Luận văn tốt nghiệp
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ 3
Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt, bảng và hình vẽ .............................................. 4
I.MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 7
II. TỔNG QUAN ................................................................................................. 8
1.Tình hình sử dụng và nghiên cứu trong nước và trên thế giới ....................... 8
1.1.Tình hình sử dụng vật liệu cách nhiệt trên thế giới. .............................. 8
1.2. Tình hình sử dụng và nghiên cứu ở trong nước. ................................... 9
2. Cơ sở khoa học của đề tài. .......................................................................... 10
2.1.Tro trấu. ................................................................................................ 10
2.2.Phương pháp thủy nhiệt. ....................................................................... 11
2.3. Phản ứng giữa CaO và SiO2. ............................................................... 13
2.4 Cường độ các sản phẩm thủy nhiệt chưng áp. ...................................... 18
III.NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................. 20
1. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................... 20
2. Phương pháp đánh giá sản phẩm nghiên cứu .............................................. 20
2.1. Các phương pháp tiêu chuẩn (TCXDVN 317:2004) ............................ 20
2.2. Các phương pháp phi tiêu chuẩn ......................................................... 23
2.2.1.Xác định tính chất cách nhiệt. ........................................................ 23
2.3.Phương pháp nghiên cứu. ..................................................................... 24
3. Thực nghiệm................................................................................................ 25
3.1 Nguyên liệu ............................................................................................ 25
3.2 Sơ đồ thí nghiệm và kết quả .................................................................. 29
3.2.1 Xác định tỷ lệ w/s, và khảo sát sơ bộ nhiệt độ và thời gian chưng
áp. ............................................................................................................ 29
3.2.2. Kết quả phân tích các mẫu sản phẩm chưng áp 4h ....................... 34
3.2.3 Kết quả phân tích các mẫu sản phẩm chưng áp 6h. ...................... 43

Học viên: Lê Hồng Hải

nghiệm, gia công nguyên liệu, thực hiện các thí nghiệm, cùng các tư vấn góp ý quý
báu.
Em cũng xin cảm ơn sự nhiệt tình, và tạo điều kiện thuận lợi tối đa của các thầy
cô giáo trong bộ môn CNVL Silicat, Viện kỹ thuật hóa học, Trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội để giúp em hoàn thành bản luận văn này.

Học viên thực hiện

Lê Hồng Hải

Học viên: Lê Hồng Hải

3

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp


Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt, bảng và hình vẽ
Danh mục các chữ viết tắt.
Chữ viết tắt

Nghĩa của chữ viết tắt

w/s

Nước/ tổng số nguyên liệu khô



Các pha trong hệ CaO-SiO2-H2O

14

Hình 2.4

16

Hình 2.6

Các điều kiện hình thành các pha CSH .
Ảnh hưởng của tỷ lệ phần khối lượng C/S đến sự hình
thành của các pha ở nhiệt độ cao
Vỏ trấu

Hình 2.7

Tro trấu sau khi nghiền mịn

26

Hình 2.8

Sơ đồ sản xuất vật liệu silicat canxi không nước

30

Hình 2.5


35

Hình biểu diễn giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường của
Hình 2.13

36

sản phẩm chưng áp 6h.
Hình biểu diễn giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường của

Hình 2.14

sản phẩm chưng áp 4h.

37

Hình 2.15

Hình biểu diễn khối lượng thể tích khô trước và sau khi

38

Học viên: Lê Hồng Hải

4

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp

0

Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu chưng ở 220 C (4h)
0

Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu chưng ở 230 C (4h)
0

44
45

Hình 2.22

Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu chưng ở 160 C (6h)

47

Hình 2.23

Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu chưng ở 1800C (6h)

48

Hình 2.24

0

Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu chưng ở 200 C (6h)
0


Hình ảnh SEM của mẫu chưng ở 180 C

53

Hình 2.30

Hình ảnh SEM của mẫu chưng ở 2000C

54

Hình 3.1

Máy nghiền bi sắt

59

Hình 3.2

59

Hình 3.3

Cân điện tử
Máy nghiền bi sứ

Hình 3.4

Khuôn sắt 20mm x 20mm

59


Hệ thống lò đo cách nhiệt

60

Học viên: Lê Hồng Hải

5

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp

 Danh mục các bảng
Số hiệu bảng
Bảng 2.1

Tên bảng
Hydrat canxi silicat phổ biến.

Trang
15

Bảng 2.2

Tính chất vật lý của pha CSH

18


Bảng 3.5

45

6h.

Bảng 3.6

Bộ peak chuẩn của một số hợp chất.

Bảng 3.7

Nhiệt độ bề mặt của các mẫu

Bảng 3.8

49
54
0

Nhiệt độ bề mặt của các mẫu sau khi nung ở 600 C

Học viên: Lê Hồng Hải

6

55

Lớp: CNVLPK2011B




Luận văn tốt nghiệp
II. TỔNG QUAN
1.Tình hình sử dụng và nghiên cứu trong nước và trên thế giới
1.1.Tình hình sử dụng vật liệu cách nhiệt trên thế giới. [1]
Trên thế giới , vật liệu cách nhiệt đã được các nước có nền công nghiệp phát
triển như: Mỹ, Đức, Nhật bản, Anh,...nghiên cứu và đưa vào sản xuất rộng rãi trong
các ngành công nghiệp và xây dựng dân dụng với nhiều chủng loại khác nhau từ khá
lâu.
Công nghệ sản xuất vật liệu không nung sử dụng nhiệt độ và áp suất cao đã
được biết đến từ năm 1920. Sản phẩm khi đó là bê tông khí chưng áp. Các nghiên cứu
về cấu trúc vật liệu bê tông khí chưng áp cho thấy ở nhiệt độ và áp suất cao cấu trúc
khoáng của vật liệu này chủ yếu tồn tại ở dạng khoáng tobermorite. Vật liệu hệ CaOSiO2 cũng được sản xuất trong điều kiện tương tự với vật liệu bê tông khí chưng áp
nhưng cấu trúc ngoài tobermorite còn có khoáng xonotlite. Sự hình thành của các
khoáng này phụ thuộc vào tỷ lệ CaO/SiO2 của vật liệu tham gia và nhiệt độ dưỡng hộ.
Nghiên cứu năm 1955 của R.O.Peppler đã công bố quá trình phản ứng giữa
CaO,SiO2 và H2O ở nhiệt độ 1800C để chế tạo ra vật liệu cách nhiệt nhẹ dạng
tobermorite và xonotlite.
11 năm sau vào năm 1966 Công ty Japan Insulation CO.Ltd (JIC) đã nghiên
cứu thành công vật liệu cách nhiệt siêu nhẹ Calsium-Silicate với cấu trúc chủ yếu là
xonotlite bằng công nghệ chưng áp . Từ đó đến nay công ty JIC đã chuyển giao công
nghệ sản xuất vật liệu cách nhiệt này cho nhiều nước trên thế giới.
Năm 1976, Moriker-người Mỹ đã công bố bằng sáng chế với nội dung “ Công
nghệ sản xuất Vật liệu cách nhiệt Calsium-Silicate trong điều kiện chưng áp”.
Năm 1992, J.H Thomasin đã nghiên cứu quá trình phản ứng giữa
CaO,SiO2,H2O trong điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau, nhiệt độ trong dải từ
180-3500C.
Từ những nghiên cứu đó, các nước này đã đưa vào sản xuất để phục vụ trong
dân dụng như: cách âm, cách nhiệt, chống cháy cho các nhà cao tầng, tàu thủy,...trong

Các oxit chính được cung cấp từ các nguyên liệu để sản xuất tấm xốp chịu nhiệt là :
CaO, SiO2 và H2O.
Công thức tổng quát như sau:
CaO + SiO2 + H2O + phụ gia ( tỉ lệ CaO/SiO2 = 1 : 1 ).
Cao, SiO2 và phụ gia trộn với nước thành dạng bùn. Trong quá trình trộn có
một số phụ gia chống lắng và kích thích tạo khoáng, sau đó hỗn hợp này được đổ vào
khuôn và đưa vào thiết bị autoclaved để chưng áp ở nhiệt độ 180-2200C, với áp suất từ
10-24 at, với thời gian 8-12h. Quá trình phản ứng thủy nhiệt xảy ra giữa CaO, SiO2 và
H2O tạo thành khoáng xonotlite (Ca6Si6O17(OH)2).[1]
1.2. Tình hình sử dụng và nghiên cứu ở trong nước.
Nước ta hiện nay thường sử dụng các loại vật liệu cách nhiệt như gạch xốp
samot ( gạch samot nhẹ), gạch đinat, bông khoáng ( dạng tấm, dạng sợi,...), bông thủy
tinh, sợi amiang ( dạng tấm, dạng sợi,...)
Đặc biệt loại tấm xốp chịu nhiệt được sử dụng trong công nghiệp xi măng, nhiệt
điện, luyện kim có hệ số dẫn nhiệt thấp, chịu được nhiệt độ cao, khối lượng thể tích
nhỏ, có độ bền cao và thể tích ổn định, đó là tấm xốp chịu nhiệt hệ CaO-SiO2. Những
năm về trước, vật liệu chịu lửa hệ này được nhập vào nước ta chủ yếu qua các dự án
dây chuyền sản xuất đồng bộ sản xuất xi măng, nhiệt điện, dầu khí,...Những năm gần
đây Vật liệu chịu nhiệt hệ CaO-SiO2 được sử dụng rộng rãi hơn, chủ yếu là qua nguồn
nhập khẩu từ các nước như: Nhật Bản, Trung quốc, Đức,...với giá thành cao.
Sản phẩm của Đức với giá thành: 13-14 triệu đồng /m3

Học viên: Lê Hồng Hải

9

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp

+ Nghiên cứu tạo các khoáng cần thiết trong hệ CaO-SiO2-H2O.
+Với nguồn nguyên liệu chính từ tro trấu và vôi với giai đoạn chính tạo ra sản
phẩm dạng khối luôn.
2. Cơ sở khoa học của đề tài.
2.1.Tro trấu.
Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát.
Vỏ trấu có kích thước trung bình dài 8-10mm, rộng 2-3mm và dày 0,2mm. Hầu hết các
loại vỏ trấu có thành phần hữu cơ chiếm trên 90% khối lượng. Trong đó chứa khoảng

Học viên: Lê Hồng Hải

10

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển
thành tro. Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là SiO2.
Khi trấu được đốt ở điều kiện khống chế nhiệt, SiO2 vô định hình với độ hoạt
tính cao và diện tích bề mặt lớn có thể được tạo ra.[4]
2.2.Phương pháp thủy nhiệt.
Thuật ngữ “thủy nhiệt” đã được sử dụng vào đầu năm 1849 bởi một nhà địa
chất người Anh, Sir Roderick Murchison (1792-1871). Việc thúc đẩy nhanh phản ứng
giữa các pha rắn được thực hiện bằng phương pháp thủy nhiệt tức là phương pháp
dùng nước dưới áp suất cao và nhiệt độ cao hơn điểm sôi bình thường. Phương pháp
thủy nhiệt cũng được sử dụng để nuôi tinh thể. Thiết bị sử dụng trong phương pháp
này thường là nồi hấp (autoclave).
Quá trình thủy nhiệt silicat canxi trong thiết bị chưng áp autoclave: Xét trong
điều kiện áp suất hơi nước quá nhiệt và nhiệt độ cao trong thiết bị chưng áp, phản ứng

Học viên: Lê Hồng Hải

12

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.2 . Hình thái khoáng Xonotlite
2.3. Phản ứng giữa CaO và SiO2.[15]
Hydrat canxi silicate hình thành bởi phản ứng của các ion canxi và hòa tan silic
“thông qua hòa tan”. Nồng độ của cả hai loại ion canxi và silic bị hòa tan trong nước
xác định nếu xảy ra bão hòa tỷ lệ C/S của pha ban đầu. Các pha trong hệ vôi-silic-nước
được giới thiệu trong hình dưới.

Học viên: Lê Hồng Hải

13

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.3: Các pha trong hệ CaO-SiO2-H2O[15]
Nhiệt động lực học của sự hình thành hydrat tinh thể calcium silic đã được
nghiên cứu bởi Babushkin và cộng sự. Các khoáng được xem xét.

Học viên: Lê Hồng Hải


4CaO.3SiO2 .1.5H2O

Xonotlite

Ca6Si6O17(OH)2

6CaO.6SiO2 .H2O

Riversideite

2{Ca10Si12O31(OH)6 .3H2O}

5CaO.6SiO2 .3H2O

Tobermorite

Ca10Si12O31(OH)6 .8H2O

5CaO.6SiO2 .5.5H2O

Plombierite

Ca10Si12O31(OH)6 .18H2O

5CaO.6SiO2 .10.5H2O

Gyrolite

Ca4Si6O15(OH)2 .4H2O



Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.4 Các điều kiện hình thành các pha CSH .
Các pha mong muốn với các sản phẩmchưng áp thương mại được cho dưới đây:
1)Z-pha (CS2H2)
2)1.1nmtobermorite(C5S6H5)
3)1.4 nmtobernorite(C5S6H6)
4)xonotlite(C6S6H)
5)afwillite(C3S2H3)
6)-C2S hydrat
7)gyrolite(C2S3H2)
8)hillebrandite(C2SH)
9)C-S-H (I)
10)C-S-H (II)
Ảnh hưởng của tỷ lệ C/S được nhấn mạnh bởi nhiều tác giả. Phản ứng của CaO
và SiO2 được đặc trưng bởi sự hình thành nhanh chóng của pha CSHn trong vòng 2-3h
và duy trì cho đến 10h. Sự hình thành nhanh chóng của CSHn được coi là do tỷ lệ hòa
tan cao của SiO2.

Học viên: Lê Hồng Hải

16

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
Các phản ứng thủy nhiệt của SiO2 vô định hình và CaO đã được nghiên cứu bởi

nhưng tobermorite cũng được coi như có tham gia tạo cường độ. Tobermorite đã được
công nhận cung cấp cường độ đáng kể. Tính chất vật lý của hệ CSH được đưa ra bởi
Butt và cộng sự được tóm tắt trong bảng sau.
Bảng 2.2- Tính chất vật lý của pha CSH
Tỷ trọng biểu kiến
(g/cm3)

Hydrat canxi
silicat

Cường độ nén (kg/cm2)

( kg/cm2)
sau 6.5

Ban đầu

sau
6.5tháng

C-S-H(I)

1.13

1.43

230

175


18

C2SH(A)

0.87

0.91

2.5

22

1

4

C2SH(C)

0.98

1.11

15

115

4

5


dạng tinh thể mịn dẫn tới một mức độ cao của liên kết chéo. Tobermorite có các tinh
thể tấm lớn nhưng nó cung cấp các mạng với một vài điểm lên kết và do đó hạn chế
các liên kết. Có một sự bất thường giữa các báo cáo chưng áp về không gian điền đầy
của hydrat dicanxi silicat và trọng lượng riêng của chúng. Các mao quản vi mạch sẽ
ảnh hưởng đến cường độ sản phẩm chưng áp, nhưng bản chất của sản phẩm phản ứng
và hình dạng tinh thể là những yếu tố quan trọng

Học viên: Lê Hồng Hải

18

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp

 Kết luận
Từ tổng quan em thấy:
- Nghiên cứu chế tạo tấm vật liệu SiO2-CaO đã nhiều nhưng đều làm qua 2
công đoạn. (Phối liệu được đưa vào nồi chưng áp tạo vật liệu dạng bột có
thành phần khoáng chính là xonotlite, sau đó đưa thêm chết kết dính để ép
tạo khối)
- Nguyên liệu cung cấp SiO2 chưa dùng tro trấu.
Do vậy đề tài này em sẽ nghiên cứu chế tạo tấm vật liệu SiO2-CaO một công đoạn
(nghiên cứu tạo khối trực tiếp ngay trong quá trình chưng áp) và dùng nguyên liệu
cung cấp SiO2 là tro trấu.

Học viên: Lê Hồng Hải

19

lượng không đổi tại nhiệt độ 1050C ± 50C. Kiểm tra bằng cách cân lặp lại 2 giờ một
lần cho đến khi chênh lệch khối lượng giữa 2 lần cân liên tiếp không lớn hơn 0.1%
hoặc chênh lệch khối lượng hai lần cân bằng sai số của cân.
 Tiến hành thử
Đo kích thước hai mặt chịu nén của mẫu thử bằng thước kẹp với độ chính xác là
0.05mm. Tính diện tích trung bình mặt mẫu chịu tải (S).
Đo giới hạn bền khi nén nguội ở đây sử dụng máy ép thủy lực 5 tấn ở bộ môn
CNVL Silicat.
Đặt mẫu thử vào trung tâm máy nén, không đặt bất kỳ một loại tấm lót nào vào
giữa mẫu thử và các mặt ép.
Chọn thang đo 2 tấn trên máy để đo mẫu.
Tăng tải trọng cho đến khi mẫu bị phá hủy, tức là khi tải trọng đọc được trên
máy không tăng nữa. Ghi tải trọng cao nhất đạt được.
 Tính kết quả

Học viên: Lê Hồng Hải

20

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
Giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường (nhiệt độ trong phòng thí nghiệm bộ môn
silicat) của mẫu thử (Rn) tính bằng N/mm2
theo công thức:
Rn 

P
S

106
l b h

( kg/m3 )

(2.8)

Trong đó:
m: là khối lượng mẫu sau khi sấy khô, tính bằng gam.

Học viên: Lê Hồng Hải

21

Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
l, b, h: lần lượt là chiều dài, rộng, cao trung bình của mẫu thử, tính bằng
milimet.
Tính giá trị trung bình các kết quả thử. Loại bỏ kết quả sai số có giá trị sai số
trên 10% so với giá trị trung bình.
Kết quả là giá trị trung bình cộng của ít nhất hai kết quả riêng biệt của một lô
mẫu thử, chính xác tới 10 kg/m3.
2.1.3 Xác định độ co nung
 Chuẩn bị mẫu thử: Mẫu thử được gia công hình lập phương (20x20x20mm).
 Tiến hành thử
Xác định kích thước mẫu theo các chiều rộng, dài, cao bằng thước kẹp với độ
chính xác 0,05mm.
Đặt mẫu trong lò nung và nâng nhiệt từ từ với tốc độ nâng nhiệt 1000C/h đến


Lớp: CNVLPK2011B


Luận văn tốt nghiệp
Kết quả phép thử là giá trị trung bình của ít nhất 2 kết quả riêng biệt của một lô
mẫu thử, chính xác tới 0,1%.
2.2. Các phương pháp phi tiêu chuẩn
-

Xác định tính chất cách nhiệt.

-

Phương pháp hiển vi điện tử quét – SEM.

-

Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen – XRD.

-

Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA, TG.

2.2.1.Xác định tính chất cách nhiệt.
Phương pháp thử này là phương pháp phi tiêu chuẩn dùng để so sánh khả năng
cách nhiệt của các mẫu khi chưng áp ở các nhiệt độ khác nhau.
 Chuẩn bị mẫu thử
Ở đây mỗi viên mẫu thử là một mẫu sản phẩm tương ứng ở mỗi nhiệt độ chưng
áp (1600C, 1800C, 2000C).

Trong đó:

.(T2  T1 ).F
l

(W)

(2.10)

Q: lượng nhiệt truyền qua tường, tính bằng woat.
λ: độ dẫn nhiệt, tính bằng w/(m2.độ).
T2; T1: lần lượt là nhiệt độ bề mặt trong và ngoài, tính bằng độ C.
F: diện tích bề mặt truyền nhiệt, tính bằng met vuông.
l: khoảng cách 2 bề mặt truyền nhiệt, tính bằng met.

Theo phương trình 2.10 thì khi mà F bằng nhau, l bằng nhau và truyền nhiệt là
ổn định thì Q là không đổi theo thời gian. Khi đó λ tỉ lệ nghịch với hiệu số

( T2–

T1 ). Khi đó các mẫu được đo ở cùng điều kiện thí nghiệm, cùng nhiệt độ trong lò,
cùng bề dày mẫu thử, cùng diện tích truyền nhiệt thì nhiệt độ trên bề mặt mẫu thử nào
nhỏ hơn thì hiệu số ( T2 – T1) sẽ lớn hơn nên độ dẫn nhiệt λ nhỏ hơn hay là độ cách
nhiệt của mẫu thử đó tốt hơn.
2.2.2 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA, TG.
Mẫu được đập nhỏ vụn ra, nghiền mịn bằng cối mã não và đem đi phân tích
nhiệt DTA, TG. Dựa vào việc thay đổi nhiệt độ và khối lượng của mẫu đo và mẫu
chuẩn và được xem như là một hàm của nhiệt độ mẫu. Các tính chất của mẫu chuẩn là
hoàn toàn xác định và yêu cầu mẫu chuẩn phải trơ về nhiệt độ. Với mẫu đo thì luôn
xảy ra một trong hai quá trình giải phóng và hấp thụ nhiệt khi ta tăng nhiệt độ của hệ,

Độ mịn và thành phần hóa của tro trấu sau khi nghiền mịn
* Độ sót sàng: xác định theo TCVN 4030 : 1985 về phương pháp xác định độ mịn
Lượng trên sàng N0008 là 15,2%.
* Bảng thành phần hóa học của tro trấu: mẫu tro trấu được xác định thành phần hóa tại
Viện cơ khí năng lượng và mỏ-VINACOMIN (IEMM).
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của tro trấu

Nguyên

Thành phần phần trăm khối lượng hóa học (%)

liệu

SiO2

CaO

K2O

Al2O3 MgO Fe2O3 TiO2 P2O5 MnO CK

Tro Trấu

88.01

2.02

3.25

0.55