Nghiên cứu chế tạo bê tông chịu lửa cách nhiệt nhẹ trên cơ sở sử dụng liên kết xi măng pooc lăng với cốt liệu gầy từ nguồn nguyên liệu phế thải công nghiệp tro bay nhiệt điện phả

B GIO DC V O TO
TRNG I HC BCH KHOA H NI
---- ---- o0o ---- ---MAI TH THOA

N
Nghiên cứu chế tạo bê tông chịu lửa cách
nhiệt nhẹ trên cơ sở chất kết dính là xi
măng Pooclăng với cốt liệu độn từ xỉ lò hộp
và tro bay nhà máy nhiệt điện
LUN VN THC S KHOA HC

Ngi hng dn khoa hc :
PGS.TS. O XUN PHI

H NI - 2010


Lời Cảm ơn

Em xin cảm ơn thầy giáo - PGS.TS. Đào Xuân Phái đã tận tình hớng dẫn
cho em hoàn thành Luận văn này.
Em cũng xin cảm ơn toàn thể các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ vật
liệu Silicát Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ em
trong quá trình học tập và nghiên cứu của em trong hai năm qua.
Tôi xin cảm ơn các lãnh đạo và toàn thể cán bộ Trờng Cao đẳng Công
nghiệp Hoá chất đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành Luận văn này.

Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2010.
Học viên

Mai Thị Thoa

1


các từ viết tắt và các ký hiệu

XMPL: Xi măng Poóc Lăng.
BTCL: bê tông chịu lửa.
XMOPC: Xi măng OPC (xi măng đựơc nghiền từ clanhke xi măng và không pha
bất kỳ phụ gia gì).
XMPC: Xi măng PC (xi măng đợc nghiền từ clanhke xi măng và có pha thêm
thạch cao để điều chỉnh thời gian đóng rắn).
XMHH: Xi măng hỗn hợp.
XRD: X-Rays Diffraction, nhiễu xạ tia X.

68


mục lục
Mở đầu............................................................................................................... 2
Chơng I: Tổng quan ...................................................................................... 3
i- tình hình nghiên cứu và sử dụng bê tông chịu lửa trên cơ sở
chất kết dính là xi măng pooclăng.................................................................. 3
I.1- Tình hình nghiên cứu ........................................................................................... 3
I.1.1- Ngoài nớc ............................................................................................................. 3
I.1.2- Trong nớc: ........................................................................................................... 5
I.2- Tình hình sử dụng .................................................................................................. 5
I.3- Quá trình hyđrat hoá và đóng rắn của xi măng ............................... 7
I.3.1 Quá trình hydrat hoá các khoảng trong XMP ...................................... 10
I.3.2 Quá trình hyđrat hoá và đóng rắn của đá xi măng............................ 12

I.3.3 Quá trình hyđrat hoá xi măng khi có mặt phụ gia khoáng ............ 14
i.4- cơ sở khoa học việc sử dụng phụ gia khoáng nghiền mịn trong
xi măng và bê tông chịu lửa. .............................................................................. 15
i.5- vai trò của phụ gia khoáng nghiền mịn trong đá xi măng......... 17
I.5.1- Liên kết CaO tự do với các phụ gia nghiền mịn. .................................. 18
I.5.2 - ảnh hởng của các phụ gia khoáng nghiền mịn đến độ co của
đá XM ................................................................................................................................ 30
I.5.3. ảnh hởng của phụ gia khoáng nghiền mịn đến độ chịu lửa của
đá XM................................................................................................................................. 31
i.6 vai trò của cốt liệu trong bê tông chịu lửa, cấp phối bê tông
chịu lửa trên cơ sở chất kết dính là xi măng pooclăng. ................... 32

I.6.1 Cốt liệu sử dụng cho bê tông chịu lửa trên cơ sở chất kết dính là xi măng
poóc lăng.34
I.6.2 Tính toán thành phần cấp phối bê tông chịu lửa. ........................... 34

69


Chơng II: Thực nghiệm ........................................................................... 38
I- các phơng pháp dùng trong thực nghiệm ............................................. 38
I.1- Các phơng pháp tiêu chuẩn......................................................................... 38
I.2- Các phơng pháp phi tiêu chuẩn ................................................................. 38
II- lựa chọn nguyên liệu ........................................................................................ 38
II.1- Cốt liệu chịu lửa................................................................................................ 38
II.2- Xi măng Pooc Lăng ............................................................................................ 40
II.3- Phụ gia sa mốt mịn:............................................................................................ 41
II.4.1- Dựa trên cơ sở khoa học: ........................................................................... 42
II.4.2- Căn cứ vào thực tế......................................................................................... 43
II.5- Tính toán và lựa chọn cấp phối: ................................................................ 45

II.6- Tạo mẫu thí nghiệm: ......................................................................................... 46
II.6.1- Đợt 1: Thí nghiệm với phụ gia sa mốt nghiền mịn ........................... 47
II.6.2- Đợt 2: Thí nghiệm với phụ gia tro bay.................................................. 47
II.6.3- Dỡng hộ, sấy và nung mẫu ...................................................................... 47

Chơng III: Kết quả và bàn luận........................................................... 48
III.1- Kết quả thí nghiệm các mẫu bê tông sử dụng phụ gia samốt
nghiền
mịn
50
III.2- Kết quả thí nghiệm các mẫu bê tông sử dụng phụ gia sa mốt
nghiền và tro bay phả lại .................................................................................... 51
III.3. Kết quả phân tích thành phần khoáng các mẫu chất kết dính
............................................................................................................................................. 53
III.4- Kết quả kiểm tra độ bền nhiệt: ................................................................... 57

Kết luận.......................................................................................................... 58
kiến nghị ........................................................................................................ 59
tài liệu tham khảo................................................................................... 60
phụ lục
70


Mở đầu
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp nớc ta trong những năm gần đây
đã đặt ra những nhu cầu rất lớn về sử dụng các loại bê tông chịu lửa cho các
ngành luyện kim, vật liệu xây dựng, hóa chất...
Trong việc xây dựng công trình của những ngành trên có một số hạng mục
nh các móng lò cao luyện thép, móng lò luyện cốc, các mơng khói, sàn làm
nguội phôi thép... đều yêu cầu sử dụng các loại bê tông chịu lửa cách nhiệt nhẹ với

nhiệt độ sử dụng từ 6000C đến 9000C, mà độ bền cơ học sau nung ở nhiệt độ làm
việc 15Mpa, có độ bền nhiệt tốt, cách nhiệt cao.
Giải pháp cho vấn đề trên với chi phí thấp là nguyên liệu chế tạo bê tông
nhẹ chịu nhiệt trên nền chất kết dính là xi măng pooclăng và cốt liệu nhẹ từ xỉ
thải công nghiệp nh xỉ lò hộp lò hơi. Tuy nhiên khi sử dụng xi măng pooclăng
làm chất kết dính sẽ phải giải quyết vấn đề suy giảm cờng độ của bê tông khi
nung nóng ở nhiệt độ cao, đặc biệt là ở nhiệt độ 6000C - 9000C. Do vậy, đợc sự
hớng dẫn của PGS.TS Đào Xuân Phái, em đã thực hiện đề tài: Nghiên cứu chế
tạo bê tông chịu lửa cách nhiệt nhẹ trên cơ sở chất kết dính là xi măng Pooclăng
với cốt liệu độn từ xỉ lò hộp và tro bay nhà máy nhiệt điện. Đề tài tập trung
nghiên cứu các giải pháp để chống lại sự suy giảm cờng độ của bê tông khi
nung ở nhiệt độ 6000C - 9000C.
Mục tiêu đề ra của đề tài là: chế tạo đợc bê tông chịu lửa cách nhiệt nhẹ
có các chỉ tiêu kỹ thuật nh sau:
- Cờng độ bê tông sau nung 9000C lu 3 giờ

: 15Mpa

- Độ co sau nung 9000C lu 3 giờ

: < 1%

- Khối lợng thể tích sau nung 9000C lu 24 giờ : 1,5 (g/cm3)
(nhẹ)
- Độ bền nhiệt thử theo TCVN 6530-7-2000

2

: > 30 lần

Chơng I:
tổng quan về các kết quả nghiên cứu và ứng dụng bê
tông chịu lửa trên cơ sở chất kết dính là xi măng
pooc lăng ở trong và ngoài nớc
i- tình hình nghiên cứu và sử dụng bê tông chịu lửa trên cơ sở
chất kết dính là xi măng pooc lăng [lấy từ luận văn của tác giả
sông hơng]
I.1- Tình hình nghiên cứu

I.1.1- Ngoài nớc
ở Liên Xô cũ, việc nghiên cứu bê tông sử dụng chất kết dính là xi măng
Pooclăng đã đợc thực hiện từ những năm 1942 ở Trung tâm nghiên cứu khoa
học các trờng đại học, Viện nghiên cứu các công trình công nghiệp và ở Viện
nghiên cứu khoa học bê tông và bê tông cốt thép.
Năm 1952 - 1954, V.V. Contunov đã tiến hành nghiên cứu ảnh hởng của
nhiệt độ cao đối với các khoáng riêng biệt của clanhke xi măng pooclăng khi rắn
chắc, ảnh hởng của nhiệt độ đến sự thuỷ hoá của khoáng C3S, C2S, C3A và
C4AF. Cùng với V.V. Contunov còn có nhiều nhà nghiên cứu khác cũng tiến
hành nghiên cứu tác động của nhiệt độ đến các tính chất của đá xi măng nh:
S.A.Myronov, L.Amalynhina, N.A.Mosanski, G.D.Salmanov, V.A.Kynd và
S.D.Ocorkov, A.E.Xeikin... Qua nghiên cứu ảnh hởng của nhiệt độ cao đến tính
chất XMPL với thành phần khoáng khác nhau, C.D.Nhecrasov và V.V.Contunov
cho thấy rằng: Dới tác dụng của nhiệt độ cao, độ bền của đá xi măng sau khi
nung nóng, phụ thuộc vào thành phần khoáng của nó.
Sự giảm cờng độ và phá huỷ BTCL khi tăng nhiệt độ là do mất nớc liên
kết, phá huỷ cấu trúc của bê tông và do sự thuỷ hoá lần hai của CaO (khi mất
nớc liên kết) bằng hơi nớc của không khí. Nghiên cứu quá tình thuỷ hoá lần
hai của CaO trong XMPL sau khi đốt nóng, G.M.Ruxuc đã kiến nghị đa vào
trong XMPL các loại phụ gia khác. V.N.Moskvin và V.V.Contunov, C.D.

3


Nhecrasov đã nghiên cứu tính tăng tính chất chịu nhiệt của XMPL cũng bằng
cách sử dụng các phụ gia khoáng nghiền mịn.
Tuỳ thuộc vào loại phụ gia, có thể nhận đợc chất kết dính chịu nhiệt với
các tính chất khác nhau.
YU.M.But đã nghiên cứu sử dụng cát quắc và diatômit nghiền mịn để liên
kết ôxyt canxi sau thuỷ hoá của đá xi măng khi giữ mẫu trong điều kiện tiêu
chuẩn và sau khi chng áp. Trong quá trình chng áp, cát quắc và điatômit
nghiền mịn liên kết với hyđroxyt can xi. Theo Y. E. Gurvytr và M.C.Agaphonop
phản ứng giữa oxyt silic vô định hình và oxyt canxi ở trạng thái rắn xảy ra mạnh
ở 5000C - 6000C, còn đối với quắc tinh thể nó chỉ bắt đầu ở 6000C. Theo
P.P.Budnhicop, V.Ph.Zuravlev thì phản ứng pha rắn giữa oxit silic và oxit canxi
(khi tỉ lệ 1: 1) xảy ra qua hợp chất trung gian không bền 2CaO. SiO2 và
3CaO2SiO2 đến hợp chất cuối cùng là CaOSiO2. Tuy nhiên khi nung nóng, SiO2
tinh thể có sự biến đổi thù hình, không ổn định thể tích, nên không thể sử dụng
nó làm phụ gia cho XMPL có tính chất chịu lửa.
V.V. Contunnov và Z.M. Larionov nghiên cứu tác động của các khoáng xi
măng với phụ gia sa mốt mịn, hàm lợng từ 150 - 300% so với xi măng cho thấy:
Lợng phụ gia đa vào càng lớn thì khả năng liên kết với CaO tự do xảy ra càng
hoàn toàn, dẫn tới tăng độ bền của đá xi măng sau khi nung ở nhiệt độ 12000C.
Điều đó nói lên rằng không còn CaO trong đá xi măng sinh ra khi nung đá xi
măng, chúng liên kết hoàn toàn với SiO2 và Al2O3 của sa mốt mịn, hình thành
dạng khoáng mới là silicat và aluminat khan. Tuy nhiên khi tăng lợng phụ gia
sẽ ảnh hởng đến các tính chất khác của đá xi măng (cũng nh của BTCL dùng
XMPL) nh tỷ lệ nớc, cờng độ... Tuy vậy tỷ lệ XM/PG còn cha đợc nghiên
cứu cụ thể.
Khi sử dụng xỉ lò cao làmphụ gia cho bê tông ngời ta thấy rằng: Khi ở

nhiệt độ cao từ 7500C - 8000C khả năng liên kết với CaO lớn hơn ở 6000C và sự
liên kết của xỉ nhỏ hơn của sa mốt.
Để tăng các tính chất chịu lửa của XMPL, G.D.Salmanov đã sử dụng phụ
gia nghiền mìn crômmit, phụ gia mịn crômmit đa vào sẽ liên kết với CaO tự do

4


trong xi măng Pooc lăng, tăng độ chịu lửa và nhiệt độ biến dạng dới tải trọng
của đá xi măng.
I.1.2- Trong nớc:
Năm 1992, Tác giả Vũ Minh Đức - giảng viên bộ môn công nghệ Vật liệu
- Trờng đại học xây dựng Hà Nội, trong luận án Phó tiến sĩ đã tiến hành đề tài
nghiên cứu: Bê tông chịu nhiệt dùng xi măng pooc lăng đạt đợc mác 15 20Mpa, nhiệt độ làm việc 6000C - 10000C. [4]
Ngoài ra còn một số nghiên cứu của TS. Tạ Ngọc Dũng - Bộ môn Công
nghệ Vật liệu silicat - Trờng đại học Bách khoa Hà Nội đã đợc công bố trên
các tập san của Trờng đại học Bách khoa Hà Nội. [2]
I.2- Tình hình sử dụng

Tại Liên Xô cũ và các nớc thuộc khối xã hội chủ nghĩa cũ, ngay từ những
năm 1958 đã sử dụng bê tông chịu lửa dùng chất kết dính là xi măng pooclăng,
phụ gia sa mốt, xỉ lò cao, crommít, cốt liệu sa mốt để thi công các tháp đốt nóng
không khí, làm nền móng lò cao, ống khói và kênh dẫn trong công nghiệp luyện
kim, luyện nhôm, công nghiệp chế biến dầu mỏ, trong các phân xởng rèn, lò
nung gạch tuynen, lò đứng nung vôi.
ở việt Nam, việc sử dụng bê tông chịu lửa trên cơ sở xi măng pooclăng
cũng đã đợc áp dụng tại một số cơ sở nh: Nhà máy kính Đáp cầu, các nhà máy
nung gạch đỏ cho các vị trí nh ống khói, kênh dẫn khí ngay từ những năm
1978. Tuy thời gian gần đây, một loạt các công trình nh: Tổ hợp luyện đồng tại
Sing Quyền Lào Cai, tổ hợp luyện cốc của Hoà Phát tại Hải Dơng, luyện thép

Sông Đà tại Hải Phòng, luyện thép Thanh Hà tại Thanh Hoá theo thiết kế, tại các
vị trí móng lò, kênh khói, sàn chứa phôi thép nóng đỏ đều yêu cầu phải sử dụng
bê tông chịu lửa có mác > 300Mpa, nhiệt độ sử dụng từ 6000C - 10000C. Do đó
để vừa đáp ứng đợc yêu cầu là giá rẻ và yêu cầu cho thi công bê tông khối lớn
tại các dự án nh thế này thì việc sử dụng bê tông chịu lửa dùng xi măng
pooclăng cho mục đích này là yêu cầu cần thiết.

5


Do vậy việc cần có nghiên cứu một cách bài bản và tạo ra loại sản phẩm
bê tông chịu lửa trên cơ sở sử dụng chất kết dính là xi măng pooclăng có chất
lợng cao là hết sức cần thiết tại thời điểm hiện tại.

6


I.3- Quá trình hyđrat hoá và đóng rắn của xi măng

Các đặc trng chung của sự hyđrat hoá xi măng
Cũng nh bất kỳ các phản ứng hoá học khác, hyđrat hoá xi măng là các
phản ứng hyđrat hoá. Dới đây sẽ đa ra tóm tắt của 3 đặc trng của sự hyđrat
hoá xi măng nh sau:
- Các phản ứng của hyđrat hoá:
Đặc điểm tự nhiên của các sản phẩm hyđrat hoá là điều kiện quyết định
cho các tính chất cơ của bê tông đóng rắn. Trong xi măng pooclăng, sự hyđrat
hoá chính là phần lớn các phản ứng của canxi silicat với nớc, tạo ra dạng keo
hydrat can xi silicat và canxi hydroxite.
(C2S + C3S) + H2O CSH (gel) + Ca(OH)2
Trong xi măng hỗn hợp, các phản ứng thờng phức tạp hơn. Tuy nhiên,

các sản phẩm hydrat hoá nói chung thờng tơng tự nh trên.
- Cơ cấu và động học phản ứng:
Nắm đợc cơ cấu của phản ứng hydrat hoá sẽ dự đoán đợc các đặc điểm
phản ứng, bao gồm cả động học. Sự hiểu biết về động học phản ứng và các yếu
tố ảnh hởng là điều quan trọng đối với sản phẩm bê tông. Tốc độ phản ứng
hydrat hoá xi măng phải đủ chậm để cho phép việc tôn trọng và đổ bê tông, sau
đó các phản ứng nhanh lại cần phải đợc thực hiện.
- Nhiệt của phản ứng hyđrat hoá:
Nhiệt giải phóng trong quá trình hyđrat hoá có thể làm tăng hoặc giảm
chất lợng của bê tông. Với xi măng Pooclăng, thông thờng nhiệt hyđrat
khoảng 380J/g tại 28 ngày. Giá trị này thờng thấp hơn so với các loại xi măng
đặc biệt khác (không kể loại xi măng đóng rắn nhanh). Trong trờng hợp xi
măng hỗn hợp, nhiệt toả ra nói chung ít hơn.
Bên cạnh các đặc điểm hoá học đợc nêu trên, các thay đổi lớn của tính
chất lý học xi măng cũng liên quan tới sự hyđrat hoá, các sự thay đổi chính gồm:
+ Sự phát triển cờng độ:
Từ các thực nghiệm, khi xảy ra quá trình hyđrat hoá, xi măng tiếp tục tăng
cờng độ.
+ Tăng bề mặt riêng:
7


Việc chuyển từ dạng xi măng bề mặt thấp sang dạng gel - sản phẩm hyđrat
có bề mặt lớn là một trong những thay đổi đặc biệt của việc hyđrat hoá xi măng.
Sau khi hoàn thành quá trình hyđrat hoá, thông thờng bề mặt riêng tăng lên
khoảng 1000 lần.
+ Tăng thể tích đặc:
Tổng thể tích tạo bởi hàm lợng hyđrat hoá thờng bằng khoảng lần,
lợng thể tích của xi măng cha hyđrat. Điều này có nghĩa là 1cm3 xi măng sẽ
cho khoảng 2cm3 xi măng hyđrat.

Nói chung, sự hyđrat hoá là quá trình tơng tác của chất kết dính với nớc
tạo thành các hợp chất hyđrat. Trong đó số các trờng hợp, sự hyđrat hoá xảy ra
ở nhiệt độ thờng, một số các trờng hợp đặc biệt, ví dụ khi chng hấp bê tông
quá trình hyđrat hoá xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cao. Khi hyđrat hoá các khoáng
clanhke tạo thành các tinh thể khác nhau về thành phần và cấu trúc của các hợp
chất hydro can xi silicat, aluminat và alumoferit, các dung dịch rắn của chúng và
các hợp chấp phức hợp, khi đó một phần từ chúng đợc tách ra ở trạng thái ẩn
tinh (dạng gel). Sự đa dạng của các tinh thể hyđrat trong đá xi măng làm cho
việc nghiên cứu nó trở nên rất phức tạp.
Theo lý thuyết hiện đại về sự đóng rắn của các chất kết dính khoáng, dựa
trên các công trình của viện sĩ P.A.Rebinder và các học trò của ông, V.B.Ratinov
A.F.Polak và A.E.Seikin, quá trình đóng rắn hyđrat hoá gây nên bởi sự hoà tan
của các pha ban đầu giả bền và sau đó là sự tách khỏi dung dịch quá bão hoà của
các hợp chất bền nhiệt động trong điều kiện này theo cơ chế kết tinh. Sự xuất
hiện các chất mới tạo thành xảy ra trong pha lỏng.
Về cơ chế tạo thành các hợp chất hyđrat có hai quan điểm: Một quan điểm
cho rằng các hợp chất hyđrat đợc tạo thành trong dung dịch do độ hoà tan nhỏ
của chúng so với các hợp chất khan nớc. Các nhà nghiên cứu khác lại tuân theo
cơ chế hoá học topo, có nghĩa là do sự tơng tác trực tiếp của khoáng với nớc
trong pha rắn.
Theo Loher, Richrt Sprung, trong điều kiện thông thờng, sự hình thành các
sản phẩm khi xi măng pooclăng đông kết rắn chắc có thể biểu diễn nh hình sau:

8


Nh vây, sản phẩm đợc tạo thành do các phản ứng của C3A, CaSO4.2H2O
và nớc có sự thay đổi thành phần từ dạng canxium-aluminats-trisunphat-hydrat
(Et) sang dạng cunxium-aluminats-sunphat-hydrat (M) là do hàm lợng thạch
cao CaSO4. 2H2O không đủ để liên kết tất cả các sản phẩm thuỷ hoá của

3CaO.Al2O3 thành Et. Chính sản phẩm tạo thành này đã giúp hạn chế ảnh hởng
bất lợi của 3CaO.Al2O3 là ninh kết nhanh nhng sản phẩm thủy hoá lại có cờng
độ rất thấp. Et có cấu tạo tinh thể hình kim với công thức hoá học là
Ca6[Al(OH)6]2. 24H2O . [(SO4)3 . 2H2O)], trong đó ion Al3+ có thể đợc thay thế
bằng các ion khác nh Fe3+, Ti3+ Dạng Et hình thành nh miêu tả gọi là Et sơ
cấp. Sự hình thành Et và sự tạo thành M biểu diễn nh sau:
3CaO. Al2O3 + 3 (CaSO4 . 2H2O) + 25H2O 3CaO.Al2O3. 3CaSO4. 32H2O (Et) (1)
3CaO. Al2O3 + 3CaSO4 . 32H2O + 2(3CaO. Al2O3) + 4H2O 3 (3CaO. Al2O3 .CaSO4.
12H2O) (M) (2)
Dạng Et và M tạo thành tuỳ thuộc vào tỷ lệ Al2O3/CaSO4 . Do trong xi
măng PC, thông thờng tỷ lệ Al2O3/CaSO4 = 1 (0,5 - 1,2) nên đầu tiên tạo thành
Et, nhng sản phẩm cuối cùnglà M. Xi măng có hàm lợng C3A càng lớn, hàm
lợng thạch cao càng nhiều, độ mịn xi măng càng tăng thì khả năng hình thành
Et đầu tiên càng nhiều. Thực tế Et sơ cấp tạo thành trong vữa và bê tông khi hệ
còn trạng thái dẻo, do đó sự dãn nở không gây ảnh hởng có hại đến các đặc tính
của vữa và bê tông.

9


Et cũng có thể hình thành do sự xâm nhập của ion SO42- từ môi trờng sử
dụng vào trong vữa và bê tông trong quá trình sử dụng. Dạng E này gọi là E hình
thành chậm và phản ứng tạo thành nh sau:
Ca(OH)2 + SO42- + H2O CaSO4. 2H2O (3)
3CaO.Al2O3.6H2O + 3(CaSO4.2H2O) + 20H2O 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O
3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O + 2(CaSO4.2H2O) + 16H2O 3CaO. Al2O3 .
3CaSO4 . 32H2O.
I.3.1 Quá trình hydrat hoá các khoáng trong XMP
ắ Sự hyđrat hoá C3S
Khi tiếp xúc với nớc, các hạt C3S3 ngay lập tức tham gia vào sự tơng tác

với nớc và phản ứng rất mạnh. Thành phần cuối cùng của các sản phẩm phản
ứng theo số liệu của nhà nghiên cứu khác nhau nh sau:
2(2CaO.SiO2) + 6H2O = 3 CaO. 2SiO2 . 3H2O + 3Ca(OH)2 + H
3 CaO . SiO2 3H2O = CaO. SiO2.2 . H2O + Ca(OH)2 + H
Sản phẩm ban đầu của quá trình hyđrat hoá C3S là pha hydro silicat canxi
có dạng C3SHx. Sau khoảng 2 - 6h thì C2SHx chuyển thành hydro silicat canxi thứ
sinh có độ bazơ nhỏ, hình thể sợi dài, mảnh C2SH2. Sau đó nếu nồng độ vôi giảm
thì hydro silicat canxi thứ sinh lại tiếp tục phân huỷ thành hydro silicat canxi có
độ bazơ nhỏ hơn là CSH (B):
3CaO . SiO2 + xH2O 3CaO . SiO2 . xH2O
3CaO . SiO2 . xH2O C2SH2 + Ca (OH)2
C2SH2 + H2O

CSH(B) + Ca(OH)2

Thông thờng, các hydro silicat canxi ổn định tạo thành có tỷ lệ C/S = 1.5 - 3.0
- Sự hyđrat hoá C2S
Phản ứng hyđrat hoá C2S và các dung dịch rắn của nó tạo thành các hydro
silicat canxi thành phần khác nhau và số lợng Ca(OH)2 nào đó:
2CaO . SiO2 + 3H2O = CaO . SiO2 . H2O + Ca(OH)2 + H
Thành phần hoá học của các hydro silicat canxi đợc tạo thành khi hyđrat
hoá C2S thay đổi theo thời gian hyđrat hoá. Khi d nớc hydro silicat canxi ban
đầu có thành phần gần với CaO . SiO2 . H2O. Theo mức độ tăng hyđrat hoá C2S
10


từ 0 - 25% thành phần của hydro canxi thay đổi từ CSH đến C1.65SHx có nghĩa là
độ bazơ của nó tăng lên. Tốc độ hyđrat hoá của C2S chậm hơn so với C3S và cũng
là nhỏ nhất so với các khoáng chính có trong clanhke.
Thông thờng có sơ đồ sau:

C2S C2SH2 CSH (B)
ắ Sự hyđrat hoá khoáng C3A
ở nhiệt độ thờng, khi tiếp xúc với nớc, ngay lập tức bề mặt các hạt C3A
mịn sẽ xuất hiện các khoáng nh C4AH19 và C2AH8 (hoặc hỗn hợp của các
C2.4AH10.2). Sau đó các tinh thể này sẽ chuyển dần thành C3AH6 kết tinh dạng
tấm 6 cạnh. Phản ứng của C3A với nớc xảy ra rất nhanh, có thể mô tả nh sau:
2C3A + 27H C2AH8 + C4AH19
Thành phần các sản phẩm hyđrat hoá của C3A rất nhạy cảm với điều kiện
môi trờng nh nhiệt độ, tỷ lệ nớc/chất rắn Vì vậy còn có phản ứng sau:
AH3 tách ra ở dạng vinh tinh sau cùng kết tinh thành các tinh thể dạng tấm.
Nếu hỗn hợp nhào trộn có chứa các ion SO42- thì sản phẩm sẽ theo phản ứng sau:
C3A + 3CaSO4 + 32H2O C3A . 3CaSO4 . 32H2O (Ettringit)
Nếu không đủ SO42- để tạo Ettringit thì các tinh thể Ettringit và hydro
aluminat canxi tác dụng ngợc nhau tạo thành hydro canxi monosunfo aluminat
theo phản ứng.
3C3A . 3CaSO4 .32H2O + 2C3AH6 3(C3A. CaSO4.12H2O) + 8H2O
Các tinh thể Ettringit hình kim hoặc hình lăng trụ, ở gần bề mặt của hạt
C3A cũng nh ở khoảng trống giữa các hạt. Các tinh thể hydro monosunfo
aluminat có dạng tấm. Khi có mặt các ion SO42- tốc độ hyđrat hoá C3A chậm lại.
ắ Sự hyđrat hoá C4AF
Phản ứng hyđrat hoá cũng xảy ra theo các sơ đồ phức tạp và tạo thành các
tinh thể hyđrat khác nhau:
4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 12H2O = 4CaO.Al2O3. Fe2O3.13H2O
4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 120H2O = 3CaO.(Al,Fe)2O3.6H2O + Ca(OH)2 + Fe2O3 . 3H2O
Sản phẩm trung bình của quá trình hyđrat hoá canxi alumoferrit có dạng
C2AH8, dung dịch rắn cao sắt C4(A1-xFx)H19, gel Fe2O3. Tốc độ thuỷ hoá của
C4AF ở giai đoạn đầu lớn. Nếu trong nớc chứa SO42- và Ca(OH)2 thì sẽ tạo
11

thành các hydro canxi sunfo aluminat dạng Tri - và Mono-sunfo, chứa Fe2O3 ở
dạng dung dịch rắn.
ắ Sự hyđrat hoá các pha còn lại của clanhke
Cao và MgO tự do bị phân huỷ tạo thành Ca(OH)2 (Portladite) và Mg(OH)2
(bruxit). Sự tơng tác của chúng với nớc xảy ra chậm kèm theo sự tăng thể tích
có thể là nguyên nhân không ổn định thể tích của đá xi măng trong thời gian
đóng rắn về sau (khoảng 10 năm sau).
Pha thuỷ tinh của clanhke xi măng Pooclăng bị hyđrat hoá rất nhanh tạo thành
các dung dịch rắn của các canxi alumoferrit thành phần 3CaO . Al2O3 . Fe2O3 . 6H2O
và các hydrogranat có công thức chung 3CaO.(Al,Fe)2O3.xSiO2.(6 - x) H2O. Cả hai
dạng hợp chất này đều tạo thành ở điều kiện thờng nhng sự kết tinh rõ ràng
của chúng chỉ xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cao.
I.3.2 Quá trình hyđrat hoá và đóng rắn của đá xi măng
ắ Quá trình hoá học khi hyđrat hoá xi măng Pooclăng
Do trong xi măng có chứa hàng loạt các hợp chất phức tạp nên quá trình
hyđrat hoá các khoáng trong xi măng Pooclăng nhìn chung là khác so với quá
trình hyđrat hoá của các đơn khoáng.
Có thể chia quá trình hyđrat hoá xi măng thành 3 giai đoạn:
- Giai đoạn đầu:
Khi các hạt xi măng tiếp xúc với nớc, trên bề mặt tiếp xúc ngay lập tức
xảy ra phản ứng hoà tan các tinh thể khoáng khan nớc và kết quả làm nớc trở
nên bão hoà bởi các ion Ca2+, SO42-, OH-, K+ Khi đó lại xảy ra quá trình kết
tinh Ettringit, Ca(OH)2 làm cho hàm lợng các ion này trong dung dịch nớc
giảm đi và các khoáng xi măng lại tiếp tục hoà tan ra.
- Giai đoạn hai:
ở giai đoạn này quá trình tác các tinh thể số lợng lớn hơn, đây chính là
giai đoạn kìm hãm quá trình hyđrat hoá, sau đó 1 - 3h thậm chí còn lâu hơn thì
các tinh thể Ettringit, Ca(OH)2 lớn lên làm phá huỷ lớp vỏ hyđrat hoá, do đó quá
trình hyđrat hoá lại tăng nhanh. Tuỳ theo mức độ tích luỹ sản phẩm mới mà lớp
vỏ liên tục đợc hàn rồi lại phá vỡ, quá trình hyđrat hoá liên tục bị kìm hãm rồi

lại tăng tốc. Nếu sau đó đã hết SO42- mà vẫn còn d C3AHx tự do thì trong các
12


không gian hẹp có thể xảy ra phản ứng tơng tác của Ettringit với hydro canxi
aluminat tạo thành hydro canxisunfo aluminat dạng monosunfo. Do đó hàm
lợng Ettringit giảm xuống, hàm lợng dung dịch rắn C4(A,F)H13 tăng lên.
- Giai đoạn cuối cùng:
Đây là giai đoạn kết thúc đóng rắn, ở giai đoạn này tốc độ hyđrat hoá xi
măng phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán của các phân tử nớc qua lớp vỏ dày đặc biệt
đến các hạt xi măng cha hyđrat hoá, giai đoạn này kéo dài thậm chí đến 10 năm.
ắ Quá trình đóng rắn của xi măng Pooclăng
Có nhiều thuyết khác nhau giải thích quá trình đóng rắn của các chất kết
dính, nh tổng hợp của các quan điểm này chính là thuyết của A.A.Baicov, theo
thuyết nào, quá trình đóng rắn xi măng chia làm 3 giai đoạn:
- Giai đoạn chuẩn bị:
Khi xi măng trộn với nớc thì sẽ xảy ra các phản ứng hoá học tạo thành các
sản phẩm nh hydrosilicat canxi, hydroaluminat canxi Quá trình hyđrat hoá
xảy ra hết lớp này đến lớp khác cho đến khi môi trờng bão hoà hoàn toàn các
sản phẩm thì chuyển sang giai đoạn keo hoá.
Các hạt xi măng dới tác dụng của nớc tạo thành dung dịch quá bão hoà
từ đó tách ra các khối tinh thể dạng gel. Khoảng trống giữa các hạt đợc lấp đầy
bởi dung dịch nớc của các chất điện ly, các tinh thể Ca(OH)2 và Ettringit, ở
phần ngoài lớp vỏ, đặc biệt là khoảng trống giữa các hạt, các tinh thể nhỏ phát
triển sắp xếp tốt và ở phần còn lại của lớp vỏ thì các sản phẩm hyđrat hoá tách ra
ở trạng thái vi tinh thể.
- Giai đoạn keo hoá:
Các vi tinh thể tiếp xúc với nhau tạo thành các điểm tiếp xúc keo tụ và tiếp
xúc kết tih, trong giai đoạn này hồ xi măng vẫn dẻo nhng độ linh động đã giảm
dần, nớc tự do một phần chuyển thành nớc liên kết hoá học. Xi măng bị ninh

kết nhng cha có cờng độ.
Các hạt xi măng riêng lẻ nối với nhau qua lớp nớc trung gian thành lới
không gian xốp nhờ lực Vander Wall của các phân tử liên kết tạo thành cấu trúc
keo tụ của hồ xi măng.
- Giai đoạn đóng rắn:
13


Là thời kỳ các hạt gel mất dần nớc và xít chặt lại với nhau để cho cờng
độ các gel mất nớc này chuyển thành các mầm kết tinh, theo thời gian các mầm
kết tinh lớn lên thành các tinh thể kèm theo sự phát triển cờng độ. Khung cấu
trúc tinh thể đợc tạo thành chống lại sự suy giảm thể tích của đá xi măng cứng,
mặc dù các phản ứng hoá học vẫn xảy ra và thể tích của các tinh thể sản phẩm
không ngừng tăng lên làm điền đầy các lỗ xốp trong cấu trúc và làm tăng độ chặt
của đá xi măng.
Khi khối vật liệu kết tinh thành hoàn toàn là kết thúc quá trình đóng rắn và
cho cờng độ vĩnh cửu.
I.3.3 Quá trình hyđrat hoá xi măng khi có mặt phụ gia khoáng
Nhìn chung, khi thêm phụ gia khoáng cho xi măng, thờng có ba tác động
của phụ gia khoáng đến quá trình hyđrat hoá xi măng và cấu trúc đá xi măng, đó
là: hiệu ứng pha loãng, hiệu ứng thay đổi phân bố cỡ hạt - đây là hai ảnh
hởng trực tiếp khi thay thế xi măng bằng bột phụ gia, ảnh hởng thứ ba là tạo
mầm kết tinh, đây là hiệu ứng quan trọng của phụ gia khoáng siêu mịn.
ắ Hiệu ứng pha loãng: tơng đơng với việc tăng tỉ lệ nớc: xi măng (ký
hiệu P) tăng P đồng nghĩa với việc giảm lợng xi măng. Tuy nhiên, khi giảm lợng
xi măng sẽ làm giảm lợng xi măng hyđrat.
ắ Hiệu ứng phân bố cỡ hạt: phụ thuộc vào độ mịn và hàm lợng phụ gia
khoáng, có ảnh hởng đến sự thay đổi các lỗ xốp bên trong của đá xi măng.
ắ ảnh hởng tạo mầm kết tinh dị thể: đây là một quá trình vật lý, theo hớng
ảnh hởng đến các quá trình hoá học của sự hyđrat hoá xi măng. Nó liên quan đến

sự tạo mầm của hợp chất hyđrat trên các hạt phụ gia khoáng. Hiệu ứng này phụ
thuộc vào: độ mịn của hạt phụ gia khoáng, hàm lợng phụ gia khoáng sử dụng và
bản chất của phụ gia khoáng.
Khi sử dụng gia khoáng hoạt tính thì quá trình hyđrat hoá có sự thay đổi so
với xi măng gốc, sự thay đổi này phụ thuộc vào loại và lợng phụ gia. Ví dụ: đối với
xỉ hạt lò cao có tính chất thuỷ lực tiềm tàng, do đó đợc xem một chất hoạt động.
Tro bay loại F có hàm llợng sắt cao có đặc tính poozolan, silicafum, phụ gia hoạt
tính poozolan tự nhiên.

14


i.4- cơ sở khoa học việc sử dụng phụ gia khoáng nghiền mịn
trong xi măng và bê tông chịu lửa.

Nh trên đã phân tích về sự phá huỷ cấu trúc XMPL dới tác dụng của
nhiệt độ cao, xảy ra quá trình tách nớc của Ca(OH)2 tạo ra CaO tự do và quá
trình thuỷ hoá lần hai của CaO tự do trong đá XMPL. Để làm giảm quá trình này
cần sử dụng các loại phụ gia làm giảm sự co ngót của đá xi măng khi đốt nóng,
liên kết các thành phần khoáng thuỷ hoá của xi măng, liên kết CaO tự do để hình
thành các liên kết mới. Quá trình này đợc thực hiện trên cơ sở lý thuyết phản
ứng vật chất ở trạng thái rắn. Lý thuyết này đã đợc nghiên cứu từ cuối thể kỷ
XIX đầu thể kỷ XX.
Phản ứng vật chất ở trạng thái rắn khác với các phản ứng ở trạng thái pha
lỏng và khí, cùng với các quá trình hoá học trong hệ còn xảy ra quá trình vật lý
và hoá lý. Phản ứng pha rắn chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao. Khi đạt tới một nhiệt độ
nào đó, các nguyên tử trong mạng lới tinh thể của các chất phản ứng giao động
xung quanh điểm nút, có thể dịch chuyển bên trong mạng lới tinh thể trở lên
lỏng lẻo hơn, số khuyết tật trong mạng lới tăng lên và quá trình khuyếch tán
tăng lên đảm bảo tác dụng tơng hỗ trong các pha rắn.

Quá trình khuyếch tán khi phản ứng ở trạng thái pha rắn là quá trình tự
dịch chuyển vật chất, dẫn tới thiết lập sự phân bố cân bằng nồng độ do chuyển
động nhiệt. Tốc độ của quá trình khyuếch tán qua lớp phẳng có thể đo đợc bằng
hệ số khuyếch tán D theo định luật Fyk.
dC/dt = D. d2C/dX2 = d/dx. [D.dc/dx]
Trong đó:

C: Nồng độ của cấu tử khuyếch tán
t: Thời gian khuyếch tán
x: Hớng dọc theo gradien nồng độ dC/dx
D: Hệ số khuyếch tác D = /C.o
: Hệ số dịch chuyển chất
C: Dung tích của vật thể
o: Mật độ của hệ thống vật thể

Quá trình khuyếch tán xảy ra trong vật rắn khác nhau rất nhiều, ngời ta
phân chia ra: tự khuyếch tán và dị khuyếch tán. Theo hớng chuyển dịch của các
15


nguyên tử chia ra: khuyếch tán thể tích (ở sâu trong mạng lới), khuyếch tán
theo giới hạn hay là khuyết tận của tinh thể (bên trong bề mặt của vật thể) và
khuyếch tán bề mặt (bên ngoài bề mặt vật thể).
Trên cơ sở các nghiên cứu của YA.Y.Frenkel, YA.E.Geguzyn và một số
ngời khác đã trình bày cơ chế dịch chuyển các nguyên tử trong mạng lới tinh
thể nh sau:
a. Cơ thể thay đổi đơn giản: Thay đổi trực tiếp vị trí của hai nguyên tử. 1 hay là
cơ thể vòng tròn khi đồng thời dịch chuyển một số nguyên tử phân bố ở dạng
vòng tròn kín - 2 (hình I.4.1)
b. Cơ chế lỗ trống: Dịch chuyển các nguyên tử từ các nút của mạng lới vào vị

trí lỗ trống - 3.
c. Cơ chế dịch chuyển vào khe của mạng lới: Dịch chuyển các nguyên tử vào
khe của mạng lới 4, nh thế hình thành các khuyết tật dạng Frenkel, các
nguyên tử dễ dàng dịch chuyển trong tinh thể từ một khe khác. Một trong những
phơng án của cơ chế này gọi là cơ chế dịch chuyển từ khe mạng lới hay là cơ
chế tiếp nối - 5.
d. Cơ chế d thừa: Trong mạng lới ở n vị trí nút phân bố n + 1 nguyên tử, trong
trờng hợp chung là n + 1 nguyên tử - 6.

Hình I.4.1 Các khả năng của cơ chế khuyếch tán trong dung dịch rắn
bằng sự thay đổi chỗ

1. Thay đổi đơn giản

2. Thay đổi chu kỳ hay vòng tròn

3. Thay thế chỗ trống

4. Thay thế giữa các nút đơn giản
16


Các tơng tác hoá học trong hỗn hợp các vật thể rắn có đặc điểm: chúng
xảy ra trên bề mặt phần chia pha, không phải lúc nào các tơng tác cũng xảy ra,
chỉ khi nào các chất điểm có năng lợng đủ lớn, các ion thắng đợc các lực liên
kết xung quanh. Quá trình khuyếch tán xảy ra trong mạng lới và sang cả mạng
lới tiếp xúc với nó, lúc đó phản ứng hoá học xảy ra. Theo G.F.Khiuttg, quá
trình tơng tác hoá học chia ra sáu giai đoạn chủ yếu:
1. Thời kỳ bao phủ: Các hạt tiếp xúc nhau, khi nhiệt độ tăng mức độ phân tán
lớn, chất điểm hoạt động hơn xẽ bao phủ chất điểm ít hoạt động.

2. Gia đoạn hoạt hoá thứ nhất: Khi nhiệt độ tăng, tính linh động của các ion chất
phản ứng khuyếch tán dịch chuyển tăng và sản phẩm phản ứng có thể hình
thành. Sản phẩm này có nhiều khuyết tật, trong giai đoạn này chất điểm có hoạt
tính lớn.
3. Giai đoạn mất hoạt hoá thứ nhất: Do hiện tợng hình thành sản phẩm trên bề
mặt các chất nên khả năng khuyếch tán chất này đến chất kia giảm, làm khả
năng hoạt tính giảm.
4. Giai đoạn hoá thứ hai: Nhiệt độ lớn hơn thời kỳ 1, chất tham gia phản ứng có năng
lợng lớn, các ion có khả năng dịch chuyển lớn, chất phản ứng này dịch chuyển và
khuyếch tán sâu vào nội bộ chất kia, sản phẩm phản ứng tiếp tục hình thành.
5. Giai đoạn mất hoạt tính lần hai: Phản ứng xảy ra trong nội bộ vật chất, các
mầm tinh thể lớn dần lên, mạng lới tinh thể còn nhiều khuyết tật, giai đoạn này
hoạt tính giảm dần.
6. Giai đoạn hoàn chỉnh: Các mầm tinh thể đã lớn hẳn, cách khuyết tật của mạng
đợc khắc phục, quá trình phản ứng kết thúc.
i.5- vai trò của phụ gia khoáng nghiền mịn trong đá xi măng

Sự phá huỷ đá XMPL đóng rắn sau nung xảy ra chủ yếu do tái thủy hoá
Ca(OH)2.G.M.Gushk đã tiến hành các nghiên cứu với các mẫu XMPL (XMOPC)
và các mẫu XMPL có pha thêm các phụ gia (XMHH) nh: đá bọt, sét, xỉ, đất
hoàng thổ.
G.M. Gushuk xác định rằng các quá trình tái thuỷ hoá XMOPC (không
phụ gia) và XMHH xảy ra khác nhau.
- Với XMOPC thì sự toả nhiệt tăng theo mức độ tăng nhiệt độ nung.
17


- Với XMHH thì toả nhiệt tối đa quan sát khi nung ở 3000C sau đó thì
giảm dần; đặc biệt toả nhiệt giảm rõ ở 800 - 10000C.
Với các XM hỗn hợp có phụ gia khoáng mịn không có sự toả nhiệt nhiều

đặc trng tại khoảng 500 - 6000C chứng tỏ hàm lợng thấp đáng kể Ca(OH)2
trong các XMHH. Sự giảm toả nhiệt đặc trng ở khoảng 800 - 10000C chứng tỏ
về quá trình liên kết Ca(OH)2
Năm 1933 - 1934 V.M. Moxkvin và V.V.Kuraiev đã tiến hành nghiên cứu
các tính chất bền nhiệt của XMPL có sử dụng các phụ gia nghiền mịn và đa ra
yêu cầu đối với các phụ gia này nh sau:
- Phải có khả năng liên kết với CaO tự do, do vậy loại trừ khả năng thuỷ
hoá của nó;
- Theo khả năng không hình thành với các khoáng XM các chất dễ chảy;
- Bền với tác động của nhiệt độ cao;
- Giảm co khi XM đóng rắn;
- Không làm giảm hoạt tính của XM.
Hiệu quả của các phụ gia nghiền mịn và lợng tối u của chúng xác định
bằng cách xác định mức độ liên kết CaO tự do trong quá trình nung, sự thay đổi
cờng độ nén, độ co, độ chịu lửa và nhiệt độ biến đổi dới tải trọng.
I.5.1- Liên kết CaO tự do với các phụ gia nghiền mịn.
Các nghiên cứu của một loại các nhà nghiên cứu cho thấy CaO tự do liên
kết tốt dới tác động của các nhiệt độ cao với các chất chứa Al2O3 và SiO2. Ngay
ở nhiệt độ thờng SiO2 thậm chí có thể tơng tác với CaO, tuy nhiên phản ứng
xảy ra rất chậm. Khi tăng nhiệt độ và độ thậm chí có thể tơng tác với CaO, tuy
nhiên phản ứng xảy ra rất chậm. Khi tăng nhiệt độ và độ ẩm thì vận tốc phản ứng
giữa SiO2 và CaO ban đầu tăng, sau đó theo mức độ mất nớc, sẽ giảm và tiếp đó
là ngừng hoàn toàn.
Trong bảng I.5.1 có các số liệu của Iu.M.Butt thể hiện liên kết của Ca(OH)2 của
đá xi măng với diatomit và bột thạch anh khi giữ mẫu trong các điều kiện thờng
và chng hấp.
Bảng I.5.1.1 Liên kết Ca(OH)2 của đá xi măng với các phụ gia nghiền mịn
Loại và lợng phụ gia
cho vào XM

Lợng Ca(OH)2, % trong XM
Lu trong điều kiện thờng

18

Chng


6 tháng

áp 800C

5,47

5,94

0,26

13,31

14,31

14,77

0,98

12,01

14,04

14,86

2,51

3 ngày

7 ngày

28 ngày 3 tháng

25% diatomit

4,72

5,51

5,18

20% cát thạch anh nghiền

8,41

10,71

Không phụ gia

9,83

10,85

Từ các số liệu trên cho thấy khi lu mẫu trong điều kiện thờng thì thạch anh
tinh thể thực tế không tham gia vào phản ứng với Ca(OH)2. Trong quá trình chng
áp, cát thạch anh nghiền mịn liên kết với Ca(OH)2 cũng tốt nh đối với ditomit.
Theo các số liệu của I.E.Gurvich và M.C.Agaphônô, phản ứng tơng tác
giữa SiO2 vô định hình và CaO ở trạng thái rắn xảy ra mãnh liệt tại 500 - 6000C,
còn với thạch anh tinh thể chỉ xảy ra ở 6000 C. P. P. Budnikov cho rằng trong pha
rắn, phản ứng giữa SiO2 và CaO (tỷ lệ 1/1) xảy ra thông qua liên kết trung gian
không bền 2CaO.SiO2 và 3CaO.2SiO2 sau đó đến cuối cùng CaO. SiO2
V.F.Jurablev nghiên cứu tốc độ phản ứng xảy ra khá chậm, nhng khi nâng tiếp
nhiệt độ thì tốc độ phản ứng tăng nhanh.
Để nghiên cứu các quá trình xảy ra trong đá xi măng dới ảnh hởng của
nhiệt độ cao với phụ gia cát thạch anh nghiền mịn, ngời ta tiến hành xác định
hàm lợng CaO tự do trong XM OPC đóng rắn và trong XMHH có cát thạch anh
nghiền mịn.
Khi dùng 25% cát thạch anh nghiền vào XMOPC lợng CaO tự do khi
nung đến 600 - 10000C giảm hai lần so với mẫu đối chứng XMOPC. Trong các
mẫu nung ở các nhiệt độ cao khác nhau và lu trong điều kiện không khí khô
trong 1 tháng, không thấy có CaO tự do, có thể giải thích sự liên kết của CaO với
cát thạch anh và một phần bị cacbonat hoá. Trong XMOPC nhận thấy có sự tăng
một lợng nhỏ của CaO tự do sau nung ở nhiệt độ 600 - 10000C, điều này đợc
giải là do sự phân rã của silicat hai canxi (C2S) và CaO. Số liệu về sự liên kết của
19


CaO với thạch anh nghiền mịn có trong nghiên cứu của K.Đ.Nekraxov và
E.G.Oiamaa nêu trong bảng I.5.1.2

Bảng I.5.1.2 Hàm lợng CaO tự do trong đá XM phụ gia thạch anh nghiền
mịn và nhiệt độ nung
Hàm lợng CaO tự do, % tại các khoảng nhiệt độ

Tỷ lệ XM/thạch anh
1000C

2000C

4000C

6000C

8000C 10000C 12000C

80:20

14,0

13,5

13,0

12,2

11,0

4,7

4,7

70:30

11,5

13,0

11,5

11,3

9,5

5,5

2,0

60:40

12,0

11,9

11,8

10,5

9,5

5,0

1,5

50:50

10,0

9,5

8,8

10,0

8,0

3,9

1,5

40:60

9,5

8,2

7,8

8,2

5,0

2,1

1,0

30:70

7,0

6,8

6,0

6,2

5,0

2,2

0,7

Từ bảng trên cho thấy sự tăng hàm lợng cát thạch anh nghiền trong đá
XM làm giảm hàm lợng CaO tự do. Cùng với việc tăng nhiệt độ cũng nh tăng
hàm lợng cát thạch anh nghiền, sự liên kết của CaO tự do với cát nghiền càng
diễn ra mạnh mẽ.
Nghiên cứu vi cấu trúc đá XM chứa thạch anh nghiền mịn với kích thớc
hạt < 60 àm cho thấy tại các vùng tiếp xúc của các hạt thạch anh và nền XM
không thấy các biên phản ứng mà chỉ nhận thấy sự phát triển đều tinh thể
Ca(OH)2 có dạng viền mỏng xung quanh các hạt XM.

20


Nung đá XM đã đóng rắn có phụ gia cát thạch anh nghiền lên 10000C xảy

ra sự hình thành các biên dị hớng mảnh nhỏ tại mặt tiếp xúc với XM. Liên kết
các hạt thạch anh với XM khá chắc.
Khi tăng kích thớc các hạt cát thạch anh từ 120 lên 400àm thì vi cấu trúc
của mẫu sau khi nung đến 7000C nhận thấy ở tất cả mẫu đều có các vết nứt nhỏ
xung quanh bề mặt tiếp xúc của hạt thạch anh với nền XM. Mẫu cờng độ thấp
dễ vỡ khi ấn tay, khi nung đến 10000C mẫu có cấu trúc giòn hơn, lợng các vết
nứt nhỏ nhiều hơn và chúng đợc quan sát thấy không chỉ tại vùng tiếp xúc của
hạt thạch anh và hạt XM mà còn ở nền đá xi măng.
Trong mẫu đá nung tới 1200 - 12500C nhìn dới kính hiển vi có thể quan
sát thấy các hạt thạch anh chảy, bao bọc bởi các biên mảnh của giả - vollastonit.
Giả - vollastonit cũng tập hợp thành cụm, ngoài các khoáng đó ra, trong mẫu còn
quan sát thấy một lợng đáng kể các mảnh khoáng mà theo chỉ số quang học gần
với khoáng 3CaO.2SiO2. Kích thớc các mảnh có thể đạt 0,4 x 0,1mm; các mảnh
này bị bao bọc bởi giả vollastonit và pha thủy tinh.
Sự xuất hiện các vết nứt trong mẫu xi măng có pha thêm cát thạch anh
nghiền có cỡ hạt từ 120 - 400àm là do khả năng ổn định kém của hạt thạch anh
dới tác động của các nhiệt độ cao. Khi nung thạch anh đến 573 - 5750C xảy ra
sự chuyển hoá thù hình - thành - thạch anh với sự tăng thể tích. Điều này gây
nên sự phá huỷ cấu trúc của đá xi măng. Nh vậy, mặc dù cát thạch anh tơng
tác khá tốt với CaO tự do, tuy nhiên tự nó không đủ bền dới tác động của nhiệt
độ cao vì thế khôgn thể dùng nó nh phụ gia cho xi măng pooc lăng để có tính
bền nhiệt.
Khi nghiên cứu bằng kính hiển vi các mẫu đá xi măng có phụ gia samốt
nghiền đã xác định đợc rằng trong các mẫu cha bị nung bên cạnh gel có một
lợng lớn các hạt nhỏ Ca(OH)2, hình thành tập hợp tinh thể lớn và lấp đầy lỗ
trống. Các tinh thể riêng biệt đạt kích thớc 0,03 x 0,1mm. Xung quanh các hạt
xi măng thấy rõ các biên của gel. Khi nung tới 8000C mẫu có mầu xám sáng với
ánh hồng đặc trng, cờng độ của nó so với cờng độ của mẫu trớc nung giảm
nhiều. Gel biến mất khi đốt nóng, bên cạnh đó hiếm xuất hiện các hạt xi măng.

21