3.2.1. Đóng rắn chế tạo vật liệu có nung
Chúng tôi đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố: hàm lượng nguyên liệu đầu, nhiệt độ nung, thời gian nung, và chất khoáng hóa đến đặc tính của vật liệu đóng rắn. Do mục đích là chế tạo gạch dùng trong xây dựng nên chúng tôi dùng thông số cường độ nén làm hàm mục tiêu để khảo sát nhằm tìm điều kiện thích hợp cho quá trình đóng rắn, chế tạo vật liệu nung từ bã thải bùn đỏ. Sản phẩm thu được nếu đạt tiêu chuẩn của gạch sẽ đem xác định các thông số khác như khối lượng riêng, độ hút nước, dư lượng kiềm…
3.2.1.1. Chuẩn bị phối liệu
Bùn đỏ và đất sét sau khi lấy về được phơi khô tự nhiên dưới ánh nắng mặt trời, sau đó nghiền và rây qua rây 2mm. Chuẩn bị 5 dãy mẫu có tỷ lệ hàm lượng các phối liệu (tính theo % khối lượng) như bảng 3.8.
Bảng 3.8. Tỷ lệ hàm lượng phối liệu cho mẫu đóng rắn có nung
Mẫu A B C D E
RM : CL 90 : 10 85 : 15 80 : 20 75 : 25 70 : 30 Với mỗi mẫu, tổng khối lượng phối liệu khoảng 200g, các mẫu được phối trộn một lượng nước vừa phải (khoảng 50mL) để tạo độ dẻo cần thiết, đem tạo hình bằng khuôn đúc hình trụ kích thước đường kính 4,8cm; chiều cao mẫu khoảng 6cm. Mẫu sau chế tạo được sấy khô ở 80oC trong 2 giờ, sau đó tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng lên đặc tính của vật liệu đóng rắn.
3.2.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nguyên liệu đầu
Chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nguyên liệu đầu đến độ bền nén của vật liệu, các mẫu A, B, C, D, E sau khi đóng rắn, sấy khô, nung ở 900oC trong 1 giờ, để nguội tự nhiên ở nhiệt độ phòng ngay trong lò nung. Sau đó đem xác định khối lượng riêng thể tích và cường độ nén bằng máy nén đa năng MATEST. Kết quả khảo sát được trình bày trong bảng 3.9.
Bảng 3.9. Ảnh hưởng của hàm lượng nguyên liệu đầu
Mẫu A B C D E
D (g/cm3) 1,51 1,54 1,55 1,57 1,59
Rn (kg/cm2) 25,2 33,7 37,9 40,0 42,2
Từ các kết quả đo được, chúng ta nhận thấy rằng khi tăng hàm lượng đất sét, đồng thời giảm hàm lượng bùn đỏ trong mẫu thì khối lượng thể tích và cường độ nén của mẫu tăng. Sở dĩ có điều đó là vì đất sét có khối lượng riêng lớn hơn bùn đỏ, và đồng thời, ở nhiệt độ cao, đất sét có khả năng đóng rắn tốt hơn bùn đỏ.
3.2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung
Với mục đích là đưa hàm lượng bùn đỏ vào mẫu càng nhiều càng tốt, từ kết quả ở trên, chúng tôi lựa chọn mẫu C để tiến hành khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung lên độ bền nén của vật liệu. Hàm lượng nguyên liệu được lấy theo mẫu C, sau khi phối trộn, đúc mẫu lần lượt đem nung ở các nhiệt độ khác nhau ở thời gian lưu 1 giờ. Sau đó, đem xác định cường độ nén và khối lượng thể tích của mẫu đóng rắn. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung lên độ bền nén và khối lượng riêng thể tích được trình bày trong bảng 3.10.
