MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu Cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành xây dựng, ngành vật liệu xây dựng luôn phải đáp ứng được nhu sử dụng các loại vật liệu truyền thống cũng như các loại vật liệu mới. Ngoài ra, việc tận dụng các nguồn nguyên vật liệu phế phẩm, tiết kiệm các nguồn tài nguyên sẵn có là lĩnh vực nghiên cứu cấp thiết phục vụ mục tiêu trên. Việt Nam là một đất nước đang phát triển, có nguồn nguyên liệu khoáng sản sét khá dồi dào, có chất lượng khá tốt tạo điều kiện thuận lợi cho ngành công nghiệp sản xuất gạch và gốm phát triển. Công nghệ sản xuất gạch đất sét nung có từ lâu đời nhưng là công nghệ sản xuất gây ra nhiều chất thải có hại, làm giảm diện tích nông nghiệp, ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường.
Để sản xuất 1 tỷ viên gạch đất sét nung có kích thước tiêu chuẩn sẽ tiêu tốn khoảng 1,5 triệu m3 đất sét, tương đương 75ha đất nông nghiệp và 150.000 tấn than, đồng thời thải ra khoảng 0,57 triệu tấn khí CO2. Do đó, việc tìm ra loại vật liệu mới làm từ đất sét nhưng không phải qua quá trình nung đã được nghiên cứu nhằm hạn chế việc thải khí CO2 và tận dụng một số nguồn nguyên liệu phế thải công nghiệp. Và công nghệ Geopolymer hóa đá đất đã được áp dụng để tạo ra các sản phẩm đất sét không nung với thành phần nguyên liệu chủ yếu là đất sét, tro bay và dung dịch kiềm hoạt tính. Việc tìm ra cấu trúc vật liệu geopolymer vô cơ tổng hợp từ đất và các phụ phẩm công nghiệp từ thập niên 1960 đã đưa ngành công nghệ vật liệu xây dựng phát triển theo chiều hướng mới.
Tro bay là sản phẩm thu được từ việc đốt than ở nhà máy nhiệt điện. Tro bay được thu gom bằng phương pháp tĩnh điện hoặc biện pháp cơ học ở ống khói thải. Tro bay có độ mịn tự nhiên (không cần nghiền) như xi măng, hạt tro bay hình cầu. Thành phần hoá học của tro bay chủ yếu là SiO2, Al2O3, Fe2O3 với tổng khối lượng yêu cầu lớn hơn 70% khối lượng tro bay và các ôxít khác và than chưa cháy.
Đề tài sẽ khảo sát ứng dụng chất kết dính Geopolymer từ tro bay, phụ phẩm của các nhà máy nhiệt điện trong nước để tạo ra sản phẩm đất sét không nung phục vụ lĩnh vực xây dựng tại Việt Nam.1 Ngoài nước Chất kết dính thông thường được sử dụng trong bê tông là xi măng. Tuy nhiên vào năm 1972, chất kết dính Geopolymer được công bố bởi nhà hóa học người Pháp Joseph Davidovits, tạo tiền đề thành lập viện Geopolymer. Đã có khoảng 30 sáng chế được công nhận về geopolymer từ năm 1972 ở Pháp, các quốc gia Châu Âu và ở Mỹ. Thuật ngữ hóa học Geopolymer được ra đời năm 1979 kèm theo đó là sự ra đời của tổ chức phi lợi nhuận, viện Geopolymer.
Một vài sáng chế đã được sử dụng rộng rãi. Những nghiên cứu về geopolymer xuất hiện riêng rẽ ở từng quốc gia và tài liệu khoa học thì rất ít. Cho đến những năm 1990, các tài liệu nghiên cứu khoa học về geopolymer bắt đầu xuất hiện nhiều hơn, các nghiên cứu về ảnh hưởng của từng loại vật liệu trong geopolymer bắt đầu được nghiên cứu sâu hơn (Davidovits, 1991). Từ đó đến nay, nhiều công trình nghiên cứu về loại chất kết dính này đã được công bố, chủ yếu ở các nước phương tây như Pháp, Mỹ, Đức, Áo,… Các đề tài thường xoay quanh việc tận dụng các nguồn phế thải chế tạo chất kết dính Geopolymer ứng dụng trong vật liệu xây dựng, vật liệu công nghệ cao, vật liệu chịu lửa.
(Davidovits, 2011) Các ứng dụng của công nghệ này đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên toàn thế giới. Nghiên cứu đã tập trung vào thành phần và nồng độ của dung dịch kiềm để thúc đẩy nhanh quá trình geopolymer hóa. Đức đã phát minh ra công nghệ RRP (Reynolds Road Packer), là một hợp chất của Axits Sunfuro phối trộn vào đất tạo ra một sự liên kết giữa các ion âm của đất với cation Na+, K+, Mg++, Fe++. Quá trình phối trộn và lu lèn để độ đầm chặt đạt tới hệ số K = 95, K = 98 rồi thành con đường đảm bảo được yêu cầu và đảm bảo các yếu tố an toàn giao thông.
Mỹ đã có hợp chất SA44/LS40, cũng tương tự như hợp chất RRP ở Đức. Hợp chất SA44/SL40 cũng đã được đưa vào sử dụng ứng dụng làm đường. Ở một số nước phát triển trên thế giới như: Pháp, Mỹ, Đức, Bỉ và Nam phi đã sử dụng khoảng 70% - 80% lượng gạch xây dựng không nung của họ bằng công nghệ này. (Davidovits, 1999) Kể từ những năm 2000, nghiên cứu về tính hoạt hóa kiềm đã tăng lên đáng kể trên khắp thế giới, với hơn 100 trung tâm nghiên cứu được thành lập.
Ở Châu Á, công nghệ Geopolymer đất sét được ứng dụng nhiều vào ngành công nghiệp vận tải, trong việc chế tạo nhựa nền đường mới. Công ty Zeobond Pty Ltd có trụ sở ở Melbourne (Úc) đã phát triển nhà máy sản xuất thử nghiệm riêng của mình trong năm 2007 và hiện đang cung cấp 2 Luan van sản phẩm bê tông E-Crete(TM), cho các dự án hạ tầng cơ sở dân dụng lớn bao gồm dự án mở rộng đường cao tốc và xây dựng, sửa chữa cầu khi được cấp phép. E-Crete sử dụng hỗn hợp tro bay và xỉ lò cao như là một vật liệu kết dính kết hợp các thành phần hoạt hóa kiềm có đăng ký độc quyền sở hữu. (Davidovits, 2002) Những năm sau đó, đã có nhiều thay đổi được áp dụng trong nghiên cứu công nghệ geopolymer.
Nhiều phương pháp phân tích hiện đại được áp dụng để làm sáng tỏ các tác động của các thành phần khác nhau trong vật liệu geopolymer (Rees, 2007). Nhiều nguyên vật liệu mới được quan tâm nghiên cứu như bột silicat nhôm tổng hợp, sợi bazan (Bel, 2002), kiềm fenspat (Xu, 2003), xỉ lò cao (Cheng, 2003),… Vật liệu geopolymer trở nên phong phú và đa dạng về nguồn nguyên vật liệu tạo thành, tuy nhiên việc lựa chọn nguyên liệu chủ yếu vẫn dựa vào sự tác động đến môi trường khi tạo thành vật liệu mới, công nghệ geopolymer ưu tiên nghiên cứu để giảm thiểu các chất thải công nghiệp và giúp môi trường ngày càng bền vững hơn.2 Trong nước Tại Việt nam, Geopolymer cũng mới được chú ý đến trong những năm gần đây. Đến nay đã có nhiều bài nghiên cứu khoa học về loại vật liệu này (Nguyen, 2008; Phan, 2012). Nghiên cứu về phế phẩm của công nghiệp dùng trong lĩnh vực vật liệu xây dựng ở Việt Nam chủ yếu tận dụng tro bay và các phế phẩm khác kết hợp với xi măng, tuy nhiên khả năng sử dụng còn ít, triển khai còn chưa phát huy hết tiềm năng của các phế phẩm công nghiệp.
Một số ứng dụng như thiết kế thành phần bê tông chế tạo các loại mặt đường cứng (đường ô tô, đường sân bay…) (Pham, 2002) hay sử dụng để ổn định, xử lý và tận dụng chất thải boxite từ các quặng khai thác nhôm để chế tạo gạch không nung và đóng rắn nền đường.2 Tính cấp thiết Việc hạn chế lượng khí thải rất lớn trong công nghệ sản xuất gạch đất sét nung truyền thống cũng như việc nghiên cứu tìm ra một chất kết dính vô cơ tổng hợp có thể thay thế chất kết dính truyền thống (xi măng) để chế tạo vật liệu không nung đã và đang được nghiên cứu nhiều ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Ngoài ra, nguồn phụ phẩm tro bay 3 Luan van của các nhà máy nhiệt điện thải ra ngày càng nhiều thúc đẩy ý tưởng tận dụng nguồn tro bay và nguồn đất sét tự nhiên sản xuất gạch để tạo ra một loại vật liệu mới không nung, thân thiện với môi trường được đặc biệt quan tâm nghiên cứu. Nghiên cứu này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng về mặt kinh tế lẫn khoa học do tận dụng được nguồn phế thải, tiết kiệm được nguồn tài nguyên sẵn có, vừa tạo ra loại vật liệu mới thân thiện với môi trường nhiều hơn. Tại Việt Nam, nguồn tro bay từ các nhà máy nhiệt điện (Phả lại, Formosa) là rất lớn.
Trung bình hàng năm, các nhà máy nhiệt điện trong cả nước thải ra khoảng 1,3 triệu tấn tro bay. Trong năm 2010 có khoảng 2,3 triệu tấn tro bay thải ra. Theo số liệu thu thập, mỗi ngày Nhà máy nhiệt điện Phả lại 2 thải ra khoảng 3.000 tấn tro xỉ, trong đó 30% là than chưa cháy hết, còn lại là tro bay rất mịn. Do hàm lượng than dư này không cao nên khó tận thu làm nhiên liệu đốt mà thường được thải thẳng ra hồ chứa.
Sử dụng các loại phế thải công nghiệp như tro bay để thay thế một phần hay toàn bộ xi măng trong việc sản xuất vật liệu không nung là hướng nghiên cứu cần thiết, giảm tác động môi trường, tận dụng phế phẩm công nghiệp.3 Mục tiêu Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu xây dựng sử dụng phế phẩm công nghiệp nhiệt điện để sản xuất vật liệu không nung thân thiện môi trường, phù hợp với tình hình phát triển các công trình xây dựng tại Việt Nam.4 Cách tiếp cận Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước, lựa chọn thành phần cấp phối thích hợp, thực nghiệm và xác định các tính chất vật liệu.5 Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm đánh giá.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu các loại vật liệu xây dựng có khả năng sử dụng các loại phế phẩm công nghiệp nhiệt điện (tro bay) trong nước để chế tạo chất kết dính geopolymer có khả năng ứng dụng trong các công trình xây dựng.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu vật liệu ứng dụng trong công trình xây dựng trong điều kiện Việt Nam.7 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu, đánh giá các đặc tính của phế phẩm công nghiệp nhiệt điện. - Đánh giá các đặc tính kỹ thuật của vật liệu không nung dùng trong xây dựng. - Nghiên cứu tận dụng phế thải công nghiệp nhiệt điện trong sản xuất vật liệu không nung có độ bền cao, tính chất tương đương với vật liệu truyền thống. - Thí nghiệm và phân tích kết quả.
- Kết luận dựa trên các kết quả đạt được và đề xuất hướng phát triển đề tài. 5 Luan van CHAPTER 2 CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER 2.1 Giới thiệu Các ứng dụng của Geopolymer đã được tin tưởng ứng dụng trong suốt 25 năm qua và ngày càng được thương mại hóa.