Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu sản xuất gạch không nung sử dụng các chất thải tro bay và tro xỉ của nhà máy nhiệt điện

TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu sản xuất gạch không nung sử dụng các chất thải tro bay và tro xỉ của nhà máy nhiệt điện Study on production of unfired bricks from fly ash of thermal powder plant

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM và Công

ty Cổ phần Khoa học Công nghệ Bách Khoa Tp HCM (BKTECHS)

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS Nguyễn Hữu Sơn

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Lê Anh Tuấn

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Trí

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày

22 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 Chủ tịch: PGS TS Nguyễn Tuấn Anh

2 Phản biện 1: PGS TS Lê Anh Tuấn

3 Phản biện 2: TS Nguyễn Trí

4 Ủy viên: PGS TS Nguyễn Quốc Thiết

5 Ủy viên, thư ký: PGS TS Lê Minh Viễn

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

_

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN NGỌC HUY MSHV: 2070647

Ngày, tháng, năm sinh: 10/08/1998 Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 8520301

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu sản xuất gạch không nung sử dụng các chất thải tro bay và tro xỉ của nhà máy nhiệt điện (Study on production of unfired bricks from fly

ash of thermal powder plants)

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Lấy mẫu tro bay, tro xỉ tại Duyên Hải, khảo sát tính chất cơ lý hóa, hàm lượng thành phần hóa học của vật liệu tro xỉ, tro bay

- Nghiên cứu và thiết kế các cấp phối vật liệu không nung từ cấp phối cơ bản đã được nhóm nghiên cứu bao gồm: tro bay, tro xỉ, xi măng, đá mi

- Đánh giá tính chất tính chất cơ lý – hóa của các cấp phối theo yêu cầu kỹ thuật hiện nay: độ bền uốn, độ bền nén, độ hút nước

- Đánh giá, phân tích hoạt độ phóng xạ của các cấp phối, sản phẩm gạch sản xuất từ tro bay, tro xỉ

- Đề xuất các cấp phối gạch không nung tối ưu và dây chuyền sản gạch từ vật liệu tro xỉ, tro bay phù hợp với tiêu chuẩn gạch không nung hiện nay

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/12/2023

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS HUỲNH KỲ PHƯƠNG HẠ

TS NGUYỄN HỮU SƠN

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này là chặng đường cuối của hành trình để tôi có thể cầm trên tay tấm bằng Thạc sĩ Kết quả này không chỉ là những nỗ lực của bản thân tôi mà trong đó còn là sự đồng hành, hỗ trợ và khuyến khích của nhiều người, đó là thầy cô, bạn bè

và gia đình Khi bắt đầu luận văn, tôi muốn cảm ơn tất cả những người đã luôn bên cạnh giúp tôi hoàn thành tốt cũng như có một trải nghiệm đáng trân trọng trong cuộc đời Tại thời điểm hoàn thành này, trước hết, tôi bày tỏ lòng kính trọng với người hướng dẫn của mình là Phó giáo sư Tiến sĩ Huỳnh Kỳ Phương Hạ vì đã đón nhận và cho tôi được làm việc cùng với thầy từ luận văn Đại học cho đến luận văn Thạc sĩ Thầy là một người thầy tận tâm, vui tính và tuyệt vời

Tôi cũng vô cùng biết ơn Tiến sĩ Nguyễn Hữu Sơn, người thầy mà tôi vẫn thân thuộc gọi là anh, người hướng dẫn tốt nhất tôi từng có Anh đã cung cấp cơ sở hạ tầng, tài nguyên cần thiết để tôi có thể hoàn thành công việc nghiên cứu, hỗ trợ tôi trong quá trình viết bài báo đến đồng hành cùng tôi báo cáo tại Hội nghị Vietgeo 2023

ở Huế Tôi vô cùng may mắn khi được anh ấy hướng dẫn về nghiên cứu cũng như các nhận xét có giá trị và mang tính xây để hoàn thiện luận văn của tôi Hướng dẫn của anh không chỉ giúp tôi mở rộng tầm nhìn về công việc, về cuộc sống trong tương lai mà còn dạy tôi cách làm người, giúp tôi trưởng thành hơn

Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM

đã hỗ trợ trong quá trình nghiên cứu của tôi trong khuôn khổ đề tài ‘‘Nghiên cứu sử dụng các chất thải tro bay và tro xỉ của nhà máy nhiệt điện để sản xuất vật liệu xây

dựng không nung” mã số DS2021-20-02 Ngoài ra tôi cũng muốn cảm những người

đồng hành cùng tôi trong quá trình thực hiện luận văn, anh Tào Văn Huy và bạn Khấu Thị Ly Tôi cũng cảm ơn các thầy cô, các bạn trong nhóm nghiên cứu của Khoa Kỹ Thuật Địa chất và Dầu khí Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, tôi rất muốn dành sự trân trọng và biết ơn cho gia đình mình

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2023

Học viên Nguyễn Ngọc Huy

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay, lượng phế thải tro bay, tro xỉ của các các nhà máy nhiệt điện đốt than ngày càng lớn và tăng dần qua các năm, dẫn đến các bãi chứa quá tải nên việc triển khai tái sử dụng tro bay, tro xỉ đang là một vấn đề cấp bách Do đó, nghiên cứu đưa tro bay, tro xỉ vào thành phần gạch không nung để giải quyết lượng phế phẩm từ nhà máy nhiệt điện Hơn nữa, gạch không nung có thể cạnh tranh và thay thế loại gạch truyền thống đất sét nung được sản xuất do khai thác quá nhiều tài nguyên đất, gỗ đốt than, cũng như phát thải khí ô nhiễm trong quá trình nung ra môi trường

Trong nghiên cứu này, các cấp phối gạch không nung được chế tạo từ phế phẩm tro bay, tro xỉ của nhà máy nhiệt điện Duyên Hải (Trà Vinh) kết hợp với xi măng Portland PCB40 Hà Tiên, đá mi Với hàm lượng tro bay từ 40 – 70% để nhằm thay thế thành phần xi măng trong cấp phối gạch Thành phần tro bay, tro xỉ và xi măng trước khi phối trộn được kiểm tra các đặc tính lý hóa Các cấp phối gạch sau khi sản xuất được bảo dưỡng và được thử nghiệm các tính chất về cơ lý theo TCVN 6355:2009, TCVN 6477:2016 như: cường độ chịu nén, cường độ uốn, độ hút nước Sau đó, cấp phối có thể đáp ứng tốt nhất các tính chất cơ lý trên được chọn để tiến hành sản xuất đại trà Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng thực hiện phân tích hoạt độ bức xạ của các cấp phối gạch để đánh giá an toàn bức xạ khi sử dụng gạch không nung có thành phần tro bay, tro xỉ từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải

Các kết quả thử nghiệm đạt yêu cầu so với gạch bê tông và gạch đất nung truyền thống, các kết quả về phân tích hoạt độ bức xạ cũng đạt yêu cầu đối với vật liệu tro bay, tro xỉ được sử dụng trong gạch không nung Tuy nhiên, việc đánh giá các loại gạch không nung sản xuất từ tro bay, tro xỉ dựa trên các tiêu chuẩn của gạch bê tông hay gạch đất nung chỉ mang tính chất tương đối vì thành phần cấu tạo và quy trình sản xuất khác nhau Cần đề xuất xây dựng bộ tiêu chuẩn riêng của gạch không nung

sử dụng tro bay và tro xỉ Việc sử dụng các nguyên liệu phế phẩm từ nhà máy nhiệt điện đã làm giảm đi chi phí nguyên liệu rất nhiều Do đó, gạch không nung từ tro bay, tro xỉ có thể cạnh tranh với các loại gạch truyền thống khác và được sử dụng rộng rãi trong tương lai

ABSTRACT

Currently, the amount of fly ash and ash slag waste from coal-fired thermal power plants is increasing over the years, leading to overloaded landfills, so the implementation of reusing fly ash and slag is being is an urgent problem Therefore, research is needed to incorporate fly ash and slag into unfired bricks to reduce the amount of waste products from thermal power plants Moreover, unfired bricks can compete and replace traditional fired clay bricks created by exploiting land and wood resources for coal burning, as well as emission of polluted gases during the burning process into the environment

In this study, unfired brick aggregates were made from waste fly ash and slag from Duyen Hai thermal power plant (Tra Vinh) combined with Portland PCB40 Ha Tien cement and crushed stone Fly ash content ranges from 40 – 70% to replace cement in brick mix Before mixing, the composition of fly ash, slag and cement is checked for physical and chemical properties After production, brick aggregates were maintained and tested for physical and mechanical properties according to TCVN 6355:2009, TCVN 6477:2016 such as: compressive strength, flexural strength and water absorption Then the mix that best meets the above physical and mechanical properties was chosen to conduct mass production In addition, the research team also analyzed the radioactivity of brick gradations to evaluate radiation safety when using unfired bricks containing fly ash and slag from Duyen Hai thermal power plant The test results are satisfactory compared to concrete bricks and traditional fired clay bricks, and the results of radiation activity analysis are also satisfactory for fly ash and slag materials used in the construction However, the evaluation of unfired bricks produced from fly ash and slag based on the standards of concrete bricks or fired clay bricks is relative because the composition and production process are different It is proposed to develop a standard for unfired brick using fly ash and slag Using waste materials from thermal power plants has greatly reduced material costs Therefore, unfired bricks made from fly ash and slag can compete with other traditional bricks and be widely used in the future

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Hữu Sơn và PGS TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kì sự gian lận nào chúng tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

về nội dung luận văn của mình Trường Đại học Bách khoa Đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do chúng tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2023

Tác giả Nguyễn Ngọc Huy

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii

MỞ ĐẦU 1

Tính cấp thiết của đề tài 1

Mục tiêu nghiên cứu 3

Nội dung nghiên cứu 3

Tính mới của đề tài 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GẠCH KHÔNG NUNG 5

1.1 Gạch không nung 5

1.1.1 Khái niệm về gạch không nung 5

1.1.2 Phân loại gạch không nung 5

1.1.3 Ưu, nhược điểm của gạch không nung 8

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 9

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước 13

1.4 Tro bay và tro xỉ 14

1.5 Quy trình sản xuất gạch không nung trong công nghiệp 20

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PHỐI LIỆU VÀ SẢN PHẨM GẠCH KHÔNG NUNG 23

2.1 Nguyên vật liệu sản xuất gạch không nung 23

2.1.1 Xi măng 23

2.1.2 Tro bay, tro xỉ 25

2.1.3 Đá mi 26

2.1.4 Nước 26

2.2 Phương pháp phối liệu cấp phối gạch không nung 27

2.2.1 Quá trình geopolymer hóa 27

2.2.2 Nghiên cứu phối liệu cấp phối vữa gạch trong phòng thí nghiệm 31 2.2.3 Thử nghiệm cường độ chịu uốn và cường độ chịu nén của vữa gạch 37

2.2.4 Quy trình phối trộn cấp phối gạch không nung 39

2.2.5 Khảo sát tính cơ lý của cấp phối gạch không nung 41

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 55

3.1 Tính chất cơ lý và hóa học của nguyên vật liệu 55

3.1.1 Tro bay, tro xỉ 55

3.1.2 Xi măng Hà Tiên PCB40 56

3.2 Khảo sát đặc tính cơ lý cấp phối gạch trong phòng thí nghiệm 57

3.3 Khảo sát đặc tính cơ lý của gạch không nung 60

3.3.1 Cường độ chịu nén 60

3.3.2 Cường độ chịu uốn 65

3.3.3 Độ hút nước 66

3.4 Hoạt độ phóng xạ của các mẫu gạch không nung 68

3.5 Dây chuyền sản xuất gạch không nung được đề xuất 73

3.6 Khái toán giá thành chi phí một viên gạch 74

3.7 Ứng dụng sản phẩm gạch xây đa màu 76

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

4.1 Kết luận 79

4.2 Kiến nghị 80

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC 92

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Một số loại gạch không nung 5

Hình 1.2 Một số loại gạch xi măng cốt liệu 6

Hình 1.3 Gạch không nung tự nhiên được phong hóa từ đá bazan 6

Hình 1.4 Một số loại gạch ba vanh 7

Hình 1.5 Gạch bê tông nhẹ bọt 7

Hình 1.6 Gạch bê tông siêu nhẹ AAC 8

Hình 1.7 Quy trình sản xuất gạch không nung tự động của DmC 20

Hình 1.8 Sơ đồ khối quá trình sản xuất gạch không nung 22

Hình 2.1 Nguyên liệu sử dụng sản xuất gạch: tro xỉ (A), tro bay (B), xi măng Hà Tiên PCB40 (C), đá mi (D), nước (E) 23

Hình 2.2 Quá trình hydrate hóa của xi măng Portland 25

Hình 2.3 Cấu trúc poly(sialates) theo Davidovits 28

Hình 2.4 Phản ứng của các quá trình tạo chuỗi polymer 29

Hình 2.5 Sơ đồ thể hiện quá trình kiềm hóa của tro bay 30

Hình 2.6 Quy trình sản xuất vật liệu geopolymer từ tro bay 30

Hình 2.7 Máy trộn 35

Hình 2.8 Cân điện tử 35

Hình 2.9 Khuôn gạch 35

Hình 2.10 Máy dằn 35

Hình 2.11 Sơ đồ quy trình tạo mẫu vữa xi măng nghiên cứu trong phòng thí nghiệm 36

Hình 2.12 Phối trộn cấp phối gạch trong phòng thí nghiệm 37

Hình 2.13 Thử nghiệm cường độ uốn của mẫu 38

Hình 2.14 Kiểm tra cường độ nén của mẫu 39

Hình 2.15 Sơ đồ khối quá trình cấp phối gạch không nung trong thí nghiệm 40

Hình 2.16 Quy trình sản xuất gạch không nung 41

Hình 2.17 Mẫu thử cường độ nén của gạch 4 lỗ theo TCVN 6355-2:2009 43

Hình 2.18 Thử nghiệm cường độ chịu nén của các cấp phối gạch theo TCVN 6355-2:2009 44

Hình 2.19 Thử nghiệm cường độ chịu nén của các cấp phối gạch theo TCVN

6477:2016 45

Hình 2.20 Sơ đồ thử cường độ uốn 47

Hình 2.21 Thử nghiệm cường độ chịu uốn của các cấp phối gạch 48

Hình 2.22 Thử nghiệm độ hút nước của các cấp phối gạch 49

Hình 2.23 Hệ đo gamma phông thấp GC3520 50

Hình 3.1 Cường độ chịu nén của các mẫu vữa gạch 57

Hình 3.2 Cường độ chịu uốn của các mẫu vữa gạch 59

Hình 3.3 Cường độ chịu nén của các cấp phối gạch theo (A) TCVN 6477:2016 và (B) TCVN 6355-2:2009 61

Hình 3.4 Mối liên hệ của cường độ chịu nén theo TCVN 6477:2016 và TCVN 6355-2:2009 64

Hình 3.5 Cường độ chịu uốn của các cấp phối gạch tại 28 ngày tuổi 65

Hình 3.6 Độ hút nước của các cấp phối gạch 66

Hình 3.7 Sản phẩm gạch không nung đa màu 77

Hình 3.8 Nhà mẫu của sản phẩm gạch không nung tại Trường Đại học Bách khoa TP.HCM 78

Hình 4.1 Các sản phẩm gạch không nung và mô hình nhà mẫu của nhóm nghiên cứu 81

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh gạch không nung và gạch nung đất sét 9

Bảng 1.2 Sản lượng than khai thác nội địa và nhập khẩu cấp cho điện 15

Bảng 1.3 Lượng tro xỉ thải ra từ NĐT khi đốt than nội địa và than nhập khẩu 16

Bảng 1.4 Kết quả phân tích xác định hàm lượng các nguyên tố kim loại nặng trong tro xỉ của các NMNĐ so với nồng độ quy định của QCVN 07: 2009/BTNMT 18

Bảng 1.5 Diện tích bãi chứa tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện 19

Bảng 2.1 Thành phần các nguyên vật liệu sử dụng cho các cấp phối gạch nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm 32

Bảng 2.2 Thành phần các nguyên vật liệu sử dụng cho các cấp phối gạch được nghiên cứu trong luận văn 33

Bảng 2.3 Khối lượng riêng và độ ẩm của nguyên vật liệu sản xuất gạch 33

Bảng 2.4 Tính toán khối lượng đầu vào để tạo thành 1 m3 vữa gạch cho các cấp phối nghiên cứu 34

Bảng 2.5 Một số chỉ tiêu thí nghiệm đánh giá tính cơ lý của vật liệu xây dựng 42

Bảng 2.6 Hệ số hình dạng K theo kích thước mẫu thử 46

Bảng 2.7 Tiêu chuẩn liều của EC (1999) 52

Bảng 3.1 Tính chất cơ lý và hóa học của tro bay, tro xỉ từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải (Trà Vinh) 55

Bảng 3.2 Tính chất cơ lý của xi măng Hà Tiên PCB40 56

Bảng 3.3 Tổng hợp kết quả thí nghiệm các cấp phối vữa gạch theo các ngày tuổi khác nhau 57

Bảng 3.4 Cường độ chịu nén của các cấp phối gạch theo TCVN 6477:2016 và TCVN 6355-2:2009 60

Bảng 3.5 Giá trị cường độ chịu nén của gạch không nung thực hiện theo hai tiêu chuẩn TCVN 6477:2016 và TCVN 6355-2:2009 63

Bảng 3.6 Cường độ chịu uốn sau 28 ngày theo TCVN 6355-3:2009 và độ hút nước theo TCVN 6355-4:2009 của các cấp phối gạch 66

Bảng 3.7 Hoạt độ phóng xạ trong mẫu gạch không nung với các cấp phối khác nhau 69

Bảng 3.8 Suất xả khối của các mẫu đo (Bq/kg/h) 70 Bảng 3.9 Chỉ số nguy hiểm bức xạ của các mẫu gạch thành phẩm 71 Bảng 3.10 Liều hiệu dụng hằng năm đối với phơi chiếu ngoài gamma và phơi chiếu

trong radon khi một người sống trong căn phòng chuẩn (4×3×2,5) m3 73 Bảng 3.11 Khối lượng mẫu cần lấy để sản xuất 4 cấp phối gạch 75 Bảng 3.12 Tính toán chi phí nguyên liệu cho 1 viên gạch 76

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ASTM American Society for Testing

and Materials

Hiệp hội Thí nghiệm và Vật

liệu Hoa Kỳ BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường

CFS Calcium fluoride and calcium

silicate Công ty CP KHCN

Bách Khoa TP

HCM

Công ty Cổ phần Khoa học Công nghệ Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh (BKTECHS)

phụ gia

chuẩn được nêu

NMNĐ Nhà máy nhiệt điện

NMNĐT Nhà máy nhiệt điện than

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

VLXKN Vật liệu xây không nung Vật liệu xây dựng được tạo

ra không qua quá trình nung

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật càng mạnh mẽ thì nhu cầu về các công trình xây dựng càng phải có chất lượng cao, tiết kiệm chi phí, cũng như các vật liệu xây dựng ngày càng phải thân thiện với môi trường, nhằm nâng cao cuộc sống của con người Từ đó, việc nghiên cứu vật liệu xây không nung từ các nguyên liệu là chất thải môi trường từ khu công nghiệp như: tro bay, bột vải, bột gỗ, bột kim loại, đang ngày càng được quan tâm

Vật liệu xây theo dòng thời gian xuất phát từ vật liệu xây truyền thống gạch đất sét phơi khô đến bê tông kết dính bằng vôi rồi xi măng cốt liệu, vật liệu composite, cho đến nay đang được phát triển theo hướng tận dụng sự phát triển của công nghệ

để thiết kế các loại vật liệu xây thân thiện với môi trường

Gạch đất sét nung truyền thống đươc sản xuất từ việc khai thác đất nông nghiệp

và nung trong lò than củi Điều này dẫn đến làm giảm đất canh tác nông nghiệp, sử dụng than củi nhiều dẫn đến phá rừng, làm tăng nguy cơ gây ra thiên tai như bão lũ, hạn hán Bên cạnh đó, việc sử dụng than củi cũng sẽ gây ra các loại khí độc hại SOx, NOx, gây ô nhiễm môi trường Hiện trạng môi trường ngày càng ô nhiễm ở các khu vực có khu công nghiệp trong đó có các lò gạch nung, điều đó cũng gây ảnh hưởng nặng nề cho môi trường sống của con người Để có thể cải thiện được những vấn đề trên, việc sử dụng VLXKN hay gạch không nung là một giải pháp tối ưu vào lúc này

Để sản xuất gạch không nung thường dựa vào các nguồn nguyên liệu như: xỉ than, cát, chất kết dính, các loại phế thải Dựa vào các phản ứng hóa đá của sự liên kết các nguyên liệu, gạch không nung tự đóng rắn những vẫn đạt được các chỉ tiêu về tính cơ lý hóa, đảm bảo khả năng sử dụng trong xây dựng Việc sử dụng gạch không nung sẽ góp phần: làm giảm đi việc khai thác đất sét làm giảm đi nguồn tài nguyên đất, giảm đi diện tích đất canh tác nông nghiệp; không sử dụng các nguồn nguyên liệu hóa thạch, than, củi, nên giảm đi việc khai phá rừng để lấy củi; tận dụng được các nguồn phế thải nhằm bảo vệ môi trường, giúp phát triển bền vững, biến nguồn phế thải này thành nguồn tài nguyên thứ cấp của con người

Gạch không nung hay VLXKN đã được sử dụng rộng rãi và phổ biến trên thế

giới như ở châu Âu, Mỹ, Nhật, Tuy nhiên ở Việt Nam, loại vật liệu này vẫn chưa được sử dụng nhiều Trước thực trạng đó, ngày 28/4/2010, Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 567/QĐ-TTg về việc phê duyệt chương trình phát triển VLXKN đến năm 2020 Ngày 16/4/2012, Thủ tướng Chính phủ ra Chỉ thị số 10/CT-TTg về việc tăng cường sử dụng VLXKN và hạn chế sản xuất, sử dụng gạch đất sét nung Bộ Xây dựng có Thông tư số 09/2012/TT-BXD ngày 28/11/2012 quy định sử dụng VLXKN trong các công trình xây dựng Trong đó, các công trình xây dựng được đầu

tư bằng ngân sách Nhà nước bắt buộc phải sử dụng VLXKN từ ngày 15/01/2013 Theo dự báo của Bộ Xây dựng, nhu cầu sử dụng vật liệu xây ở nước ta giai đoạn 2015-2020 là 24 – 33 tỷ viên quy tiêu chuẩn Sản xuất 1 tỷ viên gạch nung đất sét phải tiêu tốn 1,5 triệu m3 đất sét, tương đương 75 ha đất khai thác ở độ sâu 2 m cùng

150 000 tấn than và thải ra môi trường 0,57 triệu tấn CO2 Đến năm 2020, mỗi năm chúng ta phải khai thác 50 triệu m3 đất sét (tương đương 2500 ha đất khai thác ở độ sâu 2 m) cùng 5 triệu tấn than và thải ra môi trường 0,57 triệu tấn CO2

Trước thực trạng sử dụng gạch nung ở Việt Nam còn chiếm tỷ lệ cao từ 90 – 95% có thể gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính, ảnh hưởng đến diện tích đất canh tác, ngày 02/4/2015, tại văn bản số 110/TB-VPCP, Phó Thủ tướng Hoàng Trung Hải đã đưa ra ý kiến kết luận về tình hình thực hiện Chương trình Phát triển vật liệu xây dựng không nung

Bên cạnh đó, căn cứ vào Quyết định số 452/QÐ-TTg ngày 12/4/2017 của Thủ tướng Chính phủ đã ban hành phê duyệt Ðề án đẩy mạnh xử lý, sử dụng tro, xỉ, thạch cao của các NMNÐ, nhà máy hóa chất, phân bón để làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng, với mục tiêu đến năm 2020 là: Ðối với tro, xỉ nhiệt điện làm phụ gia khoáng cho sản xuất xi măng khoảng 14 triệu tấn; thay thế một phần đất sét để sản xuất clinker khoảng 8 triệu tấn; thay thế một phần sét để sản xuất gạch đất sét nung khoảng 7 triệu tấn; làm phụ gia khoáng cho sản xuất bê tông và gạch không nung khoảng 2 triệu tấn; làm vật liệu san lấp mặt bằng công trình, hoàn nguyên mỏ và làm đường giao thông khoảng 25 triệu tấn Tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện được dùng làm vật liệu xây dựng phải đáp ứng các yêu cầu tại QCVN 16: 2017/BXD quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về sản phẩm hàng hóa vật liệu xây dựng

Thực tế hiện nay, lượng tiêu thụ tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam còn ít là do công nghệ đốt để lại lượng than dư trong tro xỉ còn cao; quá trình xử lý lượng than dư phức tạp, chi phí lớn Mặt khác, để làm các vật liệu từ tro xỉ, phải sử dụng thêm một lượng lớn xi măng, cát và đá làm chất kết dính và cải thiện tích chất

cơ lý khiến chi phí sản xuất tăng cho nên rất khó ứng dụng trong thực tế Bên cạnh

đó theo quy hoạch phát triển một số ngành công nghiệp như nhiệt điện, phân bón, bauxite – alumina đã tạo ra ngày càng nhiều các chất thải công nghiệp như tro bay, tro xỉ, thạch cao, bùn đỏ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Trước thực trạng này, những vấn đề cấp bách đang đặt ra, đó là cần nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu, sử dụng triệt để lượng lớn tro xỉ, tro bay (với hàm lượng cao) để tăng khả năng tiêu thụ phế thải đồng thời giảm các vấn đề: ô nhiễm, hiệu ứng nhà kính, … phát sinh

Từ các yếu tố về cơ sở xã hội, pháp lý và nhu cầu thực tiễn nêu trên, VLXKN trong đó có gạch không nung, đặc biệt sử dụng tro xỉ, tro bay đang là vẫn đề cần được đẩy mạnh nghiên cứu để phát triển mạnh hơn trong ứng dụng Vì vậy, nghiên cứu và đấy mạnh sản xuất gạch không nung sử dụng nguồn tro bay, tro xỉ của nhà máy nhiệt điện là cần thiết trong thời gian tới để thay thế nguồn vật liệu truyền thống Đây cũng

là lý do lựa chọn tên đề tài luận văn cao học

Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá các tính chất cơ lý, hóa của tro bay, tro xỉ từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 – Trà Vinh nhằm khẳng định khả năng sử dụng các nguyên liệu này của các nhà máy nhiệt điện làm vật liệu sản xuất gạch không nung

Thử nghiệm các loại cấp phối gạch không nung (gạch 4 lỗ) từ tro bay, tro xỉ của nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 – Trà Vinh bao gồm đánh giá ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của cấp phối gạch Góp phần đưa ra giải pháp về tái sử dụng các chất thải công nghiệp (tro xỉ, tro bay) để sản xuất vật liệu dùng trong xây dựng, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường hướng tới sự phát triển bền vững

Nội dung nghiên cứu

Lấy mẫu tro bay, tro xỉ tại Duyên Hải, khảo sát tính chất cơ lý hóa, hàm lượng thành phần hóa học của vật liệu tro xỉ, tro bay

Nghiên cứu và thiết kế các cấp phối vật liệu không nung từ cấp phối cơ bản đã được nhóm nghiên cứu bao gồm: tro bay, tro xỉ, xi măng, đá mi

Đánh giá tính chất cơ lý – hóa của các cấp phối theo yêu cầu kỹ thuật hiện nay:

Tính mới của đề tài

Ở Việt Nam, hiện nay có rất nhiều dây chuyền sản xuất gạch không nung, tuy nhiên các dây chuyền còn sử dụng nhiều nguyên liệu từ cát, xi măng làm cốt liệu, sử dụng các nguyên liệu phế thải còn ít Nhằm giúp xử lý nhanh và nhiều hơn lượng tro

xỉ, tro bay từ các nhà máy nhiệt điện còn tồn đọng rất nhiều, nhóm nghiên cứu định hướng sử dụng hàm lượng cao tro xỉ, tro bay trong cấp phối, đồng thời giảm hàm lượng xi măng giúp làm giảm giá thành vật liệu bằng việc bổ sung đá mi Điều này góp phần giải quyết triệt để lượng chất thải công nghiệp, giảm chi phí vật liệu, đồng thời nâng cao giá trị trong việc sản xuất vật liệu xanh phục vụ cho lĩnh vực xây dựng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GẠCH KHÔNG NUNG 1.1 Gạch không nung

1.1.1 Khái niệm về gạch không nung

Gạch không nung là một loại gạch cần sự tác động về cơ học để định hình và tự đóng rắn mà không cần qua giai đoạn nung Độ bền của gạch không nung là nhờ công đoạn ép, rung và thành phần kết dính của chúng Sức nén một viên gạch không nung đạt tối đa 35 MPa Gạch không nung có khoảng 300 tiêu chuẩn quốc tế khác nhau về kích cỡ viên gạch khác nhau Một số loại gạch không nung được thể hiện Hình 1.1 Gạch không nung ở Việt Nam còn được gọi là gạch block, gạch bê tông, gạch block bê tông Mặc dù được phổ biến trên thế giới, nhưng ở Việt Nam, gạch không nung vẫn chiếm tỷ lệ thấp

Hình 1.1 Một số loại gạch không nung

1.1.2 Phân loại gạch không nung

1.1.2.1 Gạch xi măng cốt liệu

Gạch xi măng cốt liệu (hay còn gọi là gạch bê tông, gạch block) là một loại gạch không nung được tạo thành từ hỗn hợp bê tông cứng gồm xi măng, cốt liệu (mạt đá, cát, xỉ lò cao, tro xỉ nhiệt điện), phụ gia, khoáng, nước Đây là loại gạch chiếm tỷ lệ

sử dụng nhiều nhất trong các loại gạch không nung Một số chủng loại gạch xi măng cốt liệu được thể hiện trong Hình 1.2

Hình 1.2 Một số loại gạch xi măng cốt liệu

1.1.2.2 Gạch không nung tự nhiên

Gạch không nung tự nhiên được sản xuất từ các biến thể và sản phẩm phong hóa của đá bazan, nên thích hợp sử dụng tại những vùng có nguồn puzolan tự nhiên, hình thức sản xuất mang tính địa phương, tự phát, quy mô nhỏ được thể hiện trong Hình 1.3

Hình 1.3 Gạch không nung tự nhiên được phong hóa từ đá bazan

1.1.2.3 Gạch ba vanh

Gạch ba vanh thường được sản xuất từ những nguyên liệu chính như vôi, xỉ than

và một lượng nhỏ xi măng làm chất kết dính Gạch ba vanh được sản xuất thủ công

có độ nén thấp nên chỉ thích hợp sử dụng cho các công trình nhỏ, một số loại gạch ba

vanh phổ biến được thể hiện trong Hình 1.4.

Hình 1.5 Gạch bê tông nhẹ bọt

− Gạch bê tông khí chưng áp (Hình 1.6) hay còn gọi tắt là gạch AAC, gạch siêu

nhẹ vì tỷ trọng chỉ bằng 1/2 hoặc 1/3 gạch nung thông thường Gạch bê tông khí chưng áp có nhiều ưu điểm như thân thiện với môi trường, siêu nhẹ, bền, tiết kiệm năng lượng, bảo ôn, chống cháy

Hình 1.6 Gạch bê tông siêu nhẹ AAC

1.1.3 Ưu, nhược điểm của gạch không nung

− Không có khả năng chống thấm tốt, dễ gây nứt do co dãn nhiệt

1.1.3.3 So sánh gạch không nung và gạch nung đất sét

Bảng 1.1 So sánh gạch không nung và gạch nung đất sét

Loại gạch

Nguyên liệu

– Đất sét, làm hao tổn tài nguyên đất canh tác nông nghiệp

– Đá nghiền, bùn bồi lắng, tro bay, tro xỉ từ nhà máy nhiệt điện, có thể thêm xi măng và một số chất phụ gia

Hình dáng và kích

thước

– Đa dạng về hình dáng và kích thước

– Thông thường có kích thước to hơn gạch nung, giúp giảm chi phí và thời gian thi công

Giá thành

− Chi phí cao do sử dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên

− Chi phí thấp do sử dụng phế thải từ công nghiệp, từ môi trường nước thải

Tỷ trọng

– Gạch đặc 1600 kg/m3; gạch lỗ, thành mỏng, nhỏ hơn 1000 kg/m3

− Tỷ trọng cao hơn gạch đất nung (lớn hơn 1900 kg/m3 đối với gạch đặc và

từ 1000 kg/m3 đến 1400 kg/m3 đối với gạch lỗ

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

VLXKN với những ưu điểm về nguồn nguyên liệu sản xuất, cũng như đáp ứng các tiêu chuẩn tính chất cơ lý hóa cần thiết trong xây dựng đã tạo nên vị thế trong đóng góp trong xây dựng trên thế giới như Châu Âu, Mỹ, Nhật, Tại các nước phát triển hiện nay, công nghiệp chiếm vị trí mũi nhọn trong sự phát triển kinh tế Cùng với sự duy trì và phát triển các ngành công nghiệp nhằm phục vụ nhu cầu con người,

không thể tránh việc tạo ra các phế thải gây hại cho môi trường Do đó, tái sử dụng nguồn phế liệu cũng góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường, phục vụ cho sự phát triển bền vững

Bùn bồi lắng là một trong các nguồn phế thải gây ảnh hưởng nuôi trồng thủy sản, cũng như giao thông đường thủy Bùn bồi lắng có chứa các thành phần kim loại nặng như Cd, Zn, Cu, gây ô nhiễm môi trường Theo các nghiên cứu ngoài nước, các sông ở Việt Nam cũng chứa các thành phần kim loại nặng: Cr, Zn, Pb [1] Tại các nước phương Tây như Pháp, nhóm nghiên cứu của Stephann Audry [2] cũng đã

có nghiên cứu cho thấy bồi lắng ở sông Lot chứa các thành phần kim loại nặng: Cu (17 mg/kg), Zn (82 mg/kg), Cd (0,33 mg/kg) và Pb (28 mg/kg)

Nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã tận dụng bùn bồi lắng để chế tạo vật liệu xây dựng nhằm xử lý được lượng chất thải này ra môi trường Năm 2009, đã có nhóm nghiên cứu của giáo sư Mazen Samara tại Pháp sử dụng bùn bồi lắng để chế tạo gạch nung [3] Kết quả cho thấy loại gạch này vẫn đáp ứng được các yêu cầu về

độ nén, độ thấm ướt, giãn nở Năm 2011, nhóm nghiên cứu của Đại học Ningo, Trung Quốc cũng đã nghiên cứu sử dụng bùn bồi lắng của nước thải kết hợp với một số phụ gia khoáng tạo độ xốp, tăng độ bền nén cho gạch nung [4]

Năm 2012 tại Mỹ, nhóm nghiên cứu của giáo sư Andrea tại Viện Kỹ thuật Georgia đã thử nghiệm chế tạo gạch nung từ bồi lắng sông Savannah Harbor [5] Nhóm nghiên cứu đã sử dụng 50% bồi lắng thay thế đất sét để tạo ra gạch nung Kết quả cho thấy các tính chất của gạch đều đạt tiêu chuẩn ASTM của Mỹ, tiến hành thử nghiệm chế tạo gạch chịu lửa (fired brick) từ đất bồi lắng của sông Savannah Harbor Nhóm nghiên cứu đã sử dụng 50% đất bồi lắng để thay thế cho đất sét trong quy trình chế tạo gạch chịu lửa Mẫu gạch sau đó được nung đến 900 oC và 1000 oC Kết quả phân tích cho thấy tính chất của gạch thỏa mản các tiêu chuẩn của Mỹ (ASTM) Đối với các nghiên cứu liên quan gạch không nung thì các nguyên liệu phế thải thường được sử dụng là: tro bay, tro xỉ, bột gỗ, bột vải Năm 2007, nhóm nghiên cứu của Parki Turgut đã thử nghiệm việc sử dụng chất thải mùn cưa gỗ và bột đá vôi

để chế tạo gạch không nung [6] Nghiên cứu cho thấy các tính chất cơ lý của vật liệu gạch như cường độ nén, cường độ uốn, độ hút nước đạt các tiêu chuẩn quốc tế có liên

quan, có tiềm năng để thay thế khối bê tông, tấm trần, tấm chắn cách âm Việc tái sử dụng chất thải gỗ cho vật liệu xây dựng cũng sẽ góp phần làm giảm chi phí cho xây dựng các tòa nhà

Năm 2012, nhóm nghiên cứu của Freidin cũng đã sử dụng các nguyên liệu chính

là các phế thải từ nhà máy điện đốt than để chế tạo gạch không nung, đồng thời nghiên cứu thêm một số phụ gia nhằm thay thế xi măng trong thành phần vật liệu xây dựng [7]

Năm 2013, nhóm nghiên cứu của Anuj Kumar chế tạo các vật liệu khối lát không nung bằng bùn đỏ và tro bay bằng phương pháp geopolymerization (địa polymer) [8] Geopolymerization là một công nghệ dựa trên các phản ứng hóa học của silic vô định hình và chất rắn có hàm lượng nhôm cao với một dung dịch kiềm cao ở môi trường nhiệt độ tương đối thấp để tạo thành vô định hình bán tinh thể aluminosilic Công nghệ này còn gọi là polymer vô cơ Công nghệ này đã được nghiên cứu sử dụng nguyên liệu là tro bay, bùn đỏ Các thông số công nghệ ảnh hưởng là hàm lượng phụ gia kiềm, nhiệt độ xử lý, thời gian xử lý Các yếu tố này khác nhau tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu sử dụng

Sản xuất gạch không nung từ phế thải công nghiệp là đề tài đang được nghiên cứu ở nhiều quốc gia Gạch không nung làm từ vật liệu phế thải công nghiệp mang lại một giải pháp đầy hứa hẹn Nhóm nghiên cứu của Eliche-Quesada đã sử dụng tro bay than (CFA) làm nguyên liệu sản xuất hai loại vật liệu xây dựng là gạch đất sét nung và gạch không nung [9] Gạch đất sét nung được sản xuất bằng cách sử dụng đất sét thương mại kết hợp với tro bay từ 0 – 50% khối lượng được đúc ở áp suất 10 MPa và nung ở 1000 oC (4 giờ) Gạch không nung được sản xuất bằng cách sử dụng hai chất thải làm nguyên liệu thô: CFA và cặn vôi (geosilex) với các tỷ lệ khác nhau CFA (80 – 30% khối lượng) và cặn vôi (20 – 70% khối lượng) đã được nghiên cứu Nguyên liệu thô được đúc ở áp suất 10 MPa và xử lý trong nước ở nhiệt độ phòng trong 28 ngày Kết quả chỉ ra rằng việc kết hợp tới 20% khối lượng CFA đã tạo ra gạch đất sét nung có tính chất cơ lý tương tự như gạch đối chứng không có chất thải Tuy nhiên, việc bổ sung lượng CFA cao hơn (30 – 50% khối lượng) dẫn đến tính chất

cơ học giảm rõ rệt hơn do độ xốp tăng lên Đặc tính công nghệ của gạch không nung

cho thấy độ hút nước giảm khi hàm lượng tro bay than giảm Gạch không nung chứa

từ 40 đến 60% khối lượng CFA có giá trị cường độ nén cao nhất trong khoảng 43 –

46 MPa Gạch nung đất sét-CFA và gạch không nung CFA-cặn vôi có đặc tính công nghệ tối ưu, đạt tiêu chuẩn chất lượng

Nghiên cứu của Toure năm 2020 xem xét tiềm năng sản xuất gạch xây dựng được làm bằng tro bay, calcium fluoride và calcium silicate (CFS) [10] Hơn nữa, CFS là sản phẩm phụ dạng lỏng từ quá trình sản xuất phosphoric acid Cường độ chịu nén của mẫu gạch chứa 75% tro bay sau 28 ngày là 6,1 MPa và độ hút nước đạt khoảng 23,8%

Trong nghiên cứu của A Mukhtar, gạch tro than không nung thân thiện với môi trường được nghiên cứu như một giải pháp thay thế cho gạch đất sét nung thông thường [11] Các tính chất cơ lý khác nhau của gạch tro than không nung đã được nghiên cứu Gạch tro than không nung được chế tạo bằng cách sử dụng 60% tro than

và 10% vôi theo khối lượng Trong các loại gạch tro than không nung này, hàm lượng

xi măng khác nhau (5%, 10% và 15%), hàm lượng cát (10% và 15%) và hàm lượng bụi (5% và 10%) tính theo khối lượng đã được thiết kế Áp suất tạo hình 29 MPa được áp dụng thông qua hệ thống điều khiển áp suất tự động trong 3 giây hoặc 6 giây Gạch được xử lý ẩm trong 28 ngày Kết quả thực nghiệm cho thấy gạch tro than không nung với 10% xi măng, 10% cát và 10% bụi chịu áp lực tạo hình trong 3 giây

có cường độ nén cao nhất là 19 MPa và cường độ uốn là 2,1 MPa Gạch tro than không nung có biểu hiện giảm khả năng hấp thụ nước, giảm hiện tượng sủi bọt và khối lượng trên một đơn vị diện tích thấp hơn so với gạch đất sét thông thường So sánh chi phí giữa gạch tro than không nung và gạch đất sét cho thấy gạch tro than không nung có hiệu quả chi phí cao hơn so với gạch đất sét

Nhóm nghiên cứu của W Abbass cũng tận dụng tro than chưa qua xử lý để sản

xuất các vật liệu xây dựng (gạch không nung tro than) [12] Gạch không nung tro than được sản xuất tại một nhà máy gạch công nghiệp bằng cách tạo áp suất trước 3 MPa và sau đó xử lý chúng bằng cách phun nước trong kho chứa được theo dõi Các

tỷ lệ tro than khác nhau (tức là 30, 35, 40, 45, 50 và 55%) được sử dụng để nghiên cứu các đặc tính cơ học và độ bền của gạch tạo thành, sau đó chúng được so sánh với

gạch đất sét nung thông thường Cường độ nén, cường độ uốn, tốc độ hấp thụ nước ban đầu, độ sủi bọt, phân tích vi cấu trúc thông qua kính hiển vi điện tử quét (SEM)

và phân tích chi phí đã được tiến hành Kết quả thử nghiệm cường độ nén cho thấy cường độ nén của gạch không nung tro than giảm khi hàm lượng tro than tăng Tuy nhiên, với tỷ lệ tro than lên tới 45%, cường độ nén yêu cầu tối thiểu theo quy định của ASTM C62 và các quy chuẩn xây dựng địa phương đều đáp ứng Hơn nữa, gạch kết hợp tới 45% tro than cũng đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn ASTM C62 về khả năng hút nước Gạch không nung tro than có khối lượng nhẹ hơn do cấu trúc vi mô phát triển xốp Phân tích chi phí cho thấy việc sử dụng tro than chưa qua xử lý, sẵn có tại địa phương trong sản xuất gạch được giới thiệu đến các đơn vị xây dựng tiết kiệm và bền vững hơn

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Việc xử lý các chất thải gây ô nhiễm ở Việt Nam cũng là vấn đề đáng được nhắc tới, trong đó có việc tái tạo các phế phẩm để sản xuất gạch không nung Năm 2007, nhóm nghiên cứu của tác giả Lê Thanh Hải – Viện Môi Trường và Tài Nguyên – Đại học Quốc Gia TP HCM thử nghiệm về tính hóa rắn của bùn thải chứa kim loại nặng nhằm đặt nền tảng cho nghiên cứu tái sử dụng bùn thải chứa kim loại trong làm gạch, gốm [13]

Tại Bình Phước, năm 2012 đã có các nghiên cứu và ứng dụng sản xuất gạch không nung để thay thế cho gạch truyền thống sản xuất từ đất sét Nghiên cứu này sử dụng phương pháp polymer vô cơ với nguồn nguyên liệu là đất sét [14]

Vào năm 2013, nhóm nghiên cứu của Nguyễn Ánh Dương tại Viện Địa chất, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã thử nghiệm sử dụng đất đỏ bazan để chế tạo gạch không nung [15] Từ các thực nghiệm, nhóm đã đưa ra 2 phương thức để chế tạo gạch không nung từ đất đỏ bazan: (1) Đất bazan kết hợp với vôi; (2) đất bazan polymer hóa bằng dung dịch kiềm

Năm 2015, nhóm nghiên cứu của tác giả Nguyễn Văn Khôi tại Viện Hóa học, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng bùn thải chứa kim loại nặng trong gạch không nung để đạt tiêu chuẩn về tính chất cơ lý cần thiết (TCVN 6477:2011) [16]

Cũng trong năm 2015, nhóm nghiên cứu của Võ Duy Đăng Khôi đã đề cập đến vấn đề sử dụng đất bồi lắng để sản xuất gạch không nung nhằm giúp xử lý được phần chất thải để cải thiện giao thông đường thủy [17] Ngoài ra, nhóm còn nghiên cứu kết hợp đất bồi lắng với tro trấu và xi măng Kết quả cho thấy vật liệu tạo ra đạt cường

độ nén 2,4 – 4,3 MPa và độ hút nước 12,91 – 14,88% đạt tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng M3.5

Nhóm nghiên cứu của Lê Phương Thanh [18] đã chế tạo gạch không nung geopolymer tro bay với sự kết hợp của tro bay và cát sông ở các tỷ lệ khác nhau Kết quả cũng cho thấy gạch không nung có cường độ nén sau 7 ngày đạt 10 MPa và độ hút nước dưới 4%

Hiện nay cũng có một số nhóm nghiên cứu để sử dụng bùn đỏ, đất đồi để chế tạo gạch không nung nhóm của PGS TS Đỗ Quang Minh, Khoa Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa TP HCM; nhóm của Th.S Phan Văn Thơm, Phòng Hóa

Vô cơ, Viện Công nghệ Hóa học; nhóm của PGS TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ, Bộ Môn Hóa Vô cơ, Đại học Bách khoa TP HCM Có thể thấy hướng nghiên cứu về phát triển VLXKN rất tiềm năng và có thể ứng dụng trong tương lai

Có rất nhiều nghiên cứu tại Việt Nam trong những năm gần đây chứng minh tính ưu việt và hiệu quả của tro bay, tro xỉ ứng dụng sản xuất gạch không nung [18-21] Điều này càng cho thấy gạch không nung có thể sử dụng tro bay với hàm lượng cao 70% để thay thế phần lớn xi măng trong thành phần

Có thể thấy, các nghiên cứu về sản xuất gạch không nung đang rất được quan tâm, đầu tư phát triển loại vật liệu xanh, bền vững nhằm thay thế các vật liệu truyền thống, góp phần bảo vệ môi trường, giảm chi phí sản xuất

1.4 Tro bay và tro xỉ

Tro bay, tro xỉ là sản phẩm cháy của quá trình đốt nhiên liệu than trong nhà máy nhiệt điện Tro bay được thu giữ bởi các thiết bị lọc bụi tĩnh điện hoặc túi lọc trước khi khí thải được thải ra, tro xỉ hay xỉ than ra thu được ở đáy buồng đốt lò hơi Tro bay được phân thành 2 loại: tro acid (tro bay loại F) có hàm lượng CaO < 10% và tro base (tro bay loại C) có hàm lượng CaO ≥ 10% Tùy thuộc vào loại than đốt sẽ tạo ra các sản phẩm cháy để phân loại tro bay theo hàm lượng CaO

Thành phần hóa học của tro xỉ chủ yếu là các oxide kim loại Các oxide SiO2, Al2O3, TiO2 chiếm tỷ lệ chủ yếu trong thành phần hóa học của tro xỉ, là những oxide

có tác dụng tăng cao nhiệt độ chảy của tro (một tính chất rất quan trọng khi đốt than trong buồng đốt và cũng là những oxide có vai trò nâng cao chất lượng tro xỉ làm nguyên liệu sản xuất VLXD) Các oxide CaO, MgO, K2O chiếm tỷ lệ nhỏ, là những oxide có tác dụng làm giảm nhiệt độ chảy của tro, là những oxide háo nước, gặp nước

sẽ tạo thành các hydroxide, làm giảm chất lượng VLXD

Khối lượng than nhập khẩu sẽ tăng dần lên và chiếm tỷ trọng chủ yếu trong tổng khối lượng than dùng cho điện được thể hiện ở Bảng 1.2

Bảng 1.2 Sản lượng than khai thác nội địa và nhập khẩu cấp cho điện [22]

có độ tro trung bình là 32%, thì tổng lượng tro xỉ thải ra (tro bay và xỉ) cho các năm

2020, 2025, 2030 và 2035 được nêu tại Bảng 1.3

Bảng 1.3 Lượng tro xỉ thải ra từ NĐT khi đốt than nội địa và than nhập khẩu [22]

Đơn vị: triệu tấn

1 Tổng sản lượng than nội địa 35,00 36,30 39,80 39,50

2 Tổng lượng tro xỉ thải ra khi

đốt than nội địa (độ tro trung

bình 32%)

11,20 11,62 12,74 12,64

2.1 Tro bay (85%) 9,52 9,88 10,83 10,74

3 Tổng lượng than nhập khẩu 25,00 50,00 80,00 88,00

4 Tổng lượng tro xỉ thải ra khi

đốt than nhập khẩu (độ tro

xỉ thải ra nhiều gấp 3,18 lần so với than nhập khẩu

Có thể thấy lượng phát thải tro bay, tro xỉ ngày càng nhiều do nhu cầu sử dụng than ngày càng cao qua các năm Vì thế cần tận dụng lượng phát thải này trong công nghiệp nhằm giảm lượng phát thải trong nước

Tuy nhiên vì là loại phát thải từ nhà máy nhiệt điện nên không tránh khỏi sự nghi ngờ về khả năng tro bay, tro xỉ chứa các kim loại nặng gây ảnh hưởng nghiêm trọng khi tái sử dụng Các nguyên tố kim loại nặng trong tro xỉ của một số NMNĐT nêu trong Bảng 1.4, các nguyên tố kim loại có hàm lượng rất bé, nhiều nguyên tố có hàm lượng thấp hơn hàng nghìn lần so với nồng độ quy định trong QCVN 07: 2009/BTNMT

Bảng 1.4 Kết quả phân tích xác định hàm lượng các nguyên tố kim loại nặng trong tro xỉ của các NMNĐ so với nồng độ quy định của QCVN 07: 2009/BTNMT [22]

Đơn

vị Kết quả Đơn vị quả Kết Đơn vị quả Kết

Nồng độ tuyệt đối, ppm

Nồng độ ngâm chiết, mg/l

Bảng 1.5 Diện tích bãi chứa tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện [22]

Diện tích bãi tro xỉ được cấp,

ha

Khối lượng tro xỉ thải ra triệu tấn/năm

Tổng khối lượng đang chứa, triệu tấn

Số năm còn đủ chứa, năm

Nguồn tài nguyên tro bay, tro xỉ trong đề tài này được lấy từ: Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh, năm 2019

1.5 Quy trình sản xuất gạch không nung trong công nghiệp

Gạch không nung thông thường được sản xuất từ những nguyên liệu cơ bản như: xi măng, xỉ quặng, xỉ than, cát, đá Một số phụ gia thường sử dụng là bột đá, vôi bột, muối kali, các chất thải rắn khác…

Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều dây chuyền sản xuất gạch không nung khác nhau Mỗi dây chuyền đều có những đặc điểm riêng và phù hợp với các loại sản phẩm đặc thù riêng Tuy nhiên, các dây chuyền gồm những bộ phận chính như Hình 1.7

Hình 1.7 Quy trình sản xuất gạch không nung tự động của DmC [23]

Quá trình sản xuất gạch không nung bao gồm các bước chính sau:

− Bước 1: Trộn nguyên liệu

Đối với các nguyên liệu dạng mạt đá, xỉ than, cát, đất thải, sỏi được phân loại, nếu kích thước lớn cần phải sàng lọc, sau đó được dự trữ tại kho hoặc bãi tập kết nguyên liệu Các nguyên liệu này sau đó được phối trộn theo một tỷ lệ nhất định nhờ máy phối trộn nguyên liệu (2), sau đó được băng tải (3) vận chuyển đến máy trộn nguyên liệu (6) để chuẩn bị cho công đoạn ép

Nguyên liệu là xi măng được lưu trữ trong các silo (1), được liên kết nhờ các vít tải (4) Xi măng sau đó sẽ cho qua một thiết bị định lượng (5) để định lượng tỷ lệ cho vào máy trộn nguyên liệu (6) đúng với công thức sản xuất

− Bước 2: Cấp nguyên liệu

Sau khi máy trộn nguyên liệu đã trộn đều nguyên liệu, hỗn hợp nguyên liệu được cấp vào cụm nạp nhờ vào băng tải (7) để chuẩn bị cho quá trình ép

− Bước 3: Định lượng và nạp liệu

Hỗn hợp nguyên liệu sau đó được định lượng nhờ hệ thống định lượng (8), sau đó được đưa vào khuôn nạp và cấp cho khuôn ép Đồng thời, có các máy cấp khay tự động (9) lấy khay từ máy xếp khay (13) để cấp tấm khay chứa sản phẩm sau khi ép Ngoài ra còn có thiết bị làm mát (14) giúp hệ thống hoạt động ổn định, ít bị

hư hỏng

− Bước 4: Ép tạo hình gạch

Sau khi được cấp nguyên liệu, hệ thống máy ép (10) sử dụng nguyên lý thủy lực nhằm tạo ra lực ép lớn định hình sản phẩm với tính chất đồng đều, rắn chắc, đạt chất lượng cao và ổn định Cùng với bước 1, bước 4 là bước quan trọng quyết định đến chất lượng sản phẩm gạch không nung

− Bước 5: Lấy và bảo quản sản phẩm

Sau khi hoàn thành quá trình ép, các khay gạch thành phẩm sẽ được chuyển đến máy xếp gạch tự động (12) nhờ băng tải (11) Sau đó, các sản phẩm sẽ được chuyển đến kho chứa sản phẩm, lưu trữ từ 5 – 7 ngày là có thể sẵn sàng cho quá trình

sử dụng

Dựa vào các bước đã nên trên, lập được sơ đồ khối quá trình sản xuất gạch không nung như Hình 1.8

Hình 1.8 Sơ đồ khối quá trình sản xuất gạch không nung

Để cụ thể hơn các phương pháp thực hiện trong đề tài nghiên cứu, cần xây dựng các quy trình thí nghiệm và các phương pháp thử về chất lượng cần thiết của các cấp phối gạch

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PHỐI LIỆU VÀ

SẢN PHẨM GẠCH KHÔNG NUNG 2.1 Nguyên vật liệu sản xuất gạch không nung

Nguyên liệu được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm:

Hình 2.1 Nguyên liệu sử dụng sản xuất gạch: tro xỉ (A), tro bay (B), xi măng Hà

Tiên PCB40 (C), đá mi (D), nước (E)

2.1.1 Xi măng

Xi măng Portland là được sản xuất từ những nguyên liệu rất đơn giản và phong phú Từ thuở sơ khai, các nguyên liệu sử dụng chủ yếu là đá vôi và đất sét, tuy nhiên, ngày nay đã có nhiều loại nguyên liệu khác nhau được sử dụng Các nguyên liệu được trộn với một số chất phụ được tính toán theo tỷ lệ thích hợp từng nguyên liệu sau đó được đưa vào lò cho quá trình xử lý nhiệt độ cao để tạo nên chất kết dính (clinker) Quy trình sản xuất xi măng Portland rất phức tạp từ việc đòi hòi các công nghệ để duy trì điều kiện nhiệt độ cao của lò Do đó, chi phí sản xuất clinker phụ thuộc rất nhiều vào chi phí để duy trì lò nung ở độ cao Các nguyên liệu được điều chỉnh với

tỷ lệ thích hợp được nung ở nhiệt độ khoảng 1450 oC, để tạo ra 4 khoáng vật có thể tạo liên kết với nước:

− Alit: 3CaO.SiO2 (C3S)

− Belit: 2CaO.SiO2 (C2S)

− Celit: 3CaO.Al2O3 (C3A)

− Alumino-Ferit: 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF)

Quá trình hydrate hóa và đông kết của xi măng Portland được thể hiện qua Hình 2.2 Cả C3S và C2S đều có cấu trúc tứ diện cô lập được nối với nhau bởi calcium và việc loại bỏ chúng bằng cách thêm nước sẽ giải phóng các loại orthosilicate Do đó, giai đoạn đầu của quá trình hydrate hóa liên quan đến việc tách calcium nhanh chóng vào pha nước lớp orthosilicic xung quanh hạt xi măng đã mất calcium Lớp này càng dày khi quá trình hydrate hóa tiến sâu vào hạt

Do đó, liên kết C-S-H được hình thành tại bề mặt phân cách, qua đó nước đi vào phần khuếch đại và các ion Ca2+ đi ra ngoài vào pha nước Áp suất thẩm thấu tăng lên trong màng, cuối cùng gây ra sự vỡ ở các điểm yếu và đùn các chất lỏng (về

cơ bản là dung dịch của các anion orthosilicate và dislicate) vào pha nước Sự kết tủa liên tục của C-S-H ở ngoại vi dòng sau đó làm phát sinh các liên kết dạng ống C-S-H là một vật liệu không có trật tự (có thể coi là hydroxide hỗn hợp), hình thái của nó được xác định không phải bằng xem xét về tinh thể học mà bằng một phương thức kết tủa có lẽ được mô tả tốt nhất là kết tủa màng Vật liệu kết tinh nhất thiết phải có mặt trong khối ngậm nước, đặc biệt là porlandite, nhưng điều này sẽ ít ảnh hưởng đến tính chất cơ học (đặc biệt là độ bền kéo) so với bản chất của vật liệu lấp đầy không gian chính, C-S-H [24]

Hình 2.2 Quá trình hydrate hóa của xi măng Portland [24]

C3S + H2O → 3Ca2+ + SiO44– + 6OH–

SiO44– → Si2O76–

Ca(OH)2 + Si2O76– → C–S–H

Xi măng Hà Tiên PCB40 là xi măng Portland góp phần làm chất kết dính trong hỗn hợp vữa sản xuất gạch không nung Xi măng thường rất được sử dụng trong xây dựng làm vật liệu liên kết giữa các nguyên liệu trong máy trộn đảo để tạo thành hỗn hợp đồng nhất, không vón cục

Xi măng Hà Tiên PCB40 thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật của TCVN 6062:2009 [25]

2.1.2 Tro bay, tro xỉ

Như đã đề cập ở trên, tro bay và tro xỉ là bụi khí thải dưới dạng hạt mịn thu được

từ quá trình đốt cháy nhiêu liệu than đá trong các nhà máy nhiệt điện, là phế thải từ buồng đốt của nhà máy

Trong nghiên cứu này sử dụng tro bay, tro xỉ từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải (Trà Vinh) thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật trong TCVN 10302: 2014 [26]

2.1.3 Đá mi

Vữa bao gồm xi măng, cát và nước nhưng không có cốt liệu Vữa là một loại keo dán hiệu quả, được sử dụng để liên kết các loại khối xây dựng khác nhau như đá, gạch và khối bê tông, chúng liên kết với nhau để lấp đầy và bịt kín các lỗ không đều giữa chúng Tuy nhiên, để vữa được sử dụng ở nghiên cứu này được sản xuất gạch không nung cũng giống như bê tông cốt liệu nên cần có các loại cốt liệu như đá mi, sỏi, đá nghiền hoặc các loại vật liệu mịn khác như cát Trong nghiên cứu này sử dụng

đá mi để bổ sung vào thành phần cốt liệu của vữa gạch nhằm tăng tính bền chặt, lấp đầy bên trong gạch

Đá mi thường được sử dụng phổ biến trong xây dựng, dùng để làm vữa xây, là phụ phẩm cần thiết tạo nên sự chắc chắn, vững chãi cho bê tông, gạch không nung Kích thước của đá mi thường là 1×1, 1×2, 2×2 (cm)… Đá mi được sử dụng trong nghiên cứu này có khối lượng riêng 2,77 g/cm3

2.1.4 Nước

Nước được sử dụng trong gạch không nung thông qua quá trình hydrate hóa xi măng (clinker) Các phân tử nước kết hợp với xi măng hay chất kết dính tạo thành một hỗn hợp sệt như chất keo kết dính các thành phần gạch không nung lại với nhau Quá trình này giúp lấp đầy khoảng trống bên trong vữa và làm cho vữa chảy tự do hơn Tỷ lệ giữa xi măng và nước là một yếu tố quan trọng, đóng vai trò quyết định đến cường độ của bê tông Tỷ lệ nước và xi măng thấp hơn mang lại bê tông chắc chắn hơn, bền hơn, trong khi quá nhiều nước hơn sẽ tạo ra gạch chảy Việc sử dụng nước không sạch vào hỗn hợp bê tông gây ra các vấn đề trong quá trình đông kết và dẫn đến hư hỏng kết cấu sớm Quá trình thủy hóa xi măng bao gồm các phản ứng khác nhau và thường xảy ra cùng một lúc Khi các phản ứng diễn ra, các sản phẩm