Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng phế phẩm công nghiệp nhiệt điện để sản xuất vật liệu không nung thân thiện môi trường (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng phế phẩm công nghiệp nhiệt điện để sản xuất vật liệu không nung thân thiện môi trường (Phần 1)

1. 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 THIỆNS K C 0 0 3 9 5 9 MÔI TRUỜNG MÃ SỐ: T2013-10TÐ S KC 0 0 4 3 1 4 Tp. Hồ Chí Minh, tahasng 12 - 2013
2. 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
3. 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
4. DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI - Họ và tên: TS. Phan Đức Hùng - Đơn vị công tác: Khoa Xây dựng & Cơ học ứng dụng, Trường Đại học SPKT Tp.HCM ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH - 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. iii
5. 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 iv
6. 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 v
7. 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 vi
8. 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 36 Hình 4.13 Bề mặt mẫu vật liệu trước khi đóng rắn, (b) là hình phóng to tại vị trí đánh dấu ở hình (a) 37 Hình 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 vii
9. 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 viii
10. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DD : Dung dịch hoạt hóa Tro : Tro bay Si : Silic ix
11. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA XD&CHƯD Tp. HCM, Ngày 01 tháng 12 năm 2013 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 Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) x
12. 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 xi
13. 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 tiêu tốn khoảng 1,5 triệu m3 đất sét, tương đương 75ha đất nông nghiệp và 150.000 tấn 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 việc thải khí CO2 và tận dụng một số nguồn nguyên liệu phế thải công nghiệp. Và công 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
14. 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 2
15. 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. 1.1.2 Trong nước 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 3
16. 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. 4
17. 1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu 1.6.1 Đối tượng 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. 1.6.2 Phạm vi nghiên cứu 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. 5
18. 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 là R2O.nSiO2 (R có thể là Na hay K) hoặc thường được biết đến qua công thức hóa học 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 6
19. Dung dịch Alkali sử dụng chế tạo chất kết dính Geopolymer thường là hỗn hợp của thủy tinh lỏng và dung dịch kiềm (NaOH hoặc KOH). Ion OH- trong dung dịch kiềm sẽ 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 Đạt cường độ sớm. 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 nhóm Aluminosiliate. Thành phần chủ yếu của Geopolymer là các nguyên tố Si2+, Al3+ và 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 7
20. – Oxy – Nhôm. Các cầu nối -Si-O-Al- tạo thành các bộ khung không gian vững chắc bên trong cấu trúc. Khung Sialate bao gồm những tứ diện SiO4 và AlO4 được nối xen kẹp với + + + 2+ 2+ 4+ + nhau bằng các nguyên tố Oxy. Những ion dương (Na , K , Li , Ca , Ba , NH , 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: Mn(-(SiO2) z-AlO2)n. wH2O. Trong đó : M – các cation kim loại kiềm hay kiềm thổ; n - mức độ polymer hoá; z = 1,2,3 cao nhất là 32. Khảo sát thực nghiệm tỉ lệ Si/Al, trạng thái poly siliate bao gồm những loại sau (Davidovits, 2011): + Poly(sialate) (-Si-O-Al-O-) + Poly(sialate-siloxo) (-Si-O-Al-O-Si-O-) + Poly(sialate-disiloxo) (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-) Quá trình tổng hợp để tạo thành vật liệu Geopolymer được gọi là quá trình Geopolymer hóa các nguyên vật liệu aluminosilicate ban đầu nhờ vào các dung dịch hoạt hóa kiềm. Quá trình hoạt hóa kiềm cho các vật liệu aluminosilicate là một quá trình phức tạp và đến nay vẫn chưa được mô tả một cách rõ ràng. Các bước phản ứng không diễn ra tuần tự mà hầu như diễn ra cùng lúc và chồng lắp vào nhau. Do đó, rất khó phân biệt cũng như khảo sát các bước phản ứng một cách riêng biệt. (Davidovits, 1999) 8
21. 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. 9
22. S K L 0 0 2 1 5 4