TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Luận văn là sự tiếp nối của các cơng trình nghiên cứu trước nhằm hiểu rõ hơn về
bê tông Geopolymer, mong muốn vật liệu này phát triển mạnh mẽ hơn nữa ở Việt
Nam. Được biết đến trên thế giới như là một vật liệu xanh, thân thiện với mơi trường
và đồng thời có nhiều đặc tính kỹ thuật tốt về cường độ, khả năng làm việc với cốt
thép, khả năng chịu ăn mòn cao...Tuy nhiên bê tông Geopolymer phải trải qua giai
đoạn dưỡng hộ nhiệt mới đạt cường độ. Vì vậy, bê tơng này chỉ có thể được sử dụng
với những cấu kiện đúc sẳn tại nhà máy. Một số nghiên cứu với mục đích giúp bê
tông Geopolymer không phải dưỡng hộ nhiệt mà vẫn đạt được cường độ bằng cách
sử dụng các chất tạo nhiệt trong q trình đổ bê tơng Geopolymer nhưng vẫn chỉ dừng
lại ở mức độ nghiên cứu.
Luận văn này mở ra một hướng đi mới để ứng dụng bê tông Geopolymer vào thực
tế đó là nghiên cứu cấu kiện dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp chế tạo từ bê tông
Geopolymer và bê tông xi măng. Một lớp bê tông Geopolymer sẽ được đổ tại nhà
máy vận chuyển đến cơng trình và thi cơng lớp cịn lại bằng bê tơng xi măng. Chính
lớp bê tơng Geopolymer đã đổ trước tại nhà máy sẽ là cốp pha, thanh chống để đổ
lớp bê tơng xi măng. Vì vậy, có thể tiết kiệm được chi phí và thời gian thi cơng cốp
pha, thanh chống. Nội dung luận văn này tiến hành nghiên cứu thực nghiệm 4 dầm
với hai cấp phối 20MPa và 30MPa. Kết quả thực nghiệm sẽ so sánh với kết quả tính
tốn theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012. Kết quả so sánh gồm: Chuyển vị giữa thực
nghiệm và tính tốn. Tải trọng hình thành vết nứt và tải trọng phá hoại giữa thực
nghiệm và tính tốn. Kết quả thực nghiệm dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp và
dầm bê tông Geopolymer của nghiên cứu trước cũng được so sánh với nhau để thấy
được khả năng làm việc của dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp chế tạo từ bê tông
Geopolymer và bê tông xi măng so với dầm được chế tạo từ một lớp vật liệu.


ABSTRACT
The thesis is a continuation of the related previous research in order to better
understand the Geopolymer concrete and expecting this material would broaden
Vietnam. Geopolymer concrete is known worldwide as a green material,

environmentally friendly and numerous advance technical characteristics, such as the
ability to work with reinforced, high corrosion resistant... However the Geopolymer
concrete must undergo thermal curing to reach design strength. Therefore,
Geopolymer concrete is only applicable as prefabricated product in factories. To
solve this issue, there are studies with purpose of eliminating steaming process but
still make Geopolymer concrete reach it strength using advance of thermal generating
chemical while pouring concrete but still stop at the research level.
This thesis opens a new direction of practical use for Geopolymer concrete in
which research for 2 layers Composite reinforced concrete beams of Geopolymer
concrete and cement concrete. A layer of Geopolymer concrete will be poured at the
factory and shipped to the site while other poured as normal concrete. The layer of
concrete Geopolymer poured plays role as formwork, container for fresh normal
concrete. So, it can save the cost and time for construction formwork. This thesis
conducted experimental studies 4 beams with two concrete grade 20MPa and 30MPa.
Experimental results would be compared with the results calculated in accordance to
TCVN 5574-2012 include displacements, crack load, destructive load. Experimental
results between 2 layers Composite reinforced beams concrete and Geopolymer
concrete beams of previous studies also be compared with each other to see the work
capacity of them.


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU...............................................1
1.1. Khái quát về vật liệu Geopolymer ...................................................................1
1.1.1. Giới thiệu chung ........................................................................................1
1.1.2. Q trình nghiên cứu .................................................................................1
1.1.2.1. Geopolymer ........................................................................................1
1.1.2.2. Bê tơng Geopolymer ..........................................................................2
1.1.2.3. Cấu kiện Geopolymer ........................................................................4
1.2. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu....................................................................5

1.2.1. Vấn đề môi trường ....................................................................................5
1.2.2. Vấn đề tiến độ ...........................................................................................6
1.3. Mục tiêu, nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu.............................................7
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu..................................................................................7
1.3.2. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................8
1.3.3. Phương pháp nghiên cứu...........................................................................8
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................9
2.1. Vật liệu Geopolymer ........................................................................................9
2.1.1. Tro bay ......................................................................................................9
2.1.1.1. Giới thiệu tro bay ...............................................................................9
2.1.1.2. Phân loại tro bay.................................................................................9
2.1.2. Geopolymer .............................................................................................10
2.1.2.1. Khái niệm Geopolymer ....................................................................10
2.1.2.2. Cấu trúc Geopolymer .......................................................................10
2.1.3. Bê tông Geopolymer ...............................................................................12
2.2. Vật liệu Composite .........................................................................................13
2.2.1. Giới thiệu.................................................................................................13
2.2.2. Phân loại vật liệu Composite ..................................................................13
2.2.3. Đồng nhất hóa độ cứng dầm Composite .................................................14
2.3. Lý thuyết dầm ................................................................................................16


2.3.1. Xác định khả năng chịu lực của dầm theo trạng thái giới hạn thứ 1.......16
2.3.1.1. Tiết diện chữ nhật cốt đơn ...............................................................16
2.3.1.2. Tiết diện chữ nhật cốt kép ................................................................17
2.3.2. Tính tốn theo trạng thái giới hạn 2 ........................................................17
2.3.2.1. Xác định độ võng tại giữa nhịp ........................................................17
2.3.2.2. Tải trọng hình thành vết nứt .............................................................18
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM.................................................19
3.1. Nguyên liệu ....................................................................................................19

3.1.1. Tro bay ....................................................................................................19
3.1.2. Thủy tinh lỏng .........................................................................................20
3.1.3. Natri hydroxit ..........................................................................................20
3.1.4. Cốt liệu nhỏ .............................................................................................21
3.1.5. Cốt liệu lớn ..............................................................................................23
3.1.6. Nước ........................................................................................................24
3.1.7. Xi măng ...................................................................................................24
3.1.8. Cốt thép ...................................................................................................24
3.2. Phương pháp thí nghiệm ................................................................................25
3.2.1. Tính tốn cấp phối...................................................................................25
3.2.1.1. Bê tơng xi măng ...............................................................................25
3.2.1.2. Bê tơng Geopolymer ........................................................................25
3.2.2. Quy trình thí nghiệm mẫu .......................................................................26
3.2.3. Quy trình thí nghiệm dầm .......................................................................29
3.2.3.1. Gia cơng cốp pha..............................................................................29
3.2.3.2. Gia công cốt thép .............................................................................30
3.2.3.3. Nhào trộn và đúc khn ...................................................................30
3.2.3.4. Lắp đặt và thí nghiệm.......................................................................32
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................36
4.1. Cấp phối bê tông ............................................................................................36
4.1.1. Cấp phối bê tông Geopolymer ................................................................36


4.1.2. Cấp phối bê tông xi măng .......................................................................37
4.2. Cấu kiện dầm..................................................................................................38
4.2.1. Chuyển vị tại L/4.....................................................................................38
4.2.2. Chuyển vị tại L/2.....................................................................................41
4.2.3. Biến dạng tại L/2 .....................................................................................44
4.2.4. Tải trọng xuất hiện vết nứt và tải trọng phá hoại ....................................46
4.3. Tính tốn lý thuyết .........................................................................................50

4.3.1. Tính tốn khả năng chịu lực của dầm theo trạng thái giới hạn thứ 1......50
4.3.2. Tính tốn theo trạng thái giới hạn 2 ........................................................50
4.3.3. Tải trọng hình thành vết nứt ....................................................................52
4.4. So sánh đánh giá giữa thực nghiệm, tính tốn ...............................................52
4.4.1. Chuyển vị ................................................................................................53
4.4.2. Tải trọng hình thành vết nứt ....................................................................55
4.4.3. Tải trọng phá hoại ...................................................................................56
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI............................57
5.1. Kết luận ..........................................................................................................57
5.2. Một số vấn đề tồn tại ......................................................................................57
5.3. Hướng phát triển đề tài...................................................................................58
TÀI LIỆU KHAM KHẢO ........................................................................................59


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3. 1 Thành phần hóa học của tro bay ...............................................................19
Bảng 3. 2 Thành phần hạt của cát .............................................................................22
Bảng 3. 3 Thành phần hạt của đá ..............................................................................23
Bảng 4. 1 Cấp phối bê tông Geopolymer cho cấu kiện dầm.....................................36
Bảng 4. 2 Kết quả thí nghiệm mẫu bê tơng Geopolymer ..........................................36
Bảng 4. 3 Cấp phối bê tông xi măng cho cấu kiện dầm............................................37
Bảng 4. 4 Kết quả thí nghiệm mẫu bê tông xi măng .................................................37
Bảng 4. 5 Chuyển vị tại vị trí L/4 của dầm ...............................................................38
Bảng 4. 6 Chuyển vị tại vị trí L/2 của dầm ...............................................................41
Bảng 4. 7 Biến dạng tại vị trí L/2 của dầm ...............................................................44
Bảng 4. 8 Tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm .........................................................46
Bảng 4. 9 Tải trọng phá hoại theo tính tốn ..............................................................50
Bảng 4. 10 Chuyển vị của dầm theo tính tốn ..........................................................51



DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Thành phần của bê tơng Geopolymer [nguồn internet] ..............................2
Hình 1. 2 Ứng dụng bê tơng Geopolymer vào thực tế tại Melbourne, Victoria, Úc
[13]. .............................................................................................................................3
Hình 1. 3 Khói bụi tại nhà máy sản xuất xi măng [nguồn internet] ............................6
Hình 2. 1 Cấu trúc của Geopolymer [5] ....................................................................11
Hình 2. 2 Mặt cắt ngang dầm Composite 2 lớp ........................................................15
Hình 2. 3 Sơ đồ tính dầm đặt cốt đơn .......................................................................16
Hình 2. 4 Sơ đồ tính dầm đặt cốt kép ........................................................................17
Hình 3. 1 Tro bay sử dụng trong thí nghiệm [nguồn internet] ..................................19
Hình 3. 2 Thủy tinh lỏng [nguồn internet] ................................................................20
Hình 3. 3 Natri hydroxit thể rắn [nguồn internet] .....................................................21
Hình 3. 4 Cốt liệu nhỏ [nguồn internet] ....................................................................21
Hình 3. 5 Đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu nhỏ .....................................22
Hình 3. 6 Cốt liệu lớn [nguồn internet] .....................................................................23
Hình 3. 7 Đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu lớn .....................................24
Hình 3. 8 Nhào trộn và đúc mẫu ...............................................................................27
Hình 3. 9 Bảo dưỡng bê tơng ....................................................................................28
Hình 3. 10 Thí nghiệm mẫu ......................................................................................28
Hình 3. 11 Gia cơng cốp pha .....................................................................................29
Hình 3. 12 Cấu tạo cốt thép [28] ...............................................................................30
Hình 3. 13 Lớp bê tơng Geopolymer của dầm ..........................................................31
Hình 3. 14 Dầm hồn thiện .......................................................................................32
Hình 3. 15 Lắp đặt dầm trước khi uốn ......................................................................33
Hình 3. 16 Thiết bị đo biến dạng, chuyển vị .............................................................34
Hình 3. 17 Thiết bị ghi nhận kết quả đo chuyển vị và biến dạng .............................34
Hình 3. 18 Quy trình nghiên cứu ..............................................................................35
Hình 4. 1 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/4 của dầm sử dụng cấp
phối 20MPa ..............................................................................................................39



Hình 4. 2 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/4 của dầm sử dụng cấp
phối 30MPa ...............................................................................................................39
Hình 4. 3 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/4 của dầm sử dụng cấp
phối 20MPa và 30MPa ..............................................................................................40
Hình 4. 4 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/4 của dầm Composite 2
lớp và dầm Geopolymer [28] sử dụng cấp phối 30MPa ...........................................40
Hình 4. 5 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/2 của dầm sử dụng cấp
phối 20MPa ..............................................................................................................42
Hình 4. 6 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/2 của dầm sử dụng cấp
phối 30MPa ..............................................................................................................42
Hình 4. 7 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/2 của dầm sử dụng cấp
phối 20MPa và 30MPa ..............................................................................................43
Hình 4. 8 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/2 của dầm Composite 2
lớp và dầm Geopolymer [28] sử dụng cấp phối 30MPa ...........................................43
Hình 4. 9 Đường quan hệ giữa lực và biến dạng tại vị trí L/2 của dầm sử dụng cấp
phối 20MPa ...............................................................................................................45
Hình 4. 10 Đường quan hệ giữa lực và biến dạng tại vị trí L/2 của dầm sử dụng cấp
phối 30MPa ...............................................................................................................45
Hình 4. 11 Tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm sử dụng cấp phối 20MPa ..............47
Hình 4. 12 Tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm sử dụng cấp phối 30MPa ..............47
Hình 4. 13 Tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm sử dụng cấp phối 20MPa và 30MPa
...................................................................................................................................48
Hình 4. 14 Tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm Composite 2 lớp và dầm Geopolymer
[28] sử dụng cấp phối 30MPa ...................................................................................48
Hình 4. 15 Vết nứt dầm khi phá hoại ........................................................................50
Hình 4. 16 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/2 và L/4 của dầm sử dụng
cấp phối 20MPa tính tốn .........................................................................................51
Hình 4. 17 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị tại vị trí L/2 và L/4 của dầm sử dụng
cấp phối 30MPa tính tốn .........................................................................................52



Hình 4. 18 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị của dầm sử dụng cấp phối 20MPa
tại vị trí L/4 thực nghiệm, tính tốn ..........................................................................53
Hình 4. 19 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị của dầm sử dụng cấp phối 20MPa
tại vị trí L/2 thực nghiệm, tính tốn ..........................................................................53
Hình 4. 20 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị của dầm sử dụng cấp phối 30MPa
tại vị trí L/4 thực nghiệm, tính tốn ..........................................................................54
Hình 4. 21 Đường quan hệ giữa lực và chuyển vị của dầm sử dụng cấp phối 30MPa
tại vị trí L/2 thực nghiệm, tính tốn ..........................................................................54
Hình 4. 22 Biểu đồ tải trọng xuất hiện vết nứt tính tốn và thực nghiệm .................55
Hình 4. 23 Biểu đồ tải trọng phá hoại của dầm tính tốn và thực nghiệm................56


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Khái quát về vật liệu Geopolymer
1.1.1. Giới thiệu chung
Geopolymer là một loại chất kết dính kiềm hoạt hóa đã được Joseph Davidovits
nghiên cứu năm 1972 theo một quy trình tổng hợp polymer từ các khoáng chất. Bằng
cách trộn đất sét vào dung dịch alkali silicates có nồng độ kiềm cao.
Theo Joseph Davidovits "Bất kỳ một nguyên vật liệu nào trong đó có chứa dioxide
silic và oxide nhơm đều có thể sử dụng để tạo ra vật liệu Geopolymer", như là đất sét
cao lanh, đá phún xuất có nguồn gốc núi lửa hay các phế phẩm cơng nghiệp như xỉ
lị cao, tro bay,…
1.1.2. Quá trình nghiên cứu
1.1.2.1. Geopolymer
Geopolymer là loại vật liệu mà bản chất cơ bản của nó là một polymer vơ cơ, đã
được các tác giả trên thế giới nghiên cứu từ những năm cuối của thế kỷ XX. Sau khi
Joseph Davidovits công bố tổng hợp thành công polymer từ các khoáng chất năm
1972 [1]. Từ tiền đề trên, Geopolymer được xem như là một loại vật liệu xanh và

được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghệ và xây dựng.
Trước đó, Purdon vào năm 1940 đã nghiên cứu vật liệu Geopolymer bằng cách
sử dụng xỉ lị cao được kích hoạt bởi dung dịch natri hydroxit. Theo ơng q trình
phát triển cấu trúc Geopolymer gồm 2 bước: Trước tiên xảy ra q trình giải phóng
các hợp chất nhơm – silic và canxi hydroxit. Sau đó xảy ra sự hydrat hóa nhôm và
silic đồng thời tái tạo dung dịch kiềm [2].
Cấu trúc hóa học của Geopolymer tương tự như vật liệu ziotit trong tự nhiên.
Nhưng cấu trúc ở dạng vô định hình thay vì dạng tinh thể (Palomo và cộng sự , 1999)
[3].
Van Jaarsveld và cộng sự (2002) [4] khi nghiên cứu về các đặc tính của
Geopolymer do ảnh hưởng của sự hịa tan khơng hồn tồn giữa các vật liệu trong
q trình Geopolymer hóa cho rằng hàm lượng nước, thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ
ảnh hưởng đến đặc tính của Geopolymer.
Một nghiên cứu khác về xi măng Geopolymer (High – Akali – Poly) đã được ứng
dụng 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 ở nhiệt độ

1


phịng, cường độ chịu nén có thể đạt tới 20MPa sau 4 giờ ở nhiệt độ 2000C và có thể
đạt từ 70 – 100MPa sau khi bảo dưỡng 24h (Davidovits, 1999) [5].
Chất kết dính Geopolymer cũng đã được quan tâm nghiên cứu ở Việt Nam trong
thời gian gần đây. Cho đến nay đã có nhiều cơng trình nghiên cứu khoa học về loại
vật liệu này như: Nguyễn và cộng sự (2008) [6] nghiên cứu về bê tơng Geopolymer.
Nhóm nghiên cứu ở trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM (2010) [7] đã nghiên cứu
chế tạo gạch không nung bằng công nghệ Geopolymer sử dụng tro bay và phế thải
bùn đỏ để xây dựng nhà ở vùng cao nguyên Việt Nam. Trịnh (2012) [8] đã nghiên
cứu về tính chất cơ lý của vữa Geopolymer để chế tạo gạch nhẹ...
1.1.2.2. Bê tơng Geopolymer


Hình 1. 1: Thành phần của bê tông Geopolymer [nguồn internet]
Bê tông là loại vật liệu xây dựng được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới hiện
nay. Do đó, việc sản xuất chế tạo đòi hỏi một lượng lớn chất kết dính là xi măng
Portland, kèm theo lượng khí CO2 rất lớn thải vào môi trường. Khác với bê tông xi
măng được chế tạo bằng cách sử dụng chất kết dính là xi măng Portland, bê tông
Geopolymer được sử dụng chất kết dính Geopolymer, với lượng CO2 sinh ra thấp hơn
bê tông xi măng Portland rất nhiều. Theo Davidoits, bê tông Geopolymer giảm khả
năng gây hiệu ứng nhà kính từ 26-45% so với bê tông xi măng thông thường. Về khả
năng chịu lực, bê tông Geopolymer gốc tro bay sau khi dưỡng hộ nhiệt sẽ đạt cường
độ cao. Trong nghiên cứu về cường độ chịu nén và vùng tiếp xúc bề mặt ITZ của bê
tông Geopolymer, Nuruddin và cộng sự (2011) [9] đã khẳng định rằng sự phát triển
cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer phụ thuộc vào điều kiện dưỡng hộ. Điều
kiện dưỡng hộ thích hợp đóng vai trị quan trọng trong việc tạo nên cấu trúc của
2


Geopolymer. Ngồi ra, cịn có một vài yếu tố khác ảnh hưởng đến cường độ của bê
tông Geopolymer. Patil và Manojkumar (2013) [10] đã nghiên cứu về các yếu tố ảnh
hưởng đến cường độ bê tơng Geopolymer. Ơng đã thử nghiệm với nồng độ natri
hydroxit khác nhau, tỉ lệ alkaline/tro bay và Na2SiO3/NaOH để đánh giá và so sánh tỉ
lệ nào đạt cường độ cao nhất và thấp nhất.
Về tính bền: Bê tơng Geopolymer sử dụng tro bay có độ bền cao hơn bê tơng xi
măng Portland về chịu hóa học, chịu nhiệt và cả trong môi trường khắc nghiệt.
Hardjito và Rangan (2005) [11] cho rằng hệ số Poisson của bê tông Geopolymer sử
dụng tro bay từ 0,12 – 0,16 đối với cường độ chịu nén từ 40 - 90MPa, kết quả này
tương tự với bê tông xi măng truyền thống.
Về sự làm việc với cốt thép: Bê tông Geopolymer có khả năng làm việc với cốt
thép như bê tơng xi măng. Sofi và cộng sự (2007) [12] đã nghiên cứu về ứng xử giữa
cốt thép và bê tông Gepolymer sử dụng tro bay. Thí nghiệm này dựa trên tiêu chuẩn

ASTMA944 và ông đã kết luận: Khả năng chịu kéo của thanh thép ra khỏi mẫu bê
tông Geopolymer cao hơn so với mẫu bê tơng xi măng có cùng cường độ.
Về khả năng chịu ăn mịn: Bê tơng Geopolymer chịu ăn mịn tốt hơn bê tơng xi
măng. Trường đại học Curtin đã khảo sát độ bền cống hộp đúc sẵn từ bê tơng
Geopolymer chịu tác động ăn mịn cực mạnh của môi trường khô ẩm của đất lẫn nhiều
muối sunphat. Kết luận đưa ra là bê tông Geopolymer chịu tác động ăn mịn hóa học
tốt và tốt nhất là khả năng chịu axit.

a) Bê tông Geopolymer lát nền đường

b) Các tấm panel bê tơng Geopolymer

Hình 1. 2:Ứng dụng bê tơng Geopolymer vào thực tế tại Melbourne, Victoria, Úc [13]

3


1.1.2.3. Cấu kiện Geopolymer
Ngồi bê tơng Geopolymer những cấu kiện được chế tạo từ loại bê tông này cũng
được quan tâm và nghiên cứu như là: Sumajouw và Rangan (2006) [14] đã nghiên
cứu ứng xử và cường độ của cấu kiện sử dụng bê tông Geopolymer gốc tro bay cho
kết quả tương tự như bê tơng xi măng. Do đó, có thể sử dụng tiêu chuẩn thiết kế bê
tơng hiện hành cho việc thiết kế cấu kiện bê tông Geopolymer.
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 tơng xi măng. Vì vậy, 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.
Trước đó, Balaguru và cộng sự (1999) [15] 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 công 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.
Palomo và cộng sự (2004) [16] cho rằng bê tông Geopolymer từ tro bay có thể
được sử dụng để chế tạo những dầm đỡ đường sắt và cho thấy rằng các kết cấu bê
tơng Geopolymer có thể được chế tạo dễ dàng dựa trên cơng nghệ bê tơng có sẵn mà
khơng thay đổi đáng kể. Các đặc tính kỹ thuật của các sản phẩm này rất tốt và có độ
co ngót nhỏ.
Sumajouw cũng đã tiếp tục tiến hành nghiên cứu mở rộng về bê tông sử dụng tro
bay và nhận xét, tro bay có hàm lượng calcium thấp trong bê tơng Geopolymer có thể
sử dụng cho kết cấu dầm và cột. Những dạng ứng xử và hư hỏng của bê tông
Geopolymer được gia cường cốt thép cho cấu kiện dầm và cột tương đồng với ứng
xử như bê tông xi măng truyền thống [14]. Kết quả của nghiên cứu một lần nửa khẳng
định, những tính tốn sử dụng trong bê tơng cốt thép truyền thống cho cấu kiện dầm
và cột có thể sử dụng được cho bê tơng Geopolymer.
Tuy có những đặc tính tương đồng như bê tơng xi măng truyền thống như là về
cường độ, khả năng làm việc với cốt thép. Thậm chí, bê tơng Geopolymer cịn có
những tính chất vượt trội hơn hẳn so với bê tông xi măng truyền thống. Tuy nhiên,
bê tơng Geopolymer vẫn rất ít được áp dụng thực tế. Bởi chúng phải trải qua giai
đoạn dưỡng hộ nhiệt mới đạt cường độ chính vì thế mà nó khơng thể thi cơng đổ tồn
khối ngồi cơng trình. Đều nay cho thấy việc sử dụng bê tơng Geopolymer chỉ phù
hợp tại nhà máy hoặc thi công bán phần. Một phần cấu kiện sử dụng bê tông

4


Geopolymer đổ tại nhà máy sau đó vận chuyển đến lắp dựng vào vị trí để thi cơng
phần cịn lại với bê tông xi măng truyền thống. Để thực hiện được điều này cần có
thêm những nghiên cứu để có những cơ sở khoa học áp dụng sau này. Trong đó,
Behnial và cộng sự (2016) [17] đã nghiên cứu dầm tạo từ 2 lớp bê tông Geopolymer

và bê tông xi măng. Lớp bê tông Geopolymer nằm dưới chịu kéo và lớp bê tông xi
măng nằm trên chịu nén, nghiên cứu đã thay đổi chiều dày lớp bê tông Geopolymer
và so sánh với dầm bê tông xi măng và dầm bê tông Geopolymer cho thấy khả năng
chịu tải của của các dầm tăng cùng chiều dày lớp bê tông Geopolymer bên dưới tăng.
Nghiên cứu trên đã cung cấp những thông tin kỹ thuật về loại cấu kiên loại này trong
quá trình thực hiện luân văn.
1.2. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu
1.2.1. Vấn đề mơi trường
Ơ nhiễm mơi trường do rác thải, khí thải và hiện tượng nóng dần lên của trái đất
khơng cịn là một khái niệm xa vời. Hệ quả của quá trình ấy đã và đang là vấn đề cấp
thiết được toàn xã hội quan tâm. Nguyên nhân của q trình nóng dần lên của trái đất
là hàm lượng khí CO2 trong khơng khí q cao. Một trong những nguồn thải một
lượng lớn khí CO2 vào bầu khí quyển là ngành cơng nghiệp sản xuất xi măng. Hằng
năm có khoảng 35 tỷ tấn bê tơng được sản xuất trên tồn thế giới. Bê tơng thường có
khối lượng thành phần bao gồm 12% xi măng, 80% cốt liệu cát đá và 8% nước. ACF
cho biết điều này có nghĩa là khoảng 4,2 tỷ tấn xi măng, 28 tỷ tấn cát đá và 2,8 tỷ tấn
nước được sử dụng hằng năm để chế tạo bê tơng. Theo tính tốn, để sản xuất ra một
tấn xi măng thì nhà máy sẽ thải ra môi trường xấp xỉ một tấn CO2 điều này tương
đương có 4,2 tỷ tấn CO2 được sinh ra, khí thải này gây hiệu ứng nhà kính, góp phần
làm trái đất nóng lên. Khí CO2 thải ra từ công nghiệp sản xuất xi măng chiếm khoảng
7% lượng CO2 trên tồn thế giới. Vì lý do đó, một số nước đã khuyến khích phát triển
một loại chất kết dính mới có thể thay thế xi măng Portland, đó là xi măng polymer
hay cịn gọi là chất kết dính Geopolymer hoặc chất kết dính kiềm hoạt hóa.

5


Hình 1. 3: Khói bụi tại nhà máy sản xuất xi măng [nguồn internet]
Bên cạnh khí thải CO2, việc sử dụng lượng lớn than trong các nhà máy nhiệt điện
ở Việt Nam hiện nay tạo ra một nguồn tro bay khá lớn cũng góp phần gay ơ nhiễm

khơng nhỏ. Theo Bộ Cơng thương, hiện nay, cả nước có 19 nhà máy nhiệt điện than
đang vận hành, với tổng công suất phát 14480 MW, mỗi năm thải khoảng 15 triệu tấn
tro, xỉ. Trong đó, lượng tro bay chiếm khoảng 75%, cịn lại là xỉ. Dự kiến sau năm
2020, con số này sẽ là 43 nhà máy với tổng công suất 39020 MW, lượng tro xỉ thải
ra dự kiến hơn 30 triệu tấn/năm.
Do tro bay có chứa nhiều thành phần oxit nhơm và oxit silic vơ định hình nên
Geopolymer gốc tro bay được lựa chọn để chế tạo ra vật liệu bê tơng Geopolymer và
nghiên cứu các đặc tính của nó.
1.2.2. Vấn đề tiến độ
Bên cạnh về vấn đề môi trường tiến độ thi công là điều mà các chủ đầu tư, và các
nhà thầu quan tâm nhất. Trong những năm gần đây, tình trạng các dự án xây dựng
khơng đạt tiến độ đang trở thành vấn đề nóng bỏng trong ngành xây dựng. Tổng hội
Xây dựng Việt Nam vừa công bố, hầu hết các dự án đầu tư tại Việt Nam đều chậm
tiến độ và tỷ lệ về đích đúng hẹn chỉ chiếm chưa tới 1%. Nguyên nhân dẫn đến điều
này bắt nguồn chính từ việc quản lý lỏng lẻo, chênh lệch giá, năng lực yếu kém của
nhà thầu…Các dự án chậm tiến độ sẽ gây thiệt hại và lãng phí vô cùng lớn. Nhà nước,
doanh nghiệp và xã hội bỏ vốn đầu tư vào các dự án xây dựng nhưng do chậm hồn
thành dẫn đến đình trệ sản xuất, nguồn vốn khơng được quay vịng kịp thời, bị chơn

6


vốn, phát sinh chi phí, thiếu cơng trình cho xã hội, cho người dân... Đặc biệt, lãng phí
về tiền bạc khó có thể đo đếm hết.
Việc đẩy nhanh tiến độ đem lại cho chủ đầu tư và nhà thầu các lợi ích sau đây:
Sớm đưa cơng trình vào khai thác sẽ phát huy hiệu quả vốn đầu tư, hạn chế được tối
đa ảnh hưởng theo thời gian của việc kéo dài thời gian thi cơng. Tăng tính cạnh tranh
trong kinh doanh. Đối với việc đầu tư xây dựng cơng trình, đặc biệt là đối với các
cơng trình dân dung, việc sớm đưa vào khai thác sẽ giúp chủ đầu tư có nhiều cơ hội
hơn trong việc lựa chọn khách hàng, thu hồi vốn, tái đầu tư.

Việc cơng trình sớm đưa vào hoạt động có rất nhiều lợi ích vì vậy việc đẩy nhanh
tiến độ có ý nghĩa cực kỳ quan trong đối với tất cả các bên liên quan và chủ đầu tư.
Một số giải pháp để đẩy nhanh tiến độ gồm: Vạch kế hoạch thi cơng, trình tự thi công
hợp lý, tổ chức nhiều mũi đội cùng thi công, áp dụng các thành tựu công nghệ, phát
huy những sáng kiến kỹ thuật trong thi công như việc sử dụng các loại phu gia trong
thi công để rút ngắn thời gian ninh kết của bê tông, sử dụng những loại cốp pha đặc
biệt như cốp pha đất trong thi công topdown để giảm thiểu thời gian thi công cốp pha,
hoặc thi công bán phần cũng là một giải pháp cân nhắc.
Trước nhu cầu giảm thiểu lượng CO2 trong quá trình sản xuất xi măng cũng như
tận dụng các phế phẩm trong các nhà máy nhiệt điện dùng than và việc đẩy nhanh
tiến độ thi cơng. Các nghiên cứu để tìm ra những giải pháp đáp ứng được những yêu
cầu trên và cấu kiện dầm bê tông cốt thép Composite chế tạo từ hai lớp vật liệu bê
tông Geopolymer và bê tơng xi măng là một giải pháp khả thi có thể áp dụng. Bê tông
Geopolymer là loại bê tông được tạo từ chất kết dính là dung dịch alkaline và tro bay
có thể hạn chế được lượng CO2 so với bê tông xi măng. Lớp Bê tông Geopolymer
này được thi công tại nhà máy và vận chuyển đến công trường thi cơng lắp ghép vào
vị trí, chính lớp bê tơng này sẽ là cốp pha và hệ chống cho lớp bê tơng xi măng được
thi cơng tại cơng trình (đổ tồn khối với sàn). Chính vì vậy mà hạn chế được thời gian
thi công cốp pha và thanh chống cho dầm khi đổ lớp cịn lại tại cơng trình. Do đó, tiết
kiệm được thời gian thi cơng cốp pha, thanh chống và chi phí mua cốp pha, thanh
chống.
1.3. Mục tiêu, nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu ứng xử cấu kiện dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp chế tạo từ bê
tông xi măng và bê tông Geopolymer sử dụng tro bay về các nội dung: Khả năng chịu
uốn, sự hình thành vết nứt, chuyển vị và biến dạng của cấu kiện.

7



1.3.2. Nhiệm vụ nghiên cứu
Trong phạm vi nghiên cứu, tập trung thực hiện các nội dung cụ thể:
- Khảo sát ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp vật liệu bê
tông Geopolymer và bê tông xi măng.
- Đánh giá kết quả thực nghiệm, đối chiếu kết quả tính tốn theo Tiêu chuẩn
TCVN 5574-2012.
1.3.3. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp thực nghiệm để xác định sự làm việc của dầm bê tông cốt
thép Composite 2 lớp chế tạo từ bê tông Geopolymer và bê tông xi măng.
Nội dung triển khai gồm:
- Đúc mẫu và thí nghiệm xác định cường độ chịu nén với mẫu bê tông
Geopolymer và bê tơng xi măng với kích thước 100x200.
- Đúc dầm và thí nghiệm uốn ba điểm với dầm bê tông cốt thép Composite
2 lớp chế tạo từ bê tông Geopolymer và bê tơng xi măng với kích thước
200x300x3000 để xác định chuyển vị, biến dạng, tải trọng hình thành vết nứt,
tải trọng phá hoại của dầm.
- Sử dụng phương pháp đồng nhất hóa hai loại vật liệu. Sau đó, tính tốn
theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 sử dụng cho bê tông xi măng để xác định
khả năng chịu lực và độ võng của dầm bê tông cốt thép Composite 2 lớp.

8


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Vật liệu Geopolymer
2.1.1. Tro bay
2.1.1.1. Giới thiệu tro bay
Tro bay là phế phẩm của các nhà máy nhiệt điện. Khoảng 40 đến 50% nhà máy
nhiệt điện trên toàn thế giới sử dụng than làm chất đốt cung cấp hơi nóng làm quay
turbin máy phát điện. Lị hơi là nơi xảy ra q trình cháy tạo tro của than đã được

nghiền. Thành phần tro có kích thước hạt nhỏ sẽ theo dịng khí nóng đi lên phía trên
lị hơi qua hệ thống lọc bụi. Hệ thống lọc bụi được sử dụng có thể là cyclone thu hồi,
lọc bụi điện hay lọc bụi túi. Tại đây bụi được thu hồi. Tùy theo hệ thống lọc bụi được
sử dụng, từ 85 đến 99,9% bụi trong dịng khí nóng là tro. Tro có kích thước hạt lớn
hơn nằm lại ở đáy lò, gọi là tro đáy.
Tro bay với đặc tính về thành phần khống, kích thước hạt mịn và cấu trúc vơ
định hình, là một chất pozzolan. Các nhà máy nhiệt điện khác nhau cho ra loại tro
bay khác nhau. Điều đó phụ thuộc vào thành phần khống vật của than, mức độ
nghiền của than, loại lò hơi sử dụng, điều kiện oxi hóa trong lị và phương thức tro
bay được thu hồi, lưu trữ, vận chuyển. Bên cạnh đó, tro bay được 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:
Người ta dùng tro bay làm phụ gia cho bê tông và thay thế một phần xi măng. Trong
trường 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 (C-S-H). Đây là
một khoáng 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 tươi, từ đó tăng độ
đặc chắc và độ bền cho bê tông.
2.1.1.2. Phân loại tro bay
Theo tiêu chuẩn ASTM C618, tro bay được phân thành hai loại sau:
-

Tro bay loại F: Là tro bay được sinh ra từ than anthracite hay bitum, hàm lượng
canxi oxit (CaO) trong thành phần hóa ít hơn 6%, là loại tro ít canxi, có tính
chất của pozzolan và khơng có khả năng tự đóng rắn. Mặt khác, tro bay loại F
có lượng carbon chưa cháy hơn 2% tính theo lượng mất khi nung. Thành phần
khống chủ yếu có quartz, mullite và hematite. Tro bay loại này điển hình như
tro bay từ miền trung, tây nước Mỹ và từ Canada. Với sự có mặt của nước, tro

9



bay loại F sẽ tác dụng với đá vôi hay canxi hydroxit tạo thành hỗn hợp xi măng
tương tự như xi măng Portland. Nhiều bài nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng tro
bay loại F có thể thay thế từ 15 đến 30% lượng xi măng trong bê tông. Sử dụng
tro bay loại F có thể giảm lượng nước trong bê tơng từ đó giảm đi lượng nhiệt
sinh ra do q trình thủy hóa. Ngồi ra, tro bay loại này cũng được dùng cải
thiện khả năng chống ăn mòn sulfat và ion clo cho bê tông.
-

Tro bay loại C: Thường chứa nhiều hơn 15% canxi oxit (CaO) hay còn gọi là
tro bay giàu canxi. Nó được sử dụng trong cơng nghiệp bê tông khoảng 20
năm trở lại đây. Tro bay loại này khơng chỉ có tính pozzolan mà cịn có khả
năng tự đóng rắn. Khi trộn nước tro bay sẽ phản ứng tương tự như trong xi
măng Portland. Mức độ tự đóng rắn phụ thuộc vào canxi oxit (CaO) trong tro
bay. Hàm lượng CaO càng cao mức độ đóng rắn của tro bay càng cao. Hàm
lượng carbon chưa cháy trong tro tính theo lượng mất khi nung là ít hơn 1%.
Thành phần khoáng chủ yếu là anhydride, tricanxi aluminat, đá vôi, quartz,
periclase, mullite, merwinite và ferrite.

2.1.2. Geopolymer
2.1.2.1. Khái niệm Geopolymer
Khái niệm “Geopolymer” được đưa ra vào những năm 1970 bởi nhà khoa học
người Pháp Joseph Davidovits. Đây là một loại vật liệu rắn tổng hợp được nhờ phản
ứng hóa học giữa Aluminosilicate dạng bột với dung dịch Alkali. Vật liệu
Aluminosilicate được 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 phế phẩm cơng nghiệp như 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 dung dịch
kiềm sử dụng là hỗn hợp của dung dịch kiềm natri hydroxit và thủy tinh lỏng. Vì lý

do phản ứng hóa học giữa chúng là q trình polymer hóa nên Joseph Davidovits sử
dụng danh từ Geopolymer để chỉ loại vật liệu này.
2.1.2.2. Cấu trúc Geopolymer
Geopolymer thuộc lớp vật liệu polymer vơ cơ. Thành phần hóa học của
Geopolymer giống như vật liệu Zeolite trong tự nhiên nhưng có cấu trúc vơ định hình
thay vì cấu trúc tinh thể như Zeolite. Cũng giống như 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.

10


Hình 2. 1: Cấu trúc của Geopolymer [5]
Quá trình polymer hóa liên quan đến hàng loạt các phản ứng nhanh của nguyên
liệu Si-Al trong điều kiện dung dịch kiềm. Kết quả là tạo thành sản phẩm có cấu trúc
dạng chuỗi hoặc vịng polymer bao gồm các liên kết Si-O-Al-O, nó được diễn tả theo
công thức sau [5]:
Mn    SiO2  z  Al2O3  .wH 2O

(2.1)

n

Trong đó:
-

M là nguyên tố kiềm hoặc cation như Natri, Kali hoặc Canxi.
Kí hiệu “-“ giữa (SiO2)z và (Al2O3) đại diện cho liên kết giữa chúng.
n là mức độ polymer hóa.

z có thể là 1,2,3 hoặc nhiều hơn có khi lên tới 32.

Sự tạo thành Geopolymer có thể được diễn tả bằng hai phản ứng hóa học sau [5]:
n( Si2O5 Al2O2 )  2nSiO2  4nH 2O  NaOH ( KaOH )  Na  ( Ka  )  n(OH )3  Si  O  Al  O  Si  (OH )3
(OH )2
n(OH )3  Si  O  Al  O  (OH )3  NaOH ( KaOH )  Na  ( Ka  )  (Si  O  Al  O  Si  O )  4nH 2O
(OH )2

O

11

O

O

(2.2)


Phương trình phản ứng trên chứng tỏ nước được sinh ra trong suốt quá trình hình
thành Geopolymer. Lượng nước này bị đẩy ra khỏi cấu trúc Geopolymer trong cả quá
trình đổ khn cũng như dưỡng hộ nhiệt sau đó. Khi đó, chúng để lại những lổ rỗng
khơng liên tục trong cấu trúc, tạo điều kiện cho Geopolymer được hình thành. Lượng
nước trong hỗn hợp Geopolymer khơng có vai trị gì trong phản ứng hóa học nhưng
nó tạo nên tính cơng tác cho hỗn hợp khi nhào trộn. Điều đó ngược với nước trong
hỗn hợp xi măng Portland cần thiết cho q trình hydrat hóa.
Q trình phản ứng trên bao gồm ba giai đoạn sau [5,18]:
-

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 hướng và kết hợp thành những monomer.

-

Những monomer này tham gia phản ứng trùng ngưng tạo thành sản phẩm có
cấu trúc polymer.

2.1.3. Bê tông Geopolymer
Bê tông Geopolymer là bê tông sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa (chất kết dính
Geopolymer). Trong q trình chế tạo, nước chỉ đóng vai trị tạo tính cơng tác, khơng
tham gia tạo cấu trúc Geopolymer, khơng tham gia phản ứng hóa học mà có thể bị
loại ra trong q trình bảo dưỡng và sấy (khơng giống như xi măng cần nước để thủy
hóa). Nhiều nghiên cứu cho rằng, bảo dưỡng nhiệt cho bê tông Geopolymer sử dụng
tro bay có hàm lượng vơi thấp sẽ tạo cường độ cao, co ngót ít, từ biến thấp, chịu ăn
mịn sunphat, chịu axit tốt và có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng cơ sở hạ tầng
(Lloyd và Rangan 2010) [19].
Thông qua kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy ứng xử và cường độ của các
cấu kiện bê tông Geopolymer gốc tro bay tương tự như bê tông thơng thường [14].
Do đó, những tính tốn bê tơng Geopolymer cũng có thể được lấy theo trong tiêu
chuẩn hiện hành TCVN 5574-2012 kết cấu bê tông và bê tông cốt thép sử dụng chất
kết dính xi măng Portland để tiến hành tính tốn trong luận văn này.
Bên cạnh đó, việc tính tốn cường độ chịu kéo gián tiếp thơng qua cường độ chịu
nén của bê tông Geopolymer được xác định theo công thức thực nghiệm (Rangan và
Hardjito, 2014) [20].
f ct  0, 7 f cm


(2.3)

12


Môđul đàn hồi được lấy theo công thức đề xuất của viện bê tông Hoa kỳ [21].
Ec  6900  3320 f cm

(2.4)

Cường độ chịu uốn thông qua cường độ chịu nén lấy theo công thức đề xuất của
viện bê tông Hoa kỳ [21].
f fs  1104 f ck

(2.5)
2.2. Vật liệu Composite
2.2.1. Giới thiệu
Vật liệu Composite là loại vật liệu bao gồm hai hoặc nhiều hơn các vật liệu thành
phần, chúng kết hợp với nhau ở mức độ vĩ mô và khơng hịa tan lẫn nhau. Một thành
phần gọi là vật liệu tăng cường, một thành phần gọi là vật liệu nền. Vật liệu tăng
cường có thể có dạng sợi, hạt, miếng nhỏ. Vật liệu nền thường là liên tục. Chẳng hạn
như bê tông được tăng cường bằng sợi thép, nhựa epoxy được tăng cường bởi sợi
cacbon…
So với vật liệu truyền thống (kim loại), vật liệu Composite có độ bền, độ cứng, độ
bền mỏi, khả năng chịu va đập cao hơn, tính dẫn nhiệt kém hơn và chịu được ăn mịn
cao hơn. Bằng cơng nghệ chế tạo và lựa chọn thích hợp tỷ lệ các vật liệu thành phần,
ta có thể tạo ra một loại vật liệu Composite có những đặc tính theo yêu cầu của người
sử dụng.
Song song với những ưu điểm, vật liệu Composite cũng có những hạn chế sau
đây: Giá thành chế tạo cao, ứng xử cơ học của vật liệu Composite phức tạp hơn nhiều

so với kim loại...
2.2.2. Phân loại vật liệu Composite
Vật liệu Composite được phân loại theo hình dạng của vật liệu tăng cường: Sợi,
hạt hay mảnh hoặc theo bản chất của vật liệu nền: Polymer, kim loại, gốm, cacbon…
-

Composite cốt hạt chứa các hạt nhỏ. Vật liệu Composite cốt hạt xem như
đẳng hướng vì hạt được phân bố ngẫu nhiên trong vật liệu nền như hợp kim,
gốm nhằm tăng cường độ bền, tăng khả năng chịu nhiệt và chịu oxi hóa.

