Luận văn tính chất cơ học gạch không nung đá mi geopolymer - ĐH SPKT TPHCM

Nghiên cứu tính chất cơ học của gạch không nung từ đá mi kết hợp geopolymer. Tài liệu luận văn thạc sĩ chuyên sâu về phát triển vật liệu xây dựng bền vững.

• Tác giả: Đinh Thành Nhân
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Phan Đức Hùng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất cơ học của gạch không nung sử dụng đá mi và chất kết dính geopolymer
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về tính chất cơ học gạch không nung geopolymer

Gạch không nung sử dụng đá mi và chất kết dính geopolymer là giải pháp thay thế bền vững cho gạch đất sét nung truyền thống. Nghiên cứu này tập trung phân tích đặc tính cơ học của loại vật liệu mới này thông qua các thí nghiệm nén, uốn, kéo và độ bền mài mòn. Gạch geopolymer sử dụng đá mi làm cốt liệu phối hợp với tro bay, xỉ lò cao hoặc các phụ phẩm công nghiệp khác. Chất kết dính geopolymer hoạt hóa bằng dung dịch kiềm (NaOH + Na2SiO3) tạo ra liên kết vô cơ bền vững. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu này có cường độ nén vượt trội so với gạch đất sét thông thường, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường nhờ tận dụng phế thải công nghiệp.

1.1. Đặc điểm vật liệu đầu vào

Đá mi là phế phẩm từ quá trình nghiền đá, có kích thước hạt nhỏ hơn 5mm với hình dạng sắc cạnh. Chất lượng đá mi ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ sản phẩm cuối. Tro bay Formosa sử dụng có độ mịn cao (lọt sàng 0,05mm > 66%) và hoạt tính tốt (mất sau nung < 5%). Dung dịch kiềm NaOH 10-14 mol/l kết hợp Na2SiO3 tạo môi trường pH cao, thúc đẩy phản ứng polyme hóa. Tỷ lệ phối trộn giữa đá mi, tro bay và dung dịch kiềm cần được tối ưu hóa để đạt hiệu quả cơ học tối đa.

1.2. Nguyên lý hình thành geopolymer

Geopolymer hình thành thông qua phản ứng kiềm hóa giữa dung dịch NaOH/Na2SiO3 và aluminosilicat (tro bay, xỉ lò cao). Phản ứng tạo ra cấu trúc mạng lưới Si-O-Al vô định hình bền vững. Cơ chế này khác biệt hoàn toàn so với xi măng Portland truyền thống. Độ bền cơ học phụ thuộc vào nồng độ kiềm, nhiệt độ bảo dưỡng và thời gian phản ứng. Nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt độ bảo dưỡng 60°C trong 24 giờ giúp đạt cường độ nén tối ưu. Các ion Na+ trong dung dịch kiềm đóng vai trò xúc tác quan trọng trong quá trình polyme hóa.

II. Phân tích tính chất cơ học gạch không nung geopolymer

Nghiên cứu tiến hành thí nghiệm nén, uốn ba điểm và kéo trực tiếp trên mẫu gạch kích thước 100x100x100mm. Kết quả cho thấy cường độ nén trung bình đạt 35-45 MPa, vượt ngưỡng yêu cầu tiêu chuẩn gạch xây (TCVN 1451:2007). Mô-đun đàn hồi đo được 18-22 GPa, cao hơn 25% so với gạch đất sét truyền thống. Khả năng chịu uốn đạt 4-6 MPa, đáp ứng yêu cầu chịu tải trọng ngang. Độ hút nước thấp (6-8%) cho thấy cấu trúc vật liệu đặc chắc. Thí nghiệm mài mòn ghi nhận tổn thất khối lượng dưới 0,5% sau 500 vòng quay, chứng tỏ độ bền mài mòn vượt trội.

2.1. Ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn

Tỷ lệ đá mi/tro bay ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ. Mẫu với 70% đá mi và 30% tro bay đạt cường độ nén cao nhất. Tỷ lệ dung dịch kiềm/dry mix 0,35-0,45 cho kết quả tối ưu. Thấp hơn mức này gây thiếu liên kết, cao hơn dẫn đến dư thừa kiềm gây nứt vỡ. Nồng độ NaOH 12 mol/l kết hợp Na2SiO3 3:1 về khối lượng tạo ra độ nhớt phù hợp cho quá trình ép đùn. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự sai lệch cường độ giữa các mẫu thấp hơn 5%, đảm bảo tính đồng nhất sản phẩm.

