Tóm tắt:
Trong bối cảnh ngành xây dựng toàn cầu đang phải đối mặt với những thách thức nghiêm trọng về vấn đề phát thải khí nhà kính, đặc biệt khi sản xuất xi măng Portland chiếm tới khoảng 8% tổng lượng khí CO₂ phát thải toàn cầu (Andrew, 2018), việc tìm kiếm các giải pháp vật liệu thay thế bền vững trở thành yêu cầu cấp thiết. Geopolymer - vật liệu xanh từ tro bay (FA) và xốc lò cao (BFS) - nổi bật nhờ khả năng cắt giảm từ 60-80% CO₂ và tái chế xử lý thải công nghiệp. Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ FA/BFS đến tính chất cơ học và độ bền hóa học của geopolymer. Các mẫu tỷ lệ FA:BFS từ 100:0 đến 0:100 được đánh giá qua cường độ nén, khả năng kháng axit và muối, kết hợp phân tích vi cấu trúc (SEM-EDS, XRD) và thống kê ANOVA.
Kết quả cho thấy mẫu GP3 (50%FA:50%BFS) đạt hiệu suất tối ưu với cường độ nén 45,2 MPa sau 28 ngày - cao nhất trong các mẫu - và có tỷ lệ Ca/Si ≈1,2, tạo cấu trúc gel lai CSH và NASH bền vững. Trong môi trường H₂SO₄ 5% và NaCl 3,5%, GP3 lần chỉ suy giảm 8,7% và 6,2% cường độ, vượt trội hơn các mẫu đơn thành phần. Phân tích khôi phục quy trình và PCA xác định tương quan giữa các thành phần, cấu trúc và tính chất vật liệu. Nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng của geopolymer trong các công trình ven biển, nhà máy hóa chất và môi trường giải quyết chắc chắn, tư vấn phần phát triển vật liệu xây dựng bền vững.
Từ khóa: geopolymer, tro bay, xỉ lò cao, cường độ nén, độ bền hóa học.
1. Đặt vấn đề
Trong bối cảnh ngành xây dựng toàn cầu đang phải đối mặt với những thách thức nghiêm trọng về vấn đề phát thải khí nhà kính, đặc biệt khi sản xuất xi măng Portland chiếm tới khoảng 8% tổng lượng khí CO₂ phát thải toàn cầu (Andrew, 2018), việc tìm kiếm các giải pháp vật liệu thay thế bền vững trở thành yêu cầu cấp thiết. Vật liệu geopolymer tổng hợp từ nguồn aluminosilicate như tro bay (FA) và xỉ lò cao (BFS) nổi lên như một giải pháp triển vọng với những ưu điểm vượt trội: khả năng giảm 60-80% lượng khí thải CO₂ so với xi măng truyền thống (Davidovits, 2015), đồng thời tận dụng hiệu quả các phế thải công nghiệp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất hiện nay là việc tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn giữa tro bay và xỉ lò cao để đạt được sự cân bằng tối ưu giữa các chỉ tiêu cường độ cơ học và độ bền hóa học. Nghiên cứu này được thực hiện nhằm mục tiêu phân tích chuyên sâu ảnh hưởng của tỷ lệ FA/BFS đến quá trình đóng rắn geopolymer thông qua các phương pháp phân tích hiện đại như SEM-EDS, XRD kết hợp với phân tích thống kê ANOVA, từ đó đề xuất các ứng dụng thực tiễn cho vật liệu này trong các môi trường xây dựng đặc thù như khu vực ven biển hay các khu công nghiệp. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần quan trọng trong việc phát triển các vật liệu xây dựng bền vững, thân thiện với môi trường.
2. Vật liệu và phương pháp
2.1. Vật liệu
Bảng 1. Thành phần hóa học và nguồn gốc nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu
2.2. Thiết kế thí nghiệm
Bảng 2. Công thức geopolymer
2.3. Phương pháp phân tích
Cường độ nén (ASTM C109): Đo tại 3, 7, 28 ngày (máy INSTRON 5569).
Độ bền hóa học: Ngâm mẫu trong H₂SO₄ 5% (mô phỏng mưa axit) và NaCl 3.5% (môi trường biển) trong 28 ngày.
Phân tích thống kê: Sử dụng ANOVA 1 chiều (p < 0.05) để đánh giá sự khác biệt giữa các mẫu.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ FA/BFS đến cường độ nén
Bảng 3. Cường độ nén (MPa) ở các độ tuổi khác nhau
Kết quả cường độ nén ở các độ tuổi 3, 7 và 28 ngày (Bảng 3) cho thấy mối quan hệ rõ ràng giữa thành phần vật liệu và tính chất cơ học. Ở giai đoạn đầu (3 ngày), mẫu GP3 (50%FA:50%BFS) đạt cường độ cao nhất (25.8 MPa), vượt trội so với các mẫu khác, nhờ sự kết hợp tối ưu giữa hoạt tính pozzolan của tro bay (FA) và khả năng đóng rắn nhanh của xỉ lò cao (BFS). Cụ thể, BFS (chứa CaO) thúc đẩy hình thành sớm C-S-H gel, trong khi FA (chứa SiO₂ và Al₂O₃) tạo nền tảng cho N-A-S-H gel phát triển đồng thời. Ngược lại, mẫu GP1 (100%FA) có cường độ thấp nhất (12.5 MPa) do phản ứng geopolymer hóa diễn ra chậm, đòi hỏi thời gian dài để hoạt hóa kiềm.
Trong giai đoạn trung gian (7 ngày), tất cả các mẫu đều thể hiện tăng trưởng phi tuyến tính, trong đó GP3 tăng 37.2% nhờ hiệu ứng cộng hưởng giữa hai loại gel (C-S-H và N-A-S-H). Đáng chú ý, mẫu GP5 (100%BFS) có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất (48.0%), phản ánh tính chất thủy hóa mạnh của BFS, nhưng cường độ tuyệt đối vẫn thấp hơn GP3 do thiếu sự hỗ trợ của gel N-A-S-H từ FA.
Đến giai đoạn dài hạn (28 ngày), GP3 đạt cường độ 45.2 Mpa, cao hơn 78.7% so với GP1 và 50.2% so với GP5, khẳng định ưu thế của tỷ lệ 50:50 FA/BFS. Phân tích EDS cho thấy tỷ lệ Ca/Si ~1.2 trong GP3 tạo ra cấu trúc gel lai cân bằng, vừa đảm bảo độ bền cơ học, vừa ổn định hóa học. Kết quả phân tích ANOVA (p < 0.01) xác nhận sự khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa GP3 và các mẫu còn lại.
3.2. Độ bền hóa học
Bảng 4. Độ suy giảm cường độ (%)
Kết quả độ bền hóa học được trình bày trong Bảng 4 cho thấy sự vượt trội rõ rệt của mẫu GP3 (50%FA:50%BFS) trong cả hai môi trường axit và muối. Trong môi trường H₂SO₄ 5%, sau 28 ngày, GP3 chỉ suy giảm 8.7% cường độ, thấp hơn đáng kể so với GP1 (22.5%) và GP5 (18.4%). Khả năng chống chịu axit vượt trội này xuất phát từ:
Cơ chế bảo vệ của gel lai: Cấu trúc kết hợp N-A-S-H (từ FA) và C-S-H (từ BFS) tạo ra mạng lưới bền vững, hạn chế sự hòa tan của các ion Al³⁺ và Si⁴⁺. Kết quả phân tích EDS xác nhận GP3 chỉ mất 2.1% khối lượng Al, trong khi GP1 mất tới 5.3%.
Ổn định cấu trúc vi mô: Sự có mặt đồng thời của cả hai loại gel giúp duy trì tính toàn vẹn cấu trúc khi bị axit tấn công, ngăn chặn sự hình thành các vết nứt và lỗ rỗng.
Trong môi trường NaCl 3.5%, GP3 tiếp tục thể hiện ưu thế với độ suy giảm cường độ chỉ 6.2% sau 28 ngày, so với 15.3% ở GP1 và 12.1% ở GP5. Hiệu suất chống ăn mòn này được giải thích bởi:
Cơ chế ngăn chặn thẩm thấu ion Cl: Hệ số khuếch tán Cl⁻ thấp (2.1×10⁻¹² m²/s) chứng tỏ cấu trúc gel đặc chắc của GP3 hạn chế hiệu quả sự xâm nhập của ion gây hại.
Cơ chế liên kết ion:: Canxi trong C-S-H có khả năng liên kết với Cl⁻ tạo thành CaCl₂ trung hòa, ngăn ngừa sự hình thành các hợp chất gây nứt như Friedel's salt.
3.4. Tương quan giữa thành phần - tính chất: Phân tích định lượng và cơ chế
3.4.1. Thiết lập mô hình toán học
Dữ liệu cường độ nén ở 28 ngày được phân tích bằng phương pháp bình phương tối thiểu (OLS) để xác định mối quan hệ giữa thành phần (%FA, %BFS) và tính chất cơ học. Kết quả hồi quy đa biến cho phương trình:
fc=12.5XFA + 18.2XBFS - 0.3XFAXBFS (R2=0.96, p<0.001)
Trong đó:
- fc: Cường độ nén (MPa)
- XFA: Tỷ lệ tro bay (%)
- XBFS: Tỷ lệ xỉ lò cao (%)
Trong phương trình này:
Các hệ số dương của XFA (12.5) và XBFS (18.2) phản ánh đóng góp độc lập của từng thành phần: mỗi 1% tăng của FA hoặc BFS đều làm tăng cường độ nén tương ứng.
Hệ số tương tác âm (-0.3) thể hiện hiệu ứng phi tuyến quan trọng khi hai thành phần kết hợp:
+ Cạnh tranh phản ứng hóa học: FA cần môi trường kiềm mạnh (OH⁻) để hoạt hóa, trong khi BFS thủy phân giải phóng Ca²⁺; Sự tranh chấp này tạo ra vùng phản ứng tối ưu quanh tỷ lệ 50:50.
+ Giới hạn tỷ lệ tối ưu: Khi BFS > 50%, dư thừa CaO dẫn đến: Tạo thành portlandite (Ca(OH)₂) làm yếu cấu trúc; Giảm độ đồng nhất của gel do kết tủa cục bộ.
+ Tương tác cấu trúc vi mô: Phân tích SEM-EDS cho thấy tại tỷ lệ 50:50: Hình thành đồng đều cả C-S-H và N-A-S-H gel; Tỷ lệ Ca/Si ≈ 1.2 tạo cấu trúc mạng lưới bền vững.
3.4.2. Tương quan vi cấu trúc - cơ tính
Bảng 5. Phân tích EDS định lượng thành phần gel
Kết quả phân tích EDS (Bảng 5) đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc về mối quan hệ giữa thành phần hóa học và cấu trúc vi mô của vật liệu geopolymer. Dữ liệu cho thấy sự biến thiên rõ rệt về tỷ lệ nguyên tử Ca/Si giữa các mẫu, từ 0.1 ở mẫu GP1 (100% FA) đến 1.8 ở mẫu GP5 (100% BFS), tương ứng với sự thay đổi về loại gel chiếm ưu thế trong cấu trúc vật liệu.
Đối với mẫu GP1 (100% FA), tỷ lệ Ca/Si thấp (0.1) dẫn đến sự hình thành chủ yếu của gel N-A-S-H (Natri-Alumino-Silicate-Hydrate). Loại gel này có cấu trúc mạng ba chiều với các đơn vị cơ bản là [SiO4]4- và [AlO4]5- được liên kết bởi các cation Na+. Ưu điểm chính của N-A-S-H gel là: Độ bền hóa học cao do liên kết Si-O-Al bền vững; Tính ổn định thể tích tốt trong điều kiện thay đổi nhiệt độ và độ ẩm; Khả năng chống chịu tốt với môi trường axit.
Tuy nhiên, hạn chế chính là cường độ cơ học không cao do thiếu các thành phần chịu lực. Ngược lại, mẫu GP5 (100% BFS) với tỷ lệ Ca/Si cao (1.8) chủ yếu hình thành gel C-S-H (Calcium-Silicate-Hydrate). Đặc điểm nổi bật của C-S-H gel bao gồm: Cường độ cơ học cao nhờ mật độ liên kết Ca-O dày đặc; Tốc độ đóng rắn nhanh; Khả năng chịu nén tốt. Tuy nhiên, gel C-S-H có nhược điểm là kém bền trong môi trường axit và dễ bị co ngót.
Mẫu GP3 (50%FA:50%BFS) với tỷ lệ Ca/Si ≈1.2 thể hiện sự cân bằng lý tưởng khi hình thành đồng thời cả hai loại gel N-A-S-H và C-S-H. Cấu trúc gel lai này mang lại những ưu điểm vượt trội:
+ Về mặt cơ học: Sự hiện diện của C-S-H gel cung cấp độ cứng và khả năng chịu lực (cường độ nén đạt 45.2 MPa); Mạng lưới N-A-S-H đóng vai trò như "chất độn" giúp phân bố ứng suất đồng đều.
+ Về mặt hóa học: Liên kết Si-O-Al trong N-A-S-H tạo ra rào cản hóa học bảo vệ cấu trúc; Khả năng liên kết ion Ca2+ từ C-S-H giúp ổn định cấu trúc trong môi trường muối.
Phân tích PCA (Principal Component Analysis) đã xác nhận, 85% sự biến thiên về cường độ có thể được giải thích bởi hai thành phần chính: Tỷ lệ Ca/Si (ảnh hưởng 62%): Quyết định bản chất và tỷ lệ các loại gel hình thành; Diện tích bề mặt riêng BET (ảnh hưởng 23%): Phản ánh mức độ phát triển của cấu trúc vi mô và độ xốp.
Kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc: (1) Thiết kế vật liệu geopolymer cho các ứng dụng cụ thể; (2) Tối ưu hóa thành phần nguyên liệu đầu vào; (3) Dự đoán tính chất vật liệu dựa trên phân tích vi cấu trúc; (4) Phát triển các vật liệu composite mới với tính năng vượt trội. Đặc biệt, phát hiện về tỷ lệ Ca/Si tối ưu ≈1.2 mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc phát triển các vật liệu xây dựng bền vững có khả năng đáp ứng đồng thời các yêu cầu khắt khe về cường độ cơ học và độ bền lâu dài trong các điều kiện môi trường khác nhau.
4. Kết luận và kiến nghị
4.1. Kết luận
Nghiên cứu đã khẳng định thành công khả năng ứng dụng của vật liệu geopolymer tổng hợp từ tro bay (FA) và xỉ lò cao (BFS) trong xây dựng bền vững, với những kết quả nổi bật sau:
Về thành phần và tính chất cơ học:
+ Tỷ lệ phối trộn tối ưu 50%FA: 50%BFS cho cường độ nén đạt 45.2 MPa sau 28 ngày, cao hơn 78.7% so với mẫu 100%FA và 50.2% so với mẫu 100%BFS.
+ Cơ chế đóng rắn kết hợp giữa gel N-A-S-H (từ FA) và C-S-H (từ BFS) tạo cấu trúc lai bền vững với tỷ lệ Ca/Si ≈1.2
+ Mô hình toán học fc=12.5XFA + 18.2XBFS - 0.3XFAXBFS (R²=0.96) cho phép dự đoán chính xác tính chất cơ học từ thành phần.
Về độ bền hóa học:
+ Khả năng chống axit vượt trội (chỉ suy giảm 8.7% cường độ trong H₂SO₄ 5% sau 28 ngày).
+ Tính kháng muối cao (suy giảm 6.2% trong NaCl 3.5%).
+ Cơ chế bảo vệ kép nhờ: (1) mạng lưới Si-O-Al bền vững, (2) khả năng liên kết ion Cl⁻ của Ca²⁺.
Về tính bền vững:
+ Giảm 60-80% lượng khí thải CO₂ so với xi măng Portland.
+ Tận dụng hiệu quả phế thải công nghiệp (tro bay, xỉ lò cao).
4.2. Kiến nghị
Về nghiên cứu khoa học: Tiếp tục nghiên cứu cơ chế hình thành gel lai ở cấp độ phân tử bằng các phương pháp hiện đại; Mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng của các phụ gia khoáng và sợi gia cường; Phát triển các mô hình dự đoán tuổi thọ trong điều kiện môi trường thực tế.
Về ứng dụng thực tiễn: Áp dụng thí điểm cho các công trình ven biển và nhà máy hóa chất; Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu geopolymer tại Việt Nam; Phối hợp với các nhà máy nhiệt điện và luyện thép để tận dụng nguồn phế thải.
Về chính sách: Cần có cơ chế khuyến khích sử dụng vật liệu xanh trong xây dựng; Đầu tư phát triển công nghệ sản xuất geopolymer quy mô công nghiệp; Tăng cường hợp tác giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất.
Kết quả nghiên cứu mở ra triển vọng lớn cho việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững tại Việt Nam, góp phần giải quyết đồng thời các vấn đề môi trường và tận dụng hiệu quả nguồn phế thải công nghiệp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
Wilmoth J., Menozzi C., Bassarsky L. - Why population growth matters for sustainable development Policy Brief No 130 Key messages, 2022.
Assi L. N., Carter K., Deaver E., Ziehl P. - Review of availability of source materials for geopolymer/sustainable concrete, J Clean Prod. 263 (2020). https://doi.org/10.1016/ j.jclepro.2020.121477
Miller S. A., Horvath A., Monteiro P. J. M. - Readily implementable techniques can cut annual CO2 emissions from the production of concrete by over 20 %, Environmental Research Letters 11 (2016). https://doi.org/10.1088/1748-9326/11/7/074029
Shi C., Jiménez A. F., Palomo A. - New cements for the 21st century: The pursuit of an alternative to Portland cement, Cem Concr Res. 41 (2011) 750-763. https://doi.org/ 10.1016/j.cemconres.2011.03.016
Huntzinger D. N., Eatmon T. D. - A life-cycle assessment of Portland cement manufacturing: comparing the traditional process with alternative technologies, J. Clean Prod. 17 (2009) 668-675. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2008.04.007
Althoey F., Zaid O., Alsulamy S., Martínez-García R., De Prado Gil J., Arbili M. M. - Determining engineering properties of ultra-high-performance fiber-reinforced geopolymer concrete modified with different waste materials. PLoS One. 18 (2023). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0285692
Van Deventer J. S. J., Provis J. L., Duxson P. - Technical and commercial progress in the adoption of geopolymer cement, Miner Eng. 29 (2012) 89-104. https://doi.org/ 10.1016/j.mineng.2011.09.009
Provis J. L., Bernal S. A. - Milestones in the Analysis of Alkali-Activated, J Sustain Cem Based Mater. 4 (2014) 74-84. https://doi.org/10.1080/21650373.2014.958599
Nicholson C., Fletcher R., Miller N., Stirling C., Morris J., Hodges S., Mackenzie K., Schmücker M. - Building Innovation through Geopolymer Technology, Chemisty in New Zealand, 2005, pp. 10-12.
Provis J. L. - Alkali-activated materials. Cem Concr Compos 114 (2017) 40-48. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2017.02.009
Mehta P. K. - Reducing the environmental impact of concrete, Concrete International, 2001, pp. 61-66. https://doi.org/10.1016/S1351-4210(05)70693-4
Provis J. L., Palomo A., Shi C. - Advances in understanding alkali-activated materials, Cem Concr Res. 78 (2015) 110-. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2015.04.013
Scrivener K. L., Kirkpatrick R. J. - Innovation in use and research on cementitious material, Cem Concr Res. 38 (2008) 128-136. https://doi.org/10.1016/j.cemconres. 2007.09.025
Fernandez-Jimenez A., García-Lodeiro I., Palomo A. - Durability of alkali-activated fly ash cementitious materials, J. Mater. Sci. 42 (2007) 3055-3065. https://doi.org/10.1007/ s10853-006-0584-8
Jumaa N. H., Ali I. M., Nasr M. S., Falah M. W. - Strength and microstructural properties of binary and ternary blends in fly ash-based geopolymer concrete, Case Studies in Construction Materials 17 (2022) e01317. https://doi.org/10.1016/ j.cscm.2022.e01317
Synthesis and characterization of fly ash–blast furnace slag geopolymers for sustainable construction applications
Tran Phi Dung1
Nguyen Phuc Thien2
Huynh Phung Hung1
1Quang Trung University
2Van Hien University
Abstract:
In response to the global construction industry's urgent need to reduce greenhouse gas emissions, particularly given that Portland cement production contributes approximately 8% of global CO₂ emissions (Andrew, 2018), the development of sustainable alternative materials is critical. Geopolymer, a green binder synthesized from fly ash (FA) and blast furnace slag (BFS), offers a promising solution by cutting CO₂ emissions by 60–80% while utilizing industrial byproducts. This study examines the impact of varying FA/BFS ratios on the mechanical strength and chemical resistance of geopolymer composites. Samples with FA:BFS ratios ranging from 100:0 to 0:100 were evaluated through compressive strength testing, acid and salt resistance analysis, microstructural characterization (SEM-EDS, XRD), and statistical methods including ANOVA and PCA.
The GP3 formulation (50% FA: 50% BFS) demonstrated the highest performance, achieving a compressive strength of 45.2 MPa at 28 days and forming a hybrid C–S–H/N–A–S–H gel structure with a Ca/Si ratio of approximately 1.2. In corrosive environments (5% H₂SO₄ and 3.5% NaCl), the GP3 sample retained 91.3% and 93.8% of its strength, respectively, significantly outperforming single-source binders. Principal component analysis confirmed strong correlations between composition, microstructure, and durability. These findings underscore the potential of geopolymer materials for sustainable applications in marine infrastructure, chemical processing facilities, and environmentally aggressive conditions.
Keywords: geopolymer, fly ash, blast furnace slag, compressive strength, chemical durability.
[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 15 năm 2025]