-

Composite cốt mảnh chứa các mảnh nhỏ của vật liệu tăng cường phân bố
trong vật liệu nền. Vật liệu mảnh nhỏ thường là thủy tinh, mica, nhơm,
bạc…Composite cốt mảnh có độ bền, độ cứng uốn cao. Tuy nhiên mảnh
nhỏ khó sắp xếp, và chỉ có số lượng hạn chế các vật liệu được sử dụng.
13


-

Composite cốt sợi có vật liệu tăng cường là các sợi ngắn (không liên tục),
hoặc sợi dài (liên tục), chẳng hạn như sợi thủy tinh, sợi cacbon, aramid. Vật
liệu nền có thể là nhựa (epoxy, polymer), kim loại (nhơm), gốm. Vật liệu
Composite cốt sợi là vật liệu dị hướng.

-

Composite nanô gồm các vật liệu kích thước tương đương với nanơmet (109
). Ở kích thước này, tính chất vật liệu hồn tồn khác so với vật liệu thơng

thường.

Từ những tính năng ưu việt của mình mà vật liệu Composite thường được sử dụng
trong xây dựng để chế tạo cấu kiện Composite hoặc dùng gia cường cấu kiện đã
xuống cấp trong xây dựng. Dể thấy nhất là cấu kiện dầm gia cường tấm CFRP hoặc
cấu kiện liên hợp. Cấu kiện Composite có những ưu việt vì nó đã tận dụng những ưu
điểm về đặc trưng cơ lý của từng loại vật liệu như cấu liên hợp thép. Vật liệu thép có
cường độ chịu kéo và nén cao, khả năng cho phép biến dạng dẻo lớn, độ tin cậy, độ
an toàn chịu lực cao nhưng khả năng chịu lửa kém và giá thành lại cao. Trong khi đó
vật liệu bê tơng mặc dù chỉ có cường độ chịu nén tương đối nhưng lại có tính chịu
lửa tốt, giá thành rẻ và được sử dụng phổ biến. Như vậy, so với trường hợp chỉ sử
dụng kết cấu bê tơng cốt thép thuần t thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp
thép bê tông sẽ đảm bảo tăng khả năng chịu lực và nâng cao độ tin cậy của kết cấu.
Hơn nữa, nếu so sánh với trường hợp chỉ sử dụng giải pháp kết cấu thép thuần tuý thì
việc sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tơng ngồi việc làm tăng khả năng chịu lực còn
tăng độ cứng ngang, tăng khả năng ổn định và nâng cao tính chịu lửa. Thực tế, cấu
kiện Composite hiện nay cũng chỉ có tồn tại ở dạng cấu kiện được tạo thành từ bê
tông và thép hình, chưa có có cấu kiện Composite tạo từ hai loại bê tơng. Chính vì
vậy mà việc nghiên cứu cấu kiện này cũng là một hướng nghiên cứu mới. Tuy nhiên,
việc xây dựng lý thuyết tính tốn cho cấu kiện loại này khá phức tạp. Vì vậy, có thể
tính tốn cấu kiện cấu kiện loại này như là cấu kiện bê tơng thường sau khi đã đồng
nhất.
2.2.3. Đồng nhất hóa độ cứng dầm Composite
Vì mọi tính tốn sử dụng trong luận văn này là sử dụng các phép tính tốn cho
dầm chế tạo từ một loại bê tông, nên cần phải đồng nhất độ cứng hai tiết diệt tạo từ
hai loại bê tông trên cùng một mặt cắt như sau.

14



y,y1,y2

1

x1

x

2

x2

Hình 2. 2: Mặt cắt ngang dầm Composite 2 lớp
Cho dầm có tiết diện chữ nhật được tạo từ hai loại vật liệu khác nhau.
Vật liệu thứ nhất (bê tông xi măng) có mơđul đàn hồi E2 và vật liệu thứ hai (bê
tơng Geopolymer) có mơđul đàn hồi E2 kích thước tiết diện như (Hình 2.2).
Giả thuyết trục trung hịa của cấu kiện tạo từ hai loại bê tông trùng với trục trung
hịa hình học thì độ cứng kháng uốn của tiết diện dầm được xác định như công thức
sau:
EI  E1 I1  E2 I 2

(2.6)

Trong đó:
- I1 là moment quá tính của tiết diện tạo từ vật liệu thứ nhất đối với trục
trung hòa.
I1 

b1  h13
 A1  y12

12

(2.7)

- I2 là moment quá tính của tiết diện tạo từ vật liệu thứ hai đối với trục trung
hòa.
I2 

b2  h23
 A2  y22
12

(2.8)

15


2.3. Lý thuyết dầm
Sau khi đồng nhất hóa hai loại vật liệu là bê tông xi măng và bê tông Geopolymer
trong cấu kiện dầm nhận được một cấu kiên dầm tạo từ vật liệu mới có tính chất đã
được đồng nhất hóa từ hai loại vật liệu trên. Mọi phép tính tốn trên cấu kiện này đều
thực hiện như dầm bê tông xi măng.
2.3.1. Xác định khả năng chịu lực của dầm theo trạng thái giới hạn thứ 1
2.3.1.1. Tiết diện chữ nhật cốt đơn

Ab
RbAb

As


M
RsAs

Hình 2. 3: Sơ đồ tính dầm đặt cốt đơn
Phương trình moment của các lực đối với trục đi qua điểm đặt hợp lực của cốt
thép chịu kéo (Hình 2.3).

M

tAs

 0  M gh  Rb Ab (h0  0.5x)

(2.9)

Phương trình hợp lực chiếu lên phương x.

X 0 R A  R A
s

s

b b

 Rs As  Rbbx

(2.10)

Từ 2.9 và 2.10 tìm được Mgh:


M gh  Rs As  ho  0.5x 

(2.11)

16