Tỷ lệ phần trăm alite và các thông số của clinker

Trong bài viết này Arthur Harrisson giải thích tầm quan trọng của ba thông số chính của clinker và sự liên quan của các thông số này tới hàm lượng alite có mặt trong clinker.

Mặc dù thuật từ chính xác đã thay đổi và các tính toán có thể khác biệt một chút, song có 3 thông số hóa học chính kiểm soát thành phần clinker xi măng. Các thông số này đã tồn tại trong nhiều năm và được các nhà hóa học xi măng hiểu rất rõ. Tuy nhiên, các vấn đề đặt ra ở đây là các thông số này thực sự có ý nghĩa ra sao và chúng có ảnh hưởng ra sao tới lượng alite tồn tại trong clinker và hiệu quả của xi măng trong thực tế? Câu trả lời có thể một phần nằm ở bản chất của belite (xem hình ảnh chụp ở bên dưới). Các tinh thể này thay đổi rất nhiều về hình dạng và có chứa các nguyên liệu đã xử lý mà ảnh hưởng tới thành phần hỗn hợp của toàn bộ clinker.

Các thông số đựợc tham chiếu ở đây là hệ số bão hòa vôi (LSF), tỷ lệ ô-xit silic (SR) và tỷ lệ nhôm/sắt (AF).

Hệ số bão hòa vôi (LSF).

Phương trình cho LSF của clinker là: LSF = CaO/((2,8 x SiO2) + (1,18 x Al2O3) + (0,65 X Fe2O3)) x 100

Phương trình này liên quan tới lượng CaO với SiO2, Al2O3 và Fe2O3 trong clinker. Hệ số 2,8 ở phần mẫu số của phương trình là tỷ lệ phân tử của CaO với SiO2 trong C3S tinh khiết, vì vậy, khi kết quả là 100 thì ô-xit silic duy nhất tạo thành là C3S. Vôi có trong phần dư thừa đó được yêu cầu cho C3S chuyển sang C3A và C4AF và bất kỳ phần dư thừa nào so với mức này tạo ra LSF lớn hơn 100 và trong hệ tinh khiết phản ứng với sự cân bằng đó là vôi tự do. Công thức chỉ tính toán đối với các pha C3S, C3A và C4AF, nhưng nếu vôi có sẵn không đủ và LSF nhỏ hợn 1,0 thì khi đó C2S cũng sẽ tồn tại. LSF rõ ràng có liên quan mật thiết với phép tính Bogue, mà sử dụng các giả định tương tự liên quan tới thành phần của các pha để tạo ra một thành phần hỗn hợp tiềm năng của clinker nếu nó được sản xuất ra từ bốn ô-xít theo các điều kiện cân bằng.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 1 chọ thấy sự thay đổi tiềm năng về hàm lượng C3S được dự báo bởi phép tính Bogue do LSF trong clinker thay đổi được ghi lại từ số liệu nhà máy ở hai nhà máy khác nhau. Các thông số khác cũng thay đổi qua thời gian, nhưng C3S được dự báo bằng phương trình Bogue từ lâu bị ảnh hưởng mạnh nhất. Dự báo đó là khi LSF tăng lên, tỷ lệ phần trăm của C3S cũng tăng lên.

Cả hai nhà máy này cũng đã sử dụng phép phân tích dưới kính hiển vi để nghiên cứu clinker theo nguyên tắc thông thường. Các phân tích bao gồm đo các tỷ lệ pha trong clinker sử dụng điểm đếm dưới kính hiển vi trên các phần được đánh bóng của clinker, nghiên cứu khoảng 30 - 40 cục được lựa chọn ngẫu nhiên từ các mẫu clinker đại diện. Các kết quả của điểm đếm trên các mẫu clinker tương tự như đã chỉ ra ở Hình 1 được thể hiện ở Hình 2. Trong cả hai trường hợp, việc tặng hàm lượng alite theo dự kiến được dự báo từ phép tính toán Bogue đã không trở thành hiện thực.

Tỷ lệ ô-xit silic (SR).

Ở zôn nung, theo mô hình hóa học đơn giản được biểu diễn bằng ba thông số, clinker bao gồm chủ yếu một pha rắn, mà bao gồm các calcium silicate với vôi tự do, và một pha lỏng là C3A và C4AF nóng chảy. Một phần pha rắn ở bất kỳ thời gian cho trước sẽ hòa tan vào trong pha lỏng và được chuyền đi qua clinker để kết hợp và tạo ra thêm vật liệu rắn. Việc tăng SR là nhằm tăng tổng lượng pha rắn, các silicate, bằng việc tiêu hao pha lỏng. Tuy phiên, nếu hành động duy nhất chỉ là bổ sung thêm ô-xit silic vào, thì khi đó LSF bị giảm đi và tỷ lệ phần trăm alite cũng giảm đi. Việc tăng SR chỉ có thể được áp dụng để đảm bảo lượng cụ thể C3S bằng cách đồng thời tăng LSF lên.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 3 cho thấy việc tăng theo dự kiến tổng lượng silicate do SR tăng lên so với thông số đặt của nhà máy và cũng cho thấy sự tăng lên đo được trong thực tế tổng lượng silicate trong clinker (toàn bộ các phép tính Bogue đã được điều chỉnh đối với vôi tự do).

Tỷ lệ nhôm/sắt (AF).

Tỷ lệ AF kiểm soát các đặc tính của pha lỏng và có thể không được xem là có ảnh hưởng lớn tới lượng alite trong clinker. Tuy nhiên tỷ lệ này kiểm soát các tỷ lệ C3A và C4AF có liên quan trong clinker. Vì C3A chứa 62,3% CaO và C4AF tinh khiết sẽ chứa chỉ 46,1%, việc tăng tỷ lệ AF, tạo ra tỷ lệ C3A cao hơn sẽ cần nhiều vôi hơn cho các pha lỏng và lượng vôi ít hơn sẽ có sẵn để tạo ra các silicate, cho dù tỷ lệ alite tính toán được nhờ sử dụng phép tính Bogue sẽ giảm đi.

Hình 4 cho thấy phương trình Bogue về lượng C3S trong clinker trong các thay đổi về AF so với lượng alite đo được nhờ sử dụng điểm đếm dưới kính hiển vi.

Một đặc điểm đáng chú ý đối với toàn bộ các số liệu này đó là trong khi phép tính Bogue dự báo các thay đổi đáng kể về lượng alite trong clinker, các phép đo dưới kính hiển vi cho thấy ít hoặc không có sự thay đổi. Các suy giảm về các ảnh hựởng dự kiến của các thay đôi về tỷ lệ alite do các thay đổi về các thông số cũng được chỉ ra ở các nhà máy mà phép phân tích XRD được sử dụng như là một biện pháp đo thành phần pha.

Tại sao hàm lượng alite không thay đổi theo hàm lượng tiềm tàng của phép tính Bogue?

Qua trực giác, có thể được cho là, mặc dù mọi người đã biết rằng các thành phần thực tế của bốn pha chính không được như giả định bởi phép tính Bogue, các xu hướng sẽ là tương tự vì các thành phần của các pha trong một nhà máy xi măng sử dụng các nguyên liệu tương tự và các dải mục tiêu tương tự.

Nếu thành phần trong các hợp chất chính của clinker thay đổi đồng thời duy trì được nhiều hoặc ít hơn hiện trạng liên quan tới hàm lượng alite, thì điều gì ảnh hưởng tới các thành phần của các pha?

Trước hết, toàn bộ các pha clinker có chứa một số các tạp chất. Pha phong phú nhất là alite và lượng thay thế các ô-xít khác cho CaO va SiO2 mà xuất hiện trong alite phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng các ô-xít khác trong clinker. Một bài báọ trước đây đã nghiên cứu mối quan hệ giữa MgO và alite, xem xét tại sao việc tăng MgO trong clinker lại không thường tạo ra thêm alite cho dù xu hướng MgO được biết đến sẽ bổ sung CaO vào pha này. Một số nghiên cứu, ví dụ, đã chỉ ra các mối quan hệ giữa hàm lượng MgO trong clinker và hàm lượng MgO là một ô-xít thay thế trong các tinh thể alite. Số liệu có sẵn cho nghiên cứu này, thậm chí trong một phạm vi nhỏ các mức MgO trong clinker từ 0,9 - 1,1%, hỗ trợ cần thiết cho phạm vi này với MgO alite tăng từ 0,5 - 0,7% so vơi phạm vi này. Taylor viện dẫn một vài tác giả mà đã tìm thấy các mối quan hệ giữa lượng MgO trong clinker và trong các tinh thể alite, nằm trong khoảng từ MgO trong alite gấp 0,45 lần so với lượng đó trong clinker đến gấp 0,74 lần giá trị clinker.

Ảnh hưởng của belite.

Một lý giải khả dĩ cho những thay đổi này nằm ở trong pha mà được loại khỏi phép tính LSF, nghĩa là belite. Thành phần allte nhìn chung gồm 4 pha chính với các thành phần tinh khiết được xác định trong phương trình Bogue, mà thành phần của belite có thể thay đổi rất nhiều so với pha thuần. Sự khác biệt xuất phát từ hai nguồn: Thứ nhất, dạng nhiệt độ cao hơn của belite có thể giữ tỷ lệ phần trăm cao hơn các ô-xit thay thế so với các dạng nhiệt độ thấp hơn và thứ hai, vì ở giữa các phiến mỏng, mà có đặc điểm của các tinh thể belite, được tìm thấy khi thu được các nguyên liệu đã xử lý trong quá trình clinker được làm nguội. Trong khi không bị hòa tan trong các tinh thể belite, nguyên liệu này vẫn tồn tại ở dạng vật lý trong belite và không có sẵn ở chỗ khác trong clinker. Kết cấu vật liệu chèn khe hở không phải là C2S, mà là toàn bộ các tinh thể có đặc tính hóa học tượng tự như thành phần tinh khiết của pha nhiệt độ cao.

Do đó, vị trí của tạp chất trong các tinh thể belite đưa ra một giải pháp làm nguội mẫu cllnker thuận lợi. Belite chứa hàm lượng các thành phần tạp chất cao khi ở nhiệt độ cao ở dạng α, nhưng khi các tinh thể belite nguội đi và đi qua các chuyển đổi pha sang dạng α’ và sau đó sang dạng β, các tạp chất bị mất đi dần từ mạng tinh thể, vì các thể hình ở nhiệt độ thấp hơn ít có khả năng điều chỉnh phù hợp với các chất thay thế. Làm nguội nhanh mang lại ít cơ hội hơn cho các tạp chất thoát ra so với làm nguội chậm dần.

Đối với phép phân tích clinker dưới kính hiển vi, vốn là một giải pháp tuân thủ theo kỹ thuật đánh giá chất lượng bằng phương pháp Ono. Một trong nhưng biện pháp đo lường trong phép phân tích này là để đánh giá màu sắc của các tinh thể belite. Clinker được làm nguội nhanh hơn có chứa các tinh thể belite màu vàng chanh khi được quan sát trong ánh sáng truyền qua vì các tạp chất vẫn được hòa tan phần lớn trong các tinh thể. Khi làm nguội chậm dần, các tạp chất được xử lý tách ra khỏi các tinh thể, mang lại cho chúng kết cấu dạng bụi và màu sắc chung của các tinh thể belite trở thành màu hổ phách.

Thành phần chung của các tinh thể belite trong clinker có thể đo kiểm tra được khi sử dụng phép phân tích tia X tán xạ năng lượng trong kính hiển vi điện tử quét. Thành phần của các tinh thể belite cụ thể (hoặc bất kỳ sự thay đổi nào khác của tinh thể) có thể đạt được bằng cách dừng tia quét và định vị nó trên một tinh thể cụ thể. Càc tia X phát ra là kết quả của sự tương tác của chùm tia điện tử với tinh thể được thu lại và phổ kế tạo ra so sánh với hệ tiêu chuẩn để tạo ra phép phân tích hóa học một tinh thể cụ thể. Một số phép phân tích như vậy được tiến hành để đạt được thành phần belỉte trung bình cho mẫu clinker.

Trong phép phân tích mẫu clinker tiêu biểu được viện dẫn bởi Taylor và được sao chép lại từng phần trong Bảng 1, hầu hết các tạp chất tìm thấy trong alite thay thế CaO trong khi hầu hết các tạp chất trong beìíte thay thế SiO2.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Trường hợp này ảnh hưởng tới hệ số tỷ lượng thực của CaO: SiO2 trong mỗi pha. Trong trường hợp được viện dẫn bởi Taylor belite có tỷ lệ 2,16 trong khi alite có tỉ lệ 3,04. Do đó, việc thay thế SiO2 bằng các ô-xit lạ trong belite có nghĩa là sẽ cần nhiều vôi hơn để tạo ra belite lớn hơn tỉ lệ 2:1 được áp dụng cho phép tính Bogue.

Hình 5 cho thấy các mối quan hệ thực tế giữa tỷ lệ phần trăm theo trọng lượng của SiO2và CaO trong các tinh thể alite và belite cụ thể từ clinker của một nhà máy so với các vị trí trên các trục C3S và C2S tinh khiết tương tự. Hệ quả của sự khác biệt này đó là, như đã chỉ ra ở Hình 6 đối với hai bộ clinker đã nêu ở Hình 1 và 2, khi hàm Ịượng LSF trong clinker giảm xuống, thì sự khác biệt giữa tỷ lệ phần trăm alite được dự đoán bằng phép tính Bogue và tỷ lệ alite thực tế tăng lên vì belite thực tế yêu cầu nhiều vôi hơn so với C2S theo phép tính Bogue và có ít CaO hơn co sẵn cho sản sinh ra alite. Trong thực tế, tăng LSF (nghĩa là giảm bơt hàm lượng C2S tiềm ẩn) làm giảm bớt sự khác biệt giữa phép tính Bogue và tỷ lệ phần trăm alite thực tế, không nhất thiết bằng việc thay đổi thành phần alite, nhưng lại bằng cách tạo ra nhiều belite hơn so với LSF dự đoán, mà sử dụng nhiều vôi hơn so với phép tính Bogue dự đoán do đó alite bị chối bỏ còn CaO được yêu cầu để làm tăng theo dự kiến tỷ lệ alite.

Một kết quả thú vị là việc tăng LSF sẽ không làm tăng alite thực tế đến một chừng mực đã dự kiến và trong một số trường hợp gần như không tăng đáng kể, như đã thấy ở Hình 2.

Người ta đã đánh giá cao rằng tỷ lệ thực của alite trong clinker thương lớn hơn so với các dự đoán theo phép tính Bogue, nhưng lượng tạp chất trong alite, ngoại trừ trong trường hợp các mức MgO cao có mặt trong alite, thì thường không đủ để giải thích sự khác biệt. Rõ ràng là tỷ lệ alite cao hơn đã quan sát thấy dưới kính hiển vi hoặc bằng cách phân tích XRD chỉ yếu là do tỷ lệ CaO:SiO2 cao trong belite và do đó là tỷ lệ belite thấp hơn so với dự kiến.

NGUỒN: VLXD.org (Theo TTKHKT Xi măng)

LINK 1 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 2 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 3 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 4 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

VIDEO THAM KHẢO: