Tổng quan nghiên cứu

Xi măng poóc lăng là vật liệu xây dựng quan trọng, được sản xuất từ clinker, thạch cao và các phụ gia khoáng hoạt tính nhằm nâng cao tính chất cơ lý và độ bền của sản phẩm. Trong bối cảnh nguồn phụ gia khoáng hoạt tính ngày càng khan hiếm, việc tìm kiếm và đa dạng hóa nguồn nguyên liệu thay thế là cấp thiết để phát triển bền vững ngành công nghiệp xi măng. Diatomite Phú Yên, với trữ lượng khoảng 63 triệu tấn tại Việt Nam, được đánh giá là phụ gia puzzolan tiềm năng nhờ thành phần SiO2 vô định hình chiếm tới 65-70% và độ hoạt tính cao, phù hợp cho sản xuất xi măng.

Nghiên cứu tập trung khảo sát ảnh hưởng của diatomite Phú Yên đến các tính chất cơ lý của xi măng FiCO, sản xuất tại Nhà máy Xi măng Tây Ninh, nhằm mở rộng nguồn phụ gia hoạt tính cho ngành xi măng Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu bao gồm đánh giá thành phần hóa học, khoáng vật, độ hút vôi, độ mịn, thời gian đông kết, độ ổn định thể tích và cường độ cơ học của xi măng có pha trộn diatomite với tỷ lệ từ 0% đến 30%. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng diatomite làm phụ gia khoáng hoạt tính, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất xi măng, đồng thời giảm chi phí và bảo vệ môi trường.

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 về clinker và xi măng poóc lăng: Clinker là sản phẩm nung luyện các oxit chính như CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 tạo thành các khoáng silicat canxi (C3S, C2S), aluminat canxi (C3A) và ferroaluminat canxi (C4AF). Thành phần và tỷ lệ các khoáng này quyết định tính chất cơ lý của xi măng.

  • Phản ứng thủy hóa xi măng: Quá trình thủy hóa các pha khoáng trong clinker tạo thành các sản phẩm kết dính như C-S-H, Ca(OH)2, Al(OH)3, ảnh hưởng đến độ cứng, cường độ và độ bền của đá xi măng.

  • Lý thuyết về phụ gia khoáng hoạt tính (puzzolan): Phụ gia khoáng hoạt tính như diatomite phản ứng với Ca(OH)2 sinh ra các hợp chất C-S-H, làm tăng cường độ, giảm độ rỗng và cải thiện tính bền của xi măng.

  • Khái niệm về độ mịn, lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết và độ ổn định thể tích: Các chỉ tiêu này phản ánh khả năng thi công và chất lượng của xi măng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất sử dụng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính gồm clinker FiCO lấy từ Nhà máy Xi măng Tây Ninh, thạch cao Thái Lan và diatomite Phú Yên khai thác tại huyện Tuy An, Phú Yên. Mẫu diatomite được mua với khối lượng 50 kg, xử lý sấy khô và nghiền mịn.

  • Phương pháp phân tích: Thành phần hóa học được xác định theo TCVN 141:2008; thành phần khoáng sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD); độ hoạt tính đánh giá qua độ hút vôi; độ mịn đo bằng phương pháp Blaine; thời gian đông kết, độ ổn định thể tích và cường độ chịu nén được xác định theo các tiêu chuẩn TCVN liên quan.

  • Thiết kế thí nghiệm: Các mẫu xi măng được phối trộn với tỷ lệ diatomite từ 0% đến 30%, thạch cao giữ cố định 4%. Mỗi mẫu có khối lượng 5 kg, trộn đều và bảo quản trong điều kiện kín. Thời gian nghiền: clinker và thạch cao 30 phút đạt Blaine 3500 cm²/g, diatomite nghiền 15 phút đạt Blaine 4850 cm²/g.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình thu thập nguyên liệu, chuẩn bị mẫu và thí nghiệm kéo dài trong khoảng 6 tháng, bao gồm các bước phân tích hóa học, khoáng vật, đo các tính chất cơ lý và khảo sát vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thành phần hóa học và khoáng vật của diatomite Phú Yên: SiO2 chiếm khoảng 65-70%, MgO và SO3 dưới 1%, phù hợp tiêu chuẩn phụ gia puzzolan. Độ hút vôi đạt trung bình 173 mg CaO/g, cho thấy độ hoạt tính rất mạnh.

  2. Ảnh hưởng đến lượng nước tiêu chuẩn: Lượng nước tiêu chuẩn tăng từ khoảng 24% ở mẫu không có diatomite (HT0) lên đến khoảng 30% khi tỷ lệ diatomite đạt 30% (HT30), do diatomite có khả năng hút nước mạnh, hấp thụ hàng trăm đến hàng ngàn phân tử nước.

  3. Thời gian đông kết: Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết kéo dài theo tỷ lệ diatomite, ví dụ thời gian bắt đầu đông kết tăng từ khoảng 120 phút ở HT0 lên đến 180 phút ở HT30, do phản ứng puzzolan diễn ra chậm hơn phản ứng thủy hóa clinker.

  4. Cường độ chịu nén: Cường độ kháng nén ở tuổi 28 ngày giảm nhẹ khi tỷ lệ diatomite vượt quá 15%, với mẫu HT15 đạt khoảng 90% cường độ mẫu chuẩn HT0. Tuy nhiên, ở tỷ lệ 5-10%, cường độ vẫn duy trì trên 95%, phù hợp yêu cầu kỹ thuật.

  5. Độ ổn định thể tích: Mẫu có diatomite cho thấy độ ổn định thể tích tốt hơn, giảm hiện tượng giãn nở do CaO tự do, nhờ phản ứng hấp thụ Ca(OH)2 của diatomite, góp phần hạn chế nứt vỡ công trình.

Thảo luận kết quả

Sự tăng lượng nước tiêu chuẩn và kéo dài thời gian đông kết khi thêm diatomite là do đặc tính hút nước và phản ứng puzzolan chậm của diatomite Phú Yên. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trong và ngoài nước, cho thấy diatomite làm chậm quá trình hydrat hóa ban đầu nhưng không ảnh hưởng tiêu cực đến cường độ cuối cùng.

Cường độ chịu nén giảm nhẹ khi tỷ lệ diatomite cao hơn 15% do sự pha loãng clinker và hấp thụ nước tăng, làm giảm lượng xi măng hoạt tính. Tuy nhiên, ở mức 5-10%, diatomite vẫn duy trì được cường độ tốt, đồng thời cải thiện độ ổn định thể tích và khả năng chống ăn mòn sulfat, phù hợp với các công trình yêu cầu độ bền cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ diatomite và các chỉ tiêu: lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết, cường độ nén và độ ổn định thể tích, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của phụ gia.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng diatomite Phú Yên làm phụ gia khoáng hoạt tính trong sản xuất xi măng FiCO với tỷ lệ từ 5% đến 10% để tối ưu hóa cường độ và độ ổn định thể tích, giảm chi phí nguyên liệu, thực hiện trong vòng 12 tháng, do Nhà máy Xi măng Tây Ninh chủ trì.

  2. Nghiên cứu điều chỉnh công nghệ nghiền và phối liệu nhằm giảm lượng nước tiêu chuẩn tăng do diatomite, nâng cao hiệu quả thi công và chất lượng sản phẩm, tiến hành trong 6 tháng tiếp theo, phối hợp giữa phòng thí nghiệm và nhà máy.

  3. Phát triển quy trình kiểm soát chất lượng nguyên liệu diatomite đảm bảo độ mịn, độ hoạt tính và thành phần hóa học ổn định, nhằm duy trì tính đồng nhất của xi măng sản xuất, thực hiện liên tục và cập nhật định kỳ.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng diatomite trong các loại xi măng khác và bê tông đặc biệt như bê tông chịu sulfat, bê tông thủy lực, nhằm khai thác tối đa tiềm năng của phụ gia, triển khai trong 18 tháng với sự hợp tác của các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng: Nắm bắt công nghệ sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính mới, tối ưu hóa chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, vật liệu xây dựng: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, phân tích tính chất vật liệu và ứng dụng thực tiễn của diatomite trong xi măng.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách ngành xây dựng: Đánh giá tiềm năng nguyên liệu trong nước, thúc đẩy phát triển công nghiệp vật liệu xây dựng bền vững.

  4. Các nhà thầu và kỹ sư xây dựng: Hiểu rõ tính chất vật liệu xi măng có phụ gia diatomite để lựa chọn vật liệu phù hợp cho các công trình đặc thù, nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Diatomite Phú Yên có đặc điểm gì nổi bật để làm phụ gia xi măng?
    Diatomite Phú Yên chứa khoảng 65-70% SiO2 vô định hình, độ hút vôi trung bình 173 mg CaO/g, cấu trúc xốp và dễ nghiền, phù hợp làm phụ gia khoáng hoạt tính puzzolan trong xi măng.

  2. Ảnh hưởng của diatomite đến lượng nước tiêu chuẩn của xi măng như thế nào?
    Diatomite có khả năng hút nước mạnh, làm tăng lượng nước tiêu chuẩn từ khoảng 24% lên đến 30% khi tỷ lệ diatomite tăng lên 30%, ảnh hưởng đến tính dễ thi công của vữa xi măng.

  3. Tỷ lệ diatomite tối ưu để sử dụng trong xi măng FiCO là bao nhiêu?
    Tỷ lệ từ 5% đến 10% được khuyến nghị vì giữ được cường độ chịu nén trên 95% so với mẫu chuẩn, đồng thời cải thiện độ ổn định thể tích và giảm chi phí nguyên liệu.

  4. Diatomite có làm chậm thời gian đông kết của xi măng không?
    Có, diatomite làm kéo dài thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết do phản ứng puzzolan diễn ra chậm hơn phản ứng thủy hóa clinker, điều này có thể điều chỉnh bằng phụ gia công nghệ.

  5. Lợi ích của việc sử dụng diatomite trong xi măng đối với công trình xây dựng là gì?
    Diatomite giúp giảm hiện tượng giãn nở thể tích, tăng độ bền sulfat, giảm độ thấm nước và khí, nâng cao tuổi thọ và độ bền của công trình, đặc biệt trong môi trường nước và môi trường ăn mòn.

Kết luận

  • Diatomite Phú Yên là phụ gia khoáng hoạt tính có độ hoạt tính mạnh, thành phần hóa học và khoáng vật phù hợp cho sản xuất xi măng FiCO.
  • Việc pha trộn diatomite làm tăng lượng nước tiêu chuẩn và kéo dài thời gian đông kết, nhưng không ảnh hưởng nghiêm trọng đến cường độ chịu nén ở tỷ lệ dưới 15%.
  • Diatomite cải thiện độ ổn định thể tích của xi măng, giảm nguy cơ nứt vỡ do giãn nở thể tích CaO tự do.
  • Tỷ lệ sử dụng diatomite tối ưu từ 5% đến 10% giúp cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và kinh tế.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng diatomite trong sản xuất xi măng FiCO tại Nhà máy Xi măng Tây Ninh trong vòng 12 tháng, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng trong các loại xi măng và bê tông đặc biệt.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các bên liên quan để hoàn thiện quy trình sản xuất, kiểm soát chất lượng nguyên liệu và đánh giá hiệu quả thực tế tại công trình xây dựng. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ngành xi măng quan tâm áp dụng và phát triển nghiên cứu sâu hơn về tiềm năng của diatomite trong ngành vật liệu xây dựng.