Giới thiệu
Phân tích định lượng các pha clanhke là một thách thức mà ngành xi măng phải đối mặt. Ngoài phân tích hóa học thông thường sử dụng kỹ thuật XRF, vai trò của XRD ngày càng được đề cao để thực hiện phân tích các pha hoặc khoáng chất.
Phân tích các pha như vôi tự do trong clanhke và đá vôi bổ sung trong xi măng bằng XRD cực kỳ hữu ích trong việc kiểm soát quá trình lò nung và chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Thật vậy, XRD đã thay thế hóa chất ướt truyền thống hoặc các phương pháp khác trong nhiều phòng thí nghiệm xi măng trong 10 năm qua.
Một nghiên cứu đã được thực hiện để giới thiệu các phương pháp phân tích nhanh chóng, hiệu quả về mặt chi phí và đáng tin cậy nhằm giải quyết vấn đề phân tích pha clanhke. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các pha clanhke trong điều kiện lò nung thời gian thực và xem xét khả năng sử dụng XRD để thay thế cho kính hiển vi hoặc các phương pháp tính toán gián tiếp khác.
Chuẩn bị thiết bị và mẫu pha clanhke
Dòng sản phẩm Thermo Scientific ARL 9900 đã được sử dụng cho mục đích của nghiên cứu này. Thiết bị này được trang bị một loạt các kênh XRF cố định (bộ đơn sắc), máy đo góc XRF và máy đo góc XRD được tích hợp sao cho có thể thực hiện cả phép đo XRF và XRD trên cùng một mẫu với cùng điều kiện ống và trong chân không.
Một loạt 30 mẫu clanhke được thu thập trong một khoảng thời gian sản xuất. Việc đo bằng kính hiển vi được thực hiện song song trên 30 mẫu để thu được số liệu định lượng cho pha C3S, C2S, C3A, C4AF. Sau đó, một bộ mẫu được chọn nhằm đạt được phạm vi làm việc hợp lý cho nồng độ của bốn pha clanhke. Các hạt clanhke này được nghiền và ép thành viên trước khi được đo bằng Máy phân tích xi măng tổng hợp dòng ARL 9900.
Trong quan sát clanhke bằng kính hiển vi thông thường, hạn chế lớn nhất nằm ở sự hiện diện của pha kiểu hở thủy tinh khiến việc phân biệt ferit và oxit nhôm trở nên khó khăn. Điều này không xảy ra với các mẫu trong nghiên cứu này, vì các mẫu clanhke được làm lạnh chậm cho phép kết tinh C3A.
Mặt khác, pha kiểu hở được xác định bằng kính hiển vi (nhôm và ferit) luôn nhỏ hơn pha được tính theo công thức Bogue, vì họ cho rằng tất cả Al2O3 và Fe2O3 đều góp phần vào sự hình thành C3A và C4AF mà không tính đến khả năng một phần của những oxit đó có thể tạo thành dung dịch rắn với silicat.
Tổng thời gian phân tích của hệ thống XRD đối với vôi tự do và bốn pha clanhke là dưới 4 phút. Cường độ cực đại được sử dụng trực tiếp mà không cần hiệu chỉnh.
Bảng 1: Phân tích XRF cho clanhke
Kết quả và thảo luận
Bảng 1 thể hiện kết quả phân tích hóa học (tổng nồng độ oxit) thu được bằng phần XRF của thiết bị. Các nồng độ này được sử dụng để tính toán nồng độ tương đương của các pha clanhke bằng công thức Bogue:
%C3 S = (%CaO – %CaO free) x 4.07 – (%SiO2 x 7.6 + %Fe2 O3 x 1.43 + %Al2 O3 x 6.72)
%C2 S = %SiO2 x 2.87 – C3 S x 0.75
%C4 AF = %Fe2 O3 x 3.04
%C3 A = %Al2 O3 x 2.65 – %Fe2 O3 x 1.69
Công thức Bogue không mang lại kết quả chính xác, về cơ bản là do các điều kiện của quá trình không được tính đến. Ví dụ, ảnh hưởng của các hạt khoáng thô rất thô, đặc tính nhiệt độ, thời gian trong lò, tốc độ làm nguội có ảnh hưởng đáng kể đến sự hình thành các pha clanhke.
Nồng độ được xác định bằng cách đếm bằng kính hiển vi đã được sử dụng làm ‘nồng độ danh nghĩa’ để thiết lập chương trình phân tích định lượng bằng hệ thống XRD tích hợp. Cường độ cực đại của C3S, C2S, C3A và C4AF tương quan với các nồng độ này để thu được đường cong hiệu chuẩn.
Hình 1, 2 và 3 thể hiện đường cong hiệu chuẩn thu được tương ứng cho C3S, C2S và C3A. Đường cong hiệu chuẩn tương tự đã thu được cho pha C4AF.
Bảng 2 tổng hợp kết quả của các pha clanhke thu được bằng hệ thống Compact XRD được tích hợp trong ARL 9900 so với các giá trị thu được từ kính hiển vi và phép tính của Bogue.
Rõ ràng là các giá trị kính hiển vi và kết quả XRD thu được bằng ARL 9900 TCA có mối tương quan tốt (Hình 4) trong khi dữ liệu Bogue có thể có sai sót nghiêm trọng so với kính hiển vi. Hình 5 cho thấy mối tương quan rất kém giữa kính hiển vi làm tham chiếu và phép tính Bogue đối với C3S thu được từ dữ liệu của Bảng 2.
Kết luận
Nghiên cứu điển hình này so sánh các kết quả định lượng thu được trên một loạt mẫu clanhke (mẫu công nghiệp được lấy trong điều kiện vận hành lò thực tế) bằng ba phương pháp: công thức Bogue, kính hiển vi và XRD tích hợp nhỏ gọn sử dụng Máy phân tích tổng xi măng dòng ARL 9900.
Kết quả từ Bogue rõ ràng là không khả quan như mong đợi. So sánh giữa kính hiển vi và dữ liệu XRD định lượng cho thấy có thể khai thác hệ thống XRD tích hợp nhỏ gọn độc đáo của Dòng ARL 9900 trong điều kiện quy trình thực tế để phân tích pha clanhke.
Vì pha C3S cung cấp độ bền cho xi măng nên phân tích XRD có thể giúp dự đoán độ bền nén trong 3 ngày của xi măng trong tương lai thu được từ các clanhke này trong khi độ bền trong 7 ngày và độ bền trong 28 ngày có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác như độ mịn và phân bố kích thước hạt.
Minh Khang là nhà phân phối và nhập khẩu trực tiếp các sản phẩm hãng Thermo Fisher.
EN