Đất đỏ basalt - Nguồn nguyên liệu cho sản xuất gạch không nung

214 36(3), 214-220 Tạp chí CÁC KHOA HỌC VỀ TRÁI ĐẤT 9-2014 ĐẤT ĐỎ BASALT - NGUỒN NGUYÊN LIỆU CHO SẢN XUẤT GẠCH KHÔNG NUNG NGUYỄN ÁNH DƢƠNG, KIỀU QUÝ NAM, TRẦN TUẤN ANH Email: anhduongvdc@yahoo.com Viện Địa chất, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Ngày nhận bài: 5 - 4 - 2013 1. Mở đầu Trên thế giới, nghiên cứu ứng dụng, sử dụng các loại đất sét để sản xuất vật liệu xây dựng không nung đã đƣợc chú ý đến từ lâu và đƣợc nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu [1, 2, 6, 8, 10]. Cũng nhƣ nhiều quốc gia khác trên thế giới, sản xuất vật liệu xây dựng không nung từ nguyên liệu địa phƣơng đã đƣợc nhân dân ta tiến hành từ lâu đời dƣới các hình thức nhƣ trình tƣờng (Bắc Ninh, Bắc Giang), hay xây nhà từ đá ong (Phúc Yên, Phú Thọ), gạch cay của các lò vôi ( Hà Nam) hoặc xây nhà từ đá silic (Thủy Nguyên - Hải Phòng ) và gần đây tại Đông Triều, Uông Bí nhân dân đã tận dụng tro bay của nhà máy nhiệt điện để làm đƣờng xá và xây dựng nhà cửa; thời gian đã minh chứng cho tính bền vững của các loại nguyên liệu này. Từ những năm 1980, trƣờng Đại học Xây dựng Hà Nội, trƣờng Đại học Bách khoa, Viện Khoa học Kỹ thuật Xây dựng đã đi đầu trong việc tuyên truyền phổ biến kỹ thuật sản xuất vật liệu xây dựng không nung [3], đã sản xuất hoặc nhập khẩu nhiều loại máy công nghệ chuyên dụng nhƣ Xinvaram, Dynaterre, nhƣng do chƣa có những công trình nghiên cứu đánh giá tiềm năng về các nguồn nguyên liệu ở tại những khu vực đặc thù, nên việc sản xuất vật liệu xây dựng không nung từ các nguồn nguyên liệu địa phƣơng đã sớm bị gián đoạn hoặc chỉ phát triển một cách tự phát xuất phát từ kinh nghiệm và nhu cầu của ngƣời dân dựa vào nguồn nguyên liệu đã biết nhƣng chƣa đầy đủ của địa phƣơng. Từ cuối những năm 1990 đến nay, lĩnh vực nghiên cứu này đƣợc các nhà khoa học Viện Địa chất đề cập một cách toàn diện hơn về nguồn nguyên liệu puzơlan, cũng nhƣ đề xuất các quy trình công nghệ sản xuất gạch không nung từ nguồn nguyên liệu puzơlan đó [9, 13]. Tuy nhiên, việc nghiên cứu sử dụng đất đỏ basalt (sản phẩm phong hóa triệt để của đá basalt thuộc đới laterit) trong sản xuất vật liệu xây dựng ở Việt Nam còn rất hạn chế, trong khi đó đất đỏ basalt ở Việt Nam phân bố khá rộng rãi ở khu vực miền Trung, Tây Nguyên và một số khu vực khác nhƣ Lạng Sơn, Bình Phƣớc, phủ trên diện tích vài chục nghìn km2 với bề dày dao động từ vài mét đến 10-20m (hình 1, 2). Hình 1. Khảo sát đất đỏ basalt khu vực Pleiku 215 Hình 2. Sơ đồ mặt cắt vỏ phong hóa trên đá basalt Đất đỏ basalt là kết quả của sự phong hoá phá vỡ khoáng vật silicat, alumosilicat của đá basalt tạo thành đất bở mềm với thành phần chủ yếu là khoáng vật sét nhƣ kaolinit, gipxit, gơtit. Ngƣợc lại, có thể dựa vào động lực các phản ứng hoá học để biến các thành tạo tự nhiên nhƣ đất đỏ basalt thành “đá”, nói cách khác làm đảo ngƣợc tiến trình đã tạo ra đá trong tự nhiên bằng cách tạo nên môi trƣờng kiềm để thực hiện quá trình hydrat hoá hoặc polymer hoá các nguyên liệu khoáng dạng bở rời ở nhiệt độ, áp suất thấp tạo ra một nhóm những sản phẩm có những đặc điểm cơ lý của đá, tức là không nhạy cảm với nƣớc, chống chịu nhiệt, cứng rắn,... Một trong những sản phẩm đó là gạch không nung thân thiện môi trƣờng sản xuất từ đất đỏ basalt gắn kết bằng vôi hoặc gạch geopolymer nhiệt độ thấp. 2. Kết quả nghiên cứu 2.1. Nguyên liệu Mẫu đất đỏ đƣợc thu thập là sản phẩm phong hóa triệt để của các thành tạo basalt tại: xã Hoàng Đồng - Lạng Sơn (LS), dốc Lụi - huyện Nghĩa Đàn - tỉnh Nghệ An (NA), Pleiku - tỉnh Gia Lai (PK) và Tân Rai - Bảo Lộc - tỉnh Lâm Đồng (TR). 2.2. Thành phần vật chất và đặc tính kỹ thuật của đất đỏ basalt Kết quả phân tích nhiễu xạ rơnghen (XRD) cho thấy đất đỏ basalt có thành phần khoáng vật chủ yếu là gipxit (45-50%), gơtit (13-20%), kaolinit (15-17%), ít hydromica, hematit, (hình 3). Hình 3. Giản đồ phân tích XRD mẫu đất đỏ basalt Tân Rai - Lâm Đồng - Kết quả phân tích XRF của đất đỏ basalt có các ôxit chiếm ƣu thế là ôxit nhôm, sắt và sillic (bảng 1). Bằng phƣơng pháp hóa phân tích xác định đƣợc: - Hàm lƣợng keo của đất đỏ basalt khá cao (35- 74%). - Độ hút vôi của đất đỏ basalt dao động trong khoảng 95-145mgCaO/g.pg, thuộc loại có hoạt tính trung bình mạnh đến rất mạnh. 216 Bảng 1. Thành phần hóa học và đặc tính kỹ thuật của đất đỏ basalt Ký hiệu mẫu Thành phần hóa học (%) Hàm lượng keo (%) Độ hút vôi trung bình (mgCaO/g.pg) SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O K2O MKN TR 17,60 31,16 28,28 0,89 0,14 0,02 18,6 42-72 115 NĐ 25,66 24,69 25,80 0,16 0,03 0,50 17,94 48-65 102 PK 27,60 17,50 20,40 3,50 0,40 0,06 18,5 35-47 95 LS 47,84 18,31 17,28 0,02 <0,01 0,02 15,56 49-74 154 Ghi chú: Vị trí lấy mẫu:TR- Tân Rai- Lâm Đồng; NĐ- Nghĩa Đàn- Nghệ An; PK- Pleiku- Gia Lai; LS- Lạng Sơn. 2.3. Gạch không nung kiểu: đất đỏ + vôi Đất đỏ basalt thƣờng có hàm lƣợng ôxit nhôm khá cao, nên nó khá khó để sản xuất gạch bằng quy trình truyền thống nung ở nhiệt độ cao xung quanh 900-1100°C. Mặt khác, đất đỏ basalt có độ hút vôi đạt từ 95 đến 145mgCaO g.pg do các thành tạo này có hàm lƣợng khá cao các ôxít nhôm và sillic ở dạng vô định hình, các keo tự do này kết hợp với vôi hydrat hóa tạo phản ứng silicocalcareous ở nhiệt độ phòng để tạo thành chất kết dính dạng hydro-sillicat canxi (CSH), hydro-aluminat-canxi (CAH) hoặc hydro- aluminat-silicat-canxi (CASH) theo phƣơng trình (1)-(3) [3, 4, 13]: nSiO2+ CaO + H2O  nCaO.SiO2.xH2O (CSH) (1) nAl2O3+CaO+H2OnCaO.Al2O3.xH2O (CAH) (2) nCaO.Al2O3.xH2O+SiO2nCaO.Al2O3.SiO2.xH2O (CASH) (3) Xuất phát từ cơ sở trên, tỷ lệ phối trộn giữa đất đỏ và vôi đƣợc lựa chọn: 95:5; 93:7; 90:10 theo phần trăm trọng lƣợng. - Lực nén tạo hình 50Kg cm2. - Độ ẩm tạo hình 12%. - Mẫu thử nghiệm đƣợc tạo hình theo kiểu hình trụ tròn kích thƣớc (5 × 5cm) và hình chữ nhật (20 × 10 × 5cm) (hình 4). Hình 4. Mẫu thử nghiệm gạch không nung từ đất đỏ basalt Kết quả xác định các tính chất cơ lý của những mẫu thử nghiệm đều đạt yêu kỹ thuật đối với gạch xây dựng, cƣờng độ kháng nén đạt 75-292kG/cm2 . Mặt khác kết quả ở bảng 2 cho thấy khi ta tăng tỷ lệ vôi lên thì cƣờng độ của sản phẩm tăng lên, đặc biệt là sản phẩm làm từ đất đỏ Hoàng Đồng với độ hút vôi cao cƣờng độ thay đổi khá rõ rệt khi ta tăng tỷ lệ vôi phối trộn. Bảng 2. Cường độ kháng nén và các đặc trưng kỹ thuật của gạch không nung với các tỷ lệ phối trộn đất đỏ + vôi khác nhau STT Tỷ lệ phối trộn % Cường độ kháng nén (kG/cm 2 ) Độ hút nước (%) Khối lượng thể tích (g/cm 3 ) Đất đỏ Vôi LS-1 95 5 75 15.3 1.60 LS-2 93 7 135 12.7 1.58 NĐ-1 93 7 111.32 15.8 1.63 PL 90 7 115 14.6 1.60 TR 90 7 125 15.4 1.62 LS-3 90 10 292 10.5 1.71 NĐ-2 90 10 143 9.5 2.10 TCVN 2118-1994 ( gạch xây không nung) 75-200 6-18 <1.65 ND-2 217 2.4. Gạch geopolymer Kết quả phân tích về đặc điểm thành phần vật chất của đất đỏ ở mục 2.2 đã cho thấy rằng đất đỏ có hàm lƣợng đáng kể khoáng vật sét kaolin và hàm lƣợng khá cao các ô xit nhôm và silic. Do đó khi phối trộn đất đỏ với chất xúc tác theo những phản ứng ở hình 5, 6, khoáng sét kaolinit hoặc gipxit và các ôxít tự do trong đất có khả năng phản ứng giữa chúng, làm thành mắt lƣới, đông cứng lại. Nó hoạt động giống nhƣ một quy trình có thể so sánh với những gì xảy ra trong lúc ceramic nung ở 900-1100°C, nhƣng chỉ khác là cố kết kiểu polymer hóa của đất đỏ với chất xúc tác là dung dịch kiềm (NaOH hoặc KOH) cùng với sự giúp đỡ của chất tiền geopolymer oligosialat có thể đóng rắn đã bắt đầu ở nhiệt độ phòng với tạo thành polysialat, poly (sialat-siloxo), hợp chất ổn định trong nƣớc, chống chịu cơ học khỏe [1]. Hình 5. Phản ứng geopolymer hóa của kaolinit với sự trợ giúp của chất tiền geopolymer (theo Claude Boutterin và Joseph Davidovits, 1988) Hình 6. Phản ứng geopolymer hóa [11] Xuất phát từ nguyên tắc trên và kế thừa những nghiên cứu đã đƣợc công bố [1, 2, 6, 11] cũng nhƣ kết quả đạt đƣợc của các tác giả năm 2010 [13], phƣơng thức thử nghiệm đƣợc tiến hành nhƣ sau: Tỷ lệ phối trộn theo trọng lượng: - Đất đỏ basalt khu vực Pleiku đƣợc nghiền mịn qua rây 0,1mm: 85% - Dung dịch NaOH (10M): 3% - Dung dịch natri silicat (chất tiền geopolymer): 2% - Nƣớc: 10-12% - Hỗn hợp đƣợc phối trộn khoảng 5 phút, sau đó đƣợc đổ khuôn tạo hình. - Kết quả sản phẩm thử nghiệm (hình 7) sau 28 ngày ở nhiệt độ phòng thí nghiệm (25°C) đạt các đặc trƣng cơ lý nhƣ sau: + Cƣờng độ kháng nén: 95 kG cm3 + Độ hút nƣớc: 14% + Khối lƣợng thể tích: 1,33g/cm3. Hình 7. Gạch geopolymer từ đất đỏ basalt 218 3. Thảo luận - Đất đỏ basalt có hàm lƣợng nổi trội của các oxit: Al2O3 (17,50-31,16%), SiO2 (17,60- 47,84%) và hàm lƣợng keo khá cao (35 đến 74%). Kết quả phân tích này thể hiện một phần các ôxit nhôm và silic tồn tại ở dạng keo tự do [18]. Theo Kiều Quý Nam (2002, 2006) [15, 18], chính các keo tự do này tạo nên độ hoạt tính cho đất đỏ basalt. Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN: 3735-1982) về phân loại puzơlan, đất đỏ basalt với độ hút vôi đạt từ 95 đến 145mgCaO g.pg đƣợc xếp vào loại nguyên liệu puzơlan có hoạt tính trung bình mạnh đến mạnh. Nhƣng do đất đỏ basalt có thành phần khoáng vật chủ yếu là các khoáng sét gipxit, kaolinit, gơtit, nên mặc dù có độ hoạt tính cao, nhƣng đất đỏ không đáp ứng đƣợc yêu cầu sử dụng làm phụ gia cho xi măng. Mặt khác đất đỏ có thể sử dụng sản xuất gạch xây dựng không nung thân thiện với môi trƣờng. Với hai phƣơng thức tạo kết dính gắn kết khác nhau, những thử nghiệm sản xuất gạch không nung từ đất đỏ basalt có đặc tính cơ lý đáp ứng đƣợc yêu cầu kỹ thuật đối với gạch xây dựng không nung theo tiêu chuẩn TCVN: 2118-1994. - Với phƣơng thức sản xuất gạch không nung theo kiểu đất đỏ + vôi, khi lƣợng phụ gia sử dụng thấp (5% trọng lƣợng), sản phẩm thu đƣợc là gạch không tan rữa trong nƣớc, nhƣng những đặc tính cơ lý nhƣ cƣờng độ thấp (75kG cm2), độ hút nƣớc tƣơng đối cao (15,3g/cm3). Khi tăng hàm lƣợng chất kết dính bằng cách tăng lƣợng vôi lên 10%, cƣờng độ kháng nén của sản phẩm tăng lên, độ hút nƣớc giảm, nhƣng khối lƣợng thể tích tăng lên. Do vậy, tỷ lệ phối trộn tối ƣu là: đất đỏ (93%) + vôi (7%), cƣờng độ sản phẩm đạt (>100kG.cm2), độ hút nƣớc và khối lƣợng thể tích đều đạt yêu cầu đối với gạch xây dựng theo tiêu chuẩn TCVN: 2118- 1994. - Khác với phƣơng thức tạo gắn kết kiểu đất đỏ + vôi, nơi vật liệu đất đƣợc cố kết bởi phản ứng của các ôxít tự do với vôi tạo thành chất kết dính dạng CSH, CAH hoặc CASH,... Với phƣơng pháp polymer nhiệt độ thấp (LTGS) sự cố kết đối với vật liệu đất dựa vào nguyên tắc khác hoàn toàn. Đó là phối trộn vào đất đỏ chất kiềm (NaOH hoặc KOH) và dung dịch silicat tiền geopolymer tạo cho các ôxít nhôm, ôxit silic dạng keo và khoáng gipxit, kaolinit trong đất có khả năng phản ứng giữa chúng với nhau tạo thành chuỗi polysialat, poly (sialat- siloxo) ở nhiệt độ phòng thí nghiệm, có khả năng đông cứng lại, ổn định, không tan rữa trong nƣớc và có khả năng chống chịu cơ học khỏe. So sánh với sản phẩm gạch không nung kiểu đât đỏ + vôi có cƣờng độ tƣơng đƣơng (95kG/cm2) thì gạch geopolymer có ƣu điểm khối lƣợng thể tích thấp hơn (1,33g/cm3), so với gạch kiểu đất đỏ + vôi là 1,58g/cm 3. Đặc tính này có đƣợc do vật liệu gạch geopolymer tạo thành bởi các polysialat, poly(sialat-siloxo) có cấu trúc khoáng vật tƣơng đồng nhƣ zeolit [6, 8], cấu trúc ba chiều giống nhƣ quả cầu mây gắn sít với nhau nên có độ xốp rỗng nhất định (hình 8) và đặc trƣng này cũng tạo cho gạch geopolymer có đặc tính khí hậu sinh học tuyệt vời, đó là có khả năng hấp phụ hơi ẩm nhanh và giải hấp phụ từ từ giúp điều hòa không khí rất tốt cho những ngôi nhà sử dụng vật liệu này [7]. Hình 8. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) mẫu gạch geopolymer từ đất đỏ basalt - Về giá thành của sản phẩm: trong các đề tài, dự án sản xuất thử nghiệm gạch không nung từ nguồn nguyên liệu là đá basalt bán phong hóa tại khu vực Gia Lai, Lâm Đồng, Nghệ An, Quảng Trị mà chúng tôi đã thực hiện [16, 17] cho thấy giá thành của sản phẩm (500-600đ viên) chỉ bằng 50- 65% giá thành gạch xi măng + cát hoặc gạch tuy nen (1000-1200đ viên). Ngoài ra, so với gạch tuy nen thì gạch không nung từ đất đỏ basalt còn nâng cao giá trị kinh tế hơn nữa nếu chúng ta tính đến giá trị giảm thải việc phát sinh ô nhiêm môi trƣờng. 4. Kết luận Từ kết quả nghiên cứu nêu trên có thể đi đến các kết luận sau: 219 Đất đỏ basalt có thể sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất gạch xây dựng không nung và với diện phân bố rộng rãi ở nƣớc ta đây là một nguồn nguyên liệu có tiềm năng lớn đáp ứng cho nhu cầu phát triển vật liệu xây dựng không nung thân thiện với môi trƣờng. Bằng hai phƣơng thức gắn kết theo kiều khác nhau: (1) Đất đỏ + vôi và (2) Đất đỏ polymer hóa bằng dung dịch kiềm ở nhiệt độ phòng thí nghiệm, các sản phẩm gạch không nung làm từ đất đỏ basalt đạt đƣợc những đặc tính cơ lý đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật đối với gạch xây dựng theo tiêu chuẩn TCVN: 2118-1994. TÀI LIỆU DẪN [1] Claude Boutterin and Joseph Davidovits: 1988: Réticulation Géopolymèrique (LTGS) et matériaux de construction, Geopolymer ' 88, Vol.1, pp. 79-88. (Modified and adapted with theautorisation of CORDI-Géopolymère S.A. in July 2003). [2] Gordon Browne, 2009: Stabilised interlocking rammed earth blocks:alternatives to cement stabilisation. Proceedings of the 11th International Conference on Non-conventional Materials and Technologies (NOCMAT 2009) 6-9 September 2009, Bath, UK. [3] Bùi Văn Chén, Đào Tiến Đạt: 1985: Kỹ thuật sản xuất gạch không nung, NXB Xây dựng, Hà Nội. [4] Ljubica Ćojbašić1, Gordana Stefanović1, Živko Sekulić2, Snežana Heckmann, 2005: Influence of the fly ash chemical composition on the portland cement and fly ash mixturehydration mechanism, Series: Mechanical Engineering Vol. 3, No 1, pp. 117 - 125 [5] J. Davisovit: 1991: Geopolymers: inorganic polymeric new materials J. Thermal Analysis, Vol. 37, pp.1633-1656. [6] D. Hardjito and B. V. Rangan, 2005: Development and properties of low-calcium fly ash-basedgeopolymer concrete. Curtin University of TechnologyPerth, Australia [7] Joseph Davidovits, 2002: 30 Years of Successes and Failures in Geopolymer Applications. Market Trends and Potential Breakthroughs. Geopolymer 2002 Conference, Melbourne, Australia. [8] Pre De Silva1 And Kwesi Sagoe-Crenstil, 2009: The Role of Al2O3, SiO2 and Na2O on the Amorphous → Crystalline Phase Transformation in Geopolymer Systems. Journal of the Australian Ceramic Society Volume 45, 1, pp 63-71. [9] 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, 3ĐB, tr.559-605. [10] Qhatani Mohsen, Nasser Yosef Mostafa, 2010: Investigating the possibility of utilizing low kaolinitic clays in production of geopolymer bricks. Ceramics - Silikáty 54 (2), pp 160-168. [11] A.M. Mustafa Al Bakri, H. Kamarudin, M. Bnhussain, I. Khairul Nizar, A.R. Rafiza & A.M. Izzat., 2011: Chemical Reactions in the Geopolymerisation Process Using Fly Ash–Based Geopolymer: A Review, Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 5(7), pp.1199-1203. [12] Patrick N. Lemougna, Uphie F. Chinje Melo, Elie Kamseu and Arlin B. Tchamba, 2011: Laterite Based Stabilized Products for Sustainable Building Applications in Tropical Countries: Review and Prospects for the Case of Cameroon. Sustainability, Vol.3(1), pp. 293-305. [13] 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. [14] 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. [15] Kiều Quý Nam, 2002: Mối tƣơng quan giữa thành phần hoá học, cấu trúc đá với hoạt tính puzơlan trong basalt Kainozoi tại Lâm Đồng. Tạp chí Các Khoa học về Trái Đất, T.24, 4, tr.341-347. [16] Kiều Quý Nam (chủ biên), 2004: Báo cáo tổng kết dự án: Ứng dụng công nghệ sản xuất vật liệu không nung. Lƣu trữ tại Viện Địa chất. 220 [17] Kiều Quý Nam (chủ biên), 2005: Báo cáo tổng kết đề tài: 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. Lƣu trữ tại Viện Địa chất. [18] 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. SUMMARY Red basaltic soils-the raw material source for production of non-calcined brick Red basaltic soils that widely distribute in Tay Nguyen, Central region and elsewhere in Vietnam consist mainly of gibbsite (45-50%), goethite (12-20%), kaolinite (15-17%) minerals, In red soil, the total amount of (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) and colloidal content varies from 65.50 to 83.43%, and from 35 to 74% respectively, leading to high reactivity index (95- 154mgCaO/g.pg). By two different binding methods: 1/Red basaltic soils with hydrated lime; 2/ Red basaltic soils with alkali solution (NaOH) and added sodium sillicate, non-calcined products made from basaltic soils have compressive strength in the range of 75-292kG/cm 2 for first method and 95kG/cm 2 for second one, with other physico-mechanic properties to meet the technical requirements of construction brick according to Vietnamese standards TCVN 2118-1994. Expimental results prove the feasibility of using the red basaltic soils as suitable raw materials for manufacturing non-calcined building materials.