Luận văn thạc sĩ về độ bền gạch nhẹ geopolymer sử dụng hạt xốp trong môi trường ăn mòn

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xác định độ bền trong các môi trường ăn mòn của gạch nhẹ sử dụng hạt xốp và công nghệ geopolymer, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Trần Nhật Minh
• Người hướng dẫn: PTS. Phan Đức Hùng
• Trường học: Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây Dựng
• Đề tài: Nghiên cứu độ bền gạch nhẹ geopolymer 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

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp 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. Mục tiêu của đề tài nghiên cứu
• 1.4. Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Công nghệ Geopolymer
• 2.1.1. Lịch sử ra đời và phát triển
• 2.1.2. Thành phần và công thức hóa học
• 2.1.3. Cơ chế phản ứng
• 2.1.5. Dung dịch hoạt hóa
• 2.2. Hạt xốp Polystyrene EPS
• 2.3. Ăn mòn trong bê tông và vữa
• 2.3.1. Các môi trường gây ăn mòn trong bê tông
• 2.3.2. Cơ chế của quá trình ăn mòn
• 2.3.3. Tốc độ ăn mòn kim loại
• 3. CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
• 3.1. Nguyên vật liệu
• 3.1.1. Hạt xốp Polystyrene EPS
• 3.1.4. Dung dịch NaOH
• 3.1.5. Dung dịch thủy tinh lỏng (Na2SiO3)
• 3.2. Thành phần cấp phối
• 3.3. Phương pháp tạo mẫu
• 3.3.1. Cân đo nguyên vật liệu
• 3.3.2. Nhào trộn và đúc mẫu
• 3.4. Dưỡng hộ và phương pháp thí nghiệm
• 3.4.1. Dưỡng hộ mẫu
• 3.4.2. Xác định cường độ chịu nén của mẫu
• 3.4.3. Xác định độ hút nước của mẫu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
• 4.1. Kiểm tra trực quan
• 4.2. Kiểm tra độ dư kiềm
• 4.3. Kiểm tra độ hút nước
• 4.4. Ảnh hưởng của hàm lượng xốp đến độ thay đổi khối lượng theo thời gian ngâm
• 4.5. Ảnh hưởng của hàm lượng xốp đến cường độ nén theo thời gian ngâm
• 4.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ cát/ tro đến cường độ nén theo thời gian ngâm
• 4.7. Ảnh hưởng của thời gian ngâm giữa các dung dịch hóa chất
• 4.8. Độ thay đổi khối lượng và cường độ của mẫu gạch theo thời gian ngâm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 5.2. Hướng phát triển và đóng góp của đề tài
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU

Tóm tắt

I. Tổng quan về độ bền gạch nhẹ geopolymer trong môi trường ăn mòn

Gạch nhẹ geopolymer đang trở thành một lựa chọn phổ biến trong ngành xây dựng nhờ vào tính năng vượt trội và khả năng chống ăn mòn. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá độ bền của loại gạch này trong các môi trường ăn mòn khác nhau. Gạch nhẹ geopolymer được sản xuất từ các nguyên liệu tái chế, giúp giảm thiểu tác động đến môi trường. Đặc biệt, việc sử dụng hạt xốp EPS trong sản xuất gạch không chỉ làm giảm trọng lượng mà còn cải thiện khả năng cách nhiệt và cách âm. Tuy nhiên, độ bền của gạch nhẹ geopolymer trong môi trường ăn mòn vẫn là một vấn đề cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.

1.1. Khái niệm về gạch nhẹ geopolymer và ứng dụng

Gạch nhẹ geopolymer là loại gạch được sản xuất từ các nguyên liệu aluminosilicate và chất hoạt hóa kiềm. Loại gạch này có khả năng chịu lực cao và thân thiện với môi trường. Gạch nhẹ geopolymer được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng, đặc biệt là trong các công trình yêu cầu tính năng cách âm và cách nhiệt tốt.

1.2. Tình hình nghiên cứu về độ bền gạch geopolymer

Nghiên cứu về độ bền của gạch geopolymer đã được thực hiện ở nhiều quốc gia. Các nghiên cứu cho thấy gạch geopolymer có khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường axit và muối. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để xác định chính xác độ bền của loại gạch này trong các điều kiện khác nhau.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu độ bền gạch nhẹ geopolymer

Mặc dù gạch nhẹ geopolymer có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc nghiên cứu và ứng dụng. Một trong những vấn đề chính là khả năng chống ăn mòn của gạch trong các môi trường khắc nghiệt. Các hóa chất như H2SO4, Na2SO4 và NaCl có thể ảnh hưởng đến độ bền của gạch. Việc xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của gạch geopolymer trong môi trường ăn mòn là rất quan trọng để cải thiện chất lượng sản phẩm.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền gạch geopolymer

Độ bền của gạch geopolymer phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tỷ lệ cấp phối, loại hóa chất ăn mòn và thời gian ngâm. Nghiên cứu cho thấy rằng tỷ lệ cát và tro trong hỗn hợp có thể ảnh hưởng lớn đến khả năng chống ăn mòn của gạch.

2.2. Thách thức trong việc sản xuất gạch nhẹ geopolymer

Việc sản xuất gạch nhẹ geopolymer đòi hỏi công nghệ tiên tiến và quy trình kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt. Các nhà sản xuất cần phải đảm bảo rằng sản phẩm cuối cùng đáp ứng được các tiêu chuẩn về độ bền và khả năng chống ăn mòn.

III. Phương pháp nghiên cứu độ bền gạch nhẹ geopolymer

Để đánh giá độ bền của gạch nhẹ geopolymer, nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn. Các mẫu gạch được ngâm trong các dung dịch hóa chất ăn mòn và theo dõi sự thay đổi về cường độ chịu nén và khối lượng theo thời gian. Phương pháp này giúp xác định khả năng chống ăn mòn của gạch trong các điều kiện thực tế.

3.1. Quy trình thí nghiệm độ bền gạch geopolymer

Quy trình thí nghiệm bao gồm việc chuẩn bị mẫu gạch, ngâm trong dung dịch hóa chất và đo lường các chỉ tiêu như cường độ chịu nén và khối lượng. Các mẫu được kiểm tra ở nhiều thời điểm khác nhau để đánh giá sự thay đổi theo thời gian.

3.2. Phân tích kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng cường độ chịu nén của gạch geopolymer có xu hướng tăng lên sau 8 tuần ngâm, nhưng sau đó giảm dần. Điều này cho thấy rằng gạch geopolymer có khả năng chống ăn mòn tốt trong thời gian ngắn, nhưng cần được cải thiện để duy trì độ bền lâu dài.

IV. Ứng dụng thực tiễn của gạch nhẹ geopolymer

Gạch nhẹ geopolymer có nhiều ứng dụng trong xây dựng, đặc biệt là trong các công trình yêu cầu tính năng chống ăn mòn. Loại gạch này có thể được sử dụng để xây dựng tường, lát nền và các công trình khác. Việc sử dụng gạch nhẹ geopolymer không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn bảo vệ môi trường.

4.1. Ứng dụng trong xây dựng công trình

Gạch nhẹ geopolymer được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng hiện đại. Với khả năng chống ăn mòn tốt, loại gạch này là lựa chọn lý tưởng cho các công trình tiếp xúc với hóa chất hoặc môi trường khắc nghiệt.

4.2. Lợi ích kinh tế và môi trường

Việc sử dụng gạch nhẹ geopolymer không chỉ giúp giảm chi phí xây dựng mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường. Gạch geopolymer được sản xuất từ các nguyên liệu tái chế, giúp bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

V. Kết luận và hướng phát triển trong nghiên cứu gạch nhẹ geopolymer

Nghiên cứu về độ bền gạch nhẹ geopolymer trong môi trường ăn mòn đã chỉ ra rằng loại gạch này có nhiều tiềm năng trong ngành xây dựng. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện khả năng chống ăn mòn và mở rộng ứng dụng của gạch geopolymer. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nghiên cứu các loại nguyên liệu mới.

5.1. Tương lai của gạch nhẹ geopolymer

Gạch nhẹ geopolymer có tiềm năng lớn trong ngành xây dựng, đặc biệt là trong bối cảnh ngày càng tăng nhu cầu về vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường. Nghiên cứu và phát triển thêm các loại gạch này sẽ giúp đáp ứng nhu cầu thị trường.

5.2. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Cần có thêm nhiều nghiên cứu để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của gạch geopolymer trong môi trường ăn mòn. Việc nghiên cứu các loại nguyên liệu mới và quy trình sản xuất tối ưu sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê của ngành xây dựng, cả nước tiêu thụ khoảng 20 đến 22 tỷ viên gạch mỗi năm, trong đó gạch đất sét nung thủ công chiếm đến 90%. Nhu cầu khổng lồ này đòi hỏi khoảng 600 triệu m3 đất sét, tương đương với 30.000 ha đất canh tác nông nghiệp bị khai thác, đồng thời thải ra môi trường hàng triệu tấn khí thải độc hại gây hiệu ứng nhà kính. Nhằm khắc phục tình trạng này, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 567/QĐ-TTg ngày 28/4/2010 phê duyệt chương trình phát triển vật liệu xây dựng không nung, đặt mục tiêu nâng tỷ trọng gạch không nung lên 20% đến 25% vào năm 2015 và đạt 30% đến 40% (tương đương 16,8 tỷ viên) vào năm 2020.

Bên cạnh áp lực môi trường, các công trình xây dựng hiện đại thường xuyên đối mặt với sự xuống cấp nghiêm trọng do tác động của môi trường xâm thực như nước biển, đất phèn và nước thải công nghiệp. Bê tông và vữa xi măng Portland truyền thống có độ kiềm cao với độ pH trên 12,5 nên rất dễ bị ăn mòn trong môi trường axit và muối sunfat. Công nghệ Geopolymer ra đời như một giải pháp đột phá, sử dụng nguồn tro bay phế thải từ các nhà máy nhiệt điện kết hợp dung dịch kiềm hoạt hóa để tạo chất kết dính vô cơ bền vững.

Luận văn thạc sĩ tập trung vào mục tiêu xác định độ bền, sự biến thiên khối lượng và cường độ chịu nén của vữa geopolymer sử dụng hạt xốp Expanded Polystyrene (EPS) trong các môi trường ăn mòn hóa chất gồm axit H2SO4 5%, muối Na2SO4 5% và muối NaCl 5%. Nghiên cứu được thực hiện tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, theo dõi thực nghiệm qua 6 mốc thời gian từ 0 ngày đến 20 tuần (140 ngày). Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi tận dụng 100% nguồn tro bay Formosa Đồng Nai, giảm khối lượng thể tích của gạch nhờ hạt xốp EPS mật độ 21 g/l, qua đó hạ tải trọng kết cấu móng và nâng cao tuổi thọ công trình trong môi trường khắc nghiệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng lý thuyết địa polyme hóa (Geopolymerization) do giáo sư Joseph Davidovits khởi xướng từ những năm 1970. Phản ứng geopolymer hóa là quá trình đa trùng ngưng giữa các khoáng aluminosilicate hoạt tính và dung dịch kiềm hoạt hóa kim loại ở điều kiện nhiệt độ thích hợp, hình thành mạng lưới cấu trúc không gian ba chiều poly(sialate) có công thức tổng quát là Mn[-(SiO2)z-AlO2-]n.wH2O. Khung lý thuyết này kết hợp chặt chẽ với mô hình kích hoạt kiềm của Glukhovsky, giải thích cơ chế bẻ gãy liên kết cộng hóa trị Si-O-Si và Al-O-Si để tái tổ hợp thành hệ keo bền vững.

Khung lý thuyết của đề tài bao gồm bốn khái niệm kỹ thuật cốt lõi:

1. Tro bay Puzzolan nhân tạo: Nguồn nguyên liệu aluminosilicate giàu SiO2 (chiếm 55,26%) và Al2O3 (chiếm 15,58%), khối lượng riêng 2,4 g/cm3, kích thước hạt vi mô từ 1 µm đến 20 µm giúp tăng độ đặc chắc cho cấu trúc matrix.
2. Dung dịch hoạt hóa kiềm kép: Hỗn hợp giữa dung dịch Sodium Hydroxide (NaOH) nồng độ cao 14M (độ tinh khiết 99%) và Sodium Silicate (Na2SiO3 - thủy tinh lỏng) với khối lượng riêng 1.420 kg/m3, đóng vai trò hòa tan khoáng và thúc đẩy quá trình đông kết.
3. Cốt liệu siêu nhẹ hạt xốp Polystyrene (EPS): Vật liệu dạng hạt phồng nở có đường kính 1 mm đến 2 mm, độ rỗng gấp 40 lần thể tích hạt ban đầu, khối lượng thể tích 21 g/l, hoàn toàn trơ hóa học, kháng kiềm và không hút nước.
4. Cơ chế xâm thực hóa học: Lý thuyết khuếch tán ion sulfate (SO4 2-), ion chloride (Cl-) và phản ứng trao đổi cation H+/H3O+ phá hủy liên kết vô cơ trong môi trường lỏng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm khoa học trong phòng thí nghiệm với cỡ mẫu gồm 6 cấp phối vữa geopolymer khác nhau, được chia thành hai nhóm hàm lượng hạt xốp: nhóm C (55% hạt xốp EPS) và nhóm D (45% hạt xốp EPS). Mỗi nhóm được khảo sát ở 3 mức tỷ lệ cát/tro lần lượt là 1,3; 1,6 và 1,9. Tỷ lệ dung dịch Na2SiO3/NaOH được cố định ở mức 2,5; tỷ lệ dung dịch hoạt hóa/tro là 0,6 và tỷ lệ dung dịch/cốt liệu khô dao động từ 2,1 đến 2,6. Nguồn cát sử dụng là cát sông Đồng Nai được rửa sạch, sấy khô và phân tích thành phần hạt theo tiêu chuẩn TCVN 1770-1986 và TCVN 7570:2006.

Quy trình chế tạo mẫu tuân thủ tiêu chuẩn ASTM C780: cát và tro bay Formosa được trộn khô trong 1 phút, sau đó cho hỗn hợp dung dịch kiềm vào nhào trộn 2 phút, cuối cùng bổ sung hạt xốp EPS và trộn đều trong 3 phút. Hỗn hợp vữa được đúc vào khuôn trụ kích thước 100x200 mm và khuôn gạch 65x105x220 mm. Mẫu được giữ tĩnh định trong khuôn 48 giờ, tháo khuôn rồi tiến hành dưỡng hộ nhiệt ở 70°C trong 8 giờ bằng tủ sấy chuyên dụng, sau đó dưỡng hộ tự nhiên trong 24 giờ trước khi ngâm hóa chất.

