Tái chế xỉ thép lò hồ quang điện làm thành phần phụ gia khoáng xi-măng

Nội dung text: Tái chế xỉ thép lò hồ quang điện làm thành phần phụ gia khoáng xi-măng

1. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG TÁI CHẾ XỈ THÉP LÒ HỒ QUANG ĐIỆN LÀM THÀNH PHẦN PHỤ GIA KHOÁNG XI-MĂNG KS. NGUYỄN VĨNH PHƯỚC, ThS. LÊ THỊ DUY HẠNH, ThS. HUỲNH NGỌC MINH, ThS. LÊ MINH SƠN, ThS.NGUYỄN THÁI HÒA, TS. NGUYỄN KHÁNH SON Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh Tóm tắt: Bài báo này trình bày kết quả nghiên chỗ trên diện tích đất rất lớn và dẫn đến tác động môi cứu việc tái chế xỉ thép để làm phụ gia cho xi-măng và trường nghiêm trọng với hàm lượng bụi lớn và rỉ sét, bê-tông. Xỉ thép lò hồ quang điện (xỉ EAF) được lấy từ kim loại nặng. Vì vậy, việc tái chế xỉ thép được đánh nhà máy sản xuất thép Đồng Tiến, tỉnh Bà Rịa - Vũng giá là thực sự cần thiết để đáp ứng đồng thời mục Tàu. Thành phần hóa của xỉ thép dao động trong tiêu về kinh tế lẫn môi trường. Để tái chế ở quy mô lớn, xỉ thép có thể được sử dụng như chất độn xi- khoảng rộng, bao gồm hàm lượng lớn CaO tự do (>31 măng hoặc cốt liệu san lấp nền hay cốt liệu cho bê- %), MgO (>7 %), FeO – Fe O (>35-50 %) và sắt kim 2 3 tông nhựa đường [1,3]. Cốt liệu xỉ thép làm san lấp loại còn dư. Hàm lượng các khoáng có tính thuỷ lực nền giúp cải thiện cơ tính và tính bền nhờ phản ứng như C S, C S thấp và nhỏ hơn nhiều so với xi-măng 3 2 kết dính khi gặp nước, bùn. Tuy nhiên nhìn chung Portland. Hoạt tính pozzolanic của xỉ thép ở mức trong số các trường hợp ứng dụng thực tế hiện nay trung bình theo tiêu chuẩn phân loại. Sau khi nghiền đều không tận dụng hết các tính chất của xỉ từ quan 2 xỉ đến kích thước 90µm (Blaine 3400 cm /g), xi-măng điểm khoa học vật liệu. Hơn 90% lượng xỉ vẫn đang được trộn với xỉ trong đó chứa 10 đến 40% khối lượng đổ đống trong bãi thải tại chỗ trong các nhà máy hay xỉ theo hai hệ thành phần: xỉ thép - xi-măng Portland, chôn lấp sâu. xỉ thép và xỉ hạt lò cao (xỉ GBFS) - xi-măng Portland. Một ví dụ rất thành công về tái chế xỉ có thể được Các tính chất ở giai đoạn đầu của quá trình thủy hóa đề cập là trường hợp xỉ GBFS. Loại xỉ này được và ở tuổi dài ngày của các mẫu vữa chế tạo được nghiền phối trộn trực tiếp vào xi-măng Portland nhằm phân tích đánh giá. Kết quả sơ bộ cho thấy hàm chế tạo xi măng xỉ. Theo tiêu chuẩn ASTM, xi-măng xỉ lượng sử dụng 20 % xỉ trong xi-măng hỗn hợp xỉ là loại IS (25-70 % xỉ) hoặc S (trên 70% xỉ) được mô tả thích hợp với yêu cầu đặc trưng cơ lý - ăn mòn. Mặt là ít tỏa nhiệt, chậm phát triển cường độ. Xi-măng xỉ khác, hỗn hợp 20 % xỉ thép và 20 % xỉ GBFS có thể có tính kháng ăn mòn cao trong các môi trường đặc được xem xét trong ứng dụng thực tế. Cường độ chịu biệt ở dài ngày. Kĩ thuật làm lạnh nhanh dòng xỉ lỏng lực của mẫu được đánh giá tốt trong môi trường từ đáy lò ở 1400-1600°C (phun trực tiếp khí lạnh hoặc sunphat, và axit mạnh. Để cải thiện tính thủy lực của tia nước) để ngăn chặn sự kết tinh và đồng thời tạo ra xỉ thép, có thể cần thiết điều chỉnh thành