Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu xây dựng ngày càng tăng cao, việc khai thác đất sét để sản xuất gạch đất sét nung gây ra nhiều hệ lụy về môi trường như mất đất canh tác, phá rừng và ô nhiễm không khí. Theo báo cáo ngành, sản lượng gạch đất sét nung tại Việt Nam đạt khoảng 25 tỷ viên/năm, chiếm tỷ lệ sử dụng vật liệu xây dựng từ 50-70%. Tuy nhiên, nguồn tài nguyên đất sét đang dần cạn kiệt, đồng thời quá trình nung gạch truyền thống phát thải khí độc hại, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường. Trong khi đó, tro xỉ nhiệt điện than là phụ phẩm phát sinh với sản lượng lớn, ước tính hơn 16 triệu tấn mỗi năm tại Việt Nam, trong đó miền Bắc chiếm 64%. Tro xỉ chứa nhiều oxit silicat và alumin, có tiềm năng ứng dụng làm vật liệu xây dựng thay thế gạch đất sét nung.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp vật liệu xây dựng từ tro xỉ nhiệt điện Mông Dương với hàm lượng tro xỉ trên 90%, sử dụng chất kết dính vôi tôi hoặc đất sét nhằm thay thế gạch đất sét nung theo tiêu chuẩn TCVN 1451:1998. Nghiên cứu tập trung đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ chất kết dính, nhiệt độ nung (1000°C, 1050°C, 1100°C) và thời gian nung đến các tính chất cơ lý của vật liệu như cường độ nén, uốn, độ hút nước và khối lượng thể tích. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong điều kiện công nghệ đùn ép phổ biến tại các nhà máy sản xuất gạch đất sét nung ở Việt Nam.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện ở việc tận dụng nguồn tro xỉ nhiệt điện dồi dào, giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phế thải, đồng thời tiết kiệm tài nguyên đất sét và năng lượng trong sản xuất vật liệu xây dựng. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và mở rộng ứng dụng trong công nghiệp xây dựng dân dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết hoạt tính pozzolan: Tro xỉ chứa silica hoạt tính phản ứng với Ca(OH)₂ trong vôi tôi tạo thành gel C-S-H (calcium silicate hydrate), là chất kết dính chính giúp tăng cường độ vật liệu. Phản ứng pozzolanic được biểu diễn bằng phương trình:
    $$2SiO_2 + 3Ca(OH)_2 \rightarrow 3CaO \cdot 4H_2O$$

  • Mô hình thiêu kết có mặt pha lỏng: Quá trình nung vật liệu tạo ra pha lỏng giúp liên kết các hạt rắn, tăng mật độ và cường độ vật liệu. Quá trình thiêu kết gồm ba giai đoạn: tạo pha lỏng và phân bố, hòa tan và kết tinh, tăng kích thước hạt và co ngót.

  • Khái niệm tính chất cơ lý của vật liệu xây dựng: Bao gồm cường độ nén, cường độ uốn, độ hút nước, độ xốp và khối lượng thể tích, là các chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng gạch đất sét nung theo tiêu chuẩn TCVN 1451:1998.

  • Đặc tính hóa học và khoáng vật học của tro xỉ: Tro xỉ Mông Dương chứa chủ yếu SiO₂ (53,08%), Al₂O₃ (24,39%), Fe₂O₃ (5,18%), CaO (2,03%) và có hàm lượng carbon chưa cháy (MKN) khoảng 8,22%. Pha vô định hình chiếm khoảng 70%, pha tinh thể gồm quartz, hematite, anhydrite.

  • Tính chất vật liệu đất sét: Đất sét có thành phần chính là kaolinite, montmorillonite và thuỷ mica, có tính dẻo và khả năng tạo hình tốt, phù hợp làm chất kết dính trong phối liệu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu tro xỉ được lấy từ Nhà máy nhiệt điện Mông Dương I, đất sét Trúc Thôn và vôi tôi chuẩn bị theo tỷ lệ phối liệu nghiên cứu.

  • Phương pháp phân tích:

    • Thành phần hóa học được xác định bằng phương pháp phân tích hóa học ướt theo tiêu chuẩn TCVN 7131:2002.
    • Thành phần khoáng vật học phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) sử dụng máy D2 Phaser của hãng Bruker.
    • Hình thái và cấu trúc hạt quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) trên máy Nova Nano SEM 450.
    • Phân bố kích thước hạt đo bằng tán xạ laser trên máy Partica Mini LA350.

  • Quy trình chế tạo mẫu:

    • Chuẩn bị phối liệu với hàm lượng tro xỉ trên 90%, kết hợp với đất sét hoặc sữa vôi 30%.
    • Trộn đều nguyên liệu, cấp nước, ủ 24 giờ để đồng nhất độ ẩm.
    • Tạo hình bằng phương pháp đùn ép trên máy đùn lento với kích thước viên mộc 35x90x35 mm.
    • Sấy khô mẫu ở 110°C trong 24 giờ.
    • Nung mẫu trong lò điện Nabertherm theo đường cong nung từ 1000°C đến 1100°C.

  • Phương pháp khảo sát tính chất cơ lý:

    • Đo độ co sấy, co nung theo tỷ lệ phần trăm thay đổi kích thước mẫu.
    • Xác định cường độ uốn 3 điểm và cường độ nén sau nung trên máy kéo nén đa năng INSTRON 34SC-5.
    • Đo độ hút nước, độ xốp biểu kiến và khối lượng thể tích theo phương pháp ngâm nước sôi và cân mẫu.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Thu thập và chuẩn bị nguyên liệu: 1 tháng.
    • Chế tạo mẫu và thử nghiệm cơ lý: 3 tháng.
    • Phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn: 2 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thành phần hóa học và khoáng vật học của tro xỉ Mông Dương:
    Tro xỉ chứa 53,08% SiO₂, 24,39% Al₂O₃, 5,18% Fe₂O₃, 2,03% CaO và hàm lượng carbon chưa cháy (MKN) 8,22%. Pha vô định hình chiếm khoảng 70%, pha tinh thể gồm quartz, hematite và anhydrite. Kích thước hạt trung bình 15 µm, 90% hạt dưới 86,4 µm, phù hợp cho sản xuất vật liệu xây dựng.

  2. Ảnh hưởng của tỷ lệ chất kết dính đến khả năng tạo hình và cường độ mộc:
    Mẫu phối liệu với tro xỉ trên 90% và chất kết dính đất sét hoặc sữa vôi 30% cho thấy mẫu có tỷ lệ chất kết dính thấp (<6%) bị nứt vỡ sau đùn ép. Mẫu TX-DS 90 (tro xỉ 90%, đất sét 10%) và TX-SV 96,5 (tro xỉ 96,5%, sữa vôi 3,5%) không bị nứt, có cường độ mộc sau sấy lần lượt 0,52 MPa và 0,87 MPa, đảm bảo khả năng vận chuyển và xếp chồng trong sản xuất.

  3. Độ co sấy và co nung:
    Độ co sấy của mẫu tro xỉ - sữa vôi là 1,73%, cao hơn mẫu tro xỉ - đất sét 0,13%. Độ co nung tăng theo nhiệt độ nung, với mẫu tro xỉ - sữa vôi đạt 12,28% tại 1100°C, mẫu tro xỉ - đất sét là 6,89%. Độ co nung cao hơn ở mẫu sữa vôi do hàm lượng nước và phản ứng hóa học tạo pha lỏng nhiều hơn.

  4. Tính chất cơ lý sau nung:

    • Cường độ uốn tăng theo nhiệt độ nung, mẫu tro xỉ - đất sét đạt 4,24 MPa (1000°C) đến 12,98 MPa (1100°C), mẫu tro xỉ - sữa vôi đạt 3,3 MPa đến 8,03 MPa.
    • Cường độ nén mẫu tro xỉ - đất sét tăng từ 3,09 MPa (1000°C, chưa đạt tiêu chuẩn) lên trên 7,5 MPa (1050°C trở lên), mẫu tro xỉ - sữa vôi có cường độ nén cao hơn, đạt trên 10 MPa ở 1100°C.
    • Độ hút nước và độ xốp biểu kiến giảm khi nhiệt độ nung tăng, mẫu tro xỉ - đất sét đạt độ hút nước 13,7% tại 1100°C, phù hợp tiêu chuẩn TCVN 1451:1998.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy tro xỉ nhiệt điện Mông Dương có thành phần hóa học và khoáng vật học tương đồng với đất sét, phù hợp làm nguyên liệu chính trong sản xuất vật liệu xây dựng thay thế gạch đất sét nung. Hàm lượng tro xỉ trên 90% trong phối liệu là mức cao chưa được nghiên cứu nhiều trên thế giới, thể hiện tính mới và thách thức của đề tài.

Chất kết dính sữa vôi tạo hiệu ứng pozzolanic giúp tăng cường độ mộc và cường độ nén sau nung, tuy nhiên độ co và độ hút nước cao hơn so với mẫu dùng đất sét, ảnh hưởng đến tính ổn định kích thước và độ bền lâu dài. Ngược lại, chất kết dính đất sét giúp giảm độ co và độ hút nước, tăng cường độ uốn và nén, phù hợp hơn với tiêu chuẩn gạch đất sét nung.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, cường độ nén đạt được (trên 10 MPa) và cường độ uốn (trên 8 MPa) của mẫu tro xỉ - sữa vôi tương đương hoặc vượt mức các vật liệu tổng hợp từ tro xỉ khác. Tuy nhiên, cường độ mộc thấp hơn, đòi hỏi cải tiến công nghệ tạo hình để đảm bảo sản xuất công nghiệp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cường độ nén và uốn theo nhiệt độ nung, bảng so sánh độ hút nước và độ co giữa các mẫu, giúp minh họa rõ ràng xu hướng và hiệu quả phối liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỷ lệ chất kết dính trong phối liệu

    • Hành động: Điều chỉnh tỷ lệ đất sét hoặc vôi tôi trong phối liệu để cân bằng giữa cường độ cơ lý và độ ổn định kích thước.
    • Mục tiêu: Đạt cường độ nén ≥ 7,5 MPa và độ hút nước ≤ 16% theo TCVN 1451:1998.
    • Thời gian: 6 tháng thử nghiệm và đánh giá.
    • Chủ thể: Các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng, viện nghiên cứu.

  2. Nâng cao công nghệ tạo hình đùn ép

    • Hành động: Áp dụng công nghệ hút chân không và điều chỉnh áp lực đùn để giảm nứt vỡ mộc, tăng cường độ mộc.
    • Mục tiêu: Tăng cường độ mộc lên trên 1 MPa, giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi.
    • Thời gian: 3-4 tháng thử nghiệm thiết bị.
    • Chủ thể: Nhà sản xuất máy móc, nhà máy sản xuất gạch.

  3. Mở rộng nghiên cứu quy mô công nghiệp

    • Hành động: Thực hiện thử nghiệm sản xuất quy mô lớn tại nhà máy nhiệt điện hoặc nhà máy vật liệu xây dựng.
    • Mục tiêu: Đánh giá tính khả thi, hiệu quả kinh tế và môi trường khi ứng dụng vật liệu tro xỉ thay thế gạch đất sét nung.
    • Thời gian: 12 tháng.
    • Chủ thể: Tập đoàn điện lực, doanh nghiệp vật liệu xây dựng.

