Thực nghiệm nghiên cứu chế tạo gạch không nung geopolymer Tro Bay

TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 130 THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GẠCH KHÔNG NUNG GEOPOLYMER TRO BAY Lê Phương Thanh1 TÓM TẮT Bài viết đề cập đến việc thực nghiệm chế tạo gạch không nung geopolymer tro bay, với kích thước viên gạch là 220x105x60mm. Gạch không nung geopolymer tro bay được chế tạo từ tro bay và cát sông với các tỷ lệ khác nhau 9:1, 8:2 và 7:3 theo khối lượng. Dung dịch kiềm kích hoạt gồm NaOH 8M và thuỷ tinh lỏng theo tỷ lệ cố định 1:2,5. Tỷ lệ dung dịch kiềm kích hoạt/ tro bay cố định là 0,25. Các viên gạch được chế tạo và bảo dưỡng ở nhiệt độ 600C trong thời gian 24 giờ. Các thí nghiệm về độ hút nước và cường độ nén cho thấy gạch geopolymer có cường độ nén cao hơn 10MPa chỉ sau 7 ngày và độ hút nước thấp hơn 4%. Từ khóa: Gạch geopolymer, tro bay, gạch không nung. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Geopolymer là loại vật liệu dính kết polymer vô cơ, được phát triển đầu tiên bởi nhà khoa học người Pháp Joseph Davidovits từ những năm 1970 [13,14,15]. Phản ứng geopolymer hóa là một phản ứng hóa học diễn ra giữa các oxit của nhôm và silic với dung dịch có tính kiềm mạnh để tạo ra các mạch có cấu trúc ba chiều rắn chắc chứa các liên kết Si-O-Al. Quá trình geopolymer hóa các nguyên liệu được thể hiện trong hình 1. Hình 1. Quá trình geopolymer hóa 1Giảng viên khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Hồng Đức TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 131 Theo các tài liệu nghiên cứu của các nhà khoa học, bất kỳ dung dịch kiềm mạnh nào cũng có thể được sử dụng để làm chất kích hoạt cho việc tạo ra geopolymer. Các dung dịch kiềm được sử dụng phổ biến nhất là NaOH hoặc KOH và Na2SiO3 hoặc K2SiO3. Tuy nhiên, theo nghiên cứu của Palomo và cộng sự (2004), dung dịch kiềm NaOH có chứa silic hòa tan như dung dịch natri silicat (Na2SiO3) hoặc kali silicat (K2SiO3), thì phản ứng geopolymer hóa xảy ra ở một tỷ lệ cao hơn so với khi chỉ có hydroxit kiềm được sử dụng để kích hoạt. Mặt khác, tăng nồng độ mol của dung dịch kiềm sẽ tạo ra sự hòa tan lớn hơn của nguyên liệu [11,12,16]. Kết quả là cường độ nén của geopolymer sẽ tăng lên cùng với việc tăng nồng độ mol của dung dịch kiềm. Fernández-Jimenez kết luận rằng sử dụng NaOH 12,5M mang lại cường độ nén cao hơn khi sử dụng NaOH 8M [5]. Tro bay là một loại phế thải công nghiệp nguy hại của nhà máy điện chạy than. Hiện nay, các nhà khoa học trong và ngoài nước đã và đang nghiên cứu ứng dụng tro bay trong nhiều lĩnh vực như: xây dựng, nông nghiệp, composite... nhằm giảm thiểu tác động đến môi trường của loại chất thải này. Trong số ứng dụng đó, sản xuất gạch không nung đang được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Gạch không nung tro bay kết hợp với xi măng Portland hoặc với vôi và thạch cao đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công trên thế giới. Bên cạnh đó đã có một số nghiên cứu chế tạo gạch không nung tro bay geopolymer như: Banupriya và cộng sự (2016), đã tiến hành các thí nghiệm để nghiên cứu ứng xử của gạch geopolymer sử dụng tro bay và xỉ lò cao. Raghunathan và cộng sự (2010) đã chế tạo gạch sử dụng xi măng, bùn đỏ và cát với tỷ lệ 1:1,7:3,5 thu được cường độ nén 3,73 N/cm2. Gạch không nung tro bay chế tạo theo phương pháp geopolymer là một phương pháp xanh, góp phần bảo vệ môi trường [6, 8]. Tuy nhiên số lượng các nghiên cứu còn hạn chế, mặt khác các tính chất của geopolymer phụ thuộc nhiều vào chất lượng của tro bay [4]. Trong khi đó, mỗi nhà máy nhiệt điện chạy than thải ra loại tro bay có tính chất khác nhau [1]. Vì vậy, nghiên cứu thực nghiệm chế tạo gạch không nung geopolymer tro bay của nhà máy nhiệt điện Phả Lại là cần thiết. 2. NỘI DUNG 2.1. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 2.1.1. Vật liệu Nguyên vật liệu để chế tạo gạch không nung geopolymer tro bay bao gồm: tro bay, cát, dung dịch NaOH 8M, thủy tinh lỏng Na2SiO3 theo sơ đồ hình 2. Hình 2. Sơ đồ vật liệu sử dụng chế tạo gạch Geopolymer tro bay TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 132 Tro bay (FA) Tro bay sử dụng trong nghiên cứu là tro bay Vina F&C lấy từ tro thải của nhiệt điện Phả Lại, thị xã Chí Linh, tỉnh Hải Dương. Thành phần hóa học của tro bay thí nghiệm được kiểm tra tại Viện vật liệu xây dựng (bảng 1), đạt yêu cầu của tro bay loại F theo tiêu chuẩn ASTM C618 -03 (2003). Bảng 1. Thành phần hóa học của tro bay tính theo % khối lượng SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 SO3 Loi* 51,74 24,53 5,59 0,81 1,95 4,42 0,11 0,76 0,31 8,98 (*: Lượng mất khi nung) Bảng 2. Chỉ tiêu vật lý của tro bay STT Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thử Đơn vị Kết quả 1 Độ ẩm 14TCN 108:1999 % 0,31 2 Khối lượng thể tích xốp TCVN 4030:2003 kg/m3 920 3 Khối lượng riêng TCVN 4030:2003 g/cm3 2,39 4 Độ mịn (lượng sót trên sàng 0.08) TCVN 4030:2003 % 6,93 Cát sông Cát sử dụng trong nghiên cứu này là cát sông Mã, lấy tại mỏ cát Tào Xuyên, Thanh Hóa. Các chỉ tiêu vật lý được xác định trong bảng 3. Bảng 3. Chỉ tiêu vật lý của cát STT Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thử Đơn vị Kết quả 1 Khối lượng riêng khô TCVN 7572-4 : 2006 g/cm3 2,63 3 Khối lượng thể tích xốp TCVN 7572-6 : 2006 T/m3 1,42 3 Độ hỗng TCVN 7572-6 : 2006 % 49,73 4 Hàm lượng bụi, bùn, sét TCVN 7572-8 : 2006 % 0,68 Dung dịch kiềm kích hoạt (AK) Dung dịch kiềm kích hoạt là hỗn hợp của dung dịch kiềm mạnh (NaOH 8M) và thủy tinh lỏng (Na2SiO3). Dung dịch xút được điều chế từ NaOH dạng vảy khô (độ tinh khiết 98%) pha với nước để đạt được nồng độ mol yêu cầu. Thủy tinh lỏng sử dụng sản phẩm của nhà máy hóa chất Việt Trì có tỷ lệ Na2O/SiO/H2O tương ứng là 11,8/28,5/59.7% theo khối lượng. Lựa chọn pha trộn dung dịch kiềm kích hoạt theo tỷ lệ khối lượng Na2SiO3/NaOH = 2,5. 2.1.2. Phương pháp chế tạo mẫu Tỷ lệ phối trộn vật liệu: Tro bay và cát được phối trộn theo một tỷ lệ được đề xuất trong bảng 4. TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 133 Bảng 4. Tỷ lệ phối trộn nguyên liệu chế tạo gạch geopolymer tro bay Tên mẫu Tro bay (FA) (%) Cát (Sand) (%) AK/FA Ghi chú M1 90 10 0.25 Nhiệt độ sấy 600C, 24h M2 80 20 0.25 M3 70 30 0.25 Thiết bị chế tạo mẫu gạch Thiết bị chế tạo mẫu gồm 4 bộ phận chính: (1) Bộ phận định lượng nguyên liệu làm bằng tôn 2mm, (2) bộ phận khuôn (gồm xilanh và pitton) làm bằng thép 10mm có kích thước 220x105mm, chiều cao xi lanh 160mm, (3) khung ép làm bằng thép V75x75x5mm và (4) kích thủy lực 20 tấn. Thiết bị được chế tạo tải xưởng thực hành khoa Kĩ thuật Công nghệ, Trường Đại học Hồng Đức (hình 3). Hình 3. Thiết bị chế tạo mẫu gạch không nung trong phòng thí nghiệm Hình 4. Mẫu gạch geopolymer tro bay sau khi chế tạo và bảo dưỡng Chế tạo mẫu Viên gạch chế tạo có kích thước tiêu chuẩn 220x105x60mm. Tro bay và dung dịch akaline được trộn trước với nhau bằng máy trộn trong thời gian 5 phút sau đó cho cát vào trộn tiếp trong thời gian 2 phút. Sau khi trộn xong hỗn hợp được đưa vào khuôn và được ép tạo mẫu bằng thiết bị ép thuỷ lực 20 tấn (hình 3). Mỗi mẫu chế tạo 30 viên (hình 4). 2.1.3. Bảo dưỡng mẫu Mẫu sau khi chế tạo được đưa vào lò sấy ở nhiệt độ 600C (hình 5) trong thời gian 24h, sau đó được đưa ra lò và ổn định ở nhiệt độ phòng trong vòng 3 ngày trước khi đưa đi thí nghiệm. 1 4 3 2 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 134 Hình 5. Máy sấy 3000C Hình 6. Thiết bị nén mẫu 100T 2.1.4. Phương pháp thí nghiệm 2.1.4.1. Kích thước, màu sắc và khuyết tật ngoại quan Kích thước, màu sắc và khuyết tật ngoại quan được xác định theo TCVN 6477 (2016). Sử dụng mắt thường để đánh giá màu sắc và khuyết tật ngoại quan, dùng thước lá có độ chính xác 1mm và thước kẹp có độ chính xác 0,1mm để xác định kích thước mẫu gạch. Mỗi mẫu lấy 3 viên, mỗi viên đo kích thước ở 3 vị trí gồm 2 đầu và giữa. 2.1.4.2. Cường độ nén Sau thời gian bảo dưỡng các viên gạch được chế tạo từ thiết bị nén tĩnh. Tiến hành kiểm tra cường độ nén của các mẫu bằng máy nén có công suất 1000kN với tốc độ gia tải 0,5MPa/s. Thực hiện nén mẫu thử từng viên đơn lẻ (mỗi mẫu thử nén 3 viên) cho đến khi bị phá hủy đo được lực nén lớn nhất Pmax (N). Cường độ nén được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 6477 (2016): max= K R P S Trong đó: S là giá trị trung bình cộng diện tích hai mặt chịu nén (mm2). K là hệ số hình dạng lấy bằng 0,68. Kết quả thí nghiệm cường độ nén là giá trị trung bình của nén 3 viên riêng lẻ. 2.1.4.3. Độ hút nước Độ hút nước được xác định theo TCVN 6355-4 (2009). Mỗi mẫu thử lấy 5 viên gạch mang sấy khô ở nhiệt độ 1050C đến 1150C cho tới khi khối lượng gạch không đổi giữa hai lần cân liên tiếp (chênh lệch không lớn hơn 0,2%), cân được khối lượng (m0). Ngâm mẫu thử vào nước sạch trong 24h ở nhiệt độ 27±20C. Vớt mẫu ra, dùng khăn ẩm thấm bề mặt mẫu thử và cân mẫu ngay lập tức được khối lượng bão hòa nước (m1). Kết quả thí nghiệm là giá trị trung bình của 5 viên gạch. Độ hút nước % tính theo khối lượng = 1 0 0 .100 -m m m TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 135 2.2. Kết quả và thảo luận 2.2.1. Kích thước, màu sắc và khuyết tật ngoại quan Bảng 5. Kết quả xác định kích thước, màu sắc và khuyết tật ngoại quan Mẫu Dài (mm) Rộng (mm) Cao (mm) Độ cong vênh (mm) Khuyết tật Màu sắc M1 220 105 59,8 0 Không Xám trắng M2 220 105 60,0 0 Không Xám trắng M3 220 105 60,1 0 Không Xám trắng Các mẫu gạch chế tạo có kích thước yêu cầu 220x105x60mm với độ sai số theo chiều cao (bảng 5) ở mẫu M1 (-0,2mm), mẫu M3 (+0,1mm), và không có sai số theo chiều dài, rộng. Các bề mặt của viên gạch có độ phẳng cao, nhẵn, mịn. Như vậy, các viên gạch chế tạo thí nghiệm phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 6477:2016. 2.2.2. Cường độ nén Cường độ nén được thí nghiệm ở tuổi 7 ngày và 28 ngày. Kết quả thí nghiệm thể hiện trong bảng 4 và hình 7. Bảng 4. Kết quả thí nghiệm cường độ nén theo thời gian Tên mẫu Cường độ nén (MPa) 7 ngày 28 ngày M1 8,56 14,55 M2 10,39 16,07 M3 10,99 16,25 Hình 7. Biểu đồ kết quả thí nghiệm cường độ nén theo thời gian 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 M1 M2 M3 7 ngày 28 ngày TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 136 Nhận xét Cường độ nén tăng theo thời gian tại tất cả các mẫu, điều này cũng phù hợp với các kết quả nghiên cứu đã được công bố về geopolymer (cường độ phát triển theo thời gian tương tự như xi măng portland). Cường độ nén tăng khi tăng hàm lượng cát từ 10% đến 30%, lý do hàm lượng cát tăng góp phần tăng độ đặc chắc cho các mẫu gạch. Tuy nhiên, theo kết quả thí nghiệm thì cường độ nén mẫu M2 tăng đáng kể so với mẫu M1 và thấp hơn không đáng kể so với mẫu M3. Các mẫu gạch M1 đạt mác M12,5 và các mẫu gạch M2, M3 đạt mác M15 ở tuổi 28 ngày theo TCVN 6477 (2016). 2.2.3. Độ hút nước Độ hút nước được thí nghiệm cho hai thời điểm 7 ngày và 28 ngày tuổi. Kết quả thí nghiệm thể hiện trong bảng 5 và hình 8. Bảng 5. Kết quả thí nghiệm độ hút nước 24h Tên mẫu Độ hút nước 24h (%) 7 ngày 28 ngày M1 3,8 3,00 M2 3,64 2,80 M3 3,24 2,60 Hình 8. Biểu đồ kết quả thí nghiệm độ hút nước 24h Nhận xét: Độ hút nước 24 giờ của các mẫu gạch đều giảm theo thời gian và giảm không đáng kể khi tăng hàm lượng cát từ 10% (mẫu M1) đến 30% (mẫu M3). Các giá trị thí 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 M1 M2 M3 7 ngày 28 ngày TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 137 nghiệm đều cho độ hút nước tương đối thấp (nhỏ hơn 4%) thỏa mãn tiêu chuẩn TCVN 6477 (2016) (độ hút nước yêu cầu < 12%). 3. KẾT LUẬN Kết quả thí nghiệm bước đầu chế tạo được các mẫu gạch không nung geopolymer tro bay đạt M12,5 và M15 và thỏa mãn các yêu cầu về độ hút nước 24 giờ, kích thước, khuyết tật ngoại quan theo TCVN 6477:2016. Do số lượng loại mẫu của thí nghiệm còn ít nên chưa thể đánh giá hết đường cong ảnh hưởng khi thay đổi hàm lượng cát và tro bay cũng như việc thay đổi nồng độ mol của NaOH, tỷ lệ AK/FA, tỷ lệ Na2SiO3/NaOH và giá thành. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Hữu Duy Quốc, Phân tích việc sử dụng tro xỉ than thải ra từ các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam, Viện Khoa học Công nghiệp, Trường Đại Học Tokyo, Nhật Bản. [2] TCVN 6355-4:2009 (2009), Tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam Xác định độ hút nước. [3] TCVN 6477:2016 (2016), Tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam Gạch bê tông. [4] A. Fernández-Jiménez và A. Palomo (2003), Characterisation of fly ashes. Potential reactivity as alkaline cements, Fuel. 82, tr. 2259-2265. [5] A. M. Fernández-Jiménez, A. Palomo và C. López-Hombrados (2006), Engineering Properties of Alkali-Activated Fly Ash Concrete, ACI Materials Journal. 103(No. 2), tr. 106-112. [6] A. Palomo, M. W. Grutzeck và M. T. Blanco (1999), Alkali-activated fly ashes -A cement for the future, Cement and Concrete Research. 29, tr. 1323-1329. [7] A. Palomo, M. T. Blanco-Varela, M. L. Granizo, F. Puertas, T. Vazquez và M. W. Grutzeck (1999b), Chemical stability of cementitious materials based on metakaolin, Cement and Concrete Research (29), tr. 997-1004. [8] A. Palomo, S. Alonso, A. Fernández-Jiménez, I. Sobrados và J. Sanz (2004), Alkaline activation of fly ashes: NMR study of the reaction products, Journal of the American Ceramic Society. 87, tr. 1141-1145. [9] ASTM C618-03 (2003), Standard Specification for Coal Fly ash and raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete. [10] C. Banupriya, Sharon John. R, Suresh, E. Divya và D. Vinitha (2016), Experimental Investigations on Geopolymer Bricks/Paver Blocks, Indian Journal of Science and Technology. 9, tr. 16. [11] H. Xu và J. S. J. van Deventer (2000), The geopolymerisation of alumino-silicate minerals, International Journal of Mineral Processing. 59(No.3), tr. 247-266. TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 138 [12] H. Xu và J. S. J. van Deventer (2001), Effect of Alkali Metals on the Preferential Geopolymerisation of Stilbite/Kaolinite Mixtures, Industrial and Engineering Chemistry Research. 40, tr. 3749-3756. [13] J.Davidovits (1981), The need to create a new technical language for the transfer of basic scientific information, Transfer and Exploitation of Scientific and Technical Information, Commission of the European Communities [14] J.Davidovits (1991), Geopolymer - Inorganic polymeric new materials, Journal of Thermal Analysis. 37, tr. 1633-1656. [15] J.Davidovits (2008), Geopolymer Chemistry and Applications, Institute Geopolymer. [16] J. W. Phair và J. S. J. van Deventer (2001), Effect of silicate activator pH on the leaching and material characteristics of waste-based inorganic polymers, Minerals Engineering. 14(No.3), tr. 289-304. [17] P. Duxson, Fernández-Jiménez, Provis J. L., Lukey G. C., Palomo A. và Van Deventer J. S. J. (2007), Geopolymer technology: The current state of the art, Journal of Materials Science. 42(9), tr. 2917-2933. [18] Raghunathan, Gopalsamy P và Elangovan R (2010), Study on Strength of Concrete with ETP Sludge from Dyeing Industry, International journal of civil and structural engineering. 1(3), tr. 378-389. EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON FLY ASH BASED GEOPOLYMER BRICKS Le Phuong Thanh ABSTRACT This paper presents the experimental study of fly ash based geopolymeric bricks with the size of 220×105×60mm. The bricks were produced from fly ash and river sand with fly ash to sand ratios by weight of 9:1, 8:2, and 7:3. The activated alkaline solution including NaOH 8M and liquid glass in a fixed ratio of 1: 2.5 was used. The activated alkaline solution to fly ash ratio was 0.25. The bricks were made and maintained at a temperature of 60oC for 24 hours. Test results indicates that the compressive strength of bricks are higher than 10 MPa after 7 days and their water absorption is less than 4%. Keywords: Geopolymer brick, fly ash, unfired brick.