Thực nghiệm nghiên cứu chế tạo gạch không nung geopolymer tro bay

TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
130 
THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GẠCH KHÔNG 
NUNG GEOPOLYMER TRO BAY 
Lê Phương Thanh1 
TÓM TẮT 
Bài viết đề cập đến việc thực nghiệm chế tạo gạch không nung geopolymer tro bay, 
với kích thước viên gạch là 220x105x60mm. Gạch không nung geopolymer tro bay được chế 
tạo từ tro bay và cát sông với các tỷ lệ khác nhau 9:1, 8:2 và 7:3 theo khối lượng. Dung dịch 
kiềm kích hoạt gồm NaOH 8M và thuỷ tinh lỏng theo tỷ lệ cố định 1:2,5. Tỷ lệ dung dịch 
kiềm kích hoạt/ tro bay cố định là 0,25. Các viên gạch được chế tạo và bảo dưỡng ở nhiệt 
độ 600C trong thời gian 24 giờ. Các thí nghiệm về độ hút nước và cường độ nén cho thấy gạch 
geopolymer có cường độ nén cao hơn 10MPa chỉ sau 7 ngày và độ hút nước thấp hơn 4%. 
Từ khóa: Gạch geopolymer, tro bay, gạch không nung. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Geopolymer là loại vật liệu dính kết polymer vô cơ, được phát triển đầu tiên bởi nhà 
khoa học người Pháp Joseph Davidovits từ những năm 1970 [13,14,15]. Phản ứng 
geopolymer hóa là một phản ứng hóa học diễn ra giữa các oxit của nhôm và silic với dung 
dịch có tính kiềm mạnh để tạo ra các mạch có cấu trúc ba chiều rắn chắc chứa các liên kết 
Si-O-Al. Quá trình geopolymer hóa các nguyên liệu được thể hiện trong hình 1. 
Hình 1. Quá trình geopolymer hóa 
1Giảng viên khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Hồng Đức 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
131 
Theo các tài liệu nghiên cứu của các nhà khoa học, bất kỳ dung dịch kiềm mạnh nào 
cũng có thể được sử dụng để làm chất kích hoạt cho việc tạo ra geopolymer. Các dung dịch 
kiềm được sử dụng phổ biến nhất là NaOH hoặc KOH và Na2SiO3 hoặc K2SiO3. Tuy nhiên, 
theo nghiên cứu của Palomo và cộng sự (2004), dung dịch kiềm NaOH có chứa silic hòa tan 
như dung dịch natri silicat (Na2SiO3) hoặc kali silicat (K2SiO3), thì phản ứng geopolymer 
hóa xảy ra ở một tỷ lệ cao hơn so với khi chỉ có hydroxit kiềm được sử dụng để kích hoạt. 
Mặt khác, tăng nồng độ mol của dung dịch kiềm sẽ tạo ra sự hòa tan lớn hơn của nguyên 
liệu [11,12,16]. Kết quả là cường độ nén của geopolymer sẽ tăng lên cùng với việc tăng nồng 
độ mol của dung dịch kiềm. Fernández-Jimenez kết luận rằng sử dụng NaOH 12,5M mang 
lại cường độ nén cao hơn khi sử dụng NaOH 8M [5]. 
Tro bay là một loại phế thải công nghiệp nguy hại của nhà máy điện chạy than. Hiện 
nay, các nhà khoa học trong và ngoài nước đã và đang nghiên cứu ứng dụng tro bay trong 
nhiều lĩnh vực như: xây dựng, nông nghiệp, composite... nhằm giảm thiểu tác động đến 
môi trường của loại chất thải này. Trong số ứng dụng đó, sản xuất gạch không nung đang 
được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Gạch không nung tro bay kết hợp với xi măng 
Portland hoặc với vôi và thạch cao đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công trên thế 
giới. Bên cạnh đó đã có một số nghiên cứu chế tạo gạch không nung tro bay geopolymer 
như: Banupriya và cộng sự (2016), đã tiến hành các thí nghiệm để nghiên cứu ứng xử của 
gạch geopolymer sử dụng tro bay và xỉ lò cao. Raghunathan và cộng sự (2010) đã chế tạo 
gạch sử dụng xi măng, bùn đỏ và cát với tỷ lệ 1:1,7:3,5 thu được cường độ nén 3,73 N/cm2. 
