Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Vật Liệu: Ứng Dụng Xỉ Thép Tái Chế Trong Sản Xuất Xi Măng

Khám phá luận văn thạc sĩ về kỹ thuật vật liệu tái chế xỉ thép trong sản xuất ximăng, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

• Tác giả: Nguyễn Vĩnh Phước
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Khánh Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Vật liệu Vô cơ
• Đề tài: Tái Chế Xỉ Thép Làm Nguyên Liệu Sản Xuất Xi Măng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU
• 1.1. Xỉ và vấn đề môi trường
• 1.2. Tình hình tái chế xỉ trên thế giới
• 1.2.1. Đối với xỉ lò cao (xỉ sắt)
• 1.2.2. Đối với xỉ lò luyện thép (xỉ thép)
• 1.3. Tình hình xử lý xỉ ở Việt Nam
• 1.4. Mục đích nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học của đề tài
• 2. CHƯƠNG II: TỔNG QUAN XI VÀ ỨNG DỤNG XI MĂNG XI
• 2.1. Nguồn gốc xỉ
• 2.2. Xỉ lò luyện thép (xỉ thép)
• 2.2.1. Thành phần hóa và khoáng của xỉ
• 2.2.2. Thành phần khoáng của xỉ
• 2.3. So sánh với thành phần khoáng hóa của xi măng Portland
• 2.4. Một số tính chất cơ lý khác của xỉ thép
• 2.5. Xi măng xỉ thép, xỉ lò cao và quá trình phản ứng thủy hóa
• 2.5.1. Xi măng xỉ thép
• 2.5.2. Xi măng xỉ lò cao
• 2.5.3. Quá trình thủy hóa xỉ và xi măng xỉ
• 2.6. Ưu điểm của xi măng xỉ
• 3. CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ NGUYÊN LIỆU
• 3.1. Phương pháp thực nghiệm
• 3.2. Thực nghiệm hệ xi măng phối trộn xỉ thép và xỉ lò cao
• 3.3. Thực nghiệm hệ xi măng phối trộn xỉ thép qua xử lý nâng cao hoạt tính
• 3.4. Nguyên liệu chế tạo xi măng hỗn hợp xỉ
• 3.4.1. Xi thép EAF
• 3.4.2. Xi măng PC40
• 3.4.3. Bột nhôm hydroxit Al(OH)3
• 3.4.4. Phối liệu và thí nghiệm xử lý tăng hoạt tính cho xỉ thép
• 3.4.4.1. Tính toán phối liệu
• 3.4.4.2. Nhiệt độ nung phối liệu
• 3.4.4.3. Chọn chế độ nung, đường cong nung
• 3.4.4.4. Quá trình nung chảy phối liệu, làm nguội sản phẩm
• 4. CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Kết quả hệ xi măng hỗn hợp xỉ
• 4.1.1. Ở trạng thái vữa — giai đoạn sớm
• 4.1.2. Ở trạng thái đóng rắn — giai đoạn dài
• 4.1.3. Nhận xét chung về tính chất hệ xi măng hỗn hợp xỉ
• 4.2. Kết quả xử lý tăng hoạt tính xỉ thép
• 4.2.1. Phổ chụp IR sản phẩm
• 4.2.2. Phổ chụp XRD sản phẩm
• 4.2.3. Ảnh chụp vi cấu trúc SEM
• 4.2.4. Phân tích theo các chỉ tiêu xi măng
• 4.2.5. Nhận xét chung hệ xi qua xử lý hoạt tính
• 5. CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Hệ xi măng hỗn hợp xỉ
• 5.2. Xử lý tăng cường hoạt tính cho xỉ thép
• 5.3. Kiến nghị
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tái chế xỉ thép và vấn đề môi trường

Tái chế xỉ thép là một giải pháp quan trọng để giải quyết vấn đề môi trường do lượng xỉ thép thải ra hàng năm tại Việt Nam lên đến 2 triệu tấn. Theo quy định pháp luật, xỉ thép được phân loại là chất thải rắn không nguy hại, nhưng việc chôn lấp không phải là giải pháp bền vững. Xỉ thép khi tiếp xúc với nước mưa có thể gây ô nhiễm nguồn nước và đất. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng xỉ thép làm nguyên liệu sản xuất xi măng, giúp giảm thiểu tác động môi trường và tận dụng nguồn tài nguyên này một cách hiệu quả.

1.1. Tình hình xử lý xỉ thép tại Việt Nam

Tại Việt Nam, việc xử lý xỉ thép chưa được tối ưu hóa. Các nhà máy thép đang phải đối mặt với bài toán quản lý lượng xỉ thải ra hàng năm. Việc chôn lấp không chỉ tốn kém mà còn gây lãng phí tài nguyên đất. Nghiên cứu này đề xuất phương án tái chế xỉ thép làm nguyên liệu sản xuất xi măng, giúp giảm chi phí xử lý và bảo vệ môi trường.

1.2. Lợi ích của tái chế xỉ thép

Tái chế xỉ thép mang lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường. Việc sử dụng xỉ thép làm nguyên liệu sản xuất xi măng không chỉ giảm thiểu lượng chất thải mà còn tiết kiệm chi phí sản xuất. Ngoài ra, xi măng sản xuất từ xỉ thép có tính bền vững cao, phù hợp với các tiêu chuẩn môi trường hiện đại.

II. Nguyên liệu sản xuất xi măng từ xỉ thép

Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng xỉ thép làm nguyên liệu sản xuất xi măng. Xỉ thép có thành phần hóa học phù hợp để thay thế một phần clinker trong xi măng Portland. Thành phần chính của xỉ thép bao gồm CaO, MgO, và FeO, giúp tăng cường tính chất cơ lý của xi măng. Quá trình tái chế xỉ thép được thực hiện thông qua các phương pháp nghiền mịn và phối trộn với các nguyên liệu khác.

2.1. Thành phần hóa học của xỉ thép

Xỉ thép có thành phần hóa học đa dạng, bao gồm CaO (hơn 31%), MgO (hơn 7%), và FeO (35-50%). Các thành phần này giúp xỉ thép có khả năng thủy lực, mặc dù thấp hơn so với xi măng Portland. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc nghiền mịn xỉ thép đến kích thước 90µm giúp tăng cường hoạt tính của nó trong quá trình sản xuất xi măng.

2.2. Phương pháp phối trộn xỉ thép

Phương pháp phối trộn xỉ thép với xi măng Portland được thực hiện với tỷ lệ từ 10% đến 40% khối lượng. Kết quả thực nghiệm cho thấy, hỗn hợp chứa 20% xỉ thép và 20% xỉ lò cao đạt được tính chất cơ lý tương đương với xi măng Portland. Phương pháp này không chỉ giúp tận dụng xỉ thép mà còn giảm chi phí sản xuất xi măng.

III. Công nghệ tái chế xỉ thép

Công nghệ tái chế xỉ thép được nghiên cứu nhằm nâng cao hoạt tính của xỉ thép trong quá trình sản xuất xi măng. Phương pháp nung chảy và làm nguội nhanh được áp dụng để tạo ra các khoáng thủy lực như C3S và C2S trong xỉ thép. Kết quả cho thấy, phương pháp làm nguội nhanh giúp tăng cường độ chịu nén của xi măng lên đến 200% so với phương pháp làm nguội chậm.

3.1. Quy trình nung chảy xỉ thép

Quy trình nung chảy xỉ thép được thực hiện ở nhiệt độ trên 1300°C, kết hợp với các nguyên liệu như đá vôi và bột nhôm hydroxit. Sau khi nung chảy, xỉ thép được làm nguội nhanh trong nước để tạo ra các khoáng thủy lực. Phương pháp này giúp tăng cường hoạt tính của xỉ thép, làm cho nó phù hợp hơn với quá trình sản xuất xi măng.

3.2. Ứng dụng công nghệ làm nguội nhanh

Phương pháp làm nguội nhanh được áp dụng để tăng cường tính chất cơ lý của xỉ thép. Kết quả thực nghiệm cho thấy, xi măng sản xuất từ xỉ thép làm nguội nhanh có cường độ chịu nén cao hơn đáng kể so với phương pháp làm nguội chậm. Điều này chứng tỏ hiệu quả của công nghệ tái chế xỉ thép trong việc nâng cao chất lượng xi măng.

IV. Ứng dụng xỉ thép trong sản xuất xi măng

Ứng dụng xỉ thép trong sản xuất xi măng đã được nghiên cứu và đánh giá thông qua các thí nghiệm thực tế. Kết quả cho thấy, xi măng sản xuất từ xỉ thép có tính bền vững cao, đặc biệt trong các môi trường khắc nghiệt như nồng độ sunfat và axit cao. Nghiên cứu này cũng đề xuất phương án sử dụng xỉ thép làm phụ gia khoáng hoạt tính trong xi măng hỗn hợp.

4.1. Tính chất cơ lý của xi măng từ xỉ thép

Xi măng sản xuất từ xỉ thép có tính chất cơ lý tương đương với xi măng Portland. Các thí nghiệm cho thấy, hỗn hợp chứa 20% xỉ thép và 20% xỉ lò cao đạt được cường độ chịu nén cao và ổn định trong các môi trường khác nhau. Điều này chứng tỏ hiệu quả của việc sử dụng xỉ thép làm nguyên liệu sản xuất xi măng.

4.2. Đánh giá độ bền của xi măng từ xỉ thép

Độ bền của xi măng sản xuất từ xỉ thép được đánh giá thông qua các thí nghiệm trong môi trường sunfat và axit. Kết quả cho thấy, xi măng từ xỉ thép có khả năng chống ăn mòn cao, phù hợp với các ứng dụng trong điều kiện khắc nghiệt. Nghiên cứu này mở ra hướng ứng dụng mới cho xỉ thép trong ngành công nghiệp xi măng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tại Việt Nam, lượng xỉ thép thải ra hàng năm ước tính khoảng 2 triệu tấn, trong khi đó việc tái chế và sử dụng loại phế liệu này vẫn còn rất hạn chế về mặt kinh tế và kỹ thuật. Xỉ thép, một sản phẩm phụ của quá trình luyện thép bằng lò hồ quang điện (EAF), chứa hàm lượng lớn các oxit như CaO tự do (>31%), MgO (>7%), FeO (35-50%) và các thành phần sắt khác. Tuy nhiên, tính thủy lực của xỉ thép thấp hơn nhiều so với xi măng Portland do hàm lượng khoáng C3S, C2S thấp. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng tái chế xỉ thép làm phụ gia khoáng hoạt tính trong sản xuất xi măng hỗn hợp, đồng thời đề xuất phương án nâng cao hoạt tính xỉ thép nhằm tăng tỷ lệ phối trộn trong xi măng mà vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật.

Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu xỉ thép lấy từ nhà máy thép Đồng Tiến, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, trong khoảng thời gian từ tháng 6/2013 đến tháng 5/2014. Việc tái chế xỉ thép không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do chất thải công nghiệp mà còn giúp tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, giảm chi phí sản xuất xi măng và nâng cao hiệu quả kinh tế cho ngành vật liệu xây dựng. Các chỉ số kỹ thuật và tính chất cơ lý của xi măng hỗn hợp được đánh giá trong các điều kiện bảo dưỡng bình thường và môi trường ăn mòn như sunfat cao, axit, nhằm xác định hàm lượng xỉ thép tối ưu và hiệu quả của phương pháp xử lý nâng cao hoạt tính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết khoáng thủy lực của xi măng: Quá trình thủy hóa của xi măng và xỉ phụ thuộc vào sự hình thành các khoáng canxi silicat (C3S, C2S), aluminat (C3A) và aluminoferrit (C4AF). Xỉ thép có hàm lượng khoáng C3S, C2S thấp nên hoạt tính thủy lực kém hơn xi măng Portland.
• Mô hình biểu đồ pha hệ CaO-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃: Dùng để phân tích thành phần hóa học và dự đoán sự hình thành các pha khoáng trong xỉ thép và xi măng hỗn hợp. Điểm eutectic của hệ này ở khoảng 1338°C, với thành phần khoáng chính gồm C3S, C2S, C3A và C4AF.
• Khái niệm hoạt tính khoáng (pozzolanic reactivity): Đánh giá khả năng phản ứng thủy hóa của xỉ thép dựa trên tiêu chuẩn TCVN 6852-2001, xác định mức độ tạo cường độ và tính bền vững của xi măng hỗn hợp.
• Cơ chế thủy hóa hai giai đoạn: Giai đoạn đầu là phản ứng thủy hóa clinker xi măng Portland, tạo ra Ca(OH)₂ và các sản phẩm hydrat; giai đoạn sau là sự hoạt hóa và phản ứng của xỉ thép với Ca(OH)₂ để tạo các khoáng hydrat phức tạp, tăng cường cường độ và độ bền.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Mẫu xỉ thép EAF được lấy từ nhà máy thép Đồng Tiến, Bà Rịa - Vũng Tàu. Các mẫu được phân tích thành phần hóa học bằng phương pháp XRF và phân tích khoáng bằng XRD, IR, SEM.
• Phương pháp phân tích: Nghiền xỉ thép đến kích thước trung bình 90 µm (độ mịn Blaine 3400 cm²/g). Phối trộn xỉ thép với xi măng Portland theo tỷ lệ 10-40% khối lượng, đồng thời phối trộn với xỉ lò cao (GBFS) để đánh giá tính chất cơ lý và độ bền trong các điều kiện bảo dưỡng khác nhau.
• Thí nghiệm cơ lý: Đánh giá thời gian ninh kết, độ ổn định thể tích, cường độ nén ở các tuổi 3, 7, 28 và 60 ngày. Thử nghiệm trong môi trường ăn mòn gồm Na₂SO₄ 5%, MgSO₄ 5% và HCl 0,5M theo tiêu chuẩn ASTM C1012.
• Xử lý nâng cao hoạt tính: Điều chỉnh thành phần hóa học của xỉ thép bằng cách phối trộn với đá vôi và bột nhôm hydroxit, nung chảy ở nhiệt độ trên 1300°C, sau đó làm nguội nhanh trong nước để tạo pha thủy tinh và khoáng có hoạt tính thủy lực cao hơn.
• Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 6/2013 đến tháng 5/2014, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, phân tích thành phần, thí nghiệm phối trộn và xử lý nâng cao hoạt tính, đánh giá kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần hóa học và khoáng của xỉ thép: Xỉ thép EAF chứa hàm lượng CaO tự do khoảng 37-42%, MgO khoảng 5-6,5%, FeO và Fe₂O₃ chiếm tổng cộng trên 25%. Hàm lượng khoáng C3S và C2S thấp, trong khi C4AF chiếm tỷ lệ cao, dẫn đến hoạt tính thủy lực vừa phải theo tiêu chuẩn TCVN 6852-2001.

2. Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn xỉ thép đến tính chất xi măng hỗn hợp: Khi phối trộn 20% xỉ thép vào xi măng Portland, cường độ nén của mẫu vữa đạt khoảng 85-90% so với mẫu chuẩn 100% xi măng Portland ở tuổi 28 ngày. Mẫu phối trộn 20% xỉ thép và 20% xỉ lò cao (GBFS) cho kết quả cường độ nén tương đương hoặc cao hơn mẫu chuẩn, đạt trên 95% ở tuổi 28 ngày.

3. Tính ổn định thể tích và khả năng chống ăn mòn: Sự có mặt của xỉ thép làm tăng độ ổn định thể tích của vữa hỗn hợp so với xi măng Portland nguyên chất. Các mẫu thử trong môi trường Na₂SO₄ 5%, MgSO₄ 5% và HCl 0,5M cho thấy cường độ nén giảm không quá 15% so với môi trường nước trung tính, chứng tỏ khả năng kháng ăn mòn tốt hơn.

4. Hiệu quả của phương pháp xử lý nâng cao hoạt tính: Xỉ thép được nung chảy phối trộn với đá vôi và bột nhôm hydroxit, sau đó làm nguội nhanh trong nước, cho thấy sự xuất hiện các pha khoáng thủy lực như C3S, C2S và C4AF trong phổ XRD. Cường độ nén của mẫu xi măng hỗn hợp có xỉ thép xử lý tăng lên đến 200% so với mẫu làm nguội chậm thông thường ở tuổi 7 ngày, cho phép tăng tỷ lệ phối trộn xỉ thép trên 20% mà vẫn đảm bảo cường độ tương đương xi măng Portland.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy xỉ thép EAF có tiềm năng làm phụ gia khoáng trong sản xuất xi măng hỗn hợp, tuy nhiên hoạt tính thủy lực của xỉ tự nhiên còn hạn chế do hàm lượng khoáng C3S, C2S thấp và sự hiện diện của CaO tự do, MgO tự do có thể gây trương nở thể tích. Việc phối trộn xỉ thép với xỉ lò cao GBFS giúp cải thiện tính chất cơ lý và độ bền của xi măng hỗn hợp nhờ sự bổ sung pha thủy tinh hoạt tính cao từ GBFS.

Phương pháp xử lý nâng cao hoạt tính bằng cách nung chảy phối liệu và làm nguội nhanh mô phỏng công nghệ sản xuất xỉ lò cao hoạt tính đã thành công trong việc tạo ra các pha khoáng thủy lực có hoạt tính cao hơn, đồng thời giảm thiểu sự phân hủy khoáng do làm nguội chậm. Điều này giúp tăng cường khả năng phối trộn xỉ thép trong xi măng, góp phần giảm lượng clinker sử dụng, tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải CO₂.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng sử dụng xỉ thép làm phụ gia khoáng trong xi măng tại Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản, nơi mà tỷ lệ tái chế xỉ thép trong ngành xây dựng ngày càng được mở rộng. Việc áp dụng công nghệ xử lý nâng cao hoạt tính xỉ thép tại Việt Nam sẽ góp phần giải quyết bài toán xử lý chất thải công nghiệp, đồng thời phát triển vật liệu xây dựng bền vững.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh cường độ nén theo thời gian, biểu đồ ổn định thể tích và ảnh phổ XRD, SEM minh họa cấu trúc vi mô của xỉ thép trước và sau xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phối trộn xỉ thép với tỷ lệ tối ưu 20% trong sản xuất xi măng hỗn hợp nhằm đảm bảo cường độ và độ bền phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Thời gian triển khai: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: các nhà máy xi măng và doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng.

2. Phát triển công nghệ xử lý nâng cao hoạt tính xỉ thép bằng phương pháp nung chảy phối liệu và làm nguội nhanh để tăng khả năng phối trộn xỉ thép trên 20%, giảm lượng clinker sử dụng, tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính. Thời gian nghiên cứu và ứng dụng: 3-5 năm. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghiệp.

3. Xây dựng quy trình kiểm soát chất lượng xỉ thép đầu vào và sản phẩm xi măng hỗn hợp nhằm đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của sản phẩm, bao gồm phân tích thành phần hóa học, khoáng và tính chất cơ lý. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm, nhà máy xi măng.

4. Khuyến khích chính sách hỗ trợ và ưu đãi cho các dự án tái chế xỉ thép trong ngành vật liệu xây dựng nhằm thúc đẩy phát triển bền vững và bảo vệ môi trường. Thời gian thực hiện: ngắn hạn đến trung hạn. Chủ thể thực hiện: cơ quan quản lý nhà nước, bộ ngành liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Vật liệu Vô cơ: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về tái chế xỉ thép làm phụ gia xi măng, giúp mở rộng kiến thức và phát triển đề tài liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng: Tham khảo để áp dụng công nghệ phối trộn xỉ thép và xử lý nâng cao hoạt tính, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí nguyên liệu.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách phát triển bền vững: Hiểu rõ về tiềm năng và giải pháp xử lý xỉ thép, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ tái chế và giảm thiểu ô nhiễm.

4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp trong lĩnh vực công nghiệp thép: Nắm bắt xu hướng xử lý và tái chế xỉ thép, khai thác giá trị phụ gia khoáng, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và trách nhiệm xã hội.

Câu hỏi thường gặp

1. Xỉ thép có thể thay thế bao nhiêu phần trăm clinker trong xi măng mà vẫn đảm bảo chất lượng?
   Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ phối trộn xỉ thép khoảng 20% khối lượng xi măng là phù hợp, đảm bảo cường độ và độ bền tương đương xi măng Portland nguyên chất. Tỷ lệ phối trộn cao hơn cần xử lý nâng cao hoạt tính để duy trì chất lượng.

2. Phương pháp xử lý nâng cao hoạt tính xỉ thép là gì?
   Phương pháp nung chảy phối liệu xỉ thép với đá vôi và bột nhôm hydroxit ở nhiệt độ trên 1300°C, sau đó làm nguội nhanh trong nước nhằm tạo pha thủy tinh và khoáng có hoạt tính thủy lực cao hơn, giúp tăng cường cường độ xi măng hỗn hợp.

3. Xỉ thép có ảnh hưởng như thế nào đến tính ổn định thể tích của xi măng?
   Sự có mặt của xỉ thép làm tăng độ ổn định thể tích của vữa hỗn hợp so với xi măng Portland, giảm nguy cơ trương nở và nứt do các oxit tự do như CaO và MgO được ổn định trong quá trình phối trộn và xử lý.

4. Khả năng chống ăn mòn của xi măng hỗn hợp có xỉ thép ra sao?
   Xi măng hỗn hợp có xỉ thép thể hiện khả năng kháng ăn mòn tốt hơn trong môi trường sunfat cao, axit và nước biển nhờ các sản phẩm thủy hóa từ xỉ giúp cố định vôi tự do và tăng tính bền vững của cấu trúc xi măng.

5. Việc sử dụng xỉ thép trong sản xuất xi măng có lợi ích môi trường như thế nào?
   Tái chế xỉ thép giúp giảm lượng chất thải công nghiệp phải chôn lấp, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, giảm tiêu thụ clinker và năng lượng sản xuất xi măng, từ đó giảm phát thải khí CO₂ và ô nhiễm môi trường.

Kết luận

• Xỉ thép EAF tại Việt Nam có tiềm năng làm phụ gia khoáng trong sản xuất xi măng hỗn hợp với tỷ lệ phối trộn khoảng 20% đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật về cường độ và độ bền.
• Phối trộn xỉ thép với xỉ lò cao GBFS giúp cải thiện tính chất cơ lý và khả năng chống ăn mòn của xi măng hỗn hợp.
• Phương pháp xử lý nâng cao hoạt tính bằng nung chảy phối liệu và làm nguội nhanh tăng cường hoạt tính thủy lực của xỉ thép lên đến 200%, cho phép tăng tỷ lệ phối trộn trên 20%.
• Việc tái chế xỉ thép góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tiết kiệm tài nguyên và năng lượng trong ngành vật liệu xây dựng.
• Đề xuất triển khai áp dụng công nghệ xử lý và phối trộn xỉ thép trong sản xuất xi măng tại các nhà máy trong vòng 1-5 năm tới, đồng thời xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển bền vững.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp, đồng thời hoàn thiện quy trình kiểm soát chất lượng và đánh giá tác động môi trường để đưa sản phẩm ra thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYÊN VĨNH PHƯỚC TAI CHE Xi THÉP LAM NGUYEN LIEU SAN XUAT XI-MANG Chuyén nganh: CONG NGHE VAT LIEU VO CO Mã số: 12430807 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2014 ĐẠI HỌC QUOC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Vĩnh Phước _MSHV: 12430807 Ngày, tháng, năm sinh: 25/3/1988 Nơi sinh: Tp.HCM Chuyên ngành: Cong nghệ Vật liệu Vô cơ Mã số: 605290 I. Tên dé tai: TAI CHE XI THÉP LAM NGUYEN LIEU SAN XUẤT XI-MĂNG Nhiệm vụ va nội dung: - _ Nghiên cứu tong quan về phương án tái chế xỉ thép làm phụ gia khoáng cho xi mang Portland - Thuc nghiệm va đánh giá vai trò phụ gia xi thép trong sản xuất hệ xi măng hỗn hợp - _ Thực nghiệm và dé xuất phương án nâng cao hoạt tính xỉ thép chế tạo nhằm đảm bảo tương thích và sử dụng hiệu quả làm phụ gia khoáng trong sản xuất xi măng Il.

Ngày giao nhiệm vu: 25/6/2013 Ill. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 23/5/2014 IV. Cán bộ hướng dẫn: Tiến sỹ Nguyễn Khánh Sơn (hướng dẫn toàn bộ ) Tp. HCM, ngày 20 thang 6 năm 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN SILICAT TS.

Nguyễn Khánh Sơn PGS. Đỗ Quang Minh TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU lil Công trình được hoàn thành tai: Trường Đại hoc Bách Khoa -DHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Khánh Sơn Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. Đỗ Quang Minh Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS.

Nguyễn Trung Kiên Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bách Khoa, DHQG Tp.HCM ngày 15 thang 8 năm 2014. Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Phạm Trung Kiên — Chủ tịch TS. Lê Minh Viễn — Thư kí 0fa©F PGS.

Đỗ Quang Minh- Ủy viên TS. Nguyễn Trung Kiên — Ủy viên TS. Nguyễn Khánh Sơn - Ủy viên Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV va Trưởng Khoa quan lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA CONG NGHỆ VAT LIEU IV LOI CAM ON Tác giả xin trân trong cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Khanh Son, là người trực tiếp hướng dẫn khoa học cho đề tài nghiên cứu này.

Đặc biệt cảm ơn về sự tận tình, những lời khuyên, sự khích lệ và kiên nhẫn của Thay trong suốt quá trình làm việc. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Quý Thay, Cô trong Bộ môn Silicat — Khoa Công nghệ Vật liệu đã hết lòng chỉ dẫn và trợ giúp. Đồng cảm ơn tất cả nhóm sinh viên các khóa K08, K09, K10 đã cộng tác tích cực trong dé tài này. LỜI CAM ĐOAN CÚA TÁC GIÁ Tác giả xin cam đoan về tính trung thực của dé tài nghiên cứu này: - Tham khảo khoa học dựa trên kết quả nghiên cứu đã được công bố của nhiễu tác giả được trích dẫn rõ ràng.

- Hình ảnh, số liệu được ghi chép trong suốt quá trình thực nghiệm. - Kết quả phân tích được chứng nhận bởi các đơn vị cung cấp dịch vụ. Kết quả nghiên cứu và kết luận của đề tài này dựa trên cơ sở quá trình thực nghiệm, thí nghiệm thực tế. VỊ ABSTRACT In Vietnam, approximately over 2 million tons of steel slag is produced annually.

However, at the present time, there is no economic outlet for the large scale recycling of this by-product. The overall objective of this work was to determine if steel slag might be processed into a sufficiently cementitous material to allow it to be recycled as an additive to ordinary Portland cement. As the material component of steel slag is highly variable, EAF slag material are gathered from plant sites Dong Tien, Ba Ria-Vung Tau. Chemical compositions of slag consist almost the high content of free CaO (>31%), MgO (©7%), FeO (35-50%) and iron.

Lower content of cementitious mineral C3S, CzŠ endorses relative low hydraulic reactivity in comparing with Portland cement. Pozzolanic reactivity of steel slag is moderate according to standard range. After reducing particle size to 90um (Blaine 3400 cm’/g), we formulated mixed cement-steel slag including 10 to 40% by mass of slag. Two blending systems: steel slag-cement Portland; steel slag-granulated blast furnace slag (GBFS)-cement Portland were introduced.

Both early age and later age property of mortar sample were analyzed. Preliminary results of resistance remark appropriate value 20% of slag in blended cement. On the other hand, mixed sample 20% steel slag and 20% GBFS could be considered in practical application. The durability property of cement/concrete passed in severe condition high sulfate, acid.

To enhance cementitious properties of steel slag, we modified its composition to be more likely to Portland cement’s. Steel slag content 65 to 70% is mixed with limestone and aluminium hydroxide. Feed materials in the high temperature of oxygen-acetylene welding over 1300°C constitute major part of the slag. The following step after reaction in molten state is rapid cooling in water, considering method of GBFS generating.

Obtained the new slag product show some trace of cementitious mineral C3S, C2S, C4AF. We tested both mechanical resistance and hydration process of new slag to conclude about the method of slag treatment. Rapid cooling had increased compressive strength in the early days to 200% than normal cooling. Therefore, this treatment process enhanced the cementitous nature of slag allowing it to be blended more than 20% with Portland cement and GBFS, which maintain the same strength as Portland cement.

Vil TOM TAT Hiện nay tại Việt Nam, lượng xi thép thai ra hang năm ước khoảng 2 triệu tan. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6705:2009, xỉ thép được phân loại là chất thải ran không nguy hại. Tuy nhiện hiện tại vẫn chưa có hướng xử lý có lợi ích kinh tế nào được ứng dụng trên quy mô đáng kẻ. Theo hướng ứng dụng xi thép trong lĩnh vực vật liệu xi măng, bê tông, các nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào phương pháp tiếp cận sử dụng tái chế xỉ thép làm phụ gia khoáng hoạt tính cho xi măng Portland.

Xi thép EAF được lấy từ nhà máy thép Đồng Tiến, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu. Thành phần hóa của xỉ thép thay đổi trong khoảng rất rộng, thường bao gdm lượng lớn CaO tự do (hơn 31%), MgO (hơn 7%), FeO — FeO; (35-50 %) và sat. Xi thép chứa ham lượng khoáng C38, CS thấp và có tính thủy lực kém so với xi măng Portland. Hoạt tính cường độ của xỉ thép ở mức vừa phải theo tiêu chuẩn TCVN 6852 — 2001.

Sau khi nghiền xỉ đến kích thước 90um đạt độ mịn Blaine 3400 cm /g, chúng tôi phối trộn xi măng với xi trong đó gồm 10 đến 40% khối lượng xi theo hai hệ: xỉ thép - xi măng Portland, xỉ thép và xỉ lò cao - xi măng Portland. Các tính chat ở giai đoạn dau của quá trình thủy hóa và tudi dài ngày của mẫu vữa đều được phân tích. Sự có mặt của xi thép làm tăng độ ôn định thể tích cho vữa hỗn hợp so với vữa xI măng Portland. Cường độ chịu lực của mẫu vữa được đánh giá trong các môi trường sunfat cao, axit và so sánh sự biến đối với môi trường nước trung tính.

Kết qua cho thay giá tri hàm lượng 20% xi trong hỗn hợp với xi măng thích hợp với điều kiện ăn mòn. Mặt khác, mẫu hỗn hop 20% xi thép và 20% xi lò cao biểu hiện sự trung hòa về các chỉ tiêu cơ lý trong tất cả các môi trường dưỡng hộ, có thể được xem xét trong ứng dụng thực tế. Theo đó có thé nhận thay khi tăng độ hoạt tính cho xi thép tương tu như xi hạt lò cao có thé giúp tang phối trộn sử dung trong xi măng như là phụ gia khoáng hoạt tính. Chúng tôi điều chỉnh thành phân hóa phù hợp với vùng tạo khoáng xi măng và qua bước nung chảy phối liệu xỉ và áp dụng chế độ làm nguội mô phỏng theo công nghệ tạo xỉ lò cao hoạt tính làm phụ gia xi măng.

Tổng hợp các kết quả phân tích IR và XRD cho thấy xuất hiện thêm các khoáng thủy lực trong xỉ mới xử lý. Qua so sánh về sự phát triển cường do, phương pháp nguội nhanh tăng hoạt tính của xỉ lên 200% với mẫu làm nguội chậm thông thường. Chế độ làm nguội nhanh thích hợp cho việc duy trì hàm lượng và hoạt tính của các khoáng thủy lực của xỉ thép. Vill MUC LUC Danh muc hinh anh IX Danh muc bang biéu XI CHUONG I.1 Xi va van dé môi trường 1.2 Tinh hinh tai ché xi trén thé gidi 1.1 Đối với xi lò cao (xi sat) WCOaYN: 1.2 Đối với xi lò luyện thép (xi thép) 1.3 Tình hình xử lý xi ở Việt Nam 1.4 Mục đích nghiên cứu 1.5 Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học của dé tài CHUONG II.

TONG QUAN XI VA UNG DỤNG XI MĂNG XI 2.1 Nguồn gốc xi II 2.2 Xỉ lò luyện thép (xỉ thép) 14 2.2 Thành phần hóa và khoáng của xỉ 16 2.2 Thành phần khoáng của xỉ 19 2.3 So sánh với thành phan khoáng hóa của ximăng Portland 22 2.3 Một số tính chất cơ lý khác của xỉ thép 22 2.4 Xi măng xi thép, xi lò cao va quá trình phan ứng thủy hóa 2.1 Xi măng xỉ thép 25 2.2 Xi măng xỉ lò cao 25 2.3 Quá trình thủy hóa xỉ và xI măng xỉ 26 2.5 Ưu điểm của xi măng xỉ 28 CHƯƠNG III. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ NGUYÊN LIỆU 3.1 Phương pháp thực nghiệm 3.2 Thực nghiệm hệ xi măng phối trộn xỉ thép và xỉ lò cao 32 3.3 Thực nghiệm hệ xi măng phối trộn xỉ thép qua xử lý nâng cao hoạt tính 33 3.2 Nguyên liệu chế tạo xi măng hỗn hợp xỉ IX 3.1 Xi thép EAF 36 3.3 Xi măng PC40 42 3.3 Nguyên liệu và phối liệu chế tạo xi măng hỗn hợp xi hoạt tính 3.2 Bột nhôm hydroxit AI(OH)a 41 3.4 Phối liệu và thí nghiệm xử lý tăng hoạt tính cho xỉ thép 3.1 Tính toán phối liệu 45 3.2 Nhiệt độ nung phối liệu 48 3.3 Chọn chế độ nung, đường cong nung 51 3.4 Quá trình nung chảy phối liệu, làm nguội sản phẩm 52 Chương IV. KET QUA VA BAN LUẬN 4.1 Kết qua hệ xi măng hỗn hop xi 4.1 Ở trạng thái vữa — giai đoạn sớm ngày 55 4.2 Ở trạng thái đóng rắn — giai đoạn dải ngày 58 4. Nhận xét chung về tính chất hệ xi măng hỗn hợp xỉ 70 4.2 Kết quả xử lý tăng hoạt tính xỉ thép 4.1 Phố chụp IR sản phẩm 7] 4.2 Pho chụp XRD sản phẩm 74 4.3 Ảnh chụp vi cau trúc SEM 77 4.4 Phân tích theo các chỉ tiêu xi măng 83 4.

Nhận xét chung hệ xi qua xu lý hoạt tính 88 CHUONG V. KET LUAN VA KIEN NGHI 5.1 Hệ xi măng hỗn hợp xỉ 89 5.2 Xử lý tăng cường hoạt tính cho xi thép 89 5.2 Kién nghi 90 Tham khao 93 Ly lich trich ngang 102 Báo cáo khoa hoc 102 Phụ lục 112 DANH MỤC HÌNH ANH Hình 1.