Trong bài viết này, Riccardo Stoppa, Giám đốc Tiếp thị Toàn cầu thuộc bộ phận Phụ gia xi măng và Tiến sỹ Richard "Ted" Sibbick, nhà khoa học chính, Công ty GCP Applied Technologies, sẽ trình bày phương pháp giảm bớt các ảnh hưởng của nhiên liệu thay thế tới chất lượng xi măng.
>> Giải pháp phụ gia khi sử dụng nhiên liệu thay thế (P1)
Trường hợp nghiên cứu
Một nhà máy xi măng ở châu Âu đang hướng tới sự chuyển đổi từ hỗn hợp nhiên liệu hiện tại bao gồm bột than cốc (50%) và dầu nhiên liệu nguồn gốc hóa thạch (50%) sang hỗn hợp gồm than cốc (85%) và nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải (RDF, 15%). Khi thực hiện chuyển đổi như vậy, nhà máy đã bị thất thoát cường độ ở mọi độ tuổi (đo được ở 1 - 2 - 28 ngày tuổi) khoảng 2 - 3 Mpa trong xi măng CEM I 52.5R hiệu suất cao của họ.
Các nghiên cứu được thực hiện tại phòng Thí nghiệm phân tích GCP đã cho biết rằng clinker từ hỗn hợp nhiên liệu mới có biểu hiện sự tồn tại của các điều kiện khử giảm mạnh trong lò mà đã không thấy trong clinker từ hỗn hợp nhiên liệu gốc.
![]()
Hình 2a. Trái - Ảnh chụp hiển vi từ hỗn hợp nhiên liệu gốc cho thấy một khu vực nung clinker từ cứng đến nhẹ vừa phải đồng nhất một cách hợp lý với kích thước alite trung bình ước tính (EAAS) là 30 µm (các tinh thể hình lăng trụ khắc vân màu xanh da trời) và một lượng vừa phải các chùm belite nhỏ màu nâu (100 - 500 µm). Hình 2b. Phải - Ảnh chụp hiển vi clinker từ hỗn hợp 85% than cốc và 15% RDF cho thấy clinker nung có độ cứng vừa phải với hàm lượng alite cao (tinh thể lăng trụ khắc vân màu xanh da trời) với EAAS là 30 µm, cho thấy một vài sự phát triển giữa các tinh thể và sự hàm lượng tương đối hợp lý của các chùm belite lớn có hình dạng ngẫu nhiên lớn (các tinh thể tròn, màu nâu) và vôi tự do (các tinh thể tròn, màu da trâu). ![]()
Hình 3a. Trái - Ảnh chụp hiển vi clinker từ hỗn hợp nhiên liệu gốc cho thấy một lượng thấp vật liệu nóng chảy kết tinh vừa phải đến tốt bao gồm chủ yếu là ferit (màu trắng) với một lượng ít hơn aluminat (màu xám) có mặt, cho thấy tốc độ làm nguội vừa phải đến chậm. Các tinh thể pha alite (màu xanh da trời) và belite (màu nâu) xuất hiện rất ổn định. Hình 3b. Phải - Ảnh chụp vi mô clinker từ hỗn hợp 85% than cốc và 15% RDF cho thấy khu vực thông lượng được làm nguội vừa phải đến chậm bị chi phối bởi các tinh thể ferit (khắc vân màu trắng) được hình thành tốt cùng với những lượng nhỏ hơn các tinh thể aluminate hình kim dài nhỏ (khắc vân màu xám).
Sự có mặt của các điều kiện khử giảm trong lò như vậy có thể sẽ giải thích được sự khác biệt về cường độ quan sát được. Các ảnh chụp hiển vi clinker đã chỉ ra ở các Hình 2 và 3 cho thấy những thay đổi về thành phần và vi cấu trúc của clinker gốc và clinker được sản xuất ra sau khi bổ sung thêm các nhiên liệu thay thế.
Cả hai loại clinker đều cho thấy các đặc tính làm nguội chậm vừa phải.
Clinker gốc, như đã chỉ ra ở các Hình 2a và 3a, cho thấy là clinker được nung đồng nhất hơn và có độ cứng vừa phải.
Clinker mới được sản xuất ra bằng các nhiên liệu thay thế, như đã chỉ ra ở các Hình 2b và 3b, có vẻ như là loại clinker kém đồng nhất hơn.
Các đặc điểm vi cấu trúc và hình thái học thường liên quan đến các điều kiện khử giảm trong lò, thường được biết đến là có liên quan tới việc sử dụng các nhiên liệu thay thế. Trong trường hợp này, cho dù bằng chứng từ các thí nghiệm khử hóa chất dương cho thấy các điều kiện khử giảm trong lò thực sự đã có mặt trong clinker sản xuất ra với RDF, vẫn không thấy xuất hiện nhiều đặc điểm vi cấu trúc bắt nguồn từ sự khử giảm ‘cổ điển’. Những lượng cao hơn alite hoạt tính thấp, có thể là do Fe tăng lên chiếm chỗ trong mạng tinh thể, và hàm lượng từ thông giảm có thể gây ra những khó khăn về khả năng kết hợp pha khoáng xi măng, như đã chỉ ra qua số lượng belite tăng lên được xác định rõ và các cục vôi tự do, vẫn được quan sát, khẳng định rằng các điều kiện khử giảm trong lò thực sự đã xuất hiện và có khả năng là nguyên nhân chính đối với sự phát triển cường độ thấp hơn.
Các khác biệt quan sát thấy về tỷ lệ xi măng dựa vào quá trình XRF và soi kính hiển vi/QXRD giữa clinker gốc và clinker nhiên liệu RDF được xem xét chủ yếu là kết quả của các điều kiện khử giảm trong lò. Hàm lượng magie tăng lên cũng có thể mang lại khả năng gia tăng độ giãn nở trong vữa và bê tông tạo ra.
Nhìn chung, các thay đổi quan sát được về thành phần hóa học và hình thái học clinker là rất phù hợp với sự thất thoát cường độ đo được. Các dữ liệu XRF, soi kính hiển vi và QXRD lựa chọn được trình bày trong Bảng 4.
GCP sau đó đã được yêu cầu hỗ trợ giải quyết vấn đề thất thoát cường độ, mà đặc biệt đang gây ra thách thức vì nhà máy đang sử dụng phụ gia xi măng hiệu suất cao, mang lại mức tăng 4 - 5 MPa ở mọi độ tuổi từ 1 đến 28 ngày. Căn cứ vào việc thực hiện một loạt các thử nghiệm phòng thí nghiệm, GCP cuối cùng đã phát triển được giải pháp CO2ST Reducer tùy biến, cho phép tăng thêm cường độ ở mọi độ tuổi, như đã chỉ ra ở Bảng 5. Đáng chú ý là, cường độ ở 1 và 2 ngày tuổi đã tăng lên khoảng 2 MPa so với phụ gia trước đó, đáp ứng các yêu cầu của nhà máy là 6-7 MPa trên xi măng ‘sạch’ (không phụ gia). Cường độ ở 28 ngày tuổi đã tăng lên 5 MPa so với phụ gia chuẩn, và tăng lên hơn 10 MPa so với xi măng ‘sạch’. Kể từ đó, nhà máy đã sử dụng an toàn hỗn hợp nhiên liệu mới.
Kết luận
Hầu hết các nhà máy xi măng đều đang cố gắng để giảm bớt việc sử dụng các nhiên liệu hóa thạch, để đạt được mức phát thải carbon thấp hơn, và để giảm bớt các chi phí sản xuất. Việc đưa vào sử dụng nhiên liệu thay thế thường đặt ra một vài thách thức cho nhà máy xi măng, bao gồm cả những ảnh hưởng xấu tiềm ẩn tới chất lượng cuối cùng của xi măng và các sản phẩm bê tông sản xuất ra. Rất nhiều nhược điểm trong số những nhược điểm này có thể cân đối được nhờ sử dụng phụ gia xi măng phù hợp, giúp duy trì được chất lượng xi măng không đổi, đồng thời đạt được những khoản tiết kiệm đáng kể, cải thiện môi trường và khử giảm phát thải carbon.
Tài liệu tham khảo
1. ‘Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Production of Cement, Lime and Magnesium Oxide’ – https://eippcb.jrc.ec.europa.eu/sites/default/files/2019-11/CLM_Published_def_0.pdf
2. ‘GNR PROJECT Reporting CO2’ – https://gccassociation.org/gnr/
3. ‘Alternative Fuels’ – https://lowcarboneconomy.cembureau.eu/5-parallel-routes/resource-efficiency/alternative-fuels/
4. H.F.W. Taylor, Cement Chemistry, 2nd ed.
5. M. SUMNER, & P. SANDBERG, ‘Grinding aids and process additions’, 2012. Innovations in Portland Cement Manufacturing, 2nd edition, Portland Cement Association, Chapter 5.1, pp. 731 – 751.
6. J. THOMAS, M. STANZEL, R. STOPPA, & J. CHEUNG, ‘Using Strength Enhancing Cement Additives to Reduce the Clinker Content and CO2 Footprint of Cement.’ To be published.
Trường hợp nghiên cứu
Một nhà máy xi măng ở châu Âu đang hướng tới sự chuyển đổi từ hỗn hợp nhiên liệu hiện tại bao gồm bột than cốc (50%) và dầu nhiên liệu nguồn gốc hóa thạch (50%) sang hỗn hợp gồm than cốc (85%) và nhiên liệu có nguồn gốc từ rác thải (RDF, 15%). Khi thực hiện chuyển đổi như vậy, nhà máy đã bị thất thoát cường độ ở mọi độ tuổi (đo được ở 1 - 2 - 28 ngày tuổi) khoảng 2 - 3 Mpa trong xi măng CEM I 52.5R hiệu suất cao của họ.
Các nghiên cứu được thực hiện tại phòng Thí nghiệm phân tích GCP đã cho biết rằng clinker từ hỗn hợp nhiên liệu mới có biểu hiện sự tồn tại của các điều kiện khử giảm mạnh trong lò mà đã không thấy trong clinker từ hỗn hợp nhiên liệu gốc.
Hình 2a. Trái - Ảnh chụp hiển vi từ hỗn hợp nhiên liệu gốc cho thấy một khu vực nung clinker từ cứng đến nhẹ vừa phải đồng nhất một cách hợp lý với kích thước alite trung bình ước tính (EAAS) là 30 µm (các tinh thể hình lăng trụ khắc vân màu xanh da trời) và một lượng vừa phải các chùm belite nhỏ màu nâu (100 - 500 µm). Hình 2b. Phải - Ảnh chụp hiển vi clinker từ hỗn hợp 85% than cốc và 15% RDF cho thấy clinker nung có độ cứng vừa phải với hàm lượng alite cao (tinh thể lăng trụ khắc vân màu xanh da trời) với EAAS là 30 µm, cho thấy một vài sự phát triển giữa các tinh thể và sự hàm lượng tương đối hợp lý của các chùm belite lớn có hình dạng ngẫu nhiên lớn (các tinh thể tròn, màu nâu) và vôi tự do (các tinh thể tròn, màu da trâu).
Hình 3a. Trái - Ảnh chụp hiển vi clinker từ hỗn hợp nhiên liệu gốc cho thấy một lượng thấp vật liệu nóng chảy kết tinh vừa phải đến tốt bao gồm chủ yếu là ferit (màu trắng) với một lượng ít hơn aluminat (màu xám) có mặt, cho thấy tốc độ làm nguội vừa phải đến chậm. Các tinh thể pha alite (màu xanh da trời) và belite (màu nâu) xuất hiện rất ổn định. Hình 3b. Phải - Ảnh chụp vi mô clinker từ hỗn hợp 85% than cốc và 15% RDF cho thấy khu vực thông lượng được làm nguội vừa phải đến chậm bị chi phối bởi các tinh thể ferit (khắc vân màu trắng) được hình thành tốt cùng với những lượng nhỏ hơn các tinh thể aluminate hình kim dài nhỏ (khắc vân màu xám).
Cả hai loại clinker đều cho thấy các đặc tính làm nguội chậm vừa phải.
Clinker gốc, như đã chỉ ra ở các Hình 2a và 3a, cho thấy là clinker được nung đồng nhất hơn và có độ cứng vừa phải.
Clinker mới được sản xuất ra bằng các nhiên liệu thay thế, như đã chỉ ra ở các Hình 2b và 3b, có vẻ như là loại clinker kém đồng nhất hơn.
Các đặc điểm vi cấu trúc và hình thái học thường liên quan đến các điều kiện khử giảm trong lò, thường được biết đến là có liên quan tới việc sử dụng các nhiên liệu thay thế. Trong trường hợp này, cho dù bằng chứng từ các thí nghiệm khử hóa chất dương cho thấy các điều kiện khử giảm trong lò thực sự đã có mặt trong clinker sản xuất ra với RDF, vẫn không thấy xuất hiện nhiều đặc điểm vi cấu trúc bắt nguồn từ sự khử giảm ‘cổ điển’. Những lượng cao hơn alite hoạt tính thấp, có thể là do Fe tăng lên chiếm chỗ trong mạng tinh thể, và hàm lượng từ thông giảm có thể gây ra những khó khăn về khả năng kết hợp pha khoáng xi măng, như đã chỉ ra qua số lượng belite tăng lên được xác định rõ và các cục vôi tự do, vẫn được quan sát, khẳng định rằng các điều kiện khử giảm trong lò thực sự đã xuất hiện và có khả năng là nguyên nhân chính đối với sự phát triển cường độ thấp hơn.
Các khác biệt quan sát thấy về tỷ lệ xi măng dựa vào quá trình XRF và soi kính hiển vi/QXRD giữa clinker gốc và clinker nhiên liệu RDF được xem xét chủ yếu là kết quả của các điều kiện khử giảm trong lò. Hàm lượng magie tăng lên cũng có thể mang lại khả năng gia tăng độ giãn nở trong vữa và bê tông tạo ra.
Nhìn chung, các thay đổi quan sát được về thành phần hóa học và hình thái học clinker là rất phù hợp với sự thất thoát cường độ đo được. Các dữ liệu XRF, soi kính hiển vi và QXRD lựa chọn được trình bày trong Bảng 4.
Bảng 4. Dữ liệu XRF, soi kính hiển vi và QXRD
![]()
GCP sau đó đã được yêu cầu hỗ trợ giải quyết vấn đề thất thoát cường độ, mà đặc biệt đang gây ra thách thức vì nhà máy đang sử dụng phụ gia xi măng hiệu suất cao, mang lại mức tăng 4 - 5 MPa ở mọi độ tuổi từ 1 đến 28 ngày. Căn cứ vào việc thực hiện một loạt các thử nghiệm phòng thí nghiệm, GCP cuối cùng đã phát triển được giải pháp CO2ST Reducer tùy biến, cho phép tăng thêm cường độ ở mọi độ tuổi, như đã chỉ ra ở Bảng 5. Đáng chú ý là, cường độ ở 1 và 2 ngày tuổi đã tăng lên khoảng 2 MPa so với phụ gia trước đó, đáp ứng các yêu cầu của nhà máy là 6-7 MPa trên xi măng ‘sạch’ (không phụ gia). Cường độ ở 28 ngày tuổi đã tăng lên 5 MPa so với phụ gia chuẩn, và tăng lên hơn 10 MPa so với xi măng ‘sạch’. Kể từ đó, nhà máy đã sử dụng an toàn hỗn hợp nhiên liệu mới.
Bảng 5. Giải pháp Phụ gia giúp tăng thêm cường độ ở mọi độ tuổi
| Phụ gia | Liều lượng ppm | MPa 1 ngày tuổi | MPa 2 ngày tuổi | MPa 28 ngày tuổi |
| Không | - | 23,8 | 36,5 | 60,8 |
| Chỉ số chất lượng hiện tại | 3.300 | 28,3 | 41,0 | 64,2 |
| CO2ST® Reducer | 1.500 | 30,3 | 43,6 | 71,6 |
Kết luận
Hầu hết các nhà máy xi măng đều đang cố gắng để giảm bớt việc sử dụng các nhiên liệu hóa thạch, để đạt được mức phát thải carbon thấp hơn, và để giảm bớt các chi phí sản xuất. Việc đưa vào sử dụng nhiên liệu thay thế thường đặt ra một vài thách thức cho nhà máy xi măng, bao gồm cả những ảnh hưởng xấu tiềm ẩn tới chất lượng cuối cùng của xi măng và các sản phẩm bê tông sản xuất ra. Rất nhiều nhược điểm trong số những nhược điểm này có thể cân đối được nhờ sử dụng phụ gia xi măng phù hợp, giúp duy trì được chất lượng xi măng không đổi, đồng thời đạt được những khoản tiết kiệm đáng kể, cải thiện môi trường và khử giảm phát thải carbon.
Tài liệu tham khảo
1. ‘Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Production of Cement, Lime and Magnesium Oxide’ – https://eippcb.jrc.ec.europa.eu/sites/default/files/2019-11/CLM_Published_def_0.pdf
2. ‘GNR PROJECT Reporting CO2’ – https://gccassociation.org/gnr/
3. ‘Alternative Fuels’ – https://lowcarboneconomy.cembureau.eu/5-parallel-routes/resource-efficiency/alternative-fuels/
4. H.F.W. Taylor, Cement Chemistry, 2nd ed.
5. M. SUMNER, & P. SANDBERG, ‘Grinding aids and process additions’, 2012. Innovations in Portland Cement Manufacturing, 2nd edition, Portland Cement Association, Chapter 5.1, pp. 731 – 751.
6. J. THOMAS, M. STANZEL, R. STOPPA, & J. CHEUNG, ‘Using Strength Enhancing Cement Additives to Reduce the Clinker Content and CO2 Footprint of Cement.’ To be published.
Riccardo Stoppa và Richard Sibbick, GCPApplied Technologies
Nguyễn Thị Kim Lan dịch từ Tạp chí World Cement số tháng 5/2022
ximang.vn
Nguyễn Thị Kim Lan dịch từ Tạp chí World Cement số tháng 5/2022
ximang.vn
