lò nung Sản xuất xi măng

Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
I.TỔNG QUÁT: 2
1.Qui trình sản xuất: 2
2.Thành phần nguyên liệu: 2
3.Thành phần khoáng: 3
II.CÁC HỆ KHOÁNG CHÍNH TRONG CLINKER XI MĂNG: 4
1.Hệ silicat canxi CaO- SiO2: 4
a.Canxi metasilicat CaO.SiO2: có 3 dạng: 4
b.Hợp chất 3CaO.2SiO2: 5
c.Orthosilicat 2CaO.SiO2: 5
d.Tricanxi silicat 3CaO.SiO2: 6
2.Hệ khoáng CaO-Al2O3: 7
3.Hệ khoáng CaO-Fe2O3: 7
4.Hệ khoáng CaO-Al2O3-Fe2O3: 8
5.Các hệ khác: 8
III.CÁC PHẢN ỨNG TRONG QUÁ TRÌNH NUNG: 9
1.Phân hủy các cấu tử nguyên liệu khi nung nóng: 9
2.Sự tạo thành các khoáng: 12
a.Nhiệt độ dưới 800oC: 12
b.Nhiệt độ 800- 900oC: 13
c.Nhiệt độ từ 900- 1100oC: 14
d.Nhiệt độ 1100- 1450oC: 15
e.Làm lạnh: 17
3.Phản ứng tạo C3S trong pha lỏng: 17
a.Sự hình thành pha lỏng: 17
b.Sự hình thành và kết tinh C3S: 18
IV.KẾT LUẬN: 20
TÀI LIỆU THAM KHẢO 21
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 1

Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
I.TỔNG QUÁT:
1.Qui trình sản xuất:
Xi măng Portland được tìm ra vào năm 1821, còn có tên là xi măng
silicat hay xi măng phổ thông. Đây là một loại chất kết dính rắn trong nước,
được sản xuất theo phương pháp nung hổn hợp đá vôi và đất sét đến nhiệt độ
nóng chảy thành clinker, rồi nghiền nhỏ với thạch cao.
Qui trình sản xuất xi măng gồm 3 giai đoạn chính:
1. Giai đoạn chuẩn bò nguyên liệu.
2. Giai đoạn nung tạo clinker.
3. Giai đoạn nghiền clinker.
Trong giai đoạn chuẩn bò nguyên liệu, tùy theo tính chất nguyên liệu và
lò nung mà người ta chọn phương pháp nghiền khô hay ướt. Sau khi tính tóan
phối liệu, các nguyên liệu được đưa vào nghiền nhỏ. Độ nghiền nhỏ càng cao,
các phản ứng trong quá trình nung càng tốt, càng nhanh, đỡ tốn nhiên liệu và
chất lượng xi măng được nâng cao.
Giai đoạn nung là quan trọng nhất. Có 2 loại lò: lò đứng và lò quay để
nung xi măng. Trong lò, hỗn hợp nguyên liệu trải qua các giai đoạn như: thoát
ẩm, gia nhiệt trước, phóng nhiệt, nung kết để tạo các khoáng chính trong xi
măng và làm nguội clinker.
Clinker sau nung được để khoảng 2 tuần để ổn đònh rồi đem nghiền. Xi
măng sau khi nghiền được đóng bao và xuất xûng.

2.Thành phần nguyên liệu:
Muốn đảm bảo chất lượng, thành phần hóa học của xi măng phải đạt các
tiêu chuẩn sau:
 Cao 63- 67%
 SiO
2
21- 24%

 Al
2
O
3
4- 7%
 Fe
2
O
3
2.5- 4%
Các oxyt tạp chất khác:
MgO < 5%
TiO
2
< 0.3%
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 2
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
Mn
2
O
3
< 1.5%
R
2
O < 1.5%
Những oxyt trong clinker đều ảnh hưởng đến thành phần khóang của
clinker và tính chất sử dụng của ximăng Portland. Thành phần hóa học chủ yếu
của phối liệu gồm 4 oxyt chính:
*Oxyt CaO: về cơ bản, nó phản ứng hết với các oxyt SiO
2

, Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
để tạo thành các khoáng chính trong clinker. Nếu hàm lïng CaO vừa phải, nó
phản ứng tạo thành khoáng C
3
S nhiều thì sẽ làm cho mác xi măng cao. Nếu
CaO dư, lại nằm tự do ở điều kiện nung nhiệt độ cao sẽ chuyển thành CaO quá
già, phản ứng với hydrat chậm. Sau khi ximăng đã đóng rắn thì mới phản ứng
với nùc tạo Ca(OH)
2
gây nở thể tích, phá vỡ cấu kiện xi măng. Xi măng có
nhiều CaO tự do sẽ kém bền.
*Oxyt SiO
2
: chủ yếu tác dụng với CaO để tạo thành khoáng silicat canxi
(C
2
S và C
3
S). Nếu quá nhiều SiO
2
thì lượng khoáng C
2
S tăng lên, xi măng đóng

rắn chậm nhưng thời gian dài nó phát triển cường độ và cũng đảm bảo mác xi
măng.
*Oxyt Al
2
O
3
: chủ yếu phản ứng với CaO và SiO
2
tạo thành khoáng họ
aluminat canxi và alumoferit canxi. Xi măng nhiều Al
2
O
3
ninh kết đóng rắn
nhanh nhưng kém bền trong môi trường sulfat và nước biển.
*Oxyt Fe
2
O
3
: làm giảm nhiệt độ tạo pha lỏng, phản ứng chủ yếu tạo
thành alumoferit canxi làm cho xi măng bền trong môi trường xâm thực của
nước biển và sulfat.
CaO chủ yếu do đá vôi cung cấp. Đá vôi có thành phần phải chứa 75-
100% CaCO
3
. Đất sét được dùng như nguồn nguyên liệu cung cấp SiO
2
, Al
2
O

3
,
Fe
2
O
3
. Nếu thiếu, ta dùng một số nguyên liệu khác để bổ sung. Dùng quặng
boxit để bổ sung Al
2
O
3
, còn quặng sắt để bổ sung lượng Fe
2
O
3
thiếu.
Ngoài ra còn có một số oxyt khác bò lẫn vào. MgO có trong đá vôi, hầu
hết thường nằm ở dạng tự do. Khi được nung ở nhiệt độ cao, MgO thủy hóa rất
chậm. Khi thủy hóa, MgO nở thể tích, gây nứt vỡ công trình. Còn các R
2
O do
đất sét đưa vào, khi ở nhiệt độ cao, một phần tan trong pha lỏng tạo thủy tinh
hay tham gia phản ứng tạo khóang chứa kiềm của C
3
A và C
2
S. Nếu clinker
nhiều kiềm làm cho xi măng giảm cường độ, gây không ổn đònh thể tích.
3.Thành phần khoáng:
Bốn oxyt chính tạo thành 2 loại khoáng chủ yếu trong clinker như sau:

HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 3
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
*Khoáng silicat canxi:
+Silicat tricanxi: (còn gọi là alit) 3CaO.SiO
2
viết tắt là C
3
S, chiếm
37- 60%.
+Silicat bicanxi (còn gọi là belit): 2CaO.SiO
2
viết tắt là C
2
S, chiếm
15- 37%.
*Khoáng aluminat canxi:
+Aluminat tricanxi: 3CaO.Al
2
O
3
viết tắt là C
3
A chiếm 10- 18%.
+Fero aluminat tetracanxi: (còn gọi là xelit) 4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O

3
viết
tắt là C
4
AF chiếm 7- 18%.
Tổng 4 loại khoáng chiếm 97%. Trong đó tổng khoáng silicat chiếm 75-
82%, tổng khoáng aluminat chiếm 18- 25%.
Với mục đích vận dụng của môn học “Hóa học chất rắn” nên tiểu luận
này tìm hiểu sâu về các phản ứng pha rắn trong quá trình nung clinker xi măng.
Như đã giới thiệu ở trên, quá trình nung là quá trình chính tạo nên các loại
khoáng trong clinker xi măng. Vì vậy, ta tìm hiểu kỹ hơn về các hệ khoáng có
thể tạo thành trong quá trình nung. Tính chất cũng như điều kiện tạo thành
chúng.
II.CÁC HỆ KHOÁNG CHÍNH TRONG CLINKER XI MĂNG:
1.Hệ silicat canxi CaO- SiO
2
:
Trong hệ này có 4 loại khoáng: (1) metasilicat CaO.SiO
2
; (2) hợp chất
3CaO.2SiO
2
; (3) orthosilicat 2CaO.SiO
2
; (4) hợp chất 3CaO.SiO
2
.
a.Canxi metasilicat CaO.SiO
2
: có 3 dạng:

α- CaO.SiO
2
, pseudowollastonit, là dạng hình thành ở nhiệt độ cao, có
cấu trúc tinh thể tam tà giả sáu phương. Dạng này rất hiếm trong tự nhiên.
β- CaO.SiO
2
, có 2 kiểu, là dạng hình thành ở nhiệt độ thấp. Wollastonit
có cấu trúc tam tà. Parawollastonit có cấu trúc đơn tà.
Dạng α- CaO.SiO
2
có được khi làm kết tinh hỗn hợp lỏng của đá vôi và
silicat với đúng tỷ lệ đó. nó cũng được tạo thành khi đun nóng 2 dạng nhiệt độ
thấp kia lên trên 1125
0
, sự biến đổi diễn ra với sự hấp thu nhiệt và không có sự
thay đổi thể tích. Cả 3 dạng có tỷ trọng khoảng 2,90.
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 4
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
b.Hợp chất 3CaO.2SiO
2
:
Có tên gọi rankinit, là hợp chất không bền. Quá trình chảy lỏng không
bảo toàn, phân tách thành 2CaO.SiO
2
và pha lỏng ở 1464
0
. Có cấu trúc dạng
đơn tà. Hợp chất này ít có trong thành phần của clinker xi măng.
c.Orthosilicat 2CaO.SiO
2

:
Có trong thành phần clinker xi măng và trong xỉ lò. Nóng chảy ở nhiệt độ
2130
0
, tồn tại ở 4 dạng.
α- 2CaO.SiO
2
tạo thành bền vững ở nhiệt độ 1420- 1447
0
, có cấu trúc sáu
phương. Khi làm nguội, nó biến đổi thuận nghòch thành dạng α’. Tỷ trọng
khoảng 3,04.
α’-2CaO.SiO
2
là bredigit, có cấu trúc tà phương, được tạo thành trong
khoảng nhiệt độ từ 800- 1447
0
. Khi làm nguội lâu dài ở nhiệt độ 650- 670
0
, nó
sẽ biến đổi thuận nghòch thành dạng β. Tỷ trọng khoảng 3,40.
β-2CaO.SiO
2
, là larnit, cấu trúc đơn tà, không tạo thành từ sự đun nóng
dạng γ mà do sự làm nguội ở 650- 670
0
của dạng α’ tạo thành. Khi làm nguội
khoáng tinh khiết β ở 520
0
, nó sẽ biến đổi thành dạng γ. Sự biến đổi này trải

dài trong khoảng nhiệt độ rộng.
γ-2CaO.SiO
2
còn gọi là belit, cấu trúc tà phương. Được tạo thành từ phản
ứng giữa đá vôi và cát ở 1600
0
. Trong quá trình nung thì chủ yếu tạo thành do
sự biến đổi của dạng α, α’ tạo thành. Tỷ trọng khoảng 2,97.
Dạng γ có tỷ trọng thấp hơn rất nhiều so với các dạng α, α’ và β. Khi làm
nguội, các dạng α, α’ và β không bền, chuyển về dạng γ bền hơn, sẽ làm tăng
thể tích lên khoảng 10%. Sự tăng thể tích lan rộng, nhưng không đồng thời sẽ
gây ra ứng suất giữa các phần, phá vỡ mạng tinh thể, kết quả là làm cho
clinker tả thành bột mòn. mà theo thuyết hóa học tinh thể, các dạng α, α’ và β
lại có ái lực mạnh với nước, tính ninh kết đóng rắn cao hơn nhiều so với dạng γ.
Như vậy, phải giữ sự tồn tại của các khoáng đó. Để ổn đònh chúng, người ta
phải làm nguội với tốc độ nhanh qua vùng nhiệt độ nguy hiểm để chúng không
kòp biến đổi.
Ngoài ra, còn có phương pháp về hoá học tinh thể. Tạo điều kiện để
trong khoáng clinker có mặt pha lỏng sẽ bao thành một màng xung quang
khoáng C
2
S ở nhiệt độ cao, khi làm nguội, màng đó cứng chắc,sẽ ngăn chặn
không cho biến đổi thành γ. Thực chất là dùng phụ gia ổn đònh là các oxyt xâm
nhập vào mạng lưới C
2
S ở nhiệt độ cao tạo dung dòch rắn ổn đònh. Các phụ gia
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 5
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
ổn đònh hiệu quả nhất là 0,1% B
2

O
3
; 1% Cr
2
O
3
hoặc 3CaO.P
2
O
5
. Những loại
này rất hiệu quả trong việc ngăn sự biến đổi β thành γ. Để ổn đònh α thì cần
34% 3CaO.P
2
O
5
, còn dạng α’ thì cần khoảng 15%. Ngoài ra, còn dùng nhiều
loại oxyt khác, chúng cũng làm giảm nhiệt độ hình thành của các dạng khoáng
này.
d.Tricanxi silicat 3CaO.SiO
2
:
Gọi chung là khoáng alit. Đây là khoáng cơ bản trong clinker xi măng, nó
tạo cho xi măng Portland có cường độ cao và đóng rắn nhanh. Tạo thành do
phản ứng giữa CaO và 2CaO.SiO
2
ở nhiệt độ từ 1250- 1900
0
. Trên khoảng nhiệt
độ này, nó không phân ly thành CaO và 2CaO.SiO

2
,nhưng khi nóng chảy lại
phân hủy thành CaO và pha lỏng. Dưới nhiệt độ 1250
0
, C
3
S không bền, sẽ phân
hủy chậm thành CaO và 2CaO.SiO
2
.
C
3
S tồn tại ở một số dạng: 3 dạng tam tà (T
1
, T
11
, T
111
), 2 dạng đơn tà (M
1
,
M
11
) và dạng mặt thoi ở nhiệt độ cao. Sự khác nhau giữa chúng chỉ là cân bằng
tạo thành. chuỗi biến đổi của chúng là:
RMMTTT  → → → → →
00000
1050
11
990

1
980
111
920
11
600
1
Alit trong xi măng thường là dạng đơn tà, ít thấy dạng tam tà hay mặt
thoi.
Khi ở nồng độ 2% MgO, ion Mg
2+
sẽ thay thế Ca
2+
trong mạng tại nhiệt
độ 1500
0
C. Dạng đơn tà của C
3
S sẽ ổn đònh tại nhiệt độ thường khi có mặt
khoảng 1,5% MgO. Còn với giới hạn 0,9% trọng lượng Al
2
O
3
, sẽ có sự thay thế:
++
⇔
43
34 SiAl
với sự cân bằng điện tích. Chính sự có mặt của Al sẽ làm cho
dạng tam tà ổn đònh tại nhiệt độ phòng. Khi có mặt cả MgO và Al

2
O
3
thì chỉ
cần 1% MgO để làm ổn đònh dạng đơn tà.
Theo nhiều nhà khoa học, thành phần cấu trúc của alit tan lẫn rất nhiều
oxyt, tỷ lệ dao động khá lớn:
 CaO= 70,9- 73,1%
 SiO
2
= 25,63-23,39%
 Al
2
O
3
=0,7- 1,94%
 Fe
2
O
3
= 0,35- 1,36%
 MgO= 0,23- 1,1
 TiO
2
= 0,05- 0,27%
Trong xi măng, C
3
S không tồn tại một mình mà còn cùng với các oxyt
khác. Chính các oxyt này ảnh hưởng lên tính ổn đònh của nó. Một số oxyt
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 6

Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
thường thấy như MgO, Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
. Các oxyt này tạo thành dung dòch rắn nên
khi làm nguội, tạo lớp vỏ rắn bao quanh C
3
S, ngăn cản sự phân hủy cũng như
biến đổi của nó.
2.Hệ khoáng CaO-Al
2
O
3
:
Có 4 dạng khoáng ổn đònh: 3CaO.Al
2
O
3
; CaO.Al
2
O
3
; CaO.2Al
2
O

3
;
CaO.6Al
2
O
3
. Các dạng này đều nóng chảy không bảo toàn.
Dạng CaO.Al
2
O
3
(CA) tại nhiệt độ nóng chảy 1600
0
, phân hủy thành CA
2
và hỗn hợp lỏng. Cấu trúc thường là tinh thể đơn tà, đôi khi lại có dấu hiệu
giống như giả sáu phương. Tỷ trọng 2,98 và độ cứng 6,5.
Dạng CaO.2Al
2
O
3
(CA
2
) tại nhiệt độ nóng chảy 1762
0
, phân hủy thành
CA
6
và hỗn hợp lỏng. Cấu trúc thường là tinh thể đơn tà. Tỷ trọng 2,86.
Dạng 3CaO.Al

2
O
3
(C
3
A) không ổn đònh tại nhiệt độ nóng chảy 1539
0
,
phân hủy thành CaO và hỗn hợp lỏng có thành phần trọng lượng: CaO 57,2;
Al
2
O
3
42,8. Đó chính là nguyên nhân phải ủ hổn hợp có thành phần C
3
A tại
nhiệt độ 1365
0
trong nhiều giờ. Dạng này có nhiều trong xi măng. Có cấu trúc
cubic hoặc isometric. Độ cứng 6 và tỷ trọng là 3,04.
Ngoài các dạng bền trên, còn có dạng C
5
A
3
có nhiều trong xi măng.
Khoáng C
5
A
3
có 2 dạng thù hình là C

12
A
7
và C
9
A
5
.
Với hệ khoáng aluminat này, trong xi măng có 2 khoáng có nhiều là C
3
A
và C
4
AF.
3.Hệ khoáng CaO-Fe
2
O
3
:
Có 3 loại khoáng ferit canxi được tạo thành: C
2
F, CF và CF
2
.
C
2
F nóng chảy ở 1450
0
C. Điểm eutectic giữa C
2

F và CaO nằm ở nhiệt độ
1480
0
C, rất sát với thành phần của C
2
F. Trong clinker xi măng portland pha
ferit một hoặc hai canxi không tồn tại mà mà nằm trong C
6
AF
2
-C
2
F.
CF phân hủy ở nhiệt độ 1216
0
C tạo C
2
F và pha lỏng. Nó cũng có thể hình
thành bằng cách nung nóng hỗn hợp CaCO
3
và Fe
2
O
3
ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt
độ nóng chảy.
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 7
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
CF
2

chỉ bền ở nhiệt độ 1155- 1226
0
C và là pha ban đầu tạo pha lỏng với
thành phần 19-20% CaO. Ở 1226
0
, CF
2
phân tách thành hematit (α Fe
2
O
3
) và
pha lỏng, ở 1155
0
thì cho hematit và CF.
Nung phối liệu ở 800
0
C hình thành CaO.Fe
2
O
3
, và ở 900- 1000
0
C xuất
hiện2CaO.Fe
2
O
3
. sự xuất hiện của CF
2

tăng nhanh tốc độ tạo thành pherit
canxi.
4.Hệ khoáng CaO-Al
2
O
3
-Fe
2
O
3
:
Thành phần alumo ferit canxi là dung dòch rắn tạo nên pha trung gian
C
6
A
2
F, C
4
AF, CAF. Thành phần chủ yếu thấy trong xi măng là C
4
AF, nóng
chảy ở 1415
0
.
Hệ khoáng này là một hệ đặc biệt trong clinker ximăng, có những cân
bằng pha phức tạp giữa 3 cấu tử. Một số tài liệu xem xét khoáng C
4
AF như là
một dạng đặc biệt của hệ khoáng CaO-Al
2

O
3
.
5.Các hệ khác:
Trong clinker, khi làm lạnh nhanh, pha lỏng có thể tạo thành pha thủy
tinh. Thành phần pha thủy tinh phụ thuộc vào tốc độ làm lạnh cũng như tỷ lệ
các cấu tử khi có mặt các oxit tham gia tạo thủy tinh và độ nhớt pha lỏng….
Khác với thủy tinh thông thường, trong thủy tinh clinker ít có SiO
2
hơn, có sự
hoà tan kiềm, Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
và cả MgO. Lượng pha thủy tinh trong clinker
thường tối thiểu là 15%, tối đa tới 30%.
Trong clinker có các oxit kiềm nên có thể xảy ra hệ 3 cấu tử CaO-Na
2
O-
Al
2
O
3
hoặc CaO-K
2
O-Al

2
O
3
. Trong vùng nhiều CaO có thể tạo thành hợp chất
bền vững 8CaO.Na
2
O.3Al
2
O
3
nhưng không tạo hợp chất ba bền vững tương tự
đối với K
2
O. Hợp chất CaO-Na
2
O-Al
2
O
3
có thể xảy ra thay thế Ca với Al, Na
với Si. Nếu pha lỏng chứa CaSO
4
sẽ xảy ra phản ứng phân hủy hợp chất trên để
tạo C
3
A và Na
2
SO
4
:

CaO-Na
2
O-Al
2
O
3
+ CaSO
4
 9C
3
A + Na
2
SO
4
Trong phối liệu clinker có thể chứa K
2
O, nó tác dụng vào mạng lưới
silicat, trong đó 12C
2
S có 1CaO bò thay thế bởi K
2
O.
12C
2
S  24CaO.2SiO
2
 K
2
O.23CaO.12SiO
2

.
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 8
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
Hợp chất 3 này rất bền khi tiếp xúc với C
3
A và C
4
AF. Tương tự, Na
2
O
thay thế cho 1CaO trong khoáng C
3
A.
3C
3
A  9CaO.3Al
2
O
3
 8CaO.Na
2
O.3Al
2
O
3
Các khoáng này chính là dạng ổn đònh khi có mặt K
2
O và Na
2
O.

Trong clinker, ngoài các thành phần nói trên còn có các MgO, CaO tự do.
Nếu có lẫn các Mn
2
O
3
, TiO
2
, P
2
O
5
và muối sulfat sẽ tạo nên các chất biến tính
khoáng clinker và tạo nên dung dòch rắn ổn đònh dạng thù hình của khoáng
clinker. Trong nghiên cứu, phát hiện thấy Mn
2
O
3
có thể tạo hợp chất ba, bốn
độc lập trong clinker như: 4CaO.Al
2
O
3
.Mn
2
O
3
; 4CaO.Al
2
O
3

.0,6Mn
2
O
3
.0,4Fe
2
O
3
;
3CaO.Mn
2
O
3
.
III.CÁC PHẢN ỨNG TRONG QUÁ TRÌNH NUNG:
Quá trình nung clinker xi măng xảy ra các phản úng chủ yếu sau:
1.Quá trình bốc hơi nùc tự do.
2.Quá trình giải phóng nước liên kết trong đất sét.
3.Sự phân hủy MgCO
3
.
4.Sự phân hủy CaCO
3
.
5.Sự kết hợp của đá vôi và đất sét.
Trong các quá trình trên, quá trình quan trọng nhất chính là quá trình 5.
Tuy nhiên, chúng ta vẫn phải xem xét một cách tương đối các quá trình liên
quan.
1.Phân hủy các cấu tử nguyên liệu khi nung nóng:
Khi nung carbonat xảy ra quá trình phân hủy nhiệt theo phản ứng sau

đây:
23
COMeOMeCO +⇔
Trong đó Me là Ca, Mg, Ba…. Đây là phản úng dò thể, nếu không hạn chế
bởi quá trình khuếch tán thì phản ứng trên xảy ra đơn thuần theo phản ứng hóa
học Tô-pô trong pha rắn. Thực chất phản ứng thuận nghòch và nếu khống chế
thỏa mãn các điều kiện phản ứng có thể xảy ra hoàn toàn. Phản ứng hoá học
Tô-pô có đường cong động học đặc trưng hình chữ S, còn tốc độ phản ứng ban
đầu phát triển mạnh qua trò số cực đại và cuối cùng trở về trò số không.
Thử tính thế hóa học cho phản ứng:
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 9
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
CaCO
3

CaO + CO
2
∆H
298
(kcal/mol)
-288,45 -94,052 -151,9
∆S
298
.10
3
(cal/mol)
22,2 51,06 9,5
a 24,98 10,55 11,67
b 5,24 2,16 1,08
c -6,20 -2,04 -1,56

Với ∆C
p
= a + b.10
-3
T + c.10
5
T
-2
(j/mol)
Τa tính được:
∆H
T
= 42,498 –2,76.10
-3
T –1.10
-6
T
2
–2,6.10
2
/T
∆S
T
= 38,36.10
-3
–2.10
-6
T –2,76.10
-3
ln(T) –1,3.10

2
/T
2
∆G
T
= 42,498 -41,12.10
-3
T +.10
-6
T
2
+2,76.10
-3
Tln(T) –1,3.10
2
/T
∆G
T
> 0 với mọi T. Như vậy phản ứng không thể tự xảy ra được mà phải
có sự tạo một điều kiện thích hợp cho phản ứng xảy ra.
Hằng số cân bằng tốc độ phản ứng:
2
3
2
CO
CaCO
CaOCO
p
P
P

P.P
K ==
Mà ta có phương trình Van’t Hoff:
p
KlnRTG −=∆
. Theo các phương
trình trên, để phản ứng có thể xảy ra thì
0
≤∆
G
hay
0≥
p
Kln
. Như vậy, khả
năng phân hủy CaCO
3
phụ thuộc nhiều vào áp suất hơi của CO
2
. Để phản ứng
có khả năng xảy ra, phải giảm đến mức tối thiểu hàm lượng CO
2
trong môi
trường lò nung, phải có sự thông khí tốt hay khống chế tác nhân sấy trong lò.
Với công thức tính ∆H trên của phản ứng, ∆H >0 với mọi giá trò T. Đây là
phản ứng thu nhiệt mạnh để phá vỡ cấu trúc, giải phóng CO
2
. Nhiệt lượng cung
cấp càng nhiều, phản ứng sẽ xảy ra càng mãnh liệt.Theo lý thuyết, CaCO
3

bắt
đầu phân hủy ở 600
0
C và mạnh nhất ở 900
0
C. Trong thực tế, phản ứng phân
hủy CaCO
3
bắt đầu ở nhiệt độ trên 600
0
nhưng rất chậm. Tốc độ phân hủy
mạnh rõ ràng nhất ở 750- 900
0
, và mãnh liệt trên 900
0
C.
Nếu không dùng đá vôi mà dùng đá dolomit thì phản ứng sẽ xảy ra 2 giai
đoạn: phân hủy tạo CaCO
3
, MgCO
3
và sự phân hủy của 2 chất này.
33
750
33
0
MgCOCaCOMgCO.CaCO + →
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 10
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
2

910
3
2
910
3
0
0
COMgOMgCO
COCaOCaCO
+ →
+ →
Cũng có tài liệu nói sự phân hủy của dolomit bắt đầu từ 25-427
0
C. Từ
427- 927
0
C thì có sự phân hủy MgCO
3
và trên 927
0
C thì dolomit phân hủy
hoàn toàn. Nhiệt động sự phân hủy MgCO
3
cũng tương tự như CaCO
3
.
∆H
T
= 28,108+–2,11.10
-3

T –4,95.10
-6
T
2
–0,64.10
2
/T
∆S
T
= 41,76.10
-3
–9,9.10
-6
T +2,11.10
-3
ln(T) –0,32.10
2
/T
2
∆G
T
= 28,108 -39,65.10
-3
T +4,95.10
-6
T
2
-2,11.10
-3
Tln(T) –0,32.10

2
/T
∆G>0 khi T >450
o
C và ∆H >0 với mọi T. Như vậy phản ứng chỉ có thể
xảy ra khi nhiệt độ lớn hơn 450
o
và trường hợp cung cấp nhiệt. Điều kiện cần
vẫn là phải khống chế hàm lượng khí CO
2
ở không gian lò tương tự như trên.
Khi nung các loại đất sét (khoáng sét), chúng sẽ bò phân hủy thành các
oxit đơn. Trong đất sét có rất nhiều loại khoáng, nhưng phổ biến là khoáng
kaolinit. Khoáng có công thức 2SiO
2
.Al
2
O
3
.2H
2
O. khoảng 500-600
0
C, khoáng
kaolinit mất nước. có 2 loại khoáng kaolinit: loại α dễ khử nước ở nhiệt độ
≈
400
0
C, còn loại khử nước chậm phải trên 400
0

C mới khử hết nước. Điều này là
do mối liên kết Al-OH khó bò phá vỡ tại những vò trí khác nhau. Tốc độ khử
nước của các khoáng kaolinit còn phụ thuộc vào tốc độ phân tán (hạt mòn dễ
khử nước hơn). Các phản ứng tách nước trong các khoáng của đất sét là phản
ứng thu nhiệt.
Có nhiều nghiên cứu để đưa ra các quá trình diễn biến của sự phân hủy
khoáng kaolinit trong quá trình nung. Có thể tạo trực tiếp các oxit tự do hoặc
thông qua các khoáng trung gian như metakaolinit, silimanit, mulit.
nit)(metakaoli
OHOAl.SiOOH.OAl.SiO
OHOAlSiOOH.OAl.SiO
23222322
23222322
2222
2222
+→
++→
) (silimanit
SiOOHOAl.SiOOH.OAl.SiO
223222322
222 ++→
322322
2322322
2322322
43223
2
OAlSiOOAl.SiO
SiOOAl.SiO)OAl.SiO(
SiOOAl.SiOOAl.SiO
+→

+→
+→
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 11
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
Các phản ứng đó xảy ra tại những nhiệt độ khác nhau, đan xen lẫn nhau.
Tóm lại có thể chấp nhận với sơ đồ sau:
)mulit(OAl.SiOSiOOAl.SiO
OAlSiOOAl.SiO OH.OAl.SiO
0
600-500
322
13001200
2322
1000
322
900
3222322
32
2222
00
0
 →+ →
+ → →
−
2.Sự tạo thành các khoáng:
a.Nhiệt độ dưới 800
o
C:
Trong khoảng nhiệt độ này, đã có xuất hiện các oxit CaO, Al
2

O
3
, SiO
2
và
Fe
2
O
3
tự do nên có những phản ứng giữa chúng để tạo nên các khoáng ban đầu.
Khoáng đầu tiên được tạo thành của hệ CaO-SiO
2
là khoáng C
2
S. Theo
một số tài liệu thì dạng tạo đầu tiên là α’-C
2
S. Khi nhiệt độ cao hơn, nó có thể
chuyển thành dạng γ-C
2
S.
CaO SiO
2
CS C
2
S C
3
S
∆H
298

(kj/mol)
-635,1 -910,84 -1635,1 -2307,5 -2931,3
∆S
298
(j/mol)
38,2 41,84 81,92 127,74 168,6
a 49,62 46,94 108,16 145,9 208,57
b 4,52 34,31 16,48 40,75 36,07
c -6,94 -11,3 -23,64 -26,19 -42,47
Phản ứng tạo C
2
S: 2CaO + SiO
2
-> 2CaO.SiO
2
có:
∆H
T
= -126,46-10,28.10
-3
T -1,3.10
-6
T
2
+1,01.10
2
/T (kj/mol)
∆S
T
= 9,5.10

-3
-0,128.10
-3
ln(T) -2,6.10
-6
T +0,505.10
2
/T
2
(kj/mol)
∆G
T
= -126,46 +9,22.10
-3
T +0,28.10
-3
Tln(T) +1,3.10
-6
T
2
+0,505.10
2
/T
(kj/mol)
Phản ứng có ∆G <0 với mọi T nên dễ dàng tự xảy ra. Đây là phản ứng
toả nhiệt. Sự tỏa nhiệt do tạo thành một cấu trúc mới.
Trong giai đoạn này cũng có sự hình thành CS. CS có thể hình thành từ
CaO và SiO
2
hay phản ứng giữa C

2
S và SiO
2
.
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 12
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
Phản ứng: C
2
S + SiO
2
-> 2 CS
∆H
T
= -51,86+23,48.10
-3
T -21,05.10
-6
T
2
+9,79.10
2
/T (kj/mol)
∆S
T
= -5,74.10
-3
+23,48.10
-3
ln(T) -42,1.10
-6

T +4,895.10
2
/T
2
(kj/mol)
∆G
T
= -51,86 +29,22.10
-3
T -23,48.10
-3
Tln(T) +21,05.10
-6
T
2
–4,895.10
2
/T
(kj/mol)
Dễ dàng thấy ∆G <0 với mọi T nên phản ứng cũng có khả năng tự xảy
ra. Đây cũng là phản ứng toả nhiệt.
Đối với phản ứng CaO + SiO
2
-> CaO.SiO
2
cũng có ∆G <0 với mọi T nên
cũng có khả năng tự xảy ra song với phản ứng tạo thành từ C
2
S. Sự tạo thành
CS có tốc độ thấp hơn sự tạo C

2
S nên chỉ có một lượng nhỏ CS có trong thành
phần clinker.
Cũng trong khoảng nhiệt độ này có sự tạo thành khoáng 2CaO.Fe
2
O
3
(C
2
F). Sau đó, ở nhiệt độ 900- 1000
o
C, là sự xuất hiện của CF.
CaO Fe
2
O
3
CF C
2
F
∆H
298
(kj/mol)
-635,1 -822,2 -1541,4 -2139,3
∆S
298
(j/mol)
38,2 87,4 145,35 188,78
a 49,62 98,28 138,70 183,3
b 4,52 77,82 82,34 86,86
c -6,94 -14,85 -21,8 -28,74

2CaO + Fe
2
O
3
-> 2CaO.Fe
2
O
3
∆H
T
= -46,9 -14,22.10
-3
T +1/T (kj/mol)
∆S
T
= 24,98.10
-3
-14,22.10
-3
ln(T) +0,5/T
2
(kj/mol)
∆G
T
= -46,9 -39,2.10
-3
T +14,22.10
-3
Tln(T) +0,5/T (kj/mol)
Phản ứng là tỏa nhiệt. Với ∆G

T
, ta thấy đựơc biểu thức này <0 khi nhiệt
độ <550
o
C. Như vậy, sự tạo khoáng C
2
F chỉ có khả năng tự xảy ra trong khoảng
nhiệt độ <550
0
. Khoáng tạo thành với những CaO tạo thành ngay từ đầu.
b.Nhiệt độ 800- 900
o
C:
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 13
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
Trong khoảng nhiệt độ này là sự hình thành của 12CaO.7Al
2
O
3
. Chúng
tạo thành trực tiếp từ CaO và Al
2
O
3
.
12CaO + 7Al
2
O
3
-> 12CaO.7Al

2
O
3
∆H
T
= -234,3 -137,18.10
-3
T +68,605.10
-6
T –97,33.10
2
/T (kj/mol)
∆S
T
= 229,86.10
-3
-137,18.10
-3
ln(T) +137,21.10
-6
T -48,665.10
2
/T
2
(kj/mol)
∆G
T
= -234,3 -367,04.10
-3
T-137,18 10

-3
Tln(T) -68,605.10
-6
T
2
48,665.10
2
/T (kj/mol)
Phản ứng có ∆G >0 với mọi T nên có khả năng xảy ra. Đây là phản ứng
tỏa nhiệt mạnh. Theo tài liệu, sự hình thành hợp chất này còn kéo dài đến
1100
o
C. . Đây được xem như là hợp chất trung gian của các khoáng hệ CaO-Al-
2
O
3
.
c.Nhiệt độ từ 900- 1100
o
C:
Trong khoảng nhiệt độ 950- 1000
0
C, khoáng metakaolinit tạo thành từ
các oxit hoạt tính Al
2
O
3
và SiO
2
.

Al
2
O
3
+ SiO
2
-> Al
2
O
3
.SiO
2

Từ các thông số nhiệt động tra sổ tay và các bảng tra, ta tính được:
∆H
T
= -1846,54+100,803.10
-3
T +29,929.10
-6
T
2
–26,218.10
2
/T (kj/mol)
∆S
T
= 87,11.10
-3
+100,803.10

-3
ln(T) +51,857.10
-6
T –13,109.10
2
/T
2
(kj/mol)
∆G
T
= -1846,108 +13,693.10
-3
T -100,803.10
-3
Tln(T) -29,929.10
-6
T
2
–
13,109.10
2
/T (kj/mol)
Trong phản ứng trên, ∆G <0 với mọi T, phản ứng có thể tự xảy ra. Phản
ứng toả nhiệt mạnh do tạo một cấu trúc mới.
Cũng theo một số tài liệu, trong khoảng nhiệt độ này, có sự hình thành
và phân hủy C
2
AS. C
2
AS (gehlenite) được hình thành ở 900

o
C, nhưng đến
1100
o
C thì bò phân hủy. Khoáng này có được khi nung kaolin và đá vôi. Hợp
chất muối đôi spurrit, C
2
S.CaCO
3
có thể là dạng pha tạm thời, được tìm thấy
trong clinker.
Khoáng C
2
F hình thành ở khoảng 800
o
C, nhưng phải đến 900- 1000
o
thì
khoáng CF mới tạo thành. Nó được tạo từ CaO và Fe
2
O
3
.
CaO + Fe
2
O
3
-> CaO.Fe
2
O

3
(CF)
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 14
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
∆H
T
= -84,1 -9,2.10
-3
T +1/T (kj/mol)
∆S
T
= 19,9.10
-3
-9,2.10
-3
ln(T) +0,5/T
2
(kj/mol)
∆G
T
= -46,9 -39,2.10
-3
T +9,2.10
-3
Tln(T) +0,5/T (kj/mol)
Phản ứng là tỏa nhiệt. Với ∆G
T
, ta thấy đựơc biểu thức này <0 khi nhiệt
độ <1330
o

C. Như vậy, sự tạo khoáng CF chỉ có khả năng tự xảy ra trong
khoảng nhiệt độ <1300
0
. Điều này là hợp lý, vì theo lý thuyết, CF phân hủy ở
nhiệt độ 1216
0
C tạo C
2
F và pha lỏng.
Từ nhiệt độ > 1100
o
C, khoáng trung gian C
12
A
7
bắt đầu phân hủy thành
C
3
A và CA.
2C
12
A
7
-> 5C
3
A

+ 9CA
∆H
T

= -15,2 -244,88.10
-3
T -113,92.10
-6
T
2
+88,21.10
2
/T (kj/mol)
∆S
T
= 27,21.10
-3
-244,88.10
-3
ln(T) -227,84.10
-6
T +44,105.10
2
/T
2
(kj/mol)
∆G
T
= -234,3 -272,09.10
-3
T-137,18 10
-3
Tln(T) -113,92.10
-6

T
2
+44,105.10
2
/T (kj/mol)
Đây cũng là phản ứng tỏa nhiệt. ∆G <0 với mọi T nên có khả năng tự
xảy ra cao.
Cũng trong khoảng nhiệt độ này, toàn bộ CaCO
3
đã được phân hủy thành
CaO, hàm lượng CaO lúc này đạt cực đại. CaO.Fe
2
O
3
và CaO.Al
2
O
3
bão hòa
CaO tạo thành 4 CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3
và 5CaO.3Al
2
O

3
.
CF + CA + 2CaO -> C
4
AF
Cũng có thể xảy ra phản ứng: CF + C
3
A -> C
4
AF
Phản ứng này cũng có thể xảy ra do hàm lượng C
3
A lúc này cũng nhiều.
Từ 5CaO.3Al
2
O
3
là chất kém bền tạo bò phân hủy thành 3CaO.Al
2
O
3
còn CaO
tự do sinh thành sẽ chuẩn bò cho quá trình tạo C
3
S sau này.
d.Nhiệt độ 1100- 1450
o
C:
Trong giai đoạn này tiếp tục các phản ứng hình thành các khoáng chính.
Toàn bộ Al

2
O
3
, Fe
2
O
3
phản ứng hết tạo thành 3CaO.Al
2
O
3
và
4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3
. Sự hình thành C
4
AF tăng mạnh trong khoảng nhiệt độ 1100-
1250
o
C. Còn toàn bộ SiO
2
phản ứng hết với CaO tạo thành C
2
S. Ở gần cuối giai

đoạn này, trong clinker là hỗn hợp của các khoáng C
2
S, C
3
A, C
4
AF, C
12
A
7
và
CaO tự do.
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 15
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
Nếu hệ chỉ gồm 2 cấu tử CaO- SiO
2
thì điểm nóng chảy ở nhiệt độ rất
cao. Tuy nhiên clinker là hỗn hợp của nhiều cấu tử nên điểm nóng chảy
eutecti ở nhiệt độ thấp hơn rất nhiều hệ 2 cấu tử. Clinker là hệ của 4 cấu tử
chính CaO-SiO
2
-Al
2
O
3
-Fe
2
O
3
. Theo tài liệu, 4 cấu tử này tùy thành phần mà có

thể tạo nhiều hệ có điểm nóng chảy eutecti khác nhau. Trong đó có hệ C
2
S-
C
3
A-C
12
A
7
-C
4
AF và hệ C
2
S-C
12
A
7
-C
4
AF có điểm nóng chảy là 1280
o
C.
Nhiệt độ 1280
o
C được xem là nhiệt độ bắt đầu xuất hiện pha lỏng trong
hệ.
Nhiệt độ càng tăng cao, pha lỏng xuất hiện ngày càng nhiều. Các hệ cấu
tử đều đã đạt tới nhiệt độ nóng chảy eutecti. Một số hệ như:
Hệ
Nhiệt độ nóng

chảy (
o
C)
C
2
S-C
3
A-C
12
A
7
-C
4
AF 1280
C
2
S-C
12
A
7
-C
4
AF 1280
CaO-C
3
S-C
3
A-C
4
AF 1341

C
3
S-C
2
S-C
3
A-C
4
AF 1338
C
2
S-C
4
AF 1350
C
3
S-C
3
A-C
4
AF 1347
Khi có mặt của các oxit Na
2
O, K
2
O thì pha lỏng sẽ xuất hiện ngay ở
những nhiệt độ thấp hơn nhiều, theo tài liệu thì trong khoảng 600- 800
o
C đã có.
Nhưng do hàm lượng chúng thấp nên pha lỏng hình thành không đáng kể.

Chúng chỉ tạo nên các tâm pha lỏng, giúp cho sự tạo pha lỏng sau này, đẩy
mạnh hơn các phản ứng pha rắn. Sự có mặt của chúng cùng với các oxit CaO,
Al
2
O
3
, SiO
2
, Fe
2
O
3
làm cho nhiệt độ tạo pha lỏng giảm đi.
Ví dụ: khi thành phần Na
2
O 1%; CaO 48%; Al
2
O
3
31%; Fe
2
O
3
13,5%;
SiO
2
6,5% thì nhiệt độ nóng chảy là 1310
o
C.
Khi xuất hiện pha lỏng, hiện tượng kết khối với sự có mặt pha lỏng bắt

đầu. Dấu hiệu của sự kết khối là giảm độ xốp và tăng mật độ (khối lượng
riêng) của sản phẩm nung, tăng khả năng tiếp xúc của các hạt cấu tử riêng biệt
và các tập hợp hạt phối liệu. Trong lúc này, một trong những phản ứng quan
trọng chính là sự hình thành của khoáng C
3
S, một trong những khoáng quan
trọng của clinker.
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 16
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
Khoáng C
3
S trong clinker cơ bản được hình thành nhờ có sự hòa tan trong
pha lỏng.
C
2
S + CaO -> C
3
S
Sự kết hợp của C
2
S và CaO xảy ra trong dôn phản ứng của thiết bò. CaO
phải tan hoàn toàn trong pha lỏng, còn C
2
S chỉ tan một phần. Sự chuyển CaO
vào pha lỏng là tính chất đặc trưng cho quá trình kết thúc việc tạo khóang
clinker. Chính vì đây là phản ứng khá quan trọng nên chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ
hơn quá trình xảy ra của nó ở phần sau.
e.Làm lạnh:
Chế độ làm lạnh clinker ảnh hưởng đến hàm lượng các khóang trong đó.
Ví dụ: Nếu tôi trực tiếp pha lỏng clinker từ nhiệt độ 1900

o
C thì hàm
lượng C
3
S đạt cực đại là 74%. Nhưng nếu giới hạn làm lạnh từ 1600-1400
o
C thì
hàm lượng C
3
S chỉ xoay quanh giới hạn 62- 63%.
Sở dó như vậy là do trước khi kết tinh, có xuất hiện những hợp chất có
năng lượng mạng lưới tinh thể lớn. Nếu làm lạnh nhanh, tinh thể sẽ giữ nguyên
cấu trúc hiện có. Nếu chế độ làm nguội chậm, sẽ có sự thay đổi cấu trúc để đạt
năng lượng mạng lưới tinh thể nhỏ hơn.
Từ 1450- 1300
o
C, là quá trình tái kết tinh và kết tinh trong pha lỏng của
C
3
S và C
2
S. Quá trình tạo khóang clinker kết thúc, có 4 khóang chính C
3
S, C
2
S,
C
3
A, C
4

AF và pha lỏng làm lạnh thành pha thủy tinh. Clinker sau đó làm lạnh
giảm nhiệt độ từ 1350 đến 1100- 1200
o
C, tiếp tục vào vùng làm lạnh xuống còn
100
o
C.
3.Phản ứng tạo C
3
S trong pha lỏng:
a.Sự hình thành pha lỏng:
Nếu hệ 2 cấu tử CaO-SiO
2
thì điểm nóng chảy của hợp chất tạo thành sẽ
rất cao. Nếu ta đưa thêm cấu tử thứ ba, bốn, năm, sáu vào thì nhiệt độ nóng
chảy sẽ giảm đi rất nhiều.
Ở thời điểm nóng chảy, không chỉ có nguyên tử mà cả nhóm tập hợp của
chúng chuyển vào pha lỏng. Khi tăng nhiệt độ theo cách nung nóng, ta lại thấy
sự chuyển hóa từ trạng thái tinh thể sang trạng thái lỏng thông qua trạng thái
trung gian. Quá trình tăng nhiệt độ sẽ xảy ra sự biến đổi trạng thái mạng lưới
cấu trúc tinh thể vì lúc tăng nhiệt độ sẽ tăng biên độ dao động, tăng vận
chuyển nguyên tử để cuối cùng chúng tách khỏi tinh thể hay bò phá vỡ mối liên
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 17
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
kết. Khi nguyên tử bò tách ra làm cho tinh thể không còn giữ đïc sự cân đối
mà biến dạng sai khác so với ban đầu. Các nguyên tử tách ra tạo lỗ trống tích
điện, phát sinh lực đẩy với các tổ hợp ion. Hơn nữa, lực biến dạng mạng lưới
tinh thể góp phần tác động, làm cho vật chất biến mềm hay vô đònh hình hóa
(biến dần thành vật chất vô đònh hình theo quan điểm cấu trúc mạng lưới sắp
xếp vô trật tự).

Tùy theo mức độ phá vỡ liên kết nhanh hay chậm mà khả năng tạo nên
chất lỏng nóng chảy có cấu trúc khác nhau. Nếu phá vỡ cấu trúc thật nhanh thì
chuyển động hỗn lọan của các nhóm phân tử . Và tùy theo thành phần phối
liệu, loại cấu tử trong phối liệu mà sự chuyển hóa sản phẩm trạng thái rắn
thành hợp chất nóng chảy thông qua những khoảng biến mềm khác nhau.
Bản thân pha lỏng của clinker có cấu trúc phức tạp, độ nhớt, độ linh động
của những ion trong pha lỏng là những đại lượng thay đổi. Sự tổng hợp khóang
C
3
S lại phụ thuộc nhiều vào vào 2 yếu tố này.
Độ nhớt của của clinker bò giảm khi ta tăng độ linh động của ion trong
pha lỏng, tăng nhiệt độ của pha lỏng và khi pha lỏng đạt trạng thái của chất
lỏng thật. Những cation biến tính làm đứt mạng xích của mối liên kết silic-oxy
cũng làm giảm độ nhớt của pha lỏng clinker.
Tốc độ xáo trộn đều ion trong pha lỏng phụ thuộc vào độ bền vững của
mối liên kết cation với oxy, tỷ trọng pha lỏng, kích thước của ion. Quá trình
khuếch tán của ion được đặc trưng bởi số lượng chuyển ion và khả năng phân
cực của ion. Độ linh động cũng liên quan đến hệ số khuếch tán. Hệ số khuếch
tán phụ thuộc vào độ nhớt và nhiệt độ trong pha lỏng.
Chỉ tiêu quan trọng của pha lỏng clinker là sức căng bề mặt. Có những
loại oxyt không có hoạt tính bề mặt (như SiO
2
, TiO
2
, Al
2
O
3
, MgO, CaO, SrO,
BaO, MnO, FeO, Na

2
O,…) và oxyt có hoạt tính bề mặt (như SO
3
, Cr
2
O
3
, V
2
O
5
,
…). Ngoài ra, có những oxyt trung gian giữa các họat tính bề mặt và không có
họat tính: P
2
O
5
, B
2
O
3
, K
2
O. Các oxyt không họat động bề mặt do năng lượng
liên kết lớn, được giữ chặt bên trong thể tích chất lỏng. Đối với các oxyt có
họat tính và oxyt trung gian thì chúng tập trung ngay trên lớp bề mặt làm giảm
sức căng bề mặt của pha lỏng.
b.Sự hình thành và kết tinh C
3
S:

Do sự phân tích trên rõ ràng yếu tố quan trọng tạo thành C
3
S trước hết là
pha lỏng có độ nhớt giảm, sức căng bề mặt nhỏ, độ linh động hay khả năng
thấm ướt cao, sau đó là yếu tố độ linh động của ion Ca
++
trong pha lỏng (hay
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 18
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
khả năng chuyển động của ion cao). Từ đó, tạo điều kiện dòch chuyển bao xung
quanh và tiếp xúc với C
2
S phân tán trong pha lỏng để tạo C
3
S.
Khoáng C
3
S trong clinker cơ bản được hình thành nhờ có sự hòa tan trong
pha lỏng.
C
2
S + CaO -> C
3
S
Sự kết hợp của C
2
S và CaO xảy ra trong dôn phản ứng của thiết bò. CaO
phải tan hoàn toàn trong pha lỏng, còn C
2
S chỉ tan một phần. Sự chuyển CaO

vào pha lỏng là tính chất đặc trưng cho quá trình kết thúc việc tạo khóang
clinker.
Ion Ca
2+
, O
2-
, Si
4+
có độ linh động đủ lớn và có sự chuyển động va đập
tích cực có hiệu quả dẫn đến tạo thành ion tương ứng thành phần của khóang
alit. Alit tạo thành ngay trong pha lỏng, hầu như không tan trong pha lỏng ở
điều kiện nhiệt độ đã cho so với các pha khác trong pha lỏng. Chính vì vậy alit
sẽ tách khỏi pha lỏng, kết tinh nằm trong pha lỏng.
Sự kết tinh của pha lỏng clinker bắt đầu ngay ở những chỗ có sự bão hòa
bởi những mầm pha mới tạo thành trong pha lỏng- tâm kết tinh của pha mới.
Tiếp theo là quá trình phát triển kích thước của tinh thể.
Sự hình thành tinh thể phụ thuộc vào thành phần và nhiệt độ của clinker.
Tính không đồng nhất của sự hòa tan các cấu tử riêng biệt, tính không hòan
thiện của quá trình tạo pha lỏng làm xuất hiện những khu vực không bão hòa
nội tại. Sự xuất hiện tinh thể chỉ khi có sự bão hòa. Nhiệt độ không đồng đều
trong khối vật chất nung và sự vận chuyển vật chất duy trì từ vùng nhiệt độ cao
đến vùng nhiệt độ thấp. Trong điều kiện quá bão hòa tạo nên sự tập hợp có
đònh hướng, dẫn tới sự sắp xếp có “trật tự” của những mầm pha mới hình
thành.
Mặt khác sự hình thành pha rắn có mặt trong pha lỏng tạo điều kiện hình
thành nhiều trọng tâm kết tinh được chuẩn bò phân tán trong pha lỏng. Tâm kết
tinh của C
3
S chính là C
3

S đã đïc hình thành một lượng nhỏ nhờ phản ứng pha
rắn và C
2
S được tạo thành trước đó trong pha rắn. Khi có mặt pha lỏng, một
phần C
2
S tan trong pha lỏng và một phần khuếch tán phân tán đều trong pha
lỏng, đó chính là sự chuẩn bò tâm cho sự hình thành C
3
S và là tâm của sự kết
tinh của C
3
S. Đồng thời với quá trình này thì có sự hình thành mầm tinh thể của
các khoáng khác, có thể có thành phần hơi khác biệt nhưng vẫn tương tự về cấu
trúc vẫn như các cấu tử thành lập. Sự phát triển kích thước xảy ra mãnh liệt
trước hết phụ thuộc thành phần alit và khoảng giới hạn của nhiệt độ xác đònh.
Một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến sự phát triển kích thước tinh thể.
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 19
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
Ngoài các yếu tố nói trên, các điều kiện công nghệ cũng ảnh hưởng ít
nhiều để điều khiển sự tạo kết tinh có đònh hướng của những khoáng cơ ban3
C
2
S và C
3
S. Như:
-Sự hình thành C
2
S trong phối liệu. C
2

S phải có cấu trúc tơi xốp để dễ
tác dụng.
-Họ khoáng sét được sử dụng ban dầu.
-Độ phân tán mòn của các cấu tử ban đầu.
-Thời gian nung và chế độ nung.
-Thành phần pha lỏng.
Các yếu tố đó đồng thời ảnh hưởng, phối hợp nhau, tác động đến quá
trình hình thành các khoáng. Có thể diễn giải đơn giản như sau: Giả sử hai hạt
vật chất CaO và C
2
S là hai hình cầu, giữa chúng là cầu nối của pha lỏng
clinker.
Trên bề mặt CaO và C
2
S là pha lỏng. Hai bề mặt phân chia pha cách
nhau một khoảng δ. Giá trò δ phụ thuộc vào lượng pha lỏng. Các yếu tố sẽ anh
hưởng, làm cho δ này khi nào đạt giá trò thích hợp nhất thì quá trình tạo khoáng
sẽ hoàn chỉnh cà về kích thước lẫn hình dạng.
IV.KẾT LUẬN:
Quá trình sản xuất ximăng trải qua nhiều giai đoạn, trong đó giai đoạn
nung clinker đóng vai trò rất quan trọng. Giai đoạn này quyết đònh đến sự hình
thành các khoáng chất cần thiết của ximăng.
Trong giai đoạn nung clinker, các phản ứng chủ yếu xảy ra ở pha rắn như
phân hủy và tạo thành các khoáng. Các cấu tử trong hỗn hợp rất đa dạng,
chúng tạo nên nhưng hệ cấu tử khác nhau. Nắm vững và điều khiển được các
phản ứng xảy ra, hướng quá trình theo con đường tạo ra các khoáng cần thiết
C
2
S, C
3

S là nhiệm vụ của Hóa Học Chất Rắn.
HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 20
CaO C
2
S
δ
Tiểu luận Cao Học: Hóa Học Chất Rắn
Các phản ứng trong quá trình nung clinker chỉ là một trong những ví dụ
cũng như ứng dụng của Hóa Học Chất Rắn. Qua đó, có thể thấy được tầm quan
trọng của các phản ứng pha rắn trong đời sống của chúng ta.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.Nguyễn Thanh Lộc- Bài Giảng Vật Liệu Học Đại Cương- Đại Học Kỹ Thuật
TPHCM.
2.Nguyễn Đình Phổ- Bài Giảng Hóa Học Chất Rắn- Đại Học Bách Khoa
TPHCM.
3.Bùi Văn Chén- Kỹ Thuật sản xuất ximang Pooclăng và chất kết dính- Đại
học Bách Khoa Hà Nội- 1984.
4.F. M. Lea- The chemistry of cement anh concrete-1970.
5.Williamson- Solidification of Porlant cement- 1972.



HV: Lê Thò Hồng Nhan Trang 21