Nghiên cứu vật liệu tổng hợp từ đất đỏ và các phế liệu xây dựng đường nông thôn vùng cao nguyên việt nam

Nghiên cứu thực nghiệm các yếu tố ảnh hưởng đến các tính chất của vật liệu tổng hợp từ đất bauxite-bùn thải-tro bay-vôi-chất đóng rắn như : thí nghiệm đầm nén Proctor, giới hạn Atterberg

TRẦN QUỐC THỌ

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỔNG HỢP TỪ ĐẤT ĐỎ

VÀ CÁC PHẾ LIỆU XÂY DỰNG ĐƯỜNG NÔNG THÔN

VÙNG CAO NGUYÊN VIỆT NAM

Chuyên ngành : VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU XÂY DỰNG

Mã ngành : 60 58 80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN QUỐC THỌ Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20/12/1985 Nơi sinh: Biên Hòa – Đồng Nai Chuyên ngành: Vật liệu và công nghệ vật liệu xây dựng

MSHV: 01908744

1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỔNG HỢP TỪ ĐẤT ĐỎ VÀ CÁC PHẾ LIỆU

XÂY DỰNG ĐƯỜNG NÔNG THÔN VÙNG CAO NGUYÊN VIỆT NAM

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu vật liệu làm đường từ các loại vật liệu gia cố ở Việt Nam và trên thế giới, các tính chất, đặc điểm của đất bauxite, tro bay ở vùng cao nguyên Việt Nam

2 Xây dựng cơ sở lý thuyết khoa học : cơ chế đóng rắn của vật liệu tổng hợp vô cơ để xây dựng đường

3 Nghiên cứu và thực nghiệm các tính chất cơ lý hóa của nguyên vật liệu sử dụng

4 Nghiên cứu thực nghiệm các yếu tố ảnh hưởng đến các tính chất của vật liệu tổng hợp từ đất bauxite-bùn thải-tro bay-vôi-chất đóng rắn như : thí nghiệm đầm nén Proctor, giới hạn Atterberg, độ trương nở, cường độ chịu nén, cường độ kéo khi bửa, môđun đàn hồi, độ hút nước, độ bền nước, sự chiết tách kiềm của vật liệu để xem xét khả năng ứng dụng vật liệu vô cơ tổng hợp vào xây dựng đường

5 Nghiên cứu bản chất cấu trúc của vật liệu thông qua phương pháp: nhiễu xạ X-ray, X-ray

CT, kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), quang phổ hồng ngoại (IR), kính hiển vi phân cực, nhiệt vi sai (DTA/TG)

6 Đề xuất công nghệ chế tạo vật liệu vô cơ tổng hợp và phương pháp thi công, đánh giá nghiệm thu đường phù hợp với vật liệu sử dụng và điều kiện địa phương nghiên cứu

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 22/06/2009

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 26/06/2010

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 KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

Luận văn “Nghiên cứu vật liệu tổng hợp từ đất đỏ và các phế liệu xây dựng đường

nông thôn vùng cao nguyên Việt Nam” được thực hiện từ tháng 22/06/2009 đến

tháng 26/06/2010 với nhằm mục đích cải biến các tính chất của đất bauxite xây dựng đường nông thôn bền vững

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Chánh đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn trực tiếp Cảm ơn PGS.TS Mitsuhiro SHIGEISHI, trường Đại học

Kumamoto, Nhật Bản đã đóng góp nhiều ý kiến để tôi hoàn thành luận văn này Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các Thầy Cô trong Bộ môn Vật liệu xây dựng và Khoa Sau Đại học của trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn

Tôi chân thành cảm ơn trường Đại học Bách Khoa và chương trình liên kết hợp tác

JICA của Nhật Bản đã hỗ trợ kinh phí và tạo điều kiện để đề tài hoàn thành tốt đẹp

Xin chân thành cảm ơn

TRẦN QUỐC THỌ

Đề tài nghiên cứu này do học viên Trần Quốc Thọ trực tiếp thực hiện tại Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Văn Chánh theo quyết định QĐ-ĐHBK-ĐTSĐH tháng 10 năm 2009 của Hiệu Trưởng Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh về việc giao đề tài luận văn thạc sĩ

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác trừ những trích dẫn được ghi rõ nguồn gốc và tác giả

Học viên

Trần Quốc Thọ

Luận văn nêu bật được việc nghiên cứu vật liệu tổng hợp từ đất đỏ và phế liệu tro bay, chất đóng rắn để cải biến các tính chất của đất đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp cho việc xây dựng đường nông thôn Nền tảng của nghiên cứu là xây dựng

cơ chế hoạt hóa hình thành cấu trúc của vật liệu tổng hợp để ứng dụng thi công đường, sự làm việc của geopolymer để kích hoạt đóng rắn Phương pháp nghiên cứu dựa vào việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của vật liệu tổng hợp thông qua các chỉ tiêu: giới hạn Atterberg, khả năng đầm chặt Proctor, cường độ chịu nén, cường độ kéo khi bửa, mô đun đàn hồi, độ hút nước, hệ số mềm để tìm ra

tỷ lệ thành phần nguyên vật liệu đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật để xây dựng đường nông thôn bền vững và có hiệu quả kinh tế cao Cấp phối sử dụng 10-20% tro bay,

tỷ lệ bùn thải/bauxite là 30/70, 6-8ml chất đóng rắn/100g bột, dung trọng khô 1.81 g/cm3 tương ứng với độ ẩm tối ưu 19-21%, giới hạn chảy từ 19-25%, giới hạn dẻo 11-17%, sự giãn nở rất thấp 0.5-1.0%, cường độ chịu nén là 55-80 kgf/cm2 cường độ kéo khi bửa là 13-19 kgf/cm2 mô đun đàn hồi là 5800-8000 kgf/cm2 độ hút nước 6.5-8.5% hệ số mềm 0.85-0.90 với điều kiện sấy 6 giờ, nhiệt độ 100oC Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu tổng hợp vô cơ thông qua phương pháp phân tích cấu trúc hiện đại để hiểu rõ cấu trúc của vật liệu và sự có mặt của các khoáng được đánh giá nhờ sự hình thành các peak đặc trưng của khoáng, đánh giá về phản ứng xảy ra trong bản thân cấu trúc của vật liệu : phương pháp phân tích nhiệt vi sai, phương pháp phân tích X-ray, X-ray CT, phổ hồng ngoại, kính hiển vi điện tử truyền qua Vật liệu vô cơ tổng hợp đóng rắn có cường độ là nhờ hình thành được cấu trúc mạng lưới không gian gồm các liên kết chính là -Si-O-Al-, đồng thời khi có mặt vôi cung cấp hàm lượng CaO trong thành phần cấu trúc, kim loại Ca sẽ làm cầu nối để tạo chuỗi polyme -O-Si-O-Ca-O-Si-O- khi tro bay hoạt tính tham gia phản ứng Các liên kết này tạo nên các chuỗi polymer vô cơ giúp vật liệu tổng hợp từ đất bauxit, bùn thải và tro bay khi có mặt chất kích hoạt sẽ có cường độ cao hơn và khả năng bền nước tốt hơn

1.75-My thesis develop solidifying technology based on geopolymer theory of inorganic composite materials from bauxite, red sludge, quick lime, fly ash and activators for rural road of highland region in Vietnam

This study describes the effects of bauxite-quick lime-red sludge-fly ash-activator mixes on the geotechnical properties of inorganic composite materials and recommends the optimum mix proportions of raw materials for use in rural road construction For mix proportion using 10-20% fly ash, red sludge/bauxite ratio is 30/70, 6-8ml activator/100gr powder, maximum dry density 1.75-1.81 g/cm3together with optimum water absorption 19-21%, plastic limit 11-17%, liquid limit 19-25%, swelling of materials 0.5-1.0%, compressive strength of samples obtained

in range of 55-80 kgf/cm2, water resistance factor gets 0.85-0.90, water absorption gets 6.5-8.5%, splitting tensile strength gets 13-19 kgf/cm2, modulus of elasticity gets 5800-8000 kgf/cm2 with testing conditions : drying time 6 hours, drying temperature 100oC

Through microstructure analysis of materials by X-Ray CT Analysis, Polarization microscope, X-ray diffraction analysis, IR (Infrared spectroscopy), DTA/TG (differential thermal analysis/Thermogravimetric Analysis), SEM (scanning electron microscopy), TEM (transmission electron microscopy) display density, new mineral generation, structure nation of inorganic composite materials utilized for base materials in rural road New inorganic composite materials have higher strength and ability to water resistance in dry-wet cycle through modifying structure

of bauxite with stable skeleton based on formation of stable frameworks in materials with -Si-O-Al polymer sequence geopolymer binder containing much amount of CaO-component and Ca metals play a role in yielding -O-Si-O-Ca-O-Si-O- sequences

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

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1

1.1.ĐẶTVẤNĐỀ 1

1.2 GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT BAUXIT VÀ NGUỒN GỐCTROBAY 2

1.2.1 Quá trình hình thành đất bauxit [25] 2

1.2.2 Nguồn gốc tro bay 6

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNGGIAOTHÔNGNÔNGTHÔNỞVIỆTNAMVÀTHẾGIỚI 8

1.3.1 Tình hình trên thế giới: 8

1.3.2 Tình hình trong nước: 9

1.4.MỤCTIÊUVÀNHIỆMVỤCỦAĐỀTÀI 10

1.4.1 Mục tiêu của đề tài : 10

1.4.2 Phạm vi đề tài: 11

1.4.3 Nhiệm vụ của đề tài : 11

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT HOẠT HÓA GEOPOLYMER CỦA CẤU TRÚC VẬT LIỆU TỔNG HỢP VÔ CƠ 12

SỬ DỤNG ĐẤT BAUXIT VÀ TRO BAY 12

2.1.THÀNHPHẦNKHOÁNGHÓACỦAĐẤTBAUXIT 12

2.2.THÀNHPHẦNKHOÁNGHÓACỦATROBAY 15

2.2.1 Những loại tro bay và thành phần 15

2.2.2 Thành phần kết tinh 16

2.2.3 Thành phần thủy tinh 16

2.3 LÝ THUYẾT HOẠT HÓA GEOPOLYMER CỦA VẬT LIỆU VÔ CƠ TỔNGHỢPSỬDỤNGBAUXITVÀTROBAY 17

2.3.1 Quá trình hoạt hóa của pha thủy tinh trong tro bay để hình thành cấu

trúc geopolymer vô cơ [17] [18] [19] [29] 17

2.3.2 Cơ chế hoạt hóa geopolymer của vật liệu vô cơ tổng hợp từ đất bauxite, bùn thải và tro bay 20

2.3.3 Sự tương tác hóa-lý của vôi trong vật liệu vô cơ tổng hợp từ bauxite, bùn thải và tro bay 25

2.4.CÁCPHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨUTHỰCNGHIỆM 26

2.4.1 Phương pháp vật lý: 26

2.4.2 Phương pháp cơ học 27

2.4.3 Phương pháp phân tích hóa học 27

2.4.4 Phương pháp phân tích cấu trúc hiện đại 27

2.4.4 Trình tự nghiên cứu 31

CHƯƠNG 3 : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT 32

HỆ NGUYÊN VẬT LIỆU BAUXIT, BÙN THẢI VÀ TRO BAY 32

3.1 THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT HÓA LÝ VÀ THÀNH PHẦN CẤU TRÚCCỦAĐẤTBAUXITE 32

3.1.1 Phân tích thành phần hóa của đất bauxite và bùn thải 32

3.1.2 Phân tích thành phần khoáng vật của đất bauxite và bùn thải 32

3.1.2.1 Phân tích X-ray: 32

3.1.2.2 Phân tích nhiệt vi sai 34

3.1.2.3 Phân tích quang phổ hồng ngoại 35

3.1.2.4 Phân tích kính hiển vi điện tử quét 36

3.1.2.5 Phân tích kính hiển vi điện tử truyền qua 37

3.1.3 Các tính chất cơ lý của đất bauxite và bùn thải 38

3.1.3.1 Phân tích thành phần hạt của đất bauxite: 38

3.1.3.2 Phân tích các giới hạn Atterberg của đất bauxite và bùn thải 40

3.1.3.3 Thí nghiệm khả năng đầm chặt của đất bauxit 40

3.2 THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT HÓA LÝ VÀ THÀNH PHẦN CẤU

TRÚCCỦATROBAY 41

3.2.1 Phân tích thành phần hóa lý của tro bay 41

3.2.2 Phân tích thành phần khoáng vật của tro bay 41

3.2.2.1 Phân tích nhiễu xạ X-ray 41

3.2.2.2 Phân tích nhiệt vi sai 42

3.2.2.4 Phân tích kính hiển vi điện tử truyền qua 44

3.3.CHÌTIÊUKỸTHUẬTCỦAVÔIBỘT 45

3.4.DUNGDỊCHCHẤTĐÓNGRẮN(CĐR) 45

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU VÔ CƠ TỔNG HỢP TỪ BAUXIT, BÙN THẢI VÀ TRO BAY ĐỂ XÂY DỰNG ĐƯỜNG 46

4.1.SỰCHUẨNBỊNGUYÊNVẬTLIỆUBANĐẦU: 46

4.2 NGHIÊN CỨU SỰ QUAN HỆ GIỮA DUNG TRỌNG KHÔ VÀ ĐỘ ẨM TẠOHÌNHTHEOPHƯƠNGPHÁPĐẦMNÉNPROCTOR 52

4.2.1 Sự ảnh hưởng của hàm lượng vôi đến dung trọng khô lớn nhất 53

4.2.2 Sự ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và chất đóng rắn đến dung trọng khô lớn nhất 54

4.2.3 Sự ảnh hưởng của hàm lượng bùn thải đến dung trọng khô lớn nhất 55

4.3.SỰẢNHHƯỞNGĐẾNGIỚIHẠNATTERBERGVÀSỰTRƯƠNGNỞ 56 4.4 CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN 60

4.4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng vôi đến cường độ chịu nén 61

4.4.2 Ảnh hưởng của tro bay và chất đóng rắn đến cường độ chịu nén 62

4.4.3 Ảnh hưởng của hàm lượng bùn thải đến cường độ chịu nén 63

4.5.CƯỜNGĐỘKÉOKHIBỬA(CƯỜNGĐỘÉPCHẺ) 64

4.5.1 Ảnh hưởng của hàm lượng vôi đến cường độ kéo khi bửa 66

4.5.2 Ảnh hưởng của tro bay và chất đóng rắn đến cường độ kéo khi bửa 66

4.5.3 Ảnh hưởng của hàm lượng bùn thải đến cường độ kéo khi bửa 68

4.6.MÔĐUNĐÀNHỒI 68

4.6.1 Ảnh hưởng của hàm lượng vôi đến mô đun đàn hồi 70

4.6.2 Ảnh hưởng của tro bay, chất đóng rắn và bùn thải đến mô đun đàn hồi 71 4.7.ĐỘHÚTNƯỚC 72

4.7.1 Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và chất đóng rắn, bùn thải đến độ hút nước 74

4.8.HỆSỐMÈM(ĐỘBỀNNƯỚC) 75

4.8.1 Sự ảnh hưởng của tro bay, chất đóng rắn và bùn thải đến hệ số mềm 77

4.9 NGHIÊN CỨU SỰ CHẢY RỬA KIỀM CỦA VẬT LIỆU TỔNG HỢP VÔ CƠKHINGÂMNƯỚC 79

4.10.KẾTLUẬNCHƯƠNG4: 81

CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH 82

VI CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU VÔ CƠ TỔNG HỢP 82

TỪ BAUXIT, BÙN THẢI VÀ TRO BAY 82

5.1.PHÂNTÍCHNHIỄUXẠX-RAY 82

5.2.PHÂNTÍCHQUANGPHỔHỒNGNGOẠI(IR) 83

5.3.PHÂNTÍCHNHIỆTVISAI 85

5.4.PHÂNTÍCHKÍNHHIỂNVIĐIỆNTỬTRUYỀNQUA(TEM) 86

5.5.PHÂNTÍCHX-RAYCT 87

5.6.KẾTLUẬNCHƯƠNG5 88

CHƯƠNG 6: XÂY DỰNG QUY TRÌNH KỸ THUẬT 90

THI CÔNG ĐƯỜNG NÔNG THÔN SỬ DỤNG VẬT LIỆU VÔ CƠ TỔNG HỢP TỪ BAUXIT, BÙN THẢI VÀ TRO BAY 90

6.1.QUYTRÌNHTHIẾTKẾVÀTIẾNTRÌNHTHÍNGHIỆMĐỂCHỌNTỶLỆ HỖNHỢPTHÀNHPHẦNCỦAVẬTLIỆUVÔCƠTỔNGHỢP 90

6.2.CÁCYÊUCẦUNGUYÊNVẬTLIỆUĐỐIVỚIXÂYDỰNGĐƯỜNG 93

6.2.1 Yêu cầu đối với đất xây dựng đường 93

6.2.2 Yêu cầu của vôi bột: 94

6.2.3 Yêu cầu tro bay 94

6.2.4 Yêu cầu của nước 95

6.2.5 Yêu cầu kỹ thuật của vật liệu tổng hợp trong móng đường ô tô 95

6.3.CÁCCHỈTIÊUKĨTHUẬTĐÁNHGIÁCHẤTLƯỢNGNỀNĐƯỜNG 95

6.4.YÊUCẦUĐỐIVỚILOẠIMÁYMÓCĐỂTHICÔNGNỀNĐƯỜNG 96

6.5 TRÌNH TỰ THI CÔNG MẶT ĐƯỜNG VẬT LIỆU VÔ CƠ TỔNG HỢP THEOPHƯƠNGPHÁPTRỘNTẠIHIỆNTRƯỜNG 96

6.6.ỨNGDỤNGVẬTLIỆUTỔNGHỢPVÀOTHICÔNGTHÍĐIỂMTẠITHỊ XÃBẢOLỘC,LÂMĐỒNG 100

KẾT LUẬN CHUNG 105

KIẾN NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 107

DANH MỤC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Thực trạng đường đất bauxite ở Bảo Lộc, Lâm Đồng (trái) và phế thải bùn

đỏ sau khi tuyển quặng (phải) 1

Hình 1.2 Phác họa về mặt cắt địa chất của sự hình thành quặng bauxite [25] 3

Hình 1.3 Quá trình tổng hợp hình thành các khoáng vật trong bauxite [25] 5

Hình 1.4 Sự phân bố về trữ lượng bauxite ở Tây Nguyên, Việt Nam [6] 6

Hình 1.5 Sự thải ra tro bay làm ảnh hưởng lớn đến môi trường 7

Hình 1.6 Ảnh hưởng của hỗn hợp xi măng – vôi đến độ ẩm tối thuận của đất (trái) và đến dung trọng khô lớn nhất (phải) [20] 9

Hình 2.1 Thành phần khoáng hóa của đất bauxite [6] 12

Hình 2.2 Khái niệm về mặt địa chất học của bauxite [25] 14

Hình 2.3 Biểu đồ hệ 3 cấu tử Fe2O3 – SiO2 – Al2O3 (trái) và hình thái học của tro bay với độ phóng đại 4000 lần (phải) [15] 17

Hình 2.4 Mô hình mô tả sự kích hoạt kiềm của tro bay [26] 19

Hình 2.5 Các dạng monome tạo nên các chuỗi polymer [3] 24

Hình 2.6 Các dạng sản phẩm hình thành từ phản ứng geopolyme hóa [3] 25

Hình 2.7 Vật liệu từ quá trình polyme hóa với cấu trúc không gian vững chắc [3]25 Hình 2.8 Lớp nước được phân tán kép (trái) và hiệu ứng hấp thụ cation lên trên bề mặt lớp nước được hút vào (phải) [27] 26

Hình 2.9 Sơ đồ trình tự nghiên cứu thực nghiệm đề tài 31

Hình 3.1 Biểu đồ nhiễu xạ X-ray của mẫu thử bùn thải 33

Hình 3.2 Biểu đồ nhiễu xạ X-ray của mẫu thử bauxite 33

Hình 3.3 Kết quả phân tích nhiệt vi sai của mẫu đất bauxite 34

Hình 3.4 Kết quả phân tích DTA của mẫu bùn thải 35

Hình 3.5 Kết quả phân tích quang phổ hồng ngoại của mẫu đất bauxite 35

Hình 3.6 Kết quả phân tích quang phổ hồng ngoại của mẫu bùn thải 36

Hình 3.7 Ảnh vi cấu trúc của đất bauxite khi phân tích kính hiển vi điện tử quét 37 Hình 3.8 Ảnh phân tích cấu trúc đất bauxite bằng kính hiển vi điện tử truyền qua.37

Hình 3.9 Kết quả phân tích TEM của mẫu thử bùn thải 38

Hình 3.10 Đường cong cấp phối hạt của đất bauxite và bùn thải 39

Hình 3.11 Quan hệ giữa dung trọng khô và độ ẩm của đất bauxite 40

Hình 3.12 Kết quả phân tích biểu đồ nhiễu xạ X-ray của mẫu thử tro bay 42

Hình 3.13 Kết quả phân tích nhiệt vi sai của mẫu tro bay 43

Hình 3.14 Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của mẫu tro bay 44

Hình 3.15 Kết quả phân tích kính hiển vi điện tử truyền qua của mẫu thử tro bay 44 Hình 4.1 Cối tạo mẫu trong phương pháp tiêu chuẩn đầm nén Proctor 48

Hình 4.2 Chày tiêu chuẩn và chày cải tiến với công đầm tương ứng 600 và 2700 kN.m/m3 49

Hình 4.3 Quá trình tạo mẫu trong phòng thí nghiệm và mẫu thử được dưỡng hộ trong môi trường bão hòa nước và môi trường không khí, dụng cụ đo sự trương nở 51

Hình 4.4 Biểu đồ thí nghiệm Proctor đối với đất bauxite kết hợp lần lượt (1) 4%vôi, (2) 6% vôi, (3) 8% vôi, (4) 10% vôi 54

Hình 4.5 Biểu đồ thí nghiệm Proctor đối với đất bauxite +10% tro bay kết hợp lần lượt (1) 4%, (2) 6%, (3) 8% và (4) 10% của dung dịch chất đóng rắn 54

Hình 4.6 Biểu đồ thí nghiệm Proctor đối với đất bauxite +20% tro bay kết hợp lần lượt (1) 4%, (2) 6%, (3) 8% và (4) 10% của dung dịch chất đóng rắn 55

Hình 4.7 Ảnh hưởng của hàm lượng bùn thải đến dung trọng khô lớn nhất 55

Hình 4.8 Ảnh hưởng của lượng dùng vôi đến giới hạn Atterberg 57

Hình 4.9 Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến giới hạn dẻo và giới hạn chảy 58

Hình 4.10 Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến sự trương nở 59

Hình 4.11 Ảnh hưởng của hàm lượng vôi đến sự trương nở trong đất bauxite 59

Hình 4.12 Mối quan hệ giữa hàm lượng vôi và cường độ chịu nén 62

Hình 4.13 Mối quan hệ giữa hàm lượng chất đóng rắn và cường độ chịu nén 63

Hình 4.14 Quan hệ giữa hàm lượng bùn thải và cường độ chịu nén 64

Hình 4.15 Mối quan hệ giữa hàm lượng vôi và cường độ kéo khi bửa 66

Hình 4.16 Mối quan hệ giữa hàm lượng chất đóng rắn và cường độ kéo khi bửa 67

Hình 4.17 Ảnh hưởng của hàm lượng bùn thải và tro bay đến cường độ kéo khi bửa

68

Hình 4.18 Mối quan hệ giữa hàm lượng vôi và mô đun đàn hồi 70

Hình 4.19 Mối quan hệ giữa hàm lượng chất đóng rắn, tro bay và mô đun đàn hồi 71

Hình 4.20 Ảnh hưởng của hàm lượng bùn thải đến mô đun đàn hồi 71

Hình 4.21 Mối quan hệ giữa hàm lượng chất đóng rắn và độ hút nước 74

Hình 4.22 Ảnh hưởng của lượng thay thế bùn thải đến độ hút nước 75

Hình 4.23 Mối quan hệ giữa hàm lượng chất đóng rắn và hệ số mềm 77

Hình 4.24 Ảnh hưởng của lượng dùng bùn thải thay thế đất bauxit đến hệ số mềm 78

Hình 4.25 Ảnh hưởng của bùn thải và tro bay đến sự chảy rửa kiềm của vật liệu 80

Hình 4.26 Ảnh hưởng của hàm lượng chất đóng rắn đến chảy rửa kiềm của vật liệu 80

Hình 5.1 Kết quả phân tích X-ray theo thứ tự từ dưới lên: 1- Đất bauxite, 2- Bùn thải, 3- Bùn đỏ, 4- 22% bùn thải + 50% Bauxit + 8% vôi + 20% Tro bay + 8% chất đóng rắn, 5- 100 Bauxit + 8% chất đóng rắn 82

Hình 5.2 Kết quả phân tích X-ray của vật liệu tổng hợp từ 22% bùn thải + 50% Bauxit + 8% vôi + 20% Tro bay + 8% chất đóng rắn 83

Hình 5.3 Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của mẫu vật liệu 22% Bùn thải + 50% Bauxit + 8% Vôi + 20% Tro bay + 8% chất đóng rắn 84

Hình 5.4 Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của mẫu bauxite + 8% phụ gia 84

Hình 5.5 Kết quả phân tích DTA của mẫu vật liệu 22% Bùn thải + 50% Bauxit + 8% Vôi + 20% Tro bay + 8% chất đóng rắn 85

Hình 5.6 Kết quả phân tích DTA của mẫu bauxite + 8% chất đóng rắn 85

Hình 5.7 Kết quả phân tích TEM của mẫu thử 100% Bauxit + 8% chất đóng rắn 86 Hình 5.8 Vi cấu trúc bề mặt của vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất bauxite, bùn thải và tro bay khi được kích hoạt bởi chất đóng rắn trong 7 ngày ở 100oC 87

Hình 5.9 Phân tích X-RAY CT của mẫu vật liệu tổng hợp ở lát cắt 1 88

Hình 5.10 Phân tích X-RAY CT của mẫu vật liệu tổng hợp ở lát cắt 2 88

Hình 6.1 Thí nghiệm đầm nén Proctor 90

Hình 6.2 Sự dưỡng hộ mẫu trong phòng thí nghiệm 91

Hình 6.3 Thí nghiệm cường độ chịu nén và mẫu thử bị phá hủy 91

Hình 6.4 Thí nghiệm cường độ kéo khi bửa và mô đun đàn hồi 92

Hình 6.5 Dụng cụ thí nghiệm sự trương nở của hỗn hợp đất, tro bay, vôi 92

Hình 6.6 Dụng cụ thí nghiệm độ pH của dung dịch 92

Hình 6.7 Xe ủi chuẩn bị bề mặt để lu nền hạ (trái) và xe lu chuẩn bị lu lèn cho công tác làm nền hạ (phải) 102

Hình 6.8 Trộn khô hỗn hợp nguyên vật liệu bằng máy múc gầu ngược (trái) và xe ban để san vật liệu và tạo phẳng bề mặt chuẩn bị cho công tác lu lèn (phải) 103

Hình 6.9 Xe lu sử dụng cho quá trình thi công thí điểm đường bằng vật liệu bauxite, tro bay, chất đóng rắn (trái) và hoàn thành việc thi công thí điểm tại vành đai nhà máy Bauxite Bảo Lộc ở tỉnh Lâm Đồng (phải) 103

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Những loại chủ yếu của tro bay 15

Bảng 2.2 Khoảng giới hạn của thành phần hóa đối với tro bay thấp và cao canxi 15

Bảng 2.3 Bảng chuẩn để phân tích X-ray [23] 28

Bảng 2.4 Những dải đặc trưng phổ hồng ngoại và những loại chất tiền polymer vô cơ và polymer vô cơ tương ứng [16, 17, 18] 29

Bảng 3.1 Thành phần hóa của đất bauxite và bùn thải 32

Bảng 3.2 Thành phần hạt của đất bauxite và bùn thải 39

Bảng 3.3 Kết quả giới hạn Atterberg của đất bauxite và bùn thải 40

Bảng 3.4 Thành phần hóa học của tro bay 41

Bảng 3.5 Tính chất cơ lý của tro bay 41

Bảng 4.1 Các cấp phối tỷ lệ thành phần của nguyên liệu nghiên cứu trong thực nghiệm 50

Bảng 4.2 Kết quả thí nghiệm đầm nén ứng với các tỷ lệ hỗn hợp thay đổi: 52

Bảng 4.3 Kết quả về giới hạn Atterberg của bauxite khi được biến tính bởi bùn thải, tro bay, vôi 56

Bảng 4.4 Sự trương nở của đất bauxite khi có mặt bùn thải, tro bay và vôi 58

Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén 60

Bảng 4.6 Kết quả thí nghiệm cường độ kéo khi bửa 64

Bảng 4.7 Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi với những tỷ lệ phối trộn 69

Bảng 4.8 Kết quả thí nghiệm độ hút nước với những tỷ lệ phối hợp: 73

Bảng 4.9 Kết quả thí nghiệm hệ số mềm ứng với từng tỷ lệ phối trộn 76

Bảng 4.10 Kết quả phân tích độ pH của dung dịch sau khi ngâm mẫu thử 6 tháng 79 Bảng 6.1 Vùng giới hạn của đường bao cấp phối về thành phần hạt của cấp phối thiên nhiên 93

Bảng 6.2 Khả năng trương nở của đất 93

Bảng 6.3 Phân loại vôi nghiền phụ thuộc vào hàm lượng CaO +MgO, độ mịn 94

Bảng 6.4 Yêu cầu với cường độ vật liệu tổng hợp [12,13] 95

Bảng 6.5 Định hướng về loại lu và các thông số kỹ thuật sử dụng trong gia cố [28] 98 Bảng 6.6 Cấp phối đề xuất sử dụng: 101

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Tài nguyên đất bauxite, đất bazan ở nước ta vô cùng phong phú Ở vùng cao nguyên, người ta đã trải đường bằng đất cấp phối sỏi đỏ, chất lượng đường khá tốt Tuy nhiên, đường thường có nhiều bụi vào mùa khô và lầy lội khi mùa mưa đến, dẫn đến gây hư hỏng đường, gây khó khăn cho việc đi lại của người dân Muốn sử dụng đất để làm mặt đường thì phải làm cho đất ổn định và bền vững, không phụ thuộc vào sự thay đổi độ ẩm, điều kiện thời tiết và tải trọng biến đổi khi xe chạy

Hình 1.1 Thực trạng đường đất bauxite ở Bảo Lộc, Lâm Đồng (trái) và phế thải bùn

đỏ sau khi tuyển quặng (phải)

Xây dựng đường giao thông nông thôn hiện nay phải vừa sử dụng được nguồn nguyên liệu địa phương, vừa phải có những tính chất kỹ thuật tốt để những con đường đất đỏ không còn lầy lội, không còn bụi

Do vậy, nghiên cứu biến tính đất bauxite bằng chất đóng rắn gốc phụ gia geopolyme là một hướng đi mới ở Việt Nam và có triển vọng áp dụng vào thực tế, vừa đảm bảo mục tiêu kinh tế, vừa tự chủ được về các yếu tố kỹ thuật Đồng thời tận dụng phế thải công nghiệp như: tro bay của nhà máy nhiệt điện, bauxite, phế

thải bùn đỏ từ tuyển quặng bauxit để tổng hợp thành vật liệu dùng xây dựng đường giao thông nông thôn

Xuất phát từ những vấn đề trên, đề tài “NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỔNG HỢP

TỪ ĐẤT ĐỎ VÀ CÁC PHẾ LIỆU XÂY DỰNG ĐƯỜNG NÔNG THÔN

VÙNG CAO NGUYÊN VIỆT NAM” nhằm mục đích cải biến các tính chất của

đất bauxite xây dựng những con đường nông thôn vừa đẹp lại vừa bền vững

Để thiết kế tối ưu vật liệu vô cơ tổng hợp ứng dụng cho đường nông thôn ở vùng cao nguyên, phải đảm bảo yếu tố:

- Nguyên vật liệu thô sẵn có

- Vật liệu đảm bảo chất lượng yêu cầu dùng cho đường: giao thông, tải trọng, tiêu chuẩn thí nghiệm

1.2 GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT BAUXIT VÀ NGUỒN GỐC TRO BAY

1.2.1 Quá trình hình thành đất bauxit [25]

Bauxit là một loại quặng nhôm trầm tích có màu hồng, nâu được hình thành từ quá trình phong hóa các đá giàu nhôm hoặc tích tụ từ các quặng có trước bởi quá trình xói mòn Quặng bauxit phân bố chủ yếu trong vành đai xung quanh xích đạo đặc biệt trong môi trường nhiệt đới Từ bauxit có thể tách ra alumina (Al203), nguyên liệu chính để luyện nhôm trong các lò điện phân, chiếm 95% lượng bauxite được khai thác trên thế giới Tên gọi của loại quặng nhôm này được đặt theo tên gọi làng Les Baux-de-Provence ở miền nam nước Pháp, tại đây nó được nhà địa chất học là Pierre Berthier phát hiện ra lần đầu tiên năm 1821

Sự hình thành: Bauxit hình thành trên các loại đá có hàm lượng sắt thấp hoặc sắt bị

rửa trôi trong quá trình phong hóa Quá trình hình thành trải qua các giai đoạn: a) phong hóa và nước thấm lọc vào trong đá gốc tạo ra ôxít nhôm và sắt, b) làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự rửa trôi của nước ngầm, c) xói mòn và tái tích tụ bauxit Quá trình này chịu ảnh hưởng của một vài yếu tố chính như a) đá mẹ

chứa các khoáng vật dễ hòa tan và các khoáng vật này bị rửa trôi chỉ để lại nhôm và sắt, b)độ lổ hổng có hiệu của đá cho phép nước thấm qua, c) có lượng mưa cao xen

kẽ các đợt khô hạn ngắn, d)hệ thống thoát nước tốt, e) khí hậu nhiệt đới ẩm, f) có mặt lớp phủ thực vật với vi khuẩn Theo một mô hình mô phỏng quá trình này thì giá trị pH thích hợp đạt khoảng 3,5-4,0

Hình 1.2 Phác họa về mặt cắt địa chất của sự hình thành quặng bauxite [25]

Bản chất hóa học của sự hình thành quặng bauxit

Trong đất đỏ bazan miền nam, hợp chất sắt thường là gơ tít, hêmatit được tạo nên bởi sự thủy phân olivin, piroxen (hipecten, ogit) và hợp chất nhôm – thường là gipxit – được tạo nên bởi sự thủy phân plagiocla (labrado, andezin), trong điều kiện thoát nước tốt, có sơ đồ chuyển hóa như sau:

monmorilonclorit,

goethite

it monmorilonidingxit

PiroxenOlivin

gibbsitealuazit)

kaolinit(h

Nhưng nếu trong điều kiện thoát nước kém thì với những khoáng vật, nói trên chỉ cho sản phẩm cuối cùng là monmorilonit, haluazit

Trong thực tế, idingxit (là một loại sản phẩm sinh ra trong giai đoạn đầu của sự thủy phân olivin hoặc piroxen) được ghi nhận là những mảng vật chất đẳng hướng (vô định hình) có màu vàng, vàng đỏ xuất hiện thành lớp mỏng trên bề mặt viên đá bị phong hóa

Những hợp chất sắt và nhôm nói trên thoạt đầu mới hình thành thường ở trạng thái

vô định hình với mức độ khác nhau tùy theo độ chứa nước của môi trường xung quanh, và kém ổn định Sau đó, được chuyển hóa thành những khoáng vật ổn định hơn theo các sơ đồ:

OHαFeOOHFe(OH)3 → + 2 (hydroxit sắt III Gơ tit

αFeAlOOH

2Fe(OH)3+ → 2 3+ 3+ 2

(Hematit) Những sản phẩm mới được tạo thành, nếu chịu tác dụng khô - ẩm liên tục, sẽ bị mất nước và kết tinh, do đó trở nên khối cứng chắc Chính trạng thái tồn tại của các hợp chất nhôm và đặc biệt là sắt trong đất đỏ bazan miền nam đã ảnh hưởng sâu sắc và toàn diện tới các tính chất xây dựng của đất Cụ thể là:

- Những hợp chất sắt ổn định trong đất đỏ bazan đã gắn kết các hạt hoặc đám hạt tạo thành kết thể lớn hơn và hình thành bộ khung kiến trúc của đất có độ bền khác nhau, tùy theo mức độ feralit: trong đất đỏ nhóm độ bền kiến trúc thấp, làm cho các lớp đất tầng trên cùng có tính lún sập khi liên kết kiến trúc bị phá hoại, nhưng trong tầng thuộc nhóm vỏ cứng tích tụ sắt đã cùng với hợp chất nhôm gắn kết thành một

bộ khung vững chắc

- Hợp chất sắt còn tẩm trên các mặt của khoáng vật kaolinit, nhờ liên kết cầu hydro,

có tác dụng làm giảm hoạt tính của khoáng vật này, hoặc lót trong bề mặt các lỗ rỗng còn lại sau khi các vật chất hòa tan bị nước rửa trôi

- Hợp chất sắt còn có thể hình thành các kết hạch sắt (do sự tích tụ) hoặc hình thành các lớp mỏng bao quanh một mảnh vụn của khoáng vật nguyên sinh và cấu thành các lớp mỏng cách mặt đất không xa Kết quả làm thay đổi cấp phối hạt trong tầng đất

Quá trình biến đổi đá bazan như trên gọi là quá trình phong hóa feralit và được định nghĩa một cách tổng quát dưới đây:

- Phong hóa feralit là quá trình hình thành đất ở vùng nhiệt đới Trong đó, những khoáng vật nguyên sinh của đá gốc bị thủy phân thành những nguyên tố hóa học riêng biệt Tiếp theo là những chất kiềm và kiềm thổ bị rửa trôi hoàn toàn, SiO2 bị rửa trôi theo các mức độ khác nhau, mặt khác tích tụ tại chỗ các nguyên tố kim loại như nhôm, sắt, titan dưới dạng những hydroxit và oxit

Hình 1.3 Quá trình tổng hợp hình thành các khoáng vật trong bauxite [25]

Sự phân bố quặng bauxite ở Việt Nam:

Các mỏ, điểm quặng bô xít phân bố rộng rãi từ Nam tới Bắc với trữ lượng lên tới hàng nghìn triệu tấn

Từ nguồn gốc hình thành dẫn đến việc thành tạo hai loại mỏ bauxit:

- Loại phong hóa được hình thành do quá trình laterit hóa chỉ diễn ra trong điều kiện nhiệt đới trên nền đá mẹ là các loại đá silicat:granit, gneiss, bazan, syenite và đá sét

Khác với quá trình hình thành laterit sắt, sự hình thành bauxite đòi hỏi điều kiện phong hóa mạnh mẽ hơn và điều kiện thủy văn thoát nước rất tốt cho phép hòa tan

và rửa trôi kaolinite và hình thành lắng đọng nên gibbsit Đới giàu hàm lượng nhôm nhất thường nằm ngay dưới lớp mũ sắt Dạng tồn tại chủ yếu của hydroxit nhôm trong bauxit laterit chủ yếu là gibbsit Loại này tập trung ở các tỉnh phía Nam như Kon Tum, Đắk Nông, Lâm Đồng, Đồng Nai, Bình Dương, Phú Yên và Quảng Ngãi

- Loại trầm tích có chất lượng tốt và có giá trị công nghiệp Loại này được hình thành bằng con đường phong hóa laterit trên nền đá cacbonat như đá vôi và dolomit xen kẽ các lớp kẹp sét tích tụ do phong hóa sót hay do lắng đọng phần khoáng vật sét không tan khi đá vôi bị phong hóa hóa học Loại này tập trung ở các tỉnh phía Bắc như Hà Giang, Cao Bằng, Lạng Sơn, Bắc Giang, Sơn La và Nghệ An

Hình 1.4 Sự phân bố về trữ lượng bauxite ở Tây Nguyên, Việt Nam [6]

1.2.2 Nguồn gốc tro bay

Tro bay được tạo ra bởi sự đốt cháy của than được nghiền mịn được phun vào tại tốc độ cao với dòng khí nóng vào bề mặt ở những nhà máy năng lượng tạo ra điện

Trên cửa vào lò hơi, nơi mà nhiệt độ thường khoảng 1500oC, than ở dạng huyền phù được đốt cháy một cách đột ngột Vật liệu còn lại có mặt trong than như đá phiến sét và đất sét (thường bao gồm oxit silic, oxit nhôm và oxit sắt) nóng chảy ra thành dạng huyền phù, và sau đó được làm lạnh đột ngột, bởi vì chúng được mang ra ngoài bởi khí lò, làm rắn lại thành những hạt hình cầu mịn Khoảng 80% tro than được mang ra ngoài khỏi lò hơi bởi khí lò Nó phải được tách ra trước khi khí lò được thải ra ngoài không khí Đây là loại vật liệu được gọi là tro bay nghiền mịn Phần còn lại của tro than sẽ rơi xuống đáy của lò đốt khi nó lắng lại để hình thành nên một vật liệu kích thước lớn hơn gọi là tro đáy Tro bay được tách ra từ khí lò bằng nhiều phương pháp khác nhau điều này có thể tạo ra chất lượng tro bay thay đổi khi được sản xuất tại nhà máy điện Khi tro bay được tách ra bởi phương pháp lọc bụi tĩnh điện

Trung bình mỗi ngày Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại (miền Bắc) thải ra 3.000 tấn tro

xỉ, trong đó 30% là than chưa cháy hết, còn lại là tro bay rất mịn

Hình 1.5 Sự thải ra tro bay làm ảnh hưởng lớn đến môi trường

Tại miền Nam, nhà máy nhiệt điện Formosa tại huyện Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai thải ra hàm lượng lớn phế thải tro bay Đặc biệt, các dự án nhà máy sản xuất bột nhôm tại tỉnh Lâm Đồng và Đắc Nông sẽ xây dựng nhà máy nhiệt điện, do đó, hàm lượng tro bay phế thải là rất lớn tại vùng cao nguyên

Thống kê cho thấy, lượng tro, xỉ thải ra tương ứng với 1 MW điện vào khoảng 1200-1800 tấn/năm Việc tích chứa và nghiên cứu tái sử dụng tro, xỉ nhiệt điện được cả thế giới quan tâm

Ở Việt Nam, theo quy hoạch của ngành điện thì sản lượng điện từ các nhà máy nhiệt điện đốt than từ nay đến năm 2020 vẫn liên tục tăng, và theo đó lượng tro, xỉ thải ra hàng năm cũng không ngừng tăng lên Năm 2008 có 2,27 triệu tấn tro xỉ nhiệt điện

Do sự có mặt của thành phần hoạt tính SiO2 và Al2O3 trong tro bay để sử dụng quá trình geopolyme vô cơ hóa là một giải pháp kỹ thuật hữu hiệu

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG GIAO THÔNG NÔNG THÔN Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI

Lĩnh vực gia cố đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới không chỉ riêng đối với đất mà còn với cả cấp phối vật liệu có thành phần hạt khác nhau

1.3.1 Tình hình trên thế giới:

M A RAHMAN, Khoa kỹ thuật xây dựng, Đại học Ife ở Nigeria đã nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp xi măng – vôi đến đất laterit sử dụng cho thi công đường [20] Nghiên cứu này mô tả ảnh hưởng của hỗn hợp xi măng – vôi đến những tính chất kỹ thuật của đất laterit và đề nghị thành phần hỗn hợp tối ưu của xi măng và vôi để sử dụng trong thi công đường Những tính chất kỹ thuật của đất laterit được gia cố được kiểm tra là: giới hạn Atterberg, đặc tính đầm chặt, cường độ chịu nén và CBR Vật liệu được dùng trong nghiên cứu này là đất laterit, xi măng Portland thông thường và vôi tôi Những mẫu thử đất được lấy từ Đại học Ife (Nigeria) có màu nâu đỏ Đất được lựa chọn đối với việc gia cố một cách tiết kiệm theo đề nghị của nghiên cứu đường xa lộ của Mỹ Những tiêu chuẩn của đất bao gồm: (a) giới hạn chảy thấp hơn 40%, (b) chỉ số dẻo ít hơn 18%, và (c) phần trăm hạt lọt qua sàng 0.074mm thấp hơn 50% Những kết quả thí nghiệm cho thấy hỗn hợp xi măng-vôi

có thể được tận dụng cho vật liệu nền trong thi công đường Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu chưa đề cập đến yếu tố ảnh hưởng đến đất gia cố khi chịu tác động của môi trường nước

Hình 1.6 Ảnh hưởng của hỗn hợp xi măng – vôi đến độ ẩm tối thuận của đất (trái)

và đến dung trọng khô lớn nhất (phải) [20]

1.3.2 Tình hình trong nước:

Một số kết quả nghiên cứu gia cố vật liệu đất tại chỗ bằng xi măng tro bay làm móng trong kết cấu áo đường tại tỉnh Tây Ninh của Nguyễn Mạnh Thủy- Khoa Kỹ thuật Địa Chất & Dầu Khí, Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh, Việt Nam, Vũ Đức Tuấn- Công ty cổ phần tư vấn Xây dựng tổng hợp Tây Ninh, Việt Nam [35] Một số kết quả nghiên cứu gia cố nguồn vật liệu đất tại chỗ bằng xi măng tro bay làm áo đường giao thông tại tỉnh Tây Ninh Kết quả nghiên cứu cho thấy khi gia cố bằng xi măng tro bay các giá trị đặc trưng cơ học của đất gia cố như cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ và mô đun đàn hồi tăng lên đáng kể, đáp ứng được yêu cầu về chất lượng vật liệu sử dụng làm kết cấu áo đường, thay thế cho kết cấu áo đường từ

đá dăm và đất sỏi đỏ truyền thống Kết quả thí nghiệm cho thấy khi gia cố đất với 6-8% xi măng tro bay, các giá trị đặc trưng cơ học của đất gia cố như cường độ chịu nén 50-60 kgf/cm2, độ bền ép chẻ 8-10 kgf/cm2 và mô đun đàn hồi 8000-

- Quy luật phát triển cường độ theo thời gian và tỷ lệ vôi hợp lí của đất gia cố vôi dùng làm móng mặt đường ôtô ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long Tác giả

Nguyễn Huy Thập; Tạp chí Giao Thông Vận Tải; Năm 2002; Số 6; Trang 30-32 Tùy theo yêu cầu sử dụng, tỷ lệ của vôi tôi trong hỗn hợp tro bay + vôi có thể thay đổi từ 3 đến 30% Cường độ của hỗn hợp bắt đầu phát triển nhanh sau 14 đến 28 ngày tuổi Với tỷ lệ vôi từ 3-5 % thì sau 1 năm, cường độ không tăng thêm nữa, còn với hàm lượng vôi ≥ 10% thì cường độ còn tiếp tục phát triển Với các hỗn hợp có

tỉ lệ vôi ≤ 10% thì phải sau 60 ngày tuổi mới ít hoặc không bị ảnh hưởng của nước

Tỷ lệ vôi cho cường độ lớn nhất sau 28 ngày tuổi là 15%, sau 6 tháng tuổi là 20% so với hỗn hợp Do đó người ta đã đề nghị dùng hỗn hợp gồm có 20% vôi tôi và 80% tro bay làm chất liên kết gia cố vật liệu đá và cát làm mặt đường

1.4 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

1.4.1 Mục tiêu của đề tài :

“ Nghiên cứu vật liệu tổng hợp từ đất đỏ và các phế liệu để xây dựng đường nông thôn vùng cao nguyên Việt Nam” nhằm mục đích cải biến các tính chất của đất

bauxite xây dựng những con đường nông thôn bền vững

Về kỹ thuật :

™ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu tổng hợp và tìm ra

tỷ lệ thành phần thích hợp, tính chất kỹ thuật của vật liệu phù hợp cho việc thi công mặt đường

™ Tăng độ bền vững của mặt đường

1.4.2 Phạm vi đề tài:

Nghiên cứu vật liệu vô cơ tổng hợp để xây dựng đường nông thôn trong điều kiện khí hậu tỉnh Lâm Đồng Vật liệu tổng hợp sử dụng bauxite, bùn thải, vôi, tro bay và chất kích hoạt đóng rắn để ổn định đất đỏ, cải biến những tính chất của các mẫu đất để áp dụng phù hợp với đường giao thông nông thôn ở vùng cao nguyên Việt Nam, cụ thể là tại thị xã Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng

1.4.3 Nhiệm vụ của đề tài :

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu vật liệu làm đường từ các loại vật liệu gia cố ở Việt Nam và trên thế giới, các tính chất, đặc điểm của đất bauxite, tro bay ở vùng cao nguyên Việt Nam

2 Xây dựng cơ sở lý thuyết khoa học : cơ chế đóng rắn của vật liệu tổng hợp vô cơ

để xây dựng đường

3 Nghiên cứu và thực nghiệm các tính chất cơ lý hóa nguyên vật liệu sử dụng

4 Nghiên cứu thực nghiệm các yếu tố ảnh hưởng đến các tính chất của vật liệu tổng hợp từ đất bauxite-bùn thải-tro bay-vôi-chất đóng rắn như : thí nghiệm đầm nén Proctor, giới hạn Atterberg, độ trương nở, cường độ chịu nén, cường độ kéo khi bửa, môđun đàn hồi, độ hút nước, độ bền nước, sự chiết tách kiềm của vật liệu để xem xét khả năng ứng dụng vật liệu vô cơ tổng hợp vào xây dựng đường

5 Nghiên cứu bản chất cấu trúc của vật liệu thông qua phương pháp: nhiễu xạ ray, X-ray CT, kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), quang phổ hồng ngoại (IR), kính hiển vi phân cực, nhiệt vi sai (DTA/TG)

X-6 Đề xuất công nghệ chế tạo vật liệu vô cơ tổng hợp và phương pháp thi công, đánh giá nghiệm thu đường phù hợp với vật liệu sử dụng và điều kiện địa phương nghiên cứu

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT HOẠT HÓA

GEOPOLYMER CỦA CẤU TRÚC VẬT LIỆU TỔNG HỢP VÔ CƠ

SỬ DỤNG ĐẤT BAUXIT VÀ TRO BAY

Thành phần hóa học chủ yếu (quy ra ôxít) là Al2O3, SiO2, Fe2O3, CaO, TiO2, MgO trong đó, hyđrôxit nhôm là thành phần chính của quặng

Ở Việt Nam, bauxit được xếp vào khoáng sản khi tỷ lệ giữa ôxít nhôm và silic ôxít gọi là mô đun silic (ký hiệu là µsi) không được nhỏ hơn 2

Hình 2.1 Thành phần khoáng hóa của đất bauxite [6]

Silica (SiO 2 ): Trong suốt giai đoạn đầu của việc hình thành đá, sự làm giàu silica là

quá trình thuận nghịch của việc làm giàu nhôm Có mối liên quan trực tiếp giữa việc

loại bỏ silica và cường độ của việc thoát nước trong bauxite Sự thay đổi về hàm lượng SiO2 từ 40% (siallite) đến 2% (ferrallite)

Nhôm (Al): Khi tăng mức độ thoát nước, việc tăng tốc độ của việc loại bỏ SiO2 và tăng việc làm giàu tương đối của nhôm phụ thuộc vào giai đoạn đầu của việc hóa

đá Những đá xốp cao với sự giữ lại tốt của kết cấu tàn dư góp phần chủ yếu của việc làm giàu Al trong bauxite cao nguyên, với gibbsite là khoáng Al chính Mật độ thoát nước tăng theo phương đứng về phía đỉnh và theo phương ngang về phía cạnh thung lũng Những vùng thoát nước tối ưu này được phân loại bởi sự làm giàu Al tuyệt đối, sự hình thành pizolit và sự xuất hiện của boehmite thêm vào gibbsite Những giá trị cao nhất Al2O3 được ghi lại là từ những vùng trung tâm của quặng và nằm trong khoảng 60-70% Al2O3

Trong bauxite nằm giữa 2 vỉa với sự lắng xuống, những giá trị Al2O3 cao nhất cũng được ghi lại trùng hợp với sự thoát nước tối ưu Gibbsite hoặc boehmite được báo cáo là những khoáng chính Sự hình thành pizolit tăng ứng với sự tăng mật độ thoát nước trong bauxite cao nguyên, tạo ra hàm lượng Al cao nhất Gibbsite bị đề hydrat hóa thành boehmite hoặc diaspore Hàm lượng nhôm cao nhất được giới hạn đối với những vùng trung tâm của quặng vói 80% Al2O3 trong bauxite diaspore

Bauxite boehmite luôn được phân loại bởi những kích thước hạt dưới vi mô, trong khi bauxite gibbsite có thể kết tinh hạt mịn hoặc hạt thô (lên đến 100 µm), bauxite diaspore luôn kết tinh hạt thô

SẮT (Fe): Trong bauxite hình thành từ đá phun trào, có thể có cả sự làm giàu

tương đối và tuyệt đối của sắt Sự làm giàu tương đối trong ferrallite phản ánh tỷ số Al/Fe của đá gốc Có sự làm giàu tuyệt đối bởi sự thấm sắt của lớp mặt sắt phía trên

và trong nhiều chỗ của saprolite Trong khi những giá trị sắt có thể thấp hơn 1%

Fe2O3 trong những phần trung tâm của mặt cắt, có thể đạt được tối đa 50-60%

Fe2O3 trong lớp phủ sắt Khoáng sắt chủ yếu là hematite, được hình thành từ gel Theo phương ngang với sự làm giàu sắt tuyệt đối và sự kết tinh từ gel, thành phần sắt và siallite phân tách để hình thành cấu tạo rỗng xốp với một phần là hematite và một phần là kaolinite hoặc gibbsite Goethite cũng có thể là chủ yếu nếu sự làm giàu

sắt là tương đối riêng biệt Những khoáng sắt biểu sinh là goethite, rất ít maghemite

và quặng sắt cacbonat khi những điều kiện ngập nước chiếm ưu thế

Khoáng sắt chủ yếu là hematite, trong khi khoáng thứ cấp là goethite và siderite, hình thành trong điều kiện ngập nước

Về thành phần khoáng của bauxite, tồn tại ở 3 dạng chính tùy thuộc vào số

lượng phân tử nước chứa trong nó và cấu trúc tinh thể bao gồm các khoáng vật Gibbsite hoặc hydrargilite Al(OH)3, diaspore α-AlO(OH) và boehmite γ-AlO(OH), cùng với các khoáng vật oxit sắt goethit và hematit, các khoáng vật sét kaolinit và đôi khi có mặt cả anata TiO2

Gibbsite Al(OH)3 có thành phần hóa học là Al2O3 : 65.4% và H2O : 34.6%, độ cứng 2.5-3.5, tỷ trọng 2.43 Gibbsite được thành tạo do sự phá hủy và thủy phân các silicate alumine, đặc biệt trong các quá trình ngoại sinh nhất là trong điều kiện khí hậu nóng ở miền nhiệt đới và á nhiệt đới

Diaspore α-AlO(OH) có thành phần hóa học là Al2O3 : 85% và H2O : 15%, độ cứng 6-7, tỷ trọng 3.3-3.5 Diaspore được thành tạo trong quá trình biến chất

Boehmite γ-AlO(OH) có thành phần hóa học là Al2O3 : 84.9% và H2O : 15.1%,

độ cứng 3.5, tỷ trọng 3.01-3.06

Hình 2.2 Khái niệm về mặt địa chất học của bauxite [25]

2.2 THÀNH PHẦN KHOÁNG HÓA CỦA TRO BAY [15]

Tro bay là một vật liệu phức tạp bao gồm những sự kết hợp không đồng nhất của pha vô định hình và pha kết tinh Chiếm tỷ lệ lớn nhất của tro bay là những hạt cầu thủy tinh của 2 loại, dạng rắn và lỗ rỗng xốp (cenosphere) Những pha thủy tinh này chiếm từ 60-90% tổng khối lượng tro bay với tỷ lệ còn lại là của những pha kết tinh khác nhau

2.2.1 Những loại tro bay và thành phần

Nói chung, thuật ngữ tro bay được chia thành 2 loại theo bảng

Bảng 2.1 Những loại chủ yếu của tro bay

Loại F-Tro bay có hàm lượng canxi thấp

Hàm lượng CaO thấp hơn 10%

Thường được tạo ra từ than gầy và than bitum

Tuân theo tiêu chuẩn ASTM C618 loại F

Loại C- Tro bay có hàm lượng canxi cao

Hàm lượng CaO lớn hơn 10%

Thường được tạo ra từ than á bitum và than lignite

Tuân theo tiêu chuẩn ASTM C618 loại

Na2O 0.2 – 1.6 0.5 – 2

Độ hoạt tính của tro bay phụ thuộc vào bản chất và thành phần của sự có mặt pha thủy tinh Dường như ta thấy rằng, mức độ hoạt tính hóa học phụ thuộc vào hàm lượng thủy tinh, thành phần thủy tinh và trạng thái vật lý của thủy tinh

2.2.2 Thành phần kết tinh

Những thành phần chính trong pha tinh thể của tro bay là quartz (SiO2), mullite (3Al2O3.2SiO2), magetile (Fe3O4), và hematite (Fe2O3) Loại tro bay cao canxi có thể còn chứa CaO ở dạng vôi tự do, periclaz (MgO), tricanxisilicat (3CaO.Al2O3), dicanxi silicat (2CaO.SiO2), và anhydric (CaSO4)

Các pha tinh thể khác có thể tồn tại trong một số loại tro bay bao gồm: merwinite [Ca3Mg(SiO4)2] và mellinite (dung dịch rắn của gehlenite 2CaO.Al2O3.SiO2 và akermanite 2CaO.2Al2O3.SiO2)

Ngoài ra trong thành phần của tro bay vẫn còn một lượng nhỏ cacbon chưa cháy hết Thông thường lượng than chưa cháy hết không lớn hơn 3%, có những trường hợp cá biệt lượng cacbon chưa cháy hết có thể trên 10% Nếu cacbon tồn tại trong tro bay với số lượng lớn, nó sẽ tạo thành các hạt rỗng với diện tích bề mặt riêng cao

2.2.3 Thành phần thủy tinh: Tro bay bao gồm nhiều hạt cầu thủy tinh nhỏ hình

thành trong quá trình làm lạnh nhanh những hạt than còn dư trong quá trình đốt Thành phần của những thủy tinh này phụ thuộc vào thành phần của than nghiền mịn

và nhiệt độ đốt Những khác biệt chủ yếu trong thành phần thủy tinh tro bay nằm ở

số lượng canxi có mặt trong thủy tinh Than chỉ có số lượng nhỏ canxi, chẳng hạn như anthracite và bitum hoặc vài than lignite, sẽ tạo ra những hạt tro bay thủy tinh aluminosilicate Than á bitum và lignite để lại số lượng lớn canxi trong tro bay và tạo ra pha thủy tinh calcium aluminosilicate Điều này có thể thấy trong giản đồ pha

3 cấu tử ở hình 2.3 Thành phần thủy tinh trung bình của tro bay cao canxi nằm trong phạm vi khi anorthite đến gehlenite là những pha đầu tiên kết tinh từ một

điểm chảy, trái lại tro bay thấp canxi rớt xuống trong vùng mullite là pha kết tinh chủ yếu Cấu trúc không trật tự của một cấu trúc thủy tinh giống như của pha kết tinh chính hình thành trong quá trình làm lạnh đột ngột khi đang nóng chảy

Trong môi trường kiềm và được kích hoạt nhiệt độ, giai đoạn đầu của phản ứng pozolan, khung SiO2-Al2O3 của pha thủy tinh bị tấn công và bị phá vỡ bởi ion OH- Sau đó một số lượng đáng kể Si-O-Si hoặc Si-O-Al bị phá vỡ, các silicat và aluminat bị tách ra dưới dạng tự do và phản ứng với chất kích hoạt để tạo thành pha geopolymer vô cơ vô định hình

Hình 2.3 Biểu đồ hệ 3 cấu tử Fe2O3 – SiO2 – Al2O3 (trái) và hình thái học của tro bay với độ phóng đại 4000 lần (phải) [15]

Giản đồ 3 cấu tử ở hình 2.3 có thể được dùng để minh họa thành phần cơ bản của phần thủy tinh của tro bay Tro bay có pha thủy tinh giàu canxi thì hoạt tính hơn thủy tinh aluminosilicate

2.3 LÝ THUYẾT HOẠT HÓA GEOPOLYMER CỦA VẬT LIỆU VÔ CƠ TỔNG HỢP SỬ DỤNG BAUXIT VÀ TRO BAY

2.3.1 Quá trình hoạt hóa của pha thủy tinh trong tro bay để hình thành cấu trúc geopolymer vô cơ [17] [18] [19] [29]

Vật liệu geopolymer vô cơ được tổng hợp bởi sự hòa tan những pha giàu aluminosilicate từ nguyên vật liệu thô, trong đó có tro bay Những pha chiếm ưu thế trong tro bay thấp canxi là pha thủy tinh aluminosilicate được tách ra, một ít trong

số chúng thường kết tinh thành mullite Số lượng nhỏ của quartz, những pha vô định hình và kết tinh giàu Fe và những pha giàu canxi có thể cũng có mặt

Sự hòa tan của những khoáng và thủy tinh đã được nghiên cứu đối với nhiều hệ thống bao gồm ứng xử của silicate và thủy tinh aluminosilicate dưới những điều kiện kiềm cao Sự phân biệt giữa vật liệu kết tinh và vô định hình là quan trọng khi xem xét ứng xử hòa tan Người ta đã phát biểu rằng tro bay từ than có chứa những pha kết tinh như quartz và mullite và những pha này được xem như không hoạt tính Trong những dạng thù hình của silica kết tinh, có những đơn vị lặp lại đều đặn, mỗi

Si được kết hợp với 4 nguyên tử oxy trong tứ diện SiO4 (với ngoại lệ của stishovite

có bát diện SiO6) Mỗi nguyên tử oxy được liên kết với 2 nguyên tử Si trong cấu trúc 3 chiều có trật tự xa Một silica nóng chảy được làm lạnh đủ nhanh để tạo ra silica thủy tinh cũng chứa hầu hết tứ diện SiO4 như nhau Những tứ diện này có mức độ của trật tự bên trong cao, do đó trật tự gần được duy trì Sự mất trật tự trong cấu trúc vô định hình bắt nguồn từ sự biến thiên trong góc Si-O-Si mà liên kết với

tứ diện kế cận Sự mất trật tự cũng được giới thiệu bởi sự quay của tứ diện kế cận xung quanh điểm được chiếm bởi nguyên tử oxy liên kết với tứ diện và cũng bởi sự quay của tứ diện xung quanh đường nối liên kết oxy với một nguyên tử Silic Kết quả là, trật tự xa bị mất đi khi góc Si-O-Si và sự quay được mô tả bởi sự phân bố của những giá trị hơn là những giá trị đơn lẻ được tìm ra trong mạng lưới tinh thể Những góc liên kết Si-O-Si được cho là nằm trong khoảng từ 120-180oC Cấu trúc silica thủy tinh có những vùng của những liên kết chịu ứng suất cao và những khuyết tật như chỗ khuyết oxy, được đại diện bởi liên kết Si-Si, và khuyết tật peroxy, đại diện bởi liên kết Si-O-O-Si Những liên kết bị biến dạng cao này bị làm yếu đi sự bền vững của thủy tinh với nước và một vùng của những tác nhân xâm thực bao gồm dung dịch kiềm Đây là sự khác biệt từ những liên kết rất trật tự có

mặt trong những vật liệu kết tinh, mặc dù chúng cuối cùng cũng phản ứng, chúng được xem như ít liên quan đến sự hình thành chất kết dính polyme vô cơ

Những thủy tinh aluminosilicate cũng có những liên kết bị biến dạng, khuyết oxy và những liên kết peroxy

Khi pH của dung dịch tăng, sự ion hóa của những nhóm silanol diễn ra nhanh chóng:

Si(OH)4 + OH- ⇔Si(OH3)O- + H2O Những liên kết Si-O còn lại do đó bị yếu đi và nhạy cảm hơn với sự tấn công bởi phân tử nước, và sự hòa tan nhanh chóng diễn ra Tốc độ hòa tan của thủy tinh silica

ở độ pH cao thì không khác nhiều so với của những thủy tinh kiềm silicate Độ pH cao của dung dịch kích hoạt đang gây nên sự phá hủy nhanh chóng của những liên kết Si-O mà những oxy không bắc cầu trong những thủy tinh kiềm silicate cung cấp

sự cải thiện rất ít Những pha giàu silica có mặt trong tro bay sẽ được mong muốn

để hòa tan nhanh chóng trong dung dịch kiềm

Cuối cùng, mô hình giải thích vi cấu trúc giải thích phản ứng diễn ra trong tro bay khi kích hoạt kiềm được cho ở hình 2.4

Hình 2.4 Mô hình mô tả sự kích hoạt kiềm của tro bay [26]

Mô hình đối với sự kích hoạt kiềm của tro bay được mô tả ở hình 2.4 cho thấy sự khơi mào tấn công hóa học bắt đầu ở một điểm trên bề mặt của một hạt và sau đó

mở rộng để hình thành một lỗ lớn hơn, làm lộ ra những hạt nhỏ hơn để tấn công kiềm theo 2 hướng: một là từ bên ngoài vào và hai là từ bên trong ra Cuối cùng, sản phẩm phản ứng được tạo ra cả bên trong lẫn bên ngoài của vỏ bọc hạt cầu, cho đến khi hạt tro phản ứng hoàn toàn (hình 2.4c) Cơ chế liên quan tại giai đoạn này của phản ứng là sự hòa tan Tại cùng thời điểm, khi dung dịch kiềm thấm vào và tiếp xúc với những hạt nhỏ hơn bên trong những hạt cầu lớn, khoảng không bên trong bắt đầu được lấp đầy với sản phẩm phản ứng, hình thành một pha nền đặc sít

2.3.2 Cơ chế hoạt hóa geopolymer của vật liệu vô cơ tổng hợp từ đất bauxite, bùn thải và tro bay [3]

Công nghệ geopolymer nhằm tạo cho đất có cường độ cao và ổn định lâu dài không những trong trạng thái khô mà ngay cả trong trạng thái bão hòa nước nhờ kết quả tác dụng của các chất liên kết

Trước hết cần thay đổi tính chất của các hạt nhỏ phân tán (hạt sét, hệ keo), tăng tính dính kết của các hạt đó ở trạng thái khô cũng như trạng thái bão hòa nước bằng cách tăng thêm tính toàn khối cho đất và độ bền cao ổn định dài hạn

Đặc điểm quan trọng chung của các loại đất đỏ bauxite là dù có quá trình hình thành khác nhau, thành phần hạt, thành phần khoáng vật và thành phần hóa học khác nhau thì khi bị ẩm chúng đều có thể biểu hiện một số tính chất đặc trưng của

hệ hạt keo Ở trạng thái ẩm ướt, đất là một hệ hạt phân tán trong đó các hạt khoáng

là pha phân tán, còn dung dịch đất và nước chứa trong lỗ rỗng giữa các hạt là môi trường phân tán

Mục đích của công nghệ geopolymer : tạo ra cấu trúc phân tử có dạng cấu trúc của đa số các loại vật liệu vô cơ trong tự nhiên, rất bền bỉ Nếu chúng ta làm cho những thành phần bên trong vật liệu liên kết với nhau theo những phương thức nào

đó hay bằng những phản ứng hóa học nào đó, để cuối cùng hình thành nên loại vật liệu sẽ sở hữu những đặc điểm rất ưu việt của của các loại khoáng, đá tự nhiên

Với sự có mặt của tro bay (chứa SiO2 và Al2O3) và đất đỏ (chứa Al2O3 và

Fe2O3), nếu có sự kích hoạt của các nguyên tử kiềm, Al và Si có thể kết hợp với nhau thông qua liên kết phối trí với oxi

Phản ứng geopolyme hóa được thực hiện như sau [33]:

Bước 1: sự kiềm hóa và hình thành Al hóa trị 4 ở nhóm biên sialate

Bước 2: sự hòa tan kiềm bắt đầu với việc gắn nhóm OH- vào nguyên tử Si

Bước 3: sự tách oxy trong Si-O-Si thông qua sự dịch chuyển của electron từ Si

sang O

Bước 4: sự hình thành thêm nhóm silanol Si-OH và sự tách riêng phân tử

ortho-sialate, đơn vị chủ yếu trong sự polymer vô cơ hóa

Bước 5: phản ứng của siloxo Si-O- mang tính kiềm với cation Na+ và hình thành liên kết Si-O-Na

Bước 6a: sự ngưng tụ giữa những nhóm hoạt tính Si-O-Na và OH-Al, với sản

phẩm của NaOH, tạo ra cấu trúc cyclo-tri-sialate, sự trùng ngưng nhiều hơn nữa hình thành nên kết cấu khung nepheline Na-poly(sialate)

Bước 6b: với sự có mặt của Na- polysiloxonate dạng hòa tan, nó sẽ phản ứng để

tạo ra cấu trúc ortho-sialate-disiloxo cyclic, tại đó, kiềm NaOH được tự do và phản ứng lại lần nữa