MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Với sự phát triển không ngừng về kinh tế xã hội và Việt Nam đang ngày càng hội nhập với Thế giới. Trong bối cảnh đó, nhiều cơ sở hạ tầng đƣợc đầu tƣ xây dựng để đáp ứng đƣợc nhu cầu của xã hội, các công trình xây dựng quy mô cũng mọc lên ngày càng nhiều. Vì thế, trình độ về thi công, kết cấu, và kiến trúc cũng đòi hỏi ngày càng cao và trở thành vấn đề bức bách của xã hội.
Vật liệu xây dựng chất lƣợng cao đi liền với những đòi hỏi đó. Các nghiên cứu khoa học về vật liệu đƣợc áp dụng để góp phần nâng cao chất lƣợng công trình. Bên cạnh đó, Nƣớc ta là một trong những nƣớc có trữ lƣợng bauxite tƣơng đối lớn. Theo kết quả điều tra của Liên đoàn Bản đồ địa chất miền Nam, trữ lƣợng quặng bauxite tại các mỏ trên địa bàn Lâm Đồng lên đến 613 triệu tấn, tƣơng đƣơng với gần 1,3 tỷ tấn quặng nguyên khai.
Tuy nhiên, việc khai thác và chế biến khoáng sản sẽ tạo ra một lƣợng bùn thải lớn, gọi là bùn đỏ có chứa kiềm dƣới dạng ion. Và nếu không đƣợc tận dụng khai thác hợp lý thì bùn đỏ có thể gây nên tình trạng ô nhiễm môi trƣờng, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nƣớc một cách nghiêm trọng. Giải quyết lƣợng bùn đỏ về mặt môi trƣờng luôn là đối tƣợng nghiên cứu của nhiều công trình trong và ngoài nƣớc. Khi phân tích thành phần hóa của bùn đỏ có chứa các nguyên tố nhƣ: Si, Al, Fe, Ca, Ti và một số ít các nguyên tố khác nhƣ: Na, K, Cr,V, Ni, Ba, Cu, Mn, Pb, Zn, …Sự dao động về thành phần hóa học của bùn đỏ ở các vùng trên thế giới cũng khác nhau.
Giá trị của chúng thƣờng nằm trong khoảng sau: Fe2O3: 30-60%; Al2O3: 10-20%; SiO2: 3-50%; Na2O: 2-10%; CaO: 2-8%; TiO2: 0-25%. Trong thành phần hóa của bùn đỏ có các oxit chính cần thiết cho quá trình tạo khoáng trong xi măng nên ta hoàn toàn có thể sử dụng bùn đỏ đồng thời kết hợp với các nguyên liệu có sẵn ở Việt Nam là: đá vôi, diatomie và bentonite để chế tạo một loại xi măng đặc biệt. Đây sẽ là hƣớng nghiên cứu ứng dụng chính của bùn đỏ và bentonite trong luận văn này. Nghiên cứu kết hợp bùn đỏ quặng bauxite và bentonite cải thiện cƣờng lực xi măng HVTH: Nguyễn Văn Tải 2 GVHD: TS.Huỳnh Kỳ Phƣơng Hạ 1.
Ý nghĩa của đề tài Tận dụng đƣợc nguồn nguyên liệu phế thải qua đó góp phần giảm nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng. Nâng cao giá trị sử dụng các chất thải. Tận dụng nguồn khoáng trong bùn đỏ kết hợp với các nguồn nguyên liệu khác nhƣ: clinker, bentonite, cao lanh để sản xuất xi măng. Tạo nguồn nguyên liệu chủ động cho ngành sản xuất xi măng.
Mở ra một hƣớng nghiên cứu mới cho ngành sản xuất xi măng. Các mục tiêu của đề tài Nghiên cứu kết hợp bùn đỏ và bentonite để cải thiện cƣờng lực xi măng. Giảm chi phí, giá thành sản xuất xi măng. Trên tiêu chuẩn chất lƣợng xi măng poóc lăng hỗn hợp đánh giá xem mẫu xi măng làm thí nghiệm có cƣờng lực nhƣ thế nào so với các sản phẩm xi măng thông thƣờng hiện nay.
Các nội dung nghiên cứu Tổng quan về bùn đỏ, ảnh hƣởng của bùn đỏ đến môi trƣờng và ứng dụng của bùn đỏ trong sản xuất xi măng tại Việt Nam và thế giới. Khảo sát thành phần, tỉ lệ bentonite/bùn đỏ thêm vào xi măng. Khảo sát sự thay đổi cƣờng lực của xi măng khi sử dụng phụ gia bùn đỏ và bentonite. Kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý: cƣờng độ nén, cƣờng độ uốn, thời gian đông kết, độ ổn định thể tích, độ mịn, hàm lƣợng anhydric sunfuric (SO3) của mẫu vữa xi măng khi có sự tham gia của bùn đỏ và bentonite.
Nghiên cứu kết hợp bùn đỏ quặng bauxite và bentonite cải thiện cƣờng lực xi măng HVTH: Nguyễn Văn Tải 3 GVHD: TS.Huỳnh Kỳ Phƣơng Hạ Chƣơng 2: TỔNG QUAN 2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng đề tài 2. Tổng quan về bauxite 2. Nguồn gốc [6, 15] Bauxite (Boxit) là một loại quặng nhôm trầm tích có màu hồng, nâu đƣợc hình thành từ quá trình phong hóa các đá giàu nhôm hoặc tích tụ từ các quặng có trƣớc bởi quá trình xói mòn.
Quặng bauxite phân bố chủ yếu trong vành đai xung quanh xích đạo đặc biệt trong môi trƣờng nhiệt đới. Từ bauxite có thể tách ra alumina (Al2O3), nguyên liệu chính để luyện nhôm trong các lò điện phân. Tên gọi của loại quặng nhôm này đƣợc đặt theo tên gọi làng Les Baux – De – Provence ở miền Nam nƣớc Pháp, tại đây nó đƣợc nhà địa chất học là Pierre Berthier phát hiện ra lần đầu tiên năm 1821. Bauxite có màu từ trắng đến đen, chủ yếu là hỗn hợp các hợp chất vô cơ và nhôm hydoxit.
Loại bauxite thƣờng gặp có màu đỏ. Quặng bauxite có thể tìm thấy dƣới dạng thảm (blanket), túi (pocket), lớp (interlayered), và tích tụ (detrital). Thảm bauxite là các lớp liên tục và bằng phẳng, thƣờng ở gần mặt đất, có bề dày thay đổi từ 1 đến 40 m (trung bình từ 4 đến 6 m) và có thể rộng hàng cây số. Túi bauxite là các túi nằm dƣới mặt đất, có chiều sâu thay đổi từ dƣới 1 cho đến 30 m, nằm cô lập hoặc liên kết với nhau.
Lớp bauxite là thảm hoặc túi bauxite bị phủ lấp và ép xuống, cho nên nó bị nén nhiều hơn thảm hoặc túi bauxite do trọng lƣợng của lớp đất bên trên. Tích tụ bauxite rất hiếm thấy vì đƣợc cấu tạo do sự tích tụ của bauxite bị xói mòn từ thảm, túi, hay lớp bauxite ở nơi khác.1: Bauxite dạng khối Nghiên cứu kết hợp bùn đỏ quặng bauxite và bentonite cải thiện cƣờng lực xi măng HVTH: Nguyễn Văn Tải 4 GVHD: TS.Huỳnh Kỳ Phƣơng Hạ Hình 2.2: Bauxite dạng hạt 2. Thành phần của bauxite [13] Bauxite tồn tại ở 3 dạng chính tùy thuộc vào số lƣợng phân tử nƣớc chứa bên trong và cấu trúc tinh thể gồm: Gibbsit Al(OH)3, boehmit γ-AlO(OH), và diaspore α-AlO(OH), cùng với các khoáng vật oxit sắt goethit và hematit, các khoáng vật sét kaolinite và đôi khi có mặt cả anatas TiO2. Thành phần hóa học Bauxite có thành phần tƣơng đối phức tạp, nhƣng chủ yếu là hỗn hợp các khoáng nhôm hydroxit, thƣờng bị nhiễm bẩn bởi sắt oxit (tạo ra màu đỏ cho quặng) hoặc silic oxit.
Thành phần hóa học của bauxite dao động giữa 50-63% Al2O3, 12-32 % H2O, 15-25 % Fe2O3, 2-10 % SiO2và 2-5 % TiO2. Hàm lƣợng nhôm oxit và silic oxit là những yếu tố quyết định chất lƣợng của quặng bauxite.1: Thành phần Bauxite Gibbsit Boehmit Diaspore Thành phần Al(OH)3 α-AlO(OH) γ-AlO(OH) Hàm lƣợng alumina tối đa (%) 65,4 85,0 85,0 Hệ tinh thể Đơn tà Trực thoi Trực thoi Mật độ (g.cm-3) 2,42 3,01 3,44 Nhiệt độ tách nƣớc (°C) 150 350 450 Gibbsit Boehmit Diaspore Hình 2.3: Các dạng khoáng chính của bauxite Nghiên cứu kết hợp bùn đỏ quặng bauxite và bentonite cải thiện cƣờng lực xi măng HVTH: Nguyễn Văn Tải 5 GVHD: TS.Huỳnh Kỳ Phƣơng Hạ 2. Hình thành và phân bố [34] Bauxite hình thành trên các loại đá có hàm lƣợng sắt thấp hoặc sắt bị rửa trôi trong quá trình phong hóa. Quá trình hình thành trải qua các giai đoạn: Phong hóa và nƣớc thấm lọc vào trong đá gốc tạo ra ôxít nhôm và sắt.
Làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự rửa trôi của nƣớc ngầm. Xói mòn và tái tích tụ bauxite. Loại phong hóa đƣợc hình thành do quá trình laterit hóa chỉ diễn ra trong điều kiện nhiệt đới trên nền đá mẹ là các loại đá silicat: Granit, gneiss, bazan, syenite và đá sét.4: Bauxite với phần lõi còn mảnh đá mẹ chƣa phong hóa Khác với quá trình hình thành laterit sắt, sự hình thành bauxite đòi hỏi điều kiện phong hóa mạnh mẽ hơn và điều kiện thủy văn thoát nƣớc rất tốt cho phép hòa tan và rửa trôi kaolinite và hình thành lắng đọng nên gibbsit. Đới giàu hàm lƣợng nhôm nhất thƣờng nằm ngay dƣới lớp mũ sắt.
Dạng tồn tại chủ yếu của hydroxit nhôm trong bauxite laterit chủ yếu là gibbsit. Tại Việt Nam, bauxite Tây Nguyên đƣợc hình thành theo phƣơng thức này trên nền đá bazan. Loại trầm tích có chất lƣợng tốt và có giá trị công nghiệp. Loại này đƣợc hình thành bằng con đƣờng phong hóa laterit trên nền đá cacbonat nhƣ đá vôi và dolomit xen kẽ các lớp kẹp sét tích tụ do phong hóa sót hay do lắng đọng phần khoáng vật sét không tan khi đá vôi bị phong hóa hóa học.
Các quặng bauxite phân bố chủ yếu ở khu vực nhiệt đới, Caribe, Địa Trung Hải và vành đai xung quanh xích đạo, ngƣời ta tìm thấy quặng bauxite ở các vùng Nghiên cứu kết hợp bùn đỏ quặng bauxite và bentonite cải thiện cƣờng lực xi măng HVTH: Nguyễn Văn Tải 6 GVHD: TS.Huỳnh Kỳ Phƣơng Hạ lãnh thổ nhƣ Úc, Nam và Trung Mỹ (Jamaica, Brazil, Surinam, Venezuela, Guyana), châu Phi (Guinea), châu Á (Ấn Độ, Trung Quốc, Việt Nam), Nga, Kazakhstan và châu Âu (Hy Lạp).2: Trữ lƣợng bauxite ở một số quốc gia trên thế giới Sản lƣợng (triệu tấn) Trữ lƣợng STT Quốc gia 2010 2011E (triệu tấn) 1 Mỹ - - 20 2 Úc 68,4 67 6200 3 Brazil 28,1 31 3600 4 Trung Quốc 44,0 46 830 5 Hy Lạp 2,1 2,1 600 6 Guinea 17,4 18 7400 7 Guyana 1,8 2,0 850 8 Ấn Độ 18 20 900 9 Jamaica 8,5 10 2000 10 Kazakhstan 35,3 5,4 160 11 Nga 5,5 5,8 200 12 Sierra Leone 1,1 1,7 180 13 Suriname 4,0 5 580 14 Venezuela 2,5 4,5 320 15 Việt Nam 0,08 0,08 2100 16 Các nƣớc khác 2,6 2,6 3300 Toàn Thế giới 209 220 29000 (tính tròn số) Nguồn: Tổng hợp từ US Geological Survey, Mineral Commodity Summarles 2. Quặng bauxite ở Việt Nam a. Phân bố bauxite ở Việt Nam Kết quả thăm dò địa chất đã phát hiện trên lãnh thổ Việt nam đƣợc đánh giá là một quốc gia có trữ lƣợng quặng boxit phong phú ở cả Miền Bắc và Miền NamViệt Nam. Tổng trữ lƣợng quặng boxit của Việt Nam ƣớc tính khoảng 8 tỷ tấn (có khoảng 2,1 tỉ tấn có thể khai thác đƣợc),trong đó có 7,6 tỷ tấn ở các tỉnh Tây Nguyên.
Với trữ lƣợng nhƣ vậy, nƣớc ta đứng trong số các nƣớc có trữ lƣợng bauxite lớn trên thế giới. Nghiên cứu kết hợp bùn đỏ quặng bauxite và bentonite cải thiện cƣờng lực xi măng HVTH: Nguyễn Văn Tải 7 GVHD: TS.Huỳnh Kỳ Phƣơng Hạ Hình 2.