Bảng 3.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung
to C 900 950 1000 1050 1100
Mẫu C1 C2 C3 C4 C5
D (g/cm3) 1,55 1,57 1,58 1,65 1,74
Rn (kg/cm2) 37,9 42,9 70,4 75,0 81,2
Chúng tôi nhận thấy rằng khi tăng nhiệt độ nung, độ co ngót của mẫu càng tăng (kích thước mẫu có giảm), do đó làm tăng khối lượng riêng thể tích của mẫu. Đặc biệt khi nung ở nhiệt độ 1100oC, khối lượng riêng của mẫu tăng lên đến 1,74g/cm3. Tăng nhiệt độ nung làm tăng độ thiêu kết của mẫu phối liệu, do đó, cường độ nén của mẫu cũng tăng. Khi tăng nhiệt độ từ 900oC đến 1000oC, độ bền nén của mẫu tăng gần 1,9 lần; khi tăng đến 1100oC, độ bền nén của mẫu tăng gấp hơn 2 lần.
Mẫu C3 có độ bền nén khá tốt, lại được nung ở nhiệt độ không quá cao, do đó, chúng tôi lựa chọn mẫu C3 để khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung lên độ bền nén của vật liệu đóng rắn ở 1000oC.
3.2.1.4. Ảnh hưởng của thời gian nung
Mẫu C3 được đem nung ở 1000oC trong các thời gian khác nhau từ 30 – 150 phút. Mẫu sau nung được đem xác định khối lượng riêng thể tích và khảo sát độ bền nén. Kết quả được trình bày trong bảng 3.11.
Bảng 3.11. Ảnh hưởng của thời gian nung
t (phút) 30 60 90 120 150
Mẫu C31 C32 C33 C34 C35
D (g/cm3) 1,55 1,58 1,63 1,64 1,64
Rn (kg/cm2) 62,6 70,4 79,7 82,5 83,4
Nhận thấy rằng, khi nung ở 1000oC với thời gian lưu 30 phút cường độ nén của mẫu chỉ đạt 62,6kg/cm2. Khi tăng thời gian lưu lên 90 phút, cường độ nén của mẫu vật liệu đạt 79,7kg/cm2. Nếu tiếp tục tăng thời gian lưu, độ bến nén hầu như biến đổi không đáng kể. Như vậy, với thời gian lưu khoảng 90 phút, mẫu đã đạt được độ bền nén tương đối cao. Do đó, trong thực nghiệm cần lưu ý nung mẫu ở
thời gian lưu phù hợp để tiết kiệm năng lượng đốt.
3.2.1.5. Ảnh hưởng của chất khoáng hóa
Với mục đích nhằm chế tạo được mẫu có cường độ nén cao hơn, trong phần này chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất khoáng hóa đến độ bền nén của mẫu vật liệu nung. Chất khoáng hóa được lựa chọn là Na2SiF6. Trong quá trình chế tạo mẫu, chúng tôi tiến hành lựa chọn tỷ lệ phối liệu là 80% bùn đỏ và 20% đất sét (theo tỷ lệ phối liệu C), sau đó thêm vào phối liệu một lượng Na2SiF6
với tỷ lệ tăng dần đó từ 0,2 đến 1,0%. Mẫu sau đóng rắn được sấy ở 80oC trong vòng 2 giờ, sau đó tiến hành nung ở nhiệt độ 1000oC trong 90 phút. Bảng 3.12 trình bày ảnh hưởng của hàm lượng chất khoáng hóa lên khối lượng riêng thể tích và độ bền nén của mẫu.
Bảng 3.12. Ảnh hưởng của hàm lượng chất khoáng hóa
%Na2SiF6 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Mẫu C330 C331 C332 C333 C334 C335
D (kg/cm3) 1,63 1,66 1,66 1,68 1,70 1,72
Rn (kg/cm2) 79,7 85,8 89,6 91,2 95,1 102,7
Từ kết quả trên, chúng tôi nhận thấy rằng khi thêm chất khoáng hóa là Na2SiF6 thì khối lượng riêng thể tích của mẫu có tăng nhẹ, độ bền nén mẫu tăng, tuy nhiên sự tăng không nhiều. Thật vậy, sự thêm Na2SiF6 làm tăng độ co ngót của mẫu, nên dẫn đến sự tăng nhẹ khối lượng riêng thể tích và sự tăng độ bền nén của mẫu.
