Luận văn thạc sĩ: Ảnh hưởng của tro trấu đến tính chất của xi măng Fico

Khám phá ảnh hưởng của tro trấu đến tính chất của xi măng fico trong luận văn thạc sĩ kỹ thuật, cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Trần Thị Xuân Lan
• Người hướng dẫn: PGS. TS Tạ Ngọc Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Silicat
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Tro Trấu Tới Một Số Tính Chất Của Xi Măng FICO
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khái niệm về Xi măng
• 1.2. Clinker xi măng portland
• 1.3. Phụ gia khoáng
• 1.4. Cơ chế quá trình đóng rắn xi măng
• 1.4.1. Quá trình đóng rắn xi măng portland
• 1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng
• 1.5. Cơ chế ăn mòn đá xi măng
• 1.5.1. Nguyên nhân gây ăn mòn đá xi măng portland
• 1.5.2. Các biện pháp chống ăn mòn
• 1.6. Tìm hiểu về xi măng portland hỗn hợp – puzolan
• 1.6.1. Xi măng portland hỗn hợp
• 1.6.2. Xi măng portland – puzolan
• 1.6.3. Quá trình đóng rắn xi măng portland – puzolan
• 1.7. Tro trấu – RHA
• 1.7.1. Nguồn gốc và phân loại
• 1.7.2. Tính chất vật lí và hóa học của tro
• 1.7.3. Hoạt tính thủy lực của tro trấu
• 1.8. Lịch sử nghiên cứu
• 1.8.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.8.2. Một số nghiên cứu liên quan đến đề tài đã thực hiện trên thế giới
• 1.9. Mục đích nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nội dung nghiên cứu
• 2.2. Diễn giải quá trình nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Phương pháp hóa học
• 2.3.2. Phương pháp vật lí
• 2.3.3. Phương pháp toán học
• 2.3.4. Giới thiệu nguyên tắc sơ bộ của các phương pháp nghiên cứu
• 2.4. Khảo sát, đánh giá nguyên liệu
• 2.4.1. Xi măng portland – OPC
• 2.4.2. Tro trấu – RHA
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng độ mịn RHA Cầu Tre đến hoạt tính puzolan
• 3.1.1. Khảo sát độ dẫn điện tro trấu theo độ nghiền mịn
• 3.1.2. Tro trấu có độ mịn tối ưu (RHA-Y)
• 3.1.3. Kết quả khảo sát giai đoạn 1
• 3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng RHA tới tính chất xi măng FiCO
• 3.2.1. Các tính chất cơ lý của xi măng hỗn hợp PCB-Y
• 3.2.2. Nghiên cứu sự thủy hóa ở 24h đầu bằng phương pháp XRD
• 3.2.3. Kết quả phân tích độ bền sunphat xi măng PCB-Y
• 3.2.4. Kết quả khảo sát giai đoạn 2
• 3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ nung lại tro đến hoạt tính của RHA
• 3.3.1. Xử lí nhiệt RHA Cầu Tre
• 3.3.2. Đánh giá độ hoạt tính các mẫu RHA-Z
• 3.3.3. Các tính chất cơ lý của xi măng hỗn hợp PCB-Z
• 3.3.4. Kết quả khảo sát giai đoạn 3
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích tro trấu và ảnh hưởng của nó đến tính chất xi măng Fico. Tro trấu là một loại phụ gia khoáng có tiềm năng lớn trong ngành xây dựng, đặc biệt là trong sản xuất xi măng. Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định ảnh hưởng của tro trấu đến các tính chất cơ lý của xi măng Fico, từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu hóa trong sản xuất. Việc sử dụng tro trấu không chỉ giúp cải thiện chất lượng xi măng mà còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách giảm thiểu lượng chất thải từ nông nghiệp.

1.1. Lý do chọn đề tài

Sự gia tăng nhu cầu về xi măng và các vật liệu xây dựng bền vững đã thúc đẩy nghiên cứu về các phụ gia khoáng như tro trấu. Việt Nam là một trong những nước có sản lượng lúa gạo lớn, dẫn đến việc sản xuất một lượng lớn tro trấu. Tuy nhiên, việc sử dụng tro trấu trong ngành xây dựng vẫn chưa được khai thác triệt để. Nghiên cứu này nhằm mục đích tìm ra các ứng dụng thực tiễn của tro trấu trong sản xuất xi măng Fico, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.

II. Tính chất của xi măng Fico

Xi măng Fico được sản xuất từ clinker và các phụ gia khoáng, trong đó có tro trấu. Tính chất của xi măng Fico phụ thuộc vào tỷ lệ phối trộn giữa clinker và tro trấu. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc bổ sung tro trấu có thể cải thiện độ bền và khả năng chống thấm của xi măng. Các thí nghiệm cho thấy rằng tro trấu không chỉ làm tăng tính chất cơ lý mà còn giúp giảm thiểu lượng clinker cần thiết, từ đó giảm phát thải khí CO2 trong quá trình sản xuất. Điều này phù hợp với xu hướng phát triển bền vững trong ngành xây dựng.

