Nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp phụ gia đá vôi tro bay đến tính chất cơ lý của xi măng poóc lăng hỗn hợp

TỐNG VIỆT QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----

TỐNG VIỆT QUANG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỖN HỢP
PHỤ GIA ĐÁ VÔI – TRO BAY ĐẾN TÍNH CHẤT CƠ LÝ
CỦA XI MĂNG POÓC LĂNG HỖN HỢP

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN THÀNH ĐÔNG

HÀ NỘI - 2019

1


TỐNG VIỆT QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS.
Nguyễn Thành Đông. Các số liệu và kết quả được trình bày trong luận văn này là trung
thực và chính xác, một số kết quả được trích dẫn từ các bài báo, sách đã được công bố.
Các kết quả này chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận

TỐNG VIỆT QUANG

2


TỐNG VIỆT QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Thành Đông đã tận tình
hướng dẫn tôi thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn cơ sở đào tạo, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã
tạo điều kiện thuận lợi về thời gian và cơ sở vật chất giúp tôi hoàn thành được luận văn
này.
Tôi xin cám ơn Lãnh đạo Viện Kỹ thuật Hóa học, các quý thầy cô trong Viện Kỹ
thuật Hóa học trong bộ môn Hóa Silicat đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình
thực hiện đề tài luận văn.
Cuối cùng tôi xin chân thành cám ơn Công ty Cổ phần xi măng Vicem Bút Sơn
đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập
và nghiên cứu.

3


TỐNG VIỆT QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ 4
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 7
Mục tiêu luận văn .......................................................................................................... 8
Đối tượng nghiên cứu .................................................................................................... 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XI MĂNG POÓC LĂNG ..................................... 9
1.1. Giới thiệu chung về xi măng poóc lăng ........................................................... 9
1.1.1. Khái niệm về xi măng poóc lăng .......................................................................... 9
1.1.2. Khái niệm về xi măng poóc lăng hỗn hợp ............................................................ 9
1.1.3. Thành phần của clinker xi măng poóc lăng .......................................................... 9

1.2. Phản ứng thủy hóa của xi măng .................................................................... 11
1.2.1. Sự hiđrat hóa của C3S (Alit) ............................................................................... 12
1.2.2. Sự hiđrat hóa của C2S (Belit) ............................................................................. 14
1.2.3. Sự hiđrat hóa của C3A (Canxi aluminat) ............................................................ 15
1.2.4. Sự hiđrat hóa của C4AF ...................................................................................... 15
1.2.5. Sự hydrat hoá các pha còn lại của clinker ........................................................... 16

1.3. Quá trình hình thành đá xi măng ................................................................. 17
1.4 Các tính chất cơ lý của xi măng .............................................................................. 20

1.5. Vai trò của phụ gia xi măng........................................................................... 23

1.5.1. Khái niệm phụ gia xi măng ................................................................................ 23
1.5.2. Một số loại phụ thường được sử dụng ................................................................ 24

1.6. Giới thiệu chung về đá vôi và tro bay ........................................................... 26
1.6.1. Tro bay …………………………………………………………………………26
1.6.2. Đá vôi…………………………………………………………………………..32
1.6.3. Một số nghiên cứu sử dụng hỗn hợp phụ gia đá vôi – tro bay ............................ 35

Kết luận .................................................................................................................. 36
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................... 38

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỐNG VIỆT QUANG

2.1. Quy trình nghiên cứu ..................................................................................... 38
2.2 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 38
2.3. Dụng cụ, thiết bị thử nghiệm ......................................................................... 39
2.3.1. Thiết bị đo tỷ diện Blaine ................................................................................................................ 39
2.3.2. Máy trộn ................................................................................................................................................... 40
2.3.3. Máy rằn..................................................................................................................................................... 40
2.3.4. Máy ép mẫu ............................................................................................................................................ 41

2.4. Phương pháp xác định cấu trúc của đá xi măng bằng chụp ảnh SEM ..... 42
2.5. Phương pháp phân tích Rơnghen ( nhiễu xạ tia X ).................................... 42
2.6. Nguyên liệu thử nghiệm ................................................................................. 43
2.6.1. Nguyên liệu ......................................................................................................... 43

2.6.2. Chuẩn bị mẫu ...................................................................................................... 44
2.6.3. Cấp phối thực nghiệm ........................................................................................ 45

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................................. 47
3.1. Kết quả khảo sát tro bay ................................................................................ 47
3.1.1. Hình dạng và cấu trúc hạt tro bay ....................................................................... 47
3.1.2.

Thành phần cỡ hạt của tro bay ............................................................... 48

3.1.3.

Thành phần khoáng, hóa của tro bay ..................................................... 49

3.1.4 Chỉ số hoạt tính cường độ của tro bay ................................................................. 50

3.2. Kết quả khảo sát đá vôi .................................................................................. 51
3.1.1. Thành phần cỡ hạt của đá vôi ............................................................................. 51
3.2.2. Thành phần và hoạt tính của đá vôi .................................................................... 52

3.3. Ảnh hưởng của hỗn hợp đá vôi-tro bay đến các tính chất cơ lý của xi
măng .............................................................................................................................. 52
3.3.1 Ảnh hưởng đến lượng nước tiêu chuẩn ................................................................ 52
3.3.2 Ảnh hưởng đến thời gian đông kết ....................................................................... 54
3.3.3 Ảnh hưởng đến độ ổn định thể tích ...................................................................... 55
3.3.4 Ảnh hưởng đến cường độ nén .............................................................................. 57

3.4. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng tương hỗ của đá vôi- tro bay với các tỷ lệ

2

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỐNG VIỆT QUANG

5% trong xi măng poóc lăng hỗn hợp: ...................................................................... 63
Kết luận ........................................................................................................................ 67
Kiến nghị ...................................................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 69

3


TỐNG VIỆT QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của clinker .................................................................... 10
Bảng 1.2: Thành phần pha của clinker ........................................................................... 10
Bảng 2.1.Phân loại tro bay theo ASTM C618 ............................................................... 28
Bảng 2.2. Phân loại tro bay theo TCVN 10302-2014 .................................................... 28
Bảng 2.4. Thành phần hóa học của clinker Bút Sơn (dây chuyền 1): ............................ 44
Bảng 2.5. Thành phần khoáng của clinker Bút Sơn (dây chuyền 1) .............................. 44
Bảng 2.6. Thành phần của thạch cao: ............................................................................ 44
Bảng 2.7. Độ mịn của mẫu nghiền: ................................................................................ 44
Bảng 2.8. Độ mịn đá vôi: ............................................................................................... 45
Bảng 2.9. Cấp phối hỗn hợp phụ gia đá vôi – tro bay 30%: .......................................... 45
Bảng 2.10. Cấp phối hỗn hợp phụ gia đá vôi – tro bay 5%: .......................................... 46

Bảng 3.3. Phân bố cỡ hạt tro bay: .................................................................................. 48
Bảng 3.4. Thành phần hóa của tro bay: .......................................................................... 49
Bảng 3.6. Thành phần khoáng của tro bay: .................................................................... 50
Bảng 3.7. Chỉ số hoạt tính cường độ của tro bay: .......................................................... 50
Bảng 3.9. Phân bố dải cỡ hạt:......................................................................................... 51
Bảng 3.10. Thành phần của đá vôi: ................................................................................ 52
Bảng 3.12. Độ dẻo của các cấp phối xi măng: ............................................................... 52
Bảng 3.14. Thời gian đông kết của các cấp phối xi măng: ............................................ 54
Bảng 3.16. Độ ổn định thể tích: ..................................................................................... 55
Bảng 3.18. Cường độ nén: ............................................................................................. 57
Bảng 3.25. Cường độ các cấp phối: ............................................................................... 63

4


TỐNG VIỆT QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.3 : Sự thay đổi tốc độ và mức độ hydrat hoá của đơn tinh thể C3S nghiền mịn (3
 5 m ) .......................................................................................................................... 13
Hình 1.4: Các tinh thể hydro canxi silicat tạo thành trên bề mặt của các hạt C3S. ........ 14
Hình 1.5: Vi cấu trúc hạt xi măng trong quá trình hidrat hóa. ....................................... 17
Hình 1.6: Sự thay đổi thành phần ion của nước trong lỗ rỗng của hồ XM đóng rắn (theo
số liệu của Ph.Lokher và V.Rikharts). ........................................................................... 18
Hình 1.7: Tốc độ toả nhiệt của XM hydrat hoá phụ thuộc vào hàm lượng CaSO4 ...... 19
Hình 1.8: Mô tả độ rỗng của đá xi măng ....................................................................... 23
Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên lý của máy phân tích nhiễu xạ tia X ...................................... 42
Hình 3.1. Ảnh chụp SEM của tro bay ............................................................................ 47

Hình 3.2. Phân bố dải hạt tro bay ................................................................................... 48
Hình 3.5. Các peak khoáng chất trong tro bay ............................................................... 49
Hình 3.13. Diễn biến lượng nước tiêu chuẩn của các cấp phối xi măng ....................... 53
Hình 3.15. Diễn biến thời gian đông kết của các cấp phối xi măng. ............................. 55
Hình 3.19. Diễn biến cường độ nén R1 của các cấp phối xi măng ................................ 58
Để đánh giá kết quả trên, đề tài đã tiến hành chụp ảnh SEM của các cấp phối Đ30T0,
Đ0T30 ở 1 ngày tuổi, kết quả được thể hiện trong các hình sau: .................................. 58
Hình 3.20. Ảnh chụp SEM-R1 cấp phối Đ30T0 ............................................................ 59
Hình 3.21. Ảnh chụp SEM-R1 cấp phối Đ0T30 ............................................................ 59
Hình 3.22. Diễn biến cường độ nén R3, R7 của các cấp phối xi măng ......................... 60
Hình 3.23. Diễn biến cường độ nén R28 của các cấp phối xi măng .............................. 61
Dưới đây là các ảnh chụp SEM của các cấp phối Đ30T0, Đ10T20 ở 28 ngày tuổi: ..... 61
Hình 3.24. Ảnh chụp SEM-R28 cấp phối Đ30T0 .......................................................... 62
Hình 3.25. Ảnh chụp SEM-R28 cấp phối Đ10T20 ........................................................ 62
Hình 3.27. Đồ thị diễn biến cường độ ............................................................................ 64
Hình 3.28. Ảnh chụp SEM-R1 cấp phối Đ2,5T2,5 ........................................................ 65
Hình 3.29. Ảnh chụp SEM-R28 cấp phối Đ2,5T2,5 ...................................................... 66

5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỐNG VIỆT QUANG

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
VLXD

Vật liệu xây dựng.

XMP

Xi măng Poóclăng

CLK

Clanhke

PGK

Phụ gia khoáng

FA

Tro bay nhiệt điện

TCVN

Tiêu chuẩn Quốc gia Việt Nam

QCVN

Quy chuẩn Quốc gia Việt Nam

ASTM

Tiêu chuẩn Mỹ

EN

Tiêu chuẩn Châu Âu

SEM

Phương pháp phân tích bằng kính hiển vi điện tử

XRAY

Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X

Rn

Cường độ nén theo ngày tuổi đá xi măng

CKT

Cặn không tan

MKN

Mất khi nung

Ctd

Vôi tự do

6


TỐNG VIỆT QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

PHẦN MỞ ĐẦU
Hiện nay các chủng loại xi măng Portland hỗn hợp đang chiếm tỷ trọng lớn
trong các chủng loại xi măng sản xuất. Để giảm chi phí sản xuất cũng như cải thiện
một số tính chất của xi măng, các Công ty đang đưa vào sử dụng các loại phụ gia tự
khai thác, sẵn có như đá vôi, đá sét… hoặc các loại phụ gia là phế phẩm của các nhà
máy khác như xỷ lò cao, tro bay…
Đối với đá vôi, trước đây nó chỉ được coi là phụ gia đầy, được thêm vào xi
măng để giảm chi phí sản xuất, tuy nhiên gần đây một số nghiên cứu đã cho thấy khi
thêm phụ gia đá vôi vào phối liệu nghiền xi măng thì nó cũng làm ảnh hưởng tới chất
lượng, tính công tác của xi măng. Hầu hết các nghiên cứu trước đây đều tập chung vào
nghiên cứu ảnh hưởng của độ mịn đá vôi đến quá trình thủy hóa của xi măng, cũng như
chưa có nhiều nghiên cứu ảnh hưởng của đá vôi khi có mặt các loại phụ gia khác trong
xi măng.
Đối với tro bay, đã có những công trình nghiên cứu cho thấy tro bay có tác
động tích cực đến các tính chất cơ lý của xi măng, đặc biệt là nó có khả năng tham gia
tạo thành các hợp chất CSH, CAH có lợi cho cấu trúc của đá xi măng. Tuy nhiên hiện
nay chưa có nghiên cứu về tác động của tro bay và hỗn hợp tro bay- đá vôi đến tính
chất của xi măng Poóc lăng sản xuất tại Bút Sơn.
Việc nghiên cứu sự có mặt đồng thời cả 2 cấu tử đá vôi và tro bay trong cấp
phối xi măng là cần thiết để mở rộng pham vi ứng dụng của các nguyên liệu này trong
sản xuất xi măng.
Công ty Cổ phần xi măng Vicem Bút Sơn đã đưa đá vôi và tro bay vào sử dụng
đối với các chủng loại xi măng Poóc lăng hỗn hợp tuy nhiên tỷ lệ pha vẫn đang ở mức
thấp. Do đó việc nghiên cứu pha hỗn hợp đá vôi- tro bay vào xi măng với tỷ lệ cao hơn
sẽ giúp Công ty có nhiều lựa chọn hơn trong sản xuất thực tế. Vì vậy, lựa chọn đề tài

7

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỐNG VIỆT QUANG

nghiên cứu làm luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật vừa mang tính khoa học, lại vừa mang tính
ứng dụng đem lại hiệu quả kinh tế cho Công ty.
Mục tiêu luận văn
Khảo sát ảnh hưởng của hỗn hợp đá vôi-tro bay với các tỷ lệ khác nhau đến các
chỉ tiêu cơ lý của xi măng Poóc lăng hỗn hợp.
Xác định tỷ lệ tối ưu khi sử dụng hỗn hợp phụ gia đá vôi- tro bay trong phối liệu
nghiền xi măng tại Vicem Bút Sơn.
Khảo sát tác động tương hỗ của đá vôi và tro bay nếu có đến các tính chất cơ lý
của xi măng PCB.
Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu trên cơ sở của hệ xi măng Poóc lăng hỗn hợp gồm clinker sản xuất
tại dây chuyền Bút Sơn 1, thạch cao Thái Lan, đá vôi mỏ Hồng Sơn- Bút Sơn, tro bay
từ nhà máy nhiệt điện Hải Phòng
Các tính chất cơ lý của xi măng cần khảo sát gồm thời gian đông kết, lượng
nước tiêu chuẩn, độ ổn định thể tích, cường độ nén.

8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỐNG VIỆT QUANG

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XI MĂNG POÓC LĂNG

1.1.

Giới thiệu chung về xi măng poóc lăng

1.1.1. Khái niệm về xi măng poóc lăng
Xi măng poóc lăng là chất kết dính thủy, được chế tạo bằng cách nghiền mịn
clinker xi măng poóc lăng với một lượng thạch cao cần thiết. Trong quá trình nghiền có
thể sử dụng phụ gia công nghệ nhưng không quá 1% so với khối lượng clinker.
Phụ gia công nghệ gồm các chất cải thiện quá trình nghiền, vận chuyển, đóng
bao và/hoặc bảo quản xi măng nhưng không làm ảnh hưởng xấu tới tính chất của xi
măng, vữa và bê tông.
1.1.2. Khái niệm về xi măng poóc lăng hỗn hợp
Xi măng poóc lăng hỗn hợp là loại chất kết dính thuỷ, được chế tạo bằng cách
nghiền mịn hỗn hợp clinker xi măng poóc lăng với các phụ gia khoáng và một lượng
thạch cao cần thiết hoặc bằng cách trộn đều các phụ gia khoáng đã nghiền mịn với xi
măng poóc lăng không chứa phụ gia khoáng.
Phụ gia khoáng để sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp phải thỏa mãn các yêu
cầu của TCVN 6882 : 2001 và quy chuẩn sử dụng phụ gia trong sản xuất xi măng.
Tổng lượng các phụ gia khoáng (không kể thạch cao) trong xi măng poóc lăng
hỗn hợp, tính theo khối lượng xi măng, không lớn hơn 40% trong đó phụ gia đầy
không lớn hơn 20%.
1.1.3. Thành phần của clinker xi măng poóc lăng
Clinker xi măng poóc lăng là sản phẩm chứa các pha (khoáng) có tính chất kết
dính thủy lực, sản phẩm nung đến kết khối hỗn hợp phối liệu có đủ thành phần cần
thiết để tạo thành khoáng silicat canxi độ bazơ cao.
Clinker xi măng poóc lăng là clinker xi măng chứa các khoáng canxi silicat,

9

TỐNG VIỆT QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

canxi aluminat và canxi fero aluminat với tỷ lệ xác định.
Clinker xi măng poóc lăng là nguyên liệu đầu vào của quá trình sản xuất xi
măng poóc lăng. Clinker xi măng poóc lăng thường có cấu trúc phức tạp (có nhiều
khoáng ở dạng tinh thể và một số khoáng ở dạng vô định hình). Clinker xi măng poóc
lăng được tạo thành do quá trình nung luyện phối liệu trong lò nung, nhiệt độ nung
luyện vào khoảng 1450oC. Chất lượng của clinker phụ thuộc vào thành phần khoáng
vật, hóa học và công nghệ sản xuất.
Thành phần hóa học và thành phần khoáng của clinker được trình bày trong
bảng 1.1 và 1.2.
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

20 ÷ 22

2÷4

Ngoài ra còn có những tạp chất không mong muốn như MgO khoảng 1 ÷ 5%,
ôxit kiềm 0.5 ÷ 3%.
Bảng 1.2: Thành phần pha của clinker
Thành

C3S

phần pha (3CaO.SiO2)
Tỷ lệ %

C2S

C3A

(2CaO.SiO2) (3CaO.Al2O3)

45 ÷ 72

10 ÷ 25

5 ÷ 15

C4AF
(4CaO.Al2O3.Fe2O3)
10 ÷ 18

Đặc tính của từng pha:
Alit (C3S): bao gồm 3CaO.SiO2 chiếm từ 45 ÷ 72% trong clinker. Khoáng này
phản ứng nhanh với nước, tỏa nhiều nhiệt khi thủy hóa, 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 10 ÷ 25% trong clinker. Khoáng này
phản ứng với nước tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm có độ đông rắn chậm nhưng sau 28

10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỐNG VIỆT QUANG

ngày cũng đạt được yêu cầu bằng alit.
Celit (C4AF): bao gồm 4CaO.Al2O3.Fe2O3 chiếm 10 ÷ 18% trong clinker, là
khoáng cho phản ứng tỏa ít nhiệt và cho sản phẩm phản ứng với độ đông rắn thấp.
Canxi aluminat (C3A): bao gồm 3CaO.Al2O3 chiếm 5 ÷ 15%, 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 hơn alit.
1.2.

Phản ứng thủy hóa của xi măng
Nói chung, sự hydát hoá là quá trình tương tác của chất kết dính với nước tạo

thành các hợp chất hydrat. Trong đa số các trường hợp, sự hydrat hoá xảy ra ở nhiệt độ
thường, một số các trường hợp đặc biệt, ví dụ khi chưng hấp bê tông quá trình hydrat
hoá xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cao. Khi hydrat hoá các khoáng clanhke tạo thành các
tinh thể khác nhau về thành phần và cấu trúc của các hợp chất hydro canxi silicat,
aluminat và alumoferit , các dung dịch rắn của chúng và các hợp chất phức hợp, khi đó

một phần từ chúng được tách ra ở trạng thái ẩn tinh (dạng gel). Sự đa dạng của các tinh
thể hydrat trong đá XM làm cho việc nghiên cứu nó trở nên rất phức tạp [2].
Cơ chế tương tác của các tinh thể khoáng với nước [2]:
Khi các phân tử nước tiếp xúc với bề mặt của các tinh thể thì ở gần đó có thể
xảy ra các quá trình sau:
1. Sự hấp phụ các phân tử nước lên bề mặt của các tinh thể, quá trình này có
thể dẫn đến sự điện ly một phần các phân tử nước thành các ion H+ và OH-;
2. Sự tương tác của các ion H+, OH- và các phân tử nước lưỡng cực với các
trung tâm hoạt tính trong lớp bề mặt của các tinh thể với sự tạo thành ban đầu là các
liên kết yếu còn sau đó là các liên kết chặt chẽ hơn;
3. Sự phát triển quá trình trao đổi ion dạng Ca2+  2H+ dẫn đến sự di chuyển
một phần đơn vị cấu trúc của tinh thể (Ca2+, Al3+, Mg2+, Na+, K+, SiO42- v.v..) vào dung

11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỐNG VIỆT QUANG

dịch nước làm thay đổi thành phần pha lỏng và dẫn đến sự kết hợp của H+, OH- và các
phân tử nước lưỡng cực với các đơn vị cấu trúc khác của tinh thể tạo thành các mầm
ban đầu của các hợp chất hydrat hoá là Ca(OH)2, CaHx, CxSyHz và v.v..;
4. Song song với các ion trao đổi được chuyển mạnh vào dung dịch còn có cả
các ion hydrat hoá Ca(OH)+, H2SiO42- v.v.., dẫn đến sự bão hoà và quá bão hoà của
dung dịch nước bởi các ion tương ứng.
1.2.1. Sự hiđrat hóa của C3S (Alit):
Sự hydrat hoá của C3S - Alít tạo thành các hydro canxi silicat và Ca(OH)2. Khi
hydrat hoá C3S trong hồ (tỷ lệ nước/khoáng (N/K) = 0,4  0,7) ở điều kiện thường phản
ứng chỉ hoàn toàn kết thúc sau 1  1,5 năm. Thành phần cuối cùng của các sản phẩm

phản ứng theo số liệu của các nhà nghiên cứu khác nhau như sau [2] :
2(3CaO. SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 + H

(1.4)

3CaO. SiO2 + 3H2O = 2CaO.SiO2.2H2O + Ca(OH)2 + H

(1.5)

Quá trình hydrat hoá của C3S có thể chia thành 4 giai đoạn (hình 1.2) như sau:

12


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỐNG VIỆT QUANG

Hình 1.3 : Sự thay đổi tốc độ và mức độ hydrat hoá của đơn tinh thể C3S nghiền mịn (
3  5 m ) [2]
a - Đường cong tốc độ toả nhiệt khi hydrat hoá ( I, II, III, IV - các giai đoạn của quá
trình toả nhiệt và hydrat hoá )
b - Đường cong phát triển mức độ hydrat hoá
c - Sơ đồ tạo thành cấu trúc khi hydrat hoá (1 - phần C3S; 2 - lớp vỏ ban đầu trên hạt từ
các pha hydrat; 3 - các mầm của tinh thể to bên dưới của lớp vỏ; 4 - các pha hydrat hạt
mịn, 5 - các tinh thể to ở bên ngoài của lớp vỏ )
Giai đoạn I: Sự hydrat hoá nhanh phần bề mặt của các khoáng tạo thành lớp
màng mỏng (vỏ bọc) từ gel của các hợp chất hydrat và sau đó bị chậm dần, giai đoạn
này kéo dài khoảng 15  20 phút.
Giai đoạn II (thời kỳ cảm ứng) xảy ra quá trình tạo mầm và phát triển tương đối

chậm của các tinh thể hydro canxi silicat và Ca(OH)2.
Giai đoạn III là giai đoạn tăng tốc độ hydrat hoá đến cực đại.
Giai đoạn IV tốc độ phản ứng bị giảm dần phụ thuộc vào tốc độ phá huỷ lớp vỏ
bọc liên tục được tạo ra từ các sản phẩm mới.
Mức độ hydrat hoá C3S ở nhiệt độ 2980K theo thời gian như sau: sau 1 ngày: 25 
35%; sau 10 ngày: 55  65%; sau 28 ngày: 78  80%.

13


TỐNG VIỆT QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.4: Các tinh thể hydro canxi silicat tạo thành trên bề mặt của các hạt C3S [2].
1.2.2. Sự hiđrat hóa của C2S (Belit):
Phản ứng hydrat hoá C2S và các dung dịch rắn của nó tạo thành các hydro canxi
silicat thành phần khác nhau và số lượng Ca(OH)2 nào đó. Khi hydrát hoá C2S trong hồ
có N/K = 0,7 thậm chí sau vài năm phản ứng chỉ đạt đến 85% và tương ứng ở giai đoạn
này có phương trình phản ứng như sau:
2CaO.SiO2 + 3H2O = CaO. SiO2.2H2O + Ca(OH)2
Phản ứng xảy ra với lượng nhiệt toả ra 250  290 kJ/kg.

(1.6)

Thành phần hoá học của các hydro canxi silicat được tạo thành khi hydrat hoá
C2S thay đổi theo thời gian hydrat hoá. Các tinh thể C-S-H ban đầu có dạng hình kim
và tập trung xung quanh các hạt C2S bị hydrat hoá. Ở giai đoạn sau tạo thành các tinh
thể hydro canxi silicat dạng tấm. Tốc độ hydrat hoá C2S nhỏ hơn so với C3S và phụ
thuộc vào cấu tạo tinh thể của khoáng, thành phần của dung dịch nước và điều kiện xảy

ra phản ứng. Do tác động của các yếu tố đã chỉ ra, mức độ hydrat hoá C2S có thể là :
sau 1 ngày : 5  10%; sau 10 ngày: 10  20%;
sau 28 ngày: 30  50%; sau 5  6 năm:

100%

14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỐNG VIỆT QUANG

Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng -C2S tổng hợp hydrat hoá chậm hơn belit
trong thành phần XMP. Nguyên nhân của đặc trưng hydrat hoá rất phức tạp của các
dung dịch rắn của C2S chính là sự ổn định của chúng ở các trạng thái cấu trúc khác
nhau. Người ta đã cho rằng hoạt tính hydrat hoá của  , ' và -C2S cao nhưng khác
nhau còn  -C2S không bị hydrat hoá. Tốc độ hydrat hoá C2S tăng lên trong dung dịch
nước chứa CaSO4 và CaCl2 hoà tan.
1.2.3. Sự hiđrat hóa của C3A (Canxi aluminat):
Trong quá trình hydrat hoá C3A tách ra các hydro canxi aluminat khác nhau,
nhưng ở giai đoạn đầu có 4CaO.Al2O3.19H2O và 2CaO.Al2O3.8H2O. Phản ứng có thể
xảy ra theo sơ đồ:
2(3CaO.Al2O3) + 27H2O = 2CaO.Al2O3.8H2O + 4CaO.Al2O3.19H2O

(1.7)

3CaO.Al2O3 + 6H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O

(1.8)

Phản ứng hydrat hoá C3A xảy ra rất nhanh và sau 1 ngày đã đạt đến 70 - 80%.
Khi hydrat hoá C3A có thể tạo thành đồng thời các hydrat C3AH6 và AH3, C4AH19 và
C2AH8. Nếu trong nước trộn có mặt các ion SO42- thì sản phẩm hydrat hoá C3A sẽ là
khoáng 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O - hydro canxi trisunfo aluminat hay còn gọi là
Ettringit.
3CaO.Al2O3 + 3CaSO4 + 32H2O = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

(1.9)

Trong trường hợp nếu các ion SO42- trong dung dịch không đủ để liên kết tất cả
hydro canxi aluminat thành Ettringit, thì các tinh thể Ettringit và hydro canxi aluminat
tương tác với nhau tạo thành hydro canxi monosunfo aluminat:
2(C3AH6 ) + 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O = 3(3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O) + 8H2O

(1.10)

Các tinh thể Ettringit hình kim hoặc hình lăng trụ tạo thành ở gần bề mặt của hạt
C3A cũng như ở khoảng trống giữa các hạt. Các tinh thể hydro canxi monosunfo
aluminat có dạng tấm. Khi có mặt các ion SO42- tốc độ hydrat hoá C3A bị chậm lại.
1.2.4. Sự hiđrat hóa của C4AF:
Phản ứng hydrat hoá cũng xảy ra theo các sơ đồ phức tạp và tạo thành các tinh

15


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỐNG VIỆT QUANG

thể hydrat khác nhau:
4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 13H2O = 4CaO.Al2O3.Fe2O3.13H2O

(1.11)

4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 10H2O = 3CaO.( Al,Fe)2O3.6H2O + Ca(OH)2 + Fe2O3.3H2O (1.12)
Sản phẩm trung bình của sự hydrat hoá canxi alumoferit có dạng C2AH8, dung
dịch rắn cao sắt C4(A1 - xFx) H19 , gel Fe2O3. Tốc độ hydrat hoá C4AF ở giai đoạn đầu
lớn: qua 3 ngày mức độ hydrat hoá của khoáng đạt đến 50  70%. Khi trộn C4AF với
dung dịch nước chứa Ca(OH)2 và CaSO4 hoà tan ở giai đoạn đầu tạo thành các hydro
canxi sunfo aluminat dạng Trisunfo và dạng Monosunfo, chứa Fe2O3 ở dạng dung dịch
rắn.
1.2.5. Sự hydrat hoá các pha còn lại của clanhke:
CaO và MgO tự do bị thuỷ phân tạo thành Ca(OH)2 (portlandit) và Mg(OH)2
(bruxit). Sự tương tác của chúng với nước xảy ra chậm kèm theo sự tăng thể tích có thể
là nguyên nhân không ổn định thể tích của đá xi măng trong thời gian đóng rắn về sau
(khoảng sau 10 năm) [2].
Pha thuỷ tinh của clanhke xi măng Poóc lăng bị hydrat hoá rất nhanh tạo thành
các dung dịch rắn của các canxi alumoferit thành phần 3CaO.Al2O3..Fe2O3.6H2O và
các hydrogrannat có công thức chung 3CaO.(Al,Fe)2O3.xSiO2 (6-2x)H2O. Cả hai dạng
hợp chất này đều tạo thành ở điều kiện thường nhưng sự kết tinh rõ ràng của chúng chỉ
xảy ra ở nhiệt độ cao (373  4730K) và áp suất cao.

16


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỐNG VIỆT QUANG

Hình 1.5: Vi cấu trúc hạt xi măng trong quá trình hidrat hóa.
1.3.

Quá trình hình thành đá xi măng
Quá trình hydrat hoá xi măng poóc lăng cũng giống như quá trình hydrat hoá

C3S có thể chia ra thành một loạt các giai đoạn liên tiếp, mặc dù trong trường hợp này
ranh giới giữa các giai đoạn riêng không rõ ràng lắm. Có thể chia ra các giai đoạn sau :
- Giai đoạn I (giai đoạn ban đầu) trải qua 1  3 giờ.
- Giai đoạn II: kết thúc sự tạo thành Etringit kéo dài khoảng đến 24 h.
- Giai đoạn III: kết thúc sự đóng rắn (đến hydrát hoá hoàn toàn).
Do tính chất phức tạp về thành phần và cấu trúc vi tinh thể của các hợp chất
hydrat hoá được tạo thành ở các giai đoạn khác nhau của quá trình hydrat hoá xi măng
nên việc nhận biết chúng là rất khó khăn và chỉ có thể đưa ra các số liệu gần đúng. Quá
trình tạo khoáng khi hydrat hoá xi măng đã được O.P.Mtređlov - Petrosian và V.
Rikharts mô tả như sau [2] :

17


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỐNG VIỆT QUANG

a). Giai đoạn ban đầu: Ngay sau khi các hạt xi măng tiếp xúc với nước, trên bề mặt
tiếp xúc ngay lập tức xảy ra phản ứng hoà tan của các tinh thể khoáng khan nước và kết
quả là nước trộn trở thành bão hoà bởi các ion Ca2+, SO42-, OH-, K+, Na+... Sự quá bão
hoà nhanh của dung dịch nước bởi các ion Ca2+ do sự thuỷ phân C3S kèm theo sự tách
ra của Ca(OH)2, sau đó nồng độ Ca2+ trong nước giảm đến trạng thái bão hoà hoặc quá
bão hoà yếu.

Hình 1.6: Sự thay đổi thành phần ion của nước trong lỗ rỗng của hồ XM đóng rắn
(theo số liệu của Ph.Lokher và V.Rikharts).
Ettringit kết tinh từ dung dịch quá bão hoà dưới dạng lăng trụ ngắn, khi giảm nồng độ
của dung dịch đến trạng thái bão hoà thì nó kết tinh dưới dạng tinh thể hình kim và
lăng trụ dài. Ngoài các tinh thể Ca(OH)2 và Ettringit được tạo thành trong dung dịch,
còn có cả các tinh thể C4AH13 tạo thành kết tủa ở dạng vỏ chặt trên các hạt xi măng
giàu C3A và C4AF, lớp màng đó cản trở sự khuếch tán của nước đến phần chưa hydrat
hoá của chúng và tự nó làm chậm quá trình hydrat hoá.
Tốc độ của quá trình hydrat hoá (được biểu thị bằng tốc độ toả nhiệt) bị thay đổi phụ
thuộc vào hàm lượng CaSO4 pha vào xi măng (tính theo SO3).

18


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỐNG VIỆT QUANG

Hình 1.7: Tốc độ toả nhiệt của XM hydrat hoá phụ thuộc vào hàm lượng CaSO4 [2] 11,25% SO3; 2- 2,4% SO3; 3- 3% SO3.
Theo sự tăng hàm lượng SO3 sự toả nhiệt giảm và dãn ra theo thời gian, điều này liên
hệ với sự tạo thành và sự phá huỷ có tính chất chu kỳ của lớp vỏ từ các tinh thể
Ettringit trên các hạt xi măng (các điểm cực đại trên đường cong).
b). Giai đoạn thứ hai: Đây là giai đoạn phản ứng bị kìm hãm (giai đoạn cảm ứng) kéo
dài 1  3 giờ (thậm chí lâu hơn), sau đó do sự phá huỷ của lớp vỏ bởi sự lớn lên của
các tinh thể Ettringit và Ca(OH)2 mà quá trình tạo thành các hydrat (trong đó có cả
Ettringit) lại tăng nhanh.
c). Giai đoạn thứ ba: Sau khoảng 4  6 giờ từ lúc bắt đầu quá trình hydrat hoá là giai
đoạn phản ứng tăng tốc. Theo mức độ tích luỹ các sản phẩm mới của phản ứng, phần
vỏ bị phá huỷ được hàn lại và quá trình hydrat hoá lại bị cản trở cho đến khi lớp vỏ bị

phá huỷ do các tinh thể Ettringit. Chỉ sau khi giảm nồng độ ion SO42- trong dung dịch
đến cân bằng thì khả năng kết tinh tiếp tục của Ettringit dưới lớp vỏ và sự phá vỡ của
nó mới bị triệt tiêu. Quá trình liên kết của các ion SO42- (được chuyển vào dung dịch)
thành Ettringit kết thúc sau khoảng 1 ngày hydrat hoá.
d). Giai đoạn cuối: Tốc độ của quá trình bị giới hạn bởi tốc độ khuếch tán của các phân
tử nước qua lớp vỏ dày đặc đến các hạt xi măng chưa hydrat hoá. Vì lớp vỏ này ngày
càng dày lên nên tốc độ của quá trình ngày càng chậm hơn và sự hydrat hoá kéo dài
thậm chí đến 10 năm.

19


LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.4

TỐNG VIỆT QUANG

Các tính chất cơ lý của xi măng

1.4.1. 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. Độ mịn được xác định bằng hai cách:
Phương pháp sàng: Độ mịn là tỷ lệ phầm trăm của lượng xi măng còn lại trên
sàng so với lượng xi măng đem sàng.
Đo độ mịn theo phương pháp Blaine: Độ mịn của xi măng được tính theo bề
mặt riêng bằng cách xác định thời gian cần thiết để một lượng không khí nhất định
thấm qua một lớp mẫu xi măng lèn, có kích thước và độ xốp xác định.
1.4.2. Lượng nước tiêu chuẩn
Là tỷ lệ nước cần thiết để 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 poóc lăng
thường có lượng nước tiêu chuẩn từ 24 - 30%.
1.4.3. Thời gian đông 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 đông kết:
Thời gian bắt đầu đông kết: Là thời gian từ khi bắt đầu trộn nước đến trước khi
vữa mất tính dẻo.
Thời gian kết thúc đông kết: Là thời gian từ khi trộn nước đến khi vữa cứng lại
và có thể chịu lực.
Thời gian đông 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 vào.

20


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỐNG VIỆT QUANG

1.4.4. 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 ôxit CaO và ôxit 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%.

CaO tự do: không tham gia vào phản ứng tạo clinker mà nằm ở dạng ôxit 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 C-S-H, 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.
1.4.5. 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 kháng 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
bê tông. Muốn sản xuất bê tông có cường độ kháng nén cao thì phải dùng lượng nước ít
nhất để trộn vữa . Theo tác giả R.Feret thì công thức tính Rn để biễu diễn như sau:

21


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỐNG VIỆT QUANG

Rn=K (X/N +N +A)2
Trong đó:
K: Hệ số tỷ lệ
N, X: Thể tích nước và thể tích xi măng

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 bê tông.
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 bê tông càng giảm. Cường độ của xi măng phát triển không đều: trong
3 ngày đầu có thể đạt được 40 - 50% mác xi măng, 7 ngày đầu đạt đến 60 - 70% .
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 2 - 3 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)
1.4.6. 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.
Lỗ rỗng có ảnh hưởng của chúng tới tính chất của đá xi măng.

22