1. Giới thiệu
Bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến nhất thế giới, nhưng nguồn cung cấp nguyên liệu như xi măng, cát, sỏi đang dần cạn kiệt. Ví dụ:
- Ấn Độ thiếu đá vôi chất lượng cao để sản xuất xi măng.
- Trung Quốc cấm xuất khẩu cát xây dựng từ năm 2007 do khan hiếm.
- Cát sa mạc không thể dùng cho xây dựng vì hạt quá mịn và đồng nhất.
Ngoài ra, sản xuất xi măng thải ra 8% lượng CO₂ toàn cầu do cần nung đá vôi ở 1450°C. Để giải quyết vấn đề này, tác giả đã nghiên cứu:
- Tái chế bê tông: Nghiền bê tông cũ thành bột, ép lại thành vật liệu mới, thậm chí cứng hơn bê tông ban đầu.
- Dùng thực vật làm chất kết dính: Thay xi măng bằng cây cỏ để kết dính sỏi hoặc cát kém chất lượng, giảm CO₂ đáng kể.
Tuy nhiên, các phương pháp trên vẫn có hạn chế:
- Tái chế bê tông đòi hỏi phải có sẵn phế thải bê tông.
- Dùng thực vật không khả thi ở sa mạc hoặc vùng núi không có cây.
Giải pháp mới: Kết dính trực tiếp các hạt cát bằng hóa chất để tạo vật liệu xây dựng, có thể ứng dụng cả trên Mặt Trăng hoặc Sao Hỏa do thành phần chính của cát (SiO₂) giống với đất ở đó.
2. Phương pháp thí nghiệm
- Nguyên liệu: Cát silica (hạt nhỏ hơn 0.2mm), ethanol, kali hydroxit (KOH), và 2,2-dimethoxypropane (chất hút nước).
Hình 1: Khuôn ép cát bằng lá đồng
- Mô tả: Khuôn hình hộp chữ nhật (diện tích đáy 4 cm²) làm từ lá đồng mỏng, dùng để chứa cát và hóa chất trước khi nung.
- Mục đích: Dễ lấy vật liệu sau khi kết dính, tránh dính vào thành lò phản ứng.
Hình 2: Thiết bị thí nghiệm
- Gồm:
- Lò phản ứng có bộ điều khiển nhiệt (180–243°C).
- Áp kế và van an toàn (chịu 20 MPa).
- Bộ gia nhiệt bằng dây đai (band heater).
- Đầu dò nhiệt (thermocouple) đo nhiệt độ bên trong.
Hình 3: Vật liệu sau xử lý
- Mẫu A: Khối cứng, nguyên vẹn khi ấn tay (ví dụ: Case 2, 10, 19–21).
- Mẫu B/C: Vỡ vụn hoặc không định hình (ví dụ: Case 1, 13–14).
Bảng tổng hợp điều kiện và kết quả
(Trích từ Bảng 2 trong báo cáo, bổ sung giải thích)
| Case | Lượng cát (g) | KOH (g) | Ethanol (ml) | 2,2-dimethoxypropane (ml) | Nhiệt độ (°C) | Thời gian (h) | Kết quả | Giải thích |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.66 | 75 | 0.0 | 243 | 24 | B (mềm) | Thiếu chất hút nước → Liên kết yếu |
| 2 | 4 | 0.66 | 75 | 0.9 | 243 | 24 | A (cứng) | Đủ chất hút nước → Kết dính tốt |
| 5 | 2 | 0.33 | 50 | 0.15 | 243 | 24 | A | Ít cát → Dễ kết dính |
| 13 | 6 | 0.99 | 50 | 0.3 | 243 | 24 | C (vỡ) | Quá nhiều cát, thiếu ethanol |
| 19–21 | 4 | 0.66 | 75 | 1.2–1.6 | 243 | 24 | A | Lượng chất hút nước tối ưu |
| 29–33 | 4 | 0.66 | 75 | 0.6 | 180–243 | 24–72 | A/B/C | Nhiệt độ thấp cần thời gian dài hơn |
3. Giải thích thông số quan trọng
a. Tỷ lệ nguyên liệu tối ưu
- Cát : KOH : Ethanol : Chất hút nước ≈ 4g : 0.66g : 75ml : 1.2ml (Case 19).
- Lưu ý:
- Nếu cát tăng gấp đôi (8g), cần tăng KOH và ethanol tương ứng (Case 14 thất bại do không cân bằng).
- Chất hút nước quá nhiều (>2.4ml) gây mất liên kết (Case 24).
b. Nhiệt độ và thời gian
- Nhiệt độ tối thiểu: 200°C (cần 72 giờ để đạt độ cứng A).
- Nhiệt độ lý tưởng: 243°C (chỉ cần 24 giờ).
c. Cơ chế kết dính
- Phản ứng hóa học:
SiO₂ (cát) + Ethanol → Si(OR)₄ (liên kết) + H₂O
- Chất hút nước (2,2-dimethoxypropane) loại bỏ H₂O, đẩy phản ứng về bên phải → tạo mạng lưới silica kết dính.
4. Minh họa quy trình
- Trộn nguyên liệu: Cát + KOH + ethanol + chất hút nước.
- Nung trong lò kín (180–243°C, 24–72 giờ).
- Kiểm tra độ cứng:
- A: Dùng làm vật liệu xây dựng.
- B/C: Tái chế hoặc điều chỉnh công thức.
5. Kết luận
- Ưu điểm: Dùng cát kém chất lượng, giảm phụ thuộc vào xi măng, thân thiện môi trường.
- Hạn chế: Cần tối ưu hóa thêm để giảm chi phí và thời gian sản xuất.
- Chất hút nước (2,2-dimethoxypropane): Cần thiết để tạo liên kết giữa các hạt cát (Case 1–2).
- Lượng cát: Càng nhiều cát thì càng khó kết dính, nhưng có thể khắc phục bằng cách tăng thời gian xử lý (Case 3–8).
- KOH: Cần đủ lượng KOH để phản ứng xảy ra (Case 9–10).
- Nhiệt độ và thời gian: Nhiệt độ cao (243°C) hoặc thời gian dài (72 giờ ở 200°C) giúp vật liệu cứng hơn (Case 29–33).
-
- Có thể tạo vật liệu cứng từ cát bằng cách dùng ethanol, KOH, và chất hút nước.
- Cần cân bằng tỷ lệ cát/hóa chất, nhiệt độ, và thời gian xử lý.
6. Hướng phát triển
- Giảm nhiệt độ và thời gian sản xuất.
- Nâng cao độ bền và khả năng tái chế vật liệu.
- Phân tích cơ chế liên kết giữa các hạt cát.
Giải thích thuật ngữ:
- SiO₂ (Silica): Thành phần chính của cát, có trong đá và khoáng vật.
- KOH (Kali hydroxit): Chất xúc tác giúp phản ứng kết dính.
- 2,2-dimethoxypropane: Hóa chất hút nước, ngăn phản ứng ngược.
( Nghiên cứu nhận được sự hỗ trợ từ Viện Khoa học Công nghiệp Tiên tiến Nhật Bản.
*(Ngày nhận bài: 6/3/2021).
Một số ý kiến sau khi xem xong báo cáo này :
trong Clinker xi măng thành phần oxyt CaO là chủ yếu 60-70%; SiO2 chiếm 18-25%; Al2O3 khoảng 3-8%, .... Bài báo này là 1 hệ chất kết dính mới tạm gọi " Vật liệu kích hoạt kiềm (alkali-activated material)
Theo định nghĩa cổ điển của Joseph Davidovits: Geopolymer là loại vật liệu vô cơ được hình thành từ phản ứng trùng hợp trong môi trường kiềm của các tiền chất giàu alumino-silicat (tức có cả Si và Al). Tuy nhiên, trong nghiên cứu này của Japan, chỉ gồm các liên kết Si–O–Si (không có nhôm), quá trình kết dính vẫn xảy ra nhờ kích hoạt kiềm và tạo thành mạng polymer vô cơ bền vững. Do đó, nếu xét theo khái niệm mở rộng hiện nay, đây có thể được coi là một dạng Geopolymer đặc biệt không chứa nhôm (non-aluminous geopolymer), dựa trên nền silica tinh khiết. (nó có tính dính kết, có thể thay thế xi măng portland truyền thống), chứ bài này không liên quan đến xi măng PC.
