Bê tông nhẹ sử dụng các loại cốt liệu có khối lượng thể tích thấp như đá bọt có thể giúp giảm tải trọng bản thân công trình và cải thiện khả năng cách nhiệt. Một nghiên cứu công bố trên Scientific Reports cho thấy bê tông geopolymer nhẹ sử dụng cốt liệu đá bọt có thể giảm đáng kể khối lượng thể tích, giảm phát thải carbon và duy trì tỷ lệ cường độ nén cao hơn sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao so với bê tông geopolymer thông thường.
Kết quả nghiên cứu mở ra hướng tiếp cận mới trong phát triển vật liệu xây dựng carbon thấp, khi bê tông geopolymer nhẹ không chỉ được đánh giá ở khả năng giảm tải trọng công trình mà còn ở độ ổn định khi chịu tác động nhiệt. Việc sử dụng đá bọt làm cốt liệu nhẹ giúp tạo ra cấu trúc vật liệu có độ rỗng cao hơn, qua đó hạn chế sự phát triển của các vết nứt liên tục khi nhiệt độ tăng.
Đánh giá tính chất cơ học và khả năng chịu nhiệt của bê tông geopolymer nhẹ.
Tối ưu bê tông geopolymer nhẹ đóng rắn ở điều kiện thường
Bê tông là vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi trong các công trình hạ tầng, nhà ở, cầu đường và công trình công nghiệp. Tuy nhiên, bê tông sử dụng xi măng portland có liên quan đến lượng phát thải carbon đáng kể và có thể bị suy giảm khả năng chịu nhiệt khi tiếp xúc với điều kiện nhiệt độ cao, đặc biệt trong các tình huống liên quan đến hỏa hoạn.
Bê tông nhẹ sử dụng các loại cốt liệu có khối lượng thể tích thấp như đá bọt có thể giúp giảm tải trọng bản thân công trình và cải thiện khả năng cách nhiệt. Dù vậy, việc giảm khối lượng thường đi kèm với sự suy giảm cường độ, khiến việc phát triển bê tông nhẹ có đủ khả năng đáp ứng yêu cầu kết cấu trở thành một bài toán cần được tối ưu.
Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học phát triển bê tông geopolymer nhẹ sử dụng cốt liệu đá bọt, đồng thời đánh giá khả năng chịu nhiệt và tác động môi trường của vật liệu. Geopolymer là hệ chất kết dính được hình thành từ các vật liệu aluminosilicate hoạt hóa bằng dung dịch kiềm, được xem là một hướng thay thế cho chất kết dính portland trong một số ứng dụng.
Điểm đáng chú ý của nghiên cứu là các cấp phối được đóng rắn ở điều kiện nhiệt độ môi trường trong phòng thí nghiệm, không sử dụng dưỡng hộ bằng hơi nước hoặc nhiệt. Cách tiếp cận này nhằm hạn chế một trong những yếu tố có thể làm giảm khả năng ứng dụng thực tế của bê tông geopolymer.
Các thông số được tối ưu gồm hàm lượng tiền chất, nồng độ natri hydroxide, tỷ lệ chất hoạt hóa trên chất kết dính, cấp phối cốt liệu, hàm lượng silica fume và nhu cầu sử dụng phụ gia siêu dẻo.
Đá bọt được khai thác tại khu vực miền Đông Thổ Nhĩ Kỳ và được phân loại thành các cấp hạt từ 0 - 4 mm, 4 - 8 mm và 8 - 16 mm. Khối lượng riêng của các loại cốt liệu dao động từ 0,56 - 0,82. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm nhiều cấp phối để đánh giá đặc tính hỗn hợp tươi và bê tông sau khi đóng rắn, từ đó lựa chọn 2 cấp phối bê tông geopolymer nhẹ tối ưu để so sánh với một cấp phối bê tông geopolymer có khối lượng thông thường.
Đá bọt giúp giảm khối lượng và hạn chế suy giảm cường độ khi chịu nhiệt
Kết quả cho thấy việc tăng hàm lượng đá bọt giúp giảm đáng kể khối lượng thể tích của bê tông. Khối lượng thể tích giảm từ khoảng 2.070 kg/m³ ở bê tông geopolymer có khối lượng thông thường xuống khoảng 1.320 kg/m³ ở cấp phối có hàm lượng đá bọt cao.
Tuy nhiên, sự suy giảm khối lượng đi kèm với sự giảm cường độ nén do cấu trúc vật liệu trở nên xốp hơn. Sau khi thử nghiệm nhiều cấp phối với hàm lượng đá bọt khác nhau, các nhà nghiên cứu lựa chọn hai cấp phối bê tông geopolymer nhẹ có đặc tính nổi bật để tiếp tục đánh giá và so sánh với cấp phối bê tông geopolymer có khối lượng thông thường.
Trong số này, cấp phối M15 cho thấy sự cân bằng tốt nhất giữa khối lượng thể tích và cường độ nén, với cường độ khoảng 16,7 MPa. Ngược lại, cấp phối M1 có khối lượng thấp hơn nhưng độ rỗng lớn hơn và cường độ thấp hơn. Sự khác biệt giữa hai cấp phối cho thấy việc giảm khối lượng bê tông cần được cân đối với yêu cầu về cường độ và độ đặc chắc của vật liệu.
