NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG KHÍ CHƯNG ÁP SỬ DỤNG PHỤ GIA TRO BAY

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG KHÍ CHƯNG ÁP SỬ DỤNG PHỤ GIA TRO BAY ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(92) 2015 85 NGHIÊN CỨU CƯỜNG ĐỘ VÀ VI CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU GEO[.]

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(92).2015 85 NGHIÊN CỨU CƯỜNG ĐỘ VÀ VI CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU GEOPOLYMER TỪ HỖN HỢP BÙN ĐỎ - TRO BAY STUDYING THE STRENGTH AND MICROSTRUCTURE OF GEOPOLYMER MATERIAL DERIVED FROM RED MUD – FLY ASH MIXTURE Nguyễn Văn Dũng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; nvdung@dut.udn.vn Tóm tắt - Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu chế tạo vật liệu geopolymer từ hỗn hợp bùn đỏ-tro bay, xác định cấp phối thích hợp ảnh hưởng thành phần bùn đỏ đến cường độ vi cấu trúc vật liệu Trong cấp phối có dùng thủy tinh lỏng chất hoạt hóa kiềm để thực q trình geopolymer hóa tạo nên vật liệu Vật liệu geopolymer đạt cường độ cao thành phần bùn đỏ phối liệu 15%, tương ứng với tỉ lệ bùn đỏ/tro bay 0,38; tỉ lệ mol Si/Al; Na2O/SiO2 H2O/Na2O tương ứng 2,39; 0,30 9,065 Ngoài ra, nghiên cứu xác định thành phần khống, đặc trưng liên kết hình thái bề mặt vật liệu nhờ thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ kế hồng ngoại (FT-IR) kính hiển vi điện tử quét (SEM) Kết cho thấy mẫu thí nghiệm vật liệu geopolymer từ bùn đỏ-tro bay đạt cường độ chịu nén từ 7,7 đến 18,7 MPa ứng với thành phần bùn đỏ cấp phối từ 40% đến 15% trọng lượng Abstract - This paper presents the results from a study of producing geopolymer derived from red mud–fly ash mixture, determining the appropriate mixture composition and the influence of red mud content on geopolymer microstructure and strength Liquid glass was used as alkaline activated material to perform geopolymerization process to create geopolymer The geopolymer material reached the highest strength when the red mud content was15%, the red mud/fly ash ratio was 0.38; the Si/Al, Na2O/SiO2 and H2O/Na2O molar ratio was 2.39, 0.30 and 9.065, respectively Furthermore, the study also determined mineral composition, bonded characteristics and surface morphology by means of X-ray diffraction (XRD), infrared spectroscopy (FT-IR) and scanning electron microscopy (SEM) The study results showed that experimented samples of materials from red mud-fly ash mixtures reached a compressive strength of 7.7 to 18.7 MPa with red mud content in mixtures from 40% to 15% by weight Từ khóa - Geopolymer; bùn đỏ; tro bay; thủy tinh lỏng; vi cấu trúc Key words - Geopolymer; red mud; fly ash; liquid glass; microstructure Đặt vấn đề Geopolymer hay cịn gọi polymer vơ nhà khoa học người Pháp Joseph Davidovits đặt tên năm 1970 [1] Vật liệu geopolymer có độ bền học, tính chất vật lý hóa học tốt nên có nhiều ứng dụng rộng rãi xây dựng, làm vật liệu lưu giữ chất thải nguy hại (ví dụ chất thải hạt nhân có độ phóng xạ thấp) v.v… Đây loại vật liệu xây dựng có tiềm thay cho vật liệu xây dựng truyền thống xi măng Portland [2, 3] Cơng thức thức hóa học chung vật liệu geopolymer biểu diễn sau: Mn[-(SiO2)z-AlO2]n.wH2O Trong M nguyên tố kiềm Na, K hay kiềm thổ Ca; n mức độ polymer hóa; z tỉ lệ Si/Al, 1, 2, lớn hơn, đến 300 [4] Phụ thuộc vào tỉ lệ Si/Al mà vật liệu geopolymer có tính chất khác Nếu Si/Al  vật liệu có xu hướng tạo thành mạng lưới không gian ba chiều với tính chất cứng dịn (như xi măng gốm), tỉ lệ Si/Al > có xu hướng tạo thành cấu trúc mạng lưới hai chiều hay sợi có tính dẻo hay kết dính Q trình geopolymer hóa chia thành bước sau đây: (1) Q trình hịa tan pha aluminosilicate vơ định hình để chuyển thành ơxit silic ơxit nhơm có khả tham gia phản ứng; (2) Quá trình vận chuyển, định hướng ngưng tụ ion Si4+, Al3+ bị hòa tan thành monomer; (3) Phản ứng đa trùng ngưng để hình thành polymer aluminosilicate dạng vơ định hình hay nửa tinh thể [5] Nguyên liệu để chế tạo geopolymer gồm hai thành phần nguyên liệu aluminosilicate để cung cấp nguồn Si Al cho trình geopolymer hóa chất hoạt hóa kiềm Chất hoạt hóa kiềm phổ biến dung dịch NaOH, KOH thủy tinh lỏng natri silicat nhằm tạo môi trường kiềm thực phản ứng geopolymer hóa Bất loại nguyên liệu chứa phần lớn ôxit silic hay ơxit nhơm vơ định hình có tiềm trở thành nguyên liệu để sản xuất vật liệu geopolymer Trên thực tế, số lớn khoáng phụ phẩm công nghiệp nghiên cứu làm nguyên liệu cho sản xuất geopolymer, chẳng hạn puzơlan [6], khoáng aluminosilicate thiên nhiên, meta cao lanh, tro bay, xỉ lò cao, hỗn hợp tro bay cao lanh tro bay meta cao lanh, hỗn hợp tro bay bùn đỏ [7] Loại nguyên liệu có vai trị lớn phản ứng geopolymer hóa, định thành phần hóa vi cấu trúc sản phẩm cuối Nguyên liệu khác có tỉ lệ mol Si/Al, thành phần pha vơ định hình, pha tinh thể khơng phản ứng, độ hịa tan, khả phản ứng với dung dịch kiềm khác [2] Nguyên liệu khác yêu cầu điều kiện dưỡng hộ khác để sản phẩm đạt cường độ cao Nội dung báo nghiên cứu chế tạo vật liệu geopolymer từ hỗn hợp bùn đỏ tro bay, ứng dụng làm gạch không nung xây dựng Bùn đỏ chất thải từ trình sản xuất ơxit nhơm từ bauxite theo phương pháp Bayer, có độ kiềm cao [7] Tro bay chất thải từ q trình đốt than cám nhà máy nhiệt điện chạy than đá [8] Bùn đỏ tro bay chất thải với lượng lớn tiềm ẩn mối đe dọa nghiêm trọng đến môi trường sinh thái Với nghiên cứu chế tạo vật liệu xây dựng không nung từ bùn đỏ tro bay hy vọng mở hướng khả thi việc giảm giá thành vật liệu xây dựng, tạo tác động tốt với môi trường, tạo điều Nguyễn Văn Dũng 86 kiện cho trình sản xuất xanh phát triển bền vững Thực nghiệm 2.1 Nguyên liệu Chúng sử dụng tro bay nhà máy nhiệt điện đốt than Formosa (Đồng Nai) để cung cấp nguồn Si Al cho trình chế tạo vật liệu geopolymer Bùn đỏ dạng huyền phù lỏng nhà máy hóa chất Tân Bình, thành phố Hồ Chí Minh cung cấp Thủy tinh lỏng cung cấp Cơng ty cổ phần hóa chất Đà Nẵng, sử dụng mua từ thị trường.Thủy tinh lỏng có thành phần hóa sau: SiO2: 26,3%; Na2O: 20%; H2O: 53,7%; trọng lượng riêng ρv = 1,48 g/cm3 (phân tích Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3, Đà Nẵng) 2.2 .Quy trình chế tạo Bùn đỏ sấy tự nhiên sau sấy đến khơ tủ sấy, tiếp tục nghiền máy nghiền bi đến cỡ hạt nhỏ 0,5 mm Phối liệu gồm bùn đỏ, tro bay thủy tinh lỏng trộn chung thời gian từ đến phút để đạt độ đồng nhất, sau tạo hình khn hình trụ có đường kính cm, chiều cao cm [2] Sau ngày, tháo khuôn dưỡng hộ mẫu môi trường khơng khí nhiệt độ phịng để vật liệu tiếp tục phát triển cường độ Trong q trình đóng rắn dưỡng hộ, mẫu bọc màng nhựa để tránh trình nước nhanh Để bảo đảm tính lặp lại kết quả, cấp phối chuẩn bị mẫu với điều kiện thí nghiệm 2.3 Phương pháp xác định tính chất vật liệu geopolymer Mẫu (hình trụ đường kính cm, chiều cao cm) xác định cường độ chịu nén thời điểm 14 ngày dưỡng hộ máy nén Shimadzu Phịng thí nghiệm Cơng nghệ Vật liệu, khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Sau mẫu tiếp tục nghiên cứu thành phần khống, đặc trưng liên kết hình thái bề mặt nhờ thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ kế hồng ngoại (FT-IR) kính hiển vi điện tử quét (SEM) Kết thảo luận 3.1 Xác định đặc trưng tro bay Thành phần hóa tro bay Formosa xác định máy XRF Viện Cơng nghệ gốm sứ Tập đồn Prime, Vĩnh Phúc; độ mịn tro bay xác định qua phân tích sàng Kết thí nghiệm thể qua Bảng Bảng Thành phần hóa độ mịn tro bay Formosa Đồng Nai (% trọng lượng) Mất nung SiO2 Fe2O3 Al2O3 SO3 8,43 42,40 5,63 22,46 2,57 Lượng sót sàng 0,063 0,045 mm mm 1,72 5,91 Như tro bay Formosa thuộc loại F (tổng hàm lượng SiO2+Al2O3+Fe2O3>70% trọng lượng) mịn 3.2 Xác định đặc trưng bùn đỏ Bùn đỏ dạng huyền phù xác định thành phần hóa, độ mịn, độ ẩm độ pH Kết cho Bảng Bảng Thành phần hóa, độ mịn (% trọng lượng) số tính chất bùn đỏ Fe2O3 Al2O3 SiO2 Na2O CaO TiO2 Độ ẩm (%) pH 71,30 9,73 3,54 0,32 3,25 7,97 80,2 12,3 Bảng Thành phần cấp phối geopolymer (% trọng lượng), tỉ lệ bùn đỏ/tro bay cường độ chịu nén (σn) mẫu thí nghiệm (MPa) Cấp phối Bùn đỏ Tro bay Thủy tinh lỏng M0 50 21,3 NaOH H2O 3,6 25,1 Tỉ lệ bùn σn đỏ/tro bay 18,5 0,045 mm 2,14 3,79 M15 15 40 20,8 24,2 0,38 18,7 M20 20 35 20,8 24,2 0,57 16,9 M25 25 30 20,8 24,2 0,83 14,9 M35 35 20 20,8 24,2 1,75 14,3 M40 40 15 20,8 24,2 2,67 7,7 20 Cường độ chịu nén (MPa) 3.3 Cấp phối cường độ vật liệu geopolymer Vật liệu geopolymer chế tạo với cấp phối có thành phần bùn đỏ tăng dần từ 0% đến 40%, tro bay giảm dần từ 50% đến15%, thủy tinh lỏng (tính theo trọng lượng khơ) giảm từ 21,3% đến 20,8%, NaOH khan giảm từ 3,6% đến 0%, nước giảm từ 25,1% đến 24,2% trọng lượng Cấp phối M0 dùng tro bay mà khơng có bùn đỏ, nên cần phải thêm dung dịch NaOH để tăng cường khả hoạt hóa kiềm Cường độ nén mẫu thí nghiệm sau dưỡng hộ 14 ngày đạt từ 7,7 đến 18,7 MPa Thành phần cấp phối, tỉ lệ trọng lượng bùn đỏ/tro bay cấp phối cường độ mẫu thí nghiệm cho Bảng Sự phụ thuộc cường độ chịu nén vật liệu geopolymer vào thành phần bùn đỏ cấp phối thể đồ thị Hình Lượng sót sàng 0,063 mm 15 10 0 20 40 60 Thành phần bùn đỏ (% trọng lượng) Hình Sự phụ thuộc cường độ chịu nén vật liệu vào thành phần bùn đỏ cấp phối ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(92).2015 Kết cho thấy tăng thành phần bùn đỏ cấp phối đến 15% cường độ chịu nén vật liệu tăng nhẹ so với cấp phối khơng có bùn đỏ (đạt 18,7 MPa) Tuy nhiên, tiếp tục tăng thành phần bùn đỏ lên nữa, tức tăng tỉ lệ bùn đỏ/tro bay, cường độ vật liệu lại giảm xuống Tỉ lệ mol Si/Al, Na2O/SiO2, H2O/Na2O cấp phối geopolymer chế tạo cho Bảng Bảng Tỉ lệ mol Si/Al, Na2O/SiO2, H2O/Na2O cấp phối geopolymer Cấp phối Tỉ lệ mol Si/Al Tỉ lệ mol Na2O/SiO2 Tỉ lệ mol H2O/Na2O M0 2,54 0,28 9,066 M15 2,39 0,30 9,065 M20 2,37 0,33 9,062 M25 2,36 0,35 9,061 M35 2,32 0,41 9,059 M40 2,29 0,45 8,926 Kết Bảng cho thấy cấp phối geopolymer M15 (đạt cường độ chịu nén tối đa 18,7 MPa) có tỉ lệ mol Si/Al 2,39; tỉ lệ mol Na2O/SiO2 0,30; tỉ lệ mol H2O/Na2O 9,065 Nếu tăng tỉ lệ bùn đỏ/tro bay cấp phối, tức giảm tỉ lệ mol Si/Al H2O/Na2O; tăng tỉ lệ mol Na2O/SiO2 cường độ vật liệu geopolymer giảm xuống 87 Hình 3a, mẫu M25 thể Hình 3b Hình thái bề mặt mẫu M15 (thành phần bùn đỏ cấp phối 15%) cho thấy vật liệu tạo nên chủ yếu từ pha vơ định hình liên tục, có lỗ xốp Các tinh thể hạt tinh thể khơng thể rõ ràng, bị vơ định hình che khuất Trên ảnh khơng cịn nhìn thấy cấu trúc hạt tròn đặc trưng nguyên liệu đầu tro bay, chứng tỏ trình phản ứng geopolymer hóa diễn tốt Kết phù hợp với phân tích XRD vật liệu có cấu trúc vơ định hình đến nửa tinh thể a Như vật liệu geopolymer từ hỗn hợp bùn đỏ-tro bay đạt cường độ cao thành phần bùn đỏ phối liệu 15%, tương ứng với tỉ lệ bùn đỏ/tro bay 0,38; tỉ lệ mol Si/Al; Na2O/SiO2 H2O/Na2O tương ứng 2,39;0,30 9,065 3.4 Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) Để phân tích định tính bán định lượng khống vật liệu geopolymer, sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) với góc nhiễu xạ 2θ= 6÷70o Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu geopolymer M15 Hình VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau Geopolymer GP4 d=3.349 200 190 180 160 150 140 d=16.660 170 130 110 100 d=1.3722 20 d=1.5401 30 d=1.4518 40 d=1.8172 50 d=2.5141 d=2.4498 d=4.496 60 d=4.255 70 d=2.2772 80 d=3.202 90 d=2.8473 Lin (Cps) 120 10 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Dung-KhoaHoa-Danang- Geopolymer GP4.raw- Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 2.