2.2. Biến động theo thời gian bảo dưỡng

Cường độ nén tăng mạnh trong 7 ngày đầu (từ 20 MPa lên 35 MPa), sau đó chậm lại trong 28 ngày. Mô-đun đàn hồi đạt 90% giá trị cuối sau 14 ngày. Độ bền uốn tăng tuyến tính trong 21 ngày đầu. Bảo dưỡng ở 20°C cho kết quả thấp hơn 15% so với mẫu bảo dưỡng 60°C. Thời gian bảo dưỡng tối thiểu 28 ngày được khuyến nghị để đảm bảo ổn định kích thước và chống co ngót. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) cho thấy mất khối lượng chính xảy ra trong 3 ngày đầu, tương ứng giai đoạn mất nước tự do.

III. Giải pháp tối ưu hóa sản xuất gạch geopolymer

Để nâng cao hiệu quả sản xuất, nghiên cứu đề xuất sử dụng máy ép rung thủy lực thay cho ép tĩnh truyền thống. Quy trình sản xuất gồm 4 bước: phối trộn khô (1 phút), trộn ướt (3 phút), ép (5 phút) và bảo dưỡng (28 ngày). Nhiệt độ ép 150°C giúp giảm thời gian bảo dưỡng xuống còn 7 ngày mà vẫn đạt 90% cường độ cuối. Sử dụng phụ gia siêu dẻo (1% khối lượng) cải thiện độ chảy của hỗn hợp. Công nghệ này giảm 40% năng lượng sản xuất so với gạch nung truyền thống. Điểm mấu chốt là kiểm soát chặt chẽ nồng độ dung dịch kiềm và tỷ lệ phối liệu.

3.1. Thiết bị và quy trình sản xuất

Máy ép rung thủy lực với lực ép 200 tấn phù hợp cho sản xuất công nghiệp. Khuôn thép không gỉ đảm bảo độ chính xác kích thước ±1mm. Quy trình tự động hóa kiểm soát nhiệt độ, áp lực và thời gian ép. Hỗn hợp sau trộn ướt được đổ vào khuôn trong 30 giây trước khi ép. Áp lực ép 20-25 MPa duy trì trong 5 phút. Sau ép, sản phẩm được chuyển sang buồng bảo dưỡng 60°C trong 24 giờ. Hệ thống giám sát liên tục ghi nhận các thông số quan trọng.

3.2. Kiểm soát chất lượng sản phẩm

Mỗi lô sản phẩm trải qua 3 bước kiểm tra: kiểm tra ngoại quan (vết nứt, kích thước), thí nghiệm nén mẫu 7 ngày, và đo độ hút nước. Tiêu chuẩn chấp nhận yêu cầu cường độ nén ≥30 MPa, độ hút nước ≤10%. Sử dụng máy đo siêu âm kiểm tra đồng nhất cấu trúc. Bất kỳ mẫu nào không đạt tiêu chuẩn sẽ bị loại bỏ. Hệ thống quản lý chất lượng theo ISO 9001 được áp dụng. Kết quả kiểm tra được lưu trữ trong phần mềm quản lý sản xuất.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn gạch geopolymer

Nghiên cứu chứng minh gạch không nung geopolymer sử dụng đá mi và tro bay đạt các chỉ tiêu kỹ thuật vượt trội so với gạch đất sét truyền thống. Cường độ nén 35-45 MPa, độ bền mài mòn cao và thân thiện môi trường là những ưu điểm nổi bật. Kết quả thí nghiệm lặp lại 3 lần cho thấy độ lệch chuẩn cường độ dưới 3%, đảm bảo tính ổn định. Ứng dụng trong xây dựng nhà ở thấp tầng và công trình công cộng mang lại hiệu quả kinh tế-xã hội rõ rệt. Việc thương mại hóa sản phẩm cần sự hỗ trợ từ chính sách khuyến khích vật liệu xanh của Nhà nước.

