Tổng quan nghiên cứu

Ngành xây dựng tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ với nhu cầu sử dụng gạch xây dựng ngày càng tăng. Theo Bộ Xây dựng, mỗi năm cả nước tiêu thụ khoảng 20-22 tỷ viên gạch, dự báo đến năm 2020 nhu cầu sẽ vượt hơn 40 tỷ viên. 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. Một ví dụ điển hình là làng nghề sản xuất gạch nung tại huyện Chợ Mới, An Giang, nơi người dân thường xuyên mắc các bệnh về đường hô hấp do khói bụi từ lò nung.

Trước thực trạng này, gạch không nung được xem là giải pháp thay thế bền vững, thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, tỷ lệ sử dụng gạch không nung tại Việt Nam vẫn còn thấp so với tiềm năng. Chính phủ đã ban hành nhiều chính sách thúc đẩy sử dụng gạch không nung trong các công trình xây dựng nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực của gạch nung truyền thống. Gạch không nung có ưu điểm vượt trội như khả năng cách nhiệt, cách âm, chống thấm tốt, kích thước lớn giúp giảm chi phí nhân công và đẩy nhanh tiến độ thi công.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tận dụng nguồn phế thải xây dựng và công nghiệp như tro bay, đá mi thay cát, dung dịch Sodium Silicate và Sodium Hydroxide để chế tạo gạch không nung sử dụng chất kết dính Geopolymer. Nghiên cứu tập trung xác định tính chất cơ học của mẫu cấp phối và gạch không nung, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các tỷ lệ thành phần và điều kiện dưỡng hộ nhiệt đến cường độ chịu nén và chịu uốn của sản phẩm. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại Việt Nam, sử dụng nguyên liệu tro bay từ nhà máy nhiệt điện Formosa và đá mi khai thác trong nước, với thời gian thực hiện từ năm 2017 đến 2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng xanh, giảm áp lực khai thác tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường.

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 được kích hoạt bằng dung dịch kiềm. Quá trình Geopolymer hóa tạo ra cấu trúc mạng vô định hình Poly-Sialate có công thức hóa học Mn[-(SiO2)z – AlO2]n·wH2O, trong đó M là cation kim loại kiềm, n là mức độ polymer hóa, z là hệ số cấu trúc. Geopolymer có ưu điểm vượt trội như khả năng chịu nhiệt, chịu ăn mòn, và thân thiện với môi trường do giảm phát thải CO2 so với xi măng truyền thống.

Hai thành phần chính trong nghiên cứu là tro bay và đá mi. Tro bay là phế thải từ nhà máy nhiệt điện, chứa hàm lượng cao SiO2, Al2O3 và Fe2O3, có tính hoạt tính cao phù hợp làm nguyên liệu Geopolymer. Đá mi là sản phẩm phụ từ quá trình nghiền đá, có kích thước 5-10 mm, khối lượng riêng 2.700 kg/m³, có khả năng chịu nén cao hơn cát tự nhiên, phù hợp thay thế cát trong sản xuất gạch không nung.

Dung dịch hoạt hóa kiềm gồm Sodium Hydroxide (NaOH) và Sodium Silicate (Na2SiO3) đóng vai trò quan trọng trong phản ứng kích hoạt tro bay, giúp giải phóng ion Al3+ và Si4+ để hình thành cấu trúc Geopolymer. Tỷ lệ pha trộn dung dịch kiềm và điều kiện dưỡng hộ nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ cơ học của sản phẩm.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Geopolymer hóa: quá trình phản ứng tạo chất kết dính từ aluminosilicate và dung dịch kiềm.
  • Cường độ chịu nén và chịu uốn: chỉ tiêu cơ học quan trọng đánh giá khả năng chịu lực của gạch không nung.
  • Tỷ lệ dung dịch hoạt hóa kiềm/tro bay, tỷ lệ đá mi/cát, tỷ lệ Sodium Silicate/Sodium Hydroxide: các biến số ảnh hưởng đến tính chất cơ học của mẫu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Nguồn dữ liệu chính là nguyên liệu tro bay lấy từ nhà máy nhiệt điện Formosa, đá mi khai thác trong nước, dung dịch NaOH và Na2SiO3 chuẩn hóa. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm các mẫu bê tông Geopolymer và viên gạch không nung kích thước tiêu chuẩn 50x100x200 mm.

