Vật liệu xây dựng - chương 4

Bài giảng VLXD-Chương 4 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu

1


Chương 4: CÁC CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ

Khái niệm chung: những vật liệu được gọi là chất kết dính vô cơ (CKD VC) thường ở
dạng bột mịn, sau khi đem nhào trộn với nước, sẽ sinh ra nhiều phản ứng lý hóa phức tạp:
- Lúc đầu biến thành một loại vữa dẻo dính
- Về sau đặc dần lại cứng như đá (trừ CKD Mangésium thì phải đem nhào trộn với
MgCl
2
và xi măng bền acid thì phải đem nhào trộn với thuỷ tinh lỏng).
Dựa vào môi trường rắn chắc mà người ta chia CKD VC ra làm 2 nhóm:
+ Nhóm các CKDVC rắn trong không khí: bao gồm vôi không khí CaO; thạch
cao xây dựng CaSO
4
.0,5 H
2
O; CKD Manhê MgO; xi măng anhydric CaSO
4
; thuỷ tinh
lỏng R
2
O.nSiO
2
. Trong đó (R = Na với n = 2,5÷3; R = K với n = 3÷4)
Nhóm này có đặc điểm là sau khi đem nhào trộn với nước hoặc dung môi thì nó
chỉ có thể rắn chắc và tăng cường độ trong môi trường không khí mà thôi.
+ Nhóm các CKDVC rắn trong nước: bao gồm

- Vôi thủy: 2CaO.SiO
2
(C
2
S); CaO.Al
2
O
3
(CA), 2CaO.Fe
2
O
3
(C
2
F)
- CKD hỗn hợp: CaO + phụ gia vô cơ hoạt tính
- Xi măng la mã
- Xi măng Portland ⇒ C
3
S, C
2
S, C
3
A, C
4
AF
- Các loại xi măng khác
Nhóm này có đặc điểm là sau khi đem nhào trộn với nước thì nó không những chỉ
có thể rắn chắc và tăng cường độ trong môi trường nước, mà còn có thể rắn chắc và tăng
cường độ trong môi trường không khí nữa.

So sánh giữa hai nhóm CKD thì nhóm CKDVC rắn trong nước có phạm vi rộng
rãi hơn, có cường độ cao hơn so với nhóm rắn trong không khí. Nhưng không vì vậy mà
người ta không nghiên cứu và phát triển nhóm CKDVC rắn trong không khí.

A- CÁC CKDVC RẮN TRONG KHÔNG KHÍ:
I.Vôi không khí:
1- Nguyên liệu và chế tạo:
Nguyên liệu chủ yếu để chế tạo vôi không khí là đá vôi canxit CaCO
3
, mà trong đó
hàm lượng tạp chất sét không lớn hơn 6%.
Để chế tạo, người ta nung đá vôi đến một nhiệt độ thích hợp nhằm phân giải
CaCO
3
gọi là các phương trình phản ứng cấp nhiệt.
Theo lý thuyết
CaCO
3
+ 42,52 Kcal → CaO + CO
2
↑
CaCO
3

 →
C
o
900
CaO + CO
2

↑
Trong thực tế:
CaCO
3

 →
÷ C
o
12001000
CaO + CO
2
↑
Nhiệt độ nung phụ thuộc:
Bài giảng VLXD-Chương 4 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu

2


+ Mật độ của đá vôi xếp trong lò
+ Loại lò nung
+ Lượng nhiệt thất thoát
Phản ứng thuận nghịch:
CaCO
3
⇌ CaO + CO
2
↑
Cho nên, để giải quyết vấn đề này, người ta phải giải phóng tốt CO
2
trong lò nung

và cung cấp lượng nhiệt cần thiết.
Trong quá trình nung có thể xảy ra hai trường hợp:
+ Nếu nung non lửa thì sản lượng vôi thấp, vôi kém dẻo.








+ Nếu nung quá lửa thì sản lượng vôi thấp, vôi kém dẻo, vôi rất khó tôi.






