NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER SỬ DỤNG CÁT BIỂN

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN THỊ THANH TRIẾT

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG
GEOPOLYMER SỬ DỤNG CÁT BIỂN

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG
VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2016


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRẦN THỊ THANH TRIẾT

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG
GEOPOLYMER SỬ DỤNG CÁT BIỂN

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG
VÀ CÔNG NGHIỆP – 60580208
Hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Đức Thiện

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2016


CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 11 năm 2016

Trần Thị Thanh Triết

Trang iii


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn thạc sỹ này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều từ
bạn bè quý Thầy Cô trong Khoa xây dựng và Cơ học Ứng dụng - Trường đại học
Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã giảng dạy, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy TS.
Phạm Đức Thiện và Thầy TS. Phan Đức Hùng đã tận tình hướng dẫn, cung cấp các
thông tin nghiên cứu cần thiết và chỉ bảo tôi trong thời gian tôi thực hiện luận văn
thạc sỹ.
Tôi chân thành biết ơn gia đình, bạn bè, Ban giám đốc Công ty Điện lực Cà
Mau và các đồng nghiệp đã luôn thông cảm, 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 23 tháng 11 năm 2016

Trần Thị Thanh Triết

Trang iv


TÓM TẮT
Việc tăng sản lượng xi măng đáp ứng nhu cầu xây dựng hiện nay làm tăng
hàm lượng khí thải CO 2 vào khí quyển trong quá trình sản xuất, góp phần gây hiệu
ứng nhà kính và làm trái đất nóng dần lên. Do đó, các công trình xây dựng hướng
đến việc giảm bớt việc sử dụng xi măng truyền thống, thay thế bằng vật liệu xanh
và thân thiện với môi trường ngày càng trở nên cấp thiết.
Vật liệu geopolymer được tổng hợp từ những khoáng vật thuộc nhóm
aluminosilicate do nhà khoa học Davidovits công bố như một trong những giải pháp
để giải quyết vấn đề trên. Với thành phần gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3... và được cấu tạo
bởi những tinh cầu tròn, siêu mịn, tro bay được xem là một loại “puzzolan" nhân tạo
chất lượng cao. Ngoài ra, việc thay thế xi măng bằng chất kết dính geopolymer sử
dụng tro bay giúp tiêu thụ một lượng lớn phế phẩm công nghiệp để ứng dụng vào
công trình xây dựng như chế tạo “bê tông xanh – bê tông Geopolymer
Báo cáo này chỉ hạn chế ở việc sử dụng cát biển làm nguyên liệu thay thế cát
truyền thống để xác định đặc tính cơ lý của bê tông geopolymer. Từ đó đánh giá ảnh
hường của cát biển đến sự phát triển cường độ. Ngoài ra, sự ảnh hưởng này còn kể
đến yếu tố: hàm lượng dung dịch hoạt hóa akaline và thời gian hoạt hóa (tuổi bê
tông). Kết quả nghiên cứu, chỉ ra sự thay đổi tính chất cơ lý bêtông Geopolymer khi
sử dụng cốt liệu cát biển thay thế cho cốt liệu nhỏ truyền thống (cát sông, cát núi,..).
Ngoài ra tỉ lệ khối lượng dung dịch Akaline/Tro-bay (AL/FA) và Sodiumhydroxide/Sodium-silicate (SH/SS) cũng làm ảnh hưởng tính chất cơ lý của bêtông
Geopolymer, đồng thời đề xuất được các cấp phối tối ưu để sản phẩm đạt cường độ
cao nhất.

Trang v

ABSTRACT

The increase in cement production which respond current construction,
make to increase the amount of emission into the atmosphere. Manufacturing
process that contribute to the greenhouse effect, make the earth warmer. Therefore,
the construction reduce to use of traditional cement and replace by green materials
of environmentally friendly. It is becoming more urgent.
Geopolymer which is synthesized from minerals of aluminosilicate group, is
announced by scientists Davidovits. Geopolymer is one of the solutions to solve the
problem above. Fly ash is considered a kind of "puzzolan" artificial quality. It
include SiO2, Al2O3, Fe2O3, which is formed by the circular planet, super smooth. In
addition, the replacement of cement binder by using fly ash geopolymer help to
consume a large amount of industrial waste products.
This report limit using sea sand to replace traditional sand in order to
determine the mechanical properties of geopolymer concrete. Beside, This report
assess effectively sea sand to the strength development. Furthermore, the study
illustrate influence factors such as: activation solution concentration and time
akaline activation (concrete age). The research results indicate that a changes of the
physical properties of geopolymer concrete which use sea sand to replace river
sand. The study results showed the effects of mass ratio of Akaline to Fly-ash (AL /
FA) and mass ratio of Sodium-silicate to Sodium-hydroxide (SS / SH) to the
physical properties of geopolymer concrete. Beside, the study proposed the
optimum mixture proportions to attain product of the highest strengh

Trang vi


MỤC LỤC
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI…………………………………………………….
XÁC NHẬN CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN………………………………….

LÝ LỊCH KHOA HỌC…………………………………………………….............i
CAM ĐOAN ….. ..................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ………………………………………………………………….....iiv
TÓM TẮT ………… .................................................................................................v
ABSTRACT ………… .............................................................................................vi
Chương 1: TỔNG QUAN .........................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề .........................................................................................................1
1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố .................................6
1.2.1 Ngoài nước .................................................................................................6
1.2.2 Trong nước .................................................................................................8
1.3 Mục tiêu nghiên cứu..........................................................................................9
1.4 Phương pháp nghiên cứu...................................................................................9
1.5 Tính mới của đề tài............................................................................................9
1.6 Phạm vi nghiên cứu..........................................................................................9
Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC ............................................................................10
2.1 Quá trình Geopolyme hoá ...............................................................................10
2.2 Cơ chế hóa học của công nghệ Geopolymer tro bay ......................................13
2.3 Thành phần của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay ...................................15
2.4 Các nghiên cứu liên quan đến bê tông cát biển...............................................16
Chương 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ..........19
3.1 Nguyên vật liệu ...............................................................................................19
3.1.1 Tro bay .....................................................................................................19
3.1.2 Dung dịch đóng rắn ..................................................................................21
3.1.3 Cát ............................................................................................................22
3.1.4 Đá dăm .....................................................................................................24
3.1.5 Nước nhào trộn.........................................................................................25

Trang vii

3.2 Điều kiện dưỡng hộ nhiệt ................................................................................25
3.3 Thiết kế cấp phối, tính toán thành phần nguyên vật liệu ................................26
3.4 Phương pháp tạo mẫu và thí nghiệm...............................................................28
3.4.1 Phương pháp tạo mẫu...............................................................................28
3.4.2 Phương pháp thí nghiệm ..........................................................................30
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO THUẬN ..........................................................33
4.1 Ảnh hưởng của dung dịch hoạt hóa Alkaline ..................................................33
4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng hoạt hóa ...............................................................40
4.3 Ảnh hưởng thời gian đến cường độ bê tông Geopolymer ..............................43
4.4 Ảnh hưởng của loại cát sử dụng ......................................................................48
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...........................51
5.1 Kết luận ...........................................................................................................51
5.2 Hướng phát triển đề tài....................................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................53
PHỤ LỤC …………………………………………………………..……………..56

Trang viii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1:Thành phần chính tro bay theo ASTM C618-94a .....................................20
Bảng 3.2:Thành phần hóa học tro bay Nhà máy nhiệt điện Formosa [30] ...............20
Bảng 3.3:Thành phần vật lý của tro bay [29, 30] .....................................................21
Bảng 3.4: Kết quả thí nghiệm cát biển .....................................................................23
Bảng 3.5: Kết quả thí nghiệm cát thường (để đối chứng) ........................................23
Bảng 3.6: Thành phần hạt cốt liệu nhỏ (cát).............................................................24
Bảng 3.7: Thành phần hạt đá ....................................................................................25
Bảng 3.8:Thành phần cấp phối dùng cho thí nghiệm (kg/m3)..................................27
Bảng 4.1: Kết quả nén mẫu sau 28 ngày ..................................................................34
Bảng 4.2: Kết quả kéo gián tiếp mẫu sau 28 ngày ...................................................36

Bảng 4.3: Kết quả uốn mẫu sau 28 ngày ..................................................................38
Bảng 4.4: Kết quả nén mẫu sau 28 ngày ..................................................................40
Bảng 4.5: Kết quả kéo gián tiếp mẫu sau 28 ngày ...................................................41
Bảng 4.6: Kết quả uốn mẫu sau 28 ngày ..................................................................42
Bảng 4.7: Kết quả nén mẫu sau 7 ngày và 28 ngày..................................................44
Bảng 4.8: Kết quả kéo gián tiếp mẫu sau 7 ngày và 28 ngày ...................................46
Bảng 4.9: Kết quả uốn mẫu sau 7 ngày và 28 ngày .................................................47
Bảng 4.9: Kết quả nén mẫu bê tông cát biển và cát thường .....................................48
Bảng 4.10: Kết quả kéo gián tiếp mẫu bê tông cát biển và cát thường ....................49
Bảng A.1: Bảng tính toán xử lý số liệu với thí nghiệm nén và kéo gián tiếp mẫu bê
tông geopolymer cát biển ..........................................................................................56
Bảng A.2: Bảng tính toán xử lý số liệu với thí nghiệm nén và kéo gián tiếp mẫu bê
tông geopolymer cát thường .....................................................................................59
Bảng A.2:Bảng tính toán xử lý số liệu với thí nghiệm uốn mẫu bê tông geopolymer
61

3

Trang ix


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Tình trạng khai thác đá quá mức ở Kiên Giang .........................................2
Hình 1.2: Khai thác cát lậu trên sông Đồng Nai .......................................................3
Hình 1.3: Xỉ than gây ô nhiễm môi trường ...............................................................5
Hình 2.1: Sơ đồ mô phỏng sự hoạt hóa vật liệu alumosilicate.................................12
Hình 2.2:Hình ảnh SEM các trạng thái vi hạt của tro bay .......................................13
Hình 2.3: Mô hình quá trình hoạt hóa của dung dịch kiềm Alkali đối với tro bay .14
Hình 2.4: Ảnh hưởng cốt liệu mịn trong bê tông geopolymer và bê tông OPC
Hình 2.5: Ảnh hưởng thời gian trong bê tông geopolymer cát biển chưa xử lý .....17

Hình 2.6: Ảnh hưởng thời gian trong bê tông geopolymer cát biển đã xử lý .........18
Hình 3.1: Tro bay .....................................................................................................19
Hình 3.2: Natri hydroxit dạng vảy nến .....................................................................21
Hình 3.3: Dung dịch thủy tinh lỏng ..........................................................................22
Hình 3.4: Cát biển.....................................................................................................22
Hình 3.5: Đồ thành phần hạt cát ...............................................................................24
Hình 3.6: Đá dăm .....................................................................................................24
Hình 3.7: Đồ thị thành phần hạt đá...........................................................................25
Hình 3.8: Tủ sấy và mẫu sau khi được dưỡng hộ nhiệt ...........................................26
Hình 3.9: Mẫu trụ sau khi đúc ..................................................................................28
Hình 3.10: Mẫu hình chữ nhật sau khi đúc ..............................................................29
Hình 3.11: Mẫu sau khi tháo khuôn .........................................................................29
Hình 3.12: Sơ đồ thực nghiệm .................................................................................30
Hình 3.13: Quy trình trộn mẫu bê tông và mẫu sau khi đúc ....................................31
Hình 3.14: Hình dạng mẫu trụ sau khi phá hoại ......................................................31
Hình 3.15: Mẫu sử dụng phương pháp ép chẻ để xác định cường độ chịu kéo .......32
Hình 3.16: Thiết bị thí nghiệm cường độ chịu uốn và mẫu sau khi uốn ..................32
Hình 4.1: Mẫu C1 ở 28 ngày tuổi sau khi nén..........................................................33
Hình 4.2: Ảnh hưởng dung dịch hoạt hóa đến cường độ chịu nén...........................34

Trang x


Hình 4.3: Mẫu T5 ở 28 ngày tuổi sau khi ép chẻ .....................................................36
Hình 4.4: Ảnh hưởng dung dịch hoạt hóa đến cường độ chịu kéo ..........................37
Hình 4.5: Mẫu B5 ở 28 ngày tuổi sau khi uốn .........................................................39
Hình 4.6: Ảnh hưởng dung dịch hoạt hóa đến cường độ chịu uốn ..........................39
Hình 4.7: Ảnh hưởng của hàm lượng hoạt hóa đến cường độ chịu nén...................41
Hình 4.8: Ảnh hưởng của hàm lượng hoạt hóa đến cường độ chịu nén...................42
Hình 4.9: Ảnh hưởng của hàm lượng hoạt hóa đến cường độ chịu nén...................43

Hình 4.8: Ảnh hưởng thời gian đến cường độ chịu nén ...........................................44
Hình 4.9: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ tuổi bê tông và cường độ chịu nén ...........45
Hình 4.10: Ảnh hưởng thời gian đến cường độ chịu kéo .........................................46
Hình 4.11: Ảnh hưởng thời gian đến cường độ chịu uốn .........................................47
Hình 4.12: Ảnh hưởng của loại cát sử dụng đến cường độ chịu nén .......................49
Hình 4.13: Ảnh hưởng loại cát sử dụng đến cường độ chịu kéo ..............................50

Trang xi


Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Ngành công nghiệp xây dựng và bê tông đã và đang sử dụng lượng lớn nguồn tài
nguyên và năng lượng. Bê tông xi măng còn là một trong các dạng vật liệu được sử
dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng và công trình giao thông hạ tầng. Trong
đó, xi măng pooc lăng đóng vai trò là chất kết dính trong việc sản xuất bê tông hiện
nay. Sản lượng xi măng sản xuất trên toàn thế giới không ngừng gia tăng vào
khoảng 1,5 tỷ tấn trong năm 1995 lên khoảng 2,2 tỷ tấn trong năm 2010 (Malhotra,
1999) [1].
Bê tông là vật liệu được sử dụng nhiều nhất trong tất cả các loại vật liệu xây
dựng, chất kết dính thông thường được sử dụng để sản xuất bê tông là xi măng pooc
lăng. Tuy nhiên quá trình sản xuất xi măng đòi hỏi khai thác nguồn tài nguyên thiên
thiên không thể tái tạo như đá vôi và đất sét cũng như tiêu thụ năng lượng từ nhiều
nguồn khác nhau như than đá, dầu, điện. Năng lượng để sản xuất xi măng chỉ đứng
thứ ba sau sản xuất thép và nhôm [2].
Sản lượng xi măng pooc lăng trên toàn thế giới hiện tại vượt qua ngưỡng 2,6 tỷ
tấn một năm và hàng năm tăng trung bình 5%, sự thay đổi khí hậu toàn cầu hiện nay
là một vấn đề được cả nhân loại quan tâm. Tuy nhiên, công nghiệp sản xuất xi măng

lại là một trong các ngành tiêu thụ rất lớn nguồn tài nguyên khoáng sản (đá vôi và
cốt liệu) và năng lượng (than, dầu, điện) cũng như có sự thải ra lượng khí CO2 lớn
vào khí quyển. Số liệu điều tra cho thấy lượng khí thải CO 2 từ công nghiệp sản xuất
xi măng xấp xỉ 1,35 tấn/năm chiếm khoảng 7% lượng CO2 trên toàn thế giới
(Malhotra) [3].

Trang 1


Hình 1.1: Tình trạng khai thác đá quá mức ở Kiên Giang [4]
Hiện nay, ở Việt Nam việc đầu tư nâng cấp xây mới các dự án xây dựng đang
diễn ra mạnh mẽ là vấn đề ưu tiên cấp thiết nhằm đáp ứng nhu cầu xã hội và làm cơ
sở để phát triển nền kinh tế. Bê tông xi măng truyền thống luôn là loại vật liệu chủ
yếu để thi công kết cấu chính do những ưu điểm hơn về tuổi thọ, khả năng chịu lực
cao và rất ổn định với nước. Tuy nhiên, chi phí đầu tư khá cao, những hệ quả trong
quá trình sản và sử dụng bê tông xi măng như phân tích ở trên cần được quan tâm.
Để sản xuất bê tông, theo quy trình hiện hành và theo thói quen truyền thống
người ta dùng cát vàng thỏa mãn các tiêu chuẩn theo quy định. Tuy nhiên, do nhu
cầu xây dựng ngày càng phát triển, nguồn cát vàng ngày càng khan hiếm và không
phải nơi nào cũng có nguồn cát vàng, đó là một vấn đề đặt ra cho tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu. Vì vậy để phục vụ công tác xây dựng, cát vàng thường phải được vận
chuyển từ sông Đồng Nai về với cự ly vận chuyển rất lớn làm cho giá thành cát
vàng đến chân công trình là rất cao và tốn kém. Trong khi đó, cát biển có tại các bãi
trước, sau, Hồ Cóc, Đồi Nhái…, trữ lượng vô tận nên việc nghiên cứu sử dụng cát
biển thay thế cát vàng để chế tạo bê tông geopolymer có ý nghĩa rất lớn trong vấn
đề giảm giá thành xây dựng, đảm bảo tiến độ thi công, giảm khó khăn trong khâu
khai thác và vận chuyển đối với vùng sâu, vùng xa, không làm cạn kiệt tài nguyên

Trang 2

môi trường. Các công trình nghiêm cứu trên thế giới và trong nước đều đã cho thấy
khả năng sử dụng cát biển để chế tạo bê tông, tuy nhiên số lượng không nhiều và
thiếu hệ thống do vậy các kết quả nghiên cứu vẫn chưa được đưa vào tiêu chuẩn
quốc gia. Trên thế giới đã có một số nước như Anh, Hà Lan, Đan Mạch … cho phép
khai thác cát biển để chế tạo bê tông [5].

Hình 1.2: Khai thác cát lậu trên sông Đồng Nai [6]
Bê tông Geopolymer là loại bê tông không sử dụng xi măng pooc lăng thông
thường mà là bê tông sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa (chất kết dính
geopolymer), nó là sản phẩm của phản ứng giữa dung dịch kiềm và các loại vật liệu
có chứa hàm lượng lớn hợp chất silic và nhôm. Geopolymer là sản phẩm của quá
trình phản ứng giữa vật liệu có nguồn gốc silic và nhôm với dung dịch kiềm.
Hiện nay Geopolymer đã và đang được nghiên cứu rộng rãi và cho thấy khả
năng là vật liệu xanh hơn thay thế bê tông xi măng trong một số ứng dụng do bê
tông Geopolymer vừa có các tính chất kỹ thuật tốt, đồng thời giảm khả năng gây
hiệu ứng nhà kính.
Lượng tro bay ở nước ta khá nhiều, hàng năm ước tính các nhà máy nhiệt điện
trên cả nước thải ra khoảng 1,3 triệu tấn tro bay, đến năm 2010 sẽ là 2,3 triệu

