luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia hỗn hợp tro bay cmc đến tính chất của xi măng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN





PHẠM THỊ CHỌN




NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
CỦA PHỤ GIA HỖN HỢP TRO BAY - CMC
ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG





LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC




Hà Nội - 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PHẠM THỊ CHỌN




NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
CỦA PHỤ GIA HỖN HỢP TRO BAY – CMC
ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG


Chuyên ngành : Hóa học vô cơ
Mã số : 60440113



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGHIÊM XUÂN THUNG



Hà Nội - 2014

i
LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nghiêm
Xuân Thung đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn em hoàn thành bản luận văn
này. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Hóa Vô Cơ
- khoa Hóa Học - Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên - Đại học Quốc Gia Hà
Nội cùng toàn thể các anh chị, các bạn trong phòng Vật liệu vô cơ đã động viên,
khích lệ và tạo điều kiện cho em hoàn thành bản luận văn này. Em xin chân
thành cảm ơn!

ii
MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN
i
MỤC LỤC
ii
MỞ ĐẦU
1
Chương 1 : TỔNG QUAN
2
1.1. Giới thiệu chung về xi măng pooclăng
2
1.1.1.Khái niệm về xi măng pooclăng
2
1.1.2.Thành phần của clinker pooclăng
2
1.1.2.1. Khái niệm về clinker xi măng )
2
1.1.2.2.Thành phần hóa học
2
1.2.3.Thành phần pha.
2
1.2. Phản ứng thủy hóa của xi măng)
3
1.2.1. Sự hydrat hóa của C
3

S (alit)
3
1.2.2. Sự hydrat hóa của C
2
S (Belit)
4
1.2.3. Sự hydrat hóa của C
3
A (canxi aluminat).
4
1.2.4. Sự hydrat hóa của C
4
AF
4
1.3. Quá trình hình thành và tính chất cơ lý của đá xi măng
4
1.3.1. Định nghĩa
4
1.3.2. Các tính chất cơ lý của xi măng
6
1.3.2.1. Độ mịn của xi măng
6
1.3.2.2.Lượng nước tiêu chuẩn
6
1.3.2.3. Thời gian ninh kết của xi măng
6
1.3.2.4. Độ ổn định thể tích của đá xi măng
7
1.3.2.5. Cường độ của xi măng (hay mác xi măng)
7

1.3.2.6. Độ rỗng đá xi măng
9
1.4. Vai trò của phụ gia xi măng
10
1.4.1. Định nghĩa về phụ gia xi măng
10



iii

1.4.2. Tính chất của phụ gia xi măng
10
1.4.3. Một số loại phụ thường được sử dụng
11
1.4.3.1. Phụ gia hoạt tính puzơlan
11
1.4.3.2. Phụ gia siêu mịn
12
1.4.3.3. Phụ gia hóa dẻo
13
1.4.3.4. Phụ gia đóng rắn nhanh
13
1.4.3.5. Phụ gia chống ăn mòn cốt thép trong bêtông
14
1.4.3.6. Phụ gia tro bay
14
1.4.3.7. Phụ gia CMC
15
Chương 2 : THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

17
2.1. Hóa chất và dụng cụ
17
2.1.1. Hóa chất
17
2.1.2. Dụng cụ
17
2.2. Xác định thành phần hoá học và độ hoạt tính của tro bay
17
2.2.1. Xác định thành phần pha của tro bay
17
2.2.2. Xác định hoạt tính của phụ gia tro bay
17
2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến tính chất của vữa xi măng Hoàng
Thạch.
17
2.3.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu
17
2.3.2. Xác định độ dẻo của hồ xi măng
18
2.3.2.1. Nguyên tắc
18
2.3.2.2. Phương pháp tiến hành
18
2.3.3. Xác định lượng nước tiêu chuẩn
19
2.3.4. Xác định thời gian đông kết
20
2.3.4.1. Nguyên tắc
20

2.3.4.2. Tiến hành thí nghiệm
20
2.3.5. Xác định cường độ kháng nén
21



iv
2.3.5.1. Quá trình tạo mẫu
21
2.3.5.2. Tiến hành thí nghiệm
22
2.3.6. Xác định độ hút nước bão hòa
24
2.3.6.1. Chuẩn bị mẫu
24
2.3.6.2. Tiến hành thí nghiệm
24
2.3.7. Phương pháp XRD
25
2.3.8. Phương pháp kính hiện vi điện tử quét (SEM)
27
Chương 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
29
3.1. Xác định thành phần hoá học của tro bay
29
3.2. Độ hoạt tính của tro bay
29
3.3. Kết quả thí nghiệm xác định lượng nước tiêu chuẩn
30

3.4. Kết quả xác định thời gian đông kết
34
3.5. Kết quả thí nghiệm xác định cường độ kháng nén
35
3.6. Xác định độ hút nước bão hòa
39
3.7. Kết quả phân tích mẫu bằng phương pháp XRD
43
3.8. Kết quả phân tích mẫu bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét
(SEM)
45
KẾT LUẬN CHUNG
47
TÀI LIỆU THAM KHẢO
48
PHỤ LỤC
50




v
DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Thành phần hóa học của clinker:
2
Bảng 2.1: Phân loại hoạt tính của phụ gia theo độ hút vôi
16
Bảng 2.2: Mẫu thí nghiệm
17

Bảng 2.3: Mẫu xác định cường độ kháng nén
22
Bảng 3.1: Thành phần hoá học của tro bay:
29
Bảng 3.2: Độ hút vôi của phụ gia tro bay
29
Bảng 3.3: Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu chứa phụ gia tro bay
30
Bảng 3.5: Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu phụ gia hỗn hợp
32
Bảng 3.4: Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu chứa phụ gia CMC
31
Bảng 3.6: Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết
34
Bảng 3.7: Cường độ kháng nén của mẫu chứa phụ gia tro bay
36
Bảng 3.8: Cường độ kháng nén của mẫu chứa phụ gia CMC
36
Bảng 3.9: Cường độ kháng nén của mẫu chứa phụ gia hỗn hợp tro bay +CMC
37
Bảng 3.10: Độ hút nước của mẫu chứa phụ gia tro bay
39
Bảng 3.11: Độ hút nước của mẫu chứa phụ gia CMC
41
Bảng 3.12: Độ hút nước của mẫu chứa phụ gia hỗn hợp tro bay + CMC.
42
Bảng 3.13: Kết quả phân tích XRD của mẫu nghiên cứu
43

vi
DANH MỤC ĐỒ THỊ

Đồ thị 3.1: Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu chứa phụ gia tro bay.
31
Đồ thị 3.2: Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu phụ gia CMC.
32
Đồ thị 3.3 : Lượng nước tiêu chuẩn của mẫu chứa phụ gia hỗn hợp.
33
Đồ thị 3.4: Cường độ kháng nén của mẫu phụ gia chứa tro bay.
36
Đồ thị 3.5: Cường độ kháng nén của mẫu chứa phụ gia CMC.
37
Đồ thị 3.6: Cường độ kháng nén của mẫu chứa phụ gia hỗn hợp tro bay + CMC.
. 38
Đồ thị 3.7: Độ hút nước bão hòa của mẫu phụ gia chứa tro bay.
40
Đồ thị 3.8: độ hút nước bão hòa của mẫu chứa phụ gia CMC.
41
Đồ thị 3.9: Độ hút nước bão hòa của mẫu chứa phụ gia hỗn hợp tro bay +CMC.
42




vii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 3.1: Ảnh chụp vi cấu trúc bề mặt đá xi măng của mẫu M-0 ở 28 ngày.
45
Hình 3.2: Ảnh chụp vi cấu trúc bề mặt mẫu được phóng to của mẫu
45
M-0 ở 28 ngày.
45
Hình 3.3: Ảnh chụp vi cấu trúc bề mặt đá xi măng của mẫu M- 9 ở 28 ngày.
46
Hình 3.4: Ảnh chụp vi cấu trúc bề mặt mẫu được phóng to của mẫu
46
M-9 ở 28 ngày.
46
Hình 3.5: Giản đồ XRD mẫu M0 – 7 ngày.
50
Hình 3.6: Giản đồ XRD mẫu M0 – 56 ngày.
51
Hình 3.7: Giản đồ XRD mẫu M1 – 7 ngày.
52
Hình 3.8: Giản đồ XRD mẫu M1 – 28 ngày.
53
Hình 3.9: Giản đồ XRD mẫu M1 – 56 ngày.
54
Hình 3.10: Giản đồ XRD mẫu M5 – 7 ngày.
55
Hình 3.11: Giản đồ XRD mẫu M5 – 28 ngày.
56
Hình 3.12: Giản đồ XRD mẫu M5 – 56 ngày.
57
Hình 3.13: Giản đồ XRD mẫu M9 – 7 ngày.

58
Hình 3.14: Giản đồ XRD mẫu M9 – 28 ngày.
59
Hình 3.15: Giản đồ XRD mẫu M9 – 56 ngày.
60





1
MỞ ĐẦU

Khi đất nước ta đang trên đà hội nhập, xây dựng là một ngành đang được
quan tâm và phát triển mạnh mẽ. Bên cạnh đó, vật liệu xây dựng cũng đang được
dần nâng cao và phát triển. Trong đó, xi măng là vật liệu cơ bản và quan trọng
nhất. Cùng với việc phát triển nghành công nghiệp xi măng, vấn đề nâng cao
chất lượng bê tông và giảm giá thành sản phẩm cũng đang được chú trọng.
Để nâng cao chất lượng của xi măng và bê tông đã có rất nhiều công trình
nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới cũng như trong nước tìm ra các
giải pháp kỹ thuật, cũng như tìm ra các loại phụ gia để nâng cao chất lượng cho
các công trình xây dựng. Một trong những giải pháp thành công nhất là sử dụng
tổ hợp hai phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia siêu dẻo. Loại phụ gia tổ hợp này
có khả năng kéo dài thời gian ninh kết, chống độ sụt lún cho bê tông .v.v. Ngoài
ra, phụ gia này có sẵn trong tự nhiên nên nó góp phần làm giảm giá thành của
sản phẩm.
Mặt khác, hiện nay các nhà máy, nhiệt điện đốt than ở nước ta thải ra môi
trường một lượng lớn tro bay và xỉ lẫn nhiều tạp chất, điều này gây ảnh hưởng
tới môi trường.
Với những ưu việt trên em chọn đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia

hỗn hợp tro bay - CMC đến tính chất của xi măng.












2
Chương 1 : TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu chung về xi măng pooclăng (6, 7, 8, 10, 12, 13, 14, 15)
1.1.1.Khái niệm về xi măng pooclăng (6, 8, 14, 15)
Xi măng pooclăng là một nhóm kết dính thuỷ lực có khả năng đóng rắn và
ngưng kết khi phản ứng với nước. Đó là sản phẩm nhân tạo được nghiền mịn từ
clinker xi măng pooclăng, thạch cao, phụ gia.
1.1.2.Thành phần của clinker pooclăng (6, 7, 8, 10, 12, 13)
1.1.2.1. Khái niệm về clinker xi măng (6, 7, 8, 10)
Clinker xi măng pooclăng là sản phẩm ban đầu trong quá trình sản xuất xi
măng pooclăng. Clinker thường ở dạng hạt có đường kính 10-40mm, cấu trúc
phức tạp (có nhiều khoáng ở dạng tinh thể và một số khoáng ở dạng vô định
hình). Chất lượng của Clinker phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, hóa học và
công nghệ sản xuất. Tính chất của xi măng do chất lượng của Clinker quyết định.
1.1.2.2.Thành phần hóa học (6, 7, 8, 10, 12, 13)
Clinker pooclăng là sản phẩm ban đầu trong quá trình sản xuất xi măng

pooclăng. Thành phần hóa học của clinker được trình bày ở bảng dưới đây:
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của clinker:
Thành phần hóa học CaO Al
2
O
3
SiO
2
Fe
2
O
3

Tỷ lệ % khối lượng 63- 67 4- 8 21- 22 2- 4

Ngoài ra còn có những tạp chất không mong muốn như MgO khoảng 1-
4%, oxit kiềm 0.5- 3%
1.2.3.Thành phần pha(6, 8, 10, 12).
Thành phần pha của clinker được trình bày ở bảng sau:
Bảng 1.2: Thành phần pha của clinker
Thành
phần pha
C
3
S
(3CaO.SiO
2)

C
2

S
(2CaO.SiO
2)

C
3
A
(3CaO.Al
2
O
3
)

C
4
AF
(4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3)
Tỷ lệ % 37- 68 10- 37 5- 15 10 – 18




3

Đặc tính của từng pha:
*Alit (C
3
S): bao gồm 3CaO.SiO
2
chiếm từ 45-60% trong clinker. Khoáng
này phản ứng nhanh với nước, tỏa nhiều nhiệt, cho sản phẩm đông rắn cao nhất
sau 28 ngày. Đây là một pha quan trọng nhất của clinker.
*Belit( C
2
S): bao gồm 2CaO.SiO
2
chiếm 20-30% trong clinker. Khoáng
này phản ứng với nước tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm có độ đông rắn chậm nhưng
28 ngày cũng đạt được yêu cầu bằng alit.
*Celit (C
4
AF): là khoáng chiếm 5-15% trong clinker, là khoáng cho phản
ứng tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm ứng với độ đông rắn thấp.
*Canxi aluminat (C
3
A): bao gồm 3CaO.Al
2
O
3
chiếm 4-13%. Khoáng này
phản ứng nhanh với nước tỏa nhiều nhiệt. Cho sản phẩm phản ứng ban đầu đông
rắn nhanh nhưng sau đó lại chậm và kém alit.
1.2. Phản ứng thủy hóa của xi măng (4, 5, 6, 7, 8, 9, 17)
Khi trộn xi măng với nước các pha C

3
S, C
2
S, C
3
A, C
4
AF thực hiện phản
ứng thủy hóa. Tuỳ thuộc vào loại khoáng, hàm lượng khoáng, hàm lượng pha
thủy tinh mà khả năng tương tác của xi măng với nước là khác nhau tạo nên pha
kết dính C
x
S
y
H
z
và C
x
A
y
H
z
, Ca(OH)
2
và Al(OH)
3
.
Quá trình hiđrat hoá tạo pha Pooclandit Ca(OH)
2
và Al(OH)

3
là những
hiđrôxit dễ tan trong nước và chúng để lại những lỗ trống mao quản đồng thời
quá trình bay hơi của nước dư trong thời kỳ hiđrat hoá tạo nên độ xốp, rỗng trong
vữa xi măng và bê tông.
1.2.1. Sự hydrat hóa của C
3
S (alit)
Thời kì ban đầu ngay khi đổ nước vào để trộn vữa bề mặt của hạt C
3
S tan
dần ra để cung cấp các ion Ca
2+
, OH
-
, H
2
SiO
4
2-
vào dung dịch. Dần dần dung
dịch trở nên quá bão hòa Ca(OH)
2
và pha rắn này bắt đầu kết tủa gọi là pha
pooclandit. Lúc này có sự cạnh tranh nảy sinh các tinh thể Ca(OH)
2
và CSH. Ở
điều kiện thường, phản ứng thủy hóa chỉ hoàn toàn kết thúc sau thời gian 1 đến
1.5 năm và có thể viết như sau:

4
2(3CaO.SiO
2
) + 6H
2
O = 3CaO.SiO
2
.3H
2
O + 3Ca(OH)
2

Phản ứng hydrat hóa của C
3
S tách ra Ca(OH)
2
. Hàm lượng C
3
S trong xi
măng chiếm tỷ lệ lớn nên lượng Ca(OH)
2
tách ra khá lớn.
1.2.2. Sự hydrat hóa của C
2
S (Belit)
Phản ứng hydrat hóa của C
2

S tạo thành hydro silicat và một số lượng
Ca(OH)
2
,nhưng lượng Ca(OH)
2
tách ra ở phản ứng này ít hơn ở phản ứng thủy
hóa của C
3
S.
2(2CaO.SiO
2
)+ 4H
2
O
→
3CaO.SiO
2
.3H
2
O + Ca(OH)
2
1.2.3. Sự hydrat hóa của C
3
A (canxi aluminat).
Sự tác dụng tương hỗ giữa C
3
A và H
2
O sẽ sinh ra phản ứng và phát ra một
lượng nhiệt khá lớn theo phương trình sau:

3CaO.Al
2
O
3
+ 6H
2
O
→ 3CaO. Al
2
O
3
.6H
2
O
Phản ứng phụ: khi trong xi măng Pooclăng có mặt của thạch cao sống thì
sẽ tác dụng với thành phần C
3
A và hình thành một khoáng vật mới gây trương nở
thể tích theo phản ứng sau:
3CaO.Al
2
O
3
+ 3CaSO
4
.2H
2
O+ 26 H
2
O→ 3CaO. Al

2
O
3
. 3CaSO
4
.28H
2
O
1.2.4. Sự hydrat hóa của C
4
AF
Khi cho C
4
AF tác dụng với H
2
O trong điều kiện xi măng thủy hóa hoàn
toàn và hình thành một lượng vôi bão hòa thì phản ứng sẽ xảy ra trong điều kiện
nhiệt độ của môi trường theo phương trình phản ứng sau:
4CaO.Al
2
O
3
.Fe
2
O
3
+ 12H
2
O →3CaO. Al
2

O
3
.6H
2
O + CaO.Fe
2
O
3
.6H
2
O
1.3. Quá trình hình thành và tính chất cơ lý của đá xi măng (5, 7, 10, 11)
1.3.1. Định nghĩa ( 5, 7, 10)
Hỗn hợp bao gồm xi măng, cát và nước gọi là vữa xi măng, sau một thời
gian hydrat hóa tạo thành một khối rắn chắc gọi là đá xi măng.
Quá trình hình thành đá xi măng (Cơ chế đông rắn của vữa):




5
Bắt đầu từ khi trộn nước và hỗn hợp phối liệu (thường là 1 xi măng 3 cát)
độ dẻo của vữa tăng dần. Phản ứng của C
3
A bắt đầu, những tinh thể ettringit bắt
đầu xuất hiện. Khoảng cách giữa các hạt xi măng chứa dung dịch bão hòa SO
4
2-

và Ca

2+
. Ngay tức khắc monosunfat được tạo thành, sản phẩm này ngăn chặn sự
tấn công ồ ạt của nước, quá trình hydrat hóa chậm lại. Sau đó phản ứng kết tinh
của silicat, aluminat phía trong màng, màng bị phá vỡ và sự hydrat hóa xảy ra
tiếp tục. Quá trình trên lặp lại nhiều lần, hydrosilicat canxi, hydroaluminat canxi
dạng sợi, dạng hình kim … được tạo thành. Khi nồng độ cao SO
4
2-
và Ca
2+

không còn đủ lớn tạo thành ettringit, sự tạo thành gel C-S-H xảy ra liên tục.
Chính nhờ cơ chế này mà tạo nên cường độ của xi măng.
Người ta chia quá trình đóng rắn của đá xi măng thành các giai đoạn:
*Giai đoạn 1: Xảy ra sự khuếch tán các hạt xi măng vào trong nước, các
phân tử nước tấn công ồ ạt lên bề mặt các hạt xi măng. Bắt đầu hình thành
Ca(OH)
2
và monosufat C
3
A.CaSO
4
.H
2
O (ettringit) trên bề mặt các hạt khoáng.
Giai đoạn kéo dài khoảng 10 phút và không tạo thành cấu trúc.
*Giai đoạn 2: Tốc độ phản ứng hydrat hóa chậm lại do keo monosunfat
hình thành bao bọc lấy các hạt xi măng, độ dẻo của vữa trong giai đoạn này là ổn
định, sau đó xuất hiện sự kết tinh của các tinh thể silicat, aluminat phía trong phá
hủy màng. Quá trình thủy hóa trên được lặp đi lặp lại đến khi nồng độ SO

4
2-

không còn đủ để tạo thành ettringit, giai đoạn này kéo dài khoảng 2 giờ và các
gel C-S-H bắt đầu xuất hiện.
*Giai đoạn 3: Do nồng độ SO
4
2-
quá nhỏ, khả năng tạo lớp keo giả bền và
ettringit không còn nữa, tốc độ phản ứng tăng vọt, sự hình thành gel C-S-H lấp
đầy vào khoảng trống giữa các hạt xi măng rất nhanh chóng. Cứ thế đá xi măng
được tạo thành và cường độ của đá (tính theo cường độ kháng nén) bắt đầu phát
triển mạnh. Giai đoạn này kéo dài 24 giờ và phần nhiều khoáng xi măng đã tham
gia quá trình hydrat hóa.




6
*Giai đoạn 4: Sau 24 giờ tốc độ thủy hóa của các khoáng bắt đầu giảm
dần, cấu trúc bắt đầu ổn định và phản ứng thủy hóa vẫn tiếp tục với phần khoáng
còn lại.
1.3.2. Các tính chất cơ lý của xi măng (5, 10, 11)
1.3.2.1. Độ mịn của xi măng
Là đại lượng biểu thị cho kích thước của các hạt xi măng được thể hiện
bằng phần trăm còn lại trên sàng hay dưới sàng có kích thước lỗ nhất định. Có độ
mịn cao thì kích thước hạt xi măng nhỏ diện tích tiếp xúc của các hạt xi măng
với nước làm tăng nhanh quá trình thuỷ hoá của xi măng làm cho xi măng dễ tác
dụng với nước, rắn chắc nhanh.
Độ mịn được xác định bằng hai cách :

+ Sàng bằng Rây N
0
088 (4900 lỗ/cm).
+ Đo độ mịn theo phương pháp Blaine.
1.3.2.2.Lượng nước tiêu chuẩn
Là tỷ lệ nước và xi măng cần thiết đề thực hiện quá trình ban đầu của sự
đóng rắn tạo nên vữa xi măng có độ dẻo tiêu chuẩn.
Khi nước dư nhiều ảnh hưởng nhiều đến tốc độ phát triển cường độ, cho
cường độ thấp vì tạo độ xốp trong đá xi măng.
Xi măng pooclăng thường có lượng nước tiêu chuẩn từ 24-30%.
1.3.2.3. Thời gian ninh kết của xi măng
Khi trộn xi măng với nước sẽ xảy ra phản ứng thủy hóa của các khoáng
trong xi măng, vữa tạo thành theo thời gian mất dần tính dẻo, sau đó trở nên
cứng và có thể chịu lực. Có 2 loại thời gian ninh kết:
+Thời gian bắt đầu ninh kết: Là thời gian từ khi bắt đầu trộn nước đến
trước khi vữa mất tính dẻo.
+Thời gian kết thúc ninh kết: Là thời gian từ khi trộn nước đến khi vữa
cứng lại và có thể chịu lực.




7
Thời gian ninh kết của đá xi măng phụ thuộc vào thành phần khoáng
clinker, lượng nước tiêu chuẩn, độ mịn của xi măng, nhiệt độ môi trường, lượng
và loại phụ gia pha.
1.3.2.4. Độ ổn định thể tích của đá xi măng
Trong suốt quá trình đóng rắn, thể tích của đá xi măng luôn thay đổi. Nếu
sự thay đổi này quá lớn hoặc quá nhanh sẽ gây ra rạn nứt công trình. Sự không
ổn định thể tích của xi măng là do oxit CaO và oxit MgO gây nên.

*MgO tự do: không tham gia vào quá trình tạo clinker mà sau khi xi măng
đóng rắn nó mới bị thủy hóa tạo Mg(OH)
2
có thể tăng thể tích lên làm đá xi
măng bị nứt vỡ. Có trường hợp sau hai năm MgO mới bị thủy hóa, do đó cần hạn
chế lượng MgO < 5%.
*CaO tự do: không tham gia vào phản ứng tạo clinker mà nằm ở dạng oxit
canxi bị các chất nóng chảy bao bọc xung quanh nên bị thủy hóa chậm gây nở
thể tích làm rạn nứt đá xi măng.
Cũng có thể do cấp hạt xi măng quá lớn, làm tốc độ thủy hóa xảy ra chậm,
các sản phẩm gel C-S-H, aluminat, hình thành khi công trình ổn định cũng gây ra
sự mất ổn định thể tích.
Do vậy bất kì loại xi măng thành phẩm nào trên thị trường cũng phải có
cấp hạt và hàm lượng các chất nằm trong giới hạn cho phép.
1.3.2.5. Cường độ của xi măng (hay mác xi măng)
Cường độ xi măng là giá trị lực biểu thị giới hạn bền cơ học của đá xi
măng trên một đơn vị diện tích. Là chỉ tiêu quan trọng nhất của đá xi măng, bao
gồm độ bền uốn và độ bền nén của đá xi măng. Thông thường người ta đo độ bền
uốn và độ bền nén của đá xi măng được đúc theo tỷ lệ xi măng/cát là 1/3 ở tuổi
28 ngày làm chỉ tiêu xác định mác xi măng.
Khi nghiên cứu về cường độ người ta thường quan tâm đến cường độ
kháng nén (R
n
), cường độ khoáng uốn (R
u
), cường độ kháng kéo (R
k
) của các

8
mẫu thí nghiệm. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ mẫu của mác xi măng, tỷ lệ
các khoáng trong xi măng, lượng nước sử dụng, công nghệ chế tạo và chất lượng
thi công bêtông.
Muốn sản xuất bêtông có cường độ kháng cao thì phải dùng lượng nước ít
nhất để trộn vữa . Theo tác giả R.Feret thì công thức tính R
n
để biễu diễn như sau:
R
n
=K (X/N +N +A )
2

Trong đó:
K: Hệ số tỷ lệ
N,X: Thể tích nước và thể tích xi măng
A:thể tích không khí
Dựa vào công thức trên thì giảm tỷ lệ N /X sẽ tăng độ bền uốn và độ bền
nén cho bêtông.
Một yếu tố quan trọng khác là tỷ lệ N/X đã thực hiện trong quá trình trộn
vữa, bởi chính yếu tố này tác động mạnh đến tỷ lệ lộ rỗng có trong xi măng và
cường độ của mẫu. Mặt khác nó cũng ảnh hưởng đến độ dẻo của vữa xi măng và
quả trình đầm vữa bọt khí thoát ra hay không phụ thuộc vào độ dẻo của vữa. Do
vậy tỷ lệ N/X càng cao thì cường độ của bêtông càng giảm.
Cường độ của xi măng phát triển không đều: trong 3 ngày đầu có thể đạt
được 40-50% mác xi măng, 7 ngày đầu đạt đến 60-70 % . Trong những ngày sau
tốc độ tăng cường độ còn chậm hơn nữa, đến 28 ngày đạt được mác. Tuy nhiên
trong những điều kiện thụân lợi thì sự rắn chắc của nó có thể kéo dài hàng tháng

và thậm chí hàng năm, vượt gấp 2-3 lần cường độ 28 ngày. Có thể xem tốc độ
phát triển cường độ trung bình của xi măng tuân theo quy luật Logarit được cho
bởi công thức:
R
28
=R
n
(lg
28
/lg
n
)
R
28
và R
n
là cường độ của đá xi măng ở tuổi 28 ngày và n ngày (n>3
ngày).




9
1.3.2.6. Độ rỗng đá xi măng
Trong đá xi măng luôn có các lỗ rỗng (chiếm từ 2 – 30% tùy thuộc vào
chất lượng vữa xi măng). Kích thước các lỗ rỗng tùy thuộc vào tỷ lệ nước/xi
măng, phương pháp thi công, sử dụng phụ gia, chất lượng xi măng.
*Có thể phân chia lỗ rỗng theo kích thước của đá xi măng như sau:
+ Lỗ rỗng lớn: có kích thước lớn hơn 100µm.
+ Lỗ rỗng vừa: có kích thước từ 1.6 – 100µm.

+ Lỗ rỗng nhỏ: có kích thước từ 0.6 – 106 µm.
+ Lỗ rỗng siêu nhỏ: có kích thước nhỏ hơn 0.6µm.
*Lỗ rỗng có ảnh hưởng của chúng tới tính chất của đá xi măng.
+Lỗ rỗng có đường kính ≈ 2µm liên quan đến sự khuếch tán, xâm thực của
các ion như Cl
-
, SO
4
2-
… làm ảnh hưởng đến độ bền vững của công trình.
+Lỗ rỗng từ vài chục đến vài trăm µm liên quan đến sự thấm nước và
thấm khí của công trình.
Có hai loại lỗ rỗng đá xi măng: lỗ rỗng kín và lỗ rỗng hở, lỗ rỗng kín
không nối với mao quản chỉ ảnh hưởng đến cường độ của đá mà không ảnh
hưởng tới tính chống thấm của đá xi măng.

1.3.2.7.Độ thấm của đá xi măng
Đá xi măng cũng như bê tông là hệ nhiều pha gồm: cốt liệu, pha kết dính
C-S-H, clinker khan chưa hydrat hóa, Ca(OH)
2
, các hydrat của silicat, aluminat
và hệ thống các lỗ trống, mao quản có kích thước khác nhau. Tính thấm của đá xi




10
măng phụ thuộc vào sự có mặt của các pha đó và tương tác của các pha với môi
trường. Trong đó quan tâm nhất chính là tính thấm bao gồm thấm khí, thấm nước
và thấm muối tan. Tính thấm có liên quan rất mạnh đến độ bền của công trình,

tính thấm càng mạnh thì công trình càng kém bền.
Để giảm bớt tính thấm của công trình cần phải có kĩ thuật tốt cũng như
phải sử dụng một số loại phụ gia đặc biệt để giảm tỷ lệ nước/xi măng, giảm tỷ lệ
lỗ trống, mao quản trong đá xi măng.
1.4. Vai trò của phụ gia xi măng (1, 2, 3, 13, 16, 18)
1.4.1. Định nghĩa về phụ gia xi măng (2, 3, 12, 13)
Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Phụ gia của xi măng là các hợp chất hóa học
được thêm vào xi măng để cải thiện tính năng của bê tông.
Theo tiêu chuẩn Mỹ: Phụ gia xi măng là một vật liệu được sử dụng như
một nguyên liệu của bê tông mà ngoài xi măng, nước, cốt liệu ra còn được cho
vào mẻ trộn hỗn hợp bê tông ngay trước khi trộn và trong quá trình trộn.
1.4.2. Tính chất của phụ gia xi măng (2, 3, 12, 16)
*Cải thiện tính năng dễ dàng thi công của hỗn hợp bê tông và vữa:
+ Tăng độ linh động, độ sụt, kéo dài thời gian duy trì độ sụt mà không cần
làm tăng hay giảm lượng nước trộn.
+Làm chậm lại hoặc tăng nhanh quá trình liên kết ban đầu.
+Tạo khả năng chuyên chở bê tông tươi từ các trạm trộn ở xa đến vị trí
công trình.
+Tạo khả năng bơm bê tông lên cao để thi công nhà cao tầng, bơm đi xa
để thi công cầu, hầm hoặc công trình thủy lợi.
*Cải thiện tính chất của bê tông sau khi hóa cứng:
+Tăng cường độ sớm trong thời gian ban đầu để sớm tháo ván, khuôn,
sớm tạo ra ứng lực nhằm tăng nhanh tiến độ thi công.
+Tăng cường độ chịu nén, uốn, kéo.




11
+Tăng độ chống thấm.

+Làm chậm quá trình tỏa nhiệt hoặc giảm nhiệt lượng tỏa ra khi bê tông
đang hoá rắn để tránh các vết nứt do co ngót nhiệt đặc biệt là đối với các công
trình khối lớn như: thủy điện, đập nước
+ Hạn chế sự nở thể tích do các phản ứng của các chất kiềm với các thành
phần của khoáng cốt liệu.
+Tạo sự bám dính chặt giữa các phần bê tông cũ và mới.
+Tạo màu sắc cho bê tông theo dự kiến.
Tuy nhiên với mỗi trường hợp sử dụng phụ gia nhất định cần phải xem xét
kỹ lưỡng và tính toán, thí nghiệm chu đáo để đảm bảo hiệu quả cao.
1.4.3. Một số loại phụ thường được sử dụng (1, 3, 13, 16, 18)
1.4.3.1. Phụ gia hoạt tính puzơlan
Phụ gia khoáng hoạt tính puzơlan là phụ gia có nguồn gốc thiên nhiên hay
nhân tạo ở dạng nghiền mịn khi khuấy trộn tự nó không đóng rắn, nhưng có khả
năng phản ứng với vôi ở nhiệt độ thường tạo thành các sản phẩm có hoạt tính kết
dính. Khả năng liên kết vôi của phụ gia ở nhiệt độ thường khi có mặt nước gọi là
hoạt tính puzơlan. Độ hoạt tính của phụ gia phụ thuộc vào thành phần hóa học và
thành phần khoáng, tỉ lệ pha tinh thể và pha thủy tinh, độ nghiền mịn của phụ
gia. Số lượng và vôi thêm vào có ảnh hưởng đến nhiệt động học ninh kết và rắn
chắc của hệ cũng như lượng nước tham gia hình thành pha hydrat. Hiện nay độ
hoạt tính của phụ gia khoáng được đánh giá thông qua chỉ số hoạt tính (với xi
măng pooclăng và vôi) và độ hút vôi, trong đó chỉ số hoạt tính với xi măng là
quan trọng nhất.
Căn cứ vào nguồn gốc tạo thành, Phụ gia hoạt tính puzơlan được chia
thành hai loại phụ gia nguồn gốc thiên nhiên và phụ gia nguồn gốc nhân tạo.
Puzơlan thiên nhiên bao gồm: đất điatomit, đá phiến sét, tuyp và tro núi
lửa, đá bọt, đá bazan…

12
Pulơzan nhân tạo như: tro bay, tro trấu, xỉ lò cao, silicafum, sisex, meta
caolanh…
Phụ gia hoạt tính puzơlan chứa nhiều oxit silic, oxit nhôm ở dạng vô định
hình có hoạt tính. Do đó mà puzơlan có những đặc tính tốt như sau:
+ Hạ thấp lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình hydrat hóa và giảm co ngót do nhiệt.
+ Giảm phản ứng hóa học của cốt liệu kiềm.
+ Tăng độ đặc chắn, tính chống thấm, tính bền của bê tông ở trong
nước và trong đất có tính chất ăn mòn.
+ Trước khi sử dụng thì puzơlan cần phải được gia nhiệt và nghiền mịn để
tăng hoạt tính. Tuy nhiên puzơlan có thể kéo dài thời gian đông kết, làm chậm sự
phát triển cường độ bêtông ở tuổi ban đầu 3-7 ngày, nhưng cuờng độ bêtông ở
tuổi 28 ngày vẫn đạt và thậm chí còn vượt bêtông không chứa puzơlan.
+ Giảm nhiệt thủy hóa nên thích hợp với bêtông khối lớn.
+ Giảm lượng nước trộn hoặc tăng tính dễ đổ
Phụ gia trộn hỗn hợp hay có thể được nghiền riêng thành bột mịn để pha
vào bêtông và vữa trước khi trộn. Xỉ hạt lò cao thường được nghiền mịn hơn xi
măng, tỷ diện của nó lớn hơn 3500cm
2
/g, có khi tới 5000cm
2
/g, xỉ càng mịn hoạt
tính càng tăng.
1.4.3.2. Phụ gia siêu mịn
Phụ gia siêu mịn là loại phụ gia có kích thước cấp hạt bé hơn rất nhiều so
với cấp hạt của xi măng. Nó có tác dụng lấp đầy các hốc trống trong bêtông, làm
tăng chất lượng bê tông.
Phụ gia siêu mịn có hai loại: siêu mịn trơ và siêu mịn hoạt tính.
*Phụ gia siêu mịn trơ: chỉ có tác dụng bịt kín, lấp đầy các lỗ trống, mao
quản, làm tăng độ chắc đặc và giảm độ thấm của bê tông. Một số phụ gia siêu

mịn trơ thường dùng là CaCO
3
siêu mịn, silic tinh thể.
*Phụ gia siêu mịn hoạt tính: là loại phụ gia vừa có cấp hạt bé hơn nhiều




13
cấp hạt ximăng, vừa có tác dụng như phụ gia siêu mịn trơ, vừa có chức năng
phản ứng với CaO, Ca(OH)
2
trong bê tông để tạo thành các sản phẩm có tính kết
dính, trong đó chủ yếu có oxit silic ( SiO
2
) và oxit nhôm (Al
2
O
3
) hoạt tính.
Ví dụ: oxit silic hoạt tính có thể xảy ra phản ứng sau:
2SiO
2
+ 3Ca(OH)
2
= 3CaO.2SiO
2
.3H
2
O

3CaO.2SiO
2
.3H
2
O là pha C-S-H đóng vai trò là chất kết dính trong vật liệu.
Do đó phụ gia siêu mịn hoạt tính làm tăng chất lượng bê tông đáng kể. Các
loại phụ gia siêu mịn hoạt tính hay dùng là tro trấu, tro bay, muội silic
(silicafume), xỉ lò cao, metacaolanh dạng hạt nghiền siêu mịn.
1.4.3.3. Phụ gia hóa dẻo
Chiếm vị trí chủ đạo trong số phụ gia hóa học, được sử dụng trong công
nghệ bêtông. Tác dụng của phụ gia dẻo, siêu dẻo được giải thích như sau: bề mặt
các hạt xi măng còn dư điện tích chưa bão hòa, do đó các hạt xi măng có xu
hướng dính kết lại với nhau khi tiếp xúc với chất lỏng phân cực như nước làm
giảm tính lưu biến của vữa. Muốn hạn chế sự kết dính các hạt xi măng lại với
nhau người ta sử dụng các loại polime tan. Polyme bị hấp thụ lên bề mặt hạt xi
măng làm cho nó bị phân tán dễ dàng trong môi trường nước và không bị kết
dính lại với nhau. Do đó mặc dầu dùng ít nước nhưng vữa vẫn có độ lưu biến
cao. Các hạt xi măng trượt dễ dàng trong vữa trong quá trình hydrat hóa và sắp
xếp đặc xít với nhau khi có lực nén. Polyme nằm giữa các hạt xi măng sẽ sát
nhập với sản phẩm hydrat hóa tạo thành khối bêtông chắc đặc.
1.4.3.4. Phụ gia đóng rắn nhanh
Hỗn hợp nitrit, canxi clorua (CaCl
2
), natri clorua((NaCl), các muối này khi
tan phân li ra các cation và anion thúc đẩy đóng rắn của xi măng và khả năng ức
chế ăn mòn của canxi nitrit nên làm giảm một phần ăn mòn trong cốt thép.
Canxi clorua (CaCl
2
) là phụ gia có tác dụng mạnh nhất trong các loại phụ
gia đông rắn nhanh. Loại này có chứa clo (Cl

-
) ăn mòn cốt thép. Vì vậy liều




14
lượng sử dụng phụ gia này trong bê tông cốt thép không quá 2%, không được sử
dụng chúng trong các kết cấu thành mỏng, dự ứng lực, làm việc ở điều kiện
không thuận lợi.
1.4.3.5. Phụ gia chống ăn mòn cốt thép trong bêtông
Để bảo vệ cốt thép chống lại các tác nhân ăn mòn người ta sử dụng nhiều
phương pháp khác nhau như phủ cốt thép, tăng khả năng chống thấm cho bê
tông, tăng chiều dày lớp bêtông, dùng dòng điện ngoài… Một biện pháp thông
dụng nữa là sử dụng các phụ gia ức chế quá trình ăn mòn như canxi nitrit.
1.4.3.6. Phụ gia tro bay
Tro bay là một puzơlan nhân tạo lấy từ chất lắng đọng trong quá trình cháy
của than chưa hết. Nó được thu lượm bằng máy tách cơ khí hay máy tách tĩnh
điện từ ống khói nhà máy nhiệt điện mà sử dụng than nghiền làm nhiên liệu. Là
một vật liệu rất mịn chủ yếu là các hạt thủy tinh nhỏ hình cầu. Loại vật liệu này
một thời đã được coi là rác thải khó xử lí và khó phân hủy, nhưng hiện nay nó
được coi là vật liệu có giá trị cao khi sử dụng kết hợp như là một phụ gia.
Tro bay thu được từ nhà máy tách khí xoáy có kích thước hạt tương đối
lớn, trong khi đó tro bay thu được từ tấm hút tĩnh điện thì khá mịn và có tỉ diện
bề mặt tương đối lớn 3000-5000 cm
2
/g.
Vì vậy tro bay có cỡ hạt mịn hơn xi măng, thành phần chính là: SiO
2
,

Al
2
O
3
, CaO, MgO, SO
3
…. Các đặc trưng quan trọng nhất trong việc sử dụng
phụ gia là hàm lượng cacbon phải thấp và SiO
2
phải ở dạng bột mịn và rời rạc.
*Ưu điểm của việc sử dụng tro bay:
+ Do kĩ thuật nghiền siêu mịn, mà lấp đầy các lỗ trống mao quản làm tăng
độ chắc đặc cho đá xi măng.
+ Khả năng hoạt tính của phụ gia đã làm giảm lượng Ca(OH)
2
dễ hòa tan
trong xi măng và tạo thành gel C-S-H có khả năng rắn chắc:
2SiO
2
+ 3Ca(OH)
2
= 3CaO.2SiO
2
.3H
2
O

15
+ Khắc phục đáng kể hiện tượng xâm thực của môi trường nước biển chứa
Cl
-
ăn mòn mạnh cốt thép và gây phá hủy công trình.
* Với những ưu điểm khi sử dụng phụ gia tro bay được nêu trên vì vậy
hiện nay nhiều nước trên thế giới đã sử dụng tro bay của các nhà máy nhiệt điện
để làm phụ gia cho xi măng để sản xuất xi măng hỗn hợp PCB được đưa ra ở
bảng sau:
Các nước Tỉ lệ % tro bay trong hỗn hợp xi măng

Malaisia 6 – 50
Philipphin < 40
Trung Quốc

15 –50
Hàn Quốc 5 – 30
Nhật Bản 5 – 30
Châu Âu < 55
Việt Nam 10 – 40

1.4.3.7. Phụ gia CMC
CMC (carboxymethyl cellulose, một dẫn xuất của cellulose với acid
chloroacetic) là một polymer, là dẫn xuất cellulose với các nhóm carboxymethyl
(-CH
2
COOH) liên kết với một số nhóm hydroxyl của các glucopyranose
monomer tạo nên khung sườn cellulose, nó thường được sử dụng dưới dạng
muối natri carboxymethyl cellulose.
Dạng natri carboxymethyl cellulose có công thức phân tử là:

[C
6
H
7
O
2
(OH)
x
(OCH
2
COONa)
y
]
n

Trong đó:n là mức độ trùng hợp. y là mức độ thay thế.
x = 1.50-2.80. y = 0.20-1.50. x + y = 3.0
Đơn vị cấu trúc với mức độ thay thế 0.20 là 178.14 đvC.
Đơn vị cấu trúc với mức độ thay thế 1.50 là 282.18 đvC.




16
Phân tử kích thước lớn khoảng 17.000 đvC (n khoảng 100).
*Tính chất: Là chế phẩm ở dạng bột trắng, hơi vàng, hầu như không mùi
hạt hút ẩm. CMC tạo dung dịch dạng keo với nước, không hòa tan trong ethanol.
Phân tử ngắn hơn so với cenllulose. Dễ tan trong nước và rượu. Ở pH < 3 CMC
bị kết tủa. Độ nhớt CMC giảm khi nhiệt độ tăng và ngược lại. CMC tan hầu hết
trong nước lạnh và được sử dụng chủ yếu để kiểm soát độ nhớt mà không tạo gel

(ngay cả khi có mặt ion Ca
2+
). Khi tan trong nước tạo ra những nhóm có cực -
COO
-
,OH
-
. Các gốc có cực này phản ứng với pha C
3
A tạo hợp chất phức :
2-COOH +C
3
A 2(-COO
-
)Al-OH
*Lợi ích khi sử dụng phụ gia CMC:
+Tăng cường độ nhớt cho xi măng.
+Khống chế độ sụt áp hỗn hợp bê tông.