BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRẦN VIỆT HƯNG

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, ĐẶC TÍNH CƠ LÝ
CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY VÀ
ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU CẦU HẦM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 11/2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRẦN VIỆT HƯNG

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, ĐẶC TÍNH CƠ LÝ
CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY VÀ
ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU CẦU HẦM

Ngành

: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Chuyên ngành

: Xây dựng cầu hầm


Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Giao Thông Vận tải,
lãnh đạo khoa Công Trình, Phòng Đào tạo Sau đại học, bộ môn Cầu Hầm, bộ môn Kết
Cấu, Trung tâm khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Phòng thí nghiệm Vật liệu xây
dựng đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu.
Tôi cũng xin trân trọng cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Công nghệ Giao
thông Vận tải, Trung tâm thí nghiệm Đường bộ cao tốc đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực
nghiệm và nghiên cứu.
Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình người thân đã giúp đỡ tôi
trong quá trình học tập, nghiên cứu.
Hà Nội, ngày 01 tháng 11 năm 2017
Tác giả

Trần Việt Hưng


iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................... II
MỤC LỤC .............................................................................................................................. III
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................................. VIII
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................. XII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU .................................................................XIV
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER VÀ BÊ TÔNG
GEOPOLYMER TRO BAY .................................................................................................... 5
1.1. Bê tông xi măng ................................................................................................................. 5
1.1.1. Sự phát triển của xi măng và bê tông ............................................................................ 5
1.1.2. Sự cần thiết của vật liệu thay thế xi măng .................................................................... 6
1.2. Nghiên cứu về chất kết dính geopolymer trên thế giới .................................................. 6

1.3.4.6. Sự phát triển của cường độ nén theo thời gian ..................................................... 26
1.3.4.7. Co ngót và từ biến ................................................................................................ 26
1.3.4.8. Bền Sunfat ............................................................................................................ 27
1.3.4.9. Bền axit ................................................................................................................ 28
1.3.4.10. Phản ứng kiềm cốt liệu (Alkali Silica Reaction - ASR) ..................................... 28
1.3.4.11. Tính ổn định nhiệt .............................................................................................. 29
1.3.5. Các lợi ích về kinh tế và môi trường khi sử dụng bê tông geopolymer ...................... 30
1.3.5.1. Lợi ích về kinh tế ................................................................................................. 30
1.3.5.2. Lợi ích về môi trường........................................................................................... 30
1.3.6. Sản phẩm thương mại bê tông geopolymer ................................................................ 32
1.3.7. Tiêu chuẩn tính toán thiết kế dành cho bê tông Geopolymer ..................................... 36
1.3.8. Cơ hội phát triển dành cho bê tông Geopolymer tro bay ............................................ 36
1.3.9. Những hạn chế của việc ứng dụng bê tông geopolymer tro bay................................. 37
1.4. Nghiên cứu bê tông Geopolymer tro bay ở Việt Nam .................................................. 38
1.5. Những yêu cầu nghiên cứu đặt ra cho luận án ............................................................. 39
1.6. Kết luận Chương 1 .......................................................................................................... 40
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY .... 41
2.1. Yêu cầu của việc thiết kế thành phần bê tông Geopolymer tro bay ........................... 41
2.2. Các tính chất của vật liệu được sử dụng ....................................................................... 42
2.2.1. Tro bay ........................................................................................................................ 42
2.2.1.1. Yêu cầu kỹ thuật của vật liệu tro bay ................................................................... 42
2.2.1.2. Tro bay sử dụng trong thí nghiệm ........................................................................ 43
2.2.2. Dung dịch kiềm kích hoạt ........................................................................................... 43
2.2.2.1. Dung dịch Natri Hydroxyt ................................................................................... 43
2.2.2.2. Dung dịch Natri Silicat......................................................................................... 44
2.2.2.3. Pha chế dung dịch kiềm kích hoạt........................................................................ 44
2.2.3. Cốt liệu lớn ................................................................................................................. 44
2.2.4. Cốt liệu nhỏ ................................................................................................................. 45
2.3. Chế tạo mẫu thử bê tông geopolymer tro bay............................................................... 46
2.3.1. Trộn, đổ khuôn, đầm nén bê tông geopolymer tro bay ............................................... 46

3.4.5. Nhận xét, đánh giá kết quả thí nghiệm ....................................................................... 77
3.5. Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của GPC........................................................... 79
3.5.1. Mục đích thí nghiệm ................................................................................................... 79
3.5.2. Phương pháp và mẫu thí nghiệm ................................................................................ 79
3.5.3. Kết quả thí nghiệm ...................................................................................................... 80
3.5.4. Xây dựng mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng vùng nén của dầm bê tông geopolymer
chịu uốn................................................................................................................................. 83
3.5.4.1. Lý thuyết của Sargin, Hognestad và Popovics về thiết lập mô hình ứng suất - biến
dạng khi nén ...................................................................................................................... 83
3.5.4.2. Xây dựng mô hình ứng suất biến dạng vùng nén cho bê tông Geopolymer trên cơ
sở kết quả thí nghiệm ........................................................................................................ 84
3.6. Thí nghiệm xác định tính thấm nước của GPC ............................................................ 87
3.6.1. Mục đích thí nghiệm ................................................................................................... 87
3.6.2. Phương pháp và mẫu thí nghiệm ................................................................................ 87
3.6.3. Kết quả thí nghiệm ...................................................................................................... 88
3.6.4. Nhận xét kết quả ......................................................................................................... 89


vi
3.7. Kết luận Chương 3 .......................................................................................................... 90
CHƯƠNG 4.
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM
GEOPOLYMER TRO BAY CỐT THÉP ............................................................................ 91
4.1. Đặt vấn đề nghiên cứu ..................................................................................................... 91
4.2. Chuẩn bị mẫu dầm và tiến hành thí nghiệm ................................................................. 91
4.2.1. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm.............................................................................. 91
4.2.2. Hỗn hợp cấp phối ........................................................................................................ 92
4.2.3. Thiết kế và sản xuất các mẫu dầm thí nghiệm ............................................................ 92
4.2.4. Quá trình thí nghiệm ................................................................................................... 94
4.3. Kết quả thí nghiệm .......................................................................................................... 96

vii
4.6. Nguyên tắc tính toán thiết kế chịu uốn dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép sử dụng
hỗn hợp bê tông G_40 .......................................................................................................... 133
4.7. Phân tích ứng xử của dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép ở trạng thái giới hạn
cường độ ................................................................................................................................ 134
4.7.1. Tiêu chuẩn sử dụng ................................................................................................... 134
4.7.2. Các số liệu từ thực nghiệm phục vụ phân tích ứng xử uốn của dầm cầu bê tông
Geopolymer tro bay ............................................................................................................ 134
4.7.3. Các thông số của dầm cầu tính toán.......................................................................... 135
4.7.3.1. Kết cấu nhịp ....................................................................................................... 135
4.7.3.2. Lựa chọn mặt cắt ngang dầm ............................................................................. 136
4.7.3.3. Bố trí cốt thép ..................................................................................................... 137
4.7.3.4. Đặc trưng hình học của mặt cắt .......................................................................... 138
4.7.4. Tính nội lực dầm ....................................................................................................... 138
4.7.5. Nội dung tính duyệt dầm .......................................................................................... 138
4.7.5.1. Sức kháng uốn .................................................................................................... 138
4.7.5.2. Kiểm tra độ võng ................................................................................................ 139
4.7.5.3. Kết quả tính duyệt .............................................................................................. 139
4.8. Kết luận Chương 4 ........................................................................................................ 140
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................................. 141
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ............................... 143
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................... 144


viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Sản lượng xi măng toàn cầu 1990 - 2050 [70] ........................................................... 5
Hình 1.2: Sự gia tăng các trung tâm nghiên cứu và các xuất bản về geopolymer [98] .............. 8
Hình 1.3: Phương trình phản ứng geopolymer hóa [40] .......................................................... 10
Hình 1.4: Mô hình lý thuyết của quá trình geopolymer hóa [42] ............................................. 11


