TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu là ảnh hưởng của sợi gia cường đến khả năng chịu uốn và
chống cắt của cọc rỗng bê tông Geopolymer. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh
hưởng của hàm lượng sợi gia cường ở 05 tỷ lệ từ 0%; 0,5%; 1,0%; 1,5%, 2% đến
khả năng chịu uốn và chống cắt của cọc rỗng bê tông Geopolymer. Nghiên cứu còn
được thực hiện cho cọc rỗng bê tơng xi măng có cấp độ bền tương đương làm cơ sở
đối chứng và so sánh.
Kết quả thí nghiệm cho thấy khả năng chịu uốn và chống cắt của cọc rỗng bê
tông geopolymer khá tương đồng với cọc rỗng bê tơng xi măng khi có cùng cấp độ
bền (cấu kiện không gia cường sợi).
Khi gia cường sợi PP từ 0 đến 2%, cả mô men uốn nứt và mô men uốn gãy của
cọc rỗng GPC đều tăng đáng kể và chưa có dấu hiệu đạt giá trị tối ưu.
Khả năng chống cắt của cọc rỗng GPC cũng được cải thiện rõ rệt khi được gia
cường sợi PP.
Kết quả nghiên cứu này mở ra triển vọng trong viêc ứng dụng vật liệu “xanh”
Geopolymer trong việc sản xuất cấu kiện thân thiện mơi trường rất hữu ích ứng
dụng rộng rải trong các cơng trình xây dựng hiện nay.

v


ABSTRACT
This research topic concentrates on the impact of reinforce
polypropylene fiber on bending and shearing strength of hollow core
geopolymer concrete pile. The experiments focus on the impact of reinforced
fiber on bending and shearing strength of concrete pile at 5 portions from 0%;
0,5%; 1,0%; 1,5% and 2% of the concrete mix. The experiments also applied
for hollow core cement concrete pile for comparison and analysing purposes.
The experiments show the bending and shearing strength of geopolymer
concrete (without fiber reinforced) are very similar to hollow cement concrete
pile when having the same tensile mark.

When reinforced with Polypropylene fiber at 0% to 2% portion, both
bending-cracking and bending-breaking moment of Geopolymer concrete pile
increased remarkably and yet to reach maximum value.
Shearing resistance of Geopolymer concrete pile also increase once
reinforced with PP fiber.
This experiment provides the potential of applying green materials
(geopolymer) in manufacturing environment friendly component to
construction industry in the current time and near future.

vi


MỤC LỤC
Chương 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................1
1.1

Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ..............................................................1

1.1.1

Vấn đề môi trường ...................................................................................1

1.1.2

Vật liệu thân thiện với mơi trường ..........................................................3

1.2

Tổng quan tình hình nghiên cứu ....................................................................5


1.2.1

Nghiên cứu trên thế giới ..........................................................................6

1.2.2

Nghiên cứu trong nước ............................................................................7

1.2.3

Cấu kiện áp dụng công nghệ Geopolymer ..............................................7

1.3

Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................9

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................10
2.1

Vật liệu bê tông Geopolymer ......................................................................10

2.1.1

Q trình Geopolymer hóa ....................................................................10

2.1.2

Cơ chế hóa học của công nghệ Geopolymer sử dụng tro bay ...............11

2.1.3


Ảnh hưởng của cấu trúc Geopolymer đến cường độ bê tông ................12

2.1.4

Những ưu khuyết điểm của vật liệu Geopolymer .................................13

2.1.5

Thành phần bê tông geopolymer ...........................................................15

2.2

Cọc rỗng bê tông ứng suất trước .................................................................17

2.2.1

Khái niệm ..............................................................................................17

2.2.2

Ưu khuyết điểm .....................................................................................18

2.2.3

Phạm vi ứng dụng ..................................................................................19

2.2.4

Tính tốn thiết kế cọc rỗng OPC và GPC .............................................19


2.3

Thí nghiệm khả năng chịu uốn của cọc rỗng ...............................................19

2.3.1

Cường độ chịu uốn của cọc rỗng ...........................................................19

2.3.2

Tính mơ men kháng nứt của cọc rỗng ...................................................21

vii


2.3.3

Tính mơ men kháng gãy của cọc rỗng ..................................................22

Chương 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ................23
3.1

Nguyên vật liệu ............................................................................................23

3.1.1

Tro bay...................................................................................................23

3.1.2


Sợi micro poly-propylene ......................................................................24

3.1.3

Dung dịch hoạt hóa ................................................................................24

3.1.4

Nước pha dung dịch NaOH ...................................................................24

3.1.5

Dung dịch Sodium Silicate (Na2SiO3) ...................................................25

3.1.6

Cốt liệu Cát vàng ...................................................................................26

3.1.7

Cốt liệu Đá .............................................................................................26

3.2

Thiết kế thành phần cấp phối bê tông GPC .................................................27

3.2.1

Xác định cấp phối ..................................................................................27


3.2.2

Đúc mẫu xác định cường độ nén ...........................................................28

3.2.3

Dường hộ nhiệt ẩm ................................................................................29

3.3

Thiết kế thành phần cấp phối bê tông OPC B45 (M600) ............................30

3.3.1

Xác định cấp phối ..................................................................................30

3.3.2

Đúc mẫu xác định cường độ nén ...........................................................32

3.3.3

Dưỡng hộ nhiệt ẩm ................................................................................32

3.4

Kích thước cọc .............................................................................................32

3.5


Quy trình sản xuất thí nghiệm cấu kiện cọc rỗng bê tơng GPC ..................33

3.6

Thí nghiệm cọc ............................................................................................40

3.6.1

Xác định độ bền uốn nứt thân cọc rỗng.................................................40

3.6.2

Xác định độ bền uốn gãy thân cọc rỗng ................................................41

3.6.3

Xác định độ bền cắt thân cọc rỗng ........................................................41

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................43
4.1

Cường độ chịu nén của mẫu bê tông OPC và GPC .....................................43

4.2

Khả năng chịu tải của cọc theo lý thuyết .....................................................44

4.2.1


Bê tông...................................................................................................44

4.2.2

Thép .......................................................................................................44

viii


4.2.3

Mô men bền uốn của cọc rỗng ..............................................................44

4.2.4

Mô men kháng nứt của cọc rỗng ...........................................................46

4.2.5

Mô men kháng gãy của cọc rỗng...........................................................46

4.3

Kết quả thí nghiệm ......................................................................................46

4.4

Ảnh hưởng của hàm lượng sợi Popy propylene gia cường đến khả năng bền

uốn, bền cắt thân cọc .............................................................................................48

4.4.1. Khả năng bền nứt thân cọc ....................................................................48
4.4.2. Khả năng bền gãy thân cọc....................................................................50
4.4.3. Khả năng bền cắt thân cọc .....................................................................51
4.4.4. Quan hệ giữa lực cắt cọc và độ võng từ thực nghiệm ...........................53
4.4.5. Quan hệ lực gây nứt uốn và độ võng từ thực nghiệm ...........................53
4.4.6. Quan hệ giữa mô men uốn nứt Mtncrc và mô men uốn gãy Mtnbr ...........55
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................56
5.1. Kết luận........................................................................................................56
5.2. Hướng phát triển đề tài...................................................................................56

ix


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Tro bay từ nhà máy cơng nghiệp nhiệt điện. ...............................................1
Hình 1.2: Q trình gây ơ nhiễm của khí thải CO2 [1] ..............................................2
Hình 1.3: Ơ nhiễm môi trường ảnh hưởng đến sức khỏe con người [3] ....................3
Hình 1.4: Ơ nhiễm mơi trường ảnh hưởng đến hệ sinh thái [4] .................................3
Hình 1.5: Cấu kiện bê tơng Geopolymer đúc sẵn. .....................................................8
Hình 2.1: Cấu trúc Poly (Sialates) [13]. ...................................................................10
Hình 2.2: Hình ảnh SEM [14] ..................................................................................11
Hình 2.3: Cấu trúc hình thành các monomer của Geopolymer [15]. .......................12
Hình 2.4: Hình dáng cọc rỗng PC, PHC. .................................................................18
Hình 3.1: Tro bay .....................................................................................................23
Hình 3.2: Natri hydroxit dạng vảy nến. ....................................................................25
Hình 3.3: Dung dịch thủy tinh lỏng. ........................................................................25
Hình 3.4: Cát vàng. ..................................................................................................26
Hình 3.5: Đá 1x2. .....................................................................................................27
Hình 3.6: Nhào trộn và đúc mẫu trụ Bê tơng geopolymer điển hình. ......................28
Hình 3.7: Dưỡng hộ nhiệt ẩm bê tơng geopolymer..................................................29

Hình 3.8: Cấu tạo và kích thước cọc. .......................................................................33
Hình 3.9: Khn cọc và pha trộn dung dịch. ...........................................................34
Hình 3.10: Trộn cốt liệu thơ. ....................................................................................34
Hình 3.11: Sợi poly propylene .................................................................................35
Hình 3.12: Cọc rỗng Geopolymer đổ xong và tháo khn. .....................................35
Hình 3.13: Cọc được tập kết và đưa vào dàn thí nghiệm. ........................................37
Hình 3.14: Xác định bề rộng vết nứt và hiển thị kết quả. ........................................38
Hình 3.15: Phá hoại uốn ...........................................................................................38
Hình 3.16: Qui trình sản xuất và thí nghiệm ............................................................39
Hình 3.17: Sơ đồ thí nghiệm độ bền uốn nứt thân cọc............................................40
Hình 3.18: Sơ đồ thí nghiệm độ bền cắt cọc. ..........................................................42

x


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Thành phần chính của tro bay theo ASTM C618-94a [17].......................16
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của tro bay. .............................................................23
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của sợi poly – propylene. ...........................................24
Bảng 3.3: Thành phần hạt của cát. ............................................................................26
Bảng 3.4: Thành phần hạt của đá (trong 100 kg). ....................................................27
Bảng 3.5: Thành phần cấp phối bê tông geopolymer (1m3). ....................................28
Bảng 3.6: Thành phần cho 1m3 bê tông Mác 600 có sử dụng phụ gia. ....................32
Bảng 3.7: Hàm lượng sợi polypropylene trong cọc GPC.........................................36

xi


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

1.1.1 Vấn đề môi trường
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm môi trường trong
khơng khí khơng cịn trở thành vấn đề riêng lẻ của một quốc gia hay khu vực mà
còn trở thành vấn đề toàn cầu. Thực trạng phát triển kinh tế - xã hội của các quốc
gia trên thế giới nói chung, Việt Nam nói riêng trong thời gian qua đã có những tác
động lớn đến mơi trường, đã làm cho môi trường sống con người bị thay đổi ngày
càng trở nên tồi tệ hơn.
Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của ngành cơng nghiệp hóa thì mơi
trường khơng khí cũng ngày càng ơ nhiễm hơn. Một trong những ngành có đóng
góp khơng nhỏ cho sự ơ nhiễm khơng khí là ngành sản xuất xi măng. Nguồn gây ơ
nhiễm khơng khí chủ yếu của nhà máy xi măng là do khói của lị hơi, các buồng đốt
phụ, bụi trong quá trình nghiền đập, vận chuyển nguyên liệu, nhiên liệu, xi măng và
các chất khí độc hại, bụi từ quá trình nung và nghiền clinke.

Hình 1.1 Tro bay từ nhà máy cơng nghiệp nhiệt điện.
Ngồi ra, cùng với q trình nung trong lị tạo clinke cho việc sản xuất cement
thì cũng làm lãng phí rất nhiều nhiệt năng. Từ đó lại dẫn đến sự tổn hao cho các

1


nguồn tài nguyên khác như than đá, dầu, điện, …Chưa kể, ở các nhà máy của ngành
công nghiệp nhiệt điện cũng thải ra một trữ lượng tro bay vô cùng lớn, chưa thể xử
lý và gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng sức khỏe con người nghiêm trọng vì khí
thải CO2 cũng như bụi công nghiệp.
Để sản xuất ra một tấn cement sẽ có 770 kg khí CO2 bị thải vào khơng khí
sau những cơng đoạn nung ngun liệu. Năng lượng để sản xuất cement chỉ đứng
thứ ba sau sản xuất thép và nhơm .

Hình 1.2: Q trình gây ơ nhiễm của khí thải CO2 [1]

Sản lượng cement Portland được tiêu thụ trên toàn thế giới hiện tại đã vượt qua
ngưỡng 2,6 tỷ tấn một năm và hàng năm tăng trung bình 5%. Số liệu điều tra cho
thấy lượng khí thải CO2 từ công nghiệp sản xuất cement xấp xỉ 1,35 tấn/năm, chiếm
khoảng 7% lượng CO2 trên toàn thế giới. Với sự tăng trưởng về lượng khí thải CO2
này đã góp phần gây hiệu ứng nhà kính, làm cho trái đất nóng lên, thay đổi khí hậu
tồn cầu và thực trạng này đã trở thành một trong những vấn đề được cả nhân loại
quan tâm [2].
Qua các thực trạng trên cho thấy ô nhiễm môi trường gây ra những tác hại lớn
về con người.

2


Hình 1.3: Ơ nhiễm mơi trường ảnh hưởng đến sức khỏe con người [3]
Khí CO2 sinh ra từ các nhà máy và các phương tiện qua lại còn làm tăng hiệu
ứng nhà kính, làm Trái Đất ngày một nóng dần lên, các khu sinh thái đang sẵn có sẽ
dần bị phá hủy …

Hình 1.4: Ơ nhiễm mơi trường ảnh hưởng đến hệ sinh thái [4]
1.1.2 Vật liệu thân thiện với môi trường
Trước thực trạng diễn biến ngày càng nghiêm trọng về vấn đề môi trường, tất
cả các ngành nghề đang đẩy mạnh phát triển theo hướng vừa có lợi cho con người

3


và vừa bảo vệ được môi trường thiên nhiên. Ngành Xây dựng đã và đang góp phần
vào xu hướng phát triển bền vững ấy, các sản phẩm hay vật liệu xây dựng thân thiện
với môi trường được ứng dụng ngày càng nhiều. Những sản phẩm như kính tiết
kiệm năng lượng, gạch block khơng nung, ngói đúc ép, tơn lợp sinh thái, gạch ốp tái

chế, xốp cách nhiệt tái chế,… đang được áp dụng rộng rãi. Chưa dừng lại ở đó,
nguồn vật liệu xây dựng đầu vào như cát và đá cũng đang được thay thế bằng xỉ
thép hay các nguồn nguyên liệu khác. Đặc biệt, công nghệ chế tạo bê tông
Geopolymer (GPC) thay thế cho bê tông truyền thống cũng đang được các nước
trên thế giới nghiên cứu và áp dụng rộng rãi nhằm mục đích thay thế việc sử dụng
cement và tiêu thụ nguồn tro bay của ngành công nghiệp nhiệt điện. Sản phẩm của
cơng 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.
Việc sử dụng bê tông geopolymer trên cơ cở chất kết dính tro bay kiềm hoạt
hóa có khả năng góp phần giảm hiện tượng nóng dần của trái đất. Bê tơng
geopolymer có khả năng gây hiệu ứng nhà kính giảm 26 – 45% so với bê tơng xi
măng thơng thường.
Geopolymer hồn tồn có thể sử dụng trong xây dựng hỗ trợ và thay thế cho
xi măng thông thường đang gây ra ô nhiễm môi trường trong quá trình sản xuất và
nguồn nguyên liệu đang hao hụt dần (đá vơi, đất sét). Ngồi ra, Geopolymer tỏ ra có
ưu thế hơn trong các mơi trường nhiệt độ cao hay xâm thực mạnh.
Bên cạnh đó, chất kết dính geopolymer cũng tận dụng các phế thải của quá
trình sản xuất công nghiệp như tro bay của nhà máy nhiệt điện, xỉ lò cao của nhà
máy luyện gang, thép,... Cho nên việc sử dụng bê tông geopolymer trong công
nghiệp xây dựng cịn có thể mang lại nhiều lợi ích khác như: giảm nguy cơ chất thải
cơng nghiệp và diện tích bãi chứa chất thải, cải thiện chất lượng ở tuổi dài ngày của
bê tơng (co ngót khơ 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 tơng
geopolymer,...

4


Về mặt kinh tế, giá thành của 1 tấn tro bay/xỉ chỉ bằng một phần nhỏ so với
giá của 1 tấn xi măng. Vì vậy sau khi tính cả giá của dung dịch kiềm kích hoạt thì

giá của bê tơng geopolymer tro bay sẽ thấp hơn khoảng 10 – 30% so với giá của bê
tông xi măng.
Ngoại trừ các ưu điểm, bê tơng geopolymer vẫn được cho là khó có thể phổ
biến trên thị trường hiện nay. Lý do chính cho điều này là phần lớn các nhà máy xi
măng còn lo ngại về nguy cơ sụt giảm lợi nhuận khi đầu tư.
Trên quan điểm công nghiệp xây dựng, xi măng xanh mới chỉ được đề cập
đến như một khái niệm chứ chưa được chứng minh bằng thực tiễn công nghệ. Vẫn
cịn có sự tranh cãi về khả năng giảm thiểu khí CO2 và tính kinh tế khi xem xét đến
giá thành và sự tồn tại của chất hoạt hóa kiềm trong bê tơng geopolymer. Rõ ràng là
có sự nguy hiểm nhất định khi sử dụng dung dịch kiềm mạnh và dung dịch kiềm
mạnh cũng địi hỏi q trình sản xuất bê tông phức tạp hơn, điều này dẫn đến gia
tăng tiêu thụ năng lượng cũng như phát sinh hiệu ứng nhà kính. Trên thực tế, cịn có
ít nghiên cứu về các tính chất vật lý của bê tơng geopolymer, mặc dù điều này khá
phức tạp và cần thiết thực hơn bê tơng thường. Ví dụ như: q trình phản ứng
polymer hóa chịu ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ và thường đòi hỏi phải bảo
dưỡng ở nhiệt độ cao cùng với sự kiểm soát nghiêm ngặt chế độ nhiệt. Khả năng
phát thải các chất kiềm kích hoạt vào mơi trường nước và khơng khí khi sử dụng
sản phẩm bê tơng geopolymer.
1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu
Geopolymer là từ được sử dụng để chỉ các loại vật liệu vô cơ tổng hợp từ vật
liệu có nguồn gốc aluminosilicate. Khái niệm Geopolymer lần đầu tiên được sử
dụng bởi giáo sư Joseph Davidovits từ những năm 1970. Nguyên lý chế tạo vật liệu
Geopolymer dựa trên khả năng phản ứng của các vật liệu aluminosilicate trong môi
trường kiềm để tạo ra sản phẩm có các tính chất và cường độ tốt hơn. Hệ nguyên
liệu để chế tạo vật liệu Geopolymer bao gồm hai thành phần chính là các nguyên
liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm. Nguyên liệu aluminosilicate nhằm cung cấp
nguồn Si và Al cho q trình Geopolymer hóa xảy ra (thường dùng là tro bay,

5



metacaolanh, silicafume…). Chất hoạt hóa kiềm được sử dụng phổ biến nhất là các
dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng Natri Silicat nhằm tạo môi trường kiềm và
tham gia vào các phản ứng Geopolymer hóa.
Vật liệu Geopolymer được nghiên cứu với mục tiêu tạo ra quá trình sản xuất
thân thiện với môi trường, giảm phát thải CO2, tận dụng các chất thải công nghiệp
như tro xỉ, bùn đỏ… thành các sản phẩm có tính năng sử dụng cao. Trên thế giới,
các ứng dụng của vật liệu Geopolymer đã được sử dụng trong sản xuất xi măng đặc
biệt như xi măng đóng rắn nhanh, xi măng bền axit, sản xuất gạch và gốm không
nung, ứng dụng trong vật liệu công nghệ cao như vật liệu composite chống cháy, xử
lý phế thải độc hại và chất thải phóng xạ, ứng dụng trong vật liệu composite chịu
nhiệt, ứng dụng trong khảo cổ học và mỹ thuật.
1.2.1 Nghiên cứu trên thế giới
Joseph Davidovits [5] 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 200oC và có thể đạt từ 70 – 100 MPa sau khi bảo
dưỡng 28 ngày.
Palomo, Grutzeck và Blanco [6] khi nghiên cứu về ảnh hưởng của điều kiện
dưỡng hộ và tỷ lệ dung dịch alkali/tro bay đến cường độ cho thấy cả thời gian và
nhiệt độ dưỡng hộ đều ảnh hưởng đến cường độ bê tông. Sự kết hợp giữa thủy tinh
lỏng và dung dịch NaOH tạo nên cường độ đến 60 MPa khi dưỡng hộ ở nhiệt độ
85oC với thời gian 5 giờ.
Mo Bing-hui, He Zhi, Cui Xue-min, He Yan và Gong Si-yu [7], nghiên cứu
về ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ, thời gian dưỡng hộ đến cường độ bê tơng
geopolymer, qua đó cho thấy cả thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ đều ảnh hưởng đến
cường độ bê tơng. Nhiệt độ thích hợp để q trình polymer hóa diễn ra với tốc độ
cao là trên 60oC, điều này làm bê tông sớm đạt cường độ.


6


1.2.2 Nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, những năm gần đây có khá nhiều đề tài khoa học nghiên cứu và
ứng dụng công nghệ này. Lần đầu tiên công nghệ Geopolymer được ứng dụng chủ
yếu là để tận dụng nguồn phế phẩm công nghiệp là tro bay của các nhà máy nhiệt
điện, tro bay được thiết kế trong thành phần của bê tông, được ứng dụng vào công
nghệ chế tạo các loại mặt đường cứng (đường ô tô, đường sân bay…). Ngồi ra,
cơng nghệ geopolymer cịn được sử dụng để ổn định, xử lý và tận dụng chất thải
boxite từ các quặng khai thác nhôm để chế tạo gạch không nung và đóng rắn nền
đường.
Tống Tơn Kiên, Phạm Thị Vinh Lanh và Lê Trung Thành [8] đã 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 tông geopolymer.
Phan Đức Hùng, Lê Anh Tuấn và Dương Văn Dũng [9] đã nghiên cứu đề tài
“Ảnh hưởng của sợi poly-propylene đến ứng xử chịu uốn của dầm bê tơng
geopolymer cốt thép sử dụng tro bay”. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng sợi poly –
propylen có chiều dài 19 mm và 25 mm được bổ sung với hàm lượng sợi 0,5% và
1,0% theo thể tích để đánh giá ảnh hưởng của sợi đến khả năng chịu uốn của cấu
kiện dầm bê tông geopolymer. Kết quả cho thấy với hàm lượng sợi 0,5% cải thiện
tốt cường độ chịu nén và uốn, chỉ cải thiện cường độ chịu uốn khi hàm lượng sợi
1,0%. Tuy nhiên, trong cấp phối bê tông nếu sử dụng tỷ lệ chiều dài – đường kính
sợi là 380 với hàm lượng là 0,5% thì khả năng chịu uốn tốt nhất khi làm việc trong
dầm.
1.2.3 Cấu kiện áp dụng công nghệ Geopolymer
Vật liệu Geopolymer đang được nghiên cứu áp dụng đa dạng trên nhiều sản
phẩm khác nhau như từ những loại vữa đến các sản phẩm gạch không nung, nền

đường, … Ngồi ra bê tơng Geopolymer cịn được ứng dụng cho các cấu kiện như
dầm, sàn và một số cấu kiện đúc sẵn khác.

7


Khả năng gắn kết với cốt thép của bê tông geopolymer đã được nghiên cứu
và so sánh là tương đương hoặc cao hơn bê tông xi măng thông thường. Do đó,
hồn tồn có thể sử dụng để chế tạo cấu kiện bê tơng cốt thép geopolymer nói
chung và cho cấu kiện dầm nói riêng [10].
Cơng ty Cổ phần Cơng nghệ Thương mại Huệ Quang (thuộc Viện nghiên
cứu hỗ trợ phát triển nông thôn) là một trong những đơn vị ứng dụng Cơng nghệ sản
xuất gạch khơng nung polymer hóa từ đất và các loại phế thải rắn sạch “Đất hóa
thạch.”.

Hình 1.5: Cấu kiện bê tơng Geopolymer đúc sẵn.
Trước đó, Balaguru, Kurtz, Rudolph (1997) [11] cho rằng hỗn hợp
Geopolymer được dùng để gia cố cho kết cấu bê tơng điển hình là lớp Geopolymer
bảo vệ các cơng trình giao thơng. Trong đó, hỗn hợp Geopolymer đã được ứng dụng
thành cơng trong việc gia cố các dầm bê tông chịu lực. Mặt khác so với vật liệu
polymer hữu cơ, vật liệu Geopolymer có các đặc tính tốt hơn như khả năng chịu lửa,
bền dưới ánh sáng tia cực tím và khơng chứa các thành phần độc hại.

8


1.3 Mục tiêu nghiên cứu
Qua tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước cho thấy mẫu bê tơng
geopolymer có tính chất tương đồng với bê tơng xi măng truyền thống. Một số
nghiên cứu ứng dụng vật liệu bê tông gepolymer vào cấu kiện dầm, sàn,… cho kết

quả khả quan. Dựa trên nền tảng các nghiên cứu trước luận văn trình bày nghiên
cứu ứng dụng vật liệu bê tơng geopolymer để sản xuất cọc rỗng trên cơ sở sử dụng
cơ sở vật chất, máy móc thiết bị của nhà máy bê tơng ly tâm; trong đó đáng chú ý là
quy trình gia cường sợi cho cấu kiện cọc – có sự khác biệt đáng kể so với gia cường
sợi cho các mẫu vật liệu geopolymer thường được tìm thấy trong các nghiên cứu
khác. Tác giả Phan Đức Hùng, Lê Anh Tuấn và Dưỡng Văn Dũng [12] cũng cho
thấy, sợi PP có thể làm tăng khả năng chịu uốn và chống cắt của mẫu bê tông GPC
và cấu kiện dầm GPC gia cường sợi này.
Do đó mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của sợi gia cường đến khả
năng chịu uốn và chống cắt của cọc rỗng bê tông geopolymer tương ứng với 05 tỷ
lệ: 0%, 0,5%, 1%, 1,5% và 2,0%.
Mục tiêu chính của đề tài là tìm ra mối quan hệ giữa hàm lượng sợi poly
propylene, từ 0% đến 2%, đến khả năng bền uốn và chống cắt của cọc rỗng bê tông
geopolymer (geopolymer concrete – GPC) cũng như của cọc rỗng bê tông xi măng
(ordinary portland cement concrete – OPC) làm cơ sở so sánh.

9


Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Vật liệu bê tông Geopolymer
2.1.1 Q trình Geopolymer hóa
Q trình tổng hợp để tạo thành vật liệu Geopolymer được gọi là q trình
Geopolymer hóa các nguyên vật liệu Aluminosilicate ban đầu nhờ vào các dung
dịch hoạt hóa kiềm. Q trình hoạt hóa kiềm cho các vật liệu Aluminosilicate là một
quá trình phức tạp và đến nay vẫn chưa được mô tả một cách rõ ràng
Về bản chất, q trình Geopolymer hóa là q trình kiềm hóa các loại vật
liệu giàu SiO2 và Al2O3. Từ đó, sản phẩm cuối cùng được tạo ra là một loại chất kết
dính có cấu trúc mạng vơ định hình Poly-Sialate với cơng thức hóa học như sau:

Mn[-(SiO2)z – AlO2]n.wH2O

(2.1)

Trong đó :
M : là các ion dương kiềm như K, Na
n : là mức độ trùng ngưng của phản ứng
z : hệ số có giá trị 1,2,3
Đặc biệt, vật liệu Geopolymer khác với vật liệu polymer thông thường ở cấu
trúc mạng khơng gian vơ định hình.

Hình 2.1: Cấu trúc Poly (Sialates) [13].

10


Cơ chế động học giải thích q trình đơng kết và rắn chắc của chất kết dính
kiềm hoạt hóa bao gồm các phản ứng phân hủy nguyên liệu dạng cấu trúc ổn định
thấp và phản ứng nội tại. Trước tiên là q trình bẻ gãy các liên kết cộng hóa trị SiO-Si và Al-O-Si khi nồng độ pH của dung dịch kiềm tăng lên. Vì thế những nhóm
ngun tố này chuyển sang hệ keo, sau đó xảy ra sự tích tụ các sản phẩm bị phá hủy
với phản ứng nội tại giữa chúng, tạo ra một cấu trúc ổn định và cuối cùng là q
trình hình thành cấu trúc đơng đặc.
2.1.2 Cơ chế hóa học của cơng nghệ Geopolymer sử dụng tro bay
Trong công nghệ geopolymer sử dụng tro bay thì tốc độ phản ứng cũng như
các vi cấu trúc và thành phần hóa học của các sản phẩm phản ứng phụ thuộc vào
nhiều yếu tố. Điển hình như sự phân bố kích thước hạt và thành phần khống của
tro bay, dung dịch kích hoạt và thời gian hằng nhiệt, v.v…

Hình (a)


Hình (b)

Hình (c)

Hình 2.2: Hình ảnh SEM [14]
(a) tro bay ban đầu
(b) tro bay được kích hoạt với NaOH
(c) tro bay được kích hoạt với Na2SiO3
Hình ảnh vi cấu trúc của tro bay được thể hiện rõ ràng qua phương pháp
SEM (Scanning Electron Microscope). Hình (a) thể hiện hình thái đặc trưng ban
đầu của tro bay trước phản ứng, là những tinh thể hình cầu có kích thước khác nhau,
cấu trúc thường rỗng và có thể chứa những hạt nhỏ hơn trong nó. Hình (b) và hình

11


(c) là những thay đổi trong vi cấu trúc của tro bay dưới tác dụng của dung dịch kiềm
và thời gian hằng nhiệt, ta thấy kết quả của phản ứng là một loại gel gốc NatriSilicat mới hình thành qua q trình đóng rắn các hạt tro bay và dung dịch kiềm.
Tuy nhiên phản ứng khơng xảy ra hồn tồn nhanh chóng, vẫn cịn một số thành
phần tro bay phản ứng rất chậm.
2.1.3 Ảnh hưởng của cấu trúc Geopolymer đến cường độ bê tơng
Cấu trúc hóa học vơ định hình của geopolymer cơ bản được tạo thành từ
mạng lưới cấu trúc của những Alumino-Silico hay còn gọi là Poly-sialate. Sialate là
viết tắt của Silic - Oxy - Nhôm. Các cầu nối -Si-O-Al- tạo thành các bộ khung
không gian vững chắc bên trong cấu trúc. Khung Sialate bao gồm những tứ diện
SiO4 và AlO4 được nối xen kẹp với nhau bằng các nguyên tố Oxy. Những ion
dương (Na+, K+, Li+, Ca2+, Ba2+, NH4+, H3O+) phải hiện diện trong các hốc của
khung để cân bằng điện tích của Al3+ và hình thành monomer mới như hình bên
dưới:


Hình 2.3: Cấu trúc hình thành các monomer của Geopolymer [15].
Quá trình tổng hợp để tạo thành vật liệu geopolymer được gọi là q trình
geopolymer hóa các nguyên vật liệu aluminosilicate ban đầu nhờ vào các dung dịch
hoạt hóa kiềm. Q trình hoạt hóa kiềm cho các vật liệu aluminosilicate là một quá
trình phức tạp và đến nay vẫn chưa được mô tả một cách rõ ràng. Các bước phản
ứng không diễn ra tuần tự mà hầu như diễn ra cùng lúc và chồng lắp vào nhau. Do
đó, rất khó phân biệt cũng như khảo sát các bước phản ứng một cách riêng biệt.
Tuy nhiên, quá trình phản ứng hóa học tạo thành geopolymer có thể được
phân ra thành các bước chính sau:

12


- 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 thơng qua các phản ứng trùng ngưng polymer để tạo
thành các cấu trúc polymer vô cơ.
Qua đó, các cấu trúc Geopolymer ở các trạng thái poly siliate khác nhau sẽ
giúp cho bê tông phát triển cường độ khác nhau. Ở cấu trúc càng phức tạp khi được
dưỡng hộ nhiệt ở các điều kiện thích hợp sẽ giúp bê tông đạt cường độ càng tốt hơn.
Sự phát triển về cường độ GPC phụ thuộc vào hàm lượng dung dịch alkaline, điều
kiện thời gian dưỡng hộ, hàm lượng cốt liệu trong bê tông và các thành phần khác.
Trong đó có 3 yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc làm thay đổi cường độ bê
tông: tỉ lệ sodium silicate/sodium hydroxit, tỉ lệ dung dịch alkakine/tro bay và điều
kiện, thời gian dưỡng hộ.
Ảnh hưởng của của nhiệt độ dưỡng hộ đến sự phát triển cường độ của bê
tông geopolymer, các mẫu được dưỡng hộ ở các mức nhiệt 60, 90 và 120oC trong 4
giờ với thành phần cấp phối bê tông Đá (1060 kg/m3); Cát (650 kg/m3); Tro bay
(420 kg/m3); Hoạt hóa/tro bay (0,4). Kết quả cho thấy cường độ GPC có khuynh

hướng tăng theo nhiệt độ dưỡng hộ. Giá trị cường độ đạt khoảng 21,9 MPa ở 60oC
và tăng lên đến 35,8 MPa khi nhiệt độ đạt 120oC. Khi sử dụng nhiệt độ dưỡng hộ
cao thì tốc độ geopolymer hóa xảy ra càng nhanh, làm cho quá trình trùng ngưng
diễn ra tốt hơn, cường độ phát triển cao hơn. Với tỷ lệ giữa dung dịch alkaline-tro
bay là 0,4, các thành phần hoạt tính SiO2 và Al2O3 trong tro bay có khả năng phản
ứng hoạt hóa với dung dịch alkaline do đó yếu tố nhiệt độ được xem là một phần tác
nhân giúp phát triển cường độ của bê tông.
2.1.4 Những ưu khuyết điểm của vật liệu Geopolymer
 Ưu điểm
Công nghệ geopolymer hạn chế khoảng 80% lượng nhiệt bởi vì q trình sản
xuất khơng u cầu sử dụng nhiệt độ cao để nung giống như xi măng. Geopolymer
cũng bộc lộ những đặc tính chịu được lửa và nhiệt độ cao giống như xi măng. Vật

13


liệu này sử dụng rất ít các ngun liệu có nguồn gốc từ tự nhiên, yêu cầu rất ít năng
lượng, và có rất ít khí CO2 thải ra mơi trường. Tro bay được xem như một loại hợp
cất vô cơ là sản phẩm thải ra của quá trình đốt than đá trong các lò nhiệt. Tro bay
nếu phát tán ra mơi trường mà khơng có biện pháp thu xử lí thì sẽ rất gây ơ nhiểm
đến mơi trường. Geopolymer là một vật liệu nhân tạo ngồi những đặc tính giống
với xi măng thì cịn có thể chứa được các chất thải độc hại. Dung dịch kiềm tác
dụng với silic và nhơm có trong các khống tự nhiên. Việc sử dụng vữa geopolymer
kết dính tro bay có thể làm giảm hiện tượng nóng lên của trái đất hạn chế hiệu ứng
nhà kính từ 25 – 46% so với vữa xi măng thơng thường.
Vật liệu geopolymer có rất nhiều ứng dụng khác nhau như : tấm gỗ kết cấu
chống cháy, tấm tường và panel cách điện, sản xuất đá nhân tạo trang trí, tấm panel
bọt cách nhiệt, vật liệu xây dựng thơ, gạch không nung, kết cấu chịu lửa, kết cấu
chống sốc nhiệt, ứng dụng làm khuôn đúc nhôm, vữa và chất kết dính geopolymer,
vật liệu cản lửa gia cố và sửa chữa, vật liệu chống cháy công nghệ cao dùng cho

máy bay và ô tô, vật liệu nhựa công nghệ cao.
Vữa geopolymer có thể chịu được tác động của nhiệt tốt ngay cả trong điều
kiện môi trường thường và khắc nghiệt, có khả năng chịu ăn mịn hóa học cực tốt
đặc biệt là khả năng chịu ăn mòn axit và muối.
Khả năng gắn kết cốt thép của vữa geopolymer được nghiên cứu và so sánh
tương đương hoặc cao hơn so với vữa xi măng Sunfat. Vữa geopolymer cho cường
độ cao sau vài giờ phản ứng kiềm (60 – 70 MPa sau 24h).
Cũng giống như vữa geopolymer, gạch geopolymer tận dụng các phế thải
của q trình sản xuất cơng nghiệp như tro bay của các nhà máy nhiệt điện cơng
nghiệp, xỉ lị cao của các nhà máy luyện gang thép, nên việc sử dụng gạch
geopolymer có thể giảm nguy cơ chất thải cơng nghiệp, tốn kém về diện tích bãi
chứa và giảm thiểu tối ra lượng nhiệt, khí thải thải ra ngồi mơi trường.
 Khuyết điểm
Ngồi các ưu điểm trình bày bên trên thì vật liệu geopolymer cũng có những
nhược điểm mà chưa phổ biến ngoài thị trường. Hầu hết các nhà máy sản xuất lo

14


ngại về nguy cơ sụt giảm giá trị khi đầu tư vào loại vật liệu này. Trên những quan
điểm về công nghệ vật liệu xây dựng, khái niệm xi măng xanh mới chỉ được đề cập
như một khái niệm chưa được chứng minh bằng thực tiễn cơng nghệ. Vẫn cịn nhiều
tranh cải về khả năng thải khí CO2 và tính kinh tế khi xem xét giá thành. Rõ ràng
rằng sự nguy hiểm nhất định khi sử dụng dung dịch kiềm mạnh và dung dịch kiềm
mạnh cũng địi hỏi q trình sản xuất vữa phức tạp hơn.
Trên thực tế thì cịn khá ít các thí nghiệm về tính chất vật lý của vật liệu
geopolymer. Q trình phản ứng Polymer hóa chịu ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ
và đòi hỏi phải bảo dưỡng ở nhiệt độ cao và sự kiểm soát ngiêm ngặt nhiệt độ.
Ngồi ra, đối với vữa geopolymer thì việc trộn trực tiếp ngồi cơng trình thì cịn
nhiều khó khăn và hạn chế và không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, gạch geopolymer

cũng chỉ có thể sản xuất từ trong các xưởng sản xuất và nhà máy.
2.1.5 Thành phần bê tông geopolymer
 Tro bay
Tro bay (Fly Ash) là thành phần mịn nhất của tro xỉ than, sản phẩm phế thải
được tạo ra trong quá trình đốt cháy than ở các nhà máy nhiệt điện. Tro bay được
thu thập và phân loại bằng các luồng khí phân loại, những hạt to rơi xuống đáy, và
những hạt nhỏ được thu gom ở cuối đường ống khói. Tro bay là một loại Puzzolan
nhân tạo, là tro đốt của than cám nên bản thân nó đã rất mịn, cỡ hạt từ 1-20 m, tỷ
2

diện khoảng 250 – 600 m /kg [16]
Theo tiêu chuẩn ASTM C618-94a [17], tro bay được phân thành 3 loại sau:
-

Class N: do các chất bùn, đá phiến sét bị đốt cháy tạo thành.

-

Class F: là sản phẩm của quá trình đốt cháy than bitum và than

anthracite trong nhà máy nhiệt điện, có hàm lượng than chưa cháy từ 2 – 10 %. Tro
bay loại này có tính chất gần giống puzzoland (phụ gia thủy vơ cơ hoạt tính). Hàm
lượng CaO trong loại này thường nhỏ hơn 10 %.
-

Class C: có tính chất gần giống như trong bay class F nhưng là sản

phẩm thu được từ việc than non (lignit) bị đốt cháy, hàm lượng than chưa cháy

15



thường ít hơn 2%. Hàm lượng CaO trong loại này thường lớn hơn 10%. Loại tro
bay này chất lượng cao nhưng khó sản xuất.
Bảng 2.1 Thành phần chính của tro bay theo ASTM C618-94a [17]
Thành phần hóa học (%)

Loại N

Loại F

Loại C

Min (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3)

70

70

50

Max SO3

4

5

5

Max (lượng mất khi nung)


10

6

6

Max (CaO)

5

10

30

 Dung dịch hoạt hóa
Dung dịch hoạt hóa còn gọi là dung dịch Alkaline là sự kết hợp giữa sodium
hydroxide (NaOH) và sodium silicate (Na2SiO3), được sử dụng trong q trình
Polymer hóa là sự kết hợp của các dung dịch Natri hydroxit (NaOH) hay Kali
hydroxit (KOH) với thủy tinh lỏng (R2.nSiO2) (R là Na thì n = 2,5 – 3,2 nếu R là K
thì n = 3 – 4). Khả năng tương tác của dung dịch phụ thuộc vào nồng độ mole dung
dịch kiềm hoạt tính.
Dung dịch sodium hydroxide được chế tạo bằng cách hòa tan NaOH dạng
vảy rắn vào nước theo nồng độ 16 Mole. Dung dịch sodium hydroxide thu được có
độ tinh khiết trên 90 % và khối lượng riêng 2130 kg/m3.
Lượng nước thêm vào để tạo dung dịch và pha loãng dung dịch là nước sạch,
lượng nước thêm vào từ 18 – 22 % khối lượng đúc mẫu. Lượng nước này có tác
dụng chủ yếu là làm tăng độ ẩm và tính dẻo để quá trình Geopolymer tốt hơn. Dung
dịch pha trộn có màu trắng đục, không mùi.
 Nước pha dung dịch NaOH

Nước dùng phải theo TCVN 4506 : 2012 “Nước trộn bê tông và vữa – Yêu
cầu kỹ thuật”.[18]

16


Nước dùng pha lỗng NaOH khan phải đảm bảo khơng chứa các thành phần
hóa học tạp chất để khơng ảnh hưởng xấu đến thời gian đóng rắn của bê tơng
Geopolymer.
 Vật liệu Cát
Cát sử dụng là cát sông Hậu, sông Tiền phải thỏa mãn các yêu cầu của
TCVN 7572 : 2006 “Cát xây dựng – Yêu cầu kỹ thuật”.
Cát được sử dụng là cát sạch, cỡ hạt thơ, các tính chất cơ lý như khối lượng
riêng, khối lượng thể tích, thành phần hạt cũng được thí nghiệm theo
TCVN 7570 : 2006, TCVN 7572 : 2006.
 Vật liệu Đá
Đá sử dụng là đá Antraco, đá Cô tô, đá Bà Đội An Giang phải thỏa mãn các
yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 7570 : 2006 “Cốt liệu cho bê tông và vữa”.
Đá được sử dụng là đá sạch, các tính chất cơ lý như khối lượng riêng, khối
lượng thể tích, thành phần hạt cũng được thí nghiệm theo TCVN 7572 : 2006,
TCVN 7570 : 2006.
2.2 Cọc rỗng bê tông ứng suất trước
2.2.1 Khái niệm
Cọc ống ứng suất trước đúc sẵn theo phương pháp căng trước và quay li tâm,
có tiết diện hình vành khăn, tính tốn dựa theo TCVN 7888 : 2014 – Tiêu chuẩn cọc
bê tông ứng lực trước.
Cọc bê tông li tâm ứng lực trước thường (PC) là cọc bê tông li tâm ứng lực
trước được sản xuất bằng phương pháp quay li tâm, có cường độ chịu nén của bê
tơng với mẫu thử hình trụ (150x300)mm khơng nhỏ hơn 60 MPa.
Cọc bê tông li tâm ứng lực trước cường độ cao (PHC) là cọc bê tông li tâm

ứng lực trước được sản xuất bằng phương pháp quay li tâm, có cường độ chịu nén
của bê tơng với mẫu thử hình trụ (150x300)mm khơng nhỏ hơn 80MPa.
Cọc PC, PHC có hình trụ rỗng được thể hiện trên hình 2.4. Đường kính ngồi
và chiều dày thành cọc khơng đổi tại mọi tiết diện của thân cọc.

17


Hình 2.4: Hình dáng cọc rỗng PC, PHC.
2.2.2 Ưu khuyết điểm
 Ưu điểm:
Được thị trường chấp nhận rộng rãi trong các dự án xây dựng và nền móng
trong các dự án xây dựng công nghiệp và dân dụng, đường sắt, đường bộ, cầu cảng.
Sản xuất theo công nghệ ly tâm, ép, bảo dưỡng hơi nước, cùng với tiến bộ
công nghệ bảo đảm độ đặc chắc của bê tông >C60 (cọc PC). Cọc bê tơng ly tâm độ
chắc cao có thể lên tới >C80 (cọc PHC). Khả năng chịu lực cao hơn cọc bê tông đúc
sẵn thông thường từ 2-4 lần.
Cọc có khả năng chống nứt, chống uốn cao. Cơng nghệ cốt thép ứng lực
trước tốt hơn nhiều so với cọc bê tông đúc sẵn.
Chất lượng cọc ổn định, các thông số kỹ thuật đáng tin cậy.
Cọc có chất lượng đúc có độ tin cậy cao vì thân cọc bê tơng đặc chắc. cọc
chịu va chạm tốt và thích nghi với điều kiện địa chất tốt hơn cọc bê tông cốt thép
thường.
Vận chuyển cọc tiện lợi, không gây ô nhiễm môi trường và đáp ứng các yêu
cầu bảo vệ môi trường.
Dễ kiểm soát chất lượng tại nhà máy nhờ điều kiện sản xuất cơng nghiệp.
Tuổi thọ cơng trình cao do dùng bê tơng có cấp độ bền cao và mơ men uốn
nứt lớn.
Chống ăn mịn trong mơi trường xâm thực.


18