phần hóa và pha thủy tinh trong các hạt xỉ rắn. Chính quá trình tạo xử lý nhiệt phối liệu mới đến trạng thái nóng chảy. hạt này tạo nên đặc trưng tính thủy lực cho xỉ GBFS Các đặc trưng thành phần khoáng của xi-măng chế cũng như tính dòn dễ nghiền nhờ lượng lớn pha thủy tạo từ xỉ được thảo luận. Việc chế tạo loại clinker xi- tinh [4]. Đối với xỉ thép EAF có tính thủy lực cao có măng xỉ mới này có thể là một hướng nghiên cứu xử thể được nghiền chung với clinker xi-măng tương tự lý xỉ thép trong chế tạo clinker xi-măng Portland hoặc như với xỉ GBFS. Thêm vào đó, để cải thiện tính chất tương đương. của xỉ hoạt tính thuỷ lực kém, chúng tôi thực nghiệm 1. Giới thiệu kỹ thuật clinker hóa xỉ có bổ sung các nguyên liệu khác có thành phần thích hợp. Nguồn nhiệt của mỏ Xỉ thép là một phụ phẩm của quá trình luyện sắt hàn oxy-axetylen được sử dụng cho tiếp xúc trực tiếp (gang hoặc thép phế liệu) thành thép nóng chảy trong trên phối liệu để đạt đến trạng thái nóng chảy. Xỉ lỏng lò luyện. Quá trình này nhằm mục đích loại bỏ các tạp được làm lạnh nhanh trong nước và làm nguội tự chất như Al, Si, P, để sản phẩm thép đạt được các tính chất cơ lý cần thiết. Lượng xỉ thải ra trong quá nhiên trong không khí. Sản phẩm clinker sau đó được trình này chiếm khoảng 15% khối lượng sản phẩm phân tích bằng XRD, SEM, và FTIR. Chúng tôi so thép [1]. Ở nước ta, theo ước tính có khoảng 1-1,5 sánh clinker xỉ với xi-măng Portland về thành phần triệu tấn xỉ thép thải ra mỗi năm [2] từ các nhà máy khoáng, thời gian đóng rắn, cường độ nén ở 3 và 7 sản xuất thép lớn. Các bãi chất thải rắn này chiếm ngày tuổi. Dựa trên kết quả thu được, phương pháp Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014 49
2. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG tổng quát nhằm tái chế xỉ thép làm vật liệu xây dựng là kết tinh kém và bao gồm một lượng lớn pha vô định sẽ được trình bày và thảo luận. hình [5]. Trên hình 1 (bên phải), phổ phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) của mẫu xỉ Đồng Tiến (ĐT) biểu hiện 2. Đặc tính thuỷ lực của xỉ EAF đặc trưng phổ phức tạp với nhiều đỉnh chồng lặp. Các Xỉ dạng tảng lớn sau giai đoạn làm nguội tự nhiên đỉnh đặc trưng này là của các pha tinh thể có trong xỉ trong không khí trên bãi thải nhà máy, được đập sơ thép hoặc từ thép phế liệu, như quartz SiO2, wustite bộ qua máy đập hàm. Bán thành phẩm được tiếp tục FeO và hematite Fe2O3 Xỉ EAF Đồng Tiến có hàm lưu trữ ngoài trời và phun nước nhằm ổn định thể lượng oxit sắt cao, dung dịch rắn của sắt oxit thường tích. Trong hầu hết các trường hợp, xỉ thép được coi là một trong những pha khoáng chính nổi bật. Hình 1. Ảnh SEM (bên trái) và phổ XRD của xỉ thép Đồng Tiến (bên phải) Thành phần hóa của xỉ EAF ĐT được trình bày CaO có thể tồn tại trong cả dạng tinh thể kết tinh trên bảng (hình 2 bên phải). Theo đó, FeO/Fe2O3, silicate caclium và vôi tự do [5],[6]. Vôi tự do thường CaO, SiO2, Al2O3, MgO là những thành phần oxít chuyển thành portlandite và gây ra sự mất ổn định thể chính, tương ứng 35-40, 22-60, 6-34, 3-14 và 3-13 tích của các cốt liệu xỉ. Kết quả thành phần hóa được phần trăm theo khối lượng. Các thành phần phụ khác biểu thị trực quan trên giản đồ pha ba cấu tử CaO- bao gồm tạp chất khác như MnO, SO2. Thành phần SiO2-Al2O3 (tài liệu tham khảo [7]). Xỉ ĐT GBFS OPC () ( ) () CaO 35,98 39,50 64,80 SiO2 14,85 35,40 20,99 Al2O3 6,58 15,50 4,90 ợng Oxit ợng lư i 12,09 ố Fe O /FeO 1,30 3,58 2 3 /15,25 MgO 5,19 3,60 2,12  % theo % theo kh Thành phần  10,06 4,70 3,61 khác Hình 2. Thành phần hóa của xỉ thép ĐT (), GBFS ( ) và OPC () trên giản đồ pha ba cấu tử CaO-Al2O3-SiO2 50 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014
3. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Theo tương quan, chúng tôi đánh giá vị trí của xỉ xỉ cho thấy độ hoạt tính trung bình của xỉ thép EAF ĐT () , GBFS ( ) so với thành phần tham khảo của trong thang đo các loại phụ gia khoáng hoạt tính. xi-măng Portland () trên hình 3. Xỉ ĐT cách khá xa Ngoài ra, tác dụng lấp đầy làm giảm độ xốp của hạt xỉ vùng xi-măng Portland. Chúng ta có thể giải thích bởi thép nghiền mịn có thể góp phần làm tăng cường độ hàm lượng rất cao của sắt và oxit sắt trong mẫu xỉ mẫu xi-măng hỗn hợp [8, 9]. EAF ĐT. Mặt khác, hàm lượng các oxit SiO + CaO 2 3. Nguyên liệu và phương pháp thực nghiệm trong xỉ GBFS và xi-măng Portland khá tương đồng, như vậy xỉ GBFS tương thích trong sản phẩm xi- 3.1 Sơ đồ thực nghiệm măng hỗn hợp. Hình 3 dưới đây trình bày các bước tiến hành Trước khi được đánh giá như một loại vật liệu phụ thực nghiệm của quá trình xử lý tái chế xỉ. Xỉ thép sau gia khoáng cho xi-măng, chỉ số hoạt tính cường độ khi qua giai đoạn gia công cơ học, phân loại có thể của xỉ EAF ĐT phải đạt cao hơn giá trị chấp nhận tiến hành theo hai hướng sử dụng tái chế. Mục đích được 75% theo yêu cầu của TCVN 6882:2001. của phương pháp thứ nhất bao gồm việc phối trộn Cường độ của hai mẫu thử ở 7 ngày lần lượt là vào hệ thành phần xi-măng Portland - xỉ thép EAF và 30,1MPa (mẫu xi-măng Portland tham khảo) và xỉ GBFS. Mục đích của phương pháp thứ hai nhằm 28,5MPa (mẫu thay thế 10% xi-măng Portland bằng xỉ xác định ảnh hưởng của thành phần phối liệu, điều EAF Đồng Tiến). Chỉ số 94,5% (>75%) từ tỉ số giá trị kiện xử lý nhiệt trên vi cấu trúc và thành phần khoáng cường độ này cho thấy hoàn toàn đáp ứng yêu cầu của sản phẩm clinker xỉ thép. Kết quả thử nghiệm có TCVN. Theo TCVN 3735-1982, hoạt tính pozzolanic thể gợi ý một quá trình clinker hóa thực tế dòng xỉ của xỉ được đo bằng khả năng phản ứng của silica thép nóng chảy từ lò điện hồ quang tương tự như kỹ trong xỉ với vôi. Kết quả thu được là 71,82mg CaO/1g thuật chế tạo xỉ GBFS từ lò cao. Giai đoạn chuẩn bị Xỉ thép EAF OPC Nước Cát Gia công nghiền sàng Phân tích/thử hoạt tính cao Phối trộn độ hoạt tính GBFS hoạt tính kém Clinker hóa/làm nguội Thử nghiệm tính bền và cường độ Phân tích và thử cường độ Phương pháp 2 Phương pháp 1 Xi măng xỉ Xi măng hỗn hợp xỉ thép Hình 3. Nghiên cứu thực nghiệm tái chế xỉ thép theo 2 phương pháp 3.2 Nguyên liệu (phương pháp 1) trung bình và phù hợp phối trộn vào xi-măng để chế tạo sản phẩm xi măng hỗn hợp. Xỉ EAF Đồng Tiến được sử dụng cho việc phối trộn sau khi sàng qua sàng 90µm. Theo kết quả phân Xi-măng Portland PC40 và xỉ GBFS dùng trong tích trên đây, xỉ EAF Đồng Tiến có hoạt tính thuỷ lực nghiên cứu này được cung cấp bởi công ty xi-măng và hoạt tính pozzolanic được đánh giá ở mức độ Hà Tiên 1 (Phú Hữu, Quận 9), đáp ứng đầy đủ tiêu Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014 51
4. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG chuẩn để sử dụng cho xi-măng hỗn hợp Portland xỉ dụng đáp ứng theo yêu cầu của TCVN 4506- theo yêu cầu của TCVN 4315 : 2006. 1987 là nước máy sạch. Bảng 2 trình bày thành phần hỗn hợp phối trộn của xỉ thép EAF, xi- Cát tiêu chuẩn được sử dụng trộn mẫu vữa măng Portland và xỉ GBFS trong loạt mẫu chế xi-măng phù hợp với TCVN 6227:1996, module tạo thử nghiệm. độ lớn trung bình là 2,9. Nước cũng được sử Bảng 2. Công thức thành phần của mẫu vữa cho thử nghiệm % % Nước Cát Điều kiện dưỡng hộ trong Tên mẫu % Xỉ ĐT GBFS OPC /Hỗn hợp /Hỗn hợp môi trường S0 0 100 0,4 3 Thường + Ăn mòn S10 10 90 0,4 3 Thường S20 20 80 0,4 3 Thường + Ăn mòn S30 30 70 0,4 3 Thường S40 40 60 0,4 3 Thường + Ăn mòn SG20 20 20 60 0,4 3 Thường + Ăn mòn G40 40 60 0,4 3 Thường + Ăn mòn Thực nghiệm các tính chất đặc trưng và sự ảnh Phước, nghiền mịn và tiến hành phân tích thành phần hưởng của xỉ thép ở tuổi sớm và dài ngày được thực hóa (phương pháp XRF-SPECTRO XEPOS). Trong hiện trên các thanh mẫu vữa hình trụ 40x40x160mm. nghiên cứu sơ bộ này, để tránh các tạp chất có thể Điều kiện dưỡng hộ cho mẫu ở cả môi trường bình có, chúng tôi chọn sản phẩm nhôm hydroxit công thường và ăn mòn tương ứng với các chỉ tiêu thử nghiệp để cung cấp thành phần Al2O3 trong bài toán nghiệm cường độ và tính bền. phối liệu. Thực tế sản xuất, nhờ kiểm soát tốt các 3.3 Vật liệu (phương pháp 2) thông số công nghệ có thể lựa chọn các nguyên liệu Thành phần nguyên liệu cho quá trình clinker hóa tự nhiên, phụ phẩm hay thậm chí là chất thải giàu xỉ thép bao gồm xỉ thép Đồng Tiến, đá vôi và nhôm nhôm như bauxite. Thành phần hóa của nhôm hydroxit. Đá vôi được lấy từ mỏ Thanh Lương - Bình hydroxit được phân tích bằng phương pháp XRF. Bảng 3. Thành phần hóa và công thức phối liệu chế tạo clinker xi-măng xỉ thép % khối lượng của oxit trong nguyên liệu % khối lượng nguyên CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO liệu trong phối liệu Đá vôi 91,24 1,97 - - 3,77 26,63 Nhôm hydroxide - - 63,03 - 0.23 10,52 Xỉ EAF ĐT 37,48 14,85 6,58 12,09 5,19 62,85 Mục tiêu của việc clinker hóa xỉ thép trong Lượng nước nhào trộn xi-măng đóng vai trò đảm phương pháp 2 là cải thiện tính thủy lực xi-măng hay bảo đủ cho phản ứng hydrat hóa và đồng thời giúp khả năng thuỷ hoá tạo cường độ. Phối liệu được tính duy trì khả năng thi công của vữa xi-măng. Kết quả bằng cách sử dụng lý thuyết thành phần của xi-măng khảo sát cho thấy lượng nước tiêu chuẩn của vữa xi- Portland [4], [7]. măng giảm theo tỷ lệ xỉ thép thay thế trong khoảng 10 đến 40%. Ở tỷ lệ thay thế 40% xỉ thép, kết quả của 4. Kết quả đánh giá tính chất của xi-măng hỗn hợp giảm nước cao nhất đạt khoảng 9,8%. Ngược lại, xỉ thép không có sự khác biệt về độ giảm nước của các mẫu Xỉ thép phối trộn vào xi-măng với tỷ lệ khác nhau G40 (thay thế 40% xỉ GBFS) và mẫu chuẩn xi-măng từ 10-40% có thể thay đổi hoàn toàn tính chất của S0. Như vậy rõ ràng xỉ GBFS là một thành phần có vữa xi-măng được khảo sát. hoạt tính thủy lực cao trong xi-măng hỗn hợp. Xỉ thép EAF có hoạt tính thấp thấy rõ so với xỉ GBFS và xi- 4.1 Ở tuổi sớm ngày (trạng thái vữa tươi) măng Portland. 52 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014
5. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Thời gian đóng rắn của hồ xi-măng được ghi lớn, khoảng thời gian ninh kết càng kéo dài (hình nhận bằng dụng cụ Vicat theo tiêu chuẩn TCVN 4a). Đối với mẫu chứa xỉ GBFS cũng được ghi 3735-82/ASTM C618 -92. Đối với nhóm mẫu có nhận có thời gian bắt đầu và kết thúc ninh kết tăng phối trộn xỉ thép, thời gian bắt đầu và kết thúc đóng so với mẫu chuẩn S0, nhưng xét về tương quan rắn đều kéo dài hơn so với mẫu chuẩn chỉ chứa xi- cho thấy mức tăng vừa phải so với những mẫu có măng Portland. Hàm lượng xỉ thép thay thế càng chứa xỉ thép. Hình 4. (a) Kết quả đo thời gian ninh kết và (b) cường độ chịu nén mẫu vữa ở 3, 7, 28 và 60 ngày tuổi 4.2 Ở tuổi dài ngày (trạng thái vữa đóng rắn) môi trường ăn mòn Na2SO4 5%, MgSO4 5%, HCl Hình 4b cho thấy quá trình phát triển cường độ 0,5M đã được chuẩn bị cho thử nghiệm theo tiêu theo thời gian một cách bình thường của mẫu chuẩn chuẩn ASTM C1012. Các dung dịch được khuấy 100% xi-măng S0. Đối với tất cả các mẫu xi-măng xỉ thường xuyên và kiểm soát độ pH để duy trì trạng thái hỗn hợp đều cho thấy khả năng cải thiện tính chịu ổn định trong suốt thời gian kiểm nghiệm 60 ngày. Tất nén ở tuổi dài ngày, đặc biệt là 28 và 60 ngày. Ở thời cả các mẫu vữa khi tiếp xúc với môi trường ăn mòn điểm 3 ngày tuổi chỉ có khoảng chênh lệch nhỏ giữa đều bị giảm cường độ chịu nén. Thời gian ngâm trong cường độ chịu nén của mẫu G40 và S40 nhưng sau dung dịch ăn mòn càng lâu, sự suy giảm này càng 60 ngày tuổi mẫu G40 đạt được cường độ rất cao so nhiều. Biểu đồ trên hình 5 cho thấy sự khác biệt nhỏ với S40. Các mẫu S10, S20, S30, S40 biểu hiện rõ (khoảng ±5%) về cường độ nén của xi-măng xỉ bảo ràng quá trình phát triển cường độ ở dài ngày. Xét về dưỡng trong môi trường ăn mòn so với mẫu đối giá trị cường độ chịu lực, mẫu S20 (thay thế 20% xỉ chứng xi-măng Portland (S0). Có nhiều khả năng sự 2- thép) là thích hợp cho xi-măng xỉ thép hỗn hợp, đặc kết hợp giữa sản phẩm thủy hóa với ion sunfat (SO4 ) biệt là khi có thêm vào 20% xỉ GBFS. Quan sát đặc đóng góp vào quá trình tăng cường độ của xi-măng xỉ trưng vi cấu trúc sản phẩm do phản ứng thủy hóa của thép [12]. Tuy nhiên, cường độ nén của vữa xi-măng xỉ có khác biệt so với xi-măng Portland. Sau 28 ngày giảm mạnh trong trường hợp tiếp xúc lâu với axit HCl. tuổi, vi cấu trúc đặc trưng của xi-măng kết hợp các Kết quả là hợp lý nguyên do từ phản ứng acid-base sản phẩm hydrat hóa của C-S-H và các hạt xỉ thép với việc hòa tan sản phẩm portlandite và oxit sắt trong điền đầy lỗ xốp mao quản [10]. Ngoài ra, theo Wang dung dịch axit [13]. Thời gian bảo dưỡng trong môi và cộng sự [11], sự có mặt của xỉ GBFS còn giúp hình trường axit càng lâu, kết quả cường độ nén càng thành thêm sản phẩm C-S-H nhiều hơn bởi việc kết giảm mạnh. Tuy nhiên trong trường hợp của mẫu hợp với sản phẩm thủy hóa chính C-H của xỉ. G40 (thay thế 40% xỉ GBFS), kết quả cường độ tốt Thêm vào đó, chúng tôi tiến hành các thí nghiệm hơn trong tất cả các môi trường ăn mòn. Kết hợp sử mẫu trong môi trường chứa tác nhân ăn mòn hóa học dụng cả xỉ lò cao và xỉ thép trong mẫu vữa G20 + S20 để đánh giá độ bền của vữa xi-măng hỗn hợp. Ba loại cũng cho độ bền cao hơn trong môi trường ăn mòn . Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014 53
6. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG 3 ngày 7 ngày 28 ngày 60 ngày Hình 5. Cường độ nén của các mẫu vữa trong môi trường nước và các môi trường ăn mòn Na2SO4 5%, MgSO4 5%, HCl 0,5M ở tuổi 3-7-28-60 ngày 5. Kết quả đánh giá tính chất xi-măng xỉ thép thí nghiệm clinker hóa xỉ thép nhằm cải thiện tính thủy Phối liệu các thành phần nguyên liệu đá vôi, nhôm lực. Theo đó, thành phần khoáng của clinker xi-măng hydroxide và xỉ thép EAF được đồng nhất và gia nhiệt xỉ mới cần thiết phải chứa hàm lượng lớn các khoáng đến nóng chảy nhằm chế tạo sản phẩm clinker. chính silicate calcium C3S, C2S. Ngoài ra, vôi và MgO tự do có thể được cố định chủ yếu trong các sản 5.1 Gia nhiệt và làm nguội xi-măng xỉ phẩm kết tinh của xỉ rắn. Tốc độ làm nguội nhanh Xỉ GBFS đóng vai trò là mục tiêu cần hướng tới trong phương pháp chế tạo được thực hiện bằng cho quy trình tái chế xỉ thép bằng phương pháp xử lý phun/ngâm nước lạnh. Pha thủy tinh tạo thành càng nhiệt. Đặc trưng thành phần và công nghệ luyện lò nhiều từ giai đoạn làm nguội nhanh, càng cho phép cao, làm nguội kết hạt mang lại cho xỉ GBFS hoạt tính hỗ trợ cho quá trình nghiền clinker xỉ thép và hoạt tính thủy lực tự nhiên. Hình 6 trình bày hình ảnh quy trình của nó. Hình 6. Phối liệu nung chảy dưới mỏ hàn oxy-acetylen và sau khi làm nguội 5.2 Thành phần khoáng khá rõ ràng của khoáng C3S tại 2θ=32,09; 33,81; Trên hình 7a, phổ phân tích XRD trên mẫu 29,06, cũng như C2S tại 2θ=32,29; 41,18; 35,19 nghiền clinker xi-măng xỉ cho thấy tinh thể của và CA tại 2θ=23,46; 47,23; 32,02 trên phổ chồng. oxit sắt nổi bật trên hầu hết các đỉnh chính, còn Sự tồn tại của các khoáng có tính thủy lực góp lại là pha thủy tinh thể hiện trên phần nền vô định phần vào đặc trưng phản ứng đóng rắn của xi- hình của phổ. Chúng tôi cũng nhận ra dấu vết măng xỉ [4]. 54 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014
7. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Hình 7. Phổ (a) XRD, CuKα và (b) FTIR của bột xi-măng xỉ mới Mặt khác, bằng cách so sánh phổ hồng ngoại FTIR Si-O, Fe-O tại 518,8. Xem xét kết quả phân tích XRD, của phối liệu chưa nung và sản phẩm clinker xi-măng chúng có thể kết luận về sự tồn tại trong sản phẩm xỉ thu được (hình 7b), có thể phân biệt và nhận thấy tác silicate calcium kết tinh. Thông thường, C2S có trong động của ba yếu tố thành phần, nhiệt độ và chế độ làm cả nguyên liệu xỉ thép và sản phẩm clinker xi-măng xỉ nguội trong việc tăng cường tính chất của xỉ. Trong thép thành phẩm. Nhiệt độ nung cao hơn cho mức độ khoảng số sóng 500-1000cm-1, tồn tại một số liên kết kết khối tốt hơn nói chung [4]. Si-O tại 1247,04; 1114,55; 997,89; 434,45; liên kết Al-O 5.3 Thời gian ninh kết, lượng nước tiêu chuẩn và tại 844,29; liên kết Si-O-Si tại 614,04 và liên kết Al-O, cường độ chịu nén Hình 8. Ảnh SEM (x2000 và x10,000) của xi-măng xỉ thủy hóa ở tuổi 3 ngày Xi-măng xỉ thép được nghiền đạt độ mịn yêu cầu Portland theo TCVN 6260-2009 tương ứng là 45 và và được kiểm tra các đặc trưng cơ lý theo yêu cầu cụ 420 phút. Kết quả cường độ nén trên mẫu vữa chế thể của TCVN 2682-1999. Tỷ lệ lượng nước tiêu tạo 40 x 40 x 160 mm ở 3 và 7 ngày tuổi lần lượt là chuẩn cho xi-măng xỉ thép đạt 25%. Thời gian bắt đầu 0,95 MPa và 1,31 MPa. Các giá trị khả năng chịu lực đóng rắn là 5 phút kết thúc là 9 phút. Mẫu xi-măng xỉ này là rất nhỏ và cách xa các yêu cầu của tiêu chuẩn đóng rắn rất nhanh so với trường hợp xi-măng TCVN dành cho xi-măng hỗn hợp. Ít nhất, mẫu vữa Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014 55
8. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG cho thấy sự đóng rắn sau thời gian bảo dưỡng 3 ngày nguội cho mục tiêu chế tạo loại xi-măng xỉ thép có thể nhưng nhìn chung pha C-S tạo thành vẫn còn quá được dự kiến tiếp theo sau đây. thấp cả về lượng và chất sau khi xử lý nhiệt. Kết quả Lời cảm ơn: Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn chụp vi cấu trúc sản phẩm thủy hóa xi-măng xỉ thép Công ty POSCO (Hàn Quốc) đã hỗ trợ tài chính cho (hình 8) cho phép quan sát những tấm C-H khác tạo nghiên cứu qua đề tài hợp tác khoa học công nghệ thành trong cấu trúc. Các khoáng dạng thanh được ĐHBK-POSCO-06, năm 2012 và công ty Thép Đồng tìm thấy rải rác chứ không tập trung thành chùm như Tiến (Bà Rịa-Vũng Tàu) đã hỗ trợ nguyên liệu xỉ thép. trường hợp mẫu xi-măng Portland. TÀI LIỆU THAM KHẢO 6. Kết luận 1. J.M.DELBECQ, Steel Slags as Cementitious Materials, Nhờ sự có mặt ít nhiều của khoáng silicate Arcelor Mital Report, 2010. calcium (C2S, C3S), xỉ thép EAF Đồng Tiến cho thấy 2. Xỉ thép có thể tận dụng để thay thế vật liệu tự nhiên, mức độ trung bình về cả hai chỉ số cường độ (TCVN chuyên mục Kinh tế, Báo Bà Rịa Vũng Tàu, tháng 6882:2001) và hoạt tính pozzolanic (TCVN 3735- 06/2011. 1982). Sau thời gian cần thiết nhằm ổn định thể tích, 3. Xỉ thép – Vật liệu xanh cho tương lai, Báo cáo Công ty xỉ thép nghiền mịn qua sàng có thể được phối trộn Vật liệu xanh, Khu công nghiệp Phú Mỹ I- Tân Thành, trực tiếp với xi-măng Portland. Xét về cường độ chịu Bà Rịa – Vũng Tàu, 2012. nén, có thể thay thế khoảng 20% xỉ thép EAF Đồng 4. JEFFREY N.MURPHY. Recycling Steel Slag as a Tiến trong xi-măng Portland mà vẫn duy trì 80% Cement Additive. Thesis (Master), University of British cường độ chịu nén so với mẫu chuẩn đối chứng xi- Columbia, Canada, 1995. măng Portland. Sản phẩm thủy hóa trong vi cấu trúc 5. I.Z. YILDIRIM, M. PREZZI, “Chemical, mineralogical của xi-măng là hệ composite gồm xỉ thép phân tán lấp and morphological properties of steel slag”, Advances đầy lỗ xốp giữa những thành phần tinh thể khác. Ở in Civil Engineering, 2010 tuổi dài ngày, vữa xi-măng tiếp xúc trực tiếp với môi 6. S.S. SUN, Y. YUAN, “Study of steel slag cement”, 2- trường ăn mòn mạnh (dung dịch SO4 và HCl) bị suy Silicates Industrielles, Vol. 2, pp. 31-34, 1983. giảm tính chất đáng kể. Mẫu xi-măng hỗn hợp xỉ thép 7. A. MONSHI, M. K. ASGARANI, “Producing Portland 20% (S20) hoặc kết hợp S20G20 (thay thế 20% xỉ cement from iron and steel slags and limestone”, thép + 20 % xỉ GBFS) cho phép cải thiện tính bền Cement and Concrete Research, Vol.29, No. 9, pp. trong môi trường sulfate. Tuy nhiên, các mẫu xi-măng 1373–1377, 1999. hỗn hợp xỉ thép bị ăn mòn mạnh trong môi trường 8. D.G. MONTGOMERY and G. WANG, “Preliminary HCl 0,5M do quá trình hòa tan oxit sắt và sắt kim loại. study of steel slag for blended cement manufacture”, Xi-măng hỗn hợp xỉ GBFS chống ăn mòn rất tốt trong Materials forum, vol.15, pp. 374-382, 1991 môi trường axit, do đó phương án sử dụng hỗn hợp 9. Y. WANG, D. LIN, “The steel slag blended cement”, 20% xỉ thép + 20 % GBFS có thể là một giải pháp Silicates Industrielles, Vol. 6, pp.121-126, 1983. thích hợp trong sản phẩm xi-măng chống ăn mòn. 10. T. IDEMETSU, S. TAKAYAMA, and A. WATANABE, Bằng cách tiến hành thực nghiệm phương pháp “Utilization of converter slag as a constituent of slag clinker hóa xỉ thép mô phỏng theo kỹ thuật xử lý nhiệt cement”, Trans. Japan Concr. Inst., Vol. 3, pp.33-38, 1981. của xỉ hạt lò cao, các kết quả thu được về khả năng cải thiện tính thủy lực của clinker xi-măng xỉ thép EAF 11. Q. WANG, P. YAN, G. MI, “Effect of blended steel vẫn chưa thể so sánh với xỉ GBFS. Phân tích thành slag–GBFS mineral admixture on hydration and phần khoáng và FTIR trên xi-măng xỉ thép bước đầu strength of cement”, Construction and Building Materials, Vol. 35, pp. 8–14, 2012. cho thấy sự có mặt của các khoáng C2S và C3S, tương tự như trong xi-măng Portland. Các đặc trưng 12. M.C. BIGNOZZI, F. SANDROLINI, “Recycling EAF slag thủy hóa khác của xi-măng xỉ đã không thể đáp ứng as unconventional component for building materials”, tiêu chuẩn cơ bản của xi-măng thông thường, tuy Second International Conference on Sustainable nhiên bước đầu mẫu xi-măng xỉ đã biểu hiện tính Construction Materials and Technology, Ancona, Italy đóng rắn và cường độ chịu lực yếu. Những nghiên 2010. cứu sâu hơn về chế độ nung cũng như điều kiện làm Ngày nhận bài: 31/3/2014. 56 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014
9. VẬT LIỆU XÂY DỰNG – MÔI TRƯỜNG Tạp chí KHCN Xây dựng – số 2/2014 57