Bài giảng vật liệu xây dựng chương III TS nguyễn quang phú

Nguồn gốc của xi măng


1. Lịch sử hình thành
+ Từ xa xưa, con người đã biết dùng những vật liệu đơn sơ như
đất sét, đất bùn nhào rác, dăm gỗ, cỏ khô băm …để làm gạch,
đắp tường, dựng vách cho chỗ trú ngụ của mình. Có thể tóm
lược các bước hình thành xi măng như sau:
- Người Ai Cập đã dùng vôi tôi làm vật liệu chính.
- Người Hy Lạp trộn thêm vào vôi đất núi lửa ở đảo Santorin, hỗn
hợp này đã được các nhà xây dựng thời đó ưu ái nhiều năm.


1. Lịch sử hình thành
- Người La Mã thêm vào loại tro – đất núi lửa Vésuve

miền Puzzolles. Về sau này, phún – xuất – thạch núi
lửa được dùng làm một loại phụ gia hoạt tính chịu
cách nhiệt và cách âm, và trở thành danh từ chung
“Pozzolana” (Anh), “Pouzzolane” (Pháp)
- Vào năm 1750, kỹ sư Smeaton người Anh, nhận nhiệm
vụ xây dựng ngọn hải đăng Eddystone vùng
Cornuailles. Ông đã thử nghiệm dùng lần lượt các loại
vật liệu như thạch cao, đá vôi, đá phún xuất… Và ông
khám phá ra rằng loại tốt nhất đó là hỗn hợp nung
giữa đá vôi và đất sét.
- Hơn 60 năm sau, 1812, một người Pháp tên Louis Vicat
hoàn chỉnh điều khám phá của Smeaton, bằng cách
xác định vai trò và tỷ lệ đất sét trong hỗn hợp vôi nung
nói trên. Và thành quả của ông là bước quyết định ra
công thức chế tạo xi măng sau này.

- Ít năm sau, 1824, một người Anh tên Joseph Aspdin lấy
bằng sáng chế xi măng (bởi từ latinh Caementum :
chất kết dính), trên cơ sở nung một hỗn hợp 3 phần
đá vôi + 1 đất sét.


1. Lịch sử hình thành
- Chưa hết, 20 năm sau, Isaac Charles Johnson đẩy thêm một

bước nữa bằng cách nâng cao nhiệt độ nung tới mức làm
nóng chảy một phần nguyên liệu trước khi kết khối thành
“clinker”.
- Vào năm 1967 Mông đuyê, một người làm vườn ở Pháp đã lấy
dây thép nhỏ quấn quanh chậu hoa cho khỏi vỡ. Sau đó một
thời gian ông này lại lấy dây thép kết thành hình chậu hoa và
đổ xi măng vào, kết quả tuyệt vời hơn. Từ đó ông giành được
quyền sáng chế. Đây chính là cội nguồn của các loại bê tông
tấm, xà, ống trong xây dựng và gọi là bê tông ống thép. Từ
đây, như chúng ta biết, đã bùng nổ hằng loạt các nhà máy lớn
nhỏ với nhiều kiểu lò nung tính năng khác nhau: xi măng đã
làm một cuộc cách mạng trong lĩnh vực xây dựng.


2. Phát hiện lí thú
• Trước công nguyên thì người Ai cập cổ dùng mật mía hay
nước mía đặc trộn với 1 số chất phụ gia chống lại sự thèm
muốn của các loài côn trùng để xây nhà và các kim tự tháp.
• Người Trung Hoa thì dùng mạch nha với thành phần chủ yếu
là tinh bột nóng để xây. Một đều thú vị là tuổi thọ của chúng
cao hơn ximăng hiện nay rất nhiều.

3. Bí mật về cột trụ xi măng thời tiền sử
•

Ở nơi cách Tân Calêdonia 40 hải lý về phía Nam có một
đảo nhỏ gọi là Baien, từ xưa đến nay chưa từng có ai cư
ngụ ở đó. Nhưng trên hoang đảo nhỏ này lại có khoảng
400 gò đất kỳ quái. Chúng được xây nên từ cát và đá cao
khoảng 2,5-3m, mặt nghiêng khoảng 90m. Trên gò đất
không có bất kỳ một loại thực vật nào sinh trưởng, cảnh
vật vô cùng hoang vắng. Những người đã từng đến đây
cho rằng, đó là các di chỉ từ thời cổ đại. Năm 1960, nhà
khảo cổ học Cheliwa đến hòn đảo nhỏ này tiến hành khai
quật các di chỉ. Ông đã khám phá một điều ngoài sức
tưởng tượng, đó là trên 3 di chỉ cổ ở giữa đều có 1 cột trụ
xi măng nằm song song với nhau. Những cột trụ này cao
từ 1m đến 2,5m, trong xi măng của cột trụ còn lẫn vỏ ốc,
vỏ sò vỡ. Cheliwa vô cùng kinh ngạc bởi ông biết xi măng
mới được phát minh từ thế kỷ XIX cho dù là hỗn hợp đất
đá xám tương tự như xi măng cũng chỉ được người La Mã
cổ đại tìm ra trong khoảng năm 500 đến 600 trước Công
nguyên. Ông đã mời những nhà nghiên cứu khoa học đến
để dùng phóng xạ kiểm tra các cột trụ này. Trắc nghiệm
đã cho thấy, niên đại của những cột trụ xi măng này
vào khoảng năm 10950 – 5120 trước Công nguyên.
Cũng có thể nói, những cột trụ xi măng của đảo Baien
được xuất hiện từ thời kỳ đồ đá, sớm hơn rất nhiều so với
thời đại La Mã cổ.

3. Bí mật về cột trụ xi măng thời tiền sử
•

Đảo Tân Calêdonia Nouvelle Calédonie ở
phần Tây Nam Thái Bình
Dương là một trong
những đảo lớn nhất của
Nam Thái Bình Dương.
Theo ghi chép, năm 1768
người Pháp đã từng đặt
chân đến đây, năm 1774
con tàu mẫu hạm của nhà
hàng hải nổi tiếng người
Anh, James Cook (17291779) đã từng diễu qua
hòn đảo nhỏ này. Ông
thấy rừng rậm nơi đây
dày đặc, cây xanh sinh
trưởng khắp nơi, khí hậu
trong lành.

Đảo Nouvelle Calédonie


3. Bí mật về cột trụ xi măng thời tiền sử
•

Cook cảm thấy cảnh tượng nơi đây vô cùng giống với quê hương mình
bèn lấy tên cổ của Scotland là Calédonie thêm chữ Tân (Nouvelle) ở
trước để đặt cho hòn đảo này. Bởi vậy, đảo ấy có tên là Tân Calêdonia.

•

Cũng có thể nói trước thời gian đó, đảo Tân Calêdonia không có người
cư trú, đây là một vùng hoang vắng nguyên sơ không hề có ánh lửa của
con người, ngay cả bây giờ cũng không có ai sống trên hoang đảo Baien
này. Cho đến năm 1792, người Pháp mới tiến hành khám phá đảo lần
đầu tiên, sau này họ biến nơi đây thành nơi lưu đày tội phạm. Sau 100
năm, đảo Baien mới được chính thức coi là lãnh địa vĩnh viễn của Pháp.
Vậy, ai là người vận dụng kỹ thuật phức tạp làm ra xi măng 5000
trước Công nguyên. Chẳng lẽ không có ai trên đảo này làm nên những
cột trụ xi măng ư?Theo phán đoán, phương pháp chế tác đương thời là
đắp các gò đất, sau đó rót xi măng vào làm cho đông cứng lại. Nhưng
xung quanh những cột xi măng này lại không hề có bất cứ dấu tích nào
về hoạt động của con người. Bởi vậy, người ta vẫn không có phương
pháp nào biết được ai là người chế tạo nên các cột trụ xi măng. Có thể
nói, những cột trụ xi măng này có tác dụng gì vẫn là một trong những
điều khó giải thích trong kho tàng bí mật của nhân loại.


4. Ở Việt Nam
•

Ngành sản xuất xi măng ở nước ta đã được hình thành từ rất sớm.
Bắt đầu là việc khởi công xây dựng nhà máy xi măng Hải Phòng
vào ngày 25/12/1889

•

Một thế kỷ trước đây xi măng Việt Nam mới chỉ có một thương hiệu

con Rồng nhưng đã nổi tiếng ở trong nước và một số vùng Viễn
Đông, Vlađivostoc (LB Nga), JAWA (Inđônêxia), Xingapo, Hoa Nam
(Trung Quốc)… Sau ngày giải phóng miền Nam, năm 1975 lại có
thêm thương hiệu xi măng Hà Tiên, đến nay ngành xi măng nước
ta đã có thêm hàng loạt những thương hiệu nổi tiếng như: Xi măng
Bỉm Sơn nhãn hiệu Con Voi, xi măng Hoàng Thạch nhãn hiệu con
Sư Tử, xi măng Hà Tiên I,II, Bút Sơn, Hoàng Mai, Tam Điệp, Nghi
Sơn, Chinfon…


Chương III. Xi măng
Cấu tạo, công thức hóa học của XM Portland
+ Xi măng Portland là một hỗn hợp nghiền mịn của clinker, thạch
cao:
CaO = 60-67 %; SiO2 = 21-24 %; Fe2O3 = 2-5 %;
Al2O3= 4-7 %; SO3 < 3 %; MgO < 4,5%
+ 4 khoáng vật chính trong clinker:
- Tricanxi-silicat (3CaO.SiO2): C3S = 37-60%
- Bicanxi-silicat (2CaO.SiO2): C2S = 15-37%
- Tricanxi-aluminat (3CaO.Al2O3): C3A = 7-15%
- Tetracanxi-Alumino-Ferit (4CaO.Al2O3.Fe2O3): C4AF = 10-18%


Nguyên liệu sản xuất xi măng
- Đá vôi: yêu cầu thành phần CaCO3 phải chiếm tỷ lệ 75% trở lên.
Chỉ dùng loại đá vôi manhêzit thấp, không dùng đá vôi
manhêzit và đôlômit vì hai loại này chứa nhiều MgCO3 có hại
cho xi măng. Theo kinh nghiệm, muốn sản xuất 1 tấn clanhke
phải dùng 1,3 tấn đá vôi.
- Đất sét: yêu cầu có độ dẻo cao, nghĩa là cấu trúc hạt phải đều và

mịn lẫn ít tạp chất, cát sạn… ; phải có hàm lượng SiO2 trong
khoảng 50 ÷ 58%.
- Quặng sắt: yêu cầu tỷ lệ Fe2O3 trên 40%.
- Thạch cao: yêu cầu hàm lượng CaSO4.2H2O phải trên 80%.
- Than đá: Nhiên liệu dùng để nung xi măng phần lớn là than đá.
Yêu cầu nhiệt lượng của than đá khoảng 5000Kcal/kg than,
hàm lượng chất bốc nhỏ hơn 35%, khi đốt không có khói, cho
ngọn lửa xanh, lượng tro còn lại phải dưới 10 ÷ 15%. Nên
dùng loại than có màu đen ánh, cứng và mật độ lớn.


Công đoạn sản xuất xi măng
Qui trình sản xuất gồm ba giai đoạn chính:
• Chuẩn bị nguyên liệu và phối liệu Nghiền nhỏ các
nguyên liệu và trộn với nhau rất kĩ bằng phương pháp
khô hay phương pháp ướt.
• Nung phế liệu thành clinke : Nung hỗn hợp đó trong
các lò ngang hoặc lò đứng. Lò nung được đốt nóng
bằng dầu mazut hoặc bột than phun vào lò.Sản phẩm
thu được ở lò quay là những hạt màu xám gọi là clinke
• Nghiền clinke thành xi măng: Để nguội clinke rồi
nghiền thì được xi măng. Muốn cho xi măng không đông
cứng quá nhanh để đủ thời gian thao tác như xây, trát,
đổ khuôn,…người ta thêm vào khoảng 2-5 % thạch cao.


Hình ảnh nổ mìn phá đá


Hình ảnh khai thác quặng

Quy trình sản xuất xi măng


SẢN XUẤT XI MĂNG POOCLĂNG

Các công đoạn chính trong sản xuất xi măng


SẢN XUẤT XI MĂNG POOCLĂNG


HÌNH ẢNH LÒ NUNG
(4)Lớp trộn

(5)Nghiền thô (6)Túi lọc bụi

(7)Gia nhiệt (8)Lò nung

(9)Máy làm lạnh
φ = 3-5 m (5-7 m)
L = 50-100 m (>200m)
α = 3-4O
ω = 1-2 v/ph


Nghiền xi măng

Làm nguội ckinker

Hệ thống đóng gói bao xi măng


Hình ảnh nhà máy xi măng Chinfon - Hải Phòng

Công suất
4.000 tấn
Clinker/ngày

Nhà máy xi măng Hải Phòng / Chifon Haiphong Cement Plant.
Tại thôn Tràng Kênh, thị trấn Minh Đức, huyện Thủy Nguyên, thành phố Hải Phòng


Hình ảnh nhà máy xi măng Chinfon - Hải Phòng

Phòng phân tích hóa /
The Chemical Room.

Phòng phân tích cơ lý /
The Mechanical Physical
Room

Phòng điều khiển trung tâm / Central Control Room


Những tính chất chủ yếu đối với các thành phần
khoáng vật
- Khoáng vật C3S: tốc độ thủy hóa tương đối nhanh, nhiệt thủy hóa tương đối
lớn, ít co thể tích và khả năng phát triển cường độ lớn nhất so với các

thành phần khác. Vì vậy C3S là thành phần khoáng vật quan trọng nhất,
chiếm tỷ lệ cao nhất trong xi măng.
- Khoáng vật C2S: tốc độ thủy hóa chậm, nhiệt thủy hóa thấp, ít có thể tích;
khả năng phát triển cường độ ở thời gian đầu chậm, về sau nhanh.
- Khoáng vật C3A: tốc độ thủy hóa rất nhanh, nhiệt thủy hóa rất lớn, có thể tích
nhiều, ngưng kết rất nhanh, nhưng khả năng phát triển cường độ lại kém
nhất trong 4 thành phần khoáng vật.
- Khoáng vật C4AF: tốc độ thủy hóa tương đối nhanh, nhiệt thủy hóa trung
bình, thể tích co tương đối nhiều, khả năng phát triển cường độ trung bình,
nhưng tăng rõ rệt ở thời gian về sau.


Các hệ số chất lượng của xi măng
1. Hệ số silic (n = 1,7 – 3,5):

2. Hệ số nhôm (p = 1-3):

SiO2 %
n=
(Al2 O3 + Fe2 O3 )%
p=

Al 2 O3 %
Fe2 O3 %

3. Hệ số bão hòa vôI (KH = 0,82-0,95):

ΣCaO% − (1, 65Al 2 O3 % + 0,35Fe2 O3 % + 0, 7SO3 %)
KH =
2,8SiO2 %

Ngưng kết và rắn chắc của xi măng pooclăng
1. Thời kỳ hòa tan
Khi trộn xi măng với nước, trên bề mặt các hạt xi măng, các thành phần
khoáng vật chủ yếu C3S, C2S, C3A, C4AF của xi măng sẽ tác dụng với nước
theo các phản ứng thủy phân và thủy hóa sau đây:
3CaO.SiO2 + (m +1)H2O → Ca(OH)2 + 2CaO.SiO2.mH2O
2CaO.SiO2 + mH2O →2CaO.SiO2.mH2O
3CaO.Al2O3 + 6H2O → 3CaO.Al2O3.6H2O
4CaO.Al2O3.Fe2O3 + nH2O → 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.mH2O
Trong các hợp chất mới tạo thành, có Ca(OH)2 và 3CaO.Al2O3.6H2O là dễ hòa
tan nhất, nên tan ngay vào nước, làm xuất hiện lớp xi măng mới tiếp tục
tác dụng với nước… rồi tiếp tục hòa tan. Lượng nước trong vữa xi măng
có hạn, nên dung dịch nhanh chóng đạt tới trạng thái bão hòa.


Ngưng kết và rắn chắc của xi măng pooclăng
2. Thời kỳ hóa keo
Trong dung dịch đã bão hòa, các thành phần Ca(OH)2 và 3CaO.Al2O3.6H2O
tiếp tục sinh ra, nhưng không hòa tan được nữa cùng với các thành phần
khác như 2CaO.SiO2.mH2O vốn ít hòa tan đều tồn tại dưới dạng các hạt
nhỏ phân tán trong dung dịch tạo thành thể keo phân tán bao quanh các hạt
xi măng. Phần xi măng bên trong các hạt tiếp tục thủy phân và thủy hóa,
nên chất keo sinh ra ngày càng nhiều. Đồng thời với hiện tượng bay hơi
nước tự do trong vữa xi măng làm cho các hạt keo phân tán ở trên ngưng
tụ lại thành những hạt lớn hơn và tạo thành thể keo ngưng. Thể keo ngưng
không ngừng tăng, vữa xi măng mất dần tính dẻo và dần dần trở nên đông
đặc, tuy nhiên lúc này vẫn chưa có cường độ.