Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay duyên hải tới một số tính chất của xi măng trên nền clinker fico

TỔNG QUAN

Giới thiệu chung về xi măng poóc lăng

1.1.1 Khái niệm về xi măng poóc lăng

Xi măng poóc lăng là một loại chất kết dính thủy, được sản xuất bằng cách nghiền mịn clinker xi măng poóc lăng kết hợp với một lượng thạch cao cần thiết Trong quá trình nghiền, có thể sử dụng phụ gia công nghệ, nhưng lượng phụ gia không được vượt quá 1% so với khối lượng clinker.

Clinker xi măng poóc lăng được định nghĩa theo TCVN 5438 : 2004

Thạch cao để sản xuất xi măng poóc lăng có chất lượng theo quy định hiện hành (TCXD 168 : 89)

Phụ gia công nghệ là những chất giúp cải thiện quy trình nghiền, vận chuyển, đóng bao và bảo quản xi măng mà không gây ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất của xi măng, vữa và bê tông.

1.1.2 Khái niệm về xi măng poóc lăng hỗn hợp

Xi măng poóc lăng hỗn hợp là một loại chất kết dính thủy, được sản xuất bằng cách nghiền mịn clinker xi măng poóc lăng kết hợp với các phụ gia khoáng và thạch cao Ngoài ra, nó cũng có thể được tạo ra bằng cách trộn đều các phụ gia khoáng đã nghiền mịn với xi măng poóc lăng không chứa phụ gia khoáng.

Clinker xi măng poóc lăng dùng để sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp có hàm lượng magie ôxit (MgO) không lớn hơn 5%

Phụ gia khoáng được sử dụng trong sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp cần đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn quy định tại TCVN 6882:2001 và các quy chuẩn liên quan đến việc sử dụng phụ gia trong ngành sản xuất xi măng.

Phụ gia công nghệ là các chất giúp cải thiện quá trình nghiền, vận chuyển, đóng bao và bảo quản xi măng mà không làm giảm chất lượng của xi măng, vữa và bê tông Hàm lượng phụ gia công nghệ trong xi măng rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ bền của sản phẩm.

Luận văn Thạc sĩ CBHD: PGS TS Huỳnh Đức Minh

HVTH: Trần Thanh Tùng 5 không lớn hơn 1%

Tổng lượng phụ gia khoáng trong xi măng poóc lăng hỗn hợp, không bao gồm thạch cao, không vượt quá 40% khối lượng xi măng, trong đó phụ gia đầy không vượt quá 20%.

Thạch cao để sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp có chất lượng theo TCXD 168 : 89

Xi măng poóc lăng hỗn hợp gồm ba mác PCB30, PCB40 và PCB50, trong đó:

- PCB là quy ước cho xi măng poóc lăng hỗn hợp;

- Các trị số 30, 40 , 50 là cường độ nén tối thiểu mẫu vữa chuẩn ở tuổi 28 ngày đóng rắn, tính bằng MPa, xác định theo TCVN 6016 : 1995 (ISO

1.1.3 Thành phần của clinker xi măng poóc lăng

1.1.3.1 Khái niệm về clinker xi măng poóc lăng

Clinker xi măng là sản phẩm chứa các khoáng chất có tính chất kết dính thủy lực, được hình thành qua quá trình nung nóng hỗn hợp nguyên liệu xác định đến khi kết khối hoặc nóng chảy.

Clinker xi măng poóc lăng là clinker xi măng chứa các khoáng canxi silicat, canxi aluminat và canxi fero aluminat với tỷ lệ xác định

Clinker xi măng poóc lăng là nguyên liệu chính trong sản xuất xi măng poóc lăng, thường xuất hiện dưới dạng hạt với đường kính từ 10 đến 30 mm.

Clinker xi măng poóc lăng có cấu trúc phức tạp với nhiều khoáng ở dạng tinh thể và một số khoáng ở dạng vô định hình, được hình thành qua quá trình nung luyện phối liệu ở nhiệt độ khoảng 1450 o C Chất lượng của clinker phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, hóa học và công nghệ sản xuất, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của xi măng.

1.1.3.2 Thành phần hóa học của clinker poóc lăng [1]

Thành phần hóa học của clinker được trình bày ở bảng dưới đây:

Bảng 1: Thành phần hóa học của clinker Thành phần hóa học CaO Al 2 O 3 SiO 2 Fe 2 O 3

Ngoài ra còn có những tạp chất không mong muốn như MgO khoảng 1 ÷ 5%, ôxit kiềm 0.5 ÷ 3%

Thành phần pha của clinker được trình bày ở bảng sau:

Bảng 2: Thành phần pha của clinker

Tỷ lệ % 45 ÷ 65 10 ÷ 37 5 ÷ 15 10 ÷ 18 Đặc tính của từng pha:

Alit (C3S), hay 3CaO.SiO2, chiếm từ 45 đến 65% trong clinker và là một khoáng chất quan trọng Khoáng này có khả năng phản ứng nhanh với nước, tỏa ra nhiều nhiệt trong quá trình thủy hóa, và tạo ra sản phẩm đông rắn cao nhất sau 28 ngày Alit đóng vai trò then chốt trong cấu trúc của clinker.

* Belit (C 2 S): bao gồm 2CaO.SiO 2 chiếm 10 ÷ 37% trong clinker Khoáng này phản ứng với nước tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm có độ đông rắn chậm nhưng sau

28 ngày cũng đạt được yêu cầu bằng alit

* Celit (C 4 AF): bao gồm 4CaO.Al 2 O 3 Fe 2 O 3 chiếm 10 ÷ 18% trong clinker, là khoáng cho phản ứng tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm phản ứng với độ đông rắn thấp

* Canxi aluminat (C 3 A): bao gồm 3CaO.Al 2 O 3 chiếm 5 ÷ 15%, khoáng này phản ứng nhanh với nước tỏa nhiều nhiệt Cho sản phẩm phản ứng ban đầu đông

HVTH: Trần Thanh Tùng 7 rắn nhanh nhưng sau đó lại chậm và kém hơn alit.

Phản ứng thủy hóa của xi măng

Khi xi măng được trộn với nước, các pha C3S, C2S, C3A và C4AF sẽ tiến hành phản ứng thủy hóa Khả năng tương tác của xi măng với nước phụ thuộc vào loại khoáng, hàm lượng khoáng và hàm lượng pha thủy tinh, từ đó hình thành nên pha kết dính.

C x S y H z và C x A y H z , Ca(OH) 2 và Al(OH) 3

Quá trình hiđrat hoá trong bê tông tạo ra các hiđrôxit như Ca(OH)2 và Al(OH)3, dễ tan trong nước, dẫn đến sự hình thành các lỗ trống mao quản Đồng thời, sự bay hơi của nước dư trong giai đoạn hiđrat hoá làm tăng độ xốp và rỗng trong vữa xi măng và bê tông.

1.2.1 Sự hiđrat hóa của C 3 S (Alit)

Khi nước được thêm vào để trộn vữa, bề mặt của hạt C3S bắt đầu tan, giải phóng các ion Ca²⁺, OH⁻ và H₂SiO₄²⁻ vào dung dịch Dung dịch này dần trở nên bão hòa Ca(OH)₂, dẫn đến sự kết tủa của pha portlandit Trong quá trình này, có sự cạnh tranh giữa các tinh thể Ca(OH)₂ và CSH Phản ứng thủy hóa thường hoàn tất sau 1 đến 1,5 năm.

2(3CaO.SiO 2 ) + 4H 2 O → 3CaO.2SiO 2 3H 2 O + 3Ca(OH) 2

Phản ứng hiđrat hóa của C 3 S tách ra Ca(OH) 2 Hàm lượng C 3 S trong xi măng chiếm tỷ lệ lớn nên lượng Ca(OH) 2 tách ra khá lớn

1.2.2 Sự hiđrat hóa của C 2 S (Belit)

Phản ứng hiđrat hóa của C2S dẫn đến việc hình thành hiđrô silicat và một lượng nhỏ Ca(OH)2 Tuy nhiên, lượng Ca(OH)2 sinh ra từ phản ứng này ít hơn so với phản ứng thủy hóa của C3S.

2(2CaO.SiO 2 ) + 4H 2 O → 3CaO.2SiO 2 3H 2 O + Ca(OH) 2

1.2.3 Sự hiđrat hóa của C 3 A (Canxi aluminat)

Sự tác dụng tương hỗ giữa C 3 A và H 2 O sẽ sinh ra phản ứng và phát ra một lượng nhiệt khá lớn theo phương trình sau:

Khi xi măng poóc lăng chứa thạch cao sống, sẽ xảy ra phản ứng với thành phần C 3 A, dẫn đến sự hình thành khoáng vật mới gây trương nở thể tích.

3CaO.Al 2 O 3 + 3(CaSO 4 2H 2 O) + 26H 2 O → 3CaO.Al 2 O 3 3CaSO 4 32H 2 O

1.2.4 Sự hiđrat hóa của C 4 AF

Khi cho C4AF tác dụng với H2O trong điều kiện xi măng thủy hóa hoàn toàn, sẽ hình thành một lượng vôi bão hòa Phản ứng này diễn ra dưới nhiệt độ môi trường theo phương trình phản ứng đã được xác định.

4CaO.Al 2 O 3 Fe 2 O 3 + 12H 2 O → 3CaO.Al 2 O 3 6H 2 O + CaO.Fe 2 O 3 6H 2 O

Hình 1: Vi cấu trúc hạt xi măng trong quá trình hidrat hóa

Quá trình hình thành và tính chất cơ lý của đá xi măng

1.3.1 Định nghĩa Đá xi măng là sản phẩm của quá trình thủy hóa xi măng sau một thời gian đã đạt tới một cường độ nhất định

Quá trình hình thành đá xi măng (Cơ chế đông rắn của vữa):

Khi bắt đầu trộn nước với hỗn hợp phối liệu (thường là 1 phần xi măng và 3 phần cát), độ dẻo của vữa sẽ tăng dần Phản ứng của C3A khởi đầu và các tinh thể ettringit bắt đầu hình thành Giữa các hạt xi măng có chứa dung dịch bão hòa SO4²⁻.

Khi Ca 2+ được bổ sung, monosunfat (3CaO.Al 2 O 3 CaSO 4 12H 2 O) ngay lập tức hình thành, ngăn chặn sự tấn công của nước và làm chậm quá trình hiđrat hóa Sau đó, phản ứng kết tinh của silicat và aluminat diễn ra bên trong màng, dẫn đến sự phá vỡ màng và tiếp tục hiđrat hóa Quá trình này lặp lại nhiều lần, tạo ra hiđrô silicat canxi và hiđrô aluminat canxi dưới dạng sợi và hình kim Khi nồng độ SO 4 2- và Ca 2+ giảm xuống không đủ để tạo thành ettringit, sự hình thành gel C-S-H diễn ra liên tục Cơ chế này chính là yếu tố quyết định cường độ của xi măng.

Người ta chia quá trình đóng rắn của đá xi măng thành các giai đoạn:

Quá trình khuếch tán các hạt xi măng vào nước diễn ra mạnh mẽ, với các phân tử nước tấn công bề mặt hạt xi măng Điều này dẫn đến sự hình thành của Ca(OH)2 và monosufat.

C 3 A.3CaSO 4 32H 2 O (ettringit) trên bề mặt các hạt khoáng Giai đoạn kéo dài khoảng 10 phút và không tạo thành cấu trúc

Tốc độ phản ứng hiđrat hóa của xi măng bị chậm lại do sự hình thành keo monosunfat bao bọc các hạt xi măng, khiến độ dẻo của vữa trong giai đoạn này trở nên ổn định Sau đó, quá trình kết tinh của các tinh thể silicat và aluminat diễn ra, làm phá hủy màng bao Quá trình thủy hóa này lặp đi lặp lại cho đến khi nồng độ ion sulfate (SO4^2-) không còn đủ để hình thành ettringit, giai đoạn này kéo dài khoảng 2 giờ và các gel C-S-H bắt đầu xuất hiện.

HVTH: Trần Thanh Tùng 10 hiện

Khi nồng độ SO4^2- quá thấp, khả năng tạo lớp keo giả bền và ettringit giảm, dẫn đến sự gia tăng tốc độ phản ứng Quá trình hình thành gel C-S-H diễn ra nhanh chóng, lấp đầy khoảng trống giữa các hạt xi măng Kết quả là đá xi măng được hình thành và cường độ của đá, tính theo cường độ kháng nén, bắt đầu phát triển mạnh mẽ Giai đoạn này kéo dài khoảng 24 giờ, trong đó phần lớn khoáng xi măng đã tham gia vào quá trình hiđrat hóa.

Sau 24 giờ tốc độ thủy hóa của các khoáng bắt đầu giảm dần, cấu trúc bắt đầu ổn định và phản ứng thủy hóa vẫn tiếp tục với phần khoáng còn lại

1.3.2 Các tính chất cơ lý của xi măng

1.3.2.1 Độ mịn của xi măng

Độ mịn của xi măng là đại lượng thể hiện kích thước hạt xi măng, được đo bằng phần trăm còn lại trên sàng hoặc dưới sàng với kích thước lỗ nhất định Độ mịn cao tương ứng với kích thước hạt nhỏ, làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hạt xi măng và nước, từ đó thúc đẩy nhanh quá trình thuỷ hoá và giúp xi măng dễ dàng tương tác với nước, rắn chắc nhanh hơn Độ mịn có thể được xác định qua hai phương pháp khác nhau.

+ Phương pháp sàng: bao gồm sàng có kích thước lỗ 90μm và 45μm

+ Đo độ mịn theo phương pháp Blaine

Tỷ lệ nước và xi măng là yếu tố quan trọng trong quá trình đóng rắn của vữa xi măng, giúp đạt được độ dẻo tiêu chuẩn Việc sử dụng nước dư thừa có thể làm giảm tốc độ phát triển cường độ, dẫn đến cường độ thấp do tạo ra độ xốp trong đá xi măng Xi măng poóc lăng thường yêu cầu lượng nước tiêu chuẩn từ 24 - 30%.

1.3.2.3 Thời gian đông kết của xi măng

Khi trộn xi măng với nước, phản ứng thủy hóa của các khoáng trong xi măng diễn ra, khiến vữa dần mất tính dẻo và trở nên cứng cáp, có khả năng chịu lực Quá trình này bao gồm hai loại thời gian đông kết.

+ Thời gian bắt đầu đông kết: Là thời gian từ khi bắt đầu trộn nước đến trước khi vữa mất tính dẻo

+ Thời gian kết thúc đông kết: Là thời gian từ khi trộn nước đến khi vữa cứng lại và có thể chịu lực

Thời gian đông kết của đá xi măng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thành phần khoáng của clinker, lượng nước tiêu chuẩn, độ mịn của xi măng, nhiệt độ môi trường, cũng như loại và lượng phụ gia được pha vào.

1.3.2.4 Độ ổn định thể tích của đá xi măng

Trong quá trình đóng rắn, thể tích của đá xi măng có sự biến đổi liên tục Nếu sự thay đổi này diễn ra quá lớn hoặc quá nhanh, nó có thể dẫn đến rạn nứt trong công trình Nguyên nhân chính gây ra sự không ổn định thể tích của xi măng là do sự hiện diện của ôxit CaO và ôxit MgO.

MgO tự do không tham gia vào quá trình tạo clinker, nhưng sau khi xi măng đóng rắn, nó sẽ bị thủy hóa tạo thành Mg(OH)2, có thể làm tăng thể tích và gây nứt vỡ đá xi măng Trong một số trường hợp, MgO có thể mất đến hai năm để thủy hóa, vì vậy cần hạn chế lượng MgO trong xi măng xuống còn ≤ 5%.

CaO tự do trong xi măng không tham gia vào quá trình tạo clinker, mà tồn tại dưới dạng ôxit canxi bị các chất nóng chảy bao bọc Điều này dẫn đến sự thủy hóa chậm của CaO, gây nở thể tích và làm rạn nứt đá xi măng.

Cấp hạt xi măng quá lớn có thể làm chậm quá trình thủy hóa, dẫn đến sự hình thành gel C-S-H và aluminat, gây mất ổn định thể tích khi công trình ổn định Do đó, mọi loại xi măng thành phẩm trên thị trường cần đảm bảo cấp hạt và hàm lượng các chất nằm trong giới hạn cho phép.

1.3.2.5 Cường độ của xi măng (hay mác xi măng)

Cường độ xi măng là chỉ tiêu quan trọng nhất, thể hiện giới hạn bền cơ học của đá xi măng trên một đơn vị diện tích, bao gồm độ bền uốn và độ bền nén Độ bền uốn và độ bền nén thường được đo cho đá xi măng theo tỷ lệ xi măng/cát 1/3 ở tuổi 28 ngày để xác định mác xi măng Khi nghiên cứu cường độ, các chỉ số quan trọng bao gồm cường độ kháng nén (R n), cường độ kháng uốn (R u) và cường độ kháng kéo (R k) Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ mẫu, như tỷ lệ khoáng trong xi măng, lượng nước sử dụng, công nghệ chế tạo và chất lượng thi công bê tông Để sản xuất bê tông có cường độ kháng nén cao, cần sử dụng lượng nước tối thiểu trong quá trình trộn vữa.

R n để biễu diễn như sau:

N, X: Thể tích nước và thể tích xi măng

Dựa vào công thức trên thì giảm tỷ lệ N/X sẽ tăng độ bền uốn và độ bền nén cho bê tông

Vai trò của phụ gia xi măng

1.4.1 Định nghĩa về phụ gia xi măng

Theo TCVN 6882:2001, phụ gia khoáng cho xi măng bao gồm các vật liệu vô cơ tự nhiên hoặc nhân tạo không ảnh hưởng xấu đến tính chất của xi măng, bê tông và bê tông cốt thép Các phụ gia khoáng được phân thành hai loại chính: phụ gia hoạt tính và phụ gia đầy.

Theo tiêu chuẩn ASTM C688 của Mỹ, phụ gia xi măng là vật liệu được sử dụng để cải thiện các tính chất của xi măng, mang lại lợi ích khi kết hợp trong quá trình sản xuất.

HVTH: Trần Thanh Tùng 15 xuất xi măng

1.4.2 Tính chất của phụ gia xi măng

* Cải thiện tính năng dễ dàng thi công của hỗn hợp bê tông và vữa:

+ Tăng độ linh động, độ sụt, kéo dài thời gian duy trì độ sụt mà không cần làm tăng hay giảm lượng nước trộn

+ Làm chậm lại hoặc tăng nhanh quá trình liên kết ban đầu

+ Tạo khả năng chuyên chở bê tông tươi từ các trạm trộn ở xa đến vị trí công trình

+ Tạo khả năng bơm bê tông lên cao để thi công nhà cao tầng, bơm đi xa để thi công cầu, hầm hoặc công trình thủy lợi

* Cải thiện tính chất của bê tông sau khi hóa cứng:

+ Tăng cường độ sớm trong thời gian ban đầu để sớm tháo ván khuôn, sớm tạo ra ứng lực nhằm tăng nhanh tiến độ thi công

+ Tăng cường độ chịu nén, uốn, kéo

Để ngăn ngừa các vết nứt do co ngót nhiệt trong quá trình bê tông hoá rắn, cần thực hiện các biện pháp làm chậm quá trình tỏa nhiệt hoặc giảm lượng nhiệt tỏa ra Điều này đặc biệt quan trọng đối với các công trình lớn như thủy điện và đập nước.

+ Hạn chế sự nở thể tích do các phản ứng của các chất kiềm với các thành phần của khoáng cốt liệu

+ Tạo sự bám dính chặt giữa các phần bê tông cũ và mới

+ Tạo màu sắc cho bê tông theo dự kiến

Việc sử dụng phụ gia trong từng trường hợp cụ thể cần được xem xét kỹ lưỡng và tính toán cẩn thận, đồng thời thực hiện các thí nghiệm chi tiết để đảm bảo đạt hiệu quả cao nhất.

1.4.3 Một số loại phụ thường được sử dụng

1.4.3.1 Phụ gia hoạt tính puzolan

Phụ gia khoáng hoạt tính puzolan là một loại phụ gia tự nhiên hoặc nhân tạo ở dạng nghiền mịn, không tự đóng rắn khi trộn, nhưng có khả năng phản ứng với vôi ở nhiệt độ thường để tạo ra sản phẩm kết dính Hoạt tính puzolanic của phụ gia này phụ thuộc vào khả năng liên kết vôi trong điều kiện có nước Độ hoạt tính của phụ gia còn bị ảnh hưởng bởi thành phần hóa học, thành phần khoáng, tỉ lệ pha tinh thể và pha thủy tinh, cũng như độ nghiền mịn của nó.

Số lượng và loại vôi bổ sung ảnh hưởng đến nhiệt động học của quá trình đông kết và độ rắn chắc của hệ, cũng như lượng nước cần thiết để hình thành pha hiđrat Hiện nay, độ hoạt tính của phụ gia khoáng được đánh giá qua chỉ số hoạt tính (đặc biệt với xi măng poóc lăng) và độ hút vôi, trong đó chỉ số hoạt tính với xi măng đóng vai trò quan trọng nhất.

Cơ chế hoạt tính của puzolan liên quan đến việc xi măng thủy hóa tạo ra pha portlandic, đặc biệt là C3S, sinh ra khoảng 6-9% Ca(OH)2 Phụ gia puzolan chủ yếu chứa SiO2 vô định hình và Al2O3 hoạt tính Các khoáng này sẽ phản ứng với Ca(OH)2 được giải phóng trong quá trình thủy hóa xi măng, tạo thành các hợp chất C-S-H và C-A-H.

3Ca(OH) 2 + 2SiO2(vô định hình) + 3H 2 O → 3CaO.2SiO 2 3H 2 O 3Ca(OH) 2 + Al 2 O 3 + 3H 2 O → 3CaO.Al2O 3 6H 2 O

Sản phẩm từ phản ứng hoạt tính puzolan có cấu trúc tương tự C-S-H, giúp gia tăng cường độ bê tông và giảm độ thấm, từ đó củng cố cấu trúc bê tông hiệu quả.

Phụ gia hoạt tính puzolan được phân loại thành hai loại chính dựa trên nguồn gốc tạo thành: phụ gia nguồn gốc thiên nhiên và phụ gia nguồn gốc nhân tạo Các loại puzolan thiên nhiên bao gồm đất diatomit, đá phiến sét, tuyp, tro núi lửa, đá bọt và đá bazan Trong khi đó, puzolan nhân tạo bao gồm tro bay, tro trấu, silicafum, sisex và meta kaolanh.

Phụ gia hoạt tính puzolan chứa nhiều ôxit silic, ôxit nhôm ở dạng vô định

HVTH: Trần Thanh Tùng 17 hình có hoạt tính Do đó mà puzolan có những đặc tính tốt như sau:

+ Hạ thấp lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình hiđrat hóa và giảm co ngót do nhiệt

+ Giảm phản ứng hóa học của cốt liệu kiềm

+ Tăng độ đặc chắn, tính chống thấm, tính bền của bê tông ở trong nước và trong đất có tính chất ăn mòn

Trước khi sử dụng, puzolan cần được gia nhiệt và nghiền mịn để tăng cường hoạt tính Mặc dù puzolan có thể kéo dài thời gian đông kết và làm chậm sự phát triển cường độ bê tông trong 3-7 ngày đầu, nhưng cường độ bê tông ở tuổi 28 ngày vẫn đạt được và thậm chí vượt trội hơn so với bê tông không chứa puzolan.

+ Giảm nhiệt thủy hóa nên thích hợp với bê tông khối lớn

+ Giảm lượng nước trộn hoặc tăng tính dễ đổ

Phụ gia trộn hỗn hợp có thể được nghiền thành bột mịn để pha vào bê tông và vữa trước khi trộn Xỉ hạt lò cao thường được nghiền mịn hơn xi măng, với tỷ diện lớn hơn 3500 cm²/g, có thể đạt tới 5000 cm²/g Độ mịn của xỉ càng cao thì hoạt tính càng tăng.

Phụ gia đầy là các vật liệu khoáng thiên nhiên hoặc nhân tạo, không tham gia vào quá trình hiđrat hoá của xi măng, mà chủ yếu đóng vai trò cốt liệu mịn, cải thiện thành phần hạt và cấu trúc của đá xi măng Trong ngành công nghiệp xi măng, các loại phụ gia đầy thường được sử dụng bao gồm đá vôi, đá vôi silic màu đen, đá sét đen, và các loại bụi thu hồi từ lọc bụi điện trong quy trình sản xuất xi măng, được xem như phụ gia đầy nhân tạo.

Phụ gia công nghệ là các chất giúp cải thiện quá trình nghiền, vận chuyển, đóng bao và bảo quản xi măng mà không làm ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất của sản phẩm.

HVTH: Trần Thanh Tùng 18 đề cập đến xi măng, vữa và bê tông, trong đó hàm lượng phụ gia công nghệ trong xi măng không vượt quá 1% Phụ gia trợ nghiền là một loại phụ gia công nghệ quan trọng, giúp cải thiện quá trình nghiền mịn xi măng.

Các phụ gia trợ nghiền cho xi măng chủ yếu là các chất hoạt tính bề mặt, có tính điện ly mạnh trong dung dịch nước, với pH từ 8 đến 12 và khối lượng thể tích khoảng 1,05 – 1,09 g/cm³ Những chất này hòa tan tốt trong nước, tạo ra dung dịch có độ nhớt thấp và khả năng thấm ướt tốt bề mặt vật liệu rắn phi kim loại Trong ngành công nghiệp xi măng, phụ gia trợ nghiền được sử dụng rộng rãi để nâng cao hiệu quả quá trình nghiền mịn và siêu mịn, đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng trong quá trình này.

Giới thiệu chung về tro bay nhiệt điện

1.5.1 Khái niệm và phân loại tro bay

Trong các nhà máy nhiệt điện, quá trình đốt cháy than đá tạo ra hai loại phế thải rắn chính: xỉ từ đáy lò và tro.

Tro bay (fly ash) là phần thải rắn rất mịn phát sinh từ khí thải của các nhà máy nhiệt điện, được thu gom bằng thiết bị lọc bụi Ở châu Âu và Vương quốc Anh, tro bay thường được xem là tro của nhiên liệu đốt đã được nghiền mịn, trong khi ở Mỹ, nó được gọi là tro bay do khả năng bay lên cùng với khí ống khói Tùy vào mục đích sử dụng, tro bay được phân loại thành hai loại chính theo tiêu chuẩn DBJ08-230-98 của Thượng Hải, Trung Quốc: tro bay có hàm lượng canxi thấp và cao Tro bay có hàm lượng canxi cao chứa từ 8% canxi trở lên (hoặc CaO tự do trên 1%) và thường có màu hơi vàng, trong khi tro bay có hàm lượng canxi thấp có màu hơi xám.

Theo cách phân loại của Canada, tro bay được chia làm ba loại [6]:

 Loại F: Hàm lượng CaO ít hơn 8%

 Loại CI: Hàm lượng CaO lớn hơn 8% nhưng ít hơn 20%

 Loại C: Hàm lượng CaO lớn hơn 20%

Trên thế giới, tro bay thường được phân loại theo tiêu chuẩn ASTM C618, dựa vào thành phần các hợp chất Theo tiêu chuẩn này, tro bay được chia thành hai loại chính: loại C và loại F.

Bảng 3: Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618

Các yêu cầu theo tiêu chuẩn

SiO 2 + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 % nhỏ nhất 70 50

Hàm lượng ẩm % lớn nhất 3 3

Hàm lượng mất khi nung % lớn nhất 5 5

Yêu cầu hóa học không bắt buộc

Yêu cầu vật lý Độ mịn (+325) % nhỏ nhất 34 34

Hoạt tính pozzolanic so với xi măng

Lượng nước yêu cầu % lớn nhất 105 105 Độ nở trong nồi hấp % lớn nhất 0,8 0,8

Yêu cầu độ đồng đều về tỷ trọng % lớn nhất 5 5

Yêu cầu độ đồng đều về độ mịn % lớn nhất 5 5

Phân loại theo tiêu chuẩn ASTM:

 Tro bay là loại F nếu tổng hàm lượng (SiO 2 + Al2O 3 + Fe 2 O 3 ) ≥ 70%

 Tro bay là loại C nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 ) < 70%

Tại Việt Nam, tro bay được phân loại theo tiêu chuẩn TCVN 10302 : 2014

 Tro axit: tro có hàm lượng canxi ôxit đến 10 %, ký hiệu: F

 Tro bazơ: tro có hàm lượng canxi ôxit lớn hơn 10 %, ký hiệu: C

Ngoài ra còn phân loại tro bay theo mục đích sử dụng, tro bay được phân thành 2 loại:

 Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây, bao gồm 4 nhóm lĩnh vực sử dụng, ký hiệu:

- Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông cốt thép từ bê tông nặng và bê tông nhẹ, ký hiệu: a;

- Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông không cốt thép từ bê tông nặng, bê tông nhẹ và vữa xây, ký hiệu: b;

- Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông tổ ong, ký hiệu: c;

- Dùng cho chế tạo sản phẩm và cấu kiện bê tông, bê tông cốt thép làm việc trong điều kiện đặc biệt, ký hiệu: d

 Tro bay dùng cho xi măng, kí hiệu: xm

- Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây: Tro bay dùng cho bê tông và vữa xây cần đáp ứng chỉ tiêu chất lượng quy định tại Bảng 4 [8]

Bảng 4: Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây

Chỉ tiêu Loại tro bay

Lĩnh vực sử dụng - Mức a b c d

1 Tổng hàm lượng ôxit SiO 2 + Al 2 O 3

+ Fe 2 O 3 , % khối lượng, không nhỏ hơn

Chỉ tiêu Loại tro bay

Lĩnh vực sử dụng - Mức a b c d

2 Hàm lượng lưu huỳnh, hợp chất lưu huỳnh tính quy đổi ra SO 3 , % khối lượng, không lớn hơn

3 Hàm lượng canxi ôxit tự do CaO td ,

% khối lượng, không lớn hơn

4 Hàm lượng mất khi nung MKN, % khối lượng, không lớn hơn

5 Hàm lượng kiềm có hại (kiềm hòa tan), % khối lượng, không lớn hơn

6 Độ ẩm, % khối lượng, không lớn hơn

7 Lượng sót sàng 45m, % khối lượng, không lớn hơn

8 Lượng nước yêu cầu so với mẫu đối chứng, %, không lớn hơn

9 Hàm lượng ion Cl - , % khối lượng, không lớn hơn

10 Hoạt độ phóng xạ tự nhiên Aeff,

(Bq/kg) của tro bay dùng:

- Đối với công trình nhà ở và công cộng, không lớn hơn 370

- Đối với công trình công nghiệp, đường đô thị và khu dân cư, không lớn hơn

Khi đốt than Antraxit, tro bay có thể được sử dụng với hàm lượng mất khi nung tương ứng, cụ thể là lĩnh vực c tối đa 12% và lĩnh vực d tối đa 10%, theo thỏa thuận hoặc kết quả thử nghiệm được chấp nhận.

- Tro bay dùng cho xi măng

Tro bay dùng cho xi măng cần đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng quy định tại TCVN 10302: 2014 (bảng 5)

Bảng 5: Chỉ tiêu kỹ thuật tro bay dùng cho xi măng TCVN 10302 : 2014 [8]

1 Hàm lượng mất khi nung (MKN), % khối lượng, không lớn hơn 8* 6

2 Hàm lượng SO 3 , % khối lượng, không lớn hơn 3,5 5

3 Hàm lượng CaO td , % khối lượng, không lớn hơn 1,0 3,0

4 Hàm lượng kiềm có hại (kiềm hòa tan), % khối lượng, khônglớn hơn 1,5

5 Độ ẩm, % khối lượng, không lớn hơn 1,0

6 Chỉ số hoạt tính cường độ đối với xi măng sau 28 ngày so vớimẫu đối chứng, %, không nhỏ hơn 75

7 Hoạt độ phóng xạ tự nhiên Aeff, (Bq/kg) của tro bay, không lớn hơn 370

* Khi đốt than antraxit, có thể sử dụng tro bay với hàm lượng mất khi nung tới 12% theo thỏa thuận hoặc theo kết quả thử nghiệm được chấp nhận

1.5.2 Các đặc trưng của tro bay

1.5.2.1 Thành phần hóa học trong tro bay

Tro của các nhà máy nhiệt điện chủ yếu là sản phẩm từ quá trình phân hủy và biến đổi các chất khoáng có trong than đá Trong đó, tro ở đáy lò chiếm khoảng 25%, trong khi tro bay chiếm khoảng 75%.

