Do đó có nhiều giả thuyết trong các tài liệu khoa học cũng như trong thực tế công nghiệp. Bắt đầu từ nền tảng vật lý và hóa học cơ bản, quá trình sàng lọc trong phòng thí nghiệm hàng trăm hợp chất và hỗn hợp như cũng như mô phỏng máy tính bao quát (mô phỏng phân tử) cung cấp những hiểu biết tốt hơn về phụ gia trợ nghiền. Công việc này có thể giúp thiết kế phụ gia mới, hiệu quả hơn, theo yêu cầu khách hàng.
Nghiên cứu thực nghiệm hoạt động của phụ gia trợ nghiền trong quá trình nghiền clanhke đã được thực hiện bao gồm tất cả các loại chất hữu cơ và một số hợp chất vô cơ cũng như các hỗn hợp khác nhau và có lượng dùng khác nhau. Sự ảnh hưởng của các loại, số lượng và sự kết hợp của các nhóm chức cũng như khối lượng phân tử của hợp chất đã được nghiên cứu trên phạm vi rộng một cách có hệ thống. Mô tả chi tiết tất cả các thí nghiệm và kết quả tính toán kiểm tra sẽ vượt qua được những hạn chế của một bài báo. Bài viết này sẽ tập trung vào các hiện tượng cơ bản và những phát hiện mới liên quan đến các phương thức hoạt động của phụ gia trợ nghiền.
1. Những nguyên tắc vật lý và hóa học cơ bản
Các định luật nhiệt động học thứ nhất và thứ hai cho rằng tất cả mọi thứ có xu hướng đạt tới trạng thái có các năng lượng thấp nhất có thể và hỗn loạn nhất có thể. Trạng thái tự do của đống bột có xu hướng trở nên ổn định và trải rộng ra, nghĩa là để đạt được năng lượng thấp nhất có thể và mức độ trật tự có thể đạt được theo các điều kiện nhất định. Sự giảm năng lượng hoặc mức độ hỗn loạn cao hơn bởi vì năng lượng này có thể ảnh hưởng bởi quá trình vật lý và hóa học, nhưng kết hợp của cả hai quá trình này là phổ biến hơn: enthalpy tự do hoặc năng lượng Gibbs tự do có xu hướng hướng đạt tới mức giá trị thấp nhất có thể. Đóng góp Entropy (các nỗ lực để đạt được độ hỗn loạn) thường là nhỏ hơn đáng kể so với tổng số đóng góp của năng lượng; do đó Entropy sẽ không được đề cập riêng trong bài viết này.
Các vật liệu nghiền (bi đạn, tấm lót) trong Hình 1, được phủ bởi các hạt xi măng, kết quả làm cho trạng thái của hệ có năng lượng tối thiểu không có chất trợ nghiền. Tương tự như vậy trong Hình 2 các vật liệu nghiền sạch tương ứng với một trạng thái của năng lượng tối thiểu của một hệ với chất trợ nghiền. Sự có mặt của chất trợ nghiền dẫn đến trạng thái năng lượng tối thiểu khác nhau.
1.1. Quá trình không thuận nghịch và thuận nghịch
Quy luật nhiệt động học, phản ứng hóa học chỉ tự xảy ra nếu liên quan đến giải phóng năng lượng (thường là nhiệt độ). Do đó chúng không thể xảy ra ngược chiều mà không cần năng lượng bên ngoài. Điều này cũng là trường hợp của phản ứng xi măng với nước. Nước từ các nguyên liệu ẩm và từ nước phun làm mát thường có trong máy nghiền xi măng công nghiệp, thậm chí không có sử dụng phụ gia trợ nghiền. Vì vậy, có thể được giả thiết rằng phần lớn bề mặt của clanhke bị hydroxyl hóa chủ yếu hoặc thậm chí hoàn toàn. Điều này cũng rất quan trọng vì nước có tác dụng trợ nghiền, nói cách khác nước là một chất trợ nghiền yếu. Các phản ứng hóa học của các ion oxi (O2- ) với nước (H2O) để tạo thành các ion hydroxit (OH-) diễn ra không thuận nghịch (Hình 3).
Hình 3. Phản ứng trên bề mặt clanhke (tricanxi silicat, C3S): các phân tử nước (H2O) phản ứng với lớp ion oxit (O2-) bề mặt trên để tạo thành ion hydroxit (OH-)
Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ cũng diễn ra không thuận nghịch. Các hợp chất có nhiệt độ điểm sôi khoảng 50 - 400°C, tức là thấp hơn và cao hơn nhiệt độ nghiền đáng kể đã được thử nghiệm (Bảng 1). Một vài hợp chất hữu cơ được ổn định trên nhiệt độ 200°C. Chúng phân hủy, thường hình thành các hợp chất dễ bay hơi. Tuy nhiên, khi có mặt của không khí, trong các lớp phân tử mỏng và trên các vật liệu vô cơ, chúng có thể bị phân hủy tại nhiệt độ thấp hơn đáng kể (ví dụ 100°C) trong vòng vài giờ hoặc vài ngày. Nhiều nghiên cứu bản chất khác nhau chỉ ra rằng các chất trợ nghiền thông thường và cũng là phụ gia bê tông có thể chịu được nhiệt độ nghiền bình thường. Có thể đánh giá được sự phân hủy, tuy nhiên, nếu xi măng được lưu trữ trong nhiều tuần ở nhiệt độ trên 50°C. Điều này có thể xảy ra nếu silo được chứa đầy xi măng nóng.
Chủ yếu là hấp phụ chất trợ nghiền có thể thuận nghịch. Khi các lực liên kết là nhỏ ở nhiệt độ máy nghiền vận hành thường từ (80 - 120°C), hấp phụ phân tử có thể được giải hấp phụ từ bề mặt clanhke. Các điểm sôi của chất lỏng tương quan với các liên phân tử tương tác ("cường độ hấp phụ của các phân tử với nhau"). Nếu chất lỏng tương tự về mặt hóa học, cường độ hấp phụ trên bề mặt clanhke liên quan với điểm sôi.
1.2. Cơ chế phân tán trong quá trình nghiền
Phân tán của các phân tử hữu cơ trong quá trình nghiền có thể xảy ra thông qua hai cơ chế cơ bản: chuyển giao pha khí và chuyển giao bề mặt tiếp xúc. Điều này có thể dễ dàng được chứng minh trong các thí nghiệm nghiền đơn giản trong máy nghiền thí nghiệm. Ví dụ nhiều loại rượu có điểm sôi thấp hơn nhiệt độ nghiền cải thiện hiệu suất nghiền đáng kể (Bảng 2). Chúng được hấp phụ rất yếu do độ bay hơi cao nên vẫn có thể ngửi thấy mùi ngay cả trên xi măng đã nguội. Vì thế, phải được giả thuyết phụ gia đã được phân tán, một phần hoặc hoàn toàn, thông qua pha khí.
Mặt khác, các polyme như Polycacboxylate ete (PCE) cũng cải thiện hiệu suất nghiền đáng kể. PCE chỉ có thể bay hơi khi phân hủy thuận nghịch. Tuy nhiên, trong quá trình nghiền về bản chất các phân tử không bị thay đổi - chúng tiếp tục hoạt động như là phụ gia siêu dẻo bê tông. Vì vậy cơ chế bốc hơi có thể được loại trừ. Sự phân tán phải được xem xét thông qua di chuyển đến bề mặt tiếp xúc.
Theo quan điểm này, nên cho rằng hiệu ứng hóa dẻo xảy ra trong các thử nghiệm với liều lượng phụ gia trợ nghiền đặc biệt cao. Với phụ gia trợ nghiền thương mại có chứa PCE, liều lượng thường được sử dụng trong sản xuất xi măng là không đủ cao đối với hiệu quả trung bình.
Quỳnh Trang (Theo TTKHKT Xi măng)