  4. Phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu tro xỉ

    • Hành động: Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật riêng cho vật liệu xây dựng tổng hợp từ tro xỉ, phù hợp với điều kiện Việt Nam.
    • Mục tiêu: Tạo cơ sở pháp lý, thúc đẩy ứng dụng rộng rãi.
    • Thời gian: 1 năm.
    • Chủ thể: Bộ Xây dựng, viện tiêu chuẩn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu xây dựng

    • Lợi ích: Hiểu rõ về ứng dụng tro xỉ nhiệt điện trong sản xuất vật liệu xây dựng, phương pháp tổng hợp và đánh giá tính chất cơ lý.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, luận văn thạc sĩ, tiến sĩ.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và nhà máy nhiệt điện

    • Lợi ích: Áp dụng công nghệ tái sử dụng tro xỉ, giảm chi phí nguyên liệu, nâng cao giá trị sản phẩm và bảo vệ môi trường.
    • Use case: Đầu tư dây chuyền sản xuất vật liệu thay thế gạch đất sét nung.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng và môi trường

    • Lợi ích: Xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định về sử dụng phế thải công nghiệp trong xây dựng.
    • Use case: Ban hành quy chuẩn, thúc đẩy phát triển vật liệu xanh.

  4. Các tổ chức tư vấn và thiết kế công trình xây dựng

    • Lợi ích: Lựa chọn vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và bền vững.
    • Use case: Tư vấn thiết kế công trình sử dụng vật liệu tro xỉ thay thế gạch truyền thống.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tro xỉ nhiệt điện có thể thay thế hoàn toàn gạch đất sét nung không?
    Tro xỉ có thể thay thế phần lớn đất sét trong phối liệu, với tỷ lệ trên 90% trong nghiên cứu này. Tuy nhiên, cần phối hợp với chất kết dính như đất sét hoặc vôi để đảm bảo tính dẻo và cường độ. Việc thay thế hoàn toàn cần thêm nghiên cứu quy mô công nghiệp.

  2. Nhiệt độ nung ảnh hưởng thế nào đến tính chất vật liệu?
    Nhiệt độ nung cao hơn (từ 1000°C đến 1100°C) làm tăng cường độ nén và uốn, giảm độ hút nước và độ xốp, do quá trình thiêu kết pha lỏng diễn ra hiệu quả hơn, tăng mật độ vật liệu.

  3. Phương pháp tạo hình đùn ép có ưu điểm gì?
    Đùn ép cho phép sản xuất liên tục, năng suất cao, chi phí đầu tư thấp và phù hợp với công nghệ hiện có tại các nhà máy gạch đất sét nung. Tuy nhiên, cần kiểm soát tốt tỷ lệ chất kết dính để tránh nứt vỡ mộc.

  4. Tro xỉ có gây ảnh hưởng môi trường khi sử dụng làm vật liệu xây dựng không?
    Khi được xử lý và phối liệu đúng cách, tro xỉ giúp giảm lượng phế thải ra môi trường, hạn chế ô nhiễm không khí và nước. Việc sử dụng tro xỉ còn giúp tiết kiệm tài nguyên đất sét và năng lượng.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này ở quy mô công nghiệp không?
    Kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng ứng dụng cao, tuy nhiên cần thử nghiệm quy mô công nghiệp để đánh giá tính ổn định, hiệu quả kinh tế và môi trường trước khi triển khai rộng rãi.

Kết luận

  • Tro xỉ nhiệt điện Mông Dương có thành phần hóa học và khoáng vật học phù hợp làm nguyên liệu chính trong sản xuất vật liệu xây dựng thay thế gạch đất sét nung với hàm lượng trên 90%.
  • Chất kết dính đất sét và vôi tôi hỗ trợ tạo hình mộc và tăng cường độ cơ lý, trong đó đất sét giúp giảm độ co và độ hút nước, vôi tôi tăng cường độ mộc và cường độ nén.
  • Nhiệt độ nung từ 1050°C đến 1100°C là khoảng nhiệt độ tối ưu để đạt các chỉ tiêu kỹ thuật theo tiêu chuẩn TCVN 1451:1998.
  • Phương pháp đùn ép là công nghệ tạo hình phù hợp, cho phép sản xuất liên tục với cường độ mộc đủ để vận chuyển và xếp chồng.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, tiết kiệm tài nguyên và năng lượng, cần tiếp tục thử nghiệm quy mô công nghiệp và hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng và viện nghiên cứu phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp, đồng thời phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu tro xỉ thay thế gạch đất sét nung nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng.