Bài giảng Vật liệu xây dựng: Chương 8 - ĐH Bách khoa TP.HCM

Xi-măng và phụ gia khoáng thay thế
cho xi-măng

Vật Liệu Xây Dựng

XiXi-măng Portland,
Portland,
NHỮ
NHỮNG NHẮ
NHẮC LẠ
LẠI

(Construction Materials)
Bộ môn Vật liệu Silicat
Khoa Công Nghệ Vật Liệu
Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

Nguồn : USGS Mineral Commodity summaries 2012

Dự đoán sản xuất và tiêu thụ XM

Nguồn: European Cement Research Academy (2006)

Mtons of cement

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-2

8-3

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-4

1


Phối liệ
liệu di chuyển theo nhiệt độ
độ nung tăng dầ
dần

Qui trình công nghệ sản xuất

Klg

ĐÁ VÔI

Sấ y

LÒ QUAY

Calciner

Biế
Biến đổ
đổi
hóa

hóa lý
lý

Làm
Làm nguộ
nguội

TP KHÁC

SÉT

Đá vôi

Phản
Phản ứng
tạo
ng
tạo khoá
khoáng

Aluminat
Mỏ nguyên
liệu

Gia công nghiền, đồng
nhất thành phần

Nung lò quay

Tạo và ủ

clinker

Nghiền xi- măng

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-5

SP Clinker xi-măng Portland

Quartz
Sét
Sét
Quặ
Quặng sắ
sắt

Pha lỏ
lỏng

Thờ
Thời gian nung trong lò
lò
VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-6

Nghiền clinker + thạch cao

C3S,

Alite
Clinker

C2S,
Belite
Các
Các pha
C3A, C4AF
và phầ
phần
pha lỏ
lỏng,
thủy
thủy tinh
khi nung
chảy
chảy
VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

PG thạ
thạch cao

TP khá
khác

- Phụ gia công
nghệ
nghệ, tr
trợ nghiề
nghiền

- Phụ gia đầ
đầy,Phụ
y,Phụ
gia khoá
khoáng là
làm
thành
thành phầ
phần thay thế
thế
clinker XM
8-7

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-8

2


Kích thước hạt

Chất lượng xi-măng
Kiểm soát độ mịn nghiêm ngặt

% tí
tích lũ
lũy

Blaine, 3200-3700 cm2/g

Chủ yếu
1010-50µ
50µm

Loại khác
4000-5000 cm2/g

GiỚ
GiỚI HẠ
HẠN SÓ
SÓT SÀ
SÀNG
80mm, ≤ 15% theo
TCVN 40304030-85

hoặc 2000-3000 cm2/g

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-9

8-10

XRF

Thành phần

Qúa trình xi-măng thủy hóa

4040-60%

13%

1515-35%

9%

4-14%

9%

1010-18%

tự do
Cặn ko tan

Kiể
ng trương nở
Kiểm soá
soátt để tránh
tránh hiệ
hiện tượ
tượng
nở
MgO 4%; CaO tự
tự do 1,5%
VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

Ca3SiO5
Ca2SiO4
Ca3Al2O6
Ca4(Al,Fe)2O10
CaSO4

C3S
C2S
C3A
C4AF
CŜ

THỦY HÓA

8-11

TT đóng rắn

59%

TT vữa

Nước
59%
13%
9%
9%
4%

C-S-H + CH

Nhào trộn

Tỉ lệ N/X

Thi công,
đổ khuôn

Tính công tác,
phụ gia hóa học

THỦY HÓA

THỦY HÓA

Ma trận sp CSH

C6Ŝ3AH32 + C4ŜAH12

Lỗ rỗng

Biến dạng, co
ngót

Cường độ

Nứt, gãy

Tính bền

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-12

3


Biểu hiện thông qua nhiệt phản ứng
2%

Hòa
Hòa
tan
VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

Hòa tan 3h

8-13

Đóng rắn 10h

50%

25%

ắn
Đóng rrắ

Nhiệ

ệt ttỏ
ỏa ra theo ASTM C 186
Nhi

Đóng rắn trong dung dịch

P.ứ.
xảy
xảy
ra rấ
rất
chậ
chậm

P.ứ.
nhanh
tạo
tạo CH,
CSH

P.ứ. ch
chậm
dần tiế
tiếp tụ
tục
tạo
tạo CH, CSH

tgian

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-14

Cấu trúc sp thủy hóa
Lỗ rỗng
Cốt liệ
liệu

C-S-H ngoà
ngoàii
dung dị
dịch
C-S-H trên bề
bề
mặt
Hạt
Hạt XM khan,
chưa thủy
thủy hó
hóa
Các
Các CC-H