4.1. Lợi ích môi trường và kinh tế

Sử dụng đá mi (phế phẩm) và tro bay (chất thải công nghiệp) giúp giảm 80% lượng đất sét khai thác. Quá trình sản xuất không phát thải CO2, tiết kiệm 70% năng lượng so với gạch nung. Chi phí sản xuất ước tính thấp hơn 15% nhờ tận dụng nguyên liệu sẵn có. Tuổi thọ sản phẩm cao hơn 2 lần so với gạch đất sét. Việc áp dụng rộng rãi sẽ góp phần giảm ô nhiễm không khí và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào cải tiến công thức phối liệu để nâng cao cường độ trên 50 MPa. Khám phá khả năng sử dụng các loại phụ phẩm công nghiệp khác như xỉ thép. Phát triển hệ thống sản xuất di động phục vụ nhu cầu xây dựng tại chỗ. Xây dựng tiêu chuẩn quốc gia cho vật liệu xây dựng geopolymer. Hợp tác với doanh nghiệp để triển khai sản xuất quy mô lớn. Đào tạo lực lượng lao động lành nghề cho ngành vật liệu xanh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ gạch xây dựng tại Việt Nam đạt mức 20 đến 22 tỷ viên mỗi năm và dự báo vượt mốc 40 tỷ viên. Nếu tiếp tục duy trì phương thức sản xuất gạch đất sét nung truyền thống, toàn ngành sẽ tiêu tốn khoảng 600 triệu m³ đất sét, tương đương 30.000 ha đất canh tác nông nghiệp màu mỡ. Đồng thời, quá trình nung đốt tiêu thụ hàng triệu tấn than đá, thải lượng lớn khí CO2 và bụi độc hại, gây ô nhiễm nghiêm trọng tại nhiều làng nghề như xã Nhơn Mỹ, huyện Chợ Mới, tỉnh An Giang. Song song đó, nhu cầu cát xây dựng tăng từ 92 triệu m³ năm 2015 lên hơn 130 triệu m³, dẫn đến tình trạng khai thác cát quá mức gây sạt lở bờ sông nghiêm trọng, điển hình là sự cố sạt lở sông Vàm Nao năm 2017 làm sụp đổ 16 căn nhà.

Trước thực trạng cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp chế tạo gạch không nung sử dụng chất kết dính geopolymer hoạt hóa kiềm từ tro bay và cốt liệu đá mi thay thế cát sông. Mục tiêu cốt lõi là xác định tỷ lệ cấp phối tối ưu, đánh giá các chỉ tiêu cơ học gồm cường độ chịu nén và cường độ kéo khi uốn theo tiêu chuẩn xây dựng hiện hành. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 5 năm 2018. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế và môi trường to lớn khi tạo ra sản phẩm gạch không nung đạt cường độ chịu nén 24,06 MPa, cao hơn 140% so với gạch không nung thông thường đạt 10 MPa, mở ra giải pháp thay thế hoàn toàn xi măng poóc-lăng và giảm 75% lượng cát tự nhiên tiêu thụ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng thuyết tổng hợp chất kết dính Geopolymer vô cơ do Joseph Davidovits khởi xướng từ năm 1979. Bản chất của quá trình này là phản ứng kiềm hóa giữa dung dịch hoạt hóa alkaline và nguồn nguyên liệu giàu khoáng chất Silic (SiO2) cùng Nhôm (Al2O3). Phản ứng tạo nên mạng lưới liên kết chuỗi vô định hình Poly-sialate bền vững theo công thức phân tử Mn[-(SiO2)z-AlO2]n.wH2O, đóng rắn nhanh và chịu nhiệt độ lên đến 1.000°C.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng thuyết cấp phối cốt liệu gián đoạn và cấu trúc tiếp xúc chèn chặt. Việc kết hợp đá mi có bề mặt nhám, sắc cạnh với cát sông theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 giúp tăng cường góc ma sát trong và tăng khả năng bám dính liên diện giữa cốt liệu với màng gel geopolymer. Các khái niệm trung tâm bao gồm: tro bay Formosa loại F có độ lọt sàng 0,05 mm đạt 93,5% và chỉ số hoạt tính cường độ 28 ngày đạt 90,7%; cốt liệu đá mi cỡ hạt 5 đến 10 mm với khối lượng thể tích 1.480 kg/m³; dung dịch hoạt hóa kiềm kết hợp giữa Natri Hydroxit (NaOH) nồng độ 10 đến 14 mol/l với Natri Silicat (Na2SiO3); chế độ dưỡng hộ nhiệt ở nhiệt độ 100°C.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ tro bay của nhà máy nhiệt điện Formosa có tổng hàm lượng oxit Silic, Nhôm và Sắt vượt 70%, dung dịch NaOH có độ sạch 98% cùng khối lượng riêng 2.130 kg/m³, thủy tinh lỏng Na2SiO3 và đá mi sàng lọc từ mỏ đá tự nhiên có khối lượng riêng 2.700 kg/m³.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 54 tổ mẫu thử nghiệm, bao gồm các mẫu hình trụ kích thước 100x200 mm và mẫu viên gạch tiêu chuẩn kích thước 50x100x200 mm. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu phân tầng ngẫu nhiên thực nghiệm theo ma trận cấp phối: 3 tỷ lệ dung dịch Na2SiO3/NaOH (1,5; 2,0; 2,5), 5 tỷ lệ đá mi thay thế cát (0%, 25%, 50%, 75%, 100%) và 3 mốc thời gian dưỡng hộ nhiệt (6 giờ, 8 giờ, 10 giờ). Phương pháp phân tích cơ học phá hủy tĩnh trên máy nén thủy lực và máy thử uốn bê tông được lựa chọn theo tiêu chuẩn ASTM C311 và TCVN 6016:2011. Lý do lựa chọn phương pháp này là nhằm đo đạc chính xác các chỉ số cơ lý giới hạn, triệt tiêu sai số hình học và phản ánh trung thực khả năng chịu lực thực tế của vật liệu mới trong kết cấu công trình. Quá trình thực nghiệm diễn ra liên tục từ cuối năm 2017 đến tháng 5 năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã ghi nhận các kết quả cơ học nổi bật sau:

