Các tính chất của vữa xi măng với hàm lượng lớn bùn đỏ được đánh giá qua các chỉ tiêu: Cường độ nén, cường độ uốn, độ dẻo tiêu chuẩn, thời gian đông kết,độ ổn định thể tích, v.v…Dựa trên
TỔNG QUAN
Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng đề tài
Bauxite (Boxit) là một loại quặng nhôm trầm tích có màu hồng, nâu đƣợc hình thành từ quá trình phong hóa các đá giàu nhôm hoặc tích tụ từ các quặng có trước bởi quá trình xói mòn Quặng bauxite phân bố chủ yếu trong vành đai xung quanh xích đạo đặc biệt trong môi trường nhiệt đới Từ bauxite có thể tách ra alumina (Al 2 O 3 ), nguyên liệu chính để luyện nhôm trong các lò điện phân Tên gọi của loại quặng nhôm này đƣợc đặt theo tên gọi làng Les Baux – De – Provence ở miền Nam nước Pháp, tại đây nó được nhà địa chất học là Pierre Berthier phát hiện ra lần đầu tiên năm 1821
Bauxite có màu từ trắng đến đen, chủ yếu là hỗn hợp các hợp chất vô cơ và nhôm hydoxit Loại bauxite thường gặp có màu đỏ
Quặng bauxite có thể tìm thấy dưới dạng thảm (blanket), túi (pocket), lớp (interlayered), và tích tụ (detrital) Thảm bauxite là các lớp liên tục và bằng phẳng, thường ở gần mặt đất, có bề dày thay đổi từ 1 đến 40 m (trung bình từ 4 đến 6 m) và có thể rộng hàng cây số Túi bauxite là các túi nằm dưới mặt đất, có chiều sâu thay đổi từ dưới 1 cho đến 30 m, nằm cô lập hoặc liên kết với nhau Lớp bauxite là thảm hoặc túi bauxite bị phủ lấp và ép xuống, cho nên nó bị nén nhiều hơn thảm hoặc túi bauxite do trọng lƣợng của lớp đất bên trên Tích tụ bauxite rất hiếm thấy vì đƣợc cấu tạo do sự tích tụ của bauxite bị xói mòn từ thảm, túi, hay lớp bauxite ở nơi khác
Bauxite tồn tại ở 3 dạng chính tùy thuộc vào số lượng phân tử nước chứa bên trong và cấu trúc tinh thể gồm: Gibbsit Al(OH) 3 , boehmit γ-AlO(OH), và diaspore α-AlO(OH), cùng với các khoáng vật oxit sắt goethit và hematit, các khoáng vật sét kaolinite và đôi khi có mặt cả anatas TiO2
Thành phần hóa học Bauxite có thành phần tương đối phức tạp, nhưng chủ yếu là hỗn hợp các khoáng nhôm hydroxit, thường bị nhiễm bẩn bởi sắt oxit (tạo ra màu đỏ cho quặng) hoặc silic oxit Thành phần hóa học của bauxite dao động giữa
50-63% Al 2 O 3 , 12-32 % H 2 O, 15-25 % Fe 2 O 3 , 2-10 % SiO 2 và 2-5 % TiO 2 Hàm lƣợng nhôm oxit và silic oxit là những yếu tố quyết định chất lƣợng của quặng bauxite
Thành phần Al(OH) 3 α-AlO(OH) γ-AlO(OH)
Hàm lƣợng alumina tối đa (%) 65,4 85,0 85,0
Hệ tinh thể Đơn tà Trực thoi Trực thoi
Hình 2.3: Các dạng khoáng chính của bauxite
2.1.1.3 Hình thành và phân bố [34]
Bauxite hình thành trên các loại đá có hàm lƣợng sắt thấp hoặc sắt bị rửa trôi trong quá trình phong hóa Quá trình hình thành trải qua các giai đoạn:
Phong hóa và nước thấm lọc vào trong đá gốc tạo ra ôxít nhôm và sắt
Làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự rửa trôi của nước ngầm
Xói mòn và tái tích tụ bauxite
Loại phong hóa đƣợc hình thành do quá trình laterit hóa chỉ diễn ra trong điều kiện nhiệt đới trên nền đá mẹ là các loại đá silicat: Granit, gneiss, bazan, syenite và đá sét
Hình 2.4: Bauxite với phần lõi còn mảnh đá mẹ chƣa phong hóa
Khác với quá trình hình thành laterit sắt, sự hình thành bauxite đòi hỏi điều kiện phong hóa mạnh mẽ hơn và điều kiện thủy văn thoát nước rất tốt cho phép hòa tan và rửa trôi kaolinite và hình thành lắng đọng nên gibbsit Đới giàu hàm lượng nhôm nhất thường nằm ngay dưới lớp mũ sắt Dạng tồn tại chủ yếu của hydroxit nhôm trong bauxite laterit chủ yếu là gibbsit Tại Việt Nam, bauxite Tây Nguyên được hình thành theo phương thức này trên nền đá bazan
Loại trầm tích có chất lƣợng tốt và có giá trị công nghiệp Loại này đƣợc hình thành bằng con đường phong hóa laterit trên nền đá cacbonat như đá vôi và dolomit xen kẽ các lớp kẹp sét tích tụ do phong hóa sót hay do lắng đọng phần khoáng vật sét không tan khi đá vôi bị phong hóa hóa học
Các quặng bauxite phân bố chủ yếu ở khu vực nhiệt đới, Caribe, Địa Trung Hải và vành đai xung quanh xích đạo, người ta tìm thấy quặng bauxite ở các vùng lãnh thổ nhƣ Úc, Nam và Trung Mỹ (Jamaica, Brazil, Surinam, Venezuela, Guyana), châu Phi (Guinea), châu Á (Ấn Độ, Trung Quốc, Việt Nam), Nga, Kazakhstan và châu Âu (Hy Lạp)
Bảng 2.2: Trữ lƣợng bauxite ở một số quốc gia trên thế giới
STT Quốc gia Sản lƣợng (triệu tấn) Trữ lƣợng
Nguồn: Tổng hợp từ US Geological Survey, Mineral Commodity Summarles 2.1.1.4 Quặng bauxite ở Việt Nam a Phân bố bauxite ở Việt Nam
Kết quả thăm dò địa chất đã phát hiện trên lãnh thổ Việt nam đƣợc đánh giá là một quốc gia có trữ lƣợng quặng boxit phong phú ở cả Miền Bắc và Miền NamViệt Nam Tổng trữ lƣợng quặng boxit của Việt Nam ƣớc tính khoảng 8 tỷ tấn (có khoảng 2,1 tỉ tấn có thể khai thác đƣợc),trong đó có 7,6 tỷ tấn ở các tỉnh Tây Nguyên Với trữ lượng như vậy, nước ta đứng trong số các nước có trữ lượng bauxite lớn trên thế giới
Hình 2.5: Phân bố Bauxite một số vùng ở Việt Nam
Việt Nam có hai loại hình quặng bauxite:
Loại quặng boehmit và diaspore, tập trung chủ yếu ở Miền Bắc Việt Nam, phân bố ở các tỉnh Hà Giang, Cao Bằng, Lạng Sơn, Bắc Giang Tổng trữ lƣợng dự đoán khoảng trên 350 triệu tấn, hàm lƣợng nhôm dao động trong khoảng 39-65% Modul silic (Al 2 O 3 /SiO 2 ) bằng 5-8
Loại quặng gibbsit, tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên và Miền Nam Việt Nam, với tổng trữ lƣợng ƣớc tính khoảng 7,6 tỷ tấn Trữ lƣợng quặng bauxite đã đƣợc thăm dò và chứng minh ở TâyNguyên và Miền Nam Việt Nam là khoảng 2772 triệu tấn Trong đó cụ thể các khu vực nhƣ sau:
Tài nguyên vùng Đắc Nông - Phước Long khoảng 1570 triệu tấn
Tài nguyên boxit vùng Lâm Đồng tập trung ở hai tụ khoáng là Tân Rai và Bảo Lộc
- Trữ lƣợng vùng khoáng Tân Rai khoảng 57 triệu tấn cấp C1, 120 triệu tấn cấp C2, hàm lƣợng nhƣ sau:
- Trữ lƣợng vùng tụ khoáng Bảo Lộc khoảng 378 triệu tấn
Nói chung, quặng bauxite nguyên khai ở Lâm Đồng đều có chất lƣợng không cao, hàm lượng Al2O 3 chỉ khoảng 35-37% Người ta phải tuyển rửa quặng nguyên khai để thu đƣợc tinh quặng giàu nhôm hơn Sau khi tuyển, tinh quặng boxit ở các tụ khoáng Lâm Đồng cũng chỉ đạt hàm lƣợng 45- 49% Al 2 O 3
Hình 2.6: Mẫu quặng nguyên khai và quặng tinh Bauxite ở Đăk Nông b Các dự án khai thác Bauxite [2, 13]
Hiện nay ta có rất nhiều dựa án sản xuất nhôm nói chung và nhôm oxit nói riêng từ quặng bauxite, phải kể đến nhƣ:
Dự án bauxite Tân Rai: Đƣợc triển khai tại huyện Bảo Lâm, Lâm Đồng, Việt Nam Tên gọi Tân Rai được đặt do Tân Rai là tên cũ trước đây của vùng đất thị trấn Lộc Thắng và xã Lộc Ngãi, nơi đặt nhà máy chính khai thác hiện nay Có trữ lƣợng 975 triệu tấn, chiếm 18% toàn trữ lƣợng bauxite ở khu vực Tây Nguyên
Dự án bauxite Nhân Cơ hay dự án khai thác bauxite Nhân Cơ: Nhà máy khai thác chính đặt tại xã Nhân Cơ, huyện Đăk R'Lấp, tỉnh Đăk Nông, Việt Nam, có trữ lƣợng 3,4 tỷ tấn, chiếm 63% toàn trữ lƣợng bauxite ở khu vực Tây Nguyên
Và còn có rất nhiều dự án nhỏ khác.
Hình 2.7: Dự án đầu tư và khai thác bauxite ở một số vùng trong cả nước c Một số kết quả nghiên cứu công nghệ tuyển quặng bauxit
2 với trữ lƣợng quặng nguyên khai bauxite bbs àm lƣợng Al 2 O 3 41,28 % ; SiO 2 = 7,58%, môđun silic 5,44
2 định vào khoảng 462 triệu tấn
SiO 2 e bbs độ đánh tơi R: L = 1: 1; Tổng chi phí nước rửa 6 m 3 /t Đã thu hồi được quặng tinh bauxite có hàm lƣợng Al 2 O 3 49,22%, môđun silic 17,15 mức thu hoạch đạt 50,03%
Hướng nghiên cứu của đề tài
Nước ta là một trong những nước có trữ lượng bauxite tương đối lớn Do đó, việc khai thác và chế biến khoáng sản sẽ tạo ra một lƣợng bùn thải lớn Và nếu không đƣợc tận dụng khai thác hợp lý thì bùn đỏ có thể gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước một cách nghiêm trọng Giải quyết lượng bùn đỏ về mặt môi trường luôn là đối tượng nghiên cứu của nhiều công trình trong và ngoài nước
Trên thế giới các nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng bùn đỏ vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau: Xây dựng và hóa học, môi trường,… Đối với lĩnh vực xi măng, bùn đỏ đã đƣợc nghiên cứu sử dụng làm phụ gia cho xi măng, làm nguyên liệu để thay thế một phần nguyên liệu dùng để sản xuất xi măng poóc lăng, hay là đƣợc sử dụng để sản xuất một số loại xi măng đặc biệt
Trong phạm vi của đề tài này, chúng ta sẽ tìm hiểu và ứng dụng bùn đỏ kết hợp bentonite để làm phụ gia cho xi măng Đây là các nguyên liệu rẻ tiền và dễ khai thác, có thể nâng cao giá trị sử dụng của các khoáng quặng ở Việt Nam, đồng thời giảm thiểu tác hại chất thải ra môi trường
Vì vậy việc nghiên cứu thành công đề tài này sẽ góp phần giải quyết một phần về vấn đề môi trường do tác hại của bùn đỏ gây ra.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái quát về xi măng poóc lăng (XMP)
Xi măng poóc lăng thông dụng mà ta thường gọi là xi măng OPC, là bột vô cơ có tính kết dính thủy lực, sản phẩm nghiền mịn của hỗn hợp clinker XMP và phụ gia thạch cao 3 – 5 % khối lƣợng clinker
Xi măng poóc lăng hỗn hợp (PCB), là loại xi măng đƣợc nghiền chung ba thành phần gồm 61 – 81% clinker, 35 – 15% phụ gia đơn khoáng hoặc đa khoáng và
3.1.2 Thành phần hóa của xi măng poóc lăng
Thành phần hóa học chủ yếu của phối liệu gồm 4 oxit chính: CaO chủ yếu là do đá vôi cung cấp; SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 do đất sét cung cấp
Các oxit trên khi nung đến nhiệt độ phối liệu đạt 1450 0 C chúng phản ứng với nhau tạo thành các khoáng chính trong clinker: C 3 S, C 2 S, C 3 A, C 4 AF Những tạp chất và một lƣợng nhỏ CaO tự do, MgO không phản ứng hoặc nằm ở dạng tự do hoặc phân tán, hòa tan trong pha lỏng khi làm lạnh thì pha lỏng chuyển pha thành pha thủy tinh Trong trường hợp clinker chứa nhiều CaO và SiO 2 tự do chủ yếu do khống chế quy trình nung chƣa tốt, chƣa đủ nhiệt độ kết khối, chƣa tạo điều kiện để phản ứng triệt để ở pha rắn và phản ứng khi có mặt pha lỏng Các oxit chính CaO, SiO 2 , Al 2 O 3 , và Fe 2 O 3 chiếm 95 – 97 % còn lại 3 – 5 % là các oxit và các tạp chất khác nằm trong phối liệu
Thành phần của clinker thường nằm trong giới hạn: CaO: 63 – 67%, SiO 2 : 21 – 24%, Al 2 O 3 : 4 – 7%, Fe 2 O 3 : 2,5 – 4%
Các oxit tạp chất trong giới hạn: MgO ≤ 5%, TiO 2 ≤ 0,3%, Mn 2 O 3 < 5%,
R 2 O 100 thì thạch cao chuyển sang dạng khan: CaSO 4 0,5H 2 O
Tác dụng của thạch cao:
- Điều chỉnh thời gian đóng rắn của xi măng
- Tạo bộ khung cấu trúc ban đầu để các khoáng khác kết tinh Đối với xi măng poóc lăng, thường lượng thạch cao pha vào từ 3,5 đến 5%
3.3.3 Các loại phụ gia khoáng sử dụng trong công nghiệp xi măng
3.3.3.1 Giới thiệu về phụ gia khoáng [23, 24]
Sự phát hiện và ứng dụng của phụ gia khoáng hoạt tính cách đây khoảng 20 –
30 năm là một trong những thành tựu quan trọng trong ngành công nghệ vật liệu nói chung và ngành xây dựng nói riêng Điều này đã cơ bản giải quyết đƣợc vấn đề về kinh tế, kỹ thuật và tiết kiệm năng lƣợng Những lợi ích về mặt kỹ thuật có thể đạt đƣợc qua việc sử dụng phụ gia khoáng, làm nâng cao độ bền chống thấm, cải thiện hiện tượng nứt do nhiệt và tăng cường độ
Về nguồn gốc, phụ gia khoáng hoạt tính cũng rất đa dạng: có thể sử dụng các khoáng tự nhiên ở dạng nung nhƣ metacaolanh và tiết kiệm hơn đó là sử dụng các phế phẩm của các ngành công nghiệp khác nhƣ silicafume, Elkem Microsilica là phụ gia khoáng hoạt tính thu đƣợc sau khi lọc bụi điện của quá trình hồ quang trong khi sản xuất ferromangan và ferrosilic
Xỉ lò cao, xỉ hạt nghiền mịn là phụ phẩm của quá trình luyện gang, các phụ gia hoạt tính từ tro bay tạo thành trong quá trình đốt cháy than nghiền, than bột Tro trấu là loại phụ gia đƣợc chế tạo bằng cách đốt trấu ở thiết bị đặc biệt trong điều kiện khử và nhiệt độ phù hợp,…Có rất nhiều loại phụ gia khoáng hoạt tính với các nguồn gốc khác nhau nhƣng đều có tính chất chung đó là làm cải thiện các tính chất cho vữa như tính công tác và cường độ
Phụ gia khoáng hoạt tính là những chất khoáng có hoạt tính thuỷ lực hoặc tính kết dính yếu, có dạng bột hay lỏng, đƣợc thêm vào hỗn hợp vữa, bê tông trong suốt quá trình trộn
3.3.3.2 Phân loại phụ gia khoáng hoạt tính
