Nghiên cứu tận dụng phế thải bùn đỏ từ quặng bauxite để sản xuất gạch đất sét nung ở nhiệt độ thấp

Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------

NGUYỄN THỊ THANH THẢO

NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG PHẾ THẢI BÙN ĐỎ
TỪ QUẶNG BAUXITE ĐỂ SẢN XUẤT
GẠCH ĐẤT SÉT NUNG Ở NHIỆT ĐỘ THẤP.

Chuyên ngành: Vật liệu và Công nghệ Vật liệu Xây dựng.
Mã số ngành:

60. 58. 80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

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:
1. …………………………………………………………………..
2. …………………………………………………………………..
3. …………………………………………………………………..
4. …………………………………………………………………..
5. …………………………………………………………………..
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
------------------oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Nguyễn Thị Thanh Thảo

Giới tính : Nam 
/ Nữ 

Ngày, tháng, năm sinh : 03/03/1985

Nơi sinh : TP. Hồ Chí Minh.

Chun ngành : Vật Liệu và Cơng Nghệ Vật Liệu Xây Dựng
Khoá (Năm trúng tuyển) : 2009
1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG PHẾ THẢI BÙN ĐỎ TỪ QUẶNG
BAUXITE ĐỂ SẢN XUẤT GẠCH ĐẤT SÉT NUNG Ở NHIỆT ĐỘ THẤP.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

Chương 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu vật liệu xây dựng theo công nghệ
Geopolymer trong nước và trên thế giới.
Chương 2. Cở sở lý thuyết về cấu tạo của vật liệu Geopolymer và lý thuyết về chế tạo
vật liệu Geopolymer.
Chương 3. Đặc trưng kỹ thuật và quy hoạch tỉ lệ thành phần của hệ nguyên liệu.
Chương 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ nguyên liệu và nhiệt độ nung đến các tính
chất của gạch từ hệ đất sét - bùn đỏ.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ):
.......................................................................
.......................................................................
.......................................................................
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CÁM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Bách Khoa
TP.HCM, sự hướng dẫn tận tình của Q Thầy Cơ Bộ mơn Vật Liệu Xây Dựng đã
giúp tơi có được những kiến thức tổng quát cũng như chuyên sâu trong ngành Vật liệu
xây dựng để hồn thành luận văn này.
Trước hết, tơi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Văn Chánh đã dành
rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn tơi trong suốt q trình nghiên cứu và thực
hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cám ơn Quý Thầy Cô Bộ môn Vật Liệu Xây Dựng đã truyền đạt
kiến thức về chuyên môn cũng như động viên, giúp đỡ tôi trong q trình học tập và
nghiên cứu tại trường.
Tơi cũng xin gửi lời cám ơn đến Phịng thí nghiệm Vật liệu Xây dựng, Phịng thí
nghiệm Vật liệu Polime – Phịng thí nghiệm trọng điểm Đại học Quốc gia Tp.HCM đã
tạo mo ̣i điề u kiê ̣n để tôi thực hiê ̣n các thí nghiê ̣m nghiên cứu thực nghiệm.
Cuối cùng, tơi xin chân thành cám ơn gia đình và bạn bè đã ủng hộ, giúp đỡ và
động viên tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu.
Dù đã cố gắng hết sức nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn
khơng tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được sự cảm thơng và ý kiến đóng
góp q báu từ Q Thầy Cơ và các bạn.
Một lần nữa, tôi xin chân thành cám ơn.
Tp. HCM, tháng 06 năm 2011.
Học viên thực hiện
Nguyễn Thị Thanh Thảo


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Bùn đỏ từ quặng bauxite là chất thải sản sinh từ quá trình sản xuất nhơm theo
cơng nghệ Bayer. Mỗi năm có thêm hàng tỉ tấn phế thải bùn đỏ tồn đọng trên thế
giới và điều này gây ra những ảnh hưởng không tốt đến môi trường. Một trong
những biện pháp nhằm giải quyết vấn đề này là đưa bùn đỏ vào sản xuất các loại vật
liệu xây dựng.

Đề tài này nhắm đến việc nghiên cứu khả năng tận dụng phế thải bùn đỏ để sản
xuất gạch xây từ hệ bùn đỏ - đất sét trên cơ sở nguyên lý chế tạo vật liệu
Geopolymer. Nguyên lý chế tạo vật liệu Geopolymer dựa trên khả năng phản ứng
của các vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm để tạo ra sản phẩm bền và có
cường độ. Một chất phụ gia hoạt hóa được thêm vào hệ đất sét – bùn đỏ để thúc đẩy
quá trình tạo thành sản phẩm.
Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần hệ nguyên liệu và nhiệt độ tạo mẫu đến các
tính chất cơ lý và cấu trúc của sản phẩm được khảo sát thông qua các cấp phối với tỉ
lệ bùn đỏ thay đổi từ 40% đến 90% trong hệ bùn đỏ - đất sét, tỉ lệ phụ gia hoạt hóa
thay đổi từ 8ml đến 16ml/100g nguyên liệu. Đồng thời, nhiệt độ tạo mẫu được thay
đổi từ mẫu chỉ sấy ở 110oC đến mẫu nung với các nhiệt độ từ 400oC đến 800oC.
Kết quả nghiên cứu cho thấy với nhiệt độ nung ở 600oC, có thể tạo được sản
phẩm gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ thỏa mãn yêu cầu cường độ chịu nén trên
50kG/cm2 và độ bền nước trên 0,75 với tỉ lệ bùn đỏ tận dụng từ 40% đến 90% hệ
nguyên liệu ban đầu.


ABSTRACT
Red mud from bauxite ore is a by-product of the Bayer process for refining
aluminium. Millions of tons of red mud produce annually and these cause adverse
affect on the environment. One of the ways to solve this problem is to use red mud
on the production of building materials.
This thesis aims to study the possibility of utilizing red mud in production of
bricks from red mud - clay system based on Geopolymer technology. Geopolymer
technology is based on the reaction between an alkaline solution and an
aluminosilicate source to form a product with durability and strength. An alkaline
activation admixture is added to the red mud - clay system to accelerate the forming
process.
The effect of mix proportions and temperature treatment on the mechanical
properties and the structure of the products is experience by changing the red mud

rate from 40% to 90% of the total weight of the dry materials, the alkaline
activation admixture rate vary from 8ml to 16ml for each 100g solid mixture. Also,
the temperature treatment is generated from the sample with drying process at
110oC only and the sample with heating temperature from 400oC to 800oC.
The result shows that with temperature treatment of 600oC and the rates of red
mud from 40% to 90% of the total weight of the dry materials, the bricks from red
mud - clay system meet the qualification of having the compressive strength more
than 50kG/cm2 and the water resistance factor more than 0,75.


