Nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp phụ gia đá vôi và tro bay đến tính chất cơ lý của xi măng poóc lăng

Nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp phụ gia đá vôi và tro bay đến tính chất cơ lý của xi măng poóc lăng hỗn hợp, mang lại ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Tống Việt Quang
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thành Đông
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đá vôi và tro bay đến tính chất xi măng poóc lăng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XI MĂNG POÓC LĂNG
• 1.1. Giới thiệu chung về xi măng poóc lăng
• 1.2. Khái niệm về xi măng poóc lăng
• 1.3. Khái niệm về xi măng poóc lăng hỗn hợp
• 1.4. Thành phần của clinker xi măng poóc lăng
• 1.5. Phản ứng thủy hóa của xi măng
• 1.5.1. Sự hiđrat hóa của C3S (Alit)
• 1.5.2. Sự hiđrat hóa của C2S (Belit)
• 1.5.3. Sự hiđrat hóa của C3A (Canxi aluminat)
• 1.5.4. Sự hiđrat hóa của C4AF
• 1.5.5. Sự hydrat hoá các pha còn lại của clinker
• 1.6. Quá trình hình thành đá xi măng
• 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Quy trình nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3. Dụng cụ, thiết bị thử nghiệm
• 2.3.1. Thiết bị đo tỷ diện Blaine
• 2.3.2. Phương pháp xác định cấu trúc của đá xi măng bằng chụp ảnh SEM
• 2.3.3. Phương pháp phân tích Rơnghen (nhiễu xạ tia X)
• 2.4. Nguyên liệu thử nghiệm
• 2.5. Chuẩn bị mẫu
• 2.6. Cấp phối thực nghiệm
• 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Kết quả khảo sát tro bay
• 3.1.1. Hình dạng và cấu trúc hạt tro bay
• 3.1.2. Thành phần cỡ hạt của tro bay
• 3.1.3. Thành phần khoáng, hóa của tro bay
• 3.1.4. Chỉ số hoạt tính cường độ của tro bay
• 3.2. Kết quả khảo sát đá vôi
• 3.2.1. Thành phần cỡ hạt của đá vôi
• 3.2.2. Thành phần và hoạt tính của đá vôi
• 3.3. Ảnh hưởng của hỗn hợp đá vôi-tro bay đến các tính chất cơ lý của xi măng
• 3.3.1. Ảnh hưởng đến lượng nước tiêu chuẩn
• 3.3.2. Ảnh hưởng đến thời gian đông kết
• 3.3.3. Ảnh hưởng đến độ ổn định thể tích
• 3.3.4. Ảnh hưởng đến cường độ nén
• 3.4. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng tương hỗ của đá vôi- tro bay với các tỷ lệ 5% trong xi măng poóc lăng hỗn hợp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đá vôi và tro bay

Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đá vôi và tro bay đến tính chất của xi măng poóc lăng là một lĩnh vực quan trọng trong ngành xây dựng. Việc sử dụng các loại phụ gia này không chỉ giúp cải thiện chất lượng xi măng mà còn giảm chi phí sản xuất. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các thành phần, tính chất và vai trò của chúng trong quá trình sản xuất xi măng.

1.1. Giới thiệu về xi măng poóc lăng và phụ gia

Xi măng poóc lăng là loại chất kết dính thủy, được sản xuất từ clinker và thạch cao. Phụ gia đá vôi và tro bay được thêm vào để cải thiện tính chất cơ lý của xi măng, giúp tăng cường độ bền và khả năng chống thấm nước.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu này

Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về tác động của phụ gia đá vôi và tro bay mà còn mở ra hướng đi mới cho việc tối ưu hóa quy trình sản xuất xi măng, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế cho các nhà máy.

II. Vấn đề và thách thức trong việc sử dụng phụ gia đá vôi và tro bay

Mặc dù phụ gia đá vôi và tro bay mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc sử dụng chúng cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như tỷ lệ pha trộn, ảnh hưởng đến thời gian đông kết và cường độ nén của xi măng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.

2.1. Tác động của tỷ lệ pha trộn đến tính chất xi măng

Tỷ lệ pha trộn giữa đá vôi và tro bay có thể ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu cơ lý của xi măng poóc lăng. Việc xác định tỷ lệ tối ưu là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

2.2. Thời gian đông kết và độ ổn định thể tích

Thời gian đông kết của xi măng có thể bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của phụ gia đá vôi và tro bay. Nghiên cứu cần chỉ ra cách mà các phụ gia này tác động đến độ ổn định thể tích của xi măng trong quá trình đông kết.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến tính chất xi măng

Phương pháp nghiên cứu sẽ bao gồm việc khảo sát các chỉ tiêu cơ lý của xi măng poóc lăng khi có mặt phụ gia đá vôi và tro bay. Các thí nghiệm sẽ được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của các tỷ lệ khác nhau của phụ gia đến các tính chất của xi măng.

3.1. Quy trình thí nghiệm và thiết bị sử dụng

Quy trình thí nghiệm sẽ bao gồm việc chuẩn bị mẫu, xác định tỷ lệ các thành phần và sử dụng các thiết bị hiện đại như máy phân tích SEM và thiết bị đo tỷ diện Blaine để đánh giá tính chất của xi măng.

3.2. Phân tích kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm sẽ được phân tích để xác định mối quan hệ giữa tỷ lệ phụ gia đá vôi và tro bay với các chỉ tiêu như cường độ nén, thời gian đông kết và độ ổn định thể tích của xi măng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu sẽ chỉ ra rõ ràng tác động của phụ gia đá vôi và tro bay đến các tính chất cơ lý của xi măng poóc lăng. Những phát hiện này có thể được ứng dụng trong sản xuất thực tế để cải thiện chất lượng xi măng.

4.1. Ảnh hưởng đến cường độ nén của xi măng

Nghiên cứu cho thấy rằng việc thêm tro bay vào xi măng có thể làm tăng cường độ nén, đặc biệt là khi kết hợp với đá vôi. Điều này mở ra cơ hội cho việc tối ưu hóa quy trình sản xuất.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất xi măng tại Vicem Bút Sơn

Công ty Cổ phần xi măng Vicem Bút Sơn có thể áp dụng các kết quả nghiên cứu này để điều chỉnh tỷ lệ phụ gia đá vôi và tro bay trong sản xuất, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về ảnh hưởng của phụ gia đá vôi và tro bay đến tính chất của xi măng poóc lăng đã chỉ ra nhiều kết quả khả quan. Những phát hiện này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang tính ứng dụng cao trong thực tiễn sản xuất.

5.1. Tóm tắt kết quả chính

Kết quả nghiên cứu đã xác định được tỷ lệ tối ưu của phụ gia đá vôi và tro bay trong sản xuất xi măng, từ đó giúp cải thiện các chỉ tiêu cơ lý của sản phẩm.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất xi măng với sự tham gia của các loại phụ gia khác, nhằm nâng cao hơn nữa chất lượng và hiệu quả kinh tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Xi măng poóc lăng hỗn hợp là vật liệu xây dựng quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp xây dựng nhờ tính năng kết dính thủy lực và khả năng chịu lực cao. Theo báo cáo ngành, các chủng loại xi măng Portland hỗn hợp chiếm tỷ trọng lớn trong sản xuất xi măng hiện nay. Việc sử dụng phụ gia khoáng như đá vôi và tro bay không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn cải thiện một số tính chất cơ lý của xi măng. Tuy nhiên, tại Việt Nam, đặc biệt là trong sản xuất xi măng poóc lăng tại Công ty Cổ phần xi măng Vicem Bút Sơn, tỷ lệ sử dụng hỗn hợp đá vôi – tro bay vẫn còn thấp và chưa được nghiên cứu sâu về ảnh hưởng tương hỗ đến tính chất cơ lý của xi măng.

Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát ảnh hưởng của hỗn hợp đá vôi – tro bay với các tỷ lệ khác nhau đến các chỉ tiêu cơ lý của xi măng poóc lăng hỗn hợp, xác định tỷ lệ tối ưu sử dụng hỗn hợp phụ gia này trong phối liệu nghiền xi măng tại Vicem Bút Sơn. Nghiên cứu tập trung vào các tính chất cơ lý quan trọng như thời gian đông kết, lượng nước tiêu chuẩn, độ ổn định thể tích và cường độ nén của xi măng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm nguyên liệu clinker sản xuất tại dây chuyền Bút Sơn 1, thạch cao Thái Lan, đá vôi mỏ Hồng Sơn và tro bay từ nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, thực hiện trong giai đoạn năm 2018-2019.

Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc mở rộng phạm vi ứng dụng các phụ gia khoáng tự nhiên và phế thải công nghiệp, góp phần nâng cao chất lượng xi măng, giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường thông qua tái sử dụng tro bay. Đồng thời, kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc điều chỉnh công nghệ sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp tại các nhà máy xi măng trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về quá trình thủy hóa xi măng poóc lăng và ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến tính chất cơ lý của xi măng. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết thủy hóa clinker xi măng poóc lăng: Quá trình thủy hóa các pha khoáng chính trong clinker (C3S, C2S, C3A, C4AF) tạo thành các hợp chất hydrat như C-S-H, Ca(OH)2, Ettringit, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển cường độ và tính ổn định thể tích của đá xi măng. Mức độ thủy hóa và tốc độ phản ứng được xác định qua các giai đoạn đặc trưng, từ giai đoạn ban đầu, cảm ứng, tăng tốc đến giai đoạn chậm lại do lớp vỏ hydrat hình thành.

2. Mô hình ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến tính chất xi măng: Phụ gia khoáng như đá vôi và tro bay có thể đóng vai trò phụ gia đầy hoặc phụ gia hoạt tính puzolan. Đá vôi chủ yếu là chất độn, cải thiện phân bố kích thước hạt và tạo mầm kết tinh, thúc đẩy thủy hóa C3S và hình thành canxi caboaluminat hydrat. Tro bay chứa pha thủy tinh hoạt tính, tham gia phản ứng pozzolanic, tạo thêm sản phẩm hydrat C-S-H, tăng cường độ và giảm nhiệt thủy hóa. Sự kết hợp hỗn hợp đá vôi – tro bay có thể tạo ra hiệu ứng tương hỗ, ổn định cấu trúc hydrat và tăng cường độ xi măng.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Thủy hóa xi măng: phản ứng giữa clinker và nước tạo thành các sản phẩm hydrat.
• Phụ gia khoáng: vật liệu bổ sung vào xi măng để cải thiện tính chất hoặc giảm chi phí.
• Hiệu ứng pozzolanic: phản ứng của vật liệu chứa silica và alumina với Ca(OH)2 tạo thành sản phẩm hydrat có tính kết dính.
• Cường độ nén: khả năng chịu lực nén của đá xi măng, chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng xi măng.
• Độ ổn định thể tích: khả năng duy trì thể tích không bị biến dạng hoặc nứt trong quá trình đóng rắn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu xi măng poóc lăng hỗn hợp được phối trộn từ clinker Bút Sơn 1, thạch cao Thái Lan, đá vôi mỏ Hồng Sơn và tro bay nhà máy nhiệt điện Hải Phòng. Nghiên cứu thực hiện theo hai nhóm cấp phối:

• Nhóm 1: Hỗn hợp phụ gia đá vôi – tro bay chiếm 30% khối lượng xi măng, tỷ lệ đá vôi và tro bay thay đổi từ 0% đến 30% theo bước 5%.
• Nhóm 2: Hỗn hợp phụ gia chiếm 5%, so sánh giữa mẫu chỉ có đá vôi, chỉ có tro bay và hỗn hợp đá vôi – tro bay tỷ lệ 50/50.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Đo độ mịn Blaine theo TCVN 4030:2003 để xác định kích thước hạt xi măng và phụ gia.
• Xác định lượng nước tiêu chuẩn, thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết theo TCVN 6017:2015.
• Đo độ ổn định thể tích bằng phương pháp Le Chatelier.
• Thử nghiệm cường độ nén ở các tuổi 1, 3, 7, 28 ngày theo TCVN 6016:2011.
• Phân tích cấu trúc vi mô bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha hydrat và cấu trúc đá xi măng.

Cỡ mẫu được lựa chọn đảm bảo tính đại diện, các mẫu được chuẩn bị theo quy trình nghiền bi, phối trộn đồng đều và dưỡng hộ ở nhiệt độ 27 ± 1°C. Phương pháp chọn mẫu và phân tích được thiết kế nhằm đánh giá chính xác ảnh hưởng của tỷ lệ phụ gia đến các chỉ tiêu cơ lý của xi măng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của hỗn hợp đá vôi – tro bay đến lượng nước tiêu chuẩn:
   Lượng nước tiêu chuẩn của xi măng poóc lăng hỗn hợp tăng nhẹ khi tỷ lệ phụ gia tăng, dao động trong khoảng 24% đến 30%. Cụ thể, khi tỷ lệ đá vôi tăng từ 0% lên 30%, lượng nước tiêu chuẩn tăng khoảng 2%, trong khi tro bay có xu hướng làm giảm nhẹ lượng nước tiêu chuẩn do đặc tính hạt hình cầu và mịn của nó.

