Sự ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét đến tính chất của vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất sét và tro bay

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------

HUỲNH HOÀNG MIN

ĐỀ TÀI:
SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG HẠT SÉT ĐẾN TÍNH
CHẤT CỦA VẬT LIỆU GEOPOLYMER TỔNG HỢP TỪ ĐẤT
SÉT VÀ TRO BAY

Chuyên ngành: VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU XÂY DỰNG
Mã số: 605880

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2013


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ LÊ ANH TUẤN

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ..................................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ..................................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày . . .
. . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ............................................................

2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Huỳnh Hoàng Min

MSHV: 10190718

Ngày, tháng, năm sinh: 19 tháng 09 năm 1987

Nơi sinh: Sóc Trăng

Chuyên ngành: Vật liệu và Công nghệ sản xuất Vật liệu xây dựng.
Mã số: 605880
I. TÊN ĐỀ TÀI:
SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG HẠT SÉT ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA

VẬT LIỆU GEOPOLYMER TỔNG HỢP TỪ ĐẤT SÉT VÀ TRO BAY.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Đề tài nghiên cứu về vật liệu geopolymer đất sét và tro bay. Nghiên cứu ảnh
hưởng của các yếu tố tỉ lệ Tro bay/Đất, Dung dịch hoạt hóa/Tro bay, tỉ lệ các thành
phần trong dung dịch hoạt hóa đến cường độ vật liệu tạo thành. Mặt khác, Đề tài
nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét đến cường độ của vật liệu geopolymer
đất, từ đó đề xuất các hướng nghiên cứu về vật liệu gạch đất sét không nung giúp
giảm nguồn khí thải của ngành sản xuất gạch, tận dụng nguồn vật liệu thải tro bay
góp phần bảo vệ và xây dựng môi trường bền vững.
Nội dung đề tài gồm 5 Chương cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu vật liệu tổng hợp geopolymer.
Chương 2: Hệ nguyên vật liệu và cơ sở khoa học làm nền tảng chế tạo
geopolymer đất và tro bay.
Chương 3: Đặc tính kỹ thuật của nguyên vật liệu sử dụng và thiết kế thành
phần hỗn hợp.
Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21 tháng 01 năm 2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21 tháng 06 năm 2013
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Lê Anh Tuấn – Phó trưởng khoa Kỹ thuật
Xây dựng, ĐH Bách khoa HCM.
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . năm 20....
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TRƯỞNG KHOA


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn tôi đã được tập thể

thầy cô bộ môn Vật liệu Xây dựng – khoa Kỹ thuật xây dựng, trường Đại học Bách Khoa
Thành phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy, hướng dẫn, bổ sung thêm cho tôi nhiều kiến
thức chuyên sâu về chuyên môn.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu, Phịng đào tạo sau
đại học, q thầy cơ Bộ môn bộ môn Vật liệu Xây dựng – khoa Kỹ thuật xây dựng, trường
Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi
trong q trình học tập và hồn thành luận văn.
Với lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin cảm ơn Tiến sĩ. LÊ ANH TUẤN
đã tận tình hướng dẫn, cung cấp những tài liệu cần thiết, truyền đạt những thông tin quý
báu và động viên tơi hồn thành tốt luận văn này.
Ngồi ra, tơi cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cơ trong hội đồng
bảo vệ luận văn đã có những góp ý, điều chỉnh giúp tơi hồn thiện được luận văn này.
Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình đã dành những điều tốt nhất giúp tơi
có điều kiện để hồn thành q trình học tập. Bên cạnh đó, tơi xin chân thành cám ơn
các bạn đồng nghiệp, các bạn học cùng lớp đã nhiệt tình giúp đỡ để tơi hồn thành luận
văn này.
Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình thực hiện nhưng luận văn khơng thể tránh
khỏi những thiếu sót. Tác giả mong nhận được sự góp ý của q thầy cơ và bạn bè.
Trân trọng cảm ơn!
Học viên Huỳnh Hoàng Min


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn này là cơng trình nghiên cứu của bản
thân tơi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến Sĩ Lê
Anh Tuấn, các số liệu nêu trong Luận văn là trung thực. Những kiến
nghị đề xuất trong Luận văn không sao chép của bất kỳ tác giả nào.
Học viên

Huỳnh Hoàng Min

Tóm tắt
Đất sét là một loại vật liệu aluminosilicate với thành phần chủ yếu là oxit
silic và oxit alumin, được ứng dụng nhiều để chế tạo các sản phẩm phục vụ cho
ngành xây dựng. Đề tài nghiên cứu này ứng dụng cơng nghệ geopolymer với
thành phần ngun liệu chính là đất sét và chất xúc tác đã kích hoạt để tạo ra
loại vật liệu mới thân thiện với môi trường. Chất xúc tác được sử dụng là dung
dịch kiềm (NaOH), nước thủy tinh lỏng( Na2SiO3) và tro bay. Mẫu tạo thành
được bảo dưỡng sấy ở nhiều mức nhiệt độ khác nhau 60, 80, 100 và 120 độ C.
Kết quả cho thấy cường độ của geopolymer đất phụ thuộc vào điều kiện dưỡng
hộ, hàm lượng dung dịch hoạt hóa, đặc biệt là hàm lượng hạt sét và vật liệu
đạt giá trị ổn định nhất khi hàm lượng hạt sét từ 10.29 – 15.12% (khối lượng).
Vật liệu geopolymer đất có thể dùng thay thế cho một số vật liệu ngành xây
dựng như gạch đất sét nung và một số vật dụng gốm thông thường.

Abstract
Soil is known as green material with low carbon dioxide production
emissions in comparison with another building material. In this research, soil
combined to activator alkaline to produce hardening materials as ecofriendly to the environment. The alkaline with sodium hydroxide, sodium
silicate and fly ash are used. Curing temperature ranging from 60, to 120
degrees Celsius and curing time from 6 to 12 hours are investigated. The
results show the strength of geopolymer soil is depended on curing time,
temperature and sodium hydroxide-sodium silicate ratio. On the influence of
clay content, soil is replaced by sand ranging from 20 to 60%, shows suitable
clay which is from 10.29 – 15.12% by weight.


Trang 1

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỔNG HỢP
GEOPOLYMER...................................................................................................... 8
1.1.

Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu: ................................................................. 8

1.2.

Lịch sử phát triển của ngành công nghệ vật liệu Geopolymer đất:................ 10

1.2.1.

Lịch sử phát triển và ứng dụng cơng nghệ Geopolymer trên thế giới: .... 10

1.2.2.

Tình hình ứng dụng công nghệ Geopolymer ở việt Nam: ...................... 13

1.3.

Tổng quan tình hình sử dụng đất sét ở Việt Nam: ........................................ 13

1.4.

Tông quan về nguyên vật liệu chế tạo trong Geopolymer đất: ...................... 15

1.4.1.

Vật liệu Aluminosiliate: ........................................................................ 15

1.4.2.

Dung dịch đóng rắn: .............................................................................. 16

1.4.3.

Tro bay: ................................................................................................ 17

1.5.

Mục tiêu của đề tài: ..................................................................................... 19

1.6. Nhiệm vụ của đề tài: ...................................................................................... 19
CHƯƠNG 2
HỆ NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC LÀM NỀN TẢNG CHẾ TẠO
GEOPOLYMER ĐẤT VÀ TRO BAY .................................................................. 21
2.1. Thành phần hóa học và cấu trúc phân tử của nguyên vật liệu tạo thành
Geopolymer đất: .................................................................................................... 21
2.1.1. Đất sét làm gạch: ...................................................................................... 21
2.1.1.1. Thành phần hóa và cấu trúc thành phần khống của đất sét: ............... 21
2.1.1.2. Biến tính khống sét: .......................................................................... 26
2.1.1.3. Nguồn đất sét thực tế áp dụng: ........................................................... 27
2.1.2. Tro bay: .................................................................................................... 27
2.2. Cơ chế đóng rắn của tro bay và đất sét theo công nghệ Geopolymer: .............. 29
2.2.1. Cơ sở hóa học của cơng nghệ Geopolymer: .............................................. 29
2.2.2. Cơ sở hóa học của cơng nghệ Geopolymer đất và tro bay: ........................ 33
2.2.2.1. Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer tro bay: ........................... 33
2.2.2.2. Cơ chế hóa học của cơng nghệ geopolymer đất sét: ............................ 35

Trang 2

CHƯƠNG 3
ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ THIẾT KẾ
THÀNH PHẦN HỖN HỢP ................................................................................... 40
3.1. Đất sét: ........................................................................................................... 40
3.2. Tro bay: .......................................................................................................... 40
3.3. Dung dịch hoạt hóa: ........................................................................................ 41
3.4. Cát: ................................................................................................................. 41
3.5. Nước nhào trộn: .............................................................................................. 42
3.6. Môi trường dưỡng hộ:..................................................................................... 42
3.7. Thiết kế thành phần cấp phối: ......................................................................... 42
3.8. Phương pháp tạo mẫu và thí nghiệm: .............................................................. 43
3.8.1. Phương pháp tạo mẫu: .............................................................................. 43
3.8.2. Phương pháp thí nghiệm: .......................................................................... 43
CHƯƠNG 4
THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ...................................................... 46
4.1. Ảnh hưởng của điều kiện dưỡng hộ đến cường độ của vật liệu geopolymer đất
khi cố định hàm lượng sét:..................................................................................... 46
4.1.1. Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ:.......................................................... 46
4.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ: ........................................................... 48
4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng dung dịch hoạt hóa khi cố định hàm lượng hạt sét:
.............................................................................................................................. 57
4.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ: ........................................................... 57
4.2.2. Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ:.......................................................... 59
4.3. Ảnh hưởng tỷ lệ các dung dịch thành phần khi hàm lượng hạt sét không đổi: . 65
4.4.1. Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ nhiệt: ................................................. 65
4.4.1.1. Trường hợp tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay = 0.3: .......................... 65

4.4.1.2. Trường hợp tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay = 0.4: .......................... 66
4.4.1.3. Trường hợp tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay = 0.5: .......................... 68
4.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ: ........................................................... 69
4.4.2.1. Trường hợp tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay = 0.3: .......................... 70
4.4.2.2. Trường hợp tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay = 0.4: .......................... 71


Trang 3

4.4.2.3. Trường hợp tỷ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay = 0.5: .......................... 72
4.5 Ảnh hưởng của hàm lượng Si đối với cường độ của vật liệu Geopolymer đất khi
cố định hàm lượng hạt sét: ..................................................................................... 73
4.5.1. Ảnh hưởng của hàm lượng Si trong dung dịch hoạt hóa: .......................... 73
4.5.2. Ảnh hưởng của hàm lượng Si trong tro bay và đất sét:.............................. 76
4.6. Ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét đến cường độ của vật liệu Geopolymer đất:
.............................................................................................................................. 82
CHƯƠNG 5
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ....................................... 85
5.1. Kết luận: ......................................................................................................... 85
5.2. Hướng phát triển và đóng góp của đề tài: ........................................................ 86
CÁC BÀI NGHIÊN CỨU ĐƯỢC CÔNG BỐ ....................................................... 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 89


Trang 4

DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG
Bảng 1. 1 Thành phần chính tro bay theo ASTM C618-94a ............................................. 17
Bảng 1. 2 Sản lượng tro bay ........................................................................................... 18
Bảng 2. 1 Thành phần hạt của đất sét. .............................................................................. 27

Bảng 2. 2 Hàm lượng tích lũy của đất sét. ........................................................................ 27
Bảng 2. 3 Thành phần hoá học của tro bay Nhà máy nhiệt điện Phả Lại........................... 28
Bảng 2. 4 Thành phần hoá học của tro bay Nhà máy nhiệt điện Formosa ........................ 29
Bảng 2. 5 Thành phần vật lý của tro bay [28] [34]................................................................ 29
Bảng 3. 1 Thành phần hạt của đất sét. .............................................................................. 40
Bảng 3. 2 Thành phần hóa học của đất sét. ...................................................................... 40
Bảng 3. 3 Thành phần hóa học của tro bay....................................................................... 41
Bảng 3. 4 Tổng hợp tính chất vật lý tro bay. .................................................................... 41
Bảng 3. 5 Cấp phối thí nghiệm sự ảnh hưởng của hàm lượng sét đến cường độ của
geopolymer đất ................................................................................................................ 43
Bảng 4. 1 Kết quả thí nghiệm khi thay đổi thời gian dưỡng hộ ......................................... 46
Bảng 4. 2 Kết quả thí nghiệm khi thay đổi nhiệt độ dưỡng hộ. ........................................ 48
Bảng 4. 3 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và nhiệt độ dưỡng hộ ............................. 50
Bảng 4. 4 Kết quả thí nghiệm khi thay đổi hàm lượng dung dịch và nhiệt độ dưỡng hộ.... 57
Bảng 4. 5 Kết quả thí nghiệm khi thay đổi hàm lượng dung dịch và thời gian dưỡng hộ. . 59
Bảng 4. 6 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng Si trong dung dịch............ 75
Bảng 4. 7 Hàm lượng Si trong đất và tro bay ................................................................... 76
Bảng 4. 8 Mối quan hệ giữa cường độ nén và hàm lượng Si trong đất và tro bay. ............ 77
Bảng 4. 9 Kết quả thí nghiệm theo hàm lượng hạt sét. ..................................................... 82
Bảng 4. 10 Mối quan hệ giữa hàm lượng hạt sét và cường độ chịu nén. ........................... 84


Trang 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ
Hình 1. 1. Tro bay tại Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại.......................................................... 19
Hình 2. 1 Cấu trúc khối tứ diện SiO2 đơn. ........................................................................ 22
Hình 2. 2 Cấu trúc khối bát diện Al3+ đơn. ...................................................................... 23
Hình 2. 3 Cấu trúc của một lớp khống sét ...................................................................... 24
Hình 2. 4 Cấu trúc khống của đất sét khi chụp bằng phương pháp SEM ........................ 25

Hình 2. 5 Xác định thành phần khoáng khi chụp bằng phương pháp XRD ..................... 25
Hình 2. 6 Các dạng polymer đất sét sau khi biến tính ....................................................... 26
Hình 2. 7 Cấu trúc SEM của vi hạt tro bay ....................................................................... 28
Hình 2. 8 Hình ảnh SEM các trạng thái vi hạt tro bay: ..................................................... 33
Hình 2. 9 Mơ hình miêu tả kích hoạt kiềm tro bay ........................................................... 34
Hình 2. 10 Sơ đồ cấu trúc monomer đất sét dưới tác dụng của dung dịch Sodium Hydroxit
........................................................................................................................................ 35
Hình 2. 11 Phân biệt cấu trúc lập thể của Hydrosodalite và Zeolite ................................. 36
Hình 2. 12 Hình ảnh SEM của hydrosodalite ................................................................. 36
Hình 2. 13 Quá trình polymer vơ cơ trực tiếp các tấm khống sét. ................................... 37
Hình 3. 1 Quá trình tạo mẫu trụ. ...................................................................................... 44
Hình 3. 2 Mẫu trước khi bão dưỡng nhiệt. ....................................................................... 44
Hình 3. 3 Mẫu được sấy và thí nghiệm nén ...................................................................... 45
Hình 4. 1 Mối quan hệ giữa thời gian dưỡng hộ nhiệt và cường độ chịu nén khi tỷ lệ
Sodium Hydroxit – Sodium Silicat là 1-1 ........................................................................ 47
Hình 4. 2 Mối quan hệ giữa nhiệt độ dưỡng hộ và cường độ chịu nén với tỷ lệ Sodium
Hydroxit – Sodium Silicat là 1-1 ..................................................................................... 49
Hình 4. 3 Bề mặt vật liệu sau khi đóng rắn. ..................................................................... 52
Hình 4. 4 Hình SEM cấu trúc của các tinh thể được hình thành do đất và tro bay sau khi
geopolymer hóa. .............................................................................................................. 53
Hình 4. 5 Cấu trúc SEM của khống sét........................................................................... 54
Hình 4. 6 Cấu trúc SEM của kaolinite ở các mốc thời gian lần lượt là 1, 7 và 60 ngày đóng
rắn (tỉ lệ Sodium Hydroxit/Sodium Silicat = 1.0) ............................................................ 55
Hình 4. 7 Cấu trúc SEM của geopolymer kaolinite sau khi đóng rắn và có bảo dưỡng ở thời
gian nhất định ................................................................................................................. 56
Hình 4. 8 Mối quan hệ hàm lượng dung dịch hoạt hóa và nhiệt độ dưỡng hộ khi tỷ lệ
Sodium Hydroxit – Sodium Silicat là 1:1. ........................................................................ 58


Trang 6

Hình 4. 9 Ảnh hưởng của hàm lượng dung dịch và thời gian dưỡng hộ khi tỷ lệ Sodium
Hydroxit – Sodium Silicat là 1.0 ...................................................................................... 60
Hình 4. 10 Cấu trúc bề mặt geopolymer đất là sự hòa trộn giữa cấu trúc vơ định hình và
cấu trúc tinh thể. .............................................................................................................. 61
Hình 4. 11 Mối quan hệ của hàm lượng dung dịch và cường độ chịu nén ......................... 63
Hình 4. 12 Cấu trúc SEM chi tiết cấu trúc tinh thể tạo thành. ........................................... 64
Hình 4. 13 Ảnh hưởng tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit và thời gian dưỡng hộ nhiệt
đến cường độ chịu nén khi tỉ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay=0.3..................................... 65
Hình 4. 14 Ảnh hưởng tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit và thời gian dưỡng hộ nhiệt
đến cường độ chịu nén khi tỉ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay=0.4..................................... 67
Hình 4. 15 Ảnh hưởng tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit và thời gian dưỡng hộ nhiệt
đến cường độ chịu nén khi tỉ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay=0.5..................................... 68
Hình 4. 16 Ảnh hưởng tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit và nhiệt độ dưỡng hộ đến
cường độ chịu nén khi tỉ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay=0.3. .......................................... 70
Hình 4. 17 Ảnh hưởng tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit và nhiệt độ dưỡng hộ đến
cường độ chịu nén khi tỉ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay=0.4 ........................................... 71
Hình 4. 18 Ảnh hưởng tỷ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit và nhiệt độ dưỡng hộ đến
cường độ chịu nén khi tỉ lệ Dung dịch hoạt hóa/Tro bay=0.5 ........................................... 72
Hình 4. 19 Mối quan hệ của hàm lượng Si (%) trong dung dịch với cường độ chịu nén khi
tỉ lệ Tro bay/Đất = 0.3 ..................................................................................................... 74
Hình 4. 20 Mối quan hệ của hàm lượng Si (%) trong dung dịch với cường độ chịu nén khi
tỉ lệ Tro bay/Đất = 0.4 ..................................................................................................... 75
Hình 4. 21 Mối quan hệ của hàm lượng Si (%) trong dung dịch với cường độ chịu nén khi
tỉ lệ Tro bay/Đất = 0.2 ..................................................................................................... 76
Hình 4. 22 Mối quan hệ của hàm lượng Si (%) trong đất và tro bay với cường độ chịu nén
khi tỉ lệ Sodium Silicat/Sodium Hydroxit = 1.0 ............................................................... 77
Hình 4. 23 Mơ hình nhiễu xạ XRD của geopolymer đất. .................................................. 78
Hình 4. 24 Mơ hình nhiễu xạ XRD của geopolymer hình thành bởi kaolinite và stilbite ... 79
Hình 4. 25 Mơ hình XRD thể hiện sự ảnh hưởng của hàm lượng khoáng sét đến

geopolymer đất dưới tác dụng của dung dịch Sodium Hydroxit ...................................... 80
Hình 4. 26 Mơ hình XRD thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ bảo dưỡng đến vật liệu
geopolymer đất ................................................................................................................ 80
Hình 4. 27 Cấu trúc SEM vi hạt geopolymer đất (TL 1:10000) ........................................ 81


Trang 7

Hình 4. 28 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ của hàm lượng hạt sét đến cường độ geopolymer
đất sau khi bảo dưỡng sấy 12 giờ với nhiệt độ là 1200C. .................................................. 83


Trang 8

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỔNG HỢP
GEOPOLYMER
1.1.

Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu:

Sự phát triển nhanh chóng của ngành vật liệu xây dựng, cùng với mục tiêu
chung là tận dụng các nguồn nguyên vật liệu phế phẩm, tiết kiệm các nguồn tài
nguyên sẵn có. Các nhà khoa học đã tìm ra rất nhiều đề tài, nhiều cơng trình nghiên
cứu phục vụ mục tiêu chung đó. Việc định hướng và 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. Trong
thực tế thì nguồn phụ phẩm tro bay của các nhà máy nhiệt điện thải ra ngày càng
nhiều, công nghệ sản xuất gạch đất sét nung thì càng phát triển trên diện rộng.
Chính vì thế, ý tưởng tận dụng được 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 đã
được nhiều nhà khoa học đặc biệt quan tâm và nghiên cứu.
Việt Nam là một đất nước đang phát triển, đang trong quá trình hiện đại hóa
các ngành cơng nghiệp. Nguồn ngun liệu khống 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. Diện phân bố các khoáng sản sét được tập trung chủ yếu ở các vùng Bắc
Trung Bộ, Đồng bằng sông Hồng, Đông Bắc, Tây Bắc, và Khu vực Tây Nam Bộ.
Các mỏ sét khu vực Đơng Nam Bộ và Tây Nam Bộ đều có điều kiện phân bố
nguyên liệu dưới mực nước ngầm và sét nằm xen kẽ giữa đất phủ nên công nghệ
khai thác có thể vận tải trực tiếp tại tầng khai thác hoặc sử dụng các loại công nghệ
khai thác bằng máy xúc nhiều gàu, xúc bốc theo từng lớp, vận tải bằng băng tải.
Công nghệ sản xuất gạch đất sét nung trên thế giới là một công nghệ truyền thống
lâu đời nhưng tỉ lệ sản xuất và sử dụng ngày càng giảm do nguồn nguyên liệu cho
sản xuất ngày càng cạn kiệt, công nghệ sản xuất gây ra nhiều chất thải có hại, việc
tiếp tục khai thác đất sét cho sản xuất gạch đất sét nung làm giảm diện tích trồng
lương thực, ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường sinh thái.


Trang 9

Theo số liệu báo cáo kết quả của dự án điều tra lập hệ thống dữ liệu tài
nguyên khoáng sản làm nguyên liệu cho sản xuất gốm và các dự án quy hoạch vật
liệu xây dựng trong cả nước của Viện Vật liệu Xây dựng - Bộ Xây dựng thì trong số
102 khống sản được khảo sát, đất sét có trữ lượng dự báo khoảng 2,932 tỷ tấn. 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... [2]
Vấn đề được đặt ra là làm sao sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên này và vẫn
đảm bảo được yếu tố mơi trường bền vững. Có rất nhiều kết quả nghiên cứu đã
thành công với các loại vật liệu mới làm từ đất sét nhưng không phải qua quá trình

nung (nhằm hạn chế việc thải khí CO2 và tận dụng một số nguồn nguyên liệu phế
thải công nghiệp) theo cơng nghệ Geopolymer hóa.
Geopolymer là từ được sử dụng để chỉ các loại vật liệu vô cơ tổng hợp từ vật
liệu có nguồn gốc aluminosilicate. Khái niệm Geopolymer lần đầu tiên được sử
dụng bởi giáo sư Joseph Davidovits từ những năm 1970. Nguyên lý chế tạo vật liệu
Geopolymer dựa trên khả năng phản ứng của các vật liệu aluminosilicate trong mơi
trường kiềm để tạo ra sản phẩm có các tính chất và cường độ tốt hơn. Hệ nguyên
liệu để chế tạo vật liệu Geopolymer bao gồm hai thành phần chính là các nguyên
liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm. Nguyên liệu aluminosilicate nhằm cung cấp
nguồn Si và Al cho q trình Geopolymer hóa xảy ra (thường dùng là tro bay,
metacaolanh, silicafume…). Chất hoạt hóa kiềm được sử dụng phổ biến nhất là các
dung dịch Sodium Hydroxit, KOH và thủy tinh lỏng Sodium Silicat nhằm tạo môi
trường kiềm và tham gia vào các phản ứng Geopolymer hóa. [9]
Vật liệu geopolymer được nghiên cứu với mục tiêu tạo ra quá trình sản xuất
thân thiện với môi trường, giảm phát thải CO2, tận dụng các chất thải công nghiệp
như tro xỉ, bùn đỏ… thành các sản phẩm có tính năng sử dụng cao. Trên thế giới,
các ứng dụng của vật liệu Geopolymer đã được sử dụng trong sản xuất xi măng đặc
biệt như xi măng đóng rắn nhanh, xi măng bền axit, sản xuất gạch và gốm không
nung, ứng dụng trong vật liệu công nghệ cao như vật liệu composite chống cháy, xử
lý phế thải độc hại và chất thải phóng xạ, ứng dụng trong vật liệu composite chịu
nhiệt, ứng dụng trong khảo cổ học và mỹ thuật.


