Bê tông hiện là vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Hơn 95% xi măng được sản xuất và sử dụng ngày nay là xi măng portland. Tuy nhiên, việc sản xuất xi măng portland tiêu tốn một lượng lớn tài nguyên và năng lượng và thải ra một lượng lớn bụi và khí thải (như CO₂ và SO₂), làm tăng thêm áp lực về môi trường. Hơn nữa, xi măng portland có một số hạn chế nhất định khi sử dụng trong bê tông hiệu suất cao. Do đó, mọi người đã bắt đầu khám phá việc sử dụng phụ gia khoáng để sản xuất một loại vật liệu kết dính mới thay thế cho xi măng portland.

So với xi măng thông thường, geopolymer cho thấy tính chất cơ học và độ bền vượt trội. Hơn nữa, geopolymer có nhiều ưu điểm về nguồn nguyên liệu thô, mức tiêu thụ năng lượng, hiệu suất và độ bền. Chúng có thể được coi là xi măng “xanh, thân thiện với môi trường”, dự kiến ​​sẽ trở thành vật liệu xây dựng sinh thái quan trọng trong thế kỷ 21.

Khi sử dụng máy trộn bê tông ngược dòng hành tinh, các nguyên liệu thô có thể được trộn đều trong điều kiện cắt cao, giúp kích hoạt các thành phần phản ứng của chúng hiệu quả hơn.

1. Định nghĩa

 (1) Geopolymer là vật liệu được tạo ra từ các hợp chất aluminosilicat có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo trong điều kiện kiềm thông qua quá trình trùng hợp địa chất, tạo ra vật liệu giống xi măng có cường độ, độ ổn định và độ bền cao.
 (2) Geopolymer là vật liệu liên kết hoạt hóa kiềm mới khác với xi măng portland thông thường. So với xi măng portland, nó sử dụng nguyên liệu thô dồi dào, tiêu thụ năng lượng thấp hơn, gần như không thải ra chất thải và tránh tiêu thụ tài nguyên đá vôi, khiến nó trở thành vật liệu xây dựng xanh.
 (3) Về mặt sản xuất, các polyme địa chất được tạo ra bằng cách phản ứng hóa học giữa nguyên liệu aluminosilicate (như metakaolin hoặc tro bay) với chất hoạt hóa kiềm; phản ứng này tạo ra một vật liệu có tính chất hóa học tương tự như một số tro núi lửa.
 (4) Về mặt cấu trúc, geopolymer tạo thành một loại vật liệu mới có mạng lưới aluminosilicat 3D.
 (5) Theo quan điểm liên kết, geopolymer bao gồm một mạng lưới các liên kết cộng hóa trị chủ yếu được hình thành bởi silic và nhôm.

2.Cấu trúc

Cấu trúc chính của geopolymer là một khung aluminosilicat 3D vô định hình đến bán tinh thể. Nó bao gồm các tứ diện silic-oxy ​​và tứ diện nhôm-oxy.

Sử dụng máy trộn bê tông ngược dòng hành tinh trong quá trình sản xuất giúp phân tán và kích hoạt đồng đều các thành phần này, tạo ra cấu trúc mạng lưới 3D đồng nhất hơn.

Sơ đồ cấu trúc của Geopolymer

1.Nguyên liệu chính

(1) Metakaolin, được sản xuất bằng cách xử lý nhiệt thích hợp của đất sét kaolin.
(2) Các sản phẩm phụ công nghiệp giàu aluminosilicate như xỉ lò cao, tro bay, thạch cao phốt pho và chất thải đất sét.
(3) Các chất thải fenspat, về mặt hóa học tương tự như metakaolin nhưng có một lượng nhỏ canxi.

(4) Chất hoạt hóa kiềm, thường là natri hoặc kali hydroxit, thủy tinh nước hoặc kali silicat.
(5) Chất điều chỉnh quá trình đông kết, canxi silicat yếu, khói silica và các chất phụ gia (như chất làm chậm đông kết).

2. Quá trình chuẩn bị

(1) Nếu metakaolin là nguyên liệu thô, trước tiên hãy hoạt hóa nó bằng cách xử lý nhiệt ở khoảng 850°C. Sốc nhiệt độ cao sẽ chuyển đổi nó thành dạng phản ứng.
(2) Sau đó, nguyên liệu thô được trộn trong máy trộn bê tông ngược dòng hành tinh với chất hoạt hóa kiềm và nước. Thủy tinh nước thường được sử dụng; mô đun, nồng độ và điều kiện bảo dưỡng của nó ảnh hưởng đến các tính chất cuối cùng.
(3) Sau khi thêm nước và dung dịch kiềm, hỗn hợp được trộn mạnh, đổ vào khuôn, nén chặt bằng rung, sau đó tháo khuôn và lưu hóa.
(4) Nếu tro bay là nguyên liệu thô, quy trình tương tự.

Tóm tắt: Quy trình chính bao gồm (1) xử lý sơ bộ nguyên liệu, (2) chuẩn bị và định lượng dung dịch kiềm, (3) trộn trong máy trộn bê tông ngược dòng hành tinh, (4) đúc và đầm rung, và (5) tháo khuôn và bảo dưỡng.

3. Cơ chế trùng hợp

Quá trình địa trùng hợp bao gồm:
(1) sự hòa tan của vật liệu aluminosilicat trong điều kiện kiềm;
(2) sự khuếch tán của các chất hòa tan vào các lỗ rỗng;

(3) hình thành pha gel thông qua quá trình ngưng tụ nhiều lần;
(4) dần dần cứng lại thành vật liệu nguyên khối.
Sử dụng máy trộn bê tông ngược dòng hành tinh trong quá trình này đảm bảo hỗn hợp đồng nhất và phản ứng hoàn thiện hơn.

1. Tính chất vật lý

(1) Hệ số co ngót và giãn nở thấp;
(2) Khả năng chịu nhiệt độ cao tuyệt vời;
(3) Độ bền nén, uốn và cắt cao hơn xi măng portland thông thường;
(4) Bền và ổn định về mặt hóa học trong điều kiện khắc nghiệt.
Sử dụng máy trộn bê tông ngược dòng hành tinh giúp tạo ra cấu trúc đặc và đồng nhất, góp phần trực tiếp tạo nên những tính chất mong muốn này.

2. Tính chất hóa học

(1) Khả năng bao bọc các ion kim loại nặng;
(2) Đóng rắn và đông cứng nhanh;
(3) Khả năng kháng axit cực kỳ mạnh;
(4) Độ trùng hợp và khả năng chống oxy hóa cao hơn.

3. Ưu điểm

(1) Giảm tiêu thụ năng lượng trong quá trình sản xuất;
(2) Nguồn nguyên liệu thô dồi dào và rẻ hơn;
(3) Bền, trơ về mặt hóa học và thân thiện với môi trường;
(4) Ít co ngót, kích thước ổn định hơn.

1.Cơ sở hạ tầng và xây dựng:
Geopolymer được sử dụng để sửa chữa và gia cố các tòa nhà và cầu, tăng khả năng chống chịu động đất và bão. Vật liệu composite geopolymer sợi liên tục hiện đang được sử dụng ở nhiều khu vực để gia cố kết cấu.

2. Ứng dụng hàng không:
Vật liệu địa trùng hợp, với đặc tính nhẹ và khả năng chịu nhiệt, đã được sử dụng cho các bộ phận máy bay, chẳng hạn như tấm ốp cabin và ghế ngồi.
Sử dụng máy trộn bê tông ngược dòng hành tinh trong quá trình sản xuất đảm bảo tính chất vật liệu đồng nhất mong muốn cho ứng dụng này.

3. Ứng dụng ô tô:
Vào năm 1994-95, đội Benetton F1 đã ứng dụng thành công vật liệu composite địa trùng hợp vào các bộ phận của xe F1 — một bước đột phá về trọng lượng nhẹ, khả năng chịu nhiệt độ cao và độ ổn định cơ học.

4.Đúc và luyện kim màu:
Vì geopolymer có thể duy trì được tính ổn định về mặt cấu trúc ở nhiệt độ 1000°C–1200°C nên chúng được ứng dụng trong đúc kim loại màu và luyện kim.

5.Xây dựng dân dụng:
Vật liệu địa trùng hợp cứng lại nhanh chóng và phát triển cường độ nhanh chóng — thường trong vòng 4 giờ — khiến chúng trở nên lý tưởng cho các dự án sửa chữa và đẩy nhanh tiến độ trong ngành đường bộ, sân bay và đường sắt.

6. Ứng dụng giao thông và sửa chữa:
Đối với việc sửa chữa đường cao tốc hoặc sân bay, mộtmáy trộn bê tông ngược dòng hành tinhcó thể tạo ra hỗn hợp đông cứng nhanh. Trong vòng 1 giờ, vật liệu có thể đi lại được; sau 6 giờ, nó có thể chở máy bay.

7. Xử lý chất thải hạt nhân và chất thải nguy hại:
Geopolymer tạo thành cấu trúc giống như lồng có khả năng bao bọc an toàn các ion kim loại nặng và chất thải hạt nhân, ngăn chặn chúng thải ra môi trường.

8. Ứng dụng nghệ thuật và trang trí:
Vật liệu địa trùng hợp có thể được xử lý để trông giống đá tự nhiên, nên thích hợp dùng làm thành phần kiến ​​trúc và trang trí.

9. Cơ sở lưu trữ:
Sử dụng vật liệu địa trùng hợp để xây dựng silo chứa ngũ cốc giúp kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm tự nhiên và chống lại sâu bệnh.