» Xu hướng điều chỉnh tỷ lệ clinker để cắt giảm phát thải CO₂ đang đặt ra bài toán duy trì cường độ nén cho các sản phẩm xi măng ít phát thải. Các nghiên cứu gần đây cho thấy phụ gia tăng cường dựa trên siloxane có thể giúp cải thiện hiệu suất nghiền, nâng cao cường độ sớm và ổn định chất lượng sản phẩm mà không cần thay đổi thành phần khoáng.
Giảm tỷ lệ clinker, xi măng portland đá vôi (PLC), phụ gia nghiền xi măng, tăng cường độ sớm và tối ưu phát thải CO₂ là những chủ đề trọng tâm của ngành xi măng hiện nay. Khi yêu cầu trung hòa carbon ngày càng rõ ràng, công nghệ nghiền xi măng và giải pháp phụ gia hóa học đang trở thành đòn bẩy quan trọng giúp các nhà máy xi măng duy trì năng suất, kiểm soát chi phí và đáp ứng cấp cường độ tiêu chuẩn.
Việc chuyển đổi từ xi măng porrtland sang xi măng portland đá vôi đã giúp giảm đáng kể lượng khí CO₂ phát thải nhờ giảm tỷ lệ clinker trong thành phần xi măng. Tuy nhiên, khi tỷ lệ clinker giảm, khả năng phát triển cường độ sớm thường bị ảnh hưởng, đặc biệt trong các dòng xi măng pha trộn chứa đá vôi hoặc xỉ.
Để giải quyết bài toán này, một nhóm phụ gia tăng cường dựa trên hóa học siloxane đang được nghiên cứu và ứng dụng trong công nghệ nghiền xi măng hiện đại.
Cơ chế tăng cường cường độ trong quá trình nghiền xi măng
Phụ gia nghiền xi măng là các hóa chất được bổ sung trong quá trình nghiền clinker nhằm cải thiện hiệu suất nghiền và tối ưu tính chất xi măng thành phẩm. Chúng giúp tăng khả năng phân tán hạt, hạn chế hiện tượng kết tụ và kiểm soát phân bố kích thước hạt theo yêu cầu kỹ thuật.
Một nhóm phụ gia đặc biệt dựa trên oligomeric siloxane, thường được gọi là booster aid silicone, đã cho thấy khả năng nâng cao hiệu quả của phụ gia nghiền truyền thống. Siloxane là hợp chất có khung liên kết silicon và oxy dạng Si-O-Si. Cấu trúc này cho phép phân tử vừa tương tác với bề mặt khoáng trong xi măng, vừa làm thay đổi tính chất bề mặt của hạt vật liệu.
Ảnh phía trên bên trái thể hiện giọt nước trong điều kiện không sử dụng phụ gia tăng cường. Ảnh bên phải cho thấy một kẹp giấy có dính dư lượng phụ gia tăng cường ở đầu, đang tiếp xúc với giọt nước. Hình minh họa phía dưới mô tả cơ chế mà phụ gia tăng cường BA giúp nâng cao hiệu quả của phụ gia nghiền GA thông qua việc cải thiện khả năng thấm ướt và phân tán.
Trong quá trình nghiền tại nhà máy xi măng, các hợp chất siloxane mạch ngắn này làm giảm sức căng bề mặt của pha lỏng tồn tại trong hệ nghiền. Khi sức căng bề mặt giảm, dung dịch phụ gia lan tỏa đồng đều hơn trên bề mặt hạt clinker và xi măng mới hình thành, từ đó tăng mức độ tương tác với các khoáng silicat và aluminosilicat. Aluminosilicat là nhóm khoáng chứa nhôm và silic, thành phần chính quyết định cấu trúc cơ học của xi măng sau thủy hóa.
Nhờ cơ chế này, quá trình nghiền không chỉ hiệu quả hơn về mặt cơ học mà còn tạo tiền đề cho sự phát triển cường độ tốt hơn ở giai đoạn sau.
Tăng khả năng phân tán và giảm kết tụ hạt trong máy nghiền
Trong quá trình nghiền, các hạt xi măng siêu mịn có xu hướng kết tụ do lực hút tĩnh điện và lực Van der Waals. Hiện tượng này làm giảm hiệu quả nghiền vì một phần năng lượng bị tiêu hao để phá vỡ các cụm hạt thay vì tạo hạt mới.
Booster aid silicone với cấu trúc siloxane Si-O-Si có khả năng làm giảm sức căng bề mặt của pha lỏng hiện diện trong máy nghiền. Khi sức căng bề mặt giảm, dung dịch phụ gia nghiền lan tỏa đồng đều hơn trên bề mặt clinker và các hạt xi măng mới hình thành. Nhờ khả năng bao phủ tốt hơn, phụ gia tiếp xúc hiệu quả với khoáng silicat và aluminosilicat trong nền xi măng, từ đó tăng hiệu quả phân tán và hạn chế sự kết tụ hạt mịn.
Kết quả là:
- Hạt xi măng phân bố rời rạc hơn
- Giảm bám dính lên bi nghiền và thành thiết bị
- Nâng cao hiệu suất nghiền tổng thể
Cơ chế này không thay đổi thành phần khoáng nhưng cải thiện rõ rệt động học của quá trình nghiền.
Tăng độ mịn và thúc đẩy phát triển cường độ sớm
Khi hiện tượng kết tụ được kiểm soát tốt, hệ thống nghiền có thể tạo ra phân bố kích thước hạt tối ưu hơn. Độ mịn tăng đồng nghĩa với diện tích bề mặt riêng lớn hơn, cho phép nước tiếp xúc nhiều hơn với các pha hoạt tính của xi măng.
Diện tích bề mặt lớn thúc đẩy phản ứng thủy hóa diễn ra nhanh hơn trong những ngày đầu. Điều này đặc biệt quan trọng với các dòng xi măng có tỷ lệ clinker thấp, nơi hàm lượng khoáng hoạt tính bị giảm. Nhờ cải thiện độ mịn mà không cần tăng tiêu hao năng lượng hoặc thay đổi chế độ vận hành, booster aid silicone giúp:
- Tăng tốc độ phát triển cường độ sớm
- Duy trì hoặc nâng cao cường độ 28 ngày
- Giữ nguyên cấp cường độ thiết kế
Điểm quan trọng là các lợi ích này đạt được mà không cần thay đổi thành phần khoáng hay điều chỉnh thông số nghiền, giúp nhà máy triển khai giải pháp tương đối thuận lợi trong thực tế.
Tăng hiệu quả thấm ướt và ổn định xi măng trong lưu kho
Phụ gia gốc silicone không chỉ cải thiện hiệu suất nghiền mà còn tác động đến tính chất bề mặt của xi măng thành phẩm. Với vai trò chất giảm sức căng bề mặt, booster aid silicone giúp phụ gia nghiền phân bố đồng đều và tiếp xúc hiệu quả với hạt xi măng trong quá trình sản xuất.
Sau khi nghiền, các hợp chất siloxane tiếp tục phát huy tác dụng tạo lớp màng kỵ nước rất mỏng trên bề mặt hạt xi măng. Lớp màng này hạn chế hơi ẩm xâm nhập trong quá trình lưu kho tại silo của nhà máy xi măng hoặc trong quá trình vận chuyển.
Một ví dụ điển hình là sản phẩm SILRES BS Cement Stabilizer, dạng nhũ tương siloxane lỏng được bổ sung sau nghiền. Khi xử lý bằng nhũ tương này, xi măng duy trì được hoạt tính ngay cả khi bảo quản trong điều kiện độ ẩm cao.Thử nghiệm cho thấy xi măng không xử lý có thể mất tới 90% hoạt tính khi lưu kho ẩm, trong khi xi măng đã xử lý bằng siloxane vẫn giữ được tính chất cơ lý ban đầu.
Đối với nhà máy xi măng ở khu vực ven biển hoặc khí hậu nhiệt đới ẩm, lợi ích này có ý nghĩa vận hành rõ rệt.
Hiệu ứng hiệp đồng và kết quả thử nghiệm kỹ thuật
Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã chứng minh hiệu ứng hiệp đồng khi kết hợp booster aid silicone với phụ gia nghiền truyền thống hoặc với nước trong quá trình nghiền xi măng.
Khi phối hợp hai loại phụ gia, cường độ nén có thể tăng tới 50% ở các mốc 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày. Nhờ đó, xi măng đạt cấp cường độ yêu cầu mà không cần thay đổi thành phần khoáng hoặc điều chỉnh chế độ vận hành máy nghiền.
Trong thí nghiệm với phụ gia amino alcohol, cường độ nén sau 1 ngày tăng khoảng 47%, từ 14,2 MPa lên 21 MPa. Triethanolamine được sử dụng ở mức 300 ppm. Khi nghiền đồng thời clinker với triethanolamine 300 ppm và booster aid silicone 15 ppm, cả cường độ sớm và cường độ dài ngày đều cải thiện rõ rệt. Kết quả này có ý nghĩa đặc biệt với xi măng pha trộn nhằm giảm tỷ lệ clinker và giảm phát thải CO₂.
So sánh kết quả cường độ nén của mẫu vữa được chế tạo từ 3 loại xi măng khác nhau: xi măng đối chứng không sử dụng phụ gia, xi măng nghiền với triethanolamine TEA ở liều lượng 300 ppm và xi măng nghiền với TEA 300 ppm kết hợp phụ gia silicone ở liều lượng 15 ppm.
So sánh kết quả cường độ nén của mẫu vữa được chế tạo từ 3 loại xi măng khác nhau: xi măng đối chứng không sử dụng phụ gia, xi măng nghiền với TEA Acetate ở liều lượng 300 ppm và xi măng nghiền với TEA Acetate 300 ppm kết hợp phụ gia silicone ở liều lượng 15 ppm.
Các thử nghiệm quy mô công nghiệp cũng ghi nhận cường độ nén cao hơn ở cả điều kiện nhiệt độ môi trường và nhiệt độ cao khi sử dụng booster aid silicone so với mẫu đối chứng. Độ công tác của vữa không thay đổi đáng kể, trong khi thời gian đông kết đầu và cuối kéo dài nhẹ, tạo thuận lợi cho vận chuyển và thi công bê tông.
Lợi ích vận hành và tác động bền vững
Việc ứng dụng phụ gia silicone trong sản xuất xi măng mang lại lợi ích vận hành rõ rệt. Năng suất nghiền có thể tăng từ 10% - 20% nhờ cải thiện phân tán và giảm kết tụ hạt.
Chi phí năng lượng và chi phí vận hành được tối ưu do quá trình nghiền hiệu quả hơn. Phụ gia kỵ nước còn giúp giảm lực cần thiết để phá vỡ các khối xi măng vón trong silo, từ đó giảm chi phí vệ sinh và hạn chế tổn thất vật liệu. Điều này đặc biệt quan trọng tại các khu vực có độ ẩm cao hoặc gần biển.
Về môi trường, việc mở rộng sử dụng xi măng portland đá vôi đã giúp ngành xi măng Hoa Kỳ giảm hơn 4 triệu tấn CO₂/năm. Khi cường độ của xi măng ít phát thải được cải thiện, nhà máy xi măng có thể tiếp tục giảm tỷ lệ clinker mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Các lợi ích kỹ thuật bổ sung trong sản xuất bê tông
Ngoài khả năng tăng cường độ và chống ẩm, phụ gia silicone còn góp phần hạn chế nứt, cải thiện khả năng chống chu kỳ đóng băng, tan băng và giảm nguy cơ phản ứng kiềm cốt liệu. Những vấn đề này có thể gia tăng khi sử dụng tỷ lệ xỉ cao trong xi măng pha trộn.
Ảnh hưởng đến thời gian đông kết và độ công tác được đánh giá tích cực, đồng thời cải thiện độ bền lâu dài của bê tông trong điều kiện khai thác thực tế.
Kết luận
Phụ gia tăng cường dựa trên siloxane đang trở thành công cụ kỹ thuật quan trọng trong công nghệ nghiền xi măng ít phát thải. Nhờ cải thiện phân tán, nâng cao độ mịn, tăng cường độ và ổn định hoạt tính trong lưu kho, giải pháp này giúp nhà máy xi măng duy trì hiệu suất và chất lượng trong quá trình giảm tỷ lệ clinker.
Trong lộ trình hướng tới trung hòa carbon của ngành xi măng, các giải pháp phụ gia tối ưu hóa công nghệ nghiền sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng đối với chiến lược phát triển bền vững, vừa đảm bảo hiệu quả kinh tế, vừa đáp ứng yêu cầu giảm phát thải CO₂.
Theo World cement
