A đối với Alite (Phần 2)

>> A đối với Alite (Phần 1)

Trong bài viết đăng trên số tháng 6 năm 2012 của tạp chí international cement review với tên gọi “ A is for alite “ tác giả Arthur Harrisson đã tập trung xem xét về chất khoáng chủ yếu này, và bằng việc kiểm tra chất khoáng dưới kính hiển vi ta có thể biết những thông tin cơ bản về quá trình sản xuất clinker. (Với tên bài viết ngắn gọn như trên phải chăng tác giả muốn nói “ điều đầu tiên, điều số 1, điều quan trọng nhất đối với alite? Đầu tiên là alite…?) Vì nhận thấy rằng trong một số sách và tài liệu chuyên ngành về xi măng của ta có sự không nhất quán trong cách viết và sử dụng từ (ví dụ: khoáng silicat canxi; khoáng tricalci silicate; khoáng dicalci silicát, khoáng calci aluminat…), nên người dịch bài này xin giữ nguyên cách viết của hầu hết các thuật ngữ kỹ thuật trong tài liệu gốc mà không chuyển ngữ. Dưới đây là nội dung bài viết.
 
Sự giải nghĩa cho dạng alite

Có nhiều dạng khác nhau của alite mà người ta có thể thấy ở clinker xi măng, từ dạng mặt thoi (rhombohedral), dạng đơn tà (monoclinic), dạng tam giác (trigonal), chúng phụ thuộc trước hết vào sự có mặt của các hạt tạp chất. Dạng phổ biến nhất khi sản xuất clinker là monoclinic, nó lại được chia thành 2 loại, là biến thể M1 và M3. Trong trường hợp này việc nhận dạng được thực hiện bằng sự nhiễu xạ qua tia X (X- ray diffraction), là kỹ thuật được sử dụng thường xuyên trong nhà máy xi măng, là những cách xác định cơ bản các số lượng của các pha. Nó sử dụng các gói phần mềm có bán trên thị trường, nhưng đòi hỏi thời gian đáng kể và độ thông thạo nhất định để phân biệt các loại alite theo cách nói trên.

Trên thực tiễn, khi việc nhận thức được về cơ bản những cách xác định này là lợi ích lớn trong việc giải nghĩa diện mạo của clinker, thì việc hiểu biết rõ các dạng của các tinh thể khi nhìn dưới kính hiển vi và các điều kiện mà theo đó các dạng tinh thể này được sản xuất ra trong quá khứ có thể là cách hiệu quả hơn để “chẩn đoán” những vấn đề về chất lượng clinker, hoặc sự hoạt động của lò và các thủ tục sản xuất để cải thiện chúng.
 
Hình ảnh trên hình 1 và những hình ảnh tiếp theo trong bài này lấy ở mẫu clinker từ các lò trước khi nạp vào kho hoặc silo clinker, như vậy thời gian sản xuất và các điều kiện sản xuất lúc đó ta có thể ghi nhận được. Thường thì khoảng 5 kg clinker được lấy làm mẫu để đảm bảo có được đại diện đủ độ tin cậy của các kích cỡ và các loại clinker trong mẫu. Trong số tháng trước của international cement review tôi đã mô tả một số đặc tính của clinker ở mức vĩ mô và những điều đó có thể có ích trong việc xác định liệu mẫu được lấy đã thực sự đặc trưng cho toàn bộ clinker chưa. Về lý do này, ta nên lấy mẫu clinker bằng tay và kiểm tra tại điểm lấy mẫu hơn là lấy mẫu tự động, vì việc lấy mẫu tự động được thực hiện sau một khoảng thời gian và mẫu thường sẽ bị đập nghiền ở mức độ nhất định, và như vậy là loại bỏ mất việc đo kích cỡ hạt. Nếu có sự chú ý đặc biệt nào đó đối với clinker, như có những hạt có mầu sắc khác thường hoặc có những hạt có dạng hoặc diện mạo khác thường, thì những hạt này có thể được phân loại và kiểm tra riêng dưới kính hiển vi, nhưng lý tưởng nhất là mẫu để kiểm tra phải là đại diện cho toàn bộ các loại hạt clinker. Vì vậy mẫu được chia thành các phần có thể quản lý được về kích cỡ bằng cách tạo hình côn và chia tư (coning and quartering) hoặc riffling (dùng loại máng có gờ?). Ta lấy khoảng 10-20 g phần mẫu được làm theo cách đó, đập nghiền nó tới kích cỡ 4-5 mm, làm càng nhẹ nhàng càng tốt, nhằm giữ được nhiều hơn những hạt dễ vỡ trong phạm vi kích cỡ, sau đó clinker này được đưa vào trong nhựa, trong điều kiện chân không trước khi được mài nghiền và đánh bóng, để lộ ra kết cấu bên trong của các tinh thể. Công đoạn cuối cùng là xử lý axit bề mặt. Việc này tạo ra một màng mỏng của vật liệu đã phản ứng trên mặt clinker, nó hoạt động giống như một màng mỏng dầu trên mặt nước để tạo ra các màu, nhằm phân biệt các pha khi kiểm tra dưới kính hiển vi trong ánh sáng phản xạ.

Giải nghĩa diện mạo alite

Trong quyển sách “ kiểm tra bằng kính hiển vi và giải nghĩa xi măng portland và clinker “ (hiệp hội xi măng portland, Skokie, IL, USA 1999), tiến sĩ Donald Campbell mô tả các tinh thể alite là: “các tinh thể có hình dạng riêng (idiomorphous), như thủy tinh, đặc, mỏng gầy, giống như mặt bàn , hoặc tương tự (equant), thường có 6 cạnh ở mặt cắt ngang phụ thuộc vào góc cắt và phổ biến là hình 6 cạnh hoàn hảo”. Trong trường hợp clin¬ker được sản xuất với tương đối ít hạt tạp chất, ở nhiệt độ cao trong giai đoạn ngắn và làm lạnh nhanh, thì đó là trường hợp phổ biến và hầu hết các tinh thể alite trên hình 1 có thể được mô tả như vậy
 
Tuy nhiên hình 2 thể hiện một số tinh thể alite với diện mạo hoàn toàn khác, ở đây chúng có màu xanh, do đã được xử lý axit với hỗn hợp của axit nitric và cồn isopropyl-được biết đến như là nital. Trong hầu hết các trường hợp, các tinh thể không có cạnh sắc như trên hình 1, mà là cạnh tròn với các tinh thể có diện méo và rất khác nhau về kích cỡ.

Trong mấy thập kỷ trước, khi hầu hết các lò xi măng là loại lò ướt dài hoặc lò khô dài và tiêu chuẩn phát thải ra môi trường còn ít khắt khe, những tinh thể như vậy là rất hiếm, nhưng nay với các lò tiền phân hủy (precalciner kilns) hiện đại với quá trình tái tuần hoàn chất bốc và bụi phổ biến hơn thì chúng trở nên phổ biến hơn. Độ tròn của các tinh thể thường có liên quan tới nồng độ sulphur tương đối cao trong clinker xi măng. Như đã nói ở phần trên hầu hết tinh thể alite của clinker là ở dạng pha monoclinic, biến thể M1 hoặc M3. Trong số tháng 8 năm 2008 của international cement review, tôi đã thể hiện các tỷ lệ của MgO và SO₃, và thêm vào đó ranh giới của các biến thể monoclinic của alite. Khi số lượng sulphate tăng thì số lượng các tinh thể alite dạng M1 cũng tăng so với M3. Các tinh thể M1 nói chung là dạng tinh thể alite kém euhedral (hoặc ideomorphous) - (tinh thể euhedral là dạng có tạo hình tốt, có bề mặt sắc cạnh, dễ nhận diện, ngược với nó là anhedral). Ta chưa hoàn toàn biết rõ là dạng M1 hay M3 có ưu thế gì hơn so với loại kia về khả năng phản ứng, tuy nhiên sự liên quan tới sulphate của clinker có thể rất có ý nghĩa . Khi xi măng được trộn trong bê tông thì yếu tố quan trọng nhất quyết định cường độ bê tông là lượng nước cần đưa vào để có được tính năng làm việc mong muốn. Khả năng hòa tan của sulphate và khả năng của nó làm chậm sự hydrat hóa của pha C₃A là quyết định tới nhu cầu nước, và sulphate của clinker là dạng dễ dàng có được nhất của sulphate.

Về phương diện đặc tính xi măng thì sự có mặt của lượng sulphate lớn hơn trong clinker là có lợi, nhưng ta không thể xác định được từ lượng sulphate trong xi măng là lượng này đến từ clinker hay từ thạch cao với khả năng hòa tan thấp hơn. Hình dạng của các tinh thể alite có thể cung cấp manh mối.
 
Hình 3 là một ví dụ về các điều kiện thông thường trong lò, chúng có thể được suy luận ra từ hình dạng của các tinh thể alite. Nét đặc biệt của hình ảnh này là vòng tròn những tinh thể lớn của alite bao xung quanh hạt nhân. Hình ảnh như thế này thường thấy khi liệu nạp lò có chứa một phần hạt silica nghiền còn thô, chúng khó kết hợp với alite và những tinh thể thô thường là belite. Trong trường hợp này, trên thực tế chính những tinh thể thô lại là alite. Tuy nhiên, những tinh thể alite mịn nhỏ trong phần còn lại của hình ảnh đó nói lên rằng, nguyên nhân thông thường đối với hiện tượng alite thô, do có vùng dôn nung kéo dài, dường như không phải là trường hợp này. Trong ví dụ này những tinh thể lớn được tạo thành và lớn lên tới kích cỡ như các tinh thể belite nói lên rằng đã có giai đoạn đốt nóng kéo dài trước khi có sự hình thành chất lỏng clinker chủ yếu. Từ các phần của các pha C₄AF và C₃A trong trường hợp này ta thấy dường như hệ số AF là khá cao, dẫn tới sự hình thành pha lỏng chậm, nó có thể liên quan đến bản chất biến thể của tinh thể alite.

Trên đây là những ví dụ về sự biến thể hình dạng, kích cỡ alite và việc giải nghĩa có thể áp dụng đối với chúng. Tất nhiên việc kiểm tra mẫu clinker đòi hỏi phải phân tích tất cả các dạng tinh thể và các mối quan hệ của chúng.

By Arthur Harrisson - international cement review
Người dịch: Kĩ sư Đỗ cao Dương