Giáo trình Vật liệu xây dựng - NXB Giao Thông Vận Tải_03 ppt

59



Bảng 4.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật của vôi theo TCVN 2231-93





Vôi cục và vôi bột
nghiền
Vôi hyñrat
Tên chỉ tiêu
Loại 1 Loại 2 Loại 3 Loại 1 Loại 2
1. Tốc ñộ tôi, tính bằng phút:
a - Tôi nhanh, không lớn hơn
b - Tôi trung bình , không lớn hơn
c - Tôi chậm, lớn hơn
2. Hàm lượng MgO, tính bằng %,
không lớn hơn
3. Tổng hàm lượng (CaO + MgO)
hoạt tính , tính bằng % không
nhỏ hơn
4. Hàm lượng CO2, tính bằng %,
không lớn hơn
5. Hàm lượng mất khi nung,
tính bằng %, không lớn hơn
6. ðộ nhuyễn của vôi tôi, tính
bằng l/kg, không nhỏ hơn

7. Hàm lượng hạt không tôi ñược
của vôi cục, tính bằng %,
không lớn hơn
8. ð
ộ mịn của vôi bột, tính bằng %,
không lớn hơn
Trên sàng 0,063
Trên sàng 0,008
9. ð
ộ ẩm, tính bằng %, không lớn
hơn

10
20
20

5


88

2

5

2,4


5

2
10
-

10
20
20

5


80

4

7

2,0


7


2
10
-

10
20

20

5


70

6

10

1,5


10


2
10
-

-
-
-

-


67

4

-

-


-


6
-
6

-
-
-

-


60

6

-

-

-


8
-
6

Chú thích : Chỉ tiêu (7) chỉ áp dụng ñối với vôi cục và chỉ tiêu (8) chỉ áp dụng
với vôi bột

2.4. Quá trình rắn chắc của vôi rắn trong không khí
2.4.1. Sự rắn chắc của vôi tôi
Sự rắn chắc của vôi tôi tiến hành theo hai quá trình xen kẽ nhau:

60
- Quá trình kết tinh : Sau khi tác dụng với nước và trộn với cát, lượng
nước nhào trộn bị cát xây hút hoặc bay hơi dần ñi, Ca(OH)
2
gặp nước bão hoà,
vôi sẽ dần dần chuyển từ dạng ngưng keo sang dạng kết tinh rồi rắn chắc lại.
- Quá trình cacbonat hoá : Ca(OH)
2
tiếp xúc với không khí sẽ phản ứng
với CO
2
có trong không khí và tạo thành CaCO
3

Ca(OH)
2

+ CO
2
CaCO
3
+ H
2
O
Quá trình rắn chắc của vôi rắn trong không khí tiến hành rất chậm, ngoài
lượng nước nhào trộn, còn có phản ứng do cacbonat hoá tách ra nên công trình
thường bị ẩm ướt khá lâu. Vì vậy, muốn tăng nhanh tốc ñộ rắn chắc thường
dùng nhiều biện pháp : Tăng hàm lượng CO
2
trong môi trường, tạo mặt thoáng
thoát nước cho kết cấu, trộn thêm xi măng, thạch cao hoặc phụ gia vào thành
phần vữa khi thi công.
2.4.2. Sự rắn chắc của vôi bột sống
Quá trình rắn chắc của vôi bột sống là quá trình silicát hoá
xẩy ra trong
thiết bị trộn ở nhiệt ñộ 175
0
C và áp suất 8 at ( quá trình gia nhiệt ẩm).
Phản ứng silicat hoá ñược viết như sau
175
o
C
CaO + H
2
O + SiO
2
CaO.SiO

2
.H
2
O
8 at
Vì vậy sản phẩm có cường ñộ cao, có thể ñạt 20 daN/cm
2
hoặc cao hơn
nữa. Có thể sử dụng tính chất này ñể chế tạo gạch silicát.
3. THẠCH CAO
3.1. Khái niệm
Thạch cao là chất kết dính rắn trong không khí, bao gồm chủ yếu là
thạch cao nửa phân tử nước hoặc anhyñrit, ñược chế tạo bằng cách nung và
nghiền nguyên liệu. Nguyên liệu ñể chế tạo chất kết dính thạch cao (CKDTC) là
khoáng thạch cao CaSO
4
.2H
2
O, anhyñrit và các thải phẩm công nghiệp.
CKDTC ñược chia thành 2 nhóm : thạch cao nung ở nhiệt ñộ thấp (150 -
170
o
C) và thạch cao nung ở nhiệt ñộ cao (700 - 1000
o
C). Nhóm nung ở nhiệt
ñộ thấp gồm có thạch cao xây dựng và thạch cao cường ñộ thấp, còn nhóm
nung ở nhiệt ñộ cao gồm có xi măng anhyñrit và thạch cao estric.

3.2. Thạch cao xây dựng
Thạch cao xây dựng ñược sản xuất từ ñá thạch cao bằng cách nung ở

nhiệt ñộ 150 - 160
o
C ñể khử bớt một phần nước :
CaSO
4
.2H
2
O CaSO
4
.0,5H
2
O + 1,5H
2
O - Q

61
Khi nhào trộn thạch cao xây dựng với nước thì cho hỗn hợp dẻo, sau quá
trình rắn chắc thì biến thành dạng ñá. Phản ứng xảy ra khi rắn chắc là:
CaSO
4
.0,5H
2
O + 1,5H
2
O CaSO
4
.2H
2
O
ðộ tan của CaSO

4
.2H2O nhỏ hơn của CaSO
4
.0,5H2O 5 lần nên hàm
lượng CaSO
4
.2H2O tăng dần, hỗn hợp dẻo chuyển sang trạng thái keo rồi kết
tinh và rắn chắc.
Thời gian kể từ khi nhào trộn thạch cao với nước ñến khi mất tính dẻo là
thời gian bắt ñầu ninh kết. Thời gian từ khi nhào trộn thạch cao với nước ñến
khi có cường ñộ là thời gian kết thúc ninh kết. ðối với thạch cao xây dựng quy
ñịnh thời gian bắt ñầu ninh kết không nhỏ hơn 6 phút và kết thúc ninh kết
không lớn hơn 30 phút.
Cường ñộ của thạch cao ñược xác ñịnh ở mẫu uốn có kích thước 4 x 4 x
16 cm và mẫu nén (sau khi uốn gãy). Cường ñộ chuẩn ñược quy ñịnh ở tuổi 1,5
giờ rắn chắc trong ñiều kiện tiêu chuẩn. Thạch cao xây dựng ñược sử dụng ñể
chế tạo bêtông, tấm ngăn cách , vữa trát cho panen tường và các vật liệu trang
trí khác ở nơi khô ráo.
4. THUỶ TINH LỎNG
Thuỷ tinh lỏng có thành phần R
2
O.nSiO
2
, trong ñó R là natri (Na) hoặc
kali (K), n là moñun silicát. ðối với thuỷ tinh lỏng natri , n = 2,5 - 3 ; kali : n =
3 - 4.
Thuỷ tinh lỏng có khối lượng riêng 1,3 - 1,5 g/cm
3
. Trước khi sử dụng nó
ñược hoà với nước (lượng nước 50 - 70%).

Thuỷ tinh lỏng natri trong thực tế ñược dùng rộng rãi hơn. Thuỷ tinh lỏng
natri ñược sản xuất bằng cách nung cát thạch anh (SiO
2
) với Na
2
CO
3
(hoặc
Na
2
SO
4
+ C) ở nhiệt ñộ 1300 - 1400
o
C:
Na
2
CO
3
+ nSiO
2
= Na
2
O.nSiO
2
+ CO
2

hoặc : 2Na
2

SO
4
+ nSiO
2
+ C = 2Na
2
O.nSiO
2
+ CO
2
+ 2SO
2

Sau ñó hỗn hợp ñược cho vào thiết bị hơi nước ở áp lực 3 - 8 atm ñể tạo
thành thuỷ tinh lỏng.
Thuỷ tinh lỏng rắn chắc ñược là nhờ quá trình tạo ra anhyñrit silic vô
ñịnh hình:
Na
2
SiO
3
+ CO
2
+ 2H
2
O = Si(OH)
4
+ Na
2
CO

3

ðể tăng nhanh quá trình rắn chắc thường dùng phụ gia Na2SiF6 :
Na
2
SiF
6
+ 2Na
2
SiO
3
+ 6H
2
O = 6NaF + 3Si(OH)
4
.
Na
2
SiF
6
còn làm tăng ñộ bền nước và bền axit của thuỷ tinh lỏng.

62
Thuỷ tinh lỏng ñược sử dụng trong công nghệ sản xuất xi măng bền axit,
làm phụ gia cải thiện tính chất của bêtông và các vật liệu khác.

5. CHẤT KẾT DÍNH HỖN HỢP
Chất kết dính hỗn hợp rất ña dạng. Trong xây dựng chất kết dính hỗn hợp
ñược sử dụng ở dạng hỗn hợp của vôi và phụ gia vô cơ hoạt tính nghiền mịn.
Chúng ñược sản xuất bằng cách nghiền chung vôi sống và phụ gia hoạt tính

hoặc trộn lẫn vôi nhuyễn với phụ gia nghiền mịn.
Phụ gia vô cơ hoạt tính có hai nhóm chính: loại thiên nhiên như ñiatômit,
trepen, ñá có nguồn gốc núi lửa (tuff núi lửa, tro núi lửa) và loại nhân tạo như
các thải phẩm công nghiệp (tro xỉ trong công nghiệp nhiệt ñiện hoặc luyện
kim), hoặc cũng có thể ñược sản xuất theo công nghệ riêng(nung ñất sét có
thành phần thích hợp).
Nói chung, phụ gia vô cơ hoạt tính là những loại vật liệu chứa nhiều
khoáng SiO
2
vô ñịnh hình. ðộ hoạt tính của chúng ñược ñánh giá thông qua ñộ
hút vôi.
Tỷ lệ phối hợp của chất kết dính hỗn hợp là: vôi sống 15 - 30%, phụ gia
hoạt tính : 70 - 80%(có thể có thêm cả thạch cao).
Chất kết dính hỗn hợp có cường ñộ cao nhờ có phản ứng tạo ra silicat
canxi ngậm nước ở ngay nhiệt ñộ thường.
Ca(OH)
2
+ SiO
2
vñh + H
2
O nCaO.mSiO
2
.pH
2
O
Khoáng nCaO.mSiO
2
.pH
2

O (viết tắt là CSH) là khoáng bền nước hơn các
sản phẩm tạo thành khi vôi rắn chắc.
Chất kết dính hỗn hợp có phạm vi sử dụng rộng rãi. Nó có thể dùng ñể
chế tạo bêtông mác thấp, vữa xây dựng ở trong môi trường không khí và cả
trong môi trường ẩm ướt, gia cố nền ñất và dùng làm nền ñường hoặc mặt
ñường cấp thấp.
6. VÔI THUỶ VÀ XI MĂNG LAMÃ
Vôi thuỷ và xi măng Lamã là chất kết dính rắn trong nước ñược sản xuất
bằng cách nung ñá macnơ (ñá vôi lẫn nhiều sét).
Vôi thuỷ ñược sản xuất bằng cách nung ñá macnơ (hàm lượng sét 6 -
20%) ở nhiệt ñộ 900 - 1200
o
C. ở nhiệt ñộ 900
o
C ñầu tiên ñá vôi bị phân huỷ
tạo ra CaO. Sau ñó CaO tác dụng với các oxyt có trong thành phần ñất sét
(SiO
2
, Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
) ñể tạo ra các silicat kiềm thấp(2CaO.SiO
2
), aluminat canxi
(CaO.Al

2
O
3
) và fenspat canxi(CaO.Fe
2
O
3
). Những thành phần này có khả năng
rắn chắc trong môi trường nước.

63
Vôi thuỷ thường ñược cho rắn chắc trong không khí 7 ngày ñầu, sau ñó
cho rắn chắc trong môi trường nước 21 ngày. Cường ñộ của vôi thuỷ sau 28
ngày rắn chắc là 20 - 50 daN/cm
2
.
Vôi thuỷ ñược sử dụng ở dạng bột hay hồ nhão ñể chế tạo vữa và bêtông
mác thấp.
Xi măng Lamã cũng ñược sản xuất bằng cách nung ñá macna (có hàm
lượng sét lớn hơn 20%) ở nhiệt ñộ khoảng 900
o
C. Thành phần của xi măng
Lamã cũng tương tự như vôi thuỷ nhưng có chất lượng cao hơn. Xi măng Lamã
có 3 mác: 25, 50, 100. Nó ñược sử dụng ñể chế tạo vữa và bêtông mác thấp.

7. XI MĂNG POOCLĂNG (XI MĂNG SILICAT)
7.1. Khái niệm chung
Xi măng pooclăng là chất kết dính vô cơ rắn trong nước và khi cứng rắn
thì có thể bền nước, chứa khoảng 70 - 80% silicat canxi và 15% aluminát
canxi. Nó là sản phẩm của quá trình nghiền mịn của clinke với phụ gia thạch

cao (3 - 5%). Clinke ở dạng hạt ñược sản xuất bằng cách nung cho ñến kết khối
(ở 1450
o
C - 1550
o
C) hỗn hợp chứa cacbonat canxi (ñá vôi) và alumosilicat (ñất
sét, ñá macna, xỉ lò cao,v.v ). Thạch cao có tác dụng ñiều chỉnh thời gian ninh
kết của xi măng. Ngoài ra trong nguyên liệu xi măng còn chứa ôxýt khác như
Fe
2
O
3
. Khi nhào trộn xi măng với nước tạo thành một hỗn hợp vữa nhão ñược
gọi là hồ xi măng.
Khi nghiền ñể ñiều chỉnh tính chất và giá thành có thể cho thêm phụ gia,
hỗn hợp phụ gia hoạt tính và phụ gia trơ. Thành phần phụ gia ñược quyết ñịnh
bởi nhu cầu của sản phẩm xi măng.
Xi măng pooclăng ñược sản xuất tại Anh năm 1824 và ngày càng ñược
cải tiến có những ưu ñiểm nổi bật như cường ñộ cao, rắn chắc nhanh v.v Xi
măng poóclăng là chất kết dính vô cơ chủ yếu trong xây dựng dân dụng, giao
thông và các công trình xây dựng khác. Sản lượng xi măng ở Việt Nam tính ñến
năm 2005 khoảng 25 triệu tấn, ñến năm 2010 khoảng 30 triệu tấn. Các nhà máy
xi măng chính là Nghi Sơn, Hoàng Mai, Hoàng Thạch, Hải Phòng, Bỉm Sơn,
Hà Tiên và một số nhà máy xi măng của nước ngoài tại Việt Nam. Công nghệ
chính theo phương pháp ướt và phương pháp khô.
Xi măng có ñặc tính kết dính và liên kết các cốt liệu trở thành một khối
rắn chắc có ñộ bền và cường ñộ thích hợp ñó là bê tông xi măng.

7.2. Thành phần hoá học và khoáng vật của clinke xi măng

64
Clinke thường ở dạng hạt có ñường kính từ 10-40 mm, cấu trúc gồm
nhiều khoáng ở dạng tinh thể và một số khoáng ở dạng vô ñịnh hình. Chất
lượng của clinke phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, hoá học và công nghệ
sản xuất. Tính chất của xi măng do chất lượng của clinke quyết ñịnh.
7.2.1.Thành phần hoá học
Thành phần hoá học của clinke biểu thị bằng hàm lượng(%) các oxyt có
trong clinke, dao ñộng trong giới hạn sau: CaO: 63 - 66%; SiO
2
: 21 - 24%;
Al
2
O
3
: 4 - 8%; Fe
2
O
3
: 2 - 4%. Tổng số các ôxýt chủ yếu này là 95 - 97%.
Các oxyt khác (MgO; SO
3
; K
2
O; Na
2
O; TiO; Cr
2
O; P
2
O

5
) chiếm một tỷ lệ
rất nhỏ nhưng ñều có hại ñến chất lượng của xi măng và bê tông cần phải
khống chế ở hàm lượng ñể ñảm bảo không gây hại cho cốt liệu của bê tông.
Thành phần hoá học của clinke thay ñổi thì tính chất của xi măng cũng
thay ñổi. Nếu tăng CaO thì xi măng thường rắn nhanh, kém bền nước; còn nếu
tăng SiO
2
thì ngược lại.
Trong quá trình nung ñến nhiệt ñộ kết khối, các oxyt chủ yếu kết hợp lại
tạo thành các silicat, aluminat và alumoferit canxi ở dạng các khoáng có cấu
trúc tinh thể, một số ít chuyển sang dạng vô ñịnh hình.
Có thể dùng các hệ số sau ñây ñể ñánh giá chất lượng xi măng:
a) Hệ số silicát:
2
2 3 2 3
0 (%)
0 (%) 0 (%)
Si
M
Al Fe
=
+

M thường = 1,7 - 3,5

b) Hệ số Aluminat :

2 3
2 3

0 (%)
0 (%)
Al
P
Fe
=

P thường = 1 - 3

c) Hệ số bão hoà : K
bh

2 3 2 3 3
2
0(%) (1,65 0 0,35 0 0,75 0 )(%)
2,8 0 (%)
bh
Ca Al Fe S
K
Si
− + +
=

d) Phương trình cân bằng:
CaO=2.8SiO
2
+1.18Al
2
O
3

+0.65Fe
2
O
3

Hệ số silicát M càng lớn, lượng SiO
2
càng nhiều, xi măng sẽ ninh kết và
rắn chắc chậm, cường ñộ phát triển chậm. Nếu M quá thấp chúng sẽ ñóng thành
tảng khó nung. Hệ số p càng thấp thì lượng Al
2
O
3
càng nhiều, xi măng ninh kết
và rắn chắc nhanh. Hệ số K
bh
càng lớn, cường ñộ xi măng càng cao nhưng khó

65
nung và sinh ra nhiều CaO tự do làm cho xi măng kém ổn ñịnh và dễ bị ăn mòn
trong môi trường nước xâm thực.
7.2.2. Thành phần khoáng vật
Thành phần khoáng vật của clinke: Clinke có 4 loại khoáng vật chính:
Silicát tricanxit (C
3
S) 45-60%
Silicát bicanxit (C
2
S); 15-35%
Aluminat tricanxit (C

3
A) 4-14%
Feroaluminat têtracanxit (C
4
AF). 10-18%
Alít- C
3
S: 3CaO.SiO
2
, là dung dịch rắn của silicat tricanxit và một lượng
không lớn (2 - 4%) các oxyt MgO; Al
2
O3; P
2
O
5
; Cr
2
O
3
và các tạp chất khác.

