Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật vật liệu: Sự ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét đến tính chất của vật liệu Geopolymer tổng hợp từ đất sét và tro bay

Mặt khác, Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét đến cường độ của vật liệu geopolymer đất, từ đó đề xuất các hướng nghiên cứu về vật liệu gạch đất sét không nung giúp giảm ngu

Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu

Sự phát triển nhanh chóng của ngành vật liệu xây dựng, cùng với mục tiêu chung là tận dụng các nguồn nguyên vật liệu phế phẩm, tiết kiệm các nguồn tài nguyên sẵn có Các nhà khoa học đã tìm ra rất nhiều đề tài, nhiều công trình nghiên cứu phục vụ mục tiêu chung đó Việc định hướng và tìm ra cấu trúc vật liệu geopolymer vô cơ tổng hợp từ đất và các phụ phẩm công nghiệp từ thập niên 1960 đã đưa ngành công nghệ vật liệu xây dựng phát triển theo chiều hướng mới Trong thực tế thì nguồn phụ phẩm tro bay của các nhà máy nhiệt điện thải ra ngày càng nhiều, công nghệ sản xuất gạch đất sét nung thì càng phát triển trên diện rộng

Chính vì thế, ý tưởng tận dụng được nguồn tro bay và nguồn đất sét tự nhiên sản xuất gạch để tạo ra một loại vật liệu mới không nung, thân thiện với môi trường đã được nhiều nhà khoa học đặc biệt quan tâm và nghiên cứu

Việt Nam là một đất nước đang phát triển, đang trong quá trình hiện đại hóa các ngành công nghiệp Nguồn nguyên liệu khoáng sản sét khá dồi dào, có chất lượng khá tốt tạo điều kiện thuận lợi cho ngành công nghiệp sản xuất gạch và gốm phát triển Diện phân bố các khoáng sản sét được tập trung chủ yếu ở các vùng Bắc Trung Bộ, Đồng bằng sông Hồng, Đông Bắc, Tây Bắc, và Khu vực Tây Nam Bộ

Việc khai thác mỏ sét ở Đông Nam Bộ và Tây Nam Bộ được thực hiện dưới mực nước ngầm và giữa các lớp đất phủ Để khai thác, có thể sử dụng phương pháp vận chuyển trực tiếp từ tầng khai thác hoặc sử dụng máy xúc nhiều gàu kết hợp băng tải để xúc bốc theo từng lớp.

Công nghệ sản xuất gạch đất sét nung trên thế giới là một công nghệ truyền thống lâu đời nhưng tỉ lệ sản xuất và sử dụng ngày càng giảm do nguồn nguyên liệu cho sản xuất ngày càng cạn kiệt, công nghệ sản xuất gây ra nhiều chất thải có hại, việc tiếp tục khai thác đất sét cho sản xuất gạch đất sét nung làm giảm diện tích trồng lương thực, ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường sinh thái

Theo số liệu báo cáo kết quả của dự án điều tra lập hệ thống dữ liệu tài nguyên khoáng sản làm nguyên liệu cho sản xuất gốm và các dự án quy hoạch vật liệu xây dựng trong cả nước của Viện Vật liệu Xây dựng - Bộ Xây dựng thì trong số 102 khoáng sản được khảo sát, đất sét có trữ lượng dự báo khoảng 2,932 tỷ tấn Để sản xuất 1 tỷ viên gạch đất sét nung có kích thước tiêu chuẩn sẽ tiêu tốn khoảng 1,5 triệu m3 đất sét, tương đương 75ha đất nông nghiệp và 150.000 tấn than, đồng thời thải ra khoảng 0,57 triệu tấn khí CO2 [2]

Vấn đề được đặt ra là làm sao sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên này và vẫn đảm bảo được yếu tố môi trường bền vững Có rất nhiều kết quả nghiên cứu đã thành công với các loại vật liệu mới làm từ đất sét nhưng không phải qua quá trình nung (nhằm hạn chế việc thải khí CO2 và tận dụng một số nguồn nguyên liệu phế thải công nghiệp) theo công nghệ Geopolymer hóa

Geopolymer là từ được sử dụng để chỉ các loại vật liệu vô cơ tổng hợp từ vật liệu có nguồn gốc aluminosilicate Khái niệm Geopolymer lần đầu tiên được sử dụng bởi giáo sư Joseph Davidovits từ những năm 1970 Nguyên lý chế tạo vật liệu Geopolymer dựa trên khả năng phản ứng của các vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm để tạo ra sản phẩm có các tính chất và cường độ tốt hơn Hệ nguyên liệu để chế tạo vật liệu Geopolymer bao gồm hai thành phần chính là các nguyên liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm Nguyên liệu aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình Geopolymer hóa xảy ra (thường dùng là tro bay, metacaolanh, silicafume…) Chất hoạt hóa kiềm được sử dụng phổ biến nhất là các dung dịch Sodium Hydroxit, KOH và thủy tinh lỏng Sodium Silicat nhằm tạo môi trường kiềm và tham gia vào các phản ứng Geopolymer hóa [9]

Vật liệu geopolymer được nghiên cứu với mục tiêu tạo ra quá trình sản xuất thân thiện với môi trường, giảm phát thải CO2, tận dụng các chất thải công nghiệp như tro xỉ, bùn đỏ… thành các sản phẩm có tính năng sử dụng cao Trên thế giới, các ứng dụng của vật liệu Geopolymer đã được sử dụng trong sản xuất xi măng đặc biệt như xi măng đóng rắn nhanh, xi măng bền axit, sản xuất gạch và gốm không nung, ứng dụng trong vật liệu công nghệ cao như vật liệu composite chống cháy, xử lý phế thải độc hại và chất thải phóng xạ, ứng dụng trong vật liệu composite chịu nhiệt, ứng dụng trong khảo cổ học và mỹ thuật

Tro bay là sản phẩm phụ phát sinh từ quá trình đốt than tại các nhà máy nhiệt điện Để thu gom tro bay, người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện hoặc biện pháp cơ học tại ống khói thải.

Tro bay có độ mịn tự nhiên (không cần nghiền) như xi măng, hạt tro bay hình cầu

Thành phần hoá học của tro bay chủ yếu là SiO2, Al2O3, Fe2O3 với tổng khối lượng yêu cầu lớn hơn 70% khối lượng tro bay, trong đó có một phần hoạt tính và một phần không hoạt tính (trơ) Ngoài ra, còn có các các axít khác và than chưa cháy [5] Nguồn sản lượng tro bay trên thế giới rất dồi dào, tổng sản lượng ước tính năm 1998 ở Trung quốc và Ấn độ là hơn 390 triệu tấn, năm 2010 tổng sản lượng trên toàn thế giới tăng đến khoảng 780 triệu tấn, tuy nhiên chỉ có khoảng 14% khối lượng này được sử dụng, vẫn còn một khối lượng rất lớn bị lãng phí [25]

Công nghệ Geopolymer hóa đá đất đã được áp dụng để tạo ra các sản phẩm đất sét không nung với thành phần nguyên liệu chủ yếu là đất sét, tro bay và dung dịch kiềm hoạt tính Phát minh này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng về mặt kinh tế lẫn khoa học do tận dụng được nguồn phế thải, tiết kiệm được nguồn tài nguyên sẵn có, vừa tạo ra loại vật liệu mới thân thiện với môi trường nhiều hơn.

Lịch sử phát triển của ngành công nghệ vật liệu Geopolymer đất

Lịch sử phát triển và ứng dụng công nghệ Geopolymer trên thế giới

Ngành Công nghệ vật liệu Geopolymer ra đời từ những năm 1960, nhưng được quan tâm và nghiên cứu nhiều hơn từ những năm 1972 đến nay Hiện tại, đã có rất nhiều bằng sáng chế, nghiên cứu và ứng dụng Geopolymer vào các ngành công nghệ vật liệu hiện đại (vật liệu cách nhiệt, vật liệu chống cháy, chất kết dính vô cơ, công nghệ xử lý chất thải…) được giới thiệu và ứng dụng trên toàn thế giới

Khởi đầu bằng việc Viện Geopolymer được thành lập tại Pháp năm 1972

Xuất phát từ ý tưởng phải tìm ra vật liệu vô cơ có khả năng chống cháy và chịu được nhiệt độ cao, Joseph Davidovits đã phát hiện ra hệ nguyên liệu bao gồm đất sét, cao lanh có thể tương tác với dung dịch kiềm hoạt hóa Sodium Hydroxit ở 100 – 150 độ C để tạo ra hợp chất mới là Hydrosodialte:

Si2O5, Al2(OH)4 + Sodium Hydroxit ⇒ Na(-Si-O-Al-O) n

Kaolinite Hydrosodalite Điều này là tiền đề cho việc nghiên cứu và phát triển của công nghệ vật liệu tổng hợp Geopolymer đến sau này

Công nghệ Geopolymer được quan tâm nghiên cứu rất nhiều tại Pháp, với ứng dụng lần đầu tiên vào năm 1973 -1976 để chế tạo các tấm panel gỗ cách nhiệt bằng cách phủ hai bề mặt của tấm panel gỗ bằng hợp chất silic-aluminosiliate sau khi xử lý qua quá trình gia nhiệt (Công ty A.G.S và Saint-Gobain, Pháp) Năm 1977 -1978, công nghệ Geopolymer tiếp tục được ứng dụng vào ngành công nghiệp sản xuất gốm sứ khi công ty A.G.S tiếp tục nghiên cứu và tìm ra hợp chất nano composite mới (cấu trúc phân tử -(Na-PS)-(SiO2)n-(Na-PS)-(SiO2)n-, tại điểm nhiệt độ 1460 độ C, tạo thành hợp chất gốm có khả năng bền nhiệt và hệ số giãn nỡ nhiết rất thấp) [16]

Trong những năm sau đó, công nghệ Địa trùng hợp được áp dụng để chế tạo loại gạch nung ở nhiệt độ thấp gọi là gạch L.T.G.S (Low Temperature Geopolymeric Setting) Quá trình sản xuất gạch L.T.G.S bao gồm trộn hỗn hợp đất sét cao lanh với dung dịch kiềm có tính hoạt tính cao, tạo ra tương tác và hình thành chuỗi M-Polysiliate, trong đó M là kim loại kiềm có hoạt tính cao như Na hoặc K.