2.1. Các tính chất cơ lý của xi măng Fico

Các tính chất cơ lý của xi măng Fico bao gồm độ bền nén, độ dẻo và khả năng chống thấm. Nghiên cứu cho thấy rằng tro trấu có thể cải thiện đáng kể độ bền nén của xi măng. Cụ thể, khi tỷ lệ tro trấu trong hỗn hợp tăng lên, độ bền nén của xi măng Fico cũng tăng theo. Điều này cho thấy tro trấu có khả năng tham gia vào quá trình thủy hóa, tạo ra các sản phẩm có tính kết dính cao, từ đó nâng cao chất lượng của xi măng.

III. Ảnh hưởng của tro trấu đến tính chất xi măng

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tro trấu có ảnh hưởng tích cực đến các tính chất của xi măng Fico. Việc thay thế một phần clinker bằng tro trấu không chỉ giúp cải thiện độ bền mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Các thí nghiệm cho thấy rằng tro trấu có hoạt tính puzolan, có khả năng phản ứng với các sản phẩm thủy hóa của xi măng, tạo ra gel CSH, từ đó cải thiện tính chất cơ lý của xi măng. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc sử dụng tro trấu trong sản xuất xi măng.

3.1. Phân tích ảnh hưởng của hàm lượng tro trấu

Hàm lượng tro trấu trong hỗn hợp xi măng có ảnh hưởng lớn đến các tính chất cơ lý của sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu cho thấy rằng khi hàm lượng tro trấu tăng lên, độ bền nén của xi măng Fico cũng tăng theo một cách không tỷ lệ. Điều này cho thấy rằng có một ngưỡng tối ưu cho hàm lượng tro trấu trong hỗn hợp, sau đó có thể dẫn đến sự giảm sút về chất lượng. Việc xác định ngưỡng này là rất quan trọng để tối ưu hóa quy trình sản xuất và đảm bảo chất lượng của xi măng.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh rằng tro trấu có thể được sử dụng hiệu quả trong sản xuất xi măng Fico. Việc sử dụng tro trấu không chỉ giúp cải thiện các tính chất cơ lý của xi măng mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn giữa tro trấu và clinker, cũng như nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hoạt động của tro trấu trong quá trình thủy hóa. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

4.1. Kiến nghị cho ngành xây dựng

Ngành xây dựng nên xem xét việc áp dụng tro trấu như một phụ gia khoáng trong sản xuất xi măng. Việc này không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ việc xử lý chất thải nông nghiệp. Cần có các chính sách khuyến khích nghiên cứu và phát triển các ứng dụng mới cho tro trấu trong ngành xây dựng, từ đó thúc đẩy sự phát triển bền vững cho ngành công nghiệp này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất xi măng toàn cầu đang đối mặt với thách thức kép về cắt giảm phát thải khí nhà kính và tối ưu hóa chi phí sản xuất, khi sản lượng dự báo đạt hàng tỷ tấn vào năm 2050 theo CEMBUREAU. Tại Việt Nam, quốc gia sản xuất lúa gạo hàng đầu thế giới với sản lượng vùng Đồng bằng sông Cửu Long chiếm 56% cả nước, lượng vỏ trấu phát sinh hàng năm đạt khoảng 8,94 triệu tấn, tương đương 2,23 triệu tấn tro trấu (RHA). Tuy nhiên, phần lớn nguồn phụ phẩm nông nghiệp này vẫn bị thải bỏ tự do ra kênh rạch hoặc đốt không kiểm soát, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.

Luận văn tập trung giải quyết bài toán tận dụng tro trấu từ Nhà máy Thực phẩm Cầu Tre (Thành phố Hồ Chí Minh) với hàm lượng mất khi nung khoảng 12% để làm phụ gia khoáng hoạt tính puzolan cho xi măng Poóc lăng hỗn hợp FICO. Mục tiêu cụ thể của đề tài là khảo sát ảnh hưởng của độ mịn nghiền, tỷ lệ thay thế clinker từ 10% đến 30%, và nhiệt độ nung lại đến tính chất cơ lý, cấu trúc thủy hóa cũng như độ bền sunfat của xi măng. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Công ty Cổ phần Xi măng FICO Tây Ninh và Bộ môn Công nghệ Vật liệu Silicat, Viện Kỹ thuật Hóa học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong giai đoạn 2015–2017.

Kết quả nghiên cứu mở ra giải pháp giảm tiêu hao clinker từ 10% đến 15%, hạ giá thành sản xuất, giảm phát thải khí CO2 trong công nghệ sản xuất xi măng, đồng thời tạo ra dòng xi măng xanh bền môi trường, ứng dụng hiệu quả cho các loại vật liệu xây dựng không nung.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng của Thuyết đóng rắn gel tinh thể Baikov (1923) kết hợp cùng Thuyết biến đổi cấu trúc của Taylor (1966) và mô hình phát triển cấu trúc của Locher, Richartz và Sprung. Theo các mô hình này, quá trình hydrat hóa xi măng Poóc lăng diễn ra qua các phản ứng thủy phân và thủy hóa của các khoáng silicat gồm tricanxi silicat C3S (chiếm 45%–65% trong clinker) và dicanxi silicat C2S (chiếm 20%–30%), giải phóng canxi hydroxit Ca(OH)2 (portlandit).

Bên cạnh đó, cơ chế hoạt tính puzolanic được phân tích thông qua tương tác giữa oxit silic hoạt tính SiO2 vô định hình trong tro trấu với Ca(OH)2 tạo thành hợp chất hydrosilicat canxi (gel C-S-H) có tỷ lệ C/S thấp và độ bền cao: $$x\text{Ca(OH)}_2 + y\text{SiO}_2 + (z-x)\text{H}_2\text{O} \rightarrow x\text{CaO}\cdot y\text{SiO}_2\cdot z\text{H}_2\text{O}$$

Lý thuyết ăn mòn đá xi măng của Moskin (bao gồm ăn mòn loại I hòa tan, loại II tương tác hóa học và loại III kết tinh muối sunfat) được sử dụng làm cơ sở đánh giá độ bền của xi măng puzolan trong môi trường xâm thực. Các khái niệm trung tâm bao gồm: hoạt tính puzolan, chỉ số hoạt tính cường độ (IR), mất khi nung (LOI), độ mịn bề mặt riêng BET và độ dẫn điện riêng của dung dịch bão hòa vôi ($\Delta\sigma$).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được xây dựng từ các nguyên liệu chuẩn hóa: Clinker Poóc lăng FiCO Tây Ninh (với hàm lượng CaO khoảng 63%–67%, SiO2 khoảng 21%–24%), thạch cao tự nhiên Thái Lan và tro trấu thu nhận từ Nhà máy Cầu Tre. Xi măng nền OPC được nghiền kiểm soát độ mịn Blaine ở mức cố định 3100 ± 100 cm2/g. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 6 cấp phối xi măng chính (OPC đối chứng, PCB-Y10, PCB-Y15, PCB-Y20, PCB-Y25, PCB-Y30) và 3 hệ mẫu xử lý nhiệt RHA-Z.

Phương pháp lấy mẫu thực hiện theo nguyên tắc phân tầng ngẫu nhiên từ nguồn nguyên liệu công nghiệp nhằm bảo đảm tính đại diện cao. Mỗi cấp phối thực hiện đúc tối thiểu 3 đến 6 mẫu chuẩn vữa kích thước 40x40x160 mm để thử nghiệm cường độ cơ lý theo TCVN 6016:2011 và độ dẻo tiêu chuẩn theo TCVN 6017:2015.

Lý do lựa chọn hệ thống phương pháp phân tích:

• Phương pháp huỳnh quang tia X (XRF trên thiết bị Thermo ARL 9900 công suất 4,1 kW) cho phép định lượng chính xác 9 oxit cơ bản trong nguyên liệu.
• Phương pháp tán xạ Laser và đo hấp phụ đẳng nhiệt Nitơ (BET) giúp xác định chính xác phân bố cỡ hạt và diện tích bề mặt cấu trúc xốp của hạt tro trấu.
• Phương pháp đo biến thiên độ dẫn điện ($\Delta\sigma$) trong dung dịch bão hòa vôi được lựa chọn vì tính chất nhanh, nhạy và phản ánh trực tiếp khả năng hòa tan của silica vô định hình.
• Kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD-Rietveld) được ứng dụng để định lượng biến thiên pha khoáng (C3S, C3A, ettringit, portlandit, gel C-S-H) trong 24 giờ đầu thủy hóa.
• Đo độ giãn nở sunfat theo TCVN 7713:2007 trong thời gian theo dõi liên tục 12 đến 24 tuần. Toàn bộ quy trình thực nghiệm được triển khai đồng bộ từ năm 2015 đến năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, thời gian nghiền mịn có ảnh hưởng quyết định đến hoạt tính puzolan của tro trấu. Khi tăng thời gian nghiền, kích thước hạt trung bình d50 giảm xuống mức 5,0 đến 7,4 $\mu$m, làm diện tích bề mặt tiếp xúc tăng vọt. Hoạt tính puzolan đo bằng độ giảm độ dẫn điện ($\Delta\sigma$) của mẫu tro trấu tối ưu (RHA-Y) đạt mức cao vượt trội, vượt qua hoạt tính của các loại puzolan tự nhiên khai thác tại Bà Rịa và Bình Phước từ 15% đến 25%.

Thứ hai, tỷ lệ thay thế tro trấu tối ưu cho xi măng Poóc lăng FICO được xác định là 10% đến 15% (mẫu PCB-Y10 và PCB-Y15). Ở tỷ lệ này, cường độ nén của mẫu vữa ở tuổi 28 ngày đạt mức 48 đến 52 MPa, tương đương và tăng từ 2% đến 5% so với mẫu đối chứng OPC không pha phụ gia. Khi tỷ lệ thay thế vượt quá 20%, cường độ nén sớm (3 và 7 ngày) có xu hướng suy giảm khoảng 8% đến 12% do hàm lượng clinker bị pha loãng.

Thứ ba, xi măng pha tro trấu thể hiện khả năng kháng sunfat vượt trội. Sau 16 đến 24 tuần ngâm trong dung dịch Na2SO4, độ giãn nở thể tích của mẫu PCB-Y15 và PCB-Y25 thấp hơn mẫu OPC từ 35% đến 50%, ngăn ngừa hiện tượng nứt vỡ do hình thành khoáng ettringit thứ cấp.

Thứ tư, phân tích định lượng XRD-Rietveld chứng minh lượng Ca(OH)2 tự do trong đá xi măng PCB-Y15 ở 28 ngày giảm hơn 25% so với mẫu OPC. Lượng vôi tự do này đã tham gia phản ứng chuyển hóa hoàn toàn thành gel C-S-H, lấp đầy các mao quản rỗng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp xi măng PCB-Y15 duy trì cường độ cao và tăng độ bền sunfat là nhờ cấu trúc xốp vi mô và hàm lượng SiO2 hoạt tính cao (trên 85%) trong tro trấu. Khi thủy hóa, hạt tro trấu đóng vai trò mầm kết tinh và tác nhân hóa học tiêu thụ nhanh portlandit dạng tấm lục giác mềm yếu, chuyển thành mạng lưới gel hydrosilicat canxi đặc chắc.

Trong các báo cáo khoa học, toàn bộ diễn biến thực nghiệm được minh họa rõ nét qua biểu đồ đường phân bố kích thước hạt tán xạ laser PSD, đồ thị tương quan giữa thời gian nghiền và độ dẫn điện $\Delta\sigma$, biểu đồ cột phát triển cường độ nén ở 3 mốc thời gian (3 ngày, 7 ngày, 28 ngày) cùng bảng tổng hợp phân tích thành phần định lượng pha khoáng Rietveld.

So sánh với các công bố quốc tế của Mehta (1992), Cordeiro (2011) và Habeeb & Mahmud (2010), kết quả của luận văn hoàn toàn tương đồng về cơ chế phản ứng puzolanic và khẳng định ngưỡng thay thế 10%–15% là giải pháp tối ưu mà không làm tăng quá mức lượng nước tiêu chuẩn của hồ xi măng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng quy trình công nghệ nghiền riêng biệt: Nhà máy Xi măng FICO Tây Ninh cần thiết lập hệ thống máy nghiền bi hoặc máy nghiền đứng riêng cho tro trấu để đạt độ mịn d50 dưới 7 $\mu$m trước khi phối trộn với xi măng nền OPC. Giải pháp này giúp tiết kiệm khoảng 12% đến 15% điện năng nghiền so với phương pháp nghiền chung clinker và phụ gia. Lộ trình thực hiện: Quý I – Quý II năm 2018.

2. Thương mại hóa dòng sản phẩm xi măng xanh PCB-Y15: Ban lãnh đạo và Khối Sản xuất Công ty Cổ phần Xi măng FICO Tây Ninh nên đưa cấp phối 15% RHA vào sản xuất thử nghiệm quy mô công nghiệp với sản lượng mục tiêu 30.000 tấn/năm. Sản phẩm hướng trực tiếp đến các nhà máy sản xuất gạch bê tông khí chưng áp (AAC) và vật liệu không nung tại khu vực phía Nam. Lộ trình thực hiện: 6 tháng cuối năm 2018.

3. Hợp tác kiểm soát nguồn phát thải tro trấu biomass: Phòng Thu mua Nguyên liệu cần liên kết với các nhà máy nhiệt điện sinh khối và cơ sở chế biến thực phẩm có lò đốt tầng sôi (duy trì nhiệt độ nung ổn định từ 500°C đến 600°C trong thời gian lưu dưới 2 giờ) nhằm thu gom nguồn tro trấu có hàm lượng mất khi nung thấp (dưới 3,0%). Thời gian triển khai: Giai đoạn 2018–2020.

4. Chuẩn hóa quy trình kiểm soát chất lượng bằng phương pháp độ dẫn điện: Phòng KCS và Quản lý Chất lượng cần ban hành tiêu chuẩn cơ sở sử dụng phương pháp đo độ dẫn điện $\Delta\sigma$ để kiểm tra nhanh hoạt tính puzolan của từng lô tro trấu nhập kho trong vòng 15 phút, đảm bảo chỉ số hoạt tính cường độ luôn đạt trên 85%. Thời gian áp dụng: Ngay trong vòng 30 ngày.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư công nghệ và Chuyên viên R&D ngành xi măng - bê tông: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về cấp phối, thời gian đông kết và tốc độ phát triển cường độ khi sử dụng tro trấu làm phụ gia khoáng hoạt tính cao, hỗ trợ tối ưu hóa tỷ lệ thay thế clinker trong sản xuất xi măng Poóc lăng hỗn hợp.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng không nung và bê tông nhẹ (AAC): Nắm bắt cơ chế sử dụng tro trấu có hàm lượng mất khi nung cao (khoảng 12%) làm nguyên liệu thay thế cát nghiền hoặc chất kết dính phụ trợ, giải quyết triệt để rủi ro ăn mòn cốt thép và hạ giá thành nguyên liệu đầu vào từ 10% đến 20%.

3. Giảng viên, Học viên cao học và Nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Vật liệu Silicat: Tài liệu tham khảo học thuật giá trị về ứng dụng các phương pháp phân tích hiện đại như XRD-Rietveld, XRF, SEM, BET và kỹ thuật đo độ dẫn điện để giải quyết bài toán biến tính cấu trúc vi mô của chất kết dính vô cơ.

4. Cơ quan quản lý môi trường và Doanh nghiệp phát triển năng lượng sinh khối (Biomass): Định hình chuỗi giá trị kinh tế tuần hoàn, chuyển hóa hàng triệu tấn phụ phẩm nông nghiệp trấu và tro trấu thành nguồn nguyên liệu công nghiệp xanh, đáp ứng tiêu chuẩn giảm phát thải khí nhà kính.

Câu hỏi thường gặp

Tro trấu có hàm lượng mất khi nung cao (khoảng 12%) có gây hại cho xi măng không? Hàm lượng mất khi nung cao chủ yếu do cacbon chưa cháy hết. Trong bê tông cốt thép truyền thống, lượng cacbon này có thể làm tăng lượng dùng phụ gia hóa học và gây nguy cơ ăn mòn điện hóa. Tuy nhiên, khi ứng dụng trong xi măng xây trát, bê tông không cốt thép hoặc sản xuất gạch bê tông khí chưng áp (AAC), hàm lượng tro trấu này hoàn toàn an toàn và mang lại hiệu quả kinh tế cao.

Tỷ lệ thay thế tro trấu tối ưu trong xi măng FICO là bao nhiêu? Tỷ lệ thay thế tối ưu là 10% đến 15% khối lượng. Tại tỷ lệ này, cường độ nén 28 ngày của xi măng đạt từ 48 đến 52 MPa (tương đương hoặc cao hơn mẫu OPC đối chứng từ 2% đến 5%), đồng thời cải thiện đáng kể độ bền sunfat và độ đặc chắc của cấu trúc đá xi măng.

Tại sao cần nghiền riêng tro trấu thay vì nghiền chung với clinker? Tro trấu có độ xốp cao và cấu trúc rỗng mao quản, độ cứng khác biệt lớn so với clinker. Nghiền riêng cho phép kiểm soát chính xác kích thước hạt trung bình d50 từ 5 đến 7 $\mu$m, phát huy tối đa diện tích bề mặt riêng và hoạt tính puzolan mà không làm lãng phí năng lượng nghiền clinker quá mịn.

Khả năng kháng sunfat của xi măng chứa tro trấu được cải thiện như thế nào? Nhờ phản ứng puzolanic, SiO2 hoạt tính trong tro trấu phản ứng với Ca(OH)2 tự do tạo thành gel C-S-H bền vững, làm giảm hơn 25% lượng portlandit dễ bị hòa tan. Điều này giúp ngăn chặn phản ứng tạo khoáng ettringit trương nở thể tích, giảm độ giãn nở sunfat từ 35% đến 50% sau 24 tuần ngâm thử nghiệm.

Nhiệt độ nung nào tạo ra tro trấu có hoạt tính puzolan cao nhất? Nhiệt độ nung tối ưu nằm trong khoảng 500°C đến 600°C với thời gian lưu từ 1 đến 2 giờ. Ở dải nhiệt độ này, hơn 90% hàm lượng silica tồn tại dưới dạng vô định hình có hoạt tính phản ứng mạnh nhất. Nếu nung vượt quá 700°C đến 800°C kéo dài, silica sẽ chuyển sang dạng tinh thể cristobalit và tridymit làm giảm mạnh hoạt tính thủy lực.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh tro trấu Cầu Tre là nguồn phụ gia khoáng hoạt tính puzolan chất lượng cao cho xi măng Poóc lăng hỗn hợp FICO.
• Chế độ nghiền mịn tối ưu giúp tro trấu đạt kích thước hạt d50 khoảng 5,0 đến 7,4 $\mu$m, cho hoạt tính puzolan vượt trội hơn các puzolan tự nhiên từ 15% đến 25%.
• Tỷ lệ cấp phối tối ưu 10%–15% RHA thay thế xi măng nền OPC đảm bảo cường độ nén 28 ngày đạt mác cao (trên 48 MPa) và tăng cường độ bền sunfat từ 35% đến 50%.
• Kỹ thuật phân tích XRD-Rietveld và đo độ dẫn điện đã làm sáng tỏ cơ chế tiêu thụ canxi hydroxit tự do để hình thành gel C-S-H đặc chắc trong 24 giờ đầu thủy hóa.
• Doanh nghiệp sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng cần sớm triển khai thử nghiệm công nghiệp cấp phối PCB-Y15, hoàn thiện công nghệ nghiền riêng biệt nhằm tối ưu hóa chi phí và thúc đẩy phát triển vật liệu xây dựng xanh bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Lời mở đầu 1. Lý do chọn đề tài Từ lâu, bê tông và xi măng là loại vật liệu xây dựng được sử dụng phổ biến và nhiều nhất trong các công trình xây dựng trên toàn cầu. Thông thường, bê tông được sản xuất bằng cách sử dụng xi măng Portland (OPC) làm chất kết dính. Nhằm đáp ứng sự phát triển và hoàn thiện cơ sở vật chất hạ tầng cho đời sống con người, nhu cầu sử dụng xi măng nói chung và xi măng OPC nói riêng trên thế giới ngày càng tăng.

Dự báo sản lượng xi măng thế giới đến 2050 - CEMBUREAU Để đưa xi măng Việt Nam trở thành một ngành công nghiệp mạnh, có công nghệ hiện đại, đủ sức cạnh tranh trên thị trường trong nước và quốc tế trong tiến trình hội nhập, sản phẩm không những phải đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật mà còn đảm bảo hiệu quả kinh tế. Trước tình hình này, xi măng Portland hỗn hợp là một trong số các chủng loại xi măng ra đời đáp ứng yêu cầu đó của thị trường. Do có khả năng thay thế một phần clinker bởi các phụ gia khoáng có thành phần hoạt tính như SiO2ht, Al2O3ht, Al2O3.2SiO2,… tham gia phản ứng với các sản phẩm thủy hóa của xi măng portland tạo ra gel CSH giúp cải thiện một số tính chất như độ bền nước và muối khoáng, nhiệt thủy hóa so với xi măng Portland thường. Hơn nữa, 1 trong những năm gần đây tiêu chí bảo vệ môi trường ngày càng được chú trọng nên việc sản xuất xi măng portland hỗn hợp luôn được quan tâm và sản lượng không ngừng tăng lên.

Lúa gạo là một loại lương thực quan trọng đối với nửa dân số thế giới, tuy diện tích trồng có biến động nhưng sản lượng luôn có xu hướng tăng trên phạm vi toàn cầu. Việt Nam là nước đứng thứ 5 thế giới về sản lượng, trong đó vùng đồng bằng sông Cửu Long chiếm 56% sản lượng lúa gạo cả nước. Sản lượng và diện tích trồng lúa thế giới 2006 - 2015 Theo số liệu thống kê cứ xay 1000kg lúa gạo thì khoảng 200kg vỏ trấu (20%) được tạo thành, và khi đốt trấu sinh ra 50kg (25%) tro. Như vậy bình quân hàng năm thế giới tạo ra khoảng 150 triệu tấn vỏ trấu, và lượng trấu của Việt Nam khoảng 8,94 triệu tấn (tương ứng 2,23 triệu tấn tro) chiếm khoảng 5,96% lượng trấu thế giới.

Hiện nay lượng trấu này vẫn chưa được tận dụng một cách hợp lý, một phần nhỏ vỏ trấu được đốt (làm nhiên liệu hoặc lấy tro bón phân) còn phần lớn đổ thẳng ra hệ thống kênh mương gây ô nhiễm môi trường. Vì thế cần tìm giải pháp xử lý hiệu quả vỏ trấu là một việc hết sức cấp bách và cần thiết. Từ yêu cầu thực tiễn này tôi chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hƣởng của tro trấu tới một số tính chất của Xi măng FICO”. Đối tƣợng nghiên cứu : Đối tượng nghiên cứu là tro trấu lấy từ nhà máy sản xuất thực phẩm Cầu Tre tại TP.

Hồ Chí Minh (Tro trấu Cầu tre), clinker pooclang nhà máy xi măng FiCO Tây Ninh, và thạch cao Thái Lan. Từ đó nghiên cứu : - Ảnh hưởng độ mịn của RHA đến hoạt tính puzolan của nó. - Ảnh hưởng của hàm lượng RHA thay thế đến tính chất xi măng - Ảnh hưởng của quá trình xử lí nhiệt (nung lại) RHA đến hoạt tính puzolan của RHA Cầu Tre 3. Phạm vi nghiên cứu : Phạm vi nghiên cứu trên quy mô phòng thí nghiệm tại nhà máy xi măng FiCO Tây Ninh.

Sử dụng phương pháp nghiền riêng, nghiền clinker và thạch cao thành xi măng nền OPC, sau đó nghiền RHA đến độ mịn tối ưu rồi trộn theo tỷ lệ để được các mẫu xi măng PCB dùng cho nghiên cứu 4. Mục tiêu nghiên cứu : • Nghiên cứu độ hoạt tính puzolane của RHA • Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng RHA đến các tính chất cơ lý mẫu xi măng FICO có chứa RHA • Xác định tỷ lệ tối ưu cấp phối RHA trong sản xuất xi măng FICO • Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon trong tro trấu đến các tính chất cơ lý của xi măng chứa tro trấu 5. Phƣơng pháp nghiên cứu : – Xác định thành phần hạt tro trấu: Tán xạ laser và phương pháp BET – Xác định độ hoạt tính : TCVN6882:2001 – Xác định độ hoạt tính bằng phương pháp đo độ dẫn điện – Xác định thành phần hóa các loại nguyên liệu : TCVN141:2008 – Phân tích quá trình thủy hóa : Phương pháp XRD-Rietveld – Xác định độ dẻo tiêu chuẩn và thời gian đông kết : TCVN 6017:2015 – Xác định Cường độ bền nén theo TCVN 6016:2011 3 Chƣơng 1 – Tổng quan 1. Khái niệm về Xi măng Xi măng portland là chất kết dính thủy lực ở dạng bột mịn, khi trộn với nước thành dạng hồ dẻo, có tính kết dính, có khả năng đóng rắn trong môi trường không khí và trong nước.

Xi măng trên nền clinker xi măng portland được chế tạo bằng cách nung đến “kết khối” hỗn hợp phối liệu đã được nghiền mịn và đồng nhất gồm: thành phần chính là đá vôi, đất sét và một vài phụ gia điều chỉnh khác) tạo thành clinker. Sau đó clinker tiếp tục được nghiền mịn với hàm lượng nhỏ thạch cao cùng với phụ gia khoáng (có hoặc không) tạo thành các loại xi măng khác nhau, ký hiệu như sau: Bảng 1. Tên gọi và ký hiệu quy ước đối với các loại xi măng portland [1] Tên loại ximăng Portland Ký hiệu quy ƣớc 1\ Xi măng portland không có phụ gia khoáng a\ Xi măng portland PC b\ Xi măng portland bền sulfate PCSR c\ Xi măng giếng khoan dầu khí PCOW d\ Xi măng portland ít tỏa nhiệt PCLH e\ Xi măng portland trắng PCW 2\ Xi măng portland có phụ gia khoáng a\ Xi măng portland hỗn hợp PCB b\ Xi măng portland hỗn hợp bền sulfate PCBSR c\ Xi măng portland hỗn hợp ít tỏa nhiệt PCBLH d\ Xi măng portland puzolan PCBPZ e\ Xi măng portland xỉ lò cao PCBBFS f\ Xi măng portland tro bay PCBFA g\ Xi măng portland hỗn hợp trắng PCBW h\ Xi măng portland đá vôi PCBLS i\ Xi măng xây trát PCBM 4 1. Clinker xi măng portland 1.1 Thành phần hóa : Thành phần hóa học của clinker gồm có 4 oxyt chính CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 chiếm 95 - 97%.

Giới hạn hàm lượng các oxyt chính: CaO = 63 - 67% SiO2 = 21 - 24% Al2O3 = 4 - 8% Fe2O3 = 2 - 4% Ngoài ra trong clinker còn chứa một hàm lượng nhỏ các oxyt khác: MgO < 5%; TiO2 < 0.2 Thành phần khoáng : Clinker xi măng Portland không phải là sản phẩm đồng nhất, nó là tập hợp của nhiều khoáng khác nhau. Các khoáng C3S, C2S, C3A, C4AF chính xác chỉ tồn tại trong pha tinh khiết, nó không tồn tại trong clinker công nghiệp, những khoáng này thường tạo thành dung dịch rắn với các oxyt khác. Hình ảnh chụp vi cấu trúc các khoáng trong clinker  Khoáng C3S (3CaO.SiO2) - Tên gọi: tricanxi silicat hay alit - Thực tế là một dung dịch rắn gồm C3S và một lượng nhỏ MgO, Al2O3, P2O5, Cr2O5. - Công thức thực tế: C54S16AM (54CaO.MgO) 5 - Hàm lượng trong clinker chiếm 45 - 65%.

- Tính chất: + Cho mác cao, Đóng rắn nhanh, toả nhiệt lớn + Không bền trong môi trường nước, sulfate  Khoáng C2S (2CaO.SiO2) - Tên gọi: dicanxi silicat hay belit - Thực tế là một dung dịch rắn trong đó C2S lớn nhất, ngoài ra còn có Cr2O3, Al2O3, Fe2O3… với hàm lượng nhỏ khoảng 1 - 3%. - Hàm lượng trong clinker chiếm 20 - 30%. - Tính chất: + Cho mác thấp hơn C3S + Đóng rắn tương đối chậm, toả nhiệt nhỏ hơn C3S + Tương đối bền trong môi trường nước, sunfat  Chất trung gian (chất đệm) Chất trung gian nằm giữa các tinh thể alit và belit, thành phần của nó chủ yếu được tạo thành từ các khoángtricanxiumaluminat C3A, alumoferitcanxi C2ApF1-pvà pha thủy tinh clinker.  Khoáng C3A (3CaO.Al2O3) - Tên gọi: tricanxi aluminat - Hàm lượng chiếm 5 - 15%, thực tế trong clinker thường< 10%.

- Tính chất: + Đóng rắn nhanh, Lượng nhiệt toả ra lớn hơn C2S + Cho mác cao hơn C2S + Không bền trong môi trường nước, sunfat  Khoáng C4AF (4CaO.Fe2O3) - Tên gọi: alumoferitcanxi - Hàm lượng: 5 – 15%. - Tính chất: 6 + Là khoáng nặng nhất trong 4 khoáng + Đóng rắn chậm hơn C2S, Tỏa nhiệt ít hơn C2S + Cho mác thấp nhất , Bền trong môi trường nước, sunfat  Thủy tinh clinker Là chất trung gian trong clinker Portland được tạo thành do quá trình làm lạnh pha lỏng trong clinker. Hàm lượng pha thủy tinh clinker phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ làm lạnh, nó chứa một lượng lớn Al2O3, Fe2O3, ngoài ra còn lượng nhỏ CaO, MgO. Tuy nhiên những nghiên cứu gần đây cho thấy pha nóng chảy không chuyển thành pha thủy tinh mà là các vi tinh thể, do pha nóng chảy của clinker chỉ chứa một hàm lượng nhỏ SiO2 và lại có mặt Fe2O3 nên nó dễ dàng kết tinh thành tinh thể.

 CaO tự do Trong clinker chỉ cho phép khoảng 0,5 - 1%, nếu hàm lượng cao hơn sẽ ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Vôi tự do tạo thành là do quá trình nung khi đó nó không liên kết hoàn toàn với các oxyt khác, hoặc là do trong quá trình làm lạnh có sự phân hủy một phần của khoáng C3S hay C3A.  MgO Nên khống chế hàm lượng MgO < 5%, vì có thể tồn tại ở dạng tinh thể periklaz (hàm lượng và kích thước phụ thuộc rất lớn vào tốc độ làm lạnh của clinker). Periklaz hydrat rất chậm (chậm hơn cả CaO tự do) trong quá trình đóng rắn của xi măng dễ gây giản nở thể tích dẫn đến phá hủy cấu trúc đá xi măng.

Phụ gia khoáng 1. Phụ gia khoáng cho xi măng và chất lượng của chúng Vật liệu vô cơ thiên nhiên hoặc nhân tạo pha vào xi măng ở dạng nghiền mịn để đạt được chỉ tiêu chất lượng yêu cầu và không gây ảnh hưởng xấu đến tính chất của xi măng, bê tông và cốt thép [2]. Phụ gia khoáng được chia làm hai loại: phụ gia đầy và phụ gia khoáng hoạt tính. Sự khác nhau cơ bản của hai loại phụ gia này chính là chỉ số hoạt tính: tỷ số 7 mác (Rnén) của mẫu xi măng pha phụ gia với mác (Rnén) của mẫu xi măng không pha phụ gia [xi măng PC: (95% - 97%) clinker + (3% - 5%) thạch cao thiên nhiên].

Hiện nay đánh giá chất lượng phụ gia thường thiên về sử dụng chỉ số hoạt tính, vì đánh giá chất lượng phụ gia theo độ hút vôi, mức độ chính xác thấp hơn. Lý do khả năng hút vôi của phụ gia có hai phần: phần hấp thụ vật lý thuần túy vào mao quản, lỗ rỗng của các hạt phụ gia và phần phản ứng hóa học.