Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia hỗn hợp tro bay - CMC đến tính chất của xi măng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.54 MB, 77 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
PHẠM THỊ CHỌN
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
CỦA PHỤ GIA HỖN HỢP TRO BAY CMC
ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
PHẠM THỊ CHỌN
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
CỦA PHỤ GIA HỖN HỢP TRO BAY – CMC
ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG
Chuyên ngành
: Hóa học vô cơ
Mã số
: 60440113
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGHIÊM XUÂN THUNG
Hà Nội 2014
LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nghiêm
Xuân Thung đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn em hoàn thành bản luận
văn này. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn
Hóa Vô Cơ khoa Hóa Học Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Đại
học Quốc Gia Hà Nội cùng toàn thể các anh chị, các bạn trong phòng Vật
liệu vô cơ đã động viên, khích lệ và tạo điều kiện cho em hoàn thành bản
luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn!
MỤC LỤC
i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................i
MỞ ĐẦU...................................................................................................................1
Chương 1 : TỔNG QUAN....................................................................................... 2
1.1. Giới thiệu chung về xi măng pooclăng (6, 7, 8, 10, 12, 13, 14, 15) .............2
1.1.1.Khái niệm về xi măng pooclăng (6, 8, 14, 15).............................................2
1.1.2.Thành phần của clinker pooclăng (6, 7, 8, 10, 12, 13) ............................... 2
1.1.2.1. Khái niệm về clinker xi măng (6, 7, 8, 10)............................................... 2
1.1.2.2.Thành phần hóa học (6, 7, 8, 10, 12, 13)...................................................2
1.2. Phản ứng thủy hóa của xi măng (4, 5, 6, 7, 8, 9, 17).................................... 3
1.2.1. Sự hydrat hóa của C3S (alit)....................................................................... 4
1.2.2. Sự hydrat hóa của C2S (Belit).....................................................................4
1.2.3. Sự hydrat hóa của C3A (canxi aluminat)...................................................4
Sự tác dụng tương hỗ giữa C3A và H2O sẽ sinh ra phản ứng và phát ra một
lượng nhiệt khá lớn theo phương trình sau:.......................................................4
1.2.4. Sự hydrat hóa của C4AF..............................................................................5
1.3. Quá trình hình thành và tính chất cơ lý của đá xi măng (5, 7, 10, 11) ........5
1.3.1. Định nghĩa ( 5, 7, 10).....................................................................................5
1.3.2. Các tính chất cơ lý của xi măng (5, 10, 11)................................................6
1.3.2.1. Độ mịn của xi măng...................................................................................6
1.3.2.2.Lượng nước tiêu chuẩn.............................................................................7
1.3.2.3. Thời gian ninh kết của xi măng................................................................7
1.3.2.4. Độ ổn định thể tích của đá xi măng.........................................................7
1.3.2.5. Cường độ của xi măng (hay mác xi măng).............................................8
1.3.2.6. Độ rỗng đá xi măng...................................................................................9
1.4. Vai trò của phụ gia xi măng (1, 2, 3, 13, 16, 18)..........................................11
1.4.1. Định nghĩa về phụ gia xi măng (2, 3, 12, 13)...........................................11
1.4.2. Tính chất của phụ gia xi măng (2, 3, 12, 16)............................................ 11
1.4.3. Một số loại phụ thường được sử dụng (1, 3, 13, 16, 18)........................12
1.4.3.1. Phụ gia hoạt tính puzơlan.......................................................................12
1.4.3.2. Phụ gia siêu mịn...................................................................................... 14
1.4.3.3. Phụ gia hóa dẻo.......................................................................................14
ii
1.4.3.4. Phụ gia đóng rắn nhanh......................................................................... 15
1.4.3.5. Phụ gia chống ăn mòn cốt thép trong bêtông..................................... 15
1.4.3.6. Phụ gia tro bay.........................................................................................15
1.4.3.7. Phụ gia CMC.............................................................................................17
Chương 2 : THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..............19
2.1. Hóa chất và dụng cụ..................................................................................... 19
2.1.1. Hóa chất.......................................................................................................19
2.1.2. Dụng cụ....................................................................................................... 19
2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến tính chất của vữa xi măng
Hoàng Thạch......................................................................................................... 17
2.3.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu......................................................................... 17
2.3.2. Xác định độ dẻo của hồ xi măng.............................................................. 18
2.3.2.1. Nguyên tắc............................................................................................... 18
2.3.2.2. Phương pháp tiến hành..........................................................................18
2.3.3. Xác định lượng nước tiêu chuẩn..............................................................20
2.3.4. Xác định thời gian đông kết...................................................................... 21
2.3.4.1. Nguyên tắc............................................................................................... 21
2.3.4.2. Tiến hành thí nghiệm.............................................................................. 21
2.3.5. Xác định cường độ kháng nén..................................................................22
2.3.5.1. Quá trình tạo mẫu....................................................................................22
2.3.5.2. Tiến hành thí nghiệm.............................................................................. 23
2.3.6.2. Tiến hành thí nghiệm.............................................................................. 25
2.3.7. Phương pháp XRD .................................................................................... 26
2.3.8. Phương pháp kính hiện vi điện tử quét (SEM)........................................28
Chương 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...............................................................31
3.3. Kết quả thí nghiệm xác định lượng nước tiêu chuẩn................................32
3.4. Kết quả xác định thời gian đông kết........................................................... 35
3.5. Kết quả thí nghiệm xác định cường độ kháng nén................................... 37
3.6. Xác định độ hút nước bão hòa.....................................................................41
KẾT LUẬN CHUNG............................................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................51
iii
iv
MỞ ĐẦU
Khi đất nước ta đang trên đà hội nhập, xây dựng là một ngành đang
được quan tâm và phát triển mạnh mẽ. Bên cạnh đó, vật liệu xây dựng
cũng đang được dần nâng cao và phát triển. Trong đó, xi măng là vật liệu
cơ bản và quan trọng nhất. Cùng với việc phát triển nghành công nghiệp xi
măng, vấn đề nâng cao chất lượng bê tông và giảm giá thành sản phẩm
cũng đang được chú trọng.
Để nâng cao chất lượng của xi măng và bê tông đã có rất nhiều công
trình nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới cũng như trong nước
tìm ra các giải pháp kỹ thuật, cũng như tìm ra các loại phụ gia để nâng cao
chất lượng cho các công trình xây dựng. Một trong những giải pháp thành
công nhất là sử dụng tổ hợp hai phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia siêu
dẻo. Loại phụ gia tổ hợp này có khả năng kéo dài thời gian ninh kết, chống
độ sụt lún cho bê tông .v.v. Ngoài ra, phụ gia này có sẵn trong tự nhiên nên
nó góp phần làm giảm giá thành của sản phẩm.
Mặt khác, hiện nay các nhà máy, nhiệt điện đốt than ở nước ta thải
ra môi trường một lượng lớn tro bay và xỉ lẫn nhiều tạp chất, điều này gây
ảnh hưởng tới môi trường.
Với những ưu việt trên em chọn đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của
phụ gia hỗn hợp tro bay CMC đến tính chất của xi măng.
1
Chương 1 : TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về xi măng pooclăng (6, 7, 8, 10, 12, 13, 14, 15)
1.1.1.Khái niệm về xi măng pooclăng (6, 8, 14, 15)
Xi măng pooclăng là một nhóm kết dính thuỷ lực có khả năng đóng
rắn và ngưng kết khi phản ứng với nước. Đó là sản phẩm nhân tạo được
nghiền mịn từ clinker xi măng pooclăng, thạch cao, phụ gia.
1.1.2.Thành phần của clinker pooclăng (6, 7, 8, 10, 12, 13)
1.1.2.1. Khái niệm về clinker xi măng (6, 7, 8, 10)
Clinker xi măng pooclăng là sản phẩm ban đầu trong quá trình sản
xuất xi măng pooclăng. Clinker thường ở dạng hạt có đường kính 10
40mm, cấu trúc phức tạp (có nhiều khoáng ở dạng tinh thể và một số
khoáng ở dạng vô định hình). Chất lượng của Clinker phụ thuộc vào thành
phần khoáng vật, hóa học và công nghệ sản xuất. Tính chất của xi măng do
chất lượng của Clinker quyết định.
1.1.2.2.Thành phần hóa học (6, 7, 8, 10, 12, 13)
Clinker pooclăng là sản phẩm ban đầu trong quá trình sản xuất xi
măng pooclăng. Thành phần hóa học của clinker được trình bày ở bảng
dưới đây:
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của clinker:
Thành phần hóa học
CaO
Al2O3
SiO2
Fe2O3
Tỷ lệ % khối lượng
63 67
4 8
21 22
2 4
2
Ngoài ra còn có những tạp chất không mong muốn như MgO khoảng
1 4%, oxit kiềm 0.5 3%...
1.2.3.Thành phần pha(6, 8, 10, 12).
Thành phần pha của clinker được trình bày ở bảng sau:
Bảng 1.2: Thành phần pha của clinker
Thành
C3S
C2S
C3A
C4AF
phần pha (3CaO.SiO2) (2CaO.SiO2) (3CaO.Al2O3) (4CaO.Al2O3.Fe2O3)
Tỷ lệ %
37 68
10 37
5 15
10 – 18
Đặc tính của từng pha:
*Alit (C3S): bao gồm 3CaO.SiO2 chiếm từ 4560% trong clinker.
Khoáng này phản ứng nhanh với nước, tỏa nhiều nhiệt, cho sản phẩm đông
rắn cao nhất sau 28 ngày. Đây là một pha quan trọng nhất của clinker.
*Belit( C2S): bao gồm 2CaO.SiO2 chiếm 2030% trong clinker.
Khoáng này phản ứng với nước tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm có độ đông
rắn chậm nhưng 28 ngày cũng đạt được yêu cầu bằng alit.
*Celit (C4AF): là khoáng chiếm 515% trong clinker, là khoáng cho
phản ứng tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm ứng với độ đông rắn thấp.
*Canxi aluminat (C3A): bao gồm 3CaO.Al2O3 chiếm 413%. Khoáng
này phản ứng nhanh với nước tỏa nhiều nhiệt. Cho sản phẩm phản ứng
ban đầu đông rắn nhanh nhưng sau đó lại chậm và kém alit.
1.2. Phản ứng thủy hóa của xi măng (4, 5, 6, 7, 8, 9, 17)
Khi trộn xi măng với nước các pha C3S, C2S, C3A, C4AF thực hiện
phản ứng thủy hóa. Tuỳ thuộc vào loại khoáng, hàm lượng khoáng, hàm
lượng pha thủy tinh mà khả năng tương tác của xi măng với nước là khác
nhau tạo nên pha kết dính CxSyHz và CxAyHz, Ca(OH)2 và Al(OH)3.
Quá trình hiđrat hoá tạo pha Pooclandit Ca(OH)2 và Al(OH)3 là những
hiđrôxit dễ tan trong nước và chúng để lại những lỗ trống mao quản đồng
3
thời quá trình bay hơi của nước dư trong thời kỳ hiđrat hoá tạo nên độ xốp,
rỗng trong vữa xi măng và bê tông.
1.2.1. Sự hydrat hóa của C3S (alit)
Thời kì ban đầu ngay khi đổ nước vào để trộn vữa bề mặt của hạt
C3S tan dần ra để cung cấp các ion Ca2+, OH, H2SiO42 vào dung dịch. Dần
dần dung dịch trở nên quá bão hòa Ca(OH) 2 và pha rắn này bắt đầu kết tủa
gọi là pha pooclandit. Lúc này có sự cạnh tranh nảy sinh các tinh thể
Ca(OH)2 và CSH. Ở điều kiện thường, phản ứng thủy hóa chỉ hoàn toàn
kết thúc sau thời gian 1 đến 1.5 năm và có thể viết như sau:
2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2
Phản ứng hydrat hóa của C3S tách ra Ca(OH)2. Hàm lượng C3S trong
xi măng chiếm tỷ lệ lớn nên lượng Ca(OH)2 tách ra khá lớn.
1.2.2. Sự hydrat hóa của C2S (Belit)
Phản ứng hydrat hóa của C2S tạo thành hydro silicat và một số lượng
Ca(OH)2,nhưng lượng Ca(OH)2 tách ra ở phản ứng này ít hơn ở phản ứng
thủy hóa của C3S.
2(2CaO.SiO2 )+ 4H2O → 3CaO.SiO2.3H2O + Ca(OH)2
1.2.3. Sự hydrat hóa của C3A (canxi aluminat).
Sự tác dụng tương hỗ giữa C3A và H2O sẽ sinh ra phản ứng và phát
ra một lượng nhiệt khá lớn theo phương trình sau:
3CaO.Al2O3 + 6H2O → 3CaO. Al2O3.6H2O
Phản ứng phụ: khi trong xi măng Pooclăng có mặt của thạch cao
sống thì sẽ tác dụng với thành phần C3A và hình thành một khoáng vật mới
gây trương nở thể tích theo phản ứng sau:
3CaO.Al2O3 + 3CaSO4.2H2O+ 26 H2O→ 3CaO. Al2O3. 3CaSO4.28H2O
4
1.2.4. Sự hydrat hóa của C4AF
Khi cho C4AF tác dụng với H2O trong điều kiện xi măng thủy hóa
hoàn toàn và hình thành một lượng vôi bão hòa thì phản ứng sẽ xảy ra trong
điều kiện nhiệt độ của môi trường theo phương trình phản ứng sau:
4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 12H2O →3CaO. Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.6H2O
1.3. Quá trình hình thành và tính chất cơ lý của đá xi măng (5, 7, 10, 11)
1.3.1. Định nghĩa ( 5, 7, 10)
Hỗn hợp bao gồm xi măng, cát và nước gọi là vữa xi măng, sau một
thời gian hydrat hóa tạo thành một khối rắn chắc gọi là đá xi măng.
Quá trình hình thành đá xi măng (Cơ chế đông rắn của vữa):
Bắt đầu từ khi trộn nước và hỗn hợp phối liệu (thường là 1 xi măng
3 cát) độ dẻo của vữa tăng dần. Phản ứng của C3A bắt đầu, những tinh thể
ettringit bắt đầu xuất hiện. Khoảng cách giữa các hạt xi măng chứa dung
dịch bão hòa SO42 và Ca2+ . Ngay tức khắc monosunfat được tạo thành, sản
phẩm này ngăn chặn sự tấn công ồ ạt của nước, quá trình hydrat hóa chậm
lại. Sau đó phản ứng kết tinh của silicat, aluminat phía trong màng, màng bị
phá vỡ và sự hydrat hóa xảy ra tiếp tục. Quá trình trên lặp lại nhiều lần,
hydrosilicat canxi, hydroaluminat canxi dạng sợi, dạng hình kim … được
tạo thành. Khi nồng độ cao SO42 và Ca2+ không còn đủ lớn tạo thành
ettringit, sự tạo thành gel CSH xảy ra liên tục. Chính nhờ cơ chế này mà
tạo nên cường độ của xi măng.
Người ta chia quá trình đóng rắn của đá xi măng thành các giai đoạn:
*Giai đoạn 1: Xảy ra sự khuếch tán các hạt xi măng vào trong nước,
các phân tử nước tấn công ồ ạt lên bề mặt các hạt xi măng. Bắt đầu hình
5
thành Ca(OH)2 và monosufat C3A.CaSO4.H2O (ettringit) trên bề mặt các hạt
khoáng. Giai đoạn kéo dài khoảng 10 phút và không tạo thành cấu trúc.
*Giai đoạn 2: Tốc độ phản ứng hydrat hóa chậm lại do keo
monosunfat hình thành bao bọc lấy các hạt xi măng, độ dẻo của vữa trong
giai đoạn này là ổn định, sau đó xuất hiện sự kết tinh của các tinh thể
silicat, aluminat phía trong phá hủy màng. Quá trình thủy hóa trên được lặp
đi lặp lại đến khi nồng độ SO42 không còn đủ để tạo thành ettringit, giai
đoạn này kéo dài khoảng 2 giờ và các gel CSH bắt đầu xuất hiện.
*Giai đoạn 3: Do nồng độ SO42 quá nhỏ, khả năng tạo lớp keo giả
bền và ettringit không còn nữa, tốc độ phản ứng tăng vọt, sự hình thành gel
CSH lấp đầy vào khoảng trống giữa các hạt xi măng rất nhanh chóng. Cứ
thế đá xi măng được tạo thành và cường độ của đá (tính theo cường độ
kháng nén) bắt đầu phát triển mạnh. Giai đoạn này kéo dài 24 giờ và phần
nhiều khoáng xi măng đã tham gia quá trình hydrat hóa.
*Giai đoạn 4: Sau 24 giờ tốc độ thủy hóa của các khoáng bắt đầu
giảm dần, cấu trúc bắt đầu ổn định và phản ứng thủy hóa vẫn tiếp tục với
phần khoáng còn lại.
1.3.2. Các tính chất cơ lý của xi măng (5, 10, 11)
1.3.2.1. Độ mịn của xi măng
Là đại lượng biểu thị cho kích thước của các hạt xi măng được thể
hiện bằng phần trăm còn lại trên sàng hay dưới sàng có kích thước lỗ nhất
định. Có độ mịn cao thì kích thước hạt xi măng nhỏ diện tích tiếp xúc của
các hạt xi măng với nước làm tăng nhanh quá trình thuỷ hoá của xi măng
làm cho xi măng dễ tác dụng với nước, rắn chắc nhanh.
Độ mịn được xác định bằng hai cách :
+ Sàng bằng Rây N0088 (4900 lỗ/cm).
6
+ Đo độ mịn theo phương pháp Blaine.
1.3.2.2.Lượng nước tiêu chuẩn
Là tỷ lệ nước và xi măng cần thiết đề thực hiện quá trình ban đầu
của sự đóng rắn tạo nên vữa xi măng có độ dẻo tiêu chuẩn.
Khi nước dư nhiều ảnh hưởng nhiều đến tốc độ phát triển cường
độ, cho cường độ thấp vì tạo độ xốp trong đá xi măng.
Xi măng pooclăng thường có lượng nước tiêu chuẩn từ 2430%.
1.3.2.3. Thời gian ninh kết của xi măng
Khi trộn xi măng với nước sẽ xảy ra phản ứng thủy hóa của các
khoáng trong xi măng, vữa tạo thành theo thời gian mất dần tính dẻo, sau
đó trở nên cứng và có thể chịu lực. Có 2 loại thời gian ninh kết:
+Thời gian bắt đầu ninh kết: Là thời gian từ khi bắt đầu trộn nước
đến trước khi vữa mất tính dẻo.
+Thời gian kết thúc ninh kết: Là thời gian từ khi trộn nước đến khi
vữa cứng lại và có thể chịu lực.
Thời gian ninh kết của đá xi măng phụ thuộc vào thành phần khoáng
clinker, lượng nước tiêu chuẩn, độ mịn của xi măng, nhiệt độ môi trường,
lượng và loại phụ gia pha.
1.3.2.4. Độ ổn định thể tích của đá xi măng
Trong suốt quá trình đóng rắn, thể tích của đá xi măng luôn thay đổi.
Nếu sự thay đổi này quá lớn hoặc quá nhanh sẽ gây ra rạn nứt công trình.
Sự không ổn định thể tích của xi măng là do oxit CaO và oxit MgO gây nên.
*MgO tự do: không tham gia vào quá trình tạo clinker mà sau khi xi
măng đóng rắn nó mới bị thủy hóa tạo Mg(OH)2 có thể tăng thể tích lên làm
đá xi măng bị nứt vỡ. Có trường hợp sau hai năm MgO mới bị thủy hóa, do
đó cần hạn chế lượng MgO < 5%.
7
*CaO tự do: không tham gia vào phản ứng tạo clinker mà nằm ở
dạng oxit canxi bị các chất nóng chảy bao bọc xung quanh nên bị thủy hóa
chậm gây nở thể tích làm rạn nứt đá xi măng.
