Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1.1 Vấn đề môi trường Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm môi trường trong không khí không còn trở thành vấn đề riêng lẻ của một quốc gia hay khu vực mà còn trở thành vấn đề toàn cầu. Thực trạng phát triển kinh tế - xã hội của các quốc gia trên thế giới nói chung, Việt Nam nói riêng trong thời gian qua đã có những tác động lớn đến môi trường, đã làm cho môi trường sống con người bị thay đổi ngày càng trở nên tồi tệ hơn. Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp hóa thì môi trường không khí cũng ngày càng ô nhiễm hơn. Một trong những ngành có đóng góp không nhỏ cho sự ô nhiễm không khí là ngành sản xuất xi măng.
Nguồn gây ô nhiễm không khí chủ yếu của nhà máy xi măng là do khói của lò hơi, các buồng đốt phụ, bụi trong quá trình nghiền đập, vận chuyển nguyên liệu, nhiên liệu, xi măng và các chất khí độc hại, bụi từ quá trình nung và nghiền clinke.1 Tro bay từ nhà máy công nghiệp nhiệt điện. Ngoài ra, cùng với quá trình nung trong lò tạo clinke cho việc sản xuất cement thì cũng làm lãng phí rất nhiều nhiệt năng. Từ đó lại dẫn đến sự tổn hao cho các 1 Luan van nguồn tài nguyên khác như than đá, dầu, điện, …Chưa kể, ở các nhà máy của ngành công nghiệp nhiệt điện cũng thải ra một trữ lượng tro bay vô cùng lớn, chưa thể xử lý và gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng sức khỏe con người nghiêm trọng vì khí thải CO2 cũng như bụi công nghiệp. Để sản xuất ra một tấn cement sẽ có 770 kg khí CO2 bị thải vào không khí sau những công đoạn nung nguyên liệu.
Năng lượng để sản xuất cement chỉ đứng thứ ba sau sản xuất thép và nhôm .2: Quá trình gây ô nhiễm của khí thải CO2 [1] Sản lượng cement Portland được tiêu thụ trên toàn thế giới hiện tại đã vượt qua ngưỡng 2,6 tỷ tấn một năm và hàng năm tăng trung bình 5%. Số liệu điều tra cho thấy lượng khí thải CO2 từ công nghiệp sản xuất cement xấp xỉ 1,35 tấn/năm, chiếm khoảng 7% lượng CO2 trên toàn thế giới. Với sự tăng trưởng về lượng khí thải CO2 này đã góp phần gây hiệu ứng nhà kính, làm cho trái đất nóng lên, thay đổi khí hậu toàn cầu và thực trạng này đã trở thành một trong những vấn đề được cả nhân loại quan tâm [2]. Qua các thực trạng trên cho thấy ô nhiễm môi trường gây ra những tác hại lớn về con người.
2 Luan van Hình 1.3: Ô nhiễm môi trường ảnh hưởng đến sức khỏe con người [3] Khí CO2 sinh ra từ các nhà máy và các phương tiện qua lại còn làm tăng hiệu ứng nhà kính, làm Trái Đất ngày một nóng dần lên, các khu sinh thái đang sẵn có sẽ dần bị phá hủy … Hình 1.4: Ô nhiễm môi trường ảnh hưởng đến hệ sinh thái [4] 1.2 Vật liệu thân thiện với môi trường Trước thực trạng diễn biến ngày càng nghiêm trọng về vấn đề môi trường, tất cả các ngành nghề đang đẩy mạnh phát triển theo hướng vừa có lợi cho con người 3 Luan van và vừa bảo vệ được môi trường thiên nhiên. Ngành Xây dựng đã và đang góp phần vào xu hướng phát triển bền vững ấy, các sản phẩm hay vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường được ứng dụng ngày càng nhiều. Những sản phẩm như kính tiết kiệm năng lượng, gạch block không nung, ngói đúc ép, tôn lợp sinh thái, gạch ốp tái chế, xốp cách nhiệt tái chế,… đang được áp dụng rộng rãi. Chưa dừng lại ở đó, nguồn vật liệu xây dựng đầu vào như cát và đá cũng đang được thay thế bằng xỉ thép hay các nguồn nguyên liệu khác.