Phương pháp chọn mẫu là lấy đại diện nguyên liệu có chất lượng ổn định, đảm bảo tiêu chuẩn ASTM C618 cho tro bay và TCVN 7570:2006 cho cốt liệu. Các mẫu được thiết kế cấp phối với tỷ lệ khác nhau về dung dịch hoạt hóa kiềm/tro bay (0,6), tỷ lệ đá mi/cát (75%/25%), tỷ lệ Sodium Silicate/Sodium Hydroxide (2:1), và thời gian dưỡng hộ nhiệt (6, 8, 10 giờ ở 100°C).

Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp đo cường độ chịu nén và chịu uốn theo tiêu chuẩn TCVN hiện hành, kết hợp biểu đồ so sánh ảnh hưởng các tỷ lệ thành phần và thời gian dưỡng hộ đến tính chất cơ học. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, từ khâu chuẩn bị nguyên liệu, thiết kế cấp phối, thực hiện thí nghiệm đến phân tích kết quả.

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 mức 0,6, mẫu cấp phối đạt cường độ chịu nén tối ưu lên đến 24,20 MPa, cao hơn khoảng 140% so với gạch không nung truyền thống (khoảng 10 MPa). Cường độ chịu kéo uốn cũng đạt 7,66 MPa, cho thấy khả năng chịu lực uốn tốt.

  2. Tỷ lệ đá mi thay thế cát: Sử dụng 75% đá mi và 25% cát trong thành phần cốt liệu 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 5-10 mm và khối lượng riêng 2.700 kg/m³ góp phần cải thiện độ bền và độ ổn định của gạch.

  3. Tỷ lệ Sodium Silicate/Sodium Hydroxide: Tỷ lệ 2:1 giữa Sodium Silicate và Sodium Hydroxide trong dung dịch hoạt hóa cho kết quả cường độ nén cao nhất, tăng khoảng 15% so với các tỷ lệ khác. Điều này do sự cân bằng giữa khả năng kích hoạt và tạo gel của hai dung dịch.

  4. Thời gian dưỡng hộ nhiệt: Dưỡng hộ ở 100°C trong 10 giờ liên tục giúp mẫu đạt cường độ chịu nén và chịu uốn tối ưu. So với thời gian dưỡng hộ 6 giờ, cường độ chịu nén tăng khoảng 25%, chứng tỏ quá trình Geopolymer hóa diễn ra triệt để hơn khi kéo dài thời gian dưỡng hộ.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng tro bay làm nguyên liệu chính kết hợp với đá mi thay thế cát và dung dịch hoạt hóa kiềm tạo ra gạch không nung có tính chất cơ học vượt trội so với gạch truyền thống. Sự gia tăng cường độ chịu nén và chịu uốn được giải thích bởi cấu trúc mạng Poly-Sialate bền vững hình thành trong quá trình Geopolymer hóa, đồng thời đá mi với bề mặt nhám và kích thước phù hợp giúp tăng cường liên kết cơ học trong mẫu.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, cường độ chịu nén của mẫu nghiên cứu đạt mức tương đương hoặc cao hơn nhiều loại bê tông Geopolymer sử dụng tro bay và xỉ lò cao, chứng tỏ hiệu quả của việc phối hợp nguyên liệu và điều kiện dưỡng hộ. Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ dung dịch hoạt hóa và cường độ chịu nén minh họa rõ xu hướng tăng cường độ khi tỷ lệ dung dịch phù hợp, sau đó giảm do quá dư dung dịch gây rỗng cấu trúc.

Ngoài ra, việc sử dụng đá mi thay thế cát góp phần giảm khai thác cát tự nhiên, hạn chế sạt lở bờ sông và bảo vệ môi trường, đồng thời tận dụng nguồn phế thải xây dựng hiệu quả. Kết quả này phù hợp với các chính sách phát triển vật liệu xây dựng xanh của Chính phủ và xu hướng toàn cầu về vật liệu thân thiện môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tỷ lệ phối trộn 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%, tỷ lệ Sodium Silicate/Sodium Hydroxide 2:1 và dưỡng hộ nhiệt ở 100°C trong 10 giờ để sản xuất gạch không nung có cường độ cơ học cao. Thời gian thực hiện áp dụng trong quy trình sản xuất từ 6-12 tháng để đánh giá ổn định.

  2. Phát triển dây chuyền sản xuất gạch không nung Geopolymer: Đề xuất các doanh nghiệp xây dựng và nhà máy vật liệu xây dựng đầu tư dây chuyền sản xuất tự động hóa, tận dụng nguồn nguyên liệu tro bay và đá mi tại địa phương nhằm giảm chi phí và tăng hiệu quả sản xuất.

  3. Khuyến khích sử dụng đá mi thay thế cát: Các cơ quan quản lý và doanh nghiệp nên thúc đẩy khai thác và sử dụng đá mi làm cốt liệu thay thế cát tự nhiên trong sản xuất vật liệu xây dựng để bảo vệ nguồn tài nguyên cát, giảm thiểu sạt lở bờ sông và ô nhiễm môi trường.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khuyến nghị các viện nghiên cứu và trường đại học tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng gạch không nung Geopolymer trong các công trình chịu lực cao, vỉa hè chịu tải lớn, đồng thời đánh giá các yếu tố ảnh hưởng khác như độ bền lâu dài, khả năng chống thấm và chống cháy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm gạch không nung thân thiện môi trường, nâng cao chất lượng và giảm chi phí sản xuất.

  2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách: Tham khảo để xây dựng các chính sách thúc đẩy sử dụng vật liệu xây dựng xanh, giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo về vật liệu Geopolymer, gạch không nung và phát triển công nghệ xây dựng bền vững.

  4. Kỹ sư xây dựng và nhà thầu thi công: Áp dụng kiến thức về tính chất cơ học và quy trình sản xuất gạch không nung để lựa chọn vật liệu phù hợp cho các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Gạch không nung Geopolymer có ưu điểm gì so với gạch nung truyền thống?
    Gạch không nung Geopolymer có cường độ chịu nén cao (khoảng 24 MPa), thân thiện môi trường do giảm phát thải CO2, tiết kiệm tài nguyên đất sét và năng lượng, đồng thời có khả năng cách nhiệt, cách âm tốt hơn.

  2. Tại sao sử dụng đá mi thay thế cát trong sản xuất gạch không nung?
    Đá mi có khả năng chịu nén cao hơn cát, kích thước phù hợp giúp tăng cường độ bền cơ học của gạch, đồng thời giảm khai thác cát tự nhiên, hạn chế sạt lở bờ sông và bảo vệ môi trường.

  3. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung dịch Sodium Silicate/Sodium Hydroxide đến tính chất gạch như thế nào?
    Tỷ lệ 2:1 giữa Sodium Silicate và Sodium Hydroxide tạo điều kiện phản ứng Geopolymer hóa tối ưu, giúp tăng cường độ chịu nén và chịu uốn của gạch lên đến 15% so với các tỷ lệ khác.

  4. Thời gian và nhiệt độ dưỡng hộ ảnh hưởng ra sao đến cường độ gạch?
    Dưỡng hộ ở 100°C trong 10 giờ giúp phản ứng Geopolymer hóa diễn ra triệt để, tăng cường độ chịu nén lên khoảng 25% so với dưỡng hộ 6 giờ, đảm bảo gạch đạt chất lượng cơ học cao.

  5. Gạch không nung Geopolymer có thể ứng dụng trong những công trình nào?
    Gạch phù hợp cho xây tường chịu lực, vỉa hè chịu tải cao và các công trình dân dụng, công nghiệp cần vật liệu bền, chịu lực tốt và thân thiện môi trường.

Kết luận

  • Đã nghiên cứu thành công công thức phối trộn gạch không nung sử dụng tro bay, đá mi và chất kết dính Geopolymer với cường độ chịu nén đạt 24,20 MPa và chịu uốn 7,66 MPa.
  • Tỷ lệ dung dịch hoạt hóa kiềm/tro bay 0,6, tỷ lệ đá mi/cát 75%/25%, tỷ lệ Sodium Silicate/Sodium Hydroxide 2:1 và dưỡng hộ nhiệt 100°C trong 10 giờ là điều kiện tối ưu.
  • Sản phẩm gạch không nung có thể thay thế gạch nung truyền thống, góp phần giảm khai thác tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường.
  • Kết quả nghiên cứu phù hợp với các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành và có thể ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng và phát triển dây chuyền sản xuất gạch không nung Geopolymer tại Việt Nam nhằm thúc đẩy phát triển vật liệu xây dựng xanh.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm sản xuất quy mô công nghiệp và đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật để đưa sản phẩm vào thị trường xây dựng trong nước.