Nguồn gốc của xi măng

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.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.


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 25/12/1899

•

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 IV. Xi măng, Bê tông xi măng Poortland
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 = 1018%


Nguyờn liu sn xut xi mng
- á vôi: yêu cầu thành phần CaCO 3 phải chiếm tỷ lệ
75% trở lên. Chỉ dùng loại đá vôi manhêzit thấp,
không dùng đá vôi manhêzit và đôlômit vỡ hai loại
này chứa nhiều MgCO3 có hại cho xi mng. Theo
kinh nghiệm, muốn sản xuất 1 tấn clanhke phải
dùng 1,3 tấn đá vôi.
- ất 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 lợng SiO2 trong khoảng 50 ữ 58%.
- Quặng sắt: yêu cầu tỷ lệ Fe 2O3 trên 40%.
- Thạch cao: yêu cầu hàm lợng CaSO 4.2H2O phải trên
80%.
- Than đá: Nhiên liệu dùng để nung xi măng phần lớn
là than đá. Yêu cầu nhiệt lợng của than đá khoảng
5000Kcal/kg than, hàm lợng chất bốc nhỏ hơn
35%, khi đốt không có khói, cho ngọn lửa xanh, l
ợng tro còn lại phải dới 10 ữ 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 clinker thành xi măng: Để nguội clinker
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


SẢN XUẤT XI MĂNG POOCLĂNG

Các công đoạn chính trong sản xuất xi măng

Nghiền xi măng

Làm nguội ckinker


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


Nhng tính chất chủ yếu đối với các
thành phần khoáng vật
- Khoáng vật C3S: tốc độ thủy hóa tơng đối nhanh, nhiệt thủy hóa

tơng đối lớn, ít co thể tích và khả nng phát triển cờng độ lớn
nhất so với các thành phần khác. Vi vậy C3S là thành phần
khoáng vật quan trọng nhất, chiếm tỷ lệ cao nhất trong xi
mng.
- Khoáng vật C2S: tốc độ thủy hóa chậm, nhiệt thủy hóa thấp, ít
co thể tích; khả nng phát triển cờng độ ở thời gian đầu chậm,
về sau nhanh.
- Khoáng vật C3A: tốc độ thủy hóa rất nhanh, nhiệt thủy hóa rất
lớn, co thể tích nhiều, ngng kết rất nhanh, nhng khả nng phát
triển cờng độ lại kém nhất trong 4 thành phần khoáng vật.
- Khoáng vật C4AF: tốc độ thủy hóa tơng đối nhanh, nhiệt thủy
hóa trung binh, thể tích co tơng đối nhiều, khả nng phát triển
cờng độ trung binh, nhng thng rõ rệt ở thời gian về sau.


C¸c hÖ sè chÊt lîng cña xi măng
SiO2%
n=
(Al 2O3 + Fe2O3)%

1. HÖ sè silic (n = 1,7 – 3,5):

2. HÖ sè nh«m (p = 1-3):

p=

Al 2O3%
Fe2O3%

3. HÖ sè b·o hßa v«I (KH = 0,82-0,95):

ΣCaO% − (1,65Al 2O3% + 0,35Fe2O3% + 0,7SO3%)
KH =
2,8SiO2%


Ngng kết và rắn chắc của xi mng
pooclng
1. Thời kỳ hòa tan
Khi trộn xi mng với nớc, trên bề mặt các hạt xi mng, các thành
phần khoáng vật chủ yếu C3S, C2S, C3A, C4AF của xi mng sẽ tác
dụng với nớc 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 + (m+6)H2O 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 nớc, làm xuất hiện lớp xi
mng mới tiếp tục tác dụng với nớc rồi tiếp tục hòa tan. Lợng n
ớc trong va xi mng có hạn, nên dung dịch nhanh chóng đạt
tới trạng thái bão hòa.


Ngng kết và rắn chắc của xi mng
pooclng
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, nhng không hòa tan

đợc na cùng với các thành phần khác nh
2CaO.SiO2.mH2O vốn ít hòa tan đều tồn tại dới dạng các
hạt nhỏ phân tán trong dung dịch tạo thành thể keo
phân tán bao quanh các hạt xi mng. Phần xi mng bên
trong các hạt tiếp tục thủy phân và thủy hóa, nên chất
keo sinh ra ngày càng nhiều. ồng thời với hiện tợng
bay hơi nớc tự do trong a xi mng làm cho các hạt keo
phân tán ở trên ngng tụ lại thành nhng hạt lớn hơn và
tạo thành thể keo ngng. Thể keo ngng không ngừng
tng, a xi mng mất dần tính dẻo và dần dần trở nên
đông đặc, tuy nhiên lúc này vẫn cha có cờng độ.


Ngng kết và rắn chắc của xi
mng pooclng
3. Thời kỳ kết tinh
Trong thể keo ngng xuất hiện các mầm kết tinh từ Ca(OH) 2 và
3CaO.Al2O3.6H2O. Các mầm kết tinh phát triển dần lên thành các
tinh thể cắm vào thể keo ngng, đan chéo và gắn kết với nhau
tạo thành bộ xơng cứng làm cho va xi mng bắt đầu có cờng
độ.
Nớc tự do bay hơi nên ngày càng ít đi. Số lợng tinh thể ngày càng
nhiều lên, do đó cờng độ xi mng dần tng lên rõ rệt.
Thành phần 2CaO.SiO2.mH2O tồn tại ở thể keo khá lâu, dần chuyển
sang kết tinh, làm cho cờng độ xi mng tng lên ở thời gian về
sau.
Các hiện tợng hòa tan, hóa keo và kết tinh của va xi mng xảy ra
xen kẽ, nối tiếp lẫn nhau, trong khi có một số đã kết tinh thi vẫn
có một số đang ở thể keo, một số mới bắt đầu tác dụng với nớc.
Cứ thế nối tiếp, diễn ra cho đến khi toàn bộ các hạt xi mng

thủy phân và thủy hóa hết.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng hàng chục nm vẫn còn nhng hạt xi
mng đang tiếp tục thủy phân và thủy hóa.
Ngoài các quá trinh trên, quá trinh cacbônat hóa của thành phần
Ca(OH)2 cũng góp phần tng thêm sự rắn chắc của va xi mng.


Xi măng pooclăng - phân loại
+ Xi măng ®ưîc ph©n lo¹i theo c¸c ®Æc tÝnh
sau: (TCVN 5439-1991):
-

Loại XM clinker và thành phần của XM.
Độ bền (mác).
Tốc độ đóng rắn.
Thời gian đông kết.
Các tính chất đặc biệt.

+ Xi măng ®ưîc ph©n lo¹i theo ASTM C150-94:
-

Loại I, II, III, IV, V
Xi măng cuốn khí
Xi măng Pooclăng
Xi măng Pooclăng
Xi măng Pooclăng
Xi măng xây trát
Xi măng Pooclăng

trắng

- Xỉ
- Puzơlan
đặc biệt


Chất lợng của xi mng pooclng đối với từng
mác
đợc
Tờnquy
ch tiờuđịnh theo bảng sau:
Mc
1. Giới hạn bền nén, N/mm2, không nhỏ hơn:
- sau 3 ngày
- sau 28 ngày
2. ộ nghiền mịn:
- phần còn lại trên sàng 0.08mm, %, không lớn
hơn
- bề mặt riêng xác định theo phơng phaps
Blaine cm2/g, không nhỏ hơn
3. Thời gian đông kết,
- Bắt đầu, phút, không sớm hơn:
- Kết thúc, giờ, không muộn hơn:

PC30

PC40

PC50

16

30

21
40

31
50

15
2500

15
2500

12
2800

45
10

4. ộ ổn định thể tích xác định theo
phơng pháp L Satolie, mm, không lớn hơn

10

5. Hàm lợng anhydric sunfuric (SO3), %,
không lớn hơn

3,0

6. Hàm lợng mất khi nung (MKN), %, không lớn

5,0