Trong quá trình nung, sau khi CaCO
3
phân giải thì sản lượng có được thường giảm
đi vào khoảng 44% so với CaCO
3
ban đầu. Trong khi đó, thể tích V chỉ giảm vào khoảng
10%.
Từ CaO để sử dụng trong thực tế thì người ta phải tạo ra những sản phNm khác nhau.

2/ Bột vôi sống:
Nghiền vôi cục (vôi sống) ra dạng bột (độ mịn > 75% lọt qua qua sàng 4900
lỗ/cm

2
, N
o
083) → đóng bao → xuất xưởng
• Ưu:
+ Không tốn nhiều thời gian để tôi, tận dụng được lượng nhiệt trong CaO; nhờ
lượng nhiệt độ này có thể chế tạo thành các sản phNm silicat theo phương trình
CaO + H
2
O + SiO
2
→ CaO.SiO
2
.H
2
O


Ca(OH)
2
silicat
+ Cường độ của vữa sử dụng bột vôi sống lớn hơn cường độ của bột vôi nhuyễn
(R
bvs
>20 Kgf/cm
2
; R
vn
= 4-8 Kgf/cm
2

)


CaCO
3
CaO


CaO
Màng keo cứng
(do SiO
2
, Al
2
O
3
chảy ra)
Bài giảng VLXD-Chương 4 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu

3


+ Tận dụng được hạn sượng (nung non lửa và nung quá lửa)
• Nhược:
+ Phải đầu tư trang thiết bị
+ Dễ sinh ra bệnh nghề nghiệp ⇒ cần thiết kế hệ thống thông gió, bảo hộ lao động
trang bị đầy đủ, chế độ chính sách.
3/ Tôi vôi:
Người ta cho nước tác dụng với vôi cục thì sẽ phát ra lượng nhiệt (quá trình phản

ứng phát nhiệt) theo phương trình sau:
CaO + H
2
O → Ca(OH)
2
+ 65,5 KJ
có thể là vôi tả (vôi bột) hay vôi nhuyễn
• Nếu lượng nước bằng 32.13 % / CaO thì ⇒ Ca(OH)
2
vôi tả
- Trong thực tế gấp 2-3 lần vì nó phụ thuộc vào độ hoạt tính của vôi, phụ thuộc vào
phương pháp tôi, và lượng nhiệt thoát ra ngoài.
• Nếu sử dụng lượng nước nhiều hơn nữa thì Ca(OH)
2
là vôi nhuyễn (chứa 50%
Ca(OH)
2
và 50% H
2
O tự do)
- Trong thực tế phải thí nghiệm vôi bằng phương pháp chùy OK (cắm sâu chùy
G=300 ± 2 gam vào chậu vữa nhuyễn) ⇒ OK = 13 cm.



• Khi lượng nước nhiều hơn vôi nhuyễn thì tạo thành vôi sữa, có khoảng <50%
Ca(OH)
2
và >50% H
2

O.


CaCO
3
CaO + CO
2
↑


Hình IV.1: Dụng cụ OK
Bài giảng VLXD-Chương 4 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu

4


Vôi cục-CaO (vôi sống)



Bột vôi sống (CaO) Tôi vôi (CaO+H
2
O )
- Nghiền mịn
- Đóng bao
- Xuất xưởng - Vôi tả (vôi bột) - Vôi nhuyễn Ca(OH)
2
- Vôi sữa
- Nước = 32,13% CaO - 50% Ca(OH)
2

+ 50% H
2
O - Ca(OH)
2
<50%
- γ
a
= 2,2 g/cm
3
- OK = 13cm - H
2
O > 50%
- γ
a
= 1.2-1.4 g/cm
3


4/ Các chỉ tiêu để đánh giá chất lượng vôi:
a) Nhiệt độ tôi và tốc độ tôi:
*Nhiệt độ tôi: là nhiệt độ cao nhất đạt được khi đem tôi 10g bột vôi sống với 20g nước
trong một dụng cụ thí nghiệm chuyên dùng (bình 2 vỏ)

Dựa vào nhiệt độ tôi mà người ta chia vôi làm hai loại:
+ Loại vôi phát nhiều nhiệt, t
o
≥ 70
o
C
+ Loại vôi phát ít nhiệt, t
o
< 70
o
C
*Tốc độ tôi: là thời gian kể từ khi cho vôi tôi với nước cho đến lúc đạt nhiệt độ cao nhất.
Dựa vào tốc độ tôi (v) mà người ta chia vôi làm 3 loại:
+ Vôi có tốc độ tôi nhanh: v < 5 phút
+ Vôi có tốc độ tôi vừa : v = 5-20 phút
+ Vôi có tốc độ tôi chậm v > 20phút
b) Xác định lượng vôi nhuyễn (lít) do 1kg vôi sống sinh ra.
Dùng 200g vôi sống cục, có kích thước từ 5 - 10mm, cho vào dụng cụ có dung tích
xác định (2 lít) đổ nước ngập l - 2cm. Để tăng tốc độ tôi có thể đun trên bếp hoặc đèn


Không khí
Nắp đậy
Bột vôi sống
t

o
max

Bài giảng VLXD-Chương 4 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu

5


cồn. Theo dõi nếu thấy có vết nứt bề mặt, vôi sôi lên, nước bị hút cạn, tiếp tục cho nước
thêm đến khi vôi tôi xong và trên mặt có một váng nước mỏng thì được.
Loại vôi nhuyễn này thường chứa 50% nước tự do và 50% Ca(OH)
2
, có độ cắm
sâu của chùy 13cm (chùy OK thử độ dẻo của vữa)
Dùng ống đong đổ nước vào đầy ca, tìm dược thể tích vôi nhuyễn do 1kg vôi cục
sinh ra.
c) Xác định hàm lượng hạt sượng (%) do vôi cục sinh ra.
Lấy hết vôi nhuyễn của thí nghiệm trên, cho nước vào đánh thành vôi sữa. Lọc qua
sàng No 063 (d = 0,63mm) cho đến khi nước lọc qua sàng trong là được.
Sấy khô hạt sượng, để nguội trong bình hút Nm, cân tính tỉ lệ hạt sượng từ 200g
vôi sống cục. Dùng HCl 1% nhỏ vào hạt sượng để phân loại:
- Nếu hạt sượng sủi bọt: hạt sượng non lửa.
- Nếu hạt sượng không sủi bọt: hạt sượng già lửa hoặc hạt cát, hạt đá khác lẫn vào.
d) Xác định độ hoạt tính của vôi (CaO + MgO)%
+ Dùng chất chỉ thị màu phénolphtaléin [2÷5]%
+ Dùng HCl 10%
Kết luận: dựa vào 4 chỉ tiêu để phân cấp vôi. Hiện nay chi làm 3 cấp vôi:
+ Vôi cấp 1: vôi tôi nhanh, tốt nhất
+ Vôi cấp 2: vôi tôi trung bình
+ Vôi cấp 3: vôi tôi kém

Vữa vôi không được tính theo công thức, vữa vôi lấy theo tỉ lệ (theo V)
+ Vôi cấp 1: V/C = 1/4
+ Vôi cấp 2: V/C = 1/3
+ Vôi cấp 3: V/C = 1/2

5/ Quá trình rắn chắc của vữa vôi:
a) Vữa dùng vôi nhuyễn: 2 giai đoạn
- Giai đoạn 1: hòa tan và hóa keo
V+ C + N ⇒ vữa vôi (dẻo, dính, đặc dần lại → mất nước → ngưng keo)
- Giai đoạn kết tinh ( carbonat hóa):
Ca(OH)
2
+ CO
2
+ nH
2
O → CaCO
3
+ (n+1)H
2
O
Quá trình rắn chắc của vữa vôi tiến triển rất chậm, có khi kéo dài hàng tuần, hàng tháng
hoặc lâu hơn nữa. Để tăng nhanh quá trình rắn chắc thì người ta có thể sử dụng các biện
pháp sau đây:
+ Dưỡng hộ vữa vôi bằng khí CO
2

