Đang tải... (xem toàn văn)
Ôn tập Công nghệ vật liệu kết dính vô cơ Đại học Bách khoa Hà Nội Chuyên ngành Công nghệ vật liệu Silicat. Tập trung chủ yếu về đặc tính và quá trình sản xuất Xi măng, các thiết bị trong dây chuyền sản xuất.
Ơn tập Cơng nghệ vật liệu kết dính – 2021.1 [Công nghệ sản xuất xi măng Pooclang] Công đoạn: Chuẩn bị ngun liệu - Ngun liệu chính: Đá vơi, đất sét → Xây dựng nhà máy gần mỏ đá vôi, đất sét - Nguyên liệu điều chỉnh (cho thêm nhiên liệu thiếu thành phần đó): Quặng sắt, Boxit, Đá silic o Thường sử dụng tối đá 2/3 loại sản xuất, tùy vào mục đích o Thường mua về, có gia cơng để kích thước đủ nhỏ → Khơng cần sử dụng máy đập - Phụ gia (cho trình nghiền): o Thạch cao: sử dụng cho sản xuất xi măng Pooclang o Phụ gia khoáng: sử dụng thêm sản xuất xi măng hỗn hợp Chuẩn bị phối liệu - Các nguyên liệu cân định lượng theo tỉ lệ phối → Được đưa vào máy nghiền sấy liên hợp để nghiền nhỏ phối liệu đến mịn → Chuyển đến silo đồng (vừa có tác dụng chứa vừa có tác dụng đồng bột liệu) Nung - Sử dụng hệ thống lò nung – lò quay - Nhiên liệu cung cấp nhiệt chính: Than → Cần sử dụng máy nghiền than → Than mịn để cung cấp cho lò Nghiền xi măng - Sau nung, clanke đưa đến silo clanke chứa → Đưa đến cân định lượng với phụ gia (thạch cao phụ gia khống), sau đưa vào máy nghiền xi măng → Xi măng mịn → Chứa silo xi măng → Xuất dạng đóng bao xi măng rời (vận chuyển xi măng rời xe bồn đường biển) 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 kết dính) o Được chế tạo cách nghiền mịn clanke xi măng Pooclang với lượng thạch cao cần thiết → Tăng khả hoạt tính xi măng (phản ứng với nước để tạo sản phẩm có khả kết dính) o Trong q trình nghiền sử dụng phụ gia công nghệ (≤ 1% so với khối lượng clanke) Thành phần xi măng Pooclang: o Clanke: thành phần (chính) tạo khả kết dính cho xi măng o Thạch cao: Giảm tốc độ đóng rắn (thời gian ngưng kết) xi măng o Phụ gia công nghệ (có thể có khơng) Clanke xi măng Pooclang - Khái niệm: o Sản phẩm chứa khoáng: canxi silicat, canxi aluminat canxi fero aluminat với tỷ lệ xác định o Có tính kết dính thủy lực o Nhận cách nung đến kết khối hay nóng chảy hỗn hợp 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 C2S: 70 – 80% khối lượng clanke Thạch cao - Khái niệm: o Là vật liệu đá thiên nhiên nhân tạo có chứa kháong CaSO4.2H2O o Được sử dụng làm phụ gia điều chỉnh thời gian đông kết xi măng → Tăng cường độ tuổi sớm xi măng - Thạch cao làm chậm phản ứng thủy hóa C3A (khống 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 công nghiệp sản xuất phân bón hóa chất) thạch cao FGD (từ xử lý khí thải q trình đốt than nhà máy nhiệt điện) Xi măng Pooclang hỗn hợp - Khái niệm: o Là chất kết dính thủy o Được sản xuất cách nghiền mịn hỗn