I. BÊ TÔNG XANH (BÊ TÔNG POLYME-GEOPOLYMER)

Hiện nay, khoảng 5-8% lượng CO2 do con người thải ra có nguồn gốc từ ngành công nghiệp sản xuất xi măng Portland, một chất kết dính không thể thiếu của bê tông thông thường.. Một trong s

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

Bê tông là vật liệu xây dựng thông dụng nhất trên hành tinh chúng ta Việc sử dụng bê tông chỉ đứng thứ hai sau nước Do nhu cầu xây dựng tăng lên nên xi măng Portland cũng được sản xuất nhiều hơn Người ta ước tính rằng việc sản xuất xi măng sẽ tăng từ khoảng 1,5 tỷ tấn trong 1995 lên 2.2 tấn trong năm 2010 (Malhotra, 1999) Sản lượng xi măng Portland trên toàn thế giới hiện tại đã vượt qua ngưỡng 2,6 tỉ tấn một năm và hàng năm tăng trung bình 5% Tuy nhiên, sự thay đổi khí hậu toàn cầu hiện nay là một vấn đề được cả nhân loại quan tâm Hiệu ứng nhà kính làm cho trái đất nóng lên, trong số các khí nhà kính, CO2 đóng góp khoảng 65% Hiện nay, khoảng 5-8% lượng CO2 do con người thải ra có nguồn gốc từ ngành công nghiệp sản xuất xi măng Portland, một chất kết dính không thể thiếu của bê tông thông thường Ngành công nghiệp sản xuất xi măng Portland thải phát ra khoảng một tấn CO2 vào bầu khí quyển

Không chỉ thế, đây còn quy trình sản xuất lãng phí nhiên liệu và năng lượng đáng kể đế sản xuất 1 tấn xi măng sẽ tiêu hao 100kw giờ điện Quá trình nung nguyên liệu với nhiệt độ cao sẽ sử dụng than đá là chủ yếu - là loại nhiên liệu hóa thạch có hại với môi trường Nhiêt độ của khí thải ở mức khá cao

250-370 độ tùy thuộc từng công đoạn, nhưng đó là lượng nhiệt không được tận dụng

và trở nên vô ích Một số nỗ lực đang được tiến hành để làm giảm lượng khí

CO2 trong sản xuất xi măng Một trong số đó là sản xuất một loại bê tông polyme tổng hợp sử dụng chất kết dính tận dụng từ "tro bay" (phế thải mịn thu được từ việc đốt cháy than cám ở các nhà máy nhiệt điện, thành phần chủ yếu là các oxit của silic, nhôm, sắt, can xi, magie và lưu huỳnh Ngoài ra còn có một lượng than chưa cháy, không vượt quá 6% khối lượng tro bay) - một phụ phẩm công nghiệp vô cùng dồi dào - làm một chất thay thế cho xi măng Portland

Chất kết dính và vật liệu polyme vô cơ – một loại vật liệu mới được nghiên cứu ở một số nước phát triển trong khoảng 30 năm gần đây, tuy nhiên còn khá mới mẻ ở Việt Nam Vật liệu polyme vô cơ sử dụng chất kết dính polyme vô cơ, loại chất kết dính được polyme hoá trong môi trường kiềm của các vật liệu khoáng vật giàu Si-Al, không chỉ đạt được các tính chất tương tự hoặc tốt hơn so với các vật liệu có sử dụng các chất kết dính truyền thống, mà còn là một giải pháp hữu hiệu trong tận dụng chất thải và giảm thiểu ô nhiễm môi trường

I GIỚI THIỆU

Vật liệu xây dựng “xanh” có thể được định nghĩa là các vật liệu được sử dụng theo các phương pháp thân thiện với môi trường Để đáp ứng tiêu chí thân thiện với môi trường thì quá trình sản xuất vật liệu xanh phải được nghiên cứu sao cho hoặc có thể kết hợp sử dụng được chất thải từ các ngành khác tạo ra, hoặc giảm thiểu tối đa sự phát tán chất thải Đây là xu hướng đang rất được quan tâm ở hầu hết các quốc gia trên thế giới

