Sự ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét đến tính chất của vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất sét và tro bay

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - HUỲNH HOÀNG MIN ĐỀ TÀI: SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG HẠT SÉT ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU GEOPOLYMER TỔNG HỢP TỪ ĐẤT SÉT VÀ TRO BAY Chuyên ngành: VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU XÂY DỰNG Mã số: 605880 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2013 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ LÊ ANH TUẤN Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA XÂY DỰNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Huỳnh Hoàng Min MSHV: 10190718 Ngày, tháng, năm sinh: 19 tháng 09 năm 1987 Nơi sinh: Sóc Trăng Chuyên ngành: Vật liệu Công nghệ sản xuất Vật liệu xây dựng Mã số: 605880 I TÊN ĐỀ TÀI: SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG HẠT SÉT ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU GEOPOLYMER TỔNG HỢP TỪ ĐẤT SÉT VÀ TRO BAY II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đề tài nghiên cứu vật liệu geopolymer đất sét tro bay Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố tỉ lệ Tro bay/Đất, Dung dịch hoạt hóa/Tro bay, tỉ lệ thành phần dung dịch hoạt hóa đến cường độ vật liệu tạo thành Mặt khác, Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng hạt sét đến cường độ vật liệu geopolymer đất, từ đề xuất hướng nghiên cứu vật liệu gạch đất sét khơng nung giúp giảm nguồn khí thải ngành sản xuất gạch, tận dụng nguồn vật liệu thải tro bay góp phần bảo vệ xây dựng mơi trường bền vững Nội dung đề tài gồm Chương cụ thể sau: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu vật liệu tổng hợp geopolymer Chương 2: Hệ nguyên vật liệu sở khoa học làm tảng chế tạo geopolymer đất tro bay Chương 3: Đặc tính kỹ thuật nguyên vật liệu sử dụng thiết kế thành phần hỗn hợp Chương 4: Thực nghiệm đánh giá kết Chương 5: Kết luận hướng phát triển đề tài III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21 tháng 01 năm 2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21 tháng 06 năm 2013 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Lê Anh Tuấn – Phó trưởng khoa Kỹ thuật Xây dựng, ĐH Bách khoa HCM Tp HCM, ngày tháng năm 20 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TRƯỞNG KHOA LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập, nghiên cứu thực luận văn tập thể thầy cô môn Vật liệu Xây dựng – khoa Kỹ thuật xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy, hướng dẫn, bổ sung thêm cho nhiều kiến thức chuyên sâu chuyên môn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, quý thầy cô Bộ môn môn Vật liệu Xây dựng – khoa Kỹ thuật xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi q trình học tập hồn thành luận văn Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc nhất, xin cảm ơn Tiến sĩ LÊ ANH TUẤN tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu cần thiết, truyền đạt thông tin quý báu động viên tơi hồn thành tốt luận văn Ngồi ra, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô hội đồng bảo vệ luận văn có góp ý, điều chỉnh giúp tơi hồn thiện luận văn Đặc biệt, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình dành điều tốt giúp tơi có điều kiện để hồn thành q trình học tập Bên cạnh đó, tơi xin chân thành cám ơn bạn đồng nghiệp, bạn học lớp nhiệt tình giúp đỡ để tơi hoàn thành luận văn Mặc dù cố gắng q trình thực luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận góp ý q thầy bạn bè Trân trọng cảm ơn! Học viên Huỳnh Hoàng Min LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn cơng trình nghiên cứu thân tơi, thực hướng dẫn khoa học Tiến Sĩ Lê Anh Tuấn, số liệu nêu Luận văn trung thực Những kiến nghị đề xuất Luận văn không chép tác giả Học viên Huỳnh Hồng Min Tóm tắt Đất sét loại vật liệu aluminosilicate với thành phần chủ yếu oxit silic oxit alumin, ứng dụng nhiều để chế tạo sản phẩm phục vụ cho ngành xây dựng Đề tài nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ geopolymer với thành phần ngun liệu đất sét chất xúc tác kích hoạt để tạo loại vật liệu thân thiện với môi trường Chất xúc tác sử dụng dung dịch kiềm (NaOH), nước thủy tinh lỏng( Na2SiO3) tro bay Mẫu tạo thành bảo dưỡng sấy nhiều mức nhiệt độ khác 60, 80, 100 120 độ C Kết cho thấy cường độ geopolymer đất phụ thuộc vào điều kiện dưỡng hộ, hàm lượng dung dịch hoạt hóa, đặc biệt hàm lượng hạt sét vật liệu đạt giá trị ổn định hàm lượng hạt sét từ 10.29 – 15.12% (khối lượng) Vật liệu geopolymer đất dùng thay cho số vật liệu ngành xây dựng gạch đất sét nung số vật dụng gốm thông thường Abstract Soil is known as green material with low carbon dioxide production emissions in comparison with another building material In this research, soil combined to activator alkaline to produce hardening materials as ecofriendly to the environment The alkaline with sodium hydroxide, sodium silicate and fly ash are used Curing temperature ranging from 60, to 120 degrees Celsius and curing time from to 12 hours are investigated The results show the strength of geopolymer soil is depended on curing time, temperature and sodium hydroxide-sodium silicate ratio On the influence of clay content, soil is replaced by sand ranging from 20 to 60%, shows suitable clay which is from 10.29 – 15.12% by weight Trang MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỔNG HỢP GEOPOLYMER 1.1 Sự cần thiết đề tài nghiên cứu: 1.2 Lịch sử phát triển ngành công nghệ vật liệu Geopolymer đất: 10 1.2.1 Lịch sử phát triển ứng dụng công nghệ Geopolymer giới: 10 1.2.2 Tình hình ứng dụng cơng nghệ Geopolymer việt Nam: 13 1.3 Tổng quan tình hình sử dụng đất sét Việt Nam: 13 1.4 Tông quan nguyên vật liệu chế tạo Geopolymer đất: 15 1.4.1 Vật liệu Aluminosiliate: 15 1.4.2 Dung dịch đóng rắn: 16 1.4.3 Tro bay: 17 1.5 Mục tiêu đề tài: 19 1.6 Nhiệm vụ đề tài: 19 CHƯƠNG HỆ NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC LÀM NỀN TẢNG CHẾ TẠO GEOPOLYMER ĐẤT VÀ TRO BAY 21 2.1 Thành phần hóa học cấu trúc phân tử nguyên vật liệu tạo thành Geopolymer đất: 21 2.1.1 Đất sét làm gạch: 21 2.1.1.1 Thành phần hóa cấu trúc thành phần khoáng đất sét: 21 2.1.1.2 Biến tính khống sét: 26 2.1.1.3 Nguồn đất sét thực tế áp dụng: 27 2.1.2 Tro bay: 27 2.2 Cơ chế đóng rắn tro bay đất sét theo cơng nghệ Geopolymer: 29 2.2.1 Cơ sở hóa học công nghệ Geopolymer: 29 2.2.2 Cơ sở hóa học cơng nghệ Geopolymer đất tro bay: 33 2.2.2.1 Cơ chế hóa học cơng nghệ geopolymer tro bay: 33 2.2.2.2 Cơ chế hóa học công nghệ geopolymer đất sét: 35 Trang CHƯƠNG ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN HỖN HỢP 40 3.1 Đất sét: 40 3.2 Tro bay: 40 3.3 Dung dịch hoạt hóa: 41 3.4 Cát: 41 3.5 Nước nhào trộn: 42 3.6 Môi trường dưỡng hộ: 42 3.7 Thiết kế thành phần cấp phối: 42 3.8 Phương pháp tạo mẫu thí nghiệm: 43 3.8.1 Phương pháp tạo mẫu: 43 3.8.2 Phương pháp thí nghiệm: 43 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 46 4.1 Ảnh hưởng điều kiện dưỡng hộ đến cường độ vật liệu geopolymer đất cố định hàm lượng sét: 46 4.1.1 Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ: 46 4.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ dưỡng hộ: 48 4.2 Ảnh hưởng hàm lượng dung dịch hoạt hóa cố định hàm lượng hạt sét: 57 4.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ dưỡng hộ: 57 4.2.2 Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ: 59 4.3 Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch thành phần hàm lượng hạt sét không đổi: 65 4.4.1 Ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ nhiệt: 65 4.4.1.1 Trường hợp tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay = 0.3: 65 4.4.1.2 Trường hợp tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay = 0.4: 66 4.4.1.3 Trường hợp tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay = 0.5: 68 4.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ dưỡng hộ: 69 4.4.2.1 Trường hợp tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay = 0.3: 70 4.4.2.2 Trường hợp tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay = 0.4: 71 Trang 4.4.2.3 Trường hợp tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay = 0.5: 72 4.5 Ảnh hưởng hàm lượng Si cường độ vật liệu Geopolymer đất cố định hàm lượng hạt sét: 73 4.5.1 Ảnh hưởng hàm lượng Si dung dịch hoạt hóa: 73 4.5.2 Ảnh hưởng hàm lượng Si tro bay đất sét: 76 4.6 Ảnh hưởng hàm lượng hạt sét đến cường độ vật liệu Geopolymer đất: 82 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 85 5.1 Kết luận: 85 5.2 Hướng phát triển đóng góp đề tài: 86 CÁC BÀI NGHIÊN CỨU ĐƯỢC CÔNG BỐ 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 Trang DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG Bảng 1 Thành phần tro bay theo ASTM C618-94a 17 Bảng Sản lượng tro bay 18 Bảng Thành phần hạt đất sét 27 Bảng 2 Hàm lượng tích lũy đất sét 27 Bảng Thành phần hoá học tro bay Nhà máy nhiệt điện Phả Lại 28 Bảng Thành phần hoá học tro bay Nhà máy nhiệt điện Formosa 29 Bảng Thành phần vật lý tro bay [28] [34] 29 Bảng Thành phần hạt đất sét 40 Bảng Thành phần hóa học đất sét 40 Bảng 3 Thành phần hóa học tro bay 41 Bảng Tổng hợp tính chất vật lý tro bay 41 Bảng Cấp phối thí nghiệm ảnh hưởng hàm lượng sét đến cường độ geopolymer đất 43 Bảng Kết thí nghiệm thay đổi thời gian dưỡng hộ 46 Bảng Kết thí nghiệm thay đổi nhiệt độ dưỡng hộ 48 Bảng Mối quan hệ cường độ chịu nén nhiệt độ dưỡng hộ 50 Bảng 4 Kết thí nghiệm thay đổi hàm lượng dung dịch nhiệt độ dưỡng hộ 57 Bảng Kết thí nghiệm thay đổi hàm lượng dung dịch thời gian dưỡng hộ 59 Bảng Mối quan hệ cường độ chịu nén hàm lượng Si dung dịch 75 Bảng Hàm lượng Si đất tro bay 76 Bảng Mối quan hệ cường độ nén hàm lượng Si đất tro bay 77 Bảng Kết thí nghiệm theo hàm lượng hạt sét 82 Bảng 10 Mối quan hệ hàm lượng hạt sét cường độ chịu nén 84 Trang 77 10.00 Cường độ chịu nén (MPa) 9.00 8.00 8.83 A1: y = -6398.8x2 + 4105.8x - 649.59 R² = 8.22 7.82 DD/Tro=0.3 (A3) DD/Tro=0.5 (A1) DD/Tro=0.4 (A2) 7.24 6.90 7.00 5.82 6.00 5.00 4.95 A2: y = -7928.1x2 + 5117.7x - 817.97 R² = 3.00 3.72 4.33 4.00 A3: y = -3425.7x2 + 2183.9x - 343 R² = 0.9631 2.00 32.40% 32.60% 32.80% 33.00% 33.20% 33.40% 33.60% 33.80% 34.00% Hàm lượng Si (%) Hình 22 Mối quan hệ hàm lượng Si (%) đất tro bay với cường độ chịu nén tỉ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit = 1.0 Dựa vào biểu đồ hình 4.23, Tương tự mối quan hệ hàm lượng Si dung dịch, hàm lượng Si đất sét tro bay có mối quan hệ với cường độ chịu nén đường cong bậc hai Từ đồ thị đường cong thu ta nội suy hàm lượng Si thích hợp để giúp mẫu có cường độ lớn Bảng Mối quan hệ cường độ nén hàm lượng Si đất tro bay Tỉ lệ Dung Mối quan hệ cường độ nén dịch/Tro hàm lượng Si đất tro bay bay 0.5 y = -6398.8x2 + 4105.8x - 649.59 Hàm lượng Si thích hợp (%) Cường độ đạt (Mpa) 32.08 9.03 0.4 y = -7928.1x2 + 5117.7x - 817.97 32.26 7.92 0.3 y = -3425.7x2 + 2183.9x - 343 31.86 5.06 Như với chủng loại đất sét tro bay dùng cho nghiên cứu, tổng hàm lượng Si có tro bay đất hợp lý nội suy từ bảng 4.8, giá trị hàm lượng Si từ 31.86% đến 32.08% giúp cho mẫu có cường độ tốt tương ứng với tỉ lệ Trang 78 Để thấy rõ ảnh hưởng hàm lượng Si vật liệu geopolymer đất ảnh hưởng nào, ta tiến hành phương pháp phân tích XRD Hình 23 Mơ hình nhiễu xạ XRD geopolymer đất Quan sát đối chiếu kết XRD thu với nghiên cứu trước đó, ta thấy rõ có tương đồng góc hiển thị, chứng tỏ vật liệu tạo thành hình thành cấu trúc geopolymer đất sét tro bay Năm 2000, luận án tiến sĩ mình, Hua Xu tiến hành khảo sát cường độ nén tất 15 vật liệu Aluminosiliate nhằm tìm cấp phối chủng loại vật liệu để mang lại tính chất cường độ lớn cho mẫu sau trải qua trình geopolymer hóa Nghiên cứu khẳng định diện khung silicat nhiều cấu trúc khác geopolymer [18] Sự diện thể rõ qua phương pháp chụp nhiễu xạ tia X (XRD) hình 4.24 Trang 79 (c) Hình 24 Mơ hình nhiễu xạ XRD geopolymer hình thành kaolinite stilbite (Hua Xu and Van Deventer, 2000) [18] Ngoài nhiều nghiên cứu vật liệu geopolymer, J.G.S van Jaarsveld J.S.J van Deventer (2002) dùng phương pháp phân tích XRD để Trang 80 chứng minh diện trình geopolymer hóa vật liệu khống sét tro bay Điển hình nghiên cứu sau: Hình 25 Mơ hình XRD thể ảnh hưởng hàm lượng khoáng sét đến geopolymer đất tác dụng dung dịch Sodium Hydroxit [21] Hình 26 Mơ hình XRD thể ảnh hưởng nhiệt độ bảo dưỡng đến vật liệu geopolymer đất [21] Ngoài ra, từ kết thu ta thấy số góc hiển thị có khống vật khác hình thành, nhiên cần tiến hành nghiên cứu sâu kết luận xác điều Các khống vật khác ghi nhận phương pháp SEM chưa thể kết luận rõ, cần thêm nhiều thời gian để nghiên cứu xác định vấn đề Quan sát bề mặt khác vật liệu tỉ lệ lớn 1:10.000, ta thấy rõ cấu trúc vi hạt tinh thể hydrosodalite đóng rắn Q trình geopolymer xảy Trang 81 chưa hồn tồn khơng đồng khối mẫu nên ta thấy hạt liên kết chưa hoàn chỉnh Cấu trúc khoáng thành phần khác, chưa xác định rõ Hình 27 Cấu trúc SEM vi hạt geopolymer đất (TL 1:10000) Tóm lại, tiến hành geopolymer hóa hệ nguyên liệu đất sét tro bay theo công nghệ geopolymer ta thu kết hệ vật liệu mới, có cấu trúc bền hơn, cấu trúc tạo thành gồm zeolite, gel geopolymer bao bọc đóng rắn với zeolite, vi hạt tro bay phản ứng với dung dịch kiềm Các hệ cấu trúc trộn lẫn với nhau, hình thành khối với hình dạng khơng xác định rõ ràng Tuy nhiên, khối liên kết rắn với nhau, không tạo lỗ rỗng giúp vật liệu đạt cường độ tốt Dưới tác dụng chủ quan yếu tố thành phần điều kiện dưỡng hộ, hàm lượng dung dịch hoạt, tỉ lệ thành phần dung dịch hoạt hóa vật liệu geopolymer chịu ảnh hưởng đáng kể trình bày Xét thêm yếu tố quan trọng hệ nguyên liệu chuẩn bị nghiền mịn sẵn, tức toàn nguyên liệu đất tham gia phản ứng dạng cát, bụi sét Với thí nghiệm trên, cố định hàm lượng sét giá trị định ta thấy rõ ảnh hưởng điều kiện khác Vấn đề đặt thay đổi hàm lượng hạt sét cường độ vật liệu tạo thành có thay đổi theo hay cố định Đồng thời, giá trị hàm lượng sét hợp lý nhất, ta tiến hành nghiên cứu phần sau Trang 82 4.6 Ảnh hưởng hàm lượng hạt sét đến cường độ vật liệu Geopolymer đất: Để khảo sát ảnh hưởng hàm lượng hạt sét đến cường độ mẫu geopolymer đất, ta tiến hành khảo sát với cấp phối có hàm lượng sét giảm dần, lượng giảm thay cát Tỉ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit thay đổi 0.5, 1.0 2.0 Các mẫu thí nghiệm bảo dưỡng với thời gian dưỡng hộ 12 nhiệt độ dưỡng hộ 1200C Kết thí nghiệm trình bày bảng 4.9 Bảng Kết thí nghiệm theo hàm lượng hạt sét Tên cấp phối CP1 CP2 CP3 CP4 CP5 CP6 CP7 CP8 CP9 CP10 CP11 CP12 Thành phần nguyên vật liệu Tro Hàm lượng Cát Sodium bay sét (%) (%) Silicat (%) 39.87 10 39.87 10 39.87 10 31.01 20 10 31.01 20 10 31.01 20 10 22.15 40 10 22.15 40 10 22.15 40 10 13.29 60 10 13.29 60 10 13.29 60 10 Sodium Hydroxit Kết nén (Mpa) 1 1 1 4.7 5.3 4.8 5.9 5.9 6.2 7.1 6.3 6.7 7.2 6.5 7.0 Dữ liệu bảng 4.9 thể qua đồ thị hình 4.28 bên Ta thấy cường độ chịu nén giảm dần hàm lượng hạt sét tăng dần Khi hàm lượng hạt sét tăng lượng khoáng sét sét tăng theo, lượng khoáng sét phản ứng với dung dịch hoạt hóa tinh thể hình thành xen kẽ vào cấu trúc vơ định hình geopolymer Do liên kết tinh thể tạo thành bền cấu trúc vơ định hình geopolymer nên cấu trúc toàn vật liệu bị ảnh hưởng, kết cường độ giảm dần Trang 83 8.0 7.2 7.0 6.5 Cường độ chịu nén (Mpa) 7.0 6.0 7.1 6.7 6.2 6.3 C1: y = -0.0035x2 + 0.1061x + 6.1737 R² = 0.9914 5.0 5.9 C2: y = -0.0038x2 + 0.1023x + 6.5679 R² = 0.9866 4.0 5.9 5.3 4.8 4.7 C3: y = -0.0014x2 + 0.0288x + 6.3658 R² = 0.9989 3.0 (C2) SodiumSilicat/SodiumHydroxit=1.0 (C1) SodiumSilicat/SodiumHydroxit=0.5 (C3) SodiumSilicat/SodiumHydroxit=2.0 2.0 1.0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 Hàm lượng hạt sét (%) Hình 28 Biểu đồ thể mối quan hệ hàm lượng hạt sét đến cường độ geopolymer đất sau bảo dưỡng sấy 12 với nhiệt độ 1200C Khi cấp phối thay đổi hàm lượng hạt sét giảm từ 39.87% xuống 13.29% cường độ vật liệu có xu hướng tăng Với tỉ lệ dung dịch thành phần SodiumSilicat/SodiumHydroxit = 1.0 Trong đó, tỉ lệ hàm lượng sét giảm từ 39.87% xuống 13.29% cường độ chịu nén tăng gần 55% từ 4.7Mpa (CP1) lên 7.2Mpa (CP10) Tương tự tỉ lệ dung dịch thành phần 0.5 cường độ chịu nén tăng gần 46% từ 4.8Mpa (CP3) lên 7.0Mpa (CP12) Ở tỉ lệ dung dịch thành phần 2.0 cường độ chịu nén tăng 24% từ 5.3Mpa (CP2) lên 6.5Mpa (CP11) Tốc độ phát triển cường độ cấp phối CP1, CP4, CP7 CP10 với tỉ lệ dung dịch thành phần hàm lượng sét giảm dần khác Khi hàm lượng hạt sét nhiều tốc độ giảm cường độ nhanh Đồ thị biểu đồ thu có dạng hàm số bậc hai, tổng hợp qua bảng bên Trang 84 Bảng 10 Mối quan hệ hàm lượng hạt sét cường độ chịu nén Tỉ lệ Dung dịch thành phần 0.5 1.0 2.0 Mối quan hệ cường độ nén hàm lượng hạt sét Hàm lượng sét thích hợp (%) Cường độ đạt (Mpa) y = -0.0035x2 + 0.1061x + 6.1737 15.12 6.977782 13.46 7.256406 10.29 y = -0.0038x + 0.1023x + 6.5679 y = -0.0014x + 0.0288x + 6.3658 6.513914 Qua kết thu bảng 4.10, ta thấy ứng với thời gian sấy 12 giờ, nhiệt độ bảo dưỡng 1200C , ba tỉ lệ thành phần dung dịch 0.5, 1.0 2.0 kết nén đạt giá trị tốt hàm lượng hạt sét dao động từ 10.29% đến 15.12% Hàm lượng hạt sét thành phần cấp phối đóng vai trị quan trọng định đến cường độ vật liệu tạo thành Để tăng tính chất cường độ vật liệu geopolymer đất, ta thấy có nhiều phương án điều chỉnh điều kiện dưỡng hộ, tăng giảm hàm lượng dung dịch tỉ lệ thành phần dung dịch, nhiên ta cịn có phương án đơn giản trộn thêm cát (đóng vai trị chất trơ) vào để tăng giảm hàm lượng hạt sét cho phù hợp thay đổi tính chất cường độ vật liệu Khoảng dao động hàm lượng hạt sét 10.2% đến 15.12% lớn, đề tài nghiên cứu tiếp tục khảo sát hàm lượng cho kết xác hơn, biên độ hàm lượng sét dao động nhỏ Trang 85 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận: Đề tài nghiên cứu chế tạo vật liệu đất công nghệ geopolymer khơng sử dụng chất kết dính ximang, tận dụng phế thải công nghiệp nhiệt điện, áp dụng công nghệ đóng rắn geopolymer tro bay geopolymer đất để tạo thành vật liệu geopolymer mới, kết hợp cấu trúc đóng rắn tro bay đất sét, gọi tắt công nghệ geopolymer đất kết thực nghiệm sau: Khi nhào trộn đất với hàm lượng phế thải tro bay 20%, sử dụng dung dịch hoạt hóa bảo dưỡng nhiệt độ 600C cường độ đạt từ 2.45- 5.3 Mpa Bằng cách gia tăng thời gian dưỡng hộ cho q trình geopolymer hóa lên 12 vật liệu đất geopolymer tăng cường độ lên 90% Khi sử dụng biện pháp tăng nhiệt độ hoạt hóa geopolymer lên 1200C cường độ đất gia cố tăng thêm đến 70% Khi cấp phối gia tăng hàm lượng tro bay thành phần nguyên liệu lên đến 40% khối lượng điều kiện hoạt hóa dung dịch sử dụng cường độ gia tăng khoảng 20% Cường độ cấp phối đạt đến 17 Mpa Nghiên cứu cho thấy, ảnh hưởng chất kết dính tro bay sử dụng đóng vai trị khơng quan trọng điều kiện dưỡng hộ (bao gồm thời gian dưỡng hộ nhiệt độ dưỡng hộ) để trình phản ứng trùng ngưng xảy Do đó, cải thiện tính chất vật liệu đất cách thay đổi điều kiện hoạt hóa Khi thay đổi tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay phế thải từ 0,3 đến 0,5 cường độ thay đổi đến 60% giá trị Điều cho thấy, dung dịch hoạt hóa nhiều q trình phản ứng tạo chuỗi vật liệu đất tốt, cường độ tăng Khi dung dịch hoạt hóa sử dụng tỷ lệ Sodium silicat – Sodium hydroxyt 0,5 đến cho kết thực nghiệm giá trị tối ưu tỷ lệ 1:1 Điều cho thấy, vật liệu đất geopolymer diễn q trình hoạt hóa dung dịch hoạt hóa tạo điều Trang 86 kiện cho q trình tạo chuỗi polymer O-Si-O, nhiên tỷ lệ Sodium silicat – Sodium hydroxyt phải vừa đủ để trình diễn hoàn chỉnh Ngoài ra, hàm lượng hạt sét đất sét cịn có tác dụng ảnh hưởng lớn đến cường độ geopolymer đất Thực nghiệm cho thấy, hàm lượng hạt sét cấp phối geopolymer đất chiếm khoảng 10.29 – 15.12% tốt Hàm lượng sét nhiều không mang lại hiệu kỹ thuật hiệu kinh tế cao Quá trình geopolymer diễn vật liệu đất phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ, thời gian gia công nhiệt, hàm lượng chất kết dính, dung dịch hoạt hóa thành phần dung dịch Bằng cách thay đổi trình hoạt hóa thay đổi tính chất cường độ vật liệu đất Q trình hoạt hóa vật liệu geopolymer đất diễn theo hai trình, hoạt hóa tro bay dung dịch, hoạt hóa thành phần Si đất dung dịch Sự kết hợp hai trình giúp đất có tính chất tốt trước xử lý Cấu trúc geopolymer đất trộn lẫn phối hợp cấu trúc sau: cấu trúc zeolite, cấu trúc gel geopolymer đóng rắn bao bọc xung quanh tinh thể zeolite, cấu trúc vi hạt tro bay geopolymer hóa Các cấu trúc tạo thành khối có hình dạng khơng xác định liên kết chặc chẽ nhau, tạo thành vật liệu có cường độ tính chất tốt nhiều so với hệ nguyên vật liệu ban đầu 5.2 Hướng phát triển đóng góp đề tài: - Nghiên cứu vận dụng cấp phối nguyên lý geopolymer đất để cải tạo lại trình sản xuất gạch đất sét Nguồn vật liệu chế tạo tận dụng nguồn nguyên vật liệu sẵn có: đất sét làm gạch, tro bay (chất thải công nghiệp nhiệt điện), dung dịch kiềm đơn giản Quá trình chế tạo geopolymer đất khơng qua q trình nung nên tiết kiệm nhiều chi phí cho dây chuyền làm gạch đất sét Công nghệ vừa mang lại hiệu kinh tế, vừa giúp cải thiện môi trường ngày tốt - Nghiên cứu biện pháp thi công, cải tạo cường độ vật liệu làm từ đất sét không nung - Mở rộng nghiên cứu với chủng loại đất nhiều nơi, tổng hợp đưa kết luận chung geopolymer đất Trang 87 Đề tài mở nhiều hướng nghiên cứu vật liệu geopolymer đất, mở rộng nhiều ngành công nghiệp sản xuất tượng đất sét, gạch đất sét không nung Nếu tiến hành nghiên cứu sâu hơn, khảo sát rõ trình hoạt hóa geopolymer đất đến tính chất mẫu tạo thành ta hóa đá đất sét cơng nghệ geopolymer, từ mở thêm nhiều hướng chế tạo loại vật liệu xây dựng mới, phù hợp thân thiện với môi trường Trang 88 CÁC BÀI NGHIÊN CỨU ĐƯỢC CÔNG BỐ Kwon Hyugmoon, Huynh Hoang Min, Nguyen Van Chanh, Le Anh Tuan, Influence of Curing Condition and Clay Content on Strength of Geopolymer Soils, , Advanced Materials Research Vol 772 (2013) pp 858-862 Huynh Hoang Min, Le Anh Tuan, Luu Xuan Loc, Green material: Geopolymer soil, Proceeding of the 3rd Vietnam-Japan Joint Seminar on Geohazards and Environmental Issues, Paper No.S3-5 Trang 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 3-D Reservoir Characterization of the House Creek Oil Field, Powder River Basin, Wyoming., U.S Geological survey digital data series DDS-33 Diễn đàn nghiên cứu phát triển VLXD - tập san 6/2010 Nguồn http://www.smianalytical.com/clay-analysis.html Nguồn http://www.intechopen.com/source/html/19392/media/image3.png PROVIS J.L et al (2008), Valorisation of fly ash by Geopolymerisation, Global NEST Journal, 11 Bakri (2010), Review on fly ash-based geopolymer concrete without Portland Cement, Journal of Engineering and Technology Research Vol ASTM C618-94a (1994), Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan Use as A Mineral Admixture in Portland Cement Concrete H Kamarudin C.Y Heah, A.M Mustafa Al Bakri (2012), Study on solids-to-liquid and alkaline activator ratios on kaolin-based geopolymers, Construction and Building Materials, số 35, tr 912–922 Nguyễn Văn Chánh (2008), Recent Research Geopolymer Concrete The 3rd ACF International Conference-ACF/VCA, số A.18 10 Nguyễn Văn Chánh (2009), Tận dụng phế thải bùn đỏ từ quặng bô xít để sản xuất gạch đất sét khơng nung nhiệt độ thấp, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh 11 T.W Cheng and J.P Chiu (2003), Fire-resistant geopolymer produced by granulated blast furnace slag, Minerals Engeneering, tr 205-210 12 J Davidovits (1991), Geopolymers - Inorganic polymeric new materials, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, tr 1633 - 1656 13 J Davidovits (2011), Geopolymer Chemistry and Applications, Saint-Quentin, France, Geopolymer Institute, 612 page 14 J Davidovits, Davidovits, R., and James, C (1999), The Proceeding of Geopolymer 99, 2nd International Conference on geopolymers, tr 368 15 Joseph Davidovits (1994), Properties of geopolymer cement, Proceding first International conference on Akaline cements and concretes, tr 131-149 16 Prof Dr Joseph Davidovits (2002), 30 Years of Successes and Failures in Geopolymer Applications, Market Trends and Potential Breakthroughs, Geopolymer 2002 Conference Trang 90 17 H Xu and J.S.J van Deventer (2002), Geopolymerisation of multiple minerals, Minerals Engeneering, tr 1131-1139 18 H Xu and J.S.J van Deventer (2000), The geopolymerisation of alumino-silicate minerals, International Journal of Mineral Processing 19 H Xu and J.S.J van Deventer (2002), Microstructural characterisation of geopolymers synthesised from kaolinite/stilbite mixtures using XRD, MAS-NMR, SEM/EDX, TEM/EDX and HREM, Cement and Concrete Research 32, tr 17051716 20 H Xu and J.S.J van Deventer (2003), The effect of alkali metals on the formation of geopolymeric gels from akali-feldspars, Colloids and Surfaces, số A Physicochemical and Engineering Aspects, tr 27-44 21 J.G.S van Jaarsveld and J.S.J van Deventer (2002), The effect of composition and temperature on the properties of fly ash- and kaolinite-based geopolymers, Chemical Engineering Journal, số 89(1-3) 22 M.Y Khalil and E.Merz (1994), Immobilization of intermediate - level wastes in geopolymers, Journal of Nuclear Materials, tr 141 -148 23 Qingyuan Liu Eric C Moloy, Alexandra Navrotsky (2006), Formation and hydration enthalpies of the hydrosodalite family of materials, Microporous and Mesoporous Materials, số 88(1-3) 24 A Fernandez-Jimenez (2005), Microstructure development of alkali-activated fly ash cement: a descriptive model, Cement and Concrete Research 35 25 D Hardjito (2005), Development and properties of low-calcium fly ash based geopolymer concrete, Curtin University of Technology Perth, Australia 26 J.S.J van Deventer J.G.S van Jarsveld (1999), The potential use of geopolymeric materials to immobilize toxic metal, Minerals Engeneering, tr 75-91 27 Lars Schomborg and Claus Henning Ruscher Josef-Christian Buhl (2012), "Hydrogen Storage", Enclosure of Sodium Tetrahydroborate (NaBH4) in Solidified Aluminosilicate Gels and Microporous Crystalline Solids for Fuel Processing 28 Phạm Huy Khang (2002), Tro bay Ứng dụng xây dựng đường ô tô sân bay điều kiện Vệt nam 29 Malhotra (2002), High-Performance High-Volume Fly Ash Concrete., ACI Concrete International 24 30 Phạm Duy Hữu Phùng Văn Lự, Phan Khắc Trí (2002), Vật liệu xây dựng(NXB Giáo Dục) 31 John L Provis (2009), Geopolymers: Structure, processing, properties and industrial applications Trang 91 32 Catherine Anne Rees (2007), Mechanisms and kinetics of gel formation in geopolymers, A thesis of the degree of Doctor of Philosophy, (Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The University of Melbourne) 33 Praha Skvara (2007), Alkali actived material - geopolymer 34 Bùi Đăng Trung (2008), Nghiên cứu chế tạo bê tông bền vững không sử dụng xi măng Portland, Luận văn Thạc sỹ, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, 103 trang 35 J.L Bel and M Gordon W.M.Kriven (2002), Microstruture and microchemistry of fully-reacted geopolymers and geopolymer matrix composites, Ceramic Transactions, số Advances in Ceramic Matrix Composites IX, tr 227-250 36 H Kamarudin and A.M Mustafa Al Bakri Y.M Liew (2011), Processing and characterization of calcined kaolin cement powder, Construction and Building Materials, số 30, tr 794-802 37 H Kamarudin and A.M Mustafa Al Bakri Y.M Liew (2012), Optimization of solids-to-liquid and alkali activator ratios of calcined kaolin geopolymeric powder, Construction and Building Materials 38 H Kamarudina Y.M Liewa , A.M Mustafa Al Bakri (2012), Processing and characterization of calcined kaolin cement powder, Construction and Building Materials, số 30, tr 794–802 39 Y S Zhang (2005), Hydration process of potassium polysialate geopolymer cement, Advances in Cement Research, số 17, tr 23-28 ... Vật liệu Công nghệ sản xuất Vật liệu xây dựng Mã số: 605880 I TÊN ĐỀ TÀI: SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG HẠT SÉT ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU GEOPOLYMER TỔNG HỢP TỪ ĐẤT SÉT VÀ TRO BAY II NHIỆM VỤ VÀ... vật liệu Geopolymer đất cố định hàm lượng hạt sét: 73 4.5.1 Ảnh hưởng hàm lượng Si dung dịch hoạt hóa: 73 4.5.2 Ảnh hưởng hàm lượng Si tro bay đất sét: 76 4.6 Ảnh hưởng hàm lượng. .. lý tính chất hỗn hợp geopolymer đất tro bay Thơng qua kết thí nghiệm đó, tiến hành đánh giá thiết kế hỗn hợp geopolymer đất tro bay Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng hạt sét, độ mịn đất sét ảnh hưởng