CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU
1.2.1. Tình hình nghiên cứu chế tạo geopolymer thế giới
Ở các nước phát triển và đang phát triển, các nguồn chất thải gia tăng nhanh chóng do sự phát triển của các ngành công nghiệp. Trong bối cảnh nguồn năng lượng khơng tái tạo có sẵn thấp cùng với u cầu về năng lượng lớn đối với vật liệu xây dựng như xi măng, việc tái sử dụng chất thải cơng nghiệp có ý nghĩa hết sức quan trọng. Các nước tiến hành nghiên cứu sử dụng phế thải công nghiệp như bột thủy tinh, tro bay, xỉ lò cao, tro đáy, xỉ thép v,v, trong bê tông geopolyme để tăng cường độ của bê tông geopolyme. Nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu sử dụng các nguồn chất thải công nghiệp để chế tạo geopolyme nhằm làm vật liệu xây dựng góp phần cải thiện mơi trường và mang lại hiệu quả kinh tế cho xã hội.
Năm 1972, Davidovits đã sử dụng cao lanh làm nguồn cung cấp Al và Si với dung dịch kiềm là NaOH và KOH để sản xuất geopolymer. Đến năm
1979, ông đã sử dụng Metal cao lanh được nung ở 750oC trong 6h từ cao lanh để sản xuất ra geopolymers.
Năm 1999, Xu and Van Deventer đã nghiên cứu rộng hơn trên 16 loại khống chất tự nhiên được các nhóm garned, mica, clay, Feldspai, sodalite và zeolite làm nguồn cung cấp Al và Si. Còn dung dịch kiềm được sử dụng vẫn là NaOH và KOH. Kết quả cho thấy dùng KOH tốt hơn.
Về sau này, từ năm 2003, nhiều tác giả cũng đã đề cập đến việc sử dụng phế thải như tro bay, xỉ lị cao hay chất thải của q trình tuyển khống làm nguồn cung cấp Si và Al. Cịn dung dịch kiềm là hỗn hợp giữa NaOH và Na2O.SiO2 hay KOH và K2O.SiO2. Kết quả cho thấy rằng sử dụng hỗn hợp NaOH với Na2O.SiO2 cho kết quả cao nhất về cường độ của bê tông.
Tro, xỉ tại các nước Châu Âu chủ yếu được sử dụng làm vật liệu xây dựng. Theo thống kê của Hiệp hội tro, xỉ khoảng 14% ứng dụng làm phụ gia khống cho bê tơng, tiếp đến là vật liệu san nền, phụ xi xi măng. Tình hình sử dụng tro bay trong các ngành công nghiệp cụ thể như sau:
- Nguyên liệu sản xuất xi măng: 26,9% - Phụ gia cho xi măng: 14,5%
- Phụ gia cho bê tông: 29,5% - Chế tạo block bê tông: 5,8%
- Vật liệu làm đường giao thơng và san lấp: 19% - Hồn ngun mỏ: 3,4%
- Các vật liệu khác: 1%
Đến nay các nhà nghiên cứu vẫn tiếp tục tìm kiếm các ứng dụng mới cho tro bay, xỉ để chế tạo các vật liệu có tính năng đặc biệt.
Ngun liệu để chế tạo ra geopolymer gồm 2 thành phần chính là Alumino-silicate nhằm cung cấp Si và Al cho q trình polymer hóa và dung dịch kiềm hoạt hóa dựa trên cơ sở Na hay K nhằm tạo ra mơi trường kiềm cho q trình polymer hóa.
Davidovits đã chế tạo geopolyme dựa trên cơ sở của vật liệu silicat và aluminosilicat được phân loại theo tỷ lệ mol Si:Al được phân loại thành 3 dạng cơ bản đó là poly sialat (poly silicon – oxo – aluminat của Na, K, Ca, Li) có tỷ lệ Si:Al = 1/1, poly sialat – siloxo có tỷ lệ Si:Al = 2 và poly sialat – disiloxo có tỷ lệ Si:Al = 3. Geopolyme là sản phẩm của phản ứng giữa vật liệu chứa aluminosilicat và dung dịch kiềm tạo ra gel có chứa liên kết Si – O – Al [9]. Tác giả cũng chứng minh rằng bê tơng geopolyme có độ bền cơ học và khả năng chống cháy, độ bền môi trường,v.v, cao hơn bê tơng thơng thường. Trong đó tro bay với hàm lượng canxi thấp khi trộn với dung dịch kiềm và gia nhiệt ở nhiệt độ thích hợp, cho kết quả bê tơng bền hơn. Các loại vật liệu có thể hoạt hóa là vật liệu có hàm lượng canxi cao, xỉ lò cao, vật liệu có hàm lượng canxi thấp, và nguyên liệu thô là metakaolin.
Tác giả T.V. Srinivas Murthy và cộng sự [10] đã nghiên cứu khả năng của bê tơng geopolyme dựa trên nền silica từ khói thải cơng nghiệp. Tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ Na2SiO3/NaOH, ảnh hưởng của tỷ lệ AL/SF (alumina/silica fume) và ảnh hưởng của tuổi bê tông. Kết quả chỉ ra rằng ở tỷ lệ Al/SF = 0,25 và Na2SiO3/NaOH = 0,5 cho cường độ nén tốt hơn. Ở tỷ lệ AL/SF = 0,25 độ bền nén tăng 73% trong 3 đến 7 ngày, 38% trong 7 đến 28 ngày và 15% trong 28 đến 56 ngày với tất cả các tỷ lệ Na2SiO3/NaOH đã được nghiên cứu. Trong khi với tỷ lệ Na2SiO3/NaOH = 0,5 cường độ nén tăng 84% trong 3 đến 7 ngày, 38% trong 7 đến 28 ngày, 15% trong 28 đến 56 ngày cho tất cả các tỷ lệ AL/SF. Trong đó cơ chế đóng rắn là do phản ứng trùng hợp liên quan đồng thời đến sự hòa tan Si và Al trong môi trường kiềm (với sự có mặt của natri hydroxit) và sau đó kết tủa để tạo thành pha gel aluminosilicat trước khi đông cứng để tạo thành sản phẩm rắn [11].
Tác giả J. Thaarrini và cộng sự [12] đã nghiên cứu sản xuất bê tông geopolyme với nồng độ dung dịch kiềm thấp kết hợp các sản phẩm thải từ
công nghiệp. Dung dịch NaOH và Na2SiO3 được sử dụng làm hoạt hóa, nồng độ NaOH đã giảm từ 8M xuống còn 4M. Tỷ lệ phần trăm xỉ lò cao/tro đáy được chọn là 0, 0,25, 50, 75 và 100. Tỷ lệ dung dịch Na2SiO3/NaOH = 2. Kết quả nghiên cứu cho thấy các tính chất như cường độ nén, cường độ uốn , độ hấp thụ nước, độ chịu axit đều đạt ngay cả khi nồng độ dung dịch NaOH thấp.
Tác giả C. Sreenivasulu và cộng sự [13] đã nghiên cứu sản xuất vật liệu xi măng không phát thải CO2 và nghiên cứu phối trộn tro bay với xỉ lò cao để nâng cao cường độ nén. Tro bay và xỉ lò cao đã được sử dụng theo tỷ lệ 50:50 là chất kết dích geopolyme. Dung dịch natri hydroxit (8M) và natri silicat được sử dụng làm chất hoạt hóa. Cường độ nén và độ bền kéo được nghiên cứu sau 7, 28 và 90 ngày ở nhiệt độ phòng. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng cường độ nén và độ bền kéo của hỗn hợp geopolyme đã tăng lên khi sử dụng bùn granit thay thế cát tăng từ 20 đến 40% ở mọi độ tuổi của bê tông. Tỷ lệ 40% bùn granit và 60% cát cho cường độ nén và độ bền kéo là cao nhất.
Xỉ tro bay ở Việt Nam có tỷ lệ SiO2/Al2O3 = 2 rất phù hợp với cấu trúc geopolyme đã được nghiên cứu và ứng dụng. Tuy nhiên xỉ thép hàm lượng Al2O3 thấp do đó tỷ lệ SiO2/Al2O3 dao động từ 2,7 đến 9,69 chưa được quan tâm nghiên cứu sử dụng chế tạo vật liệu geopolymer.