(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu khả năng chịu uốn của sàn bê tông cốt thép geopolymer

TỔNG QUAN

Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu

1.1.1 Thực trạng sản xuất vật liệu xây dựng

Bê tông cốt thép toàn khối đã trở thành vật liệu chủ yếu trong xây dựng hiện nay, với chất kết dính chính là xi măng Portland Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp sản xuất xi măng đã gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường tự nhiên và các hệ lụy khác.

Ngành công nghiệp sản xuất xi măng đang đối mặt với thách thức lớn khi yêu cầu khai thác một lượng lớn nguyên liệu, đặc biệt là các tài nguyên thiên nhiên không thể tái tạo như đá vôi và đất sét Hiện nay, trữ lượng đá vôi đang giảm nhanh chóng, trong khi việc khai thác đất sét đã làm tiêu tốn một phần đáng kể diện tích đất canh tác lương thực.

Quá trình nung trong lò để sản xuất clanh-ke cho xi măng không chỉ lãng phí nhiệt năng mà còn dẫn đến tổn hao tài nguyên như than đá, dầu và điện, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người do khí thải CO2 gia tăng Cụ thể, để sản xuất một tấn xi măng, sẽ thải ra 770 kg khí CO2 vào không khí Năng lượng tiêu thụ trong sản xuất xi măng đứng thứ ba, chỉ sau sản xuất thép và nhôm.

Sản lượng xi măng Portland toàn cầu hiện đã vượt 2,6 tỷ tấn mỗi năm, với mức tăng trung bình 5% hàng năm Theo số liệu, lượng khí thải CO2 từ ngành sản xuất xi măng đạt khoảng 1,35 tấn mỗi năm, chiếm khoảng 7% tổng lượng CO2 toàn cầu (Malhotra) Sự gia tăng này đã góp phần vào hiệu ứng nhà kính, dẫn đến hiện tượng nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu, trở thành một trong những vấn đề được nhân loại đặc biệt quan tâm.

Hình 0.1 Quá trình sản xuất cement và khí thải CO2

1.1.2 Phương hướng phát triển vật liệu xây dựng Để góp phần hạn chế lượng khí thải CO2 từ các ngành công nghiệp sản xuất cement hay gạch nung truyền thống; đồng thời tận dụng nguồn tro bay - loại phế phẩm của ngành công nghiệp nhiệt điện thì công nghệ Geopolymer đã và đang được nghiên cứu, áp dụng để thay thế Cement Portland - chất kết dính trong sản xuất bê tông thông thường Sản phẩm của công nghệ này chính là bê tông và vữa Geopolymer – đây là một trong những sản phẩm xanh, thân thiện với môi trường của ngành vật liệu xây dựng hiện nay [3]

Bê tông Geopolymer đang ngày càng được nghiên cứu và phát triển nhờ vào những ưu điểm vượt trội như khả năng chịu lực, chống ăn mòn, chịu nhiệt, cách âm, độ co ngót thấp và khả năng gắn kết tốt với cốt thép.

Công nghệ Geopolymer đang được nghiên cứu rộng rãi với nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt trong các cấu kiện như dầm Geopolymer của M.V Nataraja và Muthumani Trong bối cảnh này, đề tài “Nghiên cứu khả năng chịu uốn của sàn bê tông cốt thép Geopolymer” sẽ tập trung vào việc đánh giá tính ứng dụng của công nghệ Geopolymer trong lĩnh vực xây dựng.

Tình hình nghiên cứu

Công nghệ Geopolymer đang được nghiên cứu và áp dụng nhằm thay thế Cement Portland trong sản xuất bê tông thông thường, với mục tiêu giảm lượng khí thải CO2 từ các ngành công nghiệp như sản xuất gạch nung và xi măng Đồng thời, công nghệ này còn tận dụng nguồn phế phẩm như tro bay từ các nhà máy nhiệt điện.

