NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VỮA GEOPOLYMER ĐỂ CHẾ TẠO GẠCH NHẸ

Sản phẩm gạch không nung có nhiều chủng loại trên một loại gạch để có thể sử dụng rộng rãi từ những công trình phụ trợ nhỏ đến các công trình kiến trúc cao tầng, giá thành phù hợp với từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRỊNH NGỌC DUY

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VỮA GEOPOLYMER ĐỂ CHẾ TẠO GẠCH NHẸ

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRỊNH NGỌC DUY

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VỮA GEOPOLYMER ĐỂ CHẾ TẠO GẠCH NHẸ

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208

Hướng dẫn khoa học:

T.S PHAN ĐỨC HÙNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

TRỊNH NGỌC DUY

CẢM TẠ

Sau thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, được sự chỉ hỗ trợ của quý thầy trong trường Tôi đã

hoàn thành luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu cùng

quý thầy của trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập nâng cao cả tri thức

và lối sống

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Chủ Nhiệm Khoa cùng các Thầy Cô

khoa Xây Dựng và Cơ Học Ứng Dụng đã quan tâm, giảng dạy và truyền đạt kiến

thức vô cùng quý báo trong quá trình học tập cũng như trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp của tôi

hỗ trợ chỉ bảo tôi ngay từ bước đầu làm luận văn; trang bị và truyền đạt cho tôi những kinh nghiệm, kiến thức quý báo để nghiên cứu, cũng như gợi mở những phương hướng thực hiện, hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp

Và cảm ơn các bạn lớp XDC2015A cũng như các lớp khác đã nhiệt tình

giúp đỡ và chân thành góp ý kiến để luận văn hoàn chỉnh hơn

Luận văn tốt nghiệp là quá trình nghiên cứu lâu dài và sự hỗ trợ quý Thầy Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Tuy rằng luận văn này được thực hiện với sự cố gắng lớn lao, nhưng cũng không ít sai sót trong quá trình nghiên cứu Rất mong nhận được sự quan tâm góp ý kiến, cũng như chỉ bảo thật nhiều của quý thầy để luận văn được hoàn thiện hơn

Trân trọng!

Thành Phố Hồ Chính Minh,ngày 16 tháng 09 năm 2016 Học viên thực hiện

Trịnh Ngọc Duy

Lớp XDC 2015A

TÓM TẮT

Nghiên cứu này xác định ảnh hưởng của tỷ lệ cát – tro bay, tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay, tỷ lệ dung dịch sodium silicate - sodium hydroxide và hàm lượng thể tích hạt xốp polystyrene sử dụng trong cấp phối vữa geopolymer đến cường độ chịu nén và khối lượng thể tích Kết quả thực nghiệm đã chỉ ra loại vữa geopolymer nhẹ này có thể đạt cường độ nén cao nhất lên đến trên 8 MPa và khối lượng thể tích nhỏ nhất đạt khoảng 970 kg/m3 Điều này cho thấy khả năng sử dụng hạt xốp polystyrene trong cấp phối vữa nhằm mục đích chiếm thể tích và giảm khối lượng của vữa Tuy nhiên cần quan tâm đến các thành phần khác của vữa để cường

độ chịu nén đạt yêu cầu.

ABSTRACT

This article determines the effect of sand - fly ash ratio, alkaline liquid - fly ash ratio, sodium silicate - sodium hydroxide ratio and the volume content of polystyrene used in mixture to the compressive strength and apparent density of geopolymer mortar The experimental results showed this lightweight geopolymer mortar can achieve the highest compressive strength upto more than 8 MPa and the smallest apparent density about 970 kg/m3 This suggests that the usability of polystyrene ball in the mortar mixture to occupy volume and reduced volume of mortar However, it needs to regard others components of mortar to acheive the required compressive strength

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1

1.2 Gạch nhẹ 6

1.3 Tình hình nghiên cứu 8

1.3.1 Khái niệm về Geopolymer 8

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 9

1.3.3 Tình hình nghiên cứu trong nước 10

1.3.4 Nhận xét về các đề tài 11

1.4 Mục tiêu đề tài nghiên cứu 11

1.5 Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu 11

1.6 Phương pháp nghiên cứu 11

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

2.1 Công nghệ Geopolymer 12

2.1.1 Lịch sử phát triển Geopolymer 12

2.1.2 Thành phần và công thức hóa học 15

2.1.3 Cơ chế phản ứng 16

2.2 Cơ chế đóng rắn của tro bay theo công nghệ Geopolymer 20

2.2.1 Tro bay 20

2.2.2 Cơ sở hóa học của công nghệ Geopolymer 21

2.2.3 Cơ chế hóa học của công nghệ Geopolymer tro bay 23

Chương 3 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 25

3.1 Nguyên vật liệu 25

3.1.1 Chất tạo độ rỗng cho vữa geopolymer 25

3.1.2 Tro bay 27

3.1.3 Nước 27

3.1.4 Dung dịch NaOH 27

3.1.5 Dung dịch thủy tinh lỏng (Na2SiO3) 28

3.1.6 Dung dịch kiềm 29

3.1.7 Cát 29

3.2 Thành phần cấp phối 31

3.2.1 Chuẩn bị khuôn đúc mẫu 32

3.2.2 Phương pháp tạo mẫu 32

3.2.3 Phương pháp thí nghiệm 33

Chương 4 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 39

4.1 Kết quả thực nghiệm vữa geopolymer sử dụng bọt Eabassoc 39

4.2 Kết quả thực nghiệm vữa geopolymer sử dụng bột nhôm 40

4.3 Kết quả thực nghiệm vữa geopolymer sử dụng hạt xốp 42

4.3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ cát – tro bay và tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay đến cường độ nén và khối lượng thể tích của vữa geopolymer 42

4.3.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ sodium silicate - sodium hydroxide đến cường độ và khối lượng thể tích của vữa geopolymer 48

4.3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng thể tích hạt xốp sử dụng đến cường độ và khối lượng thể tích của vữa geopolymer 50

4.4 Ứng dụng để chế tạo gạch geopolymer sử dụng hạt xốp 54

4.4.1 Cấp phối 54

4.4.2 Khối lượng thể tích và cường độ nén các loại gạch 55

4.5 Nhận xét tổng kết các thí nghiệm đã thực hiện 57

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 59

5.1 Kết luận 59

5.2 Hướng phát triển và đóng góp của đề tài 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC A 63

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Lò gạch thủ công đi kèm với ô nhiễm môi trường [1] 2

Hình 1.2 Xây Nhà Bằng Gạch Không Nung [2] 3

Hình 1.3 Gạch Papanh [3] 4

Hình 1.4 Gạch block [4] 5

Hình 1.5 Gạch xi măng – cát [5] 5

Hình 1.6 Gạch bê tông khí chưng áp (AAC) [6] 6

Hình 1.7 Gạch bê tông bọt khí (CLC) [7] 7

Hình 2.1 Tinh thể geopolymer 13

Hình 2.2 Metakaolin (a) và tro bay (b) với NaOH 8M 17

Hình 2.3 Sự hoạt hóa vật liệu alumo - silicat 18

Hình 2.4 Mô tả phản ứng tro bay trong dung dịch kiềm 19

Hình 2.5 Tro Bay 20

Hình 2.6 Cấu trúc SEM của vi hạt tro bay 21

Hình 2.7 Hình ảnh SEM (a) tro bay ban đầu, (b) tro bay được kích hoạt với NaOH( c) tro bay được kích hoạt với Na2SiO3 24

Hình 3.1 Chất tạo bọt eabassoc 25

Hình 3.2 Bột nhôm 26

Hình 3.3 Hạt xốp 27

Hình 3.4 Các tính chất cơ lý của cát sử dụng 31

Hình 3.5 Khuôn gỗ 65x105x220 (mm) 32

Hình 3.6 Khuôn nhựa 100x200 (mm) 33

Hình 3.7 Cân cốt liệu và dung dịch 34

Hình 3.8 Công tác nhào trộn cốt liệu khô 34

Hình 3.9 Đổ dung dịch hoạt hóa vào hỗn hợp 35

Hình 3.10 Dùng máy trộn đều hỗn hợp 35

Hình 3.11 Đổ vào khuôn trụ 100x200 (mm) 35

Hình 3.12 Kết thúc quá trình tạo mẫu 100x200 (mm) 36

Hình 3.14 Mẫu được đưa vào máy nén 37

Hình 3.15 Kết quả thí nghiệm nén 37

Hình 3.16 Thành phần bên trong của mẫu vữa geopolymer 38

Hình 4.1 Tạo bọt bằng máy trộn 40

Hình 4.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ cát - tro bay và tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay đến cường độ nén của cấp phối sử dụng hàm lượng thể tích hạt xốp 55% 42

Hình 4.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ cát - tro bay và tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay đến khối lượng thể tích của cấp phối sử dụng hàm lượng thể tích hạt xốp 55% 43

Hình 4.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ cát - tro bay và tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay đến cường độ nén của cấp phối sử dụng hàm lượng thể tích hạt xốp 45% 44

Hình 4.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ cát - tro bay và tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay đến khối lượng thể tích của cấp phối sử dụng hàm lượng thể tích hạt xốp 45% 45

Hình 4.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ cát - tro bay và tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay đến cường độ của cấp phối sử dụng hàm lượng thể tích hạt xốp 0% 46

Hình 4.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ cát - tro bay và tỷ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay đến khối lượng thể tích của cấp phối sử dụng hàm lượng thể tích hạt xốp 0% 46

Hình 4.8 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide đến cường độ nén của vữa có tỷ lệ dung dịch – tro bay là 0.6 48

Hình 4.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung dịch sodium silicate- sodium hydroxide đến khối lượng thể tích của vữa có tỷ lệ dung dịch – tro bay là 0.6 48

Hình 4.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide đến cường độ nén của vữa có tỷ lệ dung dịch – tro bay là 0.7 49

Hình 4.11 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide đến khối lượng thể tích của vữa có tỷ lệ dung dịch – tro bay là 0.7 49