2. Thời gian đông kết:
   Thời gian bắt đầu đông kết kéo dài khi tăng tỷ lệ tro bay trong hỗn hợp, ví dụ mẫu có 30% tro bay có thời gian bắt đầu đông kết dài hơn khoảng 15% so với mẫu chuẩn không phụ gia. Ngược lại, đá vôi làm giảm nhẹ thời gian đông kết do thúc đẩy quá trình thủy hóa C3S. Sự kết hợp hỗn hợp đá vôi – tro bay thể hiện thời gian đông kết trung gian, cân bằng giữa hai ảnh hưởng này.

3. Độ ổn định thể tích:
   Tất cả các cấp phối có hỗn hợp phụ gia đều duy trì độ ổn định thể tích trong giới hạn cho phép (<10 mm). Mẫu có tỷ lệ đá vôi cao hơn cho thấy độ ổn định thể tích tốt hơn, giảm nguy cơ nứt do phản ứng thủy hóa chậm của MgO và CaO tự do.

4. Cường độ nén:
   Cường độ nén của xi măng poóc lăng hỗn hợp thay đổi rõ rệt theo tỷ lệ phụ gia. Mẫu có 5% đá vôi và 5% tro bay (tỷ lệ 50/50 trong 10% phụ gia) đạt cường độ nén 28 ngày cao hơn 12% so với mẫu chỉ có 10% đá vôi hoặc 10% tro bay riêng biệt. Khi tỷ lệ phụ gia tăng lên 30%, cường độ nén giảm nhẹ do hiệu ứng pha loãng, tuy nhiên mẫu có tỷ lệ đá vôi 15% và tro bay 15% vẫn duy trì cường độ nén trên 90% so với mẫu chuẩn. Các kết quả này được minh họa qua đồ thị diễn biến cường độ nén R28 theo tỷ lệ phụ gia.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các hiện tượng trên có thể giải thích như sau: đá vôi với kích thước hạt mịn và bề mặt nhám tạo mầm kết tinh, thúc đẩy quá trình thủy hóa C3S, làm tăng cường độ sớm và cải thiện độ ổn định thể tích. Tro bay với pha thủy tinh hoạt tính tham gia phản ứng pozzolanic, tạo thêm sản phẩm hydrat C-S-H, tăng cường độ ở tuổi muộn và giảm nhiệt thủy hóa. Sự kết hợp hỗn hợp đá vôi – tro bay tạo ra hiệu ứng tương hỗ, ổn định cấu trúc hydrat, giảm độ xốp và tăng cường độ nén.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của K. Justnes và nhóm nghiên cứu về xi măng ternary, cho thấy sự hiện diện đồng thời của đá vôi và tro bay làm tăng khối lượng hydrat và giảm độ xốp. Đồng thời, kết quả cũng tương đồng với nghiên cứu của ThS. Nguyễn Văn Đoàn về tro bay Indonesia, khẳng định tro bay có thể sử dụng đến 40% trong phối liệu xi măng poóc lăng mà vẫn đảm bảo chất lượng.

Dữ liệu phân tích SEM và XRD cho thấy cấu trúc vi mô của các mẫu có hỗn hợp phụ gia phát triển tốt, với sự hình thành các tinh thể hydrat mịn và liên kết chặt chẽ hơn so với mẫu chuẩn. Các biểu đồ diễn biến cường độ nén và thời gian đông kết minh họa rõ sự ảnh hưởng tỷ lệ phụ gia đến tính chất cơ lý xi măng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng tỷ lệ sử dụng hỗn hợp đá vôi – tro bay trong phối liệu xi măng poóc lăng: Khuyến nghị áp dụng tỷ lệ phụ gia tổng cộng 30%, trong đó đá vôi và tro bay chiếm tỷ lệ cân bằng khoảng 50/50 để tối ưu hóa cường độ và độ ổn định thể tích. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: Bộ phận sản xuất và nghiên cứu phát triển của nhà máy xi măng.

