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 q trình gia nhiệt (Cơng 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 14600C, tạo thành hợp chất gốm có khả năng bền nhiệt và hệ số giãn nở nhiệt rất thấp).[11]
Những năm sau đó, Cơng nghệ Geopolymer được ứng dụng và chế tạo thành cơng gạch nung ở nhiệt độ thấp, cịn gọi là gạch L.T.G.S (Low Temperature Geopolymeric Setting). Sản phẩm này được chế tạo bằng cách phối trộn nguyên 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 10000C, 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 vơ cơ mới có khả năng đóng rắn nhanh và cho cường độ ban đầu rất tốt với tên
25
gọi là xi măng polymer. Cơng nghệ này nhanh chóng được phát triển rộng rải 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 dụng đa dạng trong nhiều ngành kỹ thuật như: hàng không, xây dựng, công nghiệp chất dẻo, kim loại…Kết quả nghiên cứu cho thấy loại xi măng này đóng rắn nhanh với nhiệt độ phịng, cường độ chịu nén có thể đạt tới 20 MPa sau 4 giờ ở nhiệt độ 2000C và có thể đạt từ 70 – 100 MPa sau khi bảo dưỡng 28 ngày.[11]
Những năm sau đó, mối quan tâm tiếp theo về Geopolymer là khả năng ứng dụng vào cơng nghệ đóng gói chất thải rắn, giúp tận dụng được nguồn chất thải độc hại thành những vật liệu có ích, giúp bảo vệ mơi trường tốt hơn.
Lần đầu xuất bản năm 2008, Geopolymer chemistry and application đã khái quát toàn bộ kiến thức tổng thể về công nghệ Geopolymer. Các ứng dụng của công nghệ này đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên toàn thế giới. Nghiên cứu đã tập trung vào thành phần và nồng độ của dung dịch kiềm để thúc đẩy nhanh q trình Geopolymer hóa. Ở một số nước phát triển trên thế giới như: Pháp, Mỹ, Đức, Bỉ và Nam Phi đã sử dụng khoảng 70% - 80% lượng gạch không nung của họ bằng công nghệ này.[34]
Cơng 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 và sản phẩm này đều được đăng ký độc quyền về sở hữu.[35]
Những năm sau đó, đã có nhiều thay đổi được áp dụng trong nghiên cứu công nghệ geopolymer. Nhiều phương pháp phân tích hiện đại được áp dụng để làm sáng tỏ các tác động của các thành phần khác nhau trong vật liệu geopolymer. Nhiều nguyên vật
liệu mới được quan tâm nghiên cứu như bột silicat nhơm tổng hợp, khống albite, khống stilbite, sợi bazan, kiềm fenspat, xỉ lò cao … Vật liệu geopolymer trở nên phong phú và đa dạng về nguồn nguyên vật liệu tạo thành, tuy nhiên việc lựa chọn nguyên liệu chủ yếu vẫn dựa vào sự tác động đến môi trường khi tạo thành vật liệu mới, công nghệ geopolymer ưu tiên nghiên cứu để giảm thiểu các chất thải công nghiệp và giúp môi trường ngày càng bền vững hơn.
Ở Việt Nam, tuy chưa được sử dụng rộng rãi trong các cơng trình xây dựng nhưng đã có khá nhiều nghiên cứu bước đầu về các sản phẩm từ công nghệ geopolymer như bê tông chịu lửa không xi măng của nhóm nghiên cứu ở Viện vật liệu xây dựng và các nghiên cứu khác.
2.1.2 Cơ chế phản ứng trong q trình Geopolymer hóa
Q trình tổng hợp để tạo thành vật liệu Geopolymer được gọi là q trình Geopolymer hóa các ngun vật liệu Aluminosilicate ban đầu nhờ vào các dung dịch hoạt hóa kiềm. Q 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
Về bản chất, q trình Geopolymer hóa là q trình kiềm hóa các loại vật liệu giàu SiO2 và Al2O3. Từ đó, sản phẩm cuối cùng được tạo ra là một loại chất kết dính có cấu trúc mạng vơ định hình Poly-Sialate với cơng thức hóa học như sau:
Mn[-(SiO2)z – AlO2]n.wH2O Trong đó :
M : là các ion dương kiềm như Ka, Na n : là mức độ trùng ngưng của phản ứng z : hệ số có giá trị 1,2,3
Đặc biệt, vật liệu Geopolymer khác với vật liệu polymer thông thường ở cấu trúc mạng khơng gian vơ định hình.
27