Giản đồ XRD của mẫu chứa chất khoáng hóa có độ bền nén cao nhất được chỉ ra ở hình 3.11. Chúng tôi nhận thấy rằng, khi thêm Na2SiF6, sau đó nung ở 1000oC trong vòng 90 phút thì phổ XRD của mẫu ngoài khoáng hematite còn có khoáng corundum Al2O3 và nepheline NaAlSiO4. Các pha khoáng này góp phần làm tăng độ bền nén của mẫu. Sự tạo thành khoáng NaAlSiO4 có lẽ gắn liền với tương tác giữa SiO2 có trong sét và trong bùn đỏ với các gốc kiềm Na2O của bùn đỏ.
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau C335
00-035-0424 (*) - Nepheline, syn - NaAlSiO4 - Y: 12.84 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 9.97800 - b 9.97800 - c 8.33000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P63 (173) - 8 - 00-002-0919 (D) - Hematite - Fe2O3 - Y: 23.01 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 5.02400 - b 5.02400 - c 13.71800 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3c (167) - 2 - 00-010-0173 (I) - Corundum, syn - Al2O3 - Y: 25.82 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 4.75800 - b 4.75800 - c 12.99100 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3c (167) - ` - File: Dan Hue mau C335.raw - Type: Locked Coupled - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 12 s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5.000 ° - Chi:
Li n ( C ps ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 2-Theta - Scale 20 30 40 50 60 70 d= 4. 0 28 d= 3. 8 41 d= 3 .6 5 5 d= 3. 4 62 d= 3. 3 33 d= 4. 16 6 d= 2. 9 99 d= 2 .6 8 3 d= 2. 5 52 d= 2. 50 1 d= 2 .3 8 0 d= 2. 1 93 d= 2 .0 8 6 d= 1. 96 9 d= 1. 8 31 d = 1 .7 3 8 d = 1. 68 5 d= 1 .6 0 4 d = 1. 48 3 d=1. 4 47 d = 1. 37 5 d= 1. 4 06
Hình 3.11. Giản đồ XRD của mẫu C335
3.2.2. Đóng rắn chế tạo vật liệu không nung
Chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ hàm lượng nguyên liệu đầu và thời gian đóng rắn lên độ bền nén của mẫu vật liệu. Từ đó, tìm tỷ lệ phối liệu phù hợp cho quá trình đóng rắn, chế tạo vật liệu không nung từ bã thải bùn đỏ. Sau đó, tiến hành khảo sát ảnh hưởng của lực ép mẫu lên độ bền nén của sản phẩm, nhằm tìm điều kiện thích hợp cho quá trình đóng rắn.
3.2.2.1. Chuẩn bị phối liệu
Bùn đỏ, cát sông sau khi lấy về được phơi khô tự nhiên dưới ánh nắng mặt trời nhằm làm bay hơi nước. Sau đó, tiến hành phối trộn bùn đỏ, cát sông, và xi măng ở các tỷ lệ khối lượng khác nhau. Thêm lượng nước thích hợp, sau đó tiến hành tạo mẫu.
Bảng 3.13. Tỷ lệ hàm lượng phối liệu mẫu đóng rắn không nung
Mẫu F G H I J K
Bùn đỏ 45 50 50 55 55 60
Xi măng 10 10 15 15 20 20
Cát 45 40 35 30 25 20
Trong điều kiện thí nghiệm luận văn này, mỗi mẫu phối liệu có khối lượng là 200g, được trộn khô, sau đó thêm vào 40mL nước, tiếp tục trộn đều. Tiếp theo,
chúng tôi tiến hành chế tạo mẫu bằng phương phép nén thủy lực với lực nén cố định là 30kg/cm2. Mẫu sau chế tạo được dưỡng ẩm trong thời gian 3 ngày ở nhiệt độ phòng. Sau đó, tiến hành khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng phối liệu và thời gian đóng rắn lên độ bền nén của mẫu.
3.2.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng phối liệu và thời gian đóng rắn
Sau khi dưỡng ẩm mẫu, chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng phối liệu và thời gian đóng rắn lên khối lượng riêng thể tích cũng như độ bền nén của mẫu vật liệu. Bảng 3.14 cho biết các thông số đã khảo sát.
Bảng 3.14. Ảnh hưởng của hàm lượng phối liệu và thời gian đóng rắn
Thời gian Thông số F G H I J K
Tuần 1 D (g/cm3) 1,75 1,77 1,77 1,75 1,70 1,72 Rn (kg/cm2) 36,8 35,0 45,4 42,5 56,7 59,5 Tuần 2 D (g/cm3) 1,76 1,79 1,78 1,77 1,72 1,73 Rn (kg/cm2) 44,5 42,7 53,8 52,4 60,8 64,2 Tuần 3 D (g/cm3) 1,76 1,79 1,79 1,78 1,74 1,75 Rn (kg/cm2) 47,7 45,9 57,6 56,5 62,4 66,4 Tuần 4 D (g/cm3) 1,78 1,80 1,81 1,79 1,76 1,77 Rn (kg/cm2) 48,6 47,2 58,4 57,3 63,1 67,1 Từ kết quả trên, chúng tôi nhận thấy rằng khi tăng tỷ lệ hàm lượng xi măng, đồng thời khống chế hàm lượng cát và bùn đỏ theo các tỷ lệ phối liệu đã chọn thì nhìn chung độ bền nén của mẫu tăng. Cát có tổng diện tích bề mặt nhỏ hơn diện tích bề mặt của bùn đỏ nên làm cho khả năng kết dính của xi măng tốt hơn. Do đó, cùng một hàm lượng xi măng như nhau, thông thường mẫu có hàm lượng bùn đỏ lớn hơn sẽ có độ bền nén thấp hơn.
Nhìn chung, độ bền nén của mẫu tăng theo thời gian đóng rắn. Trong tuần đầu tiên, cường độ của mẫu phát triển nhanh nhất, và tiếp tục tăng theo tốc độ phát triển chậm dần trong các tuần tiếp theo.
Do đặc tính của từng loại phối liệu nên trong cùng một khoảng thời gian đóng rắn, khối lượng riêng thể tích của các mẫu biến đổi không có tính quy luật rõ ràng. Tuy nhiên, xét riêng từng loại tỷ lệ phối liệu thì khối lượng riêng thể tích của mẫu tăng theo thời gian đóng rắn. Điều này có thể giải thích là do khả năng hidrat
hóa của xi măng tăng theo thời gian đóng rắn. Do đó, lượng nước tham gia trong các liên kết hóa học tăng cùng thời gian, dẫn đến sự tăng khối lượng riêng thể tích của mẫu.
3.2.2.3. Ảnh hưởng của lực ép mẫu
Để khảo sát ảnh hưởng của lực ép mẫu lên độ bền nén của vật liệu, chúng tôi lựa chọn các tỷ lệ phối liệu H và I. Các tỷ lệ phối liệu được trộn với lượng nước thích hợp, sau đó đem chế tạo mẫu với các lực ép khác nhau. Mẫu sau khi chế tạo được dưỡng ẩm trong 3 ngày đầu, sau đó bảo quản đủ thời gian 4 tuần tính từ thời điểm chế tạo mẫu. Kết quả khối lượng riêng thể tích và độ bền nén của mẫu sau bảo quản được trình bày trong bảng 3.15.
Bảng 3.15. Ảnh hưởng của lực ép mẫu
Lực ép mẫu (kg/cm2) Thông số H4 I4 30 D (g/cm3) 1,81 1,79 Rn (kg/cm2) 58,4 57,3 40 D (g/cm3) 1,87 1,83 Rn (kg/cm2) 69,2 67,8 50 D (g/cm3) 1,91 1,88 Rn (kg/cm2) 75,1 74,5
Từ kết quả trên chúng tôi nhận thấy rằng khi tăng lực ép mẫu, khối lượng thể tích và độ bền nén của mẫu đồng thời tăng. Điều này được lý giải do lực ép mẫu tăng làm tăng sự tiếp xúc bề mặt, khả năng khuếch tán và tham gia phản ứng của các hạt vật liệu. Như vậy, chỉ cần sử dụng mẫu phối liệu chứa 15% xi măng nhưng ép mẫu với lực 40kg/cm2 thì mẫu đạt độ bền nén tương đương với mẫu phối liệu chứa 20% xi măng nhưng ép mẫu với lực 30kg/cm2.
3.3. ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH SẢN PHẨM ĐÓNG RẮN3.3.1. Khối lượng riêng 3.3.1. Khối lượng riêng
Các mảnh vỡ của mẫu sau khi đo độ bền nén được thu thập để xác định khối lượng riêng. Các mẫu được lựa chọn đại diện để xác định khối lượng riêng là C33, C335, H4 và I4. Bằng phương pháp xác định khối lượng riêng của gạch, chúng tôi thu được kết quả ở bảng 3.16.
Bảng 3.16. Khối lượng riêng một số sản phẩm
Mẫu TT m (g) V (mL) Ds (g/cm3) Khối lượng riêng TB (Ds)
C33 1 50,72 23,5 2,16 Ds = 2,16 ± 0,02% 2 46,25 21,5 2,15 3 52,82 24,2 2,18 C335 1 46,16 22,1 2,09 Ds = 2,08 ± 0,01% 2 51,98 25,1 2,07 3 49,02 23,5 2,08 H4 1 54,17 21,9 2,47 Ds = 2,46 ± 0,01% 2 51,65 21,1 2,45 3 47,26 19,1 2,47 I4 1 43,27 17,2 2,51 Ds = 2,52 ± 0,02% 2 48,19 19,0 2,54 3 42,38 16,8 2,52
Từ kết quả khối lượng riêng của các mẫu (bảng 3.16), chúng tôi nhận thấy khối lượng riêng của các mẫu đóng rắn không nung cao hơn khối lượng riêng của các mẫu vật liệu đóng rắn có nung.
3.3.2. Độ hút nước
Chúng tôi tiến hành khảo sát độ hút nước của một số mẫu sản phẩm theo phương pháp xác định độ hút nước của gạch. Tương tự phần trên, các mẫu được lựa chọn là: C33, C335, H4 và I4.
Bảng 3.17. Độ hút nước của một số mẫu vật liệu
Mẫu TT m0 (g) m1 (g) Hp (%) Độ hút nước TB (Hp%) C33 1 161,35 186,68 15,7 Hp = 16,2 ± 0,6% 2 163,27 189,72 16,2 3 161,73 188,90 16,8 C335 1 162,84 186,61 14,6 Hp = 14,6 ± 0,5% 2 163,90 188,65 15,1 3 164,02 187,31 14,2 H4 1 198,68 223,32 12,4 Hp = 12,3 ± 0,4% 2 196,36 219,73 11,9 3 198,14 223,11 12,6
I4 1 197,20 222,64 12,9 Hp = 12,9 ± 0,5% 2 196,18 222,47 13,4
3 196,83 221,43 12,5
Từ kết quả đo độ hút nước của các mẫu C33, C335, H4 và I4 chúng tôi nhận thấy rằng độ hút nước của mẫu vật liệu nung cao hơn độ hút nước của mẫu vật liệu không nung. Mẫu C335 có độ hút nước khoảng 14,6%, thấp hơn độ hút nước của mẫu C33 (khoảng 16,2%). Điều này được giải thích do việc thêm chất khoáng hóa Na2SiF6 làm tăng khả năng tham gia phản ứng của các phối liệu, dẫn đến kết cấu của mẫu đặc sít hơn. Do đó, khả năng hút nước của mẫu có thêm chất khoáng hóa giảm so với mẫu không thêm.
Độ hút nước của các mẫu không nung có cùng hàm lượng xi măng (15%) chênh lệch nhau không nhiều. Có khả năng sự chênh lệch hàm lượng bùn đỏ trong mẫu làm cho độ hút nước của mẫu I4 (khoảng 12,9%) cao độ hút nước của mẫu H4
(khoảng 12,3%).
3.3.3. Dư lượng kiềm
Để đánh giá mức độ phản ứng của NaOH trong quá trình đóng rắn cũng như chất lượng của mẫu vật liệu, chúng tôi tiến hành khảo sát dư lượng kiềm trong một số mẫu sản phẩm đóng rắn.
Dư lượng kiềm trong mẫu được xác định theo phương pháp ở mục 2.3.6.5, tuy nhiên vì lý do độ nhạy của phương pháp nên chúng tôi lựa chọn thay thế dung