Phân tích vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét cho thấy các cấp phối có hàm lượng đá bọt cao hình thành ma trận gel geopolymer liên tục nhưng có độ rỗng lớn hơn. Sự liên kết giữa các hạt đá bọt và chất kết dính cũng được cải thiện.
Trong khi đó, bê tông geopolymer có khối lượng thông thường sở hữu cấu trúc đặc chắc hơn nhưng có xu hướng hình thành các vết nứt lớn hơn sau khi chịu nhiệt độ cao.
Các mẫu bê tông được gia nhiệt trong lò điện ở các mức 150, 300, 450, 600 và 750°C. Sau khi duy trì trong một giờ ở nhiệt độ mục tiêu, mẫu được làm nguội tự nhiên về nhiệt độ phòng trước khi tiến hành đánh giá cường độ nén còn lại, tổn thất khối lượng, độ hút nước và các biến đổi quan sát được bằng mắt thường.
Kết quả cho thấy mức gia nhiệt vừa phải có thể làm tăng cường độ nén của một số cấp phối. Cường độ của các mẫu bê tông geopolymer nhẹ được cải thiện ở 150°C, trong khi cấp phối M1 tiếp tục ghi nhận mức tăng cường độ ở 300°C. Hiện tượng này được cho là liên quan đến quá trình tiếp tục làm đặc chắc gel geopolymer dưới tác động của nhiệt.
Khi nhiệt độ vượt quá 300°C, cường độ bắt đầu suy giảm do các lỗ rỗng phát triển lớn hơn và các vi nứt hình thành trong vật liệu. Tuy nhiên, bê tông geopolymer nhẹ sử dụng đá bọt vẫn giữ lại tỷ lệ cường độ ban đầu cao hơn so với bê tông geopolymer có khối lượng thông thường ở các mức nhiệt độ cao hơn.
Các hình ảnh vi cấu trúc sau khi gia nhiệt cho thấy bê tông geopolymer có khối lượng thông thường xuất hiện các vết nứt lớn, liên kết với nhau và hiện tượng tách dính tại vùng tiếp giáp giữa cốt liệu và chất kết dính. Ngược lại, các mẫu bê tông geopolymer nhẹ có cấu trúc rỗng phân bố rộng hơn và ít xuất hiện các vết nứt liên tục.
Theo nhóm nghiên cứu, các lỗ rỗng trong cốt liệu đá bọt có thể đóng vai trò như những vùng giảm áp lực khi vật liệu chịu tác động nhiệt. Cơ chế này góp phần hạn chế sự tập trung ứng suất và làm thay đổi dạng hư hỏng của bê tông.
Tổn thất khối lượng và độ hút nước đều tăng khi nhiệt độ gia tăng. Tuy nhiên, cấp phối M15 duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc tốt hơn. Quan sát bằng mắt thường cũng cho thấy cấp phối này xuất hiện ít vết nứt và hiện tượng đổi màu hơn sau khi chịu nhiệt.
Lợi thế về phát thải nhưng vẫn cần đánh giá kỹ hệ chất hoạt hóa
Bên cạnh đặc tính cơ học và nhiệt, nghiên cứu cũng tiến hành đánh giá vòng đời nhằm xác định lượng phát thải carbon dioxide tương đương và nhu cầu năng lượng tích lũy của các cấp phối.
Kết quả cho thấy bê tông geopolymer nhẹ có lượng phát thải CO₂ tương đương thấp hơn đáng kể so với các cấp phối bê tông nhẹ sử dụng xi măng portland được đưa vào so sánh trong nghiên cứu. Lợi thế môi trường này đến từ sự khác biệt về hệ chất kết dính và thành phần nguyên liệu.
Tuy nhiên, kết quả đánh giá cũng cho thấy tác động môi trường của bê tông geopolymer phụ thuộc đáng kể vào các giả định liên quan đến chất hoạt hóa kiềm, đặc biệt là dữ liệu đầu vào đối với natri hydroxide. Vì vậy, việc công bố minh bạch các giả định và dữ liệu sử dụng trong phân tích vòng đời có vai trò quan trọng khi so sánh tác động môi trường giữa các loại vật liệu.
Nghiên cứu cho thấy bê tông geopolymer nhẹ sử dụng đá bọt có thể đồng thời giảm khối lượng thể tích và duy trì khả năng chịu nhiệt tốt hơn so với bê tông geopolymer có khối lượng thông thường. Cấp phối tối ưu đạt cường độ ở mức có thể xem xét cho một số ứng dụng kết cấu, trong khi vẫn duy trì lợi thế về khối lượng và phát thải trong phạm vi nghiên cứu.
Dù vậy, các nhà khoa học cho rằng cần tiếp tục nghiên cứu độ bền của vật liệu trong điều kiện khai thác thực tế, cải thiện cường độ và độ dai của bê tông, đồng thời giảm tác động môi trường liên quan đến các chất hoạt hóa kiềm.
Kết quả hiện tại cung cấp cơ sở cho việc tiếp tục phát triển bê tông geopolymer nhẹ sử dụng đá bọt, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu giảm tải trọng, cải thiện khả năng chịu nhiệt và hướng tới giảm phát thải carbon trong lĩnh vực xây dựng.
BuilData (TH/ Azobuild)
