Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp xi măng tại Việt Nam đã phát triển hơn 130 năm với khoảng 90 công ty sản xuất, cung cấp hàng chục triệu tấn xi măng mỗi năm, góp phần quan trọng vào tăng trưởng kinh tế quốc gia. Trong sản xuất xi măng, đá vôi là nguyên liệu chủ yếu, chiếm trữ lượng khả dụng khoảng 44,739 tỷ tấn theo quy hoạch đến năm 2020. Bên cạnh đó, puzoland tự nhiên, đặc biệt là đá bazan phong hóa, cũng đóng vai trò quan trọng như phụ gia nghiền, giúp giảm lượng clinker tiêu thụ và nâng cao chất lượng xi măng. Việc sử dụng đồng thời đá vôi và puzoland làm phụ gia nghiền không chỉ cải thiện tính chất cơ lý của xi măng poóc-lăng hỗn hợp mà còn giảm phát thải CO2, bảo vệ môi trường và giảm chi phí sản xuất.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp phụ gia đá vôi – puzoland đến các tính chất cơ lý của xi măng poóc-lăng hỗn hợp, bao gồm thời gian ninh kết, độ dẻo, độ ổn định thể tích và cường độ kháng nén. Nghiên cứu cũng xác định tỷ lệ tối ưu giữa đá vôi và puzoland trong cấp phối phụ gia, đồng thời phân tích tương hỗ giữa hai loại phụ gia này. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào clinker Vicem Bút Sơn, đá vôi xanh Hồng Sơn (Hà Nam) và đá bazan Mỏm Chanh (Hà Nam), với các mẫu được chuẩn bị và thử nghiệm tại phòng thí nghiệm đạt chuẩn ISO 9001:2015.

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc tối ưu hóa công nghệ sản xuất xi măng, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tác động môi trường, đồng thời góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp vật liệu xây dựng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về xi măng poóc-lăng và phụ gia khoáng, tập trung vào:

  • Lý thuyết phản ứng thủy hóa xi măng: Quá trình thủy hóa các khoáng chính trong clinker (C3S, C2S, C3A, C4AF) tạo thành các pha kết dính như C-S-H, Ca(OH)2, ettringit, ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của xi măng.
  • Mô hình ảnh hưởng của phụ gia khoáng: Phân loại phụ gia khoáng thành phụ gia hoạt tính (puzoland) và phụ gia đầy (đá vôi), với các tác động khác nhau đến thời gian đông kết, cường độ và độ ổn định thể tích của xi măng.
  • Khái niệm và phân loại xi măng poóc-lăng hỗn hợp: Theo TCVN 6260:2009, xi măng poóc-lăng hỗn hợp là hỗn hợp clinker poóc-lăng, thạch cao và phụ gia khoáng với tổng lượng phụ gia không vượt quá 40%, trong đó phụ gia đầy không quá 20%.
  • Các khái niệm chính: Độ mịn, lượng nước tiêu chuẩn, thời gian ninh kết, độ ổn định thể tích, cường độ kháng nén, độ rỗng và tính thấm của đá xi măng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính gồm clinker Vicem Bút Sơn, đá vôi xanh Hồng Sơn, đá bazan Mỏm Chanh và thạch cao tự nhiên Thái Lan. Thành phần hóa học và khoáng vật được xác định theo các tiêu chuẩn TCVN 7024:2013, TCVN 9191:2012, TCVN 208:1998.
  • Chuẩn bị mẫu: Các mẫu xi măng poóc-lăng hỗn hợp được phối trộn với tỷ lệ phụ gia tổng hợp 35%, trong đó tỷ lệ đá vôi/puzoland thay đổi từ 35/0 đến 0/35 theo bước 5%. Độ mịn của nguyên liệu đạt tiêu chuẩn (<15% trên sàng 45µm).
  • Phương pháp phân tích:
    • Đo độ mịn theo TCVN 4030:2003.
    • Xác định lượng nước tiêu chuẩn, thời gian bắt đầu và kết thúc ninh kết theo TCVN 6017:2015.
    • Đo độ ổn định thể tích theo phương pháp Le Chatelier.
    • Đánh giá cường độ kháng nén ở các độ tuổi 1, 3, 7, 28 ngày theo TCVN 6016:2011.
    • Phân tích cấu trúc mẫu bằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện thí nghiệm và phân tích trong khoảng thời gian phù hợp để đánh giá các chỉ tiêu cơ lý ở các độ tuổi mẫu khác nhau, đặc biệt tập trung vào 28 ngày – thời điểm chuẩn đánh giá cường độ xi măng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ phụ gia đến độ mịn và lượng nước tiêu chuẩn: Độ mịn của các mẫu có phụ gia dao động trong khoảng 3500–4000 cm²/g, với xu hướng giảm nhẹ khi tăng tỷ lệ puzoland. Lượng nước tiêu chuẩn giảm từ khoảng 28% ở mẫu đối chứng xuống còn khoảng 25% ở mẫu có tỷ lệ phụ gia cao, cho thấy phụ gia giúp giảm nhu cầu nước trộn.

