(Đề tài NCKH) nghiên cứu ứng dụng chế phẩm công nghiệp nhiệt điện để sản xuất vật liệu không nung thân thiện môi trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRUỜNG TRỌNG ÐIỂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẾ PHẨM CÔNG NGHIỆP NHIỆT ÐIỆN ÐỂ SẢN XUẤT VẬT LIỆU KHÔNG NUNG THÂN THIỆN MÔI TRUỜNG MÃ SỐ: T2013-10TÐ SKC004314 Tp Hồ Chí Minh, tahasng 12 - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẾ PHẨM CÔNG NGHIỆP NHIỆT ĐIỆN ĐỂ SẢN XUẤT VẬT LIỆU KHÔNG NUNG THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG Mã số: T2013-10TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Phan Đức Hùng TP HCM, 12/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG & CƠ HỌC ỨNG DỤNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẾ PHẨM CÔNG NGHIỆP NHIỆT ĐIỆN ĐỂ SẢN XUẤT VẬT LIỆU KHÔNG NUNG THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG Mã số: T2013-10TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Phan Đức Hùng TP HCM, 12/2013 DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI - Họ tên: TS Phan Đức Hùng - Đơn vị công tác: Khoa Xây dựng & Cơ học ứng dụng, Trường Đại học SPKT Tp.HCM ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH - TS Lê Anh Tuấn: Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM - Công ty TNHH – TM & DV Kim Tơ, Ngã Lị vơi, xã Phước Hưng, Long Điền, Bà Rịa, Vũng Tàu iii MỤC LỤC DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CHAPTER MỞ ĐẦU 1.1Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.1.1Ngoài nước 1.1.2Trong nước 1.2Tính cấp thiết 1.3Mục tiêu 1.4Cách tiếp cận 1.5Phương pháp nghiên cứu 1.6Đối tượng phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu 1.6.1Đối tượng nghiên cứu 1.6.2Phạm vi nghiên cứu 1.7Nội dung nghiên cứu CHAPTER CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER 2.1Giới thiệu 2.2Cơ sở hóa học cơng nghệ Geopolymer 2.3Cơ chế hóa học cơng nghệ geopolymer tro bay 2.4Cơ chế hóa học công nghệ geopolymer đất sét CHAPTER NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1Nguyên liệu 3.1.1Đất sét 3.1.2Tro bay 3.1.3Dung dịch hoạt hóa Thủy tinh lỏng iv Natri hydroxit 20 3.1.4 Nước nhào trộn 20 3.2 Điều kiện dưỡng hộ 20 3.3 Thành phần cấp phối 21 3.4 Phương pháp tạo mẫu thí nghiệm 21 3.4.1 Phương pháp tạo mẫu 21 3.4.2 Phương pháp thí nghiệm 21 3.4.3 Trình tự thí nghiệm 22 Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu: 22 Giai đoạn nhào trộn đúc khuôn: 23 Giai đoạn dưỡng hộ nhiệt: .23 Nén mẫu: 24 CHAPTER THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 25 4.1 Ảnh hưởng điều kiện dưỡng hộ 25 4.2 Ảnh hưởng tỉ lệ dung dịch hoạt hóa – tro bay 27 4.3 Ảnh hưởng tỷ lệ Na2SiO3/NaOH dung dịch hoạt hóa đến cường độ geopolymer đất 30 4.4 Ảnh hưởng hàm lượng Si dung dịch hoạt hóa đến cường độ mẫu Geopolymer đất tro bay 32 4.5 Ảnh hưởng hàm lượng hạt sét đến cường độ mẫu Geopolymer đất tro bay 34 4.6 Phân tích cấu trúc mẫu Geopolymer đất tro bay 36 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40 5.1 Kết luận 40 5.2 Kiến nghị 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Q trình geopolymer hóa (Hardjito) 10 Hình 2.2 Hình ảnh SEM: (a) tro bay ban đầu, (b) tro bay kích hoạt với NaOH, (c) tro bay kích hoạt với Na2SiO3 .11 Hình 2.3 Mơ hình miêu tả kích hoạt kiềm tro bay (Jimanez, 2005) 12 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc monomer đất sét tác dụng dung dịch NaOH 13 Hình 2.5 Phân biệt cấu trúc lập thể Hydrosodalite Zeolite 13 Hình 3.1 Đất sét 17 Hình 3.2 Tro bay sử dụng thí nghiệm 18 Hình 3.3 Thủy tinh lỏng 19 Hình 3.4 Natri hydroxyt dạng vảy .20 Hình 3.5 Sơ đồ diễn tả trình tự thí nghiệm 22 Hình 3.6 Quá trình tạo mẫu trụ 23 Hình 3.7 Mẫu sau dưỡng hộ nhiệt vòng 24 24 Hình 3.8 Mẫu nén lấy giá trị cường độ .24 Hình 4.1 Quan hệ thời gian dưỡng hộ nhiệt cường độ chịu nén 26 Hình 4.2 Quan hệ nhiệt độ dưỡng hộ cường độ chịu nén .27 Hình 4.3 Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa polymer / tro bay nhiệt độ dưỡng hộ 29 Hình 4.4 Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa polymer / tro bay thời gian dưỡng hộ 30 Hình 4.5 Ảnh hưởng tỷ lệ Na2SiO3/NaOH thời gian dưỡng hộ nhiệt đến cường độ chịu 31 Hình 4.6 Ảnh hưởng tỷ lệ Na2SiO3/NaOH nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ chịu nén .31 Hình 4.7 Ảnh hưởng hàm lượng Si dung dịch hoạt hóa đến cường độ chịu nén .32 Hình 4.8 Mức độ tăng cường độ theo thời gian dưỡng hộ nhiệt 33 Hình 4.9 Mức độ tăng cường độ theo nhiệt độ dưỡng hộ 33 Hình 4.11 Biểu đồ ảnh hưởng hàm lượng đất sét đến cường độ geopolymer đất chưa qua trình bảo dưỡng sấy 35 vi Hình 4.12 Biểu đồ ảnh hưởng hàm lượng đất sét đến cường độ geopolymer đất sau bảo dưỡng sấy 12 với nhiệt độ 120 C 36 Hình 4.13 Bề mặt mẫu vật liệu trước đóng rắn, (b) hình phóng to vị trí đánh dấu hình (a) .37 Hình 4.14 Bề mặt mẫu vật liệu sau đóng rắn, (b) hình phóng to vị trí đánh dấu hình (a) 38 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thành phần hạt đất sét 16 Bảng 3.2 Thành phần hóa học đất sét 17 Bảng 3.3 Thành phần hóa tro bay 18 Bảng 3.4 Khảo sát vật lý tro bay Formosa 19 Bảng 4.1 Kết nén mẫu geopolymer đất (MPa) thay đổi thời gian dưỡng hộ 25 Bảng 4.2 Kết nén thay đổi tỉ lệ DD hoạt hóa – tro bay nhiệt độ tăng dần .28 Bảng 4.3 Cấp phối khảo sát kết thí nghiệm xét ảnh hưởng hàm lượng sét đến cường độ geopolymer đất .34 viii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DD : Dung dịch hoạt hóa Tro : Tro bay Si : Silic ix 33 thể tốt Sau đó, kết cường độ chịu nén có xu hướng tăng lên tăng thời gian dưỡng hộ Khi nhiệt độ tăng từ 60 lên 120 C, mẫu thay đổi giá trị cường độ chịu nén Hình 4.9, cường độ tăng từ 1.7 lần Điều nhiệt độ dưỡng hộ cao cho cường độ chịu nén mẫu cao Nhiệt độ tạo điều kiện cho trình trùng ngưng xảy dễ 4.5 Ảnh hưởng hàm lượng hạt sét đến cường độ mẫu Geopolymer đất tro bay Để khảo sát ảnh hưởng hàm lượng hạt sét đến cường độ mẫu geopolymer đất, tiến hành khảo sát với cấp phối có tỉ lệ hạt sét giảm dần, lượng giảm thay cát, tro bay sử dụng cới hàm lượng 10% Hàm lượng tỉ lệ Na 2SiO3/NaOH thay đổi 0.5, 1.0 2.0 Thí nghiệm tiến hành mẫu có bảo dưỡng sấy (ở nhiệt độ 120 C 12 giờ) bảo dưỡng khơng sấy (ở nhiệt độ phịng) Cấp phối kết thí nghiêm sau 14 ngày trình bày Bảng 4.3 Bảng 4.3 Cấp phối khảo sát kết thí nghiệm xét ảnh hưởng hàm lượng sét đến cường độ geopolymer đất Cấp phối Đất sét (%) CP1 90 CP2 90 CP3 90 CP4 70 CP5 70 CP6 70 CP7 50 CP8 50 34 CP9 CP10 CP11 CP12 Hình 4.11 mơ tả ảnh hưởng hàm lượng sét đến cường độ geopolymer đất chưa qua trình bảo dưỡng sấy Cường độ chịu nén (MPa) 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Dung dịch TL 1:1 Dung dịch TL 1:2 Dung dịch TL 2:1 Hình 4.10 Biểu đồ ảnh hưởng hàm lượng đất sét đến cường độ geopolymer đất chưa qua trình bảo dưỡng sấy Khi tỉ lệ dung dịch kiềm không thay đổi, cường độ mẫu giảm dầm hàm lượng đất sét giảm dần Trong trường hợp không sấy, thiếu điều kiện nhiệt độ dưỡng hộ nên cường độ mẫu vật liệu không lớn, trình geopolymer xảy khơng hồn tồn, cường độ chủ yếu tạo thành trình rắn đất sét phần q trình geopolymer hóa Hình 4.12 cho thấy, tỉ lệ dung dịch khơng thay đổi, cường độ mẫu đạt lớn với hàm lượng sét 70% Cường độ vật liệu tạo thành nguyên nhân chủ yếu trình geopolymer hóa tro bay đất sét, phần cường độ tạo thành đất sét rắn theo chế sấy 35 Cường độ chịu nén (MPa) 0.0 Dung dịch TL 1:1 Dung dịch TL 1:2 Dung dịch TL 2:1 Hình 4.11 Biểu đồ ảnh hưởng hàm lượng đất sét đến cường độ geopolymer đất sau bảo dưỡng sấy 12 với nhiệt độ 120 C Tổng hợp kết thí nghiệm hai trường hợp trước sấy sau sấy, geopolymer đất sét khó xảy điều kiện nhiệt độ phịng, cường độ mẫu lúc tạo thành chủ yếu đất sét đóng rắn Ngược lại, geopolymer đất sau trải qua q trình gia cơng nhiệt (sấy 12 120 C), q trình geopolymer hóa xảy Lúc hàm lượng sét tốt để mẫu đạt cường độ tốt 70%, cát đóng vai trò vừa chất độn vừa khung chịu lực phụ 4.6 Phân tích cấu trúc mẫu Geopolymer đất tro bay Như phần lý thuyết trình bày, Geopolymer đất sét tro bay có cấu trúc vơ định hình (Provis, 2009) trộn lẫn cấu trúc zeolite (Kamarudin, 2012) Sử dụng phương pháp phân tích cấu trúc qua kính siêu hiển vi điện tử Scanning Electron Microscope (SEM) để nhận biết cấu trúc bề mặt, liên kết cấu trúc với đơn vị mircomet (µm) Hình ảnh thực nghiệm SEM thể Hình 4.13 bề mặt mẫu đất sét chưa qua q trình geopolymer hóa, Hình 4.14 cấu trúc bề mặt mẫu sau geopolymer hóa dưỡng sấy 36 bảo (a) Hình 4.12 Bề mặt mẫu vật liệu trước đóng rắn, (b) hình phóng to vị trí đánh dấu hình (a) 37 (a) (b) Hình 4.13 Bề mặt mẫu vật liệu sau đóng rắn, (b) hình phóng to vị trí đánh dấu hình (a) Cấu trúc bề mặt đất sét ban đầu vô lồi lõm khơng chắn, khống liên kết chủ yếu lực dính tương đối Sau geopolymer hóa có thay đổi rõ rệt, cấu trúc bề mặt khơng phẳng đặc chắc, lỗ rỗng, vi hạt tro bay 38 khoáng đất sét đóng rắn chắn, khống sét thu gom xếp theo trật tự định dính chặt Cấu trúc bề mặt mẫu sau geopolymer hóa lồi lõm dự đốn keo đóng rắn bao bọc lấy tinh thể zeolite, hình thành khối nhỏ với kích thước từ đến µm Điều phù hợp với nghiên cứu trước trước (Xu, 2003; Liu, 2006; Provis, 2009) Kết thí nghiệm cho thấy khống kaolinite geopolymer hóa với tro bay tạo khối tinh thể hydrosodalite liên kết chặt với Tuy nhiên, khối liên kết rải rác, chưa liên tục với cấu trúc gắn chặt nhau, bề mặt khơng phẳng khơng có lỗ rỗng Các khối liên kết dính chặt vào tạo thành nhiều hình dạng khơng xác định Một phần cấu trúc hình thành nguyên vật liệu nhào trộn chưa đồng nhất, trình nghiền đất sét chưa đều, không loại trừ khả phương pháp trộn cịn thủ cơng nên q trình tương tác geopolymer hóa chưa hồn thiện hết Q trình đóng rắn chưa hồn chỉnh dự đốn phương thức gia nhiệt tủ sấy, thời gian nhiệt thời gian dưỡng hộ nhiệt độ thường Một phần nguyên nhân dự đoán trình nhào trộn chưa đồng nhất, dung dịch kiềm chưa phân tán tồn cấu trúc mẫu Tóm lại, tiến hành geopolymer hóa hệ nguyên liệu đất sét tro bay theo công nghệ geopolymer ta thu kết hệ vật liệu mới, có cấu trúc bền hơn, cấu trúc tạo thành gồm zeolite, gel geopolymer bao bọc đóng rắn với zeolite, vi hạt tro bay phản ứng với dung dịch kiềm Các hệ cấu trúc trộn lẫn với nhau, hình thành khối với hình dạng không xác định rõ ràng Tuy nhiên, khối liên kết rắn với nhau, không tạo lỗ rỗng giúp vật liệu đạt cường độ tốt So sánh với gạch đất sét nung cường độ mẫu geopolymer đất bền hơn, nhiên cần khảo sát thêm tính chất khác kết luận rõ ràng xác 39 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Đề tài áp dụng cơng nghệ đóng rắn geopolymer tro bay đất để tạo thành vật liệu geopolymer mới, kết hợp cấu trúc đóng rắn tro bay đất sét, gọi tắt công nghệ geopolymer đất Từ kết nghiên cứu thực nghiệm, số kết luận rút sau: - Khả kết hợp đất sét, tro bay dung dịch kiềm (NaOH Na 2SiO3) để chế tạo geopolymer đất, loại gạch không nung không sử dụng xi măng, cần trải qua trình dưỡng hộ nhiệt - Sự phụ thuộc cường độ vật liệu tạo thành vào tỉ lệ sau: o Tỉ lệ phối hợp tro bay / đất tỉ lệ dung dịch hoạt hóa / tro bay tăng cường độ chịu nén mẫu tốt o Trong tỉ lệ thành phần dung dịch kiềm mẫu cho cường độ tốt tỉ lệ NaOH/Na2SiO3 o Khi hàm lượng tro bay sử dụng 10%, cấp phối tốt cho geopolymer đất đất sét 70%, cát 20% với dung dịch họa hóa sử dụng có tỉ lệ NaOH/Na2SiO3 2: - Sự ảnh hưởng lớn điều kiện dưỡng hộ đến trình hình thành cấu trúc geopolymer đất Cấu trúc đặc geopolymer đất có bề mặt khơng phẳng, lồi lõm liên tục, khơng có cấu trúc lỗ rỗng vật liệu Cấu trúc geopolymer đất trộn lẫn phối hợp cấu trúc sau: cấu trúc zeolite, cấu trúc gel geopolymer đóng rắn bao bọc xung quanh tinh thể zeolite, cấu trúc vi hạt tro bay geopolymer hóa Các cấu trúc tạo thành khối có hình dạng khơng xác định liên kết chặt chẽ nhau, tạo thành vật liệu có cường độ tính chất tốt nhiều so với hệ nguyên vật liệu ban đầu 5.2 Kiến nghị Đề tài triển khai công nghệ geopolymer đất nguồn đất sét làm gạch, cung cấp khả vận dụng cấp phối nguyên lý geopolymer đất để thay qui trình sản xuất gạch đất sét truyền thống có số ưu điểm sau: 40 - Qui trình sản xuất gạch đất sét truyền thống phải trải qua giai đoạn sấy nung với nhiệt độ cao thời gian dài qui trình chế tạo geopolymer đất khơng qua q trình nên tiết kiệm chi phí, giúp cải thiện mơi trường ngày - Chất lượng sản phẩm (cường độ chịu nén) định cách linh động tùy thuộc vào mục đích sử dụng cách canh chỉnh điều kiện dưỡng hộ - Nguồn vật liệu chế tạo tận dụng nguồn nguyên vật liệu sẵn có: đất sét làm gạch, tro bay (chất thải công nghiệp nhiệt điện), dung dịch kiềm đơn giản dễ dàng pha chế - Về thấy loại nguyên liệu dễ dàng mua với giá thành thấp, công nghệ chế tạo đơn giản gạch đất sét truyền thống nên sản phẩm có xu hướng rẻ gạch đất sét truyền thống Đề tài mở nhiều hướng nghiên cứu vật liệu geopolymer đất, mở rộng nhiều ngành công nghiệp sản xuất tượng đất sét, gạch đất sét không nung Nếu tiến hành nghiên cứu sâu hơn, khảo sát rõ trình tác dụng nhiệt độ tỉ lệ dung dịch thành phần nguyên liệu đến tính chất mẫu tạo thành ta hóa đá đất sét cơng nghệ geopolymer, tối ưu hóa thành phần nguyên vật liệu điều kiện dưỡng hộ, từ mở thêm nhiều hướng chế tạo loại vật liệu xây dựng mới, phù hợp thân thiện với môi trường mang lại hiệu