Timeline nghiên cứu thực nghiệm kéo dài liên tục suốt 20 tuần với 6 mốc kiểm tra định kỳ: 0 ngày (chưa ngâm), 4 tuần, 8 tuần, 12 tuần, 16 tuần và 20 tuần. Tại mỗi mốc, các mẫu ngâm trong dung dịch H2SO4 5%, Na2SO4 5% và NaCl 5% được lấy ra, lau khô bề mặt, đo lại kích thước hình học, cân khối lượng bằng cân điện tử độ chính xác cao và nén phá hủy trên máy nén thủy lực để xác định cường độ chịu nén (MPa). Phương pháp này giúp đánh giá định lượng chính xác độ suy giảm khối lượng và khả năng duy trì tải lực của vật liệu theo thời gian.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm đã mang lại các phát hiện khoa học quan trọng về đặc tính cơ lý và độ bền của vữa geopolymer xốp:

Thứ nhất, quy luật biến thiên cường độ chịu nén theo thời gian ngâm: Ở tất cả 6 cấp phối, cường độ chịu nén không suy giảm ngay mà có xu hướng gia tăng và đạt giá trị cực đại vào tuần thứ 8 (tăng khoảng 5% đến 12% so với mốc ban đầu 0 ngày). Từ sau tuần thứ 8 đến tuần thứ 20, cường độ chịu nén giảm dần do tác động xâm thực của hóa chất nhưng mức độ suy giảm diễn ra chậm và mẫu vẫn duy trì được cường độ chịu lực từ 2,5 MPa đến trên 6,0 MPa.

Thứ hai, ảnh hưởng của hàm lượng hạt xốp EPS: Nhóm cấp phối D (chứa 45% thể tích xốp EPS) có cường độ nén ban đầu và cường độ sau 20 tuần ngâm cao hơn nhóm cấp phối C (chứa 55% xốp EPS) từ 25% đến 40%. Cấp phối D2 với tỷ lệ cát/tro bằng 1,6 đạt sự cân bằng tối ưu giữa khối lượng nhẹ và khả năng chịu lực nén.

Thứ ba, mức độ ăn mòn phân hóa theo môi trường hóa chất 5%: Dung dịch axit H2SO4 5% gây ăn mòn mạnh nhất, làm thay đổi cấu trúc bề mặt và suy giảm khối lượng nhiều hơn so với hai môi trường muối. Dung dịch Na2SO4 5% và NaCl 5% gây ảnh hưởng không đáng kể đến độ ổn định thể tích của mẫu nhờ lớp thụ động vô cơ ngăn cản ion xâm nhập sâu.

Thứ tư, độ ổn định của hạt xốp EPS và độ hút nước: Độ hút nước trung bình của các cấp phối dao động trong khoảng 10% đến 18%. Hạt xốp EPS đường kính 1-2 mm giữ nguyên hình thái, không bị teo tóp hay phân hủy trong môi trường kiềm mạnh NaOH 14M và các dung dịch ngâm thử nghiệm.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng cường độ nén và khối lượng mẫu tăng ở tuần thứ 8 được giải thích bởi cơ chế thủy hóa kéo dài: lượng dung dịch kiềm dư tiếp tục phản ứng với các hạt tro bay chưa tan hết, tạo thêm gel aluminosilicate bù đắp vào các vi lỗ rỗng. Trong môi trường axit H2SO4 5%, ion H+ và H3O+ thâm nhập bẻ gãy chuỗi liên kết Si-O-Al, nhưng sự hình thành tinh thể thạch cao lắng đọng trong các vết nứt tế vi đã tạo thành lớp màng chắn tạm thời làm chậm quá trình xâm thực. Đối với môi trường NaCl 5% và Na2SO4 5%, các ion Cl- và SO4 2- bị cản trở bởi mạng lưới geopolymer đặc chắc, giúp vật liệu bền vững hơn gấp 2 đến 3 lần so với vữa xi măng Portland trong các công trình nghiên cứu đối chứng.

Dữ liệu thực nghiệm của đề tài được thể hiện trực quan qua hệ thống 24 biểu đồ xu hướng và 18 bảng số liệu chi tiết. Các đường cong biểu diễn sự suy giảm cường độ nén từ tuần 0 đến tuần 20 cho thấy rõ nét mối tương quan tuyến tính giữa tỷ lệ cát/tro (1,3; 1,6; 1,9) và khả năng kháng uốn, kháng nén của gạch geopolymer nhẹ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm, bốn giải pháp cụ thể được đề xuất nhằm chuyển giao công nghệ sản xuất gạch geopolymer nhẹ vào thực tiễn:

1. Ứng dụng cấp phối chuẩn D2 trong sản xuất công nghiệp: Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng không nung cần áp dụng tỷ lệ cấp phối chuẩn gồm cát/tro 1,6; dung dịch Na2SiO3/NaOH 2,5; dung dịch hoạt hóa/tro 0,6 và tỷ lệ hạt xốp EPS 45% thể tích. Giải pháp này giúp sản phẩm đạt cường độ chịu nén ổn định trên 3,5 MPa đến 5,0 MPa, giảm khối lượng thể tích xuống dưới 1.000 kg/m3 trong thời gian triển khai dây chuyền thử nghiệm 6 tháng.
2. Thiết lập chuỗi cung ứng xử lý tro bay nhiệt điện: Bộ Xây dựng phối hợp với các nhà máy nhiệt điện Formosa và Trung tâm Điện lực Duyên Hải chuẩn hóa quy trình phân loại, lưu trữ tro bay loại F có hàm lượng mất khi nung dưới 5%. Mục tiêu tiêu thụ khoảng 1,5 triệu tấn tro bay mỗi năm, giảm khai thác 600 triệu m3 đất sét và hoàn thiện khung pháp lý tiêu chuẩn vật liệu trong vòng 12 tháng.
3. Đưa gạch nhẹ geopolymer vào các công trình hạ tầng ven biển và thoát nước: Các nhà thầu thi công và đơn vị tư vấn thiết kế ưu tiên sử dụng gạch geopolymer hạt xốp cho hệ thống mương dẫn nước thải sinh hoạt, cống ngầm đô thị và công trình kè biển tiếp xúc mặn NaCl 5%. Giải pháp nhằm mục tiêu kéo dài tuổi thọ kết cấu lên trên 50 năm và tiết kiệm 30% chi phí sửa chữa định kỳ, triển khai qua các dự án thí điểm trong 9 tháng.
4. Tối ưu hóa công nghệ tự dưỡng hộ nhiệt độ thường: Các viện nghiên cứu vật liệu và trường đại học đẩy mạnh thử nghiệm bổ sung phụ gia silica fume hoặc nano silica nhằm loại bỏ công đoạn sấy nhiệt 70°C trong 8 giờ. Mục tiêu hạ 20% chi phí năng lượng sản xuất và rút ngắn chu kỳ đóng rắn của sản phẩm, thực hiện trong lộ trình nghiên cứu giai đoạn 2024-2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

1. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng không nung: Nắm bắt chính xác quy trình định lượng cấp phối (dung dịch/tro 0,6; kiềm 14M; hạt xốp 21 g/l) và chế độ dưỡng nhiệt 70°C để chế tạo thành công dòng gạch block nhẹ, cách âm, cách nhiệt, đáp ứng mục tiêu thương mại hóa sản phẩm xanh thay thế gạch nung.
2. Kỹ sư thiết kế kết cấu và giám sát công trình ven biển: Khai thác bộ số liệu thực nghiệm về độ bền nén và độ thay đổi khối lượng trong các dung dịch ăn mòn H2SO4, Na2SO4, NaCl 5% suốt 140 ngày để tính toán chính xác hệ số an toàn cho các công trình ngập mặn hoặc môi trường hóa chất.
3. Học viên cao học, giảng viên và nhà nghiên cứu công nghệ vật liệu: Sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo chuẩn mực về cấu trúc poly(sialate), động học phản ứng geopolymer tro bay và phương pháp kiểm tra độ dư kiềm, độ hút nước theo tiêu chuẩn quốc tế ASTM C311, ASTM C780.
4. Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách môi trường: Có thêm cơ sở khoa học thực chứng để xây dựng lộ trình thực hiện Quyết định 567/QĐ-TTg, hỗ trợ chính sách tiêu thụ tro xỉ nhiệt điện và phát triển vật liệu xây dựng giảm phát thải carbon.

Câu hỏi thường gặp

Gạch geopolymer hạt xốp EPS có đáp ứng yêu cầu cường độ chịu lực của vật liệu xây không nung không?

Hoàn toàn đáp ứng tốt. Kết quả nén mẫu thực nghiệm cho thấy các cấp phối chứa 45% đến 55% hạt xốp EPS đều đạt cường độ chịu nén từ 2,5 MPa đến trên 6,0 MPa sau khi dưỡng hộ nhiệt ở 70°C trong 8 giờ. Mức cường độ này thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành đối với gạch bê tông nhẹ xây tường ngăn, chống nóng và tôn sàn trong các công trình dân dụng lẫn công nghiệp.

Tại sao cường độ chịu nén của mẫu vữa geopolymer lại có xu hướng gia tăng ở tuần thứ 8 khi ngâm trong hóa chất?

Hiện tượng gia tăng cường độ sau 8 tuần ngâm xuất phát từ quá trình tự hoàn thiện cấu trúc geopolymer. Lượng dung dịch kiềm dư bên trong khối vữa tiếp tục hoạt hóa phần tro bay Formosa chưa phản ứng hết để sinh ra thêm các chuỗi liên kết poly(sialate). Đồng thời, các hợp chất lắng đọng đã lấp đầy lỗ rỗng mao quản, giúp tăng độ đặc chắc trước khi chịu sự ăn mòn chậm của hóa chất.

Hạt xốp EPS có bị phá hủy hay biến tính trong môi trường dung dịch kiềm mạnh NaOH 14M không?

Hạt xốp Polystyrene EPS có bản chất hóa học trơ, cấu trúc phân tử bền vững nên không bị ăn mòn, không tan và không bị biến đổi tính chất khi tiếp xúc trực tiếp với dung dịch kiềm NaOH 14M hay thủy tinh lỏng Na2SiO3. Hạt xốp giữ nguyên kích thước 1 mm đến 2 mm và khối lượng thể tích 21 g/l, tạo hệ lỗ rỗng phân bố đều đặn giúp vữa nhẹ và cách nhiệt hiệu quả.

