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

Bài viết này giới thiệu kết quả nghiên cứu về quy trình chế tạo của loại vật liệu tổng hợp từ bùn đỏ và tro bay đồng thời nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của loại vật liệu này trên cơ sở quá trình geopolymer hóa tro bay và bùn đỏ.

Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 109 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 ThS Vũ Huyền Trân Khoa Xây dựng, trường Đại học Xây dựng Miền Trung Tóm tắt: Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu quy trình chế tạo loại vật liệu tổng hợp từ bùn đỏ tro bay đồng thời nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến tính chất loại vật liệu sở q trình geopolymer hóa tro bay bùn đỏ Kết cho thấy loại geopolymer có tính chất hồn tồn phù hợp để làm vật liệu xây dựng nhà Tây Nguyên Việt Nam Đặt vấn đề: Theo Tập đồn Cơng nghiệp Than Khống sản Việt Nam (TKV), nước ta có trữ lượng Bauxite nguyên khai khoảng 5,5 tỷ theo quy hoạch phát triển bauxite Tây Nguyên, sau 50 năm thải 1,15 tỷ bùn đỏ [1] Thêm vào đó, loại phế thải khác nhà máy nhiệt điện tro bay có trữ lượng đáng kể tăng nhiều nhà máy nhiệt điện đời tương lai Bên cạnh đó, phủ khuyến khích sử dụng loại vật liệu không nung để giảm thiểu ô nhiễm môi trường bảo vệ nguồn tài nguyên đất nơng nghiệp Do đó, tơi nghiên cứu loại vật liệu không nung sản xuất từ bùn đỏ tro bay nhằm góp phần giải vấn đề 1.1 Bùn đỏ: Bùn đỏ chất thải khơng hịa tan sau q trình hịa tách với NaOH nhiệt độ áp suất thích hợp Đó hỗn hợp hợp chất có khoáng gốc, bauxite, sút dư hợp chất tạo thành trình Bayer Trong bùn đỏ, hàm lượng chất rắn có từ 10 đến 30%, pH khoảng 13-14 lực hút ion cao Bề mặt riêng khoảng 10m2/g (100.000 cm2/g), 90% hạt có kích thước 75µm Đây trở ngại cho việc tái sử dụng bùn đỏ [2] Hình Bùn đỏ nhà máy hóa chất Tân Bình dạng lỏng dạng bột 1.2 Tro bay: Tro bay (Hình 2) loại puzzolan nhân tạo, có hoạt tính cao, bao gồm silic oxit, nhơm oxít, canxi oxit, mange oxit, lưu huỳnh oxít lượng than chưa cháy hết Các hạt tro bay có dạng hình cầu, mịn, kích thước 10 đến 100 m Tro bay sản xuất từ việc đốt than đá dạng bột mịn lò đốt than nhà máy nhiệt điện Những hạt bụi đưa qua đường ống khói sau thu Thơng báo Khoa học Cơng nghệ* Số 1-2013 hồi phương pháp kết sương tĩnh điện máy thu chuyên dụng bắng phương 110 pháp lốc xốy [3] Hình Tro bay Từ đặc tính bùn đỏ có chứa hàm lượng oxit nhơm kiềm cao, cịn tro bay có nhiều oxit nhơm oxit silic vơ định hình nên chúng tơi chọn hướng geopolymer hóa hai loại vật liệu nhằm tạo loại vật liệu đóng rắn mà khơng cần nung để làm gạch xây dựng nhà, thay phần gạch đất sét nung Đặc biệt, loại gạch xây tận dụng loại vật liệu phế thải địa phương nên thích hợp với nhu cầu xây dựng nhà cho người dân có thu nhập thấp Tây Ngun Q trình đóng rắn geopolymer vật liệu tổng hợp từ tro bay - bùn đỏ: Geopolymer loại vật liệu silicoaluminate ba chiều có cấu trúc từ vơ định hình tới bán tinh thể, cấu tạo bao gồm chuỗi tứ diện silic nhôm liên kết với nguyên tử oxi Hình a) Cơng thức cấu tạo geopolymer loại Na-poly(sialate-siloxo) Barbosa (2000) b) Cấu trúc geopolymer: x-tro bay chưa phản ứng hết, y-gel geopolymer Thuật ngữ Geopolymer đặt vào năm 1978 Davidovits để gọi tên cho chất kết dính alumino silicate mà ơng tìm Các vật liệu geopolymer có lợi cho mơi trường vì: - Giảm lượng xi măng gây hiệu ứng nhà kính sử dụng 100% tro bay hay xỉ xi măng sử dụng 30% tro bay hay xỉ - Geopolymer cịn xem kỹ thuật xử lý chất thải độc hại - Geopolymer thể tính chất vật liệu tối ưu xi măng Có thể nói geopolymer có tiềm to lớn ngành ceramic, vật liệu xây dựng vật liệu chịu lửa Từ vật liệu rắn ban đầu để trở thành vật liệu geopolymer phải trải qua q trình sau: Thơng báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 111 Vật liệu geopolymer Vật liệu aluminosilicate Phụ gia hoạt hóa Đơng đặc Hố keo Hịa tan Đơng cứng Trong q trình này, vật liệu alumino silicate hoạt tính lànguồn cho q trình geopolymer hóa phụ gia hoạt hóa cần thiết cho q trình hịa tan oxit silic nhôm xúc tác cho phản ứng trùng ngưng Một cách ngắn gọn, q trình geopolymer hóa thể theo hai phản ứng thành phần (A) (B) sau [4]: Kết nghiên cứu thực nghiệm: 3.1 Tính chất nguyên vật liệu sử dụng: 3.1.1 Bùn đỏ: Nguồn gốc: Bùn đỏ lấy từ nhà máy hóa chất Tân Bình, thành phố Hồ Chí Minh Bùn đỏ tận dụng để nhằm mục đích bổ sung thành phần hạt mịn cung cấp oxit nhơm kiềm cho q trình geopolymer hóa Thành phần hóa bùn đỏ (xác định phương pháp XRF): Al2O3: 31.26%, Fe2O3: 47.44%, SiO2: 6.17%, CaO: 0.41, Na2O: 6.64%, TiO2: 6.73%, Cr2O3: 0,.22%, P2O5: 0,24%, SO3: 0,44%, Cl: 0.15% Hàm lượng oxit sắt cao 47.44% mang lại màu sắc đỏ đẹp cho gạch không nung Độ pH=13: cho thấy có lượng kiềm lớn cịn bùn đỏ Lượng kiềm có tác dụng thúc đẩy q trình geopolymer hóa tro bay xảy Kết phân tích X-ray (Hình 4) cho thấy thành phần khoáng chủ yếu bùn đỏ gibsite (Al2O3.3H2O) 54,7%, geothite (FeOOH) 27,22%, hematite (Fe2O3) 6,45 % thạch cao (CaSO4.2 H2O) 7,8% 55,000 50,000 45,000 40,000 35,000 30,000 25,000 20,000 15,000 10,000 5,000 -5,000 -10,000 -15,000 -20,000 -25,000 10 Sodalite Rutile Hematite Gibbsite Goethite Mullite 2:1 Gypsum Anatase Titanomagnetite Perowskite 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1.23 % 1.35 % 6.45 % 54.70 % 27.22 % 2.61 % 7.80 % 1.66 % 2.33 % 2.16 % 60 Hình Biểu đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bùn đỏ từ nhà máy hóa chất Tân Bình Thơng báo Khoa học Cơng nghệ* Số 1-2013 3.1.2 Tro bay: Nguồn gốc: tro bay loại F thấp canxi lấy từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại Độ hoạt tính: 86.1mg CaO/1g phụ gia Thành phần hóa học tro bay: SiO2: 48.8%, Al2O3: 18.6%, Fe2O3: 6.3%, CaO: 0.8%, MgO: 0.7%, K2O : 3.5%, Na2O: 0.98%, MKN: 20.32% Tỷ lệ SiO2/ Al2O3= 2.6 nên nguồn vật liệu alumino 112 silicate phù hợp để chế tạo gạch khơng nung cách geopolymer hóa Kết phân tích X-ray (Hình 5) cho thấy tro bay có chứa pha tinh thể quartz mulit Ngồi cịn có lượng nhỏ pha tinh thể hematite magnetite Hình Kết phân tích biểu đồ nhiễu xạ X-ray mẫu thử tro bay Thành phần hạt theo phương pháp Laser: cỡ hạt mẫu tro bay có kích thước từ 0,5 - 500 micromet Tuy nhiên, nhóm cỡ hạt chiếm chủ yếu từ 40 - 50 micromet Hình Kết thành phần hạt theo phương pháp Laser mẫu tro bay Tro bay Bùn đỏ Phụ gia hoạt hóa (Chất đóng rắn) Sấy Nghiền Trộn theo tỷ lệ thành phần nhiệt độ thích hợp Tạo hình Dưỡng hộ 70-100oC Sản phẩm Hình Quy trình chế tạo mẫu Nước Thơng báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất lý vật liệu geopolymer 3.3.1 Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia hoạt hóa (chất đóng rắn) hàm lượng tro bay đến cường độ chịu nén: Khi hàm lượng chất đóng rắn tro bay tăng lên cường độ chịu nén mẫu vật liệu tăng theo Trong khoảng tăng từ 8ml đến 10 ml phụ gia hoạt hóa/ 100 g hỗn hợp, cường độ chịu nén tăng đáng kể Ở tuổi ngày, cường độ chịu nén mẫu sử dụng ml phụ gia hoạt hóa 120 KG/cm 2, 113 cường độ chịu nén mẫu sử dụng ml, ml 10 ml phụ gia hoạt hóa 156, 158 158 KG/cm2 Ở thấy cường độ mẫu sử dụng 8, 10 ml phụ gia hoạt hóa khơng khác nhiều Khi sử dụng ml phụ gia hoạt hóa/100g hỗn hợp với hàm lượng tro bay tăng từ 40 đến 80% cường độ chịu nén tăng từ 110 đến 190 KG/cm2 Kết tương tự sử dụng ml phụ gia hoạt hóa Hình Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia hoạt hóa tro bay tới cường độ chịu nén mẫu 3.3.2 Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia hoạt hóa hàm lượng tro bay đến độ hút nước: Hình Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia hoạt hóa va tro bay đến độ hút nước Khi hàm lượng phụ gia hoạt hóa tăng từ dến ml/100g hỗn hợp độ hút nước vật liệu giảm đáng kể từ 10,3 xuống cịn 6,3% Bên cạnh đó, độ hút nước vật liệu giảm hàm lượng tro bay tăng lên Cụ thể hàm lượng tro bay tăng từ 40 đến 70% độ hút nước giảm từ 12,7 xuống 5,2 % 3.3.3 Ảnh hưởng hàm lượng phụ gia hoạt hóa hàm lượng tro bay đến hệ số mềm: Tương tự cường độ chịu nén độ hút nước, hàm lượng phụ gia hoạt hóa tro bay tăng lên hệ số mềm vật liệu tăng Có thể thấy lượng dùng phụ gia tăng từ đến ml hệ số mềm tăng tương Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 ứng 0,7 đến 0,927 Đối với mẫu sử dụng ml phụ gia/ 100g hỗn hợp hệ số mềm 114 tăng từ 0,701 đến 0,951 lượng tro bay từ 40 tăng đến 80% Hình 10 Ảnh hưởng hàm lượng dùng tro bay chất đóng rắn đến hệ số mềm Kết luận chung: Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến tính chất vật liệu geopolymer từ bùn đỏ tro bay cho thấy lượng dùng phụ gia hoạt hóa tro bay có vai trị quan trọng tính chất loại vật liệu Khi gia tăng lượng phụ gia hoạt hóa lượng tro bay cường độ chịu nén, độ hút nước hệ số mềm vật liệu geopolymer cải thiện rõ rệt Với hàm lượng tro bay từ 40-80% lượng dùng phụ gia hoạt hóa - 10ml/ 100 g hỗn hợp cường độ chịu nén loại vật liệu geopolymer từ bùn đỏ tro bay đạt từ 100 -190 KG/cm2, độ hút nước từ 5,2 đến 12,7% hệ số mềm từ 0,7 đến 0,95 Với tính chất loại vật liệu hồn tồn phù hợp để chế tạo gạch khơng nung Cấp phối đề xuất để áp dụng vào thực tế sản xuất sau: hàm lượng tro bay 50-60%, hàm lượng phụ gia 6-8 ml/100 g hỗn hợp, nhiệt độ dưỡng hộ 70oC, cường độ chịu nén 130-150 KG/cm2, độ hút nước 6,3-9,7%, hệ số mềm 0,8-0,9 Vật liệu geopolymer từ bùn đỏ tro bay sử dụng nguồn nguyên liệu phế thải địa phương loại vật liệu hoàn toàn phù với sản xuất thực tế đáp ứng yêu cầu kỹ thuật tính kinh tế Đây loại vật liệu đầy triển vọng để phát triển kinh tế, xã hội mỹ quan vùng Tây Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tia sáng Năm nguy cơ, rủi ro giải pháp http://www.viet- studies.info /kinhte /Bauxit_TiaSang.htm (07/11/2008) [2] Red mud production http://www.redmud.org/Production.html [3] American Coal Ash Association Fly ash facts for highway engineers Technical report documentation page [4] Nguyễn Văn Chánh, Vũ Huyền Trân, Nguyễn Thị Thanh Thảo 2010 Nghiên cứu chế tạo gạch không nung công nghệ geopolymer sử dụng tro bay phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà vùng cao nguyên Việt Nam Hội nghị Khoa Học Công nghệ gắn với thực tiễn lần IV  ... Thị Thanh Thảo 2010 Nghiên cứu chế tạo gạch không nung công nghệ geopolymer sử dụng tro bay phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà vùng cao nguyên Việt Nam Hội nghị Khoa Học Công nghệ gắn với thực tiễn... hướng geopolymer hóa hai loại vật liệu nhằm tạo loại vật liệu đóng rắn mà khơng cần nung để làm gạch xây dựng nhà, thay phần gạch đất sét nung Đặc biệt, loại gạch xây tận dụng loại vật liệu phế thải. .. lượng tro bay từ 40 tăng đến 80% Hình 10 Ảnh hưởng hàm lượng dùng tro bay chất đóng rắn đến hệ số mềm Kết luận chung: Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến tính chất vật liệu geopolymer từ bùn đỏ tro bay