Chương 3 chất kết dính vô cơ

University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải

VẬT LIỆU XÂY DỰNG


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
CHƯƠNG 3: CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ
3.1. Khái niệm chung
Chất kết dính vô cơ là các chất vô cơ ở dạng bột mịn hoặc lỏng khi
nhào trộn với nước tạo thành hồ dẻo. Sau các quá trình hóa lý hồ trở
nên rắn chắc và chuyển thành đá.
 Chất kết dính vô cơ có khả năng kết dính các loại vật liệu rời rạc
(cát, đá, sỏi) thành một khối đồng nhất như bê tông, gạch silicat,
vữa xây dựng…


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
Tùy theo thành phần, tính chất và môi trường rắn chắc chất kết
dính vô cơ được chia làm 3 loại: Chất kết dính rắn trong không
khí, trong nước và trong hơi nước quá nhiệt.
 CKD vô cơ rắn trong không khí: Có khả năng rắn chắc và phát triển
cường độ trong môi trường không khí. Bao gồm: vôi rắn trong không
khí(thành phần chủ yếu là CaO); Chất kết dính manhê (thành phần chủ
yếu là MgO); Chất kết dính thạch cao( thành phần chủ yếu là CaSO 4)
và thủy tinh lỏng ( Silicat Natri hoặc Kali: Na2.nSiO2 hoặc K2.mSiO2)
 CKD rắn trong nước có khả năng rắn chắc và phát triển cường độ trong
môi trường không khí và nước. Xi măng silicat với khoáng vật chủ yếu
là silicat canxi (đến 75%); các loại xi măng pooc lăng; xi măng alumin:

aluminat canxi là các khoáng chủ yếu.
 CKD rắn trong hơi nước quá nhiệt gồm những chất dính kết có khả
năng rắn trong môi trường hơi nước bão hòa. 2 thành phần chủ yếu là
CaO-SiO2. Ở điêu kiện thường chỉ có CaO đóng vai trò kết dính, nhưng
trong điều kiện autoclave thì các khoáng mới có chất lượng cao được
hình thành. Bao gồm: Chất kết dính vôi-silic, vôi-tro, vôi xỉ,…


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
3.2. Xi măng Portland thông dụng
 Mặc dù mới phát triển từ đầu thế kỷ XIX, nhưng do những ưu điểm
nổi bật (cường độ cao, rắn nhanh…) nên xi măng đã trở thành chất
kết dính vô cơ quan trọng nhât trong xây dựng dân dụng, giao thông
vận tải và các công trình xây dựng khác.
Xi măng PC là loại xi măng được sản xuất bằng cách nghiền mịn
hỗn hợp gồm (95% ÷ 96%) clanhke pooclăng và (4% ÷ 5%)
thạch cao đến khi lượng sót lại trên sàng 0,09 mm dưới 10%,
hay bề mặt riêng đạt trên 2800 cm2/g.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
3.2.1. Thành phần xi măng Portland
Xi măng PC được sản xuất bằng cách nghiền mịn hỗn hợp gồm
(95% ÷ 96%) clanhke pooclăng và (4% ÷ 5%) thạch cao đến khi
lượng sót lại trên sàng 0,09 mm dưới 10%, hay bề mặt riêng đạt
trên 2800 cm2/g. Nhiệt độ đầu ra của máy nghiền không được quá
80 °C ÷ 90 °C để xi măng không hấp hơi nước và không bị mất
nước của thạch cao.

+ Clanhke pooclăng (Clinker portland) là sản phẩm dạng hạt có
đường kính khoảng 10 mm ÷ 40 mm. Clanhke được sản xuất bằng
cách nung đến nhiệt độ kết khối (1450 °C) hỗn hợp chứa khoảng
75% đá vôi, 25% đất sét và các nguyên liệu phụ được nghiền nhỏ
và trộn đều với nhau.
+ Thạch cao có tác dụng điều chỉnh thời gian đông kết (ninh kết)
của xi măng.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
 Clinke có cấu trúc gồm nhiều khoáng ở dạng tinh thể và một số
khoáng ở dạng vô định hình. Chất lượng của Clinke phụ thuộc vào
thành phần khoáng vật, hóa học và công nghệ sản xuất. Tính chất
của xi măng do chất lượng của clinke quyết định.
3.2.1.1. Thành phần hóa học của clinke

Thành phần hoá học được của clanhke được biểu thị bằng hàm lượng
(%) các oxit có trong clanhke.
- Các oxit chủ yếu trong clanhke chiếm khoảng 95%  97%, dao
động trong giới hạn: (63%  66%) CaO; (21%  24%) SiO2; (4%
 8%) Al2O3; (2%  4%) Fe2O3.
- Các oxit khác (MgO; SO3; K2O; Na2O; P2O5...) chiếm tỷ lệ không
lớn và có hại đến chất lượng của xi măng bê tông. Cần phải khống chế
ở hàm lượng đảm bảo không gây hại cho cốt liệu của bê tông.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
3.2.1.2. Thành phần khoáng vật

Clanhke pooclăng bao gồm 4 khoáng vật chính:
- Silicat tricanxit (alit) 3CaO.SiO2 (C3S) chiếm khoảng 45%  60%.
Đây là khoáng vật quan trọng nhất của clanke, nó quyết định cường
độ,tốc độ rắn chắc nhanh, tỏa nhiều nhiệt và các tính chất khác của xi
măng . Xi măng càng nhiều C3S thì cường độ càng cao và rắn chắc
càng nhanh nhưng dễ bị ăn mòn.
- Silicat dicanxit (bêlit) 2CaO.SiO2 (C2S) chiếm khoảng 15%  35%,
là khoáng quan trọng thứ hai, có 5 dạng tinh thể. Là khoáng silicat
làm cho xi măng phát triển cường độ dài ngày, nó rắn chắc chậm
nhưng đạt cường độ cao ở tuổi muộn.
- Aluminat tricanxit 3CaO.Al2O3 (C3A) chiếm khoảng 4%  12%,
khối lượng riêng 3,04g/cm3, thuỷ hoá và rắn chắc nhanh nhưng
cường độ nhỏ và không bền sunphat. Đây là khoáng vật hoạt động
mạnh nhất nhưng làm giảm độ bền nước của xi măng.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
Fero aluminat tetracanxi 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF) chiếm khoảng 10%
 12%, khối lượng riêng 3,77g/cm3. Tốc độ rắn chắc và toả nhiệt trung
gian giữa alit và bêlit. Khoáng vật này không gây ảnh hưởng lớn đến tốc
độ rắn chắc và toả nhiệt của xi măng.
Ngoài ra, trong clanke còn một số oxit như MgO, Na2O, K2O, Al2O3,
Fe2O3…có thể gây ra tình trạng nứt nẻ kết cấu, gây mất tính ổn định thể
tích của xi măng.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
3.2.1.3. Quá trình rắn chắc của xi măng

a. Phản ứng thủy hóa
Khi xi măng tác dụng với nước sẽ xảy ra các phản ứng thuỷ hoá giữa các khoáng
vật chủ yếu trong xi măng với nước.
- Giai đoạn đầu xảy ra quá trình tác dụng nhanh của C3S với nước tạo ra
hydrosilicat canxi và hydroxit canxi
2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2
- Bêlit C2S phản ứng tạo ra sản phẩm tương tự nhưng chậm hơn.
2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.2H2O + Ca(OH)2
Khoáng Aluminat tricanxit là khoáng hoạt động nhất trong xi măng. Ngay sau khi
trộn với nước trên bề mặt các hạt xi măng đã có lớp sản phẩm xốp, không bền là
4CaO.Al2O3.9H2O và 2CaO.Al2O3.8H2O. Cấu trúc dạng tơi xốp này làm giảm độ
bền nước của xi măng. Cuối cùng, ở dạng ổn định, sản phẩm được tạo ra là hydro
aluminat canxi có tinh thể lập phương
3CaO.Al2O3 + 6H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O
Phản ứng xảy ra rất nhanh và làm xi măng cứng sớm. Do đó, để làm chậm quá
trình rắn chắc của xi măng, khi nghiền clinke cần cho thêm một lượng thạch cao
đóng vai trò là chất hoạt động hoá học của xi măng.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
Khi có mặt thạch cao [CaSO4.2H2O], C3A có phản ứng tạo sunfua aluminat canxi
ngậm nước (khoáng entrigit) là chất tăng thể tích rất mạnh (khoảng 2 lần) chèn chặt
các lỗ rỗng làm tăng cường độ và độ ổn định. Ban đầu sản phẩm ở dạng keo mịn bao
bọc bề mặt C3A làm chậm sự thuỷ hoá của nó

Sau đó entrigit còn phản ứng với C3A còn lại tạo muối kép sunphat

Fero aluminat tetracanxit phản ứng tạo hydro aluminat canxi và hydro ferit canxi

University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
XI MĂNG POOCLĂNG HỖN HỢP
(Portland blended cement - PCB)
Xi măng pooclăng hỗn hợp là loại xi măng được nghiền chung ba thành
phần gồm 61% ÷ 81% clanhke, 4% ÷ 5% thạch cao và các phụ gia
khoáng, có thể sử dụng phụ gia công nghệ (≤ 1%) nếu cần thiết. Cũng có
thể trộn chung xi măng PC và bột mịn phụ gia theo tỷ lệ thiết kế trước bởi
mác xi măng PCB.
Chất lượng xi măng PCB phụ thuộc vào: chất lượng của clanhke pooclăng
hoặc chất lượng xi măng PC; chất lượng phụ gia khoáng; chất lượng hoặc
trình độ của công nghệ sản xuất xi măng.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
Các giai đoạn rắn chắc của xi măng
Sau khi nhào trộn với nước, các quá trình lý hoá phức tạp xảy ra khiến
cho hỗn hợp ban đầu chỉ là hồ dẻo sau biến thành đá cứng và có cường
độ.
Theo thuyết Baykov-Rebinder quá trình rắn chắc của xi măng được chia
làm 3 giai đoạn: giai đoạn hoà tan - giai đoạn hoá keo - giai đoạn kết
tinh và tiếp theo đó là quá trình rắn chắc.
- Giai đoạn hòa tan: Khi nhào trộn xi măng với nước, các thành phần
khoáng sẽ tác dụng với nước ở ngay trên bề mặt hạt xi măng. Những
sản phẩm mới tạo thành được như Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O sẽ bị
hòa tan. Nhưng vì độ hòa tan không lớn và lượng nước có hạn nên dung
dịch nhanh chóng trở nên bão hòa.

University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
- Giai đoạn hóa keo: giai đoạn này bắt đầu có sự đông kết do các sản
phẩm Ca(OH)2; 3CaO.Al2O3.6H2O mới tạo thành không tan nữa mà tồn
tại ở dạng keo. Các sản phẩm entrigit, CSH vốn không tan nên vẫn tồn
tại ở thể keo phân tán. Nước bay hơi và phản ứng với xi măng, hỗn hợp
mất dần tính dẻo và đặc sệt dần lại, tỷ lệ pha rắn - pha lỏng tăng nhanh.
Các sản phẩm ở thể keo liên kết với nhau tạo thành thể ngưng keo.
- Giai đoạn kết tinh: giai đoạn này kết thúc quá trình đông kết, nước ở
thể ngưng keo vẫn tiếp tục bay hơi, sản phẩm mới tạo ra ngày càng
nhiều, chúng kết tinh thành tinh thể rồi chuyển sang thể liên tinh làm
cho cả hệ thống hóa cứng, tạo ra khối rắn chắc, cường độ tăng nhanh.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
3.2.2. Các tính chất chủ yếu của xi măng
3.2.2.1. Khối lượng riêng
Khối lượng riêng là khối lượng một đơn vị thể tích xi măng hoàn
toàn đặc sau khi sấy khô hoàn toàn.
Khối lượng riêng của xi măng được xác định theo công thức:
ρx= m/V (g/cm3)
 Thí nghiệm xác định khối lượng riêng của xi
măng (TCVN 4030:2003)
- Duy trì bình đo KLR trong bể ổn
nhiêt ở 27ºC ± 2 ºC
- Đổ dầu hỏa vào bình đến vạch số “0”
- Cân 65 g xi măng, đổ từ từ qua phễu
vào bình

- Ghi lại mực chất lỏng trong bình


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
3.2.2.2.Khối lượng thể tích xốp
Khối lượng thể tích xốp là khối lượng một đơn vị thể tích xi măng
sau khi sấy khô hoàn toàn và được đổ đống ở trạng thái tự nhiên.
Sấy khô xi măng ở nhiệt độ 105 °C ÷ 110 °C trong 2 giờ rồi để nguội
đến nhiệt độ phòng. Đổ đầy xi măng vào ống đong đặt dưới phễu tiêu
chuẩn, gạt phần thừa ra ngoài không làm chặt xi măng trong ống
đong.
Khối lượng thể tích của xi măng phụ thuộc vào thành phần, độ mịn và
độ lèn chặt xi măng. Đối với xi măng pooclăng thường thì:
+ Xi măng xốp (lèn chặt yếu):
0x = 1,1 g/cm3;
+ Xi măng lèn chặt trung bình:
0x = 1,3 g/cm3;
+ Xi măng lèn chặt mạnh:
0x = 1,6 g/cm3.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
3.2.2.3. Độ mịn
Độ mịn là chỉ tiêu đánh giá mức độ nghiền mịn của xi măng.
Độ mịn của xi măng được xác định thông qua việc sàng xi măng trên
sàng tiêu chuẩn và đo bề mặt riêng (tỷ diện - Sy, cm2/g) bằng áp kế
hơi.
Xi măng có độ mịn cao sẽ dễ tác dụng với nước, rắn chắc nhanh.

Tuy nhiên, nếu độ mịn quá cao thì sẽ tốn công nghiền, bề mặt riêng
Sy lớn yêu cầu nước nhào trộn nhiều, khi bay hơi lượng nước dư
thừa sẽ để lại lỗ rỗng làm cường độ đá xi măng giảm
Độ mịn của xi măng được xác định thông qua 2 phương pháp:
- Phương pháp sàng chỉ áp dụng để miêu tả sự có mặt của các hạt xi
măng thô. Phương pháp này chủ yếu dùng để kiểm tra và kiểm soát
quá trình sản xuất.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
- Phương pháp thấm không khí (Blaine): bề mặt riêng (bề mặt riêng
tính theo đơn vị khối lượng) được đo bằng cách so sánh với một
mẫu xi măng chuẩn.
Phương pháp thấm không khí chủ yếu áp dụng để kiểm tra tính ổn
định của quá trình nghiền. Phương pháp này đưa ra cách đánh giá sơ
bộ về đặc tính của xi măng khi sử dụng
 Thí nghiệm theo phương pháp sàng
- Trộn đều mẫu thử bằng cách lắc xi măng khoảng 2 phút trong một
bình nút kín.
- Cân khoảng 10 g xi măng, chính xác đến 0,01 g và cho xi măng
vào sàng
- Cân lượng xi măng sót trên sàng. Độ mịn R là tỉ lệ phần trăm của
lượng vật liệu còn lại trên sàng và lượng vật liệu lúc đầu cho vào
sàng, chính xác đến 0,1 %.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
3.2.2.4. Lượng nước tiêu chuẩn

Lượng nước tiêu chuẩn (Ntc) là lượng nước tính bằng % so với khối
lượng xi măng, đảm bảo chế tạo hồ xi măng đạt độ dẻo tiêu chuẩn.
Độ dẻo tiêu chuẩn của hồ xi măng được xác định bằng dụng cụ vica
(vicat), khi kim vica đường kính 10 mm cắm sâu vào mẫu hồ xi
măng 33 mm ÷ 35 mm.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
Chế tạo mẫu hồ xi măng hình nón cụt (vành khâu vica) có chiều cao
(40 ± 0,2) mm, đường kính trong phía trên (70 ± 5) mm, đường kính
trong ở đáy (80 ± 5) mm. Đặt mẫu thí nghiệm vào dụng cụ, chỉnh
cho kim vica có chiều dài hữu ích (50 ± 1) mm, đường kính d = (10
± 0,05) mm chạm mặt hồ xi măng và thả cho kim vica rơi tự do.
Nếu chiều sâu cắm của kim sau 30 giây hoặc đến khi kim thôi lún là
(33  35) mm (mũi kim cách đáy 6 mm ± 1mm) thì hồ xi măng đạt
độ dẻo tiêu chuẩn và lượng nước tương ứng là lượng nước tiêu
chuẩn (chính xác đến 0,5%).


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
3.2.2.5. Thời gian đông kết
Sau khi trộn xi măng với nước, hồ xi măng mất dần tính dẻo, ngày
càng đặc sệt lại, nhưng chưa có khả năng chịu lực, thì gọi là quá
trình đông kết (còn gọi là ninh kết, ngưng kết).
- Thời gian bắt đầu đông kết: là khoảng thời gian (phút, giờ) tính từ
lúc bắt đầu trộn xi măng với lượng nước tiêu chuẩn cho đến khi hồ
xi măng bắt đầu mất tính dẻo.
- Thời gian kết thúc đông kết: là khoảng thời gian (phút, giờ) tính

từ lúc bắt đầu trộn xi măng với lượng nước tiêu chuẩn cho đến khi
hồ xi măng hình thành các tinh thể, hồ cứng lại và bắt đầu có cường
độ.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
Trộn xi măng với lượng nước tiêu chuẩn rồi tạo mẫu như khi xác
định nước tiêu chuẩn. Thay kim vica có chiều dài hữu ích (50 ± 1)
mm, đường kính (1,13 ± 0,05) mm.
- Xác định thời gian bắt đầu đông kết: cứ sau khoảng 5 phút thả kim
vi ca một lần trong 30 giây cho đến khi độ cắm sâu của kim cách đáy
(3 ÷ 5) mm (kim cắm sâu vào mẫu thí nghiệm 35 mm ÷ 37 mm trong
30 giây). Kết quả lấy chính xác đến 5 phút.
- Xác định thời gian kết thúc đông kết: lật úp khâu vica sao cho việc
thử kết thúc đông kết được tiến hành ngay trên mặt của mẫu mà lúc
đầu đã tiếp xúc tấm đế. Sau khoảng 15 phút thả kim vi ca một lần
trong 30 giây cho đến khi kim chỉ lún 0,5 mm. Kết quả lấy chính xác
đến 15 phút.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
Khi xi măng bắt đầu đông kết sẽ mất tính dẻo, do đó thời gian bắt đầu
đông kết phải đủ để nhào trộn, vận chuyển, đổ khuôn, đầm chặt. Yêu
cầu thời gian này không ít hơn 45 phút. Còn thời gian kết thúc đông
kết xong là lúc xi măng đạt được cường độ nhất định. Thời gian này
phải đủ ngắn để có thể thi công nhanh, yêu cầu không vượt quá 10
giờ.
 Thay đổi thời gian đông kết:

- Những chất làm chậm đông kết: Photphat, nitrat canxi, natri và
nhôm, đường…
- Những chất làm tăng nhanh đông kết: Các cacbonat và clorua kim
loại kiềm


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
3.2.2.6. Tính ổn định thể tích
Khi xi măng rắn chắc thể tích của nó bị thay đổi chủ yếu do sự trao
đổi 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, trong môi trường nước thì có thể không co hoặc nở chút ít.
Sự thay đổi thể tích gây ra nội ứng suất có hại làm nứt nẻ đá xi măng
và bê tông. Mặt ngoài công trình co nhiều hơn bên trong, xi măng
mác cao co nhiều hơn xi măng mác thấp.
Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do xi măng chứa những
tạp chất có hại, gây ra sự thay đổi thể tích lớn như CaO, MgO.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải
 Thí nghiệm xác định độ ổn định thể tích
Độ ổn định thể tích, theo phương pháp Le Chatelier, được xác định
bởi sự nở thể tích của hồ xi măng có độ dẻo chuẩn, thông qua dịch
chuyển tương đối của hai càng khuôn.


University of Transport Technology
Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải

- Chế tạo hồ xi măng có độ dẻo chuẩn. Đặt một khuôn Le Chatelier
đã bôi một lớp dầu mỏng lên tấm đế cũng đã quêt lớp dầu và đổ
đầy ngay mà không lắc hoặc rung, chỉ dùng tay và một dụng cụ
cạnh thẳng để gạt bằng mặt vừa nếu cần.
- Đậy khuôn lại bằng đĩa đó quệt dầu, ngay sau đó đặt toàn bộ dụng
cụ vào buồng ẩm. Giữ trong 24 giờ± 0,5 giờ ở nhiệt độ 27 0c ± 10C
với độ ẩm tương đối không nhỏ hơn 98%.
- Sau 24 giờ, đo khoảng cách A giữa các điểm chóp của càng khuôn,
chính xác đến 0,5mm. Giữ khuôn ngập trong nước, đun nước dần
dần đến sôi, suốt trong 30 phút ± 5 phút và duy trì bể nước ở nhiệt
độ sôi trong 3 giờ ± 5 phút.
- Vào thời điểm kết thúc việc đun sôi, đo khoảng cách B giữa hai
điểm chóp của càng khuôn, chính xác đến 0,5mm.
Để khuôn nguội đến 270C ± 20C. Đo khoảng cách C giữa các đầu
chóp của càng khuôn, chính xác đến 0,5mm.
ở mỗi mẫu, ghi lại các giá trị đo A và C và tính toán hiệu C - A. Tính
giá trị trung bình của hai hiệu C - A, chính xác đến 0,5mm.