Thông tin chuyên ngành Xi măng Việt Nam

>> Hiểu biết toàn diện về phụ gia trợ nghiền (P4)
>> Hiểu biết toàn diện về phụ gia trợ nghiền (P3)
>> Hiểu biết toàn diện về phụ gia trợ nghiền (P2)
>> Hiểu biết toàn diện về phụ gia trợ nghiền (P1)

3. Lập mô hình phân tử (mô phỏng bằng máy tính)
Tính chất vĩ mô, như nhiệt độ hay độ mịn của hạt, thường là kết quả của các quá trình cơ học, vật lý và hóa học khác nhau và tương đối dễ đo lường. Mặt khác, đây thường chỉ là mô hình phân tử mà có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc vào các giá trị riêng biệt hoặc các xu hướng cụ thể như năng lượng hấp phụ, năng lượng kết tụ và cơ chế tương tác phân tử trên bề mặt. Một phương pháp quen thuộc là mô phỏng Monte Carlo dựa trên nguyên tắc ngẫu nhiên. Tuy nhiên, "mô phỏng động học phân tử ", mà phù hợp nhiều hơn cho mục đích này, đã được áp dụng như là một phần của một luận án tiến sĩ được tài trợ bởi công nghệ Sika AG tại Đại học Akron (Mỹ) và sự hợp tác với Viện Liên bang Thụy Sĩ của công nghệ Zürich. Trong các động lực học phân tử tập hợp NVT, các số hạt (N), thể tích (V) và nhiệt độ (T) vẫn không đổi trong suốt quá trình mô phỏng. Phần quan trọng nhất của bất kỳ công việc lập mô hình nguyên tử là sử dụng các thông số trường lực phù hợp mà cần phải nhất quán với tính chất lý-hóa cho mỗi hợp chất so sánh với các phép đo thực nghiệm. Chúng tôi đưa ra kết quả mô phỏng của các mô hình được xem xét cẩn thận của các khoáng xi măng. Hình 13 cho thấy sự hấp phụ của diisopropanolamin (DIPA) dưới dạng biểu đồ. Các sắp xếp không gian chính xác của các triisopropanolamin tương tự (TIPA) trên hydroxy tricanxi silicat (C₃S, alite) được thể hiện trong Hình 14. Các nguyên tử hydro (H) từ các nhóm rượu của mẫu TIPA tạo nên liên kết hydro với các nguyên tử oxy (O) của các ion silicat và hydroxyl. Chiều dài liên kết trung bình tính toán được được thể hiện trong Hình 14. Các nguyên tử oxy (O) của  các nhóm rượu TIPA phối hợp với ion canxi (Ca) của C₃S. Các tương tác và sắp xếp tương tự cũng xảy ra với các pha clanhke khác (C₂S, C₃A) và các phụ gia trợ nghiền.

3.1. Năng lượng hấp phụ của phụ gia trợ nghiền trên bề mặt C₃S

Các nguồn năng lượng hấp phụ của các hợp chất hữu cơ khác nhau trên bề mặt  clanhke đã được xác định để làm rõ liệu hiệu quả nghiền có phụ thuộc vào cường độ hấp phụ hay không. Thay vì con đường đi qua năng lượng bề mặt và mặt phân giới (phương trình 1) của C₃S và phụ gia trợ nghiền, đã có mô phỏng trực tiếp về số lượng năng lượng được giải phóng trong quá trình hấp phụ các phân tử khí trên C₃S.
Các kết quả thay đổi chút ít phụ thuộc vào các điều kiện (Hình 15, dữ liệu tính bằng kcal/g chất hấp phụ). Ở nhiệt độ 110°C (383 K; nhiệt độ nghiền điển hình) và với bề mặt hydroxyl hóa, TEA liên kết yếu nhất và glycerin liên kết mạnh nhất.
  Các mẻ nghiền thí nghiệm với clanhke thu được kết quả giá trị khác nhau về độ mịn Blaine và lượng sót sàng (32 µm). Glycerin có tác dụng kém nhất và methyl diisopropanolamin (MDIPA) là tốt nhất. Không có sự tương quan giữa năng lượng hấp phụ và hiệu suất nghiền. Hiệu suất nghiền còn phụ thuộc vào các tính chất khác.

3.2. Năng lượng kết tụ của C₃S và C₃A
   
Năng lượng kết tụ có thể được hiểu như sau: việc giải phóng năng lượng lưu giữ khi hai bề mặt song song chia tách hồi phục đến với nhau hoặc có năng lượng cần thiết tương đương nhau để chia tách chúng. Các bề mặt tricanxi silicat khô và hydroxyl hóa (viết tắt là "C₃S" và "HC") mà không có và có chất phụ gia trợ nghiền khác nhau đã được mô phỏng tương tự với các Hình 9 - 13. Hình 16 và 17 cho thấy một lớp đơn phân tử của glycerin trong các trạng thái giới hạn và chia tách giữa các bề mặt C₃S. Sự khác biệt giữa hai mức năng  lượng đã tính toán là năng lượng kết tụ. Sự phân bố của các phân tử glycerin trong trạng thái chia tách ra không đóng vai trò quan trọng. Một ví dụ về phân phối đều được thể hiện trong Hình 18.
Năng lượng kết tụ (Hình 19, Dữ liệu đơn vị mJ/m² bề mặt) tương quan ở 90°C tỉ lệ nghịch với hiệu suất nghiền clanhke trong các thử nghiệm phòng thí nghiệm.
  Không phải tất cả các pha clanhke đều có tính chất như nhau. Trong trường hợp tricanxi aluminat (C₃A), các nguồn năng lượng kết tụ và thứ hạng của chúng không hoàn toàn khác nhau như được thể hiện trong Hình 20 (dữ liệu đơn vị mJ/m²  bề mặt).
Bề mặt C₃A được bao phủ với TIPA có năng lượng kết tụ cao hơn bề mặt C₃S bao phủ bằng TIPA, trong khi tính chất đối ngược lại nhận được với tất cả các phân tử hữu cơ khác. Và, thậm chí quan trọng hơn nhiều, các nguồn năng lượng kết tụ C₃A khô và hydroxyl hóa là gần như gấp đôi các nguồn năng lượng kết tụ có những giá trị tương ứng của khoáng C₃S. Do đó, các tác dụng có lợi các chất phụ gia trợ nghiền được ghi nhận là nhiều hơn đáng kể với khoáng C₃A so với C₃S. Điều này có nghĩa rằng chất trợ nghiền có thể cân bằng đến một số mức độ khả năng nghiền khác nhau của các pha clanhke và như vậy, cũng tới cả khả năng nghiền các clanhke với các thành phần khác nhau.

Các mô phỏng máy tính cho thấy tính hiệu quả các chất phụ gia trợ nghiền phụ thuộc vào thành phần khoáng, tức là tỉ lệ phần trăm của các pha khác nhau. Đây là một trong những lý do tại sao, tùy thuộc vào xi măng, phụ gia trợ nghiền không phải luôn có tác dụng tương tự. Phụ gia trợ nghiền làm giảm năng lượng kết tụ trong tất cả trường hợp. Điều này dẫn đến vấn đề trọng tâm cần giải quyết trong bài viết này. Các mô phỏng tạo nên tính đúng đắn của giả thuyết được đề cập đến từ các thập kỷ trước đó hiệu suất nghiền trong dải độ mịn thích hợp cho xi măng phụ thuộc trực tiếp vào hình thành kết tụ, tức là cường độ lực hút giữa các hạt hoặc các năng lượng kết tụ.

3.3. Độ dày lớp phân tử

Ảnh hưởng của phụ gia trợ nghiền (ví dụ, SikaGrind^®) phụ thuộc vào mức liều lượng sử dụng. Giới hạn hiệu quả trên được thiết lập với mô hình phân tử. Giới hạn này đạt được khi một đơn lớp phân tử các hữu cơ nằm giữa các bề mặt clanhke. Nhiều lớp hấp phụ không tạo ra sự cải thiện đáng kể nhưng cũng không làm xấu đi. Đối với glycerin, ví dụ, khoảng cách giữa các mặt phẳng C₃S phân cực cao được tạo ra bởi các đơn lớp là 4 Å (Hình 16). Năng lượng kết tụ giảm xuống một nửa giá trị khi so sánh với các bề mặt C₃S hydroxyl hóa.
 
Với những phụ gia trợ nghiền hiệu quả hơn, chẳng hạn như MDIPA, nó có thể giảm hơn nữa xuống đến một phần năm giá trị (Bảng 3, Hình 19). Đối với diện tích bề mặt hiệu quả 0,6 m²/g (6000 cm²/g BET ~ 3000 cm²/g độ mịn Blaine) một đơn lớp giữa các hạt tương ứng với mức liều lượng khoảng 0,015% khối lượng của glycerin. Diện tích bề mặt hạt tự do   được bao phủ có 50% (Bảng 5). Tăng gấp đôi số lượng (0,03%) là cần thiết để hoàn tất phạm vi bảo phủ diện tích bề mặt tự do, dẫn để một lớp kép cho các hạt tiếp xúc. Liều lượng cần thiết của hợp chất hữu cơ là tỉ lệ thuận với độ mịn xi măng (Bảng 5). Các kết quả lý thuyết được so sánh với các kết quả thử nghiệm và được thảo luận trong phần sau.

Xem tiếp>>>
Hiểu biết toàn diện về phụ gia trợ nghiền (P6)
Hiểu biết toàn diện về phụ gia trợ nghiền (P7)