tiểu luận đề tài công nghệ nano trong sản xuất xi măng

Thạch cao có tác dụng của đồng kết nối thời gian chính của xi măng để phù hợp với thi công thời gian.Xi măng Pooclăng hỗn hợp PBC là loại vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trên toàn th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCMKHOA XÂY DỰNG & CƠ HỌC ỨNG DỤNG

TIỂU LUẬN

MÔN HỌC: VẬT LIỆU XÂY DỰNG

ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ NANO TRONG SẢN XUẤT XI MĂNG

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Trong xu thế hội nhập với thế giới, cùng với đà phát triển ngày càng đi lên của nền kinh tế đất nước Ngành xây dựng cũng đã có những bước phát triển vượt bậc Trên khắp các tỉnh thành trong cả nước, các công trình xây dựng có quy mô lớn được xây dựng ngày càng nhiều do đó xi măng là một nguyên vật liệu không thể thiếu trong các công trình xây dựng hiện nay Chúng đóng vai trò kết dính các nguyên vật liệu với nhau những tác hại của chúng là thải các chất gây ô nhiễm cho không khí từ nhà máy xi măng là khói bụi, CH Là nguyên nhân dẫn đến sự nóng lên toàn cầu, và cũng là tác nhân gây hại cho sức khỏe con người Ngoài ra khi thuỷ hoá dễ tăng số lượng lỗ rỗng trong quá trình trộn bê tông, các lỗ rỗng này là nguyên nhân chính gây ra các vết nứt và rò rỉ, làm giảm chất lượng và tuổi thọ của công trình Với mong muốn tìm cách khắc phục tình trạng trên xi măng nano ra đời, nó xuất hiện nhằm nâng cao chất lượng xi măng, đổi mới công nghệ sản xuất thân thiện môi trường đồng thời nó còn đánh dấu cột mốc vào đường lối và chiến lược phát triển cho nền xi măng Việt Nam Trong bài tiểu luận không tránh được những thiếu sót, vì vậy, em rất mong thầy cô và các bạn có những ý kiến đóng góp để đề tài nghiên cứu được đầy đủ và hoàn thiện hơn.

Mục đích, phương pháp nghiên cứuMục đích

Cường độ bê tông khi sử dụng xi măng nano?

Vai trò của xi măng nano đối với tương lai của ngành xây dựng ra sao?

Phương pháp so sánh, đối chiếu; Phương pháp khảo sát thực địa.

PHẦN NỘI DUNG

Chương 1: Tổng Quan

1.1: Xi măng1.1.1: Khái niệm

Xi măng là vật liệu thông dụng nhất trong ngành công nghiệp xây dựng Xi măng là một loại vật liệu được chế tạo bằng cách nung hỗn hợp đá vôi và đất sét, sau đó nghiền thành bột mịn với một lượng nhỏ thạch cao Xi măng pooc lăng thường có màu xám tro và được sử dụng rất phổ biến, là chất kết dính thủy lực (kết dính trong nước).

1.1.2: Phân loại

ồm 2 loại chính :

Xi măng Pooclăng (PC) là chất kết hợp rắn trong nước, chứa khoảng 70 + 80% silicat canxi nên còn có tên gọi là xi mang silicat Nó là sản phẩm nghiền mịn của clinker với phụ gia thach cao (3+ 5%) Thạch cao có tác dụng của đồng kết nối thời gian chính của xi măng để phù hợp với thi công thời gian.

Xi măng Pooclăng hỗn hợp (PBC) là loại vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trên toàn thế giới, nó là thành phần cơ bản của bê tông, vữa, hồ Có thành phần chủ yếu là clinker Portland chiếm tỉ lệ 95 – 96% và thạch cao chiếm tỉ lệ 4

các chất phụ khác vào thành phần của xi măng Portland (xỉ lò cao, tro than, puzolan tự nhiên, v.v., nhưng hàm lượng phụ gia kể cả thạch cao không quá 40% và trong đó phụ gia đầy không quá 20%)

Ngoài ra còn có nhiều loại xi măng khác nhau như: xi măng trắng, xi măng màu, xi măng puzolan, xi măng bền sunphat, xi măng amiăng, xi măng ít tỏa nhiệt,

1.1.3: Ưu và nhược điểmƯu điểm

Xi măng dùng để tạo nên hỗn hợp vữa hay bê tông có độ cứng rất nhanh, rất thích hợp để làm bê tông cho những công trình xây dựng mùa đông Ngoài ra còn phù hợp để làm bê tông có cường độ và kỹ thuật cao cho các kết cấu quan trọng ở phía trên và dưới mặt đất.

