Nghiên cứu các chất ức chế p2o5 trong thạch cao nhân tạo và sử dụng thay thế thạch cao tự nhiên trong xi măng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN VĂN MẠNH TRẦN VĂN MẠNH KỸ THUẬT HÓA HỌC NGHIÊN CỨU CÁC CHẤT ỨC CHẾ P2O5 TRONG THẠCH CAO NHÂN TẠO VÀ SỬ DỤNG THAY THẾ THẠCH CAO TỰ NHIÊN TRONG XI MĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT HÓA HỌC MSHV: CB160028 Hà Nội – Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN VĂN MẠNH ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC CHẤT ỨC CHẾ P2O5 TRONG THẠCH CAO NHÂN TẠO VÀ SỬ DỤNG THAY THẾ THẠCH CAO TỰ NHIÊN TRONG XI MĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS HUỲNH ĐĂNG CHÍNH Hà Nội – Năm 2019 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU I Giới thiệu thạch cao sản xuất từ chất thải DAP Đình Vũ, thạch cao tự nhiên, xi măng Clinker pooclang 1.1 Tổng quan thạch cao nhân tạo sản xuất từ chất thải DAP Đình Vũ 1.1 Tổng quan thạch cao tự nhiên 12 1.2 Tổng quan xi măng pooclang 15 1.4 Tổng quan Clinker xi măng 16 1.5 Nghiên cứu ảnh hƣởng thạch cao tự nhiên nhân tạo đến tính chất xi măng 23 1.6 Tình hình nghiên cứu, sản xuất sử dụng thạch cao nhân tạo nƣớc 29 1.7 Ứng dụng quan trọng thạch cao nhân tạo 34 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35 2.1 Sơ đồ thực nghiệm 35 2.2 Nguyên liệu hóa chất ban đầu 35 2.3 Các dụng cụ thí nghiệm 38 2.4 Phƣơng pháp xử lý, ức chế thạch cao nhân tạo 38 2.5 Tạo mẫu để xác định tính chất lý hố 38 2.6 Các phƣơng pháp nghiên cứu 39 CHƢƠNG 45 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45 3.1 Một số tiêu thạch cao Phospho 45 3.2 Chỉ tiêu Clinker xi măng Bút Sơn thí nghiệm 47 3.3 Ảnh hƣởng thạch cao phospho đến tính chất lý xi măng 49 Học viên: Trần Văn Mạnh Lớp 16BKTHH - VICEM Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 Học viên: Trần Văn Mạnh Lớp 16BKTHH - VICEM Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Hợp chất, thuật ngữ Viết tắt, ký hiệu CaO C SiO2 S Al2O3 A Fe2O3 F MgO M CaOtd Vôi tự Mất nung Chất khác MKN CK Kiềm R SO3 S Khoáng 3CaO.SiO2 C3S Khoáng 2CaO.SiO2 C2S Khoáng 3CaO.Al2O3 C3A Khống 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF Xi măng pclăng XMP Phụ gia khống hóa PGKH Chất kết dính Thạch cao nhân tạo Thạch cao phospho xử lý P2O5 NH4OH Học viên: Trần Văn Mạnh CKD Phospho Gypsum PG1 Lớp 16BKTHH - VICEM Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính DANH MỤC HÌNH VẼ Hình số Tên hình vẽ, đồ thị Trang 1.1 Quy trình sản xuất thạch cao nhân tạo 1.2 Thạch cao nhân tạo 12 1.3 Mỏ khai thác thạch cao 13 1.4 Khoáng Alite 19 1.5 Khoáng Belite 20 1.6 Khoáng C3A C4AF 20 1.7 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến độ nƣớc thạch cao 23 1.8 Ảnh hƣởng độ ẩm khơng khí đến tốc độ nƣớc thạch cao 24 1.9 Sự nƣớc