Đặc biệt, công nghệ chế tạo bê tông Geopolymer (GPC) thay thế cho bê tông truyền thống cũng đang được các nước trên thế giới nghiên cứu và áp dụng rộng rãi nhằm mục đích thay thế việc sử dụng cement và tiêu thụ nguồn tro bay của ngành công nghiệp nhiệt điện. Sản phẩm của công nghệ này chính là bê tông và vữa Geopolymer – đây là một trong những sản phẩm xanh, thân thiện với môi trường của ngành vật liệu xây dựng hiện nay. Việc sử dụng bê tông geopolymer trên cơ cở chất kết dính tro bay kiềm hoạt hóa có khả năng góp phần giảm hiện tượng nóng dần của trái đất. Bê tông geopolymer có khả năng gây hiệu ứng nhà kính giảm 26 – 45% so với bê tông xi măng thông thường.
Geopolymer hoàn toàn có thể sử dụng trong xây dựng hỗ trợ và thay thế cho xi măng thông thường đang gây ra ô nhiễm môi trường trong quá trình sản xuất và nguồn nguyên liệu đang hao hụt dần (đá vôi, đất sét). Ngoài ra, Geopolymer tỏ ra có ưu thế hơn trong các môi trường nhiệt độ cao hay xâm thực mạnh. Bên cạnh đó, chất kết dính geopolymer cũng tận dụng các phế thải của quá trình sản xuất công nghiệp như tro bay của nhà máy nhiệt điện, xỉ lò cao của nhà máy luyện gang, thép,. Cho nên việc sử dụng bê tông geopolymer trong công nghiệp xây dựng còn có thể mang lại nhiều lợi ích khác như: giảm nguy cơ chất thải công nghiệp và diện tích bãi chứa chất thải, cải thiện chất lượng ở tuổi dài ngày của bê tông (co ngót khô rất thấp, từ biến thấp, khả năng chống ăn mòn sunphat và axit rất tốt), từ đó giảm chi phí đầu tư và bảo trì các kết cấu sử dụng bê tông geopolymer,.
4 Luan van Về mặt kinh tế, giá thành của 1 tấn tro bay/xỉ chỉ bằng một phần nhỏ so với giá của 1 tấn xi măng. Vì vậy sau khi tính cả giá của dung dịch kiềm kích hoạt thì giá của bê tông geopolymer tro bay sẽ thấp hơn khoảng 10 – 30% so với giá của bê tông xi măng. Ngoại trừ các ưu điểm, bê tông geopolymer vẫn được cho là khó có thể phổ biến trên thị trường hiện nay. Lý do chính cho điều này là phần lớn các nhà máy xi măng còn lo ngại về nguy cơ sụt giảm lợi nhuận khi đầu tư.
Trên quan điểm công nghiệp xây dựng, xi măng xanh mới chỉ được đề cập đến như một khái niệm chứ chưa được chứng minh bằng thực tiễn công nghệ. Vẫn còn có sự tranh cãi về khả năng giảm thiểu khí CO2 và tính kinh tế khi xem xét đến giá thành và sự tồn tại của chất hoạt hóa kiềm trong bê tông geopolymer. Rõ ràng là có sự nguy hiểm nhất định khi sử dụng dung dịch kiềm mạnh và dung dịch kiềm mạnh cũng đòi hỏi quá trình sản xuất bê tông phức tạp hơn, điều này dẫn đến gia tăng tiêu thụ năng lượng cũng như phát sinh hiệu ứng nhà kính. Trên thực tế, còn có ít nghiên cứu về các tính chất vật lý của bê tông geopolymer, mặc dù điều này khá phức tạp và cần thiết thực hơn bê tông thường.