Khả năng chống rét rất tốt, phù hợp cho các dự án bê tông phải chịu các chu kỳ đóng băng và tan băng lặp đi lặp lại.

Xi măng có khả năng kháng cacbon hóa tốt, thích hợp cho những môi trường có nồng độ CO2 cao trong không khí.

Có khả năng co ngót khô chính vì vậy có thể được sử dụng cho các dự án bê tông trong môi trường khô, thiếu nước.

Khả năng chống mài mòn vật lý khá tốt,cường độ chịu lực tốt giúp xi măng có thể được sử dụng đề làm đường trên cao nguyên.

Nhược điểm

Khả năng chịu nhiệt hơi kém, không phù hợp với các dự án bê tông có yêu cầu về khả năng chịu nhiệt cao.

Khả năng chống ăn mòn hoá học kém, không nên sử dụng loại xi măng để thi công các dự án thường xuyên tiếp xúc với môi trường ăn mòn.

Xi măng có nhiệt của hydrat hóa lớn, không phù hợp cho các dự án bê tông có quy mô quá lớn, trong môi trường nóng.

Bảo quản khá khó khăn, khi gặp nước trong thời gian dài xi măng bị thủy phân Cường độ bê tông giảm khi sử dụng xi măng để lâu.

1.2 Sản xuất xi măng1.2.1 Phương pháp và vật liệu

hương pháp : lò quay khô, sử dụng phổ biến thay cho lò đứng và lò quay ướt Nguyên liệu để sản xuất clinker cần có thành phần CaCO, từ 68%

phần khác (Si0 ) khoảng 22+25% Trong tự nhiên các loại đá có sẵn thành phần như trên rất hiếm nên thường phải phối liệu theo phương pháp nhân tạo.

Đá vôi:Theo TCVN 6072:1996, hàm lượng của các chất là: CaCO3 > 85% và Đất sét: yêu cầu hạt mịn đều, không lẫn cát sạn và rác bẩn và hàm lượng SiO Thạch cao:Thạch cao phải sạch và có hàm lượng CaSO,.2H,0 trên 80%

phụ gia điều chỉnh:

ao silic, nhôm:dùng để điều chỉnh modun silica (n) trong nguồn sét của nhà máy có hàm lượng Si0 thấp.

ao sắt: được dùng để điều chỉnh modun aluminat (p) nhằm bổ sung hàm lượng cho phối liệu vì hầu hết các loại sét không có đủ hàm lượng Fe2O3 theo yêu cầu

Clinker được sản xuất bằng cách nung kết hợp vật liệu với thành phần được xác định trước, Clinker có kích thước 10 50mm dạng hạt mịn.

thành phần chính tỉ lệ(%) tạp chất tỉ lệ(%)

1.2.2 Quy trình sản xuất

Gồm 3 giai đoạn:

Đồng nhất

Đá vôi là nguyên liệu rắn, sau khi khai thác được đập sơ bộ bằng máy đập hàm sau đó được chuyển vào máy đập búa để đạt kích thước thích hợp 5 – 25 mm Đá vôi sau đó sẽ được chuyển về kho chứa và đồng nhất bằng hệ thống vận chuyển.

Đất sét là loại nguyên liệu mềm, được đập sơ bộ bằng máy cán trục hoặc máy thái đất sau đó được vận chuyển vào kho chứa và đồng nhất bằng hệ thống vận chuyển.

Sau đó đá vôi và đất sét được đồng nhất hoá sơ bộ trong kho đồng nhất bằng thiết bị rải đổ Hỗn hợp nguyên liệu và phụ gia điều chỉnh được định lượng để cho vào máy sấy nghiền Hệ thống này có thể là máy sấy nghiền bi liên hợp hoặc máy sấy nghiền đứng liên hợp Hỗn hợp được nghiền mịn đồng thời tăng độ đồng nhất của hỗn hợp phối liệu Bột liệu đạt độ mịn được vận chuyển lên silo chứa.

