Tổng quan nghiên cứu

Ngành xây dựng tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ với nhu cầu sử dụng gạch xây dựng tăng cao, ước tính đến năm 2020 cần hơn 40 tỷ viên gạch mỗi năm. Tuy nhiên, việc sử dụng gạch nung truyền thống gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng về môi trường, tiêu tốn khoảng 600 triệu m³ đất sét tương đương 30.000 ha đất nông nghiệp, đồng thời phát thải khí độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường sinh thái. Tình trạng khai thác cát tự nhiên quá mức cũng dẫn đến sạt lở bờ sông nghiêm trọng, đặc biệt tại Đồng bằng sông Cửu Long, đe dọa nguồn tài nguyên và an toàn dân cư. Trong bối cảnh đó, gạch không nung trở thành xu hướng tất yếu nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và tài nguyên thiên nhiên.

Luận văn tập trung nghiên cứu tính chất cơ học của gạch không nung sử dụng đá mi thay thế cát và chất kết dính Geopolymer, tận dụng nguồn phế thải công nghiệp như tro bay, dung dịch Sodium Silicate và Sodium Hydroxide. Mục tiêu chính là xác định các thành phần cấp phối tối ưu để tạo ra gạch không nung có cường độ chịu nén và chịu uốn cao, phù hợp với các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành. Nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn từ năm 2016 đến 2018, với phạm vi tập trung vào nguyên vật liệu trong nước và điều kiện dưỡng hộ nhiệt phù hợp.

Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần giảm áp lực khai thác tài nguyên thiên nhiên mà còn thúc đẩy phát triển vật liệu xây dựng xanh, thân thiện môi trường. Sản phẩm gạch không nung từ đá mi và Geopolymer có thể ứng dụng cho các công trình chịu lực và sản xuất gạch vỉa hè chịu tải cao, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và bền vững trong ngành xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết về chất kết dính Geopolymer, một loại vật liệu vô cơ tổng hợp từ aluminosilicate phản ứng với dung dịch kiềm (NaOH và Na2SiO3). Quá trình Geopolymer hóa tạo ra cấu trúc mạng Poly-Sialate vô định hình có khả năng chịu nhiệt và chịu lực cao, thay thế xi măng truyền thống với ưu điểm thân thiện môi trường. Tro bay loại C được sử dụng làm nguyên liệu chính cung cấp silic và nhôm, có thành phần SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 trên 70% và CaO dưới 30%, phù hợp tiêu chuẩn ASTM C618.

Ngoài ra, nghiên cứu sử dụng đá mi làm cốt liệu thay thế cát, với kích thước hạt từ 5-10 mm, khối lượng riêng 2.700 kg/m³, có khả năng chịu nén cao hơn cát tự nhiên. Đá mi được khai thác và chế biến qua nhiều công đoạn nghiêm ngặt, đảm bảo tính chất cơ lý phù hợp tiêu chuẩn TCVN 7570:2006. Sự kết hợp giữa chất kết dính Geopolymer và cốt liệu đá mi tạo ra sản phẩm gạch không nung có tính bền vững và khả năng chịu lực vượt trội.

Ba khái niệm chính được áp dụng gồm:

  • Geopolymer hóa: quá trình phản ứng hóa học giữa aluminosilicate và dung dịch kiềm tạo thành chất kết dính.
  • Dung dịch hoạt hóa kiềm: hỗn hợp NaOH và Na2SiO3 kích hoạt phản ứng Geopolymer.
  • Cốt liệu đá mi: vật liệu thay thế cát trong cấp phối gạch không nung, nâng cao cường độ cơ học.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Nguồn dữ liệu chính bao gồm nguyên vật liệu tro bay từ nhà máy nhiệt điện Formosa, dung dịch NaOH và Na2SiO3 chuẩn hóa, cốt liệu đá mi khai thác trong nước. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm các mẫu bê tông geopolymer kích thước 100x200 mm và viên gạch kích thước 50x100x200 mm.

Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu đại diện từ nguồn nguyên liệu tiêu chuẩn, đảm bảo tính đồng nhất và phù hợp tiêu chuẩn ASTM và TCVN. Phân tích tính chất cơ học gồm đo cường độ chịu nén, chịu uốn của mẫu cấp phối và gạch không nung theo TCVN 1451-1988. Thí nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh với timeline nghiên cứu từ tháng 1/2017 đến tháng 4/2018.

Các biến số được điều chỉnh gồm tỷ lệ dung dịch hoạt hóa kiềm/tro bay (0,6), tỷ lệ cốt liệu đá mi/cát (75%/25%), tỷ lệ dung dịch Sodium Silicate/Sodium Hydroxide (2:1), và thời gian dưỡng hộ nhiệt (6, 8, 10 giờ ở 100°C). Kết quả được phân tích bằng biểu đồ và bảng số liệu để đánh giá ảnh hưởng từng yếu tố đến cường độ cơ học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa kiềm/tro bay: Khi tỷ lệ này được giữ ở 0,6, mẫu cấp phối đạt cường độ chịu nén tối ưu 24,20 MPa và cường độ chịu kéo uốn 7,66 MPa. Đây là mức cường độ cao hơn khoảng 140% so với gạch không nung truyền thống có cường độ trung bình 10 MPa.

  2. Tỷ lệ cốt liệu đá mi/cát: Sử dụng 75% đá mi thay thế cát giúp tăng cường độ chịu nén của mẫu lên 24,06 MPa, cao hơn khoảng 20% so với mẫu chỉ dùng cát. Đá mi với kích thước hạt lớn và độ bền cao cải thiện khả năng chịu lực của gạch.

  3. Tỷ lệ dung dịch Sodium Silicate/Sodium Hydroxide: Tỷ lệ 2:1 được xác định là tối ưu, giúp tăng cường độ nén và uốn của mẫu. Biểu đồ kết quả cho thấy cường độ chịu nén tăng dần khi tỷ lệ này tăng đến 2, sau đó giảm nhẹ.

  4. Thời gian dưỡng hộ nhiệt: Dưỡng hộ ở 100°C trong 10 giờ liên tục cho kết quả cường độ chịu nén và chịu uốn cao nhất, lần lượt là 24,06 MPa và 7,51 MPa. Thời gian dưỡng hộ ngắn hơn (6-8 giờ) cho kết quả thấp hơn khoảng 10-15%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện tính chất cơ học là do quá trình Geopolymer hóa diễn ra hiệu quả khi tỷ lệ dung dịch hoạt hóa và tro bay được tối ưu, tạo ra cấu trúc mạng Poly-Sialate bền vững. Việc thay thế cát bằng đá mi giúp tăng cường độ chịu nén nhờ đặc tính cơ lý vượt trội của đá mi so với cát tự nhiên, đồng thời giảm thiểu khai thác cát tự nhiên gây sạt lở.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả cường độ chịu nén của gạch không nung trong nghiên cứu này đạt mức cao hơn nhiều so với gạch truyền thống và tương đương hoặc vượt trội so với một số loại gạch không nung sử dụng xi măng hoặc bùn đỏ. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng rộng rãi của vật liệu Geopolymer kết hợp đá mi trong sản xuất gạch không nung.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ dung dịch hoạt hóa, tỷ lệ đá mi/cát, thời gian dưỡng hộ với cường độ chịu nén và uốn, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của từng yếu tố. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm cũng minh họa rõ ràng sự khác biệt về cường độ giữa các mẫu thử.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tỷ lệ cấp phối tối ưu: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ dung dịch hoạt hóa kiềm/tro bay là 0,6, tỷ lệ đá mi/cát 75%/25%, và tỷ lệ Sodium Silicate/Sodium Hydroxide 2:1 để đạt cường độ cơ học cao nhất. Thời gian dưỡng hộ nhiệt nên duy trì 10 giờ ở 100°C. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất gạch không nung trong vòng 6-12 tháng tới.

  2. Phát triển dây chuyền sản xuất gạch không nung sử dụng Geopolymer: Đầu tư công nghệ dưỡng hộ nhiệt và kiểm soát tỷ lệ nguyên liệu nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định. Thời gian triển khai dự kiến 1-2 năm, chủ yếu do các doanh nghiệp vật liệu xây dựng và các viện nghiên cứu phối hợp.

  3. Khuyến khích sử dụng đá mi thay thế cát trong xây dựng: Giảm khai thác cát tự nhiên, bảo vệ môi trường và hạn chế sạt lở bờ sông. Các cơ quan quản lý nhà nước cần ban hành chính sách ưu đãi và hướng dẫn kỹ thuật trong 3 năm tới.

  4. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho kỹ sư, công nhân xây dựng về công nghệ Geopolymer và sản xuất gạch không nung thân thiện môi trường. Thời gian thực hiện liên tục trong 2 năm, do các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Nghiên cứu giúp cải tiến công nghệ sản xuất gạch không nung, giảm chi phí nguyên liệu và nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng tiêu chuẩn xây dựng hiện đại.

  2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển vật liệu xây dựng xanh, giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành xây dựng, vật liệu xây dựng: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về công nghệ Geopolymer, ứng dụng đá mi trong gạch không nung, phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.

  4. Các tổ chức nghiên cứu và phát triển công nghệ: Tham khảo để phát triển các dự án nghiên cứu tiếp theo về vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, mở rộng ứng dụng Geopolymer trong xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Gạch không nung sử dụng Geopolymer có ưu điểm gì so với gạch nung truyền thống?
    Gạch không nung Geopolymer giảm tiêu thụ đất sét, tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải khí CO2 và có cường độ chịu nén cao hơn, phù hợp xây tường chịu lực và lát vỉa hè.

  2. Tại sao sử dụng đá mi thay thế cát trong gạch không nung?
    Đá mi có cường độ chịu nén cao hơn cát, giúp tăng độ bền cho gạch, đồng thời giảm khai thác cát tự nhiên, hạn chế sạt lở bờ sông và bảo vệ môi trường.

  3. Thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ ảnh hưởng thế nào đến chất lượng gạch?
    Dưỡng hộ nhiệt ở 100°C trong 10 giờ giúp phản ứng Geopolymer hóa hoàn thiện, tăng cường độ chịu nén và chịu uốn của gạch lên mức tối ưu.

  4. Dung dịch hoạt hóa kiềm gồm những thành phần nào?
    Dung dịch hoạt hóa kiềm là hỗn hợp Sodium Hydroxide (NaOH) và Sodium Silicate (Na2SiO3), kích hoạt phản ứng hóa học tạo chất kết dính Geopolymer.

  5. Gạch không nung Geopolymer có thể ứng dụng trong những công trình nào?
    Gạch phù hợp cho xây tường chịu lực, công trình dân dụng, công nghiệp và sản xuất gạch vỉa hè chịu tải cao, thay thế gạch nung truyền thống.

Kết luận

  • Đã xác định được tỷ lệ cấp phối tối ưu gồm dung dịch hoạt hóa kiềm/tro bay 0,6, đá mi/cát 75%/25%, Sodium Silicate/Sodium Hydroxide 2:1 và dưỡng hộ nhiệt 10 giờ ở 100°C.
  • Gạch không nung sử dụng đá mi và chất kết dính Geopolymer đạt cường độ chịu nén 24,06 MPa và chịu uốn 7,51 MPa, vượt trội so với gạch truyền thống.
  • Sản phẩm có thể ứng dụng rộng rãi trong xây dựng tường chịu lực và sản xuất gạch vỉa hè chịu tải cao.
  • Nghiên cứu góp phần giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường và phát triển vật liệu xây dựng xanh.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ trong sản xuất thực tế và đào tạo kỹ thuật trong vòng 1-2 năm tới để thúc đẩy phát triển bền vững ngành xây dựng.

Hãy tiếp tục nghiên cứu và áp dụng công nghệ Geopolymer để tạo ra các sản phẩm vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, góp phần xây dựng tương lai xanh bền vững.