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.