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

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
ề tài nghiên cứu là ảnh hƣởng nhiệt độ dƣỡng hộ đến ứng xử của cọc rỗng bê
tông Geopolymer. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ dƣỡng hộ ở
06 cấp nhiệt độ từ 40ºC, 60ºC, 80ºC, 100ºC, 110ºC, 120ºC đến khả năng chịu uốn nứt
và uốn gãy của cọc rỗng bê tơng Geopolymer. Nghiên cứu cịn đƣợc thực hiện cho cọc
rỗng bê tơng xi măng có cấp độ bền tƣơng đƣơng làm cơ sở đối chứng và so sánh.
Kết quả thí nghiệm cho thấy khả năng chịu uốn nứt của cọc rỗng bê tông
geopolymer khá tƣơng đồng với cọc rỗng bê tơng xi măng khi có cùng cấp độ bền.
Kết quả thí nghiệm cũng cho ra đƣợc mối quan hệ giữa mômen uốn nứt và
mômen uốn gãy của cọc rỗng ở từng cấp nhiệt độ dƣỡng hộ khác nhau.
Nhiệt độ dƣỡng hộ từ 400 đến 800C trong 12 giờ không đủ cung cấp nhiệt lƣợng
để cọc rỗng đạt cƣờng độ tối ƣu. Nhiệt độ dƣỡng hộ lớn hơn 1000

khơng có lợi về

mặt kinh tế.
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 trƣờng rất hữu ích ứng dụng
rộng rải trong các cơng trình xây dựng hiện nay.

iv


ABSTRACT
This paper presents the study on the effects of curing temperature on behavior of
geopolymer concrete (GPC) hollow piles. The thesis focused on the effects of 06
levels of curing temperature from 40ºC, 60ºC, 80ºC, 100ºC, 110ºC, 120ºC to bending
and fracture strength of Geopolymer concrete piles. The research was also carried out
for cement based concrete (OPC) hollow piles with equivalent strength for
comparison.
The results showed that the fracture resistance of the geopolymer concrete

hollow piles was similar to that of OPC hollow piles at the same strength level.
The experiment results also show the relationship between bending moment and
fracture moment of the hollow pile at different curing temperature levels.
Curing temperatures from 40ºC to 80ºC for 12 hours are not sufficient to provide
the optimal hollow pile strength. Curing temperatures greater than 100ºC are not
economically advantageous.
This research opens up the prospect of using "green" Geopolymer material in the
production of environmentally friendly components that are very useful in a wide
range of applications.

v


MỤC LỤC
TRANG TỰA
TRANG
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
LÝ LỊCH BẢN THÂN .............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................... ii
CẢM TẠ ...................................................................................................................................iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ......................................................................................... iv
MỤC LỤC…………………………………………………………………………………… vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH ....................................................................................................viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ..................................................................................................... ix
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ...................................................................................... 1
1.1
SỰ ẦN THIẾT NGHIÊN ỨU Ề T I: ................................................................. 1
1.1.1. ê tông xi măng và vấn đề môi trƣờng: .................................................................... 3
1.1.2. Bê tông Geopolymer – vật liệu thân thiện môi trƣờng ............................................. 3
1.1.3 ấu kiện sử dụng GP ............................................................................................... 4

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN ỨU Ề T I: ..................................................... 5
1.2.1 Nghiên cứu trên thế giới: ........................................................................................... 5
1.2.2
Nghiên cứu trong nƣớc ....................................................................................... 10
1.3 M
TIÊU NGHIÊN ỨU : .......................................................................................... 15
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................................... 17
2.1 VẬT LIỆU Ê TƠNG GEOPOLYMER ........................................................................ 17
2.1.1 Q trình geopolymer hóa: ...................................................................................... 17
2.1.2 ơ chế hóa học của cơng nghệ geopolymer tro bay ................................................ 17
2.1.3 Ảnh hƣởng của cấu trúc geopolymer cƣờng độ chịu nén: ....................................... 20
2.1.4 Lợi ích của bê tơng geopolymer vào xây dựng: ...................................................... 21
2.2 TÍNH KHẢ NĂNG HỊU UỐN ỦA Ọ THEO LÝ THUYẾT MLT ....................... 22
2.2.1 ƣờng độ chịu uốn của cọc rỗng ............................................................................. 22
2.2.2 Tính monen kháng nứt của cọc rỗng ........................................................................ 23
CHƢƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ..................... 24
3.1 NGUYÊN VẬT LIỆU: .................................................................................................... 24
3.1.1 Tro bay: .................................................................................................................... 24
3.1.2 ung dịch hoạt hóa .................................................................................................. 25
3.1.3 Cát ............................................................................................................................ 26
3.1.4 á ............................................................................................................................. 27
3.1.5 Nƣớc pha dung dịch NaOH ...................................................................................... 29
3.1.6 ốt thép: ................................................................................................................... 29
3.2 THIẾT KẾ TH NH PHẦN ẤP PHỐI V PHƢƠNG PH P THÍ NGHIỆM MẪU
TR
Ê TƠNG: ................................................................................................................... 30
3.2.1 Thiết kế thành phần cấp phối bê tông Geopolymer: ................................................ 30
3.2.2 Thiết kế thành phần cấp phối bê tông xi măng: ....................................................... 30
3.2.3 Phƣơng pháp thí nghiệm .......................................................................................... 31
3.2.3.1 úc mẫu xác định cƣờng độ chịu nén cho mẫu trụ OP và GP ........................ 31

3.2.3.2 Nhào trộn và đúc mẫu : ......................................................................................... 31
3.2.3.3 ƣỡng hộ nhiệt: .................................................................................................... 33
3.2.3.4 Thí nghiệm nén mẫu bê tông Geopolymer : ......................................................... 33
3.2.4 hế tạo cấu kiện cọc OP : ...................................................................................... 34
3.2.5 Yêu cầu đối với cọc OP : ....................................................................................... 35
3.2.5.1 Khái niệm: ............................................................................................................. 35
3.2.5.2 Ƣu khuyết, điểm:................................................................................................... 36
3.2.5.3 Phạm vi ứng dụng: ................................................................................................ 36
3.2.5.4 Vật liệu sản xuất xi măng cốt thép: ....................................................................... 36
vi


3.2.5.4.1 Yêu cầu chung:................................................................................................... 36
3.2.5.4.2 Xi măng .............................................................................................................. 37
3.2.5.4.3 Cát: ..................................................................................................................... 37
3.2.5.4.4 ốt liệu lớn: Nhƣ cốt liệu trong cấp phối bê tông geopolymer. ........................ 37
3.2.5.4.5 Nƣớc: Nhƣ trong mục thiết kế cấp phối bê tông geopolymer. ........................... 37
3.2.5.4.6 Phụ gia: .............................................................................................................. 37
3.2.5.4.7 hất độn: ............................................................................................................ 37
3.2.7 úc cấu kiện cọc rỗng GP : ................................................................................... 37
3.2.7 Nhào trộn và đúc cấu kiện cọc rỗng GP . .............................................................. 38
3.2.8 Dƣỡng hộ nhiệt: ....................................................................................................... 38
3.2.9 Thiết bị, dụng cụ : [41]............................................................................................. 39
3.2.10 ách đo độ võng khi uốn nứt cọc: ......................................................................... 40
3.2.11 Thực nghiệm: ......................................................................................................... 40
3.2.12 Khối lƣợng thí nghiệm: .......................................................................................... 40
3.2.13 Thí nghiệm khả năng chịu uốn của cọc rỗng: ....................................................... 41
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................. 44
4.1 ƢỜNG Ộ HỊU NÉN ỦA MẪU Ê TÔNG GEOPOLYMER: ............................ 44
4.2 TÍNH TO N KHẢ NĂNG HỊU UỐN ỦA Ọ RỖNG OP , GP THEO LÝ

THUYẾT: ............................................................................................................................. 44
4.3 X
ỊNH Ộ ỀN UỐN NỨT – GÃY THÂN Ọ
ỦA Ọ TRÒN RỖNG Ê
TÔNG ỐT THÉP “ Ọ RỖNG OP ” V
Ọ TRỊN RỖNG BÊ TƠNG
GEOPOLYMER “ Ọ RỖNG GP ”: ............................................................................... 47
4.3.1 ác dạng phá hoại điển hình: ................................................................................... 47
4.3.1.1 ọc rỗng OP ....................................................................................................... 47
4.3.1.2 ọc rỗng GP : ..................................................................................................... 47
4.4 ẢNH HƢỞNG NHIỆT Ộ ƢỠNG HỘ V KHẢ NĂNG HỊU UỐN ỦA Ọ : . 48
4.4.1 Tải trọng uốn gây nứt, mô men uốn nứt, mô men lý thuyết của cọc rỗng OP và
cọc rỗng GP . .......................................................................................................................... 49
4.4.2 Tải trọng uốn gãy, mô men uốn gãy, mô men lý thuyết của cọc rỗng OP và cọc
rỗng GP . ................................................................................................................................. 51
4.4.3 Tải trọng uốn nứt - gãy ở 6 mức nhiệt độ dƣỡng hộ cọc rỗng GP ........................ 54
........................................................................................................................................... 54
4.4.4 Mô men uốn nứt - gãy ở 6 mức nhiệt độ dƣỡng hộ ................................................. 54
TN
TN
4.4.5 Từ thực nghiệm ta tính lại quan hệ giữa M crc và M br : .................................... 55
4.4.6 ộ võng khi uốn nứt của cọc rỗng OP và cọc rỗng GP . .................................... 56
4.4.7 Tải trọng uốn nứt và độ võng khi uốn nứt ............................................................... 57
4.4.8 Mô men uốn nứt và độ võng khi uốn nứt ................................................................. 58
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................ 59
5.1 KẾT LUẬN: .................................................................................................................... 59
5.2 HƢỚNG PH T TRIỂN Ề T I: ................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 61

vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Ơ nhiểm mơi trƣờng................................................................................................... 3
Hình 1.2 : Khí thảy từ các nhà máy nhiệt điện Eggborough ở hạt North Yorshire,Anh ........... 3
Hình 1.3:Bãi chứa tro xỉ của nhà máy ....................................................................................... 3
Hình 1.4: Khí thải từ các nhà máy nhiệt điện than gây ô nhiễm môi trƣờng khơng khí trầm
trọng [1] ...................................................................................................................................... 3
Hình 1.5: Tấm bê tơng geopolymer lát vĩa hè ........................................................................... 4
Hình 1.6: ọc bê tơng xi măng cốt thép .................................................................................. 14
Hình 1.7: ọc bê tơng ly tâm (OP ) ....................................................................................... 15
Hình 2.1: Sơ dồ mơ phỏng sự hoạt góa vật liệu alumosolocat [30] ......................................... 18
Hình 2.2: ấu trúc poly ( sialates) theo ividovits [5] ............................................................ 20
Hình 3.1: Tro bay ..................................................................................................................... 25
Hình 3.2: Thủy tinh lỏng và NaOH ......................................................................................... 26
Hình 3.3: ân thủy tinh lỏng và trộn NaOH ............................................................................ 26
Hình 3.4: iểu đồ thành phần hạt cát ....................................................................................... 27
Hình 3.5: iểu đồ thành phần hạt đá ....................................................................................... 28
Hình 3.6: Pha trộn cấp phối và đúc mẫu .................................................................................. 32
Hình 3.7: úc mẫu trụ bê tơng GEO ....................................................................................... 32
Hình 3.8: Trộn bê tơng GEO đúc mẫu trụ .............................................................................. 32
Hình 3.9: ƣỡng hộ nhiệt ........................................................................................................ 33
Hình 3.10: Thí nghiệm nén mẫu trụ ......................................................................................... 34
Hình 3.11: hi tiết mẫu cọc ( Khn mẫu và lồng thép ) ........................................................ 35
Hình 3.12: hi tiết cấu tạo cốt thép dọc và cốt thép đai cọc rỗng OP và GP ..................... 35
Hình 3.13: Sơ đồ tải trọng uốn nứt thân cọc vận dụng theo T VN 7888:2014 ...................... 42
Hình 4.1:
Hình 4.2:
Hình 4.3:
Hình 4.4:

Hình 4.5:
Hình 4.6:
Hình 4.7:
Hình 4.8:
Hình 4.9:
Hình 4.10:
Hình 4.11:
Hình 4.12:

ƣờng độ chịu nén của các mẫu trụ OP và GP 1 ................................................ 44
ác dạng vết nứt của cọc rỗng OP ........................................................................ 47
ác dạng vết nứt của cọc rỗng GP ........................................................................ 48
iểu đồ tải trọng uốn nứt ......................................................................................... 50
iểu đồ mô men uốn nứt.......................................................................................... 51
iểu đồ tải trọng uốn gãy......................................................................................... 52
iểu đồ mô men uốn gãy ......................................................................................... 53
iểu đồ tải trọng uốn nứt – gãy 06 mức nhiệt độ dƣỡng hộ cọc rỗng GP ............ 54
iểu đồ mô men nứt - gãy ở 6 mức nhiệt độ dƣỡng hộ cọc rỗng GP ................... 54
iểu đồ độ võng khi uốn nứt của cọc rỗng OP và cọc rỗng GP ....................... 57
iểu đồ tải trọng và độ võng uốn gây nứt.............................................................. 57
iểu đồ mô men và độ võng uốn gây nứt .............................................................. 58

viii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Mốc thời gian và sự phát triển của chất kết dính hoạt hóa kiềm[15] ........................ 8
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của tro bay ASTM 618-94a[34] .......................................... 24
Bảng 3.2: Thành phần hóa học tro bay loại F, nhà máy phát điện Phả Lại [35] ...................... 25
Bảng 3.3: Thành phần hóa học của tro bay loại F, nhà máy phát điện Fomosa [37] ............... 25

Bảng 3.4: Thành phần hạt cát ................................................................................................... 27
Bảng 3.5: Thành phần hạt của đá ............................................................................................. 28
Bảng 3.6: ác tính chất cơ lý của đá ........................................................................................ 29
Bảng 3.7: Thành phần cấp phối bê tông GEO ( 1m3) .............................................................. 30
Bảng 3.8: Thành phần cấp phối của bê tông xi măng ( 1m3) ................................................... 30
Bảng 3.9: ấp phối đúc cọc rỗng GPC ( 1m3) ........................................................................ 37
Bảng 3.10: Khối lƣợng thí nghiệm........................................................................................... 41
Bảng 4.1: Tổng hợp cƣờng độ chịu nén của các cấp phối bê tông OP và GP .................... 44
Bảng 4.2: Tải trọng trung bình thực nghiệm của cọc rỗng OP và cọc rỗng GP ................. 49
Bảng 4.3: Tải trọng gây nứt, mô men uốn nứt, mô men lý thuyết của cọc rỗng OP và cọc
rỗng GP .................................................................................................................................. 49
Bảng 4.4: Tải trọng và mô men của cọc rỗng OP và cọc rỗng GP ..................................... 52
Bảng 4.5: Quan hệ giữa mô men uốn nứt - gãy thực nghiệm .................................................. 55
Bảng 4.6: ộ võng khi uốn nứt ................................................................................................ 56

ix


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 SỰ CẦN THIẾT NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI:
Ngày nay, ngành cơng nghiệp nói chung và ngành sản xuất xi măng nói riêng, là
một trong những ngành này phát triển phục vụ đắc lực cho cọc bê tơng cốt thép dự ứng
lực dùng cho cơng trình xây dựng hiện nay, nhất là những cơng trình thấp tầng, cũng
nhƣ cao tầng. Ƣớc tính hàng năm có khoảng 30 tỷ tấn bê tơng đƣợc sản xuất trên tồn
thế giới, và sản lƣợng bê tơng có xu hƣớng tăng lên dần theo thời gian.