+ Sử dụng phụ gia:
o đưa vào 1 lượng nhỏ xi măng
o đưa vào 1 lượng nhỏ thạch cao xây dựng

o đưa vào 1 lượng nhỏ phụ gia vô cơ hoạt tính.
b) Vữa sử dụng bột vôi sống:
Bài giảng VLXD-Chương 4 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu

6


Quá trình rắn chắc của vữa sử dụng bột vôi sống gần giống như quá trình rắn chắc của
bột vôi nhuyễn nhưng nó có thêm thời kỳ đầu (thời kỳ hòa tan, còn các thời kỳ tiếp theo
như là hóa keo, kết tinh giống như đối với vôi nhuyễn).
Mặc dù được chia làm 3 thời kỳ nhưng các thời kỳ này không phân chia riêng lẻ mà xen
kẽ nhau. Quá trình rắn chắc này gần giống như quá trình rắn chắc của xi măng và thạch
cao xây dựng.
6/ Công dụng và bảo quản
a- Công dụng:
- Trong xây dựng vôi dùng để sản xuất vữa xây, vữa trát cho các công trình trên khô,
có yêu cầu chịu lụcc không cao lắm.
- Vôi còn được dùng để sản xuất gạch silicat hoặc quét trần, quét tường, trang trí…
b- Bảo quản:
- Với vôi cục nên tôi ngay hoặc nghiền mịn đưa vào bao, không nên dự trữ vôi cục
lâu.
- Vôi nhuyễn phải được ngâm trong hố có lớp cát hoặt nước phủ bê trên dày 10-20 cm
để ngăn sự tiếp xúc với khí CO
2
trong không khí:
Ca(OH)
2
+ CO
2
→ CaCO

3
+ H
2
O
Vôi bị hóa đá, chất lượng vôi giảm, vôi ít dẻo, khả năng liên kết kém.

II. Thạch cao xây dựng:
1/ Nguyên liệu và chế tạo:
- Nguyên liệu chủ yếu để chế tạo thạch cao xây dựng là đá thạch cao thiên nhiên
(CaSO
4
.2H
2
O )
- Để chế tạo, người ta đem nung đá thạch cao ở nhiệt độ từ 150-160
o
C, sau đó người
ta đem nghiền ra dạng bột → đóng bao → xuất xưởng
CaSO
4
.2H
2
O
 →
÷ C
o
160150
CaSO
4
.0,5H

2
O + 1,5H
2
O
dạng cục
- Người ta có 3 phương pháp chế tạo sau:
• Đập đá ra thành các cục nhỏ → nung → nghiền ra dạng bột → xuất xưởng.
• Nghiền đá thạch cao ra dạng bột → nung + khuấy đảo → bột thạch cao xây dựng
→ đóng bao, xuất xưởng.
• Sử dụng thiết bị liên hợp (nung + nghiền) thạch cao xây dựng → đóng bao, xuất
xưởng.

2/ Các tính chất chủ yếu của thạch cao xây dựng:
a) Khi cho bột thạch cao tác dụng với nước thì sẽ sinh ra phản ứng theo phương trình
sau đây:
CaSO
4
.0,5H
2
O + 1,5 H
2
O → CaSO
4
.2H
2
O
Semi-hydrate di-hydrate
Độ hoà tan của di-hydrate kém thua 5 lần so với độ hòa tan của semi-hydrate
b) Thời gian ninh kết và rắn chắc của thạch cao xây dựng tiến triển rất nhanh
Bài giảng VLXD-Chương 4 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu

7


+ Thời gian bắt đầu ninh kết: không sớm hơn 4 phút
+ Thời gian ninh kết xong: 6-30 phút
c) Độ mịn của bột thạch cao xây dựng được quy định như sau:
+ Đối với thạch cao loại 1 thì lượng sót trên sàng d = 0,2 mm không được lớn hơn
10%
+ Đối với thạch cao loại 2 thì lượng sót trên sàng d = 0,2 mm không được lớn hơn
20%
+ Đối với thạch cao loại 3 thì lượng sót trên sàng d = 0,2 mm không được lớn hơn
30%
d) Cường độ chịu uốn R
u
của những mẫu 4×4×16 cm, sau 1h30 (kể từ khi cho bột
thạch cao nhào trộn với nước cho đến lúc xác định R
u
)
⇒ R
u
= 17-27 bars (1 bars ≈ 1Kgf/cm
2
)
R
n
= 35-55 bars
3/ Công dụng và bảo quản
a- Công dụng:
- Trang trí

- Y tế (bó bột)
- Dùng làm mô hình trong xây dựng, khuôn mẫu.
b- Bảo quản:
Thạch cao ở dạng bột mịn do đó nếu dự trữ lâu và bảo quản không tốt thạch cao sẽ
hút Nm làm giảm cường độ chịu lực. Để chống Nm cho thạch cao ta phải bảo quản bằng
cách chứa bột thạch cao trong các bao kín có lớp cách nước và để trong kho nơi khô ráo.

B- CÁC CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ RẮN TRONG NƯỚC:
I/ Vôi thủy:
Vôi thuỷ là loại CKD có thể rắn chắc trong môi trường Nm, môi trường không khí
và trong môi trường nước.
1/ Nguyên liệu và chế tạo:
Nguyên liệu chủ yếu để chế tạo vôi thủy là đá vôi mà trong đó có chứa từ 6-20%
hàm lượng sét hoặc đá vôi sét.
Để chế tạo, người ta đem nung đá vôi đến 1 nhiệt độ vừa phải: 900-1100
o
C. Trong
quá trình nung, sau khi CaCO
3
phân giải thì một phần của CaO sẽ kết hợp một cách chặt
chẽ với oxit có trong sét mà tạo thành:
+ Các silicat calci: C
2
S
+ Các aluminat calci: C
3
A
+ Các Ferrit calci: C
2
F

Các khoáng này có tác dụng làm cho vôi thủy rắn chắc được trong môi trường
nước.
Sau đó đem nghiền thành bột.
Bài giảng VLXD-Chương 4 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu

8


2/ Các tính chất chủ yếu của vôi thuỷ:
a) Tính thủy lực (I)
Công thức :
)(
)(
32322
MgOCaoKhoiluong
OFeOAlSiOkhoiluong
I
+
++
=

Dựa vào I, chia làm 3 loại:
+ Vôi thủy yếu: I = 0,2-0,3
+ Vôi thủy trung bình : I = 0,3-0,4
+ Vôi thủy mạnh: I = 0,4-0,5
b) Khối lượng riêng:
γ
a
= 2,7-2,8 g/cm
3

γ
o
= 0,8 Kg/dm
3
c) Độ mịn:
Yêu cầu phải trên 85% lọt qua sàng 4900 lỗ/cm
2
(N083)
d) Cường độ chịu nén của vữa dùng vôi thủy:
+ Sau 7 ngày rắn chắc: R
7
n
≅ 10 bars
+ Sau 28 ngày rắn chắc: R
28
n
= 20-50 bars
3/ Công dụng và bảo quản:
- Sử dụng vôi thủy để chế tạo bê tông mác thấp, để chế tạo vữa xây dựng. Ngoài ra,
người ta còn sử dụng vôi thủy để làm lớp lót nền nhà.
- Vôi thủy được sử dụng trong tất cả các công trình không quan trọng lắm.
- Chú ý: khi sử dụng vôi thủy để chế tạo các sản phNm dự định sử dụng trong môi
trường nước thì sau khi chế tạo xong, người ta phải dưỡng hộ trong môi trường
không khí một thời gian trước khi sử dụng trong môi trường nước. (Vì sau khi chế
tạo sản phNm vôi thủy chứa 20% CaO tự do nếu + H
2
O → Ca(OH)
2
⇒ sản phNm
bị rỗng).

