Chất kết dính vô cơ

Chương 7. Chất kết dính vô cơ
7-
1

Chương 7
CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ
7.1 Khái niệm chung
Chất kết dính vô cơ là những vật liệu vô cơ thường ở dạng bột, khi nhào trộn với
dung môi thích hợp cho hỗn hợp dẻo có thể gắn kết các vật liệu rời và sau đó trong điều
kiện thích hợp có khả năng tự rắn chắc tạo thành đá nhân tạo. Lợi dụng khả năng này
người ta sử dụng chúng để gắn các loại vật li
ệu rời rạc (cát, đá, sỏi...) thành một khối
đồng nhất như trong công nghệ chế tạo bê tông, gạch silicát, vữa xây dựng, các sản phẩm
ximăng, amiăng và các loại vật liệu đá nhân tạo khác.
Tuỳ theo phạm vi sử dụng người ta chia chất kết dính vô cơ thành 2 loại: chất kết
dính vô cơ rắn trong không khí - là loại chỉ dùng trong không khí và chất kết dính vô cơ
rắn trong nước - là loại sử dụng trong cả
môi trường nước và không khí.
Về thành

phần hoá học những chất kết dính vô cơ phổ biến nhất thường chứa 4
nhóm ôxit chính : CaO (có thể BaO, K2O, Na2O), SiO2, Al2O3, Fe2O3. Những ôxit này
tác dụng với nhau với tỷ lệ nhất định tạo ra những khoáng khác nhau. Những khoáng này
quyết định đến tính chất chất kết dính vô cơ. Đối với chất kết dính vô cơ rắn trong nước
hay dùng môđun thuỷ lực (m) để đánh giá chất lượng:
32322
OFe%+OAl%+SiO%
CaO%
=m
(7- 1)
Trong điều kiện chế tạo thích hợp những chất kết dính rắn trong nước có m cao thì

rắn nhanh, cường độ cao nhưng kém bền trong nước.
Trong thực tế xây dựng thường gặp nhất 3 loại chất kết dính vô cơ : thạch cao xây
dựng, vôi và xi măng poóclăng.
7.2 Vôi rắn trong không khí
Vôi là 1 trong những chất kết dính vô cơ lâu đời nhất, được sản xuất từ đá vôi
(thành phần chính là khoáng canxít CaCO3). Khi nung, đá vôi phân giải tạ
o ra vôi (thành
phần chính là CaO). Để phân giải hết 1 phân tử gam CaCO3 cần 42.5kCal. Trước khi sử
dụng vôi phải tôi (cho vôi tác dụng với nước), khi đó có hiện tượng toả nhiệt, cứ 1 phân
tử gam CaCO3 tác dụng với nước tạo ra Ca(OH)2 và toả ra 15,5kCal. Để xác định chất
lượng của vôi người ta dùng nhiều chỉ tiêu khác nhau, trong đó độ hoạt tính của vôi (x) là
1 trong những chỉ tiêu quan trọng nhất.
%100.
g
g
=x
v
CaO
(7- 2)
Trong đó gCaO là khối lượng của CaO (gam) có trong khối lượng vôi gv (gam).
Vôi được phân ra từ 2 đến 3 loại dựa vào các tính chất cơ bản của chúng.
Tôi vôi là quá trình thuỷ hoá oxit canxi
CaO + H2O = Ca(OH)2 + 211 kcal/kg
Những hạt Ca(OH)2 vô cùng mịn (hơn cả ximăng) được bọc bằng một màng nước
hấp phụ mỏng. Chính màng nước này quyết định tính dẻo của hỗn hợp vôi cát. Để giúp
Chương 7. Chất kết dính vô cơ
7-
2

ngắn thời gian tôi và nâng cao chất lượng vôi, trong các nhà máy việc tôi vôi được thực

hiện trong máy tôi.
Vôi được sử dụng ở 2 dạng: vôi chín và bột vôi sống
7.3 Thạch cao
Thạch cao xây dựng là chấ
t
kế
t
dính vô cơ rắn trong không khí được sản xuất từ đá
thạch cao thiên nhiên (thành phần chính là CaSO4.2H
2
O). K
h
i nung đá thạch cao ở nhiệt
độ thích hợp được thạch cao xây dựng (thành phần khoáng chính là CaSO
4
.1/
2
H2O). Khi
trộn với nước nó sẽ tác dụng với nước và tạo thành đá thạch cao (thành phần chính là
CaSO4.2H2O).
Thạch cao xây dựng rắn chắc nhanh (kết thúc ninh kết không quá 30 phút), nhưng
cường độ thấp và chỉ bền trong không khí, được sử dụng chủ yếu là vật trang trí trong
nhà, nơi khô ráo. Tính chất quan trọng của thạch cao xây dựng là độ mịn và cường độ
chịu nén. Thạch cao xây dựng được chia thành 2 loại dựa vào 2 tính chất chính như trên
(phụ lục 3 - 1).
7.4 Thuỷ tinh lỏng
Thuỷ tinh là một dung dịch rắn ở dạng vô định hình nhận được bằng cách làm nguội
khối silicát nóng chảy. Quá trình chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái thuỷ tinh
(vật rắn) là quá trình thuận nghịch. Đặc điểm của trạng thái thuỷ tinh là không có điểm
c

hất

tính đẳng hướng. Công nghệ luyện thuỷ tinh được môt tả trong hình 7.1


7.4.1 Lò luyện thuỷ tinh
Trong xây dựng sử dụng hầu như thuỷ tinh silicát, cấu tử chính của nó là SiO2. Tuỳ
thuộc vào dạng và công dụng , thành phần thuỷ tinh gồm các oxit sau (theo khối lượng):
SiO2:64-73.4; Na2O:10-15.5; K2O:0-0.5; CaO:2.5-26.5; MgO:0-4.5; Al2O3:0-7.2;
Fe2O3:0-0.4; SO3:0-0.5; B2O3:0-5.
Mỗi oxit có một vai trò riêng trong quá trình nấu để hình thành tính chất của thuỷ
tinh. Oxit natri làm rút ngắn quá trình nấu vì nó làm nhiệt độ nóng chảy, nhưng lại giảm
độ bền hoá.; Ôxít kali tạo màu sáng và làm tốt hơn tính xuyên sáng; ôxít canxi làm tăng
độ bền hoá; ôxít nhôm làm tăng cường độ, bền nhiệt và bền hoá; ôxít bo làm t
ăng tốc độ
nấu thuỷ tinh. Trong sản xuất thuỷ tinh và pha lê quang học để nâng cao độ chiết quang
người ta còn cho thêm ôxít chì.
Nguyên liệu chính để sản xuất thuỷ tinh gồm có nguyên liệu khoáng và một số sản
phẩm công nghiệp như cát thạch anh, sôđa, đôlômit, đá vôi, trường thạch, sunfat natri.
Hình 7.1 Lò luyện thuỷ tinh
Chương 7. Chất kết dính vô cơ
7-
3

Ngoài ra hiện nay người ta đã bắt đầu sử dụng rộng rãi chất thải công nghiệp: xỉ luyện
kim, vật liệu chứa thạch anh, mảnh thuỷ tinh...
Nguyên liệu phụ (các chất làm trong, chất khử, chất tạo màu...) có tác dụng rút ngắn
quá trình nấu và tạo cho thuỷ tinh có tính chất yêu cầu.
Các quá trình công nghệ: việc sản xuất thuỷ tinh xây dựng bao gồm các quá trình
chính sau: gia công nguyên vật liệu, chuẩn bị phối liệu, nấu thuỷ

tinh, tạo hình sản phẩm
và ủ sản phẩm.
Gia công bao gồm đập và nghiền nguyên vật liệu ở dạng cục (đôlômít, đá vôi, than),
sấy nguyên liệu (cát, đôlômít, đá vôi), sàng các cấu tử qua sàng có đường kính cho trước.
Chuẩn bị phối liệu là làm đồng đều, cân và trộn phối liệu: phối liệu đựoc coi là có
chất lượng nếu sai số không vượt quá 1%
Nấu thuỷ tinh đựơc tiến hành ở các loại lò
đặc biệt hoạt động liên tục hoặc gián
đoạn. Để làm tăng độ trong và độ đồng nhất, khối thuỷ tinh phải được nâng đến 1500 –
16000C. Tại đây độ nhớt của chất lỏng giảm xuống tạo điều kiện tách khí dễ dàng và
nhận đựơc một khối đồng nhất. Quá trình nấu thuỷ tinh đựơc kết thúc bằng việc làm
nguội đến nhiệt độ
để có một độ nhớt thích hợp cho việc gia công sản phẩm. Công tác tạo
hình sản phẩm đựoc tiến hành bằng các phương pháp khác nhau: kéo , rót , cán, ép và
thổi, nổi. Việc tạo hình kính đựoc thực hiện bằng cách kéo đứng hoặc kéo ngang các
băng thuỷ tinh từ dung dịch, phương pháp kéo đựoc sử dụng để chế tạo các tấm dày
2,6mm. Băng được kéo từ khối nóng chảy qua các thuyền (thanh chị nhiệt có rãnh dọc)
bằng các con lăn quay c
ủa máy hoặc bằng bề mặt tự do của khối thuỷ tinh. Phương pháp
nổi là phương pháp hoàn hảo nhất, có năng suất cao. Nó cho chất lượng bề mặt của kính
cao. Đặc biệt của phương pháp này là quá trình tạo băng thuỷ tinh trên bề mặt thiếc chảy
lỏng do khối thuỷ tinh trào ra. Bề mặt của tấm băng thuỷ tinh phẳng và nhẵn, cũng không
cần phải đánh bóng nữa.
Ủ
: là công đoạn cuối bắt buộc khi chế tạo sản phẩm. ủ để tránh hiện tượng phát sinh
nội ứng suất lớn có thể gây ra sự phá hoại sản phẩm nhằm cố định hình dạng của chúng.
Tôi: là công đoạn cuối cùng để chế tạo thuỷ tinh với cường độ chịu nén cao hơn 4-6
lần và cường độ chịu uốn cao hơn 5-8 lần so với thuỷ tinh thườ
ng. ủ đựơc thực hiện bằng
cách đưa thuỷ tinh đến trạng thái dẻo sau đó làm lạnh sâu bề mặt của nó.

Công đoạn cuối cùng là mài nhẵn, đánh bóng và trang trí.
Các tính chất cơ bản của thuỷ tinh bao gồm: khối lượng riêng, độ bền hoá, đặc tính
cơ học, tính quang học , tính dẫn nhiệt, khả năng cách âm, khả năng gia công cơ học.
Sản phẩm thuỷ tinh đựơc dùng trong xây dựng bao gồ
m: Kính phẳng, block thuỷ
tinh rỗng, ống thuỷ tinh, sợi thuỷ tinh, vải thuỷ tinh....Một số sản phẩm thuỷ tinh được
trình bày trên hình7.2

Chương 7. Chất kết dính vô cơ
7-
4



7.4.2 Chất kết dính hỗn hợp
Chất kết dính hỗn hợp rất đa dạng. Trong xây dựng thường gặp dạng hỗn hợp của
vôi và phụ gia vô cơ hoạt tính nghiền mịn. Chúng được sản xuất bằng cách nghiền chung
vôi sống và phụ gia hoạt tính hoặc trộn lẫn vôi nhuyễn với phụ gia nghiền mịn.
Phụ gia vô cơ hoạt tính có 2 nhóm chính: loại thiên nhiên như đá có nguồn gốc núi
lửa, xỉ trong công nghiệp nhiệt đi
ện hoặc luyện kim, điatômit, trepen, hoặc cũng có thể
sản xuất theo công nghệ riêng (nung đất

sét có thành phần thích hợp)
Nói chung, phụ gia vô cơ hoạt tính là những vật liệu chứa nhiều khoáng SiO2 vô
định hình. Độ hoạt tính của chúng được đánh giá thông qua độ hút vôi.
Tỉ lệ phối hợp của chất kết dính hỗn hợp là : vôi sống 15-30%, phụ gia hoạt tính 70-
80% (có thể thêm cả thạch cao)
Chất kết dính hỗn hợp có phạm vi sử dụng rãi hơn vôi. Nó có thể dùng để chế tạo bê
tông mác thấp, vữa xây dựng trong môi trườ

ng không khí và cả môi trường ẩm ướt.
7.5 Ximăng pooclăng và ximăng đặc biệt
Xi măng pooclăng là chất kết dính quan trọng nhất trong xây dựng, đư
ợ
c sản xuất từ
2 nguyên liệu chính là đá vôi và đất sét. Sau khi gia công cơ học và nung ở nhiệt độ
14500C được clinke ximăng. Sau đó nghiền clinke với 1 hàm lượng đá thạch cao thích
hợp được Xi măng pooclăng. Thành phần hoá học chính của Xi măng pooclăng như sau:
CaO : 63 - 66%
SiO
2
: 21 - 24%
Fe
2
O
3
: 2 - 4%
MgO : 0.5 - 5%
Hình 7.2. Một số sản phẩm thuỷ tinh
Chương 7. Chất kết dính vô cơ
7-
5

Al
2
O
3
: 4 - 8%

SO

3
: 0.3 - 1%
Trong xi măng các ôxit này tác dụng với nhau tạo ra 4 thành phần khoáng chính:
3CaO.S
i
O
2
( viết tắt C3S) : 42

-

64
%

2
CaO.SiO
2
( viế
t
tắt C2S) : 12 - 15 %
3CaO.Al
2
O
3
( viết tắt C3A) : 2 - 15%
4CaO. Al
2
O
3
.Fe

2
O
3
( viết tắt C4AF) : 10 - 25%
Để đánh giá tổng quát hơn thành phần của xi măng thường dùng các hệ số :
1. Hệ số kiềm ( môđun thủy lực):
32322
OFe%+OAl%+SiO%
CaO%
=m
(m = 1,9 - 2,4) (7- 3)
2. Hệ số silicát
3232
2
OFe%+OAl%
SiO%
=n
(n = 1,7 - 3,5) (7- 4)
3. Hệ số aluminat :
32
32
OFe%
OAl%
=p
(p = 1 - 3) (7- 5)
4. Hệ số bão hoà :
( ) ( ) ( )
[ ]
()
2

33232
bh
SiO%8,2
SO%7,0+OFe%35,0+OAl%65,1CaO%
=k
(7- 6)
Khi trộn xi măng pooclăng với nước chúng sẽ tác dụng với nhau tạo một số khoáng
hyđrat chính như sau : mCaO.nSiO
2
.pH
2
O (hay gặp ở dạng 3CaO.2SiO
2
.3H
2
O),
Ca(OH)
2
, 3CaO.Al
2
O
3
.6H
2
O, nCaO.Fe
2
O
3
.mH
2

O (hay gặp ở dạng 3CaO. Fe
2
O
3
.6H
2
O)
và 3CaO.Al
2
O
3
.3CaSO4.32H
2
O. Các khoáng hyđrat biến đổi sẽ làm cho xi măng rắn
chắc. Để đánh giá chất lượng xi măng người ta dựa vào các thông số khác nhau. Nhưng
thông số quan trọng nhất là mác xi măng. Hiện nay trên thế giới thường dùng 2 phương
pháp để xác định mác xi măng: phương pháp vữa cứng và phương pháp vữa dẻo.
Đôi khi trong lúc nghiền xi măng người ta còn cho thêm 1 số phụ gia hoạt tính: xỉ,
puzôlan, trêpen v.v…Những phụ gia này làm tăng tính bền của xi măng poocl
ăng, vì
thành phần hoạt tính của phụ gia (SiO
2
hoạt tính) sẽ tác dụng với Ca(OH)
2
trong xi măng
pooclăng khi trộn với nước để tạo ra silicát canxi ngậm nước bền hơn trong môi trường
tự nhiên.
Ximăng đặc biệt: để chế tạo ximăng đặc biệt người ta thường dùng các biện pháp
sau đây:
+ Điều chỉnh thành phần khoáng vật và cấu trúc của clanke ximăng

+ Dùng các phụ gia vô cơ và hữu cơ để điều chỉnh tính chất và tăng hiệu qu
ả
kinh tế
+ Điều chỉnh thành phần hạt và tăng độ mịn của ximăng.