TĨM TẮT
Hiện nay, các cơng trình xây dựng đang phát triển ngày càng nhiều, kèm theo
đó là vấn đề ơ nhiễm môi trƣờng do sản xuất xi măng đang là vấn đề cấp thiết cần
đƣợc giảm thiểu. Mặt khác, các cơng trình xây dựng hiện hữu có nhiều sự cố xảy ra
nhƣ nứt, cong vênh dầm, sàn, cột hoặc do nhu cầu thay đổi cơng năng của cơng
trình nên ta thực hiện các biện pháp gia cƣờng trên cấu kiện cần thiết.
Luận văn nghiên cứu về khả năng chịu lực của dầm Geopolymer gia cƣờng
tấm CFRP. Đồng thời xem xét đến khả năng làm việc chung của tấm gia cƣờng
CFRP và dầm Geopolymer. Tiến hành so sánh kết quả thí nghiệm dầm gia cƣờng
một lớp và hai lớp CFRP với dầm không gia cƣờng CFRP qua các số liệu về chuyển
vị tại vị trí L/4 và L/2, biến dạng thu đƣợc tại vị trí L/2. Từ kết quả thí nghiệm ta
thấy dầm đƣợc gia cƣờng hai lớp CFRP ở mặt đáy dầm có khả năng chịu lực tốt hơn
dầm gia cƣờng một lớp và khơng gia cƣờng. Từ đó, ta có thể áp dụng cấu kiện dầm
Geopolymer vào các cơng trình xây dựng để giảm thiểu vấn đề ơ nhiễm môi trƣờng
do việc sản xuất xi măng đồng thời ta có thể gia cƣờng vào các cấu kiện này bằng
tấm CFRP để tăng cƣờng khả năng chịu lực, giảm chuyển vị và biến dạng trên dầm.

v


ABSTRACT
Portland cement is known as the main material of concrete which is the most
important material for building construction. Nowadays, the development of
infrastructure led to the requirement of the tremandous amount of Portland cement
for concrete production. However the cement manufacture is also one of the main
causes for enviroment pollution. Moreover, some phenomena such as cracking,
warping, girder, floor, column occurred in the existing buildings and the need to
change the function of the building requires of strengthen on the building structure.
Study on the strength of Geopolymer beam reinforcement CFRP sheet. On
the other hand, the joint capabilities between CFRP reinforcement and Geopolymer
beam was also studied. The displacement at L/4 and L/2 position, and deformation

at L/2 position at beam were determined in this study. The beam reinforced with
single-layer and two-layer CFRP. From the results of the experiment, the
Geopolymer beam which was reinforced with two layers of CFRP at the bottom was
observed to be better than that reinforced with single-layer CFRP or without
reinforcement. Therefore, the application of Geopolymer beams reinfoced with
CFRP had ability to decrease the environmental pollution, improve strength and
reduce drag and deformation on beams.

vi


MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iv
TÓM TẮT ...................................................................................................................v
ABSTRACT .............................................................................................................. vi
Chƣơng 1 .....................................................................................................................1
TỔNG QUAN .............................................................................................................1
1.1 Tính chất cấp thiết của đề tài nghiên cứu ..........................................................1
1.1.1 Vấn đề môi trƣờng.......................................................................................1
1.1.2 Các sự cố xảy ra trong các cơng trình .........................................................4
1.2 Tình hình nghiên cứu đề tài trong và ngoài nƣớc ..............................................7
1.2.1 Những nghiên cứu trong nƣớc.....................................................................8
1.2.2 Những nghiên cứu ngoài nƣớc ....................................................................9
1.3 Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................11
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................11
Chƣơng 2 ...................................................................................................................12
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................................12
2.1 Bê tông Geopolymer ........................................................................................12

2.1.1 Khái niệm ..................................................................................................12
2.1.2 Cấu trúc của Geopolymer ..........................................................................12
2.1.3 Quá trình Geopolymer hóa ........................................................................13
2.1.4 Tro bay ......................................................................................................15
2.1.5 Dung dịch hoạt hóa....................................................................................16
2.2 Vật liệu gia cƣờng ............................................................................................16
2.2.1 Các loại vật liệu gia cƣờng ........................................................................16
2.3.2 Vật liệu CFRP ...........................................................................................17
2.3.3 Tính tốn đặc tính của vật liệu thiết kế CFRP...........................................17
Chƣơng 3 ...................................................................................................................20
CHƢƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM .......................................................................20
vii


3.1 Nguyên liệu sử dụng ........................................................................................20
3.1.1 Tro bay ......................................................................................................20
3.1.2 Dung dịch hoạt hóa....................................................................................21
3.1.2.1 Thủy tinh lỏng .....................................................................................21
3.1.2.2 Natri hydroxit .....................................................................................21
3.1.3 Cốt liệu lớn ................................................................................................22
3.1.4 Cốt liệu nhỏ ...............................................................................................23
3.1.5 Nƣớc .........................................................................................................24
3.1.6 Thép thanh ................................................................................................24
3.2 Cấp phối bê tơng ..............................................................................................24
3.2.1 Thí nghiệm cấp phối mẫu bê tông .............................................................24
3.2.2 Lựa chọn cấp phối .....................................................................................24
3.3. Quy trình đúc mẫu dầm ..................................................................................25
3.3.1. Chuẩn bị vật liệu.......................................................................................25
3.3.2. Gia công cốt pha .......................................................................................25
3.3.3 Gia công cốt thép .......................................................................................25

3.3.4 Nhào trộn và đổ mẫu .................................................................................26
3.3.5 Dƣỡng hộ nhiệt ..........................................................................................27
3.4. Gia cƣờng CFRP vào dầm bê tông Geopolymer ............................................28
3.4.1. Chuẩn bị nguyên vật liệu gia cƣờng .........................................................28
3.4.1.1. Tấm CFRP gia cƣờng ........................................................................28
3.4.1.2. Dung dịch keo Epoxy.........................................................................29
3.4.2. Quy trình gia cƣờng CFRP vào dầm Geopolymer ...................................30
3.4.3. Quy trình thí nghiệm ................................................................................34
3.4.3.1. Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm ..............................................................34
3.4.3.2.Quy trình thí nghiệm mẫu dầm Geopolymer gia cƣờng CFRP ..........36
Chƣơng 4 ...................................................................................................................39
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................................39
4.1. Kết quả nghiên cứu dầm Geopolymer không gia cƣờng ................................39
4.1.1. Cấp phối 1 ................................................................................................39
4.1.2. Cấp phối 2 ................................................................................................39
viii


4.2. Dầm Geopolymer gia cƣờng 1 lớp CFRP.......................................................40
4.2.1. Chuyển vị của dầm tại vị trí L/4 ...............................................................40
4.2.2. Chuyển vị của dầm tại vị trí L/2 ...............................................................41
4.2.3. Biến dạng của dầm tại vị trí L/2 ...............................................................42
4.3. Dầm Geopolymer gia cƣờng 2 lớp CFRP.......................................................44
4.3.1. Chuyển vị của dầm tại vị trí L/4 ...............................................................44
4.3.2 Chuyển vị của dầm tại vị trí L/2 ................................................................45
4.3.3 Biến dạng của dầm tại vị trí L/2 ................................................................46
4.4. Dầm Geopolymer (cấp phối 1) không gia cƣờng và gia cƣờng CFRP...........48
4.4.1. Chuyển vị của dầm tại vị trí L/4 ...............................................................48
4.4.2. Chuyển vị của dầm tại vị trí L/2 ...............................................................49
4.4.3. Biến dạng của dầm tại vị trí L/2 ...............................................................50

4.4.4. Tải trọng xuất hiện vết nứt và tách lớp của dầm Geopolymer .................50
4.5. Dầm Geopolymer (cấp phối 2) không gia cƣờng và gia cƣờng CFRP...........52
4.5.1. Chuyển vị của dầm tại vị trí L/4 ...............................................................52
4.5.2. Chuyển vị của dầm tại vị trí L/2 ...............................................................53
4.5.3. Biến dạng của dầm tại vị trí L/2 ...............................................................54
4.5.4. Tải trọng xuất hiện vết nứt và tách lớp của dầm Geopolymer .................54
Chƣơng 5 ...................................................................................................................57
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................57
5.1. Kết luận ...........................................................................................................57
5.2. Hƣớng phát triển đề tài ...................................................................................57
5.2.1. Những hạn chế của đề tài .........................................................................57
5.2.2. Hƣờng phát triển đề tài .............................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................59

ix


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1: Biểu đồ sản lƣợng xi măng trên thế giới qua các năm. ..............................2
Hình 1. 2: Biểu đồ lƣợng khí thải CO2 của châu Âu. .................................................2
Hình 1. 3: Vết nứt xiên thân dầm ...............................................................................4
Hình 1. 4: Vết nứt dọc dầm (Nguồn Internet). ............................................................5
Hình 1. 5: Vết nứt trong dầm . ....................................................................................5
Hình 1. 6: Hình ảnh vết nứt trên sàn ..........................................................................6
Hình 1. 7: Hình ảnh vết nứt trên cột ...........................................................................6
Hình 1. 8: Dầm bị cong trong q trình thi cơng . ......................................................7
Hình 2. 1: Cấu trúc của Geopolymer .......................................................................12
Hình 2. 2: Q trình Geopolymer hóa . .....................................................................14
Hình 2. 3: Quá trình thu hồi tro bay . ........................................................................15
Hình 3. 1: Tro bay sử dụng trong thí nghiệm............................................................20

Hình 3. 2: Thủy tinh lỏng. .........................................................................................21
Hình 3. 3: Natri hydroxit dạng vảy. ..........................................................................22
Hình 3. 4: Đƣờng biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu lớn. ...................................22
Hình 3. 5: Cốt liệu lớn. ..............................................................................................23
Hình 3. 6: Đƣờng biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu nhỏ....................................23
Hình 3. 7: Cốt liệu nhỏ. .............................................................................................24
Hình 3. 8: Cấu tạo cốt thép dầm. ...............................................................................26
Hình 3. 9: Gia cơng cốt thép và ván khn. ..............................................................26
Hình 3. 10: Lị dƣỡng hộ nhiệt. .................................................................................27
Hình 3. 11: Hộp điều khiển và hiển thị nhiệt đơ của lị sấy. .....................................28
Hình 3. 12: Trải tấm CFRP ra mặt phẳng. ................................................................28
Hình 3. 13: Chia tấm CFRP thành kích thƣớc gia cƣờng theo cấu kiện dầm. ..........29
Hình 3. 14: Chất tạo nền và chất tạo cứng. ...............................................................29
Hình 3. 15: Pha trộn dung dịch keo Epoxy. ..............................................................30
Hình 3. 16: Mài bề mặt dầm Geopolymer trƣớc khi gia cƣờng. ...............................31
Hình 3. 17: Đánh dấu vị trí neo tấm CFRP của dầm. ...............................................31
Hình 3. 18: Quét keo Epoxy lên bề mặt dầm cần gia cƣờng. ...................................32
x


Hình 3. 19: Quét keo Epoxy lên bề mặt CFRP. ........................................................32
Hình 3. 20: Dán tấm CFRP vào dầm Geopolymer. ..................................................33
Hình 3. 21: Neo tấm CFRP vào dầm. .......................................................................33
Hình 3. 22: Dầm Geopolymer sau khi gia cƣờng CFRP...........................................34
Hình 3. 23: Thiết bị đo chuyển vị. ............................................................................35
Hình 3. 24: Thiết bị đo biến dạng (StrainGauges). ...................................................35
Hình 3. 25: Thiết bị tác dụng tải trọng. .....................................................................36
Hình 3. 26: Thiết bị thu nhận tín hiệu. ......................................................................36
Hình 3. 27: Chia lƣới ơ vng và lắp đặt thiết bị. .....................................................37
Hình 3. 28: Vị trí lắp đặt Strain Gauges và thiết bị đo chuyển vị. ............................37

Hình 3. 29: Ghi nhận vết nứt xuất hiện trên dầm. .....................................................38
Hình 3. 30: Ghi nhận vết nứt khi phá hoại dầm và sự tách lớp của tấm CFRP khỏi
dầm Geopolymer. ......................................................................................................38
Hình 4. 1: Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/4 của dầm Geopolymer
gia cƣờng 1 lớp CFRP. ..............................................................................................41
Hình 4. 2: Biểu đồ quan hệ giữa lực và biến dạng tại vị trí L/2 của dầm Geopolymer
gia cƣờng 1 lớp CFRP. ..............................................................................................42
Hình 4. 3: Biểu đồ quan hệ giữa lực và biến dạng tại vị trí L/2 của dầm Geopolymer
gia cƣờng 1 lớp CFRP. ..............................................................................................43
Hình 4. 4: Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/4 của dầm Geopolymer
gia cƣờng 2 lớp CFRP. ..............................................................................................45
Hình 4. 5: Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/2 của dầm Geopolymer
gia cƣờng 2 lớp CFRP. ..............................................................................................46
Hình 4. 6: Biểu đồ quan hệ giữa lực và biến dạng tại vị trí L/2 của dầm Geopolymer
gia cƣờng 2 lớp CFRP. ..............................................................................................47
Hình 4. 7: Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/4 của dầm Geopolymer
khơng gia cƣờng, gia cƣờng 1 và 2 lớp CFRP. .........................................................48
Hình 4. 8: Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/2 của dầm Geopolymer
không gia cƣờng, gia cƣờng 1 và 2 lớp CFRP. .........................................................49

xi


Hình 4. 9: Biểu đồ quan hệ giữa lực và biến dạng tại vị trí L/2 của dầm Geopolymer
khơng gia cƣờng, gia cƣờng 1 và 2 lớp CFRP. .........................................................50
Hình 4. 10: Biểu đồ quan hệ giữa lực và thứ tự vết nứt xuất hiện của dầm
Geopolymer không gia cƣờng, gia cƣờng 1 và 2 lớp CFRP. ....................................51
Hình 4. 11: Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/4 của dầm
Geopolymer khơng gia cƣờng, gia cƣờng 1 và 2 lớp CFRP. ....................................52
Hình 4. 12: Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/2 của dầm

Geopolymer không gia cƣờng, gia cƣờng 1 và 2 lớp CFRP. ....................................53
Hình 4. 13: Biểu đồ quan hệ giữa lực và biến dạng tại vị trí L/2 của dầm
Geopolymer không gia cƣờng, gia cƣờng 1 và 2 lớp CFRP. ....................................54
Hình 4. 14: Biểu đồ quan hệ giữa lực và thứ tự vết nứt xuất hiện của dầm
Geopolymer không gia cƣờng, gia cƣờng 1 và 2 lớp CFRP. ....................................55

xii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1: Các đặc trƣng cơ học của vật liệu CFRP sử dụng trong nghiên cứu. ......17
Bảng 3. 1: Thành phần hóa của tro bay. .................................................................... 21
Bảng 3. 2: Cấp phối bê tông Geopolymer cho mẫu dầm (1 m3). .............................. 25
Bảng 4. 1: Kết quả thí nghiệm dầm Geopolymer cấp phối 1 không gia cƣờng. .......39
Bảng 4. 2: Kết quả thí nghiệm dầm Geopolymer cấp phối 2 không gia cƣờng. .......39
Bảng 4. 3: Chuyển vị của dầm Geopolymer gia cƣờng 1 lớp CFRP tại vị trí L/4. ...40
Bảng 4. 4: Chuyển vị của dầm Geopolymer gia cƣờng 1 lớp CFRP tại vị trí L/2. ...41
Bảng 4. 5: Biến dạng của dầm Geopolymer gia cƣờng 1 lớp CFRP tại vị trí L/2. ...42
Bảng 4. 6: Chuyển vị của dầm Geopolymer gia cƣờng 2 lớp CFRP tại vị trí L/4. ..44
Bảng 4. 7: Chuyển vị của dầm Geopolymer gia cƣờng 2 lớp CFRP tại vị trí L/2. ...45
Bảng 4. 8: Biến dạng của dầm Geopolymer gia cƣờng 2 lớp CFRP tại vị trí L/2. ...46
Bảng 4. 9: Tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm Geopolymer cấp phối 1. ................50
Bảng 4. 10: Tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm Geopolymer cấp phối 2. ..............54

xiii


Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1 Tính chất cấp thiết của đề tài nghiên cứu

1.1.1 Vấn đề môi trƣờng
Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội và sự tăng dân số thế giới, cơ sở
hạ tầng cũng ngày càng phát triển theo. Các cơng trình xây dựng khơng ngừng tăng
lên nhằm đáp ứng nhu cầu sinh sống, làm việc và vui chơi của con ngƣời. Trong đó
vật liệu ln là yếu tố chiếm tỷ trọng lớn trong các cơng trình xây dựng. Và bê tông
là loại vật liệu đá nhân tạo đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong ngành xây dựng hiện
đại. Hằng năm, thế giới sử dụng khoảng 2 tỷ m3 bê tơng các loại. Trong đó, bê tơng
chế tạo từ chất kết dính xi măng Portland chiếm số lƣợng lớn nhất. Nhƣ ta đã biết,
quá trình sản xuất xi măng này rất phức tạp, tốn nhiều năng lƣợng và cũng sinh ra
một lƣợng lớn khí CO2. Theo nghiên cứu, quá trình chế tạo một tấn xi măng
Portland sinh ra đồng thời gần một tấn khí CO2. Trong đó, 0.55 tấn khí đƣợc tạo ra
do phản ứng phân hủy đá vơi và 0.4 tấn khí từ q trình đốt cháy nhiên liệu. Việc
thải một lƣợng khí CO2 lớn nhƣ vậy vào mơi trƣờng góp phần gây ra hiệu ứng nhà
kính, kết quả là khí hậu bị biến đổi và trái đất nóng dần lên [1].
Với một tỷ tấn xi măng đƣợc sản xuất trên toàn thế giới, đồng nghĩa với việc
một tỷ tấn khí CO2 cũng đƣợc thải vào mơi trƣờng, chiếm 7% lƣợng khí thải CO2
của thế giới năm 1990 (theo Pearce, năm 1997). Sản lƣợng xi măng Portland sản
xuất hàng năm tăng nhanh ở các nƣớc đang phát triển điển hình là Ấn Độ, Trung
Quốc và có xu hƣớng không đổi tại các nƣớc phát triển nhƣ Mỹ và EU [1].

1


Hình 1. 1: Biểu đồ sản lượng xi măng trên thế giới qua các năm [1].
Việc sản xuất xi măng Portland trên thế giới không ngừng tăng lên dẫn đến
lƣợng khí CO2 thải vào mơi trƣờng ngày càng nhiều. Dẫn đến sự ảnh hƣởng đến
môi trƣờng ngày càng nghiêm trọng hơn. Vì nhu cầu xây dựng ngày càng tăng dẫn
đến quá trình sản xuất xi măng ngày càng lớn để đáp ứng nhu cầu sự dụng.

Hình 1. 2: Biểu đồ lượng khí thải CO2 của châu Âu [1].

Bên cạnh đó bụi sinh ra từ quá trình sản xuất xi măng Portland ảnh hƣởng
xấu đến sức khỏe ngƣời công nhân sản xuất cũng nhƣ ngƣời dân sống tại khu vực
gần đó. Tác nhân này có thể dẫn đến một số bệnh nguy hiểm nhƣ bụi phổi, viêm
nhiễm đƣờng hô hấp trên, bệnh do nhiễm kim loại nặng và thậm chí là ung thƣ phổi
[2,3] .
2


Năm 1972, nhà hóa học ngƣời Pháp Joseph Davidovits chế tạo thành cơng
chủng loại vật liệu theo một quy trình tổng hợp polymer từ các khống chất. Bằng
cách hịa trộn đất sét, vốn đƣợc cấu tạo chủ yếu từ oxit silic và oxit nhơm, vào dung
dịch kiềm silicate có nồng độ kiềm cao (hỗn hợp này có chất nền là oxit silic, dung
dịch natri hydroxit và kali hydroxit), Davidovits có đƣợc một hợp chất ở dạng gel.
Hợp chất này sẽ đông lại ở nhiệt độ thƣờng chỉ sau vài giờ và trở nên rất cứng. Ông
gọi loại vật liệu ấy là Geopolymer. Danh từ Geopolymer đƣợc sử dụng để chỉ loại
vật liệu có cấu trúc vơ định hình hoặc tinh thể đƣợc tổng hợp từ phản ứng của kiềm
aluminosilicate (vật liệu giàu silic và nhôm) với dung dịch kiềm (kiềm hydroxit,
kiềm silicate hoặc cả hai). Vật liệu nền aluminosilicate thƣờng đƣợc sử dụng có
nguồn gốc là phụ phẩm cơng nghiệp nhƣ tro bay, xỉ lị cao hoặc metakaolin. Trong
đó tro bay là loại nguyên liệu nền đƣợc sử dụng nhiều nhất để tổng hợp
Geopolymer [4].
Tro bay là phụ phẩm của ngành cơng nghiệp nhiệt điện. Khí thải từ lị đốt
trƣớc khi ra ngồi mơi trƣờng sẽ đi qua hệ thống lọc bụi, bụi đƣợc thu hồi chính là
tro bay. Hàng năm lƣợng tro bay đƣợc tạo ra ở Mỹ khoảng 68 triệu tấn. Trong đó
chỉ 32 % lƣợng tro bay đƣợc sử dụng, chủ yếu trong lĩnh vực xây dựng
(ACAA,2003). Tƣơng tự, năm 2000 sản lƣợng tro bay tại Úc là khoảng 12 triệu tấn
nhƣng chỉ khoảng 5.5 triệu tấn đƣợc sử dụng (Heidrich,2002). Lƣợng tro bay trên
toàn thế giới năm 1998 hơn 390 triệu tấn, phần lớn đƣợc tạo ra tại Trung Quốc và
Ấn Độ. Và lƣợng tro bay đƣợc sử dụng chỉ chiếm khoảng 14%, lƣợng còn lại trở
thành rác thải ảnh hƣởng đến môi trƣờng (Malhotra, 1999). Đến năm 2010, toàn thế

giới tạo ra khoảng 780 triệu tấn (Malhotra,1999). Nếu ta sử dụng đƣợc nguồn tro
bay lớn này vào lĩnh vực chế tạo vật liệu xây dựng thì sẽ đạt đƣợc lợi ích lớn về mơi
trƣờng, tiết kiệm đƣợc năng lƣợng, giảm lƣợng khí thải, chất thải tro bay và tiết
kiệm đƣợc nguồn nguyên liệu tự nhiên (ACAA,2003) [4].
Mặt khác, chế tạo chất kết dính Geopolymer từ tro bay giảm đƣợc lƣợng khí
thải CO2 rất nhiều lần so với xi măng Portland. Theo khảo sát, sản xuất 1 tấn chất
kết dính Geopolymer từ tro bay chỉ tạo ra 0.09 tấn khí CO2 (Davidovits), giảm đƣợc
90% lƣợng khí thải CO2 của xi măng Portland. Nhƣ vậy Geopolymer là loại vật liệu
3


mới, thân thiện với mơi trƣờng, có thể thay thế đƣợc xi măng Portland truyền thống.
Ngoài ra vật liệu Geopolymer cịn có nhiều ƣu điểm so với vật liệu từ xi măng
Portland truyền thống nhƣ đạt đƣợc cƣờng độ cao ở tuổi sớm, độ co ngót và từ biến
thấp, có khả năng bền trong môi trƣờng xâm thực nhƣ axit, sulfat và môi trƣờng
nhiệt độ cao [1].
1.1.2 Các sự cố xảy ra trong các cơng trình
Hiện nay các cơng trình xây dựng trong quá trình xây dựng hoặc sử dụng có
rất nhiều sự cố xảy ra đối với các cấu kiện của cơng trình nhƣ hiện tƣợng cong
vênh, nứt hay có thể phá hủy tồn bộ cấu kiện sàn hay dầm do trong quá trình sử
dụng.

Hình 1. 3: Vết nứt xiên thân dầm (Nguồn Internet).

4


Hình 1. 4: Vết nứt dọc dầm (Nguồn Internet).

Hình 1. 5: Vết nứt trong dầm (Nguồn Internet).


5


Hình 1. 6: Hình ảnh vết nứt trên sàn (Nguồn Internet).

Hình 1. 7: Hình ảnh vết nứt trên cột (Nguồn Internet).

6


Hình 1. 8: Dầm bị cong trong quá trình thi công (Nguồn Internet).
Các hƣ hỏng của những công trong xây dựng hiện hữu thƣờng đƣợc xử lí
bằng hai cách là đập bỏ hoặc gia cƣờng. Việc đập bỏ xây lại tốn nhiều kinh phí của
chủ đầu tƣ, đây chỉ là hƣớng giải quyết khi cơng trình khơng cịn khả năng sửa chữa
đƣợc nữa, vì vậy biện pháp gia cƣờng cơng trình đảm bảo điều kiện kinh tế hơn.
Đa số hầu hết các cơng trình tại Việt Nam hiện nay đang sử dụng xi măng
Portland đồng thời cùng với sự phát triển của các cơng trình xây dựng hiện tại việc
sử dụng xi măng Portland ngày càng nhiều nên để đáp ứng đƣợc nhu cầu trên cần
sản xuất một số lƣợng lớn xi măng. Vì thế vấn đề mơi trƣờng phải đƣợc chú trọng.
Việc phá triển và sử dụng vật liệu mới, vật liệu thân thiện với môi trƣờng đƣợc chú
trọng đến. Bê tơng Geopolymer là một loại vật liệu có thể đáp ứng đƣợc vấn đề trên.
Nó có thể thay thế một phần hoặc tồn bộ kết cấu cơng trình bằng các cấu kiện đúc
sẵn. Bên cạnh đó, trong quá trình sử dụng hay thi cơng cấu kiện có thể xảy ra những
sự cố khác nhau địi hỏi phải có biện pháp gia cƣờng cấu kiện để cơng trình khơng
bi các sự cố nhƣ cong vênh dầm, sàn hay bị nứt, phá hủy,làm mất khả năng làm việc
của cấu kiện. Vì vậy đề tài này nghiên cứu về sự làm việc và khả năng ứng xử của
dầm sử dụng vật liệu thân thiện với môi trƣờng bê tông Geopolymer đƣợc gia
cƣờng bằng tấm sợi cacbon CFRP trong cơng trình.
1.2 Tình hình nghiên cứu đề tài trong và ngồi nƣớc

Vật liệu Geopolymer đã đƣợc nghiên cứu từ rất sớm trên thế giới vào những
năm 70 của thế kỷ XX.Đối với nƣớc ta vật liệu Geopolymer chƣa đƣợc sử dụng
7


rộng rãi và phổ biến. Đã có rất nhiều nghiên cứu, bài báo khoa học trong và ngoài
nƣớc về loại vật liệu Geopolymer này. Một số bài báo và nghiên cứu khoa học nhƣ:
1.2.1 Những nghiên cứu trong nƣớc
- Đã có rất nhiều nghiên cứu về Geopolymer của những tác giả trƣớc đây nhƣ:
Tống-Tơn [5] trình bày những thành tựu nổi bật, các mốc thời gian phát triển
của chất kết dính hoạt hóa kiềm, q trình hình thành cấu trúc bê tơng Geopolymer,
các đặc tính và ứng dụng của bê tơng Geopolymer.
Vũ-Huyền và Nguyễn-Thị [6] trình bày quy trình chế tạo gạch không nung
bằng công nghệ Geopolymer sử dụng tro bày và phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà ở,
đồng thời nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất của loại vật liệu này trên
cơ sở Geopolymer hóa tro bay và bùn đỏ.
- Từ những nghiên cứu về vật liệu Geopolymer cho thấy Geopolymer có thể áp
dung để thực hiện các cấu kiện của cơng trình xây dựng đƣợc thể hiên qua các
nghiên cứu:
Dƣơng-Văn [7] trình bày ứng xử cấu kiện dầm bê tông Geopolymer gia
cƣờng cốt sợi sử dụng tro bay qua các chỉ tiêu về cƣờng độ chịu uốn, sự hình thành
vết nứt, chuyển vị và biến dạng của cấu kiện qua thí nghiệm nén uốn ba điểm.
Nguyễn-Chí [8] trình bày các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng chịu lực của
kết cấu bê tông cốt thép đƣợc gia cƣờng bằng tấm composite ứng dụng cho cơng
trình thủy lợi. Đề xuất cơ sở cho việc xây dựng qui trình và phƣơng pháp tính tốn
thiết kế gia cƣờng kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite.
- Các cơng trình xây dựng thƣờng xảy ra các sự cố nên cần phải thực hiện các
biện pháp gia cƣờng để đảm bảo sự làm việc của cấu kiện. Do đó tác giả Nguyễn
Minh Long và các cộng sự có rất nhiều nghiên cứu về gia cƣờng cấu kiện dầm bê
tông xi măng gia cƣờng nhƣ:

Ảnh hƣởng cƣờng độ bê tông đến hiệu quả gia cƣờng kháng cắt của tấm FRP
trong dầm bê tông cốt thép [9].
Ứng xử cắt của dầm cao có sẵn vết nứt đƣợc phục hồi bằng vật liệu CFRP:
Ảnh hƣởng của kích thƣớc tiết diện [10].

8


Hiệu quả gia cƣờng kháng uốn của tấm CFRP trong dầm chữ T ứng suất
trƣớc có và khơng có dải neo CFRP dạng dải U [11].
Dự đoán khả năng kháng uốn của dầm bê tông căng sau dùng cáp không bám
dính gia cƣờng bằng tấm CFRP [12].
1.2.2 Những nghiên cứu ngoài nƣớc
- Vật liệu Geopolymer đã đƣợc phát triển cách đây rất lâu và đƣợc thiể hiện qua
các nghiên cứu trong thời gian dài.
Thuật ngữ “Geopolymer” đƣợc giới thiệu bởi GS.TS Davidovits vào năm
1978 để mơ tả chất kết dính với thành phần hóa học tƣơng tự với zeolite nhƣng có
vi cấu trúc vơ định hình. Ơng đề xuất thuật ngữ “poly(sialate)” cho thiết kế hóa học
của Geopolymer dựa trên siloco-aluminate (Davidovits, 1988a, 1988b, 1991; van
Jaarsveld et. Al., 2002a); Sialate là từ viết tắt của silicon-oxo-aluminate. Từ những
tiền đề trên, Geopolymer đƣợc xem nhƣ là một loại vật liệu xanh và đƣợc ứng dụng
rộng rãi trong các ngành công nghệ và xây dựng. Bê tông Geopolymer đƣợc xem
nhƣ một loại vật liệu thể hiện các đặc tính cơ lý tốt có thể thay thế đƣợc bê tơng sử
dụng xi măng truyền thông [1].
Palomo, Grutzeck, and Blanco [13], nghiên cứu về ảnh hƣởng của nhiệt độ
dƣỡng hộ, thời gian dƣỡng hộ và tỉ lệ dung dịch alkaline/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. Việc kết hợp giữa Sodium hydroxide (NaOH) và
Sodium silicate (Na2SiO3) tạo nên cƣờng độ cao nhất đến 60MPa khi gia nhiệt ở
850oC kéo dài trong 5 giờ.

Jarsveld, Deventer và Lukey [14], nghiên cứu về Những đặc tính của
Geopolymer ảnh hƣởng bởi sự hịa tan khơng hồn tồn của những 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. Khi gia nhiệt ở 700 C trong 24 giờ,
cƣờng độ tăng đáng kể. Thời gian dƣỡng hộ càng dài, cƣờng độ của Geopolymer
càng tăng.

9


Norris et al. [15] Thực hiện biện pháp gia cƣờng các dầm bê tông ở các vùng
căng với tấm CFRP và phân tích và thử nghiệm các kết quả. Từ kết quả thí nghiệm
cho thấy rằng CFRP áp dụng theo chiều dọc để vết nứt tăng độ bền và độ cứng. Họ
đã báo cáo rằng, vì sự tích tụ sức căng, các vết nứt gãy đƣợc quan sát thấy.
Qua những kết quả trong nghiên cứu về Những yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng
độ bê tông Geopolymer sử dụng tro bay của Hardjito [16] thấy rằng thời gian dƣỡng
hộ dài sẽ phát triển q trình polymer hóa trong bê tơng, cƣờng độ chịu nén không
bị ảnh hƣởng bởi ngày tuổi của bê tông.
Patil [17], 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, Nuruddin [18] đã khẳng định rằng sự phát triển cƣờng độ chịu
nén của bê tông Geopolymer phụ thuộc vào điều kiện dƣỡng hộ. Điều kiện dƣỡng
hộ thích hợp đóng vai trị quan trọng trong việc tạo nên cấu trúc của Geopolymer.
Theo Hardjito và Rangan [19], khi nghiên cứu về Q 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 tông 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.
- Các nghiên cứu điển hình trên thế giới về vật liệu gia cƣờng CFRP
Maalej và Leong [20] nghiên cứu khả năng liên kết của CFRP và các khối
bê tơng và thảo luận nó về mặt kết quả phân tích. Bề mặt gắn kết của các mẫu khác
nhau đã đƣợc kiểm tra với các thí nghiệm thực tế và các mẫu hỏng đƣợc kiểm tra
với mơ hình các phần tử hữu hạn. Nói chung, họ báo cáo một mối tƣơng quan tốt
giữa các giải pháp tính tốn và kết quả thực nghiệm.
Ưnal [21] nghiên cứu khả năng làm việc của dầm bê tông thƣờng gia cƣờng
bằng hai loại tấm gia cƣờng là CFRP và GFRP bằng cách dán các miếng này vào