- Vôi thủy được sử dụng để chế tạo bê tông hoặc vữa thì độ dẻo của nó kém hơn so
với vôi không khí. Nhưng quá trình rắn chắc nhanh hơn và có cường độ cao hơn.
- Vôi thủy ở dạng bột thường được bảo quản trong các container kín; hoặc là người
ta có thể bảo quản trong các bao bằng giấy nhiều lớp.
- Chỉ vận chuyển vôi thủy dạng bột thì thường dùng các loại xe có mui kín để tránh
mưa gió; và các kho chứa phải đảm bảo khô ráo.

Bài giảng VLXD-Chương 4 GVC-ThS. Cù Khắc Trúc – ThS. Lê văn Hải Châu

9


II/ Xi măng:
Khái niệm chung: xi măng là tên gọi tổng hợp cho nhóm CKD vô cơ rắn trong nước.
Trong đó có chứa các silicat canxi, các aluminat canxi và các alumino-ferit- calcii.
Ngày nay, người ta có thể chế tạo trên vài chục loại xi măng có các tính năng và công
dụng khác nhau. Mặt khác, ngày nay, ngoài những mác xi măng thông thường thì người
ta có thể chế tạo những loại xi măng mác cao 500-900#, điều này phụ thuộc vào nhiều
yếu tố: hệ nguyên liệu, công nghệ chế tạo.

XI MĂNG PORTLAND
Khái niệm chung: xi măng là tên gọi tổng hợp cho nhóm CKD vô cơ rắn trong
nước.Trong đó có chứa các silicat canxi, các aluminat canxi và các alumino-ferit-calci.
Ngày nay, người ta có thể chế tạo trên vài chục loại xi măng có các tính năng và công
dụng khác nhau. Mặt khác, ngày nay, ngoài những mác xi măng thông thường thì người
ta có thể chế tạo những loại xi măng mác cao 500-900#, điều này phụ thuộc vào nhiều
yếu tố: hệ nguyên liệu, công nghệ chế tạo.
1/ Định nghĩa:
Xi măng Portland là loại CKD vô cơ ở dạng bột mịn, khi nhào trộn với nước thì xảy ra
quá trình lý hoá phức tạp, từ trạng thái dẻo chuyển dần đến trạng thái rắn chắc và sau đó

phát triển cường độ theo thời gian.
Với đặc tính trên nên người ta dùng CKD VC để nhào trộn với vật liệu rời rạc
khác như đá, cát, sỏi… liên kết lại thành một khối vững chắc.
XM portland là loại CKD VC rắn trong nước và trong không khí, nó được cấu tạo
bằng cách người ta đem nung đá vôi, và đất sét đến nhiệt độ thiêu kết thành clinker. Sau
đó, người ta đem nghiền clinker và cho vào từ 3-5% thạch cao sống tạo thành xi măng
Portland. (Thạch cao có tác dụng điều chỉnh tốc độ đông kết của xi măng)
Trong quá trình chế tạo, người ta có thể đưa vào xi măng Portland hàm lượng phụ
gia: phụ gia vô cơ hoạt tính (<15% so với clinker), hoặc là phụ gia trơ (<10% so với
clinker).
Trên cơ sở clinker xi măng portland, người ta có thể sản xuất ra các loại xi măng
sau:
- Xi măng portland (không có phụ gia và có phụ gia khoáng hoạt tính không lớn
hơn 20% ).
- Xi măng portland xỉ (với tỷ lệ phụ gia xỉ hạt từ 20-60%).
- Xi măng portland puzzolan (với tỷ lệ phụ gia puzzolan 15-30%).
Ưu điểm:
- Có cường độ chịu nén khá cao
- Có khả năng rắn trong nước nhanh
- Có khả năng chịu lửa khá tốt
- Sử dụng chủ yếu là nguyên liệu địa phương