Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp xi măng đóng vai trò quan trọng trong phát triển xây dựng, đặc biệt tại Việt Nam – một quốc gia đang phát triển với nhu cầu xây dựng lớn. Theo Hiệp hội Xi măng Đông Nam Á, sản lượng xi măng của Việt Nam tăng trưởng mạnh, góp phần cung cấp các chủng loại xi măng chuyên dụng như MC25 dùng cho xây trát và vữa xây gạch bê tông nhẹ. Đồng thời, Việt Nam hiện có 19 nhà máy nhiệt điện than với tổng công suất 14.480 MW, thải ra khoảng 15 triệu tấn tro, xỉ mỗi năm, trong đó tro bay chiếm khoảng 75%. Dự kiến đến năm 2030, số nhà máy nhiệt điện than sẽ tăng lên 43 với công suất 39.020 MW, lượng tro xỉ thải ra hơn 30 triệu tấn/năm. Tro bay được sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhưng việc ứng dụng tro bay trong sản xuất vữa xây còn hạn chế.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo xi măng xây trát MC25 dựa trên clinker xi măng VICEM Bút Sơn kết hợp với tro bay nhiệt điện Hải Phòng và phụ gia khoáng đá vôi trắng từ mỏ Hồng Sơn. Mục tiêu chính là xác định hàm lượng thạch cao tối ưu, tăng tỷ lệ tro bay trong xi măng MC25 và khảo sát tính chất vữa xây cho gạch bê tông nhẹ theo tiêu chuẩn TCVN 9028:2011. Nghiên cứu thực hiện trong phạm vi nguyên liệu và sản phẩm tại Việt Nam, với các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia và quốc tế làm cơ sở đánh giá. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, tiết kiệm tài nguyên và nâng cao chất lượng sản phẩm xi măng xây trát chuyên dụng.

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:

  • Quá trình thủy hóa xi măng pooclăng: Phản ứng thủy hóa của các khoáng chính trong clinker gồm C3S, C2S, C3A, C4AF tạo thành các sản phẩm kết dính như gel C-S-H, Ca(OH)2, Ettringite, monosunfoaluminat. Thời gian và tốc độ thủy hóa ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của xi măng.

  • Vai trò của phụ gia khoáng: Thạch cao điều chỉnh thời gian đông kết, phụ gia đá vôi (CaCO3) thúc đẩy sự hydrat hóa C3S và tạo các hợp chất cacbonat aluminat, tro bay có hoạt tính puzôlan cải thiện cấu trúc vi mô và tăng cường độ bền.

  • Tiêu chuẩn kỹ thuật xi măng xây trát MC25 và vữa xây gạch bê tông nhẹ: Áp dụng TCVN 9202:2012 cho xi măng MC25 và TCVN 9028:2011 cho vữa xây, quy định các chỉ tiêu về cường độ, độ mịn, thời gian đông kết, khả năng giữ nước, độ dẻo và độ bám dính.

Các khái niệm chính bao gồm: clinker xi măng pooclăng, phụ gia khoáng hoạt tính, thạch cao, tro bay nhiệt điện, vữa xây mạch mỏng, bê tông khí chưng áp (AAC).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu clinker VICEM Bút Sơn, phụ gia khoáng đá vôi mỏ Hồng Sơn, tro bay nhiệt điện Hải Phòng, thạch cao thiên nhiên Thái Lan, cát vàng Sông Lô.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Phân tích thành phần hóa học bằng phương pháp chuẩn theo TCVN, xác định độ mịn bằng sàng và Blaine, đo thời gian đông kết, độ dẻo tiêu chuẩn, cường độ nén và uốn theo TCVN 6016:2011, TCVN 6017:2015. Quan sát cấu trúc vi mô bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).

  • Timeline nghiên cứu: Tiến hành gia công nguyên liệu, phối trộn các cấp phối xi măng MC25 với tỷ lệ thạch cao và tro bay khác nhau, khảo sát tính chất cơ lý ở các ngày tuổi 1, 3, 7, 28. Thử nghiệm vữa xây cho gạch bê tông nhẹ theo tiêu chuẩn quốc gia. So sánh kết quả giữa xi măng MC25 công nghiệp và MC25* nghiên cứu.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi cấp phối được thử nghiệm ít nhất 3 mẫu để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy. Các mẫu vữa xây được chuẩn bị theo tỷ lệ khối lượng xi măng/cát/nước phù hợp với tiêu chuẩn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hàm lượng thạch cao tối ưu trong xi măng MC25: Khảo sát 3 cấp phối với thạch cao 2%, 2,5%, 3% cho thấy cấp phối với 2% thạch cao (TC2,0) có khả năng giữ nước cao nhất (80,19%), thời gian đông kết hợp lý (bắt đầu 130 phút, kết thúc 26 phút), cường độ nén 28 ngày đạt 25,05 MPa, tương đương các cấp phối khác.

  2. Tỷ lệ tro bay tối ưu trong xi măng MC25*: Khi tăng tỷ lệ tro bay từ 5% đến 20%, cấp phối FA12,5 (tro bay 12,5%, đá vôi 29%) cho kết quả tốt nhất với độ mịn Blaine 5097 cm2/g, độ giữ nước 81,09%, cường độ nén 28 ngày đạt 25,59 MPa, thời gian đông kết phù hợp (bắt đầu 130,5 phút, kết thúc 26,1 phút).

  3. So sánh MC25 công nghiệp và MC25 nghiên cứu*: MC25* có thời gian đông kết sớm hơn (bắt đầu 15,6 phút so với 20,97 phút), cường độ nén 28 ngày tương đương (25,59 MPa so với 25,95 MPa). SEM cho thấy MC25* có cấu trúc vi mô đặc chắc hơn, tinh thể mịn hơn, ít vi nứt so với MC25 công nghiệp.

  4. Tính chất vữa xây cho gạch bê tông nhẹ: Vữa chế tạo từ MC25* có độ lưu động 195 mm, khả năng giữ độ lưu động 93,5%, cường độ nén 28 ngày đạt 8,5 MPa, thời gian bắt đầu đông kết 200 phút, phù hợp tiêu chuẩn TCVN 9028:2011 và tốt hơn vữa từ MC25 công nghiệp.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng thạch cao với hàm lượng 2% là tối ưu để điều chỉnh thời gian đông kết và giữ nước cho xi măng MC25, phù hợp với yêu cầu thi công xây trát. Tăng tỷ lệ tro bay đến 12,5% trong MC25* không làm giảm cường độ mà còn cải thiện cấu trúc vi mô nhờ hoạt tính puzôlan và hiệu ứng lấp đầy vi rỗng, đồng thời tăng độ linh động của vữa xây.

So sánh với MC25 công nghiệp, MC25* có thời gian đông kết sớm hơn, phù hợp với tiến độ thi công nhanh, đồng thời cấu trúc vi mô đặc chắc hơn giúp tăng độ bền và giảm nguy cơ nứt do Ettringite muộn. Kết quả vữa xây từ MC25* cho thấy khả năng thi công tốt hơn, độ bám dính và cường độ đáp ứng tiêu chuẩn, phù hợp cho gạch bê tông nhẹ AAC.

Các kết quả này tương đồng với nghiên cứu trong ngành xi măng về vai trò của phụ gia khoáng hoạt tính, đặc biệt là tro bay và đá vôi siêu mịn trong cải thiện tính chất cơ lý và thủy hóa xi măng. Biểu đồ cường độ nén theo ngày tuổi và hình ảnh SEM minh họa rõ sự phát triển cấu trúc và độ bền của các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa hàm lượng thạch cao và tro bay trong sản xuất MC25: Áp dụng hàm lượng thạch cao khoảng 2% và tro bay 12,5% trong phối liệu xi măng xây trát MC25 để nâng cao chất lượng sản phẩm, đảm bảo thời gian đông kết và cường độ phù hợp. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: Nhà máy xi măng, phòng nghiên cứu phát triển.

  2. Nâng cao công nghệ nghiền và phối trộn nguyên liệu: Đầu tư thiết bị nghiền bi hiện đại để đạt độ mịn yêu cầu, đồng thời kiểm soát tỷ lệ phối trộn đá vôi và tro bay nhằm tối ưu hóa hoạt tính và tính đồng nhất của xi măng. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: Nhà máy xi măng, kỹ thuật sản xuất.

  3. Phát triển vữa xây mạch mỏng chuyên dụng cho gạch bê tông nhẹ: Sử dụng MC25* trong sản xuất vữa xây mạch mỏng, tăng cường khả năng giữ nước, độ dẻo và cường độ bám dính, phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 9028:2011. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: Các công ty vật liệu xây dựng, nhà thầu xây dựng.

  4. Nghiên cứu sâu về độ bền lâu dài và tính năng chống thấm: Tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của tro bay và đá vôi đến độ bền cơ học và khả năng chống thấm của xi măng và vữa xây trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Thời gian: 12-18 tháng. Chủ thể: Viện nghiên cứu vật liệu xây dựng, trường đại học.

  5. Đẩy mạnh ứng dụng tro bay nhiệt điện chưa tuyển trong sản xuất xi măng: Khai thác nguồn tro bay nhiệt điện dồi dào tại Việt Nam, giảm chi phí nguyên liệu và bảo vệ môi trường, đồng thời nâng cao chất lượng xi măng xây trát. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: Bộ Công Thương, các nhà máy nhiệt điện và xi măng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng: Nghiên cứu giúp cải tiến công nghệ sản xuất xi măng xây trát MC25, tối ưu hóa nguyên liệu phụ gia, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí.

  2. Các nhà thầu xây dựng và kỹ sư công trình: Hiểu rõ tính chất và ứng dụng của xi măng MC25* trong thi công xây trát và vữa xây gạch bê tông nhẹ, từ đó lựa chọn vật liệu phù hợp, đảm bảo chất lượng công trình.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, vật liệu xây dựng: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về cơ chế thủy hóa xi măng, vai trò của phụ gia khoáng, phương pháp phân tích và đánh giá tính chất vật liệu.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách ngành xây dựng: Tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật, chính sách phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, thúc đẩy sử dụng phế thải công nghiệp như tro bay.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần sử dụng tro bay trong sản xuất xi măng xây trát MC25?
    Tro bay có hoạt tính puzôlan giúp cải thiện cấu trúc vi mô, tăng cường độ bền và khả năng chống thấm của xi măng. Ngoài ra, tro bay còn giúp giảm lượng Ca(OH)2 dễ hòa tan, hạn chế ăn mòn và tăng tính công tác của vữa.

  2. Hàm lượng thạch cao tối ưu trong xi măng MC25 là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy hàm lượng thạch cao khoảng 2% là tối ưu, giúp điều chỉnh thời gian đông kết phù hợp, tăng khả năng giữ nước và đảm bảo cường độ nén theo tiêu chuẩn.

  3. MC25 khác gì so với MC25 sản xuất công nghiệp hiện nay?*
    MC25* có tỷ lệ tro bay cao hơn (12,5% so với 3-5%), thời gian đông kết sớm hơn, cấu trúc vi mô đặc chắc hơn và cường độ phát triển nhanh hơn, phù hợp với yêu cầu thi công nhanh và chất lượng cao.

  4. Vữa xây từ MC25 có phù hợp cho gạch bê tông nhẹ AAC không?*
    Kết quả thử nghiệm cho thấy vữa xây từ MC25* đáp ứng các chỉ tiêu về độ lưu động, khả năng giữ độ lưu động, cường độ nén và bám dính theo tiêu chuẩn TCVN 9028:2011, phù hợp cho xây dựng với gạch bê tông nhẹ AAC.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng xi măng MC25 trong sản xuất?*
    Cần kiểm tra các chỉ tiêu như độ mịn (Blaine, sàng), thời gian đông kết, độ dẻo tiêu chuẩn, cường độ nén ở các ngày tuổi theo tiêu chuẩn TCVN. Đồng thời kiểm soát tỷ lệ phối trộn nguyên liệu và quy trình nghiền phối trộn để đảm bảo tính đồng nhất.

Kết luận

  • Đã nghiên cứu và xác định được hàm lượng thạch cao tối ưu khoảng 2% và tỷ lệ tro bay nhiệt điện 12,5% trong phối liệu xi măng xây trát MC25*.
  • MC25* có thời gian đông kết sớm hơn, cấu trúc vi mô đặc chắc và cường độ phát triển nhanh, phù hợp với yêu cầu thi công xây trát và vữa xây gạch bê tông nhẹ.
  • Vữa xây từ MC25* đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ lưu động, giữ nước, cường độ nén và bám dính theo TCVN 9028:2011.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng phế thải công nghiệp tro bay, giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu sâu về độ bền lâu dài, tính năng chống thấm và hoàn thiện công nghệ sản xuất MC25* để ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng.

Hành động tiếp theo: Áp dụng phối liệu MC25* trong sản xuất thử nghiệm quy mô công nghiệp, đồng thời triển khai nghiên cứu mở rộng về tính năng và ứng dụng trong các công trình xây dựng hiện đại.