Ở Việt Nam, công nghệ bê tông gốm dựa trên HCBS còn khá mới, chưa được nghiên cứu chuyên sâu, chỉ mới được nghiên cứu thăm dò thông qua một số luận văn thạc sĩ. Một số luận văn liên quan đến công nghệ bê tông gốm được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã được bảo vệ trong thời gian 2010-
39
* Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu chế tạo gạch chịu lửa samốt A theo công nghệ Bê tông gốm sử dụng chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao” [5] của tác giả Trần Thị Hoa (2010), đã thu được một số kết quả như sau:
+ Chế tạo huyền phù sử dụng hỗn hợp nguyên liệu sạn gạch phế sa mốt A, cao lanh Đại Từ, cát thạch anh theo tỷ lệ 80:15:5, nạp liệu 3 bước, thời gian nghiền 25-27 giờ, bổ sung phụ gia là thủy tinh lỏng 0,5 – 0,8 %, phụ gia lignosunfonat 0,25 %, phụ gia napthalen sunfonat 0,15% thu được huyền phù có độ ẩm là 23,43 %, độ nhớt đạt 1,989 Pa.s.
+ Chế tạo gạch chịu lửa sa mốt A sử dụng 30% kết dính huyền phù + 70% sạn sa mốt A, sau khi nung ở 1250 oC, thu được gạch chịu lửa có cường độ nén 40,1 MPa, độ xốp 21,1 %.
* Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu chế tạo gạch chịu lửa cao alumin hệ Mulit- Corun theo công nghệ Bê tông gốm, sử dụng chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao” [2] của tác giả Nguyễn Thị Kim (2010), đã thu được một số kết quả như sau:
+ Chế tạo huyền phù sử dụng hỗn hợp nguyên liệu đầu là sạn cao nhôm cấp phối: 90 %, đất sét chịu lửa: 5 %, silica fume: 4 %, phụ gia siêu dẻo napthalen sunfonat 1 %, nạp liệu theo 3 bước nghiền trong 28 giờ, thu được huyền phù có độ ẩm 21,15 %, hàm lượng hạt < 5,122 µm đạt 42,38 %.
+ Ổn định huyền phù bằng hỗn hợp phụ gia 0,1 % sunfonat naptalen + 0,15 % lignosunfonat kết hợp khuấy trộn 12h thu được huyền phù có độ nhớt 85 giây.
+ Chế tạo gạch cao alumin sử dụng 65 % cốt liệu cao nhôm 0-5 mm + 35 % huyền phù, sau khi nung ở 1250 oC đạt độ bền nén 142,6 MPa, độ xốp 15,2 %.
* Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu chế tạo bê tông chịu lửa hệ Alumosilicat theo công nghệ bê tông gốm sử dụng chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao” [1] của tác giả Nguyễn Đức Thành (2013), tác giả đã thu được một số kết quả như sau:
+ Chế tạo chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao từ hỗn hợp nguyên liệu bô xít nung chứa 80,47 % Al2O3 và thạch anh điện chảy trong máy nghiền bi ướt dung tích 200 lít với 3 bước nạp liệu có nv = 0,92, Cv = 0,62, HCBS gốc đạt độ mịn qua sàng vạn lỗ/cm2, trong đó có 50 % cỡ hạt < 8,124(µm), độ nhớt biểu kiến trước
khi ổn định là 26,1 Pa.s tương ứng với pH = 7,9. Ổn định HCBS gốc bằng 2 loại phụ gia phân tán polycarboxylate ethers (PCE) và sodium tripolyphosphate (STPP), trong đó phụ gia PCE hiệu quả hơn với hàm lượng bổ sung tối ưu là 0,18 %, HCBS sau khi ổn định có giá trị độ nhớt là 0,65 Pa.s.
+ Chế tạo bê tông gốm cốt liệu bauxite nung (80,4 % Al2O3) với hàm lượng HCBS dao động từ 31-36 %, mẫu bê tông gốm với 34 % HCBS cho kết quả độ bền nén sau sấy, sau nung ở 1200 oC cao nhất là 136,7 MPa, độ xốp thấp nhất là 16,1 %. * Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu chế tạo gạch chịu lửa không nung hệ alumo- silicát từ samốt đất sét Trúc Thôn theo công nghệ bê tông gốm sử dụng chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao(HCBS)” [4] của tác giả Trần Thị Minh Hải (2013), thu được một số kết quả sau:
+ Chế tạo và ổn định chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao samốt – cát thạch anh qua 3 bước nạp liệu với Cv = 0,60, HCBS có độ mịn 50 % kích thước hạt nhỏ hơn 5,896 µm.
+ Chế tạo gạch chịu lửa theo công nghệ bê tông gốm với cường độ sau nung 1000 oC đạt 38,5 MPa tương đương với cường độ của gạch samốt B sản xuất theo phương pháp truyền thống (35,5 MPa) nung ở nhiệt độ cao hơn.
+ Chế tạo gạch chịu lửa không nung sử dụng phương pháp hoạt hóa các mạch tiếp xúc với môi trường hoạt hóa là dung dịch thủy tinh lỏng pha loãng với d = 1,08 g/cm3, ngâm tẩm trong 2h, cường độ mẫu sau sấy đạt 12,8 MPa, sau nung 1000 oC đạt 48,8 MPa.
+ Nhiệt độ biến dạng sau tải trọng của mẫu gạch không nung cao hơn mẫu gạch thường (công nghệ truyền thống) trong đó mẫu ngâm tẩm ở mật độ nước thủy tinh 1,08 g/cm3 có Tbd=1310 oC, mẫu samốt B có Tbd =1250 oC.
Trên thế giới, bê tông gốm dựa trên chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao HCBS được nghiên cứu từ những năm 1980 tại Liên Xô cũ. Những điểm nhấn quan trọng trong sự phát triển của bê tông gốm hệ alumino-silicate sử dụng chất kết dính HCBS là (Bảng 1.6):
41
Bảng 1.6:Tóm lược các giai đoạn nghiên cứu và phát triển HCBS và bê tông gốm
STT Hạng mục nghiên cứu Năm Nguồn
1 Phát triển công nghệ chế tạo HCBS và bê
tông gốm trên cơ sở silica. 1968-1986 [29,50-52]
2 Các nghiên cứu về tính chất của HCBS 1987-1990 [37,40,42,53] 3 Phát triển lý thuyết về bê tông chịu lửa
mới 1991-1995 [32,54-55]
4 Phát triển lý thuyết về lưu biến trong công
nghệ gốm và vật liệu chịu lửa 1994-2000 [56-67]
5
Phát triển công nghệ HCBS trên cơ sở bauxite nung và bê tông gốm cao nhôm Bê tông gốm dựa trên chất kết dính HCBS dẻo
Phát triển công nghệ HCBS dựa trên bauxite và thủy tinh thạch anh
Phát triển vật liệu dựa trên HCBS biến tính
1995-nay [36,18-21,68- 69,70-93]
6
Phát triển công nghệ bê tông gốm công nghệ nano dựa trên HCBS
Vật liệu xây dựng dựa trên HCBS
2003-nay
[12,14,16-17]
Đến nay đã có một số bài báo khoa học liên quan đến HCBS và bê tông gốm đã được công bố, các bài báo khoa học đã đề cập đến những vấn đề sau:
* Công nghệ chế tạo HCBS, Yu.E.Pivinskii mô tả quá trình nghiền ướt trong máy nghiền bi gián đoạn là tối ưu [39], trong đó các điểm cần lưu ý sau đây:
Nguyên liệu: Các ô xít có giá trị thế ion (IP) cao như SiO2, Al2O3 (IP = 6- 10) có khả năng kết hợp với nước tạo thành huyền phù gốm nồng độ cao [40] nên các nguyên liệu để tạo thành HCBS là: thạch anh điện chảy, mullite, bauxite nung, corundum, đất sét,...
Nguyên lý tăng nhiệt độ theo thời gian nghiền [39]: Trong quá trình nghiền, nhiệt được giải phóng do sự chuyển đổi năng lượng động học thành
năng lượng nhiệt, nhiệt độ tăng làm giảm độ nhớt đồng thời sự tăng nhiệt độ làm tăng quá trình phân tách của các hạt rắn kéo theo gia tăng thành phần hạt mịn trong HCBS.
Nguyên lý pha loãng tối ưu của HCBS và sự phân giải của pha phân tán: Trong công nghệ chế tạo HCBS, quá trình nghiền ướt xảy ra một loạt các quá trình hóa lý phức tạp đó là sự tương tác giữa pha lỏng với pha rắn làm thay đổi trị số pH của môi trường phân tán, mỗi loại HCBS có một dải giá trị pH tối ưu, nó quyết định đến tính chất lưu biến và đặc tính liên kết của HCBS [39], do vậy phải kiểm soát trị số này trong quá trình nghiền. Đối với hệ alumino-silicate thì giá trị pH tối ưu trong khoảng từ 9-10,5. Ở điều kiện này thì độ nhớt nhỏ nhất.
* Chất kết dính HCBS hệ alumino-silicate: Theo phân loại của Yu.E.Pivinskii [40], hệ này được xếp vào nhóm a xít-lưỡng tính, các tính chất của hệ này như sau:
Trị số thế ion IP = 6-8,5.
Điều kiện sản xuất tối ưu: Quá trình nghiền ướt trong môi trường kiềm kết hợp với ổn định bằng khuấy trộn.
Hệ số nồng độ thể tích pha rắn Cv = 0,6-0,75.
Độ co sau khi sấy: 0,2-0,8 %.
Độ xốp sau sấy: 15-22 %.
Độ bền uốn sau sấy: 2-5 MPa.
Sau khi tăng bền cường độ nén đạt 30-80 MPa.
Tỷ lệ độ bền uốn ở 900oC với độ bền uốn sau sấy (khi chưa tăng bền) đạt 200-400%.
Nhiệt độ sử dụng cao nhất của vật liệu dựa trên HCBS: 1600-1900 o C.
* Chế tạo HCBS trên cơ sở mullite tổng hợp: Yu.E.Pivinskii và các cộng sự [85] cho thấy: Khi nghiền ướt hỗn hợp tỷ lệ mullite 70-95 % với 5-30 % thạch anh phân
43
có tỷ trọng từ 2,4-2,7 g/cm3, độ ẩm 12-15 % (theo trọng lượng khô), kích thước hạt nhỏ hơn 5 µm từ 20-35 %. Các tác giả tìm thấy rằng ở tỷ lệ mullite/thạch anh = 75/25 là tối ưu, khi đó hỗn hợp HCBS sau khi đúc có độ xốp biểu kiến (sau sấy) thấp nhất (13,2 %) và độ bền uốn (sau sấy) cao nhất (4,1MPa).
* Bê tông gốm cao nhôm dựa trên chất kết dính HCBS: Yu.E.Pivinskii và các cộng sự [86,87] cho thấy: Khi trộn 20-45 % khối lượng chất kết dính HCBS (có độ ẩm 12-20 %, kích thước hạt < 5 µm: 20-50 %) với 55-80 % khối lượng cốt liệu cao nhôm sau đó tạo hình bằng phương pháp ép rung sẽ thu được vật liệu có mật độ cao. Độ bền nén nguội của vật liệu sau nung ở 1000 oC từ 80-120MPa, ở 1500 oC từ 200-300 MPa.
* Phƣơng pháp ổn định HCBS, tác giả D.A. Dobrodon [75] đã nghiên cứu sử dụng phụ gia thủy tinh lỏng, STPP (Sodium Tri Polyphosphate) kết hợp với phụ gia siêu dẻo SB-5 (gốc formandehyde), để pha loãng làm giảm độ nhớt của HCBS gốc.
* Phƣơng pháp tạo hình bê tông gốm, theo tác giả Yu.E.Pivinskii [54], trộn hỗn hợp 35 % HCBS (độ ẩm từ 12-20 %) với 65 % cốt liệu khô thu được hỗn hợp phối liệu có độ ẩm 5 %. Nếu tạo hình bằng phương pháp ép rung ở tần số 50Hz, áp lực nén 0,01-0,11MPa thì thu được vật liệu có độ xốp 16,4-21,5 %. Nếu tạo hình bằng phương pháp ép tĩnh ở áp lực nén 5-100 MPa thì thu được vật liệu có độ xốp 24,2- 32,3 %. Kết quả trên cho thấy rằng phương pháp tạo hình rung ép rất ưu việt trong công nghệ sản xuất bê tông gốm.
Thông qua các kết quả nghiên cứu của một số tác giả nước ngoài đã công bố thì có thể thấy rằng công nghệ bê tông gốm được xác định như sau:
+ Nghiền ướt các vật liệu chứa SiO2, alumô-silicát tạo chất kết dính HCBS, trong thành phần của nguyên liệu đầu luôn có thạch anh để tạo ra silanol đóng rắn bê tông khi sấy.
+ Phải có chế độ nghiền phù hợp là nạp liệu nhiều lần để tạo HCBS vừa có nồng độ cao, đạt độ mịn yêu cầu mà độ nhớt thấp để xả huyền phù ra khỏi máy nghiền, nếu độ nhớt HCBS cao sẽ không tháo được HCBS ra khỏi máy nghiền.
+ Ổn định HCBS sau khi nghiền bằng phụ gia keo tán kết hợp với khuấy trộn cơ học để HCBS có độ nhớt ổn định.
+ Tạo hình bê tông gốm khi trộn HCBS với cốt liệu chịu lửa bằng phương pháp ép tĩnh hoặc ép rung, phối liệu bê tông ở dạng bán khô.
+ Sấy khô bê tông sau khi tạo hình 110-140 oC.
+ Gia cường bê tông sau sấy khô bằng phương pháp ngâm tẩm trong dung dịch nước thủy tinh có mật độ thấp.
Các nghiên cứu tổng quan về BTCL, đặc biệt là bê tông gốm, cho phép rút ra một số kết luận sau:
1. Vật liệu chịu lửa không định hình, đặc biệt là BTCL, là loại vật liệu ngày càng được phát triển, đa dạng về chủng loại, phương pháp chế tạo, chất lượng ngày càng cao.
2. Bê tông gốm khác biệt với bê tông chịu lửa ít xi măng và không xi măng ở bản chất chất kết dính:
- Bê tông chịu lửa chứa xi măng (bao gồm cả bê tông ít xi măng) được hình thành từ chất kết dính và cốt liệu chịu lửa do sự liên kết tạo ra từ các khoáng hydrat của aluminat canxi.
- Bê tông chịu lửa không xi măng được hình thành từ chất kết dính và cốt liệu chịu lửa do sự liên kết tạo ra từ ρ-Al2O3 – được hình thành khi gia nhiệt nhanh Al(OH)3.
- Bê tông gốm được hình thành từ cốt liệu chịu lửa và chất kết dính dạng silanol – được hình thành trong quá trình nghiền và đa ngưng tụ thành mạch polyme siloxane khi được gia nhiệt.
3. Chất kết dính trong bê tông gốm được hình thành trong quá trình nghiền phải có các đặc tính sau:
- Chứa các ô xít có trị số thế ion (IP) cao. - Ở dạng huyền phù có nồng độ pha rắn cao. - Có độ nhớt thấp và ổn định.
45
- Chế tạo được chất kết dính huyền phù nồng độ cao. - Thiết kế được thành phần bê tông.
- Tạo hình và bảo dưỡng bê tông để bê tông có cường độ ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao.
1.5. Những vấn đề cần tiếp tục đƣợc nghiên cứu làm rõ về bê tông gốm
Các kết quả công bố của một số tác giả ở trong nước cho thấy, vẫn còn một số điểm còn tồn tại về bê tông gốm:
+ Về chế tạo huyền phù nồng độ cao: Huyền phù thu được có độ ẩm còn cao, từ 19,06-23,43 %, nồng độ thể tích pha rắn Cv còn chưa cao (Cv = 0,6-0,62), có thể tăng nồng độ thể tích pha rắn Cv lên cao hơn và giảm độ ẩm của HCBS xuống 15-17 %.
+ Các tác giả đều sử dụng phụ gia để ổn định huyền phù, tuy nhiên độ nhớt của huyền phù còn cao. Có thể sử dụng phụ gia ổn định huyền phù làm giảm độ xuống 0,5 Pa.s.
+ Chưa giải thích rõ cơ chế tác động của các phụ gia keo tán làm giảm độ nhớt của huyền phù.
+ Chưa đưa ra các cơ sở tính toán cấp phối gạch chịu lửa hoặc bê tông chịu lửa. + Cường độ nén của vật liệu sử dụng huyền phù sau khi nung đã đạt và vượt so với gạch chịu lửa cùng chủng loại nhưng theo công nghệ truyền thống, tuy nhiên giá trị cường độ còn thấp so với yêu cầu của công nghệ bê tông gốm.
+ Chế tạo vật liệu chịu lửa không nung theo phương pháp ngâm tẩm cho giá trị cường độ nén của vật liệu còn thấp, chỉ đạt 12,8 MPa, có thể nâng cao giá trị cường độ nén trên 30 MPa, tương đương với cường độ gạch đã nung.
Trên thế giới, bê tông gốm đã được giới thiệu là một loại bê tông chịu lửa có nhiều tính năng vượt trội nhưng công nghệ chế tạo tương đối khó, còn tồn tại nhiều vấn đề cần được nghiên cứu như:
+ Cơ chế đóng rắn phát triển cường độ của chất kết dính huyền phù gốm nồng độ cao chưa được giải thích đầy đủ
+ Chế độ nghiền tạo HCBS theo nhiều giai đoạn là phù hợp, tuy nhiên các thông số công nghệ cụ thể vẫn chưa được công bố đầy đủ.
+ Việc sử dụng phụ gia keo tán để nghiền và ổn định HCBS là rất quan trọng, tuy nhiên rất nhiều chất keo tán có khả năng có hiệu quả cao còn chưa được nghiên cứu đầy đủ
+ Phương pháp tạo hình bê tông gốm là ép tĩnh, hoặc ép rung với phối liệu ở dạng bán khô có độ ẩm 5-8 %, công nghệ bê tông gốm chưa đề cập đến phối liệu bê tông ở dạng chảy, linh động và giải pháp để tạo hình phối liệu bê tông dạng này.
+ Cường độ cơ học của bê tông gốm sử dụng HCBS sau khi tạo hình rất thấp, chỉ đến khi gia nhiệt hoặc ngâm tẩm trong các dung dịch mới phát triển mạnh cường độ.
47
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Các phƣơng pháp tiêu chuẩn.
Các chỉ tiêu cần xác định theo tiêu chuẩn được thể hiện tại Bảng 2.1
Bảng 2.1:Tiêu chuẩn cần xác định và phương pháp thử
STT Các chỉ tiêu Đơn vị đo Phƣơng pháp thử
1
Cường độ nén nguội: - Sau sấy ở 110 oC lưu 24h - Sau nung ở 1000 oC lưu 3h - Sau nung ở 1200 oC lưu 3h
MPa TCVN 6530-1:1999 2 Khối lượng thể tích g/cm3 TCVN 6530-3:1999