Phụ gia khoáng hoạt tính có thể đƣợc phân ra làm bốn nhóm:
Nhóm X: Là các phụ gia xỉ lò cao, xỉ hạt nghiền mịn Đây là phụ phẩm của quá trình luyện gang, đƣợc sấy khô, nghiền mịn tới cỡ hạt xi măng Chúng có hoạt tính thuỷ lực mạnh thậm chí có tính kết dính
Nhóm P: Là các phụ gia puzolan có nguồn gốc khoáng thiên nhiên hình thành từ nguồn gốc núi lửa Thành phần chủ yếu là silic hoặc silic, nhôm, tự nó không có hoạt tính nhƣng khi nghiền mịn có thể phản ứng đƣợc với Ca(OH) 2 để tạo thành các chất có tính chất kết dính nhƣ CSH
Nhóm T: Là các phụ gia hoạt tính từ tro bay tạo thành từ quá trình đốt cháy than nghiền, than bột, thường có ở các nhà máy nhiệt điện Phụ gia có hoạt tính trung bình đến mạnh Tro bay hay tro nhiên liệu là một puzolan nhân tạo lấy từ chất lắng đọng trong quá trình cháy của than nghiền Nó đƣợc thu lƣợm bằng máy tách cơ khí hay máy tách tĩnh điện từ ống khói của nhà máy nhiệt điện sử dụng than nghiền làm nhiên liệu Tro bay là một loại vật liệu rất mịn bao gồm chủ yều là hạt thuỷ tinh nhỏ hình cầu Tro bay đƣợc coi là puzolan nhân tạo phổ biến nhất Các hạt tro bay có dạng hình cầu và kích thước hạt tương đương hạt xi măng Phần lớn SiO 2 ở dạng vô định hình, vì thế có khả năng tác dụng hoá học mạnh với xi măng
Tro bay loại F thường chứa dưới 5% CaO, trong khi loại C từ 15 – 35% CaO Hai loại tro bay này còn khác nhau về hàm lƣợng cacbon chƣa cháy
Nhóm S: Là các phụ gia gốc microsilica, cỡ hạt siêu mịn và thành phần hoá chủ yếu là silic hoạt tính Nhóm phụ gia này gồm 3 loại:
Phụ gia metacaolanh: Phụ gia này đƣợc chế tạo từ cao lanh lọc gia nhiệt hoạt hoá ở nhiệt độ thích hợp và đƣợc nghiền siêu mịn đạt bề mặt riêng lớn hơn 15 m 2 /g
Phụ gia tro trấu: Là loại phụ gia đƣợc chế tạo bằng cách đốt trấu ở nhiệt độ đặc biệt trong điều kiện khử và nhiệt độ phù hợp (dưới 600 – 700 0 C) rồi được nghiền mịn Hoạt tính puzolan tính bằng chỉ số hoạt tính bằng chỉ số hoạt tính đối với xi măng ở tuổi 7 ngày không nhỏ hơn 85% (TCXDVN 311 : 2004) Tro trấu do có bề mặt riêng của các lỗ rỗng trong cấu trúc sinh ra khi khi đốt nên đánh giá bằng chỉ số hoạt tính chính xác hơn đánh giá qua chỉ tiêu độ mịn
Phụ gia silicafume: Là muội silic thu đƣợc sau khi lọc bụi điện của quá trình hồ quang trong sản xuất ferromangan và ferrosilic Nó có độ mịn cực cao, với bề mặt riêng lớn hơn 20 m 2 /g, silicafume có hoạt tính puzolan lớn hơn 85% (ASTM C
Về tính năng sử dụng, phụ gia khoáng đƣợc phân ra thành các nhóm:
Phụ gia khoáng sử dụng trong công nghệ sản xuất xi măng bao gồm phụ gia hoạt tính và phụ gia đầy
Phụ gia đầy: Gồm các vật liệu khoáng thiên nhiên hoặc nhân tạo, thực tế không tham gia vào quá trình hydrat hoá xi măng, chúng chủ yếu đóng vai trò cốt liệu mịn, làm tốt thành phần hạt và cấu trúc của đá xi măng Phụ gia đầy sử dụng trong công nghiệp xi măng gồm: Đá vôi, đá vôi silic có màu đen, đá sét đen, các loại bụi thu hồi ở lọc bụi điện trong dây chuyền sản xuất xi măng cũng đƣợc sử dụng nhƣ một loại phụ gia đầy nhân tạo
Phụ gia hoạt tính: Là các loại vật liệu vô cơ thiên nhiên hoặc nhân tạo, có chứa các thành phần hoạt tính (SiO 2 , Al 2 O 3 ) có khả năng kết hợp với Ca(OH) 2 (thải ra trong quá trình hydrat hoá các khoáng clinker xi măng pooclăng) hoặc qua quá trình hoạt hoá tạo thành các cấu tử bền vững – hydrosilicat, hydroaluminat, hydroferoaluminat, hydrogranat ) Bởi vậy, ở dạng nghiền mịn, chúng có tính chất puzolan hoặc tính chất thuỷ lực, nghĩa là hỗn hợp của chúng với vôi hoặc các chất hoạt hoá tự cứng được trong môi trường nước ở nhiệt độ bình thường Phụ gia hoạt tính sử dụng trong công nghệ xi măng là các loại puzolan (thiên nhiên hoặc nhân tạo) và các loại xỉ luyện kim (xỉ lò cao, xỉ thép ) Các loại puzolan thiên nhiên gồm có puzolan nguồn gốc núi lửa (tro núi lửa, đá bọt, tuff, tras ) và puzolan gốc trầm tích (diatomit) Puzolan nhân tạo bao gồm tro bay, các loại sét nung Trong các loại xỉ luyện kim thì xỉ lò cao hoạt hoá dưới dạng hạt được dùng nhiều nhất, chúng là sản phẩm thu được khi làm nguội xỉ lỏng ra khỏi lò bằng vòi nước phun mạnh
Bản chất hoạt tính của phụ gia có thể phân biệt nhƣ sau:
Hoạt tính puzolan: Biểu hiện ở sự kém bền về phương diện nhiệt động học của hệ puzolan – vôi – nước Quan điểm này mang tính chất tổng quát và đã được thống nhất từ hội nghị hoá xi măng thế giơí lần thứ 6 tại Moskva năm 1974 Các pha kém bền trong puzolan là pha thuỷ tinh (chứa SiO 2 và Al 2 O 3 ) trong các sản phẩm núi lửa hoặc SiO 2 vô định hình dưới dạng keo silic hay khoáng Opal trong các puzolan silic trầm tích Ngoài ra, các sản phẩm kết tinh nhƣ zeolit, metacaolinit cũng là những sản phẩm kém bền trong hệ puzolan – vôi – nước Xu thế của chúng là chuyển về hệ bền vững hơn là các hydrosilicat C – S – H kiềm thấp hoặc hydroluminat và quá trình phản ứng hydrat hoá xảy ra song song với quá trình đóng rắn của sản phẩm Cơ chế phản ứng đóng rắn và quá trình hydrat hoá hệ puzolan – vôi là một quá trình phức tạp và ngày càng đƣợc các công trình nghiên cứu làm sáng tỏ
Chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng xi măng poóc lăng hỗn hợp