Trang 10

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 hố học của tro bay chủ yếu là SiO2, Al2O3, Fe2O3 với tổng khối lượng
yêu cầu lớn hơn 70% khối lượng tro bay, trong đó có một phần hoạt tính và một

phần khơng hoạt tính (trơ). Ngồi ra, cịn có các các axít khác và than chưa cháy [5].
Nguồn sản lượng tro bay trên thế giới rất dồi dào, tổng sản lượng ước tính năm
1998 ở Trung quốc và Ấn độ là hơn 390 triệu tấn, năm 2010 tổng sản lượng trên
toàn thế giới tăng đến khoảng 780 triệu tấn, tuy nhiên chỉ có khoảng 14% khối
lượng này được sử dụng, vẫn còn một khối lượng rất lớn bị lãng phí. [25]
Cơng 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. Phát minh 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.
1.2.

Lịch sử phát triển của ngành công nghệ vật liệu Geopolymer đất:

1.2.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng công nghệ Geopolymer trên thế giới:
Ngành Công nghệ vật liệu Geopolymer ra đời từ những năm 1960, nhưng
được quan tâm và nghiên cứu nhiều hơn từ những năm 1972 đến nay. Hiện tại, đã
có rất nhiều bằng sáng chế, nghiên cứu và ứng dụng Geopolymer vào các ngành
công nghệ vật liệu hiện đại (vật liệu cách nhiệt, vật liệu chống cháy, chất kết dính
vơ cơ, cơng nghệ xử lý chất thải…) được giới thiệu và ứng dụng trên toàn thế giới.
Khởi đầu bằng việc Viện Geopolymer được thành lập tại Pháp năm 1972.
Xuất phát từ ý tưởng phải tìm ra vật liệu vơ cơ có khả năng chống cháy và chịu
được nhiệt độ cao, Joseph Davidovits đã phát hiện ra hệ nguyên liệu bao gồm đất
sét, cao lanh có thể tương tác với dung dịch kiềm hoạt hóa Sodium Hydroxit ở 100
– 150 độ C để tạo ra hợp chất mới là Hydrosodialte:
Si2O5, Al2(OH)4 + Sodium Hydroxit ⇒ Na(-Si-O-Al-O)n
Kaolinite

Hydrosodalite

Điều này là tiền đề cho việc nghiên cứu và phát triển của công nghệ vật liệu
tổng hợp Geopolymer đến sau này.


Trang 11

Công nghệ Geopolymer được quan tâm nghiên cứu rất nhiều tại Pháp, với
ứng dụng lần đầu tiên vào năm 1973 -1976 để chế tạo các tấm panel gỗ cách nhiệt
bằng cách phủ hai bề mặt của tấm panel gỗ bằng hợp chất silic-aluminosiliate sau
khi xử lý qua quá trình gia nhiệt (Công ty A.G.S và Saint-Gobain, Pháp). Năm 1977
-1978, công nghệ Geopolymer tiếp tục được ứng dụng vào ngành công nghiệp sản
xuất gốm sứ khi công ty A.G.S tiếp tục nghiên cứu và tìm ra hợp chất nano
composite mới (cấu trúc phân tử -(Na-PS)-(SiO2)n-(Na-PS)-(SiO2)n-, tại điểm nhiệt
độ 1460 độ C, tạo thành hợp chất gốm có khả năng bền nhiệt và hệ số giãn nỡ nhiết
rất thấp) [16].
Những năm sau đó, Cơng nghệ Geopolymer được ứng dụng và chế tạo thành
cơng gạch nung ở nhiệt độ thấp, cịn gọi là gạch L.T.G.S (Low Temperature
Geopolymeric Setting). Gạch này được thực hiện bằng cách trộn phối liệu đất sét
cao lanh trong dung dịch kiềm có độ hoạt tính cao, hỗn hợp tương tác và hình thành
chuỗi M-Polysiliate (M là kim loại kiềm có hoạt tính cao, thường là Na hoặc K).
Gạch L.T.G.S có khả năng chịu được nhiệt độ tối đa là 10000C, có khả năng bền
hóa học và độ hút nước thấp. Sản phẩm này đã được công nhận và cấp bằng sáng
chế ở nhiều nước Châu Âu. [16]
Trên cơ sở lý thuyết Geopolymer của Joseph Davidovits, Lone Star (một cty
sản xuất xi măng hàng đầu của Mỹ) đã nghiên cứu và chế tạo thành công một loại xi
măng mới, bằng cách kết hợp nguyên liệu sét và dung dịch kiềm hoạt tính cao, tạo
thành chất kết dính vơ cơ mới có khả năng đóng rắn nhanh và cho cường độ ban đầu
rất tốt với tên gọi là xi măng polymer. Cơng nghệ này nhanh chóng được phát triển
rộng rải trên tồn thế giới, và đang dần dần có ưu thế hơn xi măng portland do có ưu
điểm về nguyên liệu sản xuất và phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường.

[16]

Một nghiên cứu khác về xi măng geopolymer (High – Akali – Poly) đã cho thấy

ứng dựng trong nhiều ngành kỹ thuật như : hàng không, xây dựng, công nghiệp chất
dẻo, kim loại…Kết quả nghiên cứu cho thấy xi măng mới này đóng rắn nhanh với
nhiệt độ phịng, cường độ chịu nén có thể đạt tới 20 Mpa sau 4 giờ ở nhiệt độ 2000C
và có thể đạt từ 70 – 100 Mpa sau khi bảo dưỡng 28 ngày. [15]
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


Trang 12

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

[12]

. Mối quan tâm

đầu tiên về geopolymer những năm này là ứng dụng vào cơng nghệ đóng gói chất
thải rắn, giúp tận dụng được nguồn chất thải độc hại thành những vật liệu có ích,
giúp bảo vệ mơi trường tốt hơn [22] [26].
Lần đầu xuất bản năm 2008, Geopolymer chemistry and application đã khái
qt tồn bộ kiến thức tổng thể về cơng nghệ Geopolymer

[13]

. 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 cơng nghệ RRP (Reynolds
RoadPacker), 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 tồn giao thơng. 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 [14].
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. Cơng 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 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 lị cao như là
một vật liệu kết dính kết hợp các thành phần hoạt hóa kiềm có đăng ký độc quyền
sở hữu [16].
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

[32]

.

Trang 13

Nhiều nguyên vật liệu mới được quan tâm nghiên cứu như bột silicat nhơm tổng
hợp, khống albite

[17]

, khống stilbite [19], sợi bazan [35], kiềm fenspat [20], xỉ lò cao

[11]

… 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.
1.2.2. Tình hình ứng dụng cơng nghệ Geopolymer ở việt Nam:
Ở Việt nam, từ những năm 2008 đã có khá nhiều đề tài khoa học nghiên cứu
và ứng dụng công nghệ này. Lần đầu tiên công nghệ geopolymer được ứng dụng
chủ yếu là để tận dụng nguồn phế phẩm công nghiệp là tro bay của các nhà máy
nhiệt điện, tro bay được thiết kế trong thành phần của bê tông, được ứng dụng vào
công nghệ chế tạo các loại mặt đường cứng (đường ơ tơ, đường sân bay…)

[28]

.

Ngồi ra, cơng nghệ Geopolymer cịn được 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 [10].
Hiện nay, vật liệu đất sét được tổng hợp theo công nghệ Geopolymer đang là
đề tài được rất nhiều giáo viên và sinh viên ở các trường đại học nước ta quan tâm
và nghiên cứu, tạo nên nhiều sản phẩm hữu ích vừa có giá trị kinh tế vừa góp phần
bảo vệ mơi trường bền vững hơn.
1.3.

Tổng quan tình hình sử dụng đất sét ở Việt Nam:
Trong xây dựng, đất sét là loại đất có chứa một số khoáng vật sét và các

khoáng vật khác, đất sét có tính dẻo hay cịn được gọi là đất dính. Đất sét là loại đất
hạt mịn nhưng không phải loại đất hạt mịn là đất sét hoặc đất dính. Bụi và bột đá là
ví dụ của đất hạt mịn nhưng khơng có tính dẻo, dính nên khơng gọi là đất sét. Các
khống vật sét có kích thước rất nhỏ và có hoạt tính điện hóa rất mạnh. Khi khối đất
thậm chí chỉ chứa với hàm lượng nhỏ các khống vật sét cũng có thể gây ảnh hưởng
rõ rệt đến đặc tính cơ lý của đất. Khi hàm lượng khống vật sét tăng lên, đặc tính
của đất sẽ chịu chi phối của đặc tính sét tăng theo. Nếu khống vật sét chiếm
khoảng 50%, các hạt cát và bột sẽ nổi trong các khối khoáng vật sét và gây ảnh
hưởng nhỏ đến đặc tính cơ lý của đất [30].


Trang 14

Trong địa kỹ thuật cơng trình ứng dụng, cấu tạo của đất vừa có nghĩa là sự
sắp xếp của các hạt đất hoặc các hạt khống vật, vừa có nghĩa là lực tương tác có
thể xuất hiện giữa các hạt. Kết cấu của đất chỉ đề cập sự sắp xếp về mặt hình học
giữa các hạt. Với các loại đất hạt rời (hay đất khơng dính), lực tương tác giữa các
hạt rất bé, vì vậy cấu tạo và kết cấu của cuội sỏi, cát và một số loại đất bụi kích gần
như giống nhau. Ngược lại, lực tương tác giữa các hạt lại tương đối lớn với đất dính
hạt mịn, theo đó cả lực tương tác và kết cấu của các loại đất này phải được coi như

cấu tạo của đất. Do đó, cấu tạo đất ảnh hưởng lớn hay có thể nói là quyết định đặc
tính xây dựng của đất. Tất cả các cấu tạo sét hình thành trong tự nhiên được mơ tả
trong phần tiếp theo chính là kết quả của sự kết hợp giữa các yếu tố này, môi trường
địa chất tại nơi lắng đọng, lịch sử địa chất, lịch sử chất tải và đặc tính của khoáng
vật sét.
Với cấu trúc khoáng vật như trên, giúp đất sẽ có khả năng giữ nước và có độ
dẻo cao, có khả năng dễ tạo hình bằng tay khi ướt và có được cường độ khá cao khi
tương tác ở nhiệt độ cao. Đất sét được ứng dụng chủ yếu để làm gạch.
Tình hình sản xuất và sử dụng gạch đất sét nung trên phạm vi toàn quốc
khá phổ biến. Nhiều lị thủ cơng sản xuất gạch đất sét nung được xây dựng tại
nhiều địa phương. Theo số liệu thống kê sản lượng gạch đất sét nung ước tính năm
2011 đạt khoảng 20,9 tỷ viên, chiếm 83,7% vật liệu xây, trong đó gạch sản xuất
bằng lị thủ cơng chiếm 35 - 40%. Các cơ sở sản xuất gạch đất sét nung, đặc biệt là
sản xuất bằng phương pháp thủ cơng hầu như khơng đóng thuế tài ngun. Những
nơi có đóng thuế tài ngun đất sét thì con số cũng rất nhỏ, vì hiện nay thuế suất
thuế tài nguyên đối với đất sét làm gạch chỉ ở mức 7%. Việc thu phí bảo vệ mơi
trường đối với việc khai thác đất sét làm gạch nung cũng đang ở mức thấp (1,5 - 2
nghìn đ/m3), nhưng thu cũng chưa triệt để.
Hàng năm, ở nước ta lượng gạch đất sét nung khổng lồ đang được sử dụng.
Năm 2009, cả nước sử dụng 23,5 tỷ viên gạch quy tiêu chuẩn. Ước tính cả năm
2010, cả nước sẽ sử dụng tới 25 tỷ viên gạch quy tiêu chuẩn. Quy hoạch tổng thể
phát triển VLXD đến năm 2020 thì năm 2015 nhu cầu của cả nước là 32 tỷ viên và
tới năm 2020 nhu cầu sử dụng vật liệu xây tương ứng khoảng 42 tỷ viên gạch quy
tiêu chuẩn. Vậy, 42 tỷ viên vào năm 2020, nếu hồn tồn là gạch đất sét nung thì


Trang 15

chúng ta phải mất tới trên 60 triệu m3 đất sét. Với khối lượng đất sét đó, nếu khai
thác với chiều sâu trung bình là 2m thì sẽ mất khoảng 3.000ha đất nơng nghiệp.

Diện tích ấy tương đương diện tích một xã trung bình. Để nung 42 tỷ viên gạch đất
sét, dẫu cho có tăng tỷ lệ gạch rỗng thì cũng phải tiêu tốn gần 6 triệu tấn than, thải
ra trên 17 triệu tấn khí CO2.
Với tần suất khai thác đất sét cao như vậy, tài nguyên đất sét cũng đang
được báo động (mặc dù ở Việt Nam tổng sản lượng khảo sát khá cao). Đặc biệt,
khả năng gây ô nhiễm là rất cao khi các lò nung sử dụng số lượng lớn than đá, thải
ra ngoài hàm lượng rất lớn khí thải CO2, gây tổn thất lớn đến việc bảo vệ môi
trường bền vững.
Xuất phát từ ý tưởng bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên đất sét, tận dụng
hữu hiệu nguồn phụ phẩm tro bay của các nhà máy nhiệt điện, một số nghiên cứu
đã áp dụng công nghệ Geopolymer để đóng rắn hỗn hợp nguyên vật liệu bao gồm
đất sét và tro bay, hỗn hợp có được cường độ khả ổn định ở nhiệt độ sấy, giúp tiết
kiệm được chi phí phục vụ giai đoạn nung và góp phần bảo vệ mơi trường bền
vững.
1.4.

Tơng quan về ngun vật liệu chế tạo trong Geopolymer đất:

1.4.1. Vật liệu Aluminosiliate:
Vật liệu Alumino-siliate là loại vật liệu có thành phần chủ yếu là các
Khoáng Alumino-siliate, một loại khoáng mà thành phần hóa học chủ yếu được tạo
thành từ các oxit SiO2, Al2O3. Cơng thức hóa học cơ bản là Al2SiO5, là thành phần
chính có trong nhiều loại đất sét, đặc biệt là cao lanh.
Trong tự nhiên, khoáng Alumino-siliate tồn tại ở nhiều dạng trong nhiều
loại vật liệu khác nhau, dù có cấu tạo cùng công thức phân tử nhưng khác nhau ở
cách phân bố mạng tinh thể, cấu trúc tinh thể tạo nên tính chất vật lý khác nhau. Tận
dụng khả năng linh hoạt này, vật liệu geopolymer đất được tổng hợp bằng cách kết
hợp vật liệu aluminosiliate và dung dịch đóng rắn giúp hình thành mạng lưới tinh
thể mới, cấu trúc khơng gian, giúp vật liệu mới tạo thành có những tính chất tốt hơn
vật liệu aluminosilate ban đầu.

Khi cho tác dụng với dung dịch kiềm mạnh (như Sodium Hydroxit hoặc
Potassium Hydroxit) và sau đó tiến hành bão dưỡng ở nhiệt độ phòng, vật liệu


Trang 16

aluminosilicate nhanh chóng hịa tan vào dung dịch để tạo thành tứ diện SiO4 và
AlO4. Trong quá trình xảy ra phản ứng, nước dần dần tách ra và những cụm tứ diện
SiO4 và AlO4 liên kết nhau bằng nguyên tử oxi và tạo nên những monomer đầu tiên
(- SiO4 - AlO4 -hoặc - SiO4 - AlO4 - SiO4, SiO4 - AlO4 - SiO4)

[39]

. Đây là ưu

điểm lớn nhất của vật liệu aluminosiliate có thể ứng dụng tốt vào cơng nghệ
geopolymer.
1.4.2. Dung dịch đóng rắn:
Dung dịch chất đóng rắn (hay cịn gọi là dung dịch hoạt hóa) được sử
dụng trong q trình Polymer hóa là sự kết hợp của các dung dịch Sodium hydroxyt
(Sodium Hydroxit) hay Potassium Hydroxit (KOH) với Alkali Silicat (R2O.nSiO2)
(R là Na thì n=2,5-3.2, R là K thì n=3-4) [30]. Khả năng tương tác của dung dịch phụ
thuộc vào nồng độ Mole dung dịch kiềm hoạt tính, nồng độ mole dung dịch có thể
nhận biết qua dạng không màu đến màu hơi vàng.
Tại Hội nghị khoa học quốc tế chuyên đề Geopolymer,

[14]

trong nghiên

cứu của mình, các nhà khoa học đã kết luận rằng Tỉ lệ nồng độ Mol SiO2/Na2O
dung dịch chất đóng rắn đóng vai trị quan trọng trong q trình Polymer hóa.
Tỉ lệ nồng độ Mol SiO2/Na2O của dung dịch chất đóng rắn đã một số tác
giả nghiên đề xuất như:
+ Palomo (1999) chọn tỷ lệ SiO2/Na2O từ 0.63 đến 1.23.
+ Xu and Van Deventer (2000) [14] chọn tỷ lệ SiO2/Na2O =0.33.
+ Barbosa (2000) dựa trên những nghiên cứu trước đó của Davidovits
(1982) đã đề xuất tỷ lệ Na2O/SiO2 từ 0.20 đến 0.48.
+ Chindaprasirt (2007)

[6]

chọn tỷ lệ SiO2/Na2O từ 0.67 đến 1.00, nồng

độ mol của dung dịch Sodium Hydroxit từ 10 -20.
+ Hardjito and Rangan (2004, 2005)

[25]

đưa ra tỷ lệ Na2O/SiO2 từ 0.4

đến 2.5 và đề xuất lực chọn giá trị Na2O/SiO2 =2.5 cho hầu hết các thành phần cấp
phối.
Ở một số thực nghiệm, các nhà khoa học đã tìm ra cấp phối tối ưu nhất
khi tỉ lệ Na2O/SiO2 = 0.25; H2O/Na2O = 10 và SiO2/Al2O3 = 3.3. Có điều đặc biệt là
vẫn chưa có mẫu thử kích thước tiêu chuẩn quốc tế cho loại vật liệu này. [25]


Trang 17

1.4.3. Tro bay:
Tro bay (tên gọi tiếng anh là Fly Ash) là thành phần mịn nhất của tro xỉ
than, là sản phẩm phế thải được tạo ra trong quá trình đốt cháy than ở các nhà máy
nhiệt điện. Tro bay được thu thập và phân loại bằng các luồng khí phân loại, những
hạt to rơi xuống đáy, và những thành phần hạt nhỏ hơn sẽ được thu gom ở cuối
đường ống khói. Tro bay là một loại Puzzolan nhân tạo, là tro đốt của than cám nên
bản thân nó đã rất mịn, cỡ hạt từ 1 µm - 20 µm, tỷ diện khoảng 250 đến 600 m2/kg.
[13]

Theo tiêu chuẩn ASTM C618-94a

[7]

, Tro bay được phân loại chủ yếu là

3 loại:
- Class N: do các chất bùn, đá phiến sét bị đốt cháy tạo thành.
- Class F: là sản phẩm thu được chủ yếu sau quá trình đốt cháy than
bitum hoặc than anthracite trong nhà máy nhiệt điện, có hàm lượng than chưa cháy
từ 2 – 10 %, tro bay loại này có tính chất gần giống puzzoland (phụ gia thủy vơ cơ
hoạt tính). Hàm lượng CaO trong loại này thường nhỏ hơn 10%.
- Class C: có tính chất gần giống như tro bay class F nhưng là sản phẩm
thu được từ việc than non (lignit) bị đốt cháy, hàm lượng than chưa cháy thường ít
hơn 2%. Hàm lượng CaO trong lại này thường lớn hơn 10%. Loại tro bay này chất
lượng cao nhưng khó sản xuất.
Cơng nghệ geopolymer dùng chủ yếu là 2 loại: Class F và Class C.
Bảng 1. 1 Thành phần chính tro bay theo ASTM C618-94a
Thành phần hoá học (%)
Min (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 ) (%)

Loại N
70,0

Loại F
70,0

Loại C
50,0

Max (SiO3) (%)

4,0

5,0

5,0

Max (lượng mất sau khi nung) (%)

10,0

6,0

6,0

5

10

30,0

Max (CaO) (%)

Trên toàn thế giới, sản lượng tro bay khoảng 900 triệu tấn/năm. Tỷ lệ như
sau: (Hội nghị bê tông Châu Á 2008).


Trang 18

Bảng 1. 2 Sản lượng tro bay [29]
Nước
Sản lượng (triệu tấn)
Trung Quốc
> 600
Ấn độ

> 110

Mỹ

> 60

Nga

> 60

Đức

> 33

Anh

> 10

Tại Việt Nam, hằng năm ước tính các Nhà máy nhiệt điện trên cả nước thải ra
khoảng 1,3 triệu tấn tro bay, năm 2010 là 2,3 triệu tấn/năm. Trung bình, hiện mỗi
ngày Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại 2 (Hải Dương) thải ra 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
khơng cao, nên khó tận thu làm nhiên liệu đốt, mà thường được thải thẳng ra hồ
chứa. Cùng với lượng tro xỉ tương đương của Nhiệt điện Phả Lại 1, mỗi ngày hai
nhà máy này đang xả lượng chất thải khổng lồ vào môi trường.
Hiện cơng nghệ từ nước ngồi khơng thể áp dụng cho tuyển tro bay ở Việt
Nam, nhất là ở Nhà máy nhiệt điện Phả Lại do đặc điểm khác biệt về công nghệ đốt
và chất lượng than của nhà máy như: hàm lượng than trong tro bay quá cao (khoảng
30%). Những nghiên cứu của TS Nguyễn Hồng Quyền, Viện Khoa học vật liệu
thuộc Viện Khoa học Việt Nam và Công ty CP Công nghiệp và Dịch vụ Cao Cường
đã xây dựng nhà máy thu hồi chế biến tro bay. Dự án được tiến hành tháng 7/2006
với công suất thiết kế 80 nghìn tấn sản phẩm/năm. Thiết bị máy móc được nhập
từng phần từ Trung Quốc, xây dựng trên khu đất gần 10 nghìn m2, tổng vốn đầu tư
là 17,7 tỉ đồng. Hiện nay dây chuyền đã đi vào sản xuất ổn định với công xuất 200
tấn/ngày, dự kiến công suất sẽ được nâng lên khi một dây chuyền nữa được đưa vào
hoạt động vào cuối năm nay.
Ngoài ra, ở Khu vực Miền nam có nhà máy nhiệt điện đốt than Formosa với
cơng nghệ lị đốt tiên tiến và nguồn than đá có chất lượng tốt nhập từ Malaysia, tro
bay thu được có chất lượng khá tốt, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn theo ASTM C618. Các thành phần hóa lý của tro bay cơ bản sẽ được trình bày ở chương sau.


Trang 19

Hình 1. 1. Tro bay tại Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại

1.5.

Mục tiêu của đề tài:
Trên cơ sở tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng đất sét, tro bay trên

thế giới cũng như trong nước có thể thấy việc nghiên cứu áp dụng công nghệ
Geopolymer vào hỗn hợp nguyên liệu đất sét và tro bay là một vấn đề có ý nghĩa
thực tiễn rất lớn. Vật liệu mới được hình thành có khả năng đáp ứng các yêu cầu về
kỹ thuật liên quan, thân thiện với môi trường, đặc biệt là tham gia vào việc giảm giá
thành sản phẩm gạch đất sét nung, mang lại giá trị cao về mặt kinh tế.
Tiến hành nghiên cứu và thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý và các tính chất của hỗn
hợp geopolymer đất và tro bay. Thông qua kết quả thí nghiệm đó, tiến hành đánh
giá và thiết kế hỗn hợp geopolymer đất và tro bay.
Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét, độ mịn của đất sét ảnh hưởng đến
cường độ, cũng như tính chất vật lý của mẫu geopolymer đất sét.
Nghiên cứu đề xuất dây chuyền và công nghệ vật liệu đất sét mới, thân thiện
với mơi trường, có độ bền cao và giảm được chi phí sản xuất so với cơng nghệ gốm
và gạch nung hiện nay.
1.6. Nhiệm vụ của đề tài:
Xây dựng cơ sở khoa học dựa trên các hệ nguyên liệu sẵn có ở trong nước
kết hợp với các nghiên cứu về geopolymer đất để làm nền tảng nghiên cứu sử dụng
chất thải tro bay kết hợp nguồn tài nguyên đất sét để chế tạo vật liệu geopolymer đất
mới.
Trên cơ sở thực nghiệm đánh giá: Sự ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian gia
nhiệt đến cường độ và tính chất của mẫu tạo thành; Sự ảnh hưởng của hàm lượng Si