Nghiên cứu ứng dụng chế phẩm công nghiệp nhiệt điện để sản xuất vật liệu không nung thân thiện môi trường

Mục tiêu Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu xây dựng sử dụng phế phẩm công nghiệp nhiệt điện để sản xuất vật liệu không nung thân thiện môi trường, phù hợp với tình hình phát triển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRUỜNG TRỌNG ÐIỂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẾ PHẨM CÔNG NGHIỆP NHIỆT ÐIỆN ÐỂ SẢN XUẤT VẬT LIỆU KHÔNG NUNG THÂN THIỆN MÔI TRUỜNG

MÃ SỐ: T2013-10TÐ

Tp Hồ Chí Minh, tahasng 12 - 2013

S 0 9

S KC 0 0 4 3 1 4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẾ PHẨM CÔNG

NGHIỆP NHIỆT ĐIỆN ĐỂ SẢN XUẤT VẬT LIỆU

KHÔNG NUNG THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG

Mã số: T2013-10TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS Phan Đức Hùng

TP HCM, 12/2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA XÂY DỰNG & CƠ HỌC ỨNG DỤNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẾ PHẨM CÔNG NGHIỆP NHIỆT ĐIỆN ĐỂ SẢN XUẤT VẬT LIỆU KHÔNG NUNG THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG

Mã số: T2013-10TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS Phan Đức Hùng

TP HCM, 12/2013

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

- TS Lê Anh Tuấn: Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM

- Công ty TNHH – TM & DV Kim Tơ, Ngã 3 Lò vôi, xã Phước Hưng, Long Điền, Bà Rịa, Vũng Tàu

MỤC LỤC

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ix

CHAPTER 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1

1.1.1 Ngoài nước 2

1.1.2 Trong nước 3

1.2 Tính cấp thiết 3

1.3 Mục tiêu 4

1.4 Cách tiếp cận 4

1.5 Phương pháp nghiên cứu 4

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu 5

1.6.1 Đối tượng nghiên cứu 5

1.6.2 Phạm vi nghiên cứu 5

1.7 Nội dung nghiên cứu 5

CHAPTER 2 CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER 6

2.1 Giới thiệu 6

2.2 Cơ sở hóa học của công nghệ Geopolymer 7

2.3 Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer tro bay 11

2.4 Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer đất sét 12

CHAPTER 3 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16

3.1 Nguyên liệu 16

3.1.1 Đất sét 16

3.1.2 Tro bay 18

3.1.3 Dung dịch hoạt hóa 19

Thủy tinh lỏng 19

Natri hydroxit 20

3.1.4 Nước nhào trộn 20

3.2 Điều kiện dưỡng hộ 20

3.3 Thành phần cấp phối 21

3.4 Phương pháp tạo mẫu và thí nghiệm 21

3.4.1 Phương pháp tạo mẫu 21

3.4.2 Phương pháp thí nghiệm 21

3.4.3 Trình tự thí nghiệm 22

Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu: 22

Giai đoạn nhào trộn và đúc khuôn: 23

Giai đoạn dưỡng hộ nhiệt: 23

Nén mẫu: 24

CHAPTER 4 THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 25

4.1 Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ 25

4.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay 27

4.3 Ảnh hưởng tỷ lệ Na2SiO3/NaOH trong dung dịch hoạt hóa đến cường độ geopolymer đất 30

4.4 Ảnh hưởng của hàm lượng Si trong dung dịch hoạt hóa đến cường độ của mẫu Geopolymer đất và tro bay 32

4.5 Ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét đến cường độ của mẫu Geopolymer đất và tro bay 34

4.6 Phân tích cấu trúc của các mẫu Geopolymer đất và tro bay 36

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40

5.1 Kết luận 40

5.2 Kiến nghị 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Quá trình geopolymer hóa (Hardjito) 10

Hình 2.2 Hình ảnh SEM: (a) tro bay ban đầu, (b) tro bay được kích hoạt với NaOH, (c) tro bay được kích hoạt với Na2SiO3 11

Hình 2.3 Mô hình miêu tả kích hoạt kiềm tro bay (Jimanez, 2005) 12

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc monomer đất sét dưới tác dụng của dung dịch NaOH 13

Hình 2.5 Phân biệt cấu trúc lập thể của Hydrosodalite và Zeolite 13

Hình 3.1 Đất sét 17

Hình 3.2 Tro bay sử dụng trong thí nghiệm 18

Hình 3.3 Thủy tinh lỏng 19

Hình 3.4 Natri hydroxyt dạng vảy 20

Hình 3.5 Sơ đồ diễn tả trình tự thí nghiệm 22

Hình 3.6 Quá trình tạo mẫu trụ 23

Hình 3.7 Mẫu sau khi được dưỡng hộ nhiệt trong vòng 24 giờ 24

Hình 3.8 Mẫu được nén lấy giá trị cường độ 24

Hình 4.1 Quan hệ giữa thời gian dưỡng hộ nhiệt và cường độ chịu nén 26

Hình 4.2 Quan hệ giữa nhiệt độ dưỡng hộ và cường độ chịu nén 27

Hình 4.3 Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa polymer / tro bay và nhiệt độ dưỡng hộ 29

Hình 4.4 Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa polymer / tro bay và thời gian dưỡng hộ 30

Hình 4.5 Ảnh hưởng tỷ lệ Na2SiO3/NaOH và thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ chịu 31

Hình 4.6 Ảnh hưởng tỷ lệ Na2SiO3/NaOH và nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ chịu nén 31

Hình 4.7 Ảnh hưởng hàm lượng Si trong dung dịch hoạt hóa đến cường độ chịu nén 32

Hình 4.8 Mức độ tăng cường độ theo thời gian dưỡng hộ nhiệt 33

Hình 4.9 Mức độ tăng cường độ theo nhiệt độ dưỡng hộ 33

Hình 4.11 Biểu đồ ảnh hưởng của hàm lượng đất sét đến cường độ geopolymer đất khi chưa qua quá trình bảo dưỡng sấy 35

Hình 4.12 Biểu đồ ảnh hưởng của hàm lượng đất sét đến cường độ geopolymer đất sau khi bảo dưỡng sấy 12 giờ với nhiệt độ là 1200C 36Hình 4.13 Bề mặt mẫu vật liệu trước khi đóng rắn, (b) là hình phóng to tại vị trí đánh dấu ở hình (a) 37Hình 4.14 Bề mặt mẫu vật liệu sau khi đóng rắn, (b) là hình phóng to tại vị trí đánh dấu ở hình (a) 38

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thành phần hạt của đất sét 16

Bảng 3.2 Thành phần hóa học của đất sét 17

Bảng 3.3 Thành phần hóa của tro bay 18

Bảng 3.4 Khảo sát vật lý tro bay Formosa 19

Bảng 4.1 Kết quả nén mẫu geopolymer đất (MPa) khi thay đổi thời gian dưỡng hộ 25

Bảng 4.2 Kết quả nén khi thay đổi tỉ lệ DD hoạt hóa – tro bay và nhiệt độ tăng dần 28

Bảng 4.3 Cấp phối khảo sát và kết quả thí nghiệm xét sự ảnh hưởng của hàm lượng sét đến cường độ của geopolymer đất 34

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DD : Dung dịch hoạt hóa

Tro : Tro bay

Si : Silic

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung

- Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phế phẩm công nghiệp nhiệt điện để sản xuất vật liệu

không nung thân thiện môi trường

- Mã số: T2013-10TĐ

- Chủ nhiệm: TS Phan Đức Hùng

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

- Thời gian thực hiện: 01.2013 – 12.2013

2 Mục tiêu

Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu xây dựng sử dụng phế phẩm công nghiệp nhiệt điện

để sản xuất vật liệu không nung thân thiện môi trường, phù hợp với tình hình phát triển các công trình xây dựng tại Việt Nam

3 Tính mới và sáng tạo

Nghiên cứu ứng dụng gạch không nung thân thiện với môi trường tại Việt Nam

4 Kết quả nghiên cứu

- Một bài báo tham dự hội nghị quốc tế

- Một bài báo tham dự hội nghị trong nước được xuất bản có ISBN 978-604-82-0022-0

5 Sản phẩm

- Gạch không nung sử dụng công nghệ geopolymer đất

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng

- Công nghệ sản xuất gạch không nung

Trưởng Đơn vị

(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Applied research of by-product of fossil-fuel power plants in manufacturing eco-friendly unburned materials

Code number: T2013-10TĐ

Coordinator: Dr Phan Duc Hung

Implementing institution: HCMC University of Technical Education

Duration: from 01.2012 to 12.2012

2 Objective(s):

Study focuses on manufacturing and application of construction material using by-product of fossil-fuel power plants to manufacture eco-friendly unburned materials which consistent with

the development of construction projects in Vietnam

3 Creativeness and innovativeness:

Application research of eco-friendly unburned materials in Vietnam

4 Research results:

- One international conference paper

- One domestic conference paper

5 Products:

- Unburned materials applying soil geopolymer technology

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

- Technology production line

7 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng

- Production technology of unburned materials

1

CHAPTER 1 MỞ ĐẦU

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành xây dựng, ngành vật liệu xây dựng luôn phải đáp ứng được nhu sử dụng các loại vật liệu truyền thống cũng như các loại vật liệu mới Ngoài ra, việc tận dụng các nguồn nguyên vật liệu phế phẩm, tiết kiệm các nguồn tài nguyên sẵn có là lĩnh vực nghiên cứu cấp thiết phục vụ mục tiêu trên

Việt Nam là một đất nước đang phát triển, có nguồn nguyên liệu khoáng sản sét khá dồi dào, có chất lượng khá tốt tạo điều kiện thuận lợi cho ngành công nghiệp sản xuất gạch

và gốm phát triển Công nghệ sản xuất gạch đất sét nung có từ lâu đời nhưng là công nghệ sản xuất gây ra nhiều chất thải có hại, làm giảm diện tích nông nghiệp, ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường Để sản xuất 1 tỷ viên gạch đất sét nung có kích thước tiêu chuẩn sẽ

than, đồng thời thải ra khoảng 0,57 triệu tấn khí CO2 Do đó, việc tìm ra loại vật liệu mới làm từ đất sét nhưng không phải qua quá trình nung đã được nghiên cứu nhằm hạn chế

nghệ Geopolymer hóa đá đất đã được áp dụng để tạo ra các sản phẩm đất sét không nung với thành phần nguyên liệu chủ yếu là đất sét, tro bay và dung dịch kiềm hoạt tính Việc tìm ra cấu trúc vật liệu geopolymer vô cơ tổng hợp từ đất và các phụ phẩm công nghiệp từ thập niên 1960 đã đưa ngành công nghệ vật liệu xây dựng phát triển theo chiều hướng mới Tro bay là sản phẩm thu được từ việc đốt than ở nhà máy nhiệt điện Tro bay được thu gom bằng phương pháp tĩnh điện hoặc biện pháp cơ học ở ống khói thải Tro bay có độ mịn tự nhiên (không cần nghiền) như xi măng, hạt tro bay hình cầu Thành phần hoá học của tro bay chủ yếu là SiO2, Al2O3, Fe2O3 với tổng khối lượng yêu cầu lớn hơn 70% khối lượng tro bay và các ôxít khác và than chưa cháy

Đề tài sẽ khảo sát ứng dụng chất kết dính Geopolymer từ tro bay, phụ phẩm của các nhà máy nhiệt điện trong nước để tạo ra sản phẩm đất sét không nung phục vụ lĩnh vực xây dựng tại Việt Nam

1.1.1 Ngoài nước

Chất kết dính thông thường được sử dụng trong bê tông là xi măng Tuy nhiên vào năm 1972, chất kết dính Geopolymer được công bố bởi nhà hóa học người Pháp Joseph Davidovits, tạo tiền đề thành lập viện Geopolymer Đã có khoảng 30 sáng chế được công nhận về geopolymer từ năm 1972 ở Pháp, các quốc gia Châu Âu và ở Mỹ Thuật ngữ hóa học Geopolymer được ra đời năm 1979 kèm theo đó là sự ra đời của tổ chức phi lợi nhuận, viện Geopolymer Một vài sáng chế đã được sử dụng rộng rãi Những nghiên cứu về geopolymer xuất hiện riêng rẽ ở từng quốc gia và tài liệu khoa học thì rất ít Cho đến những năm 1990, các tài liệu nghiên cứu khoa học về geopolymer bắt đầu xuất hiện nhiều hơn, các nghiên cứu về ảnh hưởng của từng loại vật liệu trong geopolymer bắt đầu được nghiên cứu sâu hơn (Davidovits, 1991) Từ đó đến nay, nhiều công trình nghiên cứu về loại chất kết dính này đã được công bố, chủ yếu ở các nước phương tây như Pháp, Mỹ, Đức, Áo,… Các đề tài thường xoay quanh việc tận dụng các nguồn phế thải chế tạo chất kết dính Geopolymer ứng dụng trong vật liệu xây dựng, vật liệu công nghệ cao, vật liệu chịu lửa (Davidovits, 2011)

Các ứng dụng của công nghệ này đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên toàn thế giới Nghiên cứu đã tập trung vào thành phần và nồng độ của dung dịch kiềm để thúc đẩy nhanh quá trình geopolymer hóa Đức đã phát minh ra công nghệ RRP (Reynolds Road Packer), là một hợp chất của Axits Sunfuro phối trộn vào đất tạo ra một sự liên kết giữa các ion âm của đất với cation Na+, K+

, Mg++, Fe++ Quá trình phối trộn và lu lèn để độ đầm chặt đạt tới hệ số K = 95, K = 98 rồi thành con đường đảm bảo được yêu cầu và đảm bảo các yếu tố an toàn giao thông Mỹ đã có hợp chất SA44/LS40, cũng tương tự như hợp chất RRP ở Đức Hợp chất SA44/SL40 cũng đã được đưa vào sử dụng ứng dụng làm đường Ở một số nước phát triển trên thế giới như: Pháp, Mỹ, Đức, Bỉ và Nam phi đã sử dụng khoảng 70% - 80% lượng gạch xây dựng không nung của họ bằng công nghệ này (Davidovits, 1999)

Kể từ những năm 2000, nghiên cứu về tính hoạt hóa kiềm đã tăng lên đáng kể trên khắp thế giới, với hơn 100 trung tâm nghiên cứu được thành lập Ở Châu Á, công nghệ Geopolymer đất sét được ứng dụng nhiều vào ngành công nghiệp vận tải, trong việc chế tạo nhựa nền đường mới Công ty Zeobond Pty Ltd có trụ sở ở Melbourne (Úc) đã phát triển nhà máy sản xuất thử nghiệm riêng của mình trong năm 2007 và hiện đang cung cấp

sản phẩm bê tông E-Crete(TM), cho các dự án hạ tầng cơ sở dân dụng lớn bao gồm dự án

mở rộng đường cao tốc và xây dựng, sửa chữa cầu khi được cấp phép E-Crete sử dụng hỗn hợp tro bay và xỉ lò cao như là một vật liệu kết dính kết hợp các thành phần hoạt hóa kiềm có đăng ký độc quyền sở hữu (Davidovits, 2002)

Những năm sau đó, đã có nhiều thay đổi được áp dụng trong nghiên cứu công nghệ geopolymer Nhiều phương pháp phân tích hiện đại được áp dụng để làm sáng tỏ các tác động của các thành phần khác nhau trong vật liệu geopolymer (Rees, 2007) Nhiều nguyên vật liệu mới được quan tâm nghiên cứu như bột silicat nhôm tổng hợp, sợi bazan (Bel, 2002), kiềm fenspat (Xu, 2003), xỉ lò cao (Cheng, 2003),… Vật liệu geopolymer trở nên phong phú và đa dạng về nguồn nguyên vật liệu tạo thành, tuy nhiên việc lựa chọn nguyên liệu chủ yếu vẫn dựa vào sự tác động đến môi trường khi tạo thành vật liệu mới, công nghệ geopolymer ưu tiên nghiên cứu để giảm thiểu các chất thải công nghiệp và giúp môi trường ngày càng bền vững hơn

Tại Việt nam, Geopolymer cũng mới được chú ý đến trong những năm gần đây Đến nay đã có nhiều bài nghiên cứu khoa học về loại vật liệu này (Nguyen, 2008; Phan, 2012) Nghiên cứu về phế phẩm của công nghiệp dùng trong lĩnh vực vật liệu xây dựng ở Việt Nam chủ yếu tận dụng tro bay và các phế phẩm khác kết hợp với xi măng, tuy nhiên khả năng sử dụng còn ít, triển khai còn chưa phát huy hết tiềm năng của các phế phẩm công nghiệp Một số ứng dụng như thiết kế thành phần bê tông chế tạo các loại mặt đường cứng (đường ô tô, đường sân bay…) (Pham, 2002) hay sử dụng để ổn định, xử lý và tận dụng chất thải boxite từ các quặng khai thác nhôm để chế tạo gạch không nung và đóng rắn nền đường (Nguyen, 2009)

1.2 Tính cấp thiết

Việc hạn chế lượng khí thải rất lớn trong công nghệ sản xuất gạch đất sét nung truyền thống cũng như việc nghiên cứu tìm ra một chất kết dính vô cơ tổng hợp có thể thay thế chất kết dính truyền thống (xi măng) để chế tạo vật liệu không nung đã và đang được nghiên cứu nhiều ở Việt Nam cũng như trên thế giới Ngoài ra, nguồn phụ phẩm tro bay

của các nhà máy nhiệt điện thải ra ngày càng nhiều thúc đẩy ý tưởng tận dụng nguồn tro bay và nguồn đất sét tự nhiên sản xuất gạch để tạo ra một loại vật liệu mới không nung, thân thiện với môi trường được đặc biệt quan tâm nghiên cứu Nghiên cứu này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng về mặt kinh tế lẫn khoa học do tận dụng được nguồn phế thải, tiết kiệm được nguồn tài nguyên sẵn có, vừa tạo ra loại vật liệu mới thân thiện với môi trường nhiều hơn

Tại Việt Nam, nguồn tro bay từ các nhà máy nhiệt điện (Phả lại, Formosa) là rất lớn Trung bình hàng năm, các nhà máy nhiệt điện trong cả nước thải ra khoảng 1,3 triệu tấn tro bay Trong năm 2010 có khoảng 2,3 triệu tấn tro bay thải ra Theo số liệu thu thập, mỗi ngày Nhà máy nhiệt điện Phả lại 2 thải ra khoảng 3.000 tấn tro xỉ, trong đó 30% là than chưa cháy hết, còn lại là tro bay rất mịn Do hàm lượng than dư này không cao nên khó tận thu làm nhiên liệu đốt mà thường được thải thẳng ra hồ chứa Sử dụng các loại phế thải công nghiệp như tro bay để thay thế một phần hay toàn bộ xi măng trong việc sản xuất vật liệu không nung là hướng nghiên cứu cần thiết, giảm tác động môi trường, tận dụng phế phẩm công nghiệp

1.3 Mục tiêu

Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu xây dựng sử dụng phế phẩm công nghiệp nhiệt điện để sản xuất vật liệu không nung thân thiện môi trường, phù hợp với tình hình phát triển các công trình xây dựng tại Việt Nam

1.4 Cách tiếp cận

Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước, lựa chọn thành phần cấp phối thích hợp, thực nghiệm và xác định các tính chất vật liệu

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm đánh giá

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu các loại vật liệu xây dựng có khả năng sử dụng các loại phế phẩm công nghiệp nhiệt điện (tro bay) trong nước để chế tạo chất kết dính geopolymer có khả năng ứng dụng trong các công trình xây dựng

Nghiên cứu vật liệu ứng dụng trong công trình xây dựng trong điều kiện Việt Nam

1.7 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu, đánh giá các đặc tính của phế phẩm công nghiệp nhiệt điện

- Đánh giá các đặc tính kỹ thuật của vật liệu không nung dùng trong xây dựng

- Nghiên cứu tận dụng phế thải công nghiệp nhiệt điện trong sản xuất vật liệu không nung có độ bền cao, tính chất tương đương với vật liệu truyền thống

- Thí nghiệm và phân tích kết quả

- Kết luận dựa trên các kết quả đạt được và đề xuất hướng phát triển đề tài

CHAPTER 2 CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER

2.1 Giới thiệu

Các ứng dụng của Geopolymer đã được tin tưởng ứng dụng trong suốt 25 năm qua và ngày càng được thương mại hóa Các đặc tính cơ bản về hóa học và cấu trúc của geopolymer có nguồn gốc từ metakaolin, tro bay và xỉ công nghiệp được khám phá liên quan đến ảnh hưởng hàng loạt nguyên liệu thô với các thuộc tính của cấu trúc geopolymer Nguyên lý chế tạo vật liệu Geopolymer dựa trên khả năng phản ứng của các vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm để tạo ra sản phẩm có các tính chất và cường độ tốt hơn Hệ nguyên liệu để chế tạo vật liệu Geopolymer bao gồm hai thành phần chính là các nguyên liệu nền và chất hoạt hóa kiềm Nguyên liệu aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn

Si và Al cho quá trình Geopolymer hóa xảy ra (thường dùng là tro bay, metacaolanh, silicafume…)

Tro bay là phụ phẩm của nhà máy nhiệt điện Nhà máy này sử dụng nhiệt sinh ra từ việc đốt than để làm quay tuabin phát điện Tro bay là những hạt tro mịn được giữ lại trong các thiết bị lọc bụi Tro bay là những phần tử hình cầu, rỗng, xốp, có cấu trúc thủy tinh, về thành phần hóa chứa nhiều oxit silic, oxit nhôm ở dạng vô định hình Do đó nó dễ dàng tham gia các phản ứng hóa học, đặc biệt là phản ứng puzzolane hóa (kết hợp với oxit canxi,

nước tạo thành khoáng hydro silicatcanxi bền trong nước) (Davidovits, 2011)

Chất hoạt hóa kiềm được sử dụng phổ biến nhất là các dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng Natri Silicat nhằm tạo môi trường kiềm và tham gia vào các phản ứng Geopolymer hóa (Nguyen, 2008) Chất kết dính này sau khi trải qua giai đoạn dưỡng hộ nhiệt sẽ có cường độ như bê tông truyền thống (Lloyd, 2010)

Thủy tinh lỏng có cấu trúc polymer và có thành phần chủ yếu gồm oxit của kim loại alkali (Natri hoặc kali), oxit silic và nước Thành phần hóa của thủy tinh lỏng được kí hiệu

Na2SiO3 Thủy tinh lỏng cũng là một chất kết dính, nó rắn chắc được là nhờ quá trình tạo

ra silic hydroxit vô định hình:

Na2SiO3 + CO2 +2H2O = Si(OH)4 + Na2CO3

Dung dịch Alkali sử dụng chế tạo chất kết dính Geopolymer thường là hỗn hợp của

bẻ gẫy liên kết Si – O trong cấu trúc polymer của thủy tinh lỏng, làm cho nó dễ tham gia phản ứng trùng ngưng tạo Geopolymer

Khi trộn tro bay với dung dịch alkali thì xảy ra phản ứng gồm 3 giai đoạn sau

(Davidovits, 2011; Xu, 2000):

- Tách thành phần Si và Al ra khỏi nguyên liệu ban đầu (tro bay) nhờ tác động của ion OH-

- Những phần tử trên di chuyển, định hướng và kết hợp thành những monomer

- Những monomer này tham gia phản ứng trùng ngưng tạo thành sản phẩm có cấu trúc polymer Nhờ vậy sản phẩm có khả năng đóng rắn và có cường độ

 Ưu điểm của các loại vật liệu xây dựng sử dụng chất kết dính Geopolymer:

o Bền hơn trong môi trường xâm thực đặc biệt là trong môi trường axit và sulfat

o Khả năng chịu nhiệt và chịu lửa cao

 Hạn chế:

o Quy trình chế tạo khá phức tạp và không an toàn (khi pha chế dung dịch kiềm)

o Phải trải qua quá trình dưỡng hộ nhiệt mới đạt được cường độ

 Ứng dụng:

o Chế tạo hỗn hợp bê tông từ chất kết dính Geopolymer

o Sản xuất cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn

o Sản xuất vật liệu không nung (gạch) và vật liệu chịu lửa

2.2 Cơ sở hóa học của công nghệ Geopolymer

Davidovits (1978) đã giới thiệu loại polymer được tổng hợp từ các khoáng vật thuộc

O2- có nguồn gốc từ khoáng sản tự nhiên (đất sét, cao lanh, đá fenpat…) hoặc sản phẩm từ sản xuất (tro bay, xỉ lò cao…) Vật liệu geopolymer khác với vật liệu polymer thông thường ở cấu trúc mạng không gian vô định hình (Davidovits, 2011)

Cấu trúc hóa học vô định hình của Geopolymer cơ bản được tạo thành từ mạng lưới cấu trúc của những Alumino-Silico hay còn gọi là Poly-sialate Sialate là viết tắt của Silic

– Oxy – Nhôm Các cầu nối -Si-O-Al- tạo thành các bộ khung không gian vững chắc bên

nhau bằng các nguyên tố Oxy Những ion dương (Na+, K+, Li+, Ca2+, Ba2+, NH4+, H3O+) phải hiện diện trong các hốc của khung để cân bằng điện tích của Al3+ và hình thành monomer mới như hình bên dưới:

Công thức kinh nghiệm của poly sialate: M n (-(SiO 2 ) z-AlO 2 )n wH 2 O

Phản ứng hóa học của quá trình geopolymer có thể diễn ra theo 1 trong 2 phương trình bên dưới: (Davidovits, 1999, 2011)

Tuy nhiên, quá trình phản ứng hóa học tạo thành geopolymer có thể được phân ra thành các bước chính sau (Hardjito, 2005):

- Hòa tan các phân tử Si và Al trong nguyên liệu nhờ vào các ion hydroxide trong dung dịch

- Định hướng lại các ion trong dung dịch tạo thành các monomer

- Đóng rắn các monomer thông qua các phản ứng trùng ngưng polymer để tạo thành các cấu trúc polymer vô cơ

Hình 2.1 là một ví dụ cụ thể việc geopolymer hóa vật liệu aluminosiliate, mặc dù sơ

đồ là tuyến tính nhưng thực tế phản ứng là các quá trình xảy ra liên tục và không theo trật

tự cụ thể nào Ban đầu, các hạt rắn dưới tác dụng của môi trường kiềm hình thành các phân

tử hòa tan vô định hình, giải phóng ra các monomer aluninat và silicat Tiếp đó các monomer sẽ tiếp tục phản ứng để tạo nên chuỗi polymer dài hơn, khi dung dịch đạt đến độ bão hòa sẽ xuất hiện gel aluminosiliate kết tủa, các phân tử gel này chứa nhiều ion Al3+ vì ban đầu liên kết Al – O yếu hơn liên kết Si – O nên ion Al3+ trong dung dịch dễ dàng tách

ra và gắn vào các chuỗi polymer tạo thành Khi phản ứng tiếp tục xảy ra, các nhóm Si – O trong chất rắn ban đầu hòa tan, làm tăng nồng độ silicate trong dung dịch, đẩy nhanh quá trình hình thành các cấu trúc zeolit vô định hình

Hình 2.1 Quá trình geopolymer hóa (Hardjito) Quá trình phản ứng tiếp tục xảy ra, phân tử tạo thành liên tục được sắp xếp và phân bố lại cấu trúc, lắp đầy các lỗ rỗng nhỏ hơn hình thành khối vật liệu liên kết vững chắc có cấu trúc zeolite vô định hình Giả thuyết này được xem là quá trình cơ bản để tạo thành cấu trúc geopolymer hay còn gọi là quá trình geopolymer hóa (Provis, 2009)

2.3 Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer tro bay

Theo định nghĩa về công nghệ của Davidovits (2011), bất kỳ một nguyên vật liệu nào trong đó có chứa dioxide silic và oxide nhôm đều có thể sử dụng để tạo ra vật liệu geopolymer Cơ chế đóng rắn của tro bay cũng tuân theo quy luật và các phản ứng của công nghệ geopolymer được trình bày ở trên

Trong công nghệ geopolymer tro bay thì tốc độ phản ứng kích hoạt cũng như các vi cấu trúc và thành phần hóa học của các sản phẩm phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cụ thể là sự phân bố kích thước hạt và thành phần khoáng chất của tro bay ban đầu, dung dịch kích hoạt và thời gian hằng nhiệt (Davidovits, 2002)

Hình 2.2 Hình ảnh SEM: (a) tro bay ban đầu, (b) tro bay được kích hoạt với NaOH, (c) tro

bay được kích hoạt với Na2SiO3

Hình 2.2 mô tả hình ảnh vi cấu trúc của tro bay được thể hiện rõ ràng qua phương pháp SEM (Scanning Electron Microscope) Hình 2.2a thể hiện hình thái đặc trưng ban đầu của tro bay trước phản ứng, là những tinh thể hình cầu có kích thước khác nhau, cấu trúc thường rỗng và có thể chứa những hạt nhỏ hơn trong nó Hình 2.2b và 2.2c là những thay đổi trong vi cấu trúc của tro bay dưới tác dụng của dung dịch kiềm và thời gian hằng nhiệt, ta thấy kết quả của phản ứng là một loại gel gốc Natri-Silicat mới hình thành qua quá trình đóng rắn các hạt tro bay và dung dịch kiềm Tuy nhiên phản ứng không xảy ra hoàn toàn nhanh chóng, vẫn còn một số thành phần tro bay phản ứng rất chậm

Hình 2.3 mô hình hạt tro bay khi bị kích hoạt kiềm Sự kiềm hóa bắt đầu bằng một điểm nhỏ trên bề mặt của hạt tro bay, sau đó dần lan rộng tạo thành lỗ lớn, rồi tiếp tục phản ứng với những hạt nhỏ hơn ở bên trong (Hình 2.3a) Phản ứng tiếp tục được duy trì và phát triển nhanh hơn theo hai chiều từ ngoài vào vào trong và ngược lại (Hình 2.3b) Phản ứng

tiếp tục xảy ra cho đến khi hạt tro bay được kiềm hóa hoàn toàn (Hình 2.3c) Cơ chế của phản ứng ở giai đoạn này là cơ chế hòa tan, gắn kết các hạt nhỏ hơn bên trong các hạt lớn hơn, gắn kết với nhau tạo thành ma trận dày đặc Quá trình được mô tả là không thống nhất giữa các gel tạo thành, tùy thuộc và sự phân bố kích thước hạt và nồng độ của dung dịch tại từng vị trí

Hình 2.3 Mô hình miêu tả kích hoạt kiềm tro bay (Jimanez, 2005)

2.4 Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer đất sét

Quá trình chuyển hóa khoáng kaolinite dưới tác dụng của dung dịch kiềm sẽ qua hai phương trình phản ứng sau:

Hòa tan khoáng Kaolinite thành các monomer Si và Al:

Al2Si2O5(OH)4 + 6OH- + H2O  2Al(OH)4- + 2H2SiO4

2-Các monomer mới đóng rắn thành Hydrosodalite:

6Al(OH)4- + 6H2SiO42- + 6Na+ Na6Si6Al6O24 + 12OH- +12H2O

Đất sét được cấu tạo chủ yếu là khoáng kaolinite, monmoriolite và illite Dưới tác dụng của dung dịch kiềm hoạt tính vào các cấu trúc của các khoáng bao gồm khối tứ diện

Si4+ và bát diện Al3+, có xu hướng làm cho các khối này bị thiếu điện tích và hình hành các

anion tạm thời và có khả năng hấp thụ cation mạnh Từ đó các cation kim loại đóng vai trò

là cầu nối hình thành các monomer đất có cấu trúc bền vững hơn (Liu, 2006)

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc monomer đất sét dưới tác dụng của dung dịch NaOH Cấu trúc của hydrosodalite đã được Kamarudina (2012) nghiên cứu, đây là cấu trúc bát giác, có liên kết gần giống với cấu trúc zeolite

Hình 2.5 Phân biệt cấu trúc lập thể của Hydrosodalite và Zeolite

Hình 2.5 cho thấy cấu trúc thực tế của hydrosodalite trong liên kết của vật liệu geopolymer là hình bát giác, liên kết không theo quy luật đồng nhất

Theo North (2000), quá trình geopolymer hóa đất sét có thể cụ thể qua các bước sau: Bước 1: dưới tác dụng của các ion trong môi trường kiềm, hình thành ion Al4+ tồn tại trong chuỗi O3-Si-O-Al-(OH)3-Na+ , hay còn gọi là chuỗi monomer Al(OH)4-Na+

Bước 2: ion OH- (trong môi trường kiềm hòa tan) gắn kết vào nguyên tử silic trong monomer Al(OH)4-Na+ bằng liên kết cộng hóa trị

Bước 3: Quá trình tiếp theo của phản ứng là sự phân tách liên kết Si-OH ra ngoài nhờ

sự chuyển giao điện tích âm từ Si2+ sang O2-

gắn vào chuỗi monomer Al(OH)4-Na+ , đây là chuỗi monomer ban đầu của quá trình geopolymer hóa

Bước 5: liên kết Si-O- nhận thêm ion Na+ từ môi trường kiềm, hình thành liên kết Si-O-Na bảo toàn điện tích

Bước 6: các monomer ở phương trình (4) tiếp tục liên kết với monomer ở phương trình (5), hình thành vòng cyclo-disialate khép kín và NaOH tự do được tạo thành và tiếp tục phản ứng

Bước 7: 3 vòng cyclo-disialate tiếp tục gắn kết nhau tạo thành cấu trúc mạng hydrosodalite có hình dạng lục giác nhỏ

Mặc dù được phân chia thành các bước cụ thể nhưng quá trình geopolymer hóa đất sét

là một quá trình liên tục và không phân lập rõ ràng Các hydrosodalite có cấu trúc vô định hình, nên phải kết hợp các phương pháp phân tích hiện đại mới có thể xác định được

CHAPTER 3 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương này trình bày các hệ nguyên liệu, quá trình chế tạo các loại vật liệu xây dựng

sử dụng chất kết dính Geopolymer từ tro bay sử dụng đúc mẫu thí nghiệm và các thí nghiệm nhằm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố trong điều kiện môi trường dưỡng hộ và chất kết dính đến tính chất của các loại vật liệu xây dựng sử dụng chất kết dính Geopolymer

3.1 Nguyên liệu

Đất sét sử dụng là nguồn đất sét làm gạch ở khu vực quận 9 thành phố Hồ Chí Minh Đất được loại bỏ tạp chất như rễ cây, lá cây và lọt qua sàng kích thước 10 mm tại phòng thí nghiệm Hầu hết đất đều chứa một hàm lượng nước nhất định, do đó chúng được sấy ở

dẻo 35,3% Thành phần hóa thể hiện trong Bảng 3.2