Ví dụ như: quá trình phản ứng polymer hóa chịu ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ và thường đòi hỏi phải bảo dưỡng ở nhiệt độ cao cùng với sự kiểm soát nghiêm ngặt chế độ nhiệt. Khả năng phát thải các chất kiềm kích hoạt vào môi trường nước và không khí khi sử dụng sản phẩm bê tông geopolymer.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu Geopolymer là từ được sử dụng để chỉ các loại vật liệu vô cơ tổng hợp từ vật liệu có nguồn gốc aluminosilicate. Khái niệm Geopolymer lần đầu tiên được sử dụng bởi giáo sư Joseph Davidovits từ những năm 1970. Nguyên lý chế tạo vật liệu Geopolymer dựa trên khả năng phản ứng của các vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm để tạo ra sản phẩm có các tính chất và cường độ tốt hơn.
Hệ nguyên liệu để chế tạo vật liệu Geopolymer bao gồm hai thành phần chính là các nguyên liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm. Nguyên liệu aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình Geopolymer hóa xảy ra (thường dùng là tro bay, 5 Luan van metacaolanh, silicafume…). Chất hoạt hóa kiềm được sử dụng phổ biến nhất là các dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng Natri Silicat nhằm tạo môi trường kiềm và tham gia vào các phản ứng Geopolymer hóa. Vật liệu Geopolymer được nghiên cứu với mục tiêu tạo ra quá trình sản xuất thân thiện với môi trường, giảm phát thải CO2, tận dụng các chất thải công nghiệp như tro xỉ, bùn đỏ… thành các sản phẩm có tính năng sử dụng cao.
Trên thế giới, các ứng dụng của vật liệu Geopolymer đã được sử dụng trong sản xuất xi măng đặc biệt như xi măng đóng rắn nhanh, xi măng bền axit, sản xuất gạch và gốm không nung, ứng dụng trong vật liệu công nghệ cao như vật liệu composite chống cháy, xử lý phế thải độc hại và chất thải phóng xạ, ứng dụng trong vật liệu composite chịu nhiệt, ứng dụng trong khảo cổ học và mỹ thuật.1 Nghiên cứu trên thế giới Joseph Davidovits [5] đã giới thiệu một loại vật liệu mới là Geopolymer, cũng như các tính chất lý hóa của Geopolymer. Một nghiên cứu khác về xi măng geopolymer (High – Akali – Poly) đã cho thấy ứng dựng trong nhiều ngành kỹ thuật như: Hàng không, xây dựng, công nghiệp chất dẻo, … Kết quả nghiên cứu cho thấy xi măng mới này đóng rắn nhanh với nhiệt độ phòng, cường độ chịu nén có thể đạt tới 20 MPa sau 4 giờ ở nhiệt độ 200oC và có thể đạt từ 70 – 100 MPa sau khi bảo dưỡng 28 ngày. Palomo, Grutzeck và Blanco [6] khi nghiên cứu về ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ và tỷ lệ dung dịch alkali/tro bay đến cường độ cho thấy cả thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ đều ảnh hưởng đến cường độ bê tông. Sự kết hợp giữa thủy tinh lỏng và dung dịch NaOH tạo nên cường độ đến 60 MPa khi dưỡng hộ ở nhiệt độ 85oC với thời gian 5 giờ.
Mo Bing-hui, He Zhi, Cui Xue-min, He Yan và Gong Si-yu [7], nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ, thời gian dưỡng hộ đến cường độ bê tông geopolymer, qua đó cho thấy cả thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ đều ảnh hưởng đến cường độ bê tông. Nhiệt độ thích hợp để quá trình polymer hóa diễn ra với tốc độ cao là trên 60oC, điều này làm bê tông sớm đạt cường độ.2 Nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, những năm gần đây có khá nhiều đề tài khoa học nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này.