So sánh nghiền riêng với nghiền lẫn (Phần 1)

Khi thảo luận về khả năng nghiền và phân bố cỡ hạt (PBCH) của các loại xi măng hỗn hợp phải cẩn thận với các kết quả so sánh. Khả năng nghiền có thể được biểu diễn theo những cách khác nhau và PBCH phụ thuộc nhiều vào kiểu và kích cỡ của máy nghiền. Trong khi nghiền, PBCH thay đổi lũy tiến, do đó các kết quả có thể khác đi nhiều ở những độ mịn, mức tiêu hao năng lượng hay thời gian nghiền khác nhau.

Trong một hệ có 2 thành phần, thường thấy một số xu hướng. Trong giai đoạn nghiền sớm của sự nghiền (ở độ mịn thấp), thành phần cứng hơn sẽ giàu trong phần hạt thô hơn và thành phần mềm hơn sẽ chiếm ưu thế trong phần mịn hơn của PBCH. Thành phần cứng hơn vẫn còn thô hơn và mài mòn thành phần mềm hơn. Thành phần mềm hơn sẽ có PBCH rộng hơn và thành phần cứng hơn sẽ có PBCH hẹp hơn.

Khi tiến trình nghiền vỡ thành phần rắn hơn bắt đầu, nó tiếp cận dần dần các thành phần nhỏ hơn và mềm hơn. Kết quả là đã thấy rằng sau một thời gian nghiền dài đáng kể hay ở độ mịn cao, sự khác biệt giữa nghiền lẫn và nghiền riêng là ít hơn so với khi so sánh ở giai đoạn nghiền sớm hay ở độ mịn thấp.

Một số tương tác đáng chú ý đã quan sát được ví dụ các thành phần mềm hơn che chắn các thành phần tương đối cứng hơn và do đó ngăn ngừa chúng khỏi bị nghiền thêm hay sự vón kết các hạt mịn hơn trong khi tiếp tục nghiền dẫn đến sự giảm đột ngột độ mịn Blaine.

Các thành phần dễ nghiền hơn phát triển một PBCH rộng hơn và có tác động hữu ích tới yêu cầu nước của xi măng hỗn hợp do cải thiện sự lèn chặt hạt.

Sự ưa thích hơn giữa nghiền riêng và nghiền lẫn phụ thuộc vào hỗn hợp khoáng được sử dụng, vào yêu cầu mức thay thế độ mịn ra sao, thời gian nghiền chúng bao lâu và các đặc tính về độ bền lâu và cường độ của nó ra sao. Tuy nhiên, khi một thành phần của xi măng nhiều cấu tử không thể đạt các yêu cầu độ mịn trong quá trình nghiền lẫn do việc nghiền ưu tiên thành phần khác dễ nghiền hơn, điều rõ ràng là kỹ thuật nghiền riêng sẽ được áp dụng.


1. Giới thiệu

Các loại xi măng hỗn hợp được chế tạo bởi clinker và các phụ gia khoáng như: xỉ lò cao hạt hóa, tro bay, pozzolan, đá vôi, sét nung, v.v.. Việc thay thế một phần clinker không chỉ làm giảm tiêu hao các nguồn tài nguyên thiên nhiên, nhiên liệu hóa thạch và phát thải khí mà cũng có thể góp cho các tính chất bê tông tốt hơn trong cả hai trạng thái tươi và đã đóng rắn.

Các tính chất và hiệu năng của các loại xi măng hỗn hợp bị ảnh hưởng bởi các tỷ lệ và hoạt tính của các phụ gia khoáng, nhưng cũng bị ảnh hưởng ở mức độ lớn bởi phân bố cỡ hạt (PBCH). Các thành phần khác nhau của mỗi loại xi măng hỗn hợp cần đạt được độ mịn nào đó cho hiệu ứng thủy lực, thủy lực ẩn hay pozzolan. PBCH của xi măng hỗn hợp cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa yêu cầu nước và khả năng thi công của bê tông. Bằng cách sửa PBCH của các phụ gia khoáng và clinker cho hợp với nhau, có thể tối ưu hóa được độ lèn chặt hạt và có thể giảm thiểu được các khoảng trống giữa các hạt xi măng. Nước lấp đầy các khoảng trống trước đó giữa các hạt xi măng có thể hoạt động như chất bôi trơn và bao bọc các hạt bằng một màng nước làm cho các hạt thành phần có thể chuyển dịch tự do. Cuối cùng thì khả năng thi công được cải thiện đối với mỗi tỷ lệ nước/ximăng (w/c) đã cho và như ngoài ra, còn giảm được yêu cầu nước cần có để tạo ra độ sụt mong muốn.

Các loại xi măng hỗn hợp có thể được sản xuất theo hai cách: bằng cách nghiền lẫn các thành phần hay bằng cách nghiền riêng rồi trộn chúng với nhau. Với phương pháp nghiền lẫn, tất cả các thành phần của xi măng hỗn hợp được nghiền lẫn với nhau. Theo cách này xi măng được đồng nhất trong khi nghiền và ở nhà máy bê tông chỉ cần một silô. Vì có sự tương tác giữa các thành phần khác nhau của xi măng, do sự khác biệt về khả năng nghiền, PBCH của xi măng hỗn hợp và các thành phần khác nhau là khó kiểm soát được. Công nghệ thứ hai bao gồm nghiền riêng và bảo quản các thành phần và cuối cùng trộn theo các tỷ lệ mong muốn. Phương pháp này có một vài ưu điểm: sự PBCH của mỗi thành phần và của xi măng hỗn hợp có thể điều khiển được và theo độ cứng và độ mịn yêu cầu của các thành phần, có thể sử dụng các thiết bị nghiền thích hợp cho mỗi thành phần. Nhưng trong trường hợp này, cần có một số silô tồn trữ tại nhà máy bê tông. PBCH của xi măng hỗn hợp được nghiền lẫn, ngoài các tính chất hóa học và vật lý của vật liệu, được điều khiển bởi thiết bị nghiền và thời gian nghiền. Việc nghiền xi măng là một chủ đề quan trọng khi đề cập đến tiêu hao năng lượng. Việc nghiền clinker tiêu tốn khoảng 40 % tổng tiêu hao năng lượng trong sản xuất xi măng. Do đó, nghiền lẫn là cách thức tiềm tàng để tiết kiệm đáng kể năng lượng do một số hỗn hợp khoáng có ảnh hưởng dương rõ rệt lên khả năng nghiền của clinker.

2. Khái quát

Khi so sánh nghiền lẫn và nghiền riêng, khác biệt khả năng nghiền giữa các thành phần đóng vai trò quan trọng. Tuy nhiên, khả năng nghiền có thể được biểu diễn theo nhiều cách khác nhau. Cũng vậy đối với tính chất độ mịn của xi măng hỗn hợp này có thể được nêu thành PBCH hay thành diện tích bề mặt riêng, mỗi tính chất này dựa trên các nguyên tắc đo khác nhau. Phải cẩn thận khi so sánh các kết quả, do đó đã nêu một tổng quan tóm tắt.

2.1. Độ mịn

Độ mịn của xi măng thường được biểu diễn bằng diện tích bề mặt riêng. Tuy nhiên, diện tích bề mặt riêng không phải là đặc điểm chính xác định độ mịn vì các loại bột với PBCH khác nhau vẫn có thể có cùng diện tích bề mặt riêng. Do đó, việc nêu tính chất của hỗn hợp bột bằng PBCH được ưa thích hơn.

2.1.1. Phân bố cỡ hạt

Có những phương pháp khác nhau để xác định phân bố cỡ hạt (PBCH), mỗi phương pháp cho những kết quả khác nhau.

Có thể dùng phần trăm trọng lượng qua sàng để mô tả độ mịn, nhưng chỉ có thể sử dụng kỹ thuật này cho những hạt thô hơn 45 μm. Sàng phun khí có thể được sử dụng cho những phần mịn hơn. Các phương pháp khác được sử dụng rộng rãi để đo một khoảng cỡ hạt rộng hơn dựa vào hoặc độ lắng của các hạt trong chất lỏng hoặc bằng nhiễu xạ ánh sáng. Trong Biểu đồ đo độ lắng bằng tia X (X-ray sedigraph), độ lắng được giám sát bởi sự hấp thụ chùm tia X. PBCH được tính toán từ các phép đo này bằng cách sử dụng định luật Stokes. Đối với phương pháp cổ hơn, Andreason pipette, cũng dựa trên định luật Stokes, các mẫu được lấy ra khỏi dung dịch huyền phù ở độ sâu nào đó ở những thời gian khác nhau và xác định hàm lượng chất rắn của chúng. Trong Hạt kế Laser (Laser granulometry), dựa trên nguyên tắc của nhiễu xạ Fraunhofer, PBCH được tính từ các kiểu phân tán được tạo thành bởi một tia laser sau khi đi qua dung dịch huyền phù.

Còn kỹ thuật khác dựa trên phương pháp vùng cảm biến điện tử. Các hạt lơ lửng trong một dung dịch điện ly yếu. Do các hạt đi qua một lỗ hổng, chúng làm tăng tức thời trở kháng của lỗ. Từ sự thay đổi về trở kháng này, mà thay đổi về trở kháng đó tỷ lệ với thể tích ba chiều của hạt, có thể tính được số lượng, thể tích, khối lượng, diện tích bề mặt và phân bố cỡ hạt.

Kính hiển vi quang học và SEM (kính hiển vi điện tử quét-Scanning Electronic Microscope) có thể cung cấp thêm các thông tin về cả hai cỡ hạt và hình dạng hạt.

PBCH của xi măng có thể được mô tả gần đúng nhờ mô hình toán học hai thông số, hàm phân bố Rosin-Rammler (RR) cũng được gọi là hàm phân bố Rosin-Rammler-Sperling-Bennet (RRSB):


R(x) là phần trọng lượng của các hạt lớn hơn so với x, x là đường kính hạt tính bằng mm, x, là thông số vị trí cũng được gọi là đường kính đặc trưng, do đó R(x,) = e-1=0,368 và n là chỉ số đồng dạng. Biểu đồ thành phần hạt RRSB với một thang lnln1/R(x) trên trục tung và một thang ln x trên trục hoành tạo ra một đường thẳng với độ nghiêng n như có thể thấy trong Hình 1. Đường kính đặc trưng x, đặc trưng cho độ mịn của phân bố RRSB và độ nghiêng n của đường thẳng RRSB là số đo của độ rộng phân bố. Giá trị n càng lớn, sự phân bố cỡ hạt càng hẹp hơn.


So sánh các phân bố cỡ hạt khi đó có thể bị hạn chế khi so sánh các thông số Rosin-Rammler: x, và n. Trong khi nghiền x, giảm liên tục. Trong giai đoạn đầu của quá trình nghiền n tăng nhưng ở bề mặt riêng nào đó n bắt đầu giảm sau khi đạt cực đại. Ở điểm này xuất hiện vón kết. Từ Hình 2, có thể thấy là chỉ số đồng dạng n của mẫu clinker có một giá trị cực đại ở diện tích bề mặt khoảng 320 m²/kg. Sau đó, nó bắt đầu giảm do tương tác của các hạt (vón kết). Mặt khác, xỉ có thể được nghiền lên đến 400 m2/kg mà không vón kết.


2.1.2. Diện tích bề mặt riêng

Trong công nghiệp xi măng, diện tích bề mặt riêng của xi măng hầu hết thường được xác định bằng thiết bị thấm khí Blaine. Thời gian cần thiết để cho một lượng khí cố định đi qua một đệm xi măng ở trạng thái xác định được đo. Và bề mặt riêng được tính từ mức độ thấm khí, độ xốp, mật độ của đệm xi măng và độ nhớt của không khí.

Phương pháp khác để xác định diện tích bề mặt riêng là hấp thụ khí BET (Brunauer-Emmet-Teller). Bằng cách đo lượng khí nitơ hấp thụ ở -196⁰C đối với các áp suất riêng phần Ni tơ khác nhau, có thể tính toán được dung tích một lớp và sau đó là diện tích bề mặt riêng. Phương pháp BET cho giá trị cao hơn gấp hai đến ba lần so với phương pháp thấm khí vì phương pháp này đo tất cả các bề mặt bao gồm bề mặt các lỗ chỉ hở một phía, các bề mặt bên trong và các vết nứt tế vi.

Chênh lệch tương đối giữa các bề mặt riêng được xác định bằng phương pháp Blaine và phương pháp BET có thể cung cấp các thông tin thích đáng liên quan đến sự vón kết và tạo thành vảy bết.

Người dịch: Lê Văn Tiệp
Nguồn: Báo cáo của SINTEF Building and Infrasture COIN - Concrete Innovation Centre