NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG GEOPOLYMER

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TẠ TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT THÉP TRONG
BÊ TÔNG GEOPOLYMER

NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG - 60580208


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TẠ TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT THÉP TRONG
BÊ TÔNG GEOPOLYMER

NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG - 60580208
Hướng dẫn khoa học:
TS. PHẠM ĐỨC THIỆN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2016

LỜI 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 …. tháng … năm 2016

Tạ Tuấn Anh

iii


CẢM TẠ
Trước tiên, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS. Phạm Đức
Thiện và Thầy TS. Phan Đức Hùng là người đã giúp tôi xây dựng ý tưởng của đề tài,
mở ra những hướng đi trên con đường tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học. Thầy
đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu và giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian qua.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy ở Khoa Xây dựng và cơ học ứng dụng,
trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến
thức cho tôi trong suốt khóa Cao học.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến anh Nguyễn Hữu Hải đã đóng góp công sức cho
đề tài nghiên cứu thực nghiệm của tôi.
Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình thực hiện, nhưng luận văn có thể không
tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả mong nhận được sự góp ý kiến của quý Thầy cô và
bạn bè.

Tp. HCM, ngày …. tháng ….. năm 2016

Tạ Tuấn Anh

iv


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Luận văn là sự tiếp nối của các công trình nghiên cứu trước, và nhằm hiểu
rõ hơn về vật liệu geopolymer, mong muốn nó sẽ là vật liệu phát triển mạnh mẽ hơn
nữa ở Việt Nam. Bởi được biết đến trên thế giới như là một vật liệu xanh, thân thiện
với môi trường và đồng thời có nhiều đặc tính kỹ thuật tốt. Một cách tổng quát, vật liệu
geopolymer được hình thành từ nguyên liệu ban đầu như là: tro bay, kaolin, metacaolin,
nano silicat, tro trấu và dung dịch hoạt hoá có thể là: NaOH, KOH, Ca(OH)2. Qua các
nghiên cứu trước đây thường ít đề cập đến sự làm việc tại bề mặt tiếp xúc giữa cốt thép
và bê tông geopolymer, trong đó bê tông geopolymer được thực nghiệm với năm loại
cấp phối do sự thay đổi tỉ lệ của các thành phần dung dịch như: alkaline/tro bay và
Na2SiO3/NaOH, cốt thép sử dụng có đường kính Ø12, 14, 16, 20 trong đó Ø14 là thép
trơn còn lại là thép gân. Vì vậy, luận văn tập trung nghiên cứu vào lực kéo tuột cốt thép
ra khỏi mẫu bê tông geopolymer. Do đó luận văn nghiên cứu với các vấn đề chính sau
bao gồm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén do thay đổi tỉ lệ các
thành phần nguyên vật liệu của bê tông Geopolymer và độ bám dính của các cấp phối
bê tông Geopolymer đối với các loại thép có đường kính khác nhau. Các kết quả nghiên
cứu này sẽ giúp mở rộng ứng dụng của vật liệu geopolymer cũng như đến gần hơn với
ứng dụng thực tế của vật liệu này vào các kết cấu chịu lực chính của công trình.

v


ABSTRACT
The current thesis is considered as an extension of the previous research with the
aim to obtain the better comprehensive insights into geopolymer – the newly material
having considerable potential for being widely applied in Vietnam. Currently, it is
largely accepted that geopolymer is a preferable material thanks to its environmentally

friendly features and magnificent specifications. Generally, geopolymer material is a
compound or mixture of fly ash, kaolin, metacaolin, nano silica, rice husk ash and
alkaline liquid such as NaOH, KOH, Ca(OH)2. Nevertheless, previous studies have not
offered a large amount of information at the contact surface about the bond strength of
steel bar in geopolymer conrete, and geopolymer concrete used in the experiment was
designed with 5 types of gradation with the corresponding reliability level of B50; B40;
B32,5; B45; B43,5. These kinds have changes about: Alkaline/fly ash and
Na2SiO3/NaOH. The steel used in the experiments is of Ø12, 14, 16, and 20 in
diameters. The Ø14 diameter steel is smooth and the others are ribbed. Therefore, there
is an urgent need for studying the traction slip into reinfoced conrete samples out of
geopolymer. Offal the purposes of this experimental research are to address the
following include. Survey of factors affecting the compressive strength by changing the
ratio of the component materials of geopolymer concrete. and the adhesion of the
geopolymer concrete aggregate for all kinds of different diameter steel. The results
obtained from this study would contribute to the widespread applications of geopolymer
material in general as well as show its remarkable potential for the main load bearing
structure of the building.

vi


MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC… ……...…………………………………………………...….i
LỜI CAM ĐOAN……………………………………………………………...……...iii
CẢM TẠ………………………………………………………………………...…….iv
TÓM TẮT……………………………………………………………………...……....v
ABSTRACT…………………………………………………………………...……...vi
MỤC LỤC…….………………………………………………………………..…….vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH……………………………………………………...…......x
DANH SÁCH CÁC BẢNG……………………………………………………...……xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI……………………………………...………..1
1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU……………………………..…...1
1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI…………………..….7
1.2.1 Nghiên cứu trên thế giới………………………………………………..…..…....7
1.2.2 Nghiên cứu trong nước…………………………………………….………..….12
1.3 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI ..…………………………………………………..….12
1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU………………………………………..………….....13
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT………………………………………………..14
2.1 QUÁ TRÌNH GEOPOLYMER HÓA…………………………………...………..14
2.2 CƠ CHẾ HÓA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ GEOPOLYMER TRO BAY………...17
2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC GEOPOLYMER ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU
NÉN……………………………………………………………………………….….19
2.4 NHỮNG ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER………………23
2.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU…………………………..……………………24
2.5.1 Lý thuyết…………………………………………………………….………….24
2.5.2 Thực nghiệm……………………………………………………..……………..25
2.6 ĐỘ BÁM DÍNH GIỮA BÊ TÔNG VÀ CỐT THÉP ……………………………..26

vii


2.6.1 Thí nghiệm xác định lực dính…………………………………………………...26
2.6.2 Các nhân tố tạo nên lực bám dính……………………………………………….27
2.6.3 Các nhân tố ảnh hưởng………………………………………………………….27
2.6.4 Trị số bám dính………………………………………………………………….28
2.6.5 Lực kéo đứt cốt thép ……………………………..…………………………….28
CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ……29
3.1 NGUYÊN VẬT LIỆU…………………………………………………..…….…..29
3.1.1 Tro bay…………………………………………………………………..….…..29
3.1.2 Dung dịch hoạt hóa……………………………………………………………...30

3.1.3 Cát……………………………………………………………...……………….31
3.1.4 Đá…………………………………………………………………...……….….33
3.1.5 Nước pha dung dịch NaOH……………………………………………………..34
3.1.6 Cốt thép…………………………………………………………...……….……34
3.2 THIẾT KẾ CẤP PHỐI VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM……………………35
3.2.1 Thiết kế thành phần cấp phối……………………………………………………35
3.2.2 Phương pháp thí nghiệm………………………………………………………..37
3.2.2.1 Đúc mẫu xác định cường độ chịu nén………………………………………...37
3.2.2.2 Xác định khối lượng cốt liệu của mẫu thí nghiệm……………………………37
3.2.2.3 Nhào trộn và đúc mẫu…………………………………………………………38
3.2.2.4 Dưỡng hộ nhiệt………………………………………………………………..40
3.2.2.5 Thí nghiệm kéo tuột…………………………………………………………..41
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ……………………..43
4.1 CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN MẪU BÊ TÔNG GEOPOLYMER…………………..43
4.2 CÁC DẠNG PHÁ HOẠI ĐIỂN HÌNH…………………………………………..45
4.3 MỐI QUAN HỆ GIỮA LỰC KÉO TUỘT VÀ CHUYỂN VỊ THIẾT BỊ KÉO…48
4.4 MỐI QUAN HỆ GIỮA LỰC KÉO VÀ ĐƯỜNG KÍNH THÉP…………………50
4.5 MỐI QUAN HỆ GIỮA LỰC KÉO, ĐƯỜNG KÍNH THÉP VÀ CHUYỂN VỊ
THIẾT BỊ KÉO………………………………………………………...……………..52

viii


4.6 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM KÉO TUỘT…………………………………………..55
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI……....….……..62
5.1 KẾT LUẬN…………………………………………………………………...…..62
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI……………………………………………...….63

ix

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Thành phần chính của tro bay theo ASTM C618-94a …………….....29
Bảng 3.2: Thành phần hóa học của tro bay loại F, nhà máy nhiệt điện Phả Lại
...............................................................................................................................30
Bảng 3.3: Thành phần hóa học của tro bay loại F, nhà máy nhiệt điện Fomosa
...............................................................................................................................30
Bảng 3.4: Thành phần vật lý của tro bay .............................................................30
Bảng 3.5: Thành phần hạt cát (trong 100 kg).......................................................31
Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm hạt cát ...................................................................32
Bảng 3.7: Thành phần hạt đá (trong 100 kg)........................................................33
Bảng 3.8: Kết quả thí nghiệm đá .......................................................................33
Bảng 3.9: Thành phần cấp phối bê tông geopolymer (1m3).................................36
Bảng 3.10: Khối lượng cốt liệu của một viên mẫu ...............................................38
Bảng 4.1: Cường độ chịu nén của bê tông geopolymer .......................................43
Bảng 4.2: Giá trị lực kéo tuột max (thép trơn Ø14) ..........................................51

x


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Sản lượng xi măng trên thế giới qua các năm so với năm 2001 ............2
Hình 1.2: Tỷ lệ sản xuất xi măng ở các quốc gia trên thế giới .............................2
Hình 1.3: Lượng khí thải CO2 trên thế giới năm 2013...........................................3
Hình 1.4: Khói bụi gây ô nhiễm môi trường .........................................................4
Hình 1.5: Bơm tro xỉ lấp ao hồ ..............................................................................4
Hình 1.6: Tập kết tro xỉ ra bãi chứa ......................................................................5
Hình 1.7: Xử lí tro bụi, xỉ tại bãi chứa ...................................................................5
Hình 2.1: Cấu trúc vô định hình của geopolymer ……………………………… 14
Hình 2.2: Phản ứng hóa học của quá trình geopolymer ......................................15

Hình 2.3: Sơ đồ mô phỏng sự hoạt hóa vật liệu alumosilicate ............................16
Hình 2.4: Hình ảnh SEM các trạng thái vi hạt của tro bay .................................17
Hình 2.5: Mô hình miêu tả kích hoạt kiềm tro bay (Fernandez Jimanez et al.2005)
...............................................................................................................................18
Hình 2.6: Cấu trúc polymer từ quá trình tổng hợp các monomer…………..…..19
Hình 2.7: Cường độ chịu nén của vữa và hồ Geopolymer ...................................20
Hình 2.8: Cấu trúc geopolymer khi tỉ lệ Na2SiO3/NaOH là 1,5 ..........................21
Hình 2.9: Cường độ chịu nén của vữa và hồ geopolymer khi thay đổi tỉ lệ sodium
silicate/sodium hydroxit .......................................................................................21
Hình 2.10: Hình chụp SEM của vữa geopolymer ................................................22
Hình 2.11: Cường độ geopolymer khi thay đổi tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay và
sodium silicate/sodium hydroxit ..........................................................................23
Hình 2.12: Sơ đồ các bước thực nghiệm ..............................................................25
Hình 2.13: Thí nghiệm xác định lực dính. ............................................................27
Hình 3.1: Biểu đồ thành phần hạt cát ................................................................32
Hình 3.2: Biểu đồ thành phần hạt đá dăm..............................................................33

xi


Hình 3.3: Hình ảnh các loại thép ...........................................................................34
Hình 3.4: Đúc mẫu xác định cường độ chịu nén ..................................................37
Hình 3.5: Chuẩn bị khuôn đúc mẫu thí nghiệm ...................................................38
Hình 3.6: Quá trình nhào trộn cốt liệu..................................................................39
Hình 3.7: Kết thúc quá trình đổ bê tông vào khuôn .............................................39
Hình 3.8: Mẫu bê tông geopolymer ............................................................. 40, 41
Hình 3.9: Hình ảnh minh họa thí nghiệm ...........................................................42
Hình 4.1: Ảnh hưởng của tỉ lệ Alkaline/Tro bay và Na2SiO3/NaOH đến cường
độ. ..........................................................................................................................44
Hình 4.2: Ảnh hưởng của tỉ lệ alkaline/tro bay đến cường độ .............................45

Hình 4.3: Dạng phá hoại mẫu (trường hợp 1) ......................................................46
Hình 4.4: Dạng phá hoại mẫu (trường hợp 2)......................................................47
Hình 4.5: Dạng phá hoại mẫu (trường hợp 3)......................................................48
Hình 4.6: Mối quan hệ giữa lực phá hoại và chuyển vị thiết bị kéo ....................49
Hình 4.7: : Mối quan hệ giữa lực phá hoại và đường kính cốt thép.....................51
Hình 4.8: Mối quan hệ giữa lực phá hoại và chuyển vị thiết bị kéo ....... 52, 53, 54
Hình 4.9: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm (thép gân Ø12) .......................55
Hình 4.10: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm (thép trơn Ø14) ....................55
Hình 4.11: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm (thép gân Ø16) .....................56
Hình 4.12: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm (thép gân Ø20) .....................56
Hình 4.13: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm theo đề xuất của tác giả (thép
gân Ø12) ................................................................................................................59
Hình 4.14: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm theo đề xuất của tác giả (thép
trơn Ø14) ...............................................................................................................59
Hình 4.15: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm theo đề xuất của tác giả (thép
gân Ø16) ................................................................................................................60
Hình 4.16: Lực kéo tuột tính toán và thực nghiệm theo đề xuất của tác giả (thép
gân Ø20) ................................................................................................................60

xii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Ngày nay, ngành công nghiệp xây dựng nói chung và công nghệ sản xuất xi măng
để phục vụ cho các cấu kiện sử dụng bê tông nói riêng đã và đang sử dụng một lượng
rất lớn nguồn tài nguyên thiên nhiên và năng lượng. Bê tông còn là một trong các dạng
vật liệu được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng. Trong đó, xi măng
Portland là chất kết dính trong việc sản xuất bê tông hiện nay.
Ước tính hàng năm có khoảng 25 tỷ tấn bê tông được sản xuất trên toàn thế giới,

và sản lượng bê tông vẫn tiếp tục có xu hướng tăng lên. Năm 2010 có khoảng 3.300
triệu tấn xi măng được sản xuất trên toàn thế giới, và lượng xi măng này tiếp tục tăng
lên khoảng 3.585 triệu tấn (năm 2011) và 3.736 triệu tấn (năm 2012). Các nước ở Châu
Á đã tiêu thụ lượng xi măng lớn, trong đó Việt Nam tiêu thụ khoảng 70 triệu tấn/năm
[1]. Theo tính toán, để sản xuất ra một tấn xi măng thì nhà máy sẽ thải ra môi trường
sấp xỉ một tấn CO2, khí này gây hiệu ứng nhà kính, góp phần làm trái đất nóng lên. Khí
CO2 thải ra từ công nghiệp sản xuất xi măng chiếm khoảng 7% lượng CO2 trên toàn thế
giới.Bên cạnh đó, với tình hình hiện nay của ngành sản xuất xi măng Portland đang ở
mức đáng quan tâm. Khi sản lượng xi măng Portland tăng nhanh ở các nước đang phát
triển điển hình như Trung Quốc chiếm 58.6 % trong 4 tỷ tấn xi măng và có xu hướng
không đổi tại các nước phát triển như Mỹ, châu Âu trong đó Mỹ chỉ chiếm 1.9 % trong
4 tỷ tấn xi măng của thế giới năm 2013 [2]

1


Hình 1.1: Sản lượng xi măng trên thế giới qua các năm so với năm 2001

Hình 1.1: Tỷ lệ sản xuất xi măng ở các quốc gia trên thế giới
2


Và hậu quả là lượng khí thải CO2 vào môi trường ngày càng tăng, làm tăng khả năng
xảy ra hiệu ứng nhà kính. Dưới đây là biểu đồ thể hiện lượng khí thải trên toàn thế giới
năm 2013 đã vượt mốc 35 tỷ tấn, đạt mức kỷ lục từ trước đến nay [3]

Hình 1.2: Lượng khí thải CO2 trên thế giới năm 2013

Thống kê cho thấy, công suất phát điện của các nhà máy điện đốt than trong nước
trên 5.000MW chạy bằng than antraxit trong nước, với lượng tiêu thụ hằng năm vào

khoảng 16 triệu tấn than. Lượng tro xỉ thải ra là 5,7 triệu tấn. Từ năm 2013, riêng lượng
tro xỉ thải hằng năm tại 5 nhà máy nhiệt điện đốt than của Tập đoàn Than - Khoáng sản
Việt Nam (TKV) khi phát đủ công suất ước tính khoảng 2,8 triệu tấn/năm (trong đó
khoảng 1,7 triệu tấn là tro đáy). Dự báo, đến năm 2030, khi tổng công suất nhiệt điện
đốt than của cả nước tăng lên khoảng 77.000MW, kéo theo tăng lượng than tiêu thụ là
176 triệu tấn thì lượng tro xỉ thải sẽ đạt 35 triệu tấn/năm và thải ra bầu khí quyển một
lượng khí CO2 khổng lồ, ước tính khoảng 5 triệu tấn/năm [4]. Phần lớn tro bay thải ra
từ nhà máy tập kết ở bãi chứa, lấp các ao hồ, đất ruộng, chiếm rất nhiều diện tích và
gây ô nhiễm môi trường.

3


Hình 1.4: Khói bụi gây ô nhiễm môi trường [5]

Hình 1.5: Bơm tro, xỉ lấp ao hồ [6]

4


Hình 1.6: Tập kết tro xỉ ra bãi chứa [7]

Hình 1.7: Xử lí tro bụi, xỉ tại bãi chứa [8]

5


Trước nhu cầu giảm thiểu lượng CO2 trong quá trình sản xuất xi măng và tận dụng
các phế phẩm trong các nhà máy nhiệt điện dùng than, các nhà nghiên cứu đã tìm ra
được một loại chất kết dính khác có thể thay thế xi măng Portland thông dụng đó là tro

bay. Từ đó công nghệ Geopolymer như là một giải pháp tiềm năng nhằm thay thế bê
tông xi măng truyền thống.
Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông geopolymer vào thực tiễn là rất cần
thiết, với mục đích tận dụng phế thải và bảo vệ môi trường nhằm hạn chế đến mức thấp
nhất khối lượng chất thải tồn đọng ở bãi chứa và những ảnh hưởng xấu của chúng đến
môi trường xung quanh như: đất, nước, không khí và sức khỏe con người. Các nhà khoa
học trong nước 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. Riêng tro bay Phả Lại, do hàm lượng than chưa cháy thấp hơn, khó sử dụng làm
nhiên liệu đốt nên tồn đọng ngày càng nhiều. Tuy nhiên tro bay mới được sử dụng như
phụ gia trong bê tông xi măng nhưng chiếm tỉ lệ không lớn.
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 của quá trình sản xuất công nghiệp như tro bay của nhà máy nhiệt
điện, xỉ lò cao của nhà máy luyện gang thép… do đó, việc sử dụng bê tông Geoplymer
trong ngành công nghiệp xây dựng còn mang lại nhiều lợi ích như giảm nguy cơ chất
thải công nghiệp và diện tích bãi chứa chất thải, cải thiện đặc tính lâu dài của bê tông
(co ngót khô 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…

6


Với mục tiêu là tìm vật liệu mới thân thiện với môi trường để chế tạo bê tông có
các tính chất cơ lý hóa tương đương hoặc tốt hơn bê tông truyền thống, thì bê tông

Geopolymer sử dụng tro bay là vấn đề cần được quan tâm.
Bê tông Geopolymer là loại bê tông không sử dụng chất kết dính xi măngpooc
lăng thông thường mà 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 có thể 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
lượng khí thải khi thay thế xi măng OPC.
Để đưa bê tông Geopolymer vào ứng dụng trong thực tiễn, các nhà nghiên cứu
đã tiến hành rất nhiều thí nghiệm nhằm phân tích và đánh giá các tính chất cơ lý của bê
tông Geopolymer so với bê tông OPC. Trong đó có nghiên cứu về sự làm việc chung
giữa cốt thép và bê tông Geopolymer.
1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
1.2.1 Nghiên cứu trên thế giới
Ngành công nghiệp vật liệu Geopolymer ra đời từ những năm 1960, đến năm 1972
nhà hoá học người Pháp Joseph Davidovits chế tạo thành công chủng loại vật liệu được
gọi là “Geopolymer” theo một quy trình tổng hợp polyme từ các khoáng chất. Phát minh
trên xuất phát từ ý tưởng thúc bách trước một thực tế là vật liệu polyme hữu cơ luôn có
tính “bắt lửa” cao. Bằng cách hoà trộn đất sét, vốn được cấu tạo chủ yếu từ dioxide silic
và oxide nhôm – vào dung dịch alkali silicates có nồng độ kiềm cao (hỗn hợp này có
chất nền là oxide silic, xút và kali).
Si2O5,Al2(OH)4 + NaOH => Na(-Si-O-Al-O)n
Kaolinite

Hydrosodalite

7

Joseph Davidovits có được một hợp chất ở dạng gel. Hợp chất này sẽ đóng rắn ở
nhiệt độ thường chỉ sau vài giờ và trở nên rất cứng khi được dưỡng hộ nhiệt. Đề cập kết
quả nghiên cứu này, tác giả cho biết: “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”. Và
chính ông đã thành lập viện Geopolymer và sau đó là một công ty tư nhân có tên CordiGéopolymère nhằm nghiên cứu, triển khai và quảng bá sâu rộng hơn các sản phẩm từ
loại vật liệu tổng hợp này. Joseph Davidovits giải thích: “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 là vào đầu
thập niên 1990, khi con người đã ý thức được mối đe doạ từ khí thải CO2, vật liệu
Geopolymer mới dần được quan tâm nhiều hơn và từ đó nó đã trở thành một loại vật
liệu xây dựng thay thế tốt nhất cho các loại xi măng truyền thống. Do nhu cầu về phát
triển ứng dụng Geopolymer luôn tăng cao nên hiện nay đã có đến trên dưới 60 phòng
thí nghiệm trên thế giới triển khai các dự án nghiên cứu về Geopolymer, nhất là tại Úc
và New Zealand”.
Hiện tại đã có rất nhiều bằng sáng chế, nghiên cứu và ứng dụng Geopolymer vào
các ngành công nghệ vật liệu hiện đại (tấm kết cấu gỗ chống cháy, tấm sườn và panel
cách điện, sản xuất đá nhân tạo trang trí, tấm panel bọt cách nhiệt, vật liệu xây dựng
thô, gạch không nung, kết cấu chịu lửa, kết cấu chống sốc nhiệt, ứng dụng làm khuôn
đúc nhôm, bê tông và chất kết dính Geopolymer, vật liệu cản lửa và gia cố/ sửa chữa,
vật liệu chống cháy công nghệ cao dùng trong máy bay hoặc ô tô, vật liệu nhựa công
nghệ cao...) được giới thiệu và ứng dụng trên toàn thế giới.
Trên cơ sở lý thuyết Geopolymer của Joseph Davidovits, Lone Star (một công ty
sản xuất xi măng hàng đầu của Mỹ) 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 chóng được phát triển trên toàn thế

8

giới và đang có ưu thế hơn xi măng protland do có ưu điểm về nguyên liệu sản xuất và
phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường [9].
Lần đầu tiên xuất bản năm 2008, Geopolymer chemistry and Application đã khái
quát toàn bộ kiến thức về công nghệ Geopolymer [10]. Các ứng dụng của công nghệ
này đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi. Nghiên cứu đã tập trung vào thành phần
và nồng độ của dung dịch kiềm để thúc đẩy nhanh quá trình Geopolymer hóa.
Thuật ngữ “Geopolymer” được giới thiệu bởi GS.TS Davidovits vào năm 1978 để
mô tả chất kết dính với thành phần hóa học tương tự với zeolite nhưng có vi cấu trúc
vô định hình [11]. Ông đề xuất thuật ngữ “poly(sialate)” cho thiết kế hóa học của
Geopolymer dựa trên siloco-aluminate (Davidovits, 1988a, 1988b, 1991; van Jaarsveld
et. Al., 2002a); Sialate là từ viết tắt của silicon-oxo-aluminate.
Từ những tiền đề trên, Geopolymer được xem như là một loại 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 tốt 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 nhằm đánh giá và so sánh với bê tông OPC.
Palomo, Grutzeck, and Blanco (1999)[12], nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ
dưỡng hộ, thời gian dưỡng hộ và tỉ lệ dung dịch alkaline/tro bay đến cường độ của bê
tông geopolymer và nhóm đã nhận xét rằng 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 60 MPa khi gia nhiệt ở 850C kéo dài
trong 5 giờ.
Van Jarsveld, van Deventer và Lukey (2002) [13] 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. 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.

9


Qua những kết quả trong nghiên cứu về Những yếu tố ảnh hưởng đến cường độ
bê tông Geopolymer sử dụng tro bay của D.Hardjito (2004) [14] thấy rằng thời gian
dưỡng hộ dài sẽ phát triển quá trình polymer hóa trong bê tông, cường độ chịu nén
không bị ảnh hưởng bởi ngày tuổi của bê tông.
Theo D.Hardjito và B.V.Rangan (2005), khi nghiên cứu về Quá trình phát triển
và những đặc tính của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay [15] đã có những nhận xét
về những tính chất ảnh hưởng đến cường độ của bê tông Geopolymer như: Nồng độ
Mole của dung dịch NaOH, tỉ lệ thủy tinh lỏng/dung dịch NaOH, nhiệt độ dưỡng hộ,
thời gian dưỡng hộ.
Suresh.G.Patil [16], nghiên cứu về Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông
Geopolymer. Ông đã thử nghiệm với nồng độ NaOH khác nhau, tỉ lệ alkaline/tro bay
và Na2SiO3/NaOH để đánh giá và so sánh tỉ lệ nào đạt cường độ cao nhất và thấp nhất.
Trong nghiên cứu về Cường độ chịu nén và vùng tiếp xúc bề mặt ITZ của bê tông
Geopolymer [17], 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.
Mustafa Al Bakri [18], nghiên cứu về Cường độ chịu nén và đặc tính cấu trúc của
Geopolymer sử dụng tro bay, cường độ của bê tông Geopolymer phụ thuộc vào tỉ lệ
dung dịch alkaline/tro bay và Na2SiO3/NaOH, sự hòa tan SiO2 và Al2O3 trong quá trình
Geopolymer hóa, nhiệt độ dưỡng hộ không nên quá cao góp phần tạo cường độ cao cho
bê tông Geopolymer.
Theo Zejak [19], cho rằng cường độ chịu nén của hồ Geopolymer tăng khi có thêm
hàm lượng cát. Ông đã chỉ ra Module đàn hồi của vữa Geopolymer có tương quan với
cường độ chịu nén, module đàn hồi và cường độ chịu nén của vữa Geopolymer tăng khi
tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxide tăng. Hàm lượng cát cho thêm vào hồ
Geopolymer làm tăng cường độ chịu nén do sự thay đổi cấu trúc trong quá trình
Geopolymer hóa và tính chất cơ lý tốt của hạt cát làm cho cường độ của vữa

Geopolymer tăng.

10


Trong quyển “Geopolymer chemistry and application” của Joshep Davidovits cho
rằng cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer có giá trị cao hơn so với bê
tông OPC [10].
Trong nghiên cứu về Các đặc tính liên quan đến độ bền của bê tông Geopolymer
sử dụng tro bay hàm lượng Calci thấp được thực hiện bởi Monita Olivia [20], cho rằng
cường độ nén bửa và cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer cao hơn bê tông OPC.
Theo D.Hardjito and B.V.Rangan (2005) [15] cho rằng hệ số Poission của bê tông
Geopolymer sử dụng tro bay từ 0,12 – 0,16 đối với cường độ chịu nén từ 40 - 90 MPa,
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.
Trong nghiên cứu về độ bền của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay của Monita
Olivia [20], đã cho thấy rằng module đàn hồi của bê tông Geopolymer vào khoảng 25,33
– 31,26 GPa, trong khi bê tông OPC có giá trị cao hơn từ 34,16 – 38,33 GPa. Giá trị
trung bình thực nghiệm của hệ số Poission của bê tông Geopolymer từ 0,13 – 0,17.
Sumajouw and Rangan (2006) [21] đã tiến hành nghiên cứu mở rộng về bê tông
sử dụng tro bay và nhận xét, tro bay có hàm lượng calcium thấp trong bê tông
Geopolymer có thể sử dụng cho kết cấu dầm và cột.
Những dạng ứng xử và hư hỏng của bê tông Geopolymer được gia cường cốt thép
cho cấu kiện dầm và cột tương đồng với ứng xử như bê tông xi măng truyền thống (xi
măng Portland). Kết quả chứng minh rằng, những tính toán sử dụng trong bê tông cốt
thép truyền thống cho cấu kiện dầm và cột có thể sử dụng được cho bê tông
Geopolymer.
M. Sofi (2007) [22] Nghiên cứu về khả năng liên kết giữa cốt thép và bê tông
Geopolymer. Ông đã tiến hành thí nghiệm về Liên kết giữa bê tông Geopolymer và cốt

thép dựa trên tiêu chuẩn ASTM C 234-91.
Prabir Kumar Sarker (2011) [23] Nghiên cứu về ứng xử giữa cốt thép và bê tông

11


sử dụng tro bay. Thí nghiệm này dựa trên tiêu chuẩn ASTMA944 và ông đã kết luận:
khả năng chịu kéo của thanh thép ra khỏi mẫu bê tông Geopolymer cao hơn so với mẫu
bê tông OPC có cùng cường độ.
1.2.2 Nghiên cứu trong nước
Một số nghiên cứu bước đầu về bê tông Geoplymer ở Việt Nam như [24] :
x Công nghệ sản xuất gạch không nung của Công ty Huệ Quang 2009.
x 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.
x 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.
x Bê tông chịu lửa và gạch không nung sử dụng chất kết dính Geopolymer của
Viện Vật liệu xây dựng 2012.
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 phổ biến 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 10 MPa, có giá thành rẻ hơn gạch
block bê tông xi măng cốt liệu khoảng 15 % [25].
Qua hầu hết những nghiên cứu đã có về bê tông Geopolymer trên thế giới và ở
Việt Nam, có thể thấy rằng bê tông Geopolymer có hầu hết những đặc tính gần giống
với bê tông OPC từ hệ số Possion và Module đàn hồi. Tuy nhiên về cường độ chịu uốn
và chịu kéo gián tiếp của bê tông Geopolymer có giá trị cao hơn bê tông OPC với sự
thay đổi từng thành phần trong cấp phối bê tông Geopolymer.

1.3 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Đề cập đến hệ số bám dính giữa cốt thép và bê tông Geopolymer.
12


1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu tính bám dính giữa cốt thép và bê tông geopolymer sử dụng tro bay,
để xác định khả năng chống kéo tuột của thanh thép ra khỏi bê tông geopolymer. Các
mẫu được đúc để tiến hành thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTMA944.
Mục tiêu chính là tìm ra mối quan hệ giữa lực phá hoại, đường kính và chuyển vị
của thiết bị kéo. Trong đó, có xét đến sự ảnh hưởng của năm loại cấp phối đến các yếu
tố đã nêu khi.
x Thay đổi tỉ lệ Na2SiO3/NaOH từ 2 - 2,5, trong đó nồng độ NaOH là 16 Mole
x Thay đổi tỉ lệ Alkaline/tro bay từ 0,6 - 0,65 - 0,7
Đường kính cốt thép đặt trong mẫu bê tông : Ø12, Ø14, Ø16, Ø20 (trong đó Ø14
là thép trơn, các loại thép còn lại là thép gân).

13