Nghiên cứu vật liệu tổng hợp geopolymer từ tro bay và phế thải bùn đỏ của công nghệ bayer sản xuất bột nhôm

năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Vũ Huyền Trân Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 19-01-1985 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Vật liệu và Công nghệ Vật liệu Xây dựng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

Chuyên ngành : Vật liệu và Công nghệ Vật liệu Xây dựng

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2011

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

6

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Vũ Huyền Trân Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 19-01-1985 Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: Vật liệu và Công nghệ Vật liệu Xây dựng

Khoá (Năm trúng tuyển): 2009

1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu vật liệu tổng hợp geopolymer từ tro bay và phế thải bùn đỏ

của công nghệ Bayer sản xuất bột nhôm

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

 Chương 1: tóm tắt các nghiên cứu về sử dụng bùn đỏ và lịch sử ra đời cũng như quá trình phát triển của vật liệu geopolymer trên thế giới và trong nước Bên cạnh đó chương 1 còn đưa ra mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn

 Chương 2: giới thiệu cơ chế geopolymer hóa và nền tảng cấu trúc geopolymer nhằm mục đích hiểu rõ hơn về phương pháp nghiên cứu FTIR của geopolymer từ meta cao lanh và tro bay

 Chương 3: cung cấp các thông tin về nguồn gốc và các tính chất quan trọng của nguyên vật liệu sử dụng trong nghiên cứu này

 Chương 4: chỉ ra phương pháp nghiên cứu các tỷ lệ thành phần và phương pháp chế tạo vật liệu tổng hợp geopolymer từ tro bay và phế thải bùn đỏ của công nghệ Bayer sản xuất bột nhôm Bên cạnh đó còn đưa ra phương pháp đánh giá mối quan hệ giữa thành phần, cường độ, thời gian sấy và cấu trúc của loại vật liệu này

 Chương 5: đưa ra các kết quả thực nghiệm cũng như các phân tích, nhận xét về các kết quả này Từ đó đưa ra các kết luận về tính chất, cách chế tạo và cấu trúc của vật liệu

 Chương 6: tóm tắt kết quả và hướng mở rộng của nghiên cứu, đồng thời đưa ra ứng dụng của vật liệu geopolymer từ tro bay và phế thải bùn đỏ trong xây dựng

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06-2010

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06-2011

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông

qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

(Họ tên và chữ ký)

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này đưa ra các kết quả nghiên cứu về chất kết dính kiềm hoạt hóa sử dụng tro bay và bùn đỏ với mục đích tìm ra loại vật liệu mới phù hợp với tình hình Việt Nam Bùn đỏ là chất thải của quá trình sản xuất bột nhôm từ quy trình Bayer và mỗi năm hàng tấn bùn đỏ được thải ra Tro bay cũng là chất thải của quá trình đốt than cám trong nhà máy nhiệt điện Đây cũng là loại vật liệu alumino silicate có hoạt tính cao Bùn đỏ và tro bay được tái sử dụng thông qua quá trình geopolymer hóa Kết quả phản ứng giữa tro bay và bùn đỏ là một loại vật liệu có cấu trúc vô định hình tới bán tinh thể và có thể đóng rắn ở nhiệt độ thường Phụ gia hoạt hóa kiềm cũng được

sử dụng để quá trình phản ứng xảy ra và gia tăng độ bền cấu trúc của vật liệu Luận văn này còn khảo sát sự liên quan giữa tính chất cơ lý, cấu trúc, thành phần vật liệu

và thời gian sấy Trong đó, cấu trúc của vật liệu được khảo sát thông qua kết quả FTIR và SEM Để hiểu rõ hơn về FTIR của geopolymer từ meta cao lanh và tro bay thì các kiến thức cơ bản về cơ chế geopolymer hóa và cấu trúc của geopolymer cũng được giới thiệu Từ kết quả nghiên cứu, có thể kết luận rằng loại vật liệu chế tạo từ tro bay và bùn đỏ hoàn toàn phù hợp với sản xuất thực tế vì đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật và tính kinh tế Đây là loại vật liệu đầy triển vọng để phát triển kinh tế, xã hội

ABSTRACT

This thesis reports results of research about alkali-activated binders using fly ash and red mud, by reviewing previously published work, with the aim of finding a new material that is appropriate to Vietnam situation Red mud is a waste material obtained from the aluminium extraction industry with the Bayer process and million

of tons of red mud are produced annually Fly ash is the finely divided residue that results from the combustion of pulverized coal in coal-fired electric and steam generating plants and a siliceous and aluminous material The potential use of red mud and fly ash for synthesis of inorganic polymeric materials is through geopolymerization process The unfired material resulting of the chemical reaction between red mud and fly ash is an amorphous to semi-crystalline polymeric structure and can be hardened in ambient air temperature Alkaline activator is also added as a structure-forming element and increases structural stability of unfired material This

thesis also reports about relations between the physico-mechanical properties and mix proportion as well as manufacruring process of the unfired material using fly ash and red mud Besides, the relations between structure and mix proportion as well as manufacruring process also are reviewed A conceptual model of geopolymerisation and basic knowledge about structure of geopolymer are introduced with the purpose

of providing a better understanding of FTIR of geopolymer based on meta kaoline and fly ash Based on the results obtained, this work proved that this unfired material has promising properties to be used as unfired materials in the construction

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của nhiều thầy cô, bạn bè và người thân Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt nhất tới thầy PGS.TS Nguyễn Văn Chánh - người đã định hướng đề tài và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn cao học

Đồng thời tôi xin được cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Vật liệu Xây dựng - Khoa Xây dựng - Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh đã hết lòng truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm trong thời gian qua

Và cuối cùng, tôi rất mong nhận được ý kiến chỉ bảo của người đi trước

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 07 năm 2011 Học viên

Vũ Huyền Trân

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 13

1.2 Lý do thực hiện đề tài 14

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam 14

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 14

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 34

1.4 Mục tiêu của đề tài 35

1.5 Nội dung nghiên cứu 36

Chương 2 CƠ SỞ KHOA HỌC 2.1 Quá trình geopolymer hóa 37

2.2 Cấu trúc geopolymer 42

2.3 Quang phổ hồng ngoại (FTIR) của geopolymer 45

2.3.1 Giới thiệu về phương pháp phân tích theo phổ hồng ngoại 45

2.3.2 Giới thiệu phương pháp phân tích phổ hồng ngoại của geopolymer 47

Chương 3 NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CỦA NGHIÊN VẬT LIỆU 3.1 Bùn đỏ từ công nghệ Bayer sản xuất bột nhôm 60

3.1.1 Giới thiệu công nghệ Bayer sản xuất bột nhôm 60

3.1.2 Đặc điểm của bùn đỏ từ quy trình sản xuất bột nhôm theo Bayer 60

3.1.3 Tính chất của bùn đỏ sử dụng 61

3.2 Tro bay 64

3.2.1 Đặc điểm của tro bay 64

3.2.2 Tính chất của tro bay sử dụng 64

3.3 Cát 67

3.4 Phụ gia 68

Chương 4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CÁC TỶ LỆ THÀNH PHẦN VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO 4.1 Quá trình chế tạo mẫu 69

4.2 Quá trình thí nghiệm 70

4.3 Phương pháp nghiên cứu tính chất và cấu trúc 71

4.4 Phương pháp lựa chọn thành phần 72

4.5 Phương pháp đánh giá mối quan hệ giữa thành phần, tính chất và cấu trúc 72

4.6 Phương pháp nghiên cứu sự ảnh hưởng của thời gian sấy đến cường độ chịu nén và cấu trúc của mẫu 73

Chương 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén (Rn), hàm lượng tro bay và phụ gia 75 5.2 Mối quan hệ giữa độ hút nước (Hp), hàm lượng tro bay và phụ gia 79

5.3 Mối quan hệ giữa hệ số mềm (Km), hàm lượng tro bay và phụ gia 82

5.4 Mối quan hệ giữa thành phần và khối lượng thể tích 85

5.5 Mối quan hệ giữa thành phần, cường độ chịu nén và cấu trúc 85

5.6 Mối quan hệ giữa thời gian sấy với cường độ chịu nén và cấu trúc 104

Chương 6 KẾT LUẬN 6.1 Kết luận 122

6.2 Ứng dụng của sản phẩm 122

6.3 Kiến nghị 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

Phần VII PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1 KẾT QUẢ FTIR CỦA MẪU 1-20 132

PHỤ LỤC 2 KẾT QUẢ X-RAY CỦA MẪU 1-10 152

PHỤ LỤC 3 KẾT QUẢ SEM CỦA CÁC MẪU 1-20 161

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Khai thác bauxite ở Tây Nguyên

Hình 1.2 Gạch tiêu chuẩn từ bùn đỏ ở Jamaica

Hình 1.3 Quá trình sản xuất gạch không nung và block sử dụng bùn đỏ ở Trung Quốc

Hình 1.4 Các dạng poly(sialate)

Hình 1.5 Sự tỏa nhiệt trong xỉ hoạt hóa kiềm

Hình 1.6 Quá trình tro bay được hoạt hóa kiềm

Hình 1.7 Quá trình phản ứng liên quan tới geopolymer hóa meta cao lanh

Hinh 1.8 Sự tạo thành của pha gel vô định hình A và pha gel B

Hình 2.1 Quá trình geopolymer hóa

Hình 2.2 Nhiễu xạ X-ray của (Na,K)-poly(sialate-siloxo), (Na.K)-PSS và poly(sialate-siloxo), K-PSS

K-Hình 2.3 Quang phổ (trái) của aluminosilicate và geopolymer, quang phổ (phải) của Na-poly(sialate-siloxo) Na-PSS

Hình 2.4 Vị trí thay đổi của kéo căng bất đối xứng Si-O-T trong quang phô của aluminasilicate với các hàm lượng Al

Hình 2.5 FTIR của meta cao lanh và geopolymer từ meta cao lanh

Hình 2.6 FTIR của tro bay và geopolymer từ tro bay

Hình 2.7 Vị trí các đỉnh của dải Si-O (1000-1250 cm-1) trong geopolymer từ tro bay được dưỡng hộ ở các nhiệt độ và độ ẩm tương đối khác nhau

Hình 2.8 Quang phổ FTIR của geopolymer từ tro bay với Na/Al=0,5

Hình 3.1 Quy trình Bayer

Hình 3.2 Bùn đỏ ở nhà máy hóa chất Tân Bình

Hình 3.3 Biểu đồ nhiễu xạ X-ray của mẫu bùn đỏ từ nhà máy hóa chất Tân Bình Hình 3.4 Kết quả SEM của bùn đỏ đã sấy khô

Hình 3.5 Kết quả phân tích IR của bùn đỏ

Hình 3.6 Các hạt tro bay

Hình 3.7 Tro bay từ nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch, Đồng Nai

Hình 3.8 Kết quả phân tích biểu đồ nhiễu xạ X-ray của mẫu thử tro bay

Hình 3.9 Kết quả phân tích IR của tro bay

Hình 3.10 Kết quả thành phần hạt theo phương pháp Laser của mẫu tro bay

Hình 4.1 Quá trình chế tạo mẫu

Hình 4.2 Quá trình thí nghiệm

Hình 4.3 Phương pháp lựa chọn thành phần

Hình 4.4 Đánh giá mối quan hệ giữa thành phần, tính chất và cấu trúc

Hình 4.5 Phương pháp nghiên cứu sự ảnh hưởng của thời gian sấy đến cường độ chịu nén và cấu trúc của mẫu

Hình 5.1 Sự thay đổi Rn theo hàm lượng tro bay và phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:3

Hình 5.2 Sự thay đổi Rn theo hàm lượng tro bay và phụ gia với tỷ lệ hh:cát= 1:3,5

Hình 5.3 Sự thay đổi Rn theo hàm lƣợng tro bay và phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:4 Hình 5.4 Sự thay đổi Hp theo hàm lƣợng tro bay và phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:3 Hình 5.5 Sự thay đổi Hp theo hàm lƣợng tro bay và phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:3,5 Hình 5.6 Sự thay đổi Hp theo hàm lƣợng tro bay và phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:4 Hình 5.7 Sự thay đổi Km theo hàm lƣợng tro bay và phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:3 Hình 5.8 Sự thay đổi Km theo hàm lƣợng tro bay và phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:3,5 Hình 5.9 Sự thay đổi Km theo hàm lƣợng tro bay và phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:4 Hình 5.10 Kết quả FTIR của mẫu 1, bùn đỏ và tro bay (phụ lục 1)

Hình 5.11 Kết quả FTIR của mẫu 1 và mẫu 2 trên cùng một biểu đồ (phụ lục 1)

2

Hình 5.13 Kết quả FTIR của mẫu 3 và mẫu 4 trên cùng một biểu đồ (phụ lục 1)

4

Hình 5.15 Kết quả FTIR của mẫu 5 và mẫu 6trên cùng một biểu đồ (phụ lục 1)

6

Hình 5.17 Kết quả FTIR của mẫu 7 và mẫu 8 trên cùng một biểu đồ (phụ lục 1)

8

Hình 5.19 Kết quả FTIR của mẫu 9 và mẫu 10 trên cùng một biểu đồ (phụ lục 1)

Hình 5.25 Kết quả FTIR của mẫu 16 dến 20 (trích từ phụ lục 1)

Hình 5.26 Kết quả FTIR của tro bay và bùn đỏ trên cùng một đồ thị

Hình 5.27 Sự biến đổi vị trí các đỉnh trong khoảng 600-800 cm-1

của mẫu 11 đến mẫu 15

Bảng 1.1 Bằng sáng chế về gạch nung và gạch không nung

Bảng 1.2 Lịch sử các sự kiện quan trọng về chất kết dính kiềm hoạt hóa đến năm

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

đây, đă ̣c biê ̣t khi ở Viê ̣t Nam liên tiếp xảy ra nhiều vu ̣ viê ̣c vi pha ̣m nghiêm trọng về môi trường Dưới góc đô ̣ môi trường thì bùn đỏ là vấn đề được quan tâm nhất Đây là hợp chất vô cùng đô ̣c ha ̣i , thâ ̣m chí bùn đỏ được ví như “bùn bẩn”, “bom bẩn” Hiê ̣n nay, trên thế giới chưa có nước nào xử lý triê ̣t để được vấn đề bùn đỏ Cách phổ biến mà người ta vẫn thường làm là chôn lấp bùn đỏ ở các vùng đất ít người, ven biển để tránh độc hại Với quy

khoảng 7 triê ̣u tấn Alumin , tương đương với viê ̣c thải ra môi trường 10 triê ̣u tấn bùn đỏ Đến năm 2025 là 15 triê ̣u tấn alumin tương đương với 23 triê ̣u tấn bùn đỏ Cứ như thế sau 10 năm sẽ có 230 triê ̣u tấn và sau 50 năm sẽ có 1,15 tỷ tấn bùn đỏ tồn đọng trên vùng Tây Nguyên [4]

Hình 1.1 Khai thác bauxite ở Tây Nguyên [http:// www.bee.net.vn]

 Vấn đề đă ̣t ra là liệu các giải pháp kỹ thuật (hồ chứa lót vải đi ̣a kỹ thuâ ̣t ) có thể đảm bảo giữ được bùn đỏ không ngấm xuống đất , không hòa vào nước

thuâ ̣t, đi ̣a chất (vỡ đâ ̣p ngăn , lũ quét… ) đều có thể để lại hậu quả khôn lường cho các vùng dân cư các tỉnh ở ha ̣ lưu sông Đồng Nai và sông

Serepok [4] Vì vậy cần tìm ra giải pháp xử lý bùn đỏ này

1.2 Lý do thực hiện đề tài

 Hiê ̣n nay, chính phủ đang khuyến khích sử dụng các vật liệu không nung

để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ nguồn tài nguyên đất sét Tuy nhiên, các vật lệu không nung hiện nay đa số là vật liệu sản xuất từ xi

măng Để sản xuất ra xi măng thì cần phải trải qua mô ̣t quá trình nung luyê ̣n ở nhiê ̣t đô ̣ cao , tiêu tốn mô ̣t lượng lớn đá vôi và quá trình sản xuất cũng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Như vâ ̣y, nhu cầu về mô ̣t loa ̣i

vâ ̣t liê ̣u thân thiê ̣n v ới môi trường là rất cấp thiết Do đó, tôi cho ̣n đề tài nghiên cứu về bùn đỏ và tro bay để sản xuất ra mô ̣t loa ̣i vâ ̣t liê ̣u không nung nhằm giải quyết các vấn đề trên

 Từ đă ̣c tính của bùn đỏ là có chứa hàm lượng oxit sắt và kiềm cao, còn tro bay thì có nhiều oxit nhôm và oxit silic vô đi ̣nh hình nên tôi cho ̣n hướng geopolymer hóa hai loa ̣i vâ ̣t liê ̣u này để ta ̣o ra mô ̣t loa ̣i vâ ̣t liê ̣u đóng rắn ở nhiê ̣t đô ̣ thường Đặc biệt, loại vâ ̣t liê ̣u này vì đã tận du ̣ng được các loa ̣i vâ ̣t liê ̣u phế thải ta ̣i đi ̣a phương nên rất thích hợp với nhu cầu xây dựng nhà ở cho người dân có thu nhâ ̣p thấp ở Tây Nguyên

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam

Sử dụng bùn đỏ đã trở thành một đề tài lớn cho nghiên cứu khoa học Mô ̣t số lươ ̣ng lớn các nghiên cứu về tiềm năng của bùn đỏ đã được công bố , cụ thể từ 1964-2008 đã có 273 bằng sáng chế về đề tài này [5] Bùn đỏ có thể đươ ̣c sử du ̣ng trong luyê ̣n kim (sản xuất sắt và thép , oxit titan, oxit nhôm

và kiềm), sản xuất vật liệu xây dựng (cốt liê ̣u nhe ̣, gạch, ngói, xi măng…), xúc tác, ceramic (đồ gốm, đồ vệ sinh , thủy tinh và các loại ngói đặc biệt ,

tới thời điểm hiê ̣n nay , số lượng các nghiên cứu về bùn đỏ vẫn tiếp tu ̣c gia tăng không ngừng Mô ̣t tro ng những ứng du ̣ng quan tro ̣ng của bùn đỏ là

ngói lợp, sứ, thủy tinh Trong đó bùn đỏ được xem như nguồn nguyên liê ̣u

thô đươ ̣c thêm vào để giảm chi phí [6] Sau đây là mô ̣t số nghiên cứu về bùn đỏ trong lĩnh vực vật liệu xây dựng

 Xi măng

nghiên cứu từ năm 1936 Trong khi hàm lượng oxit sắt và oxit nhôm của chất thải này rất hữu ích cho quá trình đóng rắn và gia tăng cường

đô ̣ xi măng thì kiềm la ̣i gây bất lợi Viê ̣c thay thế kiềm bằng bằng vôi sẽ

[5] (2009)

bauxite và bùn đỏ (bùn đỏ chiếm 20-50% khối lượng khô) để làm một loại xi măng đặc biệt Trong đó bùn đỏ được sử dụng như nguồn cung cấp oxit sắt và oxit nhôm tốt hơn tro bay vì có hàm lượng oxit silic thấp Hàm lượng oxit titan trong bùn đỏ cũng rất có lợi cho cường độ xi măng

dụng để sản xuất xi măng Ở Nhâ ̣t Bản, các thí nghiệm được tiến hành năm 2003 cho thấy xi măng đươ ̣c sản xuất có sử du ̣ng bùn đỏ đáp ứng

bùn đỏ được sử dụng để sản xuất xi măng chỉ chiếm 1,6% khối lươ ̣ng bùn đỏ thải ra hằng năm Các nghiên cứu gần đây được tiến hành bởi Vangelatos et al [9] (2009) ở Ai Cập nhằm khảo sát hàm lượng bùn đỏ như mô ̣t phu ̣ gia trong sản xuất xi măng đã cho thấy xi măng Portland

có thể đạt được các tính chất yêu cầu khi hàm lượng bùn đỏ tăng lên tới

ước tính khoảng 10 Euro cho mô ̣t tấn bùn đỏ khô

 Cốt liê ̣u

Để tạo ra cốt liê ̣u từ bùn đỏ cần phải trải qua các giai đoạn như sấy khô , tạo hạt và nung Tuy nhiên , mô ̣t loa ̣i cốt liê ̣u từ chất thải bauxite không thể

cạnh tranh với các loại cốt liệu khác như đá nghiền vì chi phí của quá trình nung và các nghiên cứu được công bố về tái sử du ̣ng bùn bùn đỏ xuất hiê ̣n các mâu thuẫn SagoeCrentsil và Brown [11] (2005) báo cáo rằng bùn đỏ

có thể thay thế một phần nhỏ aluminosilicate của geopolymer Các vật liệu

đươ ̣c cường đô ̣ 50 MPa So sánh với cường đô ̣ của đá marble tự nhiên

khi sử du ̣ng Sấy và nung bùn đỏ trực tiếp có thể ta ̣o ra cốt liê ̣u nhân ta ̣o

C

liê ̣u với cường đô ̣ lơn hơn hoă ̣c bằng cường đô ̣ của đá nghiền Ninh kết và nung để ta ̣o ra mô ̣t loa ̣i vâ ̣t liê ̣u có giá tri ̣ thấp như cốt liê ̣u rõ ràng khó có thể áp du ̣ng vào sản xuất

 Gạch và block

Có hai cách sản xuất gạ ch và block t ừ bùn đỏ tùy theo việ c có nung hay

cường đô ̣ yêu cầu còn ga ̣ch không nung được sản xuất từ xi măng , các chất kết dính vô cơ hoă ̣c hữu cơ

thêm vào hê ̣ nguyên liê ̣u như là phu ̣ gia hoă ̣c thành phần chính Để có được loại gạch có chất lượng so với gạch đất sét nung thì phải trộn bùn đỏ với đất sét hoă ̣c đá phiến sét Những sản phẩm phế thải khác như tro bay và bu ̣i than cốc cũng có thể được đưa vào Khi thêm các phu ̣ gia như tác nhân ta ̣o bo ̣t và ferrosilicon thì được các loa ̣i ga ̣ch nhe Các loại gạch không nung được chế tạo khi trộn bùn đỏ với các tác nhân đóng rắn như tha ̣ch cao , vôi, xi măng hay polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate…[13]

bùn đỏ Trong đó có 3 bằng sáng chế về ga ̣ch nung và 11 bằng nói về gạch không nung được tóm tắt trong bảng 1.1

GẠCH NUNG

Thành phần khác

đuôi, xỉ, cát, că ̣n photphoric, chất thải axit

Không xác

silic

Bùn acetylen

cao, vôi

Sa tha ̣ch , tro bay

chaff)

Bảng 1.1 Bằng sáng chế về ga ̣ch nung và ga ̣ch không nung

Các loại gạch nung có th ể được tạo ra với hàm lượng bùn đỏ lên tới

thể đươ ̣c thêm vào tùy theo thành phần và yêu cầu của sản phẩm Còn đối với ga ̣ch không nung cần kết hợp v ới một hay nhiều tác nhân kết dính Tác nhân kết dính phổ biến nất là các hợp chất chứa canxi như đá

phản ứng với kiềm trong bùn đỏ Các chất kết dính hữu cơ khác cũng được sử dụng

Mă ̣c dù có nhiều nghiên cứu và bằng sáng chế về kỹ thuâ ̣t sử du ̣ng bùn đỏ trong sản xuất ga ̣ch nhưng vẫn chưa tìm ra được mô ̣t nghiên cứu nào có ứng dụng cao Lý do chính là do sự cạnh tranh về vật liệu , nơi sản xuất , sự không chắc chắn về kỹ thuâ ̣t , môi trường và nguy cơ về sức khỏe của sản phẩm mới

tiêu chuẩn từ bùn đỏ với chất đóng rắn là xi măng Tại thời điểm này đang xảy ra sự thiếu hụt số lượng lớn nhà cửa , vì vậy một loại gạch có giá rẻ rất phù hợp với tình hình Jamaica (hình 1.2) Tuy nhiên ga ̣ch từ bùn đỏ chỉ được triển khai ở các vùng nghèo

và việc mở rộng sử dụng bị hạn chế

Hình 1.2 Gạch tiêu chuẩn từ bùn đỏ ở Jamaica [14]

quá trình sản xuất gạch khơng nung và block sử dụng bùn đỏ ở Trung Quớc (hình 1.3) Sản phẩm của quá trình này đáp ứng đươ ̣c tiêu chuẩn của Trung Quớc và được phép sản xuất để làm

vâ ̣t liê ̣u xây dựng như ga ̣ch và block

Hình 1.3 Quá trình sản xuất gạch khơng nung và block

 Geopolymer

để tạo geopolymer Viê ̣c thêm kiềm vào sẽ gia tăng sự hịa tan tùy theo nờng đơ ̣ ban đầu, thời gian hòa tan và các thơng sớ khác để quá trình xảy

ra Các nguồn khác của oxit nhơm và silic sẽ được thêm vào để đạt cường

đô ̣ và các tính chất yêu cầu Tro bay hoă ̣c xỉ lò cao rất phù hợp để làm nguồn vâ ̣t liê ̣u cung cấp oxit nhôm và silic Có rất nhiều nghiên cứu về viê ̣c sử du ̣ng xỉ hay tro bay nhưng vẫn chưa có nghiên cứu nói về viê ̣c sử

với các đối tác công nghiê ̣p để tiến hành nghiên cứu nhằm mu ̣c đích phát triển những hiểu biết nền tảng về sản xuất các vâ ̣t liê ̣u geopolymer sử dụng trong bê tông Các thông tin trên website của tổ chức này báo cáo rằng “geopolymer từ bùn đỏ với các tính chất cơ ho ̣c ấn tượng đã được sản xuất thành công Vâ ̣t liê ̣u này sẽ mở ra các cơ hô ̣i cho viê ̣c tái chế mô ̣t lươ ̣ng lớn các chất thải công nghiệp”

bùn đỏ trong vật liệu geopolymer , phát triển các hỗn hợp thành phần và phương pháp sản xuất để hoàn thiê ̣n hóa các sản phẩm tâ ̣n du ̣ng các nguồn

vâ ̣t liê ̣u phế thải

b) Tình hình nghiên cứu geopolymer hay chất kết dính kiềm hoạt hóa

Geopolymer đươ ̣c đă ̣t ra vào năm 1978 bởi Davidovits để go ̣i tên cho chất kết dính alumino silicate mà ông đã tìm ra Các vật liệu geopolymer rất có

lơ ̣i cho môi trường vì:

tro bay hay xỉ trong khi xi măng chỉ có thể sử du ̣ng 30% tro bay hay xỉ

đô ̣c ha ̣i

Có thể nói geopolymer có một tiềm năng to lớn đối với ngành ceramic , vâ ̣t liê ̣u xây dựng cũng như vâ ̣t liê ̣u chịu lửa Do vâ ̣y mà các nghiên cứu về geopolymer đã phát triển không ngừng trong thời gian qua

 Lịch sử ra đời geopolymer

hoạt hóa đến năm 1999 [16]

- Sự phát triển của chất kết dính kiềm hoa ̣t hóa đã có sự đóng góp đáng kể trong năm 1940 với công trình của Purdon [17] Tác giả này đã sử

phát triển thà nh hai bước Trong suốt bước mô ̣t diễn ra sự giải phóng

và nhôm cùng quá trình tái tạọ dung dịch kiềm Các kết quả này dẫn tới kết luâ ̣n rằng hydroxit k iềm có tác du ̣ng như phu ̣ gia và lượng kiềm không thay đổi sau khi phản ứng diễn ra

quan tới lĩnh vực chuyên môn này nhưng công trình của ông thiên về sử dụng xỉ lò cao trộn với xi măng Pordland hơn là chất kết dính hoạt hóa kiềm

- Glukhovsky [19] (1959) là tác giả đầu tiên khám phá ra chất kết dính

chúng có thành phầ n của hydrate canxi aluminosilicate tương tự như

nhiên ta ̣o nên đô ̣ bền cho các chất kết dính này Dựa trên các khám phá này, Glukhovsky phát triển mô ̣t loa ̣i chấ t kết dính mới và đă ̣t tên là xi măng đất (soil-cement), từ đất được sử du ̣ng vì chất kết dính này giống như mô ̣t loa ̣i đá và từ xi măng được sử du ̣ng vì khả năng kết dính Xi măng đất thu đươ ̣c từ quá trình trô ̣n aluminosilic ate với chất thải công nghiê ̣p giàu kiềm

- Malinowsky [20] (1979) nghiên cứu về xây dựng cổ đa ̣i được phu ̣c chế bằng xi măng OPC đã thấy rằng các vâ ̣t liê ̣u phu ̣c chế bi ̣ phân rã chỉ sao

10 năm và thể hiện đô ̣ bền thấp khi so sánh với chất kết dính cổ

trong thành phần của vữa tìm thấy ở Fericho trong thung lũng của sông Jordan và ở Tel -Ramad có tuổi tho ̣ 7000 trước công nguyên [21] (1981)

có mặt của analcite [22] (1984)

- Campbell và Folk [23] (1991) đã chỉ ra rằng đô ̣ bền của chất kết dính cổ xưa đươ ̣c ta ̣o ra bởi mức đô ̣ cao của các hợp chất zeolite vô đi ̣nh hình

măng kiềm

Davidovits và

xưa

các hỗn hợp kiềm

Talling và

Glukhovsky 1994 Bê tông cổ xưa, hiê ̣n đa ̣i và tương lai

Bảng 1.2 Lịch sử các sự kiện quan trọng về chất kết

dính kiềm hoạt hóa đến năm 1999

- Granizo [24] ( 1998) nghĩ rằng sự hiện diện của các hợp chất zeolite trong mô ̣t vài chất kết dính cổ cho thấy chúng là các pha bền vững sau cùng của quá trình lâu dài chuyển hóa các pha ban đầu thành các vật liê ̣u da ̣ng zeolite Mô ̣t ph ần lớn các khám phá về chất kết dính kiềm hoạt hóa liên quan tới hoạt hóa xỉ lò cao và được biết như “xi măng kiềm xỉ” (alkali-slag cement or -activated slag cement ) Xỉ là một chất kết dính mức đô ̣ thấp nhưng nó có thể đa ̣ t cường đô ̣ cao khi tác nhân hoạt hóa kiềm được sử dụng

đã ta ̣o ra cường đô ̣ chi ̣u nén lên tới 160 Mpa sau 90 ngày dưỡng hộ ở nhiê ̣t đô ̣ phòng

- Tuy nhiên Glukhovsky [26] (1980) đã tiến hành nghiên cứu chủ yếu về

xỉ lò cao hoạt hóa kiềm đã kết luận: (1).Sản phẩm hydrate có chứa canxi

đất sét khi hoa ̣t hóa kiềm ta ̣o thành nhôm silicate hydrate (zeolite) Tác giả này cũng đã phân loại tác nhân hoạt hóa kiền thành 6 nhóm trong đó M là kim loa ̣i kiềm [27] (1981):

các nghiên cứu trong lĩnh vực hoạt hóa kiềm có một sự phát triển theo

quy luật số mũ Davidovits đã phát triển và lấy bằng sáng chế về các chất kết dính có chứa metakaolin hoa ̣t hóa kiềm và đă ̣t tên cho chúng là geopolymer vào năm 1978 Theo tác giả này , chất kết dính mới được tạo ra bằng cách điều chỉnh các quá trình được sử du ̣ng bởi người Ai

Câ ̣p và Roma Ông còn cho rằng các kim tự tháp không được làm bằng đá tự nhiên mà được ta ̣o thành từ các chất kết dính nhân ta ̣o Dựa trên các nghiên cứu hóa học và kho áng học, ông phát biểu rằng các đá block kim tự tháp được ta ̣o thành từ hỗn hợp của đá vôi , cát, canxi hydroxit,

lớp canxi hóa tha ̣ch như trong đá tự nhiên mà được định hướng ngẫu nhiên như mô ̣t chất kết dính nhân ta ̣o Nhiễu xa ̣ X -ray của mẫu kim tự

geopolymer là polymer vì quá trình polymer hóa và đóng rắn ở nhiê ̣ t đô ̣ thấp Nhưng chúng là geopolymer vì chúng là vô cơ , cứng và bền ở nhiê ̣t đô ̣ cao và không c háy Ký hiệu hóa học của geopolymer mà Davidovits đă ̣t ra có tên là “polysialate” , trong đó sialate là viết tắt của oxit aluminosilicate Mạng lưới sialate bao gồm các anion tứ diện

kết cô ̣ng hóa tri ̣ của tứ diê ̣n Polysialate có công thức kinh nghiê ̣m là

hoă ̣c 3 và M là cation kiềm như kali , natri Có nhiều dạng poly (sialate) như sau:

Hình 1.4 Các dạng poly(sialate)

- Provis [59] (2006) cho rằng các polysialate này sẽ không được sử du ̣ng trong nghiên cứu do bi ̣ giới ha ̣n khi mô tả các hê ̣ thống conposite phức tạp và các thuật ngữ khoa học để chỉ hệ thống polysialate sẽ là các tỷ số Si/Al

 Thuâ ̣t ngữ

Chất kết dính mới có tên là xi măng kiềm hay xi măng hoa ̣t hóa kiềm rất dễ bi ̣ nhầm lẫn với tên của xi mă ng Portland và do quá trình nghiên cứu và ký hiê ̣u được giới thiê ̣u bởi Davidovits nên tên này ít được sử dụng Thực ra xi măng Portland cũng đóng rắn trong môi trường kiềm

Portland là silicate canxi hoa ̣t hóa kiềm [30] Trong mô ̣t vài năm mô ̣t số tác giả đã tranh cãi rằng ký hiệu chất kết dính kiềm hoạt hóa gây nhậm lẫn cho các kỹ sư xây dựng vì tên go ̣i này làm cho các kỹ sư xây dựng nghĩ nó có thể tạo ra các phản ứng kiềm silic và Davidovits đã đề nghị các tên khác như xi măng geopolymer , chất kết dính geopolymer, geo xi măng hay poly(sialate) [30-31] ( 1994-2005) Tuy nhiên , không có gì đảm bảo là tất cả các chất kết dính hoa ̣t hóa kiềm thực sự là geopolymer

và còn không rõ ràng khi một số tác giả đề cập phản ứng pozzulan là

mô ̣t phản rứng geopolymer Palomo trong hội nghị về geopolymer 2004

cho rằng cái tên geopolymer là mô ̣t tên thương ma ̣i và vì vâ ̣y không nên sử du ̣ng Thực ra, cái tên xi măng Portland cũng là tên thương mại do màu sắc của đá vôi Portland ở vùng Dorchester nước Anh Vì vậy tên chất kết dính hoa ̣t hóa kiềm và geopolymer đều có thể được sử du ̣ng khi nói về một geopolymer, mô ̣t zeolite với đă ̣c điểm vô đi ̣nh hình hoă ̣c bán tinh thể

 Cơ chế phản ứng

- Theo Glukhovsky et al [32] (1980), cơ chế của hoa ̣t hó a kiềm bao gồm các phản ứng kế tiếp nhau như phá hủy - hóa đặc, trong đó bao gồm sự phá hủy của các vật liệu chính thành các đơn vị cấu trúc ít bền , sự tương tác của chúng với các cấu trúc khác tạo nên sự hóa đặc cấ u trúc Bước đầu tiên bao gồm sự bẻ gãy các liên kết cô ̣ng hóa tri ̣ Si-O-Si và Al-O-Si khi pH của dung di ̣ch kiềm tăng , vì vậy các nhóm sẽ chuyển hóa thành

giữa chúng sẽ ta ̣o thành mô ̣t cấu trúc đông tu ̣ , sinh ra pha thứ ba và ta ̣o thành cấu trúc hóa đặc

tiên là sự hòa tan oxit silic , tiếp theo là chuyển hóa và đa trùng ngưng [33] (1998)

- Granizo [24] (1998) nghiên cứu metakaolin hoa ̣t hóa kiềm đã báo cáo rằng có các phản ứng khác nhau khi tác nhân hoa ̣t hóa kiềm được làm từ natri hydroxit hay thủy tinh lỏng Trong trường hợp đầu tiên, sau quá

Trong trường hợp thứ hai , sau quá trinh hòa tan nhanh là phản ứng đa trùng ngưng

thiết lâ ̣p, đầu tiên là kiểu hoa ̣t hóa xỉ lò cao (Si, Ca) với dung di ̣ch kiềm nhẹ, có tạo thành sản phẩm chủ yếu là CSH Kiểu thứ hai hoa ̣t hóa kiềm (Si, Al) ví dụ như hoạt hóa metakaolin với dung dịch kiềm mạnh Sản phẩm cuối cùng được phân loa ̣i bởi kiểu polymer và cường đô ̣ cơ ho ̣c cao và tương tự với quá trình ta ̣o thành zeolite , vì vậy có thể kết luận hoạt hóa meta cao lanh làm gia tăng polymer vô định hình như zeolite

Với tro bay, hoạt hóa kiềm diễn ra thông qua quá trình tỏa nhiệt của sự hòa tan khi các liên kết hóa trị Si -O-Si và Al-O-Al bi ̣ bẻ gãy Sản phẩm đươ ̣c ta ̣o thành do sự phá hủy tro bay bắt đầu tích tu ̣ trong mô ̣t khoảng thời gian và cuối cùng trùng ngưng thành cấu trúc kém trâ ̣t tự với cường

đô ̣ cơ ho ̣c cao

giống như quá trình ta ̣o thành zeolite : ( a) hòa tan do OH -, (b) đi ̣nh hướng của các mảnh hòa tan, (c) trùng ngưng và đóng rắn tạo thành cấu trúc polymer vô cơ

- Krizan and Zivanovic [36] (2002) đã phân tích nhiê ̣t tỏa ra khi hoa ̣t hóa

xỉ lò cao và thấy rằng quá trình hydrat bị ảnh hưởng bởi hàm lượng

hóa càng lớn Theo các tác giả này, quá trình bắt đầu với sự phá hủy các liên kết của xỉ Ca -O, Mg-O, Si-O-Si, Al-O-Al và Al-O-Si liên quan tới các peak đầu tiên và sau đó một loạt các peak xuất hiện do sự tạo thành các lớp Si-Al trên toàn bề mă ̣t ha ̣t xỉ, cuối cùng là sự hình thành các sản phẩm hydrate (hinh1.5)

và chất kết dính hoạt hóa kiềm là đối với OPC nước trung tính dần dần chuyển thành kiềm (pH=12-13) trong quá trình hydrate hóa với mô ̣t loa ̣t

trường hợp thứ hai dung di ̣ch ki ềm mạnh rất cần thiết để quá trình hòa tan xảy ra Tuy nhiên nếu pH ban đầu quá cao thì sẽ ngăn chă ̣n sự đông

tụ và và polymer hóa của silicate Khi pH nhỏ hơn 14 thì sự hòa tan của

vâ ̣t liê ̣u nguồn và sự đông đă ̣c diễn ra rấ t nhanh Sau đó mô ̣t nhóm các phản ứng polysialate hóa , đông tu ̣, tạo keo và đông cứng của các mảnh aluminosilicate không hòa tan thành cấu trúc aluminosilicate vô đi ̣nh hình

Hình 1.5 Sƣ̣ tỏa nhiê ̣t trong xỉ hoa ̣t hóa kiềm

a) modul silicate Ms=0,6; b) Ms=0,6; c) Ms=1,5 [36]

- Xu et al [ 38] ( 2001) đã nghiên cƣ́u các hỗn hợp của cao lanh , tràng thạch natri và kali đƣợc hoạt hóa và báo cáo rằng quá trình geopolymer hóa bao gồm các phản ứng hóa học giữa cá c oxit alumino -silicate với silicate trong điều kiê ̣n kiềm cao ta ̣o thành liên kết polymer Si -O-Al-O

mà có thể đƣợc giới thiệu theo phản ứng thành phần sau:

- Theo Fernandez et al [39] (2004) khi tro bay được sử du ̣ng để hoa ̣t hóa kiềm, sự hòa tan của Si và Al xảy ra Sau đó các phân tử lớn hơn ta ̣o thành gel (polymer hóa và ta ̣o ha ̣t nhân ) và sự tấn công của kiềm làm mở ra các hình cầu (hạt tro bay) để lộ ra các hình cầu nhỏ hơn bên trong

và sẽ hòa tan cho đến khi ta ̣o thành các sản phẩn phản ứng bên trong và bên ngoài hình cầu (hình 1.6)

Hình 1.6 Quá trình tro bay được hoạt hóa kiềm [39]

- Theo Criado et al [40] (2005), hoạt hóa tro bay là một quá trình khác với hydrat hó a xi măng Portland nhưng tương đồng về công thức hóa học do liên quan tới sự tạo thành một vài sản phẩm phản ứng chính dạng zeolite với kiềm aluminosilicate Sản phẩm phản ứng này liên quan tới cô ̣ng hóa tri ̣ tứ diê ̣n của oxit silic và nhôm trong chuỗi polymer

Trong suốt quá trình kiềm tấn công vâ ̣t liê ̣u aluminosilicate , giai đoa ̣n

Khi ha ̣t nhân đa ̣t tới kích thước tới ha ̣n , chúng bắt đầu kết tinh nhưng quá trình này diễn ra chậm và hoàn thành sau một khoảng thời gian dài

Hình 1.7 Quá trình phản ứng liên quan tới geopolymer hóa meta cao lan h [41]

tới geopolymer hóa meta cao lanh [41] (2005) Deventer et al cho rằng

có thể áp dụng mô hình trên cho các loại vật liệu aluminosiloicate khác

Mô ̣t số t ác giả khác cho rằng sự hiện diện của của canxi và sắt ảnh hưởng tới đô ̣ng lực ho ̣c của quá trình geopolymer hóa tro bay bởi phát sinh các vi ̣ trí nhân thêm vào [44]

ảnh hưởng của nồng độ natri hydroxit đến bản chất tạo thành sản phẩm , bao gồm các thông số có vai trò chủ yếu như sau:

lươ ̣ng gel CSH ta ̣o thành không đủ Thay vào đó natri

bị giảm và gel CSH được tạo thành như sản phẩm thứ hai

thành gel CSH Bên ca ̣nh đó, nồng đô ̣ kiềm thấp ngăn cản sự hòa tan của meta cao lanh, do đó không đủ ta ̣o thành kiềm

aluminosilicate

- Lee and Deventer [46] (2002) đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của muố i vô

cơ trong hỗn hơ ̣p tro bay và cao lanh , báo cáo rằng cường độ và độ bền

bị ảnh hưởng tiêu cực bởi muối NaCl vì chúng tạo tinh thể bên trong cấu trúc làm giảm cường đô ̣ sản phẩm Muối cacnonat thì hữu ích vì chúng làm g iảm lượng nước hòa tan ngăn cản sự tấn công của nước thủy phân

tạo thành các cấu trúc vô định hình Ca -Al-Si Các tác giả này còn tìm ra sự tồn ta ̣i của gel geopolymer và CSH (hình 1.8) và kết luận rằng sự tạo thành hai pha này giả thích cho sự bền vững của các chất kết dính cổ xưa

- Pinto [10] (2004) nghiên cứu meta cao lanh hoa ̣t hóa kiềm và báo cáo rằng cường đô ̣ cơ ho ̣c g ia tăng khi sử du ̣ng chất hoa ̣t hóa là NaOH 12M

không có ảnh hưởng gì

Hình 1.8 Sự ta ̣o thành của pha gel vô đi ̣nh hình A và pha gel B

 Dưỡng hô ̣

- Bakharev T et al [50] (1999) báo cáo rằng đối với hỗn hợp xỉ lò cao hoạt hóa kiềm khi sử dụng nhiệt độ để dưỡng hộ thì cường độ sẽ gia tăng trong thời gian đầu nhưng sẽ giảm về sau

tạo thành của vật liệu hydrat xung quanh các hạt xỉ ngăn cản sự phát triển của quá trình hydrat [51] Theo Silva [52], tăng nhiê ̣t đô ̣ dưỡng hô ̣ cũng dẫn tới sự tăng lượng vật liệu chưa phản ứng

thời gian dưỡng hô ̣ dài với nhiê ̣t đô ̣ Điều đó cho thấy vẫn còn nước trong chất kết dính đã đóng rắn

- Jaarsveld et al [54] (2002) đã báo cáo rằng hỗn h ợp tro bay và meta cao lanh hoa ̣t hóa kiềm với nhiê ̣t đô ̣ dưỡng hô ̣ cố đi ̣nh sẽ làm cường đô ̣ gia tăng Tuy nhiên thời gian dưỡng hô ̣ kéo dài sẽ làm yếu cấu trúc vâ ̣t liê ̣u vì làm gia tăng sự co ngót

- Pinto [10] (2004) đã đề nghi ̣ phải cách ly các mẫu đã đóng rắn để ngăn chă ̣n sự bốc hơi nước

- Brough and Atkinson [55] (2002) nghiên cứu xỉ hoa ̣t hóa kiềm đã thấy

C thì cường đô ̣ tăng từ 7 đến 72

- Wang et al [56] cũng sử dụng xỉ hoạt hóa kiềm và báo cáo rằng nhiệt

đô ̣ dưỡng hô ̣ phu ̣ thuô ̣c vào hoa ̣t tính tự nhiên và không liên quan tới nồng đô ̣ cao của các tác nhân hoa ̣t hóa sử du ̣ng

- Kirschener and Harmuth [57] (2004) cũng đạt được cường độ cao nhất

Họ cũng xác nhận là dưỡng hộ trong nước làm giảm cường đô ̣

- Criado [40] (2005) nghiên cứu tro bay hoa ̣t hóa kiềm đã đề nghi ̣ phải cách ly các mẫu thử vì trong các điều kiện dưỡng hộ nhất định sẽ xuất hiê ̣n quá trình cacbonat hóa, làm giảm pH và cường đô ̣ cơ ho ̣c

- Bakharev [58] (2005) tin rằng nhiệt đô ̣ dưỡng hô ̣ là yếu tố chủ yếu của tro bay hoa ̣t hóa kiềm vì các trở nga ̣i hoa ̣t hóa nhiê ̣t phải được vượt qua

để phản ứng có thể bắt đầu

 Bùn đỏ hiện đang là mối quan tâm lớn ở nước ta Tuy nhiên các nghiên cứu về bùn đỏ còn rất ít , chỉ mới có một số nghiên cứu trong các lĩnh vực xử lý nước thải, nông nghiê ̣p như:

dùng bùn đỏ của nhà máy hóa chất Tân Bình (Tp HCM) sản xuất phèn chua clorua để xử lý ô nhiễm các loa ̣i nước thải công nghiê ̣p Mỗi tháng tiêu thu ̣ từ vài tấn đến vài chu ̣c tấn Ngoài xử lý nước thải , bùn đỏ còn

nước…[60]

hữu cơ từ các nguồn phế thải công nghiê ̣p và than bùn để tạo nền đất trồng phù hợp với cây thanh long và xương rồng Nopal [61]

anionic trong nước thải [62]

 Trong lĩnh vực vâ ̣t liê ̣u xây dựng, các nghiên cứu còn rất hạn chế

[64]

- PGS.TS Nguyễn Văn Chánh và cộng sự [78] đã nghiên cứu thành công vật liệu geopolymer từ bauxite, tro bay và bùn đỏ để làm đường nông thôn Việt Nam Cường độ chịu nén của vật liệu này đạt khoảng 120-

bùn đỏ đóng vai trò là chất độn

- Hiê ̣n chưa có báo cáo nào về sản xuất vâ ̣t liê ̣u xây dựng từ bùn đỏ và tro bay bằng công nghê ̣ geopolymer ở Viê ̣t Nam.

1.4 Mục tiêu của đề tài

tính chất cơ lý cũng như mối quan hệ giữa thành phần , thời gian sấy và các tính chất của vật liê ̣u geopolymer từ tro bay và bùn đỏ để ứng du ̣ng vào công nghệ xây dựng

cầu về khối lươ ̣ng thể tích , đô ̣ hút nước , cường đô ̣ chi ̣u nén và hê ̣ số mềm phù hợp với các ứng du ̣ng thực tế trong xây dựng

cường đô ̣ chi ̣u nén, hệ số mềm

Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC

2.1 Quá trình geopolymer hóa

quát cho sự hoạt hóa kiềm đối với những vật liê ̣u có chứa oxit silic and oxit nhôm hoa ̣t

tính Những năm gần đ ây, nhiều tác giả [69]

Glukhovsky, áp dụng vào lĩnh vực tổng hợp zeolite và giải thích quá trình geopolymer hóa nói chung (hình 2.1) Cơ chế phản ứng

xảy ra trong quá trình chuyển hóa từ vật liệu alumosilicat rắn sang vâ ̣t liê ̣u kiềm

alumosilicat tổng hơ ̣p Những quá trình này

có thể xảy ra tuần tự như trên hoặc xảy ra đồng thời

Hình 2.1.Quá trình geopolymer hóa [69]

- Alumosilicat rắn hòa tan trong dung di ̣ch kiềm sinh ra những da ̣ng hợp chất silicate và hợp chất nhôm Chính sự hòa tan của các phân tử hạt rắn ta ̣i bề mă ̣t đã giải phóng ra những hợp chất silicat và hợp chất nhôm này vào trong dun g di ̣ch Đây là cơ chế chuyển hóa của những phân tử rắn khi tham gia vào quá trình geopolymer hóa

- Những hợp chất được giải phóng khỏi bề mă ̣t ha ̣t rắn bằng cách hòa tan trong dung di ̣ch thì la ̣i kết hợp với nhau trong pha lỏn g Mô ̣t hỗn

hơ ̣p của các hợp chất silicate , aluminate và aluminosilicate được ta ̣o thành Những hợp chất aluminosilicate vô đi ̣nh hình hòa tan nhanh chóng ở môi trường có pH cao và tạo ra dung dịch aluminosilicate quá bão hòa Khi dung dich trở nên đâ ̣m đă ̣c hơn thì da ̣ng gel oligomer bắt

đầu sinh ra và trở thành mô ̣t ma ̣ng lưới lớn khi dung di ̣ch càng cô đă ̣c

đóng vai trò chất trung gian phản ứng nhưng nước được giải phòng ra lại tồn tại bên trong của gel Loại cấu trúc gel này có hai pha là chất gắn aluminosilicate và nước

khác nhau đối với cá c loa ̣i vâ ̣t liê ̣u ban đầu , quá trình phản ứng , thành phần dung di ̣ch và điều kiê ̣n tổng hợp khác nhau Mă ̣c dù vâ ̣y có những

hê ̣ thống không bao giờ ta ̣o thành gel

ngày càng gia tăng , kết quả là ta ̣o thành ma ̣ng lưới aluminosilicate ba chiều Điều này được miêu tả trong hình 2.1 bằng sự hiê ̣n diê ̣n của nhiều giai đoa ̣n gel Sự hòa tan , sự ta ̣o thành nhân của vâ ̣t liê ̣u

nhiều vào những thông số nhiê ̣t đô ̣ng , đô ̣ng ho ̣c trong hai bước đầu của quá trình được đưa ra bởi Glukhovsky

hóa học [38] như sau:

nguồn cho quá trình geopolymer hóa Cơ chế đóng rắn của geopolymer bao gồm sự hòa tan , biến đổi và đi ̣nh hướng Muối kim loa ̣i kiề m hay hydroxit kiềm thì cần thiết cho quá trình hòa tan oxit silic và nhôm

cũng như xúc tác cho phản ứng trùng ngưng Trong cấu trúc alumino

hoă ̣c 6 Liên kế t của nhôm trong vâ ̣t liê ̣u ban đầu sẽ có thể có ảnh hưởng lên các liên kết sau cùng của hê ̣ thống

liê ̣u Al-Si trong dung di ̣ch kiềm ta ̣o ra các sản phẩm phả n ứng hydrat

Sau mô ̣t thời gian ngắn , gel sẽ hóa cứng thành geopolymer Vì vậy , mức đô ̣ hòa tan của các khoáng Al -Si thì cần thiết đối với viê ̣c tìm hiểu phản ứng geo polymer hóa Nghiên cứu mức đô ̣ hòa tan của các khoáng Al-Si, Xu H, Deventer JSJ [23] rút ra một vài kết luận:

cao

là KOH, ngoại trừ sodalite

phần nào là do hàm lượng của Si trong khoáng ban đầu cao hơn

Al

nghĩa là Si và Al có thể hòa tan khỏi bề mặt của hạt khoáng trong

mô ̣t vài da ̣ng liên kết Các khoáng với cấu trúc khung có khả năng hòa tan trong NaOH và KO H cao hơn các khoáng có cấu trúc di-, ortho-, vòng, chuỗi hay cấu trúc bảng

kiềm ma ̣nh có thể được diễn tả theo các phản ứng từ 3 đến 13

Các ion tetramer , pentamer, hexamer, octamer, nonamer silicate và các hợp chất của chúng sẽ xuất hiện Phản ứng hòa tan 3 với các ha ̣t

hưởng của nồng đô ̣ kiềm MOH , cấu trúc và thuô ̣c tính bề mă ̣t của

các khoáng Vì các khoáng có một sự khác biệt lớn về cường độ , cấu trúc nên ở đây sẽ tâ ̣p trung khảo sát sự ảnh hưởng của kiề m

phản ứng từ 3 đến 9 sẽ dịch chuyển về phía tay phải Các phương

các ion axit orthosilicic có hóa trị hai và các ion axit orthosilicic có hóa trị ba

axit orthosilicic có hóa tri ̣ hai và các ion axit orthosilicic có hóa tri ̣

ba để cân bằng điê ̣n tích

că ̣p cation và anion dựa trên sự hút điê ̣n trái dấu

dạng của ion axit orthosilicic , vì vậy các phản ứng từ 3 tới 5 sẽ chuyển di ̣ch về phía phải

này được giới hạn bởi sự hòa tan của Al , vì vậy nồng độ của Al thì luôn thấp hơn nồng đô ̣ tương ứng của Si

+ Phản ứng 6 đến 13 cho thấy rằng sự ảnh hưởng của cation kim loa ̣i

cùng điện tích nhưng ảnh hưởng khác nhau của chúng là do sự khác nhau trong kích thước ion (Swaddle et 1994, McCormick et al

NaOH các khoáng hòa tan nhiều hơn Còn Cấu trúc sodalite thì bền

với NaOH nhưng không bền với KOH , do đó sodalite la ̣i hòa tan trong KOH tốt hơn

Có nhiều quan niệm về cấu trúc của geopolymer đã được công bố và được chia làm hai loa ̣i chính : các mô hình thủy tinh và các mô hình như zeolite Mỗi mô hình có các nguyên lý cơ bản khác nhau và dự đoán các phản ứng khác nhau của geopolymer

ở nhiệt độ cao

 Mô hình dựa trên sự tạo thành zeolite cho rằng geopolymer vừa có cấu trúc

vô đi ̣nh hình, vừa có cấu trúc tinh thể zeolite và đ ược cấu tạo từ các khung tứ diê ̣n aluminosilicate Theo mô hình này , vâ ̣t liê ̣u geopolymer có khuynh hướng chuyển từ vô đi ̣nh hình sang tinh thể theo thời gian Sự khác nhau trong các mô hình dựa trên các nguyên lý cơ bản là pha zeo lite được tổng

hơ ̣p như các tinh thể nano [70] hoă ̣c ta ̣o thành từ các trung gian zeolite

 Cấu trúc của các geopolymer thường được mô tả chung bởi thuật ngữ “v ô

đi ̣nh hình X -ray”(X-ray amorphous ) Đặc điểm chính của nhiễu xạ X -ray

Davidovits [71] cũng chú ý rằng sự tạo thành các pha được mô t ả như bán tinh thể hoă ̣c đa tinh thể đă ̣c biê ̣t là khi không có silic lỏng Mă ̣c dù không

có nghiên cứu chi tiết nào về đặc điểm và sự hình thành của các pha này nhưng rõ ràng cấu trúc của các geopolymer không chỉ đơn giản là vô đi ̣nh hình X-ray, bán tinh thể hay đa tinh thể Cần phải nghiên cứu mức đô ̣ sâu hơn của đă ̣c tính cấu trúc để mở rô ̣ng hiểu biết về sự hình thành pha tinh thể cũng như hê ̣ thống geopolymer

 Xu và Deventer [73] cho rằng geopolym er tương tự như zeolite vô đi ̣nh hình khi được tổng hợp trong các điều kiện thủy nhiệt tương tự và sử dụng

geopolymer với zeolite được sử du ̣ng để mô tả quá t rình mất nước của các geopolymer đươ ̣c quan sát bởi thí nghiê ̣m DTA goi là sự mất nước zeolite Sự thiếu các bằng chứng thí nghiê ̣m chứng minh sự ta ̣o thành zeolite trong tất cả các geopolymer đã làm cho lý thuyết về geopolymer liên quan tới sự

tạo thành có thể của các kết tủa zeolite tinh thể nano Provis et al [70] đã kết luâ ̣n các nhiễu xa ̣ X -ray geopolymer xuất hiê ̣n tương tự với các nhiễu

xạ trong quá trình tạo thành zeolite Viê ̣c cho rằng các g eopolymer có chứa các tạp chất tinh thể nano zeolite thích hợp với mô tả ban đầu của

zeolite kh bền nhiê ̣t hơn các vâ ̣t liê ̣u hoàn toàn vô đi ̣nh hình

Mô ̣t phần của lý thuyết tinh thể nano zeolite mô tả cấu trúc vô đi ̣nh hình X ray của geopolymer như là gel aluminosilicate Sự mô tả geopolymer tương tự như zeolit e vô đi ̣nh hình dẫn đến giả thuyết cấu trúc của vâ ̣t liê ̣u

-geopolymer giống với gel aluminosilicate từ quá trình tổng hợp zeolite [67]

Hình 2.2 Nhiễu xa ̣ X-ray của (Na,K)-poly(sialate-siloxo),

 Mô hình thứ hai được dùng để mô tả cấu trúc X -ray và giải thích các tính chất của geopolymer dựa trên hóa ho ̣c thủy tinh Mô ̣t số tác giả đã mô tả

nguồn vô đi ̣nh hình Sự chấp nhâ ̣n mô hình này đã bỏ qua sự khác nhau về

dịch aluminosilicate lỏng , trong khi đó sự hình thành thủy tinh là mô ̣t quá trình vật lý của làm lạnh nhanh để ngăn cản sự hình thành của tinh thể và trâ ̣t tự dài Geopolymer hóa dựa vào các phản ứng pha lỏng , đô ̣ pH , sự