Luận văn thạc sĩ kỹ thuật vật liệu sử dụng đất sét nung có hoạt tính pozzolanic để thay thế một phần clinker trong xi măng giảm phát thải co2

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật vật liệu sử dụng đất sét nung có hoạt tính pozzolanic để thay thế một phần clinker trong, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Đôn Tín
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Trung Kiên
• Trường học: Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
• Đề tài: Sử dụng đất sét nung có hoạt tính pozzolanic để thay thế một phần clinker trong xi măng, giảm phát thải CO2
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng đất sét nung có hoạt tính pozzolanic để thay thế một phần clinker trong sản xuất xi măng, nhằm mục đích giảm phát thải CO2. Ngành công nghiệp xi măng hiện đang đối mặt với áp lực lớn về việc giảm lượng khí thải carbon, với ước tính rằng phát thải CO2 từ ngành này chiếm khoảng 27% tổng phát thải toàn cầu. Việc thay thế clinker bằng các vật liệu bổ sung như đất sét nung không chỉ giúp giảm lượng khí thải mà còn có thể giảm chi phí sản xuất. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng đất sét nung có hàm lượng kaolinite thấp vẫn có thể đạt được hoạt tính pozzolanic tốt, từ đó mở ra cơ hội cho việc ứng dụng trong sản xuất xi măng bền vững.

II. Tình hình nghiên cứu ứng dụng đất sét nung trên thế giới

Trên thế giới, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra tiềm năng của đất sét nung trong việc thay thế clinker. Việc sử dụng đất sét nung có kaolinite >40% đã được áp dụng thành công trong sản xuất xi măng LC3 (Limestone Calcined Clay Cement). Tuy nhiên, nghiên cứu gần đây cũng đã chỉ ra rằng đất sét nung có kaolinite <40% vẫn có thể có hoạt tính pozzolanic và khả năng kết dính tốt. Điều này mở rộng khả năng ứng dụng cho các nguồn nguyên liệu sẵn có, giảm sự phụ thuộc vào các vật liệu truyền thống như tro bay và xỉ hạt lò cao. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng đất sét nung không chỉ giúp giảm phát thải CO2 mà còn cải thiện hiệu quả kinh tế trong sản xuất xi măng.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện thông qua việc chuẩn bị mẫu đất sét nung tại các nhiệt độ khác nhau (600, 700, 800 và 900 độ C). Các mẫu sau khi nung sẽ được phân tích bằng các phương pháp hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), và phân tích nhiệt vi sai (DTA) để đánh giá cấu trúc và hoạt tính pozzolanic. Sau đó, các mẫu đất sét nung sẽ được trộn với xi măng OPC theo tỷ lệ 20:80 để xác định cường độ nén và chỉ số hoạt tính cường độ ở các thời điểm 1, 3, 7 và 28 ngày. Phương pháp Frattini cũng được sử dụng để xác định hoạt tính pozzolanic của các mẫu đất sét nung.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả phân tích cho thấy rằng đất sét nung ở nhiệt độ 900 độ C có hoạt tính pozzolanic cao nhất, đạt khoảng 96% so với xi măng OPC sau 28 ngày. Điều này chứng tỏ rằng đất sét nung có thể trở thành một lựa chọn khả thi cho việc thay thế clinker trong sản xuất xi măng, không chỉ giúp giảm phát thải CO2 mà còn cải thiện tính năng cơ học của sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng đất sét nung còn giúp giảm chi phí sản xuất xi măng, đặc biệt trong bối cảnh nguồn cung các vật liệu truyền thống đang ngày càng khan hiếm.

V. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh rằng việc sử dụng đất sét nung có hoạt tính pozzolanic để thay thế một phần clinker trong sản xuất xi măng là một giải pháp hiệu quả để giảm phát thải CO2. Điều này không chỉ mang lại lợi ích về môi trường mà còn có tiềm năng lớn trong việc giảm chi phí sản xuất. Các nhà máy xi măng nên xem xét việc áp dụng công nghệ này trong quá trình sản xuất, đồng thời tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa tỷ lệ thay thế và cải thiện chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp xi măng đóng góp khoảng 27% tổng phát thải CO2 toàn cầu, tương đương 2.2 tỷ tấn CO2 mỗi năm (năm 2014). Dự báo sản lượng xi măng toàn cầu năm 2050 sẽ đạt khoảng 4.682 triệu tấn, tăng 12.3% so với năm 2014, dẫn đến phát thải CO2 tăng khoảng 4%. Để hạn chế sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu không vượt quá 2°C, ngành xi măng cần giảm 24% phát thải CO2 vào năm 2050 theo kịch bản 2DS của IEA. Một trong những chiến lược then chốt là giảm tỷ lệ clinker trong xi măng bằng cách sử dụng các vật liệu bổ sung có tính kết dính (SCM) như tro bay, xỉ hạt lò cao, hoặc đất sét nung.

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng sử dụng đất sét nung có hoạt tính pozzolanic làm vật liệu thay thế một phần clinker trong xi măng, nhằm giảm phát thải CO2 và chi phí sản xuất. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu đất sét tự nhiên có hàm lượng kaolinite thấp (khoảng 12.8%) lấy từ mỏ đất sét của nhà máy xi măng Hòn Chông, TP. Hồ Chí Minh, nung ở các nhiệt độ 600°C, 700°C, 800°C và 900°C. Mục tiêu chính là đánh giá hoạt tính pozzolanic và cường độ của đất sét nung khi trộn với xi măng Portland (OPC) theo tỷ lệ 20:80, đồng thời tính toán mức giảm phát thải CO2 khi sử dụng vật liệu này.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh nguồn cung tro bay ngày càng giảm do chính sách giảm nhiệt điện than, đồng thời giúp các nhà máy xi măng chủ động nguồn phụ gia khoáng chất, góp phần phát triển bền vững ngành vật liệu xây dựng.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

• Cấu trúc khoáng của đất sét: Đất sét gồm các lớp tứ diện (T) và bát diện (O) kết hợp theo tỷ lệ 1:1 hoặc 2:1, chứa các khoáng chính như kaolinite, illite, montmorillonite. Cấu trúc này ảnh hưởng đến hoạt tính pozzolanic sau khi nung.
• Hoạt tính pozzolanic: Là khả năng phản ứng với Ca(OH)2 tạo thành các sản phẩm thủy hóa có tính kết dính như C-S-H, góp phần tăng cường cường độ xi măng. Hoạt tính này phụ thuộc vào nhiệt độ nung, độ mịn và thành phần khoáng.
• Phản ứng khử hydroxyl: Quá trình nung làm mất nước liên kết trong khoáng kaolinite, tạo thành metakaolin có cấu trúc vô định hình, là pha hoạt tính pozzolanic chính.
• Mô hình xi măng LC3: Xi măng hỗn hợp gồm clinker, đất sét nung và đá vôi, với hàm lượng kaolinite ≥40% để đạt cường độ tương đương xi măng Portland.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Mẫu đất sét lấy từ mỏ đất sét NOR thuộc nhà máy xi măng Hòn Chông, TP. Hồ Chí Minh.
• Chuẩn bị mẫu: Đất sét được sấy khô, nghiền mịn (100% qua sàng 75μm), nung ở 600°C, 700°C, 800°C, 900°C trong 2 giờ, làm nguội trong bình hút ẩm.
• Phân tích vật liệu: Sử dụng các phương pháp XRF (phân tích thành phần hóa học), XRD (phân tích khoáng), SEM-EDS (quan sát vi cấu trúc và thành phần nguyên tố), FTIR (xác định liên kết hóa học), DTA (phân tích nhiệt vi sai).
• Thí nghiệm cơ lý: Trộn đất sét nung với xi măng OPC theo tỷ lệ 20:80, trộn với cát tiêu chuẩn ISO và nước (W/C=0.5) để tạo vữa. Xác định cường độ nén ở các ngày tuổi 1, 3, 7, 28.
• Đánh giá hoạt tính pozzolanic: Phương pháp Frattini xác định nồng độ CaO và OH- trong dung dịch ngâm xi măng hỗn hợp sau 8 ngày ở 40°C, so sánh với đường chuẩn để đánh giá hoạt tính.
• Timeline nghiên cứu: Nhiệm vụ được giao từ 11/02/2023, hoàn thành vào 11/06/2023.

---

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Thành phần hóa học: Mẫu đất sét NOR trước nung chứa chủ yếu SiO2 (55%), Al2O3, Fe2O3, K2O. Sau nung ở 900°C, hàm lượng SiO2 tăng lên 61%, MKN (mất khi nung) dưới 1%, cho thấy nước liên kết đã mất gần hết.
• Phân tích khoáng XRD: Đỉnh phổ kaolinite biến mất sau nung ở 600°C, xác nhận quá trình khử hydroxyl hoàn toàn. Khoáng illite giảm dần khi tăng nhiệt độ nung đến 900°C, trong khi quartz ổn định.
• Vi cấu trúc SEM: Đất sét nung ở 900°C có các hạt nhỏ đồng đều, diện tích bề mặt lớn hơn, giúp tăng hoạt tính pozzolanic.
• Phổ FTIR: Liên kết O-H đặc trưng của kaolinite biến mất sau nung dưới 600°C, khẳng định quá trình khử hydroxyl.
• Hoạt tính pozzolanic: Đất sét nung ở 700°C và 800°C đạt khoảng 85% hoạt tính so với xi măng OPC. Ở 900°C, hoạt tính 3 ngày đạt 85%, nhưng 28 ngày đạt gần 96%, vượt trội hơn hẳn.
• Cường độ nén: Vữa xi măng trộn 80% OPC và 20% đất sét nung 900°C đạt gần 96% cường độ 28 ngày của vữa xi măng OPC nguyên bản, đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 6882:2016 (chỉ số hoạt tính ≥75%).
• Giảm phát thải CO2: Sử dụng đất sét nung thay thế 20% clinker có thể giảm phát thải CO2 khoảng 15-20% trên mỗi tấn xi măng hỗn hợp.

Thảo luận kết quả

• Sự biến đổi cấu trúc khoáng và mất nước liên kết trong đất sét khi nung tạo ra pha metakaolin vô định hình, là yếu tố chính làm tăng hoạt tính pozzolanic.
• Nhiệt độ nung 900°C là tối ưu cho đất sét có hàm lượng kaolinite thấp (~12.8%), giúp đạt cường độ và hoạt tính gần tương đương với xi măng Portland.
• Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về đất sét nung có hàm lượng kaolinite thấp, mở rộng khả năng sử dụng nguồn nguyên liệu địa phương.
• Việc sử dụng đất sét nung làm SCM giúp giảm phụ thuộc vào tro bay và xỉ hạt lò cao, vốn đang giảm do chính sách giảm nhiệt điện than và biến động ngành luyện thép.
• Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cường độ nén theo ngày tuổi và đồ thị hoạt tính pozzolanic Frattini để minh họa sự khác biệt giữa các mẫu nung ở nhiệt độ khác nhau.

---

Đề xuất và khuyến nghị

• Phát triển công nghệ nung đất sét: Áp dụng phương pháp nung tĩnh hoặc nung nhanh ở nhiệt độ khoảng 900°C để tối ưu hóa hoạt tính pozzolanic, giảm chi phí và tiêu hao năng lượng.
• Ứng dụng đất sét nung trong sản xuất xi măng hỗn hợp: Khuyến khích các nhà máy xi măng sử dụng đất sét nung thay thế 15-20% clinker nhằm giảm phát thải CO2 và chi phí sản xuất trong vòng 3-5 năm tới.
• Xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng đất sét: Thiết lập quy trình phân tích khoáng, thành phần hóa học và hoạt tính pozzolanic để đảm bảo chất lượng nguyên liệu đầu vào.
• Nghiên cứu mở rộng: Khảo sát thêm các nguồn đất sét khác trong nước có hàm lượng kaolinite thấp để đa dạng hóa nguồn nguyên liệu SCM, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng lâu dài đến độ bền và khả năng chống xâm thực của xi măng hỗn hợp.
• Chính sách hỗ trợ và đào tạo: Nhà nước và các tổ chức liên quan cần hỗ trợ kỹ thuật, đào tạo và chính sách ưu đãi để thúc đẩy ứng dụng đất sét nung trong ngành xi măng, góp phần đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.

---

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Các nhà sản xuất xi măng: Để tìm hiểu giải pháp thay thế clinker bằng đất sét nung, giảm phát thải CO2 và chi phí sản xuất.
• Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật vật liệu: Nắm bắt kiến thức về hoạt tính pozzolanic của đất sét nung và phương pháp phân tích vật liệu.
• Cơ quan quản lý môi trường và xây dựng: Đánh giá tiềm năng áp dụng vật liệu xanh trong ngành xây dựng, hỗ trợ chính sách phát triển bền vững.
• Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Khai thác nguồn nguyên liệu địa phương, phát triển sản phẩm xi măng hỗn hợp thân thiện môi trường.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Đất sét nung có thể thay thế bao nhiêu phần trăm clinker trong xi măng?
   Đất sét nung có thể thay thế khoảng 20% clinker trong xi măng mà vẫn đảm bảo cường độ và chất lượng theo tiêu chuẩn quốc gia.

2. Nhiệt độ nung tối ưu để tạo đất sét nung có hoạt tính pozzolanic là bao nhiêu?
   Nhiệt độ nung tối ưu cho đất sét có hàm lượng kaolinite thấp là khoảng 900°C, giúp đạt hoạt tính pozzolanic cao nhất.

3. Sử dụng đất sét nung có giúp giảm phát thải CO2 không?
   Có, việc thay thế 20% clinker bằng đất sét nung có thể giảm phát thải CO2 khoảng 15-20% trên mỗi tấn xi măng hỗn hợp.

4. Hoạt tính pozzolanic được đánh giá bằng phương pháp nào?
   Hoạt tính pozzolanic được đánh giá bằng phương pháp Frattini, xác định nồng độ CaO và OH- trong dung dịch ngâm xi măng hỗn hợp.

5. Đất sét nung có thể thay thế tro bay trong sản xuất xi măng không?
   Có, đất sét nung là vật liệu thay thế tiềm năng cho tro bay, đặc biệt khi nguồn cung tro bay giảm do chính sách giảm nhiệt điện than.

---

Kết luận

• Đất sét nung có hàm lượng kaolinite thấp (~12.8%) có thể tạo ra vật liệu SCM với hoạt tính pozzolanic cao khi nung ở 900°C.
• Xi măng hỗn hợp 80% OPC và 20% đất sét nung đạt gần 96% cường độ 28 ngày so với xi măng Portland nguyên bản.
• Việc sử dụng đất sét nung giúp giảm phát thải CO2 khoảng 15-20% trên mỗi tấn xi măng, góp phần vào mục tiêu phát thải ròng bằng 0 năm 2050.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển bền vững cho ngành xi măng Việt Nam, giảm phụ thuộc vào tro bay và xỉ hạt lò cao.
• Khuyến nghị triển khai ứng dụng đất sét nung trong sản xuất xi măng hỗn hợp và tiếp tục nghiên cứu mở rộng các nguồn đất sét trong nước.

Hành động tiếp theo là phát triển quy trình công nghiệp nung đất sét, xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng và thúc đẩy chính sách hỗ trợ ứng dụng vật liệu xanh trong ngành xi măng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Cơ sở lý thuyết Trong sản xuất xi măng, phát thải CO2 sinh ra từ quá trình phân hủy cacbonat của đá vôi (khoảng 0.53 tấn CO2/tấn clinker) và đốt nhiên liệu hóa thạch như than, dầu [3]. Phát thải CO2 ứng với 1 MJ nhiệt lượng sinh ra từ đốt than vào khoảng 0.0946 kg CO2/MJ, phát thải CO2 ứng với đốt 1 tấn dầu diesel (DO) vào khoảng 3 tấn CO2/1 tấn dầu [4]. Để giảm phát thải CO2, ngoài việc giảm tiêu tốn nhiệt, sử dụng nhiên liệu thay thế nhiên liệu hóa thạch, việc sản xuất xi măng trộn trong đó một phần clinker được thay bằng các vật liệu bổ sung có tính kết dính (SCM) như tro bay, xỉ hạt lò cao v.v… là một giải pháp chiến lược.

Về lâu dài, lượng cung vật liệu SCM như tro bay sẽ bị hạn chế do sự cắt giảm hoạt động các nhà máy nhiệt điện than. Lượng cung xỉ hạt lò cao không đủ nhu cầu, bị phụ thuộc vào ngành công nghiệp luyện thép ở một số nước. Điều này đã thúc đẩy nhiều nhà nghiên cứu tìm kiếm các nguồn vật liệu mới có hoạt tính pozzolanic như tro từ việc đốt các nhiên liệu sinh khối biomass (ví dụ tro trấu), hoặc metakaolin thu được từ quá trình nung đất sét chứa nhiều kaolinite. Tuy nhiên do nguồn mỏ đất sét kaolinite hạn chế và còn được dùng cho các ngành công nghiệp khác có giá trị gia tăng cao, việc nghiên cứu sử dụng nguồn đất sét thông thường với hàm lượng kaolinite trung bình và thấp, có trữ lượng lớn để sản xuất vật liệu SCM có hoạt tính pozzolanic đã giúp hình thành nhóm vật liệu đất sét nung (calcined clay) [3].

Cấu trúc khoáng của đất sét Cấu trúc khoáng của đất sét gồm nhiều lớp kết hợp với nhau theo một tỷ lệ và cách thức nhất định lặp đi lặp lại. Hai lớp cơ bản là lớp tứ diện (T) và lớp bát diện (O). Lớp tứ diện (T) gồm những tứ diện với cation Si4+, Al3+, Fe3+ ở tâm và 4 ion O2- ở 4 đỉnh, có một đỉnh chung. Lớp bát diện (O) gồm những bát diện với cation Al3+, Fe3+, Fe2+, Mg2+ tiếp xúc nhau qua một cạnh chung.

Các bát diện có các nguyên tử oxy được sắp xếp theo cách tương tự như các đồng phân hình học trans, sis với vị trí 4 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đôn Tín của 2 anion Oxo luân phiên thay đổi. Nhóm 1:1 gồm các lớp (T) luân phiên xen kẽ với lớp (O). Nhóm 2:1 gồm 1 lớp (O) nằm giữa 2 lớp (T), sắp xếp lặp đi lặp lại.1: Cấu trúc tứ diện của lớp (T); T: cation; Oxa: nguyên tử oxy đỉnh; Oxb: nguyên tử oxy mặt nền; a, b kích thước ô cơ sở Hình 1.2: Cấu trúc bát diện của lớp (O); Oxa: nguyên tử oxy đỉnh; Oxo: anion OH -, F -, Cl -; a, b kích thước ô cơ sở; O-trans: bát diện có 2 anion Oxo ở 2 5 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đôn Tín phía của mặt tạo bởi 4 nguyên tử oxy còn lai; O-cis: bát diện có 2 anion Oxo là 2 đỉnh của cạnh tiếp xúc với bát diện kế bên.3: Mô hình cấu trúc lớp 1:1 và 2:1. Oxb nguyên tử oxy mặt đáy; T cation của tứ diện; O cation của bát diện; Oxa nguyên tử oxy đỉnh; Oxo các anion (OH -, F -, Cl -) [5].

Các lớp tứ diện T và lớp bát diện O nối với nhau qua các nguyên tử oxy đỉnh Oxa. Lớp bát diện O còn chứa các nguyên tử oxy (không phải là nguyên tử oxy đỉnh) tạo thành nhóm OH- và các anion khác như F-, Cl- ở các đỉnh của bát diện nhưng không dùng chung với lớp tứ diện T. 6 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đôn Tín Cấu trúc khoáng của đất sét rất đa dạng, ngoài cấu trúc 1:1 và 2:1 cơ bản như đã trình bày ở hình 3, cấu trúc 2:1 có thể chứa thêm các các lớp trung gian có cation khan hoặc cation hydrate, hoặc các lớp trung gian bát diện, còn có cấu trúc hỗn hợp bao gồm hai cấu trúc TO và TOT phân bố đều đặn hoặc ngẫu nhiên [5]. Một số khoáng chính của đất sét như kaolinite có cấu trúc khoáng 1:1, illite và montmorillonite có cấu trúc 2:1, illite-smectite có cấu trúc hỗn hợp.

Vai trò của đất sét trong quá trình tạo khoáng clinker xi măng Portland Đất sét sử dụng trong sản xuất clinker đóng một vai trò quan trọng, không thể thiếu trong chuẩn bị phối liệu nung luyện clinker. Đất sét là một nguồn nguyên liệu chính cung cấp các oxit SiO2, Al2O3, Fe2O3. Các oxit này khi kết hợp với CaO ở nhiệt độ cao tạo ra các khoáng C3S, C2S, C3A, C4AF làm cho xi măng Portland có cường độ khi thủy hóa. Đất sét thường được cấu tạo từ các khoáng sét là các alumo silicat ngậm nước có cấu trúc lớp thuộc các nhóm khoáng chính như kaolinite, illite, montmonrilonite, ngoài ra còn chứa một số khoáng khác như quartz, hematite, magnesite [6].

Trong quá trình nung luyện clinker, các phản ứng phân hủy của các khoáng sét bao gồm bay hơi ẩm, mất nước hóa học, biến đổi thù hình của quartz xảy ra từ nhiệt độ thường đến khoảng 1000oC, tạo ra các oxit có hoạt tính cao SiO2, Al2O3, Fe2O3. Khi các hạt nguyên liệu tiếp xúc với nhau, các oxit hoạt tính cao này phản ứng với CaO (tạo ra từ phản ứng phân hủy carbonat của đá vôi) hình thành các hợp chất mới ở trạng thái rắn. Trong khoảng nhiệt độ 1000÷1295oC, do sự xuất hiện của pha lỏng, các phản ứng tạo khoáng được tăng cường, chủ yếu là tạo thành các khoáng silicat canxi như CS, C2S, C3S2, C3S. Trong khoảng nhiệt độ 1295÷1450oC pha lỏng nhiều hơn, tăng cường quá trình hòa tan các khoáng silicat canxi, CaO, và kết tinh tạo C3S khoáng quan trọng nhất trong clinker, cùng với khoáng C2S.

Quá trình kết tinh C3A và C6AxFy xảy ra ở nhiệt độ dưới 1350oC [6]. 7 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đôn Tín Nhiệt tiêu tốn khi nung đất sét bao gồm nhiệt để đốt nóng tăng nhiệt độ, nhiệt tiêu tốn để khử nước hóa học. Trong sản xuất clinker, nhiệt tiêu tốn lý thuyết cho quá trình khử nước hóa học của đất sét là 40kcal/kg clinker [6]. Hoạt tính pozzolanic của các khoáng sét sau khi nung Khi nung đến nhiệt độ thích hợp, khoáng sét bị khử nước, các nhóm OH- tách ra làm cho cấu trúc tinh thể của các khoáng sét bị biến đổi mạnh thành dạng vô định hình hoặc có các ion nhôm bị khuyết liên kết, khiến cho đất sét nung có hoạt tính pozzolanic [3].

Hoạt tính pozzolanic của đất sét nung phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ nung, độ mịn, thời gian. Nếu nung ở nhiệt độ quá thấp, quá trình khử hydroxyl sẽ không xảy ra hoàn toàn. Nếu nung nhiệt độ quá cao, sự chảy lỏng và tái kết tinh của một số khoáng dẫn đến hình thành các pha không còn hoạt tính pozzolanic [3]. Đối với khoáng kaolinite, phản ứng khử hydroxyl xảy ra trong khoảng nhiệt độ 450 ÷ 650oC, và tạo thành metakaolin có cấu trúc vô định hình.

Nhiệt độ nung thông thường để tạo ra metakaolin có hoạt tính là 600÷800oC. Ở nhiệt độ nung cao hơn, xảy ra hiện tượng tái kết tinh và hình thành khoáng mullite (ở khoảng 1000oC) làm giảm hoạt tính [7]. Phản ứng khử hydroxyl của kaolinite: AS2H2 AS2 + 2H (2.1) Phản ứng pozzolanic (phản ứng thủy hóa hấp thụ vôi) của metakaolin: AS2 + CH + H C-S-H (2.2) Ở đây, A: Al2O3, S: SiO2, H: H2O, CH: Ca(OH)2 Phản ứng (2.2) tạo ra sản phẩm thủy hóa calcium silicate hydrate C-S-H có tính kết dính và tạo cường độ cho đất sét nung. Lee và cộng sự (1999), trong nghiên cứu về quá trình chuyển pha từ kaolinite qua mullite bằng kính hiển vi điện tử truyền qua, khi tăng nhiệt độ đến 940oC, metakaolin bắt đầu bị phân hủy hình thành khoáng mullite giàu nhôm và SiO2 vô định hình.

Ở 1200oC pha spinel bị phân hủy hoàn toàn, thúc đẩy sự kết tinh cristobalite từ SiO2 vô định hình và phát triển tinh thể mullite A3S2 [8]. 8 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đôn Tín Đối với khoáng montmorillonite, phản ứng khử hydroxyl xảy ra trong khoảng nhiệt độ 500÷600oC, khi tăng nhiệt độ đến 900oC, cấu trúc vô định hình phát triển, trên 1000oC sự tái kết tinh xảy ra cùng với sự thay đổi hoàn cấu trúc khoáng. Theo Garg and Skibsted, khoảng nhiệt độ nung tối ưu đối với đất sét có chứa montmorillonite là 750÷800oC, ở nhiệt độ cao hơn 850oC hoạt tính pozzolanic giảm mạnh [3]. Phản ứng khử hydroxyl của khoáng Illite xảy ra trong khoảng nhiệt độ 600÷900oC, khi nâng nhiệt lên 930oC hoạt tính pozzolanic tăng lên do sự gia tăng cấu trúc vô định hình.

Muscovite có hoạt tính pozzolanic khi gia nhiệt trong khoảng 500oC đến 900oC. Khi nung muscovite ở 800oC, hoạt tính pozzolanic thấp hơn so với illite và kaolinite [3]. Tình hình nghiên cứu ứng dụng đất sét nung trên thế giới 1. Sử dụng đất sét nung có kaolinite >40% cho hệ xi măng LC3 Khảo sát trên trang sciencedirect với từ khoá “LC3 cement” tại địa chỉ https://www.com/search?qs=LC3%20cement truy cập ngày 18/07/2023 cho thấy sự gia tăng số lượng các bài báo nghiên cứu về xi măng LC3 từ năm 2019 đến 2022 (Hình 2.

Dự án nghiên cứu sử dụng đất sét nung thay cho pozzolana và chế tạo xi măng LC3 đã được giáo sư Karen Scrivener và giáo sư Fernando Martirena bắt đầu thực hiện vào năm 2005. Từ năm 2017, LC3 đã được sản xuất ở một số nước như Cuba, Ấn Độ và đang được quan tâm ngày càng nhiều trên thế giới. 9 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đôn Tín Hình 1.4:a) Kết quả tìm kiếm từ khóa LC3 cement tại trang sciencedirect; b) Biểu đồ số lượng bài báo về LC3 cement từ năm 1998 đến 2022 Giáo sư Karen Scrivener và cộng sự tại Phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng thuộc Trường Đại Học Bách Khoa Liên Bang Thụy Sĩ (Laboratory of Construction Materials, EPFL, CH-1015 Lausanne, Switzerland) đã trình bày nghiên cứu về các 10 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đôn Tín yếu tố tác động và các tính chất của xi măng LC3 trong bài báo “Impacting factors and properties of Limestone Calcined Clay Cements (LC3)”, Green materials, 3-14, (2019) [9]. Nghiên cứu cho thấy có một sự tương quan chặt chẽ giữa hàm lượng kaolinite của đất sét nung và sự phát triển cường độ của xi măng LC3-50 (là LC3 có 50% clinker).

Đất sét sử dụng trong sản xuất xi măng LC3 là loại có hàm lượng khoáng kaolinite tối thiểu 40% để cường độ 7 ngày của xi măng LC3-50 tương đương với xi măng Portland. Đá vôi trong xi măng LC3-50 có vai trò điều chỉnh phân bố cỡ hạt của xi măng giúp cải thiện tính công tác và thúc đẩy phản ứng thủy hóa của khoáng aluminate trong clinker giúp cải thiện cường độ sớm của xi măng.