Nghiên cứu sử dụng tro trấu làm tấm cách nhiệt silicat canxi

Luận văn tốt nghiệp
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ 3
Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt, bảng và hình vẽ .............................................. 4
I.MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 7
II. TỔNG QUAN ................................................................................................. 8
1.Tình hình sử dụng và nghiên cứu trong nước và trên thế giới ....................... 8
1.1.Tình hình sử dụng vật liệu cách nhiệt trên thế giới. .............................. 8
1.2. Tình hình sử dụng và nghiên cứu ở trong nước. ................................... 9
2. Cơ sở khoa học của đề tài. .......................................................................... 10
2.1.Tro trấu. ................................................................................................ 10
2.2.Phương pháp thủy nhiệt. ....................................................................... 11
2.3. Phản ứng giữa CaO và SiO2. ............................................................... 13
2.4 Cường độ các sản phẩm thủy nhiệt chưng áp. ...................................... 18
III.NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................. 20
1. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................... 20
2. Phương pháp đánh giá sản phẩm nghiên cứu .............................................. 20
2.1. Các phương pháp tiêu chuẩn (TCXDVN 317:2004) ............................ 20
2.2. Các phương pháp phi tiêu chuẩn ......................................................... 23
2.2.1.Xác định tính chất cách nhiệt. ........................................................ 23
2.3.Phương pháp nghiên cứu. ..................................................................... 24
3. Thực nghiệm................................................................................................ 25
3.1 Nguyên liệu ............................................................................................ 25
3.2 Sơ đồ thí nghiệm và kết quả .................................................................. 29
3.2.1 Xác định tỷ lệ w/s, và khảo sát sơ bộ nhiệt độ và thời gian chưng
áp. ............................................................................................................ 29
3.2.2. Kết quả phân tích các mẫu sản phẩm chưng áp 4h ....................... 34
3.2.3 Kết quả phân tích các mẫu sản phẩm chưng áp 6h. ...................... 43

Học viên: Lê Hồng Hải

1

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
V.KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ .......................................................................... 56
1. Kết luận ....................................................................................................... 56
2. Kiến nghị ..................................................................................................... 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 57
Các thiết bị đã sử dụng trong quá trình làm luận văn. ................................. 59
PHỤ LỤC

Học viên: Lê Hồng Hải

2

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
LỜI CAM ĐOAN
Em cam đoan đây là công trình nghiên cứu của em. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Em xin có lời cảm ơn đặc biệt sâu sắc tới người thầy, người đã hướng dẫn nhiệt
tình cho em trong suốt quá trình làm luận văn - TS.Tạ Ngọc Dũng.
Em cũng rất biết ơn sự giúp đỡ của Ths.Trần Đức Thiện và KS.Phạm Văn Vinh
cùng đông đảo bạn bè trong suốt quá trình chuẩn bị nguyên liệu, chuẩn bị dụng cụ thí

nghiệm, gia công nguyên liệu, thực hiện các thí nghiệm, cùng các tư vấn góp ý quý
báu.
Em cũng xin cảm ơn sự nhiệt tình, và tạo điều kiện thuận lợi tối đa của các thầy
cô giáo trong bộ môn CNVL Silicat, Viện kỹ thuật hóa học, Trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội để giúp em hoàn thành bản luận văn này.

Học viên thực hiện

Lê Hồng Hải

Học viên: Lê Hồng Hải

3

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp


Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt, bảng và hình vẽ
Danh mục các chữ viết tắt.
Chữ viết tắt

Nghĩa của chữ viết tắt

w/s

Nước/ tổng số nguyên liệu khô

C/S

Tỷ lệ CaO/SiO2

MKN

Mất khi nung

RHA

Tro trấu (Rice Husk Ash)

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

 Danh mục các hình vẽ đồ thị
Số hiệu hình vẽ
Hình 2.1

Tên hình vẽ
Hình thái khoáng tobermorite

Hình 2.2

Hình thái khoáng xonolite

13

Hình 2.3

Các pha trong hệ CaO-SiO2-H2O

14

Hình 2.4

16

Hình 2.6

Các điều kiện hình thành các pha CSH .
Ảnh hưởng của tỷ lệ phần khối lượng C/S đến sự hình
thành của các pha ở nhiệt độ cao
Vỏ trấu

Hình 2.7

Tro trấu sau khi nghiền mịn

26

Hình 2.8

Sơ đồ sản xuất vật liệu silicat canxi không nước

30

Hình 2.5

Trang
12

17
26

Sơ đồ sản xuất vật liệu cách nhiệt silicat canxi có sấy
Hình 2.9

31

trước chưng áp
Sơ đồ sản xuất vật liệu cách nhiệt silicat canxi không sấy

Hình 2.10

trước chưng áp.

32

Hình 2.11

Sơ đồ sản xuất vật liệu cách nhiệt silicat canxi dư nước.

34

Hình 2.12

Mẫu sản phẩm

35

Hình biểu diễn giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường của
Hình 2.13

36

sản phẩm chưng áp 6h.
Hình biểu diễn giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường của

Hình 2.14

sản phẩm chưng áp 4h.

37

Hình 2.15

Hình biểu diễn khối lượng thể tích khô trước và sau khi

38

Học viên: Lê Hồng Hải

4

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp

nung ở 6000C của sản phẩm chưng áp 6h.
Hình biểu diễn khối lượng thể tích khô trước khi nung của
Hình 2.16

sản phẩm chưng áp 4h.

39

Hình 2.17

Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu chưng ở 1900C (4h)
0

40

Hình 2.18

Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu chưng ở 200 C (4h)

41

Hình 2.19

Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu chưng ở 2100C (4h)

42

Hình 2.20
Hình 2.21

0

Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu chưng ở 220 C (4h)
0

Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu chưng ở 230 C (4h)
0

44
45

Hình 2.22

Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu chưng ở 160 C (6h)

47

Hình 2.23

Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu chưng ở 1800C (6h)

48

Hình 2.24

0

Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu chưng ở 200 C (6h)
0

49

Hình 2.25

Kết quả DTA, TG của mẫu chưng ở 160 C

51

Hình 2.26

Kết quả DTA, TG của mẫu chưng ở 1800C

51

Hình 2.27
Hình 2.28

0

Kết quả DTA, TG của mẫu chưng ở 200 C
0

Hình ảnh SEM của mẫu chưng ở 160 C
0

52
53

Hình 2.29

Hình ảnh SEM của mẫu chưng ở 180 C

53

Hình 2.30

Hình ảnh SEM của mẫu chưng ở 2000C

54

Hình 3.1

Máy nghiền bi sắt

59

Hình 3.2

59

Hình 3.3

Cân điện tử
Máy nghiền bi sứ

Hình 3.4

Khuôn sắt 20mm x 20mm

59

Hình 3.5

Nồi chưng áp autoclave

59

Hình 3.6

Tủ sấy

59

59

0

Hình 3.7

Lò nung 1100 C

60

Hình 3.8

Máy ép thủy lực 5 tấn

60

Hình 3.9

Hệ thống lò đo cách nhiệt

60

Học viên: Lê Hồng Hải

5

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp

 Danh mục các bảng
Số hiệu bảng
Bảng 2.1

Tên bảng
Hydrat canxi silicat phổ biến.

Trang
15

Bảng 2.2

Tính chất vật lý của pha CSH

18

Bảng 3.1

Thành phần hóa học của tro trấu

25

Bảng 3.2

Khối lượng thể tích khô của mẫu chưng áp 4h.

34

Giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường của mẫu chưng áp
Bảng 3.3

35

4h.
Khối lượng thể tích khô của mẫu chưng áp 6h, khối lượng

Bảng 3.4

thể tích khô sau khi nung ở 6000C, độ co nung sau khi

43

0

nung ở 600 C.
Giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường của mẫu chưng áp

Bảng 3.5

45

6h.

Bảng 3.6

Bộ peak chuẩn của một số hợp chất.

Bảng 3.7

Nhiệt độ bề mặt của các mẫu

Bảng 3.8

49
54
0

Nhiệt độ bề mặt của các mẫu sau khi nung ở 600 C

Học viên: Lê Hồng Hải

6

55

Lớp: CNVLPK2011B

Luận văn tốt nghiệp
I.MỞ ĐẦU

Hiện nay, trên thế giới đã áp dụng nhiều công nghệ sản xuất vật liệu xây dựng
không nung, nhằm tạo ra vật liệu xây dựng với nhiều đặc tính như nhẹ, khả năng cách
nhiệt chống cháy và cường độ chịu nén cao, dễ xây dựng, giúp giảm thời gian thi công.
Và trong những năm gần đây, vật liệu không nung đã và đang được sử dụng
rộng rãi hơn trong các lĩnh vực xây dựng dân dụng và xây dựng công nghiệp. Ở lĩnh
vực xây dựng dân dụng với các hạng mục trần và vách trang trí mặc dù chỉ chiếm quy
mô nhỏ trong tổng chi phí xây dựng công trình nhưng lại là yếu tố rất quan trọng góp
phần tạo nên vẻ đẹp, sự cuốn hút và cá tính cho mỗi công trình, đồng thời chống ẩm,
chống cháy, ...Còn ở lĩnh vực xây dựng công nghiệp, vật liệu loại này dùng để cách
nhiệt cho máy móc, thiết bị và tạo điều kiện môi trường thuận lợi cho con người làm
việc.
Một điều quan trọng nữa là nước ta là một nước nông nghiệp chuyên xuất khẩu
gạo lớn trên thế giới, hàng năm thải ra môi trường khối lượng rất lớn vỏ trấu và chưa
có một quy trình xử lý hiệu quả gây ô nhiễm môi trường, lãng phí nguồn nguyên liệu
xanh sạch này.
Vật liệu không nung hệ CaO-SiO2-H2O đi từ nguyên liệu tro trấu trên thị trường
hiện nay trong nước chưa có cơ sở nào sản xuất được hoặc đang trong nghiên cứu đều
phải nhập khẩu của nước ngoài với giá thành cao.
Trên những cơ sở đó em đã lựa chọn đề tài :” Nghiên cứu sử dụng tro trấu làm
tấm cách nhiệt Silicat- Canxi.

Học viên: Lê Hồng Hải

7

Lớp: CNVLPK2011B

Luận văn tốt nghiệp
II. TỔNG QUAN
1.Tình hình sử dụng và nghiên cứu trong nước và trên thế giới
1.1.Tình hình sử dụng vật liệu cách nhiệt trên thế giới. [1]
Trên thế giới , vật liệu cách nhiệt đã được các nước có nền công nghiệp phát
triển như: Mỹ, Đức, Nhật bản, Anh,...nghiên cứu và đưa vào sản xuất rộng rãi trong
các ngành công nghiệp và xây dựng dân dụng với nhiều chủng loại khác nhau từ khá
lâu.
Công nghệ sản xuất vật liệu không nung sử dụng nhiệt độ và áp suất cao đã
được biết đến từ năm 1920. Sản phẩm khi đó là bê tông khí chưng áp. Các nghiên cứu
về cấu trúc vật liệu bê tông khí chưng áp cho thấy ở nhiệt độ và áp suất cao cấu trúc
khoáng của vật liệu này chủ yếu tồn tại ở dạng khoáng tobermorite. Vật liệu hệ CaOSiO2 cũng được sản xuất trong điều kiện tương tự với vật liệu bê tông khí chưng áp
nhưng cấu trúc ngoài tobermorite còn có khoáng xonotlite. Sự hình thành của các
khoáng này phụ thuộc vào tỷ lệ CaO/SiO2 của vật liệu tham gia và nhiệt độ dưỡng hộ.
Nghiên cứu năm 1955 của R.O.Peppler đã công bố quá trình phản ứng giữa
CaO,SiO2 và H2O ở nhiệt độ 1800C để chế tạo ra vật liệu cách nhiệt nhẹ dạng
tobermorite và xonotlite.
11 năm sau vào năm 1966 Công ty Japan Insulation CO.Ltd (JIC) đã nghiên
cứu thành công vật liệu cách nhiệt siêu nhẹ Calsium-Silicate với cấu trúc chủ yếu là
xonotlite bằng công nghệ chưng áp . Từ đó đến nay công ty JIC đã chuyển giao công
nghệ sản xuất vật liệu cách nhiệt này cho nhiều nước trên thế giới.
Năm 1976, Moriker-người Mỹ đã công bố bằng sáng chế với nội dung “ Công
nghệ sản xuất Vật liệu cách nhiệt Calsium-Silicate trong điều kiện chưng áp”.
Năm 1992, J.H Thomasin đã nghiên cứu quá trình phản ứng giữa
CaO,SiO2,H2O trong điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau, nhiệt độ trong dải từ
180-3500C.
Từ những nghiên cứu đó, các nước này đã đưa vào sản xuất để phục vụ trong
dân dụng như: cách âm, cách nhiệt, chống cháy cho các nhà cao tầng, tàu thủy,...trong

công nghiệp: sản xuất xi măng, nhiệt điện, dầu khí,...

Học viên: Lê Hồng Hải

8

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp

 Công nghệ sản xuất vật liệu cách nhiệt của Nhật Bản.[1]

CaO

SiO2

H2O

Máy khuấy

Chưng áp (có
khuấy trộn)

Ép tấm

Sấy

Sản phẩm

Các oxit chính được cung cấp từ các nguyên liệu để sản xuất tấm xốp chịu nhiệt là :
CaO, SiO2 và H2O.
Công thức tổng quát như sau:
CaO + SiO2 + H2O + phụ gia ( tỉ lệ CaO/SiO2 = 1 : 1 ).
Cao, SiO2 và phụ gia trộn với nước thành dạng bùn. Trong quá trình trộn có
một số phụ gia chống lắng và kích thích tạo khoáng, sau đó hỗn hợp này được đổ vào
khuôn và đưa vào thiết bị autoclaved để chưng áp ở nhiệt độ 180-2200C, với áp suất từ
10-24 at, với thời gian 8-12h. Quá trình phản ứng thủy nhiệt xảy ra giữa CaO, SiO2 và
H2O tạo thành khoáng xonotlite (Ca6Si6O17(OH)2).[1]
1.2. Tình hình sử dụng và nghiên cứu ở trong nước.
Nước ta hiện nay thường sử dụng các loại vật liệu cách nhiệt như gạch xốp
samot ( gạch samot nhẹ), gạch đinat, bông khoáng ( dạng tấm, dạng sợi,...), bông thủy
tinh, sợi amiang ( dạng tấm, dạng sợi,...)
Đặc biệt loại tấm xốp chịu nhiệt được sử dụng trong công nghiệp xi măng, nhiệt
điện, luyện kim có hệ số dẫn nhiệt thấp, chịu được nhiệt độ cao, khối lượng thể tích
nhỏ, có độ bền cao và thể tích ổn định, đó là tấm xốp chịu nhiệt hệ CaO-SiO2. Những
năm về trước, vật liệu chịu lửa hệ này được nhập vào nước ta chủ yếu qua các dự án
dây chuyền sản xuất đồng bộ sản xuất xi măng, nhiệt điện, dầu khí,...Những năm gần
đây Vật liệu chịu nhiệt hệ CaO-SiO2 được sử dụng rộng rãi hơn, chủ yếu là qua nguồn
nhập khẩu từ các nước như: Nhật Bản, Trung quốc, Đức,...với giá thành cao.
Sản phẩm của Đức với giá thành: 13-14 triệu đồng /m3

Học viên: Lê Hồng Hải

9

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp

Sản phẩm của Nhật với giá thành: 11-12 triệu đồng/m3.
Sản phẩm của Trung Quốc với giá thành 8-9 triệu đồng/m3.
 Những nghiên cứu trong nước.
Hiện nay ở nước ta, thiết bị để sản xuất vật liệu cách nhiệt hệ CaO-SiO2chưa
có, công nghệ để chế tạo vật liệu cách nhiệt hệ này ở điều kiện nhiệt độ và áp suất
cao chưa được nghiên cứu nhiều, trong đó có thể kể ra:
 Đề tài: “ Nghiên cứu sản xuất tấm xốp chịu nhiệt “ của Viện vật liệu xây dựng
năm 2005.
Đề tài đã nghiên cứu chế tạo ra tấm xốp cách nhiệt từ nguyên liệu là bột nhẹ
CaCO3 và axit H2SiO3, sợi gốm, cao lanh và một số phụ gia. Phối liệu được
trộn đều với nước thành bùn và đổ hồ vào khuôn để đem đi sấy tạo mộc khô
trước khi nung ở 700-9000C.
 Đề tài: “ Chế tạo sản phẩm Silicate calsium ứng dụng làm vật liệu nhẹ cách
nhiệt” của Bộ môn vật liệu Silicat, Khoa Công Nghệ Vật Liệu trường Đại Học
Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh năm 2011.
Đề tài đã nghiên cứu chế tạo tấm xốp cách nhiệt từ nguyên liệu là Silicafume,
vôi, phụ gia ( thủy tinh lỏng Na2SiO3 và thạch cao CaSO4.0,5H2O). Phối liệu
được đưa vào máy nghiền bi cùng với nước theo tỉ lệ w/s khoảng 5-20 lần trong
thời gian 1 giờ. Huyền phù được đổ đầy vào khay đỡ trong thiết bị autoclaved
và chưng áp ở 2000C, 15kgf/cm2 trong thời gian 5 giờ. Sau đó bột thu được đem
đi sấy rồi ép tạo tấm sản phẩm.[5]
 Mới đây nhất là Báo cáo kết quả đề tài mang mã số RD-30-11 của Tổng Công
Ty Viglacera: “Nghiên cứu sản xuất vật liệu cách nhiệt chịu lửa hệ CaO-SiO2
trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.”
Nguyên liệu CaO, Silicafume, sợi, phụ gia được cân theo tỷ lệ. Hỗn hợp được
trộn với H2O theo tỷ lệ 1:7, trộn đều giữ trong 4 giờ. Hỗn hợp bùn được đưa
vào khuôn tạo mẫu sau đó đưa vào nồi chưng áp ở nhiệt độ 13at, 2000C trong 4
giờ. Sản phẩm sau quá trình chưng áp được lấy ra và sấy ở nhiệt độ 1100C.[1]
 Trong đề tài này :
+ Nghiên cứu điều kiện tạo tro trấu phù hợp.

+ Nghiên cứu tạo các khoáng cần thiết trong hệ CaO-SiO2-H2O.
+Với nguồn nguyên liệu chính từ tro trấu và vôi với giai đoạn chính tạo ra sản
phẩm dạng khối luôn.
2. Cơ sở khoa học của đề tài.
2.1.Tro trấu.
Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát.
Vỏ trấu có kích thước trung bình dài 8-10mm, rộng 2-3mm và dày 0,2mm. Hầu hết các
loại vỏ trấu có thành phần hữu cơ chiếm trên 90% khối lượng. Trong đó chứa khoảng

Học viên: Lê Hồng Hải

10

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển
thành tro. Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là SiO2.
Khi trấu được đốt ở điều kiện khống chế nhiệt, SiO2 vô định hình với độ hoạt
tính cao và diện tích bề mặt lớn có thể được tạo ra.[4]
2.2.Phương pháp thủy nhiệt.
Thuật ngữ “thủy nhiệt” đã được sử dụng vào đầu năm 1849 bởi một nhà địa
chất người Anh, Sir Roderick Murchison (1792-1871). Việc thúc đẩy nhanh phản ứng
giữa các pha rắn được thực hiện bằng phương pháp thủy nhiệt tức là phương pháp
dùng nước dưới áp suất cao và nhiệt độ cao hơn điểm sôi bình thường. Phương pháp
thủy nhiệt cũng được sử dụng để nuôi tinh thể. Thiết bị sử dụng trong phương pháp
này thường là nồi hấp (autoclave).
Quá trình thủy nhiệt silicat canxi trong thiết bị chưng áp autoclave: Xét trong
điều kiện áp suất hơi nước quá nhiệt và nhiệt độ cao trong thiết bị chưng áp, phản ứng

giữa SiO2 và Ca(OH)2 xảy ra trước hết bởi sự tạo thành lớp gel calcium silicate trên bề
mặt các hạt SiO2. Lớp lõi bên trong hạt SiO2 khuếch tán ra lớp gel, đồng thời Ca(OH)2
dung dịch khuếch tán ngược vào trong và bị hấp thụ tiếp tục tạo thêm nhiều sản phẩm.
Trong hai cơ chế đó, sự khuếch tán của vật liệu lõi xảy ra mạnh hơn và đóng vai trò
quyết định nhất. Tốc độ phản ứng theo xu hướng chậm dần do lớp sản phẩm dày lên và
dần cản trở sự tiếp xúc của SiO2 và Ca(OH)2. Theo lý thuyết, sản phẩm tạo thành tại
vùng nhiệt độ lân cận 1800C là các tinh thể Tobermorite. Ở nhiệt độ từ 2000C đến
2500C, các tinh thể sản phẩm Tobermorite chuyển thành tinh thể Xonotlite mang đặc
tính kết tinh bền vững hơn. [5]
Tinh thể tobermorite dạng thanh dài như sợi, bó sợi (hình 2.1)
Tinh thể xonotlite dạng que thon dài, dạng sợi liên kết với nhau tạo thành hình
cầu, thể hạt rỗng (hình 2.2). Chính mối liên kết như vậy nên sản phẩm Vật liệu cách
nhiệt hệ CaO-SiO2 có khối lượng thể tích nhỏ, độ dẫn nhiệt nhỏ. Khoáng xonolite khi
nung ở nhiệt độ 400-5000C thì mất đi OH- hình thành khoáng wollastonite ( CaSiO3).
Quá trình phản ứng xảy ra khoáng xonotlite không bị phá vỡ cấu trúc. Độ chịu lửa
13000C.
Trong quá trình chế tạo thường hình thành sản phẩm phụ là khoáng vật
tobermorite, khoáng vật này không chịu nhiệt và bị phá hủy ở nhiệt độ 700-8000C.

Học viên: Lê Hồng Hải

11

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.1 .Hình thái khoáng Tobermorite

Học viên: Lê Hồng Hải

12

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.2 . Hình thái khoáng Xonotlite
2.3. Phản ứng giữa CaO và SiO2.[15]
Hydrat canxi silicate hình thành bởi phản ứng của các ion canxi và hòa tan silic
“thông qua hòa tan”. Nồng độ của cả hai loại ion canxi và silic bị hòa tan trong nước
xác định nếu xảy ra bão hòa tỷ lệ C/S của pha ban đầu. Các pha trong hệ vôi-silic-nước
được giới thiệu trong hình dưới.

Học viên: Lê Hồng Hải

13

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.3: Các pha trong hệ CaO-SiO2-H2O[15]
Nhiệt động lực học của sự hình thành hydrat tinh thể calcium silic đã được
nghiên cứu bởi Babushkin và cộng sự. Các khoáng được xem xét.

Học viên: Lê Hồng Hải

14

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
Bảng 2.1-Hydrat canxi silicat phổ biến.[15]

Pha

Công thức hóa học của tinh thể

Công thức cơ bản

Hillebrandite

Ca12Si6O172 .12Ca(OH)2

2CaO.SiO2 .1.17H2O

Afwillite

Ca32H2OSiO3(OH)2

3CaO.2SiO2 .3H2O

Foshagit

Ca8Si6O17(OH)6

4CaO.3SiO2 .1.5H2O

Xonotlite

Ca6Si6O17(OH)2

6CaO.6SiO2 .H2O

Riversideite

2{Ca10Si12O31(OH)6 .3H2O}

5CaO.6SiO2 .3H2O

Tobermorite

Ca10Si12O31(OH)6 .8H2O

5CaO.6SiO2 .5.5H2O

Plombierite

Ca10Si12O31(OH)6 .18H2O

5CaO.6SiO2 .10.5H2O

Gyrolite

Ca4Si6O15(OH)2 .4H2O

2CaO.3SiO2 .2.5H2O

Okenite

3{Ca3Si6O152H2O.4H2O}

CaO.2SiO2 .2H2O

Truscottite

4{Ca3Si6O15.2H2O}

CaO.2SiO2 .0.67H2O

Nekoite

Ca3Si6O15.2H2O.4H2O

CaO.2SiO2 .2H2O

Cũng liên quan về tổng hợp thủy nhiệt hydrat canxi silicat hình 2.4 - được nêu
ra bởi Taylor, các điều kiện ủ của sản phẩm chưng áp có thể được xem xét và dự đoán
liên quan đến việc hình thành các hydrat canxi silicat .

Học viên: Lê Hồng Hải

15

Lớp: CNVLPK2011B

Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.4 Các điều kiện hình thành các pha CSH .
Các pha mong muốn với các sản phẩmchưng áp thương mại được cho dưới đây:
1)Z-pha (CS2H2)
2)1.1nmtobermorite(C5S6H5)
3)1.4 nmtobernorite(C5S6H6)
4)xonotlite(C6S6H)
5)afwillite(C3S2H3)
6)-C2S hydrat
7)gyrolite(C2S3H2)
8)hillebrandite(C2SH)
9)C-S-H (I)
10)C-S-H (II)
Ảnh hưởng của tỷ lệ C/S được nhấn mạnh bởi nhiều tác giả. Phản ứng của CaO
và SiO2 được đặc trưng bởi sự hình thành nhanh chóng của pha CSHn trong vòng 2-3h
và duy trì cho đến 10h. Sự hình thành nhanh chóng của CSHn được coi là do tỷ lệ hòa
tan cao của SiO2.

Học viên: Lê Hồng Hải

16

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
Các phản ứng thủy nhiệt của SiO2 vô định hình và CaO đã được nghiên cứu bởi

Assarson và Ryberg ở nhiệt độ từ 1200-2200C từ 2 đến 48 giờ. Trộn với tỷ lệ phần mol
C/S từ 0,67-1,0 cho thấy tiêu thụ hoàn toàn CaO trong 4h ở nhiệt độ 1600C hoặc cao
hơn 1200C, tuy nhiên một lượng nhỏ vôi đã được phát hiện ngay cả sau 24h. Trộn với
tỷ lệ C/S từ 1,5-2,0 cũng cho thấy một số CaO không phản ứng thậm chí ủ kéo dài tại
2200C. Ở giai đoạn nhiệt độ chưng áp ban đầu pha giống với CSH (I) được hình thành
với một tỷ lệ C/S bằng 1-1,2, hillebrandite, xonotlite, gyrolite và pha tobermorite đã
được phát hiện. Giai đoạn nhiệt độ cao, pha tạo thành bị chi phối bởi tỷ lệ phần mol
C/S ban đầu của hỗn hợp.

Hình 2.5- Ảnh hưởng của tỷ lệ phần khối lượng C/S đến sự hình thành của các pha ở
nhiệt độ cao[15]
Liên quan đến tỷ lệ C/S từ 1,25-0,8 quá trình chưng áp kéo dài cho kết quả
cường độ nén lớn nhất, dẫn tới cường độ tăng mạnh với việc biến đổi lượng lớn C-S-H
(I) sang dạng tobermorite. CSH (I) được phát hiện bởi nhiễu xạ tia X sau 2h và

Học viên: Lê Hồng Hải

17

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
tobermorite đã được quan sát sau 4h. CaO đã được hấp thụ trong vòng 4h của quá
trình chưng áp. Tobermorite hình thành tối đa từ 4 đến 16h của quá trình chưng áp và
sau đó.
2.4 Cường độ các sản phẩm thủy nhiệt chưng áp.[15]
Hydrat canxi silicat có thể sẽ là pha liên kết chính trong các sản phẩm chưng áp.
Cường độ các pha này sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến tính chịu lực của vật liệu.
Lach nói rằng cường độ của vật liệu chưng áp là do sự có mặt của CSH(I),

nhưng tobermorite cũng được coi như có tham gia tạo cường độ. Tobermorite đã được
công nhận cung cấp cường độ đáng kể. Tính chất vật lý của hệ CSH được đưa ra bởi
Butt và cộng sự được tóm tắt trong bảng sau.
Bảng 2.2- Tính chất vật lý của pha CSH
Tỷ trọng biểu kiến
(g/cm3)

Hydrat canxi
silicat

Cường độ nén (kg/cm2)

( kg/cm2)
sau 6.5

Ban đầu

sau
6.5tháng

C-S-H(I)

1.13

1.43

230

175

32

8

Tobermorite

1.12

1.12

70

85

30

30

xonotlite

1. 00

1.22

120

320

75

18

C2SH(A)

0.87

0.91

2.5

22

1

4

C2SH(C)

0.98

1.11

15

115

4

5

C3SH2 (TSH)

1.45

1.52

140

400

100

n. d.

Ban đầu

sau 6.5
tháng

Cường độ uốn

Ban đầu

tháng

Cường độ nén cao của CSH(I) là đặc biệt chú ý. Xonotlite và C3SH2 cũng có
cường độ cao. Điều thú vị là, tobermorite có cường độ nén tương đối khiêm tốn,
khoảng 30% so với CSH(I) và hơn 50% so với xonolite.
Vi cấu trúc của các hydrat canxi silicat, như tiết lộ của thạch học và kính hiển vi
điện tử, tương quan với kết quả cường độ. Do CSH(I), xonotlite và C3SH2 có hình

dạng tinh thể mịn dẫn tới một mức độ cao của liên kết chéo. Tobermorite có các tinh
thể tấm lớn nhưng nó cung cấp các mạng với một vài điểm lên kết và do đó hạn chế
các liên kết. Có một sự bất thường giữa các báo cáo chưng áp về không gian điền đầy
của hydrat dicanxi silicat và trọng lượng riêng của chúng. Các mao quản vi mạch sẽ
ảnh hưởng đến cường độ sản phẩm chưng áp, nhưng bản chất của sản phẩm phản ứng
và hình dạng tinh thể là những yếu tố quan trọng

Học viên: Lê Hồng Hải

18

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp

 Kết luận
Từ tổng quan em thấy:
- Nghiên cứu chế tạo tấm vật liệu SiO2-CaO đã nhiều nhưng đều làm qua 2
công đoạn. (Phối liệu được đưa vào nồi chưng áp tạo vật liệu dạng bột có
thành phần khoáng chính là xonotlite, sau đó đưa thêm chết kết dính để ép
tạo khối)
- Nguyên liệu cung cấp SiO2 chưa dùng tro trấu.
Do vậy đề tài này em sẽ nghiên cứu chế tạo tấm vật liệu SiO2-CaO một công đoạn
(nghiên cứu tạo khối trực tiếp ngay trong quá trình chưng áp) và dùng nguyên liệu
cung cấp SiO2 là tro trấu.

Học viên: Lê Hồng Hải

19

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
III.NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Mục tiêu nghiên cứu
 Tìm ra phương pháp chế tạo khối vật liệu nhẹ cách nhiệt từ nguyên liệu chính là
tro trấu và vôi bằng phương pháp chưng áp chỉ với một công đoạn.
 Đánh giá chất lượng, giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường, khối lượng thể
tích khô, độ co nung, khả năng cách nhiệt của sản phẩm.
 Tìm ra nhiệt độ và thời gian chưng áp phù hợp để phản ứng tạo khoáng hiệu
quả nhất và chất lượng sản phẩm tốt nhất trong khoảng nhiệt độ khảo sát.
2. Phương pháp đánh giá sản phẩm nghiên cứu
2.1. Các phương pháp phi tiêu chuẩn dựa theo TCXDVN 317:2004
-

Xác định giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường.

-

Xác định khối lượng thể tích khô.

-

Xác định độ co nung.

2.1.1 Xác định giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường
 Chuẩn bị mẫu thử
Mẫu thử được gia công hình lập phương (20x20x20mm) và sấy mẫu đến khối

lượng không đổi tại nhiệt độ 1050C ± 50C. Kiểm tra bằng cách cân lặp lại 2 giờ một
lần cho đến khi chênh lệch khối lượng giữa 2 lần cân liên tiếp không lớn hơn 0.1%
hoặc chênh lệch khối lượng hai lần cân bằng sai số của cân.
 Tiến hành thử
Đo kích thước hai mặt chịu nén của mẫu thử bằng thước kẹp với độ chính xác là
0.05mm. Tính diện tích trung bình mặt mẫu chịu tải (S).
Đo giới hạn bền khi nén nguội ở đây sử dụng máy ép thủy lực 5 tấn ở bộ môn
CNVL Silicat.
Đặt mẫu thử vào trung tâm máy nén, không đặt bất kỳ một loại tấm lót nào vào
giữa mẫu thử và các mặt ép.
Chọn thang đo 2 tấn trên máy để đo mẫu.
Tăng tải trọng cho đến khi mẫu bị phá hủy, tức là khi tải trọng đọc được trên
máy không tăng nữa. Ghi tải trọng cao nhất đạt được.
 Tính kết quả

Học viên: Lê Hồng Hải

20

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
Giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường (nhiệt độ trong phòng thí nghiệm bộ môn
silicat) của mẫu thử (Rn) tính bằng N/mm2
theo công thức:
Rn 

P
S

( N/mm2)

(2.7)

Trong đó :
Rn: giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường ( N/mm2 ).
P: lực nén phá hủy mẫu, tính bằng Niuton ( N ).
S: là diện tích chịu nén của viên mẫu, tính bằng mm2.
Tính giá trị trung bình các kết quả thử. Loại bỏ kết quả sai số có giá trị sai số
trên 10% so với giá trị trung bình.
Kết quả của phép thử là trung bình của ít nhất hai kết quả riêng biệt của một lô
mẫu. Chính xác tới 0,01 N/mm2.
2.1.2 .Xác định khối lượng thể tích khô
 Chuẩn bị mẫu thử
Mẫu thử được gia công thành khối lập phương ( ở đây do khuôn 20x20x20mm
nên mẫu có cạnh xấp xỉ 20mm ) và sấy mẫu đến khối lượng không đổi tại nhiệt độ
1050C ± 50C. Kiểm tra bằng cách cân lặp lại 2 giờ một lần cho đến khi chênh lệch khối
lượng giữa 2 lần cân liên tiếp không lớn hơn 0.2% hoặc chênh lệch khối lượng hai lần
cân bằng sai số của cân, thông thường thời gian sấy không nhỏ hơn 24 giờ.
Để nguội mẫu trong tủ hút ẩm đến nhiệt độ phòng thí nghiệm rồi tiến hành thử.
 Tiến hành thử
Xác định kích thước mẫu theo các chiều rộng, dài, cao bằng thước kẹp với độ
chính xác 0,05mm.
Cân khối lượng mẫu thử bằng cân điện tử với độ chính xác 0,01g.
 Tính kết quả
Khối lượng thể tích ( ρ0 ) của viên mẫu, tính bằng kg/m3 theo công thức:
0 

m

106
l b h

( kg/m3 )

(2.8)

Trong đó:
m: là khối lượng mẫu sau khi sấy khô, tính bằng gam.

Học viên: Lê Hồng Hải

21

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
l, b, h: lần lượt là chiều dài, rộng, cao trung bình của mẫu thử, tính bằng
milimet.
Tính giá trị trung bình các kết quả thử. Loại bỏ kết quả sai số có giá trị sai số
trên 10% so với giá trị trung bình.
Kết quả là giá trị trung bình cộng của ít nhất hai kết quả riêng biệt của một lô
mẫu thử, chính xác tới 10 kg/m3.
2.1.3 Xác định độ co nung
 Chuẩn bị mẫu thử: Mẫu thử được gia công hình lập phương (20x20x20mm).
 Tiến hành thử
Xác định kích thước mẫu theo các chiều rộng, dài, cao bằng thước kẹp với độ
chính xác 0,05mm.
Đặt mẫu trong lò nung và nâng nhiệt từ từ với tốc độ nâng nhiệt 1000C/h đến

6000C. Lưu mẫu ở nhiệt độ 6000C trong thời gian 1 giờ, rồi để lò và mẫu nguội tự
nhiên đến nhiệt độ thí nghiệm.
Xác định lại kích thước mẫu theo các chiều rộng, dài, cao sau khi nung bằng
thước kẹp với độ chính xác 0,05mm.
 Tính kết quả
Độ co nung ( yn) theo chiều dài ( hoặc chiều rộng hoặc chiều cao) của mẫu, tính
bằng % theo công thức:
yn 

l1  l2
100
l1

(%)

(2.9)

Trong đó:
l1: kích thước chiều dài ( hoặc chiều rộng, hoặc chiều cao) của viên mẫu
trước khi nung, tính bằng milimet.
l2: kích thước chiều dài ( hoặc chiều rộng, hoặc chiều cao) của viên mẫu
sau khi nung, tính bằng milimet.
Tính giá trị độ co nung trung bình của mỗi mẫu là trung bình cộng độ co nung
của 3 chiều dài, rộng, cao của một viên mẫu.
Tính giá trị trung bình các mẫu thử. Loại bỏ kết quả sai số có giá trị sai số trên
10% so với giá trị trung bình.

Học viên: Lê Hồng Hải

22

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
Kết quả phép thử là giá trị trung bình của ít nhất 2 kết quả riêng biệt của một lô
mẫu thử, chính xác tới 0,1%.
2.2. Các phương pháp phi tiêu chuẩn
-

Xác định tính chất cách nhiệt.

-

Phương pháp hiển vi điện tử quét – SEM.

-

Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen – XRD.

-

Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA, TG.

2.2.1.Xác định tính chất cách nhiệt.
Phương pháp thử này là phương pháp phi tiêu chuẩn dùng để so sánh khả năng
cách nhiệt của các mẫu khi chưng áp ở các nhiệt độ khác nhau.
 Chuẩn bị mẫu thử
Ở đây mỗi viên mẫu thử là một mẫu sản phẩm tương ứng ở mỗi nhiệt độ chưng
áp (1600C, 1800C, 2000C).

Mài nhẵn hai bề mặt cần xác định nhiệt độ trên bề mặt và khoảng cách của hai
bề mặt cần xác định nhiệt độ của ba mẫu là như nhau. Xác định khoảng cách của hai
bề mặt cần xác định nhiệt độ bằng thước kẹp với độ chính xác là 0,05mm.
Đánh số thứ tự 1, 2, 3 tương ứng lần lượt là mẫu sản phẩm chưng áp ở nhiệt độ
1600C, 1800C, 2000C.
 Thiết bị xác định so sánh độ cách nhiệt
Sử dụng một lò nung 8000C. Lò nung có 2 hệ thống can đo nhiệt độ, một can đo
nhiệt độ bên trong lò, một can đo nhiệt độ bên trên bề mặt mẫu thử tiếp xúc với môi
trường. Có hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nung qua dòng điện vào.
Miệng lò có nắp đậy bằng gạch chịu nhiệt, ở giữa nắp có khoét lỗ hình vuông
vừa đủ để đặt mẫu vào đo nhiệt độ.
 Tiến hành thử
Nâng nhiệt độ trong lò lên tới từng mức nhiệt độ: 2000C; 4000C; 6000C.
Ở mỗi một nhiệt độ lò nung đặt mẫu vào miệng trên lò và đặt can đo nhiệt độ
lên trên bề mặt của mẫu.
Cứ sau 10 phút thì ghi lại nhiệt độ trong lò và nhiệt độ bên trên bề mặt mẫu thử.
Đo và ghi lại 3 giá trị thì đổi mẫu thử khác.

Học viên: Lê Hồng Hải

23

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
 Kết quả
Phương trình truyền nhiệt qua tường phẳng: giả thiết là truyền nhiệt ổn định
Q

Trong đó:

.(T2  T1 ).F
l

(W)

(2.10)

Q: lượng nhiệt truyền qua tường, tính bằng woat.
λ: độ dẫn nhiệt, tính bằng w/(m2.độ).
T2; T1: lần lượt là nhiệt độ bề mặt trong và ngoài, tính bằng độ C.
F: diện tích bề mặt truyền nhiệt, tính bằng met vuông.
l: khoảng cách 2 bề mặt truyền nhiệt, tính bằng met.

Theo phương trình 2.10 thì khi mà F bằng nhau, l bằng nhau và truyền nhiệt là
ổn định thì Q là không đổi theo thời gian. Khi đó λ tỉ lệ nghịch với hiệu số

( T2–

T1 ). Khi đó các mẫu được đo ở cùng điều kiện thí nghiệm, cùng nhiệt độ trong lò,
cùng bề dày mẫu thử, cùng diện tích truyền nhiệt thì nhiệt độ trên bề mặt mẫu thử nào
nhỏ hơn thì hiệu số ( T2 – T1) sẽ lớn hơn nên độ dẫn nhiệt λ nhỏ hơn hay là độ cách
nhiệt của mẫu thử đó tốt hơn.
2.2.2 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA, TG.
Mẫu được đập nhỏ vụn ra, nghiền mịn bằng cối mã não và đem đi phân tích
nhiệt DTA, TG. Dựa vào việc thay đổi nhiệt độ và khối lượng của mẫu đo và mẫu
chuẩn và được xem như là một hàm của nhiệt độ mẫu. Các tính chất của mẫu chuẩn là
hoàn toàn xác định và yêu cầu mẫu chuẩn phải trơ về nhiệt độ. Với mẫu đo thì luôn
xảy ra một trong hai quá trình giải phóng và hấp thụ nhiệt khi ta tăng nhiệt độ của hệ,

ứng với mỗi quá trình này sẽ có một trạng thái chuyển pha tương ứng. Phương pháp
này cho ta biết được phân biệt các nhiệt độ đặc trưng, hành vi nóng chảy và kết tinh
của vật liệu và độ ổn định nhiệt…
2.3.Phương pháp nghiên cứu.
Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích các tài liệu tham khảo, các sản phẩm nhập
ngoại hiện đang được sử dụng trên thị trường Việt nam, qua kết quả nghiên cứu thăm
dò, xác định và lựa chọn nguyên liệu chính, công nghệ chế tạo vật liệu cách nhiệt hệ
CaO-SiO2.

Học viên: Lê Hồng Hải

24

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
Bằng phương pháp so sánh đối chứng: xác định các tính chất của vật liệu cách
nhiệt chế tạo được và so sánh với mẫu đối chứng là các mẫu vật liệu cách nhiệt trên thị
trường thông qua các chỉ tiêu và phương pháp đánh giá thích hợp.
3. Thực nghiệm
Tấm xốp chịu nhiệt hệ CaO – SiO2 được tạo thành từ ba thành phần chính là
CaO, SiO2 và H2O. Nguyên liệu cung cấp SiO2 ở đây sử dụng tro trấu, nguyên liệu
cung cấp CaO là vôi công nghiệp ở Bỉm Sơn và nước sinh hoạt.
3.1 Nguyên liệu
3.1.1 Tro trấu
Trấu được lấy ở vùng Tiền Hải-Thái Bình, được đốt trong lò Tuynen tại nhà
máy số 2 của công ty Dolacera theo đường cong nung sứ vệ sinh.
Tro trấu được lấy về dạng thô sau đó được cho vào máy nghiền bi sắt (Hình
3.1) để nghiền mịn.

Độ mịn và thành phần hóa của tro trấu sau khi nghiền mịn
* Độ sót sàng: xác định theo TCVN 4030 : 1985 về phương pháp xác định độ mịn
Lượng trên sàng N0008 là 15,2%.
* Bảng thành phần hóa học của tro trấu: mẫu tro trấu được xác định thành phần hóa tại
Viện cơ khí năng lượng và mỏ-VINACOMIN (IEMM).
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của tro trấu

Nguyên

Thành phần phần trăm khối lượng hóa học (%)

liệu

SiO2

CaO

K2O

Al2O3 MgO Fe2O3 TiO2 P2O5 MnO CK

Tro Trấu

88.01

2.02

3.25

0.55

1.24

0.40

0.03

1.36

0.20

2,94

Tổng
100

Dưới đây là một số hình ảnh về vỏ trấu và tro trấu:

Học viên: Lê Hồng Hải

25

Lớp: CNVLPK2011B