Cũng có thể do cấp hạt xi măng quá lớn, làm tốc độ thủy hóa xảy ra
chậm, các sản phẩm gel CSH, aluminat, hình thành khi công trình ổn định
cũng gây ra sự mất ổn định thể tích.
Do vậy bất kì loại xi măng thành phẩm nào trên thị trường cũng phải
có cấp hạt và hàm lượng các chất nằm trong giới hạn cho phép.
1.3.2.5. Cường độ của xi măng (hay mác xi măng)
Cường độ xi măng là giá trị lực biểu thị giới hạn bền cơ học của đá
xi măng trên một đơn vị diện tích. Là chỉ tiêu quan trọng nhất của đá xi
măng, bao gồm độ bền uốn và độ bền nén của đá xi măng. Thông thường
người ta đo độ bền uốn và độ bền nén của đá xi măng được đúc theo tỷ lệ
xi măng/cát là 1/3 ở tuổi 28 ngày làm chỉ tiêu xác định mác xi măng.
Khi nghiên cứu về cường độ người ta thường quan tâm đến cường
độ kháng nén (Rn), cường độ khoáng uốn (Ru), cường độ kháng kéo (Rk)
của các mẫu thí nghiệm. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ mẫu của
mác xi măng, tỷ lệ các khoáng trong xi măng, lượng nước sử dụng, công
nghệ chế tạo và chất lượng thi công bêtông.
Muốn sản xuất bêtông có cường độ kháng cao thì phải dùng lượng
nước ít nhất để trộn vữa . Theo tác giả R.Feret thì công thức tính R n để biễu
diễn như sau:
Rn =K (X/N +N +A )2
Trong đó:
K: Hệ số tỷ lệ
N,X: Thể tích nước và thể tích xi măng
8
A:thể tích không khí
Dựa vào công thức trên thì giảm tỷ lệ N /X sẽ tăng độ bền uốn và
độ bền nén cho bêtông.
Một yếu tố quan trọng khác là tỷ lệ N/X đã thực hiện trong quá trình
trộn vữa, bởi chính yếu tố này tác động mạnh đến tỷ lệ lộ rỗng có trong xi
măng và cường độ của mẫu. Mặt khác nó cũng ảnh hưởng đến độ dẻo của
vữa xi măng và quả trình đầm vữa bọt khí thoát ra hay không phụ thuộc vào
độ dẻo của vữa. Do vậy tỷ lệ N/X càng cao thì cường độ của bêtông càng
giảm.
Cường độ của xi măng phát triển không đều: trong 3 ngày đầu có thể
đạt được 4050% mác xi măng, 7 ngày đầu đạt đến 6070 % . Trong những
ngày sau tốc độ tăng cường độ còn chậm hơn nữa, đến 28 ngày đạt được
mác. Tuy nhiên trong những điều kiện thụân lợi thì sự rắn chắc của nó có
thể kéo dài hàng tháng và thậm chí hàng năm, vượt gấp 23 lần cường độ
28 ngày. Có thể xem tốc độ phát triển cường độ trung bình của xi măng
tuân theo quy luật Logarit được cho bởi công thức:
R28 =Rn (lg28 /lgn)
R28 và Rn là cường độ của đá xi măng ở tuổi 28 ngày và n ngày (n>3
ngày).
1.3.2.6. Độ rỗng đá xi măng
Trong đá xi măng luôn có các lỗ rỗng (chiếm từ 2 – 30% tùy thuộc
vào chất lượng vữa xi măng). Kích thước các lỗ rỗng tùy thuộc vào tỷ lệ
nước/xi măng, phương pháp thi công, sử dụng phụ gia, chất lượng xi măng.
*Có thể phân chia lỗ rỗng theo kích thước của đá xi măng như sau:
+ Lỗ rỗng lớn: có kích thước lớn hơn 100µm.
+ Lỗ rỗng vừa: có kích thước từ 1.6 – 100µm.
9
+ Lỗ rỗng nhỏ: có kích thước từ 0.6 – 106 µm.
+ Lỗ rỗng siêu nhỏ: có kích thước nhỏ hơn 0.6µm.
*Lỗ rỗng có ảnh hưởng của chúng tới tính chất của đá xi măng.
+Lỗ rỗng có đường kính ≈ 2µm liên quan đến sự khuếch tán, xâm
thực của các ion như Cl, SO42 … làm ảnh hưởng đến độ bền vững của
công trình.
+Lỗ rỗng từ vài chục đến vài trăm µm liên quan đến sự thấm nước
và thấm khí của công trình.
Có hai loại lỗ rỗng đá xi măng: lỗ rỗng kín và lỗ rỗng hở, lỗ rỗng kín
không nối với mao quản chỉ ảnh hưởng đến cường độ của đá mà không
ảnh hưởng tới tính chống thấm của đá xi măng.
1.3.2.7.Độ thấm của đá xi măng
Đá xi măng cũng như bê tông là hệ nhiều pha gồm: cốt liệu, pha kết
dính CSH, clinker khan chưa hydrat hóa, Ca(OH)2, các hydrat của silicat,
aluminat và hệ thống các lỗ trống, mao quản có kích thước khác nhau. Tính
thấm của đá xi măng phụ thuộc vào sự có mặt của các pha đó và tương tác
của các pha với môi trường. Trong đó quan tâm nhất chính là tính thấm bao
gồm thấm khí, thấm nước và thấm muối tan. Tính thấm có liên quan rất
mạnh đến độ bền của công trình, tính thấm càng mạnh thì công trình càng
kém bền.
10
Để giảm bớt tính thấm của công trình cần phải có kĩ thuật tốt cũng
như phải sử dụng một số loại phụ gia đặc biệt để giảm tỷ lệ nước/xi
măng, giảm tỷ lệ lỗ trống, mao quản trong đá xi măng.
1.4. Vai trò của phụ gia xi măng (1, 2, 3, 13, 16, 18)
1.4.1. Định nghĩa về phụ gia xi măng (2, 3, 12, 13)
Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Phụ gia của xi măng là các hợp chất hóa
học được thêm vào xi măng để cải thiện tính năng của bê tông.
Theo tiêu chuẩn Mỹ: Phụ gia xi măng là một vật liệu được sử dụng
như một nguyên liệu của bê tông mà ngoài xi măng, nước, cốt liệu ra còn
được cho vào mẻ trộn hỗn hợp bê tông ngay trước khi trộn và trong quá
trình trộn.
1.4.2. Tính chất của phụ gia xi măng (2, 3, 12, 16)
*Cải thiện tính năng dễ dàng thi công của hỗn hợp bê tông và vữa:
+ Tăng độ linh động, độ sụt, kéo dài thời gian duy trì độ sụt mà
không cần làm tăng hay giảm lượng nước trộn.
+Làm chậm lại hoặc tăng nhanh quá trình liên kết ban đầu.
+Tạo khả năng chuyên chở bê tông tươi từ các trạm trộn ở xa đến vị
trí công trình.
+Tạo khả năng bơm bê tông lên cao để thi công nhà cao tầng, bơm đi
xa để thi công cầu, hầm hoặc công trình thủy lợi.
*Cải thiện tính chất của bê tông sau khi hóa cứng:
+Tăng cường độ sớm trong thời gian ban đầu để sớm tháo ván,
khuôn, sớm tạo ra ứng lực nhằm tăng nhanh tiến độ thi công.
+Tăng cường độ chịu nén, uốn, kéo.
+Tăng độ chống thấm.
11
+Làm chậm quá trình tỏa nhiệt hoặc giảm nhiệt lượng tỏa ra khi bê
tông đang hoá rắn để tránh các vết nứt do co ngót nhiệt đặc biệt là đối với
các công trình khối lớn như: thủy điện, đập nước...
+ Hạn chế sự nở thể tích do các phản ứng của các chất kiềm với các
thành phần của khoáng cốt liệu.
+Tạo sự bám dính chặt giữa các phần bê tông cũ và mới.
+Tạo màu sắc cho bê tông theo dự kiến.
Tuy nhiên với mỗi trường hợp sử dụng phụ gia nhất định cần phải
xem xét kỹ lưỡng và tính toán, thí nghiệm chu đáo để đảm bảo hiệu quả
cao.
1.4.3. Một số loại phụ thường được sử dụng (1, 3, 13, 16, 18)
1.4.3.1. Phụ gia hoạt tính puzơlan
Phụ gia khoáng hoạt tính puzơlan là phụ gia có nguồn gốc thiên nhiên
hay nhân tạo ở dạng nghiền mịn khi khuấy trộn tự nó không đóng rắn,
nhưng có khả năng phản ứng với vôi ở nhiệt độ thường tạo thành các sản
phẩm có hoạt tính kết dính. Khả năng liên kết vôi của phụ gia ở nhiệt độ
thường khi có mặt nước gọi là hoạt tính puzơlan. Độ hoạt tính của phụ gia
phụ thuộc vào thành phần hóa học và thành phần khoáng, tỉ lệ pha tinh thể
và pha thủy tinh, độ nghiền mịn của phụ gia. Số lượng và vôi thêm vào có
ảnh hưởng đến nhiệt động học ninh kết và rắn chắc của hệ cũng như
lượng nước tham gia hình thành pha hydrat. Hiện nay độ hoạt tính của phụ
gia khoáng được đánh giá thông qua chỉ số hoạt tính (với xi măng pooclăng
và vôi) và độ hút vôi, trong đó chỉ số hoạt tính với xi măng là quan trọng
nhất.
12
Căn cứ vào nguồn gốc tạo thành, Phụ gia hoạt tính puzơlan được
chia thành hai loại phụ gia nguồn gốc thiên nhiên và phụ gia nguồn gốc
nhân tạo.
Puzơlan thiên nhiên bao gồm: đất điatomit, đá phiến sét, tuyp và tro
núi lửa, đá bọt, đá bazan…
Pulơzan nhân tạo như: tro bay, tro trấu, xỉ lò cao, silicafum, sisex,
meta caolanh…
Phụ gia hoạt tính puzơlan chứa nhiều oxit silic, oxit nhôm ở dạng vô
định hình có hoạt tính. Do đó mà puzơlan có những đặc tính tốt như sau:
+ Hạ thấp lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình hydrat hóa và giảm co ngót do
nhiệt.
+ Giảm phản ứng hóa học của cốt liệu kiềm.
+ Tăng độ đặc chắn, tính chống thấm, tính bền của bê tông ở trong
nước và trong đất có tính chất ăn mòn.
+ Trước khi sử dụng thì puzơlan cần phải được gia nhiệt và nghiền
mịn để tăng hoạt tính. Tuy nhiên puzơlan có thể kéo dài thời gian đông kết,
làm chậm sự phát triển cường độ bêtông ở tuổi ban đầu 37 ngày, nhưng
cuờng độ bêtông ở tuổi 28 ngày vẫn đạt và thậm chí còn vượt bêtông
không chứa puzơlan.
+ Giảm nhiệt thủy hóa nên thích hợp với bêtông khối lớn.
+ Giảm lượng nước trộn hoặc tăng tính dễ đổ
Phụ gia trộn hỗn hợp hay có thể được nghiền riêng thành bột mịn để
pha vào bêtông và vữa trước khi trộn. Xỉ hạt lò cao thường được nghiền
mịn hơn xi măng, tỷ diện của nó lớn hơn 3500cm2/g, có khi tới 5000cm2/g,
xỉ càng mịn hoạt tính càng tăng.
13
1.4.3.2. Phụ gia siêu mịn
Phụ gia siêu mịn là loại phụ gia có kích thước cấp hạt bé hơn rất
nhiều so với cấp hạt của xi măng. Nó có tác dụng lấp đầy các hốc trống
trong bêtông, làm tăng chất lượng bê tông.
Phụ gia siêu mịn có hai loại: siêu mịn trơ và siêu mịn hoạt tính.
*Phụ gia siêu mịn trơ: chỉ có tác dụng bịt kín, lấp đầy các lỗ trống,
mao quản, làm tăng độ chắc đặc và giảm độ thấm của bê tông. Một số phụ
gia siêu mịn trơ thường dùng là CaCO3 siêu mịn, silic tinh thể.
*Phụ gia siêu mịn hoạt tính: là loại phụ gia vừa có cấp hạt bé hơn
nhiều cấp hạt ximăng, vừa có tác dụng như phụ gia siêu mịn trơ, vừa có
chức năng phản ứng với CaO, Ca(OH)2 trong bê tông để tạo thành các sản
phẩm có tính kết dính, trong đó chủ yếu có oxit silic ( SiO2) và oxit nhôm
(Al2O3) hoạt tính.
Ví dụ: oxit silic hoạt tính có thể xảy ra phản ứng sau:
2SiO2 + 3Ca(OH)2 = 3CaO.2SiO2.3H2O
3CaO.2SiO2.3H2O là pha CSH đóng vai trò là chất kết dính trong vật
liệu.
Do đó phụ gia siêu mịn hoạt tính làm tăng chất lượng bê tông đáng
kể. Các loại phụ gia siêu mịn hoạt tính hay dùng là tro trấu, tro bay, muội
silic (silicafume), xỉ lò cao, metacaolanh dạng hạt nghiền siêu mịn.
1.4.3.3. Phụ gia hóa dẻo
Chiếm vị trí chủ đạo trong số phụ gia hóa học, được sử dụng trong
công nghệ bêtông. Tác dụng của phụ gia dẻo, siêu dẻo được giải thích như
sau: bề mặt các hạt xi măng còn dư điện tích chưa bão hòa, do đó các hạt xi
măng có xu hướng dính kết lại với nhau khi tiếp xúc với chất lỏng phân
cực như nước làm giảm tính lưu biến của vữa. Muốn hạn chế sự kết dính
14
các hạt xi măng lại với nhau người ta sử dụng các loại polime tan. Polyme
bị hấp thụ lên bề mặt hạt xi măng làm cho nó bị phân tán dễ dàng trong môi
trường nước và không bị kết dính lại với nhau. Do đó mặc dầu dùng ít
nước nhưng vữa vẫn có độ lưu biến cao. Các hạt xi măng trượt dễ dàng
trong vữa trong quá trình hydrat hóa và sắp xếp đặc xít với nhau khi có lực
nén. Polyme nằm giữa các hạt xi măng sẽ sát nhập với sản phẩm hydrat
hóa tạo thành khối bêtông chắc đặc.
1.4.3.4. Phụ gia đóng rắn nhanh
Hỗn hợp nitrit, canxi clorua (CaCl2), natri clorua((NaCl), các muối này
khi tan phân li ra các cation và anion thúc đẩy đóng rắn của xi măng và khả
năng ức chế ăn mòn của canxi nitrit nên làm giảm một phần ăn mòn trong
cốt thép.
Canxi clorua (CaCl2) là phụ gia có tác dụng mạnh nhất trong các loại
phụ gia đông rắn nhanh. Loại này có chứa clo (Cl) ăn mòn cốt thép. Vì vậy
liều lượng sử dụng phụ gia này trong bê tông cốt thép không quá 2%, không
được sử dụng chúng trong các kết cấu thành mỏng, dự ứng lực, làm việc ở
điều kiện không thuận lợi.
1.4.3.5. Phụ gia chống ăn mòn cốt thép trong bêtông
Để bảo vệ cốt thép chống lại các tác nhân ăn mòn người ta sử dụng
nhiều phương pháp khác nhau như phủ cốt thép, tăng khả năng chống thấm
cho bê tông, tăng chiều dày lớp bêtông, dùng dòng điện ngoài… Một biện
pháp thông dụng nữa là sử dụng các phụ gia ức chế quá trình ăn mòn như
canxi nitrit.
1.4.3.6. Phụ gia tro bay
Tro bay là một puzơlan nhân tạo lấy từ chất lắng đọng trong quá
trình cháy của than chưa hết. Nó được thu lượm bằng máy tách cơ khí hay
15
máy tách tĩnh điện từ ống khói nhà máy nhiệt điện mà sử dụng than nghiền
làm nhiên liệu. Là một vật liệu rất mịn chủ yếu là các hạt thủy tinh nhỏ
hình cầu. Loại vật liệu này một thời đã được coi là rác thải khó xử lí và
khó phân hủy, nhưng hiện nay nó được coi là vật liệu có giá trị cao khi sử
dụng kết hợp như là một phụ gia.
Tro bay thu được từ nhà máy tách khí xoáy có kích thước hạt tương
đối lớn, trong khi đó tro bay thu được từ tấm hút tĩnh điện thì khá mịn và có
tỉ diện bề mặt tương đối lớn 30005000 cm2/g.
Vì vậy tro bay có cỡ hạt mịn hơn xi măng, thành phần chính là: SiO2,
Al2O3, CaO, MgO, SO3 …. Các đặc trưng quan trọng nhất trong việc sử
dụng phụ gia là hàm lượng cacbon phải thấp và SiO2 phải ở dạng bột mịn
và rời rạc.
*Ưu điểm của việc sử dụng tro bay:
+ Do kĩ thuật nghiền siêu mịn, mà lấp đầy các lỗ trống mao quản làm
tăng độ chắc đặc cho đá xi măng.
+ Khả năng hoạt tính của phụ gia đã làm giảm lượng Ca(OH)2 dễ
hòa tan trong xi măng và tạo thành gel CSH có khả năng rắn chắc:
2SiO2 + 3Ca(OH)2 = 3CaO.2SiO2.3H2O
+ Khắc phục đáng kể hiện tượng xâm thực của môi trường nước
biển chứa Cl ăn mòn mạnh cốt thép và gây phá hủy công trình.
* Với những ưu điểm khi sử dụng phụ gia tro bay được nêu trên vì
vậy hiện nay nhiều nước trên thế giới đã sử dụng tro bay của các nhà máy
nhiệt điện để làm phụ gia cho xi măng để sản xuất xi măng hỗn hợp PCB
được đưa ra ở bảng sau:
Các nước
Tỉ lệ % tro bay trong hỗn hợp xi
măng
16
Malaisia
Philipphin
Trung
6 – 50
< 40
15 –50
Quốc
Hàn Quốc
Nhật Bản
Châu Âu
Việt Nam
5 – 30
5 – 30
< 55
10 – 40
1.4.3.7. Phụ gia CMC
CMC (carboxymethyl cellulose, một dẫn xuất của cellulose với acid
chloroacetic) là một polymer, là dẫn xuất cellulose với các nhóm
carboxymethyl (CH2COOH) liên kết với một số nhóm hydroxyl của các
glucopyranose monomer tạo nên khung sườn cellulose, nó thường được sử
dụng dưới dạng muối natri carboxymethyl cellulose.
Dạng natri carboxymethyl cellulose có công thức phân tử là:
[C6H7O2(OH)x(OCH2COONa)y]n
Trong đó:n là mức độ trùng hợp. y là mức độ thay thế.
x = 1.502.80. y = 0.201.50. x + y = 3.0
Đơn vị cấu trúc với mức độ thay thế 0.20 là 178.14 đvC.
Đơn vị cấu trúc với mức độ thay thế 1.50 là 282.18 đvC.
Phân tử kích thước lớn khoảng 17.000 đvC (n khoảng 100).
*Tính chất: Là chế phẩm ở dạng bột trắng, hơi vàng, hầu như không
mùi hạt hút ẩm. CMC tạo dung dịch dạng keo với nước, không hòa tan
trong ethanol. Phân tử ngắn hơn so với cenllulose. Dễ tan trong nước và
rượu. Ở pH < 3 CMC bị kết tủa. Độ nhớt CMC giảm khi nhiệt độ tăng và
ngược lại. CMC tan hầu hết trong nước lạnh và được sử dụng chủ yếu để
kiểm soát độ nhớt mà không tạo gel (ngay cả khi có mặt ion Ca 2+). Khi tan
17