Xi măng poóc lăng hỗn hợp thông dụng là chất kết dính thủy, đƣợc sản xuất bằng cách nghiền mịn hỗn hợp clinker xi măng poóc lăng với một lƣợng thạch cao cần thiết và các phụ gia khoáng
Có thể sử dụng công nghệ (nếu cần) trong quá trình nghiền hoặc bằng cách trộn đều các phụ gia khoáng đã nghiền mịn với xi măng poóc lăng
Các chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lƣợng của xi măng poóc lăng nhƣ sau:
Bảng 3.2: Các chỉ tiêu chất lƣợng của xi măng poóc lăng hỗn hợp [22]
Stt Tên chỉ tiêu Mức
1 Cường độ nén, MPa, không nhỏ hơn:
2 Thời gian đông kết, phút
- Bắt đầu, không nhỏ hơn 45
- Kết thúc, không lớn hơn 420
3 Độ mịn, xác định theo
- Phần còn lại trên sàng kích thước lỗ
- Bề mặt riêng, xác định theo phương pháp Blaine, cm 2 /g, không nhỏ hơn 2800
4 Độ ổn định thể tích, xác định theo phương pháp Le Chatelier, mm, không lớn hơn 10
5 Hàm lƣợng anhydric sunphuric (SO 3 ), %, không lớn hơn 3,5
6 Độ nở autoclave, %, không lớn hơn 0,8
- PCB: Ký hiệu quy ƣớc 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 – Xi măng – Phương pháp thử giới hạn bền uốn và nén.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu
Dựa vào các kết quả nghiên cứu trước đây về việc sử dụng bùn đỏ trong sản xuất vật liệu xây dựng Cụ thể nhƣ sản xuất gạch không nung, xi măng từ bùn đỏ, v.v…
Một số công trình nghiên cứu sử dụng bùn đỏ làm xi măng trước đây tiến hành theo phương pháp xử lý nguồn nguyên liệu bùn đỏ bằng hóa chất, ví dụ như axit sunfuric để trung hòa lƣợng kiềm dƣ của bùn sau quá trình Bayer
Tuy nhiên, phương pháp này chưa đạt được hiệu quả cao về kinh tế
Trong đề tài này, chúng tôi đề nghị quy trình sản xuất xi măng với sự tham gia của bentonite và bùn đỏ trong thành phần bằng phương pháp sấy khô tự nhiên
Quy trình cụ thể nhƣ hình 4.1
Nguyên vật liệu chính sử dụng để tạo thành xi măng bao gồm: Xi măng OPC, bùn đỏ, bentonite
Các nguyên liệu này đƣợc tiến hành phân tích để xác định thành phần khoáng và thành phần hóa
Khảo sát thành phần phối liệu, tạo mẫu vữa xi măng
Kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý của xi măng theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành Điều chỉnh thành phần phối liệu trên cơ sở thực nghiệm để tìm ra cấp phối hợp lý, nhằm mục tích tạo ra loại xi măng đạt các chỉ tiêu cơ lý và các tính chất phù hợp với yêu cầu của tiêu chuẩn xi măng – TCVN 6260:2009 – Xi măng poóc lăng – Yêu cầu kỹ thuật
Hình 4.1: Quy trình nghiên cứu
Xác định chỉ tiêu cơ lý
Tạo mẫu vữa xi măng
Nguyên vật liệu sử dụng nghiên cứu
Nguồn gốc mẫu: Mẫu clinker xi măng của công ty cổ phần xi măng FICO,
Tỉnh Tây Ninh Địa điểm phân tích: Mẫu clinker xi măng đƣợc tiến hành phân tích tại nhà máy xí măng Hạ Long, khu công nghiệp Hiệp Phước, huyện Nhà Bè, Thành phố Hồ Chí Minh
Bảng 4.1: Thành phần khoáng clinker xi măng + 4% thạch cao
Tên chỉ tiêu Phương pháp thử Kết quả
Yêu cầu kỹ thuật TCVN 7024:2002
- Nhỏ hơn 25 mm và lớn hơn 5mm
6 Hàm lƣợng mất khi % TCVN 141:2008 0,23 ≤0,1 nung
8 Hàm lƣợng SO 3 % TCVN 141:2008 0,26 KQĐ
14 Hàm lƣợng CaO td % TCVN 141:2008 0,70 ≤1,5
4.2.2 Bùn đỏ sau quá trình sơ tuyển
Nguồn gốc mẫu và kết quả phân tích: Tất cả các kết quả phân tích về tính chất của bùn đỏ sau đều của Nhà máy hóa chất Tân Bình
Thành phần hóa của bùn đỏ:
Bảng 4.2: Thành phần hóa của bùn đỏ sau quá trình sơ tuyển
Thành phần khoáng SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO Na2O P2O5 MnO
Thành phần khoáng của bùn đỏ sau sơ tuyển:
Bảng 4.3: Thành phần khoáng của bùn đỏ
Chỉ tiêu kiểm nghiệm Đơn vị tính Kết quả Phương pháp
Không phát hiện, MLOD = 0,2 (giới hạn: 180)
2 Xyanua hoạt động mg/kg 0,22
Không phát hiện, MLOD = 0,05 (giới hạn: 5)
Không phát hiện, MLOD = 0,1 (giới hạn: 2)
Không phát hiện, MLOD = 0,02 (giới hạn: 0,1)
Không phát hiện, MLOD = 0,006 (giới hạn: 0,5)
Không phát hiện, MLOD = 0,02 (giới hạn: 80)
Không phát hiện, MLOD = 1 (giới hạn: 5)
Không phát hiện, MLOD = 0,02 (giới hạn: 350)
Không phát hiện, MLOD = 0,02 (giới hạn: 70)
Không phát hiện, MLOD = 0,06 (giới hạn: 15)
Không phát hiện, MLOD = 0,1 (giới hạn: 1)
Không phát hiện, MLOD = 0,05 (giới hạn: 1)
Không phát hiện, MLOD = 0,1 (giới hạn: 7)
17 Tính axit mg/l pH = 8,14 (giới hạn:
Không phát hiện, MLOD = 0,05 (giới hạn: 25)
Nguồn gốc mẫu: Mẫu bentonie đƣợc mua từ Công ty trách nhiệm hữu hạn khoáng sản Nhật Việt, Phường Bình Hưng Hòa A, Quận Bình Tân, Thành phố Hồ Chí Minh Có nguồn gốc từ mỏ quặng Lâm Đồng Địa điểm phân tích: Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng, trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 3 (Quatest 3)
Bảng 4.4: Thành phần của bentonite
Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị tính Phương pháp thử
1 Hàm lƣợng mất khi nung % (w/w) TCVN 7131:2002 17,2
2 Hàm lƣợng oxit silic % (w/w) BS 196 – 2 51,6
Kích cỡ hạt nhỏ hơn 45 àm % (w/w) TCVN 6303:1997 98,1
Xử lý nguyên liệu ban đầu
Bùn đỏ được sấy khô theo phương pháp tự nhiên
Nghiền mịn bùn đỏ bằng máy nghiền bi
Sàng qua sàng 0,08, phần qua sàng đƣợc sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo Sấy nguyên liệu đến khối lƣợng không đổi.
Tính phối liệu
Tiến hành các thí nghiệm thăm dò, kiểm tra các tính chất cơ lý như: Cường độ nén, cường độ uốn, thời gian ninh kết, lượng nước tiêu chuẩn…, để tìm ra cấp phối có mức tương đồng với các yêu cầu của tiêu chuẩn xi măng Điều chỉnh thành phần phối liệu, kiểm tra tính chất cơ lý của sản phẩm xi măng để đạt đƣợc sản phẩm thỏa mãn các yêu cầu của tiêu chuẩn xi măng.
Tạo mẫu vữa xi măng
Phương pháp bao gồm cách xác định độ bền nén và độ bền uốn tương ứng của các mẫu thử hình lăng trụ có kích thước 40mm x 40mm x 160mm
Các mẫu này đƣợc đúc từ một mẻ vừa dẻo, chứa một phần xi măng và ba phần cát tiêu chuẩn theo khối lượng với tỉ lệ nước / xi măng là 0,5
Cát tiêu chuẩn từ những nguồn khác nhau đều có thể đƣợc sử dụng miễn là kết quả độ bền của xi măng khi sử dụng cát đó không sai khác đáng kể, so với kết quả độ bền xi măng đó khi sử dụng cát chuẩn theo ISO
Vữa đƣợc trộn bằng máy và lèn chặt trong một khuôn nhờ sử dụng máy dằn
Thiết bị và kĩ thuật lèn chặt khác cũng có thể dùng nhƣng kết quả không đƣợc sai khác so với việc dùng thiết bị dằn chuẩn
Các mẫu trong khuôn đƣợc bảo dƣỡng nơi không khí ẩm 24 giờ
Sau đó các mẫu được tháo khuôn rồi được ngâm ngập trong nước cho đến khi đem ra thử độ bền Đến độ tuổi yêu cầu, mẫu đƣợc vớt ra khỏi nơi bảo dƣỡng, sau khi thử uốn mẫu bị bẻ gãy thành hai nửa và mỗi nửa mẫu gãy đƣợc dùng để thử độ bền nén
4.5.2 Yêu cầu phòng thí nghiệm
Phòng thí nghiệm nơi chế tạo mẫu thử đƣợc duy trì ở nhiệt độ 27 0 C 2 0 C và độ ẩm tương đối không thấp hơn 50%
Phòng để bảo dƣỡng mẫu còn trong khuôn đƣợc duy trì liên tục ở nhiệt độ
27 0 C 1 0 C và độ ẩm tương đối không thấp hơn 90%
Nhiệt độ của nước để ngâm mẫu duy trì liên tục ở nhiệt độ 27 0 C 1 0 C
Nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí trong phòng thí nghiệm và nhiệt độ của nước ngâm mẫu được ghi lại ít nhất một lần mỗi ngày trong giờ làm việc
Nhiệt độ và độ ẩm tương đối của phòng bảo dưỡng ẩm được ghi lại ít nhất 4 giờ một lần
Khi có dãy nhiệt độ thì nhiệt độ cần thiết cho kiểm tra sẽ là giá trị trung bình của dãy
Một cối bằng thép không gỉ, có dung tích khoảng 5 lít, có hình dạng chung và kích thước như trong hình 4.2
Cối đƣợc gắn vào khung máy trộn sao cho trong suốt thời gian trộn độ an toàn đƣợc đảm bảo
Chiều cao của cối tương xứng với cánh trộn và trong một chừng mực nào đó khoảng cách giữa cánh quay và cối có thể vi chỉnh và cố định đƣợc
Khuôn (hình 3.3) gồm có ba ngăn nằm ngang sao cho ba mẫu hình lăng trụ có tiết diện 40 mm x 40 mm và dài 160 mm có thể đƣợc chế tạo cùng một lúc
Hình 4.3: Khuôn đúc mẫu điển hình [18]
Hình 4.4: Bàn dằn vữa điển hình [18]
Cát mẫu của ISO là cát thiên nhiên giàu silic, gồm tốt nhất là các hạt tròn cạnh và có hàm lƣợng silic dioxit không ít hơn 98%
Cấp phối hạt nằm trong các giới hạn quy định ở bảng 3.6
Xi măng để thử nghiệm nếu phải để lâu hơn 24 giờ kể từ lúc lấy mẫu đến lúc tiến hành thử, thì phải được lưu giữ toàn bộ trong thùng kín, loại thùng không gây phản ứng xi măng
Nước cất được sử dụng cho các phép thử công nhận Còn đối với các thử nghiệm khác, sử dụng nước uống
Bảng 4.6: Cấp phối hạt của cát mẫu ISO [19]
Kích thước lỗ vuông mm Phần còn lại trên sàng %
Tỷ lệ khối lƣợng bao gồm một phần xi măng, ba phần cát tiêu chuẩn và một nửa phần là nước (tỷ lệ nước/xi măng = 0,5) Mỗi mẻ cho ba mẫu thử sẽ gồm: 450
2 (g) xi măng, 1350 5 (g) cát, và 225 1 (g) nước
Xi măng, cát, nước và thiết bị có cùng nhiệt độ phòng thí nghiệm Xi măng và cát được cân bằng cân có độ chính xác đến 1g Khi thêm nước, dùng ống đong tự động 225ml, có độ chính xác 1ml
4.5.5.3 Trộn vữa Đổ nước vào cối và thêm xi măng Khởi động máy trộn ngay và cho chạy ở tốc độ thấp, sau 30 giây thêm cát từ từ trong suốt 30 giây
Khi dùng các nhóm hạt cát riêng biệt, cho thêm số lƣợng cần thiết của từng nhóm hạt bằng cách bắt đầu tuần tự từ nhóm hạt lớn nhất Bật máy trộn và cho máy chạy ở tốc độ cao, tiếp tục trộn thêm 30 giây
Dừng máy trộn 90 giây Trong vòng 15 giây đầu dùng bay cao su cào vữa bám ở thành cối, ở đáy cối và vun vào giữa cối
Tiếp tục trộn ở tốc độ cao trong 60 giây nữa Thời gian của mỗi giai đoạn trộn khác nhau có thể đƣợc tính chính xác đến 1
4.5.6.1 Hình dạng và kích thước mẫu thử
Hình dạng và kích thước mẫu thử: Mẫu thử hình lăng trụ có kích thước 40mm x 40mm x 160mm
Tiến hành đúc mẫu ngay sau khi chuẩn bị xong vữa Khuôn và phễu đƣợc kẹp chặt vào bàn dằn Dùng một xẻng nhỏ thích hợp, xúc một hoặc hai lần để rải lớp vữa đầu tiên cho mỗi ngăn khuôn sao cho mỗi ngăn trải thành hai lớp thì đầy (mỗi lần xúc khoảng 300g) và lấy trực tiếp từ máy trộn, dùng bay lớn để rải đồng đều, bay đƣợc giữ thẳng đứng so với vai của nó và tiếp xúc với đỉnh phễu và đƣợc đẩy lên phía trước, phía sau dọc theo mỗi ngăn khuôn Sau đó lèn lớp vữa đầu bằng cách dằn 60 cái Đổ thêm lớp vữa thứ hai, dùng bay nhỏ dàn đều mặt vữa rồi lèn lớp vữa này bằng cách dằn thêm 60 cái Nhẹ nhàng nhấc khuôn khỏi bàn dằn và tháo phễu ra Gạt bỏ vữa thừa bằng một thanh gạt kim loại thanh này đƣợc giữ thẳng đứng và chuyển động từ từ theo kiểu cƣa ngang mỗi chiều một lần Cũng dùng thanh gạt trên gạt bằng mặt vữa
4.5.7.1 Xử lý và cất giữ mẫu trước khi tháo khuôn
Gạt bỏ vữa thừa trên rìa khuôn coi nhƣ một phần của việc tháo dỡ Đặt một tấm kính kích thước 210mm x 185mm và dày 6mm lên khuôn Cũng có thể dùng một tấm thép hoặc vật liệu không thấm khác có cùng kích thước
Hơi ẩm phải tiếp xúc đƣợc với các mặt bên của khuôn Khuôn không đƣợc chồng chất lên nhau
Mỗi khuôn sẽ đƣợc lấy khỏi nơi cất giữ vào thời điểm thích hợp cho việc tháo khuôn
4.5.7.2 Tháo dỡ khuôn Đối với các phép thử 24 giờ, việc tháo dỡ khuôn mẫu không đƣợc quá 20 phút trước khi mẫu được thử
Khi tháo dỡ khuôn có thể sử dụng búa bằng cao su hoặc chất dẻo hay dụng cụ đặc biệt khác Để kiểm tra việc trộn, tạo chắc đặc và hàm lƣợng khí đốt với vữa, cần tiến hành cân mẫu sau ki tháo khỏi khuôn Đối với các phép thử có tuổi mẫu lớn hơn 24 giờ, việc tháo dỡ khuôn tiến hành từ 20 giờ đến 24 giờ sau khi đổ khuôn
Các mẫu đã đánh dấu được nhận chìm ngay trong nước (để nằm ngang hoặc để thẳng đứng, tùy theo cách nào thuận tiện) ở nhiệt độ 27 0 C 2 0 C trong các bể chứa thích hợp
Kiểm tra tính chất cơ lý
4.6.1 Xác định độ bền uốn [18] Đặt mẫu lăng trụ vào máy thử với một mặt bên tựa trên các con lăn gối tựa và trục dọc của mẫu vuông góc với các gối tựa Đặt tải trọng theo chiều thẳng đứng bằng con lăn tải trọng vào mặt đối diện của lăng trụ và tăng tải trọng dần dần với tốc độ 50N/s 10N/s cho đến khi mẫu gẫy
Cần giữ ẩm cho các nửa lăng trụ cho đến khi đem thử độ bền nén Tính độ bền uốn, Ru, bằng Newtons trên milimet vuông (N/mm 2 ), theo công thức sau:
Fu: là tải trọng đặt lên giữa lăng trụ khi mẫu bị gãy, tính bằng Newtons; l: Là khoảng cách giữa các gối tựa, tính bằng milimet b: Là cạnh của tiết diện vuông của lăng trụ, tính bằng milimet
4.6.2 Xác định độ bền nén [18]
Thử độ bền nén các nửa lăng trụ trên các mặt bên phía tiếp xúc với thành khuôn bằng thiết bị quy định Đặt mặt bên các nửa lăng trụ vào chính giữa các tấm ép với sai lệch không quá 0,5mm, và đặt nằm ngang sao cho mặt cuối của lăng trụ nhô ra ngoài tấm ép hoặc má ép khoảng 10mm
Tăng tải trọng từ từ với tốc độ 2400N/s 200N/s trong suốt quá trình cho đến khi mẫu bị phá hoại Nếu tăng tải trọng bằng tay thì cần điều chỉnh để chống lại khuynh hướng giảm tốc độ tăng tải khi gần tới tải trọng phá hủy
Tính độ bền nén, Rn, bằng Newtons trên milimet vuông (N/mm 2 ) theo công thức sau:
F: Là tải trọng tối đa lúc mẫu bị phá hoại, tính bằng Newtons;
Là diện tích tấm ép hoặc má ép, tính bằng milimet vuông (40mm x 40mm 1600 mm 2 )
4.6.3 Xác định độ dẻo chuẩn [17]
Hồ xi măng có độ dẻo tiêu chuẩn là khi nó đạt khả năng cần thiết cản lại sự lún của một kim chuẩn
Lượng nước cần thiết cho một loại hồ như vậy được xác định bằng ba lần sụt kim với hồ nước có hàm lượng nước khác nhau
4.6.3.2 Phòng thí nghiệm và thiết bị
Phòng thử nghiệm nơi chế tạo và thử mẫu giữ ở nhiệt độ 27 0 C 2 0 C và độ ẩm tương đối không thấp hơn 50% Cân, có độ chính xác đến 1g Ống đong có vạch chia hoặc buret, có khả năng đo thể tích chính xác đến 1% Máy trộn, phù hợp với các yêu cầu của ISO 679
Xi măng, nước và thiết bị dựng để chế tạo và thử mẫu được giữ ở nhiệt độ
27 0 C 2 0 C và phải ghi lại nhiệt độ trong báo cáo thử nghiệm
Cân 500g xi măng, chính xác đến 1g Cân một lượng nước là 125g rồi đổ vào trong cối trộn hoặc dùng ống đong có vạch chia hay buret để đo lượng nước đổ vào cối trộn Đổ xi măng vào nước một cách cẩn thận để tránh thất thoát nước hoặc xi măng
Thời gian đổ không ít hơn 5 giây và không nhiều hơn 10 giây Lấy thời điểm kết thúc đổ xi măng là thời điểm "không", từ đó tính thời gian làm tiếp theo Khởi động ngay máy trộn và cho chạy với tốc độ thấp trong 90 giây
Sau 90 giây, dừng máy trộn khoảng 15 giây để vét gọn hồ ở xung quanh cối vào vùng trộn của máy bằng một dụng cụ vét thích hợp Khởi động lại máy và cho chạy ở tốc độ thấp thêm 90 giây nữa Tổng thời gian chạy máy trộn là 3 phút Đổ ngay hồ vào khâu đã đƣợc đặt trên tấm đế phẳng bằng thủy tinh có bôi một lớp dầu Đổ đầy hơn khâu mà không nén hay rung quá mạnh Dùng dụng cụ có cạnh thẳng gạt hồ thừa theo kiểu chuyển động cƣa nhẹ nhàng, sao cho hồ đầy ngang khâu và bề mặt phải phẳng trơn Trước khi thử gắn kim to vào dụng cụ Vicat, hạ kim to cho chạm tấm đế và chỉnh kim chỉ về số "không" trên thang chia vạch Nhấc kim to lên vị trí chuẩn bị vận hành
Ngay sau khi gạt phẳng mặt hồ, chuyển khâu và tấm đế sang dụng cụ Vicat tại vị trí đúng tâm dưới kim to Hạ kim to từ từ cho đến khi nó tiếp xúc với mặt hồ Giữ ở vị trí này từ 1 giây đến 2 giây để tránh tốc độ ban đầu hoặc gia tốc của bộ phận chuyển động Sau đó thả nhanh bộ phận chuyển động để kim to lún thẳng đứng vào trung tâm hồ Thời điểm thả kim to từ thời điểm số "không" là 4 phút Đọc số trên thang vạch thì kim to ngừng lún, hoặc đọc tại thời điểm 30 giây sau khi thả kim to, tùy theo việc nào xảy ra sớm hơn
Ghi lại số đọc, trị số đó biểu thị khoảng cách giữa đầu kim to với tấm đế Đồng thời ghi lại lượng nước của hồ tính theo phần trăm khối lượng xi măng Lau sạch kim to ngay sau mỗi lần thử lún
Lặp lại phép thử với hồ có khối lượng nước khác nhau cho tới khi đạt được một khoảng cách giữa kim to với tấm đế là 6mm 1mm Ghi lại hàm lượng nước của hồ này, lấy chính xác đến 0,5% và coi đó là lượng nước cho độ dẻo chuẩn
4.6.4 Xác định thời gian đông kết [17]
Thời gian đông kết đƣợc xác định bằng cách quan sát độ lún sâu của một kim vào hồ xi măng có độ dẻo tiêu chuẩn, cho đến khi nó đạt đƣợc giá trị quy định
4.6.4.2 Phòng thí nghiệm và thiết bị
Xi măng, nước và thiết bị dựng để chế tạo và thử mẫu được giữ ở nhiệt độ
27 0 C 2 0 C và phải ghi lại nhiệt độ trong báo cáo thử nghiệm
Dùng phòng hoặc một buồng đủ kích thước và giữ ở nhiệt độ 27 0 C 1 0 C và độ ẩm tương đối không nhỏ hơn 90%
Cân, có độ chính xác đến 1g Ống đong có vạch chia hoặc buret, có khả năng đo thể tích chính xác đến 1% Máy trộn, phù hợp với các yêu cầu của ISO 679
Dùng dụng cụ Vicat để xác định thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết Tháo kim to và lắp vào đó kim nhỏ, kim này làm bằng thép và có hình trụ thẳng với chiều dài hữu ích 50mm 1mm và đường kính 1,13mm 0,05mm Tổng khối lượng của bộ phận chuyển động là 300g 1g
4.6.4.3 Xác định thời gian bắt đầu đông kết
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
Kết quả kiểm tra tính chất cơ lý của xi măng
5.1.1 Cường độ nén và cường độ uốn của vữa xi măng
Xác định cường độ chịu nén và chịu uốn của vữa xi măng theo TCVN 6016:1995 – Xác định cường độ chịu uốn và nén của đá xi măng
Bảng 5.1: Thành phần vật liệu thí nghiệm
Thành phần vật liệu Cát tiêu chuẩn
- Mẫu ký hiệu (M1): Mẫu xi măng OPC
- Mẫu ký hiệu (M2): Mẫu xi măng PCB FICO
- Các mẫu ký hiệu từ (M3 – M15): Mẫu xi măng có sự tham gia của bùn đỏ và bentonite trong thành phần
5.1.1.3 Cường độ nén và cường độ uốn
Bảng 5.2: Kết quả thí nghiệm cường độ nén R n và uốn R u
Cường độ chịu nén (Rn) và chịu uốn (Ru) - N/mm2
Rn Ru Rn Ru Rn Ru
- Biểu đồ so sánh cường độ nén của mẫu vữa:
Hình 5.1: Biểu đồ so sánh kết quả kiểm tra cường độ nén
- Biểu đồ so sánh cường độ uốn của mẫu vữa:
Hình 5.2: Biểu đồ so sánh kết quả kiểm tra cường độ uốn
Biểu đồ cường độ nén mẫu
Biểu đồ cường độ uốn
5.1.1.4 So sánh kết quả và nhận xét
Kết quả thí nghiệm cường độ nén R n (N/mm 2 ) và cường độ uốn Ru (N/mm 2 ) cho các thành phần cấp phối theo bảng 5.2, nhận thấy rằng:
- Các mẫu xi măng khi có mặt của bùn đỏ nhỏ hơn 15% cho cường độ nén lớn hơn 50 (N/mm 2 ) ở tuổi 28 ngày
- Các mẫu xi măng khi có mặt của bùn đỏ lớn hơn 20% cho cường độ nén nhỏ hơn 50 (N/mm 2 ) ở tuổi 28 ngày
- Cường độ uốn từ 8 – 12% cường độ nén, phù hợp với các thí nghiệm đối với các loại xi măng thông thường
- Kết quả ghi nhận phù hợp với yêu cầu tiêu chuẩn cho loại xi măng PCB 40
Với mục tiêu nghiên cứu chế tạo loại xi măng có giá trị sự dụng, và các tính chất cơ lý tương đồng với các loại xi măng thông dụng Đồng thời, với mục tiêu góp phần giải quyết vấn đề môi trường do lượng bùn thải từ các nhà máy sản xuất nhôm
Các thí nghiệm chỉ xét đến các cấp phối xi măng có 20% bùn đỏ và 5% bentonite tối đa trong thành phần nhằm đảm bảo các mục tiêu yêu cầu đề ra
5.1.2 Độ dẻo chuẩn của xi măng
Xác định độ dẻo tiêu chuẩn theo TCVN 6017:1995
Bảng 5.3: Kết quả đo độ dẻo chuẩn
Mẫu Khối lƣợng xi măng (g)
Khoảng cách đầu kim to và tấm đế (6±1mm) Độ dẻo tiêu chuẩn
- Biểu đồ so sánh kết quả đo độ dẻo chuẩn:
Hình 5.3: So sánh độ dẻo chuẩn của mẫu vữa 5.1.2.3 So sánh và nhận xét Độ dẻo chuẩn của các mẫu xi măng có giá trị từ 27,9 đến 29,5, tùy theo thành phần cấp phối
Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng xi măng poóc lăng hỗn hợp không quy định bắt buộc cho chỉ tiêu này
Dựa vào thực tế, các loại xi măng hiện có trên thị trường, kết quả đo độ dẻo chuẩn của các loại xi măng nhƣ sau:
Xi măng Hạ Long: Độ dẻo chuẩn khoảng 27,6 %
Xi măng Holcim: Độ dẻo chuẩn khoảng 28,0 %
Xi măng Hà Tiên 1: Độ dẻo chuẩn khoảng 26,8 %
Xi măng Nghi Sơn: Độ dẻo chuẩn khoảng 30,0 %
Xi măng Fico: Độ dẻo chuẩn khoảng 29%
Biểu đồ độ dẻo chuẩn
Thành phần xi măng khi có sự tham gia của bùn đỏ và bentonite nhƣ trong đề tài nghiên cứu này, có giá trị độ dẻo chuẩn tương đồng với các kết quả độ dẻo chuẩn của các loại xi măng có mặt trên thị trường
5.1.3 Thời gian đông kết của xi măng
Xác định thời gian đông kết của xi măng theo TCVN 6017 : 1995 - Xi măng – Phương pháp thử xác định thời gian đông kết và độ ổn định thể tích
5.1.3.2 Kết quả xác định thời gian đông kết
Bảng 5.4: Kết quả đo thời gian đông kết
Khoảng cách giữa kim và đế (4±1 mm)
Thời gian bắt đầu (phút)
Thời gian kết thúc (phút)
- Biểu đồ so sánh thời gian đông kết của mẫu vữa:
Hình 5.4: Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết của mẫu vữa
5.1.3.3 So sánh và nhận xét
Thời gian bắt đầu đông kết trong khoảng từ 130 phút đến 145 phút tùy thuộc vào thành phần xi măng
Khi có mặt của bentonite, do đặc tính trương nở, khả năng hút nước vào sâu bên trong cấu trúc nên làm cho độ dẻo của hồ xi măng giảm đi, dẫn đến thời gian đông kết nhanh hơn
Theo yêu cầu của TCVN 6260:2009 – Xi măng poóc lăng – Yêu cầu kỹ thuật:
- Thời gian bắt đầu đông kết không nhỏ hơn 45 phút
- Thời gian kết thúc đông kết không lớn hơn 420 phút
Nhƣ vậy, các mẫu xi măng trong nghiên cứu này đáp ứng đƣợc yêu cầu của tiêu chuẩn xi măng poóc lăng hỗn hợp
Thời gian bắt đầu đông kết Thời gian kết thúc đông kết
5.1.4 Xác định độ mịn của xi măng
Xác định độ mịn bằng phương pháp sàng theo TCVN 4030:2003
Bảng 5.5: Kết quả đo độ mịn xi măng
Mẫu Khối lƣợng mẫu trước khi sàng (g)
Khối lƣợng mẫu sau khi sàng (g) Độ mịn
- Đồ thị so sánh độ mịn của mẫu xi măng:
Hình 5.5: So sánh độ mịn xi măng 5.1.4.3 So sánh và nhận xét
Các mẫu xi măng đạt độ mịn trong khoảng 0,70 % đến 0,79 %
Mức yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 6260:2009: Phần còn lại trên sàng kích thước lỗ 0,09 mm, không lớn hơn 10%
Các mẫu xi măng trong nghiên cứu với thành phần bùn đỏ ở mức 20%, có kết hợp bentonite hoặc tro bay đều cho kết quả độ mịn đạt yêu cầu tiêu chuẩn xi măng
5.1.4.4 Kết luận Độ mịn đạt yêu cầu tiêu chuẩn quy định các chỉ tiêu chất lƣợng của xi măng Pooc lăng hỗn hợp – TCVN 6260:2009
5.1.5 pH của vữa xi măng bùn đỏ và bentonite
Biểu đồ độ mịn xi măng
Tiến hành đo pH của mẫu vữa xi măng bùn đỏ và bentonite, kết quả ghi nhận theo bảng 4.6
Bảng 5.6: Kết quả đo pH
Ký hiệu mẫu Loại mẫu Giá trị pH
M1 Mẫu xi măng thông thường 8,41 9,01 10,82 11,73
M2 Mẫu xi măng 15 % bùn đỏ
M3 Mẫu xi măng 20 % bùn đỏ
- Đồ thị so sánh các giá trị đo pH của mẫu xi măng:
Hình 5.6: So sánh giá trị pH của các mẫu xi măng 5.1.5.3 So sánh và nhận xét
Dựa vào Kết quả đo pH của các mẫu xi măng có thành phần bùn đỏ so với mẫu xi măng thông thường, nhận thấy kết quả gần như tương đồng nhau Ở tuổi mẫu 1 và 3 ngày, quá trình thủy hóa mới bắt đầu, vì vậy lƣợng vôi tự do chƣa hình thành nhiều, nên giá trị pH nằm trong khoảng 8,4 – 9,6 Ở tuổi 7 ngày và 28 ngày, quá trình thủy hóa gần nhƣ hoàn toàn, giá trị pH nằm trong khoảng 11,5 – 13,5
Giá trị pH 11,5 – 13,5, tương đồng với giá trị đo pH khi tiến hành đo bằng phương pháp nhanh (giấy quỳ tím), tại các bể ngâm mẫu vữa và bê tông sử dụng xi măng thông thường
Qua các giá trị pH ghi nhận trong quá trình đo, kết hợp thực tế sản xuất, có thể thấy rằng giá mẫu xi măng tạo ra theo phương pháp nghiên cứu này hoàn toàn tương đồng với các mẫu xi măng thông dụng
Mặc dù, mẫu bùn đỏ và bentonite đƣợc đƣa vào thành phần xi măng trong nghiên cứu này không sử dụng các phương pháp xử lý bằng hóa chất để giảm trị số pH.
Thành phần cấp phối xi măng bùn đỏ và bentonite
Qua các bước tiến hành thực nghiệm, thành phần của xi măng bùn đỏ được chọn lựa dựa trên các cơ sở sau:
- Thỏa mãn các điều kiện quy định cho loại xi măng poóc lăng hỗn hợp, phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam cho loại xi măng PCB 40, TCVN 6260:2009
- Ngoài mục tiêu đạt yêu cầu chất lƣợng theo tiêu chuẩn, lƣợng bùn đỏ đƣa vào thành phần tối ƣu nhất, nhằm mục đích nâng cao giá trị sử dụng chất thải, góp phần giải quyết vấn đề môi trường
- Bùn đỏ đƣa vào thành phần xi măng đề nghị ở mức 15% khối lƣợng
- Bentonite đƣa vào thành phần xi măng đề nghị ở mức 3% khối lƣợng
Thành phần cơ sở của xi măng bùn đỏ và bentonite:
Bảng 5.7 : Thành phần xi măng bùn đỏ và bentonite a Thành phần xi măng bùn đỏ
Nguyên liệu Xi măng OPC Bùn đỏ Bentonite
Khối lƣợng (%) 82 15 03 b Yêu cầu tiêu chuẩn và kết quả thử nghiệm
Stt Tên chỉ tiêu Yêu cầu kỹ thuật
1 Cường độ nén, MPa, không nhỏ hơn:
2 Thời gian đông kết, phút
- Bắt đầu, không nhỏ hơn 45 135
- Kết thúc, không lớn hơn 420 240
3 Độ mịn, xác định theo
- Phần còn lại trên sàng kích thước lỗ
- Bề mặt riêng, xác định theo phương pháp Blaine, cm 2 /g, không nhỏ hơn 2800 3640
4 Độ ổn định thể tích, xác định theo phương pháp Le Chatelier, mm, không lớn hơn 10 0,2
5 Hàm lƣợng anhydric sunphuric (SO 3 ), %, không lớn hơn 3,5 2,21
6 Độ nở autoclave, %, không lớn hơn 0,8 0,04
Ảnh SEM của mẫu đá xi măng
5.3.1 Ảnh SEM của mẫu đá xi măng thông thường
Hình 5.7: Ảnh SEM của mẫu đá xi măng thông thường 3 ngày tuổi
Hình 5.8: Ảnh SEM của mẫu đá xi măng thông thường 28 ngày tuổi
5.3.2 Ảnh SEM của mẫu đá xi măng bùn đỏ
Hình 5.9: Ảnh SEM của mẫu đá xi măng bùn đỏ 3 ngày tuổi
Hình 5.10: Ảnh SEM của mẫu đá xi măng bùn đỏ 28 ngày tuổi
5.3.3 Nhận xét Ảnh SEM của các mẫu xi măng ở 3 ngày tuổi thể hiện sự có mặt của một số khoáng thường gặp trong xi măng thủy hóa, trong đó:
- Ettringgite: Có dạng tinh thể hình kim hoặc khối chop nhỏ
- C – S – H: Dạng tấm vảy mỏng, hoặc có dạng sợi
- Ca(OH) 2 : Kết tinh có dạng lục giác
- Monosunfat: Dạng tấm lục giác xếp chùm
Với xi măng thông thường, các khoáng ettringgite và CSH, hình thành nhiều hơn so với mẫu 3 ngày của xi măng bùn đỏ Điều này có thể giải thích bằng thực nghiệm trên kết quả nén của các mẫu vữa xi măng, mẫu M2 (xi măng PCB thông thường) có kết quả 3 ngày đạt 26,46 N/mm 2 , trong khi các mẫu xi măng có sự tham gia của bùn đỏ có cường độ chịu nén trong khoảng 22 – 25 N/mm 2 Ảnh SEM ở 28 ngày tuổi của cả mẫu PCB thông thường và xi măng bùn đỏ xuất hiện các sản phẩm CSH kết tinh thô dạng lớp, hàm lƣợng Ca(OH) 2 kết tinh ở các mẫu 28 ngày cao hơn mẫu 3 ngày, chứng tỏ sự gia tăng đáng kể mức thủy hóa của các khoáng xi măng
Qua các kết quả chụp SEM, có thể nhận thấy sự hình thành các khoáng cơ bản của xi măng đã thủy hóa khi trong thành phần có sự tham gia của bùn đỏ và bentonite
Do mẫu chụp SEM chỉ thể hiện ảnh vi cấu trúc tại vị trí chụp, không phải toàn bộ mẫu nên không thể đánh giá đƣợc đầy đủ hiệu quả tác động của các loại phụ gia khi cho vào thành phần
Tuy nhiên, với sự có mặt của các khoáng cơ bản trên ảnh SEM, kết hợp kết quả nén trên mẫu vữa có thể kết luận xi măng bùn đỏ phát triển cường độ và các tính chất cơ lý khác tương đồng với xi măng PCB thông thường.