So sánh nghiền riêng với nghiền lẫn (Phần 3)
Khác biệt chủ yếu giữa nghiền riêng và nghiền lẫn xi măng có nhiều thành phần là ở chỗ trong khi nghiền lẫn, các thành phần khác nhau tương tác với nhau. Tương tác giữa các thành phần hầu hết do khả năng nghiền tương đối khác nhau.
>> So sánh nghiền riêng với nghiền lẫn (Phần 1)
>> So sánh nghiền riêng với nghiền lẫn (Phần 2)
>> So sánh nghiền riêng với nghiền lẫn (Phần 4)
>> So sánh nghiền riêng với nghiền lẫn (Phần 5)
>> So sánh nghiền riêng với nghiền lẫn (Phần 6)
>> So sánh nghiền riêng với nghiền lẫn (Phần 7)
3. Tài liệu
Khi thảo luận ảnh hưởng khác nhau giữa việc nghiền lẫn và nghiền riêng xi măng hỗn hợp, cần quan tâm tới các tính chất hóa học và vật lý của các vật liệu nghiền, thời gian nghiền, độ mịn mong muốn hay tiêu hao năng lượng và thiết bị nghiền.
3.1. Các tính chất hóa học và vật lý của các vật liệu bị nghiền
Các tương tác giữa các thành phần khác nhau của xi măng hỗn hợp trong khi nghiền lẫn phụ thuộc nhiều vào khả năng nghiền tương đối của chúng. Khả năng nghiền lần lượt phụ thuộc vào nguồn gốc của các thành phần và các tính chất vật lý và hóa học của chúng. Hình 4 trình bày một ví dụ về sự khác biệt khả năng nghiền giữa một số hỗn hợp khoáng thường được sử dụng. Cần chú ý rằng mặc dù trass (một loại puzzolan tự nhiên) là dễ nghiền hơn xỉ, trass cần được nghiền mịn hơn xỉ nhiều để (phát huy) hiệu quả pozzolan. Một số đặc tính riêng của clinker, thạch cao, đá vôi, tro bay, xỉ và pozzolan tự nhiên liên quan tới việc nghiền riêng và nghiền lẫn sẽ được trình bày ở dưới đây.
Hình 4: Khả năng nghiền (Zeisel) của S = xỉ; KL = clinker; tr = trass và K = đá vôi (1).
Sẽ rất thú vị khi xác định PBCH của các thành phần khác nhau, sau khi chúng đã được nghiền với nhau. Trong các nghiên cứu được mô tả ở những phần sau, các phương pháp khác nhau đã được sử dụng. Nói chung, vật liệu nghiền ban đầu được phân chia thành những phần cỡ hạt khác nhau bằng thiết bị Andreasen hay Alpine. Thiết bị đầu tiên dựa trên phương pháp tụ lắng và thiết bị thứ hai là loại phân tách bằng khí. Sau đó hàm lượng của các thành phần khác nhau trong mỗi phần được xác định bằng cách sử dụng ly tâm chất lỏng lớn, phân tích hóa học, phân tích nhiệt, phân tích X-ray hay kính hiển vi điện tử.
3.1.1. Clinker
Thành phần hóa học và các điều kiện chế tạo có ảnh hưởng tới khả năng nghiền. Ví dụ, M. To¬kyay đã thực hiện một nghiên cứu trên 15 loại clinker thương phẩm cho thấy một khoảng rộng các thành phần hóa học. Ông thấy rằng Al2O3 và hàm lượng CaO tự do, các modulus silica (SM), pha lỏng (Lp), và tỷ lệ các silicate với chất chảy [(C3S + C2S)/(C3A + C4AF)] đã có ảnh hưởng tới khả năng nghiền. Ví dụ khác là ảnh hưởng có ích của việc làm nguội nhanh tới khả năng nghiền.
Yếu tố gây ảnh hưởng tới khả năng nghiền của clinker có thể là do bổ sung thêm các oxide kim loại chuyển tiếp hay calcium sulfate vào bột liệu. Các oxide này ảnh hưởng tới hàm lượng chất chảy trong lò và độ xốp của clinker.
