Ôn tập Công nghệ vật liệu kết dính vô cơ

Ơn tập Cơng nghệ vật liệu kết dính – 2021.1
[Cơng nghệ sản xuất xi măng Pooclang]

Công đoạn:
1. Chuẩn bị nguyên liệu
- Ngun liệu chính: Đá vơi, đất sét → Xây dựng nhà máy gần mỏ đá vôi, đất sét
- Nguyên liệu điều chỉnh (cho thêm khi nhiên liệu chính thiếu thành phần nào đó):
Quặng sắt, Boxit, Đá silic
o Thường sử dụng tối đá 2/3 loại trong sản xuất, tùy vào mục đích
o Thường được mua về, đã có sự gia cơng để kích thước đủ nhỏ → Khơng cần
sử dụng máy đập nữa.
- Phụ gia (cho quá trình nghiền):
o Thạch cao: chỉ sử dụng cho sản xuất xi măng Pooclang
o Phụ gia khoáng: sử dụng thêm nếu sản xuất xi măng hỗn hợp
2. Chuẩn bị phối liệu
- Các nguyên liệu được cân định lượng theo tỉ lệ bài phối → Được đưa vào máy nghiền
sấy liên hợp để nghiền nhỏ phối liệu đến mịn → Chuyển đến silo đồng nhất (vừa có
tác dụng chứa vừa có tác dụng đồng nhất bột liệu)
3. Nung
- Sử dụng hệ thống lò nung – lị quay
- Nhiên liệu cung cấp nhiệt chính: Than → Cần sử dụng máy nghiền than → Than mịn
để cung cấp cho lò.


4. Nghiền xi măng
- Sau khi nung, clanke được đưa đến silo clanke chứa → Đưa đến cân định lượng cùng
với phụ gia (thạch cao hoặc phụ gia khoáng), sau đó đưa vào máy nghiền xi măng →
Xi măng mịn → Chứa ở silo xi măng → Xuất dưới dạng đóng bao hoặc xi măng rời
(vận chuyển xi măng rời bằng các xe bồn hoặc đường biển).
5. Đóng bao

I. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI
Xi măng Pooclang
Khái niệm (TCVN, xi măng Pooclang):
o Là chất kết dính thủy (Cần nước để tạo thành sản phẩm có khả năng kết dính)
o Được chế tạo bằng cách nghiền mịn clanke xi măng Pooclang với một lượng
thạch cao cần thiết → Tăng khả năng hoạt tính của xi măng (phản ứng với nước
để tạo sản phẩm có khả năng kết dính)
o Trong q trình nghiền có thể sử dụng phụ gia cơng nghệ (≤ 1% so với khối
lượng clanke)
 Thành phần xi măng Pooclang:
o Clanke: thành phần (chính) tạo khả năng kết dính cho xi măng
o Thạch cao: Giảm tốc độ đóng rắn (thời gian ngưng kết) của xi măng
o Phụ gia công nghệ (có thể có hoặc khơng)
2.
Clanke xi măng Pooclang
- Khái niệm:
o Sản phẩm chứa các khoáng: canxi silicat, canxi aluminat và canxi fero aluminat
với tỷ lệ xác định
o Có tính kết dính thủy lực
o Nhận được bằng cách nung đến kết khối hay nóng chảy hỗn hợp các nguyên liệu
xác định (phối liệu)
- Thành phần khống (4 khống chính)
o C3S (3CaO.SiO2)
o C2S (2CaO.SiO2)
o C3A (3CaO.Al2O3)
o C4AF (4CaO.Al2O3.Fe2O3)
- Tổng hàm lượng C3S và C2S: 70 – 80% khối lượng clanke
3.
Thạch cao

- Khái niệm:
o Là vật liệu đá thiên nhiên hoặc nhân tạo có chứa kháong CaSO4.2H2O
o Được sử dụng làm phụ gia điều chỉnh thời gian đông kết của xi măng → Tăng
cường độ tuổi sớm của xi măng
- Thạch cao làm chậm phản ứng thủy hóa của C3A (khống là nguyên nhân làm đông kết
nhanh) → kéo dài thời gian đông kết
- Phân loại:
o Tự nhiên
o Nhân tạo: thạch cao photpho PG (từ cơng nghiệp sản xuất phân bón hóa chất) và
thạch cao FGD (từ xử lý khí thải quá trình đốt than của nhà máy nhiệt điện)
4.
Xi măng Pooclang hỗn hợp
- Khái niệm:
o Là chất kết dính thủy
o Được sản xuất bằng cách nghiền mịn hỗn hợp clanke xi măng Pooclang với một
lượng thạch cao cần thiết và các phụ gia khống, có thể sử dụng phụ gia cơng
nghệ (khơng q 1%, nếu cần) trong q trình nghiền hoặc bằng cách trộn đều các
1.

-


phụ gia khoáng đã nghiền mịn (ưu điểm: khống chế được độ mịn của từng loại)
với xi măng Pooclang
o Tổng lượng các phụ gia khống (khơng kể thạch cao) trong xi măng Pooclang hỗn
hợp (tính theo khối lượng xi măng) khơng lớn hơn 40%, trong đó phụ gia đầy
khơng q 20%
5.
Phụ gia khống
- Khái niệm:

o Là vật liệu vơ cơ (thiên nhiên hoặc nhân tạo)
o Pha vào xi măng ở dạng nghiền mịn để xi măng đạt được chỉ tiêu chất lượng u
cầu
o Khơng gây ảnh hưởng xấu đến tính chất của xi măng, bê tông và cốt thép
- Phân loại:
o Phụ gia đầy
o Phụ gia khống hoạt tính
5.1. Phụ gia đầy
- Là phụ gia khoáng pha vào xi măng ở dạng nghiền mịn
- Khơng tham gia vào q trình thủy hóa
- Vai trị: Điền đầy lỗ trống giữa các hạt xi măng → Cải thiện thành phần cỡ hạt và cấu
trúc đá xi măng
5.2. Phụ gia khống hoạt tính
- Là phụ gia khoáng được đưa vào xi măng ở dạng nghiền mịn
- Tham gia vào q trình thủy hóa
- Có
o Tính chất thủy lực: có các hợp chất khống mà chúng có thể phản ứng với nước để tạo ra sản
phẩm thủy hóa có tính chất kết dính.
Vd: Tro bay loại C (thành phần chính: Al2O3, SiO2 và 1 lượng đáng kể CaO)

o

-

SiO2 + CaO + H2O = C – S – H
Al2O3 + CaO + H2O = C – A – H
→ Để tro bay ở môi trường ẩm 1 thời gian thì các oxit bị thủy hóa, làm cho bị đóng rắn.
Hoặc tính chất puzolan: có chứa thành phần hoạt tính Al2O3, SiO2 mà chúng phản ứng với
Ca(OH)2 tạo thành các sản phẩm thủy hóa có tính kết dính C-S-H và C-A-H.

Phân loại:
o Thiên nhiên: Đá bazan, diatomit, metakaolinit
o Nhân tạo: tro bay (mịn), tro đáy, xỉ hạt lò cao (giống hạt cát nhưng sắc cạnh)
6.
Phụ gia công nghệ
- Là phụ gia được đưa vào trong quá trình nghiền xi măng để cải thiện q trình cơng nghệ,
tính chất của xi măng
6.1. Phụ gia trợ nghiền
- Là phụ gia cơng nghệ được đưa vào trong q trình nghiền xi măng
- Nhằm cải thiện quá trình nghiền → Giảm năng lượng bề mặt của các hạt xi măng →
Giảm co cụm, vón cục
6.2. Phụ gia kị ẩm
- Là phụ gia cơng nghệ được đưa vào trong q trình nghiền xi măng


Tạo thành màng bao quanh hạt xi măng → Giảm tính hút ẩm của xi măng → Kéo dài thơi
fgian bảo quản xi măng
7.
Phân loại
7.1. Theo cường độ nén
o Xi măng mác cao: từ 50MPa trở lên
o Xi măng mác trung bình: từ 30MPa → dưới 50MPa (PCB 30, PCB 40)
o Xi măng mác cao: dưới 30MPa
7.2. Theo thời gian đơng kết của xi măng
7.3. Theo tốc độ đóng rắn
7.4. Theo thành phần xi măng
o Xi măng Pooclang (PC)
o Xi măng Pooclang hỗn hợp (PCB) – khi thêm phụ gia khống
▪ Xi măng Pooclang đá vơi (PCBLS): chỉ sử dụng phụ gia khống đá vơi
▪ Xi măng Pooclang puzolan (PCBPZ): phụ gia khống là phụ gia hoạt tính

puzolan
▪ Xi măng Pooclang tro bay (PCBFA): phụ gia khoáng là tro bay
▪ Xi măng Pooclang xỉ lị cao (PCBBFS): phụ gia khống là xỉ lị cao
7.5. Theo tính chất đặc biệt của xi măng
- Xi măng Pooclang/Pooclang hỗn hợp bền sunfat
- Xi măng Pooclang/Pooclang hỗn hợp ít tỏa nhiệt
7.6. Theo lĩnh vực sử dụng
-

CÁC LOẠI KHOÁNG TRONG CLANKE XI MĂNG POOCLANG

II.
1.

Thành phần khống
1.1. C3S (Alit)
- Cơng thức hóa học: 3CaO.SiO2
- Hàm lượng trong clanke xi măng Pooclang: ~45-70%
- Nhiệt độ thay đổi (chuyển hóa các dạng):
1930°𝐶

𝑅𝑙ỏ𝑛𝑔 ↔

1070°𝐶

𝑅𝑟ắ𝑛 ↔

1060°𝐶

𝑀3 𝑟ắ𝑛 ↔

990°𝐶

𝑀2 𝑟ắ𝑛 ↔

980°𝐶

𝑀1 𝑟ắ𝑛 ↔

920°𝐶

𝑇3 𝑟ắ𝑛 ↔

620°𝐶

𝑇2 𝑟ắ𝑛 ↔

𝑇1 𝑟ắ𝑛

- Là khống khó nóng chảy
- Đặc tính tinh thể trong clanke cơng nghiệp sau làm nguội (trước khi đem nghiền thành
xi măng):
o Cấu trúc tinh thể: M1 hoặc M3 hoặc hỗn hợp
o Hình dạng: lăng trụ tam giác (hoặc giả lục giác)
o Kích thước: 10-25𝜇m (có thể thơ hơn, 50-60𝜇m)
Lưu ở trong lị lâu ở nhệt độ cao → Quá trình lưu của tinh thể tăng → Liên kết
nhiều → Kích thước tăng
Hạt kích thước lớn → Hồn thiện hơn so với hạt nhỏ; Khó hoạt tính vơi snuowsc
hơn → Khơng được ưu tiên
- Khối lượng riêng: 3.15 g/cm3

- C3S tinh khiết kém bền ở nhiệt độ thường → Giảm cường độ của xi măng → Bị phân
hủy thành C2S và CaO tự do


- C3S trong clanke xi măng pooclang công nghiệp:
o Là dung dịch rắn
o Chứa một lượng nhỏ (3-4%) nguyên tố ngoại lai (Al, Fe, Mg, Cr, Ti, S, P, Ba,
Mn, Na, K) có trong nguyên liệu, nằm xem kẽ trong mạng lưới tinh thể
o Bền hơn nhiệt độ thường
o Thường gọi là khống Alit
- Các tính chất liên quan đến sự thủy hóa:
o Tỏa nhiều nhiệt khi thủy hóa → Muốn giảm nhiệt thủy hóa thì cần giảm lượng
C3 S
o Đóng rắn nhanh
o Cường độ tuổi sớm (q trình đóng rắn, tiến độ thi công) và tuổi muộn (khả năng
chịu lực của bê tông sau này) cao
o Kém bền trong môi trường xâm thực
1.2. C2S (Belit)
- CTHH: 2CaO.SiO2
- Chiếm 15 – 20% khối lượng clanke
- Nhiệt độ thay đổi
2130°𝐶

𝛼𝑙ỏ𝑛𝑔 ↔

1425°𝐶

𝛼𝑟ắ𝑛 ↔

830°𝐶

𝛼 ′ 𝑟ắ𝑛 ↔

675°𝐶

𝛽𝑟ắ𝑛 ↔

𝛾𝑟ắ𝑛

βrắn (có khả năng kết dính) – dạng thù hình mong muốn
γrắn (khơng có khả năng kết dính → hiện tượng tả − vỡ vụn thành những hạt nhỏ)

- Là khống khó nóng chảy trong 4 khoáng của clanke
- Khối lượng riêng tùy thuộc vào dạng thù hình:
- Các đặc tính trong clanke:
o Các dạng thù hình: 𝛽 (có thể thêm 𝛾)
o Hình dạng: trịn
o Kích thước: 25 – 40 𝜇m
- Giữ 𝜷 không để chuyển sang 𝜸: làm lạnh nhanh
o Quá trình chuyển đổi chưa kịp xảy ra → Khơng xuất hiện thù hình khơng mong
muốn
o Bề mặt bên ngoài co lại → Cản trở q trình chuyển đổi (điều kiện nở thể tích)
- Các tính chất liên quan đến sự thủy hóa:
o Tỏa nhiệt ít nhất (so vơi s3 khống cịn lại)khi thủy hóa
o Đóng rắn chậm
o Cường độ tuổi sớm thấp nhưng cường độ tuổi muộn cao
o Bền trong mơi trng xâm thực
1.3. C3A
- CTHH: 3CaO.Al2O3
- Chiếm ~5-10%

- Trong clanke công nghiệp (phần có màu xám trắng khi sử dụng kính hiển vi quan sát)


-

1.4.
-

-

1.5.
-

-

1.6.

o Là hỗn hợp dung dịch rắn của cá khoáng C – A với tỷ lệ C : A khác nhau (C3A,
C5A3, C12A7, ..., CA2, CA6).
o Khoáng C3A giữ vai trị chủ đạo
Nhiệt độ nóng chảy = 1280°C, là khoảng dễ nóng chảy trong 4 khống của clanke
(cùng với C4AF) → Hỗ trợ cho quá trình nung → Tăng khả năng kết khối
Cấu trúc: Cubic (lập phương) và Orthorhombic
Tính chất liên quan tới sự thủy hóa:
o Tỏa nhiều nhiệt khi thủy hóa
o Đóng rắn nhnah (nhưng lại đóng rắn nhanh quá → cần sử dụng thạch cao để hãm
lại)
o Cường dộ tuổi sớm cao (khi có mặt thạch cao)
o Kém bền (nhất) trong mơi trường sunfat (so với 3 khống còn lại) → thường giảm
tối đa lượng C3A

C4AF
CTHH: 4CaO.Al2O3.Fe2O3
Chiếm ~5-15% khối lượng clanke
Trong clanke:
o Là hỗn hợp dung dịch rắn của cá khoáng C – A – F với tỷ lệ C : A : F khác nhau
(C8A2F, C6A2F, C4AF, ..., C8AF2).
o Khống C4AF giữ vai trị chủ đạo
Nhiệt độ nóng chảy = 1250°C, là khoảng dễ nóng chảy trong 4 khoáng của clanke
(cùng với C3A) → Hỗ trợ cho quá trình nung → Tăng khả năng kết khối
Cấu trúc: Orthorhombic
Các tính chất liên quan đến sự thủy hóa:
o Đóng rắn chậm hơn C3A rất nhiều
o Cường độ tuổi thấp
o Tóa ít nhiệt khi thủy hóa và bền trong mơi trường sunfat hơn so với C3A
Các khoáng chứa kiềm
2 khoáng chủ yếu: KC33S12 và NC8A3
K + 12C2S → KC33S12 + Ctự do
N + 3C3A → NC8A3 + Ctự do
Tính chất liên quan sự thủy hóa:
o KC33S12 đóng rắn chậm hơn C2S
o NC8A3 đóng rắn chậm hơn C3A
Các oxit tự do
a. CaO tự do
- Được khống chế dưới 2%
- Giúp clanke dễ nghiền hơn (CaO phản ứng với lượng ẩm bị hút vào → tạo
ứng suất nở → clanke dễ nứt → dễ nghiền)
- Tính chất liên quan đến sự thủy hóa:
o Hoạt tính thấp (trong q trình nung luyện, CaO bị già hóa, hồn thiện
cấu trúc)
o Tăng độ nở thể tích của xi măng

o Cường độ thấp
b. MgO tự do
Thường dưới 3%
Một số tính chất liên quan sự thủy hóa
o Hoạt tính thấp, thấp hơn CaO tự do
o Tăng độ nở thể tích của xi măng
o Cường độ thấp
Cần được hạn chế tối đa có thể
2. Thành phần pha
2.1. Pha tinh thể
- Hàm lượng ~85 – 95%
- Chứa các khoáng: C3S, C2S, C3A, C4AF, CaO tự do, MgO tự do
2.2. Pha thủy tinh
- Hàm lượng: ~5-15%
- Thành phần: SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, oxit kiềm
- Càng làm lạnh nhanh → Lượng pha thủy tinh tăng lên
- Hoạt tính thủy hóa cao hơn pha tinh thể
3. Thành phần hóa
- Thành phần chính: CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 (~95-97%)
- Oxit khác: MgO, K2O, Na2O, Cr2O3, P2O5, TiO2, SO3 (~3-5%)
a.
SiO2
~17-26%
Vai trò trong nung clanke
o SiO2 tham gia tạo 2 khoáng silicat (C3S và C2S)
o Khi tăng hàm lượng SiO2 → Tăng hàm lượng C3S và C2S → Giảm hàm lượng
C3A và C4AF
Ảnh hưởng đến quá trình nung clanke:

o Tăng hàm lượng SiO2 → Phối liệu khó nung do hàm lượng C3A và C4AF (khoáng
trợ nung) giảm
o Thường phải tăng nhiệt độ nung hoặc kéo dài thời gian nung
o Tiêu tốn nhiên liệu và có thể làm giảm tuổi thọ lò.
b. Al2O3
~4-10%
Vai trò trong nung clanke:
o Al2O3 tham gia tạo 2 khoáng aluminat C3A và C4AF
o Tăng hàm lượng Al2O3 → tăng hàm lượng C3A
Ảnh hưởng đến quá trình nung clanke:
o Tăng hàm lượng Al2O3
▪ Làm tăng lượng pha lỏng; Tăng khả năng kết khối có mặt pha lỏng tạo
C3 S
▪ Tăng độ nhớt pha lỏng nóng chảy → Giảm khả năng kết khối tạo C3S
→ Tăng khả năng vê viên clanke (kích thức viên clanke tăng)



c.

d.

Fe2O3 (Nguồn cung cấp: Quặng sắt)
Hàm lượng trong clanke: ~ 0.1 – 5%
Vai trị:
o Tham gia tạo khống C4AF (khống nóng chảy)
o Tăng hàm lượng Fe2O3 đến q trình nung clanke

CaO (do đá vôi mang vào)

e.

Các oxit khác
i. MgO (do đá vơi mang vào)

-

Vai trị trong nung luyện clanke:
o Đóng vai trị như chất trợ dung, có khả năng làm giảm nhiệt độ nóng chảy
(giảm nhiệt độ etecty) của các khống clanke.
o Do đó có thể làm giảm nhiệt độ nung, giảm tiêu tốn nhiên liệu.
ii. Oxit kiềm (Na2O, K2O - do đất sét mang vào)


iii. SO3 (do nguyên liệu mang vào)

4.

Các modun/hệ số công nghệ


4.1. Hệ số bão hịa vơi

4.2. Modun silic (MS)


4.3. Modun nhôm (MA)

III.

CHUẨN BỊ PHỐI LIỆU

1. Nguyên liệu và chuẩn bị nguyên liệu
Để sản xuất clanke cần những nguyên liệu gì?

→ Nguyên liệu cung cấp:


→ Cần dùng bao nhiêu nguyên liệu

a. Đá vôi


b. Đá sét

Tại sao phải khống chế hàm hượng kiềm?


c. Nguyên liệu giàu Silic

d. Nguyên liệu giàu Nhôm


e. Nguyên liệu giàu Sắt

Quá trình hình thành của đá vôi và đá sét:

2. Nhiên liệu và chuẩn bị nhiên liệu
2.1. Nhiên liệu



Dầu DO và dầu Mazut hay FO được sử dụng trong sản xuất xi măng

Ít chất bốc → Khó cháy hơn, thời gian cháy dài hơn.


Nhiên liệu lỏng có độ nhớt cao nên cần bộ phận hâm nóng

2.2. Chuẩn bị nhiên liệu


IV.

Chuẩn bị phối liệu
1. Mục đích và nguyên tắc

2. Các bước tính phối liệu