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 04/20/12 17:47:12 46-1045 (*) - Quartz, syn - SiO2 - Y: 64.58 % - d xby: 1.000 - WL: 1.54056 41-1481 (I) - Anorthite, sodian, disordered - (Ca,Na)(Si,Al)4O8 - Y: 12.71 % - d xby: 1.000 - WL: 1.54056 47-1742 (*) - Liottite - (Na,Ca,K)24(Si,Al)36O72[SO4,Cl,F]10 - Y: 3.65 % - d xby: 1.000 - WL: 1.54056 35-0755 (*) - Gehlenite, syn - Ca2Al2SiO7 - Y: 7.26 % - d xby: 1.000 - WL: 1.54056 29-0855 (N) - Palygorskite - MgAlSi4O10(OH)·4H2O - Y: 5.25 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 45-1343 (I) - Anthophyllite - (Mg,Fe+2)7Si8O22(OH)2 - Y: 4.50 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 09-0438 (D) - Epidote - Ca2(Al,Fe)Al2Si3O12(OH) - Y: 2.18 % - d xby: 1.000 - WL: 1.54056 39-1346 (*) - Maghemite-C, syn - Fe2O3 - Y: 3.72 % - d xby: 1.000 - WL: 1.54056 33-0664 (*) - Hematite, syn - Fe2O3 - Y: 6.19 % - d xby: 1.000 - WL: 1.54056 Hình Giản đồ nhiễu xạ XRD vật liệu geopolymer từ hỗn hợp bùn đỏ-tro bay Giản đồ nhiễu xạ chứng tỏ vật liệu có cấu trúc vơ định hình đến nửa tinh thể, tổng pha tinh thể khống quartz (SiO2) chiếm khoảng nửa; phần cịn lại khống hematite (Fe2O3); geothite (FeO(OH)); anthophyllite ((Mg,Fe)7Si8O22(OH)11); gehlenite (Ca2Al2SiO7) Zang G [7] cho pha vơ định hình ngun liệu tham gia phản ứng geopolymer hóa, pha tinh thể phần cịn lại khơng phản ứng ngun liệu đầu 3.5 Phân tích hình thái bề mặt mẫu kính hiển vi điện tử quét (SEM) Kết chụp ảnh SEM mẫu M15 thể b Hình 3a Ảnh SEM geopolymer cấp phối M15, 3b Ảnh SEM geopolymer cấp phối M25 Hình 3b thể hình thái bề mặt mẫu gepolymer có thành phần bùn đỏ 25% Vật liệu có cấu trúc với nhiều lỗ xốp hơn, lỗ xốp tạo thành bọt khí q trình tạo hình hay nước bay Có thể nhìn thấy rõ tập hợp hạt có hình dạng khơng đồng nhất, tập hạt tạo nên từ nhiều hạt nhỏ Đây pha khơng phản ứng cịn lại từ ngun liệu đầu bùn đỏ [2] Như vậy, tăng thành phần bùn đỏ cấp phối lên nhiều (lớn 15%) cường độ vật liệu giảm xuống lượng pha không tham gia phản ứng độ xốp vật liệu tăng lên 3.6 Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR Để xác định liên kết vật liệu geopolymer, tiến hành xác định phổ FT-IR với số sóng từ 450÷4000cm-1 Phổ đồ hồng ngoại thể Hình Vạch phổ vị trí 3436,91 cm-1 (nằm khoảng 3000÷3600 cm-1) tương ứng với tồn nhóm hydroxyl –OH Vạch phổ vị trí 1043,92 cm-1 (nằm khoảng 830÷1200 cm-1) thể dao động hóa trị bất đối xứng Si-O vật liệu geopolymer Vạch phổ vị trí 796,01 cm-1 tương ứng với diện liên kết AlO có gắn kết ion Al3+ vào chuỗi Si-O để tạo nên cấu trúc polysialate vật liệu [7] Nguyễn Văn Dũng 88 bùn đỏ cấp phối từ 40% đến 15% trọng lượng TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Phổ đồ FT-IR vật liệu geopolymer từ bùn đỏ-tro bay Kết luận Chúng chế tạo vật liệu geopolymer từ hỗn hợp bùn đỏ tro bay, vật liệu đạt cường độ cao thành phần bùn đỏ cấp phối 15% trọng lượng, tỉ lệ bùn đỏ/tro bay 0,38; tỉ lệ mol Si/Al, Na2O/SiO2 H2O/Na2O tương ứng 2,39; 0,30 9,065 Nếu tiếp tục tăng thành phần bùn đỏ cấp phối lớn 15% độ xốp thành phần pha không phản ứng tăng lên làm cho cường độ chịu nén vật liệu giảm xuống Vật liệu geopolymer từ hỗn hợp bùn đỏ-tro bay chế tạo thuộc loại vật liệu không nung, mẫu thí nghiệm đạt cường độ chịu nén từ 7,7 đến 18,7 MPa ứng với thành phần [1] Davidovits J., Geopolymer chemistry & application, Mc Graw Hill 1980 [2] He J., Zhang J., Yu Y., Zhang G., The strength and microstructure of two geopolymers derived from metakaolin and red mud-fly ash admixture: A comparative study, Construction and Building Materials, 2012, 30, 80-91 [3] van Deventer J S J., Provis J L., Duxson P., Lukey G C., Reaction mechanisms in the geopolymeric conversion of inorganic waste to useful products, Hazard Mater, 2007, 139(3), 506-513 [4] Davidovits J., Geopolymer and geopolymeric materials, Therm Anal, 1989, 35(2), 429-441 [5] Duxson P., Fernandez Jimenez A., Provis J L., Lukey G C., van Deventer J S J., Geopolymer technology: the current state of the art, Mater Sci, 2007, 42(9), 2917-2933 [6] Allahverdi A., Mehrpour K., Kani E N., Investigating the possibility of utilizing pumice-type natural pozzonal in production of geopolymer cement, Ceram-Silik, 2008, 52(1), 16-23 [7] Zhang G., He J., Gambrell R P., Synthesis, characterization, and mechanical properties of red mud-based geopolymers, Transp Res Record, 2010, 2167, 1-9 [8] van Jaarsveld J G S., van Deventer J S J., Lukey G C., The characterisation of source materials in fly ash-based geopolymers, Mater Lett, 2003, 57(7), 1272-1280 [9] Zhao Q., Nair B., Rahimian T., Balaguru P., Novel geopolymer based composites with enhanced ductility, Mater Sci, 2007, 42(9), 3131–3137 (BBT nhận bài: 30/04/2015, phản biện xong: 23/05/2015) ... (SEM) Kết thảo luận 3.1 Xác định đặc trưng tro bay Thành phần hóa tro bay Formosa xác định máy XRF Viện Cơng nghệ gốm sứ Tập đồn Prime, Vĩnh Phúc; độ mịn tro bay xác định qua phân tích sàng Kết thí... geopolymer từ bùn đỏ -tro bay Kết luận Chúng chế tạo vật liệu geopolymer từ hỗn hợp bùn đỏ tro bay, vật liệu đạt cường độ cao thành phần bùn đỏ cấp phối 15% trọng lượng, tỉ lệ bùn đỏ /tro bay 0,38; tỉ... Nguyên liệu Chúng sử dụng tro bay nhà máy nhiệt điện đốt than Formosa (Đồng Nai) để cung cấp nguồn Si Al cho trình chế tạo vật liệu geopolymer Bùn đỏ dạng huyền phù lỏng nhà máy hóa chất Tân Bình,