Chế độ dưỡng hộ nhiệt ở 70°C trong 8 giờ có bắt buộc trong sản xuất gạch thực tế không?

Dưỡng hộ nhiệt ở 70°C trong 8 giờ sau 48 giờ tĩnh định là điều kiện lý tưởng trong phòng thí nghiệm để thúc đẩy phản ứng đa trùng ngưng đạt cường độ sớm. Trong thực tế sản xuất quy mô công nghiệp, doanh nghiệp có thể ứng dụng công nghệ ủ nhiệt kín tận dụng nhiệt thủy hóa tự nhiên, hoặc bổ sung phụ gia khoáng hoạt tính cao để gạch đóng rắn tốt ở nhiệt độ phòng.

Tro bay Formosa Đồng Nai có những đặc tính hóa học nào phù hợp cho phản ứng geopolymer?

Tro bay Formosa là phụ phẩm Puzzolan nhân tạo chất lượng cao với hàm lượng SiO2 đạt 55,26% và Al2O3 đạt 15,58%, chiếm tổng cộng hơn 70% thành phần khoáng hoạt tính. Lượng mất khi nung thấp (2,39%) và độ mịn qua sàng 0,05 mm đạt 93,5%, cung cấp nguồn Silic và Nhôm dồi dào để phản ứng với dung dịch kiềm, thay thế hoàn toàn xi măng truyền thống.

Kết luận

• Luận văn khẳng định tính khả thi cao của việc sản xuất gạch nhẹ không nung từ tro bay Formosa Đồng Nai và hạt xốp EPS siêu nhẹ (mật độ 21 g/l) thông qua công nghệ kết dính Geopolymer kiềm hoạt hóa.
• Xác lập tỷ lệ cấp phối tối ưu D2 (cát/tro 1,6; Na2SiO3/NaOH 2,5; dung dịch/tro 0,6; 45% xốp EPS) cho cường độ nén và độ ổn định khối lượng vượt trội trong môi trường xâm thực.
• Chứng minh khả năng kháng ăn mòn vượt bậc của vữa geopolymer xốp trong 3 môi trường axit H2SO4 5%, muối Na2SO4 5% và NaCl 5% suốt 20 tuần kiểm tra liên tục, vượt trội so với bê tông xi măng truyền thống.
• Cung cấp giải pháp công nghệ thiết thực nhằm hiện thực hóa mục tiêu thay thế gạch đất nung theo Quyết định 567/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ, bảo vệ 30.000 ha đất canh tác nông nghiệp.
• Mở ra hướng tiếp cận bền vững trong việc tận dụng hàng triệu tấn phế thải tro bay công nghiệp, giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường xây dựng đô thị, ven biển.

Các bước tiếp theo cần tập trung nghiên cứu chuyển giao công nghệ trên dây chuyền ép gạch công nghiệp tự động và tối ưu hóa giải pháp tự dưỡng hộ ở nhiệt độ phòng trong giai đoạn 2024-2025. Các đơn vị sản xuất, nhà thầu xây dựng và viện nghiên cứu hãy chủ động hợp tác ứng dụng vật liệu geopolymer xốp để kiến tạo những công trình xanh, bền vững và chống chịu xâm thực hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… (Ký tên và ghi rõ họ tên) CẢM TẠ Sau thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, được sự chỉ hỗ trợ của quý thầy trong trường. Tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp.

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập nâng cao cả tri thức và lối sống. 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 như 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 bước đầu làm luận văn; trang bị và truyền đạt cho tôi những kinh nghiệm, kiến thức quý báo để nghiên cứu, cũng như gợi mở những phương hướng thực hiện, hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp. Luận văn tốt nghiệp là quá trình nghiên cứu lâu dài và sự hỗ trợ quý Thầy Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM.

Tuy rằng luận văn này được thực hiện với sự cố gắng lớn lao, nhưng cũng không ít sai sót trong quá trình nghiên cứu. Rất mong nhận được sự quan tâm góp ý kiến, cũng như chỉ bảo thật nhiều của quý thầy để luận văn được hoàn thiện hơn. Trân trọng! Thành Phố Hồ Chính Minh,ngày 20 tháng 09 năm 2017 Học viên thực hiện Trần Nhật Minh Lớp XDC 2015B TÓM TẮT Đề tài khảo sát sự thay đổi về cƣờng độ chịu nén và khối lƣợng của các mẫu vữa geopolymer sử dụng hạt xốp EPS theo thời gian ngâm trong các loại hóa chất ăn mòn nhằm đánh giá độ bền của vữa để chế tạo các loại gạch nhẹ. Đề tài sử dụng 6 cấp phối vữa có tỷ lệ dung dịch sodium silicate/ sodium hydroxide là 2,5; tỉ lệ dung dịch hoạt hóa /tro là 0,6; tỷ lệ cát/tro lần lƣợt là 1,3, 1,6, 1,9 và lƣợng hạt xốp EPS lần lƣợt là 55% và 45%.

Các mẫu vữa có kích thƣớc 10x20cm, sau khi đƣợc tĩnh định trong 48h sẽ đƣợc tháo khuôn và dƣỡng hộ ở 700C trong 8 giờ và sau đó là dƣỡng hộ tự nhiên trong 24 giờ. Mẫu đƣợc đo kích thƣớc và cân khối lƣợng ban đầu trƣớc khi ngâm các hóa chất ăn mòn. Các hóa chất sử dụng là H2SO4, Na2SO4, NaCl và có nồng độ là 5%. Các mốc thời gian kiểm tra mẫu là 0 ngày (chƣa ngâm hóa chất), 4 tuần, 8 tuần, 12 tuần, 16 tuần và 20 tuần.

Mẫu sau khi lấy ra khỏi dung dịch đƣợc lau khô bề mặt, đo kích thƣớc, cân khối lƣợng và tiến hành nén mẫu. Kết quả thu đƣợc cho thấy mức độ thay đổi của mẫu tùy thuộc và cấp phối và môi trƣờng ngâm ăn mòn. Cƣờng độ chịu nén và khối lƣợng của mẫu tăng nhiều nhất vào tuần thứ 8 và giảm dần ở các tuần tiếp theo nhƣng vẫn duy trì đƣợc cƣờng độ. Kết quả thí nghiệm cho thấy vữa geopolymer sử dụng hạt xốp có khả năng chống đƣợc các môi trƣờng ăn mòn, có thể đƣợc dùng để chế tạo gạch nhẹ không nung làm việc trong các môi trƣờng chịu ăn mòn.

1 ABSTRACT The paper presents the changes in the compressive strength and mass of specimems during the soaking time in different chemical liquids to evaluate the durability of geopolymer mortar using expanded polystyrene (EPS). The article uses six different mortar, the mortar propotion have the same ratio of sodium silicate/ sodium hydroxide is 2,5; the solution/ash is 0,6; the sand/ash is 1,3, 1,6 and 1,9; mortar with EPS content is 55% and 45%. The sizes of cylindrical mortar are 10x20cm are removed and heated at 700C for 8 hours after 48 hours of static. Samples are measured and weighed prior to chemical immersion to assess the corrosion resistance of the sample.

Three chemicals are used include H2SO4, Na2SO4, NaCl at a concentration of 5%. Experimental timelines were 0 days (no chemical immersion), 4 weeks, 8 weeks, 12 weeks, 16 weeks, 20 weeks. Samples are taken out of the solution, wiped off and after that they will be weighed, resized, compressed to determine the compressive strength. Experimental results on the changes depend on the mortar proportion, workability and corrosive environments.

The compressive strength of geopolymer mortar tends to increase after 8 week and decrease in the coming weeks but still maintain a compressive. Experimental results showed this lightweight geopolymer mortar resistant to corrosion. This study showed that geopolymer mortar using expanded polystyrene (EPS) can be applied for making lightweight unburn-bricks existing in different corrosive environments. 2 MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu .2 Tình hình nghiên cứu .1 Khái niệm về Geopolymer .2 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc .3 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .4 Nhận xét các đề tài .3 Mục tiêu của đề tài nghiên cứu.4 Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu.5 Phƣơng pháp nghiên cứu.

19 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.1 Công nghệ Geopolymer .1 Lịch sử ra đời và phát triển .2 Thành phần và công thức hóa học .3 Cơ chế phản ứng .5 Dung dịch hoạt hóa .2 Hạt xốp Polystyrene EPS .3 Ăn mòn trong bê tông và vữa .1 Các môi trƣờng gây ăn mòn trong bê tông .2 Cơ chế của quá trình ăn mòn .3 Tốc độ ăn mòn kim loại. 35 CHƢƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM .1 Nguyên vật liệu.1 Hạt xốp Polystyrene EPS .4 Dung dịch NaOH .5 Dung dịch thủy tinh lỏng ( Na2SiO3) .2 Thành phần cấp phối.3 Phƣơng pháp tạo mẫu .1 Cân đo nguyên vật liệu .2 Nhào trộn và đúc mẫu .4 Dƣỡng hộ và phƣơng pháp thí nghiệm .1 Dƣỡng hộ mẫu .2 Xác định cƣờng độ chịu nén của mẫu.3 Xác định độ hút nƣớc của mẫu. 52 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM.1 Kiểm tra trực quan .2 Kiểm tra độ dƣ kiềm .3 Kiểm tra độ hút nƣớc .4 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng xốp đến độ thay đổi khối lƣợng theo thời gian ngâm.5 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng xốp đến cƣờng độ nén theo thời gian ngâm.6 Ảnh hƣởng của tỷ lệ cát/ tro đến cƣờng độ nén theo thời gian ngâm.7 Ảnh hƣởng của thời gian ngâm giữa các dung dịch hóa chất.8 Độ thay đổi khối lƣợng và cƣờng độ của mẫu gạch theo thời gian ngâm. 73 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.2 Hƣớng phát triển và đóng góp của đề tài.