(Độ mịn của hỗn hợp phối liệu có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình nung luyện và chất lượng clinker Độ mịn của hỗn hợp phối liệu càng cao, bề mặt tiếp xúc giữa các cấu tử nguyên liệu càng lớn, quá trình hóa lý xảy ra khi nung càng nhanh, chất lượng clinker

ung ủ

Bột liệu được đổ vào xyclon tầng đỉnh sau đó xuống xyclon tầng 2,tầng 3 tại đây bột liệu được sấy Quá trình trao đổi nhiệt giữa bột liệu và dòng khí nóng cứ tiếp tục diễn ra qua các tầng cyclon cho tới khi bột liệu đi vào cyclon tầng 4 thì bột liệu được chia ra làm 2 nhánh cửa đổ nhờ van điều chỉnh, bột liệu được phân bố 40% bột liệu đi vào buồng

thổi và 60% bột liệu đi vào buồng phân hủy của calciner Dưới tác dụng của nhiệt độ vòi phun cùng với khí thải của lò đi vào đáy calciner theo hướng trục kết hợp với đường gió đi từ bộ làm nguội clinker thì phối liệu được để cacbonat hoá cao, sau đó được đẩy vào xyclon trước khi vào lò phải đạt 95% 100% tổng lượng cacbonat bị phân huỷ Khi bột liệu được cacbonat hóa trong calciner thì được đẩy sang xyclon tầng 5 đi vào lò

Dưới tác dụng quay cùng với độ nghiêng từ 3 của lò bột liệu được luân chuyển qua các zone trong lò tạo các khoáng mới hình thành clinker người ta làm nguội nhanh bằng giàn ghi làm lạnh, quạt cao áp và nước làm lạnh Những viên clinker đạt yêu cầu rơi thẳng xuống gầu xiên, còn những viên, tảng clinker chưa đạt yêu cầu được dàn ghi vận chuyển tới máy đập sơ bộ đến kích thước yêu cầu rơi xuống gầu xiên vận chuyển lên đổ xuống gầu nâng vận chuyển đổ vào xích cào, vận chuyển đổ vào silo clinker ủ khoảng 2 tuần trong môi trường kín

Clinker trong silo được chuyền xuống thiết bị cho dây chuyền băng tải, băng tải vận chuyển đến hố gầu, được gầu nâng vận chuyển lên đổ xuống xích cào, đổ xuống két chứa Sau đó là công đoạn nghiền xi măng kích thước nhỏ mịn đạt yêu cầu, rồi chuyển xuống máy nghiền chung với phụ gia và thạch cao được Tại đây hỗn hợp vật liệu được nghiền đập nhỏ rồi được nghiền và chà xát mạnh đến khi đạt kích thước yêu cầu lọt qua lỗ sàng, sau đó đẩy lên cyclon lắng, vào các silo chứa Xi măng từ silo chứa được trộn xuống máng động, máng động này đổ xuống gầu nâng , vận chuyển lên đổ vào sàng rung rồi đi xuống két chứa qua van pittông và van cánh khế xuống thùng đóng bao.

ương 2: CÔNG NGHỆ NANO TRONG SẢN XUẤT MI MĂNG

2.1 Xi măng nano2.1.1 Khái niệm

Nano là: vật chất ở quy mô nguyên tử, phân tử và siêu phân tử

Xi măng nano là: sản phẩm được làm từ công nghệ nano Công nghệ sản xuất này có thể làm tăng diện tích bề mặt của các hạt xi măng bằng cách sử dụng các hạt có kích thước ở quy mô nano (1nm=10 m) mà mỗi hạt xi măng có trên bề mặt của nó một lớp mỏng nano phụ gia hóa học Tăng diện tích bề mặt làm tăng khả năng phản ứng hóa học, Từ đó làm tăng độ bền và cường độ của bê tông.

Mặc dù thực tế là xi măng là vật liệu phá hủy môi trường nhiều nhất đối với hành tinh trái đất, nó vẫn đang được sử dụng trên toàn cầu như một vật liệu xây dựng phổ biến cho nhiều loại công trình Các kỹ sư chưa thể tìm được một loại vật liệu phù hợp từ chất thải hoặc cách khác để thay thế bê tông nhưng may thay đã tìm được giải pháp thay thế cho xi măng truyền thống.

2.1.2.thông số kỹ thuật

cường độ chịu nén của bê tông tại các thời điểm khác nhau (Mpa)

tuổi mẫu 2 giờ 4 giờ 24 giờ

chiu cường độ chịu uốn của bê tông tại các thời điểm khác nhau (Mpa)

tuổi mẫu 2 giờ 4 giờ 24 giờ

2.1.3 Phương pháp và vật liệu

Phương pháp sản xuất xi măng nano

Hiện nay trên thế giới có hai phương pháp chính để chế tạo xi măng nano tương ứng với hai cách tiếp cận trong công nghệ nano Đó chính là phương pháp tiếp cận “từ trên xuống down” và “từ dưới lên up”

Phương pháp “từ trên xuống down” là phương pháp tiếp cận trong đó các tổ chức lớn hơn bị giảm kích thước xuống quy mô nano trong khi vẫn duy trì được các tính chất ban đầu của chúng mà không có sự kiểm soát cấp độ phân tử và phân giải cấu trúc của chúng từ cấp độ lớn hơn thành các thành phần hỗn hợp nhỏ hơn, có thể kể đến phương pháp nghiền hạt thô thành hạt nano, máy nghiền có thể là máy nghiền lắc, nghiền rung, nghiền quay.

Phương pháp “từ dưới lên up” hay còn gọi là công nghệ nano phân tử được giới thiệu bởi Drexler hay kiến trúc phân tử trong đó các nguyên tử thành phần, phân tử thành phần được thiết kế thông qua phương pháp lắp ráp hoặc tự lắp ráp Xi măng nano chủ yếu được chế tạo theo phương pháp vật lý.

Hiện nay trong sản xuất xi măng nano có phương pháp tiếp cận thứ hai đang được sử dụng rộng rãi hơn cả vì tính ưu việt và thân thiện với môi trường, phương pháp “từ trên xuống down” khi nghiền hạt sẽ tạo ra bụi mịn gây ảnh hưởng sức khỏe công nhân và môi trường

Vật liệu nano

gười ta cải tiến vật liệu theo hai hướng tiếp cận là: “đóng vai trò là chất độn” và “can thiệp vào quá trình hydrat hóa”.

Các loại vật liệu nano thường được sử dụng là: hạt cầu nano nanoscale spherical , Fe2O3….), ống nano và sợi nano nanoplatelets

: được hình thành trong tự nhiên hoặc được tổ hợp nhân tạo Việc thay nano silica cho micro silica vào xi măng giúp tăng cường độ và khả năng gia công của bê tông do nano silica trong hồ xi măng tăng độ xốp,giảm độ thấm thấp, tăng cường khả năng chống thấm nước và kiểm soát sự thất thoát calcium của bê tông,làm tăng tốc độ phản ứng của C S và vữa tro Ngoài ra còn giảm tỷ lệ sử dụng xi măng đến 40% kết quả là giảm phát thải và giảm ô nhiễm môi trường.

: có khả năng oxi hóa mạnh mẽ dưới bức xạ cực tím và thể hiện các thuộc tính tự làm sạch, tính ổn định hóa học, trơ về mặt hóa học khi không có tác động bởi tia cực tím và không có độc tố Khi thêm một lượng nhỏ n TiO2 vào xi măng giúp tăng tỉ lệ hydrat hóa non tuổi của xi măng pooclăng.

: giúp tăng độ bền kéo và độ bền uốn của bê tông.

: giúp điền đầy vào các vùng chuyển tiếp của xi măng, cát và một số ống mao quản Do đó dẫn đến sự tăng cường của mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén của vữa Loại xi măng này có nhược điểm là làm giảm khả năng gia công của bê

Compozit polyme, sét nano thể hiện khả năng làm tăng các đặc tính cơ học và đặc tính chống thấm của xi măng nano.

Cơ chế tác động trong xi măng nano

Có 2 cơ chế tác động chính là “đặc tính hóa các vật liệu nano” và “ mô hình hóa tác động giữa vật liệu nano và C H”.

H) là sản phẩm của hydrat hóa chính, là giai đoạn kết hợp cốt liệu lại với nhau, tạo nên sức mạnh và đặc tính kỹ thuật của xi măng

Đặc tính hóa vật liệu nano

Hiệu suất của xi măng bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi cấu trúc C H ở cấp độ micro và nano, đặc biệt là nano Khi ta thay đổi cấu trúc hiển vi của C H bằng cách thêm vật liệu nano phát sinh ra việc cần có phương pháp hiện đại, tân tiến hơn để mô tả đặc tính,

mô tả kết quả của sản phẩm tạo thành Các đặc tính và phương pháp xác định có thể chia thành: đặc tính cơ học, đặc tính cấu trúc, đặc tính hình học, đặc tính cấu trúc lỗ rỗng.

Mô hình hóa tác động giữa vật liệu nano và C

H là sản phẩm chính của quá trình hydrat xi măng pooc lăng, cấu trúc của C H phụ thuộc tính chất xi măng như độ cứng, độ bền… Khi ta thêm vật liệu mới, đặc biệt là vật liệu nano vào xi măng sẽ tạo ra xi măng mới có những đặc tính khác biệt.

2.3 Những thách thức và lợi thế

Việc áp dụng công nghệ nano vào sản xuất xi măng đã và đang đặt ra nhiều thách thức cho các nhà nghiên cứu, đầu tư Đầu tiên là thách thức trong việc tạo ra các hạt có kích thước ở cấp độ nano Thứ hai là các hạt nano có độ hoạt độ bề mặt rất cao do đó chúng sinh ra một lượng nhiệt rất lớn trong quá trình hydrat hóa vì thế cần thêm những vật liệu hữu cơ và vô cơ đặc biệt để kiểm soát quá trình đóng rắn và nhiệt phản ứng Đối với lớp màng phủ nano thì cần có thêm nghiên cứu để tăng cường độ bền và độ ổn định Hơn thế nữa, làm việc với các hạt nano có thể ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động

Để khắc phục những thách thức trên cần cần có nhiều nghiên cứu sâu hơn về nghệ nano, đặc biệt là công nghệ nano trong xi măng và cách xử lý phát thải nano Áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật tiến vào quy trình công nghệ chế tạo xi măng nano để đưa sản phẩm xi măng nano đến gần với người sử dụng hơn nữa.

Công nghệ sản xuất xi măng nano cho phép sử dụng đến 70% các loại phụ gia vô cơ như: xỉ, tro bay, cát , mà không làm giảm cường độ của xi măng do đó việc sử dụng phụ gia nano hóa học, xi măng poóc lăng, và phụ gia khoáng rẻ tiền có thể sản xuất được nhiều xi măng hơn và chất lượng của xi măng cũng tốt hơn Ví dụ, từ một tấn xi măng poóc lăng mác 500 và một tấn cát, có thể làm ra hai tấn xi măng nano có mác 700.

Chương 3: KẾT LUẬN

Qua những nghiên cứu về việc áp dụng công nghệ nano vào xi măng, thì xi măng nano đã và đang được sử dụng vào thực tế rộng rãi hơn Đặc biệt là trong những công trình cơ sở hạ tầng giao thông Nhờ vào sự đa dạng trong tính chất do đó tùy thuộc vào từng hoàn cảnh cụ thể chúng ta sẽ chọn được loại xi măng thích hợp

Bên cạnh những mặt tích cực vẫn còn đó nhiều thách thức đặt ra cho các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất trong công cuộc đưa công nghệ xi măng nano vào áp dụng rộng rãi trong thực tiễn Để vượt qua thử thách này cần nhiều hơn nữa những nghiên cứu mang

ào công nghệ xi măng nano Sản phẩm xi măng nano phải là sản phẩm vừa có đặc tính nổi trội vừa thân thiện với môi trường, an toàn với con người và có giá trị thương mại cao Đáp ứng được những yêu cầu này xi măng nano sẽ chính thức trở thành vật liệu chủ chốt trong tương lai.

Việc ứng dụng công nghệ nano vào chế tạo xi măng giúp tăng cường chất lượng, cải thiện tính chất cơ học của bê tông tạo ra Xi măng tích hợp công nghệ nano mang lại những tính chất nổi trội so với xi măng thông thường Với sự đa dạng về chủng loại của các vật liệu nano và công nghệ khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển Xi măng nano sẽ là một lĩnh vực đầy hứa hẹn Trong tương lai không xa công nghệ sản xuất xi măng cũ sẽ dần được thay thế Từ đó đem lại những bước tiến vượt bậc trong công nghệ vật liệu xây dựng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO