giới
triển khai các dự án nghiên cứu về Geopolymer, nhất là tại Úc và New Zealand.
Lần đầu xuất bản năm 2008, Geopolymer chemistry and application đã khái quát toàn
bộ kiến thức tổng thể về công nghệ Geopolymer.

[3]

Các ứng dụng của công nghệ này đã được

nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên toàn thế giới. Nghiên cứu đã tập trung vào thành phần
và nồng độ của dung dịch kiềm để thúc đẩy nhanh quá trình Geopolymer hóa. Những năm sau
đó, đã có nhiều thay đổi được áp dụng trong nghiên cứu công nghệ Geopolymer. Nhiều
phương pháp phân tích hiện đại được áp dụng để làm sáng tỏ các tác động của các thành phần
khác nhau trong vật liệu Geopolymer

[9]

. Nhiều nguyên vật liệu mới được quan tâm nghiên

cứu như bột silicat hỗn hợp nhôm tổng hợp, khoáng albite
kiềm fenspat

[7]

, xỉ lò cao

[8]

[4]

, khoáng stilbite

[5]

, sợi bazan

[6]

,

…. Vật liệu Geopolymer trở nên phong phú và đa dạng về nguồn

nguyên vật liệu tạo thành, tuy nhiên việc lựa chọn nguyên liệu chủ yếu vẫn dựa vào sự tác
động bền môi trường khi tạo thành vật liệu mới, công nghệ Geopolymer ưu tiên nghiên cứu để
giảm thiểu các chất thải công nghiệp và giúp môi trường ngày càng bền vững hơn.
Hiện nay, ở Mỹ ứng dụng chủ yếu chất kết dính Geopolymer là sản xuất xi măng đóng
rắn nhanh (Pyrament Blended Cement – PBC). Sau đó PBC được dùng nhiều trong nhà công
nghiệp, đường cao tốc.

[11]

Ở Úc, Geopolymer được ứng dụng vào sản xuất bê tông để xây dựng các đường ống
cống và các loại cấu kiện bê tông đúc sẵn. Với tính chất tốt nhất của các kết cấu đúc sẵn là
cho cường độ tuổi sớm cao sau khi được bảo dưỡng hơi nước hoặc dưỡng hộ nhiệt. Bê tông
hoạt tính kiềm cũng đã được thương mại hóa ở Úc với nhãn hiệu kinh doanh E-Create. ECreate được tái chế từ tro bay và xỉ lò cao cùng với các chất hoạt tính kiềm thích hợp và hiện
có sẵn ở dạng đúc sẵn và trộn sẵn. Các sản phẩm đúc sẵn như: panel, các ống, nắp và đế cống,
gạch lát vỉa hè, tấm ốp lát trang trí hoặc cách âm…

[10]

Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


Hình 1-1. Các sản phẩm ứng dụng vật liệu Geopolymer
Đến nay, chiều hướng ngày càng thuận lợi hơn. Nhiều nước châu Á và khu vực Thái
Bình Dương đã tài trợ cho nhiều công trình nghiên cứu sâu rộng hơn về vật liệu Geopolymer.
Đặc biệt Trung Quốc, đã cho ra đời những mẻ xi măng Geopolymer đầu tiên vào năm 2006.
Đây cũng chính là tín hiệu lạc quan trong việc góp phần bảo vệ môi trường sống khỏi tác
[13]
động của hiệu ứng nhà kính đầy đe dọa.

1.2.2. Tình hình ứng dụng công nghệ Geopolymer ở Việt Nam và tiềm năng phát triển
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 áp 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 bê tông, được ứng dụng vào công nghệ chế tạo các loại mặt đường cứng
(đường ô tô, đường sân bay…). Ngoài ra, công nghệ Geopolymer còn được sử dụng để ổn
định, xử lý tận dụng chất thải boxite từ quá trình khai thác quặng nhôm để chế tạo gạch không
[2]

nung và đóng rắn nền đường.

Ngày 12 tháng 5 năm 2010, Viện Vật liệu xây dựng đã tổ chức Hội nghị chuyên đề về
vật liệu Geopolymer và ứng dụng của Geopolymer trong lĩnh vực vật liệu xây dựng. Vật liệu
Geopolymer được nghiên cứu với mục tiêu tạo ra quá trình sản xuất thân thiện với môi
trường, giảm khí CO , tận dụng các chất thải công nghiệp như tro bay, bùn đỏ, xỉ…thành các
2
sản phẩm có khả năng sử dụng cao.
Các sản phẩm hiện nay nước ta đã nghiên cứu thành công:

- Nguyễn Văn Chánh (2009), “Tận dụng phế thải bùn đỏ từ quặng boxit để sản xuất
gạch đất sét không nung ở nhiệt độ thấp”, Đại học Bách Khoa. TpHCM

- “Vữa bê tông xanh” của TS Đào Văn Đông
- Huỳnh Hoàng Min, “ Sự ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét đến tính chất của vật liệu
Geopolymer tổng hợp từ đất sét và tro bay”, luận văn thạc sĩ, ĐHBK TP Hồ Chí Minh

1.3.

Tình hình nghiêu cứu trong nước và ngoài nước

Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


1.3.1. Ngoài nước
Patimapon Sukmak, Suksun Horpibulsuk, Shui-Long Shen, Prinya Chindaprasirt,
“Factors influencing strength development in clay-fly ash geopolymer” Construction and
Building Materials 47 (2013) pp 1125-1136. Bài báo nghiên cứu sự phát triển cường độ của
mẫu với các loại thành phần cốt liệu, phụ gia, nhiệt độ bảo dưỡng khác nhau khi chế tạo vật

liệu geopolymer tổng hợp từ đất sét (Clay) và tro bay (FA), đất sét nghiên cứu nằm ở độ sâu
3-4 m tại Nakhon Ratchasima, Thailand. Kết quả nghiên cứu bằng thí nghiệm trong phòng
cho thấy, cường độ mẫu geopolymer đạt cao nhất trong các trường hợp sau đây:
+ Tỷ lệ Na2SiO3/NaOH = 0.7;
+ Tỷ lệ L/FA tỷ lệ nghịch với FA/Clay, cụ thể:
L/FA = 0.6 thì FA/Clay = 0.3
L/FA = 0.5 thì FA/Clay = 0.7
(L: dung dịch kích hoạt, Liquid alkaline activator)
+ Độ ẩm (moisture content:MC): 1.00 MC thì FA/Clay = 0.3
0.8 MC thì FA/Clay = 0.5
0.6 MC thì FA/Clay = 0.7
o
+ Nhiệt độ bảo dưỡng mẫu tương ứng: 8.5 C/g khi FA/Clay = 0.3
o

7.57

C/g khi FA/Clay = 0.7

Olaniyan, O.S, Olaoye, R.A, Okeyinka, O.M, and Olaniyan, D.B, “Soil stabilization
techniques using sodium hydroxide additives”, International Journal of Civil &
Environmental Engineering IJCEE-IJENS Vol: 11 No: 06, (2011) pp 09-21. Bài báo nghiên
cứu cường độ mẫu geopolymer bằng thí nghiệm trong phòng. Tác giả thí nghiệm tỷ lệ hàm
lượng Sét/Cát với các tỷ lệ 0.5; 0.67; 1 và 2. Đồng thời, thí nghiệm với hàm lượng Sét/Cát là
1 và hàm lượng dung dịch NaOH 7%; 10%; 13%; 16% với điều kiện dưỡng hộ khô và ẩm.
Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ mẫu đạt giá trị cao nhất khi:
+ Tỷ lệ Sét/Cát = 2, bảo dưỡng ở điều kiện khô.
+ Tỷ lệ Sét/Cát = 1, hàm lượng dung dịch NaOH = 16%, bảo dưỡng ở điều kiện
khô.

Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


Rui chen, “Bio stabolization for geopolymer enhancement and mine tailing dust
control”, luận văn tiến sĩ 2014. Tác giả đã nghiên cứu chế tạo geopolymer đất từ vật liệu phế
thải là tro bay loại F và xác cây lúa miến (một loại cây ngũ cốc) , ứng dụng công nghệ
geopolymer hóa để xử lý chất thải rắn từ công nghiệp hầm mỏ bằng xanthan gum (gel chiết
xuất từ một loại vi khuẩn trên lá rau cải). Kết quả nghiên cứu cho thấy, cường độ mẫu đạt giá
trị cao nhất khi tỷ lệ mol SiO2/ Al2O3 = 3.35, Nước/ Na2O = 11.08
= 11.1, hàm lượng lúa miến/FA = 0%