Vào năm 1972, nhà hóa học Pháp Joseph Davidovits đã phát triển thành công một loại vật liệu mới thông qua quy trình tổng hợp polymer từ khoáng chất Bằng cách kết hợp đất sét với dung dịch alkali silicates có độ kiềm cao, ông đã tạo ra một hợp chất dạng gel, được gọi là Geopolymer Đây là một loại vật liệu mới có bản chất là polymer vô cơ, đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều tác giả trên thế giới từ những năm cuối thế kỷ XX.

Theo Joseph Davidovits, bất kỳ nguyên vật liệu nào chứa dioxide silic và oxide nhôm đều có thể dùng để sản xuất vật liệu geopolymer "Geopolymer" là thuật ngữ chỉ các vật liệu vô cơ tổng hợp từ nguồn aluminosilicate Nguyên lý chế tạo geopolymer dựa trên khả năng phản ứng của các vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm, tạo ra sản phẩm với tính chất và cường độ vượt trội.

Vật liệu Geopolymer được chế tạo từ hai thành phần chính: nguyên liệu aluminosilicate và chất hoạt hóa kiềm Nguyên liệu aluminosilicate, thường là tro bay, metacaolanh và silicafume, cung cấp Si và Al cho quá trình Geopolymer hóa Chất hoạt hóa kiềm phổ biến như dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng Natri Silicat Na2SiO3 tạo môi trường kiềm và tham gia vào phản ứng Geopolymer hóa Khi được dưỡng hộ ở nhiệt độ thích hợp, vật liệu Geopolymer sẽ phát triển cường độ nhanh chóng và triệt để hơn.

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Chất kết dính Geopolymer, hay còn gọi là chất kết dính kiềm hoạt hóa, được nghiên cứu và ứng dụng bởi Joseph Davidovits Công nghệ này đang ngày càng phát triển trên toàn cầu và dần chiếm ưu thế so với xi măng Portland nhờ vào nguyên liệu và phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường.

J Davidovits đã giới thiệu một loại vật liệu mới là Geopolymer, cũng như các tính chất lý hóa của Geopolymer Một nghiên cứu khác về xi măng geopolymer (High – Akali – Poly) đã cho thấy ứng dựng trong nhiều ngành kỹ thuật như: Hàng không, xây dựng, công nghiệp chất dẻo, … Kết quả nghiên cứu cho thấy xi măng mới này đóng rắn nhanh với nhiệt độ phòng, cường độ chịu nén có thể đạt tới 20 Mpa sau 4 giờ ở nhiệt độ 200 o C và có thể đạt từ 70 – 100 MPa sau khi bảo dưỡng 28 ngày

Được xuất bản lần đầu vào năm 2008, cuốn sách "Geopolymer chemistry and application" của J Davidovits đã tổng hợp kiến thức về công nghệ Geopolymer Công nghệ này đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên toàn cầu, với trọng tâm là thành phần và nồng độ dung dịch kiềm nhằm thúc đẩy nhanh quá trình Geopolymer hóa Nhiều quốc gia phát triển như Pháp, Mỹ, Đức, Bỉ và Nam Phi đã áp dụng công nghệ này, sử dụng từ 70% đến 80% lượng gạch không nung trong sản xuất.

Palomo [6] đã mô tả cấu trúc hóa học của geopolymer, cho thấy nó tương tự như vật liệu ziotit tự nhiên, nhưng khác biệt ở chỗ cấu trúc của geopolymer là vô định hình thay vì tinh thể.

Nghiên cứu của Palomo, Grutzeck và Blanco chỉ ra rằng điều kiện dưỡng hộ và tỷ lệ dung dịch alkali/tro bay có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ bê tông Cả thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ đều đóng vai trò quan trọng, với sự kết hợp giữa thủy tinh lỏng và dung dịch NaOH cho cường độ lên đến 60MPa khi được dưỡng hộ ở nhiệt độ 85°C trong 5 giờ.

Nghiên cứu của Mo Bing-hui và cộng sự chỉ ra rằng nhiệt độ và thời gian dưỡng hộ có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ bê tông geopolymer Cụ thể, nhiệt độ tối ưu để quá trình polymer hóa diễn ra nhanh chóng là trên 60 độ C, giúp bê tông đạt cường độ sớm hơn.

Theo nghiên cứu của Theo D Hardjito và B.V Rangan, hệ số Poisson của bê tông Geopolymer sử dụng tro bay dao động từ 0,12 đến 0,16 khi cường độ chịu nén từ 40 đến 90MPa, tương tự như bê tông cement Portland truyền thống Họ cũng chỉ ra rằng mô đun đàn hồi tăng lên khi cường độ bê tông tăng, và giá trị mô đun đàn hồi của bê tông Geopolymer gần tương đương với bê tông cement Portland truyền thống.

Nghiên cứu của Monita Olivia chỉ ra rằng bê tông Geopolymer sử dụng tro bay hàm lượng Canxi thấp có cường độ nén và cường độ chịu uốn cao hơn bê tông truyền thống Cụ thể, cường độ chịu uốn của bê tông Geopolymer vượt trội hơn so với bê tông thông thường khi so sánh theo tiêu chuẩn AS3600.

Nghiên cứu của Manish Chand Kumain và Seema Rani về sàn bê tông Geopolymer cho thấy khả năng chịu tác động của tải trọng tức thời khi có và không có cốt thép Sàn bê tông Geopolymer được thử nghiệm dưới tải trọng lặp lại với vận tốc thấp, và chiều cao thả tự do của tải được tăng dần Mục tiêu là so sánh khả năng chịu lực của sàn bê tông Geopolymer với sàn bê tông xi măng thông thường Kết quả cho thấy, sàn bê tông Geopolymer có khả năng chịu tải tương đương hoặc tốt hơn so với bê tông xi măng thông thường, đồng thời số lượng vết nứt xuất hiện trên sàn Geopolymer cũng ít hơn so với sàn bê tông Portland.

Manheswaran, Dattareya và Karansingh [12] đã tiến hành nghiên cứu sử dụng thiết bị đo biến dạng, máy ghi nhận tín hiệu và bộ khuếch đại để đánh giá cường độ chịu tác động và độ rung động của sàn Geopolymer dưới tải trọng rơi tự do Kết quả cho thấy sàn bê tông Geopolymer có khả năng chống nứt tốt hơn so với sàn bê tông thông thường, khi sàn thông thường bị phá hủy hoàn toàn và có độ nứt lan rộng nhiều hơn sàn Geopolymer.

Nagan và Mohana [13] đã tiến hành thí nghiệm với quả bóng thép rơi tự do từ độ cao xác định xuống sàn bê tông Geopolymer, sử dụng hệ cốt thép dạng lưới lục giác kết hợp lưới hình chữ nhật Họ ghi nhận thời điểm xuất hiện vết nứt đầu tiên và vết nứt cuối cùng trước khi sàn bị phá hoại Bên cạnh đó, các giá trị về cường độ chịu nén, độ bền kéo và độ bền uốn của mẫu bê tông và mẫu vữa cũng được so sánh với bê tông thông thường Kết quả cho thấy sàn Geopolymer có hiệu suất chịu tải vượt trội khi kết hợp cả hai loại lưới.

Vị trí của đề tài nghiên cứu

Đề tài “Xác định khả năng chịu uốn của sàn bê tông Geopolymer” tiếp tục nghiên cứu công nghệ Geopolymer, nhằm sử dụng phế phẩm công nghiệp để sản xuất các sản phẩm xây dựng thân thiện với môi trường.

Đề tài nghiên cứu khả năng chịu lực, đặc biệt là khả năng chịu uốn của cấu kiện sàn sử dụng công nghệ Geopolymer Nghiên cứu này giúp đánh giá tính ứng dụng của sản phẩm Geopolymer trong các công trình thực tế.

Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu và ứng dụng chất kết dính Geopolymer đang ngày càng phát triển cả trên thế giới và trong nước, cho thấy việc chế tạo cấu kiện sàn bê tông cốt thép bằng công nghệ Geopolymer là một đề tài có ý nghĩa thực tiễn lớn Sản phẩm từ công nghệ này cần đảm bảo tính thân thiện với môi trường, khả năng chịu uốn tốt và tương tác hiệu quả với cốt thép.

Bài viết này đánh giá khả năng chịu uốn của sàn Geopolymer, đồng thời phân tích tác động của điều kiện dưỡng hộ nhiệt và kích thước cốt thép đến khả năng chịu lực của cấu kiện Qua đó, các biểu đồ ảnh hưởng được xây dựng và kết luận được rút ra từ những phân tích này.

Nhiệm vụ của đề tài

Trong phạm vi nghiên cứu, chỉ tập trung vào bê tông cấp độ bền B20 Các nội dung thực hiện cụ thể:

- Xác định cấp phối để sử dụng cho sàn bê tông Geopolymer từ các yếu tố như nhiệt độ, điều kiện dưỡng hộ, thành phần nguyên vật liệu

- Xác định khả năng chịu uốn của sàn bê tông Geopolymer

- Đánh giá kết quả thực nghiệm, so sánh kết quả tính toán và kết quả mô hình hóa trên máy tính và rút ra nhận xét.

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu khả năng chịu uốn của sàn bê tông sử dụng công nghệ Geopolymer bằng phương pháp thí nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ Geopolymer, cả trong nước và quốc tế, đã được thực hiện kết hợp với các thí nghiệm trên tấm sàn bê tông cốt thép Kết quả thu được từ nghiên cứu này sẽ được so sánh và đánh giá để xác định hiệu quả và tiềm năng ứng dụng của công nghệ Geopolymer trong xây dựng.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Bổ sung và hoàn thiện kiến thức lý thuyết về công nghệ Geopolymer, đồng thời mở rộng danh mục các sản phẩm xây dựng ứng dụng công nghệ này.

Nghiên cứu cho thấy rằng các sản phẩm xây dựng có khả năng giảm lượng phế thải công nghiệp, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường.

Dựa trên lý thuyết về công nghệ Geopolymer kết hợp với tro bay và các đặc tính của sàn bê tông cốt thép, bài viết này phân tích khả năng chịu lực của sàn bê tông khi áp dụng công nghệ Geopolymer.

Davidovits cho rằng dung dịch kiềm có thể phản ứng với silic và nhôm từ các nguồn vật liệu khoáng hoặc phế thải như tro bay và tro trấu để chế tạo chất kết dính, mà ông gọi là geopolymer do quá trình trùng hợp hóa học Tỷ lệ Si/Al quyết định tính chất và ứng dụng của geopolymer, với vật liệu xây dựng có tỷ lệ khoảng 2 Tro bay hiện đang là vật liệu chủ yếu được nghiên cứu nhằm tận dụng phế phẩm từ các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam.

2.1 Công nghệ Geopolymer Đây là công nghệ chế tạo ra sản phẩm xây dựng “xanh”, nghĩa là các vật liệu được sử dụng, chế tạo theo những phương pháp thân thiện với môi trường Đây cũng chính là một trong những xu hướng phát triển trong ngành vật liệu xây dựng trên thế giới nói chung hiện nay

2.1.1 Lịch sử ra đời chất kết dính Geopolymer

Viện Geopolymer được thành lập tại Pháp vào năm 1972, khởi nguồn từ ý tưởng của Joseph Davidovits về việc phát triển vật liệu vô cơ có khả năng chống cháy và chịu nhiệt độ cao Ông đã phát hiện ra rằng đất sét và cao lanh có thể tương tác với dung dịch kiềm NaOH ở nhiệt độ từ 100 đến 150 độ C để tạo ra một hợp chất mới.

Si2O5, Al2(OH)4 + NaOH ⇒ Na(-Si-O-Al-O)n [2]

Kaolinite Hydrosodalite Ðiều này là tiền đề cho việc nghiên cứu và phát triển của công nghệ vật liệu tổng hợp Geopolymer đến sau này

Vào năm 1978, Joseph Davidovits đã giới thiệu Geopolymer, một loại vật liệu kết dính tương tự như xi măng nhưng sử dụng nguyên liệu từ phế thải công nghiệp, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường Geopolymer đã được nghiên cứu và ứng dụng tại nhiều quốc gia phát triển như châu Âu, Mỹ và Úc Chất kết dính này được hình thành từ phản ứng giữa dung dịch kiềm và các hợp chất chứa silic và nhôm, và còn được gọi là chất kết dính kiềm hóa.

Công nghệ Geopolymer đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi tại Pháp, bắt đầu từ năm 1973-1976 với việc chế tạo các tấm panel gỗ cách nhiệt bằng cách phủ hai bề mặt của tấm gỗ bằng hợp chất silic-aluminosilicate sau quá trình gia nhiệt, do Công ty A.G.S và Saint-Gobain thực hiện Đến năm 1977-1978, công nghệ này tiếp tục được áp dụng trong ngành sản xuất gốm sứ khi Công ty A.G.S nghiên cứu và phát triển hợp chất nano composite mới với cấu trúc phân tử đặc biệt.

PS)-(SiO2)n-, tại điểm nhiệt độ 1460 0 C, tạo thành hợp chất gốm có khả năng bền nhiệt và hệ số giãn nỡ nhiệt rất thấp) [2]

2.1.2 Cơ chế phản ứng trong quá trình Geopolymer hóa

Geopolymer là vật liệu polymer có cấu trúc đa diện, với các đơn vị cấu trúc chính là [SiO4] 4- Trong cấu trúc này, ion Al 3+ có khả năng thay thế một phần ion Si 4+, trong khi các ion kiềm như Na+ và K+ được phân bố trong các lỗ rỗng để cân bằng điện tích.

Hình 0.2 Cấu trúc tinh thể của Gelpolymer [2]

Quá trình tổng hợp vật liệu Geopolymer, hay còn gọi là Geopolymer hóa, diễn ra thông qua việc sử dụng các dung dịch hoạt hóa kiềm đối với nguyên vật liệu Aluminosilicate ban đầu Quá trình này rất phức tạp và hiện vẫn chưa được mô tả một cách rõ ràng.

Quá trình Geopolymer hóa là quá trình kiềm hóa các vật liệu giàu SiO2 và Al2O3, dẫn đến việc tạo ra một chất kết dính với cấu trúc mạng vô định hình Poly-Sialate Chất kết dính này có công thức hóa học đặc trưng, thể hiện tính chất độc đáo và ứng dụng tiềm năng trong xây dựng và vật liệu.

M là các ion dương kiềm như Kali (Ka) và Natri (Na), n là mức độ trùng ngưng của phản ứng, và z là hệ số có giá trị từ 1 đến 32 Vật liệu Geopolymer khác biệt với vật liệu polymer thông thường nhờ vào cấu trúc mạng không gian vô định hình của nó.

Hình 0.3 Cấu trúc Poly (Sialates) theo Davidovits [2]

Theo Glukhovsky, cơ chế động học của quá trình đông kết và rắn chắc của chất kết dính kiềm hoạt hóa bao gồm phản ứng phân hủy nguyên liệu có cấu trúc ổn định thấp và phản ứng nội tại Đầu tiên, nồng độ pH của dung dịch kiềm tăng lên dẫn đến sự bẻ gãy các liên kết cộng hóa trị Si-O-Si và Al-O-Si Kết quả là các nhóm nguyên tố này chuyển sang hệ keo, sau đó xảy ra sự tích tụ các sản phẩm bị phá hủy với phản ứng nội tại, tạo ra một cấu trúc ổn định và cuối cùng hình thành cấu trúc đông đặc.

Quá trình tạo ra chất kết dính Geopolymer rất phức tạp, với nhiều phản ứng diễn ra đồng thời và khó nhận diện Các bước phản ứng không tuần tự mà xảy ra song song và chồng chéo Theo một số nghiên cứu trước, quá trình tổng hợp Geopolymer có thể được mô tả qua những bước nhất định.

Hình 0.4 Quá trình hoạt hóa vật liệu Aluminosilicate [2]

Quá trình Geopolymer hóa tạo ra các sản phẩm phụ thuộc vào sự phá vỡ cấu trúc của tro bay trong giai đoạn đầu Kết thúc quá trình này là giai đoạn ngưng kết, dẫn đến việc hình thành cấu trúc chuỗi có trật tự, từ đó sản phẩm đạt được cường độ cơ học cao.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN