CÔNG NGHỆ XI MÄ‚NG GEOPOLYMER TỪ ĐẤT SÉT SẼ THAY THẾ XI MÄ‚NG PORTLAND TRUYỀN THỐNG

I- GIỚI THIỆU

Hiện nay, Ä‘ã có những cảnh báo về vấn đề ô nhiá»…m môi trường do rác thải, khí thải và hiện tượng trái đất nóng dần do hệ quả của hiệu ứng nhà kính. Má»™t trong những nguyên nhân Ä‘óng góp má»™t lượng lá»›n khí CO2 vào khí quyển là công nghiệp sản xuất xi măng truyền thống. Theo Æ°á»›c tính của má»™t số tác giả, sản xuất má»™t tấn xi măng portland đồng nghÄ©a vá»›i việc thải ra má»™t tấn khí CO2 từ Ä‘á vôi và than đốt. Chính vì vậy, má»™t số nÆ°á»›c Ä‘ã khuyến khích phát triển má»™t loại chất kết dính má»›i có thể thay thế xi măng portland truyền thống, Ä‘ó là xi măng pôlime hay còn gọi là “Geopolymer- cement”. Xi măng GEOPOLYMER là loại vật liệu má»›i. Bản chất cÆ¡ bản của nó là má»™t POLYMER VÔ CÆ , Ä‘ã được các tác giả trên thế giá»›i nghiên cứu từ những năm 70 của thế ká»· XX.

Hiện nay, nhiều sản phẩm dÆ°á»›i dạng xi măng hay keo kết dính được giá»›i thiệu vá»›i những thÆ°Æ¡ng hiệu Ä‘á»™c quyền ở các nÆ°á»›c châu Âu và Mỹ. Những sản phẩm này được sá»­ dụng trong nhiều lÄ©nh vá»±c từ gạch xây dá»±ng, bêtông cường Ä‘á»™ cao, tấm panô cách nhiệt, đến những sản phẩm composite chịu lá»­a, bền hóa học…

Dá»±a trên những nguyên lý cÆ¡ bản và cÆ¡ sở khoa học của việc tổng hợp nên má»™t POLYMER VÔ CÆ , chúng tôi Ä‘ã hoàn thiện công nghệ sản xuất xi măng GEOPOLYMER từ những khoáng sét bằng những phÆ°Æ¡ng pháp nghiên cứu thá»±c nghiệm. Hiện Ä‘ang được triển khai ở qui mô nhỏ.

Đi từ nguyên liệu thô là đất sét và những phế thải trong công nghiệp nhÆ° tro bay, xỉ lò cao, rác thải trong xây dá»±ng… qua xá»­ lý và phối trá»™n vá»›i phụ gia hoạt tính ở tỉ lệ thích hợp, tạo thành má»™t sản phẩm kết dính có thể thay thế hoàn toàn cho vai trò của xi măng Portland truyền thống. Giá thành và tính năng của loại vật liệu này có thể cạnh tranh vá»›i những sản phẩm xi măng portland Ä‘ang có trên thị trường.

II- CÆ  SỞ KHOA HỌC CỦA CÔNG  NGHỆ XI MÄ‚NG GEOPOLYMER

CÆ¡ chế Ä‘óng rắn của xi măng geopolymer tÆ°Æ¡ng tá»± nhÆ° cÆ¡ chế tổng hợp những khoáng felspat và zeolite nhân tạo. Thá»±c chất của quá trình là những phản ứng trùng ngÆ°ng của các khoáng aluminosilicate khoáng sét, xảy ra ở Ä‘iều kiện thủy nhiệt ở nhiệt Ä‘á»™ từ 20 – 150^oC, trong môi trường có Ä‘á»™ pH cao, áp suất khí quyển.

Sản phẩm tổng hợp từ các aluminosilicate là những POLYMER VÔ CÆ , có xÆ°Æ¡ng là các nguyên tố Si – O – Al, cấu trúc vô định hình đến ná»­a kết tinh, cÆ¡ bản có những loại sau:

Polysialate      -Si-O-Al-O-,

Polysialate-siloxo -Si-O-Al-O-Si-O-,

Những POLYMER cÆ¡ bản dá»±a trên những silicate nhôm là poly sialate. Khung sialate bao gồm những tứ diện SiO4 và AlO4 được nối xen kẹp vá»›i nhau bằng các nguyên tố oxy. Những ion dÆ°Æ¡ng Na+, K+, Li+, Ca++, Ba++, NH4+, H₃O+ hiện diện trong các hốc của khung để cân bằng Ä‘iện tích của Al+++.

Công thức kinh nghiệm của poly sialate :

Mn{-SiO2z-AlO2}n, wH2O.

Trong Ä‘ó :

M – các cation kim loại kiềm hay kiềm thổ.

n - mức Ä‘á»™ pôlime hóa

z - 1,2,3

Ở nhiệt Ä‘á»™ thấp hÆ¡n 100oC, sá»± pôlime hóa các khoáng vật sét là phản ứng hóa học giữa các oxyt aluminosilicate vá»›i polisilicate kiềm tạo thành má»™t khung xÆ°Æ¡ng Si – O – Al ở trạng thái vô định hình đến ná»­a kết tinh. Cấu trúc các silico-aluminate theo 3 chiều trong không gian thật bền chắc;

CÆ¡ chế phản ứng được minh họa theo phÆ°Æ¡ng trình sau:

Quá trình Ä‘ông rắn của xi măng GEOPOLYMER cÅ©ng dá»±a trên phản ứng này.

Khác vá»›i cÆ¡ chế Ä‘óng rắn của xi măng portland là quá trình kết tinh trong nÆ°á»›c của các silicate canxi vá»›i kích thÆ°á»›c phân tá»­ SiO3Ca, xi măng GEOPOLYMER vá»›i cÆ¡ chế Ä‘óng rắn là quá trình polymer hóa vá»›i kích thÆ°á»›c phân tá»­ dài bằng 10.000 lần phân tá»­ SiO₃Ca của xi măng portland.

III- MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA XI MÄ‚NG GEOPOLYMER

3.1 Thời gian Ä‘ông kết và cường Ä‘á»™ kháng nén:

Thá»±c nghiệm cho thấy, tùy theo thành phần và tá»· lệ phối trá»™n, lượng nÆ°á»›c thêm vào… thời gian bắt đầu Ä‘ông kết của vữa thay đổi từ 10 phút đến 45 phút. Kết thúc quá trình Ä‘ông kết khoảng từ 1 đến 2 giờ sau khi trá»™n vữa. Cường Ä‘á»™ kháng nén của xi măng cÅ©ng có thể sá»›m đạt được ~  20 Mpa 200 kg/ Cm² sau 4 tiếng hình 1.

Hình 1: Biểu đồ minh họa cường Ä‘á»™ kháng nén theo thời gian.

3.2 Đặc tính nhiệt và Ä‘á»™ bền axit của xi măng Geopolymer

Các mẫu thá»­ được phối trá»™n dÆ°á»›i dạng những thỏi bêtông, sau khi Ä‘óng rắn 1 tuần, Ä‘em Ä‘o cường Ä‘á»™ kháng nén trÆ°á»›c và sau khi nhúng vào dung dịch axit H₂SO4 2%, theo dõi trong 4 tuần, 12 tuần và 24 tuần. Cường Ä‘á»™ kháng nén của các mẫu thá»­ thay đổi do ảnh hưởng của dung dịch axit theo sÆ¡ đồ hình 2.

Hình 2: SÆ¡ đồ ảnh hưởng của dung dịch axit đến Ä‘á»™ kháng nén của bê tông pôlime.

Về tính chịu nhiệt, các mẫu gạch được nung đến nhiệt Ä‘á»™ 1000⁰C không thấy hiện tượng nứt và Ä‘á»™ co rút thấp 0,3%.

Từ những thí nghiệm trên cho thấy tính năng vượt trá»™i của xi măng pôlime hay GEOPOLYMER là chịu nhiệt, bền axit so vá»›i xi măng portland truyền thống. Ngoài những Æ°u Ä‘iểm kể trên, xi măng Geopolymer và công nghệ sản xuất nó còn có nhiều Æ°u Ä‘iểm khác nhÆ°:

1- Công nghệ sản xuất Ä‘Æ¡n giản, nguyên liệu sét trong nÆ°á»›c, địa phÆ°Æ¡ng nào cÅ©ng có thể làm được nhờ vào nguồn nguyên liệu phong phú. Nguyên liệu có thể tận dụng được những chất phế thải trong công nghiệp tro, xỉ,….

2- Xi măng pôlime hay GEOPOLYMER không kén chọn cốt liệu nhÆ° cát sông, cát biển, đất tạp... Vì vậy, nó được ứng dụng vào các lÄ©nh vá»±c sản xuất mà xi măng truyền thống không làm được nhÆ° gốm, men, lá»›p phủ, composite vô cÆ¡…

3- Việc sản xuất và sá»­ dụng xi măng pôlime hay GEOPOLYMER vào các ngành truyền thống, vốn phải qua nung ví dụ nhÆ°: gốm, gạch, ngói…, sẽ giảm thiểu tác nhân gây ra khí thải làm ô nhiá»…m môi trường, hiệu ứng nhà kính.

IV- KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA XI MĂNG GEOPOLYMER

1- LÄ©nh vá»±c xây dá»±ng: Xi măng GEOPOLYMER từ khoáng sét làm chất kết dính thay thế hoàn toàn xi măng portland truyền thống, có thể áp dụng cho những vùng phèn, mặn. Bê tông làm từ xi măng GEOPOLYMER có tính năng bền hóa học, chịu nhiệt, chịu được sá»± khắc nghiệt của thời tiết.

2- LÄ©nh vá»±c gốm không nung: Xi măng GEOPOLYMER từ đất sét làm nguyên liệu để sản xuất những sản phẩm gốm dân dụng không nung, gốm mỹ thuật không nung, men gốm không nung.

3- LÄ©nh vá»±c sản xuất vật liệu xây dá»±ng: Xi măng pôlime không kén cốt liệu. Vì thế, chúng được dùng để sản xuất các vật liệu xây dá»±ng không nung nhÆ° gạch xây không nung, gạch lát nền không nung, ngói không nung, gạch gốm trang trí không nung và nhiều loại vật liệu không nung khác.

4- LÄ©nh vá»±c giao thông: Xi măng GEOPOLYMER được ứng dụng để làm đường vá»›i Ä‘á»™ bền và Ä‘á»™ chịu tải cao bằng nguyên liệu đất tại chá»—.

5- Ngoài những lÄ©nh vá»±c thông dụng kể trên, khả năng ứng dụng của xi măng GEOPOLYMER có thể áp dụng vào những lÄ©nh vá»±c khác nhÆ°: Khuôn Ä‘úc chịu nhiệt, gạch chịu lá»­a, xá»­ lý môi trường bê tông hóa những loại rác ô nhiá»…m, rác phóng xạ, composite chịu lá»±c, chịu nhiệt khi kết hợp vá»›i các sợi cacbon, sợi thủy tinh.

V- KẾT LUẬN

Xi măng GEOPOLYMER từ khoáng sét là má»™t loại vật liệu má»›i. Nếu được đầu tÆ° sản xuất đại trà nó sẽ có ý nghÄ©a thá»±c tiá»…n vô cùng to lá»›n. Sản xuất và sá»­ dụng xi măng GEOPOLYMER ngoài việc nâng cao chất lượng, hạ giá thành của sản phẩm, nó còn góp phần bảo vệ sá»± ô nhiá»…m môi trường, tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm ngân sách giá thành của 1 kg xi măng pôlime khoảng 800 – 1000 đồng.

Tiềm năng ứng dụng cho loại vật liệu này Ä‘ang mở ra má»™t chân trời rá»™ng lá»›n,  từ những sản phẩm cho nông thôn đến những sản phẩm cao cấp cho Ä‘ô thị; từ các ngành tiểu thủ công đến sản xuất công nghiệp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1-            DOUGLAS C. COMRIE et all, 2004, Composite cold ceramic geopolymer in a refractory application, Catawba Resources Inc., 4281 Meadowlark Trail, Stow, Ohio 44224, USA.

2-            E. HERMANN et all, 1999, Solidification of various radioactive residues by Géopolymère® with special emphasis on long – term – stability. Géopolymère ’99 Proceedings, pp. 211 – 228.

3-            J. DAVIDOVITS et all, 2003, The Geopolymer brick L. T.G.S., CORDI-GÉOPOLYMÈRE S.A., Coordination et développement international des Géopolymères, France.

4-            J. DAVIDOVITS, 1994, Properties of geopolymer cements, Geopolymer institute, 02100 Saint-Quentin, France.

5-            J. DAVIDOVITS, 1997, Geopolymers: inorganic polymeric new materials, Journal of thermal analysis, vol.37, pp. 1633 – 1656 (1991).

6-            J. DAVIDOVITS, Environmentally driven geopolymer cement applications, Geopolymer 2002 conference, Melbourne, Australia.

7-            M.D.J. SUMAJOUW & B.V. RANGAN, 2006, Low-calcium fly ash-based geopolymer concrete: Reinforced beams and columns, Research report GC3, Curtin University of Technology, Perth, Australia.