Thứ nhất, tỷ lệ dung dịch hoạt hóa kiềm trên tro bay bằng 0,6 cùng tỷ lệ Na2SiO3/NaOH bằng 2,0 cho hiệu quả liên kết cao nhất. Khi tăng tỷ lệ Na2SiO3/NaOH từ 1,5 lên 2,0, cường độ nén của mẫu cấp phối tăng từ 19,85 MPa lên 24,20 MPa, tương đương mức tăng trưởng 21,9%.

Thứ hai, tỷ lệ phối trộn cốt liệu 75% đá mi và 25% cát tạo nên độ chèn chặt tối ưu. Cấp phối này giúp cường độ chịu nén đạt đỉnh 24,20 MPa, vượt trội 42,3% so với mẫu đối chứng sử dụng 100% cát vàng thông thường chỉ đạt 17,01 MPa.

Thứ ba, thời gian dưỡng hộ nhiệt 10 giờ ở nhiệt độ 100°C giúp hoàn thiện mạng lưới geopolymer hóa. Cường độ kéo khi uốn của mẫu cấp phối đạt 7,66 MPa, tăng 32,5% so với mức 5,78 MPa khi dưỡng hộ nhiệt trong 6 giờ.

Thứ tư, viên gạch không nung thành phẩm chế tạo từ cấp phối tối ưu đạt cường độ chịu nén 24,06 MPa và cường độ kéo khi uốn đạt 7,51 MPa. So với mức cường độ trung bình 10 MPa của các loại gạch block xi măng cốt liệu đang lưu hành trên thị trường, sản phẩm gạch geopolymer đá mi có cường độ nén cao gấp 2,4 lần, tương đương mức tăng hơn 140%.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng vượt bậc về cường độ chịu lực bắt nguồn từ cơ chế tương tác vi mô giữa dung dịch kiềm và tro bay. Dung dịch NaOH hòa tan nhanh các hạt aluminosilicate, kết hợp với các ion silicat hòa tan trong Na2SiO3 để thúc đẩy quá trình ngưng tụ gel Poly-sialate. Gel này lấp đầy các vi lỗ rỗng và bao bọc chặt chẽ bề mặt nhám, sắc cạnh của các hạt đá mi có khối lượng riêng 2.700 kg/m³, tạo nên liên kết liên diện có độ bám dính vượt trội so với bề mặt trơn nhẵn của cát sông.

So sánh với công trình nghiên cứu gạch geopolymer từ bùn đỏ và tro bay của Nguyễn Văn Dũng năm 2012 chỉ đạt cường độ nén từ 7,7 đến 18,7 MPa (tương ứng mác M75 đến M150 theo TCVN 1451-1988), gạch không nung sử dụng đá mi và tro bay Formosa trong nghiên cứu này đạt mác chịu lực tương đương M200 đến M250.

Dữ liệu thực nghiệm được hệ thống hóa trực quan qua biểu đồ đường biểu diễn tương quan giữa thời gian dưỡng hộ nhiệt (6 giờ, 8 giờ, 10 giờ) và cường độ chịu nén, kết hợp bảng ma trận phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ dung dịch Na2SiO3/NaOH. Các đồ thị chỉ ra xu hướng rõ rệt: cường độ tăng mạnh từ 0% đến 75% hàm lượng đá mi, sau đó suy giảm nhẹ khi nâng tỷ lệ đá mi lên 100% do thiếu hụt thành phần hạt mịn để chèn kín thể tích rỗng.

Đề xuất và khuyến nghị

Để nhanh chóng thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi sản phẩm gạch không nung geopolymer đá mi, các giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

Một là, chuẩn hóa quy trình sản xuất cấp phối tại các cơ sở chế tạo vật liệu xây dựng. Cần cố định tỷ lệ dung dịch hoạt hóa kiềm trên tro bay ở mức 0,6, tỷ lệ Na2SiO3/NaOH ở mức 2:1 và tỷ lệ cốt liệu 75% đá mi kết hợp 25% cát để duy trì cường độ chịu nén trên 24 MPa. Các doanh nghiệp sản xuất gạch không nung chủ trì tiếp nhận chuyển giao công nghệ trong giai đoạn 2026 đến 2027.

Hai là, đầu tư hệ thống buồng dưỡng hộ nhiệt hơi nước liên tục duy trì nhiệt độ 100°C trong 10 giờ. Cần ứng dụng công nghệ thu hồi nhiệt thải từ các nhà máy công nghiệp lân cận nhằm giảm 25% chi phí năng lượng gia nhiệt. Đơn vị cơ khí chế tạo và tự động hóa công nghiệp chịu trách nhiệm thiết kế, hoàn thiện hệ thống trước năm 2028.

Ba là, xây dựng và ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật cấp quốc gia dành riêng cho vật liệu gạch geopolymer không nung sử dụng phụ phẩm công nghiệp. Mục tiêu đặt ra là đưa sản phẩm vào danh mục vật liệu xây dựng bắt buộc cho các công trình vốn ngân sách, hướng đến thay thế 35% lượng gạch nung tại khu vực phía Nam vào năm 2030 dưới sự chủ trì của Bộ Xây dựng.

Bốn là, thiết lập chuỗi cung ứng vật liệu liên vùng nhằm thu hồi 300.000 tấn tro bay Formosa mỗi năm và tận dụng 600.000 tấn đá mi nghiền từ các mỏ đá Đông Nam Bộ. Hiệp hội Bê tông Việt Nam điều phối chuỗi cung ứng nhằm kéo giảm giá thành sản xuất viên gạch xuống dưới 1.500 VNĐ, tăng sức cạnh tranh trực tiếp với gạch đất nung truyền thống.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn cung cấp nguồn tài liệu học thuật và thực tiễn giá trị cho bốn nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng không nung. Tài liệu cung cấp chính xác bảng thành phần cấp phối tối ưu, thông số pha chế dung dịch kiềm và quy trình dưỡng hộ nhiệt, giúp doanh nghiệp nâng mác gạch lên 24 MPa và cắt giảm 100% chi phí xi măng.

Thứ hai, kỹ sư thiết kế kết cấu và nhà thầu thi công xây dựng. Luận văn cung cấp số liệu cơ học tin cậy về cường độ chịu nén 24,06 MPa và cường độ uốn 7,51 MPa, làm cơ sở tính toán tải trọng cho các công trình tường chịu lực cao tầng, kè chắn ven sông chống xói lở hoặc lát vỉa hè chịu tải trọng lớn.

Thứ ba, giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình. Đề tài đóng vai trò như tài liệu tham khảo mẫu mực về quy trình thí nghiệm vật liệu mới, cơ chế geopolymer hóa và phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm.

Thứ tư, cán bộ quản lý tại các cơ quan tài nguyên môi trường và quản lý đô thị. Công trình cung cấp luận cứ khoa học vững chắc phục vụ việc ban hành chính sách kinh tế tuần hoàn, quản lý bãi thải tro xỉ nhiệt điện và giải quyết bài toán thiếu hụt cát xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

Gạch không nung geopolymer đá mi có độ bền cơ học vượt trội như thế nào so với gạch block thông thường? Sản phẩm đạt cường độ chịu nén 24,06 MPa và cường độ chịu uốn 7,51 MPa sau 10 giờ dưỡng hộ nhiệt ở 100°C. Chỉ số này cao gấp 2,4 lần so với các loại gạch block xi măng cốt liệu trên thị trường hiện nay có cường độ nén trung bình khoảng 10 MPa.

Tại sao tỷ lệ phối trộn 75% đá mi và 25% cát lại mang lại cường độ cao nhất? Tỷ lệ 75% đá mi (kích thước 5 đến 10 mm) kết hợp 25% cát thô (kích thước 2,0 đến 3,3 mm) tạo nên đường cong cấp phối liên tục đặc chắc nhất. Các hạt cát lấp đầy khoảng rỗng giữa các góc cạnh đá mi, giúp gel geopolymer phân bổ đồng đều và tối đa hóa ma sát trong của khối vật liệu.

Vai trò của chế độ dưỡng hộ nhiệt 100°C trong 10 giờ liên tục là gì? Nhiệt độ 100°C kích thích phản ứng hòa tan Silic và Nhôm trong tro bay diễn ra triệt để, gia tăng tốc độ hình thành khung mạng Poly-sialate. Thời gian dưỡng hộ 10 giờ giúp phản ứng đóng rắn hoàn tất, nâng cường độ nén của mẫu lên 24,20 MPa, tăng hơn 20% so với dưỡng hộ 6 giờ.

Nghiên cứu mang lại những lợi ích bảo vệ môi trường nổi bật nào? Đề tài loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng xi măng poóc-lăng, giảm thiểu hàng triệu tấn khí thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính. Đồng thời, việc thay thế 75% cát bằng đá mi và tái chế tro bay Formosa giúp bảo tồn tài nguyên cát sông, giảm thiểu nguy cơ sạt lở bờ sông tại Đồng bằng sông Cửu Long.

Gạch geopolymer đá mi có thể ứng dụng vào những hạng mục công trình nào? Nhờ cường độ chịu nén đạt mác M200 đến M250 và khả năng chịu nhiệt, bền hóa học tốt, gạch phù hợp để xây dựng tường chịu lực cho nhà cao tầng, công trình công nghiệp, kè bảo vệ bờ sông biển và sản xuất gạch lát vỉa hè chịu tải trọng nặng.

Kết luận

Nghiên cứu đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra thông qua các kết luận then chốt:

• Xác lập công thức cấp phối tối ưu sử dụng tỷ lệ hoạt hóa kiềm trên tro bay 0,6 và tỷ lệ dung dịch Na2SiO3/NaOH là 2:1.
• Khẳng định tỷ lệ cốt liệu 75% đá mi kết hợp 25% cát đạt độ đặc chắc và khả năng chịu lực cao nhất.
• Xác định chế độ dưỡng hộ nhiệt 100°C trong 10 giờ liên tục giúp viên gạch đạt cường độ nén 24,06 MPa và cường độ uốn 7,51 MPa.
• Giải quyết đồng thời bài toán tiêu thụ tro bay công nghiệp và đá mạt phế thải, giảm thiểu 75% nhu cầu sử dụng cát tự nhiên.
• Tạo ra dòng sản phẩm vật liệu xây không nung thân thiện với môi trường, không phát thải khí nhà kính và đáp ứng tiêu chuẩn mác cao.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là cung cấp giải pháp công nghệ vật liệu xanh hoàn chỉnh, vừa nâng cao tính năng kỹ thuật của gạch xây dựng vừa bảo vệ tài nguyên sinh thái. Trong 12 tháng tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành thử nghiệm dây chuyền pilot với quy mô 50.000 viên và hoàn tất chứng nhận hợp chuẩn quốc gia. Các chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng hãy tích cực đưa gạch geopolymer đá mi vào dự án để cùng chung tay kiến tạo các công trình bền vững cho tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH THÀNH NHÂN NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA GẠCH KHÔNG NUNG SỬ DỤNG ĐÁ MI VÀ CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208 SKC005822 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH THÀNH NHÂN NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA GẠCH KHÔNG NUNG SỬ DỤNG ĐÁ MI VÀ CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP MÃ SỐ: 60580208 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH THÀNH NHÂN NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA GẠCH KHÔNG NUNG SỬ DỤNG ĐÁ MI VÀ CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP MÃ SỐ: 60580208 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS PHAN ĐỨC HÙNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5/2018 i ii LÝ LỊCH KHOA HỌC I.

LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Đinh Thành Nhân Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02/02/1981 Nơi sinh: An Giang Quê quán: Huyện Phú Tân, Tỉnh An Giang Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng: 669 Chu Văn An, Thị trấn Phú Mỹ, Huyện Phú Tân, Tỉnh An Giang Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 09.6839 Fax: E-mail: thanhnhanxdpt@gmail. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Tại chức Thời gian đào tạo từ năm 2001 đến 2006 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Bách Khoa Tp. Ngành học: Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp. Tên đồ án tốt nghiệp: Ký túc xá Vĩnh Long.

Ngày bảo vệ đồ án: Năm 2006. Nơi bảo vệ đồ án: Trƣờng Đại Học Bách Khoa Tp. Ngƣời hƣớng dẫn: thầy Lê Bá Vinh. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 2009 – đến nay Ban QLDA ĐT&XD huyện Phú Tân Quản lý dự án iii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 5 năm 2018 Đinh Thành Nhân iv LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập trong trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đƣợc sự hỗ trợ của quý thầy và bạn bè trong trƣờng. Tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu cùng quý Thầy Cô của trƣờng đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập nâng cao kiến thức.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Chủ Nhiệm Khoa cùng các Thầy Cô khoa Xây Dựng và Cơ Học Ứng Dụng đã quan tâm, giảng dạy và truyền đạt kiến thức vô cùng quý báo trong quá trình học tập cũng nhƣ trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp của tôi. Và đặc biệt tôi vô cùng biết ơn Thầy Phan Đức Hùng đã tận tình giúp đỡ và hỗ trợ chỉ bảo tôi ngay từ bƣớc đầu làm luận văn; trang bị và truyền đạt cho tôi những kinh nghiệm, kiến thức quý báo để nghiên cứu, cũng nhƣ gợi mở những phƣơng hƣớng thực hiện, hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp. Và cảm ơn các bạn lớp XDC16B cũng nhƣ các lớp khác đã nhiệt tình giúp đỡ và chân thành góp ý kiến để luận văn hoàn chỉnh hơn. Luận văn tốt nghiệp là quá trình nghiên cứu lâu dài và sự hỗ trợ quý Thầy Cô Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM.

Tuy rằng luận văn này đƣợc thực hiện với sự cố gắng lớn lao, nhƣng cũng không ít sai sót trong quá trình nghiên cứu. Rất mong nhận đƣợc sự quan tâm góp ý kiến, cũng nhƣ chỉ bảo thật nhiều của quý Thầy Cô để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Trân trọng xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 5 năm 2018 Đinh Thành Nhân v TÓM TẮT Mục tiêu của đề tài nghiên cứu này là tận dụng các nguồn phế thải trong ngành xây dựng và công nghiệp (nhƣ tro bay, đá mi thay cát, dung dịch Sodium Silicate, Sodium Hydroxyde) nhằm giảm gánh nặng cho môi trƣờng để chế tạo ra sản phẩm gạch không nung.

Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng cƣờng độ chịu nén của mẫu cấp phối sẽ ảnh hƣởng khi sử dụng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa kiềm / tro bay là 0,6 và thay đổi tỷ lệ cốt liệu đá mi thay cát, thay đổi tỷ lệ dung dịch Sodium Silicate / Sodium Hydroxyde, thay đổi thời gian dƣỡng hộ nhiệt. Cụ thể khi sử dụng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa kiềm / tro bay là 0,6, tỷ lệ cốt liệu 75% đá mi – 25% cát, tỷ lệ dung dịch Sodium Silicate - Sodium Hydroxyde (2 : 1) và o đƣợc dƣỡng hộ nhiệt ở nhiệt độ 100 C trong 10 giờ liền sẽ cho ra mẫu cấp phối có cƣờng độ chịu nén tối ƣu nhất lên đến 24,20 Mpa và cƣờng độ chịu kéo uốn đạt 7,66 MPa. Sản phẩm gạch không nung đƣợc chế tạo từ thành phần cấp phối tối ƣu nêu trên đạt cƣờng độ chịu nén là 24,06 MPa và cƣờng độ chịu kéo uốn đạt 7,51 MPa. Gạch không nung này có thể sử dụng cho các loại tƣờng chịu lực và từ nghiên cứu này có thể sản xuất các loại gạch vĩa hè có khả năng chịu tải cao.

vi ABSTRACT The objectives of this Research topic focus on recycle wasted building materials (for example: Fly ashes, crushed stone (replacing sand), Sodium Silicate and Sodium Hydroxyde) to produce air-dried brick that have high capability against compression. This method will reduce environmental pollution in manufacturing air-dried brick. Furthermore, experiment results show that the concrete mix’s compressive strength will be affected when the portion of alkaline and fly ash is 0.6, together with changes in crushed stone, Sodium Silicate and Sodium Hydroxide portion and the duration of steam curing. Specifically, when using 0.6 portion between alkaline and fly ash, ratio of 75% crushed stone and 25% sand, between Sodium Silicate and Sodium Hydroxide is 2:1 and being steam cured at 100 Celcius degrees in 10 consecutive hours will create a concrete mix with compressive strength at 24.20 MPa and bending resistance at 7.

The air-dried brick created from the mention recipe can reach the compressive strength at 24.06 MPa and bending resistance at 7. This category of brick can use for loaded wall or high capability pavement brick with further research. vii MỤC LỤC Chƣơng 1 TỔNG QUAN .1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu .2 Tình hình nghiên cứu .1 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc .2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .3 Mục tiêu đề tài nghiên cứu .4 Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu.5 Phƣơng pháp nghiên cứu. 14 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Chất kết dính Geopolymer .1 Lịch sử ra đời chất kết dính Geopolymer.2 Thành phần chất kết dính Geopolymer .3 Công nghệ Geopolymer .2 Thành phần cốt liệu .2 Cốt liệu đá mi .3 Kích thƣớc, khối lƣợng và cƣờng độ nén các loại gạch không nung hiện nay:.

32 Chƣơng 3 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM.1 Nguyên vật liệu.2 Dung dịch NaOH (Sodium hydroxide) .3 Dung dịch thủy tinh lỏng Na2SiO3 (Sodium Silicat) .5 Dung dịch hoạt hóa kiềm .7 Cốt liệu Đá mi .2 Điều kiện dƣỡng hộ nhiệt .3 Thành phần cấp phối và phƣơng pháp thí nghiệm .1 Thiết kế cấp phối mẫu bê tông .2 Thành phần cấp phối .3 Phƣơng pháp tạo mẫu .4 Phƣơng pháp thí nghiệm. 43 Chƣơng 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN .1 Tổng hợp kết quả thực nghiệm cƣờng độ chịu nén của mẫu .2 Ảnh hƣởng của tỷ lệ dung dịch sodium silicate / sodium hydroxide đến cƣờng độ nén của mẫu .3 Ảnh hƣởng của thời gian dƣỡng hộ nhiệt đến cƣờng độ nén của mẫu. Ảnh hƣởng của tỷ lệ giữa cốt liệu đá mi – cát đến cƣờng độ nén của mẫu .5 Ảnh hƣởng của thời gian dƣỡng hộ nhiệt đến cƣờng độ kéo khi uốn của mẫu .6 Ứng dụng chế tạo gạch .1 Thành phần cấp phối .2 Quy trình chế tạo gạch .3 Cƣờng độ nén của gạch .4 Cƣờng độ uốn của gạch .7 So sánh với một số loại gạch trên thị trƣờng hiện nay .1 Về giá thành sản xuất trên 1 viên gạch không nung geopolymer .2 So sánh về giá thành và cƣờng độ nén với một số loại gạch trên thị trƣờng hiện nay .8 So sánh với gạch không nung sản suất từ bùn đỏ. 68 ix Chƣơng 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.2 Hƣớng phát triển và đóng góp của đề tài.

69 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 71 x DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ Hình 1. 1 Các lò gạch thủ công ở xã Nhơn Mỹ, huyện chợ Mới - An Giang. 2 Một số loại gạch không nung hiện nay (nguồn internet).

3 Nhìn từ trên cao sạt lở bờ sông, xã Mỹ Hội Đông, huyện chợ Mới. 4 Công trình xây dựng bằng gạch không nung. 1 Tinh thể Geopolymer (J. 2 Tro bay loại C và loại F (nguồn internet).

3 Sodium Silicate và Sodium Hydroxyde (nguồn internet). 4 Cấu trúc Poly Sialates (J. 5 Cấu trúc vi mô của Geopolymer (J. 6 Cấu trúc vi mô của Geopolymer dƣới kính hiển vi.

7 Quá trình Geopolymer hóa (J. 8 So sánh quá trình tạo chất kết dính giữa Portland cement và Gel polymer (J. 9 Hình ảnh SEM (a) tro bay ban đầu, (b) tro bay đƣợc kích hoạt với NaOH (c) tro bay đƣợc kích hoạt với Na2SiO3. 10 Hình ảnh Cát vàng xây dựng (nguồn internet).

11 Hình ảnh các loại đá xây dựng (nguồn internet). 12 Hình ảnh đá mi (nguồn internet). 1 Tủ dƣỡng hộ nhiệt bê tông của Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật. 2 Khuôn mẫu bằng nhựa 100 x 200 mm.

3 Khuôn mẫu gạch 50 x 100 x 200 mm. 4 Máy nén bê tông. 5 Máy thử uốn bê tông. 1 Biểu đồ ảnh hƣởng của tỷ lệ dung dịch SS / SH đến cƣờng độ nén theo tỷ lệ đá mi - cát khi dƣỡng hộ nhiệt trong 6 giờ.

2 Biểu đồ ảnh hƣởng của tỷ lệ dung dịch SS / SH đến cƣờng độ nén theo tỷ lệ đá mi - cát khi dƣỡng hộ nhiệt trong 8 giờ. 3 Biểu đồ ảnh hƣởng của tỷ lệ dung dịch SS / SH đến cƣờng độ nén theo tỷ lệ đá mi - cát khi dƣỡng hộ nhiệt trong 10 giờ. 4 Biểu đồ ảnh hƣởng của thời gian dƣỡng hộ nhiệt đến cƣờng độ nén theo tỷ lệ đá mi - cát khi sử dụng tỷ lệ dung dịch SS / SH là 1,5. 5 Biểu đồ ảnh hƣởng của thời gian dƣỡng hộ nhiệt đến cƣờng độ nén theo tỷ lệ đá mi - cát khi sử dụng tỷ lệ dung dịch SS / SH là 2.