S. Tsivilis và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của PBCH xi măng tới sự phát triển cường độ và đã nhận thấy rằng PBCH tối ưu diễn ra liên tục và dốc (n cao) có hàm lượng phần hạt 3-32 μm cao và đặc biệt là trong phần hạt 16-24 μm, thành phần hạt rất mịn thấp và độ mịn Blaine đạt giữa 250 và 300 m2/kg.
D. P. Bentz và C. J. Haecker đã yêu cầu rằng các ảnh hưởng của PBCH xi măng và tỷ lệ nước/xi măng (w/c) phải được xem xét đồng thời khi nghiên cứu tính động học hydrate hóa của xi măng Portland. Đối với các tỷ lệ w/c thấp, với thời gian đủ dài, các kết quả mô hình chỉ ra rằng ảnh hưởng của PBCH tới mức độ hydrate hóa là không đáng kể. Sự khác biệt về mức độ hydrate hóa giữa hai loại xi măng khác nhau có đường kính (hạt) đặc trưng 5 và 30 μm là không đáng kể ở tỷ lệ w/c 0,246 sau xấp xỉ 80 ngày bảo dưỡng.
3.1.2. Thạch cao
Một lượng nhỏ thạch cao (< 5 %) thường được pha vào clinker để điều khiển sự đóng rắn. Đại đa số biết rằng thạch cao cải thiện đáng kể khả năng nghiền của clinker. Việc pha thạch cao vào clinker đã góp phần ngăn ngừa hiện tượng vón kết và tạo lớp bột phủ bên ngoài các viên bi nghiền và trong khoang máy nghiền.
Trong D. Touil đã chỉ ra rằng việc pha thêm 4,5 % thạch cao vào khi nghiền clinker xi măng đến độ mịn 250-400 m2/kg, sẽ làm giảm tiêu hao năng lượng (kWh/t) khoảng 30 % so với việc nghiền mà không có thạch cao.
Theo I. Tanaka và các cộng sự, bột clinker có điện tích dương và bột thạch cao có điện tích âm, xem Hình 5. Đây có thể là một cách thú vị để tiếp cận các tương tác giữa các thành phần khác nhau của các loại xi măng hỗn hợp trong khi nghiền lẫn.
Hình 5: Điện tích của xi măng và các nguyên liệu thành phần của nó.
3.1.3. Đá vôi
S. Tsivilis và các cộng sự và B. Von Schil¬ler và H. G. Ellerbrock đã nghiên cứu nghiền lẫn clinker và đá vôi. Họ đã tìm ra rằng khi đá vôi được nghiền lẫn với clinker sẽ nới rộng sự PBCH của xi măng (xem Hình 7). Thành phần hạt nghiền rắn nhất là clinker đã thấy trong phần hạt thô hơn, còn thành phần dễ nghiền hơn là đá vôi tập trung trong phần hạt mịn hơn (xem Hình 6). Việc pha đá vôi với sự PBCH rộng làm giảm nhu cầu nước trên thể tích vật liệu khô và cải thiện khả năng thi công.
Hình 6: Phân bố tích lũy khối lượng của xi măng đá vôi với hàm lượng đá vôi 12 % trọng lượng và các thành phần clinker và đá vôi của nó sau khi nghiền.
Hình 7: Phân bố cỡ hạt khi nghiền lẫn clinker/xỉ và clinker/ đá vôi với bề mặt riêng Blaine tương đương..
S. Tsivilis và các cộng sự đã quan sát được một xu hướng đáng chú ý. Khi hàm lượng đá vôi vượt quá 30 %, nghiêm cấm không được nghiền clinker với đá vôi. Các mẫu có chứa 40 % đá vôi cho thấy mặc dù bề mặt riêng Blaine cao hơn (do hàm lượng đá vôi cao hơn) độ mịn clinker và đá vôi thấp hơn so với các mẫu có chứa 30%. B. Von Schiller và H. G. Ellerbrock [29] đã trải nghiệm một hiện tượng tương tự khi tăng hàm lượng đá vôi từ 12 lên 20 % trọng lượng. Độ mịn của xi măng đá vôi đã giảm đi và PBCH của nó trở nên hẹp hơn.
B. Von Schiller và H. G. Ellerbrock đã thấy rằng để đạt được cường độ bền nén 50 MPa ở 28 ngày tuổi, xi măng đá vôi phải được nghiền mịn hơn nhiều khi hàm lượng đá vôi tăng lên. Xi măng phải có đường kính đặc trưng x, 30 μm khi clinker không được thay thế bằng đá vôi, 26 μm đối với mức 10 % trọng lượng thay thế, 14 μm đối với 20 % trọng lượng thay thế và không thể đạt được cường độ đó đối với xi măng đá vôi có chứa 30 % trọng lượng đá vôi. Điều này dẫn đến kết luận rằng đối với mức cường độ 50 Mpa thì không (được pha) quá 15- 20 % trọng lượng đá vôi trong xi măng đá vôi.
N. Voglis và các cộng sự đã so sánh các xi măng hỗn hợp được sản xuất với 15 % trọng lượng đá vôi, pozzolana tự nhiên hay tro bay. Công đoạn nghiền xi măng đá vôi là công đoạn tiêu hao năng lượng cao nhất để đạt được cường độ bền nén tương tự ở 28 ngày tuổi. Nó có bề mặt riêng Blaine cao nhất và PBCH rộng nhất (n thấp nhất). Cho đến 7 ngày xi măng đá vôi đã đạt được giá trị cường độ bền nén cao nhất, trong khi xi măng tro bay đạt được giá trị cường độ thấp nhất. Nguyên nhân của tình trạng này là ảnh hưởng độn đầy của các hạt mịn đá vôi, độ mịn clinker trong xi măng đá vôi cao hơn và tốc độ phản ứng pozzolana trong xi măng tro bay thấp. Đối với độ tuổi 28-540 ngày, phát triển cường độ là rất đáng kể trong trường hợp xi măng OPC và xi măng tro bay, trong khi xi măng đá vôi cho thấy tốc độ phát triển cường độ thấp nhất.
___________________
Người dịch: Lê Văn Tiệp
Nguồn: Báo cáo của SINTEF Building and Infrasture COIN - Concrete Innovation Centre
>> So sánh nghiền riêng với nghiền lẫn (Phần 2)
>> So sánh nghiền riêng với nghiền lẫn (Phần 4)
>> So sánh nghiền riêng với nghiền lẫn (Phần 5)
>> So sánh nghiền riêng với nghiền lẫn (Phần 6)
>> So sánh nghiền riêng với nghiền lẫn (Phần 7)
3. Tài liệu
Khi thảo luận ảnh hưởng khác nhau giữa việc nghiền lẫn và nghiền riêng xi măng hỗn hợp, cần quan tâm tới các tính chất hóa học và vật lý của các vật liệu nghiền, thời gian nghiền, độ mịn mong muốn hay tiêu hao năng lượng và thiết bị nghiền.
3.1. Các tính chất hóa học và vật lý của các vật liệu bị nghiền
Các tương tác giữa các thành phần khác nhau của xi măng hỗn hợp trong khi nghiền lẫn phụ thuộc nhiều vào khả năng nghiền tương đối của chúng. Khả năng nghiền lần lượt phụ thuộc vào nguồn gốc của các thành phần và các tính chất vật lý và hóa học của chúng. Hình 4 trình bày một ví dụ về sự khác biệt khả năng nghiền giữa một số hỗn hợp khoáng thường được sử dụng. Cần chú ý rằng mặc dù trass (một loại puzzolan tự nhiên) là dễ nghiền hơn xỉ, trass cần được nghiền mịn hơn xỉ nhiều để (phát huy) hiệu quả pozzolan. Một số đặc tính riêng của clinker, thạch cao, đá vôi, tro bay, xỉ và pozzolan tự nhiên liên quan tới việc nghiền riêng và nghiền lẫn sẽ được trình bày ở dưới đây.
Hình 4: Khả năng nghiền (Zeisel) của S = xỉ; KL = clinker; tr = trass và K = đá vôi (1).
Sẽ rất thú vị khi xác định PBCH của các thành phần khác nhau, sau khi chúng đã được nghiền với nhau. Trong các nghiên cứu được mô tả ở những phần sau, các phương pháp khác nhau đã được sử dụng. Nói chung, vật liệu nghiền ban đầu được phân chia thành những phần cỡ hạt khác nhau bằng thiết bị Andreasen hay Alpine. Thiết bị đầu tiên dựa trên phương pháp tụ lắng và thiết bị thứ hai là loại phân tách bằng khí. Sau đó hàm lượng của các thành phần khác nhau trong mỗi phần được xác định bằng cách sử dụng ly tâm chất lỏng lớn, phân tích hóa học, phân tích nhiệt, phân tích X-ray hay kính hiển vi điện tử.
3.1.1. Clinker
Thành phần hóa học và các điều kiện chế tạo có ảnh hưởng tới khả năng nghiền. Ví dụ, M. To¬kyay đã thực hiện một nghiên cứu trên 15 loại clinker thương phẩm cho thấy một khoảng rộng các thành phần hóa học. Ông thấy rằng Al2O3 và hàm lượng CaO tự do, các modulus silica (SM), pha lỏng (Lp), và tỷ lệ các silicate với chất chảy [(C3S + C2S)/(C3A + C4AF)] đã có ảnh hưởng tới khả năng nghiền. Ví dụ khác là ảnh hưởng có ích của việc làm nguội nhanh tới khả năng nghiền.
Yếu tố gây ảnh hưởng tới khả năng nghiền của clinker có thể là do bổ sung thêm các oxide kim loại chuyển tiếp hay calcium sulfate vào bột liệu. Các oxide này ảnh hưởng tới hàm lượng chất chảy trong lò và độ xốp của clinker.
S. Tsivilis và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của PBCH xi măng tới sự phát triển cường độ và đã nhận thấy rằng PBCH tối ưu diễn ra liên tục và dốc (n cao) có hàm lượng phần hạt 3-32 μm cao và đặc biệt là trong phần hạt 16-24 μm, thành phần hạt rất mịn thấp và độ mịn Blaine đạt giữa 250 và 300 m2/kg.
D. P. Bentz và C. J. Haecker đã yêu cầu rằng các ảnh hưởng của PBCH xi măng và tỷ lệ nước/xi măng (w/c) phải được xem xét đồng thời khi nghiên cứu tính động học hydrate hóa của xi măng Portland. Đối với các tỷ lệ w/c thấp, với thời gian đủ dài, các kết quả mô hình chỉ ra rằng ảnh hưởng của PBCH tới mức độ hydrate hóa là không đáng kể. Sự khác biệt về mức độ hydrate hóa giữa hai loại xi măng khác nhau có đường kính (hạt) đặc trưng 5 và 30 μm là không đáng kể ở tỷ lệ w/c 0,246 sau xấp xỉ 80 ngày bảo dưỡng.
3.1.2. Thạch cao
Một lượng nhỏ thạch cao (< 5 %) thường được pha vào clinker để điều khiển sự đóng rắn. Đại đa số biết rằng thạch cao cải thiện đáng kể khả năng nghiền của clinker. Việc pha thạch cao vào clinker đã góp phần ngăn ngừa hiện tượng vón kết và tạo lớp bột phủ bên ngoài các viên bi nghiền và trong khoang máy nghiền.
Trong D. Touil đã chỉ ra rằng việc pha thêm 4,5 % thạch cao vào khi nghiền clinker xi măng đến độ mịn 250-400 m2/kg, sẽ làm giảm tiêu hao năng lượng (kWh/t) khoảng 30 % so với việc nghiền mà không có thạch cao.
Theo I. Tanaka và các cộng sự, bột clinker có điện tích dương và bột thạch cao có điện tích âm, xem Hình 5. Đây có thể là một cách thú vị để tiếp cận các tương tác giữa các thành phần khác nhau của các loại xi măng hỗn hợp trong khi nghiền lẫn.
Hình 5: Điện tích của xi măng và các nguyên liệu thành phần của nó.
3.1.3. Đá vôi
S. Tsivilis và các cộng sự và B. Von Schil¬ler và H. G. Ellerbrock đã nghiên cứu nghiền lẫn clinker và đá vôi. Họ đã tìm ra rằng khi đá vôi được nghiền lẫn với clinker sẽ nới rộng sự PBCH của xi măng (xem Hình 7). Thành phần hạt nghiền rắn nhất là clinker đã thấy trong phần hạt thô hơn, còn thành phần dễ nghiền hơn là đá vôi tập trung trong phần hạt mịn hơn (xem Hình 6). Việc pha đá vôi với sự PBCH rộng làm giảm nhu cầu nước trên thể tích vật liệu khô và cải thiện khả năng thi công.
Hình 6: Phân bố tích lũy khối lượng của xi măng đá vôi với hàm lượng đá vôi 12 % trọng lượng và các thành phần clinker và đá vôi của nó sau khi nghiền.
Hình 7: Phân bố cỡ hạt khi nghiền lẫn clinker/xỉ và clinker/ đá vôi với bề mặt riêng Blaine tương đương..
S. Tsivilis và các cộng sự đã quan sát được một xu hướng đáng chú ý. Khi hàm lượng đá vôi vượt quá 30 %, nghiêm cấm không được nghiền clinker với đá vôi. Các mẫu có chứa 40 % đá vôi cho thấy mặc dù bề mặt riêng Blaine cao hơn (do hàm lượng đá vôi cao hơn) độ mịn clinker và đá vôi thấp hơn so với các mẫu có chứa 30%. B. Von Schiller và H. G. Ellerbrock [29] đã trải nghiệm một hiện tượng tương tự khi tăng hàm lượng đá vôi từ 12 lên 20 % trọng lượng. Độ mịn của xi măng đá vôi đã giảm đi và PBCH của nó trở nên hẹp hơn.
B. Von Schiller và H. G. Ellerbrock đã thấy rằng để đạt được cường độ bền nén 50 MPa ở 28 ngày tuổi, xi măng đá vôi phải được nghiền mịn hơn nhiều khi hàm lượng đá vôi tăng lên. Xi măng phải có đường kính đặc trưng x, 30 μm khi clinker không được thay thế bằng đá vôi, 26 μm đối với mức 10 % trọng lượng thay thế, 14 μm đối với 20 % trọng lượng thay thế và không thể đạt được cường độ đó đối với xi măng đá vôi có chứa 30 % trọng lượng đá vôi. Điều này dẫn đến kết luận rằng đối với mức cường độ 50 Mpa thì không (được pha) quá 15- 20 % trọng lượng đá vôi trong xi măng đá vôi.
N. Voglis và các cộng sự đã so sánh các xi măng hỗn hợp được sản xuất với 15 % trọng lượng đá vôi, pozzolana tự nhiên hay tro bay. Công đoạn nghiền xi măng đá vôi là công đoạn tiêu hao năng lượng cao nhất để đạt được cường độ bền nén tương tự ở 28 ngày tuổi. Nó có bề mặt riêng Blaine cao nhất và PBCH rộng nhất (n thấp nhất). Cho đến 7 ngày xi măng đá vôi đã đạt được giá trị cường độ bền nén cao nhất, trong khi xi măng tro bay đạt được giá trị cường độ thấp nhất. Nguyên nhân của tình trạng này là ảnh hưởng độn đầy của các hạt mịn đá vôi, độ mịn clinker trong xi măng đá vôi cao hơn và tốc độ phản ứng pozzolana trong xi măng tro bay thấp. Đối với độ tuổi 28-540 ngày, phát triển cường độ là rất đáng kể trong trường hợp xi măng OPC và xi măng tro bay, trong khi xi măng đá vôi cho thấy tốc độ phát triển cường độ thấp nhất.
___________________
Người dịch: Lê Văn Tiệp
Nguồn: Báo cáo của SINTEF Building and Infrasture COIN - Concrete Innovation Centre
(Còn nữa)
Nguồn: Tạp chí Thông tin KHCN-Vicem