Hình 4.12 Ảnh hưởng của hàm lượng thể tích hạt xốp sử dụng đến cường độ nén của vữa có tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide là 2 50

Hình 4.13 Ảnh hưởng của hàm lượng thể tích hạt xốp sử dụng đến khối lượng thể tích của vữa có tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide là 2 51

Hình 4.14 Ảnh hưởng của hàm lượng thể tích hạt xốp sử dụng đến cường độ nén

của vữa có tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide là 2.5 52

Hình 4.15 Ảnh hưởng của hàm lượng thể tích hạt xốp sử dụng đến khối lượng thể tích của vữa có tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide là 2.5 53

Hình 4.16 Mẫu gạch sau khi được cắt đôi và chồng lên nhau 55

Hình 4.17 Thí nghiệm nén mẫu gạch theo tiêu chuẩn TCVN 6355-2:2009 55

Hình 4.18 Khối lượng thể tích và cường độ nén các loại gạch 56

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Tỷ lệ pha dung dịch tạo bọt 25

Bảng 3.2 Thành phần hóa học của tro bay 27

Bảng 3.3 Thành phần của hạt cát 29

Bảng 3.4 Hàm lượng tạp chất trong cát 30

Bảng 3.5 Hàm lượng ion CL- trong cát 30

Bảng 3.6 Cấp phối vữa geopolymer sử dụng hạt xốp 31

Bảng 4.1 Cường độ và khối lượng thể tích các cấp phối có tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide là 2 51

Bảng 4.2 Cường độ và khối lượng thể tích các cấp phối có tỷ lệ dung dịch sodium silicate – sodium hydroxide là 2.5 53

Bảng 4.3 Bảng cấp phối gạch nhẹ geopolymer sử dụng hạt xốp 54

Bảng 4.4 Kích thước, cường độ nén và khối lượng thể tích các loại gạch 56

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Việt Nam hiện nay tiêu thụ 20 – 22 tỷ viên gạch một năm, đến năm 2020, lượng gạch cần cho xây dựng ước tính gấp đôi, 40 tỷ viên Theo thống kê năm 2012

cả nước có khoảng hơn 9.000 xí nghiệp sản xuất gạch ngói Các tỉnh thành đều đang tồn tại và duy trì mô hình sản xuất gạch ngói Nhiều địa phương còn phát triển mạnh nghề này Bình quân, mỗi năm các cơ sở sản xuất trên 110 triệu viên gạch ngói các loại, tiêu biểu là các tỉnh miền Đông Bắc Bộ, Trung Bộ, Tây Nguyên và một số tỉnh Tây Bắc…

Tuy nhiên, thực trạng đang diễn ra là gạch ngói sản xuất theo quy trình công nghệ cũ, lạc hậu Đa số các lò gạch đang được sử dụng đều là lò thủ công, chỉ dùng than đá và củi để đốt Điều này gây nên khói, bụi làm ô nhiễm môi trường nặng nề, lãng phí nguồn nhiên liệu năng lượng Khói bụi còn ảnh hưởng môi trường xung quanh, ảnh hưởng nặng nề đến sức khỏe của các hộ dân, khiến mùa màng thất thu Nguyên liệu để sản xuất chính là đất sét, được khai thác từ đất nông nghiệp, làm giảm diện tích cây lương thực

Trong bối cảnh đó, việc sử dụng gạch không nung là xu thế tất yếu của thế giới Việt Nam cũng đã có gạch không nung, nhưng tỷ lệ sử dụng rất thấp, chỉ chiếm 4 – 5% sản lượng gạch toàn quốc Lý do, ngoài thói quen sử dụng gạch nung

từ lâu nay, còn do dây chuyền chủ yếu nhập, công nghệ phức tạp nên giá thành gạch cao Gạch không nung đến nay vẫn là món hàng xa xỉ

Chính vì vậy theo Quyết định số 115/2001/QĐ - TTg về việc quy hoạch tổng thể ngành công nghiệp vật liệu xây dựng đến năm 2020 và định hướng đến 2020 đã được thủ tướng Chính phủ phê duyệt ngày 01/08/2001, phải phát triển gạch không nung thay thế gạch đất nung từ 10 đến 15% vào năm 2005 và 25% đến 30% vào năm 2010, xóa bỏ hoàn toàn gạch đất nung thủ công vào năm 2010 Để thực hiện mục tiêu đạt 40% vật liệu xây không nung (VLXKN) đến năm 2020 bằng 16,8 tỷ viên, trung bình mỗi năm phải đầu tư mới 1,6 tỷ viên Căn cứ vào nguồn nguyên

liệu của từng vùng, nhu cầu của thị trường, thị hiếu của người tiêu dùng để đầu tư các cơ sở sản xuất VLXKN thích hợp

Hình 1.1 Lò gạch thủ công đi kèm với ô nhiễm môi trường [1]

Gạch không nung là loại gạch xây, sau khi được tạo hình thì tự đóng rắn đạt các chỉ số về cơ học cường độ nén, cường độ uốn, độ hút nước mà không cần qua nhiệt độ Độ bền của viên gạch không nung được gia tăng nhờ lực ép hoặc rung lên viên gạch và thành phần kết dính của chúng

Gạch nung có khoảng từ 70 đến 100 tiêu chuẩn quốc tế, với kích thước tiêu chuẩn khác nhau Tại Việt Nam gạch này có kích thước phổ biến là 210x100x60

mm, sức nén viên gạch không nung tối đa đạt 35 MPa

Sản phẩm gạch không nung có nhiều chủng loại trên một loại gạch để có thể

sử dụng rộng rãi từ những công trình phụ trợ nhỏ đến các công trình kiến trúc cao tầng, giá thành phù hợp với từng công trình Có nhiều loại dùng để xây tường, lát nền và trang trí

Hiện nay, gạch không nung đã khẳng định chỗ đứng vững chắc trong các công trình, nó đang dần trở nên phổ biến hơn và được ưu tiên phát triển Có rất nhiều công trình sử dụng gạch không nung, từ công trình nhỏ lẻ cho đến các công trình dân dụng, đình chùa, nhà hàng, sân golf, khu nghỉ dưỡng, cao ốc,

Hình 1.2 Xây Nhà Bằng Gạch Không Nung [2]

Ưu điểm của gạch không nung

Không dùng nguyên liệu đất sét để sản xuất Đất sét chủ yếu khai thác từ đất nông nghiệp, làm giảm diện tích sản xuất cây lương thực, đang là mối đe dọa mang tính toàn cầu hiện nay

Không dùng nhiên liệu như than, củi để đốt tiết kiệm nhiên liệu năng lượng,

và không thải khói bụi gây ô nhiễm môi trường

Sản phẩm có tính chịu lực cao, cách âm, cách nhiệt phòng hoả, chống thấm, chống nước, kích thước chuẩn xác, quy cách hoàn hảo hơn vật liệu nung Giảm thiểu được kết cấu cốt thép, rút ngắn thời gian thi công, tiết kiệm vữa xây, giá thành

Được sản xuất từ công nghệ, thiết bị tiên tiến của quốc tế, nó có các giải pháp khống chế và sự đảm bảo chất lượng hoàn thiện, quy cách sản phẩm chuẩn xác Có hiệu quả trong xây dựng rõ ràng, phù hợp với các TCVN do bộ xây dựng công bố

Các loại gạch không nung có mặt trên thị trường

Gạch không nung là các loại gạch xây, gạch lát vỉa hè,… có kích thước, quy cách như gạch đất sét nung nhưng không sử dụng nhiệt độ để nung cứng hay tăng

độ rắn chắc như gạch đất sét nung truyền thống Trên thế giới, tỉ lệ sử dụng gạch không nung trong các công trình công cộng, dân dụng là khá phổ biến và rộng rãi, nhưng ở Việt Nam thì tỉ lệ sử dụng gạch không nung này còn khá thấp

x Gạch papanh

Gạch không nung được sản xuất từ phế thải công nghiệp xỉ than, vôi bột được

sử dụng lâu đời ở Việt Nam Gạch có cường độ thấp từ 30 – 50 kg/cm2 chủ yếu dùng cho các loại tường ít chịu lực

Hình 1.4 Gạch block [4]

x Gạch xi măng – cát

Gạch được tạo thành từ cát và xi măng

Hình 1.5 Gạch xi măng – cát [5]

1.2 Gạch nhẹ

Gạch nhẹ thật ra chính là gạch không nung bê tông, nó bao gồm hai loại là gạch bê tông bọt khí và gạch bê tông khí chưng áp Chúng được sản xuất từ xi măng, tro nhiệt điện, chất tạo bọt… để tạo nên kết cấu rỗng cho viên gạch Với đặc trưng là xốp nên trọng lượng của viên gạch rất nhẹ, chúng chỉ bằng 1/3 so với gạch đất nung Và loại gạch này thậm chí có thể nổi được trên mặt nước

x Gạch bê-tông khí chưng áp (AAC)

Hình 1.6 Gạch bê tông khí chưng áp (AAC) [6]

Tên tiếng Anh là Autoclaved Aerated Concrete – gọi tắt là AAC được rất nhiều nước trên thế giới ứng dụng rộng rãi với rất nhiều ưu điểm như thân thiện với môi trường, siêu nhẹ, bền, tiết kiệm năng lượng hóa thạch do không phải nung đốt truyền thống, chống cháy, cách âm, cách nhiệt, chống thấm rất tốt so với vật liệu đất sét nung Nó còn được gọi là gạch bê-tông siêu nhẹ vì tỷ trọng chỉ bằng 1/2 hoặc thậm chí là chỉ bằng 1/3 so với gạch đất nung thông thường

Ngoài ra, khả năng cách âm và cách nhiệt của bê tông nhẹ rất cao Với thành phần cấu tạo là vật liệu trơ và các chất vô cơ, gạch bê-tông siêu nhẹ này hoàn toàn không độc hại, có độ bền rất cao và không bắt lửa Ngoài ra, với cấu trúc thông thoáng, nó còn có thể tự khuếch tán hơi nước, giải phóng độ ẩm và loại trừ các vấn

đề liên quan đến nẩm mốc – đặc biệt là trong điều kiện thời tiết nắng nóng của khí

hậu vùng nhiệt đới, vùng biển và vùng có độ ẩm cao như ở khu vực miền Bắc Việt Nam

x Gạch bê tông bọt khí (Cellular Lightweight Concrete - CLC)

Hình 1.7 Gạch bê tông bọt khí (CLC) [7]

Bê tông bọt khí được phát minh tại châu Âu vào những năm 1960 một công nghệ khá đơn giản và linh động có thể sản xuất bằng chất tạo bọt, xi măng, cát, nước là đủ Do đó nó đã được sử dụng phổ biến khắp thế giới vào rất nhiều ứng dụng khác nhau Công nghệ sản xuất bê tông bọt khác biệt đáng kể so với công nghệ sản xuất bê tông khí AAC

Thành phần quan trọng nhất là bọt, nó quyết định chi phí sản xuất của vật liệu Chất tạo bọt được pha cùng với nước theo tỷ lệ khoảng 2,5% đến 3% và cấp cho một máy tạo bọt tạo ra một dạng bọt giống như bọt xà phòng có mật độ khoảng 50 -

80 g/lít hoặc nói cách khác 50 - 80 kg/m3 Khi xi măng, cát, nước và bọt được trộn lẫn trong máy trộn chuyên dụng sẽ tạo ra hỗn hợp nhẹ, chảy loãng cao sau đó đúc khuôn tạo hình sản phẩm

Ưu điểm chính của bê tông bọt là nó không yêu cầu các thiết bị lớn, đắt tiền cho quy trình sản xuất Trong thực tế, nó thường được sản xuất trực tiếp tại công

trường xây dựng sử dụng thiết bị tương đối đơn giản, trong khi AAC chỉ có thể được sản xuất trong điều kiện phương tiện xây dựng cố định (sản xuất tại nhà máy) Đặc điểm sản phẩm thường có màu xám do chứa nhiều xi măng, tỷ trọng 700

- 900 kg/m3, cường độ nén theo tiêu chuẩn 2,5 - 3,5 N/mm2 Đặc điểm dây chuyền

do công nghệ khá đơn giản, rất dể dàng kiểm soát chất lượng nên dây chuyền thiết

bị đơn giản gọn nhẹ, có thể sản xuất thủ công với 1 máy tạo bọt, 1 máy trộn, và một

ít khuôn tạo hình cho đến dây chuyền sản xuất hoàn toàn tự động

Nhờ vào trọng lượng nhẹ và nhiều tính năng nổi bật của mình nên gạch nhẹ ngày càng trở nên phổ biến hơn rất nhiều và chúng được áp dụng cho hầu hết mọi công trình dân dụng từ nhà cao tầng cho đến các công trình khác như văn phòng, nhà xưởng và những công trình đòi hỏi có tính kiên cố khác

Gạch nhẹ có khả năng cách nhiệt, cách âm, chống nóng, chống ồn một cách hiệu quả Khi kết hợp thêm với vật liệu cách nhiệt khác sẽ giúp tăng thêm độ yên tĩnh, thoải mái cho công trình

Đặc điểm tiếp theo của loại gạch này đó chính là thời gian thi công nhanh, giảm từ 30 - 50% so với các loại gạch thông thường Điều này giúp giảm được chi phí cho nhân công, lượng vôi vữa cũng được giảm đi đáng kể Do đó, khi sử dụng gạch bê tông nhẹ sẽ tiết kiệm rất nhiều chi phí so với gạch đất nung

Do được sản xuất từ các nguyên liệu thân thiện với môi trường nên gạch siêu nhẹ không gây ô nhiễm, thân thiện với người sử dụng và môi trường và nhất là có thể tái sản xuất một cách dễ dàng, nhanh chóng

Tuy có nhiều ưu điểm nổi bật song cũng không thể bỏ qua nhược điểm của loại gạch này đó là khả năng chịu lực theo phương ngang yếu, không linh hoạt trong thiết kế kiến trúc với nhiều góc cạnh

1.3 Tình hình nghiên cứu

1.3.1 Khái niệm về Geopolymer

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 NaOH, KOH và thủy tinh lỏng Natri Silicat nhằm tạo môi trường kiềm và tham gia vào các phản ứng Geopolymer hóa

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

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hardjito và Djwantoro [8] đã trình bày quá trình để sản xuất bê tông Geopolymer sử dụng tro bay, cách sản xuất và thí nghiệm mẫu, các số liệu thu thập được

L.Krishnan [9] đã giới thiệu công thức của vật liệu Geopolymer, đặc tính của Geopolymer và cách thức tiến hành thí nghiệm

N.A.Lloyd và B.V.Rangan [10] đã trình bày đặc tính hỗn hợp bê tông Geopolymer, cách thiết kế một mẻ bê tông Gepolymer, về các sản phẩm bê tông đúc sẳn, sự đóng góp của bê tông Geopolymer đối với phát triển