  2. Thời gian ninh kết: Thời gian bắt đầu và kết thúc ninh kết kéo dài khi tăng tỷ lệ puzoland, ví dụ thời gian bắt đầu ninh kết tăng từ 120 phút (mẫu đối chứng) lên đến 180 phút ở mẫu có 35% puzoland. Điều này phù hợp với đặc tính puzoland làm chậm quá trình đông kết ban đầu.

  3. Độ ổn định thể tích: Tất cả các mẫu đều có độ ổn định thể tích trong giới hạn cho phép (<10 mm), với mẫu có tỷ lệ đá vôi cao hơn thể hiện độ ổn định tốt hơn, giảm nguy cơ nứt do nở thể tích.

  4. Cường độ kháng nén: Cường độ ở tuổi 3 ngày tăng lên đến 50–60% so với mẫu đối chứng khi tỷ lệ đá vôi chiếm ưu thế (ví dụ mẫu V30P5 đạt cường độ 18 MPa so với 15 MPa của mẫu đối chứng). Ở tuổi 28 ngày, mẫu có tỷ lệ puzoland cao (V5P30, V0P35) đạt cường độ vượt trội, tăng khoảng 10–15% so với mẫu đối chứng, chứng tỏ puzoland thúc đẩy phát triển cường độ muộn.

Thảo luận kết quả

Sự kết hợp giữa đá vôi và puzoland tạo ra hiệu ứng tương hỗ tích cực: đá vôi thúc đẩy phản ứng thủy hóa ban đầu, tăng cường độ sớm và giảm lượng nước tiêu chuẩn, trong khi puzoland kích thích phản ứng muộn, tăng cường độ bền và độ ổn định thể tích. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế và trong nước, đồng thời được minh họa rõ qua biểu đồ so sánh cường độ kháng nén ở các độ tuổi khác nhau.

Phân tích XRD và SEM cho thấy cấu trúc gel C-S-H phát triển đồng đều, các tinh thể carboaluminate được hình thành nhiều hơn ở mẫu có phụ gia hỗn hợp, góp phần làm đặc chắc cấu trúc đá xi măng. Độ ổn định thể tích được cải thiện nhờ giảm lượng CaO tự do và MgO trong clinker, hạn chế nở thể tích gây nứt.

Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa cấp phối phụ gia, giúp các nhà sản xuất xi măng nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tác động môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tỷ lệ phụ gia đá vôi – puzoland tối ưu 20–25% đá vôi và 10–15% puzoland trong sản xuất xi măng poóc-lăng hỗn hợp để cân bằng giữa cường độ sớm và muộn, đảm bảo độ ổn định thể tích và giảm lượng nước tiêu chuẩn. Thời gian thực hiện: 6–12 tháng, chủ thể: các nhà máy xi măng.

  2. Tăng cường nghiên cứu và phát triển công nghệ nghiền riêng biệt cho từng loại phụ gia nhằm đảm bảo độ mịn đồng đều, nâng cao hiệu quả phản ứng thủy hóa. Thời gian: 12 tháng, chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất.

  3. Triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp tại các nhà máy xi măng có nguồn nguyên liệu đá vôi và puzoland sẵn có như Vicem Bút Sơn và các đơn vị tại Hà Nam để đánh giá hiệu quả thực tế và điều chỉnh cấp phối phù hợp. Thời gian: 12–18 tháng, chủ thể: doanh nghiệp và viện nghiên cứu.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng phụ gia hỗn hợp đá vôi – puzoland trong sản xuất xi măng poóc-lăng hỗn hợp, góp phần chuẩn hóa quy trình và nâng cao chất lượng sản phẩm. Thời gian: 6 tháng, chủ thể: Bộ Xây dựng và các tổ chức tiêu chuẩn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất xi măng: Nắm bắt công nghệ phối trộn phụ gia tối ưu, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và phát thải CO2, áp dụng trong quy trình sản xuất thực tế.

  2. Viện nghiên cứu và trường đại học: Làm cơ sở khoa học cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu xây dựng, phát triển công nghệ mới trong ngành xi măng và bê tông.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức tiêu chuẩn: Tham khảo để xây dựng hoặc điều chỉnh tiêu chuẩn kỹ thuật, chính sách phát triển ngành xi măng bền vững.

  4. Các nhà thầu và kỹ sư xây dựng: Hiểu rõ tính chất cơ lý của xi măng poóc-lăng hỗn hợp, lựa chọn vật liệu phù hợp cho các công trình xây dựng nhằm đảm bảo chất lượng và độ bền công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phụ gia đá vôi và puzoland có ảnh hưởng như thế nào đến thời gian đông kết của xi măng?
    Phụ gia đá vôi thường làm giảm thời gian đông kết, thúc đẩy phản ứng thủy hóa ban đầu, trong khi puzoland kéo dài thời gian đông kết do phản ứng muộn hơn. Ví dụ, mẫu có 35% puzoland kéo dài thời gian bắt đầu ninh kết lên 180 phút so với 120 phút của mẫu đối chứng.

  2. Tỷ lệ pha phụ gia đá vôi – puzoland nào là tối ưu cho xi măng poóc-lăng hỗn hợp?
    Tỷ lệ tối ưu thường nằm trong khoảng 20–25% đá vôi và 10–15% puzoland, giúp cân bằng cường độ sớm và muộn, đồng thời đảm bảo độ ổn định thể tích và giảm lượng nước tiêu chuẩn.

  3. Việc sử dụng phụ gia hỗn hợp có giúp giảm phát thải CO2 không?
    Có, vì phụ gia hỗn hợp thay thế một phần clinker, giảm lượng clinker cần nung luyện, từ đó giảm phát thải CO2 khoảng 1,3–1,5 tấn CO2 cho mỗi tấn clinker giảm được.

  4. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá cấu trúc xi măng trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định thành phần pha và kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát cấu trúc bề mặt và phân bố các pha trong mẫu xi măng.

  5. Ảnh hưởng của phụ gia hỗn hợp đến cường độ kháng nén của xi măng như thế nào?
    Phụ gia đá vôi tăng cường độ sớm, trong khi puzoland thúc đẩy cường độ muộn. Mẫu có tỷ lệ phụ gia hỗn hợp phù hợp có thể tăng cường độ kháng nén 10–15% so với mẫu không phụ gia ở tuổi 28 ngày.

Kết luận

  • Đá vôi và puzoland là phụ gia khoáng hiệu quả, có thể sử dụng đồng thời trong xi măng poóc-lăng hỗn hợp để cải thiện tính chất cơ lý.
  • Tỷ lệ phụ gia tối ưu khoảng 35% tổng lượng phụ gia, với sự cân bằng giữa đá vôi và puzoland giúp tăng cường độ sớm và muộn, đồng thời đảm bảo độ ổn định thể tích.
  • Phương pháp phân tích XRD và SEM chứng minh sự phát triển cấu trúc gel C-S-H và carboaluminate, giải thích cơ chế cải thiện tính chất xi măng.
  • Việc áp dụng phụ gia hỗn hợp góp phần giảm lượng clinker sử dụng, giảm phát thải CO2 và chi phí sản xuất, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững ngành xi măng.
  • Khuyến nghị triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật để ứng dụng rộng rãi trong sản xuất xi măng tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Các nhà máy xi măng và viện nghiên cứu nên phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế, đồng thời hoàn thiện quy trình và tiêu chuẩn kỹ thuật nhằm ứng dụng hiệu quả phụ gia hỗn hợp đá vôi – puzoland trong sản xuất xi măng poóc-lăng hỗn hợp.