Bê tông Geopolymer (Geopolymer Concrete – GPC) là loại bê tông không sử dụng chất kết dính xi măng portland thông thường mà là sản phẩm của phản ứng giữa dung dịch kiềm và các loại vật liệu có chứa hàm lượng lớn hợp chất silic và nhôm. Việc sử dụng bê tông Geopolymer cho công trình cầu sẽ mang lại rất nhiều ý nghĩa thiết thực cho ngành cầu đường và ngành xây dựng Việt Nam, góp phần làm giảm một lượng rất lớn khí thải CO2 và các ô nhiễm môi trường từ đó hướng tới sự phát triển bền vững.
Nghiên cứu này sử dụng bê tông Geopolymer chế tạo tại chỗ để thiết kế dầm I dự ứng lực căng sau. Tỷ lệ sử dụng tro bay chiếm 15% khối lượng cốt liệu. Kết quả cường độ chịu nén 28 ngày tuổi đạt từ 45,8 MPa, cường độ chịu khéo khi ép chẻ đạt từ 4,12 MPa, mô đun đàn hồi 35500 GPa.
1. Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, các công trình xây dựng nói chung và công trình giao thông nói riêng được xây dựng và phát triển ngày càng nhiều nhằm đáp ứng yêu cầu công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước. Liên đoàn bê tông châu Á (ACF) ước tính hằng năm có khoảng 35 tỷ tấn bê tông được sản xuất trên toàn cầu, điều nay có nghĩa có khoảng 4,2 tỷ tấn xi măng cần được sử dụng. Sản lượng xi măng toàn cầu tiếp tục tăng trưởng khoảng trên 5% mỗi năm và tập trung chủ yếu vào các nước phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ,…[1]. Theo số liệu của tạp chí Global Cement, Việt Nam hiện đang xếp thứ 5 trên Thế giới về năng lực sản xuất xi măng chỉ sau Trung Quốc, Ấn Độ, Mỹ và Nga. Trong vòng mười năm kể từ 2009, năng lực sản xuất xi măng của Việt Nam tăng gần 3 lần từ 45 triệu tấn lên 120 triệu tấn [2]. Tuy nhiên ngành công nghiệp sản xuất xi măng được cho là gây ô nhiễm nghiêm trọng do mức độ phát thải khí CO
2 và bụi nhiều, tiêu tốn nhiều năng lượng và các nguồn tài nguyên thiên nhiên. Sản xuất một tấn xi măng phát thải khoảng 1 – 1,2 tấn CO2 và ngành sản xuất xi măng đóng góp 5 – 7% lượng khí thải CO2 toàn cầu cùng với một lượng khói bụi rất lớn và con số đó hiện nay thậm chí còn cao hơn [3].
Trong quá trình hiện đại hóa hiện nay, nhu cầu tiêu thụ điện năng tăng một cách rõ rệt, điều đó dẫn tới sự phát triển của các nhà máy nhiệt điện. Tro bay là một trong những thải phẩm của các nhà máy này. Hầu hết tro bay không được sử dụng một cách hiệu quả, phần lớn của nó được xử lý trong các bãi chôn lấp. Tại Việt Nam tỷ lệ tận dụng lại chưa cao và tốn hàng trăm hecta để làm bãi chứa tro bay và ảnh hưởng rất lớn đến môi trường. Để từng bước hạn chế sử dụng xi măng pooc lăng 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 một số hợp chất hóa học thông thường. Chất kết dính này gọi là Geopolymer. Việc sử dụng GPC cho các công trình xây dựng nói chung và công trình cầu nói riêng sẽ có một ý nghĩa rất lớn trong việc hạn chế ô nhiễm môi trường, hướng tới phát triển bền vững. Ở Mỹ ứng dụng chủ yếu của chất kết dính geopolymer là sản xuất xi măng geopolymer đóng rắn nhanh được ứng dụng trong các sân bay quân sự từ năm 1985, đường băng, sàn nhà công nghiệp, đường cao tốc. Ở Úc GPCđã và đang được ứng dụng trong thực tiễn như thanh tà vẹt đúc sẵn, đường ống cống và các loại cấu kiện bê tông đúc sẵn với yêu cầu là phải cho cường độ cao ở tuổi sớm sau khi bảo dưỡng bằng hơi nước hoặc nhiệt. Sân bay Brisbane West Wellcamp là sân bay công cộng đầu tiên của Úc được xây dựng sử dụng GPCvới khối lượng khoảng 40.000m³ (100.000 tấn) [4] (Hình 1).
Trong ngành xây dựng cầu, hiện tại đã có những áp dụng cụ thể đưa vào thực tế. Một trong những ứng dụng sớm nhất của GPC trong lĩnh vực này là cầu Murrarie Plant. Đây là cây cầu composit được chế tạo từ dầm cốt sợi thủy tinh đúc sẵn. Cầu đã được đúc sẵn tại nhà máy WAGNER Toowoomba CFT với sự kết hợp của GPCcường độ 40 MPa và sợi thủy tinh và được đưa tới địa điểm lắp đặt trong năm 2009 (Hình 2).
Ở Việt Nam, bê tông GPC cũng đã bắt đầu được nghiên cứu trong thời gian gần đây. Các nghiên cứu này hiện nay đang tập trung chủ yếu về xác định cấp phối, thành vật liệu chế tạo GPC [5,6]. Nghiên cứu ứng xử nứt của dầm bê tông GPC [7], dính bám giữa bê tông GPC và cốt thép [8]. Dựa trên các nghiên cứu trong và ngoài nước về bê tông GPC, nghiên cứu này sẽ trình bày các nội dung nghiên cứu ứng dụng GPC cho dầm dự ứng lực của công trình cầu. Việc sử dụng GPC cho công trình cầu sẽ mang lại rất nhiều ý nghĩa thiết thực cho ngành xây dựng cầu ở Việt Nam: tránh được hiện tượng nứt do nhiệt của bê tông khối lớn khi thủy hóa, bảo vệ môi trường hướng tới phát triển bền vững. Nội dung đầu tiên của nghiên cứu sẽ giới thiệu về cấp phối vật liệu GPC và các thí nghiệm xãc định các tính chất cơ lý cơ bản của GPC do nhóm nghiên cứu thực hiện. Phần tiếp theo sẽ giới thiệu về ứng dụng bê tông GPC của nhóm nghiên cứu thiết kế dầm I dự ứng lực căng sau có chiều dài điển hình 33m. Nghiên cứu kết thúc bằng phần kết luận và kiến nghị.
