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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN THỊ THANH TRIẾT

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

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

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2016


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRẦN THỊ THANH TRIẾT

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

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



Trang iv


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

Trang v



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

Trang vii



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

3

Trang ix


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

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

Trang xi


Chương 1

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

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

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

Trang 3


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

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

Trang 5


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

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

Trang 8


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



1.4 Phương pháp nghiên cứu
-

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

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

Trang 10


Chương 2

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


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

(2-1)


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

Hòa tan các phân tử Si và Al trong nguyên liệu nhờ vào các ion hydroxide trong
dung dịch.
Định hướng lại các ion trong dung dịch tạo thành các monomer.
Đóng rắn các monomer thông qua các phản ứng trùng ngưng polymer để tạo thành
các cấu trúc polymer vô cơ.

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

Trang 13


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