PHỤ GIA TRONG SẢN XUẤT XI MĂNG PORTLAND

Đặc tính của xi măng PortlandXi măng Portland là sản phẩm nghiền mịn của clinker Portland và các phụ gia.Clinker Portland là sản phẩm của quá trình nung kết khối hỗn hợp nguyên liệu bao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

˜ ˜ ˜ ˜

Chữ ký của giáo viên nhận xét

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i

MỤC LỤC ii

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Đặc tính của xi măng Portland 2

1.2 Phụ gia trong sản xuất xi măng Portland 2

1.2.1 Khái niệm 2

1.2.2 Lịch sử sử dụng phụ gia 2

1.2.3 Nhu cầu sử dụng phụ gia hiện nay 3

1.2.4 Hệ thống pháp lý Việt Nam cho việc sử dụng và quản lý phụ gia 3

1.3 Quá trình sử dụng phụ gia trong quy trình sản xuất xi măng Portlant 3

1.4 Một số lưu ý khi sử dụng phụ gia trong quá trình sản xuất 4

Chương 2: PHÂN LOẠI PHỤ GIA TRONG SẢN XUẤT XI MĂNG PORTLAND 5

2.1 Phụ gia cải thiện công nghệ 5

2.1.1 Phụ gia trợ nghiền 5

2.1.2 Phụ gia khoáng hóa 5

2.1.3 Phụ gia giảm ẩm 6

2.2 Phụ gia cải thiện tính chất của xi măng 7

2.2.1 Phụ gia điều chỉnh 7

2.2.2 Phụ gia thủy 8

2.2.2.1 Đặc tính 8

2.2.2.2 Phân loại 8

2.2.2.3 Các phương pháp đánh giá chất lượng phụ gia thủy hoạt tính 10

2.2.3 Phụ gia đầy (phụ gia lười) 10

2.2.4 Phụ gia bảo quản 11

Chương 3: CƠ CHẾ PHẢN ỨNG CỦA PHỤ GIA VỚI THÀNH PHẦN CỦA XI MĂNG 12

3.1 Phản ứng thủy hóa của phụ gia thủy hoạt tính với xi măng 12

3.1.1 Giai đoạn sơ cấp 12

3.1.1.1 Khoáng alít (C3S) 12

3.1.1.2 Khoáng bêlít (C2S) 12

3.1.1.3 Khoáng tricanxialuminat (C3A) 13

3.1.1.4 Khoáng tetracanxi alumoferit (C4AF) 13

3.1.2 Giai đoạn thứ cấp 13

KẾT LUẬN 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

LỜI NÓI ĐẦU ˜ ˜ ˜ ˜

Trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa, xi măng là ngành công nghiệp trọngđiểm có vị trí chiến lượng trong sự phát triển kinh tế của Việt Nam Nhu cầu xây dựng cơ

sở hạ tầng ngày càng tăng và nguồn tài nguyên đá vôi tương đối lớn (địa hình 3/4 là đồinúi) thuận lợi cho quá trình sản xuất xi măng Do đó, có rất nhiều công ty sản xuất ximăng ra đời và cạnh tranh với nhau

Tuy nhiên, mỗi sản phẩm đều có đặc tính và giá thành khác nhau Các doanh nghiệpphải nghiên cứu phương thức sản xuất sao cho giảm giá thành mà vẫn đảm bảo chất lượngtốt nhất Một trong những phương thức này chính là sử dụng thích hợp và có hiệu quả phụgia trong sản xuất xi măng Phụ gia giúp cho xi măng đạt được nhiều tính chất mongmuốn, hạ giá thành sản phẩm và đồng thời tăng năng suất sản xuất

Tìm hiểu về vấn đề phụ gia trong sản xuất xi măng, cụ thể là trong sản xuất xi măngPortland, chúng ta cùng nhau đi vào tìm hiểu bài báo cáo đồ án: “Phụ gia trong sản xuất

xi măng Portland” Bài báo cáo của em gồm ba chương:

- Chương 2: Phân loại phụ gia trong sản xuất xi măng Portland

- Chương 3: Cơ chế phản ứng của phụ gia với thành phần xi măng Portland

Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ đặc biệt tận tình, chu đáo của côThS Nguyễn Hoàng Lương Ngọc, em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn

Vì thời gian có hạn nên chắc chắn trong quá trình làm không thể tránh sai sót Em rấtmong nhận được sự đóng góp ý kiến của cô

Em xin cảm ơn cô ThS Nguyễn Hoàng Lương Ngọc, các thầy cô khoa Công nghệhóa học đã tạo điều kiện để giúp đỡ em trong thời gian qua

Em chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 11 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Trần Thanh Tâm

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặc tính của xi măng Portland

Xi măng Portland là sản phẩm nghiền mịn của clinker Portland và các phụ gia.Clinker Portland là sản phẩm của quá trình nung kết khối hỗn hợp nguyên liệu bao gồmđất sét, đá vôi, quặng sắt và cát ở nhiệt độ khoảng 14500C trong lò nung Clinker đượchình thành ở dạng viên có đường kính khoảng 5 – 25 mm

Hình 1.1: Xi măng

Xi măng Portland có một số ưu điểm như:

- Cường độ cao, cường độ trễ cao

- Dễ sử dụng và kiểm soát chất lượng bê tông tại công trình, đặc biệt đối với cáccông trình có sử dụng thêm phụ gia giảm nước khi chế tạo bê tông.Bền nước, khả năngchống thấm tốt

Với những đặc tính đó, xi măng Portland được sử dụng ở hầu hết các công trình, hạnmục xây dựng khi không có các yêu cầu đặc biệt Xi măng PC hoặc OPC được sử dụng

để sản xuất bê tông cho các hạng mục cầu, cống, bê tông dự ứng lực, cao ốc, đập thủy

1.2 Phụ gia trong sản xuất xi măng Portland

Trước đây khi sử dụng vữa vôi trong xây dựng, người ta thêm vào một số chất như:nhớt dâm bụt – là chất dẻo hóa – làm vữa dẻo hơn, mật rỉ đường – làm cho vữa đóng rắnnhanh hơn, tro trấu – làm cho vữa bền hơn, …

Ở Việt Nam, xi măng Portland được sử dụng từ những năm đầu thế kỉ XX trong cáccông trình như: cầu Long Biên (1909), cung An Định – Huế (1919)

Những năm 60 của thế kỉ XX, thủy điện Thác Bà được xây dựng với việc sử dụngthêm phụ gia SSB (Liên Xô)

Những năm 70, công trình cho thủy điện Hòa Bình có dùng thêm phụ gia nước thảicủa nhà máy giấy (theo công nghệ kiềm), phụ gia dẻo hóa, giảm nước ~ 10%

Những năm 80, dùng phụ gia Lignhin kiềm giúp giảm nước 15%, phụ gia khoáng sétbentonite giúp tăng khả năng chống thấm

Những năm 2000, sử dụng phụ gia siêu dẻo của thế kỉ mới như: Polycacboxylat natrigiúp giảm nước 25 – 35%, phụ gia khoáng hoạt tính mạnh như SF, RHA, MK

Và ngày nay, ngày càng có nhiều loại phụ gia được sử dụng trong sản xuất nhằmtăng năng suất cũng như chất lượng sản phẩm

1.2.3 Nhu cầu sử dụng phụ gia hiện nay

Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhu cầu xây dựng cơ sở hạtầng ngày càng phát triển mạnh mẽ nhằm đáp ứng cho các công trình vui chơi, giải trí,trung tâm thương mại, khu công nghiệp, cầu, đường, … Trước tình hình này thì nhu cầu

về vật liệu xây dựng cũng tăng theo Trong đó xi măng là nguồn vật liệu xây dựng khôngthể thiếu

Bên cạnh việc sản xuất được nguồn xi măng đáp ứng cho nhu cầu ấy thì xi măngcũng phải đảm bảo được chất lượng cũng như giá thành cho sản phẩm Một thành phầngóp phần tăng năng suất và chất lượng sản phẩm chính là phụ gia sử dụng trong quá trìnhsản xuất

Xu thế chung của công nghiệp xi măng là sản xuất loại clinker mác cao từ đó phathêm các loại phụ gia khoáng để sản xuất các loại xi măng thông dụng Việc làm này sẽđem lại hiệu quả kinh tế cao hơn

Mỗi loại xi măng có tính chất khác nhau là do thành phần và công thức phối trộn củacác phụ trong sản phẩm khác nhau, tạo nên sự cạnh tranh trên thị trường của các sảnphẩm xi măng với nhau

Do đó, việc sử dụng phụ gia trong xi măng làm sao cho chất lượng sản phẩm là tốtnhất đồng thời vẫn đảm bảo giá thành là điều vô cùng cần thiết và quan trọng

1.2.4 Hệ thống pháp lý Việt Nam cho việc sử dụng và quản lý phụ gia

Theo hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN):

- Phụ gia hoạt tính Pozzolan: TCVN 3736 : 1982

- Xỉ hạt lò cao dùng sản xuất xi măng: TCVN 4315 : 1986

1.3 Quá trình sử dụng phụ gia trong quy trình sản xuất xi măng Portlant

Phụ gia được sử dụng trong sản xuất xi măng Portland được đưa vào chủ yếu ở giaiđoạn đầu – giai đoạn nghiền clinker với phụ gia

Trước khi nghiền clinker và phụ gia trong máy nghiền bi cần tiến hành gia công sơ

bộ bằng cách đập thô clinker và phụ gia trong máy đập hàm đến kích thước đạt yêu cầu

Ta cũng có thể đập clinker ngay sau khi ra khỏi lò nung rồi đưa vào kho ủ

Tiến hành nghiền xi măng trong máy nghiền bi gồm: clinker, các loại phụ gia như:phụ gia thủy, phụ gia điều chỉnh, phụ gia lười, … Máy nghiền bi ngoài tác dụng nghiềnmịn hỗn hợp trên còn có tác dụng giúp cho hỗn hợp đồng nhất

Hình 1.2: Máy nghiền bi

Xi măng Portland thường có độ mịn còn lại trên sàng N0008 tối đa < 15% tươngứng f với tỷ diện là 2500 – 3200 cm2/g (với loại xi măng đóng rắn nhanh, cường độ caothì độ mịn yêu cầu cao hơn)

giảm tiêu hao năng

1.4 Một số lưu ý khi sử dụng phụ gia trong quá trình sản xuất

Sau đây là một số lưu ý khi sử dụng phụ gia trong quá trình sản xuất xi măng:

- Trong một cấp phối, nên sử dụng đồng bộ phụ gia của một nhà cung cấp

- Không nên tự phối trộn phụ gia

- Không xử dụng quá giới hạn liều lượng cho phép của mỗi loại phụ gia

- Sử dụng đúng quy trình đã chỉ dẫn.

- Sử dụng và bảo dưỡng theo những yêu cầu của nhà cung cấp

Tuy những lưu ý này là vấn đề nhỏ, nhưng ta cũng không thể chủ quan hay bỏ qua.Thực hiện theo lưu ý đó sẽ góp phần tránh những sự cố trong quá trình sản xuất đồng thờiđảm bảo được chất lượng sản phẩm là tốt nhất

Chương 2: PHÂN LOẠI PHỤ GIA TRONG SẢN XUẤT XI MĂNG

PORTLAND 2.1 Phụ gia cải thiện công nghệ

2.1.1 Phụ gia trợ nghiền

Phụ gia trợ nghiền là nguyên liệu được cho vào và nghiền chung với hỗn hợpnguyên liệu hay clinker, nhằm tăng năng suất máy nghiền, giảm năng lượng tiêu thụ vàthời gian nghiền

Thông thường ta sử dụng: nhựa thông, than cốc, than đá, sulfuanat canxi, HEA – 2,

…

Hình 2.1: Khai thác than đá Hình 2.2: Than cốc

Từ năm 2008, công ty cổ phần xi măng Bắc Giang đã thử nghiệm thành công trongviệc sử dụng phụ gia trợ nghiền BiFi và mang lại nhiều kết quả tốt như : tăng năng suất,tiết kiệm điện năng Ngoài ra, BiFi còn làm tăng độ linh động của xi măng, dễ dàng hơntrong đóng gói sản phẩm và tăng thời gian bảo quản

2.1.2 Phụ gia khoáng hóa

Phụ gia khoáng hóa là nguyên liệu được cho vào nghiền chung với hỗn hợp nguyênliệu Phụ gia khoáng hóa làm xúc tác cho những phản ứng hóa học, sau khi hoàn thành sẽnằm lại luôn trong sản phẩm

Phụ gia khoáng hóa giúp tăng khả năng tạo khoáng, giảm nhiệt độ nung, tăng độhoạt tính của khoáng clinker

Một số loại phụ gia khoáng hóa như: quặng fluorit (hay huỳnh thạch chứa CaF2),quặng phosphorit (chứa P2O5), quặng barit ( chứa BaSO4), thạch cao (chứa CaSO4)

Ta có thể dùng riêng một loại hoặc dùng phối trộn các loại trên lại với nhau Tuynhiên, khi sử dụng ở dạng hỗn hợp này sẽ gây tốn kém do công đoạn pha trộn cần có côngnghệ phức tạp hơn.

Hình 2.3 : Quặng fluorit Hình 2.4 : Tinh thể fluorit

Hình 2.5 : Quặng Barit Hình 2.6 : Quặng Phosphorit

Ngoài ra, nó còn có tác dụng giảm độ nhớt, tăng tính linh động pha lỏng Do vậytăng khả năng thấm ướt của pha lỏng cao (do ở nhiệt độ cao chất khoáng hóa phá vỡ haylàm yếu cầu nối cấu trúc pha lỏng) Từ đó pha lỏng tăng tính hòa tan và C2S và CaO dễdàng khuếch tán vò pha lỏng tiếp xúc nhau tạo thành khoáng C3S

2.1.3 Phụ gia giảm ẩm

Phối liệu trong sản xuất xi măng theo phương pháp ướt thường có độ ẩm cao (W >32%) Do đó, khi nung sẽ tốn nhiều nhiệt cho quá trình bốc hơi làm giảm năng suất lò

140 – 1700C

Biện pháp để làm giảm độ ẩm nhưng vẫn đảm bảo độ nhớt của phối liệu thường sử dụngmột số loại phụ gia sau :

- (0,2 – 0,5)% SSB : độ ẩm của phối liệu giảm (2 – 4)% tương đương giảm lượngnước trong bùn 7%

- Hỗn hợp SSB và Na2CO3 hàm lượng từ 0,2 – 0,5% sẽ giảm 8% lượng nước trongphối liệu

- Hỗn hợp thủy tinh lỏng và NaOH hoặc sođa làm giảm lượng nước từ 3 – 6%

2.2 Phụ gia cải thiện tính chất của xi măng

2.2.1 Phụ gia điều chỉnh

Phụ gia điều chỉnh dùng để điều chỉnh sự kết dính và độ đóng rắn của xi măng

Do clinker xi măng Portland khi nghiền mịn có đặc điểm đóng rắn rất nhanh khi trộnvới nước Điều này dẫn đến không đảm bảo thời gian nhào trộn, vận chuyển và thi công(tô, xây, đổ bê tông,…) Phụ gia điều chỉnh được cho thêm vào khoảng 3,5 – 5% sẽ gópphần làm chậm thời gian đóng rắn cho xi măng

Phụ gia điều chỉnh thời gian đông kết của xi măng thường được sử dụng là thạchcao Thạch cao có công thức hóa học là CaSO4.2H2O Khi nung ở nhiệt độ cao (trên

100oC) thì thạch cao chuyển sang trạng thái khan : CaSO4.0,5H2O theo phương trình sau :CaSO4 2 H2O CaSO4 0,5 H2O + 1,5 H2O

Lượng dùng thạch cao làm phụ gia phụ thuộc vào hàm lượng C3A trong xi măng.Với xi măng có hàm lượng C3A = 6%, lượng thạch cao có thể dùng 2,5 – 3% so với lượngdùng xi măng (tính theo lượng SO3) và khi hàm lượng C3A là 8 – 10% thì lượng dùngthạch cao cho phép là 3 – 4% thì độ nghiền mịn từ 4000 – 5000 cm2/g (theo Tôvarốp)

Ta nên kết hợp sử dụng với phụ gia dẻo sẽ tăng chất lượng xi măng hơn

Bên cạnh tácdụng điều chỉnh thờigian đóng rắn của ximăng, thạch cao còngóp phần tạo bộ khungcấu trúc ban đầu đểcác khoáng khác kếtdính Ngoài thạch cao,một số muối khácnhư : CaCl2, NaCl, …cũng có tác dụngtương tự

Hình 2.7 : Thạch cao

CaCl2 làm cường độ bê tông ở tuổi 1 – 2 ngày có thể tăng 50 – 100% so với bê tôngkhông dùng phụ gia Hiệu quả thúc đẩy sự rắn nhanh này của CaCl2 cũng mạnh mẽ đốivới các loại xi măng chậm rắn ở nhiệt độ thường như: xi măng Portland xỉ quặng, xi măngPortland pozzolan

Khi nguồn đất sét của nhà máy có hàm lượng SiO2 thấp, ta có thể sử dụng phụ giagiàu silic (thường là đất hoặc đá có SiO2 > 80%, trepen, điatômit) để điều chỉnh mô đunsilicat Cũng có thể sử dụng cát mịn, nhưng khả năng nghiền mịn khó hơn (cần phải ởnhiệt độ cao) nên cần sử dụng kèm theo phụ gia khoáng hóa để giảm nhiệt độ nungclinker.

Ngoài ra, khi nguồn đất sét không đủ hàm lượng các khoáng cần thiết, ta có thể bổsung thêm phụ gia giàu khoáng mà ta cần Chẳng hạn : phụ gia giàu sắt nhằm bổ sunghàm lượng Fe2O3 cho phối liệu (quặng pyrit sắt, quặng Laterit, quặng sắt,…) ; phụ giagiàu nhôm nhằm bổ sung hàm lượng Al2O3 cho phối liệu (quặng boxit), có thể dùng caolanh hoặc tro xỉ nhiệt điện nhưng tỉ lệ dùng khá cao và kém hiệu quả kinh tế ; …

Các loại phụ gia điều chỉnh trên khi pha vào xi măng với một tỉ lệ thích hợp sẽ có tácdụng kéo dài thời gian đóng rắn của xi măng đảm bảo yêu cầu thực tế trong xây dựng

2.2.2 Phụ gia thủy

2.2.2.1 Đặc tính

Phụ gia thủy là chất khi nghiền mịn tạo ra một chất có tính kết dính và đóng rắn.Khi sử dụng trong xi măng Portland, phụ gia thủy sẽ kết hợp với vôi tự do và vôithoát ra của các phản ứng thủy hóa các khoáng xi măng trong quá trình đóng rắn tạokhoáng bền nước và bền sulfat Nhờ đó mà xi măng Portland tăng độ bền nước và độ bềnsulfat

Bản thân phụ gia thủy nghiền mịn khi kết hợp với nước không có tính chất kết dínhnhư xỉ lò cao, mà do SiO2 hoạt tính (loại SiO2 ởdạng vô định hình) có trong phụ gia thủy

có tính hút vôi để tạo thành các silicat canxi có độ bazơ thấp có tính kết dính

Các loại phụ gia thủy trên cần nghiền mịn rồi pha vào xi măng với một tỉ lệ cho phépnhất định vừa đảm bảo tính kĩ thuật của sản phẩm vừa đảm bảo giá trị kinh tế

Phụ gia thủy hút nước mạnh do một phân tử có thể hút từ vài 100 – 1000 phân tửnước Vì vậy cần bảo quản trong kho có bao che Khi phụ gia thủy ẩm sẽ khó đưa lên silô,gây hyđrat hóa xi măng và giảm độ hoạt tính

2.2.2.2 Phân loại

Dạng tự nhiên:

- Phụ gia thủy hoạt phún suất: là loại đá thiên nhiên do núi lửa tạo ra, thành phầnchủ yếu gồm oxit silic, oxit nhôm, tạp chất sét, nước hóa học, Độ hoạt tính phụ thuộcvào hàm lượng oxit silic và nước hóa học

- Phụ gia thủy hoạt tính: dễ nghiền, xốp, khô, dễ hút ẩm, thành phần chủ yếu là oxitsilic vô định hình

- Puzzolan: có tác dụng tăng tính bền nước, kết hợp với hàm lượng vôi tự do (thànhphần gây hại) có trong clinker và vôi tự do (sinh ra trong quá trình hyđrat hóa) để tạothành một hợp chất có tính kết dính (có lợi), thấp nên giúp hạ giá thành xi măng

- Đất sét nung: sử dụng loại có chứa nhiều khoáng Al2O3.2SiO3.2H2O được gia công

ở 600 – 800 0C Độ hoạt tính của phụ gia thủy loại đất sét phụ thuộc nhiều vào nhiệt độnung và loại đất sét sử dụng làm phụ gia thủy Độ hoạt tính của đất sét nung do khoángCaolinit ở nhiệt độ 600 - 8000C chuyển thành metacaolinhit và các oxit riêng biệt dễ dàngtác dụng với vôi nên sử dụng làm phụ gia thủy rất tốt

- Tro, xỉ nhiên liệu rắn: có thành phần giồng như thành phần của đất sét nung Muốn

sử dụng làm phụ gia thủy thì nhiên liệu phải đốt ở nhiệt độ thấp, nếu đốt ở nhiệt độ caothì độ hoạt tính của nó giảm

Ngoài sự phân loại trên người ta còn phân loại phụ gia thủy dựa vào thành phần hoáhọc:

- Phụ gia thủy giàu Silic ngậm nước: Điatomit, Opaka, Silic hoạt tính

- Phụ gia nhiều Alumosilicat như: Tup, traxơ, đá bọt

- Phụ gia thủy chứa nhiều sét nung: Tro, xỉ nhiên liệu