2. Kiểm soát độ mịn và phân bố kích thước hạt của phụ gia: Đảm bảo đá vôi có độ mịn đạt R32 khoảng 20% và tro bay giữ nguyên dạng hạt hình cầu để phát huy hiệu quả mầm kết tinh và phản ứng pozzolanic. Thời gian: liên tục trong quá trình sản xuất. Chủ thể: Phòng kỹ thuật và quản lý chất lượng.

3. Áp dụng phương pháp phân tích cấu trúc vi mô định kỳ: Sử dụng SEM và XRD để giám sát sự phát triển cấu trúc hydrat và đánh giá chất lượng xi măng hỗn hợp nhằm điều chỉnh tỷ lệ phụ gia phù hợp. Thời gian: 3-6 tháng/lần. Chủ thể: Phòng nghiên cứu và phát triển.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về vai trò và ảnh hưởng của phụ gia khoáng trong sản xuất xi măng nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ mới. Thời gian: 3 tháng. Chủ thể: Ban lãnh đạo và phòng nhân sự.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa phối liệu, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất thông qua sử dụng phụ gia khoáng tự nhiên và phế thải công nghiệp.

2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, vật liệu xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về cơ sở lý thuyết thủy hóa xi măng, ảnh hưởng của phụ gia khoáng và phương pháp phân tích cấu trúc vi mô.

3. Cơ quan quản lý và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ việc xây dựng và điều chỉnh tiêu chuẩn kỹ thuật về xi măng hỗn hợp, góp phần nâng cao chất lượng công trình xây dựng.

4. Các công ty tư vấn và thiết kế công trình xây dựng: Thông tin về tính chất cơ lý của xi măng hỗn hợp giúp lựa chọn vật liệu phù hợp, đảm bảo độ bền và ổn định cho các công trình dân dụng và công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Hỗn hợp đá vôi – tro bay ảnh hưởng thế nào đến cường độ xi măng?
   Hỗn hợp này tạo hiệu ứng tương hỗ, đá vôi thúc đẩy thủy hóa sớm, tro bay tham gia phản ứng pozzolanic tăng cường độ muộn. Ví dụ, tỷ lệ 50/50 phụ gia 5% làm tăng cường độ nén 28 ngày lên 12% so với phụ gia đơn lẻ.

2. Tỷ lệ phụ gia tối ưu là bao nhiêu?
   Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ tổng phụ gia 30% với đá vôi và tro bay cân bằng khoảng 50/50 là tối ưu, đảm bảo cường độ và độ ổn định thể tích tốt.

3. Phụ gia có ảnh hưởng đến thời gian đông kết không?
   Tro bay làm kéo dài thời gian đông kết do phản ứng chậm, trong khi đá vôi có tác dụng giảm thời gian đông kết. Sự kết hợp cân bằng giúp kiểm soát thời gian đông kết phù hợp.

4. Độ mịn của phụ gia có quan trọng không?
   Rất quan trọng. Đá vôi mịn với phân bố hạt hợp lý tạo mầm kết tinh tốt, tro bay dạng hạt cầu mịn giúp tăng hoạt tính pozzolanic và cải thiện tính công tác của xi măng.

5. Nghiên cứu có áp dụng được cho các nhà máy xi măng khác không?
   Có thể áp dụng rộng rãi, tuy nhiên cần điều chỉnh tỷ lệ phụ gia dựa trên thành phần clinker và điều kiện sản xuất cụ thể của từng nhà máy.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng tích cực của hỗn hợp phụ gia đá vôi – tro bay đến các tính chất cơ lý của xi măng poóc lăng hỗn hợp, đặc biệt là cường độ nén và độ ổn định thể tích.
• Tỷ lệ phụ gia tối ưu là khoảng 30% tổng khối lượng xi măng, trong đó đá vôi và tro bay chiếm tỷ lệ cân bằng để phát huy hiệu ứng tương hỗ.
• Phương pháp phân tích SEM và XRD đã minh chứng sự phát triển cấu trúc hydrat tốt hơn ở các mẫu có hỗn hợp phụ gia.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm xi măng tại Vicem Bút Sơn và các nhà máy xi măng khác.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm áp dụng tỷ lệ phụ gia tối ưu vào sản xuất thực tế, giám sát chất lượng định kỳ và đào tạo cán bộ kỹ thuật để nâng cao hiệu quả ứng dụng.

Hành động tiếp theo: Các nhà máy xi măng nên triển khai thử nghiệm sản xuất quy mô lớn với tỷ lệ phụ gia đề xuất, đồng thời phối hợp nghiên cứu tiếp tục để tối ưu hóa công nghệ và mở rộng ứng dụng phụ gia khoáng trong ngành xi măng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XI MĂNG POÓC LĂNG 1. Giới thiệu chung về xi măng poóc lăng 1. Khái niệm về xi măng poóc lăng Xi măng poóc lăng là chất kết dính thủy, được chế tạo bằng cách nghiền mịn clinker xi măng poóc lăng với một lượng thạch cao cần thiết.

Trong quá trình nghiền có thể sử dụng phụ gia công nghệ nhưng không quá 1% so với khối lượng clinker. Phụ gia công nghệ gồm các chất cải thiện quá trình nghiền, vận chuyển, đóng bao và/hoặc bảo quản xi măng nhưng không làm ảnh hưởng xấu tới tính chất của xi măng, vữa và bê tông. Khái niệm về xi măng poóc lăng hỗn hợp Xi măng poóc lăng hỗn hợp là loại chất kết dính thuỷ, được chế tạo bằng cách nghiền mịn hỗn hợp clinker xi măng poóc lăng với các phụ gia khoáng và một lượng thạch cao cần thiết hoặc bằng cách trộn đều các phụ gia khoáng đã nghiền mịn với xi măng poóc lăng không chứa phụ gia khoáng. Phụ gia khoáng để sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp phải thỏa mãn các yêu cầu của TCVN 6882 : 2001 và quy chuẩn sử dụng phụ gia trong sản xuất xi măng.

Tổng lượng các phụ gia khoáng (không kể thạch cao) trong xi măng poóc lăng hỗn hợp, tính theo khối lượng xi măng, không lớn hơn 40% trong đó phụ gia đầy không lớn hơn 20%. Thành phần của clinker xi măng poóc lăng Clinker xi măng poóc lăng là sản phẩm chứa các pha (khoáng) có tính chất kết dính thủy lực, sản phẩm nung đến kết khối hỗn hợp phối liệu có đủ thành phần cần thiết để tạo thành khoáng silicat canxi độ bazơ cao. Clinker xi măng poóc lăng là clinker xi măng chứa các khoáng canxi silicat, 9 LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG VIỆT QUANG canxi aluminat và canxi fero aluminat với tỷ lệ xác định. Clinker xi măng poóc lăng là nguyên liệu đầu vào của quá trình sản xuất xi măng poóc lăng.

Clinker xi măng poóc lăng thường có cấu trúc phức tạp (có nhiều khoáng ở dạng tinh thể và một số khoáng ở dạng vô định hình). Clinker xi măng poóc lăng được tạo thành do quá trình nung luyện phối liệu trong lò nung, nhiệt độ nung o luyện vào khoảng 1450 C. Chất lượng của clinker phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, hóa học và công nghệ sản xuất. Thành phần hóa học và thành phần khoáng của clinker được trình bày trong bảng 1.1: Thành phần hóa học của clinker Thành phần hóa học CaO Al2O3 SiO2 Fe2O3 Tỷ lệ % khối lượng 63÷67 4÷8 20÷22 2÷4 Ngoài ra còn có những tạp chất không mong muốn như MgO khoảng 1 ÷ 5%, ôxit kiềm 0.2: Thành phần pha của clinker Thành C3S C2S C3A C4AF phần pha (3CaO.Fe2O3) Tỷ lệ % 45÷72 10÷25 5÷15 10÷18 Đặc tính của từng pha: Alit (C3S): bao gồm 3CaO.SiO2 chiếm từ 45 ÷ 72% trong clinker.

Khoáng này phản ứng nhanh với nước, tỏa nhiều nhiệt khi thủy hóa, cho sản phẩm đông rắn cao nhất sau 28 ngày, đây là một pha quan trọng nhất của clinker. Belit (C2S): bao gồm 2CaO.SiO2 chiếm 10 ÷ 25% trong clinker. Khoáng này phản ứng với nước tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm có độ đông rắn chậm nhưng sau 28 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG VIỆT QUANG ngày cũng đạt được yêu cầu bằng alit. Celit (C4AF): bao gồm 4CaO.Fe2O3 chiếm 10 ÷ 18% trong clinker, là khoáng cho phản ứng tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm phản ứng với độ đông rắn thấp.

Canxi aluminat (C3A): bao gồm 3CaO.Al2O3 chiếm 5 ÷ 15%, khoáng này phản ứng nhanh với nước tỏa nhiều nhiệt. Cho sản phẩm phản ứng ban đầu đông rắn nhanh nhưng sau đó lại chậm và kém hơn alit. Phản ứng thủy hóa của xi măng Nói chung, sự hydát hoá là quá trình tương tác của chất kết dính với nước tạo thành các hợp chất hydrat. Trong đa số các trường hợp, sự hydrat hoá xảy ra ở nhiệt độ thường, một số các trường hợp đặc biệt, ví dụ khi chưng hấp bê tông quá trình hydrat hoá xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cao.

Khi hydrat hoá các khoáng clanhke tạo thành các tinh thể khác nhau về thành phần và cấu trúc của các hợp chất hydro canxi silicat, aluminat và alumoferit , các dung dịch rắn của chúng và các hợp chất phức hợp, khi đó một phần từ chúng được tách ra ở trạng thái ẩn tinh (dạng gel). Sự đa dạng của các tinh thể hydrat trong đá XM làm cho việc nghiên cứu nó trở nên rất phức tạp [2]. Cơ chế tương tác của các tinh thể khoáng với nước [2]: Khi các phân tử nước tiếp xúc với bề mặt của các tinh thể thì ở gần đó có thể xảy ra các quá trình sau: 1. Sự hấp phụ các phân tử nước lên bề mặt của các tinh thể, quá trình này có + - thể dẫn đến sự điện ly một phần các phân tử nước thành các ion H và OH ; + - 2.

Sự tương tác của các ion H , OH và các phân tử nước lưỡng cực với các trung tâm hoạt tính trong lớp bề mặt của các tinh thể với sự tạo thành ban đầu là các liên kết yếu còn sau đó là các liên kết chặt chẽ hơn; 2+ + 3. Sự phát triển quá trình trao đổi ion dạng Ca  2H dẫn đến sự di chuyển 2+ 3+ 2+ + + 2- một phần đơn vị cấu trúc của tinh thể (Ca , Al , Mg , Na , K , SiO4 v.) vào dung 11 LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG VIỆT QUANG + - dịch nước làm thay đổi thành phần pha lỏng và dẫn đến sự kết hợp của H , OH và các phân tử nước lưỡng cực với các đơn vị cấu trúc khác của tinh thể tạo thành các mầm ban đầu của các hợp chất hydrat hoá là Ca(OH)2, CaHx, CxSyHz và v. Song song với các ion trao đổi được chuyển mạnh vào dung dịch còn có cả + 2- các ion hydrat hoá Ca(OH) , H2SiO4 v., dẫn đến sự bão hoà và quá bão hoà của dung dịch nước bởi các ion tương ứng. Sự hiđrat hóa của C3S (Alit): Sự hydrat hoá của C3S - Alít tạo thành các hydro canxi silicat và Ca(OH)2.

Khi hydrat hoá C3S trong hồ (tỷ lệ nước/khoáng (N/K) = 0,4  0,7) ở điều kiện thường phản ứng chỉ hoàn toàn kết thúc sau 1  1,5 năm. Thành phần cuối cùng của các sản phẩm phản ứng theo số liệu của các nhà nghiên cứu khác nhau như sau [2] : 2(3CaO.5) Quá trình hydrat hoá của C3S có thể chia thành 4 giai đoạn (hình 1.2) như sau: 12 LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG VIỆT QUANG Hình 1.3 : Sự thay đổi tốc độ và mức độ hydrat hoá của đơn tinh thể C3S nghiền mịn ( 3  5 m ) [2] a - Đường cong tốc độ toả nhiệt khi hydrat hoá ( I, II, III, IV - các giai đoạn của quá trình toả nhiệt và hydrat hoá ) b - Đường cong phát triển mức độ hydrat hoá c - Sơ đồ tạo thành cấu trúc khi hydrat hoá (1 - phần C 3S; 2 - lớp vỏ ban đầu trên hạt từ các pha hydrat; 3 - các mầm của tinh thể to bên dưới của lớp vỏ; 4 - các pha hydrat hạt mịn, 5 - các tinh thể to ở bên ngoài của lớp vỏ ) Giai đoạn I: Sự hydrat hoá nhanh phần bề mặt của các khoáng tạo thành lớp màng mỏng (vỏ bọc) từ gel của các hợp chất hydrat và sau đó bị chậm dần, giai đoạn này kéo dài khoảng 15  20 phút. Giai đoạn II (thời kỳ cảm ứng) xảy ra quá trình tạo mầm và phát triển tương đối chậm của các tinh thể hydro canxi silicat và Ca(OH)2. Giai đoạn III là giai đoạn tăng tốc độ hydrat hoá đến cực đại.

Giai đoạn IV tốc độ phản ứng bị giảm dần phụ thuộc vào tốc độ phá huỷ lớp vỏ bọc liên tục được tạo ra từ các sản phẩm mới. 0 Mức độ hydrat hoá C3S ở nhiệt độ 298 K theo thời gian như sau: sau 1 ngày: 25  35%; sau 10 ngày: 55  65%; sau 28 ngày: 78  80%. 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG VIỆT QUANG Hình 1.4: Các tinh thể hydro canxi silicat tạo thành trên bề mặt của các hạt C3S [2]. Sự hiđrat hóa của C2S (Belit): Phản ứng hydrat hoá C2S và các dung dịch rắn của nó tạo thành các hydro canxi silicat thành phần khác nhau và số lượng Ca(OH) 2 nào đó.

Khi hydrát hoá C2S trong hồ có N/K = 0,7 thậm chí sau vài năm phản ứng chỉ đạt đến 85% và tương ứng ở giai đoạn này có phương trình phản ứng như sau: 2CaO.6) Phản ứng xảy ra với lượng nhiệt toả ra 250  290 kJ/kg. Thành phần hoá học của các hydro canxi silicat được tạo thành khi hydrat hoá C2S thay đổi theo thời gian hydrat hoá. Các tinh thể C-S-H ban đầu có dạng hình kim và tập trung xung quanh các hạt C2S bị hydrat hoá. Ở giai đoạn sau tạo thành các tinh thể hydro canxi silicat dạng tấm.

Tốc độ hydrat hoá C 2S nhỏ hơn so với C3S và phụ thuộc vào cấu tạo tinh thể của khoáng, thành phần của dung dịch nước và điều kiện xảy ra phản ứng. Do tác động của các yếu tố đã chỉ ra, mức độ hydrat hoá C2S có thể là : sau 1 ngày : 5  10%; sau 10 ngày: 10  20%; sau 28 ngày: 30  50%; sau 5  6 năm: 100% 14 LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG VIỆT QUANG Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng -C2S tổng hợp hydrat hoá chậm hơn belit trong thành phần XMP. Nguyên nhân của đặc trưng hydrat hoá rất phức tạp của các dung dịch rắn của C2S chính là sự ổn định của chúng ở các trạng thái cấu trúc khác nhau. Người ta đã cho rằng hoạt tính hydrat hoá của  , ' và -C2S cao nhưng khác nhau còn  -C2S không bị hydrat hoá.

Tốc độ hydrat hoá C 2S tăng lên trong dung dịch nước chứa CaSO4 và CaCl2 hoà tan. Sự hiđrat hóa của C3A (Canxi aluminat): Trong quá trình hydrat hoá C3A tách ra các hydro canxi aluminat khác nhau, nhưng ở giai đoạn đầu có 4CaO. Phản ứng có thể xảy ra theo sơ đồ: 2(3CaO.8) Phản ứng hydrat hoá C3A xảy ra rất nhanh và sau 1 ngày đã đạt đến 70 - 80%. Khi hydrat hoá C3A có thể tạo thành đồng thời các hydrat C3AH6 và AH3, C4AH19 và 2- C2AH8.

Nếu trong nước trộn có mặt các ion SO4 thì sản phẩm hydrat hoá C3A sẽ là khoáng 3CaO.32H2O - hydro canxi trisunfo aluminat hay còn gọi là Ettringit.Al2O3 + 3CaSO4 + 32H2O = 3CaO.9) Trong trường hợp nếu các ion SO42- trong dung dịch không đủ để liên kết tất cả hydro canxi aluminat thành Ettringit, thì các tinh thể Ettringit và hydro canxi aluminat tương tác với nhau tạo thành hydro canxi monosunfo aluminat: 2(C3AH6 ) + 3CaO.