Chất kết dính Geopolymer trong sản xuất vật liệu xây dựng không nung

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Chất kết dính Geopolymer trong sản xuất vật liệu xây dựng không nung" trình bày một số kết quả nghiên cứu về một số nguồn nguyên liệu như khoáng sét, các loại nguyên liệu có hoạt tính hóa học mạnh như bazan bọt , bazan bán phong hóa, sản phẩm phong hóa của chúng , diatomit đồng thời cũng trình bày bản chất của quá trình polymer hóa các loại nguyên liệu này trong quá trình tổng hợp chất kết dính geopolymer, từ đó nêu lên khả năng sử dụng các loại nguyên liệu này trong điều kiện cụ thể của Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chất kết dính Geopolymer trong sản xuất vật liệu xây dựng không nung

CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER TRONG SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG KHÔNG NUNG KIỀU QUÝ NAM, NGUYỄN ÁNH DƯƠNG Viện Địa chất - Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, 84 Phố Chùa Láng, Đống Đa, Hà Nội Tóm tắt:Trong xu thế phát triển mới của ngành công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng , vật liệu xây dựng không nung ngày càng được chú trọng . Song song với chất kết dính truyền thống là xi măng porland được sử dụng , một loại chất kết dính mới đang được phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước phát triển trên thế giới như Mỹ, Pháp, Úc và loại kết dính này được mệnh danh là ximăng của tương lai - ximăng Geopolymer, loại kết dính này được tổng hợp từ các nguồn nguyên liệu khoáng alumo-silicat sẵn có trong tự nhiên ở áp suất và nhiệt độ bình thường trong điề u kiện môi trường kiềm mạnh . Tuy nhiên hướng nghiên cứu này đang ở bước phát triển ban đầu ở nước ta.Trong bài báo các tác giả đã trình bày một số kết quả nghiên cứu về một số nguồn nguyên liệu như khoáng sét, các loại nguyên liệu có hoạt tính hóa học mạnh như bazan bọt , bazan bán phong hóa, sản phẩm phong hóa của chúng , diatomit đồng thời cũng trình bày bản chất của quá trình polymer hóa các loại nguyên liệu này trong quá trình tổng hợp chất kết dính geopolymer , từ đó nêu lên khả năng sử dụng các loại nguyên liệu này trong điều kiện cụ thể của Việt Nam. Key word: Chất kết dính geopolymer , vật liệu xây dựng không nung, vật liệu geopolymer. I. MỞ ĐẦU 1. Chất kết dính truyền thống: ximăng portland Ngày nay, chất kết dính kết dính geopolymer với những ưu điểm vượt trội Xi măng porland được Joseph Aspdin hơn về công nghệ sản xuất, về môi phát minh năm 1824, được sản xuất từ trường sinh thái và sử dụng hợp lý tài nguyên liệu chủ yêu là đá vôi và đất sét nguyên thiên nhiên ngày càng phát triển theo một tỉ lệ nhất định, được nung ở và đang có khuynh hướng dần thay thế nhiệt độ 1450oC. Clinker là sản phẩm các chất kết dính thông thường (xi măng được thành tạo có thành phần khoáng porland) đặc biệt tại các nước phát triển được kết tinh chủ yếu gồm:Alit như Pháp, Mỹ, Úc. Ở Việt Nam, vấn đề 3CaO.SiO2 (C3S); belit 2CaO.SiO2 (C2S); nghiên cứu và ứng dụng chất kết dính Aluminat tricanxi 3CaO.Al2O3 (C3A), geopolymer nói riêng và geopolymer feroaluminattetracanxi trong thực tiễn nói chung hầu như chưa 4CaO.Al2O3.Fe2O3.; ngoài ra còn một số được quan tâm đúng mức. thành phần khác tồn tại dưới dạng các thể thuỷ tinh vô định hình. Khi bị thủy hóa, Trong sản xuất vật liệu xây dựng các khoáng kết dính này kết hợp với H2O không nung trước hết người ta phải sử tạo nên các hydroxit cùng tên, đóng rắn dụng đến các chất kết dính để gắn kết các và gắn kết các loại cốt liệu khác. cốt liệu khác, tạo nên độ bền vững cơ học và hóa học cho các sản phẩm. Hiện tại các 2. Chất kết dính vôi +puzơlan chất kết dính đang được sử dụng trên Puzơlan là những nguyên liệu có chứa phạm vi toàn cầu chủ yếu là: các thành phần hoạt tính như silic và nhôm ở dạng keo vô định hình khi kết hợp với 647
vôi sẽ tạo kết dính dạng hydro -sillicat- polymer khác được tổng hợp từ các nguồn canxinCaO.SiO2.xH2O(CSH), hydro- nguyên liệu khoáng tự nhiên bằng con aluminat-canxinCaO.Al2O3.xH2O(CAH) đường hóa học ở điều kiện nhiệt độ và áp hoặc hydro-aluminat-silicat-canxi suất thông thường. nCaO.Al2O3.SiO2.xH2O (CASH) [4, Năm 1959, V.D Glukhovsky [18-19] 16,35]. đã tạo nên một chất kết dính mới để gia Kết dính “vôi+ puzơlan” được người cố nền đất bằng cách cho dung dịch kiềm Hy Lạp cổ đại sử dụng từ những năm 700 nồng độ cao tác dụng với nguyên liệu có - 600 TCN. Kỹ thuật này sau đó đã được thành phần alumosilicat và đưa ra khái chuyển cho những người La Mã khoảng niệm ximăng đất (gruntovui xement).Năm 150 trước Công nguyên. Ngày nay nhiều 1976, Davidovits[6] đưa ra khái niệm công trình cổ đại được xây dựng bằng kết geopolymer (tiếng anh) đặt tên cho các dính vôi+puzơlan vẫn còn bảo tồn như hợp chất polymer vô cơ được tổng hợp từ đấu trường La Mã, Pantheon, các Bath các nguyên liệu khoáng alumosilicat sẵn Caracalla ở Italia, công trình Surkhi ở Ấn có trong thiên nhiên có cấu trúc gồm các Độ và Horma ở Ai Cập [23]. Trong năm mắt xích Si- Al – O- và kim loại kiềm 1750, John Smeaton người Anh sử dụng (Na, K) được tạo nên cũng bằng con puzơlan kết hợp với vôi trong xây dựng đường tương tự như Glukhovsky, loại ngọn hải đăng Eddystone ngoài khơi bờ polymer này có khả năng đóng rắn ở nhiệt biển Devon, Anh [40]…. Kết dính độ và áp suất phòng thí nghiệm, tồn tại vôi+puzơlan được sử dụng trong các công dưới dạng các polymer vô định hình đến trình xây dựng ở nhiều thời kỳ lịch sử bán kết tinh, và có khả năng kết tinh khi khác nhau và sử dụng phổ biến nhất vào được gia nhiệt đã được chúng tôi giới thời kỳ Madiaval (64%), trong thời kỳ thiệu trong các bài viết trước đây [16, 35]. Roman khoảng 49%, Byzantine (35%), II. VẬT LIỆU BAN ĐẦU ĐỂ TẠO NÊN Ottoman (24%), Hy Lạp cổ đại (8%)và GEOPOLYMER thời hiện đại (37%) [37]. Vật liệu ban đầu để tạo nên các Ở Việt Nam loại hình kết dính này geopolymer vô cơ là các nguồn nguyên cũng đã được các tác giả Bùi Văn Chén liệu khoáng tự nhiên, nhân tạo giàu thành và Đào Tiến Đạt đề cập đến từ năm phần silicat và alumosilicat trong đó Si+4 1985[4], phải đến những năm đầu thập và Al+3 nằm trong các cấu trúc tứ diện, có niên 90 của thế kỷ XX cho tới nay loại đỉnh là các nguyên tố O-2 , tạo nên các hình kết dính này thực sự được nhiều tác thành phần có hoạt tính hóa học mạnh giả [13-16, 24-35]quan tâm nghiên cứu trong môi trường kiềm tính. Trong trường một cách toàn diện hơn về nguồn nguyên hợp các nguyên liệu khoáng chưa có hoạt liệu (puzơlan ) cũng như quy trình công tính ban đầu, tức không chứa các thành nghệ sản xuất vật liệu xây dựng bằng kết phần SiO4 và Al2O3 ở dạng vô định hình dính “vôi+puzơlan”. chúng cần được xử lí để có được các tứ 3. Chất kết dính geopolymer diện [SiO4]-2 và [(Al+3)O4]-2 Bên cạnh chất kết dính truyền thống là Ngoài loại geopolymer được tổng hợp xi măng porland hay puzơlan +vôi…, một từ alumosilicat người ta còn tạo nên các chất kết dính mới đang thu hút được sự geopolymer dựa trên các nguyên liệu quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế khoáng gốc photsphat [10]. giới cũng như các hãng sản xuất đó là Trên thế giới, nguyên liệu được nhiều chất kết dính geopolymer và các chất nhà nghiên cứu cũng như các hãng sản 648
xuất quan tâm chủ yếu là tro bay, xỉ lò liệu chịu lửa, xi măng hay bê tông, với tỉ cao và metakaolin [3,5,18,21,38-39,41]. lệ Si:Al >15 sản phẩm là các polymer thực thụ và được sử dụng làm vật liệu Ở Việt Nam, tro bay chủ yếu được sử chống cháy và chịu nhiệt [5,10]. dụng trong công nghệ bê tông đầm lăn.Metakaolin hầu như chưa được quan Cho tới nay, đã có khoảng 2000 công tâm vì đòi hỏi chi phí lớn trong quá trình trình nghiên cứu được công bố về loại vật gia công xử lí nhiệt.Xỉ lò cao với khối liệu này và hàng năm nhiều hội nghị quốc lượng không lớn chủ yếu mới được sử tế được tổ chức chuyên về geopolymer. dụng trong công nghệ sản xuất gạch “ba- Bên cạnh đó, nhiều bằng phát minh sáng banh” tự phát và một khối lượng nhỏ chế trong lĩnh vực geopolymer được đăng trong sản xuất xi măng. kí và ứng dụng trong thực tiễn [6-8, 18]. Các dung dịch kiềm được sử dụng rộng Bản chất của quá trình hòa tan silicat, rãi nhất để tổng hợp geopolymer là NaOH alumosilicat trong dung dịch kiềm đã và KOH. Bên cạnh các chất kiềm, để thúc được nhiều nhà khoa học quan tâm, trong đẩy quá trình hòa tan của các đó phải kể đến công trình nghiên cứu của alumosilicat, tạo thêm hạt nhân trong quá Brouwers and Van Eijk, 2003[3]. Kết quả trình keo tụ người ta còn sử dụng các của quá trình hòa tan silicat và dung dịch silicat kiềm. alumosilicat là tạo nên các đơn vị cấu trúc III. CƠ CHẾ THÀNH TẠO CỦA cơ bản dạng tứ diện có hoạt tính mạnh GEOPOLYMER như đã nêu trên. Cơ chế thành tạo hay đóng rắn của các Phụ thuộc vào thành phần hóa học của geopolymer có thể được khái quát trong nguyên liệu ban đầu, vào nồng độ và loại ba bước: dung dịch kiềm sử dụng, các loại khoáng silicat và alumo-silicat bị phân li và hòa Bước 1:Nguyên liệu khoáng tan với mức độ khác nhau, vấn đề này alumosilicat tự nhiên (nhân tạo) bị phá vỡ cũng đã được đề cập nhiều trong văn liệu cấu trúc (phân li) trong môi trường kiềm [3, 11, 16], và đây chính là mấu chốt công cao, tạo nên các thành phần có hoạt tính nghệ để tạo nên các dạng polymer với các hóa học mạnh [SiO4]-2, [(Al+3)O4]-2 tính chất khác nhau. Bước 2:Tiếp đó các thành phần hoạt Trong xu thế nghiên cứu vật liệu xây tính mới được thành tạo này tác dụng với dựng hiện tại, người ta thường sử dụng nhau, được tái cấu trúc lại với sự có mặt chất kết dính geopolymer để thay thế xi của các kim loại kiềm trong dung dịch. măng porland với nhiều ưu điểm vượt trội Bước 3: Và keo tụ thành các polymer từ chi phí năng lượng đến tác động môi với cấu trúc ba chiều tương tự zeolit, có trường, và xi măng polymer được gọi là tính chất khác nhau phụ thuộc vào tỉ lệ ximăng của tương lai. của các thành phần tạo nên polymer đó (tỉ Như đã trình bày ở trên, phần lớn các lệ Si/Al, Na2O, H2O.…). công trình nghiên cứu và phát minh sáng Với tỉ lệ Si:Al =1, tạo thành chế trên thế giới đều xoay quanh tro bay, poly(sialat); Si:Al =2 tạo thành chuỗi xỉ lò cao, metakaolinit. Vì đây là những poly(sialat-siloxo); Si:AL=3, tạo thành nguyên liệu giàu thành phần Al2O3 và chuỗi poly(sialat-disiloxo); Si:Al>3 tạo SiO4 vô định hình, có hoạt tính hóa học thành poly(sialat-multisilixo) [Davidovits, cao rất phù hợp để sản xuất chất kết dính 1976) là các dạng polymer sử dụng chủ cũng như các sản phẩm geopolymer khác. yếu để sản xuất các loại gạch, đồ gốm, vật Mặt khác, tro bay và xỉ lò cao là các vật 649
liệu thu được như một sản phẩm phụ trong ô mạng tinh thể (dạng OH), cấu trúc (dưới dạng phế thải) trong các quá trình tinh thể của khoáng sét bị phá vỡ tạo nên sản xuất các thành phẩm khác, xử lí các hai oxyt riêng biệt ở dạng vô định hình là sản phẩm phụ này là một đòi hỏi cấp bách SiO4 và Al2O3 đây là hai thành phần tạo của thực tiễn. nên hoạt tính hóa học của nguyên liệu metakaolinit. Trong điều kiện cụ thể của Việt Nam, dựa trên những kết quả nghiên cứu thu - Nếu quá trình nung tiếp diễn sẽ xảy được về các loại nguyên liệu phù hợp để ra hiện tượng tái kết tinh tạo nên pha ứng dụng công nghệ geopolymer trong mulit mới hoàn toàn không còn hoạt tính thực tiễn, các tác giả xin nêu lên một vài hóa học (Hình 1). nhận định về một số nguồn nguyên liệu có tiềm năng lớn và chi phí chế biến thấp trong quá trình sản xuất các chất kết dính cũng như vật liệu xây dựng geopolymer. a) Nhóm khoáng sét (chủ yếu là sét kaolinit hoặc kaolin, bentonit...):Khoáng sét có thể bị hòa tan trong môi trường kiềm cao và phân li thành các hợp phần có hoạt tính hóa học mạnh như SiO2 , Al2O3,nhưng quá trình này đòi hỏi thời gian lâu dài, muốn thúc đẩy quá trình phân li các khoáng sét người ta phải tiến Hình 1. Sơ đồ biến đổi dãy kaolinit-metakaolinit- hành xử lí nhiệt ở khoảng 650-800oC. mullit bởi nhiệt độ [1]. Như chúng ta đã rõ, những biến đổi Tùy thuộc vào thành phần khoáng vật thành phần và cấu trúc của khoáng sét có của nguyên liệu sét được sử dụng ta có thể được lí giải qua kết quả phân tích thể thay đổi nhiệt độ nung để được sản nhiệt vi sai. Thông thường trên giản đồ phẩm là metakaolin (hoặc sét nung nhẹ) nhiệt vi sai của nhóm khoáng sét thu được phù hợp. sẽ xuất hiện các hiệu ứng sau [22]: So với quá trình sản xuất xi măng *Trong khoảng nhiệt độ thấp: portland (1450oC) năng lượng sử dụng để nung kết của khoáng sét đòi hỏi thấp hơn - Từ 80-120°C xảy ra quá trình mất (800oC) nhiều nhưng dù sao qua trình này nước hấp thụ; cũng cần đến nhiệt sẽ nâng cao giá thành - Từ 200- 400oC có thể xảy ra phản sản phẩm.Chính vì vậy, mặc dù tiềm năng ứng tỏa nhiệt do các chất hữu cơ có mặt về khoáng sản sét của nước ta rất lớn trong tập hợp sét bị cháy trong quá trình nhưng với mức độ phát triển hiện tại nung; khoáng sét chưa phải là một nguồn Cả hai quá trình này đều không gây nguyên liệu phù hợp để tổng hợp chất kết biến đổi đáng kể về cấu trúc tinh thể của dính geopolymer phục vụ sản xuất vật khoáng vật. liệu xây dựng không nung. * Trong khoảng nhiệt độ cao 500-800 b) Tro trấu, tro bay nhiệt điện: và trên 1000oC: - Tro trấu: - Trong vùng nhiệt độ nung từ 500- 800oC xảy ra quá trình mất nước cấu trúc 650
Tro trấu với thành phần hóa học chủ hình, với tỷ lệ Si:Al > 5 khi phối trộn với yếu gồm: 80,2% SiO2, 9,95 % Al2O3, dung dịch kiềm tạo thành geopolymer với 2,11%FeO, 0,54% TiO2, 2,1% K2O, những chuỗi (Na,K)-Poly(sialat- 0,3% Na2O, 4,21% MKN và kích thước multisilixo) liên kết bởi siloxo (-Si-O-Si- hạt rất mịn (Hình 2) [44]. Các hợp phần O-) với cầu sialat (-Si-O-Al-O-) [10]. của tro trấu chủ yếu tồn tại ở dạng vô định Hình 2. Đặc điểm vi cấu trúc của tro trấu khu vực Quảng Trị dưới kính hiển vi điện tử [44] - Tro bay: Tro bay là những phần mịn Quá trình hòa tan và geopolymer hóa còn lại sau khi than cục hoặc than bột của tro bay xảy ra phản ứng theo phương được đốt cháy. Tuy nhiên để có thể sử trình sau [8-12]: dụng tro bay trong quá trình sản xuất chất SiO2 + OH- + H2O→-OSi(OH)3 (1) kết dính không nung, tro bay cấn được xử lý để loại bỏ thành phần than dư chưa Al2O3 + OH- + H2O → Al(OH)4- (2) cháy hết (24%). (Na,K)+ + -OSi(OH)3→ (Na,K)+- Tro bay cóthành khoáng vật chủ yếu là OSi(OH)3- (3) thạch anh (26%), mullit (24%) và hàm (Na,K)+ + Al(OH)4- + OH- →(Na,K)+- lượng vô định hình 45% là hạt cầu thủy OAl(OH)3- + H2O (4) tinh kích thước từ 2-20µm (Hình 3a), thành phần hóa học chủ yếu là SiO2 Ở Việt Nam, chỉ riêng 5 nhà máy nhiệt (51,73%), Al2O3 (23,22%), Fe2O3 điện ( Phả Lại, Uông Bí, Ninh Bình, Na (4,89%), MKN (18,86%) [Kiều Quý Nam, Dương, Focmosa) hàng năm thải ra Nguyễn Ánh Duong. 2010]. Khi phối trộn tro bay với dung dịch kiềm các hợp phần khoảng 1.160.000T tro bay. Bên cạnh đó, vô định hình của silic và nhôm sẽ bị hòa trong quá trình sản xuất gạo hàng năm và tạo thành kết dính geopolymer là chuỗi nước ta thải 7,5triệu tấn vỏ trấu [36]. Đây (Na, K)-Poly(sialat-siloxo) có cấu trúc là nguồn nguyên liệu chất lượng tốt cho mạng ô mạng giống như zeolit đó là các sản xuất chất kết dính geopolymer phục hydroxysodalit (Na,K)(AlSi2O6). Kết quả vụ cho công nghiệp sản xuất vật liệu xây phân tích SEM mẫu geopolymer thể hiện dựng không nung. ở Hình 3b . 651
(a) (b) Hình 3. Đặc điểm vi cấu trúc (a)- mẫu tro bay phả lại và (b)-mẫu geopolymer dưới kính hiển vi điển tử quét (SEM). c) Nhóm nguyên liệu khoáng - Trong đới phong hóa laterit, với alumosilicat khác:Các nguồn nguyên liệu thành phần khoáng vật chủ đạo là gibbsit, tự nhiên đã sẵn có hoạt tính như tro, tuf gơtit, kaolinit (hình 4b), hàm lượng keo núi lửa, các tập hợp đá phun trào như thủy tinh đạt 35-37%, hàm lượng ryolit, daxit, bazan xốp, bazan bọt, sản SiO2(16,60-47,60%), Al2O3 (17,50- phẩm phong hóa và bán phong hóa của 31,16%), độ hoạt tính đạt từ 90-145 chúng cũng như diatomit là những nguồn mgCaO/g.pg [16,28-29]. nguyên liệu hoạt tính thiên nhiên dồi dào - Trong đới bán phong hóa (saprolit) ở nước ta, với thành phần vật chất chính thành phần khoáng vật gồm olivin, bên cạnh các khoáng vật sét, gibbsit còn tồn tại các tập hợp vô định hình có thành pyroxen (diopsit) và feldspat (anbit) phần SiO2 và Al2O3 với hàm lượng cao (hình 4a), hàm lượng thủy tinh dao động và các khoáng vật dễ phân li như feldspat từ 38-60%, độ hoạttính thay đổi trong có độ kết tinh thấp là những điều kiện phạm vi 80-130mg CaO/g.pg [13, 28-34] thận lợi để tạo nên các hợp phần hoạt tính Diatomit nguyên khai ở Tây nguyên trong môi trường kiềm tính cao [16,28- trong thành phần khoáng vật, gồm 29,31]. kaolinit, thạch anh và SiO2.nH2O, thành Kết quả nghiên cứu của Kiều Quý phần hóa học chủ yếu gồm SiO2 (62,50- Nam, Nguyễn Ánh Dương và nnk [13, 24- 67,10%), Al2O3(13,60-16,57%), Fe2O3 35] cho thấy hàm lượng thủy tinh vô định (4,60-7,01%),có hoạt tính thay đổi trong hình trong bazan (bọt) đạt từ 46-60%, khoảng 62-150mgCaO/g.pg [28]. hàm lượng SiO2 (43,61-47,40%), Al2O3 Rõ ràng, với thành phần khoáng vật, (13,24-18,46%), độ hoạt tính 62,5- hóa học và các đặc tính kĩ thuật ở trạng 96,46mgCaO/g.pg, thành phần khoáng vật thái tự nhiên của các nguồn nguyên liệu chủ yếu là olivin, feldspat, này có thể khẳng định đây là nguồn diopsit....(Bảng 1). nguyên liệu dồi dào cho sản xuất vật liệu Trong khi đó sản phẩm phong hóa của xây dựng không nung bằng công nghệ đá bazan lại có những đặc tính khác biệt polymer, với chi phí thấp hơn so với tùy thuộc vào mức độ phong hóa : nhóm nguyên liệu là khoáng sét. 652
Bảng 1. Thành phần hóa học của một số nguyên liệu khoáng tự nhiên Loại Thành phần hóa học (%) Ký hiệu nguyên mẫu liệu SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O K2O MKN TR 17,60 31,16 28,28 0,89 0,14 0,02 18,6 NĐ Đất đỏ 25,66 24,69 25,80 0,16 0,03 0,50 17,94 PK bazan 27,60 17,50 20,40 3,50 0,40 0,06 18,5 LS 47,84 18,31 17,28 0,02
Với nguồn nguyên liệu có thành phần Kết quả của các phản phản ứng sẽ tạo khoáng hóa như trên, theo Xu và Van nên những đơn vị có hoạt tính mạnh như Deventer. 2000 [42], quá trình polymer [Al(OH)4]-, [Si(OH)3]- có khả năng tái kết hóa có thể được minh họa theo các phản hợp cùng với các kim loại kiềm trong ứng (5) và (6), trong đó M là Na hoặc K: dung dịch tạo nên chất kết dính geopolymer phù hợp để sản xuất vật liệu Al2Si2O5(OH)4(kaolinit)+ 3H2O + 4MOH 2Al(OH)4- + 2-OSi(OH)3 + 4M+ (5) xây dựng không nung. NaAlSi3O8(feldspat-K) + 5H2O + 3MOH Dựa trên nguyên tắc trên, chúng tôi đã Al(OH)4 -+3-Si(OH)3 + 4M+ (6) thử nghiệm sử dụng đất đỏ bazan và bazan bán phong hóa được nghiền mịn Và hợp phần Al2O3, SiO2 dạng keo vô với kích thước hạt < 0,08mm (hình 5) định hình thủy phân trong môi trường phối trộn với dung dịch kiềm Na để sản kiềm với pH cao xảy ra theo phản ứng(1- xuất vật liệu không nung geopolymer. Kết 4). quả thử nghiệm từ bazan bán phong hóa Trong trường hợp nguyên liệu có chứa tạo được vật liệu không nung geopolymer gibbsit (như đất đỏ bazan) sẽ xảy ra phản đạt được cường nén:140-170 ứng (7) và (8) [2,16]: kG/cm2(Hình 6a) [35]. Với nguyên liệu là đất đỏ bazan, Nguyễn Ánh Dương và Al(OH)3 + (OH)-→ Al(OH)4- (7) nnk[16] tạo ra sản phẩm gạch geopolymer M+ + Al(OH)4- + OH- → M+-OAl(OH)3- có cường độ kháng nén đạt 95kG/cm2 + H2O (8) (hình 8b). Đặc điểm cấu trúc của gạch geopolymer dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) thể hiện trên Hình 7. (a) (b) Hình 5. Đặc điểm bột bazan bán phong hóa dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM): a- mẫu khu vực Nghĩa Đàn ; b- mẫu khu vực Gia Lai [13] 654
(a) (b) Hình 6. Sản phẩm geopolymer làm từ: a- bazan bán phong hóa; b- đất đỏ bazan [16,35]. (a) (b) Hình 7.Đặc điểm vi cấu trúc gạch geopolymer phân tích bằng kính hiển vi điển tử quét (SEM): a-gạch geopolymer làm từ bazan bán phong hóa khu vực Gia Lai; b- gạch geopolymer làm từ đất đỏ bazan khu vực Gia Lai. IV.KẾT LUẬN Trong khuôn khổ phòng thí nghiệm, với các vật liệu ban đầu là tro bay, đá bazan bọt, bazan bán phong hóa và đất đỏ bazan đã được chúng tôi nghiên cứu và tổng hợp nên các sản phẩm gạch không nung theo phương thức tạo kết dính geopolymer có cường độ cơ học cao có khả năng đáp ứng đòi hỏi của thực tiễn sản xuất vật liệu xây dựng không nung tại các vùng sâu, vùng xa có các loại đá phun trào phát triển như Tây Nguyên, Miền Trung, Tây Bắc... Đặc biệt, trong tương lai không xa, bùn đỏ với độ pH cao do NaOH tạo nên sẽ là một đòi hỏi cấp bách cần xử lí. Như chúng ta đã biết, trong thành phần khoáng hóa của bùn đỏ [5] bên cạnh các oxyt, hydroxit Fe còn tồn tại một lượng đáng kể hydroxit Al tồn tại dưới dạng gibbsit Al(OH)3 ta có thể tận dụng chúng, bổ sung thêm những thành phần khác để tạo nên chất kết dính geopolymer sử dụng làm gạch không nung bằng một công nghệ “xanh” phù hợp Ngoài ra, nước ta là một nước nông nghiệp phát triển, với khối lượng trấu thải hàng năm lên tới hàng triệu tấn trở nên một thực trạng môi trường cấp bách cần xử lí đây 655
cũng sẽ là một nguồn nguyên liệu dồi dào cần được tận thu, xử lí có khả sử dụng làm nguyên liệu ban đầu (tro trấu) để tổng hợp nên các chất geopolymer như tro bay. Với thực tế của Việt Nam, thiết nghĩ chúng ta không thiếu tri thức, đặc biệt trong điều kiện thông tin như ngày nay nhưng chúng ta thiếu sự liên kết giữa các chuyên ngành, những nhà sản xuất thường không hiểu biết thấu đáo về nguyên liệu khoáng và ngược lại những người có kiến thức về nguyên liệu khoáng lại tách rời sản xuất. Khi nguyên liệu ban đầu chưa được quan tâm nghiên cứu sẽ là nguyên nhân dẫn tới việc đầu tư xây dựng chưa trùng hợp với nguồn nguyên liệu và chất lượng sản phẩm không cao nên các sản phẩm “đất hóa đá” chưa có khả năng phát triển thực sự với tên gọi của nó. Hy vọng trong thời gian tới vấn đề này sẽ được cải thiện. VĂN LIỆU 1. Akshoy K, Chakraborty, 2003. DTA study of preheated kaolinite in the mullite fomation region. Thermochimica Acta. Vol 398, Issues 1-2, pp.203-209. 2. Breck.D.W.,1974. Zeolite Molecular Sieves, Structure, Chemistry and Use. John Wiley & Sons, New York, London, Sydney, Toronto. 3. Brouwers, H.J.H. and Van Eijk R.J., 2003. Chemical Reaction of Fly Ash. Proceedings of the 11th International Congress on the Chemistry of Cement (ICCC) “Cement.s Contribution to the Development in the 21st Century”.11 - 16 May 2003, Durban, South Africa, ISBN Number: 0-9584085-8-0. The Cement and Concrete Institute of South Africa, pp.791-800. 4. Bùi Văn Chén, Đào Tiến Đạt,1985. Kỹ thuật sản xuất gạch không nung, NXB Xây dựng, Hà Nội. 5.Craig Klauber, Markus Grâfe and Greg Power, 2009. Review of Bauxite Residue “Re-use” Options. CSIRO Document DMR-3609. Australian. May 2009. 6. Davidovits J., 1976. Solid phase synthesis of mineral blockpolymer by lowtemperature polycondensation of alumino-silicate polymers. Proc.Long-term Prop. Polym. Mater. Intern. Stockholm. 7.Davidovits. J., 1982.Mineral Polymers and Method of Making Them. US Patent, No. 4349386, September 14. 8.Davidovits. J,. 1984.Synthesis of Mineral Polymer Compound of the Silico- aluminates Family and Preparation Process. US Patent, No. 4472199,September 18. 9.Davidovits. J., 1994.Process for Obtaining a Geopolymeric Alumino-silicate and Products thus Obtained. US Patent, No. 5342595. 10.Davidovits. J., 2002.30 Years of Successes and Failures in Geopolymer Applications. Market Trends and Potential Breakthroughs. Geopolymer 2002 Conference, Melbourne, Australia. 11.Davidovits.J., 2011. Geopolymer chemistry and applications. ISBN:9782951482050. Institut Géopolymer, Saint-Quentin, France. 656
12.De Silva P. and Sagoe-Crenstil K., 2008.The Effect of Al2O3 and SiO2 On Setting and Hardening of Na2O-Al2O3-SiO2-H2O Geopolymer Systems. J. Aust. Ceram. Soc. 44 (2008), pp.39-46. 13.Nguyễn Ánh Dương, 2007. Nghiên cứu, đánh giá khả năng sử dụng đá bazan Nghĩa Đàn, Nghệ An trong sản xuất vật liệu xây dựng không nung và bê tông đầm lăn. Luận văn thạc sĩ. 14.Nguyễn Ánh Dương và nnk, 2010. Nghiên cứu đánh giá tiềm năng, khảnăng sử dụng của puzơlan từ cácthành tạo phun trào axit khu vực MùCăng Chải- Yên Bái. Báo cáo khoa học. Viện Địa chất, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam. 15.Nguyễn Ánh Dương, 2011. Nguyên liệu khoáng hoạt tính từ một số thành tạo đá phun trào axít và trung tính ở việt nam và ý nghĩa thực tiễn của chúng. Tạp chí Các Khoa học về Trái đất, Số 3ĐB, tr 559-605. 16. Nguyễn Ánh Dương, Kiều Quý Nam, Trần Tuấn Anh, 2014. Đất đỏ basalt- Nguồn nguyên liệu cho sản xuất gạch không nung. Tạp chí Các Khoa học về Trái đất, Số 36(3), tr 214-220. 17. Duxson, P., Provis J.L., Lukey G.C. and van J.S.J. Deventer, 2007a.The role of inorganic polymer technology in the development of ‘green concrete. Cement & Concrete Research, Vol.37, pp.1590-1597. 18.Gluchovskij V.D.,1959. Gruntosilikaty. Gosstrojizdat Kiev. Patent USSR 245 627 (1967), Patent USSR 449894 (Patent appl. 1958, filled 1974!). 19.Glukhovsky.V.D,1959. Soil silicates. Gosstroyizdat, Kiev, 154pp 20.Glukhovsky V.D.,1965. Soil silicates. Their properties, technology and manufacturing and fieldsof application. Doct. Tech. Sc. Degree Thesis, Civil Engineering Institute, Kiev, Ukraine 21.Hardjito and B.V. Rangan, 2005.Development and Properties of Low-Calcium Fly Ash-basedGeopolymer Concrete. Research Report GC1, Faculty of Engineering, Curtin University of Technology, Perth. 22.Ivanova.V.P.,1973.Vơvedenhie vơ thermographic. Matxcơva. Nauka 23. LeaF. M.,1972.TheChemistry of Cement and Concrete, 3rd edition. NY. Chemical PublishingCompany, pp. 419 24.Kiều Quý Nam và nnk. 1989.Đánh giá tiềm năng, chất lượng khoáng sản sét và phụ gia puzơlan lãnh thổ Tây Nguyên. Báo cáo khoa học. Viện Địa chất, Trung tâm KHTN&CNQG, Hà Nội. 25.Kiều Quý Nam và nnk, 1997. Đánh giá chất lượng, khoanh vùng phân bố puzơlan khu vực thị xã Pleiku. Từ đó đề xuất công nghệ sản xuất gạch không nung và khả năng sử dụng chúng để nâng cấp cải tạo hệ thống sân bãi trường học và mạng lưới giao thông nông thôn. Báo cáo khoa học. Viện Địa chất, Trung Tâm KHTN&CN Quốc gia, Hà Nội. 26. Kiều Quý Nam và nnk, 1999. Điều tra nguồn nguyên liệu puzơlan và đề xuất giải pháp công nghệ sản xuất vật liệu xây dựng không nung tỉnh Lâm Đồng, Báo cáo khoa học, Viện Địa chất, Trung tâm KHTN&CN Quốc Gia, Hà Nội. 657
27.Kiều Quý Nam, Đậu Hiển, Trấn Thị Sáu, 2000. Một số kết quả nghiên cứu về chất lượng, tiềm năng và khả năng sử dụng của puzơlan các thành tạo bazan vùng Pleiku. Tạp chí Đại chất, Loạt A (259/7-8), tr.27-32. 28.Kiều Quý Nam, 2001. Puzơlan Việt Nam - Tiềm năng và khả năng sử dụng. Tạp chí Địa chất, Loạt A (267/11-12), tr.106-110. 29.Kiều Quý Nam, 2002. Mối tương quan giữa thành phần hoá học, cấu trúc đá với hoạt tính puzơlan trong bazan Kainozoi tại Lâm Đồng. Tạp chí Các Khoa học về Trái đất (4), tr.341-347. 30.Kiều Quý Nam và nnk, 2003.Ứng dụng công nghệ sản xuất vật liệu không nung tại tỉnh Nghệ An. Báo cáo khoa học. Viện Địa chất, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội. 31.Kiều Quý Nam và nnk, 2004. Hoàn thiện Quy trình công nghệ sản xuất vật liệu không nung từ puzơlan Lâm Đồng. Báo cáo khoa học dự án sản xuất thử nghiệm cấp Nhà nước. Viện Địa chất, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội. 32.Kiều Quý Nam và nnk, 2004.Ứng dụng kĩ thuật tiến bộ, xây dựng mô hình sản xuất vật liệu xây dựng không nung tại chỗ cho vùng nông thôn, miền núi tỉnh Quảng Trị.Báo cáo khoa học. Viện Địa chất, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội. 33.Kiều Quý Nam và nnk, 2006. Nghiên cứu, đánh giá đặc điểm tiềm năng nguyên liệu và xây dựng quy trình công nghệ sản xuất gạch lát tự chèn không nung từ puzơlan khu vực Pleiku, Buôn Ma Thuột. Báo cáo khoa học. Viện Địa chất, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội. 34.Kiều Quý Nam, 2006. Nghiên cứu sử dụng puzơlan trong sản xuất vật liệu xây dựng không nung. Tạp chí Địa chất, Loạt A (293/3-4), tr.16-24. 35.Kiều Quý Nam, Nguyễn Ánh Dương, 2010. Nguyên liệu và công nghệ sản xuất vật liệu xây dựng không nung - một vài kết quả thử nghiệm . Tạp chí Địa chất , loạt A số 322/ 12/ 2010, tr.54-65. 36.Nhiều cơ hội trong khai thác lợi ích kinh tế từ trấu. Cuu Long Green energy Joint stockcompany. http://www.biomassfuel.com.vn. 37. Pachta.V., Stefanidou.M., Konopisi .S. and Papayianni.I., 2014. Technological Evolution of Historic Structaral Mortars. Journal of Civil Engineering and Architecture, ISN 1934-7359.Volume 8, No.7 ( serial No.80), pp.846-854. 38. Rowles M, and O’Connor B., 2003. Chemical optimization of the compressive strength of aluminosilicate geopolymers synthesized by sodium silicate activation of metakaolinite. J.Mater. Chem., Vol 13, pp.1161-1165. 39.Swanepoel.J.C. and Strydom.C.A., 2002. Utilisation of fly ash in geopolymeric material. Applied geochemistry. Vol.17, No.8, pp.1143-1148. 40.Teutonico. J.M., Iain McCaig, Colin Burns, John Ashurst., 1993. The Smeaton Project: Factors Affecting the Properties of Lime-based Mortars,APT Bulletin, Vol. 25, No. 3/4,pp. 32-49. 658
41.Yip, C. K. Lukey, G. C. van Deventer, J. S. J.,2004. Effect of Blast Furnace Slag Addition on Microstructure and Properties of Metakaolinite Geopolymeric Materials. Ceramic transaction. Vol.153, pp. 187-210. 42. Xu, H., J.S.J. Van Deventer, 2000.The geopolymerisation of aluminosilicate minerals. International Journal of Mineral Processing, Vol. 59(3), pp. 247-266. SUMMARY Geopolymer binders in production of non-fired construction materials Nowadays geopolymer binders being considered as cement of the future is widely used in developed country such as United States, France, Australia…etc, but is still in early stage of research and development in Vietnam. In the contrary to Portland cement (PC) - the traditional binder made of clay and limestone at 1450oC, geopolymer binder is synthesize at ambient conditions (normal temperature, pressure). In world wide practice fly ash and metakaolinite, the materials that rich in reactive SiO2 and Al2O3 is the most frequently used as suitable raw materials for making geopolymer binder. Based on research results obtained, in stead of fly ash and metakaolinite the author recommend using the natural reactive resource like porous basalt, semi-altered basalts, diatomecious earth abundant in many regions in Vietnam and briefly describes the nature of geopolymerization process using these materials as raw alumosilicate resources that can be used effectively in production of green non-fired construction materials in Vietnam actuality. Key word: geopolymer binder, non-fired construction materials, geopolymeric material 659 View publication stats