Nâng cao hiệu quả năng lượng cho phép khắc phục sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng và giải quyết nhiều vấn đề kinh tế, xã hội, sinh thái khác. Chính vì vậy, hiện nay, trên thế giới có rất nhiều dự án hướng tới việc tạo ra các sản phẩm và công nghệ tiết kiệm năng lượng mới.
Một phần cơ bản lượng nhiệt thất thoát có liên quan tới quy trình sưởi ấm. Chẳng hạn: tại Kazakhstan, để sưởi ấm mỗi mét vuông cần lượng nhiên liệu nhiều gấp 4 lần quốc gia Bắc Âu lạnh giá như Phần Lan. Do đó, hiện nay, nâng cao các tính chất cách nhiệt của kết cấu bao che chính là xu hướng tiết kiệm năng lượng trong phân khúc nhà ở và công trình công cộng của Kazakhstan.
Nghiên cứu công nghệ sản xuất gạch bọt gốm với các đặc tính về cường độ, khối lượng trung bình và khả năng truyền nhiệt được cải thiện có triển vọng rất lớn tại những khu vực xây dựng thường chịu ảnh hưởng sụt giảm nhiệt độ. Ngoài ra, về mặt kinh tế, mọi tầng lớp người dân đều dễ dàng tiếp cận loại vật liệu này.
Do khối lượng thấp, việc sản xuất các viên xây có kích cỡ, hình dạng theo yêu cầu tương đối đơn giản. Việc khai thác các công trình từ những khối xây lớn bằng chất liệu bọt gốm rất kinh tế (năng lượng tiêu hao để nung trong quá trình sản xuất sản phẩm được giảm thiểu, lượng năng lượng tiêu hao để làm mát các căn phòng cũng được giảm đáng kể do về mùa hè, ngôi nhà / công trình luôn duy trì được sự mát mẻ nhờ các vật liệu kết cấu cách nhiệt – đó là sự khác biệt lớn so với các nhà/ công trình bằng bê tông.
Hiện nay, phương pháp chế tạo bọt gốm và các chế phẩm từ bọt gốm đã được biết tới bao gồm sử dụng dung dịch silicat natri hoặc silicat kali như một chất tạo bọt và chất ổn định của sản phẩm bán thành phẩm. Tiếp theo, dưới tác động của bức xạ điện từ tần số cực cao, hỗn hợp sẽ cô đặc thành một khối xốp trương nở, và đóng rắn. Đồng thời, để thu được chất liệu gốm xốp với khối lượng riêng 650 kg / m3 cần tuân thủ tỷ lệ của các thành phần trong hỗn hợp như sau: đất sét nguyên liệu 55-60%, dung dịch (dạng nước) silicat natri hoặc silicat kali (với khối lượng riêng 1350 kg / m3) khoảng 45- 40%.
Nhược điểm của phương pháp này là giá thành cao của sản phẩm cuối cùng do sử dụng một lượng khá lớn (40 - 45%) thủy tinh nấu chảy. Ngoài ra, việc sử dụng bức xạ điện từ tần số cao không an toàn cho những người tham gia quy trình sản xuất, bởi họ có thể tiếp xúc với sóng âm tần số cực cao (vi sóng). Các quy tắc bảo hộ lao động sẽ khiến công suất của cả dây chuyền giảm đi.
Phương pháp chế tạo các sản phẩm bọt gốm có sử dụng phế thải công nghiệp sẽ hiệu quả hơn về mặt kinh tế. Phương pháp này dựa vào việc tạo bọt khi đun sôi các tinh thể thủy tinh. Một cấu trúc tổ ong lớn được hình thành (cấu trúc bọt vô cơ), trong đó thực tế tất cả các lỗ rỗng đều kín và không tiếp xúc với nhau. Ở phương pháp này, các thành phần sau đây được sử dụng làm nguyên liệu: pirofilit chưa qua xử lý hoặc đã được nung trước đó ở nhiệt độ 1200oC, đất sét và các phụ gia tạo khí vô cơ như cacbua titan.
Nhược điểm của phương pháp là cường độ sản phẩm cuối cùng tương đối thấp, khối lượng riêng lớn và hệ số bền nước thấp, lượng năng lượng tiêu hao cao, nhìn chung công nghệ chế tạo khá phức tạp.
Trong quá trình nghiên cứu, nhóm tác giả đã thử nghiệm một quy trình 04 bước: trộn đều đất sét, cốt liệu, chất cháy, chất ổn định và các chất phụ gia fluxing, thủy tinh lỏng, chất hóa dẻo, xi măng pooc lăng, nước và các tác nhân tạo bọt; đổ khuôn tạo hình; sấy khô; nung sản phẩm.
Để làm phụ gia cháy, mạt gỗ phù hợp kích cỡ 0,25-0,315 mm được sử dụng. Để làm cốt liệu – gạch ceramic nghiền mịn. Để làm phụ gia fluxing – thủy tinh nghiền và nhôm phế thải. Bọt được tạo riêng, được sử dụng làm chất tạo bọt.
Các nguyên liệu như đất sét, gạch ceramic nghiền và thủy tinh nghiền trước khi trộn đều được nghiền mịn tới kích cỡ hạt 70 – 100 micromet (mcm), và được bổ sung thêm bằng xi măng pooc lăng. Việc sấy các mẫu được đổ khuôn ở nhiệt độ 40 – 60oC, và nung ở nhiệt độ 980 – 1050oC. Tỷ lệ các thành phần trong vữa như sau: đất sét 36,3 - 41,9%; gạch ceramic nghiền 7,72 - 9,1%; nhôm phế thải 3,2 - 5,3%; thủy tinh nghiền 6,3 - 9,7%; thủy tinh lỏng 1,25 - 1,29%; mạt gỗ 1,9 - 4,4%; chất hóa dẻo 0,1 - 0,2%; xi măng pooc lăng 4,25 - 4,8%; bọt 0,3 - 0,4%; nước 30,1 -32,6%.
Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là cần phải sử dụng trong vữa nhiều thành phần tương đối đắt, do đó giá thành thành phẩm sẽ bị đội lên.
Bảng 1: Ảnh hưởng của phụ gia tro xỉ tới sự thay đổi tỷ lệ nước cứng của vữa khi độ chảy của vữa như nhau
Phân tích một số nội dung trước đây chưa giải quyết được trong bài toán chung
Như vậy, có thể thấy các vấn đề còn ít được nghiên cứu cho tới nay là: bảo đảm cường độ tiêu chuẩn ở mức khối lượng riêng nhỏ, đẩy mạnh quy trình sản xuất sản phẩm, giảm năng lượng tiêu thụ trong công nghệ chế tạo vật liệu từ bọt gốm cũng như giảm giá thành thành phẩm nhờ sử dụng nguyên liệu tại chỗ rẻ và dễ tìm hơn.
Với mục đích nghiên cứu khắc phục nhược điểm của hai phương pháp trên, thu được vật liệu gốm xốp xây tường có hiệu quả sử dụng năng lượng tiết kiệm và các đặc tính cơ lý được cải thiện từ nguyên liệu tại chỗ; đơn giản hóa công nghệ chế tạo bọt gốm, đồng thời giảm thời gian và giá thành sản xuất thành phẩm, nhóm tác giả đã thực hiện các nghiên cứu về công nghệ và thành phần vật liệu kết cấu cách nhiệt từ bọt gốm tại Viện hàn lâm Kiến trúc & Xây dựng Kazakhstan. Chất tạo bọt, chất cô đặc bọt trong nghiên cứu đều được sản xuất trong nước; đất sét cũng được khai thác tại các mỏ lộ thiên của Kazakhstan.
Việc ứng dụng bọt vào công nghệ sản xuất bất cứ loại vật liệu xây dựng nào đều thông qua phương pháp đổ khuôn, bởi khi áp dụng các phương pháp khác bọt thường bị vỡ. Các nghiên cứu chỉ ra rằng: đối với các khối đất sét, để tạo khối bọt bằng cách khoáng hóa khô - về mặt kỹ thuật mà nói - là không thể; vì với một lượng nước từ 500 lít trở lên cho mỗi mét khối vữa cần tạo bọt ít nhất 2 lần.
Để thu nhận được vật liệu gốm xốp, một trong những bước phức tạp nhất ảnh hưởng thực sự tới toàn bộ quy trình là dưỡng hộ khối sét xốp từ lúc đổ khuôn cho tới khi dỡ khuôn để chuẩn bị sấy. Bằng cách áp dụng chất kết dính thạch cao, thời gian đạt cường độ tháo khuôn của đất sét nguyên liệu có thể rút ngắn đáng kể. Đồng thời, việc cải thiện quy trình sản xuất, rút gọn chu trình sản xuất (trong đó có thời gian sấy và nung) là một nhiệm vụ cấp thiết, mà việc giải quyết sẽ cho phép giảm giá thành sản phẩm và tăng công suất dây chuyền sản xuất.
Để giảm tỷ lệ nước cứng và tương ứng – tăng cường độ của bọt gốm, cần giảm hàm lượng đất sét, bù thành phần khoáng cho việc thiếu chất kết dính.
Bảng 2: Các tính chất cơ – lý của viên xây bọt gốm xốp với tỷ lệ thành phần khác nhau
Các thử nghiệm cho thấy tỷ lệ tối ưu của đất sét, thạch cao và tro xỉ là 0,45: 0,15: 0,40. Việc áp dụng tro xỉ cho phép giảm đáng kể tỷ lệ nước cứng. Trong trường hợp này, khối nguyên liệu được đổ khuôn không bị lún, độ ẩm giảm từ 35,6 xuống 30,5%.
Từ các kết quả thử nghiệm, nhóm tác giả đúc kết: để chế tạo vật liệu bọt gốm có khối lượng riêng trung bình 500-600kg/m3, nên áp dụng công nghệ liên quan tới việc trộn bọt với hỗn hợp kết dính đất sét, tức là biện pháp cổ điển để tạo khối bọt. Thiết bị trộn được nạp đầy một lượng nguyên liệu gồm đất sét, tro xỉ, thạch cao và nước, trộn đều cho đến khi thu được một hỗn hợp đồng nhất. Cho bọt đã chuẩn bị sẵn vào khối hỗn hợp được đổ khuôn với tỷ lệ nước cứng theo yêu cầu. Sau đó, khối hỗn hợp trương nở sẽ lấp đầy khuôn để có hình dạng cần thiết.
Các thử nghiệm cũng cho thấy khả năng thu được vật liệu kết cấu cách nhiệt từ bọt gốm không bị lún, đạt cường độ tiêu chuẩn với thời gian tháo khuôn rất nhanh, đồng thời bổ sung tới 15% chất kết dính thạch cao vào hỗn hợp nguyên liệu đất sét. Đồng thời, bằng cách điều chỉnh nhiệt độ nung, cường độ của sản phẩm cuối cùng có thể được tăng cường.
Như vậy, vấn đề giảm giá thành gạch xây tường từ bọt gốm với khối lượng riêng 560 - 610 kg/m3 và cường độ nén tương đương 1,5 – 2,8 Mpa đã được giải quyết, nhờ vào việc giảm lượng thành phần của vữa và ứng dụng nguyên liệu tại chỗ giá rẻ. Hơn nữa, việc rút ngắn thời gian quy trình công nghệ chế tạo sản phẩm bằng cách giảm tỷ lệ nước cứng của vữa thông qua việc sử dụng tro xỉ và thạch cao sẽ thúc đẩy việc tạo khối rỗng xốp có hình dạng kích cỡ theo yêu cầu và đóng rắn trước khi sấy và nung. Hiệu quả xã hội của việc áp dụng phương pháp này còn bao gồm việc tận dụng chất thải sản xuất – tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện địa phương./.
Nguồn: Tạp chí Vật liệu Xây dựng, Thiết bị & Công nghê thế kỷ XXI (Nga) tháng 12/2017
ND: Lệ Minh