Báo cáo Nghiên cứu thiết kế và chế tạo dây chuyền sản xuất tấm lợp không sử dungh Amiăng

Bộ công nghiệp Viện Công nghệ 25 Vũ Ngọc Phan, Đống Đa, Hà Nội Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo dây chuyền sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng m∙ số kc.06.15 TS. Đỗ Quốc Quang 5958 27/7/2006 Hà Nội, tháng 12 – 2005 Bản quyền 2005 thuộc Viện Công nghệ Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Viện tr−ởng Viện Công nghệ, trừ tr−ờng hợp sử dụng cho mục đích nghiên cứu B C N V C N B C N V C N BCN VCN KC.06.15 Mục lục Danh sách những ng−ời thực hiện Bài tóm tắt Lời nói đầu Nội dung chính báo cáo Trang ch−ơng 1: Tình hình nghiên cứu, sản xuất tấm lợp trên thế giới và Việt nam 9 1.1 Tình hình nghiên cứu, sản xuất tấm lợp trên thế giới 9 1.1.1 Tấm lợp amiăng ximăng 9 1.1.2 Tấm lợp không sử dụng amiăng 10 1.2 Tình hình nghiên cứu, sản xuất tấm lợp trong n−ớc 23 1.2.1 Tình hình sản xuất tấm lợp amiăng ximăng 23 1.2.2 Về chủ tr−ơng cấm sử dụng amiăng trong sản xuất tấm lợp ở Việt Nam. 25 1.2.3 Tình hình nghiên cứu sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng. 26 1.2.4 H−ớng sử dụng vật liệu lai ghép (hybrid) với mục tiêu kinh tế 27 1.2.5 Một số vấn đề môi tr−ờng-xã hội liên quan 28 1.3 Mục tiêu của đề tài 29 1.4 Giới hạn nghiên cứu của đề tài 30 ch−ơng 2: Công nghệ và Vật liệu thay thế amiăng trong sản xuất tấm lợp 31 2.1 Một số đặc điểm của vật liệu amiăng sử dụng trong công nghệ xeo cán 31 2.1.1 Đặc điểm của công nghệ sản xuất tấm lợp sử dụng amiăng ximăng. 31 2.1.2 Đặc điểm của sợi amiăng 32 2.1.3 Các loại amiăng dùng trong công nghệ Hatscheck 34 2.1.4 Sơ đồ công nghệ Hatscheck và quy trình sản xuất tấm lợp amiăng ximăng 35 2.2 Yêu cầu chung của công nghệ xeo cán đối với vật liệu không sử dụng amiăng. Lựa chọn hệ vật liệu thay thế 38 2.3 Đặc điểm của vật liệu PVA 40 2.3.1 Tính chất của sợi PVA 40 2.3.2 Độc tính của vật liệu thay thế (Sợi PVA) 43 2.3.3 Đặc tính của sợi PVA trong công nghệ xeo cán 45 2.4 Sợi cellulose và khả năng gia c−ờng cho vật liệu nền ximăng 46 KC.06.15 2.4.1 Sợi cellulose 46 2.4.2 Nguồn sợi cellulose 47 2.4.3 Khả năng sử dụng sợi cellulose trong sản xuất tấm lợp 48 2.5 Phụ gia và chất phụ trợ 51 2.5.1 Vai trò của phụ gia và nguyên lý sử dụng 51 2.5.2 Silica fume 54 2.5.3 Bột giấy (bột cellulose) 55 2.5.4 Bentonite 55 2.5.5 Keo PVA - Polivinyl Acetat 56 2.5.6 Sepiolit 56 2.5.7 Wolastonit 57 2.5.8 Chất kết bông Flocculant 57 2.6 Một số thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đối với hệ vật liệu đã chọn và phụ gia 58 2.6.1 Nguyên vật liệu 58 2.6.2 Quy trình thí nghiệm 59 2.7 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng 69 ch−ơng 3: thiết bị dây chuyền công nghệ sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng 71 3.1 Giới thiệu chung và sơ đồ công nghệ 71 3.2 Nguyên tắc chung về thiết kế các thiết bị của dây chuyền sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng 75 3.3 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm cụm thiết bị chuẩn bị liệu (nghiền cellulose) 76 3.3.1 Nghiên cứu chế độ nghiền bột giấy thích hợp cho sản phẩm tấm lợp 76 3.3.2 Nghiên cứu và xác định tỷ lệ cấp phối tối −u đảm bảo tính xeo và tính kinh tế 79 3.3.3 Chế tạo và thử nghiệm cụm nghiền cellulose 80 3.4 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo và thử nghiệm thiết bị đánh tơi và phun sợi PVA 84 3.5 Các loại thiết bị trong dây chuyền sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng 89 3.5.1 Cụm chuẩn bị và hoà trộn nguyên liệu 89 3.5.2 Cụm thiết bị xeo cán và tạo hình sản phẩm 92 3.5.3 Các thiết bị và hệ thống phụ trợ 100 KC.06.15 3.6 Khả năng nội địa hoá trong việc chế tạo thiết bị 103 ch−ơng 4: Thử nghiệm sản xuất trên hiện tr−ờng 104 4.1 Các yêu cầu thử nghiệm 104 4.2 Các đợt thử nghiệm và kết quả 105 4.2.1 Thử nghiệm tại Công ty Ximăng Hệ D−ỡng 105 4.2.2 Thử nghiệm trên dây chuyền sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng chế tạo trong khuôn khổ đề tài KC.06.15 109 4.3 Đánh giá chung các kết quả thử nghiệm 118 Ch−ơng 5: Kiểm tra cơ lý tính mẫu sản phẩm tấm lợp không sử dụng amiăng 120 5.1 Đo độ dai va đập theo RILEM 120 5.1.1 Thiết bị đo và mẫu thử 120 5.1.2 Ph−ơng pháp đo 122 5.1.3 Kết quả và nhận xét 122 5.2 Chụp ảnh cấu trúc vi mô 123 5.3 Thử uốn gãy theo TCVN 4434: 2000 124 5.4 Phân tích hàm l−ợng sợi Amiăng trong sản phẩm tấm lợp mới 125 5.5 Thử thẩm thấu của tấm mẫu theo TCVN 4434: 2000 125 5.6 Thử nghiệm đánh giá độ lão hoá theo ph−ơng pháp gia tốc thời gian 126 5.7 Thử nghiệm tấm lợp trong môi tr−ờng tự nhiên 127 5.8 Một số nhận xét về các kết quả thử nghiệm chất l−ợng tấm lợp 129 ch−ơng 6: Kết luận và kiến nghị 130 6.1 Các kết luận về đề tài 130 6.1.1 Một số khó khăn trong công tác thực hiện đề tài 130 6.1.2 Các kết quả về chuyên môn 130 6.1.3 Các kết quả về ph−ơng pháp và đội ngũ nghiên cứu, công tác đào tạo 132 6.1.4 Các kết quả phục vụ sản xuất 133 6.1.5 Xây dựng quan hệ quốc tế trong lĩnh vực nghiên cứu, sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng 134 6.2 Một số kết quả về ấn phẩm đã công bố và đăng ký sở hữu trí tuệ 134 6.2.1 Một số kết quả về ấn phẩm đã công bố về các kết quả của đề tài 134 6.2.2 Một số sản phẩm thuộc đề tài đã đăng ký sở hữu trí tuệ 135 6.3 Một số tác động xã hội của đề tài 135 KC.06.15 6.4 Phát huy kết quả của đề tài 136 Tài liệu tham khảo 138 Danh sách những ng−ời thực hiện TT Họ và tên Cơ quan công tác Ghi chú A Chủ nhiệm đề tài Đỗ Quốc Quang Tiến sĩ Cơ học Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp B Cán bộ tham gia nghiên cứu 1 Nguyễn Đình Kiên Thạc sĩ Cơ học Viện Cơ học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam Ch−ơng 2, 5 2 Hoàng Thanh Bắc Th.S Công Nghệ giấy Viện Công nghiệp giấy - Xenluylô Bộ Công nghiệp Ch−ơng 2, 3 3 Cao Văn Mô KS. Chế tạo máy Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp Ch−ơng 1 4 Ngô Quốc H−ng KS. Chế tạo máy Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp Ch−ơng 3, 4 5 Tăng Bích Thuỷ KS. Chế tạo máy Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp Ch−ơng 3 6 Hoàng Việt Quang KS. Chế tạo máy Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp Ch−ơng 3 7 Lê Anh Đức KS. Tự động hoá Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp Ch−ơng 1 8 Vũ Thanh H−ơng KS. Hoá Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp Ch−ơng 2 Lời cảm ơn Nội dung trình bày trong đề tài là phần nối tiếp các ý t−ởng và công việc liên quan tới h−ớng nghiên cứu vật liệu compsite gia c−ờng sợi của Nhóm Cơ học Vật liệu - Viện Cơ học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam. Tác giả và nhóm thực hiện đề tài xin trân trọng cảm ơn TSKH. Lê Khánh Châu và các thành viên của Nhóm Cơ học Vật liệu, những ng−ời từ những năm 1990 đã khởi x−ớng h−ớng nghiên cứu có nhiều ứng dụng thực tế và triển vọng. Tác giả xin chân thành cảm ơn KS. Hoàng Tiến Dũng, Chủ tịch HĐQT Công ty VLXD Hạ Long về những cố gắng trong việc chế tạo lần đầu tiên các thiết bị của dây chuyền xeo cán tấm lợp. Chúng tôi cũng chân thành cảm ơn ông Võ Tiến Dũng - Công ty VLXD Hạ Long là ng−ời đã góp phần không nhỏ trong việc triển khai các ý t−ởng công nghệ vào thực tiễn. Trong thời gian tiến hành đề tài, tác giả đã nhận đ−ợc nhiều lời khuyên bổ ích và sự giúp đỡ quý báu của Giáo s− Yoshihiko Ohama, Viện Nghiên cứu Kỹ thuật, Đại học Nihon, Nhật bản. Đặc biệt, việc nghiên cứu cấu trúc vi mô của vật liệu trong đề tài đã đ−ợc thực hiện tại phòng thí nghiệm của Giáo s− Ohama. Đề tài cũng đã nhận đ−ợc sự trợ giúp to lớn từ nhiều cá nhân và các tổ chức khác nhau: TS. Wayne Stone, TS. Cao Duy Tiến và các cộng sự (Dự án Giảm thiểu ô nhiễm trong công nghiệp sản xuất Vật liệu xây dựng), Bà Shellia Shen (Công ty Hunan Xiangwei LTD., Co - China), KS. Nguyễn Văn Điệp - Giám đốc Công ty Xi măng Hệ D−ỡng – Ninh Bình và các cộng sự, KS. Chu Văn Hoè – Giám đốc Công ty Sản xuất Kinh doanh Vật liệu xây dựng Nghệ An và các cộng sự… Tác giả và nhóm thực hiện đề tài xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất cả các cá nhân và tổ chức đã giúp đỡ để đề tài hoàn thành kế hoạch đúng thời hạn. Cuối cùng, chúng tôi cũng chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Văn Tân – Viện tr−ởng và các Phòng, Ban thuộc Viện Công nghệ đã có nhiều đóng góp to lớn cho công việc của đề tài từ khi hình thành các ý t−ởng ban đầu và trong suốt quá trình thực hiện Đề tài. Bài tóm tắt Do những ảnh h−ởng xấu của amiăng tới môi tr−ờng và sức khoẻ của con ng−ời, đã có nhiều n−ớc tiên tiến trên thế giới cấm sử dụng amiăng trong các ngành sản xuất công nghiệp và dân dụng. Tại Việt nam, Chính phủ đã có Quyết định số 115/2001/QĐ-TTg ngày 01/8/2001 cấm sử dụng amiăng trong sản xuất tấm lợp, Quyết định có hiệu lực từ năm 2004. Đề tài này nhằm mục tiêu nghiên cứu, chế tạo và khảo nghiệm công nghệ và thiết bị sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng trên qui mô công nghiệp bằng ph−ơng pháp xeo cán. Qua các khảo sát và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, đề tài đã lựa chọn hệ vật liệu thay thế amiăng là sợi PVA và cellulose cùng với một số phụ gia vô cơ và hữu cơ. Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cũng xác định đ−ợc cấp phối định h−ớng nhằm đảm bảo cho huyền phù có tính ổn định và tính lọc tốt nhất cho quá trình xeo cán tấm lợp không sử dụng amiăng. Một nội dung khác của đề tài là chế tạo dây chuyền công nghệ sản xuất sản phẩm mới có năng suất thiết kế 0,5 triệu m2/năm. Trong dây chuyền này, đã thiết kế, chế tạo hai cụm thiết bị mới là cụm Chuẩn bị liệu và Máy đánh - phun sợi PVA. Các thiết bị này cho phép tạo hiệu quả cao cho việc sử dụng sợi cellulose và PVA thay thế cho amiăng trong sản phẩm tấm lợp mới. Quá trình thử nghiệm trên hiện tr−ờng đã đ−ợc thực hiện trên các dây chuyền công nghệ mới tại Công ty Ximăng Hệ D−ỡng, Ninh Bình (năm 2003) và Vinh, Nghệ An (năm 2004). Trong quá trình này, đã khẳng định khả năng thay thế amiăng trong sản xuất tấm lợp bằng các vật liệu mới trên qui mô sản xuất công nghiệp. Sản phẩm mới đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật theo dự kiến. Qua các test đối với sản phẩm tấm lợp sản xuất trong các đợt khảo nghiệm tại các phòng thí nghiệm trong và ngoài n−ớc, b−ớc đầu xác nhận cơ - lý tính của sản phẩm mới đảm bảo các chỉ tiêu chủ yếu của TCVN 4434:2000, t−ơng đ−ơng với sản phẩm tấm lợp amiăng ximăng. Các sản phẩm này cũng đã đ−ợc sử dụng thử nghiệm tại một số địa ph−ơng khu vực đồng bằng và trung du Bắc bộ từ năm 2003 và cho các kết quả khả quan. Các kết quả của đề tài đã đ−ợc triển khai vào sản xuất tại một số cơ sở sản xuất tấm lợp trong n−ớc từ năm 2004. Lời nói đầu 1 Lời mở đầu Sản phẩm tấm lợp amiăng ximăng có lịch sử phát triển trên 100 năm nay. Do các đặc tính kinh tế – kỹ thuật −u việt nên sản phẩm này chiếm một thị phần khá lớn trong thị tr−ờng vật liệu xây dựng nói chung và chất lợp nói riêng. ở Việt nam, hiện nay sản l−ợng tấm lợp đạt tới 70 triệu m2/năm và theo dự báo của Bộ Kế hoạch và Đầu t−, thị tr−ờng tấm lợp có thể đạt tới xấp xỉ 100 triệu m2/năm vào năm 2010. Chỉ riêng phía Bắc, đã có 37 dây chuyền sản xuất tấm lợp amiăng ximăng đang hoạt động tính đến năm 2003. Tuy nhiên, từ năm 1906, các nghiên cứu về y học và môi tr−ờng trên thế giới đã phát hiện mối nguy cơ dẫn đến bệnh ung th− đối với những ng−ời có tiếp xúc với các sản phẩm có chứa amiăng. Do đó, từ năm 1980, các n−ớc công nghiệp phát triển đã bắt đầu lộ trình thay thế amiăng trong các sản phẩm công nghiệp và dân dụng nói chung và trong sản xuất tấm lợp nói riêng. Chính phủ Việt nam cũng đã có Quyết định số 115/2001/QĐ-TTg ngày 01/8/2001 cấm sử dụng amiăng trong sản xuất tấm lợp bắt đầu từ năm 2004. Tr−ớc tình hình này, việc nghiên cứu và đ−a vào sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng là một vấn đề khá bức xúc và có tính thời sự cao. Mặc dù đã đ−ợc bắt đầu nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ XX nh−ng việc thay thế amiăng trong sản xuất tấm lợp mới chỉ đ−ợc ứng dụng trong thực tiễn sản xuất gần đây. Trên thế giới có thể kể đến các hãng lớn nh− ETERNIT BUILDING MATERIALS (Châu Âu), SIEMPELKAMP (CHLB Đức), JAMES HARDIE (Australia)…đã phát triển sản phẩm tấm lợp không sử dụng amiăng rất có hiệu quả. Đặc điểm của các dây chuyền thiết bị do các hãng kể trên cung cấp là có độ tự động hoá và chất l−ợng sản phẩm cao, tuy