BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
Trần Việt Hưng
NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, ĐẶC TÍNH CƠ LÝ
CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY VÀ ỨNG
DỤNG CHO KẾT CẤU CẦU HẦM
Ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình giao thông
Chuyên ngành: Xây dựng Cầu hầm
Mã số: 62.58.02.05.03
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội, 2017
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1: PGS.TS. Đào Văn Đông
2: PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án cấp Trường theo
Quyết định Số /QĐ-ĐHGTVT ngày tháng năm 2017
họp tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải,
vào hồi 8h30 ngày tháng năm 2017
Có thể tìm hiểu Luận án tại thư viện:
1. Thư viện Quốc gia
2. Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải
- 1 -
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề nghiên cứu
Sản xuất xi măng poóclăng được cho là gây ô nhiễm nghiêm trọng do
mức độ phát thải khí CO2 và bụi nhiều, tiêu tốn nhiều năng lượng và các
nguồn tài nguyên thiên nhiên. Để từng bước hạn chế việc sử dụng xi măng
poóclăng trong xây dựng, đồng thời tận dụng có hiệu quả chất thải công
nghiệp tro bay nhiệt điện thì một loại chất kết dính mới đang được nghiên
cứu và từng bước ứng dụng vào thực tế xây dựng. Chất kết dính đó sử dụng
tro bay nhiệt điện kết hợp với một số hợp chất hoá học thông thường. Chất
kết dính mới này được gọi là chất kết dính geopolymer.
Đại học Curtin, Australia đã có các nghiên cứu sâu về sự phát triển, quá
trình chế tạo, ứng xử và các ứng dụng của bê tông geopolymer (GPC). Các
kết quả nghiên cứu cho thấy GPC đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật, giá
cạnh tranh và nhất là tính thân thiện với môi trường so với bê tông xi măng
truyền thống.
Tuy nhiên, vấn đề này vẫn còn mới mẻ ở Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh
vực vật liệu xây dựng và các ứng dụng trong các kết cấu. Kết cấu bê tông
geopolymer cốt thép (RGPC) hiện vẫn chưa được đi sâu nghiên cứu. Vì vậy,
việc nghiên cứu ứng xử của GPC vào các kết cấu chịu lực, trong đó có kết
cấu dầm cầu chịu uốn là cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu
•Xác định được thành phần của GPC có thể sử dụng được trong kết
cấu cầu.
•Xác định được mô hình cơ học của vật liệu GPC dùng để tính toán
chịu uốn kết cấu dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép.
•Xác định sự phù hợp của mô hình tính toán với kết quả thí nghiệm
ứng xử uốn của dầm bê tông geopolymer có cốt thép.
3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết để định hướng và dự kiến kết quả đạt được, dùng
thực nghiệm để kiểm chứng.
- 2 -
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
•Nêu rõ được bản chất của chất kết dính geopolymer, ưu, nhược điểm
của GPC cũng như khả năng sử dụng của vật liệu này trong xây dựng.
•Đề xuất được phương pháp chế tạo bê tông geopolymer tro bay với các
vật liệu Việt Nam.
•Xác định được một số tính chất cơ lý quan trọng của các cấp bê tông
geopolymer tro bay đã chế tạo.
•Đề xuất được phương pháp xác định sức kháng uốn của mặt cắt dầm bê
tông geopolymer tro bay cốt thép.
•Cung cấp được bằng thực nghiệm khả năng chịu uốn của dầm bê tông
geopolymer tro bay cốt thép.
•Kiến nghị nguyên tắc thiết kế dầm bê tông geopolymer tro bay cốt thép.
•Về thực tiễn: Đề xuất một giải pháp kỹ thuật mới để tận dụng vật liệu
có nguồn gốc thải phẩm công nghiệp (tro bay nhiệt điện) để thay thế
chất kết dính xi măng poóclăng truyền thống trong sản xuất vật liệu xây
dựng ở Việt Nam. Trên cơ sở đó góp phần phát triển một thế hệ vật liệu
xây dựng thân thiện với môi trường.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER VÀ
BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY
1.1. Bê tông xi măng
Sản xuất một tấn xi măng phát thải khoảng 1-1,2 tấn CO2, một loại khí nhà
kính gây nóng lên toàn cầu. Hơn 7% sản lượng CO2 trên thế giới là do liên
quan đến sản xuất xi măng [65]. Vì vậy, việc tìm kiếm chất kết dính mới thay
thế xi măng poóclăng đáp ứng yêu cầu phát triển ngành công nghiệp xây
dựng bền vững, thân thiện môi trường là cần thiết. Tuy nhiên, vật liệu chất
kết dính mới cũng cần có cường độ đạt yêu cầu và tính chất độ bền ít nhất
tương tự như xi măng truyền thống.
“Geopolymer” đã được nghiên cứu và dần cho thấy nó có thể góp phần đa
dạng hóa các giải pháp về chất kết dính, có thể thay thế một phần thị trường
của xi măng. Ngoài ra, geopolymer còn tận dụng nguyên liệu là các chất thải
công nghiệp như tro bay, tro trấu, xỉ lò cao… cho nên geopolymer còn đáp
- 3-
ứng những yêu cầu về môi trường đối với chất kết dính xanh hơn và thân
thiện hơn
1.2. Nghiên cứu về chất kết dính geopolymer trên thế giới
Thuật ngữ “geopolymer” lần đầu tiên được giới thiệu với thế giới vào năm
1978 bởi nhà khoa học người Pháp Joseph Davidovits. Geopolymer là một
trong các hợp chất polymer vô cơ. Thành phần hóa học của vật liệu
geopolymer tương tự như các vật liệu zeolite tự nhiên, nhưng vi cấu trúc là
vô định hình [72, 103]. Quá trình geopolymer hóa liên quan đến một phản
ứng hóa học xảy ra nhanh giữa các oxit aluminosilicat và các silicat khác
nhau trong điều kiện kiềm mạnh.
Bất kỳ dung dịch kiềm mạnh nào cũng có thể được sử dụng để làm chất kích
hoạt cho việc tạo ra geopolymer. Hiện nay, các dung dịch kiềm kích hoạt
thường được sử dụng phổ biến nhất là NaOH hoặc KOH kết hợp với Na2SiO3
hoặc K2SiO3.
Bất kỳ nguyên liệu nào chứa oxit silic và oxit nhôm ở dạng vô định hình đều
có thể được sử dụng để tạo ra geopolymer. Trong đó, geopolymer được tạo
thành từ các nguyên liệu nung như metakaolanh, tro bay và xỉ có cường độ
nén cao hơn khi so sánh với việc tổng hợp chúng từ các vật liệu không nung
như đất sét, kao lanh và các khoáng tự nhiên [26]. Metakaolanh được đánh
giá là nguyên liệu rất tinh khiết của nhôm và silic ở dạng vô định hình và rất
thích hợp cho việc geopolymer hóa. Tuy nhiên, ứng dụng thương mại của
geopolymer dựa trên metakaolanh thường bị hạn chế bởi chi phí tăng cao khi
nung cao lanh và cường độ sản phẩm tạo ra thấp. Xỉ lò cao thường có thành
phần hóa học phức tạp, không đồng nhất. Kích thước hạt xỉ thường lớn cho
nên phải tốn chi phí nghiền nếu muốn sử dụng. Việc sử dụng xỉ làm nguyên
liệu geopolymer sẽ gặp nhiều khó khăn do các nguyên nhân kể trên.
Tro bay là nguyên liệu rất thích hợp cho geopolymer vì nó có chứa tinh thể
aluminosilicat hoạt tính có kích thước hạt mịn, có lợi cho phản ứng hóa học.
Điều này làm cho tro bay trở nên lý tưởng để thay thế metakaolanh do giảm
được chi phí vật liệu đầu vào. Đồng thời, tro bay cũng là nguyên liệu phổ
biến trên toàn thế giới do sự phát triển của ngành công nghiệp nhiệt điện,
nhất là nhiệt điện chạy than. Geopolymer tro bay có tiềm năng thương mại
rất lớn do tính kinh tế và đặc điểm vật chất của chúng. Hiện nay, một phần