thạch cao tới cƣờng độ xi măng 24 1.10 Biểu đồ mô tốc độ nƣớc thạch cao 25 1.11 Biểu đồ đóng rắn xi măng 26 1.12 Biểu đồ đóng rắn xi măng 27 1.13 Mơ hình tác dụng thạch cao 28 1.14 Thời gian đông kết mẫu xi măng dùng Gypsum chƣa xử lý 29 1.15 Thời gian đông kết mẫu xi măng dùng Gypsum xử lý 29 1.16 Cƣờng độ nén mẫu xi măng 30 1.17 Sự dao đông thời gian đông kết theo %P2O5 31 1.18 Sự thay đổi thời gian đông kết theo %P2O5 32 2.1 Sơ đồ thực nghiệm mẫu đối chứng 36 2.2 Sơ đồ thực nghiệm mẫu phân tích 37 2.3 Dụng cụ Vicat với kim dùng để đo lƣợng nƣớc tiêu chuẩn 39 2.4 Dụng cụ Vicat với kim dùng để xác định thời gian đông kết 40 2.5 Dụng cụ xác định độ mịn theo phƣơng pháp Blaine 41 Học viên: Trần Văn Mạnh Lớp 16BKTHH - VICEM Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính 2.6 Máy trộn vữa 41 2.7 Khuôn bàn dằn mẫu 42 2.8 Máy nén mẫu 43 2.9 Sơ đồ nguyên lý máy phân tích nhiễu xạ tia X 43 2.10 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo thiết bị vi phân tích nhiệt 44 3.2 Sự phân ly ion phốt phát phụ thuộc vào pH dung dịch Cấu trúc cộng hƣởng (NH2)2CO 3.3 Phân bổ cỡ hạt xi măng 3.1 3.4 3.5 45 46 50 Đồ thị biểu diễn thay đổi lƣợng nƣớc tiêu chuẩn thay đổi hàm lƣợng thạch cao cấp phối xi măng Đồ thị biểu diễn thay đổi thời gian đông kết thay đổi hàm lƣợng thạch cao cấp phối xi măng 51 52 3.6 Đồ thị biểu diễn phát triển cƣờng độ nén thay đổi hàm lƣợng thạch cao cấp phối xi măng 53 3.7 Sự khối lng xi măng (M00) ë ti ngµy 56 3.8 Sù mÊt khèi lng xi măng (M01) tuổi ngày 57 3.9 Sự khối lng xi măng (M02) ë ti ngµy 57 3.10 Sù mÊt khèi lng xi măng (M03) tuổi ngày 58 3.11 Sự khối lng xi măng (M04) tuổi ngày 58 3.12 Đá xi măng M00 sau ngày thuỷ hoá 61 3.13 Đá xi măng M01 sau ngày thuỷ hoá 61 3.14 Đá xi măng M02 sau ngày thuỷ hoá 62 3.15 Đá xi măng M03 sau ngày thuỷ hoá 62 3.16 Đá xi măng M04 sau ngày thuỷ hoá 63 Học viên: Trần Văn Mạnh Lớp 16BKTHH - VICEM Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng số Tên bảng biểu Trang 1.1 Các tiêu chuẩn thạch cao nhân tạo 10 1.2 Giới hạn hàm lƣợng thành phần hố học có clinker 16 1.3 Các khống có clinker xi măng pooclang 18 1.4 Quá trình nƣớc thạch cao 23 1.5 Tốc độ nƣớc thạch cao 25 2.1 Tiêu chuẩn thạch cao phospho Đình Vũ 37 2.2 Tiêu chuẩn Clinker xi măng Bút Sơn 37 2.3 Tiêu chuẩn thạch cao tự nhiên 37 3.1 Thành phần hố thạch cao phospho Đình Vũ PG sử dụng chất ức chế 45 3.2 Tỷ lệ % mol ion phốt phát pH thay đổi từ đến 46 3.3 Thành phần hoá thạch cao tự nhiên thạch cao thí nghiệm 47 3.4 3.5 3.6 Các tiêu lý Clinker Bút Sơn Các tiêu phân tích hóa Clinker Bút Sơn 48 48 Kết tiêu kỹ thuật quy định Clinker Cấp phối xi măng 48 50 3.9 Kết blaine – sót sàng Kết thử nghiệm 3.10 HiƯu øng nhiƯt cđa mét sè hỵp chất hydrat hoá xi măng 55 3.11 Bộ pic chuẩn cđa mét sè hỵp chÊt 59 3.12 Tổng kết so sánh kết thực nghiệm thạch cao phospho sử dụng NH4OH ức chế P2O5 63 3.7 3.8 Học viên: Trần Văn Mạnh 49 51 Lớp 16BKTHH - VICEM Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính MỞ ĐẦU Nhà máy sản xuất phân bón tổng hợp ( DAP -VIANCHEM ) Đình Vũ - Hải Phịng hàng năm thải lƣợng lớn bã Gyps có chứa hàm lƣợng CaSO4 cao, khoảng 750.000 tấn/năm Bã thải Gyps từ nhà máy tạo tác động không nhỏ tới sản xuất sinh hoạt ngƣời dân Sau thời gian hoạt động tạo lƣợng lớn phế thải Gyps, tạo thành núi nhân tạo cao hàng chục mét gây ô nhiễm không khí nƣớc Khơng axit fluorosilicic đƣợc tạo q trình sản xuất hóa chất độc hại, có khả gây nhiễm nặng đến môi trƣờng gây hại cho sức khỏe ngƣời Trong xi măng, thạch cao (cơng thức hóa học CaSO4.2H2O) thành phần quan trọng thiếu Tác dụng thạch cao điều chỉnh thời gian đông kết xi măng để đảm bảo vữa bê tơng có đủ thời gian thi cơng trƣớc xi măng đóng rắn Với tỷ lệ khơng lớn, thơng thƣờng < 5%, ngồi thạch cao cịn ảnh hƣởng tới nhiều tính chất khác xi măng nhƣ cƣờng độ, độ dẻo, độ nở thể tích, lƣợng nƣớc tiêu chuẩn… Tại Vicem, thạch cao đƣợc sử dụng chủ yếu thạch cao tự nhiên nhập từ Thái Lan, Lào, Trung Quốc Thạch cao tự nhiên Thái Lan, Lào có hàm lƣợng SO3 tƣơng đối cao thơng thƣờng > 40% tạp chất, sử dụng tốt cho sản xuất xi măng nhiên giá thạch cao cao, làm tăng chí phí cho sản xuất Thạch cao Trung quốc chất lƣợng không ổn định, hàm lƣợng SO3 thấp dao động lớn, giá tƣơng đối cao Do công nghiệp vật liệu xây dựng sử dụng thạch cao phát triển không ngừng nên thạch cao tự nhiên ngày cạn kiệt chi phí cho Thạch cao ngày tốn Thạch cao nhân tạo đƣợc nhà khoa học giới nghiên cứu sản xuất từ sản phẩm phụ nhà máy hóa chất, nhà máy nhiệt điện, hóa dầu… vừa giúp hạn chế khai thác nguồn tài nguyên giới vừa sử dụng nguồn vật liệu phế thải để bảo vệ môi trƣờng Ở Việt nam thạch cao nhân tạo đƣợc nghiên cứu sản xuất từ năm 2000, số đơn vị nghiên cứu sử dụng cho sản xuất xi măng nhƣ trƣờng đại học Bách khoa Hà Nội, Viện VLXD… Tuy nhiên, Việt Nam việc sử dụng sản phẩm thạch cao nhân tạo cho ngành công nghiệp xi Học viên: Trần Văn Mạnh Lớp 16BKTHH - VICEM Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính măng cịn hạn chế nhiều nguyên nhân, có nguyên nhân thạch cao nhân tạo chứa hàm lƣợng nhỏ P2O5 có ảnh hƣởng khơng nhỏ đến tính chất xi măng nhƣ thời gian đông kết, cƣờng độ Với tất lý trên, lựa chọn đề tài: “ Nghiên cứu chất ức chế P2O5 thạch cao nhân tạo sử dụng thay thạch cao tự nhiên xi măng” với mong muốn giảm đƣợc vấn đề ô nhiễm môi trƣờng, ức chế đƣợc P2O5 thạch cao nhân tạo, đồng thời sử dụng sản phẩm để thay thạch cao tự nhiên ngày cạn kiệt Mục đích đề tài: - Nghiên cứu ức chế đƣợc P2O5 thạch cao nhân tạo sử dụng để thay thạch cao tự nhiên Nội dung đề tài: - Nghiên cứu ức chế P2O5 thạch cao nhân tạo; - Nghiên cứu sử dụng thạch cao nhân tạo để thay thạch cao tự nhiên xi măng; - Khảo sát số tính chất vật liệu; - Phân tích thành phần, tính chất vật liệu số phƣơng pháp hóa lý đại Nội dung luận văn đƣợc trình bày thành chƣơng: - Chƣơng 1: Tổng quan nghiên cứu - Chƣơng 2: Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm - Chƣơng 3: Kết nghiên cứu thảo luận - Kết luận Học viên: Trần Văn Mạnh Lớp 16BKTHH - VICEM Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính Nhận xét: Khi sử dụng thạch cao phospho mẫu thí nghiệm cho thấy lƣợng nƣớc tiêu chuẩn tăng dần theo tỷ lệ thạch cao phối trộn Đối với mẫu M01với hàm lƣợng thạch cao phospho 2% lƣợng nƣớc tiêu chuẩn sử dụng thấp Riêng mẫu Mo (hàm lƣợng 4% thạch cao tự nhiên) so với mẫu M03 (hàm lƣợng 4% thạch cao phospho) lƣợng nƣớc tiêu chuẩn chênh lệch không đáng kể 0,35% Nên việc sử dụng thạch cao nhân tạo không ảnh hƣởng nhiều đến lƣợng nƣớc tiêu chuẩn 3.3.3.2 Thời gian đông kết 250 Thời gian, phút 200 150 Bắt đầu đông kết (ph) Kết thúc đông kết (ph) 100 50 Mo M01 M02 M03 M04 Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn thay đổi thời gian đông kết thay đổi hàm lƣợng thạch cao cấp phối xi măng Nhận xét: Ảnh hƣởng đến thời gian đông kết: Khi sử dụng thạch cao nhân tạo mẫu thí nghiệm cho thời gian đơng kết xi măng kéo dài so thạch cao tự nhiên Với hàm lƣợng thạch cao nhân tạo thấp mẫu thử M01 kéo dài thời gian đông kết lên phút (3,45%) thời gian bắt đầu 15 phút (7,4%) thời gian kết thúc đông kết so với mẫu 4% thạch cao tự nhiên Với hàm lƣợng 4% thạch cao, mẫu thử thạch cao nhân tạo M03 kéo dài thời gian đông kết nhiều Thời gian bắt đầu đông kết kéo dài thêm đến 15 phút, tăng 10,344% thời gian kết thúc đông kết dài thêm 20 phút, tăng 9,756% so với mẫu dùng thạch cao tự nhiên (Mo) Học viên: Trần Văn Mạnh 52 Lớp 16BKTHH - VICEM Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Huỳnh Đăng Chính Thời gian đông kết kéo dài ảnh hƣởng lƣợng P2O5 hịa tan có thạch cao phospho tác nhân gây chậm đơng kết Có thể lý giải điều nhƣ sau: Ion Ca2+ có mặt anion phosphate từ P2O5 có thạch cao phospho hình thành calcium dyhydrogen, hình thành cấu trúc hydrogen phosphate Sự thiếu hụt ion canxi dung dịch nguyên nhân làm cho giai đoạn tạo liên kết C-S-H bị gián đoạn thời gian bắt đầu đông kết kéo dài 3.3.3.3 Cường độ 60 Cường độ, MPa 50 40 30 Cường Độ (MPa) day 20 Cường Độ (MPa) day Cường Độ (MPa) day 10 Cường Độ (MPa) 28 day Mo M01 M02 M03 M04 Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn phát triển cƣờng độ nén thay đổi hàm lƣợng thạch cao cấp phối xi măng Nhận xét: Cường độ sớm: Giữa mẫu M00 sử dụng thạch cao tự nhiên với hàm lƣợng 4% cho cƣờng độ ngày cao so với mẫu sử dụng thạch cao phospho hàm lƣợng