Tải bản đầy đủ

Tổng hợp geopolymer chịu lửa từ đất sét kaoline

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

––––––––

THẨM THẾ QUỐC

TỔNG HỢP GEOPOLYMER CHỊU LỬA
TỪ ĐẤT SÉT KAOLINE

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Nha Trang – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
––––––––


THẨM THẾ QUỐC

TỔNG HỢP GEOPOLYMER CHỊU LỬA
TỪ ĐẤT SÉT KAOLINE
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS. PHAN VĨNH THỊNH
TS. NGUYỄN THẮNG XIÊM

Nha Trang – 2018


LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập và thực hiện đồ án tốt nghiệp tại Khoa Công nghệ Thực phẩm
- Trường Đại học Nha Trang, tôi đã được sự giúp đỡ của Quý Thầy Cô Bộ môn Hóa, Quý
Thầy Cô Khoa Công nghệ Thực phẩm và các bạn lớp 56CNHH.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
– Ban Giám hiệu nhà trường, cùng quý thầy cô trong Khoa Công Nghệ Thực Phẩm,

Trường Đại học Nha Trang đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành chương trình đào
tạo và thực hiện công tác tốt nghiệp.
– TS. Phan Vĩnh Thịnh (Bộ môn Hóa) và TS. Nguyễn Thắng Xiêm (Khoa Xây dựng) đã

tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành tốt đồ
án tốt nghiệp.
– Các Cán bộ quản lý các phòng thí nghiệm khu Công nghệ cao, phòng thí nghiệm Hóa

đã tạo mọi điều kiện tốt nhất về trang - thiết bị, dụng cụ thí nghiệm cho tôi trong suốt quá trình
tiến hành thực nghiệm.
Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến ba mẹ, gia đình, bạn bè đã quan tâm giúp
đỡ và động viên, hỗ trợ tôi trong thời gian học tập và thực hiện đồ án này.
Nha Trang, 08 tháng 7 năm 2018
Sinh viên thực hiện

THẨM THẾ QUỐC




MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ............................................................................................................................................... 4
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ............................................................................................................ 6
1.1. Tổng quan về vật liệu chịu lửa ..................................................................................6
1.1.1. Phân loại .................................................................................................................7
1.1.2. Cấu trúc và tính chất vật lý ...................................................................................10
1.1.3. Tính chất sử dụng của vật liệu chịu lửa ................................................................13
1.2. Vật liệu geopolymer ................................................................................................15
1.2.1. Thành phần hóa học của geopolymer và phản ứng đóng rắn ...............................15
1.2.2. Cơ chế của sự đóng rắn ........................................................................................17
1.2.3. Các sản phẩm thủy hóa .........................................................................................21
1.2.4. Đặc điểm của vật liệu Geopolymer ......................................................................23
1.2.5. Tình hình nguyên cứu geopolymer trong và ngoài nước .....................................24
1.2.6. Ứng dụng của vật liệu geopolymer ......................................................................26
1.3. Tính chất chịu lửa của vật liệu geopolymer ............................................................28
CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................. 31
2.1. Đối tượng nghiên cứu ..............................................................................................31
2.2. Dụng cụ - thiết bị - hóa chất ....................................................................................31
2.2.1. Dụng cụ - Thiết bị.................................................................................................31
2.2.2. Hóa chất - nguyên vật liệu ....................................................................................31
2.3. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................32
2.3.1. Bố trí thí nghiệm ...................................................................................................32


2.3.2. Phương pháp khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung kaoline lên cơ tính của vật
liệu chịu lửa ....................................................................................................................34
2.3.3. Phương pháp khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung kaoline lên cơ tính của vật
liệu chịu lửa ....................................................................................................................34
2.3.4. Phương pháp khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt của metakaoline lên cơ tính
của vật liệu chịu lửa ........................................................................................................34
2.3.5. Phương pháp khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ metakaoline/activator lên cơ tính của
vật liệu chịu lửa ..............................................................................................................35
2.3.6. Phương pháp khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ cát/metakaoline lên cơ tính của vật liệu
chịu lửa ...........................................................................................................................35
2.3.7. Phương pháp khảo sát nhiệt độ chịu lửa...............................................................35
2.3.8. Phương pháp xác định cường độ chịu nén của vật liệu geopolymer chịu nhiệt ...36
2.3.9 Phương pháp đánh giá đặc tính hóa lý của vật liệu geopolymer ...........................37
2.3.10 Phương pháp xử lý số liệu ...................................................................................38
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................................... 39
3.1. Đặc tính hóa lý của vật liệu geopolymer chịu lửa ...................................................39
3.1.1. Phổ hồng ngoại FT-IR ..........................................................................................39
3.1.2. Ảnh SEM ..............................................................................................................40
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung kaoline lên cơ tính của vật liệu chịu lửa .................41
3.3. Ảnh hưởng của thời gian nung kaoline lên cơ tính của vật liệu chịu lửa ................45
3.4. Ảnh hưởng của kích thước hạt metakaolin lên cơ tính của vật liệu chịu lửa ..........47
3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ metakaoline/activator lên cơ tính của vật liệu chịu lửa .........50
3.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ cát/metakaoline lên cơ tính của vật liệu chịu lửa ..................53
3.7. Quy trình tối ưu để tổng hợp vật liệu geopolymer ..................................................56
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................................... 60


TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................. 61


1
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Các dạng lỗ xốp trong sản phẩm chịu lửa ...................................................................................11
Hình 1.2. Sự phụ thuộc của hê số dẫn nhiệt của một số vật liệu chịu lửa vào nhiệt độ ..............................12
Hình 1.3. Phản ứng hình thành monomer ...................................................................................................16
Hình 1.4. Phản ứng hóa học của quá trình geopolymer hóa.......................................................................17
Hình 1.5. Sơ đồ mô phỏng sự hoạt hóa vật liệu Alumosilicate....................................................................18
Hình 1.6. Mô tả phản ứng của tro bay với dung dịch kiềm .........................................................................19
Hình 1.7. Cấu trúc poly(sialates) theo Davidovits ......................................................................................22
Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm ................................................................................................................33
Hình 2.2. Vật liệu geopolymer trước nung ..................................................................................................36
Hình 2.3. vật liệu geopolymer sau nung ......................................................................................................36
Hình 2.4. Máy nén dùng để đo cơ tính vật liệu geopolymer ........................................................................37
Hình 3.1. Phổ FT-IR của vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất kaoline đỏ .................................................39
Hình 3.2. Phổ FT-IR của vật liệu geopolymer được tổng hợp từ đất kaoline trắng....................................40
Hình 3.3. Ảnh SEM của vật liệu geopolymer được tổng hợp từ đất kaoline trắng (a và c) và đất kaoline đỏ
(b và d) .........................................................................................................................................................41
Hình 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đất kaoline lên cơ tính của geopolymer ......................................42
Hình 3.5. So sánh cường độ chịu nén của vật liệu geopolymer từ đất kaoline trắng và đỏ ........................44
Hình 3.6. Ảnh hưởng của thời gian nung kaoline lên cơ tính của vật liệu geopolymer ..............................46
Hình 3.7. So sánh cường độ chịu nén của geopolymer từ đất kaoline trắng và đỏ theo thời gian nung.....47
Hình 3.8. Ảnh hưởng của kích cỡ hạt metakaoline lên cơ tính của geopolymer .........................................48
Hình 3.9. So sánh cường độ chịu nén của geopolymer từ đất kaolin trắng và đỏ theo kích thước hạt
metakaoline ..................................................................................................................................................49
Hình 3.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ metakaoline/activator lên cường độ chịu nén của vật liệu geopolymer ...51
Hình 3.11. So sánh cường độ chịu nén của vật liệu geopolymer từ đất kaoline trắng và đỏ theo tỷ lệ
metakaoline/activator ...................................................................................................................................53
Hình 3.12. Ảnh hưởng của tỷ lệ cát/metakaoline đến cường độ chịu nén của vật liệu geopolymer............55


2
Hình 3.13. So sánh cường độ chịu nén của geopolymer từ đất kaoline trắng và đỏ theo tỷ lệ cát/metakaoline
......................................................................................................................................................................56
Hình 3.14. Quy trình tối ưu để tổng hợp geopolymer..................................................................................57
Hình 3.15. Vật liệu geopolymer nung ở 800C ...........................................................................................58
Hình 3.16. Vật liệu geopolymer nung ở 1000C .........................................................................................58
Hình 3.17. Vật liệu geopolymer nung ở 1200C .........................................................................................59


3
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại Vật liệu chịu lửa theo bản chất hóa lý của nguyên liệu ban đầu
.................................................................................................................................... 7
Bảng 1.2. Thành phần và tính chất chịu lửa của vật liệu geopolymer .................... 29
Bảng 2.1. Thành phần hóa học chính của đất kaolin ............................................... 31
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung kaoline trắng và đỏ lên cường độ nén của
các mẫu geopolymer chịu lửa ................................................................................... 42
Bảng 3.2. Cường độ chịu nén của các mẫu vật liệu geopolymer theo thời gian nung
đất kaoline ................................................................................................................ 45
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của kích cỡ hạt metakaoline đến cường độ nén của vật liệu
geopolymer chịu lửa ................................................................................................. 48
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ metakaoline/activator lên cường độ chịu nén của vật
liệu geopolymer ........................................................................................................ 50
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ cát/metakaoline lên cường độ chịu nén của vật liệu
geopolymer ............................................................................................................... 54
Bảng 3.6. So sánh cơ tính của vật liệu geopolymer từ đất kaoline ứng dụng chịu lửa
với một số vật liệu geopolymer khác ....................................................................... 59


4
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển chung của nền kinh tế
quốc dân, ngành công nghiệp vật liệu xây dựng nói chung và ngành công nghệ
vật liệu silicat nói riêng đã có những bước phát triển vượt trội. Một trong những
sản phẩm silicat đang được nhà nước đầu tư, mở rộng và phát triển đó là sản xuất
vật liệu chịu lửa. Vật liệu chịu lửa là loại vật tư kỹ thuật cần thiết cho hoạt động của tất
cả các ngành công nghiệp như: ximăng, thuỷ tinh, gốm sứ, sắt thép, vật liệu xây
dựng, kim loại màu…
Ở Việt Nam hiện nay đã có một số nhà máy chuyên sản xuất vật liệu chịu
lửa phục vụ cho các ngành công nghiệp như:
 Nhà máy vật liệu chịu lửa Cầu Đuống.
 Nhà máy Tam Tầng (nay thuộc công ty vật liệu chịu lửa Cầu Đuống) với năng suất
25.000 tấn/năm chuyên sản xuất gạch chịu lửa Samot A,B,C, gạch Cao Alumin và
các sản phẩm khác, cung cấp cho ngành công nghệ gốm sứ, ximăng…
 Nhà máy vật liệu chịu lửa Thái Nguyên với công suất 35.000 tấn/năm chuyên sản
xuất

gạch

chịu

lửa

Samot

A,B,C,

gạch

chịu

lửa

Zircon,

gạch Manhêdi cacbon, gạch cao Alumin, v.v… cung cấp cho các ngành công
nghiệp trong nước.
Số liệu thống kê cho thấy mỗi năm ở nước ta có khoảng 90.000 tấn vật
liệu chịu lửa được sản xuất ra với tất cả các chủng loại, nhưng chỉ phần nào đáp ứng
được nhu cầu tiêu dùng của các ngành công nghiệp. Hàng năm các ngành công nghiệp vẫn
phải nhập về từ nước ngoài lượng gạch chịu lửa không nhỏ. Đồng thời, nhu cầu của các
ngành công nghiệp về vật liệu chịu lửa càng ngày càng lớn nên nhiệm vụ thiết kế, xây dựng
và cải tạo công nghệ để tăng năng suất các nhà máy, cũng như phát triển các
sản phẩm vật liệu chịu lửa mới là hết sức cấp bách, cần thiết cho ngành vật liệu chịu lửa
cũng như công nghệ vật liệu silicat Việt Nam.
Do đó đề tài: “Tổng hợp vật liệu geopolymer chịu lửa từ đất sét kaoline” đã được
chọn làm đồ án chuyên ngành.


5
2. Mục tiêu
Tổng hợp vật liệu geopolymer chịu lửa từ đất sét kaoline trắng và đỏ.
3. Nội dung nghiên cứu
-

Tối ưu các điều kiện thu nhận metakaoline từ đất kaoline;

-

Chế tạo vật liệu geopolymer chịu lửa từ metakaoline bằng phương pháp phản ứng
hoá học ở nhiệt độ phòng;

-

Đánh giá một số đặc tính của vật liệu: khả năng chịu lửa, độ bền cơ lý.

4. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp khảo sát nhiệt độ để tìm ra độ chịu nhiệt của vật liệu.
Sử dụng phương pháp xác định cường độ chịu nén đựa trên theo cường độ chịu nén
của mẫu lập phương có cạnh từ 40 – 100 mm.
5. Đối tượng nghiên cứu
Vật liệu chịu lửa geopolymer từ metakaoline
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp vật liệu geopolymer; Xác
định độ chịu nhiệt và đặc tính cơ lý của vật liệu geopolymer chịu lửa.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở để tạo ra các vật liệu xây
dựng chịu đựng nhiệt độ cao dùng trong các ngành công nghiệp luyện kim, làm đồ gốm
sứ,…


6
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về vật liệu chịu lửa
Vật liệu chịu lửa là vật liệu dùng để xây dựng các lò công nghiệp, các ghi đốt, các
thiết bị làm việc ở nhiệt độ cao (≥1000C), ở đấy chúng chịu đựng được lâu dài đối với các
tác dụng khác nhau về mặt cơ học và hóa lý. Chúng khác về vật liệu xây dựng khác ở những
yêu cầu sau [4]:
 Nhiệt độ nóng chảy trong các ghi đốt và lò công nghiệp hiện đại dao động
trong khoảng 1000-1800C. Vì vậy vật liệu chịu lửa phải có độ chịu lửa, nghĩa
là khả năng chống lại tác dụng của nhiệt độ cao không bị nóng chảy.
 Thường đa số vật liệu chịu lửa nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn 1650-1750C,
nhưng ở nhiệt độ thấp hơn nhiều các vật liệu chịu lửa bắt đầu mềm và mất
cường độ xây dựng. Vì thế tác dụng của nhiệt độ cao lên vật liệu chịu lửa
không phải giới hạn ở nhiệt nóng chảy của chúng mà chất lượng của vật liệu
chịu lửa được đánh giá bằng khả năng chống lại các tác dụng của tải trọng
xây dựng ở nhiệt độ xác định.
 Khi chịu tác dụng ở nhiệt độ cao, phần lớn các vật liệu chịu lửa đều giảm thể
tích do hiện tượng kết khối phụ. Một số khác lại tăng thể tích như Dinas. Sự
biến đổi thể tích của vật liệu chịu lửa có thể gây nên hư hỏng và phá hủy vỏ
lò. Vì vậy vật liệu chịu lửa phải có thể tích ổn định ở nhiệt dùng của chúng.
 Sự thay đổi nhiệt độ của lò khi đốt nóng và làm nguội cũng như khi đốt nóng
vỏ lò không đồng đều cũng gây nên nứt vở vật liệu chịu nhiệt. Do vậy cần có
độ bền nhiệt.
Lớp gạch lót trong lò công nghiệp hay các ghi đốt thường bị hủy hoại do các vật liệu
nấu hay nung trong đó, vì vậy một yêu cầu nữa là có độ bền hóa.
Hiện nay vẫn chưa có loại vật liệu chịu lửa nào tập hợp đầy đủ tính chất làm việc
cần thiết để sử dụng một cách chắc chắn trong các điều kiện bất kỳ. Mỗi dạng vật liệu chịu
lửa đều được đặc trưng bởi các tính chất nào đó của nó, trên cơ sở đó người ta xác định
phạm vi sử dụng thích hợp.


7
1.1.1. Phân loại
Theo bản chất hóa lý của nguyên vật liệu ban đầu, vật liệu chịu lửa được chia làm
8 nhóm chính theo bảng 1.1 [4].
Bảng 1.1. Phân loại Vật liệu chịu lửa theo bản chất hóa lý của nguyên liệu ban đầu
TT

Nhóm

Loại
Silic oxit nóng chảy (thủy tinh thạch

1

2

yếu (%)
SiO2≥ 98

Vật liệu chịu lửa

anh)

silic

Silic oxit (gạch dinas)

SiO2 ≥ 93

Cao silic

85 < SiO2< 93

Bán axit

14 ≤ Al2O3<30

Samôt

30 ≤ Al2O3< 45

Vật liệu chịu lửa

Cao alumin cấp III (Mulit silic)

45 ≤ Al2O3< 65

alumo-silicat

Cao alumin cấp II (mulit)

65 ≤ Al2O3<75

Cao alumin cấp I (mulit - corun)

75 < Al2O3 ≤ 90

Corun

Al2O3> 90

Manhedi

MgO ≥ 80

Manhedi - Crôm

Crôm - Manhedi
Crômit
3

Thành phần chủ

Vật liệu chịu lửa
kiềm tính

Manhedi Spinel

Spinen

MgO ≥ 60
5 < Cr2O3< 15
40 ≤ MgO ≤ 60
15 < Cr2O3< 30
Cr2O3≥ 30
MgO ≥ 40
5 < Al2O3 ≤ 25
20 ≤ MgO < 40
60 < Al2O3 ≤70

Forsterit

40 < MgO < 60

Manhedi Forsterit

20 ≤ SiO2≤ 45

Forsterit – Crômit

45 ≤ MgO ≤ 65


8
TT

Nhóm

Loại

Thành phần chủ
yếu (%)
15 ≤ SiO2≤ 30
5 ≤ Cr2O ≤ 15

Đôlômi
Manhedi - Đôlômi

MgO ≥ 30
CaO ≥ 45
MgO ≥ 50
CaO ≥ 10
35 < MgO ≤ 75

Đôlômi ổn định

10 ≤ CaO ≤ 40
6 ≤ SiO2≤ 15
CaO/ SiO2> 2

Canxi

4

Vật liệu chịu lửa

CaO ≥ 70
MgO < 30

Graphit

C > 96

Cacbon ( than)

C > 85

Có chứa Cacbon

4 < C ≤ 85

Alumin - Cacbon

cacbon

Al2O3> 40
5 ≤ C ≤ 25
MgO < 40

Đôlômi - cacbon

CaO > 50
7 ≤ C ≤ 30

Manhedi - cacbon

5

6

MgO > 70
5 ≤ CaO ≤ 25

Cacbua – silic tái kết tinh

SiC > 90

Cacbua – silic liên kết silic

SiC < 90

Cacbua – silic với các liên kết khác

SiC < 75

Vật liệu chịu lửa

Oxit Zircon

ZrO2> 85

Zircon

Zircon - silic

50 ≤ ZrO2 ≤ 85

Vật liệu chịu lửa
cacbua - silic


9
TT

Nhóm

Loại

Thành phần chủ
yếu (%)
SiO2 ≤ 45

Zircon - Alumin

50 ≤ ZrO2 ≤ 85
Al2O3 ≤ 65
30 < Al2O3 <95

Alumin – zircon - silic

5 ≤ ZrO2 ≤ 50
25 ≤ SiO2 ≤ 40
BeO, MgO, CaO,

Oxit kết tinh

7

Al2O3, Cr2O3,
SiO2,… tinh khiết

Vật liệu chịu lửa

≥ 97

đặc biệt

Nitrua, Borua,
Không chứa oxit

cacbua, silisua và
những hợp chất
không chứa oxi

8

Sợi alumô silicat

30 ≤ Al2O3≤ 60

Vật liệu chịu lửa

Sợi mullit

72 ≤ Al2O3 ≤ 80

dạng sợi bông

Sợi corun

Al2O3> 90

Sợi Zircon

ZrO2 ≥ 91

Theo độ chịu lửa, vật liệu chịu lửa được chia thành ba loại: Loại chịu lửa thường: độ
chịu lửa từ 1580°C đến 1770°C; loại cao lửa: độ chịu lửa từ 1770°C đến 2000°C; loại rất
cao: độ chịu lửa trên 2000°C [4].
Theo hình dạng và kích thước: Gồm các loại: loại thường khối hình hộp, gạch dị hình,
loại khối lớn... [4]
Theo đặc tính gia công nhiệt: Có sản phẩm chịu lửa loại nung và loại không nung.
Theo phương pháp sản xuất, vật liệu chịu lửa được chia thành 3 loại như sau:
Sản phẩm nén dẻo, nén bán khô hoặc nén dập từ phối liệu dạng bột không dẻo; sản
phẩm đúc từ hồ bởi chất nóng chảy; sản phẩm cưa từ quặng [4].


10
Theo độ xốp, vật liệu chịu lửa được chia thành các loại sau: loại kết khối (độ xốp < 1%);
loại đặc (độ xốp từ 10-30%); loại ít kết khối (độ xốp > 50%) [4].
1.1.2. Cấu trúc và tính chất vật lý
Đặc tính cấu trúc của sản phẩm chịu lửa có ảnh hưởng quyết định đến mọi tính chất
của nó. Xét về mặt cấu trúc, vật liệu chịu lửa là một tổng thể có kết hợp và sắp xếp xen kẽ
lẫn nhau của ba pha: tinh thể, thủy tinh (vô định hình) và khí (lỗ xốp). Bản chất hoá lí và
số lượng mỗi pha hoàn toàn khác nhau.
Để nghiên cứu đặc tính cấu trúc của vật liệu chịu lửa người ta dùng các phương
pháp hoá lí hiện đại như phân tích nhiệt, phân tích pha và cấu trúc nhiễu xạ rơnghen,
bằng kính hiển vi phân cực, tính hiển vi điện tử và phương pháp phân tích thạch học [4].
Độ xốp
Để tiện phân biệt và đánh giá độ xốp trong sản phẩm người ta chia các loại lỗ xốp ra
3 nhóm sau:
 Lỗ xốp kín, nằm trong lòng sản phẩm, không cho các chất lỏng và khí thấm
qua.
 Lỗ xốp hở, nằm trên bề mặt sản phẩm, chứa đầy chất lỏng hay khí nhưng
không cho chúng thấm qua sản phẩm.
 Lỗ xốp dạng kênh, là loại lỗ hở hai đầu cho chất lỏng và khí thấm qua sản
phẩm dễ dàng.
Khả năng thấm khí (hay lỏng) của sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào kích thước và
số lượng của dạng lỗ xốp dạng kênh và chênh lệch áp suất của khí (hay lỏng) ở hai đầu lỗ.
Độ xốp được đánh giá bằng một thông số đặc trưng sau đây [4]:
 Mật độ thực (khối lượng riêng ρt) g/cm3, là khối lượng của 1 cm3 vật liệu
không có lỗ xốp.
 Mật độ biểu kiến (khối lượng riêng biểu kiến ρt) g/cm3, là khối lượng của l
cm3 vật liệu kể cả lỗ xốp.
 Độ xốp thực Wt, % là tỉ số của thể tích các lỗ xốp (cả lỗ hở và lỗ kín) với thể
tích vật liệu.


11
 Độ xốp hở hay biểu kiến Wbk, % là tỉ số thể tích của các lổ hở chứa đầy nước
khi đun sôi với thể tích của vật liệu.
 Độ xốp kín Wk, % là hiệu số giữa độ xốp thực và độ xốp biểu kiến:
Wk = Wt – Wbk

Hình 1.1. Các dạng lỗ xốp trong sản phẩm chịu lửa
1. Lỗ xốp kín

2. Lỗ xốp hở

3. Lỗ xốp dạng kênh
Cường độ nén
Cường độ nén của sản phẩm ở nhiệt độ thường phụ thuộc vào thành phẩm sản phẩm,
thành phần phối liệu, điều kiện nén và nhiệt độ nung. Qua chỉ tiêu cường độ nén có thể
đánh giá chất lượng sản phẩm nhanh và đơn giản, cũng như đánh giá cả quá trình kĩ thuật
sản xuất. Đa số gạch chịu lửa có cường độ nén lớn hơn 25N/mm2.
Phương pháp tiêu chuẩn để xác định cường độ chịu nén đựa trên theo cường độ chịu
nên của mẫu lập phương có cạnh từ 40 – 100 mm. Cường độ nén của đa số gạch chịu lửa
tăng khi nhiệt độ tăng và đạt đến trị số cực đại ở 1000 - 1100°C. Tiếp tục tăng nhiệt độ;
cường độ nén hạ thấp rất nhiều. Nguyên nhân của sự biến đổi này là do ở nhiệt độ đó xuất
hiện biến dạng dẻo [4].
Cường độ chịu kéo, uốn xoắn
trong quá trình sử dụng gạch chịu lửa sẽ xuất hiện các loại ứng suất khác nhau như
ứng suất kéo, ứng suất uốn, ứng suất trượt. Để đánh giá cường độ chịu kéo, uốn, xoắn lí
tưởng nhất là xác định ở nhiệt độ làm việc của chúng, vì thế ít khi người ta xác định cường
độ chịu kéo, uốn xoắn và cũng không có phương pháp tiêu chuẩn nào để xác định các cường
độ này.


12
Có thể nói rằng cường độ chịu uốn khoảng 2-3 lần nhỏ hơn và cường độ chịu nén
khoảng 5-10 lần nhỏ hơn cường độ chịu nén [4].
Độ dẫn nhiệt
Độ dẫn nhiệt của vật liệu đặc trưng bằng hệ số dẫn nhiệt λ, W/mK. Độ dẫn nhiệt
có ỹ nghĩa lớn khi xác đinh nhiệt tổn thất qua tường, vòm lò. Độ dẫn nhiệt ảnh hưởng đến
độ bền nhiệt của sản phẩm vì độ dẫn nhiệt cùng với nhiệt dãn nở là nguyên nhân gây ứng
suất trong vật liệu.
Khi nhiệt độ tăng độ dẫn nhiệt của vật liệu chịu lửa thường tăng. Tuy nhiên,một số
vật liệu chịu lửa pha tinh thể nhiễu hoặc chứa tạp chất ít, khi tăng nhiệt độ hệ số dẫn nhiệt
giảm (manhêdi, cacbonrun, corun).
Nếu độ xốp tăng, độ dẫn nhiệt giảm. Nếu kích thước lỗ xốp tăngvới các điều kiện
khác như nhau, ở nhiệt độ cao độ dẫn nhiệt tăng lên rất nhiều. Đa số vật liệu chịu lửa đều
là loại dẫn nhiệt kém. Độ dẫn nhiệt của samốt, đinat khoảng 50 - 100 lần, nhỏ hơn độ dẫn
nhiệt của kim loại [4].

Hình 1.2. Sự phụ thuộc của hê số dẫn nhiệt của một số vật liệu chịu lửa vào nhiệt độ
1. Đinat: λ1 = 1,16 + 0.00064t

5. Manhêdi - crômit: λ1 = 4,07 - 0,001 l0t

2. Samôt: λ1 = 1,27 + 0,00064t

6. Crôm - manhêdi: λ1 = 2,00-0,00035t

3. Manhêdi: λ1 = 4,65 - 0,00175t

7. Bêtông chịu lửa: λ1 = 1,45 - 0,00052t.

4. Crômit: λ1 = 1,28 + 0,00040t


13
1.1.3. Tính chất sử dụng của vật liệu chịu lửa
Độ chịu lửa của vật liệu là khả năng chống lại quá trình biến dạng khi chi tiết làm
việc ở nhiệt độ cao. Độ chịu lửa là một trong những tính chất cơ bản để xác định khả năng
sử dụng của vật liêu chịu lửa, phụ thuộc vào thành phần hoá học của vật liệu [4].
Độ bền nhiệt là khả năng chống lại sự phá huỷ trong điều kiện nhiệt độ thay đổi.
Nguyên nhân dẫn đến nứt vỡ sản phẩm do dao động nhiệt độ là sự xuất hiện ứng
suất bên trong sản phẩm do chênh lệch nhiệt độ khi đốt nóng và làm nguội. Trong quá trình
nung nóng không đều trong vật liệu nên sẽ xuất hiện ứng suất trượt giữa các lớp vật liệu do
dãn nở nhiệt không đều. Khi làm nguội, lớp bề mặt bị co lại nhưng bên trong nhiệt độ vẫn
cao, do vậy vật liệu chịu lửa sẽ có ứng suất kéo và xuất hiện kẽ nứt ở các mặt thẳng góc với
bề mặt làm nguội.
Khả năng của vật liệu chịu lửa chống lại các ứng suất xuất hiện bên trong sản phẩm;
phụ thuộc vào tính chất cơ học và tính chất đàn hồi của nó [4].
Độ bền cơ học
Một tính chất quan trọng của vật liệu chịu lửa là khả năng chống lại đồng thời tác
dụng của nhiệt độ và tải trọng. Độ bền cơ học được đặc trưng bằng nhiệt độ biến dạng dưới
tải trọng 0,2 N/mm2, biểu thị khoảng mềm khi đó sản phẩm sẽ bị biến dạng dẻo.
Tải trọng thực tế khi làm việc thường nhỏ hơn tải trọng kiểm tra (0,2 N/mm2) nhiều.
Nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng là một chỉ tiêu rất quan trọng của vật liệu đặc trưng cho
khả năng làm việc dưới tác dụng của nhiệt độ và tải trọng. Chỉ tiêu này phản ánh đúng khả
năng sử dụng hơn so với độ chịu lửa trong những điều kiện cụ thể [4].
Tính ổn định thể tích ở nhiệt độ cao
Vật liệu chịu lửa khi sử dụng thường phải chịu tác dụng nhiệt độ cao và lâu hơn nhiệt
độ nung khi chế tạo ra chúng. Do vậy, khi làm việc sẽ có sự thay đổi thành phần pha, kết
tinh lại và kết khối phụ. Do đó vật liệu sẽ có thể bị co hoặc nở phụ; hiện tượng đó làm sản
phẩm biến đổi không thuận nghịch kích thước dài của chúng.
Ở nhiệt độ cao, phần lớn sản phẩm chịu lửa sẽ xít chặt lại do kết khối. Sự xít chặt
này xảy ra do sự căng bề mặt của pha lỏng, gây nên hiện tượng sắp xếp lại và có sự sát nhập
các hạt trong vật liệu. Khi duy trì lâu dài ở nhiệt độ cao, tinh thể lớn dần và sản phẩm trở
nên xít chặt hơn. Hiện tượng co phụ sẽ làm xuất hiện kẽ nứt giữa mạch vữa và các viên


14
gạch, bong vữa và dẫn đến hạ thấp độ bền xỉ, độ bền nhiệt của vật liệu chịu lửa. Tường và
vòm lò sẽ bị lún xuống dần sẽ bị phá hủy [4].
Độ bền xỉ
Trong lò công nghiệp ở nhiệt độ cao vật liêu chịu lửa thường phải tiếp xúc với môi
trường lỏng, môi trường khí và môi trường rắn. Môi trường lỏng tiếp xúc với gạch như xỉ
nóng chảy, kim loại nóng chảy, thủy tinh lỏng, tro xỉ, nhiên liệu chảy lỏng.
Môi trường khí phá hoại chi tiết thường là sản phẩm cháy, nhiên liệu khí, khí co
trong lò cao, khí cacbuahyđro trong lò cốc hoá... Các khí này thấm sâu vào các lỗ của gạch
phá hoại hoặc hạ thấp độ bền của chúng. Môi trường rắn tác dụng với gạch chịu lửa như
bụi quặng, bụi phối liệu, bụi xỉ hoặc xỉ rắn hoặc tiếp xúc giữa hai loại vật liệu chịu lửa với
nhau.
Xỉ phá hoại gạch chịu lửa có hai dạng: ăn mòn và xâm thực [4].
Dãn nở nhiệt
Các vật liệu chịu lửa khi đốt nóng thường bị giãn nở, sau khi làm nguội sẽ trở về thể
tích ban đầu. Sự dãn nở do đốt nóng khác với hiện tượng dãn nở phụ do sự biến đổi thành
phần pha và cấu tạo của vật liệu. Ứng suất trong vật liệu hình thành do đốt nóng hoặc làm
nguội nhanh; nó phụ thuộc vào độ dãn nở nhiệt. Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu được xác
định bởi các chỉ tiêu sau [4]:
Hệ số dãn nở nhiệt trung bình:

atb =

𝑳𝒕 − 𝑳𝒕𝟎
𝑳𝒕𝟎 ( 𝒕−𝒕𝟎 )

; l/K

Hệ số dãn nở nhiêt thực:

at =

𝟏 𝒅𝑳
𝑳 𝒅𝒕

Hệ số dãn nở nhiệt tương đối:
α=

𝑳𝒕 − 𝑳𝒕
𝑳𝒕

𝟎

𝟏𝟎𝟎%

𝟎

Trong đó: Lt0- chiều dài mẫu ở 0°C hay ở nhiệt độ trong phòng, m;
Lt- chiều dài mẫu ở nhiệt độ đo, m;
dL/dt- biến đổi chiều dài theo nhiệt độ


15
1.2. Vật liệu geopolymer
Geopolymer là từ được sử dụng để chỉ các loại vật liệu vô cơ tổng hợp từ vật liệu có
nguồn gốc aluminosilicate. Khái niệm Geopolymer lần đầu tiên được sử dụng bởi giáo sư
Joseph Davidovits từ những năm 1970. Nguyên lý chế tạo vật liệu geopolymer dựa trên khả
năng phản ứng của các vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm để tạo ra sản phẩm
có các tính chất và cường độ tốt hơn. Hệ nguyên liệu để chế tạo vật liệu geopolymer bao
gồm hai thành phần chính là các nguyên liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm [9]. Nguyên
liệu aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình geopolymer hóa xảy ra
(thường dùng là tro bay, metakaolin, silicafume…). Chất hoạt hóa kiềm được sử dụng phổ
biến nhất là các dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng Natri Silicate nhằm tạo môi
trường kiềm và tham gia vào các phản ứng geopolymer hóa [9].
Gepolymer là sản phẩm của quá trình phản ứng giữa vật liệu có nguồn gốc silic và
nhôm với dung dịch kiềm. Vật liệu này có thể thay thế xi măng trong bê tông. Hiện nay
geopolymer đã và đang được nghiên cứu rộng rãi và cho thấy khả năng thay thế bê tông xi
măng trong một số ứng dụng do bê tông geopolymer vừa có các tính chất kỹ thuật tốt, đồng
thời giảm khả năng gây hiệu ứng nhà kính khi thay thế xi măng pooclăng. Ngành công nghệ
vật liệu geopolymer ra đời từ những năm 1960, nhưng được quan tâm và nghiên cứu nhiều
hơn từ những năm 1972 đến nay. Hiện tại, đã có rất nhiều bằng sáng chế, nghiên cứu và
ứng dụng geopolymer vào các ngành công nghệ vật liệu hiện đại (vật liệu cách nhiệt, vật
liệu chống cháy, chất kết dính vô cơ, công nghệ xử lý chất thải…) được giới thiệu và ứng
dụng trên toàn thế giới. Khởi đầu bằng việc Viện Geopolymer được thành lập tại Pháp năm
1972. Xuất phát từ ý tưởng phải tìm ra vật liệu vô cơ có khả năng chống cháy và chịu được
nhiệt độ cao, Joseph Davidovits đã phát hiện ra hệ nguyên liệu bao gồm đất sét, kaolin có
thể tương tác với dung dịch kiềm NaOH ở 100 – 150C để tạo ra hợp chất mới là
Hydrosodialte [9].
1.2.1. Thành phần hóa học của geopolymer và phản ứng đóng rắn
Có nhiều nghiên cứu về chất kiềm hoạt hóa sau kết quả nghiên cứu của người Pháp
Davidovits. Ông đã nghiên cứu phát triển và được nhận bằng sáng chế về chất kết dính
metakaoline sử dụng kiềm hoạt hóa, sau này gọi là Geopolymer vào năm 1978. Theo


16
Davidovits, geopolymer là loại polymer vì có sự chuyển biến hình thù, polymer hóa và
đóng rắn ở nhiệt độ thấp. Nhưng chúng cũng là chất vô cơ, cứng và ổn định ở nhiệt độ cao
đồng thời không bị cháy, loại có khả năng ứng dụng nhiều nhất trong xây dựng là loại vật
liệu aluminosilicat. Geopolymer này dựa vào quá trình nhiệt hoạt hóa các vật liệu tự nhiên
(như metakaoline) hoặc sản phẩm của công nghiệp (như tro bay, xỉ) nhằm cung cấp nguồn
vật liệu silic (Si) và nhôm (Al) sẽ được hòa tan với dung dịch kiềm kích hoạt rồi sau đó
thực hiện quá trình trùng hợp tạo thành chuỗi phân tử tạo đá chất kết dính [25].
Cấu trúc vô định hình của geopolymer cơ bản được tạo thành từ lưới cấu trúc của
những Alumino-Silico hay còn gọi là Poly-sialate. Sialate là viết tắt của SilicOxy-Nhôm.
Các cầu nối –Si-O-Al tạo thành các bộ khung không gian vững chắc bên trong cấu trúc.
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+ , Ca2+, Ba2+, NH4+, H3O- ) phải hiện diện
trong các hốc của khung để cân bằng điện tích của Al3+ và hình thành monomer mới như
hình 1.3 [21]:

Hình 1.3. Phản ứng hình thành monomer
Quá trình Geopolymer hóa liên quan đến hàng loạt phản ứng nhanh của nguyên liệu
Si-Al trong môi trường dung dịch hoạt hóa polymer. Kết quả tạo thành sản phẩm có cấu
trúc dạng chuỗi hay dạng vòng. Sản phẩm tổng hợp có cấu trúc từ vô định hình đến bán
tinh thể được gọi là geopolymer.
Quá trình tổng hợp để tạo thành vật liệu geopolymer được gọi là quá trình
geopolymer hóa các nguyên vật liệu aluminosilicate ban đầu nhờ vào các dung dịch hoạt
hóa kiềm. Quá trình hoạt hóa kiềm cho các vật liệu aluminosilicate là một quá trình phức
tạp và đến nay vẫn chưa được mô tả một cách rõ ràng. Các bước phản ứng không diễn ra
tuần tự mà hầu như diễn ra cùng lúc và chồng lắp vào nhau. Do đó, rất khó phân biệt cũng
như khảo sát các bước phản ứng một cách riêng biệt.


17
Phản ứng hóa học của quá trình geopolymer hóa có thể diễn ra theo 1 trong 2 phương
trình có trong hình 1.4.

Hình 1.4. Phản ứng hóa học của quá trình geopolymer hóa
Theo hai phản ứng trên, các vật liệu Si-Al hoạt tính phải trở thành nguồn nguyên
liệu chính cho quá trình geopolymer hóa. Cơ chế đóng rắn của geopolymer bao gồm sự hòa
tan, biến đổi và định hướng. Muối kim loại kiềm hay hidroxit kiềm là cần thiết cho quá
trình hòa tan oxit silic và nhôm cũng như xúc tác cho phản ứng trùng ngưng. Quá trình
geopolymer hóa bắt đầu với sự hòa tan của Al và Si từ vật liệu Si – Al trong dung dịch kiềm
tạo ra các sản phẩm phản ứng hydrat với NaOH và KOH tạo thành gel
[Mx(AlO2)y,(SiO2)z.nMOH.mH2O]. Sau một thời gian ngắn, gel sẽ hóa cứng thành
geopolymer. Theo D.Hardjito (2005), quá trình phản ứng hóa học tạo thành geopolymer có
thể được phân ra thành các bước chính sau [26] :
- Hòa tan các phân tử Si và Al trong nguyên liệu nhờ vào các ion hydroxide trong
dung dịch.
- Định hướng lại các ion trong dung dịch tạo thành các monomer.
- Đóng rắn các monomer thông qua các phản ứng trùng ngưng polymer để tạo
thành các cấu trúc polymer vô cơ.
1.2.2. Cơ chế của sự đóng rắn


18
Trên cơ sở rất nhiều nghiên cứu về chất kết dính kiềm kích hoạt (alkali-activated
cements), người ta chấp nhận có 2 khái niệm khác nhau là xỉ lò cao nghiền mịn kiềm kích
hoạt (alkali activated GGBFS) và geopolymer. Chất kiềm kích hoạt của GGBFS có kiểu
(Si+Ca) và Geopolymer có kiểu chất kết dính (Si+Al) với metakaoline và tro bay là vật liệu
chính [23].
Cơ chế động học phản ứng giải thích quá trình đông kết và rắn chắc của chất kết
dính kiềm hoạt hóa vẫn còn là một bí ẩn, mặc dù người ta cho rằng nó sẽ phụ thuộc vào vật
liệu ban đầu và chất kiềm kích hoạt. Theo Glukhovsky, cơ chế quá trình kiềm kích hoạt bao
gồm các phản ứng phân hủy nguyên liệu thành dạng cấu trúc ổn định thấp và phản ứng nội
tại. Trước tiên là quá trình bẻ gãy các liên kết cộng hóa trị Si-O-Si và Al-O-Si khi pH của
kiềm tăng lên. Vì thế những nhóm nguyên tố này được chuyển sang hệ keo. Sau đó xảy ra
sự tích tụ các sản phẩm bị phá hủy với phản ứng nội tại giữa chúng tạo cấu trúc ổn định
thấp, tiếp theo ở giai đoạn thứ 3 là quá trình hình thành cấu trúc đông đặc, hình 1.5 [28].

Hình 1.5. Sơ đồ mô phỏng sự hoạt hóa vật liệu Alumosilicate
Granizo đã nghiên cứu chất kết dính metakaoline hoạt hóa kiềm và cho rằng có 2
phản ứng khác nhau khi chất kiềm kích hoạt chỉ là NaOH hoặc thủy tinh lỏng. Ở trường


19
hợp thứ nhất, sau khi hòa tan một thời gian, các sản phẩm bị phá hủy bắt đầu tích tụ. Trong
trường hợp thứ 2, ngay sau khi xảy ra sự hòa tan sẽ xảy ra quá trình đa trùng hợp [23].
Palomo và các cộng sự cũng có cùng quan điểm này khi cho rằng, có hai kiểu hoạt
tính kiềm có thể xảy ra, kiểu thứ nhất xảy ra khi chất kích hoạt của xỉ lò cao (Si+Ca) là
dung dịch kiềm yếu, sản phẩm chủ yếu sẽ là CSH. Kiểu thứ 2 đối với chất hoạt hóa kiềm
của metakaoline là dung dịch kiềm từ trung bình đến mạnh. Sản phẩm cuối cùng có dạng
mạch trùng hợp và có cường độ cơ học cao. Với trường hợp đầu tương tự như quá trình
hình thành zeoloite. Vì vậy, có thể kết luận rằng chất kích hoạt của metakaoline tạo nên
nhiều mạch không có hình dạng nhất định gần giống như zeolite. Còn với chất chất hoạt
hóa kiềm của tro bay xảy ra sự tỏa nhiệt trong quá trình hòa tan, phân tách các liên kết cộng
hóa trị Si-O và Al-O-Al. Nhìn chung các sản phẩm tùy thuộc vào sự phá vỡ cấu trúc của
tro bay trong khoảng thời gian đầu và cuối cùng là quá trình ngưng kết tạo cấu trúc chuỗi
một cách có trật tự tạo khả năng có cường độ cơ học cao [30].
Davidovits cho rằng dung dịch kiềm có thể được sử dụng để phản ứng với silic và
nhôm trong nguồn vật liệu khoáng hoặc trong vật liệu phế thải như tro bay, tro trấu để chế
tạo chất kết dính. Bởi vì phản ứng hóa học xảy ra trong trường hợp này là quá trình trùng
hợp cho nên ông gọi là Geopolymer. Thông số chính quyết định đến tính chất và dạng sử
dụng của một loại geopolymer là tỷ lệ Si/Al. Với vật liệu xây dựng tỷ lệ Si/Al khoảng xấp
xỉ 2 [27], [29].

Hình 1.6. Mô tả phản ứng của tro bay với dung dịch kiềm


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×