Nghiên cứu kỹ thuật bê tông geopolymer từ tro bay không sử dụng xi măng portland

THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 58 
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT BÊ TÔNG GEOPOLYMER TỪ TRO BAY 
KHÔNG SỬ DỤNG XI MĂNG PORTLAND 
ThS. Vũ Huyền Trân 
Khoa x y d ng, tr ng i học X y d ng Miền Trung 
Tóm tắt: Tro bay là chất thải của công nghiệp năng l ợng rất phổ biến trên thế giới cũng nh ở 
Việt Nam. Sử dụng tro bay để thay thế xi măng OPC góp phần làm giảm ô nhiễm môi tr ng và chi 
phí. Trong tro bay có chứa nhiều oxit nhôm và oxit silic vô định hình nên khi tác dụng với kiềm sẽ 
sinh ra gel aluminosilicate đóng vai trò chất kết dính trong bê tông geopolymer. Tính chất của bê tông 
geopolymer bị ảnh h ởng bởi nhiều yếu tố nh thành phần của tro bay, bản chất và nồng độ của chất 
ho t hóa kiềm, l ợng n ớc nhào trộn, th i gian và nhiệt độ d ỡng hộ, Bài báo này tác giả tổng kết 
các tính chất của bê tông geopolymer để nêu lên những u điểm của lo i vật liệu mới này so với bê 
tông xi măng. 
1. Giới thiệu 
Năm 1972 bắt đầu xuất hiện vật liệu 
alumino silicate (kaolinite) đ ợc biến đổi ở 
nhiệt độ thấp trong một th i gian ngắn thành 
tecto-aluminosilicate ba chiều. Phản ứng 
t ơng t nh quá trình đa trùng ng ng của 
chất hữu cơ. Cơ chế này đã đ ợc ứng dụng 
vào lĩnh v c tổng hợp zeolite. Quá trình này 
còn t o ra những vật liệu silico- aluminate ba 
chiều có cấu trúc từ vô định hình tới bán tinh 
thể hay còn gọi là geopolymer và thuật ngữ 
“geopolymer” này đ ợc đ a ra vào năm 
1978 bởi Davidovits. Mặc dù kỹ thuật 
geopolymer khá mới hiện nay nh ng nó đã 
có nguồn gốc cổ x a và đ y cũng là vật liệu 
đ ợc sử dụng để x y kim t tháp cũng nh 
các công trình cổ x a khác [2]. 
Bê tông geopolymer là lo i bê tông có 
c ng độ cao, bền axit, bền sunphat, bền 
nhiệt và ít co ngót hơn so với bê tông 
th ng. Chất kết dính đ ợc sử dụng là tro 
bay giàu SiO2 và Al2O3 vô định hình mà 
d ới tác dụng của chất kiềm ho t hóa sẽ t o 
thành gel aluminosilicate. Gel này sẽ liên kết 
các h t cốt liệu và các h t tro bay ch a phản 
ứng hết t o thành bê tông geopolymer [1]. 
Phản ứng sinh ra gel aluminosilicate phụ 
thuộc vào một số yếu tố nh thành phần hóa, 
l ợng pha thủy tinh của tro bay, nồng độ và 
bản chất của chất ho t hóa. Bên c nh đó quá 
trình d ỡng hộ cũng có ảnh h ởng lớn đến 
s hình thành cấu trúc và tính chất cơ lý của 
bê tông geopolymer về sau. 
2. Chất kiềm hoạt hóa 
Hầu hết chất kiềm ho t hóa là hỗn 
hợp của NaOH và KOH với thủy tinh lỏng 
(nSiO2.Na2O). C ng độ cơ học của 
geopolymer sẽ tăng khi nồng độ của chất 
ho t hóa kiềm tăng [4]. Tuy nhiên, đối với 
tro bay đ ợc ho t hóa kiềm, Palomo A., 
Grutzek M.W. và Blanco M.T. [5] đã nghiên 
cứu và chứng tỏ rằng chất ho t hóa với nồng 
độ kiềm 12M sẽ cho kết quả tốt hơn 18M. 
Chindaprasirt [3] báo cáo rằng tỷ lệ thích 
hợp giữa natri silicate và natri hydroxit là từ 
0,67-1 khi nồng độ kiềm từ 10-20M. Theo 
các tác giả khác, việc sử dụng thủy tinh lỏng 
với mođun silic từ 1-1,5 thì cho c ng độ 
cao hơn và nếu sử dụng d ng bột thì c ng 
độ sẽ thấp hơn d ng lỏng. 
THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 59 
3. Quá trình dƣỡng hộ 
D ỡng hộ nhiệt làm cho các phản ứng 
trong vữa geopolymer xảy ra nhanh hơn. Cả 
nhiệt độ và th i gian d ỡng hộ đều ảnh 
h ởng đến c ng độ chịu nén của bê tông 
geopolymer [6]. Khi d ỡng hộ nhiệt, 24 gi 
đầu c ng độ tăng rất nhanh, sau đó thì tốc 
độ tăng c ng độ chậm l i [7]. Do đó th i 
gian d ỡng hộ không cần thiết phải quá 24 
gi . 
D ỡng hộ nhiệt có thể là d ỡng hộ nhiệt 
ẩm hoặc d ỡng hộ nhiệt không có hơi n ớc. 
C ng độ chịu nén khi d ỡng hộ nhiệt 
không có hơi n ớc cao hơn 15% so với khi 
d ỡng hộ nhiệt ẩm [7]. 
4. Tính chất của bê tông geopolymer 
4.1 Tính thi công của bê tông tƣơi 
Giống nh trong bê tông thông 
th ng, n ớc cũng đóng vai trò quan trọng 
đối với bê tông geopolymer. N ớc làm tăng 
tính thi công nh ng cũng làm tăng độ rỗng 
do n ớc bốc hơi để l i [9]. Chindaprasirt P, 
Chareerat T và Siricicatnanon V [3] nhận 
thấy rằng khi tăng nồng độ natri silicate và 
natri hydroxit thì tính dẻo của bê tông giảm. 
 ể tăng tính thi công thì có thể sử 
dụng phụ gia siêu dẻo hoặc thêm n ớc vào. 
Khi l ợng n ớc thêm vào càng nhiều thì độ 
sụt của bê tông geopolymer càng tăng (Hình 
1) [6]. Tuy nhiên, nếu sử dụng phụ gia siêu 
dẻo trên 2% l ợng tro bay để giảm n ớc thì 
sẽ g y tác động xấu đến c ng độ bê tông 
geopolymer. Trong tr ng hợp sử dụng 
n ớc để tăng tính thi công thì c ng độ của 
bê tông sẽ cao hơn khi dùng phụ gia siêu dẻo 
[8]. Daniel L.Y. Kong và Jay G. Sanjayan 
[14] đã thí nghiệm và đ a ra kết luận: sử 
dụng phụ gia siêu dẻo thông th ng cải thiện 
rất ít tính thi công của hỗn hợp bê tông 
nh ng l i làm hỏng c ng độ của ma trận 
geopolymer. 
Hình 1 – Ảnh h ởng của l ợng n ớc thêm 
vào đối với độ sụt 
4.2 Cƣờng độ chịu nén 
C ng độ chịu nén là tính chất quan 
trọng đối với bê tông geopolymer và th ng 
phụ thuộc rất nhiều yếu tố nh : 
- Nhiệt độ và th i gian d ỡng hộ: 
nhiệt độ và th i gian d ỡng hộ tăng thì 
c ng độ chịu nén tăng (Hình 2, Hình 3). 
Tuy nhiên nếu nhiệt độ quá cao sẽ g y nên 
các vết nứt và ảnh h ởng xấu tới tính chất bê 
tông geopolymer; 
Hình 2 – Ảnh h ởng của nhiệt độ d ỡng hộ 
đối với c ng độ chịu nén 
THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 60 
Hình 3 – Ảnh h ởng của th i gian d ỡng hộ 
đối với c ng độ chịu nén 
- L ợng n ớc nhào trộn: trong bê 
tông xi măng, n ớc tham gia vào các phản 
ứng thủy hóa với xi măng t o thành chất kết 
dính để liên kết cốt liệu thô và cốt liệu mịn 
l i với nhau (sinh ra các sản phẩm phản ứng 
t o c ng độ cho bê tông), (nh ng trong) đối 
với hỗn hợp bê tông geopolymer n ớc không 
tham gia vào các phản ứng hóa học vì quá 
trình hóa học chính t o nên chất kết dính là 
geopolymer. ối với geopolymer, tro bay 
tham gia phản ứng với chất kiềm ho t hóa 
t o thành gel aluminosilicate, gel này đóng 
vai trò là chất kết dính, và trong tr ng hợp 
này n ớc không tham gia vào phản ứng hóa 
học. Tuy nhiên, nghiên cứu của Barbosa [10] 
cho thấy l ợng n ớc trong bê tông 
geopolymer có ảnh h ởng quan trọng đến 
tính chất của bê tông t ơi cũng nh bê tông 
rắn. 
 ể xác định l ợng n ớc có trong hỗn 
hợp bê tông geopolymer, tỷ lệ H2O/Na2O 
đ ợc tính theo tỷ lệ mol của các oxit trong 
chất kiềm ho t hóa và trong tro bay. C ng 
độ chịu nén t i 7 ngày tuổi của ba hỗn hợp 
có tỷ lệ H2O/Na2O khác nhau đ ợc d ỡng 
hộ ở 30, 45, 75 và 90 0C đ ợc thể hiện trong 
hình 4. Ph n tích biểu đồ quan hệ giữa l ợng 
n ớc sử dụng có trong hỗn hợp và c ng độ 
chịu nén của geopolymer (hình 4) cho ta 
thấy rằng, khi l ợng n ớc sử dụng càng tăng 
thì c ng độ bê tông càng giảm [11]. 
- Tuổi của bê tông geopolymer: các 
phản ứng hóa học sinh ra gel geopolymer 
diễn ra nhanh chóng nên c ng độ của bê 
tông geopolymer không khác nhau nhiều ở 
các ngày tuổi, điều này trái ng ợc với bê 
tông xi măng th ng [11]. 
- C ng độ của chất kết dính gel 
aluminosilicate: gel aluminosilicate đóng vai 
trò liên kết các cốt liệu và các vật liệu không 
phản ứng t o nên c ng độ cho bê tông 
geopoloymer, do đó c ng độ của nó đóng 
một phần rất quan trọng. C ng độ của gel 
aluminosilicate đ ợc quyết định bởi nhiều 
yếu tố nh : 
+ Tỷ số Si/Al; 
+ ộ mịn của tro bay; 
+ Hàm l ợng pha vô định hình trong 
tro bay; 
+ Thành phần và nồng độ của chất 
kiềm ho t hóa; 
Hàm l ợng Si và Al của tro bay hòa tan 
trong kiềm. 
Hình 4 – Ảnh h ởng của l ợng n ớc nhào 
trộn đối với c ng độ chịu nén [11] 
4.3 Khả năng chống ăn mòn 
Rất nhiền các thí nghiệm đã chứng 
minh đ ợc rằng, vật liệu geopolymer từ tro 
bay có khả năng chống ăn mòn đối với môi 
tr ng axit và sunphat. Với u điểm này, bê 
tông geopolymer từ tro bay có thể đ ợc sử 
dụng để x y d ng các công trình biển và chế 
THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 61 
t o các kết cấu x y d ng để sử dụng trong 
môi tr ng có tính ăn mòn cao. 
Khi ng m bê tông geopolymer từ tro 
bay trong axit HCl 5%, độ mất khối l ợng 
của mẫu t i 50 ngày là 2% (Hình 5), còn độ 
mất c ng độ là 80% (Hình 6). Sathia [9] 
cũng tiến hành ng m mẫu trong axit sulfuric, 
độ hao hụt khối l ợng của bê tông 
geopolymer trong axit chỉ có 0,5% trong khi 
bê tông xi măng là 3%. 
Ali Allahverdi [15] đã nghiên cứu cơ chế ăn 
mòn vữa geopolymer đã đóng rắn trong môi 
tr ng axit sunphuric. Ở nồng độ axit t ơng 
đối cao (pH 1), cơ chế ăn mòn gồm hai 
b ớc: B ớc một bắt đầu với s trao đổi ion 
giữa Na+, Ca2+, H+ hoặc H3O
+
 trong dung 
dịch với các liên kết Si-O-Al. L c hút điện 
tử của proton axit làm cho tứ diện nhôm tách 
ra khỏi bộ khung aluminasilicate; B ớc hai, 
ion canxi trong khung hòa tan vào dung dịch 
axit và anion sunphat hòa tan theo h ớng 
ng ợc l i dẫn đến s hình thành tinh thể 
th ch cao trong lớp x m th c. Ở nồng độ 
thấp hơn của axit sunphruic (pH 2), b ớc 
đầu tiên cũng là s trao đổi ion và l c hút 
điện tử của proton axit tấn công các liên kết 
Si-O-Al, quá trình này tiếp diễn cho đến khi 
dẫn đến s hình thành các vết nứt do co 
ngót. Khi vết nứt đủ s u, các anion trên bề 
mặt khuếch tán vào vết nứt dẫn đến s hình 
thành và lắng đọng của các tinh thể th ch 
cao. Với axit sulfuric với nồng độ t ơng đối 
thấp (pH 3) và th i gian ng m mẫu giới h n 
(90 ngày), cơ chế ăn mòn đơn giản chỉ là s 
tách các cation tích điện và tứ diện nhôm mà 
không có s lắng đọng của tinh thể th ch cao 
[16]. 
Hình 5 – ộ mất khối l ợng khi ng m 
mẫu trong dung dịch HCl 15%, 7 tuần 
 Hình 6 – ộ mất c ng độ khi ng m 
mẫu trong dung dịch HCl 5% 
S hình thành gel aluminosilicate 
cũng rất quan trọng đối với độ bền của 
geopolymer. Vật liệu geopolymer có cấu 
trúc tinh thể càng nhiều thì bền với s x m 
th c môi tr ng axit sulfuric và axit acetic 
hơn geopolymer có cấu trúc vô định hình. 
Thokchom [12] ng m mẫu vữa geopolymer 
trong axit sulfuric 10% sau 18 tuần thì các 
mẫu không có bất kỳ s thay đổi nào có thể 
nhận ra bằng mắt th ng. Bề mặt mẫu và 
quá trình ăn mòn chỉ có thể đ ợc quan sát 
bằng kính hiển vi quang học. Kết quả về độ 
hao hụt khối l ợng trong nghiên cứu này cho 
thấy vữa geopolymer có khả năng chịu ăn 
mòn tốt hơn vữa xi măng OPC. T i 18 tuần 
tuổi, các mẫu vữa geopolymer đ ợc lo i bỏ 
kiềm hoàn toàn bởi axit sulfuric (Hình 7) 
nh ng vẫn còn độ bền nén đáng kể. iều này 
THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 62 
chứng tỏ khả năng chịu ăn mòn đối với môi tr ng axit [12]. 
Hình 7 – Mẫu geopolymer tr ớc và sau khi ng m trong dung dịch axit sulfuric 10% 
Thokchom [12] cũng khảo sát ảnh 
h ởng của hàm l ợng NaOH đối với độ bền 
của geopolymer trong axit sulfuric. Các mẫu 
với hàm l ợng kiềm khác nhau cho thấy 
mức độ phá hủy khác nhau khi ng m trong 
axit sulfuric. Khi quan sát bằng mắt th ng 
thì không có dấu hiệu phá hủy cấu trúc 
nh ng d ới kính hiển vi quang học thì bề 
mặt phá hủy đ ợc thấy rõ ràng và nó th ng 
xuất hiện ở những mẫu có hàm l ợng kiềm 
thấp. Mẫu đ ợc chế t o với hàm l ợng kiềm 
cao có độ mất c ng độ thấp hơn so với mẫu 
có hàm l ợng kiềm thấp tuy rằng độ mất 
khối l ợng nhiều hơn. 
4.4 Tính bền nhiệt độ 
Tính chất chịu lửa của bê tông là một 
trong những tính chất th ng đ ợc xem xét 
bởi vì an toàn cho ng i sử dụng. 
Kalyan Kr. Mandal, Suresh 
Thokchom và Mithun Roy [13] đã tiến hành 
nghiên về tính chất của geopolymer ở nhiệt 
độ cao và đ a ra kết luận rằng: 
- Màu sắc của mẫu geopolymer trong 
điều kiện nhiệt độ cao thay đổi dần từ xám 
sang n u nhẹ; 
- ộ co thể tích xuất hiện đột ngột từ 
600-900
 0
C; 
- ộ mất khối l ợng diễn ra nhanh 
chóng cho tới 300 0C, sau đó thì khối l ợng 
thay đổi không đáng kể; 
- C ng độ còn l i của các mẫu có 
khuynh h ớng t ơng t nhau. Tuy nhiên, 
mẫu có hàm l ợng Na2O cao nhất có độ mất 
c ng độ lớn nhất khi đặt trong nhiệt độ cao. 
Cũng nghiên cứu về tính bền nhiệt độ 
của bê tông geopolymer, Daniel L.Y. Kong 
và Jay G. Sanjayan [14] cho rằng c ng độ ở 
nhiệt độ cao phụ thuộc vào kích th ớc của 
mẫu vữa geopolymer do s chênh lệch nhiệt 
độ giữa bề mặt và lõi g y nứt vì nhiệt. Kích 
th ớc cốt liệu cũng là nh n tố quan trọng để 
xác định biểu hiện của geopolymer ở nhiệt 
độ cao. Cốt liệu có kích th ớc nhỏ (<10 mm) 
làm tăng s phá vỡ và nứt trên ph m vi rộng 
trong bê tông geopolymer trong khi bê tông 
geopolymer chứa cốt liệu lớn (>10 mm) thì 
bền hơn ở nhiệt độ cao. Ngoài ra, tính bền 
nhiệt của bê tông geopolymer có sử dụng 
phụ gia siêu dẻo rất kém, do đó sử dụng phụ 
gia siêu dẻo là không có lợi đối với bê tông 
geopolymer làm việc ở nhiệt độ cao. S 
chênh lệch nhiệt độ giữa cấu trúc 
geopolymer và thành phần cốt liệu gần nh 
là nguyên nh n của s suy giảm c ng độ 
của bê tông geopolymer ở nhiệt độ cao. iều 
THÔNG BÁO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ* SỐ 1-2012 63 
này đ ợc minh chứng bằng việc so sánh hai 
bê tông geopolymer đ ợc làm từ hai cốt liệu 
khác nhau có tính chất giãn nở nhiệt khác 
nhau. Mẫu có s chênh lệch lớn hơn thì s 
suy giảm c ng độ nhiều hơn. Tỷ lệ giãn nở 
nhiệt của cốt liệu là yếu tố có tính ảnh h ởng 
đến tính chất của bê tông geopolymer ở nhiệt 
độ cao [14]. 
5. Kết luận 
Vật liệu geopolymer từ tro bay có tính 
năng tốt hơn bê tông thông th ng ở nhiều 
ph ơng diện nh c ng độ chịu nén cao, bền 
với ăn mòn của môi tr ng, có khả năng làm 
việc trong môi tr ng nhiệt độ cao. Với 
những đặc tính u việt trên, bê tông 
geopolymer hoàn toàn có thể thay thế bê 
tông xi măng OPC. Ngoài ra, việc ứng dụng 
vật liệu này giúp tận dụng phế thải tro bay 
và góp phần bảo vệ môi tr ng. Vì vậy, có 
thể nói bê tông geopolymer là bê tông của 
t ơng lai. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Wallah S.E. (2009). Drying Shrinkage of Heat-Cured Fly Ash-Based Geopolymer 
Concrete. Modern Appl. Sci., 3: 12. 
[2]. Davidovits, J. 2008. Geopolymer Chemistry and Applications. Institut Géopolymère, 
Saint-Quentin, France. 
[3]. Chindaprasirt P, Chareerat T, Siricicatnanon V (2007). Workability and strength of coarse 
high calcium fly ash geopolymer. Cement Concrete Compos., 29: 224-229. 
[4]. F Katz A. Microscopic study of alkali-activation fly ash. Cem Concr Res 1998;28: 197–
208. 
[5]. Palomo A, Grutzek MW, Blanco MT. Alkali-activated fly ashes. A cement for the future. 
Cem Concr Res 1999; 29:1323–9. 
[6]. Chanh NV, Trung BD, Tuan DV (2008). Recent research geopolymer concrete. The 3rd 
ACF International Coference –ACF/VCA. 
[7]. Hardjito, D. and Rangan, B. V. (2005), Development and Properties of Low-Calcium Fly 
Ash-based Geopolymer Concrete, Research Report GC1, Faculty of Engineering, Curtin 
University of Technology, Perth 
[8]. Djwantoro Hardjito. Studies on Fly Ash-Based Geopolymer Concrete. PhD Thesis Curtin 
University of Technology, November 2005. 
[9]. Sathia R, Babu KG, Santhanam M (2008). Durability study of low calcium fly ash 
geopolymer concrete. The 3
rd
 ACF International Coference –ACF/VCA. 
[10]. Barbosa, V.F.F., MacKenzie K.J.D., and Thaumaturgo C., Synthesis and 
Characterisation of Materials Based on Inorganic Polymers of Alumina and Silica: Sodium 
Polysialate Polymers. International Journal of Inorganic Materials, 2000. 2(4): pp. 309-317. 
[11]. Djwantoro Hardjito, Steenie E. Wallah, Dody M.J. Sumajouw, and B.V. Rangan. Factors 
influencing the compressive strength of fly ash-based geopolymer concrete. Civil engineering 
dimension, Vol. 6, No. 2, 88–93, September 2004, ISSN 1410-9530