Vì vậy, với mong muốn trang bị cho sinh viên những kiến thức, kĩ năng thực tế về công tác thiết kế thiết bị nhiệt dùng trong sản xuất vật liệu xây dựng, giúp cho sinh viên có kiến thức p
QUAN VỀ SẢN PHẨM VÀ THIẾT BỊ GIA CÔNG NHIỆT
Xi măng Pooclăng và clanhke xi măng pooclăng
Xi măng pooclăng là loại chất kết dính có khả năng đông kết và phát triển cường độ trong môi trường nước, thường được gọi là chất kết dính thủy Loại xi măng này được phát minh bởi người thợ nề Joseph Aspdin vào ngày 21 tháng 10 năm.
Năm 1824, tại Anh, sản phẩm mang số hiệu 5022 với tên gọi “Hoàn thiện việc sản xuất đá nhân tạo” đã được công bố và trở nên nổi tiếng khi được ứng dụng trong xây dựng các công trình trên đảo Portland Đến năm 1843, William Aspdin, con trai của Joseph Aspdin, đã sản xuất thành công “xi măng pooclăng chính hiệu”, đáp ứng đầy đủ khái niệm xi măng như hiện nay.
Xi măng là một loại chất kết dính thủy dạng bột mịn, có khả năng kết hợp với nước để tạo thành hồ dẻo Khi được trộn với nước, xi măng sẽ đóng rắn nhờ vào các phản ứng hóa lý, hình thành vật liệu có độ cứng tương tự như đá, có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng xây dựng.
Hình 1 1 Sản phẩm xi măng Pooclăng bán ngoài thị trường
Xi măng Pooclăng, hay còn gọi là xi măng Pooclăng thường (OPC), là loại vật liệu xây dựng phổ biến nhất toàn cầu, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra bê tông, vữa và hồ Thành phần chính của xi măng Pooclăng bao gồm clanhke pooclăng chiếm 95-96% và thạch cao chiếm 4-5%.
Clanhke xi măng là sản phẩm được tạo ra từ việc nung nóng hỗn hợp nguyên liệu chứa các khoáng chất có hoạt tính thủy lực, chủ yếu là canxi silicat, canxi aluminat và canxi fero aluminat Quá trình này giúp kết khối hoặc nóng chảy các pha khoáng với tỷ lệ xác định, tạo ra sản phẩm xi măng chất lượng cao.
Clanke xi măng pooclăng là sản phẩm bán thành phẩm có kích thước hạt từ 10-40mm, chứa nhiều khoáng chất ở dạng tinh thể và một số ở dạng vô định hình, tùy thuộc vào loại lò sản xuất Chất lượng clanke ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần khoáng vật và công nghệ sản xuất, từ đó quyết định tính chất của xi măng.
Hình 1.2 Sản phẩm clanhke xi măng.
Tính chất cơ bản của xi măng Pooclăng
1.2.1.Khối lượng riêng và khối lượng thể tích
Khối lượng riêng xi măng là klg của một đơn vị thể tích ở trạng thái hoàn toàn đặc
Xi măng Pooclăng thường có khối lượng riêng ρ = 3,0-3,2 (g/cm 3 ).
Khối lượng thể tích của xi măng là khối lượng của một đơn vị thể tích xi măng trong trạng thái tự nhiên Để mô tả khối lượng thể tích của xi măng Pooclăng, thường sử dụng hai dạng khác nhau.
Khối lượng thể tích ở dạng tơi của xi măng: ρ v = 900 ÷ 1100 kg/m 3
Khối lượng thể tích ở dạng chặt của xi măng: ρ v = 1400 ÷ 1700 kg/m 3
Thông thường trong tính toán, khối lượng thể tích đổ đống lấy là ρ v = 1200 kg/m 3
1.2.2.Độ mịn của xi măng
Theo TCVN 5438:2016, độ mịn xi măng được xác định theo phương pháp tiêu chuẩn và là chỉ số quan trọng phản ánh mức độ nghiền mịn của xi măng Độ mịn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng xi măng; hạt xi măng càng mịn thì tốc độ thủy hóa càng nhanh, dẫn đến cường độ phát triển nhanh hơn Để đánh giá độ mịn, người ta sử dụng tỷ diện tích, tức là tổng diện tích bề mặt các hạt xi măng trên một đơn vị trọng lượng Độ mịn có thể được xác định bằng cách sàng trên sàng N o 009 (4900 lỗ/cm²) hoặc đo tỷ diện tích bề mặt (cm²/g) Đối với xi măng bình thường, yêu cầu lượng sót trên sàng không quá 15%, tương ứng với tỷ diện tích từ 2500 cm²/g trở lên.
TCVN 2682-2020 quy định xi măng PC40 và PC50 bề mặt riêng, theo phương pháp Blaine không được nhỏ hơn 2800 cm 2 /g
TCVN 6260-2020 quy định các tiêu chuẩn cho xi măng PCB30, PCB40 và PC50, trong đó phần còn lại trên sàng 45μm không được lớn hơn mức công bố của nhà sản xuất Đồng thời, bề mặt riêng theo phương pháp Blaine phải đạt giá trị không nhỏ hơn thông tin được công bố bởi nhà sản xuất.
1.2.3.Lượng nước tiêu chuẩn và độ dẻo tiêu chuẩn của hồ xi măng
Theo TCVN 5438:2016, lượng nước yêu cầu để hyđrat hoá các khoáng của clanhke xi măng là yếu tố quan trọng nhằm đảm bảo hồ xi măng có độ linh động và độ dẻo tiêu chuẩn Lượng nước này phụ thuộc vào thành phần khoáng của clanhke, độ mịn của xi măng và loại phụ gia sử dụng trong quá trình nghiền Cụ thể, lượng nước yêu cầu cho xi măng Pooclăng thường nằm trong khoảng 24-28%, trong khi đó, xi măng Pooclăng puzơlan yêu cầu từ 35-40% nước.
1.2.4 Sự đông kết của xi măng Pooclăng
Thời gian đông kết của xi măng là khoảng thời gian từ khi trộn xi măng với nước cho đến khi hỗn hợp đạt độ đặc và cường độ ban đầu nhất định Thời gian này chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm thành phần khoáng của clanhke, độ mịn của xi măng, các phụ gia, điều kiện môi trường và lượng nước tiêu chuẩn trong quá trình trộn Theo TCVN 2682 – 2020, có những yêu cầu cụ thể về thời gian đông kết cho xi măng pooclăng.
- Thời gian bắt đầu đông kết không nhỏ hơn 45 phút.
- Thời gian kết thúc đông kết không lớn hơn 375 phút.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6260 – 2020 yêu cầu về thời gian đông kết của xi măng pooclăng hỗn hợp (PCB) như sau:
- Thời gian bắt đầu đông kết không nhỏ hơn 45 phút.
- Thời gian kết thúc đông kết không lớn hơn 420 phút.
Theo tiêu chuẩn 6017 – 2015 quy đinh phương pháp thử độ dẻo tiêu chuẩn, thời gian đông kết và độ ổn định thể tích của xi măng.
1.2.5 Cường độ xi măng (TCVN 6016:2011)
Cường độ xi măng là khả năng chịu lực của đá xi măng mà không bị hư hại Yếu tố ảnh hưởng đến cường độ này bao gồm thành phần khoáng và cấu trúc clanhke, lượng nước trong quá trình nhào trộn, lượng phụ gia sử dụng và điều kiện môi trường của vật liệu.
Cường độ xi măng chịu ảnh hưởng lớn từ cấu trúc clanhke, trong đó clanhke có hàm lượng pha lỏng cao và kích thước tinh thể C3S, C2S nhỏ sẽ mang lại cường độ cao Độ mịn và thành phần hạt của xi măng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định cường độ và các tính chất khác Thời gian bảo quản xi măng cũng là yếu tố quyết định; sau 3 tháng, cường độ có thể giảm từ 15% đến 20%, và sau 6 tháng, mức giảm có thể đạt từ 20% đến 30% so với xi măng mới Ngoài ra, việc sử dụng các phụ gia khoáng hoạt tính như trêpen và điatômit có thể làm giảm cường độ xi măng nhanh chóng trong thời gian bảo quản.
Bảng 1 1 Chỉ tiêu cường độ của xi măng pooclăng theo TCVN 2682:2020
1 Cường độ chịu nén, MPa, không nhỏ hơn :
2 Thời gian đông kết, min
- Bắt đầu, không nhỏ hơn 45
- Kết thúc, không lớn hơn 375
3 Độ mịn, xác định theo :
- Bề mặt riêng, phương pháp Blaine, cm 2 /g, không nhỏ hơn
4 Độ ổn định thể tích, xác định theo phương pháp Le
Chatelier, mm, không lớn hơn 10
5 Hàm lượng anhydric sunphuric (SO3), %, không lớn 3,5 hơn
6 Hàm lượng magie oxít (MgO), %, không lớn hơn 5,0 1)
7 Hàm lượng mất khi nung (MKN), %, không lớn hơn:
- Khi sử dụng phụ gia đá vôi:
- Khi không sử dụng phụ gia đá vôi:
8 Hàm lượng cặn không tan (CKT), %, không lớn hơn 1,5
9 Hàm lượng kiềm quy đổi 2) (Na2Oqđ) 3) , %, không lớn hơn 0,6
1.2.6 Tính ổn định thể tích của xi măng
Khi xi măng đông kết, việc ổn định thể tích là rất quan trọng để đảm bảo cường độ bê tông Sự thay đổi thể tích trong quá trình này có thể dẫn đến các vết nứt và rạn nứt, làm giảm chất lượng sản phẩm Nguyên nhân chính gây ra sự thay đổi thể tích là do sự hiện diện của CaO và MgO tự do trong xi măng, mà các hạt này phản ứng chậm với nước Sau khi xi măng đã đông kết, các hạt này tham gia vào phản ứng thuỷ hoá, làm tăng thể tích và có thể phá hoại cấu trúc của bê tông.
Theo TCVN 2682:2020, độ ổn định thể tích của xi măng được xác định theo phương pháp Lơ Chatelier không lớn hơn 10 mm.
Thành phần khoáng, hoá của xi măng pooclăng
Thành phần khoáng vật của clanhke: 4 khoáng chính là (C3S) alit,(C2S) belit, (C3A) aluminat tricanxit,(C4AF) feroaluminat tetracanxit.
C3S (Alit) là hợp chất tricanxi silicat, có công thức hóa học 3CaO.SiO2, kết hợp với các oxit khác như MgO, P₂O₃, và Cr₂O3, với hàm lượng từ 2-4% và khối lượng riêng 3,15 gam/cm³ Đây là khoáng chất quan trọng nhất trong xi măng pooclăng, chiếm từ 45-60% clanhke, nhờ vào cường độ cao và khả năng đông kết nhanh C3S tồn tại ổn định trong khoảng nhiệt độ 1200-2070°C, nhưng sẽ nóng chảy khi nhiệt độ vượt quá 2070°C và phân hủy thành C₂S và CaO ở nhiệt độ dưới 1200°C Hình dạng, kích thước, và mức độ kết tinh của C3S bị ảnh hưởng bởi các phụ gia khoáng hóa và chế độ nung luyện, từ đó tác động đến các tính chất và cường độ của xi măng Sự hiện diện của các oxit trong dung dịch rắn cũng ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của khoáng Alit.
C2S (belit) là một dạng khoáng của 2CaO.SiO2, chứa một lượng nhỏ các oxit khác như Al₂O3, Fe2O3, và Cr₂O3 Khoáng này chiếm từ 20-30% khối lượng clanhke và là thành phần quan trọng trong clanhke, với đặc tính kết dính rắn chắc chậm nhưng đạt cường độ cuối cùng tương đối cao.
Khoáng C2S được tạo thành trong clanhke ở 4 dạng thù hình C2S, ’C2S, C2S ,
Khoáng C2S bền vững trong khoảng nhiệt độ từ 1.425 đến 2.130°C; khi nhiệt độ vượt quá 2.130°C, C2S bắt đầu chảy lỏng Dưới 1.425°C, khoáng này chuyển sang dạng thù hình ’C2S, bền vững trong khoảng 830 đến 1.425°C Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 830°C và được làm nguội nhanh, ’C2S sẽ chuyển thành dạng thù hình C2S, trong khi nếu làm nguội chậm ở 670°C, nó sẽ chuyển thành dạng C2S.
Dạng thù hình βC2S không ổn định ở mọi nhiệt độ và có xu hướng chuyển đổi thành dạng γC2S, đặc biệt trong khoảng nhiệt độ dưới 520°C Khi kết hợp với khoáng belit, việc thêm khoảng 1-3% các oxit như Al₂O3, Fe2O3, và MgO có thể ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu.
K2O thì chúng tạo điều kiện tốt cho sự chuyển hóa C2S thành C2S và đồng thời làm tăng độ ổn định của C2S.
Dạng thù hình C2S không có khả năng tác dụng với nước và không có tính kết dính, chỉ khi ở điều kiện hơi nước bão hòa với nhiệt độ từ 150-200°C, C2S mới thể hiện khả năng kết dính Trong clanhke xi măng pooclăng, khoáng belit tồn tại dưới hai dạng thù hình C2S và C2S, với khối lượng riêng lần lượt là 3,28 gam/cm³ và 2,97 gam/cm³ Độ hoạt tính của khoáng belit phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể, bao gồm kích thước tinh thể và khối lượng riêng Cả khoáng C3S và C2S đều có độ ổn định kém ở nhiệt độ thường nhưng lại có độ hoạt tính cao khi tiếp xúc với nước.
Chất trung gian giữa khoáng alit và belit bao gồm các pha canxi alumoferit, canxi aluminat và pha thuỷ tinh Pha canxi alumoferit, hay còn gọi là xelit, là dung dịch rắn của các khoảng canxi alumoferit Trong clanhke xi măng pooclăng, khoáng này chủ yếu tồn tại dưới dạng C4AF (4CaO.Al2O3, Fe2O3), chứa khoảng 1% MgO và TiO2, với khối lượng riêng là 3,77 gam/cm³ Thành phần khoáng canxi alumoferit có sự biến đổi tùy thuộc vào nguyên liệu ban đầu và điều kiện nung luyện.
Pha canxi aluminat trong clanhke xi măng pooclăng tồn tại chủ yếu ở dạng khoảng C3A (3CaO.Al2O3- tricanxi aluminat) do hàm lượng CaO trong clanhke cao
Khoáng C3A có cấu trúc tinh thể lục giác hoặc hình hộp chữ nhật với khối lượng riêng 3,04 gam/cm² Khoáng này nổi bật với khả năng tỏa nhiệt mạnh, đông kết nhanh và có cường độ thấp, dễ dẫn đến ứng suất gây nứt trong môi trường xâm thực sunfat.
Các khoáng canxi aluminat, canxi alumoferit và một số khoáng khác trong clanhke xi măng pooclăng phụ thuộc vào hàm lượng oxit trong phối liệu Khi hàm lượng Al₂O3 đạt hoặc vượt quá Fe₂O3, sẽ hình thành khoáng C3A và C4AF Ngược lại, nếu Al₂O3 thấp hơn Fe₂O3, chỉ có khoáng C2(AF) được hình thành Ngoài ra, khi hàm lượng kiềm K₂O + Na₂O lớn hơn SO3, clanhke sẽ tạo thành khoáng (K,N) C8A3.
K2O + Na₂O < SO3, thì tạo thành khoáng (K.Na)2SO4, CaSO4.
Pha thuỷ tinh trong clanhke xi măng pooclăng chiếm từ 5-15% và phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu ban đầu cũng như điều kiện làm lạnh clanhke Thành phần chính của pha thuỷ tinh bao gồm các oxit như MgO, CaO, Al₂O3 và Fe2O3.
Trong clanhke xi măng pooclăng, hàm lượng các oxit tự do như CaO và MgO phụ thuộc vào điều kiện nung luyện, phối liệu và nguồn nguyên liệu Các oxit này thường tồn tại ở dạng già lửa và phản ứng chậm với nước Trong công nghệ sản xuất xi măng bằng lò quay, hàm lượng CaO tự do được quy định dưới 1%, trong khi lò đứng có thể đạt từ 3-6% Chính sự hiện diện của các oxit tự do này ảnh hưởng đến độ ổn định thể tích của xi măng pooclăng.
1.3.2 Thành phần hóa của clanke xi măng
- Clanhke xi măng pooclăng bao gồm các oxit chính là CaO, SiO2, Al2O3,
Fe2O3 có tổng hàm lượng từ 95-97% (theo khối lượng), bên cạnh đó còn có các oxit khác như MgO, TiO2, Na2O, P2O5, SO3 với hàm lượng nhỏ Tỷ lệ các oxit này phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu và quy trình công nghệ sản xuất Trong clanhke xi măng pooclăng, thành phần các oxit thường dao động trong một khoảng nhất định.
- Hàm lượng các oxit này thay đổi sẽ làm cho tính chất của xi măng thay đổi theo.
Canxi oxit (CaO) là thành phần chủ yếu trong đá vôi, trong quá trình nung luyện, CaO liên kết với các oxit khác để tạo ra các hợp chất hóa học ảnh hưởng đến tốc độ đông kết và cường độ của xi măng Hàm lượng CaO cao giúp hình thành các khoáng canxi silicat (C3S) với độ bazơ cao, làm cho xi măng đông kết nhanh và có cường độ cao, nhưng lại giảm độ bền trong môi trường xâm thực sunfat Để đảm bảo chất lượng, hàm lượng CaO nên được kiểm soát trong khoảng 63-66% Hơn nữa, khả năng phản ứng của CaO với các oxit khác còn phụ thuộc vào tính chất của nguyên liệu, quy trình gia công hỗn hợp và chế độ nung.
Oxit Silic (SiO2) chủ yếu có trong nguyên liệu đất sét, và trong quá trình nung clanhke, SiO2 sẽ phản ứng với CaO để tạo thành các hợp chất canxi silicat Khi hàm lượng SiO2 tăng, ngoài việc hình thành khoáng C3S, khoáng C2S với độ bazơ thấp cũng gia tăng, dẫn đến việc xi măng đông kết chậm và cường độ phát triển ban đầu thấp Tuy nhiên, xi măng có hàm lượng C2S cao lại có khả năng bền vững trong nước và môi trường xâm thực sunfat Ngược lại, nếu hàm lượng SiO2 thấp, khoáng C3S sẽ nhiều hơn, giúp xi măng đông kết nhanh và có cường độ cao, nhưng quá trình nung luyện sẽ khó khăn hơn và để lại lượng vôi tự do lớn Do đó, hàm lượng SiO2 trong clanhke cần được kiểm soát ở mức khoảng 21-24% khối lượng clanhke Hơn nữa, độ hoạt tính của SiO2 cũng ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu quả quá trình tạo khoáng khi nung.
Nhôm oxit (Al2O3) là thành phần quan trọng trong clanhke xi măng, chủ yếu được cung cấp từ đất sét Khi nung luyện, oxit nhôm tham gia vào quá trình hình thành các khoáng nóng chảy canxi aluminat Hàm lượng Al2O3 cao sẽ làm tăng tỉ lệ khoáng C3A, dẫn đến sự xuất hiện pha loãng trong clanhke sớm và nhiều hơn Mặc dù nhôm oxit giúp xi măng đông kết nhanh chóng, nhưng cường độ của nó thường thấp và kém bền trong môi trường sunfat Trong clanhke, hàm lượng oxit nhôm thường chiếm khoảng 4-8%.
Sắt oxit (Fe2O3) đóng vai trò quan trọng trong quá trình nung luyện clanhke xi măng, giúp giảm nhiệt độ thiêu kết và thúc đẩy hình thành khoáng Tetracalcium aluminoferit (C4AF) Khi hàm lượng Fe2O3 trong clanhke tăng lên, nhiệt độ nung sẽ giảm và lượng khoáng C4AF tạo thành nhiều hơn, từ đó cải thiện độ bền của xi măng trong môi trường xâm thực sunfat Tuy nhiên, nếu hàm lượng Fe2O3 quá cao, có thể dẫn đến hiện tượng bám dính lò, đặc biệt trong công nghệ xi măng lò đứng Do đó, cần kiểm soát tỉ lệ Fe2O3 trong clanhke, với tổng hàm lượng khoảng 2-4%, để đạt hiệu quả tối ưu trong quá trình nung luyện.
Công nghệ sản xuất clanhke xi măng Pooclăng
Nguyên liệu chính để sản xuất clanhke xi măng pooclăng bao gồm đá cacbonat, đất sét và các phụ gia điều chỉnh như quặng sắt và nguyên liệu giàu silic Ngoài ra, trong quá trình nghiền clanhke, các phụ gia như thạch cao, phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia đầy được thêm vào để cải thiện tính chất của xi măng và tối ưu hóa chi phí sản xuất.
Theo TCVN 6072:2013, đá vôi dùng làm nguyên liệu để sản xuất xi măng pooclăng phải thỏa mãn yêu cầu về hàm lượng là: CaCO3≥85%; MgCO3≤5%; K2O+ Na2O≤1%.
Thông thường, các nhà máy xi măng ở nước ta đều sử dụng đá vôi có hàm lượng CaCO3=(90-98)%, CaO=(50-55)%; MgO