Trang 3


tấn/năm [1]. Theo thống kê đến thời điểm năm 2014, các Nhà máy nhiệt điện
(NMNĐ) ở Việt Nam thải ra khoảng khoảng 5 triệu tấn tro xỉ/năm. Tro bay có thể
sử dụng thay thế 20-30% lượng xi măng cho sản xuất bê tông thông thường hoặc bê
tông yêu cầu sử dụng trong môi trường xâm thực mạnh, bê tông công trình biển. Bê
tông đầm lăn, bê tông khối lớn lượng dùng tro bay có thể lên đến hơn 200 kg/m3 bê
tông. Hàng loạt lò cao ở các khu gang thép sử dụng nhiên liệu là than sẽ thải ra
lượng tro bay tương đối lớn [3].
Phần lớn lượng tro bay thải ra hiện vẫn còn nằm ở các bãi chứa, lấp các hồ nước,

bãi sông, đất ruộng, chiếm nhiều diện tích và gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy, việc
nghiên cứu, áp dụng các giải pháp xử lý và sử dụng tro bay nhiệt điện để giảm tối
đa khối lượng cần phải tồn chứa và những ảnh hưởng xấu của chúng đến môi
trường đất, nước, không khí và sức khoẻ con người là rất cần thiết. Với mục đích là
tận dụng phế thải, bảo vệ môi trường, đến nay, các nhà khoa học nước ta đã đạt
được những kết quả nhất định trong nghiên cứu sử dụng tro bay trong sản xuất xi
măng, bê tông, vật liệu xây dựng... nhưng việc ứng dụng còn rất hạn chế.
Tro bay của Việt Nam có nhược điểm là hàm lượng than chưa cháy cao, hoạt
tính thuỷ lực thấp… nên trên thực tế chưa có nhà máy nào sử dụng tro bay trong sản
xuất xi măng trừ các nhà máy xi măng liên doanh, nhưng lại sử dụng tro bay nhập
ngoại. Hiện nay, tro bay của các nhà máy nhiệt điện dùng than trừ Nhà máy Nhiệt
điện Phả Lại được khai thác, xử lý chủ yếu là để làm nhiên liệu nung vôi, gạch…
với khối lượng không lớn. Tuy nhiên tro bay mới được sử dụng như là phụ gia trong
xi măng, bê tông chiếm tỷ lệ không lớn (10-30%).
Việc sử dụng bê tông Geopolymer trên cơ sở chất kết dính tro bay kiềm hoạt hóa
có khả năng góp phần giảm hiện tượng nóng dần của trái đất. Bên cạnh đó còn tận
dụng được nguồn phế thải mịn thu được từ việc đốt cháy than cám ở các nhà máy
nhiệt điện, thành phần chủ yếu là các oxit của silic, nhôm, sắt, canxi, magie và lưu
huỳnh. Ngoài ra còn có một lượng than chưa cháy, không vượt quá 6% khối lượng
tro bay – một phụ phẩm công nghiệp vô cùng dồi dào – làm một chất thay thế xi

Trang 4


măng pooc lăng. Chất kết dính và vật liệu polyme vô cơ – một loại vật liệu mới
được nghiên cứu ở một số nước phát triển trong khoảng 30 năm gần đây, tuy nhiên
còn khá mới mẻ ở Việt Nam.

Hình 1.3: Xỉ than gây ô nhiễm môi trường [7]
Vật liệu polyme vô cơ sử dụng chất kết dính polyme vô cơ, loại chất kết dính

được polyme hóa trong môi trường kiềm của các vật liệu khoáng vật giàu Si – Al,
không chỉ đạt được các tính chất tương tự hoặc tốt hơn so với các vật liệu có sử
dụng các chất kết dính truyền thống, mà còn là một giải pháp hữu hiệu trong tận
dụng chất thải và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Do đó, việc sử dụng bê tông
Geoplymer trong công nghệp xây dựng còn mang lại nhiều lợi ích như giảm nguy
cơ chất thải công nghiệp và diện tích bải chứa chất thải, cải thiện chất lượng ở tuổi
dài ngày của bê tông (co ngót khô rất thấp, từ biến thấp, khả năng chống ăn mòn
sunphat và axit rất tốt), từ đó giảm chi phí đầu tư và bảo trì các kết cấu sử dụng bê
tông Geopolymer.

Trang 5


1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
1.2.1 Ngoài nước
Joseph Davidovits [8] đã nghiên cứu và chế tạo thành công một loại xi măng
mới bằng cách kết hợp nguyên liệu sét và dung dịch kiềm hoạt tính cao, tạo thành
chất kết dính vô cơ mới có khả năng đóng rắn nhanh và cho cường độ ban đầu rất
tốt với tên gọi xi măng polymer. Công nghệ này nhanh chống được phát triển trên
toàn thế giới và đang dần dần có ưu thế hơn xi măng pooc lăng do có ưu điểm về
nguyên liệu sản xuất và phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường.
Từ những tiền đề trên, Geopolymer được xem như là một loai vật liệu xanh và
được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghệ và xây dựng. Bê tông
Geopolymer được xem như một loại vật liệu thể hiện các đặc tính cơ lý có thể thay
thế được bê tông xi măng truyền thống. Và từ đó, hàng loạt những nghiên cứu về
tính chất cơ lý của bê tông Geopolymer đã được thực hiện.
Mo Bing-hui và cộng sự, nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ, thời
gian dưỡng hộ đến cường độ bê tông geopolymer, qua đó cho thấy cả thời gian và
nhiệt độ dưỡng hộ đều ảnh hưởng đến cường độ bê tông. Nhiệt độ thích hợp để quá
trình polymer hóa diễn ra nhanh là từ 600C đến 1000C. Ngoài ra nhiệt độ dưỡng hộ

