Nghiên cứu một số đặc tính cơ học của bê tông geopolymer cốt liệu tái chế

Nghiên cứu một số đặc tính cơ học của bê
tơng geopolymer cốt liệu tái chế
Investigation on mechanical characteristics of geopolymer recycled aggregate concrete
> LÊ HOÀI BÃO1; BÙI QUỐC BẢO2
1 Khoa Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Tây
Email:
2
Nhóm nghiên cứu phát triển bền vững trong xây dựng, Khoa Kỹ thuật xây dựng, Trường Đại học Tôn Đức Thắng, TP.HCM
Email: ; Tel: 0909358935

TĨM TẮT:
Bê tơng xi măng là vật liệu xây dựng phổ biến hiện nay do có
nhiều ưu điểm. Tuy nhiên, vật liệu này có nhiều tác động đến
mơi trường: thải CO2 đáng kể trong q trình sản xuất xi măng,
tiêu thụ nhiều tài nguyên thiên nhiên. Để giảm tiêu thụ tài
nguyên, việc tái chế cốt liệu từ những cơng trình cũ là một lựa
chọn đã được sử dụng ở một số quốc gia trong vài thập kỷ qua.
Về vấn đề khí thải carbon của bê tơng, nghiên cứu chất kết dính
ít tác động đến mơi trường hơn xi măng đã được thực hiện và
geopolymer được coi là một giải pháp tiềm năng. Trong nghiên
cứu trình bày ở đây, bê tông sử dụng cốt liệu tái chế và chất
kết dính là geopolymer đã được thử nghiệm và đánh giá. Chất
kết dính được tổng hợp từ tro bay (FA, một sản phẩm phụ công
nghiệp), dung dịch natri silicat, dung dịch natri hydroxit, cát
sông và cốt liệu thô tái chế được gọi là bê tông geopolymer cốt
liệu tái chế (GRAC). Các đặc tính khác nhau của vật liệu này đã
được nghiên cứu: cường độ chịu nén, cường độ bám dính và khả
năng chịu nhiệt.
Từ khóa: bê tơng geopolymer cốt liệu tái chế; tro bay; cường độ
chịu nén; cường độ bám dính; khả năng chịu nhiệt.

ABSTRACT:
Ordinary cement concrete is a popular material having numerous
advantages; however, this material is also criticized due to its
environmental impacts: significant CO2 emission during the cement
manufacture, high consumption of natural resources. To reduce the
resource consumption, the recycling of the aggregates from the
destruction sites is an option which have been used in several
countries since several decades. To reduce the carbon footprint of
concrete, alternative binders having less environmental impacts than
cement have been investigate, and geopolymer has been considered
as a promising solution. In the present study, a non-conventional
concrete using recycled aggregates and geopolymer was developed
and investigated. The material was made from low calcium fly ash (FA,
an industrial by-product), sodium silicate solution, sodium hydroxide
solution, river sand and recycled coarse aggregate, called
geopolymer recycled aggregate concrete (GRAC). Different aspects
on this material were investigated: compressive strength, bonding
strength and high temperature resistance.
Keywords: geopolymer recycled aggregate concrete; fly ash;
compressive strength; bond strength; high temperature resistance.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Việc tiêu thụ bê tông trong lĩnh vực xây dựng ngày càng tăng dẫn
đến sự gia tăng sản xuất xi măng và khai thác tài nguyên thiên nhiên. Sự
cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và phát thải CO2 trong sản xuất xi măng
là những vấn đề cần được xử lý nhằm phát triển bền vững. Ngành công
nghiệp xi măng là một trong các ngành chính thải ra CO2, việc sản xuất
một tấn xi măng Portland phát thải khoảng một tấn CO2 vào khí quyển;
chiếm 7% lượng phát thải CO2 tồn cầu (Braymand et al., 2018). Do đó,
điều quan trọng là phải tìm chất kết dính thay thế có lượng khí thải CO2

thấp hơn xi măng. Việc thay thế tồn bộ xi măng bằng cách sử dụng

geopolymer như một chất kết dính đã được đề xuất sử dụng (Pacheco,
2013). Thuật ngữ “geopolymer” nói đến hệ cấu trúc vơ cơ ba chiều vơ
định hình được tạo ra bằng phản ứng của tiền chất alumino-silicat với
dung dịch kiềm hoạt hóa. Nguồn aluminum và silica có thể là
metakaolin hoặc các phế phẩm cơng nghiệp (ví dụ tro bay, xỉ). Các chất
hoạt hóa thường là NaOH và Na2SiO3, nhưng cũng có thể sử dụng các
dung dịch kiềm khác. Sử dụng nhiệt độ cao trong q trình bảo dưỡng
có thể thúc đẩy q trình geopolymer hóa (Hardjito, 2005) nhưng việc
gia nhiệt làm tăng mức tiêu thụ năng lượng và phát thải CO2. Để giảm
khai thác tài nguyên thiên nhiên, tái chế là một chiến lược được khuyến

ISSN 2734-9888

10.2021

171


PHÁT TRIỂN X ÂY DỰNG BỀN VỮNG TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG

khích nhằm phát triển nền kinh tế tuần hồn. Việc tái chế trong xây
dựng cơng trình đã được bắt đầu từ vài thập kỷ trước nhưng vẫn chưa
phổ biến, vì khi cốt liệu tự nhiên vẫn còn đủ để cung ứng, việc sử dụng
bê tông cốt liệu tái chế (RAC) vẫn chưa có lợi thế kinh tế đáng kể (De
Larrard và Colina, 2018). Do đó, đến nay, bê tơng phá dỡ thường được sử
dụng để xây dựng đường giao thông. Tuy nhiên, ở các nước phát triển
và đang phát triển, việc xây dựng mới đường giao thơng có xu hướng
giảm, do đó việc sử dụng cốt liệu tái chế cho đường cũng sẽ giảm, đồng

thời chất thải bê tông từ việc phá dỡ các cơng trình cũ sẽ tăng lên theo
thời gian (De Larrard và Colina, 2018). Các vật liệu hoặc chất thải khác có
chất lượng tốt như cốt liệu bê tông tái chế nên được sử dụng cho kết
cấu bê tơng. Do đó, việc tái chế bê tơng cũ có thể làm giảm việc khai
thác cốt liệu thơ tự nhiên (NCA) và giảm diện tích các bãi chứa chất thải
vốn trở thành vấn đề về môi trường, kinh tế và xã hội (Braymand et al.,
2018). Một nhược điểm của RAC khi so sánh với bê tông xi măng là các
đặc tính cơ lý giảm khi tỷ lệ cốt liệu tái chế tăng lên. Trên thực tế, cốt liệu
tái chế gồm cốt liệu tự nhiên có vữa xi măng cũ bám lên. Vữa cũ làm
tăng độ xốp của cốt liệu bê tơng tái chế dẫn đến các đặc tính cơ học của
RAC bị giảm. Trong RAC, có hai loại vùng chuyển tiếp cốt liệu (ITZ): giữa
vữa cũ và NCA ban đầu, và giữa cốt liệu tái chế và vữa mới. ITZ giữa vữa
cũ và vữa mới làm giảm các đặc tính của RAC. Để cải thiện ITZ của RAC,
geopolymer đã được đề xuất để thay thế xi măng Portland tuy nhiên số
lượng nghiên cứu về GRAC vẫn còn hạn chế (Le và Bui, 2020). Những
nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào việc tối ưu hóa thành phần GRAC
để đạt được cường độ chịu nén tốt nhất. Bài báo này trình bày nghiên
cứu liên quan đến cường độ bám dính với cốt thép và khả năng chống
cháy của GRAC.
2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
2.1. Cốt liệu
Trong nghiên cứu này, cốt liệu thơ tự nhiên được thay thế
hồn tồn bằng bê tơng tái chế.

Hình 1. Sự phân bố kích thước hạt của cốt liệu
Cốt liệu thơ tái chế có được bằng cách nghiền bê tông phế thải
từ nhà dân dụng và sàng qua ray có kích thước từ 5 – 30 mm. Cốt
liệu mịn được sử dụng là cát sơng có mơ đun độ lớn 1.8. Thành
phần hạt của cốt liệu thô tái chế và cát được xác định theo TCVN
7572-2:2006 0 và trình bày ở Hình 1.

2.2. Tro bay (FA)
FA được sử dụng trong nghiên cứu này có nguồn gốc từ Nhà
máy Điện Duyên Hải 3 tỉnh Trà Vinh. Các phân tích kích thước hạt
bằng kính hiển vi điện tử quét cho thấy FA được sử dụng có dạng
hình cầu (Hình 2) với kích thước thay đổi từ 0.6 đến 250 μm, nhưng
tập trung trong khoảng 10 μm (Hình 3).
Hình 2. Ảnh chụp FA
bằng kính hiển vi qt
điện tử

172

10.2021

ISSN 2734-9888

Hình 3. Thành phần hạt của tro bay
Thành phần hóa học của FA được xác định theo tiêu chuẩn
ASTM 618 (ASTM, 2019); kết quả kiểm tra được thể hiện trong Bảng
1. Theo tiêu chuẩn ASTM C618, FA trong nghiên cứu này thuộc loại
F ít canxi.
Bảng 1. Thành phần hóa học của tro bay
Thành phần
% khối lượng
Lưu huỳnh trioxit (SO3)

1,0

Nhôm oxit (Al2O3)

26,1

Sắt oxit (Fe2O3)

11,3

Natri oxit (Na2O)

1,35

Silic dioxit (SiO2)

51,1

Kali oxit (K2O)

1,29

Canxi oxit (CaO)

4,7

Magiê oxit (MgO)

1,7

Độ ẩm

0,1

Mất khi nung
0,7
2.3. Dung dịch kiềm kích hoạt
Để kích hoạt FA, sự kết hợp của dung dịch natri hydroxit
(NaOH) và dung dịch natri silicat (Na2SiO3) đã được chọn làm dung
dịch hoạt hóa kiềm (AAS). Dung dịch NaOH được pha chế bằng
cách cho NaOH dạng vảy khô vào nước để đạt được nồng độ mol
theo yêu cầu. Khối lượng của NaOH rắn trong dung dịch thay đổi
tùy theo nồng độ mol (M) của dung dịch. Các nghiên cứu trước đây
chỉ ra rằng nồng độ mol dung dịch NaOH cao hơn sẽ cho cường độ
nén của bê tông geopolymer cao hơn (Hardjito et al., 2005). Sau
khi cho NaOH khô vào thùng chứa nước, dùng đũa thủy tinh khuấy
để tạo thành dung dịch NaOH. Sau đó trộn dung dịch NaOH và
dung dịch Na2SiO3 (có thành phần gồm 11,8% Na2O; 29,5% SiO2 và
58,7% nước) theo tỷ lệ đã định trước. Dung dịch Na2SiO3 và NaOH
khi pha chế sẽ sinh nhiệt do đó nên được chuẩn bị một ngày trước
khi sử dụng để đảm bảo các phản ứng đã xảy ra.
2.4. Thành phần cấp phối và phương pháp đúc mẫu
Đối với bê tông geopolymer tro bay, tỷ lệ Na2SiO3/NaOH là
2,5 theo khuyến nghị (Hardjito et al., 2005). Chọn NaOH 12M, tỉ
số AAS/FA đối với bê tông geopolymer cho NCA nằm trong
khoảng từ 0,3 đến 0,45 (theo khối lượng) (Hardjito, 2005). Do
cốt liệu tái chế có độ hấp thụ nước cao hơn NCA vì có lớp vữa
cũ bám bên ngồi cốt liệu, để duy trì khả năng làm việc tương
tự như bê tông geopolymer NCA nghiên cứu này đã thử
nghiệm tỷ lệ AAS/FA ở mức 0,4, 0,45 và 0,5. Tỷ lệ trộn của GRAC
được thể hiện trong Bảng 2.
Bảng 2. Thành phần cấp phối của GRAC (kg/m3)
Cốt liệu
AAS/FA

FA
Na2SiO3
NaOH
Cát
tái chế
0.4
428
123
49
540
1260
0.45

414

133

53

540

1260

0.5

400

143

57

540

1260


Để sản xuất mẫu GRAC, đầu tiên FA và AAS được trộn trong 5
phút để tạo geopolymer. Sau đó, cốt liệu bê tông tái chế và cát
được thêm vào và trộn trong 5 phút đến khi nhận thấy hỗn hợp
đồng đều. Sau khi đúc, các mẫu được bảo dưỡng trong điều kiện
môi trường xung quanh (28 °C và 65% RH) cho đến 28 ngày và
mang đi thực hiện các thí nghiệm. Độ sụt thu được của hỗn hợp
GRAC là 18 cm đáp ứng khả năng làm việc thường được yêu cầu
đối với bê tơng geopolymer (Hardjito, 2005).
3. QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM
3.1. Thí nghiệm cường độ chịu nén
Để xác định cường độ chịu nén của GRAC, các thử nghiệm nén
một trục đã được thực hiện theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN
3318:1993) (Hình 4). Các mẫu là hình khối có kính thước 15 cm x 15
cm x15 cm. Kết quả thu được là giá trị trung bình của ba mẫu thí
nghiệm.

Hình 4. Thí nghiệm xác định cường độ nén
3.2. Thí nghiệm xác định cường độ bám dính
Cường độ bám dính giữa cốt thép và bê tông là thông số quan
trọng quyết định chiều dài neo của cốt thép. Một trong những yếu
tố quan trọng ảnh hưởng đến cường độ bám dính giữa cốt thép và
bê tông là chất lượng của bê tông, đường kính cốt thép, đặc tính
bề mặt cốt thép (Chana, 1990). Để khảo sát cường độ bám dính
giữa cốt thép và bê tông, thường áp dụng thử nghiệm kéo tuột.

Trong nghiên cứu này, các thí nghiệm kéo tuột cũng được áp dụng
cho GRAC theo tiêu chuẩn (BS EN 10080:2005). Nguyên tắc của thí
nghiệm là kéo một thanh thép được đặt trong một khối bê tơng có
chiều dài xác định (Hình 5a). Hình 5b thể hiện cấu tạo của mẫu
trước khi kéo. Lực kéo ra được tăng lên cho đến khi thanh thép bị
tuột khỏi mẫu bê tông hoặc mẫu bị phá hoại.

(a)

(b)

Hình 5. (a) Mơ tả thí nghiệm; (b) Mẫu sau khi lắp đặt vào khung.
1. Phần cốt thép để đo chuyển vị của cốt thép; 2. Chiều dài bám dính; 3.
Chiều dài khơng bám dính trong bê tơng; 4. Đoạn thép từ mép bê tông đến
điểm ngàm kéo; 5. Cốt thép; 6. Mẫu bê tông; 7. Nút chèn; 8. Ống nhựa ngăn
bám dính; 9. Ngàm kẹp để kéo cốt thép.
Các mẫu bê tông cho các thử nghiệm liên kết có kích thước 20
cm × 20 cm × 20 cm theo tiêu chuẩn 0. Chiều dài liên kết của cốt
thép tiếp xúc với bê tơng là 5d (trong đó d là đường kính cốt thép,
tính bằng mm).

Bảng 3. Thơng số kích thước gân thép
Đường kính thanh thép (mm)
Kích thước gân thép
(mm)

12

14

16

20

Chiều cao

0.78

0.91

1.04

1.3

Chiều rộng trên

1.02

1.08

1.15

1.31

Chiều rộng dưới

2.85

3.19

3.58

4.51

Khoảng cách gân

8.5

9.8

11

13

Góc nghiêng (o)

63.5
63.5
63.5
63.5
Phần cịn lại của thanh thép khơng tiếp xúc với bê tơng được
bao bọc bởi ống nhựa PVC có đường kính trong lớn hơn đường
kính thanh thép khoảng 1 mm nhằm đảm bảo thanh thép có thể
trượt dễ dàng khi bị kéo. Các thanh cốt thép có đường kính khác
nhau đã được thử nghiệm lần lượt: 8, 10, 12, 16 và 20 mm. Trong số
các loại cốt thép này, đường kính 8 và 10 mm tương ứng với cốt
thép trơn, các đường kính khác tương ứng với các loại cốt thép có
gân. Bên cạnh đó, để so sánh cường độ bám dính của GRAC với
cường độ bám dính của bê tơng xi măng thơng thường (OPC), thí
nghiệm cũng thực hiện kéo tuột thép trên mẫu OPC có cường độ