Tro bay chủ yếu là hợp chất silicat, bao gồm các oxit kim loại như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO và CaO Hàm lượng than chưa cháy chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng lượng tro Ngoài ra, tro bay còn chứa một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu và Zn Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc vào loại than đá được sử dụng và điều kiện đốt cháy tại các nhà máy nhiệt điện.

Bảng 6: Thành phần hóa học của tro bay theo vùng miền [10]

Châu Âu Mỹ Trung Quốc Ấn Độ Australia

Tùy thuộc vào loại nhiên liệu, thành phần hóa học của tro bay sẽ khác nhau Các nhà khoa học Ba Lan đã tiến hành nghiên cứu để phân tích thành phần hóa học này.

HVTH: Trần Thanh Tùng 25 đề cập đến việc sử dụng tro bay từ hai nguồn nguyên liệu chính là than nâu và than đen trong các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam, với số liệu được trình bày trong bảng 7 [11].

Bảng 7: Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác nhau

SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 TiO 2 MgO CaO

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, tro bay thu được từ quá trình đốt cháy than đen (ZS-14 và ZS-17) và than nâu (ZS-16) chứa các hợp chất alumo silicat, trong khi tro bay từ than nâu (ZS-13) chủ yếu là canxi silicat.

Các thí nghiệm về thành phần hóa học của tro bay ở nhiều quốc gia đã cho kết quả tương tự, cho thấy rằng tro bay ở Trung Quốc chủ yếu chứa SiO2 và Al2O3 với hàm lượng từ 650 g/kg đến 850 g/kg Ngoài ra, các thành phần khác như than chưa cháy, Fe2O3, MgO và CaO cũng có mặt Hàm lượng than chưa cháy cao trong tro bay Trung Quốc là do đặc điểm của hệ thống lò đốt tại các nhà máy nhiệt điện Theo tiêu chuẩn ASTM C618, tro bay Trung Quốc được phân loại là loại C, tức là tro bay có chất lượng thấp, điều này ảnh hưởng đáng kể đến các ứng dụng của tro bay trong nước.

1.5.2.2 Cấu trúc hình thái của tro bay

Hình thái và kích thước của các hạt tro bay, được thể hiện trong hình 2 và 3 [13], chủ yếu là hình cầu với kích thước đa dạng Các hạt tro bay được phân loại thành hai dạng chính: dạng đặc và dạng rỗng.

Hạt tro bay thường được phân loại thành hai loại: hạt đặc, là những hạt hình cầu rắn, và hạt rỗng, là những hạt hình cầu có bên trong rỗng với tỷ trọng thấp hơn 1,0 g/cm³.

Tro bay thường chứa các hợp chất tinh thể như thạch anh, mulit và hematit, cùng với các hợp chất thủy tinh như ôxit silic và các ôxit khác.

Hình 3: Sự tương phản về kích thước giữa các hạt tro bay hình cầu lớn và các hạt nhỏ

Hình 4: Đặc trưng dạng cầu của các hạt tro bay

Các hạt tro bay đặc với khối lượng riêng từ 2,0 - 2,5 g/cm³ có khả năng cải thiện độ cứng và độ bền kéo của vật liệu nền Trong khi đó, hạt tro bay rỗng với khối lượng riêng chỉ khoảng 0,4 - 0,7 g/cm³ rất phù hợp cho việc tổng hợp vật liệu compozit siêu nhẹ, so với các chất nền kim loại có khối lượng riêng từ 1,6 - 11,0 g/cm³ Cả hai loại hạt này thường có lớp vỏ không hoàn chỉnh, gây ra tình trạng bị rỗ.

Cấu trúc bên trong của vật thể có thể được quan sát thông qua các quan sát đơn giản Tuy nhiên, nó bị che lấp bởi lớp vỏ thủy tinh Để lộ ra lớp vỏ bên trong, cần xử lý vật thể bằng dung dịch HF, dung dịch này sẽ hòa tan nhanh chóng phần thủy tinh.

Tro bay nhiệt điện Duyên Hải

Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải, tọa lạc tại thị xã Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh, có công suất thiết kế 1245 MW với 2 tổ máy phát điện Đây là nhà máy nhiệt điện ngưng hơi truyền thống, sử dụng nhiên liệu than cám 6, với công nghệ đốt hiện đại, đảm bảo hiệu suất cao và tính ổn định Nhà máy tuân thủ các tiêu chuẩn về an toàn và bảo vệ môi trường nhờ vào việc áp dụng các phương pháp lọc bụi, khử NOx và SOx thông qua các thiết bị tiên tiến.

Tro bay được thu hồi qua hệ thống lọc bụi và được bơm vào silo chứa tạm Để hạn chế bụi phát tán khi rút tro bay lên xe tải, dưới đáy silo có hệ thống phun nước làm ẩm Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 thải ra khoảng 1,2 triệu tấn/năm, trong đó 75 - 90% là tro bay.

Tro bay nhiệt điện Duyên Hải được thu hồi qua hệ thống lọc bụi tĩnh điện với nhiều buồng và cấp điện áp khác nhau Kích thước hạt của tro bay Duyên Hải có sự phân bố rộng, với tỉ diện bề mặt dao động từ 2500 đến 6000 cm²/g, có màu xám đen và trọng lượng nhẹ.

Tro bay nhiệt điện Duyên Hải, theo thông số từ nhà máy, có tất cả các đặc trưng của tro bay axit với hàm lượng SiO 2 cao và hàm lượng CaO thấp hơn 10% Theo TCVN 10302:2014, tro bay này thuộc loại F (tro bay axit) và đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng cho việc sử dụng trong sản xuất xi măng.

Bảng 13: Thành phần hóa học của tro bay nhiệt điện Duyên Hải

MKN CKT SO3 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO CaOtd

Tại nhà máy nhiệt điện Duyên Hải, tro bay được phân loại thành hai loại chính và được lưu trữ trong các silo khác nhau Tro bay thô được chứa trong silo số 1, thu hồi từ trường số 1 và 2 của hệ thống lọc bụi điện, với cỡ hạt hơi thô và hàm lượng mất khi nung lớn (16 ÷ 20%) Trong khi đó, tro bay tinh được lưu giữ trong silo số 2.

3, loại này được thu hồi tại các trường 3; 4; 5 của lọc bụi điện, tro bay này có cỡ hạt nhỏ mịn, mất khi nung vào khoảng 6 ÷ 10%

Loại tro bay nghiên cứu trong đề tài này là loại tro bay tinh, lấy mẫu tro bay tại silo số 2 và 3.

Một số công trình nghiên cứu dùng tro bay làm phụ gia xi măng trong và ngoài nước

Công trình nghiên cứu của ThS Nguyễn Văn Đoàn đã khảo sát việc sử dụng tro bay từ Nhà máy nhiệt điện Suralaya, Indonesia làm phụ gia khoáng trong sản xuất xi măng tại Công ty xi măng Holcim Việt Nam Nghiên cứu này đã đưa ra những kết luận quan trọng về hiệu quả và tiềm năng ứng dụng của tro bay trong ngành công nghiệp xi măng.

Tro bay nhà máy nhiệt điện Suralaya, Indonesia, đạt chất lượng cao và đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật TCVN 6882:2001 và ASTM C618-99 Đây là loại phụ gia khoáng hoạt tính cao, phù hợp cho sản xuất xi măng và bê tông.

Sử dụng tro bay Indonesia trong sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp dựa trên clinker của Công ty xi măng Holcim mang lại nhiều lợi ích Tro bay không chỉ cải thiện chất lượng xi măng mà còn giúp giảm thiểu tác động môi trường Việc áp dụng tro bay trong quy trình sản xuất còn góp phần tiết kiệm chi phí và tối ưu hóa hiệu suất sử dụng nguyên liệu.

HVTH: Trần Thanh Tùng 36 dụng ở tỷ lệ tối đa đến 40% theo quy định trong TCVN 6260 : 1997

- Có thể sử dụng tro bay Indonesia và clinker xi măng poóc lăng của Công ty xi măng Holcim để sản xuất xi măng ít toả nhiệt theo ASTM C1157 : 00

Sử dụng tỷ lệ từ 20 - 30% cho loại toả nhiệt trung bình và từ 30% trở lên cho loại toả nhiệt thấp

- Có thể sử dụng tro bay Indonesia và clinker xi măng poóc lăng của Công ty xi măng Holcim để sản xuất xi măng bền sun phát theo ASTM C1157 : 00

Có thể sử dụng tỷ lệ từ 20 - 30% cho loại bền sun phát trung bình và từ 40% trở lên cho loại bền sun phát cao

Khi sản xuất xi măng tại Công ty xi măng Holcim với tro bay Indonesia, cần xem xét hoạt tính thực tế và thành phần khoáng hóa của clinker, cũng như các yêu cầu cụ thể của xi măng để xác định tỷ lệ pha trộn tối ưu.

Tro bay Indonesia hiệu quả trong việc hạn chế phản ứng kiềm - cốt liệu Xi măng Holcim sử dụng tro bay với tỷ lệ lớn hơn 30% có khả năng ngăn ngừa phản ứng này theo tiêu chuẩn ASTM ACI201.2R - 01.

Đề tài thạc sĩ khoa học của tác giả Phạm Thị Chọn tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia hỗn hợp tro bay và CMC (carboxymethyl cellulose) đến tính chất của xi măng Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng tro bay kết hợp với CMC có thể cải thiện đáng kể các đặc tính cơ lý của xi măng, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của vật liệu xây dựng Kết quả cho thấy sự tương tác giữa các thành phần phụ gia này mang lại lợi ích rõ rệt trong việc phát triển các sản phẩm xi măng chất lượng cao hơn.

Sử dụng 2% phụ gia tro bay so với khối lượng xi măng giúp giảm đáng kể lượng vôi tự do trong xi măng, đồng thời tăng cường pha kết dính CSH, mang lại hiệu quả cao về cường độ kháng nén đạt 42 N/mm² và độ hút nước bảo hòa thấp, góp phần tăng độ chắc đặc của vật liệu.

Sử dụng hỗn hợp 2% phụ gia tro bay và 0,2% phụ gia CMC mang lại cường độ kháng nén cao đạt 72 N/mm² Đồng thời, độ hút nước bão hòa giảm hơn so với việc sử dụng riêng biệt từng loại phụ gia.

Hàm lượng tro bay có ảnh hưởng đáng kể đến thời gian đông kết và cường độ sớm của bê tông Các chỉ số từ 0 đến 70 thể hiện tỷ lệ tro bay thay thế xi măng tính theo khối lượng, cho thấy sự biến đổi trong tính chất của bê tông khi thay đổi tỷ lệ này Việc tối ưu hóa hàm lượng tro bay có thể cải thiện hiệu suất và độ bền của bê tông trong xây dựng.

Nghiên cứu của S.W Tang và các cộng sự đã chỉ ra rằng việc tăng hàm lượng tro bay trong xi măng poóc lăng hỗn hợp sẽ dẫn đến việc kéo dài thời gian đông kết và giảm cường độ sớm của xi măng Kết quả này được thể hiện rõ qua biểu đồ trong hình 9.

Kết quả nghiên cứu được đăng trên tạp chí Construction and Building Materials [23]

Tác giả N Bouzoubaâ cùng nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng quá trình nghiền ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất vật lý của tro bay và clinker xi măng Portland Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết quan trọng về mối liên hệ giữa quá trình nghiền và chất lượng vật liệu xây dựng.

Trọng lượng và độ mịn của tro bay tăng theo thời gian nghiền, nhưng sự gia tăng này trở nên không đáng kể sau 2 giờ nghiền.

Quá trình nghiền ảnh hưởng đến hình thái học của hạt tro bay, dẫn đến việc các hạt lớn và không đều bị nghiền nát sau 2 giờ Đồng thời, thời gian nghiền kéo dài cũng làm giảm số lượng các hạt hình cầu.

Các chỉ số hoạt tính cường độ của ba loại tro bay nghiên cứu tăng theo thời gian nghiền Thời gian nghiền tối ưu cho tro bay là khoảng 4 giờ; nếu nghiền lâu hơn, lượng nước tiêu chuẩn sẽ tăng lên và chỉ số hoạt tính cường độ có thể giảm hoặc không tăng đáng kể.

C.Y Lee và nhóm nghiên cứu đã thực hiện một khảo sát nhằm phân tích đặc tính cường độ và vi cấu trúc của hệ xi măng - tro bay hoạt hóa Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết quan trọng về hiệu suất và tính chất của vật liệu xây dựng, góp phần nâng cao chất lượng công trình.

THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hóa chất và dụng cụ

+ Clinker FICO: sản xuất tại Nhà máy xi măng Tây Ninh

+ Đá vôi: khai thác tại mỏ đá vôi – Nhà máy xi măng Tây Ninh

+ Puzolan Bình Phước: Công ty khai thác khoáng sản FICO Bình Phước (BIFICO) cung cấp

+ Tro bay nhiệt điện Duyên Hải – Trà Vinh

+ Axeton: mua trên thị trường

Các dụng cụ thí nghiệm được trang bị đầy đủ để thực hiện các thí nghiệm theo tiêu chuẩn mà đề tài cần triển khai.

Xác định thành phần khoáng, hoá và độ hoạt tính của tro bay

2.2.1 Xác định thành phần hóa học

Mẫu tro bay được sấy khô, nghiền mịn, bảo quản trong bình hút ẩm Tiến hành phân tích thành phần hóa học của tro bay theo TCVN 141 : 2008

2.2.2 Xác định thành phần khoáng của tro bay và puzolan

Xác định thành phần khoáng tro mẫu tro bay và puzolan bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghel (XRD)

Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được hình thành từ các nguyên tử hoặc ion phân bố đều trong không gian theo một quy luật nhất định Khi chùm tia Rơnghen chiếu vào bề mặt tinh thể và thâm nhập vào mạng lưới tinh thể, nó hoạt động như một cách tử nhiễm xạ đặc biệt Các nguyên tử và ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ trở thành các tâm phát ra tia phản xạ.

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp nhiễm xạ tia X là dựa vào phương

HVTH: Trần Thanh Tùng 40 trình Vulf - Bragg sau đây: nλ = 2dsin θ

Trong đó: n: bậc nhiễm xạ (n là các số nguyên) λ: bước sóng của tia X d: khoảng cách giữa 2 mặt tinh thể θ: góc giữa tia tới và mặt phẳng phản xạ

Mỗi nguồn tia X với bước sóng λ xác định sẽ cho ra một bộ giá trị d đặc trưng khi thay đổi góc tới θ Việc so sánh các giá trị d này với d chuẩn giúp xác định cấu trúc mạng tinh thể của chất đang nghiên cứu.

2.2.3 Xác định độ hoạt tính

Mẫu tro bay và puzolan được xác định độ hút vôi bằng phương pháp nhanh, dựa trên phản ứng giữa SiO 2 hoạt tính và Ca(OH) 2 Độ hút vôi được tính bằng số mgCaO hấp thụ trên 1 gam phụ gia hoạt tính.

Cân chính xác 1 gam mẫu đã sấy khô ở 100°C vào bình nón có nút nhám, sau đó thêm 100 ml dung dịch nước vôi bão hòa và lắc đều trong 1 phút Đặt bình vào tủ sấy ở nhiệt độ 100 ÷ 110°C, lắc mỗi 15 phút một lần Sau 30 phút, dùng pipet hút ra 50 ml dung dịch mà không làm vẩn đục dung dịch còn lại, sau đó chuẩn độ bằng HCl 0,1N với chỉ thị methyl da cam Tiếp tục bổ sung 50 ml nước vôi bão hòa vào bình chứa mẫu và lắc đều trong 1 phút trước khi đặt vào tủ sấy Lặp lại quá trình chuẩn độ cho đến khi đủ 15 lần, cộng dồn kết quả để xác định độ hút vôi và phân loại hoạt tính của phụ gia.

Số mg CaO do 1 gam mẫu hút được sau lần chuẩn thứ nhất là:

G n = (Va n-1 + Vb n-1 )/2 - Vb n, trong đó a n là số ml HCl 0.1N cần thiết để chuẩn độ 50 ml nước vôi, và b n là số ml HCl 0.1N sử dụng để chuẩn độ 50 ml dung dịch cho từng lần chuẩn.

Bảng 14: Phân loại hoạt tính của phụ gia theo độ hút vôi

Đánh giá độ hoạt tính của phụ gia hấp thụ được phân loại như sau: Độ hoạt tính yếu từ 30 - 50 mg CaO/1g, độ hoạt tính trung bình yếu từ 50 - 70 mg CaO/1g, độ hoạt tính trung bình từ 70 - 100 mg CaO/1g, độ hoạt tính mạnh từ 100 - 150 mg CaO/1g, và độ hoạt tính rất mạnh khi vượt quá 150 mg CaO/1g.

2.2.4 Đo độ dẫn điện xác định nhanh độ hoạt tính tro bay

Gần đây, các nhà khoa học đã nghiên cứu và đề xuất một phương pháp mới để xác định độ hoạt tính của tro bay, bên cạnh phương pháp truyền thống đo độ hút vôi và chỉ số hoạt tính cường độ Phương pháp này dựa trên việc đo độ dẫn điện của dung dịch NaOH hoặc Ca(OH)2 có chứa một lượng tro bay nhất định.

Nguyên tắc của phương pháp này được mô tả như sau:

Chuẩn bị dung dịch vôi bão hòa, tro bay sấy khô, tro bay nghiền 5 phút và tro bay nghiền 10 phút Cân chính xác 5g tro bay, tro bay nghiền 5 phút và tro bay nghiền 10 phút, sau đó cho vào cốc thủy tinh 200 ml, lưu ý chọn cốc có mực dung dịch cao hơn chiều cao sensor của máy đo Hút 200 ml dung dịch vôi bão hòa và đổ vào 4 cốc thủy tinh được ký hiệu HV v, HV 0.

HV 5 , HV 10 trong đó cốc HV v là mẫu trắng, HV 0 chứa 5g tro bay không nghiền, HV 5 chứa 5g tro bay nghiền 5 phút và HV 10 chứa 5g tro bay nghiền 10 phút Đưa cả 4

Trần Thanh Tùng đã thực hiện thí nghiệm bằng cách cho 42 cốc vào tủ sấy, nâng nhiệt độ dung dịch lên 40°C và khuấy đều trong 2 phút Sau đó, dung dịch được duy trì ở 40°C để đo độ dẫn điện bằng máy đo Thermo Scientific model CON 6+, với thời gian mỗi lần đo từ 0,5 đến 1 phút.

1 giờ Ghi chép kết quả phép đo vào sổ thực nghiệm

Hình 10: Máy đo độ dẫn điện cầm tay Thermo Scientific model CON 6+ (Hoa Kỳ)

Khảo sát các tính chất cơ lý của xi măng

2.3.1 Chuẩn bị các cấp phối nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu nhằm thay thế tro bay cho đá puzolan và clinker trong phối liệu nghiền xi măng, với mục tiêu xây dựng các bài cấp phối theo bảng 15.

Bảng 15: Thành phần các bài cấp phối nghiên cứu

Clinker T.Cao Puzolan Đá vôi Tro bay

Chuẩn bị nguyên vật liệu nghiền mẫu xi măng:

Clinker FiCO được lấy mẫu từ silo nhà máy xi măng Tây Ninh với khối lượng 30 kg, sau đó được giảm kích thước xuống ≤ 2mm bằng kẹp hàm và bảo quản trong bao nylon kín Đá puzolan Bình Phước có khối lượng 2 kg, cũng được giảm kích thước ≤ 2mm, sấy khô ở nhiệt độ 105 ± 5 độ C và bảo quản tránh ẩm Tương tự, đá vôi lấy tại kho với khối lượng 2 kg được xử lý bằng kẹp hàm để giảm kích thước ≤ 2mm, sấy khô ở nhiệt độ 105 ± 5 độ C và cũng cần bảo quản tránh ẩm môi trường.

Tro bay Duyên Hải, khối lượng 2 kg, sấy khô ở nhiệt độ 105 0 C ± 5 0 C, bảo quản tránh ẩm môi trường

Thạch cao Thái Lan lấy tại kho, khối lượng 1 kg, kẹp hàm giảm kích thước

≤ 1mm, sấy khô ở nhiệt độ 45 0 C ± 3 0 C, bảo quản tránh ẩm môi trường Định lượng nguyên vật liệu theo cấp phối mẫu, mỗi cấp phối có khối lượng

Cho từng mẫu 5 kg vào máy nghiền bi trong phòng Lab, điều chỉnh thời gian nghiền để đạt được độ mịn của mẫu xi măng là 4000 ± 100 cm²/g.

Mẫu xi măng nghiền cần đạt độ mịn yêu cầu và được bảo quản trong lọ nhựa có nắp đậy kín để đảm bảo chất lượng trước khi thực hiện các thí nghiệm tiếp theo.

2.3.2 Xác định độ dẻo tiêu chuẩn của hồ xi măng

Xác định độ dẻo của vữa xi măng theo TCVN 6017 : 2015 (ISO 9597 :

Hồ xi măng đạt độ dẻo tiêu chuẩn cần có sức cản nhất định đối với sự lún của kim tiêu chuẩn Để xác định lượng nước cần thiết cho hồ xi măng đạt độ dẻo tiêu chuẩn, cần tiến hành thử nghiệm độ lún của kim vào các hồ xi măng với hàm lượng nước khác nhau.

Sử dụng dụng cụ Vicat bằng tay như mô tả trong Hình 1 a) và 1 b) với kim to được thể hiện trong Hình 1 c) Kim to làm từ kim loại không bị ăn mòn, có cấu trúc trụ thẳng, chiều dài hữu ích tối thiểu 45 mm và đường kính (10,00 ± 0,05) mm Tổng khối lượng của bộ phận chuyển động là (300 ± 1) g, yêu cầu chuyển động của bộ phận này phải thẳng đứng, ma sát không đáng kể, và trục của bộ phận chuyển động phải trùng với trục kim to.

Khuôn Vicat được làm bằng cao su rắn, nhựa cứng hoặc đồng thau, có hình dạng trụ tròn hoặc hình nón cụt, với kích thước sâu 40,0 ± 0,2 mm và đường kính trong 75 ± 10 mm Khuôn cần có độ cứng đủ để chịu được áp lực trong quá trình thí nghiệm Ngoài khuôn, cần có một tấm đế phẳng lớn hơn khuôn, dày ít nhất 2,5 mm, làm từ vật liệu không thấm hút và có khả năng chống ăn mòn của hồ xi măng, như tấm thủy tinh phẳng.

Có thể sử dụng khuôn kim loại khác, nhưng cần đảm bảo chiều sâu chính xác và khuôn này phải được hiệu chuẩn theo tiêu chuẩn.

Phòng thử nghiệm nên sử dụng các tấm đế phẳng đồng nhất về độ dày, nhằm tối ưu hóa quy trình hiệu chỉnh thang chia vạch của dụng cụ Vicat, cho phép thực hiện nhiều lần thử nghiệm chỉ với một lần điều chỉnh.

Kích thước tính bằng milimét a) Hình chiếu của dụng cụ

Vicat là dụng cụ quan trọng trong việc xác định thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết của vật liệu Hình chiếu của dụng cụ Vicat giúp minh họa quá trình đo đạc này Ngoài ra, kim thử độ dẻo tiêu chuẩn cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá tính chất của vật liệu Kim thử bắt đầu đông kết và kim thử kết thúc đông kết là hai thành phần thiết yếu để xác định thời gian đông kết chính xác.

1 Khuôn 4 Khay ngâm mẫu 7 Lỗ thông khí

2 Khối lượng điều chỉnh 5 Nước

3 Tấm đế 6 Lỗ thụng khớ (ỉ -1,5) a Kim thử có lắp vòng nhỏ để xác định thời gian kết thúc đông kết nhìn từ phía dưới

Nếu kim to, kim nhỏ và kim có gắn vòng đều có cùng khối lượng (9,0 ± 0,5) g, thì chỉ cần một khối lượng điều chỉnh duy nhất cho mỗi dụng cụ Vicat.

Dụng cụ Vicat bằng tay điển hình để xác định độ dẻo tiêu chuẩn và thời gian đông kết + Cách tiến hành i Trộn hồ xi măng

Cân 500 g xi măng và 125 g nước với độ chính xác ± 1 g bằng cân Nếu sử dụng ống đong hoặc buret, cần đo lượng nước chính xác đến ± 1 mL Hồ được trộn bằng máy trộn, với thời gian các giai đoạn trộn, bao gồm cả thời gian tắt/bật máy, cần chính xác trong phạm vi ± 2 giây.

Quy trình trộn bắt đầu khi máy trộn sẵn sàng hoạt động Đổ nước vào cối trộn và cho xi măng vào một cách cẩn thận để tránh thất thoát, hoàn thành trong vòng 10 giây Ngay lập tức bật máy trộn ở tốc độ thấp và bắt đầu tính thời gian cho các giai đoạn trộn, đồng thời ghi lại thời điểm gần nhất, lấy phút làm thời điểm “không”.

CHÚ THÍCH: Thời điểm "không” là mốc để tính thời gian bắt đầu đông kết

Sau khi trộn trong 90 giây, dừng máy trộn trong 30 giây Trong khoảng thời gian này, sử dụng bay cao su hoặc nhựa để vét sạch phần hồ bám ở thành và đáy cối trộn, đưa vào giữa cối trộn Tiếp theo, bật lại máy trộn và chạy ở tốc độ thấp thêm 90 giây Tổng thời gian chạy máy trộn là 3 phút.

Có thể áp dụng phương pháp trộn khác, nhưng cần hiệu chuẩn so với phương pháp chuẩn Để đổ hồ, hãy đặt khuôn lên tấm đế phẳng đã được bôi một lớp dầu mỏng Đổ hồ vào khuôn mà không nén hay rung mạnh, đảm bảo hồ đầy hơn khuôn Để loại bỏ khoảng trống, nhẹ nhàng vỗ vào thành khuôn và sử dụng dụng cụ có cạnh thẳng để gạt phần hồ thừa, tạo bề mặt phẳng và đều ngang với mặt khuôn.

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

Kết quả khảo sát các tính chất của tro bay Duyên Hải

3.1.1 Hình dạng và cấu trúc hạt tro bay

Hạt tro bay Duyên Hải có hình dạng cầu hoặc giả cầu, với kích thước đa dạng, và được đặc trưng bởi cấu trúc nhiều lỗ xốp, rỗng Đặc tính này xuất phát từ quá trình nghiền mịn than và phun vào buồng đốt, nơi các thành phần cháy tham gia phản ứng sinh nhiệt Các thành phần không cháy được đốt nóng đến nhiệt độ cao, sau đó chảy lỏng và bay lơ lửng trong dòng khí Khi được làm nguội nhanh bởi không khí, chúng hình thành pha vô định hình; trong trạng thái bay lơ lửng, các thành phần nóng chảy co lại thành hình cầu, có khả năng chứa khí bên trong Pha vô định hình trong hạt tro bay đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra hoạt tính puzolanic của tro bay.

Hình 11: Ảnh chụp SEM hạt tro bay

3.1.2 Thành phần cỡ hạt của tro bay

Kết quả phân tích cỡ hạt bằng phương pháp tán xạ laser

Hình 12: Phân bố dải cỡ hạt tro bay Duyên Hải

Từ các số liệu phân bố dải cỡ hạt như trong hình 12, có thể tổng hợp phần trăm các kích thước hạt như trong bảng 16

Bảng 16: Dải cỡ hạt của tro bay Duyên Hải

Lọt qua sàng, (%) Stt Đường kớnh, (àm)

Theo số liệu thống kê, tro bay Duyên Hải có cỡ hạt trung bình là 28,136μm, với dải kích thước từ 2,269μm đến 152,453μm, trong đó 79,733% hạt nhỏ hơn 45μm Điều này cho thấy tro bay có kích thước tương đương hoặc nhỏ hơn hạt xi măng, chủ yếu có dạng hình cầu hoặc giả cầu Khi tro bay được thêm vào xi măng, nó sẽ cải thiện tính lưu biến của vữa và bê tông Hiện tượng này xảy ra do các hạt tro bay nhỏ và hình cầu có khả năng lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu, hoạt động như ổ bi giúp tăng khả năng trơn trượt của các hạt cốt liệu, từ đó nâng cao tính lưu biến của hệ thống.

Khả năng tăng tính lưu biến giúp giảm lượng nước cần thiết cho vữa và bê tông, từ đó nâng cao độ đặc chắc của đá xi măng và bê tông Điều này không chỉ cải thiện cường độ cơ học mà còn tăng khả năng chống thấm cho sản phẩm.

3.1.3 Thành phần khoáng, hóa của tro bay Duyên Hải

Kết quả phân tích thành phần hóa học của tro bay Duyên Hải theo TCVN

Nghiên cứu đã tiến hành phân tích thành phần của tro bay Duyên Hải nhằm so sánh với phụ gia puzolan Bình Phước, hiện đang được sử dụng trong cấp phối nghiền PCB40 FiCO, như thể hiện trong bảng 17 của báo cáo năm 2008.

HVTH: Trần Thanh Tùng 56 hóa học của puzolan Bình Phước và tổng hợp kết quả như trong bảng 17:

Bảng 17: Thành phần hóa học tro bay Duyên Hải và puzolan Bình Phước

SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO CaO td

Thành phần khoáng của tro bay Duyên Hải và puzolan Bình Phước đã được khảo sát bằng phương pháp phân tích XRD, với kết quả được trình bày trong các giản đồ hình 13, hình 14 và bảng tổng hợp số liệu (bảng 18).

Hình 13: Các peak khoáng chất trong tro bay

Hình 14: Các peak khoáng chất trong puzoland

Bảng 18: Thành phần khoáng tro bay Duyên Hải

RESULT XRD ANALYSIS FOR WHOLE ROCK

Amount in Semi-quantitative term

Sample Quart Kali Fe- ldspar

Mgan- etite Clays Dolo- mite

Kết quả phân tích cho thấy tro bay Duyên Hải có hàm lượng SiO2 và Al2O3 hoạt tính cao hơn so với puzolan Bình Phước.

Pha thủy tinh trong thành phần của tro bay cao hơn nhiều so với puzolan hay có thể nói thành phần hoạt tính trong tro bay cao hơn puzolan

Trong tro bay không chứa kali feldspar, trong khi puzolan lại có chứa tới 11,4% thành phần này Kali là một yếu tố có hại cho xi măng, vì nó có khả năng tham gia vào phản ứng kiềm – cốt liệu, dẫn đến hư hỏng cấu kiện bê tông trong tương lai.

3.1.4 Hoạt tính puzolan của tro bay Duyên Hải

Hoạt tính puzolan của tro bay Duyên Hải được đánh giá qua khảo sát chỉ số hoạt tính cường độ với xi măng và độ hút vôi, với kết quả được trình bày trong bảng 19 và bảng 20 Đồng thời, hoạt tính puzolan của Bình Phước cũng được khảo sát để có dữ liệu so sánh.

Bảng 19: Chỉ số hoạt tính cường độ với xi măng của tro bay Duyên Hải

Cấp phối (%) C độ nén (MPa) Hoạt tính (%)

Clinker T cao Puzolan Tro bay 7 ngày 28 ngày 7 ngày 28 ngày

Trong đó: Mẫu HT1 gồm 80% OPC + 20% Tro bay

Mẫu HT2 gồm 80% OPC + 20% Puzolan đã nghiền mịn Bảng 20: Độ hút vôi của tro bay Duyên Hải

Tro bay Duyên Hải Puzolan Bình Phước

Lượng CaO sau khi thêm (mg)

Lượng CaO hấp thụ được (mg)

VHCl dùng để chuẩn (ml)

Tro bay Duyên Hải Puzolan Bình Phước

VHCl dùng để chuẩn (ml)

Tổng lượng vôi hút được 150,25 61,07

Kết quả đo độ hút vôi cho thấy tro bay có khả năng hút vôi tốt hơn so với puzolan Theo bảng phân loại hoạt tính, tro bay được xếp vào nhóm hoạt tính rất mạnh, trong khi puzolan chỉ thuộc nhóm có độ hoạt tính trung bình yếu.

Tro bay và puzolan đều là phụ gia khoáng hoạt tính puzolanic, nhưng tro bay có hoạt tính cao hơn Việc sử dụng tro bay thay thế cho puzolan trong sản xuất xi măng sẽ giúp tăng cường độ cơ học của xi măng.

Trong lần chuẩn thứ 6, tổng lượng mgCaO mà puzolan hút được (46,89 mgCaO) cao hơn so với tro bay (41,89 mgCaO) Tuy nhiên, đến lần chuẩn thứ 7, sau 14 ngày đêm, lượng vôi mà tro bay hút được mới bắt đầu vượt trội hơn puzolan Điều này cho thấy, mặc dù tro bay có hoạt tính rất mạnh, nhưng ở giai đoạn đầu, độ hoạt tính của nó không bằng puzolan.

3.1.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nghiền đến độ hoạt tính của tro bay

Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng tro bay như một phụ gia khoáng hoạt tính, nhằm đánh giá ảnh hưởng của quá trình nghiền đến độ hoạt tính của nó Để thực hiện điều này, các nhà nghiên cứu đã đo độ dẫn điện của dung dịch vôi bão hòa, được pha trộn với các loại tro bay chưa nghiền và tro bay đã nghiền trong các khoảng thời gian khác nhau.

Phương pháp đo độ hoạt tính của tro bay dựa trên sự giảm độ dẫn điện của dung dịch vôi bão hòa khi cho tro bay vào Sự giảm này xảy ra do phản ứng của SiO2 và Al2O3 trong tro bay với Ca(OH)2, tạo ra các hợp chất mới như C-S-H và C-A-H, dẫn đến giảm nồng độ Ca2+ trong dung dịch Tro bay có độ hoạt tính cao sẽ làm giảm độ dẫn điện mạnh hơn Trong nghiên cứu, tro bay được nghiền trong máy nghiền bi trong thời gian 5 và 10 phút, sau đó xác định độ mịn và pha vào dung dịch vôi bão hòa Các mẫu được sấy ở 40°C và khuấy đều trước khi đo độ dẫn điện để xác định độ hoạt tính Kết quả đo được tổng hợp trong bảng 21 và đồ thị hình 15.

Bảng 21: Độ dẫn điện của các dung dịch với loại tro bay khác nhau Đại lượng Đơn vị Ca(OH)2 Tro bay chưa nghiền

10 phút Độ mịn cm 2 /g - 2.540 5.500 8.890 Độ dẫn điện mS/cm 6,424 6,171 5,748 5,680

Chênh lệch ĐDĐ so với Ca(OH) 2 mS/cm Tài liệu HUTECH0,000 0,253 0,676 0,745

Hình 15: Chênh lệch độ dẫn điện của dung dịch với loại tro bay khác nhau

Dữ liệu từ bảng 21 và đồ thị hình 15 cho thấy, sau một thời gian phản ứng tương tự, độ dẫn điện của dung dịch chứa tro bay nghiền mịn giảm dần, cho thấy lượng Ca(OH)2 tham gia phản ứng tăng lên Điều này có thể giải thích rằng khi độ mịn của tro bay tăng, diện tích bề mặt tiếp xúc giữa SiO2 và Al2O3 hoạt tính với Ca(OH)2 trong dung dịch cũng tăng, dẫn đến việc nhiều Ca(OH)2 hơn tham gia vào phản ứng, làm giảm mạnh độ dẫn điện.

Nghiên cứu cho thấy tro bay nghiền mịn có độ hoạt tính cao hơn so với tro bay không nghiền, và độ mịn càng lớn thì độ hoạt tính của tro bay càng cao.

Ảnh hưởng của tro bay Duyên Hải đến các tính chất của xi măng PCB40

Để đánh giá ảnh hưởng của tro bay Duyên Hải đến tính chất cơ lý của xi măng PCB40 FiCO, nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm trên hai mẫu Pu7.5 (cấp phối nguyên liệu theo thực tế sản xuất) và Tb7.5 (tro bay Duyên Hải thay thế hoàn toàn puzolan Bình Phước) Các tính chất cơ lý của hai nhóm mẫu này được khảo sát trong cùng điều kiện, cho kết quả cụ thể như sau:

3.2.1 Ảnh hưởng của tro bay đến lượng nước tiêu chuẩn

Số liệu về lượng nước tiêu chuẩn của các mẫu Pu7.5 và Tb7.5 được tổng hợp trong bảng 22 và hình 16

Bảng 22: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn khi thay đổi phụ gia hoạt tính

Mã hóa Lượng nước tiêu chuẩn (%)

Hình 16: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn khi thay đổi phụ gia hoạt tính

Khi sử dụng tro bay thay thế cho puzolan trong cấp phối xi măng PCB40 FiCO, lượng nước tiêu chuẩn có xu hướng giảm nhẹ Cụ thể, lượng nước tiêu chuẩn trong mẫu Pu7.5 là 27,6%, trong khi ở mẫu Tb7.5, giá trị này giảm xuống còn 27,3%, tương ứng với mức giảm 1,59% so với mẫu Pu7.5.

Hiện tượng này xuất phát từ việc các hạt tro bay có hình dạng cầu nhỏ, nhưng trong quá trình nghiền, nhiều hạt đã bị biến dạng, chỉ còn một lượng nhất định giữ nguyên cấu trúc cầu Những hạt tro bay này len lõi vào giữa các hạt xi măng, đóng vai trò như “ổ bi”, giúp cho các hạt xi măng trơn trượt, từ đó tăng tính lưu biến của hệ và giảm lượng nước tiêu chuẩn cần thiết cho xi măng.

3.2.2 Ảnh hưởng của tro bay đến thời gian đông kết

Số liệu về thời gian đông kết của các mẫu Pu7.5 và Tb7.5 được tổng hợp trong bảng 23 và hình 17

Bảng 23: Sự thay đổi thời gian đông kết

Thời gianđông kết (phút) Hàm lƣợng tro bay (%)

Hàm lƣợng puzolan (%) Bắt đầu Kết thúc

Hình 17: Sự thay đổi thời gian đông kết

Sử dụng tro bay thay thế cho puzolan trong cấp phối xi măng PCB40 FiCO làm tăng thời gian đông kết của hồ xi măng Cụ thể, thời gian đông kết của mẫu Pu7.5 là 155 phút, trong khi mẫu Tb7.5 có thời gian đông kết tăng lên 175 phút, tương ứng với mức tăng 11,43% so với mẫu Pu7.5.

Hiện tượng này xảy ra do các hạt tro bay có cấu trúc xốp, có khả năng hút nước khi tiếp xúc với nước trộn, dẫn đến việc giảm lượng nước ban đầu tham gia vào quá trình thủy hóa Khi lực hút của hạt xi măng đủ mạnh, tro bay sẽ giải phóng nước đã giữ lại để tiếp tục quá trình thủy hóa Điều này làm giảm lượng chất kết dính ban đầu, làm chậm quá trình bắt đầu đông kết và kéo dài thời gian kết thúc đông kết.

3.2.3 Ảnh hưởng của tro bay đến độ ổn định thể tích

Số liệu về độ ổn định thể tích của các mẫu Pu7.5 và Tb7.5 được tổng hợp trong bảng 24 và hình 18

Bảng 24: Sự thay đổi độ ổn định thể tích khi thay đổi phụ gia hoạt tính

Mã hóa Độ ổn định thể tích (mm)

Hình 18: Sự thay đổi độ ổn định thể tích khi thay đổi phụ gia hoạt tính

Nhận xét: So sánh số liệu về độ ổn định thể tích cho thấy, khi dùng tro bay

Việc thay thế puzolan Bình Phước bằng tro bay Duyên Hải đã làm tăng độ ổn định thể tích, với mẫu Tb7.5 đạt 1 mm, cao hơn so với mẫu Pu7.5 (0,5 mm) nhưng vẫn thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn cho phép (TCVN 6260: 2009 là 10 mm) Do đó, việc sử dụng tro bay Duyên Hải trong cấp phối xi măng PCB40 FiCO không ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định thể tích của xi măng.

3.2.4 Ảnh hưởng của tro bay đến cường độ cơ học

Số liệu về cường độ kháng nén của các mẫu Pu7.5 và Tb7.5 được tổng hợp trong bảng 25 và hình 19

Bảng 25: Cường độ kháng nén các mẫu sử dụng tro bay/puzolan ở các ngày tuổi

Mẫu thử Cường độ nén (MPa) Hàm lượng tro bay (%)

Hình 19: Cường độ kháng nén của các mẫu sử dụng tro bay/puzolan ở các ngày tuổi

Khi so sánh cường độ kháng nén của mẫu Pu7.5 và Tb7.5 ở các ngày tuổi khác nhau, tại 1 ngày tuổi, cường độ kháng nén của hai mẫu tương đương nhau với Pu7.5 đạt 14,3 MPa và Tb7.5 đạt 14,0 MPa Hiện tượng này có thể giải thích bởi quá trình đóng rắn xi măng, trong đó ettringit đóng góp nhiều vào cường độ 1 ngày, phụ thuộc vào tính chất clinker và hàm lượng thạch cao Do đó, ở tuổi 1 ngày, cả hai mẫu có cường độ tương đương do cùng loại và lượng clinker, thạch cao Tại 3 ngày tuổi, mẫu Tb7.5 đạt 28,5 MPa, thấp hơn 2,73% so với mẫu Pu7.5 (29,3 MPa), hiện tượng này có thể do hoạt tính của tro bay thấp hơn puzolan, thể hiện qua lượng vôi hút được tích lũy.

HVTH: Trần Thanh Tùng cho thấy rằng ở cường độ 7 ngày tuổi, mẫu Tb7.5 đạt 34,8 MPa, thấp hơn 3,33% so với mẫu Pu7.5 (36,0 MPa), do hoạt tính của tro bay thấp hơn puzolan Tuy nhiên, ở cường độ 28 ngày tuổi, mẫu Tb7.5 đạt 46,6 MPa, cao hơn 8,58% so với mẫu Pu7.5 (42,6 MPa), nhờ vào hoạt tính cao hơn của tro bay và lượng vôi hấp thụ tích lũy là 142,13 mgCaO so với 60,13 mgCaO của puzolan Các sản phẩm từ phản ứng hoạt tính puzolanic lấp đầy khoảng trống do Ca(OH)2 để lại, làm tăng cường độ cấu trúc đá xi măng Hoạt tính mạnh mẽ của tro bay tạo ra nhiều C-S-H, C-A-H thứ sinh hơn trong mẫu Tb7.5, dẫn đến độ đặc chắc cao hơn và cường độ 28 ngày tuổi tốt hơn Để xác minh, nghiên cứu đã so sánh ảnh SEM của mẫu Tb7.5 và Pu7.5 để làm rõ kết quả.

Hình 20: Ảnh chụp SEM mẫu Pu7.5 (a) và Tb7.5 (b) ở tuổi 28 ngày

So sánh ảnh SEM của mẫu Tb7.5 và Pu7.5 ở độ phóng đại 20.000 lần cho thấy mẫu Tb7.5 có cấu trúc đặc chắc hơn, trong khi các tinh thể hiđrô silicat canxi và hiđrô aluminat dạng sợi ở mẫu Tb7.5 mịn hơn so với mẫu Pu7.5.

Qua khảo sát ảnh hưởng của tro bay Duyên Hải đối với các tính chất cơ lý của xi măng PCB40 FiCO khi thay thế puzolan Bình Phước, có thể rút ra một số nhận định quan trọng.

Việc sử dụng tro bay Duyên Hải thay thế cho puzolan Bình Phước trong cấp phối xi măng PCB40 FiCO đã cải thiện đáng kể các đặc tính của xi măng, bao gồm giảm lượng nước tiêu chuẩn, kéo dài thời gian đông kết và tăng cường độ cơ học.

Khả năng kéo dài thời gian đông kết của bê tông rất quan trọng trong thi công tại các công trình xa khu vực trộn Điều này cũng cho phép giảm lượng thạch cao sử dụng, do thạch cao có giá thành cao, chỉ sau clinker.

Tăng cường độ cơ học cho phép mở rộng nghiên cứu về việc gia tăng hàm lượng tro bay trong cấp phối thay thế clinker, ảnh hưởng đến các tính chất cơ lý của xi măng PCB40 FiCO Mục tiêu là xác định hàm lượng tối đa tro bay Duyên Hải có thể sử dụng trong cấp phối xi măng PCB40 FiCO, nhằm tối ưu hóa lợi ích kinh tế và kỹ thuật cho công ty.

Các khảo sát tiếp theo trong luận văn này sẽ cung cấp câu trả lời cho những câu hỏi đặt ra, khi tăng dần hàm lượng tro bay nhằm thay thế clinker, nguyên liệu có giá thành cao nhất, trong cấp phối nghiền xi măng.

Kết quả khảo sát khi tiếp tục sử dụng tro bay thay thế cho clinker

3.3.1 Ảnh hưởng của tro bay đến lượng nước tiêu chuẩn

Bảng 26: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn

Mã hóa Lượng nước tiêu chuẩn (%)

Hình 21: Sự thay đổi lượng nước tiêu chuẩn

Khi hàm lượng tro bay trong xi măng tăng, lượng nước tiêu chuẩn cần thiết cho quá trình trộn giảm theo quy luật đã nêu ở mục 3.2.1 Tuy nhiên, trong các thí nghiệm, lượng nước tiêu chuẩn không tỉ lệ trực tiếp với hàm lượng tro bay, cho thấy rằng xi măng có hàm lượng tro bay cao đang chịu ảnh hưởng của hai tác động trái ngược nhau.

Tác dụng của “ổ bi” giúp giảm lượng nước tiêu chuẩn trong quá trình nghiền Khi hàm lượng tro bay không lớn, hiệu ứng ổ bi nổi bật, giảm thiểu lượng nước cần sử dụng Tuy nhiên, khi hàm lượng tro bay tăng lên, khả năng giảm lượng nước sẽ bị ảnh hưởng.

HVTH: Trần Thanh Tùng 72 phần tro bay bị va đập vỡ nát cũng tăng lên lúc này hiệu ứng ổ bi không còn chiếm thế nữa

3.3.2 Ảnh hưởng của tro bay đến thời gian đông kết

Bảng 27: Sự thay đổi thời gian đông kết của xi măng

Mã hóa TG ĐÔNG KẾT(phút) Hàm lƣợng tro bay (%)

Hàm lƣợng clinker (%) Bắt đầu Kết thúc

Hình 22: Sự thay đổi thời gian đông kết của xi măng

Hàm lượng tro bay trong xi măng có ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian đông kết Cụ thể, khi hàm lượng tro bay tăng, lượng nước mà tro bay giữ lại cũng tăng, dẫn đến việc làm chậm quá trình thủy hóa của xi măng Hơn nữa, việc tăng tro bay đồng nghĩa với việc giảm lượng clinker, từ đó làm giảm nồng độ các khoáng thủy hóa ban đầu, góp phần kéo dài thời gian đông kết của xi măng.

3.3.3 Ảnh hưởng của tro bay đến độ ổn định thể tích

Bảng 28: Độ ổn định thể tích của mẫu thử

Mã hóa Độ ổn định thể tích (mm)

Trong loạt mẫu thử, hàm lượng tro bay tăng dần nhưng độ ổn định thể tích của xi măng không thay đổi, đáp ứng tốt tiêu chuẩn TCVN 6260:2009 Điều này cho thấy hàm lượng tro bay hầu như không ảnh hưởng đến độ ổn định thể tích của xi măng.

3.3.4 Ảnh hưởng của tro bay đến cường độ cơ học

Bảng 29: Tác động của hàm lượng tro bay đến cường độ xi măng

Cường độ nén (MPa) Hàm lượng tro bay (%)

Hình 23: Sự giảm cường độ cơ học khi tăng tro bay

Khi hàm lượng tro bay tăng lên thay thế clinker trong xi măng, cường độ của xi măng sẽ suy giảm Clinker là thành phần chính quyết định cường độ cơ học của đá xi măng, vì trong quá trình thủy hóa, các khoáng chất trong clinker giải phóng vôi, và tro bay phản ứng với vôi này để tạo ra hợp chất kết dính thứ sinh Tuy nhiên, lượng vôi được giải phóng là có giới hạn, và khi hàm lượng clinker giảm, lượng vôi cũng sẽ giảm theo Do đó, chỉ trong một tỉ lệ nhất định của tro bay/clinker, cường độ xi măng có thể được cải thiện; nếu hàm lượng tro bay tăng trong khi clinker giảm, cường độ chung của xi măng sẽ giảm.

Cường độ ở tuổi 28 ngày giảm dần khi hàm lượng tro bay tăng lên, trong khi cường độ ở tuổi sớm lại suy giảm nhanh chóng Điều này phù hợp với giải thích đã nêu trong mục 3.2.4.

Cường độ mẫu Tb17.5 ở tuổi 28 ngày không đạt 40 MPa, cho thấy không đạt tiêu chuẩn mác xi măng PCB40 Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng để sản xuất xi măng FiCO PCB40, cần sử dụng hàm lượng tro bay Duyên Hải ở mức cao nhất.

HVTH: Trần Thanh Tùng 75 cho thấy hàm lượng tro bay đạt 15,5% Để sử dụng với hàm lượng tro bay cao hơn, cần điều chỉnh cấp phối hiện tại Hình ảnh SEM của mẫu Tb11.5 so với mẫu Tb7.5 dưới đây minh chứng rõ rệt sự suy giảm độ đặc chắc của đá xi măng ở tuổi 28 ngày khi hàm lượng clinker trong cấp phối giảm.

Hình 24: Ảnh chụp SEM mẫu Tb7.5 ở tuổi

Hình 25: Ảnh chụp SEM mẫu Tb11.5 ở tuổi 28 ngày

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Qua khảo sát tính chất của tro bay Duyên Hải và ảnh hưởng của nó đến các đặc tính cơ lý của xi măng PCB40 FiCO, khi thay thế puzolan Bình Phước và clinker trong cấp phối xi măng, có thể rút ra một số kết luận quan trọng.

1 Tro bay Duyên Hải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của tro bay sử dụng sản xuất xi măng theo TCVN 10302 : 2014 và đạt yêu cầu sử dụng làm phụ gia khoáng hoạt tính cho xi măng theo TCVN 6882 : 2001 Hoạt tính puzolanic của tro bay mạnh hơn puzolan Bình Phước

2 Tro bay sau nghiền có độ hoạt tính cao hơn so với tro bay nguyên khai nên việc nghiền tro bay cùng với clinker và các nguyên liệu khác trong cấp phối xi măng vừa làm tăng tính đồng nhất của hỗn hợp vừa làm tăng độ hoạt tính của tro bay, qua đó góp phần làm tăng lượng tro bay có thể sử dụng trong cấp phối nghiền xi măng

3 Sử dụng tro bay nhiệt điện Duyên Hải thay thế hoàn toàn 7.5% puzolan Bình Phước trong cấp phối sản xuất xi măng PCB40 FiCO giúp cải thiện các tính chất của xi măng như tăng cường độ 28 ngày từ 42,6 lên 46,6 MPa (8,58%), giảm lượng nước tiêu chuẩn từ 27,6% xuống còn 27,3%

4 Có thể sử dụng tro bay Duyên Hải với hàm lượng lên đến 15,5% để thay thế cho 7,5% puzolan Bình Phước và 8% clinker trong cấp phối sản xuất xi măng PCB40 FiCO mà vẫn đảm bảo các yêu cầu chất lượng của xi măng

Tiếp nối các nội dung trên của luận văn, tác giả luận văn mong muốn tiếp tục thực hiện các nhiệm vụ sau:

Xây dựng phương pháp kiểm tra nhanh độ hoạt tính của nguyên liệu thông qua việc đo độ dẫn điện nhằm đảm bảo chất lượng nguyên liệu nhập vào Nhà máy, từ đó nâng cao hiệu quả kiểm soát chất lượng nguyên vật liệu đầu vào trong sản xuất.

Nghiên cứu khả năng ứng dụng tro bay Duyên Hải trong sản xuất các loại xi măng như xi măng bền sun phát và xi măng chịu chua phèn, dựa trên nền clinker FiCO, nhằm hướng tới sản xuất công nghiệp phục vụ cho các công trình xây dựng tại miền Tây Nam Bộ.

1 Lea; Frederick Measham (1970), The chemistry of cement and concrete

2 Bộ Khoa học và Công nghệ (2003), TCVN 4030 - 2003 Xi măng, phương pháp xác định độ mịn

3 Bộ Khoa học và Công nghệ (2009), TCVN 2682 - 2009 Xi măng Poóc lăng -

4 Joshi, R.C and Lohita RP (1997), Fly ash in concrete: production, properties and uses Vol 2 CRC Press

5 Li Shuang Xi; Yang Tuan She; Wang Zhi Ming; Hu Quan (2011),

Experiment and micro-mechanism study on mechanical properties and durability of high-calcium fly ash concrete Key Engineering Materials Vol

6 Lafarge (2007), Fly ash in Concrete Applications, Lafarge North America

Cement Operting Regions http://www.lafarge-na.com

7 ASTM C 618 - 05 (2005), Specification for coal fly ash and raw or calcined natural pozzolan for use in concrete

Tiêu đề	Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Tro Bay Duyên Hải Tới Một Số Tính Chất Của Xi Măng Trên Nền Clinker Fico
Tác giả	Trần Thanh Tùng
Người hướng dẫn	PGS. TS Huỳnh Đức Minh, TS. Nguyễn Thành Đông
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật Hóa học
Thể loại	Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Năm xuất bản	2017
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	88
Dung lượng	2,85 MB