VỮA VÀ BÊ TÔNG “XANH” SỬ DỤNG CHẤT KẾT DÍNH POLYME VÔ CƠ TS. ĐÀO VĂN ĐÔNG KS. NGUYỄN NGỌC LÂN Bộ môn Vật liệu Xây dựng - Viện KHCN & XDGT Trường Đại học Giao thông Vận tải NGUYỄN DŨNG MẠNH VẦY VĂN HỒNG Lớp Vật liệu & Công nghệ Xây dựng GT - K46 Trường Đại học Giao thông Vận tải NGUYỄN QUỐC PHẨM Ủy ban An toàn Giao thông – Bộ Giao thông Vận tải LƯ THÀNH ĐỒNG Thành phố Cần Thơ Tóm tắt: Bài báo trình bày tổng quan về lịch sử hình thành của chất kết dính và vật liệu polyme vô cơ – một loại vật liệu mới được nghiên cứu ở một số nước phát triển trong khoảng 30 năm gần đây, tuy nhiên còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Vật liệu polyme vô cơ sử dụng chất kết dính polyme vô cơ, loại chất kết dính được polyme hoá trong môi trường kiềm của các vật liệu khoáng vật giàu Si-Al, không chỉ đạt được các tính chất tương tự hoặc tốt hơn so với các vật liệu có sử dụng các chất kết dính truyền thống, mà còn là một giải pháp hữu hiệu trong tận dụng chất thải và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Bài báo còn trình bày những kết quả nghiên cứu bước đầu về vữa và bê tông polyme vô cơ sử dụng các vật liệu sẵn có ở Việt Nam. Summary: This paper presents general reviews of inorganic polyme binder and inorganic polyme material – a novel material has been investigated around 30 recent years in developed contries but has not been paid attentions and researches in Vietnam. Inorganic polyme material used inorganic polyme binder, a binder is polymerized under alkali conditions of mineral materials that are rich Si-Al, obtains not only at least similar properties as materials bond by traditional binders but also it is a potential solution to utilize wastes and reduce invironmental impact. The paper also reports initial investigations in inorganic polyme mortar and concrete using available metarials in Vietnam. CT 2 I. GIỚI THIỆU Vật liệu xây dựng “xanh” có thể được định nghĩa là các vật liệu được sử dụng theo các phương pháp thân thiện với môi trường. Để đáp ứng tiêu chí thân thiện với môi trường thì quá trình sản xuất vật liệu xanh phải được nghiên cứu sao cho hoặc có thể kết hợp sử dụng được chất thải từ các ngành khác tạo ra, hoặc giảm thiểu tối đa sự phát tán chất thải. Đây là xu hướng đang rất được quan tâm ở hầu hết các quốc gia trên thế giới [1]. Vật liệu polymer vô cơ là loại vật liệu mới nhận được từ hỗn hợp bao gồm chất kết dính polyme vô cơ và các thành phần chất độn. Sau khi nhào trộn, đầm nén, tạo hình và dưỡng hộ sản phẩm phát triển cường độ và đạt được các tính chất kỹ thuật cần thiết. Quá trình phát triển cường độ của sản phẩm phụ thuộc vào quá trình polymer hoá các hợp chất vô cơ của chất kết dính polyme vô cơ [2, 3]. Chất kết dính polyme vô cơ có tính dính kết cao và có khả năng dính kết với hầu hết các loại cốt liệu trong quá trình rắn chắc. Vật liệu sử dụng chất kết dính polyme vô cơ được gọi là vật liệu polyme vô cơ. Vật liệu polyme vô cơ được phát triển lần đầu tiên từ những năm 1970 bởi Joseph Davidovits [2]. Sau đó nó được tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng ở các nước Châu Âu, Mỹ, Úc và một số quốc gia phát triển khác. Khái niệm chất kết dính polyme và vật liệu polyme thường gắn liền với nguồn gốc hữu cơ như keo epoxy, chất dẻo tổng hợp. Cho đến trước những năm 80 của thế kỷ trước, khái niệm polyme vô cơ hãy còn rất mới mẻ và ít được thừa nhận. Bởi lẽ, ngành hóa học cổ điển không tin là các chất vô cơ có thể polyme hoá được ở nhiệt độ thường, kể cả dưới các điều kiện áp suất cao. Tuy nhiên, khi đi sâu vào việc phân tích hoá-lý cho thấy quá trình hút nhau giữa các điện tích trái dấu ở một số vật liệu phù hợp sẽ hình thành nên các mạch polyme đa phân tử rất dài với bộ xương là các khoáng vật bền vững. Các polyme thu được có những tính chất hoá học, lý học và cơ học bền vững và có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực [4]. Các nghiên cứu về chất kết dính polyme vô cơ và vật liệu polyme vô cơ đã được triển khai ở một số nước trên thế giới và đã đạt được những thành tựu khả quan. Tuy nhiên, vấn đề này vẫn còn mới mẻ ở Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh vực vật liệu xây dựng. Bài báo này giới thiệu một cách tổng quan về vật liệu polyme vô cơ, những nghiên cứu bước đầu về chất kết dính polyme vô cơ và bê tông polyme vô cơ tại Trường Đại học Giao thông Vận tải và khả năng ứng dụng để sản xuất các vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường trong điều kiện tận dụng các vật liệu sẵn có ở Việt Nam. CT 2 II. CƠ CHẾ POLYME HOÁ CÁC CHẤT VÔ CƠ VÀ CƠ SỞ TẠO RA CHẤT KẾT DÍNH POLYME VÔ CƠ Quá trình polyme hoá vô cơ (hay còn gọi là polyme hoá khoáng vật) là phản ứng hoá học (phản ứng thế) diễn ra rất nhanh trong các môi trường kiềm của các khoáng vật silíc – nhôm. Kết quả của phản ứng là mạch polyme 3 chiều và cấu trúc chuỗi bao gồm bộ khung Si-O-Al-O [2]. Thành phần hoá học của polyme vô cơ tương tự như các vật liệu zeolit tự nhiên, nhưng cấu trúc của chúng lại ở dạng vô định hình. Cho đến nay, cơ chế chính xác của quá trình ninh kết và rắn chắc của chất kết dính polyme vô cơ vẫn chưa được làm sáng tỏ. Tuy nhiên, sự hình thành sản phẩm polyme vô cơ có thể được giải thích bằng công thức sau [3]: n(Si 2 O 5 Al 2 O 2 ) + 2nSiO 2 + 4nH 2 O + NaOH hoặc KOH→ Na + ,K + + n(OH) 3 –Si–O–Al - –O–Si–(OH) 3 (Vật liệu giàu Si–Al) ⏐ (OH) 2 ⏐ ⏐ ⏐ n(OH) 3 –Si–O–Al - –O–Si–(OH) 3 + NaOH hoặc KOH → (Na + ,K + )–(Si–O–Al - –O–Si–O–) + 4nH 2 O ⏐ ⏐ ⏐ ⏐ (OH) 2 O O O ⏐ ⏐ ⏐ (Bộ xương polyme vô cơ) Như vậy, hai thành phần chủ yếu để chế tạo chất kết dính polyme vô cơ là các vật liệu khoáng giàu silíc (Si) và nhôm (Al) và các loại dung dịch kiềm. Các vật liệu khoáng giàu Si-Al có thể là kaolanh, các loại đất sét, thậm chí các loại chất thải như tro bay nhiệt điện, muội silíc, xỉ, tro trấu, v.v Các dung dịch kiềm có thể được sử dụng là hydroxít của natri hoặc kali. Để đạt hiệu quả polyme hoá cao NaOH hoặc KOH thường được kết hợp sử dụng với Na 2 SiO 3 hoặc K 2 SiO 3 [2, 3, 4]. Trong quá trình polyme hoá và rắn chắc, chất kết dính polyme vô cơ có tính dính và có khả năng liên kết các vật liệu chất độn rời rạc thành một khối rắn chắc. III. NHỮNG NGHIÊN CỨU BƯỚC ĐẦU VỀ VỮA VÀ BÊ TÔNG POLYME VÔ CƠ TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Với mục đích chế tạo thử nghiệm vữa và bê tông polyme vô cơ trên cơ sở sử dụng các vật liệu sẵn có ở Việt Nam, nghiên cứu đã tiến hành thực hiện các nội dung sau: Vật liệu và tỷ lệ thành phần Chất kết dính polyme vô cơ: Tro bay nhiệt điện (chất thải công nghiệp) từ nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ; NaOH dạng vảy khô (độ tinh khiết 98%); và dung dịch Na 2 SiO 3 . Cốt liệu mịn: Cát tự nhiên có mô đun hạt M k = 2,5. Cốt liệu thô: Đá dăm có D max = 10 mm. Cấp phối cốt liệu, gồm đá dăm và cát, được chọn theo đường cong cấp phối Fuller. CT 2 Nước: Sử dụng nước sinh hoạt. Tỷ lệ thành phần theo khối lượng: Vữa polyme vô cơ: Tỷ lệ cát : tro bay : NaOH : Na2SiO3 = 1 : 0,317 : 0,08 : 0,08 Bê tông polyme vô cơ: Tổng tỷ lệ cốt liệu (thô + mịn) : chất kết dính : nước = 1:0,23:0,033 Nhào trộn hỗn hợp Các thành phần vật liệu được nhào trộn hoàn toàn theo các phương pháp thông thường giống như nhào trộn hồ xi măng, vữa xi măng cát, hay hỗn hợp bê tông xi măng. Máy trộn sử dụng là máy trộn cưỡng bức với thời gian trộn từ 8 đến 10 phút cho 1 mẻ trộn. Chế tạo mẫu thử Hỗn hợp sau khi nhào trộn được đúc mẫu. Mẫu thử kiểm tra tính chất của vữa là mẫu hình dầm kích thước 40×40×160 mm (hình 1a). Mẫu thử bê tông được chế tạo từ các khuôn hình trụ tròn có kích thước 100×200 mm và 150×300 mm (hình 1b). Hỗn hợp cho vào khuôn và được đầm chặt bằng bàn rung trong khoảng 3 phút, tương tự như chế tạo vữa và bê tông xi măng. Dưỡng hộ mẫu Các mẫu thử được dưỡng hộ ở 2 điều kiện, gồm: điều kiện thường trong phòng thí nghiệm, và ở 60 o C sau 24 giờ. Sau 14 và 28 ngày các mẫu thử được thí nghiệm để kiểm tra cường độ. Hình 1a. Mẫu dầm vữa polyme vô cơ, kích thước 40 × 40 × 160 mm Hình 1b. Mẫu bê tông polyme vô cơ, kích thước 100 × 200 mm Kết quả thí nghiệm cường độ Kết quả thí nghiệm cường độ mẫu vữa và bê tông polyme vô cơ ở 14 và 28 ngày tuổi được thể hiện trong hình 2a và hình 2b. 0 10 20 30 40 50 0 7 14 21 28 Tuổi, ngày Cường độ, MP a Cường độ nén, Rn Cường độ kéo uốn, Rku 0 10 20 30 40 50 0 7 14 21 28 Tuổi, ngày Cường độ nén, MP a Hình 2a. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn và cường độ chịu nén của mẫu vữa polyme vô cơ dưỡng hộ ở điều kiện phòng thí nghiệm ở 14 và 28 ngày tuổi Hình 2b. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén mẫu bê tông polyme vô cơ dưỡng hộ 1 ngày ở 60 o C ở 7 và 28 ngày tuổi CT 2 Hình 2a cho thấy mẫu vữa polyme vô cơ đạt cường độ nén gần 45 MPa và cường độ kéo uốn xấp xỉ 12 MPa ở 28 ngày tuổi. Như vậy, việc sử dụng chất kết dính polyme vô cơ để chế tạo mẫu vữa đạt tương đương với việc sử dụng các loại xi măng poóclăng mác PC40. Hơn nữa, cường độ chịu kéo khi uốn của mẫu vữa sử dụng chất kết dính polyme vô cơ cao hơn khá nhiều so với việc sử dụng xi măng poóclăng truyền thống. Kết quả này có thể được giải thích thông qua cơ chế dính bám tốt hơn giữa chất kết dính polyme vô cơ với bề mặt cốt liệu so với chất lượng dính bám của xi măng. Các nghiên cứu sâu hơn để giải thích chi tiết về khía cạnh này đang được tiếp tục triển khai. Kết quả này mở ra triển vọng nâng cao khả năng chịu kéo khi uốn của kết cấu sử dụng chất kết dính polyme vô cơ so với sử dụng xi măng poóclăng. Cường độ chịu nén của bê tông polyme vô cơ đạt trên 24 MPa và 30 MPa ở 7 và 28 ngày tuổi (hình 2b). Các thử nghiệm đang được tiếp tục triển khai nhằm nâng cao cường độ chịu nén của loại bê tông này lên trên 50 MPa. IV. NHỮNG LỢI ÍCH CỦA VỮA VÀ BÊ TÔNG POLYME VÔ CƠ Các kết quả thí nghiệm bước đầu cho thấy cường độ của vữa và bê tông polyme vô cơ có thể đạt được tương tự như các loại vữa và bê tông xi măng truyền thống. Hơn nữa, tuỳ thuộc vào tỷ lệ thành phần hỗn hợp được lựa chọn, thiết kế; tuỳ thuộc vào phương pháp dưỡng hộ có thể áp dụng mà chất lượng của sản phẩm thu được có thể biến đổi trong một phạm vi rộng, từ vài MPa đến hàng trăm MPa. Do vậy, các sản phẩm này có triển vọng so sánh với các loại bê tông, từ cường độ thấp đến cường độ cao, để ứng dụng trong xây dựng. Toàn bộ quá trình công nghệ chế tạo vữa và bê tông polyme vô cơ tương tự như đối với vữa và bê tông xi măng truyền thống. Do vậy hoàn toàn có thể sử dụng các công nghệ và trang thiết bị máy móc hiện hữu của ngành xây dựng để thi công. Hơn nữa, do chất kết dính polyme vô cơ sử dụng tro bay nhiệt điện nên đây sẽ là một bước đột phá trong sản xuất vật liệu xây dựng thân thiện môi trường. Sử dụng tro bay nhiệt điện sẽ thu được lợi ích kép. Một mặt, vữa và bê tông polyme vô cơ không sử dụng xi măng poóc lăng nên mỗi tấn xi măng được loại bỏ là đã cắt giảm được khoảng 1 tấn khí gây hiệu ứng nhà kính [6]. Một mặt việc sử dụng tro bay nhiệt điện sẽ tận dụng được nguồn chất thải công nghiệp khổng lồ đã và đang phát thải ra với khối lượng tăng dần. CT 2 V. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Căn cứ vào những phân tích lý thuyết và các kết quả thử nghiệm bước đầu đã và đang được tiến hành tại Trường Đại học Giao thông Vận tải, các kết luận sau có thể được rút ra:  Chất kết dinh polyme vô cơ hoàn toàn có triển vọng để thay thế một phần hoặc toàn bộ xi măng poóc lăng truyền thống trong các ứng dụng xây dựng.  Bên cạnh tính chất về cường độ ít nhất tương tự như vữa và bê tông xi măng truyền thống, vữa và bê tông polyme vô cơ còn đạt được các ưu điểm nổi trội khác như thời gian rắn chắc nhanh hơn, chịu được nhiệt và môi trường xâm thực tốt hơn.  Chất kết dính polyme vô cơ có thể được sử dụng với nhiều loại chất độn mà xi măng poóc lăng khó dính kết được.  Chất kết dính polyme vô cơ hầu như không sinh ra chất thải và khí thải. Do đó, vữa và bê tông polyme vô cơ có thể được coi là những sản phẩm “xanh” góp phần phát triển ngành công nghiệp xây dựng thân thiện với môi trường.  Cần có sự quan tâm đúng mức để hoàn thiện công nghệ sản xuất và tiến tới ứng dụng rộng rãi vữa và bê tông polyme vô cơ ở Việt Nam trong thời gian tới. Tài liệu tham khảo [1]. Đào Văn Đông (2009). Vật liệu “xanh” và bền vững – xu hướng để phát triển xây dựng, Tạp chí Khoa học công nghệ Xây dựng. [2]. Joseph Davidovits (2002). 30 years of successes and failures in geopolymer application. [3]. Adward G. Nawy (2008). Construction Engineering Handbook, 2nd edition, CRC Press. [4]. Joseph Davidovits (2008). Geopolymer chemistry and applications. [5]. Joseph Davidovits (2002). Environmentally driven geopolymer cement applications. [6]. Đào Văn Đông (2008). Ảnh hưởng của phụ gia tro trấu đến một số đặc tính của bê tông cường độ cao, Tạp chí Cầu đường, số 9+10 ♦ CT 2 . cơ [2, 3]. Chất kết dính polyme vô cơ có tính dính kết cao và có khả năng dính kết với hầu hết các loại cốt liệu trong quá trình rắn chắc. Vật liệu sử dụng chất kết dính polyme vô cơ được gọi. điều kiện tận dụng các vật liệu sẵn có ở Việt Nam. CT 2 II. CƠ CHẾ POLYME HOÁ CÁC CHẤT VÔ CƠ VÀ CƠ SỞ TẠO RA CHẤT KẾT DÍNH POLYME VÔ CƠ Quá trình polyme hoá vô cơ (hay còn gọi là polyme hoá. kéo khi uốn của kết cấu sử dụng chất kết dính polyme vô cơ so với sử dụng xi măng poóclăng. Cường độ chịu nén của bê tông polyme vô cơ đạt trên 24 MPa và 30 MPa ở 7 và 28 ngày tuổi (hình