chịu nén 30,8 MPa với thép trơn có đường kính 8 mm và thép gân
có đường kính 14 mm. Đặc điểm của các gân cốt thép được trình
bày trong Bảng 3.
3.3 Thí nghiệm chịu lửa
Khi bê tông thông thường tiếp xúc với nhiệt độ cao, nhiều hiện
tượng xuất hiện như giãn nở cốt liệu, co ngót hồ xi măng, tăng áp
suất hơi bên trong, nứt hoặc bong tróc (Phan et al., 2001). Mặc dù
số lượng nghiên cứu khảo sát khả năng chịu lửa của RAC cịn hạn
chế nhưng cũng cho thấy rằng tính chất cơ học của RAC bị suy
giảm tương tự như bê tông thông thường khi tiếp xúc với nhiệt độ
cao (De Larrard và Colina, 2018). Các thử nghiệm hiện tại về đặc
tính cơ nhiệt của GRAC được trình bày trong tiêu chuẩn (ISO 8341). Nhiệt độ thay đổi theo thời gian theo tiêu chuẩn ISO 834 được
minh họa trong Hình 6.

Hình 6. Sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian
Một lị nung có nhiệt độ đến 1000 oC được chuẩn bị để thực
hiện thí nghiệm chịu lửa của GRAC (Hình 7). Trong nghiên cứu này,
sự thay đổi của cường độ nén theo sự thay đổi của nhiệt độ đã
được khảo sát. Các mẫu được nung sau khi đạt 28 ngày tuổi. Ba
mẫu được thử nghiệm đối với mỗi trường hợp nhiệt độ gồm nhiệt
độ môi trường xung quanh (28 °C), sau khi được đặt trong lò nung
ở 200, 400, 600 và 800 °C.

Hình 7. Mẫu thí nghiệm trong lị nung

ISSN 2734-9888

10.2021

173

PHÁT TRIỂN X ÂY DỰNG BỀN VỮNG TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG

Các mẫu sau khi nung được làm nguội tự nhiên cịn 50 °C và
sau đó được chuyển qua thí nghiệm nén một trục. Để đánh giá sự
thất thoát nước, khối lượng của các mẫu cũng được xác định trước
và sau khi nung.
4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Cường độ chịu nén
Kết quả thu được từ thử nghiệm nén một trục được minh họa
trong Hình 8. Biểu đồ cho thấy sự phát triển chung của cường độ
nén theo thời gian. Cường độ chịu nén của GRAC ở 3 ngày tuổi
bằng 50% cường độ nén 28 ngày, kết quả này tương tự như sự
phát triển cường độ của bê tông xi măng thơng thường .

4, trong đó các mẫu thử được đặt tên là loại bê tơng, sau đó là
đường kính cốt thép; ví dụ, GRAC-10 thể hiện mẫu GRAC với thép
có đường kính 10 mm.
Bảng 4. Kết quả thí nghiệm cường độ bám dính
Loại
fb, thực nghiệm
fb, trung bình
fb, gân/ fb, fb, GRAC/ fb,
(MPa)
(MPa)
trơn
OPC
GRAC-8
5,89

5,91
2,33
GRAC-10
5,92
GRAC-12

13,66

GRAC-16

12,94

GRAC-20

12,74

OPC-8

2,54

13,11

2,22

2,35

2,54

-

-

OPC-14

Hình 8. Cường độ chịu nén của GRAC theo ngày tuổi
Có thể thấy sự chênh lệch về cường độ chịu nén với ba tỷ lệ
AAS/FA khác nhau chỉ ở mức dưới 6% cho tất cả các trường hợp.
Trong số ba tỷ lệ AAS/FA được thử nghiệm, tỷ lệ tối ưu nhất nên là
0,4 vì tỷ lệ này cung cấp cường độ nén cao nhất, và tỷ lệ này là kinh
tế nhất do việc sử dụng khối lượng AAS là thấp nhất. Đối với
trường hợp AAS/FA = 0,4, cường độ nén tại 28 ngày thu được
khoảng 30–31 MPa. Cường độ nén trung bình 28 ngày này tương
đương với bê tơng C20 theo Eurocode 2, có nghĩa là GRAC được
khảo sát có thể đáp ứng tiêu chí về cường độ nén cho các ứng
dụng thực tế.
4.2. Cường độ bám dính với cốt thép
Với mỗi loại đường kính thép, 3 lần thử nghiệm được lặp lại sau
đó lấy giá trị trung bình. Ngoại trừ mẫu GRAC có đường kính thép
20 mm bị tách đơi khi kéo (Hình 9); ở các mẫu cịn lại, thanh thép
chỉ bị trượt mà không ghi nhận bất kì hiện tượng nào trên bề mặt
mẫu bê tơng. Có thể với kích thước gân lớn của thép 20 mm đã gây
ra hiện tượng phá hủy mẫu.

5,57
5,57
2,20
Kết quả từ Bảng 4 có thể thấy cường độ bám dính của GRAC
đối với cốt thép trơn và thép gân lần lượt là 5,91 và 13,11 MPa. Giá
trị cường độ bám dính với thép có gân trong thí nghiệm này có kết
quả tương đương nghiên cứu của Sarker (Sarker, 2011), trong đó

cường độ bám dính là 13-15 MPa ứng với cường độ chịu nén của
bê tông geopolymer cốt liệu tự nhiên từ 30-35 MPa.
Tỷ số giữa cường độ bám dính của thép gân (fb, gân) trên cường
độ bám dính của thép trơn (fb, trơn) là 2,22. Tỷ lệ này cũng gần với tỷ
lệ được đề xuất theo Eurocode 2 là 2,25 cho bê tông xi măng
thông thường. Kết quả này cho thấy tỷ lệ fb, gân/ fb, trơn = 2,25 cũng có
thể được áp dụng cho GRAC.
Bảng 4 cũng cho thấy tỷ lệ giữa cường độ bám dính của GRAC
(fb, GRAC) với cường độ bám dính của OPC (fb, OPC) có giá trị trung
bình là 2,34. Giá trị này cho thấy cường độ bám dính của GRAC cao
hơn đáng kể so với OPC. Kết quả này có ý nghĩa tích cực đối với
ứng dụng thực tế trong xây dựng vì chiều dài neo thép vào GRAC
có thể giảm đáng kể.
4.3. Ứng xử với nhiệt độ
Các kết quả về sự sụt giảm cường độ chịu nén và khối lượng
của các mẫu GRAC ở 28 ngày tuổi được trình bày trong Hình 10.
Hình 11 và Hình 12 so sánh kết quả của nghiên cứu hiện tại với các
nghiên cứu khác. Từ Hình 10, dễ nhận thấy rằng khối lượng giảm đi
của các mẫu GRAC tỉ lệ thuận với sự gia tăng nhiệt độ. Sự sụt giảm
này chủ yếu liên quan đến nước bay hơi từ mẫu bê tông. Kết quả
khối lượng mẫu giảm đi tương tự như các nghiên cứu trước đây về
RAC (Varona et al., 2020) và được thể hiện trong Hình 11. Việc mất
nước nhanh chóng là một trong những lý do chính gây suy giảm
cường độ của cả bê tông thường và RAC. Tuy nhiên, khối lượng
mất đi của GRAC thấp hơn so với OPC vì bê tơng geopolymer từ FA
có hàm lượng nước trong thành phần cấp phối thấp hơn OPC..

Hình 9. Sự phá hoại mẫu GRAC với thép 20 mm
Vì chiều dài bám dính sử dụng trong thí nghiệm ngắn (5d) nên
ứng suất bám dính được giả định là phân bố đồng đều dọc theo

bề mặt bám dính của cốt thép 0. Cường độ bám dính fb được tính
bằng cách chia lực kéo tuột lớn nhất Pmax cho diện tích bám dính
của thép với bê tơng:

fb 

Pmax
  d  lb

(1)

Trong đó lb là chiều dài bám dính, d là đường kính thép. Kết
quả về cường độ bám dính trung bình được trình bày trong Bảng

174

10.2021

ISSN 2734-9888

Hình 10. Cường độ chịu nén và khối lượng mất đi của GRAC sau khi chịu nhiệt độ cao.


Hình 11. Biến đổi khối lượng các mẫu sau khi chịu nhiệt độ cao.
Sự thay đổi cường độ nén của GRAC được trình bày trong Hình
12 có sự khác biệt khi so sánh với bê tông gốc xi măng. Trong khi
cường độ nén của bê tông xi măng giảm khi nhiệt độ tăng thì
cường độ nén GRAC lại tăng lên khi nhiệt độ tăng từ lúc chua nung
đến 600 °C; sau đó, cường độ nén bắt đầu giảm khi nhiệt độ cao
hơn 600 °C. Sự thay đổi này được cho là khi nhiệt độ tăng cao sẽ

làm tăng quá trình tạo gel giữa FA và AAS 0. Hình 12 cũng trình
bày kết quả nghiên cứu trước đây về cường độ chịu nén cịn lại sau
khi nung của RAC. Trong đó, trục tung của hình này biểu diễn tỷ số
giữa cường độ nén còn lại fc (T) sau khi tiếp xúc với nhiệt độ T với
cường độ nén ban đầu fc (môi trường xung quanh – 20 oC). Các
đường cong từ Eurocode 2 Error! Reference source not found.
được đề xuất cho bê tông xi măng thông thường với cốt liệu đá vôi
và cốt liệu silicat cũng được thể hiện trên biểu đồ. Có thể thấy rằng
một số nghiên cứu trước đây đã thu được xu hướng tổng thể
tương tự với các đường cong thực nghiệm do Eurocode 2 đề xuất
(“Robert và cộng sự”, “Salahuddin và cộng sự”, “Varona và cộng
sự”); trong khi “Sarhat & Sherwood” và “Xiao và cộng sự” nhận thấy
một ứng xử khác: cường độ nén giảm nhẹ (10-15%) khi mẫu tiếp
xúc với 200-300 ° C, nhưng từ 200-500 ° C, cường độ nén tăng lên
gần bằng cường độ nén ban đầu . Sau đó, sau 500 ° C, cường độ
nén giảm khi nhiệt độ tăng. Từ 600-700 ° C, kết quả thí nghiệm
tương tự như theo giá trị thực nghiệm Eurocode 2.

Hình 12. Cường độ chịu nén của bê tông sau khi tiếp xúc với nhiệt độ so với lúc chưa nung
Các nghiên cứu trước đây cho rằng cốt liệu tái chế có độ xốp cao
hơn dẫn đến hơi nước thốt ra khỏi cấu trúc vi mơ của RAC. Do đó,
RAC có tính năng chống cháy tốt hơn bê tơng thường (De Larrard và
Colina, 2018). Trong thí nghiệm này, điểm đặc biệt là GRAC sở hữu
những ưu điểm của cả bê tông geopolymer dựa trên RAC và FA.

5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm về bê tông
geopolymer cốt liệu tái chế (GRAC). Cấp phối được chọn là AAS/FA
= 0,4; Na2SiO3/NaOH = 2.5 (theo khối lượng) ứng với cường độ chịu
nén là 30,4 MPa để thực hiện các thí nghiệm về cường độ bám

dính và khả năng chịu nhiệt. Cường độ bám dính cốt thép được
xác định bằng các thử nghiệm kéo tuột. Kết quả trên các mẫu OPC
cho thấy mức độ phù hợp của các kết quả thu được. Cường độ
bám dính của GRAC với cốt thép có gân cao hơn cốt thép trơn 2,22
lần; tỷ lệ này tương tự như được đề xuất trong Eurocode 2 cho bê
tông xi măng. Cường độ bám dính của GRAC cao hơn đáng kể so
với OPC, đây là một đặc tính nổi bật của GRAC. Khả năng chống
cháy của GRAC được đánh giá bằng cách nghiên cứu sự thay đổi
của cường độ nén theo sự thay đổi của nhiệt độ. Kết quả cho thấy
cường độ nén GRAC gia tăng khi nhiệt độ nung tăng từ nhiệt độ
môi trường lên 600 °C. Cường độ nén bắt đầu giảm khi hơn 600 °C
nhưng vẫn tương đương với cường độ nén ban đầu khi ở nhiệt độ
800 oC. Đặc tính này của GRAC là do độ xốp của cốt liệu tái chế, độ
xốp nano của gel geopolymer tro bay, các phản ứng và chuyển đổi
giai đoạn của gel geopolymer trong quá trình gia nhiệt.
Nghiên cứu về cường độ bám dính và tính năng chống cháy
của GRAC cho thấy một số ưu điểm của GRAC và tiềm năng cho
các ứng dụng thực tế. Các đặc tính khác cần được nghiên cứu về
vật liệu này như: độ bền theo thời gian, độ co ngót, từ biến, các thí
nghiệm trên kết cấu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
ASTM C618-19, “Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in
Concrete”, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2019.
Braymand R. I. S., Ferraille A., Serres N., “Analyse du cycle de vie du béton de GBR” in in De Larrard F. & Colina
H. (Dir.), Le béton recyclé, Marne-la-Vallée : Ifsttar, Ouvrages Scientifiques, OSI4, 2018.
BS EN 10080:2005, “Steel for the reinforcement of concrete - Weldable reinforcing steel - General”, 2005.
Chana, P. S., “A test method to establish realistic bond stresses”, Mag. Concr. Res., 42, 151, 83–90, 1990.
De Larrard F. and Colina H. (Dir.), “Le béton recyclé. Marne-la-Vallée฀: Ifsttar”, Ouvrages S, OSI4, 2018.
Hardjito D., “Studies on Fly Ash-Based Geopolymer Concrete”, Ph.D. Thesis, Curtin University of
Technology, Perth, Australia, 2005.

Hardjito D., Rangan B.V., “Development and Properties of Low Calcium Fly Ash Based Geopolymer
Concrete”, Research Report GC1, Curtin University of Technology, Australia, 2005.
ISO 834-1, “Fire-Resistance Tests, Elements of Building Construction, Part 1: General Requirements.”
Geneva, Switzerland, 1999.
Kong D. L. Y., Sanjayan J. G. and Sagoe-Crentsil K., “Comparative performance of geopolymers made with
metakaolin and fly ash after exposure to elevated temperatures”, Cem. Concr. Res., 37, 12, 1583–1589, 2007.
Le H.B., and Bui Q.B., “Recycled aggregate concretes – A state-of-the-art from the microstructure to the
structural performance”, Constr. Build. Mater., 257, 119522, 2020.
Metelli G. and Plizzari G. A., “Influence of the relative rib area on bond behaviour”, Mag. Concr. Res., 66, 6,
277–294, 2014.
Pacheco-Torgal Y. D. F., “Handbook of Recycled Concrete and Demolition Waste”, First ed, Woodhead
Publishing, 2013.
Phan L. T., Lawson J. R. and Davis F. L., “Effects of elevated temperature exposure on heating characteristics,
spalling, and residual properties of high performance concrete”, Mater. Struct., 34, 2, 83–91, 2001.
Salahuddin H., Nawaz A., Maqsoom A., Mehmood T., and Zeeshan B. A., “Effects of elevated temperature
on performance of recycled coarse aggregate concrete”, Constr. Build. Mater., 202, 415-425, 2019.
Sarhat S. R. and Sherwood E. G., “Residual Mechanical Response of Recycled Aggregate Concrete after
Exposure to Elevated Temperatures”, J. Mater. Civ. Eng., 25, 11, 1721–1730, 2013.
Sarker P. K., “Bond strength of reinforcing steel embedded in fly ash-based geopolymer concrete”, Mater.
Struct., 44, 5, 1021–1030, 2011.
Singh B., Ishwarya G., Gupta M. and Bhattacharyya S. K., “Geopolymer concrete: A review of some recent
developments”, Constr. Build. Mater., 85, 78–90, 2015.
TCVN 3118:1993, “Phương pháp xác định cường độ nén”, Tiêu chuẩn Việt Nam, 1993.
TCVN 7572-2:2006, “Cốt liệu cho bê tông và vữa - Phương pháp thử - Phần 2: Xác định thành phần hạt”,
Tiêu chuẩn Việt Nam, 2006.
Varona F. B., Baeza-Brotons F., Tenza-Abril A. J., Baeza F. J. and Bón L., “Residual Compressive Strength
of Recycled Aggregate Concretes after High Temperature Exposure”, Materials, 13, 8, 2020.
Xiao J., Fan Y. and Tawana M. M, “Residual compressive and flexural strength of a recycled aggregate
concrete following elevated temperatures”, Struct. Concr., 14, 2, 168–175,. 2013.

ISSN 2734-9888

10.2021

175