Gạch không nung tro bay chế tạo theo phương pháp geopolymer là một phương pháp xanh, 
góp phần bảo vệ môi trường [6, 8]. Tuy nhiên số lượng các nghiên cứu còn hạn chế, mặt 
khác các tính chất của geopolymer phụ thuộc nhiều vào chất lượng của tro bay [4]. Trong 
khi đó, mỗi nhà máy nhiệt điện chạy than thải ra loại tro bay có tính chất khác nhau [1]. 
Vì vậy, nghiên cứu thực nghiệm chế tạo gạch không nung geopolymer tro bay của nhà 
máy nhiệt điện Phả Lại là cần thiết. 
2. NỘI DUNG 
2.1. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 
2.1.1. Vật liệu 
Nguyên vật liệu để chế tạo gạch không nung geopolymer tro bay bao gồm: tro bay, 
cát, dung dịch NaOH 8M, thủy tinh lỏng Na2SiO3 theo sơ đồ hình 2. 
Hình 2. Sơ đồ vật liệu sử dụng chế tạo gạch Geopolymer tro bay 
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
132 
Tro bay (FA) 
Tro bay sử dụng trong nghiên cứu là tro bay Vina F&C lấy từ tro thải của nhiệt điện 
Phả Lại, thị xã Chí Linh, tỉnh Hải Dương. Thành phần hóa học của tro bay thí nghiệm được 
kiểm tra tại Viện vật liệu xây dựng (bảng 1), đạt yêu cầu của tro bay loại F theo tiêu chuẩn 
ASTM C618 -03 (2003). 
Bảng 1. Thành phần hóa học của tro bay tính theo % khối lượng 
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 SO3 Loi* 
51,74 24,53 5,59 0,81 1,95 4,42 0,11 0,76 0,31 8,98 
(*: Lượng mất khi nung) 
Bảng 2. Chỉ tiêu vật lý của tro bay 
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thử Đơn vị Kết quả 
1 Độ ẩm 14TCN 108:1999 % 0,31 
2 Khối lượng thể tích xốp TCVN 4030:2003 kg/m3 920 
3 Khối lượng riêng TCVN 4030:2003 g/cm3 2,39 
4 Độ mịn (lượng sót trên sàng 0.08) TCVN 4030:2003 % 6,93 
Cát sông 
Cát sử dụng trong nghiên cứu này là cát sông Mã, lấy tại mỏ cát Tào Xuyên, Thanh 
Hóa. Các chỉ tiêu vật lý được xác định trong bảng 3. 
Bảng 3. Chỉ tiêu vật lý của cát 
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thử Đơn vị Kết quả 
1 Khối lượng riêng khô TCVN 7572-4 : 2006 g/cm3 2,63 
3 Khối lượng thể tích xốp TCVN 7572-6 : 2006 T/m3 1,42 
3 Độ hỗng TCVN 7572-6 : 2006 % 49,73 
4 Hàm lượng bụi, bùn, sét TCVN 7572-8 : 2006 % 0,68 
Dung dịch kiềm kích hoạt (AK) 
Dung dịch kiềm kích hoạt là hỗn hợp của dung dịch kiềm mạnh (NaOH 8M) và thủy 
tinh lỏng (Na2SiO3). Dung dịch xút được điều chế từ NaOH dạng vảy khô (độ tinh khiết 
98%) pha với nước để đạt được nồng độ mol yêu cầu. Thủy tinh lỏng sử dụng sản phẩm 
của nhà máy hóa chất Việt Trì có tỷ lệ Na2O/SiO/H2O tương ứng là 11,8/28,5/59.7% theo 
khối lượng. Lựa chọn pha trộn dung dịch kiềm kích hoạt theo tỷ lệ khối lượng 
Na2SiO3/NaOH = 2,5. 
2.1.2. Phương pháp chế tạo mẫu 
Tỷ lệ phối trộn vật liệu: Tro bay và cát được phối trộn theo một tỷ lệ được đề xuất 
trong bảng 4. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
133 
Bảng 4. Tỷ lệ phối trộn nguyên liệu chế tạo gạch geopolymer tro bay 
Tên mẫu Tro bay (FA) (%) Cát (Sand) (%) AK/FA Ghi chú 
M1 90 10 0.25 
Nhiệt độ sấy 
600C, 24h 
M2 80 20 0.25 
M3 70 30 0.25 
Thiết bị chế tạo mẫu gạch 
Thiết bị chế tạo mẫu gồm 4 bộ phận chính: (1) Bộ phận định lượng nguyên liệu làm 
bằng tôn 2mm, (2) bộ phận khuôn (gồm xilanh và pitton) làm bằng thép 10mm có kích 
thước 220x105mm, chiều cao xi lanh 160mm, (3) khung ép làm bằng thép V75x75x5mm 
và (4) kích thủy lực 20 tấn. Thiết bị được chế tạo tải xưởng thực hành khoa Kĩ thuật Công 
nghệ, Trường Đại học Hồng Đức (hình 3). 
Hình 3. Thiết bị chế tạo mẫu gạch 
không nung trong phòng thí nghiệm 
Hình 4. Mẫu gạch geopolymer tro bay sau 
khi chế tạo và bảo dưỡng 
Chế tạo mẫu 
Viên gạch chế tạo có kích thước tiêu chuẩn 220x105x60mm. Tro bay và dung dịch 
akaline được trộn trước với nhau bằng máy trộn trong thời gian 5 phút sau đó cho cát vào 
trộn tiếp trong thời gian 2 phút. Sau khi trộn xong hỗn hợp được đưa vào khuôn và được ép 
tạo mẫu bằng thiết bị ép thuỷ lực 20 tấn (hình 3). Mỗi mẫu chế tạo 30 viên (hình 4). 
2.1.3. Bảo dưỡng mẫu 
Mẫu sau khi chế tạo được đưa vào lò sấy ở nhiệt độ 600C (hình 5) trong thời gian 
24h, sau đó được đưa ra lò và ổn định ở nhiệt độ phòng trong vòng 3 ngày trước khi đưa 
đi thí nghiệm. 
1 
4 
3 
2 
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
134 
Hình 5. Máy sấy 3000C Hình 6. Thiết bị nén mẫu 100T 
2.1.4. Phương pháp thí nghiệm 
2.1.4.1. Kích thước, màu sắc và khuyết tật ngoại quan 
Kích thước, màu sắc và khuyết tật ngoại quan được xác định theo TCVN 6477 (2016). 
Sử dụng mắt thường để đánh giá màu sắc và khuyết tật ngoại quan, dùng thước lá có độ 
chính xác 1mm và thước kẹp có độ chính xác 0,1mm để xác định kích thước mẫu gạch. Mỗi 
mẫu lấy 3 viên, mỗi viên đo kích thước ở 3 vị trí gồm 2 đầu và giữa. 
2.1.4.2. Cường độ nén 
Sau thời gian bảo dưỡng các viên gạch được chế tạo từ thiết bị nén tĩnh. Tiến hành 
kiểm tra cường độ nén của các mẫu bằng máy nén có công suất 1000kN với tốc độ gia tải 
0,5MPa/s. Thực hiện nén mẫu thử từng viên đơn lẻ (mỗi mẫu thử nén 3 viên) cho đến khi bị 
phá hủy đo được lực nén lớn nhất Pmax (N). Cường độ nén được xác định theo tiêu chuẩn 
TCVN 6477 (2016): 
max=
K
R P
S
Trong đó: S là giá trị trung bình cộng diện tích hai mặt chịu nén (mm2). K là hệ số 
hình dạng lấy bằng 0,68. Kết quả thí nghiệm cường độ nén là giá trị trung bình của nén 
3 viên riêng lẻ. 
2.1.4.3. Độ hút nước 
Độ hút nước được xác định theo TCVN 6355-4 (2009). Mỗi mẫu thử lấy 5 viên gạch 
mang sấy khô ở nhiệt độ 1050C đến 1150C cho tới khi khối lượng gạch không đổi giữa hai 
lần cân liên tiếp (chênh lệch không lớn hơn 0,2%), cân được khối lượng (m0). Ngâm mẫu 
thử vào nước sạch trong 24h ở nhiệt độ 27±20C. Vớt mẫu ra, dùng khăn ẩm thấm bề mặt 
mẫu thử và cân mẫu ngay lập tức được khối lượng bão hòa nước (m1). Kết quả thí nghiệm 
là giá trị trung bình của 5 viên gạch. 
Độ hút nước % tính theo khối lượng = 1 0
0
.100
-m m
m
 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
135 
2.2. Kết quả và thảo luận 
2.2.1. Kích thước, màu sắc và khuyết tật ngoại quan 
Bảng 5. Kết quả xác định kích thước, màu sắc và khuyết tật ngoại quan 
Mẫu Dài (mm) 
Rộng 
(mm) 
Cao (mm) 
Độ cong 
vênh (mm) 
Khuyết tật Màu sắc 
M1 220 105 59,8 0 Không Xám trắng 
M2 220 105 60,0 0 Không Xám trắng 
M3 220 105 60,1 0 Không Xám trắng 
Các mẫu gạch chế tạo có kích thước yêu cầu 220x105x60mm với độ sai số theo chiều 
cao (bảng 5) ở mẫu M1 (-0,2mm), mẫu M3 (+0,1mm), và không có sai số theo chiều dài, 
rộng. Các bề mặt của viên gạch có độ phẳng cao, nhẵn, mịn. Như vậy, các viên gạch chế tạo 
thí nghiệm phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 6477:2016. 
2.2.2. Cường độ nén 
Cường độ nén được thí nghiệm ở tuổi 7 ngày và 28 ngày. Kết quả thí nghiệm thể hiện 
trong bảng 4 và hình 7. 
Bảng 4. Kết quả thí nghiệm cường độ nén theo thời gian 
Tên mẫu 
Cường độ nén (MPa) 
7 ngày 28 ngày 
M1 8,56 14,55 
M2 10,39 16,07 
M3 10,99 16,25 
Hình 7. Biểu đồ kết quả thí nghiệm cường độ nén theo thời gian 
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
M1 M2 M3
7 ngày
28 ngày
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
136 
Nhận xét 
Cường độ nén tăng theo thời gian tại tất cả các mẫu, điều này cũng phù hợp với các 
kết quả nghiên cứu đã được công bố về geopolymer (cường độ phát triển theo thời gian 
tương tự như xi măng portland). 
Cường độ nén tăng khi tăng hàm lượng cát từ 10% đến 30%, lý do hàm lượng cát 
tăng góp phần tăng độ đặc chắc cho các mẫu gạch. Tuy nhiên, theo kết quả thí nghiệm 
thì cường độ nén mẫu M2 tăng đáng kể so với mẫu M1 và thấp hơn không đáng kể so 
với mẫu M3. 
Các mẫu gạch M1 đạt mác M12,5 và các mẫu gạch M2, M3 đạt mác M15 ở tuổi 28 
ngày theo TCVN 6477 (2016). 
2.2.3. Độ hút nước 
Độ hút nước được thí nghiệm cho hai thời điểm 7 ngày và 28 ngày tuổi. Kết quả thí 
nghiệm thể hiện trong bảng 5 và hình 8. 
Bảng 5. Kết quả thí nghiệm độ hút nước 24h 
Tên mẫu 
Độ hút nước 24h (%) 
7 ngày 28 ngày 
M1 3,8 3,00 
M2 3,64 2,80 
M3 3,24 2,60 
Hình 8. Biểu đồ kết quả thí nghiệm độ hút nước 24h 
Nhận xét: Độ hút nước 24 giờ của các mẫu gạch đều giảm theo thời gian và giảm 
không đáng kể khi tăng hàm lượng cát từ 10% (mẫu M1) đến 30% (mẫu M3). Các giá trị thí 
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
M1 M2 M3
7 ngày
28 ngày
 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
137 
nghiệm đều cho độ hút nước tương đối thấp (nhỏ hơn 4%) thỏa mãn tiêu chuẩn TCVN 6477 
(2016) (độ hút nước yêu cầu < 12%). 
3. KẾT LUẬN 
Kết quả thí nghiệm bước đầu chế tạo được các mẫu gạch không nung geopolymer tro 
bay đạt M12,5 và M15 và thỏa mãn các yêu cầu về độ hút nước 24 giờ, kích thước, khuyết 
tật ngoại quan theo TCVN 6477:2016. 
Do số lượng loại mẫu của thí nghiệm còn ít nên chưa thể đánh giá hết đường cong ảnh 
hưởng khi thay đổi hàm lượng cát và tro bay cũng như việc thay đổi nồng độ mol của NaOH, 
tỷ lệ AK/FA, tỷ lệ Na2SiO3/NaOH và giá thành. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Phan Hữu Duy Quốc, Phân tích việc sử dụng tro xỉ than thải ra từ các nhà máy 
nhiệt điện ở Việt Nam, Viện Khoa học Công nghiệp, Trường Đại Học Tokyo, 
Nhật Bản. 
[2] TCVN 6355-4:2009 (2009), Tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam Xác định độ hút nước. 
[3] TCVN 6477:2016 (2016), Tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam Gạch bê tông. 
[4] A. Fernández-Jiménez và A. Palomo (2003), Characterisation of fly ashes. 
Potential reactivity as alkaline cements, Fuel. 82, tr. 2259-2265. 
[5] A. M. Fernández-Jiménez, A. Palomo và C. López-Hombrados (2006), 
Engineering Properties of Alkali-Activated Fly Ash Concrete, ACI Materials 
Journal. 103(No. 2), tr. 106-112. 
[6] A. Palomo, M. W. Grutzeck và M. T. Blanco (1999), Alkali-activated fly ashes -A 
cement for the future, Cement and Concrete Research. 29, tr. 1323-1329. 
[7] A. Palomo, M. T. Blanco-Varela, M. L. Granizo, F. Puertas, T. Vazquez và M. W. 
Grutzeck (1999b), Chemical stability of cementitious materials based on 
metakaolin, Cement and Concrete Research (29), tr. 997-1004. 
[8] A. Palomo, S. Alonso, A. Fernández-Jiménez, I. Sobrados và J. Sanz (2004), 
Alkaline activation of fly ashes: NMR study of the reaction products, Journal of 
the American Ceramic Society. 87, tr. 1141-1145. 
[9] ASTM C618-03 (2003), Standard Specification for Coal Fly ash and raw or 
Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete. 
[10] C. Banupriya, Sharon John. R, Suresh, E. Divya và D. Vinitha (2016), 
Experimental Investigations on Geopolymer Bricks/Paver Blocks, Indian Journal 
of Science and Technology. 9, tr. 16. 
[11] H. Xu và J. S. J. van Deventer (2000), The geopolymerisation of alumino-silicate 
minerals, International Journal of Mineral Processing. 59(No.3), tr. 247-266. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
138 
[12] H. Xu và J. S. J. van Deventer (2001), Effect of Alkali Metals on the Preferential 
Geopolymerisation of Stilbite/Kaolinite Mixtures, Industrial and Engineering 
Chemistry Research. 40, tr. 3749-3756. 
[13] J.Davidovits (1981), The need to create a new technical language for the transfer 
of basic scientific information, Transfer and Exploitation of Scientific and 
Technical Information, Commission of the European Communities 
[14] J.Davidovits (1991), Geopolymer - Inorganic polymeric new materials, Journal of 
Thermal Analysis. 37, tr. 1633-1656. 
[15] J.Davidovits (2008), Geopolymer Chemistry and Applications, Institute 
Geopolymer. 
[16] J. W. Phair và J. S. J. van Deventer (2001), Effect of silicate activator pH on the 
leaching and material characteristics of waste-based inorganic polymers, 
Minerals Engineering. 14(No.3), tr. 289-304. 
[17] P. Duxson, Fernández-Jiménez, Provis J. L., Lukey G. C., Palomo A. và Van 
Deventer J. S. J. (2007), Geopolymer technology: The current state of the art, 
Journal of Materials Science. 42(9), tr. 2917-2933. 
[18] Raghunathan, Gopalsamy P và Elangovan R (2010), Study on Strength of Concrete 
with ETP Sludge from Dyeing Industry, International journal of civil and structural 
engineering. 1(3), tr. 378-389. 
EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON FLY ASH BASED 
GEOPOLYMER BRICKS 
Le Phuong Thanh 
ABSTRACT 
This paper presents the experimental study of fly ash based geopolymeric bricks with 
the size of 220×105×60mm. The bricks were produced from fly ash and river sand with fly 
ash to sand ratios by weight of 9:1, 8:2, and 7:3. The activated alkaline solution including 
NaOH 8M and liquid glass in a fixed ratio of 1: 2.5 was used. The activated alkaline solution 
to fly ash ratio was 0.25. The bricks were made and maintained at a temperature of 60oC 
for 24 hours. Test results indicates that the compressive strength of bricks are higher than 
10 MPa after 7 days and their water absorption is less than 4%. 
Keywords: Geopolymer brick, fly ash, unfired brick.