nhiên giá thành cũng rất cao, khó phù hợp với thị tr−ờng Việt nam. Các nghiên cứu trong n−ớc cũng đã đ−ợc tiến hành b−ớc đầu nh− đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu công nghệ thích hợp sản xuất vật liệu tổ hợp ximăng – polime – sợi vô cơ - sợi hữu cơ để chế tạo cấu kiện nhẹ sử dụng trong xây dựng công trình ở vùng đất yếu và vùng có động đất” của Viện KHCN Vật liệu xây dựng – Bộ Xây dựng (năm 2003), đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu cải tiến thiết bị sản xuất tấm lợp Fibrô Ximăng theo công nghệ không sử dụng amiăng” của Viện Công nghệ – Bộ Công nghiệp (năm 2003). Các đề tài này mới chỉ dừng lại ở việc áp dụng trên qui mô nhỏ, ch−a thực sự đáp ứng đ−ợc yêu cầu đổi mới công nghệ đối với sản xuất. Tuy nhiên, chúng cũng đặt ra các tiền đề quan trọng đối với h−ớng sử dụng các vật liệu tổ hợp mới thay cho amiăng trong sản xuất tấm lợp, phù hợp với điều kiện và hoàn cảnh của Việt nam. Lời nói đầu 2 Trong bối cảnh trên, đầu năm 2003 Bộ Khoa học và Công nghệ đã giao cho Viện Công nghệ – Bộ Công nghiệp thực hiện đề tài cấp Nhà n−ớc “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dây chuyền sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng”, mã số KC.06.15 với mục tiêu chính là chế tạo hoàn chỉnh và đ−a vào khảo nghiệm dây chuyền pilot sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng trên qui mô công nghiệp. Tuy mục tiêu chính của đề tài là xây dựng thiết bị công nghệ nh−ng trên thực tế khi thực hiện đề tài, các nội dung vật liệu học của vật liệu tổ hợp nền ximăng, nghiên cứu công nghệ trong phòng thí nghiệm, khảo nghiệm trên qui mô sản xuất công nghiệp, tiến hành các test cơ học… phải tiến hành song song nhằm tìm ra các cấp phối, vật liệu phù hợp nhất về kinh tế - kỹ thuật cho sản phẩm mới. Mặc dù thời gian và kinh phí có hạn, nội dung thực hiện của đề tài trải rộng và khá phức tạp nh−ng với sự quyết tâm cao, có sự giúp đỡ tích cực của các cá nhân, đơn vị sản xuất, các nhà khoa học trong và ngoài n−ớc, đề tài đã kết thúc đúng thời hạn với một số kết quả b−ớc đầu đã đạt đ−ợc. Tuy nhiên, do còn có nhiều hạn chế về khả năng và ph−ơng tiện, các kết quả của đề tài chắc chắn không tránh khỏi các thiếu sót, hạn chế và cần sự đóng góp của ng−ời đọc, đặc biệt là các chuyên gia và các nhà sản xuất trong lĩnh vực này. Với tinh thần cầu thị, chúng tôi đánh giá cao các ý kiến đóng góp để các kết quả của đề tài đ−ợc hoàn thiện hơn và có thể áp dụng vào thực tiễn sản xuất. D−ới đây là trích l−ợc các thông tin trong thuyết minh đề tài (số thứ tự theo biểu B1-2- TMĐT): 1. Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dây chuyền sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng. 2. M∙ số: KC.06.15 3. Thời gian thực hiện: từ tháng 1 năm 2003 đến tháng 12 năm 2004 4. Cấp quản lý: Nhà n−ớc 5. Tổng kinh phí thực hiện: 2.000 triệu đồng Trong đó kinh phí từ NSNN: 2.000 triệu đồng 6. Thuộc ch−ơng trình: ứng dụng công nghệ tiên tiến trong sản xuất sản phẩm xuất khẩu và sản phẩm chủ lực. Mã số KC.06. 7. Chủ nhiệm đề tài: TS. Đỗ Quốc Quang 8. Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Công Nghệ - Tổng Công ty máy Động lực & máy Nông nghiệp – Bộ Công nghiệp. 9. Mục tiêu của Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một dây chuyền sản xuất tấm lợp không sử dụng Amiăng bằng ph−ơng pháp xeo cán năng suất 500.000 m2/ năm. Lời nói đầu 3 12 Nội dung nghiên cứu T−ơng ứng với các vấn đề cần tiếp cận nghiên cứu đ−ợc luận cứ trong mục 11, các nội dung nghiên cứu cần thiết bao gồm: 1. Nghiên cứu về sợi thay thế: 1.1. Sợi xenlulô: - Nghiên cứu về thiết bị và sơ đồ công nghệ nghiền tinh xenlulô để đạt các mục tiêu công nghệ và tính kinh tế. - Tỷ lệ cấp phối tối −u đảm bảo tính xeo và tính kinh tế. 1.2. Sợi tổng hợp: - Tỷ lệ cấp phối của sợi tổng hợp trong ma trận ximăng - Phân bố của sợi tổng hợp trong quá trình sản xuất bằng ph−ơng pháp xeo cán: Nghiên cứu cấu tạo và sử dụng các các trục định h−ớng sợi trong bể xeo - Nghiên cứu ảnh h−ởng của tỷ lệ cấp phối và phân bố sợi tổng hợp đến độ bền (độ bền toàn thể và độ dai va đập của sản phẩm). Cũng chú ý đến ảnh h−ởng của sợi tổng hợp đến độ bền của tấm sản phẩm −ớt – chỉ tiêu rất có ý nghĩa đối với quá trình công nghệ sản xuất tấm lợp. 2. Nghiên cứu dây chuyền thiết bị công nghệ (nội dung nghiên cứu trọng tâm- xem Sơ đồ và mặt cắt công nghệ trong phần Phụ lục) 2.1. Thiết bị chuẩn bị sợi : Bao gồm các loại máy nghiền thô và nghiền tinh xenlulô: - Nghiền thô: Máy khuấy trục đứng. - Nghiền tinh: Máy nghiền đĩa. Nghiên cứu tìm sơ đồ công nghệ phù hợp nhất nhằm giảm thiểu mức độ tiêu thụ năng l−ợng nh−ng vẫn đảm bảo các chỉ tiêu công nghệ của sợi xenlulô. Sợi xenlulô sử dụng trong công nghệ xeo cán tấm lợp cần có độ mịn đạt từ 40-650SR. 2.2. Các thiết bị của dây chuyền xeo cán sản phẩm: Đ−ợc thiết kế và chế tạo với hai mục tiêu chính: - Phù hợp với công nghệ xeo cán tấm lợp với sợi thay thế là xenlulô và sợi tổng hợp - Cho phép có sự điều chỉnh các thông số công nghệ trong diện rộng nhằm tìm đ−ợc các thông số phù hợp nhất về tốc độ, độ chân không, công suất... - Năng suất đạt 500.000 m2/năm (tức là khoảng 350 sản phẩm/ca). 2.3. Khâu định hình sản phẩm: Do đặc tính của sợi thay thế, độ bền của tấm sản phẩm −ớt tr−ớc công đoạn định hình sản phẩm (ép sóng) sẽ khác so với tấm lợp sử dụng amiăng. Khâu định hình sản phẩm (ép sóng) phải phù hợp nhằm đảm bảo loại trừ phế phẩm (nứt tế vi, nứt, vỡ..) đối với sản phẩm cuối cùng. 2.4. Nghiên cứu sử dụng một phần thiết bị của công nghệ sản xuất tấm lợp amiăng vào dây chuyền tấm lợp không sử dụng amiăng: Trong quá trình thiết kế, chế tạo các thiết bị của dây chuyền pilot, nghiên cứu tận dụng hoặc cải tiến các thiết bị tiêu chuẩn cũ của ngành sản xuất tấm lợp amiăng ximăng nhằm tiết kiệm cho các cơ sở sản xuất trong tr−ờng hợp chuyển đổi sang công nghệ mới. 2.5. Ph−ơng thức triển khai nghiên cứu công nghệ (triển khai dây chuyền pilot tại địa điểm sản xuất). Kết hợp với một cơ sở sản xuất tấm lợp amiăng ximăng đang hoạt động để triển khai dây chuyền pilot. Việc kết hợp nh− dự kiến sẽ tận dụng đ−ợc nhân lực và các cơ sở hạ tầng của dây chuyền cũ, tiết kiệm kinh phí đầu t− nghiên cứu. Lời nói đầu 4 3. Nghiên cứu mẫu sản phẩm 3.1. Các thử nghiệm theo chuẩn RILEM: Khác với các thử nghiệm theo TCVN 4434:2000, các thử nghiệm theo chuẩn RILEM (Technical Recomendations for the Testing and Use of Construction Materials – International Union of Testing and Research Laboratories for Materials and Structures) cho phép đánh giá cơ-lý tính của mẫu vật liệu một cách trực tiếp (chứ không phải đánh giá qua sản phẩm tấm sóng). Chủ yếu triển khai thử nghiệm mẫu bằng các test: - Thử bằng ph−ơng pháp va đập - Thử độ xuyên n−ớc của mẫu Mục tiêu của các thử nghiệm này nhằm đánh giá độ bền của mẫu thử một cách toàn diện hơn so với ph−ơng pháp thử sản phẩm-tấm sóng theo chỉ dẫn của TCVN 4434:2000. Mẫu thử đ−ợc đánh giá độ bền, độ dai va đập của vật liệu thông qua giá trị năng l−ợng phá huỷ xác định từ các test. 3.2. Chế tạo và thử nghiệm dụng cụ thử mẫu theo ph−ơng pháp va đập: Dự kiến chế tạo 01 mẫu dụng cụ thử nghiệm theo ph−ơng pháp va đập có kết cấu đơn giản và phù hợp với các mẫu vật liệu mới về thang đo. Dụng cụ này có thể trang bị cho các cơ sở sản xuất để dùng trong quá trình sản xuất sau này. 3.3. Thử sản phẩm theo các chỉ dẫn của TCVN 4434:2000 Nh− đã nêu trong mục 11, các sản phẩm mới cũng cần đ−ợc thử bằng các chỉ dẫn của TCVN 4434:2000 nhằm đánh giá các chỉ tiêu về độ chịu lực, xuyên n−ớc. Các số liệu của các thử nghiệm này cũng có thể dùng để xây dựng một tiêu chuẩn mới phù hợp hơn đối với các tấm lợp không sử dụng amiăng 3.4. Đánh giá sản phẩm và hiệu chỉnh công nghệ qua các kết quả thử nghiệm: Dự kiến sản xuất khoảng 2.000 sản phẩm trong giai đoạn sản xuất pilot. Có hai phạm vi điều chỉnh công nghệ cần chú ý tách biệt: a - Điều chỉnh các thông số công nghệ của dây chuyền: Đ−ợc thực hiện liên tục nhằm tìm các thông số làm việc của thiết bị phù hợp nhất với vật liệu mới. Sản phẩm tấm lợp trong giai đoạn này đ−ợc đánh giá định tính hoặc thử nhanh qua các chỉ dẫn của TCVN 4434:2000 b - Các lô sản phẩm theo các cấp phối khác nhau sẽ đ−ợc lấy mẫu để thử theo cả hai ph−ơng pháp nêu trong mục 3.1 và 3.3. Kết quả của các phép thử này sẽ sử dụng để hiệu chỉnh cấp phối cho công nghệ mới chủ yếu về định l−ợng các thành phần sợi thay thế. 14 Tiến độ thực hiện TT Các nội dung, công việc thực hiện chủ yếu (Các mốc đánh giá chủ yếu) Sản phẩm phải đạt Thời gian (BĐ-KT) Ng−ời, cơ quan thực hiện 1 2 3 4 5 1 Xây dựng bản thuyết minh chi tiết của đề tài Bản thuyết minh chi tiết 1/2003–2/2003 CNĐT-Viện Công Nghệ 2 Thu thập tài liệu, tham quan, khảo sát, phân tích, đánh giá và xây dựng báo cáo tổng quan về hiện trạng của đề tài nghiên cứu Bản báo cáo tổng quan chi tiết 2/2003–6/2003 Nhóm đề tài - Viện Công Nghệ Lời nói đầu 5 3 Tiến hành các nghiên cứu về sợi xenlulô, sợi gia c−ờng plastic. Sản xuất thử sợi xen lulô đã nghiền tinh trên thiết bị thí nghiệm của Viện Công nghiệp giấy và Xenluylô Xác định qui trình công nghệ sản xuất sợi xenlulô nghiền tinh theo yêu cầu. 3/2003– 6/2003 Viện Công Nghệ + Viện Công nghiệp giấy và Xenluylô. 4 Hội thảo Trình bày các kết quả khảo sát. Qui trình công nghệ SX sợi xenlulô. Các vấn đề liên quan đến sợi plastic. 6/2003-7/2003 Viện Công Nghệ + Viện Công nghiệp giấy và Xenluylô. 5 Thiết kế thiết bị dây chuyền sản xuất tấm lợp sử dụng sợi Plastic: - Cụm thiết bị SX bột giấy. - Máy nghiền kiểu Hà Lan - Máy khuấy chuyển liệu - Máy khuấy phân phối - Các thiết bị trong giàn xeo cán tạo phôi sản phẩm. - Băng tải cao su. - Xe goòng đỡ tấm. - Hệ thống dao cắt ba via. - Máy đánh ba via. - Hệ thống côn n−ớc lắng lọc, hồi l−u và hệ thống đ−ờng ống công nghệ. - Hệ thống hút chân không cao, thấp - Hệ thống phun rửa băng l−ới. Hệ thống tủ bảng điện điều khiển, hệ thống điện động lực. Bộ tài liệu thiết kế dây chuyền pilot năng suất 0,5 triệu m2/năm 5/2003–9/2003 Viện Công Nghệ + Viện Công nghiệp giấy và Xenluylô. 6 Chế tạo dây chuyền : Chế tạo các cụm thiết bị đã thiết kế ở trên. Dây chuyền pilot sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng năng suất 0,5triệu m2/năm 8/2003 – 4/2004 Viện Công Nghệ và một số cơ sở chế tạo máy khác 7 Thiết kế, chế tạo dụng cụ thử độ dai va đập mẫu vật liệu composite sợi nền ximăng Dụng cụ thử độ dai va đập 3/2004 - 5/2004 Viện Công Nghệ 8 Triển khai xuống địa điểm sản xuất Lắp đặt, chạy thử dây chuyền 4/2004 -6/2004 Viện Công Nghệ Lời nói đầu 6 9 Sản xuất thử nghiệm tấm lợp không sử dụng amiăng, hiệu chỉnh các thông số công nghệ của dây chuyền Sản xuất khoảng 3 lô sản phẩm đạt các tiêu chuẩn cơ bản của TCVN 4434:200, số l−ợng 2.000 sản phẩm 6/2004 – 10/2004 Viện Công Nghệ + Cty Nam Long và một số cơ sở khác 10 Nghiên cứu, xây dựng và hiệu chỉnh qui trình công nghệ sản xuất tấm lợp sử dụng sợi Xenlulo & Plastic. Qui trình công nghệ sản xuất tấm lợp sử dụng sợi Plastic. 6/2004– 8/2004 Viện Công Nghệ 11 Kiểm tra, thử nghiệm các mẫu vật liệu mới theo chuẩn RILEM, thử nghiệm các sản phẩm mới theo TCVN 4434:2000 Xác định cơ lý tính của sản phẩm mới. Hiệu chỉnh công nghệ phù hợp với các tỷ lệ cấp phối khác nhau 8/2004–11/2004 Viện Công Nghệ + Viện KH vật liệu 12 Hội thảo Đánh giá về tình hình thiết kế, chế tạo dây chuyền. Kết quả sản xuất thử nghiệm tấm lợp sử dụng Plastic. 9/2004 Viện Công Nghệ 13 Viết báo cáo tổng kết đề tài. Bản báo cáo tổng kết, các số liệu sản xuất thử, số liệu đo đạc, kiểm tra đánh giá mẫu sản phẩm 10/2004-12/2004 Viện Công Nghệ 14 Nghiệm thu đề tài cấp cơ sở và nghiệm thu chính thức. Nghiệm thu xong đề tài. 12/2004-1/2005 Viện Công Nghệ 15 Dạng kết quả dự kiến của đề tài I II III ♦ Mẫu (model, maket) ♦ Quy trình công nghệ X ♦ Sơ đồ ♦ Sản phẩm X ♦ Ph−ơng pháp ♦ Bảng số liệu ♦ Vật liệu ♦ Tiêu chuẩn ♦ Báo cáo phân tích ♦ Thiết bị, máy móc ♦ Quy phạm ♦ Tài liệu dự báo ♦ Dây chuyền công nghệ X ♦ Đề án, qui hoạch triển khai ♦ Giống cây trồng ♦ Luận chứng kinh tế-kỹ thuật, nghiên cứu khả thi ♦ Giống gia súc ♦ Ch−ơng trình máy tính ♦ Khác (các bài báo, đào tạo NCS, SV,...) Lời nói đầu 7 16 Yêu cầu khoa học đối với sản phẩm tạo ra (dạng kết quả II, III) TT Tên sản phẩm Yêu cầu khoa học Chú thích 1 2 3 4 1 Bộ tài liệu thiết kế Dây chuyền sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng. Một bộ tài liệu thiết kế hoàn chỉnh, có các thông số kỹ thuật phù hợp với công nghệ SX tấm lợp không sử dụng Amiant. 2 Qui trình công nghệ chế tạo tấm lợp không sử dụng Amiăng. Có 01 bộ qui trình công nghệ đầy đủ, rõ ràng, phù hợp điều kiện SX ở Việt nam. 17 Yêu cầu kỹ thuật, chỉ tiêu chất l−ợng đối với sản phẩm tạo ra (dạng kết quả I) TT Tên sản phẩm và chỉ tiêu chất l−ợng chủ yếu Đơn vị đo Mức chất l−ợng Dự kiến Số l−ợng sản phẩm Cần đạt Mẫu t−ơng tự tạo ra Trong n−ớc Thế giới 1 2 3 4 5 6 7 1 Dây chuyền thiết bị sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng năng suất 0,5 triệu m2/năm. Bao gồm các thiết bị: - Cụm thiết bị SX bột giấy phù hợp với công nghệ SX tấm lợp không Amiăng. - Máy nghiền kiểu Hà lan - Máy khuấy chuyển liệu - Máy khuấy phân phối - Các thiết bị trong giàn xeo cán tạo phôi sản phẩm. - Băng tải cao su. - Hệ xe goòng vận chuyển và đỡ tấm. - Hệ thống dao cắt ba via. - Máy đánh ba via. - Hệ thống côn n−ớc lắng lọc, hồi l−u và hệ thống đ−ờng ống công nghệ. - Hệ thống hút chân không cao, thấp - Hệ thống phun rửa băng l−ới. - Hệ thống tủ bảng điện điều khiển, hệ thống điện động lực. 2 Tấm lợp không sử dụng amiăng có kích th−ớc 1520x920x5mm (profile 177/51), chịu lực > 300 Kg tấm TCV N 4434 : 2000 chịu lực >300 Kg 2.000 Lời nói đầu 8 23 Kinh phí thực hiện Đề tài phân theo các khoản chi TT Nguồn kinh phí Tổng số Trong đó Thuê khoán chuyên môn Nguyên,vật liệu, năng l−ợng Thiết bị, máy móc Xây dựng, sửa chữa nhỏ Chi khác 1 2 3 4 5 6 7 8 A Tổng kinh phí 2.000,0 640,0 1020,0 147,0 20,0 173,0 B Nguồn kinh phí 1 Ngân sách SNKH 2.000,0 640,0 1020,0 147,0 20,0 173,0 2 Kinh phí tự có 3 Kinh phí khác KC.06.15 9 Ch−ơng I Tình hình nghiên cứu, sản xuất tấm lợp trên thế giới và Việt Nam 1.1. Tình hình nghiên cứu, sản xuất tấm lợp trên thế giới 1.1.1. Tấm lợp amiăng ximăng Sản phẩm tấm lợp amiăng ximăng đã đ−ợc sản xuất trên qui mô công nghiệp ở hàng chục quốc gia trên thế giới với lịch sử phát triển hơn 100 năm nay. Do các tính năng −u việt về cơ lý tính, giá rẻ, tuổi thọ theo thời gian rất cao (tới hàng chục năm) nên loại sản phẩm này đã đ−ợc sử dụng rất rộng rãi với các tính năng nh− làm tấm lợp gợn sóng, vách ngăn phẳng, ống dẫn n−ớc (kể cả ống chịu áp lực) và nhiều loại sản phẩm phục vụ trong dân dụng và công nghiệp khác [1] . Ưu điểm mà loại vật liệu này có đ−ợc là do amiăng có các đặc tính công nghệ và chịu lực tốt. Amiăng - một loại khoáng vật dạng sợi - có mô đun đàn hồi khá cao nên có tác dụng tốt với vai trò làm cốt sợi gia c−ờng trong vật liệu tổ hợp (composite) nền ximăng. Trong ma trận ximăng, amiăng có sự phối hợp rất tốt về mặt cơ học và hoá học nên làm tăng c−ờng độ chịu của sản phẩm. Về mặt công nghệ sản xuất, tuyệt đại đa số các sản phẩm tấm lợp amiăng ximăng đ−ợc sản xuất bằng ph−ơng pháp xeo cán (Hatschek Process - Hình 1.1). Do các sợi amiăng có cấu trúc dạng búi, có tính tr−ơng nở tốt trong môi tr−ờng kiềm nên hỗn hợp amiăng ximăng trong môi tr−ờng n−ớc tạo ra dạng huyền phù đảm bảo tính lọc rất tốt trong quá trình xeo. Các đặc tính của huyền phù amiăng ximăng đã làm đơn giản khá nhiều các công đoạn của công nghệ xeo cán nên trên thực tế, các dây chuyền công nghệ xeo cán sản phẩm amiăng ximăng hoạt động khá ổn định, năng suất cao, chi phí năng l−ợng thấp. Vì đã có một khoảng thời gian dài đ−ợc sản xuất ở qui mô công nghiệp nên sản phẩm tấm lợp amiăng ximăng đ−ợc nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm rất kỹ càng. Đặc điểm quí báu của tấm lợp amiăng ximăng là có tính chất cơ lý tính tốt, đặc biệt là có độ dai va đập cao và độ bền ít bị suy giảm theo thời gian. Đặc điểm này cho phép ng−ời ta chế tạo ra dạng tấm lợp amiăng ximăng l−ợn sóng khá mỏng (tới 5mm) nh−ng vẫn có thể chịu lực t−ơng đối tốt khi vận chuyển và khi lợp. KC.06.15 10 Hình 1.1: Sơ đồ sản xuất tấm lợp theo công nghệ xeo cán. (nguồn: John Wiley & Sons., [2]) 1. Thùng khuấy, trộn 6. Dàn xeo 2. Tang xeo 7. Dao cắt 3. Băng xeo 8. Máy đập làm sạch băng 4. Lớp ximăng amiăng 9. Bơm rửa băng 5. Hộp hút chân không Các −u điểm trên kết hợp với tính kinh tế cao (cho đến nay, nhiều mỏ amiăng đều đ−ợc khai thác bằng ph−ơng pháp lộ thiên hoặc ph−ơng pháp hầm lò có độ sâu không lớn) nên các sản phẩm amiăng nói chung và tấm lợp amiăng ximăng nói riêng có giá thành rẻ hơn so với các loại vật liệu khác có công dụng t−ơng tự. Amiăng là một loại khoáng vật phân bố t−ơng đối rộng, trên thế giới có khoảng 40 quốc gia phát hiện có amiăng nh−ng chỉ có một số ít mỏ amiăng có trữ l−ợng công nghiệp và có chất l−ợng đảm bảo. ở Việt Nam hiện nay, ngành sản xuất tấm lợp nhập amiăng chủ yếu từ nguồn Liên xô cũ hoặc từ Dimbabue (Châu Phi), một số ít đ−ợc nhập từ Trung Quốc, Canada. 1.1.2. Tấm lợp không sử dụng amiăng Từ năm 1906, các nghiên cứu về y học và môi tr−ờng đã phát hiện mối nguy cơ dẫn đến bệnh ung th− đối với những ng−ời có tiếp xúc với các sản phẩm có chứa amiăng. Nguy cơ này đối với các loại amiăng trắng (chrysotile) và xanh (crocidolite), nâu KC.06.15 11 (amosite) có khác nhau. Theo một số tài liệu, tấm lợp amiăng ximăng sử dụng loại amiăng trắng ít độc hại hơn cả. Mặt khác, do tính bền của amiăng nên nó có thể tồn tại hầu nh− vĩnh viễn trong môi tr−ờng từ các nguồn thải, chủ yếu là các nguồn thải trong sản xuất nên có khả năng duy trì nguồn phế thải ô nhiễm lâu dài. Vấn đề cấm hay không cấm việc sử dụng amiăng đã gây ra những cuộc tranh cãi kéo dài gần 100 năm nay. Tới cuối những năm 1980, ở hầu hết các n−ớc công nghiệp phát triển đã bắt đầu cấm sử dụng amiăng trong sản xuất các sản phẩm công nghiệp và dân dụng. Nhiều n−ớc thuộc châu á cũng đã cấm sử dụng amiăng trong công nghiệp. Theo tài liệu của Công ty Kuraray, Nhật bản đã quan tâm tới việc hạn chế sử dụng amiăng từ rất lâu và gần đây Nhật bản đã hoàn toàn cấm sử dụng amiăng trong việc sản xuất vật liệu xây dựng. Bảng 1.1 minh họa lộ trình giảm dần việc sử dụng amiăng trong công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng của Nhật bản trong những năm gần đây và hoàn toàn không sử dụng amiăng trong ngành công nghiệp này từ năm 2005. Hình 1.2a và 1.2b minh họa tình hình sử dụng amiăng ở các khu vực khác nhau trên phạm vi toàn cầu, kể cả khu vực châu Phi. Tới thời điểm hiện tại, hầu hết các n−ớc ở châu Âu và châu Đại d−ơng đã hoàn toàn cấm sử dụng amiăng. Các n−ớc ở các khu vực còn lại, kể cả châu Phi, đã cấm hoặc đã đ−a ra lộ trình không sử dụng amiăng. Bảng 1.1: L−ợng amiăng tiêu thụ trong công nghiệp sản xuất VLXD ở Nhật bản (nguồn: Kuaray, [5]) Năm L−ợng tiêu thụ (tấn) 2001 2002 2003 2004 2005 79 463 43 318 24 653 8 162 0 KC.06.15 12 Hình 1.2a: Tình hình cấm sử dụng amiăng tại các n−ớc khác nhau trên thế giới (nguồn: Kuraray, [5]) KC.06.15 13 Hình 1.2b: Tình hình cấm sử dụng amiăng tại các n−ớc khác nhau trên thế giới (nguồn: Kuraray, [5]) KC.06.15 14 Nh− vậy, tuy ch−a có câu trả lời cuối cùng nh−ng có thể thấy việc cấm sử dụng amiăng đã trở thành xu thế không thể đảo ng−ợc đ−ợc. Vấn đề đặt ra hiện nay là cần thay thế amiăng trong các sản phẩm truyền thống nh− thế nào chứ không phải là có hay không sử dụng amiăng cho các sản phẩm công nghiệp và dân dụng – trong đó có sản phẩm tấm lợp amiăng [6]. Tới thời điểm hiện tại, tồn tại hai h−ớng cơ bản để thay thế sợi amiăng trong sản xuất tấm lợp nền ximăng: A. Sử dụng các loại sợi thiên nhiên thuần tuý: Trong thời kỳ thập kỷ 1980, xu h−ớng này đã phát triển ở một số n−ớc đang phát triển nh− ấn độ và một số n−ớc châu Phi... nhằm sản xuất các sản phẩm rẻ tiền, dễ tổ chức sản xuất [3]. Xuất phát từ một số dạng vật liệu sợi thực vật nh− các sợi đay, dứa dại, cỏ... ng−ời ta trộn các nguyên liệu này với ximăng, cát, một số chất độn khác và sử dụng các công cụ t−ơng đối thủ công để tạo hình sản phẩm cuối cùng rồi đem d−ỡng hộ. Ưu điểm của ph−ơng pháp này là dễ sản xuất, giá thành hạ. Tuy nhiên, ph−ơng pháp sử dụng sợi thiên nhiên này có nhiều nh−ợc điểm, trong đó nh−ợc điểm lớn nhất là sản phẩm có độ bền, tuổi thọ kém và khó sản xuất trên qui mô công nghiệp. Ngoài ra, do sử dụng hoàn toàn sợi tự nhiên chỉ qua chế biến sơ bộ nên khó kiểm soát đ−ợc chất l−ợng sản phẩm (Hình 1.3). ở Việt Nam, trong những năm cuối của thập kỷ 1980 cũng có một số mô hình sản xuất loại sản phẩm này, nh−ng do sản phẩm có tuổi thọ kém và chất l−ợng không ổn định nên không tiếp tục phát triển đ−ợc. B. Sử dụng các loại sợi nhân tạo: 9 Sự phát triển của công nghệ bê tông sợi (fibre concrete). Vật liệu bê tông sợi đ−ợc con ng−ời biết đến khá sớm. Các nghiên cứu về bê tông sợi th−ờng nhắc đến kinh nghiệm của ng−ời x−a biết sử dụng lông súc vật (ngựa, cừu...) trộn vào vữa khi xây nhà nhằm tránh chế các nứt vỡ khi vữa khô. Bản chất của hiện t−ợng này là tạo ra một loại vật liệu tổ hợp (vật liệu composite) làm tăng một số chỉ tiêu cơ lý tính của vật liệu nền, chủ yếu là tăng độ dai va đập. Tuy nhiên, việc ứng dụng bê tông sợi hiện đại lại xuất hiện muộn hơn nhiều. Vào khoảng những năm 1970, việc sử dụng các sợi nhân tạo trong sản xuất bê tông mới bắt đầu trở nên phổ biến và bê tông sợi đ−ợc ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các ngành xây dựng công nghiệp và dân dụng. KC.06.15 15 Hình 1.3: Quy trình sản xuất tấm lợp từ sợi thực vật (nguồn: John Wiley & Sons., [2]) Trong phần lớn các tr−ờng hợp, sợi gia c−ờng sử dụng trong bê tông là sợi nhân tạo - sản phẩm của sản xuất công nghiệp – với các đặc tính đ−ợc kiểm soát chặt chẽ và việc sản xuất các loại sợi này không phụ thuộc vào yếu tố địa lý nh− tr−ờng hợp sợi amiăng. Các loại sợi sử dụng để gia c−ờng gồm có các nhóm: ƒ Sợi khoáng: Sợi badan, sợi thuỷ tinh... ƒ Sợi plastic: sợi PP, PVC, PE, PVA, Polyamide... ƒ Sợi cacbon ƒ Sợi kim loại Việc sử dụng các loại sợi trên đ−ợc quyết định bởi những yêu cầu của sản phẩm về đặc tính cơ lý, bởi ph−ơng pháp chế tạo và công nghệ sản xuất. Bê tông sợi đ−ợc sử dụng trong một số công dụng đặc biệt nh− nhằm gia cố sửa chữa các vết nứt của cầu, hầm, đ−ờng bộ, đ−ờng băng sân bay, gia cố vòm hầm ngầm ... Tuy nhiên, ở một số n−ớc Bắc Âu nh− Nauy, Đan mạch, Thụy Điển bê tông sợi lại đ−ợc sử dụng rất rộng rãi trong xây dựng công nghiệp và dân dụng, trong đó có cả việc sử dụng làm vật liệu lợp rất có hiệu quả. Nhiều n−ớc thuộc châu á, đặn biệt là Nhật bản, Trung Quốc đã sử dụng rộng rãi bê tông sợi trong lĩnh vực xây dựng các công trình dân dụng có chất l−ợng cao. Năm 1996, KC.06.15 16 trong đợt khảo sát tại Khoa Xây dựng của tr−ờng Đại học Tongji - Th−ợng Hải, chúng tôi đã đ−ợc giới thiệu hàng loạt các ứng dụng của bê tông sợi trong xây dựng các công trình đặc biệt (cầu đ−ờng, hầm, sân bay...) của Trung Quốc. Hình 1.4 và 1.5 cho ta thấy các đặc tính cơ học của bê tông đ−ợc cải thiện rõ rệt khi ta thêm một l−ợng nhỏ sợi PVA với vai trò nh− sợi gia c−ờng cho ma trận ximăng. Độ bền kéo, uốn, đặc biệt là độ dai va đập của bê tông sợi cao hơn nhiền so với vật liệu bê tông truyền thống, và với các tính chất cơ lý này khả năng ứng dụng của bê tông sợi đ−ợc mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác nhau. Cơ chế của việc tăng các tính chất cơ lý của vật liệu bê tông sợi đ−ợc giải thích bằng khả năng ngăn chặn các vết nứt vốn tiềm ẩn khắp nơi trong ma trận vật liệu nền xi măng. Vật liệu nền xi măng, do bản chất của quá trình hình thành, đ−ợc biết tới nh− là loại vật liệu chứa nhiều lỗ rỗng, giòn, có c−ờng độ kéo và uốn thấp. D−ới tác động của lực ngoài, kể cả sự thay đổi nhiệt độ, các lỗ rỗng, vết nứt phát triển, gặp nhau, dẫn tới phá vỡ sản phẩm. Khi bê tông có sợi phân bố đều trong ma trận, các sợi đóng vai trò nh− các cấu nối giữa hai bờ của vết nứt. Nh− vậy, để vết nứt tiếp tục phát triển ta cần tiêu hao một năng l−ợng đủ để rút các sợi ra khỏi ma trận xi măng hoặc đủ để dứt đứt sợi. Theo ngôn ngữ của cơ học phá hủy, năng l−ợng hao tán cần thiết để phá hủy vật liệu bê tông sợi cao hơn nhiều so với bê tông thông th−ờng và điều này giải thích vì sao bê tông sợi có các tính chất cơ lý −u việt hơn bê tông truyền thống. Công nghệ sản xuất bê tông sợi từ các sợi nhân tạo chủ yếu dùng ph−ơng pháp phun nhằm đạt đ−ợc hiệu quả cao nhất trong việc phân bố sợi trong ma trận nền. Tuy nhiên, trong việc sản xuất các sản phẩm mỏng nh− tr−ờng hợp tấm lợp, ng−ời ta vẫn khuyến cáo sử dụng công nghệ xeo. Trong tr−ờng hợp này, việc phân bố các sợi gia c−ờng có một số khó khăn đòi hỏi các biện pháp đặc biệt nh− sử dụng phụ gia (phụ gia khuếch tán và một số phụ gia khác nh− phụ gia trợ lọc, phụ gia chống lắng...), cải tạo các thiết bị để đảm bảo các kết quả mong muốn và khắc phục các nh−ợc điểm về công nghệ mà các loại sợi nhân tạo th−ờng hay gặp phải. Theo nghiên cứu của Công ty Kuaray Nhật bản, các tấm mỏng xi măng gia c−ờng bằng sợi PVA có độ bền uốn t−ơng đối cao so với vật liệu gia c−ờng bằng các sợi polypropylene, polyester, polyacrylonitrele… (Hình 1.6). Nh− ta thấy từ hình 1.7, mẫu vật liệu tổ hợp nền ximăng gia c−ờng bằng sợi PVA có khả năng chịu biến dạng uốn rất KC.06.15 17 lớn, t−ơng tự nh− mẫu vật liệu kim loại. Nh− vậy, cùng với yếu tố kinh tế, sợi PVA là loại sợi có khả năng tốt để thay thế sợi amiăng trong việc sản xuất tấm lợp gợn sóng. Hình1.4: Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng đối với ma trận ximăng thuần tuý (không có sợi) (nguồn: Concrete International, [4]) Hình 1.5: Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng đối với vật liệu composite ximăng, sợi PVA (nguồn: Concrete International, [4]) T en si le st re ss (p si ) Tensile strain (inch/inch) P2 through P5 are individual i T en si le st re ss (p si ) Tensile strain (inch/inch) KC.06.15 18 Hình 1.6: Độ bền uốn của vật liệu xi măng gia c−ờng bằng các sợi polyme khác nhau (nguồn: Kuraray, [5]) Hình 1.7: Thử sức bền uốn của bê tông gia c−ờng bằng sợi PVA (nguồn: www.kuraray-ar.com ) KC.06.15 19 Hình 1.8: Quan hệ lực, chuyển vị của tấm đ−ợc gia c−ờng bằng sợi PP trong điều kiện thời tiết tự nhiên Vf= 5 – 7% có tính đến yếu tố suy giảm theo độ bền thời gian. (nguồn: Mc Graw – Hill Inc., [8]) KC.06.15 20 Hình 1.9: Quan hệ lực, chuyển vị của tấm đ−ợc gia c−ờng bằng sợi PP trong điều kiện tự nhiên Vf= 4 – 5% có tính đến yếu tố suy giảm theo độ bền thời gian. (nguồn:Mc Graw – Hill Inc., [8] ). KC.06.15 21 9 Vấn đề tuổi thọ của bê tông sợi: Tuổi thọ của bê tông sợi đ−ợc các nhà kỹ thuật rất quan tâm vì đây là vấn đề then chốt, quan trọng nhất của sản phẩm bê tông sợi. Việc thử nghiệm tuổi thọ của sản phẩm bê tông sợi mất nhiều thời gian và đòi hỏi những thiết bị phức tạp nên th−ờng chỉ đ−ợc tiến hành trong các phòng thí nghiệm tiên tiến của các n−ớc phát triển. Một số kết quả thử nghiệm đã đ−ợc công bố có thể giúp đánh giá chỉ tiêu này. Hình 1.8 và 1.9 minh họa sự thay đổi mối quan hệ giữa lực uốn và độ võng của vật liệu xi măng gia c−ờng bằng sợi PP (polypropylene) trong điều kiện tự nhiên, với các hàm l−ợng sợi khác nhau. Từ các Hình 1.8 và 1.9 ta thấy rằng vật liệu xi măng gia c−ờng bằng sợi PP hầu nh− không bị suy giảm sau các khoảng thời gian kéo dài từ 1 tháng tới 10 năm. Vì các đặc tính −u việt đã đ−ợc trình bày trên đây, ngày nay tại các n−ớc phát triển việc ứng dụng bê tông sợi trong thực tế sản xuất đã trở nên t−ơng đối rộng rãi. Hình 1.10: So sánh chất l−ợng của các loại bê tông gia c−ờng bằng sợi amiăng, sợi PP, sợi thuỷ tính và sợi thép. (nguồn: Mc Graw - Hill Inc., [8]). KC.06.15 22 9 Vấn đề độ bền của bê tông sợi: Các nghiên cứu về bê tông sợi cho thấy các sản phẩm có đặc tính rất khác nhau tuỳ thuộc vào l−ợng sợi và đặc tính của sợi gia c−ờng. Trong phạm vi của đề tài, chúng tôi quan tâm đến một số loại sợi có thể thay thế amiăng trong ma trận ximăng. Từ hình 1.10 ta có thể thấy bêtông sợi gia c−ờng bởi sợi amiăng có c−ờng độ khá cao nh−ng giòn hơn so với bêtông sợi gia c−ờng bằng sợi PP. Ng−ợc lại, bêtông sợi gia c−ờng bởi sợi PP lại có tính dai va đập tốt hơn, thể hiện bởi phần diện tích d−ới đ−ờng cong quan hệ lực–chuyển vị trên hình 1.10 của từng tr−ờng hợp sợi PP lớn hơn. Trong tr−ờng hợp tấm lợp, khả năng chịu dai va đập là rất quan trọng vì nó cho phép vận chuyển sản phẩm ít bị bể vỡ. Mặt khác, tính dai va đập cũng cho phép sản phẩm tấm lợp chịu đ−ợc các thay đổi về nhiệt độ do thời tiết gây ra, kết quả là ít xảy ra nứt vỡ do sự thay đổi nhiệt của môi tr−ờng. Điều này đặc biệt quan trọng khi sản phẩm tấm lợp đ−ợc sử dụng ở các vùng nhiệt đới có sự thay đổi nắng m−a th−ờng xuyên nh− n−ớc ta. 9 Sản xuất tấm lợp trên cơ sở công nghệ bê tông sợi Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu nhằm thay thế amiăng trong sản xuất tấm lợp ở qui mô công nghiệp. Các nghiên cứu đ−ợc thực hiện ở các mức độ khác nhau, ở nhiều phòng thí nghiệm và các công ty sản xuất vật liệu xây dựng. Có thể kể ra một số hãng đi đầu trên thế giới trong lĩnh vực này: − ETERNIT BUILDING MATERIALS: Hãng này đã từng đầu t− vào nhà máy amiăng ximăng Đồng Nai từ thập kỷ 1970 và đã sản xuất và đ−a ra thị tr−ờng các sản phẩm tấm lợp không sử dụng amiăng có tuổi thọ tới 30 năm. Các sản phẩm của ETERNIT BUILDING MATERIALS đ−ợc sử dụng rộng rãi ở châu Âu và có thị phần không nhỏ trong xây dựng nông nghiệp, nhà chung c−, hệ thống thông gió trong chăn nuôi... [16]. − Hãng SIEMPELKAMP, Cộng hoà Liên bang Đức: cũng đã triển khai công nghệ tấm lợp không sử dụng amiăng tại nhiều n−ớc châu Âu, gần đây nhất là việc thiết lập nhà máy sản xuất tấm lợp không sử dụng sợi amiăng tại Italia với năng suất đạt tới 5.000.000 m2/năm. SIEMPELKAMP đã có một số công tác tiếp thị ở Việt nam để giới thiệu việc chuyển giao công nghệ thiết bị sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng. Đặc điểm của công nghệ SIEMPELKAMP là có độ tự động hóa cao, sản l−ợng lớn nh−ng giá thành đầu t− khá cao. Dây chuyền do SIEMPELKAMP giới thiệu tại Việt Nam có công suất 5.500.000 m2/năm với giá khoảng 8,7 triệu Euro KC.06.15 23 (chỉ tính thiết bị và chuyển giao công nghệ). Theo đánh giá của các nhà sản xuất tấm lợp Việt Nam thì dây chuyền này cao hơn khoảng 20 - 30 lần mức đầu t− một dây chuyền tấm lợp amiăng ximăng công suất 2.000.000 m2/năm do trong n−ớc chế tạo. Tuy khó so sánh nh−ng chắc chắn sản phẩm của dây chuyền này sẽ có giá thành khá cao so với tấm lợp amiăng thông th−ờng và khó đ−ợc thị tr−ờng Việt Nam chấp nhận [17]. − James Hardie, Australia: Là hãng sản xuất và kinh doanh các sản phẩm không sử dụng amiăng nh− tấm lợp, tấm ngăn nhẹ, ống xả rác cho nhà cao tầng và rất nhiều loại sản phẩm nội, ngoại thất khác nhau. Sản phẩm của James Hardie hiện đã có mặt tại Việt Nam, đ−ợc sử dụng trong việc xây dựng một số chung c− cao tầng ở Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh [18]. Công nghệ sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng trong một số hãng kể trên có đặc điểm là sử dụng ximăng Pooclăng thông th−ờng và gia c−ờng theo ph−ơng pháp lai tạo (hybrrid) giữa một loại sợi thiên nhiên và một loại sợi tổng hợp, thay thế cho amiăng rất có hiệu quả. Các kết quả trên cho thấy, nói chung việc thay thế amiăng trong sản xuất tấm lợp đã trở nên hiện thực với trình độ công nghệ hiện nay. Nếu có sự lựa chọn công nghệ và mức độ đầu t− phù hợp thì việc sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng tại Việt Nam là có thể thực hiện đ−ợc. 1.2. Tình hình nghiên cứu, sản xuất tấm lợp trong n−ớc 1.2.1. Tình hình sản xuất tấm lợp amiăng ximăng Tr−ớc năm 1990, sản xuất tấm lợp amiăng ximăng trong n−ớc chỉ tập trung tại hai nhà máy ở Biên Hoà và Thủ Đức với sản l−ợng tối đa là 10 triệu m2/năm, toàn bộ thiết bị của hai dây chuyền này đ−ợc nhập ngoại từ tr−ớc năm 1975. Do các đặc điểm −u việt về cơ lý tính và giá thành của loại vật liệu này nên nhu cầu của sản phẩm tấm lợp ximăng amiăng không ngừng tăng. Đứng tr−ớc tình hình đó, vào những năm đầu của thập niên 1990, đã xuất hiện mô hình dây chuyền sản xuất công nghiệp mini với thiết bị hoàn toàn chế tạo trong n−ớc bắt đầu từ hai mẫu: − Công ty Xây lắp luyện kim Thái Nguyên liên doanh với nhà máy amiăng ximăng Đồng Nai chế tạo dây chuyền theo mẫu của Đồng Nai, đặt tại Thái Nguyên (gọi tắt là mẫu 1). KC.06.15 24 phía bắc - việt nam phân bố địa lý các dây chuyền tấm lợp Amiăng ximăng hà giang (1) thái nguyên (7) hà nội (4) ninh bình (3) quảng bình (1)- số tỉnh có lắp dây chuyền: 17/27 - tổng công suất: 50 - 70 triệu m2/năm - tổng số dây chuyền: 38 Nghệ an (1) thanh hoá (1) sơn la (1) phú thọ (3) nam định (2)hà nam (3) hoà bình (1) lào cai (1) bắc ninh (4) thái bình (1) hải phòng (2) hải d−ơng (2) − Viện Cơ học ứng dụng TP. HCM liên kết với Viện Cơ học Hà Nội nghiên cứu chế tạo dây chuyền quy mô nhỏ (mini) theo nguyên lý công nghệ xeo cán, đặt tại TP.HCM (gọi tắt là mẫu 2). Sau hơn 10 năm, các mô hình này đã đ−ợc thực tế kiểm nghiệm là đúng đắn, sản phẩm đ−ợc thị tr−ờng chấp nhận và đã hình thành một ngành công nghiệp mới. Chỉ tính riêng phía Bắc Việt Nam, hiện có 37 dây chuyền đang hoạt động, trong đó có khoảng 30 dây chuyền theo mẫu 2 với tổng sản l−ợng lắp đặt đạt khoảng 70 triệu m2/năm giá trị sản l−ợng −ớc tính khoảng 800 tỷ đồng/năm (xem bản đồ phân bố hình 1.11), có hơn 5.000 công nhân trực tiếp sản xuất không kể đến khâu l−u thông phân phối. Sản phẩm của các dây chuyền này nói chung đạt các yêu cầu của TCVN 4434: 2000 về tấm lợp amiăng ximăng. Hiện nay, sản l−ợng thực tế của ngành sản xuất tấm lợp ở Việt Nam đạt khoảng 65 - 70 triệu m2/năm, theo dự báo của Bộ Kế hoạch và Đầu t− (năm 2004), nhu cầu tấm lợp đến năm 2010 của Việt Nam sẽ tăng tr−ởng tới xấp xỉ 100 triệu m2/năm. Nh− vậy, nhu cầu thị tr−ờng của ngành tấm lợp còn khá lớn trong vòng 5 năm tới với mức tăng tr−ởng khoảng 6 - 10% một năm. Hình 1.11: Bản đồ phân bố các dây chuyền sản xuất tấm lợp amiăng ximăng khu vực phía Bắc. (Nguồn: L−u trữ Viện Công nghệ) KC.06.15 25 Ngành sản xuất tấm lợp amiăng ximăng đã có những đóng góp tích cực đối với nền kinh tế Việt Nam: − Đáp ứng một phần không nhỏ nhu cầu vật liệu lợp do công nghiệp trong n−ớc tự sản xuất. − Giải quyết việc làm cho một lực l−ợng lao động t−ơng đối lớn của xã hội. − Tấm lợp amiăng ximăng do VN sản xuất có giá thành rẻ (gần nh− rẻ nhất trong các chất lợp thông dụng) nên đã góp phần cải thiện điều kiện nhà ở của đồng bào khu vực khó khăn, vùng sâu vùng xa trong các ch−ơng trình xã hội của Nhà n−ớc. Phân tích một số đặc điểm công nghệ, kinh tế và phân bố địa lý của các dây chuyền ở phía Bắc ta thấy một số đặc điểm: − 100% các dây chuyền đều theo công nghệ xeo cán. Đây là điểm cần l−u ý khi thiết kế dây chuyền công nghệ cho vật liệu thay thế amiăng. − Hầu hết các dây chuyền sử dụng ximăng địa ph−ơng nh−ng vẫn đảm bảo chất l−ợng sản phẩm. − Độ tự động hoá không cao (đối với các dây chuyền mini) nh−ng thiết bị làm việc tin cậy, dễ quản lý, sửa chữa. Mức đầu t− về thiết bị của một dây chuyền năng suất 1 – 1,5 triệu m2/năm là khoảng 100.000 USD. − Trừ một dây chuyền nhập ngoại (Ximăng Lào Cai-nhập của Trung Quốc), còn lại đều do công nghiệp trong n−ớc sản xuất. − Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đều đạt tốt, thậm chí khả năng thu hồi vốn tốt hơn rất nhiều so với các loại hình sản xuất vật liệu xây dựng khác. − Phân bố địa lý khá đồng đều ở gần với thị tr−ờng, làm cho giá thành sản phẩm giảm vì chi phí vận chuyển thấp. Năng suất dây chuyền từ 1-2 triệu m2/năm là phù hợp với thị tr−ờng và qui mô quản lý, đầu t−. 1.2.2. Về chủ tr−ơng cấm sử dụng amiăng trong sản xuất tấm lợp ở Việt Nam Cho tới tháng 7/2004, ngành sản xuất tấm lợp amiăng ximăng đứng tr−ớc một thực trạng rất đáng lo ngại, có nhiều nguy cơ đặt ra cho ngành này nếu không tìm ra vật liệu thay thế amiăng. Do quyết định của Chính phủ cấm sử dụng amiăng trong sản xuất tấm lợp bắt đầu từ năm 2004 (Quyết định số 115/2001/QĐ-TTg ngày 01/8/2001), các nguy cơ của ngành sản xuất tấm lợp amiăng ximăng là: - Thị tr−ờng sẽ thiếu hụt khoảng vài chục triệu m2 chất lợp rẻ tiền, đặc biệt dùng cho ng−ời nghèo, các vùng sâu, vùng xa. KC.06.15 26 - Nếu không tìm đ−ợc vật liệu và công nghệ phù hợp thay thế cho amiăng thì đa phần các doanh nghiệp sản xuất tấm lợp sẽ phải đóng cửa, hàng ngàn ng−ời lao động mất việc làm. - Một số trang thiết bị, máy móc, nhà x−ởng có nguy cơ phải bỏ đi gây ra lãng phí lớn cho xã hội. Tuy nhiên, ngày 20 tháng 7 năm 2004, Thủ t−ớng Chính phủ ban hành Quyết định 133/2004/ QĐ-TTg [18] cho phép tiếp tục sử dụng amiăng trắng trong sản xuất tấm lợp. Đồng thời, tiếp tục cấm việc xây dựng dây chuyền sản xuất mới hoặc tăng công suất các dây chuyền đã có. Nh− vậy, đối với các dây chuyền sản xuất tấm lợp amiăng ximăng cũ có thể tạm thời ch−a cần chuyển sang vật liệu không có amiăng nh−ng đối với các dây chuyền mới chuẩn bị đ−ợc đầu t− xây dựng thì vấn đề công nghệ sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng vẫn còn là vấn đề thời sự. 1.2.3. Tình hình nghiên cứu sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng Tình hình nghiên cứu công nghệ và vật liệu phù hợp để thay thế amiăng tại Việt Nam tính đến cuối năm 2004 còn rất chậm chạp, có thể điểm qua một số nghiên cứu hiếm hoi nh− sau: - Trong những năm cuối của thập kỷ 1990, một số nhà sản xuất tấm lợp đã sản xuất thử và đ−a ra thị tr−ờng tấm lợp cốt sợi thuỷ tinh d−ới dạng l−ới dệt sẵn, trên nền ma trận đôlômit (công nghệ của Trung Quốc). Sản phẩm này còn có tên gọi là “ngói l−u ly” và đ−ợc sản xuất bằng ph−ơng pháp thủ công. Do có nhiều khiếm khuyết về chất liệu và ph−ơng pháp sản xuất nên chỉ sau một thời gian ngắn sản phẩm này đã ngừng sản xuất. - Năm 2001, Cty FPT thử nghiệm một loại sản phẩm thay thế amiăng của Nhật (tên th−ơng phẩm là Unitunai) trên dây chuyền sản xuất tấm lợp amiăng của Cty cổ phần tấm lợp Nam Long – Hà Nội. Chế phẩm này chỉ thay thế đ−ợc một phần nhỏ amiăng trong sản xuất tấm lợp, sản phẩm có nhiều khuyết tật, thành phần chất thay thế không đ−ợc nhà cung cấp tiết lộ. - Cuối năm 2001, hãng SIEMPELKAMP (Đức) đã thực hiện một số công tác tiếp thị bán thiết bị và công nghệ sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng. Hoạt động này đến nay ch−a có kết quả vì sự lo ngại của các nhà sản xuất về mức đầu t− cao và giá thành KC.06.15 27 sản phẩm cao sẽ không đ−ợc thị tr−ờng chấp nhận. Theo SIEMPELKAMP, giá một dây chuyền thiết bị năng suất 5,5 triệu m2/năm là 8,7 triệu Euro ch−a tính tới xây dựng cơ bản. - Năm 2004, nhà sản xuất SHOWA DENKO của Nhật Bản đã tiến hành thử nghiệm trên một số dây chuyền sản xuất tấm lợp tại Việt nam một chế phẩm thay thế amiăng có tên th−ơng phẩm là Masky - một dạng sợi PE đ−ợc xử lý bề mặt đặc biệt nên dễ dàng khuếch tán trong n−ớc. Theo dõi thử nghiệm tại Cty VLXD Hạ Long – TP.Hồ Chí Minh chúng tôi nhận thấy sản phẩm còn bị tách lớp, l−ợng ximăng bị thất thoát khá lớn, giá thành sản phẩm cao hơn 2 lần so với tấm lợp amiăng ximăng. Các kết quả thử nghiệm bị hạn chế do giá thành sợi Masky khá cao, thử nghiệm đ−ợc tiến hành trên dây chuyền ch−a đ−ợc cải tạo nên kết quả bị hạn chế [20]. - Năm 2003, Viện KHCN Vật liệu xây dựng tiến hành đề tài cấp bộ -Nghiên cứu công nghệ thích hợp sản xuất vật liệu tổ hợp ximăng - polime- sợi vô cơ - sợi hữu cơ để chế tạo cấu kiện nhẹ sử dụng trong xây dựng công trình ở vùng đất yếu và vùng có động đất. Các kết quả đ−ợc công bố t−ơng đối khả quan nh−ng ch−a đ−a vào sản xuất đ−ợc cũng với một số hạn chế nh− tr−ờng hợp sợi Masky [23]. Một vài nhà sản xuất khác cũng đã có các thử nghiệm riêng lẻ vật liệu thay thế amiăng nh−ng ch−a có ph−ơng h−ớng rõ ràng và ch−a có kết quả cụ thể nào có tính thuyết phục. Xu h−ớng chung là thay thế sợi amiăng bằng sợi plastic, sợi thuỷ tinh (tính xeo của các loại sợi này t−ơng đối kém) có kết hợp sử dụng sợi gỗ, nứa. 1.2.4. H−ớng sử dụng vật liệu lai ghép (hybrid) với mục tiêu kinh tế Cho tới hiện tại, một số loại sợi tổng hợp nh− PVA, PE, Aramide, Polyamide, Polyacrylonitrile, sợi các bon, và sợi thuỷ tinh đã đ−ợc thử nghiệm dùng làm gia c−ờng cho vật liệu nền ximăng và đã đ−ợc đ−a vào ứng dụng trong công nghiệp. Những loại sợi gia c−ờng trên có yếu điểm là rất khó t−ơng hợp với ma trận ximăng (tính bám dính kém) và khó kiểm soát quá trình thoát n−ớc trong công nghệ xeo - điều rất cần thiết trong quá trình sản xuất tấm lợp theo ph−ơng pháp −ớt. Do vậy chúng không thể sử dụng đơn lẻ mà phải phối hợp với các loại sợi khác hoặc các vật liệu phụ trợ. Sợi cellulose (sợi gỗ) là một trong những loại sợi có thể kết hợp cùng với sợi gia c−ờng khác để thay thế toàn bộ hoặc một phần amiăng trong việc sản xuất tấm lợp gợn sóng. KC.06.15 28 Với mục đích giảm bớt amiăng vì tính kinh tế, một số nhà sản xuất đã thay thế một phần amiăng bằng sợi cellulose và xu h−ớng này đã đ−ợc thực hiện một cách khá “lặng lẽ” vì lý do cạnh tranh. Thông th−ờng, amiăng đ−ợc sử dụng trong tấm lợp với tỷ lệ 15% (về khối l−ợng) nh−ng một số nhà sản xuất đã có thể giảm tỷ lệ này xuống 7-8% hoặc thấp hơn. Hệ quả của việc này là giá thành một số sản phẩm tấm lợp có thể giảm tới 30% so với các nhà sản xuất khác. Đi đôi với việc giảm giá thành, chất l−ợng các sản phẩm này cũng rất khó kiểm soát với các lý do: - Chất l−ợng nguyên liệu đầu vào không ổn định vì đ−ợc cung cấp bởi các nhà sản xuất nguyên liệu cellulose địa ph−ơng với qui trình sản xuất đơn giản. - Không sử dụng các loại sợi gia c−ờng thích hợp thay thế cho l−ợng amiăng giảm đi. - Ch−a kết hợp việc thay thế nguyên liệu đầu vào với việc cải tạo thiết bị cho phù hợp. Tuy nhiên, khía cạnh tích cực của xu h−ớng này là giảm sử dụng amiăng và tăng sử dụng một số loại nguyên liệu địa ph−ơng. Nếu có sự đầu t− nghiên cứu thích đáng, xu h−ớng sử dụng nguyên liệu hybrid có thể giải quyết đ−ợc việc hạn chế sử dụng amiăng trong sản xuất tấm lợp trong một phạm vi nhất định. 1.2.5. Một số vấn đề môi tr−ờng - xã hội liên quan Quyết định 133/2004/QĐ -TTg của Chính phủ đã cho phép các nhà sản xuất tấm lợp Việt Nam ch−a phải trực tiếp đối mặt với vấn đề thay thế amiăng trong sản xuất tấm lợp nh−ng vấn đề amiăng ch−a phải đã đ−ợc giải quyết triệt để. Các nhà máy sản xuất tấm lợp tại Việt Nam đều hoạt động với dây chuyền công nghệ xeo cán, nguyên liệu đầu vào là amiăng trắng (chrysotile), ximăng và bột giấy nên nguy cơ gây ô nhiễm amiăng ra môi tr−ờng là khá lớn. Khảo sát thực tế tại một số nhà máy cho thấy dây chuyền sản xuất bộc lộ một số yếu điểm nh−: xé bao thủ công, nghiền amiăng bằng thiết bị nghiền hở không có nắp đậy gây phát tán sợi amiăng vào môi tr−ờng làm việc, khu vực nạp ximăng còn phát sinh nhiều bụi ximăng, l−ợng n−ớc thải trong sản xuất có chứa nhiều chất rắn và đặc biệt có độ kiềm cao. Những vị trí có hàm l−ợng bụi sợi amiăng cao là khu vực máy nghiền amiăng và và trộn liệu là 1,85 sợi/cm3 cao hơn mức cho phép là 1 sợi/cm3 [20] . Mặt khác, do ý thức của ng−ời dân về việc chống ô nhiễm môi tr−ờng đã đ−ợc nâng cao đáng kể nên đã xảy ra một số tr−ờng hợp khiếu kiện giữa dân địa ph−ơng và một số doanh nghiệp sản xuất tấm lợp sử dụng amiăng. Điển hình cho việc này là tr−ờng hợp ngày 2 tháng 7 năm 2004 nhân dân địa ph−ơng khu vực xã Gia Thanh, huyện Gia Viễn, KC.06.15 29 tỉnh Ninh Bình chặn xe chở 40 tấn amiăng vào nhà máy TNHH Phôtôn (Báo lao động số 185 ngày 03-07-2004). Một số cơ sở sản xuất khác cũng gặp những vấn đề t−ơng tự, đặc biệt đối với việc sử dụng amiăng trong sản xuất, mặc dù gần đây họ đã có nhiều cố gắng cải tạo môi tr−ờng sản xuất theo h−ớng giảm thiểu l−ợng chất thải rắn có chứa amiăng. Các dấu hiệu này cho thấy mặc dù Việt Nam vẫn cho phép sử dụng amiăng cho sản xuất tấm lợp nh−ng đây là sự cho phép có điều kiện. Vấn đề thay thế amiăng trong sản xuất tấm lợp vẫn giữ nguyên tính thời sự sau khi Quyết định 133/2004/QĐ-TTg của Chính phủ có hiệu lực. Công nghệ sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng sẽ dùng l−ợng sợi PVA (thay thế amiăng) chỉ bằng khoảng 1/7 – 1/10 (tính theo trọng l−ợng) so với amiăng nên sẽ giảm ô nhiễm môi tr−ờng hơn, ch−a kể đến độc tính của PVA rất thấp so với amiăng. Việc sử dụng công nghệ thay thế amiăng nhìn chung sẽ là giải pháp tốt cho vấn đề môi tr−ờng – xã hội nh− đã nêu trên. Các chi tiết của công nghệ thay thế amiăng trong sản xuất tấm lợp sẽ đ−ợc trình bày chi tiết trong Ch−ơng II. Mặt khác, quá trình hội nhập cũng bắt buộc Việt Nam phải có cái nhìn rộng ra các thị tr−ờng khác trên thế giới. Trong khi các n−ớc khác đã hạn chế hoặc cấm hẳn việc sử dụng amiăng thì các sản phẩm chứa amiăng của Việt Nam sẽ mất khả năng xuất khẩu vào các n−ớc này hoặc ngay trong n−ớc cũng không đ−ợc sử dụng cho các công trình có vốn ODA của n−ớc cấp viện trợ nếu tại bản xứ có chính sách cấm amiăng. 1.3. Mục tiêu của đề tài Qua một số tổng quan về công nghệ sản xuất tấm lợp trên thế giới và tại Việt Nam, đề tài xác định hai nhóm mục tiêu lớn nh− sau: A - Xác định công nghệ và vật liệu thay thế amiăng trong sản xuất tấm lợp với các tiêu chí: - Tạo ra sản phẩm không chứa amiăng đảm bảo các chỉ tiêu chủ yếu của tấm lợp cũ. - Sản phẩm thay thế có tính thân thiện với môi tr−ờng, không gây độc hại cho công nhân sản xuất và ng−ời sử dụng. - Thuận tiện cho sản xuất công nghiệp với năng suất cao. - Mức đầu t− thiết bị và công nghệ phù hợp với hoàn cảnh Việt Nam, cho phép chuyển đổi các dây chuyền sản xuất theo công nghệ cũ sang công nghệ mới. KC.06.15 30 B - Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo, thử nghiệm một dây chuyền thiết bị sản xuất tấm lợp không sử dụng amiăng phù hợp với các tiêu chí nêu trong mục tiêu A, có các nội dung chủ yếu: - Có tính kế thừa các thiết kế của các dây chuyền cũ. Điều này cho phép giảm bớt suất đầu t− trong tr−ờng hợp các nhà sản xuất sản phẩm amiăng ximăng muốn chuyển đổi sang sản xuất các sản phẩm mới không chứa amiăng. - Đ−a thêm vào các yếu tố thiết kế tiên tiến nhằm kiểm soát chặt chẽ hơn các chỉ tiêu chất l−ợng của sản phẩm mới. 1.4. Giới hạn nghiên cứu của đề tài Trong phạm vi thời gian và kinh phí của đề tài, đã xác định các giới hạn của đề tài nhằm đạt đ−ợc các mục tiêu cụ thể có thể ứng dụng sớm vào sản xuất sau khi kết thúc pha nghiên cứu, thử nghiệm: - Các nghiên cứu công nghệ, vật liệu và thiết bị thay thế cho sản phẩm mới chỉ tập trung vào công nghệ xeo cán cổ điển. - Sử dụng sản phẩm thay thế amiăng trên cơ sở các loại vật liệu th−ơng phẩm sẵn có trên thị tr−ờng, dễ cung cấp. Không đặt vấn đề nghiên cứu khả năng sản xuất các loại vật liệu này. - Thiết kế, chế tạo thiết bị trên cơ sở các dây chuyền mini (là loại dây chuyền chiếm thị phần lớn trên thị tr−ờng tấm lợp Việt Nam). - Khảo nghiệm sản phẩm dựa trên các test có sẵn tại Việt Nam (chủ yếu các test liên quan tới TCVN 4434: 2000). Ch−a đặt vấn đề đi sâu nghiên cứu cấu trúc hoặc đặc tính cơ - lý- hoá vật liệu mới theo quan điểm vật liệu học. - Các nghiên cứu sâu hơn (nâng cao chất l−ợng sản phẩm, hoàn thiện qui trình sản xuất và tính năng thiết bị, mở rộng khả năng sử dụng các loại vật liệu khác nhau thay cho amiăng…) không thuộc pha nghiên cứu, thử nghiệm của đề tài. KC.06.15 31 Ch−ơng II Công nghệ và Vật liệu thay thế amiăng trong sản xuất tấm lợp 2.1 Một số đặc điểm của vật liệu amiăng sử dụng trong công nghệ xeo cán: Để tìm giải pháp công nghệ và vật liệu thay thế amiăng trong sản xuất tấm lợp, tr−ớc hết cần tìm hiểu đặc điểm và bản chất của công nghệ sản xuất tấm lợp có sử dụng amiăng tr−ớc đây. 2.1.1 Đặc điểm của công nghệ sản xuất tấm lợp sử dụng amiăng ximăng. ở các n−ớc công nghiệp phát triển, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sản xuất sản phẩm amiăng ximăng đã đ−ợc phát triển trên qui mô công nghiệp từ những thập kỷ đầu của thế kỷ 20. Sản phẩm chủ yếu là các dạng tấm kết hợp giữa ximăng với sợi gia c−ờng amiăng. Công nghệ tạo hình tấm amiăng ximăng dựa trên cơ sở sử dụng dung dịch huyền phù với những tỷ lệ, hàm l−ợng chất rắn khác nhau. Đánh giá theo cách này thì sản xuất tấm amiăng ximăng cơ bản đ−ợc thực hiện bằng hai công nghệ sau: 1. Công nghệ “−ớt”: là ph−ơng pháp trong đó tấm sản phẩm đ−ợc tạo hình từ dung dịch huyền phù amiăng ximăng có hàm l−ợng chất rắn khác nhau từ ~ 15- 17% đến ~ 30 - 40%; tiếp sau đó phải kèm theo giải pháp khử l−ợng n−ớc thừa (gọi là quá trình lọc). Khi thay đổi hàm l−ợng chất rắn không chỉ đơn thuần là làm cho dung dịch huyền phù đặc hơn hay loãng ra mà phải xác định lại chế độ xeo bằng con đ−ờng thực nghiệm. 2. Công nghệ “khô” hoặc “bán khô”: là ph−ơng pháp trong đó tấm sản phẩm đ−ợc tạo hình từ hỗn hợp amiăng ximăng mà không cần khử n−ớc, chỉ cần một l−ợng n−ớc vừa đủ để ximăng thủy hoá. Tại công đoạn ép tiếp sau đó trên máy ép không có sự tách n−ớc (trong tr−ờng hợp này hàm l−ợng chất rắn chiếm ~ 90%). Theo các tài liệu đã công bố ở nhiều n−ớc, có rất nhiều ph−ơng pháp tạo tấm amiăng ximăng. Hầu hết các ph−ơng pháp này đều phù hợp với cách phân loại công nghệ đã nêu ở trên, song chỉ có một số ít trong chúng đ−ợc ứng dụng trên qui mô công nghiệp. KC.06.15 32 ở nhiều n−ớc, công nghệ đ−ợc áp dụng phổ biến là công nghệ “−ớt” với tên kỹ thuật là công nghệ Hatschek (Hatschek Process). Trong công nghệ này, các tấm amiăng ximăng đ−ợc xeo từ bể dung dịch huyền phù có hàm l−ợng chất rắn trong khoảng 15- 17%. Công nghệ “−ớt” có −u điểm nổi bật là tạo đ−ợc sự đồng nhất cho dung dịch huyền phù trong môi tr−ờng n−ớc. Đây là một yếu tố quan trọng quyết định chất l−ợng của sản phẩm. Công nghệ này cho phép các sợi đ−ợc phân bố thành nhiều lớp, trong mặt phẳng của từng lớp xeo, điều này làm tăng cơ-lý tính của tấm sản phẩm lên rất nhiều và do đó không cần đến khâu ép định hình tiếp theo. Hơn nữa do bản chất của sợi amiăng (một loại sợi khoáng thiên nhiên) có thành phần t−ơng thích với ximăng và có độ tr−ơng nở lớn trong môi tr−ờng n−ớc kiềm hoá nên dung dịch huyền phù ximăng với amiăng là một dung dịch có độ đồng nhất cao. 2.1.2. Đặc điểm của sợi amiăng Để hiểu đ−ợc tính công nghệ của amiăng thì tr−ớc tiên phải hiểu bản chất của nó. Amiăng là tên gọi chung của nhóm khoáng thiên nhiên có gốc hydroxit magie silicat. Loại amiăng quan trọng đ−ợc sử dụng nhiều nhất là amiăng trắng (chrysotile) chiếm 95% tổng nhu cầu. Công thức hoá học của amiăng là 3 MgO . 2 SiO2 . 2H2O Tỷ trọng khối của amiăng trắng dao động từ 2,2 đến 3,4 g/cm3 (kg/dm3) và nhiệt độ nóng chảy là 1.530oC. Độ dày của một sợi amiăng đơn xấp xỉ 5.10-5 mm và độ bền kéo của nó có thể đạt tối đa là 800 – 1.000 N/mm2( của thép là 5.600-7.500 N/mm2) [2]. Amiăng cũng là vật liệu có độ bền hầu nh− trơ trong môi tr−ờng kiềm. Điều này giải thích tại sao các tấm amiăng ximăng có tuổi thọ cao hơn nhiều các sản phẩm làm bằng vật liệu tổ hợp nền ximăng gia c−ờng bằng các sợi khác. Một tính chất đặc biệt nữa của sợi amiăng đó là cách các phần tử ximăng gắn chặt vào chúng. Không giống nh− cấu trúc các sợi khác, sợi amiăng là tập hợp của mạng tinh thể hình trụ có hình dạng cong, không phẳng, bên trong có nhiều lỗ xốp chứa các phần tử amophos (liên kết ch−a hoàn chỉnh). Sợi amiăng bám vào nhau bằng cách móc ng−ợc với nhau trong một cấu trúc ma trận trên nền ximăng (Hình 2.1). Trong môi tr−ờng dung dịch huyền phù sợi amiăng tr−ơng nở có t−ơng tác ion (tích điện) với các hạt ximăng nhờ vào các trung tâm ion Si4 +, Mg2 + có trong cấu trúc, nó tạo điều kiện cho các hạt ximăng gắn chặt vào sợi amiăng. KC.06.15 33 Hình 2.1: Cấu trúc sợi amiăng (nguồn: John Wiley & Sons, [2]). Hình 2.2: Cấu trúc sợi amiăng khi tr−ơng nở (Nguồn:Nhà xuất bản xây dựng Moskva, [1]) Hình 2.2 minh họa cấu trúc tinh thể của sợi amiăng đã tr−ơng nở trong môi tr−ờng n−ớc kiềm hoá. Lớp ngoài có các trung tâm ion Mg2+ xung quanh là các ion OH2-, bên trong là lớp Si4 +. Các trung tâm ion này sẽ hút ion trái dấu của hạt ximăng trong dung dịch. Đây là đặc điểm làm cho tính lọc của dung dịch huyền phù amiăng ximăng rất cao, tỷ lệ ximăng thoát qua l−ới xeo thấp. Việc tìm kiếm các xơ sợi mới có các đặc điểm này là một khó khăn đặt ra cho các nhà nghiên cứu khi muốn thay thế sợi amiăng bằng một KC.06.15 34 loại sợi khác không có cấu trúc nh− sợi amiăng, không tr−ơng nở trong n−ớc, không có thành phần t−ơng thích với ximăng. Nh− vậy nhiệm vụ đặt ra là phải thay thế sợi amiăng bằng loại sợi nào đó có thể bảo đảm an toàn cho sức khoẻ của ng−ời sử dụng mà vẫn giữ đ−ợc cơ-lý tính và độ bền của sản phẩm và giá thành đ−ợc thị tr−ờng chấp nhận. Một trong các yếu tố chính làm cho sản phẩm tấm lợp có độ bền cao là phải tạo đ−ợc một dung dịch huyền phù ximăng- sợi đồng nhất và ổn định (trong công nghệ “−ớt“). Để đạt mục tiêu này cần phải giải quyết một loạt vấn đề sau: - Tìm vật liệu mới không độc hại cho sức khoẻ, thích hợp để thay thế amiăng. - Xác định tỷ lệ, khối l−ợng, thành phần thích hợp của chất thay thế. - Thay đổi công nghệ, thiết bị phù hợp với việc thay thế vật liệu. Các vấn đề này nói chung chỉ có thể giải quyết bằng con đ−ờng thực nghiệm, đặc biệt là các thực nghiệm trên dây chuyền sản xuất công nghiệp. 2.1.3. Các loại amiăng dùng trong công nghệ Hatscheck Amiăng th−ơng phẩm đ−ợc phân chia thành các loại A3, A4, A5, A6. Giá thành của mỗi loại khác nhau, trong đó loại A3 có giá thành cao nhất. Bảng 2.1: Đặc tính của các loại amiăng Loại amiăng Chỉ số A3 A4 A5 A6 - Độ dài trung bình của sợi (mm) - Phần d− khi sàng qua mắt l−ới rộng 4,8 mm (%) - Phần d− trên sàng 1,6 mm (%) - Hàm l−ợng tạp chất - bụi và hạt (%) 9,0 70-50 20-40 2-3 5,5 35-5 45-80 5-7 2,5 - 50-70 13-17 1,0 - 30-33 23-28 Tỷ lệ khối l−ợng các loại amiăng dùng cho một mẻ cấp phối tiêu chuẩn trong sản xuất tấm lợp theo công nghệ xeo cán nh− sau: * A3: 20% * A5: 40% * A6: 40% Thành phần khối l−ợng của sợi amiăng trong sản phẩm amiăng ximăng vào khoảng 15-17%. KC.06.15 35 2.1.4. Sơ đồ công nghệ Hatscheck và quy trình sản xuất tấm lợp amiăng ximăng Dây chuyền công nghệ sản xuất tấm lợp amiăng ximăng (Hình 2.3) có thể phân chia thành các cụm thiết bị nh− sau: − Cụm chuẩn bị và hoà trộn nguyên liệu − Cụm thiết bị phân phối và xeo cán tấm phẳng (tấm lắc −ớt) − Cụn thiết bị tạo hình sản phẩm − Hệ d−ỡng hộ sản phẩm − Hệ thống hồi l−u n−ớc công nghệ và tái sử dụng vật liệu thải. A. Chuẩn bị và hoà trộn nguyên liệu A.1. Chuẩn bị amiăng: Theo sơ đồ công nghệ hình 2.3, các bao Amiăng đ−ợc đổ vào nghiền sơ bộ có châm thêm n−ớc sạch trong máy nghiền bánh lăn (1). Amiăng bị −ớt sẽ làm các sợi tách nhanh hơn, phá vỡ các kết cấu vón cục, nh−ng không bẻ vụn các sợi. A.2. Chuẩn bị huyền phù hai thành phần: Amiăng sau nghiền đ−ợc chuyển sang máy Hollander I (2) hoà trộn với n−ớc kiềm hoá và tr−ơng nở thành hỗn hợp huyền phù amiăng. A.3. Chuẩn bị huyền phù 3 thành phần: Huyền phù amiăng đ−ợc xả từ máy Hollander I (máy nghiền trộn kiểu Hà lan) sang máy Hollander II (3), tại đây dung dịch này đ−ợc phối trộn thêm ximăng với tỷ lệ thích hợp và đ−ợc đánh trong máy cho tới khi đ−ợc tr−ơng nở tạo thành một dung dịch huyền phù đồng nhất 3 thành phần (từ đây gọi tắt là "liệu"). Khác với một số công nghệ phối trộn trên nguyên tắc cơ học, công nghệ “−ớt” để sản xuất tấm lợp amiăng ximăng yêu cầu một yếu tố quan trọng là phải đảm bảo cho sợi amiăng tr−ơng nở tối đa trong môi tr−ờng kiềm - n−ớc - ximăng (thể tích sợi amiăng tr−ơng nở có thể đạt tới 50 lần thể tích ban đầu) để hỗn hợp đ−ợc hoàn toàn đồng nhất d−ới dạng huyền phù. Từ hỗn hợp huyền phù này, sau khi xeo cán sẽ cho sản phẩm có sự phân bố sợi amiăng đồng đều, đảm bảo cơ tính chuẩn của sản phẩm. Đến đây công đoạn chuẩn bị và hoà trộn nguyên liệu kết thúc. B. Cụm thiết bị phân phối và xeo cán tấm phẳng (tấm lắc −ớt): Công đoạn này bắt đầu từ máy khuấy phân phối (5, 6). Hỗn hợp huyền phù bao gồm dung dịch amiăng và ximăng đ−ợc dự trữ trong máy khuấy phân phối để tránh lắng đọng và chuyển theo định l−ợng thời gian vào bể xeo của giàn xeo cán (7). Máy khuấy KC.06.15 36 phân phối sẽ bổ xung n−ớc đục vào bể xeo để đảm bảo thuỷ phần của liệu theo yêu cầu công nghệ. Theo nguyên tắc chênh lệch áp suất thuỷ tĩnh và tính mao dẫn, vật liệu rắn bám vào tang xeo, chuyển lên băng dạ kỹ thuật và đ−ợc dán làm nhiều lớp lên tang định hình của máy xeo. Khi đạt đ−ợc chiều dày mong muốn, bộ phận dao cắt sẽ tách tấm lắc −ớt ra khỏi tang định hình và chuyển sang băng tải cao su (8), kết thúc quá trình xeo cán. Trong quá trình xeo, thuỷ phần của liệu sẽ giảm đáng kể theo từng công đoạn để đạt đ−ợc thuỷ phần và mật độ mong muốn của tấm lắc −ớt. Dàn xeo cán tấm phẳng đ−ợc trang bị các hệ chân không cao để giảm thuỷ phần trong liệu và hệ chân không thấp để làm khô băng dạ kỹ thuật. Huyền phù hay liệu đ−ợc chuyển tới bể xeo chứa khoảng 15% các chất rắn (amiăng, ximăng) và 85% n−ớc. Quá trình lọc qua l−ới của tang xeo làm mất đi khoảng 60% l−ợng n−ớc. Qua các khâu hút chân không và tang định hình, l−ợng n−ớc còn lại trong sản phẩm (tấm lắc −ớt) khoảng 25% là tốt nhất. C. Cụm thiết bị tạo hình sản phẩm Công đoạn này bao gồm hai băng tải cao su và hệ thống dao cắt ba via dọc và dao cắt ba via ngang, goòng đón tấm lắc −ớt, máy tạo sóng (10), các xe vận chuyển sản phẩm ra khu vực d−ỡng hộ và hầm sấy sản phẩm bằng hơi n−ớc (11). Tấm lắc −ớt sau khi đ−ợc cắt khỏi tang định hình sẽ đ−ợc đón và chuyển qua hai băng tải cao su để cắt tấm lắc −ớt theo kích th−ớc đã định bằng hệ thống dao cắt ba via dọc và ngang. Khi ra khỏi băng tải cao su, tấm lắc −ớt đ−ợc đón bằng xe goòng. Trên xe goòng đón tấm có đặt sẵn khuôn bằng kim loại có dạng sóng để định hình sản phẩm khi qua máy tạo sóng. Máy tạo sóng đ−ợc thiết kế theo ph−ơng án ép co để tạo hình tấm lắc −ớt mà không gây dãn sản phẩm, tránh dạn nứt. Sau khi qua máy tạo sóng, tấm lắc −ớt có dạng sóng và đ−ợc nhấc sang xe goòng chuyển tấm để đ−a vào hầm d−ỡng hộ sản phẩm bằng hơi n−ớc. D. Hệ d−ỡng hộ sản phẩm Sau khi tấm sóng đ−ợc tạo hình, các xe goòng sẽ chuyển tấm sang vị trí d−ỡng hộ sản phẩm bằng hơi n−ớc. Sau khi ra khỏi hầm sấy (11) và để nguội, tấm sản phẩm đã cứng và đ−ợc chuyển sang khu vực d−ỡng hộ tự nhiên (12), có phun n−ớc trong 3 ngày đầu để giảm nứt do co ngót, trợ giúp thêm qua trình thủy hóa của ximăng, làm cho sản phẩm đạt đ−ợc độ bền theo tiêu chuẩn. K C .06.15 37 Hình 2.3: Sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất tấm lợp sử dụng amiăng KC.06.15 38 E. Hệ thống phụ trợ Hệ thống phụ trợ bao gồm: - Máy đánh bavia (9) dùng để tận dụng mảnh tấm lắc −ớt sinh ra trong quá trình cắt ba via. - Hệ 2 côn n−ớc công nghệ (15) (16) nhằm tận dụng n−ớc và liệu thừa. - Hệ thống bơm bao gồm bơm bùn để chuyển liệu, bơm n−ớc đục (14) phục vụ quá trình công nghệ. 2.2. Yêu cầu chung của công nghệ xeo cán đối với vật liệu không sử dụng amiăng. Lựa chọn hệ vật liệu thay thế. Cho tới nay các nhà sản xuất đều thống nhất rằng công nghệ xeo cán là công nghệ −u việt nhất trong sản xuất tấm lợp ximăng gia c−ờng sợi. Công nghệ xeo cán có năng suất cao, cho phép sản xuất các tấm lợp khá mỏng, ít khuyết tật và có độ bền cơ lý cao. Công nghệ xeo cán đã đ−ợc sử dụng thành công để sản xuất các tấm lợp amiăng ximăng rất có hiệu quả nên trong quá trình thay thế bằng vật liệu không phải amiăng ng−ời ta vẫn có xu h−ớng sử dụng công nghệ này. Cũng có một vài h−ớng nghiên cứu dùng các công nghệ khác nh− công nghệ rót, đùn, ép rung... nh−ng chất l−ợng sản phẩm và năng suất không thể so sánh đ−ợc với sản phẩm sản xuất theo công nghệ xeo cán. Qua phân tích đặc điểm của công nghệ sản xuất tấm lợp amiăng ximăng, có thể thấy tính −u việt của amiăng là có thể tr−ơng nở trong môi tr−ờng n−ớc kiềm hoá, tạo ra huyền phù có tính lọc rất tốt. Mặt khác, các hạt ximăng bám dính tốt vào sợi amiăng đã đ−ợc tr−ơng nở đều nên cho phép vật liệu tổ hợp ximăng-sợi amiăng có liên kết rất chặt chẽ. Nh− vậy, trong công nghệ sản xuất tấm lợp ximăng amiăng thì amiăng vừa làm nhiệm vụ sợi gia c−ờng đồng thời trợ lọc cho quá trình xeo (Hình 2.4). KC.06.15 39 Hình 2.4: Cấu trúc tế vi tấm lợp amiăng ximăng (nguồn: Phòng thí nghiệm vật liệu kiến trúc, Viện Kỹ thuật, Đại học Nihon, Nhật bản, [27]) Hình 2.4 minh họa cấu trúc tế vi của tấm lợp ximăng amiăng nhận đ−ợc từ kính hiển vi điện tử Hitachi do Phòng thí nghiệm Vật liệu kiến trúc, Viện kỹ thuật, Đại học Nihon, Nhật bản thực hiện. Nh− ta thấy từ hình 2.4, bám dọc theo sợi amiăng là các tinh thể ximăng thủy hóa, vì thế sợi amiăng đ−ợc bám chặt vào ma trận nền ximăng. Nh− vậy, để phá hủy vật liệu này cần một năng l−ợng đủ lớn để rút sợi ra khỏi ma trận. Do độ bền kéo của sợi amiăng cao nên khả năng dứt đứt sợt khó, nói cách khác, độ bền cơ học của vật liệu tổ hợp ximăng amiăng cao hơn nhiều so với vật liệu ximăng truyền thống. Những công trình nghiên cứu về vật liệu thay thế amiăng trong sản xuất tấm lợp [2] cho thấy sợi polyme là ứng cử viên số 1 vì các lý do sau: - Đ−ợc sản xuất công nghiệp nên có năng suất cao, giá thành hạ, không phụ thuộc vào địa lý nh− tr−ờng hợp các sợi khoáng khai thác trong tự nhiên. - Có thể kiểm soát, thiết kế các đặc tính cơ lý, hình học theo yêu cầu sử dụng. - Nói chung độc tính thấp hơn nhiều so với amiăng - Dễ đóng gói, vận chuyển, bảo quản dài hạn. Các loại sợi này th−ờng đ−ợc sử dụng với hình thức sợi ngắn (short fiber). Tuy nhiên, nếu sử dụng thay thế amiăng trong sản xuất tấm lợp theo ph−ơng pháp xeo cán chúng cũng có một số nh−ợc điểm so với amiăng: KC.06.15 40 - Cấu trúc có dạng sợi đơn, trơn nên bám dính với ma trận ximăng kém. Tuy nhiên, nhà sản xuất có thể làm giảm nh−ợc điểm này bằng ph−ơng pháp tích điện trong quá trình polyme hoá theo yêu cầu của khách hàng. - Hầu nh− không có tính tr−ơng nở trong môi tr−ờng n−ớc nên không có tính trợ lọc nh− mong muốn (làm thoát ximăng trong quá trình xeo). - Dễ bị balling (vón cục) trong môi tr−ờng n−ớc. Vì các lý do trên, việc sử dụng các loại sợi polyme thay thế amiăng phải kèm theo một số giải pháp phụ trợ. Các giải pháp này cơ bản nhằm các mục tiêu: - Tăng c−ờng tính trợ lọc của huyền phù. - Tăng độ bền bám dính của sợi gia c−ờng với ma trận. - Giải quyết hiện t−ợng balling đối với sợi gia c−ờng. Căn cứ vào các tài liệu tham khảo, vào tình hình cung cấp của thị tr−ờng, đề tài đã chọn hệ vật liệu thay thế amiăng là sợi PVA và sợi cellulose có kèm theo một số phụ gia vô cơ. Trong đó, PVA đóng vai trò của sợi gia c−ờng, cellulose chủ yếu đóng vai trò trợ lọc, có tham gia với t− cách sợi gia c−ờng trong phạm vi hẹp. 2.3. Đặc điểm của vật liệu PVA 2.3.1. Tính chất của sợi PVA Hình 1.4, 1.5 và 1.7 (Ch−ơng I) cho ta thấy các đặc tính cơ học −u việt của vật liệu tổ hợp trên nền ximăng gia c−ờng bằng sợi PVA. Vì các đặc tính này nên ngày nay tại các n−ớc phát triển, PVA đ−ợc nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực bê tông sợi t−ơng đối rộng rãi. Tính chất của sợi PVA và các sản phẩm th−ơng mại của chúng đ−ợc tóm l−ợc d−ới đây. KC.06.15 41 Hình 2.5a: Búi sợi PP Hình 2.5b: Cấu trúc sợi đơn PP (nguồn: John Wiley & Sons., [2]). Polyvinyl alcohol (PVA) là dạng sợi đơn, thẳng, không se xoắn, có màu trắng kem hoặc vàng nhạt. Sợi PVA có độ thấm n−ớc cao, t−ơng đ−ơng với sợi bông. Chỉ số đ−ờng kính 2,0 dtex (dùng cho tr−ờng hợp thay thế sợi amiăng), độ bền đạt 11,0 CN/dtex, môđun đàn hồi cao đạt 280 CN/dtex. Sợi PVA đ−ợc chế tạo bằng ph−ơng pháp kéo sợi từ dung dịch hòa tan, có gia nhiệt. Về mặt cấu tạo, tuy không có tài liệu mô tả chi tiết nh−ng dựa trên ph−ơng pháp gia công, có thể nhận thấy cấu trúc búi sợi và sợi đơn của sợi PVA cũng t−ơng tự nh− sợi PP đ−ợc minh họa trên Hình 2.5 (cấu trúc búi sợi và sợi đơn PP). PVA đ−ợc biết tới nh− là phát minh của Nhật bản từ năm 1939. Sợi PVA có công thức hóa học nh− sau: POLYVINYL ALCOHOL ( )−−− 2 CHONCH n Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của sợi PVA STT Tên thông số Đơn vị Giá trị 1 Đ−ờng kính sợi dtex 2.0 ± 0.25 2 Độ bền CN/dtex ≥ 11.0 3 Độ giãn % 2.0 ± 0.25 4 Môđun đàn hồi (1.0 + 0.4%) CN/dtex 280 5 Tính tan trong n−ớc (90oC, 1 giờ ≤) % ≤ 2 6 Tỷ trọng khối (g/cm3) 1.29 7 Độ dài cắt mm 4 ữ 6 KC.06.15 42 Ghi chú: • Bảng thông số kỹ thuật trên do nhà sản xuất Hunan Xiangwei Co.LTD - Trung Quốc cung cấp. • Dtex là đơn vị đo đ−ờng kính t−ơng đ−ơng của các loại sợi dùng trong công nghiệp dệt. Dtex là đơn vi đ−ợc tính bằng tỷ số của đoạn sợi có khối l−ợng 1g trên 1.000 m chiều dài. Bảng 2.3: Một số loại sợi PVA và tính chất cơ lý điển hình Số TT Tên sợi và n−ớc sản xuất Đ−ờng kính Độ bền Môđun 0,1-0,4% Tỷ trọng Độ dài cắt sợi (mm) 1 Sợi PVA Trung quốc 2,0±0,25 dtex 11 CN/dtex 280 CN/dtex 1,29 4 – 6 2 Sợi Kuralon Nhật bản 2,5 dtex 11 CN/dtex 280 CN/dtex 1,29 6 3 Sợi PVA-A,-B Mỹ 0,014-0,04 mm 806 MPa 21,8-60 GPa 1,29 6 – 12 Bảng 2.2 liệt kê một số thông số kỹ thuật của sợi PVA điển hình. Sợi PVA của Trung quốc, Nhật bản, Mỹ cùng với các tính chất cơ học và vật lý điển hình đ−ợc cho trong bảng 2.3. Trong mấy thập niên gần đây sợi PVA có mô đun và độ bền cơ học cao (PVA HSHM – High Streng and High Modulus) chiếm −u thế ngày càng nhiều trong ngành sản xuất vật liệu xây dựng để thay thế amiăng. Một số lĩnh vực khác cũng sử dụng sợi PVA HSHM nh− dùng làm dây chão neo tàu biển, l−ới đánh cá... Tuy nhiên ngoài sợi PVA còn rất nhiều dạng sợi khác cũng đ−ợc sử dụng cho mục đích này nh−: polypropylen (sợi PP), polyamid (sợi kapron), polyeste (sợi lavssan)… Sợi cacbon cũng là một trong những loại sợi đ−ợc ứng dụng làm sợi gia c−ờng cho vật liệu kết cấu. Sợi cacbon đ−ợc sử dụng làm cốt gia c−ờng cho vật liệu tổ hợp hiện đại có độ cứng và độ bền cao, chịu nhiệt và trơ đối với tác động của các loại hoá chất. ở các n−ớc công nghiệp phát triển, đặc biệt là ở Mỹ, các công trình nghiên cứu sản xuất vật liệu tổ hợp gia c−ờng bằng sợi cacbon chịu đ−ợc nhiệt độ cao mà không co ngót ngày càng đ−ợc phát triển. Tuy nhiên do đắt tiền nên sợi cacbon ít đ−ợc sử dụng trong ngành xây dựng dân dụng. KC.06.15 43 2.3.2. Độc tính của vật liệu thay thế (Sợi PVA) Vì amiăng có ảnh h−ởng không tốt tới sức khỏe con ng−ời cần thay thế loại vật liệu không có tính độc hại nên các sợi thay thế cần đ−ợc xem xét d−ới góc độ độc tính. Sợi cellulose d−ới dạng giấy viết, gói hàng... đ−ợc sử dụng trong đời sống hàng ngày cho thấy chúng không có độc tính. Về sợi PVA đã có một số tài liệu nghiên cứu về độc tính nh− sau: ™ Các kết quả nghiên cứu trong n−ớc: Tác giả Nguyễn Bá Toại [22] đã tổng kết một số đánh giá về độc tính của sợi PVA đối với con ng−ời và môi tr−ờng nh− sau: Bảng 2.4: Khả năng xâm nhập cơ quan hô hấp của xơ sợi TT Kích th−ớc Khả năng xâm nhập 1 Đ−ờng kính d>3àm Không có khả năng 2 Đ−ờng kính (1<d≤3) àm Có khả năng nh−ng ít 3 Đ−ờng kính d ≤ 1àm Có khả năng 4 Đ−ờng kính d < 0,3àm Độ dài l< 5àm Có khả năng xâm nhập vào phổi (nguy hiểm nhất) + Sợi PVA không phải là bụi hô hấp nên ít có khả năng xâm nhập vào cơ quan hô hấp của con ng−ời. + 3 yếu tố cơ bản để đánh giá độc tính của sợi là kích th−ớc sợi, liều l−ợng hít vào và sự tồn l−u sinh học trong phổi. Về mặt kích th−ớc, một vật thể đ−ợc coi là sợi hô hấp nếu thoả mãn đồng thời 3 điều kiện: đ−ờng kính d5àm và tỉ số l/d ≥ 3. Bảng 2.4 minh họa mối liên hệ giữa kích th−ớc sợi và khả năng xâm nhập cơ quan hô hấp vật liệu xơ sợi. ảnh h−ởng độc hại của sợi PVA đã đ−ợc đánh giá nh− sau: + Sợi PVA có đ−ờng kính t−ơng đối lớn d=12ữ 20 àm nên chúng rất khó có khả năng xâm nhập vào cơ quan hô hấp của con ng−ời (trong tr−ờng hợp của đề tài, chiều dài sợi là 6 mm, đ−ờng kính sợi là 25 àm). + Sợi PVA đã đ−ợc tổ chức quản lý thực phẩm của Mỹ cho phép sử dụng làm đồ bao gói thực phẩm. KC.06.15 44 + L−ợng khí độc phát sinh trong quá trình sản xuất sợi PVA có gia nhiệt là thấp nhất trong các loại sợi tổng hợp. Bảng 2.5: L−ợng khí sinh ra khi gia nhiệt 10 mg sợi tổng hợp ở 600 0C Khối l−ợng khí (mg) Khí Sợi CO CO2 NH3 HCN H2S PVA 0,45 0,59 - - - PAN 1,33 0,15 0,06 0,09 - Nylon 0,88 0,40 0,05 0,03 - Bông 4,33 0,75 - - - Len 2,00 0,59 0,01 0,05 0,04 Bảng 2.5 liệt kê l−ợng khí thải sinh ra khi gia nhiệt một số loại xơ sợi ở 600 oC. ™ Các kết quả nghiên cứu của n−ớc ngoài: Các tác giả Paul T.C.Harrison, Leonard S.Levy, Graham Patrick, Geoffrey H.Pigoff và Lewis L.Smith đã đ−a ra kết luận rằng: “Amiăng trắng chrysotile thực sự độc hại hơn nhiều so với paramid, PVA, hay các sợi cellulose khác và tiếp tục việc sử dụng nó trong các sản phẩm amiăng - ximăng và vật liệu ma sát là không thể biện hộ đ−ợc trong khi vẫn đang tồn tại các chất thay thế mang lại đầy đủ các đặc tính kỹ thuật tốt ” [6]. Khi xem xét tính khả thi của các vật liệu thay thế cho amiăng thì cần phải nghiêm khắc kiểm tra tính chất của các vật liệu này trên thực tế. Các loại sợi PVA và cellulose đã đ−ợc kiểm tra ở các nhà máy fibro-ximăng của 7 n−ớc Châu âu. Nhóm tác giả đã kết luận: “Sợi PVA thuần tuý cũng nh− sợi PVA và cellulose sản xuất trên máy có trong các sản phẩm ximăng của các nhà máy fibro-ximăng đã đ−ợc khảo sát đều ít có khả năng giải phóng ra các sợi cỡ chuẩn”. Khi amiăng phân tách, các sợi nhỏ sẽ đ−ợc giải phóng và một số có kích th−ớc nhỏ đủ để chui sâu vào trong phổi. Trong một nghiên cứu có liên quan, một số ng−ời lại tranh luận rằng khi vật liệu (sợi PVA) đ−ợc xử lý bằng máy móc, những sợi lớn sẽ tách nhỏ ra. Nh−ng những phần này không thể nhỏ đến mức có thể xâm nhập vào phổi. Điều này không phải để lý luận rằng PVA hay cellulose là an toàn với sức khỏe. Tuy nhiên, rõ ràng rằng khi đ−ợc đem so sánh với amiăng trắng, những loại sợi thay thế này ít có tác hại hơn nhiều. KC.06.15 45 2.3.3. Đặc tính của sợi PVA trong công nghệ xeo cán Một trong các đặc điểm của sợi PVA sử dụng nh− vật liệu gia c−ờng trong công nghệ xeo cán là khi trộn vào huyền phù th−ờng bị vón cục (balling), do đó ảnh h−ởng tới sự phân bố trong ma trận và làm giảm độ bền của sản phẩm. Sản phẩm tấm lợp trong tr−ờng hợp sợi PVA vón cục chứa nhiều vết nứt và búi sợi, dễ dàng nhận thấy bằng mắt th−ờng (Hình 2.6a). Có thể giải quyết hiện t−ợng này bằng ph−ơng pháp cơ học (đánh tơi) hoặc hoá học (xử lý bề mặt sợi tại nơi sản xuất hoặc dùng hoá chất phụ trợ). Trong tr−ờng hợp của đề tài đã dùng biện pháp đánh tơi cơ học. Sản phẩm sử dụng sợi PVA qua xử lý có độ bền cao và bề mặt mịn (Hình 2.5b) . Nh− vậy: Trong quá trình thực nghiệm, có thể quan sát dễ dàng hiện t−ợng balling trên bề mặt trên của sản phẩm (bề mặt áp vào Tang định hình). Trên hình 6a có thể quan sát các búi sợi bị vón cục qua các đốm màu sáng có đ−ờng kính trung bình khoảng 5-8 mm. Hình 2.6b cho thấy hiện t−ợng này đã đ−ợc khắc phục bằng ph−ơng pháp đánh tơi cơ học tr−ớc khi phun sợi gia c−ờng vào huyền phù (các đốm màu sáng biến mất). Hậu quả của hiện t−ợng balling là sợi gia c−ờng không phát huy đ−ợc tác dụng, l−ợng sợi phải đ−a vào nhiều hơn l−ợng sợi cần thiết gây tăng giá thành sản phẩm. Sản phẩm bị balling cũng dễ bị nứt tế vi bề mặt khi tạo hình sóng. Nhằm tránh hiện t−ợng tách lớp của sản phẩm xeo, cần thêm vào thành phần của huyền phù một số phụ gia vô cơ. Tuy nhiên, cần xác định chính xác tỷ lệ khối l−ợng phụ gia để tránh làm giảm c−ờng độ chịu lực và tăng giá thành của sản phẩm. Hình 2.6a: Sản phẩm bị ảnh h−ởng của hiện t−ợng balling (nguồn: L−u trữ Viện Công nghệ) KC.06.15 46 Hình 2.6b: Sản phẩm đã khắc phục đ−ợc hiện t−ợng balling (nguồn: L−u trữ Viện Công nghệ) Từ các phân tích trên, nhóm đề tài đã xác định và giải quyết các mục tiêu cụ thể nh− sau: 1. Nghiên cứu chế tạo thiết bị nghiền bột cellulose đạt các chỉ tiêu độ mịn cần thiết. 2. Nghiên cứu chế tạo thiết bị đánh tơi và phun sợi PVA để tránh hiện t−ợng vón cục giúp sợi PVA phân bố đều trong huyền phù. 3. Thiết kế chế tạo hoàn chỉnh một dây chuyền xeo cán tấm lợp với các thông số làm việc phù hợp với sản phẩm tấm lợp không amiăng. 4. Thực hiện một số thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và trên qui mô công nghiệp để xác định hàm l−ợng sợi gia c−ờng, phụ gia và điều chỉnh các thông số công nghệ cần thiết, nhằm tránh các khuyết tật sản phẩm nh−ng vẫn đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế. 5. Thử nghiệm các sản phẩm đ−ợc sản xuất bằng dây chuyền công nghiệp để xác định các thông số cơ - lý chủ yếu của sản phẩm mới. 2.4 SợI cellulose Và khả năng gia c−ờng cho vật liệu nền ximăng Sợi cellulose là một trong các loại sợi có thể dùng để gia c−ờng cho vật liệu tổ hợp nền ximăng. Mục này tóm l−ợc các −u khuyết điểm của sợi cellulose trong việc sản xuất tấm lợp và để hiểu rõ hơn việc lựa chọn vật liệu thay thế cho sợi amiăng. 2.4.1. Sợi cellulose Trong số các sợi tự nhiên dùng gia c−ờng cho vật liệu tổ hợp nền ximăng, sợi cellulose đ−ợc dùng nhiều hơn cả. Một trong các mục đích chính của việc dùng sợi KC.06.15 47 cellulose trong công nghiệp xây dựng là để thay thế một phần sợi amiăng trong việc sản xuất tấm lợp theo công nghệ xeo cán Hatschek. So với các sợi hữu cơ khác, −u điểm của sợi cellulose là có độ bền kéo và mô-đun đàn hồi t−ơng đối cao (độ bền kéo của giấy kraft tới 700 MPa [8]). Thêm vào đó, nguồn sợi cellulose rất lớn, vì thế khả năng ứng dụng của sợi cellulose trong công nghiệp xây dựng rất cao. Tuy nhiên, cũng nh− các sợi hữu cơ khác, độ bền của sợi cellulose suy giảm nhanh trong môi tr−ờng có độ kiềm cao của ma trận ximăng. Để phát huy hiệu quả của sợi cellulose, nhiều nghiên cứu đã đ−ợc tiến hành nhằm ngăn chặn và giảm thiểu quá trình phân hủy sợi cellulose trong ma trận ximăng. Cải tiến ma trận ximăng nhằm giảm bớt tính kiềm bằng cách thay thế một phần ximăng bởi các phụ gia pozzolan khác nh− silica fume, xỉ lò cao, tro bay... là một trong các h−ớng có nhiều triển vọng. Việt Nam có nguồn nguyên liệu phong phú về gỗ cứng, gỗ mềm, tre nứa... vì thế việc sử dụng sợi cellulose nh− là vật liệu thay thế một phần cho sợi amiăng trong công nghiệp sản xuất tấm lợp là h−ớng đi có tính thực tế cao. Trong công nghệ Hatschek, ngoài vai trò là chất trợ lọc cho quá trình xeo, với độ bền kéo và mô đun đàn hồi cao, sợi cellulose cũng có ý nghĩa nh− vật liệu gia c−ờng, đặc biệt trong việc cải tiến tính giòn của ma trận nền ximăng. Trên thực tế sợi cellulose đã và đang đ−ợc nhiều n−ớc trên thế giới sử dụng trong công nghiệp sản xuất tấm lợp gợn sóng. 2.4.2. Nguồn sợi cellulose Theo [11], sợi cellulose có thể nhận đ−ợc từ một số cây điển hình sau: Lanh: là loại thực vật tìm thấy nhiều trên thế giới với cả sản phẩm sợi và dầu. Sợi lanh đ−ợc sử dụng rộng rãi để làm giấy tiền, bản đồ, giấy lọc, giấy cuốn thuốc lá. Tem th− cũng đ−ợc làm từ loại giấy này. Gai dầu: chủ yếu đ−ợc sử dụng trong công nghiệp dệt, bện thừng và giấy cuốn thuốc lá. Bã mía: th−ờng đ−ợc sử dụng cho công nghiệp giấy. Nhìn chung chỉ khoảng 5-6% sản l−ợng bã mía đ−ợc sử dụng cho mục đích này. Phần còn lại đ−ợc sử dụng để đốt thu hồi nhiệt cho nhà máy đ−ờng. Tre nứa: là loại thực vật nhiệt đới bao gồm hàng trăm loài, mọc chủ yếu tại các quốc gia Nam châu á. Sợi tre nứa th−ờng đ−ợc sử dụng cho công nghiệp bột giấy cũng nh− các sản phẩm mỹ nghệ hoặc dân dụng. KC.06.15 48 Đay: là loài cây bụi thuộc họ thực vật Tiliacea đ−ợc tìm thấy tại các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Nguồn nguyên liệu chính cung cấp cho thị tr−ờng thế giới từ Bănglađét, nơi sản xuất trên 80%. Một l−ợng nhỏ đ−ợc trồng tại Trung Quốc, Myanma, Brasil, Nepan, Thái lan và Việt Nam. Dó: là loại cây nhiệt đới, đ−ợc sử dụng chủ yếu bởi vỏ của chúng. Các n−ớc có nguồn nguyên liệu này bao gồm: ấn độ, Trung Quốc, Nga, Iran, Nigeria, Thái Lan, Việt Nam. Cây dó chủ yếu có hai loại sợi, thu nhận đ−ợc từ vỏ và thân. Phần vỏ cho nhiều sợi dài, trong khi đó phần thân chủ yếu cho sợi ngắn. Sisal: phân bố chủ yếu tại châu Phi, trung và nam Mỹ. Sợi sisal thu nhận đ−ợc từ phần lá của cây Sisal. Cỏ bàng: thuộc họ Cyperacaea có tên khoa học là Lepironia articulata, chúng mọc nhiều tại miền Nam Việt Nam, nó có thể cao tới 1,5m với đ−ờng kính khoảng 4-5mm. Ng−ời dân chủ yếu sử dụng chúng để làm chiếu, túi sách hay mũ. ở Việt Nam, cỏ Bàng phát triển mạnh tại tỉnh Long An, diện tích có thể lên tới 70.000 ha, chiếm tới 18% diện tích toàn tỉnh. Sản l−ợng khai thác cao, khoảng 20 T/ha/năm (trong khi gỗ Bạch đàn chỉ khoảng 7- 8 T/ha/năm). 2.4.3. Khả năng sử dụng sợi cellulose trong sản xuất tấm lợp Thành phần cơ bản của tấm lợp ximăng gia c−ờng bởi cellulose gồm: sợi cellulose và ximăng. Trong một số tr−ờng hợp, chất độn nh− silica fume đ−ợc thêm vào để giảm tính thấm, cải thiện liên kết giữa xơ sợi và ma trận, đồng thời cải thiện tuổi thọ của sợi. Phụ thuộc vào quá trình sản xuất, hàm l−ợng sợi có thể dao động từ 1-12% tính theo khối l−ợng [6]. Tỷ lệ phối trộn phụ thuộc vào công nghệ sản suất. Trong quá trình trộn lẫn sơ bộ, l−ợng xơ sợi đ−ợc kiểm soát nhờ hiệu quả khuấy trộn. Hàm l−ợng xơ sợi th−ờng giới hạn trong khoảng 2%. Trong quá trình khuấy trộn sơ bộ, hỗn hợp sợi cellulose đ−ợc tạo thành dạng vữa nh− vữa ximăng sử dụng trong công nghiệp xây dựng. Nh− đã nêu trên đây, tỷ lệ khối l−ợng xơ sợi có thể sử dụng trong giới hạn khoảng 2%. Tỷ lệ n−ớc-ximăng vào khoảng 40% đủ cho việc khuyếch tán sợi và ximăng thuỷ hóa. L−ợng n−ớc nhiều hơn có thể cải thiện độ linh động của vữa −ớt nh−ng có thể làm giảm một số tính chất cơ lý của sản phẩm. KC.06.15 49 Hình 2.7: Độ bền uốn và độ cứng của vật liệu ximăng sợi gia c−ờng (nguồn: McGraw.Hill Inc., [8]) KC.06.15 50 Hình 2.8: Độ bền va đập của vật liệu ximăng sợi gia c−ờng (nguồn: McGraw.Hill Inc., [8]) Tính chất của vật liệu ximăng gia c−ờng bằng sợi thiên nhiên phụ thuộc vào loại sợi cũng nh− tỉ lệ sợi gia c−ờng. Hình 2.7 và 2.8 minh họa độ bền uốn và độ dai va đập của vật liệu tổ hợp nền ximăng gia c−ờng bằng một số sợi thiên nhiên. Nh− ta thấy từ hình 2.7 và 2.8, sự có mặt của sợi gỗ làm tăng đáng kể cơ lý tính của vật liệu tổ hợp, đặc biệt là độ bền va đập và độ bền uốn. Cơ lý tính của vật liệu ximăng gia c−ờng bằng sợi gỗ sẽ tăng cao hơn khi tăng tỷ lệ sợi và độ dài sợi. Đặc điểm này dẫn tới kết luận rằng trong KC.06.15 51 công nghệ sản xuất vật liệu ximăng gia c−ờng sợi cần xác định đ−ợc tỷ lệ sợi tối −u đ−a vào trong ma trận ximăng, vì tỷ lệ sợi cao sẽ gây ra hiện t−ợng vón cục của sợi (hiện t−ợng balling). Tuy nhiên, bên cạnh việc cải thiện các tính chất cơ học của vật liệu ximăng nhờ việc gia c−ờng bằng sợi tự nhiên, độ bền theo thời gian của sợi tự nhiên trong môi tr−ờng kiềm của ma trận ximăng là vấn đề cần đ−ợc quan tâm nghiên cứu. Nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ rằng, các chu trình −ớt và khô làm giảm đáng kể tính dễ uốn của sợi và do vậy giảm độ dai của vật liệu tổ hợp. Một số nghiên cứu cho rằng sợi cellulose trở nên khoáng hoá khi hợp chất vôi đi vào trong ống sợi (ống bên trong của sợi) và khi không gian ống của sợi bị đổ đầy thì sợi trở nên giòn. Sợi giòn làm giảm khả năng phân bố, ứng suất xuất hiện và do vậy giảm độ dai và độ bền sau rạn nứt. Hiện tại ch−a có giải pháp triệt để nào để có thể đảm bảo đ−ợc tuổi thọ sợi thiên nhiên trong môi tr−ờng kiềm (n−ớc ximăng). Một số n−ớc tiên tiến sử dụng ph−ơng pháp phủ sợi bằng một loại polyme. Ph−ơng pháp này khá hữu hiệu, nh−ng giá thành cao nên ít đ−ợc áp dụng trong thực tế. Tuy nhiên, sử dụng sợi cellulose với hàm l−ợng thấp và lai tạo với các sợi tổng hợp khác là một trong các giải pháp thực tế trong việc sản xuất tấm lợp không amiăng theo công nghệ xeo cán. Với hàm l−ợng nhỏ, độ bền của vật liệu tổ hợp ít bị suy giảm theo thời gian, ngay cả khi sợi cellulose bị phá hủy trong môi tr−ờng kiềm. 2.5. phụ gia và CHấT PHụ TRợ 2.5.1. Vai trò của phụ gia và nguyên lý sử dụng Trong công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng nói chung và tấm lợp nói riêng phụ gia và các chất phụ trợ không phải là thành phần chính nh− ximăng nh−ng đóng vai trò quan trọng, nhiều khi không thể thiếu. ở nhiều n−ớc, đặc biệt là V−ơng quốc Anh, khuynh h−ớng sử dụng phụ gia trong công nghiệp xây dựng ngày càng tăng. Lý do chính của việc sử dụng phụ gia và chất phụ trợ là khả năng cải thiện các tính chất cơ lý của sản phẩm cũng nh− giúp cho công nghệ sản xuất đ−ợc thuận tiện hơn. Ngoài ra tính kinh tế cũng là yếu tố quan trọng của việc sử dụng phụ gia. Việc sử dụng phụ gia và chất phụ trợ đòi hỏi trình độ hiểu biết chuyên môn sâu. Nh− nhấn mạnh trong [24], việc sử dụng đúng cách và đúng tỷ lệ phụ gia và các chất phụ trợ đem lại lợi ích kinh tế và làm tăng các tính chất cơ lý của sản phẩm ximăng-sợi, nh−ng hiệu quả này không còn nếu sử dụng phụ gia kém chất l−ợng hoặc sử dụng không đúng KC.06.15 52 cách. Trên thực tế, phụ gia và chất phụ trợ chứa các thành phần hữu cơ hoặc vô cơ đ−ợc dùng với tỷ lệ không quá 10% so với khối l−ợng ximăng. Với các tính chất hóa-lý −u việt của xơ sợi amiăng nh− trình bày trong mục 2.1, việc sử dụng phụ gia và chất phụ trợ không đóng vai trò quan trọng, thậm chí không cần thiết trong công nghệ sản xuất tấm lợp ximăng amiăng theo ph−ơng pháp xeo cán. Sợi amiăng với tính chất cơ lý vốn có và với tỷ trọng trong khoảng 2,2 tới 3,4 g/cm3 dễ dàng lơ lửng và phân tán đều trong dung dịch huyền phù ximăng-n−ớc. Thêm vào đó, với cấu trúc búi của mình và việc hình thành các ion khi tr−ơng nở trong môi tr−ờng kiềm, các sợi amiăng tạo ra một môi tr−ờng thuận lợi cho các hạt ximăng bám vào. Kết quả là việc xeo các chất rắn từ huyền phù n−ớc-ximăng-amiăng đ−ợc thực hiện dễ dàng và các sản phẩm ximăng-amiăng có các tính chất cơ lý rất cao. Khi sử dụng sợi polyme, chẳng hạn sợi PVA, để thay thế sợi amiăng trong công nghệ xeo cán ta gặp rất nhiều khó khăn. Sợi PVA không có dạng búi, không tr−ơng nở trong n−ớc và có tỷ trọng thấp nên rất khó phân bố đều trong dung dịch n−ớc-ximăng. Thêm vào đó, với bề mặt trơn tru, các hạt ximăng rất khó bám vào sợi PVA. Hậu quả là hiệu suất xeo rất thấp và sản phẩm khó đạt đ−ợc các tiêu chuẩn cơ lý cần thiết. Để khắc phục các khó khăn trên khi sản xuất tấm lợp xi măng không amiăng, bên cạnh các giải pháp cơ học nhằm xử lý xơ sợi, các chất phụ gia và chất phụ trợ thích hợp cũng th−ờng đ−ợc sử dụng nhằm tăng khả năng phân tán của sợi và độ bám dính của chúng với ma trận ximăng. Nh− vậy, trong việc sản xuất tấm lợp không amiăng theo công nghệ xeo cán phụ gia đ−ợc đ−a vào nhằm hai mục đích chính: (1) cải thiện tính chất của huyền phù nhằm trợ giúp cho quá trình xeo và nâng cao hiệu suất xeo; (2) nâng cao độ bền cơ lý của sản phẩm thông qua việc cải tiến độ bám dính của sợi PVA với ma trận và độ bền của chính ma trận. Để đạt mục đích thứ nhất, một số phụ gia và chất phụ trợ đ−ợc đ−a vào nhằm làm chậm quá trình phân ly giữa pha lỏng và pha rắn của dung dịch huyền phù n−ớc-ximăng- sợi polyme. Quá trình phân ly sẽ diễn ra chậm hơn khi huyền phù có độ nhớt cao hơn. Nh− vậy, các hợp chất hữu cơ có khả năng hòa tan trong n−ớc hoặc khả năng thấm n−ớc cao mà không ảnh h−ởng tới độ bền của sợi cũng nh− quá trình thủy hóa của xi măng có thể đ−ợc sử dụng cho mục đích này. Chẳng hạn, bột giấy có tính thấm cao và khả năng phân tán tốt trong n−ớc, ngoài khả năng gia c−ờng còn rất tốt trong việc làm tăng độ nhớt của huyền phù cũng nh− việc giữ cho các sợi polyme đ−ợc lơ lửng trong n−ớc lâu KC.06.15 53 hơn. Một số hợp chất khác nh− bentonite hay sepiolit có khả năng làm tăng độ nhớt cho chất lỏng cũng có thể sử dụng để trợ giúp cho quá trình xeo cán. Hình 2.9: Cấu trúc vi mô của vật liệu tổ hợp nền ximăng gia c−ờng sợi không có và có sử dụng silica fume (Nguồn www.fibrecement.elkem.com) Để tăng c−ờng độ bám dính giữa sợi và ma trân xi măng, việc sử dụng các phụ gia pozzolan cho ximăng có độ mịn cao nh− silica fume hoặc xỉ lò cao (slag - sản phẩm phụ của công nghệ luyện thép) đem lại hiệu quả cao hơn cả. Theo nghiên cứu của Elkem [25] - một trong các công ty hàng đầu thế giới trong lĩnh vực phụ gia ximăng, độ bền uốn của vật liệu xi măng gia c−ờng sợi có thể tăng tới 40% khi sử dụng silica fume, tùy theo hàm l−ợng của cấp phối. Cơ chế tăng độ bền khi sử dụng silica fume đ−ợc giải thích bằng việc tăng mật độ của ma trận ximăng nh− minh họa trên Hình 2.9. Khi không sử dụng silica fume, sau quá trình thủy hóa ngoài các tinh thể xi măng, và hyđroxide calcium, ma trận xi măng còn chứa vô số các lỗ rỗng, hình thành chủ yếu do sự bay hơi của n−ớc. Quá trình phá hủy của vật liệu phát sinh từ các vết nứt, lỗ rỗng vốn tiềm ẩn trong vật liệu và vì thế các lỗ rỗng nói trên là lý do chính giải thích vì sao độ bền cơ học của vật liệu nền xi măng th−ờng thấp hơn các vật liệu khác. Các lỗ rỗng cũng là nguyên nhân chính của sự kém bám dính giữa sợi và ma trận của vật liệu tổ hợp nền xi măng gia c−ờng sợi. Sử dụng silica fume với tỷ lệ thích hợp, hàm l−ợng lỗ rỗng trong vật liệu nền xi măng giảm rõ rệt. Với độ mịn cực cao (kích th−ớc hạt silica fume chỉ chừng 0,15 micron), các hạt silica fume len lỏi vào các lỗ rỗng của vật liệu nền xi măng và với bản chất pozzolan, sau quá trình thủy hóa silica fume hình thành các tinh thể lấp đầy lỗ rỗng KC.06.15 54 trong ma trận xi măng cũng nh− các lỗ rỗng giữa bề mặt sợi và ma trận (Hình 2.9). Hiệu quả là, ngoài việc giảm hàm l−ợng lỗ rỗng, kích th−ớc của lỗ rỗng cũng giảm đáng kể. Vật liệu xi măng gia c−ờng sợi sử dụng silica fume, vì thế có độ bền cơ lý cao hơn nhiều so với vật liệu không sử dụng silica fume. Nh− vậy việc sử dụng silica fume là một trong các giải pháp hữu hiệu để nâng cao độ bền của vật liệu tổ hợp nền xi măng nói chung và đặc biệt sản phẩm tấm lợp gia c−ờng bằng sợi PVA nói riêng. 2.5.2. Silica fume Silica fume là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất silicon và hợp kim ferrosilicon. Silica fume còn đ−ợc biết đến d−ới tên microsilica hoặc condensed silica fume. Thành phần chính của silica fume là dioxide silic (SiO2) có dạng amophos "liên kết ch−a hoàn chỉnh". Một trong các −u điểm của silica fume là do kích th−ớc các phần tử siêu nhỏ (khoảng 1/100 kích th−ớc hạt ximăng) nên chúng có thể len lỏi vào giữa các hạt ximăng và sợi gia c−ờng. Sản phẩm sử dụng silica fume có độ chặt cao và độ bền tốt hơn. Đề tài sử dụng silica fume với mục đích chính là cải tiến độ bám dính vốn khá yếu giữa sợi PVA và ma trận ximăng, và vì thế làm tăng độ bền cơ học cũng nh− tuổi thọ của sản phẩm. Việt Nam có một số cơ sở cung cấp silica fume, tuy nhiên các đặc tính của sản phẩm khá khác nhau. Việc nghiên cứu ảnh h−ởng của silica fume tới tấm lợp và công nghệ Hatschek hiện đang đ−ợc tiếp tục tiến hành. Nh− trình bày trên, sự khác nhau trong cấu trúc của vật liệu xi măng gia c−ờng sợi không sử dụng silica fume và có sử dụng silica fume (Hình 2.9) dẫn tới sự thay đổi các đặc tr−ng cơ lý của vật liệu. Độ bám dính giữa ma trận và sợi đ−ợc cải tiến đáng kể với sự có mặt của silica fume, và kết quả của điều đó là viêc tăng độ bền uốn, nén và độ dai va đập của vật liệu. Bảng 2.6 liệt kê một số tính chất điển hình của silica fume, Hình 2.10 minh họa ảnh hiển vi điện tử và ảnh