TÍNH CHẤT VÀ VAI TRÒ CỦA PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH TRONG QUÁ TRÌNH THỦY HÓA XI MĂNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT
KHOA XÂY DỰNG









BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

TÍNH CHẤT VÀ VAI TRÒ CỦA PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH
TRONG QUÁ TRÌNH THỦY HÓA XI MĂNG










Hà Nội, tháng 4 năm 2014

Báo cáo Đề tài NCKH Sinh viên

Danh Mục Bảng Biểu
Bảng 2.1 Thành phần hóa học của tro bay
Bảng 2.2 Hàm lượng khoáng chất của tro bay
Bảng 2.3 Tính chất vật lý của xỉ lò cao
Bảng 2.4 Diện tích hình học và bề mặt cuả xỉ lò cao
Bảng 2.5 Thành phần hóa học của xỉ lò cao
Bảng 2.6 Tính chất vật lý đặc trưng của muội silic
Bảng 2.7 Thành phần hóa học của muội silic
Bảng 2.8 Tính chất vật lý của mêtacaolanh
Bảng 2.9 Thành phần hóa học của mêtacaolanh
Bảng 2.10 Thành phần hóa học của Clanhke xi măng
Bảng 3.1 Thành phần khoáng của Clanhke – xi măng
Bảng 3.2 Sự tiến hóa nhiệt khi có mặt của mêtacaolanh
Bảng 3.3 Mức độ phản ứng puzzolan của hỗn hợp xi măng + mêtacaolanh





Báo cáo Đề tài NCKH Sinh viên



DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACI-SP : American Concrete Institute
ASTM : American Society for Testing and Materials
FA : Fly-Ash ( tro bay)
GGBFS : Ground Granulated Blast Furnace Slag ( xỉ lò cao)
MK : Metakaolin

RHA : Rice Husk Ash (tro trấu)
RCC : Roller-Compacted Concrete ( bê tông đầm lăn)
SEM : Search Engine Marketing (Marketing trên công cụ tìm kiếm)
SF : Silicafume( Muội silic)
VLXD: Vật liệu xây dựng





Báo cáo Đề tài NCKH Sinh viên



Danh Mục Hình Vẽ, Sơ Đồ
Hình 1.1 Nhà máy điện đốt than
Hình 1.2 Tro bay
Hình 1.3 Xỉ Lò Cao
Hình 1.4 Sơ đồ sản xuất muội silic
Hình 1.5 Muội silic
Hình 1.6 Mêtacaolanh
Hình 2.1 ảnh chụp SEM của tro bay x5000
Hình 2.2 Ảnh chụp SEM của các mẫu xỉ lò cao
Hình 2.3 Muội Silic (Silicafume)
Hình 2.4 Hình ảnh của mêtacaolanh
Hình 2.5 SEM của mêtacaolanh
Hình 3.1 Clanhke xi măng
Hình 3.2 Quá trình thủy hóa xi và sự phát triển cấu trúc hồ xi măng. [2]
Hình 3.3 – là sơ đồ phân tích nhiễu xạ tia X của hỗn hợp có chứa 40% xỉ lò cao với
diện tích bề mặt riêng là (425 m

2
/kg)
Hình 3.4 là một sơ đồ RXD có chứa xỉ lò cao thay thế đến 40% xi măng Portland
với diện tích bề mặt riêng là 600 m
2
/kg. lượng
Hình 3.5 Nhiệt thủy hóa của hỗn hợp xi măng khi có mặt muội silic (Silicafume)
Hình 3.6. Sự phát triển của Ca(OH)
2
theo thời gian
Hình 4.1 Máy móc sản xuất xi măng
Hình 4.1 Nguyên liệu sản xuất xi măng
1

MỞ ĐẦU

Trong lĩnh vực xây dựng, thì vật liệu là sản phẩm không thể thiếu được trong
mọi công trình. Những vật liệu mới có đồng thời nhiều tính năng kĩ thuật luôn được
quan tâm hàng đầu.
Các giải pháp về cải thiện cường độ, tính công tác của bê tông, xi măng gần
như đã phủ kín từ mỗi công đoạn cho tới quá trình sản xuất, sử dụng xi măng Portland
Một giải pháp có tính khả thi cao, được nhiều người quan tâm nghiên cứu là tác
động vào công đoạn sau khi đã có clanhke. Giải pháp này thường sử dụng các loại phụ
gia để tác động vào quá trình Hydrat hóa và đóng rắn của xi măng.
Một trong các loại phụ gia được dử dụng phổ biến là phụ gia khoáng hoạt tính
mà phổ biến như xỉ lò cao, tro bay…Các loại phụ gia này thường chứa SiO
2
hoạt tính.
Chính thành phần SiO
2

hoạt tính này sẽ tham gia vào quá trình Hydrat hóa và đóng rắn
tạo ra các sản phẩm cải thiện cường độ và tính công tác của hỗn hợp xi măng. Đây là
các loại phụ gia có hoạt tính Puzzolan hay hoạt tính thủy lực.

Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu tính chất và vai trò của phụ gia khoáng
hoạt tính trong quá trình thủy hóa của xi măng” được thực hiện bởi nhóm sinh viên
khoa xây dựng, trường đại học Mỏ địa chất sẽ trình bày khái quát một số loại phụ gia
khoáng hoạt tính và ảnh hưởng của chúng tới quá trình thủy hóa của xi măng.
Trong quá trình nghiên cứu còn có nhiều mặt hạn chế và thiếu sót, kính mong
nhận được sự góp ý của của các thầy cô và bạn đọc quan tâm đến lĩnh vực phụ gia
trong vật liệu xây dựng nói chung để có một kết quả nghiên cứu chính xác hơn.


Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!






2

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA VÀ PHÂN LOẠI
PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH

Ngành xây dựng ngày càng phát triển, công nghiệp bê tông xi măng ngày càng
được tăng cao thì phụ gia trong lĩnh vực bê tông xi măng càng có vị trí hết sức quan
trọng trong việc nâng cao chất lượng công trình, tiết kiệm thi công, giảm giá thành…
Để hiểu sâu về lĩnh vực phụ gia trong công nghiệp bê tông, trong chương 1 này

chúng ta sẽ tìm hiểu những vấn đề chung nhất về phụ gia khoáng, khoáng hoạt tính
thông qua khái niệm và một số cách phân loại.
1.1 ĐỊNH NGHĨA
1.1.1 Phụ gia là gì?
Theo tiêu chuẩn ASTM125 và ACI SP–19 phụ gia là một chất không phải là
nước, chất độn hay xi măng xong lại là thành phần được sử dụng chế tạo bê tông hoặc
vữa xây dựng và thêm vào trước hoặc trong khi nhào trộn hỗn hợp vữa và bê tông.
1.1.2 Phụ gia khoáng và phụ gia khoáng hoạt tính.
1.1.2.1 Phụ gia khoáng
Phụ gia khoáng là loại phụ gia có bản chất tự nhiên được sử dụng với cấp hạt
nhỏ (thường nhỏ hơn cấp hạt của xi măng). Nó có chức năng bịt kín cá lỗ rỗng giữa
các hạt mao quản có trong vi cấu trúc của đá bê tông, xi măng. Tuy nhiên nhằm đáp
ứng nhu cầu lớn và đòi hỏi ngày càng cao, người ta đã ứng dụng những loại vật liệu có
bản chất khoáng mà chủ yếu là phế thải công nghiệp làm phụ gia khoáng.
1.1.2.2 Phụ gia khoáng hoạt tính
Phụ gia khoáng hoạt tính ngày trước chỉ đơn thuần là phụ gia puzzolanic có tên
xuất phát ban đầu là puzzolana được dùng để chỉ những vật liệu có nguồn gốc tự nhiên
như tuff núi lửa, đất nung nghiền mịn, đá bọt… Ngày nay thuật ngữ phụ gia khoáng
hoạt tính được dùng để chỉ tất cả những vật liệu chứa SiO
2
hoạt tính và Al
2
O
3
hoạt
tính. Những vật liệu này phản ứng được với vôi ở điều kiện thường khi có mặt của
nước. Phụ gia này ngoài chức năng bịt kín các lỗ rỗng còn có khả năng phản ứng với
pha pooclandit Ca(OH)
2
trong bê tông tạo ra pha kết dính chủ lực là C-S-H.

3

1.1.2.3 So sánh hai loại phụ gia khoáng và phụ gia khoáng hoạt tính
 Giống nhau :
Ban đầu chúng đều có nguồn gốc từ tự nhiên và ngày nay chúng bao gồm cả
các phế thải công nghiệp có tính chất khoáng có kích thước hạt nhỏ. Vì thế có khả
năng bịt kín các lỗ rỗng có trong vi cấu trúc mao quản của đá bê tông.
 Khác nhau :
- Phụ gia khoáng chứa các hợp chất hoạt tính thấp, ít có tác động đến chất lượng
của bê tông.
- Phụ gia khoáng hoạt tính chứa các hợp chất có hoạt tính cao, chính các hợp chất
này tham gia phản ứng với các cấu tử có trong vữa xi măng. Sản phẩm tạo thành
có tính kết dính, và tăng lực cấu kết.
1.2 PHÂN LOẠI PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH
1.2.1 Phân loại theo nguồn gốc hình thành
1.2.1.1 Phụ gia khoáng có nguồn gốc thiên nhiên
Là loại phụ gia đã được sử dụng lâu đời trong công nghiệp xi măng và bê tông.
Phụ gia khoáng thiên nhiên bao gồm đá Bazan, tuff núi lửa, trass, diatomit, muội
silic…Thành phần chủ yếu của các loại phụ gia này là SiO
2
ngoài gia còn có thêm
Al
2
O
3
và Fe
2
O
3
. Độ hoạt tính của loại phụ gia này chủ yếu phụ thuộc vào thành phần

của chúng, điều này có nghĩa là phụ thuộc vào nguồn gốc tạo thành của chúng. Mặc dù
có độ hoạt tính thấp, nhưng do giá thành rẻ nên được sử dụng rộng rãi làm phụ gia cho
xi măng và bê tông. Qua tìm hiểu thì ở nhiều nước người ta sử dụng Trass, đá
bọt…thay thế đến 20% trọng lượng xi măng trong vữa và bê tông.

Các khoáng có nguồn gốc tự nhiên bao gồm khoáng trầm tích được lắng đọng
sau hàng triệu năm có trạng thái vô định hình lên đến 90% điển hình trong nhón này là
sét hoạt tính.
1.2.1.2 Phụ gia khoáng có nguồn gốc nhân tạo
Ngày nay, phụ gia khoáng thiên nhiên ngày càng cạn kiệt. Bởi vậy, phụ gia
khoáng nhân tạo ngày càng được sử dụng rộng rãi. Với sự tiến bộ của khoa học công
nghệ, một số phụ gia khoáng nhân tạo có hoạt tính puzzolanic cao đang được sử dụng
ngày càng rỗng rãi. Tuy nhiên, trong số đó có một số loại có giá thành cao nên ít được
đưa vào sử dụng.
4

Phụ gia khoáng nhân tạo được sử dụng rộng rãi tại nhiều nước trên thế giới là xỉ
lò cao(Ground Granulated Blast Furnace Slag), Tro bay(Fly-Ash), đất sét nung nghiền
mịn, Muội silic(Silicafume), Mêtacaolanh(Metakaolin). Các phụ gia khoáng nhân tạo
là các phế thải công nghiệp như xỉ lò cao, tro bay được sử dụng rỗng rãi nhất. nguyên
nhân chủ yếu là có giá thành thấp thì trong đó còn có đóng góp vào việc bảo vệ môi
trường. Sự khác nhau về nguồn gốc và điều kiện hình thành của các phụ gia khoáng
nhân tạo còn dẫn đến sự khác nhau về hoạt tính puzzolanic. Bởi vậy, hiệu quả của
chúng trong xi măng và bê tông sẽ khác nhau.
1.2.2 Phân loại theo tính chất
Nhìn chung thì ta có thể phân loại phụ gia khoáng hoạt tính thành bốn loại
- Phụ gia có tính chất kết dính.
- Phụ gia có tính chất puzzolan.
- Phụ gia vừa có tính kết dính, vừa có tính puzzolan.
- Phụ gia có các tính chất khác.

1.2.2.1 Phụ gia có tính chất kết dính
Phụ gia loại này bao gồm Chất kết dính tự nhiên, vôi thủy lực, xi măng xỉ (hỗn
hợp của xỉ lò cao và vôi) và xỉ lò cao nghiền mịn.
Xỉ lò cao là một loại thủy tinh canxi giàu Silic và Nhôm tác dụng với vôi và
Anion SiO
4
2–
được giải phóng do quá trình hydrat hóa của xi măng. Xỉ lò cao được
nghiên cứu như là một phụ gia cho bê tông và ngày càng được sử dụng nhiều hơn
trong xây dựng. Đây là một ứng dụng được nhiều sự quan tâm vì nó không chỉ giảm
chi phí cho xây dựng, tiết kiệm xi măng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi
trường.
1.2.2.2 Phụ gia có tính chất Puzzolan
Theo tiêu chuẩn ACI SP – 19 phụ gia puzzolan được định nghĩa là vật liệu chứa
SiO
2
hoặc cả SiO
3
và Al
2
O
3
mà bản thân nó ít hoặc không có khả năng kết dính, nhưng
sau khi được nghiền mịn thì nó sẽ có khả năng phản ứng hóa học với kiềm ở nhiệt độ
thường tạo ra các hợp chất kết dính.
Ví dụ về phụ gia loại này như tro bay, tro núi lửa, đất diatomic, đá phiến sét
hoặc sét đã qua xử lý. Muội silic là một loại phụ gia khoáng cao hoạt tính. Được sử
dụng chủ yếu để cải thiện tính bền vững và cường độ bê tông khi thay thế cho xi măng
Portland. Muội silic được sử dụng đầu tiên vào năm 1970 tại Norway, sau đó tại Hoa
5

kỳ, Canada và các nước thuộc bán đảo Scadinavi. Vào những năm đầu của thập kỉ 80
nó đã được sử dụng rộng rãi trên thê giới. Muội silích là sản phẩm thu được từ công
nghệ sản xuất Silic dự theo phản ứng :
2SiO
2
+ C  S + SiO
2
+ CO
2

1.2.2.3 Phụ gia vừa có tính chất kết dính vừa có tính chất puzzolan
Phụ gia vừa có tính chất kết dính vừa có tính chất puzzolan thì tro bay là đại
diện tiêu biểu cho phụ gia có tính chất này. Tro bay có tính chất kết dính giới hạn
nhưng khi kết hợp với vôi tôi thì tro bay có vai trò như vật liệu hoạt tính puzzolan.
Những phụ gia loại này ngoài hàm lượng SiO
2
, Al
2
O
3
còn chứa một hàm lượng kiềm
tương đối cao đặc biết là Ca(OH)
2

1.2.2.4 Phụ gia có tính chất khác
Những phụ gia khoáng khác không được gọi là tương đối trơ khi thêm vào hỗn
hợp X/N, chúng bao gồm Thạch anh, cát silic, đá vôi, granit và các loại bột đá khác.
Một số loại tồn tại trong tự nhiên cần có sự thiêu kết để tạo ra hoạt tính puzzolan hữu
dụng của chúng.

Những vật liệu này thường được sử dụng ở trạng thái khô trong những ứng
dụng mà không có yêu cầu về hoạt tính puzzolan.
1.3 MỘT SỐ LOẠI PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH PHỔ BIẾN Ở VIỆT
NAM
1.3.1 Tro bay (Fly-Ash)
Từ thế kỷ trước, các nhà khoa học đã biết sử dụng tro bay của các nhà máy điện
đốt than để làm phụ gia cho bê tông. Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đã khẳng
định được “sự kỳ diệu của tro bay” trong công nghệ bê tông, sản xuất xi măng.[10]

6


Tro bay – chất thải chất thải từ nhà máy nhiệt điện







Hình 1.1 Nhà máy điện đốt than
Tro bay là sản phẩm được tạo ra từ quá trình đốt than của các nhà máy nhiệt
điện. Các hạt bụi tro được đưa ra qua các đường ống khói sau đó được thu hồi từ
phương pháp kết sương tĩnh điện hoặc bằng phương pháp lốc xoáy. Tro bay là một
loại phụ gia khoáng, hoạt tính nhân tạo, là các sản phẩm phụ hoặc phế thải thu được
trong các quá trình sản xuất công nghiệp.

Hình 1.2 Tro bay
Phần lớn trong tro bay chứa chủ yếu là SiO
2
xuất xứ từ việc đốt than chứa
bitum được gọi là tro bay loại F, còn tro bay có hàm lượng CaO cao có khi tới 24%,
xuất xứ từ việc đốt than linhit hay còn được gọi là tro bay loại C. Hoạt tính của tro
bay loại F là tốt, nhưng vấn đề quan trọng là độ mịn và hàm lượng than chưa cháy
trong tro bay phải ổn định. Các hạt Cacbon trong tro bay làm cho tro bay khô hơn và
thẫm màu hơn. Theo tiêu chuẩn Anh (BS 3892 – Phần 1 – 1993) quy định lượng sót
sàng là 45μm không được quá 12%. Trong tro bay loại C một phần SiO
2
và Al
2
O
3
đã
kết hợp với vôi, nên không còn nhiều để tác dụng với vôi tách ra khi xi măng thủy hóa.
7

Mặt khác tro bay loại C cũng nhạy cảm với nhiệt độ trong bê tông khối lớn khi
nhiệt độ tăng lên, nhưng có thể không làm tăng cường độ. Tiêu chuẩn Mỹ ASTM
C618 quy định hàm lượng than chưa cháy biểu thị bằng lượng mất khi nung không
vượt quá 6% nhưng cũng có thể tới 12% nếu qua thí nghiệm cho thấy tro bay vẫn có
thể dùng được.[5]
1.3.2 Xỉ lò cao (Ground Granulated Blast Furnace Slag)
Xỉ lò cao là sản phẩm phụ của quá trình luyện gang. Đó là hỗn hợp của vôi,

SiO
2
, Al
2
O
3
. Xỉ được thải ra và được làm lạnh đột ngột bằng dòng nước lạnh có áp lực
cao nên chúng vỡ vụn ra thành các hạt dạng rời. Khi nghiền đến độ mịn thích hợp, nó
có thể dùng trong xi măng hoặc cho vào bê tông như một phụ gia khoáng.











Hình 1.3 Xỉ Lò Cao
Xỉ lò cao ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong xây dựng. Đây là một ứng
dụng được nhiều sự quan tâm vì nó không chỉ giảm chi phí cho xây dựng, tiết kiệm xi
măng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
1.3.3 Muội silic (Silicafume)
Muội silic còn được gọi là microsilica, là một dạng cấu trúc vô định hình của
silic điôxít. Muội silic là sản phẩm phụ của công nghiệp sản suất chế phẩm silicon
hoặc hợp kim ferosilicon chứa silic, thoát ra dưới dạng khói bay cực mịn.[11]

8



Hình 1.4 Sơ đồ sản xuất Muội silic


Hình 1.5 Muội silic
Muội silic chủ yếu chứa các SiO
2
hoạt tính ở pha thuỷ tinh và có dạng hình
cầu. Trong muội silic hầu như không có than chưa cháy, nên có màu sáng. Nếu có ít
các bon, thì nó có mầu sẫm. Muội silic là một loại phụ gia khoáng hoạt tính cao cấp
đắt tiền và chỉ được dùng trong trường hợp cần thiết.
Năm 1952, các thử nghiệm đầu tiên về sử dụng muội silic làm phụ gia cho thêm
vào vữa bê tông chế tạo từ xi măng Portland đã được thực hiện.
9

1.3.4 Mêtacaolanh (Metakaolin)










Hình 1.6 Mêtacaolanh

Mêtacaolanh là alumôsilicát hoạt tính được hình thành do nung Caolanh tinh
khiết hoặc đất sét caolinít được nung ở nhiệt độ hợp lý ~550
𝑜
𝐶 và nghiền đến độ mịn
cao. Chính vì mêtacaolanh có thể kết hợp được với Ca(OH)
2
để hình thành các sản
phẩm Hydrat, vì thế nó góp phần làm tăng đặc tính của bê tông. Cho nên mêtacaolanh
ngày càng được sử dụng rộng rãi trong bê tông, đặc biệt là bê tông chất lượng cao.

10

Chương 2
ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT SỐ LOẠI PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH

Bất kể loại vật liệu nào cũng đều mang cho mình những tính chất đặc trưng
riêng để qua những tính chất đó mà ta có thể sử dụng chúng một cách hợp lý và đúng
cách. Phụ gia khoáng hoạt tính cũng vậy, nó mang cho mình những đặc trưng như
kích thước, hình dạng, màu sắc, đặc trưng lý hóa, đặc trưng kết dính…Trong chương 2
này chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu về các đặc trưng cơ bản nhất của phụ gia khoáng hoạt
tính mà điển hình là Tro bay(FA), Xỉ lò cao(GGBFS), Muội silic (SF),
Mêtacaolanh(MK).
2.1 TRO BAY (Fly-Ash)
2.1.1 Kích thước,hình dạng và màu sắc
Tro bay có kích thước hạt nhỏ hơn kích thước hạt của xi măng thông thường.
Tro bay bao gồm các hạt Siltsized thường là hình cầu có cỡ hạt từ 1-100μm, cỡ hạt
trung bình khoảng 20μm có dạng hình cầu hoặc hình cầu rỗng.

Hình 2.1 ảnh chụp SEM của tro bay x5000

Màu sắc của tro bay phụ thuộc vào các hóa chất và khoáng chất là thành phần
của nó. Bình thường tro bay có màu xám đen.Màu sắc ánh sáng của tro bay thường do
với hàm lượng vôi cao hơn,và màu nâu của tro bay ứng với hàm lượng sắt. Một màu
xám đậm là do còn hàm lượng cacbon chưa cháy hết.
11

Độ mịn là một trong những tính chất quan trọng nhất của tro bay. Chính tính
chất này góp phần góp phần vào phản ứng puzzolanic của tro bay.
Các ưu điểm nổi bật của tro bay là nhẹ, tính chất cơ học cao, bền nhiệt, bền với
các loại hóa chất, giá thành rẻ.
2.1.2 Trọng lượng riêng
Trọng lượng riêng của tro bay có liên quan chặt chẽ với hình dạng, màu sắc và
thành phần hoá học của nó. Nói chung, trọng lượng riêng của tro bay có thể thay đổi
1,3 – 4,8 [18] tro bay Canada có trọng lượng riêng khác nhau, từ 1,94 – 2,94, trong
khi tro bay Mỹ có trọng lượng riêng từ 2.14 – 2.69.
2.1.3 Hoạt động Puzzolanic
Tro bay gần như không có hoặc có rất ít tính chất của xi măng. Nó phản ứng
với canxioxit trong sự hiện diện của nước, và sản xuất nước cao xi măng sản phẩm
không hòa tan,được gọi là phản ứng puzzolanic. Các silicat siêu ổn định hiện diện
trong tro bay tương tự xi măng phản ứng với các ion canxi trong sự hiện diện của độ
ẩm để tạo thành sản phẩm không tan trong nước như hydrat canxi aluminosilicat. Hoạt
động puzzolanic của tro bay phụ thuộc vào độ mịn, lượng canxi, kết cấu,bề mặt cụ thể,
phân bố kích thước hạt. Một số nhà nghiên cứu đã báo cáo rằng khi tro bay được
nghiền thành bột để tăng độ mịn, hoạt động puzzolanic của nó làm tăng đáng kể. Tuy
nhiên, hiệu quả của gia tăng diện tích bề mặt riêng vượt 6.000 cm
2
/g được báo cáo là
không đáng kể.
2.1.4 Thành phần hóa học
Thành phần hóa học của tro bay chủ yếu là hỗn hợp các ôxit vô cơ như SiO

2
,
Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
, TiO
3
, MgO, CaO, K
2
O. Ngoài ra, có thể chứa một lượng than chưa
cháy. Trong đó SiO
2
và Al
2
O
3
, chiếm khoảng 45 – 80% tổng lượng tro.

12

Thông số
Tro bay loại F
Tro bay loại C
SiO
2

45 – 64,4
23,1 – 50,5
CaO
0,7 – 7,5
11,6 – 29,0
Al
2
O
3
19,6 – 30,1
13,3 – 21,3
FeO
3,8 – 23,9
3,7 – 22,5
Na
2
O
0,3 – 2,8
0,5 –7,3
MgO
0,7 – 1,7
1,5 – 7,5
K
2
O
0,7 – 2,9
0,4 – 1,9
Hao hụt khi nung
0,4 – 7,2
0,3 – 1,9

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của tro bay
2.1.5 Đặc trưng khoáng vật
Nghiên cứu nhiễu xạ tia X của các giai đoạn kết tinh của một số loại tro bay
được gọi là phân tích khoáng vật. Đặc điểm khoáng vật được xác định qua tinh thể ở
các giai đoạn kết tinh của tro bay. Nói chung,có khoảng 15 – 45% chất kết tinh có
trong tro bay.
Mặc dù hàm lượng cao canxi nhưng tro bay loại C có ít tinh thể, họ làm có giai
đoạn kết tinh nhất định như anhydride (CaSO
4
), tricalciumaluminat (3CaOAl
2
O
3
),
canxi sulfo aluminate (CaSAl
2
O
3
) và số lượng rất nhỏ của vôi tự do (CaO) tham gia
vào sản xuất xi măng các hợp chất. Ngoài ra,giai đoạn thủy tinh trong tro bay loại C
thường là phản ứng mạnh hơn. Các hạt thủy tinh trong tro bay loại C có chứa lượng
canxi lớn mà có thể làm cho bề mặt của các hạt căng ra, đó là bản chất phản ứng cao
của tro bay loại C.
Aluminatetricalcium (3CaOAl
2
O
3
) là một trong những tinh thể quan trọng nhất
trong giai đoạn kết tinh để xác định và định lượng tro bay bởi vì nó góp phần hình

thành ettringite,và cũng có trong các phản ứng tự làm cứng cũng như phản ứng sulfate
đột phá trong bê tông cứng.
Pericla là dạng tinh thể của oxit magiê (MgO). Sự hiện diện của tinh thể này
trong tro bay ảnh hưởng đến tính đúng đắn của các kết quả cụ thể thông qua hydrat
hóa mở rộng của nó để hình thành Brucite Mg(OH)
2
. Sắt oxit tinh thể, hematit thường
được tìm thấy trong tất cả tro bay.
13

Trong hầu hết các đống tro tàn bay, khoảng 0,33 – 0,50% sắt hiện diện như tinh
thể oxit. Tuy nhiên các phản ứng của tro bay, phụ thuộc vào giai đoạn kết tinh của
Fe
2
O
3
.
Báo cáo của Alonso và Wesche[17] về thành phần của các khoáng chất quan
trọng được tìm thấy trong tro bay than bitum được đưa ra trong bảng 2.2 như sau:

Khoáng chất
Hàm Lượng (%)
2Al
2
O
3.
2SiO
2

6,5 – 9,0

Fe
2
O
3
1,1 – 2,7
Fe
3
O
4

0,8 – 6,5
SiO
4
2,2 – 8,5
CaO
3,5

Bảng 2.2 Hàm lượng khoáng chất của tro bay
2.1.6 Các đặc trưng lý hóa
Tro bay có thể làm tăng hoặc làm giảm độ dẻo tức là giảm hoặc tăng lượng
nước yêu cầu của hỗn hợp bê tông, điều đó tuỳ thuộc vào hàm lượng than chưa cháy
và độ mịn của tro bay. Việc làm tăng lượng nước yêu cầu được giải thích bằng việc
hút nước của các phần tử cacbon (than chưa cháy), sự cản trở giữa các hạt tro bay lớn,
cũng như cốt liệu làm cho pha hồ có độ nhớt cao
2.1.7 Tính kết dính
Hiện nay Việt Nam đã có Nhóm nghiên cứu đã thử ngâm chất kết dính này
trong môi trường axít HCl và H
2
SO
4

với nồng độ 10% đậm đặc nhưng tốc độ ăn mòn
ít hơn nhiều so với xi măng thông thường. Nếu sản xuất bê tông bằng chất kết dính này
giá thành sẽ rẻ hơn so với bê tông từ xi măng.
2.2 XỈ LÒ CAO (Ground Granulated Blast Furnace Slag)
2.2.1 Tính chất vật lý
Xỉ lò cao là một vật liệu có tính chất như thủy tinh. Màu sắc của xỉ lò cao phụ
thuộc và thành phần hóa học, độ ẩm mà có màu sắc thay đổi từ màu be đến màu trắng.
14

Loại xỉ màu trắng thường được sử dụng để làm phụ gia cho bê tông, khi có mặt của xỉ
lò cao làm cho bê tông có trọng lượng nhẹ và có màu sáng hơn.
Xỉ lò cao là một vật liệu tốt.Trọng lượng riêng của nó nhỏ hơn so với xi măng,
nhưng lại có độ mịn cao hơn. Tính chất vật lý của xỉ lò cao được một số tác giả nêu
trong bảng sau

Đặc tính
Tasong et al
Oner and akyuz
Hiu sheng et al
Trọng Lượng Riêng
Bề măt riêng (m
2
/kg)
Mật độ khối lượng(kg/m
3
)
2,9
425 – 470
1,200
2,87

425
–
2,89
371
–

Bảng 2.3 Tính chất vật lý của xỉ lò cao
2.2.2 Trạng thái hình học
Diện tích bề mặt và đường kính của xỉ lò cao được đưa ra trong bảng 2.4 Có thể
thấy rằng đường kính của các hạt xỉ lò cao thay đổi từ 9,12 đến 13.69µm trong khi
diện tích bề mặt khoảng 510 đến 685m
2
/kg
Mẫu
Máy Nghiền bi
(A)
Máy nghiền
rung (B)
Máy xay khí
lưu (c)
Máy nghiền
(D)
Diện tích toàn
phần ( m
3
/kg )
510
685
515
512

Đường kính
(µm)
13.69
9.12
11.72
13.15

Bảng 2.4 Diện tích hình học và bề mặt cuả xỉ lò cao
Hình dạng của xỉ lò cao được xử lý bởi một máy rung, chủ yếu là dạng hình cầu
với bề mặt nhẵn, trong khi xử lý bằng máy đánh bóng và một máy khí thì xuất hiện có
các cạnh tương tự. Dựa theo kỹ thuật nghiền khác nhau mà xỉ lò cao có một cấu trúc
mạng liên tục.Khi các hạt xỉ bị phá vỡ, hình dạng của bề mặt bị phá hủy không cố định
Hình 2.2 (a) và (d) là sự xuất hiện của xỉ lò cao được xử lý ở một nhà máy
bóng, chủ yếu trong hình dạng bất thường với rõ ràng các góc cạnh. Điều này là do sự
tác động vào các hạt xỉ do bi nghiền bằng thép trong các máy đánh bóng gây ra . Hình
2.2 (b) cho thấy hình dạng của xỉ lò cao là chủ yếu trong cầu thể và bề mặt của nó là
15

tương đối tốt. Lý do cho hiện tượng này là mà xỉ lò cao được nghiền nát bởi sự tương
tác giữa một hình trụ bằng thép và một vòng thép và giữa một vòng thép và một bức
tường tàu. Ngoài ra, điều này làm tăng xác suất ma sát giữa các hạt và dẫn đến cạnh
được mài mòn. Hình 2.2 (c) cho thấy mẫu xỉ lò cao có đồng đều nhất về kích thước
hạt, và sự xuất hiện hạt tương tự như mẫu ( a ).

Hình 2.2 Ảnh chụp SEM của các mẫu xỉ lò cao
2.2.3 Thành phần hóa học
Xỉ lò cao là một sản phẩm phi kim loại, thành phần chủ yếu là silicat và alumi
nosilicat canxi. Xỉ được tạo thành từ cả thủy tinh trong giai đoạn kết tinh. Chính tính
chất thủy tinh chịu trách nhiệm về tính thay thế một phần xi măng của nó.
Trong xỉ lò cao bao gồm chủ yếu là CaO, SiO

2
, Al
2
O
3
, MgO. Nó có các thành
phần hóa chất tương tự như xi măng Portland thông thường, nhưng tỷ lệ khác nhau.
Thành phần hóa học đặc trưng của xỉ lò cao theo báo cáo của một số tác giả được đưa
ra trong Bảng 2.5:



16

Thành phần (%)
Tasong et al
Oner and akyuz
Hiu sheng et al
SiO
2

Al
2
O
3

Fe
2
O
3

CaO
MgO
MnO
S
2
SO
3

35.34
11.5
0.35
41.9
8.04
0.45
1.18
0.23
39.18
10.18
2.02
32.82
8.52
–
–
–
36.39
13.76
2.4
30.13
9.36

–
–
1.30

Bảng 2.5 Thành phần hóa học của xỉ lò cao
2.3 MUỘI SILIC (Silicafume)
2.3.1 Tính chất vật lý
Hạt muội silic là rất nhỏ,với hơn 95% là các hạt siêu mịn nhỏ hơn 1μm. Tính
chất vật lý điển hình của nó được đưa ra trong Bảng 2.6:

Thuộc tính
Giá Trị
Cỡ hạt
Mật độ khối lượng được tạo ra
Hồ xi măng
Làm tăng thể độ rắn
Trọng lượng riêng
Diện tích toàn phần
< 1 µm
130 – 430 kg/m
3
1,320 – 1,440 kg/m
3
480 – 720 kg/m
3

2.22
13,000 – 30,000 m
2
/kg

Bảng 2.6 Tính chất vật lý đặc trưng của muội silic





17

Muội silic là một loại phụ gia khoáng hoạt tính cao cấp có hai màu là màu sáng
và màu xám như hình dưới.








Hình 2.3 Muội Silic (Silicafume)
2.3.2 Thành phần hóa học
Muội silic có thành phần chủ yếu là silica tinh khiết ở dạng vô định hình. Qua
phân tích nhiễu xạ bằng tia X của nhiều mẫu muội silic khác nhau cho thấy muội silic
cơ bản ở dạng silica tinh thể mà chủ yếu là hình thức ofcristobalite. Muội silic có hàm
lượng silicon dioxit vô định hình rất cao. Silica khói thường có chứ hơn 90% SiO
2
,
một lượng nhỏ sắt, magie và oxyt kiềm. Thành phần hóa học của muội silic được một
số tác giả đưa ra trong Bảng 2.7:

Oxit
Sandvik and gjorv
Hooton and Titherington
Yazici
SiO
2

Al
2
O
3

Fe
2
O
3

CaO
MgO
K
2
O
Na
2
O
SO
3
LOI
92,1
0,5

1,4
0,5
0,3
0,7
0,3
–
2,8
96,65
0,23
0,07
0,31
0,04
0,56
0,15
0,17
2,27
92,26
0,89
1,97
0,49
0,96
1,31
0,42
0,33
–

Bảng 2.7 Thành phần hóa học của muội silic
18

2.3.3 Cấu tạo phân tử

Muội silic có dạng hình cầu, bề mặt trơn phẳng, kích thước trung bình của hạt
muội silic vào khoảng 0.1 – 0.2μm., tức là vào khoảng 151100 kích thước hạt xi măng
hoặc tro bay, tỷ diện bề mặt hạt μm. Vào khoảng từ 13000 – 25000m
2
/kg. Bột muội
silic có khối lượng đơn vị ở trạng thái đổ đống rất nhỏ, vào khoảng 0,15 – 0,2 tấn /m
3
2.3.4 Các đặc trưng lý hóa
Muội silic là sản phẩm phụ của công nghiệp luyện kim. Loại hợp kim sản xuất
trong lò nung là yếu tố cơ bản quyết định tính chất của vật liệu tạo thành ở các ống lọc.
Lò nung để sản xuất hợp kim sắt – silic với hàm lượng silic cao hơn 72% sẽ cho muội
silic có chất lượng tốt và thành phần rất đồng đều. Hơi ngưng tụ từ hợp kim Canxi
silic, sắt silic, mangan silic có đặc trưng vật lí tương tự nhau, nhưng thành phần hóa
học khác nhau cơ bản.
2.4 MÊTACAOLANH (Metakaolin)
2.4.1 Tính chất vật lý
Kích thước hạt mêtacaolanh rất nhỏ, với kích thước hạt trung bình khoảng 3µm
Mêtacaolanh có màu trắng xám Hình.2.4. Một số tính chất vật lý của mêtacaolanh
được đưa ra trong bảng 2.8. Hình ảnh chụp SEM của mẫu mêtacaolanh được hiển thị
trong Hình. 2.5

Hình 2.4 Hình ảnh của mêtacaolanh Hình 2.5 SEM của mêtacaolanh



19

Đặc tính
Poon et al
Al – akhras et al
Tafraoui et al
Trọng lượng riêng
Cỡ hạt trung bình
Độ nhỏ( m
2
/kg)
Mầu vật lý
2.62
–
12,680
–
2.5
1.0
12,000
Trắng
2.5
12
15,000 – 30,000
–

Bảng 2.8 Tính chất vật lý của mêtacaolanh

2.4.2 Thành phần hóa học
Thành phần chính của mêtacaolanh là silicatoxit (SiO
2
) và aluminatoxit(Al
2
O
3
).
Các thành phần khác bao gồm oxit sắt, oxitcanxi, magiêoxit, oxitkali Thành phần
hóa học đặc trưng của mêtacaolanh được đưa ra trong Bảng 2.9:

Thành phần (%)
Ambroise et al
Wild and khatib
Tafraoui et al
SiO
2

Al
2
O
3

Fe
2
O
3

CaO
MgO

K
2
O
SO
3

TiO
2
Na
2
O
51.52
40.18
1.23
2.00
0.12
0.53
–
2.27
0.08
52.1
41.0
4.32
0.07
0.19
0.63
–
0.81
0.26
58.10

35.14
1.21
1.15
0.20
1.05
0.03
–
0.07

Bảng 2.9 Thành phần hóa học của mêtacaolanh

20

Chương 3
ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA KHOÁNG HOẠT TÍNH TỚI
QUÁ TRÌNH THỦY HÓA XI MĂNG
Quá trình thủy hóa của xi măng có bản chất là thủy hóa các thành phần pha
trong xi măng, để từ đó hình thành nên cường độ và phát triển cấu trúc của hồ xi
măng.
Sự có mặt của các loại phụ gia khoáng hoạt tính cũng có sức ảnh hưởng khá
lớn trong quá trình thủy hóa khi mà chúng cũng tham gia một phần trong quá trình
thủy hóa.
Ở chương này sẽ giới thiệu đến sự thủy hóa của hỗn hợp hồ xi măng khi có mặt
của một số loại phụ gia điển hình như Tro bay(FA), Xỉ lò cao(GGBFS), Muội
Silic(SF), Mêtacaolanh(MK). Để biết được rằng chúng đóng góp những vai trò gì
trong quá trình thủy hóa.
3.1 CLANHKE XI MĂNG VÀ QUÁ TRÌNH THỦY HÓA CỦA XI MĂNG
3.1.1 Clanhke xi măng
3.1.1.1 Khái niệm
Clanhke xi măng (Clinker) là sản phẩm được nung đến trạng thái kết khối

của hỗn hợp đá vôi và đất sét đã được nghiền mịn hoặc có thêm một số nguyên liệu
khác để đảm bảo các thành phần khoáng silicat, aluminat và alumôferit canxi theo quy
đinh [6]

Hình 3.1 Clanhke xi măng

21

3.1.1.2 Thành phần hóa học của Clanhke xi măng

Thành phần chính
CaO
SiO
2

Al
2
O
3

Fe
2
O
3

Tỉ lệ (%)
63 – 66
21 – 24
4 – 8
2 – 4

Tạp chất
MgO
SO
3

P
2
O
5

Mn
2
O
3

TiO
2

K
2
O + Na
2
O
Tỉ lệ (%)
1 – 5
0.1 – 2.5
0 – 1.5
0 – 3
0 – 0.5

0 – 1

Bảng 3.1 Thành phần hóa học của Clanhke xi măng
Trong quá trình nung đến kết khối, các oxit chủ yếu phần lớn hình thành các
silicat aluminat và alumoferi can xi ở dạng các khoáng vật có cấu trúc khác nhau. Còn
một số ít chuyển thành pha thủy tinh.
3.1.1.3 Thành phần khoáng (pha) của clanhke xi măng


Tên khoáng
Công thức hóa học
Kí hiệu
Thành phần %
Khoáng chính

Alit
3CaO.SiO
2

C
3
S
45 – 60
Belit
2CaO.SiO
2

C
2
S

20 – 30
Aluminat
Tricanxi
3CaO.Al
2
O
3

C
3
A
4 – 12
Feroaluminat
Tetracanxi
4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3

C
4
AF
10 – 12
Khoáng ph
ụ
Aluminat

Alkali
(K.Na)
2
O.8CaO.3Al
2
O
3

(KN)
2
C
8
A
3

0 – 1
Sunfat Alkali
(K.Na)
2
SO
4


0 – 1
Alumo
Manganat
Canxi
4CaO.Al
2
O

3
.Mn
2
O
3


0 – 3

Bảng 3.2 Thành phần khoáng của Clanhke – xi măng