CÔNG NGHỆ XI MĂNG GEOPOLYMER TỪ ĐẤT SÉT SẼ THAY THẾ XI MĂNG PORTLAND TRUYỀN THỐNG

I- GIỚI THIỆU

Hiện nay, đã có những cảnh báo về vấn đề ô nhiễm môi trường do rác thải, khí thải và hiện tượng trái đất nóng dần do hệ quả của hiệu ứng nhà kính. Một trong những nguyên nhân đóng góp một lượng lớn khí CO2 vào khí quyển là công nghiệp sản xuất xi măng truyền thống. Theo ước tính của một số tác giả, sản xuất một tấn xi măng portland đồng nghĩa với việc thải ra một tấn khí CO2 từ đá vôi và than đốt. Chính vì vậy, một số nước đã khuyến khích phát triển một loại chất kết dính mới có thể thay thế xi măng portland truyền thống, đó là xi măng pôlime hay còn gọi là “Geopolymer- cement”. Xi măng GEOPOLYMER là loại vật liệu mới. Bản chất cơ bản của nó là một POLYMER VÔ CƠ, đã được các tác giả trên thế giới nghiên cứu từ những năm 70 của thế kỷ XX.

Hiện nay, nhiều sản phẩm dưới dạng xi măng hay keo kết dính được giới thiệu với những thương hiệu độc quyền ở các nước châu Âu và Mỹ. Những sản phẩm này được sử dụng trong nhiều lĩnh vực từ gạch xây dựng, bêtông cường độ cao, tấm panô cách nhiệt, đến những sản phẩm composite chịu lửa, bền hóa học…

Dựa trên những nguyên lý cơ bản và cơ sở khoa học của việc tổng hợp nên một POLYMER VÔ CƠ, chúng tôi đã hoàn thiện công nghệ sản xuất xi măng GEOPOLYMER từ những khoáng sét bằng những phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Hiện đang được triển khai ở qui mô nhỏ.

Đi từ nguyên liệu thô là đất sét và những phế thải trong công nghiệp như tro bay, xỉ lò cao, rác thải trong xây dựng… qua xử lý và phối trộn với phụ gia hoạt tính ở tỉ lệ thích hợp, tạo thành một 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 với những sản phẩm xi măng portland đang có trên thị trường.

II- CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÔNG  NGHỆ XI MĂNG GEOPOLYMER

Cơ chế đóng rắn của xi măng geopolymer tương tự như cơ chế tổng hợp những khoáng felspat và zeolite nhân tạo. Thực chất của quá trình là những phản ứng trùng ngưng của các khoáng aluminosilicate khoáng sét, xảy ra ở điều kiện thủy nhiệt ở nhiệt độ từ 20 – 150^oC, trong môi trường có độ pH cao, áp suất khí quyển.

Sản phẩm tổng hợp từ các aluminosilicate là những POLYMER VÔ CƠ, có xương là các nguyên tố Si – O – Al, cấu trúc vô định hình đến nửa kết tinh, cơ bản có những loại sau:

Polysialate      -Si-O-Al-O-,

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

Những POLYMER cơ bản dựa trên những silicate nhôm là poly sialate. Khung sialate bao gồm những tứ diện SiO4 và AlO4 được nối xen kẹp với nhau bằng các nguyên tố oxy. Những ion dương Na+, K+, Li+, Ca++, Ba++, NH4+, H₃O+ hiện diện trong các hốc của khung để cân bằng điện tích của Al+++.

Công thức kinh nghiệm của poly sialate :

Mn{-SiO2z-AlO2}n, wH2O.

Trong đó :

M – các cation kim loại kiềm hay kiềm thổ.

n - mức độ pôlime hóa

z - 1,2,3

Ở nhiệt độ thấp hơn 100oC, sự pôlime hóa các khoáng vật sét là phản ứng hóa học giữa các oxyt aluminosilicate với polisilicate kiềm tạo thành một khung xương Si – O – Al ở trạng thái vô định hình đến nửa kết tinh. Cấu trúc các silico-aluminate theo 3 chiều trong không gian thật bền chắc;

Cơ chế phản ứng được minh họa theo phương trình sau:

Quá trình đông rắn của xi măng GEOPOLYMER cũng dựa trên phản ứng này.

Khác với cơ chế đóng rắn của xi măng portland là quá trình kết tinh trong nước của các silicate canxi với kích thước phân tử SiO3Ca, xi măng GEOPOLYMER với cơ chế đóng rắn là quá trình polymer hóa với kích thước phân tử dài bằng 10.000 lần phân tử SiO₃Ca của xi măng portland.

III- MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA XI MĂNG GEOPOLYMER

3.1 Thời gian đông kết và cường độ kháng nén:

Thực nghiệm cho thấy, tùy theo thành phần và tỷ lệ phối trộn, lượng nước thêm vào… thời gian bắt đầu đông kết của vữa thay đổi từ 10 phút đến 45 phút. Kết thúc quá trình đông kết khoảng từ 1 đến 2 giờ sau khi trộn vữa. Cường độ kháng nén của xi măng cũng có thể sớm đạt được ~  20 Mpa 200 kg/ Cm² sau 4 tiếng hình 1.

Hình 1: Biểu đồ minh họa cường độ kháng nén theo thời gian.

3.2 Đặc tính nhiệt và độ bền axit của xi măng Geopolymer

Các mẫu thử được phối trộn dưới dạng những thỏi bêtông, sau khi đóng rắn 1 tuần, đem đo cường độ kháng nén trước và sau khi nhúng vào dung dịch axit H₂SO4 2%, theo dõi trong 4 tuần, 12 tuần và 24 tuần. Cường độ kháng nén của các mẫu thử thay đổi do ảnh hưởng của dung dịch axit theo sơ đồ hình 2.

Hình 2: Sơ đồ ảnh hưởng của dung dịch axit đến độ kháng nén của bê tông pôlime.

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

Từ những thí nghiệm trên cho thấy tính năng vượt trội của xi măng pôlime hay GEOPOLYMER là chịu nhiệt, bền axit so với xi măng portland truyền thống. Ngoài những ưu điểm kể trên, xi măng Geopolymer và công nghệ sản xuất nó còn có nhiều ưu điểm khác như:

1- Công nghệ sản xuất đơn giản, nguyên liệu sét trong nước, địa phương nào cũng 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 như cát sông, cát biển, đất tạp... Vì vậy, nó được ứng dụng vào các lĩnh vực sản xuất mà xi măng truyền thống không làm được như gốm, men, lớp phủ, composite vô cơ…

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

IV- KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA XI MĂNG GEOPOLYMER

1- Lĩnh vực xây dựng: 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 sự khắc nghiệt của thời tiết.

2- Lĩnh vực 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- Lĩnh vực sản xuất vật liệu xây dựng: Xi măng pôlime không kén cốt liệu. Vì thế, chúng được dùng để sản xuất các vật liệu xây dựng không nung như 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- Lĩnh vực giao thông: Xi măng GEOPOLYMER được ứng dụng để làm đường với độ bền và độ chịu tải cao bằng nguyên liệu đất tại chỗ.

5- Ngoài những lĩnh vực thông dụng kể trên, khả năng ứng dụng của xi măng GEOPOLYMER có thể áp dụng vào những lĩnh vực khác như: Khuôn đúc chịu nhiệt, gạch chịu lửa, xử lý môi trường bê tông hóa những loại rác ô nhiễm, rác phóng xạ, composite chịu lực, chịu nhiệt khi kết hợp với các sợi cacbon, sợi thủy tinh.

V- KẾT LUẬN

Xi măng GEOPOLYMER từ khoáng sét là một loại vật liệu mới. Nếu được đầu tư sản xuất đại trà nó sẽ có ý nghĩa thực tiễn vô cùng to lớn. Sản xuất và sử dụng xi măng GEOPOLYMER ngoài việc nâng cao chất lượng, hạ giá thành của sản phẩm, nó còn góp phần bảo vệ sự ô nhiễm 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 đang mở ra một chân trời rộng lớn,  từ những sản phẩm cho nông thôn đến những sản phẩm cao cấp cho đô 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.