Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế và đô thị hóa nhanh chóng, nhu cầu sử dụng vật liệu xây dựng, đặc biệt là xi măng, ngày càng tăng cao. Xi măng pooc lăng là loại vật liệu không thể thiếu trong các công trình xây dựng hiện đại. Tuy nhiên, nguồn nguyên liệu truyền thống như đá vôi có hàm lượng MgO thấp đang dần cạn kiệt, đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nghiên cứu và tận dụng các nguồn nguyên liệu thay thế, trong đó có đá vôi giàu MgO. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6072:2013, hàm lượng MgCO3 trong đá vôi dùng sản xuất clanhker xi măng pooc lăng phải nhỏ hơn 7%, tương đương MgO dưới 3,3%, nhằm hạn chế sự hình thành periclase – khoáng MgO tự do gây giãn nở thể tích và làm giảm chất lượng xi măng.

Đá vôi khai thác tại mỏ Sroc Con Trăn, Nhà máy Xi măng Tây Ninh, có hàm lượng MgO trung bình khoảng 2,4%, với một số vỉa đá vượt ngưỡng 3%, gây khó khăn trong phân loại và tăng chi phí sản xuất. Luận văn tập trung nghiên cứu sử dụng đá vôi giàu MgO trong sản xuất clanhker xi măng pooc lăng nhằm tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu sẵn có, giảm chi phí và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Mục tiêu chính là xác định giới hạn sử dụng đá vôi giàu MgO trong phối liệu clanhker, khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng và độ mịn phối liệu đến khả năng nung và thành phần khoáng clanhker.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các phối liệu clanhker có hàm lượng MgO khoảng 4%, 5%, 6%, với độ sót sàng 90µm lần lượt là 4% và 12%, tương ứng với điều kiện thực tế và cải tiến tại Nhà máy. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu, giảm lãng phí tài nguyên và chi phí năng lượng, đồng thời góp phần nâng cao chất lượng clanhker xi măng pooc lăng trong ngành vật liệu xây dựng Việt Nam.

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 thành phần khoáng và hóa học của clanhker xi măng pooc lăng, đặc biệt tập trung vào vai trò của MgO trong phối liệu và ảnh hưởng của nó đến tính chất vật liệu. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết về thành phần khoáng clanhker: Clanhker gồm các pha khoáng chính như alit (C3S), belit (C2S), aluminat (C3A) và ferrit (C4AF). MgO có thể tồn tại dưới dạng dung dịch rắn hòa tan trong các pha khoáng hoặc dưới dạng periclase (MgO tự do), ảnh hưởng đến độ ổn định thể tích và cường độ xi măng.

  2. Mô hình ảnh hưởng của MgO đến độ ổn định thể tích xi măng: MgO tự do kết tinh thành periclase có khả năng thủy hóa chậm, gây giãn nở thể tích muộn, làm giảm độ bền và gây nứt vỡ cấu kiện bê tông. Tỷ lệ MgO/Fe2O3 trong phối liệu được sử dụng làm chỉ số kiểm soát độ ổn định thể tích, với ngưỡng an toàn dưới 1,4.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: periclase, CaO tự do, hệ số bão hòa vôi (LSF), module silicat (SR), module aluminat (AR), độ mịn phối liệu, độ nở autoclave, và các pha khoáng M3-alit, M1-alit.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ nguyên liệu đá vôi khai thác tại mỏ Sroc Con Trăn, đất sét, laterite và tro than của Nhà máy Xi măng Tây Ninh. Các mẫu đá vôi có hàm lượng MgO từ 1,47% đến 6,45% được lựa chọn để tạo phối liệu clanhker với hàm lượng MgO mục tiêu 4%, 5%, 6%. Phối liệu được thiết kế với hệ số bão hòa vôi LSF = 95,5 và tỷ lệ MgO/Fe2O3 = 1,35.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích hóa học theo TCVN 9191:2012 và TCVN 141:2008 để xác định thành phần oxit trong nguyên liệu và clanhker.
  • Xác định MgO tự do và CaO tự do bằng phương pháp phi tiêu chuẩn.
  • Đánh giá độ mịn phối liệu qua sàng 90µm với độ sót sàng 4% và 12%.
  • Thí nghiệm nung phối liệu ở các nhiệt độ 1400ºC, 1450ºC và 1500ºC, thời gian lưu 30 phút, làm lạnh nhanh để hạn chế sự kết tinh periclase lớn.
  • Phân tích thành phần khoáng clanhker bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD).
  • Đo độ nở autoclave để đánh giá độ ổn định thể tích clanhker.
  • Sử dụng công cụ Solver trong Excel để tính toán phối liệu tối ưu có lẫn tro than, đảm bảo các chỉ tiêu LSF, M/F.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2017, bao gồm giai đoạn thu thập mẫu, phân tích hóa học, thí nghiệm nung, phân tích khoáng và đánh giá tính chất vật liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hàm lượng MgO và độ mịn phối liệu đến khả năng nghiền đá vôi: Thời gian nghiền tăng từ 20 đến 50 giây làm giảm lượng cặn đá vôi trên sàng 45µm từ khoảng 12% xuống còn 4%, giúp phân bố MgO đồng đều hơn trong phối liệu. Hàm lượng MgO trong cặn đá vôi giảm từ 6,65% xuống còn khoảng 4,0% khi tăng độ mịn phối liệu.

  2. Ảnh hưởng của hàm lượng MgO trong phối liệu đến thành phần khoáng clanhker: Khi hàm lượng MgO tăng từ 4% đến 6%, hàm lượng periclase trong clanhker tăng từ khoảng 0,5% lên đến 3,5%, đồng thời hàm lượng vôi tự do giảm nhẹ từ 0,72% xuống 0,47%. Độ nở autoclave của clanhker vẫn nằm trong giới hạn an toàn dưới 0,23%, thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn 0,8%.

  3. Ảnh hưởng của độ mịn phối liệu đến thành phần khoáng và cường độ clanhker: Phối liệu có độ sót sàng 4% (mịn hơn) cho thấy hàm lượng periclase thấp hơn khoảng 30% so với phối liệu có độ sót sàng 12%. Cường độ nén clanhker sau 28 ngày đạt từ 45 đến 52 MPa, tăng khoảng 10% so với phối liệu thô hơn.

  4. Tác động của tỷ lệ MgO/Fe2O3 và hệ số bão hòa vôi (LSF): Giữ tỷ lệ MgO/Fe2O3 ở mức 1,35 và LSF = 95,5 giúp hạn chế sự giãn nở thể tích do MgO, đồng thời duy trì cường độ và độ ổn định của clanhker. Nhiệt độ nung 1450ºC là điều kiện tối ưu để tạo thành khoáng alit M3 và giảm lượng periclase.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng đá vôi giàu MgO trong phối liệu clanhker là khả thi nếu kiểm soát tốt hàm lượng MgO, độ mịn phối liệu và tỷ lệ MgO/Fe2O3. Độ mịn phối liệu đóng vai trò quan trọng trong việc phân tán MgO, hạn chế sự kết tụ periclase lớn gây giãn nở thể tích. Nhiệt độ nung và tốc độ làm lạnh nhanh giúp giảm kích thước tinh thể periclase, tăng tính ổn định thể tích.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của Zang và Schoon về ảnh hưởng của MgO đến thành phần khoáng và độ nở autoclave. Việc giữ tỷ lệ MgO/Fe2O3 dưới 1,4 là biện pháp hiệu quả để kiểm soát độ giãn nở. Ngoài ra, bổ sung tro bay cũng được khuyến nghị để giảm độ giãn nở và tăng cường độ xi măng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng MgO trong phối liệu và lượng periclase trong clanhker, biểu đồ so sánh độ nở autoclave giữa các mẫu phối liệu khác nhau, và bảng tổng hợp cường độ nén clanhker theo thời gian bảo dưỡng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Kiểm soát hàm lượng MgO trong phối liệu clanhker: Đề nghị duy trì hàm lượng MgO trong phối liệu từ 4% đến 6%, kết hợp tỷ lệ MgO/Fe2O3 khoảng 1,35 để đảm bảo độ ổn định thể tích và chất lượng clanhker. Thời gian áp dụng: ngay lập tức, chủ thể: bộ phận kỹ thuật phối liệu Nhà máy.

  2. Tăng cường độ mịn phối liệu: Nghiên cứu và áp dụng quy trình nghiền phối liệu đạt độ sót sàng 4% thay vì 12% hiện tại nhằm giảm kích thước và phân bố đồng đều MgO, hạn chế periclase lớn. Thời gian: 6 tháng, chủ thể: phòng sản xuất và bảo trì thiết bị.

  3. Áp dụng quy trình nung và làm lạnh nhanh: Thiết lập chế độ nung clanhker ở nhiệt độ 1450ºC với thời gian lưu 30 phút và làm lạnh nhanh để giảm kích thước tinh thể periclase, nâng cao độ ổn định thể tích. Thời gian: 3 tháng, chủ thể: phòng vận hành lò nung.

  4. Sử dụng phụ gia tro bay trong phối liệu: Bổ sung tro bay với hàm lượng từ 10% trở lên để giảm độ giãn nở autoclave và tăng cường độ xi măng. Thời gian: 1 năm, chủ thể: phòng nghiên cứu phát triển sản phẩm.

  5. Theo dõi và đánh giá chất lượng clanhker định kỳ: Thực hiện kiểm tra định kỳ hàm lượng MgO tự do, CaO tự do và độ nở autoclave để đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định theo tiêu chuẩn. Thời gian: liên tục, chủ thể: phòng kiểm soát chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất xi măng và clanhker: Giúp tối ưu hóa phối liệu sử dụng nguyên liệu đá vôi giàu MgO, giảm chi phí nguyên liệu và năng lượng, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Các kỹ sư vật liệu xây dựng và nghiên cứu phát triển: Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm về ảnh hưởng của MgO đến tính chất clanhker, hỗ trợ phát triển vật liệu mới.

  3. Cơ quan quản lý và xây dựng tiêu chuẩn ngành: Tham khảo để điều chỉnh tiêu chuẩn về hàm lượng MgO trong nguyên liệu và sản phẩm xi măng, đảm bảo an toàn và hiệu quả công trình.

  4. Các trường đại học và viện nghiên cứu chuyên ngành kỹ thuật hóa học, vật liệu xây dựng: Là tài liệu tham khảo cho sinh viên, nghiên cứu sinh và giảng viên trong lĩnh vực công nghệ xi măng và vật liệu xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hàm lượng MgO trong đá vôi lại ảnh hưởng đến chất lượng clanhker?
    MgO trong đá vôi khi vượt quá ngưỡng cho phép sẽ kết tinh thành periclase trong clanhker, gây giãn nở thể tích muộn do thủy hóa chậm, làm giảm độ bền và gây nứt vỡ bê tông. Kiểm soát hàm lượng MgO giúp đảm bảo độ ổn định thể tích và chất lượng xi măng.

  2. Độ mịn phối liệu ảnh hưởng như thế nào đến sự hình thành periclase?
    Độ mịn cao giúp phân tán MgO đồng đều, hạn chế sự kết tụ periclase lớn. Các hạt mịn có diện tích bề mặt lớn hơn, tăng tốc độ phản ứng và giảm kích thước tinh thể periclase, từ đó giảm giãn nở thể tích.

  3. Tỷ lệ MgO/Fe2O3 trong phối liệu có vai trò gì?
    Tỷ lệ này được dùng làm chỉ số kiểm soát độ ổn định thể tích clanhker. Khi tỷ lệ dưới 1,4, độ giãn nở autoclave thấp, clanhker ổn định hơn. Tỷ lệ cao hơn dẫn đến nguy cơ giãn nở lớn, ảnh hưởng xấu đến cấu kiện bê tông.

  4. Nhiệt độ nung và thời gian lưu ảnh hưởng thế nào đến thành phần khoáng?
    Nhiệt độ nung khoảng 1450ºC và thời gian lưu 30 phút là điều kiện tối ưu để hình thành khoáng alit M3, giảm lượng periclase và vôi tự do, giúp clanhker có cường độ cao và ổn định thể tích.

  5. Có thể sử dụng đá vôi giàu MgO mà không ảnh hưởng đến chất lượng xi măng không?
    Có thể, nếu kiểm soát tốt hàm lượng MgO, độ mịn phối liệu, tỷ lệ MgO/Fe2O3 và áp dụng quy trình nung, làm lạnh phù hợp. Việc bổ sung tro bay cũng giúp giảm tác động tiêu cực của MgO tự do.

Kết luận

  • Đá vôi giàu MgO có thể được sử dụng trong sản xuất clanhker xi măng pooc lăng nếu kiểm soát hàm lượng MgO trong phối liệu từ 4% đến 6% và tỷ lệ MgO/Fe2O3 khoảng 1,35.
  • Độ mịn phối liệu ảnh hưởng lớn đến sự phân bố MgO và lượng periclase, phối liệu mịn hơn giúp giảm giãn nở thể tích và tăng cường độ clanhker.
  • Nhiệt độ nung 1450ºC với thời gian lưu 30 phút và làm lạnh nhanh là điều kiện tối ưu để tạo thành khoáng alit M3 và hạn chế periclase lớn.
  • Bổ sung tro bay từ 10% trở lên giúp giảm độ giãn nở autoclave và tăng cường độ xi măng.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng quy trình nghiền phối liệu mịn, kiểm soát tỷ lệ phối liệu và đánh giá chất lượng clanhker định kỳ để đảm bảo sản phẩm ổn định và hiệu quả.

Khuyến nghị các nhà máy xi măng và đơn vị nghiên cứu tiếp tục phát triển và ứng dụng các giải pháp trên nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng vật liệu xây dựng.