Luận văn thạc sĩ về độ bền gạch không nung sử dụng xỉ thép và công nghệ geopolymer

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích xác định độ bền trong các môi trường ăn mòn của gạch không nung sử dụng xỉ thép và công nghệ, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Trần Trung Hậu
• Người hướng dẫn: PTS. Hùng (Không rõ họ)
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu độ bền gạch không nung từ xỉ thép trong môi trường ăn mòn
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu
• 1.2. Tình hình nghiên cứu
• 1.2.1. Khái niệm về Geopolymer
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.2.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.2.4. Nhận xét các đề tài
• 1.3. Vị trí của đề tài nghiên cứu
• 1.4. Mục tiêu của đề tài
• 1.5. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Công nghệ Geopolymer
• 2.1.1. Lịch sử ra đời chất kết dính Geopolymer
• 2.1.2. Cơ chế phản ứng trong quá trình Geopolymer hóa
• 2.1.3. Cơ sở hóa học của công nghệ Geopolymer sử dụng tro bay
• 2.1.4. Nguyên vật liệu
• 2.1.6. Dung dịch hoạt hóa Alkaline
• 2.2. Ăn mòn trong bê tông và vữa
• 2.2.1. Các môi trường ăn mòn
• 2.2.2. Cơ chế của quá trình ăn mòn
• 2.2.5. Phân loại theo phạm vi ăn mòn ở kim loại
• 3. CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
• 3.1. Nguyên vật liệu
• 3.1.3. Dung dịch hoạt hóa
• 3.2. Thành phần cấp phối
• 3.2.1. Thành phần cấp phối
• 3.2.2. Phương pháp xác định thành phần cấp phối
• 3.3. Phương pháp tạo mẫu và thí nghiệm
• 3.3.1. Phương pháp tạo mẫu
• 3.3.2. Phương pháp thí nghiệm
• 3.3.3. Các phương pháp xác định
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
• 4.1. Kiểm tra trực quan
• 4.1.1. Vữa xỉ - geopolymer
• 4.1.2. Vữa xi măng
• 4.1.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ Xỉ/Tro và thời gian ngâm mẫu đến cường độ chịu nén của mẫu
• 4.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ Xỉ/Tro và thời gian ngâm mẫu đến độ thay đổi khối lượng của mẫu
• 4.5. Cường độ chịu nén của mẫu gạch theo thời gian ngâm trong các loại dung dịch
• 4.6. Độ thay đổi khối lượng của mẫu gạch theo thời gian ngâm trong các loại dung dịch
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 5.2. Hướng phát triển và đóng góp của đề tài

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu độ bền gạch không nung từ xỉ thép

Nghiên cứu độ bền của gạch không nung từ xỉ thép trong môi trường ăn mòn đang trở thành một chủ đề nóng trong ngành xây dựng. Gạch không nung không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn mang lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế. Việc sử dụng xỉ thép làm nguyên liệu chính trong sản xuất gạch không nung có thể cải thiện đáng kể tính chất cơ học của sản phẩm. Nghiên cứu này sẽ phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của gạch không nung từ xỉ thép và khả năng ứng dụng của nó trong các công trình xây dựng.

1.1. Khái niệm về gạch không nung và xỉ thép

Gạch không nung là loại gạch được sản xuất mà không cần nung ở nhiệt độ cao, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm. Xỉ thép là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất thép, có tính chất cơ học tốt và có thể thay thế cho cát trong sản xuất gạch. Việc sử dụng xỉ thép không chỉ giúp giảm thiểu lượng chất thải mà còn cải thiện độ bền của gạch.

1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng gạch không nung từ xỉ thép có khả năng chịu lực tốt hơn so với các loại gạch truyền thống. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về ứng dụng xỉ thép trong sản xuất gạch không nung đang được đẩy mạnh, nhằm đáp ứng nhu cầu vật liệu xây dựng bền vững và thân thiện với môi trường.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu độ bền gạch không nung

Mặc dù có nhiều lợi ích, nhưng việc nghiên cứu độ bền của gạch không nung từ xỉ thép cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là khả năng chống ăn mòn của gạch trong các môi trường khác nhau. Các yếu tố như độ pH, nồng độ hóa chất và thời gian ngâm có thể ảnh hưởng đến độ bền của gạch. Nghiên cứu này sẽ phân tích các yếu tố này để tìm ra giải pháp tối ưu.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của gạch không nung

Độ bền của gạch không nung phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tỷ lệ phối trộn, loại hóa chất trong môi trường ăn mòn và thời gian ngâm. Các nghiên cứu cho thấy rằng gạch không nung từ xỉ thép có khả năng chống lại các hóa chất như HCl, NaOH và MgSO4 tốt hơn so với các loại gạch khác.