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

24hrs

8-15

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-16

4


C3A
Nhiệ
ệt ttỏ
ỏa ra theo ASTM C 186
Nhi

2%

50%

25%

ắn
Đóng rrắ

10ph

Hòa
Hòa tan,
hấp thụ
thụ
một phầ
phần

SO42-

P.ứ. xả
xảy ra rấ
rất
chậ
chậm

24 gi
giờ

Ettringite

P.ứ. tạ
tạo
ettringite

tgian
P.ứ. tạ
tạo
ettringite+C3A tạ
tạo
monosulfate

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

Monosulfate
7 ngà
y
ngày

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-17

Các thành phần sp thủy hóa
48%

Ảnh
hưởng của
nhiệt độ

8-18

Nhiệ
Nhiệt
p.ứ.
tỏa
tỏa ra

14%
tgian
C-S

11%
16%

C-S-H, T<900C

BẢO

NG
BẢO DƯỠ
DƯỠNG

C-S-H, T<200C

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

# 3%
3% không
không pứ
pứ
8-19

C-S-H cà
càng đặ
đặc chắ
chắc ở T cao, khoảng
khoảng

0C 70phụ
VLXD-Xi-măng và
gia cho xi-măng

8-20

5

PHỤ GIA KHOÁNG HỌẠT TÍNH
CHO XI MĂNG VÀ BÊ TÔNG

limestone tự nhiên, đá vôi
Pozzolan

XỉBlast
lò cao

Clinker

+

Fly Ash
Tro
bay

Thạch cao
VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-21

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-22

Cơ chế hoạt tính

Tổng quan

Hoạt tính pozzolanic

1. Phân loại phụ gia cho xi măng và bê tông
Phụ gia cho xi măng và bê tông được chia làm 3 nhóm chính:
- Phụ gia khoáng hoạt tính (PGKHT)
- Phụ gia hóa học (Phụ gia hóa dẻo hay siêu dẻo).
- Phụ gia đầy

- Phụ gia khoáng hoạt tính khi sử dụng cho bê tông thông
thường có hàm lượng không vượt quá 60%.

2. Phụ gia khoáng hoạt tính:
Là những phụ gia khi sử dụng với xi măng portland làm tăng
một số tính chất của quá trình đóng rắn xi măng (tính thủy lực)
hoặc có hoạt tính pozzolanic, hoặc có cả hai tính chất trên.
VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

- Là khi những vật liệu chứa SiO2 vô định hình hoặc các
alumosilicat ở có kích thước hạt rất bé, khi có mặt ẩm thì
xảy ra phản ứng hóa học với Ca(OH)2 (sản phẩm của quá
trình hydrate hóa xi măng) tạo thành những hợp chất có
tính chất như sp thủy hóa của xi măng.

8-23

Phụ gia khoáng hoạt tính có thể có khả năng biểu hiện tính
thủy lực. Tính thủy lực của phụ gia càng cao khi hàm
lượng CaO trong phụ gia càng cao.
VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-24

6


Thành phần, nguồn gốc

THÀNH PHẦN HÓA PHỤ GIA KHOÁNG

PGKHT có thành phần chủ yếu SiO2, Al2O3 hoạt tính hoặc Al2O3,2SiO2 và
CaO
SiO2, Al2O3 hoạt tính,Al2O3. 2SiO2 + H2O, Ca(OH)2→ CSH, CAH bền vững
và làm tăng cường độ của đá xi măng.
Lấp đầy các khoảng trống do các hạt cốt liệu, các lỗ trống do quá trình
mất nước của gel để lại
PGKHT và nguồn gốc:
Tro bay loại C (nhiệt điện)
Meta-Kaolanh (khoáng kaolinite tự
nhiên)
Silica-Fume (khói silic lò điện)
Tro bay loại F (nhiệt điện)
Xỉ (luyện thép)
Đá phiến nung (đá vôi phiến tự nhiên)
VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

% klg

Tro bay
loại F

Tro bay
loại C

Xỉ lò cao

Silica fume

Đá phiến
nung

Metakaolin

SiO2

52

35

35

90

50

53

Al2O3

23

18

12

0,4

20

43

Fe2O3

11

6

1

0,4

8

0,5

CaO

5

21

40

1,6

8

0,1

SO3

0,8

4,1

9

0,4

0,4

0,1

Na2O

1,0

5,8

0,3

0,5

—

0,05

K2O

2,0

0,7

0,4

2,2

—

0,4

Khác

2,2

6,3

0,6

1,9

—

0,3

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-25

8-26

Một số chỉ tiêu
Tro bay loại F

MKN, %
Blaine,
cm2/g
KL riêng

2,8

Tro bay
loại C

Xỉ lò
cao

0,5

2000 -7000 2000 -7000
(4200)

(4200)
2,38

2,65

Silica
fume

Đá phiến
nung

Meta-kaolin

1,0

3,0

3,0

0,7

4000

200,000

7300

190,000

2,94

2,40

2,63

2,50

Hàm lượng sử dụng của một số phụ gia khoáng hoạt tính

Hàm lượng sử dụng, % xi măng
Tro bay loại F

15 - 20
VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-27

Tro bay loại C

15 - 40

Xỉ lò cao

30 - 45

Silica fume

Đá phiến nung

5 - 10

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

15 - 35

Meta-kaolin

7 - 10
8-28

7


Chỉ số hoạt tính PGKHT
Mức độ hoạt tính của phụ gia khoáng hoạt tính được đánh giá
- Độ hút vôi, theo TCVN 3735-1982→ Thể hiện hoạt tính
pozzolanic thang đo YẾU – TRUNG BÌNH – MẠNH.
- Chỉ số hoạt tính cường độ IR, theo TCVN 6882-2001:

IR =

RB
× 100
RA

Trong đó:
- RB: Cường độ 28 ngày của hỗn hợp
gồm 80% ximăng và 20% phụ gia
- RA: Cường độ của xi măng

Gía trị IR < 75%, phụ gia không có hoạt tính

Hoặc trường hợp PGK hoạt tính cao TCVN 4315 – 2007, thay
thế 50%, yêu cầu gía trị I7ngR > 55% và I28ngR > 75%
VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-30

Thành phần của một số phụ gia pozzolan tự nhiên

Nhóm Pozzolan tự nhiên

Meta-Kaolin

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-29

SiO2,

Al2O3

Fe2O3

CaO

SO3,

Na2O

K2O

MKN

Metacaolanh

53

43

0,5

0,1

0,1

0,05

0,4

0,7

Sét nung

58

29

4

1

0,5

0,2

2

1,5

Đá phiến
nung

50

20

8

8

4

-

-

3

Một số chỉ tiêu phụ gia pozzolan tự nhiên

SEM của Meta-Kaolin

- Hoạt tính chủ yếu pozzolanic, nhờ quá trình xử lý nhiệt hay
nghiền nguyên liệu aluminosilicat tư nhiên.

Chỉ tiêu

- Sét diatomite nung, opal, đá phiến nung, meta-kaolin, tro núi lửa,
đá pumit

Đất sét nung

Đá phiến nung

Meta-kaolin

Hàm lượng sử dụng, %

15 – 35

5-10

≤10

Diện tích bề mặt, cm2/g

6500-13500

7300

190000 - 200000

2,40 -2,61

2,63

2,50

Khối lượng riêng

- Không mang tính kết dính thủy lực
VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

Oxít, %

8-31

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-32

8


Nhóm phụ gia xỉ

Nhóm Pozzolan tự nhiên
Ảnh hưởng của nhóm puzzolan tự nhiên.
- Làm tăng tính công tác của hỗn hợp bê tông

- Tăng khả năng bơm
- Giảm nhiệt thủy hóa của xi măng

SEM của xỉ
Slag

- Có khả năng làm tăng cường độ (đặc biệt là metakaolanh)

- Xỉ là phế phẩm tạo thành của ngành công nghiệp luyện kim
- Thành phần chủ yếu là SiO2 vô định hình và các alumosilicat
của CaO như C2S, C4AF, CaO và MgO vô định hình.
- Kích thước hạt của xỉ thường < 45µm.
- Xỉ có thể là chất kết dính độc lập (sử dụng đến 75% với xỉ-XM)

- Làm giảm phản ứng alkali silica với cốt liệu

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-33

PG xỉ

8-34

PG Xỉ
Phân loại xỉ: theo ASTM C989
- Xỉ mác 80: có hoạt tính thấp.
- Xỉ mác 100: có hoạt tính trung bình

- Xỉ mác 120: có hoạt tính cao.
Một số chỉ tiêu của xỉ

Oxit

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

SO3

Na2O

K2O

%KL

34 -37

10 -13

~ 1,0

38 - 44

8 - 11

0,3 –0,5

0,3- 0,5

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-35

MKN, %

Diện tích bề mặt
riêng, cm2/g

Khối lượng riêng,
g/ cm3

Hàm lượng sử
dụng

<1,5

4000-6000

2,85-2,95

30 - 45%

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-36

9


PG Xỉ

PG Xỉ
Ảnh hưởng của xỉ đến tính chất của vữa XM, bê tông
- Giảm lượng nước sử dụng
- Tăng thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết
- Giảm lượng nhiệt của quá trình hydrat hóa
- Giảm phản ứng akali – cốt liệu, tăng khả năng chống phản ứng
hóa học môi trường axit HCl
25
24.5
24
23.5
23
22.5
22
21.5
21
20.5
20

Thời gian, phút

Tỷ lệ nước/xi măng, %

Nước tiêu chuẩn xi măng xỉ

0

5

10

15

20

25

30

35

Hàm lượng xỉ, %

40

45

50

Thời gian đông kết xi măng xỉ

340
320

300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0

Bắt
đầu
Kết
thúc

0

5

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

10 15 20 25 30 35 40 45 50
Hàm lượng xỉ, %

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-37

PG Xỉ

8-38

PG Tro bay

SEM của tro bay

Fly Ash

- Là sản phẩm của quá trình cháy của nhiên liệu (than và các thành phần
khác) trong các nhà máy nhiệt điện.
- Thành phần chủ yếu là các SiO2, Al2O3 pha thủy tinh và các oxít Fe2O3,
CaO. Trong tro bay hàm lượng pha tinh thể rất ít, có thể có mulite….
Tro bay có cỡ hạt từ 1-100µm, cỡ hạt trung bình khoảng 20µm có dạng
hình cầu hoặc hình cầu rỗng
- Có thể có tính thủy lực (loại C)

Cấu trú
c đặ
trúc
đặc chắ
chắc hơn khi có xỉ
VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-39

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-40

10


PG Tro bay

PG Tro bay

Phân loại
Theo ASTM C618, tro bay được phân loại theo hàm lượng CaO và C dư
- Loại F: hàm lượng CaO ≤ 10% và C dư ≤ 5%
- Loại C: hàm lượng CaO có thể đến 30% và C dư ≤ 2%

Thành phần hóa của tro bay
Oxit
%KL

SiO2

Al2O3

Fe2O3

Loại C

30- 38

15 - 20 5 - 8

Loại F

48 - 55 20 - 26 8 - 15

CaO

SO3

Một số chỉ tiêu của tro bay
Tính chất

MKN, %

Diện tích bề mặt
riêng, cm2/g

Khối lượng
riêng, g/ cm3

Hàm lượng
sử dụng

Loại C

< 0,7

>4000

2,68

15 – 40%

Loại F

<3,5

>4000

~2,38

15 - 20%

Ảnh hưởng PG tro bay đến lượng nước sử dụng

Na2O

K2O

20 - 28 3 - 5

4-7

< 1,3

Loại tro
bay

Lượng tro bay, %lượng xi
măng sử dụng

Lượng nước sử dụng thay
đổi, %

<8

1-2

1-4

C

25

-5

F

25

-7

C

50

-10

50

-15

< 1,5

F
VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-41

PG Tro bay

8-42

PG Tro bay

Ảnh hưởng của tro bay làm giảm khả năng tách nước phân tầng của
hỗn hợp bê tông
Loại tro bay

% độ giảm tách nước
%
ml/cm2

- Loại C
- Loại F

0,34

0,011

1,31

0,044

Không phụ gia

1,75

0,059

Ảnh hưởng đến tính chất của BT đóng rắn
- Làm giảm nhiệt thủy hóa của xi măng
- Làm giảm khả năng phản ứng kiềm ASR
- Tăng khả năng chống ăn mòn do p.ứ. hóa học của BT

Tăng thời gian đóng rắn của hỗn hợp BT
Loại tro bay

Thời gian đông kết, giờ:phút

Chênh lệch thời gian, giờ:phút

Bắt đầu

Kết thúc

Bắt đầu

Kết thúc

- Loại C

4:40

6:15

0:25

0:45

- Loại F

4:50

6:45

0:35

1:15

4:15

5:30

—

—

Không phụ gia

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-43

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-44

11


PG Silica Fume

PG Tro bay

Tổng quan về silica fume
SEM của Silica fume

-

Silica fume

Ảnh hưởng đến ARS của
tro bay và xỉ

Là sản phẩm của quá trình sản
xuất sắt silic hoặc hợp kim fero
silicon trong lò điện vòm EAF

Thành phần hoá của Silicafume

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

Oxit

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

SO3

%KL

> 85

< 1,5

< 1,0

1,5 – 2,5

< 1,5 < 1,0

K2O
<4

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-45

PG Silica Fume

Na2O

8-46

PG Silica Fume

Chủ yếu chứa các SiO2 hoạt tính ở pha thuỷ
tinh và có cở hạt rất mịn dạng hình cầu, kích
thước từ 0,1 - 1µm, tức 1/100 hạt xi măng.

- Hoạt tính pozzolanic rất cao
- Không mang tính thủy lực.
- Khả năng lấp đầy lớn vì kích thước hạt bé, dễ phân tán

Một số chỉ tiêu của silica fume
Các hạt Silica fume chưa phản ứng
trong ma trận sp thủy hóa
Phổ XRD của silica fume
VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-47

MKN, %

Diện tích bề mặt
riêng, cm2/ g

Khối lượng riêng,
g/cm3

Hàm lượng sử
dụng

<5

~200,000

~2,4

5-10%

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-48

12


Ảnh hưởng của PGK đến t/c hỗn hợp bêtông

PG Silica Fume
Ảnh hưởng của silicafume

TRO
BAY

XỈ

Silica
fume

Pozzolan
TỰ NHIÊN

Lượng nước nhào trộn

Giảm

Giảm

Tăng

Không xác
định

Tính công tác

Tăng

Tăng

Giảm

Tăng

Giảm

Không xác
định

Giảm

Không xác
định

Lượng khí chứa

Giảm

Không xác
định

Giảm

Không xác
định

Nhiệt tỏa của Hydration

Giảm

Giảm

Không xác
định

Giảm

Thời gian đông kết

Tăng

Tăng

Không xác
định

Không xác
định

Tăng

Tăng

Tăng

Tăng

Tính chất

-

Tăng lượng nước nhào trộn.

-

Gỉam khả năng tách nước, phân tầng của hỗn hợp vữa và bt

-

Tăng cường độ của vữa hoặc bê tông rất mạnh

-

Giảm p.ư. ASR và tăng khả năng chống phản ứng hoá học
môi trường axit.

Khả năng tách nước, phân
tầng

Khả năng bơm
VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-49

Ảnh hưởng của PGK đến t/c hỗn hợp bêtông
Tính chất

TRO BAY

XỈ

Silica
fume

Pozzolan
TỰ NHIÊN

Cường độ

Không xác
định

Không xác
định

Tăng

Không xác
định

Chống mài mòn

Không xác
định

Không xác
định

Không xác
định

Không xác
định

Độ co khô

Không xác
định

Không xác
định

Không xác
định

Không xác
định

Phản ứng alkali ASR

Giảm

Giảm

Giảm

Giảm

Chống phản ứng hoá học

Tăng

Tăng

Tăng

Tăng

Không xác
định

Không xác
định

Không xác
định

Không xác
định

Cacbonat hoá

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-51

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-50

Mục tiêu chung giảm sử dụng clinker

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-52

13


Nguồn PG khoáng thay thế xi-măng

1995-2009

Nguồn Holcim (2011)

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-53

VLXD-Xi-măng và phụ gia cho xi-măng

8-54

14