2.1.4 Cơ sở hóa học của cơng nghệ Geopolymer sử dụng tro bay
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 Aluminosiliate. Thành phần chủ yếu của Geopolymer là các nguyên tố Si2+, Al3+ 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 khơng gian vơ định hình. [12]
Cấu trúc hóa học vơ 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+ [19] và hình thành monomer mới như hình
Khảo sát thực nghiệm tỉ lệ Si/Al, trạng thái poly siliate bao gồm những loại sau [12]: Poly(sialate) (-Si-O-Al-O-) Poly(sialate-siloxo) (-Si-O-Al-O-Si-O-) Poly(sialate-disiloxo) (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-)
Quá 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. 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. (Palomo et al. 1999).
Phản ứng hóa học của q trình geopolymer có thể diễn ra theo 1 trong 2 phương trình (2-2) hoặc (2-3) bên dưới:
Tuy nhiên, q 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 thơng qua các phản ứng trùng ngưng polymer để tạo thành các cấu trúc polymer vô cơ.
Theo định nghĩa về công nghệ của Davidovits, bất kỳ một nguyên vật liệu nào trong đó có chứa Silic Dioxide và Nhơm Oxide 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 cơng nghệ geopolymer được trình bày ở trên.
Trong công nghệ geopolymer sử dụng tro bay thì tốc độ phản ứng cũng như các vi cấu trúc và thành phần hóa học của các sản phẩm phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Điển hình như sự phân bố kích thước hạt và thành phần khống của tro bay, dung dịch kích hoạt và thời gian hằng nhiệt, v.v…
(a) (b) (c) Hình 2.4. Hình ảnh SEM:
(a) tro bay ban đầu (b) tro bay được kích hoạt với NaOH (c) tro bay được kích hoạt với Na2SiO3
Hình ảnh vi cấu trúc của tro bay được thể hiện rõ ràng qua phương pháp SEM (Scanning Electron Microscope). Hình 2.4a 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 2.4b và 2.4c 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 q trình đóng rắn các hạt tro bay và dung dịch kiềm. Tuy nhiên phản ứng khơng xảy ra hồn tồn nhanh chóng, vẫn cịn một số thành phần tro bay phản ứng rất chậm.
2.2 Nguyên vật liệu 2.2.1 Tro bay 2.2.1 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 20µm và hàm lượng than chưa cháy (MKN) thường yêu cầu không được vượt quá 5% khối lượng tro bay. Tro bay là chất thải từ việc đốt than trong lò hơi 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 xốy.
Hình 2.5. Tro bay
Thành phần cũng như tỉ lệ thành phần hóa học của tro bay được quy định tại tiêu chuẩn ASTM 618. Theo tiêu chuẩn, tro bay thơng dụng có hai loại chủ yếu là loại F và loại C. Tro bay loại F có hàm lượng CaO < 6%, lượng Cacbon chưa cháy chiếm hơn 2%, có tính chất của puzzolan và khơng có khả năng tự đóng rắn. Tro bay loại C có hàm lượng CaO > 15%, lượng Cacbon chưa cháy chiếm ít hơn 1%, vừa có tính chất của puzzolan vừa có khả năng tự đóng rắn tương tự như xi măng.
Tính chất hóa học của tro cịn 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 lị hơi hoạt động. Chính vì thế, tại các nhà máy nhiệt điện đốt than, ta cịn có các nhà máy xử lý tro bay nhằm đảm bảo đúng hàm lượng các thành phần hóa theo ASTM 618.
Bảng 2.1. Thành phần vật lý của tro bay Thành Thành phần vật lý thí nghiệm Khối lượng riêng (g/cm3) Hàm lượng lọt sàng 0.05 mm (%) Chỉ số hoạt tính cường độ sau 28 ngày (%) Chỉ số hoạt tính cường độ sau 7 ngày (%) Lượng mất sau khi nung (g) Tiêu chuẩn áp dụng TCVN 4030-86 ASTM C311, TCVN 6016-95 ASTM C311, TCVN 6016- 95 ASTM C311, TCVN 6016- 95 ASTM C311, TCVN 141-98 Tro bay Phả lại 2,74 88 85 78,5 4,76 Tro bay Formosa 2,4 93,5 90,7 79,6 1,0
Ở Việt Nam, khơng 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), ngồi ra cịn có một số loại tro bay có xuất xứ từ Trung Quốc nhưng không được sử dụng phổ biến.
Một trong những lý do để sử dụng tro bay trong bê tông Geopolymer là nhằm tăng cường độ của bê tơng trong q trình ninh kết và tăng độ bền liên kết trong quá trình sử dụng. Trong q trình hydrat hóa tro bay, tro bay sẽ tác dụng với Canxi hidroxit để tạo thành Canxi silicat và và Canxi aluminat. Từ đó sẽ giúp giảm đi hiện tượng thấm Canxi hidroxit(Ca(OH)2) vào trong bê tông và tăng khả năng chống thấm của bê tơng. Tro bay có cấu trúc phân tử hình cầu, vì vậy sẽ cải thiện được độ bền của bê tông.
2.2.2 Dung dịch hoạt hóa Alkali
Dung dịch hoạt hóa Alkali là sự kết hợp giữa Sodium Hydroxyde (NaOH) và Sodium Silicate (Na2SiO3).
Phản ứng Alkali là phản ứng giữa chất kiềm với cốt liệu. Trong đó, tro bay cũng đóng vai trị rất quan trọng để phản ứng với dung dịch hoạt hóa.