10


dầm sau đó thực hiện thí nghiệm uốn bốn điểm cac mẫu dầm đã đƣợc gia cố để
đânhs giá chuyển vị, sức chịu tải và khả năng làm việc của mẫu.
 Nhận xét về các đề tài
Các bài báo, đề tài nghiên cứu trên trình bày rất chi tiết về vật liệu Geopolymer,
về lịch sử ra đời, công thức tạo mẫu, lý thuyết thí nghiệm, nhƣng chƣa có đề tài nào
nói rõ về việc sử dụng vật liệu Geopolymer trong cấu kiện dầm và gia cƣờng dầm
Geopolymer bằng tấm sợi cacbon CFRP.
1.3 Mục tiêu nghiên cứu
- Khả năng chịu lực của dầm Geopolymer gia cƣờng tấm CFRP bằng thực
nghiệm qua thí nghiệm nén uốn ba điểm.
- Gia cƣờng dầm Geopolymer bằng tấm cacbon CFRP, xét đến khả năng làm
việc giữa hai loại vật liệu và khả năng chịu lực của chúng.
- So sánh kết quả khi gia cƣờng tấm CFRP trên cấu kiệm dầm Geopolymer với
nghiên cứu trƣớc đây về dầm Geopolymer không gia cƣờng.
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu về sự ứng xử chịu uốn khi làm việc chung của dầm Geopolymer

và CFRP dựa trên các cơ sở lý thuyết, các tiêu chuẩn, cơ sở tính tốn từ đó thực
hiện đúc mẫu thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm mẫu đƣa ra số liệu và so sánh kết
quả thực nghiệm với kết quả đã đƣợc nghiên cứu trƣớc đây.

11


Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Bê tông Geopolymer
2.1.1 Khái niệm
Khái niệm “Geopolymer” đƣợc đƣa ra vào những năm 1970 bởi nhà khoa
học Pháp giáo sƣ Joseph Davidovits. Đây là một loại vật liệu rắn tổng hợp đƣợc nhờ
phản ứng hóa học giữa aluminosilicate dạng bột với dung dịch Alkali. Vật liệu
aluminosilicate đƣợc sử dụng là những nguyên liệu có chứa các oxit của silic,
nhơm,…Do đó aluminosilicate có thể là đất sét cao lanh, đá phún xuất có nguồn gốc
núi lửa hay các phụ phẩm cơng nghiệp nhƣ xỉ lị cao, tro bay,…Bài khảo sát này
chủ yếu sử dụng tro bay làm nguyên liệu cung cấp SiO2 và Al2O3. Bên cạnh đó
dunh dịch kiềm sử dụng là hỗn hợp của dung dịch kiềm hydroxit và thủy tinh lỏng.
Vì lý do phản ứng hóa học giữa chúng là q trình polymer hóa nên giáo sƣ
Davidovits sử dụng danh từ Geopolymer để chỉ loại vật liệu này.
2.1.2 Cấu trúc của Geopolymer
Geopolymer thuộc lớp vật liệu polymer vơ cơ. Thành phần hóa học của
Geopolymer giống nhƣ vật liệu Zeolite trong tự nhiên nhƣng có cấu trúc vơ định
hình thay vì cấu trúc tinh thể nhƣ Zeolite. Cũng giống nhƣ những vật liệu
aluminosilicate trong tự nhiên, cấu trúc Geopolymer lẫn Zeolite đều có đơn vị cấu
trúc là những đa diện phối trí [SiO4]4-, ion Al3+ có thể thay thế một phần Si4+ trong
các đa diện phối trí này và các ion kiềm (Na+, K+,…) nằm trong các lỗ rỗng nhằm
cân bằng điện tích.


Hình 2. 1: Cấu trúc của Geopolymer [22].
12


2.1.3 Q trình Geopolymer hóa
Theo Van Jaarsveld (1997); Davidovits (1999) [4], sự tạo thành Geopolymer
có thể đƣợc diễn tả bằng hai phản ứng hóa học sau:

Phƣơng trình phản ứng trên chứng tỏ nƣớc đƣợc sinh ra trong suốt quá trình
hình thành Geopolymer. Lƣợng nƣớc này bị đẩy ra khỏi cấu trúc Geopolymer trong
cả q trình đổ khn cũng nhƣ dƣỡng hộ nhiệt sau đó. Khi đó, chúng để lại những
lổ rỗng không liên tục trong cấu trúc, tạo điều kiện cho Geopolymer đƣợc hình
thành. Lƣợng nƣớc trong hỗn hợp Geopolymer khơng có vai trị gì trong phản ứng
hóa học nhƣng nó tạo nên tính cơng tác cho hỗn hợp khi nhào trộn. Điều đó ngƣợc
với nƣớc trong hỗn hợp xi măng Portland cần thiết cho q trình hydrat hóa.
Theo Davidovits năm 1999; Xu và van Deventer năm 2000, qúa trình phản
ứng trên bao gồm ba giai đoạn:
+ Tách thành phần Si và Al ra khỏi nguyên liệu ban đầu (tro bay,…) nhờ tác
động của ion OH-.
+ Những phần tử trên di chuyển, định hƣớng và kết hợp thành những
monomer.
+ Những monomer này tham gia phản ứng trùng ngƣng tạo thành sản phẩm
có cấu trúc polymer.

13


Hình 2. 2: Q trình Geopolymer hóa [4].
Kết quả của q trình tích tụ sản phẩm phản ứng là tạo thành lớp sản phẩm

bao bọc một phần những hạt cầu tro bay. Lớp sản phẩm này ngăn cản phần tro bay
bên trong tiếp xúc với dung dịch alkali. Các phản ứng kế tiếp tạo thành sản phẩm
kết nối lớp sản phẩm trên, xảy ra đồng thời với tác động của môi trƣờng pH qua lớp
sản phẩm của tro bay đã phản ứng. Phần tro bay nằm nên dƣới lớp sản phẩm trên có
thể khơng bị tác động bởi mơi trƣờng pH cao, điều này liên quan phụ thuộc vào chất
hoạt hóa đƣợc sử dụng. Trong trƣờng hợp này, chất hoạt hóa giữ vai trị chủ đạo
trong q trình khuếch tán hóa lý. Các mức độ phản ứng ở nhiều thời điểm khác
nhau tạo ra sản phẩm có độ thấm khác nhau.
Q trình đƣợc mơ tả trên khơng thay đổi trong toàn bộ gel tạo thành nhƣng
sẽ khác biệt tại điểm này so với điểm khác trong cấu trúc, phụ thuộc vào kích thƣớc
14


phần tử phản ứng và hoạt động hóa học. Nói chung, nó là một hệ thống bao gồm:
các phần tử chƣa phản ứng, phần tử đã bị tấn công bởi dung dịch alkali nhƣng vẫn
giữ nguyên hình dạng cầu và sản phẩm của q trình phản ứng.
Sự có mặt của thủy tinh lỏng trong dung dịch hoạt hóa giữ vai trò quan trọng
trong sự phát triển của cấu trúc vi mô giống nhƣ cấu trúc của xi măng. Cấu trúc này
khơng thay đổi, khơng hình dạng và ít cấu trúc rộng. Cấu trúc này chị bị gián đoạn
khi có mặt của những phần tử tro bay không phản ứng và hạt tro. Thành phần Na và
Si trong cấu trúc này thƣờng nhiều hơn khi chỉ đƣợc hoạt hóa bởi NaOH. Tuy
nhiên, cấu trúc vi mơ tạo ra khi có mặt của thủy tinh lỏng thƣờng tƣơng tự cấu trúc
đƣợc hoạt hóa bởi dung dịch kiềm và dƣỡng hộ nhiệt trong thời gian lâu hơn.
2.1.4 Tro bay
Tro bay là phụ phẩm của các nhà máy nhiệt điện. Khoảng 40 đến 50% nhà máy
nhiệt điện trên toàn thế giới sử dùng than làm chất đốt cung cấp hơi nóng làm quay
turbin phát điện. Lị hơi là nơi xảy ra q trình cháy tạo tro của than đã đƣợc
nghiền.
Lọ
c

bụi
điệ
n

Lọc bụi điện

Lị hơi

Khí và Tro bay

Ống khói

Tro bay

Tro đáy
Tro
đáy

Hình 2. 3: Q trình thu hồi tro bay [1].
Tro bay với đặc tính về thành phần khống, kích thƣớc hạt mịn và cấu trúc vơ
định hình, là một chất pozzolan. Tro bay là sản phẩm khác nhau giữa các nhà máy
nhiệt điện. Điều đó phụ thuộc vào thành phần khoáng vật của than, mức độ nghiền
15


của than, loại lò hơi sử dụng, điều kiện oxi hóa trong lị và phƣơng thức tro bay
đƣợc thu hồi, lƣu trữ, vận chuyển. Bên cạnh đó tro bay đƣợc sinh ra từ cùng một
nhà máy nhiệt điện cũng khác nhau.
Một trong những ứng dụng quan trọng của tro bay là trong lĩnh vực xây dựng.
Ngƣời ta dùng tro bay làm phụ gia thủy cho bê tông và thay thế một phần xi măng.

Trong trƣờng hợp này, oxit silic (SiO2) trong tro bay sẽ phản ứng với canxi
hydroxit, sản phẩm của q trình thủy hóa xi măng tạo thành hydro silicat canxi (CS-H). Đây là một khống rất có lợi vì tăng độ bền của bê tơng. Mặt khác đặc tính
dạng cầu của hạt tro bay đóng vai trị cải thiện tính cơng tác cho hỗn hợp bê tơng
tƣơi, từ đó tăng độ đặc chắc và độ bền cho bê tơng.
2.1.5 Dung dịch hoạt hóa
Dung dịch hoạt hóa gồm hai thành phần: dung dịch NaOH và thủy tinh lỏng pha
trộn với tỉ lệ thích hợp. Tùy thuộc vào cấp phối bê tơng Geopolymer thiết kế ta có
nồng độ của dung dịch NaOH có sự thay đổi. Q trình ninh kết của bê tơng
Geopolymer phụ thuộc vào tính chất hoạt hóa của dung dịch. Nó cịn ảnh hƣởng đến
cƣờng độ chịu nén của bê tông Geopolymer. Theo một số nghiên cứu thì ta chọn tỉ
lệ theo khối lƣợng của thủy tinh lỏng trên dung dịch NaOH nằm trong khoảng từ 2
đến 3.
2.2 Vật liệu gia cƣờng
2.2.1 Các loại vật liệu gia cƣờng
Hiện tại có rất nhiều loại vật liệu khác nhau để gia cƣờng các cấu kiên của cơng
trình nhƣ sau:
FRP (Fiber Reinforced Polymer) là loại vật liệu có tính năng cơ lý tốt nhƣ:
cƣờng độ cao, trọng lƣợng nhẹ, sức chống chịu sự tác động của môi trƣờng và thi
công đơn giản, nhanh chóng đƣợc áp dụng rộng rãi tại Việt Nam trong lĩnh vực cải
tạo, nâng cấp tải trọng cơng trình.
GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic) là loại vật liệu có cƣờng độ cao, trọng
lƣợng nhẹ từ 2 đến 4 lbs, q trình thi cơng nhanh và chi phí vận chuyển thấp.

16