Đặc tính của 1 số phụ gia trợ nghiền - Ảnh hưởng của chúng đến khả năng nghiền và chất lượng xi măng (P1)

Phân tích phụ gia trợ nghiền (GA) được thực hiện bằng phép quang phổ hồng ngoại Fourier (FT-IR) và såc ký khí/quang phổ khối (GC/MS). Tất cả các hỗn hợp xi măng đã được thí nghiệm thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết, độ dẻo tiêu chuẩn của hồ, độ chảy của vữa tiêu chuẩn và cường độ nén sau 2, 7 và 28 ngày. Trong tất cả các trường hợp, việc bổ sung các phụ gia trợ nghiền giúp cải thiện bề mặt riêng và hệ số nghiền, một thực tế đã được quy cho là do khả năng phụ gia không chỉ để giảm khả năng kháng nghiền, mà còn để ngăn chặn sự kết tụ và bột mịn bao phủ trên bi nghiền và máy nghiền. Vữa chế tạo từ xi măng thành phẩm có bổ sung phụ gia trợ nghiền thương mại, chứa triisopropanolamin (TIPA), thể hiện cường độ cao hơn ở mọi lứa tuổi và thời gian đông kết dài hơn. Mặt khác sự có mặt của triethanolamin (TEA) trong phụ gia trợ nghiền thương mại không ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của xi măng thành phẩm nhưng làm giảm một chút thời gian đông kết.

1. Giới thiệu

Sản xuất xi măng thế giới hiện nay đạt khoảng 1,6 tỷ tấn/ năm và quá trình nghiền tiêu tốn 2% điện năng được sản xuất trên toàn thế giới. Nghiền clinker chiếm một phần ba năng lượng điện cần thiết để sản xuất 1 tấn xi măng. Điều này liên quan đến mức tiêu thụ năng lượng riêng trung bình là 57 kWh/t và cường độ phát thải riêng khí CO cho phát điện là 9,1 kg CO₂/tấn. Hơn nữa, khoảng 60 - 70% tổng năng lượng điện sử dụng trong một nhà máy xi mäng được dùng cho việc nghiền nguyên liệu thô, than và clinker. Kết quả là, sự gia tăng nhỏ trong hiệu quả nghiền có thể không chỉ tác động lớn đến chi phí vận hành của một nhà máy mà còn làm giảm phát thải khí nhà kính.

Khoảng 95% khối lượng cấp liệu cho hệ thống nghiền xi măng là clinker và phần còn lại là các loại "phụ gia" bao gồm cả phụ gia trợ nghiền (GA). Chất lượng xi măng được đo bằng diện tích bề mặt riêng (chỉ số Blaine). Cần lưu ý rằng diện tích bề mặt riêng của bột xi măng phụ thuộc vào sự phân bố kích thước của các hạt xi măng (các hạt nhỏ hơn có diện tích bề mặt lớn hơn).

Hiệu suất của hầu hết các máy nghiền đều rất thấp. Các hạt xi măng có thể bao phủ bề mặt bi đạn nghiền, có thể hình thành một lớp "áo giáp", dẫn đến kết tụ và hình thành các lớp nhỏ hấp thụ lực va đập. Tác động của bi đạn nghiền trong máy nghiền không chỉ nghiền các hạt clinker thô, mà còn nén ép mạnh chúng lại, điều này dẫn đến sự hình thành diện tích tĩnh điện bề mặt phân cực trái dấu. Các hạt xi măng sau đó kết tụ lại như là két quå của các lực hấp dẫn tác động lên chúng. Do dó, các hạt xi măng kết tụ làm giảm hiệu suất của máy nghiền. Hiện tượng này có đặc điểm là làm tăng tiêu thụ năng lượng trong khi độ mịn Blaine duy trì không đổi. Mức độ kết tụ phụ thuộc vào:

- Các đặc tính riêng biệt của nguyên liệu được nghiền.

- Các thông số vận hành của máy nghiền.

- Hiệu quả và sự phân bố của bi đạn nghiền.

- Độ mịn của các hạt xi măng.

- Các điều kiện vận hành bên trong máy nghiền (độ ẩm, nhiệt độ, thông gió, tình trạng bao phủ…) 

Hiện tượng kết tụ vẫn còn là một trong những vấn đề ưu tiên cúa các nhà sản xuất xi măng, tiếp theo là tầm quan trọng của phụ gia trợ nghiền. Các phụ gia trợ nghiền cho phép trung hòa một phần diện tích bề mặt đã được tạo ra trong quá trình nghiền. Các chất phụ gia như nước, chất lỏng hữu cơ và một số chất điện phân vô cơ đã được sử dụng để giảm năng lượng tự do bề mặt của nguyên liệu được nghiền nhằm mục đích cải thiện hiệu quả nghiền. Mặc dù mục đích sử dụng phụ gia trợ nghiền là để giảm sự kết tụ các hạt xi măng, việc sử dụng các hạt phụ gia cũng sẽ hỗ trợ:

- Loại bỏ một phần hoặc hoàn toàn hiệu ứng “lớp phủ” trên bi đạn nghiền.

- Cåi thiện hiệu suất máy phân ly do tăng tính lưu động các hạt mịn.

- Giảm các vấn đề về vón cục trong silo tồn trữ và vận chuyển hàng xi rời bằng xe bồn.

- Tăng chất lượng xi măng bao và xi măng rời.

 - Cải thiện vận chuyển nguyên liệu (thổi vào silo, chuyển ra khỏi xe bồn…) do độ chảy được cải thiện.

- Nâng cao năng suất nghiền.

Điều mà khiến cho việc ứng dụng phụ gia trợ nghiền (GA) thậm chí còn hấp dẫn hơn chính là ảnh hưởng đáng kể của chúng đến tính chất cơ lý xi măng, sự phân bố kích thước hạt xi măng  dẫn đến việc tạo ra đường kính hạt hẹp hơn và có xu hướng chuyển sang đường kính hạt ngắn hơn. Bề mặt các thành phần hoạt tính thủy lực càng lớn thì độ mịn Blaine càng cao, xi măng đóng rắn càng nhanh. Tuy nhiên, giá trị Blaine chỉ là một chỉ tiêu độ mịn mà không phải là giá trị tuyệt đối, vì độ mịn Blaine không phản ảnh đầy đủ các phần hạt mịn, những hạt mịn là một thông số quan trọng cho quá trình nghiền và tạo ra các đặc tính kết dính. Khi clinker xi măng được nghiền có sử dụng phụ gia trợ nghiền thì phạm vi kích thước hạt hẹp hơn được tạo ra, như tỷ lệ phần trăm của các hạt rất mịn, mà chỉ gây ảnh hưởng tới thời gian đông kết sẽ giảm đi. Ðây là lý do tại sao các cường độ của mẫu tại các giá trị Blaine tương đương cao hơn so với khi nghiền mà không có phụ gia trợ nghiền. Với thiết bị nghiền chu trình kín, người ta cũng đã ghi nhận rằng xi măng được nghiền với một lượng nguyên liệu tuần hoàn lớn thường chứa một lượng nhỏ hơn các hạt siêu mịn và các hạt thô. Ở một mức độ nào đó,  phụ gia trợ nghiền buộc máy nghiền phải làm việc với lượng nguyên liệu tuân fhoanf cao hơn. 

Trong quá trình nghiền, có rất nhiều phụ gia trợ nghiền đã được sử dụng. Đó là các amin chất béo như triethylenetetramin (TETA), tetraethylenepentamin (TEPA) và amin alcohol diethanolamin (DEA), triethanolamin (TEA) và triisopropanolamin (TIPA). Các hợp chất Glycol có mặt là ethyleneglycol (EG), diethyleneglycol (DEC). Thêm vào đó, có những hợp chất phức tạp hơn như aminoethylethanolamin (AEEA) và hydroxyethyl diethylenetriamin (HEDETA). Các phenol và dẫn xuất của phenol cũng được sử dụng như phụ gia trợ nghiền, trong khi các chất khác như amin axetat, polyamin cao hơn và dẫn xuất hydroxyethyl của chúng được sử dụng, nhưng chúng không được xác định trong bảng dữ liệu GA.

Nói chung, khoảng hàm lượng của phụ gia trợ nghiền sử dụng từ 50 – 500 ppm. Sau quá trình nghiền, phụ gia có thể không còn ở dạng hóa hoc ban đầu. Thêm vào đó, thành phần trợ nghiền có thể không bao gồm các hợp chất tinh khiết nhưng lại bao gồm các nguyên liệu thô khá phức tạp.

Triethanolamin (TEA), một alkanolamin bậc ba thấp, được sử dụng vì các lý do khác nhau trong ngành xi mäng. Hoạt động của TEA trong quá trình hydrat hóa xi măng chưa được hiểu rõ. Phụ gia này chưa được làm rõ là chất tăng tốc hay là chất chậm đông kết. Với lượng thêm vào là 0,02% đối với xi măng Poóc lăng, TEA hoạt động như một chất tăng tốc, ở mức 0,25% hoạt động như chất chậm đông kết, ở liều lượng 0,5% TEA hoạt động như chất chậm đông kết mạnh và ở mức 1%, TEA là chất tăng tốc rất mạnh. TEA là bazơ yếu và trong pha dung dịch chất này hầu như ở trạng thái  phân tử. TEA có khả năng tạo càng (chelate) với một số ion kim loại như Fe³⁺ trong trường hợp chất kiềm.

Triisopropanolamin (TIPA) là mot amin bậc ba. Ngành xi măng sử dụng TIPA như là một phụ gia trợ nghiền và cũng được sử dụng trong các hỗn hợp bê tông. Việc bổ sung thêm những lượng nhỏ TIPA vào có thể làm tăng đáng kể cường độ của hồ xi măng ở các độ tuổi khác nhau. Perez và cộng sự đề xuất rằng triisopropanolamin (TIPA)không cải thiện các tính chất lý học của hồ xi măng Póoc lăng thủy hóa, nhưng lại cải thiện cường độ vữa và bê tông bằng cách hoạt động trên vùng chuyển tiếp (ITZ) giữa hồ xi măng Poóc lăng và cát hoặc cốt liệu. Tuy nhiên, Sandberg và Doncaster gần đây đã trình bày dữ liệu cường độ nén của 10 mẫu xi măng Poóc lăng (với TIPA) được thử nghiệm ở dạng hồ., cũng như hai loại vữa khác nhau sau 28 ngày hydrat hóa. Cải thiện cường độ trung bình với TIPA là 10% trong xi măng Poóc lăng thủy hóa và 9% trong vữa, rõ ràng cho thấy sự gia tăng cường dộ không phụ thuộc vào cơ chế ITZ.

Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá sáu loại phụ gia trợ nghiền thương mại, được sử dụng để sản xuất xi măng Poóc lăng. Một mẫu đối chứng và sáu xi măng đã được chế tạo nghiền chung với 0,015% mỗi loại phụ gia trợ nghiền, với thạch cao và clinker xi mäng Poóc lăng (95% clinker, 5% thạch cao). Ðặc tính của phụ gia trợ nghiền đã được thực hiện bằng phép quang phổ biến đổi hồng ngoại Founer (FT-IR) và såc ký khí/ quang phổ khối (GC/MS) Nước yêu cầu, thời gian đông kết, độ chảy của vữa tiêu chuẩn và cường đọ nén cũng được đo.
(Còn nữa)