SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG TỪ BÙN ĐỎ

ĐỀ TÀI: SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG TỪ BÙN ĐỎ USING RED MUD BUILDING MATERIAL PRODUCTIONPhần I:Giới thiệu chungPhần II:Cơ sở lý thuyếtPhần III:Phương thức nghiên cứuPhần IV:Kết quả nghiên cứuPhần V:Giá thành sản phẩmPhần VI:Kết luận

SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG TỪ BÙN ĐỎ

USING RED MUD BUILDING MATERIAL PRODUCTION

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Đỗ Quang Minh

Nội dung trình bày

Phần I: Giới thiệu chung

I Bùn đỏ đuôi quặng:

Bùn đỏ đưôi quặng là chất thải rắn sinh ra từ quá trình làm giàu quặng bauxite.

Phần I: Giới thiệu chung (tt)

I Bùn đỏ đuôi quặng:

Bùn đỏ đuôi quặng không phải là chất độc hại nhưng

do kích thước mịn nên là nguồn phát tán bụi.

Ướt tính cứ 1 tấn Alumina thành phẩm sẽ thải ra một lượng là 1.0 – 1.6 tấn bùn đỏ đuôi quặng Theo môt số nghiên cứu, cứ mỗi năm phải tốn 1km 2 để chứa chất thải cho 1 triệu tấn Alumina thành phẩm [1].

Phần I: Giới thiệu chung (tt)

I Bùn đỏ đuôi quặng:

Chính vi vậy, biến bùn đỏ thành những sản phẩm có lợi luôn là vấn đề phải giải quyết ở những quốc gia sản xuất bauxite trong đó có Việt Nam ta Theo hướng này,

Phần I: Giới thiệu chung (tt)

II Tình hình sản xuất gạch không nung:

Trên thế giới: GKN dần thay thế gạch nung Mỹ, Nhật, Tây Âu, … GKN chiếm 70% khối lượng VLXD

Ở Việt Nam:

Những năm 60 thế kỷ 20 đã bắt đầu sản xuất GKN Thập niên 90 đã có dây chuyền sản xuất Tuy nhiên đến nay, GKN chỉ chiếm 7-8% khối lượng sử dụng

Việc sử dụng gạch nung quá cao dẫn đến việc tiêu tốn nguồn tài nguyên đất, gây ô nhiểm môi trường do chất thải trong quá trình nung, tiền đầu tư nhà máy sản xuất lớn, chi phí sản xuất cao, … [6]

Phần I: Giới thiệu chung (tt)

II Tình hình sản xuất gạch không nung:

Ở Việt Nam:

Chính vì vậy, 29/8/2008 ban hành quyết định 121/2008/QĐ-TTg đưa ra lộ trình về sản lượng GKN như sau:

Phần I: Giới thiệu chung (tt)

III Mục tiêu và ý nghĩa của đề tài:

Từ những tồn tại trên, ta nhận thấy sản xuất GKN từ bùn đỏ là cần thiết và mang một ý nghĩa to lớn.

Sản xuất GKN từ bùn đỏ sẽ giải quyết những vấn đề về: môi trường, sinh thái, năng lượng, … đồng thời đem lại hiệu quả kinh tế.

Vì vậy, nếu đề tài thành công và áp dụng vào thực tế

sẽ giải quyết nhiều vấn đề còn tồn tại.

Phần II: Cơ sở lý thuyết

I Gạch không nung:

GKN là gạch sản xuất theo công nghệ không có lò

nung, và được tạo hình theo phương pháp ép, hoặc

đùn

Thành phần chính:

Cốt liệu: có 2 dạng là thô và mịn

CKD: gồm CKD tự nhiên và nhân tạo

Ngoài ra còn dùng một số phụ gia khác: phụ gia hoạt tính, phụ gia đầy, …

Phần II: Cơ sở lý thuyết (tt)

II Cơ chế đóng rắn:

Khi sử dụng vôi:

Khi trong cốt liệu có các khoáng hoạt tính, cường độ gạch

sẽ tạo ra bởi các phản ứng tạo CSH, ASH và MSH như sau [7]:

CaO + H 2 O → Ca(OH) 2

MgO + H 2 O → Mg(OH) 2

x Ca(OH) 2 + SiO 2 + n H 2 O → x CaO.SiO 2 pH 2 O

x Al 2 O 3 + y Ca(OH) 2 + p H 2 O → xAl 2 O 3 yCaO.(p+1)H 2 O

x MgO + SiO 2 + p H 2 O → xMgO.SiO 2 pH 2 O

Ca(OH) + CO → CaCO

Phần II: Cơ sở lý thuyết (tt)

II Cơ chế đóng rắn:

Khi trong đất có các khoáng hoạt tính:

tính, Silimanhite Quá trình tạo cường độ theo phản ứng sau [8]:

Phần II: Cơ sở lý thuyết (tt)

II Cơ chế đóng rắn:

Khi sử dụng CKD xi măng:

Cường độ gạch sẽ tạo ra bởi các phản ứng tạo CSH, ASH như sau [9]:

3CaO.SiO 2 + mH 2 O → xCaO.SiO 2 nH 2 O + (3-x) Ca(OH) 2

2(3CaO.SiO 2 ) + 6H 2 O → 3CaO.2SiO 2 3H 2 O + 3Ca(OH) 2

2CaO.SiO 2 + mH 2 O → 2CaO.SiO 2 mH 2 O 3CaO.Al 2 O 3 + nH 2 O → 3CaO.Al 2 O 3 nH 2 O 4CaO.Al 2 O 3 Fe 2 O 3 + mH 2 O → 3CaO.Al 2 O 3 6H 2 O +

CaO.Fe 2 O 3 mH 2 O

Phần II: Cơ sở lý thuyết (tt)

III Gạch không nung từ bùn đỏ:

Bùn đỏ đuôi quặng thường có kích thước hạt trong khoảng 3.41 – 51.47 µm.

Thành phần hóa (% k.l): SiO 2 7.3 – 9.44, Al 2 O 3 24.1 – 28.63, (K 2 O + Na 2 O) 0.14 – 0.65, Fe 2 O 3 43.1 – 59.

Các khoáng chính trong bùn đỏ là: Gibsite (Al 2 O 3 3H 2 O), geothite (FeOOH), hematite (Fe 2 O 3 ), quartz (SiO 2 ) Đặc biệt, bùn đỏ đuôi quặng luôn chứa chứa SiO 2 nH 2 O vô định hình (với n từ 10 – 300)

Phần II: Cơ sở lý thuyết (tt)

III Gạch không nung từ bùn đỏ:

Nhờ vậy, bùn đỏ đuôi quặng có hoạt tính khá cao, chúng

có thể tự kết dính nhờ SiO 2 nH 2 O tạo mạch polymer khi mất nước [10], hoặc các oxit Al 2 O 3 , SiO 2 hoạt tính tác dụng với Ca(OH) 2 tạo các hydro silicat canxi (CSH), hydro aluminte canxi (CAH) có hoạt tính thủy lực [11] :

Ca(OH) 2 + SiO 2 nH 2 O → C-S-H Ca(OH) 2 + Al 2 O3 + H 2 O → C-A-H

Phần II: Cơ sở lý thuyết (tt)

III Gạch không nung từ bùn đỏ:

Oxit nhôm và oxit sắt trong thành phần bùn đỏ có thể tác dụng với H 3 PO 4 tạo ra các khoáng có tính bền cơ học nhờ liên kết phốt phát như AlH 3 (PO 4 ) 2 , Al(PO 4 ), Fe(PO 4 ) [12]

Đây là cơ sở cho việc hình thành các loại vật liệu không nung từ bùn đỏ đuôi quặng

) ( 3

) ( ) (

2 )

( 4

)

4 3

3 2

0

g O H s

PO AlH

l PO H

s O

) ( 3

) ( )

)(

( 2 )

2 4 3

0

g O H s

O P s

PO Al

PO

)(3

)(2

)()

3 2

0

g O H s

FePO l

PO H

s O

Fe + −C→ +

Phần III: Phương thức nghiên cứu

Bùn đỏ đuôi quặng từ Bauxite Bảo Lộc Lâm (Lâm Đồng) trước hết được xác định thành phần hoá bằng phương pháp XRF, thành phần khoáng bằng XRD và IR, thành phần hạt bằng phương pháp Laser Độ hoạt tính được xác dịnh bằng phương pháp đo độ hút vôi.

Xác định lực ép và độ ẩm ép mẫu nguyên thuỷ (không CKD)

để xác định khả năng tự kết dính và điều kiện tạo hình tốt nhất.

Kết hợp bùn đỏ với các hệ CKD khác nhau như vôi, xi măng, vôi – xi măng cùng với các cốt liệu khác như cát, đá

mi ở các tỉ lệ thành phần khác nhau Tạo mẫu kích thước 2x2x14 (cm) để thử bền uốn và 4x4x4 (cm) để thử bền nén sau 28 ngày dưỡng hộ trong môi trường không khí.

Phần III: Phương thức nghiên cứu (tt)

Khảo sát biến đổi thành phần khoáng của mẫu sau 28 ngày dưỡng hộ bằng phương pháp IR, XRD, SEM để xác định sự hình thành các khoáng tạo cường độ.

Chọn thành phần phối liệu có độ bền tốt nhất để thử trên dây chuyền thực tế tại nhà máy Xi măng Hà Tiên 1.

Phần IV: Kết quả nghiên cứu

I Khảo sát nguyên liệu:

Bằng phương pháp XRF, thành phần hóa của bùn đỏ được xác định như sau (theo % k.l):

Fe2O3 Al2O3 SiO2 Na2O MgO Mn2O3 P2O5 K2O SO3 TiO2 MKN

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

I Khảo sát nguyên liệu:

Trên phổ IR có các peak

ứng với các peak chuẩn

của α-quartz và SiO 2 nH 2 O

vô định hình sau: α-quartz

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

I Khảo sát nguyên liệu:

Xác định độ hoạt hóa của bùn đỏ

bằng phương pháp đo độ hút vôi

(TCVN 3735-1982), độ hút vôi 89.6

mgCaO/1g bùn đỏ thuộc loại hoạt

tính trung bình [15] Giá trị pH

trung bình sau 5 lần thử 6.18.

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

II Xác định điều kiện ép:

Cố định độ ẩm ở 8%, thay đổi áp lực

ưu được xác định thông qua độ bền

uốn của mẫu ngay sau khi ép Kết quả

thay đổi độ ẩm phối liệu từ 6 – 13%

Khảo sát độ ẩm ép tối ưu thông qua

độ bền uốn Kết quả cho thấy độ ẩm

ép thích hợp là 10% (trên 10% mẫu có

hiện tượng chảy nước)

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

III Khảo sát cường độ mẫu

không dùng CKD:

Tạo mẫu không dùng CKD và

đánh giá sự phát triển cường

độ thông quá độ bền uốn

Kết quả cho thấy mẫu vẫn

phát triển cường độ Ta có thể

giải thích lá do là do quá trình

định hình Tuy nhiên quá trình

phát triển này rất chậm nên

phải dùng thêm CKD khác.

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

IV Ảnh hưởng của lượng CKD đến cường độ mẫu:

Trộn bùn đỏ với các CKD khác nhau Khảo sát sự thay đổi cường độ uốn, nén sau 28 ngày dưỡng hộ trong không khí.

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

IV Ảnh hưởng của lượng CKD đến cường độ mẫu:

Với hệ CKD vôi tương tự như trên dùng bùn đỏ trộn

với vôi với hàm lượng 8 – 12% Kết quả cho thấy

hàm lượng 90% bùn đỏ, 10% vôi cho kết quả tốt

nhất.

Với hệ CKD vôi – xi măng ta dùng dùng bùn đỏ với

hàm lượng vôi cố định ở 10% và XM sử dụng với

hàm lượng thay đổi từ 2 – 5% Mẫu có hàm lượng

vôi 10%, XM 5% và bùn đỏ 85% cho kết quả tốt nhất.

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

V Ảnh hưởng của cốt liệu đá mi đến

cường độ của mẫu:

Thí nghiệm tiến hành bằng cách cố

định hàm lượng chất kết dính ở mỗi

hệ, Tiến hành thay một phần bùn đỏ

bằng đá mi, lượng đá mi dao động từ

20 – 40% với mức thay đổi là 5%

Kết quả được đánh giá thông qua độ

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

V Ảnh hưởng của cốt liệu đá

mi đến cường độ của mẫu:

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

V Ảnh hưởng của cốt liệu đá mi đến cường độ của mẫu:

Qua kết quả thu được từ các hệ ta nhận thấy hệ vôi – xi măng với thành phần: 10% vôi, 5% xi măng, 45% bùn đỏ, 40% đá mi là cho cường độ sau 28 ngày cao nhất ứng với giá trị R u28 = 48.75 kG/cm 2 , R n28 = 263.25 kG/cm 2

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

VI Ảnh hưởng của cốt liệu cát đến

cường độ của mẫu:

Tương tự như tiến hành thí

nghiệm như với đá mi, ta cũng cố

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

VI Ảnh hưởng của cốt liệu cát

đến cường độ của mẫu:

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

VI Ảnh hưởng của cốt liệu cát đến cường độ của mẫu:

Tương tự như như đá mi, khi thay thế một phần bùn đỏ bằng cát thì hệ vôi – xi măng cũng cho cường độ cao nhất Trong đó, thành phần 10% vôi, 5% xi măng, 60% bùn đỏ, 25% cát là cho cường độ sau 28 ngày cao nhất ứng với giá trị R u28 =48.51 kG/cm 2 , R n28 = 211 kG/cm 2

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

VII Kết quả phân tích XRD của các hệ:

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

VII Kết quả phân tích XRD của các hệ:

Kết quả phân tích XRD các mẫu sau 28 ngày đêm dưỡng

hộ ẩm cho thấy trong hệ xuất hiện thêm các khoáng sau:

cấp phối dùng XMP

sử dụng vôi Điều này chứng tỏ phản ứng tạo C-S-H từ vôi khá mạnh:

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

VIII Nghiên cứu vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tự quét (SEM):

Sau sau đây là ảnh SEM chụp vết gẫy sau khi thử độ bền uốn của một số mẫu sau 28 ngày bảo dưỡng Một số hình dạng vẩy xuất hiện được dự đoán là khoáng CSH tạo thành

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

IX Phân tích phổ hồng ngoại IR:

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

IX Phân tích phổ hồng ngoại IR:

Từ phổ IR ta thấy luôn xuất hiện các peak trong khoảng 1690-1684 (cm -1 ) và 1395-1380 (cm -1 ) thể hiện dao động của liên kết Si-O, 710-1300 (cm -1 ) của gốc cacbonat hoặc sunfat, 3434-3445 (cm -1 ) của liên kết OH- trong C-S-H và C-A-H, 967cm -1 của khoáng C-S-H [16] Điều này chứng tỏ mẫu sau 28 ngày dưỡng ẩm đều xuất hiện các khoáng C- S-H, C-A-H Đây là những khoáng tạo cường độ cho vật liệu.

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

X Ảnh viên gạch sản xuất thử nghiệm ở nhà máy xi măng

hà tiên 1:

Máy ép gạch Khuôn ép gạch

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (tt)

X Ảnh viên gạch sản xuất thử nghiệm ở nhà máy xi măng

Hà Tiên 1:

Viên gạch sâu thành phẩm

Giá thành sản xuất một viên gạch sâu năng 3kg ước tính

là 795 đ/viên.

(Đơn giá tính theo thời điểm tính toán)

Phần VI: Kết luận

Trong thành phần bùn đỏ chứa SiO 2 nH 2 O vô đình hình,

có khả năng tác dụng với Ca(OH) 2 hình thành khoáng S-H tạo cường độ cho gạch.

C-Khi thay thế một phần bùn đỏ bằng đá mi độ bền uốn của mẫu sẽ giảm nhưng độ bền nén sẽ tăng

Khi thay thế một phần bùn đỏ bằng cát không cải thiện được độ bền uốn và nén

Độ bền nén lớn nhất là 263.25 kG/cm 2 với độ ẩm tương ứng là 7.8% đạt được chỉ tiêu theo tiêu chuẩn TCVN 6476:1999 Gạch bê tông tự chèn [17], TCVN 6477:1999 Gạch block bê tông [18] tại thành phần 10% vôi, 5% xi măng, 40% đá mi, 45% bùn đỏ

Tài liệu tham khảo

[1] – Preparation of special cements from rad mud – Maneesh Singh,

S.N.Upadhayay and P.M.Prasad

[2] – Development of studies and applications of activation techniques of fly ash – Wang Bao-min and Wang Li-jiu – School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, 116024, PRC.

[3] - Development of unsintered construction materials from red mud wastes produced in the sintering Aluminaa process - School of Environmental

Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology (HUST), Wuhan, Hubei 430074, PR China Received 11 August 2007;

received in revised form 15 September 2007; accepted 3 October 2007

Available online 19 November 2007

[4] - Preparation of special cements from rad mud – Maneesh Singh,

S.N.Upadhayay and P.M.Prasad

[5] - BaseconTM technology: New strategies for the management of bauxite refinery residues - © 2003 Virotec International Ltd.

[6] - http://www.moc.gov.vn/site/moc/cms?cmd=4&portionId=57&

categoyId=86&articleId=26753&

Tài liệu tham khảo

[7] – Bùi Văn Chén & Đào Tiến Đạt– Kỹ thuật sản xuất gạch không nung, NXB Xây dựng Hà Nội.

[8] – Nghiên cứu vật liệu tổng hợp từ Bauxite và các phế liệu tro bay, bùn đỏ

để xây dựng đường cao nguyên tỉnh Lâm Đồng – Nguyễn Văn Chánh, Trần Văn Thọ - Khoa Xây Dựng, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM

[9] – PGS.TS Đỗ Quang Minh – Kỹ thuật sản xuất xi măng

[10] – PGS.TS Đỗ Quang Minh – Hóa lý Silicat Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp.HCM 2009

[11] - Development of studies and applications of activation techniques of fly ash – Wang Bao-min and Wang Li-jiu – School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, 116024, PRC.

[12] – Chemical reaction Bonding of building blocks using red mud and

orthophosphoric acid binder – J.L Gumaste, B.C.Swain, B.C.Mohanty,

J.S.Murty – Regional Research Laboratory, Bhubanneswar-751013, India

Tài liệu tham khảo

[13] – Bulletin of the chemical society of Japan Vol.42 – Kimitaka Sato, Fumio KUROSAWA and Ohiko KAMMORI – Tokyo Research Institute Yamata Iron and Steel 10., Ltd., Kawasaki

[14] -.Bộ môn Silicat (2003): Hướng dẫn chuyên ngành vật liệu Silicat Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia TP.HCM

[15] – TCVN 3735:1982 – Phụ gia họat tính Puzolan

[16] – J J Torres, M Palacios, M Hellouin and F Puertas, Alkaline chemical activation of urban glass wastes to produce cementituous Materials,

Eduardo Torroja Institute for Construction Sciences (CSIC), 28033, Madrid, Spainhttp

[17] – TCVN 6476:1999 – Gạch bê tông tự chèn

[18] - TCVN 6477:1999 – Gạch block tự chèn