ác nƣớc ở

hâu Âu tiêu thụ lƣợng xi măng lớn, trong đó Việt Nam tiêu thụ khoảng 70 triệu
tấn/năm [1]. Theo tính tốn, để sản xuất ra một lƣợng xi măng thì nhà máy thảy ra mơi

trƣờng sắp xỉ một tấn

O2 , khí này gây ra hiệu ứng nhà kính, là một trong những

nguyên nhân làm cho trái đất nóng lên. Khí thảy ra cơng nghiệp sản xuất xi măng
chiếm khoảng 8% lƣợng O2 trên toàn thế giới.
Hiện nay, ở Việt Nam việc đầu tƣ nâng cấp xây mới các dự án xây dựng đang
diễn ra mạnh mẽ là vấn đề ƣu tiên cấp thiết nhằm đáp ứng nhu cầu xã hội và làm cơ sở
để phát triển nền kinh tế. ê tông xi măng truyền thống luôn là loại vật liệu chủ yếu để
thi công kết cấu chính do những ƣu điểm hơn về tuổi thọ, khả năng chịu lực cao và rất
ổn định với nƣớc. Tuy nhiên, chi phí đầu tƣ khá cao, những hệ quả trong quá trình sản
xuất và sử dụng bê tơng xi măng nhƣ phân tích ở trên cần đƣợc quan tâm.
Sản xuất xi măng: thải

O2 do nung clinker, khai thác đá vôi gây cạn kiệt tài

nguyên và mất cân bằng sinh thái tạo ra lũ núi, sạt lỡ chân núi. Vấn đề sạt lỡ núi gây
mất mỹ quan môi trƣờng sinh thái, là nguyên nhân gây lũ quét.
á vôi là nguyên tài nguyên thiên nhiên có trữ lƣợng rất lớn ở khắp mọi miền đất
nƣớc, song song có tiềm năng kinh tế cịn có ý nghĩa về văn hóa cũng nhƣ quốc phòng,
lịch sử của ngƣời dân Việt Nam. Những kết quả nghiên cứu trƣớc đây cho thấy có tính
nổi bật đặc sắc và đa dạng của hệ động thực vật – sinh học tại những núi đá vôi.
Nhƣng các núi đá vơi hiện nay đã lâm vào tình trạng khai thác quá mức của các công
ty sản xuất xi măng. Vấn đề ô nhiểm môi trƣờng, nhất là ô nhiểm bụi đang làm ngƣời
dân ở xung quanh khu vực này rất bức xúc. Thêm vào đó các loại động vật sống xung

1


quanh khu vực các núi đá vơi đang trong tình trạng nguy cấp bởi sự khai thác đá vôi

gây suy giảm sinh học và tài nguyên địa phƣơng, nhất là các loại động vật quí hiếm.
- Nhiệt điện: thải ra lƣợng tro bay lớn chƣa có hƣớng xử lý nên gây ô nhiễm môi
trƣờng trầm trọng, gây ra nhiều chứng bệnh về đƣờng hơ hấp. Ơ nhiễm khơng khí về
nhiệt điện than và gây ảnh hƣởng rất lớn đến sức khỏe cộng đồng, ảnh hƣởng đến sinh
kế của những ngƣời dân xung quanh các nhà máy nhiệt điện, rủi ro đến hệ sinh thái
cũng nhƣ những ngƣời nuôi trồng thủy sản, việc làm của ngƣời dân địa phƣơng. ắc
Kinh năm 2008 đã bị ơ nhiễm khơng khí rất trầm trọng. Trong khi đó, tại Việt Nam ơ
nhiễm làm tăng nguy cơ tử vong, do đột quỵ, bệnh tim do thiếu máu cục bộ, bệnh phổi
tắc nghẽn mãn tinh, viêm đƣờng hô hấp dƣới và ung thƣ phổi. Theo nghiên cứu năm
2015 của

ại học Harvard, nếu tất cả các nhà máy nhiệt điện than trong quy hoạch

điện VII hoạt động có thể sẽ làm cho vấn đề ô nhiễm môi trƣờng ở đồng bằng sông
ửu Long trầm trọng hơn.
ể giải quyết phần nào vấn đề trên, học viên đã nghiên cứu các tài liệu liên quan
đến geopolymer và cho thấy chất này là sản phẩm của quá trình phản ứng giữa vật liệu
có nguồn gốc silic và nhơm với dung dịch kiềm, vật liệu này có thể thay thế xi măng
trong bê tông truyền thống. Hiện nay bê tông geopolymer đã và đang đƣợc nghiên cứu
rộng rãi và cho thấy khả năng là vật liệu xanh hơn thay thế bê tông xi măng trong một
số ứng dụng do bê tông geopolymer vừa có các tính chất kỹ thuật tốt, đồng thời giảm
khả năng gây hiệu ứng nhà kính khi thay thế xi măng pooclăng.
Trƣớc tiên giảm thiểu trong quá trình sản xuất xi măng và tận dụng triệt để các
phế thải từ các nhà máy, các khu công nghiệp đốt than, những nhà nghiên cứu đã tìm
ra đƣợc một loại chất kết dính khác có thể thay thế xi măng Portland thơng dụng đó là
tro bay. o vậy cơng nghệ Geopolymer nhƣ là một giải pháp tiềm năng có thể thay thế
bê tơng xi măng truyền thống.
Vì vậy việc nghiên cứu một loại bê tơng có thể thay thế đƣợc bê tông xi măng
truyền thống là một điều rất cần thiết và đây là vấn đề cốt lõi nhằm nghiên cứu cọc bê
tông rỗng thông thƣờng bằng cọc rỗng sử dụng bê tông Geopolymer.

2


1.1.1. Bê tơng xi măng và vấn đề mơi trƣờng:

Hình 1.1: Ơ nhiểm mơi trƣờng

Hình 1.3:Bãi chứa tro xỉ của nhà máy
nhiệt điện Hải Phịng [1]

Hình 1.2 : Khí thảy từ các nhà máy nhiệt
điện Eggborough ở hạt North Yorshire,Anh

Hình 1.4: Khí thải từ các nhà máy
nhiệt điện than gây ô nhiễm môi trƣờng
không khí trầm trọng [1]

1.1.2. Bê tông Geopolymer – vật liệu thân thiện môi trƣờng
ê tông Geopolymer là loại bê tơng khơng sử dụng chất kết dính xi măng pooc
lăng thông thƣờng mà là bê tông sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa (chất kết dính
3


geopolymer), nó là sản phẩm của phản ứng giữa dung dịch kiềm và các loại vật liệu có
chứa hàm lƣợng lớn hợp chất silic và nhơm.
Về tính bền, bê tơng Geopolymer đƣợc cho là chịu nhiệt tốt cả trong điều kiện
mơi trƣờng thƣờng và khắc nghiệt, có khả năng chịu ăn mịn hóa học cực tốt và tốt
nhất là khả năng chịu axit.
Khả năng gắn kết với cốt thép của bê tông geopolymer đã đƣợc nghiên cứu và so

sánh là tƣơng đƣơng hoặc cao hơn bê tông xi măng sunphat. Tuy nhiên nhìn chung
geopolymer chế tạo từ Mê ta cao lanh cần nhiều nƣớc (làm tăng lỗ rỗng) và quá mềm
cho nhiều ứng dụng xây dựng thực tế.
Việc sử dụng bê tơng geopolymer trên cơ cở chất kết dính tro bay kiềm hoạt hóa
có khả năng góp phần giảm hiện tƣợng nóng dần của trái đất. ê tơng geopolymer có
khả năng gây hiệu ứng nhà kính giảm 26-45% so với bê tông xi măng thông thƣờng
[2].
Về mặt kinh tế, giá thành của 1 tấn tro bay/xỉ chỉ bằng một phần nhỏ so với giá
của 1 tấn xi măng. Vì vậy sau khi tính cả giá của dung dịch kiềm kích hoạt thì giá của
bê tơng geopolymer tro bay sẽ thấp hơn khoảng 10-30% so với giá của bê tông xi
măng [2].

Hình 1.5: Tấm bê tơng geopolymer lát vĩa hè
1.1.3 Cấu kiện sử dụng GPC
Theo Davidovits [3] đã thống kê các dạng ứng dụng chất kết dính geopolymer nói
chung có thể nhƣ sau: Tấm kết cấu gỗ chống cháy, tấm tƣờng và panel cách điện, tấm
4


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,
dầm bê tơng geopolymer, các thanh tà vẹt đúc sẳn, các ống cống.
1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI:
1.2.1 Nghiên cứu trên thế giới:
Vật liệu bê tông geopolymer (Geopolymer concrete – GP ) và các dạng cấu kiện
ứng dụng GP đã đƣợc nghiên cứu từ khá lâu trên thế giới, môt số nghiên cứu nổi bật
điển hình và liên quan trực tiếp đến đề tài nghiên cứu có thể kể đến nhƣ:
- Nhà hóa học ngƣời Pháp Joseph

avidovits và Jame [4]:

ã 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 vơ cơ mới có khả năng đóng rắn nhanh và
cho cƣờng độ ban đầu rất tốt với tên gọi là xi măng polymer.

ông nghệ này nhanh

chống phát triển trên tồn thế giới và đang có ƣu thế hơn xi măng protland do có ƣu
điểm về nguyên liệu sản xuất và phƣơng pháp sản xuất thân thiện với môi trƣờng.
- Palomo, Grutzeck và Blanco (1999)[5]: Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ
dƣỡng hộ, thời gian dƣỡng hộ và tỉ lệ dung dịch alkeline /tro bay đến cƣờng độ của bê
tơng Geopolymer và nhóm đã nhận xét rằng thời gian và nhiệt độ dƣỡng hộ đều ảnh
hƣởng đến cƣờng độ bê tông.
- Van Janrsvel, van Deventer và Lukey (2002)[6]: Nghiên cứu về những đặc tính
của Geopolymer ảnh hƣởng bởi sự hịa tan khơng hồn tồn của vật liệu phức tạp
trong q trình Geopolymer hóa cho rằng hàm lƣợng nƣớc, thời gian và nhiệt độ
dƣỡng hộ ảnh hƣởng đến đặc tính của Geopolymer, đặc biệt là điều kiện dƣỡng hộ và
nhiệt độ gia nhiệt ảnh hƣởng đến cƣờng độ Geopolymer. Thời gian dƣỡng hộ càng dài,
cƣờng độ của Geopolymer càng tăng.
- Suresh.G.Patil [7]: Nghiên cứu về các yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ bê tơng
Geopolymer. Ơng 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 cƣờng độ cao nhất và thấp nhất.
Trong nghiên cứu về cƣờng độ chịu nén và vùng tiếp xúc bề mặt ITZ của bê tông
Geopolymer [8], Muhd Fadhil Nuruddin đã khẳng định rằng sự phát triển cƣờng độ

5

chịu nén của bê tông Geopolymer phụ thuộc vào điều kiện dƣỡng hộ. iều kiện dƣỡng
hộ thích hợp đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên cấu trúc của Geopolymer.
- Mustafa Al Bakri [9]: Nghiên cứu về cƣờng độ chịu nén và đặc tính cấu trúc
của Geopolymer sử dụng tro bay, cƣờng 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 q
trình Geopolymer hóa, nhiệt độ dƣỡng hộ khơng nên q cao, sẽ khơng góp phần tạo
cƣờng độ cao cho bê tông Geopolymer.
- Theo Zejak [10], cho rằng cƣờng độ chịu nén của hồ Geopolymer tăng khi có
thêm hàm lƣợng cát. Ơng đã chỉ ra Module đàn hồi của vữa Geopolymer có tƣơng
quan với cƣờng độ chịu nén, module đàn hồi và cƣờng độ chịu nén của vữa
Geopolymer tăng khi tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxide tăng. Hàm lƣợng cát cho
thêm vào hồ Geopolymer làm tăng cƣờng 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 cƣờng độ của vữa
Geopolymer tăng.
- Theo D.Hardjito và B.V.Rangan (2005) [11], 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 hƣởng đến cƣờng độ của bê tơng Geopolymer nhƣ: Nồng
độ Mole của dung dịch NaOH, tỉ lệ thủy tinh lỏng/dung dịch NaOH, nhiệt độ dƣỡng
hộ, thời gian dƣỡng hộ.
- Sumajouw và Rangan (2006) [12]: đã nghiên cứu về bê tông sử dụng tro bay và
nhận xét, tro bay có hàm lƣợng calcium thấp trong bê tơng Geopolymer có thể sử dụng
cho kết cấu dầm và cột.
- Mỹ, ứng dụng chủ yếu của chất kết dính geopolymer là sản xuất xi măng
geopolymer đóng rắn nhanh (Pyrament lended ement- P

). P

đã đƣợc nghiên

cứu sản xuất và ứng dụng trong các sân bay quân sự từ những năm 1985. Sau đó P

đƣợc dùng nhiều trong sửa chữa đƣờng băng bê tông, sàn nhà công nghiệp, đƣờng cao
tốc. Loại xi măng này có thể đạt cƣờng độ 20 Mpa sau 4-6 giờ đóng rắn. Một loại xi
măng geopolymer khác cũng đƣợc nghiên cứu sử dụng là xi măng geopolymer bền
axit. Năm 1997, cơng ty Zeo tech corp đã thƣơng mại hóa thành sản phẩm bê tông
geopolymer bền axit. Sản phẩm này đã đƣợc dùng nhiều trong các nhà máy hóa chất
và thực phẩm [13].
6


Ở Úc, bê tông geopolymer đã và đang ứng dụng trong thực tiễn nhƣ: các thanh tà
vẹt đúc sẵn, đƣờng ống cống và các loại cấu kiện bê tông đúc sẵn khác trong xây dựng.
Với đặc tính tốt nhất của các kết cấu đúc sẵn là cho cƣờng độ tuổi sớm cao sau khi
đƣợc bảo dƣỡng hơi nƣớc hoặc dƣỡng hộ nhiệt. Trong báo cáo về quá trình sản xuất
các thanh tà vẹt bê tông geopolymer trên cơ sở geopolymer tro bay, Palomo et al. cho
rằng các kết cấu bê tơng geopolymer có thể dễ dàng đƣợc sản xuất bằng những 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 tơng geopolymer cốt thép đúc
sẵn có đƣờng kính từ 375-1800mm; các cống hộp bê tơng geopolymer cốt thép có kích
thƣớc 1200x600x1200 mm. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khả năng chịu môi trƣờng
nƣớc thải xâm thực rất tốt và tƣơng đƣơng sản phẩm bê tông xi măng [14].
Bê tông geopolymer có hoạt tính kiềm cũng đã đƣợc thƣơng mại hóa ở Úc với
nhãn hiệu kinh doanh E-Crete(TM). E- rete đƣợc 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. ác
sản phẩm đúc sẵn của E-crete chủ yếu nhƣ: các panel đúc sẵn, hình 3, 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; ... [15].
ê tông Geopolymer là loại bê tông không sử dụng chất kết dính xi măng pooc
lăng thơng thƣờng mà là sản phẩm của phản ứng giữa dung dịch kiềm và các loại vật
liệu có chứa hàm lƣợng lớn hợp chất silic và nhơm. hất kết dính này cũng có thể gọi
là chất kết dính kiềm hoạt hóa.

ảng 1.1 nêu lên một số mốc thời gian quan trọng

trong lĩnh vực phát triển chất kết dính kiềm hoạt hóa.
hất kết dính kiềm hoạt hóa chủ yếu do Purdon nghiên cứu vào những năm
1940. Tác giả đã sử dụng xỉ lò cao đƣợc kích hoạt bằng dung dịch hydroxit natri. Theo
ơng q trình phát triển cấu trúc gồm 2 bƣớc: trƣớc tiên xảy ra q trình giải phóng
các hợp chất nhơm- silic và hydroxit canxi. Sau đó xảy ra sự hydrat hóa nhôm và silic
đồng thời tái tạo dung dịch kiềm. Tuy nhiên, ngƣời ta nói rằng Gluskhovsky [16] là
ngƣời đầu tiên đã khảo sát loại chất kết dính đƣợc sử dụng trong xây dựng cơng trình ở
thời kỳ La mã và Ai cập cổ đại. Ơng cho rằng các cơng trình này đƣợc tạo nên bởi hợp
chất hydro canxi aluminat giống nhƣ một loại xi măng poóc lăng và cũng có pha thủy
tinh analcite, một loại đá tự nhiên. iều này có thể giải thích tính bền vững của những
7


loại chất kết dính này. Trên cơ sở khảo sát này Gluskhovsky đã phát triển một loại chất
kết dính mới và gọi là xi măng đất (Soil-cement). Từ đất do chúng giống một loại đất
đá còn từ xi măng do nó có khả năng gắn kết. Xi măng đất có thành phần từ hỗn hợp
đất chứa muối Aluminosilicat và phế thải công nghiệp giàu kiềm.
Phần lớn các nghiên cứu khảo sát về chất kết dính kiềm hoạt hóa đều có nguồn
gốc từ sự hoạt hóa xỉ lị cao nên gọi là Xi măng xỉ kiềm „„Alkali-slag cement‟‟ hay Xi
măng xỉ kiềm hoạt hóa „„Alkali-activated slag. Xỉ lị cao là sản phẩm của công nghiệp
sản xuất thép, là loại vật liệu kết dính chất lƣợng thấp, khi sử dụng chất kiềm kích hoạt
có thể đạt cƣờng độ nén cao. Shi và Day [17] cho rằng khi sử dụng chất kiềm kích hoạt
là Na2O.nSiO3 thì cƣờng độ nén có thể đạt 160 Mpa sau 90 ngày bảo dƣỡng ở nhiệt độ
phòng.
Hiện tại có rất nhiều sáng chế đáng kể, nghiên cứu và ứng dụng geopolymer vào
các ngành công nghệ vật liệu hiện đại ( tấm kết cấu gỗ chống cháy, tấm sƣờn và panel
cách điện, sản xuất đá nhân tạo trng trí, tấm panel bọt cách nhiệt, ứng dạng làm khuôn

đúc nhôm, bê tơng và chất kết dính geopolymer, vật liệu cản cửa và gia cố sửa chữa,
vật liệu chống cháy công nghệ cao dùng trong máy bay hoặc ô tô, vật liệu chựa công
nghệ cao…) đƣợc giới thiệu và ứng dụng trên toàn thế giới.
Bảng 1.1: Mốc thời gian và sự phát triển của chất kết dính hoạt hóa kiềm[15]
Tác giả
Feret
Purdon
Glukhovsky
Glukhovsky
Davidovits
Forss
Langton and
Roy
Langton and
Sawyer
Majundar et
al.
Talling and
Brandstetr
Wu et al.

Năm
Sự kiện nổi bật
1939 Dạng sử dụng xỉ cho xi măng
1940 Sự kết hợp xỉ và kiềm
1959 Lý thuyết cơ bản và sự phát triển của chất kết dính kiềm
(alkaline cements)
1965 Lần đầu tiên gọi Xi măng kiềm „„alkaline cements‟‟
1979 Khái niệm „Geopolymer‟‟
1983 Xi măng F (F-cement) (Phụ gia siêu dẻo xỉ kiềm- slag-alkalisuperplasticizer)

ặc tính vật liệu xây dựng cổ đại
1984 Bằng sáng chế về xi măng “Pyrament”
1989 C12A7– Xỉ hoạt hóa
1989 Xỉ kiềm hoạt hóa (Alkali-activated slag)
1990 Chất hoạt hóa của xi măng xỉ
8


Roy et al.
Roy and
Malek
Krivenko
Wang and
Scrivener
Shi
FernándezJiménez and
Puertas
Katz

1991 Xi măng rắn nhanh kiềm hoạt hóa (Rapid setting alkaliactivated cements)
1993 Xi măng xỉ
1994 Xi măng kiềm tính (Alkaline cements)
1995 Vi cấu trúc của Xỉ kiềm hoạt hóa
ƣờng độ, cấu trúc lỗ rỗng và tính thấm nƣớc của Xỉ kiềm
hoạt hóa
1997 Nghiên cứu động học của chất kết dính xỉ kiềm hoạt hóa
1996

1998 Vi cấu trúc của Tro bay kiềm hoạt hóa (Alkali-activated fly
ash)

Palomo

1999 Tro bay kiềm hoạt hóa- Chất kết dính cho tƣơng lai

Gong and
Yan
Puertas

2000 Chất kết dính bùn đỏ-Xỉ kiềm hoạt hóa (Alkali-activated red
mud–slag cement)
2000 Chất kết dính Tro bay/Xỉ kiềm hoạt hóa (Alkali-activated fly
ash/slag cement)
2001 Bê tơng xỉ kiềm hoạt hóa (Alkali-activated slag concrete)
2004 Sự hình thành khống Zeolite
2006 Cơng nghệ Sialite
2007 Cơng nghệ Geopolymer
2009 Geopolymers: Cấu trúc, q trình sản xuất, tính chất và ứng
dụng cơng nghiệp
2011 Geopolymer Chemistry&Applications

Bakharev
Grutzeck
Sun
Duxson
Provis and
Deventer
Dacidovits,
P.D.J
Zejak, R., I.

2012 Mechanical and microstruture properties of the fly ash based
Nikolic, and
Geopolymer paste and mortar. Materials and technology
D. Blecic
Suresh.G.Patil 2013 Factors influencing compressive strength of Geopolymer
and
concrete
Manojkumar
B.H.Shinde,
2016 Strength Properties of Fly Ash Based Geopolymer Concrete
Dr.K.
with Sea Sand
N.Kadam

ó nhiều nghiên cứu về chất kiềm hoạt hóa sau kết quả nghiên cứu của tác giả
ngƣời Pháp Davidovits [18]. Ông đã nghiên cứu phát triển và đƣợc nhận bằng sáng
chế về chất kết dính Mêta cao lanh sử dụng kiềm kích hoạt, sau này gọi là Geopolymer
vào năm 1978. Theo

avidovits, geopolymer là loại polymer vì có sự chuyển biến thù

hình, polyme hóa và đóng rắn ở nhiệt độ thấp. Nhƣng chúng cũng là hợp chất vô cơ,
9


cứng và ổn định ở nhiệt độ cao đồng thời khơng bị cháy.

ó chín loại geopolymer

khác nhau, nhƣng loại có khả năng ứng dụng nhiều nhất trong xây dựng là loại vật liệu

alumo silicat. Những loại geopolymer này dựa vào q trình nhiệt hoạt hóa các vật liệu
tự nhiên (nhƣ Mê ta caolanh) hoặc sản phẩm của công nghiệp (nhƣ tro bay, xỉ) nhằm
cung cấp nguồn vật liệu silic (Si) và nhơm (Al) sẽ đƣợc hịa tan với dung dịch kiềm
kích hoạt rồi sau đó thực hiện q trình trùng hợp tạo thành chuỗi phân tử tạo đá chất
kết dính [19].
1.2.2 Nghiên cứu trong nƣớc
Ở Việt Nam, đã có một số nghiên cứu về bê tông geopolyme nhƣ:
- Phan ức Hùng, Lê Anh Tuấn (2015) [20]: Ảnh hƣởng của thành phần hoạt hóa
đến cƣờng độ chịu uốn và kéo gián tiếp của bê tơng geopolymer,Tạp chí khoa học
cơng nghệ xây dựng số 03/2015.
ài báo nghiên cứu quá trình phản ứng của tro bay với thành phần sodium
silicate, sodium hydroxide đến cƣờng độ chịu uốn và chịu kéo gián tiếp của bê tông
geopolymer. Khi sử dụng tỷ lệ sodium silicate – sodium hydroxide là 2.5 thì cƣờng độ
uốn, kéo gián tiếp của bê tông đạt 4.85 và 3.37 MPa với tỷ lệ (sodium silicate +
sodium hydroxide) – tro bay là 0.6 sau 4 giờ dƣỡng hộ. Tăng thời gian dƣỡng hộ lên
10 giờ thì liên kết SiO-Si càng tốt hơn làm tăng giá trị chịu uốn và kéo gián tiếp lên
khoảng 20-40%. Khi giảm tỷ lệ (sodium silicate + sodium hydroxide) – tro bay hoặc
giảm tỷ lệ sodium silicate trong thành phần dung dịch hoạt hóa thì cƣờng độ chịu uốn
và kéo gián tiếp của bê tông geopolymer cũng giảm theo.
- Phan ức Hùng và Lê Anh Tuấn [21]: Nghiên cứu tính chất cơ học của bê tơng
geopolymer sử dụng tro bay gia cƣờng sợi Poly-propylene.
ài báo nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của sợi poly-propylene có tỷ lệ chiều
dài trên đƣờng kính sợi thay đổi với các giá trị 100, 200, 300, 400 và 500 và hàm
lƣợng sử dụng là 0.5, 1.0 và 1.5% thể tích đến bê tơng geopolymer nền sử dụng tro
bay. ác đặc tính cơ học của bê tông geopolymer thay đổi nhƣ sau: Hỗn hợp bê tơng
geopolymer sử dụng sợi poly-propylene có độ linh động giảm nhiều so với cấp phối
khơng sợi.

ê tơng geopolymer nền có khả năng đƣợc gia cƣờng về cƣờng độ nén,

cƣờng độ kéo và mô đun đàn hồi khi sử dụng thêm sợi poly-propylene với hàm lƣợng
10


sợi khoảng 0.5%. Tỷ lệ chiều dài trên đƣờng kính sợi poly-propylene cũng ảnh hƣởng
đến các tính chất cơ học của bê tơng geopolymer. Tỷ lệ l/d có giá trị tốt nhất trong
khoảng từ 200 đến 300. Khi sử dụng sợi poly-propylene thì mơ đun đàn hồi đạt giá trị
trong khoảng từ 21.32 đến 26.1GPa và hệ số Poisson đạt khoảng từ 0.12 đến 0.152.
ần chú ý về hàm lƣợng và tỷ lệ l/d của sợi khi sử dụng cho bê tơng geopolymer vì có
khả năng làm suy giảm mơ đun đàn hồi và hệ số Poisson.
- Lê Anh Tuấn, Nguyễn Tấn Khoa, Phan

ức Hùng [22]: Nghiên cứu phân tích

ứng xử của dầm bê tông Geopolymer bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Sau khi
nghiên và thí nghiệm rút ra các kết luận nhƣ sau: Sự sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu
hạn mơ phỏng q trình làm việc của dầm bê tông geopolymer cốt thép cho kết quả
gần tƣơng đồng với thực nghiệm. Mối quan hệ giữa các tính chất cơ học của bê tông
geopolymer khi sử dụng mô phỏng số là tƣơng đối phù hợp với mơ hình bám dính,
điều kiện dính bám này cũng tƣơng tự khi sử dụng cho bê tông xi măng.

ác ứng xử

cơ học của bê tơng geopolymer cũng có tính chất tƣơng đồng nhƣ bê tông xi măng.
- Tống Tôn Kiên (2014) [2]: Bê tơng Geopolymer – những thành tựu, tính chất
và ứng dụng. Ơng cho rằng Ngành cơng nghiệp Việt Nam và bê tông đã sử dụng lƣợng
lớn nguồn tài nguyên và năng lƣợng. Vì vậy, phải có trách nhiệm giảm thiểu các tác
đọng môi trƣờng bằng những hành động cụ thể. Một thế kỹ mới của công nghệ bê tông
đã bắt đầu với bê tơng geopolymer với lƣợng phát thải khí

O2 thấp hơn bê tông

thƣờng, mang lại nhiều ƣu điểm trong việc tăng độ bền và khả năng chống ăn mòn, có
cƣờng độ cao cho kết cấu. Thực tế cho thấy, việc sử dụng bê tông geopolymer để sản
xuất cấu kiện bê tông đúc sẳn là rất phù hợp, cần đƣợc đầu tƣ nghiên cứu và mở rộng
các ứng dụng. ần tiếp tục nghiên cứu đặc tính của bê tơng geopolymer để có thƣơng
mại hóa các sản phẩm ở qui mơ lớn và phát triển trên thị trƣờng.
- Phan

ức Hùng, Lê Anh Tuấn (2017) [23]: Khả năng dính bám của cốt thép

trong bê tơng geopolymer:
Bài báo trình bày so sánh kết quả thực nghiệm mối quan hệ giữa lực kéo và biến
dạng trƣợt của cốt thép trong bê tông nền geopolymer có những nhận xét sau: Mối
quan hệ giữa lực kéo và biến dạng trƣợt của cốt thép và bê tông geopolymer nền là
khơng tuyến tính. Mối quan hệ này có qui luật tƣơng đồng với bê tông xi măng và cốt
thép.

ối với bê tơng geopolymer có cấp độ bền là
11

25 thì lực kéo cực đại của cốt


thép trơn đƣờng kính 10mm đạt 27kN ứng với biến dạng trƣợt khoảng 22mm.

ƣờng

kính cốt thép càng tăng thì lực kéo càng tăng và biến dạng trƣợt có khuynh hƣớng
giảm. Khi sử dụng cốt thép gân thì khả năng bám dính của cốt thép trong bê tơng

geopolymer
- Phan

ức Hùng,

ƣơng Văn

ũng và Lê Anh Tuấn [24]: Ảnh hƣởng của sợi

Poly-propylene đến ứng xử chịu uốn của dầm bê tông geopolymer cốt thép sử dụng tro
bay.

ài báo nghiên cứu thực nghiệm về khả năng chịu tải của dầm bê tông

geopolymer sử dụng tro bay, đƣợc gia cƣờng thêm sợi poly-propolyene hàm lƣợng
0,5% và 1% và so sánh với cấu kiện dầm geopolymer có cùng cấp phối và khơng gia
cƣờng sợi. Một số kết luật mà các tiến sĩ rút ra nhƣ sau: ấu kiện đƣợc gia cƣờng lực
có khả năng chịu tải trọng lớn hơn lên đến 25% so với cấu kiện cùng cấp phối. Khi sử
dụng cấp phối bê tông geopolymer gia cƣờng cốt sợi cho cấu kiện dầm, cấp phối sử
dụng hàm lƣợng sợi 0,5% cho kết quả khả năng chịu tải tốt hơn. Ứng xử chịu uốn của
cấu kiện sử dụng bê tông geopolymer gia cƣờng cốt sợi poly-propolyene cững tƣơng
tự nhƣ cấu kiện sử dụng bê tông geopolymer hoặc bê tơng truyền thống. Tính bắt cầu
của sợi trong bê tông giúp hạn chế đƣợc sự mở rộng vết nứt, giảm chuyển vị và biến
dạng, tăng khả năng chịu tải của dầm.
- Phan

ức Hùng và Lê Anh Tuấn [25]: Ảnh hƣởng của nhiệt độ cao đến cƣờng

độ của vữa geopolymer. Vữa geopolymer sử dụng tro trấu với hàm lƣợng 20% và
silicafume với hàm lƣợng 20-60% thay thế một phần tro bay có thể làm tăng cƣờng độ

sau q trình hoạt hóa. Khi gia nhiệt vữa đến 200º

thì cấp phối sử dụng 20-40%

silicafume và 20-60% tro bay cho cƣờng độ đƣợc phát triển, có khả năng đạt đến 35
MPa. Khi vữa chịu nhiệt đến 600⁰ thì cƣờng độ của vữa giảm rõ rệt do tác động của
nhiệt độ cao. Tất cả các cấp phối dùng silicafume đều không giữa đƣợc cƣờng độ, khối
lƣợng vữa giảm và độ hút nƣớc tăng lên. Thời gian lƣu nhiệt ở 600⁰ đến 2 giờ thì các
tính chất của vữa nhƣ cƣờng độ, độ hút nƣớc, độ giảm khối lƣợng tăng giảm khác nhau
nhƣng độ chênh lệch là không lớn cho thấy khả năng bền nhiệt của vữa geopolymer
theo thời gian. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng sử dụng khoáng aluminosilicate nhƣ tro bay hay thay thế bằng 20% tro trấu có thể chế tạo vữa geopolymer khi
chịu nhiệt độ cao trong thời gian kéo dài.

12


- Nguyễn Hồng

ức, Phan ức Hùng [26]: ài báo sử dụng phƣơng pháp khơng

phá hoại mẫu kết hợp giữa sóng siêu âm và búa bật nảy để nghiên cứu sự phát triển
cƣờng độ của bê tơng geopolymer. Kết quả thí nghiệm cho thấy khi bê tông
geopolymer đƣợc dƣỡng hộ trong môi trƣờng nhiệt độ cao hơn và thời gian dƣỡng hộ
dài hơn thì vân tốc truyền sóng tăng lên do cƣờng độ tăng lên.

ên cạnh đó, sự gia

tăng nồng độ dung dịch NaOH (từ 10-16M) dẫn đến vận tốc truyền sóng cũng tăng
khoảng 15% khi bê tơng geopolymer đƣợc dƣỡng hộ trong cùng một điều kiện. Ngồi
ra, mơ hình hồi quy tuyến tính đƣợc sử dụng để phân tích số liệu kết quả thí nghiệm

nhằm thiết lập mối tƣơng quan giữa vân tốc truyền sóng, giá trị búa bật nảy và cƣờng
độ, giúp dự đoán cƣờng độ chịu nén cho loại bê tông này.
- Phan ức Hùng và Lê Anh Tuấn [27]: Ảnh hƣởng của mơi trƣờng hoạt hóa và
điều kiện dƣỡng hộ đến bê tông geopolymer cƣờng độ cao. Nghiên cứu ảnh hƣởng của
các điều kiện dƣỡng hộ và mơi trƣờng hoạt hóa chứa sodium silicate và sodium
hydroxide giúp cho bê tông geopolymer đạt đƣợc khả năng cƣờng độ cao nhƣ bê tông
xi măng. Khi sử dụng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa-tro bay từ 0.4 đến 0.6 thì bê tơng
geopolymer có khả năng đạt cƣờng độ từ 22- 28 MPa khi dƣỡng hộ ở 60⁰ trong 4 giờ
liên tục. Khi tăng nhiệt độ dƣỡng hộ nhiệt từ 60⁰C đến 120⁰ thì bê tơng có khả năng
tăng đến 50-60% cƣờng độ so với ban đầu. ằng cách kéo dài thời gian dƣỡng hộ từ 4
giờ lên đến 10 giờ thì bê tơng geopolymer có khả năng tăng cƣờng độ thêm 70-100%.
Ảnh hƣởng của mơi trƣờng hoạt hóa chứa sodium silicate và sodium hydroxide chỉ có
thể thay đổi cƣờng độ bê tông ở nhiệt độ thấp và thời gian ngắn.

o đó, để chế tạo bê

tơng geopolymer cƣờng độ cao cần quan tâm đến nhiệt độ cao và thời gian dƣỡng hộ
kéo dài.
Hiện nay trong nƣớc, cũng nhƣ trên thế giới đối với bê tông xi măng cũng đã sản
xuất đƣợc nhiều cọc khác nhau, đƣợc sử dụng rộng rãi trong các cơng trình xây dựng
nhà thấp tầng và nhà cao tầng
■ Cọc bê tông cốt thép thƣờng:
- Là loại cọc đƣợc sản xuất tại xƣởng hoặc công trƣờng bằng bê tơng cốt thép
đúc sẵn và dùng thiết bị đóng, hoặc ép xuống đất. Loại cọc phổ biến thƣờng có tiết
diện vuông, chiều dài tiết diện cọc phụ thuộc vào thiết kế, nếu chiều dài cọc quá lớn,

13


có thể chia cọc thành những đoạn ngắn để thuận tiện cho việc chế tạo và phù hợp với

thiết bị chuyên chở và thiết bị hạ cọc.
- ạnh cọc thƣờng gặp ở Việt Nam hiện nay là 0,2 – 0,4m, chiều dài cọc thƣờng
nhỏ hơn 12m vì chiều dài tối đa của một cây thép là 11,7m. ê tông dùng cho cọc mác
từ 250 – 350 (tƣơng đƣơng cấp độ bền ( 20 – B25).
- ọc bê tông cốt thép thƣờng sử dụng thích hợp và tốt trong mơi trƣờng khu dân
cƣ mới, tại những nền địa chất mới san lấp, đất nền có chƣớng ngại vật. Trong trƣờng
hợp này, cọc bê tơng cốt thép thƣờng có khả năng xun qua các lớp địa chất phức tạp
và chƣớng ngại vật mà vẫn đảm bảo cọc không bị nứt gãy, kỹ thuật viên hồn tồn có
thể kiểm sốt đƣợc chất lƣợng cọc đã ép.

Hình 1.6: ọc bê tơng xi măng cốt thép
■ Cọc bê tông ly tâm dự ứng lực:
- Là loại cọc đƣợc sản xuất trên dây chuyền, bảo dƣỡng trên dây chuyền và thực
hiện hoàn toàn trong nhà máy. ọc bê tơng ly tâm dự ứng lực có hai loại hình dạng:
cọc trịn và cọc vng, mác bê tơng ly tâm từ 500 trở lên.
- ọc bê tông ly tâm dự ứng lực đƣợc sản xuất bằng phƣơng pháp quay ly tâm có
cấp độ bền chịu nén của bê tông từ 40 đến 60. hiều dài và bề dày thành cọc tùy
thuộc vào đƣờng kính ngồi của cọc.

14


- ọc đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp nền địa chất khơng có chƣớng ngại vật nhƣ
đất ruộng hoặc đất mới san lấp. Việc thi cơng cọc có thể dùng nhiều phƣơng pháp nhƣ
cọc hạ bằng búa, máy ép, phƣơng pháp xoắn hoặc phƣơng pháp xói nƣớc.
- ọc ly tâm dự ứng lực có thể cắm sâu hơn rất nhiều so với cọc bên tông cốt
thép thƣờng nên tận dụng đƣợc khả năng chịu tải của đất nền do đó số lƣợng cọc trong
một đài ít, việc bố trí và thi cơng cũng dễ dàng, tiết kiệm chi phí xây dựng đài móng.
-

o sử dụng bê tơng và thép cƣờng độ cao nên giảm tiết diện cốt thép dẫn đến

giảm trọng lƣợng thuận tiện cho việc vận chuyển, thi công è kinh tế hơn.
- Một ƣu điểm khác của cọc bê tông ly tâm dự ứng lực là sức chịu tải ngang lớn
do bê tông trong cọc đƣợc ứng lực trƣớc nên tăng khả năng chịu kéo của bê tông vì thế
tăng khả năng chống thấm, chống ăn mịn.

Hình 1.7: ọc bê tông ly tâm (OP )
1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU :
Qua tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc cho thấy mẫu bê tơng
geopolymer có tính chất tƣơng đồng với bê tông 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 tơng 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 dƣỡng hộ nhiệt cấu kiện là dƣỡng hộ nhiệt ẩm

15


– có sự khác biệt đáng kể so với dƣỡng hộ nhiệt khơ thƣờng đƣợc tìm thấy trong các
nghiên cứu khác.
o đó mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ dƣỡng hộ nhiệt
ẩm đến ứng xử chịu uốn của cọc rỗng bê tông geopolymer ứng với 06 cấp nhiệt độ
dƣỡng hộ: 40ºC, 60ºC, 80ºC, 100ºC, 110ºC và 120ºC.

16


CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 VẬT LIỆU BÊ TÔNG GEOPOLYMER

2.1.1 Q trình geopolymer hóa:
Vật liệu geopolymer đƣợc hình thành do q trình hoạt hóa giữa vật liệu alumino
– silicate trong mơi trƣờng dung dịch chứa kiềm. Trong đó vật liệu alumino – silicate
chứa các thành phần hoạt tính silicon và aluminum có trong tro bay, meta cao lanh, xỉ
lị cao, tro trấu. Q trình phản ứng trong mơi trƣờng hoạt hóa sẽ tạo các chuỗi Si-O-Si
làm cho vật liệu có cƣờng độ và bền vững theo thời gian.
2.1.2 Cơ chế hóa học của cơng nghệ geopolymer tro bay
Theo cơng nghệ của avidovits, bất kỳ một nguyên vật liệu nào trong đó có chứa
dioxide silic và oxide nhơm đều có thể sử dụng để tạo ra vật liệu Geopolymer. ơ chế
đóng rắn của tro bay cũng tuân theo quy luật và các phản ứng công nghệ Geopolyer .
ông nghệ Geopolymer có tốc độ phản ứng kích hoạt cũng nhƣ các vi cấu trúc và
thành phần hóa học của các sản phẩn phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cụ thể là
sự phân bố kích thƣớc hạt và thành phần khống chất của tro bay ban đầu, dung dịch
kích hoạt và thời gian hằng nhiệt.
* ơ chế phản ứng của chất kết dính geopolymer:
Trên cơ sở rất nhiều nghiên cứu về chất kết dính kiềm kích hoạt (alkali-activated
cements), ngƣời ta chấp nhận có 2 khái niệm khác nhau là xỉ lị cao nghiền mịn kiềm
kích hoạt (alkali activated GG FS) và geopolymer. hất kiềm kích hoạt của GG FS
có kiểu (Si+ a) và Geopolymer có kiểu chất kết dính (Si+Al) với Mêta cao lanh và tro
bay là vật liệu chính [18].
ơ chế động học phản ứng giải thích q trình đơng kết và rắn chắc của chất kết
dính kiềm hoạt hóa vẫn cịn là một bí ẩn, mặc dù ngƣời ta cho rằng nó sẽ phụ thuộc
vào vật liệu ban đầu và chất kiềm kích hoạt.
Theo Glukhovsky [16], cơ chế q 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. Trƣớc 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 đƣợc chuyển sang hệ keo. Sau đó xảy ra sự tích
17

tụ các sản phẩm bị phá hủy với phản ứng nội tại giữa chúng tạo cấu trúc ổn định thấp,
tiếp theo ở giai đoạn thứ 3 là quá trình hình thành cấu trúc đơng đặc, hình 2.1.

Hình 2.1: Sơ dồ mơ phỏng sự hoạt góa vật liệu alumosolocat [30]
Palomo A, Mw Grutzek & Mt. Blanco (1999) Alkali – activated fly ashes. A
cement for the future. Cemet Conrete Research 25:1333-1346 [13]: Cũng có cùng
quan điểm này khi cho rằng, có hai kiểu hoạt tính kiềm có thể xảy ra, kiểu thứ nhất
xảy ra khi chất kích hoạt của xỉ lị cao (Si+ a) là dung dịch kiềm yếu, sản phẩm chủ
yếu sẽ là SH. Kiểu thứ 2 đối với chất hoạt hóa kiềm của mê ta cao lanh là dung dịch
kiềm từ trung bình đến mạnh. Sản phẩm cuối cùng có dạng mạch trùng hợp và có
cƣờng độ cơ học cao. Với trƣờng hợp đầu tƣơng tự nhƣ quá trình hình thành zeoloite.
Vì vậy, có thể kết luận rằng chất kích hoạt của mê ta cao lanh tạo nên nhiều mạch
không có hình dạng nhất định gần giống nhƣ zeolite. ịn với chất chất hoạt hóa kiềm
của tro bay xảy ra sự tỏa nhiệt trong q 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 ngƣng kết tạo cấu trúc
chuỗi một cách có trật tự tạo khả năng có cƣờng độ cơ học cao.
18


Davidovits [28] cho rằng dung dịch kiềm có thể đƣợc sử dụng để phản ứng với
silic và nhôm trong nguồn vật liệu khoáng hoặc trong vật liệu phế thải nhƣ tro bay, tro
trấu để chế tạo chất kết dính. ởi vì phản ứng hóa học xảy ra trong trƣờng hợp này là
q trình trùng hợp cho nên ơng gọi là Geopolymer [29]. Thơng số chính quyết định
đến tính chất và dạng sử dụng của một loại geopolymer là tỷ lệ Si/Al. Với vật liệu xây
dựng tỷ lệ Si/Al khoảng xấp xỉ 2.
* ác sản phẩm thủy hóa:
ác sản phẩm phản ứng tùy thuộc vào cả chất kích hoạt và vật liệu ban đầu. Với
vật liệu có chứa (Si+ a) thì sản phẩm chủ yếu là gel SH. òn với vật liệu có (Si+Al)
thì sản phẩm phản ứng là zeolite giống nhƣ polyme [18]. Sản phẩm thủy hóa của

GG FS hoạt hóa kiềm đƣợc khống chế bởi thành phần của xỉ, loại chất kích hoạt và
PH của mơi trƣờng [30].
Nhiều tác giả [30] nhận ra rằng sản phẩm của mê ta cao lanh với dung dịch
NaOH là gel N-A-S-H có tính chất cơ học tốt.

iều này đƣợc khẳng định qua kết quả

FTIR và 27Al, 29Si MAS-NMR, có cấu trúc mạng 3 chiều [Q4(Al)] gồm SiO4 và
AlO4 liên kết với nhau bằng cách chung nguyên tử O. ông thức chung của sản phẩm
phản ứng là 2SiO2.Al2O3.2H2O. Khi chất kích hoạt là hỗn hợp NaOH và nƣớc thủy
tinh, vật liệu đƣợc tạo ra có dạng vơ định hình và có tính kết dính, nhƣng cấu trúc và
thành phần của chúng khác so với sản phẩm đƣợc tạo khi sử dụng chất kích hoạt chỉ là
NaOH. ên cạnh đó, các gel N-A-S-H vơ định hình có thành phần hóa học giống nhƣ
vật liệu khống zeolite tự nhiên nhƣng khơng có cấu trúc tinh thể zeolite lớn.
Theo ký hiệu hóa học của geopolymer do

avidoits đề xuất [5] thì dùng tên

“polysialates”, mỗi sialate là một ký hiệu viết tắt của oxit kép aluminosilicat. Mạng
lƣới sialate bao gồm các anion tứ diện [SiO4]4- và [AlO4]5- chung nhau nguyên tử oxy
và chúng cần các ion dƣơng nhƣ (Na+, K+, Li+, a2+, NH4+, H3O+) để cân bằng điện
tích của Al3+ trong khối tứ diện. Polysialate có thể viết tắt theo cơng thức: Mn{SiO2)z-AlO3}n.wH2O, trong đó n là mức độ trùng hợp, z là 1, 2 hoặc 3 và M là ion
dƣơng kiềm nhƣ Kali, Natri. ác dạng kết hợp khác nhau của poly(sialate) đƣợc nêu
trong hình 2.2.

19