1.3.2. Trong nước
Huỳnh Hoàng Min, “ Sự ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét đến tính chất của vật liệu
Geopolymer tổng hợp từ đất sét và tro bay”, luận văn thạc sĩ, ĐHBK TP Hồ Chí Minh,
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn. Tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ, hàm lượng
dung dịch kích hoạt, tỷ lệ các dung dịch thành phần, ảnh hưởng của hàm lượng Si đến cường
độ của mẫu Geopolymer đất bằng thí nghiệm trong phòng. Kết quả nghiên cứu cho thấy:
o
+ Cường độ mẫu tăng khi gia tăng thời gian và nhiệt độ bảo dưỡng (12 giờ và 120 C)
+ Khi cố định hàm lượng hạt sét cường độ mẫu đạt giá trị cao nhất khi tỷ lệ
Na2SiO3/NaOH = 1.0 tương ứng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa/Tro bay (L/FA) = 0.40
+ Khi cố định hàm lượng hạt sét là 30.01%, hàm lượng Si trong dung dịch hoạt hóa 17.5
%, tỷ lệ L/FA = 0.3 thì cường độ mẫu đạt giá trị tối ưu.

1.4.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài

1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu
Trên cơ sở tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng đất sét, tro bay trên thế giới

cũng như trong nước có thể thấy việc nghiên cứu áp dụng công nghệ Geopolymer vào hỗn
hợp nguyên liệu đất sét và tro bay là một vấn đề có ý nghĩa thực tiễn rất lớn. Vật liệu mới
được hình thành có khả năng đáp ứng các yêu cầu về kỹ thuật liên quan, thân thiện với môi
trường, ứng dụng để cải thiện các tính chất của đất sét.
Tiến hành nghiên cứu và thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý và các tính chất của hỗn hợp
geopolymer đất và tro bay. Thông qua kết quả thí nghiệm đó, tiến hành đánh giá và thiết kế
hỗn hợp geopolymer đất và tro bay.
Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét ảnh hưởng đến cường độ của mẫu
geopolymer đất sét.

Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


1.4.2. Nội dung nghiên cứu
Những chỉ tiêu chính mà nhóm sẽ thực hiện trong đề tài này
+ Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa ,tro bay đến tính chất cường
độ nén của vữa đất Geopolymer.
+ Nghiên cứu khỏa sát ảnh hưởng của tỷ lệ phần trăm cát và sét đến tính chất cường độ
nén của vữa đất Geopolymer.
Với những chỉ tiêu trên, bài nghiên cứu này sẽ tiến hành với trên những tỷ lệ dung dịch
hoạt hóa, tro bay khác nhau và trên những tỷ lệ cát và sét khác nhau.

Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC
2.1.

Thành phần hóa học và cấu trúc phân tử của nguyên vật liệu

2.1.1. Quá trình liên kết của hạt sét
2.1.1.1. Thành phần hóa và cấu trúc thành phần khoáng của đất sét:
Đất sét là loại đất hạt mịn, thành phần có chứa các khoáng sét có khả năng tạo nên tính
dẻo và dính. Các khoáng vật sét có kích thước rất nhỏ và có hoạt tính điện hóa rất mạnh. Khi
khối đất thậm chí chỉ chứa với hàm lượng nhỏ các khoáng vật sét cũng có thể gây ảnh hưởng
rõ rệt đến đặc tính cơ lý của đất. Khi hàm lượng khoáng vật sét tăng lên, đặc tính của đất sẽ
chịu chi phối của đặc tính sét tăng theo.
Các khoáng vật sét là những vật chất kết tinh rất nhỏ bền vững, được tạo ra chủ yếu từ
quá trình phong hóa hóa học các khoáng vật tạo đá có trước xác định. Về mặt hóa học, chúng
là các aluminosilicates ngậm nước kết hợp với các ion kim loại khác. Tất cả các khoáng vật
sét là các tinh thể cỡ hạt keo, rất nhỏ (đường kính nhỏ hơn 1μm) và chỉ được nhìn thấy dưới
kính hiển vi điện tử.
Trong cấu trúc khoáng sét, các lớp có chiều dài cỡ 1 nm. Giữa các lớp là khoảng trống
và các lớp được liên kết với nhau bởi lực hút tĩnh điện. Khoảng cách của một lớp đơn vị là
khoảng trống giữa hai lớp, gọi là khoảng cách cơ bản. Khoảng cách này có kích thước nm và
khác nhau đối với mỗi loại khoáng sét. Trong các lớp của khoáng có sự thay thế đồng hình
giữa các Cation ở tâm tứ diện và bát diện như : các ion Si
bởi các ion Al
hay Mg

3+

3+
3+
hay Fe còn các ion Al ở

4+

ở tâm tứ diện có thể bị thay thế

tâm các bát diện lại bị thay thế bởi các Zn

2+

2+
. Chính sự thay thế đồng hình này làm cho khoán mang điện tích âm và sẽ được bù

+ +
điện tích bởi các Cation kim loại như: Na ,K ...trên bề mặt các lớp.
Do các khoáng vật sét thường rất nhỏ, việc nhận dạng chúng bằng các kỹ thuật quang
học trong khoáng vật học thông thường không giải quyết được, cần phải có phương pháp khác
để xác định chúng. Từ các kiến thức đã học trong vật liệu xâu dựng, chúng ta biết rằng đặc
tính cá biệt hoặc lặp lại của cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu sẽ làm nhiễu xạ tia X. Các
khoáng vật khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau sẽ có kiểu dáng nhiễu xạ khác
Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


nhau và dựa vào đó, khoáng vật sẽ được xác định. Kiểu nhiễu xạ của các khoáng vật đã biết sẽ
được xuất bản và căn cứ vào đó để so sánh

Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


với các khoáng vật chưa biết. Nhưng vấn đề rắc rối gặp phải là với những loại đất là hỗn hợp
các khoáng vật sét, đất có chứa hữu cơ và chứa các thành phần không thuộc nhóm khoáng vật
sét hoặc đất có các lớp khoáng vật xáo trộn lẫn nhau. Trong trường hợp này, việc phân tích chi
tiết hàm lượng từng khoáng vật là không thể, chỉ có thể chỉ ra tương đối bao nhiêu khoáng vật
có mặt trong đất và mỗi loại chiếm bao nhiêu phần trăm.
Một phương pháp khác được dùng để xác định các khoáng vật sét là phương pháp DTA
(differential thermal analysis). Một mẫu đất cần được xác định được đưa vào lò nhiệt điện ở

nhiệt độ khoảng vài trăm độ C với một chất hóa học trơ, sự thay đổi diễn ra do cấu trúc mạng
tinh thể các khoáng vật sét. Sự thay đổi đó ở nhiệt độ nào đó được ghi lại và nó đặc trưng cho
từng khoáng vật, đây sẽ là cơ sở để so sánh với các khoáng vật đã biết.

2.1.1.2. Biến tính khoáng sét
Khoáng sét khi chưa được biến tính rất khó tương hợp với chuỗi polymer do bản chất
hóa học rất khác nhau, hơn nữa, khoáng sét có cấu trúc lớp và giữa các lớp được liên kết với
nhau rất chặt chẽ bằng lực hút tĩnh điện. Vì vậy muốn chèn các phân tử polymer vào giữa các
lớp hoặc tách các lớp ra để tạo ra Geopolymer người ta phải thực hiện quá trình biến tính
khoáng sét, làm cho khoáng sét ưa tính hữu cơ và làm tăng khoảng cách cơ bản giữa các lớp
để các mạch polymer dễ dàng chèn vào.
Người ta thường thực hiện phản ứng trao đổi cation với mục đích gắn mạch
hydrocacbon dài vào trên bề mặt các lớp để giảm sự tương tác và làm tăng khoảng cách giữa
các lớp.
Các hợp chất thường được dùng để biến tính khoáng sét là các muối amoni có dạng Na+
(R)4Cl- trong đó R là mạch hydrocacbon dài để thực hiện phản ứng trao đổi cation, để tạo ra
khoáng sét hữu cơ hữu cơ:

* Clay = khoáng sét
Như vậy bằng phản ứng trao đổi cation , mạch hydrocacbon dài được gắn lên bề mặt các
lớp khoáng sét. Các mạch hydrocacbon một mặt làm tăng khoảng cách giữa các lớp khoáng
sét, mặt khác chúng có thể tương hợp tốt với các mạch polymer trong quá trình chế tạo vật
liệu đất sét mới.
2.1.2. Tro bay
Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


Tro bay là một Puzzolan nhân tạo với các thành phần chính là các oxit silic (SiO 2), oxit
nhôm (Al2O3), oxit sắt (Fe2O3), canxi oxit (CaO), magie oxit (MgO). Hàm lượng các thành
phần này phụ thuộc vào loại than sử dụng ban đầu, và tất nhiên màu sắc của tro bay cũng

phụ thuộc vào hàm lượng các hợp chất có trong tro bay. Tro bay càng mịn càng tốt. Đường
kính của phần lớn các hạt nằm trong khoảng 1µm đến 20µm và hàm lượng than chưa cháy
(MKN) thường yêu cầu không được vượt quá 5% khối lượng tro bay. Tro bay được sản xuất
từ việc đốt than đá ở dạng bột mịn trong lò hơi đốt than của nhà máy nhiệt điện. Những hạt
bụi được đưa ra qua các đường ống khói sau đó được thu hồi bằng phương pháp kết sương
tĩnh điện hoặc máy thu chuyên dụng bằng phương pháp lốc xoáy.

2.2.

[14]

Cơ sở khoa học của công nghệ Geopolymer
Bằng nghiên cứu của mình, Davidovits (1978) đã dùng thuật ngữ geopolymer để giới

thiệu loại polymer mới được tổng hợp từ các khoáng vật thuộc nhóm Aluminosiliate. Thành
phần chủ yếu của Geopolymer là các nguyên tố Si

2+
3+
2, Al và O 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.

[3]

Cấu trúc hóa học vô định hình của Geopolymer cơ bản được tạo thành từ mạng lưới cấu
trúc của những Alumino-Silico hay còn gọi là Poly-sialate. Sialate là viết tắt của Silic – Oxy –
Nhôm. Các cầu nối -Si-O-Al- tạo thành các bộ khung không gian vững chắc bên trong cấu

trúc. Khung Sialate bao gồm những tứ diện SiO4 và AlO4 được nối xen kẹp với nhau bằng các
+ + +
2+
2+
4+
+
nguyên tố Oxy. Những ion dương (Na , K , Li , Ca , Ba , NH , H3O ) phải hiện diện
3+ [18]
trong các hốc của khung để cân bằng điện tích của Al
và hình thành monomer mới như
hình bên dưới:

Công thức kinh nghiệm của poly sialate:

[3]

M (-(SiO2) z-AlO2)n. wH2O.
n
Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


Trong đó :

M – các cation kim loại kiềm hay kiềm thổ; n – mức độ polymer
hoá;
z = 1,2,3…cao nhất là 32.

Khảo sát thực nghiệm tỷ lệ Si/Al, trạng thái poly siliate bao gồm những loại sau[12]

+ Poly(sialate)

(-Si-O-Al-O-)

+ Poly(sialate-siloxo)

(-Si-O-Al-O-Si-O-)

:

+ Poly(sialate-disiloxo) (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-)
Quá trình tổng hợp để tạo thành vật liệu Geopolymer được gọi là quá trình Geopolymer
hóa các nguyên vật liệu aluminosilicate ban đầu nhờ vào các dung dịch hoạt hóa kiềm. Quá
trình hoạt hóa kiềm cho các vật liệu aluminosilicate là một quá trình phức tạp và đến nay vẫn
chưa được mô tả một cách rõ ràng. Các bước phản ứng không diễn ra tuần tự mà hầu như
diễn ra cùng lúc và chồng lắp vào nhau. Do đó, rất khó phân biệt cũng như khảo sát các bước
phản ứng một cách riêng biệt. (Palomo et al. 1999)

[14]

Phản ứng hóa học của quá trình geopolymer có thể diễn ra theo 1 trong 2 phương
trình (2-2) hoặc (2-3) bên dưới:

[3] [14]

Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


(D.Hardjito, 2005)

[16]

Tuy nhiên, quá trình phản ứng hóa học tạo thành geopolymer có

thể được phân ra thành các bước chính sau:
Hòa tan các phân tử Si và Al trong nguyên liệu nhờ vào các ion hydroxide trong dung
dịch.
Định hướng lại các ion trong dung dịch tạo thành các monomer.
Đóng rắn các monomer thông qua các phản ứng trùng ngưng polymer để tạo thành các
cấu trúc polymer vô cơ.


Hình 2-7. Sơ đồ geopolymer hóa vật liệu aluminosiliate
Sơ đồ bên trên là một ví dụ cụ thể việc geopolymer hóa vật liệu aluminosiliate, mặc dù
sơ đồ là tuyến tính nhưng thực tế phản ứng là các quá trình xảy ra liên tục và không theo trật
tự cụ thể nào. Ban đầu, các hạt rắn dưới tác dụng của môi trường kiềm hình thành các phân tử
hòa tan vô định hình, giải phóng ra các monomer aluninat và silicat. Tiếp đó các monomer sẽ
tiếp tục phản ứng để tạo nên chuỗi polymer dài hơn, khi dung dịch đạt đến độ bão hòa sẽ xuất
hiện gel aluminosiliate kết tủa, các phân tử gel này chứa nhiều ion Al
– O yếu hơn liên kết Si – O nên ion Al

3+

3+

vì ban đầu liên kết Al

trong dung dịch dễ dàng tách ra và gắn vào các

chuỗi polymer tạo thành. Khi phản ứng tiếp tục xảy ra, các nhóm Si – O trong chất rắn ban
đầu hòa tan, làm tăng nồng độ silicate trong dung dịch, đẩy nhanh quá trình hình thành các

cấu trúc zeolit vô định hình.


Quá trình phản ứng tiếp tục xảy ra, phân tử tạo thành liên tục được sắp xếp và phân bố
lại cấu trúc, lắp đầy các lỗ rỗng nhỏ hơn hình thành khối vật liệu liên kết vững chắc có cấu
trúc zeolite vô định hình. Giả thuyết này được xem là quá trình cơ bản để tạo thành cấu trúc
geopolymer hay còn gọi là quá trình geopolymer hóa.

2.3.

[17]

Cơ chế đóng rắn của tro bay và đất sét theo công nghệ Geopolymer
Công nghệ geopolymer đất và tro bay là sự kết hợp của công nghệ geopolymer đất và

geopolymer tro bay để tạo thành một cấu trúc vật liệu mới, có liên kết bền hơn hệ nguyên vật
liệu ban đầu.

2.3.1. Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer tro bay
Trong hỗn hợp Geopolymer, tồn tại hàng loạt những hạt tro bay dạng hình cầu, với
nhiều kích thước khác nhau. Những khối cầu này thường rỗng, đôi khi bên trong chúng lại
chứa những khối cầu khác có kích thước nhỏ hơn. Tác động của dung dịch kiềm Alkali và quá
trình dưỡng hộ nhiệt lên những thành phần này tạo thành sản phẩm ở trạng thái gel. Sản phẩm
dạng gel này lại liên kết với sản phẩm dạng gel ở những phần tử khác. Kết quả là tạo thành
sản phẩm có tính dính kết. Mặt khác có những phần tử tro bay chưa phản ứng và được bao
bọc bởi sản phẩm của quá trình phản ứng, làm những phần tử tro bay này phản ứng rất chậm.
[21]
Trong Geopolymer tồn tại một lượng nhỏ vật liệu Zeolite. Điều này có lợi vì ảnh hưởng
đến cường độ cơ học và thường xuất hiện trong những lỗ trống .Tuy nhiên nếu Zeolite hình
thành với lượng lớn sẽ ảnh hưởng xấu đến sản phẩm gel nói trên. Khi thủy tinh lỏng (Sodium

silicat) được sử dụng, sự có mặt của silic oxit thường làm chậm sự hình thành Zeolite.

Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer

[20]


Mô hình quá trình hoạt hóa của dung dịch kiềm Alkali đối với tro bay được minh họa:

Hình 2-8. Mô hình quá trình hoạt hóa của dung dịch kiềm Alkali đối với tro bay

[22]

Phản ứng hóa học này đầu tiên xảy ra tại một điểm trên bề mặt của hạt tro bay, sau đó
mở rộng ra tạo thành những lỗ lớn hơn trên bề mặt làm lộ cấu trúc bên trong hạt tro bay, rỗng
hoặc một phần chứa những phần tử nhỏ hơn. Từ đó, sự tác động của dung dịch kiềm Alkali
theo hai chiều: từ ngoài vào trong và từ trong ra ngoài. Do đó, sản phẩm của phản ứng này
được sinh ra cả bên trong lẫn bên ngoài lớp vỏ của hạt tro bay. Cùng lúc đó, dung dịch kiềm
Alkali cũng đi vào cấu trúc rỗng của hạt tro và phản ứng với những phần tử nhỏ hơn bên
trong hạt tro lớn. Kết quả là không gian rỗng bên trong được lắp đầy bằng sản phẩm của
phản ứng.

[20]
.

Kết quả của quá trình tích tụ sản phẩm phản ứng là tạo thành lớp sản phẩm bao bọc
một phần những hạt cầu tro bay. Lớp sản phẩm này ngăn cản phần tro bay bên trong tiếp xúc
với dung dịch Alkali. Các phản ứng kế tiếp tạo thành sản phẩm kết nối lớp sản phẩm trên,
xảy ra đồng thời với tác động của môi trường pH qua lớp sản phẩm của tro bay đã phản ứng.
Phần tro bay nằm nên dưới lớp sản phẩm trên có thể không bị tác động bởi môi trường pH

cao, điều này liên quan phụ thuộc vào chất hoạt hóa được sử dụng. Trong trường hợp này,
chất hoạt hóa giữ vai trò chủ đạo trong quá trình khuếch tán hóa lý. Các mức độ phản ứng ở
nhiều thời điểm khác nhau tạo ra sản phẩm có độ thấm khác nhau.
Hơn nữa, quá trình được mô tả trên không thay đổi trong toàn bộ gel tạo thành nhưng
sẽ khác biệt tại điểm này so với điểm khác trong cấu trúc, phụ thuộc vào kích thước phần
tử phản ứng và hoạt động hóa học. Nói chung, nó là một hệ thống bao gồm: các phần tử chưa
Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


phản ứng, phần tử đã bị tấn công bởi dung dịch Alkali nhưng vẫn giữ nguyên hình dạng cầu
và sản phẩm của quá trình phản ứng.
Điều đáng nói ở đây là sự có mặt của dung dịch sodium silicate trong dung dịch hoạt
hóa giữ vai trò quan trọng trong sự phát triển của cấu trúc vi mô giống như cấu trúc của xi
măng. Cấu trúc này không thay đổi, không hình dạng và ít cấu trúc rộng. Cấu trúc này chị bị
gián đoạn khi có mặt của những phần tử tro bay không phản ứng và hạt tro. Thành phần Na và
Si trong cấu trúc này thường nhiều hơn khi chỉ được hoạt hóa bởi sodium hydroxit. Tuy nhiên,
cấu trúc vi mô tạo ra khi có mặt của thủy tinh lỏng thường tương tự cấu trúc được hoạt hóa
bởi dung dịch sodium hidroxit và dưỡng hộ nhiệt trong thời gian lâu hơn.

2.3.2. Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer đất sét
Cơ chế hóa học của đóng rắn đất sét dưới tác dụng của dung dịch kiềm được nghiên cứu
bởi nhiều rất nhiều tác giả (Velde, 1965; Eberl and Hower, 1977; Mohnot et al., 1987 ;
Chemark, 1993; Huang, 1993 ). Kết luận chung rằng, quá trình chuyển hóa khoáng kaolinite
dưới tác dụng của dung dịch kiềm sẽ qua hai phương trình phản ứng sau:

-

Hòa tan khoáng Kaolinite thành các monomer Si và Al theo phương trình 1: Al2Si2O5(OH)4 +
6OH + H2O  2Al(OH)4 + 2H2SiO42-

-

Các monomer mới đóng rắn thành Hydrosodalite theo phương trình 2: 6Al(OH)4 +
6H2SiO4

2-

+ 6Na Na6Si6Al6O24 +12OH +12H2O

+

Đất sét được cấu tạo chủ yếu là khoáng kaolinite, monmoriolite và illite. Dưới tác dụng
của dung dịch kiềm hoạt tính vào các cấu trúc của các khoáng bao gồm khối tứ diện Si
bát diện Al

3+

4+

và

, có xu hướng làm cho các khối này bị thiếu điện tích và hình hành các anion

tạm thời và có khả năng hấp thụ cation mạnh. Từ đó các cation kim loại đóng vai trò là cầu
nối hình thành các monomer đất có cấu trúc bền vững hơn.

Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer


Hình 2-9. Sơ đồ cấu trúc monomer đất sét dưới tác dụng của dung dịch Sodium

Hydroxit
[15] [19]

Cấu trúc của hydrosodalite đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu

, đây là

cấu trúc bát giác, có liên kết gần giống với cấu trúc zeolite, ta quan sát hình 2.13

(a) Cấu trúc lập thể của Hydrosodalite

(b) Cấu trúc lập thể của Zeolite

Hình 2-10. Phân biệt cấu trúc lập thể của Hydrosodalite và Zeolite
Quan sát hình 2.13. ta thấy rõ cấu trúc thực tế của hydrosodalite trong liên kết của vật
liệu geopolymer là hình bát giác, liên kết không theo quy luật đồng nhất.


Hình bát giác dày đặc

Hình dạng giống
hình bát giác

Hình 2-11. Hình ảnh SEM của hydrosodalite.
Để giải thích thêm cho liên kết các cấu trúc của đất sét sau khi xảy ra quá trình
geopolymer hóa, ta có thể giải thích thêm bằng việc xuất hiện hiện tượng từ lực khi các hạt
khoáng sét tương tác trực tiếp với môi trường kiềm.
Khi cho các hạt sét vào dung dịch kiềm sẽ xuất hiện hiện tượng polymer vô cơ trực tiếp,
các khoáng chính của đất sét (kaolinie, monmoriolite, illite) được cấu tạo cơ bản bởi các lá
nhôm và lá silic, cả hai đều mang điện tích âm, dưới tác dụng của ion kim loại trong dung

dịch kiềm, các tấm lá mang điện tích này được gắn kết lại với nhau, hình thành các chuỗi
polymer trực tiếp vô định hình.
Vì vậy, khi nguồn nguyên vật liệu càng mịn, thì lực từ tính sinh ra càng mạnh, giúp
các hạt sét có thể liên kết nhau bằng từ lực, hình thành chuỗi polymer lớn hơn, các chuỗi
polymer này tiếp tục tham gia và cấu hình hình thành geopolymer đất sét ở trên, giúp nguyên
vật liệu hình thành có cấu trúc ổn định và tính chất tốt hơn rất nhiều so với nguyên liệu đất sét
ban đầu.


Hình 2-12. Quá trình polymer vô cơ trực tiếp các tấm khoáng sét
Theo North and Swadle (2000), quá trình geopolymer hóa đất sét có thể cụ thể
qua các bước sau:
- Bước 1: dưới tác dụng của các ion trong môi trường kiềm, hình thành ion Al

4+

tồn tại

- +
+
trong chuỗi O3-Si-O-Al-(OH)3 Na , hay còn gọi là chuỗi monomer Al(OH)4 Na .

- Bước 2: ion OH- (trong môi trường kiềm hòa tan) gắn kết vào nguyên tử silic trong
monomer Al(OH)4 Na bằng liên kết cộng hóa trị.

-

- Bước 3: Quá trình tiếp theo của phản ứng là sự phân tách liên kết Si-OH ra ngoài nhờ sự
chuyển giao điện tích âm từ Si

2+

2sang O .


- Bước 4: hình thành thêm nhiều nhóm liên kết Si-OH và đồng thời ion OH- cũng được gắn vào
chuỗi monomer Al(OH)4 Na , đây là chuỗi monomer ban
đầu của quá trình geopolymer hóa.
-

+

- Bước 5: liên kết Si-O nhận thêm ion Na từ môi trường kiềm, hình thành liên kết Si- O-Na
bảo toàn điện tích.

- Bước 6: các monomer ở phương trình (4) tiếp tục liên kết với monomer ở phương trình (5),
hình thành vòng cyclo-disialate khép kín và Sodium Hydroxit tự do được tạo thành và tiếp tục
phản ứng.

- Bước 7: 3 vòng cyclo-disialate tiếp tục gắn kết nhau tạo thành cấu trúc mạng hydrosodalite có
hình dạng lục giác nhỏ.


Mặc dù được phân chia thành các bước cụ thể nhưng quá trình geopolymer hóa đất sét là
một quá trình liên tục và không phân lập rõ ràng. Các hydrosodalite có cấu trúc vô định hình,
nên phải kết hợp các phương pháp phân tích hiện đại mới có thể xác định được.

Đề tài: Gia cố đất yếu nền đường giao thông bằng phương pháp Geopolymer