ix
Hình 2.8: Ảnh hưởng của chế độ bảo dưỡng đến cường độ nén của mẫu [13] ........................ 47
Hình 2.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ bảo dưỡng đến cường độ nén của mẫu [13]...................... 47
Hình 2.10: Bảo dưỡng mẫu thử trong lò sấy khô ..................................................................... 48
Hình 2.11: Phát triển cường độ nén theo thời gian [13] ........................................................... 49
Hình 2.12: Sơ đồ thí nghiệm hỗn hợp tâm xoay-mặt ............................................................... 51
Hình 2.13: Chế tạo mẫu cho thí nghiệm tâm xoay-mặt ............................................................ 51
Hình 2.14: Đồ thị đánh giá số dư.............................................................................................. 54
Hình 2.15: Đồ thị đường mức và đồ thị bề mặt cho hàm hồi quy ............................................ 55
Hình 2.16: Kết quả hồi quy cho các cường độ yêu cầu của GPC............................................. 56
Hình 2.17: Các mẫu thử kiểm tra cường độ của các cấp phối GPC nghiên cứu ...................... 57
Hình 2.18: Kết quả kiểm tra cường độ của các hỗn hợp GPC đã thiết kế ................................ 61
Hình 2.19: So sánh giá thành của 1m3 GPC với OPC .............................................................. 62
Hình 3.1: Quá trình đúc các mẫu dầm và trụ để xác định tính chất cơ học .............................. 65
Hình 3.2: Các mẫu xác định mô đun đàn hồi và cường độ kéo uốn ......................................... 65
Hình 3.3: Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi và cường độ kéo uốn .................................... 65
Hình 3.4: Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ nén của GPC........................................ 71
Hình 3.5: Quan hệ giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén của GPC .................................... 73
Hình 3.6: Quan hệ ứng suất dính bám và chuyển vị trượt thanh thép [47] .............................. 74
Hình 3.7: Sơ bộ cấu tạo mẫu thí nghiệm xác định ứng xử dính bám ....................................... 74
Hình 3.8: Chuẩn bị đúc bê tông mẫu thí nghiệm dính bám với thanh thép 22 mm .............. 75
Hình 3.9: Mẫu thí nghiệm dính bám sau khi đúc ..................................................................... 75
Hình 3.10: Bố trí mẫu thí nghiệm trên máy kéo ....................................................................... 75
Hình 3.11: Quan hệ lực kéo - trượt giữa bê tông G_30 với cốt thép 22 ................................ 76
Hình 3.12: Quan hệ lực kéo - trượt giữa bê tông G_40 với cốt thép 22 ................................ 76
Hình 3.13: Quan hệ lực kéo - trượt giữa bê tông G_50 với cốt thép 22 ................................ 76
Hình 3.14: Mô hình quan hệ ứng suất dính bám - chuyển vị trượt thanh thép theo MC 90 [27]
.................................................................................................................................................. 77
Hình 3.15: So sánh ứng suất dính bám trung bình của GPC thí nghiệm với

Hình 4.12: Dầm bị phá hoại do vỡ bê tông vùng nén ............................................................. 100
Hình 4.13: Xác định các giai đoạn chịu lực của dầm thí nghiệm ........................................... 101
Hình 4.14: Vị trí các gối và tải trọng trong mô hình .............................................................. 102
Hình 4.15: Quan hệ ứng suất - biến dạng khai báo của cốt thép ............................................ 103
Hình 4.16: Mặt phá hoại của bê tông trong ứng suất phẳng ................................................... 104
Hình 4.17: Mô hình cứng hóa biến dạng của bê tông............................................................. 104
Hình 4.18: Mô hình phần tử sử dụng mô hình hóa dầm ......................................................... 105
Hình 4.19: Chia lưới phần tử trong ABAQUS ....................................................................... 105
Hình 4.20: Biến dạng trên dầm mô hình bằng ABAQUS ...................................................... 106
Hình 4.21: Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép ở giai đoạn I [10] ..................................... 106
Hình 4.22: Biểu đồ so sánh giá trị momen gây nứt giữa thực nghiệm và tính toán ............... 108
Hình 4.23: Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép ở giai đoạn II [10] .................................... 109
Hình 4.24: Biểu đồ so sánh giá trị momen chảy dẻo giữa thực nghiệm và tính toán ............. 110
Hình 4.25: Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép ở giai đoạn III [10] .................................. 111
Hình 4.26: Quan hệ ứng suất - biến dạng theo mô hình của Hognestad [54]......................... 113


xi
Hình 4.27: Quan hệ giữa biến dạng nén và cường độ nén của GPC ...................................... 114
Hình 4.28: Mô hình khối ứng suất cho dầm mặt cắt chữ nhật [55] ........................................ 115
Hình 4.29: Tính gần đúng tích phân theo công thức Simpson ............................................... 117
Hình 4.30: Mô men uốn danh định tính theo biến dạng lớn nhất ɛcu...................................... 123
Hình 4.31: Biểu đồ so sánh giá trị momen cực hạn giữa thực nghiệm, tính toán và đề xuất . 125
Hình 4.32: Mô hình thí nghiệm và biến dạng trong thí nghiệm uốn bốn điểm ...................... 126
Hình 4.33: So sánh quan hệ tải trọng - độ võng của dầm D_14 thí nghiệm và tính toán ....... 128
Hình 4.34: So sánh quan hệ tải trọng - độ võng của dầm D_16 thí nghiệm và tính toán ....... 128
Hình 4.35: So sánh quan hệ tải trọng - độ võng của dầm D_18 thí nghiệm và tính toán ....... 128
Hình 4.36: Quan hệ chỉ số dẻo của dầm và hàm lượng cốt thép chịu kéo ............................. 129
Hình 4.37: Dạng phá hoại và hình thành vết nứt của nhóm dầm D_14 ................................. 130
Hình 4.38: Dạng phá hoại và hình thành vết nứt của nhóm dầm D_16 ................................. 130

Bảng 2.16: Kết quả xác định cường độ nén đặc trưng của bê tông Geopolymer G_30 ........... 58
Bảng 2.17: Kết quả xác định cường độ nén đặc trưng của bê tông Geopolymer G_40 ........... 59
Bảng 2.18: Kết quả xác định cường độ nén đặc trưng của bê tông Geopolymer G_50 ........... 60
Bảng 2.19: Sơ bộ tính toán giá thành 1m3 bê tông Geopolymer tro bay .................................. 61
Bảng 2.20: Sơ bộ tính toán giá thành của 1m3 bê tông xi măng cùng cường độ:..................... 62
Bảng 3.1: Số lượng mẫu thí nghiệm các tính chất cơ học ........................................................ 64
Bảng 3.2: Kết quả xác định mô đun đàn hồi đặc trưng của bê tông Geopolymer G_30 .......... 66
Bảng 3.3: Kết quả xác định mô đun đàn hồi đặc trưng của bê tông Geopolymer G_40 .......... 67
Bảng 3.4: Kết quả xác định mô đun đàn hồi đặc trưng của bê tông Geopolymer G_50 .......... 68
Bảng 3.5: Kết quả xác định cường độ kéo uốn đặc trưng của bê tông Geopolymer G_30 ...... 69
Bảng 3.6: Kết quả xác định cường độ kéo uốn đặc trưng của bê tông Geopolymer G_40 ...... 69
Bảng 3.7: Kết quả xác định cường độ kéo uốn đặc trưng của bê tông Geopolymer G_50 ...... 70
Bảng 3.8: Kết quả mô đun đàn hồi thực nghiệm và tính toán .................................................. 71


xiii
Bảng 3.9: Kết quả cường độ kéo uốn thực nghiệm và tính toán .............................................. 72
Bảng 3.10: Kết quả thí nghiệm xác định ứng suất dính bám của GPC .................................... 78
Bảng 3.11: Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của mẫu G_30 ........................................... 80
Bảng 3.12: Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của mẫu G_40 ........................................... 81
Bảng 3.13: Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén của mẫu G_50 ........................................... 81
Bảng 3.14: Các thông số của quan hệ ứng suất biến dạng GPC theo mô hình Sargin ............. 83
Bảng 3.15: Kết quả thí nghiệm chống thấm ............................................................................. 88
Bảng 4.1: Thành phần và tính chất của bê tông Geopolymer G_40 dùng chế tạo dầm RGPC 92
Bảng 4.2: Cấu tạo, diện tích và tỷ lệ hàm lượng cốt thép chịu kéo .......................................... 93
Bảng 4.3: Chủng loại và số lượng thiết bị đo bố trí cho 01 dầm trong thí nghiệm .................. 95
Bảng 4.4: Số liệu kết quả quan hệ tải trọng - độ võng của các dầm thí nghiệm ...................... 96
Bảng 4.5: Số liệu kết quả quan hệ momen - độ cong tại mặt cắt giữa nhịp của dầm thí nghiệm
.................................................................................................................................................. 98
Bảng 4.6: Tổng hợp số liệu thí nghiệm tải trọng - độ võng tại các thời điểm đặc biệt .......... 101

Phản ứng kiềm cốt liệu (Alkali Silica Reaction).

FA:

Tro bay (Fly ash).

GP:

Geopolymer

GPC:

Bê tông geopolymer (Geopolymer concrete).

GPS:

Chất rắn geopolymer (Geopolymer solid).

C-S-H:

Calcium-silicate-hydrate.

GGBS:

Xỉ lò cao (Ground Granulated Blast Furnace Slag).

OPC:

Xi măng Poóclăng thông thường (Ordinary Portland Cement).


công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước. Đa số các công trình xây dựng đều theo
hướng sử dụng bê tông với chất kết dính xi măng poóclăng. Đây là chất kết dính có ưu
điểm cả về tính dễ thi công và độ tin cậy. Bê tông cốt thép truyền thống luôn được ưu
tiên lựa chọn do có những ưu điểm về khả năng chịu lực cũng như giá thành xây dựng.
Tuy nhiên, sản xuất xi măng poóclăng được cho là gây ô nhiễm nghiêm trọng do
mức độ phát thải khí CO2 và bụi nhiều. Việc sản xuất một tấn xi măng phát ra khoảng
hơn một tấn carbon dioxide vào bầu khí quyển, điều này cũng dẫn đến nhiều hệ lụy, đặc
biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường. Sản xuất xi măng không chỉ tiêu tốn nhiều năng
lượng, mà còn tiêu thụ đáng kể các nguồn tài nguyên thiên nhiên.
Đất nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa với tốc độ tăng trưởng kinh tế
cao, khoảng 6%/năm. Quá trình công nghiệp hoá đòi hỏi ngành sản xuất điện phát triển
ngày càng nhiều các nhà máy nhiệt điện chạy than. Tro bay là một thải phẩm của các
nhà máy này. Hầu hết tro bay không được sử dụng một cách hiệu quả, phần lớn của nó
được xử lý trong các bãi chôn lấp. Việc nghiên cứu tận dụng các chất thải công nghiệp,
như tro bay nhiệt điện, ngày càng trở nên cấp thiết ở trên thế giới và cả Việt Nam. Vì
vậy, giảm dần lượng xi măng sử dụng và tìm kiếm một loại chất kết dính “xanh” thân
thiện với môi trường là yêu cầu được đặt ra. Vật liệu xây dựng “xanh” có thể được định
nghĩa là các vật liệu được chế tạo và sử dụng theo các phương pháp thân thiện với môi
trường. Quá trình sản xuất vật liệu xanh phải được nghiên cứu sao cho hoặc có thể kết
hợp sử dụng được chất thải từ các ngành khác tạo ra, hoặc giảm thiểu tối đa sự phát tán
chất thải. Đây là xu hướng đang rất được quan tâm ở hầu hết các quốc gia trên thế giới.
Để từng bước hạn chế việc sử dụng xi măng poóclăng trong xây dựng, đồng thời
tận dụng có hiệu quả chất thải công nghiệp tro bay nhiệt điện thì một loại chất kết dính
mới đang được nghiên cứu và từng bước ứng dụng vào thực tế xây dựng. Chất kết dính
đó sử dụng tro bay nhiệt điện kết hợp với một số hợp chất hoá học thông thường. Cơ
chế của chất kết dính mới này là quá trình polymer hoá các thành phần đioxít silíc trong
tro bay để tạo ra lực dính kết, hình thành bộ khung vô cơ bền vững và có khả năng chịu
lực. Chất kết dính mới này được gọi là chất kết dính geopolymer.
Vật liệu geopolymer là loại vật liệu mới nhận được từ hỗn hợp bao gồm chất kết
dính geopolymer và các thành phần chất độn. Sau khi nhào trộn, đầm nén, tạo hình và

2. Đối tượng nghiên cứu
-

Thành phần của bê tông geopolymer tro bay.

-

Các tính chất cơ học chủ yếu của các hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay có
cường độ đặc trưng 30-50 MPa gồm: cường độ nén, mô đun đàn hồi, cường độ
kéo uốn, khả năng dính bám với cốt thép, quan hệ ứng suất biến dạng khi nén, và
độ bền chống thấm nước.

-

Ứng xử chịu uốn của dầm bê tông geopolymer tro bay cốt thép.


3
3. Mục tiêu nghiên cứu
-

Xác định được thành phần của bê tông geopolymer có thể sử dụng được trong kết
cấu cầu.

-

Xác định được mô hình cơ học của vật liệu bê tông geopolymer dùng để tính toán
chịu uốn kết cấu dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép.

-

Cường độ kéo uốn;
Mô đun đàn hồi;
Khả năng dính bám với cốt thép;
Quan hệ ứng suất - biến dạng khi nén;
Mô hình cơ học của vật liệu khi sử dụng để tính toán dầm bê tông
geopolymer cốt thép chịu uốn.
 Khả năng chống thấm nước.

-

Phạm vi nghiên cứu của kết cấu bê tông geopolymer cốt thép:
 Thực nghiệm ứng xử uốn của dầm;
 Phân tích các giai đoạn làm việc của dầm chịu uốn,


4
 Xác định lại sự phù hợp của việc tính toán dầm dựa trên mô hình vật liệu
đã đề xuất với kết quả trên các dầm thực nghiệm;
 Phân tích ứng xử uốn của dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
-

Nêu rõ được bản chất của chất kết dính geopolymer, ưu, nhược điểm của bê tông
geopolymer cũng như khả năng sử dụng của vật liệu này trong xây dựng.

-

Đề xuất được phương pháp chế tạo bê tông geopolymer tro bay với các vật liệu
Việt Nam.


BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY

1.1. Bê tông xi măng
1.1.1. Sự phát triển của xi măng và bê tông
Kể từ khi phát minh ra xi măng poóclăng, bê tông xi măng đã trở thành vật liệu
xây dựng phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Năm 1900, tổng sản
lượng xi măng của thế giới là khoảng 10 triệu tấn [20] và đã tăng lên tới 3,31 tỷ tấn
trong năm 2010 [96]. Sản lượng xi măng toàn cầu tiếp tục tăng trưởng khoảng trên 5%
mỗi năm và tập trung chủ yếu ở các nước đang phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ…

Hình 1.1: Sản lượng xi măng toàn cầu 1990 - 2050 [70]

Ngành công nghiệp xi măng của Việt Nam đã có lịch sử phát triển trên 100 năm,
bắt đầu từ Nhà máy xi măng Hải Phòng được thành lập năm 1899. Từ năm 1991 đến
nay là giai đoạn phát triển mạnh nhất của ngành xi măng Việt Nam. Năm 2010, tổng
công suất thiết kế của các nhà máy xi măng đã tăng gấp 13 lần, đạt 63 triệu tấn/năm và
Việt Nam trở thành nước đứng đầu khối ASEAN về sản lượng xi măng, về cơ bản cung
đã vượt cầu. Theo định hướng quy hoạch phát triển ngành xi măng Việt Nam, tổng công
suất năm 2015 là 94 triệu tấn và đến năm 2030 là 139 triệu tấn [11].
Kể từ khi xi măng poóclăng ra đời, ngành công nghiệp xi măng và bê tông đã
phải đối mặt với các vấn đề lớn về môi trường và năng lượng. Việc sản xuất xi măng
không chỉ tiêu thụ đáng kể năng lượng và tài nguyên thiên nhiên mà còn thải ra một
lượng lớn bụi và khí nhà kính như CO2, NO2 và CH4… Khi các quốc gia xây dựng chính
sách phát triển bền vững, thì những ngành công nghiệp tiêu thụ năng lượng hoặc tài


6
nguyên thiên nhiên nhiều hơn sẽ phải chịu chính sách mức giá cao hơn để khuyến khích
phát triển thị trường theo hướng bền vững hơn. Các ngành công nghiệp xi măng và bê
tông cũng nằm trong số các ngành công nghiệp đó.


7
Thuật ngữ “geopolymer” hiện nay đã trở nên phổ biến để đại diện cho vật liệu
tổng hợp kiềm aluminosilicat. Một số tên gọi khác của các tác giả khác nhau được đặt
ra để mô tả những vật liệu tương tự geopolymer như polymer vô cơ, chất kết dính kiềm
kích hoạt… Tuy nhiên, thuật ngữ được sử dụng phổ biến hơn cả là “geopolymer” sẽ
được dùng trong suốt luận án này.
1.2.2. Quá trình nghiên cứu về chất kết dính Geopolymer
Trong cuốn sách “Kim tự tháp: Một lời giải bí ẩn”, Davidovits đã giải thích về
khả năng geopolymer được người Ai Cập sử dụng để xây dựng các kim tự tháp, dựa trên
các mẫu vật rải rác trong các công trình của Ai Cập cổ đại [41].
Tuy nhiên, sản phẩm thực sự hiện đại dựa trên alumino-silicat có thể được bắt
nguồn từ những năm 1930 khi nhà khoa học người Bỉ là Purdon sử dụng phản ứng giữa
các oxit kiềm với xỉ luyện kim để tạo ra một chất kết dính cứng nhanh chóng, có thể
thay thế được xi măng trong bê tông [76]. Trong những năm 1950, quân đội Hoa Kỳ sử
dụng NaOH kích hoạt xỉ để sản xuất chất kết dính sử dụng trong các ứng dụng quân sự
[64]. Vào những năm 1970-1973, Davidovits phát triển những vật liệu này cho các ứng
dụng chịu nhiệt sau một loạt các vụ cháy ở châu Âu và các sản phẩm ra đời sau đó được
ứng dụng cho việc phòng cháy trên tàu du lịch, và nhiều ứng dụng khác [40].
Sau khi Davidovits đưa ra những kết quả nghiên cứu mới của ông về chất kết
dính aluminosilicate là “geopolymer” lần đầu tiên (được tổng hợp bằng cách kích hoạt
cao lanh, đất sét nung với dung dịch natri silicat ở nhiệt độ thấp) vào năm 1991 [40], thì
động lực nghiên cứu vào lĩnh vực geopolymer đã được bắt đầu. Các nghiên cứu thời kỳ
này chủ yếu thực hiện dựa trên các nguyên liệu metakaolanh và xỉ.
Nghiên cứu về geopolymer tro bay được bắt đầu phát triển từ báo cáo của
Wastiels tại hội nghị quốc tế về quản lý chất thải rắn năm 1993 tại Philadelphia [97].
Đây là báo cáo đầu tiên, đáng tin cậy chỉ ra geopolymer tính năng cao được chế tạo bằng
cách kích hoạt kiềm của tro bay và sản phẩm thu được có thể được ứng dụng trong các
lĩnh vực xây dựng. Đến nay, phần lớn các nghiên cứu ứng dụng về vật liệu geopolymer
đều tập trung vào việc sử dụng nguyên liệu từ tro bay.

5

Các cation có thể là bất kỳ một trong các kim loại kiềm hoặc kiềm thổ có sẵn như

Na , K  , Li  , Ca2 , Ba2 ... Poly-sialate có công thức tổng quát sau đây [40]:



M n -  SiO 2 z - AlO 2

Trong đó:

M
n
z



n

. wH 2 O

là một cation (ion dương);
là số chỉ mức độ trùng ngưng;
chỉ ra là sự hiện diện của 1 liên kết;
là mức độ thay thế aluminat [40, 59].

(1.1)




>3

- Vật liệu gắn kín
cho công nghiệp
200oC-600oC,
- Vật liệu chịu lửa

Poly-sialatesiloxo
(PSS)
Poly-sialatedisiloxo
(PSDS)

Poly-silatemultisiloxo
(PSMS)

Liên kết các Sialate

Cấu tạo không gian

Ứng dụng

1.2.4. Cơ chế phản ứng Geopolymer hóa
Quá trình geopolymer hóa liên quan đến một phản ứng hóa học xảy ra nhanh giữa
các oxit aluminosilicat và các silicat khác nhau trong điều kiện kiềm mạnh. Đó là một
phản ứng tỏa nhiệt. Sự hình thành vật liệu geopolymer có thể được mô tả từ các phương
trình 1.2 và 1.3 [40].
Các phương trình 1.2 và 1.3 cho thấy, nước là một trong những sản phẩm cuối
cùng của quá trình geopolymer hóa. Nước bị loại khỏi chất kết dính geopolymer trong
suốt quá trình bảo dưỡng và trong suốt thời kỳ hóa rắn và để lại các lỗ rỗng nhỏ kích