Gạch L.T.G.S có khả năng chịu được nhiệt độ tối đa là 1000 0 C, có khả năng bền hóa học và độ hút nước thấp Sản phẩm này đã được công nhận và cấp bằng sáng chế ở nhiều nước Châu Âu [16]

Trên cơ sở lý thuyết Geopolymer của Joseph Davidovits, Lone Star (một cty sản xuất xi măng hàng đầu của Mỹ) đã nghiên cứu và chế tạo thành công một loại xi măng mới, bằng cách kết hợp nguyên liệu sét và dung dịch kiềm hoạt tính cao, tạo thành chất kết dính vô cơ mới có khả năng đóng rắn nhanh và cho cường độ ban đầu rất tốt với tên gọi là xi măng polymer Công nghệ này nhanh chóng được phát triển rộng rải trên toàn thế giới, và đang dần dần có ưu thế hơn xi măng portland do có ưu điểm về nguyên liệu sản xuất và phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường

Nghiên cứu về xi măng geopolymer (High – Akali – Poly) chỉ ra ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành kỹ thuật, bao gồm hàng không, xây dựng, công nghiệp nhựa và kim loại Xi măng này có khả năng đóng rắn nhanh ở nhiệt độ phòng và đạt cường độ chịu nén đáng kể Sau 4 giờ ở 200°C, cường độ chịu nén có thể đạt 20 Mpa, trong khi sau 28 ngày bảo dưỡng có thể đạt từ 70 đến 100 Mpa.

Những nghiên cứu về geopolymer xuất hiện riêng rẽ ở từng quốc gia và tài liệu khoa học thì rất ít Cho đến những năm 1990, các tài liệu nghiên cứu khoa học

Trang 12 về geopolymer bắt đầu xuất hiện nhiều hơn, các nghiên cứu về ảnh hưởng của từng loại vật liệu trong geopolymer bắt đầu được nghiên cứu sâu hơn [12] Mối quan tâm đầu tiên về geopolymer những năm này là ứng dụng vào công nghệ đóng gói chất thải rắn, giúp tận dụng được nguồn chất thải độc hại thành những vật liệu có ích, giúp bảo vệ môi trường tốt hơn [22] [26]

Lần đầu xuất bản năm 2008, Geopolymer chemistry and application đã khái quát toàn bộ kiến thức tổng thể về công nghệ Geopolymer [13] Các ứng dụng của công nghệ này đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên toàn thế giới Nghiên cứu đã tập trung vào thành phần và nồng độ của dung dịch kiềm để thúc đẩy nhanh quá trình geopolymer hóa Đức đã phát minh ra công nghệ RRP (Reynolds RoadPacker), là một hợp chất của Axits Sunfuro phối trộn vào đất tạo ra một sự liên kết giữa các ion âm của đất với cation Na + , K + , Mg ++ , Fe ++ Quá trình phối trộn và lu lèn để độ đầm chặt đạt tới hệ số K = 95, K = 98 rồi thành con đường đảm bảo được yêu cầu và đảm bảo các yếu tố an toàn giao thông Mỹ đã có hợp chất SA44/LS40, cũng tương tự như hợp chất RRP ở Đức Hợp chất SA44/SL40 cũng đã được đưa vào sử dụng ứng dụng làm đường Ở một số nước phát triển trên thế giới như: Pháp, Mỹ, Đức, Bỉ và Nam phi đã sử dụng khoảng 70% - 80% lượng gạch xây dựng không nung của họ bằng công nghệ này [14]

Kể từ những năm 2000, nghiên cứu về tính hoạt hóa kiềm đã tăng lên đáng kể trên khắp thế giới, với hơn 100 trung tâm nghiên cứu được thành lập Ở Châu Á, công nghệ Geopolymer đất sét được ứng dụng nhiều vào ngành công nghiệp vận tải, trong việc chế tạo nhựa nền đường mới Công ty Zeobond Pty Ltd có trụ sở ở Melbourne (Úc) đã phát triển nhà máy sản xuất thử nghiệm riêng của mình trong năm 2007 và hiện đang cung cấp sản phẩm bê tông E-Crete (TM) , cho các dự án hạ tầng cơ sở dân dụng lớn bao gồm dự án mở rộng đường cao tốc và xây dựng, sửa chữa cầu khi được cấp phép E-Crete sử dụng hỗn hợp tro bay và xỉ lò cao như là một vật liệu kết dính kết hợp các thành phần hoạt hóa kiềm có đăng ký độc quyền sở hữu [16]

Những năm sau đó, đã có nhiều thay đổi được áp dụng trong nghiên cứu công nghệ geopolymer Nhiều phương pháp phân tích hiện đại được áp dụng để làm sáng tỏ các tác động của các thành phần khác nhau trong vật liệu geopolymer [32]

Nhiều nguyên vật liệu mới được quan tâm nghiên cứu như bột silicat nhôm tổng hợp, khoáng albite [17] , khoáng stilbite [19] , sợi bazan [35] , kiềm fenspat [20] , xỉ lò cao

[11]… Vật liệu geopolymer trở nên phong phú và đa dạng về nguồn nguyên vật liệu tạo thành, tuy nhiên việc lựa chọn nguyên liệu chủ yếu vẫn dựa vào sự tác động đến môi trường khi tạo thành vật liệu mới, công nghệ geopolymer ưu tiên nghiên cứu để giảm thiểu các chất thải công nghiệp và giúp môi trường ngày càng bền vững hơn.

Tình hình ứng dụng công nghệ Geopolymer ở việt Nam

Từ năm 2008 tại Việt Nam, công nghệ geopolymer đã được nghiên cứu rộng rãi trong các đề tài khoa học Lần đầu tiên, công nghệ này được ứng dụng để tận dụng tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong sản xuất bê tông và chế tạo mặt đường cứng như đường ô tô và sân bay Ngoài ra, geopolymer còn được sử dụng để ổn định, xử lý chất thải boxite từ khai thác nhôm trong sản xuất gạch không nung và đóng rắn nền đường.

Hiện nay, vật liệu đất sét được tổng hợp theo công nghệ Geopolymer đang là đề tài được rất nhiều giáo viên và sinh viên ở các trường đại học nước ta quan tâm và nghiên cứu, tạo nên nhiều sản phẩm hữu ích vừa có giá trị kinh tế vừa góp phần bảo vệ môi trường bền vững hơn.

Tổng quan tình hình sử dụng đất sét ở Việt Nam

Trong xây dựng, đất sét là loại đất có chứa một số khoáng vật sét và các khoáng vật khác, đất sét có tính dẻo hay còn được gọi là đất dính Đất sét là loại đất hạt mịn nhưng không phải loại đất hạt mịn là đất sét hoặc đất dính Bụi và bột đá là ví dụ của đất hạt mịn nhưng không có tính dẻo, dính nên không gọi là đất sét Các khoáng vật sét có kích thước rất nhỏ và có hoạt tính điện hóa rất mạnh Khi khối đất thậm chí chỉ chứa với hàm lượng nhỏ các khoáng vật sét cũng có thể gây ảnh hưởng rõ rệt đến đặc tính cơ lý của đất Khi hàm lượng khoáng vật sét tăng lên, đặc tính của đất sẽ chịu chi phối của đặc tính sét tăng theo Nếu khoáng vật sét chiếm khoảng 50%, các hạt cát và bột sẽ nổi trong các khối khoáng vật sét và gây ảnh hưởng nhỏ đến đặc tính cơ lý của đất [30]

Cấu tạo của đất bao gồm sự sắp xếp các hạt và lực tương tác giữa chúng Đối với đất hạt rời, cấu tạo và kết cấu gần giống nhau do lực tương tác giữa các hạt rất nhỏ Ngược lại, lực tương tác ở đất dính hạt mịn lớn, nên cả cấu tạo và kết cấu đều phải được coi là cấu tạo đất Do đó, cấu tạo đất ảnh hưởng lớn đến đặc tính xây dựng của đất Tất cả các cấu tạo sét tự nhiên là kết quả của sự kết hợp giữa các yếu tố như môi trường địa chất, lịch sử địa chất, lịch sử chất tải và đặc tính của khoáng vật sét.

Cấu trúc khoáng vật của đất sét bao gồm khả năng giữ nước và độ dẻo cao Chính vì vậy, khi ướt, đất sét có thể dễ dàng tạo hình bằng tay, đồng thời đạt được cường độ cao khi tiếp xúc với nhiệt độ cao Ứng dụng chính của đất sét là sản xuất gạch.

Tình hình sản xuất và sử dụng gạch đất sét nung trên phạm vi toàn quốc khá phổ biến Nhiều lò thủ công sản xuất gạch đất sét nung được xây dựng tại nhiều địa phương Theo số liệu thống kê sản lượng gạch đất sét nung ước tính năm 2011 đạt khoảng 20,9 tỷ viên, chiếm 83,7% vật liệu xây, trong đó gạch sản xuất bằng lò thủ công chiếm 35 - 40% Các cơ sở sản xuất gạch đất sét nung, đặc biệt là sản xuất bằng phương pháp thủ công hầu như không đóng thuế tài nguyên Những nơi có đóng thuế tài nguyên đất sét thì con số cũng rất nhỏ, vì hiện nay thuế suất thuế tài nguyên đối với đất sét làm gạch chỉ ở mức 7% Việc thu phí bảo vệ môi trường đối với việc khai thác đất sét làm gạch nung cũng đang ở mức thấp (1,5 - 2 nghìn đ/m 3 ), nhưng thu cũng chưa triệt để

Hàng năm, ở nước ta lượng gạch đất sét nung khổng lồ đang được sử dụng

Năm 2009, cả nước sử dụng 23,5 tỷ viên gạch quy tiêu chuẩn Ước tính cả năm 2010, cả nước sẽ sử dụng tới 25 tỷ viên gạch quy tiêu chuẩn Quy hoạch tổng thể phát triển VLXD đến năm 2020 thì năm 2015 nhu cầu của cả nước là 32 tỷ viên và tới năm 2020 nhu cầu sử dụng vật liệu xây tương ứng khoảng 42 tỷ viên gạch quy tiêu chuẩn Vậy, 42 tỷ viên vào năm 2020, nếu hoàn toàn là gạch đất sét nung thì

Trang 15 chúng ta phải mất tới trên 60 triệu m 3 đất sét Với khối lượng đất sét đó, nếu khai thác với chiều sâu trung bình là 2m thì sẽ mất khoảng 3.000ha đất nông nghiệp

Diện tích đất sét được sử dụng tương đương với diện tích trung bình của một xã Quá trình sản xuất 42 tỷ viên gạch nung đòi hỏi một lượng than khổng lồ là khoảng 6 triệu tấn, thải ra hơn 17 triệu tấn khí CO2 Việc khai thác và sử dụng đất sét để sản xuất gạch không chỉ làm suy giảm tài nguyên đất mà còn góp phần gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng tới sức khỏe con người và hệ sinh thái.

Do tần suất khai thác đất sét cao, nguồn tài nguyên này đang bị báo động Đặc biệt, việc sử dụng than đá làm nhiên liệu trong các lò nung tạo ra lượng lớn khí thải CO2, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.

Xuất phát từ ý tưởng bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên đất sét, tận dụng hữu hiệu nguồn phụ phẩm tro bay của các nhà máy nhiệt điện, một số nghiên cứu đã áp dụng công nghệ Geopolymer để đóng rắn hỗn hợp nguyên vật liệu bao gồm đất sét và tro bay, hỗn hợp có được cường độ khả ổn định ở nhiệt độ sấy, giúp tiết kiệm được chi phí phục vụ giai đoạn nung và góp phần bảo vệ môi trường bền vững.

Tông quan về nguyên vật liệu chế tạo trong Geopolymer đất

Vật liệu Aluminosiliate

Vật liệu Alumino-siliate là loại vật liệu có thành phần chủ yếu là các Khoáng Alumino-siliate, một loại khoáng mà thành phần hóa học chủ yếu được tạo thành từ các oxit SiO 2 , Al 2 O 3 Công thức hóa học cơ bản là Al 2 SiO 5 , là thành phần chính có trong nhiều loại đất sét, đặc biệt là cao lanh

Trong tự nhiên, khoáng Alumino-siliate tồn tại ở nhiều dạng trong nhiều loại vật liệu khác nhau, dù có cấu tạo cùng công thức phân tử nhưng khác nhau ở cách phân bố mạng tinh thể, cấu trúc tinh thể tạo nên tính chất vật lý khác nhau Tận dụng khả năng linh hoạt này, vật liệu geopolymer đất được tổng hợp bằng cách kết hợp vật liệu aluminosiliate và dung dịch đóng rắn giúp hình thành mạng lưới tinh thể mới, cấu trúc không gian, giúp vật liệu mới tạo thành có những tính chất tốt hơn vật liệu aluminosilate ban đầu

Khi cho tác dụng với dung dịch kiềm mạnh (như Sodium Hydroxit hoặc Potassium Hydroxit) và sau đó tiến hành bão dưỡng ở nhiệt độ phòng, vật liệu

Trang 16 aluminosilicate nhanh chóng hòa tan vào dung dịch để tạo thành tứ diện SiO4 và AlO4 Trong quá trình xảy ra phản ứng, nước dần dần tách ra và những cụm tứ diện SiO4 và AlO4 liên kết nhau bằng nguyên tử oxi và tạo nên những monomer đầu tiên (- SiO4 - AlO4 -hoặc - SiO4 - AlO4 - SiO4, SiO4 - AlO4 - SiO4) [39] Đây là ưu điểm lớn nhất của vật liệu aluminosiliate có thể ứng dụng tốt vào công nghệ geopolymer.

Dung dịch đóng rắn

Dung dịch chất đóng rắn (hoạt hóa) gồm dung dịch Natri hiđroxit (NaOH) hoặc Kali hiđroxit (KOH) kết hợp với Kiềm Silicat (R2O.nSiO2) (R=Na thì n=2,5-3,2; R=K thì n=3-4) Khả năng tương tác của dung dịch này phụ thuộc vào nồng độ mol dung dịch kiềm hoạt tính, biểu hiện qua màu sắc từ không màu đến hơi vàng.

Tại Hội nghị khoa học quốc tế chuyên đề Geopolymer, [14] trong nghiên cứu của mình, các nhà khoa học đã kết luận rằng Tỉ lệ nồng độ Mol SiO2/Na2O dung dịch chất đóng rắn đóng vai trò quan trọng trong quá trình Polymer hóa

Tỉ lệ nồng độ Mol SiO2/Na2O của dung dịch chất đóng rắn đã một số tác giả nghiên đề xuất như:

+ Palomo (1999) chọn tỷ lệ SiO2/Na2O từ 0.63 đến 1.23

+ Xu and Van Deventer (2000) [14] chọn tỷ lệ SiO2/Na2O =0.33

+ Barbosa (2000) dựa trên những nghiên cứu trước đó của Davidovits (1982) đã đề xuất tỷ lệ Na2O/SiO2 từ 0.20 đến 0.48

+ Chindaprasirt (2007) [6] chọn tỷ lệ SiO 2 /Na 2 O từ 0.67 đến 1.00, nồng độ mol của dung dịch Sodium Hydroxit từ 10 -20

+ Hardjito and Rangan (2004, 2005) [25] đưa ra tỷ lệ Na2O/SiO2 từ 0.4 đến 2.5 và đề xuất lực chọn giá trị Na2O/SiO2 =2.5 cho hầu hết các thành phần cấp phối Ở một số thực nghiệm, các nhà khoa học đã tìm ra cấp phối tối ưu nhất khi tỉ lệ Na2O/SiO2 = 0.25; H2O/Na2O = 10 và SiO2/Al2O3 = 3.3 Có điều đặc biệt là vẫn chưa có mẫu thử kích thước tiêu chuẩn quốc tế cho loại vật liệu này [25]

Tro bay

Tro bay (tên gọi tiếng anh là Fly Ash) là thành phần mịn nhất của tro xỉ than, là sản phẩm phế thải được tạo ra trong quá trình đốt cháy than ở các nhà máy nhiệt điện Tro bay được thu thập và phân loại bằng các luồng khí phân loại, những hạt to rơi xuống đáy, và những thành phần hạt nhỏ hơn sẽ được thu gom ở cuối đường ống khói Tro bay là một loại Puzzolan nhân tạo, là tro đốt của than cám nên bản thõn nú đó rất mịn, cỡ hạt từ 1 àm - 20 àm, tỷ diện khoảng 250 đến 600 m 2 /kg

Theo tiêu chuẩn ASTM C618-94a [7] , Tro bay được phân loại chủ yếu là 3 loại:

- Class N: do các chất bùn, đá phiến sét bị đốt cháy tạo thành

- Class F: là sản phẩm thu được chủ yếu sau quá trình đốt cháy than bitum hoặc than anthracite trong nhà máy nhiệt điện, có hàm lượng than chưa cháy từ 2 – 10 %, tro bay loại này có tính chất gần giống puzzoland (phụ gia thủy vô cơ hoạt tính) Hàm lượng CaO trong loại này thường nhỏ hơn 10%

- Class C: có tính chất gần giống như tro bay class F nhưng là sản phẩm thu được từ việc than non (lignit) bị đốt cháy, hàm lượng than chưa cháy thường ít hơn 2% Hàm lượng CaO trong lại này thường lớn hơn 10% Loại tro bay này chất lượng cao nhưng khó sản xuất

Công nghệ geopolymer dùng chủ yếu là 2 loại: Class F và Class C

Bảng 1 1 Thành phần chính tro bay theo ASTM C618-94a

Thành phần hoá học (%) Loại N Loại F Loại C

Max (lượng mất sau khi nung) (%) 10,0 6,0 6,0

Trên toàn thế giới, sản lượng tro bay khoảng 900 triệu tấn/năm Tỷ lệ như sau: (Hội nghị bê tông Châu Á 2008)

Bảng 1 2 Sản lượng tro bay [29]

Nước Sản lượng (triệu tấn) Trung Quốc > 600 Ấn độ > 110

Tại Việt Nam, hằng năm ước tính các Nhà máy nhiệt điện trên cả nước thải ra khoảng 1,3 triệu tấn tro bay, năm 2010 là 2,3 triệu tấn/năm Trung bình, hiện mỗi ngày Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại 2 (Hải Dương) thải ra 3.000 tấn tro xỉ, trong đó 30% là than chưa cháy hết, còn lại là tro bay rất mịn Do hàm lượng than dư này không cao, nên khó tận thu làm nhiên liệu đốt, mà thường được thải thẳng ra hồ chứa Cùng với lượng tro xỉ tương đương của Nhiệt điện Phả Lại 1, mỗi ngày hai nhà máy này đang xả lượng chất thải khổng lồ vào môi trường

Hiện công nghệ từ nước ngoài không thể áp dụng cho tuyển tro bay ở Việt Nam, nhất là ở Nhà máy nhiệt điện Phả Lại do đặc điểm khác biệt về công nghệ đốt và chất lượng than của nhà máy như: hàm lượng than trong tro bay quá cao (khoảng 30%) Những nghiên cứu của TS Nguyễn Hồng Quyền, Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện Khoa học Việt Nam và Công ty CP Công nghiệp và Dịch vụ Cao Cường đã xây dựng nhà máy thu hồi chế biến tro bay Dự án được tiến hành tháng 7/2006 với công suất thiết kế 80 nghìn tấn sản phẩm/năm Thiết bị máy móc được nhập từng phần từ Trung Quốc, xây dựng trên khu đất gần 10 nghìn m 2 , tổng vốn đầu tư là 17,7 tỉ đồng Hiện nay dây chuyền đã đi vào sản xuất ổn định với công xuất 200 tấn/ngày, dự kiến công suất sẽ được nâng lên khi một dây chuyền nữa được đưa vào hoạt động vào cuối năm nay

Cần lưu ý đến nhà máy nhiệt điện đốt than Formosa tại khu vực miền Nam, sử dụng công nghệ lò đốt tiên tiến và than đá chất lượng cao nhập khẩu từ Malaysia Nhà máy này thu được tro bay có chất lượng tương đối tốt, đáp ứng các tiêu chuẩn ASTM - C618 Các thành phần hóa học cơ bản của tro bay sẽ được trình bày chi tiết hơn trong chương sau.

Mục tiêu của đề tài

Trên cơ sở tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng đất sét, tro bay trong và ngoài nước, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ Geopolymer vào hỗn hợp đất sét và tro bay có ý nghĩa thực tiễn quan trọng Nhờ đó, vật liệu mới tạo thành đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật, thân thiện với môi trường, đặc biệt là giúp giảm giá thành sản xuất gạch đất nung, mang lại giá trị kinh tế cao.

Tiến hành nghiên cứu và thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý và các tính chất của hỗn hợp geopolymer đất và tro bay Thông qua kết quả thí nghiệm đó, tiến hành đánh giá và thiết kế hỗn hợp geopolymer đất và tro bay

Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét, độ mịn của đất sét ảnh hưởng đến cường độ, cũng như tính chất vật lý của mẫu geopolymer đất sét

Nghiên cứu đề xuất dây chuyền và công nghệ vật liệu đất sét mới, thân thiện với môi trường, có độ bền cao và giảm được chi phí sản xuất so với công nghệ gốm và gạch nung hiện nay.

HỆ NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC LÀM NỀN TẢNG CHẾ TẠO

Thành phần hóa học và cấu trúc phân tử của nguyên vật liệu tạo thành

2.1.1.1 Thành phần hóa và cấu trúc thành phần khoáng của đất sét: Đất sét là loại đất hạt mịn, thành phần có chứa các khoáng sét có khả năng tạo nên tính dẻo và dính Các khoáng vật sét có kích thước rất nhỏ và có hoạt tính điện hóa rất mạnh Khi khối đất thậm chí chỉ chứa với hàm lượng nhỏ các khoáng vật sét cũng có thể gây ảnh hưởng rõ rệt đến đặc tính cơ lý của đất Khi hàm lượng khoáng vật sét tăng lên, đặc tính của đất sẽ chịu chi phối của đặc tính sét tăng theo

Các khoáng vật sét là những vật chất kết tinh rất nhỏ bền vững, được tạo ra chủ yếu từ quá trình phong hóa hóa học các khoáng vật tạo đá có trước xác định Về mặt hóa học, chúng là các aluminosilicates ngậm nước kết hợp với các ion kim loại khác Tất cả các khoáng vật sét là các tinh thể cỡ hạt keo, rất nhỏ (đường kính nhỏ hơn 1μm) và chỉ được nhìn thấy dưới kính hiển vi điện tử Những tinh thể riêng lẻ trông giống như các bản mỏng hoặc các đám bông nhỏ và từ các nghiên cứu nhiễu xạ tia X, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, các đám bông này bao gồm nhiều lớp tinh thể với cấu trúc nguyên tử lặp lại Trên thực tế, chỉ có hai lớp tinh thể cơ bản đó là các khối tứ diện silic và các khối bát diện alumin Sự khác nhau trong việc sắp xếp các lớp tinh thể cùng với liên kết và các ion kim loại ở các nút mạng không giống nhau sẽ tạo ra các khoáng vật sét khác nhau

Về cơ bản, các lớp tinh thể có hình khối tứ diện là sự kết hợp các đơn vị tứ diện oxit silic đơn vị - được tạo lên từ 4 nguyên tử oxi ở các góc và bao quanh một nguyên tử silic

Hình 2.1a cho thấy khối tứ diện oxit silic đơn, hình 2.1b cho thấy các nguyên tử oxi của các khối tứ diện kết hợp với nhau tạo ra lớp tinh thể Các nguyên tử oxi ở mặt đáy của mỗi khối tứ diện thì cùng nằm trên một mặt phẳng, còn các nguyên tử oxi khác đều hướng về cùng một phía Hình 2.1c là sơ đồ thông dụng biểu diễn một

Trang 22 lớp khối tứ diện Nhìn từ trên xuống, lớp oxit silic cho thấy các nguyên tử oxi ở mặt đáy của các khối tứ diện liên kết với các khối tứ diện khác như thế nào và các nguyên tử silic được liên kết như thế nào ở hình 2.1d

Hình 2 1 Cấu trúc khối tứ diện SiO 2 đơn

Các loại cấu trúc cơ bản tương ứng với các khối tứ diện silic (Grim, 1959), chuỗi hoặc lớp silic (Grim, 1959), giản đồ của lớp silic (Lambe, 1953), hình chiếu bằng của lớp silic (Warshaw và Roy, 1961) Các lớp bát diện bao gồm các khối bát diện đơn vị với 6 nguyên tử oxy hoặc hydroxy bao quanh một nguyên tử nhôm, sắt, magie hoặc nguyên tử khác.

Một khối bát diện riêng lẻ được minh họa ở hình 2.2a, trong khi hình 2.2b cho thấy các khối bát diện kết hợp với nhau tạo thành lớp bát diện Dãy các nguyên tử oxi hoặc hydroxin trong lớp bát diện nằm trong 2 mặt phẳng Hình 2.2c là sơ đồ biểu diễn lớp bát diện chúng ta sẽ sử dụng sau này Hình 2.2d cho thấy, khi nhìn từ

Nguyên tử ôxy ở mặt phẳng silic phía trên Nguyên tử Silic

Nguyên tử ôxy liên kết để tạo thành mạng tinh thể Sơ họa khối tứ diện silica

Sơ họa chuỗi vòng silica (2 chiều) và minh họa các liên kết từ nguyên tử silic tới các nguyên tử ôxy ở mặt dưới (liên kết thứ 4 của mỗi nguyên tử silic vuông góc với mặt phẳng giấy)

Trang 23 trên xuống các nguyên tử khác nhau kết hợp và liên kết với nhau như thế nào trong lớp bát diện

Hình 2 2 Cấu trúc khối bát diện Al 3+ đơn

(a) Khối bát diện Al hoặc Mg (theo Grim, 1959), (b) Chuỗi tứ diện hay lớp alumina (theo Grim, 1959), (c) Giản đồ biểu diễn của lớp Al hoặc Mg (theo Lambe, 1953), (d) Hình chiếu bằng của lớp bát diện (theo Warshaw và Roy, 1961)

Các lớp tứ diện và bát diện liên kết nhau sẽ tạo thành các khoáng cơ bản của đất sét Tùy thuộc vào tỉ lệ số tấm tứ diện trên tấm bát diện ở mỗi lớp mà ta có các loại khoáng đặc trưng khác nhau:

- Khoáng Kaolinite: có tỉ lệ số tấm tứ diện/số tấm bát diện là 1:1

Nguyên tử Hydroxyn ở mặt phẳng phía trên Nguyên tử Al

Các vị trí tám mặt khuyết thiếu (sẽ được lấp đầy trong lớp bruxit)

Nguyên tử Hydroxyn ở mặt phẳng thấp hơn Sơ họa các mặt bát diện alumina song song với các mặt hydroxyl thấp hơn

Sơ họa các mặt bát diện alumin khuyết thiếu song song với các mặt hydroxyn thấp hơn Các liên kết từ nguyên tử Al tới các nguyên tử hydroxyn (mỗi nguyên tử Al có 6 liên kết)