cao (1000C) còn có tác dụng khử ion Clorua trong bê tông, làm giảm đến tối thiểu
ảnh hưởng bất lợi của yếu tố này đến tính chất của bê tông [9]

Trang 6


Hình 1.4: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến cường độ bê tông [9]
Van Jaarsveld và cộng sự [10] nghiên cứu về những đặc tính của Geopolymer
ảnh hưởng bởi sự hòa tan không hoàn toàn của những vật liệu phức tạp trong quá
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.
Theo D.Hardjito and B.V.Rangan [11], khi nghiên cứu về Quá trình phát triển
và những đặc tính của bê tông geopolymer sử dụng tro bay đã có những nhận xét về
những tính chất ảnh hưởng đến cường độ của bê tông geopolymer.
Trong nghiên cứu về Cường độ chịu nén và vùng tiếp xúc bề mặt ITZ của bê
tông Geopolymer [12], Muhd Fadhil Nuruddin đã khẳng định rằng sự phát triển
cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer phụ thuộc vào điều kiện dưỡng hộ.
Điều kiện dưỡng hộ thích hợp đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên cấu trúc
của Geopolymer.
Theo Mustafa Al Bakri [13], cường độ chịu nén và đăc tính cấu trúc của
geopolymer sử dụng tro bay đã được tổng hợp để tạo nên cường độ cao cho
geopolymer.

Trang 7


Theo Zejak [14], cho rằng cường độ chịu nén của hồ Geopolymer tăng khi có
thêm hàm lượng cát. Ông còn cho thấy rằng Module đàn hồi của vữa Geopolymer
có tương quan với cường độ chịu nén. Cả Module đàn hồi và cường độ chịu nén của

vữa Geopolymer tăng khi tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxide tăng.
Trong nghiên cứu về các đặc tính liên quan đến độ bền của bê tông Geopolymer
sử dụng tro bay hàm lượng Canxi thấp được thực hiện bởi Monita Olivia [15], cho
rằng cường độ nén bửa và cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer cao hơn bê
tông truyền thống. Giá trị của cường độ chịu uốn cao hơn so với bê tông thường khi
được so sánh dựa theo AS3600.
Theo D.Hardjito and B.V.Rangan [11] cho rằng hệ số Poission của bê tông
Geopolymer sử dụng trong bay từ 0,12 đến 0,16 đối với cường độ chịu nén từ 40
đến 90MPa, kết quả này tương tự với bê tông xi măng truyền thống. Với báo cáo
trên, ông cũng cho rằng Module đàn hồi tăng khi cường độ tăng. Giá trị của Module
đàn hồi của bê tông Geopolymer cũng gần đúng với bê tông xi măng truyền thống.
Theo Prabir SARKER [16] khi Nghiên cứu về Mô hình hóa mẫu cho bê tông
Geopolymer, đề ra các công thức thực nghiệm tính toán Module đàn hồi E c dựa vào
cường độ chịu nén của bê tông ( f c' hoặc fcm) và khối lượng thể tích của bê tông ( U )
nhằm so sánh với thực nghiệm.
Theo nghiên cứu B.H.Shinde [17] cho rằng sử dụng cát biển chưa qua xử lý ảnh
hưởng trực tiếp đến cường độ của bê tông Geopolymer.
Nghiên cứu Mohd.Akram Khan [18] bê tông sử dụng cát biển có sự phát triển
cường độ theo thời gian giống với bê tông sử dụng cát truyền thống.
Palomo và cộng sự [19], nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ, thời
gian dưỡng hộ và tỉ lệ dung dịch alkali/tro bay đến cường độcho thấy rằng cả thời
gian và nhiệt độ dưỡng hộ đều ảnh hưởng đến cường độ bê tông. Việc kết hợp giữa
Sodium hydroxide (NaOH) và Sodium silicate (Na2SiO3) tạo nên cường độ cao nhất
đến 60MPa khi gia nhiệt ở 850C kéo dài trong 5 giờ.

Trang 8


1.2.2 Trong nước
Nghiên cứu chế tạo gạch không nung bằng công nghệ Geopolymer sử dụng tro

bay và phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà ở vùng cao nguyên Việt Nam của nhóm
nghiên cứu ở trường Đại học Bách Khoa TPHCM 2010.
Vữa và bê tông sử dụng chất kết dính polymer vô cơ của nhóm nghiên cứu ở
trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội 2011.
Bê tông chịu lửa và gạch không nung sử dụng chất kết dính Geopolymer của các
nghiên cứu ở Viện Vật liệu xây dựng 2012.
Vũ Huyền Trân và Nguyễn Thị Thanh Thảo 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.
Phan Đức Hùng và Lê Anh Tuấn đã nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch hoạt
hóa đến tính chất co ngót của bê tông geopolymer.
Dựa vào những nghiên cứu đó, đã có một số ứng dụng vào thực tiễn ở Việt Nam
mà nổi bật nhất là sản phẩm gạch không nung một dạng sản phẩm thương mại có
nguồn gốc từ bê tông Geopolymer. Tuy nhiên chưa được sử dụng rộng rãi trong các
công trình xây dựng. Kết quả nghiên cứu đã xây dựng được quy trình sản xuất vật
liệu gạch block bê tông Geopolymer có cường độ nén đạt trên 10MPa, có giá thành
rẻ hơn gạch block bê tông xi măng cốt liệu khoảng 15% [20].
1.3 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu sử dụng cát biển tro bay chế tạo bê tông Geopolymer, xác định các
chỉ tiêu cơ học của bê tông Geopolymer như:
-

Cường độ chịu nén và cường độ chịu nén bửa.

-

Cường độ chịu uốn.

Trang 9

1.4 Phương pháp nghiên cứu
-

Nghiên cứu lý thuyết nhằm có cái nhìn tổng quan về sự tạo thành và biến đổi

của cát biển để chế tạo bê tông Geopolymer.
- Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định các chỉ tiêu cơ học của vật liệu.
Trong khi thực nghiệm có đúc mẫu đối chứng để so sánh một số chỉ tiêu của bê
tông Geopolymer dùng cát biển và bê tông Geopolymer dùng cát vàng thông
thường.
1.5 Tính mới của đề tài
Nghiên cứu sử dụng nguyên vật liệu có sẵn ở địa phương và để cải thiện nguồn
cát hiện có tại tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu, không làm cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên
nhiên.
1.6 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ học của cát biển Vũng Tàu, ứng dụng cát này để
chế tạo bê tông geopolymer không cốt thép dùng trong xây dựng.

Trang 10


Chương 2

CƠ SỞ KHOA HỌC
2.1 Quá trình Geopolyme hoá
Có nhiều nghiên cứu về chất kiềm hoạt hóa sau kết quả nghiên cứu của người
Pháp Davidovits [21]. Ông đã nghiên cứu phát triển và được nhận bằng sáng chế về
chất kết dính Mêta cao lanh sử dụng kiềm hoạt, sau này gọi là Geopolymer vào năm

1978. Theo Davidovits, geopolymer là loại polymer vì có sự chuyển biến hình thù,
polymer hóa và đóng rắn ở nhiệt độ thấp. Nhưng chúng cũng là chất vô cơ, cứng và
ổn định ở nhiệt độ cao đồng thời không bị cháy, có chính loại geopolymer khác
nhau, nhưng loại có khả năng ứng dụng nhiều nhất trong xây dựng là loại vật liệu
aluminosilicat. Những loại geopolymer này dựa vào quá trình nhiệt hoạt hóa các vật
liệu tự nhiên (như Mê ta cao lanh) hoặc sản phẩm của công nghiệp (như tro bay, xỉ)
nhằm cung cấp nguồn vật liệu silic (Si) và nhôm (Al) sẽ được hòa tan với dung dịch
kiềm kích hoạt rồi sau đó thực hiện quá trình trùng hợp tạo thành chuỗi phân tử tạo
đá chất kết dính.
Cấu trúc vô định hình của Geopolymer cơ bản được tạo thành từ lưới cấu trúc
của những Alumino-Silico hay còn gọi là Poly-sialate. Sialate là viết tắt của SilicOxy-Nhôm. Các cầu nối –Si-O-Al tạo thành các bộ khung không gian vững chắc
bên trong cấu trúc. Khung Sialate bao gồm những tứ diện SiO 4 và AlO4 được nối
xen kẹp với nhau bằng các nguyên tố Oxy. Những ion dương (Na +, K+, Li+, Ca2+,
Ba2+, NH4+, H3O-) phải hiện diện trong các hốc của khung để cân bằng điện tích của
Al 3 [21] và hình thành monomer mới như hình bên dưới :
|
− Si − O − Al = O
|
|O|
|
− Si −
|

-

+

+ OH Na ,H2O

Trang 11

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

(2-1)


Quá trình Geopolymer hóa liên quan đến hàng loạt phản ứng nhanh của nguyên
liệu Si-Al trong môi trường dung dịch hoạt hóa polymer. Kết quả tạo thành sản
phẩm có cấu trúc dạng chuỗi hay dạng vòng. Sản phẩm tổng hợp có cấu trúc từ vô
định hình đến bán tinh thể được gọi là Geopolymer.
Những geopolymer cơ bản dựa trên hệ aluminosilico. Các cầu nối Si-O-Al tạo
bộ khung không gian vững chắc bên trong cấu trúc. Dựa vào quá trình hoạt hóa
kiềm của metakaolinite (SiO2O5Al2O2)n, Davidovits đã đề xuất toàn bộ các phản
ứng hóa học thông qua ha phản ứng hóa học sau tuy cơ chế chính xác vẫn chưa rõ
ràng: [21]
n(Si2O3 Al2O2 )+2nSiO2+4nH2O+NaOH or KOH → Na+,K++n(OH)3 -Si-O-Al+-O-Si-(OH)3
(Si-Al materials)
|
(OH)2
(Geopolymer precursor)
|
|

|
n(OH)3 -Si-O-Al+-O-Si-(OH)3+ NaOH or KOH → (Na+,K+)-(-Si-O-Al+-O-Si-O-)+4nH2O
|
|
|
|
(OH)2
O
O
O
|
|
|
(Geopolymer backbone)

Theo hai phản ứng trên, các vệt liệu Si-Al hoạt tính phải trở thành nguồn nguyên
liệu chính cho quá trình geopolymer hóa. Cơ chế đóng rắn của geopolymer bao gồm
sự hòa tan, biến đổi và định hướng. Muối kim loại kiềm hay hidroxit kiềm là cần
thiết cho quá trình hòa tan oxit silic và nhôm cũng như xúc tác cho phản ứng trùng
ngưng.
Quá trình geopolymer hóa bắt đầu với sự hòa tan của Al và Si từ vật liệu Si – Al
trong dung dịch kiềm tạo ra các sản phẩm phản ứng hydrat với NaOH và KOH tạo
thành gel [Mx(AlO2)y,(SiO2)z.nMOH.mH2O]. Sau một thời gian ngắn, gel sẽ hóa
cứng thành gopolymer.
Theo D.Hardjito (2005) [22], quá trình phản ứng hóa học tạo thành geopolymer
có thể được phân ra thành các bước chính sau :

Trang 12

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 2.1: Sơ đồ mô phỏng sự hoạt hóa vật liệu alumosilicate
Cơ chế động học phản ứng giải thích quá trình đông kết và rắn chắc của chất kết
dính kiềm hoạt hóa vẫn là một bí ẩn, mặc dù người ta cho rằng nó sẽ phụ thuộc vào
vật liệu ban đầu và chất kiềm hoạt. Theo Glukhovshy [23], cơ chế quá trình kiềm
hoạt hóa bao gồm các phản ứng phân hủy nguyên liệu thành dạng cấu trúc ổn định
thấp và phản ứng nội tại. Trước tiên là quá trình bẻ gãy các liên kết cộng hóa trị SiO-Si và Al-O-Si khi pH của kiềm tăng lên. Vì thế những nhóm nguyên tố này được
chuyển sang dạng keo, sau đó xảy ra sự tích tụ các sản phẩm bị phá hủy với phản
ứng nội tại giữa chúng tạo cấu trúc ổn định thấp, tiếp theo ở giai đoạn thứ 3 là quá
trình hình thành cấu trúc đông đặc, hình 2.1.

Trang 13


Ông cho rằng dung dịch kiềm có thể được sử dụng để phản ứng với silic và
nhôm trong nguồn vật liệu khoáng hoặc trong vật liệu phế thải như tro bay, tro trấu
để chế tạo chất kết dính. Bởi vì phản ứng hóa học xảy ra trong trường hợp này là
quá trình trùng hợp nên nên Ông gọi là geopolymer. Thông số quyết định đến tính
chất và dạng sử dụng của một loại geopolymer là tỷ lệ Si/Al. Với vật liệu xây dựng
Si/Al khoảng xấp xỉ 2.
2.2 Cơ chế hóa học của công nghệ Geopolymer tro bay
Theo định nghĩa về công nghệ của Davidovits, bất kỳ một nguyên vật liệu nào
trong đó có chứa dioxide silic và oxide nhôm đều có thể sử dụng để tạo ra vật liệu
geopolymer [21]. Cơ chế đóng rắn của tro bay cũng tuân theo quy luật và các phản
ứng công nghệ geopolyer được trình bày ở trên.

Trong công nghệ geopolymer tro bay thì tốc độ phản ứng kích hoạt cũng như
các vi cấu trúc và thành phần hóa học của các sản phẩn phản ứng phụ thuộc vào
nhiều yếu tố, cụ thể là sự phân bố kích thước hạt và thành phần khoáng chất của tro
bay ban đầu, dung dịch kích hoạt và thời gian hằng nhiệt [24].

Hình 2.2:Hình ảnh SEM các trạng thái vi hạt của tro bay
(a) Tro bay ban đầu
(b) Tro bay được kích hoạt với NaOH
(c) Tro bay được kích hoạt với Na2SiO3 [25]

Trang 14