hợp clanke xi măng Pooclang với lượng thạch cao cần thiết phụ gia khống, sử dụng phụ gia công nghệ (không 1%, cần) trình nghiền cách trộn - phụ gia khoáng nghiền mịn (ưu điểm: khống chế độ mịn loại) với xi măng Pooclang o Tổng lượng phụ gia khống (khơng kể thạch cao) xi măng Pooclang hỗn hợp (tính theo khối lượng xi măng) khơng lớn 40%, phụ gia đầy khơng q 20% Phụ gia khống - Khái niệm: o Là vật liệu vô (thiên nhiên nhân tạo) o Pha vào xi măng dạng nghiền mịn để xi măng đạt tiêu chất lượng yêu cầu o Không gây ảnh hưởng xấu đến tính chất xi măng, bê tơng 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 dạng nghiền mịn - Khơng tham gia vào q trình thủy hóa - Vai trò: Điền đầy lỗ trống hạt xi măng → Cải thiện thành phần cỡ hạt cấu trúc đá xi măng 5.2 Phụ gia khống hoạt tính - Là phụ gia khoáng đưa vào xi măng dạng nghiền mịn - Tham gia vào trình thủy hóa - Có o Tính chất thủy lực: có hợp chất khống mà chúng phản ứng với nước để tạo sản phẩm thủy hóa có tính chất kết dính Vd: Tro bay loại C (thành phần chính: Al2O3, SiO2 lượng đáng kể CaO) o - SiO2 + CaO + H2O = C – S – H Al2O3 + CaO + H2O = C – A – H → Để tro bay môi trường ẩm thời gian 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 sản phẩm thủy hóa có tính kết dính C-S-H 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 sắc cạnh) Phụ gia công nghệ - Là phụ gia đưa vào trình nghiền xi măng để cải thiện q trình cơng nghệ, tính chất xi măng 6.1 Phụ gia trợ nghiền - Là phụ gia công nghệ đưa vào trình nghiền xi măng - Nhằm cải thiện trình nghiền → Giảm lượng bề mặt hạt xi măng → Giảm co cụm, vón cục 6.2 Phụ gia kị ẩm - Là phụ gia công nghệ đưa vào trình nghiền xi măng Tạo thành màng bao quanh hạt xi măng → Giảm tính hút ẩm xi măng → Kéo dài thơi fgian bảo quản xi măng 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 → 50MPa (PCB 30, PCB 40) o Xi măng mác cao: 30MPa 7.2 Theo thời gian đông kết 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) – thêm phụ gia khống ▪ Xi măng Pooclang đá vơi (PCBLS): sử dụng phụ gia khống đá vơi ▪ Xi măng Pooclang puzolan (PCBPZ): phụ gia khoáng phụ gia hoạt tính puzolan ▪ Xi măng Pooclang tro bay (PCBFA): phụ gia khoáng tro bay ▪ Xi măng Pooclang xỉ lị cao (PCBBFS): phụ gia khống xỉ lị cao 7.5 Theo tính chất đặc biệt xi măng - Xi măng Pooclang/Pooclang hỗn hợp bền sunfat - Xi măng Pooclang/Pooclang hỗn hợp tỏa nhiệt 7.6 Theo lĩnh vực sử dụng - CÁC LOẠI KHOÁNG TRONG CLANKE XI MĂNG POOCLANG II Thành phần khoáng 1.1 C3S (Alit) - Cơng thức hóa học: 3CaO.SiO2 - Hàm lượng clanke xi măng Pooclang: ~45-70% - Nhiệt độ thay đổi (chuyển hóa 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 clanke công nghiệp sau làm nguội (trước đem nghiền thành xi măng): o Cấu trúc tinh thể: M1 M3 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 lị lâu nhệt độ cao → Q trình lưu tinh thể tăng → Liên kết nhiều → Kích thước tăng Hạt kích thước lớn → Hồn thiện so với hạt nhỏ; Khó hoạt tính vơi snuowsc → Không ưu tiên - Khối lượng riêng: 3.15 g/cm3 - C3S tinh khiết bền nhiệt độ thường → Giảm cường độ xi măng → Bị phân hủy thành C2S CaO tự - C3S clanke xi măng pooclang công nghiệp: o Là dung dịch rắn o Chứa lượng nhỏ (3-4%) nguyên tố ngoại lai (Al, Fe, Mg, Cr, Ti, S, P, Ba, Mn, Na, K) có nguyên liệu, nằm xem kẽ mạng lưới tinh thể o Bền nhiệt độ thường o Thường gọi khống Alit - Các tính chất liên quan đến thủy hóa: o Tỏa nhiều nhiệt thủy hóa → Muốn giảm nhiệt thủy hóa cần giảm lượng C3 S o Đóng rắn nhanh o Cường độ tuổi sớm (q trình đóng rắn, tiến độ thi công) tuổi muộn (khả chịu lực bê tông sau này) cao o Kém bền 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 kết dính) – dạng thù hình mong muốn γrắn (khơng có khả kết dính → tượng tả − vỡ vụn thành hạt nhỏ) - Là khống khó nóng chảy khống clanke - Khối lượng riêng tùy thuộc vào dạng thù hình: - Các đặc tính clanke: o Các dạng thù hình: 𝛽 (có thể thêm 𝛾) o Hình dạng: trịn o Kích thước: 25 – 40 𝜇m - Giữ 𝜷 khơng để chuyển sang 𝜸: làm lạnh nhanh o Quá trình chuyển đổi chưa kịp xảy → Không xuất thù hình khơng mong muốn o Bề mặt bên ngồi co lại → Cản trở trình chuyển đổi (điều kiện nở thể tích) - Các tính chất liên quan đến thủy hóa: o Tỏa nhiệt (so vơi s3 khống cịn lại)khi thủy hóa o Đóng rắn chậm o Cường độ tuổi sớm thấp cường độ tuổi muộn cao o Bền mơi trng xâm thực 1.3 C3A - CTHH: 3CaO.Al2O3 - Chiếm ~5-10% - Trong clanke cơng nghiệp (phần có màu xám trắng sử dụng kính hiển vi quan sát) - 1.4 - - 1.5 - - 1.6 o Là hỗn hợp dung dịch rắn cá khoáng C – A với tỷ lệ C : A khác (C3A, C5A3, C12A7, , CA2, CA6) o Khống C3A giữ vai trị chủ đạo Nhiệt độ nóng chảy = 1280°C, khoảng dễ nóng chảy khoáng clanke (cùng với C4AF) → Hỗ trợ cho trình nung → Tăng khả kết khối Cấu trúc: Cubic (lập phương) Orthorhombic Tính chất liên quan tới thủy hóa: o Tỏa nhiều nhiệt thủy hóa o Đóng rắn nhnah (nhưng lại đóng rắn nhanh → cần sử dụng thạch cao để hãm lại) o Cường dộ tuổi sớm cao (khi có mặt thạch cao) o Kém bền (nhất) môi trường sunfat (so với khống cịn 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 cá khoáng C – A – F với tỷ lệ C : A : F khác (C8A2F, C6A2F, C4AF, , C8AF2) o Khống C4AF giữ vai trị chủ đạo Nhiệt độ nóng chảy = 1250°C, khoảng dễ nóng chảy khống clanke (cùng với C3A) → Hỗ trợ cho trình nung → Tăng khả kết khối Cấu trúc: Orthorhombic Các tính chất liên quan đến thủy hóa: o Đóng rắn chậm C3A nhiều o Cường độ tuổi thấp o Tóa nhiệt thủy hóa bền mơi trường sunfat so với C3A Các khoáng chứa kiềm khoáng chủ yếu: KC33S12 NC8A3 K + 12C2S → KC33S12 + Ctự N + 3C3A → NC8A3 + Ctự Tính chất liên quan thủy hóa: o KC33S12 đóng rắn chậm C2S o NC8A3 đóng rắn chậm C3A Các oxit tự a CaO tự - Được khống chế 2% - Giúp clanke dễ nghiền (CaO phản ứng với lượng ẩm bị hút vào → tạo ứng suất nở → clanke dễ nứt → dễ nghiền) - Tính chất liên quan đến 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 xi măng o Cường độ thấp b MgO tự Thường 3% Một số tính chất liên quan thủy hóa o Hoạt tính thấp, thấp CaO tự o Tăng độ nở thể tích xi măng o Cường độ thấp Cần hạn chế tối đa Thành phần pha 2.1 Pha tinh thể - Hàm lượng ~85 – 95% - Chứa khoáng: C3S, C2S, C3A, C4AF, CaO tự do, MgO tự 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 pha tinh thể 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 nung clanke o SiO2 tham gia tạo khoáng silicat (C3S C2S) o Khi tăng hàm lượng SiO2 → Tăng hàm lượng C3S C2S → Giảm hàm lượng C3A C4AF Ảnh hưởng đến trình nung clanke: o Tăng hàm lượng SiO2 → Phối liệu khó nung hàm lượng C3A C4AF (khoáng trợ nung) giảm o Thường phải tăng nhiệt độ nung kéo dài thời gian nung o Tiêu tốn nhiên liệu làm giảm tuổi thọ lò b Al2O3 ~4-10% Vai trò nung clanke: o Al2O3 tham gia tạo khoáng aluminat C3A C4AF o Tăng hàm lượng Al2O3 → tăng hàm lượng C3A Ảnh hưởng đến trình nung clanke: o Tăng hàm lượng Al2O3 ▪ Làm tăng lượng pha lỏng; Tăng khả kết khối có mặt pha lỏng tạo C3 S ▪ Tăng độ nhớt pha lỏng nóng chảy → Giảm khả kết khối tạo C3S → Tăng khả vê viên clanke (kích thức viên clanke tăng) c d Fe2O3 (Nguồn cung cấp: Quặng sắt) Hàm lượng clanke: ~ 0.1 – 5% Vai trò: o Tham gia tạo khống C4AF (khống nóng chảy) o Tăng hàm lượng Fe2O3 đến trình nung clanke CaO (do đá vơi mang vào) - Kiểm sốt chất lượng: VII - Sự thủy hóa xi măng Pooclang Các tính chất liên quan đến thủy hóa khống Sự thủy hóa C3S - Đặc tính khống C – S – H C – H - Cơ chế thủy hóa: Sự thủy hóa C2S Sự thủy hóa C3A a Khi khơng có thạch cao Cơ chế b Khi có thạch cao (Phản ứng tạo Etringit phản ứng tỏa nhiệt cao thủy hóa xi măng) Cơ chế Sự thủy hóa C4AF a Khơng có thạch cao b Có thạch cao Tạo hidroxyt nhơm sắt nên làm chậm q trình thủy hóa C4AF Sự thủy hóa xi măng Pooclang VIII Các tính chất xi măng Độ mịn - Yêu cầu Bản chất xi măng - Phương pháp xác định: o Phương pháp sàng o Phương pháp Blain a Lượng nước tiêu chuẩn Các yếu tố ảnh hưởng: - Độ mịn Độ mịn tăng → (Muốn tăng độ linh động hạt xi măng) → Lượng nước tiêu chuẩn tăng - Phụ gia o Loại: o Lượng: b Thời gian bắt đầu đông kết c Thời gian kết thúc đông kết Ảnh hưởng tới thời gian đông kết (bắt đầu kết thúc có xu hướng tương tự nhau): - Thành phần khoáng: C3S tăng → thời gian đông kết giảm - Độ mịn Độ mịn tăng → Sbm tăng → Khả phản ứng tăng → Tốc độ thủy hóa tăng → Tăng thời gian đơng kết - Phụ gia Phụ gia đầy không tham gia phản ứng phụ gia khống hoạt tính tham gia phản ứng với Ca(OH)2, khơng đóng góp vào thời gian đầu q trình thủy hóa xi măng → Thời gian đông kết tăng o Loại ▪ o Lượng Chất lượng phụ gia khoáng đánh giá theo TCVN 6882: 2001, tiêu cần quan tâm là: + Hoạt tính cường độ: tiêu đánh giá mức độ suy giảm cường độ xi măng có phụ gia so với mẫu xi măng gốc hay hàm lượng phụ gia pha vào xi măng tuỳ theo chất lượng clanhke + Thời gian kết thúc đông kết độ bền nước vữa vôi – phụ gia: tiêu thể phụ gia thuộc loại khống hoạt tính hay phụ gia đầy Đối với loại phụ gia khống hoạt tính, thành phần chứa oxyt Al2O3 ht SiO2 ht, tác dụng với Ca(OH)2 tạo q trình thuỷ hố xi măng Mức độ hoạt tính cao,nghĩa hàm lượng Al2O3 ht SiO2 ht lớn, thời gian kết thúc đông kết vữa vôi – phụ gia ngắn + Hàm lượng kiềm có hại, hàm lượng tạp chất bụi sét, hàm lượng SO3 thành phần có ảnh hưởng xấu đến tính chất sử dụng xi măng quy định TCVN 6882: 2001 Trong trình nghiên cứu phụ gia tính chất xi măng có phụ gia khoáng, TCVN 6882: 2001 bộc lộ số hạn chế, quy định tiêu chuẩn chưa phản ánh hết ảnh hưởng phụ gia khoáng đến tính chất sử dụng xi măng pclăng hỗn hợp, sử dụng vào bê tơng Ví dụ, có số loại đá bazan, thoả mãn tiêu TCVN 6882: 2001, sử dụng vào bê tơng làm tăng lượng nước dùng, tăng tổn thất độ sụt Lượng nước nhào trộn Lượng nước nhào trộn tăng → Thời gian đảm bảo nồng độ bão hòa tăng → Thời gian bắt đầu đông kết tăng → Nhiều nước bao quanh hạt xi măng → Khả chịu sức cản kim thiết bị kiểm tra → Thời gian kết thúc đông kết tăng - Nhiệt độ Nhiệt độ tăng → Phản ứng xảy nhanh → Tốc độ thủy hóa tăng → Giai đoạn tăng → Thời gian đóng rắn giảm Cường độ nén - Khái niệm: Là lực nén lớn chia cho tiết diện mẫu (kích thước hạt vữa tiêu chuẩn 4x4 cm) - Các yếu tố ảnh hưởng o Thành phần khoáng ▪ C4AF cường độ thấp ▪ C3S cao → cường độ tuổi sớm muộn cao ▪ C3A cao → cường độ tuổi sớm cao (khi có thạch cao), cường độ tuổi muộn ▪ C2S cường độ tuổi sớm thấp, muộn cao o Độ mịn ▪ Độ mịn vừa phải ( độ mịn tăng) → Tốc độ thủy hóa tăng → Lượng thủy hóa lượng kết tinh tăng → Sản phẩm thủy hóa tăng → Lượng kết dính nhiều → Cường độ tuổi sớm, muộn tăng ▪ Càng mịn → Tăng cường độ thủy hóa → Sản phẩm tăng nhiều → Tiềm ẩn ứng suất lớn → Cấu trúc xi măng ko đc tốt → Cường độ tuổi muộn giảm ▪ Siêu mịn → Cường độ tuổi sớm tăng, cường độ tuổi muộn giảm - → Không nghiền xi măng mịn o Phụ gia o Lượng nước nhào trộn o Nhiệt độ bảo dưỡng o Độ ẩm bảo dưỡng Độ ổn định thể tích Khái niệm - Yêu cầu phương pháp xác định: o PP Le Chaterlier o PP AutoClave - IX Các yếu tố ảnh hưởng: o Thành phần khoáng ▪ CaOtd, MgOtd nhiều nở cao o Độ mịn ▪ o Phụ gia ▪ Loại: ▪ Lượng: