BÁO CÁO NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG XỈ HẠT LÒ CAO

Phần I

tổng quan tình hình
nghiên cứu và sử dụng xỉ hạt lò cao
1.1 Tình hình nghiên cứu và sử dụng xỉ hạt lò cao
1.1.1 Xỉ hạt lò cao
Xỉ gang thép là sản phẩm phụ thu đợc trong quá trình sản xuất
gang, thép. Các loại xỉ này khác nhau tùy thuộc vào nguồn quặng sắt,
chất lợng than, công nghệ luyện gang thép, công nghệ xử lý và thu hồi
xỉ. Xỉ gang (xỉ lò cao) đợc tạo ra trong quá trình sản xuất gang bằng
lò cao, xỉ thép đợc tạo ra trong quá trình sản xuất thép bằng lò
điện.
Theo số liệu thống kê [3], tại Nhật Bản lợng xỉ trung bình cho 1
tÊn gang lµ 290 kg/tÊn vµ cho 1 tÊn thÐp là 130kg/tấn. Tại Công ty
gang thép Thái Nguyên (TISCO), do trình độ công nghệ luyện và
nguồn quặng sắt cha ổn định nên lợng xỉ trung bình cho 1 tấn
gang vẫn ở mức cao, khoảng 300 340kg/tấn.
Xỉ lò cao đợc thu hồi từ xỉ nóng chẩy, đợc làm lạnh đột ngột từ
nhiệt độ khoảng 1400 15000C xuống 30 400C, bằng nớc hoặc bằng
không khí. Chất lợng xỉ và kích thớc hạt xỉ phụ thuộc vào tốc độ làm
lạnh và thời gian làm lạnh, phơng pháp làm lạnh, thành phần hóa học,
thành phần pha thủy tinh.
Xỉ hạt lò cao (Granulated Blast Furnace Slag GBFS) thu đợc khi
làm lạnh ®ét ngét xØ nãng chÈy b»ng c¸c tia níc ¸p lực cao, tạo ra các
hạt xỉ có kích thớc nhỏ, có khả năng hoạt tính cao hơn so với xỉ lò cao
đợc làm lạnh bằng không khí.
Quy trình sản xuất GBFS bằng nớc có áp lực nh sơ đồ hình
1.1.1.

1

1
1


Hình 1.1.1 Quy trình tạo hạt xỉ lò cao
Một số hình ảnh về xỉ nóng chẩy, xỉ hạt, thiết bị tạo hạt và
trạm nghiền xỉ tại Nhật Bản đợc thể hiện trong các hình từ hình
1.1.2 đến hình 1.1.6.

Hình 1.1.2 Dòng xỉ nóng chẩy thu đợc trong quá trình luyện gang

2

2
2


Hình 1.1.3 Xỉ đợc làm lạnh bằng không khí

3

3
3


Hình 1.1.4 Thiết bị làm lạnh, tạo hạt xỉ bằng nớc

Hình 1.1.5 GBFS thu đợc sau khi làm lạnh bằng níc

4

4
4


Hình 1.1.6 Trạm nghiền GBFS cho xi măng và bê tông
Một số hình ảnh về sản xuất GBFS tại Công ty gang thép Thái
Nguyên thể hiện trong các hình 1.1.7 và hình 1.1.8.

5

5
5


Hình 1.1.7 GBFS thu đợc sau quá trình tạo hạt Công ty gang thép Thái
Nguyên

Hình 1.1.8 BÃi chứa GBFS tại Công ty gang thép Thái Nguyên

6

6
6


1.1.2 Tình hình nghiên cứu, sử dụng GBFS cho xi măng
và bê tông
1.1.2.1 Trên thế giới
Trên thế giới, sự phát triển công nghiệp và năng lợng ngày càng

tăng dẫn tới tích tụ một khối lợng lớn các loại phế thải công nghiệp,
đặc biệt là phế thải ngành công nghiệp luyện gang, thép và nhiệt
điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Hàng năm, trên thế giới có khoảng 800 triệu tấn xỉ lò cao và xỉ
nhiệt điện đợc thải ra trong quá trình sản xuất. Đối với các nớc có
nguồn phế thải tro, xỉ lớn, nhất là các nớc phát triển, việc tận dụng các
phế thải trở nên vô cùng cấp thiết. Tái sử dụng phế thải làm nguyên
liệu thay thế cho các ngành công nghiệp khác nhằm giảm ô nhiễm
môi trờng, khắc phục những khó khăn về nguyên liệu, tiết kiệm tài
nguyên thiên nhiên, giảm bớt chi phí năng lợng trong sản xuất. Mặt
khác, phế thải đợc tái sử dụng sẽ làm giảm chi phí cho việc tích chứa
và bảo quản chúng trong các bÃi thải.
Ngành sản xuất vật liệu xây dựng là ngành công nghiệp sử
dụng khá nhiều tài nguyên thiên nhiên và có điều kiện để sử dụng
phế thải của ngành khác làm nguyên liệu thay thế. Việc nghiên cứu sử
dụng các phế thải của các ngành công nghiệp vào sản xuất vật liệu
xây dựng, trong đó có xỉ lò cao và tro xỉ nhiệt điện, đà đợc các nhà
nghiên cứu và sản xuất quan tâm từ rất sớm. Trên thế giới, xỉ lò cao đợc sử dụng để sản xuất rất nhiều vật liệu xây dựng nh vữa vôi xỉ, xi
măng xỉ, vật liệu làm đờng, vật liệu cách âm cách nhiệt, cốt liệu
cho bê tông, ngoài ra xỉ lò cao còn đợc sử dụng làm phân bón silicatcalci cho sản xuất nông nghiệp và thủy sản.
Tại Đức, năm 1739 ngời ta đà chế tạo vữa từ xỉ và hydroxit can
xi, năm 1865 xi măng vôi xỉ đợc sử dụng và đến năm 1892, lần đầu
xỉ lò cao đợc sử dụng để sản xuất xi măng poóclăng hỗn hợp. Tại Nhật
Bản, xi măng xỉ với hàm lợng 60 - 70% xỉ đợc bắt đầu sử dụng vào
năm 1910.
Vào những năm 80 thế kỷ 20, xỉ lò cao bắt đầu đợc sử dụng
để sản xuất xi măng tại xỉ tại Anh, Đức, Pháp và Châu Âu, lợng xi măng
xỉ trong thời gian này chiếm khoảng 20% sản lợng xi măng toàn Châu
Âu. Do nhận thấy các u điểm của xỉ lò cao cho sản xuất xi măng nên
nhu cầu sử dụng nó ngày càng tăng.

7

7
7


Ngày nay, xỉ lò cao đà đợc sử dụng ngày càng nhiều cho sản
xuất xi măng trên toàn thế giới. Tại Tây Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc và Đài
Loan, lợng xi măng xỉ chiếm khoảng 25%. Xu hớng sử dụng xi măng xỉ
đang ngày càng tăng tại Bắc Mỹ, Trung Quốc, Châu Phi. Các nớc Đông
Nam á nh Singapore, Malaysia, Philippin cũng đang sử dụng xỉ lò cao
cho sản xuất xi măng.
Nhật Bản là một trong các nớc sản xuất và sử dụng xỉ lò cao
nhiều nhất trên thế giới, tình hình sản xuất và sử dụng xỉ lò cao của
Nhật Bản trong mấy năm trở lại đây đợc đa ra trong bảng 1.1.1 [4].
Bảng 1.1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng xỉ lò cao tại Nhật Bản
(Đơn vị : nghìn tấn )
Lĩnh vực sử dụng

Nă
m

Loại
xỉ
(kiể
u
làm
lạnh
)

Sản lợng

Khí

6.551

Làm
đờng

Gi
a
cố
nề
n
đ
ất

3.98

406

4
199

Nớc

9

15.88

132

9
Tổn
g
Khí

Nớc

0

33

934

0

g
200

Khí

Thô

Mịn

1.98

0

1.982

163

30

10.0

2.18

12.24

55

8

3

1.34

12.0

2.18

14.22

0

6

0

0

37

8

5

6.625

3.96

702

1.67

0

1.677

16.87

128

1

878

235

240

163

908

269

566

21.9
18

198

27

1.03

10.8

2.38

13.20

1.29

6

8

20

6

6

3

67

1.74

12.4

2.38

14.88

8

6

6

0

97

6

3

6.202

3.72

30

750

1.38

0

1.385

27

334

198

1.32

217

183

6.93

244

517

0
197

23

16.7
41
23.6
74

22

318

5

6.44
8

20

1.14

10.3

2.75

13.13

1.63

1

4

87

0

7

5

8
8

14.9
93

67

3

6.92

3

4.09

177

326

7

23.49

17.09

34

Tổn
g

5

33

5

8

Tổng

4.11

1
Nớc

Xuất
khẩu

22.44

4
Tổn

Trong
nớc

2

8
200

Xi măng

Xây
dựn
g

Lĩn

Nông h
nghiệ vực
p
khá
c

Cốt liệu
cho bê
tông

177

162

16.6
32


Tổn
g
Khí

23.29

3.90

23

1.89

11.7

2.75

14.52

7

0

1

4

72

0

2

5.884

4.13

563

888

0

888

197

1.65

199

479

8
326

22

80
23

315

0
200

Nớc

2

107

1

Tổn
g
Khí

200

18.32

Nớc

3

33

1.37

9.96

4.08

14.04

2.10

9

8

3

5

8

5

4.23

33

1.94

10.8

4.08

14.93

5

7

9

1

51

5

6

6.041

4.27

13

536

903

0

903

9

5

80

19

8
Tổn
g

6.26
7

24.20

18.31

23.0

326

2.12

173

101

51
196

416

7
366

22

18.2

24.5
18

29

290

6.55
9

1.19

9.66

3.91

13.57

2.34

4

5

4

9

0

24.35

4.35

15

1.73

10.5

3.91

14.48

9

9

4

0

68

4

2

366

2.36

174

60

17.4
46

203

350

2

24.0
06

Qua số liệu trên cho thấy, Nhật Bản là một trong các nớc sản xuất
và sử dụng xỉ lò cao nhiều nhất thế giới, xỉ lò cao đợc sử dụng hầu
hết cho các lĩnh vực sản xuất khác nhau trong nớc, trong đó nhiều
nhất là cho sản xuất xi măng. Ngoài ra, một phần xỉ lò cao đợc xuất
khẩu ra nớc ngoài, chiếm khoảng 10 15% tổng sản lợng.
Mặc dù có nguồn gốc là một phế thải nhng xỉ lò cao đà trở
thành một loại hàng hóa có giá trị trao đổi trên thị trờng. Vào những
năm 90 thế kỷ 20, các giao dịch mua bán xỉ lò cao chỉ đợc thực hiện
trong các nớc có xỉ và trong khu vực Tây Âu. Tại Châu á, chỉ có các nớc Nhật Bản, Hàn Quốc và Đài Loan có giao dịch mua bán xỉ.
Đến nay, xỉ lò cao đà đợc giao dịch mua bán trên phạm vi toàn
thế giới với khối lợng lớn và xu hớng đang ngày càng gia tăng do các lợi
ích của việc dùng xỉ mang lại, nh tạo cho xi măng xỉ các tính năng u
việt (đa dạng chủng loại xi măng), tăng sản lợng xi măng, tiết kiệm tài
nguyên, giảm thiểu ô nhiễm môi trờng và tăng hiệu quả kinh tế kỹ
thuật của việc sử dụng xỉ lò cao và xi măng xỉ.

Tình hình giao dịch mua bán GBFS giữa các nớc và khu vực trên
thế giới trong năm 2004 [5] là khoảng 10,8 triệu tấn, số liệu đợc trình
bày trong bảng 1.1.2.
Bảng 1.1.2 Tình hình xuất nhập khẩu GBFS cao trên thế giới

9

9
9


Các nớc
xuất khẩu
(nghìn
tấn)

Các nớc nhập khẩu (nghìn tấn)
Bắc
Mỹ

Châu
Âu,
Châu
Phi

Pháp

400

600

Italia

900

600

100

500

250

150

Nhật Bản
Thổ
Kỳ

Châu
á,
Châu
úc

4.000

Nhĩ

Trung
và Nam

Mỹ

Các nớc
còn lại

1.000
1.600
800

750

Braxin

350

Các nớc khác

300

Tổng cộng

4.300

2.200

5.700
750

50

Đức

Tổng
cộng

50
400

750

300

100

250

950

2.900

350

1.050

10.800

Nh vậy, hiện nay Nhật Bản là quốc gia xuất khẩu GBFS lớn nhất
trên thế giới, GBFS Nhật Bản đợc xuất khẩu đi hầu hết các khu vực.
Trong quá trình mua bán, xỉ lò cao đợc vận chuyển bằng nhiều
phơng tiện khác nhau tùy theo khoảng cách giữa nguồn cung cấp và

nơi sử dụng. Khoảng các vận chuyển gần có thể sử dụng ô tô, khoảng
các xa hơn có thể vận chuyển bằng đờng thủy để giảm chi phí vận
chuyển. Việc vận chuyển xỉ lò cao giữa các nớc đợc thực hiện bằng
đờng biển. Xỉ lò cao đợc vận chuyển ở trạng thái rời, do xỉ luôn ở
trạng ẩm nên khi bốc dỡ, vận chuyển không hoặc ít phát sinh bụi,
không gây ảnh hởng đến môi trêng.
1.1.2.2 T¹i ViƯt Nam
T¹i ViƯt Nam, hiƯn nay chØ duy nhất Công ty gang thép Thái
Nguyên có nguồn xỉ thu hồi từ quá trình luyện gang thép. Tổng sản
lợng xỉ Thái Nguyên là khoảng trên 100.000 tấn/năm, trong đó có
khoảng 60.000 70.000 tấn là GBFS, còn lại là các loại xỉ cha hạt hóa
và xỉ thép. Trong tơng lai, một số cơ sở sản xuất gang lò cao, đặc
biệt là khu liên hợp sản xuất luyện gang, luyện và cán thép công suất
4,5 triệu tấn/năm ở Thạch Khê Hà Tĩnh đi vào hoạt động thì việc
10

10
10


đặt vấn đề sử dụng GBFS cho sản xuất xi măng ở nớc ta là việc làm
rất cần thiết và có ý nghĩa.
GBFS Thái Nguyên có hoạt tính tơng đối tốt, do đó đa số đợc sử
dụng làm phụ gia cho xi măng. Phần xỉ không đợc hạt hóa hoặc xỉ
thép, không dùng làm phụ gia cho xi măng vì có hoạt tính thủy lực
không cao, đợc dùng cho san lấp, làm đờng, làm vật liệu cách âm
cách nhiệt.
Tuy nhiên, mặc dù GBFS Thái Nguyên tơng đối tốt nhng chất lợng
cha ổn định và nói chung còn thấp so với chất lợng GBFS của các nớc
có ngành luyện kim phát triển. Nguyên nhân của tình trạng này là do

công suất lò luyện gang nhỏ, công nghệ lạc hậu dẫn đến chất lợng
đầu vào cũng nh chất lợng GBFS rất khó ổn định. Ngoài ra còn do
công nghệ làm lạnh tạo hạt, nghiền sàng cha đợc đầu t tốt nên cũng
dẫn đến chất lợng GBFS cha cao.
Tại Việt Nam, GBFS đợc coi là nguyên liệu tốt cho sản xuất xi
măng. Việc nghiên cứu sử dụng GBFS cho sản xuất xi măng đợc quan
tâm từ lâu, khoảng những năm 1970, tuy nhiên các nghiên cứu vẫn
cha đầy đủ, chỉ dừng lại ở mức thử nghiệm một số tỷ lệ pha vào xi
măng để đánh giá các tính chất thông thờng của xi măng. Cha có
công trình nghiên cứu nào thực hiện đầy đủ, có hệ thống về đặc
tính kỹ thuật và tính độc hại của GBFS, xi măng xỉ, đặc biệt là xi
măng có pha hàm lợng lớn GBFS, cha quan tâm khai thác các đặc tính
u việt của GBFS trong việc cải thiện tính chất của xi măng trong các
điều kiện sử dụng đặc biệt nh trong môi trờng sun phát, xâm thực
cũng nh các u điểm về khả năng hạn chế nhiệt thủy hóa và phản ứng
kiềm silíc.
Với thực trạng tình hình sản xuất và sử dụng hiện nay, sản lợng
GBFS của Công ty gang thép Thái Nguyên mới chỉ đáp ứng đợc nhu
cầu cho một số nhà máy xi măng lò đứng công suất nhỏ ở gần khu vực
tỉnh Thái Nguyên, không có khả năng đáp ứng cho nhu cầu sử dụng
GBFS của các công ty xi măng lớn trong nớc.
Một số công ty sản xuất xi măng lớn trong nớc đang có nhu cầu sử
dụng GBFS để sản xuất, mở rộng chủng loại xi măng. Trong giai đoạn
hiện nay, do nguồn GBFS trong nớc có sản lợng không lớn thì việc
nghiên cứu, đánh giá khả năng sử dơng ngn GBFS cđa níc ngoµi, cơ
thĨ lµ cđa NhËt Bản cho ngành công nghiệp sản xuất xi măng Việt
Nam là việc làm cần thiết, cần đợc xem xét đánh giá khách quan tất
cả các khía cạnh kỹ thuật, môi trờng, kinh tế. Đây cũng là tiền đề cho
11

11
11


việc sử dụng GBFS vào xi măng của nớc ta trong tơng lai khi sản lợng
GBFS trong nớc tăng cao.
1.1.2.3 Tình hình tiêu chuẩn hóa chất lợng GBFS và xi măng xỉ
Trên thế giới và Việt Nam, GBFS đợc coi là nguyên liệu tốt cho
ngành công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, đặc biệt là xi măng.
Cùng với việc sử dụng GBFS cho sản xuất xi măng thì công tác xây
dựng tiêu chuẩn hóa chất lợng GBFS và xi măng xỉ cũng đà đợc tiến
hành. ĐÃ có nhiều nớc ban hành tiêu chuẩn chất lợng GBFS và xi măng
xỉ, dới đây chỉ giới thiệu một số tiêu chuẩn của các nớc phát triển và
Việt Nam.
a) Tiêu chuẩn chất lợng GBFS
Trên thế giới, hiện nay có hai tiêu chuẩn đợc sử dụng nhiều nhất
để đánh giá chất lợng xỉ hạt lò cao nghiền mịn (GGBFS) là tiêu chuẩn
Nhật Bản JIS A6206:97 [6] và Mỹ ASTM C989-99 [7].
Các tiêu chuẩn này quy định các chỉ tiêu kỹ thuật của GGBFS sử
dụng cho sản xuất xi măng và bê tông. Một số quy định cơ bản về
chất lợng của GBFS nh trình bày trong bảng 1.1.3 và bảng 1.1.4.
Bảng 1.1.3 Yêu cầu kỹ thuật của GGBFS theo JIS A6206:97
ST
T

Đơn
vị

Chỉ tiêu kỹ thuật

g/c
m3

GGBFS

GGBFS

GGBFS

Loại
4000

Loại
6000

Loại
8000

2,8

2,8

2,8

từ 5000
- 7000

từ 7000
- 10000

1

Tỷ trọng, min

2

Độ mịn theo phơng pháp cm2/ tõ 3000
thÊm khÝ
g
- 5000

3

ChØ sè ho¹t tÝnh, min: Ti
7 ngày

%

55

75

95

%

75

95

105

Tuổi
28
ngày

%

95

105

105

Tuổi
91
ngày

12

4

Tỷ lệ giá trị độ chẩy của
vữa, min

%

95

90

85

5

Hàm lợng MgO, max

%

10

10

10

12
12


6

Hàm lợng SO3, max

%

4

4

4

7

Hàm lợng mất khi nung,
max

%

3

3

3

8

Hàm lợng ion Cl-, max

%

0,02

0,02

0,02

Ngoài các chỉ tiêu kỹ thuật trên, tiêu chuẩn JIS A6206:97 còn quy
định chỉ số bazơ cửa GBFS, đợc tính theo công thức:
b=

CaO + MgO +
Al2O3
SiO2


1,6

Trong đó: b là chỉ số bazơ
CaO là hàm lợng oxít canxi trong GBFS, %
MgO là hàm lợng oxít magie trong GBFS, %
SiO2 là hàm lợng oxít silic trong GBFS, %
Al2O3 là hàm lợng oxít nhôm trong GBFS, %

Bảng 1.1.4 Yêu cầu kỹ thuật của GGBFS theo ASTM C989-99

STT

1

Đơn
vị

Chỉ tiêu kỹ thuật

Mức quy định
Mác
80

Mác
120

Độ nghiền mịn:
Lợng sót trên sàng 45 àm,
max

%

20

Độ mịn theo phơng pháp cm2/
thấm khí
g
2

Hàm lợng khí trong vữa,
max

%

3

Chỉ số hoạt tính cờng độ,
min:

%

Chỉ số tuổi 7 ngày
Chỉ số tuổi 28 ngày

13

Mác
100

13
13

không quy định
12

-

75

95

75

95

115


4

Hàm lợng sulfide sulfur (S),
max

%

2,5

5

Hàm lợng sulfate, quy đổi
SO3, max

%

4,0

Nh vậy, tiêu chuẩn Nhật Bản đánh giá chất lợng GBFS nghiền
theo 3 loại độ mịn khác nhau là 4000, 6000 và 8000 cm2/g. Tiêu chuẩn
Mỹ chỉ đánh giá theo độ mịn trên sàng 45 àm và phân loại GBFS
nghiền thành 3 loại mác 80, 100 và 120 theo chỉ số hoạt tính cờng độ
với xi măng poóclăng. Các tiêu chuẩn này đều có quy định các chỉ
tiêu cơ lý và thành phần hóa học của một số oxít có hại trong GBFS.
Tiêu chuẩn Nhật Bản có quy định thêm chỉ số bazơ của GBFS.
Nớc ta đà ban hành tiêu chuẩn TCVN 4315-1986 [8] để đánh giá
chất lợng GBFS dùng cho xi măng, các chỉ tiêu chất lợng của GBFS nh
trong bảng 1.1.5.
Bảng 1.1.5 Yêu cầu kỹ thuật của GBFS theo TCVN 4315-1986
Mức quy định
STT
1

Chỉ tiêu kỹ thuật

Đơn vị

Hệ số chất lợng Kc,
min

Loại 1

Loại 2

1,7

1,4

2

Hàm lợng Al2O3, min

%

9

7

3

Hàm lợng MgO, max

%

10

12

4

Hàm lợng TiO2, max

%

3

3

5

Hàm lợng MnO, max

%

2

4

Hệ số chất lợng Kc đợc tính theo công thức:

Kc =

CaO + MgO +
Al2O3
SiO2 + TiO2

Trong đó: Kc là hệ số chất lợng

CaO là hàm lợng oxít canxi trong GBFS, %
MgO là hàm lợng oxít manhe trong GBFS, %
Al2O3 là hàm lợng oxít nhôm trong GBFS, %
14

14
14


SiO2 là hàm lợng oxít silic trong GBFS, %
TiO2 là hàm lợng oxít titan trong GBFS, %

Tiêu chuẩn GBFS của nớc ta chỉ quy định các chỉ tiêu chất lợng
theo thành phần hóa học, không quy định các chỉ tiêu cơ lý. Nh vậy
sẽ cha đánh giá đầy đủ các yêu tố ảnh hởng đến chất lợng GBFS, cần
phải xem xét và biên soạn lại.
b) Tiêu chuẩn chất lợng xi măng xỉ
Hiện nay, nhiều nớc trên thế giới đà sử dụng GBFS cho sản xuất xi
măng và ban hành tiêu chuẩn chất lợng của xi măng xỉ.
Dới đây giới thiệu một số tiêu chuẩn xi măng xỉ của các nớc phát
triển nh ASTM (Mỹ), EN (Châu Âu), JIS (Nhật Bản), và tiêu chuẩn Việt
Nam.
-

Tiêu chuẩn Mỹ, ASTM C595-00 [9]: chia xi măng xỉ thành 03 loại
+ Loại I(SM), hàm lợng GBFS sử dụng không lớn hơn 25%.
+ Loại IS, hàm lợng GBFS sử dụng từ 25% 70%.
+ Loại S, hàm lợng GBFS sử dụng lớn hơn 70%.
Yêu cầu kỹ thuật của xi măng xỉ theo ASTM C595-00 nh trong
bảng 1.1.6.

Bảng 1.1.6 Yêu cầu kỹ thuật của xi măng xỉ theo ASTM C595
Loại xi măng

Các chỉ tiêu kỹ thuật

I(MS), IS, IS(MS),
I(MP), IP IP(MS)

1. §é në autoclave, %, max
15

0,8
15
15

0,8

S
0,8


2. Thời gian
đông kết

Bắt đầu, không sớm
hơn, phút

45

45

45

Kết thúc, không muộn
hơn, giờ

7

7

7

12

12

12

3. Hàm lợng khí trong vữa, %, max
4. Cờng ®é nÐn

3 ngµy, min, MPa (psi)

-

7 ngµy, min, MPa (psi)

20(2900 18(2610) 5 (720)
)

28 ngày, min, MPa (psi)

25(3480 25(3620)11(1600
)
)

5. Nhiệt thuỷ
hoá

7 ngày, kJ/kg, max

290

290

-

28 ngày, kJ/kg, max

330

330

-

6. Độ nở thanh
vữa

14 ngày, %, max

0,02

0,02

0,02

8 tuần, %, max

0,06

0,06

0,06

-

0,1

-

7. Độ nở sun phát ở tuổi 180 ngày, %, max
-

13
11(1600)
(1890)

Tiêu chuẩn Châu Âu, EN-197 [10]: xi măng xỉ đợc chia thành 03 loại
+ CEM-II/A-S, hàm lợng GBFS sử dụng từ 6 20%.

+ CEM-II/B-S, hàm lợng GBFS sử dụng từ 21 35%.
+ CEM-III, là loại xi măng xỉ thông thờng, đợc chia làm 03 loại
theo tỷ lệ xỉ.
ã Loại CEM-III/A, hàm lợng GBFS sử dụng từ 36 60%.
ã Loại CEM-III/B, hàm lợng GBFS sử dụng từ 66 80%.
ã Loại CEM-III/C, hàm lợng GBFS sử dụng từ 81 95%.

Ngoài ra, ở Châu Âu còn có các loại xi măng CEMV/A và CEMV/B.
Những loại này có thể dùng pozzolan hoặc tro bay kết hợp với xi măng
xỉ. Theo tiêu chuẩn này, loại V/A cã chøa 18 – 30% xØ, lo¹i V/B cã chøa
31 – 50% xØ.

16

16
16


Thành phần xi măng xỉ theo phân loại trong tiêu chuẩn EN-197
nh bảng 1.1.7.

Bảng 1.1.7 Thành phần xi măng xỉ theo phân loại của EN-197
Thành phần và hàm lợng các cấu tử
trong xi măng, %
Phân
loại
chính

CEM I

Puzolan
Clanhk
e

Xỉ
lò
cao

K

S

P

Q

V

W

R

CEM I

95100

-

-

-

-

-

05

CEM II/AS

8094

6-20

-

-

-

-

05

6579

2135

-

-

-

-

05

CEM III/A

3564

3665

-

-

-

-

05

CEM III/B

2034

6680

-

-

-

-

05

CEM III/C

5-19

8195

-

-

-

-

05

CEM V/A

4064

1830

<---

1830

-->

-

05

CEM V/B

2038

3150

<---

3150

-->

-

05

Loại xi măng

OPC

Xi măng
CEM II poóclăng
CEM II/Bxỉ
S

CEM III

CEM V

-

Xi măng
xỉ

Tro bay

Xi măng
hỗn hợp

Chứ Ph
Tự
ụ
ĐÃ Chứa a
nhiê
nung silic đáv gia
n
ôi

Tiêu chuẩn Nhật Bản, JIS R 5211-97 [11]: xi măng xỉ đợc chia thành 03
loại

17

17
17


+ Loại A: hàm lợng GBFS sử dụng từ 15 - 30%, có tính chất và
phạm vi sử dụng tơng tự nh xi măng poóclăng thông thờng.
+ Loại B: hàm lợng GBFS sử dụng từ 30 - 60%, đợc sử dụng cho
những công trình xây dựng dân dụng.
+ Loại C: hàm lợng GBFS sử dụng từ 60 - 70%, đợc sử dụng cho
những công trình đặc biệt nh công trình thoát nớc, công
trình ngầm.
Hiện nay xi măng xỉ loại B đang đợc sử dụng chủ yếu ở Nhật
Bản. Yêu cầu kỹ thuật của xi măng xỉ theo tiêu chuẩn JIS R 5211-97
nh trong bảng 1.1.8.

Bảng 1.1.8 Yêu cầu kỹ thuật của xi măng xỉ theo JIS R 5211
Yêu cầu kỹ thuật

Loại A

Loại B

Loại C

1. Diện tích bề mặt (cm2/g), không nhỏ hơn

3000

3000

3000

2. Thời gian đông Bắt đầu, phút, không
kết
sớm hơn

60

60

60

10

10

10

12.5

10.0

7.5

22.5

17.5

15.0

42.5

42.5

40.0

4. Hàm lợng MgO, %, không lớn hơn

5,0

6,0

6,0

5. Hàm lợng SO3, %, không lớn hơn

3,5

4,0

4,5

6. Hàm lợng MKN, %, không lớn hơn

3,0

3,0

3,0

Kết thúc,
muộn hơn

giờ,

3. Cờng độ nén,
3 ngày
2
N/mm , không nhỏ
7 ngày
hơn
28 ngày

18

18
18

không


- Tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 4316-86 [12]: hàm lợng GBFS đa vào

xi măng poóclăng đợc tính theo chất lợng xØ, gåm hai tû lƯ GBFS
cho phÐp sư dơng:

+ Tõ 20 60% đối với GBFS loại 1
+ Từ 20 50% đối với GBFS loại 2
Yêu cầu kỹ thuật của xi măng xỉ theo tiêu chuẩn TCVN 4316-86
nh bảng 1.1.9.
Bảng 1.1.9 Yêu cầu kỹ thuật của xi măng xỉ theo TCVN 4316
Mác xi măng

Yêu cầu kỹ thuật

20

25

30

35

40

1. Cờng độ nén, N/mm2, không nhỏ
hơn

20

25

30

35

40

2. Cờng độ uốn, N/mm2, không nhỏ
hơn

3,5

4,5

5,5

6,0

6,5

3. Thời
gian
đông
kết

Bắt đầu, phút, không
sớm hơn

45

Kết thúc,
muộn hơn

10

giờ,

không

4. Độ ổn định thể tích, mm,
không lớn hơn

10

5. Độ mịn (trên sàng 0,08), %,
không lớn hơn

15

6. Hàm lợng MKN, %, không lớn hơn

5

7. Hàm lợng SO3, %, không lớn hơn

3

1.2 Cơ sở khoa học khi sử dụng GBFS cho xi măng và bê tông
Trên thế giới, GBFS đà đợc sử dụng từ lâu cho sản xuất xi măng
và bê tông, điều này thể hiện các đặc tính u việt của GBFS trong
việc cải thiện các tính chất của xi măng và bê tông. Để có cơ sở khoa
học và sử dụng hiệu quả GBFS trong xi măng và bê tông, cần phải hiểu
rõ bản chất cũng nh cơ chế tác dụng của GBFS với các thành phần
khoáng hóa của xi măng poóclăng và bê tông.
1.2.1 Thành phần hoá học của GBFS

19

19
19


Xỉ lò cao là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất gang, thành
phần hóa học của xỉ lò cao ở các nhà máy luyện gang không giống
nhau, chúng thay đổi phụ thuộc vào thành phần của quặng và các
chất trợ dung đa vào trong quá trình sản xuất nh: đá vôi, đô lô mít,
quặng mangan, thạch cao, ... Trong hầu hết các loại xỉ đều có chứa
các ôxít chính nh CaO, MgO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, các oxít này quyết
định tính chất thủy lực của xỉ. Ngoài ra còn một số oxít có hàm lợng
nhỏ nh TiO2, MnO, SO3, Na2O, K2O, V2O5, PbO, Cr2O5, ... có thể gây bất
lợi cho tính chất của xi măng do làm thay đổi cấu trúc khoáng thủy
hóa trong quá trình xi măng rắn chắc và có thể gây độc hại đến
môi trờng. Thành phần hoá học của một số loại xỉ thu đợc từ các phơng pháp nung luyện khác nhau nh trình bày trong bảng 1.2.1 [3].
Bảng 1.2.1 Thành phần hoá học của một số loại xỉ
Xỉ thép
Hàm lợng
các ôxít,
%

Xỉ lò
cao

SiO2

Lò điện hồ quang
Xỉ lò quay

Xỉ oxít

Xỉ đa
oxít

34

14

18

27

Al2O3

14

2

12

9

CaO

42

44

26

51

Fe2O3

1

18

21

2

MgO

7

6

5

7

S

1

0

0

1

MnO

0

5

8

1

1.2.2 Thành phần khoáng vật của GBFS
Trong thành phần xỉ có chứa cả các ôxít kiềm và ôxít axít,
mặt khác chúng đợc nung ở nhiệt độ cao nên có một số phản ứng tạo
khoáng xảy ra tơng tự nh các phản ứng tạo khoáng clanhke. Thành
phần khoáng của xỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học và điều kiện
làm nguội xỉ. Trong pha lỏng nóng chảy tồn tại các cation Ca 2+, Mg2+,
Fe2+, các anion ôxy, lu huỳnh và các anion tổng hợp tạo thành các
nhóm, khi nhiệt độ càng cao thì các nhóm này có cấu tạo càng đơn
giản. ở nhiệt độ cao nhất, trong xØ cã c¸c nhãm nh: [SiO4]-4, [Si2O7]-6.
20

20
20


Khi nhiệt độ giảm xuống, cấu tạo các nhóm trở nên phức tạp hơn, xuất

hiện các tổ hợp anion tạo thành các vòng kín dạng [Si 3O9]6-, tơng tự nh
các mạch vòng silicát liên tục dạng [SiO 2]n, giống nh các khung
alumôsilicát (arnoctite, nhefelin). Khi xỉ đợc làm nguội chậm, các
sunphít magiê, mangan sẽ tách ra. Các sản phẩm cuối cùng của quá
trình kết tinh cân bằng là: C2S, C3S2, CS, C2AS, CAS2 vµ tridimÝt. Khi
lµm nguéi nhanh, xØ cã xu hớng tạo thành các pha thủy tinh, tuy nhiên
trong xỉ vẫn chứa một lợng tinh thể nhất định.
Thành phần khoáng của xỉ và xi măng poóclăng trong biểu đồ 3
cÊu tư silicat CaO-Al2O3-SiO2 cđa Raukin [13] thĨ hiƯn trong hình 1.2.1
đà cho thấy rằng, vị trí của xỉ và xi măng poóclăng nằm gần nhau,
trên cùng một miền silicát. Sự khác nhau cơ bản là thành phần khoáng
của xi măng poóclăng chủ yếu là ở miền C3S còn thành phần khoáng
của xỉ chủ yếu là ở miền C2S.
Thành phần pha thủy tinh đóng vai trò chính tạo nên hoạt tính
thủy lực của xỉ, hàm lợng pha thủy tinh càng lớn thì hoạt tính thủy lực
của xỉ càng cao. Khi dòng xỉ nóng chẩy đợc làm lạnh nhanh bằng nớc
sẽ tạo ra chủ yếu là pha thủy tinh, hàm lợng các khoáng tinh thể silicat
ít nhất và xỉ có hoạt tÝnh thđy lùc tèt nhÊt.
1.2.3 Ho¹t tÝnh thđy lùc cđa GBFS
Hoạt tính thủy lực của GBFS là khả năng thủy hóa và tự đóng
rắn trong nớc ở điều kiện thờng nh xi măng poóclăng. Tuy nhiên, hoạt
tính thủy lực của GBFS cã tÝnh “lêi”, nghÜa lµ nÕu nhµo trén víi nớc xỉ
không hoặc ít có khả năng tự đóng rắn và phát triển cờng độ. Khi có
sự xúc tác của một hàm lợng kiềm nhỏ sẽ kích thích hoạt tính thủy lực,
GBFS có khả năng phát triển cờng độ nh xi măng poóclăng, sản phẩm
thủy hóa cuối cùng cũng là khoáng silicat canxi - CSH.
Các yếu tố ảnh hởng đến hoạt tính thủy lực của GBFS:
Có hai yếu tố cơ bản quyết định đến khả năng hoạt tính thủy
lực của GBFS.
Thứ nhất, là thành phần pha thủy tinh. Xỉ lò cao hạt hóa đợc làm

lạnh nhanh theo một quy trình công nghệ xác định nhằm mục đích
ngăn chặn sự tạo thành các chất trơ, cố định trạng thái hoạt tính của
các khoáng đà hình thành trong pha lỏng. Khi xỉ đợc làm nguội
nhanh, pha thủy tinh tạo thành nhiều sẽ có hoạt tính cao nhất, ngoài ra
do làm nguội nhanh pha C2S trong xỉ hạt đợc ổn định cũng sẽ làm
tăng hoạt tính của xỉ.
21

21
21


Thành phần pha thủy tinh còn phụ thuộc vào nhiệt độ hạt hóa
của xỉ. Các nghiên cứu của Liên Xô trớc đây cho thấy, nếu xỉ nóng
chẩy đợc hạt hóa từ nhiệt độ khoảng 1420 1460 oC sẽ cho hoạt tính
cao nhất. ở nhiệt độ này, trong xỉ bắt đầu xảy ra quá trình kết tinh
các tinh thể từ pha thđy tinh, cÊu tróc pha thđy tinh thay ®ỉi, mạng lới
thủy tinh đà có bị phá vỡ, pha mới cha kịp hình thành, lúc này xỉ nằm
ở trạng thái tựa nh không có cấu trúc. Đối với mỗi loại xỉ sẽ có một
nhiệt độ tạo hạt tối u đặc trng riêng. Phơng pháp tạo hạt cũng ảnh hởng đến hoạt tính của xỉ, xỉ đợc tạo hạt theo phơng pháp ớt và bán
khô có hoạt tính cao hơn xỉ tạo hạt khô. Xỉ đợc tạo hạt theo phơng
pháp ớt sẽ xốp và nhẹ hơn xỉ tạo hạt bán khô.
Thứ hai, là thành phần hóa học, thể hiện qua chỉ số kiềm tính.
Chỉ số kiềm tính đợc đánh giá thông qua tỷ lệ của hàm lợng các oxít
chính có trong GBFS là CaO, MgO, Al2O3, SiO2. GBFS có hàm lợng kiềm
cao khi hàm lợng các oxít (CaO + MgO) lớn hơn 45%, trung bình từ 20
45% và thấp từ 10 10%. Loại có hàm lợng (CaO + MgO) nhỏ hơn
10% đợc gọi là vật liệu có tính axít hoặc siêu axít. Thông thờng,
GBFS thuộc loại vật liệu có tính kiềm cao hoặc trung bình, tro xỉ
nhiệt điện có tÝnh kiỊm thÊp hc axÝt.

GBFS cã chØ sè kiỊm tÝnh càng cao thì hoạt tính thủy lực càng
tốt. Chỉ số kiềm tính có thể đợc xác định theo các công thức sau:
CaO + MgO
SiO2 +
Al2O3

1

Hoặc:
CaO + MgO +
Al2O3

1

SiO2

Trong đó: CaO là hàm lợng oxít canxi trong GBFS, %
MgO là hàm lợng oxít magie trong GBFS, %
SiO2 là hàm lợng oxít silic trong GBFS, %
Al2O3 là hàm lợng oxít nhôm trong GBFS, %

Tiêu chuẩn của Việt Nam và Nhật Bản cũng quy định một chỉ
tiêu đánh giá chất lợng GBFS sử dụng cho xi măng và bê tông theo chỉ
số kiềm.
Cơ sở hình thành hoạt tính thủy lực của GBFS:
22

22
22

+ Pha tinh thể đầu tiên làm cho GBFS có hoạt tính thủy lực là:
C2S. Khoáng này có khả năng thủy hóa và tự đóng rắn, thể hiện tính
kết dính ở nhiệt độ thờng.
+ Các khoáng giả volastonite (CS), anortite (CAS 2) cịng thĨ hiƯn
ho¹t tÝnh thđy lùc khi cã mặt Ca(OH)2.
+ Tuy nhiên, hàm lợng các khoáng tinh thể trong GBFS rất nhỏ,
thành phần chính của chúng là pha thủy tinh. Trong điều kiện thông
thờng, pha thủy tinh thể hiện hoạt tính thủy lực rất yếu. Tuy nhiên,
nếu đa vào GBFS một số hợp chất kiềm và sun phát, các hợp chất này
sẽ đánh thức hoạt tính thủy lực tiềm ẩn của chúng. Cơ chế kích thích
hoạt tính của các hợp chất này là do các hợp chất tấn công vào lớp màng
Si(OH)4 bao phủ trên bề mặt hạt xỉ, vừa tạo cơ hội cho nớc tiếp tục
thấm sâu vào bên trong, vừa tạo ra sản phẩm hyđrát mới. Các hợp chất
kích hoạt thờng dùng là: Ca(OH)2 cơ chế của xi măng poóclăng xỉ;
Ca(OH)2 + CaSO4.2H2O cơ chế của xi măng xỉ sun phát; NaOH cơ
chế của xi măng xỉ kiềm.
Trên cơ sở thành phần hoá học, khoáng và hoạt tính thuỷ lực của
xỉ cho thấy, GBFS có thành phần khoáng gần tơng tự nh clanhke xi
măng poóclăng, đồng thời do tiềm ẩn hoạt tính thuỷ lực yếu, khi ở
trong môi trờng thuỷ hoá của xi măng sẽ kích hoạt hoạt tính tiềm ẩn
tạo ra khoáng mới có tính chất kết dính.
Tuy cũng là sản phẩm silicat, nằm trong cùng miền với xi măng
poóclăng nhng sự thủy hóa của GBFS chậm hơn do các thành phần
hoạt tính trong GBFS phản ứng chậm với các thành phần kiềm tan và
Ca(OH)2 tạo ra trong quá trình thủy hóa xi măng. Các yếu tố môi trờng
thủy hóa nh nhiệt độ, áp suất, ... có liên quan nhiều đến sự hòa tan
kiềm trong xi măng sẽ tác động làm gia tăng tốc độ thủy hóa của
GBFS. Đó cũng là các nguyên nhân làm cho sự thủy hóa trong giai
đoạn đầu của GBFS thờng chậm hơn so với xi măng poóclăng, xi măng

có hàm lợng kiềm cao sẽ thúc đẩy sự đóng rắn ở tuổi ngắn ngày.
1.2.4. Đặc tính xi măng xỉ
1.2.4.1. Tính u việt về cờng độ
Xi măng xỉ là xi măng mà trong đó một phần xi măng poóclăng
đợc thay thế bằng GBFS nghiền mịn. GBFS nghiền trong xi măng xỉ
có hoạt tính thấp và đợc kích hoạt khi có môi trờng kiềm. ở nhiệt độ
dới 30oC, mức độ thủy hóa của xi măng xỉ chậm hơn mức độ thủy
hóa của xi măng pooclăng thông thờng. Vì vậy, ở độ tuổi ngắn ngày,
23

23
23


cờng độ của xi măng xỉ phát triển chậm hơn so với xi măng thông th ờng. Tuy nhiên, cờng độ này sẽ đạt và lớn hơn cờng độ của xi măng
poóclăng thông thờng ở độ tuổi dài hơn. Cờng độ của xi măng xỉ
chứa 50% xỉ lò cao ở tuổi 28 ngày với nhiệt độ dỡng hộ là 20oC sẽ đạt
tơng tự nh cờng độ của xi măng thông thờng. Nếu nhiệt độ lớn hơn
20oC, cờng độ của xi măng xỉ sẽ đạt tới cờng độ của xi măng pooclăng
sớm hơn. Hàm lợng xỉ trong xi măng xỉ càng lớn, sự phụ thuộc của tốc
độ phát triển cờng độ vào nhiệt độ môi trờng càng lớn.
Trong hệ xi măng xỉ nớc, xỉ tham gia vào quá trình thủy hóa,
đóng rắn và phát triển cờng độ, nh một thành phần tích cực. Xi
măng thuỷ hoá tạo ra sản phẩm phụ canxi hydroxit, các sản phẩm này
phản ứng với các cấu tử có trong xỉ tạo thành sản phảm có tính chất
kết dính làm tăng cờng độ của xi măng.
Trong xi măng, khoáng C3S là khoáng có đóng góp lớn nhất trong
việc hình thành cờng độ của đá xi măng khi đóng rắn. Khi hàm lợng
C3S trong xi măng càng cao thì thờng cờng độ của đá xi măng đặc
biệt là cờng độ ban đầu càng lớn, đồng thời khi thủy hóa nó cũng

thải ra môi trờng thuỷ hoá lợng Ca(OH)2 càng nhiều.
Có thể mô tả quá trình thủy hóa, đóng rắn của các khoáng
clanhke bằng các phơng trình hãa häc sau [14]:
2(3CaO.SiO2) + 5H2O = 3CaO.2SiO2.H2O + 3Ca(OH)2
(1)
Qu¸ trình thủy hóa và sản phẩm thuỷ hoá của khoáng C 2S tơng
tự nh khoáng C3S, nhng tốc độ thuỷ hoá chậm hơn nhiều và hàm lợng
Ca(OH)2 thải ra ít h¬n.
2(2CaO.SiO2) + 3H2O = 3,3CaO.2SiO 2.2,3H2O + 0,7Ca(OH)2
(2)
C3A thđy hãa theo phơng trình sau:
3CaO.Al2O3 + 6H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O
(3)
Khi
có
mặt
thạch
cao,
C 3A
hyđrát
tạo
thành
hyđrôsunphôaluminát canxi có công thức [3.CaO.Al2O3.3CaSO4.(30 ữ
32) H2O], có tên gọi là ettringít.
Trong điều kiện thuỷ hoá thông thờng của xi măng, C4AF thuỷ
hoá tạo thành các sản phẩm hyđrát tổng hợp chứa sunphát tơng tự nh
C3A.
24

24

24


3.CaO.Fe2O3.3CaSO4.
(30
3CaO.Fe2O3.CaSO4.12H2O (4)

ữ

32)

H 2O

;

3.CaO.Fe2O3.3CaSO4.
(30
3CaO.Fe2O3.CaSO4.12H2O (5)

ữ

32)

H 2O

;

Sản phẩm phụ trong quá trình thủy hoá xi măng sẽ phản ứng với
cấu tử của xỉ tạo thành sản phẩm có tính chất kết dính theo phơng
trình phản ứng sau:

3Ca(OH)2 + 2SiO2
(6)

(vôđịnhhình)

+ H 2O

= 3CaO.2SiO2.H2O

3Ca(OH)2 + Al2O3(ho¹t tÝnh) + 6H2O
(7)

= 3CaO.Al2O3.6H2O

3Ca(OH)2 + Fe2O3(ho¹t tÝnh) + 6H2O
(8)

= 3CaO.Fe2O3.6H2O

Các sản phẩm thủy hóa đợc tạo thành theo các phơng trình (6),
(7), (8) đà làm tăng tỷ lệ rắn/lỏng trong hệ và tạo cho xi măng xỉ có
cờng độ dài ngày cao hơn so với mẫu xi măng OPC. Kết quả xác định
mức độ phân bổ các lỗ hổng trong đá xi măng xỉ cũng chứng minh
điều này. Trong xi măng xỉ, lợng các lỗ rỗng, nớc tự do và canxi
hydroxit ít hơn nhiều so với xi măng thông thờng. Đây là nguyên nhân
làm tăng tính bền vững của xi măng xỉ ở tuổi dài ngày.
Hoạt tính của xỉ phụ thuộc rất nhiều vào kích thớc hạt xỉ sau
khi nghiền mịn.
1.2.4.2 Tính bền axit
Xi măng poóclăng hoặc bê tông sẽ giảm chất lợng khi làm việc

trong môi trờng axít. Nguyên nhân chính là hydroxit can xi Ca(OH) 2
đợc tạo thành khi xi măng poóclăng phản ứng với các nhân tố xâm
thực của môi trờng. Phản ứng này tạo ra muối hòa tan.
Trong trờng hợp môi trờng là axít sunfuric, ph¶n øng sÏ x¶y ra nh
sau:
Ca (OH)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2H2O
(9)
Sunphát can xi (CaSO4) hoà tan trong nớc làm cho xi măng và bê
tông có nhiều lỗ rỗng dẫn đến giảm cờng độ và phân huỷ.

25

25
25