Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử của cọc rỗng bê tông GEOPOLYMER

TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ đến ứng xử của cọc rỗng bê
tông Geopolymer. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ ở
07 cấp thời gian từ 6 giờ, 7 giờ, 8 giờ, 9 giờ, 10 giờ, 11 giờ, 12 giờ đến khả năng chịu
uốn nứt và uốn gãy của cọc rỗng bê tơng Geopolymer. Nghiên cứu cịn được thực hiện
cho cọc rỗng bê tơng xi măng có cấp độ bền tương đương làm cơ sở đối chứng và so
sánh.
Kết quả thí nghiệm mẫu bê tơng Geopolymer dưỡng hộ nhiệt ở 1000C trong vòng
12 giờ cho cường độ chịu nén tương đương với mẫu bê tông xi măng và cả 2 đạt cấp độ
bền B45.
Kết quả thực nghiệm cho thấy khả năng chịu uốn nứt của cọc bê tông geopolymer
khá tương đồng với cọc bê tông xi măng khi có cùng cấp độ bền.
Kết quả thí nghiệm cũng cho ra được mối quan hệ giữa mômen uốn nứt và mômen
uốn gãy của cọc cho từng mốc thời gian dưỡng hộ nhiệt khác nhau.
Kết quả nghiên cứu này mở ra triển vọng trong viêc ứng dụng vật liệu “xanh”
Geopolymer trong việc sản xuất cấu kiện thân thiện môi trường rất hữu ích ứng dụng
rộng rải trong các cơng trình xây dựng hiện nay.

v


ABSTRACT

The research topic is the impact of curing time on the stress of hollow core
geopolymer concrete pile. The experiment focuses on learning the impact of curing heat
at 7 milestones (at 6th, 7th, 8th, 9th, 10th, 11th and 12th hours) on the resistance against
cracking load and breaking load of hollow core geopolymer concrete pile. This study
also applied for hollow core cement concrete pile for comparison and control experiment
purposes.
The lab examination on Geopolymer concrete samples cured at 100 Celsius degrees
in 12 hours allow the concrete to have equivalent compressive strength with cement

concrete and reach tensile mark B45.
Examination results also prove that bending crack resistance of Geopolymer
concrete pile is very similar to cement concrete pile at the same tensile mark.
The examination also resolved the relationship between bending-cracking moment
and breaking moment of concrete piles at different time mark of curing.
This experiment provides the potential of applying green material (geopolymer)
in manufacturing environment friendly component to construction industry in the current
time and near future.

vi


MỤC LỤC
Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ................................................................................. 1

1.1. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu: ................................................................... 1
1.1.1.

Vấn đề môi trường: ................................................................................ 1

1.1.2.

Vật liệu xây dựng thân thiện môi trường: .............................................. 3

1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài:..................................................... 6
1.2.1.

Nghiên cứu trên thế giới: ....................................................................... 6

1.2.2.

Nghiên cứu trong nước .......................................................................... 9

1.3. Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................... 10
1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu ....................................................................................... 11
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 12

2.1. Vật liệu bê tơng Geopolymer........................................................................... 12
2.1.1.

Q trình geopolymer hóa các ngun liệu giàu nhơm và silic: ......... 12

2.1.2.

Cơ chế hóa học của cơng nghệ geopolymer tro bay: ........................... 15

2.1.3.

Ảnh hưởng của cấu trúc geopolymer đến cường độ bê tông: .............. 17

2.1.4.

Thành phần Bê tông Geopolymer ........................................................ 19

2.1.5.

Những ưu khuyết điểm của GPC ......................................................... 21

2.1.6.

Điều kiện dưỡng hộ nhiệt .................................................................... 22

2.2. Cọc rỗng bê tông ............................................................................................... 23
2.2.1.

Khái niệm ............................................................................................. 23

2.2.2.

Ưu khuyết điểm: .................................................................................. 24

2.2.3.

Phạm vi ứng dụng: ............................................................................... 25

2.2.4.

Tính tốn thiết kế cọc rỗng OPC và GPC ............................................ 25

vii


2.3. Tính tốn khả năng chịu uốn của cọc rỗng .................................................... 25
2.3.1.

Cường độ chịu uốn của cọc rỗng ......................................................... 25

2.3.2.

Mô men kháng nứt của cọc rỗng ......................................................... 26

2.3.3.

Mô men kháng gãy của cọc rỗng ......................................................... 27

Chương 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ................... 28

3.1. Nguyên vật liệu ................................................................................................. 28
3.1.1.

Tro bay ................................................................................................. 28

3.1.2.

Dung dịch hoạt hóa .............................................................................. 29

3.1.3.

Sodium hydroxide (NaOH) .................................................................. 29

3.1.4.

Dung dịch Sodium Silicate (Na2SiO3) ................................................. 30

3.1.5.

Cốt liệu Cát vàng ................................................................................. 30

3.1.6.

Cốt liệu Đá ........................................................................................... 31

3.2. Cấp phối bê tông GPC ...................................................................................... 33
3.2.1

Xác định cấp phối ................................................................................ 33

3.2.2

Đúc mẫu xác định cường độ nén ......................................................... 33

3.2.3

Dường hộ nhiệt ẩm .............................................................................. 34

3.3. Thiết kế thành phần cấp phối bê tông OPC B45 (M600) ............................. 35
3.3.1

Xác định cấp phối ................................................................................ 35

3.3.2

Đúc mẫu xác định cường độ nén ......................................................... 37

3.3.3

Dưỡng hộ nhiệt ẩm .............................................................................. 37

3.4. Kích thước cọc .................................................................................................. 38
3.5. Quy trình sản xuất thí nghiệm cấu kiện cọc rỗng bê tơng GPC .................. 39

3.6. Thí nghiệm cọc .................................................................................................. 45
3.6.1

Xác định độ bền uốn nứt thân cọc rỗng ............................................... 45

3.6.2

Xác định độ bền uốn gãy thân cọc rỗng .............................................. 46

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................... 47

viii


4.1. Cường độ chịu nén của mẫu bê tông OPC và GPC ...................................... 47
4.2. Khả năng chịu tải của cọc theo lý thuyết ....................................................... 49
4.2.1.

Bê tơng ................................................................................................. 49

4.2.2.

Thép…………………………… ........................................................ 49

4.2.3.

Tính tốn mơ men bền uốn của cọc rỗng ............................................. 49

4.2.4.

Tính mơ men kháng nứt của cọc rỗng ................................................. 51

4.2.5.

Tính mơ men kháng gãy của cọc rỗng ................................................. 51

4.3. Kết quả thí nghiệm ............................................................................................ 51
4.4. Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến khả năng bền uốn thân cọc 52
4.4.1

Khả năng bền nứt thân cọc................................................................... 52

4.4.2

Khả năng bền gãy thân cọc .................................................................. 54

4.4.3

Quan hệ lực gây nứt và độ võng tại thời điểm nứt .............................. 56

4.4.4

Quan hệ giữa mô men uốn nứt Mcrctn và mô men uốn gãy Mbrtn .......... 58

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................... 59

5.1. Kết luận .............................................................................................................. 59
5.2. Hướng phát triển đề tài ..................................................................................... 59

ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Khói bụi từ các nhà máy gây ơ nhiễm mơi trường [3]. ..............................2
Hình 1.2: Thành phần trong GPC [5] .........................................................................3
Hình 1.3: Bê tơng E-Crete 25Mpa lát nền đường cao tốc Westgate, Cảng
Melbourne, Victoria, Úc. [9] .......................................................................................5
Hình 1.4: Các tấm panel bê tơng E-Crete 55 Mpa đúc sẵn ở Cầu Phố Salmon, Cảng
Melbourne, Victoria, Úc.[9] ........................................................................................5
Hình 1.5: Cơng trình đầu tiên ở Úc sử dụng GPC năm 2013 [24] .............................8
Hình 1.6: Cơng trình sử dụng vật liệu GPC năm 2015 cùng giáo sư Joseph Joseph
Davidovits [25]............................................................................................................8
Hình 2.1: Quá trình phản ứng của vật liệu geopolymer [33] ...................................13
Hình 2.2: Q trình Geopolymer hóa [35] ...............................................................14
Hình 2.3: Sự tương phản về kích thước giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và các hạt
nhỏ.[36] .....................................................................................................................15
Hình 2.4: Biểu diễn đặc trưng dạng hình cầu của các hạt trong khoảng kích thước
thường thấy nhiều hơn.[36] .......................................................................................15
Hình 2.5: Sự tương tác của tro bay trong dung dịch hoạt hóa kiềm [37] .................16
Hình 2.6: Cấu trúc chuỗi poly (sialates) Si-O-Al [38] .............................................17
Hình 2.7: Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch ankali/tro bay và nhiệt độ dưỡng hộ đến
cường độ chịu nén của GPC [39] ..............................................................................18

x


Hình 2.8: Ảnh hưởng tỷ lệ Na2SiO3/NaOH và nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ chịu
nén của GPC [40] ......................................................................................................18
Hình 2.9: Cọc rỗng bê tơng ứng suất trước ..............................................................24
Hình 3.1: Nguyên vật liệu sử dụng đúc mẫu ............................................................28

Hình 3.2: Biểu đồ thành phần hạt cát sử dụng .........................................................31
Hình 3.3: Biểu đồ thành phần hạt của đá dăm..........................................................32
Hình 3.4: Nhào trộn các thành phần cốt liệu bê tơng geopolymer...........................34
Hình 3.5: Đúc mẫu lăng trụ định hình và mẫu sau khi tháo khn .........................34
Hình 3.6: Dưỡng hộ nhiệt ẩm bê tơng geopolymer ..................................................35
Hình 3.7: Cấu tạo và kích thước cọc ........................................................................38
Hình 3.8: Khn cọc và pha trộn dung dịch.............................................................39
Hình 3.9: Trộn cốt liệu thơ .......................................................................................40
Hình 3.10: Cọc rỗng Geopolymer đổ xong và tháo khn ......................................40
Hình 3.11: Cọc được tập kết và đưa vào dàn thí nghiệm .........................................42
Hình 3.12: Xác định bề rộng vết nứt và hiển thị kết quả .........................................42
Hình 3.13 Xác định lực bền gãy cọc và hiển thị kết quả..........................................43
Hình 3.14: Qui trình sản xuất và thí nghiệm ............................................................44
Hình 3.15: Sơ đồ thí nghiệm độ bền uốn nứt thân cọc. ............................................45
Hình 4.1: Ảnh hưởng của tỉ lệ Alkaline/Tro bay và Na2SiO3/NaOH đế cường độ .48
Hình 4.2: Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến tải trọng gây nứt Ptn crc ...........53
Hình 4.3: Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến mô men uốn nứt Mtncrc ...........54

xi


Hình 4.4: Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến tải trọng gãy Pcr......................55
Hình 4.5: Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến mơ men uốn gãy Mtnbr ...........56
Hình 4.6: Mối quan hệ giữa lực gây nứt Ptncrc và độ võng tại thời điểm nứt khi uốn
cấu kiện cọc GPC ......................................................................................................57
Hình 4.7: Mối quan hệ giữa mơ men uốn nứt Mtncrc và độ võng tại thời điểm nứt khi
uốn cấu kiện cọc GPC ...............................................................................................57

xii

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Dự báo nhu cầu xi măng theo QĐ 1488/TTg, ngày 29/08/2011 [1] ..........1
Bảng 2.1: Thành phần chính của tro bay theo ASTM C618-94a [42] .....................19
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của tro bay [44].......................................................29
Bảng 3.2: Các chỉ tiêu cơ lý của cát sử dụng............................................................30
Bảng 3.3: Thành phần hạt của cát.............................................................................31
Bảng 3.4: Các chỉ tiêu cơ lý của đá sử dụng ............................................................31
Bảng 3.5: Thành phần hạt của đá..............................................................................32
Bảng 3.6: Thành phần cấp phối bê tông geopolymer (1m3) .....................................33
Bảng 3.7: Thành phần cho 1m3 bê tông Mác 600 không phụ gia ............................37
Bảng 3.8: Khối lượng cọc thực nghiệm....................................................................41
Bảng 4.1: Cường độ chịu nén của bê tông OPC và GPC .........................................47
Bảng 4.2:Thành phần cấp phối cọc rỗng bê tông Geopolymer (1m3) ......................49
Bảng 4.3: Khả năng chịu tải của cọc OPC tính tốn ................................................51
Bảng 4.4: Tải trọng thí nghiệm cọc thực tế ..............................................................52
Bảng 4.5: Kết quả tính tốn mơ men nứt ..................................................................53
Bảng 4.6: Kết quả tính tốn mơ men gãy .................................................................55
Bảng 4.7: mô men nứt và mô men uốn gãy ..............................................................58

xiii


Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu:
1.1.1. Vấn đề môi trường:
Hiện nay nghành công nghiệp xây dựng của nước ta đang phát triển rất nhanh,
đáp ứng tốc độ phát triển của nền kinh tế quốc dân, nhu cầu sử dụng các loại vật liệu
xây dựng ngày càng lớn, cả về số lượng và chất lượng, trong đó xi măng là loại vật

liệu xây dựng rất quan trọng, được sử dụng hầu hết các cơng trình xây dựng dân dụng,
cơng nghiệp, giao thơng, thủy lợi.
Bảng 1.1: Dự báo nhu cầu xi măng theo QĐ 1488/TTg, ngày 29/08/2011 [1]
Năm

Nhu cầu xi măng (Triệu tấn)

2011

54 - 55

2015

75 - 76

2020

93 – 95

2030

113 - 115

Để đáp ứng nhu cầu xi măng cho ngành Xây dựng, hiện nay cả nước ta có 13
nhà máy xi măng lị quay, 54 nhà máy xi măng lị đứng với tổng cơng suất thiết kế
khoảng 23 triệu tấn/năm [2]. Theo bảng thống kê tình hình tiêu thụ lượng xi măng
lớn ước tính vào năm 2020 nước ta tiêu thụ khoảng 95 triệu tấn/năm. Theo tính tốn
để sản xuất ra một tấn xi măng thì nhà máy sẽ thải ra mơi trường xấp xỉ một tấn khí
CO2 sau những cơng đoạn nung ngun liệu, khí này gây hiệu ứng nhà kính góp phần
làm trái đất nóng lên. Khí CO2 thải ra từ cơng nghiệp sản xuất xi măng chiếm khoảng

7% lượng CO2 trên toàn thế giới.

1


Hình 1.1: Khói bụi từ các nhà máy gây ơ nhiễm môi trường [3].
Theo thống kê của Tổng cục Năng lượng (Bộ Cơng thương), hiện có 19 nhà
máy nhiệt điện than công suất đạt 14.300 MW đang vận hành và tiêu thụ khoảng 42
triệu tấn than/năm. Ngồi ra, cịn có 12 nhà máy (11.700 MW) đang xây dựng và 12
nhà máy đã và đang phê duyệt đầu tư (12.900 MW) với tổng số than tiêu thụ khoảng
63 triệu tấn/năm và lượng tro xỉ thải ra khoảng 14,7 triệu tấn/năm. Diện tích bãi thải
xỉ khoảng hơn 1.100 ha. Như vậy tính đến năm 2022 - 2023, Việt Nam sẽ có 43 nhà
máy, tiêu thụ khoảng 110 triệu tấn than và thải ra khoảng 29 triệu tấn tro xỉ/năm,
lượng tro xỉ thải ra một phần nằm lại dưới lò, những hạt rất nhỏ bị cuốn theo khí từ
những ống nhà máy thải ra môi trường một lượng rất lớn. Như vậy, nếu cứ để tình
trạng này diễn ra thì núi tro xỉ thải ở các NMNĐ ngày càng ùn ứ, gây ô nhiễm môi
trường nghiêm trọng, ảnh hưởng cuộc sống con người [4].
Thực tế cho thấy, việc sử dụng bê tông geopolymer để sản xuất các cấu kiện
bê tông đúc sẵn là rất phù hợp, cần được đầu tư nghiên cứu và mở rộng các ứng dụng
trong đó ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử của cọc bê tông geopolymer
vẫn chưa được nhắc đến trong các nghiên cứu trước đây. Vì vậy nội dung cần tiếp tục
nghiên cứu và phát triển đặc tính của bê tơng geopolymer nói chung và cấu kiện cọc

2


nói riêng để có thể thương mại hóa các sản phẩm ở quy mô lớn và phát triển trên thị
trường.
1.1.2. Vật liệu xây dựng thân thiện môi trường:
Geopolymer là loại vật liệu kết dính polymer vơ cơ, được phát triển đầu tiên

nhờ nhà khoa học người Pháp Joseph Joseph Davidovits từ những năm 1970. Phản
ứng Geopolymer hóa là một phản ứng hóa học diễn ra giữa các oxit của nhơm và silic
với dung dịch có tính kiềm mạnh để tạo ra các mạch có cấu trúc ba chiều rắn chắc
chứa các liên kết Si-O-Al. Phản ứng geopolymer hóa diễn ra dưới áp suất khí quyển
ở nhiệt độ dưới 100oC. Sản phẩm geopolymer cuối cùng được tạo ra sẽ được đặc
trưng bởi nhiều yếu tố liên quan đến thành phần hóa học của các nguyên liệu và dung
dịch kiềm kích hoạt.
Bê tơng geopolymer là bê tơng sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa (chất kết
dính geopolymer). Trong q trình chế tạo, nước chỉ đóng vai trị tạo tính cơng tác,
khơng tham gia tạo cấu trúc Geopolymer, không tham gia phản ứng hóa học mà có
thể bị loại ra trong quá trình bảo dưỡng và sấy (khơng giống như xi măng cần nước
để thủy hóa). Nhiều nghiên cứu cho rằng, bảo dưỡng nhiệt cho bê tơng geopolymer
sử dụng tro bay có hàm lượng vôi thấp sẽ tạo cường độ cao, co khơ ít, từ biến thấp,
chịu ăn mịn sunphat, chịu axit tốt và có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng cơ sở hạ
tầng.

Hình 1.2: Thành phần trong GPC [5]

3


Nguyên liệu giàu Nhôm và Silic được sử dụng cho phản ứng geopolymer hóa
thường là các phế thải cơng nghiệp như tro bay, xỉ thép, xỉ lị cao….Trong đó tro bay
là nguyên liệu phù hợp nhất cho phản ứng cả về kích thước hạt và thành phần hóa
học của nó.
Bê tông geopymer từ tro bay được nghiên cứu và sử dụng cho các cơng trình
xây dựng dân dụng, đường bộ và mặt đường sân bay tại Australia trong khoảng 10
năm trở lại đây. Tại các quốc gia khác thì việc ứng dụng vật liệu này trong xây dựng
càng hạn chế.
Các ứng dụng thực tiễn theo Joseph Davidovits [6] đã thống kê các dạng ứng

dụng chất kết dính geopolymer nói chung như sau: tấm kết cấu gỗ chống cháy, tấm
tường và panel cách điện, sản xuất đá nhân tạo trang trí, sản xuất đá nhân tạo trang
trí, tấm panel bọt cách nhiệt, vật liệu xây dựng thô, gạch không nung, vật liệu chống
cháy công nghệ cao dùng trong máy bay và ô tô, ứng dụng làm khuôn đúc nhôm, bê
tông và chất kết dính geopolymer, vật liệu cản lửa và gia cố/ sửa chữa, kết cấu chịu
lửa, kết cấu chống sốc nhiệt, vật liệu chống cháy công nghệ cao dùng trong máy bay
và ơ tơ
Ở Mỹ, chất kết dính geopolymer ứng dụng chủ yếu là sản xuất xi măng
geopolymer đóng rắn nhanh (Pyrament Blended Cement – PBC). PBC được nghiên
cứu sản xuất và ứng dụng trong các sân bay quân sự từ những năm 1985. Sau đó được
dùng nhiều trong sửa chữa đường băng bê tông, sàn nhà công nghiệp, đường cao tốc
(loại xi măng này có thể đạt cường độ 20 Mpa sau 4 - 6h đóng rắn). Một loại xi măng
khác cũng được nghiên cứu sử dụng là xi măng geopolymer bền axit đã được công ty
Zeo tech corp thương mại hóa năm 1997. Sản phẩm được dùng nhiều trong các nhà
máy hóa chất và thực phẩm.
Ở Úc, bê tông geopolymer đã và đang ứng dụng trong thực tiễn như: các thanh
tà vẹt đúc sẵn, đường ống cống và các loại cấu kiện bê tông đúc sẵn khác trong xây
dựng. Với đặc tính tốt của các kết cấu đúc sẵn là cho cường độ tuổi sớm cao khi được
bảo dưỡng hơi nước hoặc dưỡng hộ nhiệt [7,8]. Kết cấu bê tơng geopolymer có thể

4


dễ dàng sản xuất bằng công nghệ sản xuất bê tông hiện tại mà không cần phải thay
đổi lớn nào. Một số nhà nghiên cứu khác cũng đã sản xuất các sản phẩm ống cống bê
tông geopolymer cốt thép đúc sẵn có đường kính từ 375 - 1800mm; các cống hộp bê
tơng geopolymer cốt thép có kích thước 1200 x 600 x 1200 mm. Kết quả nghiên cứu
cho thấy khả năng chịu môi trường nước thải xâm thực rất tốt và tương đương sản
phẩm bê tông xi măng.
Bê tông geopolymer có hoạt tính kiềm cũng đã được thương mại hóa ở Úc với

nhãn hiệu kinh doanh E-Crete™. E-Crete 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 của E-Crete chủ yếu như: các panel đúc sẵn (Hình 1.3; Hình 1.4);
các ống, nắp và đế cống; cống hộp; bể xí tự hoại; hố thu rác, gạch lát vỉa hè; tấm ốp
lát trang trí hoặc cách âm;… [9]

Hình 1.3: Bê tông E-Crete 25Mpa lát
nền đường cao tốc Westgate, Cảng
Melbourne, Victoria, Úc. [9]

Hình 1.4: Các tấm panel bê tơng ECrete 55 Mpa đúc sẵn ở Cầu Phố
Salmon, Cảng Melbourne, Victoria,
Úc.[9]

Ở Việt nam, mới chỉ có một số dạng sản phẩm thương mại có nguồn gốc từ bê
tơng geopolymer là gạch đất khơng nung. Đã có một số nghiên cứu bước đầu về bê
tông geopolymer như bê tông chịu lửa khơng xi măng của nhóm nghiên cứu ở Viện
Vật liệu Xây dựng [10]. Bê tông cốt liệu không xi măng dựa trên liên kết rho-alumia

5


tên thương phẩm là alphabond 300, so với BTCL ít xi măng là công nghệ chế tạo đơn
giản, thời gian sử dụng của vật liệu này tăng, tính chất cơ nhiệt tốt như tăng nhiệt độ
biến dạng dưới tải trọng và tăng độ bền uốn ở nhiệt độ cao. Nhóm nghiên cứu đã chế
tạo thành công BTCL không xi măng ứng dụng thử vào thực tế. Một nghiên cứu khác
về ứng dụng chất kết dính geopolymer là sản xuất vật liệu khơng nung từ phế thải tro
bay và xỉ lị cao cũng được thực hiện năm 2011. Kết quả nghiên cứu đã xây dựng quy
trình sản xuất vật liệu gạch block bê tơng geopolymer có cường độ én đạt >10 Mpa,
có giá thảnh rẻ hơn gạch block bê tơng xi măng cốt liệu 15% [11].

1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài:
1.2.1. Nghiên cứu trên thế giới:
Bê tông geopolymer được xem như một loại vật liệu thể hiện các đặc tính cơ
lý tốt có thể thay thế được bê tơng 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.
Angel Palomo, Grutzeck, và 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 tơng 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 hịa tan khơng hồn tồn của những vật liệu
phức tạp trong q trình geopolymer hóa cho rằng hàm lượng nước, thời gian và nhiệt
độ dưỡng hộ ảnh hưởng đến đặc tính của geopolymer, đặc biệt là điều kiện dưỡng hộ
và nhiệt độ gia nhiệt ảnh hưởng đến cường độ. Khi gia nhiệt ở 700C trong 24 giờ,
cường độ tăng đáng kể. Thời gian dưỡng hộ càng dài, cường độ của Geopolymer càng
tăng.
Qua những kết quả trong nghiên cứu về những yếu tố ảnh hưởng đến cường
độ bê tông geopolymer sử dụng tro bay của Djwantoro Hardjito (2004) [14] thấy rằng

6


thời gian dưỡng hộ dài sẽ phát triển quá trình polymer hóa trong bê tơng, cường độ
chịu nén khơng bị ảnh hưởng bởi ngày tuổi của bê tông.
Theo Djwantoro Hardjito và Vijaya Rangan (2005) [15], khi nghiên cứu về
Quá trình phát triển và những đặc tính của bê tơng geopolymer sử dụng tro bay đã có
những nhận xét về những tính chất ảnh hưởng đến cường độ của bê tơng 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.
Mo Bing-hui, He Zhu, Cui Xue-min, He Yan và Gong Si-yu (2014) [16],
nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ, thời gian dưỡng hộ đến cường độ
bê tơng geopolymer, qua đó cho thấy cả thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ đều ảnh hưởng
đến cường độ bê tơng. Nhiệt độ thích hợp để q trình polymer hóa diễn ra với tốc
độ cao là trên 600C, điều này làm bê tông sớm đạt cường độ.
Trong nghiên cứu về Cường độ chịu nén và vùng tiếp xúc bề mặt ITZ của bê
tông geopolymer [17], 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 trị quan trọng trong việc tạo nên cấu trúc của Geopolymer.
Theo Al Bakri, Kamarudin, và Binhussain (2012) [18], 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.
Theo Djwantoro Hardjito và Vijaya Rangan (2005) [19] cho rằng hệ số
Poission của bê tông geopolymer sử dụng tro 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.
Natalie A Lloyd và Vijaya Rangan (2010) [20] đã nghiên cứu về đề tài có tên
là “Geopolymer Concrete with Fly Ash”. Tác giả đã trình bày đặc tính hỗn hợp bê
tơng geopolymer, cách thiết kế một mẻ bê tông gepolymer, về các sản phẩm bê tông
đúc sẵn, sự đóng góp của bê tơng geopolymer đối với phát triển.

7


Benny Joseph và George Mathew (2012) [21], dựa trên các nghiên cứu thực
nghiệm, khẳng định rằng GPC khi được tổng hợp từ cốt liệu, điều kiện dưỡng hộ và

hàm lượng dung dịch thích hợp, sẽ chế tạo được bê tơng có chất lượng tốt hơn OPC.
Sofi, Van Deventer, Mendis và Lukey (2007) [22] Nghiên cứu về khả năng liên
kết giữa cốt thép và bê tơng geopolymer. Ơng đã tiến hành thí nghiệm về Liên kết
giữa bê tơng geopolymer và cốt thép dựa trên tiêu chuẩn ASTM C234-91.
Sarker (2011) [23] Nghiên cứu về ứng xử giữa cốt thép và bê tông 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 tơng
OPC có cùng cường độ.

Hình 1.5: Cơng trình đầu tiên ở Úc sử dụng GPC năm 2013 [24]

Hình 1.6: Cơng trình sử dụng vật liệu GPC năm 2015 cùng giáo sư Joseph Joseph
Davidovits [25]

8


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
[26], cho rằng cường độ nén bửa và cường độ chịu uốn của bê tông geopolymer cao
hơn bê tông OPC.
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 tốn sử dụng trong
bê tông cốt thép truyền thống cho cấu kiện dầm và cột có thể sử dụng được cho bê
tông Geopolymer.
1.2.2. Nghiên cứu trong nước
Tống Tôn Kiên và các cộng sự đã nghiên cứu về đề tài “Bê tông geopolymer
– những thành tựu, tính chất và ứng dụng”. Các tác giả đã trình bày những thành tựu
nổi bật, các mốc thời gian phát triển của chất kết dính hoạt hóa kiềm, q trình hình

thành cấu trúc bê tơng geopolymer, các đặc tính và cũng như ứng dụng của bê tông
geopolymer [27].

- Công nghệ sản xuất gạch không nung của Công ty Huệ Quang 2009.
- 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.

- 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 tơng geopolymer. Tuy nhiên chưa được sử dụng phổ biến trong
các cơng trình xây dựng. Kết quả nghiên cứu đã xây dựng được quy trình sản xuất
vật liệu gạch block bê tơng geopolymer có cường độ nén đạt trên 10 MPa, có giá
thành rẻ hơn gạch block bê tơng xi măng cốt liệu khoảng 15 % [28].
Phan Đức Hùng, Lê Anh Tuấn và Dương Văn Dũng (2016) [29] đã nghiên cứu
đề tài “Ảnh hưởng của sợi poly-propylene đến ứng xử chịu uốn của dầm bê tông

9


geopolymer cốt thép sử dụng tro bay”. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng sợi poly –
propylen có chiều dài 19 mm và 25 mm được bổ sung với hàm lượng sợi 0,5% và
1,0% theo thể tích để đánh giá ảnh hưởng của sợi đến khả năng chịu uốn của cấu kiện
dầm bê tông geopolymer. Kết quả cho thấy với hàm lượng sợi 0,5% cải thiện tốt
cường độ chịu nén và uốn, chỉ cải thiện cường độ chịu uốn khi hàm lượng sợi 1,0%.
Tuy nhiên, trong cấp phối bê tông nếu sử dụng tỷ lệ chiều dài – đường kính sợi là 380
với hàm lượng là 0,5% thì khả năng chịu uốn tốt nhất khi làm việc trong dầm.
Trần Văn Miền (2016) [30] đã nghiên cứu đề tài “Quy trình dưỡng hộ nhiệt

ẩm cho bê tơng đúc sẵn” nhóm tác giả đã trình bày phương pháp dưỡng hộ bằng cách
cung cấp hơi nước ở nhiệt độ cao dưới áp suất thường đặc biệt các cấu kiện có kích
thước phổ biến là các cấu kiện bê tông ứng suất trước. Kết quả cho thấy tùy thuộc
vào hàm lượng tro bay thay thế xi măng và mục tiêu cần đạt cường độ ở độ tuổi xác
định có thể xác lập quy trình dưỡng hộ phù hợp.
Ở Việt Nam tại thời điểm hiện tại ngồi các nghiên cứu về ứng xử dầm bê tơng
geopolymer và một sản phẩm thương mại có nguồn gốc từ bê tơng geopolymer là
gạch block khơng nung thì chưa có nhiều nghiên cứu về cấu kiện. Tuy nhiên, về lâu
dài các cấu kiện đúc sẵn bằng vật liệu bê tông geopolymer sẽ dần thay thế vật liệu bê
tông xi măng OPC truyền thống.

1.3. Mục tiêu nghiên cứu
Qua tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước cho thấy mẫu bê tơng
geopolymer có tính chất tương đồng với bê tơng xi măng truyền thống. Một số nghiên
cứu ứng dụng vật liệu bê tông gepolymer vào cấu kiện dầm, sàn,… cho kết quả khả
quan. Luận văn trình bày nghiên cứu ứng dụng vật liệu bê tông geopolymer để sản
xuất cọc rỗng trên cơ sở sử dụng cơ sở vật chất, máy móc thiết bị của nhà máy bê
tơng ly tâm; trong đó đáng chú ý là quy trình dưỡng hộ nhiệt cấu kiện là dưỡng hộ
nhiệt ẩm – có sự khác biệt đáng kể so với dưỡng hộ nhiệt khô thường được tìm thấy
trong các nghiên cứu khác.

10


Cọc rỗng bê tơng có nhiều ưu điểm tương đồng với cọc bê tông ly tâm thiết kế
theo TCVN 7888 : 2014 về khả năng chịu lực, vận chuyển cẩu lấp trong q trình thi
cơng. Vì vậy, có thể tham khảo quy trình thử nghiệm để có những nghiên cứu so sánh
phù hợp.
Do đó mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ
nhiệt ẩm đến ứng xử chịu uốn của cọc rỗng bê tông geopolymer ứng với 07 cấp thời

gian dưỡng hộ nhiệt: 6 giờ, 7 giờ, 8 giờ, 9 giờ, 10 giờ, 11 giờ và 12 giờ.
1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt đến ứng xử của cọc rỗng
bê tơng geopolymer: thí nghiệm chịu uốn (uốn nứt, uốn gãy) trong phịng thí nghiệm
nội dung vận dụng theo phương pháp dựa trên TCVN 7888 : 2014:
-

Xác định thành phần cấp phối bê tông xi măng OPC cấp độ bền B45

-

Xác định thành phần cấp phối bê tông geopolymer tương đương cấp
độ bền B45.

-

Xác định sự thay đổi về khả năng chịu uốn của cọc GPC trong điều
kiện thời gian dưỡng hộ nhiệt khác nhau.

Nội dung của đề tài là nghiên cứu về khả năng chịu uốn nứt, uốn gãy cọc rỗng
bê tơng geopolymer có ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt ẩm. Qua đó có thể so
sánh với cọc OPC bằng vật liệu thơng thường từ đó sử dụng sản phẩm cọc GPC vào
trong môi trường thực tế thay thế dần cọc OPC.

11


Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Vật liệu bê tông Geopolymer

2.1.1. Q trình geopolymer hóa các ngun liệu giàu nhơm và silic:
Nguyên lý chế tạo vật liệu geopolymer dựa trên khả năng phản ứng của các
vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm để tạo ra sản phẩm bền và có cường
độ. Hệ nguyên liệu để chế tạo vật liệu geopolymer bao gồm hai thành phần chính là
các nguyên liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm. Nguyên liệu ban đầu thường ở dạng
aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho q trình geopolymer hóa xảy ra.
Với thành phần gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3... và được cấu tạo bởi những tinh cầu
tròn, siêu mịn, độ lọt sàn từ 0,05 – 50 nanomet, tỉ diện 300 – 600 m2/kg, tro bay được
xem là một loại “puzzolan" nhân tạo chất lượng cao. Việc thay thế xi măng bằng tro
bay giúp làm giảm lượng khı́ thải CO2 do quá trıǹ h sản xuất xi măng, đồng thời tiêu
thụ một lượng lớn phế phẩm công nghiệp để ứng dụng vào công trı̀nh xây dựng như
chế tạo “bê tông xanh – bê tông geopolymer ”. Cơ chế hı̀nh thành geopolymer được
nhà khoa học người Pháp Joseph Joseph Davidovits đưa ra năm 1970. Vật liệu
geopolymer từ aluminosilicate tạo thành từ mạng lưới polysialate trên cơ sở các các
tứ diện SiO4 và AlO4 với công thức:
Mn [ –– (SiO2)z –– ]n . wH2O (2.1)
Trong đó: M - nguyên tố kiềm như K, Na, Ca; z = 1,2,3 có thể cao hơn đến 32;
n - mức độ ngưng tụ; w - số phân tử nước. Joseph Davidovits (1999) đề xuất tồn bộ
phản ứng hóa học thơng qua hai phản ứng hóa học hình thành geopolymer được mơ
tả theo sơ đồ phản ứng sau: [31]

12


Q trình geopolymer hóa bắt đầu với sự hịa 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 gepolymer.
Theo Djwantoro Hardjito (2005) [32], q trình phản ứng hóa học tạo thành
geopolymer có thể được phân ra thành các bước chính sau:

Hịa 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 vơ cơ.

Hình 2.1: Q trình phản ứng của vật liệu geopolymer [33]

13


Theo Glukhovsky, Rostovskaja và Rumyna [34], cơ chế quá trình kiềm kích
hoạt 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 Si-O-Si
và Al-O-Si khi PH của kiềm tăng lên. Vì thế những nhóm ngun tố này được chuyển
sang hệ 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, giai đoạn tiếp theo là q trình hình thành cấu
trúc đơng đặc, hình 2.1. Cịn đối với chất hoạt hóa kiềm của tro bay xảy ra sự tỏa
nhiệt trong quá trình hịa tan, phân tách các liên kết cộng hóa trị Si-O và Al-O-Al.
Nhìn chung các sản phẩm tùy thuộc vào sự phá vỡ cấu trúc của tro bay trong khoảng
thời gian đầu và cuối cùng là quá trình ngưng kết tạo cấu trúc chuỗi một cách có trật
tự tạo khả năng có cường độ cơ học cao.
Q trình tạo thành cấu trúc geopolymer có thể được biểu diễn tóm tắt theo sơ
đồ sau:

Hình 2.2: Q trình Geopolymer hóa [35]
Joseph Davidovits 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 cho nên ơng gọi là geopolymer. Thơng số chính quyết

định đến tính chất và dạng sử dụng của một loại geopolymer là tỷ lệ Si/Al.

14


2.1.2. Cơ chế hóa học của cơng nghệ geopolymer tro bay:
Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác nhau,
các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bọc và có hình dáng rất khác nhau [36]. Các
hạt tro bay thường chia ra làm 02 dạng: dạng đặc và dạng rỗng. Thông thường các
hạt tro bay hình cầu, rắn được gọi là các hạt đặc và các hạt tro bay hình cầu mà bên
trong rỗng có tỷ trọng thấp hơn 1,0 g/cm3 được gọi là các hạt rỗng. Các dạng thường
thấy ở tro bay thường được tạo nên bởi các hợp chất có dạng tinh thể như thạch anh,
mulit và hematit, các hợp chất có dạng thủy tinh như thủy tinh oxit silic và các oxit
khác, tùy thuộc vào hàm lượng cacbon nhiều hay ít mà tro bay có màu xám hay đen,
nếu tro bay có màu sáng cho thấy hàm lượng cacbon thấp.

Hình 2.3: Sự tương phản về kích thước Hình 2.4: Biểu diễn đặc trưng dạng
giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và các hình cầu của các hạt trong khoảng kích
hạt nhỏ.[36]
thước thường thấy nhiều hơn.[36]
Nguyên liệu tro bay chứa các thành phần hoạt tính Si và Al được cấu tạo bởi
những tinh cầu trịn, siêu mịn có khả năng kết hợp hoạt hóa trong mơi trường dung
dịch chứa kiềm cao có khả năng đóng rắn. Tốc độ phản ứng đóng rắn cũng như các
vi cấu trúc và thành phần hóa của các sản phẩm phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu
tố, 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.

15

Chất kết dính geopolymer là tập hợp các chuỗi hay mạng lưới của các phân
tử khống vơ định hình liên kết với nhau thơng qua các liên kết cộng hóa trị. Q
trình geopolymer hóa (là q trình tổng hợp để tạo thành vật liệu Geopolymer) liên
quan đến phản ứng hóa học của aluminosilicate oxit (Si2O5, Al2O2) với polysilicate
kiềm nhằm dễ tạo ra phản ứng trùng ngưng polymer hình thành mối liên kết giữa SiO-Al. Q trình geopolymer hóa phụ thuộc vào tỷ lệ Si/Al, Joseph Davidovits đã
phân biệt polysilicate thành bốn loại khác nhau là Poly(sialate) có dạng (-Si-O-Al-O) với Si/Al = 1, Poly(sialate-siloxo) có dạng (-Si-O-Al-O-Si-O-) với Si/Al = 2,
Poly(sialate-disiloxo) có dạng (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-) với Si/Al = 3, Poly (sialatemultisiloxo) với Si/Al >> 3.

Hình 2.5: Sự tương tác của tro bay trong dung dịch hoạt hóa kiềm [37]
Sự tương tác trên là mơ hình hạt tro bay khi bị kích hoạt kiềm. Bắt đầu bằng
sự kiềm hóa một điểm nhỏ trên bề mặt hoạt tro bay, sau đó lan rộng và tạo thành lỗ
lớn và tiếp tục phản ứng với những hạt nhỏ ở bên trong. Phản ứng tiếp tục duy trì và
phát triển nhanh hơn theo hai chiều từ ngoài vào trong và ngược lại. Phản ứng tiếp
tục xảy ra cho đến khi hạt tro bay được kiềm hóa hồn tồn, cơ chế phản ứng hịa tan

16