kinh tế Một ứng dụng triển khai Bà Rịa – Vũng Tàu: gạch không nung lát vỉa hè chế tạo công nghệ geopolymer đất 41 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bel, J (2002) Microstruture and microchemistry of fully-reacted geopolymers and geopolymer matrix composites, Ceramic Transactions Advances in Ceramic Matrix Composites IX, 227-250 Cheng, T (2003) T.W and J.P Chiu (), Fire-resistant geopolymer produced by granulated blast furnace slag Minerals Engeneering, 205-210 Davidovits, J (1991) Geopolymers - Inorganic polymeric new materials Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 1633 - 1656 Davidovits, J (1999) The Proceeding of Geopolymer 99 2nd International Conference on geopolymers, (p 368) Davidovits, J (2002) 30 Years of Successes and Failures in Geopolymer Applications, Market Trends and Potential Breakthroughs, Geopolymer 2002 Conference Davidovits, J (2011) Geopolymer Chemistry and Applications France: Institut Géopolymère Hardjito, D (2005) Development and properties of low calcium fly ash based geopolymer concrete Australia: Curtin University of Technology Jimenez, A (2005) Microstructure development of alkali-activated fly ash cement: a descriptive model Cement and Concrete Research, 1204–1209 Kamarudina, J (2012) Processing and characterization of calcined kaolin cement powder Construction and Building Materials, 794–802 Liu, Q (2006) Formation and hydration enthalpies of the hydrosodalite family of materials Microporous and Mesoporous Materials, 1-3 Lloyd, N (2010) Geopolymer with fly ash Australia: Curtin University of Technology Nguyen, V (2008) Recent research geopolymer concrete The 3rd ACF International Conference, (pp 235-241) Nguyen, V (2009) Tận dụng phế thải bùn đỏ từ quặng bơ xít để sản xuất gạch đất sét khơng nung nhiệt độ thấp Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh North, M (2000) Kinetics of silicate exchange in alakaline aluminosilicate solutions Inorganic Chemistry, 2661-2665 43 Pham, D (2002) Tro bay Ứng dụng xây dựng đường ô tô sân bay điều kiện Vệt nam Phan, H (2012) Study on the effect of low calcium fly ash on properties of green concrete materials Proceeding of The 5th ASEAN Civil Engineering Conference (ACEC) Ho Chi Minh City, Vietnam Provis, J (2009) Geopolymers - Structures, Processing, Properties and Industrial Applications UK: CRC Press Rees, C (2007) Mechanisms and kinetics of gel formation in geopolymers Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The University of Melbourne Xu, H (2000) The geopolymerisation of alumino-silicate minerals International Journal of Mineral, 247-266 44 ... phẩm công nghiệp 1.3 Mục tiêu Nghiên cứu chế tạo ứng dụng vật liệu xây dựng sử dụng phế phẩm công nghiệp nhiệt điện để sản xuất vật liệu không nung thân thiện môi trường, phù hợp với tình hình... hiện: 01.2013 – 12.2013 Mục tiêu Nghiên cứu chế tạo ứng dụng vật liệu xây dựng sử dụng phế phẩm công nghiệp nhiệt điện để sản xuất vật liệu không nung thân thiện mơi trường, phù hợp với tình hình... TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẾ PHẨM CÔNG NGHIỆP NHIỆT ĐIỆN ĐỂ SẢN XUẤT VẬT LIỆU KHÔNG NUNG THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG Mã số: T2013-10TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Phan