noi dung de tai hoan chinh

TỔNG QUAN:Bê tông Geopolymer là loại bê tông không sử dụng chất kết dính xi măngPooc lăng thông thường mà là sản phẩm của phản ứng dung dịch kiềm và các loạivật liệu có chứa hàm lượng lớ

Mục lục

I Tổng quan 3

I.1 Đặc tính của bê tông Geopolymer 5

I.2 Tính ứng dụng của bê tông Geopolymer 5

I.3 Tính bền vững và lợi ích của việc sử dụng bê tông Geopolymer …………6

II Căn cứ thực tiễn để lựa chọn đề tài 7

III Thực nghiệm 8

III.1 Nguyên liệu 8

III.2 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 9

III.3 Quy trình công nghệ 9

III.3.1.Quy trình chế tạo thủy tinh lỏng .9

III.3.1.1 Sơ đồ công nghệ 9

III.3.1.2 Mô tả công nghệ 10

III.3.2.Quy trình chế tạo bê tông Geopolymer ……….10

III.3.2.1 Sơ đồ công nghệ 11

III.3.2.2 Cơ sở lựa chọn cấp phối 11

III.3.2.3 Công nghệ chế tạo 13

III.3.2.4 Đo tính chất của bê tông geopolymer 13

IV Kết quả, đánh giá 14

V Kết luận 14

VI Tài liệu tham khảo 16

I TỔNG QUAN:

Bê tông Geopolymer là loại bê tông không sử dụng chất kết dính xi măngPooc lăng thông thường mà là sản phẩm của phản ứng dung dịch kiềm và các loạivật liệu có chứa hàm lượng lớn hợp chất Silic và Nhôm Chất kết dính này cũng cóthể gọi là chất kết dính kiềm hoạt hóa

Người đầu tiên phát hiện ra loại chất kết dính này là Gluckhovsky [1] được

sử dụng trong các công trình ở thời kỳ La Mã và Ai Cập cổ đại có tính bền vữngrất cao Thời đó, người ta gọi là xi măng đất (Soil Cement) có thành phần từ hỗnhợp đất chứa AluminoSilicat và phế thải giàu kiềm

Có rất nhiều nghiên cứu về chất kiềm hoạt hóa Người ta thống kê có tới 9loại Geopolymer khác nhau nhưng loại có khả năng ứng dụng nhiều nhất trong xâydựng là loại vật liệu Alumino- Silicat Loại Geopolymer này dựa vào quá trìnhnhiệt hoạt hóa các sản phẩm công nghiệp như tro bay, xỉ nhằm cung cấp nguồn Si

và Al với dung dịch kiềm kích hoạt rồi sau đó thực hiện quá trình trùng hợp tạothành chuỗi phân tử tạo ra đá kết cứng [2]

Cho đến nay cơ chế động học phản ứng giải thích quá trình đông kết của vậtliệu Geopolymer bằng chất kết dính kiềm hoạt hóa vẫn còn là một bí ẩn

Theo Glukhovsky [3] thì cơ chế của quá trình kiềm kích hoạt trước tiên làquá trình bẻ gẫy các liên kết cộng hóa trị Si-O-Si và Al-O-Si khi PH tăng lên Vìvậy những nhóm nguyên tố này chuyển sang dạng hệ keo Sau đó xảy ra sự tích tụcác sản phẩm bị phá hủy với các phản ứng nội tại giữa chúng tạo ra cấu trúc ổnđịnh thấp Tiếp theo là quá trình hình thành cấu trúc đông đặc (hình 1)

Hình 1: Sơ đồ mô phỏng sự hoạt hóa vật liệu AluminoSilicat

Vật liệu Geopolymer từ Alumino Silicate (Silicat nhôm) tạo thành

từ mạng lưới Polysialate trên cơ sở tứ diện SiO4, AlO4 với công thức

Mn [ -(SiO2)z – AlO2]n w H2O Trong đó M là nguyên tố kiềm Na, K hay kiềm thổ Ca, n là mức độ trùng hợp Z là 1,2,3 Phụ thuộc vào tỷ lệ SiO2 / Al2O3 ta có 3 loại mắt xích cơ bản khác nhau

Hình 2: Cấu trúc Poli(sialates)

I.1 Đặc tính của bê tông Geopolimer

Bê tông Geopolymer là bê tông sử dụng chất kết dính kiềm hoạt hóa Trongquá trình chế tạo, nước chỉ đóng vai trò tạo tính cộng tác, không tham gia tạo cấutrúc geopolimer, không tham gia phản ứng hóa học mà bị loại ra trong quá trìnhbảo dưỡng và sấy (không giống như xi măng thường cần nước để thực hiện quátrình thủy hóa)

Nhiều nghiên cứu trên thế giới cho rằng bê tông geopolymer có nhiều tínhchất đặc biệt mà bê tông xi măng thông thường không đáp ứng được như:

 Có thể tạo ra cường độ nén cao, co khô ít, tư biến thấp, chịu ăn mòn sunfat,chịu được môi trường nước biển, chịu môi trường axit có thể ứng dụng trongcác lĩnh vực: xây dựng hạ tầng cơ sở vùng ven biển, hải đảo, xây dựng các nhàmáy hóa chất [6,7]

 Khả năng chịu nhiệt cao có thể ứng dụng trong thi công các cấu kiện bê tôngchịu nhiệt [6,7]

 Về tính bền, bê tông Geopolymer có thể đạt cường độ sớm hơn nhiều so với bêtông xi măng và tiếp tục tăng dần theo thời gian làm giảm chi phí sản xuất vàtăng độ bền của bê tông geopolymer [4]

 Khả năng gắn kết với cốt thép thì tương đương hoặc cao hơn so với bê tông ximăng bền Sunfat [7]

I.2 Tính ứng dụng Geopolymer

Theo Davidovits [9] chất kết dính geopolymer có các dạng ứng dụng sau:

 Tấm kết cấu chống cháy

 Tấm tường và panel cách nhiệt

 Sản xuất đá nhân tạo trang trí

 Tấm panel bọt cách nhiệt

 Ứng dụng làm khuôn đúc

 Bê tông và chất kết dính

 Vật liệu cản lửa và gia cố sửa chữa

 Vật liệu xây thô

 Gạch nung

 Kết cấu chịu lửa

 Kết cấu chống xốc nhiệt

 Vật liệu chống cháy

- Ở Mỹ ứng dụng chủ yếu của chất kết dính Geopolymer là sản xuất xi mănggeopolymer đóng rắn nhanh được ứng dụng trong các san bay quân sự từ năm

1985, sửa chữa đường băng, sàn nhà công nghiệp, đường cao tốc, loại xi măng này

có thể đạt cường độ 200kg/cm2 sau 4 - 6h Năm 1997 công ty Zeotech đã thươngmại hóa sản xuất Geopolymer bên axit cho các nhà máy hóa chất và thực phẩm

- Ở Úc bê tông Geopolymer đã và đang được ứng dụng trong thực tiễn nhưthanh tà vẹt đúc sẵn, đường ống cống và các loại cấu kiện bê tông đúc sẵn với yêucầu là phải cho cường độ cao ở tuổi sớm sau khi bảo dưỡng bằng hơi nước hoặcnhiệt [7, 10] Theo báo cáo này thì bê tông Geopolymer dễ dàng được sản xuấtbằng công nghệ sản xuất bê tông bằng xi măng thông thường hiện tại mà khôngcần phải thay đổi lớn nào Hãng Ecrete ở Úc đã thương mại hóa nhiều sản phẩmnhư Panel đúc sẵn, ống cống, cống hộp, bệ xí tự hoại, hố thu rác, gạch lát , tấmtrang trí, cách âm…

- Ở Việt Nam mới chỉ có một loại sản phẩm thương mại có nguồn gốc từ bêtông geopolymer là gạch đất không nung, tuy nhiên chưa được sử dụng rộng rãi.Ngoài ra cũng có một số nghiên cứu về bê tông chịu lửa trên cơ sở geopolymer tạiViện vật liệu xây dựng Công trình nghiên cứu này đã được ứng dụng và thực tếvới lượng không nhiều Một số nghiên cứu sản xuất geopolymer từ hỗn hợp bùn đỏ

- tro bay hoặc sản xuất gạch Block bê tông geopolymer có cường độ nén đạt100kg/cm2 có giá thành rẻ hơn gạch bê tông xi măng thông thường 10%

I.3 Tính bền vững và lợi ích của việc sử dụng bê tông geopolymer

 Theo Davidoits [9], bê tông geopolymer có khả năng giảm hiệu ứng nhàkính sản xuất 1 tấn xi măng thông thường tạo ra 0.35 tấn CO2 từ các phảnứng phân hủy khoáng cacbonat cùng với 0.42 tấn CO2 do đốt nhiên liệu thanCacbon Như vậy xấp xỉ 1 tấn CO2 sinh ra khi sản xuất 1 tấn xi măng trongkhi sản xuất 1 tấn chất kết dính Geopolymer chỉ sinh ra 0.18 tấn CO2 từ đốt

cháy nhiên liệu Như vậy so với 1 tấn CO2 sinh ra khi sản xuất 1 tấn xi măngthì sản xuất chất kết dính geopolymer thấp hơn 6 lần.

 Bên cạnh đó khi bê tông geopolymer có sử dụng chất thải rắn công nghiệpnhư tro bay từ các nhà máy nhiệt điện than, tro trấu từ các nhà máy nhiệtđiện trấu thì có thể mang lại nhiều lợi ích khác như giảm thiểu ảnh hưởngđến môi trường không khí, nước và đất, đến sức khỏe của con người Hiệnchất thải này đang tồn đọng chiếm diện tích ao hồ bãi chứa rất lớn

 Khi sử dụng các nguồn phế thải này thì chi phí đầu tư và chi phí sản xuất bêtông geopolymer cũng sẽ giảm đi nhiều

II CĂN CỨ THỰC TIỄN ĐỂ LỰA CHỌN ĐỀ TÀI

Như vậy chúng ta thấy rằng mặc dù bê tông geopolymer về mặt tính chất córất nhiều ưu điểm so với bê tông xi măng thông thường và về mặt môi trường cóthể coi là một loại bê tông xanh nhưng trong thực tế vẫn chưa được phổ biến ởnước ta, lý do chính cho điều này là:

1- Phần lớn các nhà máy xi măng còn lo ngại về sự sụt giảm lợi nhuận

2- Nguyên liệu để chế tạo ra geopolymer gồm 2 thành phần chính là Aluminosilicat nhằm cung cấp Si và Al có quá trình Polymer hóa và chất hoạt hóa kiềm làdung dịch NaOH và thủy tinh lỏng Na2O4SiO2 nhằm tạo ra môi trường kiềm vàthực hiện phản ứng Polymer hóa Alumino silicat thì có thể sử dụng một loại phếthải của các nhà máy nhiệt điện than là tro bay có hàm lượng SiO2 (58%) và Al2O3(28%) cao và CaO thấp Còn đối với chất hoạt hóa kiềm thì NaOH dễ dàng muatrên thị trường, nhưng Natrisilicat Na2O4SiO2 hiện nay đang được sản xuất quy môcông nghiệp chủ yếu đi từ nguyên liệu cát trắng và dạng tinh thể thạch anh có cấutrúc rất bền vững, trở về mặt hóa học, nó chỉ phản ứng với soda Na2CO3 khi nungchảy ở 1400oC, vì thế quá trình sản xuất tiêu tốn nhiên liệu, giá thành sản xuất caolàm cho bê tông geopolymer khó có khả năng cạnh tranh trên thị trường so với bêtông xi măng thông thường Đây là nguyên nhân chính tạo ra sự vắng mặt của sảnphẩm bê tông Geopolymer ở thị trường Việt Nam

Nhằm khắc phục nguyên nhân nêu trên, đề tài dưa ra ý tưởng điều chế rathủy tinh lỏng Na2O4SiO2 từ NaOH và tro trấu Tro trấu (rice husk ash) là loại phế

thải rất phổ biến ở nước ta Nó chứa hàm lượng SiO2 rất lớn (>85%), đặc biệt làSiO2 trong tro trấu lại ở dạng vô định hình, cấp hạt mịn, có hoạt tính cao dễ dàngphản ứng với dung dịch NaOH ở ngay nhiệt độ thường

Như chúng ta biết Việt Nam là nước có nền nông nghiệp lúa nước phát triểnvới sản lượng 44 triệu tấn lúa mỗi năm Vỏ trấu chiếm 20% tương đương 8,8 triệutấn/năm Vỏ trấu khi đốt sinh ra 20% tro trấu tương đương với 1,76 triệu tấn/năm

Do vậy sử dụng tro trấu làm nguyên liệu cung cấp SiO2 cho quá trình sản xuất

Na2OnSiO2 thì một lúc sẽ đáp ứng được 2 mục tiêu: một là giảm được chi phí vềnăng lượng, giảm giá thành, kế tiếp là khai thác có hiệu quả nguồn phế thải tro trấukhổng lồ làm giảm thêm khả năng gây ô nhiễm môi trường

- Ý tưởng này xuất phát từ kết quả nghiên cứu của một nhóm sinh viêntrường đại học khoa học Huế gồm Hồ Phước Hiệp, Nguyễn Thị Huệ Giang và TrầnThị Liên do Phó giáo sư, Tiến sĩ Trần Ngọc Tuyền hướng dẫn năm 2014 Quá trìnhthực hiện nhóm nghiên cứu này đã xây dựng quy trình điều chế thủy tinh lỏng từtro trấu ở quy mô phòng thí nghiệm tạo ra modun SiO2/Na2O bằng 2,32 Sản phẩmnày được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất vật liệu vi mao quản Zeolite

Như vậy nội dung của đề tài là nghiên cứu chế tạo ra bê tông Geopolymer từtro bay và dung dịch kiềm hóa là NaOH và Na2OnSiO2, trong đó Na2O4SiO2 đượctạo ra từ tro trấu và dung dịch NaOH ở điều kiện phản ứng tốt hơn là chưng áp ởnhiệt độ 150oC (P = 5at)

III THỰC NGHIỆM

III.1 Nguyên liệu

1 Tro bay được lấy từ sản phẩm tro bay nhiệt điện Phả Lại ký hiệu SCL.FLY ASH được sản xuất bời công ty cổ phần Sông Đà Cao Cường từnguồn phế thải tro xỉ nhiệt điện Phả Lại sau khi đã tuyển tách than chưacháy hết Thành phần hóa học và xuất sứ được trình bày ở hình 5 và 6.Đây là hợp chất chứa 58% SiO2, 28% Al2O3 và than chưa cháy hết(MKN) nhỏ hơn 6% có hoạt tính cao

2 Tro trấu được láy từ nguồn chất thải của quá trình đốt trấu cấp nhiệt sấytro bay của công ty cổ phần vật tư xi măng Bắc Giang Hàm lượng SiO2

là 85% (Hình 6).

3 Natri Hydroxit dạng kỹ thuật được mua trên thị trường với giá 10000d/kg

(Hình 6).

4 Cát vàng Φ < 2mm, đá Φ <20mm (Hình 7).

III.2 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm

1 Cân kỹ thuật: 1kg, 5kg

2 Hệ thống chưng áp: Nồi hơi: P=5atm, V =120 lít (Hình 8)

3 Máy trộn bê tông (Hình 9)

4 Lò sấy dung tích 120 lít Tmax = 250oC (Hình 10)

5 Máy đo cường độ nén (Hình 11)

6 Dụng cụ thí nghiệm

III.3 Quy trình chế tạo

- Quy trình chế tạo bê tông geopolymer từ tro bay và chất hoạt hóa kiềm từ dung dịch NaOH và tro trấu gồm 2 bước

III.3.1 Quy trình chế tạo dung dịch kiềm hoạt hóa

III.3.1.1 Sơ đồ công nghệ

NaOH Tro trấu

(85% SiO2)

Nước

Chưng áp (P=5atm, t=2h)

Dung dịch kiềm hoạt hóa (Na2O.nSiO2) + NaOH

Hình 3: Sơ đồ chế tạo dung dịch kiềm hoạt hóa III.3.1.2 Mô tả công nghệ

- NaOH được hòa với nước khuấy tan rồi trộn với tro trấu theo tỉ lệ:

NaOH : H2O : Tro trấu

1.25 3.75 1.80

- Hỗn hợp sau khi trộn trong nồi inox được đưa vào Autoclave Hơi nước được cấp vào cho đều khi áp suất đạt 5 at Thời gian chưng áp là 2 giờ Phảnứng xảy ra theo phương trình sau:

nSiO2 + NaOH Na2O.nSiO2 + NaOH

- Phản ứng này có thể xảy ra ở nhiệt độ phòng nhưng hiệu suất thấp Khi ở nhiệt độ cao hơn 1500C tương đương 5at thì phản ứng xảy ra nhanh hơn với hiệu suất lên tới 90% Sản phẩm sau chưng áp là dung dịch kiềm hoạt hóa được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình chế tạo Geopolymer tiếp theo

có thành phần SiO2 = 23%, Na2O = 14% và H2O = 56%

III.3.2 Quy trình chế tạo bê tông Geopolymer

III.3.2.1 Sơ đồ công nghệ

Hình 4: Sơ đồ công nghệ chế tạo bê tông geopolymer III.3.2.2 Cơ sở lựa chọn cấp phối

Dung dịch kiềm hoạt hóa

NaOH + Na2O.nSiO2 (thủy tinh lỏng)

Dưỡng hộ

(Môi trường không khí)

- Theo nghiên cứu về bê tông Geopolymer của tác giả Frantisek [8] về mối liênquan giữa Na2O và tỷ lệ Ms = SiO2/Na2O trong vùng Ms từ 0.9% - 1.8% và hàmlượng Na2O = 4 – 9 (%) thì kết quả cho thấy cường độ nén có thể lên tới550kg/cm2 trong vùng có Ms = 1,2% – 1,3% và Na2O = 7,7% – 7,9% Đề tài chọncác giá trị sau cho quá trình cấp phối

Ms = 1,25% và Na2O = 7,8%

- Theo Davidovits [9] về geopolymer sử dụng tro bay thì tỉ lệ giữa Si/Al là xấp xỉbằng 2 Đề tài lựa chọn tro bay Phả Lại có hàm lượng SiO2 = 58% và Al2O3 = 28%.

III.3.2.3 Công nghệ chế tạo

1 Thí nghiệm đổ mẫu bê tông Geopolymer sử dụng cốt liệu thô cát sỏi:

Bảng 1: Tỷ lệ cấp phối cho 1dm3 bê tông

- Qúa trình Polymer hóa được thực hiện trong lò sấy ở nhiệt độ 600C trongvòng 6h Trong thực tế có thể dưỡng hộ ở nhiệt độ thường với thời gian lâu hơn

III 3.2.4 Đo tính chất của bê tông Geopoly mer

- Tỷ trọng của bê tông được tính từ khối lượng và thể tích của khối bê tôngtheo công thức:

d = m V (g/cm3)

- Cường độ nén được đo trên máy đo cường độ nén cho gạch nhẹ Mẫu đượcgia công cho 2 mặt song song với nhau được đưa vào máy ép thủy lực Lực ép được tăng dần với tốc độ rất nhỏ cho đến khi cục bê tông bị vỡ Cường độ nén được tính từ lực nén lúc vỡ và tiết diện ép mẫu, theo công thức:

Cường độ nén (kg/cm2) = S (cm 2) P(kg)

IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1 - Bê tông Geopolymer sử dụng cát và sỏi là cốt liệu thô

Cường độ nén được đo ở tuổi 28 ngày

Trên đây chỉ là kết quả trên lượng mẫu rất ít do không có nhiều thời giannghiên cứu Kết quả trên cho thấy cường độ nén tăng theo lượng dung địch kiềmhoạt hóa

V KẾT LUẬN

- Đề tài đã đưa ra được ý tưởng được thí nghiệm sơ bộ về khả năng chế tạo bê tông

Geopolymer từ tro bay là nguồn cung cấp 2 nguyên tố Si và Al cho quá trìnhPolymer hóa và dung dịch kiềm hoạt hóa được tạo ra từ tro trấu Với công nghệđơn giản chưa có tác giả nào đề cập đến Ý tưởng này xuất hiện từ những kết quảnghiên cứu về bê tông Geopolimer trên thế giới và kết quả khả năng điều chế thủytinh lỏng từ tro trấu trong nước

- Bước đầu có biểu hiện có thể tạo ra các sản phẩm bê tông Geopolymer có cường

độ cao, giá thành rẻ hơn nhiều và đặc biệt là chịu được các điều kiện khắc nghiệtnhư môi trường axit, sunfat, clo, nước biển

- Còn nhiều vấn đề cần phải được nghiên cứu tiếp tục như tìm tỉ lệ cấp phối tốtnhất cho từng đối tượng, nghiên cứu về cấu trúc tính chất của bê tông Geopolymer

ở các môi trường khắc nghiệt khác nhau

- Về mặt kinh tế cần phải có những nghiên cứu tiếp theo để xác định chi phí sảnxuất, mức độ giảm giá so với bê tông xi măng thông thường

- Chúng em hy vọng nếu triển khai được geo polymer sẽ góp phẩn giảm thiểu đượcảnh hưởng đến môi trường sinh thái, đồng thời tạo ra được những sản phẩm bêtông cho xây dựng hạ tầng cơ sở trong nước nói chung và đặc biệt là bê tông biển,cho dọc bờ biển Việt Nam và các đảo

VI TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Pacheco - Torgal Fernando, Castro Gomes Jõao &Jalali Said (2008) activated binders: A review Part 1 Historical background, terminology,

Alkali-reaction mechanisms and hydration products Construction and Building

Materials Vol 22(2008):1305-1314.

2 Fha (2010) In the USA recently published a Technical Briefing ongeopolymer concrete

3 Glukhovsky Vd, Rostovskaja Gs&Rumyna Gv (1980) High strength slag

alkaline cements Proceedings of the seventh international congress on the

chemistry of cement, pp164-168.

4 Duxson P., et al (2007) Geopolymer technology: the current state of the art.

Journal Materials Science Vol 42:2917-2933

5 Davidovits J (2005) Geopolymer chemistry and sustainable development.

The poly(sialate) terminology: a very useful and simple model for the

promotion and understanding of green- chemistry In: Proceedings of 2005

geopolymere conference, pp 9-15

6 Hardjito D.& Rangan B V (2005), Development and properties of calcium fly ash-based geopolymer concrete (Research Report GC1)

low-7 Lloyd N A,& Rangan B.V (2010) Geopolymer Concrete with Fly Ash in

2nd Int Conf on Sustainable Construction Materials and Technologies, ed J

Zachar P Claisse, T R Naik, E Ganjian (Università Politecnica delle Marche,Ancona, Italy.)

8 Frantisek SKvarn, Tomas Filck, hcbomir kopecky, Ceramics- Silikary 99 (3)195-204 (2005)

9 Davidovits J (2002) Environmentally Driven Geopolymer CementApplications Geopolymer Institute, 02100 Saint-Quentin, France

10 Palomo A,Mw Grutzek& Mt.Blanco (1999) Alkali- activated fly ashes A

cement for the future Cement Concrete Research Vol 29:1323-1329.