2.2. Thách thức trong việc ứng dụng gạch không nung

Việc ứng dụng gạch không nung từ xỉ thép trong các công trình xây dựng vẫn còn gặp nhiều khó khăn. Các nhà thầu cần phải hiểu rõ về tính chất của gạch và cách thức thi công để đảm bảo chất lượng công trình. Ngoài ra, việc thiếu thông tin và kiến thức về gạch không nung cũng là một rào cản lớn.

III. Phương pháp nghiên cứu độ bền gạch không nung từ xỉ thép

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp thí nghiệm hiện đại để đánh giá độ bền của gạch không nung từ xỉ thép. Các mẫu gạch sẽ được ngâm trong các dung dịch hóa chất khác nhau để kiểm tra khả năng chống ăn mòn. Kết quả sẽ được phân tích để đưa ra các giải pháp cải thiện độ bền của gạch.

3.1. Phương pháp thí nghiệm ngâm mẫu

Mẫu gạch sẽ được ngâm trong các dung dịch như HCl, NaOH, MgSO4 và NaCl với nồng độ 10%. Thời gian ngâm sẽ được thực hiện trong các khoảng thời gian khác nhau để đánh giá sự thay đổi về khối lượng và cường độ chịu nén của mẫu.

3.2. Phân tích kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm sẽ được phân tích bằng các phương pháp thống kê để xác định mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của gạch. Các chỉ tiêu như cường độ chịu nén và độ thay đổi khối lượng sẽ được ghi nhận và so sánh với các tiêu chuẩn hiện hành.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy gạch không nung từ xỉ thép có khả năng chịu lực tốt và khả năng chống ăn mòn cao trong các môi trường khác nhau. Các mẫu gạch ngâm trong dung dịch MgSO4 cho thấy sự gia tăng cường độ chịu nén, trong khi các mẫu ngâm trong HCl và NaOH có sự suy giảm đáng kể. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của gạch không nung từ xỉ thép trong các công trình xây dựng ven biển và các khu vực có môi trường ăn mòn.

4.1. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén

Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu nén của gạch không nung từ xỉ thép tăng lên khi ngâm trong dung dịch MgSO4. Điều này cho thấy khả năng hấp thụ nước và cải thiện tính chất cơ học của gạch trong môi trường ăn mòn.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong xây dựng

Gạch không nung từ xỉ thép có thể được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, đặc biệt là ở những khu vực ven biển hoặc có môi trường ăn mòn. Việc sử dụng loại gạch này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu về độ bền của gạch không nung từ xỉ thép đã chỉ ra rằng loại gạch này có nhiều ưu điểm vượt trội. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện tính chất của gạch và mở rộng ứng dụng của nó trong ngành xây dựng. Việc phát triển công nghệ sản xuất gạch không nung từ xỉ thép sẽ góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên.

5.1. Tương lai của gạch không nung từ xỉ thép

Gạch không nung từ xỉ thép có tiềm năng lớn trong ngành xây dựng. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và mở rộng thị trường tiêu thụ.

5.2. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Cần thực hiện các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến độ bền của gạch không nung từ xỉ thép. Các nghiên cứu này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng vật liệu xây dựng tại Việt Nam không ngừng tăng nhanh theo tốc độ đô thị hóa và phát triển hạ tầng. Theo các báo cáo thống kê ngành vật liệu, vào năm 2012 cả nước tiêu thụ khoảng 20 đến 22 tỷ viên gạch xây và con số này đã tăng lên mức ước tính 40 tỷ viên vào năm 2020. Tuy nhiên, phương pháp sản xuất gạch đất sét nung truyền thống đang bộc lộ nhiều tác động tiêu cực đến tài nguyên và môi trường. Để sản xuất được 1 vạn viên gạch nung quy cách tiêu chuẩn cần tiêu hao khoảng 1,8 tấn than đá và 3 m3 củi đốt, đồng thời phát thải khối lượng lớn khí nhà kính cùng các chất ô nhiễm như CO, SOx, NOx và bụi mịn PM10, PM2.5. Bên cạnh đó, việc khai thác đất sét nông nghiệp và cát tự nhiên lòng sông đã làm suy thoái nghiêm trọng hệ sinh thái và gây sạt lở bờ sông tại nhiều địa phương.

Trước bối cảnh Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 567/QĐ-TTg và Bộ Xây dựng ban hành Thông tư số 09/2012/TT-BXD nhằm thúc đẩy lộ trình sử dụng vật liệu xây không nung, việc nghiên cứu phát triển các dòng sản phẩm xanh đóng vai trò đặc biệt cấp thiết. Đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng tập trung nghiên cứu xác định độ bền và khả năng chống chịu ăn mòn của gạch không nung chế tạo từ chất kết dính geopolymer tro bay kết hợp cốt liệu xỉ thép thay thế hoàn toàn cát tự nhiên. Mục tiêu cốt lõi là đánh giá sự biến thiên về cường độ chịu nén và khối lượng thể tích của mẫu thử khi ngâm trong 5 môi trường hóa chất ăn mòn gồm dung dịch HCl, H2SO4, NaCl, MgSO4 và NaOH ở cùng nồng độ 10%, với thời gian theo dõi thực nghiệm kéo dài từ 0 đến 140 ngày. Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi mở ra giải pháp tái chế 100% phế phụ phẩm công nghiệp luyện kim và nhiệt điện, nâng cao tuổi thọ kết cấu công trình ven biển và giảm hơn 70% lượng phát thải carbon so với vật liệu xi măng truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết phản ứng geopolymer hóa do Giáo sư Joseph Davidovits khởi xướng từ năm 1970. Bản chất của quá trình này là sự kiềm hóa các vật liệu aluminosilicate giàu SiO2 và Al2O3 dưới tác động của dung dịch hoạt hóa kiềm mạnh, tạo ra chuỗi polymer vô cơ cấu trúc mạng không gian ba chiều Poly-Sialate với công thức tổng quát Mn[-(SiO2)z-AlO2]n.wH2O. Quá trình thủy hóa này không tạo ra canxi hydroxide tự do Ca(OH)2, từ đó loại bỏ căn nguyên gây xốp rỗng và suy thoái cấu trúc thường gặp ở bê tông xi măng Portland.

Song song đó, đề tài vận dụng lý thuyết ăn mòn hóa học vật liệu trong môi trường chất lỏng xâm thực. Cơ chế phá hủy của bê tông thông thường trong môi trường muối sulfate được xác định do phản ứng giữa ion SO4 2- với khoáng C3A tạo thành khoáng thạch cao CaSO4.2H2O làm tăng thể tích chất rắn lên 2,34 lần, sau đó chuyển hóa tiếp thành ettringite làm thể tích giãn nở tới 4,8 lần gây nứt vỡ kết cấu. Ngược lại, chất kết dính geopolymer tro bay loại F kết hợp dung dịch kiềm hoạt hóa natri silicate Na2SiO3 và natri hydroxide NaOH tạo nên ma trận liên kết bền vững, kháng lại sự hòa tan của axit và hạn chế tối đa sự thẩm thấu của ion clo tự do trong môi trường biển.

Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện quá trình đánh giá thực nghiệm, nghiên cứu đã sử dụng nguồn nguyên vật liệu đầu vào gồm tro bay nhiệt điện loại F có hàm lượng mất khi nung nhỏ hơn 5% và xỉ thép hạt từ lò điện hồ quang với hàm lượng CaO chiếm khoảng 40% và SiO2 chiếm từ 30% đến 40%. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 45 tổ mẫu hình trụ kích thước tiêu chuẩn 10x20 cm cùng các viên mẫu gạch không nung được chế tạo theo 3 cấp phối tỷ lệ xỉ thép trên tro bay khác nhau, đồng thời thiết lập các tổ mẫu đối chứng sử dụng xi măng Portland và cát vàng tự nhiên. Phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng nghiêm ngặt nhằm đảm bảo tính đồng nhất về tỷ lệ dung dịch hoạt hóa trên tro bay ở mức 0,40 và tỷ lệ dung dịch Na2SiO3/NaOH cố định bằng 1,0.

Quy trình chế tạo mẫu tuân thủ chế độ dưỡng hộ nhiệt ở nhiệt độ 80 độ C trong 4 giờ sau khi để tĩnh 48 giờ ở nhiệt độ phòng, tiếp tục ổn định tĩnh trong 7 ngày trước khi tiến hành ngâm hóa chất. Phương pháp phân tích thực nghiệm kết hợp quan sát hình thái vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét SEM, kiểm tra độ pH bằng giấy quỳ và chỉ thị màu phenolphtalein, xác định biến thiên khối lượng bằng cân điện tử độ chính xác 0,01 gam và đo cường độ chịu nén phá hoại trên máy nén thủy lực tự động ở các mốc thời gian 0 ngày, 7 ngày, 14 ngày, 42 ngày, 70 ngày, 98 ngày và 140 ngày ngâm mẫu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, gạch không nung geopolymer cốt liệu xỉ thép thể hiện khả năng duy trì và phát triển cường độ chịu nén vượt trội trong môi trường muối và axit sulfate. Sau 98 ngày ngâm trong dung dịch NaCl 10% và MgSO4 10%, cường độ chịu nén của mẫu thử không những không suy giảm mà còn có xu hướng tăng từ 8,5% đến 14,2% so với cường độ ban đầu trước khi ngâm. Ngay cả trong môi trường xâm thực mạnh của axit H2SO4 10%, mẫu vữa xỉ geopolymer vẫn bảo toàn được tính toàn vẹn cấu trúc và phát triển cường độ nén nhẹ nhờ cơ chế liên kết aluminosilicate bền vững.

Thứ hai, nghiên cứu ghi nhận sự suy giảm cơ lý có chọn lọc khi mẫu tiếp xúc với môi trường axit hydrochloric HCl 10% và kiềm mạnh NaOH 10%. Sau 98 ngày ngâm trong dung dịch HCl 10%, cường độ chịu nén của mẫu giảm trung bình từ 12,3% đến 21,8% do sự hòa tan cục bộ của một số cation kim loại trên bề mặt. Đặc biệt, ở mốc 140 ngày, mẫu đối chứng cấp phối vữa xi măng bị phá hủy và biến dạng hoàn toàn, trong khi mẫu geopolymer xỉ thép vẫn giữ được hình khối nguyên vẹn dù có xuất hiện các tinh thể hình kim và hiện tượng bong tróc nhẹ lớp vỏ ngoài.

Thứ ba, sự thay đổi khối lượng của mẫu gạch phản ánh rõ nét cơ chế tương tác hóa lý theo từng môi trường. Trong dung dịch MgSO4 10%, khối lượng mẫu thử tăng liên tục từ 1,2% đến 2,8% xuyên suốt thời gian ngâm 140 ngày do sự hấp thụ dung dịch và hình thành các kết tủa bám chặt trên bề mặt. Ngược lại, trong các dung dịch HCl và H2SO4, khối lượng mẫu thử giảm từ 0,6% đến 3,4% do tác động ăn mòn rửa trôi bề mặt tiếp xúc.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo nên độ bền cao của vữa geopolymer xỉ thép nằm ở mật độ phân bổ hạt tối ưu và tính trơ hóa học của mạng lưới vô định hình Poly-Sialate. Trong khi vữa xi măng truyền thống bị suy giảm cường độ nghiêm trọng do hiện tượng mềm hóa hồ xi măng khi Mg2+ thay thế Canxi trong pha C-S-H để tạo ra magnesium silicate hydrate không có tính dính kết, thì gạch geopolymer không chứa portlandite nên hoàn toàn triệt tiêu nguy cơ này. Xỉ thép dạng hạt với độ nhám bề mặt cao và khối lượng riêng lớn hơn đá bazan từ 20% đến 25% đóng vai trò như bộ khung chịu lực vững chắc, cải thiện đáng kể lực dính bám cơ học tại vùng chuyển tiếp tiếp diện giữa cốt liệu và chất kết dính.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua hệ thống biểu đồ đường biểu diễn động thái phát triển cường độ chịu nén (MPa) theo trục thời gian từ 0 đến 140 ngày, kết hợp cùng bảng ma trận so sánh tỷ lệ phần trăm thay đổi khối lượng giữa các nhóm hóa chất. Các hình ảnh chụp vi cấu trúc SEM và kiểm tra chỉ thị màu phenolphtalein cung cấp bằng chứng rõ ràng về mức độ xâm nhập kiềm và độ sâu xâm thực của các ion clo, minh chứng gạch geopolymer xỉ thép có độ đặc chắc cao gấp 1,5 đến 2 lần so với vữa xi măng cốt liệu cát thông thường.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình sản xuất gạch không nung geopolymer cốt liệu xỉ thép ở quy mô công nghiệp. Các nhà máy sản xuất cần áp dụng nghiêm ngặt tỷ lệ phối trộn hoạt hóa natri silicate trên natri hydroxide ở mức 1,0 cùng chế độ bảo dưỡng nhiệt hằng nhiệt 80 độ C trong tối thiểu 4 giờ nhằm kích hoạt triệt để phản ứng geopolymer hóa, đảm bảo sản phẩm đạt mác cường độ chịu nén tối thiểu từ 15 MPa đến 20 MPa chỉ sau 7 ngày đóng rắn.

Thứ hai, ưu tiên ứng dụng gạch geopolymer xỉ thép vào các dự án công trình hạ tầng ven biển và hệ thống cống xử lý nước thải sinh hoạt, công nghiệp. Ban quản lý các dự án xây dựng hạ tầng thủy lợi và giao thông thủy cần đặt mục tiêu đưa tỷ lệ vật liệu gạch geopolymer xỉ thép đạt tối thiểu 30% tổng khối lượng xây tường chắn, kè biển tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long và ven biển miền Trung trong giai đoạn 2026 đến 2030 để ngăn chặn triệt để hiện tượng xâm thực mặn và ăn mòn phèn chua.

Thứ ba, xây dựng và ban hành bộ Tiêu chuẩn Kỹ thuật Quốc gia TCVN chuyên biệt cho dòng sản phẩm gạch không nung geopolymer sử dụng cốt liệu phế thải công nghiệp. Viện Vật liệu Xây dựng cùng các cơ quan chức năng thuộc Bộ Xây dựng cần sớm hoàn thiện khung pháp lý kỹ thuật, quy định rõ phương pháp thử nghiệm độ bền ăn mòn hóa chất trong vòng 12 đến 24 tháng tới nhằm tạo hành lang pháp lý minh bạch cho doanh nghiệp tiếp cận.

Thứ tư, thúc đẩy mô hình liên kết kinh tế tuần hoàn giữa các nhà máy nhiệt điện đốt than, tổ hợp luyện kim thép và xí nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng. Cần thiết lập chuỗi cung ứng tro bay và xỉ thép EAF đạt chuẩn ASTM C618 tại chỗ, giúp giảm ít nhất 25% chi phí logistics nguyên liệu đầu vào và hạ giá thành sản phẩm gạch không nung xuống mức tương đương hoặc thấp hơn gạch đất sét nung truyền thống.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm nghiên cứu, giảng viên và học viên sau đại học thuộc khối ngành Kỹ thuật Xây dựng, Vật liệu Xây dựng và Kỹ thuật Môi trường: Luận văn cung cấp hệ thống cơ sở lý thuyết toàn diện về động học phản ứng kiềm hoạt hóa, phương pháp thiết kế cấp phối geopolymer tro bay và bộ số liệu thực nghiệm ăn mòn hóa chất kéo dài 140 ngày chuẩn mực để phục vụ phát triển các đề tài nghiên cứu chuyên sâu.

Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và nhà máy gạch không nung: Tài liệu mang lại quy trình công nghệ thực tế giúp chuyển giao kỹ thuật thay thế cát tự nhiên bằng xỉ thép, tối ưu hóa tỷ lệ dung dịch hoạt hóa kiềm và hạ nhiệt độ dưỡng hộ, giúp nâng cao năng suất nhà máy và tạo lợi thế cạnh tranh về dòng sản phẩm xanh chất lượng cao.

Kỹ sư thiết kế, tư vấn giám sát và nhà thầu thi công hạ tầng công trình biển, nhà máy hóa chất và cống thoát nước: Cung cấp giải pháp vật liệu xây bao che và tường ngăn có khả năng kháng sulfate, chống xâm thực ion clo vượt trội, giúp tăng tuổi thọ công trình lên trên 50 năm trong điều kiện môi trường xâm thực khắc nghiệt.

Cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng, tài nguyên và môi trường: Cung cấp các luận cứ khoa học thực tiễn vững chắc hỗ trợ công tác thẩm định chính sách, hoàn thiện các quy chuẩn sử dụng tro xỉ công nghiệp và xây dựng chính sách ưu đãi thuế cho các dự án kinh tế tuần hoàn trong lĩnh vực sản xuất vật liệu xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

Xỉ thép có thể thay thế cát tự nhiên trong sản xuất gạch không nung geopolymer vì lý do gì?

Xỉ thép phát sinh từ quá trình luyện kim ở nhiệt độ trên 1600 độ C có thành phần hóa học chính gồm CaO và SiO2 chiếm tới 80% khối lượng, cấu trúc hạt đặc chắc và khối lượng riêng nặng hơn đá bazan khoảng 20% đến 25%. Khi sử dụng thay thế cát, xỉ thép tạo ra bộ khung chịu lực cơ học tuyệt vời, giảm hiện tượng nứt nẻ co ngót và giúp bảo tồn tài nguyên khoáng sản tự nhiên.

Dung dịch hoạt hóa kiềm đóng vai trò gì trong phản ứng đóng rắn của gạch geopolymer?

Hỗn hợp dung dịch NaOH và Na2SiO3 theo tỷ lệ 1,0 có chức năng phân cắt các liên kết cộng hóa trị Si-O-Si và Al-O-Si trong hạt tro bay, hòa tan các ion Silic và Nhôm vào hệ keo để thúc đẩy phản ứng trùng ngưng tạo cấu trúc mạng Poly-Sialate. Nhờ đó, chất kết dính đạt cường độ cơ học cao trên 20 MPa mà hoàn toàn không cần sự xuất hiện của xi măng.

Vì sao gạch geopolymer xỉ thép lại phát triển cường độ tốt khi ngâm trong dung dịch muối NaCl và MgSO4?

Do cấu trúc geopolymer không chứa canxi hydroxide tự do Ca(OH)2 nên không sinh ra phản ứng tạo thạch cao và ettringite gây trương nở thể tích gấp 4,8 lần như ở xi măng thường. Ngoài ra, sự hấp thụ ion khoáng vào cấu trúc gel trong môi trường muối giúp lấp đầy các vi lỗ rỗng, làm tăng độ đặc chắc và gia tăng cường độ nén từ 8% đến 14% sau 98 ngày ngâm.

Nguyên nhân nào dẫn đến sự suy giảm cường độ của mẫu gạch khi ngâm trong dung dịch axit HCl 10%?

Axit mạnh HCl nồng độ 10% tác động trực tiếp vào các liên kết aluminosilicate trên bề mặt mẫu, gây hòa tan cục bộ các cation kim loại kiềm và bào mòn lớp bề mặt ngoài. Sau 98 đến 140 ngày ngâm, hiện tượng này dẫn đến suy giảm cường độ nén khoảng 12% đến 21% và làm giảm nhẹ khối lượng mẫu do rửa trôi chất rắn.

Công nghệ sản xuất gạch geopolymer cốt liệu xỉ thép có tính khả thi thương mại không?

Hoàn toàn khả thi nhờ tận dụng nguồn phụ phẩm tro bay và xỉ thép dồi dào với giá thành thấp, giúp giảm 20% đến 30% chi phí nguyên liệu so với dùng xi măng và cát tự nhiên. Quy trình sản xuất tương thích hoàn hảo với dây chuyền máy ép rung gạch block không nung sẵn có tại các nhà máy hiện nay mà không đòi hỏi thay đổi kết cấu dây chuyền thiết bị lớn.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích và làm sáng tỏ cơ chế biến thiên cường độ chịu nén và khối lượng của gạch không nung geopolymer xỉ thép trong 5 môi trường ăn mòn hóa chất nồng độ 10% theo các mốc thời gian đến 140 ngày.
• Thiết lập thành công tỷ lệ cấp phối tối ưu giữa xỉ thép và tro bay loại F với tỷ lệ kích hoạt kiềm Na2SiO3/NaOH bằng 1,0, đạt cường độ nén ổn định trên 20 MPa sau chế độ dưỡng hộ nhiệt 80 độ C.
• Chứng minh tính ưu việt vượt bậc của vật liệu geopolymer trong môi trường xâm thực mặn NaCl và sulfate MgSO4 so với vật liệu vữa xi măng truyền thống.
• Đóng góp giải pháp công nghệ tuần hoàn hiệu quả, giải quyết bài toán tiêu thụ hàng triệu tấn tro xỉ nhiệt điện và xỉ thép luyện kim nhằm bảo vệ môi trường và hạn chế khai thác cát lòng sông.
• Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác phục vụ hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế và thi công vật liệu xây không nung trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm ven biển Việt Nam.

Kế hoạch phát triển tiếp theo bao gồm việc triển khai sản xuất thử nghiệm quy mô pilot trong vòng 6 đến 12 tháng tới, kết hợp quan trắc độ bền thực tế tại các công trình đê kè ven biển trong thời gian 24 đến 36 tháng. Quý đơn vị nghiên cứu, doanh nghiệp sản xuất và nhà thầu xây dựng quan tâm đến việc ứng dụng công nghệ gạch không nung geopolymer xỉ thép hãy kết nối ngay với nhóm tác giả để hợp tác chuyển giao công nghệ và đồng hành kiến tạo những công trình xây dựng xanh bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu Ngày nay, song hành với những thành tựu phát triển xã hội hiện đại thì vẫn còn tồn tại rất nhiều bất cập về sự thay đổi môi trường tự nhiên như hiệu ứng nhà kính, sa mạc hóa, ô nhiễm môi trường hay những tác động ngược trở lại từ thiên nhiên như lũ lụt, gió bão, động đất, sóng thần, … Trong những năm qua, nền kinh tế được đẩy mạnh phát triển thông qua chuyển dịch cơ cấu kinh tế theo hướng giảm tỷ trọng nông nghiệp, tăng tỷ trọng công nghiệp, xây dựng và dịch vụ. Kết cấu cơ sở hạ tầng được cải thiện, các hoạt động xây dựng nhiều công trình với quy mô lớn cũng như các công trình nhỏ lẻ của người dân đang diễn ra rất mạnh mẽ, kéo theo đó là nhu cầu về vật liệu xây dựng ngày càng cao, đặc biệt là các loại vật liệu cơ bản như gạch, ngói, cát, sỏi,… Các công trình xây dựng hiện nay vẫn sử dụng bê tông cốt thép làm khung chịu lực chính. Vật liệu gạch được sử dụng để làm kết cấu tường chắn, bao che hay ngăn cách giữa các không gian khác nhau trong công trình. Xuất phát từ nhu cầu thực tế, các hoạt động sản xuất vật liệu xây dựng, đặc biệt là sản xuất gạch ngói đang phát triển rất mạnh mẽ và diễn ra tại rất nhiều địa phương trong toàn quốc.

Theo thống kê năm 2012, với hơn 9.000 xí nghiệp sản xuất gạch ngói thì trung bình cả nước tiêu thụ 20 – 22 tỷ viên gạch một năm. Đến năm 2020, lượng gạch cần thiết cho xây dựng ước tính sẽ gia tăng gấp đôi, khoảng 40 tỷ viên[1]. Điều đáng quan tâm là số cơ sở sản xuất lớn tập trung, có kỹ thuật, được đầu tư trang thiết bị và công nghệ tiên tiến, sản phẩm có chất lượng cao, khả năng cạnh tranh tốt trên thị trường và đặc biệt tiết kiệm nguyên, nhiên liệu, ít gây ô nhiễm môi trường (như lò tuynen) chỉ chiếm từ 25- 30%[2]. Phần còn lại đa số đều là các lò sản xuất gạch, ngói theo phương pháp thủ công, lạc hậu, chất lượng sản phẩm thấp, chỉ dùng than đá và củi để đốt nên có mức độ phát thải gây ô nhiễm môi trường cao.

Lò gạch truyền thống tại Vĩnh Long[3] Hầu hết các cơ sở đều sử dụng nguyên liệu đất được khai thác tại chỗ, các hoạt động đào bới, san lấp diễn ra liên tục qua nhiều năm đã khiến cho bề mặt khu vực trở nên nham nhở, biến dạng, hình thành nên các hố sâu chứa nước, gây sạt lở và ảnh hưởng rất lớn đến chế độ thủy văn của khu vực. Để hình thành nên các lớp đất này phải trải qua hàng trăm năm, thậm chí hàng nghìn năm bồi đắp của các con sông. Tuy nhiên, những hoạt động khai thác đất nguyên liệu hiện nay đã làm biến đổi thành phần, cấu trúc bề mặt đất, dẫn đến diện tích đất sau khi thai thác không thể tiến hành canh tác được hoặc nếu có canh tác thì năng suất cây trồng rất thấp. Tất cả các lò gạch thủ công đều sử dụng nhiên liệu là than đá phối trộn với các vật liệu sẵn có tại địa phương như bùn ao, củi đốt nên có nhiệt lượng thấp, tỷ lệ phối trộn nhiên liệu và không khí trong các lò gạch không được kiểm soát nên hiệu suất cháy không cao, dẫn đến phát sinh nhiều khí thải độc hại như CO, SOx, NOx, các loại bụi có kích thước khác nhau như PM10, PM2,5[2].

Bên cạnh đó, hầu hết các lò gạch đều không có hệ thống thu hồi xử lý khí thải, thậm chí không có cả ống khói để tăng cường khả năng pha loãng khí thải. Hậu quả là không khí khu vực xung quanh rất ngột ngạt, mùi 9 khét khó chịu; các hoạt động bốc dỡ, chuyên trở đất, gạch thành phẩm diễn ra thường xuyên làm phát sinh bụi mù mịt khiến cho bầu không khí khu vực đã khó chịu càng trở nên ngột ngạt hơn. Theo kết quả nghiên cứu tính toán của Viện nghiên cứu KHCN Việt Nam, để sản xuất một vạn viên gạch với kích thước tiêu chuẩn 20×10×5 (cm) cần tiêu thụ khoảng 1,8 tấn than đá, 3 m3 củi; mỗi năm một lò gạch có thể sản xuất khoảng 10 đến 15 vạn viên. Như vậy chỉ ước tính riêng cho một lò gạch trung bình mỗi năm tiêu tốn hết 18 đến 27 tấn than, 30 đến 45 m3 củi[2].

Bên cạnh đó quá trình vận chuyển, phối trộn nhiên liệu cho các lò đốt cũng đòi hỏi tốn nhiều năng lượng và nhân công, dẫn đến chi phí sản xuất và giá thành sản phẩm cao nên khó cạnh trạnh với các sản phẩm cùng loại được sản xuất theo quy mô công nghiệp. Sản xuất gạch, ngói truyền thống ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên[4]. 10 Trước nhu cầu vật liệu xây dựng ngày một tăng cũng như thực trạng hàng loạt các lò gạch thủ công phát triển tự phát gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sản xuất và đời sống của nhân dân, Thủ tướng Chính phủ đã ra quyết định số 115/2001/QĐ-TTg ngày 01/8/2001 yêu cầu tiến tới xoá bỏ việc sản xuất gạch đất sét nung bằng lò thủ công ở ven các khu đô thị trước năm 2005 và các vùng khác vào năm 2010[2]. Việc hạn chế sản xuất gạch nung và thay thế bằng gạch không nung đang là chủ trương lớn của Nhà nước và các bộ, ngành địa phương.

Để triển khai thực hiện Chính phủ đã ban hành Quyết định số 567/QĐ-TTg ngày 28-4-2010, Chỉ thị số 10/CT-TTg ngày 16-4-2012, theo đó Bộ Xây dựng ban hành Thông tư số 09/2012/TT-BXD ngày 28/11/2012 quy định cụ thể việc sử dụng vật liệu xây không nung trong công trình xây dựng với mục tiêu lộ trình đến sau năm 2015 sử dụng 100% vật liệu xây không nung cho các công trình xây dựng được đầu tư bằng nguồn vốn nhà nước[5]. Gạch không nung là loại gạch xây, sau khi được tạo hình sẽ tự đóng rắn và đạt các chỉ tiêu về cơ học như cường độ chịu nén, chịu uốn, độ hút nước. mà không cần nung ở nhiệt độ cao. Độ bền của gạch không nung có thể được gia tăng nhờ lực ép, lực rung lên viên gạch và thành phần kết dính của chúng[6].

Sản phẩm gạch không nung có nhiều chủng loại; có thể sử dụng rộng rãi từ những công trình phụ trợ nhỏ đến các công trình kiến trúc cao tầng, giá thành phù hợp với từng công trình. Có nhiều loại dùng để xây tường, lát nền, kề đê và trang trí. Các loại gạch không nung có mặt trên thị trường: 11 Hình 1. Các loại gạch không nung trên thị trường[7].

- Gạch Papanh: Gạch không nung được sản xuất từ phế thải công nghiệp: xỉ than, vôi bột được sử dụng lâu đời ở nước ta. 12 - Gạch Block: Gạch được hình thành từ đá vụn, cát, xi măng, có cường độ chịu lực cao, có thể xây nhà cao tầng. Ưu điểm nổi trội là cách âm, cách nhiệt tốt, cứng chắc và mang vẻ cổ xưa nên thường được dùng xây tường rào, nhà xưởng, trang trí. Nhược điểm của loại gạch này là nặng, to, khó xây nên chưa được áp dụng rộng rãi trên thị trường.

- Gạch xi măng – cát: Gạch được tạo thành từ cát và xi măng.  Gạch không nung tự nhiên: Từ các biến thể và sản phẩm phong hóa của đá bazan. Loại gạch này chủ yếu sử dụng ở các vùng có nguồn puzolan tự nhiên, hình thức sản xuất tự phát, mang tính chất địa phương, quy mô nhỏ. - Gạch siêu nhẹ Sản suất bằng công nghệ bọt khí.

Thành phành cơ bản: Xi măng, tro bay nhiệt điện, cát mịn, phụ gia tạo bọt. - Gạch bê-tông khí chưng áp ( AAC ) Tên tiếng Anh là Autoclaved Aerated Concrete – gọi tắt là AAC được rất nhiều nước trên thế giới ứng dụng rộng rãi với rất nhiều ưu điểm như thân thiện với môi trường, siêu nhẹ, bền, tiết kiệm năng lượng hóa thạch do không phải nung đốt truyền thống, bảo ôn, chống cháy, cách âm, cách nhiệt, chống thấm rất tốt so với vật liệu đất sét nung. - Gạch bê tông bọt khí (Cellular Lightweight Concrete - CLC) Bê tông bọt khí được phát minh tại châu Âu vào những năm 1960 một công nghệ khá đơn giản và linh động có thể sản xuất bất cứ ở đâu với bất cứ ai với yêu cầu chỉ cần có chất tạo bọt, xi măng, cát, nước là đủ. Do đó nó đã được sử dụng phổ biến khắp thế giới vào rất nhiều ứng dụng khác nhau.

Công nghệ sản xuất bê tông bọt khác biệt đáng kể so với công nghệ sản xuất bê tông khí AAC. 13 Ưu điểm của gạch không nung : - Không dùng nguyên liệu đất sét để sản xuất vì đất sét chủ yếu khai thác từ đất nông nghiệp. Do vậy sẽ làm giảm diện tích đất trồng. - Không dùng nhiên liệu như than, củi để đốt, tiết kiệm nhiên liệu năng lượng và không thải khói bụi gây ô nhiễm môi trường.

- Sản phẩm có tính chịu lực cao, cách âm, cách nhiệt, phòng hoả, chống thấm, chống nước, kích thước chuẩn xác, quy cách chuẩn xác hơn vật liệu nung. - Tạo ra đa dạng loại hình sản phẩm, nhiều màu sắc khác nhau, kích thước khác nhau, thích ứng đa dạng trong xây dựng, nâng cao hiệu quả kiến trúc. - Cơ sở sản xuất có thể phát triển theo nhiều quy mô khác nhau, không bị khống chế nhiều về mặt bằng sản xuất, đầu tư thấp hơn vật liệu nung… - Mang lại hiệu quả cao và phù hợp với các TCVN do bộ xây dựng công bố. Ngoài những lợi thế vốn có thì gạch không nung hiện đang được nghiên cứu về độ bền trong các môi trường ăn mòn như axit hay muối, … Từ đó có thể ứng dụng để ngăn chặn và bảo vệ công trình trước sự xâm thực của nước mặn và sự ăn mòn của các dòng nước thải sinh hoạt, công – nông nghiệp.

Qua đó có thể thấy gạch không nung đang dần khẳng định tính ứng dụng cao trong ngành Xây dựng hiện nay. Sự xâm thực của nước mặn và tác động ăn mòn từ nước thải ở các cống[8-9]. Hiện nay, gạch không nung đã và đang khẳng định chỗ đứng vững chắc trong các công trình, nó đang dần trở nên phổ biến hơn và được ưu tiên phát triển. Có rất nhiều 14 công trình sử dụng gạch không nung, từ công trình nhỏ lẻ, phụ trợ cho đến các công trình dân dụng, đình chùa, nhà hàng, sân golf, khu nghỉ dưỡng, cao ốc,.

Bên cạnh đó, nhược điểm của các loại gạch không nung thông thường là khả năng chịu lực chưa cao và chịu mài mòn kém. Các loại gạch không nung thông thường sử dụng cát là cốt liệu chính. Cát là nguồn vật liệu tự nhiên không thể tái tạo được.