1.3.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt nam, từ những năm 2008 đã có khá nhiều đề tài khoa học nghiên cứu

và ứng dụng công nghệ này Lần đầu tiên công nghệ Geopolymer được ứng dụng chủ yếu là để tận dụng nguồn phế phẩm công nghiệp là tro bay của các nhà máy nhiệt điện, tro bay được thiết kế trong thành phần của bê tông, được ứng dụng vào công nghệ chế tạo các loại mặt đường cứng (đường ô tô, đường sân bay…) Ngoài

ra, công nghệ Geopolymer còn được sử dụng để ổn định, xử lý và tận dụng chất thải boxite từ các quặng khai thác nhôm để chế tạo 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 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

Một số đề tài nghiên cứu về Geopolymer ở Việt Nam

Trần Anh Tiến [11] đã trình bày về lịch sử phát triển của vật liệu Geopolymer, nguyên liệu để chế tạo mẫu, phương pháp để xác định tính chất của vật liệu và nhận xét kết quả

NCS.ThS Tống Tôn Kiên [12] và các cộng sự đã nghiên cứu về đề tài bê tông Geopolymer – những thành tựu, tính chất và ứng dụng Các tác giả đã trình bày những thành tựu nổi bật, các mốc thời gian phát triển của chất kết dính hoạt hóa kiềm, quá trình hình thành cấu trúc bê tông Geopolymer, các đặc tính và cũng như ứng dụng của bê tông Geopolymer

PGS.TS Nguyễn Văn Dũng [13] nghiên cứu chế tạo bê tông Geopolymer từ tro bay, xác định cường độ của bê tông Geopolymer và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông Geopolymer

Ngoài ra còn 1 số nghiên cứu khác như Công nghệ sản xuất gạch không nung của công ty Huệ Quang (2009), Nghiên cứu chế tạo gạch không nung bằng công nghệ Geopolymer sử dụng tro bay và phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà ở vùng cao nguyên Việt Nam của nhóm nghiên cứu ở trường đại học Bách khoa TP.HCM

(2010), vữa và bê tông sử dụng chất kết dính polyme vô cơ của nhóm nghiên cứu ở trường đại học Giao thông vận tải Hà Nội (2011), Bê tông chịu lửa và gạch không nung sử dụng chất kết dính geopolyme của các nhóm nghiên cứu ở Viện Vật liệu xây dựng (2012)

1.3.4 Nhận xét về các đề tài

Các bài báo, đề tài nghiên cứu và các báo cáo khoa học trên trình bày tổng quan và chi tiết về vật liệu Geopolymer, về lịch sử ra đời, công thức tạo mẫu, lý thuyết thí nghiệm, cũng như là những ưu điểm và nhược điểm của vật liệu Geopolymer này Nhưng chưa có đề tài nào nói rõ về gạch không nung được sử dụng vật liệu Geopolymer bao gồm tro bay, cát, dung dịch hoạt hóa kiềm, thủy tinh lỏng và hạt xốp polystiren cho gạch nhẹ Geopolymer

1.4 Mục tiêu đề tài nghiên cứu

Ứng dụng công nghệ geopolymer vào chế tạo vữa Sau đó, sử dụng vữa geopolymer trên để tạo ra gạch nhẹ geopolymer

Xác định cường độ nén của vữa geopolymer cũng như của gạch geopolymer dựa trên những tiêu chuẩn đã có ở trong nước cũng như ngoài nước

1.5 Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu

- Xác định thành phần cấp phối vữa Geopolymer sử dụng hạt xốp

- Xác định thành phần cấp phối vữa Geopolymer không sử dụng hạt xốp

- Xác định cường độ nén của vữa Geopolymer sử dụng hạt xốp và không sử dụng hạt xốp

- So sánh gạch nhẹ Geopolymer với gạch khác trên thị trường

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm sau đó tiến hành so sánh và đánh giá

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Công nghệ Geopolymer

2.1.1 Lịch sử phát triển Geopolymer

Geopolymer là một công nghệ mới, 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

Gepolymer là sản phẩm của quá trình phản ứng giữa vật liệu có nguồn gốc silic và nhôm với dung dịch kiềm Vật liệu này có thể thay thế xi măng trong bê tông Hiện nay Geopolymer đã và đang được nghiên cứu rộng rãi và cho thấy khả năng thay thế bê tông xi măng trong một số ứng dụng do bê tông Geopolymer vừa

có các tính chất kỹ thuật tốt, đồng thời giảm khả năng gây hiệu ứng nhà kính khi thay thế xi măng pooclăng

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 [14] đã phát hiện ra hệ nguyên liệu bao gồm đất sét, cao lanh có thể tương tác với dung dịch kiềm NaOH ở 100 – 150OC để tạo

ra hợp chất mới là Hydrosodialte

Si2O5, Al2(OH)4 + NaOH ֜ Na(-Si-O-Al-O)n

Kaolinite Hydrosodalite

Hình 2.1 Tinh thể geopolymer 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 1460OC, tạo thành hợp chất gốm có khả năng bền nhiệt và hệ số giãn nỡ nhiết rất thấp)

Những năm sau đó, Công nghệ Geopolymer được ứng dụng và chế tạo thành công gạch nung ở nhiệt độ thấp, còn gọi là gạch L.T.G.S (Low Temperature Geopolymeric Setting) Gạch này được thực hiện bằng cách trộn phối liệu đất sét cao lanh trong dung dịch kiềm có độ hoạt tính cao, hỗn hợp tương tác và hình thành chuỗi M-Polysiliate (M là kim loại kiềm có hoạt tính cao, thường là Na hoặc K) Gạch L.T.G.S có khả năng chịu được nhiệt độ tối đa là 1000OC, 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

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 rãi 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

Một nghiên cứu khác về xi măng Geopolymer (High – Akali – Poly) đã cho thấy ứng dựng trong nhiều ngành kỹ thuật như hàng không, xây dựng, công nghiệp chất dẻo, kim loại…Kết quả nghiên cứu cho thấy xi măng mới này đóng rắn nhanh với nhiệt độ phòng, cường độ chịu nén có thể đạt tới 20 MPa sau 4 giờ ở nhiệt độ

200OC và có thể đạt từ 70 – 100 MPa sau khi bảo dưỡng 28 ngày

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

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 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

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

2.1.2 Thành phần và công thức hóa học

Quá trình hình thành cấu trúc phân tử Geopolymer về căn bản là các phản ứng của các khoáng Nhôm và Silic trong điều kiện dung dịch kiềm cùng với dung dịch thủy tinh lỏng, kết quả là phản ứng tạo ra cấu trúc không gian 3 chiều chứa các nguyên tử Si-O-Al-O, có thể viết lại công thức hóa học của phân tử Geopolymer như sau:

Các quá trình phản ứng tạo ra chất kết dính Geopolymer diễn ra khá phức tạp,

có rất nhiều quá trình phản ứng sảy ra đồng thời mà rất khó có thể nhận biết được, theo một số ngiên cứu trước thì quá trình tổng hợp Geopolymer có thể được mô tả bằng những phương trình phản ứng như sau

Các phân tử riêng lẻ là cấu trúc xương sống chất kết dính Geopolymer này sẽ tiếp tục thực hiện quá trình đa trùng ngưng tạo thành chuỗi vô hạn liên kết với nhau tạo ra chất kết dính Geopolymer hay là polyme Quan quan sát dưới kính viển vi điện tử đã nhận biết rằng biết rằng cấu trúc của tinh thể Geopolymer là cấu trúc vô định hình, không có hướng xác định và có tính kết dính vật liệu khác

2.1.3 Cơ chế phản ứng

Trên rất nhiều cơ sở nghiên cứu chất kết dính kiềm kích hoạt (alkali-activated Cement), có 2 khái niệm khác nhau là xỉ lò cao nghiền mịn kiềm kích hoạt và (alkali activated GGBFS) và Geopolymer Chất kiềm kích hoạt của GGBFS có kiểu (Ca+Si) và chất kết dinh Geopolymer có kiểu kết dinh (Al+Si) với Metakaolin và tro bay làm là vật liệu chính [15 – 23]

Hình 2.2 Metakaolin (a) và tro bay (b) với NaOH 8M

Cơ chế động học phản ứng giải thích quá trình đông kết và rắn chắc của chất kết dính kiềm hoạt hóa vẫn còn là môt bí ẩn Theo Glukhovsky, cơ chế quá trình kiềm hoạt hóa bao gồm các phản ứng phân hủy nguyên liệu dạng cấu trúc ổn định thấp và phản ứng nội tại Trước tiên là quá trình bẻ gảy các liên kết cộng hóa trị Si-O-Si và Al-O-Si khi nồng độ PH của dung dịch kiềm tăng lên Vì thế những nhóm nguyên tố này chuyển sang hệ keo, sau đó sảy ra sự tích tụ các sản phẩm bị phá hủy với phản ứng nội tại giữa chúng tạo ra cấu trúc ổn định thấp và cuối cùng là quá trình hình thành cấu trúc đông đặc

Hình 2.3 Sự hoạt hóa vật liệu alumo - silicat Granizo đã nghiên cứu chất kết dính Metakaolin hoạt hóa kiềm và cho rằng có

2 phản ứng khác nhau khi chất kiềm hóa chỉ là NaOH hoặc thủy tinh lỏng Ở trường hợp thứ nhất, sau khi hòa tan một thời gian, các sản phẩm phá hủy bắt đầu tích tụ Trong trường hợp thứ 2, ngay sau khi xảy ra sự hòa tan sẽ sảy ra quá trình trùng hợp Palomo.et.al cũng có cùng quan điểm này khi cho rằng, có 2 kiểu hoạt tính kiềm có thể sảy ra, kiểu thứ nhất xảy ra khi chất kích hoạt của xỉ lò cao (Si+Ca) là dung dịch kiềm yếu, sản phẩm chủ yếu sẽ là CSH Kiểu thứ 2 đối với chất hoạt hóa kiềm của Metakaolin là dung dich kiềm từ trung bình đến mạnh Sản phẩm cuối

cùng có dạng mạch trùng hợp và có cường độ cơ học cao Với trường hợp đầu tương tự như quá trình hình thành Zeoloite (khoáng Nhôm)

Còn với chất hoạt hóa kiềm của tro bay xảy ra sự tỏa nhiệt trong quá trình hòa tan, phân tách các liên kết công hóa trị Si-O và Al-O-Al Nhìn chung các sản phẩm tùy thuộc vào sự phá vỡ cấu trúc của tro bay trong khoảng thời gian đầu và cuối cùng là quá trình ngưng kết tạo cấu trúc chuỗi một cách có trật tự tạo ra sản phẩm

có cường độ cơ học cao

Davidovist cho rằng dung dich kiềm có thể sử dụng để phản ứng với Silic và Nhôm trong nguồn vật liệu khoáng hoặc trong vật liệu phế thải tro bay, tro trấu để chết tạo chất kết dính Bởi vì phản ứng hóa học xảy ra trong trường hợp này là quá trình trùng hợp cho nên ông gọi là Geopolymer Thông số chính quyết định đến tính chất và dạng sử dụng của một loại Geopolymer là tỷ lệ Si/Al, với vật liệu xây dựng

tỷ lệ Si/Al khoảng xấp xỉ 2

Hình 2.4 Mô tả phản ứng tro bay trong dung dịch kiềm

2.2 Cơ chế đóng rắn của tro bay theo công nghệ Geopolymer

2.2.1 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 thân nó đã rất mịn, cỡ hạt từ 1 - 20 μm, tỷ diện khoảng 250 đến 600 m2/kg

Hình 2.5 Tro Bay Tro bay là một Puzzolan nhân tạo với các thành phần chính là các oxit silic (SiO2), oxit nhôm (Al2O3), oxit sắt (Fe2O3), canxi oxit (CaO), magie oxit (MgO) Hàm lượng các thành phần này phụ thuộc vào loại than sử dụng ban đầu, và tất nhiên màu sắc của tro bay cũng phụ thuộc vào hàm lượng các hợp chất có trong tro bay Tro bay càng mịn càng tốt Đường kính của phần lớn các hạt nằm trong khoảng 1μm đến 20 μm và hàm lượng than chưa cháy (MKN) thường yêu cầu không được vượt quá 5% khối lượng tro bay Tro bay được sản xuất từ việc đốt than đá ở dạng bột mịn trong lò hơi đốt than của nhà máy nhiệt điện Những hạt bụi được đưa ra

qua các đường ống khói sau đó được thu hồi bằng phương pháp kết sương tĩnh điện

hoặc máy thu chuyên dụng bằng phương pháp lốc xoáy

Hình 2.6 Cấu trúc SEM của vi hạt tro bay Thành phần hóa và tỉ lệ thành phần hóa học của tro bay được quy định tại tiêu

chuẩn ASTM 618 Theo tiêu chuẩn, tro bay thông dụng có hai loại chủ yếu là loại F

và loại C, tính chất hóa học của tro còn phụ thuộc vào thành phần của than đốt (than

non, bitaum hoặc than đá thông thường) Tuy nhiên, không phải tất cả các loại tro

bay đều đáp ứng được tiêu chuẩn do ASTM 618 quy định Thực tế, sự phân bố kích

thước hạt và thành phần hóa của tro bay cũng biến động liên tục do hiệu suất của

nhà máy than và lò hơi hoạt động Chính vì thế, tại các nhà máy nhiệt điện đốt than,

ta còn có các nhà máy xử lý tro bay nhằm đảm bảo đúng hàm lượng các thành phần

hóa theo ASTM 618

Ở Việt Nam, không có nhiều nhà máy sản xuất tro bay, chủ yếu tro bay được

sử dụng được thải ra từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại (Nghệ An) và nhà máy nhiệt

điện Formosa (Đồng Nai), ngoài ra còn có một số loại tro bay có xuất xứ từ Trung

Quốc nhưng không được sử dụng phổ biến

2.2.2 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

và O2- 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

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 gian vững chắc bên trong cấu trúc Khung Sialate bao gồm những tứ diện SiO4 và AlO4 được nối xen kẹp với nhau bằng các nguyên tố Oxy Những ion dương (Na+, K+, Li+, Ca2+, Ba2+, NH4+, H3O+) phải hiện diện trong các hốc của khung để cân bằng điện tích của Al3+ và hình thành monomer mới như hình bên dưới

Công thức kinh nghiệm của poly sialate

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

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

2.2.3 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 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

Hình 2.7 Hình ảnh SEM (a) tro bay ban đầu, (b) tro bay được kích hoạt với

NaOH(c) tro bay được kích hoạt với Na2SiO3

Ta thấy hình ảnh vi cấu trúc của tro bay được thể hiện rõ ràng qua phương pháp SEM (Scanning Electron Microscope) Hình 2.7a thể hiện hình thái đặc trưng ban đầu của tro bay trước phản ứng, là những tinh thể hình cầu có kích thước khác nhau, cấu trúc thường rỗng và có thể chứa những hạt nhỏ hơn trong nó Hình 2.7b

và 2.7c 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 Natri-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