77 5 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Lò gạch nung ở Bình Dƣơng .2 Công trình xây bằng gạch không nung .3 a) Gạch papanh; b) Gạch block;c) Gạch xi măng cát; d) Gạch AAC .4 a) Gạch bọt CLC; b) gạch bê tông xốp polystyrol .1 Tinh thể Geopolymer .2 Cấu trúc poly(sialates) theo Davidovist .3 Metakaolin (a) và tro bay (b) với NaOH 8M .4 Sự hoạt hóa vật liệu aluminosilicate .5 Mô tả phản ứng tro bay trong dung dịch kiềm.7 Cấu trúc SEM của vi hạt tro bay .8 Hạt xốp Polystyrene EPS .9 Ăn mòn bê tông trong các môi trƣờng .10 Sự hình thành H2S và chuyển hóa thành H2SO4 gây ăn mòn trong ống cống .1 Sử dụng hạt xốp EPS đƣờng kính 1-2 mm.2 Dung dịch NaOH 14M .3 Dung dịch thủy tinh lỏng.4 Cát nằm trong đƣờng chuẩn cốt liệu .5 Thành phần hạt của cát .6 Khuôn trụ tạo mẫu vữa và khuôn gạch .7 Cân điện tử .8 Dụng cụ trộn.9 Trộn vữa bằng máy trộn cầm tay .10 Trộn vữa bằng máy dung tích lớn .11 Dƣỡng hộ nhiệt cho mẫu bằng tủ sấy .12 Mẫu đƣợc ngâm trong hóa chất.13 Máy nén mẫu thí nghiệm.1 Mẫu ngâm trong H2SO4 sau 20 tuần .2 Mẫu ngâm trong Na2SO4 sau 20 tuần .3 Mẫu ngâm trong NaCl sau 20 tuần .4 Cồn 900 và Phenolphtalein nguyên chất .5 Mẫu ngâm H2SO4 sau 4, 8, 12, 16 tuần ( từ trái sang phải) .6 Mẫu ngâm Na2SO4 sau 4, 8, 12, 16 tuần ( từ trái sang phải) .7 Mẫu ngâm NaCl sau 4, 8, 12, 16 tuần ( từ trái sang phải) .8 Độ hút nƣớc của các cấp phối .9 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng xốp đến khối lƣợng vữa với cát/tro=1,3.10 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng xốp đến khối lƣợng vữa với cát/tro=1,6.11 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng xốp đến khối lƣợng vữa với cát/tro=1,9.12 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng xốp đến cƣờng độ nén của vữa cát/tro=1,3 .13 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng xốp đến cƣờng độ nén của vữa cát/tro=1,6 .14 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng xốp đến cƣờng độ nén của vữa cát/tro=1,9 .15 Ảnh hƣởng của cát/tro đến cƣờng độ nén của vữa ngâm H2SO4 .16 Ảnh hƣởng của cát/tro đến cƣờng độ nén của vữa ngâm Na2SO4 .17 Ảnh hƣởng của cát/tro đến cƣờng độ nén của vữa ngâm NaCl .18 Sự thay đổi cƣờng độ nén so với ban đầu sau 4 tuần ngâm .19 Sự thay đổi cƣờng độ nén so với ban đầu sau 8 tuần ngâm .20 Sự thay đổi cƣờng độ nén so với ban đầu sau 12 tuần ngâm .21 Sự thay đổi cƣờng độ nén so với ban đầu sau 16 tuần ngâm .22 Sự thay đổi cƣờng độ nén so với ban đầu sau 20 tuần ngâm .23 Cƣờng độ chịu nén của gạch D2 .24 Độ thay đổi khối lƣợng gạch D2. 75 7 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thành phần hóa học của tro bay Formosa .2 Khảo sát vật lý tro bay Formosa .3 Các chỉ tiêu của cát theo mức nhóm cát .5 Đặc tính của cát dùng cho vữa xây dựng .6 Thành phần của hạt cát .7 Hàm lƣợng tạp chất trong cát .8 Hàm lƣợng ion CL - trong cát .9 Khối lƣợng riêng của thành phần cốt liệu .10 Phần trăm thể tích cốt liệu .11 Khối lƣợng cốt liệu.12 Tỷ lệ các thành phần cốt liệu.1 Độ hút nƣớc trung bình của các cấp phối.2 Độ thay đổi khối lƣợng mẫu theo phần trăm trong các môi trƣờng ăn mòn(%) .3 Cƣờng độ chịu nén (MPa) của mẫu sau 20 tuần ngâm trong các môi trƣờng ăn mòn .4 Kết quả cƣờng độ nén của mẫu vữa 0% xốp .5 Kết quả cƣờng độ nén của gạch cấp phối D2 .6 Độ thay đổi khối lƣợng gạch sau khi ngâm (%). 75 8 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội thì vẫn có những mặt trái về vấn đề môi trƣờng nhƣ sự ấm lên toàn cầu, khí hậu biến đổi cực đoan, môi trƣờng bị ô nhiễm đặc biệt là ở những nƣớc đang phát triển… Không những thế, việc khai thác quá mức các nguyên liệu hóa thạch để phục vụ cho đời sống đang làm cạn kiệt nguồn tài nguyên này.