Vật liệu polymer vô cơ là loại vật liệu mới nhận được từ hỗn hợp bao gồm chất kết dính polyme vô cơ và các thành phần chất độn Sau khi nhào trộn, đầm nén, tạo hình và dưỡng hộ sản phẩm phát triển cường độ và đạt được các tính chất kỹ thuật cần thiết Quá trình phát triển cường độ của sản phẩm phụ thuộc vào quá trình polymer hoá các hợp chất vô cơ của chất kết dính polyme

vô cơ Chất kết dính polyme vô cơ có tính dính kết cao và có khả năng dính kết với hầu hết các loại cốt liệu trong quá trình rắn chắc Vật liệu sử dụng chất kết dính polyme vô cơ được gọi là vật liệu polyme vô cơ Vật liệu polyme vô cơ được phát triển lần đầu tiên từ những năm 1970 bởi Joseph Davidovits Sau đó

nó được tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng ở các nước Châu Âu, Mỹ, Úc và một

số quốc gia phát triển khác

Khái niệm chất kết dính polyme và vật liệu polyme thường gắn liền với nguồn gốc hữu cơ như keo epoxy, chất dẻo tổng hợp

Cho đến trước những năm 80 của thế kỷ trước, khái niệm polyme vô cơ hãy còn rất mới mẻ và ít được thừa nhận Bởi lẽ, ngành hóa học cổ điển không tin là các chất vô cơ có thể polyme hoá được ở nhiệt độ thường, kể cả dưới các điều kiện áp suất cao Tuy nhiên, khi đi sâu vào việc phân tích hoá-lý cho thấy

quá trình hút nhau giữa các điện tích trái dấu ở một số vật liệu phù hợp sẽ hình thành nên các mạch polyme đa phân tử rất dài với bộ xương là các khoáng vật bền vững Các polyme thu được có những tính chất hoá học, lý học và cơ học bền vững và có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Các nghiên cứu về chất kết dính polyme vô cơ và vật liệu polyme vô cơ đã được triển khai ở một

số nước trên thế giới và đã đạt được những thành tựu khả quan Tuy nhiên, vấn

đề này vẫn còn mới mẻ ở Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh vực vật liệu xây dựng

II BÊ TÔNG XANH (BÊ TÔNG POLYME-GEOPOLYMER)

1 Cơ chế polyme hoá các chất vô cơ và cơ sở tạo ra chất kết dính polyme vô cơ

Davidovits (1988-1994) đề xuất rằng một chất lỏng có tính kiềm có thể được sử dụng để phản ứng với silic (Si) và nhôm (Al) trong một nguồn nguyên liệu có nguồn gốc địa chất hoặc bằng sản phẩm vật liệu như tro bay và tro trấu

để sản xuất chất kết dính Bởi vì các phản ứng hóa học diễn ra trong trường hợp này là một quá trình trùng hợp, ông đã đặt ra thuật ngữ "địa polime 'để đại diện cho các chất kết dính Quá trình polyme hoá vô cơ (hay còn gọi là polyme hoá khoáng vật) là phản ứng hoá học (phản ứng thế) diễn ra rất nhanh trong các môi trường kiềm của các khoáng vật silíc – nhôm Kết quả của phản ứng là mạch polyme 3 chiều và cấu trúc chuỗi bao gồm bộ khung Si-O-Al-O Thành phần hoá học của polyme vô cơ tương tự như các vật liệu zeolit tự nhiên, nhưng cấu trúc của chúng lại ở dạng vô định hình Cho đến nay, cơ chế chính xác của quá trình ninh kết và rắn chắc của chất kết dính polyme vô cơ vẫn chưa được làm sáng tỏ Tuy nhiên, sự hình thành sản phẩm polyme vô cơ có thể được giải thích bằng phương trình sau :

2 Thành phần của chất kết dính polime vô cơ

Hai thành phần chủ yếu để chế tạo chất kết dính polyme vô cơ là các vật liệu khoáng giàu silíc (Si) và nhôm (Al) và các loại dung dịch kiềm Các vật liệu khoáng giàu Si-Al có thể là kaolinit, các loại đất sét, thậm chí các loại chất

thải như tro bay nhiệt điện, muội silíc, xỉ, tro trấu, v.v Các dung dịch kiềm có thể được sử dụng là hydroxít của natri hoặc kali Để đạt hiệu quả polyme hoá cao NaOH hoặc KOH thường được kết hợp sử dụng với Na2SiO3 hoặc K2SiO3 Trong quá trình polyme hoá và rắn chắc, chất kết dính polyme vô cơ có tính dính và có khả năng liên kết các vật liệu chất độn rời rạc thành một khối rắn chắc

Xi măng địa polime có thể được sản xuất bằng cách sử dụng tro bay có hàm lượng canxi thấp thu được từ các nhà máy điện đốt than Hầu hết các tro bay có sẵn trên toàn cầu là tro bay loại này hình thành như một sản phẩm phụ của than hoặc than bitum cháy Mặc dù các nhà máy điện đốt than là được coi

là không thân thiện với môi trường, mức độ năng lượng được tạo ra bởi các nhà máy này là trên lớn do dự trữ khổng lồ của than chất lượng tốt có sẵn trên toàn thế giới và chi phí thấp được sản xuất từ các nguồn này Năng lượng từ các nhà máy nhiệt điện là rất lớn chỉ đứng sau năng lượng thủy điện Tro bay ít canxi đã được sử dụng thành công để sản xuất xi măng polime khi silicvà oxit nhôm chiếm khoảng 80% khối lượng, với tỷ lệ Si:Al khoảng 2 Các oxit sắt thường dao động từ 10 đến 20% theo khối lượng, trong khi thành phần canxi oxit là ít hơn 5% theo khối lượng Thành phần carbon của tro bay, như được chỉ ra bởi sự mất mát trên lửa là thấp dưới 2% Theo nghiên cứu thì sự hiện diện của canxi với hàm lượng cao có thể cản trở quá trình trùng hợp và làm thay đổi vi cấu trúc (Gourley, 2003; Gourley và Johnson, 2005) Các xét nghiệm phân bố kích thước hạt tiết lộ rằng 80% của các hạt tro bay nhỏ hơn 50m

Một sự kết hợp của dung dịch natri silicat và natri hydroxide (NaOH), giải pháp có thể được sử dụng như là chất lỏng có tính kiềm Các chất lỏng kiềm được chuẩn bị bằng cách trộn hai dung dịch cùng nhau ít nhất 24 giờ trước khi sử dụng Các dung dịch natri silicat là thương mại có sẵn trong các lớp khác nhau Các dung dịch natri silicat, thường được sử dụng là A53 với SiO2:Na2O tỷ

lệ theo khối lượng khoảng 2, tức là SiO2= 29,4%, Na2O=14,7%, và nước = 55,9% theo khối lượng

3 Tỷ lệ hỗn hợp của bê tông polimer:

Sự khác biệt chính giữa xi măng địa polime và bê tông xi măng Portland

là chất kết dính (vữa) Các silic và nhôm oxit trong tro bay ít canxi phản ứng với các chất lỏng có tính kiềm để tạo thành địa polime ở dạng vữa liên kết với các khối lỏng thô, cốt liệu mịn, và khác không phản ứng vật liệu với nhau để tạo thành xi măng địa polime Tỷ lệ các thành phần:

 Cốt liệu chiếm từ 75-80% Cát chiếm khoảng 30%

 Tro bay và chất lỏng kiềm chiếm từ 20-25% (tỷ lệ khối lượng giữa chất lỏng kiềm và tro bay khoảng 0.35)

 Chất lỏng kiềm: Dung dịch Na2SiO3 và dung dịch NaOH có tỷ lệ khối lượng khoảng 2.5:

Dung dịch Na2SiO3 gồm: 14.7% Na20, 29,4% SiO2, 55,9% nước

Dung dịch NaOH pha từ NaOH rắn (độ tinh khiết 97-98%) gồm: 26,2% NaOH và 73.8% nước

 Chất siêu dẻo khoảng 1.5% khối lượng tro bay

Như trong trường hợp của bê tông xi măng Portland, khối thô và tinh chiếm khoảng 75 đến 80% khối lượng của xi măng địa polime

Sau đây là bảng kết quả nghiên cứu thiết kế sản xuất bê tông polimer

Tỷ lệ nước: cốt liệu theo

Cường độ nén (Thời gian trộn 4 phút, bảo dưỡng hơi nước ở 60 o C trong 24giờ sau khi đúc) MPa

Thành phần này của hỗn hợp xi măng địa polime có thể được thiết kế sử dụng các công cụ hiện có sẵn cho bê tông xi măng Portland Cường độ nén và tính khả thi của xi măng địa polime bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ và tính chất của các thành phần nguyên liệu Một số thử nghiệm cho kết quả:

• Nồng độ cao hơn (về mặt phân tử) của dung dịch natri hydroxit tăng cường độ nén của xi măng địa polime

• Tỷ lệ của natri silicat cao hơn tỷ lệ natri hydroxide theo khối lượng làm tăng cường độ chịu nén của xi măng địa polime

• Việc bổ sung naphthalene sulphonate dựa trên chất siêu dẻo, lên đến khoảng 4% tro bay theo khối lượng, cải thiện khả năng làm việc của xi măng địa polime tươi Tuy nhiên, nó làm giảm một chút trong cường độ chịu nén của bê tông cứng khi liều lượng siêu dẻo là lớn hơn 2%

• Giá trị sụt giảm của xi măng địa polime tươi tăng lên khi hàm lượng nước của hỗn hợp tăng lên

• Khi tỷ lệ mol của H2O:Na2O tăng lên, cường độ chịu nén của xi măng địa polime giảm

• Khi thời gian ướt trộn được tăng từ 4 phút đến 16 phút, nén trên giá trị sức mạnh có thể tăng khoảng 30%

• Độ lệch chuẩn của cường độ nén là khoảng 10% của giá trị đưa ra ở trên Như có thể thấy từ bên trên, sự tương tác của các thông số khác nhau về cường

độ chịu nén và đặc tính của xi măng địa polime là phức tạp

Một số thí nghiệm được thực hiện khi thay đổi tỷ lệ giữa chất lỏng kiềm,tro bay, nước cho ta kết quả sau:

Chất lỏng kiềm/

tro bay

Chất rắn nước / địa polime Đặc tính

Cường độ nén,theo khối lượng theo khối lượng MPa

4 Nhào trộn và tạo hình

Xi măng địa polime có thể được sản xuất bằng cách áp dụng các kỹ thuật thông thường được sử dụng trong sản xuất bê tông xi măng Portland Tro bay và các cốt liệu pha trộn khô với nhau khoảng ba phút Các chất lỏng kiềm được trộn với các chất hóa dẻo và lượng nước thừa, nếu có Chất lỏng thành phần của hỗn hợp sau đó đã được thêm vào nguyên liệu khô và tiếp tục trộn thêm bốn phút nữa Bê tông tươi có thể được xử lý lên đến 120 phút khô lại và không có bất kỳ suy giảm trong cường độ nén Bê tông tươi được đúc và nén chặt bằng các phương pháp thông thường được sử dụng trong các trường hợp bê tông xi măng Portland Cường độ nén của xi măng địa polime bị ảnh hưởng bởi thời gian trộn ướt Kết quả thử nghiệm cho thấy cường độ nén tăng nếu như thời gian trộn ướt tăng

5 Bảo dưỡng bê tông polimer

Nhiệt bảo dưỡng hỗ trợ đáng kể các phản ứng hóa học xảy ra trong bê tông polime Cả thời gian bảo dưỡng và nhiệt độ bảo dưỡng ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của bê tông polime Hiệu quả của thời gian bảo dưỡng được minh họa trong hình bên dưới

Hình 1: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn và cường

độ chịu nén của mẫu vữa polyme vô cơ dưỡng hộ ở điều kiện phòng thí nghiệm ở 14 và 28 ngày tuổi

Hình 1 cho thấy mẫu vữa polyme vô cơ đạt cường độ nén gần 45 MPa và cường độ kéo uốn xấp xỉ 12 MPa ở 28 ngày tuổi Như vậy, việc sử dụng chất kết dính polyme vô cơ để chế tạo mẫu vữa đạt tương đương với việc sử dụng các loại xi măng poóclăng mác PC40 Hơn nữa, cường độ chịu kéo khi uốn của mẫu vữa sử dụng chất kết dính polyme vô cơ cao hơn khá nhiều so với việc sử dụng xi măng poóclăng truyền thống

Kết quả của các thử nghiệm cường độ nén thực hiện mẫu vật (100x200

mm trụ) đã được gỡ bỏ từ các khuôn mẫu hai ngày sau khi đúc

Tuổi (Ngày)

Cường độ nén (MPa)

III ĐẶC TÍNH CỦA BÊ TÔNG POLYMER

1 Cường độ nén

Những dữ liệu thử nghiệm cho thấy cường độ nén tăng theo tuổi theo thứ

tự từ 10 đến 20 phần trăm khi so sánh với cường độ nén của bê tông được 7 ngày tuổi

Hình 2: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén theo thời gian

2 Khả năng chống chịu sunfat

Thí nghiệm: các mẫu bê tông đã được ngâm trong dung dịch natri sulfat

5% trong thời gian tiếp xúc khác nhau đến một năm Các kháng sulfate được đánh giá dựa trên sự thay đổi trong khối lượng, thay đổi chiều dài, và thay đổi cường độ nén của mẫu vật sau khi tiếp xúc sulfate Kết quả thử nghiệm cho thấy

bê tông polime có một khả năng chống tấn công sulfate tuyệt vời Không có thiệt hại cho bề mặt của mẫu vật thử nghiệm sau khi tiếp xúc với natri sunfat đến một năm

Tuổi (tuần)

T

ỷ

lệ

cư

ờ

ng

độ

né

Hình 3: Bê tông xanh tiếp xúc với các môi trường khác nhau trong

một năm

Không có dấu hiệu của bề mặt xói mòn, nứt hoặc nứt vỡ trên mẫu vật Không có thay đổi đáng kể trong khối lượng và cường độ chịu nén của mẫu thử sau giai đoạn khác nhau của tiếp xúc đến một năm Sự thay đổi trong chiều dài

là cực nhỏ và ít hơn 0,015%

3 Khả năng chống axit sunfuric

Sử dụng dung dịch axit sulfuric có nồng độ là 2%, 1% và 0,5% Mẫu vật sau khi tiếp xúc với dung dịch acid sulfuric cho thấy tấn công bằng hơi axít làm

hư hỏng bề mặt của mẫu vật Hình 4 so sánh sự xuất hiện hình ảnh của mẫu bê tông polime sau khi ngâm trong nồng độ khác nhau của dung dịch axit sulfuric trong thời gian một năm với mẫu vật mà không tiếp xúc với axit và để lại trong điều kiện môi trường xung quanh của phòng thí nghiệm Có thể thấy rằng các mẫu vật tiếp xúc với axit sulfuric trải qua sự xói mòn của bề mặt. Sự mất mát khối lượng tối đa của mẫu thử khoảng 3% sau một năm tiếp xúc là tương đối nhỏ so với bê tông xi măng Portland Các thiệt hại cho bề mặt của mẫu vật tăng lên khi nồng độ của dung dịch axit tăng

Ngâm trong dung

dịch natri sunphat 5%

Ngâm trong nước máy

Ở điều kiện xung quanh

Hình 4: Bê tông xanh ngâm trong các nồng độ axit khác nhau

trong một năm

 Ưu điểm:

- Tái sử dụng những vật liệu nông nghiệp phế thải như vỏ dừa, xơ dừa, trấu… Giải pháp tốt nhất là xử lý chất thải, điều này sẽ làm giảm bớt ô nhiễm không khí hơn các hoạt động truyền thống Ý tưởng tái sử dụng chất thải thì có khả năng cao Tạo ra bê tông xanh thì thường xuyên giảm liên tục lượng phế thải nông nghiệp

- So sánh với xi măng Portland thông thường (OPC), bê tông polyme (GPC) có nhiều tính năng tốt hơn (khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt (tới

2400oF), chịu nén và có độ bền kéo, sự co ngót…)

- Về căn bản nó có khả năng "hạn chế" lượng khí thải CO2 đồng thời có thể tạo ra một cơ sở hạ tầng có khả năng sử dụng qua hàng trăm năm khả năng làm giảm lượng khí nhà kính, khoảng 90% khi so sánh với OPC

- Do chất kết dính polyme vô cơ sử dụng tro bay nhiệt điện nên sẽ là bước đột phá tạo ra bê tông xanh thân thiện với môi trường hơn, góp phần bảo

vệ tốt môi trường

- Làm tăng độ bền của các công trình xây dựng nhờ vào khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt, chịu nén, độ bền kéo, sự co ngót…

- Làm giảm nhu cầu năng lượng trong tương lai

Axit sunfuric nồng độ

2%

Axit sunfuric nồng độ 1%

Axit sunfuric nồng độ 0.5%

Ở điều kiện bình thường