Chất trợ nghiền xi măng

1. Giới thiệu

Phụ gia trợ nghiền đã được sử dụng để nghiền xi măng kể từ năm 1930.

Ban đầu, mục đích chính là tăng năng suất, trong khi phụ gia nâng cao cường độ xi măng đã được sử dụng từ những năm 1970 và ngày càng phổ biến.

Một xu hướng giảm hệ số clanhke trong xi măng và do đó tăng hàm lượng nguyên liệu phụ gia sử dụng thay thế clanhke – chẳng hạn như GBFS, tro bay và đá vôi – có thể tiến hành trên toàn thế giới.

Chất lượng của các loại xi măng “đa cấu tử” phụ thuộc rất nhiều vào loại và số lượng của các nguyên liệu thay thế clanhke được sử dụng. Những nguyên liệu này có thể ảnh hưởng đến động học hydrat hóa và sự tương thích của xi măng với phụ gia bê tông thông thường. Hiện tượng này có thể khắc phục bằng cách bổ sung thêm các phụ gia trợ nghiền xi măng được lựa chọn và điều chỉnh cụ thể trong suốt quá trình nghiền xi măng.

Phụ gia này không chỉ để cải thiện mỗi khả năng nghiền và sự phát triển cường độ xi măng trong trường hợp này. Hàm lượng clanhke thay thế lớn hơn nên đòi hỏi phải có các phụ gia trợ nghiền xi măng mới và cải tiến để còn tăng cường tính công tác của xi măng có chứa thành phần phụ gia thay thế này. Có nhiều yêu cầu đặt ra đối với phụ gia trợ nghiền xi măng hiện đại và có thể được chia thành ba loại chính (Hình 1):

– Cường độ: Sự phát triển cường độ phải phù hợp với tiêu chuẩn áp dụng và đáp ứng các yêu cầu của khách hàng.

– Tính công tác: Xi măng phải dễ dàng thi công (nước yêu cầu, yêu cầu phụ gia siêu dẻo, đóng rắn thích hợp).

Một phụ gia trợ nghiền xi măng hiện đại có thể điều chỉnh được để đáp ứng yêu cầu cụ thể và ảnh hưởng của từng yêu cầu riêng đã nêu ở trên.

2. Hiệu quả của phụ gia trợ nghiền

Điện tích bề mặt gây tương tác giữa các hạt xảy ra ở các bề mặt đứt gãy trong quá trình nghiền hợp chất khoáng clanhke. Chất hoạt động bề mặt, làm suy giảm lực xảy ra tương tác là những phụ gia trợ nghiền hiệu quả. Điều này rất rõ ràng, đặc biệt là trong việc giảm sự hình thành kết tụ, cải thiện sự phân tán trong phân ly khí và tránh tạo thành lớp dính bết trong máy nghiền (Hình 2).

Các polyme dạng tổ ong được hấp phụ trên các hạt xi măng thông qua các nhóm chức của mạch polyme chính và các mạch nhánh tự do hướng vào không gian. Lực đẩy không gian của mạch nhánh của polyme khác nhau tạo ra một khoảng cách không gian giữa các hạt xi măng, do đó làm tăng tính linh động của hệ thống.

Sự phát triển của chất kết dính có nước yêu cầu thấp hơn nên có thể sử dụng polycacboxylat ete làm phụ gia trợ nghiền xi măng.

Do PCE là các chất hoạt động bề mặt, nên cũng có thể coi chúng là các phụ gia trợ nghiền. Giả thuyết này dựa trên giả định rằng các nhóm cacboxylat tích điện âm, liên kết tự do hấp phụ trên bề mặt hạt và do đó bão hòa điện tích bề mặt. Các mạch nhánh cũng được cho là gây ra lực đẩy không gian giữa các hạt. Các điều kiện cơ bản tiên quyết cho điều này là việc sử dụng các PCE đặc biệt ổn định có khả năng tiếp tục hoạt động ngay cả sau khi nghiền xi măng và lưu kho.

3. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm

Tiến hành nghiền xi măng cho các nghiên cứu được thực hiện trong một máy nghiền bi thí nghiệm loại TTS 100 do Sieb-technik sản xuất.

Clanhke và sulfate (thạch cao) được đập đến cỡ hạt nhỏ hơn 4 mm cho các mẻ nghiền thí nghiệm. Clanhke đã được sấy trước vài giờ trong tủ sấy ở 105°C. Việc gián tiếp gia nhiệt buồng nghiền đã duy trì được nhiệt độ xi măng không đổi từ 100°C đến 105°C trong khi nghiền. Phân tích xi măng đã nghiền được thực hiện trên cơ sở phân bố cỡ hạt (PSD) bằng nhiễu xạ tia laser, sót sàng trên sàng khí 32 µm, diện tích bề mặt riêng theo độ mịn Blaine, nước yêu cầu và thời gian đông kết theo tiêu chuẩn EN 196-3 và cường độ theo EN 196-1.

Triethanolamin (TEA) được sản xuất bởi hãng Merck đã được sử dụng trong các thử nghiệm phòng thí nghiệm được xem xét ở đây. Polycacboxylat ete thử nghiệm (PCE-1 và PCE-2) được sử dụng trong phụ gia siêu dẻo Sika thương mại có sẵn. Chúng khác nhau chủ yếu về mật độ điện tích, với PCE-2 có mật độ điện tích cao hơn PCE-1. Các phụ gia này được sử dụng dưới dạng dung dịch nước.

Các thí nghiệm nghiền để xác định ảnh hưởng của các chất phụ gia vào hiệu quả nghiền: Các thí nghiệm “nghiền đối chứng” (nghiền không sử dụng phụ gia) được nghiền đến độ mịn khoảng từ 2000 cm²/g đến 2500 cm²/g (độ mịn Blaine). Độ mịn này đủ để cho phép kết luận về hiệu quả của phụ gia trợ nghiền. Hiệu quả của các chất trợ nghiền đã được xác định trên cơ sở các độ mịn đạt được sau một thời gian nghiền liên tục.

Các mẻ nghiền thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của các phụ gia trợ nghiền đến tính chất vữa:

Độ mịn của xi măng có ảnh hưởng đến tính chất của xi măng và vữa. Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của phụ gia đến những tính chất của xi măng nghiền của một loạt thử nghiệm được tiếp tục cho đến khi đạt được độ mịn yêu cầu. Các tính chất của mẫu xi măng nghiền đã được phân tích theo tiêu chuẩn EN 196.

* Kết quả 

Ảnh hưởng PCE-1 đến nước yêu cầu và độ chảy tỏa của loại xi măng CEM I đã được nghiên cứu trong một  thử nghiệm cơ bản. Cấp phối 95% clanhke với 5%  thạch  cao tự nhiên được nghiền cho mục đích này. Thành phần của clanhke xi măng được thể hiện (Bảng 1).

Nước yêu cầu của xi măng giảm và độ chảy tỏa trở nên lớn hơn, khi tỷ lệ liều lượng dung dịch PCE-1 tăng. Tuy nhiên,  một tác dụng phụ đáng chú ý chỉ xảy ra ở mức độ tương đối cao. Trong mẫu mà triethanolamin được bổ sung, nước yêu cầu tăng lên và độ chảy tỏa giảm so với mẫu đối chứng (Bảng 2).

Hiệu quả của  PCE-1  như  là phụ gia trợ nghiền đã được đánh giá trong một loạt các thí nghiệm tiếp theo. Thí nghiệm nghiền xi măng với hàm lượng phụ gia trợ nghiền dạng lỏng khác nhau đã được thực hiện với mục đích kiểm tra hiệu quả của phụ gia PCE-1 (Hình 3). Tất cả các mẫu được nghiền trong thời gian 60 phút. Dung dịch PCE-1 làm tăng đáng kể hiệu suất nghiền, nhưng không tăng nhiều như dung dịch TEA.

Các tính chất của triethanolamin làm phụ gia trợ nghiền sau đó đã được kết hợp với ảnh hưởng của PCE-1 đến nước yêu cầu và độ chảy tỏa. Với mục đích này, các hỗn hợp tỷ lệ khác nhau của PCE-1 và TEA được dùng làm phụ gia trợ nghiền trong một loạt thí nghiệm mới.

Tổng hàm lượng thành phần hoạt tính của dung dịch này là 40%, trong khi hàm lượng các dung dịch phụ gia là 0,10% khối lượng xi măng. Tỷ lệ pha trộn (theo khối lượng) có thể được tìm thấy trong Hình 4. Các mẫu nghiền có độ mịn là 4100 cm²/g± 50 cm²/g.

Hiệu quả của hỗn hợp nêu trên làm phụ gia trợ nghiền đã được xác định bằng các thử nghiệm nghiền xi măng với thời gian nghiền không đổi, cùng với việc xác định kết quả độ mịn liên tục (Hình 5). Liều lượng chất phụ gia là 0,05% khối lượng xi măng, có thành phần hàm lượng hoạt tính là 40%.

Những ảnh hưởng của các phụ gia đến nghiền clanhke C1, C2 và C3 có thể so sánh được. Hỗn  hợp  PCE-1/TEA chỉ có hiệu quả như các dung dịch TEA. Chỉ trong trường hợp của C2 là các dung dịch TEA hiệu quả hơn một chút so với hỗn hợp. Tuy nhiên, dung dịch PCE-1 đạt độ mịn cao nhất trong trường hợp clanhke C4.

Tavares và đồng nghiệp đã xác định được mối tương quan chung giữa khả năng nghiền và thành phần pha của clanhke. Khả năng về tương quan giữa thành phần clanhke  và  một  tỷ lệ pha trộn tối ưu PCE-1/TEA đã không được nghiên cứu cho đến nay. Ngoài ra, các thí nghiệm tiếp theo nên quan tâm thêm đến mức độ kết tinh của clanhke.