L ỜI CẢ M ƠN
2.2.Nguyên vật liệu
2.2.1. Tro bay
Tro bay là phụ phẩm của các nhà máy nhiệt điện. Khoảng 40 đến 50% nhà máy nhiệt điện trên toàn thế giới sử dụng than làm chất đốt cung cấp hơi nóng làm
24
quay turbin phát điện.
Tro bay với đặc tính về thành phần khoáng, kích thước hạt mịn và cấu trúc vô định hình, là một chất pozzolan. Tro bay là sản phẩm khác nhau giữa các nhà máy nhiệt điện. Điều đó phụ thuộc vào thành phần khoáng vật của than, mức độ
nghiền của than, loại lò hơi sử dụng, điều kiện oxi hóa trong lò và phương thức tro bay được thu hồi, lưu trữ, vận chuyển. Bên cạnh đó tro bay được sinh ra từ cùng một nhà máy nhiệt điện cũng khác nhau.
Thành phần cũng như tỉ lệ thành phần hóa học của tro bay được quy định tại tiêu chuẩn ASTM 618 [28]. Theo tiêu chuẩn, tro bay thông dụng có hai loại chủ yếu là loại F và loại C. Tro bay loại F có hàm lượng CaO < 6%, lượng Carbon chưa cháy chiếm hơn 2%, có tính chất của puzzolan và không có khả năng tự đóng rắn. Tro bay loại C có hàm lượng CaO > 15%, lượng Carbon chưa cháy chiếm ít hơn 1%, vừa có tính chất của puzzolan vừa có khả năng tự đóng rắn tương tự như xi măng.
Thành phần hóa học của tro bay bao gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 ( đây là 3 thành phần chủ yếu, chiếm từ 50-70% hàm lượng) và CaO, MgO, Na2O, K2O, TiO2, Mn2O3, SO3.
Hình 2.11: Tro bay [Nguồn : Internet].
2.2.2. Bùn đỏ
25
tiến trình bayer và quá trình sơ chế quặng là chi phí ngoại sinh đối với những nhà kinh doanh mỏ. Đây là một dạng chất thải có khả năng gây ô nhiễm môi trường và khó xử lý.
Trong quá trình sản xuất Alumina, bauxite được nghiền nhỏ và lọc qua sàng 1mm. Do đó, bùn thải khi khô là các hạt bụi mịn dễ phát tán vào không khí gây ô nhiễm môi trường; tiếp xúc thường xuyên với bụi này gây ra các bệnh về da, mắt. Dung dịch pha lỏng của bùn đỏ có tính kiềm gây ăn mòn đối với vật liệu. Khi không
được thu gom, cách ly với môi trường, nước này có thể thấm vào đất ảnh hưởng đến cây trồng, xâm nhập vào mạch nước ngầm gây ô nhiễm nguồn nước. Nước thải từ
bùn tiếp xúc với da gây tác hại nhưăn da, làm mất đi lớp nhờn làm da khô ráp, sần sùi, chai cứng, nứt nẻ, đau rát, có thể sưng tấy và loét mủở vết rách xước trên da.
Thải bùn đỏ trên đất có 2 phương pháp là thải khô hoặc thải ướt:
Thải khô là bơm bùn ra bãi thải với hàm lượng chất rắn rất cao, tiết kiệm diện tích nhưng tốn kém và phức tạp hơn, thích hợp với những vùng có lượng bốc hơi lớn hơn so với lượng mưa.
Thải ướt là bơm bùn ra bãi thải với hàm lượng chất rắn thấp hơn, đỡ tốn kém, thích hợp với các vùng có các thung lũng dễ tạo thành hồ chứa. Thành phần hóa học của bùn đỏ bao gồm Fe2O3 (đây là thành phần chủ yếu chiếm từ 30%-50% tạo màu đỏ cho bùn),SiO2, Al2O3, CaO, Na2O , TiO2, SO3, P2O5, Cr2O3, MnO, K2O.
26
2.2.3. Xỉ thép
Xỉ thép được hình thành như là một sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất gang, thép. Các thành phần hóa học chính của xỉ thép là Canxi Ôxít, Ôxít Sắt, Magiê Ôxít, Mangan Ôxít, Silic Ôxít và Nhôm Ôxít, …ở các phức bền vững, trong
đó thành phần chính là CaO, SiO2 và FexOy chiếm đến 80% trọng lượng của xỉ thép. Xỉ thép lò điện hồ quang phát sinh từ quá trình luyện thép và được lấy ra ở nhiệt độ
1600oC. Ở nhiệt độ này, các kim loại nặng, chất hữu cơ, chất dễ bay hơi độc hại hoàn toàn không có mặt trong xỉ thép vì ở nhiệt độ lớn hơn 1200oC thì mọi chất thải nguy hại đều bị tiêu hủy hoàn toàn
Xỉ thép có màu xám đen, khối lượng nặng hơn đá basalt từ 20-25% và có dạng cục như sỏi, đá tự nhiên. Về bản chất, xỉ thép tương tự như nham thạch phun trào từ núi lửa.
Các phân tích của nhiều nghiên cứu khoa học cho thấy xỉ thép có chứa nhiều khoáng chất, chiếm đa số là Wustite (FeO), DiCalcium và TriCalcium Silicates (2CaO.SiO2, C2S và 3CaO.SiO2, C3S), Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, C4AF) và Mayenite (12CaO.7Al2O3, C12A7) và CaO, MgO tự do.
Hình 2.13: Xỉ thép, phụ phẩm của ngành công nghiệp luyện gang, thép [ Nguồn : Internet].
2.2.4. RFCC dầu khí
Xúc tác tầng sôi (FCC) là thành phần sử dụng phổ biến trong công nghệ dầu khí. Thành phần xúc tác chứa cấu trúc zeolte của alumina hay alumina-silica. Sau
27
quá trình công nghệ thì xúc tác thải sẽ chứa các thành phần alumino-silicate hoạt tính.
Một số nhà máy xi măng trên thế giới đã đưa xúc tác FCC thải vào dây chuyền sản xuất xi măng như một nguồn nguyên liệu thay thế. Các nghiên cứu đã (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
đánh giá về khả năng phản ứng với Ca(OH)2 của xúc tác FCC gần như tương đương với phụ gia nhóm microsilica sử dụng cho xi măng, bê tông như thành phần của khoáng pozzolane. Phương pháp hóa rắn trong khối gạch hay bê tông, xúc tác FCC cùng các thành phần có thể gây nguy hại sẽ được cô lập trong khối, hạn chế ảnh hưởng ra môi trường, giảm phát thải CO2 và đảm bảo quá trình sản xuất sạch hơn.
Tại Việt Nam, nghiên cứu khả năng tiêu thụ xúc tác FCC thải có thể sử dụng làm nguyên liệu đầu vào cho các nhà máy sản xuất xi măng, làm phụ gia hoạt tính pozzolan để sản xuất ra các loại phụ gia hay phối trộn sản xuất bê tông và gạch không nung, đồng thời sử dụng thay đất sét để sản xuất gạch không nung. [5]
Bên cạnh đó, thành phần tính chất của FCC thải (RFCC) có tính chất như
pozzolane do có chứa thành phần Al2O3 và SiO2 hoạt tính. Nguyên liệu chứa các thành phần này có thể coi như nguồn cung cấp alumino – silicate để tạo các quá trình kết chuỗi polymer vô cơ.
2.2.5. Dung dịch hoạt hóa
Dung dịch hoạt hóa gồm hai thành phần: dung dịch NaOH và thủy tinh lỏng pha trộn với tỉ lệ thích hợp. Tùy thuộc vào cấp phối bê tông Geopolymer thiết kế thì nồng độ của dung dịch NaOH sẽ có sự thay đổi. Quá trình ninh kết của bê tông Geopolymer phụ thuộc vào tính chất hoạt hóa của dung dịch và tính chất hoạt hóa của dung dịch cũng ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của bê tông Geopolymer. Theo nghiên cứu trước nên chọn tỉ lệ theo khối lượng của thủy tinh lỏng trên dung dịch NaOH nằm trong khoảng từ 2 đến 3.
2.2.5.1.Dung dịch Sodium Silicate (Na2SiO3)
Dung dịch thủy tinh lỏng (Sodium Silicate) đóng một vai trò quan trọng trong quá trình phản ứng tổng hợp chất kết dính Geopolymer. Dung dịch thủy tinh
28
lỏng trong dung dịch kiềm kích hoạt sẽ giúp quá trình tan rã các hạt tro bay diễn ra nhanh chóng hơn.
2.2.5.2.Dung dịch Sodium Hydroxyde (NaOH)
Dung dịch NaOH được sử dụng chủ yếu để làm chất hoạt hóa kiềm pha với dung dịch thủy tinh lỏng như Natri silicat (Na2SO3) hoặc Kali silicat (K2SO3). Chức năng tách ion Al3+ và Si4+ trong dung dịch Natri hydroxit(NaOH) cũng tương tự
như trong dung dịch Kali hydroxit(KOH). Do đó dung dịch kiềm có nhiệm vụ khử
Nhôm và Silic trong các hạt cốt liệu ban đầu và từ đó quyết định đặc tính độ cứng của Geopolymer. Có thể nói rằng, sự có mặt của dung dịch NaOH trong các phản
ứng giúp tăng tốc độ phản ứng và làm Gel tạo ra sẽ dẻo hơn. Gel được xem như sản phẩm của việc trộn hỗn hợp dụng dịch kiềm và thủy tinh lỏng, vì vậy trong Gel sinh ra sẽ chứa rất nhiều nguyên tố Na và Al.
Bảng 2.1: Đặc tính của các loại phế thải công nghiệp dùng trong đề tài.
Chất thải CN Tiêu chuẩn phân loại Thành phần hạt Thành phần hóa học (%) SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Tro bay ASTM C618 1-20 µm 51.7 31.9 3.48 1.21
Bùn đỏ - < 300 µm 8.46 27.67 36.28 0.06 Xỉ thép - < 300 µm 23.11 12.52 22.55 26.69
29
Chương 3
NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
3.1. Nguyên liệu sử dụng
Thành phần nguyên vật liệu chế tạo bê tông geopolymer tương tự nguyên liệu chế tạo bê tông thông thường, khác biệt chủ yếu là việc sử dụng chất kết dính geopolymer thay vì xi măng Portland.
Việc tiếp cận các chất thải công nghiệp như : bùn thải nhà máy giấy, phế thải thạch cao,… rất khó khăn nên đề tài chỉ sử dụng 4 chất thải công nghiệp bao gồm : tro bay, bùn đỏ, xỉ thép, RFCC dầu khí.
Các nguyên liệu được sử dụng trong đề tài bao gồm:
3.1.1. Tro bay
Hình 3.1: Tro bay sử dụng trong thí nghiệm.
Tro bay sử dụng trong thí nghiệm là tro bay loại F vì có hàm lượng CaO ít hơn 6% theo tiêu chuẩn ASTM C618 [28], với thành phần hóa học cho bởi bảng sau:
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của tro bay.
Oxit SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O và Na2O MgO SO3 MKN (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hàm
30
Từđó ta thấy tỷ lệ SiO2 trên Al2O3 của tro bay nàylà 1.62, hàm lượng CaO thấp nhưng hàm lượng mất khi nung khá cao (9.63%).
3.1.2. Bùn đỏ
Hình 3.2: Bùn đỏ sử dụng trong thí nghiệm.
Bùn đỏ sử dụng trong đề tài này được lấy từ nhà máy của Công ty trách nhiệm hữu hạn một thành viên Nhôm Lâm Đồng tại thị trấn Lộc Thắng, huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng.
Bùn đỏ sử dụng trong thí nghiệm ở dạng khô và có thành phần hóa học được cho bởi bảng sau :
Bảng 3.2: Thành phần hóa học của bùn đỏ.
Oxit SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO TiO2 SO3 MnO K2O MKN
Hàm lượng
(%)
31
3.1.3. Xỉ thép
Hình 3.3: Xỉ thép sử dụng trong thí nghiệm.
Xỉ thép sử dụng trong đề tài này được lấy từ các nhà máy luyện thép trong khu công nghiệp Phú Mỹ 1, Huyện Tân Thành, Tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu.
Xỉ thép sử dụng trong thí nghiệm có thành phần hóa học cho bởi bảng sau:
Bảng 3.3: Thành phần hóa học của xỉ thép.
Oxit SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O Na2O MgO SO3 MKN
Hàm
lượng(%) 23.11 12.52 22.55 26.99 2.37 2.56 3.77 0.30 5.83
3.1.4. RFCC dầu khí
Phế thải xúc tác sử dụng trong đề tài này được lấy từ nhà máy lọc dầu Dung Quất, có thành phần hạt trung bình từ 60-88 μm.
RFCC sử dụng trong thí nghiệm có thành phần hóa học cho bởi bảng sau:
Bảng 3.4: Thành phần hóa của RFCC.
Oxit SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O + Na2O MgO SO3 MKN
Hàm
lượng(%) 55 39 0.38 0.5 0.21 - <1 -
3.1.5. Dung dịch hoạt hóa
Dung dịch hoạt hóa dung để tạo phản ứng kết dính gồm các vật liệu hỗn hợp chính là thủy tinh lỏng (Na2SiO3) và natri hidroxit (NaOH)
32 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.1.5.1.Thủy tinh lỏng
Thủy tinh lỏng là dung dịch màu trắng sệt, tổng hàm lượng Na2O và SiO2
dao động từ 36 đến 38 %. Tỷ trọng 1.420.01 g/ml.
Hình 3.4: Thủy tinh lỏng.
3.1.5.2.Natri hydroxit
Dung dịch Natri hydroxit được pha chế từ Na2O ở dạng vảy rắn, màu trắng
đục, độ tinh khiết trên 90%, khối lượng riêng 2130 kg/m3 và H2O.
Trong nghiên cứu này thực hiện với nồng độ NaOH 14M và 16M.
33
3.1.6. Cốt liệu lớn
Cốt liệu lớn sử dụng đá dăm được khai thác từ mỏđá Tân Đồng Hiệp, xã Tân
Đông Hiệp, huyện Dĩ An, Bình Dương. Đá dăm đa số có dạng khối cầu, ít hạt dẹt và ít góc cạnh. Cỡ hạt đá lớn nhất Dmax = 20 mm, khối lượng riêng 2700 kg/cm3, khối lượng thể tích 1510kg/cm3. Thành phần hạt của đá dăm được trình bày trong bảng sau: Bảng 3.5: Thành phần hạt của đá. Cỡ sàng (mm) Lượng sót tích lũy (%) 100 0 70 0 40 0 20 9 10 44 5 99 Biểu đồ 3.1 : Đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu lớn. 0 20 40 60 80 100 5 10 15 20 25 L ượ ng sót tích l ũ y (% ) Kích thước lỗ sàn (mm) Đá dăm Giới hạn thành phần hạt cát dùng trong XD theo TCVN 7576:2005
34
Hình 3.6: Cốt liệu lớn [Nguồn: Internet].
3.1.7. Cốt liệu nhỏ
Cát sử dụng cho bê tông đáp ứng theo TCVN 7572 [29]. Do hạn chế của nghiên cứu không thể xem xét hết sựảnh hóa lý của tạp chất trong cát tự nhiên, nên cát được rửa sạch và sấy khô trước khi được sử dụng trong thí nghiệm. Cát có môdul độ lớn là Mdl=2,104 và lượng sót sàng tích lũy A0.63=21,95 % thuộc cát hạt trung bình – nhỏ. Kết quả thí nghiệm cát có khối lượng riêng là 2610kg/m3, khối lượng thể tích là 1450kg/m3 Biểu đồ 3.2 : Đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu nhỏ. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 L ượ ng sót tích l ũ y (% ) Kích thước lỗ sàng (mm) Cát sông Giới hạn thành phần hạt cát dùng trong XD theo TCVN 7576:2005
35
Hình 3.7: Cốt liệu nhỏ [Nguồn : Internet].
3.1.8. Nước
Nước sử dụng trộn bê tông xác định theo TCVN 4560:2012 [30]. Nước được sử dụng trong thí nghiệm là nước thủy cục.
3.2. Cấp phối bê tông
3.2.1. Thí nghiệm cấp phối mẫu bê tông
Giống như bê tông sử dụng chất kết dính xi măng portland, tổng khối lượng của cốt liệu của bê tông Geopolymer chiếm khoảng 75% đến 80%.
Tương tự bê tông thông thường, việc thiết kế hỗn hợp bê Geopolymer dựa vào các chỉ tiêu đặc trưng của nó như cường độ, tính công tác...Trong bê tông Goepolymer, các yếu tốảnh hưởng đến đặc trưng bao gồm tỷ lệ khối lượng dung dịch alkali trên tro bay, nhiệt độ, thời gian dưỡng hộ, nồng độ mol, ....
3.2.2. Lựa chọn cấp phối
Chính vì loại bê tông này khá mới mẻ mà việc xác định cấp phối chính xác cho bê tông này còn nhiều hạn chế. Vì vậy, trong luận văn này sử dụng cấp phối của những nghiên cứu trước [31] để tiến hành thí nghiệm và hiệu chỉnh cho phù hợp bằng cách sử dụng những công thức về những mối quạn hệ các thành phần trong bê tông Geopolymer để tính toán xác định các thành phần cho loại bê tông này.
Đề tài này nghiên cứu dựa trên phương pháp thực nghiệm và thực hiện trên 144 mẫu thử bao gồm : 06 nhóm tổ mẫu từ A đến F, mỗi nhóm tổ mẫu bao gồm 8 tổ
36
được tổng hợp và xử lý số liệu theo TCVN 3118 : 1993 [32].
Nhóm tổ mẫu được phân biệt dựa trên tỷ lệ thành phần chất thải công nghiệp, cụ thể như sau : Hình 3.8: Tỷ lệ thành phần chất thải công nghiệp của các nhóm tổ mẫu A và B. Hình 3.9: Tỷ lệ thành phần chất thải công nghiệp của các nhóm tổ mẫu C và D. Hình 3.10: Tỷ lệ thành phần chất thải công nghiệp của các nhóm tổ mẫu E và F. 100% Tro bay 80% 20% Tro bay Bùn đỏ 80% 20% Tro bay Xỉ thép 80% 20% Tro bay RFCC 60% 20% 20% Tro bay Bùn đỏ Xỉ thép 60% 20% 20% Tro bay Xỉ thép RFCC (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
37
Cấp phối bê tông Geopolymer chi tiết cho từng tổ mẫu được cho bởi bảng sau:
Bảng 3.6: Cấp phối bê tông Geopolymer cho các mẫu thử nghiệm (1m3)
Tổ mẫu (kg)Đá (kg)Cát Chất thải rắn công nghiệp (kg) NaOH 14M (kg) NaOH 16M (kg) TTL (kg) Tỷ lệ TTL/N aOH Thời gian dưỡng hộ (giờ) Tro bay Bùn đỏ Xỉ thép RFC C dầu khí A1 1079 593 418 86.67 173.3 2 8 A2 1079 593 418 86.67 173.3 2 12 A3 1079 593 418 65.00 195.0 3 8 A4 1079 593 418 65.00 195.0 3 12 A5 1079 593 418 86.67 173.3 2 8 A6 1079 593 418 86.67 173.3 2 12 A7 1079 593 418 65.00 195.0 3 8 A8 1079 593 418 65.00 195.0 3 12 B1 1079 593 334.4 83.6 86.67 173.3 2 8 B2 1079 593 334.4 83.6 86.67 173.3 2 12 B3 1079 593 334.4 83.6 65.00 195.0 3 8 B4 1079 593 334.4 83.6 65.00 195.0 3 12 B5 1079 593 334.4 83.6 86.67 173.3 2 8 B6 1079 593 334.4 83.6 86.67 173.3 2 12