CÔNG NGHỆ GẠCH POLYMER KHOÁNG TỔNG HỢP
GIỚI THIỆU
Cuộc cách mạng khoa học vật liệu không những đã tạo ra tính đa dạng sản phẩm cho xã hội mà còn tạo ra sự đa dạng về bản chất của vật liệu. Đặc biệt trong lĩnh vực vật liệu xây, đi từ những sản phẩm truyền thống như gạch bê tông xi măng – cát; gạch đất sét nung, đến gạch bê tông polymer vô cơ từ đất sét và gạch polymer khoáng, rồi gạch polymer khoáng tổng hợp. Sản phẩm ngày càng có nhiều đặc tính thân thiện với môi trường, dễ sản xuất và dễ sử dụng hơn.
Gạch polymer khoáng vô cơ từ đất sét là một loại vật liệu xây không nung đi từ nguyên liệu cơ bản là đất sét tạp, đất đồi kết hợp với vôi/ xi măng và phụ gia hoạt tính. Loại này có ưu điểm là nguồn nguyên liệu phong phú, quy trình sản xuất đơn giản, kích thước sản phẩm đồng nhất nên rất dễ sử dụng. Nhưng lại có nhược điểm rất lớn là tính đa dạng của các loại khoáng sét sẽ làm mất tính ổn định về chất lượng của sản phẩm nếu không có một nguồn nguyên liệu thuần và ổn định. Vì vậy hiện tại loại gạch này chưa phát triển ở thị trường trong nước.
Một loại cao cấp hơn đó là geopolymer, bản chất là một polymer vô cơ, đi từ nguyên liệu cơ bản là các khoáng silicate cao nhôm có trong tự nhiên hoặc nhân tạo như mê ta kaolanh, tro bay, xỉ lò,.. được polymer hóa trong môi trường sol-gel kiềm. Sản phẩm là những polymer có khung xương chủ yếu là các nguyên tố silic thật cứng chắc. Loại này có những tính năng ưu việt như chịu nhiệt, khán hóa chất và môi trường mặn. Có thể dùng để sản xuất gạch siêu nhẹ hoặc bê tông mác cao. Hiện tại giá thành còn cao nên chưa hấp dẫn người sử dụng. Đây có thể là sản phẩm chiến lược trong tương lai.
Với tiêu chí sản xuất thân thiện với môi trường, nguồn nguyên liệu được tận dụng tối đa, chất lượng tốt và giá thành cạnh tranh được với những vật liệu truyền thống. Một thế hệ vật liệu mới ra đời từ việc kế thừa những công nghệ truyền thống, bằng cách tổng hợp những cơ chế polymer hóa vô cơ, polymer hữu cơ và quá trình khoáng hóa trong một hệ kép kín, tạo nên một hệ polymer – khoáng tổng hợp. Nguyên liệu chính cũng đi từ cát, khoáng hoạt tính cao, xi măng đặc biệt, phụ gia gốc polymer hữu cơ làm chất phân tán và phụ gia hoạt tính vô cơ làm mầm kết tinh sớm. Quy trình sản xuất không qua nung sấy, sản phẩm sớm đạt cường độ cao trong vòng 3 ngày có thể sử dụng.
CƠ CHẾ HÌNH THÀNH MỘT POLYMER KHOÁNG TỔNG HỢP
Cơ chế đóng rắn bê tông truyền thống bằng xi măng portland:
Thành phần chính của xi măng portland là các silicate - canxi.
Để sản xuất xi măng người ta nung hỗn hợp chứa cacbonat canxi (đá vôi) và alumosilicat (đất sét) ở 1450oC để tạo thành clinke. Nghiền clinke và trộn với phụ gia để sử dụng.
Thành phần hóa học của clinke biểu thị bằng hàm lượng % các ôxyt có trong clinke, dao động trong giới hạn theo bảng 1.
Bảng 1. % các ôxyt thường có trong clinke
Thành phần khoáng chất trong clinke thường có 4 loại chính: alit (3CaO.SiO2 – viết tắt là C3S) , belit (2CaO.SiO2 – C2S), alminate- tricanxi (3CaO.Al2O3 – C3A) và fero aluminate tetracanxi (4CaO.Al2O3.Fe2O3 – C4AF).
Quá trình đóng rắn của xi măng portland chia làm 3 giai đoạn (theo Baikov,1923 và Rebinder): giai đoạn hoà tan, hoá keo và kết tinh (hình 1)
Hình 1. Sơ đồ quá trình đóng rắn của xi măng portland.
Khi nhào trộn xi măng với nước, xảy ra phản ứng thuỷ hoá giữa C3S và C2S và nước tạo ra các sản phẩm hydrosilicate canxi và Ca(OH)2. Pha alumo (chủ yếu là aluminate tricanxi 3CaO.Al2O3) tạo thành hydro aluminate ngậm nước. Các sản phẩm mới sinh ra tạo thành dung dịch bão hoà.
Trong giai đoạn hoá keo, từ dung dịch bão hoà các sản phẩm Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O, CSH mới tạo thành tồn tại ở trạng thái keo phân tán. Nước mất dần, các sản phẩm ở thể keo liên kết với nhau thành thể ngưng keo.
Đến giai đoạn kết tinh, nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mất đi, các sản phẩm mới ngày càng nhiều. Chúng kết tinh lại thành tinh thể, rồi chuyển sang thể liên tinh làm cho cả hệ thống hoá cứng và cường độ tăng.
Như vậy quá trình đóng rắn của xi măng portland thực chất là quá trình phản ứng hydrate hóa của các khoáng silicate canxi. Trong phản ứng có sự tham gia của H2O.
Cơ chế đóng rắn bê tông bằng xi măng polymer vô cơ:
Davidovits (1988) đã giới thiệu thuật ngữ “Geopolymer” vào năm 1978. Đây là một polymer được trùng hợp từ các khoáng vật thuộc nhóm alumosilicate. Thành phần chủ yếu là các nguyên tố silic và nhôm có nguồn gốc địa chất hoặc sản phẩm từ sản xuất (zeolite, tro bay...). Thành phần hoá của vật liệu geopolymer này giống với zeolite, nhưng chúng biểu hiện là một cấu trúc vô định hình.
Sản phẩm tổng hợp có cấu trúc vô định hình đến nửa tinh thể được đặc tên là “Geopolymer”. Bao gồm những loại sau:
Poly(sialate) (-Si-O-Al-O-),
Poly(sialate-siloxo) (-Si-O-Al-O-Si-O-),
Poly(sialate-disiloxo) (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-).
Những geopolymer cơ bản dựa trên những alumino-silico là polysialate. Sialate là viết tắt của Silic – Oxy – Nhôm. 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+) phải hiện diện trong các hốc của khung để cân bằng điện tích của Al3++.
Công thức kinh nghiệm của poly(sialate) :
Mn{-(SiO2)z-AlO2}n, wH2O.
Trong đó : M – các cation kim loại kiềm hay kiềm thổ.
n - mức độ polymer hoá
z- 1,2,3
Ở nhiệt độ thấp hơn 100oC, sự polymer hoá khoáng vật là phản ứng hoá học giữa các oxyt alumino-silicate với polisilicate kiềm tạo thành một khung xương Si – O – Al ; trạng thái vô định hình đến nửa kết tinh cấu trúc các silico-aluminate theo 3 chiều trong không gian là polysialate, polysialate – siloxo, và polysialate –disiloxo.
Với tiền thân của polymer hoá khoáng kaolinite, sự đa trùng ngưng bằng phương pháp thuỷ nhiệt ở 150oC/ 5-10 Mpa trong môi trường kiềm, xảy ra trong vòng 20 giây theo sơ đồ sau:
- (Si2O, Al2O2)n thu được khi nung kaolinite.
Sản phẩm tổng hợp theo cơ chế này không có sự hiện diện của nước trong cấu trúc phân tử, mặc dù môi trường nước là cần thiết trong quá trình phản ứng. Điều này trái với cơ chế đóng rắn bằng xi măng portland.
Sự kết hợp của hai cơ chế đóng rắn trong cùng một hệ thống:
Thực nghiệm cho thấy nếu kết hợp hai cơ chế đóng rắn này cùng trong một hệ thống thì kết quả chất lượng cao hơn, thời gian đóng rắn nhanh hơn và thời gian đạt cường độ cũng sớm hơn.
Đi từ những vật liệu truyền thống là xi măng, cát và các loại khoáng có hoạt tính cao như kaolinite, meta kaolinite, tro bay, muội silic, và một số các thành phần khoáng khác, kết hợp với phụ gia polymer gốc hữu cơ vừa làm chất phân tán, vừa làm tác nhân giữ nước, tăng tính dẻo cho hỗn hợp, hình thành nên một hỗn hợp có tính thi công dễ dàng.
Khi kết hợp với nước, một phần CaO có trong xi măng tạo thành môi trường kiềm, hòa tan một phần silic có trong các khoáng aluminosilicate tạo thành gel – tiền thân của polymer sau khi mất nước. Trong điền kiện thủy nhiệt, với nhiệt độ thích hợp (từ 20 – 40oC) xuất hiện sự trùng ngưng của các polymer, với khung xương chủ yếu là Si – O – Al – theo không gian 3 chiều. Quá trình này giải phóng một phần nước.
Nước trong hệ thống ngoài vai trò làm môi trường phản ứng trùng ngưng tạo polymer còn tham gia vào quá trình ninh kết (hydrat hóa) các canxi – silicate có trong linke. Như vậy, trong hệ thống có sự hiện điện của hai cơ chế:
Cơ chế polymer hóa vô cơ từ các khoáng hoạt tính trong môi trường kiềm.
Cơ chế hydrat hóa các khoáng Canxi - silicate có trong xi măng portland.
Trong hệ thống tồn tại đồng thời 2 quá trình vừa hổ trợ và vừa cộng hưởng cho nhau, thúc đẩy quá trình đóng rắn của hỗn hợp xảy ra trong thời gian ngắn. Thời gian ninh kết có thể bắt đầu trong 15 phút sau khi đổ khuôn và kết thúc sớm hơn 12 giờ.
Thông thường, nếu theo phương pháp đóng rắn truyền thống, thành phần phối liệu chỉ có cát và xi măng, thì việc tạo hình sản phẩm theo phương pháp ép bán khô cực khó, vì hỗn hợp vữa xi măng – cát hút hết nước trở thành bở rời, không kết dính. Việc kết hợp hai cơ chế đóng rắn làm cho vữa có độ dẻo cao, vì thế có thể tạo hình sản phẩm theo mong muốn. Sản phẩm ít bị khuyết tật do sứt mẻ.
Nguyên vật liệu
Nguyên liệu chính để sản xuất GKN theo công nghệ này cũng giống như theo cách truyền thống là xi măng portland thông thường và cát sạch.
Ngoài ra cần bổ sung nguyên liệu khoáng hoạt tính (chiếm khoảng 5 – 15%) có trong tự nhiên cũng như nhân tạo và phụ gia polymer gốc xellulose hiện có trên thị trường như HPMC, MC, HPE,...
Nguyên liệu khoáng hoạt tính là những khoáng giàu thành phần nhôm và silic, có rất nhiều trong tự nhiên và phế thải công nghiệp như tro bay, muội silic, kaolinite,... Ngoài ra còn tìm thấy trong các vật liệu phế thải trong xây dựng như gạch vỡ, bụi đá. Khi sử dụng người ta chỉ cần nghiền mịn với kích cở hạt xi măng là tốt (khoảng < 45 micromet).
Phụ gia polymer đóng vai trò là chất làm đặc, có tính kết dính và có khả năng tạo màng, giúp tăng cường độ dẽo của hỗn hợp vữa, đặc biệt trong trạng thái bán khô. Tỷ lệ sử dụng trong hỗn hợp khoảng 1 – 2%.
Bài viết khác