- Khoáng Monmorilonit: có tỉ lệ số tấm tứ diện/số tấm bát diện là 2:1 - Khoáng illit: có tỉ lệ giống mnmorilonit nhưng có các lớp có thêm ion của kim loại kiềm mạnh liên kết

Hình 2 3 Cấu trúc của một lớp khoáng sét

Trong cấu trúc khoáng sét, các lớp có chiều dài cỡ 1 nm Giữa các lớp là khoảng trống và các lớp được liên kết với nhau bởi lực hút tĩnh điện Khoảng cách của một lớp đơn vị là khoảng trống giữa hai lớp, gọi là khoảng các cơ bản Khoảng cách này có kích thước nm và khác nhau đối với mỗi loại khoáng sét Trong các lớp của khoáng có sự thay thế đồng hình giữa các Cation ở tâm tứ diện và bát diện như : các ion Si4+ ở tâm tứ diện có thể bị thay thế bởi các ion Al 3+ hay Fe 3+ còn các ion Al 3+ ở tâm các bát diện lại bị thay thế bởi các Zn 2+ hay Mg 2+ Chính sự thay thế đồng hình này làm cho khoán mang điện tích âm và sẽ được bù điện tích bởi các Cation kim loại như: Na + ,K + trên bề mặt các lớp

Do các khoáng vật sét thường rất nhỏ, việc nhận dạng chúng bằng các kỹ thuật quang học trong khoáng vật học thông thường không giải quyết được, cần phải có phương pháp khác để xác định chúng Từ các kiến thức đã học trong vật liệu xâu dựng, chúng ta biết rằng đặc tính cá biệt hoặc lặp lại của cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu sẽ làm nhiễu xạ tia X Các khoáng vật khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau sẽ có kiểu dáng nhiễu xạ khác nhau và dựa vào đó, khoáng vật sẽ được xác định Kiểu nhiễu xạ của các khoáng vật đã biết sẽ được xuất bản và căn cứ vào đó để so sánh với các khoáng vật chưa biết Nhưng vấn đề rắc rối gặp phải là với những loại đất là hỗn hợp các khoáng vật sét, đất có chứa hữu cơ và chứa các thành phần không thuộc nhóm khoáng vật sét hoặc đất có các lớp khoáng vật xáo

Trang 25 trộn lẫn nhau Trong trường hợp này, việc phân tích chi tiết hàm lượng từng khoáng vật là không thể, chỉ có thể chỉ ra tương đối bao nhiêu khoáng vật có mặt trong đất và mỗi loại chiếm bao nhiêu phần trăm

Cơ chế đóng rắn của tro bay và đất sét theo công nghệ Geopolymer

2.2.1 Cơ sở hóa học của công nghệ Geopolymer:

Bằng nghiên cứu của mình, Davidovits (1978) đã dùng thuật ngữ geopolymer để giới thiệu loại polymer mới được tổng hợp từ các khoáng vật thuộc nhóm Aluminosiliate Thành phần chủ yếu của Geopolymer là các nguyên tố Si 2+ , Al 3+ và O 2- có nguồn gốc từ khoáng sản tự nhiên (đất sét, cao lanh, đá fenpat…) hoặc sản phẩm từ sản xuất (tro bay, xỉ lò cao…) Vật liệu geopolymer khác với vật liệu polymer thông thường ở cấu trúc mạng không gian vô định hình [13]

Cấu trúc hóa học vô định hình của Geopolymer cơ bản được tạo thành từ mạng lưới cấu trúc của những Alumino-Silico hay còn gọi là Poly-sialate Sialate là viết tắt của Silic – Oxy – Nhôm Các cầu nối -Si-O-Al- tạo thành các bộ khung không

Trang 30 gian vững chắc bên trong cấu trúc Khung Sialate bao gồm những tứ diện SiO4 và AlO 4 được nối xen kẹp với nhau bằng các nguyên tố Oxy Những ion dương (Na + , K + , Li + , Ca 2+ , Ba 2+ , NH4 +

, H3O + ) phải hiện diện trong các hốc của khung để cân bằng điện tích của Al 3+ [33] và hình thành monomer mới như hình bên dưới:

Công thức kinh nghiệm của poly sialate: [13]

Trong đó : M – các cation kim loại kiềm hay kiềm thổ; n - mức độ polymer hoá; z = 1,2,3…cao nhất là 32

Khảo sát thực nghiệm tỉ lệ Si/Al, trạng thái poly siliate bao gồm những loại sau [13] :

+ Poly(sialate-siloxo) (-Si-O-Al-O-Si-O-)

+ Poly(sialate-disiloxo) (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-)

Quá trình tổng hợp để tạo thành vật liệu Geopolymer được gọi là quá trình Geopolymer hóa các nguyên vật liệu aluminosilicate ban đầu nhờ vào các dung dịch hoạt hóa kiềm Quá trình hoạt hóa kiềm cho các vật liệu aluminosilicate là một quá trình phức tạp và đến nay vẫn chưa được mô tả một cách rõ ràng Các bước phản ứng không diễn ra tuần tự mà hầu như diễn ra cùng lúc và chồng lắp vào nhau Do đó, rất khó phân biệt cũng như khảo sát các bước phản ứng một cách riêng biệt

Phản ứng hóa học của quá trình geopolymer có thể diễn ra theo 1 trong 2 phương trình (2-2) hoặc (2-3) bên dưới: [13] [14]

(D.Hardjito, 2005) [25] Tuy nhiên, quá trình phản ứng hóa học tạo thành geopolymer có thể được phân ra thành các bước chính sau:

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

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

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

Hình 2 8 Sơ đồ geopolymer hóa vật liệu aluminosiliate

Quá trình địa trùng hợp vật liệu nhôm silicat là một phản ứng gồm nhiều bước liên tục, mô tả tuyến tính như trên chỉ mang tính minh hoạ Ban đầu, môi trường kiềm hoà tan vật rắn thành các hạt vô định hình, giải phóng các monome nhôm và silic Các monome này tiếp tục phản ứng tạo thành chuỗi polyme dài hơn, dẫn đến sự kết tủa gel nhôm silicat Trong gel, các ion nhôm liên kết với chuỗi polyme do liên kết nhôm-oxy yếu hơn liên kết silic-oxy Khi phản ứng tiếp diễn, silicat hoà tan làm tăng nồng độ silicat, thúc đẩy hình thành các cấu trúc zeolit vô định hình.

Quá trình phản ứng tiếp tục xảy ra, phân tử tạo thành liên tục được sắp xếp và phân bố lại cấu trúc, lắp đầy các lỗ rỗng nhỏ hơn hình thành khối vật liệu liên kết vững chắc có cấu trúc zeolite vô định hình Giả thuyết này được xem là quá trình cơ bản để tạo thành cấu trúc geopolymer hay còn gọi là quá trình geopolymer hóa [31]

2.2.2 Cơ sở hóa học của công nghệ Geopolymer đất và tro bay:

Công nghệ geopolymer đất và tro bay là sự kết hợp của công nghệ geopolymer đất và geopolymer tro bay để tạo thành một cấu trúc vật liệu mới, có liên kết bền hơn hệ nguyên vật liệu ban đầu

2.2.2.1 Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer tro bay:

Theo định nghĩa về công nghệ của Davidovits, bất kỳ một nguyên vật liệu nào trong đó có chứa dioxide silic và oxide nhôm đều có thể sử dụng để tạo ra vật liệu geopolymer [13] Cơ chế đóng rắn của tro bay cũng tuân theo quy luật và các phản ứng của công nghệ geopolymer được trình bày ở trên

Trong công nghệ geopolymer tro bay thì tốc độ phản ứng kích hoạt cũng như các vi cấu trúc và thành phần hóa học của các sản phẩm phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cụ thể là sự phân bố kích thước hạt và thành phần khoáng chất của tro bay ban đầu, dung dịch kích hoạt và thời gian hằng nhiệt [16]

Hình 2 9 Hình ảnh SEM các trạng thái vi hạt tro bay:

(b) tro bay được kích hoạt với Sodium Hydroxit (c) tro bay được kích hoạt với Sodium Silicat [24] Quan sát hình 2.9 ta thấy hình ảnh vi cấu trúc của tro bay được thể hiện rõ ràng qua phương pháp SEM (Scanning Electron Microscope) Hình 2.9a thể hiện hình thái đặc trưng ban đầu của tro bay trước phản ứng, là những tinh thể hình cầu

Trang 34 có kích thước khác nhau, cấu trúc thường rỗng và có thể chứa những hạt nhỏ hơn trong nó Hình 2.9b và 2.9c là những thay đổi trong vi cấu trúc của tro bay dưới tác dụng của dung dịch kiềm và thời gian hằng nhiệt, ta thấy kết quả của phản ứng là một loại gel gốc Sodium-Silicat mới hình thành qua quá trình đóng rắn các hạt tro bay và dung dịch kiềm Tuy nhiên phản ứng không xảy ra hoàn toàn nhanh chóng, vẫn còn một số thành phần tro bay phản ứng rất chậm

Quan sát hình 2.10, quá trình hoạt hóa kiềm hạt tro bay diễn ra theo trình tự: Kiềm hóa tại một điểm nhỏ trên bề mặt hạt, sau đó lan rộng tạo lỗ lớn, rồi tiếp tục phản ứng với các hạt nhỏ hơn nằm sâu bên trong hạt tro bay.

Phản ứng tiếp tục được duy trì và phát triển nhanh hơn theo hai chiều từ ngoài vào vào trong và ngược lại (hình 2.9b) Phản ứng tiếp tục xảy ra cho đến khi hạt tro bay được kiềm hóa hoàn toàn (hình 2.9c) Cơ chế của phản ứng ở giai đoạn này là cơ chế hòa tan, gắn kết các hạt nhỏ hơn bên trong các hạt lớn hơn, gắn kết với nhau tạo thành ma trận dày đặc Quá trình được mô tả là không thống nhất giữa các gel tạo thành, tùy thuộc và sự phân bố kích thước hạt và nồng độ của dung dịch tại từng vị trí

Hình 2 10 Mô hình miêu tả kích hoạt kiềm tro bay (Fernandez Jimanez et al

2.2.2.2 Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer đất sét:

Cơ chế hóa học của đóng rắn đất sét dưới tác dụng của dung dịch kiềm được nghiên cứu bởi nhiều rất nhiều tác giả (Velde, 1965; Eberl and Hower, 1977;

Mohnot et al., 1987 ; Chemark, 1993; Huang, 1993 ) Kết luận chung rằng, quá trình chuyển hóa khoáng kaolinite dưới tác dụng của dung dịch kiềm sẽ qua hai phương trình phản ứng sau:

- Hòa tan khoáng Kaolinite thành các monomer Si và Al theo phương trình 1:

Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 + 6OH - + H 2 O  2Al(OH) 4 - + 2H 2 SiO 4 2- - Các monomer mới đóng rắn thành Hydrosodalite theo phương trình 2:

6Al(OH) 4 - + 6H 2 SiO 4 2- + 6Na + Na 6 Si 6 Al 6 O 24 + 12OH - +12H 2 O Đất sét được cấu tạo chủ yếu là khoáng kaolinite, monmoriolite và illite

Dưới tác dụng của dung dịch kiềm hoạt tính vào các cấu trúc của các khoáng bao gồm khối tứ diện Si 4+ và bát diện Al 3+ , có xu hướng làm cho các khối này bị thiếu điện tích và hình hành các anion tạm thời và có khả năng hấp thụ cation mạnh Từ đó các cation kim loại đóng vai trò là cầu nối hình thành các monomer đất có cấu trúc bền vững hơn

Hình 2 11 Sơ đồ cấu trúc monomer đất sét dưới tác dụng của dung dịch Sodium

Đất sét

Đất sét sử dụng là nguồn đất sét làm gạch Phân tích theo TCVN 4198:1995, Đất sét được nghiền mịn bằng máy nghiền có thành phần hạt và thành phần hóa như sau:

Bảng 3 1 Thành phần hạt của đất sét

Cuội Sỏi Cát Bụi Sét

Bảng 3 2 Thành phần hóa học của đất sét

Thành phần hoá học SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 K2O MgO P2O5 MKN

Thí nghiệm theo TCVN 4195:1995 và TCVN 4197:1995, Đất có các tính chất vật lý như sau:

- Khối lượng riêng: 2.32 (g/cm 3 ) - Chỉ số dẻo: 24 %

- Giới hạn dẻo: 18 % Đất sét được nghiền mịn và sấy khô hoàn toàn trước khi đưa vào sử dụng.

Tro bay

Tro bay được lấy từ nhà máy điện Formosa Đồng Nai, có thành phần hóa học như sau:

Bảng 3 3 Thành phần hóa học của tro bay

Thành phần hoá học SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO Na 2 O MgO SO 3 MKN

Tính chất vật lý của tro bay được tổng hợp ở bảng 3.4

Bảng 3 4 Tổng hợp tính chất vật lý tro bay

Thành phần vật lý thí nghiệm

Hàm lượng lọt sàng 0.05 mm

Chỉ số hoạt tính cường độ sau 28 ngày (%)

Chỉ số hoạt tính cường độ sau 7 ngày (%)

Lượng mất sau khi nung (g)

Dung dịch hoạt hóa

Dung dịch kết dính vật liệu chủ yếu bao gồm hỗn hợp dung dịch polymer hoạt hóa bao gồm dung dịch natri silicat (Na2O 3.2SiO3) và dung dịch natri hydroxit (NaOH).

Sodium silicat trong thí nghiệm nghiên cứu này có tỉ lệ thành phần là SiO 2 30.1%, Na2O = 9.4%, H2O = 60.5% Hàm lượng SiO2/Na2O = 3.2, tỷ trọng 1.42 0.01 g/ml Dung dịch có màu trắng đục

Dung dịch Sodium Hydroxit được pha chế từ các nguyên liệu sau: Sodium nguyên chất dạng rắn, màu trắng đục có độ tinh khiết trên 90%, khối lượng riêng 2,130 kg/mét khối, nồng độ mol pha chế và dùng trong thí nghiệm nghiên cứu dao động từ 12 – 16 mol.

Lượng nước thêm vào để tạo dung dịch và pha loãng dung dịch là nước sạch, lượng nước thêm vào từ 18% đến 22% khối lượng đúc mẫu Lượng nước này có tác dụng chủ yếu là làm tăng độ ẩm của đất đồng thời giúp dung dịch hòa tan đồng nhất để quá trình geopolymer hóa tốt hơn

Dung dịch hòa tan có màu trắng đục, không mùi.

Cát

Cát dùng cho nghiên cứu phải thoả mãn các yêu cầu của TCVN 1770 : 1986

“Cát xây dựng – Yêu cầu kỹ thuật”

Cát được sử dụng là cát sạch ở sông Đồng Nai, cỡ hạt thô Các tính chất cơ lý như khối lượng riêng, khối lượng thể tích, thành phần hạt … cũng được thí nghiệm theo Tiêu chuẩn Việt Nam Cát đã được làm sạch và sấy khô trước khi đưa vào sử dụng.

Nước nhào trộn

Nước dùng phải tuân theo tiêu chuẩn TCXDVN 302:2004; “Nước trộn bê tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật”

Nước để chế tạo geopolymer đất phải đảm bảo không chứa các thành phần hóa học tạp chất để không ảnh hưởng xấu đến thời gian tĩnh định và đóng rắn của geopolymer.

Môi trường dưỡng hộ

Vật liệu Geopolymer đất sau khi đúc mẫu vào khuôn sẽ được bảo dưỡng ngoài môi trường với nhiệt độ phòng ổn định 35 o C – 32 o C trong 3 giờ cho mẫu tĩnh định, sau đó tháo khuôn và cho vào lò sấy

Thời gian sấy thay đổi tăng dần ở các mức là 6, 8, 10 và 12 giờ Nhiệt độ sấy cũng thay đổi tăng dần ở các cấp là 60 o C, 80 o C, 100 o C và 120 o C.

Thiết kế thành phần cấp phối

Thành phần cấp phối được tính toán cho từng phần nghiên cứu:

- Tỉ lệ Tro bay/Đất sét lần lượt là 0.2, 0.3 và 0.4

Tỉ lệ Dung dịch hoạt hóa và tro bay lần lượt là 0,3; 0,4 và 0,5 Tùy theo từng tỉ lệ Dung dịch hoạt hóa, tỉ lệ thành phần của Dung dịch hoạt hóa sẽ tương ứng là Sodium Silicat/Sodium Hydroxit lần lượt là 0,5; 1,0 và 2,0.

Với các cấp phối trên ta xác định được sự ảnh hưởng của từng thành phần đối với cường độ của mẫu tạo thành

Ngoài ra, để xét riêng cho trường hợp ảnh hưởng của hàm lượng sét đến cường độ của mẫu geopolymer đất, bài nghiên cứu còn tiến hành thêm cấp phối theo bảng như bên dưới

Bảng 3 5 Cấp phối thí nghiệm sự ảnh hưởng của hàm lượng sét đến cường độ của geopolymer đất

Ký hiệu mẫu (n là số thứ tự mẫu) Đất sét (%)

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ đến cường độ của vật liệu geopolymer đất

Điều kiện dưỡng hộ tác động trực tiếp đến cường độ của vật liệu gồm có hai yếu tố chính là thời gian dưỡng hộ và nhiệt độ dưỡng hộ

4.1.1 Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ:

Hàm lượng hạt sét cố định ở từng cấp tỉ lệ thành phần dung dịch hoạt hóa, tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay cố định là 0.3 Sau đó được dưỡng hộ nhiệt ở nhiệt độ 60 0 C với thời gian dưỡng hộ thay đổi từ 6, 8, 10 và 12 giờ trong thiết bị sấy Kết quả thực nghiệm được trình bày trong bảng 4.1

Bảng 4 1 Kết quả thí nghiệm khi thay đổi thời gian dưỡng hộ

TL thành phần Dung dịch hoạt hóa

Mối quan hệ giữa thời gian dưỡng hộ nhiệt và cường độ chịu nén được thể hiện qua biểu đồ hình 4.1

Hình 4 1 Mối quan hệ giữa thời gian dưỡng hộ nhiệt và cường độ chịu nén khi tỷ lệ

Sodium Hydroxit – Sodium Silicat là 1-1 Biểu đồ hình 4.1 cho thấy, khi thời gian dưỡng hộ nhiệt tăng từ 6 giờ, 8 giờ, 10 giờ đến 12 giờ thì cường độ chịu nén của mẫu geopolymer đất càng tăng Khi đó, cấp phối M21 có cường độ chịu nén tăng lên 72.69%, từ 3.15Mpa tại 6 giờ lên đến 5.44Mpa tại 12 giờ Cấp phối M51 có cường độ chịu nén tăng lên 78.25%, từ 3.77Mpa tại 6 giờ lên đến 6.72Mpa tại 12 giờ Trong khi, cấp phối M81 có cường độ chịu nén tăng lên 71.06%, từ 4.25Mpa lên đến 7.27Mpa Tốc độ phát triển cường độ khi tăng thời gian dưỡng hộ của cấp phối M51 là nhanh nhất

Khi thời gian dưỡng hộ nhiệt tăng từ 6 giờ lên 10 giờ thì cường độ của cả 3 cấp phối M21, M51 và M81 đều gia tăng nhanh hơn so với trường hợp thời gian dưỡng hộ nhiệt lớn hơn 8 giờ Quá trình gia nhiệt ban đầu cung cấp năng lượng cho quá trình tạo cường độ cho vật liệu, nhất là trong thời gian 10 giờ đầu tiên Giai đoạn kéo dài thời gian dưỡng hộ nhằm giúp cho quá trình đóng rắn, tạo khoáng có cường độ ổn định và hoàn chỉnh hơn

Kết quả cho thấy khi cố định hàm lượng hạt sét, thời gian dưỡng hộ và cường độ vật liệu tỉ lệ thuận với nhau Cường độ sẽ tăng khi thời gian dưỡng hộ tăng nhưng càng về sau thì mức độ cũng như tốc độ tăng cường độ giảm dần Ngoài

Cường độ chịu nén (MP a)

Thời gian dưỡng hộ nhiệt (giờ)

Cấp phối M21Cấp phối M51Cấp phối M81

Trang 48 ra, khi thay đổi hàm lượng hạt sét thì cường độ của vật liệu tạo thành cũng thay đổi theo Trong các cấp phối này, hàm lượng hạt sét và cường độ có mối quan hệ tỉ lệ nghịch, hàm lượng đất sét giảm thì cường độ tăng và ngược lại

4.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ:

Tiến hành thí nghiệm thành phần cấp phối với hàm lượng hạt sét cố định Tỷ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay là 0,3 Tỷ lệ thành phần dung dịch NaOH - Na2SiO3 thay đổi (0,5; 1; 2) Mẫu bảo dưỡng ở nhiệt độ 60 °C, 80 °C, 100 °C và 120 °C trong 12 giờ Kết quả thí nghiệm được trình bày ở Bảng 4.2 và Hình 4.2.

Bảng 4 2 Kết quả thí nghiệm khi thay đổi nhiệt độ dưỡng hộ

TL thành phần Dung dịch hoạt hóa Nhiệt độ dưỡng hộ ( 0 C) Sodium

Khi nhiệt độ dưỡng hộ tăng từ 60 0 C lên 120 0 C, cường độ chịu nén của cả 3 cấp phối M22, M52, M82 đều gia tăng Trong đó, cấp phối M22 có cường độ chịu nén tăng lên 68.38%, từ 5.44Mpa ở 60 0 C lên đến 9.16Mpa ở 120 0 C Cấp phối M52 có cường độ chịu nén tăng lên 69.05%, từ 6.72Mpa lên đến 11.36Mpa ở 120 0 C

Tương tự, cấp phối M82 có cường độ chịu nén tăng lên 69.74%, từ 7.27Mpa lên đến 12.34Mpa 120 0 C Sự phát triển cường độ của cấp phối M82 là nhanh nhất, cấp phối M5, M2 có sự phát triển cường độ chậm hơn Các cấp phối còn lại ở cùng tỉ lệ dung dịch (M12, M42 và M72; M32, M62 và 92) cũng có sự phát triển cường độ tương tự

Hình 4 2 Mối quan hệ giữa nhiệt độ dưỡng hộ và cường độ chịu nén với tỷ lệ

Sodium Hydroxit – Sodium Silicat là 1-1 Hình 4.2 cho thấy cường độ của cả 3 cấp phối M22, M52 và M82 đều gia tăng nhanh hơn khi nhiệt độ dưỡng hộ tăng từ 60 0 C lên 100 0 C so với giai đoạn nhiệt độ dưỡng hộ tăng từ 100 0 C lên 120 0 C:

- Cấp phối M22 khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 100 0 C có cường độ tăng thêm 3.28Mpa (tăng 60.29%) so với khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 60 0 C (từ 5.44Mpa ở 60 0 C lên đến 8.72Mpa ở 100 0 C) Nhưng khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 120 0 cường độ chỉ tăng thêm 0.44Mpa (tăng 50.05%) so với khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 100 0 C (từ 8.72Mpa ở 100 0 C lên đến 9.16Mpa ở 120 0 C)

- Cấp phối M52 khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 100 0 C có cường độ chịu nén tăng thêm 3.8Mpa (tăng 56.55%) so với khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 60 0 C (từ 6.72Mpa ở 60 0 C lên đến 10.52Mpa ở 100 0 C) Nhưng khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 120 0 C cường độ chỉ tăng thêm 7.98% so với khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 100 0 C (từ 10.52Mpa ở 100 0 C lên đến 11.36Mpa ở 120 0 C)

- Cấp phối M82 khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 100 0 C có cường độ chịu nén tăng thêm 62.72% so với khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 60 0 C (từ 7.27Mpa ở 60 0 C lên đến 11.83Mpa ở 100 0 C) Khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 120 0 C cường độ chỉ tăng thêm 4.31%

Cường độ chịu nén (Mpa)

Nhiệt độ dưỡng hộ (độ C) Cấp phối M22

(từ 11.83Mpa ở 100 0 C lên đến 12.34Mpa ở 120 0 C) Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển cường độ geopolymer đất

Như vậy, khi cố định hàm lương hạt sét thì cường độ của vật liệu geopolymer đất tăng khi điều kiện nhiệt độ dưỡng hộ tăng Tốc độ tăng cường độ ở giai đoạn đầu khá tốt, tuy nhiên sự phụ thuộc này không theo tỷ lệ thuận

Quan sát Hình 4.2, mối quan hệ giữa nhiệt độ dưỡng hộ và cường độ nén được biểu diễn bằng phương trình bậc hai Dựa vào phương trình này, chúng ta có thể dự đoán nhiệt độ thích hợp và cường độ tối ưu mà mẫu vật liệu đất geopolymer có thể đạt được theo Bảng bên dưới.

Bảng 4 3Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và nhiệt độ dưỡng hộ

Mối quan hệ giữa cường độ nén và nhiệt độ dưỡng hộ

Nhiệt độ dưỡng hộ thích hợp

Cường độ có thể đạt được

Ảnh hưởng của hàm lượng dung dịch hoạt hóa khi cố định hàm lượng hạt sét

Hàm lượng dung dịch hoạt hóa được thể hiện ở tỉ lệ dung dịch hoạt hóa - tro bay, để thể hiện rõ sự ảnh hưởng này đến cường độ của mẫu geopolymer đất, ta cố định hàm lượng hạt sét là 31.01%

Ta tiến hành thay đổi tỉ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay từ 0.3, 0.4 và 0.5

Cũng giống như sự ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ (bao gồm nhiệt độ dưỡng hộ và thời gian dưỡng hộ), ta tiếp tục thực nghiệm sự ảnh hưởng của tỉ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay đến cường độ của geopolymer đất qua từng điều kiện cụ thể là nhiệt độ và thời gian dưỡng hộ

4.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ:

Tiến hành bảo dưỡng các mẫu thí nghiệm có tỉ lệ thành phần dung dịch hoạt hóa - tro bay là 0,3; 0,4; 0,5 trong thời gian không đổi là 12 giờ Nhiệt độ dưỡng hộ được thay đổi theo các mức 60 0 C, 80 0 C, 100 0 C và 120 0 C để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ đến chất lượng của mẫu.

Bảng 4 4 Kết quả thí nghiệm khi thay đổi hàm lượng dung dịch và nhiệt độ dưỡng hộ

Thành phần Dung dịch hoạt hóa Nhiệt độ dưỡng hộ ( 0 C)

Sử dụng phương pháp trình bày bằng đồ thị bậc hai, mối quan hệ của tỉ lệ Dung dịch hoạt hóa – tro bay và nhiệt độ cùng ảnh hưởng đến cường độ nén của mẫu thể hiện qua hình 4.8

Hình 4 8 Mối quan hệ hàm lượng dung dịch hoạt hóa và nhiệt độ dưỡng hộ khi tỷ lệ Sodium Hydroxit – Sodium Silicat là 1:1

Cấp phối M23 với tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay là 0.3 đạt cường độ 6,72Mpa khi dưỡng hộ ở 60 độ C và thời gian liên tục 12 giờ.* Khi tăng nhiệt độ dưỡng hộ lên 120 độ C, cường độ đạt được là 11,36Mpa.

Khi cấp phối thay đổi tỷ lệ dung dịch hoạt hóa polymer – tro bay từ 0.3 lên 0.5 thì cường độ của vật liệu có xu hướng tăng lên Trong đó, ở nhiệt độ dưỡng hộ 60 0 C trong 12 giờ, cường độ chịu nén của cấp phối M83 (11.46 Mpa) cao gấp gần 1.26 lần so với cường độ chịu nén cấp phối M53 (9.11 Mpa) và cao gấp 1.7 lần so với cường độ cấp phối M23 (6.72Mpa) Ở nhiệt độ dưỡng hộ 120 0 C, cường độ chịu nén của cấp phối M83 (16.53Mpa) cao gấp gần 1.08 lần so với cường độ chịu nén của cấp phối M53 (15.26Mpa) và cao gấp 1.34 lần so với cường độ cấp phối M23 (11.36Mpa)

Tốc độ phát triển cường độ của 3 cấp phối M23, M53, M83 với hàm lượng dung dịch hoạt hóa polymer khác nhau cũng khác nhau khi tăng nhiệt độ dưỡng hộ

Cấp phối M23 có cường độ chịu nén tăng 4.64Mpa từ 6.72Mpa ở nhiệt độ dưỡng hộ 60 0 C lên 11.36Mpa ở nhiệt độ dưỡng hộ 120 0 C Trong khi đó, cường độ cấp phối

Cường độ chịu nén (Mpa)

Hàm lượng dung dịch hoạt hóa t` độC t0 độC t độC t0 độC

M53 tăng 6.15Mpa và cấp phối M83 tăng 5.07Mpa khi tăng nhiệt độ dưỡng hộ từ 60 0 C lên 120 0 C

Như vậy, khi cố định hàm lượng hạt sét, hàm lượng dung dịch hoạt hóa có tác dụng làm cho quá trình geopolymer hóa tạo thành cấu trúc vật liệu mới có cường độ, dưới ảnh hưởng của nhiệt độ sẽ giúp cho vật liệu có cường độ tốt hơn Ở cùng một nhiệt độ dưỡng hộ, cấp phối có hàm lượng dung dịch hoạt hóa lớn hơn sẽ có cường độ chịu nén cao hơn

4.2.2 Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ:

Bảng 4 5Kết quả thí nghiệm khi thay đổi hàm lượng dung dịch và thời gian dưỡng hộ.

Thành phần Dung dịch hoạt hóa Thời gian dưỡng hộ (giờ)

Mối quan hệ cũng như sự ảnh hưởng giữa hàm lượng dung dịch hoạt hóa và thời gian dưỡng hộ đến cường độ mẫu geopolymer đất được trình bày trong hình 4.9

Hình 4 9 Ảnh hưởng của hàm lượng dung dịch và thời gian dưỡng hộ khi tỷ lệ

Sodium Hydroxit – Sodium Silicat là 1.0 Hình 4.9 và bảng 4.5 cho thấy cấp phối M24 với hàm lượng dung dịch là 0.3 đạt được cường độ chịu nén là 3.77Mpa tại nhiệt độ dưỡng hộ là 60 0 C trong 6 giờ

Khi tăng thời gian dưỡng hộ từ 6 giờ lến 12 giờ thì cường độ đạt được là 6.72Mpa

Khi tỷ lệ dung dịch hoạt hóa thay đổi theo thời gian dưỡng hộ thì cường độ cũng có xu hướng tăng

Khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 60 độ C trong 6 giờ, cường độ chịu nén của cấp phối M84 cao gấp 1,12 lần M54 và gấp 1,66 lần M24, lần lượt là 6,24 MPa, 5,56 MPa và 3,77 MPa Tương tự, khi kéo dài thời gian dưỡng hộ lên 12 giờ, cường độ chịu nén của cấp phối M84 đạt 11,46 MPa, cao gấp 1,26 lần M54 (9,11 MPa) và gấp 1,71 lần M24 (6,72 MPa).

Thí nghiệm cho thấy, tùy theo chế độ dưỡng hộ thích hợp, có thể thay đổi thời gian dưỡng hộ để chế tạo vật liệu địa chất polyme Với cấp phối M84, chỉ cần dưỡng hộ ở nhiệt độ 60 độ C trong 6 giờ với hàm lượng dung dịch là 0,5 thì cũng đạt được cường độ chịu nén tương đương với cấp phối M54 sử dụng hàm lượng dung dịch hoạt hóa là 0,4 và dưỡng hộ ở nhiệt độ 60 độ C trong 8 giờ.

Cườ ng độ chịu nén (Mpa)

Hàm lượng dung dịch hoạt hóa t=6 giờ t giờ t=8 giờ t giờ

Khi đó, cấp phối dùng hàm lượng dung dịch là 0.3 cần dưỡng hộ trong 12 giờ mới đạt được cường độ tương đương

Như vậy, xét tổng thể sự ảnh hưởng của hàm lượng dung dịch hoạt hóa đến cường độ của mẫu geopolymer đất khi hàm lượng sét cố định thì ta thấy ở cùng một thời gian dưỡng hộ ở cùng một cấp nhiệt độ dưỡng hộ, cấp phối có hàm lượng dung dịch hoạt hóa cao hơn sẽ có cường độ chịu nén cao hơn Điều này có thể giúp ta có những hiệu chỉnh cần thiết về hàm lượng hạt sét, điều kiện dưỡng hộ và hàm lượng dung dịch để mẫu đạt được cường độ tối ưu nhất và chi phí thực hiện thấp nhất

Khảo sát kết quả SEM của các mẫu khi thay đổi hàm lượng dung dịch hoạt hóa, ta thấy một số điểm đáng chú ý như sau: Hình 4.10 cho thấy bề mặt là sự hòa trộn của các cấu trúc vô định hình và các cấu trúc tinh thể Trong đó các cấu trúc vô định hình của geopolymer bao bọc lấy các tinh thể zeolite tạo thành các khối tinh thể cú kớch thước từ 1 - 2 àm Khi hàm lượng dung dịch hoạt húa nhiều thỡ lượng cấu trúc vô định hình được tạo thành càng nhiều, giúp liên kết các tinh thể tốt hơn, cường độ vật liệu tạo thành được hoàn thiện hơn

Hình 4 10 Cấu trúc bề mặt geopolymer đất là sự hòa trộn giữa cấu trúc vô định hình và cấu trúc tinh thể

Quan sát hình SEM 4.10 ta thấy rõ hơn sự hòa trộn này, tuy nhiên có vấn đề được đặt ra là sự hòa trộn này có đồng nhất và tăng hoàn toàn cường độ của mẫu geopolymer đất hay không

Quan sát biểu đồ ở hình 4.11 bên dưới, xét riêng kết quả nén của tỉ lệ dung dịch thành phần là 1:1, ở nhiệt độ 60 độ C, thời gian nén là 8 giờ

Khi hàm lượng dung dịch tăng từ 0.3 lên 0.5 thì cường độ của mẫu geopolymer đất cũng tăng hơn 80% Đồ thị hàm số thu được là y = -105.43x 2 + 105.08x - 17.276 với R² = 0.5042

Ta thấy khi cố định hàm lượng hạt sét, thay đổi hàm lượng dung dịch thì cường độ thay đổi, có nghĩa là sự hình thành và liên kết các cấu trúc cũng thay đổi

Ảnh hưởng tỷ lệ các dung dịch thành phần khi hàm lượng hạt sét không đổi: 65 4.4.1 Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt

Tiến hành cố định hàm lượng hạt sét là 31.01% Cấp phối có tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit trong các cấp phối đề xuất nghiên cứu là: 2.0, 1.0 và 0.5 Để phân tích rõ kết quả thực nghiệm thu được, ta tiến hành phân tích kết quả từng phần riêng rẽ và đi đến kết luận chung Sự ảnh hưởng của tỉ lệ các dung dịch thành phần cũng chịu chi phối bởi nhiệt độ và thời gian dưỡng hộ

4.4.1 Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt:

4.4.1.1 Trường hợp tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay = 0.3:

Cố định hàm lượng hạt sét là 31.01%, thí nghiệm thực hiện trên 3 cấp phối M1, M2, M3 có cùng tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay = 0.3 Tuy nhiên, tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit của 3 cấp phối trên được thay đổi như sau: cấp phối M1 có tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit = 0.5, cấp phối M2 có tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit = 1.0 và cấp phối M3 có tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit = 2.0

Cường độ chịu nén của các mẫu M1, M2, M3 trong điều kiện dưỡng nhiệt ở cùng cấp nhiệt độ 60 0 C trong thời gian 6 giờ, 8 giờ, 10 giờ và 12 giờ được biểu diễn bằng biểu đồ hình 4.13

Hình 4 13 Ảnh hưởng tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit và thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ chịu nén khi tỉ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay=0.3

Cường độ chịu nén (MP a)

Thời gian dưỡng hộ (giờ) Na2SiO3/NaOH=0.5 (M1)

Na2SiO3/NaOH=1 (M2)Na2SiO3/NaOH=2.0 (M3)

Cùng thời gian dưỡng hộ 6 giờ ở 60 độ C, cường độ chịu nén của cấp phối M2 có tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit bằng 1.0 cao gấp 1,12 lần so với cấp phối M3 có tỷ lệ là 2.0 Khi tăng thời gian dưỡng hộ lên 12 giờ ở 60 độ C, cường độ chịu nén của M2 vẫn cao hơn M3 với hệ số 1,15 lần So với cấp phối M1 có tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit bằng 0,5 thì cường độ chịu nén của M2 cao hơn tới 1,29 lần trong 6 giờ dưỡng hộ và 1,64 lần trong 12 giờ.

Cấp phối M2 có tốc độ phát triển cường độ khá tương đồng so với tốc độ phát triển cường độ cấp phối M1 và cấp phối M3 khi tăng thời gian dưỡng hộ từ 6 giờ lên 12 giờ

Cấp phối M1, M2, M3 mặc dù có cùng tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay=0.3 nhưng cấp phối M2 có tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit =1.0 cho cường độ chịu nén cao hơn so với cấp phối M1 có tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit =0.5 và cấp phối M3 có tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit = 2.0 Cấp phối có tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit = 0.5 có cường độ chịu nén khá thấp (