Tổng quan nghiên cứu

Xi măng pooclăng hỗn hợp ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng nhờ khả năng cải thiện tính chất cơ lý và giảm chi phí sản xuất. Tại Việt Nam, phụ gia khoáng hoạt tính puzzolan tự nhiên được đánh giá cao về tiềm năng và hiệu quả kinh tế kỹ thuật. Mỏ puzzolan Krông Nô, Đắk Nông với trữ lượng ước tính trên 80 triệu tấn, chứa hàm lượng SiO₂ và Al₂O₃ cao, được xem là nguồn nguyên liệu quý giá cho sản xuất xi măng hỗn hợp. Nghiên cứu này tập trung đánh giá ảnh hưởng của phụ gia puzzolan Krông Nô đến tính chất của xi măng FiCO Tây Ninh, nhằm xác định tỷ lệ thay thế clinker tối ưu và làm rõ vai trò khoáng hoạt tính của phụ gia trong cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật của xi măng.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng puzzolan Krông Nô (từ 0% đến 30%) đến lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết, độ ổn định thể tích, độ lưu động của vữa, cường độ nén và độ hút nước của xi măng FiCO. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu xi măng PC50, sử dụng clinker của nhà máy xi măng Tây Ninh, trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển xi măng hỗn hợp thân thiện môi trường, giảm phát thải CO₂ và nâng cao hiệu quả kinh tế sản xuất xi măng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về quá trình thủy hóa và đóng rắn của xi măng pooclăng, trong đó các khoáng chính gồm C₃S, C₂S, C₃A và C₄AF tham gia phản ứng với nước tạo thành các gel hydrosilicat canxi (C-S-H), hydroxit canxi (Ca(OH)₂) và các pha aluminat. Phản ứng puzzolanic giữa SiO₂ hoạt tính trong phụ gia puzzolan với Ca(OH)₂ tạo thành C-S-H làm tăng cường độ và cải thiện cấu trúc đá xi măng. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Xi măng pooclăng hỗn hợp: hỗn hợp clinker, thạch cao và phụ gia khoáng hoạt tính.
  • Phản ứng puzzolanic: phản ứng giữa SiO₂ hoạt tính và Ca(OH)₂ tạo thành C-S-H.
  • Độ hoạt tính của phụ gia: được đánh giá qua chỉ số hoạt tính cường độ và độ hút vôi theo TCVN.
  • Tính chất cơ lý của xi măng: lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết, độ ổn định thể tích, độ lưu động, cường độ nén và độ hút nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu xi măng FiCO Tây Ninh phối trộn với phụ gia puzzolan Krông Nô theo tỷ lệ 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%. Mẫu được nghiền mịn đạt độ mịn Blaine khoảng 3600 ± 100 cm²/g. Các phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xác định lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết theo TCVN 6017:2015.
  • Đo độ ổn định thể tích theo TCVN 6016:2011.
  • Xác định độ bền nén theo TCVN 6016:2011 ở các tuổi 1, 3, 7, 28 và 45 ngày.
  • Đo độ lưu động của vữa theo TCVN 3121-3:2003.
  • Phân tích thành phần khoáng bằng phương pháp XRD.
  • Quan sát cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  • Đánh giá độ hoạt tính của phụ gia theo TCVN 6882:2001 và độ hút vôi theo TCVN 3735:82.
  • Xác định độ hút nước theo TCVN 3121-18:2003.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các mẫu xi măng phối trộn với phụ gia puzzolan Krông Nô, mỗi mẫu được thử nghiệm ít nhất 3 lần để đảm bảo độ tin cậy. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu đại diện từ clinker và phụ gia tại nhà máy xi măng FiCO Tây Ninh và mỏ puzzolan Krông Nô. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2017, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, thử nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng đến lượng nước tiêu chuẩn: Lượng nước tiêu chuẩn của xi măng FiCO tăng nhẹ khi tăng hàm lượng phụ gia puzzolan Krông Nô. Cụ thể, mẫu không có phụ gia có lượng nước tiêu chuẩn 26,6%, trong khi mẫu chứa 30% puzzolan tăng lên 27,6%, tương đương tăng khoảng 1%. Điều này cho thấy phụ gia làm tăng nhu cầu nước do tính chất bề mặt và độ mịn của puzzolan.

  2. Thời gian đông kết: Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết của xi măng có xu hướng kéo dài khi tăng hàm lượng puzzolan, thể hiện sự chậm lại trong quá trình hydrat hóa ban đầu. Tuy nhiên, thời gian này vẫn nằm trong giới hạn tiêu chuẩn TCVN 6260:1997, đảm bảo tính thi công.

  3. Độ ổn định thể tích: Độ ổn định thể tích của các mẫu xi măng hỗn hợp đều đạt yêu cầu, với sự giảm nhẹ độ giãn nở khi tăng hàm lượng puzzolan, góp phần giảm nguy cơ nứt nẻ do co ngót hoặc giãn nở thể tích.

  4. Cường độ nén: Cường độ nén của xi măng FiCO giảm nhẹ ở các ngày đầu (1, 3, 7 ngày) khi tăng hàm lượng puzzolan, ví dụ mẫu 20% puzzolan có cường độ nén 7 ngày giảm khoảng 10% so với mẫu đối chứng. Tuy nhiên, đến 28 ngày và 45 ngày, cường độ nén của các mẫu có phụ gia puzzolan tăng lên và vượt mẫu đối chứng, với chỉ số hoạt tính cường độ đạt 82,1% ở 28 ngày, vượt mức yêu cầu tối thiểu 75% theo TCVN 6882:2001.

  5. Độ hút nước: Độ hút nước của các mẫu xi măng hỗn hợp tăng nhẹ khi tăng hàm lượng puzzolan, nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép, cho thấy cấu trúc đá xi măng được cải thiện, giảm độ rỗng mao quản.

Thảo luận kết quả

Sự tăng nhẹ lượng nước tiêu chuẩn và thời gian đông kết khi thêm phụ gia puzzolan Krông Nô là do tính chất bề mặt và phản ứng puzzolanic làm chậm quá trình hydrat hóa ban đầu. Tuy nhiên, phản ứng puzzolanic giữa SiO₂ hoạt tính trong puzzolan với Ca(OH)₂ tạo thành C-S-H làm tăng cường độ về lâu dài, giải thích cho sự tăng cường độ nén ở tuổi 28 và 45 ngày. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về puzzolan tự nhiên tại Việt Nam và quốc tế, cho thấy puzzolan giúp cải thiện độ bền và độ bền môi trường của xi măng.

Độ ổn định thể tích giảm nhẹ khi tăng puzzolan cho thấy phụ gia giúp giảm ứng suất nội sinh do co ngót hoặc giãn nở, góp phần nâng cao độ bền công trình. Độ hút nước tăng nhẹ phản ánh sự cải thiện cấu trúc vi mô, làm giảm lỗ rỗng lớn và tăng khả năng chống thấm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng puzzolan và các chỉ tiêu kỹ thuật như lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết, cường độ nén theo ngày tuổi, giúp minh họa rõ ràng xu hướng và hiệu quả của phụ gia.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỷ lệ phụ gia puzzolan: Khuyến nghị sử dụng phụ gia puzzolan Krông Nô trong khoảng 20-25% thay thế clinker để đạt hiệu quả tối ưu về cường độ và tính ổn định thể tích trong sản xuất xi măng hỗn hợp. Thời gian áp dụng: ngay trong các lô sản xuất tiếp theo.

  2. Nâng cao công nghệ nghiền: Đề xuất cải tiến quy trình nghiền phụ gia puzzolan để đạt độ mịn cao hơn, giúp tăng cường phản ứng puzzolanic và cải thiện tính chất cơ lý của xi măng. Chủ thể thực hiện: nhà máy xi măng FiCO, trong vòng 6 tháng.

  3. Kiểm soát chất lượng nguyên liệu: Thiết lập hệ thống kiểm tra định kỳ thành phần hóa học và độ hoạt tính của puzzolan Krông Nô nhằm đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả sử dụng lâu dài. Chủ thể: phòng QC nhà máy xi măng, thực hiện hàng quý.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục về ảnh hưởng của phụ gia puzzolan đến các tính chất khác như độ bền môi trường, khả năng chống ăn mòn và tuổi thọ công trình bê tông sử dụng xi măng hỗn hợp. Thời gian: 1-2 năm, phối hợp với các viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng: Nghiên cứu giúp họ hiểu rõ tiềm năng sử dụng phụ gia puzzolan tự nhiên để giảm chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia xây dựng: Cung cấp kiến thức về tính chất vật liệu xi măng hỗn hợp, giúp lựa chọn vật liệu phù hợp cho các công trình có yêu cầu kỹ thuật cao.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, vật liệu xây dựng: Là tài liệu tham khảo khoa học về phản ứng puzzolanic và ứng dụng phụ gia khoáng hoạt tính trong xi măng.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Thông tin về lợi ích giảm phát thải CO₂ và bảo vệ môi trường khi sử dụng phụ gia khoáng tự nhiên trong sản xuất xi măng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phụ gia puzzolan là gì và có tác dụng gì trong xi măng?
    Phụ gia puzzolan là vật liệu khoáng hoạt tính chứa SiO₂ và Al₂O₃ có khả năng phản ứng với Ca(OH)₂ tạo thành C-S-H, giúp tăng cường độ và cải thiện cấu trúc xi măng. Ví dụ, puzzolan Krông Nô giúp nâng cao cường độ nén và giảm nhiệt thủy hóa.

  2. Tỷ lệ thay thế clinker bằng puzzolan tối ưu là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ 20-25% puzzolan Krông Nô thay thế clinker là tối ưu, cân bằng giữa cường độ và tính ổn định thể tích, đồng thời giảm chi phí sản xuất.

  3. Ảnh hưởng của puzzolan đến thời gian đông kết xi măng như thế nào?
    Puzzolan làm kéo dài thời gian đông kết do phản ứng puzzolanic chậm hơn phản ứng thủy hóa clinker, nhưng vẫn đảm bảo trong giới hạn tiêu chuẩn, giúp thi công thuận lợi.

  4. Làm thế nào để đánh giá độ hoạt tính của phụ gia puzzolan?
    Độ hoạt tính được đánh giá qua chỉ số hoạt tính cường độ (tỷ lệ cường độ nén mẫu có phụ gia so với mẫu nền) và độ hút vôi theo tiêu chuẩn TCVN, với puzzolan Krông Nô đạt mức hoạt tính trung bình đến cao.

  5. Sử dụng puzzolan có ảnh hưởng đến môi trường không?
    Việc sử dụng puzzolan giúp giảm lượng clinker cần thiết, từ đó giảm phát thải CO₂ trong quá trình nung clinker, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành xi măng.

Kết luận

  • Phụ gia puzzolan Krông Nô có hàm lượng SiO₂ và Al₂O₃ cao, độ hoạt tính trung bình đến cao, phù hợp làm phụ gia khoáng hoạt tính cho xi măng FiCO.
  • Tăng hàm lượng puzzolan làm tăng lượng nước tiêu chuẩn và kéo dài thời gian đông kết, nhưng vẫn trong giới hạn tiêu chuẩn.
  • Cường độ nén xi măng hỗn hợp giảm nhẹ ở giai đoạn đầu nhưng vượt mẫu đối chứng ở tuổi 28 và 45 ngày, chỉ số hoạt tính đạt 82,1%.
  • Độ ổn định thể tích và độ hút nước được cải thiện, góp phần nâng cao độ bền và tính ổn định của xi măng.
  • Đề xuất sử dụng tỷ lệ puzzolan 20-25% thay thế clinker trong sản xuất xi măng hỗn hợp để tối ưu hiệu quả kỹ thuật và kinh tế.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng tỷ lệ phụ gia tối ưu trong sản xuất thực tế và mở rộng nghiên cứu về tính bền môi trường của xi măng hỗn hợp. Các nhà sản xuất xi măng và chuyên gia xây dựng được khuyến khích tham khảo và ứng dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và phát triển bền vững ngành vật liệu xây dựng.