-a -

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Phân loại các nhóm Poly(Sialate) .................................................................. 25
Bảng 3.1: Đặc trưng cơ lý của Đất Sét .......................................................................... 46
Bảng 3.2: Thành phần hóa học của Đất Sét Đồng Nai .................................................. 47
Bảng 3.3: Thành phần hóa học của Bùn đỏ .................................................................... 48
Bảng 3.4: Các cấp phối thử nghiệm ............................................................................... 54
Bảng 4.1: Kết quả cường độ chịu nén của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với nhiệt độ
sấy là 110oC và nhiệt độ nung là 400oC - 600oC - 800oC, tỉ lệ bùn đỏ là 50% - 70% 90%. ................................................................................................................................ 56
Bảng 4.2: Kết quả cường độ chịu nén của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với nhiệt độ
sấy là 110oC và nhiệt độ nung là 400oC - 600oC - 800oC, tỉ lệ phụ gia hoạt hóa là 12ml;
16ml/100g nguyên liệu ................................................................................................... 56
Bảng 4.3: Kết quả độ bền nước và cường độ chịu nén khi khơ và khi bão hịa nước của
mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với nhiệt độ sấy là 110oC; nhiệt độ nung là 400oC 600oC - 800oC. ................................................................................................................ 58
Bảng 4.4: Kết quả độ hút nước của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với nhiệt độ sấy là
110oC và nhiệt độ nung là 400oC - 600oC - 800oC, tỉ lệ bùn đỏ là 50% - 80%. ............. 60
Bảng 4.5: Kết quả độ hút nước của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với nhiệt độ sấy là
110oC và nhiệt độ nung là 400oC - 600oC - 800oC, tỉ lệ phụ gia là 8ml; 12ml/100g
nguyên liệu. .................................................................................................................... 60

Bảng 4.6: Kết quả độ co khi sấy nung của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với nhiệt độ sấy là
110oC và nhiệt độ nung là 400oC - 600oC - 800oC. ........................................................ 61
Bảng 4.7: Kết quả khối lượng thể tích của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với nhiệt độ
sấy là 110oC và nhiệt độ nung là 400oC - 600oC - 800oC, tỉ lệ bùn đỏ là 50% - 80%. .. 62
Bảng 4.8: Kết quả khối lượng thể tích của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với nhiệt độ
sấy là 110oC và nhiệt độ nung là 400oC - 600oC - 800oC, tỉ lệ phụ gia là 8ml; 12ml/100g
nguyên liệu. .................................................................................................................... 63
Bảng 4.9: Kết quả cường độ chịu nén của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với tỉ lệ bùn
đỏ thay đổi từ 40% đến 90%. ......................................................................................... 64
Bảng 4.10: Kết quả độ bền nước của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với tỉ lệ bùn đỏ
thay đổi từ 40% đến 90%. .............................................................................................. 66


-bBảng 4.11: Kết quả độ hút nước của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với tỉ lệ bùn đỏ
thay đổi từ 40% đến 90%. .............................................................................................. 68
Bảng 4.12 : Kết quả độ co khi sấy nung của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với tỉ lệ
bùn đỏ thay đổi từ 40% đến 90%. .................................................................................. 69
Bảng 4.13: Kết quả khối lượng thể tích của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với tỉ lệ bùn
đỏ thay đổi từ 40% đến 90%. ......................................................................................... 71
Bảng 4.14: Kết quả cường độ chịu nén của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với tỉ lệ phụ
gia là 8ml, 10ml, 12ml, 14ml và 16ml/100g nguyên liệu. ............................................. 73
Bảng 4.15: Kết quả độ bền nước của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với tỉ lệ phụ gia
thay đổi từ 8ml đến16ml/100g nguyên liệu. .................................................................. 74
Bảng 4.16: Kết quả độ hút nước của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với tỉ lệ phụ gia
thay đổi từ 8ml đến16ml/100g nguyên liệu. .................................................................. 76
Bảng 4.17: Kết quả độ co khi sấy nung của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với tỉ lệ phụ
gia thay đổi từ 8ml đến16ml/100g nguyên liệu. ............................................................. 77
Bảng 4.18: Kết quả khối lượng thể tích của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ với tỉ lệ phụ
gia thay đổi từ 8ml đến16ml/100g nguyên liệu. ............................................................. 79

-A-

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Lượng chất thải từ bauxite trên thế giới ........................................................... 3
Hình 1.2: Sản phẩm gạch chế tạo theo cơng nghệ Geopolymer đóng rắn ở nhiệt độ thấp
.......................................................................................................................................... 7
Hình 1.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và hàm lượng chất hoạt hóa đến cường độ nén
của gạch chế tạo theo cơng nghệ Geopolymer đóng rắn ở nhiệt độ thấp ......................... 8
Hình 1.4: So sánh khả năng bền trong môi trường axit của chất kết dính Geopolymer và
các loại vật liệu khác ...................................................................................................... 10
Hình 1.5: Ảnh hưởng của nồng độ Na2O đến thời gian ninh kết của chất kết dính
Geopolymer từ phế thải gạch và bê tơng ........................................................................ 12
Hình 1.6: Sự phát triển cường độ sớm của chất kết dính Geopolymer .......................... 12
Hình 1.7: Sự phát triển cường độ của chất kết dính Geopolymer theo thời gian ........... 13
Hình 1.8: Ảnh hưởng của nồng độ Na2O đến cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi của chất
kết dính Geopolymer ...................................................................................................... 13
Hình 1.9: Cấu trúc của mẫu bê tông làm từ xi măng thông thường và chất kết dính
Geopolymer .................................................................................................................... 14
Hình 1.10: Cấu trúc của xi măng Geopolymer dạng potassium polysialate tại thời gian
sau 6 giờ và 9 giờ thủy hóa bằng phương pháp ESEM với tỉ lệ 6400 ............................ 14
Hình 1.11: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thời gian ninh kết của bê tông Geopolymer... 15
Hình 1.12: Ảnh hưởng của lượng nước đến độ sụt của hỗn hợp bê tơng Geopolymer.. 16
Hình 1.13: Ảnh hưởng của tỉ lệ tro bay đến cường độ nén của bê tơng Geopolymer .... 17
Hình 1.14: Ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ của bê tông Geopolymer
........................................................................................................................................ 17
Hình 1.15: Tấm gỗ chống cháy có hai lớp mặt được chế tạo từ vật liệu Geopolymer... 18
Hình 1.16: Các vật trang trí được chế tạo từ Geopolymer dạng (K)-Poly(sialate-siloxo)
........................................................................................................................................ 18
Hình 1.17: Mẫu vật liệu Geopolymer dạng bọt xốp ....................................................... 19

Hình1.18: Ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ nén của bê tông
Geopolymer .................................................................................................................... 20


-BHình 1.19: Ảnh hưởng của thời gian dưỡng hộ đến cường độ nén của bê tơng
Geopolymer .................................................................................................................... 20
Hình 1.20: Sản phẩm gạch không nung từ đất theo công nghệ Geopolymer. ................ 21
Hình 2.1: Tứ diện SiO4 và AlO4 ..................................................................................... 24
Hình 2.2: Cấu tạo các vịng sialate ................................................................................. 24
Hình 2.3: Cầu nối Sialate................................................................................................ 25
Hình 2.4: Cấu tạo các poly(sialate), poly(sialate-siloxo), poly(sialate-disiloxo) ........... 25
Hình 2.5: Các dạng mạng lưới từ các poly(Sialate) và các nhóm liên quan .................. 26
Hình 2.6 : Cấu tạo hóa học và ứng dụng của vật liệu Geopolymer ................................ 28
Hình 2.7: Ảnh hưởng của tỉ lệ H2O/K2O và Nước/Rắn đến cường độ nén của bê tơng
Geopolymer .................................................................................................................... 32
Hình 2.8: Sơ đồ q trình Geopolymer hóa từ ngun liệu ban đầu .............................. 34
Hình 2.9: Mơ hình cấu trúc geopolymer theo Davidovits .............................................. 34
Hình 2.10: Quá trình trùng ngưng Kaolinite Si2O5,Al2(OH)4 trong kiềm ...................... 35
Hình 2.11 : Quá trình trùng ngưng để tạo thành (Na,K)-poly(sialate-siloxo) ................ 35
Hình 2.12: Quá trình trùng ngưng để tạo thành (Na,K)-poly(sialate-disiloxo).............. 36
Hình 2.13: Mẫu thử nghiệm độ co khi sấy nung ............................................................ 42
Hình 3.1: Phân tích phổ hồng ngoại của đất sét. ............................................................ 47
Hình 3.2: Phân tích phổ hồng ngoại của bùn đỏ. ........................................................... 48
Hình 3.3: Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm ....................................................................... 49
Hình 3.4: Quá trình chuẩn bị nguyên liệu đất sét ........................................................... 50
Hình 3.5: Quá trình chuẩn bị nguyên liệu bùn đỏ .......................................................... 51
Hình 3.6: Quá trình nhào trộn hệ nguyên liệu ................................................................ 52
Hình 3.7: Quá trình tạo hình sản phẩm........................................................................... 53
Hình 4.1: Quá trình nén mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ. ............................................. 55
Hình 4.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cường độ chịu nén ................................... 57

-Ccủa gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ. ...................................................................................... 57
Hình 4.3: Quá trình thử độ bền nước của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ. .......................... 58
Hình 4.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ bền nước của gạch từ hệ đất sét – bùn
đỏ. ................................................................................................................................... 59
Hình 4.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ hút nước của gạch từ hệ đất sét – bùn
đỏ. ................................................................................................................................... 60
Hình 4.6: Quá trình thử độ co của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ. ..................................... 61
Hình 4.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ co khi sấy nung của gạch từ hệ đất sét –
bùn đỏ. ............................................................................................................................ 62
Hình 4.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến khối lượng thể tích của gạch từ hệ đất sét –
bùn đỏ. ............................................................................................................................ 63
Hình 4.9: Ảnh hưởng của tỉ lệ bùn đỏ đến cường độ nén của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ.
........................................................................................................................................ 65
Hình 4.10: Ảnh hưởng của tỉ lệ bùn đỏ đến độ bền nước của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ.
........................................................................................................................................ 67
Hình 4.11: Ảnh hưởng của tỉ lệ bùn đỏ đến độ hút nước của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ.
........................................................................................................................................ 68
Hình 4.12: Ảnh hưởng của tỉ lệ bùn đỏ đến độ co khi sấy của gạch từ hệ đất sét – bùn
đỏ. ................................................................................................................................... 70
Hình 4.13 : Ảnh hưởng của tỉ lệ bùn đỏ đến độ co khi nung và độ co tổng cộng của gạch
từ hệ đất sét – bùn đỏ. ..................................................................................................... 70
Hình 4.14: Ảnh hưởng của tỉ lệ bùn đỏ đến khối lượng thể tích của gạch từ hệ đất sét –
bùn đỏ. ............................................................................................................................ 72
Hình 4.15: Ảnh hưởng của tỉ lệ phụ gia đến cường độ chịu nén của gạch từ hệ đất sét –
bùn đỏ. ............................................................................................................................ 73
Hình 4.16: Ảnh hưởng của tỉ lệ phụ gia đến độ bền nước của gạch từ hệ đất sét – bùn
đỏ. ................................................................................................................................... 75
Hình 4.17: Ảnh hưởng của tỉ lệ phụ gia đến độ bền nước của gạch từ hệ đất sét – bùn

đỏ. ................................................................................................................................... 76
Hình 4.18: Ảnh hưởng của tỉ lệ phụ gia đến độ co khi sấy nung của gạch từ hệ đất sét –
bùn đỏ. ............................................................................................................................ 78


-DHình 4.19: Ảnh hưởng của tỉ lệ phụ gia đến khối lượng thể tích của gạch từ hệ đất sét –
bùn đỏ. ............................................................................................................................ 79
Hình 4.20: Kết quả TEM cho thấy mạng lưới Geopolymer trong mẫu gạch từ đất sét –
bùn đỏ được nung ở nhiệt độ 600oC và tỉ lệ phụ gia là 16ml/100g nguyên liệu. ........... 80
Hình 4.21: Kết quả TEM của mẫu gạch từ đất sét – bùn đỏ với nhiệt độ nung 400oC và
tỉ lệ phụ gia là 12ml/100g nguyên liệu (a); nhiệt độ nung 800oC và tỉ lệ phụ gia là
12ml/100g nguyên liệu (b); nhiệt độ nung 600oC và tỉ lệ phụ gia là 12ml/100g nguyên
liệu (c); nhiệt độ nung 600oC và tỉ lệ phụ gia là 16ml/100g nguyên liệu (d) ................. 81
Hình 4.22: Kết quả phân tích DTA của mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ ...................... 82
Hình 4.23: Phân tích phổ hồng ngoại FTIR của mẫu gạch từ đất sét – bùn đỏ. ............. 83
Hình 5.1: Sơ đồ cơng nghệ sản xuất gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ ................................... 86


-i-

MỤC LỤC
Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ
Lời cám ơn
Tóm tắt luận văn thạc sĩ
Mục lục ................................................................................................................................ i
Danh mục bảng biểu ............................................................................................................ a
Danh mục hình vẽ và đồ thị ................................................................................................. A
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................. 1
1. Đặt vấn đề........................................................................................................................ 1
1.1. Vấn đề phế thải bùn đỏ từ quặng bauxite .................................................................. 1

1.1.1. Khái niệm về bùn đỏ ........................................................................................... 1
1.1.2. Ảnh hưởng của bùn đỏ đối với mơi trường ........................................................ 1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 2
1.2.1. Hiện trạng phế thải bùn đỏ trên thế giới ............................................................. 2
1.2.2. Hiện trạng phế thải bùn đỏ tại Việt Nam ............................................................ 3
1.3. Lý do thực hiện đề tài ................................................................................................ 4
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu vật liệu xây dựng theo công nghệ Geopolymer .......... 5
2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................................ 6
2.1.1. Gạch xây theo công nghệ Geopolymer ............................................................... 6
2.1.2. Chất kết dính Geopolymer .................................................................................. 9
2.1.3. Bê tơng Geopolymer ......................................................................................... 15
2.1.4. Các loại vật liệu xây dựng khác ........................................................................ 18
2.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ......................................................................... 19
3. Mục tiêu nhiệm vụ đề tài ............................................................................................... 21
3.1. Mục tiêu đề tài ......................................................................................................... 21
3.2. Nhiệm vụ đề tài ....................................................................................................... 22
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC ................................................................................ 23
1. Cấu tạo và phân loại vật liệu Geopolymer. ................................................................... 23
1.1. Cấu tạo của chuỗi Sialate ........................................................................................ 23
1.2. Cấu tạo chuỗi Poly(Sialate) và các nhóm liên quan ................................................ 24
1.3. Phân loại vật liệu Geopolymer ................................................................................ 27
2. Lý thuyết chế tạo vật liệu Geopolymer. ........................................................................ 28


-ii2.1. Hệ nguyên liệu......................................................................................................... 28
2.1.1. Nguyên liệu ban đầu ......................................................................................... 28
2.1.2. Chất hoạt hóa kiềm ........................................................................................... 31
2.1.3. Tỉ lệ thành phần của hệ nguyên liệu ................................................................. 31
2.2. Quá trình Geopolymer hóa ...................................................................................... 33
2.3. Điều kiện dưỡng hộ ................................................................................................. 36

3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu. ......................................................................... 36
3.1. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 36
3.2. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 38
3.2.1. Phương pháp nghiên cứu tính chất cơ lý của sản phẩm.................................... 38
3.2.1.1. Cường độ chịu nén của sản phẩm ............................................................... 38
3.2.1.2. Độ hút nước của sản phẩm .......................................................................... 40
3.2.1.3. Độ bền nước của sản phẩm ......................................................................... 41
3.2.1.4. Độ co khi sấy và độ co khi nung của sản phẩm .......................................... 41
3.2.1.5. Khối lượng thể tích của sản phẩm ............................................................... 43
3.2.2. Phương pháp phân tích cấu trúc của sản phẩm ................................................. 44
3.2.2.1. Phương pháp kính hiển vi điên tử truyền qua – TEM ................................. 44
3.2.2.2. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai - DTA .................................................. 44
3.2.2.3. Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại - FTIR .......................................... 45
CHƢƠNG 3: ĐẶC TRƢNG KỸ THUẬT CỦA HỆ NGUYÊN LIỆU ....................... 46
1. Hệ nguyên liệu. ............................................................................................................. 46
1.1. Đất sét ...................................................................................................................... 46
1.2. Bùn đỏ ..................................................................................................................... 47
1.3. Phụ gia hoạt hóa ...................................................................................................... 48
1.4. Nước ........................................................................................................................ 49
2. Phương pháp chuẩn bị nguyên liệu và tạo hình sản phẩm ............................................ 49
3. Quy hoạch tỉ lệ thành phần hệ nguyên liệu ................................................................... 53
CHƢƠNG 4: ẢNH HƢỞNG CỦA HỆ NGUYÊN LIỆU VÀ NHIỆT ĐỘ NUNG
ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA GẠCH TỪ HỆ ĐẤT SÉT – BÙN ĐỎ ....................... 55
1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến các tính chất của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ ........ 55
1.1. Cường độ chịu nén .................................................................................................. 55
1.2. Độ bền nước ............................................................................................................ 58


-iii1.3. Độ hút nước ............................................................................................................. 59
1.4. Độ co khi sấy nung .................................................................................................. 61

1.5. Khối lượng thể tích .................................................................................................. 62
2. Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần hệ nguyên liệu đến các tính chất của gạch từ hệ đất
sét – bùn đỏ ........................................................................................................................ 64
2.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ bùn đỏ và đất sét ..................................................................... 64
2.1.1. Cường độ chịu nén ............................................................................................ 64
2.1.2. Độ bền nước ...................................................................................................... 66
2.1.3. Độ hút nước ...................................................................................................... 67
2.1.4. Độ co khi sấy nung ........................................................................................... 69
2.1.5. Khối lượng thể tích ........................................................................................... 71
2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ phụ gia hoạt hóa ..................................................................... 72
2.2.1. Cường độ chịu nén ............................................................................................ 72
2.2.2. Độ bền nước ...................................................................................................... 74
2.2.3. Độ hút nước ...................................................................................................... 75
2.2.4. Độ co khi sấy nung ........................................................................................... 77
2.2.5. Khối lượng thể tích ........................................................................................... 78
3. Nghiên cứu sự hình thành cấu trúc của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ ............................. 80
3.1. Phân tích TEM......................................................................................................... 80
3.2. Phân tích nhiệt vi sai DTA ...................................................................................... 82
3.3. Phân tích phổ hồng ngoại FTIR .............................................................................. 83
CHƢƠNG 5: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GẠCH TỪ HỆ ĐẤT SÉT – BÙN ĐỎ ..... 85
1. Đặc trưng công nghệ sản xuất gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ ........................................... 85
2. Sơ đồ công nghệ ............................................................................................................ 85
3. Thiết bị sản xuất. ........................................................................................................... 87
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 91
Lý lịch trích ngang


-1-

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1. Đặt vấn đề
1.1. Vấn đề phế thải bùn đỏ từ quặng bauxite
1.1.1. Khái niệm về bùn đỏ
Bùn đỏ là chất thải từ quá trình sản xuất nhôm theo công nghệ Bayer. Đầu tiên,
quặng bauxite thô sẽ được khai thác từ các mỏ quặng. Sau đó người ta đem quặng thô
này đi loại bỏ tạp chất và nghiền để tạo ra quặng tinh. Quặng tinh sẽ được cho tác dụng
với dung dịch kiềm NaOH và đun nóng trong các bồn chứa. Từ đó, người ta lấy được
dung dịch NaAl2O3. Dung dịch này kết tủa sẽ tạo ra Al(OH)3. Cuối cùng người ta đem
rửa và tiến hành nung Al(OH)3 để tạo thành oxit nhơm.
Q trình trên được thể hiện qua các phản ứng sau:

Al 2O3  2 NaOH  2 NaAlO 2  H 2O
NaAlO 2  2 H 2O  Al (OH ) 3  NaOH
2 Al (OH ) 3  Al 2O3  3H 2O
Quá trình sản xuất nhôm trên sẽ thải ra chất thải dạng bùn gọi là bùn đỏ. Bùn này
có thành phần gồm hỗn hợp nhiều chất rắn với các oxit kim loại như Fe2O3, Al2O3,
SiO2, Na2O…. Bùn có màu đỏ do có chứa nhiều oxit sắt. Bên cạnh đó, bùn đỏ chứa một
hàm lượng khá lớn xút trong nó. Chính điều này làm cho bùn đỏ có độ pH lớn, thơng
thường độ pH từ 13 trở lên.
Đã có nhiều bãi chứa chất thải bùn đỏ hình thành ở các quốc gia trên thế giới và
điều này trở thành một vấn đề lớn về mơi trường trên tồn thế giới.
Người ta đã tính toán rằng để sản xuất ra 1 tấn alumin bằng cơng nghệ Bayer thì
lượng bùn thải ra khoảng từ 1,5 đến 2 tấn [1].
1.1.2. Ảnh hƣởng của bùn đỏ đối với mơi trƣờng
Lượng bùn đỏ thải ra từ q trình sản xuất nhôm theo công nghệ Bayer để lại nhiều
nguy cơ đối với môi trường xung quanh cũng như sức khỏe con người.
Đầu tiên, trong bùn đỏ có chứa một lượng lớn xút đồng thời còn chứa nhiều loại
oxit kim loại. Chúng là những chất có hại và khơng dễ dàng phân hủy. Do đó, cho đến
nay người ta vẫn chưa tìm ra được biện pháp triệt để nào để xử lý.

-2Tại nhiều nơi, bùn đỏ được chôn lấp ở những khu vực ít người sinh sống ví dụ như
ở Australia người ta đã đem chôn ở các sa mạc, ở một số nơi khác người ta đem thải ra
biển. Tuy nhiên, tác hại của chúng là rất lớn vì ảnh hưởng đến môi trường sinh thái nơi
chôn lấp.
Trong trường hợp khác, lượng bùn thải này được tập trung lại tại những bãi chứa
tạo thành những hồ bùn đỏ lớn. Ở những nơi này, do hàm lượng xút lớn với độ pH cao
chứa trong bùn đỏ mà cây cối, sinh vật tại đây không thể phát triển. Điều này dẫn tới
việc làm suy giảm quỹ đất vốn có thể sử dụng vào những mục đích khác kinh tế hơn.
Bên cạnh đó, chi phí để quản lý và duy trì các bãi chứa này khá tốn kém và không
ngừng tăng lên theo thời gian.
Một vấn đề phát sinh nữa là tại những bãi chứa bùn này, lượng xút trong bùn có thể
ngấm xuống đất và lan ra những vùng xung quanh làm ô nhiễm môi trường. Mặt khác,
khi bùn này khô lại, do chúng có dạng hạt mịn nên rất dễ phát tán ra xung quanh làm ơ
nhiễm bầu khơng khí, ảnh hưởng đến sức khỏe của con người.
Qua đó có thể thấy rằng, ảnh hưởng của bùn đỏ đối với môi trường là một vấn đề
rất đáng lưu tâm.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
1.2.1. Hiện trạng phế thải bùn đỏ trên thế giới
Theo dự án ATF0603 (2006-2011) về cơ sở dữ liệu bùn đỏ và hồ chứa bùn đỏ
(Bauxite Residue and Disposal Database - BraDD) do 7 nước hợp tác tiến hành (bao
gồm Mỹ, Canada, Australia, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc) công bố vào
tháng 12 năm 2008 cho thấy trên thế giới hiện nay có khoảng 73 nhà máy sản xuất
alumin, trong đó khoảng 20 nhà máy (chiếm 27%) áp dụng thải khô, chủ yếu tập trung
ở châu Âu và Australia, nơi có lượng mưa nhỏ; cịn khoảng 53 nhà máy khác (chiếm
73%) áp dụng thải ướt, chủ yếu tập trung ở Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil, Jamaica, phía
đơng Australia, Italia và các nước đang phát triển khác. [1]
Kể từ khi các nhà máy sản xuất alumin được xây dựng từ thế kỉ 19 thì lượng bùn
đỏ thải ra môi trường liên tục tăng lên. Số liệu tính tốn cho thấy lượng thải ra từ ngành

cơng nghiệp sản xuất nhơm trên tồn cầu là 1 tỉ tấn vào năm 1985, tức là 93 năm từ khi
nhà máy đầu tiên sản xuất nhôm theo công nghệ Bayer được xây dựng. Đến năm 2000


-3thì lượng thải ra từ ngành cơng nghiệp này đã lên đến 2 tỉ tấn nghĩa là đã tăng lên gấp
đơi chỉ trong vịng 15 năm. Đến năm 2007 thì lượng thải ra này là 2.7 tỉ tấn tức là mỗi
năm tăng khoảng 119 triệu tấn. Người ta dự đoán rằng lượng thải ra sẽ đạt 3 tỉ tấn vào
những năm từ 2010 đến năm 2015. Và đến năm 2015 thì lượng thải ra sẽ là 4 tỉ tấn.[2]
Qua đó, ta có thể thấy lượng bùn đỏ thải ra tại các nước trên thế giới không ngừng
tăng lên và ngày càng tăng nhanh. Điều này cũng được thể hiện trên hình 1.1 mơ tả tốc
độ tăng của lượng chất thải từ ngành công nghiệp sản xuất nhôm qua các năm trên thế
giới.
Tổng
Cộng
Dồn
(Triệu
tấn)

Tốc độ
tăng
(Triệu
tấn/năm)

Năm

Hình 1.1: Lượng chất thải từ bauxite trên thế giới [2]
1.2.2. Hiện trạng phế thải bùn đỏ tại Việt Nam
Tại Việt Nam, theo báo cáo của Tập đoàn Cơng nghiệp Than – Khống sản Việt
Nam [3], kết quả thăm dò địa chất đến nay cho thấy tổng trữ lượng quặng bauxite đã
xác định dự báo khoảng 5,5 tỷ tấn quặng thô ứng với 2,4 tỷ tấn quặng tinh. Nguồn trữ

lượng này tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên với trữ lượng chiếm đến 91,4% và nhiều
nhất là tại Đắk Nông chiếm đến 1,44 tỷ tấn tức khoảng 61%.
Cũng theo báo cáo này, dự kiến sản lượng Alumin của Việt Nam đến năm 2010 là
0,7 - 1,0 triệu tấn/năm, năm 2015 là 6,0 - 8,5 triệu tấn/năm và năm 2025 là 13 - 18 triệu
tấn/năm. Đối với viêc sản xuất hydroxit nhôm phục vụ nhu cầu trong nước và xuất
khẩu, dự kiến sản lượng năm 2010 khoảng 0,65 triệu tấn. Tại vùng Tây Nguyên sẽ xây
dựng 6 nhà máy Alumin và 1 nhà máy điện phân nhôm. Đến năm 2025 sẽ xây dựng và


-4nâng công suất của 7 nhà máy Alumin, 2 nhà máy điện phân nhôm để sản xuất từ 12-18
triệu tấn alumin / năm.
Như vậy, có thể thấy cứ với tỷ lệ 1 tấn alumin bằng cơng nghệ Bayer thì lượng bùn
thải sẽ thải ra khoảng 1,5 đến 2 tấn thì lượng bùn đỏ thải ra sẽ là rất lớn. Với quy hoạch
phát triển bauxite ở Tây Nguyên đến năm 2015 mỗi năm sản xuất khoảng 7 triệu tấn
Alumin, ứng với việc thải ra môi trường khoảng 10 triệu tấn bùn đỏ. Đến năm 2025 mỗi
năm sản xuất 15 triệu tấn alumin tương ứng với 23 triệu tấn bùn đỏ. Như vậy có thể
thấy chỉ sau 10 năm sẽ có đến 230 triệu tấn và sau 50 năm sẽ có đến 1,15 tỷ tấn bùn đỏ
tồn đọng trên vùng Tây Nguyên [4].
Qua các số liệu trên ta có thể thấy lượng bùn thải ra từ ngành công nghiệp sản xuất
nhôm là rất lớn và không ngừng tăng lên cả trong nước và trên thế giới. Tác động của
nó đến mơi trường là một điều hết sức đáng báo động. Do đó, cần phải tích cực đề ra
các giải pháp nhằm hạn chế những tác động xấu của bùn đỏ đến môi trường cũng như
tìm ra các giải pháp nhằm tận dụng nguồn bùn đỏ này làm nguyên liệu phục vụ cho các
ngành sản xuất khác.
1.3. Lý do thực hiện đề tài
Như đã nêu ở trên, vấn đề tìm kiếm giải pháp để xử lý bùn đỏ hoặc sử dụng bùn đỏ
làm nguyên liệu dùng cho các ngành sản xuất khác ngày càng trở nên cấp thiết. Người
ta đã nghiên cứu và đề ra nhiều giải pháp cho vấn đề này.
Đã có những nghiên cứu cho rằng có thể trung hịa lượng bùn này bằng các nguồn
khác chứa axit. Cũng có đề xuất trung hòa lượng bùn này bằng các chất thải có tính axit

khác. Như thế, cùng một lúc có thể giải quyết được vấn đề phát sinh từ cả hai loại chất
thải. Từ đó, trên nền bùn đỏ đã được xử lý, người ta có thể tiến hành trồng trọt một số
loại cây thích hợp.
Một hướng nghiên cứu khác là có thể sử dụng bùn đỏ làm nguyên liệu để sản xuất
vật liệu xây dựng. Trong đó, có thể sử dụng bùn đỏ để làm gạch, chất kết dính, sơn hoặc
sử dụng để làm đường giao thông và các loại vật liệu khác. Như thế vừa có thể giải
quyết được vấn đề bùn đỏ, vừa có thể tiết kiệm được nguyên liệu trong ngành sản xuất
vật liệu xây dựng.


-5Đề tài này sẽ nghiên cứu tận dụng phế thải bùn đỏ từ quặng bauxite để sản xuất
gạch đất sét nung ở nhiệt độ thấp.
Đề tài được thực hiện nhắm đến việc góp phần giải quyết hai vấn đề bao gồm:
Thứ nhất, tận dụng được nguồn phế thải bùn đỏ từ các nhà máy sản xuất nhôm theo
công nghệ Bayer để đưa vào làm nguyên liệu cho ngành sản xuất gạch xây dựng. Như
vậy bài tốn về vấn đề mơi trường phát sinh từ bùn đỏ có thể được giải quyết một phần.
Thứ hai, việc sử dụng bùn đỏ sẽ thay thế một phần nguyên liệu đất sét trong sản
xuất gạch đất sét nung. Nhờ đó, góp phần làm giảm bớt tình trạng tiêu hao tài nguyên
đất sét vốn cũng là một vấn đề lớn do việc khai thác đất sét sẽ làm mất đi nhiều vùng
đất để trồng trọt canh tác.
Trong đề tài này, cơ sở khoa học để đưa phế thải bùn đỏ vào chế tạo gạch từ hệ bùn
đỏ - đất sét dựa trên nguyên lý chế tạo của các vật liệu Geopolymer.
Nguyên lý để chế tạo vật liệu Geopolymer dựa trên khả năng phản ứng của các vật
liệu dạng aluminosilicate trong môi trường kiềm.
Như đã nêu, lượng xút có chứa trong bùn đỏ chiếm hàm lượng khá lớn khoảng
10%, vì vậy có thể tận dụng lượng xút này để tạo mơi trường kiềm cho q trình tạo sản
phẩm. Bên cạnh đó, đất sét được sử dụng như một vật liệu dạng aluminosilicate. Cả hai
vật liệu trên sẽ tác dụng với nhau dựa vào nguyên lý chế tạo của các vật liệu
Geopoymer nhằm tạo ra sản phẩm gạch.
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu vật liệu xây dựng theo công nghệ

Geopolymer
Geopolymer là từ được sử dụng để chỉ các loại vật liệu tổng hợp từ vật liệu có
nguồn gốc aluminosilicate. Từ Geopolymer lần đầu tiên được sử dụng bởi giáo sư
Joseph Davidovits từ những năm 1970.
Quá trình tổng hợp để tạo thành vật liệu Geopolymer được gọi là q trình
Geopolymer hóa các ngun vật liệu ban đầu nhờ vào các chất hoạt hóa kiềm khác
nhau. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng q trình Geopolymer hóa có thể chuyển đổi một
loạt các loại vật liệu dạng aluminosilicat thành các loại vật liệu xây dựng với những tính
chất tuyệt vời như khả năng chống cháy, kháng axit cùng với cường độ cao. Lý do là vì


-6vật liệu geopolymer có chứa lượng carbon dioxide thấp, vì thế loại vật liệu này có khả
năng bền hóa học cũng như bền nhiệt.
Một đặc điểm quan trọng của vật liệu Geopolymer là nguồn nguyên liệu có khả
năng sử dụng để chế tạo rất phong phú, đặc biệt là có thể sử dụng các vật liệu phế thải
trong ngành xây dựng nói riêng và các ngành cơng nghiệp khác nói chung. Do đó, vật
liệu Geopolymer được xem là vật liệu thân thiện với mơi trường vì góp phần giải quyết
những vấn đề phát sinh từ các loại phế thải, đồng thời phù hợp với xu hướng phát triển
bền vững đang rất được quan tâm.
2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Hiện nay, đã có rất nhiều sản phẩm trong ngành vật liệu xây dựng chế tạo từ công
nghệ Geopolymer được nghiên cứu. Chất kết dính Geopolymer là một ví dụ của loại vật
liệu này. Loại chất kết dính này được tạo thành từ q trình hoạt hóa kiềm của các loại
nguyên vật liệu khác nhau như tro bay, metakaolin... Song song với chất kết dính
Geopolymer, những vật liệu phổ biến trong ngành vật liệu xây dựng như bê tông
Geopolymer, gạch Geopolymer cũng được nghiên cứu qua rất nhiều đề tài. Bên cạnh đó
cịn có những sản phẩm ứng dụng khác như các loại vật liệu cách nhiệt, vật liệu trang
trí… được chế tạo cũng dựa trên công nghệ này.
2.1.1. Gạch xây theo công nghệ Geopolymer
Gạch xây là một trong những vật liệu phổ biến trong ngành vật liệu xây dựng. Đối

với gạch được chế tạo theo công nghệ Geopolymer, nguồn nguyên liệu được nghiên
cứu nhiều nhất là các loại đất có giá trị thấp. Chẳng hạn Bilong N. và các cộng sự [25]
sử dụng đất laterite đã được xử lý qua nhiệt độ kết hợp cùng chất hoạt hóa kiềm NaOH
để chế tạo gạch. Qhatani Mohsen và Nasser Yossef Mostafa [26] nghiên cứu chế tạo
gạch theo công nghệ Geopolymer từ ba nguyên liệu đất sét khác nhau lấy từ các mỏ ở
vùng Ả Rập Saudi. Mouhamadou Bassir Diop và Michael W. Grutzeck [27] nghiên cứu
khả năng chế tạo gạch bằng cách sử dụng vật liệu tại Senegal bao gồm loại đất giàu
aluminosilicate, một loại tp có thành phần chính là cao lanh và phế thải công nghiệp
như bùn từ công nghệ luyện nhôm. Tác giả Joseph Davidovits [6] chế tạo gạch
Geopolymer sử dụng vật liệu sẵn có với số lượng lớn là đất Laterit. Bên cạnh đó, nhiều
tác giả sử dụng các loại vật liệu khác từ phế thải như JIA Bao-dong và các cộng sự [28]


-7nghiên cứu sử dụng cặn dầu đá phiến cùng với q trình hoạt hóa kiềm, tác giả Freiden
[5] sử dụng phế thải từ than của nhà máy điện để chế tạo gạch. WANG Qing và các
cộng sự [7] nghiên cứu khả năng sử dụng xỉ và metakaolin làm nguyên liệu chính kết
hợp với tro bay để chế tạo vật liệu xây tường trên cơ sở công nghệ Geopolymer.
Đối với gạch từ công nghệ Geopolymer, một trong những ưu điểm được quan tâm
nhiều nhất chính là việc chúng có thể được chế tạo ở nhiệt độ thấp hơn so với loại gạch
thông thường.
Tác giả Joseph Davidovits [6] đã tiến hành thử nghiệm và phát triển loại gạch chế
tạo theo công nghệ Geopolymer đóng rắn ở nhiệt độ thấp từ đất Laterite (Hình 1.2). Sản
phẩm sau khi dưỡng hộ ở nhiệt độ <100oC có khả năng bền vững với nước cũng như có
cường độ nén đủ khả năng để đưa vào ứng dụng xây tường.

Hình 1.2: Sản phẩm gạch chế tạo theo cơng nghệ Geopolymer đóng rắn ở nhiệt độ
thấp[6].
Khi nung với nhiệt độ cao hơn ở 250oC, gạch có khả năng chống băng giá. Khi
đem so sánh với loại gạch thông thường được nung ở 1000oC có cường độ tương
đương, sản phẩm gạch này có mức tiêu tốn lượng năng lượng nhỏ hơn đến 8 lần.

Trong một nghiên cứu khác, Mouhamadou Bassir Diop và Michael W. Grutzeck
[27] nghiên cứu khả năng chế tạo gạch ở nhiệt độ thấp. Sản phẩm có thể được hồn
thành chỉ trong vịng vài giờ nếu được dưỡng hộ ở nhiệt độ trên 100 oC hoặc sau ba đến
bốn tuần trong điều kiện dưỡng hộ bằng các thiết bị lấy nhiệt làm nóng từ năng lượng
mặt trời. Như vậy, so với gạch nung truyền thống, các phản ứng hóa học nhằm tạo sản
phẩm đã có thể diễn ra ngay từ khi ở nhiệt độ thấp. Từ đó, cho thấy việc dùng cơng
nghệ này giúp giảm chi phí so với việc sử dụng sản phẩm gạch theo kiểu nung truyền
thống cũng như có thể thực hiện được ở quy mô nhỏ tùy theo nhu cầu của cộng đồng
với nguyên vật liệu địa phương.


-8Qhatani Mohsen và Nasser Yossef Mostafa [26] đã nghiên cứu chế tạo gạch từ ba
nguyên liệu đất sét khác nhau. Các loại đất sét được nghiền đạt độ mịn <120 μm và
nung ở 700oC trong vòng 2 giờ. Các mẫu được dưỡng hộ ở những điều kiện khác nhau
gồm nhiệt độ phòng trong 3 ngày, ở 75 oC và 150oC trong vịng 1 ngày. Kết quả thử
nghiệm các tính chất cơ lý cho thấy với nhiệt độ cao hơn, cường độ nén của mẫu cũng
cao hơn. Tác giả cũng chỉ ra rằng việc sản xuất gạch theo công nghệ Geopolymer ở quy
mơ nhỏ có thể được thực hiện với các công cụ sản xuất gạch truyền thống cũng như ở
nhiệt độ phịng. Hơn nữa, việc gia cơng gạch theo cơng nghệ Geopolymer khơng tạo ra
chất hóa học và các chất gây ô nhiễm như trong sản xuất gạch đất sét.
Để tạo được các loại gạch sản xuất theo công nghệ Geopolymer nói riêng và vật
liệu Geopolymer nói chung, một dung dịch chất hoạt hóa kiềm cần được sử dụng để
thực hiện các phản ứng Geopolymer hóa các nguyên vật liệu ban đầu. Do đó, hàm
lượng chất hoạt hóa sử dụng có ảnh hưởng lớn đến tính chất của sản phẩm. Trong hầu
hết các trường hợp, các tác giả sử dụng chất hoạt hóa là các dung dịch kiềm NaOH và
Natri Silicate.

Hình 1.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và hàm lượng chất hoạt hóa đến cường độ
nén của gạch chế tạo theo cơng nghệ Geopolymer đóng rắn ở nhiệt độ thấp [8]
Tác giả Claude Boutterin và Joseph Davidovits [8] tiến hành so sánh cường độ nén

của sản phẩm ứng với tỉ lệ chất hoạt hóa kiềm là 6% và 10%, nhiệt độ nung là 85oC và
450oC (Hình 1.3). Đồng thời, tác giả còn kiểm tra và so sánh khả năng bền nước của
sản phẩm bằng cách thử cường độ nén của mẫu sau khi ngâm nước trong vòng 24 giờ


-9cũng như cường độ của mẫu được sấy khô trở lại. Kết quả cho thấy mẫu được nung ở
450oC cho cường độ cao hơn và khả năng bền nước cao hơn mẫu nung ở 85 oC. Tương
tự như vậy, mẫu sử dụng lượng chất hoạt hóa nhiều hơn cũng cho cường độ cao hơn và
khả năng bền nước cũng tăng lên.
WANG Qing và các cộng sự [7] nghiên cứu ảnh hưởng của chất hoạt hóa đến tính
chất của vật liệu xây tường sử dụng xỉ, metakaolin và tro bay. Nhờ vào cơ chế hoạt hóa
kiềm, sản phẩm có thể được tạo thành ở nhiệt độ thông thường. Tác giả kết luận tỉ lệ
của chất hoạt hóa thủy tinh lỏng có ảnh hưởng đến cường độ nén và độ dẫn nhiệt của
sản phẩm. Tác giả cũng chỉ ra rằng chất hoạt hóa khi sử dụng với tỉ lệ 0.5% thì đạt hiệu
quả nhất. Khi tăng tỉ lệ lỏng/rắn thì cường độ nén tăng lên và độ dẫn nhiệt giảm. Khi sử
dụng tỉ lệ phối trộn của tro bay là 30% thì sản phẩm cho cường độ nén cao.
Trong một nghiên cứu khác, tác giả Freiden [5] kiểm tra khả năng chịu nén, độ hút
nước và độ bền nước trên sản phẩm gạch sử dụng phế thải từ than của nhà máy điện sau
khi ép tạo hình trong khn. Kết quả cho thấy rằng có thể tạo ra được sản phẩm có khả
năng bền nước bằng cách dưỡng hộ trong điều kiện khơng khí bình thường. Kết quả
cũng cho thấy rằng có thể giảm độ hút nước bằng cách ngâm mẫu vào một chất lỏng kỵ
nước từ nhóm siloxane trong một khoảng thời gian ngắn.
Do việc chế tạo gạch cũng như các vật liệu khác theo công nghệ Geopolymer sử
dụng nhiều loại nguyên vật liệu khác nhau nên ứng với mỗi loại nguyên vật liệu, cách
chuẩn bị nguyên vật liệu cũng khác nhau và tỉ lệ thành phần tốt nhất của chúng trong
sản phẩm cũng khác nhau. Vì vậy cần phải nghiên cứu thực nghiệm để xem xét tỉ lệ
phối hợp tốt nhất cho từng loại cụ thể.
2.1.2. Chất kết dính Geopolymer
Cơng nghệ Geopolymer không chỉ được sử dụng để nghiên cứu và phát triển các
loại gạch xây mà còn được sử dụng để chế tạo chất kết dính Geopolymer.

Tương tự như gạch Geopolymer, nguồn nguyên vật liệu để chế tạo chất kết dính
Geopolymer cũng đa dạng và phong phú. Suresh Thokchom, Partha Ghosh & Somnath
Ghosh [9] nghiên cứu chất kết dính Geopolymer trên cơ sở nguyên liệu là tro bay loại F
trong khi P. Kamhangrittirong và các cộng sự [10] nghiên cứu sử dụng tro bay loại C để
tạo chất kết dính Geopolymer. A. Allahverdi và E. Najafi Kani [11] dựa vào công nghệ


-10Geopolymer để tạo ra chất kết dính Geopolymer từ hai vật liệu là phế thải gạch và bê
tông được nghiền mịn. Các tác giả W. M. Kriven[12], Y. S. Zhang[13] và các cộng sự
sử dụng metakaolin làm nguyên liệu để chế tạo chất kết dính Geopolymer.
Theo tác giả Joseph Davidovits [6], chất kết dính Geopolymer là loại chất kết dính
có các đặc điểm của zeolite. Q trình Geopolymer hóa bao gồm các chuỗi phản ứng
hóa học giữa các oxit aluminosilicate có Al3+ có dạng tứ diện với Na và Ca
polysilicates để tạo thành các liên kết Si-O-Al chẳng hạn như:
2(Si2O5,Al2O2)+K2(H3SiO4)2+Ca(H2SiO4)2 => (K2O,CaO)(8SiO2,2Al2O3,nH2O)
Chất kết dính Geopolymer được tác giả chế tạo bao gồm những thành phần chính
như sau:
 Các aluminosilicate như loại đất sét Kaolinit được nung ở nhiệt độ 750oC.
 Kiềm – disilicates (Na2, K2)(H2SiO4)2
 Ca - disilicates Ca(H2SiO4)2 được chế tạo bằng cách hoạt hóa kiềm cho xỉ lị
cao.
Cũng theo tác giả Joseph Davidovits [6] [16], chất kết dính Geopolymer là loại
chất kết dính có khả năng bền axit. Chúng có thể được sử dụng để ngăn chặn các chất
thải độc hại. Trong khi xi măng Portland thông thường cần phải có đá vơi và khơng bền
trong mơi trường axit. Xi măng Portland thường có chi phí sản xuất cao và mất đến 3060% khối lượng khi bị phá hủy bởi mơi trường axit thì chất kết dính Geopolymer dạng
Ca- Poly(sialate-siloxo) lại bền vững với tỉ lệ mất khối lượng trong khoảng 5-8%.(Hình
1.4)
Hình 1.4: So sánh khả
năng bền trong mơi
trường axit của chất

kết dính Geopolymer
và các loại vật liệu
khác.[16]