Ảnh hưởng của quy trình xử lý bằng máy xay đứng đối với hoạt tính của bột mịn tái chế từ chất thải xây dựng

Tóm tắt

Việc tái chế và sử dụng chất thải từ hoạt động xây dựng và phá dỡ (Construction and Demolition Waste – CDW) đại diện cho một con đường then chốt hướng tới sự phát triển bền vững trong ngành vật liệu xây dựng. Một thách thức lớn nằm ở việc xử lý phần cơ bản của chất thải này thành một loại bột có giá trị cao, có khả năng phản ứng hóa học, có thể được sử dụng như một vật liệu kết dính bổ sung (Supplementary Cementitious Material – SCM). Bài viết này tìm hiểu tác động sâu sắc của công nghệ xay hiện đại đối với các đặc tính vật lý-hóa học cũng như khả năng hoạt động pozzolanic của bột tái chế. Thảo luận nhấn mạnh cách các hệ thống xay hiện đại, như máy xay SCM Ultrafine Mill của chúng tôi, được thiết kế để vượt qua những hạn chế của các phương pháp nghiền truyền thống, biến những hạt mịn từ chất thải CDW thành vật liệu có chức năng cao, từ đó giúp giảm đáng kể lượng clinker trong quá trình sản xuất xi măng và bê tông.

1. Giới thiệu: Thách thức từ các khoản phạt liên quan đến rác thải xây dựng

Hoạt động xây dựng toàn cầu tạo ra hàng tỷ tấn rác thải mỗi năm, trong đó một phần đáng kể bao gồm hỗn hợp xi măng đã đông cứng, gạch, ốp và cốt liệu bê tông mịn. Truyền thống, các vật liệu cứng thu được từ việc nghiền chất thải xây dựng (Construction Waste – CDW) thường được sử dụng làm nền đường hoặc sản xuất bê tông loại thấp cấp. Tuy nhiên, phần cốt liệu mịn (<5mm), thường chiếm 20–40% tổng lượng rác thải, lại thường gây ra nhiều khó khăn trong việc xử lý. Loại vật liệu này, nếu chỉ được nghiền bằng các máy nghiền quai hoặc máy nghiền va đập thông thường, sẽ có độ phản ứng thấp do cấu trúc không đồng nhất, các pha xi măng đã lão hóa và đậm đặc, hình dạng hạt không đều cùng tỷ lệ các vết nứt vi mô cao.

Mục tiêu chính của việc tái chế là làm hồi sinh các đặc tính thủy lực và pozzolanic tiềm ẩn của vật liệu. Việc chỉ giảm kích thước là chưa đủ; quá trình tái chế cần tạo ra các bề mặt mới, có năng lượng cao, và điều chỉnh phân bố kích thước hạt (Particle Size Distribution – PSD) để tăng cường độ phản ứng của vật liệu. Đây chính là lúc mà độ chính xác và hiệu quả của các máy xay bằng bàn xoay đứng (Vertical Roller Mills – VRM) trở nên vô cùng quan trọng.

2. Khoa học về việc kích hoạt cơ học thông qua quá trình mài dọc

Phương pháp phay thẳng đứng (Vertical milling) tạo ra sự kích hoạt cơ học cho RFP thông qua một số cơ chế liên kết với nhau:

2.1. Giảm kích thước hạt và kiểm soát sự phân bố của hạt

Tác động trực tiếp nhất là việc giảm kích thước hạt. Mục tiêu không chỉ đơn thuần là đạt được kích thước trung bình mịn màng mà còn là tạo ra một dải phân bố kích thước hạt (PSD – Particle Size Distribution) liên tục và được tối ưu hóa. Một dải PSD rộng hơn, như được thực hiện thông qua nguyên lý nghiền đa tầng trong các nhà máy nghiền đứng, giúp tăng độ đặc của hạt khi hỗn hợp RFP được trộn với xi măng. Quan trọng hơn nữa, điều này làm tăng đáng kể diện tích bề mặt riêng (SSA – Specific Surface Area), cung cấp nhiều điểm tiếp xúc hơn cho phản ứng khoáng hóa giữa hỗn hợp RFP và canxi hydroxit. Ví dụ, máy nghiền siêu mịn SCM của chúng tôi có thể sản xuất được bột với độ mịn từ 325 đến 2500 mesh (D97 ≤ 5μm), đưa giá trị SSA lên mức (>600 m²/kg) mà các máy nghiền cầu hoặc máy nghiền Raymond truyền thống không thể đạt được.

2.2. Những thay đổi về cấu trúc vi mô và hình thái

Ngoài yếu tố kích thước, quá trình xay dọc còn thay đổi cấu trúc bên trong của các hạt vật liệu. Khác với phương pháp nghiền va đập, phương pháp này có xu hướng làm vỡ các hạt theo những điểm yếu có sẵn, tạo ra hình dạng không đều và dễ vỡ, thì lực nghiền áp suất giữa các bánh xe và mặt bàn nghiền trong máy xay VRM lại khiến các hạt bị phân hủy một cách đồng đều hơn. Kết quả là các hạt có cấu trúc chặt chẽ hơn và ít khiếm khuyết bên trong hơn. Tuy nhiên, năng lượng cơ học cao cũng gây ra sự biến dạng cấu trúc tinh thể và hình thành các vùng vô định hình trên bề mặt hạt. Quá trình này, được gọi là “mechanochemistry” (hóa học cơ học), làm phá vỡ các cấu trúc tinh thể ổn định của các hợp chất canxi hydrat và khoáng chất sét có trong gạch, từ đó làm tăng đáng kể tốc độ hòa tan của chúng trong môi trường kiềm – đây chính là bước đầu tiên trong phản ứng pozzolanic.

2.3. Phân tán và giải phóng các thành phần cấu tạo

Lớp phủ trên bề mặt của CDW thường được cấu tạo từ hỗn hợp phức tạp gồm hỗn hợp xi măng, cát và các hạt gạch. Quá trình nghiền dưới áp suất cao kết hợp với công đoạn phân loại sau đó trong hệ thống máy nghiền đứng khép kín giúp phân tách các hạt này một cách hiệu quả, giải phóng các thành phần có hoạt tính riêng lẻ. Điều này đảm bảo sản phẩm cuối cùng có độ đồng nhất cao hơn và ngăn chặn những phần chưa phản ứng, những phần có thể làm suy yếu tính chất của vật liệu tổng hợp cuối cùng.

3. Lợi thế công nghệ của các nhà máy thẳng đứng hiện đại trong quá trình xử lý RFP

Không phải tất cả các hệ thống xay nghiền đều giống nhau. Việc xử lý các yêu cầu đặt hàng (RFP – Request for Proposal) đòi hỏi phải có thiết bị hiệu quả, chính xác và linh hoạt. Các giải pháp kỹ thuật của chúng tôi, đặc biệt là máy xay SCM Ultrafine Mill, được thiết kế để đáp ứng đúng những yêu cầu này.

3.1. Hiệu suất mài không đối thủ và tiết kiệm năng lượng

Máy xay SCM Ultrafine Mill được trang bị cơ chế xay hiệu quả cao. Hệ thống bánh xe và vòng được sắp xếp theo phương thẳng đứng tạo ra lực xay mạnh mẽ, giúp giảm kích thước vật liệu với lượng năng lượng tiêu thụ thấp hơn nhiều so với cách hoạt động của máy xay bi. So với máy xay phun (jet mills), máy này giúp tiết kiệm 30% năng lượng và có khả năng xử lý vật liệu gấp đôi. Điều này làm cho lợi ích kinh tế từ việc sử dụng máy trở nên vô cùng rõ ràng và tích cực. Hệ thống điều khiển thông minh tự động điều chỉnh các thông số vận hành dựa trên dữ liệu phản hồi thời gian thực về độ mịn của sản phẩm, đảm bảo chất lượng ổn định đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng điện năng.

3.2. Phân loại chính xác để tối ưu hóa hoạt động

Trái tim của quá trình tái kích hoạt nằm ở việc đạt được độ mịn phù hợp. Các hạt bột quá thô sẽ có độ phản ứng thấp, trong khi những hạt bột quá mịn lại có thể làm tăng lượng nước cần thiết trong quá trình sản xuất bê tông và làm tăng mức co rút của bê tông. Bộ phận phân loại bằng tuabin đứng tích hợp trong máy xay SCM đóng vai trò quan trọng ở đây; nó cho phép kiểm soát chính xác điểm cắt, đảm bảo rằng không có hạt nào quá lớn lẫn vào sản phẩm cuối cùng. Kết quả là hỗn hợp bột có độ mịn đồng đều (D97 ≤ 5μm) và phân bố kích thước hẹp, tối đa hóa diện tích bề mặt phản ứng mà không làm ảnh hưởng xấu đến các đặc tính của hỗn hợp bê tông mới.

3.3. Độ bền cao và chi phí bảo dưỡng thấp đối với vật liệu cấp cho máy mài mòn

Rác thải xây dựng có tính mài mòn cao. Máy xay SCM được thiết kế để chịu đựng được thách thức này. Các bộ phận chịu mài mòn chính như bánh xe và vòng nghiền được sản xuất từ hợp kim đặc biệt chịu mài mòn, giúp kéo dài thời gian sử dụng của chúng nhiều lần so với các vật liệu thông thường. Hơn nữa, thiết kế ốc vít không sử dụng bu-lông độc đáo trong buồng nghiền giúp tăng độ ổn định hoạt động và giảm thời gian ngừng máy để bảo trì, đây là yếu tố quan trọng đối với quá trình sản xuất công nghiệp liên tục.

3.4. Một quá trình vốn dĩ sạch sẽ và yên tĩnh

Khả năng bền vững không chỉ liên quan đến sản phẩm mà còn liên quan đến quy trình sản xuất. Nhà máy SCM hoạt động trong môi trường áp suất âm toàn phần, đảm bảo không có bụi rò rỉ ra ngoài. Hệ thống loại bỏ bụi bằng sóng xung đạt tiêu chuẩn môi trường quốc tế, thu gom hơn 99,9% các hạt bụi. Kết hợp với cabin được cách âm giúp giảm nhiễu phát ra trong quá trình vận hành xuống dưới 75dB, nhà máy này tạo ra môi trường sản xuất lý tưởng và thân thiện với người lao động.

4. Điểm nổi bật của sản phẩm: Máy xay SCM Ultrafine dành cho việc kích hoạt hiệu quả nhất các yêu cầu đặt hàng (RFP)

Đối với các hoạt động tập trung vào việc sản xuất bột phản ứng có chất lượng cao nhất từ Chất thải xây dựng (CDW – Construction Waste),Máy xay siêu mịn loại SCM (45-5μm)Đây là lựa chọn hàng đầu. Triết lý thiết kế của nó hoàn toàn phù hợp với nhu cầu sản xuất các bản đề nghị dự án (Request for Proposals – RFP):

• Kích thước đầu vào (≤20mm)Chấp nhận việc thanh toán trực tiếp các khoản phí vi phạm quy định CDW (Car Damage Waiver) đã được tính trước.
• Độ mịn của sản phẩm (cỡ mắt lưới 325–2500 / D97≤5μm)Đạt được độ mịn siêu tinh khiết cần thiết để có chỉ số hoạt tính pozzolanic cao.
• Khả năng xử lý (0,5–25 tấn/giờ)Có nhiều mẫu máy khác nhau, từ SCM800 (0,5–4,5 tấn/giờ) đến SCM1680 (5,0–25 tấn/giờ), giúp tùy chỉnh quy mô từ các dự án thử nghiệm nhỏ đến các nhà máy tái chế thương mại quy mô lớn.

Khả năng của nhà máy trong việc sản xuất bột có diện tích bề mặt lớn một cách ổn định trực tiếp giúp tăng độ phản ứng hóa học, từ đó cho phép sử dụng tỷ lệ xi măng Portland cao hơn trong bê tông, nhằm giảm lượng khí thải carbon trong quá trình xây dựng.

5. Đánh giá Hiệu suất: Đo lường mức độ cải thiện trong hoạt động

Sự thành công của quy trình xử lý bằng máy nghiền đứng có thể được đo lường được. Các chỉ số hiệu suất chính bao gồm:

• Chỉ số Hoạt động Pozzolanic (Pozzolanic Activity Index – PAI)Kết quả kiểm tra theo tiêu chuẩn ASTM C311 thường cho thấy rằng nguyên liệu RFP đã được xử lý bằng phương pháp VRM có thể đạt mức PAI (Porous Absorption Index – Hệ số hấp thụ xốp) trong vòng 7 ngày từ 75–85% và trong vòng 28 ngày từ 90–105% hoặc cao hơn, thường đáp ứng hoặc vượt quá các tiêu chuẩn dành cho loại tro bay loại F.
• Diện tích bề mặt riêng (theo Blaine)Giá trị này luôn đạt mức từ 500-800 m²/kg, tăng đáng kể so với mức trung bình 200-350 m²/kg của bột được xử lý bằng máy xay bằng búa.
• Nhu cầu về nướcMặc dù có độ tinh khiết cao, định dạng PSD được tối ưu hóa và hình dạng hạt cầu (đến một mức độ nhất định) có thể giúp kiểm soát lượng nước cần thiết, thường chỉ mang lại sự tăng lên vừa phải so với các hệ thống SCM truyền thống.
• Phân tích cấu trúc vi môHình ảnh từ kỹ thuật SEM cho thấy các hạt có mật độ cao hơn, nhiều vết nứt hơn và bề mặt còn mới; phân tích bằng kỹ thuật XRD lại chỉ ra sự tăng đáng kể về hàm lượng chất vô định hình, xác nhận rằng quá trình này đã xảy ra sự kích hoạt về mặt cơ học.

6. Kết luận và Triển vọng trong tương lai

Việc xử lý các khoản phạt liên quan đến chất thải xây dựng bằng công nghệ phay đứng tiên tiến là một bước quan trọng hướng tới nền kinh tế tuần hoàn trong lĩnh vực xây dựng. Cách tiếp cận này không chỉ dừng lại ở việc tái chế mà đi xa hơn đó là tận dụng triệt để giá trị có trong chất thải, tạo ra những sản phẩm có giá trị cao từ dòng chất thải đó. Máy xay SCM Ultrafine với những ưu điểm về hiệu quả sử dụng năng lượng, khả năng phân loại chính xác và thiết kế bền bỉ, đang đứng ở hàng ngũ tiên phong trong quá trình chuyển đổi này, giúp các nhà sản xuất khai thác triệt để tiềm năng của chất thải xây dựng.

Sự phát triển trong tương lai có lẽ sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa thêm các hệ thống xay để phù hợp với các thành phần cụ thể của vật liệu tái chế (CDW – Recycled Construction Materials), đồng thời tích hợp trí tuệ nhân tạo vào các quá trình kiểm soát chất lượng theo thời gian thực. Tuy nhiên, nguyên lý cơ bản vẫn không đổi: quá trình xay theo phương thẳng đứng không chỉ đơn thuần là bước giúp giảm kích thước vật liệu; đó là một quá trình quan trọng, quyết định hiệu suất và khả năng kinh tế của bột mịn tái chế trong ngành xây dựng bền vững hiện đại.