Các tạp chất này có ảnh hưởng lớn ñến cấu trúc và tính chất của alit. Alit
có thể kết tinh ở 6 dạng hình khác nhau. Trong clinke, tinh thể alit thường có
hình 6 cạnh hoặc hình chữ nhật với kích thước 3 - 20 µk .
C
3
S : là khoáng quan trọng nhất của clinke, nó quyết ñịnh cường ñộ, tốc
ñộ rắn chắc nhanh và các tính chất khác của xi măng.
Bê lít: 2CaO.SiO

2
, là khoáng silicat làm cho xi măng phát triển cường ñộ
dài ngày, nó rắn chắc chậm nhưng ñạt cường ñộ cao ở tuổi muộn. Trong khoảng
nhiệt ñộ từ nhiệt ñộ thường ñến nhiệt ñộ 1500
o
C. Belit có cấu trúc dạng hạt ñặc
tròn, kích thước 20 - 50 µk.
Tổng hàm lượng silicat (C
2
S+C
3
S) trong clinke khoảng 70-80%, 25% là
các khoáng còn lại (C
3
A+C
4
AF).
Aluminat tricanxit: 3CaO.Al
2
O
3
, viết tắt là C
3
A, chiếm khoảng 4 - 12%.
ở nhiệt ñộ nung thích hợp, tinh thể có dạng hình lập phương kích thước
10x15µk , khối lượng riêng 3,04 g/cm
3
, tốc ñộ thuỷ hóa và rắn chắc rất nhanh,
nhưng cường ñộ không lớn. Nó rất dễ bị ăn mòn sunfat, nên trong xi măng bền
sunfat phải khống chế hàm lượng C

3
A (nhỏ hơn 5%).


66

CÊu tróc kho¸ng C
3
S
víi kÝch th−íc 10µm
CÊu tróc kho¸ng C
2
S ,
entregit vµ C
3
A
Căn cứ vào thành phần khoáng trong clinke có thể phân loại xi măng
poocland như sau:
1. Xi măng alít: C
3
S lớn hơn 60% và C
2
S nhỏ hơn 15%
2. Xi măng alít tiêu chuẩn: C
3
S 60-37.5% và C
2
S từ 15-37.5%
3. Xi măng bê lít C
3

S nhỏ hơn 37.5% và C
2
S lớn hơn 37.5%
Ở Việt Nam thường chế tạo xi măng alít tiêu chuẩn, thành phần khoáng
vật của xi măng sản xuất tại Việt Nam xem ở bảng 4.3.






Cấu trúc của C
4
A


67

Cấu trúc của C
3
A

Hình 4.1. Cấu trúc khoáng vật trong xi măng

Bảng 4.2. Thành phần hoá học và khoáng vật của xi măng theo ASTM

ASTM
nhãm
Ca0 Mg0
Al

2
0
3

Fe
2
0
3
Si0
2
Ti0
2
Na
2
0 K
2
0 S0
3
Ca0 C
4
AF C
3
A C
3
S C
2
S
I

II


III


IV


V

63.8
63.1
65.8
62.8

61.4
64.3

66.6
63.3

59.6
63.6

64.3
64.2
63.3

3.7
2.5
1.1
1.7

3.1
1.9

1.4
4.3

3.0
1.1

1.7
2.5
1.2
5.6
4.7
4.7
6.7

4.8
4.0

5.2
5.1

4.6

3.7

3.1
1.9
3.3
2.4
3.0
2.1
2.5

4.8
2.1

2.5
2.0

5.0
3.1

3.3
1.3
4.7
20.7
22.1
22.2
21.1

20.8
24.0

20.0
20.3

22.9
25.2

24.4
26.1
23.1

0.23
0.21
0.30
0.39

0.21
0.23

0.27
0.21

0.23
0.19

0.19
0.12
-
0.21
0.06
0.04

0.95

0.06
0.23

0.21
0.19

0.06
0.33

0.08
0.10
0.08

0.51
1.30
0.19
0.51

1.30
0.55

0.44
0.28

1.19
0.01

0.22

0.15
0.37

1.6
1.7
1.6
1.8

1.8
1.7

2.3
2.5

1.3
1.9

1.4
2.0
1.7
0.4
0.2
1.6
2.0

0.9
0.5

1.8
1.9

0.4
0.4

0.5
1.8
-
7
9
6
8

15
6

8
6

15
9

10
4
14
11
7
9
14

5

7

10
10

4
5

3
3
1
55
47
54
33

44
41

63
51

25
31

45
35
49
16
28

23
35

26
38

10
19

47
49

36
48
30
Ghi chú: Nhóm I, II là xi măng tiêu chuẩn, chế ñộ nhiệt bình thường
Nhóm III lưu ý ñến chế ñộ nhiệt
Nhóm IV, V dùng cho kết cấu bê tông ñặc biệt (ít toả nhiệt)




68



Bảng
4.3. Thành phần khoáng vật của các loại xi măng Việt Nam
Thành phần khoáng (%)
Loại xi măng

C
3
S C
2
S C
3
A C
4
AF Phụ gia khoáng
Bỉm sơn 67,0 8,0 4,6 15,0
Hoàng Thạch 56,0 18,0 10,0 10,0
Chinfon 51,0 24,0 8,2 11,0
Nghi Sơn 51,0 25,0 8,16 10,0

0-15%; PC30, PC40
15-40%; PCB30,
PCB40

Feroaluminat têtracanxit: 4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3
, viết tắt là C
4
AF, chiếm
khoảng 10-12%, có khối lượng riêng lớn nhất trong các khoáng clinke

(3,77g/cm
3
). Nó là dung dịch rắn của feroaluminat canxi có thành phần khác
nhau. Trong clinke của xi măng pooclăng dung dịch rắn này thường rất gần với
C
4
AF, C
4
AF có tốc ñộ rắn chắc trung gian giữa alit và belit, vì vậy không có
ảnh hưởng lớn ñến tốc ñộ rắn chắc và sự toả nhiệt của xi măng pooclăng.
Các chất oxyt clinke
(thuỷ tinh clinke) chiếm khoảng 5 - 15%, bao gồm
chủ yếu là CaO; Al
2
O
3
; Fe
2
O
3
; MgO; K
2
O; Na
2
O.
Oxyt manhê là thành phần của pha feroaluminat và thuỷ tinh clinke,
ñồng thời tồn tại ở dạng tinh thể tự do, thuỷ hoá rất chậm. Sự thuỷ hoá MgO
kéo dài rất lâu (ñến vài năm) và khi chuyển thành Mg(OH)
2
thì làm tăng thể

tích của pha rắn. Cho nên nếu hàm lượng của MgO > 5% sẽ gây mất tính ổn
ñịnh thể tích của xi măng .
Oxyt canxi tự do ở dạng hạt, thường có trong clinke mới nung xong. Quy
ñịnh hàm lượng của nó không ñược vượt quá 1%, vì nó gây ra tính không ổn
ñịnh thể tích của xi măng.
Kiềm (Na
2
O; K
2
O) có trong pha feroaluminat của clinke cũng như ở dạng
sunfat. ðể tránh gây ra nứt nẻ kết cấu, hàm lượng của chúng phải rất hạn chế
khi dùng với cốt liệu (cát; ñá) có chứa oxyt vô ñịnh hình.
7.3. Nguyên tắc sản xuất xi măng.
Nguyên liệu ñể sản xuất clinke là ñá vôi có hàm lượng canxit cao (ñá vôi
ñặc; ñá phấn; ñá macma) và ñất sét (ñất sét và phiến thạch sét). ðể sản xuất 1
tấn xi măng cần khoảng 1,5 tấn nguyên liệu. Tỷ lệ giữa thành phần cacbonat và
ñất sét vào khoảng 3 : 1(có nghĩa là 75% ñá vôi và 25% ñất sét). Có thể cho

69
thêm vào thành phần phối liệu các nguyên liệu phụ ñể ñiều chỉnh thành phần
hoá học, nhiệt ñộ kết khối và kết tinh các khoáng vật của clinke.
Trong công nghệ sản xuất xi măng, có thể sử dụng các thải phẩm công
nghiệp như xỉ lò cao, vì nó thường chứa những oxyt cần thiết ñể chế tạo clinke
(CaO; SiO
2
; Al
2
O
3
; Fe

2
O
3
), bùn nefelin (thải phẩm công nghiệp sản xuất nhôm)
chứa khoảng 25 - 30% SiO2 và 50 - 55% CaO. Nefelin có thể cho vào phối liệu
ñến 15 - 20%. Dùng nefelin tăng ñược năng suất của lò ñến 20% và giảm ñược
chi phí nhiên liệu ñến 20 - 25%.
Nhiên liệu chủ yếu và có hiệu quả nhất trong sản xuất xi măng là khí
thiên nhiên, dầu mazut và than ñá.
Quá trình sản xuất xi măng bao gồm các công ñoạn sau :
1) Khai thác và cung cấp nguyên liệu
2) Chuẩn bị phối liệu
3) Nung ñể tạo clinke
4) Nghiền clinke với phụ gia thạch cao.
Chuẩn bị phối liệu gồm có khâu nghiền mịn, nhào trộn hỗn hợp với tỷ lệ
yêu cầu ñể ñảm bảo cho các phản ứng hoá học ñược xảy ra và clinke có chất
lượng ñồng nhất. Có 3 phương pháp chuẩn bị phối liệu: khô, ướt và hỗn hợp.
Trong phương pháp khô, các khâu nghiền và nhào trộn ñều ñược thực hiện ở
trạng thái khô hoặc ñã sấy trước. ðá vôi và ñất sét ñược nghiền và sấy ñồng
thời ñến ñộ ẩm 1 - 2% trong máy nghiền bi. Sau khi nghiền,bột phối liệu ñược
ñưa vào xilô ñể kiểm tra hiệu chỉnh lại thành phần và ñể dự trữ ñảm bảo cho lò
nung làm việc liên tục.
Phương pháp khô thích hợp với ñá vôi và ñất sét có ñộ ẩm thấp (10 -
15%), thành phần và cấu trúc ñồng nhất. Chi phí nhiên liệu trong phương pháp
khô ít hơn trong phương pháp ướt 1,5-2 lần. Chất lượng phương pháp này khó
ñiều chỉnh.
Phương pháp ướt sử dụng cho những nguyên liệu mềm và có ñộ ẩm lớn
(ñá phấn , ñất sét). ðất sét ñược máy khuâý tạo huyền phù sét, ñá vôi ñược ñập
nhỏ rồi cho vào nghiền chung với ñất sét ở trạng thái lỏng (lượng nước chiếm
khoảng 35 - 45%) trong máy nghiền bi cho ñến ñộ mịn yêu cầu (lượng sót trên

sàng N
o
008 là 8 - 10%). Từ máy nghiền bi, hỗn hợp ñược bơm vào bể bùn ñể
kiểm tra và ñiều chỉnh thành phần trước khi cho vào lò nung.
Phương pháp ướt tốn nhiên liệu nhưng dễ ràng
ñiều chỉnh chất lượng.
Nung phối liệu ñược thực hiện chủ yếu trong lò quay (phương pháp ướt),
hoặc lò ñứng (phương pháp khô).

70
Lò quay là ống trụ bằng thép ñặt nghiêng 3 - 4 ñộ, trong lót bằng vật liệu
chịu lửa. Chiều dài lò 95 - 185 - 230 m, ñường kính 5 - 7 m.
Lò quay làm việc theo nguyên tắc ngược dòng. Hỗn hợp nguyên liệu
ñược ñưa vào ñầu cao, khí nóng ñược phun lên từ ñầu thấp. Khi lò quay (1-2
vòng/phút) phối liệu chuyển dần xuống và tiếp xúc với các vùng có nhiệt ñộ
khác nhau, tạo ra những quá trình lý hoá phù hợp ñể cuối cùng hình thành
clinke.

Phương pháp nửa ướt (bán ướt).
Trong cách sản xuất này, hồ lỏng ñạt ñược theo cùng một cách như
phương pháp nháp ướt, sau ñó ñược vắt trong những thiết bị lọc ép ñược cấu
tạo bằng một loại mâm ở giữa chúng là hồ ñược ép dưới áp suất từ 10 ñến 25
daN/cm
2
ñể tạo ra các bánh nguyên liệu có lượng ngậm nước chỉ bằng 18 dến
20%. Hồ dẻo sau ñó ñược chuyển
thành các ñoạn hình trụ nhẵn hoặc có vết với
ñường kính khoảng 2 cm. Các ñoạn hình trụ ñược ñưa vào lò nung tạo clinke.
Phương pháp nửa khô (bán khô)
Chất bột ñạt ñược bằng một phương pháp tương tự với phương pháp

ñược mô tả ñối với phương pháp khô, sau ñó ñược vê viên có ñường kính từ 10
ñến 20mm nhờ một máy vê viên.
Máy vê viên gồm một ñĩa ñặt nghiêng khoảng 45
0
và có ñường kính
khoảng 2 ñến 4 m. Người ta ñổ vào máy vê viên một chất bột và nước (12 ñến
14%) và sự quay ñơn giản của máy vê viên tạo thành các viên nhỏ.
Theo phương pháp nung ñược sử dụng, người ta cũng có thể cho vào lò
các viên nhỏ than nghiền.
Việc nung ñược tiến hành ở hai loại lò: lò có ghi phân huỷ cacbonat là lò
quay ngắn tương tự lò trong phương pháp nửa ướt. Hoặc dùng lò ñứng, nó gồm
hình trụ tháp thẳng ñứng cố ñịnh, bên trong lát gạch chịu lửa. Các hạt ñược
phân phối ñều và liên tục ở phần trên của lò. Chúng nhanh chóng bị gia nhiệt
mạnh. Trong trường hợp nung này vùng tạo
clinke nằm ở phần trên của lò. Sau
ñó các hạt tụt xuống chầm chậm và nguội ñi.
Phương pháp sản xuất clinke này rất hay về phương diện năng lượng,
nhưng ngược lại nó chỉ cho sản xuất lượng nhỏ.
Dĩ nhiên người sản xuất có trách nhiệm chọn phương pháp thích hợp với
các ñiều kiện nhà máy xi măng của mình.
Clinke ñược ñưa ra khỏi lò quay ở dạng hạt màu xẫm hoặc vàng xám,
ñược làm nguội từ 1000
o
C xuống ñến 100 - 200
o
C trong các thiết bị làm nguội
bằng không khí rồi ñược giữ trong kho 1 - 2 tuần.

71
Các máy nghiền bi là những hình trụ lớn có d=3-4 m ñặt hầu như nằm

ngang, chứa ñầy một nửa là những viên bi thép và cho quay nhanh xung quanh
trục của chúng. Người ta cho clinke vào phần cao và lấy bột ra ở phần thấp của
máy nghiền.
Xi măng sau khi nghiền có nhiệt ñộ từ 80 - 120
o
C ñược vận chuyển bằng
khí nén lên xilô. Xilô là bể chứa bằng bêtông cốt thép ñường kính 8 - 15m, cao
25 - 30m. Những xilô lớn có thể chứa ñược 4.000 - 10.000T xi măng.
Hiện nay còn sử dụng phương pháp nghiền ướt (hiệu quả cao, hợp vệ
sinh). Loại xi măng này phải ñược dùng ngay sau khi nghiền.

7.4. Quá trình rắn chắc của xi măng
Lý thuyết rắn chắc của xi măng pooclăng ñược phát triển trên cơ sở
những công trình của Lơ Satơliơ (Le Chatelier), Mikhaơlix, Baykov, Rebinder
Xi măng sau khi nhào trộn với nước trải qua 3 giai ñoạn. Trong khoảng
1-3 giờ sau khi nhào trộn, hồ xi măng dẻo và dễ tạo hình, bắt ñầu ninh kết. Hỗn
hợp ñặc dần lại và mất dần tính dẻo nhưng cường ñộ không lớn. Giai ñoạn này
kết thúc trong 5 - 10 giờ sau khi nhào trộn. Sau ñó hỗn hợp chuyển từ trạng thái
ñặc sệt sang trạng thái rắn chắc, có nghĩa là kết thúc ninh kết và bắt ñầu rắn
chắc. Giai ñoạn rắn chắc ñặc trưng bằng sự tăng nhanh cường ñộ.
7.4.1. Phản ứng thuỷ hóa
Phản ứng thuỷ hoá tổng quất là:
CS + H = CHS + CH
CHS - là các khoáng silicat ngậm nước và bền nước
CH – là các hy ñroxyt không tan trong nước
Ở giai ñoạn ñầu xảy ra quá trình tác dụng nhanh của C
3
S với nước tạo ra
hyñrosilicat canxi và hyñroxit canxi.
2(3CaO.SiO

2
) + 6H
2
O = 3CaO.2SiO
2
.3H
2
O + 3Ca(OH)
2

Vì ñã có hyñroxit canxi tách ra từ C
3
S nên C
2
S thuỷ hóa chậm hơn C
3
S
và tách ra ít Ca(OH)
2
hơn:
2(2CaO.SiO
2
) + 4H
2
O = 3CaO.2SiO
2
.2H
2
O + Ca(OH)
2

Hyñrosilicat canxi hình thành khi thuỷ hoá hoàn toàn ñơn khoáng silicat
tricanxi ở trạng thái cân bằng với dung dịch bão hoà hyñroxit canxi. Tỷ lệ
CaO/SiO
2
trong các hyñrosilicat trong hồ xi măng có thể thay ñổi phụ thuộc vào
thành phần vật liệu, ñiều kiện rắn chắc và các yếu tố khác. Pha chứa alumo chủ
yếu trong xi măng là aluminat tricanxi 3CaO.Al
2
O
3
pha hoạt ñộng nhất. Ngay
sau khi trộn với nước trên bề mặt các hạt xi măng ñã có lớp sản phẩm xốp,
không bền, có tinh thể dạng tấm mỏng lục giác của 4CaO.Al
2
O3.9H
2
O và

72
2CaO.Al
2
O
3
.8H
2
O. Cấu trúc dạng tơi xốp này làm giảm ñộ bền nước của xi
măng. Dạng ổn ñịnh, sản phẩm phản ứng nhanh với nước của nó là hyñro-
aluminat 6 nước có tinh thể hình lập phương (3CaO.Al
2

O
3
.6H
2
O) :
3CaO.Al
2
O
3
+ 6H
2
O = 3CaO.Al
2
O
3
.6H
2
O
ðể làm chậm quá trình ñông kết khi nghiền clinke cần cho thêm một
lượng ñá thạch cao (3 - 5% so với khối lượng xi măng). Sunfat canxi ñóng vai
trò là chất hoạt ñộng hoá học của xi măng, tác dụng với aluminat tricanxi ngay
từ ñầu ñể tạo thành sunphoaluminat canxi ngậm nước (khoáng etringit):
3CaO.Al
2
O
3
+ 3(CaSO
4
.2H
2

O) + 26H
2
O = 3CaO.Al
2
O
3
.3CaSO
4
.32H
2
O
Trong dung dịch bão hoà Ca (OH)
2
ngay từ ñầu etringit sẽ tách ra ở dạng
keo phân tán mịn ñọng lại trên bề mặt 3CaO.Al
2
O
3
làm chậm sự thuỷ hoá của
nó và kéo dài thời gian ninh kết của xi măng. Sự kết tinh của Ca(OH)
2
từ dung
dịch quá bão hoà sẽ làm giảm nồng ñộ hyñroxit can xi trong dung dịch và
etringit chuyển sang tinh thể dạng sợi, tạo ra cường ñộ ban ñầu cho xi măng.
Etringit có thể lớn gấp 2 lần so với thể tích các chất tham gia phản ứng, có tác
dụng chèn lấp các lỗ rỗng của ñá xi măng, làm cường ñộ và ñộ ổn ñịnh của ñá
xi măng tăng lên, Cấu trúc của ñá xi măng cũng sẽ tốt hơn do hạn chế ñược
những chỗ yếu của hyñroaluminat canxi. Sau ñó etringit còn tác dụng với
3CaO.Al
2

O
3
còn lại tác dụng với thạch cao ñể tạo thành muối kép một sunfat :
2(3CaO.Al
2
O
3
) + 3CaO.Al
2
O
3
.3CaSO
4
.32H
2
O + 22H
2
O =
3(3CaO.Al
2
O
3
.CaSO
4
.18H
2
O)
Feroaluminat tetracanxi tác dụng với nước tạo ra hyñroaluminat và
hyñroferit canxi :
4CaO.Al

2
O
3
.Fe
2
O
3
+ mH
2
O = 3CaO.Al
2
O
3
.6H
2
O + CaO.Fe
2
O
3
.nH
2
O
Hyñroferit sẽ nằm lại trong thành phần của gen xi măng, còn
hyñroaluminat sẽ lại tác dụng với thạch cao như phản ứng trên.
7.4.2. Sự hình thành cấu trúc của hồ xi măng
Hồ xi măng tạo thành sau khi nhào trộn xi măng với nước là loại huyền
phù ñặc của nước, có tính chất của cấu trúc phân tán xét về mặt cường ñộ cấu
trúc, ñộ nhớt cấu trúc, ñộ dẻo cấu trúc và tính xúc biến.
Trước khi tạo hình hỗn hợp bêtông và bắt ñầu ninh kết, hồ xi măng có
cấu trúc ngưng tụ. Trong ñó những hạt rắn hút nhau bằng lực Vanñecvan và

liên kết với nhau bằng lớp vỏ hyñrat. Cấu trúc này sẽ bị phá huỷ khi có lực cơ
học tác dụng (nhào trộn, rung, v.v ). Do ứng suất trượt giảm ñi ñột ngột, cấu
trúc bị phá huỷ, nó trở thành chất lỏng nhớt, dễ tạo hình. Việc chuyển hồ sang
trạng thái chảy mang ñặc trưng xúc biến, có nghĩa là khi loại bỏ tác dụng của
lực cơ học thì liên kết cấu trúc trong hệ lại ñược phục hồi.

73
Tính chất cơ học - cấu trúc của hồ xi măng tăng theo mức ñộ thuỷ hoá
của hồ xi măng. Thí dụ ứng suất trượt của hồ ño ñược sau khi nhào trộn là
0,1daN/cm
2
, khi bắt ñầu ninh kết tăng lên 15 lần (1,5 daN/cm
2
) còn khi kết thúc
ninh kết tăng lên 50 lần (5 daN/cm
2
). Như vậy hồ xi măng có khả năng thay ñổi
nhanh tính dẻo trong khoảng thời gian ninh kết của xi măng.
Sự hình thành cấu trúc của hồ xi măng và cường ñộ xảy ra như sau :
những phân tố cấu trúc ñầu hình thành sau khi nhào trộn ximămg với nước là
etringit, hyñroxit canxi và các sợi gen CSH. Etringit dạng lăng trụ lục giác ñược
tạo thành sau 2 phút, còn mầm tinh thể Ca(OH)
2
xuất hiện sau vài giờ. Phần gen
của hyñrosilicat canxi ñầu tiên ở dạng hình kim, sau ñó tiếp tục phát triển, phân
nhánh trở thành dạng “bó”. Những lớp gen mỏng tạo thành xen giữa các tinh
thể Ca(OH)
2
làm ñặc chắc hơn hồ xi măng.
Hình 4-1 giới thiệu sự phát triển cấu trúc của hồ xi măng theo thời gian.

Cấu trúc ban ñầu là khung không gian kém bền, tạo ra từ các hạt phân tán của
sản phẩm thuỷ hoá liên kết với nhau bằng lực Vanñecvan và màng nưóc hấp
phụ của các hạt ñó. ðến cuối giai ñoạn ninh kết cấu trúc cơ bản của hồ xi măng
ñược hình thành làm cho nó biến ñổi thành ñá xi măng.

Hình 4.1. Quá trình thủy hoá xi măng và sự phát triển cấu trúc hồ xi măng
1. Ca(OH)2; 2. Etringit; 3. Hydrosilicat Canxi dài; 3b. Hydrosilicat Canxi sợi ngắn;
4. 3CaO.Al
2
O
3
.CaSO
4
.12H
2
O; 5. 4CaO.Al
2
O
3
.CaSO
4
.13H
2
O; 6. ðường cong thay ñổi thể
tích lỗ rỗng; I. Cấu trúc không bền; II. Hình thành cấu trúc cơ bản;
III. Ngưng tụ cấu trúc ñể thành cấu trúc bền.


7.4.3. Quá trình rắn chắc của xi măng
Khi xi măng rắn chắc, các quá trình vật lý và hoá lý phức tạp ñi kèm theo

các phản ứng hoá học có một ý nghĩa rất lớn và tạo ra sự biến ñổi tổng hợp,

74
khiến cho xi măng khi nhào trộn với nước, lúc ñầu chỉ là hồ dẻo và sau biến
thành ñá cứng có cường ñộ. Tất cả các quá trình tác dụng tương hỗ của từng
khoáng với nước ñể tạo ra những sản phẩm mới xảy ra ñồng thời, xen kẽ và ảnh
hưởng lẫn nhau. Các sản phẩm mới cũng có thể tác dụng tương hỗ lẫn nhau và
với các khoáng khác của clinke ñể hình thành những liên kết mới. Do ñó hồ xi
măng là một hệ rất phức tạp cả về cấu trúc thành phần cũng như sự biến ñổi. ðể
giải thích quá trình rắn chắc người ta thường dùng thuyết của Baikov -
Rebinñer. Theo thuyết này, quá trình rắn chắc của xi măng ñược chia thành 3
giai ñoạn:
Giai ñoạn hoà tan: Khi nhào trộn xi măng với nước các thành phần
khoáng của clinke sẽ tác dụng với nước ở ngay trên bề mặt hạt xi măng. Những
sản phẩm mới tạo ñược [Ca(OH)
2
; 3CaO.Al
2
O
3
.6H
2
O] sẽ bị hoà tan. Nhưng vì
ñộ hoà tan không lớn và lượng nước có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên
bão hoà.
Giai ñoạn hoá keo: Trong dung dịch quá bão hoà, các sản phẩm
Ca(OH)
2
; 3CaO.Al
2

O
3
.6H
2
O mới tạo thành sẽ không tan nữa mà tồn tại ở trạng
thái keo. Còn các sản phẩm etringit, CSH vốn không tan nên vẫn tồn tại ở thể
keo phân tán. Nước vẫn tiếp tục mất ñi (bay hơi, phản ứng với xi măng), các
sản phẩm mới tiếp tục tạo thành, tỷ lệ rắn / lỏng ngày một tăng, hỗn hợp mất
dần tính dẻo, các sản phẩm ở thể keo liên kết với nhau thành thể ngưng keo.
Giai ñoạn kết tinh: Nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mất ñi, các sản
phẩm mới ngày càng nhiều. Chúng kết tinh lại thành tinh thể rồi chuyển sang
thể liên tinh làm cho cả hệ thống hoá cứng và cường ñộ tăng.
7.4.4. Cấu trúc và ñộ rỗng của ñá xi măng
ðá xi măng là một hệ cấu trúc vi mô không ñồng nhất. Trong cấu trúc
của ñá xi măng gồm có nhiều thành phần khác nhau như :
Các sản phẩm thuỷ hoá của xi măng, dạng gen của hyñrosilicat và các
dạng khác có tính chất keo, những tinh thể tương ñối lớn Ca(OH)
2
, etringit, lỗ
rỗng và những hạt clinke chưa thuỷ hoá chiếm từ 20-30%. Các hạt xi măng
thường bị vón cục làm tăng kích thước của hạt xi măng và tăng lượng thuỷ hoá.
Lỗ rỗng gồm: lỗ rỗng gen (< 1000A), lỗ rỗng mao quản (từ 1000A ñến
10µK) nằm giữa các bó gen, bọt khí và lỗ rỗng (từ 50µK ñến 2 mm) chứa
không khí bị cuốn vào khi nhào trộn, ñầm chặt và do khuyết tật khi thi công.
Do có thành phần gen, nên mỗi khoáng sau khi nhào trộn với nước ñều
có hiện tượng giảm thể tích khi rắn chắc trong không khí hoặc tăng thể tích khi
rắn chắc trong nước. Khoáng co ngót nhiều nhất là C
3
A (23,79%).

75
ðá xi măng là một chất ″keo khoáng″ gắn kết các hạt cốt liệu, cần có
cường ñộ và ñộ gắn bám tốt. Tính chất này phụ thuộc vào chất lượng, số lượng
của các sản phẩm mới, thể tích và ñặc tính của lỗ rỗng. Chất lượng sản phẩm
mới ñược xác ñịnh bằng thành phần và mức ñộ phân tán của nó. Còn số lượng
sản phẩm mới tỷ lệ thuận với mức ñộ thuỷ hoá xi măng α (tỷ lệ phần xi măng
phản ứng với nước và tổng khối lượng xi măng). Nếu lượng nước liên kết là Wt
(ở thời gian t) và nước trong xi măng thủy hoá ở thời gian t = ∞ là Wn (dao
ñộng từ 0,25 ñến 0,3 theo khối lương xi măng) thì :
( )
t
n t
W
W
α
=∞
=

Mức ñộ thuỷ hoá các khoáng vật của xi măng ñược tính bằng % so với sự thuỷ
hoá hoàn toàn ñược giới thiệu ở bảng 4 -2.
Bảng 4.2.Mức ñộ thuỷ hoá của các khoáng vật
S
ự thuỷ hoá theo thời gian
Các
khoáng

3 ngày

7 ngày

28 ngày

3 tháng

6 tháng

C
3
S
C
2
S
C
3
A
C
4
AF
36
7
82
70
46
11
82
71
69
11
84
74

93
29
91
89
94
30
93
91

Lượng nước liên kết so với thành phần khoáng vật theo tỷ lệ sau:
C
3
S - 0,24; C
2
S - 0,21; C
3
A - 0,4; C
4
AF - 0,37. Lượng nước hydrat hoá của các
khoáng là C
3
S-0,130; C
2
S - 0,035; C
3
A - 0,043; C
4
AF - 0,034. Tổng cộng W
n
=

0,241. Theo H. Rusch ñể hydrat hoá hoàn toàn một lượng xi măng thì cần lượng
nước tương ñương với 25% lượng xi măng.
ðộ rỗng của ñá xi măng bao gồm ñộ rỗng gen r
g
, ñộ rỗng mao quản r
m
và
ñộ rỗng do cuốn khí khi thi công r
k
.
ðộ rỗng gen ñược tính như sau:
1
x
g
x
r
N
X
αρ
ρ
=
+ ×

(N/X - tỷ số nước - xi măng; γ
ax
- khối lượng riêng của xi măng ).
ðộ rỗng mao quản ñược tính theo lượng nước dư bay hơi ñi. Lượng bọt
khí thường nhỏ hơn 5% thể tích của hỗn hợp (xác ñịnh bằng dụng cụ ñặc biệt
hoặc dựa vào thể tích ñặc của hồ xi măng và thể tích tự nhiên của nó ).
ðể ñá xi măng có ñộ ñặc cao, cần hạn chế các ñộ rỗng trên bằng công

nghệ trộn phụ gia và sử dụng lượng nước nhào trộn ít.
7.4.5. Sự ăn mòn của ñá xi măng

76
ðá xi măng bị ăn mòn chủ yếu là do sự tác dụng của các chất khí và chất
lỏng lên các bộ phận cấu thành xi măng ñã rắn chắc (chủ yếu là Ca(OH)
2
và
3CaO.Al
2
O
3
.6H
2
O).Trong thực tế có tới hàng chục chất gây ra ăn mòn ñá xi
măng. Mặc dù các chất gây ăn mòn rất ña dạng, nhưng có thể phân ra 3 nguyên
nhân cơ bản sau ñây: 1) Sự phân rã các thành phần của ñá xi măng, sự hoà tan
và rửa trôi hyñroxit canxi; 2) Tạo thành các muối dễ tan do hyñroxit canxi và
những thành phần khác của ñá xi măng tác dụng với các chất xâm thực và sự
rửa trôi các muối ñó (ăn mòn axit, ăn mòn manhêzit); 3) Sự hình thành những
liên kết mới trong các lỗ rỗng có thể tích của các chất tham gia phản ứng, tạo ra
ứng suất gây nứt bêtông (ăn mòn sunphoaluminat).
Ăn mòn hoà tan do sự tan của Ca(OH)
2
xảy ra mạnh dưới sự tác dụng
của nước mềm (chứa ít các chất tan) như nước ngưng tụ , nước mưa, nước sông,
nước ñầm lầy. Sau 3 tháng rắn chắc hàm lượng Ca(OH)
2
vào khoảng 10 - 15%
(tính theo CaO). Nếu sau khi hoà tan và rửa trôi mà nồng ñộ Ca(OH)

2
giảm
xuống thấp hơn 0,11% thì CSH và C
3
AH
6
cũng bị phân huỷ. Khi Ca(OH)
2
bị
hoà tan 15 - 30% thì cường ñộ của ñá xi măng giảm ñến 40 - 50%.

Hiện tượng carbonate hoá:
Cơ chế carbonate hoá:
Bình thường, với ñá xi măng có ñộ rắn chắc tốt, không bị carbonate hoá,
ñộ pH của dung dịch chiết ñá xi măng có giá trị vào khoảng 12.0 -13.0. Khi khí
CO
2
có trong không khí thâm nhập vào ñá xi măng qua các vết nứt hoặc chiều
dày lớp bê tông bảo vệ có ñộ chặt kém, nó sẽ kết hợp với Ca(OH)
2
có trong
thành phần bê tông, tạo ra vùng có nồng ñộ pH thấp. Theo thời gian, vùng có
nồng ñộ pH thấp càng phát triển trong bê tông. Cơ chế trên ñược mô tả bởi các
phản ứng như sau :
CO
2
+ H
2
O → H
2

CO
3
<=> H
+
+ HCO
3

CO
2
+ Ca(OH)
2
→ CaCO
3
+

H
2
O
Mức ñộ xâm nhập carbonate:
Phụ thuộc vào chất lượng bê tông (loại xi măng, hàm lượng xi măng, chất
lượng xi măng, ñộ ñặc chắc của bê tông ). Theo Fick, mức ñộ thâm nhập coi
như tuân theo luật căn bậc hai:
x = K
c
t
Trong ñó :
x: chiều sâu thấm nhập carbonate hoá (mm)

77
K

c
: hệ số carbonate hoá (mm/(năm)
0,5
).
t : Thời gian (năm)
Hệ số carbonate hoá có thể dùng ñánh giá chất lượng bêtông :
Nếu K
c
< 3mm/(năm)
0,5
thì chất lượng bêtông ñược coi là tốt
Nếu K
c
> 6mm/(năm)
0,5
thì chất lượng bêtông ñược coi là kém
Ăn mòn axit xảy ra trong dung dịch axit (pH< 7). Axit tự do thường có
trong nước thải công nghiệp và cũng có thể tạo thành từ khí có chứa lưu huỳnh
trong các buồng ñốt. Trong không gian của các xí nghiệp công nghiệp, ngoài
SO
2
còn có thể có các anhyñrit của các axit khác, còn có clo và các hợp chất
chứa clo. Khi chúng ta hoà tan vào nước bám trên bề mặt các kết cấu bêtông cốt
thép sẽ tạo nên các axit, ví dụ như HCl, H
2
SO
4
. Axit tác dụng với Ca(OH)
2

trong ñá xi măng sẽ tạo ra những muối tan (CaCl
2
), muối tăng thể tích
(CaSO
4
.2H
2
O)
HCl + Ca(OH)
2
= CaCl
2
+ 2H
2
O
H
2
SO
4
+ Ca(OH)
2
= CaSO
4
.2H
2
O
Ngoài ra , axit có thể phá huỷ cả silicat canxi.
Ăn mòn manhê gây ra do các loại muối chứa manhê trong nước biển,
nước ngầm, nước chứa muối khoáng tác dụng với Ca(OH)
2

tạo ra các sản phẩm
dễ tan(CaCl
2
, CaSO
4
.2H
2
O) hoặc không có khả năng dính kết (Mg(OH)
2
):
MgCl
2
+ Ca(OH)
2
= CaCl
2
+ Mg(OH)
2

MgSO
4
+ Ca(OH)
2
= CaSO
4
.2H
2
O + Mg(OH)
2

Ăn mòn phân khoáng do nitrat amôn :
2NH
4
NO
3
+ Ca(OH)
2
+ 2H
2
O = Ca(NO
3
)
2
.4H
2
O + 2NH
3

Nitrat canxi tan rất tốt trong nước nên dễ bị rửa trôi. Phân kali gây ra ăn
mòn ñá xi măng là do làm tăng ñộ hoà tan của Ca(OH)
2
. Supephotphat là chất
xâm thực mạnh do trong thành phần của nó có chứa Ca(H
2
PO
4
)
2
, thạch cao và
cả axit photphoric.

Ăn mòn sunphat xảy ra khi hàm lượng sunphat lớn hơn 250 mg/l (tính
theo SO
4
2 -
):
3CaO.Al
2
O
3
.6H
2
O + 3CaSO
4
+ 25H
2
O =
CaO.Al
2
O
3
.3CaSO
4
.31H
2
O
Sự hình thành trong các lỗ rỗng ñá xi măng sản phẩm ít tan entrigit với
thể tích lớn hơn 2 lần sẽ gây áp lực tách lớp bêtông bảo vệ làm cốt thép bị ăn
mòn. Ăn mòn sunphat luôn xảy ra ñối với những công trình ven biển , công
trình tiếp xúc với nước thải công nghiệp và nước ngầm.

78
Nếu trong nước có chứa Na
2
SO
4
thì ñầu tiên nó tác dụng với vôi sau ñó
mới tác dụng với entringit :
Na
2
SO
4
+ Ca(OH)
2
⇔ CaSO
4
+ 2NaOH
Ăn mòn của các chất hữu cơ. Các loại a xit hữu cơ cũng gây phá huỷ
các công trình bêtông xi măng. Các axit béo (olein, stealin, panmitin) khi tác
dụng với vôi gây ra rửa trôi. Dầu mỏ và các sản phẩm của nó (xăng, dầu hoả,
dầu mazut) sẽ không có hại cho bêtông ximăng nếu chúng không chứa các loại
axit hữu cơ và các chất chứa lưu huỳnh.
Ăn mòn do kiềm- phản ứng kiềm cốt liệu: Các chất kiềm (Na, K) trong
ñá xi măng gây ra phản ứng kiềm cốt liệu ngay trong lòng khối bêtông giữa các
cấu tử với nhau. Bản thân clinke luôn chứa một lượng các chất kiềm. Trong khi
ñó trong cốt liệu bêtông , ñặc biệt là trong cát, lại hay gặp hợp chất silc vô ñịnh
hình (opan, chanxeñôn, thuỷ tinh núi lửa). Chúng có thể tác dụng với kiềm của
ñá xi măng ở ngay nhiệt ñộ thường làm cho bề mặt hạt cốt liệu nở ra tạo ra một
hệ thống các vết nứt, bạc màu. Sự phá hoại này có thể xảy ra sau khi kết thúc
xây dựng 10 - 15 năm.
ðể bảo vệ ñá xi măng khỏi bị ăn mòn có hiệu quả phải tuỳ trường hợp cụ

thể mà áp dụng những biện pháp thích hợp sau ñây : 1) Giảm các thành phần
khoáng gây ăn mòn(CaO tự do, C
3
A, C
3
S) bằng cách lựa chọn thành phần
nguyên liệu và áp dụng các biện pháp gia công nhiệt phù hợp. 2) Giảm thành
phần gây ăn mòn lớn nhất [Ca(OH)
2
] bằng cách tiến hành cacbonat hoá (cho tác
dụng với CO
2
ñể tạo thành CaCO
3
) hay silicat hoá (cho tác dụng với SiO
2
vô
ñịnh hình) trên bề mặt sản phẩm; 3) Sử dụng các biện pháp cấu trúc ñể tăng
cường ñộ ñặc chắc cho vật liệu (bằng công nghệ gia công kết hợp với lựa chọn
thành phần vật liệu phù hợp); 4) Làm cho bề mặt vật liệu nhẵn bóng, ñặc sít; 5)
Ngăn cách vật liệu với môi trường bằng cách ốp các loại vật liệu chống ăn mòn
tốt hoặc thay ñổi môi trường gây ăn mòn.
7.5. Tính chất của xi măng pooclăng
7.5.1. ðộ nhỏ . Xi măng có ñộ nhỏ (mịn) cao sẽ ñễ tác dụng với nước,
rắn chắc nhanh. ðộ nhỏ có thể xác ñịnh bằng cách sàng trên sàng No008 (4900
lỗ/cm
2
) và ño tỷ diện tích bề mặt của xi măng (cm
2
/g). ðối với loại xi măng

bình thường yêu cầu lượng sót trên sàng không quá 15% (có nghĩa là hơn 85%
hạt có kích thước nhỏ hơn 80µK), tương ñương với tỷ diện tích là 2500 - 3000
cm
2
/g. ðường kính hạt xi măng biến ñổi từ 10 - 80 µk.

7.5.2. Khối lượng riêng
và khối lượng thể tích của xi măng pooclăng
(không có phụ gia khoáng) là 3,05 - 3,15 g/cm
3
. Còn khối lượng thể tích tuỳ

79
theo ñộ lèn chặt: ðối với xi măng xốp là 1.1; ñối với xi măng lèn chặt mạnh –
1.6; còn ñối với xi măng lèn chặt trung bình – 1.3 g/cm
3
.
7.5.3. Lượng nước tiêu chuẩn của xi măng là lượng nước (% so với khối
lượng xi măng), ñảm bảo chế ñộ tạo hồ xi măng ñạt ñộ dẻo tiêu chuẩn. ðộ dẻo
tiêu chuẩn ñược xác ñịnh bằng dụng cụ Vica. Hồ xi măng ñảm bảo ñộ cắm sâu
của kim vica (ñường kính kim 10mm) từ 33 - 35mm thì hồ ñó là hồ có ñộ dẻo
tiêu chuẩn và lượng nước lúc ñó là lượng nước tiêu chuẩn.
Lượng nước tiêu chuẩn của xi măng phụ thuộc vào thành phần khoáng
vật và ñộ mịn của nó và dao ñộng trong khoảng 22 - 28%. Nếu xi măng có phụ
gia vô cơ hoạt tính thì lượng nước tiêu chuẩn có thể lên tới 32 - 37%.

Hình 4.1A. Dụng cụ Vica
7.5.4. Thời gian ñông kết: của xi măng ñược xác ñịnh từ hồ dẻo tiêu
chuẩn bằng dụng cụ vica (ñường kính 1,1mm). Thời gian bắt ñầu ñông kết là
khoảng thời gian từ khi bắt ñầu nhào trộn với nước ñến khi kim vica cắm sâu

38 - 39mm. Thời gian ñông kết xong hay bắt ñầu rắn chắc là khoảng thời gian
từ khi bắt ñầu nhào trộn xi măng với nước ñến khi kim vica cắm sâu 1 - 2 mm.
Khi xi măng bắt ñầu ñông kết nó mất tính dẻo, do ñó khoảng thời gian
này phải ñủ ñể thi công (nhào trộn, vận chuyển, ñổ khuôn, ñầm chặt). Yêu cầu
thời gian này không nhỏ hơn 45 phút. Còn thời gian ñông kết xong là lúc xi
măng ñạt ñược cường ñộ nhất ñịnh. Thời gian này phải ñủ ngắn ñể có thể thi
công nhanh (yêu cầu không vượt quá 10 giờ).
ðể tạo ra thời gian ñông kết bình thường khi nghiền clinke thường người
ta cho thêm 3 - 5% thạch cao sống CaSO
4
.2H
2
O.
Các chất photphat, nitrat canxi, natri và nhôm, ñường cũng là những chất
làm chậm ñông kết. ðường tác dụng với Ca(OH)
2
tạo ra chất xaccarat canxi dễ
tan. Sự hiện diện của chất này sẽ làm tăng cường ñộ của ion canxi, ức chế quá

80
trình phân huỷ của C
3
S, quá trình ñông kết bị chậm lại. Hàm lượng ñường lớn
làm cho bêtông ñôi khi không rắn chắc ñược.
Các cacbonat và clorua kim loại kiềm là những chất làm tăng nhanh ñông
kết. Khi chúng tác dụng với Ca(OH)
2
(tách ra từ C
3
S) tạo ra các liên kết khó tan

:
Ca(OH)
2
+ Na
2
CO
3
= CaCO
3
+ 2NaOH
Cacbonat canxi là chất ít tan, Ca(OH)
2
bị tách ra làm cho quá trình thuỷ
phân C
3
S ñược tăng cường. Clorua canxi cũng có tác dụng làm tăng nhanh quá
trình ñông kết và rắn chắc của xi măng. Một trong những phương pháp khác
làm tăng nhanh quá trình ñông kết và rắn chắc là sử dụng mầm tinh thể.
7.5.5.Tính ổn ñịnh thể tích. Khi xi măng rắn chắc thể tích của nó thường
thay ñổi. ðiều ñó chủ yếu là do sự trao ñổi nước giữa hồ xi măng và môi trường
(nước tự do và nước trong các gen). Thông thường nếu rắn chắc trong không
khí thì xi măng bị co, còn nếu rắn chắc trong nước thì có thể không co hoặc nở
chút ít.
Sự thay ñổi thể tích thường gây ra những hiện tượng có hại như sinh ra
ứng suất làm nứt nẻ kết câú.
Nguyên nhân chính của hiện tượng này là xi măng chứa những tạp chất
có hại, gây ra sự thay ñổi thể tích lớn như CaO, MgO. ðể kiểm tra tính ổn ñịnh
thể tích người ta thường dùng các ″bánh ña″ chế tạo từ hồ dẻo tiêu chuẩn.
7.5.6. Lượng nhiệt phát ra khi rắn chắc chủ yếu phụ thuộc vào thành
phần khoáng vật (bảng 4 - 3), ñộ nhỏ của xi măng và hàm lượng thạch cao.

Bảng 4 - 3
Lượng nhiệt phát ra Cal/g sau thời gian
Khoáng vật
3 ngày 7 ngày 28 ngày 3 tháng 6 tháng
3CaO.SiO
2

2CaO.SiO
2

3CaO.Al
2
O
3

4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3

97
13
141
42
110
25

158
60
116
40
209
90
124
47
221
99
135
55
244
-

Lượng nhiệt phát ra có lợi cho việc thi công bêtông vào mùa lạnh hoặc
muốn cho bêtông rắn nhanh; nhưng không có lợi khi thi công vào mùa nóng và
ñặc biệt với công trình khối lớn (nhiệt ñộ trong lòng khối bêtông có thể lớn tới
trên 40
o
C). Vì vậy ñối với những công trình này, một mặt người ta phải chú ý
ñến kỹ thuật thi công, mặt khác nếu cần thiết phải dùng loại xi măng có ít thành
phần khoáng gây toả nhiệt lớn.

81
7.5.7. Cường ñộ và mác của xi măng. Theo TCVN 2682-99, mác của xi
măng ñược xác ñịnh theo cường ñộ chịu uốn và chịu nén của mẫu vữa xi măng
kích thước 4 x 4 x 16cm chế tạo từ hỗn hợp xi măng trên cát tiêu chuẩn là 1 : 3
và tỷ lệ nước xi măng là 0,5 dưỡng hộ 28 ngày trong ñiều kiện tiêu chuẩn
(TCVN 6017-95). Giá trị giới hạn bền uốn ñược xác ñịnh bằng thí nghiệm uốn

ở 1/2 chiều dài mẫu thử và ñược tính theo công thức sau
(xem hình 4.1B ):
2
3 .
2 .
u
P L
R
b h
=

trong ñó : P- lực uốn,
N,
L- khoảng cách 2 gối kê; b,h là kích thước mặt cắt chịu uốn, mm
b, h- là kích thước của mẫu thử

Hình 4.1B. Sơ ñồ thí nghiệm uốn mẫu xi măng
Giới hạn bền nén ñược xác ñịnh bằng cách nén phá hoại trên các ñoạn
dầm bị gãy với diện tích chịu nén là
40 x 40 mm (Giá trị trung bình cộng của 4
giá trị lớn nhất trong 6 mẫu thử). Quy ñịnh về mác xi măng Poocland theo tiêu
chuẩn Việt Nam ñược ghi ở bảng 4.4.
Giới hạn cường ñộ khi nén sau 28 ngày thì gọi là ñộ hoạt tính của xi
măng. Cường ñộ chịu nén của xi măng biến ñổi từ 30-60MPa. Cường ñộ chịu
kéo khi uốn từ 4.5-6.5MPa ( 1/7-1/9 cường ñộ chịu nén).

Bảng 4.4. Chỉ tiêu kỹ thuật xi măng
Quy ñịnh ñối với xi măng
mác TT Các chỉ tiêu theo TCVN 2682 - 99
PC - 30 PC - 40 PC - 50

1
Giới hạn bền nén N/ mm
2
không nhỏ hơn
- Sau 3 ngày ±45 phút
- Sau 28 ngày±8 giờ

16
30

21
40

30
50
2
Thời gian ñông kết (phút):
- Bắt ñầu không sớm hơn

45

45

45

82
- Kết thúc không chậm hơn 375 375 375
3
ðộ mịn :
- Lượng sót trên sàng 0.08mm, %, không lớn hơn

- Tỷ diện tích bề mặt, cm
2
/g, không nhỏ hơn

15
2500

15
2500

15
2500
4
ðộ ổn ñịnh thể tích (theo phương pháp Le
Chatelier). không lớn hơn, mm
10 10 10
5
Hàm lượng anhñrit sunfuric
(SO
3
), không lớn hơn.%
3.5 3.5 3.5
6 Hàm lượng magiê oxit, %, không lớn hơn 5 5 5
7 Hàm lượng mất khi nung, %, không lớn hơn 5 5 5
8 Hàm lượng cặn không tan, %, không lớn hơn 1.5 1.5 1.5


PC là ký hiệu quy ước cho xi măng poocland. Các trị số 30, 40, 50 là
cường ñộ chịu nén của mẫu tiêu chuẩn tuổi 28 ngày tính bằng N/mm
2

(MPa)
Hiện nay ở Việt Nam thường sử dụng xi măng poocland hỗn hợp, ñược
quy ñịnh mác: PCB30, PCB40, PCB50. Hàm lượng phụ gia khoáng trong xi
măng hỗn hợp ñược xác ñịnh theo TCXDVN 308-2003.
Cường ñộ của xi măng phát triển không ñều: trong 3 ngày ñầu có thể ñạt
0,4 - 0,5 mác xi măng, 7 ngày - 0,6 - 0,7. Trong những ngày sau tốc ñộ tăng
cường ñộ còn chậm hơn nữa, ñến 28 ngày ñạt ñược mác. Tốc ñộ phát triển
cường ñộ trung bình của xi măng tuân theo quy luật logarit. Sự phát triển cường
ñộ của xi măng theo thời gian theo quy ñịnh quốc tế trình bày ở bảng 4.5.

Bảng 4.5. Chỉ tiêu kỹ thuật xi măng nước ngoài
Cường ñộ nén của mẫu lập phương
(X : C = 1 : 3) ở tuổi,
Psi
Loại xi măng Tiêu chuẩn
1 ngày 3 ngày 7 ngày 28 ngày
Xi măng pooclăng
thường

Xi măng pooclăng
cuốn khí
Xi măng pooclăng
xỉ lò cao
Xi măng pooclăng
rắn nhanh
ASA2 (Úc)
BS - 12 (Anh)
ASTMC150 (Mỹ)

AS.C175 (Mỹ)

BS - 146 (Anh)

AS.C150 (Mỹ)
-
-
-

-

-

1700
2750
2200
1200

900

1600

3000
4000
3400
2100

1500

3000

-
5500
-
3500

2800

5000

-
Ghi chú : Các tiêu chuẩn của Mỹ quy ñịnh X : C = 1 : 2,75
ðơn vị cường ñộ lb / sq.in ≈ 0,975 daN/cm
2



83
Cường ñộ của ñá xi măng và tốc ñộ rắn chắc của nó phụ thuộc vào thành
phần khoáng của clinke, ñộ mịn của xi măng, ñộ ẩm và nhiệt ñộ của môi
trường, thời gian bảo quản xi măng (hình 4 - 2).

Hình 4-2: Sự tăng cường ñộ của các khoáng của Klinke xi măng
1- C
3
S ; 2 - C
4
AF: 3 - C
2
S ; 4 - C
3

A
Tốc ñộ phát triển cường ñộ của các khoáng rất khác nhau. C
3
S có tốc ñộ
tăng cường ñộ nhanh nhất : sau 7 ngày ñạt ñến 70% cường ñộ của 28 ngày, sau
ñó thì chậm lại. Trong thời kỳ ñầu (ñến tuổi 28 ngày) C
2
S có tốc ñộ phát triển
cường ñộ chậm, chỉ ñạt khoảng 15% cường ñộ của C
3
S. Thời gian sau tốc ñộ
này tăng lên và có thể ñuổi kịp và vượt cả cường ñộ của C
3
S. C
3
A bản thân nó
có cường ñộ thấp nhưng lại phát triển rất nhanh ở thời kỳ ñầu.
ðộ nhỏ của xi măng tăng thì cường ñộ của nó cũng tăng. ðộ lớn trung
bình của hạt xi măng là 40µK. Như vậy có khoảng 30 - 40% clinke không tham
gia vào quá trình rắn chắc và hình thành cấu trúc của ñá. Tăng ñộ mịn của xi
măng có nghĩa là tăng mức ñộ thuỷ hoá xi măng và nâng cao cường ñộ của nó.
Theo kết quả thu ñược thì cứ tăng ñộ mịn của xi măng lên 1000 cm
2
/g thì cường
ñộ của nó tăng 20 - 25%.
ðộ ẩm và nhiệt ñộ môi trường ảnh hưởng rõ rệt ñến quá trình rắn chắc
của ñá xi măng.
ðể tạo ra môi trường ẩm, có thể dùng những phương pháp khác nhau:
tưới bêtông, phủ bề mặt bêtông bằng bao tải hay cát ẩm rồi ñịnh kỳ tưới nước,
phủ bằng nhũ tương bitum hoặc bằng vật liệu hoá học khác ñể tạo ra lớp màng

chống bốc hơi.